CN1588270A - 采用主从电流均分的微处理器多相开关电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用主从电流均分的微处理器多相开关电源，属于计算机设备技术领域。包括：用于接收PWM信号和输入电压，并输出电感电流的电压单元；用于校正输出电压的误差放大器；用于选择基准电流的电流选择器；在电流选择器中，第一种电流选择方法，用于将输入的n个电感电流，依次送到电流数据总线上，第二种电流选择方法，用于将输入的n个电感电流中的最大值送到电流数据总线上；用于对电流误差进行滤波、放大、完成电流信号到电压信号的转变，并与误差电压相叠加的电流放大器；用于比较总的误差电压和锯齿波，并输出PWM信号的比较器。本发明的多相开关电源，提供了两种主从电流选择方法，可以有效的保证各相电感电流达到平衡。

Description

采用主从电流均分的微处理器多相开关电源

技术领域

本发明涉及一种采用主从电流均分的微处理器多相开关电源，属于计算机设备领域。

背景技术

多相开关电源是个人计算机和笔记本电脑主板上最重要的电源器件。为了满足人们对个人计算机和工作站性能不断提高的要求，英特尔和超微都研制了性能优越、集成度更高的微处理器CPU。CPU的集成规模越大，所消耗的电流也越大，目前最大的工作电流已经达到了90A；工作电流的加大引起了功耗和散热的问题，因此CPU的工作电压需要降得更低；同时在CPU的工作过程中，对工作电压的瞬态响应也提出相应的要求。由于功率管的特性所限，传统的单相电源已经不能满足这种要求，多相电源则是把几个单相电源正交并联，各相电源依次工作，从而可以提供大电流和快速的负载瞬态响应。

多相开关电源中，电感、电感寄生电阻、功率管的导通电阻、PCB板上布线电阻的微小差异，都可能导致并联的各相电源的电感电流值有很大的差异。如何保证并联的各相电源精确的共享负载电流即电流均分，是多相电源需要解决的最主要问题。所谓电流均分，是指在电流处理的过程中，选取一个参考电流，各相电感电流与之相比较，如果某一相的电感电流大于参考电流，则减小这一相的脉宽调制(以下简称PWM)信号的占空比，从而减小这一相电感电流；相反，如果某一相电感电流小于参考电流，那么就增大其PWM信号的占空比，从而加大电感电流。

发明内容

本发明的目的是提出一种采用主从电流均分的微处理器多相开关电源，采用不同的方法选择参考电流，当参考电流确定以后，将各相电流与之进行比较，使得各相电感电流趋近于参考电流，以保证各相电流的均衡。

本发明提出的采用主从电流均分的微处理器多相开关电源，包括：

(1)用于接收来自电压比较器的脉宽调制信号和外部工作电源的输入电压，并输出电感电流的电压单元；

(2)用于校正多相开关电源的输出电压的误差放大器，误差放大器的负输入端与负载相连，正输入端与多相开关电源的基准电压相连，其输出端与电流放大器相连；

(3)用于从上述电感电流中选择基准电流的电流选择器，电流选择器的输入端接收各相电感电流，通过输出电流总线将选择的基准电流送到电流放大器；电流总线即主电流，各相电流即从电流；

(4)用于对基准电流与各相电流之间的误差进行滤波、放大，将电流信号转换成电压信号，并与误差电压放大器输出的误差电压相叠加，得到总误差电压的电流放大器，电流放大器的负输入端与电感相连，正输入端与数据总线相连，电流放大器的电压输入端与误差放大器的输出端相连，其电压输出端与电压比较器的正输入端相连；

(5)用于将总误差电压与多相开关电源内部的锯齿波相比较，并输出脉宽调制信号的电压比较器，电压比较器的正输入端与电流放大器的输出端相连，负输入端与锯齿波发生器相连，其输出端与上述电压单元的输入端相连。

上述电源中的电压单元包括：

(1)用于接收输入脉宽调制信号，以产生用于上、下功率管的驱动信号的驱动器，驱动器的输入与电压比较器的输出相连，其输出端分别与上、下功率管的栅极相连；

(2)用于控制输入电压向负载供电的上功率管，上功率管的栅极与驱动器的上功率管驱动信号输出端相连，源端与电感相连，漏端与外部工作电源相连；

(3)用于续流的下功率管，下功率管的栅极与驱动器的下功率管驱动信号输出端相连，源端接地，漏端与电感相连；

(4)用于向微处理器负载提供电流的电感，电感的一端同时与上功率管的源端和下功率管的漏端相连，另一端与负载相连。

上述电源中的电流选择器为一并联的开关组，开关组的输入端接收各相电感电流，其输出端与电流放大器相连。

上述电源中的电流放大器包括：

(1)用于将电流总线电流即主电流与各相电感电流即从电流进行相减的加法器1，该加法器1的正输入端与电流总线相连，负输入端与电感相连，其输出端与开关S1相连；

(2)用于将主电流和从电流的差值进行直流放大的放大器k，放大器k的输入端与加法器1的输出端相连，其输出端与加法器2的输入端相连；

(3)用于控制对主电流和从电流的差值进行采样和保持的开关S1和S2，S1的一端与加法器1的输出端相连，另一端同时与电容C1和开关S2相连，S2的一端与电容C1相连，另一端与电容C2相连；

(4)用于保持电流差值的电容C1和C2，C1的一端与开关S1和S2相连，另一端接地，C2的一端与S1相连，另一端接地；

(5)用于对取样后的电流差值进行放大的放大器G_i，G_i的输入端与开关S2相连，输出端与加法器2的输入端相连；

(6)用于将放大后的电流差值与放大后的取样点电流差值进行相加的加法器2，加法器2的两个输入端分别与放大器k和放大器G₁的输出端相连，加法器2的输出端与电阻R相连；

(7)用于将加法器2输出的电流信号转化成电压信号，并完成电压误差放大器输出的误差电压与上述转化得到的电压信号相加的电阻R，电阻R的一端与加法器2的输出端相连，另一端与电压误差放大器相连。

本发明提出的采用主从电流均分的微处理器多相开关电源，具有以下优点和特点：

1、在给CPU供电的多相开关电源中，用作电流均分的参考电流可以是依次选择各相电源的电感电流，或者选择各相电源电感电流中最大的某一相的电感电流，该参考电流的选择实现很方便，能准确的用来平衡各相电感电流。

2、主电流(即参考电流)不仅和各相从电流(即n相电源中选择掉参考电流以后剩下的n-1相电流)比较，而且还和自己比较，比较后的误差电流也要送入电流放大器，可以减小选择为主电流相的电源相对于其他相电源的失调电压。

3、本发明的电路采用内环结构，即整个电路只有一个误差放大器和一个基准电压，各相电流与平均电流相比较以后，结果叠加在同一个误差电压上，叠加后的电压送入各相的比较器，效率高，实现简单。

4、各相的电流放大器采用开关电容网络来实现，有效的滤除电流信号上的噪声，有效保持了电源输出电压的稳定；电流信号转换成电压信号以及误差电压和转化后的电压信号相加，均采用一个电阻来实现，因此简化了电路结构。

附图说明

图1是本发明提出的多相开关电源的电路框图。

图2是图1所示的多相开关电源中基本电压源单元的电路图。

图3是依次选择各相电感电流作为参考电流的电流选择示意图。

图4是n个开关控制信号与功率管驱动信号之间的关系示意图。

图5是选取电流最大的某一相电源的电流作为参考电流的电流选择示意图。

图6是本发明电源中电流放大器的电路图。

具体实施方式

本发明提出的采用主从电流均分的微处理器多相开关电源，其电路图如图1所示，包括：用于接收来自电压比较器的脉宽调制信号和外部工作电源的输入电压，并输出电感电流的电压单元；用于校正多相开关电源的输出电压的误差放大器，误差放大器的负输入端与负载相连，正输入端与多相开关电源的基准电压相连，其输出端与电流放大器相连；用于从上述电感电流中选择基准电流的电流选择器，电流选择器的输入端接收各相电感电流，通过输出电流总线将选择的基准电流送到电流放大器；电流总线即主电流，各相电流即从电流；用于对基准电流与各相电流之间的误差进行滤波、放大，将电流信号转换成电压信号，并与误差电压放大器输出的误差电压相叠加，得到总误差电压的电流放大器，电流放大器的负输入端与电感相连，正输入端与数据总线相连，电流放大器的电压输入端与误差放大器的输出端相连，其电压输出端与电压比较器的正输入端相连；用于将总误差电压与多相开关电源内部的锯齿波相比较，并输出脉宽调制信号的电压比较器，电压比较器的正输入端与电流放大器的输出端相连，负输入端与锯齿波发生器(图中未示出)相连，其输出端与上述电压单元的输入端相连。

上述多相开关电源中的电压单元，其电路图如图2所示，包括：用于接收输入脉宽调制信号，以产生用于上、下功率管的驱动信号的驱动器，驱动器的输入与电压比较器的输出相连，其输出端分别与上、下功率管的栅极相连；用于控制输入电压向负载供电的上功率管，上功率管的栅极与驱动器的上功率管驱动信号输出端相连，源端与电感相连，漏端与外部工作电源相连；用于续流的下功率管，下功率管的栅极与驱动器的下功率管驱动信号输出端相连，源端接地，漏端与电感相连；用于向微处理器负载提供电流的电感，电感的一端同时与上功率管的源端和下功率管的漏端相连，另一端与负载相连。

上述多相开关电源中，电流选择器为一并联的开关组，开关组的输入端接收各相电感电流，其输出端与电流放大器相连。

参考电流的选取有2种方法：一是依次选取各相电感电流，即如果某一个开关周期内选取第i相电源的电感电流，则下一个周期内选取第i+1相电感电流(若i＝n，则下一个周期选取第1相)；二是自动选取电流最大的某一相电感电流。

如图3所示，是第一种电流选择方法，用于将输入的n个电感电流，依次送到电流数据总线上；如图5所示，是第二种电流选择方法，用于将输入的n个电感电流中的最大值送到电流数据总线上。

上述多相开关电源中的电流放大器，电路图如图6所示，包括：用于将电流总线电流即主电流与各相电感电流即从电流进行相减的加法器1，该加法器1的正输入端与电流总线相连，负输入端与电感相连，其输出端与开关S1相连；用于将主电流和从电流的差值进行直流放大的放大器k，放大器k的输入端与加法器1的输出端相连，其输出端与加法器2的输入端相连；用于控制对主电流和从电流的差值进行采样和保持的开关S1和S2，S1的一端与加法器1的输出端相连，另一端同时与电容C1和开关S2相连，S2的一端与电容C1相连，另一端与电容C2相连；用于保持电流差值的电容C1和C2，C1的一端与开关S1和S2相连，另一端接地，C2的一端与S1相连，另一端接地；用于对取样后的电流差值进行放大的放大器G_i，G_i的输入端与开关S2相连，输出端与加法器2的输入端相连；用于将放大后的电流差值与放大后的取样点电流差值进行相加的加法器2，加法器2的两个输入端分别与放大器k和放大器G_i的输出端相连，加法器2的输出端与电阻R相连；用于将加法器2输出的电流信号转化成电压信号，并完成电压误差放大器输出的误差电压与上述转化得到的电压信号相加的电阻R，电阻R的一端与加法器2的输出端相连，也即总的误差电压端，送到比较器的正端输入，另一端与电压误差放大器相连。

以下介绍本发明电路的工作原理：

图1所示是采用主从电流均分的多相DC-DC开关电源的示意图，在该示意图中，共有n相并联，这里列出了第1相和第n相。其中基本的电压单元，如图2所示，包括上功率管和下功率管，电感L和驱动上下功率管的驱动器。负载表示主板上的CPU和滤波电容。误差放大器的负输入端接收输出电压的反馈信号，正输入端接基准电压，输出端信号是误差电压，误差放大器调节输出电压的值，使得输出电压与基准电压的误差小于CPU电源规范所规定的误差。

下面解释依次选择图3所示采用各相电感电流作为参考电流的选择方法：假设电源中功率管的驱动信号周期是T，则n个开关s₁、s₂、……、s_n的控制信号与T的关系如图4所示，如果在某一个周期T内是第i相电源的电感电流作为参考电流，那么下一个周期内将是第i+1相的电感电流作为参考电流(若i＝n，则下一个周期选取第1相)。

I_o1和I_on分别是第1相和第n相的电感电流的值，电流均分总线上的电流等于参考电流。参考电流减去各相电感电流，所得电流差经过电流放大器放大，并转化成电压信号，叠加在误差放大器输出的误差电压上，送到比较器的正输入端，与锯齿波比较后，输出PWM信号。如果某一相的电感电流大于参考电流，则这一相的电流误差是负的，叠加在误差电压上以后，将使得这一相的PWM信号的占空比变小，从而减小这一相电感电流；相反，如果某一相电感电流小于参考电流，那么将增大其PWM信号的占空比，从而加大电感电流。

图5所示为选取电流最大的某一相电源的电流为参考电流的选择方法。最大电流选择器选择输入的n个电流I_o1、I_o2、……、I_on中的最大值，并把最大值送入电流均分总线。

电流放大器包含三个功能，一是放大电流误差信号，二是滤掉电流信号上的高频开关信号，三是把电流信号转化为电压信号，其基本结构图如图6所示。主电流是选择的参考电流，从电流是任意一相电源的电感电流，电容C₁和C₂及两个开关组成开关电容滤波网络，G_i和k采用电流镜结构，放大电流误差信号，电阻R把电流信号转化成电压信号。

该电流放大器从输入电流误差信号到转化成电压信号的过程，可以用传输函数H来表示，如公式1所示：

$H=(\frac{1}{1+s\frac{C_2}{f{C}_1}}{G}_i+k)R---\left(1\right)$

该传输函数提供了一个极点 ${\mathrm{\ω}}_p=\frac{f{C}_1}{C_2}$ 和一个零点 ${\mathrm{\ω}}_z=\frac{{\mathrm{fC}}_1}{C_2}(G_i+k),$ 组成了一个低通滤波器，适当的调节电容C₁、C₂、G_i和k的参数，可以有效的滤除电流信号上的高频开关信号。

Claims (4)

1、一种采用主从电流均分的微处理器多相开关电源，其特征在于该电源包括：

(1)用于接收来自电压比较器的脉宽调制信号和外部工作电源的输入电压，并输出电感电流的电压单元；

(2)用于校正多相开关电源的输出电压的误差放大器，误差放大器的负输入端与负载相连，正输入端与多相开关电源的基准电压相连，其输出端与电流放大器相连；

(3)用于从上述电感电流中选择基准电流的电流选择器，电流选择器的输入端接收各相电感电流，通过输出电流总线将选择的基准电流送到电流放大器，电流总线即主电流，各相电流即从电流；

(4)用于对基准电流与各相电流之间的误差进行滤波、放大，将电流信号转换成电压信号，并与误差电压放大器输出的误差电压相叠加，得到总误差电压的电流放大器，电流放大器的负输入端与电感相连，正输入端与数据总线相连，电流放大器的电压输入端与误差放大器的输出端相连，其电压输出端与电压比较器的正输入端相连；

(5)用于将总误差电压与多相开关电源内部的锯齿波相比较，并输出脉宽调制信号的电压比较器，电压比较器的正输入端与电流放大器的输出端相连，负输入端与锯齿波发生器相连，其输出端与上述电压单元的输入端相连。

2、如权利要求1所述的多相开关电源，其特征在于其中所述的电压单元包括：

(1)用于接收输入脉宽调制信号，以产生用于上、下功率管的驱动信号的驱动器，驱动器的输入与电压比较器的输出相连，其输出端分别与上、下功率管的栅极相连；

(2)用于控制输入电压向负载供电的上功率管，上功率管的栅极与驱动器的上功率管驱动信号输出端相连，源端与电感相连，漏端与外部工作电源相连；

(3)用于续流的下功率管，下功率管的栅极与驱动器的下功率管驱动信号输出端相连，源端接地，漏端与电感相连；

(4)用于向微处理器负载提供电流的电感，电感的一端同时与上功率管的源端和下功率管的漏端相连，另一端与负载相连。

3、如权利要求1所述的多相开关电源，其特征在于其中所述的电流选择器为一并联的开关组，开关组的输入端接收各相电感电流，其输出端与电流放大器相连。

4、如权利要求1所述的多相开关电源，其特征在于其中所述的电流放大器包括：

(1)用于将电流总线电流即主电流与各相电感电流即从电流进行相减的加法器1，该加法器1的正输入端与电流总线相连，负输入端与电感相连，其输出端与开关S1相连；

(2)用于将主电流和从电流的差值进行直流放大的放大器k，放大器k的输入端与加法器1的输出端相连，其输出端与加法器2的输入端相连；

(3)用于控制对主电流和从电流的差值进行采样和保持的开关S1和S2，S1的一端与加法器1的输出端相连，另一端同时与电容C1和开关S2相连，S2的一端与电容C1相连，另一端与电容C2相连；

(4)用于保持电流差值的电容C1和C2，C1的一端与开关S1和S2相连，另一端接地，C2的一端与S1相连，另一端接地；

(5)用于对取样后的电流差值进行放大的放大器G_i，G_i的输入端与开关S2相连，输出端与加法器2的输入端相连；

(6)用于将放大后的电流差值与放大后的取样点电流差值进行相加的加法器2，加法器2的两个输入端分别与放大器k和放大器G_i的输出端相连，加法器2的输出端与电阻R相连；

(7)用于将加法器2输出的电流信号转化成电压信号，并完成电压误差放大器输出的误差电压与上述转化得到的电压信号相加的电阻R，电阻R的一端与加法器2的输出端相连，另一端与电压误差放大器相连。

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