瞬变响应得到改善的控制体系的制作方法
【专利摘要】一种电源系统包括电源；负载装置，被配置成从所述电源接收电力；和电源接口装置，与电源和负载装置相连并且被配置成用来将电源提供的第一电压改变为用于操作负载装置的第二电压。电源接口装置包括主开关转换器和辅助开关转换器，主开关转换器被配置成用来以第一开关频率操作并且向负载装置注入低频电流，辅助开关转换器与主开关转换器并联相连并且被配置成用来以不同的第二开关频率操作且向负载装置注入快速瞬变高频电流。
【专利说明】瞬变响应得到改善的控制体系
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求审查中的2015年2月20日提交的名称为《FAST TRANSIENT POWERSUPPLY WITH A FIRST ⑶NTROL SIGNAL FOR A HIGHER FREQUENCY CURRENT AND ASECOND CONTROL SIGNAL FOR A LOWER FREQUENCY CURRENT》的美国临时专利申请序号第62/119042号、2015年2月 27 日提交的名称为《FAST TRANSIENT POWER SUPPLY WITH AFIRST ⑶NTROL SIGNAL FOR A HIGHER FREQUENCY CURRENT AND A SE⑶ND CONTROLSIGNAL FOR A LOWER FREQUENCY CURRENT》的美国临时专利申请序号第62/126418号、2015年2月 20 日提交的名称为《CONTROL ARCHITECTURE WITH IMPROVED TRANSIENT RESPONSE》的美国临时专利申请序号第62/119078号以及2015年2月27日提交的名称为《CONTROLARCHITECTURE WITH IMPROVED TRANSIENT RESPONSE》的美国临时专利申请序号第62/126421号的优先权，这些在先申请以引用的方式整体并入本文。
【背景技术】
[0003]供电系统包括电源、负载装置和与电气电源和负载装置相连的电源接口装置。电源可以包括电池、电力网、太阳能光伏电池、交流发电机和/或前端功率转换器的输出。电源接口装置可以被配置成用来增大或减小电源的电压，从而为负载装置提供适当的电压。电源接口装置可以是升压转换器或降压转换器或者任何其它转换器。负载装置可以包括阻性负载、磁性负载、容性负载、加热器。在一种实现方式中，负载装置可以是低电压高电流负载装置，诸如像例如计算机中央处理单元(CPU)这样的负载装置。这种类型的负载装置可能会有很多负载瞬变状态。
[0004]在负载瞬变状态期间，负载装置的电流可以在非常短的时间段内发生本质变化。例如，在瞬变状态期间，在不到一微秒内，负载装置的电流可以从OA增大到100A，或者从100A减少到0A。这些电流的突然变化可能会在负载装置上造成很大的变压变化，并且可能造成输出电压摇摆到负载装置的常规操作窗口以外。
[0005]为了尽可能减少瞬变变化，在一种实现方式中，可以在电源系统的输出端上添加大功率电容器。电容器可以注入或吸收瞬变状态期间所需的电流，并且因此减小负载瞬变所造成的电压变化。为此，该输出电容可用于补充电感缓慢上升的电流，以应付负载装置对电流需求的增大。类似地，该输出电容器可用于吸收电流以应付负载装置电流的突然降低。不过，电容器很贵并且这样一来可能会增大成本或系统的尺寸。
[0006]在另一种实现方式中，可以迫使转换器在较高的带宽下运作，以便快速地对负载瞬变做出响应。不过，切换模式转换器带宽受到其切换频率的限制。因此，要想迫使转换器以较高带宽运作，该转换器不得不以较高的切换频率进行操作。这意味着会有更多的功率损耗，因为每次闭合/断开开关，都会有功率损耗。如此一来，电源系统还要受到处于电源和负载装置之间的电源转换器的功率损耗的限制。
[0007]因此，存在着对能够在提高效率并且降低成本和尺寸的同时对负载装置的瞬变状态提供快速响应的电源系统的需求。
【发明内容】
[0008]在一个总体方面，本申请介绍了一种电源接口装置，它包括主开关转换器，该主开关转换器被配置成用来在输入端子上接收第一电压并且在输出端子上输出第二且不同的电压。主开关转换器包括第一主开关、第二主开关和主电感器。第一主开关一端与输入端子相连并且另一端与一主节点相连。第二主开关一端与输入端子相连并且另一端与一接地端相连。主电感器一端与主节点相连并且另一端与输出端子相连。该电源接口装置还包括与主开关转换器并联相连的辅助开关转换器，该辅助开关转换器被配置成用来在输入端子上接收第一电压并且在输出端子上输出第二电压。辅助开关转换器包括第一辅助开关、第二辅助开关和辅助电感器。第一辅助开关一端与输入端子相连并且另一端与一辅助节点相连。第二辅助开关一端与辅助节点相连并且另一端与一接地端子相连。辅助电感器一端与辅助节点相连并且另一端与输出端子相连。
[0009 ]该电源接口装置此外还包括辅助控制环电路，该辅助控制环电路一端与所述输出端子相连并且另一端与辅助开关转换器相连。辅助控制环电路被配置成用来检测所述输出端子上的瞬变并且响应于该瞬变发出辅助控制信号，用于驱动辅助开关转换器向所述输出端子输出快速瞬变高频电流。辅助控制环路被配置成通过使用电阻器和加法器电路来防止与瞬变相关联的瞬变信号的低频分量进入辅助开关转换器。电阻器一端与辅助电感器相连，另一端与连接到所述输出端子的加法器电路相连。所述辅助开关转换器被配置成以不同于主开关转换器的主开关频率的辅助开关频率操作。
[0010]前面的总体方面可以包括下列特征中的一个或多个。主开关转换器可以包括多个处于所述输入端子和所述输出端子之间的彼此并联相连的单相开关式稳压器。各个单相开关式稳压器可以被配置成以低于辅助开关频率的主开关频率工作，以便在所述输出端子上提供稳定的输出。
[0011 ] 该电源接口装置此外还可以包括主控制环电路，该主控制环电路一端与所述输出端子相连并且另一端与主开关转换器相连。主控制环电路可以被配置成用来检测所述输出端子上的瞬变并且响应于该瞬变发出用于驱动主开关转换器的主控制信号。主控制环电路可以包括被配置成用来探测所述输出端子上的输出电压并且产生反馈电压的主反馈探测电路，被配置成用来接收所述反馈电压和一参考电压并且在反馈电压和参考电压实质上彼此不相等时生成瞬变信号的主误差运算放大器，和被配置成用来接收该瞬变信号和来自主开关转换器的所探测到的低频电感器电流并且基于瞬变信号与所探测到的低频电感器电流之间的差值发出主控制信号的主脉宽调制器。
[0012]主控制信号可以是脉宽调制信号，用于使得主开关转换器能够注入低频电流来跟随瞬变信号并且驱动输出电流来满足负载装置上增大的负载电流。主反馈探测电路可以包括多个电阻器和电容器，这些电阻器和电容器被配置成用来探测输出电压和产生反馈电压。主误差运算放大器可以被配置成用来在其反相端子上接收反馈电压并且在其同相端子上接收参考电压。
[0013]辅助控制环电路此外还可以包括第一辅助误差放大器，该第一辅助误差放大器被配置成用来接收加法器电路的输出和一参考电压，并且当加法器电路的输出与参考电压实质上彼此不相等时输出误差信号。辅助控制环电路此外还可以包括辅助脉宽调制器，该辅助脉宽调制器被配置成用来接收所述第一误差信号和来自辅助开关转换器的所探测到的高频电感器电流，并且基于第一误差信号与所探测到的高频电感器电流之间的差值发出辅助控制信号。第一误差信号可以对应于瞬变信号的高频分量。电阻器可以使得辅助控制环电路能够仅仅吸收瞬变信号的高频分量，而不吸收瞬变信号的低频分量。瞬变信号的高频分量可以仅仅在负载电流中出现突然增大或减小时存在。
[0014]响应于辅助控制信号，辅助开关转换器可以被配置成用来向所述输出端子注入快速瞬变高频电流。快速瞬变高频电流可以被配置成用来跟随瞬变信号的高频分量。辅助控制环电路此外还可以包括第二辅助误差放大器，该第二辅助误差放大器被配置成用来接收所探测到的平均辅助电感器电流和零平均低频电流，并且输出第二误差信号。第一辅助误差放大器被配置成用来基于加法器电路的输出、参考电压和第二误差信号输出瞬变信号的高频分量。
[0015]在另一个总体方面，本申请介绍了一种电源系统，它包括电源；负载装置，被配置成从所述电源接收电力；和电源接口装置，与电源和负载装置相连并且被配置成用来将电源提供的第一电压改变为用于操作负载装置的第二电压。电源接口装置包括主开关转换器和辅助开关转换器，主开关转换器被配置成用来以第一开关频率操作并且向负载装置注入低频电流，辅助开关转换器与主开关转换器并联相连并且被配置成用来以第二且不同的开关频率操作且向负载装置注入快速瞬变高频电流。该电源系统此外还包括辅助控制环电路，该辅助控制环电路一端与辅助开关转换器相连并且另一端与负载装置相连，并且被配置成使用电阻器和加法器电路吸收瞬变信号的高频分量，并且基于瞬变信号的高频分量操作辅助开关转换器。
[0016]前面的总体方面可以包括下列特征中的一个或多个。辅助开关转换器可以包括第一辅助开关、第二辅助开关和辅助电感器。第一辅助开关一端可以与电源相连并且另一端可以与一辅助节点相连。第二辅助开关一端可以与辅助节点相连并且另一端可以与一接地端子相连。辅助电感器一端可以与辅助节点相连并且另一端可以与负载装置相连。
[0017]辅助控制环电路此外还可以包括辅助误差运算放大器和辅助脉宽调制器。电阻器一端可以与辅助电感器相连，另一端可以与加法器电路相连。加法器电路可以被配置成用来将输出电压加到在电阻器两端检测到的电压上并且输出反馈电压。辅助误差放大器可以被配置成用来接收所述反馈电压和一参考电压并且在反馈电压和参考电压实质上彼此不相等时输出瞬变信号的高频分量。辅助脉宽调制器可以被配置成用来接收所述瞬变信号的高频分量和来自辅助开关转换器的所探测到的高频电感器电流，并且基于瞬变信号的高频分量与所探测到的高频电感器电流之间的差值发出辅助控制信号。
[0018]高频分量可以仅仅在负载电流中出现突然增大或减小时存在。响应于辅助控制信号，辅助开关转换器可以被配置成用来仅仅在瞬变期间向负载装置注入快速瞬变高频电流。快速瞬变高频电流可以被配置成用来跟随瞬变信号的高频分量。
[0019]辅助控制环电路此外还可以包括第二辅助放大器，该第二辅助放大器被配置成用来接收所探测到的平均高频电感器电流和零平均电流，并且输出一误差信号。辅助误差放大器可以被配置成用来基于参考电压、反馈电压和来自第二辅助放大器的误差信号输出瞬变信号的高频分量。
[0020]主开关转换器可以包括多个开关式稳压器，各个开关式稳压器包括第一主开关、第二主开关和主电感器。第一主开关一端可以与电源相连并且另一端可以与一主节点相连。第二主开关一端可以与主节点相连并且另一端可以与一接地端子相连。主电感器一端可以与主节点相连并且另一端可以与负载装置相连。
[0021]该电源系统此外还可以包括主控制环电路，该主控制环电路一端与负载装置相连并且另一端与主开关转换器相连。主控制环电路可以被配置成用来检测负载装置上的瞬变并且响应于该瞬变发出用于以第一开关频率驱动主开关转换器的主控制信号。
[0022]主开关转换器中的多个开关式稳压器可以包括处于电源和负载装置之间的三个或更多个彼此并联相连的单相开关式稳压器。各个单相开关式稳压器可以被配置成以低于第二开关频率的第一开关频率工作，以便在电源接口装置的输出端子上提供稳定的输出。
[0023]主控制环电路可以包括被配置成用来探测所述输出端子上的输出电压并且产生反馈电压的主反馈探测电路，被配置成用来接收所述反馈电压和一参考电压并且在反馈电压和参考电压实质上彼此不相等时生成瞬变信号的主误差运算放大器，和被配置成用来接收该瞬变信号和来自每一单相开关式稳压器的所探测到的低频电感器电流并且基于瞬变信号与所探测到的低频电感器电流之间的差值发出主控制信号的主脉宽调制器。主控制信号可以是脉宽调制信号，用于使得每一单相开关式稳压器能够注入低频电流来跟随瞬变信号并且驱动输出电流来满足负载装置上增大的负载电流。
【附图说明】
[0024]这些附图仅仅作为例子并且不作为限定地绘制出了按照本申请的一个或多个实现方式。在这些图中，相同的附图标记指代相同或类似的要素。
[0025]图1示出了具有慢瞬变响应的示例性电源系统；
[0026]图2示出了包括主开关转换器和辅助开关转换器的具有快速瞬变响应的示例性电源系统；
[0027]图3示出了包括具有第一反馈控制机构的主开关转换器和具有第二且不同的反馈控制机构的辅助开关转换器的具有快速瞬变响应的示例性电源系统；
[0028]图4更加详细地示出了图3中所示的第一反馈控制机构；
[0029]图5将针对25A的负载阶跃的图1中所示的电源系统的输出电压波动与图3中所示的电源系统的输出电压波动进行了比较；
[0030]图6示出了由图3中所示的电源系统响应于25A负载阶跃生成的示例性电流波形；和
[0031]图7示出了包括具有第一反馈控制机构的主开关转换器和具有第二且不同的反馈控制机构的辅助开关转换器的具有快速瞬变响应的另一种示例性电源系统。
【具体实施方式】
[0032]在下面的详细描述中，许多具体的细节是通过实例给出的，以便提供对相关思想的全面理解。不过，有一点对本领域的技术人员应当是显而易见的，那就是无需这些细节亦可践行本文之思想。在其它事例中，众所周知的方法、过程、组件和/或电路是以相对概括的方式介绍的，没有太多细节，为的是避免不必要地混淆本发明思想的各方面。
[0033]图1示出了具有慢瞬变响应的示例性电源系统100。电源系统100括电源110、负载装置112、和介于电源100和负载装置112之间的电源接口装置114。电源110被配置成用来输出某一标准电压。为此，电源110可以是电插座。世界上大多数单相交流电插座供应210-240V或100-120V电源。另外，电源110可以包括其它类型的电源，比如例如电池、太阳能光伏发电或交流发电机中的一个或多个。不管电源110的类型如何，电源110提供的电压常常不同于负载装置112所需的电压。所提供的电压可能会高于或低于负载装置112所需的电压。为了使电源电压与负载电压相符，电源系统100包括电源接口 114。电源接口 114被配置成用来使得电源110的电压与负载装置的电压相一致。
[0034]电源接口装置114被配置成用来将电气电源110的电压改变成适合于负载装置112的电压。如上所述，适合于负载装置112的电压可能高于或低于电气电源110的电压。在一种实现方式中，适合于负载装置112的电压低于电气电源110的电压。在一个具体的例子中，电源接口装置114被配置成用来将电气电源110的电压从12伏特减小到用于负载装置112的0.85伏特。从电源接口装置114输出的电流可以是100A。
[0035]负载装置112可以包括阻性负载、磁性负载、容性负载、加热器或者其它电气或电子装置。大多数电子装置需要1.5到24伏特之间的直流电压。这些装置可以借助电池或主供电网工作。在任何一种情况下，电源接口装置114都可以用于使这些电子装置的电压要求与电源110提供的电压相符合。电源接口装置114可以为位于负载装置112内部，也可以位于负载装置112外部。类似地，电源接口装置114可以位于电源110内部，也可以位于电源110外部。在另一种实现方式中，电源接口装置114可以是独立的集成电路。
[0036]电源接口装置114可以包括变压器、整流器或开关式电源供应器。开关式电源供应器已经变得普及，并且比曾经通用的变压器转换器更小且更轻，而且通常被设计成借助主供电网在100到250V之间的任何电压下工作。此外，因为开关式电源供应器一般情况下会被整流为以DC电压工作，所以主供电网频率(50VS 60赫兹)对它们只有最低程度的影响。前面的介绍假设电源接口装置114包括开关式电源供应器;不过，如上所述，电源接口装置114可以包括除了开关式电源供应器之外的电路。
[0037]如图所示，电源接口装置114包括四个单相开关式稳压器116，这些开关式稳压器116将电源110连接到负载装置112。虽然这个具体的例子展示了四个单相开关式稳压器，但是电源接口装置114可以包括多于或少于四个的单相开关式稳压器116。电源接口装置114可以被配置成用来以至少两种操作模式操作:高到中等负载电流的正常模式和低负载电流的低功率模式。在正常模式下，全部四个开关式稳压器电路116可以都是开启的，通过它们各自的电感器向负载装置112注入电流并且各相可以向负载装置112注入类似的低频电流。在低功率模式下，开关式稳压器电路116中的三个可以是关断的，而剩下的一个开关式稳压器电路116可以是开启的，将电源接口装置114的输出电流100%的进行注入。低功率模式可以提高电源接口装置114在轻负载电流下的效率。这是因为在低功率模式下开启的开关式稳压器电路116的数量比正常模式下少，并且因此在低功率模式下开关损耗较少。
[0038]单相开关式稳压器116可以是包括电感器的电流型开关式稳压器。单相开关式稳压器116可以是同步开关式稳压器，不过它们也可以是异步开关式稳压器。在一个具体的例子中，单相开关式稳压器116可以是降压电流型开关式稳压器，其中输入电压Vin大于输出电压Vout。为此，各个单相开关式稳压器116可以包括第一开关116a、第二开关116b和电感器116c。第一开关116a和第二开关116b可以是MOSFET开关JOSFET开关可以是η沟道MOSFET或P沟道MOSFET开关。
[0039]在各个单相开关式稳压器116中，第一开关116a可以在其一端与Vin连接并且在另一端连接第一节点120;第二开关116b可以一端连接第一节点120并且另一端连接接地端子;电感器116c可以一端连接第一节点120并且另一端连接输出端子122。输出端子122可以与包括电阻器Rco和电容器Co及负载电阻RL的负载装置112连接。
[0040]电源接口装置114被配置为用来向负载装置112供应输出电流，以提供稳定电压Vout。为此，驱动电路将各个单相开关式稳压器116中的第一开关116a和第二开关116b导通或关断。开关116a和116b可以被彼此间不同相地驱动，以便向与输出端子122相连的负载供应电流。虽然未示出，但是可以为电源接口 114增加额外的电路来在一个开关晶体管关断的时刻与另一个开关晶体管导通的时刻之间提供简短的空载时间或消隐间隔。当开关116a导通而开关116b关断时，电流通过各个单相开关式稳压器116中的电感器116c从Vin流到输出端子122。在这种情形下，电感器116c的电流相对于时间的变化率可以等于((Vin-Vout)/L)。当开关116a关断并且开关116b导通时，电流从地经过电感器116c流到输出端子122。在这种情形下，电感器116c的电流相对于时间的变化率可以等于(-Vout/L)。
[0041]在一个具体的例子中，电源系统100可以被配置成用来满足下列标准:
[0042]Vin = 12V
[0043]Vout = 0.85V, 1ut_max = 10A
[0044]Δ Vout = 3%Vout，在25% 负载阶越下
[0045]Fsw = 500kHz
[0046]L = 220nH(每相)
[0047]Co = 12*220uF(总计)
[0048]虽然未示出，但是驱动电路可以由被配置为用来设定峰值电感器电流阈值的反馈控制机构来控制。为此，当电感器电流超过该电流阈值时，该反馈控制机构被配置为用来向驱动电路发送一个信号，以关断第一开关116a和导通第二开关116b。于是电流从地通过开关116b和电感器116c流到输出端子122。结果，电流在电感器116c中斜坡降低到该电流阈值。
[0049]为了提供更快的瞬变响应，电源系统100可能必须要么以较高频率运作其开关式稳压器116(这会导致效率降低)，要么包括大输出电源电容器(这会导致整个系统的复杂度、成本和尺寸增加)。对于电源电路来说，合乎需求的是，尽可能地轻并且尽可能地小，同时还尽可能时间长地并且尽可能高效率地提供电力供应。
[0050]负载装置可能具有不同的功率要求。这自然意味着电源系统可能必须尽可能高效地运转，以同时减小尺寸和降低输入功率，以节省能源和提高效率。这样，取代全部以较高的频率运转稳压器116来提供对瞬变状态的快速响应或者按照另一种方法在输出端添加电源电容器，在一种实现方式中，可以将电源系统实现为，这些稳压器116中只有一个响应于瞬变电流的较高频率分量以较高频率运转，而剩余的稳压器116以较低频率运转。
[0051]为此，电源系统可以包括彼此并行运转的主开关转换器和辅助开关转换器。主开关转换器可以以正常的开关频率运转，并且因此具有较高的效率，但是不具有高的瞬变性能。辅助开关转换器可以以比主开关转换器的开关频率快得多的开关频率运转。因此，辅助开关转换器可能具有比主开关转换器高的开关损耗，但是具有更好的瞬变性能。因此，辅助开关转换器可以不被用于向负载装置提供主要的低频电力。而是，辅助开关转换器仅仅可以用于应对瞬变状态，用来在负载电流突然增大或减小的情况下吸收或注入额外的电流。
[0052]图2示出了包括主开关转换器和辅助开关转换器的具有快速瞬变响应的示例性电源系统200。电源系统200包括电源210、负载装置212、和与电源210和负载装置212相连的电源接口装置214。电源210和负载装置212类似于电源110和负载装置112，因此为简洁起见将不再进一步描述。
[0053]电源接口装置214包括主开关转换器216和辅助开关转换器218。主开关转换器215包括四个单相开关式稳压器216。四个单相开关式稳压器216类似于四个单相开关式稳压器116。四个单相开关式稳压器216彼此并联连接。
[0054]每一个单相开关式稳压器216可以包括第一开关216a、第二开关216b和电感器216c。第一开关216a和第二开关装置216b可以是MOSFET开关。这些MOSFET开关可以是η沟道MOSFET或P沟道MOSFET开关。第一开关216a可以一端与Vin连接并且另一端与第一节点220相连;第二开关装置216b可以一端连接第一节点220，并且另一端与接地端子连接；电感器216c可以一端连接第一节点220并且另一端与输出端子222连接。输出端子222可以与输出电容器Co和负载电阻RL连接。
[0055]辅助开关转换器218与主开关转换器216并联连接。辅助开关转换器218可以包括第一开关218a、第二开关218b和电感器218c。第一开关218a和第二开关218b可以是MOSFET开关。这些MOSFET开关可以是η沟道MOSFET或P沟道MOSFET开关。第一开关218a可以一端连接Vin并且另一端连接第一节点230;第二开关218b可以一端连接第一节点230并且另一端连接接地端子;电感器218c可以一端连接第一节点230并且另一端与输出端子222连接。
[0056]电源接口装置214被配置成以稳定电压Vout向与输出端子222连接的负载供应输出电流。为此，单相开关式稳压器216中的第一开关216a和第二开关216b中的每一个被第一驱动电路切换为导通和关断。开关216a和216b可以被相对于彼此异相地驱动，以便向与输出端子222相连的负载供应电流。类似地，单相开关式稳压器218中的第一开关218a和第二开关218b被第二驱动电路切换为导通和关断。开关218a和218b可以被相对于彼此异相地驱动，以便向与输出端子222相连的负载供应电流。开关216a和216b可以被配置为以第一开关频率运转。开关218a和218b可以被配置为以第二开关频率运转。
[0057]第二开关频率可以是比第一开关频率更快的快速开关频率(fsw)。为此，辅助开关变换器218具有比主开关转换器215更高的带宽以及比主开关转换器215更快的针对负载装置212上瞬变的瞬变响应。由于辅助开关转换器218具有比主开关转换器215更高或更快的开关频率，因此它自然也有较大的功率损耗。这样，辅助开关变换器218可以被配置为用来仅仅在瞬变状态期间并且响应于瞬变的高频分量对输出运用注入或吸收电流。第一和第二开关频率可以对应于预定的固定频率。
[0058]为了提高效率，电源接口装置214可以被配置成用来将辅助开关转换器218控制为在瞬变期间注入高频电流，并且在其它时刻不注入电流。相反，电源接口装置214可以被配置成用来将主开关转换器216控制为在瞬变期间并且在稳态操作期间注入低频电流。为了使得这样的控制得以实现，电源接口装置214可以包括两个独立的控制反馈机构。第一控制反馈机构被配置成用来基于所检测到的输出电压或输出电流控制主开关转换器216。第二控制反馈机构被配置成用来基于所检测到的输出电压或输出电流控制辅助开关转换器218。为了使得辅助开关转换器218能够仅仅在瞬变期间注入或吸收高频电流，第二控制机构可以被配置成用来检测瞬变、生成相应的瞬变信号、将瞬变信号的高频分量与其低频分量分离开以及仅仅响应于瞬变信号的高频分量运作辅助开关转换器218。由于瞬变信号的高频分量仅仅在瞬变期间存在，因此辅助开关转换器218仅仅可以在瞬变期间注入或吸收高频电流，而在稳态操作期间不会注入或吸收高频电流。在稳态操作期间，高频电流可能并不存在，并且平均的低频(或DC)电流可能为零。
[0059]瞬变可以包括这样一种情形:负载电流或电压有突然的增大或减小。用一个例子来说明，在输出端上25A的电流负载阶跃期间，瞬变可以相当于负载阶跃的开端，此处负载电流在达到增大到25A水平的第一稳态水平之前有一个突然的增大。类似地，瞬变可以对应于负载阶跃的末端，此处负载电流在达到第二稳态水平之前有一个突然的减小。第二稳态可以相当于25A电流负载阶跃前面的状态或者相当于高于或低于25A电流负载阶跃的先前状态的新状态。
[0060]在一种实现方式中，为了将瞬变信号中的高频分量与低频分量彼此分离开，可以使用滤波网络。在与本发明同时提交的名称为《FAST TRANSIENT POWER SUPPLY WITH ASEPERATED HIGH FREQUENCY AND LOW FREQUENCY PATH SIGNALS》的相应申请中已经介绍了这种实现方式。在另一种实现方式中，为了将瞬变信号中的高频分量与低频分量彼此分离开，可以使用下垂控制机构。
[0061]在下垂控制机构中，类似于滤波网络，可以将用于辅助开关转换器的控制反馈环与用于主开关转换器的控制反馈环分离开。用于辅助开关转换器的控制反馈环可以包括Vout主动下垂电阻(主动电压定位一AVP)，以防止瞬变信号的低频分量从输出端进入辅助开关转换器。这可以使得辅助开关转换器仅仅在瞬变期间注入或吸收高频电流，而在稳态操作期间不注入或吸收高频电流。这可以导致主开关转换器在稳态下提供高效电力，同时辅助开关转换器提供高的瞬态响应。在一种实现方式中，还可以防止瞬变信号的高频分量从输出端进入主开关转换器。在另一种实现方式中，主开关转换器可以同时接收瞬变信号的高频分量和低频分量。
[0062]AVP可以指的是将电源输出电压设定在一个由负荷电流决定的点上。在最低负载的情况下，可以将输出电压设定得比标称水平略高一些。在满负载的情况下，可以将输出电压设定得比标称水平稍低一些。实际上，DC负载调整率可能会降低，但是负载瞬变电压偏差和瞬变响应可以得到明显改善。为了实现AVP，可能需要用到探测负载电流或电感器电流的方法。然后可以将该电流转换为电压并且用于在正确方向上移动输出电压。使得输出电压随着负载电流下降的最简单方法是在输出端上增设一些电阻。为此，AVP电路包括电阻器。该电阻器被配置成用来降低Vout，降低的电压量等于电阻器的电阻值乘以负载电流。这导致在瞬变发生之后的很短时间内电感器的电流迅速恢复为零。
[0063]图3示出了包括带有第一反馈控制机构324的主开关转换器315和带有第二个且不同的反馈控制机构326的辅助开关转换器318的具有快速瞬变响应的示例性电源系统300。电源系统300类似于电源系统200并且包括五个单相开关式稳压器。为了简明起见，下文中只介绍没有针对系统200介绍的那些组成部分。
[0064]电源系统300包括两个反馈控制和PWM调制器机构324和326。反馈控制及PWM调制器324的一端与输出端子322连接，另一端连接到各个单相开关式稳压器316中的开关316a和316b。反馈控制及PffM调制器324被配置为用来检测瞬变状态并且控制开关316a和316b来尽可能快地提供稳定的Vout。反馈控制及PffM调制器324输出反映了瞬变电流的量的瞬变信号并且将该瞬变电流与各个稳压器316中的所探测到的电感器电流信号相比较。如果瞬变信号(例如，瞬变信号ITH)小于所探测到的电感器电流信号，则反馈控制及PWM调制器324设置一个新的峰值电感器电流阈值，并且输出第一P丽信号(例如，控制信号)，以满足新的峰值电感器电流阈值。类似地，如果瞬变信号(例如，瞬变信号ITH)比所探测到的电感器电流信号大，则反馈控制及PWM调制器324设置一个新的峰值电感器电流阈值，并且输出第二 PWM信号(例如，控制信号)，以满足新的峰值电感器电流阈值。
[0065]在所探测到的电感器电流小于瞬变信号ITH的情形下，反馈控制及HVM调制器324被配置成用来将控制信号发送到开关式稳压器316中的一个或多个，以导通第一开关316a并关断第二开关316b。该控制信号可以是被配置成用来使得主开关式稳压器316能够在负载电流增大的情况下向输出端注入额外电流的第一 PWM信号。第一 P丽信号可以是高信号。第一 PWM信号可被直接用于导通第一开关316a，并且可以被转换为将第二开关316b关断。在时钟周期开始时，第一开关316a可以导通并且在由于瞬变造成的新的电流阈值达到之前都保持导通。第二开关316b可以关断并且保持关断。可以以先开后合的方式，在第二开关316b被停用之后，启用第一开关316a。这避免了 Vin直接接地的直通现象。
[ΟΟ??] 在第一开关316a为导通的时间期间，低频电流从电源Vin通过第一开关316a和电感316c流到输出端子322。结果，电流在电感器316c中向新的电流阈值斜坡上升。以这种方式，开关式稳压器316跟随瞬变信号ITH注入低频电流，以到达按照瞬变设定的新电流阈值。在一种实现方式中，在瞬变期间，第一开关316a可以保持导通并且第二开关316b可以保持关断，直到达到按照瞬变设定的新电流阈值。为此，如果例如第一开关316a的导通时间比周期时间T长，则在瞬变期间可以不保持开关316a，316b的固定开关频率。
[0067]在一种实现方式中，反馈控制及PWM调制器324可以激活仅仅一个稳压器316来向输出端注入需要的电流。在另一种实现方式中，反馈控制及PWM调制器324可激活一个以上但少于全部的稳压器316来向输出端注入需要的电流。在再另一种实现方式中，反馈控制及PWM调制器324可以激活所有稳压器316来向输出端注入需要的电流。
[0068]当电感器电流超过电流阈值或者输出电压超过期望的输出电压时，反馈控制及PWM调制器324被配置成用来将控制信号发送到开关式稳压器316中的一个或多个，以关断第一开关316a并导通第二开关316b。该控制信号可以是被配置成用来使得主开关式稳压器316在负载电流减小的情况下从输出端吸收电流的低信号。响应于该低信号，在时钟周期开始时，第一开关316a可以关断并且第二开关316b可以导通，直到达到按照瞬变设定的新的电流阈值。可以以先开后合的方式，在第一开关316a被停用之后，启用第二开关316b。这避免了 Vin直接接地的直通现象。
[0069]在第二开关316b为导通的时间期间，电流在电感器316c中向新的电流阈值斜坡下降。以这种方式，主开关式稳压器316跟随瞬变信号吸收低频电流，以到达新电流阈值。在一种实现方式中，在瞬变期间，第一开关316a可以保持关断并且第二开关316b可以保持导通，直到达到按照瞬变设定的新电流阈值。为此，如果例如第二开关316b的导通时间比周期时间T长，则在瞬变期间可以不保持开关316a，316b的固定开关频率。
[0070]一旦瞬变结束(例如，达到了新的电流阈值)，主开关式稳压器316按照其固定的开关频率和占空比继续注入和/或吸收电流，以保持VOUt的稳定。占空比可以根据输出电压与输入电压的比率来确定，并且可以被设置为保持开关316a，316b的固定频率不变。开关316a，316b的导通时间和关断时间是根据该占空比来确定的。在一个具体的实例中，占空比可以等于在瞬变之前设定的占空比。为此，开关式稳压器316被配置为用来在瞬变和稳态操作期间注入和/或吸收电流。
[0071]在一种实现方式中，开关式稳压器316可以是峰值电流型稳压器。在这种类型的稳压器中，可以按照内部时钟或计时器首先关断低侧开关316b，然后可以导通高侧开关316a，从而增大电感器316c的电流。在另一种实现方式中，开关式稳压器316可以是谷值电流型稳压器。在这种类型的稳压器中，按照内部时钟或计时器，首先关断高侧开关316a，然后导通低侧开关316b，从而减小电感器316c的电流。在再另一种实现方式中，一部分开关式稳压器316可以是峰值电流型稳压器，而一部分开关式稳压器316可以是谷值电流型稳压器。同样地，开关式稳压器318可以是峰值电流型稳压器或者谷值电流型稳压器。
[0072]反馈控制及PWM调制器326—端与输出端子322连接，另一端连接到单相开关式稳压器318中的开关318a和318b。类似于反馈控制及PWM调制器324，反馈控制及PffM调制器326被配置为用来检测瞬变并且控制开关318a和318b，以尽可能快地提供稳定的Vout。为此，反馈控制及PWM调制器326包括Ι^?Ρ326&、加法器326b、运算放大器326c和PffM调制器326d。
[0073]Rd_P326a被配置为用来防止瞬变信号ITH的低频分量进入辅助开关转换器318。1^^3263—端与电感器318c连接，另一端连接到加法器326b。使用1^^3263，反馈控制及PWM调制器326可以探测电感器318c的电流iLx并且计算Rdroc11^ea两端的电压(Vdroop = iLx*Rd_P)。使用加法器326b将Vd_P加到输出电压Vout上并且加法器326b的输出被输入到放大器326c的反相端子。Vref被输入到放大器326c的同相端子。放大器326c可以是电流输出型跨导放大器或电压输出型放大器。
[0074]误差放大器326c监测加法器326b的输出电压，这个输出电压应当近似等于参考电压Vref。当这两个电压不相等或大致相等时，放大器326c在其输出端提供了一个误差。该误差信号可以对应于瞬变信号ITH的高频分量。这可能是因为Ι^?Ρ326&的加入。Ι^?Ρ326&可以使得反馈控制及PWM调制器326能够仅仅吸收瞬变信号ITH的高频分量。
[0075]该误差信号被连同所探测到的电感器318c的电流一起施加到PWM调制器326d上。在一个具体的例子中，PWM调制器326d包括比较器。误差信号可以被施加到比较器的同相端子，所探测到的电感器318c的电流可以被施加到比较器的反相端子。基于所探测到的电感器电流与瞬变信号ITH的高频分量之间的差值，Pmi调制器326d可以发出控制信号，以使辅助开关转换器318能够跟随瞬变信号ITH的高频分量。
[0076]如果负载电流存在突然增大，则输出电压减小。这一减小被反馈控制及PffM调制器326探测到，并且生成相应的误差信号。该误差信号对应于瞬变信号ITH的高频分量。该误差信号由PffM调制器326d连同所探测到的高频电感器318c电流一起接收。PffM调制器326d比较这两个信号，并根据它们的差值，发出第一控制信号或第二控制信号。
[0077]如果瞬变信号ITH的高频分量大于所探测到的电感器318c电流信号，则PffM调制器326d可以向辅助开关变换器318输出第一控制信号。与前面的例子相一致，第一控制信号可以是导通高开关318a并且关断低开关318b的高信号。这使得辅助开关转换器318能够在负载电流增大的情况下向输出端注入额外的电流。第一控制信号可以直接用于控制第一开关318a，并且可以被转换为用来控制第二开关318b。响应于第一控制信号并且在时钟周期的开端，第一开关318a可以导通并且在达到按照瞬变设定的新的电流阈值之前保持导通。第二开关318b可以保持关断。可以以先开后合的方式，在第二开关318b被禁用之后启动第一开关318a。这避免了Vin被直接接地的直通现象。
[0078]在第一开关318a导通的时间期间，高频电流从电源Vin通过第一开关318a和电感器318c流到输出端322。结果，电流在电感器318c中朝向新的电流阈值斜坡上升。以这种方式，辅助开关转换器318跟随瞬变信号ITH的高频分量注入高频电流以达到新的电流阈值。所注入的高频电流可以是短暂存在的，并且可以仅仅在瞬变期间存在，在稳态操作期间不存在。在稳态操作期间，辅助开关转换器318可以向负载注入零电流。
[0079]如果瞬变信号ITH的高频分量小于所探测到的高频电感器318c电流信号，则PffM调制器326d可以输出第二控制信号。第二控制信号是被配置为用来关断第一开关318a和导通第二开关318b的低信号。响应于第二控制信号，在时钟周期的开端，第一开关318a可以关断并且第二开关318b可以导通。可以以先开后合的方式，在禁用第一开关318a之后，启用第二开关318b。这避免了 Vin被直接接地的直通现象。
[0080]直到达到按照瞬变设定的新的电流阈值之前，第二开关318b都可以保持导通。在第一开关318a的关断时间和第二开关318b的导通时间期间，电流在电感器318c中向新的电流阈值斜坡降低。以这种方式，辅助开关转换器318随着瞬变信号ITH的高频分量吸收高频电流，以达到新电流阈值。在一种实现方式中，在瞬变期间，第一开关318a可以保持关断并且第二开关318b可以保持导通，直到达到按照瞬变设定的新电流阈值。为此，如果例如开关318b的导通时间比周期时间T长，在瞬变期间开关318a，381b的固定开关频率可以不保持不变。
[0081 ]在增加了Rd”326a的情况下，与辅助开关转换器318相对应的通道在高频下的阻抗可以小于与主开关转换器316相对应的通道的阻抗。因此，在负载电流突然增大或减小的瞬变期间，瞬变信号ITH的高频分量可以被与开关转换器318相对应的通道吸收。瞬变信号ITH的低频分量可以被与主开关转换器316相对应的通道吸收，因为这个通道在低频下的阻抗比与辅助开关转换器318相对应的通道的阻抗低。
[0082]为了进一步说明，在低频下，与辅助开关转换器318相对应的通道的阻抗可以相当于Rd_P的阻抗。在高频下，辅助开关转换器318的阻抗随着电容器Cout的阻抗变化。与此相反，与主开关转换器316相对应的通道的阻抗可以低于与辅助开关转换器318相对应的阻抗。在高频下，与主开关转换器316相对应的通道的阻抗可以高于辅助开关转换器通道318的阻抗。为此，与辅助开关转换器318对应的通道可以吸收瞬变信号ITH的高频分量。
[0083]以这种方式，辅助开关转换器318可以仅仅在瞬变期间并且响应于瞬变信号的高频分量注入或吸收电流，并且在其它时刻不注入或吸收电流。例如，在稳态期间，从辅助开关转换器318注入的电流可以具有零平均值。一旦瞬变信号的高频分量消失，辅助开关转换器318可以不再向输出端注入额外的电流，以保持电源系统300的高效率。就是说，辅助开关转换器318可以仅仅响应于瞬变并且可以生成仅仅跟随瞬变信号ITH的高频分量的电流波形。如上所述，瞬变可以相当于与电流负载阶跃的边沿相关联的电流负载阶跃开端部分和结尾部分。
[0084]主开关转换器316可以同时在瞬变期间和稳态操作期间的瞬变之外操作。在瞬变期间，主开关转换器316可以响应于瞬变信号ITH的高频分量和低频分量。按照另外一种方案，主开关转换器316可以仅响应于瞬变信号ITH的低频分量，而不响应于瞬变信号ITH的高频分量。在一个具体的例子中，与主开关转换器316相对应的反馈控制及PffM调制器324可以包括低通滤波器，用于仅仅通过瞬变信号ITH的低频分量，以使转换器316只能够产生低频电流波形。在另一种实现方式中，反馈控制及PWM调制器324可以被配置为用来提供高频分量被衰减的瞬变信号ITH，并且从而不会显著降低主开关转换器316的效率。
[0085]图4更详细地示出了图3中所示的示例性反馈控制及HVM调制器324。反馈控制及PWM调制器324被配置成用来提供脉宽调制方法，以控制图3中所示的主开关转换器316的瞬变和稳态输出。在一个具体的例子中，这是通过改变主开关转换器316的占空比来完成的。也可以使用其它控制方法来代替或补充脉宽调制方法。这一 PWM方法探测输出电压，并将它与一个参考电压进行比较，以建立一个小误差信号。然后将这一误差信号与另一个参考信号进行比较。该参考信号可以是一个斜坡下降信号。比较器将这两个信号进行比较，并发出用于操作主开关转换器316的脉宽信号。如果输出电压发生变化，该误差信号也会改变，并且因此输出的脉冲宽度也会改变。因此，取决于输出的增大或减小，输出脉冲宽度的占空比要么增大要么减小，以移动输出电压并将误差信号减小到零。
[0086]反馈控制及PffM调制器324—端与输出端子322连接，并且另一端连接到开关316a和316b，用于驱动开关316a和316b。反馈控制及PffM调制器324被配置为用来检测瞬变和控制开关316a和316b尽可能快地提供稳定的Vout。为此，反馈控制及PWM调制器324包括电阻器Rl和R2、电容器Cl，C2、放大器324a和频率补偿电路620b。
[0087]Vout是通过包括Rl，R2，C1和C2的网络来探测的。Rl和R2形成电阻分压器并且对信号Vout进行缩放，以使其与Vref成比例。提供电容器Cl和C2是为了使分压器与频率相关。这个频率相关的经分压的Vout可以被称为反馈电压Vfb。反馈电压Vfb和参考电压Vref被输入到误差放大器gm(表示为跨导(gm)放大器)324a。误差放大器324a可以是电流输出型跨导放大器或电压输出型放大器。
[0088]误差放大器324a在其反相输入端监测与Vout成比例的反馈电压Vfb。反馈电压Vfb应当近似等于参考电压Vref。当这两个电压不相等时，放大器324a在其输出端提供瞬变信号ITH(小的误差信号)。放大器324a的瞬变信号ITH可以与实际输出电压与期望输出电压之间的差值相对应。放大器324a的瞬变信号ITH被馈送到补偿网络324b。补偿网络324b包括电阻器R3和电容器C3及C4。电阻器R3和电容器C3串联连接，并且一端与放大器324a的输出端子连接，另一端接地。电阻器R3和电容器C3与电容器C4并联连接。
[0089]经过补偿的瞬变信号被输入到PffM 324c的同相端子。PffM 324c的反相端子从稳压器316接收所探测到的电感器电流。该电感器电流可以是经由与电感器316c串联连接的电阻器来认定的。基于所探测到的电感器电流与经过补偿的瞬变信号ITH之间的差值，比较器向稳压器316发出一个控制信号来跟随瞬变状态。
[0090]在所探测到的电感器电流小于瞬变信号ITH的情形下，PWM324c被配置为用来向稳压器316发送控制信号，以导通第一开关316a并关断第二开关316b。该控制信号可以是被配置成用来使得主开关式稳压器316能够在负载电流增大的情况下向输出端注入额外电流的第一脉宽信号。第一 PWM信号可以是一个高信号。在时钟周期的开端，第一开关316a可以导通并且在达到由于瞬变造成的新的电流阈值之前保持导通。在第一开关316a导通的时间期间，低频电流通过第一开关316a和电感器316c从电源Vin流到输出端322。结果，电流在电感器316c中朝向新的电流阈值斜坡上升。以这种方式，主开关式稳压器316随着瞬变信号ITH注入低频电流，以到达根据瞬变设定的新的电流阈值。
[0091]当电感器电流超过电流阈值或输出电压超过期望的输出电压时，PWM324被配置成用来向稳压器316发送控制信号，以关断第一开关316a和导通第二开关316b。该控制信号可以是被配置成用来使主开关式稳压器316能够在负载电流减小的情况下从输出端吸收电流的低信号。响应于该低信号，在时钟周期的开端，第一开关316A可以关断并且第二开关316b可以导通，直到达到按照瞬变设定的新的电流阈值。在第二开关316b的导通时间期间，电流在电感器316c中朝向新的电流阈值斜坡下降。以这种方式，主开关式稳压器316随着瞬变信号吸收低频电流，以达到按照瞬变设定的新的电流阈值。
[0092]一旦瞬变结束(例如，达到了新的电流阈值)，主开关式稳压器316按照其固定的开关频率和占空比继续注入和/或吸收电流，以保持VOUt的稳定。占空比可以根据输出电压与输入电压的比率来确定，并且可以被设置为保持开关316a，316b的固定频率不变。开关316a，316b的导通时间和关断时间是根据该占空比来确定的。在一个具体的实例中，占空比可以等于在瞬变之前设定的占空比。为此，主开关式稳压器316被配置为用来在瞬变和稳态操作期间注入和/或吸收电流。
[0093]如上所述，反馈控制及PWM调制器324可以被改成包括低通滤波器。该低通滤波器可以被放置在补偿电路和PWM 324c之间，并且可以被配置为用来仅仅允许主开关转换器315中的瞬变信号I TH的低频分量通过。
[0094]图5将针对25A的负载阶跃的图1中所示的电源系统100的输出电压波动与图3所示的电源系统300输出电压波动进行了比较。如图所示，响应于25A的负载阶跃，电源系统100的输出电压波动512明显大于响应于相同负载阶跃的输出电压波动514。在一个实例中，系统300中的波动可以比系统100中的波动小大约70%。在另一个例子中，系统300中的波动可以比系统100中的波动小大约50%。这是在不需要复杂的控制方法或者在输出端与用于辅助开关转换器的控制环路之间采用针对输出端的额外AC电容器的情况下实现的。该AC电容器被配置为用于防止DC或低频电流进入用于辅助开关转换器的控制环路。该AC电容器可以增加电源系统的成本和尺寸。取而代之，参照图3介绍的本申请的电源系统通过包括Rdr-电阻器、加法器和运算放大器的网络防止DC或低频电流进入辅助开关转换器。
[0095]图6示出由图3中所示的电源系统300响应于25A负载阶跃产生的示例性电流波形。电流波形610表示在瞬变期间流经电感器318c的电流。电流波形612表示通过各个主开关式稳压器316中的电感器316c的电流。电流波形614表示流过电感器L1-L4的累积电流。
[0096]如图所示，在负载突然汲取比之前更大的电流时的瞬变期间，流经电感器318c的电流610快速斜坡上升，而流经主开关转换器316的电感器316c的电流缓慢斜坡上升，以对瞬变做出响应。流经电感器31 Sc的电流610由于本申请的主动下垂控制方法而在瞬变之后回归为零。具体而言，由于本申请的主动下垂控制方法，电流610被配置为用来跟随瞬变信号ITH的高频分量，并且因此只要瞬变结束就会回归为零，并且输出电流达到稳态(在这种情况下，是25A的较高状态)。与此相反，电流612并不跟随瞬变信号ITH的高频分量而是响应于按照瞬变设定的新的电流阈值缓慢上升。一旦瞬变结束，主开关转换器继续注入或吸收电流，以保持负载处的稳态状况。例如，一旦达到稳态状态，主开关转换器的占空比可以返回到负载电流突然增大或减小之前的原始占空比。
[0097]在负载汲取比之前少的电流时的瞬变期间，流经电感器318c的电流610快速斜坡下降，而流经主开关转换器316的电感器316c的电流612缓慢斜坡下降，以对瞬变做出响应。流经电感器318c的电流610由于AVP方法的作用在瞬变结束之后很快回归为零。结果，流经电感器L1-L4和Lx的累积电流带来快速且高效的瞬变响应，而不需要额外的输出电容器来防止低频电流流入辅助开关转换器。
[0098]图7示出了包括具有第一反馈控制机构的主开关转换器715和具有第二且不同的反馈控制机构的辅助开关转换器718的具有快速瞬变响应的另一个示例性的电源系统700。第一反馈控制机构包括第一参考电压，第二反馈控制机构包括第二参考电压。第二参考电压可以不同于第一参考电压;否则，第一反馈控制机构可以与图3中所示、图4中更加详细描述的反馈控制机构324相同。第二反馈控制机构可以与图3中所示的反馈控制机构326相同。也就是说，用于较慢的开关式转换器716的控制环路可以具有第一参考电压，用于较快的辅助开关式转换器718的控制环路可以具有第二参考电压。在本实现方式中，电压反馈增益可以因部件差异而不同。这些因素可以在辅助开关转换器718中造成非零的低频电流(DC电流)。因此，如图所示，可以增加额外的伺服环路来减小或消除辅助辅助开关转换器718中的低频电流。
[0099]为此，第二反馈控制机构726包括Ι^?Ρ726&、加法器726b、运算放大器726c、PWM调制器726d和运算放大器726e <^<^^7268被配置成用来防止瞬变信号ITH的低频分量进入辅助开关转换器718。1^，726&—端连接电感器Lx(或连接输出端)并且另一端连接加法器726b。使用Rd_P726a，第二反馈控制机构726可以探测电感器电流iLx并计算1^^7263两端的电压(￥办。。1) = ^1*1^。。1))。使用加法器72613将￥(1_1)加到输出电压￥01^上并且加法器72613的输出被输入到放大器726c的反相端子。第二参考电压Vref 2被输入到放大器726c的同相端子。放大器726c可以是电流输出型跨导放大器或电压输出型放大器。
[0100]放大器726c还被配置成用来在其同相输入端接收放大器726e的输出。放大器726e被配置成用来在其反相输入端接收平均高频电感器(Lx)电流，并在其同相输入端接收参考电流。该参考电流可以是零平均低频电流。放大器726e在平均高频电感器(Lx)电流实质上不等于零平均参考电流的时候生成第一误差信号。第一误差信号被提供给误差放大器726c。放大器726c使用加法器726b的输出、第二参考电压Vref2和第一误差信号来生成第二误差信号。具体来说，放大器726c可以将第一误差信号加到第二参考电压上并且用加法器电路726b的输出减去得到的信号，以输出第二误差信号。第二误差信号可以对应于瞬变信号ITH的高频分量。
[0101 ] 瞬变信号ITH的高频分量被连同所探测到的电感器(Lx)电流一起施加到PWM调制器726d。在一个具体的例子中，PffM调制器726d包括比较器。瞬变信号ITH的高频分量可以被施加到比较器的同相端子并且所探测到的电感器(Lx)电流可以被施加到比较器的反相端子。基于所探测到的电感器718c电流和瞬变信号I TH的高频分量之间的差值，PWM调制器726d可以发出脉宽信号来跟随瞬变信号的高频分量。脉宽信号可以是高信号或低信号。高信号导通第一开关718a并关断第二开关718b。低信号关断第一开关718a并导通第二开关718bo
[0102]如果瞬变信号ITH的高频分量大于所探测到的高频电感器(718c)电流信号，则PWM调制器726d向辅助开关转换器718发出高信号，以导通第一开关718a和关断第二开关718b。当第一开关718a导通时，高频电流从电源Vin经过第一开关718a流到电感器718c，从而增大了电感器(718c)电流。该高频电流跟随瞬变信号I TH的高频分量，并且仅仅在瞬变期间存在。
[0103]如果瞬变信号ITH的高频分量小于所探测到的高频电感器718c电流信号，则PffM调制器726d可以向辅助开关转换器718输出低信号，以关断第一开关718a和导通第二开关718b。当第一开关718a关断并且第二开关718b导通时，高频电流从输出端子经过电感器718c和第二开关718b流到地，从而增大了电感器718c电流。该高频电流跟随瞬变信号ITH的高频分量，并且仅仅在瞬变期间存在。
[0104]如上所述，在辅助开关转换器718中存在零DC电流。因此，辅助开关转换器718可以仅仅用于应对瞬变来在负载电流突然增大或降低的情况下(例如，在负载阶跃的开端或结尾)吸收或注入额外的电流。为此，一旦瞬变信号的高频分量消失，辅助开关转换器718可以不对输出端子吸收或注入额外的电流。在这种情形下提供给输出端子的平均电流可以为零。就是说，辅助开关转换器718可以只响应于与电流负载阶跃相关的瞬变的开端部分和结尾部分。
[0105]在一个具体的例子中，Vin可以是8V，Vout可以是IV，电流负载阶跃可以是25A，主开关转换器的开关频率可以是280kHz，辅助开关转换器的开关频率可以是2.251取，1^。。[)可以是5πιΩ (欧姆)，主开关转换器中的电感器的电感可以是6.8μΗ，辅助开关转换器中的电感器的电感可以是10nH，并且Cout可以是10yF。在另一具体例子中，Vin可以是8V，Vout可以是IV，电流负载阶跃可以是25Α，主开关转换器的开关频率可以是280kHz，辅助开关转换器的开关频率可以是2.25MHz，Rd_P可以是5mΩ (欧姆)，主开关转换器中的电感器的电感可以是6.8μΗ，辅助开关转换器中的电感器的电感可以是680nH，并且Cout可以是100yF。
[0106]在一种实现方式中，主开关转换器和辅助开关转换器连同它们各自的控制机构可以被设置在两个独立的集成电路中。在另一种实现方式中，主开关转换器和辅助开关转换器连同它们各自的控制机构可以被设置在单一集成电路中。在另一种实现方式中，主开关变换器和辅助开关转换器可以被设置在单一集成电路中，并且它们的控制机构可以被设置在独立的集成电路中。在再另一种实现方式中，用于主开关转换器和辅助开关转换器的开关以及用于这些开关的控制机构可以被设置在单一集成电路上，并且电感器可以位于该单一集成电路外面。在再另一种实现方式中，用于主开关转换器和辅助开关转换器的开关可以被设置在单一集成电路上，并且控制机构和电感器可以位于该单一集成电路外面。
[0107]虽然前面已经介绍了被认为是最佳的方式和/或其它例子，但是应当理解，可以在其中进行各种修改，并且本文公开的主题可以以各种不同的形式和实例来实施，并且这些思想可以应用于多种不同的应用，本文只是介绍了其中的一部分而已。我们打算用后附的权利要求来请求保护落在本发明思想的真实范围之内的任何和全部的应用、更改和变化。
[0108]除非另有说明，本申请中提出的，包含在后附的权利要求书中的所有的测量、数值、定额、位置、幅度、尺寸和其它技术规格都是近似的，而非精确的。它们是用来囊括与它们所涉及的功能以及与它们所属于的领域中的惯用手段相符的合理范围。
[0109]保护范围仅由目前给出的权利要求限定。该范围预期并且应当被理解为像在参考本说明书以及后续的专利答辩历史来解释的权利要求中使用的语言的普通含义相一致那样宽泛，并且涵盖了所有结构上和功能上的等价物。尽管，没有任何一个权利要求是用来包含不能满足专利法第101、102和103章的要求的主题，不应以那样的方式解释这些权利要求。任何无意造成的包含了这些主题由此会被放弃。
[0110]除了以上所申明的，没有所陈述或示出的内容意在或应该被解释为向公众公布任何组件、步骤、特征、目的、益处、优点或等价，不管其是否引用于权利要求中。
[0111]应该理解的是，本文中所使用的术语和表述具有与在其研究和探讨的对应领域中所使用的这些术语和表述一致的一般含义，除非另外说明其具有特定含义。如第一、第二等的相关表述可以仅用于区分一个实体或动作与另一个实体或动作，而非必须要求或表明这些实体或动作之间具有任何实际的这种关系或顺序。术语“包括”、“包含”或它们的其他同义词意在涵盖非排除的包含，使得包括元素列表的处理、方法、物件或设备不仅包括这些元素，还可以包括没有表述在列表中的或这种处理、方法、物件或设备所固有的其他元素。没有进一步约束的情况下，限定元素的“一”或“一个”不排除包含该元素的处理、方法、物件或设备中存在另外的相同元素。
[0112]摘要的公开允许阅读者快速地获得本技术公开的本质。其为根据理解的总结，不用于解释或限定权利要求的范围或含义。另外，在上述详细描述中，可以看出，为了使本公开流畅，各实施例中不同的特征被组合在一起。但是，这种公开方法不应被解释为反映出声称的实施例要求比在每个权利要求中明确引述的更多特征的意义。而是如权利要求中所反映的，发明主题所要求的比单个公开的实施例的所有特征少。因此，权利要求将合并与详细描述中，每个权利要求作为独立要求的主题独立存在。
【主权项】
1.一种电源接口装置，包括: 主开关转换器，被配置成用来在输入端子处接收第一电压并且用来在输出端子处输出不同的第二电压，该主开关转换器包括第一主开关、第二主开关和主电感器，其中第一主开关一端与所述输入端子相连，并且另一端与一主节点相连，第二主开关一端与该主节点相连，并且另一端与一接地端子相连，并且主电感器一端与所述主节点相连，并且另一端与所述输出端子相连； 辅助开关转换器，与主开关转换器并联相连并且被配置成用来在输入端子处接收所述第一电压并且用来在输出端子处输出所述第二电压，该辅助开关转换器包括第一辅助开关、第二辅助开关和辅助电感器，其中第一辅助开关一端与所述输入端子相连，并且另一端与一辅助节点相连，第二辅助开关一端与该辅助节点相连，并且另一端与一接地端子相连，并且辅助电感器一端与所述辅助节点相连，并且另一端与所述输出端子相连;和 辅助控制环电路，一端与所述输出端子相连，另一端与辅助开关转换器相连，该辅助控制环电路被配置成用来检测所述输出端子处的瞬变，并且响应于瞬变发出辅助控制信号，用来驱动辅助开关转换器向所述输出端子输出快速瞬变高频电流，其中: 辅助控制环电路被配置成通过使用电阻器和加法器电路来防止与瞬变相关联的瞬变信号的低频分量进入辅助开关转换器， 该电阻器一端与辅助电感器相连，另一端与连接到所述输出端子的加法器电路相连，和 所述辅助开关转换器被配置成以不同于主开关转换器的主开关频率的辅助开关频率操作。2.按照权利要求1的电源接口装置，其中: 主开关转换器包括多个处于所述输入端子和所述输出端子之间的彼此并联相连的单相开关式稳压器，和 各个单相开关式稳压器被配置成以低于辅助开关频率的主开关频率工作，以便在所述输出端子上提供稳定的输出。3.按照权利要求1的电源接口装置，还包括主控制环电路，其一端与所述输出端子相连并且另一端与主开关转换器相连，该主控制环电路被配置成用来检测所述输出端子处的瞬变并且响应于瞬变发出用来驱动主开关转换器的主控制信号，其中该主控制环电路包括: 主反馈探测电路，被配置成用来探测所述输出端子上的输出电压并且产生反馈电压， 主误差运算放大器，被配置成用来接收所述反馈电压和一参考电压并且在反馈电压和参考电压实质上彼此不相等时生成所述瞬变信号，和 主脉宽调制器，被配置成用来接收该瞬变信号和来自主开关转换器的所探测到的低频电感器电流，并且基于所述瞬变信号与所探测到的低频电感器电流之间的差值发出主控制信号。4.按照权利要求3的电源接口装置，其中 主控制信号包括脉宽调制信号，用于使得主开关转换器能够注入低频电流来跟随瞬变信号并且驱动输出电流来满足负载装置上增大的负载电流。5.按照权利要求3的电源接口装置，其中: 主反馈探测电路包括多个电阻器和电容器，这些电阻器和电容器被配置成用来探测输出电压和产生反馈电压，和 主误差运算放大器被配置成用来在其反相端子上接收反馈电压并且在其同相端子上接收参考电压。6.按照权利要求1的电源接口装置，其中辅助控制环电路还包括: 第一辅助误差放大器，被配置成用来接收加法器电路的输出和一参考电压，并且当加法器电路的输出与参考电压实质上彼此不相等时输出第一误差信号，和 辅助脉宽调制器，被配置成用来接收所述第一误差信号和来自辅助开关转换器的所探测到的高频电感器电流，并且基于第一误差信号与所探测到的高频电感器电流之间的差值发出辅助控制信号。7.按照权利要求6的电源接口装置，其中: 第一误差信号对应于瞬变信号的高频分量， 所述电阻器使得辅助控制环电路能够仅仅吸收瞬变信号的高频分量，而不吸收瞬变信号的低频分量，和 瞬变信号的高频分量仅仅在负载电流中出现突然增大或减小时存在。8.按照权利要求7的电源接口装置，其中: 响应于辅助控制信号，辅助开关转换器被配置成用来向所述输出端子注入快速瞬变高频电流，和 快速瞬变高频电流被配置成用来跟随瞬变信号的高频分量。9.按照权利要求7的电源接口装置，其中: 辅助控制环电路还包括第二辅助误差放大器，该第二辅助误差放大器被配置成用来接收所探测到的平均辅助电感器电流和零平均低频电流，并且输出第二误差信号，和 第一辅助误差放大器被配置成用来基于加法器电路的输出、参考电压和第二误差信号输出瞬变信号的高频分量。10.一种电源系统，包括: 电源； 负载装置，被配置成从所述电源接收电力； 电源接口装置，与电源和负载装置相连并且被配置成用来将电源提供的第一电压改变为用于操作负载装置的第二电压，电源接口装置包括主开关转换器和辅助开关转换器，主开关转换器被配置成用来以第一开关频率操作并且向负载装置注入低频电流，辅助开关转换器与主开关转换器并联相连并且被配置成用来以不同的第二开关频率操作且向负载装置注入快速瞬变高频电流;和 辅助控制环电路，其一端与辅助开关转换器相连并且另一端与负载装置相连，并且被配置成使用电阻器和加法器电路吸收瞬变信号的高频分量，并且基于瞬变信号的高频分量操作辅助开关转换器。11.按照权利要求10的电源系统，其中: 辅助开关转换器包括第一辅助开关、第二辅助开关和辅助电感器，和第一辅助开关一端与电源相连并且另一端与一辅助节点相连，第二辅助开关一端与辅助节点相连并且另一端与接地端子相连，并且辅助电感器一端与辅助节点相连并且另一端与负载装置相连。12.按照权利要求11的电源系统，其中: 辅助控制环电路还包括辅助误差运算放大器和辅助脉宽调制器， 该电阻器一端与辅助电感器相连，另一端与加法器电路相连， 加法器电路被配置成用来将输出电压加到在电阻器两端检测到的电压上并且输出反馈电压， 辅助误差放大器被配置成用来接收所述反馈电压和一参考电压并且在反馈电压和参考电压实质上彼此不相等时输出瞬变信号的高频分量，和 辅助脉宽调制器被配置成用来接收所述瞬变信号的高频分量和来自辅助开关转换器的所探测到的高频电感器电流，并且基于瞬变信号的高频分量与所探测到的高频电感器电流之间的差值发出辅助控制信号。13.按照权利要求12的电源系统，其中: 所述高频分量仅仅在负载电流中出现突然增大或减小时存在。14.按照权利要求13的电源系统，其中: 响应于辅助控制信号，辅助开关转换器被配置成用来仅仅在瞬变期间向负载装置注入快速瞬变高频电流，和 快速瞬变高频电流被配置成用来跟随瞬变信号的高频分量。15.按照权利要求12的电源接口装置，其中: 辅助控制环电路还包括第二辅助放大器，该第二辅助放大器被配置成用来接收所探测到的平均高频电感器电流和零平均电流，并且输出一误差信号，和 辅助误差放大器被配置成用来基于参考电压、反馈电压和来自第二辅助放大器的误差信号输出瞬变信号的高频分量。16.按照权利要求1O的电源系统，其中: 主开关转换器包括多个开关式稳压器，各个开关式稳压器包括第一主开关、第二主开关和主电感器，其中第一主开关一端与电源相连并且另一端与一主节点相连，第二主开关一端与主节点相连并且另一端与接地端子相连，并且主电感器一端与主节点相连并且另一端与负载装置相连。17.按照权利要求16的电源系统，还包括主控制环电路，其一端与负载装置相连并且另一端与主开关转换器相连，该主控制环电路被配置成用来检测负载装置处的瞬变并且响应于瞬变发出用来以第一开关频率驱动主开关转换器的主控制信号。18.按照权利要求17的电源系统，其中: 主开关转换器中的多个开关式稳压器包括处于电源和负载装置之间的三个或更多个彼此并联相连的单相开关式稳压器，和 各个单相开关式稳压器被配置成以低于第二开关频率的第一开关频率工作，以便在电源接口装置的输出端子上提供稳定的输出。19.按照权利要求18的电源系统，其中主控制环电路包括: 主反馈探测电路，被配置成用来探测所述输出端子上的输出电压并且产生反馈电压，主误差运算放大器，被配置成用来接收所述反馈电压和一参考电压并且在反馈电压和参考电压实质上彼此不相等时生成一瞬变信号，和 主脉宽调制器，被配置成用来接收该瞬变信号和来自每一单相开关式稳压器的所探测到的低频电感器电流，并且基于瞬变信号与所探测到的低频电感器电流之间的差值发出主控制信号。20.按照权利要求19的电源系统，其中 主控制信号包括脉宽调制信号，用于使得每一单相开关式稳压器能够注入低频电流来跟随瞬变信号并且驱动输出电流来满足负载装置上增大的负载电流。
【文档编号】H02M1/08GK105915030SQ201610096287
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年2月22日
【发明人】黎坚
【申请人】凌力尔特公司