TWI559660B - 具有過電流保護功能的多相開關轉換器及其控制方法 - Google Patents

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Description

具有過電流保護功能的多相開關轉換器及其控制方法
本發明的實施例涉及電子電路，尤其涉及具有過電流保護功能的多相開關轉換器及其控制器和控制方法。
近年來，隨著一些高性能CPU的出現，需要輸出電壓更小、輸出電流更大的開關轉換器，對開關轉換器的熱性能、EMI及負載瞬態回應的要求也不斷提高。多相開關轉換器以其優越的性能，被廣泛應用於高性能CPU電源的解決方案。
多相開關轉換器包括多個開關電路，該多個開關電路的輸出端耦接在一起為負載提供能量。在現有技術中，一旦檢測到過電流狀況，多相開關轉換器中的所有開關電路將被同時關閉，直至過電流狀況消失或者多相開關轉換器被重啟。依據現有的過電流保護方法，任何一個開關電路的過電流狀況都將導致整個開關轉換器被關閉。
本發明的目的是提供一種與現有技術不同的具有過電流保護功能的多相開關轉換器及其控制器和控制方法。
根據本發明實施例的一種用於多相開關轉換器的控制器，該多相開關轉換器包括多個開關電路，該多個開關電路的輸出端耦接在一起以提供輸出電壓，該控制器產生多個控制信號，以控制多個開關電路依次導通，其中若檢測到當前開關電路過電流，控制器將跳過當前開關電路而保持其餘開關電路正常工作。
在一個實施例中，當檢測到當前開關電路過電流時，所述控制器保持當前開關電路關斷並基於該過電流狀態進行計時，若計時時間到達預設時間臨限值，則所述控制器跳過當前開關電路。
根據本發明實施例的一種具有過電流保護功能的多相開關轉換器，包括如前所述的控制器。
根據本發明實施例的一種用於多相開關轉換器的控制方法，該多相開關轉換器包括多個具有開關管的開關電路，該多個開關電路的輸出端耦接在一起為負載提供輸出電壓，該控制方法包括：產生多個控制信號，以控制多個開關電路依次導通；檢測當前開關電路是否過電流；以及若檢測到當前開關電路過電流，則跳過當前開關電路而保持其餘開關電路正常工作。
根據本發明的實施例，在檢測到當前開關電路過電流時，跳過當前開關電路並保持其餘開關電路正常工作，無 需關閉整個多相開關轉換器即可達到過電流保護的目的。
100‧‧‧多相開關變換器
101_1-101_N‧‧‧開關電路
102‧‧‧比較電路
103‧‧‧控制電路
104_1-104_N‧‧‧過電流檢測電路
305‧‧‧分頻電路
306_1-306_N‧‧‧過電流保護電路
307_1-307_N‧‧‧子控制電路
508‧‧‧跳躍信號產生電路
509‧‧‧計數器
510‧‧‧重設電路
611‧‧‧相啟動指示信號產生電路
712‧‧‧導通時長控制電路
713‧‧‧閘電路
714‧‧‧邏輯電路
715‧‧‧最小關斷時長控制電路
CMP1‧‧‧比較器
NOT1‧‧‧反閘
AND1‧‧‧及閘
CMP2‧‧‧比較器
NOT2‧‧‧反閘
OR1‧‧‧或閘
圖1為根據本發明一實施例的多相開關轉換器100的方塊圖；圖2為根據本發明一實施例的圖1所示多相開關轉換器100的控制方法的流程圖；圖3為根據本發明一實施例的圖1所示控制電路103的電路原理圖；圖4為根據本發明一實施例的過電流檢測電路和過電流保護電路的電路原理圖；圖5為根據本發明一實施例的跳躍信號產生電路508的電路原理圖；圖6為根據本發明一實施例的相啟動指示信號產生電路611的電路原理圖；圖7為根據本發明一實施例的圖3所示子控制電路的電路原理圖；圖8為根據本發明一實施例的圖1所示多相開關轉換器100的工作流程圖；圖9為根據本發明一實施例的圖1所示多相開關轉換器100的工作波形圖。
下面將詳細描述本發明的具體實施例，應當注意，這 裏描述的實施例只用於舉例說明，並不用於限制本發明。在以下描述中，為了提供對本發明的透徹理解，闡述了大量特定細節。然而，對於本領域普通技術人員顯而易見的是，不必採用這些特定細節來實行本發明。在其他實例中，為了避免混淆本發明，未具體描述公知的電路、材料或方法。
在整個說明書中，對“一個實施例”、“實施例”、“一個示例”或“示例”的提及意味著：結合該實施例或示例描述的特定特徵、結構或特性被包含在本發明至少一個實施例中。因此，在整個說明書的各個地方出現的短語“在一個實施例中”、“在實施例中”、“一個示例”或“示例”不一定都指同一實施例或示例。此外，可以以任何適當的組合和/或子組合將特定的特徵、結構或特性組合在一個或多個實施例或示例中。此外，本領域普通技術人員應當理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，並且附圖不一定是按比例繪製的。應當理解，當稱“元件”“連接到”或“耦接”到另一元件時，它可以是直接連接或耦接到另一元件或者可以存在中間元件。相反，當稱元件“直接連接到”或“直接耦接到”另一元件時，不存在中間元件。相同的附圖標記指示相同的元件。這裏使用的術語“和/或”包括一個或多個相關列出的專案的任何和所有組合。
本發明實施例提供一種包括多個開關電路的多相開關轉換器，在正常工作狀態下，各個開關電路被依次導通。在檢測到當前開關電路過電流時，多相開關轉換器跳過當 前開關電路並保持其餘開關電路正常工作，而無需關閉整個多相開關轉換器。本發明實施例中所述“跳過當前開關電路”是指按次序原本應當被導通的當前開關電路不再被導通，多相開關轉換器直接進入對下一相開關電路的控制。以下主要使用恆定導通時間控制的多相開關轉換器為例來描述各實施例，但本領域技術人員可知，本發明的教導還可應用於任何採用其他控制方式的多相開關轉換器。
圖1為根據本發明一實施例的多相開關轉換器100的方塊圖。該多相開關轉換器100包括控制器(如圖中虛線框所示)和N個開關電路101_1~101_N，其中N為大於或等於2的整數。開關電路101_1~101_N的輸入端接收輸入電壓VIN，輸出端耦接在一起以提供輸出電壓VOUT。開關電路101_1~101_N可採用任何直流/直流或交流/直流轉換拓撲結構，例如同步或非同步的升壓、降壓轉換器，以及正激、反激轉換器等。控制器產生控制信號PWM1~PWMN以控制開關電路101_1~101_N依次導通。其中，若檢測到當前開關電路過電流，控制器將跳過當前開關電路而保持其餘開關電路正常工作。
控制器包括比較電路102、過電流檢測電路104_1~104_N以及控制電路103。比較電路102耦接至開關電路101_1~101_N的輸出端以接收輸出電壓VOUT，並基於參考信號VREF和輸出電壓VOUT產生比較信號SET。過電流檢測電路104_1~104_N分別耦接至開關電路101_1~101_N，檢測該多個開關電路是否過電流，並基於 檢測結果產生過電流檢測信號OC1~OCN。過電流檢測電路104_1~104_N可通過檢測開關電路的輸出電流或其他與輸出電流相關的參數來判斷開關電路是否過電流。控制電路103耦接至比較電路102和過電流檢測電路101_1~101_N以接收比較信號SET和過電流信號OC1~OCN，並基於這些信號產生控制信號PWM1~PWMN。
在一個實施例中，多相開關轉換器100還包括回饋電路。該回饋電路耦接至開關電路101_1~101_N的輸出端以接收輸出電壓VOUT，並將代表輸出電壓VOUT的回饋信號提供至比較電路102。在一個實施例中，為了防止次諧波振盪的產生，控制器還包括產生斜坡補償信號的斜坡補償電路。該斜坡補償信號可被疊加至輸出電壓VOUT或代表輸出電壓VOUT的回饋信號，亦可從參考信號VREF中被減去。
圖2為根據本發明一實施例的圖1所示多相開關轉換器100控制方法的流程圖。該控制方法包括步驟S221~S225。
在步驟S221，開始對當前開關電路的控制。
在步驟S222，判斷輸出電壓VOUT是否小於參考信號VREF，是則至步驟S223，否則繼續判斷。
在步驟S223，判斷當前開關電路是否過電流，是則至步驟S225，否則至步驟S224。
在步驟S224，導通當前開關電路。
在步驟S225，進入對下一相開關電路的控制。
在一個實施例中，當檢測到當前開關電路過電流時，並非立刻跳過當前開關電路，而是保持當前開關電路關斷並基於該過電流狀態進行計時。若計時值到達預設時間臨限值，則跳過當前開關電路，否則導通當前開關電路並維持多相開關轉換器正常工作。通過這樣的方法，可以防止系統干擾導致錯誤的過電流保護。
圖3為根據本發明一實施例的圖1所示控制電路103的電路原理圖。控制電路103包括分頻電路305、過電流保護電路306_1~306_N以及子控制電路307_1~307_N。分頻電路305具有輸入端和N個輸出端，其中輸入端耦接至比較電路102以接收比較信號SET，分頻電路305根據比較信號SET在輸出端產生分頻信號FD1~FDN。每個過電流保護電路306_i均具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端耦接至分頻電路305的相應輸出端以接收分頻信號FDi，第二輸入端耦接至相應過電流檢測電路104_i以接收過電流檢測信號OCi。過電流保護電路306_i基於分頻信號FDi和過電流檢測信號OCi，在輸出端產生設定位元信號SETi，其中i=1，2，……，N。過電流保護電路306_i在相應開關電路101_i被檢測到過電流時，將設定位元信號SETi遮罩，以維持開關電路101_i關斷。
每個子控制電路307_i均具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端耦接至過電流保護電路306_i的輸出端以接收設定位元信號SETi，第二輸入端接 收代表相應開關電路導通時長的導通時長信號TONi，輸出端耦接至相應開關電路101_i以提供控制信號PWMi。開關電路的導通時長可被設置為恆定值，或與輸入電壓VIN和/或輸出電壓VOUT有關的可變值。
如圖3所示的實施例中，分頻電路305包括受相啟動指示信號Phase1_active~PhaseN_active控制的N個開關管。當Phase1_active有效時(例如邏輯高位準，指示第一相開關電路已被啟動)，比較信號SET被作為分頻信號FD2傳送至過電流保護電路306_2。當Phase2_active有效時，比較信號SET被作為分頻信號FD3傳送至過電流保護電路306_3。同理，在PhaseN_active有效時，比較信號SET被作為分頻信號FD1傳送至過電流保護電路306_1。正常工作狀態下，Phase1_active~PhaseN_active依次有效。因而，若多相開關轉換器需要跳過某相開關電路，例如101_K，可以使相啟動指示信號Phase(K-1)_active無效，而使相啟動指示信號PhaseK_active有效，其中K=2，3，……，N。若多相開關轉換器需要跳過第一相開關電路，可以使相啟動指示信號PhaseN_active無效，而使相啟動指示信號Phase1_active有效。
圖4為根據本發明一實施例的過電流檢測電路和過電流保護電路的電路原理圖。過電流檢測電路104_i包括比較器CMP1。該比較器CMP1具有同相輸入端、反相輸入端和輸出端，其中同相輸入端接收代表相應開關電路輸出電流的電流取樣信號IL_i，反相輸入端接收過電流臨限值 信號TH_OC，輸出端提供過電流檢測信號OCi。過電流保護電路306_i包括反閘NOT1以及及閘AND1。反閘NOT1具有輸入端和輸出端，其中輸入端耦接至過電流檢測電路104_i以接收過電流檢測信號OCi。及閘AND1具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端耦接至分頻電路305的相應輸出端以接收分頻信號FDi，第二輸入端耦接至反閘NOT1的輸出端，輸出端提供設定位元信號SETi。
對圖4所示的電路而言，當相應開關電路101_i過電流時，電流取樣信號IL_i大於過電流臨限值信號TH_OC，過電流檢測信號OCi為邏輯高位準，設定位元信號SETi被遮罩。此時無論分頻信號FDi的狀態如何，設定位元信號SETi均為低位準，以維持開關電路101_i關斷。
在一個實施例中，控制器還包括跳躍信號產生電路和相啟動指示信號產生電路。跳躍信號產生電路用於產生指示跳過當前開關電路的跳躍信號SET_OCP，相啟動指示信號產生電路基於跳躍信號SET_OCP對相啟動指示信號Phase1_active~PhaseN_active進行調節。
圖5為根據本發明一實施例的跳躍信號產生電路508的電路原理圖。該跳躍信號產生電路508包括計數器509、比較器CMP2以及重設電路510。計數器509具有重設輸入端CLR、致能輸入端EN、時鐘輸入端CLK和輸出端，其中致能輸入端EN耦接至比較電路102以接收比 較信號SET，時鐘輸入端CLK接收時鐘信號(例如頻率為20MHz的脈衝信號)，輸出端提供計數值CNT1。計數器509的工作原理屬於本領域公知常識，在此不再贅述。本領域技術人員可知，計數器509可被任何其他計時電路替代，例如常用的電容充電計時電路。
比較器CMP2具有同相輸入端、反相輸入端和輸出端，其中同相輸入端耦接至計數器509的輸出端以接收計數值CNT1，反相輸入端接收預設值TOCP，輸出端提供跳躍信號SET_OCP。重設電路510具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端耦接至比較電路102以接收比較信號SET，第二輸入端耦接至比較器CMP2的輸出端以接收跳躍信號SET_OCP，輸出端耦接至計數器509的重設輸入端CLR以提供重設信號。在一個實施例中，重設電路510包括或閘OR1以及反閘NOT2。反閘NOT2具有輸入端和輸出端，其中輸入端耦接至比較電路102以接收比較信號SET。或閘OR1具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端耦接至反閘NOT2的輸出端，第二輸入端耦接至比較器CMP2的輸出端以接收跳躍信號SET_OCP，輸出端耦接至計數器509的重設輸入端CLR以提供重設信號。
對於圖5所示的跳躍信號產生電路508，當比較信號SET由邏輯低位準變為邏輯高位準時(指示輸出電壓VOUT由大於參考信號VREF變為小於參考信號VREF)，計數器509開始計數，計數值CNT1逐漸增 大。在正常工作狀態下，由於當前開關電路被正常導通，在計數值CNT1增大至預設值TOCP之前，比較信號SET將由邏輯高位準變為邏輯低位準(即輸出電壓VOUT由小於參考信號VREF變為大於參考信號VREF)，計數器509被重設(例如將計數值CNT1清除為零)，跳躍信號SET_OCP維持邏輯低位準。
在當前開關電路存在過電流狀況時，由於過電流保護電路的存在，當前開關電路將保持關斷。此時，輸出電壓VOUT在負載電流的作用下將逐漸減小，比較信號SET維持邏輯高位準。如果在計數值CNT1增大至預設值TOCP之前，過電流狀況消失，則當前開關電路將立即被導通，比較信號SET將隨後由邏輯高位準變為邏輯低位準，計數器509被重設，跳躍信號SET_OCP維持邏輯低位準。如果過電流狀況持續存在，使得計數值CNT1一直增大至預設值TOCP，則跳躍信號SET_OCP將由邏輯低位準變為邏輯高位準，指示需要跳過當前開關電路，同時計數器509被重設。
圖6為根據本發明一實施例的相啟動指示信號產生電路611的電路原理圖。該相啟動指示信號產生電路611具有N+2個輸入端和一個輸出端，其中第1至N個輸入端接收控制信號PWM1~PWMN，第N+1個輸入端耦接至跳躍信號產生電路以接收跳躍信號SET_OCP，第N+2個輸入端接收相啟動指示信號Phasei_active。該相啟動指示信號產生電路基於控制信號PWM<i+1>、跳躍信號 SET_OCP和相啟動指示信號Phasei_active，在輸出端產生相啟動指示信號Phase<i+1>_active。其中，當Phasei_active有效時(例如邏輯高位準)，若控制信號PWM<i+1>由邏輯低位準變為邏輯高位準(指示第i+1相開關電路被導通)或者跳躍信號SET_OCP為邏輯高位準(指示需要跳過當前開關電路)，則Phase<i+1>_active有效。
例如，當第一相開關電路已被啟動，Phase1_active為邏輯高位準，比較信號SET被作為分頻信號FD2送入過電流保護電路306_2。此時，若第二相開關電路並未過電流，則在比較信號SET為高位準時，控制信號PWM2由邏輯低位準變為邏輯高位準，第二相開關電路被導通，Phase<i+1>_active變為邏輯高位準。反之，若因第二相開關電路存在過電流狀況而導致跳躍信號SET_OCP為邏輯高位準，則第二相開關電路被跳過，Phase<i+1>_active為邏輯高位準。在一個實施例中，當控制信號PWM<i+1>由邏輯低位準變為邏輯高位準，Phase<i+1>_active並非立即有效，而是在一段延時後或者第i+1相開關電路的最小關斷時長後方有效。
圖7為根據本發明一實施例的圖3所示子控制電路的電路原理圖。子控制電路307_i包括導通時長控制電路712、閘電路713、邏輯電路714以及最小關斷時長控制電路715。導通時長控制電路712根據控制信號PWMi和導通時長信號TONi產生導通時長控制信號COTi。最小 關斷時長控制電路715基於控制信號PWMi產生控制開關電路最小關斷時長的最小關斷時長控制信號OFFMINi。閘電路713接收設定位元信號SETi和最小關斷時長控制信號OFFMINi，並基於這兩個信號產生邏輯輸出信號。邏輯電路714接收邏輯輸出信號和導通時長控制信號COTi，並基於這兩個信號產生控制信號PWMi。在一個實施例中，閘電路713為及閘，而邏輯電路714為RS觸發器。
圖8為根據本發明一實施例的圖1所示多相開關轉換器100的工作流程圖，包括步驟S831~S839。
在步驟S831，週期開始。
在步驟S832，判斷輸出電壓VOUT是否小於參考信號VREF，例如判斷比較信號SET是否為邏輯高位準，是則至步驟S833，否則繼續判斷。
在步驟S833，將計數值CNT1加一。
在步驟S834，判斷計數值CNT1是否等於預設值TOCP，是則至步驟S838，否則至步驟S835。
在步驟S835，判斷當前開關電路是否過電流，例如判斷過電流信號OCi是否為邏輯高位準，是則返回至步驟S833，否則至步驟S836。
在步驟S836，將設定位元信號SETi設置為邏輯高位準。
在步驟S837，將控制信號PWMi設置為邏輯高位準，以導通當前開關電路。
在步驟S838，將相啟動指示信號Phase<i>_active設 置為邏輯高位準，指示當前開關電路已被啟動。在步驟S839，進入下一週期。
圖9為根據本發明一實施例的圖1所示多相開關轉換器100的工作波形圖。如圖9所示，在比較信號SET由邏輯低位準變為邏輯高位準時，計數器509開始計數，計數值CNT1逐漸增大。若在計數值CNT1到達預設值TOCP前，比較信號SET由邏輯高位準變為邏輯低位準，則計數器509被重設，跳躍信號SET_OCP維持邏輯低位準，多相開關轉換器保持正常工作。若計數值CNT1持續增大至達到預設值TOCP，則跳躍信號SET_OCP由邏輯低位準變為邏輯高位準，當前開關電路被跳過，計數器509被重設。
雖然已參照幾個典型實施例描述了本發明，但應當理解，所用的術語是說明和示例性、而非限制性的術語。由於本發明能夠以多種形式具體實施而不脫離發明的精神或實質，所以應當理解，上述實施例不限於任何前述的細節，而應在隨附申請專利範圍所限定的精神和範圍內廣泛地解釋，因此落入申請專利範圍或其等效範圍內的全部變化和改型都應為隨附申請專利範圍所涵蓋。

Claims (7)

  1. 一種用於多相開關轉換器的控制器，該多相開關轉換器包括多個開關電路，該多個開關電路的輸出端耦接在一起以提供輸出電壓，該控制器產生多個控制信號，以控制多個開關電路依次導通，其中若檢測到當前開關電路過電流，控制器將跳過當前開關電路而保持其餘開關電路正常工作，該控制器包括：比較電路，耦接至多個開關電路的輸出端，基於參考信號和輸出電壓產生比較信號；多個過電流檢測電路，分別耦接至多個開關電路，檢測該多個開關電路是否過電流，並基於檢測結果產生多個過電流檢測信號；分頻電路，具有輸入端和多個輸出端，其中輸入端耦接至比較電路以接收比較信號，分頻電路根據比較信號在多個輸出端產生多個分頻信號；多個過電流保護電路，每個過電流保護電路具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端耦接至分頻電路的相應輸出端以接收分頻信號，第二輸入端耦接至相應過電流檢測電路以接收過電流檢測信號，過電流保護電路基於分頻信號和過電流檢測信號在輸出端產生設定位元信號；以及多個子控制電路，每個子控制電路均具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端耦接至相應過電流保護電路的輸出端以接收設定位元信號，第二輸入端 接收代表相應開關電路導通時長的導通時長信號，輸出端耦接至相應開關電路以提供控制信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的控制器，其中當檢測到當前開關電路過電流時，所述控制器保持當前開關電路關斷並基於該過電流狀態進行計時，若計時值到達預設時間臨限值，則所述控制器跳過當前開關電路。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的控制器，其中每個過電流檢測電路均包括第一比較器，該第一比較器具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端接收代表相應開關電路輸出電流的電流取樣信號，第二輸入端接收過電流臨限值信號，該第一比較器基於電流取樣信號和過電流臨限值信號，在輸出端產生過電流檢測信號。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的控制器，其中每個過電流保護電路包括：反閘，具有輸入端和輸出端，其中輸入端耦接至相應過電流檢測電路以接收過電流檢測信號；以及及閘，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端耦接至分頻電路的相應輸出端以接收分頻信號，第二輸入端耦接至反閘的輸出端，輸出端提供設定位元信號。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的控制器，其中所述控制電路還包括：計數器，具有第一輸入端、第二輸入端、第三輸入端和輸出端，其中第二輸入端耦接至比較電路以接收比較信 號，第三輸入端接收時鐘信號，輸出端提供計數值；第二比較器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端耦接至計數器的輸出端以接收計數值，第二輸入端接收預設值，輸出端提供跳躍信號；以及重設電路，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端耦接至比較電路以接收比較信號，第二輸入端耦接至第二比較器的輸出端以接收跳躍信號，輸出端耦接至計數器的第一輸入端以提供重設信號；其中分頻電路基於跳躍信號調節其輸出的多個分頻信號。
  6. 一種具有過電流保護功能的多相開關轉換器，包括如申請專利範圍第1至5項中任一項所述的控制器。
  7. 一種用於多相開關轉換器的控制方法，該多相開關轉換器包括多個開關電路，該多個開關電路的輸出端耦接在一起以提供輸出電壓，該控制方法包括：基於參考信號和輸出電壓產生比較信號；基於比較信號產生多個控制信號，以控制多個開關電路依次導通；檢測當前開關電路是否過電流；若檢測到當前開關電路過電流，則保當前開關電路關斷；在輸出電壓小於參考信號時，開始計時；若輸出電壓大於參考信號，則對計時值進行重設；以及若計時值大於預設值，則跳過當前開關電路並重設計 時值。
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