多相开关变换器的控制器及其控制方法与流程

本发明涉及电子电路，更具体地说，涉及多相变换器及其控制器、控制方法和故障检测方法。

背景技术：

近年来，多相开关变换器以其优越的性能被广泛应用于高性能cpu电源中，而cpu相关电路在整个应用系统中起核心作用，cpu电源的高可靠性是技术人员特别关心的特性。在整个多相开关变换器系统的工作过程中，如何能够准确地发现某相或某些开关电路发生老化或者损坏的现象，并尽可能快速地把相应相跳过使整个电路能继续工作是技术人员越来越关心的问题。

传统的方法是开启相间电流均流环，计算每相电流与平均电流的差值，当该差值大于预设的门槛值并持续一段预设时间后，判断该相故障，将其切出电路。但是传统方法的检测精度不高，在一些情况下，虽然某些相已经存在相对其它相异常的均流环调节量，但是此时控制器看到的各相电流是均流的，这就导致系统无法及时准确地检测到故障相。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有高精度和准确度的故障检测功能的多相开关变换器的控制器和控制方法。

根据本发明的实施例提出了一种多相变换器的控制器，该多相变换器包括多个具有输出端的开关电路，该多个开关电路的输出端耦接在一起为负载供电，所述控制器包括：模数转换电路，耦接至多个开关电路的输出端，接收代表多个开关电路输出电流的多个电流采样信号，并基于该多个电流采样信号分别产生多个数字相电流信号；导通时间调整量产生电路，耦接至模数转换电路以接收多个数字相电流信号，并基于每个数字相电流信号和一电流参考信号的差值产生多个导通时间调整量信号，所述导通时间调整量信号代表该相开关电路的导通时间调整量；故障检测电路，耦接至导通时间调整量产生电路以接收多个导通时间调整量信号，并根据多个导通时间调整量信号与一预设参考阈值信号产生多个故障信号；以及控制电路，耦接至比较电路以接收多个故障信号，根据该多个故障信号产生多个控制信号，以控制对应的多个开关电路。

根据本发明的实施例提出了一种多相变换器的控制方法，该多相变换器包括多个具有输出端的开关电路，该多个开关电路的输出端耦接在一起为负载供电，所述控制方法包括：采样开关电路的多个输出电流，产生多个电流采样信号；基于多个电流采样信号，产生对应的多个数字相电流信号；根据每个数字相电流信号和一电流参考信号的差值产生多个导通时间调整量，所述导通时间调整量信号代表对应相开关的导通时间调整量；根据多个导通时间调整量和一预设参考阈值信号产生多个故障信号；以及基于多个故障信号，调节开关电路的控制信号以控制对应的开关电路。

根据本发明的实施例还提出了一种用于多相变换器的故障检测方法，该多相变换器包括多个具有输出端的开关电路，该多个开关电路的输出端耦接在一起为负载供电，所述故障检测方法包括：采样开关电路的多个输出电流，产生多个电流采样信号；基于多个电流采样信号，产生对应的多个数字相电流信号；根据每个数字相电流信号与一电流参考信号的差值产生多个导通时间调整量，所述导通时间调整量代表对应相开关的导通时间调整量；以及将每个导通时间调整量信号与一预设导通时间调整量阈值信号作比较，产生多个故障信号；其中当导通时间调整量信号的绝对值大于一预设值时，判断为对应相的开关电路发生故障，对应的故障信号变为逻辑高。

根据本发明的实施例还提出了一种多相变换器的控制器，该多相变换器包括多个具有输出端的开关电路，该多个开关电路的输出端耦接在一起为负载供电，所述控制器包括：模数转换电路，耦接至多个开关电路的输出端，接收代表多个开关电路输出电流的多个电流采样信号，并基于该多个电流采样信号分别产生多个数字相电流信号；导通时间调整量产生电路，耦接至模数转换电路以接收多个数字相电流信号，并基于每个数字相电流信号和一电流参考信号的差值产生多个导通时间调整量信号，所述导通时间调整量信号代表该相开关电路的导通时间调整量；故障检测电路，耦接至导通时间调整量产生电路以接收多个导通时间调整量信号，并根据多个导通时间调整量信号产生多个故障信号；以及控制电路，耦接至比较电路以接收多个故障信号，根据该多个故障信号产生多个控制信号，以控制对应的多个开关电路；其中当导通时间调整量信号的绝对值大于一预设值时，故障信号变为逻辑高，控制电路调节对应相的控制信号始终为逻辑低，控制对应相的开关电路保持关断状态。

根据本发明的实施例，利用各相导通时间调整量来进行故障的判断，避免了传统方法中由于精度低而无法检测到故障相的情况，提高了故障判断和开关电路控制的精度和准确度。

附图说明

图1为根据本发明一实施例的数控开关变换器100的框图；

图2_1为根据本发明一实施例的图1所示导通时间调整量产生电路103的电路原理图；

图2_2为根据本发明一实施例的图2_1所示σ-δ调制器的电路原理图；

图3为根据本发明一实施例的导通时间调整量信号的波形示意图；

图4_1为根据本发明一实施例的故障检测电路104的电路原理图；

图4_2为根据本发明另一实施例的故障检测电路104的电路原理图；

图5为根据本发明一实施例的多相开关变换器500的框图；

图6为根据本发明一实施例的多相开关变换器控制方法的流程图；

图7为根据本发明一实施例的用于多相开关变换器的故障检测方法的流程图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。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。应当理解，当称元件“耦接到”或“连接到”另一元件时，它可以是直接耦接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

图1为根据本发明一实施例的多相开关变换器100的框图。多相开关变换器100包括多相功率变换电路101、模数转换电路102、导通时间调整量产生电路103、故障检测电路104和控制电路105。多相功率变换电路101包括n个开关电路，其中n为大于或等于2的整数。该n个开关电路的输入端接收输入电压vin，输出端耦接在一起，提供输出电压vout以驱动负载。多相功率变换电路101中的开关电路可采用任何直流/直流或交流/直流变换拓扑结构，例如同步或非同步的升压、降压变换器，以及正激、反激变换器等等。

模数转换电路102耦接至n个开关电路的输出端，接收代表n个开关电路输出电流的电流采样信号cs1～csn，产生数字相电流信号i_phase1～i_phasen。该n个数字相电流信号可以代表各相开关电路的平均输出电流。导通时间调整量产生电路103耦接至模数转换电路102以接收数字相电流信号i_phase1～i_phasen，并基于数字相电流信号i_phase1～i_phasen、电流参考信号i_ref产生导通时间调整量信号δton1～δtonn，其中所述i_ref可以为一固定预设值，也可以为数字相电流信号i_phase1～i_phasen中的其中某一个数字相电流信号。故障检测电路104耦接至模数转换电路102和导通时间调整量产生电路103，以接收导通时间调整量信号δton1～δtonn，并根据导通时间调整量信号δton1～δtonn的差值产生故障信号fault1～faultn，所述故障信号用于指示开关电路是否发生故障。控制电路105耦接至故障检测电路104以接收故障信号fault1～faultn，并根据故障信号fault1～faultn调节控制信号pwm1～pwmn，当控制电路接收到的故障信号指示电路故障时，例如故障信号faultn为逻辑高，则控制信号pwmn被调节为一直维持逻辑低，对应的第n相开关电路则一直保持关断状态。

图2_1为根据本发明一实施例的图1所示导通时间调整量产生电路103的电路原理图。导通时间调整量产生电路103包括减法器201_1～201_n，每个减法器411_x均具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收电流参考信号i_ref，第二输入端接收相应的数字相电流信号i_phasex，减法器411_x将数字相电流信号i_phasex与电流参考信号i_ref相减，在输出端提供代表两者之差的电流误差信号i_ex。每个电流误差信号i_ex对应于一数字导通时间调整量δtonx，例如i_en对应于导通时间调整量δtonn，在一个实施例中，导通时间调整量δtonx可以等于对应的电流误差信号i_ex，也可以与对应的电流误差信号i_ex为不同的两个数字量，两个数字量的对应关系可以预先设定，例如当i_ex为0时，对应δtonx为1，i_ex为1时对应δtonx为3，用户可以根据应用场合的不同需求进行不同对应关系的设定。所述导通时间调整量δtonx代表该相开关电路的导通时间调整量，例如电流与参考电流发生偏差，需要通过调整δtonx的导通时间量来调整该相开关电路的电流。

在一个实施例中，导通时间调整量δtonx为p位，取其中的高q位作为第二导通时间调整量δtonx'，所述第二导通时间调整量δtonx'作为新的导通时间调整量传输到故障检测电路104，其中p大于或等于q。

在一个实施例中，所述导通时间调整量产生电路103还包括一精度调整电路，用于将具有p位的导通时间调整量δtonx扩展成s位作为第二导通时间调整量δtonx'，以提高分辨率，所述第二导通时间调整量δtonx'作为新的导通时间调整量传输到故障检测电路104，其中s大于p。

在一个实施例中，导通时间调整量产生电路103还包括比例积分器202_1～202_n，每个比例积分器202_x均具有输入端和输出端，其中输入端接收导通时间调整量δtonx，比例积分器202_x对导通时间调整量δtonx进行比例积分，在输出端产生第二导通时间调整量δtonx'，所述第二导通时间调整量δtonx'作为新的导通时间调整量传输到故障检测电路104。比例积分器202_x在脉冲信号adc_current_sample_rate的控制下，在相应开关电路的电流采样信号被模数转换时方被触发，以进行比例积分运算。

在一个实施例中，导通时间调整量产生电路103还包括σ-δ(sigma-delta)调制器203_1～203_n。每个σ-δ调制器203_x均具有输入端和输出端，其中输入端耦接至相应比例积分器202_x的输出端以接收第二导通时间调整量δtonx'，σ-δ调制器203_x对第二导通时间调整量δtonx'进行σ-δ调制，在输出端产生第三导通时间调整量δtonx”，所述第三导通时间调整量δtonx”作为新的导通时间调整量传输到故障检测电路104。其中第二导通时间调整量δtonx'为p位(例如10位)数字信号，第三导通时间调整量δtonx”为q位(例如4位)数字信号，p大于q。在一个实施例中，σ-δ调制器203_x在相应开关电路控制信号pwmx的上升沿方被触发，以进行σ-δ调制。

图2_2为根据本发明一实施例的图2_1所示σ-δ调制器的电路原理图。该∑-δ调制器包括减法器305、加法器306和单位延迟模块307。减法器305具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收第二导通时间调整量δtonx'，第二输入端接收第三导通时间调整量δtonx”，减法器将第二导通时间调整量δtonx'与第三导通时间调整量δtonx”相减，在输出端产生误差信号ex。特别地，由于第二导通时间调整量δtonx'与第三导通时间调整量δtonx”的位数并不相等，减法器305在进行减法运算时，将第三导通时间调整量δtonx”不足的低位均补上零。减法器305计算得到的误差信号ex与第二导通时间调整量δtonx'一样，也是p位(例如10位)数字信号。加法器306具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至减法器305的输出端以接收误差信号ex，第二输入端接收循环信号dx，加法器306将误差信号ex与循环信号dx相加，在输出端产生和值信号sumx。单位延迟模块307具有输入端和输出端，其中输入端耦接至加法器306的输出端以接收和值信号sumx，单位延迟模块307对和值信号sumx进行延时，并将延时后的信号作为循环信号dx提供至加法器307的第二输入端。单位延迟模块307的延时时间可以等于相应开关电路的一个开关周期，也可以是其他合适的值。循环信号dx和误差信号ex一样，也是p位(例如10位)数字信号。循环信号dx的高q位(例如高4位)被取出来，用作第三导通时间调整量δtonx”，所述第三导通时间调整量δtonx”作为新的导通时间调整量传输到故障检测电路104。

具体来说，减法器305、加法器306和单位延迟模块307一起构成一个负反馈环路，该负反馈环路的目的是使误差信号ex趋于零。第二导通时间调整量δtonx'的高q位(例如高4位)是用于均流的恒定偏置部分，而低(p-q)位(例如低6位)则被用于调制第三导通时间调整量δtonx”的最低位，从而增大多相开关变换器的电流调整率。第三导通时间调整量δtonx”可以被视为在第二导通时间调整量δtonx'高q位的基础上，以1lsb为幅度变化的脉冲信号。各个脉冲之间的时间间隔是可变的，脉冲间隔由反馈环路决定。第二导通时间调整量δtonx'小，则间隔长，第三导通时间调整量δtonx”，则间隔短。最终，在固定的采样周期tad内，第三导通时间调整量δtonx”的平均值将反映出第二导通时间调整量δtonx'。在σ-δ调制器的作用下，多相开关变换器的电流调整率得到显著提高。在p＝10，q＝4的应用场合，多相开关变换器的电流调整率可以被提高至现有技术电流调整率的64倍。

图3为根据本发明一实施例的导通时间调整量信号δtonx的波形示意图。如图3所示实施例，每一相开关电路均对应于一个控制信号pwmx，当某相开关电路的电流偏离目标值时，系统为了调整工作电流达到目标值，会调节控制信号pwmx维持逻辑高的时间，例如，当某相开关电路的电流小于目标值时，会调节控制信号pwmx继续维持逻辑高一段时间，这段时间便为导通时间调整量δtonx，当开关电路继续导通δtonx时间后，电流达到了目标值，控制信号pwmx变为逻辑低；当某相开关电路的电流大于目标值时，会调节控制信号pwmx提前一段时间变为逻辑低，这段时间便为导通时间调整量δtonx。因此导通时间调整量δtonx可以为正值，也可以为负值。在一个实施例中，当某相开关电路发生故障时，该相的电流约等于零，不管δtonx有多大，该相的电流都无法恢复正常，这种情况下，为了维持系统正常工作，不可能让δtonx无限增大，所以会预设一个值，当δtonx大于该预设值时，可以判断为该相开关电路发生故障，所述预设值可以由用户根据需求设定。总而言之，当δtonx的绝对值大于该预设值时，可以判断为该相开关电路发生故障。

图4_1为根据本发明一实施例的故障检测电路104的电路原理图。所述故障检测电路104包括加法器401、均值电路402、减法器403_1～403_n和比较器404_1～404_n。加法器401具有n个输入端分别用于接收导通时间调整量δton1～δtonn，加法器对导通时间调整量δton1～δtonn进行求和，在输出端输出导通时间调整量和值信号δton_sum。均值电路402包括一个除法器，所述除法器具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接于加法器401的输出端以接收导通时间调整量和值信号δton_sum，所述第二输入端接收代表多相开关变换器的相数的值n，除法器将导通时间调整量和值信号δton_sum除以n，在输出端输出平均调整量信号δton_ave。每个减法器403_x均具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接于导通时间调整量产生电路103以接收导通时间调整量δtonx，第二输入端耦接于除法器以接收平均调整量信号δton_ave，减法器403_x将导通时间调整量δtonx与平均调整量信号δton_ave相减，在输出端输出误差信号δton_ex，包括误差信号δton_e1～δton_en。每个比较器404_x均具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接于减法器403_x以接收误差信号δton_ex，第二输入端接收一预设参考阈值信号th，比较器404_x将误差信号δton_ex与预设参考阈值信号th作比较，在输出端输出故障判断信号faultx，包括故障判断信号fault1～faultn。

在一个实施例中，当误差信号δton_ex的绝对值大于预设参考阈值信号th时，也即当导通时间调整量信号δtonx偏离所有导通时间调整量的平均值δton_ave超过所述预设参考阈值信号th时，故障判断信号faultx变为逻辑高，控制电路接收到故障判断信号faultx为逻辑高时，控制对应的控制信号pwmx始终保持逻辑低，对应相的开关电路始终保持关断状态。

在一个实施例中，减法器401的n个输入端也可用于接收第二导通时间调整量δton1'～δtonn'，在另一个实施例中，减法器401的n个输入端也可用于接收第三导通时间调整量δton1”～δtonn”。

图4_2为根据本发明另一实施例的故障检测电路104的电路原理图。所述故障检测电路104包括比较器405_1～405_n。每个比较器405_x均具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接于导通时间调整量产生电路103以接收导通时间调整量信号δtonx，第二输入端接收一预设参考阈值信号th，比较器405_x将导通时间调整量信号δtonx与一预设导通时间调整量阈值信号δtonth作比较，在输出端输出故障判断信号faultx，包括故障判断信号fault1～faultn。

图5为根据本发明一实施例的多相开关变换器500的框图。多相开关变换器500包括多相功率变换电路501、模数转换电路502、减法器503_1～503_n，加法器504、除法器505、减法器506_1～506_n，比较器507_1～507_n和控制电路508，这些电路均与前述实施例中的对应电路基本相同。模数转换电路502接收代表n个开关电路输出电流的电流采样信号cs1～csn，产生数字相电流信号i_phase1～i_phasen，其中n为大于或等于2的自然数；减法器503_1～503_n接收数字相电流信号i_phase1～i_phasen和参考电流信号i_ref，并分别将接收数字相电流信号i_phase1～i_phasen与参考电流信号i_ref相减，获得导通时间调整量信号δton1～δtonn；加法器504接收导通时间调整量信号δton1～δtonn，并将导通时间调整量信号δton1～δtonn求和，获得导通时间调整量和值信号δton_sum；除法器将导通时间调整量和值信号δton_sum除以开关变换器的总相数n，获得平均调整量信号δton_ave；减法器506_1～506_n接收平均调整量信号δton_ave和导通时间调整量信号δton1～δtonn，并将导通时间调整量信号δton1～δtonn分别与平均调整量信号δton_ave相减，获得误差信号δton_e1～δton_en；比较器507_1～507_n接收误差信号δton_e1～δton_en和一预设参考阈值信号th，并将误差信号δton_e1～δton_en分别与预设参考阈值信号th相减，获得故障判断信号fault1～faultn，在一个实施例中，当误差信号的绝对值大于预设参考阈值信号th时，判断为该相的开关电路发生故障，故障判断信号变为逻辑高，例如误差信号en大于阈值信号th，比较器输出的faultn为逻辑高，指示第n相开关电路发生故障；控制电路508根据故障判断信号fault1～faultn调节控制信号pwm1～pwmn，在一个实施例中，当控制电路508接收到的故障判断信号为逻辑高时，控制电路输出对应的控制信号则变为逻辑低并持续保持逻辑低，例如控制电路508接收到的故障判断信号faultn信号为逻辑高，则控制电路输出的控制信号pwmn变为逻辑低并持续保持逻辑低；控制信号pwm1～pwmn输出到多相功率变化电路501以控制对应相的开关电路，例如多相功率变化电路501接收到的控制信号pwmn为持续逻辑低时，对应的第n相开关电路则持续保持关断状态。

图6为根据本发明一实施例的多相开关变换器数字控制方法的流程图，包括步骤s611～s615。

在步骤s611，采样开关电路的输出电流，产生多个电流采样信号。

在步骤s612，基于多个电流采样信号，产生对应的多个数字相电流信号。

在步骤s613，根据每个数字相电流信号和一电流参考信号的差值产生多个对应的导通时间调整量，所述导通时间调整量信号代表对应相开关的导通时间调整量。在一个实施例中，参考电流信号为预设固定值；在另一个实施例中，参考电流信号为多个数字相电流信号中的某一个。

在步骤s614，根据多个导通时间调整量信号产生多个故障信号。在一个实施例中，当导通时间调整量信号的绝对值大于一预设值时，判断该相开关电路发生故障，对应的故障信号变为逻辑高。在另一个实施例中，对多个导通时间调整量取平均，产生一平均调整量信号；将每个导通时间调整量与平均调整量相减，产生多个调整量误差信号；将每个调整量误差信号与一预设参考阈值作比较，产生多个故障信号所述预设参考阈值可以根据用户需求而编程设定；其中当调整量误差信号的绝对值大于预设参考阈值时，判断为该相的开关电路发生故障，对应的故障判断信号变为逻辑高。

在步骤s615，基于多个故障判断信号，调节对应相开关电路的控制信号。在一个实施例中，当某一故障判断信号变为逻辑高，则调节对应的控制信号变为逻辑低并持续保持逻辑低，对应相的开关电路持续保持关断状态。

图7为根据本发明一实施例的用于多相开关变换器的故障检测方法的流程图700，包括步骤s711～s714。

在步骤s711，采样开关电路的输出电流，产生多个电流采样信号。

在步骤s712，基于多个电流采样信号，产生对应的多个数字相电流信号。

在步骤s713，将每个数字相电流信号与参考电流信号相减，获得多个导通时间调整量信号，所述导通时间调整量代表对应相开关的导通时间调整量。

在步骤s714，将每个导通时间调整量信号与一预设值作比较，产生对应的多个故障信号。在一个实施例中，当导通时间调整量信号的绝对值大于所述预设值时，判断为该相的开关电路发生故障，对应的故障判断信号变为逻辑高。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。