TWI489755B - 多相切換式電源供應器及其控制方法 - Google Patents

Description

多相切換式電源供應器及其控制方法

本發明係有關一種多相切換式電源供應器及其控制方法，特別是指一種根據功率級電路之零電流偵測而增減相之多相切換式電源供應器及其控制方法。

目前供應中央處理器(Central Processing Unit,CPU)的多相切換式電源供應器，相對一般的切換式電源供應器，具有低壓高電流的特點，且兼具適應性電壓定位(adaptive voltage positioning,AVP)功能。當CPU工作時，並非常態性保持高電流的操作狀態，因此，供應CPU電源的多相切換式電源供應器需要具備功率級電路動態增/減相數的控制。

先前技術美國專利案US 6,674,274揭露一種多相切換式電源供應電路。其藉由輸出電壓的變化以反應輸出電流，而根據AVP操作的機制，當輸出電流提高時，輸出電壓下降，此多相切換式電源供應電路增加功率級電路操作相數，以提高重載效率；而輸出電流降低時，輸出電壓上升，此多相切換式電源供應電路減少功率級電路操作相數，以提高輕載效率。

先前技術美國專利案US 7,492,134揭露一種多相切換式電源供應電路。其所提出的動態相數控制方式是藉由感測電感電流來決定系統所需操作的相數。當電感電流越大，操作的相數會逐漸增加，反之，當電感電流越小，操作相數會逐漸減少。當輸出電壓瞬間下降 時，系統會馬上切換至最多的操作相數，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。

先前技術美國專利申請案US 2010/0191986揭露一種多相切換式電源供應電路。其所提出的動態相數控制方式是由總輸出電流的大小，經由可變電阻將電流平均之後轉換為電壓訊號，根據此電壓訊號的大小決定操作的相數，當輸出電流越大，操作的相數會逐漸增加，反之，當輸出電流越小，操作相數會逐漸減少。

以上所述之先前技術，其操作相數的機制皆由偵測總和輸出電流或其相關訊號，以決定操作的相數。然而，在此種機制中，換相的速度是取決於電流感測的速度。當系統感測電流的速度太快，容易造成換相的電流準位偏移和誤動作；反之，當系統感測電流的速度太慢，系統就會發生不必要的過電流保護，或造成系統損壞。

此外，在前述先前技術中，當輕重載交互發生或是各相電流不平均時，將不能做即時的反應，無法將系統操作在最佳的的平衡點，造成能量的浪費。

有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種根據功率級電路之零電流偵測而增減相之多相切換式電源供應器及其控制方法。

就其中一個觀點言，本發明提供了一種多相切換式電源供應器，包含：複數功率級電路，用以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，其中至少一功率級電路根據一增減相訊號，而導通或不導通；至少一零電流偵測電路，與該功率級電路耦接，用以根據該功率級電路所產生之一電感電流、一零電流參考訊號、與一平均參考訊號，產生一觸發訊號；以及一相數控制電路，分別與該複數功率級電路中至少 一功率級電路，及該零電流偵測電路耦接，用以根據該觸發訊號產生該增減相訊號。

就另一個觀點言，本發明提供了一種多相切換式電源供應器控制方法，包含：提供複數功率級電路，以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，其中至少一功率級電路根據一增減相訊號，而導通或不導通；根據該至少一功率級電路所產生之一電感電流，與一零電流參考訊號及一平均參考訊號，而產生一觸發訊號；以及根據該觸發訊號產生該增減相訊號。

在其中一種較佳的實施例中，該零電流偵測電路於該電感電流不超過該零電流參考訊號一段第一預設時間後，使該增減相訊號包括一減相訊號，進而不導通該複數功率級電路其中一功率級電路。

在前述實施例中，該零電流偵測電路宜於該電感電流超過該平均參考訊號一段第二預設時間後，使該增減相訊號包括一增相訊號，進而導通該複數功率級電路其中一功率級電路。

在一種較佳的實施例中，該平均參考訊號超過該零電流參考訊號一固定之磁滯設定。

在前述的實施例中，該零電流偵測電路可包括：一第一比較電路，與對應之功率級電路耦接，用以根據該電感電流與該零電流參考訊號，產生一第一比較結果訊號；一第一計時電路，與該第一比較電路耦接，用以於該電感電流不超過該零電流參考訊號第一預設時間後，產生一減相觸發訊號，進而使該增減相訊號包括該減相訊號；一第二比較電路，與對應之功率級電路耦接，用以根據該電感電流與該平均參考訊號，產生一第二比較結果訊號；一第二計時電路，與該第二比較電路耦接，用以於該電感電流超過該平均參考訊號第二預設時間後，產生一增相觸發訊號，進而使該增減相訊號包括該增相訊號。

在一種較佳的實施例中，多相切換式電源供應器更包含一動態相數電路，與該相數控制電路耦接，用以產生一動態相數訊號，使該相數控制電路，根據該動態相數訊號，產生該增減相訊號。

在一種較佳的實施例中，多相切換式電源供應器更包含一適應相數電路，與該相數控制電路耦接，用以產生一適應相數訊號，使該相數控制電路，根據該適應相數訊號，產生該增減相訊號

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

100,200,300‧‧‧多相切換式電源供應器

110‧‧‧功率級電路

120‧‧‧零電流偵測電路

130‧‧‧相數控制電路

140‧‧‧負載電路

150‧‧‧動態相數電路

160‧‧‧適應相數電路

IL1,IL2,IL3‧‧‧電感電流

ILX‧‧‧電感電流或其相關訊號

Iout‧‧‧輸出電流

Vin‧‧‧輸入電壓

Vout‧‧‧輸出電壓

ZCD‧‧‧零電流參考訊號

H‧‧‧偏移設定

第1圖顯示本發明第一個實施例。

第2A-2J圖顯示同步或非同步之降壓型、升壓型、反壓型、升降壓型、或升反壓型功率級電路。

第3圖顯示先前技術的實際電感電流與偵測平均電感電流的關係。

第4圖顯示本發明第二個實施例。

第5A-5B與6A-6B圖顯示根據本發明的電感電流或其相關訊號ILX的訊號波形圖。

第7圖顯示本發明第三個實施例。

第8圖顯示本發明的第四個實施例。

請參閱第1圖，顯示本發明的第一個實施例。如第1圖所示，多相切換式電源供應器100提供輸出電流Iout予負載電路140，其包含複數功率級電路110、複數零電流偵測電路120、與相數控制電 路130。其中，複數功率級電路110共同將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout，其中至少一功率級電路110(例如但不限於如本實施例所示所有功率級電路110)根據增減相訊號，而導通或不導通。至少一零電流偵測電路120，與功率級電路110耦接(例如但不限於如本實施例所示多相切換式電源供應器100中所有功率級電路110，都分別對應耦接一零電流偵測電路120)，用以根據功率級電路110所產生之電感電流IL1-IL3、零電流參考訊號、與平均參考訊號，產生觸發訊號。相數控制電路130分別與複數功率級電路110及零電流偵測電路120耦接，用以根據觸發訊號產生增減相訊號。其中，功率級電路110可為同步或非同步之降壓型、升壓型、反壓型、升降壓型、或升反壓型功率級電路，如第2A-2J圖所示。

本發明與先前技術不同之處，在於本發明並不偵測各相或總和電感電流的大小，以決定動態操作相數。因此不需要在操作響應和操作精確度上做折衷。此外，本發明亦不需偵測輸出電壓來估算負載電流的大小，進而決定操作的相數，因此可以改善操作響應。本發明所提出之多相切換式電源供應器及其控制方法，僅偵測功率級電路中電感電流是否為零電流或預設電流，而非計算電感電流讀值，因此能省略計算電流所需的電路與時間，即時動態調整功率級電路的操作相數，不但可以增加轉換效率，還能改善先前技術中，動態相數控制機制的缺點，進而提升可靠度。

先前技術利用平均後的電感電流來估計負載電流的大小，進而動態控制操作相數。如第3圖所示，假設切換式電源供應器的初始操作狀態為單相操作，當平均的電感電流高於設定的相數切換準位，操作狀態由單相操作轉換到雙相操作，此時因平均電流造成的延遲時間會導致單相的功率級電路負載過大的電流，進而發生過電流狀況或元件損壞的現象。而本發明所提出的操作方法為：偵測瞬時電 感電流是否為零電流或預設電流，也就是說電感電流沒有經過平均的計算過程，因此不會有上述問題發生。

第4圖顯示本發明的第二個實施例。本實施例顯示多相切換式電源供應器100中，零電流偵測電路120的一種更具體的實施例。如第4圖所示，零電流偵測電路120包括比較電路121與122，以及計時電路123與124。其中，比較電路121與對應的功率級電路110耦接，以接收電感電流或其相關訊號ILX，並比較電感電流或其相關訊號ILX與零電流參考訊號，所產生的比較結果，輸入計時電路123。計時電路123與比較電路121耦接，根據比較電路121所產生的比較結果，於電感電流或其相關訊號ILX不超過零電流參考訊號一段預設時間後，產生減相觸發訊號，進而使相數控制電路130所產生的增減相訊號包括減相訊號，以使操作中的功率級電路110減相。

另一方面，比較電路122與對應的功率級電路110耦接，以接收電感電流或其相關訊號ILX，並比較電感電流或其相關訊號ILX與平均參考訊號，所產生的比較結果，輸入計時電路124。計時電路124與比較電路122耦接，根據比較電路122所產生的比較結果，於電感電流或其相關訊號ILX超過平均參考訊號一段預設時間後，產生增相觸發訊號，進而使相數控制電路130所產生的增減相訊號包括增相訊號，以使操作中的功率級電路110增相。

第5A-5B圖顯示根據本發明的電感電流或其相關訊號ILX的訊號波形圖。如第5A圖所示，當電感電流或其相關訊號ILX不超過零電流參考訊號ZCD一段預設時間T1後，產生減相觸發訊號，進而使相數控制電路130所產生的增減相訊號包括減相訊號，以使操作中的功率級電路110減相。功率級電路110減相後，電感電流或其相關訊號ILX會如第5B圖中粗黑實線波形所示，往上偏移。

第6A-6B圖顯示根據本發明的電感電流或其相關訊號ILX的訊號波形圖。如第6A圖所示，當電感電流或其相關訊號ILX超過零電流參考訊號ZCD加上一偏移設定H一段預設時間T2後，產生增相觸發訊號，進而使相數控制電路130所產生的增減相訊號包括增相訊號，以使操作中的功率級電路110增相。功率級電路110增相後，電感電流或其相關訊號ILX會如第6B圖中粗黑實線波形所示，往下偏移。

利用第5A-5B與第6A-6B圖所示的控制機制，調整複數功率級電路110操作的相數，可以不需要經過加總電感電流或平均電感電流所需要的電路與時間，相較於先前技術，本發明可以降低成本並且提高反應的速度與可靠度。

需說明的是，平均參考訊號可以為如前所述零電流參考訊號ZCD加上一偏移設定H，但本發明不限於此，平均參考訊號亦可以為與零電流參考訊號ZCD無關的設定值。

第7圖顯示本發明第三個實施例，本實施例與第一個實施例不同之處，在於本實施例中，多相切換式電源供應器200相較於第一個實施例中多相切換式電源供應器100，更包含動態相數電路150與適應相數電路160。動態相數電路150與相數控制電路130耦接，用以產生動態相數訊號，使相數控制電路130，根據動態相數訊號，產生增減相訊號。舉例而言，當負載電路瞬時有高電流的需求時，控制系統(未示出)可以利用動態相數電路150產生動態相數訊號，使相數控制電路130增加操作的功率級電路相數，如CPU的動態電壓變化(dynamic VID)。適應相數電路160與相數控制電路130耦接，用以產生適應相數訊號，使相數控制電路130，根據適應相數訊號，產生增減相訊號，如快速響應(quick response,QR)。

第8圖顯示本發明第四個實施例，本實施例與第一個實施例不同之處，在於本實施例中，多相切換式電源供應器300中，並非所有的功率級電路110皆分別與零電流偵測電路120耦接，而是例如但不限於如圖所示，複數功率級電路110中，僅有一個功率級電路110與零電流偵測電路120耦接，也就是說，可以根據一個零電流偵測電路120，產生觸發訊號，使相數控制電路130，決定增減相功率級電路110的操作。此外，在本實施例中，相數控制電路130亦未與所有的功率級電路110耦接，顯示本發明應用的範圍，亦可以控制複數功率級電路110中的其中一部分而非全部。

以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化。例如，各實施例中圖示直接連接的兩電路或元件間，可插置不影響主要功能的其他電路或元件；又如，相與相之間的零電流偵測電路所設定之零電流參考訊號與平均訊號不必須相同，可以依據各相的實際條件做調變以及優化，不需要一致；再如，比較電路的輸入端正負可以互換，僅需對應修正電路的訊號處理方式即可。凡此種種，皆可根據本發明的教示類推而得，因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。

100‧‧‧多相切換式電源供應器

110‧‧‧功率級電路

120‧‧‧零電流偵測電路

130‧‧‧相數控制電路

140‧‧‧負載電路

IL1,IL2,IL3‧‧‧電感電流

Iout‧‧‧輸出電流

Vin‧‧‧輸入電壓

Vout‧‧‧輸出電壓

Claims (12)

1. 一種多相切換式電源供應器，包含：複數功率級電路，用以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，其中至少一功率級電路根據一增減相訊號，而導通或不導通；至少一零電流偵測電路，與該功率級電路耦接，用以根據該功率級電路所產生之一電感電流、一零電流參考訊號、與一平均參考訊號，產生一觸發訊號；以及一相數控制電路，分別與該複數功率級電路中至少一功率級電路，及該零電流偵測電路耦接，用以根據該觸發訊號產生該增減相訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之多相切換式電源供應器，其中該零電流偵測電路於該電感電流不超過該零電流參考訊號一段第一預設時間後，使該增減相訊號包括一減相訊號，進而不導通該複數功率級電路其中一功率級電路。
3. 如申請專利範圍第2項所述之多相切換式電源供應器，其中該零電流偵測電路於該電感電流超過該平均參考訊號一段第二預設時間後，使該增減相訊號包括一增相訊號，進而導通該複數功率級電路其中一功率級電路。
4. 如申請專利範圍第1項所述之多相切換式電源供應器，其中該平均參考訊號超過該零電流參考訊號一偏移設定。
5. 如申請專利範圍第3項所述之多相切換式電源供應器，其中該零電流偵測電路包括：一第一比較電路，與對應之功率級電路耦接，用以根據該電感電流與該零電流參考訊號，產生一第一比較結果訊號； 一第一計時電路，與該第一比較電路耦接，用以於該電感電流不超過該零電流參考訊號第一預設時間後，產生一減相觸發訊號，進而使該增減相訊號包括該減相訊號；一第二比較電路，與對應之功率級電路耦接，用以根據該電感電流與該平均參考訊號，產生一第二比較結果訊號；一第二計時電路，與該第二比較電路耦接，用以於該電感電流超過該平均參考訊號第二預設時間後，產生一增相觸發訊號，進而使該增減相訊號包括該增相訊號。
6. 如申請專利範圍第1項所述之多相切換式電源供應器，更包含一動態相數電路，與該相數控制電路耦接，用以產生一動態相數訊號，使該相數控制電路，根據該動態相數訊號，產生該增減相訊號。
7. 如申請專利範圍第1項所述之多相切換式電源供應器，更包含一適應相數電路，與該相數控制電路耦接，用以產生一適應相數訊號，使該相數控制電路，根據該適應相數訊號，產生該增減相訊號。
8. 一種多相切換式電源供應器控制方法，包含：提供複數功率級電路，以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，其中至少一功率級電路根據一增減相訊號，而導通或不導通；根據該至少一功率級電路所產生之一電感電流，與一零電流參考訊號及一平均參考訊號，而產生一觸發訊號；以及根據該觸發訊號產生該增減相訊號。
9. 如申請專利範圍第8項所述之多相切換式電源供應器控制方法，其中該產生該觸發訊號之步驟，包括：於該電感電流不超過該零電流參考訊號第一預設時間後，使該增減相訊號包括一減相訊號，進而不導通該複數功率級電路其中一功率級電路。
10. 如申請專利範圍第9項所述之多相切換式電源供應器控制方法，其中該產生該觸發訊號之步驟，更包括：於該電感電流超過該平均參考訊號一段第二預設時間後，使該增減相訊號包括一增相訊號，進而導通該複數功率級電路其中一功率級電路。
11. 如申請專利範圍第8項所述之多相切換式電源供應器控制方法，其中該平均參考訊號超過該零電流參考訊號一固定之磁滯設定。
12. 如申請專利範圍第10項所述之多相切換式電源供應器控制方法，其中該產生該觸發訊號之步驟，包括：比較該電感電流與該零電流參考訊號，產生一第一比較結果訊號；於該電感電流不超過該零電流參考訊號第一預設時間後，產生一減相觸發訊號，進而使該增減相訊號包括該減相訊號；比較該電感電流與該平均參考訊號，產生一第二比較結果訊號；於該電感電流超過該平均參考訊號一段第二預設時間後，產生一增相觸發訊號，進而使該增減相訊號包括該增相訊號。