将DC/DC转换器扩展成为多相DC/DC转换器

摘要

能够构造用于如多相DC/DC那样工作的DC/DC转换器。控制器产生主驱动信号以控制主功率开关产生希望水平的输出DC信号。多个次功率级被联接在输入节点和输出节点之间用于产生输出DC信号。多个次功率级中的每个具有至少一个次功率开关，该至少一个功率开关响应于输入DC信号用于产生输出DC信号。扩展器系统将DC/DC转换器构造成以多相DC/DC转换模式工作。扩展器系统响应于主驱动信号用于产生多个从驱动信号，所述多个从驱动信号被供给到多个次功率级用于控制次功率开关。从驱动信号具有关于主驱动信号并且关于从驱动信号彼此偏移的相位。

说明书

技术领域

本公开涉及电源系统，并且更特别地涉及用于将DC/DC转换器扩 展成为多相DC/DC转换器的技术。

背景技术

常规的多相DC/DC转换器可以采用并联布置在输入和负载之间的 两个或更多个相同的交错的单相DC/DC转换器。n“相”中的每个在 开关期间以相同的间隔被接通，从而多相系统的有效输出-纹波频率为 n×f，其中f是每个转换器的工作频率，而n是转换器中的相位数。 与单相系统相比，这提供了更好的动态特性和弱的解耦能力。另外， 多相转换器系统能够如同n倍快的开关那样快速响应于负载变化，而 不会增大开关损耗。因此，能够响应于快速变化的负载，诸如现代微 处理器。

但是，常规的多相转换器系统是不经济的，因为它们要求带有全 部关联元件的多个单相转换器。

对于具有高相位数的系统，难以在电路板上对每个单相转换器的 引脚布线。另外，系统中的各个单相转换器将影响其它转换器的性能， 例如，各个转换器能够拾取到来自其它转换器的噪声。

对于升压-降压多相系统，开关的控制方案是非常复杂的，使得难 以使全部的相以协调的方式执行。例如，一个单相转换器能够以升压- 降压峰模式工作，而其它转换器能够以升压-降压谷模式工作。

因此，存在对于新的技术的需求：该技术将允许DC/DC转换器如 多相DC/DC转换器那样工作，而没有常规多相系统的缺陷。

发明内容

根据一个方面，本公开提出了一种能够构造成为多相DC/DC转换 器的单个DC/DC转换器。所述DC/DC转换器具有联接在输入节点和 输出节点之间的主功率级，并且包括至少一个主功率开关，该至少一 个主功率开关响应于输入DC信号以产生输出DC信号。该转换器还包 括控制器，所述控制器用于产生主驱动信号以控制主功率开关以产生 希望水平的输出DC信号。

多个次功率级被设置在输入节点和输出节点之间用于产生所述输 出DC信号。多个次功率级中的每一个具有至少一个次功率开关，所述 至少一个次功率开关响应于输入DC信号以产生输出DC信号。

扩展器系统被提供用于将DC/DC转换器构造成在多相DC/DC转 换模式下工作。扩展器系统响应于主驱动信号以产生多个从驱动信号， 所述多个从驱动信号分别被供给到多个次功率级以控制从功率开关。

扩展器系统可以产生关于主驱动信号并且关于从驱动信号彼此具 有偏移的相位的从驱动信号。从驱动信号的相位可以基于DC/DC转换 器的相位数目来确定。

扩展器系统可以响应于主功率级和次功率级中的输出电流的感测 值用于变化次功率开关的占空比，以在DC/DC转换器的全部功率级中 提供相等的输出电流值。

在示例性实施方式中，扩展器系统可以包括相位发生器，所述相 位发生器响应于主驱动信号以产生用于每个次功率级的至少一个基本 从驱动信号。由相位发生器产生的用于特别的次功率级的基本从驱动 信号可以关于主驱动信号相位偏移，偏移量由特别的次功率级确定。

扩展器系统可以进一步包括电流感应电路，所述电流感应电路构 造用于将主功率级中的输出电流的均值与每个次功率级中的输出电流 的均值比较。

另外，扩展器系统可以包括占空比调节电路，所述占空比调节电 路由电流感应电路控制以基于基本从驱动信号产生用于每个次功率级 的至少一个被调节的从驱动信号。用于特别的次功率级的被调节的从 驱动信号被产生以控制在各自的所述次功率级中的次功率开关的占空 比，以使各自的次功率级中的输出电流的均值等于主功率级中的输出 电流的均值。

主功率开关和次功率开关中的每个均可以包括MOSFET晶体管。 主驱动信号可以被产生以控制主功率级中的MOSFET晶体管的栅极， 并且多个从驱动信号可以被产生以控制所述次功率级中的各个 MOSFET晶体管的栅极。

根据本公开的另一方面，执行如下步骤以将DC/DC转换器构造成 在多相DC/DC转换模式下工作：

-产生主驱动信号，以控制DC/DC转换器的联接在DC/DC转换 器的输入节点和输出节点之间的主功率级中的主开关，以及

-基于主驱动信号，产生多个从驱动信号以分别控制联接在 DC/DC转换器的输入节点和输出节点之间的多个次功率级中的次开 关，从驱动信号具有关于主驱动信号并且关于从驱动信号彼此偏移的 相位。

从驱动信号的相位可以基于DC/DC转换模式中的希望的相位数目 来确定。

所述方法可以进一步包括步骤：感测主功率级和次功率级中的输 出电流值，并且基于所感测的值变化次开关的占空比。次开关的占空 比可以被变化以在DC/DC转换器的全部功率级中的提供相等的输出电 流值。

根据又一方面，本公开提出了用于使得DC/DC转换器如多相 DC/DC转换器那样工作的扩展器系统。该扩展器系统包括相位发生器， 所述相位发生器被供给由DC/DC转换器的控制器产生的主驱动信号， 所述主驱动信号被产生用于控制联接在DC/DC控制器的输入节点和输 出节点之间的主功率级中的主功率开关，

相位发生器可以构造用于产生至少一个基本从驱动信号用于控制 联接在DC/DC转换器的所述输入节点和输出节点之间的多个次功率级 中的每一个中的次功率开关，所产生的用于特别的次功率级的基本从 驱动信号可以关于主驱动信号相位偏移，偏移量由特别的次功率级确 定。

该扩展器系统可以进一步包括：电流感应电路，所述电流感应电 路构造用于将主功率级中的输出电流的均值与每个次功率级中的输出 电流的均值比较；和占空比调节电路，所述占空比调节电路由电流感 应电路控制以基于基本从驱动信号产生用于每个次功率级的至少一个 被调节的从驱动信号。用于特别的次功率级的该被调节的从驱动信号 可以被产生以控制相应的次功率级中的次功率开关的占空比，以使各 自的次功率级中的输出电流的均值等于主功率级中的输出电流的均 值。

例如，占空比调节电路可以构造用于使基本从驱动信号中的脉冲 的轨迹(trail)偏移。

主功率开关和次功率开关中的每个均可以包括MOSFET晶体管。 主驱动信号可以被产生以控制主功率级中的MOSFET晶体管的栅极， 并且多个从驱动信号可以被产生以控制次功率级中的各个MOSFET晶 体管的栅极。

从下面的详细说明中，本领域技术人员将易于显而易见本公开的 其它优点和方面，其中本公开的实施方式仅以旨在实践本公开的最佳 模式举例示出和说明，如将要描述的，本公开适用于其他的和不同的 实施方式，并且其多个细节能够在各种显而易见的方面进行修改，所 有这些均不偏离本公开的精神。因此，附图和说明书在本质上被认为 是说明性的，而不是限制性的。

附图说明

当结合附图阅读时，能够最佳地理解本公开的实施方式的以下详 细说明，其中特征不必按比例绘制，而是被绘制成最佳地示出了相关 的特征，其中：

图1示出了本公开的DC/DC转换器的示例性实施方式。

图2示出了图1中示出了的主功率级18或者次功率级22的简化 示例性实施方式。

图3示出了图1中所示的DC/DC扩展器的示例性实施方式。

图4A-4F是示出本公开的DC/DC转换器中的各种信号的示例性波 形的时序图。

具体实施方式

将基于DC/DC同步降压(buck)转换器构造使用示例性实施方式 提出本公开。但是，显然的，本公开的构思可应用于任意的DC/DC转 换器，包括降压、升压以及升压-降压转换器。

图1示出了本公开的DC/DC转换器10的示例性实施方式。该转 换器包括具有单相DC/DC转换器布置的主开关12。DC/DC转换器10 进一步包括次(secondary)开关部分14，该次开关部分14用于将DC/DC 转换器10构造成如多相DC/DC转换器那样工作。例如，主开关12和 次开关部分14可以基于同一半导体芯片来提供，即主开关12和次开 关部分14的元件可以整合到或者附接到同一半导体芯片。

主开关12可以包括DC/DC控制器16和主功率级(primary power  stage)18，主功率级18具有至少一个主功率开关，诸如MOSFET，该 主功率开关受来自DC/DC控制器16的栅极驱动信号控制，以产生关 于供给到功率级18的输入DC电压Vin具有希望值的输出DC电压 Vout。下面将更详细地讨论功率开关18的示例性布置。

次开关部分14可以包括DC/DC扩展器20和一个或更多个次功率 级22。虽然图1示出了多个次功率级1至N，本领域技术人员将认识 到本公开的构思还可应用于单个次功率级。次功率级1至N中的每个 具有至少一个次功率开关，诸如MOSFET，该次功率开关受DC/DC扩 展器20产生的相应栅极驱动信号1至N的控制，以响应于输入DC电 压Vin形成输出DC电压Vout。每个次功率级22可以具有与主功率级 18相类似的布置。

如下面更详细地讨论的，DC/DC扩展器20接收来自主功率级18 的电流感应信号和各个次功率级1至N的电流感应信号1至N。电流 感应信号提供了各个功率级的输出处的电流值的指示。另外，DC/DC 扩展器20接收来自DC/DC控制器16的时序感应信号。该时序感应信 号可以基于DC/DC控制器16产生的栅极驱动信号来提供。

基于时刻(timing)感应信号和电流感应信号，DC/DC扩展器20 产生一个或更多个栅极驱动信号1至N，该栅极驱动信号被提供到各 个次功率级1至N以控制各个次功率级。如下所述，栅极驱动信号1 至N形成为允许DC/DC转换器10如具有(N+1)相的多相DC/DC转 换器那样工作。

例如，如图2所示，主功率级18和次功率级22中的每个均可以 具有提供用以产生比输入电压Vin低的输出电压Vout的同步降压布 置。在图2中的简化示例性实施方式中，主功率级和次功率级中的每 个均可以具有被供给输入DC电压Vin的输入电压节点Vin和用于产生 输出DC电压Vout的输出电压节点Vout。每个功率级包括联接在输入 电压节点Vin和接地端子之间的上MOSFET30和下MOSFET32、联 接到MOSFETs30和32的输出的感应元件L、布置用于确定在功率级 的输出处的电流值的感应电阻器Rs以及联接到输出电压端子Vout的 输出电容器元件Cout。MOSFETs30和32可以是N型MOSFETs。替 代地，P型MOSFETs可用作MOSFETs30和32。另外，MOSFETs30 和32之一可以是P型MOSFET，而另一MOSFET可以是N型MOSFET。

MOSFETs30和32的栅极由各自地经由输入控制节点INA和INB 提供的栅极驱动信号控制。输入控制节点INA和INB可以被供给关于 彼此异相180°的一对栅极驱动信号。在主功率级18中，该对栅极驱 动信号由DC/DC控制器16产生。在每个次功率级22中，各对栅极驱 动信号由DC/DC扩展器20产生。

图2示出了其中在电感元件L的输出处使用差分电流感应感测感 应电阻器Rs两端的电流的示例。经由功率级的一对电流感应输出，来 自主功率级18和次功率级22中每个的电流感应信号被提供到DC/DC 扩展器20的各自的电流感应输入。如本领域技术人员将认识到的，本 公开的构思能够使用任意电流感测技术实施。

图3示出了DC/DC扩展器20的简化示例性实施方式，DC/DC扩 展器20包括时序感应和控制电路电路34以及电流感应电路36。时序 感应和控制电路34包括具有非反相输入的比较器38和40，其被供给 由DC/DC控制器16形成的栅极驱动信号。比较器38接收形成用于驱 动主功率级18中的上MOSFET30的栅极的栅极驱动信号，而比较器 40接收形成用于驱动主功率级18中的下MOSFET32的栅极的栅极驱 动信号。比较器38的反相输入可以联接到主功率级18中的MOSFETs 30和32之间的节点，而比较器40的反相输入可以联接到主功率级18 的接地节点。

比较器38和40的输出形成一对主驱动信号，该一对主驱动信号 由扩展器20使用，以产生多对从驱动信号，该多对从驱动信号用于驱 动各个次功率级22中的成对MOSFETs。比较器38的输出处的信号在 图4A的时序图中示出。该信号表示在主功率级18的上MOSFET30 的栅极处感测的信号。如图4B中的时序图所示，比较器40的输出处 的、表示在主功率级18中的下MOSFET32的栅极处的感测信号的信 号可以关于比较器38的输出处的信号异相180°。

在比较器38和40的输出处形成的主驱动信号被分别供给到相位 发生器42的输入INA和INB。相位发生器42的模式输入可用以将扩 展器20编程为允许扩展器20将DC/DC转换器10设置为在具有希望 相位数的多相模式下工作。特别地，相位发生器42的模式输入可以被 供给标示用于DC/DC转换器10的工作的希望相位数的信号。

基于模式输入处的信号，相位发生器42使主驱动信号的相位移相， 以提供从驱动信号的适当相位延迟，用于使DC/DC转换器10以具有 希望相位数的多相模式工作。特别地，相位发生器42可以包括多个移 相通道1至N，所述移相通道1至N具有共用对的输入INA和INB以 及与各个次功率级1至N相对应的多对输出OUT1A、OUT1B至OUTNA 和OUTNB。在每个通道1至N中，相位发生器42使输入INA、INB 处的主驱动信号移相以在各个对的输出OUT1A、OUT1B至OUTNA和 OUTNB处产生具有关于主驱动信号的相位延迟适当量的相位的成对 基本从驱动信号。

图4C示出了通过使输入INA处的主驱动信号移相在相位发生器 42的输出OUT1A处产生的基本从驱动信号。图4D示出了通过使输入 INB处的主驱动信号移相在相位发生器42的输出OUT1B处产生的基 本从驱动信号。基本从驱动信号和各自的主驱动信号之间的相位延迟 由希望的相位数确定。

例如，为将DC/DC转换器10构造成为四相转换器，相位发生器 42将三个额外相位添加到与主开关12对应的相位。在该情况中，移相 通道1的输出OUT1A和OUT1B处的每个基本从驱动信号的相位可以 关于相应的主驱动信号的相位延迟90°。移相通道2的输出OUT2A 和OUT2B处的每个基本从驱动信号的相位可以关于各自的主驱动信号 的相位延迟180°。最后，移相通道3的输出OUT3A和OUT3B处的 每个基本从驱动信号的相位可以关于各自的主驱动信号的相位延迟 270°。这将导致在DC/DC转换器10的输入和输出处的最高水平的纹 波消减。

来自输出OUT1A、OUT1B至OUTNA、OUTNB的基本从驱动信 号被分别供给到修改次功率级22中的次功率开关的占空比的占空比调 节电路44的输入IN1A、IN1B至INNA、INNB，以在DC/DC转换器 的包括主功率级18和全部次功率级20的全部功率级中提供相等的输 出电流值。开关的占空比确定开关处于ON的时间相对于包括开关处于 ON和OFF的时间段的整个开关周期的比例。

占空比调节电路44具有与各自的次功率级1至N相对应的多个控 制输入1至N。占空比调节电路44的控制输入被供给由从主功率级18 和全部的次功率级22接收电流感应信号的电流感应电路36所产生的 各个控制信号。电流感应电路36包括主运算放大器46和分别对应于 多个次功率级22的多个次运算放大器48。主运算放大器46感应流过 主功率级18中的感应电阻器Rs的电流。每个次运算放大器48感测流 过各个次功率级22中的感应电阻器Rs的电流。

由联接到电容器C的电阻器R组成的平均RC电路设置在每个运 算放大器46和48的输出处，以确定从各个主或次功率级感测的电流 的均值。经由该平均RC电路，运算放大器46的输出被联接到分别与 多个次功率级22相对应的多个运算放大器50的非反相输入。每个运 算放大器50的反相输入经由所述平均RC电路联接到相应的运算放大 器48的输出。每个运算放大器50将从主功率级18感测的电流的均值 与从相应的从功率级22感测的电流的均值比较。当从任一次功率级22 感测的平均电流值不同于从主功率级18感测的平均电流值时，相应的 运算放大器50产生标示平均电流值之间的差的输出信号，以变化相应 次功率级22中的功率开关的占空比，直到各个次功率级22中的平均 电流值变得等于主功率级18中的平均电流值。

运算放大器50的输出信号被馈送到可包括与多个次功率级1至N 相对应的多个占空比调节通道1至N的占空比调节电路44的相应控制 输入1至N。每个占空比调节通道1至N由各自的控制输入1至N控 制，以调节各自的次功率级1至N中的MOSFETs30和32中每个的占 空比，以使各个次功率级1至N中的输出电流的均值等于主功率级18 中的输出电流的均值。

如果特别的次功率级22中的平均电流值小于主功率级18中的平 均电流值，则各个占空比调节通道使得该次功率级中的上MOSFET30 的占空比增大，并且分别减小该次功率级中的下MOSFET32的占空比， 直到次功率级22中的平均电流值达到主功率级18中的平均电流值。 类似地，如果特别的次功率级22中的平均电流值高于主功率级18中 的平均电流值，则各个占空比调节通道减小该次功率级中的上 MOSFET30的占空比并且分别增大该次功率级中的下MOSFET32的 占空比，直到次功率级22中的平均电流值下降到主功率级18中的平 均电流值。

为提供占空比调节，每个占空比调节通道1至N可以使占空比调 节电路44的各个对的输入IN1A、IN1B至INNA、INNB处的基本从驱 动信号的末边沿(trail edge)偏移，以在占空比调节电路44的各个对 的输出OUT1A、OUT1B至OUTNA、OUTNB处产生被调节的从驱动 信号。来自输出OUT1A至OUTNA的被调节的从驱动信号被分别供给 到次功率级1至N的上MOSFETs30的栅极，以利用被调节的占空比 控制各个上MOSFETs30的开关。来自输出OUT1B至OUTNB的被调 节的从驱动信号被分别供给到次功率级1至N的下MOSFETs32的栅 极，以利用被调节的占空比控制各个下MOSFETs32的开关。

图4E示出了在占空比调节通道1的输出OUT1A处形成的用于供 给到次功率级1的上MOSFET30的被调节的从驱动信号的示例。在该 示例中，被调节的从驱动信号的末边沿被关于图4C中的基本从驱动信 号偏移，以减小上MOSFET30的占空比。图4E中的波形还示出了在 无占空比调节的波形。

图4F示出了在占空比调节通道1的输出OUT1B处形成的用于供 给到次功率级1的下MOSFET32的被调节的从驱动信号的示例。在该 示例中，被调节的从驱动信号的末边沿被关于图4D中的基本从驱动信 号偏移，以增加下MOSFET32的占空比。图4F中的浅阴影区域示出 了无占空比调节的波形。

前述说明例示并描述了本发明的方面。另外，本公开示出并说明 了仅优选的实施方式，但如前所述，应理解，本发明能够以各种其它 的组合、修改和环境来使用，并且能够在本文表述的发明构思的范围 内根据上述教导和/或相关领域的技术或知识进行改变和修改。

前文所述的实施方式另外旨在解释实践本发明的已知最佳方式， 并且允许本领域的其它技术人员以这样的或其它的实施方式以及利用 本发明的具体应用或使用所要求的各种修改来利用本发明。因此，本 说明书并不意图将本发明局限于本文公开的形式。