CN103208917A - 多相直流对直流转换控制器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多相直流对直流转换控制器及其控制方法，用以控制一多相直流对直流转换电路中的多个通道以提供一输出电压。多相直流对直流转换控制器包含一恒定导通单元、多数个脉宽调变单元以及一脉宽逻辑单元。恒定导通单元根据输出电压以决定代表一预定时间的一导通信号的产生时点。每一脉宽调变单元产生一脉宽调变信号，其中脉宽调变信号的一脉冲宽度是根据多个通道的电流及导通信号决定。脉宽逻辑单元根据多数个脉宽调变单元所产生的该些脉宽调变信号控制多个通道中对应通道。

Description

多相直流对直流转换控制器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种直流对直流转换控制器及其控制方法，尤其涉及一种多相直流对直流转换控制器及其控制方法。

背景技术

随着制程技术的演进，集成电路越趋微小化。而集成电路的微小化会伴随着驱动电压的下降。然而有些领域的集成电路的耗电量并未随着驱动电压的下降而等比例的下降，使得集成电路的操作电流反向地增加。

集成电路的驱动电压源均以切换式电源电路为主。而切换式电源电路的切换操作，会造成输出端的输出波纹(Ripple)。这些电压波纹在低驱动电压的操作环境下会显得明显，甚至造成集成电路的逻辑错误。为了降低切换式电源电路的波纹，而发展出多相直流转直流转换控制器。通过多通道分时传送电力至直流转直流转换电路输出端的方式，可降低每次传送的电力大小，因而降低波纹的大小。

请参见图1，为传统多相直流转直流转换电路的电路示意图。多相直流转直流转换电路包含了一控制器10及三个通道12a～12c。每一个通道12a～12c包含两个晶体管开关串接在输入电压Vin及接地之间。各通道12a～12c内的驱动器各自接收来自控制器10的脉宽调变控制信号PWM1～PWM3，以据此切换对应的晶体管开关，以提供通道电流Io1～Io3。通道电流Io1～Io3结合而形成输出电流Io对输出电容C充电而产生输出电压Vout，以驱动负载Load。控制器10通过管脚对CSP1及CSN1、CSP2及CSN2、CSP3及CSN3检测通道电流Io1～Io3并接收一电压反馈信号FB，据以调变通道12a～12c中的晶体管开关的占空比。

控制器10为了使各通道12a～12c造成的电流波纹相近，因而根据管脚对CSP1及CSN1、CSP2及CSN2、CSP3及CSN3的检测信号来调整各通道电流Io1～Io3的大小，使其彼此一致。一般而言，控制器10会先以误差放大器来进行反馈控制，以得到各通道的占空比参考依据，然后再根据通道电流之间的差异进行占空比的补偿修正。误差放大器虽然对抑制噪声的效果不错，但相对的其瞬态反应的能力较差，无法对负载变动快速回应。而通道电流差异部分，会先计算各通道电流的和，再计算平均通道电流。然后根据各通道实际电流与平均通道电流的差来调整各通道的占空比。上述的电流差异的运算较为复杂，也会使得多相转换控制器的电路设计复杂化。

发明内容

现有技术中的多相直流转直流转换控制器的瞬态反应不佳，而且电路复杂。本发明的多相直流对直流转换控制器以恒定导通时间反馈控制方式，提供快速的瞬态反应，而且利用脉宽补偿的方式根据各通道电流的差来补偿各通道电流，省略了求电流和及平均，因此进一步简化了电路的设计。

为达上述目的，本发明揭露了一种多相直流对直流转换控制器，用以控制一多相直流对直流转换电路中的多个通道以提供一输出电压。多相直流对直流转换控制器包含一恒定导通单元、多数个脉宽调变单元以及一脉宽逻辑单元。恒定导通单元根据输出电压以决定代表一预定时间的一导通信号的产生时点。每一脉宽调变单元产生一脉宽调变信号，其中脉宽调变信号的一脉冲宽度是根据多个通道的电流及导通信号决定。脉宽逻辑单元根据多数个脉宽调变单元所产生的该些脉宽调变信号控制多个通道中对应通道。

本发明也揭露了一种多相直流对直流转换电路的控制方法，用以平衡一多相直流对直流转换电路中的多个通道的电流。控制方法包含步骤：1.设定一恒定导通时间；2.检测多个通道的电流以产生多个电流检测信号；3.决定对应通道的电流与其他通道的电流差异；以及4.产生多数个脉宽调变信号，以控制对应的通道。其中每一脉宽调变信号的脉冲宽度是根据恒定导通时间及电流差异而决定。

以上的概述与接下来的详细说明皆为示范性质，是为了进一步说明本发明的申请专利范围。而有关本发明的其他目的与优点，将在后续的说明与图示加以阐述。

附图说明

图1所示为传统多相直流转直流转换电路的电路示意图。

图2所示为根据本发明的多相直流对直流转换器的电路方框图。

图3所示为根据本发明的一第一较佳实施例的多相直流对直流转换控制器的电路示意图。

图4所示为图3中的脉宽调变单元的电路示意图。

图5所示为根据本发明的一第二较佳实施例的多相直流对直流转换控制器的电路示意图。

图6所示为图5中的脉宽调变单元的电路示意图。主要附图标记说明：

现有技术：

控制器10

通道12a、12b、12c

脉宽调变控制信号PWM1、PWM2、PWM3

通道电流Io1、Io2、Io3

输出电流Io

输出电容C

输出电压Vout

负载Load

管脚CSP1、CSN1、CSP2、CSN2、CSP3、CSN3

电压反馈信号FB

输入电压Vin

本发明：

多相直流对直流转换器100

恒定导通单元110、210、310

脉宽调变模块120、220、320

脉宽逻辑单元130、230、330

通道150a、150b、150c

电流检测电路152a、152b、152c

比较器202、302、312、3146

导通控制电路204

脉宽调变单元214a、214b、214c

P型金氧半晶体管2141、2142

N型金氧半晶体管2143、2144、2145、2146、2147、2148

增益电路2149

SR锁存器304、3147

下降沿检测电路306、3141

延迟电路314a、314b、314c

电流源3142、I1、I2、I3、ION

电容3143

延迟调整单元3144、3145

开关3148、SW

输入电压Vin

脉宽调变控制信号S1a、S1b、S2a、S2b、S3a、S3b

通道电流Io1、Io2、Io3

输出电容C

输出电压Vout

电压反馈信号FB

导通信号Cs

脉宽调变信号Tock1、Tock2、Tock3

电流检测信号Ise1、Ise2、Ise3

时间电容CON

参考电压Vref、Vdt、Vton

输出信号Pon

时间设定电阻Rton

驱动电源VDD

设定端S

重设端R

导通决定信号Tcs

反向输出端Q’

具体实施方式

请参见图2，为根据本发明的多相直流对直流转换器的电路方框图，用以控制多相直流对直流转换电路。多相直流对直流转换电路包含通道150a、150b、150c，耦接一输入电压Vin并分别根据多相直流对直流转换器100所产生的脉宽调变控制信号S1a、S1b、S2a、S2b、S3a、S3b提供通道电流Io1、Io2、Io3至一输出电容C储存，以提供一输出电压Vout。多相直流对直流转换控制器100包含了一恒定导通单元110、一脉宽调变模块120以及一脉宽逻辑单元130。恒定导通单元110根据接收代表输出电压大小的一电压反馈信号FB，以根据输出电压一导通信号Cs的产生时点，其中导通信号Cs是用以代表恒定导通时间的大小。脉宽调变模块120包含了多数个脉宽调变单元(未绘出)，产生多数个脉宽调变信号Tock1、Tock2、Tock3以控制多相直流对直流转换电路。通道电流检测电路152a、152b、152c分别耦接通道150a、150b、150c，以检测通道电流Io1、Io2、Io3并产生代表通道电流大小的电流检测信号Ise1、Ise2、Ise3。每一脉宽调变单元所产生的脉宽调变信号对应控制多相直流对直流转换电路中的一个通道，而脉宽调变信号的一脉冲宽度是根据这些通道的电流检测信号Ise1、Ise2、Ise3及恒定导通单元110所产生的导通信号Cs来决定。脉宽逻辑单元130根据多数个脉宽调变单元所产生的脉宽调变信号Tock1、Tock2、Tock3来产生脉宽调变控制信号S1a、S1b、S2a、S2b、S3a、S3b来控制对应通道150a、150b、150c。

由于脉宽调变模块120会根据通道电流Io1、Io2、Io3来判断彼此的差异，并根据电流差异来调整导通信号Cs所代表的恒定导通时间的长度，使脉宽逻辑单元130所产生的脉宽调变控制信号S1a、S1b、S2a、S2b、S3a、S3b的占空比会对应通道电流调整，使各通道电流更趋近一致。接着，请参见以下的实施例，以进一步了解本发明。

请参见图3，为根据本发明的一第一较佳实施例的多相直流对直流转换控制器的电路示意图。多相直流对直流转换控制器包含了一恒定导通单元210、一脉宽调变模块220以及一脉宽逻辑单元230。恒定导通单元210包含一比较器202、一导通控制电路204以及一时间电容CON。比较器202的一非反向输入端接收一参考电压Vref，一反向输入端接收电压反馈信号FB。当电压反馈信号FB的准位低于参考电压Vref的准位时，比较器202的输出信号Pon至导通控制电路204。导通控制电路204于接收比较器202的输出信号Pon时，以一设定电流始对时间电容CON充电以产生导通信号Cs。其中，设定电流可以根据外接的一时间设定电阻Rton而设定，如此，使用者可以根据实际应用电路的环境来设定多相直流对直流转换控制器的恒定导通时间的长短。

脉宽调变模块220包含脉宽调变单元214a、214b、214c，接收导通信号Cs，并根据电流检测信号Ise1、Ise2、Ise3来各自判断对应的通道与其他通道电流的差异以产生脉宽调变信号Tock1、Tock2、Tock3，使得脉宽调变信号Tock1、Tock2、Tock3的脉冲宽度会随着对应的通道电流与其他通道电流之间的差来调整。脉宽逻辑单元230耦接脉宽调变模块220，根据脉宽调变信号Tock1、Tock2、Tock3来产生脉宽调变控制信号S1a、S1b、S2a、S2b、S3a、S3b。恒定导通单元210中的导通控制电路204接收脉宽调变控制信号S1a、S2a、S3a，以据此对时间电容CON放电，使导通信号Cs的准位被重设至零电位。脉宽逻辑单元230可接收比较器202的输出信号Pon，以根据输出信号Pon的次数来决定此次产生哪一组脉宽调变控制信号来导通对应的通道。如此，可以达到分时控制多相直流对直流转换电路的多个通道。

接着，请参见图4，为图3中的脉宽调变单元的电路示意图。由于脉宽调变单元214a、214b、214c的电路架构相同，在此以脉宽调变单元214a来说明。脉宽调变单元214a为一多输入放大器，包含了一电流镜、多个差动对差分对以及一增益电路2149。电流镜耦接一驱动电源VDD，包含P型金氧半晶体管2141、2142，其栅极彼此连接。第一个差动对差分对包含一电流源I1以及N型金氧半晶体管2143、2144。N型金氧半晶体管2143、2144分别连接电流镜中的P型金氧半晶体管2141、2142。N型金氧半晶体管2143的栅极接收一参考电压Vton，N型金氧半晶体管2144的栅极接收导通信号Cs，以比较参考电压Vton及导通信号Cs。第二个差动对差分对包含一电流源I2以及N型金氧半晶体管2145、2146。N型金氧半晶体管2145、2146分别连接电流镜中的P型金氧半晶体管2141、2142。N型金氧半晶体管2145的栅极接收电流检测信号Ise2，N型金氧半晶体管2146的栅极接收电流检测信号Ise1，以判断两通道之间的电流差异。第三个差动对差分对包含一电流源I3以及N型金氧半晶体管2147、2148。N型金氧半晶体管2147、2148分别连接电流镜中的P型金氧半晶体管2141、2142。N型金氧半晶体管2147的栅极接收电流检测信号Ise3，N型金氧半晶体管2148的栅极接收电流检测信号Ise1，以判断两通道之间的电流差异。增益电路2149则根据电流镜中的P型金氧半晶体管2141、2142的漏极端的电位而产生脉宽调变信号Tock1。在没有第二个差动对差分对及第三个差动对差分对时，当导通信号Cs高于参考电压Vton时，P型金氧半晶体管2142的漏极准位会低于P型金氧半晶体管2141的漏极准位，以停止增益电路2149产生脉宽调变信号Tock1而关断对应的通道。而加入第二个差动对差分对及第三个差动对差分对时，当电流检测信号Ise2(Ise3)高于电流检测信号Ise1时，流经N型金氧半晶体管2145(2147)的电流大于流经N型金氧半晶体管2146(2148)的电流以提供对应通道电流差异的补偿量。因此，流经N型金氧半晶体管2144电流大于流经N型金氧半晶体管2143电流以完全补偿第二个差动对差分对及第三个差动对差分对的补偿量时，增益电路2149才停止产生脉宽调变信号Tock1。导通信号Cs此时的准位会高于上述无第二个差动对差分对及第三个差动对差分对时的准位，因此对应通道的导通时间会延长使通道电流增加。相反地，当电流检测信号Ise2(Ise3)低于电流检测信号Ise1时，流经N型金氧半晶体管2145(2147)的电流小于流经N型金氧半晶体管2146(2148)的电流以提供对应通道电流差异的补偿量。因此，流经N型金氧半晶体管2143电流大于流经N型金氧半晶体管2144电流以完全补偿第二个差动对差分对及第三个差动对差分对的补偿量时，增益电路2149才停止产生脉宽调变信号Tock1。如此，对应通道的导通时间会减少以降低通道电流。

请参见图5，为根据本发明的一第二较佳实施例的多相直流对直流转换控制器的电路示意图。多相直流对直流转换控制器包含了一恒定导通单元310、一脉宽调变模块320以及一脉宽逻辑单元330。恒定导通单元310包含一比较器302、一SR锁存器304、一下降沿检测电路306、一电流源ION、一开关SW以及一时间电容CON。比较器302的一非反向输入端接收一参考电压Vref，一反向输入端接收电压反馈信号FB。当电压反馈信号FB的准位低于参考电压Vref的准位时，比较器302输出信号Pon至SR锁存器304的设定端S。下降沿检测电路306耦接SR锁存器304的一重设端R，于检测到一导通决定信号Tcs的下降沿时，使SR锁存器304重设。因此，SR锁存器304根据导通决定信号Tcs及输出信号Pon于反向输出端Q’产生一信号控制开关SW。当SR锁存器304接收输出信号Pon时关断开关SW，使电流源ION开始对时间电容CON充电以产生导通信号Cs。当SR锁存器304接收导通决定信号Tcs时，导通开关SW使时间电容CON归零。电流源ION外接一时间设定电阻Rton，以根据时间电容CON设定对时间电容CON充电的电流大小。本实施例中的时间设定电阻Rton耦接输入电压Vin，如此多相直流对直流转换控制器的恒定导通时间可以根据所应用的输入电压Vin而调整至较佳的设定值。

脉宽调变模块320包含一比较器312以及延迟电路314a、314b、314c。比较器312的非反向输入端接收参考电压Vton，反向输入端接收导通信号Cs。当导通信号Cs高于参考电压Vton时，导通决定信号Tcs会降为低准位，使下降沿检测电路306重设SR锁存器304。延迟电路314a、314b、314c亦同时检测导通决定信号Tcs，于检测到导通决定信号Tcs后一延迟时间停止产生脉宽调变信号Tock1、Tock2、Tock3。延迟电路314a、314b、314c同时接收电流检测信号Ise1、Ise2、Ise3，并根据对应通道的电流检测信号与其他的电流检测信号间的差异调整延迟时间。脉宽逻辑单元330耦接脉宽调变模块320，根据脉宽调变信号Tock1、Tock2、Tock3及输出信号Pon来产生脉宽调变控制信号S1a、S1b、S2a、S2b、S3a、S3b。

接着，请参见图6，为图5中的脉宽调变单元的电路示意图。由于延迟电路314a、314b、314c的电路架构相同，在此以延迟电路314a来说明。延迟电路314a包含了一下降沿检测电路3141、一电流源3142、一电容3143、延迟调整单元3144、3145、一比较器3146、一SR锁存器3147以及一开关3148。当下降沿检测电路3141检测到导通决定信号Tcs的下降沿时，产生一脉冲信号以短暂导通开关3148而使电容3143的电位归零。电流源3142为一定电流源，对电容3143充电。SR锁存器3147的设定端S接收输出信号Pon而开始产生脉宽调变信号Tock1。比较器3146的非反向输入端耦接电容3143，反向输入端接收一参考电压Vdt，输出端耦接SR锁存器3147的重设端R。当电容3143的准位上升至高于参考电压Vdt，比较器3146输出高准位信号以重设SR锁存器3147，以停止产生脉宽调变信号Tock1。电流源3142、电容3143一比较器3146以及SR锁存器3147构成一基准延迟单元。在没有延迟调整单元3144、3145的情况下，电容3143的电位被充电至等于参考电压Vdt的时间为一定值，故基准延迟单元决定一基准延迟时间。而延迟调整单元3144、3145可以为转阻放大器，其非反向输入端接收对应的通道的电流检测信号Ise1，反向输入端分别接收其他通道的电流检测信号Ise2、Ise3。当电流检测信号Ise1高于电流检测信号Ise2(Ise3)时，延迟调整单元3144(3145)会额外等比于准位差异的一电流对电容3143充电，以缩短电容3143的电位被充电至等于参考电压Vdt的时间(即基准延迟时间)。当电流检测信号Ise1低于电流检测信号Ise2(Ise3)时，延迟调整单元3144(3145)会吸收电流源3142中等比于准位差异的一电流，以减少对电容3143充电的电流大小，以延长电容3143的电位被充电至等于参考电压Vdt的时间(即基准延迟时间)。因此，图5及图6所示的实施例，脉宽调变信号Tock1、Tock2、Tock3的脉波宽度为恒定导通单元310根据时间设定电阻Rton设定的时间及延迟电路314a、314b、314c的延迟时间的和，而通过调整延迟时间而达到调整脉宽调变信号Tock1、Tock2、Tock3的脉波宽度的作用。

如上所述，本发明完全符合专利三要件：新颖性、创造性和实用性。本发明在上文中已以较佳实施例揭示，然熟悉本项技术者应理解的是，该实施例仅用于描绘本发明，而不应解读为限制本发明的范围。应注意的是，举凡与该实施例等效的变化与置换，均应设为涵盖于本发明的范畴内。因此，本发明的保护范围当以权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种多相直流对直流转换控制器，用以控制一多相直流对直流转换电路中的多个通道以提供一输出电压，该多相直流对直流转换控制器包含：

一恒定导通单元，根据该输出电压以决定代表一预定时间的一导通信号的产生时点；

多数个脉宽调变单元，每一脉宽调变单元产生一脉宽调变信号，其中该脉宽调变信号的一脉冲宽度是根据该多个通道的电流及该导通信号决定；以及

一脉宽逻辑单元，根据该多数个脉宽调变单元所产生的该些脉宽调变信号控制该多个通道中对应通道。

2.根据权利要求1所述的多相直流对直流转换控制器，其中每一该脉宽调变单元根据对应通道的电流与其他通道的电流差异，调整该脉宽调变信号以缩短该多个通道中对应通道的导通时间。

3.根据权利要求2所述的多相直流对直流转换控制器，其中每一该脉宽调变单元为一多输入放大器，该多输入放大器于多个输入端接收该导通信号及代表该多个通道电流的多数个电流检测信号，以产生该脉宽调变信号。

4.根据权利要求3所述的多相直流对直流转换控制器，其中每一该多输入放大器包含多数个差分对，每一该差分对根据对应通道的电流检测信号及其他通道的电流检测信号其中之一产生一差动信号，该脉宽调变单元根据该些差动信号产生该脉宽调变信号。

5.根据权利要求2所述的多相直流对直流转换控制器，其中该多数个脉宽调变单元包含多数个延迟电路，每一该延迟电路基于该预定时间及一延迟时间，以决定该脉宽调变信号的该脉冲宽度，而该延迟时间是根据对应通道的电流与其他通道的电流差异决定。

6.根据权利要求5所述的多相直流对直流转换控制器，其中每一该延迟电路包含：

一基准延迟单元，决定一基准延迟时间；

至少一延迟调整单元，根据对应通道的电流及其他通道的电流差异及该基准延迟时间，以决定该延迟时间；以及

一脉宽延迟产生单元，根据该预定时间及该延迟时间的和，决定该脉宽调变信号的该脉冲宽度。

7.一种多相直流对直流转换电路的控制方法，用以平衡一多相直流对直流转换电路中的多个通道的电流，包含步骤：

设定一恒定导通时间；

检测该多个通道的电流以产生多个电流检测信号；

决定对应通道的电流与其他通道的电流差异；以及

产生多数个脉宽调变信号，以控制对应的通道，其中每一该脉宽调变信号的脉冲宽度是根据该恒定导通时间及该些电流差异而决定。

8.根据权利要求7所述的多相直流对直流转换电路的控制方法，其中该恒定导通时间是根据一电阻而设定。

9.根据权利要求7或8所述的多相直流对直流转换电路的控制方法，其中该些电流差异是利用多个多输出的一多输入放大器根据代表该多个通道电流的电流检测信号来决定。

10.根据权利要求7或8所述的多相直流对直流转换电路的控制方法，还包含步骤：

利用多个延迟电路，以根据该些电流差异决定延迟时间；

其中，每一该脉宽调变信号的脉冲宽度是根据该恒定导通时间及对应的该延迟时间而决定。

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