多相功率变换器的制作方法

本发明涉及一种电力电子技术，更具体地说，涉及一种应用于电源中的多相功率变换器。

背景技术：

随着cpu、gpu、以及ai芯片的发展，需要低压、大电流、高效的核心供电电路。而受制于电感器件以及mosfet制程、封装等影响，单相供电电路的功率有上限，所以需要多相的供电电路，相数可能多至数十个。在这样的情况下，由于相间需要均流，则控制器需要采样各相电流，并且需要额外的均流电路使得各相电流均衡，如电压模式控制、电压纹波控制等。此外还需要交错电路来保证各相供电相位交错以减小电流纹波。对于定频控制方法，易于实现多相交错，但是其频率固定，动态响应较慢，不能满足cpu的供电需求；对于变频控制方式，其动态响应快，但是每相均需要锁相环电路来调整各相相位，控制复杂。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种多相功率变换器，以解决现有技术中动态相应慢以及控制复杂的问题。

本发明提供一种多相功率变换器，包括集中控制电路以及多个功率电路模块，其特征在于，

所述集中控制电路，根据电压参考信号以及输出电压反馈信号，生成一电流参考信号，所述多个功率电路模块根据所述电流参考信号，调节各个功率电路模块输出的相电流；

并且，所述集中控制电路根据相使能信号以及相时钟信号，生成一相复用信号，所述相复用信号用以调节相应相的所述功率电路模块的开关频率以及使能状态，其中，所述相时钟信号根据时钟信号分频获得，所述时钟信号用以调节所述多相功率变换器的工作频率和/或相位。

优选地，所述集中控制电路包括：

电压反馈电路，其用以根据所述电压参考信号以及所述输出电压反馈信号，生成一电压补偿信号，所述电压补偿信号即作为所述电流参考信号。

优选地，所述集中控制电路还包括：

温度检测电路，被配置为生成一温度检测信号，

所述温度检测信号叠加至所述电压补偿信号生成一温度电压补偿信号作为所述电流参考信号。

优选地，所述集中控制器根据频率参考信号生成所述时钟信号。

优选地，所述集中控制器根据频率参考信号，以及所述电流参考信号变化率生成所述时钟信号。

优选地，所述集中控制器包括：

斜率检测电路，其通过检测所述电流参考信号的斜率，以生成一斜率检测信号，所述斜率检测信号用以表征负载电流，所述负载电流为所述各个相电流的和。

优选地，所述集中控制器还包括：

时钟信号生成电路，用以根据频率参考信号以及所述斜率检测信号，生成所述时钟信号。

优选地，所述时钟信号生成电路包括：

斜坡信号生成电路，用以生成一斜坡的斜率与所述频率参考信号以及所述斜率检测信号的和成正比的斜坡信号；

比较电路，用以将所述斜坡信号与一阈值电压进行比较，以生成所述时钟信号。

优选地，所述时钟信号生成电路包括：

斜坡信号生成电路，用以生成一固定斜率的斜坡信号；

比较电路，用以将所述斜坡信号与一阈值电压进行比较，以生成所述时钟信号，其中，所述阈值电压为所述频率参考信号以及所述斜率检测信号的差值。

优选地，所述集中控制器还包括：

分频电路，用以根据所述时钟信号，以及设定的相数，且依据各相的时序，生成与所述多个功率电路模块一一对应的相时钟信号。

优选地，所述集中控制器还包括：

复用电路，其接收所述相使能信号，以及所述相时钟信号，生成所述相复用信号，其中，所述相复用信号具有三个电平状态。

优选地，所述复用电路在所述相使能信号为高电平时，且当所述相时钟信号由低转高时，将所述相复用信号置为第一电平；当所述相时钟信号由高转低时，将所述相复用信号置为第二电平；在所述相使能信号为低电平时，将所述相复用信号置为第三电平，其中，所述第一电平大于第二电平，所述第二电平大于第三电平。

优选地，所述每个功率电路模块包括：

解复用电路，用以接收所述相复用信号，并将所述相复用信号进行分解，以生成分别表征所述功率电路模块的开关频率以及使能状态的分解相时钟信号以及分解相使能信号。

优选地，所述解复用电路包括：

时钟比较电路，用以比较所述相复用信号以及一时钟参考信号，生成所述分解相时钟信号，其中，所述时钟参考信号介于所述第一电平以及所述第二电平之间；

使能比较电路，用以比较所述相复用信号以及一使能参考信号，生成所述分解相使能信号，其中，所述使能参考信号介于所述第二电平以及所述第三电平之间；

优选地，所述每个功率电路模块还包括：

控制信号生成电路，其接收所述电流参考信号、所述分解相时钟信号以及所述分解相使能信号，并据此生成所述功率电路模块中功率级电路的开关控制信号，以调节所述相电流。

优选地，所述集中控制器还包括：

故障检测电路，其与所述复用电路以及所述解复用电路相连，用以根据所述各相功率电路模块通过电流或电压的方式，确定各相所表征的错误种类。

本发明提供了一种基于电流内环，电压外环控制的多相电流模块式供电构架的多相功率变换器，其内环采用电流环，因此无需均流电流可以实现各相均流，并无需集中控制电路分别检测各相电流而节省了引脚；且通过根据电流参考信号的变化率调制时钟信号的频率，能够实现在负载跳变时，根据负载的情况调节调高开关频率，以实现快速的动态响应。同时，本发明提供的多相功率变换器，能够通过信号复用的方法，在减少各相功率电路模块引脚的同时，检测各相功率电路模块产生的故障信号。另外，还可以实现多相电路之间的温度平衡，以更好地提高系统可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明的多相功率变换器的结构框图；

图2为本发明的一个时钟信号生成电路及其相应的波形图；

图3为本发明的另一个时钟信号生成电路及其相应的波形图；

图4为本发明的复用电路的结构图；

图5为本发明的解复用电路的结构图；

图6为本发明的复用电路及解复用电路的工作波形图；

图7为本发明的控制信号生成电路的结构图及工作波形图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

图1为本发明的多相功率变换器的结构框图，如图所示，多相功率变换器包括集中控制电路1以及多个功率电路模块2。

集中控制电路1，用以根据电压参考信号vref以及输出电压反馈信号vo，生成一电流参考信号iref，多个功率电路模块2根据电流参考信号iref，调节各个功率电路模块输出的相电流in，并且，集中控制电路1根据各相的相使能信号enn以及相时钟信号clkn，生成一各相的相复用信号clksn，相复用信号clksn用以调节相应相的功率电路模块2的开关频率和/或相位，以及使能状态，其中，相时钟信号clkn根据时钟信号clk分频获得，时钟信号clk用以调节所述多相功率变换器的工作频率和/或相位。

优选地，集中控制电路1还将各相的功率电路模块2中的温度检测电路通过电阻耦接至集中控制电路1的温度检测脚，将各相温度检测信号vtempn的平均值vtemp输入至集中控制电路1，并将其叠加至电流参考信号iref，以生成一温度电流参考信号iref1，多个功率电路模块2便可根据温度电流参考信号iref1，依据温度的要求调节各个功率电路模块2输出的相电流in。

优选地，如图1所示，集中控制电路1包括电压反馈电路11、斜率检测电路12、时钟信号生成电路13、分频电路14、复用电路15以及故障检测电路16。

具体地，电压反馈电路11，其用以根据电压参考信号vref以及输出电压反馈信号vo，生成一电压补偿信号，所述电压补偿信号即作为所述电流参考信号iref；或者，其用以根据电压参考信号vref以及输出电压反馈信号vo，生成一电压补偿信号，所述电压补偿信号即作为所述电流参考信号，并且将各相温度检测信号vtempn的平均值vtemp，叠加至所述电流参考信号iref，以生成温度电流参考信号iref1。

时钟信号生成电路13，其用以根据频率参考信号fref生成时钟信号clk。优选地，时钟信号生成电路13，也可以根据频率参考信号fref，以及电流参考信号iref或者温度电流参考信号iref的变化率生成时钟信号clk。如此，便可以将电流参考信号变化的影响叠加至时钟信号中，而用以调节多相功率变换器的工作频率和/或相位，进而在负载跳变时，可以根据负载的情况调节调高开关频率，以实现快速的动态响应。

因此，可以理解的是，集中控制电路1中还可以包含一斜率检测电路12，其通过检测电流参考信号iref或者温度电流参考信号iref1的斜率，以生成一斜率检测信号vd，所述斜率检测信号vd用以表征负载电流，所述负载电流为各个相电流in的和。当然，本领域普通技术人员也可以采用其他的方式获取电流参考信号iref或者所述温度电流参考信号iref1的变化率，斜率检测只是本发明实施例的优选方式而已。

如图2所示，为本发明的一个时钟信号生成电路及其相应的波形图。如图可知，时钟信号生成电路13包括斜坡信号生成电路131以及由第一比较器cmp1构成的比较电路，另外，还可以包括一脉冲发生器132。

在本发明实施例中，斜坡信号生成电路131，用以生成一斜坡的斜率与频率参考信号fref以及斜率检测信号vd的和成正比的斜坡信号vc1。斜坡信号生成电路131由电流源i1、开关k1以及电容c1组成，其中，电容c1与开关k1并联连接，电流源i1的一端与电容c1与开关k1的公共节点连接，用以在开关k1关断时给电容c1充电，使电容c1上的电压vc1斜坡上升。在开关k1导通时，电容c1被短路，其上的电压vc1被清零，从而形成斜坡信号vc1优选地，为了使得斜坡的斜率与频率参考信号fref以及斜率检测信号vd的和成正比，可以设置电流源i1为受控电流源，其输出的电流正比于频率参考信号fref以及斜率检测信号vd的和便可实现，即i1∝fref+vd。比较器cmp1，用以将斜坡信号vc1与一阈值电压vpre1进行比较，以生成时钟信号clk。比较器cmp1的同相输入端接收斜坡信号vc1，反相输入端接收阈值电压vpre1，输出时钟信号clk。进一步地，比较器cmp1输出的信号还可以经过一脉冲发生器132，将比较器cmp1输出的信号设置为具有预设宽度的脉冲信号作为时钟信号clk。参考图2，可知，斜率检测信号vd与电流参考信号iref的变化率正相关，且由于i1为受控电流源，其输出的电流正比于频率参考信号fref以及斜率检测信号vd的和，当斜率检测信号vd较大时，斜坡信号vc1的上升斜率较大，会在较短的时间内达到阈值电压vpre1，使得比较器cmp1翻转，从而输出高脉冲的时钟信号clk。也即，当斜率检测信号vd较大时，会增大时钟信号clk的频率，从而能在负载跳变时，可以根据负载的情况调节调高开关频率，以实现快速的动态响应。而在稳态时，由于斜率检测电路的高通特性，斜率检测信号vd为零，因此不会对稳态时的开关频率带来影响。

如图3所示，为本发明的另一个时钟信号生成电路及其相应的波形图。如图可知，时钟信号生成电路13包括斜坡信号生成电路133以及由第一比较器cmp1构成的比较电路，另外，还可以包括一脉冲发生器132。

在本发明实施例中，斜坡信号生成电路133，用以生成一固定斜率的斜坡信号vc2，斜坡信号生成电路131由电流源i1、开关k1以及电容c1组成，其中，电容c1与开关k1并联连接，电流源i1的一端与电容c1与开关k1的公共节点连接，用以在开关k1关断时给电容c1充电，使其上的电压vc1斜坡上升。在开关k1导通时，电容c1被短路，其上的电压vc1被清零。比较器cmp1，用以将斜坡信号vc2与一阈值电压vpre2进行比较，以生成时钟信号clk，优选地，为了使得斜坡的斜率与频率参考信号fref以及斜率检测信号vd的和成正比，可以设置阈值电压vpre2为频率参考信号fref以及所述斜率检测信号vd的差值即可实现，比较器cmp1的同相输入端接收斜坡信号vc2，反相输入端接收阈值电压vpre2，输出时钟信号clk。进一步地，比较器cmp1输出的信号还可以经过一脉冲发生器132，将比较器cmp1输出的信号设置为具有预设宽度的脉冲信号作为时钟信号clk。参考图3，可知，斜率检测信号vd与电流参考信号iref的变化率正相关，且由于阈值电压vpre2为频率参考信号fref以及所述斜率检测信号vd的差值，当斜率检测信号vd较大时，阈值电压vpre2会减小，斜坡信号vc2会在较短的时间内达到阈值电压vpre2，使得比较器cmp1翻转，从而输出高脉冲的时钟信号clk。也即，当斜率检测信号vd较大时，会增大时钟信号clk的频率，从而能在负载跳变时，可以根据负载的情况调节调高开关频率，以实现快速的动态响应。而在稳态时，由于斜率检测电路的高通特性，斜率检测信号vd为零，因此不会对稳态时的开关频率带来影响。

分频电路14，用以根据时钟信号clk，以及设定的相数n，且依据各相的时序，生成与多个功率电路模块2一一对应的相时钟信号clkn。再次参考图2或图3中的波形，这里以n为3来说明，分频电路14将时钟信号clk的脉冲，依次分配给第一相，第二相，第三相，等一轮结束后，再重复上述过程，便可以获得各相的相时钟信号clk1、clk2、clk3。

复用电路15，其接收分频电路14输出的各相的相时钟信号clkn以及各相的相使能信号enn，并据此生成各相的相复用信号clksn，相复用信号clksn用以调节相应相的功率电路模块2的开关频率和/或相位，以及使能状态。优选地，相复用信号clksn可以被设置为具有三个电平状态，即可以在正常的脉冲信号的高电平上，叠加上时钟信号的窄脉冲，由此便可以表征两种信息。

图4为本发明一个实施例的复用电路的结构图。图6为本发明的复用电路及解复用电路的工作波形图；如图6所示，在本发明实施例中，具体地，复用电路15在相使能信号enn为高电平时，且当相时钟信号clkn由低转高时，将相复用信号clksn设置为第一电平v1；当相时钟信号clkn由高转低时，将相复用信号clksn置为第二电平v2；在所述相使能信号enn为低电平时，将相复用信号clksn置为第三电平v3，其中，所述第一电平v1大于第二电平v2，第二电平v2大于第三电平v3。更进一步地，参见图4，复用电路15可以包括第一开关s1、第二开关s2、第三开关s3，第一电平v1、第二电平v2，以及第三电平v3分别通过所述第一开关s1、第二开关s2、第三开关s3连接至复用电路15的输出端，即为相复用信号clksn在不同时刻下提供不同的电平。在本实施例中，第三开关s3接地，即第三电平优选为0v。其中，第一开关s1、第二开关s2分别受控于相时钟信号clkn以及相时钟信号clkn的取反信号，第三开关s3受控于相使能信号enn的取反信号。

解复用电路21，用以接收相复用信号clksn，并将相复用信号clksn进行分解，以生成分别表征所述功率电路模块的开关频率以及使能状态的分解相时钟信号clkpn以及分解相使能信号enpn。由于解复用电路21优选地被设置为集成在各个功率电路模块2中，本发明将各相的相时钟信号clkn以及各相的相使能信号enn在集中控制电路1中合成相复用信号clksn后，再分别在各个功率电路模块2中将其分解，使得能够实现只用一根传输线，便可实现集中控制电路1对一相功率电路模块2的时钟信号输出和使能信号输出。

如图5所示，为本发明实施例的一个解复用电路的结构图。优选地，解复用电路21包括时钟比较电路以及使能比较电路。

具体地，时钟比较电路，可以由第二比较器cmp2构成，用以比较相复用信号clksn以及一时钟参考信号v_clk，生成分解相时钟信号clkpn，其中，所述时钟参考信号v_clk介于第一电平v1以及第二电平v2之间。第二比较器cmp2的同相输入端接收相复用信号clksn，反相输入端接收时钟参考信号v_clk，如比便可在相复用信号clksn大于时钟参考信号v_clk时，输出高电平的分解相时钟信号clkpn，在相复用信号clksn低于时钟参考信号v_clk时，输出低电平的分解相时钟信号clkpn，据此可将表征时钟信息的相时钟信号clkpn从相复用信号clksn中分解出来。

具体地，使能比较电路，可以由第三比较器cmp3构成，用以比较相复用信号clksn以及一使能参考信号v_en，生成所述分解相使能信号enpn，其中，所述使能参考信号v_en介于第二电平v2以及第三电平v3之间。第三比较器cmp3的同相输入端接收相复用信号clksn，反相输入端接收使能参考信号v_en，如比便可在相复用信号clksn大于使能参考信号v_en时，输出高电平的分解相使能信号enpn，在相复用信号clksn低于使能参考信号v_en时，输出低电平的分解相使能信号enpn，据此可将表征使能信息的分解相使能信号enpn从相复用信号clksn中分解出来。

进一步地，每个功率电路模块2还包括控制信号生成电路22。控制信号生成电路22，其接收电流参考信号iref或者所述温度电流参考信号iref1、分解相时钟信号clkpn以及分解相使能信号enpn，并据此生成功率电路模块2中功率级电路的开关控制信号vq，以调节所述相电流in。

图7为本发明的控制信号生成电路的结构图及工作波形图。这里以峰值电流控制模式为例来加以说明，如图7所示，控制信号生成电路22包括由第四比较器cmp4构成的复位信号生成电路以及由sr触发器构成的逻辑电路。具体地，分解相时钟信号clkpn作为置位信号输入至sr触发器的置位端，以根据分解相时钟信号clkpn控制功率电路模块2中功率管的开通时刻,也即控制开关控制信号vq的频率或者开通时刻；第四比较器cmp4用以将电流参考信号iref或者所述温度电流参考信号iref1与电流采样信号i1进行比较，以在电流采样信号i1达到电流参考信号iref或者所述温度电流参考信号iref1时产生有效的复位信号，复位信号用以控制功率电路模块2中功率管的关断时刻，也即控制开关控制信号vq的高电平时间或者关断时刻。进一步地，控制信号生成电路22还根据分解相使能信号enpn，使能或者禁止控制开关控制信号vq的生成。在一种实施方式中，可将分解相使能信号enpn与由sr触发器构成的逻辑电路相连，用以通过使能或者禁止逻辑电路的状态来实现使能或者禁止控制开关控制信号vq的生成。

更进一步地，再次参见图1，集中控制电路1还可以包括一故障检测电路16，其与复用电路15以及解复用电路21连接，用以根据各相功率电路模块通过电流或电压的方式，将表征错误种类的电流或电压电平信号或波形信号体现复用电路15输出端的引脚上，故障检测电路16根据约定好的电流或电压的电平信号或者波形信号，确定各相所表征的错误种类。

再进一步地，多相功率变换器还包括一温度检测电路(未示出)，其用以生成所述各相温度检测信号vtempn的平均值vtemp。优选地，各相功率电路模块2的温度检测电路通过电阻耦接至集中控制电路1的温度检测引脚,该引脚上的电压为即各相温度检测信号的平均值vtemp。

至此可知，本发明提供了一种基于电流内环，电压外环控制的多相电流模块式供电构架的多相功率变换器，其内环采用电流环，因此无需均流电流可以实现各相均流，并无需集中控制电路分别检测各相电流而节省了引脚；且通过根据电流参考信号的变化率调制时钟信号的频率，能够实现在负载跳变时，根据负载的情况调节调高开关频率，以实现快速的动态响应。同时，本发明提供的多相功率变换器，能够通过信号复用的方法，在减少各相功率电路模块引脚的同时，检测各相功率电路模块产生的故障信号。另外，还可以实现多相电路之间的温度平衡，以更好地提高系统可靠性。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。