TWI723832B - 功率轉換器及相數倍增器及用於產生n-1個脈衝寬度調製(pwm)信號的方法 - Google Patents

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Abstract

提出了涉及將脈寬調製(pulse-width-modulated，PWM)信號PWMin複製到N-1個延遲控制器以形成N-1個時間交錯的PWM信號的裝置和相關方法。在說明性示例中，N-1個延遲控制器中的每一個都可以響應於複製的PWM信號和/或相移時脈，設定並重置相應的鎖存器，以便形成相應生成的PWM信號(PWM2至PWMN)的上升沿和/或下降沿。在一些示例中，延遲控制器可以微調任何生成的PWM信號(PWM2至PWMN)的脈衝寬度，以校正提供給負載的相電流平衡。相數倍增器可以有利地將例如由PWM控制器提供的一個PWM信號拆分為多個交錯的PWM相位信號，而無需擴展PWM控制器上的PWM信號引腳的數量。

Description

功率轉換器及相數倍增器及用於產生N-1個脈衝 寬度調製(PWM)信號的方法
各個實施例主要涉及多相位功率轉換。
電子器件，也被稱為負載，接收來自不同電源的功率。例如，某些電源可以在壁裝電源插座處(例如，從主電源)耦合到負載裝置，或者可以更直接地耦合到各種本地和/或便携式電源(例如，電池、可再生能源、發電機)。諸如中央處理器(CPU)和圖形處理器(GPU)之類的某些負載設備，在滿足更高的輸入電流要求的同時，還要求嚴格的電壓調節和/或電源的高效率。
在某些電子設備中，電源電壓源(例如，電池輸入、整流市電電源、中間直流電源)可透過各種電壓轉換電路轉換為負載兼容電壓。開關電源由於其效率高而已成為電壓轉換電路，因此經常用於提供各種電子負載。
開關模式電源使用開關設備轉換電壓，該開關設備以非 常低的電阻導通並透過非常高的電阻關斷。開關模式電源可以在一段時間內為輸出電感器充電，並可以在隨後的時間段內釋放部分或全部電感器能量。輸出能量可以被傳遞到一組輸出電容器，該組輸出電容器提供濾波以產生直流輸出電壓。在降壓型開關電源中，穩定狀態下的輸出電壓可能約為輸入電壓乘以工作周期，其中工作周期是透過開關導通時間的持續時間除以一個開關周期的透過開關的總的接通時間和斷開時間。
裝置和相關方法涉及將脈寬調製(pulse-width-modulated，PWM)信號PWMin複製到N-1個延遲控制器以形成N-1個時間交錯的PWM信號。在說明性示例中，每一個N-1個延遲控制器都可以響應於複製的PWM信號和/或相移時脈，設定並重置相應的鎖存器以形成相應生成的PWM信號(PWM2至PWMN)的上升沿和/或下降沿。在一些示例中，延遲控制器可以微調任何生成的PWM信號(PWM2至PWMN)的脈衝寬度，以校正提供給負載的相電流平衡。相數倍增器可以有利地將例如由PWM控制器提供的一個PWM信號拆分為多個交錯的PWM相位信號，而無需擴展PWM控制器上的PWM信號引腳的數量。
一些裝置和相關方法涉及調節與N-1個中的每一個時間交錯脈寬調製(PWM)從機信號相關的工作周期，以使N-1個從 機電流信號各自響應地匹配與主PWM信號PWM1相關的主電流信號。在說明性示例中，可以使用類比數位轉換器(Analog-to-digital converter，ADC)對主電流信號和N-1個從機電流信號進行採樣，來確定N-1個從機電流信號中的每一個從機電流信號。在一些實施例中，ADC可以在例如根據循環選擇模式來選擇電流信號中的不同信號之前，從電流信號中的所選擇信號之一中收集多個樣本。例如，可以基於當前信號樣本來確定移動平均值。可以調節每個從機電流信號的工作周期以基於電流信號移動平均值有利地平衡相電流。
各種實施例可以實現一個或多個優點。例如，可以透過使用八個4通道相數倍增器將傳統的8相PWM控制器擴展為支持多達32個相，而無需向PWM控制器添加更多引腳。因此，例如利用可用的引腳，PWM控制器可以支持更多的交錯相位。在一些實施例中，PWM控制器的封裝尺寸可以有利地减小或保持不變。例如，為了支持8相位，可以將具有兩個PWM引腳的PWM控制器與兩個4通道相數倍增器一起使用，而不是使用具有八個PWM引腳的PWM控制器。因此，可以有利地减小PWM控制器的封裝尺寸。在一些實施例中，透過使用相數倍增器，可以將相同的PWM控制器進行擴展，以便滿足中央處理單元(CPU)和/或圖形處理單元(GPU)的不斷增長的電流需求。在一些實施例中，可以透過使用智能功率級來考慮功率級的溫度效應。在一些實施例中，可以透過將智能功率級的主電流監視信號直接饋送到PWM控制 器來保持電流監視信號的精度。在一些實施例中，每個產生的PWM信號的脈衝寬度可以透過使用相電流控制電路ISHARE來微調或調節。
此外，一些實施例可有利地提供各相之間的增强的電流平衡，同時例如增加交錯的相與PWM控制器引腳數的比率。透過改善電流平衡並具有擴展能力以實現更多階段、成本、尺寸、重量和可靠性方面的優勢，可以使得對諸如大容量和濾波電容的依賴性降低。
100:電子裝置
105:功率負載系統
110:電源
115:負載
120:功率轉換器
125:控制器
135:相數倍增器
145:功率級
150:負載電路
155:誤差放大器
160:PID濾波器
135a:相數倍增器
145:功率級
210:頻率合成器
215:同步時脈信號
220a:PWM信號產生器
225:延遲模組
235:移相器
245:延遲控制器
255:SR鎖存器
220b:PWM信號產生器
245b:延遲控制器
500:相電流控制電路
135b:相數倍增器
2181:系統時脈信號
505:差值
510:時序管理器
515:選擇信號
520:四輸入多路複用器
525:電流檢測器輸出信號
530:類比數位轉換器
540:多路複用器
550:計算電路
560:比較器電路
600:方法
在附圖和以下描述中闡述了各種實施例的細節。根據說明書和附圖以及根據申請專利範圍，其他特徵和優點將顯而易見。
圖1表示一個帶有典型相數倍增器的功率轉換器。
圖2表示典型的相數倍增器的結構。
圖3表示相數倍增器接收並產生的典型信號的時序圖。
圖4表示能夠產生不同相位的多個PWM信號的一種典型方法的流程圖。
圖5A表示用於平衡相電流的一種典型的相數倍增器的結構。
圖5B表示圖5A所示的相數倍增器中一種典型的相電流控制電路的結構。
圖5C表示一種系統時脈信號、典型產生的PWM信號以及相電流的時序圖。
圖6表示用於調節所產生的PWM信號的工作周期的流程圖，以便平衡相電流。
為了幫助理解，本案組織如下。首先，參照圖1簡要介紹具有示例性相數倍增器的功率轉換器，該相數倍增器配置根據即達脈衝寬度調製(pulse-width-modulated，PWM)信號而生成幾個交錯的PWM信號。其次，參考圖2-4，討論轉向示出了相數倍增器的體系結構的示例性實施例。然後，參照圖5A-5C，提出了進一步的解釋性討論，以解釋產生在交錯相之間具有平衡電流的PWM信號的電路。最後，參照圖6，呈現了進一步的解釋性討論，以解釋一種用於調製所生成的PWM信號的工作周期以便平衡相電流的方法。
直流到直流電壓轉換通常由開關模式穩壓器執行，也稱為電壓轉換器或負載點(Point of Load，POL)穩壓器/轉換器。一種稱為降壓或降壓調節器的直流到直流轉換器可以根據一個或多個負載設備的要求將較高的電壓(例如12V)轉換為較低的值。更一般地，電壓調節器和電流調節器通常被稱為功率轉換器，並且如本文中所使用的，術語功率轉換器意在包括這樣的設備。
圖1表示一種配有典型的相數倍增器的功率轉換器。在本例中，系統100包括一個功率負載系統105。功率負載系統105包括一個或多個交錯式電源110，配置在計算機105中，提供一個 或多個負載115。在一些示例中，可以將負載115指定為以有限的電壓擾動在輸入電壓下操作。電源110包括功率轉換器120。功率轉換器120調節供應到負載115中的電流和/或電壓。功率轉換器120被配置為動態地調製開關信號的頻率以實現快速的瞬態響應。更具體地，功率轉換器120包括控制到相關聯的功率開關的輸入端的脈衝寬度調製器(PWM)控制器125。在說明性示例中，PWM控制器125以fsw的頻率產生具有指令工作周期的一個或多個即達脈衝寬度調製信號(例如，PWMin)。功率轉換器120還包括相數倍增器135。參照圖2，功率轉換器120可以透過採用示例性的相數倍增器135來有利地支持平衡良好的大量相數，該示例性的相數倍增器135被配置為從來自PWM控制器125的單個PWMin信號中產生N-1相的信號(PWM2...PWMn)。
相數倍增器135接收即達脈衝寬度調製信號(例如，PWMin)，並基於PWMin信號生成N-1個脈衝寬度調製信號。生成的N-1個脈衝寬度調製信號與PWMin共享相同的頻率。N個脈衝寬度調製信號具有不同的相位。在所描繪的圖中，N個脈衝寬度調製信號之一可以具有與即達脈衝寬度調製信號PWMin相同的相位信息，N個脈衝寬度調製信號的其餘部分可以具有預定的，相對於即達脈衝寬度調製(PWM)信號PWMin的相移度。預定的相移度可以是(i-1)*360°/N。其中i是第i個生成的脈衝寬度調製信號。例如，相數倍增器可以輸出四個PWM信號PWM1、PWM2、PWM3和PWM4。四個PWM信號PWM1、PWM2、PWM3和PWM4 與即達脈寬調製信號PWMin具有相同的頻率。四個PWM信號PWM1、PWM2、PWM3和PWM4具有不同的相位信息。PWM1與PWMin可以具有相同的相位，相較於PWMin，PWM2可以具有90度的相移，相較於PWMin，PWM3可以具有180度的相移，而PWM4與PWMin相比可以具有270度的相移。
相數倍增器135可以將一個即達PWM信號(例如，PWMin)分成多個輸出PWM信號以支持高相數。透過引入相數倍增器135，儘管PWM控制器可以具有有限的PWM引腳數，但是N倍的PWM信號可以用於功率級以峰值效率進行操作。因此，例如，一個8相控制器以及八個4通道相數倍增器可用於支持多達32個相，這可允許同一個PWM控制器同時為中央處理器(CPU)和圖形處理單元(GPU)服務。
功率轉換器120還包括與相數倍增器135串聯連接的N個功率級145。N個功率級145中的每一個接收所生成的PWM信號之一，並將功率提供給負載電路150。在一些實施例中，N個功率級145中的每一個可以包括許多功率電晶體。功率轉換器可以切換一對功率電晶體以在電晶體的公共節點SW(未示出)處產生方波。可以使用負載電路150來平滑產生的方波，以產生期望的電壓Vout。在一些實施例中，N個功率級145中的每一個功率級都可以是智能功率級(Smart Power Stages，SPS)。SPS可以指具有集成高精度電流和溫度監測器的功率級，可以將信號反饋到PWM控制器125和/或相數倍增器135以完成一個多相直流到直流系統。
功率轉換器120還包括一個誤差放大器155。誤差放大器155接收輸出電壓信號Vout和參考電壓信號Vref以產生誤差信號verr。誤差信號可以由比例積分微分(Proportion Integration Differentiation，PID)濾波器160接收。PID濾波器160、PWM控制器125和相數倍增器135可以被配置為控制方波Vout的輸出的工作周期。
圖2描繪了示例性相數倍增器的結構。在該描繪的示例中，PWM控制器125生成同步時脈信號215。同步時脈信號215的頻率fsync可以是即達PWM信號PWMin的頻率fsw的幾倍。例如，同步時脈信號215的頻率可以是PWMin的頻率fsw的32倍或至少64倍或更多。相數倍增器135a接收同步時脈信號215和即達PWM信號PWMin，以輸出N個PWM信號(例如，PWM1、PWM2、PWM3和PWM4)。N個PWM功率信號由N個功率級145接收。在一些實施例中，N個功率級145可以是智能功率級。
相數倍增器135a包括頻率合成器210。頻率合成器210被配置為接收同步時脈信號215以生成系統時脈信號2181。系統時脈信號2181可以具有頻率fsys，該頻率fsys是即達PWM信號PWMin的頻率fsw的M倍。例如，系統時脈信號2181的頻率可以是PWMin的頻率fsw的32倍或至少64倍或更多。儘管在該描繪的示例中，頻率合成器210從PWM控制器125的SYNC引腳接收同步時脈信號215，但是在一些實施例中，頻率合成器210可以接收其他信號(例如，即達PWM信號PWMin)以生成系統時脈2181 和即達PWM信號PWMin的示例性時序圖在圖3中示出。
相數倍增器135還包括PWM信號產生器220a。PWM信號產生器220a接收系統時脈信號2181和即達PWM信號PWMin以產生N-1個PWM信號(例如，PWM2、PWM3和PWM4)。所產生的N-1個PWM信號中的每一個將被對應的SPS(例如，SPS1、SPS2、SPS3和SPS4)接收。即達PWM信號PWMin將直接用作第一個PWM信號PWM1。
配置為產生N-1個PWM信號的PWM信號產生器220a包括延遲模組225。延遲模組225接收即達PWM信號PWMin並複製即達PWM信號PWMin的脈衝寬度W。所複製的脈衝寬度W將由N-1片個PWM邏輯電路230接收。在一些實施例中，延遲模組225可以包括延遲鎖定回路(Delay-Locked Loop，DLL)以複製脈衝寬度W。
N-1片個PWM邏輯電路中的每個PWM邏輯電路230，都包括一個移相器235。移相器235接收系統時脈信號2181以產生相移時脈信號218i。每個相移時脈信號218i具有預定的偏移度。預定偏移度可以是(i-1)×360/N。其中i是第i個PWM信號PWMi，N是生成的PWM信號的總數。例如，當N=4時，相移時脈信號2182用於生成第二個PWM信號PWM2。與系統時脈信號2181相比，第二個PWM信號PWM2可具有90度相移。
延遲控制器245接收相移的時脈信號218i和即達信號PWMin的脈衝寬度W。延遲控制器245將響應於相移的時脈信號 218i和脈衝寬度W產生重置信號250。例如，相移時脈信號218i的上升沿可以觸發延遲控制器245以啟動延遲計時器。當延遲計時器到期時，延遲控制器245可以生成重置信號(例如，數字1)250。例如，脈衝寬度W可以具有系統時脈2181的2.5個時脈周期。因此，在系統的2.5個時脈周期之後時脈2181(例如，延遲計時器到期)，延遲控制器245產生邏輯高重置信號250。
每個PWM邏輯電路230還包括設定重置(SR)鎖存器255。相移時脈信號218i用於設定SR鎖存器255，並且重置信號250用於重置SR鎖存器255。SR鎖存器255響應於相移時脈信號218i和重置信號250而產生相應的PWM信號。相應產生的PWM信號的上升沿發生在相移時脈信號218i的上升沿。相應的生成的PWM信號的下降沿可能會響應延遲計時器到期而發生。
圖3描繪了由相數倍增器接收和生成的信號的示例性時序圖。在該示出的示例中，系統時脈信號2181的頻率fsys是即達PWM信號PWMin的頻率的32倍(例如，M=32)，並且相數倍增器135被配置為生成四個PWM信號(例如，N=4)。由移相器235產生的三個相移時脈信號(相移時脈2、3、4)具有與系統時脈信號2181相同的脈衝寬度，並且具有與即達PWM信號PWMin相同的頻率。三個相移的時脈信號中的每一個可以被移位預定相位。對於第i個相移時脈信號，相移度為(i-1)×360/N。由於即達PWM信號PWMin直接用作第一輸出PWM信號PWM1，因此相位產生器僅需要生成PWM2、PWM3和PWM4。因此，僅需要三個相移時 脈信號(例如218i)，即i
Figure 109111367-A0305-02-0014-2
2。如時序圖所示，第三相移時脈相對於第二相移時脈具有90度相移。第四相移時脈相對於第三相移時脈具有90度相移。重置時脈信號可由相應的相移時脈信號觸發，並在延遲定時器到期時終止。當發生相移時脈(例如，第二相移時脈)的上升沿時，可以觸發延遲定時器。延遲計時器可以設定為等於即達PWM信號PWMin的脈衝寬度W的相應時間段。重置時脈信號可以被初始化為0。當延遲定時器到期時，延遲控制器可以生成數位高重置信號(例如，數字1)。相應的相移時脈(例如，第二相移時脈信號)和相應的重置設定重置鎖存器(例如，SR鎖存器255)可以接收時脈信號(例如，第二重置時脈信號)以生成對應的PWM信號(例如PWM2)。產生的四個PWM信號與即達PWM信號PWMin具有相同的頻率。PWM1與PWMin具有相同的相位，與即達PWM信號PWMin相比，其餘所有生成的PWM信號都具有相應的預定相移。
圖4描繪了產生具有不同相位的多個PMW信號的示例性方法的流程圖。方法400包括在405處接收即達PWM信號PWMin，即達PWM信號PWMin的頻率為fsw。在410處，延遲模組(例如，延遲模組225)複製即達PWM信號PWMin的脈衝寬度W。在415處，複製的脈衝寬度W用於設定延遲計時器。延遲計時器的複製脈衝時間為W。
在420和425處，頻率合成器(例如，頻率合成器210)接收同步時脈信號(例如，同步時脈信號215)以生成系統時脈信 號(例如，系統時脈信號2181)。系統時脈信號的頻率fsys是即達PWM信號PWMin的頻率fsw的M倍。然後在430，N-1個移相器接收系統時脈信號2181。每個移相器接收系統時脈信號2181並生成具有預定的(i-1)*360/N，N
Figure 109111367-A0305-02-0015-3
i
Figure 109111367-A0305-02-0015-4
2的相應的相移時脈信號218i。在一些實施例中，頻率合成器210可以接收其他信號(例如，即達PWM信號PWMin)，以便產生系統時脈信號2181。
在435處，延遲控制器245繼續監視第i相時脈信號的上升沿是否發生。如果第i相時脈信號的上升沿發生，則延遲控制器245觸發延遲計時器，以對複製的脈衝的時間段上的W開始計數。在445處，延遲控制器245繼續監視延遲計時器是否到期。如果延遲計時器到期，則在450處，延遲控制器245產生數位高重置信號(例如，重置信號250)。SR鎖存器接收相應的相移時脈信號218i和重置信號250以生成第i個PWM信號PWMi。即達PWM信號PWMin直接用作第一PWM信號。遵循該方法，可以根據本文所述的各種實施例可控地產生N-1個PWM信號。
圖5A描繪了適於平衡相電流的示例性相數倍增器的結構。在此描繪的示例中，N個功率級145是智能功率級(例如，SPS1、SPS2、SPS3和SPS4)。相數倍增器135b產生N個PWM信號(例如，PWM1、PWM2、PWM3和PWM4)。N個智能功率級接收N個PWM信號。N個智能相級145中的每個智能功率級接收相應的PWM信號，並生成參照參考電壓VREFIN的相應的電流檢測器輸出信號IMONx。參考電壓VREFIN可以是由外部電源提供的直流 電壓。在該描繪的示例中，參考電壓VREFIN由PWM控制器125提供。
N個電流檢測器輸出信號IMONx(例如IMON1、IMON2、IMON3、IMON4)包括一個主電流檢測器輸出信號(例如IMON1)，其餘N個電流檢測器輸出信號IMONi(例如IMON2、IMON3、IMON4)是從屬電流檢測器的輸出信號。主電流檢測器輸出信號直接報告回PWM控制器125，以保持SPS報告的IMON的準確性。
所有電流檢測器輸出信號都返回到相數倍增器135。更具體地說，相數倍增器135還包括一個相電流控制電路(ISHARE)500。所有電流檢測器輸出信號IMONx都返回到ISHARE 500。可以計算出每個從機電流檢測器輸出信號IMONi和主電流檢測器輸出信號IMON1之間的差值。計算出來的差值505可以報告給PWM信號產生器220，以改變相應的PWM信號的工作周期。參考圖6進一步詳細描述用於微調相應的PWM信號的工作周期的示例性方法。
圖5B描繪了圖5A的相數倍增器中的示例性相電流控制電路的結構。相電流控制電路(ISHARE)500包括時序管理器510。時序管理器510由系統時脈信號2181觸發以生成選擇信號515。
ISHARE 500還包括第一四輸入多路複用器520。第一四輸入多路複用器520接收四個電流檢測器輸出信號(例如，IMON1、IMON2、IMON3和IMON4)。選擇信號315用於周期性地在四個電流檢測器輸出信號中選擇。所選電流檢測器輸出信號525由類比數位轉換器(ADC)530接收。對於低工作操作周期，下斜坡採樣窗口 較長。可以在系統時脈信號2181的上升沿和PWM信號低窗口期間對所選電流檢測器輸出信號525進行採樣。時序管理器510被配置為控制第一四輸入多路複用器520的時序。時序管理器510可以用於確保在切換到下一個電流檢測器輸出信號(例如IMON2)測量之前，ADC 530已經針對每個電流檢測器輸出信號(例如IMON1)完成了所需數量的採樣。在一些實施例中，可以以循環方式放置ADC 530。ADC 530針對每個相位收集M/N樣本。在該示例中，對於4相相數倍增器(N=4)，並且系統時脈信號2181是即達PWM信號PWMin的32倍(M=32)，則ADC 530每次可收集8個採樣從一個階段開始。在該描繪的示例中，為了採樣例如8個電流值，在下坡處採樣電流檢測器輸出信號IMONx。在一些實施例中，電流檢測器輸出信號IMONx可以在上坡處被採樣。
在該說明性示例中，ISHARE 500還包括第二個多路複用器540。第二個四輸入多路複用器540還由選擇信號515控制，以選擇性地輸出每個相位的採樣值。對於每個相位，採樣的8個電流值將由計算電路550接收。計算電路550計算移動平均電流IM-MONx(例如，IM-MON1、IM-MON2、IM-MON3、IM-MON4)。例如，對於第一電流檢測器輸出信號IMON1，ADC 530收集8個採樣，並將這8個採樣發送到計算電路550以生成第一移動平均電流IM-MON1。對於第二個電流檢測器輸出信號IMON2，ADC 530收集8個採樣並將這8個採樣發送到計算電路550以生成第二個移動平均電流IM-MON2。比較器電路560接收所計算的移動平均電流IM-MONx(例 如，IM-MON1、IM-MON2、IM-MON3、IM-MON4)。由於選擇了IMON1作為直接反饋到主電流檢測器的輸出信號在PWM控制器125中，比較器系統560將第一移動平均電流IM-MON1用作參考以計算相應的電流差。計算出的不同的電流可以用於調整N-1個PWM信號(例如，PWM2、PWM3、PWM4)的工作周期。在一些實施例中，由於ADC(例如，ADC 530)已經將類比數據轉換成數位數據，所以可以使用微控制器或狀態機來處理數位數據。因此，在數字域中，可以省略第二個多路複用器540。數位數據也可以與系統時脈信號210同步以進行精確計算。
例如，IM-MON1和IM-MON2被第二比較器5602接收。第二比較器5602計算IM-MON1和IM-MON2之間的差。PWM信號產生器220b接收計算出的差5052，以微調PWM2的工作周期。第三比較器5603計算IM-MON1和IM-MON3之間的差5053。計算出的差5053可用於微調PWM3的工作周期。第四比較器5604計算IM-MON1和IM-MON4之間的差5054。所計算的差值5054可用於微調PWM4的工作周期。
在一些實施例中，可以以其他方式來計算移動平均電流。例如，為了生成第一移動平均電流IM-MON1，計算電路550不是使用第一相電流檢測器輸出信號IMON1的全部8個採樣，而是可以被配置為拾取第四相電流檢測器輸出信號IMON4的前兩個採樣，並從第一相電流檢測器輸出信號IMON1的最後六個採樣中選出一個第一移動平均電流IM-MON1。在一些實施例中，計算電路550 可以被配置為拾取先前的第一相電流檢測器輸出信號IMON1'的前兩個採樣，並且拾取當前的第一相電流檢測器輸出信號IMON1的後六個採樣，以便生成第一移動平均電流IM-MON1。當使用來自兩個開關周期的IMON信號時，可以研究電感器電流移動模式。當偏差高時，可能是瞬態事件的結果。如果移動平均變化是在穩態還是在瞬態期間，則算法可以區分。因此，可以避免系統不穩定。
圖5C描繪了系統時脈信號，生成的脈衝寬度調製(PWM)信號和相電流的示例性時序圖。在該描繪的示例中，系統時脈信號2181的頻率是即達PWM信號PWMin的頻率fsw的32倍。生成的PWM1、PWM2、PWM3和PWM4與即達PWM信號PWMin具有相同的頻率。
由相應的SPS(例如，SPS1、SPS2、SPS3、SPS4)產生的相電流檢測器輸出信號IMON1、IMON2、IMON3、IMON4中的每個相電流輸出信號，都具有上斜率和下斜率。上斜率發生在相應的PWM信號的上升沿，而下斜率發生在相應的PWM信號的下降沿。每個相電流檢測器輸出信號IMON1、IMON2、IMON3、IMON4將在相時脈檢測器輸出信號的下斜率上的系統時脈信號2181的上升沿採樣，以獲得8個採樣。採樣值可以用於生成移動平均電流IM-MONx(例如，IM-MON1、IM-MON2、IM-MON3、IM-MON4)。
圖6表示用於調節所產生的PWM信號的工作周期，以便平衡相電流的示例性方法的流程圖。主電流檢測器輸出信號(例如IMON1)的移動平均電流(例如IM-MON1)與從站電流的監視輸出 信號(例如，IMON2、IMON3、IMON4)的移動平均電流(例如IMON2、IMON2、IMON2)之間的關係，由狀態機(例如，在延遲控制器245中)監控，以便動態地調節從機PWM信號(例如，PWM2、PWM3、PWM4)的工作周期。
在該詳細示例中，討論了方法600以微調第二PWM信號PWM2的工作周期。已經選擇第一相電流檢測器輸出信號IMON1作為主信號，以便發送回PWM控制器125。已經計算出第一相電流檢測器輸出信號IMON1的移動平均電流IM-MON1，並且第二相電流檢測器輸出信號IMON2的移動平均電流IM-MON2也已經計算，例如透過電路550進行了計算。比較器系統(例如，比較器系統560)計算IM-MON1和IM-MON2之間的差值(例如，差值5052)。延遲控制器245的狀態機可以用於基於5052來改變第二PWM信號PWM2的工作周期。
在605處，狀態機判定IM-MON1是否等於IM-MON2(例如，差值5052是否等於0)。如果IM-MON1=IM-MON2，則在610處，狀態機對第二PWM信號PWM2的工作周期(例如，脈衝寬度)不進行任何操作。
如果IM-MON1不等於IM-MON2，則在615處，狀態機確定IM-MON1是否大於IM-MON2。如果IM-MON1大於IM-MON2，則在620處，狀態機增加第二PWM信號PWM2的工作周期(例如，脈衝寬度)。例如，狀態機可以向延遲控制器中的延遲計時器添加微調延遲。
如果IM-MON1小於IM-MON2，則在625處，狀態機會减小第 二PWM信號PWM2的工作周期(例如，脈衝寬度)。例如，狀態機可以减少延遲控制器中延遲計時器的微調延遲。狀態機不斷監視IM-MON1和IM-MON2之間的關係，以動態調整第二個PWM信號PWM2的工作周期。因此，可以動態地調整每個從PWM信號的脈衝寬度，而不會損失相電流檢測器輸出信號IMON的精度。
儘管已經參考附圖描述了各種實施例，但是其他實施例也是可能的。實施例的一些方面可以被實現為計算機系統。例如，各種實施方式可以包括數位和/或類比電路、計算機硬體、韌體、軟體或其組合。可以在計算機程序產品中實現設備元件，該計算機程序產品有形地體現在信息載體中，例如在機器可讀儲存設備中，以由可編程處理器執行。可以透過執行指令程序以透過對輸入數據進行操作並生成輸出來執行各種程序的功能的可編程處理器，來執行本發明的方法和方法。一些實施例可以有利地在可編程系統上執行的一個或多個計算機程序中實現，該程序包括至少一個可編程處理器，該至少一個可編程處理器被耦合以從數據儲存系統接收數據和指令以及向數據儲存系統傳輸數據和指令，至少一個輸入設備和/或至少一個輸出設備。計算機程序是一組指令，可以在計算機中直接或間接使用它們來執行某些活動或帶來一定的結果。可以以任何形式的編程語言(包括編譯或解釋語言)編寫計算機程序，並且可以以任何形式進行部署，包括作為獨立程序或作為模組、組件、子例程或其他適合使用的單元在計算環境中。
作為示例，而非限制，用於執行指令程序的合適處理器包括通用微處理器和專用微處理器，其可以包括單個處理器或任何種類計算機的多個處理器之一。通常，處理器將從只讀儲存器或隨機存取儲存器或兩者接收指令和數據。計算機的基本要素是用於執行指令的處理器，以及用於儲存指令和數據的一個或多個儲存器。
在各種實施例中，計算機系統可以包括非暫時性儲存器。儲存器可以連接到一個或多個處理器，該一個或多個處理器可以被配置用於儲存數據和計算機可讀指令，包括處理器可執行程序指令。數據和計算機可讀指令可以被一個或多個處理器訪問。當由一個或多個處理器執行時，處理器可執行程序指令可以使一個或多個處理器執行各種操作。
可以使用包括各種電子硬體的電路來實現模組的各種示例。作為示例，而非限制，硬體可以包括電晶體、電阻器、電容器、開關、積體電路和/或其他模組。在各個示例中，模組可以包括在含有各種積體電路(例如，FPGA、ASIC)的矽基板上製造的類比和/或數位邏輯、離散組件、跡線和/或儲存電路。在一些實施例中，模組可以包括執行由處理器執行的預編程指令和/或軟體。例如，各種模組可能涉及硬體和軟體。
在一個示例性方面，一種系統包括脈寬調製(PWM)控制器，該控制器被配置根據輸出電壓信號和/或輸出電流信號而產生即達PWM信號PWMin，以提供給負載。該系統還包括配置根 據即達PWM信號PWMin生成用於N-1個功率級的N-1個PWM信號(PWM2、PWM3、PWM4)的相位乘法器，該相數倍增器包括一個延遲模組，其配置為接收即達PWM信號PWMin並複製即達PWM信號PWMin的脈衝寬度W。相數倍增器還包括N-1片(第2切片、…、第N切片)個PWM邏輯電路，用於接收脈衝寬度W和時脈信號以生成N-1個PWM信號(PWM2、…、PWMn)。N-1片個PWM邏輯電路中的每個第i片都包括移相器、延遲控制器和鎖存器。移相器被配置為生成具有預定度的移相時脈信號，該預定度等於(i-1)* 360/N，2
Figure 109111367-A0305-02-0023-5
i
Figure 109111367-A0305-02-0023-6
N。延遲控制器被配置為延遲脈衝寬度Win對相移時脈信號的響應。鎖存器被配置根據相移的時脈信號和延遲控制器的輸出信號而產生第i個PWM信號。
在一些實施例中，延遲模組可以包括延遲鎖定回路(DLL)。在一些實施例中，PWM控制器可以進一步被配置為生成與PWMin信號相關聯的同步時脈信號，該同步時脈信號將由相數倍增器接收。在一些實施例中，鎖存器進一步包括設定重置(SR)鎖存器，設定輸入被耦合以接收相移的時脈信號，並且設定輸入被耦合以接收延遲控制器的輸出信號。該輸出信號的上升沿可以發生在相移時脈信號的上升沿之後的W時段裏。
在一些實施例中，系統還可以包括N個功率級，N個功率級中的每個功率級可以具有耦合以提供公共輸出節點的輸出，並且N個功率級中的N-1個功率級耦合到PWM邏輯電路的N-1片中的相應一個片上。N-1個功率級中的每個功率級可以配置為根 據N-1個PWM信號(PWM2、…、PWMn)中相應一個的工作周期和相位進行操作。在一些實施例中，N個功率級中的一個功率級可以被耦合，以接收即達PWM信號PWMin。在一些實施例中，相數倍增器還可以包括頻率合成器，該頻率合成器被配置根據接收到同步時脈信號而生成時脈信號。時脈信號的頻率可以是即達PWM信號PWMin的頻率的32倍。同步時脈信號可以具有與即達PWM信號PWMin相同的頻率。在一些實施例中，N-1片(第2切片、…、第N切片)個PWM邏輯電路可以進一步被配置為接收相移的時脈信號，以生成N-1個PWM信號(PWM2、…、PWMn)。
在一些實施例中，系統還可包括N個功率級，其被配置為接收N個PWM信號並相應地產生N個電流檢測器輸出信號。PWM控制器可以接收第一功率級(SPS1)的第一電流檢測器輸出信號(IMON1)，PWM邏輯電路的(N-1)個切片中的每個切片還可以包括耦合一個相電流控制電路(ISHARE)，以便從N個功率級接收N個電流檢測器輸出信號。ISHARE可以被配置根據N個電流檢測器輸出信號而產生相應的微調信號(505i)，以調節N-1個PWM信號中的相應一個的脈衝寬度。在一些實施例中，ISHARE可以包括被配置為從N個智能功率級接收N個電流檢測器輸出信號的N輸入選擇電路。選擇信號可以被配置為以即達PWM信號PWMin的頻率的N倍的頻率選擇N個電流檢測器輸出信號之一。ISHARE還可以包括類比數位轉換器，該類比數位轉換器被配置為對所選擇的N個電流檢測器輸出信號中的每一個進行採樣和轉 換。ISHARE還可以包括計算電路，該計算電路被配置為生成與被採樣和轉換的N個電流檢測器輸出信號相對應的N個平均電流值。ISHARE還可以包括比較器系統，該比較器系統被配置為接收N個平均電流值，並在N個平均電流值之一與其他N-1個平均電流值中的每個之間產生N-1個電流差。N-1個電流差中的每一個都可以由相應的延遲控制器作為相應的微調信號接收，以調整N-1個PWM信號中相應一個的脈衝寬度。
在另一個示例性方面，一種配置為生成N-1個脈寬調製(PWM)信號的積體電路，包括(1)延遲模組，該延遲模組配置為接收即達PWM信號PWMin並複製即達PWM信號PWMin的脈衝寬度W，以及(2)配置N-1片(第2片、…、第N片)個PWM邏輯電路，以接收脈衝寬度W，以及一個時脈信號，以便生成N-1個PWM信號(PWM2、…、PWMn)。N-1片PWM邏輯電路中的第i片(2
Figure 109111367-A0305-02-0025-7
i
Figure 109111367-A0305-02-0025-8
N)包括(1)延遲控制器，配置根據時脈信號延遲脈衝寬度W；以及(2)鎖存器，配置根據時脈信號和延遲控制器的輸出信號，生成第i個PWM信號。
在一些實施例中，N-1片PWM邏輯電路中的第i片還可以包括移相器，該移相器被配置為接收系統時脈信號，並以預定義相位生成時脈信號，預定義相位等於(i-1)* 360/N，2
Figure 109111367-A0305-02-0025-9
i
Figure 109111367-A0305-02-0025-11
N。在一些實施例中，積體電路還可以包括頻率合成器，該頻率合成器被配置為接收同步時脈信號並生成系統時脈信號，該系統時脈信號可以具有頻率是即達PWM信號PWMin的頻率的32倍。在一 些實施例中，鎖存器可以進一步包括設定重置(SR)鎖存器，其中設定輸入被耦合以接收時脈信號，並且設定輸入被耦合以接收延遲控制器的輸出信號，該輸出信號的上升沿可以發生在時脈信號的上升沿之後的W時段內。在一些實施例中，延遲模組可以包括延遲鎖定回路(DLL)。
在另一個示例性方面，一種生成N-1個脈寬調製(PWM)信號的方法，包括：(1)透過延遲模組接收即達PWM信號PWMin，並複製即達PWM信號PWMin的脈衝寬度W，(2)透過N-1片(第2片、…、第N片)PWM邏輯電路接收脈衝寬度W和一個時脈信號以生成N-1個PWM信號(PWM2、…、PWMn)，(3)透過N-1個PWM邏輯電路片中的每一個的相應延遲控制器，響應於時脈信號，延遲脈衝寬度W，以及(4)透過N-1個PWM邏輯電路片中的每個鎖存器電路，響應時脈信號和延遲控制器的輸出信號，生成第i個PWM信號。
在一些實施例中，該方法還可以包括：接收系統時脈信號，並且由移相器生成具有預定相位的相移時脈信號以生成時脈信號，該預定義相位可以等於(i-1)* 360/N，2
Figure 109111367-A0305-02-0026-12
i
Figure 109111367-A0305-02-0026-13
N。在一些實施例中，該方法還可以包括：接收同步時脈信號，並且透過頻率合成器生成系統時脈信號，該系統時脈信號的頻率是即達PWM信號PWMin頻率的32倍。同步時脈信號可以具有與即達PWM信號PWMin相同的頻率。在一些實施例中，鎖存器還可以包括設定重置(SR)鎖存器，其中設定輸入耦合接收時脈信號，並且重置輸 入耦合接收延遲控制器的輸出信號，該輸出信號的上升沿可以發生在時脈信號的上升沿之後的W時段內。在一些實施例中，延遲模組可以包括延遲鎖定回路(DLL)。
本文已經描述了許多實施方式。然而，要理解的是，可以進行各種修改。例如，如果以不同的順序執行所公開的技術的步驟，或者如果以不同的方式組合所公開的系統的組件，或者如果該組件補充有其他組件，則可以實現有利的結果。因此，其他實施方式在所附發明申請專利範圍內。
105:功率負載系統
110:電源
115:負載
120:功率轉換器
125:控制器
135:相數倍增器
145:功率級
150:負載電路
155:誤差放大器
160:PID濾波器

Claims (20)

  1. 一種功率轉換器，包括：一個脈衝寬度調製(PWM)控制器，根據提供給負載的輸出電壓信號和/或輸出電流信號，配置產生一個即達PWM信號PWMin；一個相數倍增器，根據該即達PWM信號PWMin，配置為N-1個功率級產生N-1個PWM信號，其中該相數倍增器包括：一個延遲模組，配置接收該即達PWM信號PWMin，並且複製該即達PWM信號PWMin的脈衝寬度W；N-1片PWM邏輯電路，配置接收該脈衝寬度W以及時脈信號，以便產生該N-1個PWM信號，其中該N-1片PWM邏輯電路中的第i片包括：一個移相器，根據預定義的相位，配置產生一個移相時脈信號，其中預定義的相位等於(i-1)*360/N,2
    Figure 109111367-A0305-02-0030-14
    i
    Figure 109111367-A0305-02-0030-15
    N；一個延遲控制器，根據該移相時脈信號，配置延遲該脈衝寬度W；以及一個鎖存器，根據該移相時脈信號和該延遲控制器的一個輸出信號配置產生第i個PWM信號。
  2. 如請求項1所述的功率轉換器，其中該延遲模組包括一個延遲鎖相循環(DLL)。
  3. 如請求項1所述的功率轉換器，其中該PWM控制器還根據該相數倍增器要接收的該即達PWM信號PWMin，產生一個相關的同步時脈信號。
  4. 如請求項1所述的功率轉換器，其中該鎖存器還包括設定重置(SR)鎖存器，設定輸入耦合接收該相移時脈信號，而設定重置輸入耦合接收該延遲控制器的輸出信號，其中該輸出信號的上升沿發生在該移相時脈信號的上升沿之後的該脈衝寬度W時段。
  5. 如請求項1所述的功率轉換器，更包括N個功率級，該N個功率級中的每個功率級都耦合供應一個公共的輸出節點，N-1個功率級耦合到該N-1片PWM邏輯電路的中相應的一片，其中該N-1個功率級中的每個功率級都根據工作周期以及該N-1個PWM信號中相應的一個PWM信號的相位來運行。
  6. 如請求項5所述的功率轉換器，其中耦合該N個功率級中的一個功率級接收該即達PWM信號PWMin。
  7. 如請求項1所述的功率轉換器，其中該相數倍增器還包括：一個頻率同步器，以便根據接收同步時脈信號，配置產生該時脈信號，其中該時脈信號的頻率為該即達PWM信號PWMin的頻率的32倍。
  8. 如請求項7所述的功率轉換器，其中更配置該PWM邏輯電路的N-1片，用於接收該移相時脈信號，產生該N-1個PWM信號。
  9. 如請求項1所述的功率轉換器，更包括：N個功率級，接收N個PWM信號，並且相應地配置產生N個電流檢測器輸出信號，其中第一功率級的第一電流檢測器輸出信號由該PWM控制器接收，該N-1片PWM邏輯電路中的每一片還包括：一個相電流控制電路(ISHARE)，用於耦合接收來自該N個功率級的該N個電流檢測器輸出信號，其中配置ISHARE，根據該N個電流檢測器輸出信號產生相應的精調信號，從而調節N-1個PWM信號中對應的那個PWM信號的脈衝寬度。
  10. 如請求項9所述的功率轉換器，其中該ISHARE包括：一個N-輸入選擇電路，配置接收來自該N個功率級的該N個電流檢測器輸出信號，其中配置一個選擇信號，在該即達PWM信號PWMin頻率的N倍的頻率下，選擇其中一個N電流檢測器輸出信號；一個類比到數位轉換器，配置對所選的該N個電流檢測器輸出信號中的每一個輸出信號進行採樣和轉換；一個計算電路，根據採樣和轉換的該N個電流檢測器輸出信號，配置產生N個平均電流值；以及 一個比較系統，配置接收該N個平均電流值，產生該N個平均電流值中的一個和其他N-1個平均電流值中的每一個平均電流值之間的N-1個電流差值，其中該N-1個電流差值中的每一個電流差值都被相應的該延遲控制器接收，作為相應的精調信號，調節該N-1個PWM信號中相應的那個PWM信號的脈衝寬度。
  11. 一個相數倍增器，用於產生N-1個脈衝寬度調製(PWM)信號，包括：一個延遲模組，配置接收即達PWM信號PWMin，並複製該即達PWM信號PWMin的脈衝寬度W；N-1片PWM邏輯電路，配置用於接收該脈衝寬度W和時脈信號，產生N-1個PWM信號，其中該N-1片PWM邏輯電路中的第i片包括：一個延遲控制器，根據該時脈信號，配置延遲該脈衝寬度W；以及一個鎖存器，根據該時脈信號以及該延遲控制器的輸出信號，配置產生第i個PWM信號，2
    Figure 109111367-A0305-02-0033-16
    i
    Figure 109111367-A0305-02-0033-17
    N。
  12. 如請求項11所述的相數倍增器，其中該N-1片PWM邏輯電路中的第i片還包括：一個移相器，接收系統時脈信號，並產生帶有預定義相位的時脈信號，預定義相位等於(i-1)*360/N。
  13. 如請求項12所述的相數倍增器，還包括：一個頻率同步器，配置接收同步時脈信號並產生該系統時脈 信號，其中該系統時脈信號的頻率為該即達PWM信號PWMin頻率的32倍。
  14. 如請求項11所述的相數倍增器，其中該鎖存器還包括一個設定重置(SR)鎖存器，設定輸入端耦合接收該時脈信號，重置輸入端耦合接收該延遲控制器的輸出信號，其中該輸出信號的上升沿發生在該時脈信號上升沿之後的脈衝寬度W時間段內。
  15. 如請求項11所述的相數倍增器，其中該延遲模組包括一個延遲鎖定回路(DLL)。
  16. 一種用於產生N-1個脈衝寬度調製(PWM)信號的方法，該方法包括：由一個延遲模組接收即達PWM信號PWMin，並複製該即達PWM信號PWMin的脈衝寬度W；由N-1片PWM邏輯電路接收該脈衝寬度W和時脈信號，以便產生N-1個PWM信號；由該N-1片PWM邏輯電路中的每一片的鎖存器，根據該時脈信號和延遲控制器的輸出信號，產生第i個PWM信號，2
    Figure 109111367-A0305-02-0034-18
    i
    Figure 109111367-A0305-02-0034-19
    N。
  17. 如請求項16所述的方法，更包括：接收一個系統時脈信號，由移相器產生一個帶有預定義相位的移相時脈信號，其中預定義相位等於(i-1)*360/N。
  18. 如請求項16所述的方法，更包括：接收一個同步時脈信號，並由頻率同步器產生系統時脈信 號，其中該系統時脈信號的頻率為該即達PWM信號PWMin頻率的32倍。
  19. 如請求項16所述的方法，其中該鎖存器還包括一個設定重置(SR)鎖存器，耦合設定輸入端，接收該時脈信號，耦合重置輸入端，接收該延遲控制器的輸出信號，其中該輸出信號的上升沿發生在該時脈信號的上升沿之後的脈衝寬度W時間段內。
  20. 如請求項16所述的方法，其中該延遲模組包括一個延遲鎖定回路(DLL)。
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