TWI430551B - 多通道電源供應器及其電流均分控制方法 - Google Patents

多通道電源供應器及其電流均分控制方法 Download PDF

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Description

多通道電源供應器及其電流均分控制方法
本發明是有關於一種電源供應器，且特別是有關於一種多通道電源供應器及其電流均分控制方法。
電子裝置必須仰賴電源來正常運作。大至醫療設備或通訊網路系統，小至電腦微處理單元(CPU)都需要穩定的供電來源，因此傳統的單一電源供應方式已無法滿足此需求。隨著半導體技術演進，電腦微處理單元的工作電壓越來越低，操作速度也愈來越快，為了滿足高效能運算，電腦微處理單元需要更多的電流提供能量。受限於外部元件動態特性，例如旋轉率(slew rate)等等，傳統單一通道電源供應器已無法於單位時間內提供足夠的電流給電腦微處理單元使用。因此多通道電源供應器開始應用於電腦微處理單元供電，不僅可提供更穩定的電流輸出，更可以提供更小的漣波電壓(ripple voltage)輸出。
多通道電源供應器又稱相位交錯式(Interleaved-phase)切換式電源供應器，等效使用多組單一通道電源供應器「平行地」並聯對負載供電。平行式相位交錯最大的挑戰在於確保負載電流均勻地分配至每一組電源供應器上。然而，傳統多通道電源供應器為了確保負載電流均勻地分配至每一組電源供應器，因此必須使用到比較器(comparator)。如此一來，傳統多通道電源供應器不僅容易受到比較器的偏移電壓影響，也受限於比較器的頻寬。
本發明係有關於一種多通道電源供應器及其電流均分控制方法。
根據本發明，提出一種多通道電源供應器。多通道電源供應器包括第一通道、第二通道、電流感測模組、電流均分控制電路及調變器。第一通道及第二通道分別根據第一脈寬調變訊號及第二脈寬調變訊號將輸入電壓轉換為輸出電壓。電流感測模組感測流經第一通道之第一通道電流以輸出第一感測電流，並感測流經第二通道之第二通道電流以輸出第二感測電流。電流均分控制電路根據第一感測電流及第二感測電流之平均電流與第一感測電流產生第一誤差電流及根據第二感測電流及平均電流產生第二誤差電流。調變器根據第一誤差電流及輸出電壓產生第一脈寬調變訊號，並根據第二誤差電流及輸出電壓產生第二脈寬調變訊號。
根據本發明，提出一種多通道電源供應器之電流均分控制方法。多通道電源供應器至少包括第一通道及第二通道，且電流均分控制方法包括如下步驟：感測流經第一通道之第一通道電流以輸出第一感測電流，並感測流經第二通道之第二通道電流以輸出第二感測電流；產生第一感測電流及第二感測電流之平均電流；根據第一感測電流及平均電流產生第一誤差電流並根據第二感測電流及平均電流產生第二誤差電流；根據第一誤差電流及輸出電壓產生第一脈寬調變訊號，並根據第二誤差電流及輸出電壓產生第二脈寬調變訊號；以及分別根據第一脈寬調變訊號及第二脈寬調變訊號將輸入電壓轉換為輸出電壓。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
請同時參照第1圖及第2圖，第1圖繪示係為依照本發明實施例之一種多通道電源供應器之示意圖，第2圖繪示係為依照本發明實施例之一種多通道電源供應器之電流均分控制方法之流程圖。為方便說明起見，下述實施例係以兩個通道為例說明。然本發明並不侷限於此，下述揭露內容亦能應用於二個通道以上的多通道電源供應器。多通道電源供應器10包括第一通道110、第二通道120、電流感測模組130、電流均分控制電路140及調變器150。電流均分控制方法能應用於多通道電源供應器10，且電流均分控制方法至少包括如下步驟。
首先如步驟210所示，電流感測模組130感測流經第一通道110之第一通道電流Iin1以輸出第一感測電流Isense1，並感測流經第二通道120之第二通道電流Iin2以輸出第二感測電流Isense2。接著如步驟220所示，電流均分控制電路140產生感測電流Isense1及感測電流Isense2之平均電流Iavg。跟著如步驟230所示，電流均分控制電路140根據感測電流Isense1及平均電流Iavg產生誤差電流Id1及根據感測電流Isense2及平均電流Iavg產生誤差電流Id2。然後如步驟240所示，調變器150根據誤差電流Id1及輸出電壓Vout產生脈寬調變訊號PWM1，並根據誤差電流Id2及輸出電壓Vout產生脈寬調變訊號PWM2。最後如步驟250所示，第一通道110及第二通道120分別根據脈寬調變訊號PWM1及脈寬調變訊號PWM2將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout。
請同時參照第3圖、第4圖及第5圖，第3圖繪示係為第2圖之細部示意圖，第4圖繪示係為第一電流感測電路之第一種示意圖，第5圖繪示係為第二電流感測電路之第一種示意圖。第一通道210包括第一電感L1、第一電晶體M1及第二電晶體M2，且第二通道220包括第二電感L2、第三電晶體M3及第四電晶體M4。通道電阻R11、通道電阻R12、通道電阻R21及通道電阻R22分別表示第一電晶體M1、第二電晶體M2、第三電晶體M3及第四電晶體M4導通後之通道電阻。第一電晶體M1及第三電晶體M3分別接收輸入電壓Vin，且第二電晶體M2及第四電晶體M4分別耦接於第一電晶體M1及第三電晶體M3。第一電感L1耦接第一電晶體M1及第二電晶體M2，且第二電感L2耦接第三電晶體M3及第四電晶體M4。
第一電晶體M1及第二電晶體M2受控於第一脈寬調變訊號PWM1，且第三電晶體M3及第四電晶體M4受控於第二脈寬調變訊號PWM2。第一脈寬調變訊號PWM1與第二脈寬調變訊號PWM2係相位交錯，使得第一電晶體M1及第三電晶體M3交替地導通。當第一電晶體M1導通時，第一通道電流Iin1流經第一電晶體M1。相似地，當第三電晶體M3導通時，第二通道電流Iin2流經第三電晶體M3。
前述電流感測模組130進一步包括第一電流感測電路132及第二電流感測電路134。第一電流感測電路132感測流經第一電晶體M1之第一通道電流Iin1以輸出第一感測電流Isense1，且第二電流感測電路134感測流經第三電晶體M3之第二通道電流Iin2以輸出第二感測電流Isense2。
第一電流感測電路132及第二電流感測電路134能由不同的電路來實現。舉例來說，前述第一電流感測電路132及第二電流感測電路134能分別由第4圖繪示之第一電流感測電路132a及第5圖繪示之第二電流感測電路134a來實現。第一電流感測電路132a包括第一運算放大器OP1及第五電晶體M5。第一電晶體M1及第五電晶體M5分別耦接至第一運算放大器OP1之輸入端，使得第五電晶體M5鏡射出第一感測電流Isense1。第一感測電流Isense1能進一步藉由設計第一電晶體M1及第五電晶體M5的尺寸，而使得第一感測電流Isense1為第一通道電流Iin1之。其中，N係為正整數。
相似地，第二電流感測電路134a包括第二運算放大器OP2及第六電晶體M6。第三電晶體M3及第六電晶體M6分別耦接至第二運算放大器OP2之輸入端，使得第六電晶體M6鏡射出第二感測電流Isense2。第二感測電流Isense2能進一步藉由設計第三電晶體M3及第六電晶體M6的尺寸，而使得第二感測電流Isense2為第二通道電流Iin2之。其中，N係為正整數。
請同時參照第3圖、第6圖及第7圖，第6圖繪示係為第一電流感測電路之第二種示意圖，第7圖繪示係為第二電流感測電路之第二種示意圖。前述第一電流感測電路132及第二電流感測電路134除了能分別由第4圖繪示之第一電流感測電路132a及第5圖繪示之第二電流感測電路134a來實現外，亦能由第6圖繪示之第一電流感測電路132b及第7圖繪示之第二電流感測電路134b來實現。
第一電流感測電路132b包括第一感測電阻Rsense1及第一電壓電流轉換器1322。第一感測電阻Rsense1耦接第一電晶體M1，第一通道電流Iin1流經第一感測電阻Rsense1以形成第一感測電壓Vsense1。第一電壓電流轉換器1322將第一感測電壓Vsense1轉換為第一感測電流Isense1。
相似地，第二電流感測電路134b包括第二感測電阻Rsense2及第二電壓電流轉換器1342。第二感測電阻Rsense2耦接第三電晶體M3，第二通道電流Iin2流經第二感測電阻Rsense2以形成第二感測電壓Vsense2。第二電壓電流轉換器1342將第二感測電壓Vsense2轉換為第二感測電流Isense2。
請同時參照第3圖、第8圖、第9圖及第10圖，第8圖繪示係為電流平均電路之示意圖，第9圖繪示係為第一種誤差電流產生電路之示意圖，第10圖繪示係為第二種誤差電流產生電路之示意圖。前述電流均分控制電路140進一步包括電流平均電路142及誤差電流產生電路144。電流平均電路142包括加法器1422及電流鏡1424。加法器142相加第一感測電流Isense1及第二感測電流Isense2以輸出總感測電流Isense3。電流鏡1424鏡射總感測電流Isense3之二分之一做為平均電流Iavg。由於本實施例係以兩個通道為例說明，因此上述電流鏡1424所鏡射出的平均電流Iavg即為總感測電流Isense3除以2。當應用於二個通道以上的多通道電源供應器時，電流鏡1424所鏡射出的平均電流Iavg即為總感測電流Isense3除以通道個數。
誤差電流產生電路144能由第9圖繪示之誤差電流產生電路144a或第10圖繪示之誤差電流產生電路144b來實現。誤差電流產生電路144a包括第一減法器1442及第二減法器1444。第一減法器1442將第一感測電流Isense1與平均電流Iavg相減以產生第一誤差電流Id1，而第二減法器1444將第二感測電流Isense2與平均電流Iavg相減以產生第二誤差電流Id2。
誤差電流產生電路144b包括第一減法器1442、第二減法器1444、第一電流鏡1446及第二電流鏡1448。第一減法器1442將第一感測電流Isense1與平均電流Iavg相減以產生第一電流變化量Id3，而第二減法器1444將第二感測電流Isense2與平均電流Iavg相減以產生第二電流變化量Id4。第一電流鏡1446鏡射與第一電流變化量Id3成比例之第一誤差電流Id1，而第二電流鏡1448鏡射與第二電流變化量Id4成比例之第二誤差電流Id2。
第一誤差電流Id1能進一步藉由設計第一電流鏡1442中電晶體的尺寸，而使得第一誤差電流Id1為第一電流變化量Id3之。其中，β係為正整數。相似地，第二誤差電流Id2能進一步藉由設計第二電流鏡1444中電晶體的尺寸，而使得第二誤差電流Id2為第二電流變化量Id4之。
請參照第11圖，第11圖繪示係為調變器之細部示意圖。前述調變器150進一步包括第一電壓電流轉換器151、第二電壓電流轉換器152、第一加法器153、第二加法器154、第一脈波寬度調變器155及第二脈波寬度調變器156。第一電壓電流轉換器151及第二電壓電流轉換器152轉換輸出電壓Vout為相關電流Ic。第一加法器153相加相關電流Ic及第一誤差電流Id1以輸出第一參考電流Iref1，而第二加法器154相加相關電流Ic及第二誤差電流Id2以輸出第二參考電流Iref2。第一脈波寬度調變器155及第二脈波寬度調變器156例如為電流模式脈波寬度調變器。第一脈波寬度調變器155根據第一參考電流Iref1輸出第一脈寬調變訊號PWM1，而第二脈波寬度調變器156根據第二參考電流Iref2輸出第二脈寬調變訊號PWM2。
上述實施例雖以兩個通道為例做說明，然並不侷限於此，上述揭露內容亦能應用於二個通道以上的多通道電源供應器。上述多通道電源供應器及其電流均分控制方法不需要使用比較器，因此不會受到比較器之偏移電壓的影響。此外，由於不受限於比較器的頻寬，因此能應用於高速切換。再者，由於不受限於比較器的頻寬，因此能獲得更快速的暫態響應。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10．．．多通道電源供應器
110．．．第一通道
120．．．第二通道
130．．．電流感測模組
132、132a、132b．．．第一電流感測電路
134、134a、134b．．．第二電流感測電路
140．．．電流均分控制電路
142．．．電流平均電路
144、144a、144b．．．誤差電流產生電路
150．．．調變器
151、1322．．．第一電壓電流轉換器
152、1324．．．第二電壓電流轉換器
153．．．第一加法器
154．．．第二加法器
155．．．第一脈波寬度調變器
156．．．第二脈波寬度調變器
210、220、230、240、250．．．步驟
1422．．．加法器
1424．．．電流鏡
1442．．．第一減法器
1444．．．第二減法器
1446．．．第一電流鏡
1448．．．第二電流鏡
M1．．．第一電晶體
M2．．．第二電晶體
M3‧‧‧第三電晶體
M4‧‧‧第四電晶體
M5‧‧‧第五電晶體
M6‧‧‧第六電晶體
Iavg‧‧‧平均電流
Iin1‧‧‧第一通道電流
Iin2‧‧‧第二通道電流
Id1‧‧‧第一誤差電流
Id2‧‧‧第二誤差電流
Isense1‧‧‧第一感測電流
Isense2‧‧‧第二感測電流
Isense3‧‧‧總感測電流
R11、R12、R21、R22‧‧‧通道電阻
Rsense1‧‧‧第一感測電阻
Rsense2‧‧‧第二感測電阻
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
Vsense1‧‧‧第一感測電壓
Vsense2‧‧‧第二感測電壓
L1‧‧‧第一電感
L2‧‧‧第二電感
PWM1‧‧‧第一脈波寬度調變訊號
PWM2‧‧‧第二脈波寬度調變訊號
OP1‧‧‧第一運算放大器
OP2‧‧‧第二運算放大器
第1圖繪示係為依照本發明實施例之一種多通道電源供應器之示意圖。
第2圖繪示係為依照本發明實施例之一種多通道電源供應器之電流均分控制方法之流程圖。
第3圖繪示係為第2圖之細部示意圖。
第4圖繪示係為第一電流感測電路之第一種示意圖。
第5圖繪示係為第二電流感測電路之第一種示意圖。
第6圖繪示係為第一電流感測電路之第二種示意圖。
第7圖繪示係為第二電流感測電路之第二種示意圖。
第8圖繪示係為電流平均電路之示意圖。
第9圖繪示係為第一種誤差電流產生電路之示意圖。
第10圖繪示係為第二種誤差電流產生電路之示意圖。
第11圖繪示係為調變器之細部示意圖。
210、220、230、240、250．．．步驟

Claims (21)

  1. 一種多通道電源供應器，包括：一第一通道及一第二通道，用以分別根據一第一脈寬調變訊號及一第二脈寬調變訊號將一輸入電壓轉換為一輸出電壓；一電流感測模組，用以感測流經該第一通道之一第一通道電流以輸出一第一感測電流，並感測流經該第二通道之一第二通道電流以輸出一第二感測電流；一電流均分控制電路，用以根據該第一感測電流及該第二感測電流之一平均電流與該第一感測電流產生一第一誤差電流；及根據該第二感測電流及該平均電流產生一第二誤差電流；以及一調變器，用以轉換該輸出電壓為一相關電流，根據該第一誤差電流及該相關電流之總和產生該第一脈寬調變訊號，並根據該第二誤差電流及該相關電流之總和產生該第二脈寬調變訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之多通道電源供應器，其中該電流均分控制電路包括：一加法器，用以相加該第一感測電流及該第二感測電流以輸出一總感測電流；以及一電流鏡，用以鏡射該總感測電流之二分之一做為該平均電流。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之多通道電源供應器，其中該電流均分控制電路包括：一第一減法器，將該第一感測電流與該平均電流相減 以產生該第一誤差電流；以及一第二減法器，將該第二感測電流與該平均電流相減以產生該第二誤差電流。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之多通道電源供應器，其中該電流均分控制電路包括：一第一減法器，將該第一感測電流與該平均電流相減以產生該第一電流變化量；一第二減法器，將該第二感測電流與該平均電流相減以產生該第二電流變化量；一第一電流鏡，用以鏡射與該第一電流變化量成比例之該第一誤差電流；以及一第二電流鏡，用以鏡射與該第二電流變化量成比例之該第二誤差電流。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之多通道電源供應器，其中該調變器包括：一第一電壓電流轉換器，用以轉換該輸出電壓為該相關電流；一第二電壓電流轉換器，用以轉換該輸出電壓為該相關電流；一第一加法器，用以相加該相關電流及該第一誤差電流以輸出一第一參考電流；一第二加法器，用以相加該相關電流及該第二誤差電流以輸出一第二參考電流；一第一脈波寬度調變器，用以根據該第一參考電流輸出該第一脈寬調變訊號；以及 一第二脈波寬度調變器，用以根據該第二參考電流輸出該第二脈寬調變訊號。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之多通道電源供應器，其中該第一通道包括一第一電晶體及一第二電晶體，該第二通道包括一第三電晶體及一第四電晶體，該第一電晶體及該第三電晶體分別接收一輸入電壓，該第二電晶體及該第四電晶體分別耦接於該第一電晶體及該第三電晶體，該第一電晶體及該第二電晶體受控於該第一脈寬調變訊號，該第三電晶體及該第四電晶體受控於該第二脈寬調變訊號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之多通道電源供應器，其中該電流感測模組包括：一第一電流感測電路，用以感測流經該第一電晶體之該第一通道電流；以及一第二電流感測電路，用以感測流經該第三電晶體之該第二通道電流。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之多通道電源供應器，其中該第一電流感測電路包括：一第一運算放大器，耦接該第一電晶體；以及一第五電晶體，該第一電晶體與該第五電晶體分別耦接至該第一運算放大器，使得該第五電晶體鏡射出該第一感測電流。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之多通道電源供應器，其中該第一感測電流係為該第一通道電流之，N係 為正整數。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之多通道電源供應器，其中該第二電流感測電路包括：一第二運算放大器，耦接該第三電晶體；以及一第六電晶體，該第三電晶體與該第六電晶體分別耦接至該第二運算放大器，使得該第六電晶體鏡射出該第二感測電流。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之多通道電源供應 器，其中該第二感測電流係為該第二通道電流之，N係 為正整數。
  12. 如申請專利範圍第7項所述之多通道電源供應器，其中該第一電流感測電路包括：一第一感測電阻，耦接該第一電晶體，該第一通道電流流經該第一感測電阻以形成一第一感測電壓；以及一第一電壓電流轉換器，用以將該第一感測電壓轉換為該第一感測電流。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之多通道電源供應器，其中該第二電流感測電路包括：一第二感測電阻，耦接該第三電晶體，該第一通道電流流經該第二感測電阻以形成一第二感測電壓；以及一第二電壓電流轉換器，用以將該第二感測電壓轉換為該第二感測電流。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之多通道電源供應器，其中該電流均分控制電路，包括： 一電流平均電路，用以產生該第一感測電流及該第二感測電流之該平均電流；以及一誤差電流產生電路，用以根據該第一感測電流及該平均電流產生該第一誤差電流及根據該第二感測電流及該平均電流產生該第二誤差電流。
  15. 一種多通道電源供應器之電流均分控制方法，該多通道電源供應器至少包括一第一通道及一第二通道，該電流均分控制方法包括：感測流經該第一通道之一第一通道電流以輸出一第一感測電流，並感測流經該第二通道之一第二通道電流以輸出一第二感測電流；產生該第一感測電流及該第二感測電流之一平均電流；根據該第一感測電流及該平均電流產生一第一誤差電流；並根據該第二感測電流及該平均電流產生一第二誤差電流；轉換該輸出電壓為一相關電流，根據該第一誤差電流及該相關電流之總和產生該第一脈寬調變訊號，並根據該第二誤差電流及該相關電流之總和產生該第二脈寬調變訊號；以及分別根據該第一脈寬調變訊號及該第二脈寬調變訊號將一輸入電壓轉換為一輸出電壓。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之電流均分控制方法，其中產生該第一感測電流及該第二感測電流之一平均電流之該步驟包括： 相加該第一感測電流及該第二感測電流以輸出一總感測電流；以及鏡射該總感測電流之二分之一做為該平均電流。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之電流均分控制方法，其中根據該第一誤差電流及一輸出電壓產生該第一脈寬調變訊號，並根據該第二誤差電流及該輸出電壓產生該第二脈寬調變訊號之該步驟包括：將該第一感測電流與該平均電流相減以產生該第一誤差電流；以及將該第二感測電流與該平均電流相減以產生該第二誤差電流。
  18. 如申請專利範圍第15項所述之電流均分控制方法，其中根據該第一誤差電流及一輸出電壓產生該第一脈寬調變訊號，並根據該第二誤差電流及該輸出電壓產生該第二脈寬調變訊號之該步驟包括：將該第一感測電流與該平均電流相減以產生該第一電流變化量；將該第二感測電流與該平均電流相減以產生該第二電流變化量；鏡射與該第一電流變化量成比例之該第一誤差電流；以及鏡射與該第二電流變化量成比例之該第二誤差電流。
  19. 如申請專利範圍第15項所述之電流均分控制方法，其中轉換該輸出電壓為一相關電流，根據該第一誤差電流及該相關電流之總和產生該第一脈寬調變訊號，並根 據該第二誤差電流及該該相關電流之總和產生該第二脈寬調變訊號之該步驟包括：轉換該輸出電壓為該相關電流；相加該相關電流及該第一誤差電流以輸出一第一參考電流；相加該相關電流及該第二誤差電流以輸出一第二參考電流；根據該第一參考電流輸出該第一脈寬調變訊號；以及根據該第二參考電流輸出該第一脈寬調變訊號。
  20. 如申請專利範圍第15項所述之電流均分控制方法，其中該第一通道包括一第一電晶體及一第二電晶體，該第二通道包括一第三電晶體及一第四電晶體，該第一電晶體及該第三電晶體分別接收一輸入電壓，該第二電晶體及該第四電晶體分別耦接於該第一電晶體及該第三電晶體，該第一電晶體及該第二電晶體受控於該第一脈寬調變訊號，該第三電晶體及該第四電晶體受控於該第二脈寬調變訊號。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之電流均分控制方法，其中感測流經該第一通道之一第一通道電流以輸出一第一感測電流，並感測流經該第二通道之一第二通道電流以輸出一第二感測電流之該步驟係感測流經該第一電晶體之該第一通道電流及感測流經該第三電晶體之該第二通道電流。
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