CN1643767A - 用于校准和平衡采用不同的输入电压的多相dc－dc转换器中的输入和输出电流的方法和电路 - Google Patents

用于校准和平衡采用不同的输入电压的多相dc－dc转换器中的输入和输出电流的方法和电路 Download PDF

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Abstract

一个多相DC－DC转换器结构，其中定义了包括误差信号增益和调节器增益的参数，使得该结构能够平衡多个转换器通路的电流，而不论转换器通路是否具备相同的或是不同的输入电压。

Description

用于校准和平衡采用不同的输入电压 的多相DC-DC转换器中的输入和输出电流的方法和电路
相关申请的交叉引用
本申请要求申请序列号为No.60/368，894的美国申请的优先权，该美国申请由M.Harris于2002年3月29日提交，其题目为“用于校准和平衡采用不同的输入电压的多相DC-DC转换器中的输入和输出电流的方法和电路”，并转让给本申请的受让人，其内容在本文中援引。
本发明的所属领域
本发明通常涉及一种DC-DC电压转换器，尤其是一种多相DC-DC转换器的结构，该结构能够有效地平衡多个转换器通路的电流，而不论转换器通路是否具备相同的或是不同的输入电压。
本发明的背景技术
用于诸如但又不局限于个人电脑的微处理器芯片的集成电路的电源，典型的由一个或多个直流(电池)电源提供，比如一种降压型且基于脉宽调制(PWM)的如图1中概括示出的类型的DC-DC转换器。如其所示，转换器具有一个控制电路1，其给开关电路驱动器2提供同步PWM信号，用来控制一对电源开关装置的导通与关断，该电源开关装置连接有动力负载。在所描述的转换器中，电源开关装置具有一个上部(或高端)的功率NMOSFET(或NFET)装置3，和一个下部(或低端)的功率NFET装置4，它们的漏源电流流过串联连接在输入电压(Vin)传输干线和地(GND)之间的通路。
上部的NFET装置3由从驱动器2供给其栅极的的上部栅极开关信号UGATE导通和关断，而下部的NFET装置4由从驱动器2提供的下部栅极开关信号LGATE导通和关断。两个NFET之间的公共节点5通过电感6连接到负载储存电容7，负载储存电容7连接到参考电压端(GND)。电感6和电容7之间的接点8作为一个输出节点，来自该节点的期望的(调节后的)DC输出电压Vout施加到负载9(连接到GND)。除了一些小的波纹电压，通过电感的耦合阻抗输出分电压等于开关电压的平均值。
输出节点8还通过一个反馈电阻10反馈到PWM控制器1中的误差放大器电路。该误差放大器电路用来相对于参考电压值调节转换器的输出DC电压。另外，可控制开关的NFET之间的公共节点5通过一个电流检测电阻11连接到控制器1中的电流检测电路，如有必要，响应于该电流检测电路，控制器调节PWM信号的占空比，从而将转换器的DC输出保持在一组规定的参数范围内。
早期由这样的转换器供电的计算机电路具有大约+/-5VDC的运行电压，并仅产生几安培的电流。为了提高性能，个人计算机现在使用相对低的运行电压(大约1.0到2.0VDC)，并可以产生数十个或更多安培的电流。因为从多个电源获得如此相对大的电流更具经济性，所以电源供应者现在提供可以由不同电压电源驱动的多相DC-DC转换器。另外，如果一个特定电路的功率要求比较高以致于不能仅仅由一个DC电源提供，负载点调节器必须从多个可获得的DC电源中获得所需要的功率。因此，对于一个DC-DC转换器来说，将功率通过几个不同的DC电压电源，比如12V电源、5V电源和3.3V电源，分配给计算机主板是常见的。每个DC电源可利用的电流是有限的，所以在计算机主板上的电路必须遵守系统功率分配，以限制来自每个电源的电流。
具有较高功率要求的一个电路的实施例是计算机的图形适配器卡，其采用一个负载点调节器将12V和3.3V的DC输入电压转换成一个DC输出电压，为了合理地操作计算机的图形处理器，该DC输出电压被调节到明显小于3.3VDC的精确值。在这个和其他类似的情况中，负载点DC-DC调节器必须至少具有以下功能。
首先，其必须将DC输出电压调整到某一个由一个特定负载决定的值。其次，其必须将DC输出电压调整到一个由一个特定负载决定的精确(准确的)值。第三，其必须将电流从多个平行的通路分配到一个公共负载上。第四，其不得不将来自于公共负载的平行通路中的电流平衡为一个期望的比例。第五，其必须用平行通路将来自于多个不同的输入电压实行DC-DC转换到一个公共负载上。第六，其必须将输入电流调节到由系统的功率分配所规定的某些值。
在多相DC-DC转换器中用于平衡通路电流的一个电路结构示于图2中，其对应于美国申请中的图2，该美国申请是M.Walters等人申请的No.6,278,263，题目为“具有平衡电流的多相DC-DC转换器”，其已经转让给本申请的受让人，并且其内容在本文中援引。根据该结构，通过将一个校正偏移提供给一个由误差放大器42输出的控制信号，将多个脉宽调制(PWM)比较器(其中的四个由68、70、72和74示出)的多相通路电流适当的平衡。该控制信号具有正确的符号和大小，以使得输出电压集中到一个参考电压REF，由此将输出电压调节到该参考电压值。对每一个通路i来说，控制电路的误差信号是共同的。
每一个通路的电流测量值被加权并被加在一起以产生一个信号，其与平均通路电流成比例。然后从信号VAVERAGE中减去代表每个通路电流的电压VISENSEi，以实现电流误差信号，其中VAVERAGE与平均电流成比例，电流误差信号与每个通路电流和平均通路电流之间的差值成比例。电流误差信号和控制信号合并从而对每个通路的电流提供一个校正。该校正足够大使得每个通路的电流集中到平均电流。
虽然当多相转换器的每个通路采用一样的DC输入电压时，图2中的电流平衡装置运行良好，但是当通路的DC电源具有不同的电压值时，没有改变的平衡电流是不恰当的。
本发明的概述
根据本发明，通过改善图2中的多相DC-DC转换器结构，消除了上述缺陷，其有效的平衡了各个通路的电流，而不论通路的电源是否提供了相同的或是不同的电压。依据第一实施例，各个通路的误差信号增益被设置等于同一个值，且是比较大的值。由于每个增益的值都比较大，所以邻近通路电流间的差值变得非常小，随着增益接近无穷大，该差值集中到零。该第一实施例的一个实际电路应用涉及到使用一个连接到用于各个通路的整体结构上的运算放大器，把增益和差值节点合并起来。
在第二实施例中，所有通路的增益设置为彼此相等。另外，调节器增益也彼此相等。这可以通过使供给到各个PWM比较器上的锯齿波的幅值与它们的输入电压成正比来实现。
依据第三实施例，其除了使提供给各个PWM比较器的锯齿波的幅值与输入电压成正比，还使流入PWM比较器的组合电路的输出，由各自的校准电路校准成与它们相连的调节器增益成反比，以产生与上述第二实施例同样的效果。
附图的简单描述
图1概括地示出了一种降压型且基于脉宽调制(PWM)的DC-DC转换器的整体结构。
图2对应于美国专利No.6,278,263的图2；
图3是图2的重排图；
图4概括地描述了根据本发明的第一实施例，图2和图3中多相结构中的一个单独通路子件的修改；
图5概括地描述了根据本发明的第二实施例，图2和图3中的多相结构的修改；
图6概括地描述了根据本发明的第三实施例，图2和图3中的多相结构的修改。
详细描述
为了便于理解本发明，一开始就分析图2所示的多相转换器电路的操作是有用的。考虑PWM比较器68的操作，其产生脉冲用来驱动开关(FET)，将通路1的输入电压通过一个耦合阻抗连接到它的输出，上述内容已在图1中示出。当在输入端68a的来自于减法电路58的电压大于在输入端68b的锯齿波电压时，开关(FET)关断。否则开关导通。如上面所指出的，耦合阻抗是这样的，即除了相对较小的波纹电压外，输出电压等于开关电压的平均值。
开关电压的平均值是与控制信号VEA(通路1的输入电压)成正比，且与比较器输入端68b的锯齿波电压的幅值成反比。这种比例关系可以用图3所示的增益模块G来表示，其与PWM比较器和各自的PWM调节器元件A1、A2、A3、A4的结合体一起，组成了图2元件的重排，是图1开关模式PWM调节器组件的模块表示。每一个PWM调节器各自具有调节器增益Ai，其有效地符合其相关的输入电压Vini与其相关的斜波或锯齿波形的峰-峰电压的比值。
在图3中，检测电压VSENSE借助于传感器增益k与通道电流相关，使得，比如电压VSENSE，1等于k倍的电流I1。对来自于图3的稳态平衡电流误差的分析导出下面的等式(1)，其中误差由两个通路的电流差值表示，这里指通路1和通路2。等式(1)可以通过简单置换被归纳为任意两个通路的电流。
I1-I2＝{VEA/K}{(G2-G1)/G2G1}-{VOUT/K}{(A2G2-A1G1)/A1G1A2 G2}(1)
在图2和图3电路的大多数的实际应用中，误差信号增益G1，G2，G3，G4是相等的。从等式(1)中可以看出，为了降低稳态误差这是必需的。如果误差信号增益G1，G2，G3，G4都等于同一个值G，那么等式(1)将重写成下面的等式(2)：
I1-I2＝{VOUT/K}{(A1-A2)/GA1A2}                (2)
等式(2)表明稳态误差直接与调节器增益之间的差值成正比与误差信号增益成反比。
第一实施例(图4)
根据本发明的第一实施例，各个通路(例如在图2和图3的四个通路结构中的增益G1，G2，G3和G4)的误差信号增益设置成相互相等，且设置成具有非常高的值。由于每一个增益具有非常高的值(例如与10,000或更大(实际无限大))等式(2)中电流I1和I2之间的差值变得非常小。也就是当G接近无穷大时，等式(2)的值减小到零。该第一实施例的一个实际电路应用涉及到使用一个运算放大器，把整体结构中的每个通路的增益和差值节点合并起来。
图4示出了一个单独通路的这种结构(这里指通路1)，其中表示为电压VSENSE，1的检测电流通过一个电阻值为R1的第一输入电阻401，连接到运算放大器410的反向(-)输入端411。表示为电压VSENSE，AVG的被检测电流的平均值通过一个电阻值也为R1的第二输入电阻402。连接到运算放大器410的正向(+)输入端412。反向输入端通过一个由阻值为R2的电阻403和电容为C的电容404所组成的串联电路接地。运算放大器410的输出端413，其产生输出电压GVER，通过一个由阻值为R2的电阻406和电容为C的电容407所组成的串联电路连接到反向输入端411。RC电路设置电路的频率响应。图4的电路为图3的差值节点和增盈模块G的一次实现。
第二实施例(图5)
如上所述，在本发明的第一实施例中，在图2和图3的四个通路中的误差信号增益G1，G2，G3和G4的值等于相同的值。根据本发明的第二个实施例，所有通路的增益设置成彼此相等。另外，调节器增益A1，A2，A3和A4的值设置成彼此相等。这可以通过使供给各个比较器68，70，72和74的第二输入端68b，70b，72b，和74b上的锯齿波的幅值与它们相关的输入电压成正比，就可以容易获得。由于产生幅值与输入电压成正比的斜坡电压的电路是传统的，所以在此不详细说明了。不过在图5中以框图的形式显示在68R、70R、72R和74R处。值得注意的是这与一般的前馈控制技术很相似，其中调节器增益以这种方式调节使得DC-DC转换器对输入电压的变化不敏感。然而，为了在多相转换器中提供电流平衡，在此描述的它的使用是不同于以前的。
第三实施例(图6)
依据第三实施例，如图6所示，它是第二实施例的修正，其除了使输入到各个比较器的锯齿波的幅值与输入电压成比例，减法电路58，60，62和64的输出通过各自的校准电路59，61，63和65连接到调节器。每一个校准电路能够有效的校准它的输入电压与其相关的调节器增益成反比，或者是(1/Ai)，以致与图5的第二实施例产生相同的效果。
虽然已经根据本发明示出和描述了一个实施例，但是应该理解其不限于这里的描述，而是允许多处的变化和修改，这一点对于所属领域的技术人员来说是众所周知的。因此我不希望限于在此所示出和描述的细节，而是希望覆盖所有的这些变化和修改，这一点对所属领域的每一个普通技术人员来说是显而易见的。

Claims (15)

1、一种在输出节点产生输出电压的多相DC-DC转换器，其包括：
多个转换器通路，上述多个转换器通路中的每一个包括转换器通路输入，和连接到上述输出节点的转换器通路输出，上述多个转换器通路中的每一个可操作地产生转换器通路电流，并响应于电联接于上述每一个转换器通路输入的控制信号调节上述转换器通路电流；和
控制电路，其包括：
误差信号比较器，其可操作地依据上述输出电压和参考电压之间的规定关系产生误差信号；和
多个控制电路通路，上述多个控制电路通路中的每一个对应于上述多个转换器通路中的一个，上述多个控制电路通路中的每一个包括：
通路电流传感器，其可操作地产生通路电流信号，代表着相应的转换器通路电流；
微分合成器，其可操作地产生微分通路电流信号，代表着上述通路电流信号和上述多个转换器通路全部平均电流的平均值之间的差；
微分误差信号发生器，其可操作地产生微分误差信号，代表着上述误差信号和上述微分通路电流信号之间的差；和
连接在各个输入电压的脉宽调节器，其连接在一起以便接收斜坡电压和上述微分误差信号，并依据上述斜坡输入和上述微分误差信号的比较脉宽调节上述输入电压以便产生上述输出电压；
合并上述脉宽调节器的输出以便在上述输出节点处提供合成输出电流；其中
上述多个控制电路通路的脉宽调节器具有不同的输入电压；和
上述多个控制电路通路被配置成平衡上述转换器通路电流。
2、根据权利要求1的多相DC-DC转换器，其中上述多个控制电路通路具有同样的增益。
3、根据权利要求2的多相DC-DC转换器，其中上述脉宽调节器具有同样的调节器增益。
4、根据权利要求3的多相DC-DC转换器，其中各个脉宽调节器连接在一起以便接收斜坡电压，该电压幅值与上述输入电压成正比。
5、根据权利要求3的多相DC-DC转换器，其中各个转换器通路被配置成校准上述微分误差信号，使其与上述脉宽调节器的增益成反比。
6、在输出节点处产生输出电压且包括多个转换器通路的多相DC-DC转换器中，该多个转换器通路的每一个包括转换器通路输入，和连接上述输出节点的转换器通路输出，该多个转换器通路中的每一个可操作地产生转换器通路电流，并响应于电联接于上述每一个转换器通路输入的控制信号调节上述转换器通路电流；和控制电路，该控制电路具有误差信号比较器，其可操作地依据上述输出电压和参考电压之间的预定关系产生误差信号；和多个控制电路通路，该多个控制电路通路中的每一个对应于上述多个转换器通路中的一个，其中该多个控制电路通路中的每一个包括：
通路电流传感器，其可操作地产生通路电流信号，代表着相应的转换器通路电流；
微分合成器，其可操作地产生微分通路电流信号，代表着上述通路电流信号和上述多个转换器通路全部平均电流的平均值之间的差；
微分误差信号发生器，其可操作地产生微分误差信号，代表着上述误差信号和上述微分通路电流信号之间的差；和
连接在各个输入电压的脉宽调节器，其连接在一起以便接收斜坡电压和上述微分误差信号，并依据上述斜坡输入和上述微分误差信号的比较脉宽调节上述输入电压以产生上述输出电压；其中上述多个控制电路通路的脉宽调节器具有不同的输入电压；
改进，其中上述多个控制电路通路被配置成平衡上述转换器通路电流。
7、根据权利要求6的改进，其中上述多个控制电路通路具有同样的增益。
8、根据权利要求6的改进，其中上述脉宽调节器具有同样的调节器增益。
9、根据权利要求8的改进，其中各个脉宽调节器连接在一起以便接收斜坡电压，该电压幅值与上述输入电压成正比。
10、根据权利要求9的改进，其中各个转换器通路被配置成校准上述微分误差信号，使其与上述脉宽调节器的增益成反比。
11、一种操作多相DC-DC转换器的方法，该多相DC-DC转换器在输出节点产生输出电压并且包括多个转换器通路，该多个转换器通路中的每一个包括转换器通路输入，和连接上述输出节点的转换器通路输出，该多个转换器通路中的每一个可操作地产生转换器通路电流，并响应于电联接于上述每一个转换器通路输入的控制信号调节上述转换器通路电流；和控制电路，该控制电路具有误差信号比较器，其可操作地依据上述输出电压和参考电压之间的预定关系产生误差信号；和多个控制电路通路，该多个控制电路通路中的每一个对应于上述多个转换器通路中的一个，其中该多个控制电路通路中的每一个包括：
通路电流传感器，其可操作地产生通路电流信号，代表着相应的转换器通路电流；
微分合成器，其可操作地产生微分通路电流信号，代表着上述通路电流信号和上述多个转换器通路全部平均电流的平均值之间的差；
微分误差信号发生器，其可操作地产生微分误差信号，代表着上述误差信号和上述微分通路电流信号之间的差；和
连接在每个输入电压的脉宽调节器，其连接在一起以便接收斜坡电压和上述微分误差信号，并依据上述斜坡输入和上述微分误差信号的比较脉宽调节上述输入电压以便产生上述输出电压；
上述方法包括以下步骤：
(a)将不同的输入电压提供给上述多个控制电路通路的上述脉宽调节器中的所选择的多个；和
(b)使得上述多个控制电路通路平衡上述转换器通路电流。
12、根据权利要求11的方法，其中步骤(b)包括配置上述多个控制电路通路具有同样的增益。
13、根据权利要求12的方法，其中步骤(b)包括配置上述脉宽调节器具有同样的调节器增益。
14、根据权利要求13的方法，其中步骤(b)包括给每一个脉宽调节器提供斜坡电压，该斜坡电压幅值与上述输入电压成正比。
15、根据权利要求13的方法，其中步骤(b)包括校准上述微分误差信号，使其与脉宽调节器的增益成反比。
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