專利名稱：多相開關(guān)變換器及其控制器的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型的實施例涉及電子電路，尤其涉及一種多相開關(guān)變換器及其控制器。
背景技術(shù)：
近年來，隨著一些高性能CPU的出現(xiàn)，需要輸出電壓更小、輸出電流更大的開關(guān)變換器，對開關(guān)變換器的熱性能、EMI及負載瞬態(tài)響應的要求也不斷提高。多相開關(guān)變換器以其優(yōu)越的性能，被廣泛應用于高性能CPU電源的解決方案。圖I為現(xiàn)有的恒定導通時間控制多相開關(guān)變換器100的框圖。多相開關(guān)變換器100包括N個開關(guān)電路101_1 101_N，其中N為大于2的整數(shù)。該N個開關(guān)電路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V0UT。控制器包括第一比較電路102和控制電路103。第一比較電路102耦接至開關(guān)電路101_1 101_N的輸出端以接收輸出電壓V0UT，并基于參考信號VREF和輸出電壓VOUT產(chǎn)生比較信號CMP0?？刂齐娐?03根據(jù) 比較信號CMPO產(chǎn)生N個控制信號CTRLl CTRLN，以控制N個開關(guān)電路的導通與關(guān)斷。一般地，當比較信號CMPO為高電平，指示輸出電壓VOUT小于參考信號VREF時，控制電路將相應開關(guān)電路導通。當開關(guān)電路的導通時長達到預設時長時，控制電路將相應開關(guān)電路關(guān)斷。在正常狀態(tài)下，多相開關(guān)變換器100工作于錯相模式，N個開關(guān)電路依次導通。當 檢測到負載增大時，多相開關(guān)變換器100進入疊相模式，N個開關(guān)電路被同時導通，從而為負載提供更大的電流。在疊相模式結(jié)束后，多相開關(guān)變換器100恢復至錯相模式，自第一相開關(guān)電路起將N個開關(guān)電路依次導通。圖2所示為現(xiàn)有的四相開關(guān)變換器的工作波形圖。當檢測到負載增大，四相開關(guān)變換器進入疊相模式，四個開關(guān)電路被同時導通。由圖2可知，在四相開關(guān)變換器進入疊相模式前，第一相開關(guān)電路的相電流(即單相輸出電流)il最大。由于四相開關(guān)變換器在疊相模式結(jié)束后再次導通第一相開關(guān)電路，使得第一相開關(guān)電路的電流il持續(xù)上升，從而導致各相開關(guān)電路的電流不平衡。

實用新型內(nèi)容根據(jù)本實用新型實施例的一種用于多相開關(guān)變換器的控制器，該多相開關(guān)變換器包括N個開關(guān)電路，該N個開關(guān)電路的輸出端耦接在一起為負載提供輸出電壓，該控制器耦接至該N個開關(guān)電路，產(chǎn)生N個控制信號以控制N個開關(guān)電路依次導通，其特征在于控制器在檢測到負載增大時工作于疊相模式，將當前開關(guān)電路之后的至少兩相開關(guān)電路同時導通；控制器在疊相模式結(jié)束后，自所述至少兩相開關(guān)電路之后的下一相開關(guān)電路起將N個開關(guān)電路依次導通。在一個實施例中，控制器將輸出電壓與多個閾值電壓進行比較以產(chǎn)生多個負載指示信號，并基于該多個負載指示信號判斷負載是否增大，以及在負載增大時疊相模式下同時導通的開關(guān)電路的數(shù)量。在一個實施例中，該控制器包括第一比較電路，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N個開關(guān)電路的輸出端以接收輸出電壓，第二輸入端接收參考信號，第一比較電路基于參考信號和輸出電壓，在輸出端產(chǎn)生比較信號；以及控制電路，具有輸入端和N個輸出端，其中輸入端耦接至第一比較電路的輸出端以接收比較信號，控制電路基于比較信號在N個輸出端產(chǎn)生N個控制信號。在一個實施例中，控制電路根據(jù)比較信號在當前開關(guān)電路的最小關(guān)斷時長內(nèi)的狀態(tài)來判斷負載是否增大，若檢測到負載增大，則將N個開關(guān)電路同時導通。在一個實施例中，該控制器還包括多個比較電路，其中每 個比較電路均具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端,其中第一輸入端稱接至閾值電壓，第二輸入端稱接至N個開關(guān)電路的輸出端以接收輸出電壓，輸出端提供負載指示信號；其中控制電路包括疊相控制電路，具有多個輸入端和N個輸出端，其中多個輸入端分別耦接至多個比較電路的輸出端以接收負載指示信號，疊相控制電路基于該多個負載指示信號在N個輸出端產(chǎn)生N個疊相信號；分頻電路，具有輸入端和N個輸出端，其中輸入端耦接至第一比較電路以接收比較信號，分頻電路根據(jù)比較信號在N個輸出端產(chǎn)生N個分頻信號；N個門電路，每個門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，第二輸入端耦接至疊相控制電路的相應輸出端以接收疊相信號，輸出端提供置位信號；以及N個子控制電路，每個子控制電路均具有輸入端和輸出端，其中輸入端耦接至相應門電路的輸出端以接收置位信號，輸出端耦接至相應開關(guān)電路以提供控制信號。在一個實施例中，該控制器還包括斜坡補償電路，產(chǎn)生斜坡補償信號；其中斜坡補償信號被疊加至代表輸出電壓的反饋信號，或從參考信號中被減去。根據(jù)本實用新型實施例的一種多相開關(guān)變換器，其特征在于，包括如前所述的控制器。根據(jù)本實用新型的實施例，在疊相模式結(jié)束后，控制器自在疊相模式中被導通的至少兩相開關(guān)電路的下一相開關(guān)電路起將N個開關(guān)電路依次導通，可有效防止單相電流不斷增大，保證了各相開關(guān)電路間的電流平衡。

圖I為現(xiàn)有的多相開關(guān)變換器100的框圖；圖2為現(xiàn)有的四相開關(guān)變換器的工作波形圖；圖3是根據(jù)本實用新型一實施例的四相開關(guān)變換器的工作波形圖；圖4為根據(jù)本實用新型一實施例的多相開關(guān)變換器400的框圖；圖5是根據(jù)本實用新型一實施例的四相開關(guān)變換器的工作波形圖；圖6是根據(jù)本實用新型另一實施例的四相開關(guān)變換器的工作波形圖；圖7是根據(jù)本實用新型又一實施例的四相開關(guān)變換器的工作波形圖；圖8為根據(jù)本實用新型一實施例的圖4所示控制電路403的電路原理圖；圖9為根據(jù)本實用新型一實施例的圖8所示子控制電路的電路原理圖。
具體實施方式
下面將詳細描述本實用新型的具體實施例，應當注意，這里描述的實施例只用于舉例說明，并不用于限制本實用新型。在以下描述中，為了提供對本實用新型的透徹理解，闡述了大量特定細節(jié)。然而，對于本領域普通技術(shù)人員顯而易見的是，不必采用這些特定細節(jié)來實行本實用新型。在其他實例中，為了避免混淆本實用新型，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(jié)合該實施例或示例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性被包含在本實用新型至少一個實施例中。因此，在整個說明書的各個地方出現(xiàn)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?shù)慕M合和/或子組合將特定的特征、結(jié)構(gòu)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(shù)人員應當理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，并且附圖不一定是按比例繪制的。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。這里使用的術(shù)語“和/或”包括一個或多個相關(guān)列出的項目的任何和所有組合。本實用新型實施例提供的一種多相開關(guān)變換器，在檢測到負載增大時工作于疊相模式，將當前開關(guān)電路之后的至少兩相開關(guān)電路同時導通；在疊相模式結(jié)束后恢復至錯相·模式，自所述至少兩相開關(guān)電路之后的下一相開關(guān)電路起將多個開關(guān)電路依次導通。以下主要使用類似于圖I所示的恒定導通時間控制的多相開關(guān)變換器為例來描述根據(jù)本實用新型教導的各實施例。但本領域技術(shù)人員可知，本實用新型的教導可應用于任何采用其他控制方式的多相開關(guān)變換器。圖3是根據(jù)本實用新型一實施例的四相開關(guān)變換器的工作波形圖。當檢測到負載增大時，四相開關(guān)變換器進入疊相模式，四個開關(guān)電路被全部導通。由圖3可知，在四相開關(guān)變換器進入疊相模式前，第一相開關(guān)電路的電流il最大。在疊相模式結(jié)束后，四相開關(guān)變換器并非自第一相開關(guān)電路，而是自第二相開關(guān)電路起將四個開關(guān)電路依次導通。由于四相開關(guān)變換器在疊相模式結(jié)束后導通第二相開關(guān)電路而非第一相開關(guān)電路，避免了第一相開關(guān)電路的電流il上升至過大，從而保證了各相開關(guān)電路間的電流平衡。類似地，在N相開關(guān)變換器中，當檢測到負載增大時，N相開關(guān)變換器進入疊相模
式，N個開關(guān)電路被全部導通。若進入疊相模式前第m相開關(guān)電路(m= 1，2，......，N)的
電流最大，則在疊相模式結(jié)束后，N相開關(guān)變換器自第m相開關(guān)電路的下一相開關(guān)電路(例如第m+1相開關(guān)電路)起將N個開關(guān)電路依次導通。這樣就避免了第m相開關(guān)電路的電流上升至過大，從而保證各相開關(guān)電路間的電流平衡。在一個實施例中，可根據(jù)比較信號CMPO在當前開關(guān)電路的最小關(guān)斷時長內(nèi)的狀態(tài)來判斷負載是否增大。例如，若比較信號CMPO在當前開關(guān)電路的最小關(guān)斷時長內(nèi)為高電平(指示輸出電壓VOUT小于參考信號VREF)，則視為檢測到負載增大，多相開關(guān)變換器進入疊相模式，將所有開關(guān)電路同時導通。在一些實施例中，多相開變換器在疊相模式下并不是將所有開關(guān)電路全部導通，而是根據(jù)負載情況決定同時導通的開關(guān)電路的數(shù)目。在一個實施例中，多相開關(guān)變換器將輸出電壓VOUT與多個閾值電壓進行比較以產(chǎn)生多個負載指不信號。多相開關(guān)變換器基于該多個負載指示信號判斷負載是否增大，以及在負載增大時疊相模式下同時導通的開關(guān)電路的數(shù)量。[0030]圖4是根據(jù)本實用新型一實施例的多相開關(guān)變換器400的框圖。與圖I所示多相開關(guān)變換器100相比，多相開關(guān)變換器400的控制器還包括M個比較電路404_1 404_M，其中M可為任何小于或等于N-I的正整數(shù)。每個比較電路404_j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閾值電壓VTHj，第二輸入端耦接N個開關(guān)電路的
輸出端以接收輸出電壓V0UT，輸出端提供負載指示信號LISj，其中j = 1，2，......，M。控
制電路403耦接至比較電路404_1 404_M的輸出端以接收負載指示信號LISl LISM，并基于該多個負載指示信號判斷負載是否增大，以及在負載增大時疊相模式下同時導通的開關(guān)電路的數(shù)量。 在一個實施例中，VREF > VTHl > VTH2 >......> VTHM且M = N-1。若輸出電壓
VOUT小于VTHl，則控制電路403檢測到負載增大。若輸出電壓VOUT小于VTHl而大于VTH2，控制電路403將兩個開關(guān)電路同時導通。若輸出電壓VOUT小于VTH2而大于VTH3，控制電 路403將三個開關(guān)電路同時導通。同理，若輸出電壓VOUT小于VTH(N-2)而大于VTH(N-I)，控制電路403將N-I個開關(guān)電路同時導通。若輸出電壓VOUT小于VTH(N-I)，控制電路403將N個開關(guān)電路同時導通。開關(guān)電路401_1 401_N可采用任何直流/直流或交流/直流變換拓撲結(jié)構(gòu)，例如同步或非同步的升壓、降壓變換器，以及正激、反激變換器等等。開關(guān)電路401_1 401_N*的開關(guān)管可以為任何可控半導體開關(guān)器件，例如金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等。在一個實施例中，多相開關(guān)變換器400還包括反饋電路405。該反饋電路具有輸入端和輸出端，其中輸入端耦接至開關(guān)電路401_1 401_N的輸出端以接收輸出電壓V0UT，輸出端耦接至第一比較電路402以及比較電路404_1 404_M以提供代表輸出電壓VOUT的反饋信號VFB。在一個實施例中，為了防止在輸出電壓VOUT上產(chǎn)生次諧波振蕩，控制器還包括產(chǎn)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或反饋信號VFB，也可從參考信號VREF和閾值電壓VTHl VTHM中被減去。圖5是根據(jù)本實用新型一實施例的四相開關(guān)變換器的工作波形圖。如圖所示，在第一相開關(guān)電路被導通之后，四相開關(guān)變換器檢測到負載增大時并進入疊相模式。由于此時輸出電壓VOUT小于VTHl而大于VTH2,第二相和第三相開關(guān)電路被同時導通。在疊相模式結(jié)束后，四相開關(guān)變換器自第二相和第三相開關(guān)電路之后的第四相開關(guān)電路起，將四個開關(guān)電路依次導通。由圖5可知，在進入疊相模式前第一相開關(guān)電路的電流il最大，但其并未在疊相模式中和疊相模式之后持續(xù)增大，各相開關(guān)電路的電流得到了平衡。圖6是根據(jù)本實用新型另一實施例的四相開關(guān)變換器的工作波形圖。如圖所示，在第一相開關(guān)電路被導通之后，四相開關(guān)變換器檢測到負載增大時并進入疊相模式。由于此時輸出電壓VOUT小于VTH2而大于VTH3,第二相、第三相和第四相開關(guān)電路被同時導通。在疊相模式結(jié)束后，四相開關(guān)變換器自第二相、第三相和第四相開關(guān)電路之后的第一相開關(guān)電路起，將四個開關(guān)電路依次導通。由圖6可知，在進入疊相模式前第一相開關(guān)電路的電流il最大，但其并未在疊相模式中和疊相模式之后持續(xù)增大，各相開關(guān)電路的電流得到了平衡。圖7是根據(jù)本實用新型又一實施例的四相開關(guān)變換器的工作波形圖。如圖所示，在第一相開關(guān)電路被導通之后，四相開關(guān)變換器檢測到負載增大時并進入疊相模式。由于此時輸出電壓VOUT小于VTHl而大于VTH2，第二相和第三相開關(guān)電路被同時導通。在疊相模式結(jié)束之前，輸出電壓VOUT減小至小于VTH3，因而四相開關(guān)變換器將第四相和第一相開關(guān)電路觸發(fā)導通。在疊相模式結(jié)束后，四相開關(guān)變換器自第二相、第三相、第四相和第一相開關(guān)電路之后的第二相開關(guān)電路起，將四個開關(guān)電路依次導通。由圖7可知，在進入疊相模式前第一相開關(guān)電路的電流il最大，但其并未在疊相模式中和疊相模式之后持續(xù)增大，各相開關(guān)電路的電流得到了平衡。圖8為根據(jù)本實用新型一實施例的圖4所示控制電路403的電路原理圖。控制電路403包括分頻電路806、門電路807_1 807_N、子控制電路808_1 808_N以及疊相控制電路809。其中疊相控制電路809具有M個輸入端和N個輸出端，其中M個輸入端分別接收負載指示信號LISl LISM，疊相控制電路809基于該M個負載指示信號在N個輸出端產(chǎn)生N個疊相信號OVLPl 0VLPN。分頻電路806具有輸入端和N個輸出端，其中輸入端接收比較信號CMP0，分頻電路806根據(jù)該比較信號CMPO在N個輸出端產(chǎn)生N個分頻信號DIVl DIVN。每個門電路807_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I禹接至分頻電路806的相應輸出端以接收分頻信號DIVi，第二輸入端耦接至疊相控制電路809的
相應輸出端以接收疊相信號OVLPi，輸出端提供置位信號SETi，其中i = 1,2,......，N。每
個子控制電路808」均具有輸入端和輸出端，其中輸入端耦接至門電路807」的輸出端以接收置位信號SETi，輸出端耦接至相應開關(guān)電路以提供控制信號CTRLi。在一個實施例中，門電路807_1 807_N均為或門，疊相控制電路809通過將相應疊相信號設置為高電平，以將相應開關(guān)電路同時導通。圖9為根據(jù)本實用新型一實施例的圖8所示子控制電路的電路原理圖。子控制電路808」包括導通時長控制電路910、門電路912、邏輯電路914以及最小關(guān)斷時長控制電路916。導通時長控制電路910產(chǎn)生控制開關(guān)電路導通時長的導通時長控制信號COTi。開關(guān)電路的導通時長可被設置為恒定值，或與輸入電壓VIN和/或輸出電壓VOUT有關(guān)的可變值。最小關(guān)斷時長控制電路916產(chǎn)生控制開關(guān)電路最小關(guān)斷時長的最小關(guān)斷時長控制信號OFFMINi。門電路912接收置位信號SETi和最小關(guān)斷時長控制信號OFFMINi，并基于這兩個信號產(chǎn)生邏輯輸出信號。邏輯電路914耦接至門電路912和導通時長控制電路910以接收邏輯輸出信號和導通時長控制信號COTi，并基于這兩個信號產(chǎn)生控制信號CTRLi。在一個實施例中，門電路912包括與門，而邏輯電路914包括RS觸發(fā)器。雖然已參照幾個典型實施例描述了本實用新型，但應當理解，所用的術(shù)語是說明和示例性、而非限制性的術(shù)語。由于本實用新型能夠以多種形式具體實施而不脫離實用新型的精神或?qū)嵸|(zhì)，所以應當理解，上述實施例不限于任何前述的細節(jié)，而應在隨附權(quán)利要求所限定的精神和范圍內(nèi)廣泛地解釋，因此落入權(quán)利要求或其等效范圍內(nèi)的全部變化和改型都應為隨附權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求1.一種用于多相開關(guān)變換器的控制器，該多相開關(guān)變換器包括N個開關(guān)電路，該N個開關(guān)電路的輸出端耦接在一起為負載提供輸出電壓，該控制器耦接至該N個開關(guān)電路，產(chǎn)生N個控制信號以控制N個開關(guān)電路依次導通，其特征在于 控制器在檢測到負載增大時工作于疊相模式，將當前開關(guān)電路之后的至少兩相開關(guān)電路同時導通；控制器在疊相模式結(jié)束后，自所述至少兩相開關(guān)電路之后的下一相開關(guān)電路起將N個開關(guān)電路依次導通。
2.如權(quán)利要求I所述的控制器，其特征在于，控制器將輸出電壓與多個閾值電壓進行比較以產(chǎn)生多個負載指示信號，并基于該多個負載指示信號判斷負載是否增大，以及在負載增大時疊相模式下同時導通的開關(guān)電路的數(shù)量。
3.如權(quán)利要求I所述的控制器，其特征在于，包括 第一比較電路，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端稱接至N個開關(guān)電路的輸出端以接收輸出電壓，第二輸入端接收參考信號，第一比較電路基于參考信號和輸出電壓，在輸出端產(chǎn)生比較信號；以及 控制電路，具有輸入端和N個輸出端，其中輸入端耦接至第一比較電路的輸出端以接收比較信號，控制電路基于比較信號在N個輸出端產(chǎn)生N個控制信號。
4.如權(quán)利要求3所述的控制器，其特征在于，控制電路根據(jù)比較信號在當前開關(guān)電路的最小關(guān)斷時長內(nèi)的狀態(tài)來判斷負載是否增大，若檢測到負載增大，則將N個開關(guān)電路同時導通。
5.如權(quán)利要求3所述的控制器，其特征在于，還包括 多個比較電路，其中每個比較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閾值電壓，第二輸入端耦接至N個開關(guān)電路的輸出端以接收輸出電壓，輸出端提供負載指示信號； 其中控制電路包括 疊相控制電路，具有多個輸入端和N個輸出端，其中多個輸入端分別耦接至多個比較電路的輸出端以接收負載指示信號，疊相控制電路基于該多個負載指示信號在N個輸出端產(chǎn)生N個疊相信號； 分頻電路，具有輸入端和N個輸出端，其中輸入端耦接至第一比較電路以接收比較信號，分頻電路根據(jù)比較信號在N個輸出端產(chǎn)生N個分頻信號； N個門電路,每個門電路均具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端率禹接至分頻電路的相應輸出端以接收分頻信號，第二輸入端耦接至疊相控制電路的相應輸出端以接收疊相信號，輸出端提供置位信號；以及 N個子控制電路，每個子控制電路均具有輸入端和輸出端，其中輸入端耦接至相應門電路的輸出端以接收置位信號，輸出端耦接至相應開關(guān)電路以提供控制信號。
6.如權(quán)利要求3所述的控制器，其特征在于，還包括 斜坡補償電路，產(chǎn)生斜坡補償信號； 其中斜坡補償信號被疊加至代表輸出電壓的反饋信號，或從參考信號中被減去。
7.一種多相開關(guān)變換器，其特征在于，包括如權(quán)利要求I至6中任一項所述的控制器。
專利摘要公開了多相開關(guān)變換器及其控制器，該多相開關(guān)變換器包括N個開關(guān)電路，該N個開關(guān)電路的輸出端耦接在一起為負載提供輸出電壓。該控制器產(chǎn)生N個控制信號，以控制N個開關(guān)電路依次導通。其中當檢測到負載增大時，控制器工作于疊相模式，將當前開關(guān)電路之后的至少兩相開關(guān)電路同時導通；在疊相模式結(jié)束后，控制器恢復至錯相模式，自所述至少兩相開關(guān)電路之后的下一相開關(guān)電路起將N個開關(guān)電路依次導通。
文檔編號H02M1/08GK202565153SQ20122022433
公開日2012年11月28日 申請日期2012年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月18日
發(fā)明者歐陽茜, 姜禮節(jié), 吳小康, 張波, 羅蘇華 申請人:成都芯源系統(tǒng)有限公司