多相开关变换器及其控制器和控制方法与流程

本发明涉及电子电路，特别地，涉及多相开关变换器及其控制器和控制方法。

背景技术：

近年来，随着一些高性能处理器的出现，需要输出电压更小、输出电流更大的开关变换器，对开关变换器的热性能及动态响应性能的要求也越来越高。多相开关变换器以其优越的性能得到了越来越广泛的应用。多相开关变换器包括多个开关电路，该多个开关电路的输出端耦接在一起为负载提供能量。然而，需要设计一种多相开关变换器，既可以为各相开关电路提供过电流保护，也能够保证多相开关变化器的稳定运行。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提出一种多相开关变换器及其控制器和控制方法。

依据本发明实施例的一种用于多相开关变换器的控制器，该多相开关变换器包括多个开关电路，该多个开关电路的输出端耦接在一起以提供输出电压，该控制器产生多个开关控制信号，以控制多个开关电路依次导通，该控制器包括：电压控制电路，耦接至多个开关电路的输出端，基于电压参考信号和输出电压产生导通控制信号；总电流控制电路，基于电流参考信号和多个开关电路的总输出电流产生电流控制信号；分频电路，具有输入端和多个输出端，其中输入端耦接至电压控制电路以接收导通控制信号，分频电路根据导通控制信号在多个输出端产生多个分频信号；多个过流检测电路，每个过流检测电路均具有输入端和输出端，其中输入端耦接至相应的开关电路，每个过流检测电路基于流过相应开关电路的电流检测相应开关电路是否过流，在其输出端产生过流信号；以及多个子控制电路，每个子控制电路均具有第一输入端、第二输入端、第三输入端、和输出端，其中第一输入端耦接至分频电路的相应输出端以接收分频信号，第二输入端耦接至总电流控制电路以接收电流控制信号，第三输入端耦接至相应过流检测电路的输出端以接收过流信号，输出端基于分频信号、电流控制信号、以及过流信号产生相应的开关控制信号。

依据本发明实施例的一种用于多相开关变换器的控制器，该多相开关变换器包括多个开关电路，该多个开关电路的输出端耦接在一起以提供输出电压，该控制器产生多个开关控制信号，以控制多个开关电路依次导通，该控制器包括：电压控制电路，耦接至多个开关电路的输出端，基于电压参考信号和输出电压产生导通控制信号；总电流控制电路，耦接至多个开关电路，基于电流参考信号和多个开关电路的总输出电流产生电流控制信号；分频电路，具有输入端和多个输出端，其中输入端耦接至电压控制电路以接收导通控制信号，分频电路根据导通控制信号在多个输出端产生多个分频信号；以及多个子控制电路，每个子控制电路均具有第一输入端、第二输入端、和输出端，其中第一输入端耦接至分频电路的相应输出端以接收分频信号，第二输入端耦接至总电流控制电路以接收电流控制信号，基于分频信号和电流控制信号在输出端产生相应的开关控制信号。

依据本发明实施例的一种多相开关变换器，包括多个开关电路，所述多个开关电路的输出端耦接在一起以提供输出电压；以及如上所述的控制器。

依据本发明实施例的一种用于多相开关变换器的控制方法，该多相开关变换器包括多个开关电路，该多个开关电路的输出端耦接在一起以提供输出电压，该控制方法包括：基于电压参考信号和输出电压产生导通控制信号；基于电流参考信号和多个开关电路的总输出电流产生电流控制信号；以及基于导通控制信号和电流控制信号产生多个开关控制信号，以控制多个开关电路依次导通；其中当多个开关电路的总输出电流大于电流参考信号时，当前相开关电路维持关断，直至多个开关电路的总输出电流小于电流参考信号时，基于输出电压和电压参考信号控制当前相开关电路导通；以及当检测到当前相开关电路过流时，当前相开关电路保持关断，进入对下一相开关电路的控制。

在本发明的实施例，多相开关变换器对总输出电流的控制增加了系统的安全性，使多相开关变换器可以自动、且平滑的在调节输出电压和调节总输出电流之间切换，并且避免了总输出电流持续增大导致的各开关电路之间电流的不均衡。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例的多相开关变换器100的电路框图；

图2示出了根据本发明实施例的多相开关变换器100的控制方法流程图200；

图3示出了根据本发明实施例的图1所示子控制电路25-i的电路原理图；

图4示出了根据本发明实施例的图1所示总电流控制电路26的电路原理图；

图5示出了根据本发明实施例的图1所示分频电路22的状态转移图200；

图6示出了根据本发明另一实施例的多相开关变换器100的电路框图；

图7示出了根据本发明另一实施例的控制器20的电路框图；以及

图8示出了根据本发明实施例的多相开关变换器的工作流程图800。

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。应当理解，当称元件“连接到”或“耦接到”另一元件时，它可以是直接连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“直接连接到”或“直接耦接到”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。

本发明实施例提供一种包括多个开关电路的多相开关变换器，在正常工作状态下，各个开关电路基于多相开关变换器的输出电压和多个开关电路的总输出电流被依次导通。在多个开关电路的总输出电流大于电流参考信号时，多相开关变换器控制相应的开关电路暂时不导通，直至多个开关电路的总输出电流小于电流参考信号，多相开关变换器基于输出电压控制相应的开关电路导通。以及在检测到当前相开关电路过流时，多相开关变换器跳过当前相开关电路并保持其余相开关电路正常工作。本发明实施例中，“当前相开关电路”或“相应的开关电路”是指按次序应当被导通的开关电路。以下以使用恒定导通时间控制的多相开关变换器为例来描述各实施例。

图1示出了根据本发明实施例的多相开关变换器100的电路框图。多相开关变换器100包括控制器20以及多个开关电路10-1,10-2，……10-n，其中n是大于或等于2的整数。开关电路10-1，10-2……10-n的输入端接收输入电压vin，输出端耦接在一起以提供输出电压vo，为负载102供电。开关电路10-1,10-2，……10-n可采用任何直流/直流(dc/dc)或交流/直流(ac/dc)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。输出电容105耦接在开关电路10-1，10-2，……10-n的输出端和参考地之间。

控制器20产生多个控制信号pwm1，pwm2，……pwmn，以控制多个开关电路10-1,10-2，……10-n依次导通。控制器20包括电压控制电路21、分频电路22、总电流控制电路23、以及多个子控制电路25-1，25-2，……25-n。电压控制电路21耦接至多个开关电路10-1,10-2，……10-n的输出端，基于电压参考信号vref和输出电压vo产生导通控制信号set，例如根据电压参考信号vref和代表了输出电压vo的电压反馈信号vfb的比较结果，产生导通控制信号set。分频电路22具有输入端和多个输出端，其中分频电路22的输入端耦接至电压控制电路21以接收导通控制信号set，分频电路22根据导通控制信号set在其多个输出端产生多个分频信号fd1，fd2，……fdn。总电流控制电路23基于电流参考信号iref0和多个开关电路的总输出电流io产生电流控制信号ictrl，例如根据电流参考信号iref0和代表了总输出电流io的电流反馈信号imon的比较结果，产生电流控制信号ictrl。每个子控制电路25-i(i＝1，2，……n)均具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中子控制电路25-i的第一输入端耦接至分频电路22的相应输出端以接收分频信号fdi，子控制电路25-i的第二输入端耦接至总电流控制电路23以接收电流控制信号ictrl，子控制电路25-i基于分频信号fdi和电流控制信号ictrl在其输出端产生相应的开关控制信号pwmi。在一个实施例中，在多个开关电路的总输出电流io或电流反馈信号imon大于电流参考信号iref0时，多相开关变换器100控制当前相开关电路暂时不导通，直至多个开关电路的总输出电流io或电流反馈信号imon小于电流参考信号iref0，多相开关变换器100基于输出电压vo控制当前相开关电路导通，例如当输出电压vo或电压反馈信号vfb小于电压参考信号vref时，控制当前相开关电路导通。

在一个实施例中，控制器20进一步包括多个过流检测电路24-1,24-2，……24-n。每个过流检测电路24-i(i＝1，2，……n)均具有输入端和输出端，过流检测电路24-i的输入端耦接至相应的开关电路10-i，过流检测电路24-i基于流过相应开关电路10-i的电流检测相应开关电路10-i是否过流，在其输出端产生过流信号oci。例如根据代表了流过相应开关电路10-i电流的电流采样信号csi(i＝1，2，……n)，检测相应开关电路10-i是否过流，并产生过流信号oci。在一个实施例中，当检测到当前相开关电路过流时，多相开关变换器100跳过当前相开关电路并保持其余相开关电路正常工作。在一个实施例中，子控制电路25-i(i＝1，2，……n)进一步包括第三输入端，耦接至相应的过流检测电路24-i的输出端以接收过流信号oci，子控制电路25-i的输出端基于分频信号fdi、电流控制信号ictrl、以及过流信号oci产生相应的开关控制信号pwmi。

在一个实施例中，控制器20进一步包括总电流计算电路26，具有多个输入端和输出端，总电流计算电路26的多个输入端分别耦接至多个开关电路10-1,10-2，……10-n以接收多个电流采样信号cs1，cs2，……csn，总电流计算电路26的输出端根据多个电流采样信号cs1，cs2，……csn提供代表了多个开关电路10-1,10-2，……10-n的总输出电流的电流反馈信号imon。其中电流采样信号cs1，cs2，……csn分别代表了流过相应开关电路的电流。

在一个实施例中，多相开关变换器100进一步包括电压采样电路101。电压采样电路101采样输出电压vo，并根据输出电压vo产生电压反馈信号vfb。在一个实施例中，控制器20还包括产生斜坡补偿信号的斜坡补偿电路，该斜坡补偿信号可被叠加至输出电压vo或代表输出电压vo的电压反馈信号vfb，亦可从电压参考信号vref中被减去。

图2示出了根据本发明实施例的多相开关变换器100的控制方法流程图200，包括步骤s21～s26。

在步骤s21，开始对当前相开关电路10-i的控制。

在步骤s22，判断总输出电流io是否小于电流参考信号iref0，是则至步骤s23，否则继续判断。

在步骤s23，判断输出电压vo是否小于电压参考信号vref，是则至步骤s24，否则至步骤s22。

在步骤s24，判断当前相开关电路10-i是否过流，是则至步骤s26，否则至步骤s25。

在步骤s25，导通当前相开关电路10-i，之后至步骤s26。

在步骤s26，进入对下一相开关电路的控制。

根据本发明的实施例，多相开关变换器对总输出电流的控制增加了cpu负载的安全性，使多相开关变换器可以自动、且平滑的在调节输出电压和调节总输出电流之间切换，并且避免了总输出电流持续增大导致的各开关电路之间电流的不均衡。

图3示出了根据本发明实施例的图1所示子控制电路25-i的电路原理图。在图3所示的实施例中，子控制电路25-i包括逻辑电路251以及触发电路252。逻辑电路251具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端耦接至分频电路22的相应输出端以接收分频信号fdi，其第二输入端耦接至总电流控制电路23以接收电流控制信号ictrl，输出端根据分频信号fdi、电流控制信号ictrl产生置位信号seti。在一个实施例中，逻辑电路251进一步具有接收过流信号oci的第三输入端，逻辑电路251根据分频信号fdi、电流控制信号ictrl、和过流信号oci在其输出端产生置位信号seti。触发电路252具有置位端s、复位端r、以及输出端q，置位端s耦接至逻辑电路251以接收置位信号seti，复位端r接收控制相应开关电路10-i导通时长的导通时长控制信号coti，输出端耦接至相应开关电路10-i以提供开关控制信号pwmi。

在一个实施例中，子控制电路25-i进一步包括导通时长控制电路253。导通时长控制电路253根据开关控制信号pwmi和导通时长信号toni产生导通时长控制信号coti，以控制相应开关电路10-i的导通时长。开关电路10-i的导通时长toni可被设置为恒定值，也可以是与输入电压vin和/或输出电压vo有关的可变值。

图4示出了根据本发明实施例的图1所示总电流计算电路26的电路原理图。在一个实施例中，总电流计算电路26包括电流加成电路261和输出电路262。电流加成电路261耦接至多个开关电路10-1,10-2，……10-n以接收多个电流采样信号cs1，cs2，……csn，所述电流加成电路基于多个电流采样信号cs1，cs2，……csn提供电流加成信号iinh,代表了多个电流采样信号之和cs1+cs2+……+csn。输出电路262根据电流加成信号iinh，在其输出端提供代表了多个开关电路的总输出电流的电流反馈信号imon。在一个实施例中，电流加成电路261包括多个电阻26-1,26-2，……26-n，每个电阻26-i(i＝1，2，……n)的一端接收相应的电流采样信号csi，另一端耦接在一起提供电流加成信号iinh。在一个实施例中，输出电路262包括电流镜263、偏置电路264、以及输出电阻265。电流镜263的输入端接收电流加成信号iinh，偏置端耦接至偏置电路264，输出端输出电流加成信号iinh的镜像电流iexh。镜像电流iexh流过输出电阻265，在输出电阻265两端产生电压，作为电流反馈信号imon。在一个实施例中，电流反馈信号imon可由以下公式(1)表示。

imon＝gain*(cs1+cs2+……+csn)+bias(1)

其中bias表示输出电路262偏置端的电压。gain表示由电流加成电路261及电流镜263带来的增益。

图5示出了根据本发明实施例的图1所示分频电路22的状态转移图500，包括状态50，状态50-1，50-2，……50-n。

在状态50，分频电路22完成初始配置，之后转移至状态51-1。

在状态51-1，当导通控制信号set有效，例如为高电平时，分频信号fd1有效，例如变为高电平。当开关控制信号pwm1控制开关电路10-1导通，例如pwm1＝1，或检测到开关电路10-1过流时，转移至状态51-2。

在状态51-2，当导通控制信号set有效，例如为高电平时，分频信号fd2有效，例如变为高电平。当开关控制信号pwm2控制开关电路10-2导通，例如pwm2＝1，或检测到开关电路10-2过流时，转移至下一状态。直至进入状态51-n。

在状态51-n，当导通控制信号set有效，例如为高电平时，分频信号fdn有效，例如变为高电平。当开关控制信号pwmn控制开关电路10-n导通，例如pwmn＝1，或检测到开关电路10-n过流时，转移至状态51-1。以此反复。

图6示出了根据本发明另一实施例的多相开关变换器100的电路框图。图6所示的实施例中，开关电路10-i(i＝1，2，……n)包括驱动电路61-i，上侧开关管62-i、下侧开关管63-i、以及电感64-i，每个开关电路10-i进一步包括电流采样电路65-i，用于采样流过开关电路10-i的电流，例如采样流过电感64-i的电流，或采样流过上侧开关管62-i和/或下侧开关管63-i的电流，并提供电流采样信号csi。

图7示出了根据本发明另一实施例的控制器20的电路框图。图7所示的实施例中，电压控制电路21包括比较器cmp1，具有同相输入端、反相输入端和输出端，其同相输入端接收电压参考信号vref，其反相输入端接收电压反馈信号vfb，其输出端根据电压反馈信号vfb和电压参考信号vref的比较结果产生导通控制信号set。总电流控制电路23包括比较器cmp2，具有同相输入端、反相输入端和输出端，其同相输入端接收电流参考信号iref0，其反相输入端接收电流反馈信号imon，其输出端根据电流反馈信号imon和电流参考信号iref0的比较结果产生电流控制信号ictrl。其中当电流反馈信号imon小于参考信号iref0，及电压反馈信号vfb小于电压参考信号vref时，控制器20控制当前相开关电路导通。在图7所示的实施例中，过流检测电路24-1例如包括比较器cp1，具有同相输入端、反相输入端和输出端，其同相输入端接收电流采样信号cs1，其反相输入端接收第一电流阈值ilim1，其输出端基于电流采样信号cs1和第一电流阈值ilim1的比较结果，输出过流信号oc1。当电流采样信号cs1大于第一电流阈值ilim1时，过流信号oc1变为高电平，指示第一相开关电路10-1过流。过流检测电路24-2例如包括比较器cp2，具有同相输入端、反相输入端和输出端，其同相输入端接收电流采样信号cs2，其反相输入端接收第二电流阈值ilim2，其输出端基于电流采样信号cs2和第二电流阈值ilim2的比较结果，输出过流信号oc2。当电流采样信号cs2大于第二电流阈值ilim2时，过流信号oc2变为高电平，指示第二相开关电路10-2过流。依次类推，过流检测电路24-n例如包括比较器cpn，具有同相输入端、反相输入端和输出端，其同相输入端接收电流采样信号csn，其反相输入端接收第n电流阈值ilimn，其输出端基于电流采样信号csn和第n电流阈值ilimn的比较结果，输出过流信号ocn。当电流采样信号csn大于第n电流阈值ilimn时，过流信号ocn变为高电平，指示第n相开关电路10-n过流。

图8示出了根据本发明实施例的多相开关变换器的工作流程图800，包括步骤s81～s85。

在步骤s81，基于电压参考信号和输出电压产生导通控制信号。

在步骤s82，基于电流参考信号和多个开关电路的总输出电流产生电流控制信号。

在步骤s83，基于导通控制信号和电流控制信号产生多个开关控制信号，以控制多个开关电路依次导通。

在步骤s84，当多个开关电路的总输出电流大于电流参考信号时，当前相开关电路维持关断，直至多个开关电路的总输出电流小于电流参考信号时，基于输出电压和电压参考信号控制当前相开关电路导通。

在步骤s85，当检测到当前相开关电路过流时，当前相开关电路保持关断，进入对下一相开关电路的控制。

注意，在上文描述的流程图中，框中所标注的功能也可以按照不同于图中所示的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这取决于所涉及的具体功能。

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。