串联电容式跨电感稳压器

本发明涉及一种稳压器。

背景技术：

1、近年来，随着集成电路技术的发展，如cpu、gpu等处理器芯片的功率需求快速上升，通常需要低压(1伏左右)大电流(数百安培)的供电电源。同时，处理器芯片有在短时间内快速的负载切换的要求，通常可以达到1000a/μs，快速的负载切换会造成较大的输出电压的波动，对输出电压的稳定带来了挑战。因此需要设计具有快速动态响应速度的供电电源。

2、对于传统的处理器供电电源，通常采用多相降压(buck)电路并联的解决方案。这种方案具有结构简单，易于拓展等优势，但是动态响应速度有限，并且在高频、高降压、大电流的应用场景下损耗较大，性能受限。为了应对负载瞬态切换对输出电压的冲击影响，通常需采用较多的输出滤波电容，这增加了电路成本，减少了变换器的功率密度。

3、跨电感稳压器(trans-inductor voltage regulator，tlvr)是一种利用变压器绕组作为输出滤波电感的稳压器。在多相跨电感稳压器电路中，类似于buck电路，每一相的变压器的初级测绕组作为一相电路的输出滤波电感，所有变压器的次级侧绕组以及一个补偿电感相互串联实现电气耦合。由于这些次级侧串联的绕组，负载电流的变化对于每一相电路都能产生影响，各相电流之间也可以互相耦合，因此，跨电感稳压器相比于传统的降压变换器具有更快的响应速度。

4、串联电容式降压变换器通过在两个降压变换器单元之间增加一个支撑电容，使得每个降压单元的等效降压比减少，每个降压单元高侧管的占空比增加，因此这种电路尤其适用于高频、高降压、大电流的应用场景，但是其动态响应速度相对较慢。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：现有的串联电容式降压变换器动态响应速度相对较慢。

2、为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种串联电容式跨电感稳压器，其特征在于，所述串联电容式跨电感稳压器的电路拓扑包括结构相同的m个电路模块，m≥2，分别定义为电路模块一至电路模块m，每个电路模块用于提供n相输出；电路模块一至电路模块m相互耦合，且每个电路模块内的n相输出相互耦合，或者电路模块一至电路模块m之间并无耦合关系，仅每个电路模块内的n相输出相互耦合；

3、每个电路模块包括多个串联电容式开关单元，每个串联电容式开关单元包括k个第一类开关单元和一个第二类开关单元，k≥1；第一类开关单元由两个开关管和一个电容器串联而成，沿信号的传输方向，将第一类开关单元中两个开关管分别定义为上管一以及下管一；第二类开关单元为由两个开关管组成的半桥逆变电路，沿信号的传输方向，将第二类开关单元中两个开关管分别定义为上管二及下管二；第1个第一类开关单元的上管一的漏极连接输入直流电源的正极，第k个第一类开关单元的上管一的源极连接第k+1个第一类开关单元的上管一的漏极，k＝1,……,k-1，第k个第一类开关单元的上管一的源极连接第二类开关单元的上管二的漏极；k个第一类开关单元的下管一的源极以及第二类开关单元的下管二的源极接地；k个第一类开关单元的下管一的漏极以及第二类开关单元的半桥中心点连接输出电感的一端，输出电感由变压器的初级侧绕组构成，初级侧绕组的另一端连接输出电容cout的正极，每个电路模块所包含的n个变压器提供n相输出；若电路模块一至电路模块m相互耦合，则所有电路模块中的所有变压器通过次级侧绕组串联，若电路模块一至电路模块m之间并无耦合关系，则仅当前电路模块中的所有变压器通过次级侧绕组串联。

4、优选地，若所有电路模块中的所有变压器串联，则所有电路模块中的所有变压器串联后，再与同一个补偿电感串接地；若仅当前电路模块中的所有变压器串联，则每个电路模块中的所有变压器串联后，各自串联一个独立的补偿电感串接地。

5、优选地，所有相的变压器绕组的连接的方向以及同名端都是相同的。

6、本发明公开了一种能够实现快速动态响应的稳压器，同时，其可以有效地减少开关损耗，减少降压比。在本发明所提供的技术方案中，所有模块的变压器可以通过次级侧绕组互相连接实现全耦合，所有相的电感实现电气耦合，这种耦合方式称之为全耦合。另一种耦合方式是每一个模块内部的变压器通过次级侧绕组互相连接，因此只有每一个模块内部的各相实现电气耦合，两个模块之间的各相并无耦合，因此这种耦合称之为部分耦合。通过耦合，使得电路的输出电感相对于传统的多相并联的buck电路可以大幅降低，这提升了稳压电路的瞬态响应速度，可以减少对输出滤波电容的需求，提升功率密度。

7、在高频高降压比的降压电路中，上管的导通时间极短，这对控制器的精度有较高的需求。同时较少的占空比会导致较大的电流纹波，增大输出滤波电容的压力，也增大了损耗。通过串联电容式的开关网络，由于支撑电容有隔直电压的作用，因此减少了每一相的等效输入电压，降低了每一相电路的等效降压比。这不仅会提升上管开关的占空比，降低对控制器精度的需求，也降低了输出电感电流的纹波，这减少了导通损耗，也减少了总的输出电流纹波，降低对输出滤波电容的需求。串联电容式跨电感稳压器同样也降低了多数开关管的电压应力，因此可以采用低压的器件，提升变换器的性能，同时由于开关电压应力的减少，开关损耗也减少了，进一步提升了变换器的效率。

技术特征：

1.一种串联电容式跨电感稳压器，其特征在于，所述串联电容式跨电感稳压器的电路拓扑包括结构相同的m个电路模块，m≥2，分别定义为电路模块一至电路模块m，每个电路模块用于提供n相输出；电路模块一至电路模块m相互耦合，且每个电路模块内的n相输出相互耦合，或者电路模块一至电路模块m之间并无耦合关系，仅每个电路模块内的n相输出相互耦合；

2.如权利要求1所述的一种串联电容式跨电感稳压器，其特征在于，若所有电路模块中的所有变压器串联，则所有电路模块中的所有变压器串联后，再与同一个补偿电感串接地；若仅当前电路模块中的所有变压器串联，则每个电路模块中的所有变压器串联后，各自串联一个独立的补偿电感串接地。

3.如权利要求1所述的一种串联电容式跨电感稳压器，其特征在于，所有相的变压器绕组的连接的方向以及同名端都是相同的。

技术总结
本发明公开了一种串联电容式跨电感稳压器，本发明通过耦合，使得电路的输出电感相对于传统电路可以大幅降低，提升了稳压电路的瞬态响应速度，可以减少对输出滤波电容的需求，提升功率密度。通过串联电容式的开关网络，由于支撑电容有隔直电压的作用，因此减少了每一相的等效输入电压，降低了每一相电路的等效降压比。这不仅会提升上管开关的占空比，降低对控制器精度的需求，也降低了输出电感电流的纹波，这减少了导通损耗，也减少了总的输出电流纹波，降低对输出滤波电容的需求。本发明同样也降低了多数开关管的电压应力，因此可以采用低压的器件，提升变换器的性能，同时由于开关电压应力的减少，开关损耗也减少了，进一步提升了变换器的效率。

技术研发人员：王良,王浩宇
受保护的技术使用者：上海科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12