相關(guān)申請案的交叉參考

本申請案主張來自2016年4月15日申請的序列號為62/323,490的美國臨時申請案的優(yōu)先權(quán)。

本發(fā)明涉及dc/dc轉(zhuǎn)換器，且特定來說，涉及多相電流模式切換轉(zhuǎn)換器。

背景技術(shù)：

多相切換電力供應(yīng)器是眾所周知的，且被頻繁用于高電力應(yīng)用中。圖1說明兩相電力供應(yīng)器。在此多相電力供應(yīng)器中，多個獨立受控切換電力供應(yīng)器經(jīng)并聯(lián)連接以驅(qū)動表示為電阻器rl、耦合到經(jīng)調(diào)節(jié)輸出電壓vo的負(fù)載。通常，將控制器10實施為集成電路，且電感器l1及l(fā)2以及輸出電容器co處于外部。切換晶體管q1到q4可取決于電力要求而處于內(nèi)部或外部。

時鐘在循環(huán)的不同相位期間通過在其相關(guān)聯(lián)相位的開始處接通頂部晶體管q1或q3而設(shè)定每一電力供應(yīng)器。以此方式，由每一相位傳導(dǎo)的電流僅是一小部分負(fù)載電流，且輸出電壓紋波減少。此舉降低濾波要求、減少開關(guān)中的rms電力耗散、減少熱點、使得能夠更快速地響應(yīng)負(fù)載變化且緩和對印刷電路板上及集成電路中的跡線的要求。理想情況下，在穩(wěn)態(tài)條件下由諸個相位提供的電流相同。

電流模式切換電力供應(yīng)器通常用于多相切換電力供應(yīng)器中，且需要非常準(zhǔn)確的電流感測器以反饋瞬時電感器電流以調(diào)節(jié)通過相位中的各種電感器的峰值電流?；旧希?dāng)斜變電感器電流跨越閾值電壓時，切換晶體管在時鐘循環(huán)的剩余部分內(nèi)關(guān)斷。對于每一相位，電流感測應(yīng)相同，以保證負(fù)載電流跨越所有相位均勻平衡。圖1展示針對相位中的每一者的電流反饋信號ifb1及ifb2，且展示輸出電壓反饋信號vfb。輸出電壓反饋信號vfb可為經(jīng)劃分電壓。

用于檢測每一相位中的電感器電流的一種技術(shù)是插入與電感器串聯(lián)的低值感測電阻器(例如，小于0.1歐姆)并測量跨越電阻器的電壓降落。電壓降落包含歸因于斜變電感器電流的dc分量的相對較大降落及歸因于斜變電感器電流的ac紋波分量的小得多的降落。因為每一相位中的電阻器具有非常低的值，所以存在不良信噪比。信噪比問題是歸因于在電阻器傳導(dǎo)高dc電流及切換噪聲的同時跨越感測電阻器的相對較小紋波電壓(ac)降落。此外，電阻器中的損耗浪費電力。

替代使用單獨串聯(lián)電阻器，可通過感測跨越電感器(因為電感器具有稱為dcr的dc繞組電阻)的電壓或感測跨越同步整流器開關(guān)(當(dāng)其接通時)的電壓而“無損地”測量電流。此技術(shù)被認(rèn)為是無損的，這是因為其依賴于轉(zhuǎn)換器拓?fù)渲泄逃械碾娮钃p耗。

有效地感測電流的另一方式是使用電阻器-電容器網(wǎng)絡(luò)仿真跨越電感器的電感器電流，其中rc網(wǎng)絡(luò)的時間常數(shù)與電感器dcr時間常數(shù)相同，使得rc＝l/dcr。因此，跨越電容器的斜變電壓將跟蹤通過電感器的斜變電流。然而，如果dcr非常低，那么將存在切換噪聲問題及信噪比問題。此將導(dǎo)致脈沖寬度調(diào)制(pwm)相位抖動、電流不平衡及其它問題。

第8,823,352號美國專利揭示用于單相電力供應(yīng)器的各種電流感測技術(shù)，但未解決多相電力供應(yīng)器的電流感測。'352專利揭示一種技術(shù)，其用于分離出電感器電流的ac與dc分量以有效地獨立放大ac分量，且接著，適當(dāng)放大dc分量以與ac分量具有適當(dāng)比例。然而，此技術(shù)在應(yīng)用于多相電力供應(yīng)器時是有問題的，這是因為每一相位將需要具有完全相同增益的單獨放大器以類似地放大其相關(guān)聯(lián)dc分量，且難以針對相位中的每一者形成相同放大器。提供單獨放大器還增大系統(tǒng)的成本及大小。

需要一種使用電流模式轉(zhuǎn)換器相位的多相切換電力供應(yīng)器，其中可使針對每一相位的電流感測更準(zhǔn)確且對于每一相位相同。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

揭示一種具有相控電流模式轉(zhuǎn)換器(也稱為相位)的多相切換電力供應(yīng)器。rc網(wǎng)絡(luò)針對每一相位仿真電感器電流。所述rc網(wǎng)絡(luò)分離出經(jīng)仿真電感器電流的dc及ac分量，使得兩個路徑可單獨地進(jìn)行處理，接著稍后進(jìn)行組合。可使所述ac分量具有高的峰值到峰值電壓，這是因為其與dc分量分離，這改進(jìn)信噪比。所述dc分量單獨進(jìn)行放大。對于相控電流模式轉(zhuǎn)換器，經(jīng)仿真電感器電流的準(zhǔn)確處理精確地要求對每一相位的dc分量的相同放大。

對于dc分量，僅單個差分放大器用于所有相位，這是因為其輸入及輸出被多路復(fù)用，且放大器的輸出針對每一相位施加到取樣與保持電路。接著，將所述取樣與保持電路的輸出(含有電感器電流的經(jīng)放大dc分量)與ac分量進(jìn)行求和。“輸入”多路復(fù)用器時鐘可為設(shè)定電流模式轉(zhuǎn)換器的相位的相同時鐘，且“輸出”多路復(fù)用器時鐘可略微延遲以避免放大器輸出中的取樣切換噪聲。

因此，對于每一相位，放大完全相同，存在歸因于dc分量的取樣與保持的較少切換噪聲，且所有相位存在更好的電流平衡。另外，因為僅存在一個放大器，所以減小了系統(tǒng)的成本及大小。

接著，對于每一相位，比較ac分量與放大器的取樣與保持輸出的總和與用于調(diào)節(jié)通過電感器中的每一者的峰值電流的控制電壓。所有相位將具有相同控制電壓，所以由相位供應(yīng)的電流應(yīng)相同。

可使電流感測電路中的每一者中的電阻器匹配，且可針對不同相位中的電感器定制所述電阻器。

因此，用于各種相控電流模式轉(zhuǎn)換器的電流感測將更準(zhǔn)確且相同，具有小的添加空間，這是因為針對所有相位使用相同放大器。

電流感測及共享dc感測信號放大器可應(yīng)用于任何類型的多相電流模式轉(zhuǎn)換器，其包含降壓、升壓、降壓-升壓、最小電流控制、恒定接通時間控制、恒定關(guān)斷時間控制等等。除了電流感測及共享放大器之外，轉(zhuǎn)換器的所有方面可為常規(guī)的，從而使本發(fā)明能夠容易地并入于現(xiàn)存多相轉(zhuǎn)換器設(shè)計中。

各個相位可使用相同輸入電壓或不同輸入電壓，且所述相位可驅(qū)動相同負(fù)載或不同負(fù)載。在所有情況下，電感器電流的dc分量將緩慢改變，從而使得能夠取樣每一相位中的平均dc分量且使其用于整個切換循環(huán)。

附圖說明

圖1說明使用電流模式轉(zhuǎn)換器的現(xiàn)有技術(shù)通用多相切換電力供應(yīng)器。

圖2說明針對兩相電力供應(yīng)器的本發(fā)明的實施例，其中相控電流模式轉(zhuǎn)換器各自仿真其相應(yīng)電感器電流、單獨地處理經(jīng)仿真信號的ac與dc分量以改進(jìn)信噪比、使用相同dc放大器處理dc分量(通過多路復(fù)用)，且使用取樣與保持電路以貫穿整個時鐘循環(huán)保持dc經(jīng)放大值，同時dc放大器間歇性地耦合到每一相位。

圖3說明本發(fā)明的另一實施例，其中低值感測電阻器用于電感器電流路徑中，而非僅使用電感器的dcr，以使電壓降落。此舉可跨越所有相位提供更一致電流讀數(shù)。

使用相同元件符號標(biāo)示相同或等效的元件。

具體實施方式

圖2說明本發(fā)明的第一實施例，其是多相切換電力供應(yīng)器。盡管為了簡化起見僅展示兩個相位，但可取決于所需電力及所期望紋波而使用任何數(shù)目個相位。首先將描述電力供應(yīng)器的常規(guī)部分的操作?？商娲厥褂迷S多其它類型的電力供應(yīng)器，且本發(fā)明主要涉及產(chǎn)生分離ac與dc感測信號的電流感測部分及dc感測放大器由所有相位共享。

時鐘(clk)信號施加到rs觸發(fā)器20的設(shè)定輸入。每一相位具有其自身時鐘信號，且所述相位在單個時鐘循環(huán)內(nèi)被平分。在兩個相位的實例中，在相位之間存在半個循環(huán)差。產(chǎn)生相位時鐘信號是眾所周知的。時鐘頻率通常將在幾十khz到幾mhz之間。其它類型的多相電流模式轉(zhuǎn)換器不一定按恒定頻率切換，但仍需要電感器電流檢測以控制開關(guān)。

rs觸發(fā)器20的設(shè)定在其q輸出處產(chǎn)生高信號。作為響應(yīng)，邏輯電路24接通晶體管開關(guān)26且關(guān)斷同步整流器開關(guān)28。兩個開關(guān)均可為mosfet或其它晶體管。二極管可替代同步整流器開關(guān)28。邏輯電路24保證不存在開關(guān)26與28的交叉?zhèn)鲗?dǎo)。施加到電感器l1到開關(guān)26的輸入電壓vin致使斜變電流流過電感器l1。斜變電流由輸出電容器36濾波，且將電流供應(yīng)到連接到輸出電壓vo的負(fù)載。輸出電容器36相對較大以使紋波平滑。

輸出電壓vo施加到分壓器42，且經(jīng)劃分電壓施加到跨導(dǎo)誤差放大器44的負(fù)輸入。參考電壓vref施加到放大器44的正輸入。放大器44的輸出電流對應(yīng)于實際輸出電壓vo與所期望輸出電壓之間的差值?；诜糯笃?4的正電流輸出或負(fù)電流輸出調(diào)高或調(diào)低跨越放大器44的輸出處的電容器46的電壓(控制電壓vc)。電容器46處的控制電壓vc尤其設(shè)定開關(guān)26的工作循環(huán)及使到放大器44的輸入均衡所需的控制電壓vc的電平。電阻器及電容器可與電容器46并聯(lián)連接以如眾所周知那樣控制及優(yōu)化相位及環(huán)路穩(wěn)定性。

圖2還說明常規(guī)斜坡補償電路48，如對于電流模式電力轉(zhuǎn)換器所眾所周知。斜坡補償電路48的鋸齒式輸出由減法器50從控制電壓vc減去。在高工作循環(huán)(通常大于50％)下，斜坡補償電路48的效果是減少高工作循環(huán)下可能發(fā)生于電流環(huán)路中的子諧波振蕩。斜坡補償電路48與本發(fā)明無關(guān)。某些類型的多相電流模式轉(zhuǎn)換器無需斜坡補償。

經(jīng)補償控制電壓vc施加到比較器52的一個輸入。

如稍后將更詳細(xì)描述，表示瞬時斜變電感器電流的經(jīng)仿真信號施加到比較器52的另一輸入。當(dāng)斜變信號跨越經(jīng)補償控制電壓vc時，rs觸發(fā)器20復(fù)位，這關(guān)斷開關(guān)26并接通開關(guān)28以使電感器放電，直到下一時鐘循環(huán)啟動。以此方式，對于每一循環(huán)，通過電感器l1的峰值電流經(jīng)調(diào)節(jié)以產(chǎn)生所期望輸出電壓vo。其它類型的合適的電流模式轉(zhuǎn)換器不調(diào)節(jié)峰值電流，但仍基于檢測到的電感器電流切換晶體管。

另一相位與剛描述的相位相同，且使用其自身比較器(未展示)、rs觸發(fā)器及邏輯以獨立地切換其開關(guān)56及58。所有相位使用相同經(jīng)補償控制電壓vc以設(shè)定通過其電感器的峰值電流。理想情況下，每一相位具有相同工作循環(huán)，且將總電流的二分之一供應(yīng)到負(fù)載。盡管展示驅(qū)動單獨輸出電容器36的每一相位，但其是相同的共同電容器36。

通過電感器l1的電流包含dc分量(較低頻率平均電流)及ac分量(較高頻率紋波電流)。

在現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計中，通過各個開關(guān)的接通或關(guān)斷，電感器電流中的切換噪聲(例如，高頻率尖峰及振蕩)是一個問題，且如果所述切換噪聲足夠高，那么可致使比較器的錯誤觸發(fā)，從而導(dǎo)致輸出電壓vo上的紋波的抖動及增大。

本發(fā)明減輕切換噪聲的問題且?guī)椭邢辔灰跃哂邢嗤匦?，使得每一相位將把電流的相同比例供?yīng)到負(fù)載。此避免一個相位傳導(dǎo)更多電流，從而致使其變得比其它相位更熱、降低其效率且限制最大操作環(huán)境溫度。保持相位相同還減少輸出電壓紋波。本發(fā)明使用由所有相位共享的經(jīng)多路復(fù)用差分放大器，這減小相控轉(zhuǎn)換器的大小，且致使所有相位具有更類似的操作特性。

圖2說明針對ac感測路徑與dc感測路徑具有不同rc電路的電流感測電路。電阻dcr1表示電感器繞組dc電阻。電感器繞組可具有大約幾莫姆到小于1莫姆的dc電阻。包括電阻器r3及電容器c3的串聯(lián)連接、跨越電感器l1連接的開爾文的rc網(wǎng)絡(luò)經(jīng)選擇以具有比電感器及dcr的時間常數(shù)小得多的時間常數(shù)，使得r3*c3＜l1/dcr。感測跨越電容器c3端子的ac紋波電壓。r3*c3時間常數(shù)可為低于l1/dcr的任何時間常數(shù)以適當(dāng)操作，這是因為dc路徑的增益將被適當(dāng)?shù)卣{(diào)整以避免失真。通過降低時間常數(shù)r3*c3，跨越電容器c3的ac紋波電壓量值可隨著通過電感器l1的電流斜升而大幅增大。此增大的電壓信號增大ac感測信號的信噪比，從而使更準(zhǔn)確地按時觸發(fā)比較器52。

因為任何切換噪聲含有比切換頻率大得多的頻率，所以大部分切換噪聲將由電容器c3濾除，使得時間常數(shù)r3*c3的減小不會不利地影響ac路徑中的切換噪聲的效果。

第二rc網(wǎng)絡(luò)由電阻器r4及電容器c4跨越電容器c3的串聯(lián)連接形成。電阻器r4及電容器c4用作低通濾波器，以濾除切換噪聲及ac紋波，其中跨越電容器c4的經(jīng)濾波信號與電感器電流的dc分量成比例?？缭诫娙萜鱟4的電壓是跨越電容器c3的平均電壓。

跨越感測端子snsp1及snsavg1的電壓表示電感器電流的dc分量vdc1，且跨越感測端子snsp1及snsn1的電壓表示電感器電流的ac紋波電壓vac1。

ac紋波電壓由單位增益緩沖器60針對每一相位緩沖，且緩沖器60的輸出針對每一相位施加到求和器62。

電感器電流的dc分量在穩(wěn)態(tài)操作期間相對恒定，所以其在切換循環(huán)期間的瞬時值并不重要。因此，相位的dc分量可在切換噪聲已減弱之后的時間每循環(huán)由共享差分放大器66放大且由取樣與保持電路68取樣僅一次。放大量經(jīng)設(shè)定以致使dc感測信號與ac感測信號具有適當(dāng)比例以無失真。所需放大增益k可通過模擬確定。

求和器62將ac與dc感測信號相加以產(chǎn)生仿真實際電感器電流的信號。求和器62的輸出將是(k+1)*vdcr1。

因為相同放大器66由每一相位使用，所以用于每一相位的dc分量按完全相同的增益進(jìn)行放大。此通過多路復(fù)用來自所有相位的dc感測輸入使得其按順序施加到放大器66來實現(xiàn)。此還通過僅需要一個放大器66而減小控制器的大小。

第一多路復(fù)用器70由各種時鐘相位控制，以在短暫的時間內(nèi)循序地將每一相位連接到放大器66。

第二多路復(fù)用器72由時鐘相位進(jìn)行控制以在第一多路復(fù)用器70已將放大器66連接到相關(guān)聯(lián)的相位以消除任何切換噪聲不久之后的某一時間取樣且保持放大器66的輸出。保持電容器74針對每一相位在時鐘循環(huán)的剩余部分內(nèi)為那個相位保持經(jīng)放大dc感測信號。經(jīng)取樣與保持信號最終在整個時鐘循環(huán)內(nèi)針對那個相位施加到相位的相關(guān)聯(lián)求和器62，使得針對那個相位的求和器62的輸出準(zhǔn)確地表示整個時鐘循環(huán)的電感器電流。

接著，針對各個相位的經(jīng)仿真電感器電流信號施加到相位的相關(guān)聯(lián)比較器52，且與共同經(jīng)補償控制電壓vc進(jìn)行比較以確定針對相關(guān)聯(lián)相位何時關(guān)斷電力開關(guān)(例如，開關(guān)26或56)。

作為圖2中的電路的結(jié)果，切換噪聲最終從反饋路徑消除，歸因于共享放大器66而使相位更類似，且信噪比大幅增大。此導(dǎo)致更精確電流平衡、更小工作循環(huán)抖動、更低成本控制ic，及更準(zhǔn)確且恒定的輸出電壓vo。

此外，每一相位的比較器52及緩沖器60兩者皆由于制造變化而具有不可避免的偏移。在實踐中，每一相位的偏移必然不同。不匹配偏移促成相位之間的電流不平衡。現(xiàn)在，利用本發(fā)明的改進(jìn)，因為dc及ac感測信號兩者都進(jìn)行k次有效放大，所以歸因于這些不匹配偏移的不平衡減小了1/k。

如果控制器ic使用針對n個相位的n個不同放大器的現(xiàn)有技術(shù)，那么這些放大器的增益k之間的不可避免的不匹配將促成電流不平衡?，F(xiàn)在，利用本發(fā)明的方法，每相位使用相同放大器，使得增益k完全相同。電流不平衡的此促成因素得以消除。

包括電阻器r4及電容器c4的低通濾波器的拐角理想地經(jīng)設(shè)計以使得經(jīng)求和信號與跨越dcr1的以任何頻率而無相移的電壓信號成比例。此外，優(yōu)選的是，電阻器r3及r4具有致使跨越這兩個電阻器的電壓相等的值。

電路僅具有一個到電感器的開爾文連接，從而簡化實施。

電力供應(yīng)器的另一相位與第一相位相同且包含電阻器r1及r2、電容器c1及c2、電感器l2以及ac及dc分量處理電路。ac紋波電壓及dc感測電壓施加到端子snsp2、snsn2及snsavg2。dc感測電壓標(biāo)記為vdc2。任何額外相位也將相同。

圖3類似于圖2，但使用低值感測電阻器rsense檢測電感器電流的dc分量，而非跨越電容器c3的平均電壓。跨越電阻器rsense的電壓降落由包括電阻器r4及電容器c4的低通濾波器進(jìn)行濾波，且跨越電容器c4的電壓是將施加到放大器66的電感器電流的dc分量。電阻器r3及電容器c3的rc時間常數(shù)低于l1/(dcr1+rsense)時間常數(shù)。電路的其余部分及操作與圖2中的相同。

電流感測及共享dc感測信號放大器可應(yīng)用于任何類型的多相電流模式轉(zhuǎn)換器，其包含降壓、升壓、降壓-升壓、最小電流控制、恒定接通時間控制、恒定關(guān)斷時間控制等等。

一些多相轉(zhuǎn)換器不使用共同相控時鐘來設(shè)定切換晶體管，但使用頻率調(diào)制，其中用于所有相位的切換頻率是獨立的，且經(jīng)控制以致使轉(zhuǎn)換器輸出經(jīng)調(diào)節(jié)電壓。此些類型的轉(zhuǎn)換器仍稱為多相轉(zhuǎn)換器，這是因為開關(guān)并不都是同時進(jìn)行切換。

除了電流感測及共享放大器之外，轉(zhuǎn)換器的所有方面可為常規(guī)的，從而使得本發(fā)明能夠容易地并入于現(xiàn)存多相轉(zhuǎn)換器設(shè)計中。

各種相位可使用相同輸入電壓或不同輸入電壓，且所述相位可驅(qū)動相同負(fù)載或不同負(fù)載。在所有情況下，電感器電流的dc分量將緩慢改變，從而使得能夠取樣每一相位中的平均dc分量且使其用于整個切換循環(huán)。

所有相位可由并有本發(fā)明的相同控制器ic控制。

雖然已展示并描述本發(fā)明的特定實施例，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白，可做出改變及修改而不背離本發(fā)明的更廣方面，且因此，所附權(quán)利要求書在其范圍內(nèi)將涵蓋在本發(fā)明的真正精神及范圍內(nèi)的所有此類改變及修改。