CN111327181B - 多相开关电路的控制方法、控制电路及多相开关电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多相开关电路的控制方法、控制电路及多相开关电路，所述多相开关电路包括N相开关电路，所述N相开关电路包括N个的电感，每个电感的电感值都为L；设置第m上限指令电压、第m下限指令电压和第m重构电流；所述第m上限指令电压等于补偿电压和第m峰值斜坡之差，并控制第m重构电流的峰值；所述第m下限指令电压等于补偿电压和第m谷值斜坡之和，并控制第m相开关电路的电感电流的谷值；所述第m重构电流的斜率为多相开关电路的输入电压和输出电压之差除以电感值L。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种多相开关电路的控制方法、控制电路及多相开关电路。
背景技术
多相开关电路并联可方便提高供电电流等级，以满足大电流的需求，例如处理器。同时，通过控制驱动信号使得每相开关电路交错导通，可在减小单相开关电路电感量的同时减小输入输出电流纹波，可有效减小输入、输出电容。电感量的减小不仅降低了电感尺寸和电容数量，提升功率密度，同时还能提升电压调节器的动态响应速度。对于处理器供电电源来说，对负载跳变的动态响应速度十分重要，因为这将直接影响到处理器的性能。处理器对其工作的最大、最小电压都有严格的要求，如果在电流卸载的时候，由于电压调节器的响应速度过慢而导致电压超出处理器允许的最大电压值，这将直接影响到处理器的可靠性。相反如果在加载的时候，电压低于处理器允许的最小电压值，将会导致电脑蓝屏死机。综上负载快速变化的特点，如何满足动态负载的要求，提供稳态的电压，一直是衡量控制器性能的一个十分重要的指标。对于负载变化中的加载情况，如果控制器响应速度过慢，能量不能及时地由输入侧传递到输出侧，那么需要的这部分能量就只能由输出电容提供，这样势必会造成输出电压有一个大的跌落。反之，对于卸载情况，若不能及时关掉上管，掐断输入侧能量的传输路径，那么将会有更多的额外能量传输到输出电容上，从而导致输出电压有大的凸起。这种情况下，为了稳定输出电压，就需要放置大量的输出电容，从而增加系统成本与体积。所以一个具有快速动态响应能力的控制器，不仅可为系统减少输出电容和节省空间，还可提高系统功率密度和降低成本。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多相开关电路的控制方法、控制电路及多相开关电路，用以解决现有技术中多相开关电路的动态响应速度不够快的问题。
本发明的技术解决方案是，提供一种多相开关电路的控制方法，所述多相开关电路包括N相开关电路，所述N相开关电路包括N个电感，每个电感的电感值都为L；
设置第m上限指令电压、第m下限指令电压和第m重构电流；
所述第m上限指令电压等于补偿电压和第m峰值斜坡之差，并控制第m重构电流的峰值；当所述第m重构电流的峰值达到所述第m上限指令电压时，第m相开关电路的主开关管关断；
所述第m下限指令电压等于补偿电压和第m谷值斜坡之和，并控制第m相开关电路的电感电流的谷值；
所述第m重构电流的斜率为多相开关电路的输入电压和输出电压之差除以电感值L；
其中，N为大于等于2的自然数；m为1～N中，任意一个自然数。
作为可选，第m相开关电路的主开关管导通之前，所述第m峰值斜坡重置到第一初始值，当第m相开关电路的主开关管导通时，所述第m峰值斜坡开始上升；第m相时钟信号表征有效之前，所述第m谷值斜坡重置到第二初始值，当第m相开关电路的第m相时钟信号表征有效时，第m谷值斜坡开始上升；
所述第m相开关电路的第m时钟信号控制第m相开关电路的开关周期。
作为可选，第m可控电流在所述第m相开关电路的主开关管导通时，对第m电容充电，所述第m电容上的电压表征所述第m重构电流；所述第m可控电流和多相开关电路的输入输出电压之差除以电感值L成比例。
本发明的另一技术解决方案是，提供一种多相开关电路的控制电路，所述多相开关电路包括N相开关电路，所述N相开关电路包括N个电感，每个电感的电感值都为L；
所述控制电路设置第m上限指令电压、第m下限指令电压和第m重构电流；
所述第m上限指令电压等于补偿电压和第m峰值斜坡之差，并控制第m重构电流的峰值；当所述第m重构电流的峰值达到所述第m上限指令电压时，第m相开关电路的主开关管关断；
所述第m下限指令电压等于补偿电压和第m谷值斜坡之和，并控制第m相开关电路的电感电流的谷值；
所述第m重构电流的斜率为多相开关电路的输入电压和输出电压之差除以电感值L；
其中，N为大于等于2的自然数；m为1～N中，任意一个自然数。
作为可选，第m相开关电路的主开关管导通之前，所述第m峰值斜坡重置到第一初始值，当第m相开关电路的主开关管导通时，所述第m峰值斜坡开始上升；第m相时钟信号表征有效之前，所述第m谷值斜坡重置到第二初始值，当第m相开关电路的第m相时钟信号表征有效时，第m谷值斜坡开始上升；
所述第m相开关电路的第m时钟信号控制第m相开关电路的开关周期。
作为可选，所述控制电路包括N相开关信号产生电路，每个开关信号产生电路都接收补偿电压，并且产生相应的开关信号；
第m开关信号产生电路包括重构电流产生电路；所述重构电流产生电路包括第m可控电流、第m电容；所述第m可控电流在所述第m相开关电路的主开关管导通时，对所述第m电容充电，所述第m电容上的电压表征所述第m重构电流；所述第m可控电流和多相开关电路的输入输出电压之差除以电感值L成比例。
作为可选，第m开关信号产生电路还包括RS触发器、第m上比较器、第m下比较器、第m上限指令电压产生电路和第m下限指令电压产生电路；所述第m上限指令电压产生电路接收所述补偿电压，并将补偿电压减第m峰值斜坡，得到第m上限指令电压；所述第m上比较器比较第m重构电流和第m上限指令电压，当第m相开关电路的主开关管导通时，第m重构电流大于等于第m上限指令电压，所述第m上比较器的输出发生翻转；
所述第m下限指令电压产生电路接收所述补偿电压，并将补偿电压加第m谷值斜坡，得到第m下限指令电压；所述第m下比较器比较电感电流采样值和第m下限指令电压，当第m相开关电路的主开关管关断时，电感电流采样值小于等于第m下限指令电压，所述第m下比较器的输出发生翻转；
所述RS触发器接收所述第m上比较器和第m下比较器的输出电压，输出第m相开关信号；当第m上比较器的输出电压发生翻转时，所述第m相开关信号从有效变为无效；当第m下比较器的输出电压发生翻转时，所述第m相开关信号从无效变为有效。
作为可选，所述第m上限指令电压产生电路包括第m峰值斜坡产生电路和减法器，所述第m峰值斜坡产生电路接收所述第m相开关信号，产生第m峰值斜坡；所述减法器接收补偿电压和第m峰值斜坡，将补偿电压减去第m峰值斜坡，得到第m上限指令电压。
作为可选，所述第m下限指令电压产生电路包括第m谷值斜坡产生电路和加法器，所述第m谷值斜坡产生电路接收所述第m相开关信号和第m相时钟信号，产生第m谷值斜坡；所述加法器接收补偿电压、第m谷值斜坡，将补偿电压加上第m谷值斜坡，得到第m下限指令电压。
本发明的又一技术解决方案是，提供一种多相开关电路。
采用本发明的电路结构和方法，与现有技术相比，具有以下优点：具有快速动态响应能力，为系统减少输出电容和节省空间，还可提高系统功率密度和降低成本。
附图说明
图1为多相开关电路的示意图；
图2为两相开关电路且为耦合电感的示意图；
图3为本发明两相开关电路且电感耦合时的第一时钟信号CLK1、第二时钟信号CLK2、第一上限指令电压、第一重构电流、第一相开关电路的电感电流、第一下限指令电压、第二上限指令电压、第二重构电流、第二相开关电路的电感电流、第二下限指令电压、第一相开关信号PWM1和第二相开关信号PWM2的波形；
图4为本发明两相开关电路且电感分立时的第一时钟信号CLK1、第二时钟信号CLK2、第一上限指令电压、第一重构电流、第一相开关电路的电感电流、第一下限指令电压、第二上限指令电压、第二重构电流、第二相开关电路的电感电流、第二下限指令电压、第一相开关信号PWM1和第二相开关信号PWM2的波形；
图5为本发明控制电路200的一个实施例的示意图；
图6为本发明第m开关信号产生电路的一个实施例的示意图；
图7为本发明重构电流产生电路260的一个实施例的示意图；
图8为本发明第m上限指令电压产生电路210的一个实施例的示意图；
图9为本发明第m下限指令电压产生电路230的一个实施例的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。
为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明提供一种多相开关电路的控制电路，多相开关电路包括N相开关电路，所述N相开关电路包括N个电感，每个电感的电感值都为L；请参考图1所示，为N相开关电路。每相开关电路的上管为主开关管，下管为同步整流管，下管也可以使用续流二极管。每相有电感连接到输出端。图1中的每相电感都是分立的。电感也可以是耦合的，比如，第一相电感和第二相电感耦合；第三相电感和第四相电感耦合，以此类推。控制电流接收反馈电压，输出N个开关信号，分别到N个驱动电路，去驱动每相开关电路的主开关管和同步整流管，如果是续流二极管，则只需要驱动主开关管。
控制电路设置第m上限指令电压、第m下限指令电压和第m重构电流；所述第m上限指令电压等于补偿电压和第m峰值斜坡之差，并控制第m重构电流的峰值；当所述第m重构电流的峰值达到所述第m上限指令电压时，第m相开关电路的主开关管关断；所述第m下限指令电压等于补偿电压和第m谷值斜坡之和，并控制第m相开关电路的电感电流的谷值；所述第m重构电流的斜率为多相开关电路的输入电压和输出电压之差除以电感值L；其中，N为大于等于2的自然数；m为1～N中，任意一个自然数。也就是说，用第m重构电流和第m上限指令电压决定第m相开关电路的主开关管的关断时刻；用第m下限指令电压和第m相开关电路的电感电流第m相开关电路的电感电流决定主开关管的导通时刻。
第m相开关电路的主开关管导通之前，所述第m峰值斜坡重置到第一初始值，当第m相开关电路的主开关管导通时，所述第m峰值斜坡开始上升；第m相时钟信号表征有效之前，所述第m谷值斜坡重置到第二初始值，当第m相开关电路的第m相时钟信号表征有效时，第m谷值斜坡开始上升；所述第m相开关电路的第m时钟信号控制第m相开关电路的开关周期。为了方便，一般设置第一初始值为零。设置第二初始值小于零。本发明可以使多相开关电路和时钟同步，并且动态响应快。在一个实施例中，可以有效对应高电平，无效对应低电平；在另一个实施例中，可也以有效对应低电平，无效对应高电平。
需要说明的是，第m峰值斜坡和/或第m谷值斜坡的斜率可以是线性的，也可以是非线性的。非线性包括：分段线性、抛物线、指数等各种形式。
请参考图2所示，为两相开关电路且为耦合电感的示意图；并且采用了续流二极管。图3和图4分别为本发明两相开关电路且电感耦合和电感分立时的第一时钟信号CLK1、第二时钟信号CLK2、第一上限指令电压、第一重构电流、第一相开关电路的电感电流、第一下限指令电压、第二上限指令电压、第二重构电流、第二相开关电路的电感电流、第二下限指令电压、第一相开关信号PWM1和第二相开关信号PWM2的波形。第一时钟信号CLK1和第二时钟信号CLK2之间错相180度。由于耦合电感存在耦合系数，因此，在图3中，当第一相主开关管导通时，第一相开关电路的电感电流大于第二相开关电路的电感电流，第一重构电流大于第一相开关电路的电感电流。在图4中，由于每一相电感是分立的，因此，当第一相主开关管导通时，第一重构电流等于第一相开关电路的电感电流；也就是第m相开关电路的主开关管导通时，第m重构电流等于第m相开关电路的电感电流。
请参考图5所示，所述控制电路包括N相开关信号产生电路，每个开关信号产生电路都接收补偿电压，并且产生相应的开关信号；控制电路还包括运放，运放接收反馈电压，和参考电压进行运算放大，得到补偿电压。
请参考图6所示，第m开关信号产生电路包括重构电流产生电路260；所述重构电流产生电路包括第m可控电流、第m电容；所述第m可控电流在所述第m相开关电路的主开关管导通时，对所述第m电容充电，所述第m电容上的电压表征所述第m重构电流；所述第m可控电流和多相开关电路的输入输出电压之差除以电感值L成比例。
请参考图7所示，为电流重构电路的一个实施例。电流重构电路包括第m可控电流I261、第m电容C261、开关K261、开关K262、开关K263。当第m开关信号PWM m表征有效时，开关K262导通，开关K263和开关K264关断。第m可控电流I261对第m电容C261充电，第m电容上的电压ISNS_SH表征所述第m重构电流；当第m开关信号PWM m表征无效时，开关K262关断，开关K263和开关K264导通。第m可控电流I261停止对第m电容C261充电，第m电容上的电压ISNS_SH等于电感采样电流ISNS。因此，第m电容上的电压ISNS_SH，在当第m开关信号PWM m表征有效时，和第m上限指令电压比较；在当第m开关信号PWM m表征无效时，和第m下限指令电压比较。需要说明的是，在一个实施例中，可以有效对应高电平，无效对应低电平；在另一个实施例中，可也以有效对应低电平，无效对应高电平。开关信号表征有效时，主开关管导通；开关信号表征无效时，主开关管关断。
请参考图6所示，第m开关信号产生电路还包括RS触发器250、第m上比较器220、第m下比较器240、第m上限指令电压产生电路210和第m下限指令电压产生电路230；所述第m上限指令电压产生电路210接收所述补偿电压，并将补偿电压减第m峰值斜坡，得到第m上限指令电压；所述第m上比较器比较第m重构电流和第m上限指令电压，当第m相开关电路的主开关管导通时，第m重构电流大于等于第m上限指令电压，所述第m上比较器的输出发生翻转；
所述第m下限指令电压产生电路接230收所述补偿电压，并将补偿电压加第m谷值斜坡，得到第m下限指令电压；所述第m下比较器比较电感电流采样值和第m下限指令电压，当第m相开关电路的主开关管关断时，电感电流采样值小于等于第m下限指令电压，所述第m下比较器的输出发生翻转；
所述RS触发器250接收所述第m上比较器220和第m下比较器230的输出电压，输出第m相开关信号PWM m；当第m上比较器220的输出电压发生翻转时，所述第m相开关信号PWMm从有效变为无效；当第m下比较器240的输出电压发生翻转时，所述第m相开关信号PWM m从无效变为有效。
请参考图8所示，为第m上限指令电压产生电路的一种实施方式。所述第m上限指令电压产生电路210包括第m峰值斜坡产生电路212和减法器211，所述第m峰值斜坡产生电路212接收所述第m相开关信号PWM m，产生第m峰值斜坡；所述减法器211接收补偿电压和第m峰值斜坡，将补偿电压减去第m峰值斜坡，得到第m上限指令电压。
请参考图9所示，为第m下限指令电压产生电路230的一种实施方式。所述第m下限指令电压产生电路包括第m谷值斜坡产生电路232和加法器231，所述第m谷值斜坡产生电路232接收所述第m相开关信号和第m相时钟信号CLK m，产生第m谷值斜坡；所述加法器231接收补偿电压、第m谷值斜坡，将补偿电压加上第m谷值斜坡，得到第m下限指令电压。
本发明还提供一种多相开关电路的控制方法，所述多相开关电路包括N相开关电路，所述N相开关电路包括N个电感，每个电感的电感值都为L；设置第m上限指令电压、第m下限指令电压和第m重构电流；所述第m上限指令电压等于补偿电压和第m峰值斜坡之差，并控制第m重构电流的峰值；当所述第m重构电流的峰值达到所述第m上限指令电压时，第m相开关电路的主开关管关断；所述第m下限指令电压等于补偿电压和第m谷值斜坡之和，并控制第m相开关电路的电感电流的谷值；所述第m重构电流的斜率为多相开关电路的输入电压和输出电压之差除以电感值L；其中，N为大于等于2的自然数；m为1～N中，任意一个自然数。
在一个实施例中，第m相开关电路的主开关管导通之前，所述第m峰值斜坡重置到第一初始值，当第m相开关电路的主开关管导通时，所述第m峰值斜坡开始上升；第m相时钟信号表征有效之前，所述第m谷值斜坡重置到第二初始值，当第m相开关电路的第m相时钟信号表征有效时，第m谷值斜坡开始上升；所述第m相开关电路的第m时钟信号控制第m相开关电路的开关周期。
在一个实施例中，第m可控电流在所述第m相开关电路的主开关管导通时，对第m电容充电，所述第m电容上的电压表征所述第m重构电流；所述第m可控电流和多相开关电路的输入输出电压之差除以电感值L成比例。
本发明的又一技术解决方案是，提供一种多相开关电路。
虽然以上将实施例分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域普通技术人员看来，可以在实施例之间进行替换和整合，涉及其中一个实施例未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。
以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多相开关电路的控制方法，其特征在于：所述多相开关电路包括N相开关电路，所述N相开关电路包括N个电感，每个电感的电感值都为L；
设置第m上限指令电压、第m下限指令电压和第m重构电流；
所述第m上限指令电压等于补偿电压和第m峰值斜坡之差，并控制第m重构电流的峰值；当所述第m重构电流的峰值达到所述第m上限指令电压时，第m相开关电路的主开关管关断；
所述第m下限指令电压等于补偿电压和第m谷值斜坡之和，并控制第m相开关电路的电感电流的谷值；
所述第m重构电流的斜率为多相开关电路的输入电压和输出电压之差除以电感值L；
其中，N为大于等于2的自然数；m为1～N中，任意一个自然数。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：第m相开关电路的主开关管导通之前，所述第m峰值斜坡重置到第一初始值，当第m相开关电路的主开关管导通时，所述第m峰值斜坡开始上升；第m相时钟信号表征有效之前，所述第m谷值斜坡重置到第二初始值，当第m相开关电路的第m相时钟信号表征有效时，第m谷值斜坡开始上升；
所述第m相开关电路的第m时钟信号控制第m相开关电路的开关周期。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：第m可控电流在所述第m相开关电路的主开关管导通时，对第m电容充电，所述第m电容上的电压表征所述第m重构电流；所述第m可控电流和多相开关电路的输入输出电压之差除以电感值L成比例。
4.一种多相开关电路的控制电路，所述多相开关电路包括N相开关电路，所述N相开关电路包括N个电感，每个电感的电感值都为L；
所述控制电路设置第m上限指令电压、第m下限指令电压和第m重构电流；
所述第m上限指令电压等于补偿电压和第m峰值斜坡之差，并控制第m重构电流的峰值；当所述第m重构电流的峰值达到所述第m上限指令电压时，第m相开关电路的主开关管关断；
所述第m下限指令电压等于补偿电压和第m谷值斜坡之和，并控制第m相开关电路的电感电流的谷值；
所述第m重构电流的斜率为多相开关电路的输入电压和输出电压之差除以电感值L；
其中，N为大于等于2的自然数；m为1～N中，任意一个自然数。
5.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于：第m相开关电路的主开关管导通之前，所述第m峰值斜坡重置到第一初始值，当第m相开关电路的主开关管导通时，所述第m峰值斜坡开始上升；第m相时钟信号表征有效之前，所述第m谷值斜坡重置到第二初始值，当第m相开关电路的第m相时钟信号表征有效时，第m谷值斜坡开始上升；
所述第m相开关电路的第m时钟信号控制第m相开关电路的开关周期。
6.根据权利要求5所述的控制电路，其特征在于：所述控制电路包括N相开关信号产生电路，每个开关信号产生电路都接收补偿电压，并且产生相应的开关信号；
第m开关信号产生电路包括重构电流产生电路；所述重构电流产生电路包括第m可控电流、第m电容；所述第m可控电流在所述第m相开关电路的主开关管导通时，对所述第m电容充电，所述第m电容上的电压表征所述第m重构电流；所述第m可控电流和多相开关电路的输入输出电压之差除以电感值L成比例。
7.根据权利要求6所述的控制电路，其特征在于：第m开关信号产生电路还包括RS触发器、第m上比较器、第m下比较器、第m上限指令电压产生电路和第m下限指令电压产生电路；所述第m上限指令电压产生电路接收所述补偿电压，并将补偿电压减第m峰值斜坡，得到第m上限指令电压；所述第m上比较器比较第m重构电流和第m上限指令电压，当第m相开关电路的主开关管导通时，第m重构电流大于等于第m上限指令电压，所述第m上比较器的输出发生翻转；
所述第m下限指令电压产生电路接收所述补偿电压，并将补偿电压加第m谷值斜坡，得到第m下限指令电压；所述第m下比较器比较电感电流采样值和第m下限指令电压，当第m相开关电路的主开关管关断时，电感电流采样值小于等于第m下限指令电压，所述第m下比较器的输出发生翻转；
所述RS触发器接收所述第m上比较器和第m下比较器的输出电压，输出第m相开关信号；当第m上比较器的输出电压发生翻转时，所述第m相开关信号从有效变为无效；当第m下比较器的输出电压发生翻转时，所述第m相开关信号从无效变为有效。
8.根据权利要求7所述的控制电路，其特征在于：所述第m上限指令电压产生电路包括第m峰值斜坡产生电路和减法器，所述第m峰值斜坡产生电路接收所述第m相开关信号，产生第m峰值斜坡；所述减法器接收补偿电压和第m峰值斜坡，将补偿电压减去第m峰值斜坡，得到第m上限指令电压。
9.根据权利要求7所述的控制电路，其特征在于：所述第m下限指令电压产生电路包括第m谷值斜坡产生电路和加法器，所述第m谷值斜坡产生电路接收所述第m相开关信号和第m相时钟信号，产生第m谷值斜坡；所述加法器接收补偿电压、第m谷值斜坡，将补偿电压加上第m谷值斜坡，得到第m下限指令电压。
10.一种多相开关电路，其特征在于：包括如权利要求4～9任意一项所述控制电路，或采用如权利要求1～3任意一项所述控制方法。
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