TW201110519A - Multi-phase DC-to-DC converter with daisy chained pulse width modulation generators - Google Patents

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Description

201110519 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 [麵]本發明要求2009年8月3日在美國提交的第 61/230, 948號臨時專利申請的優先權和權益，並且在 此包含了該申請的全部内容。 本發明涉及直流功率轉換器，更具艎地，涉及多相直流 轉換器。 【先前技術】
[〇〇〇2]直流轉換器被廣泛地用於各稂電子設備中，尤其是電池 供電的移動設備。直流轉換器需要以預先設定的穩定電 壓為電子元件提供穩定的功率供應。 多相直流轉換器工作於具有多個並聯耦接的功率級，並 且各相之間具有偏移量的情況下。目前的多相直流轉換 器具有諸多不足之處，例如，功率轉換效率低、難於集 成到積體電路中以及成本較高等等β 【發明内容】 , [0003]針對現有技術中的一個或多個問題，本發明的— I1 目的 是提供一種直流轉換器電路。 根據本發明的一個實施例，直流轉換器電路包括：輪入 端，用於接收具有脈衝序列的輸入信號；輸出端.第一 功能單元，用於基於輸人信號的脈衝採樣具有脈衝序列 的主時鐘信號，以提供具有脈衝序列的内部時鐘作號. 脈衝寬度調製發m内部時鐘信號計時，用^供 脈衝寬度調製信號；高側功率管和低側功率管，轉接於 所述脈衝寬度㈣發生n，喊㈣述脈衝寬度調製作 099125772 表單編號A0101 第3頁/共34頁 0993359716-0 201110519 號而開通或者關斷， 並且回側功率管只有在所述脈衝寬 二"號為第1輯狀態時開通，低側功率管只有在 衝寬度調製信號為與第—邏輯狀態互補的第二邏 軏狀態時開通，伤徂古彳， ea 叩側功率管和低側功率管不會同時 以及第二功能單元’用於實質上與那些緊接於輸 =的脈衝相中的脈衝之後的⑽鐘《脈衝同步地 在輪出端提供脈衡序列。 根據t發明—個實施例的直流轉換器電路，其中，第一 &時鐘彳s號和輸人端的脈衝序列信號進行等 價於布林邏輯，峨祕㈣錄信號。 才據本發s個實施例的直流轉換m還包括：時鐘 用於提供主時鐘信號。根據本發明-個實施例 的直流轉換器電路還包括：主時鐘信號輸人端用於接 收主時鐘信號。 根據本發明的又—實施例，直流轉換器電路包括：第一 節二具有類比電源電壓;第二， 第一節點*有低侧電壓；功餘車％，用於基於主時鐘 l號的相位採樣具有脈衝序列的主時鐘信號以提供内部 時鐘仏號’其中，所述相位由類比電源電壓、高侧電壓 和低側電壓決定；脈衝寬度調製發生器，由内部時鐘信 號計時，祕提供脈衝寬度調製信號；以及高侧功率管 和低側功率管’轉接於所述脈衝寬度調製發生器，回應 於所述脈衝寬度調製信號而開通或者關斷，並且高侧功 率管只有在所述脈衝寬度調製信號為第一邏輯狀態時開 通，低側功率管只有在所述脈衝寬度調製信號為與第一 邏輯狀態互補的第二邏輯狀態時開通，使得高側功率管 099125772 表單編號Α0101 第4頁/共34頁 201110519 和低側功率管不會同時開通。 根據本發明又-實施例的直流轉換器電路，還包括主時 鐘信號輸人端，用於接收主時鐘信號。根據本發明又一 實&例的直/;η·轉換11電路，還包括時鐘發生n，用於提 供主時鐘信號。 於徒 根據本發明又-實施例的直流轉換器電路 電壓等於類比電源電壓。 问側
根據本發明又-實施例的直流轉換器電路，其中，所述 二分子和分母的比決定其中，分子為類比電源電 與间側電壓的差，分母為高側電愿與低側電塵的差。 根據本發明的再一眘 {D⑴，㈣’U 提供一種系統，包括晶片集 ，N丨，其中，N:為大於零的整數， 晶片D⑻包括時鐘發生器’用於提供主時 ^触於所物發生器，賴^......,N；；\ 一個，用於接收主時鐘信號； 母
晶片D⑴’對於每一個i = 〇，U，……，。包括輸入埠 I(i) ’其具有信號<i> ’和輸出賴n ’其中，對於每 一個i = 1，2,……，N，輸入埠IU)耦接到輪出埠ocid) ’輸入埠1(0)耦接於輸出埠0(N);以及 晶片D(i) ’對於每一個i=0, 1，2, ......，N-1，基於信號 <i>對主時鐘信號採樣，以提供内部時鐘信號(；（丨）和信號 <i + l>，以及晶片D(N) ’基於信號<N>對主時鐘信號採樣 ，以提供内部時鐘信號C(N)和信號<〇>。 根據本發明再一實施例的系統，其中，内部時鐘信號 C(i)，對於每一個i=0,〗，2, ·.....，N-〗，在邏輯上等價 於主時鐘信號和信號<i>的布林邏輯與。 099125772 表單煸號A0I01 第5頁/共34頁 0993359716-0 201110519 根據本發明再一實施例的系統，其具有啟動過程，主時 鐘信號包括脈衝序列，對於每一個i=0,丨，2,……，N，信
號<i>包括脈衝序列，其中，對於每一個i = 1，2, ......，N ，在啟動後的一段時間，信號<i>的脈衝序列中的每個脈 衝在緊接著信號<i-l>的脈衝後的主時鐘信號脈衝開始， 信號<0>的脈衝序列中的每個脈衝在緊接著信號<N>的脈 衝後的主時鐘信號脈衝開始。 根據本發明再一實施例的系統，晶片D(i)，對於每一個 i = 1，2,……’N，包括脈衝寬度調製發生器G(i)，由内部 時鐘信號計時’提供脈衝寬度調製信號pwM(i)，並且 晶片D(i) ’對於每一個i = i，2,……，N，包括高側功率管 TH (i)和低侧功率管TL (i ) ’所述高側功率管(丨）和低 侧功率管TL(i)耦接於所述脈衝寬度調製發生器G(i)， 回應於所述脈衝寬度調製信號PWM(i)而開通或者關斷， 使得高侧功率管T H (i )只有在所述脈衝寬度調製信號 PWM(i)為第一邏輯狀態時開遂，低側功率丨管几（丨）只有 在所述脈衝寬度調製信號PWM(i)為與第一邏輯狀態互補 的第二邏輯狀態時開通，使得高側功率管TH(i)和低側功 率管TL(i)不會同時開通》 根據本發明再一實施例的系統，進一步包括：電感集 {L(i)，ι = 〇, 1，2,......，N}，其中，對於每一個 i = 1，2， ……，N，L(i)耦接於高側功率管TH(i)和低側功率管 TL⑴。 根據本發明的第四實施例，提供一種系統，包括晶片集 {D(i)，ι = 〇，ΐ，2, ......’N} ’其中，N為大於零的整數， 晶片D(0)包括時鐘發生器，用於提供主時鐘信號，晶片 099125772 表單編號A0101 第6頁/共34頁 0993359716-0 201110519 ，N中的每 D(〇耦接於所述時鐘發生器，對於i = 1，2 一個’用於接收主時鐘信號； 晶片D(i)，對於每一個i=〇，l，2,……，N，包括具有類比 電源電壓的節點nl(i)、具有電壓的節Sn2(i)和具有電 壓的節點n3(i);其中，節點n2(〇)的電壓為類比電源電 壓’節點n3(N)的電壓為地電壓；對於每個i = 〇,丨，2，… …’N-1 ’節點n3(i)耦接於節點n2(i + 1);並且 晶片D(i)，在主時鐘信號的相位Ρ(〇採樣主時鐘信號以 提供内部時鐘信號C(i)，相位p(i)由類比電源電壓、節 點n2(i)的電壓和節點n3(i)的電壓決定，對於每一個 i = 〇，1，2，......，N。 s' r _ -* 根據本發明第四實施例的系統，其冲，晶片D(i)，對於 每一個i = 0, 1，2,……，N，包括電阻R(i):，該電阻R(i) 的第一端耦接節點n2(i) ’其第二端耦接節點n3(i)。 根據本發明第四實施例的系統，其中，相位p(i)由分子 和分母的比決定，其中，對於每個i = 0,丨，2,......，N，分 子為類比電源電壓與節點n2(i)的電壓的差，分母為節點 n2(i)的電壓與節點n3(i)的電壓的差。 根據本發明的第四實施例的系統，其中，晶片丨）包括 脈衝寬度調製發生器G(i)，對於每一個卜1，2,……，N， 由内部時鐘信號計時，以提供脈衝寬度調製信號ρψΜ(〇 ;並且 晶片D(i) ’對於每一個i = i，2, ......，N，包括高側功率管 TH(i)和低側功率管TL(i)，所述高側功率管TH(i)和低 侧功率管TL(i)耦接於所述脈衝寬度調製發生器G(i)， 回應於所述脈衝寬度調製信號PWM(i)而開通或者關斷， 099125772 表單編號A0101 第7頁/共34頁 0993359716-0 201110519 使得高側功率管TH( i )只有在所述脈衝寬度調製信號 PWM(1)為第一邏輯狀態時開通’低侧功率管TL(i )只有 在所述脈衝寬度調製信號pWM(i)為與第一邏輯狀態互補 的第二邏輯狀態時開通’使得高侧功率管TH(i)和低側功 率管TL(i)不會同時開通。 根據本發明第四實施例的系統，進一步包括：電感集 (L(i)，i=0, 1，2, ......，，其中，對於每一個 i = l, 2， ……，N，L(i)耦接於高側功率管TH(i)和低側功率管 TL(i)。 根據本發明的第五實施例’提供意路，包括：誤差 輸入端；時鐘輪出端；電阻、其具有第一端，和第二端 ，該第一端耦接於誤差輸入蟑；第一節點，耦接於所述 電阻的第二端；第一電流源，耦接於所述第一節點；運 算放大器，其具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端， 該第一輸入端耦接於所述第一節點；第二節點，耦接於 所述運算放大器的第二輸入開關，耦接於誤差輸入 知 '第二節點和時鐘輸出端，用於當有脈衝提供給時鐘 輸出端時，在誤差輸入端和第二節點之間提供負載阻抗 通路；電容器，耦接於第二節點；以及單觸發功能單元 ，耦接於運算放大器的輸出端，以回應於運算放大器的 輸出從第一邏輯狀態切換到第二邏輯狀態在時鐘輸出端 提供脈衝，其中第二邏輯狀態與第一邏輯狀態互補。 根據本發明第五實施例的電路’所述開關包括NM〇SFET， 其漏極轉接於誤差輸入端，其源極耦接於第二節點，其 柵極耦接於時鐘輸出端。 099125772 根據本發明第五實施例的電路 表單編號A0101 第8頁/共34頁 進一步包括：功率轉換 0993359716-0 201110519 器，其具有輪出端；第二運算放大器，其具有輸入端， 和輸出端，該輪出端耦接於誤差輸入端；以及回饋通路 ，將功率轉換器的輸出端耦接到第二運算放大器的輸入 端。 【實施方式】 [0004] Ο 下面的詳細說明中，一些具體的細節，例如實施例中的 具體電路結構和這些電路元件的具體參數，都用於對本 發明的實施例提供更好的理解。本技術領域的技術人員 可以理解，即使在缺少很多細節或者其他方法、元件、 材料等結合的情況下，本發明也可以被實現。 在接下來的說明中，“某些實施例，，所涵蓋的範圍不僅 限於夕於一個實施例，而是包括一個實施例，多於一個 貝施例或者所有實施例。 、 第1圖示出了根據本發明一個實施例的多相直流轉換器的 結構不意圖。第1圖所示的電路包括電路元件以及功能單 兀的混合°該直流轉換器以某個調整後的電壓為負載102 ❹ 輸送功率’其中功率由電壓為V的電源提供。在一個實
1 N 施例中’負載102可以是中央處理單元，然而根據本發明 的不同實施例，任何其他類型的電子電路均可以由該直 流轉換器供電》 多相直流轉換器通常產生脈衝序列寬度調製信號（在第1 圖中標示為“PWM”）用於開通和關斷功率管，其中，每 個PWM信號開通或者關斷一組高侧功率管和低側功率管。 如第1圖所示的實施例中示出了一個三相直流轉換器，其 產生二組脈衝寬度調製信號，第一脈衝寬度調製信號由 099125772 PWM發生器1〇3產生並且被提供給驅動器1〇4，第二脈衝 表單編號Α0101 第9頁/共34頁 0993359716-0 201110519 寬度調製信號由PWM發生器105產生並且被提供給驅動器 106，第三脈衝寬度調製信號由PWM發生器1〇7產生並且 被提供給驅動器108。當然本發明並不限於三相直流轉換 器’而是允許規模化，如後文所述，任何所期望的切合 實際的相位數量均可以容易地被實現。 驅動器10 4驅動高侧功率管NMOSFET 110和低側功率管 NMOSFET 112的柵極以使得電感114耦接到電源電壓丫1[^ 或者耦接到地116。類似的標記應用於驅動器106和108 及其對應的NMOSFET和電感。實際中，每個功率NMOSFET 均由大量的NMOSFET並聯而成。本發明的實施例並不限於 功率NMOSFET，其他類型的開攔元件均可適用。 對於每一個驅動器，採用電流感測元件以提供表徵與其 對應的電感電流的信號。例如，電流感測元件118提供表 徵流過電感114的電流的信號，在第1圖中標示為^。電 流感測元件可能包括多於一個的電路元件，並且不一定 直接耦接於與其對應的電感。類似地’電流信號12表徵 流過電感120的電流，信號Iq表徵流過電感122的電流。 對於第1圖所示實施例中的這些信號II、12和13將被提及 為電流感測信號。 電流感測信號有些時候可能用電壓來表示，有些時候用 電流來表示，然而為了簡化標示’採用同樣的符號來表 示電壓或者電流。根據背景來確定其具體是表示電壓還 是電流。另外，在一個實施例中，可能包括電路元件用 於將電流感測信號從電壓轉換為電流’或者從電流轉換 為電壓，以便在同一個實施例中，既可以採用電壓也可 以採用電流來表示電流感測信號。 099125772 表單編號A0101 第10頁/共34頁 0993359716-0 每個電流感測信號被提供給與其對應的PWM發生器。例如 ’ pWM發生器1〇3具有輸入端（表示為q)用於接收電流 感測信號、。這些電流感測信號通過加法器124相加以提 供表徵總電流的信號ιτ，該表徵總電流的信號Ιτ被提供 給運算放大器（ΟΡΑΜΡ) 126的反相輸入端。通過電阻 130從節點128提供回饋信號通路到ΟΡΑΜΡ 126的反相輸 入端。參考電壓V 被提供給0ΡΑΜΡ 126的同相輸入端。 K h r ΟΡΑΜΡ 126的輸出信號可以稱為誤差信號，並且在第1圖 中用“ERROR”表示。該誤差偉號被提供給每個PWM發生 器的同相輸入端◊對ΟΡΑΜΡ 126的輸出信號應用環路補 償濾波器。從而，功能單元1巧4表:禾環路補償濾波器，因 此可以假定誤差信號被環路補償功旎單元134攄波。 每個PWM發生器採用誤差信號以調節提供给與其對應的驅 動器的PWM信號的工作週期。這樣的負反饋環路在直流變 換器領域是公知的，在此不做詳細描述。 因此’本發明的實施例可以採用任何技術以調節PWM信號 使得誤差信號的幅值最小。' 第5圖示出了根據本發明的PWM發生器103的一個如此的實 施例。誤差信號被提供給ΟΡΑΜΡ 502的同相輸入端。加 法器5 0 4將鑛齒波信號和電流感測信號11相加，並將相加 的結果提供給ΟΡΑΜΡ 502的反相輸入端。鋸齒波信號和 電流感測信號可以均為電壓信號，在這種情況下，這些 電壓信號的和被提供給ΟΡΑΜΡ 502。如果電流感測信號 為電流信號，根據某些實施例，將可以採用跨導放大器 為加法器504提供表徵電流感測信號的電壓。 ΟΡΑΜΡ 502的輸出被提供給SR鎖存器506的R輸入端。每 表單编號Α0101 第11頁/共34頁 0993 201110519 個剛發生&採樣主時鐘信號CLK，以提供其自身内部的 時鐘L號在如第5圖所示的PWM發生器10 3的實施例中， 這種内部賴錢㈣。這㈣採㈣在後續做 詳、、’田描述Μ。卩時鎊信號被提供給鎖存器5㈣的s輸入 端SR鎖存器506的q輸出端提供雨信號至驅動器1〇4。
這樣，顺錢被調節以降低提供給OPAMP 502的誤差信 號的幅值。由於電流感測信號^被疊加了㈣波信號， 當負載102突然吸收大量電流時，雨信號被調節以為高 側NMOSFET 110提供更大的工作週期，從而有助於調整 負載電壓。 現有技術中的某些直流轉換器可能對電壓落差很敏感， 當負載突然:吸收更多電流時，提供給負載的調整 電壓將
下降。根據本發明的實施例採用包括電阻⑽的回饋通路 和總電流信號Ιτ以減輕這樣的電壓落差。對於第丨圖所示 的具體實施例’總電流信號〜為電流，因此若電阻13〇的 阻值用R表示，節點128處的負載電壓用、表示，則提供 給ΟΡΑΜΡ 126的反相輸入‘的擎壓為Vl+RxI 。放大器 126提供的誤差信號大約為二τ)，其中 κ為放大器增益。 當輸送到負載102的總電流突然增加時，例如，這在中央 處理單元巾可能經常發生’職差信號的巾帛值也相應地 突然增加。因此’ PWM發生器將相應地快速調節爾信號 以使得負載電壓恢復到所期望的水準，從而有助於緩減 電壓落差。 參考第1圖，時鐘發生器132產生提供給所有mm發生器的 099125772 主時鐘信號。在第1圖中該主時鐘信號用 表單編號A0101 第12頁/共34頁 CLK”表示。 0993359716-0 201110519 時鐘發生器132採用誤差信號適應性地調節主時鐘信號的 瞬態頻率，其中主時鐘信號的頻率在瞬態變化時升高。 第2圖示出了根據本發明一個實施例的時鐘發生器的更詳 細的描述。 Ο 在輸入端202提供誤差信號，在輸出端2〇4提供主時鐘信 號，輸出端204也是單觸發2〇6的輸出端。為了使單觸發 206的輸出不加負載’可以採用緩衝器提供主脈衝信號， 不過為了便於示意，第2圖的示意圖中並未明確示出這樣 的緩衝器。電流源210提供標記的電流，以在_s_ FET 208關斷時對電容器212充電。〇pAMp 214比較電容 器212上的電壓降與節點216處的電壓。在節點216處， 電流源218提供標記為、的電流，則節點216處的電壓可 以由Verr_IoxRo給出，其中'找表示誤墓信號的電壓，
Ro表示電阻220的阻值。
通過選取電流源218以及電阻220，在輸出端2〇4提供的 主時鐘信號的瞬態頻率（或者週期 > 取決於對電容器212 的充電速率以及在節點216處產生的電塵值。當nmosfET 208開通時，電容器212上的電壓通過電流源21〇被放電 。主時鐘信號的週期即為電容器212被充電到節點216處 的電壓，即verr-i〇xR。’所需的持續時間。一旦電容器 212上的電壓被拉到低於節點216處的電壓，〇pAMp 214 將使知早觸發206提供一個脈衝，作為時鐘，並且將 NM0SFET 208導通一段較短的時間以使電容器212放電。 主時鐘信號的週期或頻率可以通過選擇電流源218和21〇 提供的電流值 '電阻220的阻值、電容器212的容值或者 它們中某些的組合來調節。如果這些參數是固定的，在 099125772 表單編號A0101 第13頁/共34頁 0993359716-0 201110519 誤差信號的電壓恒定的情況下’主時鐘信號的週期也恒 定。 在節點21 6處的電壓跟隨誤差信號的電壓。如果誤差信號 的電壓突然增加，則對電容器212充電以使opamp 214觸 發單觸發206所需的時間變短。因此，主時鐘信號的瞬態 週期變短從而有助於負載電壓的瞬態回應。 每個PWM發生器均包括解碼電路以決定使用主時鐘信號的 哪個相位。任一個PWM發生器所選擇的相位取決於直流轉 換器中使用的PMW發生器的個數。例如，第1圖所示的具 體實施例中示出了 一個三相直流轉換器，因此每個PWM發 生器在主時鐘信，號的每隔第::三個脈衝對主脈衝信號進行 採樣以產生其自身的内部時鐘信號。如果在某個具體的 實施例中，例如’只用了一個PWM發生器，則該pwm發生 器在主時鐘信號的每個脈衝進行採樣《根據本發明的實 施例允許任意切合實際數目的PWM發生器彼此耗接。 在虛線152内的系統元件梅集成在單晶片；（晶片）上。電 流感測元件118可以被集成於與虛線152内的元件所在的 同一晶片上。然而，與虛線152内的系統元件相關聯的某 些電路元件可能是分立的從而並不被集成於晶片上。例 如，在第2圖中所示出的時鐘發生器電路中的電容器212 和電阻220可以為分立元件，從而不與虛線152内的其他 元件集成在一起。其他系統元件，除了電感' 電容器136 和負載102外，均可以被集成於一個或多個不同於由虛線 152所表示的晶片上。對於某些實施例，每個PWM發生器 和與其相關聯的驅動器及MOSFETs分別被集成在不同的晶 片上。例如，PWM發生器105、驅動器106和功率M〇S- 099125772 表單編號 A0101 第 14 頁/共 34 頁 0993359716-0 201110519 FETs 138和140可以被集成在第二個晶片上；pwM發生器 107、驅動器1〇8和功率M0SFETs 142和144可以被集成 在第二個晶片上。 包含有PWM發生器1〇5以及PWM發生器1〇7的晶片無需包含 如虛線152内所示出的控制系統元件的複製。pwM發生器 103可以被稱為主PWM發生器，其他的pwM發生器被稱為 從PWM發生器。 在某些實施例中，每個包含有PWM發生器的晶片可以同時 包含如虛線152内所示出的控制系統元件的複製，無論這 樣的系統元件是否被用到。包含有控制系統的晶片被構 建為從晶片’其控制系統不被利用。在這個示例中，對 於系統設計師來說’封裝好你海也積體電路都是一樣的 ，唯一不同的是其中一個被構建為主晶另，其餘的為從 晶片。 這些PWM發生器被耦接為菊花鏈狀。例如，PWM發生器 103通過中間連接146被耦接到pwM發生器1〇5，PWM發 生器105通過中間連揍148被耦接到PWM發生器1〇7。在第 1圖所示的具體實施例中，還有中間連接15〇將最後一個 PWM發生器（107)耦接到主PWM發生器（103)。某些實 施例中’可能不需要從最後一個PWM發生器到主p醫發生 器的中間連接。 第3A圖示出了決定在哪個相位來採樣主時鐘信號的pwM發 生器的一個實施例。功能單元3〇2表示一個PWM發生器， 其中框内的標記（i)表示該PWM發生器所表示的具體PWM 發生器的編號。在第3圖所示的具體實施例中，i = 〇、 1 、2 °例如’ i = 〇可以表示PWM發生器103，i = 1可以表示 099125772 表單編號A0101 第15頁/共34頁 0993359716-0 201110519 PWM發生器l〇5，i = 2可以表示PWM發生器107。在pwm發 生器302的輸入端3〇4處的信號<i-i>表示由編號為（土 )模3的PWM發生器提供的輸出信號，其中進行模運算時 取正’值的餘數。例如，如果i = 〇，則（i — 1 )模3等於2， 這表示PWM發生器1〇7。這個信號被PWM發生器採用以確 定採樣哪個時鐘相位，為了方便，對於任何值的標記i， 信號<i>被稱為相位解碼信號。 在第3B圖中示出了〈卜丨〉相位解碼信號在時間軸上的示例 性繪圖，標記為306 »繪圖306示出了 <i-l>相位解碼俨 號的三個脈衝。作為參照，在繪圖306下方為主時鐘俨號 在時間轴上的示例性繪圖，標，記為3α&，其示出了主時鐘 信號的9個脈衝。在第扑圖所示的具體實施例中，〈丨1> 相位解碼信號的週期是主時鐘信號週期的三倍，其中才 位解碼信號的每個脈衝具有時域上與主時鐘信號的週期 相等的脈寬。然而，需要注意的是，主時鐘信號不二j 具有確定的週期，因為其瞬態頻_ (說者週期）曰疋 間變化的。對於某些實施例，相咖辱信號的脈=時 域上的寬度可以小於主時鐘信號的鱗態週期，冲 時 信號也不具有確㈣頻率，因為其瞬態頻率位解瑪 隨著主時鐘信號而隨時間變化。 〃、也可能 〜運算 ηακ，或者其等價邏輯，來對主時鐘信號採樣f CLK信號的每隔第三個脈衝與<iM>相位解碼广η這樣在 上升沿重合的時候有效地採樣CLK信號'的脈衝 <i-l>门CLK信號的時間軸上的繪圖，標記為3圖中不出了 了三個脈衝。 2 ’示出 099125772 表單編號A0101 第16頁/共34頁 〇993359716~〇 201110519 PWM發生器302在輸出端310為菊花鏈中的下一個pwM發生 器提供<i>相位解碼信號。這個相位解碼信號的三個脈衝 在時間軸上被繪圖314示出。p職發生器3〇2通過產生具 有與一個時鐘週期相等的脈寬的脈衝來產生〈i〉相位解碼 信號，其中該脈衝在緊接於採樣主時鐘信號的〈i_1>n CLK脈衝之後的主時鐘信號CLK脈衝處開始。箭頭316示 出了這種關係，其中脈衝318為緊接於採樣的主時鐘信號 脈衝320之後的主時鐘信號脈衝。脈衝322在脈衝318開 Ο 始時開始。 以上對於主時鐘信號、採樣的時鐘信號、〈卜丨〉信號以及 < i >仏號的脈衝之間時間相對爛係的討論.是^理想的，其中 脈衝用理想的矩形波表示，並忽'略、了時延。在直流轉換 器首次被開啟時需要實現一個啟動過程，因為菊花鏈中 從最後-個PWM發生器到主PWM發生器的相位解碼信號此 ο 時是不可㈣。作為-個例子，主PWM發生器在啟動時可 以在其採樣主時鐘信號時，為相位解碼信;號<〇>產生第一 個脈衝，即使在其输入端沒有任何脈衝被提供。 事實上，可能除了在啟動和關斷.過程中之外，相位解碼 信號<i>包括-脈衝序列，其在時間上相對於相位解碼信 號<卜1>的脈衝序列有平移，其中在啟動後和關斷前的^ 何給定時刻，時間平移為該給定時刻的瞬態時鐘週期。 主時鐘信號和相位解碼信號是同步的。在第犯圖中示出 的兩個相位解碼錢的脈衝被表示為在相應的主時鐘信 號脈衝開始時開始◊在實際中，可能會有一定程度的相 位抖動或者延遲以至於相位解碼信號脈衝不一定精確地 099125772 與和它們相應的主時鐘信號的脈衝—致 表單编號Α0101 第17頁/共34頁 因此，相位解 0993359716-0 201110519 碼信號基本上與和與它們對應的㈣鐘信號脈衝一致。 例如’相位解碼信號❾的脈衝基本上在緊接於觸使相位 解瑪信號< i -1 >的系列脈衝形成的脈衝之後的主時鐘信號 脈衝開始時開始。應該理解，“基本上，，是一個術語， 用於傳遞這樣的概;t:同時性或者完全的同步性不能被 精確地滿足’只是在對於本領域實踐者可商議的技術所 允許的誤差容限内可以達到。 以上所描述的實施例可以容易地被推廣到有N個從pffM發 生器菊花鏈狀地連接於主PWM發生器的情形，其中N是整 數。這時，菊花鏈中的學1個晶片可以用晶片集)， 1 = 〇，丨’ 2，"·…，N丨表示，其中每假晶;片D(i)具有輸 入端I(i)，其具有信號<丨>，和輪出端〇(i)。輸入端 I(i)耗接於輸出端〇((i_i)模Ν + ι)。内部時鐘信號c(i) 邏輯上等於主時鐘信號和信號<i>的布林與（AND)。相位 解碼彳§號滿足這樣的關係，其中相位解碼信號〈丨>的每個 脈衝在緊接於〈（卜〗）模Ν + ι>脈衝的主時鐘信號脈衝開始 時開始。然而，在菊花鏈酷初始啟動或者關斷時，相位 解碼信號間的這種關係可能*本—走被滿足。 第4圖示出了決定在哪個相位來採樣主時鐘信號的發 生器的又一個實施例。PWM發生器402包括一高側介面 404和一低側介面406。PWM發生器402與編號i相關聯。 高側介面404被耦接於第（i — 丨）個PWM發生器的低側介 面’除非i = 0，在這種情況下，PWM發生器4〇2為主PWM發 生器，其咼側介面耗接於類比電源，具有電壓。低側 介面406耦接於第（i + i)個PWM發生器的高侧介面，除 了 PWM發生器402為菊花鏈中的最後一個，在這種情況下 099125772 表單編號A0101 第18頁/共34頁 noo<„ 201110519 ，低侧介面406耦接到地。 高侧介面404通過電阻408被耦接到低側介面406，電阻 408可以為内部或者外部電阻。PWM發生器402採樣高側 介面4 0 4和低側介面4 0 6處的電壓，其中這些電壓分別被 標記為。假設對於每個PWM發生器的電阻阻值相同 ，可以容易得出編號i由下式給出： vm> ^ vh .
Q 由於類比電壓VDD對每個PWM發生器都是可用的，每個PWM 發生器都可以決定其在菊花鏈狀耦接的PWM發生器鏈中的 相對位置。以上運算式可以用大多數方法中的任一種來 衡量。 為了同步所有的PWM發生器，主PWM發生器在其開始採樣 主時鐘信號時還在匯流排41 0上發送一値信號β這樣，每 個PWM發生器可以無模糊地決定採樣主時缚信號的時間。 根據本發明的實施例也可以不具有前面圖中示出的所有 〇 元件。例如，在一個實施例中具有第1圖中所示出的壓差 控制元件，例如，從節點128到0PAMP 126的反相輸入端 的回饋通路，但不具有其他特徵。或者作為另外的例子 ，在一個實施例中，可以具有如上所述的菊花鏈狀連接 的PWM發生器，但不具有壓差控制或者適應性時鐘發生 器132，而是一個固定的時鐘發生器。 採用主PWM發生器和從PWM發生器為組建多相直流轉換器 提供了規模化的設計方法。設計師可以選擇切合實際數 目的PWM發生器作為組建模組以實現具有任何切合實際數 099125772 表單編號A0101 第19頁/共34頁 0993359716-0 201110519 目相的多相直流轉換器。 上述本發明的說明書和實施方式僅僅以示例性的方式對 本發明的採用主pWM發生器和從pwM發生器以組建多相直 机轉換器的電路和方法進行了說明，並不用於限定本發 明的範圍。對於公開的實施例進行變化和修改都是可能 的’其他可行的選擇性實施例和對實施例中元件的等同 可以被本技術領域的普通技術人員所瞭解。本發明 所A開的實施例的其他變化和修改並不超出本發明的精 神和保護範圍。 【圖式簡單說明】 [0005] ㈣瞭本發明的實施方式。這雜和實施方式 以非限制性、非窮舉性的方式提供了本發⑽-些實施 例。 : Ί 第1圖不出了根據本發明一個實施例的直流轉換器的電路 示意圖； 第2圖不出了根據本發明一個實施例的適用於直流轉換器 的具有適應性頻率的時祕生_示意圖； 第3Α圖不出了根據本發明一钮實^例的脈衝寬度調製發 生器的示意圖； 第3Β圖不出了根據本發明一個實施例的脈衝寬度調製發 生器採樣祝時鐘信號的波形示意圖。 第4圖不出了根據本發明又一實施例的脈衝寬度調製發生 器的示意圖； 第5圖不出了根據本發明實施例的脈衝寬度調製發生器的 一個具體實現。 099125772 表單編號Α0101 第20頁/共34頁 0993359716-0 201110519 【主要元件符號說明】 [0006] 102、LOAD 負載 128 ' 216 節點 136 ' 212 電容器 114、120、122 電感 118 電流感測元件
110 > 208 NM0SFET 116 地 130、220、408 電阻
134 ' Loop Comp 環路補償功能單元 VREF M 126 放大器 124、504 加法器 132 時鐘發生器 150、148、146 中間連接 104、106、108 驅動器 107、103、105、302、402 PWM發生器 138、140、142、144 功率MOSFETs
112 低側功率管NM0SFET PWM 脈衝序列寬度調製信號 202 輸入端 210、218 電流源 214、502 0PAMP、運算放大器 206 單觸發 204 ' 310 輸出端 306、308、314 繪圖 099125772 表單編號A0101 第21頁/共34頁 0993359716-0 201110519 CLK 322 316 410 404 406 506 主時鐘信號 320 脈衝 箭頭 匯流排 高側介面 低侧介面 SR鎖存器 099125772 表單編號A0101 第22頁/共34頁
0993359716-0

Claims (1)

  1. 201110519 七、申請專利範圍： 1 . 一種電路，包括： ❹ ❹ 2 3 4 5 輸入端，用於接收具有脈衝序列的輸入信號； 輸出端； 第一功能單元，用於基於輸入信號的脈衝採樣具有脈衝序 列的主時鐘信號，以提供具有脈衝序列的内部時鐘信號； 脈衝寬度調製發生器，由内部時鐘信號計時，用於提供脈 衝寬度調製信號； 高侧功率管和低侧功率管，耦接於所述脈衝寬度調製發生 器，回應於所述脈衝寬度調製信號而開通或者關斷，使得 高側功率管只有在所述脈衝寬度調製信號為第一邏輯狀態 時開通，低侧功率管只有在所述脈衝寬度調製信號為與第 一邏輯狀態互補的第二邏輯狀態時開通，從而高側功率管 和低側功率管不會同時開通；以及 第二功能單元，用於實質上與那些緊接於輸入端的脈衝序 列中的脈衝之後的主時鐘信號脈衝同步地在輸出端提供脈 衝序列。 .如申請專利範圍第1項所述的電路，其中，所述第一功能 單元對主時鐘信號和輸入端的脈衝序列信號進行等價於布 林邏輯與的運算，以提供内部時鐘信號。 .如申請專利範圍第2項所述的電路，還包括： 時鐘發生器，用於提供主時鐘信號。 .如申請專利範圍第1項所述的電路，還包括： 時鐘發生器，用於提供主時鐘信號。 .如申請專利範圍第1項所述的電路，還包括： 099125772 表單編號A0101 第23頁/共34頁 099Σ 201110519 主時鐘信號輸入端，用於接收主時鐘信號。 6 . —種電路，包括： 第一節點，具有類比電源電壓； ¥二節點，具有高侧電壓； 第三節點，具有低侧電壓； 功能單元，用於基於主時鐘信號的相位採樣具有脈衝序列 的主時鐘信號以提供内部時鐘信號，其中，所述相位由類 比電源電壓、高側電壓和低側電壓決定； 脈衝寬度調製發生器，由内部時鐘信號計時，用於提供脈 衝寬度調製信號；以及 高侧功率管和低侧功率管，耦接於所述脈衝寬度調製發生 器，回應於所述脈衝寬度調製信號而開通或者關斷，使得 高側功率管只有在所述脈衝寬度調製信號為第一邏輯狀態 時開通，低側功率管只有在所述脈衝寬度調製信號為與第 一邏輯狀態互補的第二邏輯狀態時開通，從而高侧功率管 和低側功率管不會同時開通。 7 .如申請專利範圍第6項所述的電路，還包括： 主時鐘信號輸入端，用於接收主時鐘信號。 8 .如申請專利範圍第6項所述的電路，還包括： 時鐘發生器，用於提供主時鐘信號。 9 .如申請專利範圍第6項所述的電路，其中，高側電壓等於 類比電源電壓。 10.如申請專利範圍第6項所述的電路，進一步包括： 電阻，電阻的第一端耦接於所述第二節點，電阻的第二端 耦接於所述第三節點。 11 .如申請專利範圍第6項所述的電路，其中，所述相位由分 099125772 表單編號A0101 第24頁/共34頁 0993359716-0 201110519 子和分母的比決定，其中，分子為類比電源電壓與高側電 壓的差，分母為高側電壓與低側電壓的差。 12 . 一種系統，包括晶片集{D(i)，i = 〇, 1, 2,……，N}，其中 ，N為大於零的整數， 晶片D(0)包括用於提供主時鐘信號的時鐘發生器，對於 i = l, 2,……，N中的每一個，晶片D(i)耦接於所述時鐘發 生器以接收主時鐘信號； ❹ 對於每一個i = 0, 1, 2,……，N，晶片D(i)包括具有信號 <i>的輸入槔I(i)和輸出埠0(0，.其中，對於每一個 i = l, 2,……，N，輸入埠I(i)耦接到輸出埠O(i-l)，輸入 埠1(0)耦接於輸出埠〇(N);以及 對於每一個i = 0, 1，2,……，N-1，晶片D(i)基於信號<i> 對主時鐘信號採樣，以提供内部時鐘信號C(i)和信號 <i + l>，晶片D(N)基於信號〈N>對主時鐘信號採樣，以提 供内部時鐘信號C(N)和信號<0>。 13 . ❹ 14 · 如申請專利範圍第12項所述的系統，其中，對於每一個 i = 0, 1, 2,……，N-1，内部時鐘信號C(i)在邏輯上等價於 主時鐘信號和信號<i>的布林邏輯與。 如申請專利範圍第13項所述的系統，所述系統具有啟動過 程，主時鐘信號包括脈衝序列，對於每一個i = 0, 1, 2,… …，N，信號<i>包括脈衝序列，其中，對於每一個 i = l, 2,……，N，在啟動後的一段時間，信號<i>的脈衝 序列中的每個脈衝在緊接著信號<i-l>的脈衝後的主時鐘 信號脈衝開始，信號<0>的脈衝序列中的每個脈衝在緊接 著信號<N>的脈衝後的主時鐘信號脈衝開始。 如申請專利範圍第12項所述的系統， 099125772 表單編號A0101 第25頁/共34頁 0993359716-0 15 201110519 對於每一個i = 1，2,……，N，晶片D(i)包括脈衝寬度調製 發生g§G(i) ’脈衝寬度調製發生器以丨）由内部時鐘信號 計時’用於提供脈衝寬度調製信號PWM(i)，並且 對於每一個i = 1，2,……，N，晶片D(i)包括高側功率管 TH(i)和低側功率管TL(i)，所述高侧功率管邙（1)和低 側功率管TL(i)耦接於所述脈衝寬度調製發生器G(i)，回 應於所述脈衝寬度調製信號PWM(i)而開通或者關斷，使 得高側功率管TH(i)只有在所述脈衝寬度調製信號 PWM(i)為第一邏輯狀態時開通，低侧功率管TL(i)只有 在所述脈衝寬度調製信號!>_#(〗 )為秦第_邏輯狀態互補 的第二邏輯狀態時開通’從而高侧功率管TH(i)和低側功 率管TL(i)不會同時開通。 ' : 16
    如申請專利範圍第15項所述的系統，進一步包括： 電感集{L(i)，i=〇, 1，2,......，N}，其中，對於每一個 i = 1，2,……’ N，L(i)耦接於高侧功率管TH(i)和低側功 率管TL(i)。 . 種系統，包括晶片集{D (i)，ϋ，1:，'2， ，Ν為大於零的整數， ，Ν}，其中
    晶片D(0)包括用於提供主時鐘信號的時鐘發生器，對於 1 = 1’ 2, ......，N中的每一個，晶片D(i)耦接於所述時鐘發 生益以接收主時鐘信號； 對於每一個i = 0，l，2,……，N，晶片D(i)包括具有類比電 源電壓的節點nl(i)、具有電壓的節Sn2(i)和具有電壓 的節點η3(ι);其中，節點n2(〇)的電壓為類比電源電壓 ，節點n3(N)的電壓為地電壓；對於每個卜〇, ，N-1，節點n3(i)輕接於節點n2(i + 1);並且 0993359716-0 099125772 表單編號A0101 第26頁/共34頁 201110519 對於每—個㈣，l .....·，N，晶片D⑴基於主時鐘信號的 相位p⑴採樣主時鐘信號以提供内部時鐘信號c(i)，相 位P⑴由類比電源電壓、節點n2⑴的電壓和節⑴ 的電壓決定。 18 .如申請專利範圍第17項所述的系統 其中，對於每一個 =，，……，N ’晶片D⑴包括電阻K(i)，電阻R(i)的 第一端耗接節點n2⑴，電阻R⑴的第二仙接節點 n3(i)。 19 Ο 20 . G 21 如申請專利範圍第18項所述的系統，其令，對於每個 卜0，1，……，N，相位P(i)由分子和分母的比決定，其中 ，分子為類比電源電壓與節點!!2(丨）的電壓的差，分母為 節點n2(i)的電壓與節點n3(i)的電壓的差。 如申請專利範圍第17項所述的系統，其中， 對於每一個i = l，2,……，N’晶片D(i)包括脈衝寬度調製 發生器G(i)，脈衝寬度調製發生器G(i)由内部時鐘信號 計時’用於提供脈衝寬度調製信號PWM(i);並且 對於每一個i = l，2，... ...，N，晶片D( i)包括高側功率管 TH (丨）和低侧功率管TL ( i) >所述高侧功率管TH(i)和低 側功率管TL(i)耦接於所述脈衝寬度調製發生器G(i)，回 應於所述脈衝寬度調製信號PWM(i)而開通或者關斷，使 得高側功率管TH( i)只有在所述脈衝寬度調製信號 PWM( i)為第一邏輯狀態時開通，低侧功率管TL (丨）只有 在所述脈衝寬度調製信號PffM(i)為與第一邏輯狀態互補 的第二邏輯狀態時開通’從而高侧功率管TH(i)和低側功 率管TL(i)不會同時開通。 如申請專利範圍第20項所述的系統，進一步包括： 099125772 表單編號A0101 第27頁/共34頁 0993359716-0 201110519 22 23 24 =二〜2,，...·.I其中，對於每—個 率管TL(i)D’N L(1)輪接於高側功率管如）和低側功 一種電路，包括： 誤差輸入端； 時鐘輪出端； 電阻，具有第一端和第，楚 m u ㈣於誤差輪入端； 第-Ip點，祕於所述電阻的第二端； 第一電流源，耦接於所述第—節點. 運算放:器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端第 一輸入端耦接於所述第一節點； 第二節點，耗接於所述運算放大器的第二輪入端· ==於誤差輪入端、第二節點和_輪出端，用於 田輸出端提供脈衝時，在誤差輪人端和第二節點之 間提供負載阻抗通路； 電容器’耦接於第二節點；，以及 單觸發電路，耦接於運算放大_輪出端，用於回應於運 真放大㈣輸出從第—邏輯狀態切換到第二邏輯狀態在時 鐘輸出端提供脈衝，其中第二邏輯狀態與第—邏輯狀離互 補。 〜 如申請專利範㈣22項所述的電路，其中，所述開關包括 隱sm，麵SFET的漏極耦接於> _sfet 的源極Μ接於第二節點，_SFET的栅極_於時鐘輸出 端0 如申請專利範圍第22項所述的電路，進一步包括： 功率轉換器，具有輸出端； ❹ 1 099125772 表單編號A0101 第28頁/共34頁 0993359716-0 201110519 第二運算放大器，具有輸入端和耦接於誤差輸入端的輸出 端；以及 回饋通路，將功率轉換器的輸出端耦接到第二運算放大器 的輸入端。 ❹ 099125772 表單編號A0101 第29頁/共34頁 0993359716-0
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