多通道直流?直流变换器及控制电路和方法
【专利摘要】公开了一种恒定导通时间控制(Constant On Time，COT)的多通道直流?直流变换器以及其控制电路和控制方法。该多通道直流?直流变换器包括多个开关电路和与该多个开关电路一一对应的多个COT控制器。对于每个开关电路，其工作在稳态时，与之对应的COT控制器根据输入电压信号、输出电压信号、反馈电压信号和时钟信号产生控制信号，控制该开关电路的开关频率和相位与时钟信号的频率和相位相等。该多通道直流?直流变换器效率高、体积小。
【专利说明】
多通道直流-直流变换器及控制电路和方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种电子电路，更具体地说，本发明涉及一种多通道直流-直流变换器及其控制电路和方法。
【背景技术】
[0002]电源转换系统中，恒定导通时间(Constant On Time，C0T)控制由于优越的暂态响应，在直流-直流变换器中得到了广泛应用。然而相比于峰值电流控制模式，COT控制的电源转换系统其开关频率不能被很好地控制。在多通道直流-直流变换器中，每路通道的直流-直流变换器共用一个输入电压，我们期望每个通道的开关电路分时使用输入电压，进而减小输入电容的大小，有利于节约成本并缩小整个电路体积。由于COT系统的开关频率是根据随输出电流变化而变化的，因此多个通道之间的电路相位不能被有效地控制，因此在现有技术中，多通道直流-直流变换器常采用峰值电流控制模式。
[0003]因此，我们期望提出了一种可解决上述问题的⑶T控制的多通道直流-直流变换器。
【发明内容】
[0004]为了解决前面描述的一个问题或者多个问题，本发明提出与现有技术不同的一种COT控制的多通道直流-直流变换器及其控制电路和方法。
[0005]本发明一方面提供了一种恒定导通时间控制的多通道直流-直流变换器，具有一个输入端和η个输出端，其中η为大于等于2的正整数，所述恒定导通时间控制的多通道直流-直流变换器包括:η个开关电路，共同耦接在多通道直流-直流变换器的输入端接收输入电压信号，每个开关电路将输入电压信号转换为输出电压信号，并分别送至多通道直流-直流变换器的η个输出端，其中，每个开关电路包括至少一个可控开关;时钟信号发生器，产生η个频率相同、并依次具有相同相位差的时钟信号，并将η个时钟信号分别送至η个开关电路，其中，η个时钟信号的频率与η个开关电路稳态工作模式下的开关频率相等；以及η个恒定导通时间控制器，分别对应控制η个开关电路，每个恒定导通时间控制器接收输入电压信号、对应的开关电路的输出电压信号、代表对应的开关电路的输出电压信号的反馈电压信号和对应的时钟信号，并根据输入电压信号、输出电压信号、反馈电压信号和对应的时钟信号产生控制信号，用于控制对应的开关电路，其中，当对应的开关电路工作在稳态时，每个恒定导通时间控制器控制对应的开关电路的可控开关的开关频率和相位与对应的时钟信号的频率和相位相等。
[0006]本发明另一方面提供了一种恒定导通时间控制电路，用于控制η通道直流-直流变换器中每个通道的开关变换器分时复用一个输入电压信号，所述恒定导通时间控制电路包括:对应控制每个通道的开关变换器的η个子控制电路，分别接收η个频率相同、并依次具有相同相位差的时钟信号，其中，η个时钟信号的频率与每个通道的开关变换器在稳态工作模式下的开关频率相等;每个子控制电路进一步接收输入电压信号、对应通道的开关变换器的输出电压信号、代表对应通道的开关变换器的输出电压的反馈电压信号;每个子控制器根据输入电压信号、对应的输出电压信号、对应的反馈电压信号和对应的时钟信号产生控制信号，用于控制对应通道的开关变换器;其中，当开关电路工作在稳态时，每个子控制器控制对应通道的开关变换器中的可控开关的开关频率和相位与对应的时钟信号的频率和相位相等。
[0007]本发明又一方面提供了一种用于多通道直流-直流变换器的恒定导通时间控制方法，所述多通道直流-直流变换器具有一个输入端和η个输出端，其中η为大于等于2的正整数，所述多通道直流-直流变换器包括η个开关电路，共同耦接在多通道直流-直流变换器的输入端接收输入电压信号，每个开关电路将输入电压信号转换为输出电压信号，并分别送至多通道直流-直流变换器的η个输出端，其中，每个开关电路包括至少一个可控开关，所述控制方法包括:判断每个开关电路是否工作在稳态;产生η个频率相同、并依次具有相同相位差的时钟信号，其中，η个时钟信号的频率与η个开关电路稳态工作模式下的开关频率相等;提供表征每个开关电路的输出电压的反馈电压信号；以及根据每个开关电路的输入电压信号、输出电压信号、反馈电压信号和η个时钟信号中的一个时钟信号产生控制信号，用于控制对应的开关电路中的可控开关，使得每个开关电路中的可控开关的开关频率和相位与对应的时钟信号的频率和相位相等。
【附图说明】
[0008]为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明进行详细描述:
[0009]图1所示为根据本发明一实施例的⑶T控制的多通道直流-直流变换器100的原理框图；
[00?0]图2所不为根据本发明一个实施例的η相时钟信号产生电路200;
[0011]图3所示为根据本发明一个实施例的用于四通道直流-直流变换器的四个时钟信号图300;
[0012]图4所示为根据本发明另一个实施例的用于四通道直流-直流变换器的四个时钟信号图400;
[0013]图5所示为根据本发明一实施例的单通道COT控制器的电路原理图。
[0014]图6所示为锁相环电路示意工作波形图500;
[0015]图7所示为根据本发明一实施例的锁相环电路工作波形图600;
[0016]图8所示为根据本发明一实施例的锁相环电路工作波形图700;
[0017]图9所示为根据本发明图5所示实施例中的锁相环电路54的电路原理图；
[0018]图10所示为根据本发明图5所示实施例中的导通时间产生器52的电路原理图；
[0019]图11所示为根据本发明一个实施例的受控电压信号产生器526的电路结构示意图；
[0020]图12所示为根据本发明一个实施例的受控电流源522的电路结构示意图；
[0021]图13所示为根据本发明一个实施例的使能信号产生器800的电路结构示意图；
[0022]图14所示为图13所示轻载判定电路42的一个具体实施例的电路结构示意图；
[0023]图15所不为图13所不轻载判定电路42的另一个具体实施例的电路结构不意图；
[0024]图16所示为根据本发明一实施的一种多通道直流-直流变换器的⑶T控制方法900；
[0025]图17所示为图16所示控制方法中实现步骤940的方法。
[0026]下面将参考附图详细说明本发明的【具体实施方式】。贯穿所有附图相同的附图标记表示相同的或相似的部件或特征。
【具体实施方式】
[0027]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。在下面对本发明的详细描述中，为了更好地理解本发明，描述了大量的细节。然而，本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。为了清晰明了地阐述本发明，本文简化了一些具体结构和功能的详细描述。此外，在一些实施例中已经详细描述过的类似的结构和功能，在其它实施例中不再赘述。尽管本发明的各项术语是结合具体的示范实施例来一一描述的，但这些术语不应理解为局限于这里阐述的示范实施方式。
[0028]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” “连接到”或“親接”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“直接親接到”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。
[0029]图1所示为根据本发明一实施例的C0T(ConstantOn Time，⑶T)控制的多通道直流-直流变换器100的原理框图。如图1所示，多通道直流-直流变换器100包括一个输入端接收一个输入电压Vin和η个输出端提供分别提供η个输出电压(Vqut1、Vqut2、......、VouTn)，其中
η为大于等于2的正整数。多通道直流-直流变换器100进一步包括η个开关电路(101、
102........1On)和η个与η个开关电路——对应的⑶T控制器(201、202........20η)。例如，第一通道开关电路101由第一控制器201控制，第二开关电路102由第二通道控制器202控制，第η开关电路1n由第η控制器20η控制，依次类推。
[0030]η个开关电路(101、102........1 On)共同耦接在多通道直流-直流变换器100的输入端接收输入电压Vin，并根据输入电压Vin产生η个独立的输出电压(VciuT1、Vqut2、......、
V0UTn)，每一通道的开关电路包括至少一个可控开关，通过控制该开关电路中的可控开关的导通和关断切换，对输入电压Vin进行调节，进而提供相应地输出电压(VciuT1、Vqut2、......或
VoUTn) ο
[OO31 ] 第一COT控制器201接收第一输出电压Vqut1、输入电压Vin、代表第一输出电压Vouti的第一反馈电压信号Vfbi和第一时钟信号CLKl，并根据第一输出电压Vciut1、输入电压Vin、第一输出电压Vciut、输入电压Vin、第一反馈电压信号Vfb和第一时钟信号CLKl产生第一控制信号SWl，用于控制第一开关电路101中的可控开关。其中，当开关电路101工作在稳态时，第一COT控制器201控制开关电路101中的可控开关的开关频率和相位与第一时钟信号CLKl的频率和相位相等。在一个实施例中，第一开关电路101包括高侧开关和低侧开关，第一控制信号SWl包括高侧控制信号和低侧控制信号，分别用于控制第一开关电路101中的高侧开关和低侧开关。
[0032]第二⑶T控制器202接收第二输出电压VQUT2、输入电压Vin、代表第二输出电压V0ut2的第二反馈电压信号VFB2和第二时钟信号CLK2，并根据第二输出电压Vc)UT2、输入电压Vin、第二反馈电压信号Vfb2和第二时钟信号CLK2产生第二控制信号SW2，用于控制第二开关电路102中的可控开关。其中，当开关电路102工作在稳态时，第二COT控制器202控制开关电路102中的可控开关的开关频率和相位与第二时钟信号CLK2的频率和相位相等。在一个实施例中，第二开关电路202包括高侧开关和低侧开关，第二控制信号SW2包括高侧控制信号和低侧控制信号，分别用于控制第二开关电路102的高侧开关和低侧开关。
[0033]依次类推，第η个⑶T控制器20η接收第η输出电压VQUTn、输入电压VIN、代表第η输出电压VciUTn的第η反馈电压信号VFBn和第η时钟信号CLKn，并根据第η输出电压VciUTn、输入电压Vin、第η反馈电压信号VFBn和第η时钟信号CLKn产生第η相控制信号SWn，用于控制第η开关电路1n中的可控开关。其中，当开关电路1n工作在稳态时，第η个COT控制器20η控制开关电路1n中的可控开关的开关频率和相位与第η个时钟信号CLKn的频率和相位相等。在一个实施例中，第η开关电路1n包括高侧开关和低侧开关，第η控制信号SWn包括高侧控制信号和低侧控制信号，分别用于控制第η开关电路1n的高侧开关和低侧开关。
[0034]在图1所示实施例中，第一时钟信号CLK1、第二时钟信号CLK2........第η个时钟信号CLKn为一组频率相同、并依次具有相同相位差的时钟信号。例如，当η等于2时，第一时钟信号CLKl和第二时钟信号CLK2的相位差为180度。又如，当η等于3时，第一时钟信号CLKl和第二时钟信号CLK2的相位差为120度，第二时钟信号CLK2和第三时钟信号CLK3的相位差为120度，第三时钟信号CLK3和第一时钟信号CLKl的相位差为120度，依次重复。
[0035]在图1所示实施例中，η个开关电路包括降压开关变换电路(BUCK)、升压开关变换电路(BOOST)、升降压开关变换电路(BUCK-B00ST)等合适的拓扑结构。此外，在一个实施例中，η个开关电路可以包括相同的拓扑结构，例如，η个开关电路均为BUCK开关变换电路。在另一个实施例中，η个开关电路也可以包括不同的拓扑结构，例如，第一开关电路101包括BUCK开关电路，第二开关电路102包括BOOST开关电路、第三开关电路1 3为BUCK-B00ST开关电路等。
[0036]本领域的技术人员可以理解，COT控制下的多通道直流-直流变换器100工作在稳态时，即:每个通道的开关电路(101、102........1On)的工作频率为稳态工作频率，且输入电压Vin和每个开关电路的负载不改变的情况下，其工作频率基本保持不变。该η相时钟信号
(CLKUCLK2........CLKn)用于将多通道直流-直流变换器100中的各通道的开关电路与各自对应的时钟信号同步，并将多通道直流-直流变换器100的工作频率锁定为该η相时钟信号(CLK1、CLK2........CLKn)的频率。其中，该η相时钟信号(CLK1、CLK2........CLKn)的频率即为各通道开关电路稳态工作模式下的开关频率。
[0037]图2所示为根据本发明一个实施例的η相时钟信号(CLKl、CLK2........CLKn)产生电路200。如图所示，η相时钟信号产生电路200包括振荡器301和移相器302。振荡器301用于产生总时钟信号CLK，移相器302接收的总时钟信号CLK，并根据总时钟信号CLK产生η相时钟信号(CLK1、CLK2........CLKn)。其中，第一时钟信号CLKl、第二时钟信号CLK2........第η
时钟信号CLKn为一组频率相同、并依次具有相同相位差的时钟信号。
[0038]图3所示为根据本发明一个实施例的用于四通道直流-直流变换器的四个时钟信号图300。结合图2—起描述，振荡器301产生频率为f的总时钟信号CLK，移相器302将该总时钟信号CLK进行移相生成第一时钟信号CLKl、第二时钟信号CLK2、第三时钟信号CLK3和第四时钟信号CLK4。第一时钟信号CLKl和第二时钟信号CLK2相位相差90度、第二时钟信号CLK2和第三相时钟信号CLK3的相位差为90度，第三时钟信号CLK3和第四时钟信号CLK4的相位差为90度，第四时钟信号CLK4和第一时钟信号CLKl的相位差为90度，依次重复。移相后产生的第一时钟信号CLK1、第二时钟信号CLK2、第三时钟信号CLK3和第四时钟信号CLK4的频率和总时钟信号CLK的频率f相等。
[0039]图4所示为根据本发明另一个实施例的用于四通道直流-直流变换器的四个时钟信号图400。与图3不同的是，在图4所示实施例中，移相器302还具有分频的功能，总时钟信号CLK被移相器302移相后产生的第一时钟信号CLKl、第二时钟信号CLK2、第三时钟信号CLK3和第四时钟信号CLK4。其中，第一时钟信号CLK1、第二时钟信号CLK2、第三时钟信号CLK3和第四时钟信号CLK4的频率为总时钟信号CLK的频率f的一半，等于l/2f。在其他实施例中，图2中所示的时钟信号(CLK1、CLK2........CLKn)产生电路30还可以包括其他结构，
用于产生一组频率相同、并依次具有相同相位差的时钟信号，只需要满足产生的这组时钟信号的频率和多通道直流-直流变换器100在稳态工作下的开关频率相同即可。
[0040]图5所示为根据本发明一实施例的单个通道COT控制器(201、202.......或20η)的电路原理图。如图5所示，COT控制器20η包括关断时间产生电路51、导通时间产生电路52、逻辑电路53以及锁相环电路54。
[0041]关断时间产生电路51接收一个通道的反馈电压信号VFBn，并将反馈信号VFBn和该通道的参考电压信号VREFn比较，产生一个关断时间信号Toff。关断时间信号Toff包括一个高低逻辑电平信号。在一个实施例中，当关断时间信号Toff从逻辑低变为逻辑高时，高侧开关导通。在一个实施例中，关断时间产生电路51包括一个电压比较器501，具有同相输入端和反相输入端，其同相输入端接收反馈信号VFBn，反相输入端接收参考电压信号VREFn。当反馈信号VFBn降低到参考电压信号Vrefi^，电压比较器501输出的关断时间信号Toff变高，高侧开关导通。
[0042]导通时间产生电路52接收输入电压信号Vin、一个通道的输出电压信号VciuTn和误差信号Vccin，并根据输入电压信号Vin、输出电压信号VciUTn和误差信号Vccin产生一个导通时间信号Ton。导通时间信号Ton包括一个高低逻辑电平信号。在一个实施例中，当导通时间信号Ton从逻辑低变为逻辑高时，高侧开关关断。
[0043]逻辑电路53接收关断时间信号Toff和导通时间信号Ton，并对关断时间信号TofT和导通时间信号Ton做逻辑运算，产生对应通道的控制信号SWn。在图5所示实施例中，逻辑电路53示意为一个RS触发器503，RS触发器503的置位端S接收关断时间信号Toff，RS触发器503的复位端R接收导通时间信号Ton，RS触发器503在第一输出端Ql输出高侧控制信号HSn，在第二输出端Q2输出低侧控制信号LSn，分别控制开关电路1n中的高侧开关和低侧开关。这里的高侧控制信号HSn和低侧控制信号LSn即为图1所示的控制信号SWn的一种具体示例。
[0044]锁相环电路54接收控制信号、时钟信号CLKn和使能信号ENn，并根据高侧控制信号HSn、时钟信号CLKn和使能信号ENn产生误差信号VGon。当使能信号ENn有效时，误差信号Vc0n为一个代表控制信号和时钟信号CLKn之间相位差的电压值。在图5所示实施例中，控制信号被示意为高侧控制信号HSn，在另一个实施例中，锁相环电路54也可以接收低侧控制信号LSn，而非高侧控制信号HSn，并根据低侧控制信号HLn、时钟信号CLKn和使能信号ENn产生误差信号VcOno
[0045]图6所示为现有的锁相环电路示意工作波形图500。如图6所示，波形图500从上至下，分别示出了多通道直流-直流变换器100中其中一通道的时钟信号CLKn、高侧控制信号HSn、相位差信号VPDn和误差信号Voin。相位差信号VPDn的宽度为时钟信号CLKn和高侧控制信号HSn的相位差Φ。误差信号Vran为一个变化的电压值，根据相位差Φ的值变化而变化，用于表征相位差Φ的大小。
[0046]图7所示为根据本发明一实施例的锁相环电路工作波形图600。如图7所示，波形图600从上至下，分别示出了时钟信号CLKn、高侧控制信号HSn、相位差信号VPDn和误差信号VCOn。结合图5、图7所示实施例和波形图描述锁相环电路54的工作原理:当高侧控制信号HSn的相位滞后时钟信号CLKn的相位Φ I时，误差信号％0?的值变大。导通时间产生电路52响应变化的误差信号VCQn，减小高侧开关的导通时间，将导通时间信号Ton的导通时间长短由Tl减小到T2(T2<T1)，为了维持导通时间信号Ton的占空比不变，高侧控制信号HSn下一次的导通时间提前(即下一个高侧控制信号HSn的上升沿更靠近CLKn的上升沿)。紧接着下一个周期，由于高侧控制信号HSn的上升沿更靠近CLKn的上升沿，相位差信号VPDn减小，因此误差信号10?的值减小，导通时间信号Ton的导通时间长短由T2增大到T3(T2<T3<T1)。经过几个周期调节后，高侧控制信号HSn和时钟信号CLKn最终相位同步。在图7所示波形图中，高侧控制信号HSn和时钟信号CLKn被示意为经过两个周期调节后同步，本领域的技术人员应该明白，这里只是示意性的，在实际的工作过程中，需要多个周期的瞬态调节，最终才能使得高侧控制信号HSn和时钟信号CLKn同步。
[0047]图8所示为根据本发明一实施例的锁相环电路工作波形图700。如图8所示，波形图700从上至下，分别示出了时钟信号CLKn、高侧控制信号HSn、相位差信号VPDn和误差信号VCOn。结合图5、图8所示实施例和波形图描述锁相环电路54的工作原理:当高侧控制信号HSn的相位超前时钟信号CLKn的相位Φ 2时，误差信号Vcon的值变小。导通时间产生电路52响应变化的误差信号VCQn，增大高侧开关的导通时间，将导通时间信号Ton的导通时间由Tl增大至|JT4(T4>T1)，为了维持导通时间信号Ton的占空比不变，高侧控制信号HSn下一次的导通时间延后(即下一个高侧控制信号HSn的上升沿更靠近CLKn的上升沿)。紧接着下一个周期，由于高侧控制信号HSn的上升沿更靠近CLKn的上升沿，相位差信号VPDn减小，因此误差信号Vcon的值减小，导通时间信号Ton的导通时间长短由T4减小到T5(Tl <T5<T4)。经过几个周期的调节后，高侧控制信号HSn和时钟信号CLKn最终相位同步。在图8所示波形图中，高侧控制信号HSn和时钟信号CLKn被示意为经过两个周期调节后同步，本领域的技术人员应该明白，这里只是示意性的，在实际的工作过程中，需要多个周期的瞬态调节，最终才能使得高侧控制信号HSn和时钟信号CLKn同步。
[0048]图9所示为根据本发明图5所示实施例中的锁相环电路54的电路原理图。如图9所示，锁相环电路54包括D触发器91和92、与门电路93、电流源94和电流源95，第一开关96和第二开关97以及充电电容98。D触发器91和92分别具有第一输入端D、第二输入端C、第三输入端R、输出端Q和使能控制端EN13D触发器91和92的第一输入端D均接收电源电压VCC，D触发器91和92的第二输入端C分别接收一相时钟信号CLKn和一相高侧控制信号HSn，D触发器91和92的第三输入端R耦接在一起。D触发器91和92的使能控制端EN用于接收一个使能控制信号ENn，当使能控制信号ENn有效时，D触发器91和92工作。D触发器91和92的第二输入端C分别形成锁相环电路54的第一输入端和第二输入端。与门电路93具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中，与门电路93的第一输入端和第二输入端分别耦接至D触发器91和92的输出端Q，与门电路93的输出端耦接至D触发器91和92的第三输入端R。开关96和97分别具有第一端、第二端和控制端，其中，开关96和97的控制端分别耦接至D触发器91和92的输出端Q，开关96和97的第一端耦接在一起。在图9所示的实施例中，开关96和97由晶体管实现，且分别为P管和N管。电流源94耦接至晶体管96的第二端以在晶体管96导通时向其扇入电流II，电流源95耦接至晶体管97的第二端以在晶体管97导通时从其扇出电流12。充电电容98耦接于晶体管96和97的公共端与参考地之间，充电电容98和晶体管96和97的公共端形成锁相环电路54的输出端，而充电电容98两端的电压即为误差信号Vcon。
[0049]图10所示为根据本发明图5所示实施例中导通时间产生器52的电路原理图。在图10所示实施例中，所述导通时间产生器52包括:推挽电路521、受控电流源522，充放电电容523、复位开关524、充电比较器525和受控电压信号产生器526。
[0050]推挽电路521接收误差信号Voin，并在输出端产生补充充电电流Ico。受控电流源522和充放电电容523串联连接在一电源电压Vcc和逻辑地之间，受控电流源522和充放电电容523的公共节点527耦接推挽电路521的输出端，其中受控电流源522用于产生充电电流
13。复位开关524电连接在节点527和逻辑地之间。受控电压信号产生器526产生受控电压信号Vd。充电比较器525，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端接收受控电压信号VD，其第二输入端耦接至节点527接收充放电电容524两端的电压，所述充电比较器525基于受控电压信号Vd和充放电电容524两端的电压产生导通时间信号Ton。
[0051 ] 在一个实施例中，当开关电路(101、102.......或1n)采用降压(buck)拓扑时，导通时间信号Tonl与输出电压Vo υτ成正比、与输入电压Vin成反比。当开关电路(101、
102、......或1n)米用boost拓扑时，导通时间信号Ton与输出电压Vciut和输入电压Vin之差
(Vout-Vin)成正比、与输出电压Vqut成反比。
[0052]在一个实施例中，当开关电路(101、102.......或1n)采用buck拓扑时，所述受控充电电流13与输入电压Vin成正比，所述受控电压信号Vd与输出电压Vciut成正比。当开关电路
(101,102.......或1n)采用boost拓扑时，所述受控充电电流13与输出电压Vqut成正比，所述受控电压信号Vd与输出电压Vciut和输入电压Vin之差(Vqut-Vin)成正比。
[0053]图11所示为根据本发明一个实施例的受控电压信号产生器526的电路结构示意图。图11所示实施例示意为当开关电路(101、102.......或1n)采用boost拓扑时，所述受控电压信号产生器526的电路结构不意图。
[0054]在图11所不实施例中，所述受控电压信号产生器526包括:第一上拉电流镜61，具有输入端、第一电流端和第二电流端，其输入端接收输入电压VIN，第一电流端耦接电阻值为Rl的电阻64;下拉电流镜62，具有电流入端和电流出端，其电流入端耦接至第一上拉电流镜61的第二电流端;第二上拉电流镜63，具有输入端、第一电流端和第二电流端，其输入端接收输出电压V ο υτ，其第一电流端親接至下拉电流镜6 2的电流出端和电阻值为R 2的电阻6 5，其第二电流端耦接电阻值为Rl的电阻66;其中所述电阻65两端电压即为所述受控电压信号Vd。通过计算，可知Vd= (Vout-Vin) XR2/R1。
[0055]图12所示为根据本发明一个实施例的受控电流源522的电路结构示意图。图12所示实施例示意为当开关电路(101、102.......或1n)采用boost拓扑时，所述受控电流源
522的电路结构不意图。
[0056]在图12所示实施例中，所述受控电流源522包括:运算放大器71，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端经由电阻值为Rl的电阻72接收输出电压VQUT、经由电阻值为R2的电阻73耦接至参考地;其第二输入端经由晶体管74耦接至其输出端、经由电阻值为R3的电阻7 5耦接至参考地;第三上拉电流镜76，具有电流入端和电流出端，其电流入端耦接至晶体管74，其电流镜输出端提供所述受控充电电流13。通过计算，可知13 = Vout X R2/((R1+R2) XR3)。
[0057]虽然上述实施例仅示出了当开关电路(101、102、......或1n)采用boost拓扑时受控电压信号产生器526和受控电流源522的结构示意图。但是本领域技术人员应当意识至Ij，通过简单的修改，可得到开关电路(101、102.......或1n)采用buck拓扑时受控电压信号产生器526和受控电流源522的结构示意图。为简明起见，这里不再累述。
[0058]图13所示为根据本发明一个实施例的使能信号产生器800的电路结构示意图。图13所示使能信号产生器800用于产生图5和图9所示实施例中的使能信号ENn。使能信号ENnS一个逻辑高低电平信号，在一个实施例中，当使能信号ENn为逻辑高时，锁相环电路54使能(工作)；当使能信号ENn为逻辑低时，锁相环电路54不使能(不工作)。如图13所示，使能信号产生器800包括一个钳位电路41、轻载判定电路42、状态判定电路43和逻辑电路44。
[0059]在图13所示实施例中，钳位电路41产生第一钳位信号LKl用于设置锁相环电路54可以调节的相位差的范围。第一钳位信号LKl为一个逻辑高低信号，在一个实施例中，当第一钳位信号LKl为逻辑高时有效，当第一钳位信号LKl逻辑低时无效。一般地，当时钟信号CLKn和高侧控制信号HSn的相位差大于一个设定的相位阈值(例如，120度)时，即时钟信号CLKn超前或滞后高侧控制信号HSn的相位超过相位阈值)，第一钳位信号LKl无效(逻辑低)，使能信号ENn不使能锁相环电路54。
[0060]在一个实施例中，钳位电路41包括一个滞环比较器401，具有第一输入端、第二输入端和输出端。滞环比较器401的第一输入端接收参考电流信号kX 13，其中，13为图10中的充电电流，k为一个比例系数，一般地，k等于0.3。滞环比较器401的第二输入端接收补充充电电流信号Ico，滞环比较器401比较参考电流信号kX 13和补充充电电流信号Ico，并在输出端输出第一钳位信号LK1。参考电流信号kX 13用于设定补充充电电流信号Ico上下浮动的一个范围，当补充充电电流信号Ico位于参考电流信号+kX 13和-kX 13之间时，表征时钟信号CLKn和高侧控制信号HSn的相位差位于相位阈值内，第一钳位信号LKl有效(逻辑高)，锁相环电路54使能；当补充充电电流信号Ico超出参考电流信号+kX 13和-kX 13之间的范围时，表征时钟信号CLKn和高侧控制信号HSn的相位差大于相位阈值，第一钳位信号LKl无效(逻辑低)，使能信号ENn不使能锁相环电路54。
[0061]在图13所示实施例中，轻载判定电路42产生第二钳位信号LK2用于设置锁相环电路54可以使能的条件。当系统位于轻载状态下时，其工作频率远低于正常带载下的稳态工作频率，锁相环电路54不能工作。在一个实施例中，当系统正常带载状态下，第二钳位信号LK2有效(逻辑高)，锁相环电路54使能；当系统位于轻载状态下，第二钳位信号LK2无效(逻辑低)，锁相环电路54不使能。
[0062]在图13所示实施例中，状态判定电路43用于判定系统工作状态，并输出一个提示系统工作状态的状态信号PG。状态信号PG为一个逻辑高低信号，在一个实施例中，当状态信号PG有效(逻辑高)时，锁相环电路54使能，当状态信号PG无效(逻辑低)时，锁相环电路54不使能。
[0063]在一个实施例中，状态判定电路43包括接收一个系统软启动信号，当软启动结束，系统进入正常工作模式后，状态信号PG有效(逻辑高)；当系统位于软启动过程中时，状态信号PG无效(逻辑低)，使能信号ENn不使能锁相环电路54。
[0064]在又一个实施例中，状态判定电路43包括一个过电流检测电路，当系统出现过流状态时，状态信号PG无效(逻辑低)，使能信号ENn不使能锁相环电路54。
[0065]状态判定电路43还可包括其他过压过温检测模式，换句话说，锁相环电路54只有在系统正常启动后，在没有过温过压等异常情况，且工作在正常稳态工作模式时，锁相环电路54才被使能。
[0066]图14所示为图13所示轻载判定电路42的一个具体实施例的电路结构示意图。如图14所示，轻载判定电路42包括一个鉴频器421，鉴频器421第一输入端接收对应通道的时钟信号CLKn，鉴频器421第二输入端接收高侧控制信号HSn，鉴频器421判断时钟信号CLKn和高侧控制信号HSn的频率，当高侧控制信号HSn的频率低于时钟信号CLKn的频率的一定比值(例如60 % )时，第二钳位信号LK2无效，锁相环电路54不使能。
[0067]图15所不为图13所不轻载判定电路42的另一个具体实施例的电路结构不意图。如图15所示，轻载判定电路42包括一个计数器423，计数器423接收过零信号ZCD，这里的过零信号ZCD包括系统电路里任意一个过零检测电路输出的过零检测信号。过零信号ZCD为一个高低电平信号，当过零检测信号有效时(逻辑高)，代表低侧开关流过的电流过零。例如，可以理解地，在一个BUCK开关变换器的断续工作模式下，当过零检测信号有效时(逻辑高)，低侧开关被关断。计数器423计数过零信号ZCD，当过零信号ZCD计数达到一定数值，第二钳位信号LK2无效，锁相环电路54不使能。
[0068]需要说明的是，在图5-图15所示各实施例中，均采用高侧控制信号HSn作为控制信号SWn中的一种特殊示例，本领域的技术人员应该理解，采用低侧控制信号LSn同样可以实现本发明的控制。
[0069]图16所示为根据本发明一实施的一种多通道直流-直流变换器的⑶T控制方法900。控制方法900可用于前图1-15所示实施例中的变换器。
[0070]如图1-15所描述的多通道直流-直流开关变换器，多通道直流-直流变换器具有一个输入端和η个输出端，其中η为大于等于2的正整数，所述多通道直流-直流变换器包括η个开关电路，共同耦接在多通道直流-直流变换器的输入端接收输入电压信号，每个开关电路将输入电压信号转换为一个输出电压信号，并分别送至多通道直流-直流变换器的η个输出端，其中，每个开关电路包括至少一个可控开关。该COT控制方法900包括步骤910-940。
[0071]步骤910，分别判断η个开关电路是否工作在稳态。如果开关电路工作在稳态，转至步骤920，否者继续判断η个开关电路是否工作在稳态。在一个实施例中，判断η个开关电路是否工作在稳态，可以由图13所示实施例中的使能信号发生器800来决定。当开关电路工作在稳态时，使能信号发生器800产生的使能信号ENn使能每个开关电路对应的控制电路中的锁相环电路。
[0072]步骤920，产生η个频率相同、并依次具有相同相位差的时钟信号。其中，该η个时钟信号的频率与η个开关电路稳态工作模式下的开关频率相等。例如，图2所示时钟信号产生电路可以产生该η个时钟信号(CLK1、CLK2........CLKn)。
[0073]步骤930，提供表征每个开关电路的输出电压的反馈电压信号。例如图1所示实施例中的反馈电压信号(Vfb1、Vfb2、......、Vfbh)。
[0074]步骤940，根据每个开关电路的输入电压信号、输出电压信号、反馈电压信号和一个时钟信号产生控制信号。例如图1所示实施例中的控制信号(SWl、SW2........SWn)。每个控制信号控制每个开关电路的开关频率和相位与对应的时钟信号的频率和相位相等。
[0075]在一个实施例中，产生控制信号的步骤940还包括步骤941-944，如图17所示。
[0076]步骤941，根据控制信号和时钟信号，产生一个代表控制信号和时钟信号的相位差值的误差信号。在一个实施例中，控制信号包括高侧开关控制信号和低侧开关控制信号，可根据高侧开关控制信号和时钟信号，产生一个代表高侧开关控制信号和时钟信号的相位差值的误差信号。
[0077]步骤942，比较反馈信号和一个参考电压信号，并产生一个关断时间信号。
[0078]步骤943，根据输入电压信号、输出电压信号和误差信号，产生一个导通时间信号。
[0079]步骤944，根据关断时间信号和导通时间信号，产生控制信号。在一个实施例中，通过对关断时间信号和导通时间信号做逻辑运算，产生控制信号用于控制开关电路中的可控开关。
[0080]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。
【主权项】
1.一种恒定导通时间控制的多通道直流-直流变换器，具有一个输入端和η个输出端，其中η为大于等于2的正整数，所述恒定导通时间控制的多通道直流-直流变换器包括: η个开关电路，共同耦接在多通道直流-直流变换器的输入端接收输入电压信号，每个开关电路将输入电压信号转换为输出电压信号，并送至多通道直流-直流变换器的η个输出端中的一个，其中，每个开关电路包括至少一个可控开关； 时钟信号发生器，产生η个频率相同、并依次具有相同相位差的时钟信号，并将该η个时钟信号分别对应送至所述η个开关电路，其中，η个时钟信号的频率与η个开关电路稳态工作模式下的开关频率相等；以及 η个恒定导通时间控制器，分别对应控制所述η个开关电路，每个恒定导通时间控制器接收输入电压信号、对应的开关电路的输出电压信号、代表对应的开关电路的输出电压信号的反馈电压信号和对应的时钟信号，并根据所接收的输入电压信号、输出电压信号、反馈电压信号和对应的时钟信号产生控制信号，用于控制对应的开关电路，其中，当对应的开关电路工作在稳态时，每个恒定导通时间控制器控制对应的开关电路的可控开关的开关频率和相位与对应的时钟信号的频率和相位相等。2.如权利要求1所述恒定导通时间控制的多通道直流-直流变换器，其中，每个恒定导通时间控制器包括: 锁相环电路，接收控制信号、对应的时钟信号和使能信号，当使能信号使能锁相环电路时，锁相环电路根据控制信号和对应的时钟信号，产生代表控制信号和对应的时钟信号的相位差值的误差信号； 关断时间产生电路，接收反馈电压信号，并将反馈信号和参考电压信号比较，并产生关断时间信号； 导通时间产生电路，接收输入电压信号、输出电压信号和误差信号，并根据输入电压信号、输出电压信号和误差信号产生导通时间信号；以及 逻辑电路，接收关断时间信号和导通时间信号，并对关断时间信号和导通时间信号做逻辑运算，进而产生控制信号。3.如权利要求1所述恒定导通时间控制的多通道直流-直流变换器，其中，所述开关电路包括高侧开关和低侧开关，所述控制信号包括用于控制高侧开关的高侧控制信号和用于控制低侧开关的低侧控制信号，所述锁相环电路包括第一D触发器、第二D触发器、与门、第一电流源、第二电流源、第一开关、第二开关以及充电电容，其中， 第一 D触发器和第二 D触发器分别具有第一输入端、第二输入端、第三输入端、输出端和使能控制端，第一 D触发器和第二 D触发器的第一输入端接收电源电压，第一 D触发器的第二输入端接收时钟信号，第二D触发器的第二输入端接收高侧控制信号，第一D触发器和第二D触发器的第三输入端耦接在一起，第一 D触发器和第二 D触发器的使能控制端接收使能信号； 与门具有第一输入端、第二输入端和输出端，与门的第一输入端和第二输入端分别親接至第一 D触发器和第二 D触发器的输出端，与门的输出端耦接至第一 D触发器和第二 D触发器的第三输入端； 第一开关和第二开关分别具有第一端、第二端和控制端，其中，第一开关和第二开关的第一端耦接在一起，第一开关的控制端耦接至第一 D触发器的输出端，第二开关的控制端耦接至第二 D触发器的输出端； 第一电流源耦接第一开关的第二端以在第一开关导通时向其扇入电流，第二电流源耦接至第二开关的第二端以在第二开关导通时从其扇出电流;以及 充电电容耦接于第一开关和第二开关的公共端与参考地之间，充电电容和第一开关和第二开关的公共端形成锁相环电路的输出端，输出误差信号。4.如权利要求2所述恒定导通时间控制的多通道直流-直流变换器，其中，所述导通时间产生电路包括: 推挽电路，具有输入端和输出端，输入端接收误差信号，并在输出端产生补充充电电流信号； 受控电流源，耦接在一供电电压源和推挽电路的输出端之间，用于产生充电电流信号， 充放电电容，具有第一端和第二端，第一端耦接在推挽电路的输出端，第二端电连接至逻辑地之间； 复位开关，具有第一端、第二端和控制端，其第一端和第二端分别电连接充放电电容的第一端和逻辑地； 受控电压信号产生器，产生受控电压信号；以及 充电比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端接收受控电压信号，其第二输入端耦接至充放电电容的第一端，接收充放电电容两端的电压，充电比较器根据受控电压信号和充放电电容两端的电压产生导通时间信号。5.如权利要求4所述恒定导通时间控制的多通道直流-直流变换器，其中，当开关电路为降压BUCK变换电路时，充电电流信号与输入电压信号成正比，受控电压信号与输出电压信号成正比。6.如权利要求4所述恒定导通时间控制的多通道直流-直流变换器，其中，每个恒定导通时间控制器进一步包括使能信号发生器用于产生使能信号，所述使能信号发生器包括: 钳位电路，用于判定时钟信号和控制信号的相位差，并产生第一钳位信号，当相位差大于一个相位阈值时，第一钳位信号控制使能信号不使能锁相环电路。7.如权利要求6所述恒定导通时间控制的多通道直流-直流变换器，其中，所述钳位电路包括一个滞环比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端接收与充电电流信号成比例的一个参考电流信号，其第二输入端接收补充充电电流信号，滞环比较器比较参考电流信号和补充充电电流信号，并在输出端输出第一钳位信号。8.如权利要求4所述恒定导通时间控制的多通道直流-直流变换器，其中，每个恒定导通时间控制器进一步包括使能信号发生器用于产生使能信号，所述使能信号发生器包括: 轻载判定电路，用于判定开关电路是否轻载，并产生第二钳位信号，当开关电路轻载时，第二钳位信号控制使能信号不使能锁相环电路。9.如权利要求1所述恒定导通时间控制的多通道直流-直流变换器，其中，所述η个开关电路具有相同的电路拓扑结构。10.如权利要求1所述恒定导通时间控制的多通道直流-直流变换器，其中，所述η个开关电路具有不同的电路拓扑结构。11.一种恒定导通时间控制电路，用于控制η通道直流-直流变换器中每个通道的开关变换器分时复用一个输入电压信号，所述恒定导通时间控制电路包括: 对应控制每个通道的开关变换器的η个子控制电路，分别接收η个频率相同、并依次具有相同相位差的时钟信号，其中，η个时钟信号的频率与每个通道的开关变换器在稳态工作模式下的开关频率相等;每个子控制电路进一步接收输入电压信号、对应通道的开关变换器的输出电压信号、代表对应通道的开关变换器的输出电压的反馈电压信号;每个子控制器根据输入电压信号、对应的输出电压信号、对应的反馈电压信号和对应的时钟信号产生控制信号，用于控制对应通道的开关变换器;其中，当开关电路工作在稳态时，每个子控制器控制对应通道的开关变换器中的可控开关的开关频率和相位与对应的时钟信号的频率和相位相等。12.如权利要求11所述的恒定导通时间控制电路，其中，每个子控制电路包括: 锁相环电路，接收控制信号、对应的时钟信号和使能信号，当使能信号使能锁相环电路时，锁相环电路根据控制信号和对应的时钟信号，产生代表控制信号和对应的时钟信号的相位差值的误差信号； 关断时间产生电路，接收反馈电压信号，并将反馈信号和参考电压信号比较，并产生关断时间信号； 导通时间产生电路，接收输入电压信号、输出电压信号和误差信号，并根据输入电压信号、输出电压信号和误差信号产生导通时间信号；以及 逻辑电路，接收关断时间信号和导通时间信号，并对关断时间信号和导通时间信号做逻辑运算，进而产生控制信号。13.—种用于多通道直流-直流变换器的恒定导通时间控制方法，所述多通道直流-直流变换器具有一个输入端和η个输出端，其中η为大于等于2的正整数，所述多通道直流-直流变换器包括η个开关电路，共同耦接在多通道直流-直流变换器的输入端接收输入电压信号，每个开关电路将输入电压信号转换为输出电压信号，并分别送至多通道直流-直流变换器的η个输出端，其中，每个开关电路包括至少一个可控开关，所述控制方法包括: 判断每个开关电路是否工作在稳态； 产生η个频率相同、并依次具有相同相位差的时钟信号，其中，η个时钟信号的频率与η个开关电路稳态工作模式下的开关频率相等； 提供表征每个开关电路的输出电压的反馈电压信号；以及 根据每个开关电路的输入电压信号、输出电压信号、反馈电压信号和η个时钟信号中的一个时钟信号产生控制信号，用于控制对应的开关电路中的可控开关，使得每个开关电路中的可控开关的开关频率和相位与对应的时钟信号的频率和相位相等。14.如权利要求13所述的恒定导通时间控制方法，其中，根据每个开关电路的输入电压信号、输出电压信号、反馈电压信号和η个时钟信号中的一个时钟信号产生控制信号的步骤包括: 根据控制信号和时钟信号，产生代表控制信号和时钟信号的相位差值的误差信号； 比较反馈信号和参考电压信号，产生关断时间信号； 根据输入电压信号、输出电压信号和误差信号，产生导通时间信号；以及 根据关断时间信号和导通时间信号，产生控制信号。
【文档编号】H02M3/155GK106059290SQ201610622009
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年8月2日
【发明人】龚军勇
【申请人】成都芯源系统有限公司