专利名称：稳压式多通道脉波宽度调变转换器的制作方法
技术领域：
本发明有关一种电源转换器，特别是有关一种稳压式多通道脉波宽度调变转换器。
(2)背景技术随着新一代电脑对高速、高电流的需求，尤其是最新个人电脑(PC)的微处理器(Microprocessor)的电流需求，已超过60安培(A)，故DC-DC转换器的电流要求也越来越高。因此，多通道的并联式转换器的架构便常被引用。其中，多相式形式的多通道转换器，更因为输入及输出的电流涟波(Ripple)的分散作用，而可以采用较小，较便宜的滤波电容。
多通道并联式转换器，是利用数个具有相同输出电压的脉波宽度调变(Pulse-width Modulated；PWM)转换通道，将其输出端并联，来提供更高的输出电流。在数个通道中，因为各个通道之间不可避免的些许不对称，使得一个或多个通道会不合比例地承受较高的负载。更有甚者，若各通道为具有吸收(Sinking)及供应(Sourcing)电流能力的同步整流(Synchronous rectified)形式，巨大的无效电流，便可能从电压高的通道流入电压低的通道，造成额外的功率消耗，并造成各个通道的功率元件不均匀的工作担负，因此功率元件的额定耐受规格便需加以提高，因而增加了转换器的成本。且如果由少数的通道负责所有负载，不仅造成热量集中，其寿命亦会减短，因为工作温度的增加，组件的平均寿命便会减少。因此，在多通道并联式转换器中，必须具备能平衡各通道电流的系统，使各个转换通道都在相同通道电流下工作，以避免上述的问题。
习知的转换器，如图1为习知的被动降压调衡式多通道并联式直流转换器。是利用多个独立的PWM转换通道，并在各个转换通道的输出端耦合一降压电阻，使每个转换通道的输出电压会随着电流增加而降低，而达到平均分配负载电流的目的。此方法电路简单，但缺点为增加额外的功率消耗，且转换器的输出电压会随着电流增加而下降。如图中所示，误差放大器201a，201b，201c的输入为VREF及由检出位置205a，205b，205c所取得的电压值，比较两者的差异后，来控制脉波宽度调变器202a，202b，202c的工作周期并再由控制脉波宽度调变器202a，202b，202c的输出来控制功率开关203a，203b，203c。此时将产生脉波式的电源经电感204a，204b，204c及电容208滤波后，并在降压电阻206a，206b，206c产生一与各通道电流成正比的电压降，以平衡各个转换通道的电流大小，然后输出直流电源至负载207。其中，输出电压的检出位置205a，205b，205c为介于电感204a，204b，204c及电阻206a，206b，206c之间。
另外如图2为习知的主动降压调衡式多通道并联式直流转换器，其改进图1中的被动式降压调衡式多通道并联式直流转换器。是利用检测每个转换通道的通道电流大小，再依通道电流大小来调降各个转换通道的输入参考电压值，使平衡各个转换通道的电流输出。此种转换器改进了图1中的转换器功率消耗的问题，但仍有输出电压会随着负载电流增加而下降的缺点。如图中所示，习知的主动降压调衡式多通道并联式直流转换器，利用减法电路301a，301b，301c将VREF减去检测器306a，306b，306c检测所得的通道电流信号以修正各通道的输入参考电压，将其传送至误差放大器302a，302b，302c再比较从检出位置307a，307b，307c获得的输出电压信号，产生修正后参考电压，来控制脉波宽度调变器303a，303b，303c的工作周期，使功率开关304a，304b，304c输出电源脉波，再经电感305a，305b，305c及电容309滤波，输出至负载308。
由上述的说明可知，习知的多通道并联式直流转换器，当负载电流增加时，输入至各个通道的修正后参考电压会因此调降而使得输出电压会随着下降，故如何简易而有效的平衡各通道的电流，且不会降低输出电压，使转换器可以更为稳定提供所需的电源，为多通道转换器发展一重要方向。
(3)发明内容鉴于上述的发明背景中，因为新的PC微处理器的电流需求日益增大，故需要能提供大电流的转换器。本发明提供一种多通道的电源转换器，简易而有效的将负载电流平均的分配至每个转换通道，且不会因电流的大小影响其输出电压的高低，并可依使用时的需要调整转换通道的数量。
本发明的主要目的之一是提供一种稳压式多通道脉波宽度调变转换器，具有稳定电压输出及平衡各通道电流的功能。
本发明的另一目的是提供一种可依实际使用需求，开启或关闭转换通道的电源转换器。
根据以上所述的目的，本发明的稳压式多通道脉波宽度调变转换器，包括一误差放大器，以参考电压与转换器的平均输出电压为输入，比较其差异，以控制多个转换通道的电压输出。其中每个转换通道均包括减法电路，以误差放大器的输出信号为输入，减去正比于此通道输出电流的通道电流信号，来控制脉波宽度调变器的工作周期，进而使功率开关产生脉波电源输出。此脉波电源输出经滤波元件，滤波后供应负载所需电流，且因为是输入至各通道的误差放大器输出信号，需减去各通道电流信号作为修正，因此各通道的工作周期便会依通道电流的大小而比例调降，达到平衡各通道电流的目的。而转换器整体输出电压，接回误差放大器，形成反馈回路，以参考电压为基准，调整误差放大器输出信号，对所有通道的输出电压做调整，以维持输出电压等于参考电压。电流检测器，检测转换通道的通道电流大小，输出通道电流大小信号至上述的减法电路。而其中前述的电流检测器，可利用电阻串连电感，以测量电流大小，或者可利用功率开关的导通电阻，来测量电流大小。本发明的稳压式多通道脉波宽度调变转换器，可依使用需求开启及关闭转换通道的数量，并具有自动平衡通道电流的机制。
(4)
本发明的较佳实施例将于往后的说明文字中辅以下列图形进行更详细的阐述，其中图1为习知的被动降压调衡式多通道并联式直流转换器；图2为习知的主动降压调衡式多通道并联式直流转换器；及图3为本发明的稳压式多通道脉波宽度调变转换器。
(5)
具体实施例方式
由发明背景中可知，新的PC微处理器的电流需求，已超过60安培，故需要能提供大电流的DC-DC转换器。多通道并联转换器的架构，因为输入及输出的电流涟波的分散作用，可以采用较小，较便宜的滤波电容。但习知的转换器，因为无可避免的不对称电压，使得一个或多个通道会不合比例地承受负载，形成额外的功率消耗，使功率元件的额定耐受规格必须加以提高，因而增加了成本，且其寿命亦会减短。但习知的降压调衡式多通道并联式直流转换器，虽可使转换器的各通道在相同通道电流下工作，以避免前述的问题。但会因为负载电流增加而使输出电压下降。如何能够提供多通道的电源转换器，简易而有效的将负载电流平均的分配至每个转换通道，及不会因为负载电流增加而降低输出电压，实对多通道的电源转换器提供了重要的贡献。
本发明的转换器是利用平行并联的多组转换通道，其中每个转换通道的输出电流，均利用检测器加以检测，并跟据检测器所测量的正比于通道输出电流大小的信号，比例降低脉波宽度调变器的工作周期(Duty Cycle)，使此通道的输出电压因而依通道电流大小调降，以平衡每个转换通道的电流大小。再利用整体的输出电压反馈至误差放大器(Error Amplifier；E/A)的一输入端，另一输入端为参考电压，以此形成一负反馈回圈(Negative feedbackloop)，当整体输出电压小于参考电压时，提高加诸于所有通道的误差放大器输出信号，以提升整体输出电压，当输出电压大于参考电压时降低加诸于所有通道的误差放大器输出信号，以调降整体输出电压，使整体输出电压稳定于参考电压的值。
如图3中所示，为本发明的稳压式多通道脉波宽度调变转换器。如图中所示误差放大器401的一输入端为VREF，其为一标准的参考电压，以做为转换器输出电压的标准参考电压。误差放大器401的另一输入端即为整体转换器的输出电压，误差放大器401比较输出电压及参考电压的差异，产生输出VE/A，当输出电压大于参考电压时，VE/A便会减少。当输出电压小于参考电压时，VE/A便会增加。而VE/A再推动后续的脉波宽度调变转换通道402a，402b，402c，产生整体转换器的电源输出。
再以图中的脉波宽度调变转换通道402a为例，如图中所示，每一脉波宽度调变转换通道均包括减法电路405，脉波宽度调变器406，功率开关407，电感408及检测器409。当VE/A输入脉波宽度调变转换通道后，形成减法电路405的一正输入，其再与检测器409所测量而得到的转换通道的通道电流信号相减，形成脉波宽度调变器406的输入信号，脉波宽度调变器406比较标准三角波输入，决定脉波宽度调变器406的脉波输出的工作周期，再以此脉波输出控制后续的功率开关407，而产生一脉波电源的输出。而上述的通道电流信号正比于转换通道的电流大小，故当此通道电流较大时，将使此通道的减法电路的输出减少较多，进而使脉波宽度调变器406工作周期降低较多，而使通道电流减少。而脉波电源再经电感408及电容410滤波后，形成一稳定的直流电源输出至负载403。其中上述的检测器409可为一电阻，连接于电感408以测量此转换通道的通道电流大小，或者亦可利用功率开关407的一导通电阻来测量此转换通道的电流大小，其均不脱离本发明的精神与范围。
本发明的稳压式多通道脉波宽度调变转换器，以多个具有依通道电流大小调整输出电压的转换通道，且以一负反馈回路来调整整体输出电压，使形成一具有稳定输出电压的多通道脉波宽度调变转换器，不仅改进习知的转换器，因为平衡各通道输出电流的需求，而使输出电压会因输出电流上升而下降的缺点。本发明的转换器，更因每个转换通道皆具自动调整电流大小的独立回路，而无须彼此间的交互信号，使每个并联的转换通道的输出电流自动适应不同的并联转换通道的数目，故可依实际使用需求开启或关闭转换通道，而无须对电路作其他的修改，提供一稳定的输出电流。
如熟悉此技术的人员所了解的，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的申请专利范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或等效替换，均应包括在下述的权利要求所限定的范围内。
权利要求
1.一种稳压式多通道脉波宽度调变转换器，其特征在于，至少包括一电源输出端，输出一稳压直流电源，并提供一平均输出电压信号；一误差放大器，以一参考电压信号与该平均输出电压信号为输入，比较该参考电压信号与该平均输出电压信号的差异，产生一转换器电压差异信号输出；及数个转换通道，并联连接于该误差放大器与该电源输出端之间，以该转换器电压差异信号为输入，输出数个直流电源，以构成该稳压直流电源，每个该转换通道具有一电流检测器测量该转换通道的通道电流大小，产生一通道电流信号，并反馈该通道电流信号以调整该转换通道的输出电压大小。
2.如权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述的转换通道还包括一减法电路，连接于该误差放大器的输出端，以该转换器电压差异信号为输入，减去该通道电流信号，输出一修正后电压差异信号；一脉波宽度调变器，以该修正后电压差异信号及一标准三角波为输入，调整该脉波宽度调变器的工作周期，输出一脉波宽度调变信号；一功率开关，连接于该脉波宽度调变器，以该脉波宽度调变信号为输入，控制该功率开关，以产生一脉波电源输出；及一滤波元件，包括一电感及一电容，该滤波元件连接于该功率开关，将该脉波电源滤波，形成该直流电源输出；其中该转换通道的该电流检测器，检测该转换通道的通道电流大小，产生该通道电流信号，并输出该通道电流信号至该减法电路。
3.如权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述的电流检测器，利用一电阻串连该电感，以测量该转换通道的通道电流大小。
4.如权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述的电流检测器，利用该功率开关的一导通电阻，以测量该转换通道的通道电流大小。
5.如权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述的数个转换通道，依使用需求开启及关闭，并具有自动调整通道电流的平衡机制。
6.一种稳压式多通道脉波宽度调变转换器，其特征在于，至少包括一电源输出端，输出一稳压直流电源，并提供一平均输出电压信号；一误差放大器，以一参考电压信号与该平均输出电压信号为输入，比较该参考电压信号与该平均输出电压信号的差异，产生一转换器电压差异信号输出；及数个转换通道，平行连接于该误差放大器与该电源输出端之间，以该转换器电压差异信号为输入，输出数个直流电源，以构成该稳压直流电源，其中每一该些转换通道还包括一减法电路，连接于该误差放大器的输出端，以该转换器电压差异信号为输入，减去一通道电流信号的输入，输出一修正后电压差异信号，其中该通道电流信号是正比于该转换通道的通道电流大小；一脉波宽度调变器，以该修正后电压差异信号及一标准三角波为输入，调整该脉波宽度调变器的工作周期，输出一脉波宽度调变信号；一功率开关，连接于该脉波宽度调变器，以该脉波宽度调变信号为输入，控制该功率开关，以产生一脉波电源输出；一滤波元件，包括一电感及一电容，该滤波元件连接于该功率开关，将该脉波电源滤波，形成该直流电源输出；及一电流检测器，检测该转换通道的通道电流大小，输出该通道电流信号至该减法电路。
7.如权利要求6所述的转换器，其特征在于，所述的电流检测器，利用一电阻串连该电感，以测量该转换通道的通道电流大小。
8.如权利要求6所述的转换器，其特征在于，所述的电流检测器，利用该功率开关的一导通电阻，以测量该转换通道的通道电流大小。
9.如权利要求6所述的转换器，其特征在于，所述的数个转换通道，依使用需求开启及关闭，并具有自动调整通道电流的平衡机制。
全文摘要
一种稳压式多通道脉波宽度调变转换器，至少包括一电源输出端，输出一稳压直流电源并提供一平均输出电压信号；一误差放大器，以一参考电压信号与平均输出电压信号为输入，比较参考电压信号与平均输出电压信号的差异，产生一转换器电压差异信号输出；及数个转换通道，并联连接于误差放大器与电源输出端之间，以转换器电压差异信号为输入，输出数个直流电源，以构成稳压直流电源，每一些转换通道具有一电流检测器测量转换通道的通道电流大小，以产生一通道电流信号，并反馈通道电流信号以调整转换通道的输出电压大小。其整体输出电压可以维持相等于参考电压的输出，且每个转换通道均可依需要开启或关闭，且自动平衡各个转换通道的电流。
文档编号G05F1/10GK1504852SQ02152658
公开日2004年6月16日 申请日期2002年11月28日 优先权日2002年11月28日
发明者陈安东, 黄云朋 申请人:华邦电子股份有限公司