TWI449290B - 相位電流分享網路、電流模式多相切換穩壓器及分享電流於其相位間之方法 - Google Patents

相位電流分享網路、電流模式多相切換穩壓器及分享電流於其相位間之方法 Download PDF

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Description

相位電流分享網路、電流模式多相切換穩壓器及分享電流於其相位間之方法
本發明和多相切換穩壓器有關，且更明確地說，係關於一多相切換穩壓器的相位之間的電流分享。
相關申請案之交叉參考
本申請案主張於2010年3月26日所提申之美國專利臨時申請案序號第61/317,761號的權利，本文以引用的方式將其完全併入，以達所有目的與用途。
多相切換穩壓器的用意在於將多個相位中分割負載。於某些配置中會決定每一個相位之輸出處的電流並且用來達到控制穩壓器之切換的目的。於特定的配置中或是在特定的操作條件下，自然相位電流分享會不平衡或者消失，從而會在該等相位之間造成電流分享匹配偏差(mismatch)。在負載會改變的暫態條件期間，電流匹配偏差特別明顯。所以，本發明希望在一多相切換穩壓器的相位之間保持電流平衡。
根據其中一實施例，一種用於一電流模式多相切換穩壓器的相位電流分享網路包含多個轉換網路以及一相位電流組合網路。該多相切換穩壓器包含多個切換網路，每一者皆係用於產生流經受控於一對應脈波控制訊號的每一個相位網路中的一電感的對應相位電流，以便將一輸入電壓轉換成一輸出電壓。該多相切換穩壓器會以多個對應的電流控制數值及至少一觸發數值為基礎來產生該等脈波控制訊號。每一個轉換網路皆會被配置成用於以一對應的相位電流為基礎來提供一對應的相位電流數值。該相位電流組合網路會以該等相位電流數值為基礎來產生一平均相位電流數值，並且以每一個相位電流數值扣除該平均相位電流數值用以提供用來控制該等切換網路的電流控制數值。
根據其中一實施例的電流模式多相切換穩壓器包含：多個相位網路、一誤差網路、一控制網路、以及一相位電流分享網路。每一個相位網路都會將一輸入電壓轉換成一輸出電壓，並且包含一切換網路與一控制網路。該切換網路會操作用以產生一流經受控於一對應脈波控制訊號的電感器的對應相位電流。該控制網路會以至少一觸發數值以及一對應的分享相位電流數值為基礎來提供每一個脈波控制訊號。該誤差網路會以該輸出電壓的誤差為基礎來提供一誤差數值。該控制網路會以該誤差數值為基礎來提供至少一觸發數值。該相位電流分享網路包括多個轉換網路以及一相位電流組合網路。每一個轉換網路都會以一對應的相位電流為基礎來提供一對應的相位電流為基礎來提供一對應的相位電流數值。該相位電流組合網路會以該等相位電流數值為基礎來產生一平均相位電流數值，並且以每一個相位電流數值扣除該平均相位電流數值用以決定該等分享相位電流數值。
本發明揭示一種在電流模式多相切換穩壓器的多個相位之間電流分享的方法。該多相切換穩壓器包含多個切換網路，每一者皆係用於驅動一對應相位電流流過受控於多個脈波控制訊號中的一對應脈波控制訊號的多個切換相位網路中的每一個切換相位網路中的一電感，以便將一輸入電壓轉換成一輸出電壓。該多相切換穩壓器會以多個電流控制數值及至少一觸發數值為基礎來產生該等脈波控制訊號。該方法包含提供多個相位電流數值，每一者皆係以一對應的相位電流為基礎，以便以該等相位電流數值為基礎來產生一平均相位電流數值，並且以每一個相位電流數值扣除該平均相位電流數值用以提供用來控制該等切換網路的電流控制數值。
下面提出的說明可讓熟習本技術的人士製造及使用在一特殊應用及其規定的內文裡所提供的本發明。不過，熟習本技術的人士便會明白該等較佳實施例的各種修正，而且本文所定義的一般性原理可以套用至其它實施例。所以，本發明的並不希望受限於本文所示及所述的特殊實施例，相反地，而係與本文所揭示的原理及新穎特點相符的最廣範疇一致。
圖1所示的係使用合成漣波穩壓的一習知的多個相位(或是多相)切換穩壓器100的概略示意圖。圖中所示的切換穩壓器100包含2個相位網路，應該瞭解的係，其可能包含任何合宜數量的相位。一輸出節點101會產生一輸出電壓VOUT，其會經由一第一電阻器R1被回授至一誤差放大器103的一反向輸入。一電壓VDAC會經由一第二電阻器R1被提供至該誤差放大器103的一非反向輸入，該誤差放大器103具有一輸出，其會在一補償節點105上產生一補償電壓VCOMP。VDAC具有一表示VOUT之目標電壓位準的電壓位準。該等第一與第二電阻器R1具有實質上相同的阻值。一第一電阻器R2會被耦接在該誤差放大器103的反向輸入與輸出之間。一參考電壓VREF會被提供至一第二電阻器R2的其中一端，該電阻器R2的另一端會被耦接至該誤差放大器103的非反向輸入。該等第一與第二電阻器R2具有實質上相同的阻值。一第一電流源107會提供一視窗電流IW至位在正向視窗節點109處的第一視窗電阻器RW的其中一端，其會產生一正向視窗電壓VW+。該第一視窗電阻器RW的另一端會被耦接至節點105，該節點105會進一步被耦接至一第二視窗電阻器RW的其中一端，該第二視窗電阻器RW的另一端會被耦接至一負向視窗節點111，其會產生一負向視窗電壓VW-。一電流槽113會吸收來自節點111的視窗電流IW。該等第一與第二視窗電阻器RW各具有實質上相同的阻值，俾使得該等視窗電壓VW+與VW-會以平衡視窗電壓配置的方式偏離該補償節點105實質上相同的數額。
該補償節點105會被耦接至一對比較器115與117中每一者的非反向輸入。比較器115的反向輸入會接收一漣波電壓VR2，而比較器117的反向輸入則會接收另一漣波電壓VR1。比較器115的輸出會被耦接至一邊緣偵測模組119的輸入，而比較器117的輸出則會被耦接至另一邊緣偵測模組121的輸入。邊緣偵測模組119的輸出會被提供至設定-重置正反器(Set-Reset Flip-Flop，SRFF)123的設定(S)輸入，而邊緣偵測模組121的輸出則會被提供至另一SRFF 125的設定(S)輸入。SRFF 123有一Q輸出，用以提供一第一脈波寬度調變(Pulse-Width Modulation，PWM)訊號PWM1；而SRFF 125則有一Q輸出，用以提供一第二PWM訊號PWM2。PWM1會被提供至一第一切換器驅動器模組127的輸入，而PWM2則會被提供至一第二切換器驅動器模組129的輸入。第一切換器驅動器模組127會控制一第一切換器網路，其包含電子切換器Q1與Q2；而第二切換器驅動器模組129會控制一第二切換器網路，其包含電子切換器Q3與Q4。於其中一實施例中，該等電子切換器Q1至Q4各為N通道場效電晶體(Field-Effect Transistor，FET)裝置(舉例來說，金屬氧化物半導體FET或是MOSFET)；不過，亦可以使用替代類型的切換裝置，例如，其它N型或P型裝置或是類似物。該等驅動器模組127與129會根據切換器類型來配置。於其中一實施例中，Q1的汲極與Q3的汲極會被耦接至一輸入電壓VIN；Q2的源極與Q4的源極會被耦接至一參考節點，例如，接地(GND)；Q1的源極與Q2的汲極會被耦接至該第一相位網路的一第一相位節點131；而Q3的源極與Q4的汲極會被耦接至該第二相位網路的一第二相位節點133。Q1的閘極與Q2的閘極會被耦接至該第一切換器驅動器模組127，而Q3的閘極與Q4的閘極會被耦接至該第二切換器驅動器模組129。一第一電感器L1會被耦接在該第一相位節點131與該輸出節點101之間，而一第二電感器L2會被耦接在該第二相位節點133與該輸出節點101之間。一濾波電容器C會被耦接在輸出節點101與GND之間。
VREF會被提供至一第一漣波電阻器RR的其中一端，並且會被提供至一第二漣波電阻器RR的其中一端。該等第一與第二漣波電阻器RR具有實質上相同的阻值。該第一漣波電阻器RR的另一端會被耦接至一第一漣波節點135，用以產生該第一漣波電壓VR1，而該第二漣波電阻器RR的另一端會被耦接至一第二漣波節點137，用以產生該第二漣波電壓VR2。一第一漣波電容器CR會被耦接在該第一漣波節點135與GDN之間，而一第二漣波電容器CR會被耦接在該第二漣波節點137與GDN之間。該等第一與第二漣波電容器CR具有實質上相同的電容。一第一電流源139會提供一電流gm1‧VIN給一第一切換器SW1的一第一切換終端，該第一切換器SW1的第二切換終端會被耦接至該第一漣波節點135(其中，點符號「‧」表示乘法)。「gm1」一詞係轉導增益，其會乘以該輸入電壓VIN以便產生一和該輸入電壓VIN成正比的電流。一第二電流源141會提供實質上相同的電流gm1‧VIN給一第二切換器SW2的一第一切換終端，該第二切換器SW2的第二切換終端會被耦接至該第二漣波節點137。PWM1會控制切換器SW1，而PWM2會控制切換器SW2。於每一種情況中，當對應的PWM訊號為高位準時，個別的切換器便會閉合；而當該PWM訊號為低位準時，個別的切換器則會張開。一第一電流槽143會將一電流gm1‧VOUT從該第一漣波節點135處吸入至GND，而一第二電流槽145會將實質上相同的電流gm1‧VOUT從該第二漣波節點137處吸入至GND。轉導增益gm1會乘以該輸出電壓VOUT以便產生一和該輸出電壓VOUT成正比的電流。該第一漣波節點135會被耦接至一第一比較器147的非反向輸入，該第一比較器147的反向輸入會接收該正向視窗電壓VW+。第一比較器147的輸出會提供一第一重置訊號R1給SRFF 123的重置輸入(R)。該第二漣波節點137會被耦接至一第二比較器149的非反向輸入，該第二比較器149的反向輸入會接收該正向視窗電壓VW+。第二比較器149的輸出會提供一第二重置訊號R2給SRFF 125的重置輸入(R)。
在切換穩壓器100的操作中，該等PWM1訊號與PWM2訊號各自會在高位準與低位準之間進行雙態觸變，以便分別控制該等第一相位與第二相位的切換操作。當SRFF 123判定PWM1為高位準時，切換器驅動器電路127便會開啟切換器Q1並且關閉切換器Q2，俾使得VIN會有效地被耦接至該第一相位節點131。當PWM1變成低位準時，切換器驅動器電路127則會關閉切換器Q1並且開啟切換器Q2，俾使得該第一相位節點131會有效地被耦接至GND。當PWM1於多個切換循環中在高位準與低位準之間進行雙態觸變時，該切換器驅動器電路127以及切換器Q1與Q2便會在VIN與GND之間雙態觸變耦接該相位節點131，以便經由該第一相位網路的第一輸出電感器L1將輸入電壓VIN轉換成輸出電壓VOUT。第二相位網路中的SRFF 125、切換器驅動器模組129、切換器Q3與Q4、以及輸出電感器L2的操作方式實質上雷同。該等兩個相位網路會交替接通，以便試圖均分流往輸出節點101的電流負載，用以驅動一負載(圖中並未顯示)。該切換穩壓器100的操作如同一降壓式穩壓器，其中，輸入電壓VIN大於輸出電壓；不過亦可以使用升壓式穩壓器，其中，VOUT會大於VIN。
該等電流槽143與145各會分別從漣波節點135與137處吸取一實質上恆定的電流gm1‧VOUT，用以分別從第一與第二漣波電容器CR處吸取電量。當VR1大於VREF時，一額外的電流會經由該第一漣波電阻器RR流自節點135，而當VR1降至VREF以下時，額外的電量電流則會經由該第一漣波電阻器RR流自VREF。當PWM1為高位準時，該第一相位網路會驅動電流至該輸出節點101。另外，當PWM1為高位準時，切換器SW1也會閉合，俾使得來自電流源139的電流gm1‧VIN會流到節點135，用以充電該第一漣波電容器CR。當切換器SW1閉合時，VR1會在抵達VW+的位準之前非常快速地上升。當VR1上升至VW+以上時，比較器147會將R1拉至高位準，用以重置該SRFF 123，其會將PWM1拉至低位準。當PWM1變成低位準時，切換器SW1會張開，俾使得該漣波電壓VR1會以非常恆定的速率開始下降。當電壓VR1降至VCOMP的位準時，比較器117會判定其輸出為高位準給邊緣偵測電路121，其會觸發以判定一高位準或正向脈波給該SRFF 125的設定輸入。響應於其設定輸入上的脈波，該SRFF 125會將PWM2拉至高位準。當PWM2為高位準時，該第二相位網路會將電流驅動至該輸出節點101。另外，當PWM2為高位準時，切換器SW2也會閉合，俾使得來自電流源141的電流gm1‧VIN會流到節點137，用以充電該第二漣波電容器CR。該第二相位的操作方式實質上和該第一相位雷同，俾使得當SW2閉合時，VR2會上升。當SW2超越VW+的位準時，比較器149會將R2拉至高位準，用以重置SRFF 125，其會將PWM2拉回至低位準。漣波電壓VR2在下降至VCOMP以下之前會以非常恆定的速率下降，並且接著，比較器115會判定其輸出為高位準，從而導致該邊緣偵測模組119會提供高位準脈波給SRFF 123的設定輸入，以便再次重新判定PWM1為高位準。操作會依此方式反覆進行，俾使得該等第一相位網路與第二相位網路會交替接通，以便驅動電流至該輸出節點101。
圖中所示的切換穩壓器100雖然僅具有兩個相位網路來交替驅動該輸出；不過，如先前所述，亦可能包含額外的相位網路。對額外的相位網路來說，每一個相位網路都會觸發接通下一個相位網路，一直到最後一個的相位電路為止，而最後一個相位電路則會觸發接通第一相位網路，不斷地輪替(round-robin)進行。因此，該第一相位網路會觸發該第二相位網路的接通，而該第二相位網路會觸發下一個或最後一個相位網路的接通，依此類推，其中，該最後一個相位網路會觸發第一相位網路的接通，不斷地輪替進行，以達該等相位網路之間平衡配置的目的。該切換穩壓器100具有平衡配置，其中，迴路補償實質上會減少甚至消弭，相較於以迴路補償為基礎的配置，其會導致非常高的速度。然而，速度提高卻會造成該等相位網路之間自然的相位電流分享的相應下降或極小化。這係因為降低該漣波電阻器RR的阻值以達提高暫態速度及降低調變器輸出阻抗之目的所導致。明確地說，RR的阻值會降低以便降低該調變器的輸出阻抗並提高暫態響應，這會導致合成電流波形偏離電感器電流。如下文的進一步說明，該「合成電流波形」係跨越一對應的漣波電容器所產生的漣波電壓，其會試圖複製流過該對應輸出電感器的漣波電流並且用來控制一對應的PWM訊號的切換。經合成產生的電流的此偏離，尤其是在暫態事件期間，會在該等相位網路之間於輸出電流中造成明顯的差異。因此，降低漣波阻值RR會導致交流(Alternating Current，AC)資訊遺失其與該電感器電流的部分比例性。在暫態條件期間(例如，顯著的負載改變)，該匹配偏差特別明顯。因此，相較於正常的合成漣波穩壓器，切換穩壓器100會喪失固有的高頻電流平衡。電流分享不平衡意謂著一或多個相位網路對負載電流的貢獻明顯大於其餘的相位網路，其顯然違背多個相位之間電流分享的目的與好處。
已經有各種方法嘗試重新取得該等多相電路之間的高頻電流平衡。其中一種方式係提供一超高頻寬電流平衡迴路。此方式的問題係該超高頻寬電流平衡迴路很難達到穩定。另一種方式係使用一開放迴路演算法進行相位擊發，以便試圖平衡該等電流。此方式的其中一個問題係因為該演算法難以達成並且可能不夠彈性而會有潛在的覆蓋問題。此演算法可能需要以相位數及/或其它系統參數為基礎進行調整，視情況而定。
合成漣波穩壓係一種合成產生一漣波電壓來表示流過輸出電感器(舉例來說，L1或L2)之漣波電流的方法，而非藉由其它構件來直接測量或間接測量。如熟習本技術的人士的瞭解，流過一電壓驅動電感器的電流波形雷同於跨越一電流驅動電容器的電壓波形。因此，例用一和跨越該輸出電容器的電壓成正比的電流來驅動一「漣波」電容器(舉例來說，CR)會提供所希的波形形狀。舉例來說，當Q1導通且Q2關閉時(當PWM1為高位準時)，被施加在輸出電感器L1其中一端處的相位節點131的電壓通常會是輸入電壓VIN；而當Q2導通且Q1關閉時，則為零位準(GND)。電流源139會產生和VIN成正比的電流gm1‧VIN，當PWM1為高位準而閉合切換器SW1時，該電流會被施加至電容器CR。當PWM1為低位準而張開切換器SW1時，此電流則會從電容器CR處被移除，從而模擬0伏特(V)。在L1另一端處的輸出節點101的電壓為VOUT。電流槽143會產生和VOUT成正比的電流gm1‧VOUT，其會持續地被施加至電容器CR。依此方式，漣波電容器CR會被一和被施加跨越該輸出電感器L1的電壓成正比的集合電流驅動，俾使得該漣波電壓VR1會產生所希的漣波波形形狀。因此，該漣波電壓VR1會有效地複製流過該輸出電感器L1的漣波電流波形，而且VR1會被用來控制該PWM1訊號的雙態觸變，從而控制該第一相位。漣波電壓VR2會以雷同的方式被產生，用以控制第二相位的PWM2訊號的雙態觸變。若有提供額外的相位網路的話，會以雷同的方式來控制該等額外的相位網路，以達合成漣波穩壓的目的。
圖2所示的係根據其中一實施例的多相切換穩壓器200的概略示意圖，其使用在兩個相位之間進行相位電流分享的合成漣波穩壓。該切換穩壓器200有些特點和多相切換穩壓器100雷同，其中，雷同的裝置或組件會假設有相同的元件符號。切換穩壓器200的操作和切換穩壓器100的操作雷同；不過，該切換穩壓器200在該等相位網路之間包含經改善的電流分享，本文中會作進一步說明。圖中所示的切換穩壓器200同樣具有兩個相位網路，其中，應該瞭解的係，亦可以包含任何合宜數量的相位網路(也就是，兩個以上)。該第一相位網路的第一漣波電阻器RR會被一轉導放大器201取代，其具有：一非反向輸入，用以接收VREF；一反向輸入，用以接收該第一相位漣波電壓VR1；以及一輸出，其會被耦接至該第一漣波節點135。如熟習本技術的人士的瞭解，一轉導放大器會將一輸入電壓轉換成一輸出電流。該轉導放大器201具有轉導增益gm2，其中，其會將輸入電壓VREF與VR1之間的差異放大gm2倍，以便提供一輸出電流I1。該輸出電流I1會被施加至該第一漣波節點135。依此方式，電流I1會根據公式I1=gm2(VREF-VR1)被產生而且該電流I1會被施加至該第一漣波節點135。該轉導放大器201的輸出阻抗基本上為恆定。於其中一實施例中，增益gm2會經過調整以匹配被取代的漣波電阻器RR的數值。依此方式，該轉導放大器201會有效地模擬被耦接在第一相位網路中的電壓VREF與VR1之間的第一漣波電阻器RR。
具有實質上相同轉導增益gm2的另一轉導放大器203會以和轉導放大器201實質上相同的方式被提供及配置；不過，其輸出會被耦接至該第二漣波節點137。明確地說，該轉導放大器203具有：一非反向輸入，用以接收VREF；一反向輸入，用以接收該第一相位漣波電壓VR1；以及一輸出，其會被耦接至該第二漣波節點137。依此方式，該轉導放大器203的輸出會產生實質上相同的電流I1，其會被施加至該第二漣波節點137，以便在該等第一相位網路與第二相位網路之間達到電流分享的目的。依照雷同的方式，另一轉導放大器205會被提供，其具有：一非反向輸入，用以接收VREF；一反向輸入，用以接收該第二相位漣波電壓VR2；以及一輸出，其會被耦接至該第二漣波節點137。該轉導放大器205同樣具有實質上相同的轉導增益gm2，其中，其會將輸入電壓VREF與VR2之間的差異放大gm2倍，用以提供一會被施加至該第二漣波節點137的輸出電流I2。依此方式，電流I2會根據公式I2=gm2(VREF-VR2)被產生而且該電流I2會被施加至該第二漣波節點137。如前，於其中一實施例中，增益gm2會經過調整以匹配被取代的漣波電阻器RR的數值，俾使得該轉導放大器205會有效地模擬被耦接在第二相位網路中的電壓VREF與VR2之間的第二漣波電阻器RR。再者，具有實質上相同轉導增益gm2的又一轉導放大器207會以和轉導放大器205實質上相同的方式被提供及配置；不過，其輸出會被耦接至該第一漣波節點135。明確地說，該轉導放大器207具有：一非反向輸入，用以接收VREF；一反向輸入，用以接收該第二相位漣波電壓VR2；以及一輸出，其會被耦接至該第一漣波節點135。依此方式，該轉導放大器207的輸出會產生實質上相同的電流I2，其會被施加至該第一漣波節點135，以便在該等第一相位網路與第二相位網路之間達到電流分享的目的。
圖3所示的分別係在一暫態事件期間多相切換穩壓器100與200兩者的電感器L1與L2的電感器電流IL1與IL2的時序圖。301處所示的上方曲線對圖解的係在時間t1之暫態事件前後多相切換穩壓器100的電感器電流IL1與IL2。該等電感器電流IL1與IL2在時間t1之前彼此會緊密地相隨，如303處所示。不過，在時間t1處的暫態事件之後，該等電感器電流IL1與IL2則會彼此明顯偏離，如305處所示。依此方式，切換穩壓器100的第一相位網路會響應於該暫態事件提供明顯較多的電流。相反地，307處所示的下方曲線對圖解的則係在時間t1之暫態事件前後多相切換穩壓器200的電感器電流IL1與IL2。該等電感器電流IL1與IL2在時間t1之前彼此會緊密地相隨，如309處所示。在時間t1處的暫態事件之後，該等電感器電流IL1與IL2依然會緊密地相隨，如311處所示。依此方式，該切換穩壓器200的兩個相位網路會在穩態操作期間並且響應於暫態事件分享電流負載。
圖4所示的分別係在穩態操作期間多相切換穩壓器100與200兩者的電感器L1與L2的電感器電流IL1與IL2的時序圖。401處所示的上方曲線對圖解的係多相切換穩壓器100的電感器電流IL1與IL2，而403處所示的下方曲線對圖解的則係多相切換穩壓器200的電感器電流IL1與IL2。穩壓器100與200兩者在穩態條件期間都有電流分享。雖然切換穩壓器100與200兩者的電流分享都呈現平衡且對稱；不過，切換穩壓器200隨著時間流逝的電流分享則明顯更為平衡且對稱，尤其是在如圖3中所示的暫態事件之後。
圖5所示的係根據其中一實施例的多相切換穩壓器500的簡化方塊圖，其使用在任何「N」個相位之間進行相位電流分享的合成漣波穩壓。N為大於一的任何正整數。該多相切換穩壓器500包含一共用誤差放大器模組501，其會接收VOUT、VREF、以及VDAC電壓並且會以和針對多相切換穩壓器200中的誤差放大器103所述雷同的方式來提供VCOMP電壓。事實上，其可能會使用和誤差放大器103所示者雷同的電路系統。VCOMP可以作為兩個相位的觸發電壓點。不過，對N>2來說，則會以VCOMP及N為基礎由一相位控制網路510來決定一不同的觸發電壓VTRIG。視窗電壓範圍會被表示為ΔVW=VW+-VW-，其係磁滯視窗電壓，其中，VCOMP會被置中在VW+與VW-之間。對一般的情況來說，會以VTRIG=VCOMP+ΔVW(N-2)/N來決定VTRIG，其中，ΔVW=2(VW+-VCOMP)。要注意的係，對N=2來說，VTRIG=VCOMP。VTRIG會被分散至該等N個相位網路，圖中顯示為第一相位網路502、第二相位網路504、...依此類推，第N個或最後一個相位網路506。該等相位網路502至506會被耦接至一共用輸出節點511，以便以和多相切換穩壓器200雷同的方式來產生一輸出電壓VOUT並且具有一被耦接在節點511與接地之間的輸出電容器C。
第一相位網路502包含一電流分享1模組503，一視窗比較器1模組505，一相位比較器1 507，以及一驅動器1模組509。電流分享1模組503會接收VREF以及漣波電壓VR1、VR2、...、VRN(VR1至VRN)並且會有一被耦接至一節點的輸出用以產生該第一漣波電壓VR1。除了包含N個放大器之外，該電流分享1模組503可以和多相切換穩壓器200中的轉導放大器201與207雷同的方式來施行。該視窗比較器1模組505會被耦接至該產生VR1的節點，接收一第一脈波寬度調變(PWM)訊號PWM1及視窗電壓VW+，並且提供一第一重置訊號R1給相位比較器1模組507。該視窗比較器1模組505可以和如該多相切換穩壓器200中所示者雷同的方式來施行，其包含電流源139、電流槽143、切換器SW1、以及漣波電容器CR與比較器147。該相位比較器1模組507會接收最後一個或第N個相位網路506的漣波電壓VRN、VTRIG、以及R1，並且產生該第一相位網路502的PWM1訊號，其會被提供給該視窗比較器1模組505以及驅動器1模組509。該相位比較器1模組507可以和如該多相切換穩壓器200中所示者雷同的方式來施行，其包含比較器115、邊緣偵測電路119、以及SRFF 123。驅動器1模組509會接收PWM1並且根據多相操作來驅動該輸出節點511上的VOUT。該驅動器1模組509可以和如該多相切換穩壓器200中所示者雷同的方式來施行，其包含切換器驅動器電路127、切換器Q1與Q2、以及電感器L1。
第二相位網路504包含一電流分享2模組513，一視窗比較器2模組515，一相位比較器2模組517，以及一驅動器2模組519。電流分享2模組513實質上和電流分享1模組503雷同，不過，其會被耦接至一用以產生該第二相位之第二漣波電壓VR2的節點。視窗比較器2模組515實質上和該視窗比較器1模組505雷同，不過，其會被耦接至VR2，接收PWM2，並且提供R2。相位比較器2 517實質上和該相位比較器1模組507雷同，不過，其會接收來自第一相位網路502的R2與漣波電壓VR1並且提供PWM2。驅動器2模組519實質上和該驅動器1模組509雷同，不過，其會響應於PWM2以驅動該VOUT電壓。每一個相位網路都會以雷同的方式來配置，一直到最後一個相位網路506為止，其包含一電流分享N模組523，一視窗比較器N模組525，一相位比較器N模組527，以及一驅動器N模組529。如前面所述，每一個相位網路都會觸發接通下一個相位網路，一直到最後一個相位網路為止，最後一個相位網路則會觸發接通第一個相位網路，不斷地輪替進行。因此，來自該第一相位網路502的VR1會被提供用以接通第二相位網路504，依此類推，來自倒數第二個相位網路的VRN-1會被提供用以接通最後一個相位網路506。進一步言之，來自最後一個相位網路506的VRN則會被提供用以接通該第一相位網路502，不斷地輪替進行。
圖6所示的係一示範性電流分享模組600的概略示意圖，其可以用來施行多相切換穩壓器500中的任何電流分享模組503、513、...、523。VREF會被提供至一連串N個轉導放大器601、603、...、605(601至605)中每一者的非反向輸入。該等轉導放大器601至605的輸出會在一共用漣波節點602處被耦接在一起，用以產生該等漣波電壓VR1至VRN中的一對應漣波電壓，通常會被顯示為VRX(其中「X」表示從1至N的任何相位數)。第一轉導放大器601具有一接收該第一相位漣波電壓VR1的反向輸入，第二轉導放大器603具有一接收該第二相位漣波電壓VR2的反向輸入，依此類推，最後一個轉導放大器605具有一接收最後一個相位漣波電壓VRN的反向輸入。第一轉導放大器601的輸出會產生一電流I1，用於以VREF與VR1之間的電壓差乘以增益gm2為基礎來修正節點602上VRX的電壓，或者，I1=gm2*(VREF-VR1)；第二轉導放大器603的輸出會產生一電流I2，用於以VREF與VR2之間的電壓差乘以增益gm2為基礎來修正VRX的電壓，或者，I2=gm2*(VREF-VR2)；依此類推，最後一個轉導放大器605的輸出會產生一電流IN，用於以VREF與VRN之間的電壓差乘以增益gm2為基礎來修正VRX的電壓，或者，IN=gm2*(VREF-VRN)。此相同的電路會反覆作為每一個相位中的電流分享模組。
該等轉導放大器601、603、...、605(601至605)中每一者的增益gm2可相依於特殊的施行方式被調整為任何合宜的數值。於其中一實施例中，該增益gm2會被配置成用以平均所有相位中的相位電流，其中，該平均電流數值會從每一個相位網路的漣波電壓處有效地被扣除。如圖2中所示，舉例來說，每一個漣波電壓(例如，VR1)主要係以對應的脈波控制訊號(舉例來說，PWM1)有作用時(其會閉合切換器SW1)漣波電容器CR的數值、輸出電壓VOUT、以及輸入電壓VIN為基礎所產生的。漣波電壓VR1會以電流I1至IN(它們共同表示流過該等輸出電感器的平均相位電流)為基礎來調整。因為每一個相位網路的漣波電壓VRX係以該等相位電流為基礎的方式被調整或修正，所以，該等漣波電壓VR1至VRN為經修正或經調整的漣波電壓。每一個漣波電壓都係一用於控制該等相位網路中一對應相位網路之切換的電流控制數值。
於一替代的實施例中，該等其它相位電路中所提供的相同轉導放大器電路可以一電流鏡電路或類似物來取代。於其中一實施例中，每一個相位的電流分享模組皆包含單一轉導放大器，其會比較VREF和該相位的漣波電壓VRX，並且會提供電流調整輸出IX給對應的漣波節點。進一步言之，一或多個電流鏡或類似物會被設置在每一個相位的電流分享模組裡面，用以將IX鏡射至該多相切換穩壓器中每一個其它相位的漣波節點之中。舉例來說，參考圖2，轉導放大器203可以一電流鏡電路(圖中並未顯示)來取代，其具有：一輸入，其會被耦接至轉導放大器201的輸出，用以接收電流I1；以及一輸出，其會被耦接至第二漣波節點137，用以將電流I1鏡射至該第二漣波節點137。同樣地，轉導放大器207可以一電流鏡電路(圖中並未顯示)來取代，其具有：一輸入，其會被耦接至轉導放大器205的輸出，用以接收電流I2；以及一輸出，其會被耦接至第一漣波節點135，用以將電流I2鏡射至該第一漣波節點135。依此方式，每一個相位電路都包含一轉導放大器以及一用於該多相配置中每一個額外相位電路的電流鏡，以便將電流鏡射至每一個其它漣波節點之中。
總結來說，對該等合成漣波穩壓器實施例而言，被耦接在每一個相位電路的每一個漣波電壓節點及一參考電壓之間的漣波電阻器會利用一轉導放大器來取代，該轉導放大器會經過調整以便實質模擬或匹配經由該漣波電阻器所產生的相同電流。接著，此電流便會被鏡射且被施加至每一個其它相位電路的漣波節點。該電流鏡射係利用額外的相同轉導放大器或電流鏡電路或類似物來施行。依此方式，每一個相位電路實質上皆具有被耦接至其漣波節點的相同電流分享電路。
圖7所示的係根據另一實施例的多相切換穩壓器700的簡化概略示意圖與方塊圖，其會在任何「N」個相位之間進行相位電流分享，再次地，N為大於一的任何正整數。該多相切換穩壓器700可能包含共用誤差放大器模組501，其會接收VOUT、VREF、以及VDAC電壓並且會以和前面所述雷同的方式來提供VCOMP電壓。VCOMP可以作為兩個相位的觸發電壓點。不過，對N>2來說，則會以VCOMP及N為基礎由一相位控制網路510以和前面所述雷同的方式來決定一不同的觸發電壓VTRIG。VTRIG會被分散至每一個該等N個相位網路，圖中顯示為第一相位網路702、第二相位網路704、...依此類推，最後一個或第N個相位網路706。該等相位網路702至706會被耦接至一共用輸出節點708，以便產生一輸出電壓VOUT。一輸出電容器C會被耦接在節點708與接地之間，以便以和前面所述雷同的方式來過濾VOUT。該等相位網路702至706可能會被配置成用於以和多相切換穩壓器200實質上雷同的方式來操作並且不再作進一步說明。於其中一實施例中，分別流過輸出電感器L1、L2、...、LN的相位電流IL1、IL2、...、ILN會利用如圖所示的電流感測器701、703、...、705來測量，用以分別提供對應的電流感測電壓VIL1、VIL2、...、VILN。因此，VIL1係一和相位電流IL1成正比的電壓數值，VIL2係一和相位電流IL2成正比的電壓數值，依此類推，VILN係一和相位電流ILN成正比的電壓數值。該等電流感測器701、703、...、705可以熟習本技術的人士所瞭解的任何合宜的方式來施行，例如：串聯耦接電阻器或類似方式，或是被耦接至該等輸出電感器的濾波器電路，或是用於測量該等相位網路電流的任何其它合宜的方法。
該多相切換穩壓器700包含一相位電流分享網路707，用以在該等N個相位網路之間進行電流分享。該相位電流分享網路707包含用於每一個相位網路的相位電流數值模組，其包含：用於第一相位網路702的相位1電流數值模組709，用於第二相位網路704的相位2電流數值模組711，依此類推，以及用於第N個相位網路706的相位N電流數值模組713。該等相位電流數值模組709、711、...、713會相依於用於決定相位電流的特殊方法來產生或傳遞該個別相位網路的一對應的相位電流數值。於其中一實施例中，該等相位電流數值模組709、711、...、713會分別被耦接至該等電流感測器701、703、...、705，用以接收與傳遞由該等電流感測器直接或間接測得的「真實」電流數值VIL1至VILN。於一替代的實施例中，該等相位電流數值模組709、711、...、713會產生對應的合成電流數值，例如，以和先前針對多相切換穩壓器200所述雷同的方式來產生與提供該等合成電流波形。於任何情況中，來自該等相位電流數值模組709、711、...、713的相位電流數值會被提供至一組合器715(舉例來說，加法器)的個別輸入，其會將該等相位電流數值相加在一起，用以提供一相位電流總和數值，圖中所示的VSUM。輸出自組合器715的VSUM會被提供至一除法器模組717的輸入，該除法器模組會以VSUM除以相位數，或者N，並且提供一對應的平均相位電流數值給濾波器719，例如，低通濾波器(Low Pass Filter，LPF)或是類似物。該濾波器719會分別提供一平均相位電流數值VAVG給相位網路702、704、...、706中的一連串組合器721、723、...、725中每一者的反向輸入。來自該等相位電流數值模組709、711、...、713的每一個相位電流數值則會被提供至該等組合器721、723、...、725中一對應組合器的非反向輸入，該等組合器721、723、...、725會分別輸出數值VR1至VRN。數值VR1至VRN則會以和先前所述雷同的方式被提供至每一個該等相位網路中對應比較器的非反向輸入。
雖然本文已經參考本發明的特定較佳版本非常詳細地說明過本發明；不過，本發明亦可能有其它版本與變化。舉例來說，本文中雖然針對磁滯電流模式穩壓器來說明特定的實施例；不過，本發明可應用至任何類型的電流模式控制穩壓器。熟習本技術的人士便應該明白，他們能夠輕易地使用本文所揭示的概念及明確的實施例為基礎來設計或修正其它結構，用以達到本發明的相同目的，其並不會脫離後面申請專利範圍所定義的本發明的精神與範疇。
100．．．習知的多相切換穩壓器
101．．．輸出節點
103．．．誤差放大器
105．．．補償節點
107．．．電流源
109．．．正向視窗節點
111．．．負向視窗節點
113．．．電流槽
115,117．．．比較器
119,121．．．邊緣偵測模組
123,125．．．設定-重置正反器
127,129．．．切換器驅動器模組
131,133．．．相位節點
135,137．．．漣波節點
139,141．．．電流源
143,145．．．電流槽
147,149．．．比較器
200．．．多相切換穩壓器
201~207．．．轉導放大器
301．．．暫態事件中穩壓器100的電感器電流IL1與IL2
303．．．t1之前的時間區
305．．．t1之後的時間區
307．．．暫態事件中穩壓器200的電感器電流IL1與IL2
309．．．t1之前的時間區
311．．．t1之後的時間區
401．．．穩態中穩壓器100的電感器電流IL1與IL2
403．．．穩態中穩壓器200的電感器電流IL1與IL2
500．．．多相切換穩壓器
501．．．共用誤差放大器模組
502,504,506．．．相位網路
503．．．電流分享1模組
505．．．視窗比較器1模組
507．．．相位比較器1模組
509．．．驅動器1模組
510．．．相位控制網路
511．．．共用輸出節點
513．．．電流分享2模組
515．．．視窗比較器2模組
517．．．相位比較器2模組
519．．．驅動器2模組
523．．．電流分享N模組
525．．．視窗比較器N模組
527．．．相位比較器N模組
529．．．驅動器N模組
600．．．示範性電流分享模組
601．．．轉導放大器
602．．．共用漣波節點
603,605．．．轉導放大器
700．．．多相切換穩壓器
701,703,705．．．電流感測器
702,704,706．．．相位網路
707．．．相位電流分享網路
708．．．共用輸出節點
709．．．相位1電流數值模組
711．．．相位2電流數值模組
713．．．相位N電流數值模組
715．．．組合器
717．．．除法器模組
719．．．濾波器
721~725．．．組合器
從前面的說明以及隨附的圖式便會更瞭解本發明的好處、特點、以及優點，其中：
圖1所示的係使用合成漣波穩壓的一習知的多個相位(或是多相)切換穩壓器的概略示意圖；
圖2所示的係根據其中一實施例的多相切換穩壓器的概略示意圖，其使用在兩個相位之間進行相位電流分享的合成漣波穩壓；
圖3所示的分別係在一暫態事件期間圖1與2的多相切換穩壓器兩者的輸出電感器的電感器電流的時序圖；
圖4所示的分別係在一穩態操作期間圖1與2的多相切換穩壓器兩者的輸出電感器的電感器電流的時序圖；
圖5所示的係根據其中一實施例的多相切換穩壓器的簡化方塊圖，其使用在任何「N」個相位之間進行相位電流分享的合成漣波穩壓；
圖6所示的係一示範性電流分享模組的概略示意圖，其可以用來施行圖5的多相切換穩壓器中的任何電流分享模組；以及
圖7所示的係根據另一實施例的多相切換穩壓器的簡化概略示意圖與方塊圖，其會在任何「N」個相位之間進行相位電流分享。
101．．．輸出節點
103．．．誤差放大器
105．．．補償節點
107．．．電流源
109．．．正向視窗節點
111．．．負向視窗節點
113．．．電流槽
115,117．．．比較器
119,121．．．邊緣偵測模組
123,125．．．設定-重置正反器
127,129．．．切換器驅動器模組
131,133．．．相位節點
135,137．．．漣波節點
139,141．．．電流源
143,145．．．電流槽
147,149．．．比較器
200．．．多相切換穩壓器
201~207．．．轉導放大器

Claims (20)

  1. 一種經配置以調整一電流模式多相切換穩壓器之操作的相位電流分享網路，其中該多相切換穩壓器包含複數個切換網路，其中每一切換網路係形成複數個相位電流之一對應者，該複數個相位電流係包含流經複數個切換相位網路之每一者的一電感器的對應複數個相位漣波電流，該複數個切換相位網路係受控於複數個脈波控制訊號之一對應者，以便將一輸入電壓轉換成一輸出電壓，該相位電流分享網路包括：複數個合成漣波網路，其中該複數個合成漣波網路之每一者係配置以形成複數個漣波電壓之一對應者，其係模擬該複數個漣波電流之一對應者；其中該複數個漣波電壓之每一者係用以形成該複數個脈波控制訊號之一對應者；以及一電流分享網路，其係配置以形成一組合調整值並且藉由該組合調整值以調整該複數個漣波電壓之每一者，其中該組合調整值包括複數個相位調整值的組合，且其中該複數個相位調整值之每一者係基於該複數個漣波電壓之一對應者與一參考電壓之間的差異。
  2. 如申請專利範圍第1項的相位電流分享網路，其中該複數個合成漣波網路之每一者係包括複數個漣波電容器之一對應者，其形成該複數個漣波電壓之一對應者，且其中該電流分享網路包括複數個轉導放大器，每一者 皆具有一第一輸入以接收該參考電壓，具有一第二輸入以接收該複數個漣波電壓之一對應者，且具有一輸出以提供一調整電流至該複數個漣波電容器之一對應者。
  3. 如申請專利範圍第2項的相位電流分享網路，其中該複數個轉導放大器之至少一者係模擬被耦接在該參考電壓及該複數個漣波電容器之該對應者之間的一漣波電阻器。
  4. 如申請專利範圍第1項的相位電流分享網路，其中：該複數個合成漣波網路之每一者係包括複數個漣波電容器之一對應者，其形成該複數個漣波電壓之一對應者，並且其中該電流分享網路係包括複數個調整網路，其中該複數個調整網路之每一者係包括複數個轉導放大器，且其中該複數個調整網路之每一者的該複數個轉導放大器之每一者具有一第一輸入以接收該參考電壓，具有一第二輸入以接收該複數個漣波電壓之一對應者，且具有一輸出以提供一調整電流至該複數個漣波電容器之一對應者。
  5. 如申請專利範圍第4項的相位電流分享網路，其中該複數個轉導放大器之至少一者係模擬被耦接在該參考電壓及該複數個漣波電容器之該對應者之間的漣波電阻器。
  6. 如申請專利範圍第1項的相位電流分享網路，其中該複數個合成漣波網路之每一者係包括：一漣波電容器，其係耦接在一供應節點與形成該複數個漣波電壓之一對應者之複數個漣波節點之一對應者之間； 一電流槽，其係耦接以從該複數個漣波節點之該對應者處吸入一正比於該輸出電壓的電流；以及一電流源，當該複數個脈波控制訊號之一對應者有作用時，其係耦接以提供一正比於該輸入電壓的電流至該複數個漣波節點之該對應者。
  7. 如申請專利範圍第6項的相位電流分享網路，其中該電流分享網路包括一轉導網路，其係配置以轉換該複數個漣波電壓之每一者與該參考電壓之間的一差異成為對應複數個調整電流，其係施加於該複數個漣波節點之該對應者。
  8. 一種電流模式多相切換穩壓器，用以將一輸入電壓轉換成一輸出電壓，其包括：複數個切換網路，每一者係配置以切換電流流經複數個電感器之一對應者，其係藉由複數個切換控制訊號之一對應者所控制：一誤差網路，其係基於該輸出電壓的一相關誤差來形成一觸發訊號；複數個合成漣波網路，每一者係配置以形成複數個漣波電壓之一對應者，其係模擬流經該複數個電感器之一對應者的複數個相位漣波電流之一對應者；複數個第一比較器，每一者係配置以基於該等漣波電壓之一對應者來形成複數個第一控制訊號之一對應者，並且用以決定該複數個切換控制訊號之一對應者的一第一操作邊緣之時序；複數個第二比較器，每一者係配置以基於該觸發訊號 以及該等漣波電壓之一對應者來形成複數個第二控制訊號之一對應者，並且用以決定該複數個切換控制訊號之一對應者的一第二操作邊緣之時序；以及一相位電流分享網路，其係配置以形成一組合調整值並藉由該組合調整值來調整該複數個漣波電壓之每一者，其中該組合調整值包括複數個相位調整值之一組合，且其中該複數個調整值之每一者係基於該複數個漣波電壓之一對應者與一參考電壓之間的差異。
  9. 如申請專利範圍第8項的電流模式多相切換穩壓器，其中該複數個合成漣波網路之每一者係包括複數個漣波電容器之一對應者，其係耦合以形成該複數個漣波電壓之一對應者；並且其中該相位電流分享網路係包括複數個轉導放大器，每一者皆具有一第一輸入以接收該參考電壓，具有一第二輸入以接收該複數個漣波電壓之一對應者，且具有一輸出以提供一調整電流至該複數個漣波電容器之一對應者。
  10. 如申請專利範圍第9項的電流模式多相切換穩壓器，其中該複數個轉導放大器之至少一者具有一增益，其係模擬耦合於該參考電壓與該複數個漣波電容器之該對應者之間的漣波電阻。
  11. 如申請專利範圍第8項的電流模式多相切換穩壓器，其中該相位電流分享網路係包括一轉導網路，其係配置以轉換該複數個漣波電壓之每一者與該參考電壓之間的 一差異成為對應複數個調整電流，其係施加於該複數個漣波節點之一對應者。
  12. 如申請專利範圍第8項的電流模式多相切換穩壓器，其中該相位電流分享網路係包括複數個轉導網路，且其中該複數個轉導網路的每一者係包括複數個轉導放大器，其係配置以轉換該複數個漣波電壓之每一者與該參考電壓之間的一差異成為對應複數個調整電流，其係施加於該複數個漣波節點之一對應者。
  13. 如申請專利範圍第8項的電流模式多相切換穩壓器，其中該複數個合成漣波網路之每一者包括：一漣波電容器，其係耦接在一供應節點與複數個漣波節點之一對應者之間以形成該複數個漣波電容器之一對應者；一電流槽，其係耦接以從該複數個漣波節點之該對應者吸入一正比於該輸出電壓的電流；以及一電流源，其係耦接以當該複數個脈波控制訊號之一對應者有作用時提供一正比於該輸入電壓的電流至該複數個漣波節點之該對應者。
  14. 如申請專利範圍第8項的電流模式多相切換穩壓器，其中該誤差網路包括一誤差放大器，其係形成一補償電壓用以作為該觸發訊號。
  15. 如申請專利範圍第8項的電流模式多相切換穩壓器，其中該誤差網路係形成一視窗電壓，且其中該複數個第一比較器之每一者係包括一視窗比較器，其係比較該視 窗電壓與該等漣波電壓之一對應者以形成一重置訊號，用以終止該複數個切換控制訊號之一對應者上的控制脈波。
  16. 如申請專利範圍第8項的電流模式多相切換穩壓器，其中該誤差網路係將該觸發值形成為一觸發電壓，且其中該複數個第二比較器之每一者係包括一相位比較器，其比較該觸發電壓與該等漣波電壓之一對應者以形成一設定訊號，用以起始該複數個切換控制訊號之一對應者上的控制脈波。
  17. 一種在一電流模式多相切換穩壓器的多個相位之間分享電流的方法，其中該多相切換穩壓器係形成複數個相位電流，其包含流經對應複數個電感器之對應複數個相位漣波電流，其係藉由對應複數個脈波控制訊號所控制，用以將一輸入電壓轉換成一輸出電壓，該方法包括：形成複數個漣波電壓，每一者係模擬該複數個相位漣波電流之一對應者；利用該複數個漣波電壓之每一者以形成該複數個脈波控制訊號之一對應者；形成複數個調整值，每一者係基於一參考電壓與該複數個漣波電壓之一對應者之間的一差異；並且施加該複數個調整值之每一者以調整該複數個漣波電壓之每一者。
  18. 如申請專利範圍第17項的方法，其中該形成複數個漣波電壓係包括形成該複數個漣波電壓於對應複數個漣波電容器上，其中該形成複數個調整值係包括 形成複數個調整電流，且其中該施加該複數個調整值之每一者係包括施加該複數個調整電流至該複數個漣波電容器之每一者。
  19. 如申請專利範圍第17項的方法，其中該形成複數個調整值係包括放大該參考電壓與該複數個漣波電壓之每一者之間的一差異，並且轉換複數個經放大差異成為對應複數個調整電流。
  20. 如申請專利範圍第17項的方法，其中：該形成複數個漣波電壓係包括在該複數個脈波控制訊號之一對應者之一有作用部分期間，藉由正比於該輸出電壓之一電流來連續地放電複數個漣波電容器之每一者，並且藉由正比於該輸入電壓之一電流來充電該複數個電容器之每一者；其中該利用該複數個漣波電壓之每一者係包括基於該輸出電壓之一相關誤差以比較該複數個漣波電壓之每一者與一控制值；其中該形成複數個調整值係包括形成複數個調整電流；並且其中該施加該複數個調整值之每一者係包括施加該複數個調整電流之每一者至該複數個漣波電容器之每一者。
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