CN1612454A - 非对称多相直流至直流功率转换器 - Google Patents

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Abstract

一种多相直流至直流转换器架构，其中各别不同的信道具有不同的操作性能参数。这些不同的参数被加以选择，以使该转换器可达成较大范围的高效率。该转换器包含了一或更多个快速响应时间转换器信道以及各别不同相位之一或更多个高效率转换器信道的组合，并组合了所有信道的输出。该非对称多相转换器于轻负载下(约12安培)效率较高，进而可于使用大部分操作时间于漏电流模式的应用中提供较为长久的电池寿命。

Description

非对称多相直流至直流功率转换器
【发明领域】
本发明涉及直流电源系统及其子系统，尤其涉及一种新式及改良式多相直流至直流转换器架构，其中各不同信道具有不同的操作性能参数，以便使该转换器可达成较大范围的高效率。
【技术背景】
选择一直流至直流转换器中的电感器电感值涉及该转换器响应时间及其效率之间的权衡考量。相对于大电感值的电感器而言，使用小电感值的电感器可使该转换器以更快的速度传送电流。一小电感值通常需要相对较高的切换频率，以助于限制峰值至峰值波纹电流。另一方面，由于均方根电流的增加以及切换损失，转换器的效率随着电感值降低而降低。
【发明内容】
根据本发明，通过使用一多相直流至直流转换器架构，可使性能(响应时间或速度)及效率(输出功率/输入功率)之间的权衡成为最佳状况，其中各不同信道具有不同的操作性能参数。这些不同的参数被加以选择，以使该转换器可达成较大范围的高效率。特别的是，本发明使用了一或更多个快速响应时间转换器信道以及一或更多个高效率转换器信道的组合，并组合了所有信道的输出。
如将于以下所说明的，根据本发明的该非对称多相直流至直流转换器可设置成用于着重(使用)高效率信道，以适于轻负载条件(例如，达12至15安培的等级)，其中该高效率信道用于提供100％的漏电流。如此可允许该转换器使笔记型计算机电源应用的电池寿命加长，并减少桌上型计算机应用的热负荷(发热)，该应用使用了其大部份操作时间于漏电流模式。由于该高效率信道用于供应100％的漏电流，其余的快速响应时间信道被用于处理高负载电流状况。在两个快速响应时间信道的实施例中，这些等快速信道中的每一个信道都受控制，以便处理该高负载电流需求的一半。
【附图概述】
图1表示根据本发明的非对称多相直流转换器的实施例。
图2是为关于图1的非对称直流转换器架构的操作的一组瞬时响应时序图。
图3是常规多相转换器的效率和本发明的不对称多相实施例的效率的图表比较，其中该常规多相转换器的所有信道以相同方式设置并为相等的负载分配。
【具体实施方式】
在详细说明本发明的该新颖及改良式非对称多相直流转换器架构之前，必须注意的是，本发明主要属于常规直流电源电路及组件的模块化配置以及控制这些电路及组件操作的控制电路。在一实施例中，这些模块化配置可轻易地被架构成场可程序门阵列(FPGA)实施方式及特殊应用集成电路(ASIC)芯片组。
因此，这种电路及组件的配置以及其与受电设备(例如一微处理器)对接的方式已大部份表示于图式中易于了解的区块图及时序图中(其仅为显示与本发明相关的特殊细节)，以致可揭露为熟悉本项技术人士所易于了解的揭示细节。因此，该区块图的说明主要在于以简便的功能性群组来表示本发明的主要组件，藉此本发明便可较容易了解。
参考图1，图1是表示根据本发明的非对称多相直流转换器的实施例，其包含多个脉宽调制器的转换器信道，其中的3个以10-1、10-2及10-3表示，这只是为了举例说明，并不在于限制。数目3是基于本发明的实际使用状况，用以适用一60安培的负载电流需求，其中每一个信道负荷三分之一的负载。在该3个信道中，信道10-1为一高效率信道，其功能在于提供漏电流(其可为20安培的等级)至该负载。剩余的40安培需求对半均分并指定给两个快速响应信道10-2及10-3的每一个。
驱动及控制单元12-1、12-2及12-3分别用于各别信道的每一个，其监视积分误差放大器20的输出，并以可控制的方式提供驱动信号给相关输出切换上方及下方金属氧化物半导体场效晶体管对30-1、30-2及30-3。金属氧化物半导体场效晶体管对30-1的共享或相位节点31-1通过电感器33-1而耦合至一功率组合输出节点35，一输出电容器Co及一负载40藕合至该功率组合输出节点35。金属氧化物半导体场效晶体管对30-2的共享或相位节点31-2通过一电感器33-2而耦合至功率组合输出节点35，以及金属氧化物半导体场效晶体管对30-3的共享或相位节点31-3通过一电感器33-3而耦合至功率组合输出节点35。
如以上所概述，该高效率信道的电感器33-1可为较大于快速响应时间信道的电感器33-2及33-3，因为小电感值的电感器可使快速响应时间信道10-2及10-3以较快于高效率信道10-1的速度传送电流，高效率信道10-1使用相对较大电感值的电感器。一较高频率时钟50配合每一快速信道的较小电感值的使用，其输出藉由除法器55而减少，以用于高效率信道10-1。
可参照表示于图2的用于每一信道的瞬时负载运作来了解图1的非对称架构的操作。如以上所指出的，该高效率信道10-1用于轻负载条件(例如，20安培的等级)，其中该高效率信道用于提供100％的漏电流，如图中的21所示。如此可允许该转换器使笔记型计算机电源应用的电池寿命加长，该应用使用了其大部份操作时间于漏电流模式。
由于该高效率信道用于供应100％的漏电流，两个快速响应时间信道10-2及10-3的每一个信道都受控制，以便处理该高负载电流需求的一半。这以图中的22及23表示，其中电流需求由漏电流值21至全负载值25的动态增加均等地藉由两个高效率信道10-2及10-3而产生。因此，瞬时负载图形21、22及23表示本发明负载电流供应操作的非对称特性，其于功率组合输出节点35产生负载电流合成，如图2顶部图形所示。
图3表示一图表比较，其比较常规多相转换器的效率41与本发明非对称多相实施例的效率42，其中该常规多相转换器的所有信道以相同方式设置并为相等的负载分配。该常规效率曲线41由单一快速信道的实验室测量所导出，而该非对称多相效率曲线42表示由单一较慢高效率信道及两个快速响应时间功率信道所产生的合成值。对于小于20安培的电流值而言，该快速功率信道的非负载损失被增加至该高效率信道的功率损失；对于20安培以上的电流值而言，该高效率信道的负载损失被增加至该两个快速信道的功率损失。由图3可知，该非对称多相转换器的效率于轻负载情况下(约为12安培)是较高的。如此便可使于使用大部份操作时间于漏电流模式的应用中的电池寿命较为长久，如以上所说明的。
虽然已说明及表示根据本发明的实施例，然而必须了解的是，本发明不限于这些实施例，而亦容许熟悉本项技术人士所知的数种变化与修改。因此，本发明不受限于此处已说明及表示的这些细节，而涵盖熟悉本项技术人士所了解的这些所有变化与修改。
【主要组件符号说明】
10-1        信道
10-2        信道
10-3        信道
12-1        驱动及控制单元
12-2        驱动及控制单元
12-3        驱动及控制单元
20          积分误差放大器
30-1        金属氧化物半导体场效晶体管对
30-2        金属氧化物半导体场效晶体管对
30-3        金属氧化物半导体场效晶体管对
31-1        共享或相位节点
31-2        共享或相位节点
31-3        共享或相位节点
33-1        电感器
33-2        电感器
33-3        电感器
35          功率组合输出节点
40          负载
50          时钟
55          除法器
Co          输出电容器

Claims (13)

1.一种多相直流至直流转换器，其特征在于，包含多个直流至直流转换器信道，这些信道的输出组合于一输出，以便提供一合成直流功率输出至一负载，其中所述信道中不同的信道具有各不同的功率转换效率及响应时间。
2.如权利要求1所述的多相直流至直流转换器，其特征在于，所述信道中的一个或更多的信道的功率转换效率大于所述信道中的其它一个或更多的信道的功率转换效率，并且其中所述信道中的所述其它一个或更多的信道的响应时间高于所述信道中的所述一个或更多的信道的响应时间。
3.如权利要求1所述的多相直流至直流转换器，其特征在于，所述信道中的第一信道的功率转换效率高于所述信道中的第二信道的功率转换效率，且该第一信道可操作用以提供总输出电流的漏电流分量，该总输出电流藉由所述转换器供应给所述负载，且其中所述信道中的所述第二信道的响应时间快于所述信道中的所述第一信道的响应时间，且该第二信道可操作用以提供总输出电流的动态电流分量而非所述漏电流分量，该总输出电流藉由所述转换器供应给所述负载。
4.如权利要求3所述的多相直流至直流转换器，其中所述信道中的所述第一信道的切换频率慢于所述信道中的所述第二信道的切换频率。
5.如权利要求4所述的多相直流至直流转换器，其中所述信道中的所述第一信道的输出电感值大于所述信道中的所述第二信道的输出电感值。
6.如权利要求1所述的多相直流至直流转换器，其中所述信道中的第一信道的功率转换效率高于多个其它信道中的每一信道的功率转换效率，且该第一信道可操作用以提供总输出电流的一漏电流分量，该总输出电流藉由所述转换器供应给所述负载，且其中所述多个其它信道中的每一信道的响应时间快于所述信道中的所述第一信道的响应时间，且该多个其它信道中的每一信道可操作用以提供总输出电流的一动态电流分量而非所述漏电流分量，该总输出电流藉由所述转换器供应给所述负载。
7.一种供电给负载的方法，其特征在于，包含以下步骤：
(a)提供一多相直流至直流转换器，该转换器具有多个直流至直流转换器信道，其输出被组合，用以提供一合成直流电流输出至所述负载；以及
(b)以各不同的功率转换效率及响应时间，操作所述信道中不同的信道。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(b)包含：
在所述信道中的第一信道的功率转换效率高于所述信道中的第二信道的功率转换效率的状况下，操作所述信道中的该第一信道，且使所述信道中的所述第一信道提供总输出电流的漏电流分量，该总输出电流藉由所述转换器供应给所述负载；以及
在所述信道中的所述第二信道的响应时间快于所述信道中的所述第一信道的响应时间的状况下，操作所述信道中的所述第二信道，且使所述信道中的所述第二信道提供总输出电流的动态电流分量而非所述漏电流分量，该总输出电流藉由所述转换器供应给所述负载。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤(b)包含：在所述信道中的所述第一信道的切换频率慢于所述信道中的所述第二信道的切换频率的状况下，操作所述信道中的所述第一信道。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述信道中的所述第一信道的输出电感值大于所述信道中的所述第二信道的输出电感值。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(b)包含：
在所述信道中的第一信道的功率转换效率高于多个其它信道中的每一信道的功率转换效率状况下，操作所述信道中的所述第一信道，且使所述第一信道提供总输出电流的漏电流分量，该总输出电流藉由所述转换器供应给所述负载；以及
在所述多个其它信道中的每一信道的响应时间快于所述信道中的所述第一信道的响应时间的状况下，操作所述多个其它信道中的每一信道，且使所述多个其它信道提供总输出电流的动态电流分量而非所述漏电流分量，该总输出电流藉由所述转换器供应给所述负载。
12.一种供电给负载的方法，其特征在于，包含以下步骤：
(a)提供一多相直流至直流转换器，该转换器具有不同功率转换效率及响应时间的多个直流至直流转换器信道，且其输出被组合，用以提供一合成直流电流输出至所述负载；
(b)使所述信道中的第一信道提供总输出电流的漏电流分量，该总输出电流藉由所述转换器供应给所述负载，该第一信道具有较高功率转换效率及较慢响应时间，同时维持所述信道中的第二信道于关闭状态，所述信道中的第二信道具有较低功率转换效率及较快响应时间；以及
(c)响应于所述负载的一动态电流需求，使所述信道中的所述第二信道提供总输出电流的一动态电流分量，该总输出电流藉由所述转换器供应给所述负载，同时使所述信道中的所述第一信道仅仅提供总输出电流的所述漏电流分量，该总输出电流藉由所述转换器供应给所述负载。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述信道中的所述第一信道的输出电感值大于所述信道中的所述第二信道的输出电感值。
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