CN202918186U - 具有过流保护功能的多相开关变换器及其控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及具有过流保护功能的多相开关变换器及其控制器。多相开关变换器包括多个开关电路，该多个开关电路的输出端耦接在一起以提供输出电压。控制器产生多个控制信号，以控制多个开关电路依次导通。其中若检测到当前开关电路过流，控制器将跳过当前开关电路而保持其余开关电路正常工作。

Description

具有过流保护功能的多相开关变换器及其控制器

技术领域

本实用新型的实施例涉及电子电路，尤其涉及具有过流保护功能的多相开关变换器及其控制器。 

背景技术

近年来，随着一些高性能CPU的出现，需要输出电压更小、输出电流更大的开关变换器，对开关变换器的热性能、EMI及负载瞬态响应的要求也不断提高。多相开关变换器以其优越的性能，被广泛应用于高性能CPU电源的解决方案。 

多相开关变换器包括多个开关电路，该多个开关电路的输出端耦接在一起为负载提供能量。在现有技术中，一旦检测到过流状况，多相开关变换器中的所有开关电路将被同时关闭，直至过流状况消失或者多相开关变换器被重启。依据现有的过流保护方法，任何一个开关电路的过流状况都将导致整个开关变换器被关闭。 

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种与现有技术不同的具有过流保护功能的多相开关变换器及其控制器。 

根据本实用新型实施例的一种用于多相开关变换器的控制器，该多相开关变换器包括多个开关电路，该多个开关电路的输出端耦接在一起以提供输出电压，该控制器包括：比较电路，耦接至多个开关电路的输出端，基于参考信号和输出电压产生比较信号；多个过流检测电路，分别耦接至多个开关电路，检测该多个开关电路是否过流，并基于检测结果产生多个过流检测信号；以及控制电路，耦接至比较电路和多个过流检测电路以接收比较信号和多个过流信号，基于比较信号和多个过流信号产生多个控制信号，以控制多个开关电路依次导通；其中，所述控制电路包括：分频电路，具有输入端和多个输出端，其中输入端耦接至比较电路以接收比较信号，分频电路根据比较信号和多个相激活指示信号在多个输出端产生多个分频信号；多个过流保护电路，每个过流保护电 路具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至分频电路的相应输出端以接收分频信号，第二输入端耦接至相应过流检测电路以接收过流检测信号，过流保护电路基于分频信号和过流检测信号在输出端产生置位信号；以及多个子控制电路，每个子控制电路均具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至相应过流保护电路的输出端以接收置位信号，第二输入端接收代表相应开关电路导通时长的导通时长信号，输出端耦接至相应开关电路以提供控制信号；其中所述控制器还包括：跳跃信号产生电路，产生指示跳过当前开关电路的跳跃信号；相激活指示信号产生电路，耦接至跳跃信号产生电路，基于跳跃信号对相激活指示信号进行调节。 

在一个实施例中，每个过流检测电路均包括第一比较器，该第一比较器具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收代表相应开关电路输出电流的电流采样信号，第二输入端接收过流阈值信号，该第一比较器基于电流采样信号和过流阈值信号，在输出端产生过流检测信号。 

在一个实施例中，每个过流保护电路包括：非门，具有输入端和输出端，其中输入端耦接至相应过流检测电路以接收过流检测信号；以及与门，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至分频电路的相应输出端以接收分频信号，第二输入端耦接至非门的输出端，输出端提供置位信号。 

在一个实施例中，所述控制电路还包括：计数器，具有第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，其中第二输入端耦接至比较电路以接收比较信号，第三输入端接收时钟信号，输出端提供计数值；第二比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至计数器的输出端以接收计数值，第二输入端接收预设值，输出端提供跳跃信号；以及重设电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至比较电路以接收比较信号，第二输入端耦接至第二比较器的输出端以接收跳跃信号，输出端耦接至计数器的第一输入端以提供重设信号；其中分频电路基于跳跃信号调节其输出的多个分频信号。 

根据本实用新型实施例的一种具有过流保护功能的多相开关变换器，包括如前所述的控制器。 

根据本实用新型的实施例，在检测到当前开关电路过流时，跳过当前开关电路并保持其余开关电路正常工作，无需关闭整个多相开关变换器即可达到过流保护的目的。 

附图说明

图1为根据本实用新型一实施例的多相开关变换器100的框图； 

图2为根据本实用新型一实施例的图1所示多相开关变换器100的控制方法的流程图； 

图3为根据本实用新型一实施例的图1所示控制电路103的电路原理图； 

图4为根据本实用新型一实施例的过流检测电路和过流保护电路的电路原理图； 

图5为根据本实用新型一实施例的跳跃信号产生电路508的电路原理图； 

图6为根据本实用新型一实施例的相激活指示信号产生电路611的电路原理图； 

图7为根据本实用新型一实施例的图3所示控制电路的电路原理图； 

图8为根据本实用新型一实施例的图1所示多相开关变换器100的工作流程图； 

图9为根据本实用新型一实施例的图1所示多相开关变换器100的工作波形图。 

具体实施方式

下面将详细描述本实用新型的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本实用新型。在以下描述中，为了提供对本实用新型的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是，不必采用这些特定细节来实行本实用新型。在其他实例中，为了避免混淆本实用新型，未具体描述公知的电路、材料或方法。 

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本实用新型至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称“元件”“连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时， 不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。 

本实用新型实施例提供一种包括多个开关电路的多相开关变换器，在正常工作状态下，各个开关电路被依次导通。在检测到当前开关电路过流时，多相开关变换器跳过当前开关电路并保持其余开关电路正常工作，而无需关闭整个多相开关变换器。本实用新型实施例中所述“跳过当前开关电路”是指按次序原本应当被导通的当前开关电路不再被导通，多相开关变换器直接进入对下一相开关电路的控制。以下主要使用恒定导通时间控制的多相开关变换器为例来描述各实施例，但本领域技术人员可知，本实用新型的教导还可应用于任何采用其他控制方式的多相开关变换器。 

图1为根据本实用新型一实施例的多相开关变换器100的框图。该多相开关变换器100包括控制器(如图中虚线框所示)和N个开关电路101_1～101_N，其中N为大于或等于2的整数。开关电路101_1～101_N的输入端接收输入电压VIN，输出端耦接在一起以提供输出电压VOUT。开关电路101_1～101_N可采用任何直流/直流或交流/直流变换拓扑结构，例如同步或非同步的升压、降压变换器，以及正激、反激变换器等。控制器产生控制信号PWM1～PWMN以控制开关电路101_1～101_N依次导通。其中，若检测到当前开关电路过流，控制器将跳过当前开关电路而保持其余开关电路正常工作。 

控制器包括比较电路102、过流检测电路104_1～104_N以及控制电路103。比较电路102耦接至开关电路101_1～101_N的输出端以接收输出电压VOUT，并基于参考信号VREF和输出电压VOUT产生比较信号SET。过流检测电路104_1～104_N分别耦接至开关电路101_1～101_N，检测该多个开关电路是否过流，并基于检测结果产生过流检测信号OC1～OCN。过流检测电路104_1～104_N可通过检测开关电路的输出电流或其他与输出电流相关的参数来判断开关电路是否过流。控制电路103耦接至比较电路102和过流检测电路101_1～101_N以接收比较信号SET和过流信号OC1～OCN，并基于这些信号产生控制信号PWM1～PWMN。 

在一个实施例中，多相开关变换器100还包括反馈电路。该反馈电路耦接至开关电路101_1～101_N的输出端以接收输出电压VOUT，并将代表输出电压VOUT的反馈信号提供至比较电路102。在一个实施例中，为了防止次谐波振荡的产生，控制器还包括产生斜坡补偿信号的斜坡补偿电路。该斜坡补偿信号可 被叠加至输出电压VOUT或代表输出电压VOUT的反馈信号，亦可从参考信号VREF中被减去。 

图2为根据本实用新型一实施例的图1所示多相开关变换器100控制方法的流程图。该控制方法包括步骤S221～S225。 

在步骤S221，开始对当前开关电路的控制。 

在步骤S222，判断输出电压VOUT是否小于参考信号VREF，是则至步骤S223，否则继续判断。 

在步骤S223，判断当前开关电路是否过流，是则至步骤S225，否则至步骤S224。 

在步骤S224，导通当前开关电路。 

在步骤S225，进入对下一相开关电路的控制。 

在一个实施例中，当检测到当前开关电路过流时，并非立刻跳过当前开关电路，而是保持当前开关电路关断并基于该过流状态进行计时。若计时值到达预设时间阈值，则跳过当前开关电路，否则导通当前开关电路并维持多相开关变换器正常工作。通过这样的方法，可以防止系统干扰导致错误的过流保护。 

图3为根据本实用新型一实施例的图1所示控制电路103的电路原理图。控制电路103包括分频电路305、过流保护电路306_1～306_N以及子控制电路307_1～307_N。分频电路305具有输入端和N个输出端，其中输入端耦接至比较电路102以接收比较信号SET，分频电路305根据比较信号SET在输出端产生分频信号FD1～FDN。每个过流保护电路306_i均具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至分频电路305的相应输出端以接收分频信号FDi，第二输入端耦接至相应过流检测电路104_i以接收过流检测信号OCi。过流保护电路306_i基于分频信号FDi和过流检测信号OCi，在输出端产生置位信号SETi，其中i＝1，2，......，N。过流保护电路306_i在相应开关电路101_i被检测到过流时，将置位信号SETi屏蔽，以维持开关电路101_i关断。 

每个子控制电路307_i均具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至过流保护电路306_i的输出端以接收置位信号SETi，第二输入端接收代表相应开关电路导通时长的导通时长信号TONi，输出端耦接至相应开关电路101_i以提供控制信号PWMi。开关电路的导通时长可被设置为恒定值，或与输入电压VIN和/或输出电压VOUT有关的可变值。 

如图3所示的实施例中，分频电路305包括受相激活指示信号 Phase1_active～PhaseN_active控制的N个开关管。当Phase1_active有效时(例如逻辑高电平，指示第一相开关电路已被激活)，比较信号SET被作为分频信号FD2传送至过流保护电路306_2。当Phase2_active有效时，比较信号SET被作为分频信号FD3传送至过流保护电路306_3。同理，在PhaseN_active有效时，比较信号SET被作为分频信号FD1传送至过流保护电路306_1。正常工作状态下，Phase1_active～PhaseN_active依次有效。因而，若多相开关变换器需要跳过某相开关电路，例如101_K，可以使相激活指示信号Phase(K-1)_active无效，而使相激活指示信号PhaseK_active有效，其中K＝2，3，......，N。若多相开关变换器需要跳过第一相开关电路，可以使相激活指示信号PhaseN_active无效，而使相激活指示信号Phase1_active有效。 

图4为根据本实用新型一实施例的过流检测电路和过流保护电路的电路原理图。过流检测电路104_i包括比较器CMP1。该比较器CMP1具有同相输入端、反相输入端和输出端，其中同相输入端接收代表相应开关电路输出电流的电流采样信号IL_i，反相输入端接收过流阈值信号TH_OC，输出端提供过流检测信号OCi。过流保护电路306_i包括非门NOT1以及与门AND1。非门NOT1具有输入端和输出端，其中输入端耦接至过流检测电路104_i以接收过流检测信号OCi。与门AND1具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至分频电路305的相应输出端以接收分频信号FDi，第二输入端耦接至非门NOT1的输出端，输出端提供置位信号SETi。 

对图4所示的电路而言，当相应开关电路101_i过流时，电流采样信号IL_i大于过流阈值信号TH_OC，过流检测信号OCi为逻辑高电平，置位信号SETi被屏蔽。此时无论分频信号FDi的状态如何，置位信号SETi均为低电平，以维持开关电路101_i关断。 

在一个实施例中，控制器还包括跳跃信号产生电路和相激活指示信号产生电路。跳跃信号产生电路用于产生指示跳过当前开关电路的跳跃信号SET_OCP，相激活指示信号产生电路基于跳跃信号SET_OCP对相激活指示信号Phase1_active～PhaseN_active进行调节。 

图5为根据本实用新型一实施例的跳跃信号产生电路508的电路原理图。该跳跃信号产生电路508包括计数器509、比较器CMP2以及重设电路510。计数器509具有重设输入端CLR、使能输入端EN、时钟输入端CLK和输出端，其中使能输入端EN耦接至比较电路102以接收比较信号SET，时钟输入端CLK 接收时钟信号(例如频率为20MHz的脉冲信号)，输出端提供计数值CNT1。计数器509的工作原理属于本领域公知常识，在此不再赘述。本领域技术人员可知，计数器509可被任何其他计时电路替代，例如常用的电容充电计时电路。 

比较器CMP2具有同相输入端、反相输入端和输出端，其中同相输入端耦接至计数器509的输出端以接收计数值CNT1，反相输入端接收预设值TOCP，输出端提供跳跃信号SET_OCP。重设电路510具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至比较电路102以接收比较信号SET，第二输入端耦接至比较器CMP2的输出端以接收跳跃信号SET_OCP，输出端耦接至计数器509的重设输入端CLR以提供重设信号。在一个实施例中，重设电路510包括或门OR1以及非门NOT2。非门NOT2具有输入端和输出端，其中输入端耦接至比较电路102以接收比较信号SET。或门OR1具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至非门NOT2的输出端，第二输入端耦接至比较器CMP2的输出端以接收跳跃信号SET_OCP，输出端耦接至计数器509的重设输入端CLR以提供重设信号。 

对于图5所示的跳跃信号产生电路508，当比较信号SET由逻辑低电平变为逻辑高电平时(指示输出电压VOUT由大于参考信号VREF变为小于参考信号VREF)，计数器509开始计数，计数值CNT1逐渐增大。在正常工作状态下，由于当前开关电路被正常导通，在计数值CNT1增大至预设值TOCP之前，比较信号SET将由逻辑高电平变为逻辑低电平(即输出电压VOUT由小于参考信号VREF变为大于参考信号VREF)，计数器509被重设(例如将计数值CNT1清零)，跳跃信号SET_OCP维持逻辑低电平。 

在当前开关电路存在过流状况时，由于过流保护电路的存在，当前开关电路将保持关断。此时，输出电压VOUT在负载电流的作用下将逐渐减小，比较信号SET维持逻辑高电平。如果在计数值CNT1增大至预设值TOCP之前，过电流状况消失，则当前开关电路将立即被导通，比较信号SET将随后由逻辑高电平变为逻辑低电平，计数器509被重设，跳跃信号SET_OCP维持逻辑低电平。如果过电流状况持续存在，使得计数值CNT1一直增大至预设值TOCP，则跳跃信号SET_OCP将由逻辑低电平变为逻辑高电平，指示需要跳过当前开关电路，同时计数器509被重设。 

图6为根据本实用新型一实施例的相激活指示信号产生电路611的电路原理图。该相激活指示信号产生电路611具有N+2个输入端和一个输出端，其中 第1至N个输入端接收控制信号PWM1～PWMN，第N+1个输入端耦接至跳跃信号产生电路以接收跳跃信号SET_OCP，第N+2个输入端接收相激活指示信号Phasei_active。该相激活指示信号产生电路基于控制信号PWM<i+1>、跳跃信号SET_OCP和相激活指示信号Phasei_active，在输出端产生相激活指示信号Phase<i+1>_active。其中，当Phasei_active有效时(例如逻辑高电平)，若控制信号PWM<i+1>由逻辑低电平变为逻辑高电平(指示第i+1相开关电路被导通)或者跳跃信号SET_OCP为逻辑高电平(指示需要跳过当前开关电路)，则Phase<i+1>_active有效。 

例如，当第一相开关电路已被激活，Phase1_active为逻辑高电平，比较信号SET被作为分频信号FD2送入过流保护电路306_2。此时，若第二相开关电路并未过流，则在比较信号SET为高电平时，控制信号PWM2由逻辑低电平变为逻辑高电平，第二相开关电路被导通，Phase<i+1>_active变为逻辑高电平。反之，若因第二相开关电路存在过流状况而导致跳跃信号SET_OCP为逻辑高电平，则第二相开关电路被跳过，Phase<i+1>_active为逻辑高电平。在一个实施例中，当控制信号PWM<i+1>由逻辑低电平变为逻辑高电平，Phase<i+1>_active并非立即有效，而是在一段延时后或者第i+1相开关电路的最小关断时长后方有效。 

图7为根据本实用新型一实施例的图3所示子控制电路的电路原理图。子控制电路307_i包括导通时长控制电路712、门电路713、逻辑电路714以及最小关断时长控制电路715。导通时长控制电路712根据控制信号PWMi和导通时长信号TONi产生导通时长控制信号COTi。最小关断时长控制电路715基于控制信号PWMi产生控制开关电路最小关断时长的最小关断时长控制信号OFFMINi。门电路713接收置位信号SETi和最小关断时长控制信号OFFMINi，并基于这两个信号产生逻辑输出信号。逻辑电路714接收逻辑输出信号和导通时长控制信号COTi，并基于这两个信号产生控制信号PWMi。在一个实施例中，门电路713为与门，而逻辑电路714为RS触发器。 

图8为根据本实用新型一实施例的图1所示多相开关变换器100的工作流程图，包括步骤S831～S839。 

在步骤S831，周期开始。 

在步骤S832，判断输出电压VOUT是否小于参考信号VREF，例如判断比较信号SET是否为逻辑高电平，是则至步骤S833，否则继续判断。 

在步骤S833，将计数值CNT1加一。 

在步骤S834，判断计数值CNT1是否等于预设值TOCP，是则至步骤S838，否则至步骤S835。 

在步骤S835，判断当前开关电路是否过流，例如判断过流信号OCi是否为逻辑高电平，是则返回至步骤S833，否则至步骤S836。 

在步骤S836，将置位信号SETi设置为逻辑高电平。 

在步骤S837，将控制信号PWMi设置为逻辑高电平，以导通当前开关电路。 

在步骤S838，将相激活指示信号Phase<i>_active设置为逻辑高电平，指示当前开关电路已被激活。在步骤S839，进入下一周期。 

图9为根据本实用新型一实施例的图1所示多相开关变换器100的工作波形图。如图9所示，在比较信号SET由逻辑低电平变为逻辑高电平时，计数器509开始计数，计数值CNT1逐渐增大。若在计数值CNT1到达预设值TOCP前，比较信号SET由逻辑高电平变为逻辑低电平，则计数器509被重设，跳跃信号SET_OCP维持逻辑低电平，多相开关变换器保持正常工作。若计数值CNT1持续增大至达到预设值TOCP，则跳跃信号SET_OCP由逻辑低电平变为逻辑高电平，当前开关电路被跳过，计数器509被重设。 

虽然已参照几个典型实施例描述了本实用新型，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本实用新型能够以多种形式具体实施而不脱离实用新型的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。 

Claims (5)

1.一种用于多相开关变换器的控制器，该多相开关变换器包括多个开关电路，该多个开关电路的输出端耦接在一起以提供输出电压，其特征在于，该控制器包括： 

比较电路，耦接至多个开关电路的输出端，基于参考信号和输出电压产生比较信号； 

多个过流检测电路，分别耦接至多个开关电路，检测该多个开关电路是否过流，并基于检测结果产生多个过流检测信号；以及 

控制电路，耦接至比较电路和多个过流检测电路以接收比较信号和多个过流信号，基于比较信号和多个过流信号产生多个控制信号，以控制多个开关电路依次导通； 

其中，所述控制电路包括： 

分频电路，具有输入端和多个输出端，其中输入端耦接至比较电路以接收比较信号，分频电路根据比较信号和多个相激活指示信号在多个输出端产生多个分频信号； 

多个过流保护电路，每个过流保护电路具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至分频电路的相应输出端以接收分频信号，第二输入端耦接至相应过流检测电路以接收过流检测信号，过流保护电路基于分频信号和过流检测信号在输出端产生置位信号；以及 

多个子控制电路，每个子控制电路均具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至相应过流保护电路的输出端以接收置位信号，第二输入端接收代表相应开关电路导通时长的导通时长信号，输出端耦接至相应开关电路以提供控制信号； 

其中所述控制器还包括： 

跳跃信号产生电路，产生指示跳过当前开关电路的跳跃信号；以及 

相激活指示信号产生电路，耦接至跳跃信号产生电路，基于跳跃信号对相激活指示信号进行调节。 

2.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，每个过流检测电路均包括第一比较器，该第一比较器具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收代表相应开关电路输出电流的电流采样信号，第二输入端接收过流 阈值信号，该第一比较器基于电流采样信号和过流阈值信号，在输出端产生过流检测信号。 

3.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，每个过流保护电路包括： 

非门，具有输入端和输出端，其中输入端耦接至相应过流检测电路以接收过流检测信号；以及 

与门，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至分频电路的相应输出端以接收分频信号，第二输入端耦接至非门的输出端，输出端提供置位信号。 

4.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述控制电路还包括： 

计数器，具有第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，其中第二输入端耦接至比较电路以接收比较信号，第三输入端接收时钟信号，输出端提供计数值； 

第二比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至计数器的输出端以接收计数值，第二输入端接收预设值，输出端提供跳跃信号；以及 

重设电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至比较电路以接收比较信号，第二输入端耦接至第二比较器的输出端以接收跳跃信号，输出端耦接至计数器的第一输入端以提供重设信号；其中 

分频电路基于跳跃信号调节其输出的多个分频信号。 

5.一种具有过流保护功能的多相开关变换器，其特征在于，包括如权利要求1至4中任一项所述的控制器。 

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