CN1242538C - 转换电源控制电路和采用其的转换电源 - Google Patents

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Abstract

此发明提供一种基于并联工作方案的转换电源控制电路，其抑制输出电压中的波纹。该控制电路包括并联连接的开关电路块10和20，相应于开关电路块10和20并联连接的输出电抗器31和32，以及控制开关电路块10和20操作的一个控制电路40。控制电路40包括：计算通过输出电抗器31和32流动的电抗器电流IL1和IL2与电抗器电流的平均值之间的差值的装置；基于计算出的差值和输出电压V0产生相应于开关电路块10和20的控制电压V01和V02的装置；控制电压V01和V02与参考电压Vref进行比较的比较器48和49；和响应于时钟信号CLK锁住比较器48和49输出的闩锁电路51。

Description

转换电源控制电路和采用其的转换电源
技术领域
本发明涉及一种转换电源控制电路和使用之的转换电源，并且特别涉及一种执行转换电源数字控制的控制电路以及使用之的一种转换电源。
背景技术
转换电源(switching power supply)照惯例被使用于计算机、家庭电子设备、汽车以及各种其他产品中。典型转换电源是这样的单元(DC/DC转换器)：其首先使用转换电路来把DC输入转换为AC然后将它转换回为DC，并且因此可获得与输入电压不同的电压的DC输出。
利用这样一个转换电源，一个控制电路被用来检测输出电压并且开关操作由基于此的开关电路来控制。从而，转换电源提供一个稳定的工作电压给被驱动的负载。
向负载提供大稳定功率电源的一种已知传统方法是所谓的并联操作方案，在其中，多个转换电源被并联连接。该并联操作方案可用于向负载提供与并行连接的转换电源数成比例的输出电流，因此此方案特别适合中央处理器(CPU)的驱动、数字信号处理器(DSP)或需要低压和高电流的其他负载。
另一方面，在最近年几年，为了诸如使电路尺寸等等小型化之类的目的，已经试图对于控制电路的一些或全部都使用数字电路。
发明内容
可是，根据由本发明者进行的研究，被发现当数字控制基于并联操作方案来被用于转换电源时，在输出电压中经常出现波纹(ripple)。即，虽然当转换电源被单独使用时通过增加控制电路的工作频率可以充分地抑制在输出电压中的波纹，但是在基于并联操作方案的一个转换电源中，发现尽管增加了控制电路的工作频率波纹还是不能被充分减少。
因此，本发明的一个目的是提供：一种控制电路，其基于并联操作方案执行转换电源的数字控制，并且其也是可以控制输出电压中波纹的一个控制电路。
本发明的另一个目的是提供：一种基于并联操作方案转换电源，其抑制输出电压中的波纹。
根据本发明提供了一种控制转换电源的控制电路，该转换电源包括多个开关电路块和与相关的一个开关电路块并联连接的多个输出电抗器，所述控制电路包括：一个电压控制环，其稳定所述转换电源的输出电压；和一个电流控制环，其对流过所述多个输出电抗器中的每一个电抗器的电抗器电流进行平衡而不会影响所述电压控制环；以及所述电压控制环和电流控制环被配置成使用Δ-∑调制来控制所述转换电源。
本发明的一个目的通过如下来被实现：一种控制转换电源的控制电路，该转换电源包括多个开关电路块和与相关的一个开关电路块并联连接的多个输出电抗器，包括：一个电压控制环，其稳定转换电源的输出电压；和一个电流控制环，其均衡通过多个输出电抗器的每一个流动的电抗器电流而不会妨碍电压控制环。
在本发明的一个优选实施例中，电流控制环基于通过多个输出电抗器流动的电抗器电流和通过多个输出电抗器流动的电抗器电流的平均值之间的差值来执行电流控制环上的补偿。
在本发明的另一优选实施例中，电流控制环：执行电压控制环上的补偿如此以致当通过许多输出电抗器中的一个规定输出电抗器流动的电抗器电流低于平均值时，功率传输被与多个输出电抗器中的规定输出电抗器相应的开关电路块增加，并且执行电压控制环上的补偿如此以致当通过规定输出电抗器流动的电抗器电流大于平均值时，功率传输被与该规定输出电抗器相应的开关电路块降低。
在本发明的另一优选实施例中，电流控制环的响应度低于电压控制环的响应度。
本发明的一个目的还通过如下来被实现：一种控制转换电源的控制电路，该转换电源包括多个开关电路块和与相关的一个开关电路块并联连接的多个输出电抗器，包括：一个计算器，其分别地计算在通过多个输出电抗器流动的电抗器电流和通过许多输出电抗器流动的电抗器电流的平均值之间的差值；一个控制电压产生器，其基于计算出的差值和转换电源的输出电压来产生与多个开关电路块的每一个相应的控制电压；多个比较器，其把控制电压与一个参考电压比较；和多个闩锁电路，其响应于一个时钟信号来闩锁比较器的输出。
在本发明的一个优选实施例中，计算器包括一个降低响应度的低通滤波器。
在本发明的另一优选实施例中，低通滤波器具有切断时钟信号频率的特性。
本发明的一个目的还通过如下来被实现：一个转换电源，包括：多个开关电路块，与相关的一个开关电路块并联连接的多个输出电抗器；一个控制电路其控制多个开关电路块的操作，在其中：控制电路包括：一个电压控制环，其稳定转换电源的输出电压；和一个电流控制环，其均衡通过多个输出电抗器的每一个流动的电抗器电流而不会妨碍电压控制环。
本发明的一个目的还通过如下来被实现：一个转换电源，包括：多个开关电路块，与相关的一个开关电路块并联连接的多个输出电抗器；一个控制电路其控制多个开关电路块的操作，在其中：控制电路包括：一个计算器，其分别地计算在通过多个输出电抗器流动的电抗器电流和通过许多输出电抗器流动的电抗器电流的平均值之间的差值；一个控制电压产生器，其基于计算出的差值和转换电源的输出电压来产生与多个开关电路块的每一个相应的控制电压；多个比较器，其把控制电压与一个参考电压比较；和多个闩锁电路，其响应于一个时钟信号来闩锁比较器的输出。
在本发明的优选实施例中，计算器包括一个降低响应度的低通滤波器。
在本发明的另一优选实施例中，低通滤波器具有切断时钟信号频率的特性。
利用本发明，通过每一输出电抗器流动的电抗器电流被均衡，因此基于该并行操作方案可抑制转换电源中的波纹。
从参考附图做出的下列说明中，本发明上面的和其他的目的和特征将变得明显。
附图说明
图1是根据本发明优选实施例的转换电源的电路图。
图2是控制电路40的电路图。
图3是一个定时图，示出了如图2所示控制电路40的操作。
图4是示出了一个电路示例的电路图，所述电路执行由1/2电路46和低通滤波器47组成的部分功能。
具体实施方式
在这里接着参考附图进行本发明一个优选实施例的详细说明。
图1是根据本发明优选实施例的转换电源的电路图。
如图1所示，依据此实施例的转换电源是这样一个单元，其逐步减低提供给输入功率终端1的DC输入电压Vin并且产生被提供给输出功率终端2的DC输出电压V0，输出功率终端2由开关电路块10和20、控制电路块30和控制电路40组成。即，依据此实施例的转换电源是基于并联操作方案的一个转换电源，并且CPU或需要大电流的其他直流负载4被连接到输出功率终端2。
开关电路块10具有开关元件11和12，而输出电路块20具有开关元件21和22。开关元件11和21两者都被串联连接在输入电容3和控制电路块30之间。开关元件12被连接在接地和开关元件11与控制电路块30之间的接触点之间。开关元件22被连接在接地和开关元件21与控制电路块30之间的接触点之间。在控制电路40的控制下一个规定数量的停滞时间之后，这些开关元件11和12被交替地打开。类似地，在控制电路40的控制下一个规定数量的停滞时间之后，开关元件21和22被交替地打开。
输出电路块30由输出电抗器31和32、输出电容器33和电抗器电流检测电路34和35组成。输出电抗器31被串联连接在开关电路块10和输出功率终端2之间，而输出电抗器32被串联连接在开关电路块20和输出功率终端2之间。另外，输出电容器33被连接在输出电容器33和接地之间。此外，电抗器电流检波电路34与输出电抗器31串联连接并且基于通过输出电抗器31流动的电抗器电流IL1产生一个检测电压VL1。同样地，电抗器电流检波电路35与输出电抗器32串联连接并且基于通过输出电抗器32流动的电抗器电流IL2产生一个检测电压VL2。这些检测电压VL1和VL2和输出电压V0被提供给控制电路40。
图2是控制电路40的电路图。
如图2所示，控制电路40由加法器41、减法器42-45、1/2电路46、低通滤波器47、比较器48和49、闩锁电路51和52以及激励电路60组成。
加法器41接收来自电抗器电流检波电路34的检测电压VL1和来自电抗器电流检波电路35的检测电压VL2并且把它的输出VL提供给1/2电路46。
1/2电路46是这样一个电路，其接收来自加法器41的输出VL并且产生具有一个数值为其一半(1/2)的一个电压。相应地，1/2电路46的输出电压VL2被提供给低通滤波器47，在此低通滤波器47去掉了在其中包含的高频组件。虽然这将稍后被详细描述，但是低通滤波器47的滤波特性优选地包括能够充分切断电压控制环响应频率的特性。来自低通滤波器47的输出被提供给减法器42和43。
减法器42是这样一个电路，其从检测电压VL1中减去低通滤波器47的输出电压并且把输出提供给减法器44。同样地，减法器43是这样一个电路，其从检测电压VL2中减去低通滤波器47的输出电压并且把输出提供给减法器45。如上所述，低通滤波器47的输出电压等于通过滤波检测电压VL1和检测电压VL2的平均值VL/2得到的一个电压，那么减法器42的输出电压VDEF1将指示检测电压VL1离平均值的数量，而减法器43的输出电压VDEF2将指示检测电压VL2离平均值的数量。在这种情况下，这意味着这些输出电压VDEF1和VDEF2的绝对值越大，则电抗器电流IL1和IL2之间的不均衡越大。
减法器44是这样一个电路，其从输出电压V0中减去减法器42的输出电压VDEF1，并且它的输出(控制电压V01)被提供给比较器48的倒相输入终端(-)。同样地，减法器45是这样一个电路，其从输出电压V0中减去减法器42的输出电压VDEF2，并且它的输出(控制电压V02)被提供给比较器49的倒相输入终端(-)。
比较器48装备有一个倒相输入终端(-)和一个非倒相输入终端(+)，并且来自减法器44的控制电压V01被提供给倒相输入终端(-)而一个参考电压Vref被提供给非倒相输入终端(+)。同样地，比较器49装备有一个倒相输入终端(-)和一个非倒相输入终端(+)，并且来自减法器45的控制电压V02被提供给倒相输入终端(-)而一个参考电压Vref被提供给非倒相输入终端(+)。在这里，参考电压Vref被定义为输出电压V0的目标值，并且相应地，当控制电压V01或V02下降低于目标值时，比较器48或49的输出假定高(H)电平，但是当控制电压V01或V02超过目标值时，比较器48或49的输出假定低(L)电平。
闩锁电路51锁住从比较器48中提供给它的数据输入端(D)、与提供给它的时钟端(C)的时钟信号CLK的前沿同步的输出，并且把这个数值输出给它的数据输出端(Q)。另一方面，闩锁电路52锁住从比较器49中提供给它的数据输入端(D)、与提供给它的时钟端(C)的时钟信号CLK的后沿同步的输出，并且把这个数值输出给它的数据输出端(Q)。相应地，闩锁电路51的输出(51out)的相位和闩锁电路52的输出(52out)相互偏移180度。闩锁电路51和52的输出(51out和52out)被提供给激励电路60。
激励电路60由缓存器61和63以及倒相器62和64组成。缓存器61、倒相器62、缓存器63和倒相器64的输出激励信号S11、S21和S22分别被提供给开关元件11、12、21和22。当相应的激励信号S11、S12、S21和S22在高(H)电平时这些开关元件11、12、21和22被打开而当那些信号在低(L)电平时被关掉。
虽然这里没有特别限制，但是在构成控制电路40、加法器41、减法器42-45、1/2电路46、低通滤波器47、比较器48和49以及闩锁电路51和52的各种元件之中不需要大量的激励功率，那么它们最好被集成到单个半导体芯片中。
以下是对根据本实施例的转换电源的操作的说明。
依据此实施例的转换电源不同于基于PWM控制的一个普通转换电源，其中控制是通过所谓的Δ-∑(delta-sigma)调制来被执行。正如熟知的，对于PWM控制，通过调整负载同时保持开关频率常数就可达到输出电压V0的稳定。可是，如图3所示，利用Δ-∑调制，通过在多个连续时钟周期上把开关元件11(21)保持在开启状态(开关元件12(22)在关闭状态)，或者通过在多个连续时钟周期上把开关元件11(21)保持在关闭状态(开关元件12(22)在开启状态)，取决于输出电压V0，达到输出电压V0的稳定。相应地，相对于开关电路块10或20的开关频率不是恒量并且为此缘故，除非时钟信号CLK的频率被设置为十分高，否则大波纹可能在输出电压V0中出现。
更明确地，时钟信号CLK的频率fe至少必须满足下列条件：
f c > 10 · 1 2 π LC - - - ( 1 )
在此，L是输出电抗器31(32)的电抗而C是输出电容器33的电容。
在这里，对于根据本实施例的转换电源，这里有两个控制环：一个是基于输出电压V0(不使用减法器42的输出电压VDEF1或者减法器43的输出电压VDEF2的一个环；在此说明中称为”电压控制环”)和一个是基于电抗器电流IL1和IL2(使用减法器42的输出电压VDEF1或者减法器43的输出电压VDEF2的一个环；在此说明中称为”电流控制环”)。
电压控制环是这样一个环，其把输出电压V0中的波动反馈通常应用到开关电路块10和20中，并且发挥控制以使输出电压V0稳定给目标值上。
电流控制环是这样一个环，其基于电抗器电流IL1和电抗器电流IL2中的差值来控制开关电路块10和20。更明确地，在较小电抗器电流的一侧在开关电路块中功率传输增加，而在较大电抗器电流的一侧在开关电路块中功率传输减少。从而，在电抗器电流IL1和电抗器电流IL2之间D任何不均衡都被抑制，以便可减少由电抗器电流中的不均衡而引起D波纹。
在这种情况下，电压控制环的响应度通过时钟信号CLK的频率来确定，但是电流控制环的响应度由于低通滤波器47的存在而被抑制，因此相比较于电压控制环的响应度，电流控制环的响应度变成十分低。即，在这实施例中，在两个控制环之间的干扰被消除。因此，输出电压V0的稳定和电抗器电流的平衡可以同时被实现，因此对一个的控制不需要妨碍对另外一个的控制。
按照这种方式，利用根据本实施例的转换电源，在电抗器电流IL1和电抗器电流IL2之间的任何不均衡能够被抑制，因此可减少从中出现波纹并且同时平衡电抗器电流的操作不干扰稳定输出电压V0的操作。
本发明决不局限于前述的实施例，而是可在权利要求中叙述的本发明范围内有各种修改，并且自然这些修改被包括在本发明的范围内。
例如，在上述的实施例中，两组开关电路块和输出电抗器被提供并并联连接，但是根据本发明的并联提供的开关电路块和输出电抗器的组数目不限制为两个，而是也可使用并联连接的三个或更多组的开关电路块和输出电抗器。在这种情况下，1/2电路46可以被一个1/3电路、1/4电路等等来替换以便得到电抗器电流的平均值。
另外，利用根据上述任何实施例的一个转换电源，比较器48和49被用来把控制电压Vo1和Vo2直接与参考电压Vref进行比较并因此执行电流输出电压V0与目标值的比较，但是电流输出电压V0与目标值的这个比较也可以通过使用一个分压器电路(该分压器电路包含一个电阻来在输出电压V0或控制电压V01或V02上执行电压划分)并把因此获得的电压与参考电压Vref进行比较来执行。
另外，利用根据上述任何实施例的一个转换电源，1/2电路46和低通滤波器47作为单独的电路被说明，但是如图4所示，也可提供一个运算放大器(op amp)70并且把电阻72的阻抗值72R与连接到该运算放大器的电阻71的阻抗值71R之比(72R/71R)设置为1/2，并因此实现相应于1/2电路46和低通滤波器47的部分中的功能。
如上所述，利用本发明，通过一个很简单的方法基于并联工作方案抑制转换电源中的波纹是可能的。

Claims (12)

1.一种控制转换电源的控制电路，该转换电源包括多个开关电路块和与相关的一个开关电路块并联连接的多个输出电抗器，所述控制电路包括：
一个电压控制环，其稳定所述转换电源的输出电压；和
一个电流控制环，其对流过所述多个输出电抗器中的每一个电抗器的电抗器电流进行平衡而不会影响所述电压控制环；以及
所述电压控制环和电流控制环被配置成使用Δ-∑调制来控制所述转换电源。
2.如权利要求1所述的控制电路，其中，电流控制环基于流过所述多个输出电抗器的电抗器电流和流过所述多个输出电抗器的电抗器电流的平均值之间的差值来执行电流控制环上的补偿。
3.如权利要求2所述的控制电路，其中，电流控制环：
执行电压控制环上的补偿使得当流过所述多个输出电抗器中的一个规定输出电抗器的电抗器电流低于平均值时，功率传输通过对应于所述规定输出电抗器的开关电路块被增加，并且
执行电压控制环上的补偿使得当流过所述多个输出电抗器中的一个规定输出电抗器的电抗器电流大于平均值时，功率传输通过对应于所述规定输出电抗器的开关电路块被降低。
4.如权利要求1所述的控制电路，其中，电流控制环的响应度低于电压控制环的响应度。
5.如权利要求2所述的控制电路，其中，电流控制环的响应度低于电压控制环的响应度。
6.如权利要求3所述的控制电路，其中，电流控制环的响应度低于电压控制环的响应度。
7.一种适于通过Δ-∑调制被控制的转换电源，包括：
多个开关电路块，
与相关的一个开关电路块并联连接的多个输出电抗器；
一个控制电路，其控制多个开关电路块的操作，
其中：
所述控制电路包括：
一个电压控制环，其稳定转换电源的输出电压；和
一个电流控制环，其均衡流过所述多个输出电抗器的每一个的电抗器电流而不会妨碍电压控制环。
8.如权利要求7所述的转换电源，其中，电流控制环基于流过所述多个输出电抗器的电抗器电流和流过所述多个输出电抗器的电抗器电流的平均值之间的差值来执行电流控制环上的补偿。
9.如权利要求8所述的转换电源，其中，电流控制环：
执行电压控制环上的补偿使得当流过所述多个输出电抗器中的一个规定输出电抗器的电抗器电流低于平均值时，功率传输通过对应于所述规定输出电抗器的开关电路块被增加，并且
执行电压控制环上的补偿使得当流过所述多个输出电抗器中的一个规定输出电抗器的电抗器电流大于平均值时，功率传输通过对应于所述规定输出电抗器的开关电路块被降低。
10.如权利要求7所述的转换电源，其中，电流控制环的响应度低于电压控制环的响应度。
11.如权利要求8所述的转换电源，其中，电流控制环的响应度低于电压控制环的响应度。
12.如权利要求9所述的转换电源，其中，电流控制环的响应度低于电压控制环的响应度。
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