用于多相dcdc转换器的单相变换的系统和方法
【专利说明】用于多相DCDC转换器的单相变换的系统和方法
[0001]本发明要求2014年3月5日提交的美国临时申请61/948，344的优先权，并通过引用将其全部内容并入本文。
技术领域
【背景技术】
[0002]在便携式电子设备(例如蜂窝电话和膝上型计算机)中，DC-DC转换器很重要并由电池供电。这样的电子设备常常包含若干子电路，每个子电路具有它自身的不同于电池或外部电源提供的电压电平的电压电平需求(有时高于或低于电源电压)。例如，随着电池存储的电力耗尽，它的电压下降。开关式DC-DC转换器提供一种从部分降低的电池电压提高电压的方法，从而节省空间，而不用使用多个电池来完成相同的事情。
[0003]通过临时存储输入能量并随后在不同电压下将该能量释放到输出端，电子开关式DC-DC转换器将一个DC电压电平转换到另一个。这种存储可以在磁场存储组件(电感器、变压器)中或电场存储组件(电容器)中。
[0004]图1示出常规DC-DC转换器100的框图。
[0005]如图中示出的，DC-DC转换器100包含控制器102、功率源104、功率级106、功率级108和负载110。
[0006]控制器102经由线路112与功率级106通信，并经由线路114与功率级108通信。功率源104经由线路116与功率级106和功率级108通信。功率级106和功率级108经由线路118与控制器102和负载110通信。
[0007]控制器102利用控制信号120经由线路112控制功率级106，并利用控制信号122经由线路114控制功率级108。功率源104经由线路116将DC电流124传送给功率级106和功率级108。
[0008]功率级106基于控制信号120产生功率信号126。功率信号126具有相关的电压和电流。出于讨论目的，假设功率级106产生的最大电压为恒定电压，而功率级106产生的电流可以响应于控制信号120变化，以便改变最终的功率信号126。在这种方式中，当功率信号126改变时，它基于相关的电流的改变而改变。
[0009]功率级108基于控制信号122产生功率信号128。功率信号128具有相关的电压和电流。出于讨论目的，假设功率级108可以产生的最大电压为恒定电压，其至多等于功率级106产生的电压，而功率级108产生的电流可以响应于控制信号122改变，以便改变最终的功率信号128。在这种方式中，当功率信号128改变时，它基于相关的电流的改变而改变。
[0010]功率信号126与功率信号128相加以形成负载功率130，其被提供给负载110和控制器102。出于讨论目的，假设功率级106和功率级108中的每个都能够在3.0V下将1.0A的最大电流传送给负载110。例如，理想情况下，假设功率级106和功率级108经由输出电感器(未示出)提供固定电压。然而，由于电感器的阻抗基于它传导的交流电的频率，所以实际输出电压会改变。
[0011]现在将附加地参考图2A-C讨论DC-DC转换器100的操作。
[0012]图2A示出负载功率130 DC-DC转换器100。
[0013]该图包括曲线图202和曲线图204。曲线图202包括Y-轴线206、X_轴线208、电流函数210和电流函数212。曲线图204包括Y-轴线214、X-轴线208和电压函数216。
[0014]曲线图202表示DC-DC转换器100中，随着时间的推移的负载功率130的电流，而负载功率130的曲线图204表示DC-DC转换器100中，随着时间的推移的电压。Y-轴线206表示电流，单位为安培，而Y-轴线214表示电压，单位为伏特。X-轴线206表示时间，单位为毫秒。
[0015]电流函数210对应于随着时间的推移的功率级106的功率信号126 (如图1所示)。电流函数212对应于随着时间的推移的功率级108的功率信号128 (如图1所示)。如图1所示,在这个示例中，功率信号128为零，因此功率信号126等于负载功率130。因此,在这个示例中，电流函数210附加地对应于随着时间的推移的负载功率130。电流函数210和212中的每个都被示为直流电(DC)以简化讨论。应当注意，每个函数可以附加地利用交流电(AC)描述。
[0016]电压函数210对应于随着时间的推移的与负载功率130(如图1所示)相关的电压。
[0017]在图2A中，如电流函数210示出的，功率级106正输出1.0A的功率信号126。同时，如电流函数212示出的，功率级108不输出任何电流。当只有功率级106输出电流116到负载110时，DC-DC转换器100处于单相模式。
[0018]返回图1，在操作中，控制器102确定提供给负载110的电压和电流。在这个非限制性示例中，控制器102确定应当产生3.0V下的1.0A单相电流。
[0019]控制器102将所确定的、提供给负载110的电流与负载功率130比较。由于当前功率级106和功率级108都不正在工作，所以负载功率130低于所确定的电流。
[0020]随后控制器102经由控制信号120激活功率级106，从而输出正确的电流。功率级106将功率从功率源104转换为1.0A和3.0V处的功率，并将它作为功率信号126传输到负载110。功率级106单独传输功率到负载110由图2A中的电流函数210和电压函数216表示。DC-DC转换器100继续以这种单相状态工作。
[0021]出于讨论目的，现在期望DC-DC转换器100提供3V电压、1.0A的双相电流的输出功率。基于时间或功率负载的改变，电流和电压需求的非限制性示例可以包括用户输入。出于讨论目的，在这个示例实施例中，假设DC-DC转换器100的电流需求因用户的请求而变化。该请求可以由于负载的降低或增加、工作环境的变化或基于定时过程而产生。
[0022]在需要新相位的电流时，控制器102比较电流(与所需新相位的电流关联)和负载功率130的电流状态。控制器102确定需要在双相模式中传输功率。现在将附加参考图2B进一步讨论DC-DC转换器100从单相功率模式切换到双相功率模式的理想情况。
[0023]图2B包括在理想情况下，DC-DC转换器100从单相切换到双相输出时的负载功率130的曲线图218和曲线图220。曲线图218包括Y-轴线222、X-轴线224、电流函数226和电流函数228。电流函数226包括部分230和部分232。电流函数228包括部分234和部分236。曲线图220包括Y-轴线238、X-轴线224和电压函数240。
[0024]曲线图218表示DC-DC转换器100中随着时间的推移的负载功率130的电流，而曲线图220表示DC-DC转换器100中随着时间的推移的负载功率130的电压。Y-轴线222表示电流，单位为安培，而Y轴线232表示电压，单位为伏特。X-轴线224表示时间，单位为秒。
[0025]电流函数226对应于功率级106的功率信号126 (如图1中示出的)。部分230具有1.0A电流并持续到时间tl，而部分232具有0.5A电流并在时间tl之后开始。电流函数228对应于功率级108的功率信号128 (如图1中示出的)。部分234具有0.0A电流并持续到时间tl，而部分236具有0.5A电流并在时间tl之后开始。
[0026]在这个示例中，在时间tl之前功率信号128为零，因此在时间tl之前功率信号126等于负载功率130。因此，在这个示例中，在时间tl之前，功率信号126附加地对应于负载功率130。因为在时间tl之前，负载功率130是功率信号126和功率信号128的总和，所以负载功率130具有1.0A的相关电流，但是仅由功率信号126独自提供。另一方面，在时间tl之后，负载功率130具有保持1.0A的相关电流，但是包括功率信号126的0.5A和功率信号128的0.5A。在这个示例中，由于在时间tl之后功率级106和功率级108都提供电流，所以在时间tl之后，DC-DC转换器100工作在双相模式。
[0027]类似于图2A，在图2B中，电流函数226和228中的每个都被示为直流电(DC)以简化讨论。应当注意，每个函数可以附加地利用交流电(AC)描述。
[0028]电压函数240对应于随着时间的推移的与负载功率130 (如图1中示出的)相关的电压。
[0029]返回到图1，在确定负载功率130需要在双相模式中传输之后，在时间tl处，控制器102发送控制信号120到功率级106并发送控制信号122到功率级108。由于功率级106已经在提供处于1.0A和3.0V的功率，因此它的功率将需要被降低为0.5A和3.0V。同时，需要将功率级108激活然后开始传输处于0.5A和3.0V的功率到负载110。功率级106和功率级108输出的功率反映在图2B的电流函数226和228中。图2B的电压函数240表示理想的电压输出。
[0030]在一个理想系统中，如图2B的电压函数240示出的，即使在从单相电流输出变换为双相电流输出时，输出到负载110的电压将保持恒定。尽管在实际中，输出到负载110的电压变化，且有时变化很明显。由于功率级106的功率传输函数(例如阻抗组件的电压是频率的函数)的非线性，功率信号126的电压会发生瞬变现象。类似地，由于功率级108的功率传输函数的非线性，功率信号128的电压也会发生瞬变现象。由于系统中的非线性，电压瞬变不能被预测并且必须在它们发生之后通过反馈回路得到补偿。甚至反馈回路自身内都有小的瞬变和非线性。
[0031]现在将附加地参考图2C进一步讨论当DC-DC转换器100从单相功率模式切换到双相功率模式时的现实电压输出。
[0032]图2C包括DC-DC转换器100从单相切换到双相输出时的负载功率130的曲线图218和曲线图242。曲线图242包括Y-轴线244、X-轴线224和电压函数248。
[0033]电压函数240对应于随着时间的推移的负载功率130 (如图1中示出的)的电压。电压函数248包括瞬变250，其包括电压过冲252和电压下冲254。瞬变250表示在时间tl切换功率传输模式时的电压改变。
[0034]返回到图1，在控制器102命令功率级106和功率级108中的每个进入新的功率传输模式时，它们从第一稳定状态移动到第二稳定状态。在从稳定状态移动时，由于功率级106和功率级108的各自的传输函数的非线性会存在电压过冲。
[0035]例如，出于讨论目的，假定在单相操作中，控制器102输出控制信号120以命令功率级106输出3.0W，并输出控制信号122以命令功率级108输出0.0W。进一步地，假设功率级106输出处于3.0V和1.0A的3.0W作为功率信号126。随后，假定在双相操作中，控制器102输出控制信号120以命令功率级106输出1.5W，以及输出控制信号122以命令功率级108输出1.5W。
[0036]理想情况下，出于讨论目的，假设功率级106应当输出3.0V和0.5A的1.5W作为功率信号126，以及功率级108应当输出3.0V和0.5A的1.5W作为功率信号128。然而，假定功率级106实际上仍不正确地输出3.2V和0.5A，其中电压的错误是由于功率级106的传输函数的非线性引起。这种电压过冲对应于图2C的电压过冲252。换句话说，即使控制器102的指令可能是正确的，实际产生的电压可能不正确，并且因此每个功率级的功率可能不正确。
[0037]如果这种情况发生，功率级106提供的功率信号126将为1.6W，功率级108提供的功率信号128将为1.5W，以及负载功率130