用于cot降壓轉(zhuǎn)換器的電流共享方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于COT降壓轉(zhuǎn)換器的電流共享方法。一種用于在已調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出電壓下提供輸出電流的電源系統(tǒng)包括第一功率級和第二功率級，每個是恒定開啟時間（COT）控制功率轉(zhuǎn)換器。第一和第二功率級在公共輸出電壓節(jié)點處產(chǎn)生具有減小或非常小的輸出紋波的相應(yīng)第一和第二已調(diào)節(jié)輸出電壓。第一和第二功率級每個包括紋波注入電路以向每個功率級中的反饋控制電路注入紋波信號。電源系統(tǒng)還包括電流共享控制電路，其被配置成測量第一功率級的第一輸出電流和第二功率級的第二輸出電流，并產(chǎn)生控制信號以調(diào)制第二功率級的反饋控制電路以迫使第二輸出電流等于第一輸出電流。
【專利說明】用于COT降壓轉(zhuǎn)換器的電流共享方法

【背景技術(shù)】
[0001]也稱為DC到DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)模式電源或開關(guān)調(diào)節(jié)器常常被用來將輸入源電壓轉(zhuǎn)換成處于適合于集成電路的內(nèi)部電路的電壓水平的輸出電壓。例如，可能需要將提供給集成電路的5伏源電壓減小至IC芯片上的2.8伏以使芯片上的內(nèi)部電路工作。開關(guān)調(diào)節(jié)器通過諸如電容器、電感器以及變壓器之類的低損耗部件以及被開啟和關(guān)閉以在離散分組中將來自輸入端的能量傳遞至輸出端的電源開關(guān)來提供電源功能。反饋控制電路用來調(diào)節(jié)能量傳遞以將恒定輸出電壓保持在電路的期望負(fù)載極限內(nèi)。
[0002]能夠?qū)㈤_關(guān)調(diào)節(jié)器配置成逐步提升輸入電壓或者逐步降低輸入電壓或者兩者。具體地，也稱為“降壓轉(zhuǎn)換器”的降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器逐步降低輸入電壓，而也稱為“升壓轉(zhuǎn)換器”的升壓開關(guān)調(diào)節(jié)器逐步提升輸入電壓。降壓-升壓開關(guān)調(diào)節(jié)器或降壓-升壓轉(zhuǎn)換器提供遞升和遞降功能二者。
[0003]常規(guī)降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器的操作是眾所周知的，并且概括如下。常規(guī)降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器包括一對電源開關(guān)，其被開啟和關(guān)斷以將輸出電壓調(diào)節(jié)至等于參考電壓。更具體地，電源開關(guān)被交替地開啟和關(guān)斷以在也稱為開關(guān)節(jié)點的開關(guān)輸出節(jié)點處產(chǎn)生開關(guān)輸出電壓。開關(guān)節(jié)點被耦合到包括輸出電感器和輸出電容器的LC濾波電路以產(chǎn)生具有基本上恒定量值的輸出電壓。然后能夠使用輸出電壓來驅(qū)動負(fù)載。
[0004]更具體地，常常將該電源開關(guān)對稱為包括“高側(cè)電源開關(guān)”和“低側(cè)電源開關(guān)”。高側(cè)電源開關(guān)被開啟以向輸出濾波電路的輸出電感器施加能量以允許通過電感器的電流聚集。當(dāng)高側(cè)電源開關(guān)被關(guān)斷時，跨電感器的電壓反向且通過電感器的電流在此時段期間減小。結(jié)果，電感器電流在標(biāo)稱輸出電流以上和以下波動。由輸出電容器來保持相對恒定的輸出電壓。低側(cè)電源開關(guān)被開啟和關(guān)斷以用于同步控制操作。
[0005]圖1是常規(guī)降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器的示意圖。參考圖1，開關(guān)調(diào)節(jié)器I包括被配置成接收輸入電壓Vin的一對電源開關(guān)SI和S2，并被交替地開啟和關(guān)斷以在開關(guān)節(jié)點(SW) 22處產(chǎn)生開關(guān)輸出電壓vsw。開關(guān)輸出電壓Vsw被直接f禹合到包括輸出電感器LI和輸出電容器Cmjt的LC濾波電路以在節(jié)點26處產(chǎn)生具有基本上恒定量值的已調(diào)節(jié)輸出電壓VTOT。然后能夠使用輸出電壓Vott來驅(qū)動負(fù)載30，由此，開關(guān)調(diào)節(jié)器I提供負(fù)載電流Iuwd以使輸出電壓Vtot保持在恒定水平。
[0006]開關(guān)調(diào)節(jié)器I包括反饋控制電路以調(diào)節(jié)到LC濾波電路的能量傳遞以將恒定輸出電壓保持在電路的期望負(fù)載極限內(nèi)。更具體地，反饋控制電路促使電源開關(guān)SI和S2開啟和關(guān)斷以將輸出電壓Vott調(diào)節(jié)成等于參考電壓Vkef或與參考電壓Vkef有關(guān)的電壓值。在本實施例中，使用包括電阻器Rl和R2的分壓器來劃分輸出電壓Vtot，其然后被作為反饋節(jié)點28上的反饋電壓Vfb反饋到開關(guān)調(diào)節(jié)器I。在諸如錯誤比較器12之類的錯誤處理電路處將反饋電壓Vfb與參考電壓Vkef相比較。比較器輸出被耦合到控制器和柵極驅(qū)動電路14以基于開關(guān)調(diào)節(jié)器控制方案來生成用于電源開關(guān)的控制電壓。該控制電壓被用來生成用于電源開關(guān)SI和S2的驅(qū)動信號。
[0007]具有固定開啟時間控制的降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器或“降壓調(diào)節(jié)器”由于某些重要的優(yōu)點而被廣泛地用在工業(yè)中，諸如快速加載瞬態(tài)響應(yīng)和相對大的關(guān)閉時間的容易控制和非常小的固定開啟時間以將高輸入電壓調(diào)節(jié)至低輸出電壓。固定開啟時間(或恒定開啟時間)調(diào)節(jié)器是一個類型的電壓調(diào)節(jié)器，采用其中基于輸出信號中的紋波分量來調(diào)節(jié)輸出電壓的紋波模式控制。由于電源開關(guān)處的開關(guān)動作，所有開關(guān)模式調(diào)節(jié)器通過開關(guān)輸出電感器而產(chǎn)生輸出紋波電流。此電流紋波本身主要由于與負(fù)載并聯(lián)地放置的輸出電容器Qjut中的等效串聯(lián)電阻(ESR)而表現(xiàn)為輸出電壓紋波。在圖1中將輸出電容器Qm的ESR表示為電阻器Resr。
[0008]最近，在需要高輸出電流的應(yīng)用中使用包括多個功率級的電源系統(tǒng)。通常，這些電源系統(tǒng)在多相控制下操作。例如，常規(guī)多相轉(zhuǎn)換器使用多相PWM控制器來產(chǎn)生針對功率級的每個相具有不同相移的時鐘信號。用于多相轉(zhuǎn)換器的控制電路與其單相對等物相比在實現(xiàn)中一般地更加復(fù)雜和昂貴。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]在以下詳細(xì)描述和附圖中公開了本發(fā)明的各種實施例。
[0010]圖1是常規(guī)降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器的示意圖。
[0011]圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的包括兩個COT功率級的電源系統(tǒng)的示意圖。
[0012]圖3是根據(jù)本發(fā)明的替換實施例的包括兩個COT功率級的電源系統(tǒng)的示意圖。

【具體實施方式】
[0013]本發(fā)明能夠以許多方式來實現(xiàn)，包括過程；裝置；系統(tǒng)；和/或物質(zhì)的組合物。在本說明書中，可將這些實施方式或本發(fā)明可采取的任何其他形式稱為技術(shù)。一般地，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可修改公開過程的步驟的順序。
[0014]下面連同圖示出本發(fā)明的原理的附圖一起提供本發(fā)明的一個或多個實施例的詳細(xì)描述。結(jié)合此類實施例來描述本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于任何實施例。僅僅由權(quán)利要求來限制本發(fā)明的范圍，并且本發(fā)明涵蓋許多替換、修改以及等價物。在以下描述中闡述許多特定細(xì)節(jié)以便提供對本發(fā)明的透徹理解。這些細(xì)節(jié)是出于示例的目的而提供的，并且可在沒有這些特定細(xì)節(jié)中的某些或全部的情況下根據(jù)權(quán)利要求來實施本發(fā)明。為了明了起見，并未詳細(xì)地描述在本發(fā)明相關(guān)的【技術(shù)領(lǐng)域】中已知的技術(shù)材料，因此不會不必要地使本發(fā)明含糊難懂。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的實施例，電源系統(tǒng)包括與異步地操作的功率級并聯(lián)地連接的兩個或更多恒定開啟時間(COT)控制功率級。特別地，每個功率級實現(xiàn)足夠的輸出紋波衰減并將紋波自動注入用于調(diào)節(jié)。如這樣構(gòu)造的，每個功率級的開關(guān)模式能夠自主地運行，同時每個功率級供應(yīng)負(fù)載電流以在公共輸出電壓節(jié)點處保持期望的已調(diào)節(jié)輸出電壓。在本發(fā)明的實施例中，電源系統(tǒng)實現(xiàn)主-從電流共享控制方案以實現(xiàn)在功率級之間共享的有效平均電流。主-從電流共享控制方案進(jìn)行操作以迫使相等的電流在主和從功率級的電感器中流動。同時，由主功率級來建立并控制電壓調(diào)節(jié)目標(biāo)值。
[0016]本發(fā)明的電源系統(tǒng)相比于常規(guī)電源系統(tǒng)提供許多優(yōu)點。首先，具有多個功率級的電源系統(tǒng)能夠支持比單個功率級所允許的更高的負(fù)載電流。其次，針對給定負(fù)載電流水平，使用兩個或更多功率級而不是僅僅一個功率級改善負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，使得能夠?qū)崿F(xiàn)電感器尺寸減小并增加功率耗散的容易性。
[0017]圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的包括兩個COT功率級的電源系統(tǒng)的示意圖。參考圖2，電源系統(tǒng)100包括并聯(lián)連接的第一 COT功率級150-1 (“C0T功率級I”)和第二 COT功率級150-2(“C0T功率級2”)，亦即兩個功率級的輸出電壓節(jié)點被一起連接到公共輸出電壓節(jié)點106。在本實施例中，COT功率級被配置為恒定開啟時間控制降壓轉(zhuǎn)換器。每個功率級接收輸入電壓Vin (節(jié)點24)并產(chǎn)生小于輸入電壓的輸出電壓Votit (節(jié)點106)。在本圖示中，COT功率級I接收輸入電壓Vini且COT功率級2接收輸入電壓Vin2。在一些實施例中，輸入電壓Vini和Vin2是相同電壓值且是從同一電壓源供應(yīng)的。在其他實施例中，輸入電壓Vini和Vin2可以是不同的電壓值且從單獨電壓源供應(yīng)。COT功率級I和2的輸出電壓節(jié)點被連接在一起以在公共輸出電壓節(jié)點106處產(chǎn)生已調(diào)節(jié)輸出電壓Vqut，其具有在特定負(fù)載電流極限內(nèi)的基本上恒定的量值。
[0018]在本描述中，“功率級”指的是執(zhí)行電源開關(guān)功能的開關(guān)調(diào)節(jié)器的電路，并且一般地至少包括開關(guān)調(diào)節(jié)器的電源開關(guān)。在本描述中，“功率級”指的是包括電源開關(guān)、柵極驅(qū)動器、電感器和控制電路的開關(guān)調(diào)節(jié)器的元件。此外，在一些實施例中，功率級還可包括輸出電容器，其中，電感器和輸出電容器形成輸出濾波器電路，并且還可包括用于產(chǎn)生用于反饋控制的反饋電壓的分壓器(如果有的話)。這些元件可以是也可以不是在單個集成電路上形成。例如，可在集成電路上形成控制電路、柵極驅(qū)動器、電源開關(guān)，而電感器和電容器是分立部件。在其他實施例中，電源開關(guān)可以是分立晶體管。在一些實施例中，功率級的元件被共同封裝成單個集成電路封裝。功率級元件的準(zhǔn)確集成水平對于本發(fā)明的實施而言并不是關(guān)鍵的。
[0019]在本實施例中，功率級150-1和150-2具有類似構(gòu)造，具有相同或不同的元件尺寸或元件值。下面將描述COT功率級I的構(gòu)造，并且應(yīng)理解的是本描述可應(yīng)用于COT功率級2。在本實施例中，COT功率級I包括被配置成接收輸入電壓Vini的一對電源開關(guān)SI和S2，并且被交替地開啟和關(guān)斷以在開關(guān)節(jié)點(SW)22處產(chǎn)生開關(guān)輸出電壓Vsw。開關(guān)輸出電壓Vsw被直接耦合到包括輸出電感器Lll和輸出電容器Cron的LC濾波器電路以在公共輸出節(jié)點106處產(chǎn)生具有基本上恒定的量值的已調(diào)節(jié)輸出電壓VOT。在本圖示中，電源開關(guān)SI和S2是MOS晶體管。此外，在本圖示中，電源開關(guān)SI是PMOS晶體管，而電源開關(guān)S2是NMOS晶體管。在其他實施例中，能夠使用在柵極驅(qū)動信號的極性方面具有適當(dāng)變化的NMOS晶體管來實現(xiàn)電源開關(guān)SI。電源開關(guān)SI和S2的精確實施方式對于本發(fā)明的實施而言并不是關(guān)鍵的。
[0020]COT功率級I包括反饋控制電路以調(diào)節(jié)到LC濾波電路的能量傳遞以將恒定輸出電壓保持在電路的期望負(fù)載極限內(nèi)。更具體地，反饋控制電路促使電源開關(guān)SI和S2開啟和關(guān)斷以將輸出電壓Vtot調(diào)節(jié)成等于參考電壓Vkef或與參考電壓Vkef有關(guān)的電壓值。在本實施例中，使用包括電阻器Rll和R12的分壓器來劃分輸出電壓Vott，其然后被作為反饋(FB)節(jié)點128-1上的反饋電壓Vfb返回給COT控制電路15。在COT控制電路15處，諸如使用錯誤比較器將反饋電壓Vfb與參考電壓Vkef相比較。比較器輸出被用來基于恒定開啟時間控制方案來產(chǎn)生用于電源開關(guān)的控制電壓。該控制電壓被用來生成用于電源開關(guān)SI和S2的柵極驅(qū)動信號。控制電路15可包括柵極驅(qū)動電路，其接收柵極驅(qū)動信號并產(chǎn)生適合于開啟和關(guān)斷相應(yīng)電源開關(guān)的柵極驅(qū)動電壓。
[0021]在本發(fā)明的實施例中，功率級150-1和150-2實現(xiàn)恒定開啟時間反饋控制，其中，開關(guān)動作是基于反饋電壓信號中的紋波分量。在操作中，恒定開啟時間(或固定開啟時間)調(diào)節(jié)器在反饋紋波下降至單個參考點Vkef以下時在固定開啟時間(Ton)內(nèi)將輸出電感器切換為高。在固定開啟時間結(jié)束時，將輸出電感器切換為低或者被激勵，直至反饋信號再次地下降至參考點Vkef以下。在這點，發(fā)起新的固定開啟時間。如果反饋信號仍在單個參考點以下，則在輸出電感器再次地在固定開啟時間內(nèi)被切換回到高之前僅在最小關(guān)斷時間內(nèi)將輸出電感器切換為低。
[0022]在一些應(yīng)用中，由于快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，COT控制方案相比于定時PWM控制方案是優(yōu)選的。然而，COT控制降壓轉(zhuǎn)換器依賴于反饋電壓信號中的紋波分量以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)拈_關(guān)動作并保持輸出電壓的調(diào)節(jié)。因此，通常非常難以實現(xiàn)兩個COT控制功率級的穩(wěn)定并行操作。特別地，一個功率級的輸出電壓上的紋波信號將與由另一功率級產(chǎn)生的紋波信號相干擾，產(chǎn)生混亂開關(guān)模式。已經(jīng)提出了使用多相控制來操作并行COT功率級。多相控制方案嘗試通過借助于公共時序控制塊針對每個功率級使開啟時間脈沖的相位移位來使不同功率級的開啟時間同步。然而，對于所有功率級而言沒有專用公共時序控制電路的COT控制功率級的外部同步常常是非常復(fù)雜的，并且嘗試使COT控制降壓轉(zhuǎn)換器同步可導(dǎo)致同步信號到反饋信號中的注入，引入輸出電壓的非期望偏移或非期望行為。
[0023]在本發(fā)明的實施例中，電源系統(tǒng)100實現(xiàn)輸出紋波衰減和紋波自動注入以使得能夠?qū)蓚€COT功率級并聯(lián)連接而不需要使功率級同步或借助于公共時序控制電路使COT控制信號的相位交替。更具體地，本發(fā)明的電源系統(tǒng)100并不依賴于相位交替電路，并且不需要使兩個功率級同步，因為此類同步無論如何對于COT控制功率轉(zhuǎn)換器而言將是非常困難的。替代地，每個功率級自主地運行以向公共輸出電壓節(jié)點106供應(yīng)輸出電流。本發(fā)明的電源系統(tǒng)的顯著特征是使用足夠的輸出電壓紋波衰減來減少或消除每個功率級的反饋節(jié)點處的干擾并將紋波自動注入用于在每個功率級處產(chǎn)生開關(guān)動作以用于輸出調(diào)節(jié)。在一些實施例中，每個COT功率級150-1、150-2產(chǎn)生具有減小或非常小的輸出紋波分量的輸出電壓。例如，每個COT功率級的輸出電壓處的輸出紋波可約為幾毫伏峰峰值。在一個實施例中，COT功率級使用非常低的ESR (等效串聯(lián)電阻)的電容器作為輸出電容器CQUT。當(dāng)兩個并聯(lián)連接COT功率級產(chǎn)生具有非常小的輸出紋波分量的輸出電壓時，在每個功率級的反饋節(jié)點處看到的輸出電壓紋波貢獻(xiàn)與被自動注入的紋波的量相比幾乎是不可見的。相應(yīng)地，在不同的功率級之間幾乎不存在開關(guān)模式中的干擾。因此，電源系統(tǒng)100中的COT功率級能夠在不需要使COT控制信號同步的情況下自主地運行。
[0024]然而，COT控制功率轉(zhuǎn)換器始終要求反饋控制環(huán)路中的紋波信號以產(chǎn)生穩(wěn)定開關(guān)模式并適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)輸出電壓。在本發(fā)明的實施例中，每個COT功率級實現(xiàn)紋波自動注入以在每個功率級的反饋環(huán)路中注入紋波信號。以這種方式，在每個功率級在其自己的注入紋波信號上運行的情況下實現(xiàn)每個功率級的輸出電壓的調(diào)節(jié)。參考圖2，COT功率級I包括被耦合到開關(guān)節(jié)點22的紋波注入電路25并向反饋節(jié)點128-1注入紋波信號以用于反饋調(diào)節(jié)。COT功率級2也包括紋波注入電路以向反饋節(jié)點128-2注入紋波信號。紋波注入電路25能夠以許多方式來構(gòu)造且通常包括電阻器和電容器元件。美國專利7，482，791和7，482，793圖示出能夠在使用固定開啟時間控制的降壓調(diào)節(jié)器中應(yīng)用的紋波注入電路的示例。
[0025]用并聯(lián)連接的兩個COT功率級，電源系統(tǒng)100通過使用主-從電流共享控制環(huán)路來實現(xiàn)兩個功率級之間的電流共享。更具體地，在系統(tǒng)100中，由主功率級來規(guī)定輸出電壓調(diào)節(jié)。在穩(wěn)態(tài)操作中，從功率級充當(dāng)電流源。通過主-從電流共享控制環(huán)路，檢測主功率級的輸出電流并饋送到從功率級，其方式為從功率級將提供主功率級正在輸送的相同量的輸出電流。用有效電流共享，能夠使系統(tǒng)100中的功率級作為自主單元進(jìn)行操作，其中每個功率級向輸出電壓節(jié)點106供應(yīng)相等的輸出電流以保持輸出電壓。在本實施例中，電源系統(tǒng)100實現(xiàn)與每個功率級的平均電流共享，向負(fù)載提供相同或大約相同的輸出電流。
[0026]在本實施例中，使用運算放大器(運算放大器)160和受控電流源164來實現(xiàn)主-從電流共享控制環(huán)路(或“電流共享控制電路”)。運算放大器160檢測主功率級(C0T功率級I)中的電感器電流并控制受控電流源164以產(chǎn)生修正信號以迫使從功率級(C0T功率級2)中的電感器電流等于主功率級的電感器電流。通過迫使兩個功率級的電感器電流相等，功率級的輸出電流也變成相等的。電流共享控制電路作用于從功率級的反饋環(huán)路。在本實施例中，電流共享控制電路產(chǎn)生修正信號以調(diào)制從屬功率級的反饋電壓信號(反饋電壓VFB2)。在其他實施例中，電流共享控制電路能夠作用于從功率級的反饋環(huán)路中的其他信號。例如，電流共享控制電路能夠作用于從功率級的反饋控制環(huán)路的誤差放大器或誤差比較器的輸出信號。
[0027]更具體地，運算放大器160具有接收指示主功率級150-1的電感器電流Iu的信號的正輸入端子(節(jié)點156-1)。在本實施例中，借助于電阻器R13和電容器C13的第一 RC網(wǎng)絡(luò)使用跨電感器Lll的DCR (DC電阻)的電流感測來測量電感器電流。運算放大器160具有接收指示從功率級150-2的電感器電流L2的信號的負(fù)輸入端子(節(jié)點156-2)。在本實施例中，還借助于電阻器R23和電容器C23的第二 RC網(wǎng)絡(luò)使用跨電感器L21的DCR (DC電阻)的電流感測來測量電感器電流。
[0028]運算放大器160在負(fù)反饋環(huán)路中被配置成迫使正和負(fù)輸入端子處的兩個信號相等。為此，運算放大器160的輸出信號(節(jié)點162)被耦合以驅(qū)動雙向受控電流源164，其能夠向從功率級150-2的反饋節(jié)點128-2中推入電流Ies或從其中拉出電流Ies。被引入到從反饋節(jié)點128-2的電流Ics是修正信號以調(diào)整從功率級150-2的輸出電流以促使從功率級提供與主功率級150-1相同的輸出電流。阻抗166被耦合在運算放大器160的輸出節(jié)點162與負(fù)輸入端子156-2之間以提供主-從電流共享環(huán)路的頻率補償。阻抗166通常包括電阻或電容元件。電阻器R25被耦合在第二 RC網(wǎng)絡(luò)(R23 — C23)與運算放大器160的負(fù)輸入端子156-2之間，以便確定頻率補償?shù)脑鲆?。注意到?從電流共享控制環(huán)路僅在從功率級上操作以迫使從功率級電感器電流與主功率級的電感器電流相同是有益的。主-從電流共享控制環(huán)路是用于主功率級的開放環(huán)路，并且因此主功率級仍能夠用快速瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行操作。
[0029]在本實施例中，使用電感器DCR電流感測來實現(xiàn)主和從功率級處的電流感測。在其他實施例中，能夠使用諸如電流感測電阻器之類的其他裝置來實現(xiàn)主和從功率級處的電流感測。
[0030]在上述實施例中，電源系統(tǒng)包括具有一個主功率級和一個從功率級的兩個功率級。在電源系統(tǒng)中使用兩個功率級具有保持對稱性的益處，諸如允許將兩個功率級構(gòu)造成保持到接地的平衡返回路徑。在其他實施例中，能夠使用具有一個主功率級和兩個或更多從功率級的三個或更多功率級來構(gòu)造本發(fā)明的電源系統(tǒng)。在那種情況下，可使用差分放大器來準(zhǔn)確地感測每個功率級處的電感器電流，并由于接地回路不對稱而消除不想要的壓降。
[0031]在圖2中所示的實施例中，使用能夠產(chǎn)生正或負(fù)極性的修正信號的受控電流源164來實現(xiàn)主-從電流共享控制電路。也就是說，受控電流源164能夠從從反饋節(jié)點128-2推入或拉出電流。在那種情況下，通過對反饋網(wǎng)絡(luò)、亦即電阻器Rll和R21及電阻器R12和R22使用相同的電阻值，能夠以相同的方式來構(gòu)造主和從COT功率級。如這樣構(gòu)造的，從功率級可結(jié)束嘗試調(diào)節(jié)高于或低于主功率級的輸出電壓VTOT。
[0032]在本發(fā)明的替換實施例中，從功率級被配置成將目標(biāo)Vot調(diào)節(jié)至高于或低于由主功率級調(diào)節(jié)的目SvottT的電壓值。在那種情況下，能夠?qū)⑹芸仉娏髟磳崿F(xiàn)為單向電流源以從從反饋節(jié)點中拉動電流或向其中吸收電流。因此能夠簡化受控電流源的實現(xiàn)。
[0033]在一個實施例中，在考慮過程和操作變化之后，由從功率級調(diào)節(jié)的目Svot低于主功率級的目標(biāo)VQUT。例如，可將電阻器R21和R22的電阻值選擇成不同于電阻器Rll和R12的電阻值以針對從功率級選擇較低目標(biāo)￥_值。當(dāng)從屬功率級被調(diào)節(jié)至較低輸出電壓值時，主-從電流共享控制電路被實現(xiàn)成提供從從反饋節(jié)點拉出電流的單向修正電流，其簡化了受控電流源的設(shè)計。
[0034]圖3是根據(jù)本發(fā)明的替換實施例的包括兩個COT功率級的電源系統(tǒng)的示意圖。圖2和3中的相同元件被給定相同的附圖標(biāo)記且將不會進(jìn)一步描述。在圖3中所示的電源系統(tǒng)200中，從功率級150-2被配置成將其目標(biāo)輸出電壓調(diào)節(jié)至低于由主功率級150-1調(diào)節(jié)的目標(biāo)輸出電壓的電壓值。相應(yīng)地，從功率級150-2具有與主功率級150-1中的用于反饋電阻器R11/R12的電阻器值不同的用于反饋電阻器R21/R22的電阻器值。電流共享控制電路只須提供單極電流信號作為修正信號。更具體地，當(dāng)從功率級150-2調(diào)節(jié)其輸出電壓低于主功率級150-1的輸出電壓時，修正信號只須從從反饋節(jié)點128-2拉出電流Ics。
[0035]當(dāng)電流共享控制電路只須提供單極修正信號以從從反饋節(jié)點拉出電流時，能夠使用NPN雙極晶體管Ql來實現(xiàn)受控電流源。參考圖3，運算放大器160被配置成驅(qū)動NPN雙極晶體管Ql的基極端子。晶體管Ql的發(fā)射極端子通過電阻器R5而連接到接地電位，并且還通過電容器C5被連接回到運算放大器的負(fù)輸入端子(節(jié)點156-2)以用于頻率補償。晶體管Ql的集電極端子被連接到從功率級150-2的反饋電壓節(jié)點128-2。在操作中，晶體管Ql的發(fā)射極處的電阻器R5將由運算放大器160產(chǎn)生的電壓信號轉(zhuǎn)換成晶體管Ql的集電極端子處的電流信號。如這樣配置的，運算放大器160控制晶體管Ql以從從反饋電壓節(jié)點128-2吸取出修正電流Ics以便迫使運算放大器的輸入端子處的信號是相等的。以這種方式，從功率級的電感器電流被迫與主功率級的電感器電流相同。
[0036]在一些應(yīng)用中，優(yōu)選從從反饋電壓節(jié)點吸取出電流，因為能夠相對于接地產(chǎn)生用于從反饋電壓信號的修正信號，使得可減輕修正信號的PSRR (電源抑制比)、開關(guān)噪聲和極性交叉問題，使得主-從電流共享控制環(huán)路的實現(xiàn)更加簡單。
[0037]在一些實施例中，能夠通過對晶體管的基極端子處的電壓擺動進(jìn)行鉗位來防止晶體管Ql的飽和。以這種方式，確保晶體管Ql在正確的工作點處工作。
[0038]在本實施例中，使用NPN雙極晶體管來實現(xiàn)晶體管Ql。在其他實施例中，能夠使用N或P極性的雙極晶體管或MOS晶體管來實現(xiàn)晶體管Ql。當(dāng)使用PNP雙極晶體管或PMOS晶體管時，如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解的，使晶體管處的電壓極性反向。在一些實施例中，能夠?qū)⒈景l(fā)明的電源系統(tǒng)配置成允許從功率級將目標(biāo)輸出電壓調(diào)節(jié)至高于由主功率級調(diào)節(jié)的目標(biāo)輸出電壓的值。這能夠通過為反饋電阻器R11/R12和R21/R22選擇適當(dāng)?shù)碾娮杵髦祦韺崿F(xiàn)。在那種情況下，能夠?qū)⒅?從電流共享控制電路配置成提供單極修正信號，其向從反饋節(jié)點128-2中推入修正電流，并且能夠?qū)NP雙極晶體管或PMOS晶體管用于晶體管Ql來實現(xiàn)電流共享控制電路。
[0039]此外，在本發(fā)明的實施例中，能夠使用被實現(xiàn)為其他類型的紋波模式控制功率轉(zhuǎn)換器的功率級來構(gòu)造電源系統(tǒng)，其中，基于輸出信號中的紋波分量來調(diào)節(jié)輸出電壓。恒定開啟時間降壓轉(zhuǎn)換器是一種紋波控制功率轉(zhuǎn)換器。在其他實施例中，能夠?qū)⒐β始壟渲脼楹愣P(guān)斷時間降壓轉(zhuǎn)換器。在操作中，恒定關(guān)斷時間調(diào)節(jié)器將輸出電感器切換為低或不被激勵達(dá)固定關(guān)斷時間(Toff)。在固定關(guān)斷時間已期滿之后，低側(cè)開關(guān)被關(guān)斷且高側(cè)開關(guān)被開啟，直至反饋電壓超過誤差比較器閾值。這樣，調(diào)節(jié)紋波波形的峰值。相反，在恒定開啟時間調(diào)節(jié)器中，調(diào)節(jié)紋波波形的波谷。對于兩者而言，誤差比較器閾值可以是固定電壓閾值或積分級的輸出以獲得改善的電源調(diào)整率。
[0040]雖然已出于理解清楚的目的更詳細(xì)地描述了前述實施例，但本發(fā)明不限于所提供的細(xì)節(jié)。存在實現(xiàn)本發(fā)明的許多替換方式。公開實施例是說明性而非限制性的。
【權(quán)利要求】
1.一種用于在已調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出電壓下提供輸出電流的電源系統(tǒng)，所述電源系統(tǒng)包括: 第一功率級，包括恒定開啟時間(COT)控制功率轉(zhuǎn)換器，所述第一功率級接收第一輸入電壓并在公共輸出電壓節(jié)點處產(chǎn)生具有基本上恒定量值的第一已調(diào)節(jié)輸出電壓，所述第一功率級包括被配置成接收指示第一已調(diào)節(jié)輸出電壓的第一反饋電壓并基于所述第一反饋電壓來調(diào)節(jié)第一已調(diào)節(jié)輸出電壓的第一反饋控制電路，所述第一功率級還包括第一 LC濾波電路，所述第一 LC濾波電路被配置成產(chǎn)生具有減小或非常小的輸出紋波的第一已調(diào)節(jié)輸出電壓，并且還包括被配置成向第一反饋控制電路中的節(jié)點注入紋波信號的第一紋波注入電路； 第二功率級，包括恒定開啟時間(COT)控制功率轉(zhuǎn)換器，所述第二功率級接收第二輸入電壓并在公共輸出電壓節(jié)點處產(chǎn)生具有基本上恒定量值的第二已調(diào)節(jié)輸出電壓，所述第二功率級包括被配置成接收指示所述第二已調(diào)節(jié)輸出電壓的第二反饋電壓并基于所述第二反饋電壓來調(diào)節(jié)第二已調(diào)節(jié)輸出電壓的第二反饋控制電路，所述第二功率級還包括第二 LC濾波電路，所述第二 LC濾波電路被配置成產(chǎn)生具有減小或非常小的輸出紋波的第二已調(diào)節(jié)輸出電壓，并且還包括被配置成向第二反饋控制電路中的節(jié)點注入紋波信號的第二紋波注入電路；以及 電流共享控制電路，被配置成測量所述第一功率級的第一輸出電流和所述第二功率級的第二輸出電流，并產(chǎn)生控制信號以調(diào)制所述第二功率級的第二反饋控制電路以迫使所述第二輸出電流等于所述第一輸出電流。
2.權(quán)利要求1的電源系統(tǒng)，其中，所述第一LC濾波電路和所述第二LC濾波電路每個包括電感器和輸出電容器，所述輸出電容器包括具有非常低的等效串聯(lián)電阻的電容器。
3.權(quán)利要求1的電源系統(tǒng)，其中: 所述第一功率級包括被基于恒定開啟時間反饋控制方案來控制以驅(qū)動第一開關(guān)輸出節(jié)點以便產(chǎn)生第一開關(guān)輸出電壓的第一開關(guān)和第二開關(guān)，所述第一開關(guān)輸出節(jié)點被耦合到第一 LC濾波器以產(chǎn)生具有減小的或無輸出紋波的第一已調(diào)節(jié)輸出電壓，所述第一功率級的第一反饋控制電路被配置成接收指示所述第一已調(diào)節(jié)輸出電壓的第一反饋電壓，并基于所述第一反饋電壓來調(diào)節(jié)所述第一已調(diào)節(jié)輸出電壓， 其中，所述第一紋波注入電路被耦合到所述第一開關(guān)輸出電壓，并被配置成向所述第一反饋電壓注入紋波信號。
4.權(quán)利要求1的電源系統(tǒng)，其中，所述電流共享控制電路包括: 運算放大器，具有被耦合以接收所述第一功率級的第一輸出電流的正輸入端子、被耦合以接收所述第二功率級的第二輸出電流的負(fù)輸入端子以及輸出端子； 受控電流源，具有被耦合到所述運算放大器的輸出端子的控制端子，所述受控電流源被連接在電源電位與第二功率級的第二反饋控制電路中的節(jié)點之間，所述控制電流源被運算放大器控制以向所述第二反饋控制電路中的節(jié)點中推入電流或從其中拉出電流以便迫使所述第二輸出電流等于所述第一輸出電流；以及 阻抗，被耦合在所述運算放大器的負(fù)輸入端子與輸出端子之間。
5.權(quán)利要求1的電源系統(tǒng)，其中，所述電流共享控制電路包括: 運算放大器，具有被耦合以接收所述第一功率級的第一輸出電流的正輸入端子、被耦合以接收所述第二功率級的第二輸出電流的負(fù)輸入端子以及輸出端子； 晶體管，具有被耦合到所述運算放大器的輸出端子的控制端子、被耦合到電源電位的第一電流端子和被耦合到所述第二功率級的第二反饋控制電路中的節(jié)點的第二電流端子，所述晶體管被運算放大器控制以向第二反饋控制電路中的節(jié)點中推入電流或從其中拉出電流，以便迫使所述第二輸出電流等于所述第一輸出電流；以及 電容器，被耦合在晶體管的第一電流端子與運算放大器的負(fù)輸入端子之間。
6.權(quán)利要求5的電源系統(tǒng)，其中: 所述第二功率級包括被基于恒定開啟時間反饋控制方案來控制以驅(qū)動第二開關(guān)輸出節(jié)點以便產(chǎn)生第二開關(guān)輸出電壓的第三開關(guān)和第四開關(guān)，所述第二開關(guān)輸出節(jié)點被耦合到第二 LC濾波器以產(chǎn)生具有減小的或無輸出紋波的第二已調(diào)節(jié)輸出電壓，所述第二功率級的第二反饋控制電路被配置成接收指示所述第二已調(diào)節(jié)輸出電壓的第二反饋電壓，并基于所述第二反饋電壓來調(diào)節(jié)所述第二已調(diào)節(jié)輸出電壓， 其中，所述第二紋波注入電路被耦合到第二開關(guān)輸出電壓，并被配置成向所述第二反饋電壓注入紋波信號；以及 其中，所述晶體管的第二電流端子被耦合到所述第二功率級的第二反饋控制電路中的節(jié)點以調(diào)制所述第二反饋電壓，從而迫使所述第二輸出電流等于所述第一輸出電流。
7.權(quán)利要求5的電源系統(tǒng)，其中，所述晶體管包括NPN雙極晶體管且所述電源電位包括接地電位。
8.權(quán)利要求5的電源系統(tǒng)，其中，所述晶體管包括PNP雙極晶體管、NMOS晶體管以及PMOS晶體管中的一個。
9.權(quán)利要求2的電源系統(tǒng)，其中，所述電流共享控制電路被配置成測量作為所述第一輸出電流流過所述第一 LC濾波電路中的電感器的電感器電流并測量作為所述第二輸出電流的流過第二 LC濾波電路中的電感器的電感器電流。
10.權(quán)利要求9的電源系統(tǒng)，其中，所述電流共享控制電路通過相應(yīng)LC濾波電路中的電感器的DC電阻處的電流感測來測量相應(yīng)第一或第二 LC濾波電路中的電感器電流。
11.權(quán)利要求9的電源系統(tǒng)，其中，所述電流共享控制電路通過使用被耦合到相應(yīng)LC濾波電路中的電感器的電流感測電阻器來測量相應(yīng)第一或第二 LC濾波電路中的電感器電流。
12.權(quán)利要求5的電源系統(tǒng)，其中，所述第一已調(diào)節(jié)輸出電壓與所述系統(tǒng)輸出電壓基本上相同，并且所述第二已調(diào)節(jié)輸出電壓小于所述第一已調(diào)節(jié)輸出電壓，所述晶體管被配置成由運算放大器控制以從所述第二反饋控制電路中的節(jié)點拉出電流，以便迫使所述第二輸出電流等于所述第一輸出電流。
13.權(quán)利要求5的電源系統(tǒng),其中，所述第一已調(diào)節(jié)輸出電壓與系統(tǒng)輸出電壓基本上相同，并且所述第二已調(diào)節(jié)輸出電壓大于所述第一已調(diào)節(jié)輸出電壓，所述晶體管被配置成由所述運算放大器控制以向所述第二反饋控制電路中的節(jié)點中推入電流，以便迫使所述第二輸出電流等于所述第一輸出電流。
14.權(quán)利要求1的電源系統(tǒng)，其中，所述第一輸入電壓和所述第二輸入電壓具有相同電壓值。
15.權(quán)利要求1的電源系統(tǒng)，其中，所述第一輸入電壓和所述第二輸入電壓具有不同電壓值。
16.權(quán)利要求1的電源系統(tǒng)，其中，所述第一和第二功率級每個包括恒定開啟時間(COT)控制降壓轉(zhuǎn)換器。
17.一種用于在已調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出電壓下提供輸出電流的方法，所述方法包括: 提供第一功率級和第二功率級，每個功率級包括恒定開啟時間(COT)控制功率轉(zhuǎn)換器； 將所述第一和第二功率級的輸出電壓節(jié)點連接到公共輸出電壓節(jié)點； 在所述第一功率級處產(chǎn)生具有減小的或非常小的輸出紋波的第一已調(diào)節(jié)輸出電壓； 在所述第二功率級處產(chǎn)生具有減小的或非常小的輸出紋波的第二已調(diào)節(jié)輸出電壓； 向所述第一功率級的第一反饋控制電路注入第一紋波信號； 向所述第二功率級的第二反饋控制電路注入第二紋波信號； 測量所述第一功率級的第一輸出電流和所述第二功率級的第二輸出電流；以及產(chǎn)生控制信號以調(diào)制所述第二功率級的第二反饋控制電路以迫使所述第二輸出電流等于所述第一輸出電流。
18.一種用于在已調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出電壓下提供輸出電流的電源系統(tǒng)，所述電源系統(tǒng)包括: 第一功率級，包括紋波模式控制功率轉(zhuǎn)換器，所述第一功率級接收第一輸入電壓并在公共輸出電壓節(jié)點處產(chǎn)生具有基本上恒定量值的第一已調(diào)節(jié)輸出電壓，所述第一功率級包括被配置成接收指示所述第一已調(diào)節(jié)輸出電壓的第一反饋電壓并基于所述第一反饋電壓來調(diào)節(jié)所述第一已調(diào)節(jié)輸出電壓的第一反饋控制電路，所述第一功率級還包括第一 LC濾波電路，所述第一 LC濾波電路被配置成產(chǎn)生具有減小或非常小的輸出紋波的第一已調(diào)節(jié)輸出電壓，并且還包括被配置成向所述第一反饋控制電路中的節(jié)點注入紋波信號的第一紋波注入電路； 第二功率級，包括紋波模式控制功率轉(zhuǎn)換器，所述第二功率級接收第二輸入電壓并在公共輸出電壓節(jié)點處產(chǎn)生具有基本上恒定量值的第二已調(diào)節(jié)輸出電壓，所述第二功率級包括被配置成接收指示所述第二已調(diào)節(jié)輸出電壓的第二反饋電壓并基于所述第二反饋電壓來調(diào)節(jié)第二已調(diào)節(jié)輸出電壓的第二反饋控制電路，所述第二功率級還包括第二 LC濾波電路，所述第二 LC濾波電路被配置成產(chǎn)生具有減小或非常小的輸出紋波的第二已調(diào)節(jié)輸出電壓，并且還包括被配置成向所述第二反饋控制電路中的節(jié)點注入紋波信號的第二紋波注入電路；以及 電流共享控制電路，被配置成測量所述第一功率級的第一輸出電流和所述第二功率級的第二輸出電流，并產(chǎn)生控制信號以調(diào)制所述第二功率級的第二反饋控制電路以迫使所述第二輸出電流等于所述第一輸出電流。
19.權(quán)利要求18的電源系統(tǒng)，其中，所述第一和第二功率級每個包括恒定開啟時間(COT)控制降壓轉(zhuǎn)換器。
20.權(quán)利要求18的電源系統(tǒng)，其中，所述第一和第二功率級每個包括恒定關(guān)斷時間控制降壓轉(zhuǎn)換器。
【文檔編號】H02M3/156GK104283423SQ201410215180
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年5月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月21日
【發(fā)明者】P.諾拉 申請人:麥奎爾有限公司