專利名稱：采用主從電流均分的微處理器多相開關(guān)電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用主從電流均分的微處理器多相開關(guān)電源，屬于計算機(jī)設(shè)備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
多相開關(guān)電源是個人計算機(jī)和筆記本電腦主板上最重要的電源器件。為了滿足人們對個人計算機(jī)和工作站性能不斷提高的要求，英特爾和超微都研制了性能優(yōu)越、集成度更高的微處理器CPU。CPU的集成規(guī)模越大，所消耗的電流也越大，目前最大的工作電流已經(jīng)達(dá)到了90A；工作電流的加大引起了功耗和散熱的問題，因此CPU的工作電壓需要降得更低；同時在CPU的工作過程中，對工作電壓的瞬態(tài)響應(yīng)也提出相應(yīng)的要求。由于功率管的特性所限，傳統(tǒng)的單相電源已經(jīng)不能滿足這種要求，多相電源則是把幾個單相電源正交并聯(lián)，各相電源依次工作，從而可以提供大電流和快速的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。
多相開關(guān)電源中，電感、電感寄生電阻、功率管的導(dǎo)通電阻、PCB板上布線電阻的微小差異，都可能導(dǎo)致并聯(lián)的各相電源的電感電流值有很大的差異。如何保證并聯(lián)的各相電源精確的共享負(fù)載電流即電流均分，是多相電源需要解決的最主要問題。所謂電流均分，是指在電流處理的過程中，選取一個參考電流，各相電感電流與之相比較，如果某一相的電感電流大于參考電流，則減小這一相的脈寬調(diào)制(以下簡稱PWM)信號的占空比，從而減小這一相電感電流；相反，如果某一相電感電流小于參考電流，那么就增大其PWM信號的占空比，從而加大電感電流。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種采用主從電流均分的微處理器多相開關(guān)電源，采用不同的方法選擇參考電流，當(dāng)參考電流確定以后，將各相電流與之進(jìn)行比較，使得各相電感電流趨近于參考電流，以保證各相電流的均衡。
本發(fā)明提出的采用主從電流均分的微處理器多相開關(guān)電源，包括(1)用于接收來自電壓比較器的脈寬調(diào)制信號和外部工作電源的輸入電壓，并輸出電感電流的電壓單元；(2)用于校正多相開關(guān)電源的輸出電壓的誤差放大器，誤差放大器的負(fù)輸入端與負(fù)載相連，正輸入端與多相開關(guān)電源的基準(zhǔn)電壓相連，其輸出端與電流放大器相連；(3)用于從上述電感電流中選擇基準(zhǔn)電流的電流選擇器，電流選擇器的輸入端接收各相電感電流，通過輸出電流總線將選擇的基準(zhǔn)電流送到電流放大器；電流總線即主電流，各相電流即從電流；(4)用于對基準(zhǔn)電流與各相電流之間的誤差進(jìn)行濾波、放大，將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，并與誤差電壓放大器輸出的誤差電壓相疊加，得到總誤差電壓的電流放大器，電流放大器的負(fù)輸入端與電感相連，正輸入端與數(shù)據(jù)總線相連，電流放大器的電壓輸入端與誤差放大器的輸出端相連，其電壓輸出端與電壓比較器的正輸入端相連；(5)用于將總誤差電壓與多相開關(guān)電源內(nèi)部的鋸齒波相比較，并輸出脈寬調(diào)制信號的電壓比較器，電壓比較器的正輸入端與電流放大器的輸出端相連，負(fù)輸入端與鋸齒波發(fā)生器相連，其輸出端與上述電壓單元的輸入端相連。
上述電源中的電壓單元包括(1)用于接收輸入脈寬調(diào)制信號，以產(chǎn)生用于上、下功率管的驅(qū)動信號的驅(qū)動器，驅(qū)動器的輸入與電壓比較器的輸出相連，其輸出端分別與上、下功率管的柵極相連；(2)用于控制輸入電壓向負(fù)載供電的上功率管，上功率管的柵極與驅(qū)動器的上功率管驅(qū)動信號輸出端相連，源端與電感相連，漏端與外部工作電源相連；(3)用于續(xù)流的下功率管，下功率管的柵極與驅(qū)動器的下功率管驅(qū)動信號輸出端相連，源端接地，漏端與電感相連；(4)用于向微處理器負(fù)載提供電流的電感，電感的一端同時與上功率管的源端和下功率管的漏端相連，另一端與負(fù)載相連。
上述電源中的電流選擇器為一并聯(lián)的開關(guān)組，開關(guān)組的輸入端接收各相電感電流，其輸出端與電流放大器相連。
上述電源中的電流放大器包括(1)用于將電流總線電流即主電流與各相電感電流即從電流進(jìn)行相減的加法器1，該加法器1的正輸入端與電流總線相連，負(fù)輸入端與電感相連，其輸出端與開關(guān)S1相連；(2)用于將主電流和從電流的差值進(jìn)行直流放大的放大器k，放大器k的輸入端與加法器1的輸出端相連，其輸出端與加法器2的輸入端相連；(3)用于控制對主電流和從電流的差值進(jìn)行采樣和保持的開關(guān)S1和S2，S1的一端與加法器1的輸出端相連，另一端同時與電容C1和開關(guān)S2相連，S2的一端與電容C1相連，另一端與電容C2相連；(4)用于保持電流差值的電容C1和C2，C1的一端與開關(guān)S1和S2相連，另一端接地，C2的一端與S1相連，另一端接地；(5)用于對取樣后的電流差值進(jìn)行放大的放大器Gi，Gi的輸入端與開關(guān)S2相連，輸出端與加法器2的輸入端相連；(6)用于將放大后的電流差值與放大后的取樣點電流差值進(jìn)行相加的加法器2，加法器2的兩個輸入端分別與放大器k和放大器G1的輸出端相連，加法器2的輸出端與電阻R相連；(7)用于將加法器2輸出的電流信號轉(zhuǎn)化成電壓信號，并完成電壓誤差放大器輸出的誤差電壓與上述轉(zhuǎn)化得到的電壓信號相加的電阻R，電阻R的一端與加法器2的輸出端相連，另一端與電壓誤差放大器相連。
本發(fā)明提出的采用主從電流均分的微處理器多相開關(guān)電源，具有以下優(yōu)點和特點1、在給CPU供電的多相開關(guān)電源中，用作電流均分的參考電流可以是依次選擇各相電源的電感電流，或者選擇各相電源電感電流中最大的某一相的電感電流，該參考電流的選擇實現(xiàn)很方便，能準(zhǔn)確的用來平衡各相電感電流。
2、主電流(即參考電流)不僅和各相從電流(即n相電源中選擇掉參考電流以后剩下的n-1相電流)比較，而且還和自己比較，比較后的誤差電流也要送入電流放大器，可以減小選擇為主電流相的電源相對于其他相電源的失調(diào)電壓。
3、本發(fā)明的電路采用內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)，即整個電路只有一個誤差放大器和一個基準(zhǔn)電壓，各相電流與平均電流相比較以后，結(jié)果疊加在同一個誤差電壓上，疊加后的電壓送入各相的比較器，效率高，實現(xiàn)簡單。
4、各相的電流放大器采用開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，有效的濾除電流信號上的噪聲，有效保持了電源輸出電壓的穩(wěn)定；電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號以及誤差電壓和轉(zhuǎn)化后的電壓信號相加，均采用一個電阻來實現(xiàn)，因此簡化了電路結(jié)構(gòu)。


圖1是本發(fā)明提出的多相開關(guān)電源的電路框圖。
圖2是圖1所示的多相開關(guān)電源中基本電壓源單元的電路圖。
圖3是依次選擇各相電感電流作為參考電流的電流選擇示意圖。
圖4是n個開關(guān)控制信號與功率管驅(qū)動信號之間的關(guān)系示意圖。
圖5是選取電流最大的某一相電源的電流作為參考電流的電流選擇示意圖。
圖6是本發(fā)明電源中電流放大器的電路圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提出的采用主從電流均分的微處理器多相開關(guān)電源，其電路圖如圖1所示，包括用于接收來自電壓比較器的脈寬調(diào)制信號和外部工作電源的輸入電壓，并輸出電感電流的電壓單元；用于校正多相開關(guān)電源的輸出電壓的誤差放大器，誤差放大器的負(fù)輸入端與負(fù)載相連，正輸入端與多相開關(guān)電源的基準(zhǔn)電壓相連，其輸出端與電流放大器相連；用于從上述電感電流中選擇基準(zhǔn)電流的電流選擇器，電流選擇器的輸入端接收各相電感電流，通過輸出電流總線將選擇的基準(zhǔn)電流送到電流放大器；電流總線即主電流，各相電流即從電流；用于對基準(zhǔn)電流與各相電流之間的誤差進(jìn)行濾波、放大，將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，并與誤差電壓放大器輸出的誤差電壓相疊加，得到總誤差電壓的電流放大器，電流放大器的負(fù)輸入端與電感相連，正輸入端與數(shù)據(jù)總線相連，電流放大器的電壓輸入端與誤差放大器的輸出端相連，其電壓輸出端與電壓比較器的正輸入端相連；用于將總誤差電壓與多相開關(guān)電源內(nèi)部的鋸齒波相比較，并輸出脈寬調(diào)制信號的電壓比較器，電壓比較器的正輸入端與電流放大器的輸出端相連，負(fù)輸入端與鋸齒波發(fā)生器(圖中未示出)相連，其輸出端與上述電壓單元的輸入端相連。
上述多相開關(guān)電源中的電壓單元，其電路圖如圖2所示，包括用于接收輸入脈寬調(diào)制信號，以產(chǎn)生用于上、下功率管的驅(qū)動信號的驅(qū)動器，驅(qū)動器的輸入與電壓比較器的輸出相連，其輸出端分別與上、下功率管的柵極相連；用于控制輸入電壓向負(fù)載供電的上功率管，上功率管的柵極與驅(qū)動器的上功率管驅(qū)動信號輸出端相連，源端與電感相連，漏端與外部工作電源相連；用于續(xù)流的下功率管，下功率管的柵極與驅(qū)動器的下功率管驅(qū)動信號輸出端相連，源端接地，漏端與電感相連；用于向微處理器負(fù)載提供電流的電感，電感的一端同時與上功率管的源端和下功率管的漏端相連，另一端與負(fù)載相連。
上述多相開關(guān)電源中，電流選擇器為一并聯(lián)的開關(guān)組，開關(guān)組的輸入端接收各相電感電流，其輸出端與電流放大器相連。
參考電流的選取有2種方法一是依次選取各相電感電流，即如果某一個開關(guān)周期內(nèi)選取第i相電源的電感電流，則下一個周期內(nèi)選取第i+1相電感電流(若i＝n，則下一個周期選取第1相)；二是自動選取電流最大的某一相電感電流。
如圖3所示，是第一種電流選擇方法，用于將輸入的n個電感電流，依次送到電流數(shù)據(jù)總線上；如圖5所示，是第二種電流選擇方法，用于將輸入的n個電感電流中的最大值送到電流數(shù)據(jù)總線上。
上述多相開關(guān)電源中的電流放大器，電路圖如圖6所示，包括用于將電流總線電流即主電流與各相電感電流即從電流進(jìn)行相減的加法器1，該加法器1的正輸入端與電流總線相連，負(fù)輸入端與電感相連，其輸出端與開關(guān)S1相連；用于將主電流和從電流的差值進(jìn)行直流放大的放大器k，放大器k的輸入端與加法器1的輸出端相連，其輸出端與加法器2的輸入端相連；用于控制對主電流和從電流的差值進(jìn)行采樣和保持的開關(guān)S1和S2，S1的一端與加法器1的輸出端相連，另一端同時與電容C1和開關(guān)S2相連，S2的一端與電容C1相連，另一端與電容C2相連；用于保持電流差值的電容C1和C2，C1的一端與開關(guān)S1和S2相連，另一端接地，C2的一端與S1相連，另一端接地；用于對取樣后的電流差值進(jìn)行放大的放大器Gi，Gi的輸入端與開關(guān)S2相連，輸出端與加法器2的輸入端相連；用于將放大后的電流差值與放大后的取樣點電流差值進(jìn)行相加的加法器2，加法器2的兩個輸入端分別與放大器k和放大器Gi的輸出端相連，加法器2的輸出端與電阻R相連；用于將加法器2輸出的電流信號轉(zhuǎn)化成電壓信號，并完成電壓誤差放大器輸出的誤差電壓與上述轉(zhuǎn)化得到的電壓信號相加的電阻R，電阻R的一端與加法器2的輸出端相連，也即總的誤差電壓端，送到比較器的正端輸入，另一端與電壓誤差放大器相連。
以下介紹本發(fā)明電路的工作原理圖1所示是采用主從電流均分的多相DC-DC開關(guān)電源的示意圖，在該示意圖中，共有n相并聯(lián)，這里列出了第1相和第n相。其中基本的電壓單元，如圖2所示，包括上功率管和下功率管，電感L和驅(qū)動上下功率管的驅(qū)動器。負(fù)載表示主板上的CPU和濾波電容。誤差放大器的負(fù)輸入端接收輸出電壓的反饋信號，正輸入端接基準(zhǔn)電壓，輸出端信號是誤差電壓，誤差放大器調(diào)節(jié)輸出電壓的值，使得輸出電壓與基準(zhǔn)電壓的誤差小于CPU電源規(guī)范所規(guī)定的誤差。
下面解釋依次選擇圖3所示采用各相電感電流作為參考電流的選擇方法假設(shè)電源中功率管的驅(qū)動信號周期是T，則n個開關(guān)s1、s2、……、sn的控制信號與T的關(guān)系如圖4所示，如果在某一個周期T內(nèi)是第i相電源的電感電流作為參考電流，那么下一個周期內(nèi)將是第i+1相的電感電流作為參考電流(若i＝n，則下一個周期選取第1相)。
Io1和Ion分別是第1相和第n相的電感電流的值，電流均分總線上的電流等于參考電流。參考電流減去各相電感電流，所得電流差經(jīng)過電流放大器放大，并轉(zhuǎn)化成電壓信號，疊加在誤差放大器輸出的誤差電壓上，送到比較器的正輸入端，與鋸齒波比較后，輸出PWM信號。如果某一相的電感電流大于參考電流，則這一相的電流誤差是負(fù)的，疊加在誤差電壓上以后，將使得這一相的PWM信號的占空比變小，從而減小這一相電感電流；相反，如果某一相電感電流小于參考電流，那么將增大其PWM信號的占空比，從而加大電感電流。
圖5所示為選取電流最大的某一相電源的電流為參考電流的選擇方法。最大電流選擇器選擇輸入的n個電流Io1、Io2、……、Ion中的最大值，并把最大值送入電流均分總線。
電流放大器包含三個功能，一是放大電流誤差信號，二是濾掉電流信號上的高頻開關(guān)信號，三是把電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，其基本結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。主電流是選擇的參考電流，從電流是任意一相電源的電感電流，電容C1和C2及兩個開關(guān)組成開關(guān)電容濾波網(wǎng)絡(luò)，Gi和k采用電流鏡結(jié)構(gòu)，放大電流誤差信號，電阻R把電流信號轉(zhuǎn)化成電壓信號。
該電流放大器從輸入電流誤差信號到轉(zhuǎn)化成電壓信號的過程，可以用傳輸函數(shù)H來表示，如公式1所示H=(11+sC2fC1Gi+k)R---(1)]]>該傳輸函數(shù)提供了一個極點ωp=fC1C2]]>和一個零點ωz=fC1C2(Gi+k),]]>組成了一個低通濾波器，適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)電容C1、C2、Gi和k的參數(shù)，可以有效的濾除電流信號上的高頻開關(guān)信號。
權(quán)利要求
1.一種采用主從電流均分的微處理器多相開關(guān)電源，其特征在于該電源包括(1)用于接收來自電壓比較器的脈寬調(diào)制信號和外部工作電源的輸入電壓，并輸出電感電流的電壓單元；(2)用于校正多相開關(guān)電源的輸出電壓的誤差放大器，誤差放大器的負(fù)輸入端與負(fù)載相連，正輸入端與多相開關(guān)電源的基準(zhǔn)電壓相連，其輸出端與電流放大器相連；(3)用于從上述電感電流中選擇基準(zhǔn)電流的電流選擇器，電流選擇器的輸入端接收各相電感電流，通過輸出電流總線將選擇的基準(zhǔn)電流送到電流放大器，電流總線即主電流，各相電流即從電流；(4)用于對基準(zhǔn)電流與各相電流之間的誤差進(jìn)行濾波、放大，將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，并與誤差電壓放大器輸出的誤差電壓相疊加，得到總誤差電壓的電流放大器，電流放大器的負(fù)輸入端與電感相連，正輸入端與數(shù)據(jù)總線相連，電流放大器的電壓輸入端與誤差放大器的輸出端相連，其電壓輸出端與電壓比較器的正輸入端相連；(5)用于將總誤差電壓與多相開關(guān)電源內(nèi)部的鋸齒波相比較，并輸出脈寬調(diào)制信號的電壓比較器，電壓比較器的正輸入端與電流放大器的輸出端相連，負(fù)輸入端與鋸齒波發(fā)生器相連，其輸出端與上述電壓單元的輸入端相連。
2.如權(quán)利要求1所述的多相開關(guān)電源，其特征在于其中所述的電壓單元包括(1)用于接收輸入脈寬調(diào)制信號，以產(chǎn)生用于上、下功率管的驅(qū)動信號的驅(qū)動器，驅(qū)動器的輸入與電壓比較器的輸出相連，其輸出端分別與上、下功率管的柵極相連；(2)用于控制輸入電壓向負(fù)載供電的上功率管，上功率管的柵極與驅(qū)動器的上功率管驅(qū)動信號輸出端相連，源端與電感相連，漏端與外部工作電源相連；(3)用于續(xù)流的下功率管，下功率管的柵極與驅(qū)動器的下功率管驅(qū)動信號輸出端相連，源端接地，漏端與電感相連；(4)用于向微處理器負(fù)載提供電流的電感，電感的一端同時與上功率管的源端和下功率管的漏端相連，另一端與負(fù)載相連。
3.如權(quán)利要求1所述的多相開關(guān)電源，其特征在于其中所述的電流選擇器為一并聯(lián)的開關(guān)組，開關(guān)組的輸入端接收各相電感電流，其輸出端與電流放大器相連。
4.如權(quán)利要求1所述的多相開關(guān)電源，其特征在于其中所述的電流放大器包括(1)用于將電流總線電流即主電流與各相電感電流即從電流進(jìn)行相減的加法器1，該加法器1的正輸入端與電流總線相連，負(fù)輸入端與電感相連，其輸出端與開關(guān)S1相連；(2)用于將主電流和從電流的差值進(jìn)行直流放大的放大器k，放大器k的輸入端與加法器1的輸出端相連，其輸出端與加法器2的輸入端相連；(3)用于控制對主電流和從電流的差值進(jìn)行采樣和保持的開關(guān)S1和S2，S1的一端與加法器1的輸出端相連，另一端同時與電容C1和開關(guān)S2相連，S2的一端與電容C1相連，另一端與電容C2相連；(4)用于保持電流差值的電容C1和C2，C1的一端與開關(guān)S1和S2相連，另一端接地，C2的一端與S1相連，另一端接地；(5)用于對取樣后的電流差值進(jìn)行放大的放大器Gi，Gi的輸入端與開關(guān)S2相連，輸出端與加法器2的輸入端相連；(6)用于將放大后的電流差值與放大后的取樣點電流差值進(jìn)行相加的加法器2，加法器2的兩個輸入端分別與放大器k和放大器Gi的輸出端相連，加法器2的輸出端與電阻R相連；(7)用于將加法器2輸出的電流信號轉(zhuǎn)化成電壓信號，并完成電壓誤差放大器輸出的誤差電壓與上述轉(zhuǎn)化得到的電壓信號相加的電阻R，電阻R的一端與加法器2的輸出端相連，另一端與電壓誤差放大器相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用主從電流均分的微處理器多相開關(guān)電源，屬于計算機(jī)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。包括用于接收PWM信號和輸入電壓，并輸出電感電流的電壓單元；用于校正輸出電壓的誤差放大器；用于選擇基準(zhǔn)電流的電流選擇器；在電流選擇器中，第一種電流選擇方法，用于將輸入的n個電感電流，依次送到電流數(shù)據(jù)總線上，第二種電流選擇方法，用于將輸入的n個電感電流中的最大值送到電流數(shù)據(jù)總線上；用于對電流誤差進(jìn)行濾波、放大、完成電流信號到電壓信號的轉(zhuǎn)變，并與誤差電壓相疊加的電流放大器；用于比較總的誤差電壓和鋸齒波，并輸出PWM信號的比較器。本發(fā)明的多相開關(guān)電源，提供了兩種主從電流選擇方法，可以有效的保證各相電感電流達(dá)到平衡。
文檔編號G06F1/26GK1588270SQ20041006919
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月8日
發(fā)明者石秉學(xué), 郭國勇 申請人:清華大學(xué)