CN102810981A - 平衡多相dc/dc转换器中的温度 - Google Patents

Abstract

本申请案涉及平衡多相DC/DC转换器中的温度。在一个实施例中，在峰值电流控制多相DC/DC转换器中使用温度补偿电路。每一相位具有产生所述转换器的经调节输出电压所需的工作循环。感测所述转换器中的每一相位的温度以针对所有所述相位产生对应第一信号。对所述第一信号求平均值以产生对应于所有所述相位的平均温度的第二信号。针对每一相位，产生对应于所述第一信号与所述第二信号之间的差的第三信号。接着，使用所述第三信号来调整每一相位的所述工作循环以将每一相位的所述温度控制成大致等于所述平均温度。在稳定状态中，所述转换器的所述输出电压将为所要电压且所述相位的所述温度将是经平衡的。

Description

平衡多相DC/DC转换器中的温度

技术领域

本发明涉及多相DC/DC转换器，且明确地说涉及对所述转换器的每一相位的热控制。

背景技术

多相DC/DC转换器通常用于高电流应用，例如用于产生100A或100A以上的负载电流。采用多相的转换器允许电流产生的共享、降低波纹且实现其它众所周知的益处。可存在两个或两个以上相位。为了最优操作，每一相位应为相同的，但由于实际考虑此情况是不可能实现的。

对于多相电流模式DC/DC转换器，每一相位通常包括：脉冲宽度调制(PWM)比较器；RS触发器，其用于在某一工作循环下将晶体管开关接通及关断以实现调节；电感器；电流感测装置(例如低值电阻器)。每一相位的接通时间由相控时钟控制。当开关接通时，偏斜电流流动穿过其相关联电感器。由所有相位共用的输出电容器对穿过电感器的相控偏斜电流滤波。误差放大器讲所述转换器的输出电压与参考电压进行比较，且产生其电平对应于将输出电压维持在所要电压下所需的相位的工作循环的控制电压。用于每一相位的PMW比较器接着将所述控制电压电平与穿过所述电感器的电流斜坡进行比较。当其交叉时，RS触发器将所述开关控制成关断。以此方式，理想地，每一相位经控制以具有相同工作循环且向所述负载贡献相等量的电流。

各个相位的温度由于至少以下因素而略有不同：1)各个相位在电路板上的不同物理位置；2)通过强制空气流及散热对所述相位进行的不等冷却；及3)不匹配组件。操作温度的此差异致使所述相位的电特性(例如，MOSFET开关的接通电阻、电感、电流感测电阻等)受不同影响，从而导致在相同工作循环下供应不匹配电流及增加的波纹。此温度不平衡还可导致减小系统的可靠性及性能的“热点”。

此问题应用于在反馈回路中使用所感测电流用于调节的所有类型的多相DC/DC转换器。

在多相DC/DC转换器中需要一种用于平衡各个相位的温度的技术。

发明内容

在一个实施例中，针对多相DC/DC转换器的每一相位提供一热补偿电路。每一补偿电路具有用以针对每一相位产生对应于所述相位的温度的“第一信号”的温度传感器。所述温度可表示用于所述相位的电感器或MOSFET开关的温度，这是因为那些组件传导所述相位的全平均电流。增加的平均电流增加那些组件的温度。

针对所有所述相位对所述“第一信号”求平均值以产生“第二信号”。

针对每一相位，产生对应于所述“第一信号”与所述“第二信号”之间的差的“第三信号”。每一相位的所述“第三信号”然后用以单独地调整每一相位的工作循环以将每一相位的温度控制成大致等于平均温度(即，针对每一相位致使所述“第一信号”等于所述“第二信号”)。可增加一些工作循环同时可减少其它工作循环直到实现稳定状态条件为止。因此，所述相位的所述温度将是经平衡的。因此，在稳定状态操作期间应最优地调节所述转换器的输出电压，由于所述相位的性能的改进的匹配而产生较低波纹。

在一个实施例中，通过有效地使施加到每一相位中的每一PWM比较器的控制电压偏移的热补偿电路来调整工作循环。

描述了各种实施例。

附图说明

图1图解说明一种类型的多相DC/DC转换器(仅详细展示一个相位)，其中通过热补偿电路调整每一相位的工作循环以平衡相位的温度。

图2图解说明用于各个相位的热补偿电路。

图3是根据本发明的一个实施例的发明性技术的流程图。

用相同编号标示相同或等效的元件。

具体实施方式

图1图解说明根据本发明的一个实施例的使用热补偿的一种类型的多相DC/DC转换器。许多其它类型的多相转换器也可受益于本发明。所示的特定类型的转换器为峰值电流模式受控转换器。

图1的转换器部分的操作是常规的且如下进行。

图1中展示三个相位(相位1到相位3)，但本发明可应用于任何数目个相位。为了简化，仅展示相位1中的组件。每一相位的时钟(Clk)信号施加到RS触发器20的设定输入。每一Clk信号通过延迟电路22相对于其它信号相位延迟。

RS触发器20的设定在其Q输出处产生高信号。作为响应，逻辑电路24将晶体管开关26接通且将同步整流器开关28关断。两个开关均可为MOSFET或其它晶体管。逻辑电路24确保不存在交叉传导。经由开关26耦合到电感器30的输入电压Vin致使偏斜电流流动穿过电感器30，且此电流流动穿过低值感测电阻器32。所述偏斜电流由输出电容器36滤波且向负载供应电流。输出电容器36由所有相位共享且平滑波纹。

将输出电压Vo施加到分压器42且将经分压电压施加到跨导放大器44的输入。将参考电压Vref施加到放大器44的另一输入。放大器44的输出电流对应于实际输出电压与所要输出电压之间的差。基于放大器44的正电流输出或负电流输出，将跨越放大器44的输出处的电容器46的电压(控制电压Vc)调大或调小。由于电容器46处的控制电压Vc(除其它因素之外)设定相位的工作循环，因此控制电压Vc的电平为均衡到放大器44中的输入所需的电平。

为了简化，忽略热补偿电路，将控制电压Vc施加到PWM比较器50。由具有某一增益的差分放大器52感测跨越感测电阻器32的电压，且当穿过感测电阻器32的偏斜化电流超出控制电压Vc时，触发PWM比较器50以将复位信号输出到RS触发器20。此将充电开关26关断且将同步整流器开关28接通以将电感器30放电，从而产生向下偏斜电流。以此方式，穿过用于每一相位的电感器30的峰值电流经调节以产生所要输出电压Vo。

在上文说明中，三个相位的工作循环是相同的而无论三个相位的不同温度如何。因此，三个相位的电特性(其随温度而波动)将是不同的，从而导致由所述相位提供的不匹配电流。此导致各种问题，例如增加的波纹及过电流问题。

本发明通过调整所述相位的工作循环改变上文所描述的常规操作以使得所述温度匹配而转换器仍输出所要经调节电压。

在图1中所示的实例中，三个相位中的每一者的热补偿控制信号(TCC1、TCC2、TCC3)针对三个相位中的每一者使控制电压Vc向上或向下偏移以改变所述相位的工作循环直到三个相位的经测量温度相等为止。可以本发明还预想的其它方式控制所述工作循环，例如使电流感测信号偏移或调整反馈路径中的任何其它适合信号。

在图1的实例中，使用若干个众所周知的技术中的任一者通过Vc/Ic转换器电路56将控制电压Vc转换成所述相位中的每一者处的对应电流。然后将所导出TCC信号(TCC1、TCC2、TCC3)施加到每一Ic信号以添加电流或减去电流，展示为Ic偏移电路57(其可仅为一节点)。然后在假定PWM比较器50具有适合高输入阻抗的情况下，由电阻器58将所得电流(Ic1、Ic2、Ic3)转换回控制电压(例如，Vc1)。电流偏移为致使所述相位的经测量温度匹配所需的而无论相对工作循环如何。

图1还图解说明如众所周知的常规斜率补偿电路59。在高工作循环(通常大于50％)下，在电感器电流偏斜交叉控制电压Vc之前，斜率补偿电路59将开关26关断以减小可在高工作循环下发生的次谐波振荡。斜率补偿电路59的效应与本发明无关。

图2图解说明可用以产生TCC1到TCC3信号及平均温度信号Tavg的一种类型的热补偿电路。用于所述相位的温度补偿电路大致相同。为了简化，在图2中仅展示两个补偿电路。

电流源70产生穿过温度传感器72的电流以在接脚Tcomp1处形成第一信号。传感器72可为连接到接地的负温度系数(NTC)电阻器。在另一实施例中，所述温度传感器可包括pn结及相关电路，其中将温度对pn结的电导的已知效应转换成对应信号。可在市场上购得且还可使用温度传感器IC。

修整电流源70(例如通过在制作期间熔断熔丝)以使得当传感器72处于相同温度下时，接脚Tcomp1与Tcomp2处的信号相同。

通过由差分放大器74、MOSFET 76及电阻器78形成的电压/电流转换电路将Tcomp1及Tcomp2接脚处的电压信号转换成对应电流。穿过电阻器78的电流为致使跨越所述电阻器78的所得电压等于Tcomp1接脚处的信号所需的电流(均衡差分放大器74的输入处的电压)。可在图1中的Vc/Ic转换器电路56中使用相同电压/电流转换器技术以将控制电压Vc转换为电流Ic。

常规电流镜电路80在输出82处产生相同或经缩放电流。在制作期间修整用于各个相位的电流镜电路80，以使得当温度传感器72处于相同温度下时，电流镜电路80的输出相同。

在节点84处对由用于各个相位的电流镜电路80输出的电流求和，且经求和电流流动穿过电阻器86。接脚Tavg处的所得电压对应于所有相位的平均温度。电阻器86的值经选择以使得当传感器72的温度相等时(即，当每一传感器72感测到平均温度时)，接脚Tavg处的电压的电平等于Tcomp1及Tcomp2接脚处的电压的电平。

电容器88为平滑电容器以防止干扰。

将Tcomp1接脚处的信号及Tavg接脚处的信号施加到跨导放大器90，跨导放大器90将差转换成对应正电流或负电流。电容器92为相对小的且用于噪声滤波。

由跨导放大器90产生的电流用以使在图2中的每一相位处产生的Ic信号偏移。因此，热补偿电路将使每一相位的Ic偏移以致使跨导放大器90(图2)处的输入大致匹配。较高工作循环增加相位中的平均电流，且平均电流的增加将升高用于所述相位的电感器及开关的温度。因此，如果接脚Tcomp1处的信号高于接脚Tavg处的信号，则热补偿电路将从Ic信号减去电流以减小所述相位的工作循环以降低其温度。此又将影响输出电压Vo及平均温度，因此将影响其它相位的控制电压Vc及工作循环。最终，将实现其中输出电压处于所要电压下且各个相位的工作循环经调整以使得所述相位的所感测温度相等的稳定状态。热补偿反馈回路的时间常数为相对长的以避免振荡。

如果DC/DC转换器使用同步整流器MOSFET，则优选地将温度传感器72定位于接近那些MOSFET处。一些MOSFET模块形成有整体热传感器。替代地，可测量电感器或顶侧电源开关的温度。

图3是热补偿工艺的流程图。

在步骤96中，感测转换器中的每一相位的温度以针对所有所述相位产生对应第一信号。

在步骤98中，对所述第一信号求平均值以产生第二信号。

在步骤100中，针对每一相位，产生对应于所述第一信号与所述第二信号之间的差的第三信号。

在步骤102中，使用所述第三信号来调整每一相位的工作循环以将每一相位的温度控制成大致等于平均温度(即，针对每一相位，致使所述第一信号等于所述第二信号)。可增加一些工作循环同时可减少其它工作循环。在稳定状态中，转换器的输出电压将为所要电压且所述相位的温度将是经平衡的。

在一个实施例中，在封装于具有用于在外部连接的电感器、晶体管开关及电容器的接脚的表面安装式封包中的单个芯片上形成多个转换器相位。温度传感器可为安装于接近电路板上的电感器或开关处的外部传感器。热补偿电路的剩余部分(针对所有相位)可形成为单个芯片或形成于转换器芯片本身中。此允许容易地修整所述热补偿电路中的组件以使得用于所述相位的补偿电路大致相同。

所述热补偿电路可形成为单独产品以与任何类型的DC/DC转换器一起使用。

虽然已展示及描述了本发明的特定实施例，但所属领域的技术人员将显而易见可在不背离本发明的情况下对本发明的较宽广方面做出改变及修改，且因此，所附权利要求书欲将属于本发明的真正精神及范围内的所有此些改变及修改涵盖于其范围内。

Claims (20)

1.一种用于控制多相DC/DC转换器的工作循环的热补偿电路，所述转换器包括多个相控部分，每一相控部分包括经控制以具有工作循环的开关，所述开关的接通时间供应穿过电感器的电流，所述接通时间至少由输出电压反馈信号控制，所述热补偿电路包括：

用于每一相控部分的工作循环调整电路，所述工作循环调整电路感测每一相控部分的温度且调整每一相控部分的所述工作循环以便减小所述多个相控部分之间的温差。

2.根据权利要求1所述的电路，其中所述电路包括：

温度传感器电路，其用于每一相控部分，所述温度传感器电路测量接近其相关联相控部分处的温度且针对每一相控部分产生对应于所述相控部分的所述温度的单独第一信号；

求平均值电路，其用于产生对应于在所述多个相控部分处测量的温度的平均值的第二信号；

温差电路，其用于每一相控部分，针对每一相控部分产生对应于所述第一信号与所述第二信号之间的差的第三信号；且

其中用于每一相控部分的所述工作循环调整电路基于所述第三信号而调整每一相控部分的所述工作循环以减小每一相控部分的所述第三信号的量值，以使得所述多个相控部分的温度大致等于在所述多个相控部分处测量的温度的所述平均值。

3.根据权利要求2所述的电路，其中所述转换器中的所述开关的针对每一相控部分的所述接通时间是通过针对所述相控部分中的每一者具有不同相位的时钟信号起始的。

4.根据权利要求2所述的电路，其中所述求平均值电路包括：

电压/电流转换电路，其用于每一相控部分中的每一第一信号；

电流求和电路，其用于对由所述电压/电流转换电路针对每一相控部分中的每一第一信号产生的电流求和；及

电阻，其用于将由所述电流求和电路求和的电流转换为对应于在所述多个相控部分处测量的温度的平均值的所述第二信号。

5.根据权利要求2所述的电路，其中用于每一相控部分的所述温差电路包括跨导放大器，所述跨导放大器针对所述相控部分中的每一者检测所述第一信号与所述第二信号之间的差以产生所述第三信号。

6.根据权利要求2所述的电路，其中所述转换器包括用于每一相控部分的同步整流器，且其中用于每一相控部分的所述温度传感器电路测量接近所述同步整流器处的温度。

7.根据权利要求2所述的电路，其中用于每一相控部分的所述温度传感器电路测量接近所述电感器处的温度。

8.根据权利要求1所述的电路，其中所述转换器为峰值电流控制转换器。

9.根据权利要求1所述的电路，其中所述转换器基于所述转换器的输出电压的电平而产生控制电压，所述工作循环调整电路包括：

电压/电流转换电路，其用于所述相控部分中的每一者，将所述控制电压转换为每一相控部分的控制电流；及

电流偏移电路，其用于使所述相控部分中的每一者的所述控制电流偏移以产生偏移控制电流，

其中所述相控部分中的每一者的所述偏移电流控制每一相控部分的所述工作循环。

10.根据权利要求1所述的电路，其中所述转换器的部分形成于第一集成电路芯片上，且所述温度补偿电路的部分也形成于所述第一集成电路芯片上。

11.一种由多相DC/DC转换器执行的方法，其包括：

从所述转换器的多个相控部分供应电流，每一相控部分具有工作循环以在所述转换器的输出处产生输出电压；

感测每一相控部分的温度以针对所有所述相位产生对应第一信号；

对所述第一信号求平均值以产生对应于所述相控部分的平均温度的第二信号；

针对每一相控部分产生对应于所述第一信号与所述第二信号之间的差的第三信号；及

基于所述第三信号而调整每一相控部分的所述工作循环以将每一相控部分的所述温度控制成大致等于在所述相控部分处感测的所述相控部分的所述平均温度。

12.根据权利要求11所述的方法，其中感测所述温度包括借助用于每一相控部分的温度传感器电路来感测所述温度，所述温度传感器电路测量接近其相关联相控部分处的温度且针对每一相控部分产生对应于所述相控部分的所述温度的所述第一信号。

13.根据权利要求11所述的方法，其中从所述转换器的多个相控部分供应电流包括：

控制每一相控部分中的开关以具有工作循环，所述开关的接通时间供应穿过电感器的电流，所述接通时间至少由输出电压反馈信号控制以便将所述转换器的所述输出电压调节成在稳定状态中大致恒定。

14.根据权利要求13所述的方法，其中通过针对所述相控部分中的每一者具有不同相位的时钟信号来起始所述转换器中的所述开关的针对每一相控部分的所述接通时间。

15.根据权利要求11所述的方法，其中对所述第一信号求平均值以产生第二信号包括：

将每一相控部分中的所述第一信号转换为每一相控部分的电流；

对来自每一相控部分的所述电流求和以产生经求和电流；及

将所述经求和电流转换为电压，所述电压为对应于在所述多个相控部分处测量的温度的平均值的所述第二信号。

16.根据权利要求11所述的方法，其中针对每一相控部分产生对应于所述第一信号与所述第二信号之间的所述差的第三信号包括由跨导放大器针对所述相控部分中的每一者检测所述第一信号与所述第二信号之间的差以产生所述第三信号。

17.根据权利要求11所述的方法，其中所述转换器包括用于每一相控部分的同步整流器，且其中感测每一相控部分的所述温度测量接近所述同步整流器处的温度。

18.根据权利要求11所述的方法，其中所述转换器包括用于每一相控部分的电感器，且其中感测每一相控部分的所述温度测量接近所述电感器处的温度。

19.根据权利要求11所述的方法，其中所述转换器为峰值电流控制转换器。

20.根据权利要求11所述的方法，其中所述转换器基于所述转换器的所述输出电压的电平而产生控制电压，其中调整每一相控部分的所述工作循环包括：

将所述控制电压转换为每一相控部分的控制电流；及

使所述相控部分中的每一者的所述控制电流偏移以产生偏移控制电流，

其中所述相控部分中的每一者的所述偏移电流控制每一相控部分的所述工作循环。

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