多相开关功率转换器的平均电流模式控制

摘要

示例性实施例涉及开关功率转换器。开关功率转换器可以包括配置用于平均电流模式控制的多个控制单元，其中多个控制单元中的每个控制单元包括专用的比例控制单元。开关功率转换器可以进一步包括积分器，其耦合到多个控制单元中的每个控制单元并且被配置成向每个控制单元传送信号。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年03月12日提交的、题目为“AVERAGE CURRENT MODE CONTROL OF MULTI-PHASE SWITCHING POWER CONVERTERS”的美国专利申请No.14/207338的权益，通过引用将其整体显式地并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及开关转换器。更具体地，本发明涉及多相开关功率转换器的平均电流模式控制的实施例。

背景技术

电源管理在现今电子工业中扮演重要角色。电池供电的手持式设备需要电源管理技术来延长电池寿命以及改善设备的性能和操作。电源管理的一个方面包括控制操作电压。常规的电子系统，特别是片上系统(SOC)通常包括各种子系统。各种子系统可能在为子系统的特定需求而特制的不同操作电压下操作。可以采用电压调节器(也可以被称为“电压转换器”或“功率转换器”)来向各种子系统传送特定的电压。还可以采用电压调节器来使子系统彼此隔离。

开关调节器可以包括开关电压转换器。开关电压转换器可以使用一个或多个电子开关结合着能量储存设备(电感器或电容器)在较高的输入电压和较低的输出电压之间转换以在较高的外部DC电源电压和较低的集成电路电压之间传输能量。与线性电压调节器相比，开关电压调节器的一个优势是更高的效率。

开关转换器可以基于电压模式控制技术或电流模式控制技术。常规的固定频率电流模式控制技术包括峰值电流模式控制、谷值电流模式控制和平均电流模式控制。峰值电流模式控制和谷值电流模式控制可能易受次谐波振荡的影响并且除了同步斜坡(ramp)之外可能还需要外部斜率(slope)补偿。因此，峰值电流模式控制技术和谷值电流模式控制技术可能需要更复杂的电路并且因此需要更大的硅面积。

常规的平均电流模式控制架构天然地没有次谐波问题。平均电流模式控制相对于峰值电流模式控制和谷值电流模式控制的主要区别特征是常规平均电流模式控制使用高增益和宽带宽的电流误差放大器。这可以迫使开关转换器的平均电流具有非常小的误差地跟随负载电流。常规平均电流模式控制的优势包括不需要补偿斜坡、大噪声裕度、出色的电压和电流调节以及输入电压和输出电压前馈控制。由于两个误差放大器(一个用于电压以及另一个用于电流)，该架构的实施是复杂的并且控制环的补偿变得十分有挑战性。当平均模式技术用来实施多相转换器时，挑战进一步增加。

存在对增强的开关功率转换器的需求。更具体地，存在对涉及具有常规平均电流模式架构的优势并且可以被容易地拓展到多相而不牺牲性能的简化的开关功率转换器的实施例的需求。

附图说明

图1A和图1B图示了针对峰值电流模式控制配置的多相开关转换器。

图2图示了根据本发明的示例性实施例的单相开关功率转换器。

图3是图示了根据本发明的示例性实施例的单相开关功率转换器的各种信号的绘图。

图4图示了根据本发明的示例性实施例的多相开关转换器。

图5图示了根据本发明的示例性实施例的多相开关转换器的积分控制单元、比例控制单元和外部斜坡。

图6是根据本发明的示例性实施例的多相开关转换器的图示。

图7描绘了根据本发明的示例性实施例的又一多相开关转换器。

图8是描绘根据本发明的示例性实施例的方法的流程图。

图9是描绘根据本发明的示例性实施例的另一方法的流程图。

图10描绘了根据本发明的示例性实施例的包括RF模块、数字模块和电源管理模块的设备。

具体实施方式

下面结合附图阐述的详细描述旨在作为对本发明的示例性实施例的描述，而非旨在代表可在其中实践本发明的仅有的示例性方面。贯穿本描述使用的术语“示例性”意指“用作示例、实例或解释”，并且不应当一定被解释成优于或胜过其他示例性方面。本详细描述包括具体细节以用于提供对本发明的示例性方面的透彻理解的目的。没有这些具体细节也可以实践本发明的示例性方面对本领域技术人员将是显而易见的。在一些实例中，公知的结构和器件以框图形式示出以免模糊本文中给出的示例性方面的新颖性。

图1A图示了被配置成提供输出电压Vout的峰值电流模式控制的多相开关转换器100。由于已经使用了峰值电流模式控制技术，因此，在每个开关周期中的电感器峰值电流可以被固定而最小电感器电流未受限制。对于大于50％的占空比，这导致次谐波振荡。可能需要外部斜率补偿技术来抑制次谐波振荡。

图1B图示了使用常规的平均电流模式控制的单相降压转换器110。如在图1B中图示的，在转换器110中使用的控制具有两个不同的误差积分器以及补偿电路装置。因此，使用的控制可能是复杂的并且需要更多的硅区域来实施。

如本文描述的，示例性实施例涉及固定频率的开关功率转换器及其操作的方法。示例性实施例可以涉及配置用于使用平均电流模式控制技术的单相功率转换器或多相功率转换器。可以通过注入外部同步时钟的AC分量实现固定频率操作。示例性实施例可以限制(并且可能防止)次谐波问题。此外，示例性实施例可以在相对较快的瞬态响应、相对较快的线性/负载调节和固定频率操作的情况下从基本0％-100％的占空比操作。

根据单相示例性实施例，开关功率转换器可以包括电流估计器，电流估计器用于估计经过耦合到被配置成传送输出电压的功率级的输出的电感器的电流。功率转换器还可以包括控制单元，控制单元被配置成将估计的电感器电流与积分的误差电压、缩放的误差电压和注入的同步时钟的AC分量的结果相比较。得到的脉冲宽度调制信号控制功率级。

根据多相示例性实施例，开关功率转换器可以包括配置用于平均电流模式控制的多个控制单元，其中多个控制单元中的每个单元包括专用的缩放误差电压并且可以被配置成独立地接收相移同步时钟的AC分量。此外，开关功率转换器可以包括由所有控制单元共享的单个误差电压积分器。开关功率转换器还可以包括配置用于平均电流模式控制的多个功率级，其中多个功率级中的每个功率相位具有电感器电流估计器并且被配置成接收来自多个控制单元的关联的控制单元的脉冲宽度调制信号并且传送输出电压。

通过思考随后的描述、附图以及所附的权利要求，本发明的其他方面以及各个方面的特征和优点对本领域技术人员将是显而易见的。

图2描绘了根据本发明的另一示例性实施例的单相开关功率转换器200。开关功率转换器200包括控制单元204和功率级206。开关功率转换器200进一步包括电容器Cout和电阻性负载Rload。开关功率转换器200可以被配置成利用基准电压Vref调节输出电压Vout。功率级206包括电压源212、开关S1和S2、电阻器Rf、电感器L和电容器Cf。如本领域技术人员将理解的，电阻器Rf和电容器Cf可以包括RC无损电感器电流估计器207。

控制单元204包括比例积分(PI)控制单元205、同步斜坡208、电容器Cc和双边脉冲宽度调制器比较器210。PI控制单元205包括被配置成接收输出电压Vout的输入以及被配置成接收基准电压Vref的另一输入。PI控制单元205的输出可以耦合到节点G，节点G可以是高阻抗节点。同步斜坡208可以被配置成接收外部时钟相位Φ1。此外，同步斜坡208的输出可以被电容性地耦合到节点G(即，经由电容器Cc)。因此，包括相位信息的同步斜坡208的AC分量可以在节点G经由电容器Cc被添加到PI控制单元205的输出。

节点G可以进一步被耦合到比较器210的输入。比较器210的另一输入可以被连接到节点H，节点H可以是功率级206的无损RC电流估计器207的输出。比较器210的输出可以包括双边脉冲宽度调制信号，可以被传送到开关S1和开关S2以用于控制其操作。

在稳态期间，PI控制单元205可以比较输出电压Vout和基准电压Vref并且生成输出信号，该输出信号可以是积分的误差电压(Vout-Vref)“积分分量”与缩放的误差电压(Vout-Vref)“比例分量”的组合。此外，同步斜坡208的输出可以将时钟相位Φ1的AC分量电容性地耦合到节点G上。在数学上，可以如下表达得到的信号V_{loop_filter_x}：

$\begin{array}{c}Vloop\_filter\left(t\right)=K\mathrm{int}*{\int }_0^t(Vout-Vref)dt+Kp*(Vout-Vref)+\frac{Vramp}{R*C}*(t-\\ nTs)\end{array}---\left(1\right)$

其中Kint、Kp是常数，Vramp是外部时钟电路的电源以及n是整数。得到的信号V_{loop_filter_x}可以与电感器电流V_Isns相比较来控制级206的功率开关并且因此调节输出电压Vout。

无损RC电感器电流估计器207可以被用来估计电感器电流。在该实施例中，可以控制电感器电流的斜率而不是控制绝对的电感器电流值。可以设计RC电感器电流估计器207使得输出信号(V_Isns)的斜率大于电感器电流斜率。通过限制RC电感器电流估计器207的输出信号(V_Isns)的斜率，电感器电流可以被包含在边界内以确保稳定的操作。将使用pwm比较器210比较无损电感器电流估计器207的输出与信号V_{loop_filter_x}。基于该比较，可以生成双边脉冲宽度调制信号。该调制信号可以控制功率级206的功率开关S1和S2并且相对于Vref调节输出电压Vout。

在稳态期间，凭借注入锁定现象，同步时钟的AC分量迫使转换器的开关周期等于同步时钟周期。

图3是包括设备(诸如图2中图示的开关功率转换器200)在稳态操作期间的各种信号的绘图300。绘图300包括代表误差信号(误差＝Vout-Vref)的积分的信号302。此外，绘图300包括代表多相开关功率转换器的同步时钟信号(Φ1)的信号304以及代表同步斜坡信号(例如，由图2的同步斜坡208传送的信号“V_{sync_ramp_x}”)的信号306。该同步斜坡信号306包括同步时钟的AC相位信息和DC。绘图300还包括代表被传送到比较器的信号(例如，被传送到比较器308的V_{loop_filter_x})的信号308。可以通过信号302设置该信号的DC电压并且AC相位信息是从同步时钟信号304注入的AC相位信息和比例控制单元的输出的求和的结果。信号310代表来自功率级的电感器电流的近似估计(例如，“V_{Isns_x}”)。绘图300进一步包括如通过附图标记312指示的在彼此之上绘制的信号308和信号310。这两个信号将是比较器210的输入并且将被比较以向功率级传送脉冲宽度调制的占空比信号314。

因为由注入锁定确保的固定频率操作，所以提出的技术可以被扩展以用于多相功率转换器。图4图示了根据本发明的示例性实施例的多相开关功率转换器400。多相开关功率转换器400包括积分控制单元402、多个控制单元404_1-404_N和多个功率级406_1-406_N。多个控制单元404_1-404_N的每个单元404包括同步斜坡410、比例控制单元412、电容器Cc和比较器408。此外，多个功率级406_1-406_N的每个级406包括功率开关414、电感器L和包括电阻器Rf和电容器Cf的RC电流估计器。此外，设备400包括电容器Cout和电阻性负载Rload。设备400可以配置成传送输出电压Vout。应当注意，多个控制单元404_1-404_N和多个功率级406_1-406_N一起可以被称为多相开关功率转换器的多个相。

如在图4中图示的，积分控制单元402可以被配置成接收基准电压Vref和输出电压Vout，并且向每个单元404的比例控制单元412传送误差积分控制信号(V_integral)。每个单元404的比例控制单元412进一步被配置成接收输出电压Vout和基准电压Vref。此外，每个单元404的同步斜坡410可以被配置成接收相位信号Φ₁-Φ_N。同步斜坡410的输出信号可以经由电容器Cc被连接到比例控制单元412的输出。在每个单元404内，比较器408可以被配置成接收节点B处的信号V_{loop_filter_x}，信号V_{loop_filter_x}包括电容性耦合的相位信息(即，时钟相位的AC分量)、误差电压的比例和积分。比较器408可以进一步被配置成从对应的级406的节点A接收信号V_{Isns_x}。更具体地，比较器408的反相输入可以被配置成经由节点B接收信号并且比较器408的非反相输入可以被配置成从对应的相406的RC无损估计器407接收信号。每个单元404的比较器408的输出(可以包括脉冲宽度调制信号)可以被耦合到对应的功率级406的功率开关414。

功率转换器400可以被配置成在环路中使用单个积分器，因此，功率转换器400的每个相在所有节点处具有相同的DC电压分量而具有不同的相移的AC电压分量。因此，具有到DC源或地的低阻抗路径的所有节点可以被共享以减少电路并且因此减少裸片区域。然而，高阻抗节点可能具有相位信息并且因此不应当被共享。

如本文描述的，与多相转换器有关的各种示例性实施例将PI补偿器分开成比例单元和积分单元。多相转换器的每个相具有专用的比例控制单元但是使用由所有相共享的单个积分器单元。由于积分器单元的输出节点“V_integral”可能是对地的低阻抗节点，因此，它可以在多个相之间共享。然而，比例单元的输出节点(即，节点B)可以是高阻抗节点并且具有相位信息，因此，它不应当被共用。PI补偿器的分开可以避免任何可能的稳定性担忧并且可以实现具有精简的电路装置的多相操作。由于每个相具有专用的高阻抗比例单元输出节点，可以在节点B注入相位信息而基本不影响积分器的低阻抗输出节点，并且可以实现注入锁定以用于固定频率多相操作。

图5提供了根据本发明的示例性实施例的积分控制单元402、比例控制单元412和同步斜坡410的更详细的图示。如在图5中图示的，积分控制单元402可以包括跨导放大器420，跨导放大器420具有被配置成接收基准电压Vref的输入以及被配置成接收输出电压Vout的另一输入。此外，跨导放大器420的输出可以被耦合到节点C，节点C可以进一步被耦合到电容器C1，电容器C1可以进一步被耦合到地电压GRND。

比例控制单元412包括跨导放大器430，跨导放大器430具有被配置成接收基准电压Vref的输入以及被配置成接收输出电压Vout的另一输入。跨导放大器430的输出可以被耦合到节点D，节点D进一步经由高电阻的电阻器R2被耦合到节点C。相应地，可以通过在节点C处的信号的DC电压设置在节点D处的DC偏置电压。此外，由于节点D可以是高阻抗节点，因此，节点D处的AC电压可以与节点C隔离。可以被配置成接收相位信号Φ_x的同步斜坡410包括电容器C3和电阻器R3。在节点E处的同步斜坡信号的AC电压信息可以经由电容器C2被耦合到节点D。如本领域技术人员将理解的，在节点D处的信号(即，V_{loop_filter_x})可以包括来自积分控制单元402的DC电压输出、来自同步斜坡410的AC电压输出和来自比例控制单元412的AC电压输出的组合。

如本领域技术人员将理解的，可以经由平均电流模式控制技术实施的多相开关功率转换器400包括用于多个相的单个积分器和每个相专用的比例控制单元。这些专用的比例控制单元可以在它们的输出节点处具有相位信息。可以在节点D处通过固定频率的外部同步斜坡信号经由耦合电容器C2注入该相位信息。此外，在节点D处得到的信号(V_{loop_filter_x})可以经由每个相的比较器408与在节点A处估计的电感器电流信号(V_{Isns_x})相比较，并且产生对应相的占空比。该脉冲宽度调制占空比信号的固定频率可以由注入的固定频率的同步斜坡信号(即，经由通常被称为“频率锁定”的公知的技术)强迫。每个控制单元404的比较器408的输出可以被连接到每个功率级406的对应的功率开关414，并且产生需要的输出电压。

图6是根据本发明的示例性实施例的多相开关功率转换器500的另一图示。多相开关功率转换器500包括积分控制单元502、多个控制单元504_1–504_N和多个功率级506_1–506_N。可以被配置成传送输出电压Vout的设备500进一步包括输出电容器Cout和电阻性负载Rload。

多个控制单元504_1–504_N中的每个单元504包括同步斜坡510、比例控制单元512、电容器Cc和比较器508。此外，多个功率级506_1–506_N中的每一级506包括开关S1和S2、电感器L以及包括电阻器Rf和电容器Cf的RC电流估计器507。积分控制单元502包括跨导放大器520和电容器C4。此外，每个单元504的比例控制单元512包括跨导放大器522和电阻器R4，并且每个单元504的斜坡510包括电阻器R5和电容器C5。

积分控制单元502的输出可以经由电阻器R4被耦合到每个比例控制单元512的节点E。节点E可以进一步被耦合到节点F，节点F可以被耦合到比较器508的输入。比较器508的另一输入可以被耦合到对应级506的节点G。此外，斜坡510的输出可以经由电容器Cc被耦合到节点F。每个单元504的比较器508的输出可以包括脉冲宽度调制信号，脉冲宽度调制信号可以被配置成控制对应级506的开关S1和S2。

在多相开关功率转换器500的预期的操作期间，每个斜坡510可以被配置成接收相位信号(“Φ”)并且经由电容器Cc向节点F传送信号。此外，节点F接收比例控制单元512的输出和得到的信号，并且环路滤波器信号(“V_{loop_filter_1}”)可以被传送到比较器508。比较器508可以进一步被配置成从电流估计器507接收信号并且向关联的级506传送信号(“V_{pwm_comp_1}”)以用于控制开关S1和S2。多相开关功率转换器500可以被配置成传送输出电压Vout。

如本领域技术人员将理解的，多相开关功率转换器500的积分路径和比例路径被去耦，因此，允许不同的相位信息被添加在比例节点(即，节点F)上以用于各个相。此外，可以在高阻抗节点(即，节点E)处容易地注入外部相位信息而不干扰低阻抗节点(即，节点I)。

图7描绘了根据本发明的另一示例性实施例的多相开关功率转换器600。多相开关功率转换器600包括多个控制单元604_1–604_N和多个功率级606_1–606_N。多相开关功率转换器600进一步包括电容器Cout和电阻性负载Rload。多相开关功率转换器600可以被配置成传送输出电压Vout。

每个控制单元604包括同步斜坡608和比较器610。斜坡608的输出可以经由电容器Cc被耦合到节点J。节点J可以进一步经由电阻器RZ被耦合到输出电压Vout。节点J还可以被耦合到比较器610的输入。比较器610的另一输入可以被耦合到节点K，节点K可以经由电容器C6被耦合到基准电压Vref和对应级606的节点L。可以包括脉冲宽度调制信号的每个控制单元604的比较器610的输出可以被传送到关联的功率级606以用于控制其操作。每个功率级606包括电压源612、开关S1和S2、电感器L以及包括电阻器Rf和电容器Cf的RC电流估计器607。

在多相开关功率转换器600的操作期间，每个外部斜坡608可以被配置成接收相位信号(“Φ”)并且经由电容器Cc向节点J传送信号。此外，节点J经由电阻器RZ接收输出电压Vout并且得到的环路滤波器信号(“V_{loop_filter_1}”)可以被传送到比较器610。比较器610可以进一步被配置成接收来自关联的功率级606的RC电流估计器607(即，经由电容器C6)的信号和基准电压Vref，并且向关联的功率级606传送信号以用于控制开关S1和S2。多相开关功率转换器600可以被配置成传送输出电压Vout。

图8是图示了根据一个或多个示例性实施例的方法700的流程图。方法700可以包括针对开关功率转换器的多个相中的每个相经由积分控制单元传送来自单个积分器的误差信号的积分(由附图标记702描绘)。此外，方法700可以包括针对多个相中的每个相经由比例控制单元独立地提供与误差电压成比例的信号(由附图标记704描绘)。此外，方法700包括针对每个相独立地注入相位信息(由附图标记706描绘)。

图9是图示根据一个或多个示例性实施例的方法800的流程图。方法800可以包括在多相开关功率转换器的每个相处独立地接收相位信息(由附图标记802描绘)。此外，方法800可以包括经由专用路径并且响应于来自共享的积分器的信号控制多相开关功率转换器的每个相(由附图标记804描绘)。

图10是根据本发明的示例性实施例的电子设备900的框图。根据一个示例，设备900可以包括诸如移动电话的便携式电子设备。设备900可以包括各种模块，诸如数字模块902、RF模块904和电源管理模块906。数字模块902可以包括存储器以及一个或多个处理器910和存储器912。包括RF电路装置的RF模块904可以包括收发器905(包括发射器907和接收器909)并且可以被配置用于经由天线908的双向无线通信。一般来说，电子设备900可以包括用于任意数量的通信系统、任意数量的频带和任意数量的天线的任意数量的发射器和任意数量的接收器。此外，如本文所描述的，根据本发明的示例性实施例，电源管理模块906可以包括一个或多个开关功率转换器914。

如本领域技术人员将理解的，与常规的开关功率转换器相比，本发明包括简化的实施方式和有限的次谐波振荡。此外，本发明可以能够使用包络跟踪技术，可以具有基本0％到基本100％的占空比操作范围，表现出快速线性/负载瞬态响应并且可以被配置成用于固定频率和/或高频率操作。

本领域技术人员应当理解，信息和信号可使用各种不同技术和技艺中的任意一种来代表。例如，贯穿上文描述可能被提及的数据、指令、命令、信息、信号、位(bit)、符号和芯片可由电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光粒子或其任何组合来代表。

本领域技术人员能够进一步理解，结合本文中公开的示例性实施例描述的各种解释性逻辑块、模块、电路和算法步骤可以被实施成电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了清楚地解释硬件与软件的该可互换性，各种解释性部件、块、模块、电路和步骤在上文以其功能性的形式一般化地描述。这种功能性是被实施成硬件还是软件取决于特定应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员可针对每种特定应用以不同方式来实施所描述的功能性，但这种实施决定不应当被解释成导致脱离本发明的示例性实施例的范围。

结合本文中公开的示例性实施例描述的各种解释性逻辑块、模块、以及电路可利用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件部件或其设计成执行本文所描述的功能的任何组合来实施或执行。通用处理器可以是微处理器，但在备选方案中，处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可以被实施成计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协同的一个或多个微处理器或任何其他此类配置。

在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可以在硬件、软件、固件或其任何组合中实施。如果在软件中实施，则各功能可以作为一条或多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，包括促成计算机程序从一个地方向另一地方转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。以示例的方式而非限定，这种计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的期望程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。而且，任何连接也被恰当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电以及微波之类的无线技术从web网站、服务器或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘常常磁性地再现数据而碟利用激光光学地再现数据。上面的组合也应当被包括在计算机可读介质的范围内。

提供了以上对所公开的示例性实施例的描述是为了使任何本领域技术人员能够制作或使用本发明。对这些示例性实施例的各种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，并且本文中定义的普适原理可被应用于其他示例性实施例而不会脱离本发明的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限制于本文中示出的示例性实施例，而是应被赋予与本文中公开的原理和新颖性特征一致的最宽的范围。