TWI408881B - 多相電源轉換器的增強型相數控制電路及方法 - Google Patents

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Description

多相電源轉換器的增強型相數控制電路及方法
本發明係有關一種多相電源轉換器，特別是關於一種多相電源轉換器的相數控制電路及方法。
某些需要低壓大電流的裝置，例如中央處理器(Central Processing Unit;CPU)，其電源供應器大多使用多相並聯的直流對直流轉換器來實現，尤其是具有較嚴格規格者，該電源供應器還必須兼具有效電壓定位(Active Voltage Positioning;AVP)的功能。在低輸出電壓高輸出電流的應用上，多相並聯操作的直流對直流轉換器可以提升重載的轉換效率，但是輕載的轉換效率較差，為了讓輕重載皆具有高轉換效率，因而提出動態相數控制的方案。美國專利號6,674,274係藉AVP所產生的輸出電壓變化來辨別輸出電流的大小。根據AVP原理，當輸出電流變大時，輸出電壓下降，此時系統切換至多相操作，以提升重載效率；反之，當輸出電流變小時，輸出電壓上升，此時系統切換至單相操作，以提升輕載效率。美國專利號7,492,134係感測相電路的相電流來判斷輸出電流的大小，進而決定操作相數。當相電流上升時，操作相數逐漸地增加；當相電流下降時，操作相數逐漸地減少。此外，當輸出電壓瞬間下降時，系統馬上啟動所有的相電路，以增加換相的速度，避免發生不必要的過電流保護，或造成系統損壞。
造成相電流突然增加的原因包括輸出電流增加、直流負載線(load line)由大變小以及高斜率的輸出電壓變化等，其中直流負載線係AVP所產生的壓降。習知的方法都是根據輸出電流的大小來改變操作相數，因此改變操作相數的速度取決於電流感測的速度。當系統感測電流的速度太快時，容易造成電流準位偏移及誤動作；反之，當系統感測電流的速度太慢，系統將發生不必要的過電流保護，或造成系統損壞。參照圖1，相電流的變化斜率可以概分成3個區間A1、A2及A3，其中區間A1的電流變化速度最快，區間A2的電流變化速度次之，區間A3的電流變化速度最慢。習知的方法只能即時處理位於區間A1及A3的電流變化以決定操作相數，因此當系統在穩態且單相操作時，若電流突然增加而且變化斜率是位於區間A2時，系統無法即時從單相操作切換為多相操作，因而造成不必要的過電流保護，或造成系統損壞。
因此，一種能處理中速電流變化速度的增強型相數控制電路及方法，乃為所冀。
本發明的目的之一，在於提出一種能處理中速電流變化速度的增強型相數控制電路及方法。
根據本發明，一種多相電源轉換器的增強型相數控制電路包括狀態機決定該多相電源轉換器的電源操作區，以及電流快速響應電源區上升電路，在該多相電源轉換器為單相操作期間，若相電流大於臨界值，送出信號至該狀態機，以切換該電源操作區使操作相數增加，進而增加該多相電源轉換器的轉換效率及可靠度。其中，不同的電源操作區具有不同的操作相數。
根據本發明，一種多相電源轉換器的增強型相數控制方法包括在該多相電源轉換器為單相操作期間偵測該相電流，若該相電流大於臨界值，切換該多相電源轉換器的電源操作區以增加操作相數，進而增加該多相電源轉換器的轉換效率及可靠度。其中，不同的電源操作區具有不同的操作參數。
圖2的多相電源轉換器係使用本發明之增強型相數控制電路20。此多相電源轉換器包括四個相電路22、24、26及28分別提供相電流IL1、IL2、IL3及IL4，電流感測器30、32、34及36分別感測相電流IL1、IL2、IL3及IL4產生電流感測信號CS1、CS2、CS3及CS4，加法器18結合電流感測信號CS1、CS2、CS3及CS4產生總和信號Visum，誤差放大器10根據參考電壓VID及與輸出電壓Vout相關的回授電壓VFB產生誤差信號Vea1，參考電壓VID係用以決定輸出電壓Vout的準位，加法器16結合參考電壓VID及總和信號Visum產生信號Vcs，偏移消除電路12根據信號Vcs及Vea2消除誤差信號Vea1的偏移而產生誤差信號Vea2，比較器14根據信號Vcs及Vea2產生比較信號Sc1，增強型相數控制電路20根據比較信號Sc1提供脈寬調變信號Spwm1、Spwm2、Spwm3及Spwm4給相電路22、24、26及28，以分別控制相電流IL1、IL2、IL3及IL4。此外，增強型相數控制電路20還根據總和信號Visum、輸出電壓Vout及參考電壓VID產生電源區控制信號Spzc及相數控制信號Spc來決定電源操作區及操作相數。不同的電源操作區定義不同的操作參數，例如操作相數、負載線、操作頻率及電壓偏移量等。此多相電源轉換器處於穩態時，由於虛短路原理，誤差放大器10的兩輸入端電壓相等，回授電壓VFB可以視為參考電壓VID，因此在此實施例中，增強型相數控制電路20使用回授電壓VFB替代參考電壓VID。
圖3係增強型相數控制電路20的實施例，其包括低通濾波器38、負載追蹤電源區下降電路40、連續電源區上升電路42、電流快速響應電源區上升電路44、動態參考電壓相數上升電路46、電壓快速響應電源區上升電路48以及狀態機50。為了處理廣泛的相電流操作斜率，例如圖1的三個區間A1、A2及A3，增強型相數控制電路20的電源區切換機制分為三部分。第一部分是慢速的電源區變化，例如圖1的區間A3，藉負載追蹤電源區下降電路40及連續電源區上升電路42來實現。第二部分是中速的電源區變化，例如圖1的區間A2，藉電流快速響應電源區上升電路44及動態參考電壓相數上升電路46來實現。第三部分是快速的電源區變化，例如圖1的區間A1，藉電壓快速響應電源區上升電路48來實現。
在圖3的增強型相數控制電路中，低通濾波器38濾除總和信號Visum的切換漣波及高頻雜訊產生直流信號Viqk，因此直流信號Viqk等於總和信號Visum的平均值，可以用來判斷輸出電流Iload的變化。負載追蹤電源區下降電路40根據直流信號Viqk以及臨界值TH1-HYS1、TH2-HYS2及TH3-HYS3產生信號S1。連續電源區上升電路42根據直流信號Viqk以及臨界值TH1、TH2及TH3產生信號S2。如圖4所示，在此實施例中，臨界值TH1、TH2、TH3、TH1-HYS1、TH2-HYS2及TH3-HYS3決定四個電源區PZ0、PZ1、PZ2及PZ3，其中電源區PZ0設定為四相操作，電源區PZ1設定為三相操作，電源區PZ2設定為二相操作，電源區PZ3設定為單相操作。
當多相電源轉換器在電源區PZ3時，若直流信號Viqk上升且大於臨界值TH3，連續電源區上升電路42送出信號S2至狀態機50，狀態機50因而送出電源區控制信號Spzc使多相電源轉換器進入電源區PZ2。
當多相電源轉換器在電源區PZ2時，若直流信號Viqk上升且大於臨界值TH2，連續電源區上升電路42送出信號S2至狀態機50，狀態機50因而送出電源區控制信號Spzc使多相電源轉換器進入電源區PZ1，若直流信號Viqk下降且小於臨界值TH3-HYS3，負載追蹤電源區下降電路40送出信號S1至狀態機50，狀態機50因而送出電源區控制信號Spzc使多相電源轉換器進入電源區PZ3。
當多相電源轉換器在電源區PZ1時，若直流信號Viqk上升且大於臨界值TH1，連續電源區上升電路42送出信號S2至狀態機50，狀態機50因而送出電源區控制信號Spzc使多相電源轉換器進入電源區PZ0，若直流信號Viqk下降且小於臨界值TH2-HYS2，負載追蹤電源區下降電路40送出信號S1至狀態機50，狀態機50因而送出電源區控制信號Spzc使多相電源轉換器進入電源區PZ2。
當多相電源轉換器在電源區PZ0時，若直流信號Viqk下降且小於臨界值TH1-HYS1，負載追蹤電源區下降電路40送出信號S1至狀態機50，狀態機50因而送出電源區控制信號Spzc使多相電源轉換器進入電源區PZ1。
當輸出電壓Vout瞬間下降且低於臨界值TH5時，電壓快速響應電源區上升電路48送出信號S5至狀態機50，狀態機50因而送出電源區控制信號Spzc使多相電源轉換器進入較高的電源區，例如立即進入電源區PZ0。
負載追蹤電源區下降電路40、連續電源區上升電路42以及電壓快速響應電源區上升電路48的電路架構可以參考美國專利號7,492,134，於此不再贅述。
當多相電源轉換器處於單相操作時，即處於電源區PZ3時，只有相電路22啟動，此時的總和信號Visum等於相電流IL1。若輸出電流Iload瞬間上升且相電流IL1的變化斜率位於圖1的區間A2，如圖5的波形60所示，總和信號Visum隨輸出電流Iload快速上升，但直流信號Viqk則因低通濾波器38的延遲而慢慢上升，如波形62所示。當總和信號Visum達到臨界值TH3後，直流信號Viqk需再經延遲時間Tiqk才達到臨界值TH3，而當直流信號Viqk達到臨界值TH3時，總和信號Visum已上升至相當高的準位，這可能觸發單相的過電流保護，甚至損壞系統，因此電流快速響應電源區上升電路44在總和信號Visum上升至臨界值TH3_QK時，送出信號S3至狀態機50，使多相電源轉換器進入較高的電源區，例如立即進入電源區PZ2、PZ1或PZ0。在此實施例中，電流快速響應電源區上升電路44包括比較器52比較總和信號Visum及臨界值TH3_QR產生比較信號Sc2，以及及閘54根據比較信號Sc2及單相操作信號Sp1產生信號S3。
在多相電源轉換器的直流負載線由大變小時，沒有電流快速響應電源區上升電路44的信號波形如圖6所示，具有電流快速響應電源區上升電路44的信號波形如圖7所示。參照圖6，在沒有電流快速響應電源區上升電路44的情況下，當多相電源轉換器為單相操作且直流負載線由大變小時，如時間t1所示，輸出電壓Vout及總和信號Visum上升，相電路22的上橋開關需要連開6次才能使多相電源轉換器達到穩定。然而，參照圖7，在有電流快速響應電源區上升電路44的情況下，當多相電源轉換器為單相操作且直流負載線由大變小時，如時間t2所示，輸出電壓Vout及總和信號Visum上升，當總和信號Visum達到臨界值TH3_QK時，如時間t3所示，電流快速響應電源區上升電路44使多相電源轉換器進入電源區PZ0，相電路24、26及28都啟動，如時間t4所示，因此相電路22的上橋開關只需要連開4次便能使多相電源轉換器達到穩定。再者，有電流快速響應電源區上升電路44時的相電流IL1的最大暫態電流將遠小於沒有電流快速響應電源區上升電路44時的相電流IL1。假設相電流IL1的漣波為15A，則兩種狀況下的相電流IL1的最大暫態電流的差值約為30A。是以，電流快速響應電源區上升電路44能有效提升多相電源轉換器的可靠度以及輕重載的轉換效率。
參照圖3，在此實施例中，動態參考電壓相數上升電路46從回授電壓VFB判斷參考電壓VID的大小，當參考電壓VID增加時，輸出電壓Vout開始上升，因此相電流將增加以使輸出電壓Vout上升，同時回授電壓VFB也跟著上升，若回授電壓VFB的變化量ΔVFB大於臨界值TH4，則動態參考電壓相數上升電路46送出信號S4至狀態機50，狀態機50因而輸出相數控制信號Spc使所有相電路全部啟動。在此實施例中，動態參考電壓相數上升電路46包括偵測器56用以偵測回授電壓VFB的變化量ΔVFB，以及比較器58比較變化量ΔVFB及臨界值TH4產生信號Sc。
以上對於本發明之較佳實施例所作的敘述係為闡明之目的，而無意限定本發明精確地為所揭露的形式，基於以上的教導或從本發明的實施例學習而作修改或變化是可能的，實施例係為解說本發明的原理以及讓熟習該項技術者以各種實施例利用本發明在實際應用上而選擇及敘述，本發明的技術思想企圖由以下的申請專利範圍及其均等來決定。
10．．．誤差放大器
12．．．偏移消除電路
14．．．比較器
16．．．加法器
18．．．加法器
20．．．增強型相數控制電路
22．．．相電路
24．．．相電路
26．．．相電路
28．．．相電路
30．．．電流感測器
32．．．電流感測器
34．．．電流感測器
36．．．電流感測器
38．．．低通濾波器
40．．．負載追蹤電源區下降電路
42．．．連續電源區上升電路
44．．．電流快速響應電源區上升電路
46．．．動態參考電壓相數上升電路
48．．．電壓快速響應電源區上升電路
50．．．狀態機
52．．．比較器
54．．．及閘
56．．．偵測器
58．．．比較器
60．．．總和信號Visum的波形
62．．．直流信號Viqk的波形
圖1係相電流變化斜率的快速、中速及慢速區間的示意圖；
圖2係使用本發明之增強型相數控制電路的多相電源轉換器；
圖3係圖2中的增強型相數控制電路的實施例；
圖4係設定電源區的示意圖；
圖5係總和信號Visum及直流信號Viqk的波形；
圖6係在多相電源轉換器的直流負載線由大變小時，沒有電流快速響應電源區上升電路的信號波形圖；以及
圖7係在多相電源轉換器的直流負載線由大變小時，具有電流快速響應電源區上升電路的信號波形圖。
40．．．負載追蹤電源區下降電路
42．．．連續電源區上升電路
44．．．電流快速響應電源區上升電路
46．．．動態參考電壓相數上升電路
48．．．電壓快速響應電源區上升電路
50．．．狀態機
52．．．比較器
54．．．及閘
56．．．偵測器
58．．．比較器

Claims (6)

  1. 一種多相電源轉換器的增強型相數控制電路，該多相電源轉器具有多個相電路提供多個相電流，多個電流感測器偵測該多個相電流產生多個電流感測信號，加法器結合該多個電流感測信號產生總和信號，以及誤差放大器比較參考電壓及與該多相電源轉換器的輸出電壓相關的回授電壓產生誤差信號以調整該輸出電壓，該增強型相數控制電路包括：狀態機，決定該多相電源轉換器的電源操作區，其中不同的電源操作區設定不同的操作相數；以及電流快速響應電源區上升電路，連接該狀態機，在該多相電源轉換器為單相操作期間，若該總和信號大於第一臨界值，則送出第一信號至該狀態機，以切換該電源操作區使操作相數增加。
  2. 如請求項1之增強型相數控制電路，更包括動態參考電壓相數上升電路，連接該狀態機，在該參考電壓的上升變化量超過第二臨界值時，產生第二信號至該狀態機，使該多個相電路全部啟動。
  3. 如請求項1或2之增強型相數控制電路，更包括：低通濾波器，過濾該總和信號產生直流信號；連續電源區上升電路，連接該低通濾波器及狀態機，根據該直流信號產生第三信號至該狀態機，以切換該電源操作區使操作相數增加；負載追蹤電源區下降電路，連接該低通濾波器及狀態機，根據該直流信號產生第四信號至該狀態機，以切換該電源操作區使操作相數減少；以及電壓快速響應電源區上升電路，偵測該輸出電壓，當該輸出電壓低於第三臨界值時，產生第五信號至該狀態機，以切換該電源操作區使操作相數增加。
  4. 一種多相電源轉換器的增強型相數控制方法，該多相電源轉器具有多個相電路提供多個相電流，多個電流感測器偵測該多個相電流產生多個電流感測信號，加法器結合該多個電流感測信號產生總和信號，以及誤差放大器比較參考電壓及與該多相電源轉換器的輸出電壓相關的回授電壓產生誤差信號以調整該輸出電壓，該增強型相數控制方法包括下列步驟：偵測該總和信號；以及在該多相電源轉換器為單相操作期間，若該總和信號大於第一臨界值，則切換該多相電源轉換器的電源操作區以增加操作相數；其中，不同的電源操作區具有不同的操作參數。
  5. 如請求項4之增強型相數控制方法，更包括在該參考電壓的上升變化量超過第二臨界值時，使該多個相電路全部啟動。
  6. 如請求項4或5之增強型相數控制方法，更包括：低通濾波該總和信號產生直流信號；根據該直流信號切換該電源操作區，以增加或減少操作相數；以及偵測該輸出電壓，當該輸出電壓低於第三臨界值時，切換該電源操作區以增加操作相數。
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