專利名稱：非對稱多相直流至直流功率轉(zhuǎn)換器的制作方法
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及直流電源系統(tǒng)及其子系統(tǒng)，尤其涉及一種新式及改良式多相直流至直流轉(zhuǎn)換器架構(gòu)，其中各不同信道具有不同的操作性能參數(shù)，以便使該轉(zhuǎn)換器可達(dá)成較大范圍的高效率。
技術(shù)背景選擇一直流至直流轉(zhuǎn)換器中的電感器電感值涉及該轉(zhuǎn)換器響應(yīng)時間及其效率之間的權(quán)衡考量。相對于大電感值的電感器而言，使用小電感值的電感器可使該轉(zhuǎn)換器以更快的速度傳送電流。一小電感值通常需要相對較高的切換頻率，以助于限制峰值至峰值波紋電流。另一方面，由于均方根電流的增加以及切換損失，轉(zhuǎn)換器的效率隨著電感值降低而降低。

發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明，通過使用一多相直流至直流轉(zhuǎn)換器架構(gòu)，可使性能(響應(yīng)時間或速度)及效率(輸出功率/輸入功率)之間的權(quán)衡成為最佳狀況，其中各不同信道具有不同的操作性能參數(shù)。這些不同的參數(shù)被加以選擇，以使該轉(zhuǎn)換器可達(dá)成較大范圍的高效率。特別的是，本發(fā)明使用了一或更多個快速響應(yīng)時間轉(zhuǎn)換器信道以及一或更多個高效率轉(zhuǎn)換器信道的組合，并組合了所有信道的輸出。
如將于以下所說明的，根據(jù)本發(fā)明的該非對稱多相直流至直流轉(zhuǎn)換器可設(shè)置成用于著重(使用)高效率信道，以適于輕負(fù)載條件(例如，達(dá)12至15安培的等級)，其中該高效率信道用于提供100％的漏電流。如此可允許該轉(zhuǎn)換器使筆記型計算機電源應(yīng)用的電池壽命加長，并減少桌上型計算機應(yīng)用的熱負(fù)荷(發(fā)熱)，該應(yīng)用使用了其大部份操作時間于漏電流模式。由于該高效率信道用于供應(yīng)100％的漏電流，其余的快速響應(yīng)時間信道被用于處理高負(fù)載電流狀況。在兩個快速響應(yīng)時間信道的實施例中，這些等快速信道中的每一個信道都受控制，以便處理該高負(fù)載電流需求的一半。
附圖概述

圖1表示根據(jù)本發(fā)明的非對稱多相直流轉(zhuǎn)換器的實施例。
圖2是為關(guān)于圖1的非對稱直流轉(zhuǎn)換器架構(gòu)的操作的一組瞬時響應(yīng)時序圖。
圖3是常規(guī)多相轉(zhuǎn)換器的效率和本發(fā)明的不對稱多相實施例的效率的圖表比較，其中該常規(guī)多相轉(zhuǎn)換器的所有信道以相同方式設(shè)置并為相等的負(fù)載分配。
具體實施方式在詳細(xì)說明本發(fā)明的該新穎及改良式非對稱多相直流轉(zhuǎn)換器架構(gòu)之前，必須注意的是，本發(fā)明主要屬于常規(guī)直流電源電路及組件的模塊化配置以及控制這些電路及組件操作的控制電路。在一實施例中，這些模塊化配置可輕易地被架構(gòu)成場可程序門陣列(FPGA)實施方式及特殊應(yīng)用集成電路(ASIC)芯片組。
因此，這種電路及組件的配置以及其與受電設(shè)備(例如一微處理器)對接的方式已大部份表示于圖式中易于了解的區(qū)塊圖及時序圖中(其僅為顯示與本發(fā)明相關(guān)的特殊細(xì)節(jié))，以致可揭露為熟悉本項技術(shù)人士所易于了解的揭示細(xì)節(jié)。因此，該區(qū)塊圖的說明主要在于以簡便的功能性群組來表示本發(fā)明的主要組件，藉此本發(fā)明便可較容易了解。
參考圖1，圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的非對稱多相直流轉(zhuǎn)換器的實施例，其包含多個脈寬調(diào)制器的轉(zhuǎn)換器信道，其中的3個以10-1、10-2及10-3表示，這只是為了舉例說明，并不在于限制。數(shù)目3是基于本發(fā)明的實際使用狀況，用以適用一60安培的負(fù)載電流需求，其中每一個信道負(fù)荷三分之一的負(fù)載。在該3個信道中，信道10-1為一高效率信道，其功能在于提供漏電流(其可為20安培的等級)至該負(fù)載。剩余的40安培需求對半均分并指定給兩個快速響應(yīng)信道10-2及10-3的每一個。
驅(qū)動及控制單元12-1、12-2及12-3分別用于各別信道的每一個，其監(jiān)視積分誤差放大器20的輸出，并以可控制的方式提供驅(qū)動信號給相關(guān)輸出切換上方及下方金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管對30-1、30-2及30-3。金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管對30-1的共享或相位節(jié)點31-1通過電感器33-1而耦合至一功率組合輸出節(jié)點35，一輸出電容器Co及一負(fù)載40藕合至該功率組合輸出節(jié)點35。金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管對30-2的共享或相位節(jié)點31-2通過一電感器33-2而耦合至功率組合輸出節(jié)點35，以及金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管對30-3的共享或相位節(jié)點31-3通過一電感器33-3而耦合至功率組合輸出節(jié)點35。
如以上所概述，該高效率信道的電感器33-1可為較大于快速響應(yīng)時間信道的電感器33-2及33-3，因為小電感值的電感器可使快速響應(yīng)時間信道10-2及10-3以較快于高效率信道10-1的速度傳送電流，高效率信道10-1使用相對較大電感值的電感器。一較高頻率時鐘50配合每一快速信道的較小電感值的使用，其輸出藉由除法器55而減少，以用于高效率信道10-1。
可參照表示于圖2的用于每一信道的瞬時負(fù)載運作來了解圖1的非對稱架構(gòu)的操作。如以上所指出的，該高效率信道10-1用于輕負(fù)載條件(例如，20安培的等級)，其中該高效率信道用于提供100％的漏電流，如圖中的21所示。如此可允許該轉(zhuǎn)換器使筆記型計算機電源應(yīng)用的電池壽命加長，該應(yīng)用使用了其大部份操作時間于漏電流模式。
由于該高效率信道用于供應(yīng)100％的漏電流，兩個快速響應(yīng)時間信道10-2及10-3的每一個信道都受控制，以便處理該高負(fù)載電流需求的一半。這以圖中的22及23表示，其中電流需求由漏電流值21至全負(fù)載值25的動態(tài)增加均等地藉由兩個高效率信道10-2及10-3而產(chǎn)生。因此，瞬時負(fù)載圖形21、22及23表示本發(fā)明負(fù)載電流供應(yīng)操作的非對稱特性，其于功率組合輸出節(jié)點35產(chǎn)生負(fù)載電流合成，如圖2頂部圖形所示。
圖3表示一圖表比較，其比較常規(guī)多相轉(zhuǎn)換器的效率41與本發(fā)明非對稱多相實施例的效率42，其中該常規(guī)多相轉(zhuǎn)換器的所有信道以相同方式設(shè)置并為相等的負(fù)載分配。該常規(guī)效率曲線41由單一快速信道的實驗室測量所導(dǎo)出，而該非對稱多相效率曲線42表示由單一較慢高效率信道及兩個快速響應(yīng)時間功率信道所產(chǎn)生的合成值。對于小于20安培的電流值而言，該快速功率信道的非負(fù)載損失被增加至該高效率信道的功率損失；對于20安培以上的電流值而言，該高效率信道的負(fù)載損失被增加至該兩個快速信道的功率損失。由圖3可知，該非對稱多相轉(zhuǎn)換器的效率于輕負(fù)載情況下(約為12安培)是較高的。如此便可使于使用大部份操作時間于漏電流模式的應(yīng)用中的電池壽命較為長久，如以上所說明的。
雖然已說明及表示根據(jù)本發(fā)明的實施例，然而必須了解的是，本發(fā)明不限于這些實施例，而亦容許熟悉本項技術(shù)人士所知的數(shù)種變化與修改。因此，本發(fā)明不受限于此處已說明及表示的這些細(xì)節(jié)，而涵蓋熟悉本項技術(shù)人士所了解的這些所有變化與修改。
主要組件符號說明10-1信道10-2信道10-3信道12-1驅(qū)動及控制單元12-2驅(qū)動及控制單元12-3驅(qū)動及控制單元20 積分誤差放大器
30-1金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管對30-2金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管對30-3金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管對31-1共享或相位節(jié)點31-2共享或相位節(jié)點31-3共享或相位節(jié)點33-1電感器33-2電感器33-3電感器35 功率組合輸出節(jié)點40 負(fù)載50 時鐘55 除法器Co 輸出電容器
權(quán)利要求
1.一種多相直流至直流轉(zhuǎn)換器，其特征在于，包含多個直流至直流轉(zhuǎn)換器信道，這些信道的輸出組合于一輸出，以便提供一合成直流功率輸出至一負(fù)載，其中所述信道中不同的信道具有各不同的功率轉(zhuǎn)換效率及響應(yīng)時間。
2.如權(quán)利要求1所述的多相直流至直流轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述信道中的一個或更多的信道的功率轉(zhuǎn)換效率大于所述信道中的其它一個或更多的信道的功率轉(zhuǎn)換效率，并且其中所述信道中的所述其它一個或更多的信道的響應(yīng)時間高于所述信道中的所述一個或更多的信道的響應(yīng)時間。
3.如權(quán)利要求1所述的多相直流至直流轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述信道中的第一信道的功率轉(zhuǎn)換效率高于所述信道中的第二信道的功率轉(zhuǎn)換效率，且該第一信道可操作用以提供總輸出電流的漏電流分量，該總輸出電流藉由所述轉(zhuǎn)換器供應(yīng)給所述負(fù)載，且其中所述信道中的所述第二信道的響應(yīng)時間快于所述信道中的所述第一信道的響應(yīng)時間，且該第二信道可操作用以提供總輸出電流的動態(tài)電流分量而非所述漏電流分量，該總輸出電流藉由所述轉(zhuǎn)換器供應(yīng)給所述負(fù)載。
4.如權(quán)利要求3所述的多相直流至直流轉(zhuǎn)換器，其中所述信道中的所述第一信道的切換頻率慢于所述信道中的所述第二信道的切換頻率。
5.如權(quán)利要求4所述的多相直流至直流轉(zhuǎn)換器，其中所述信道中的所述第一信道的輸出電感值大于所述信道中的所述第二信道的輸出電感值。
6.如權(quán)利要求1所述的多相直流至直流轉(zhuǎn)換器，其中所述信道中的第一信道的功率轉(zhuǎn)換效率高于多個其它信道中的每一信道的功率轉(zhuǎn)換效率，且該第一信道可操作用以提供總輸出電流的一漏電流分量，該總輸出電流藉由所述轉(zhuǎn)換器供應(yīng)給所述負(fù)載，且其中所述多個其它信道中的每一信道的響應(yīng)時間快于所述信道中的所述第一信道的響應(yīng)時間，且該多個其它信道中的每一信道可操作用以提供總輸出電流的一動態(tài)電流分量而非所述漏電流分量，該總輸出電流藉由所述轉(zhuǎn)換器供應(yīng)給所述負(fù)載。
7.一種供電給負(fù)載的方法，其特征在于，包含以下步驟(a)提供一多相直流至直流轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器具有多個直流至直流轉(zhuǎn)換器信道，其輸出被組合，用以提供一合成直流電流輸出至所述負(fù)載；以及(b)以各不同的功率轉(zhuǎn)換效率及響應(yīng)時間，操作所述信道中不同的信道。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，步驟(b)包含在所述信道中的第一信道的功率轉(zhuǎn)換效率高于所述信道中的第二信道的功率轉(zhuǎn)換效率的狀況下，操作所述信道中的該第一信道，且使所述信道中的所述第一信道提供總輸出電流的漏電流分量，該總輸出電流藉由所述轉(zhuǎn)換器供應(yīng)給所述負(fù)載；以及在所述信道中的所述第二信道的響應(yīng)時間快于所述信道中的所述第一信道的響應(yīng)時間的狀況下，操作所述信道中的所述第二信道，且使所述信道中的所述第二信道提供總輸出電流的動態(tài)電流分量而非所述漏電流分量，該總輸出電流藉由所述轉(zhuǎn)換器供應(yīng)給所述負(fù)載。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，步驟(b)包含在所述信道中的所述第一信道的切換頻率慢于所述信道中的所述第二信道的切換頻率的狀況下，操作所述信道中的所述第一信道。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述信道中的所述第一信道的輸出電感值大于所述信道中的所述第二信道的輸出電感值。
11.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，步驟(b)包含在所述信道中的第一信道的功率轉(zhuǎn)換效率高于多個其它信道中的每一信道的功率轉(zhuǎn)換效率狀況下，操作所述信道中的所述第一信道，且使所述第一信道提供總輸出電流的漏電流分量，該總輸出電流藉由所述轉(zhuǎn)換器供應(yīng)給所述負(fù)載；以及在所述多個其它信道中的每一信道的響應(yīng)時間快于所述信道中的所述第一信道的響應(yīng)時間的狀況下，操作所述多個其它信道中的每一信道，且使所述多個其它信道提供總輸出電流的動態(tài)電流分量而非所述漏電流分量，該總輸出電流藉由所述轉(zhuǎn)換器供應(yīng)給所述負(fù)載。
12.一種供電給負(fù)載的方法，其特征在于，包含以下步驟(a)提供一多相直流至直流轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器具有不同功率轉(zhuǎn)換效率及響應(yīng)時間的多個直流至直流轉(zhuǎn)換器信道，且其輸出被組合，用以提供一合成直流電流輸出至所述負(fù)載；(b)使所述信道中的第一信道提供總輸出電流的漏電流分量，該總輸出電流藉由所述轉(zhuǎn)換器供應(yīng)給所述負(fù)載，該第一信道具有較高功率轉(zhuǎn)換效率及較慢響應(yīng)時間，同時維持所述信道中的第二信道于關(guān)閉狀態(tài)，所述信道中的第二信道具有較低功率轉(zhuǎn)換效率及較快響應(yīng)時間；以及(c)響應(yīng)于所述負(fù)載的一動態(tài)電流需求，使所述信道中的所述第二信道提供總輸出電流的一動態(tài)電流分量，該總輸出電流藉由所述轉(zhuǎn)換器供應(yīng)給所述負(fù)載，同時使所述信道中的所述第一信道僅僅提供總輸出電流的所述漏電流分量，該總輸出電流藉由所述轉(zhuǎn)換器供應(yīng)給所述負(fù)載。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述信道中的所述第一信道的輸出電感值大于所述信道中的所述第二信道的輸出電感值。
全文摘要
一種多相直流至直流轉(zhuǎn)換器架構(gòu)，其中各別不同的信道具有不同的操作性能參數(shù)。這些不同的參數(shù)被加以選擇，以使該轉(zhuǎn)換器可達(dá)成較大范圍的高效率。該轉(zhuǎn)換器包含了一或更多個快速響應(yīng)時間轉(zhuǎn)換器信道以及各別不同相位之一或更多個高效率轉(zhuǎn)換器信道的組合，并組合了所有信道的輸出。該非對稱多相轉(zhuǎn)換器于輕負(fù)載下(約12安培)效率較高，進(jìn)而可于使用大部分操作時間于漏電流模式的應(yīng)用中提供較為長久的電池壽命。
文檔編號G05F1/10GK1612454SQ20041008990
公開日2005年5月4日 申請日期2004年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月29日
發(fā)明者M·M·華特斯, S·L·派特利瑟克 申請人:英特賽爾美國股份有限公司