TW201644170A - 具有分離的高頻及低頻路徑信號的快速暫態電力供應器 - Google Patents

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Abstract

本案描述一種電力介面裝置，該裝置包括主開關轉換器、輔助開關轉換器，及回饋感測電路。主開關轉換器耦接至輸入端子及輸出端子，且經配置以第一開關頻率操作以將低頻電流從輸入端子提供至輸出端子。輔助開關轉換器與主開關轉換器並聯耦接至輸入端子及輸出端子，且經配置以按第二及比第一開關頻率更高之開關頻率操作，以將快速暫態高頻電流從輸入端子提供至輸出端子。

Description

具有分離的高頻及低頻路徑信號的快速暫態電力供應器
本發明係關於具有分離的高頻及低頻路徑信號的快速暫態電力供應器。
相關申請案之交互參照
本申請案主張申請於2015年2月20日及名為「FAST TRANSIENT POWER SUPPLY WITH A FIRST CONTROL SIGNAL FOR A HIGHER FREQUENCY CURRENT AND A SECOND CONTROL SIGNAL FOR A LOWER FREQUENCY CURRENT」之待決美國臨時申請案第62/119,042號、申請於2015年2月27日及名為「FAST TRANSIENT POWER SUPPLY WITH A FIRST CONTROL SIGNAL FOR A HIGHER FREQUENCY CURRENT AND A SECOND CONTROL SIGNAL FOR A LOWER FREQUENCY CURRENT」的美國臨時申請案第62/126,418號、申請於2015年2月20日及名為「CONTROL ARCHITECTURE WITH IMPROVED TRANSIENT RESPONSE」的美國臨 時申請案第62/119,078號，及申請於2015年2月27日及名為「CONTROL ARCHITECTURE WITH IMPROVED TRANSIENT RESPONSE」美國臨時申請案第62/126,421號之優先權，上述申請案以引用之方式全部併入本案中。
供電系統包括電源、負載裝置及耦接至電源及負載裝置的電力介面裝置。電源可包括電池、電力網、太陽能光伏打電池、交流(AC)發電機，及/或前端電力轉換器之輸出。電力介面裝置可經配置以增大或减小電源電壓以向負載裝置提供適合之電壓。電力介面裝置可為增壓轉換器或降壓轉換器或任何其他轉換器。負載裝置可包括電阻負載、磁性負載、電容負載、加熱器。在一個實施方式中，負載裝置可為低壓但强電流負載裝置，如電腦中央處理單元(central processing unit；CPU)。此類型之負載裝置可具有眾多負載暫態狀態。
在負載暫態狀態期間，負載裝置的電流可在極短時段內明顯變更。例如，在暫態狀態期間，負載裝置電流可在不及1微秒內自0A增大至100A，或自100A降低至0A。該等電流突變可在負載裝置中產生較大電壓變化並可能使輸出電壓振蕩至負載裝置之調整操作窗外。
為了將暫態變化降至最低，在一個實施方式中，可向供電系統之輸出端增添大功率電容器。電容器 可在暫態狀態期間對必要電流進行提供或降低，且因此减少由負載暫態所引起之電壓變化。為此，輸出電容器可用於提供電感器之緩慢增大電流，以滿足負載裝置對電流增大的需求。同樣，輸出電容器可用於降低電流，以滿足負載裝置之電流突降。然而，電容器是昂貴的且因此可提高系統成本或尺寸。
在另一實施方式中，可推動轉換器以在較高頻寬操作，以迅速回應負載暫態。然而，開關模式轉換器頻寬受其開關頻率限制。因此，為了推動轉換器以在較高頻寬操作，轉換器必須以較高開關頻率操作。此意謂著更多電力損耗，因為每當開關開啟/關閉，就有電力損耗。因此，供電系統亦受置於電源與負載裝置之間的電力轉換器之電力損耗的限制。
由此，需要能够對負載裝置之暫態狀態提供快速回應，同時提高效率、降低成本及尺寸的供電系統。
在一個一般態樣中，本申請案描述一種電力介面裝置，該裝置包括主開關轉換器、輔助開關轉換器，及回饋感測電路。主開關轉換器耦接至輸入端子及輸出端子，且經配置以第一開關頻率操作以將低頻電流從輸入端子提供至輸出端子。輔助開關轉換器與主開關轉換器並聯耦接至輸入端子及輸出端子，且經配置以按第二及高於第一開關頻率之開關頻率操作，以將快速暫態高頻電流從輸入端子提供至輸出端子。回饋感測電路經配 置以感測輸出端子處之輸出電壓。電力介面裝置亦包括誤差放大器、高通濾波器，及輔助驅動器電路。誤差放大器電路經配置以接收感測到的輸出電壓及參考電壓，且基於感測到的輸出電壓及參考電壓而輸出暫態信號。高通濾波器經配置以接收暫態信號及輸出暫態信號之較高頻率分量。輔助驅動器電路經配置以基於暫態信號之較高頻率分量而驅動輔助開關轉換器。
上述一般態樣可包括以下特徵中之一或更多者。主開關轉換器及輔助開關轉換器可包括電流模式開關調整器。主開關轉換器及輔助開關轉換器可包括降壓的電流模式開關調整器，該等調整器經配置以將輸入端子之較高輸入電壓轉換至較低電壓，該較低電壓是輸出電壓。主開關轉換器可包括第一主開關、第二主開關，及主要電感器。第一主開關可在一個端部耦接至輸入電壓端子並可在另一個端部耦接至主節點。第二主開關可在一個端部耦接至主節點並可在另一個端部耦接至接地端子。主電感器可在一個端部耦接至主節點並可在另一個端部耦接至輸出端子。
輔助開關轉換器可包括第一輔助開關、第二主開關，及輔助電感器。第一輔助開關可在一個端部耦接至輸入端子並可在另一個端部耦接至輔助節點。第二輔助開關可在一個端部耦接至輔助節點並可在另一個端部耦接至接地端子。輔助電感器可在一個端部耦接至輔助節點並可在另一個端部耦接至輸出端子。
輔助開關調整器可經配置以僅在於負載裝置處偵測到的暫態期間提供快速暫態高頻電流。暫態可包括負載電流突增或突降。第一及第二主開關及第一及第二輔助開關可包括場效電晶體(FET)開關。
回饋感測電路可包括複數個電阻器及電容器，該等電阻器及電容器經配置以感測輸出電壓並產生回饋電壓。誤差放大器可經配置以接收回饋電壓及參考電壓，且在回饋電壓及參考電壓大體上不相等時產生暫態信號。
電力介面裝置可進一步包括低通濾波器，該低通濾波器經配置以接收暫態信號並輸出暫態信號之較低頻率分量；以及主驅動器電路，該電路經配置以基於暫態信號之較低頻率分量而驅動主開關轉換器。輔助驅動器電路可包括輔助比較器，該比較器經配置以比較暫態信號之較高頻率分量與感測到的經輔助開關轉換器所提供之高頻電流，且產生輔助脈衝寬度信號以用於驅動輔助開關轉換器。輔助脈衝寬度信號可賦能輔助開關轉換器以將追蹤暫態信號之較高頻率分量的高頻電流提供至輸出端子。
主驅動器電路可包括主比較器電路，該電路經配置以比較暫態信號之較低頻率分量與感測到的由主開關轉換器所提供之低頻電流，且產生主脈衝寬度信號以用於驅動主開關轉換器。主脈衝寬度信號可賦能主開 關轉換器以將追蹤暫態信號之較低頻率分量的低頻電流提供至輸出端子。
回應於第一工作循環，輔助開關轉換器可經配置以僅在經由回饋感測電路在負載裝置處感測到的暫態期間將快速暫態高頻電流提供至輸出端子。輔助開關轉換器可經配置以在負載裝置之穩態運行期間提供大體上零電流。
在另一一般態樣中，本申請案描述一電力介面裝置，該裝置包括主開關轉換器及輔助開關轉換器，該主開關轉換器耦接至輸入端子及輸出端子及經配置以在第一開關頻率下操作以將低頻電流從輸入端子提供至輸出端子，及該輔助開關轉換器與主開關轉換器並聯耦接至輸入端子及輸出端子，且經配置以在第二及高於第一開關頻率的開關頻率下操作，以將快速暫態高頻電流從輸入端子提供至輸出端子。電力介面裝置亦包括主控制迴路及輔助控制迴路，該主控制迴路經配置以驅動主開關轉換器以將低頻電流從輸入端子提供至輸出端子，而該輔助控制迴路獨立於主控制迴路，且經配置以驅動輔助開關轉換器以在暫態期間將快速暫態高頻電流從輸入端子提供至輸出端子。輔助控制迴路包括高通濾波器，該高通濾波器經配置以輸出與暫態關連之輸出電壓之較高頻補償部分。輔助控制迴路經配置以基於輸出電壓之較高頻補償部分而驅動輔助開關轉換器。
上述一般態樣可包括以下特徵中之一或更多者。主控制迴路可包括主回饋感測電路及主誤差運算放大器，該主回饋感測電路具有複數個電阻器及電容器，該等電阻器及電容器經配置以感測輸出電壓並產生回饋電壓，而該主誤差運算放大器經配置以接收回饋電壓及參考電壓並在回饋電壓與參考電壓大體上不相等時產生暫態信號。主控制迴路亦可包括主比較器電路，該電路經配置以比較暫態信號與感測到的由主開關轉換器所提供之低頻電流，且產生主脈衝寬度信號以用於驅動主開關轉換器。主脈衝寬度信號可賦能主開關轉換器以提供追蹤暫態信號之低頻電流。
輔助控制迴路可包括輔助回饋感測電路及輔助誤差運算放大器，該輔助回饋感測電路具有低通濾波器，該低通濾波器耦接至輸出端子且經配置以產生輸出電壓之較低頻補償部分，該輔助誤差運算放大器經配置以直接接收輸出電壓及輸出電壓之較低頻補償部分，產生輸出電壓之較高頻補償部分，且將輸出電壓之較高頻補償部分供應至高通濾波器。輔助控制迴路亦可包括輔助比較器電路，該電路經配置以比較輸出電壓之較高頻補償部分與感測到的由輔助開關轉換器所提供之高頻電流並產生輔助脈衝寬度信號以用於驅動輔助開關轉換器。輔助脈寬信號可賦能輔助開關轉換器以將追蹤輸出電壓之較高頻率分量的快速暫態高頻電流提供至輸出端子。
在另一一般態樣中，本申請案描述一種電力介面裝置，該裝置包括主開關轉換器及輔助開關轉換器，該主開關轉換器耦接至輸入端子及輸出端子且經配置以在第一開關頻率下操作以將低頻電流從輸入端子提供至輸出端子，而該輔助開關轉換器與主開關轉換器並聯耦接至輸入端子及輸出端子，且經配置以在第二及高於第一開關頻率的開關頻率下操作，以將快速暫態高頻電流從輸入端子提供至輸出端子。電力介面裝置亦包括回饋感測電路，該電路經配置以感測輸出端子處之輸出電壓；誤差放大器，該誤差放大器經配置以接收感測到的輸出電壓及參考電壓，且基於感測到的輸出電壓及參考電壓輸出暫態信號；低通濾波器，該低通濾波器經配置以接收暫態信號並輸出暫態信號之較低頻率分量；高通濾波器，該高通濾波器經配置以接收暫態信號並輸出暫態信號之較高頻率分量；主驅動器電路，該電路經配置以基於暫態信號之較低頻率分量而驅動輔助開關轉換器；以及輔助驅動器電路，該電路經配置以基於暫態信號之較高頻率分量而驅動輔助開關轉換器。
上述一般態樣可包括以下特徵中之一或更多者。主開關轉換器及輔助開關轉換器可包括降壓的電流模式開關調整器，該等調整器經配置以將輸入端子之較高輸入電壓轉換至較低電壓，該較低電壓是輸出電壓。主開關轉換器可包括第一主開關、第二主開關，及主要電感器。第一主開關可在一個端部耦接至輸入電壓端子 並可在另一個端部耦接至主節點。第二主開關可在一個端部耦接至主節點並可在另一個端部耦接至接地端子。主電感器可在一個端部耦接至主節點並可在另一個端部耦接至輸出端子。
輔助開關轉換器可包括第一輔助開關、第二主開關，及輔助電感器。第一輔助開關可在一個端部耦接至輸入端子並可在另一個端部耦接至輔助節點。第二輔助開關可在一個端部耦接至輔助節點並可在另一個端部耦接至接地端子。輔助電感器可在一個端部耦接至輔助節點並可在另一個端部耦接至輸出端子。
100‧‧‧供電系統
110‧‧‧電源
112‧‧‧負載裝置
114‧‧‧電力介面裝置
116‧‧‧主開關轉換器
118‧‧‧輔助開關轉換器
200‧‧‧供電系統
210‧‧‧電源
212‧‧‧負載裝置
214‧‧‧電力介面裝置
216‧‧‧主開關轉換器
218‧‧‧輔助開關轉換器
400‧‧‧供電系統
410‧‧‧電源
412‧‧‧負載裝置
414‧‧‧電力介面裝置
416‧‧‧主開關轉換器
418‧‧‧輔助開關轉換器
420‧‧‧補償電路
422‧‧‧低頻驅動電路
424‧‧‧高頻驅動電路
500‧‧‧供電系統
514‧‧‧電力介面裝置
522‧‧‧低頻驅動電路
524‧‧‧高頻控制驅動電路
600‧‧‧電路實施方式
612‧‧‧負載裝置
616‧‧‧主要開關調整器
616a‧‧‧第一開關
616b‧‧‧第二開關
616c‧‧‧電感器
618‧‧‧輔助開關調整器
618a‧‧‧第一開關
618b‧‧‧第二開關
618c‧‧‧電感器
620‧‧‧補償機構
622‧‧‧驅動器電路
622a‧‧‧緩衝器
622b‧‧‧低通濾波器
622c‧‧‧比較器
624‧‧‧驅動器電路
624a‧‧‧緩衝器
624b‧‧‧高通濾波器
624c‧‧‧比較器
626‧‧‧第一節點
628‧‧‧輸出端子
630‧‧‧第一節點
700‧‧‧模擬電路
720‧‧‧回饋及補償機構
722‧‧‧第一驅動器電路
724‧‧‧第二驅動器電路
810‧‧‧暫態控制信號ITH
812‧‧‧較低頻率分量ITHDC
814‧‧‧較高頻率分量ITHAC
816‧‧‧電流負載階躍
818‧‧‧輸出電壓
820‧‧‧較低頻率電感器iLDC電流
822‧‧‧較高頻率電感器iLAC電流
1000‧‧‧供電系統
1010‧‧‧可選誤差放大器
1012‧‧‧電流比較器
1100‧‧‧模擬電路
1110‧‧‧主開關轉換器控制機構
1112‧‧‧回饋電壓感測電路
1114‧‧‧誤差放大器
1116‧‧‧補償電路
1118‧‧‧驅動器電路
1120‧‧‧輔助開關轉換器控制機構
1124‧‧‧誤差放大器
1126‧‧‧補償電路
1128‧‧‧驅動器電路
圖式僅以實例而非限制方式繪示依據本案教示內容之一或更多個實施方式。在圖式中，相同元件符號係指示相同或類似的元件。
第1圖圖示示例性供電系統，該系統經配置以具有快速暫態回應及高效率；第2A圖及第2B圖圖示一示例性供電系統，該系統經配置以包括輔助開關轉換器以與主開關轉換器並聯操作，以處理負載裝置之暫態狀態；第3A-3E圖圖示與第2A-2B圖中圖示之供電系統關連之示例性波形；第4圖圖示一示例性供電系統，該系統包括兩個單獨的控制信號以用於驅動主開關轉換器及輔助開關轉換器； 第5圖圖示另一示例性供電系統，該系統包括兩個單獨的控制信號以用於驅動主開關轉換器及輔助開關轉換器；第6圖圖示具有快速暫態回應之第4圖中圖示的供電系統之一示例性電路實施方式；第7圖圖示第6圖中圖示的供電系統之控制迴路的示例性模擬電路；第8A-8C圖圖示第7圖中圖示之模擬電路的示例性負載暫態模擬波形；第9A圖圖示包括兩相降壓開關轉換器之第一供電系統與和輔助開關轉換器並聯且包括兩相降壓開關轉換器之第二供電系統之間的迴路增益比較；第9B圖圖示第9A圖中第一供電系統及第二供電系統之相位邊限；第10圖圖示另一示例性供電系統；及第11圖圖示示例性模擬電路，該電路包括供電系統之兩個獨立控制機構。
在下文之詳細說明中，以舉例方式闡述眾多特定細節以便提供對相關教示的徹底瞭解。然而，熟習該項技術者應顯而易見，本發明中之教示可在沒有該等細節之情况下進行實施。在其他實例中，已以相對概括方式描述眾所熟知之方法、程序、特定，及/或電路，但不描述其細節以免不必要地使本案教示內容含義不清。
吾人不斷尋找一種供電系統，該供電系統對負載裝置處之暫態狀態具有效率改良之快速回應，同時减小解决方案尺寸及成本且提高電源密度。負載裝置可具有不同的電力要求。此自然意謂著供電系統可能必須盡量高效地操作以减小尺寸，且以降低輸入功率，以及節能及提高效率。為此，供電系統可包括彼此並聯操作之主開關轉換器與輔助開關轉換器。主開關轉換器可以第一開關頻率操作，而輔助開關轉換器可以第二開關頻率操作。第二開關頻率可高於第一開關頻率。因此，主開關轉換器可具有比輔助開關轉換器之效率較高的效率(例如較低電力開關損耗)。相反，輔助開關轉換器回應於負載裝置處的暫態可具有優於主開關轉換器暫態效能之更佳的暫態效能(例如更快的暫態回應)。由於輔助開關轉換器可具有比主開關轉換器開關損耗更高的開關損耗，因此輔助開關轉換器在穩態操作期間可不用以向負載裝置提供主要低頻功率。事實上，輔助開關轉換器可僅用以處理暫態，以隨著負載電流中之突增或突降而降低或提供額外電流。
第1圖圖示示例性供電系統100，該系統經配置以具有快速暫態回應及高效率。供電系統100包括電源110、負載裝置112，及耦接至電源110及負載裝置112之電力介面裝置114。電源110經配置以輸出某一標準電壓。為此，電源110可為電插口。世界上絕大多數單相交流電電插口供應210-240V或100-120V之 電力。或者，電源110可包括其他類型之電源，例如電池、太陽能光伏打電池、交流發電機，或前端電源之直流(DC)輸出電壓。無論何種類型電源110，電源110通常提供不同於負載裝置112所需電壓之電壓。所提供之電壓可高於或低於負載裝置112所需電壓。為使源電壓與負載電壓匹配，供電系統100包括電力介面114。
電力介面裝置114經配置以變更電源110之電壓至用於負載裝置112之適當電壓。如上所述，用於負載裝置112之適當電壓可高於或低於電源110之電壓。在一個實施方式中，負載裝置112之適當電壓低於電源110之電壓。在一個特定實例中，電力介面裝置114經配置以將電源110電壓從12V降至1V以用於負載裝置112。
負載裝置112可包括電阻負載、磁性負載、電容負載、加熱器，或新型電子裝置。最新型的電子裝置需要0.5V與24V之間的直流電。該等裝置可利用電池或電力網工作。在任一情况下，電力介面裝置114可用以匹配該等電子裝置之電壓需求與自電源110提供之電壓。電力介面裝置114可位於負載裝置112內部或位於負載裝置112外部。同樣，電力介面裝置114可位於電源110內部或位於電源110外部。
電力介面裝置114可包括變壓器、整流器或開關模式電源。開關模式電源已變得風行廣泛，且由於該等電源的優良效率及高開關頻率而較小及較輕。此 外，因為開關模式電源通常經整流以在直流電壓下操作，該等電源受電力網頻率影響程度最小(50對比60Hz)。前述描述假定電力介面裝置114包括開關模式電源；然而，如上所述，電力介面裝置114可包括除開關模式電源之外的電路。
電力介面裝置114包括兩個開關模式電力轉換器，亦即主開關轉換器116及輔助開關轉換器118。主開關轉換器116可在較低開關頻率(fsw)下及與輔助開關轉換器118並聯操作，以獲得優良效率並將較低頻之電流提供至負載裝置112。輔助開關轉換器118可在較高開關頻率(fsw)下操作以將快速暫態較高頻之電流提供至負載裝置112。歸因於較高開關頻率(fsw)，輔助開關轉換器118可較為低效或比主開關轉換器116具有更多電力損耗。因此，輔助開關轉換器118可不用以將主要低頻功率運送至負載裝置112。為此，輔助開關轉換器118之低頻電流應降至最低以獲得優良效率及低熱應力。事實上，輔助開關轉換器118可僅用以處理負載裝置112之暫態，以隨著負載電流中之突增或突降而降低或提供額外電流。
與先前論述之僅使用電容器或僅在較高頻率下操作主轉換器之供電系統相比，供電系統100可具有更小尺寸或更為高效。供電系統100可减小輸出所需之電容器尺寸，因此减小電源尺寸、印刷電路板(PCB)面積及成本。
第2A圖及第2B圖圖示一示例性供電系統200，該系統經配置以包括輔助開關轉換器以與主開關轉換器並聯操作，以處理負載裝置之暫態。供電系統200包括電源210、負載裝置212，及耦接至電源210及負載裝置212之電力介面裝置214。電源210及負載裝置212可與針對第1圖描述之電源110及負載裝置112相同，因此，為簡便起見，電源210及負載裝置212不再詳細描述。
類似於電力介面裝置114，電力介面裝置214包括主開關轉換器216及輔助開關轉換器218。主開關轉換器216可包括比輔助開關轉換器218之開關頻率更慢的開關頻率(fsw)，且可經設計以在穩態操作下工作。為此，主開關轉換器216可具有優良的穩定性及低輸出電壓漣波，但因而具有對負載裝置212處之暫態的緩慢回應。相反，輔助開關轉換器218可經配置以僅在暫態期間將電流提供至輸出端子或降低來自輸出端子之電流。輔助開關轉換器218之主要目標可為藉由降低或提供電流以解决負載電流降低或增大而提供快速暫態回應。供電系統200在一IEEE出版物中進行更詳細的描述，該出版物標題為「The Fast Response Double Buck DC-DC Converter(FRDB)：Operation and Output Filter Influence」，由Andres Barrado所著，第20卷，第6期，2005年11月，該出版物內容以引用之方式全部併入本案中。
第2B圖更詳細地圖示供電系統200之示例性組件。如圖所示，雙降壓拓撲用以實施主開關轉換器216及輔助開關轉換器218，且電阻負載用於負載裝置212。供電系統200可使用窗比較器以偵測Vout是否處於調整窗外。如若如此，則供電系統200開啟輔助開關轉換器218以加速暫態回應。如若未如此，則供電系統200關閉輔助開關轉換器218或將輔助開關轉換器218維持在關閉狀態。儘管供電系統200提供更快的暫態回應，但供電系統200需要精確的窗比較器，如若供電系統之Vout窗需要嚴格則此舉在實際應用中難以實現，且供電系統有可能藉由Vout雜訊/漣波而錯誤觸發。此外，非線性的控制可導致較大輔助電感器電流突增/突降及振鈴。
第3A-3E圖圖示與第2A-2B圖中圖示之供電系統200關連之示例性波形。具體而言，第3A圖圖示供電系統200之負載裝置212中之電流負載階躍。第3B圖圖示回應於第3A圖中電流負載階躍之電源200輸出電壓。如圖所示，回應於第3A圖之負載階躍，電容器電壓降低以補足電感器之緩慢增大電流，以滿足來自負載裝置212之電流需求增大。同樣，輸出電容器可用於降低電流，以滿足來自負載裝置212之電流突降。第3C圖圖示輔助開關轉換器218之工作循環。如圖所示，一旦輸出電壓超出調整窗外，則輔助開關轉換器218能够隨著負載電流中之突增或突降而將電流提供或降低至輸出 端。第3D圖圖示用於在輔助開關轉換器與主開關轉換器之間進行選擇之L/NL與E/D信號。如圖所示，當電壓超出調整窗外，則L/NL與E/D信號賦能輔助開關轉換器218以隨著負載電流中之突增或突降而將電流提供或降低至輸出端。第3E圖圖示回應於負載電流中之突增或突降而經輔助開關轉換器218提供或降低之電流。
第4圖圖示一示例性供電系統400，該系統包括兩個單獨的控制信號以用於驅動主開關轉換器及輔助開關轉換器。供電系統400不在Vout暫態偵測中使用非線性控制，如第2圖中所示。相反，使用線性控制，因此易於設計並最佳化供電系統400。供電系統400亦不需要額外功率電容器以用於分隔用於驅動輔助開關轉換器的高頻電流與低頻電流。此舉可减小供電系統400之尺寸及成本。
供電系統400包括電源410、負載裝置412及耦接至電源410及負載裝置412之電力介面裝置414。電源410及負載裝置412類似於電源110及負載裝置112。因此，為了描述明晰及簡短起見，不更詳細地描述上述各者。電力介面裝置414包括主開關轉換器416、輔助開關轉換器418、回饋及補償電路420、低頻控制信號驅動電路422，及高頻控制信號驅動電路424。
主開關轉換器416與輔助開關轉換器418並聯連接。主開關轉換器416可經配置以僅提供或降低低 頻電流。為此，主開關轉換器416可以低頻開關，以維持主開關轉換器416之高效率。輔助開關轉換器418可經配置以僅提供或降低高頻電流。為此，輔助開關轉換器418可以高頻開關，以實現高迴路頻寬並追蹤高頻暫態。在穩態下，輔助開關轉換器418提供近乎零負載電流且具有低電力損耗，因而電力損耗時間上受限於負載裝置412處之暫態狀態持續時間。
電力介面裝置414亦包括回饋及補償電路420。回饋及補償電路420在一個端部連接至輸出端子及在另一端部連接至低頻驅動電路422及高頻驅動電路424。回饋及補償電路420經配置以偵測負載裝置412處之暫態，產生暫態信號及基於暫態信號而控制主開關轉換器416及輔助開關轉換器418中之開關，以儘快提供穩定的Vout。
暫態可包括一種情境，在該情境中，負載電流或電壓中存在突增及突降。為說明一個實例，在輸出端處之25A電流負載階躍期間，暫態可對應於負載階躍之開始，在此時，負載電流中存在突增，然後以25A之增大位準達到第一穩態位準。同樣，暫態可對應於負載階躍之結束，在此時，負載電流中存在突降，然後達到第二穩態位準。第二穩態可對應於25A電流負載階躍之前之一狀態，或對應於比25A電流負載階躍之前的狀態較高或較低之新狀態。
將暫態信號提供至低頻控制驅動電路422及高頻控制驅動電路424。暫態信號包括較低頻率分量及較高頻率分量。低頻控制驅動電路422經配置以分隔暫態信號之較低頻率分量與暫態信號之較高頻率分量，且基於較低頻率分量而驅動主開關轉換器416以回應暫態狀態。高頻驅動電路424經配置以分隔暫態信號之較高頻率分量與暫態信號之較低頻率分量，且基於較高頻率分量而驅動輔助開關轉換器418以回應暫態狀態。
在暫態期間，主開關轉換器416及輔助開關轉換器418皆進行操作以儘快提供穩定的Vout。例如，如若存在歸因於正負載階躍之負載電流突增(例如從0A至100A)，則主開關轉換器416及輔助開關轉換器418進行操作以將電流提供至輸出端。歸因於其較高開關頻率及較高迴路頻寬，輔助開關轉換器418可經配置以比主開關轉換器416更快地從電源將電流提供至負載裝置412。來自輔助開關轉換器418之提供電流可追蹤暫態信號之較高頻率分量。因而，來自輔助開關轉換器418之提供電流僅在暫態期間存在，而不在穩態操作期間存在。換言之，一旦暫態結束(例如，在穩態中)，則輔助開關轉換器718提供近似於零之負載電流。與前述實例一致，當負載電流發生自0A至100A之突變時，而非在負載電流先保持100A然後降回0A或其他位準的穩態時段期間，存在來自輔助開關轉換器418之提供電流。
相反，來自主開關轉換器416之提供電流可追蹤暫態信號之較低頻率分量且亦追蹤穩態下之較低頻率電流。為此，來自主開關轉換器416之提供電流不僅在暫態期間存在，亦在穩態操作期間存在。與前述實例一致，來自主開關轉換器416之提供電流追蹤暫態信號之較低頻率分量，以緩慢增大以達到100A，且維持在100A直至負載階躍終止。
對於另一實例，如若負載電流出現突降，則主開關轉換器416及輔助開關轉換器418進行操作以將電流從輸出降低至接地。此外，歸因於輔助開關轉換器418之較高開關頻率及較高迴路頻寬，輔助開關轉換器418可經配置以比主開關轉換器416更快地降低來自負載裝置之電流。此外，輔助開關轉換器418可由驅動器424控制以降低電流，該電流追蹤暫態信號之較高頻率分量。因而，僅在暫態期間降低電流，而不在穩態操作期間降低電流。與前述實例一致，當負載電流發生自0A至100A之突變時，而非在負載電流保持0A或其他位準的穩態時段期間，存在來自輔助開關轉換器418之降低電流。相反，主開關轉換器416可由驅動器422控制以降低電流，該電流追蹤暫態信號之較低頻率分量。與前述實例一致，主開關轉換器416可緩慢降低來自輸出之電流，直至負載電流達到新臨限位準。與前述實例一致，新臨限位準可為0A。
在暫態終止之後，電力介面裝置414可返回其正常操作。在其正常操作中，主開關轉換器416可以對應於負載階躍之前位準或對應於負載階躍之後新位準之一位準將低頻電流提供至輸出。然而，在負載階躍終止之後，輔助開關轉換器418不可將額外直流電提供或降低至輸出端以維持高效率。
為了防止暫態信號之較低頻率分量進入輔助開關轉換器424，高頻控制驅動電路424可使用高通濾波器。高通濾波器經配置以濾出暫態信號之較低頻率分量並允許暫態信號之較高頻率分量啟動或驅動輔助開關轉換器418。同樣，為了防止暫態信號之較高頻率分量進入主開關轉換器416，低頻驅動電路422可使用低通濾波器。低通濾波器經配置以濾出暫態信號之較高頻率分量並允許暫態信號之較低頻率電流啟動或驅動主開關轉換器416。
第5圖圖示另一示例性供電系統500，該系統包括兩個單獨的控制信號以用於驅動主開關轉換器及輔助開關轉換器。供電系統500類似於供電系統400，不同之處在於低通濾波器(low pass filter；「LPF」)及高通濾波器(high pass filter；「HPF」)經圖示分別包括在電力介面裝置514內側及低頻驅動電路522與高頻控制驅動電路524外側。
第6圖圖示具有快速暫態回應之第4圖中圖示的供電系統400之一示例性電路實施方式600。如圖 所示，電路實施方式600之電力介面包括相互並聯連接之多相開關調整器616、618、回饋及補償機構620，及驅動器電路622、624。
主開關轉換器616對應於主開關轉換器416且輔助開關轉換器618對應於輔助開關轉換器618。主開關轉換器616及輔助開關轉換器618可歸類為脈衝寬度調變(pulse width modulation；PWM)類型。PWM產生具有固定頻率可變脈衝寬度之脈衝列。主開關轉換器616經配置以按比輔助開關調整器618之開關頻率較低的開關頻率fsw操作。輔助開關調整器618經配置以按比主要開關調整器616之頻率較高的頻率操作，以迅速地回應負載裝置612處之暫態。儘管特定實例圖示兩個開關調整器616及618，但電力介面裝置600可包括兩個以上之開關調整器。調整器616可具有兩個或兩個以上相位。同樣，調整器618可具有兩個或兩個以上相位。為此，本申請案並非限定於單個開關調整器616及單個開關調整器618。任何數目之該種調整器可彼此並聯連接。
開關調整器616及618可為包括電感器之電流模式開關調整器。開關調整器616及618可為同步開關調整器，但該等調整器亦可為非同步開關調整器。在一個特定實例中，開關調整器616及618可為降壓電流模式開關調整器，在該開關調整器中輸入電壓Vin大於輸出電壓Vout。
主要開關調整器616可包括第一開關616a、第二開關616b，及電感器616c。第一開關616a及第二開關616b可為功率場效電晶體開關。功率場效電晶體開關可為N通道場效電晶體或P通道場效電晶體開關。同樣，輔助開關調整器618可包括第一開關618a、第二開關618b，及電感器618c。第一開關618a及第二開關618b可為功率場效電晶體開關。場效電晶體開關可為N通道場效電晶體或P通道場效電晶體開關。儘管描述的是場效電晶體類型開關，但亦可使用其他適當技術。
在主要開關調整器616中，第一開關616a可在一個端部連接至Vin並在另一端部連接至第一節點626。第二開關616b可在一個端部連接至第一節點626並在另一個端部連接至接地端子。電感器616c可在一個端部連接至第一節點626並在另一個端部連接至輸出端子628。輸出端子628可連接至輸出電容器Cout及負載電阻RL。
在輔助開關調整器618中，第一開關618a可在一個端部連接至Vin並在另一端部連接至第一節點630。第二開關618b可在一個端部連接至第一節點630並在另一個端部連接至接地端子。電感器618c可在一個端部連接至第一節點630並在另一個端部連接至輸出端子628。
電力介面裝置600經配置以在調整電壓Vout下將輸出電流提供或降低至耦接至輸出端子628 之負載裝置612。為此，主要開關調整器616中之第一開關616a及第二開關616b由第一驅動器電路622開啟及關閉。開關616a及616b可經驅動而相對於彼此失相，以將電流提供或降低至耦接至輸出端子628之負載裝置612。同樣，輔助開關調整器618中之第一開關618a及第二開關618b由第二驅動器電路624開啟及關閉。開關618a及618b可經驅動而相對於彼此失相，以將電流提供或降低至耦接至輸出端子628之負載裝置612。
開關616a及616b經配置以在第一開關頻率下操作。開關618a及618b經配置以在第二開關頻率下操作。第二開關頻率可高於第一開關頻率以更迅速地回應負載裝置612處之暫態。換言之，歸因於更快的開關頻率，輔助開關轉換器618經配置以比主開關轉換器616更迅速地將電流提供至負載裝置612並降低來自負載裝置612的電流。歸因於較高的頻率，輔助開關轉換器618比主開關轉換器616具有更大的電力損耗。因此，為减少電力介面裝置600之電力損耗600，輔助開關轉換器618之操作可僅限於負載裝置612所經歷之暫態狀態612。換言之，輔助開關轉換器618可僅在暫態期間提供或降低電流，且可在穩態操作期間提供零負載電流。
儘管未圖示，但額外電路可添加至電力介面裝置600以提供一個開關電晶體關閉之時刻與另一開關 電晶體開啟之時刻之間的簡短空載時間或空白間隔。當開關616a、618a開啟而開關616b、618b關閉時，電流從Vin經由每一單相開關調整器616及618中之電感器616c、618c流向輸出端子628。在此情境中，電感器電流616c及618c隨時間經過之變化率可等於(Vin-Vout)/L。當開關616a、618a關閉而開關616b、618b開啟時，電流從接地端子經由電感器616c、618c流向輸出端子628。在此情境中，電感器電流616c及618c隨時間經過之變化率可等於-Vout/L。在每一上述情境中，輸出端子之總電流可為通過電感器616c及618c之累積電感器電流。
電力介面裝置600亦包括回饋及補償機構620。回饋及補償機構620在一個端部連接至輸出端子628並在另一端部連接至驅動器電路622、624以便驅動單相開關調整器616及618。回饋及補償機構620經配置以偵測暫態狀態並控制單相開關調整器616及618中之開關，以盡快提供穩定的Vout。為此，回饋及補償機構620包括回饋電壓感測電流、誤差放大器620a，及補償電路620b。
回饋電壓感測電路經配置以感測流經電阻器及電容器網路之Vout，該網路包括R1、R2、C1及C2。電阻器R1及R2之網路形成電阻分壓器，且按比例縮放信號Vout以使其與Vref成比例。提供可選電容器C1及C2以使得分壓器取决於電容器頻率。此依據頻率之分壓 Vout可被稱作回饋電壓Vfb。提供回饋電壓Vfb及參考電壓Vref作為向誤差放大器gm(圖示為跨導(gm)放大器)620a之輸入。誤差放大器620a可為電流輸出類型之跨導放大器或電壓輸出類型放大器。
誤差放大器620a監測於其倒相輸入端處與Vout成比例之回饋電壓Vfb及於其非倒相輸入端處之參考電壓Vref。回饋電壓Vfb應近似等於參考電壓Vref。當該兩個電壓不相等時，放大器620a可在其輸出端處提供暫態電壓控制信號。放大器620a之輸出電壓可對應於實際輸出電壓與所需輸出電壓之間的差異。放大器620a之輸出電壓與回饋電壓Vfb相逆。隨著回饋電壓Vfb降低，放大器620a之輸出電壓增大。隨著回饋電壓Vfb增大，放大器620a之輸出電壓降低。頻率補償電路620b包括電容器及電阻器以向回饋迴路提供頻率補償。在電流模式(而非電壓)供電系統中，放大器620a可在其輸出端處提供暫態電流控制信號。在任一情况下，暫態控制信號(電流或電壓)控制轉換器616及618之總輸出電流。
第一驅動器電路622包括緩衝器622a、低通濾波器622b，及比較器622c。緩衝器622a可經配置以提供從回饋及補償機構620至第一驅動器電路622之電阻抗轉換。緩衝器622a可為電壓緩衝器或電流緩衝器。低通濾波器622b阻斷暫態控制信號ITH之較高頻率分量ITHAC並允許暫態控制信號ITH之較低頻率分量 ITHDC通過。向比較器622c之非倒相端子提供較低頻率分量ITHDC，且比較該較低頻率分量與電感器616c中感測到的電流iLDC(低頻電感器電流)以產生PWM信號以用於電力場效電晶體616a及616b。
如若較低頻率分量ITHDC大於感測到的電感器電流信號iLDC，則比較器622c可輸出第一PWM信號。第一PWM信號可為高頻信號(high signal)以開啟高頻開關616a，且關閉低開關616b以賦能主開關轉換器616隨著負載電流增大而將額外電流提供至輸出端子628。在時鐘周期開始時，開關616a可開啟並保持開啟直至由於達到暫態而產生的新電流臨限值。在開關616a開啟期間，低頻電流自電源Vin通過開關616a及電感器616c流向輸出端子628。因此，電流在電感器616c中向新電流臨限值攀升。以此方式，主開關轉換器616提供追蹤較低頻率分量ITHDC之低頻電流以達到由暫態設定的新電流臨限值。在一個實施方式中，在暫態期間，開關616a可保持開啟，而開關616b可保持關閉，直至達到由暫態設定的新電流臨限值。為此，可在暫態期間不維持主開關轉換器616之固定開關頻率，例如在開關616a之開啟時間比週期時間T長之情況下如此。
在一個實施方式中，第一驅動器電路622可僅啟動一個開關調整器616以將必要的電流提供至輸出端子628。儘管未圖示，但在另一實施方式中，第一驅 動器電路622可啟動一個以上開關調整器616以將必要的電流提供至輸出端子628。
如若較低頻率分量ITHDC小於感測到的電感器電流信號iLDC，則比較器622c可輸出第二PWM信號。第二PWM信號是低頻信號(low signal)，該信號經配置以關閉第一開關616a並開啟第二開關616b。第二PWM信號可賦能主開關轉換器616以隨著降低的負載電流而降低來自輸出端子628之電流。回應於第二PWM信號，在時鐘周期開始時，開關616a可關閉，而開關616b可開啟，直至達到由暫態設定的新電流臨限值。在開關616b之工作時間期間，電流在電感器616c中向新電流臨限值降低。以此方式，主開關轉換器616降低追蹤較低頻率分量ITHDC之低頻電流以達到由暫態設定的新電流臨限值。在一個實施方式中，在暫態期間，開關616a可保持關閉，而開關616b可保持開啟，直至達到由暫態設定的新電流臨限值。為此，可在暫態期間不維持主開關轉換器616之固定開關頻率，例如在開關616b之開啟時間大於週期時間T之情況下如此。
一旦暫態結束(例如，達到新電流臨限值)，則主開關轉換器616繼續依據其固定開關頻率及工作循環以提供及/或降低電流以維持Vout穩定性。工作循環可基於輸出電壓與輸入電壓之比率而决定，且可經設定以維持開關616a、616b之固定頻率。開關616a及616b之開啟時間及關閉時間基於工作循環而决定。在一個特 定實例中，工作循環可對應於在暫態之前設定的工作循環。為此，主開關轉換器616經配置以在暫態及穩態操作期間提供及/或降低電流。
如上所述，放大器620b之總輸出暫態控制信號ITH亦傳遞至第二驅動器電路624。第二驅動器電路624包括緩衝器624a、高通濾波器624b，及比較器624c。緩衝器624a可經配置以提供從回饋及補償機構620到第二驅動器電路624之電阻抗轉換。緩衝器624a可為電壓緩衝器或電流緩衝器。高通濾波器624b阻斷較低頻率分量ITHDC並允許暫態控制信號ITH之較高頻率分量ITHAC通過。向比較器624c之非倒相端子提供較高頻率分量ITHAC，且比較該較高頻率分量與電感器618c中感測到的電流iLAC(高頻電感器電流)。
如若較高頻率分量ITHAC大於感測到的電感器電流信號iLAC，則比較器624c可輸出第一PWM信號。與前述實例一致，第一PWM信號可為高頻信號以開啟高頻開關618a，且關閉低開關618b以賦能輔助開關轉換器618隨著負載電流增大而將額外電流提供至輸出端子628。回應於第一PWM信號及在時鐘周期開始時，開關618a可開啟並保持開啟直至達到由暫態設定的新電流臨限值。在開關618a開啟時間期間，高頻電流自電源Vin通過開關618a及電感器618c流向輸出端子628。因此，電流在電感器618c中向新電流臨限值攀升。以此方式，輔助開關轉換器618提供追蹤較高頻率 分量ITHAC之高頻電流以達到新電流臨限值。所提供之高頻電流存在時間短及僅在暫態期間存在，而不在穩態操作期間存在。在穩態操作期間，輔助開關轉換器618可將零電流提供至負載。
如若較高頻率分量ITHAC小於感測到的電感器電流信號iLAC，則比較器624c可輸出第二PWM信號。第二PWM信號是低頻信號，該信號經配置以關閉第一開關618a並開啟第二開關618b。回應於第二PWM信號，在時鐘周期開始時，開關618a可關閉而開關618b可開啟。開關618b保持開啟直至達到暫態設定的新電流臨限值。在開關618a之關閉時間及開關618b之開啟時間期間，電流在電感器618c中向新電流臨限值降低。以此方式，輔助開關轉換器618提供追蹤較高頻率分量ITHAC之高頻電流以達到新電流臨限值。在一個實施方式中，在暫態期間，開關618a可保持關閉，而開關618b可保持開啟，直至達到由暫態設定的新電流臨限值。為此，可在暫態期間不維持輔助開關轉換器618之固定開關頻率，例如在開關618b之工作時間大於週期時間T之情況下。
可將來自第一驅動器電路622及第二驅動器電路624之PWM信號提供至控制電路，該控制電路控制主開關轉換器616及輔助開關轉換器618之操作。控制電路使用驅動器電路622之PWM信號與系統時鐘信號來控制主開關轉換器616的開關616a及616b之狀態。 同樣，控制電路使用驅動器電路624之PWM信號與系統時鐘信號來控制輔助開關轉換器618的開關618a及618b之狀態。
如若調整器616是峰值電流模式調整器，則首先其低側開關616b可關閉，然後其高側開關616a可藉由內部時鐘開啟，由此增大電感器616c之電流iLDC。同樣，如若調整器618是峰值電流模式調整器，則首先其低側開關618b可關閉，然後其高側開關618a可藉由內部時鐘開啟，由此增大電感器618c之電流iLAC。
如若調整器616是谷值電流模式調整器，則首先其高側開關616a可關閉，然後其低側開關616b藉由內部時鐘或計時器開啟，由此降低電感器616c之電流iLDC。同樣，如若調整器618是谷值電流模式調整器，則首先其高側開關618a可關閉，然後其低側開關618b藉由內部時鐘或計時器開啟，由此降低電感器618c之電流iLAC。
儘管主開關轉換器616中圖示單個高側開關616a及低側開關616b，但其他實施方式亦有可能。例如，高側開關之數目可為兩個或兩個以上。同樣，低側開關之數目可為兩個或兩個以上。為此，控制電路可依據來自驅動器電路622之信號而同時賦能一個以上之高側開關。同樣，控制電路可依據來自驅動器電路622之信號而同時賦能一個以上之低側開關。
第7圖圖示第6圖中圖示用於控制供電系統600的示例性模擬電路700。模擬電路700包括回饋及補償機構720、第一驅動器電路722，及第二驅動器電路724。回饋及補償機構720對應於回饋及補償機構620；第一驅動器電路722對應於第一驅動器電路622；及第二驅動器電路724對應於第二驅動器電路624。因此，為了簡便起見，不進一步描述上述各者。
第8A-8C圖圖示第7圖中圖示之模擬電路700的示例性負載暫態模擬波形。第8A圖圖示暫態控制信號ITH 810、暫態控制信號ITH 810之較高頻率分量ITHAC 814，及暫態控制信號ITH 810之較低頻率分量ITHDC 812。如圖所示，暫態控制信號ITH 810是較高頻率分量ITHAC 814與較低頻率分量ITHDC 812之總和。
較高頻率分量ITHAC 814僅在輸出電流突增或突降期間存在。在此情況下，較高頻率分量ITHAC 814僅在第8B圖中圖示之負載階躍之正邊緣與負邊緣期間存在。較低頻率分量ITHDC 812亦可在輸出電流突增或突降期間變更。然而，一旦由於暫態而達到新電流臨限，則穩態下電流之較低頻率分量可遵循較低頻率分量ITHDC 812。因而，較低頻率分量ITHDC 812在暫態結束之後不顯示逐漸消失。為此，較高頻率分量ITHAC 814可回應於第8B圖中圖示的負載階躍之正邊緣而迅速增大，且一旦較高頻率分量達到特定臨限位 準，則可迅速消失。相反，較低頻率分量ITHDC 812可回應於第8B圖中圖示的負載階躍之正邊緣而慢慢增大，且一旦較低頻率分量達到特定臨限位準，則可在負載階躍歷時期間保持該位準。同樣，較高頻率分量ITHAC 814可回應於第8B圖中圖示的負載階躍之負邊緣而迅速下降。相反，較低頻率分量ITHDC 812可回應於第8B圖中圖示的負載階躍之負邊緣而慢慢下降。
第8B圖圖示電流負載階躍816及回應於電流負載階躍816之對應輸出電壓818。如圖所示，輸出電壓隨著負載階躍816之正邊緣而降低，且隨著負載階躍之負邊緣而增大。此舉之原因在於電容器之電壓降低以補足電感器之緩慢增大電流，以滿足負載裝置之電流需求增大。同樣，輸出電容器可用於降低電流，以滿足負載裝置之電流突降。因此，如圖所示，輸出處有輕微電壓漣波。然而，與未使用本申請案教示內容之習用供電系統的電壓漣波相比，此電壓漣波可顯著减少。在一個特定實例中，輸出電壓漣波可減少約50%。此舉無需複雜控制方法或無需在輸出端子與輔助開關轉換器的控制迴路之間使用額外交流電容器即可完成。交流電容器經配置以防止直流電或低頻電流進入輔助開關轉換器之控制迴路。交流電容器可增大供電系統成本及尺寸。相反，本申請案之供電系統，如針對第4圖所述，可經由濾波網路防止直流電或低頻電流進入輔助開關轉換器，該網路經配置以濾出暫態信號ITH之較低頻率分量。
第8C圖圖示由主開關轉換器回應於較低頻率分量ITHDC 812而提供的較低頻率電感器iLDC電流820，及由輔助開關轉換器回應於較高頻率分量ITHAC 814而提供的較高頻率電感器iLAC電流822。如圖所示，較高頻電流822追蹤較高頻率分量ITHAC 814，而較低頻電流820追蹤較低頻率分量ITHDC 812及亦追蹤穩態運操作下的較低頻電流。為此，輔助開關轉換器可僅在暫態期間提供或降低電流(例如，回應於負載階躍中之正邊緣而提供電流並回應於負載階躍中之負邊緣而降低電流)。相反，主開關轉換器可在暫態與穩態操作期間提供及/或降低電流。
第9A圖圖示包括兩相降壓開關轉換器之第一供電系統與和輔助開關轉換器並聯且包括兩相降壓開關轉換器之第二供電系統之間的迴路增益比較。如圖可見，在增添輔助開關轉換器之情况下，第二供電系統之頻寬可自80kHz推至1MHz。此為可能實現更快暫態之原因。通常，供電系統在相位邊限大於零時穩定。在一個實施方式中，可能需要具有40度至45度相位。
第9B圖圖示第9A圖中第一供電系統及第二供電系統之相位邊限。如圖可見，僅使用100kHz兩相降壓開關轉換器之第一供電系統的相位邊限為約40度。相反，第二供電系統之相位邊限大體上更高，在100kHz時高於60度。
第10圖圖示另一示例性供電系統1000。供電系統1000類似於供電系統500，不同之處在於供電系統1000包括可選誤差放大器1010以進一步確保由輔助開關轉換器產生的較高頻率電感器iLAC電流在穩態下具有零平均電流。為此，額外誤差放大器1010接收來自輔助開關轉換器之其倒相端子處之平均高頻電流iLAC及其非倒相端子處之0A Iref。誤差放大器輸出向電流比較器1012提供偏置信號以形成緩慢的迴路，且確保電感器iLAC電流具有0A直流電平均值。比較器1012亦接收感測電流iLAC及暫態信號ITH之較高頻率分量。暫態信號ITH之較高頻率分量添加至偏置信號並與感測電流iLAC比較。比較器1012使用該等輸入以產生PWM信號以用於驅動輔助開關轉換器。
在另一實施方式中，供電系統可包括兩個分隔的單獨控制機構。該兩個分隔的單獨控制機構可包括用於驅動主開關轉換器之第一控制機構及用於驅動輔助開關轉換器之第二分隔控制機構。此設計可在主開關轉換器屬於電力模組時有用，此設計不提供互連銷，無法與輔助開關轉換器共享其控制機構以賦能更快的暫態回應。為賦能更快的暫態回應，輔助電力介面裝置可與此電力模組結合，無需變更主開關轉換器。電力介面裝置可包括控制機構及輔助開關轉換器。控制機構經配置以接收感測到的Vout及經由低通濾波器產生的低頻平均 Vout信號，且偵測Vout之較高頻補償部分，並基於Vout之較高頻補償部分操作輔助開關轉換器。
第11圖圖示示例性模擬電路1100，該電路包括兩個獨立控制機構。該兩個獨立控制機構包括主開關轉換器控制機構1110及輔助開關轉換器控制機構1120。主開關轉換器控制機構1110可為電力模組之一部分，該電力模組不提供用於與輔助開關轉換器共享主開關控制機構1110的互連。
主開關轉換器控制機構1110包括回饋電壓感測電路1112、誤差放大器1114、補償電路1116，及驅動器電路1118。回饋電壓感測電路1112在一個端部連接至Vout並在另一端部連接至誤差放大器1114。回饋電壓感測電路1112經配置以感測流經電阻器及電容器網路之Vout，該網路包括R1、R2、C1及C2。電阻器R1及R2之網路形成電阻分壓器，且按比例縮放信號Vout以使其與Vref成比例。提供可選電容器C1及C2以使得分壓器依賴頻率。此依賴頻率之分壓Vout可被稱作回饋電壓Vfb。回饋電壓Vfb及參考電壓Vref被輸入誤差放大器gm(圖示為跨導(gm)放大器)1114。誤差放大器1114可為電流輸出類型之跨導放大器或電壓輸出類型放大器。
誤差放大器1114監測於其倒相輸入端處與Vout成比例之回饋電壓Vfb及於其非倒相輸入處之參考電壓Vref。回饋電壓Vfb應近似等於參考電壓 Vref。當該兩個電壓不相等時，放大器1114可在其輸出端處提供暫態電壓控制信號。頻率補償電路1116包括電容器及電阻器以向回饋迴路提供頻率補償。頻率補償電路1116可减弱暫態信號之較高頻率分量，且輸出較低頻率暫態信號。向驅動器電路1118提供較低頻率暫態信號。
驅動器電路1118包括比較器。比較器在其倒相輸入端處接收主開關轉換器之電感器中感測到的電流iLDC，且在其非倒相輸入處接收較低頻率暫態信號。比較較低頻率暫態信號與電感器中感測到的電流iLDC(低頻電感器電流)以產生PWM信號以用於驅動主開關轉換器。
輔助開關轉換器控制機構1120包括回饋感測電路、誤差放大器1124、補償電路1126、緩衝器、高通濾波器(high pass filter；HPF)，及驅動器電路1128。回饋感測電路在一個端部連接至Vout並在另一端部連接至誤差放大器1124。回饋感測電路包括低通濾波器。低通濾波器經配置以輸出較低頻平均Vout信號。感測到的Vout直接耦接至誤差放大器1124之倒相端子，而較低頻平均Vout信號耦接至誤差放大器1124之非倒相端子。
感測到的Vout應近似等於其在穩態操作期間的較低頻率平均Vout信號。當該兩個電壓不相等時，放大器1124可在其輸出端處提供Vout之較高頻補償部 分。頻率補償電路1126包括電容器及電阻器以向回饋迴路提供頻率補償。頻率補償電路1126可增强Vout之較高頻補償部分，及向緩衝器，然後向HPF輸出Vout之較高頻補償部分。緩衝器可經配置以提供從補償電路1126至第二驅動器電路1128之電阻抗轉換。Vout之較高頻補償部分可隨後穿過HPF以確保該部分在被提供至驅動器電路1128之前不包含較低頻補償部分。然後，Vout之較高頻補償部分被提供至比較器之非倒相端子，且與輔助開關轉換器之電感器中感測到的電流iLAC(高頻電感器電流)比較，以產生PWM信號以用於驅動輔助開關轉換器。
在一個特定實例中，Vin可為12V，Vout可為1V，電流負載階躍可為25A，主開關轉換器之開關頻率可為500kHz，輔助開關轉換器之開關頻率可為5MHz，主開關轉換器中電感器之電感可為220nH，且輔助開關轉換器中電感器之電感可為20nH。
在一個實施方式中，主開關轉換器及輔助開關轉換器及其各自的控制機構可在兩個單獨的積體電路中提供。在另一實施方式中，主開關轉換器及輔助開關轉換器及其各自的控制機構可在一個積體電路中提供。在另一實施方式中，主開關轉換器及輔助開關轉換器可在單個積體電路中提供，且控制機構可在另一單獨積體電路中提供。在又一實施方式中，主開關轉換器及其控 制機構可在一個積體電路中提供，且輔助開關轉換器及其控制機構可在另一積體電路中提供。
儘管前述內容已描述被視作最佳模式及/或其他實例的內容，但應理解，可對前述內容進行多種修改，且本案揭示之標的物可以多種形式及在多個實例中實施，且教示內容可適用於多數個應用中，本案中僅描述其中之一些應用。以下申請專利範圍意欲主張符合本案教示內容之真實範疇的所有應用、修改及變化。
除非另有說明，否則本說明書(包括隨後的申請專利範圍)中闡述的全部測量值、值、額定值、位置、量值、尺寸及其他規格均為近似值而非確切值。上述各者意欲具有與其所涉及之功能及其所屬技術中習用慣例一致的合理範圍。
保護範疇僅由以下申請專利範圍限制。該範疇在根據本說明書及隨後的實施記錄解釋時，經指定及應解釋為與申請專利範圍所用語言的普通含義相符的廣泛範疇，且包含所有結構性及功能性等效內容。儘管如此，申請專利範圍中沒有一項意欲包括未能滿足專利法101章、102章或103章需求的標的物，亦不得被解釋為如此。在此否認對該種標的物的任何非本意之包含。
除非上文明確聲明，否則已陳述或說明之內容不意欲或不應向公衆解釋為產生任何部分、步驟、特徵、目標、利益、優勢或等效物，無論其是否列舉在申請專利範圍中。
將理解，本案中使用的術語與表述具有針對其各自調查及研究對應領域而賦予該等術語及表述的普通含義，除非本案中已闡述特定含義。諸如第一、第二等關係術語可僅用以區別一個實體或動作與另一實體或動作，並非必需或暗示該等實體或動作之間的任何該種實際關係或次序。術語「包括(comprises)」、「包括(comprising)」或任何其他變體意欲涵蓋非排他性涵蓋內容，以使得包括一列元件的製程、方法、製品或設備僅不包括彼等元件，但可包括其他未列明之元件或該等製程、方法、製品或設備所固有的元件。前綴為「一(a)」或「一(an)」之元件不排除，無進一步限制，在包括該元件的製程、方法、製品或設備中之額外相同元件之存在。
提供本揭示案之【摘要】以允許讀者迅速確定技術揭示內容之性質。該【摘要】在理解其將不用以解釋或限制申請專利範圍之範疇或含義的前提下提交。此外，在前文的【實施方式】中可見，多種特徵集中在多個實例中以實現合理說明揭示內容之目的。本揭示案方法不應被解釋為反映專利申請案需要比每一申請項中明確列舉內容更多的特徵之意圖。相反，以下申請專利範圍反映本發明標的物並非單個揭示實例中的全部特徵。由此，以下申請專利範圍在此併入【實施方式】，每一申請項獨立代表自身所主張之標的物。
100‧‧‧供電系統
110‧‧‧電源
112‧‧‧負載裝置
114‧‧‧電力介面裝置
116‧‧‧主開關轉換器
118‧‧‧輔助開關轉換器

Claims (20)

  1. 一種電力介面裝置，包括：一主開關轉換器，耦接至一輸出端子及一輸出端子，且經配置以一第一開關頻率操作以將一低頻電流從該輸入端子提供至該輸出端子；一輔助開關轉換器，與該主開關轉換器並聯耦接至該輸入端子及該輸出端子，且經配置以一第二及比該第一開關頻率更高之開關頻率操作，以將一快速暫態高頻電流從該輸入端子提供至該輸出端子；一回饋感測電路，經配置以感測該輸出端子處之一輸出電壓；一誤差放大器電路，經配置以接收感測到的該輸出電壓及一參考電壓，且基於該感測到的輸出電壓及該參考電壓而輸出一暫態信號。一高通濾波器，經配置以接收該暫態信號並輸出該暫態信號之一較高頻率分量；及一輔助驅動器電路，經配置以基於該暫態信號之該較高頻率分量而驅動該輔助開關轉換器。
  2. 如請求項1所述之電力介面裝置，其中該主開關轉換器及該輔助開關轉換器包括電流模式開關調整器。
  3. 如請求項1所述之電力介面裝置，其中該主 開關轉換器及該輔助開關轉換器包括降壓的電流模式開關調整器，該等調整器經配置以將該輸入端子之一較高輸入電壓轉換至一較低電壓，該較低電壓是該輸出電壓。
  4. 如請求項1所述之電力介面裝置，其中該主開關轉換器包括一第一主開關、一第二主開關及一主要電感器，其中該第一主開關在一個端部耦接至該輸入電壓端子並在另一個端部耦接至一主要節點，該第二主開關在一個端部耦接至該主要節點並在另一端部耦接至一接地端子，且該主要電感器在一個端部耦接至該主要節點並在另一端部耦接至該輸出端子。
  5. 如請求項4所述之電力介面裝置，其中該輔助開關轉換器包括一第一輔助開關、一第二輔助開關及一輔助電感器，其中該第一輔助開關在一個端部耦接至該輸入端子並在另一個端部耦接至一輔助節點，該第二輔助開關在一個端部耦接至該輔助節點並在另一端部耦接至該接地端子，且該輔助電感器在一個端部耦接至該輔助節點並在另一端部耦接至該輸出端子。
  6. 如請求項5所述之電力介面裝置，其中：該輔助開關調整器經配置以僅在於一負載裝置處偵測到的一暫態期間提供該快速暫態高頻電流，及 該暫態包括一負載電流突增或突降。
  7. 如請求項5所述之電力介面裝置，其中該第一及該第二主開關及該第一及該第二輔助開關包括場效電晶體開關。
  8. 如請求項1所述之電力介面裝置，其中：該回饋感測電路包括複數個電阻器及電容器，該等電阻器及電容器經配置以感測該輸出電壓並產生一回饋電壓，及該誤差放大器經配置以接收該回饋電壓及該參考電壓，且在該回饋電壓及該參考電壓大體上不相等時產生該暫態信號。
  9. 如請求項8所述之電力介面裝置，進一步包括：一低通濾波器，經配置以接收該暫態信號並輸出該暫態信號之一較低頻率分量；及一主要驅動器電路，經配置以基於該暫態信號之較低頻率分量而驅動該主開關轉換器。
  10. 如請求項9所述之電力介面裝置，其中：該輔助驅動器電路包括一輔助比較器，該比較器經配置以比較該暫態信號之該較高頻率分量與經該輔助開關轉換器感測到的一高頻電流，且產生一輔助脈衝寬度信號以用於驅動該輔助開關轉換器；及 該輔助脈衝寬度信號賦能該輔助開關轉換器以將追蹤該暫態信號之該較高頻率分量的高頻電流提供至該輸出端子。
  11. 如請求項10所述之電力介面裝置，其中：該主驅動器電路包括一主比較器電路，該電路經配置以比較該暫態信號之該較低頻率分量與由該主開關轉換器感測到的一低頻電流，且產生一主脈衝寬度信號以用於驅動該主開關轉換器；及該主脈衝寬度信號賦能該主開關轉換器以將追蹤該暫態信號之該較低頻率分量的該低頻電流提供至該輸出端子。
  12. 如請求項10所述之電力介面裝置，其中回應於該第一工作循環，該輔助開關轉換器經配置以僅在經由該回饋感測電路在一負載裝置處感測到的一暫態期間將該快速暫態高頻電流提供至該輸出端子。
  13. 如請求項12所述之電力介面裝置，其中該輔助開關轉換器經配置以在該負載裝置之一穩態操作期間提供大體上零電流。
  14. 一種電力介面裝置，包括：一主開關轉換器，耦接至一輸入端子及一輸出端子，且經配置以一第一開關頻率操作以將一低頻電流 從該輸入端子提供至該輸出端子；一輔助開關轉換器，與該主開關轉換器並聯耦接至該輸入端子及該輸出端子，且經配置以一第二及比該第一開關頻率較高之開關頻率操作，以將一快速暫態高頻電流從該輸入端子提供至該輸出端子；一主控制迴路，經配置以驅動該主開關轉換器以將該低頻電流從該輸入端子提供至該輸出端子；及一輔助控制迴路，獨立於該主控制迴路並經配置以驅動該輔助開關轉換器，以在一暫態期間將該快速暫態高頻電流從該輸入端子提供至該輸出端子，其中：該輔助控制迴路包括一高通濾波器，該高通濾波器經配置以輸出與該暫態關連之一輸出電壓之一較高頻補償部分；及該輔助控制迴路經配置以基於該輸出電壓之該較高頻補償部分而驅動該輔助開關轉換器。
  15. 如請求項14所述之電力介面裝置，其中該主控制迴路包括：一主要回饋感測電路，該回饋感測電路具有複數個電阻器及電容器，該等電阻器及電容器經配置以感測該輸出電壓並產生一回饋電壓；一主要誤差運算放大器，經配置以接收該回饋電壓及一參考電壓，且在該回饋電壓與該參考電壓大體上 不相等時產生一暫態信號；及一主比較器電路，經配置以比較該暫態信號與由該主開關轉換器感測到的一低頻電流，且產生一主脈衝寬度信號以用於驅動該主開關轉換器；其中該主脈衝寬度信號賦能該主開關轉換器以提供追蹤該暫態信號之該低頻電流。
  16. 如請求項14所述之電力介面裝置，其中該輔助控制迴路包括：一輔助回饋感測電路，包括一低通濾波器，該低通濾波器耦接至該輸出端子，且經配置以產生該輸出電壓之一較低頻補償部分；一輔助誤差運算放大器，經配置以直接接收該輸出電壓及該輸出電壓之該較低頻率補償部分，產生該輸出電壓之該較高頻補償部分，且供應該輸出電壓之較高頻補償部分至該高通濾波器；一輔助比較器電路，經配置以比較該輸出電壓之該較高頻補償部分與由該輔助開關轉換器提供一所感測到的高頻電流，且產生一輔助脈衝寬度信號以用於驅動該輔助開關轉換器，及該輔助脈衝寬度信號賦能該輔助開關轉換器以將追蹤該輸出電壓之該較高頻補償部分的該快速暫態高頻電流提供至該輸出端子。
  17. 一種電力介面裝置，包括：一主開關轉換器，耦接至一輸出端子及一輸出端子，且經配置以一第一開關頻率操作以將一低頻電流從該輸入端子提供至該輸出端子；一輔助開關轉換器，與該主開關轉換器並聯耦接至該輸入端子及該輸出端子，且經配置以一第二及比該第一開關頻率較高之開關頻率操作，以將一快速暫態高頻電流從該輸入端子提供至該輸出端子；一回饋感測電路，經配置以感測該輸出端子處之一輸出電壓；一誤差放大器電路，經配置以接收感測到的該輸出電壓及一參考電壓，且基於該感測到的輸出電壓及該參考電壓而輸出一暫態信號；一低通濾波器，經配置以接收該暫態信號及輸出該暫態信號之一較低頻率分量；一高通濾波器，經配置以接收該暫態信號及輸出該暫態信號之一較高頻率分量；一主要驅動器電路，經配置以基於該暫態信號之該較低頻率分量而驅動該輔助開關轉換器；及一輔助驅動器電路，經配置以基於該暫態信號之該較高頻率分量而驅動該輔助開關轉換器。
  18. 如請求項17所述之電力介面裝置，其中 該主開關轉換器及該輔助開關轉換器包括降壓的電流模式開關調整器，該等調整器經配置以將該輸入端子之一較高輸入電壓轉換至一較低電壓，該較低電壓是該輸出電壓。
  19. 如請求項17所述之電力介面裝置，其中該主開關轉換器包括一第一主開關、一第二主開關及一主要電感器，其中該第一主開關在一個端部耦接至該輸入電壓端子並在另一個端部耦接至一主要節點，該第二主開關在一個端部耦接至該主要節點並在另一端部耦接至一接地端子，且該主要電感器在一個端部耦接至該主要節點並在另一端部耦接至該輸出端子。
  20. 如請求項19所述之電力介面裝置，其中該輔助開關轉換器包括一第一輔助開關、一第二輔助開關及一輔助電感器，其中該第一輔助開關在一個端部耦接至該輸入端子並在另一個端部耦接至一輔助節點，該第二輔助開關在一個端部耦接至該輔助節點及在另一端部耦接至該接地端子，且該輔助電感器在一個端部耦接至該輔助節點並在另一端部耦接至該輸出端子。
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