CN117707270A - 一种多相交错稳压器及其控制电路 - Google Patents

一种多相交错稳压器及其控制电路 Download PDF

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陈健乐
张桂东
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Abstract

本发明公开了一种多相交错稳压器及其控制电路，该稳压器包括：输入电源、2N个开关管、N个电感器、输出电容、输出电阻。该稳压器将N个偏置绕组串联连接搭建电桥，再利用磁通相消，消去主绕组和偏置绕组之间的耦合，因此电桥上没有感应电流，当稳压器进入瞬态时，改变磁芯在磁化曲线上的工作区域，通过电桥使得所有电感器的瞬态等效电感降低，以此提升稳压器的瞬态响应速度，且无论电路相数多少，都只需一个控制电路，实现了稳压器更快的瞬态响应和更低的成本。同时公开了该稳压器的控制电路，通过电流传感器、瞬态控制器、偏置电路之间的相互配合改变磁芯在磁化曲线上的工作区域，利用电桥改善稳压器的瞬态性能。

Description

一种多相交错稳压器及其控制电路
技术领域
本发明涉及稳压器技术领域，具体为一种多相交错稳压器及其控制电路。
背景技术
计算机是当今社会最强大的工具，己经应用于生产生活的各个领域。微处理器是整个计算机系统的核心环节，是计算机系统性能的决定因素。随着现代微处理器的发展，单位面积上晶体管数量的增加，其需要大电流来维持运行，这要求自稳压器的快速瞬态响应，而想要提高瞬态响应速度就必须减小电感来增大电流的变化率或者更大的输出电容使得瞬态时的过冲和下冲足够小，但是更小的电感和更大的电容分别降低了效率和增加了成本，并且更小的电感意味着更大的电流纹波。
因此，如何提供一种解决上述问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。
发明内容
本发明公开了一种多相交错稳压器及其控制电路，该稳压器包括：输入电源、2N个开关管、N个电感器、输出电容、输出电阻。该稳压器将N个偏置绕组串联连接搭建电桥，再利用磁通相消，消去主绕组和偏置绕组之间的耦合，因此电桥上没有感应电流，当稳压器进入瞬态时，改变磁芯在磁化曲线上的工作区域，通过电桥使得所有电感器的瞬态等效电感降低，以此提升稳压器的瞬态响应速度，且无论电路相数多少，都只需一个控制电路，实现了稳压器更快的瞬态响应和更低的成本。同时公开了该稳压器的控制电路，通过电流传感器、瞬态控制器、偏置电路之间的相互配合改变磁芯在磁化曲线上的工作区域，利用电桥改善稳压器的瞬态性能。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种多相交错稳压器及其控制电路，包括输入电源、2N个开关管、N个电感器、输出电容、输出电阻，其中：
所述2N个开关管包括N个上桥臂开关管和N个下桥臂开关管；
所述2N个开关管和所述偏置开关管为场效应管，开关管的第一端为场效应管的漏极，开关管的第二端为场效应管的源极，开关管的第三端为场效应管的栅极；
所述N个电感器包括N个主绕组和N个偏置绕组；
所述电源的正极与所述N个上桥臂开关管的第一端连接；
所述电源的负极与所述N个下桥臂开关管的第二端、输出电容的第二端、输出电阻的第二端连接；
所述N个主绕组的第i个主绕组的第一端与所述N个上桥臂开关管的第i个上桥臂开关管的第二端、所述N个下桥臂开关管的第i个下桥臂开关管的第一端连接；
所述N个主绕组电感的第二端与输出电阻的第一端、输出电容的第一端连接；
所述第i个主绕组和第i个偏置绕组之间的耦合系数为0；
所述第i个主绕组包括左主绕组和右主绕组；
所述N个偏置绕组通过串联连接；
所述主绕组具有第一电感值，以及偏置绕组流入直流电流时主绕组具有第二电感值，所述第二电感值小于第一电感值。
其中，i＝1，2，3…N，N≥2且为整数；
其中，N≥2且为整数。
可选地，所述N个电感器分别对应一个独立的磁芯，即有N个磁芯；
优选地，所述N个电感器对应的磁芯为对称的双E型磁芯，主绕组绕制在磁芯两侧腿，偏置绕组绕制在磁芯中心腿。
可选地，所述N个主绕组中每一个主绕组匝数相等，所述左主绕组和右主绕组匝数相等，所述N个偏置绕组中每一个偏置绕组匝数相等。
可选地，所述N个主绕组中的第i个主绕组在磁芯中心腿产生的交流磁通相互抵消，主绕组在偏置绕组中产生的感应电压为0；所述N个偏置绕组(Nb1～NbN)通过串联连接搭建的电桥中的感应电流为0；
其中，N≥2且为整数。
可选地，一种用于所述的一种多相交错稳压器的控制电路，包括：电流传感器、瞬态控制器、偏置电路；
所述电流传感器的第一端和所述输出电阻(Ro)的第一端连接；
所述电流传感器的第二端和所述瞬态控制器的第一端连接；
所述瞬态控制器的第二端和所述偏置电路的第三端连接；
所述偏置电路的第一端和所述N个主绕组(Na1～NaN)的第1个主绕组连接；
所述偏置电路的第二端和所述N个主绕组(Na1～NaN)的第N个主绕组连接；
所述电流传感器，检测总的电感电流io；
所述瞬态控制器，接收所述电流传感器的信号，当电流io满足等式io>|1.3×iopp/2|时，输出信号；
所述偏置电路，受控于所述瞬态控制器，产生直流电流流过所述电桥；
其中，|1.3×iopp/2|为电流io留有30％裕量的稳态峰峰值的绝对值。
可选地，所述瞬态控制器中的iopp值为稳态时的电流io的峰峰值，所述瞬态控制器中的iopp值为新的稳态时的iopp值。
相比于现有技术，本发明案例实施具有以下有益效果：
多相稳压器将每相磁芯的偏置绕组串联连接搭建电桥，利用磁通相消，消去主绕组和偏置绕组之间的耦合，改变N个磁芯在磁化曲线上的工作区域，多相稳压器进入瞬态，瞬态等效电感大大降低，提升多相稳压器的瞬态响应速度，且无论电路相数多少，都只需一个控制电路，实现了稳压器更快的瞬态响应和更低的成本。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下文对现有技术和实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，下述附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实施例的一种多相交错稳压器及其控制电路的拓扑结构示意图；
图2为本实施例的双E型磁芯的绕组绕制实例图；
图3为本实施例的一种多相交错稳压器及其控制电路的N个双E型磁芯的绕组绕制实例图；
图4为本实施例的一种多相交错稳压器及其控制电路的电感变化的工作原理实例图；
图5为本实施例的一种多相交错稳压器及其控制电路的电流突然减小然后恢复稳态的实例图；
图6为本实施例的一种多相交错稳压器及其控制电路的电流突然增大然后恢复稳态的实例图；
图例说明：Vin为直流电源、S1到SN为N个上桥臂开关管、Q1到QN为N个下桥臂开关管、La1到LaN为N个主绕组电感，V1，V2，…，VN为每相电感的电压，I1，I2，…，IN为每相电感的电流。
具体实施方式
为使本发明实施例中的目的、技术方案和特点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1，本实施例的一种多相交错稳压器及其控制电路，包括：输入电源(Vin)、2N个开关管(S1～SN、Q1～QN)、N个电感器、输出电容(Co)、输出电阻(Ro)；
所述2N个开关管(S1～SN、Q1～QN)，开关管的第一端为场效应管的漏极，开关管的第二端为场效应管的源极，开关管的第三端为场效应管的栅极；
所述2N个开关管包括N个上桥臂开关管(S1～SN)和N个下桥臂开关管(Q1～QN)；
所述N个电感器包括N个主绕组(Na1～NaN)和N个偏置绕组(Nb1～NbN)；
所述输入电源(Vin)的正极与所述N个上桥臂开关管(S1～SN)的第一端连接；
所述输入电源(Vin)的负极与所述N个下桥臂开关管(Q1～QN)的第二端、输出电容(Co)的第二端、输出电阻(Ro)的第二端连接；
所述N个主绕组(Na1～NaN)的第i个主绕组(Nai)的第一端与所述N个上桥臂开关管(S1～SN)的第i个上桥臂开关管(Si)的第二端、所述N个下桥臂开关管(Q1～QN)的第i个下桥臂开关管(Qi)的第一端连接；
所述N个主绕组(Na1～NaN)的第二端与输出电阻(Ro)的第一端、输出电容(Co)的第一端连接；
所述N个偏置绕组(Nb1～NbN)通过串联连接；
所述第i个主绕组(Nai)和第i个偏置绕组(Nbi)之间的耦合系数为0；
所述第i个主绕组(Nai)包括左主绕组(Nai-L)和右主绕组(Nai-R)；
所述电流传感器的第一端和所述输出电阻(Ro)的第一端连接；
所述电流传感器的第二端和所述瞬态控制器的第一端连接；
所述瞬态控制器的第二端和所述偏置电路的第三端连接；
所述偏置电路的第一端和所述N个主绕组(Na1～NaN)的第1个主绕组连接；
所述偏置电路的第二端和所述N个主绕组(Na1～NaN)的第N个主绕组连接；
所述电流传感器，检测总的电感电流io；
所述瞬态控制器，接收所述电流传感器的信号，当电流io值满足等式io>|1.3×iopp/2|时，输出信号；
所述偏置电路，受控于所述瞬态控制器，产生直流电流流过所述电桥；
其中，|1.3×iopp/2|为电流io留有30％裕量的稳态峰峰值的绝对值；
其中，i＝1，2，3…N，N≥2且为整数。
为了说明本发明的有益之处，以下将进行公式推导证明本发明所提供的多相稳压器具有快速的瞬态响应，且无论电路相数多少，都只需一个控制电路。
在多相稳压器处于稳态时，系统总的等效电感Lotr1为La/N；
在多相稳压器进入瞬态时，电流io的值大于绝对值|1.3×iopp/2|，电流传感器输出信号到瞬态控制器中，瞬态控制器产生驱动信号发送到偏置电路中，偏置电路向电桥施加直流电流idc，此时磁芯中流过的总磁通量φ不仅有流经主绕组的交流电流ia产生的磁通量Φc，还有直流电流idc通过偏置绕组产生的直流磁通量Φdc，由于导磁材料物理结构的限制，流过磁芯的磁通量有限，因此磁通量Φdc使得磁芯饱和，可以让磁芯在磁化曲线的工作点从线性区域变化到饱和区域，磁导率μ1大幅度减小为μ2，而磁阻与磁导率的关系如下：
其中，A为横截面积，l为长度。
又因为电感与磁阻的关系为：
可得La的值为：
其中，N’为绕组匝数。
因此，随磁导率μ1减小为μ2，磁阻R增大，此时主绕组电感减小为La’，
而由于所有的主绕组电感都变为La’，瞬态等效电感Lotr1通过电桥的作用也在瞬间减小为Lotr2：
Lotr2＝La'/N
因此总的电感电流变化率增大，提升了多相稳压器的瞬态响应速度。
一旦瞬态完成，多相稳压器重新回到稳态，磁芯在磁化曲线上的工作点将回到线性区域，磁导率μ增大，受控绕组电感的值增大，此时每相等效电感值较大，以保持稳态时的低电流纹波。
稳压器瞬态包含电流增大和电流减小两种情况：
在电流增大后的稳态，所述主绕组(Na1～NaN)为第一电感值；
在电流减小后的稳态，所述主绕组(Na1～NaN)为第一电感值；
仅仅在瞬态发生时，所述主绕组(Na1～NaN)为第二电感值。
又因为：
所以稳压器在稳态时，每一相的电感大，使得电流纹波小；
稳压器在稳态时，每一相的电感小，导致瞬态等效电感小，所以电流变化率快，瞬态响应速度快。
其中，N’为绕组匝数，N≥2且为整数。
实施例2
请参阅图2，本发明提供了一种多相交错稳压器及其控制电路的使用双E型磁芯的实施例，包括：主绕组、偏置绕组；
从图2中可以清晰的看到，主绕组绕制在双E型磁芯的两侧腿上，分为左主绕组Na-L和右主绕组Na-R交流电流流过主绕组分别产生两个交流通量，分别由左主绕组产生的顺时针方向流通的ΦL、右主绕组产生的顺时针方向流通ΦR，由于绕制方式的特殊性使得Na-L＝Na-R，即使得ΦL＝ΦR，因此使得主绕组Na和偏置绕组Nb之间没有耦合关系，即主绕组上的交流电流不会在偏置绕组上产生感应电压。
实施例3
请参阅图3，本发明提供了一种多相交错稳压器及其控制电路的使用双E型磁芯连接的实施例，包括N个双E型磁芯；
所述N个双E型磁芯包括N个主绕组Na1～NaN和N个偏置绕组Nb1～NbN；
所述N个主绕组包括左主绕组Na-L和右主绕组Na-R；
其中，i＝1，2，3…N，N≥2且为整数。
从图3中可以清晰的看到，所述N个双E型磁芯主绕组绕制在双E型磁芯的两侧腿上，形成左主绕组和右主绕组，绕线引出为两端子；
所述双E型磁芯在中心腿绕线形成偏置绕组，并且与主绕组没有耦合关系，偏置绕组通过串联连接，搭建电桥，电桥中没有主绕组感应出的感应电流；
只有系统进入瞬态时，偏置电路产生的直流流经电桥，改变磁芯的饱和程度，进而改变其在磁化曲线上的工作区域，通过电桥改变多相稳压器的所有磁芯的瞬态等效电感，达到一个控制电路控制所有磁芯电感变化的效果。
实施例4
如图4所示，本发明公开实施例所提供的一种多相交错稳压器及其控制电路的实现快速瞬态响应的原理，具体如下：
当多相稳压器工作在稳态时，各相电路通过交错并联的开关模式进行工作，每一相电路中的电流通过主绕组，此时磁芯中的磁通量Φc由交流电流ia通过主绕组产生，如图4中a图所示，此时受控绕组所在磁芯在磁化曲线上的工作区域为线性区域，如图4中c图的点1，为稳态工作点；
当多相稳压器进入瞬态时，通过瞬态控制器使得偏置电路的导通，偏置电路产生直流电流idc流过偏置绕组，此时不仅有交流电流ia通过主绕组产生的交流磁通量Φac-flux，还有直流电流idc通过偏置绕组产生的直流磁通量Φdc，如图4中b图所示，由于直流磁通量Φdc的加入，使得磁芯中流过的磁通量变大，并且使得磁芯饱和，因此受控绕组所在磁芯在磁化曲线上的工作区域从线性区域转变为饱和区域，从稳态工作点1变为瞬态工作点2，此时磁导率迅速减小，使得主绕组电感La减小为La’，通过电桥使得多相稳压器的瞬态等效电感减小，提升电流变化率，改善多相稳压器的瞬态性能；
当多相稳压器从瞬态回到稳态时，通过驱动器使得偏置电路的控制开关关断，此时没有直流电流idc通过偏置绕组，不再产生直流磁通量Φdc，磁芯中流过的磁通量减小为只有交流电流ia通过受控绕组产生的磁通量Φac，因此主绕组所在磁芯在磁化曲线上的工作区域从饱和区域回到线性区域，磁导率增大，使得受控绕组电感La增大为La’，通过电桥使得多相稳压器的各相等效电感增大，每相纹波电流较小，使得多相稳压器的性能良好。
实施例5
图5为本实施例的一种多相交错稳压器及其控制电路的电流突然减小然后恢复稳态的实例图，如图所示：
稳压器运行在第一个稳态时，此时总的电感电流io稳定运行，在某一时刻，电流突然急剧减小，瞬态控制器检测出瞬态后，控制偏置电路产生直流电流，通过电桥使得所有的主绕组电感都减小，使得瞬态响应速度变快，当恢复稳态时，瞬态控制器控制偏置电路关闭，使得主绕组电感都增大，减小稳压器每一相的电感电流纹波，并且，瞬态控制器的iopp值更新，稳压器运行在新的稳态。
实施例6
图6为本实施例的一种多相交错稳压器及其控制电路的电流突然增大然后恢复稳态的实例图，如图所示：
稳压器运行在第一个稳态时，此时总的电感电流io稳定运行，在某一时刻，电流突然急剧增大，瞬态控制器检测出瞬态后，控制偏置电路产生直流电流，通过电桥使得所有的主绕组电感都减小，使得瞬态响应速度变快，当恢复稳态时，瞬态控制器控制偏置电路关闭，使得主绕组电感都增大，减小稳压器每一相的电感电流纹波，并且，瞬态控制器的iopp值更新，稳压器运行在新的稳态。
由以上分析可以看出，所提出的稳压器将N个偏置绕组串联连接搭建电桥，再利用磁通相消，消去主绕组和偏置绕组之间的耦合，因此电桥上没有感应电流，当稳压器进入瞬态时，改变磁芯在磁化曲线上的工作区域，通过电桥使得所有电感器的瞬态等效电感降低，以此提升稳压器的瞬态响应速度，且无论电路相数多少，都只需一个控制电路，实现了稳压器更快的瞬态响应和更低的成本。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的元件或模块必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为暗示或指示相对重要性。
除非另有明确的规定和限定，术语“连接”“安装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介简介链接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述，以上的实施例仅用于说明本申请的技术方案，而非对其限制；对本发明所公开的实施例的说明，使本领域的专业技术人员能够使用或实现本发明，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些替换或者修改，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种多相交错稳压器，其特征在于，包括：输入电源(Vin)、2N个开关管(S1～SN、Q1～QN)、N个电感器、输出电容(Co)、输出电阻(Ro)；
所述2N个开关管包括N个上桥臂开关管(S1～SN)和N个下桥臂开关管(Q1～QN)；
所述N个电感器包括N个主绕组(Na1～NaN)和N个偏置绕组(Nb1～NbN)；
所述输入电源(Vin)的正极与所述N个上桥臂开关管(S1～SN)的第一端连接；
所述输入电源(Vin)的负极与所述N个下桥臂开关管(Q1～QN)的第二端、输出电容(Co)的第二端、输出电阻(Ro)的第二端连接；
所述N个主绕组(Na1～NaN)的第i个主绕组(Nai)的第一端与所述N个上桥臂开关管(S1～SN)的第i个上桥臂开关管(Si)的第二端、所述N个下桥臂开关管(Q1～QN)的第i个下桥臂开关管(Qi)的第一端连接；
所述N个主绕组(Na1～NaN)的第二端与输出电阻(Ro)的第一端、输出电容(Co)的第一端连接；
所述N个偏置绕组(Nb1～NbN)通过串联连接形成电桥；
所述第i个主绕组(Nai)和第i个偏置绕组(Nbi)之间的耦合系数为0；
所述第i个主绕组(Nai)包括左主绕组(Nai-L)和右主绕组(Nai-R)；
所述主绕组(Na1～NaN)具有第一电感值，以及偏置绕组流入直流电流时主绕组(Na1～NaN)具有第二电感值，所述第二电感值小于第一电感值；
其中，i＝1，2，3…N，N≥2且为整数。
2.根据权利要求1所述的一种多相交错稳压器，其特征在于，所述N个电感器分别对应一个独立的磁芯，即有N个磁芯。
3.根据权利要求1所述的一种多相交错稳压器，其特征在于，所述N个主绕组(Na1～NaN)中每一个主绕组匝数相等，所述左主绕组(Nai-L)和右主绕组(Nai-R)匝数相等，N个偏置绕组(Nb1～NbN)中每一个偏置绕组匝数相等；
其中，i＝1，2，3…N，N≥2且为整数。
4.根据权利要求1所述的一种多相交错稳压器，其特征在于，所述左主绕组(Nai-L)和右主绕组(Nai-R)在磁芯中心腿产生的交流磁通相互抵消，主绕组在偏置绕组中产生的感应电压为0，所述N个偏置绕组(Nb1～NbN)通过串联连接搭建的电桥中的感应电流为0；
其中，i＝1，2，3…N，N≥2且为整数。
5.根据权利要求1所述的一种多相交错稳压器，其特征在于，所述多相交错稳压器瞬态包含电流增大和电流减小两种情况，在电流增大后的稳态，所述主绕组(Na1～NaN)为第一电感值；在电流减小后的稳态，所述主绕组(Na1～NaN)为第一电感值；在瞬态，所述主绕组(Na1～NaN)为第二电感值；
其中，N≥2且为整数。
6.一种用于权利要求1所述的一种多相交错稳压器的控制电路，其特征在于，包括：电流传感器、瞬态控制器、偏置电路；
所述电流传感器的第一端和所述输出电阻(Ro)的第一端连接；
所述电流传感器的第二端和所述瞬态控制器的第一端连接；
所述瞬态控制器的第二端和所述偏置电路的第三端连接；
所述偏置电路的第一端和所述N个主绕组(Na1～NaN)的第1个主绕组连接；
所述偏置电路的第二端和所述N个主绕组(Na1～NaN)的第N个主绕组连接；
所述电流传感器，检测总的电感电流io；
所述瞬态控制器，接收所述电流传感器的信号，当电流io满足等式io>|1.3×iopp/2|时，输出信号；
所述偏置电路，受控于所述瞬态控制器，产生直流电流流过所述电桥；
其中，N≥2且为整数，|1.3×iopp/2|为电流io留有30％裕量的稳态峰峰值的绝对值。
7.根据权利要求6所述的控制电路，其特征在于，所述多相交错稳压器在发生瞬态后，所述瞬态控制器中的iopp值为新的稳态时的iopp值。
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