專利名稱:用于兩級變換器的控制電路的制作方法
相關(guān)申請的交叉引用
本申請要求2005年11月28日申請的，題目為“用于兩級變換器的控制技術(shù)(CONTROL TECHNIQUE FOR 2 STAGECONVERTERS)”，序列號為60/740,008的美國臨時專利申請的利益和優(yōu)先權(quán)，因此其全部內(nèi)容結(jié)合在這里作為參考。
本申請還涉及2006年10月19日申請的，題目為“多輸出變換器和控制IC(MULTIPLE OUTPUT CONVERTER ANDCONTROL IC)”，序列號為11/551,054的美國專利中請，其要求2005年10月28日申請的，題目為“多輸出變換器控制IC”，序列號為60/731,206的美國臨時專利申請的利益，因此它們兩者的全部內(nèi)容都結(jié)合在這里作為參考。
背景技術(shù)：
多相交錯(interleaved)的降壓(buck)變換器通常被用作計算機母板中的電壓調(diào)節(jié)器。這些多相變換器通常包括幾個并聯(lián)連接的同步降壓變換器，其被移相。該多個變換器通常變換12V的輸入，以提供約1.3伏和至少100A給CPU插槽。
最近的和正在進行的增加CPU時鐘速度的趨勢，已經(jīng)依次導致CPU所需的電流的增加和CPU插槽的轉(zhuǎn)換速率需求的增加。同時，一般地，當電壓輸入從過去的約5V增加到上述通用的12V輸入時，CPU電壓需求降低。自然地，電壓調(diào)節(jié)器已經(jīng)隨時間發(fā)展了，以滿足這些變化的需要。即，已經(jīng)增加了附加的相，以允許提供附加的電流，并且已經(jīng)增加了附加的輸出電容器，以提供必需的轉(zhuǎn)換速率。另外，變換器的占空比已經(jīng)降低了。結(jié)果，該多個變換器已經(jīng)變得效率較低，并且需要更多的板空間，以容納上述附加的相和電容器。
這些問題的一種解決方法是使用兩級變換器，或其它多級變換器。在這種多級變換器中，一個單相或多相同步降壓變換器被提供在第一級，并與在第二級的多相同步降壓變換器串聯(lián)連接。該第一級通常逐步降低輸入電壓，并通常具有相對低的開關(guān)頻率，因此，相對有效。該第二級以這個較低的電壓作為輸入，并且其輸出提供給CPU插槽。該第二級通常在高頻切換。依據(jù)相對低的輸入母線電壓，這個較高頻率沒有造成問題，其中該相對低的輸入母線電壓是從第一級提供給第二級的。這個較低電壓的使用減少了較高頻率下第二級的切換損耗。第二級中的較高的切換頻率還允許在輸出端必需的濾波器的減少。因此，較小的電感器和輸出電容器的數(shù)目的減少導致元件數(shù)量、板空間和成本的節(jié)省。另外該高頻率適于增大的帶寬。
過去，這種多級變換器運行，其中第一級為閉環(huán)，而第二級使用附加的獨立閉環(huán)控制器。雖然這個解決方案提供了好的結(jié)果，但是它還需要使用兩個獨立控制IC。
因此，提供使用單個控制電路的多級電壓變換器是很有益的，尤其是用一個IC既控制變換器的第一級，又控制該變換器的第二級。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個目的是提供一種多級變換器，其提供更高效率，更低費用，并另外避免了上述問題。
根據(jù)本發(fā)明的實施例的多級電壓變換器包括第一級變換器，可操作以變換輸入電壓為第一輸出電壓；至少一個第二級變換器，可操作以接收來自該第一級變換器的第一輸出電壓，并提供第二輸出電壓；以及形成在單個封裝內(nèi)的控制電路，可操控第一級變換器和第二級變換器。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的多級電壓變換器包括第一級變換器，可操作以變換輸入電壓為第一輸出電壓；至少一個第二級變換器，可操作以接收來自該第一級變換器的第一輸出電壓，并提供第二輸出電壓；以及控制電路，可操作以控制第一級變換器和第二級變換器，其中該控制電路控制該第一級變換器，以使該第一級變換器的占空比保持恒定。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的多級電壓變換器包括第一級變換器，可操作以變換輸入電壓為第一輸出電壓；至少一個第二級變換器，可操作以接收來自該第一級變換器的第一輸出電壓，并提供第二輸出電壓；以及控制電路，可操作以控制第一級變換器和第二級變換器，其中該控制電路控制該第一級變換器，以使該第一級變換器的占空比跟隨第二級變換器的占空比。
從下面參考附圖的描述，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將變得顯而易見。
圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的用于多級電壓控制器的控制集成電路的例示 圖2是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的用于多級電壓控制器的控制集成電路的例示 圖3是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的用于多級電壓控制器的控制集成電路的例示 圖4是使用了根據(jù)本發(fā)明實施例的圖1的控制集成電路的多級變換器的例示 圖5是使用了根據(jù)本發(fā)明實施例的圖2的控制集成電路的多級變換器的例示 圖6是使用了根據(jù)本發(fā)明實施例的圖3的控制集成電路的多級變換器的例示 圖7例示了本發(fā)明實施例的多級輸出控制電路；
圖8例示了使用圖7的本發(fā)明實施例的控制電路的單級電壓變換器；
圖9例示了使用圖7的本發(fā)明實施例的控制電路的多級電壓變換器。
具體實施方式本發(fā)明的實施例的一種多級變換器，優(yōu)選包括在一個集成電路中的控制電路，其用于控制多級變換器的第一和第二級(和另外的級，如果配備的話)中的每一個。如上所述，通常以閉環(huán)方式控制這種多級變換器，通過為第一級變換器提供閉環(huán)控制器，并為第二級提供單獨的閉環(huán)控制器。然而，如上所述，這是效率不高的，因為它通常需要使用兩個控制IC。
圖1-3例示了本發(fā)明的控制IC的三個實例，其用于在一個集成電路中控制多級變換器的第一級和第二級。在圖1-3中例示的IC沒有使用通常與其結(jié)合使用的相關(guān)PWM和驅(qū)動電路。
圖1例示了控制IC 10，其使用了所謂的獨立/獨立(independent/independent)拓撲。如圖1可視，該IC 10包括用于兩級控制器的每一級的誤差信號放大器(EA)輸出12，14，并且還包括來自每級的反饋(FB)輸入16、18，還提供了用于該兩級的時鐘頻率輸出19、20。此外，偏置和參考信息可以提供給驅(qū)動電路，以通過該偏置和參考輸出22驅(qū)動第一級和第二級。此外，還示出了用于第一級的補償網(wǎng)絡(luò)200和用于第二級的補償網(wǎng)絡(luò)300。該級的補償網(wǎng)絡(luò)200接收第一級的第一輸出電壓VO1，并提供反饋信息給反饋輸入16。這個信息還被用來產(chǎn)生在第一誤差信號放大器輸出12提供的第一誤差信號放大器輸出信號。類似地，用于第二級的補償網(wǎng)絡(luò)300從變換器的第二級接收第二輸出電壓VO2，并提供反饋信息給第二反饋輸入18。這個信息還被用來產(chǎn)生來自第二誤差信號放大器輸出14的第二誤差信號放大器輸出信號。
圖2例示了控制集成電路10a的另一實例，其使用固定占空比/獨立拓撲來控制多級控制器的第一級和第二級。如圖2所示，該IC 10a包括用于第二級的單個誤差放大器輸出14a，和來自第二級的單個反饋輸入18a。第一級具有恒定占空比，因此沒有用于第一級的誤差信號放大器輸出或反饋。然而該控制IC 10a還包括分別用于第一級和第二級的兩個頻率輸出19a、20a。偏置和參考信息可以提供給驅(qū)動電路，以通過該偏置和參考輸出22a驅(qū)動第一和第二級。用于第二級的補償電路300a實質(zhì)上與上述補償電路300以同樣的方式運行。注意，在這個實施例中，用于第一級的補償電路不是必需的。
圖3例示了控制IC 10b的另一實例，其使用從屬/依附(Slave/Dependent)拓撲來控制多級變換器的兩級。該控制IC 10b提供單個誤差信號放大器輸出12b，其是既提供給第一級又提供給第二級的。該控制IC 10b還包括來自第二級的反饋輸入18b，和分別用于第一級和第二級的兩個頻率輸出19b，20b。偏置和參考信息可以提供給驅(qū)動電路，以通過該偏置和參考輸出22b驅(qū)動第一和第二級。補償電路300b以與上述補償電路300同樣的方式運行。同樣，在這個實施例中，沒有使用用于第一級的補償電路。
控制IC 10、10a和10b連接到第一級和第二級，以提供適當?shù)目刂菩盘枴Ｔ摽刂艻C優(yōu)選提供一個頻率輸出給第一和第二級中的每一個。這兩個頻率信號可以以不同的方式獲得。一種解決方案是提供兩個振蕩器，并因此確保這兩個頻率信號是相互獨立的。另一種解決方案是設(shè)置第一或第二級的切換頻率為另一級的切換頻率的倍數(shù)，這樣只需要一個振蕩器。
圖4-6例示了多級變換器的示意性實施例，其使用了三個單獨的控制IC 10、10a和10b。圖4例示了多級變換器100，其具有連接到第一級驅(qū)動器30的控制IC 10，和多個第二級驅(qū)動器40a、40b、40n。該驅(qū)動器30驅(qū)動第一級變換設(shè)備35，即開關(guān)Q1、Q2，以提供輸出電壓VO1。驅(qū)動器40a、40b、40n被類似地使用，以驅(qū)動第二級變換設(shè)備45a、45b、45n。如所示的，輸出電壓VO1，通過由電阻R1、R2形成的電阻分壓器，作為反饋信號被提供給控制IC 10。然而，應(yīng)注意，第一輸出電壓VO1不必需以這種方式提供。輸出電壓VO1被提供給第一級的補償網(wǎng)絡(luò)200，其依次連接到IC 10的反饋輸入16和誤差信號放大器輸出12，以及第一級驅(qū)動器IC 30的誤差信號放大器輸入32。這樣，第一級驅(qū)動器30基于閉環(huán)結(jié)構(gòu)被控制，該閉環(huán)結(jié)構(gòu)使用輸出電壓VO1調(diào)節(jié)提供給驅(qū)動器30的頻率和誤差信號。這種閉環(huán)系統(tǒng)在已有技術(shù)中是公知的，因此，這里不需要進一步詳細討論。
第二級的輸出電壓VO2被類似地連接到用于第二級的補償網(wǎng)絡(luò)300，該補償網(wǎng)絡(luò)300被依次連接到反饋輸入18。IC 10的誤差信號放大器輸出14連接到用于第二級的驅(qū)動器40a、40b、40n的誤差信號放大器輸入42a、42b、42n。這些驅(qū)動器被用來驅(qū)動變換設(shè)備45a、45b、45n，其提供第二輸出電壓VO2。注意，第一級的輸出電壓VO1被用作第二級變換設(shè)備45a、45b、45n的輸入。適當?shù)钠煤蛥⒖夹畔⑦€通過偏置和參考輸出22提供給驅(qū)動器30和驅(qū)動器40a-40n。這樣，第二級的驅(qū)動器40a、40b、40n被類似地控制，使用閉環(huán)結(jié)構(gòu)，以使輸出電壓VO2提供反饋以控制提供給驅(qū)動器40a-40n的誤差信號，從而控制第二級變換器。這樣，在圖4中，單個IC控制電路10被用來提供對電壓變換器100的第一和第二級閉環(huán)控制。注意，提供給第一級的閉環(huán)控制是獨立于提供給第二級的閉環(huán)控制的，因此這種方法被稱為獨立/獨立拓撲。
圖5例示了多級變換器100′的另一實施例，其使用控制IC 10a?？刂艻C 10a連接到驅(qū)動第一級變換設(shè)備35′的第一級驅(qū)動器30′和驅(qū)動第二級變換設(shè)備45a′、45b′、45n′的多個第二級驅(qū)動器40a′、40b′、40n′。在這個示例電路中，驅(qū)動器30′以恒定占空比運行。誤差信號放大器輸入32′連接到1C 10a的偏置和參考輸出22′，并且恒定時鐘頻率輸出被從控制IC 10a提供給驅(qū)動器30′。然而，第二級的輸出電壓VO2′，連接到用于第二級的補償網(wǎng)絡(luò)300′，補償網(wǎng)絡(luò)300′依次連接到反饋輸入18a。IC 10a的誤差信號放大器輸出14a連接到用于第二級的驅(qū)動器40a′、40b′、40n′的誤差信號放大器輸入42a′、42b′、42n′。偏置和參考信息還通過偏置和參考輸出22′提供給驅(qū)動器30′和驅(qū)動器40a′-40n′。這樣，圖5的電路提供單個集成電路控制器10a，其以恒定頻率和占空比控制第一級，并以閉環(huán)方式控制第二級。第一級變換設(shè)備35′被用來逐步降低到電壓VO1的輸入電壓，但是這個電壓VO1不需要被嚴格地控制。
圖6例示了多級變換器100″，其使用圖3的控制IC 10b，其連接到第一級驅(qū)動器30″，和多個第二級驅(qū)動器40a″、40b″、40n″。在這個實例電路中，第一級驅(qū)動器30″將與第二級驅(qū)動器40a″、40b″、40n″以同樣的占空比運行。第二級的輸出電壓VO2″作為反饋被提供給用于第二級的反饋網(wǎng)絡(luò)300″，其依次連接到反饋輸入18b。IC 10b的誤差信號放大器輸出14b被提供給用于第二級的驅(qū)動器40a″、40b″、40n″的誤差信號放大器輸入42a″、42b″、42n″，和驅(qū)動器30″的誤差信號放大器輸入。適當?shù)钠煤蛥⒖夹畔⑦€通過偏置和參考輸出22″提供給驅(qū)動器30″和驅(qū)動器40a″-40n″。這樣，在圖6的電路中，基于由第二級的閉環(huán)信息提供的信息來控制第一級變換器。即，誤差信號放大器輸出信號，被提供給驅(qū)動器30″的誤差信號輸入32″，同樣，基于來自第二級輸出電壓VO2的反饋，相同的誤差信號放大器輸出信號被提供給第二級驅(qū)動器的誤差信號輸入42a″，42b″42n″。
在圖4-6中，第一級被表示為給單個多相輸出供電。然而，可能配備具有多輸出的兩級變換器(或具有多輸出的單級變換器)。在這種情況下，第一級將提供母線電壓或輸入電壓給第二級變換器的輸入。然后，第二級的每個輸出將服務(wù)于它的特定系統(tǒng)的需要。
圖7例示了多輸出控制IC 70的概念。在圖7中，概括了IC的插針和它們的功能。圖7示出了N個輸入/輸出對(輸入1/輸出1，輸入2/輸出2...輸入N/輸出N)。在這種概括的表示中，每個輸入輸出對服務(wù)于一個“級”變換器的需要。這個“級”變換器可能是單相或多相變換器。該“級”輸入和輸出是很通用的，當它們可以用于單級變換器(如圖8所示)或多級變換器(如圖9所示)。
該多輸出控制IC的控制方法具有許多可能性。所有或一些該輸入/輸出對可以配置為使每“級”變換器以閉環(huán)運行，而其余的“級”變換器以固定占空比運行，或如上所述的從屬配置。在圖7-9中，概括了IC的控制能力和每“級”變換器的配置。
此外，注意，在圖7-9中，控制IC和驅(qū)動器沒有像圖4-6中那樣單獨示出。如果設(shè)計的細節(jié)建議其是需要的，這里描述的任何控制IC的驅(qū)動器和控制功能的集成都是可能的。提供具有多輸出電壓的電壓變換器的概念被詳細描述在2006年10月19日申請的，序列號為11/551054，題目為“多輸出變換器和控制IC(MULTIPLE OUTPUTCONVERTER AND CONTROL IC)”的美國專利申請中。根據(jù)這個系統(tǒng)，每個第二級變換設(shè)備的輸出可以被用來提供電能給不同的負荷或子系統(tǒng)。
本發(fā)明指出了另外的方法，以控制兩級變換器的第一級的運行。先前的方法公開了用閉環(huán)反饋控制兩級。然而，根據(jù)本發(fā)明，控制IC實施上述固定占空比和從屬配置所需的成本和芯片尺寸，將小于閉環(huán)控制器所需的成本和芯片尺寸。在減少控制IC周圍需要的無源元件的數(shù)量的同時，該固定占空比和該從屬配置都允許第一級的控制。
進一步，本發(fā)明的控制電路減少了必需的控制IC的數(shù)量，并因此簡化了設(shè)計。此外，本發(fā)明減少了整個芯片尺寸，因為可能使用比兩個傳統(tǒng)控制器芯片具有更小面積的更便宜的兩級控制器芯片。進一步，根據(jù)本發(fā)明，可能結(jié)合某種通用IC特征/功能，其可能另外被兩個IC復(fù)制。此外，如上所述，本發(fā)明允許圍繞控制IC的無源元件數(shù)量的減少，因為控制IC的數(shù)量已經(jīng)被減少，并且結(jié)合了通用特征和功能。此外，本發(fā)明允許板面積的減小，因為更少的IC和無源元件是必需的。進一步，注意，與固定占空比/獨立拓撲相比，從屬/獨立拓撲可以提供減少的母線電容。
此外，如上所述，本發(fā)明可應(yīng)用于多輸出控制IC。這些IC是非常通用的，它們允許設(shè)計者選擇單級或多級變換器配置、多相和傳統(tǒng)的單相運行，以及用于系統(tǒng)的多種控制拓撲。
雖然已經(jīng)關(guān)于其特定實施例描述了本發(fā)明，但是對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，許多其它變化和修改和其它使用將是顯而易見的。因此，優(yōu)選本發(fā)明不被這里的具體公開所限制，而只由所附權(quán)利要求
限制。
權(quán)利要求
1.一種多級電壓變換器，包括第一級變換器，可操作以變換輸入電壓為第一輸出電壓；至少一個第二級變換器，可操作以接收來自所述第一級變換器的所述第一輸出電壓，并提供第二輸出電壓；以及提供在單個插槽中的控制電路，可操作以控制所述第一級變換器和所述第二級變換器。
2.如權(quán)利要求
1所述的多級電壓變換器，其中所述控制電路被配置為提供第一時鐘頻率信號給所述第一級變換器，以設(shè)置所述第一級變換器的切換頻率，并提供第二時鐘頻率信號給所述至少一個第二級變換器，以設(shè)置所述至少一個第二級變換器的切換頻率。
3.如權(quán)利要求
2所述的多級電壓變換器，其中所述控制電路被配置為提供第一誤差信號放大器輸出信號給所述第一級變換器，以設(shè)置所述第一級變換器的占空比，并提供第二誤差信號放大器輸出信號給所述至少一個第二級變換器，以設(shè)置所述至少一個第二級變換器的占空比。
4.如權(quán)利要求
3所述的多級電壓變換器，其中所述控制電路被配置為提供偏置和參考信號給所述第一和第二級變換器，以設(shè)置用于所述第一級變換器和第二級變換器的偏置和參考值信息。
5.如權(quán)利要求
4所述的多級電壓變換器，進一步包括第二級反饋控制電路，其被配置為接收所述第二輸出電壓，并提供第二反饋輸入給所述控制電路，所述控制電路用于提供所述第二誤差信號放大器輸出信號。
6.如權(quán)利要求
5所述的多級電壓變換器，進一步包括第一級反饋控制電路，其被配置為接收所述第一輸出電壓，并提供第一反饋輸入給所述控制電路，所述控制電路用于提供所述第一誤差信號放大器輸出信號。
7.如權(quán)利要求
6所述的多級電壓變換器，其中所述第一級變換器的占空比由所述控制電路的第一誤差信號放大器輸出信號設(shè)置，并且所述第二級變換器的占空比基于所述第二誤差信號放大器輸出信號設(shè)置，其中所述第一誤差信號放大器輸出信號和第二誤差信號放大器輸出信號互相獨立。
8.如權(quán)利要求
5所述的多級電壓變換器，其中所述第一級變換器的占空比是基本恒定的，并且所述第二級變換器的占空比基于所述第二誤差信號放大器輸出信號設(shè)置。
9.如權(quán)利要求
5所述的多級電壓變換器，其中所述第一級變換器和所述第二級變換器的占空比由第二誤差信號放大器輸出信號設(shè)置，以使第一級變換器的占空比與第二級變換器的占空比大體相同。
10.如權(quán)利要求
9所述的多級電壓變換器，其中所述控制電路是單個集成電路。
11.如權(quán)利要求
7所述的多級電壓變換器，其中所述控制電路是單個集成電路。
12.如權(quán)利要求
7所述的多級電壓變換器，其中所述第二級變換器是多相變換器。
13.如權(quán)利要求
1所述的多級電壓變換器，其中所述第一級變換器是單相或多相變換器。
14.如權(quán)利要求
13所述的多級電壓變換器，其中所述第二級變換器是單相或多相變換器。
15.如權(quán)利要求
8所述的多級電壓變換器，其中所述第二級變換器是多相變換器。
16.如權(quán)利要求
9所述的多級電壓變換器，其中所述第二級變換器是多相變換器。
17.一種多級電壓變換器，包括第一級變換器，可操作以變換輸入電壓為第一輸出電壓；至少一個第二級變換器，可操作以接收來自所述第一級變換器的所述第一輸出電壓，并提供第二輸出電壓；以及控制電路，可操作以控制所述第一級變換器和所述第二級變換器，其中所述控制電路控制所述第一級變換器，以使所述第一級變換器的占空比保持恒定。
18.一種多級電壓變換器，包括第一級變換器，可操作以變換輸入電壓為第一輸出電壓；至少一個第二級變換器，可操作以接收來自所述第一級變換器的所述第一輸出電壓，并提供第二輸出電壓；以及控制電路，可操作以控制所述第一級變換器和所述第二級變換器，其中所述控制電路控制所述第一級變換器，以使所述第一級變換器的占空比跟隨所述第二級變換器的占空比。
專利摘要
一種根據(jù)本發(fā)明的實施例的多級電壓變換器，包括第一級變換器，其可操作以變換輸入電壓為第一輸出電壓；至少一個第二級變換器，其可操作以接收來自該第一級變換器的第一輸出電壓，并提供第二輸出電壓；以及控制電路，其可操作以控制所述第一級變換器和所述第二級變換器。該控制電路使用閉環(huán)反饋獨立控制第一級變換器和第二級變換器。可替換地，該控制電路可以控制第一級變換器，以第一級變換器具有恒定的占空比。在另一實施例中，該控制電路可以控制第一級變換器，以使第一級變換器具有跟隨第二級變換器占空比的占空比。
文檔編號H02M3/00GK1992486SQ200610064778
公開日2007年7月4日 申請日期2006年11月28日
發(fā)明者D·紐, G·許萊因 申請人:國際整流器公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan