TW201328144A

TW201328144A - 多相直流對直流轉換控制器及其控制方法

Info

Publication number: TW201328144A
Application number: TW100149372A
Authority: TW
Inventors: Li-Min Lee; Quan Gan; Chung-Che Yu; Shian-Sung Shiu
Original assignee: Green Solution Tech Co Ltd
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2013-07-01
Also published as: US20130169249A1

Abstract

本發明提供了一種多相直流對直流轉換控制器，用以控制一多相直流對直流轉換電路中的多個通道以提供一輸出電壓。多相直流對直流轉換控制控制器包含一固定導通單元、複數個脈寬調變單元以及一脈寬邏輯單元。固定導通單元根據輸出電壓以決定代表一預定時間之一導通訊號之產生時點。每一脈寬調變單元產生一脈寬調變訊號，其中脈寬調變訊號之一脈衝寬度係根據多個通道的電流及導通訊號決定。脈寬邏輯單元根據複數個脈寬調變單元所產生之些脈寬調變訊號控制多個通道中對應通道。

Description

多相直流對直流轉換控制器及其控制方法

本發明係關於一種直流轉直流轉換控制器及其控制方法，尤指一種多相直流對直流轉換控制器及其控制方法。

隨著製程技術的演進，積體電路越趨微小化。而積體電路的微小化會伴隨著驅動電壓的下降。然而有些領域的積體電路的耗電量並未隨著驅動電壓的下降而等比例的下降，使得積體電路的操作電流反向地增加。

積體電路的驅動電壓源均以切換式電源電路為主。而切換式電源電路的切換操作，會造成輸出端的輸出漣波(Rippler)。這些電壓漣波在低驅動電壓的操作環境下會顯得明顯，甚至造成積體電路的邏輯錯誤。為了降低切換式電源電路的漣波，而發展出多相直流轉直流轉換控制器。透過多通道分時傳送電力至直流轉直流轉換電路輸出端的方式，可降低每次傳送的電力大小，因而降低漣波的大小。

請參見第一圖，為傳統多相直流轉直流轉換電路的電路示意圖。多相直流轉直流轉換電路包含了一控制器10及三個通道12a~12c。每一個通道12a~12c包含兩個電晶體開關串接在輸入電壓Vin及接地之間。各通道12a~12c內的驅動器各自接收來自控制器10的脈寬調變控制訊號PWM1~PWM3，以據此切換對應的電晶體開關，以提供通道電流Io1~Io3。通道電流Io1~Io3結合而形成輸出電流Io對輸出電容C充電而產生輸出電壓Vout，以驅動負載Load。控制器10透過腳位對CSP1及CSN1、CSP2及CSN2、CSP3及CSN3偵測通道電流Io1~Io3並接收一電壓迴授訊號FB，據以調變通道12a~12c中的電晶體開關之工作週期。

控制器10為了使各通道12a~12c造成的電流漣波相近，因而根據腳位對CSP1及CSN1、CSP2及CSN2、CSP3及CSN3的偵測訊號來調整各通道電流Io1~Io3之大小，使其彼此一致。一般而言，控制器10會先以誤差放大器來進行回授控制，以得到各通道的工作週期參考依據，然後再根據通道電流之間的差異進行工作週期之補償修正。誤差放大器雖然對抑制雜訊的效果不錯，但相對的其暫態反應的能力較差，無法對負載變動快速回應。而通道電流差異部分，會先計算各通道電流的和，再計算平均通道電流。然後根據各通道實際電流與平均通道電流的差來調整各通道的工作週期。上述的電流差異的運算較為複雜，也會使得多相轉換控制器的電路設計複雜化。

先前技術中的多相直流轉直流轉換控制器的暫態反應不佳，而且電路複雜。本發明的多相直流轉直流轉換控制器以固定導通時間回授控制方式，提供快速的暫態反應，而且利用脈寬補償的方式根據各通道電流之差來補償各通道電流，省略了求電流和及平均，因此進一步簡化了電路的設計。

為達上述目的，本發明揭露了一種多相直流對直流轉換控制器，用以控制一多相直流對直流轉換電路中的多個通道以提供一輸出電壓。多相直流對直流轉換控制控制器包含一固定導通單元、複數個脈寬調變單元以及一脈寬邏輯單元。固定導通單元根據輸出電壓以決定代表一預定時間之一導通訊號之產生時點。每一脈寬調變單元產生一脈寬調變訊號，其中脈寬調變訊號之一脈衝寬度係根據多個通道的電流及導通訊號決定。脈寬邏輯單元根據複數個脈寬調變單元所產生之些脈寬調變訊號控制多個通道中對應通道。

本發明也揭露了一種多相直流對直流轉換電路之控制方法，用以平衡一多相直流對直流轉換電路中的多個通道之電流。控制方法包含步驟：1.設定一固定導通時間；2.偵測多個通道之電流以產生多個電流偵測訊號；以及3.決定對應通道之電流與其他通道之電流差異；以及4.產生複數個脈寬調變訊號，以控制對應之通道。其中每一脈寬調變訊號之脈衝寬度係根據固定導通時間及些電流差異而決定。

以上的概述與接下來的詳細說明皆為示範性質，是為了進一步說明本發明的申請專利範圍。而有關本發明的其他目的與優點，將在後續的說明與圖示加以闡述。

請參見第二圖，為根據本發明之多相直流對直流轉換器之電路方塊圖，用以控制多相直流對直流轉換電路。多相直流對直流轉換電路包含通道150a、150b、150c，耦接一輸入電壓Vin並分別根據多相直流對直流轉換器100所產生的脈寬調變控制訊號S1a、S1b、S2a、S2b、S3a、S3b提供通道電流Io1、Io2、Io3至一輸出電容C儲存，以提供一輸出電壓Vout。多相直流對直流轉換控制器100包含了一固定導通單元110、一脈寬調變模組120以及一脈寬邏輯單元130。固定導通單元110根據接收代表輸出電壓大小之一電壓迴授訊號FB，以根據輸出電壓一導通訊號Cs之產生時點，其中導通訊號Cs係用以代表固定導通時間的大小。脈寬調變模組120包含了複數個脈寬調變單元(未繪出)，產生複數個脈寬調變訊號Tock1、Tock2、Tock3以控制多相直流對直流轉換電路。通道電流偵測電路152a、152b、152c分別耦接通道150a、150b、150c，以偵測通道電流Io1、Io2、Io3並產生代表通道電流大小的電流偵測訊號Ise1、Ise2、Ise3。每一脈寬調變單元所產生的脈寬調變訊號對應控制多相直流對直流轉換電路中的一個通道，而脈寬調變訊號之一脈衝寬度係根據這些通道的電流偵測訊號Ise1、Ise2、Ise3及固定導通單元110所產生的導通訊號Cs來決定。脈寬邏輯單元130根據複數個脈寬調變單元所產生之脈寬調變訊號Tock1、Tock2、Tock3來產生脈寬調變控制訊號S1a、S1b、S2a、S2b、S3a、S3b來控制對應通道150a、150b、150c。

由於脈寬調變模組120會根據通道電流Io1、Io2、Io3來判斷彼此的差異，並根據電流差異來調整導通訊號Cs所代表的固定導通時間的長度，使脈寬邏輯單元130所產生的脈寬調變控制訊號S1a、S1b、S2a、S2b、S3a、S3b的工作週期會對應通道電流調整，使各通道電流更趨近一致。接著，請參見以下的實施例，以進一步了解本發明。

請參見第三圖，為根據本發明之一第一較佳實施例之多相直流對直流轉換控制器之電路示意圖。多相直流對直流轉換控制器包含了一固定導通單元210、一脈寬調變模組220以及一脈寬邏輯單元230。固定導通單元210包含一比較器202、一導通控制電路204以及一時間電容CON。比較器202的一非反向輸入端接收一參考電壓Vref，一反向輸入端接收電壓迴授訊號FB。當電壓迴授訊號FB的準位低於參考電壓Vref的準位時，比較器202的輸出訊號Pon至導通控制電路204。導通控制電路204於接收比較器202的輸出訊號Pon時，以一設定電流始對時間電容CON充電以產生導通訊號Cs。其中，設定電流可以根據外接的一時間設定電阻Rton而設定，如此，使用者可以根據實際應用電路的環境來設定多相直流對直流轉換控制器的固定導通時間之長短。

脈寬調變模組220包含脈寬調變單元214a、214b、214c，接收導通訊號Cs，並根據電流偵測訊號Ise1、Ise2、Ise3來各自判斷對應的通道與其他通道電流的差異以產生脈寬調變訊號Tock1、Tock2、Tock3，使得脈寬調變訊號Tock1、Tock2、Tock3的脈衝寬度會隨著對應的通道電流與其他通道電流之間的差來調整。脈寬邏輯單元230耦接脈寬調變模組220，根據脈寬調變訊號Tock1、Tock2、Tock3來產生脈寬調變控制訊號S1a、S1b、S2a、S2b、S3a、S3b。固定導通單元210中的導通控制電路204接收脈寬調變控制訊號S1a、S2a、S3a，以據此對時間電容CON放電，使導通訊號Cs的準位被重設至零電位。脈寬邏輯單元230可接收比較器202的輸出訊號Pon，以根據輸出訊號Pon的次數來決定此次產生哪一組脈寬調變控制訊號來導通對應的通道。如此，可以達到分時控制多相直流對直流轉換電路的多個通道。

接著，請參見第四圖，為第三圖中的脈寬調變單元之電路示意圖。由於脈寬調變單元214a、214b、214c的電路架構相同，在此以脈寬調變單元214a來說明。脈寬調變單元214a為一多輸入放大器，包含了一電流鏡、多個差動對以及一增益電路2149。電流鏡耦接一驅動電源VDD，包含P型金氧半電晶體2141、2142，其閘極彼此連接。第一個差動對包含一電流源I1以及N型金氧半電晶體2143、2144。N型金氧半電晶體2143、2144分別連接電流鏡中的P型金氧半電晶體2141、2142。N型金氧半電晶體2143的閘極接收一參考電壓Vton，N型金氧半電晶體2144的閘極接收導通訊號Cs，以比較參考電壓Vton及導通訊號Cs。第二個差動對包含一電流源I2以及N型金氧半電晶體2145、2146。N型金氧半電晶體2145、2146分別連接電流鏡中的P型金氧半電晶體2141、2142。N型金氧半電晶體2145的閘極接收電流偵測訊號Ise2，N型金氧半電晶體2146的閘極接收電流偵測訊號Ise1，以判斷兩通道之間的電流差異。第三個差動對包含一電流源I3以及N型金氧半電晶體2147、2148。N型金氧半電晶體2147、2148分別連接電流鏡中的P型金氧半電晶體2141、2142。N型金氧半電晶體2147的閘極接收電流偵測訊號Ise3，N型金氧半電晶體2148的閘極接收電流偵測訊號Ise1，以判斷兩通道之間的電流差異。增益電路2149則根據電流鏡中的P型金氧半電晶體2141、2142的汲極端的電位而產生脈寬調變訊號Tock1。在沒有第二個差動對及第三個差動對時，當導通訊號Cs高於參考電壓Vton時，P型金氧半電晶體2142的汲極準位會低於P型金氧半電晶體2141的汲極準位，以停止增益電路2149產生脈寬調變訊號Tock1而截止對應的通道。而加入第二個差動對及第三個差動對時，當電流偵測訊號Ise2(Ise3)高於電流偵測訊號Ise1時，流經N型金氧半電晶體2145(2147)的電流大於流經N型金氧半電晶體2146(2148)的電流以提供對應通道電流詫異的補償量。因此，流經N型金氧半電晶體2144電流大於流經N型金氧半電晶體2143電流以完全補償第二個差動對及第三個差動對的補償量時，增益電路2149才停止產生脈寬調變訊號Tock1。導通訊號Cs此時的準位會高於上述無第二個差動對及第三個差動對時的準位，因此對應通道的導通時間會延長使通道電流增加。相反地，當電流偵測訊號Ise2(Ise3)低於電流偵測訊號Ise1時，流經N型金氧半電晶體2145(2147)的電流小於流經N型金氧半電晶體2146(2148)的電流以提供對應通道電流詫異的補償量。因此，流經N型金氧半電晶體2143電流大於流經N型金氧半電晶體2144電流以完全補償第二個差動對及第三個差動對的補償量時，增益電路2149才停止產生脈寬調變訊號Tock1。如此，對應通道的導通時間會減少以降低通道電流。

請參見第五圖，為根據本發明之一第二較佳實施例之多相直流對直流轉換控制器之電路示意圖。多相直流對直流轉換控制器包含了一固定導通單元310、一脈寬調變模組320以及一脈寬邏輯單元330。固定導通單元310包含一比較器302、一SR正反器304、一下降緣偵測電路306、一電流源ION、一開關SW以及一時間電容CON。比較器302的一非反向輸入端接收一參考電壓Vref，一反向輸入端接收電壓迴授訊號FB。當電壓迴授訊號FB的準位低於參考電壓Vref的準位時，比較器302輸出訊號Pon至SR正反器304的設定端S。下降緣偵測電路306耦接SR正反器304的一重設端R，於偵測到一導通決定訊號Tcs的下降緣時，使SR正反器304重設。因此，SR正反器304根據導通決定訊號Tcs及輸出訊號Pon於反向輸出端Q’產生一訊號控制開關SW。當SR正反器304接收輸出訊號Pon時截止開關SW，使電流源ION開始對時間電容CON充電以產生導通訊號Cs。當SR正反器304接收導通決定訊號Tcs時，導通開關SW使時間電容CON歸零。電流源ION外接一時間設定電阻Rton，以根據時間電容CON設定對時間電容CON充電的電流大小。本實施例中的時間設定電阻Rton耦接輸入電壓Vin，如此多相直流對直流轉換控制器的固定導通時間可以根據所應用的輸入電壓Vin而調整至較佳的設定值。

脈寬調變模組320包含一比較器312以及延遲電路314a、314b、314c。比較器312的非反向輸入端接收參考電壓Vton，反向輸入端接收導通訊號Cs。當導通訊號Cs高於參考電壓Vton時，導通決定訊號Tcs會降為低準位，使下降緣偵測電路306重設SR正反器304。延遲電路314a、314b、314c亦同時偵測導通決定訊號Tcs，於偵測到導通決定訊號Tcs後一延遲時間停止產生脈寬調變訊號Tock1、Tock2、Tock3。延遲電路314a、314b、314c同時接收電流偵測訊號Ise1、Ise2、Ise3，並根據對應通道的電流偵測訊號與其他的電流偵測訊號間的差異調整延遲詩間。脈寬邏輯單元330耦接脈寬調變模組320，根據脈寬調變訊號Tock1、Tock2、Tock3及輸出訊號Pon來產生脈寬調變控制訊號S1a、S1b、S2a、S2b、S3a、S3b。

接著，請參見第六圖，為第五圖中的脈寬調變單元之電路示意圖。由於延遲電路314a、314b、314c的電路架構相同，在此以延遲電路314a來說明。延遲電路314a包含了一下降緣偵測電路3141、一電流源3142、一電容3143、延遲調整單元3144、3145、一比較器3146、一SR正反器3147以及一開關3148。當下降緣偵測電路3141偵測到導通決定訊號Tcs的下降緣時，產生一脈衝訊號以短暫導通開關3148而使電容3143的電位歸零。電流源3142為一定電流源，對電容3143充電。SR正反器3147的設定端S接收輸出訊號Pon而開始產生脈寬調變訊號Tock1。比較器3146的非反向輸入端耦接電容3143，反向輸入端接收一參考電壓Vdt，輸出端耦接SR正反器3147的重設端R。當電容3143的準位上升至高於參考電壓Vdt，比較器3146輸出高準位訊號以重設SR正反器3147，以停止產生脈寬調變訊號Tock1。電流源3142、電容3143一比較器3146以及SR正反器3147構成一基準延遲單元。在沒有延遲調整單元3144、3145之情況下，電容3143的電位被充電至等於參考電壓Vdt的時間為一定值，故基準延遲單元決定一基準延遲時間。而延遲調整單元3144、3145可以為轉阻放大器，其非反向輸入端接收對應的通道之電流偵測訊號Ise1，反向輸入端分別接收其他通道的電流偵測訊號Ise2、Ise3。當電流偵測訊號Ise1高於電流偵測訊號Ise2(Ise3)時，延遲調整單元3144(3145)會額外等比於準位差異之一電流對電容3143充電，以縮短電容3143的電位被充電至等於參考電壓Vdt的時間(即基準延遲時間)。當電流偵測訊號Ise1低於電流偵測訊號Ise2(Ise3)時，延遲調整單元3144(3145)會吸收電流源3142中等比於準位差異之一電流，以減少對電容3143充電的電流大小，以延長電容3143的電位被充電至等於參考電壓Vdt的時間(即基準延遲時間)。因此，第五圖及第六圖所示之實施例，脈寬調變訊號Tock1、Tock2、Tock3的脈波寬度為固定導通單元310根據時間設定電阻Rton設定的時間及延遲電路314a、314b、314c的延遲時間的和，而透過調整延遲時間而達到調整脈寬調變訊號Tock1、Tock2、Tock3的脈波寬度之作用。

如上所述，本發明完全符合專利三要件：新穎性、進步性和產業上的利用性。本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以下文之申請專利範圍所界定者為準。

先前技術：

10．．．控制器

12a、12b、12c．．．通道

PWM1、PWM2、PWM3．．．脈寬調變控制訊號

Io1、Io2、Io3．．．通道電流

Io．．．輸出電流

C．．．輸出電容

Vout．．．輸出電壓

Load．．．負載

CSP1、CSN1、CSP2、CSN2、CSP3、CSN3．．．腳位

FB．．．電壓迴授訊號

Vin．．．輸入電壓

本發明：

100．．．多相直流對直流轉換器

110、210、310．．．固定導通單元

120、220、320．．．脈寬調變模組

130、230、330．．．脈寬邏輯單元

150a、150b、150c．．．通道

152a、152b、152c．．．電流偵測電路

202、302、312、3146．．．比較器

204．．．導通控制電路

214a、214b、214c．．．脈寬調變單元

2141、2142．．．P型金氧半電晶體

2143、2144、2145、2146、2147、2148．．．N型金氧半電晶體

2149．．．增益電路

304、3147．．．SR正反器

306、3141．．．下降緣偵測電路

314a、314b、314c．．．延遲電路

3142、I1、I2、I3、ION．．．電流源

3143．．．電容

3144、3145．．．延遲調整單元

3148、SW．．．開關

Vin．．．輸入電壓

S1a、S1b、S2a、S2b、S3a、S3b．．．脈寬調變控制訊號

Io1、Io2、Io3．．．通道電流

C．．．輸出電容

Vout．．．輸出電壓

FB．．．電壓迴授訊號

Cs．．．導通訊號

Tock1、Tock2、Tock3．．．脈寬調變訊號

Ise1、Ise2、Ise3．．．電流偵測訊號

CON．．．時間電容

Vref、Vdt、Vton．．．參考電壓

Pon．．．輸出訊號

Rton．．．時間設定電阻

VDD．．．驅動電源

S．．．設定端

R．．．重設端

Tcs．．．導通決定訊號

Q’．．．反向輸出端

第一圖為傳統多相直流轉直流轉換電路的電路示意圖。

第二圖為根據本發明之多相直流對直流轉換器之電路方塊圖。

第三圖為根據本發明之一第一較佳實施例之多相直流對直流轉換控制器之電路示意圖。

第四圖為第三圖中的脈寬調變單元之電路示意圖。

第五圖為根據本發明之一第二較佳實施例之多相直流對直流轉換控制器之電路示意圖。

第六圖為第五圖中的脈寬調變單元之電路示意圖。

100．．．多相直流對直流轉換器

110．．．固定導通單元

120．．．脈寬調變模組

130．．．脈寬邏輯單元

150a、150b、150c．．．通道

152a、152b、152c．．．電流偵測電路

Vin．．．輸入電壓

S1a、S1b、S2a、S2b、S3a、S3b．．．脈寬調變控制訊號

Io1、Io2、Io3．．．通道電流

C．．．輸出電容

Vout．．．輸出電壓

FB．．．電壓迴授訊號

Cs．．．導通訊號

Tock1、Tock2、Tock3．．．脈寬調變訊號

Ise1、Ise2、Ise3．．．電流偵測訊號

Claims

一種多相直流對直流轉換控制器，用以控制一多相直流對直流轉換電路中的多個通道以提供一輸出電壓，該多相直流對直流轉換控制控制器包含：一固定導通單元，根據該輸出電壓以決定代表一預定時間之一導通訊號之產生時點；複數個脈寬調變單元，每一脈寬調變單元產生一脈寬調變訊號，其中該脈寬調變訊號之一脈衝寬度係根據該多個通道的電流及該導通訊號決定；以及一脈寬邏輯單元，根據該複數個脈寬調變單元所產生之該些脈寬調變訊號控制該多個通道中對應通道。
如申請專利範圍第1項所述之多相直流對直流轉換控制控制器，其中每一該脈寬調變單元根據對應通道之電流與其他通道之電流差異，調整該脈寬調變訊號以縮短該多個通道中對應通道的導通時間。
如申請專利範圍第2項所述之多相直流對直流轉換控制控制器，其中每一該脈寬調變單元為一多輸入放大器，該多輸入放大器於多個輸入端接收該導通訊號及代表該多個通道電流之複數個電流偵測訊號，以產生該脈寬調變訊號。
如申請專利範圍第3項所述之多相直流對直流轉換控制控制器，其中每一該多輸入放大器包含複數個差動對，每一該差動對根據對應通道之電流偵測訊號及其他通道之電流偵測訊號其中之一產生一差動訊號，該脈寬調變單元根據該些差動訊號產生該脈寬調變訊號。
如申請專利範圍第2項所述之多相直流對直流轉換控制控制器，其中該複數個脈寬調變單元包含複數個延遲電路，每一該延遲電路基於該預定時間及一延遲時間，以決定該脈寬調變訊號之該脈衝寬度，而該延遲時間係根據對應通道之電流與其他通道之電流差異決定。
如申請專利範圍第5項所述之多相直流對直流轉換控制控制器，其中每一該延遲電路包含：一基準延遲單元，決定一基準延遲時間；至少一延遲調整單元，根據對應通道之電流及其他通道之電流差異及該基準延遲時間，以決定該延遲時間；以及一脈寬延遲產生單元，根據該預定時間及該延遲時間之和，決定該脈寬調變訊號之該脈衝寬度。
一種多相直流對直流轉換電路之控制方法，用以平衡一多相直流對直流轉換電路中的多個通道之電流，包含步驟：設定一固定導通時間；偵測該多個通道之電流以產生多個電流偵測訊號；決定對應通道之電流與其他通道之電流差異；以及產生複數個脈寬調變訊號，以控制對應之通道，其中每一該脈寬調變訊號之脈衝寬度係根據該固定導通時間及該些電流差異而決定。
如申請專利範圍第7項所述之多相直流對直流轉換電路之控制方法，其中該固定導通時間係根據一電阻而設定。
如申請專利範圍第7項或第8項所述之多相直流對直流轉換電路之控制方法，其中該些電流差異係利用多個多輸出之一多輸入放大器根據代表該多個通道電流之電流偵測訊號來決定。
如申請專利範圍第7項或第8項所述之多相直流對直流轉換電路之控制方法，更包含步驟：利用多個延遲電路，以根據該些電流差異決定延遲時間；其中，每一該脈寬調變訊號之脈衝寬度係根據該固定導通時間及對應之該延遲時間而決定。