專利名稱：抑制熱耗散的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及功率轉(zhuǎn)換器，尤其是，涉及多相功率轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
功率轉(zhuǎn)換器被使用于多種電子產(chǎn)品包括汽車、飛機、無線電通訊系統(tǒng)和電子消費品。功率轉(zhuǎn)換器如直流電到直流電(“DC-DC”)轉(zhuǎn)換器廣泛使用于便攜式電子產(chǎn)品，如筆記本電腦、個人數(shù)字助理、尋呼機、移動電話等，其典型地由電池供電。DC-DC轉(zhuǎn)換器可以從一個單電壓或從通向該轉(zhuǎn)換器的電源的任何變化釋放多電壓，該單電壓獨立于從該轉(zhuǎn)換器流出的負(fù)載電流。便攜式電子應(yīng)用中使用的一種DC-DC轉(zhuǎn)換器為降壓轉(zhuǎn)換器。這種轉(zhuǎn)換器也稱為開關(guān)模式電源，可以將一輸入電壓從某一電平轉(zhuǎn)換到一較低電平。典型地，降壓轉(zhuǎn)換器由一個控制器控制，該控制器被設(shè)置成一個具有在不同時間轉(zhuǎn)換的多個輸出電流通道的多相控制器。在輸出電流通道流動的輸出電流被匯總并釋放到負(fù)載。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是每個通道引導(dǎo)總負(fù)載電流的一部分。例如，在一個四相降壓控制器中，每個通道引導(dǎo)25％的輸出電流。這降低了每個輸出的功率耗散。多相降壓控制器的一個缺點是，當(dāng)電流不平衡時，一個電流通道將比另一電流通道引導(dǎo)更多的電流，這將導(dǎo)致熱故障(thermal failure)。另一缺點是，與控制器連接的動力荷載的重復(fù)速率可能與多相降壓轉(zhuǎn)換器的一個輸出相同。在這種情況下，通道中的電流變得不平衡而引起轉(zhuǎn)換器承受熱故障。
因此，對多相控制器電路和操作多相控制器電路的方法來說，需要在其輸出維持電流平衡。此外，期望多相控制器電路的制造在價格和時間劃算。


結(jié)合附圖并閱讀下列詳細(xì)描述將對本發(fā)明有一個較好的理解，圖中相同的附圖標(biāo)記指定相同的組成部分，其中圖1是與本發(fā)明一實施例一致的多相控制器電路的示意圖；圖2是圖1所示多相控制器電路的一部分的示意圖；圖3是操作圖1所示多相控制器電路的時間矢量圖；圖4是與本發(fā)明另一實施例一致的多相控制器電路的示意圖；圖5是圖4所示多相控制器電路的一部分的示意圖；以及圖6是與本發(fā)明再一實施例一致的多相控制器電路的示意圖。
具體實施例方式
總的來說，本發(fā)明提供了一種以不同的負(fù)載躍遷率平衡多相功率轉(zhuǎn)換器中的電流的方法。該多相功率轉(zhuǎn)換器包括一個振蕩器或其它斜坡信號發(fā)生器、一個脈沖寬度調(diào)制器和至少一個功率級。與本發(fā)明的一個方面一致，通過抖動振蕩器或其它斜坡信號發(fā)生器的一個輸出信號來平衡電流。應(yīng)該理解，抖動輸出信號被定義為持續(xù)地改變振蕩器輸出信號或斜坡信號的頻率。抖動振蕩器輸出信號或斜坡信號使負(fù)載步進(jìn)率(step rate)和多相功率控制器的開關(guān)頻率在一有效時段不匹配。平衡電流抑制了多相功率轉(zhuǎn)換器中的熱耗散。
與本發(fā)明的另一方面一致，通過中止振蕩器輸出信號來平衡電流。這在輸出信號中引入一個相位延遲以使輸出信號與負(fù)載步進(jìn)率不同步。
與本發(fā)明的再一方面一致，通過抖動振蕩器輸出信號或斜坡信號并中止振蕩器輸出信號來平衡電流。
圖1是在半導(dǎo)體襯底中制造的與本發(fā)明一實施例一致的多相功率轉(zhuǎn)換器10的結(jié)構(gòu)圖。在圖1中示出的是有n組輸入121、122、123……12n的脈沖寬度調(diào)制器(“PWM”)電路12，其中，“n”是整數(shù)?！皀”組輸入中的每組輸入包括一個誤差輸入12nA和一個振蕩輸入12nB。應(yīng)該注意到，字母“A”和“B”是用于分別區(qū)分誤差輸入和振蕩輸入的參考標(biāo)記。因此，輸入121包括誤差輸入121A和振蕩輸入121B；輸入122包括誤差輸入122A和振蕩輸入122B；輸入123包括誤差輸入123A和振蕩輸入123B；及輸入12n包括誤差輸入12nA和振蕩輸入12nB。
多相功率轉(zhuǎn)換器10進(jìn)一步包括一個誤差放大器16和一個振蕩器18，該誤差放大器的輸出17與誤差輸入121A、122A、123A……12nA連接，該振蕩器有一個輸入32和多個輸出，其中，多個輸出與相應(yīng)的振蕩輸入121B、122B、123B……12nB連接。與一實施例一致，誤差放大器16包括一個連接在負(fù)反饋結(jié)構(gòu)中的運算放大器20，在該負(fù)反饋結(jié)構(gòu)中，阻抗22連接在運算放大器20的輸出和其反相輸入之間，及阻抗24與運算放大器20的反相輸入連接。作為例子，阻抗22包括與串聯(lián)的電阻器28和電容器30并聯(lián)的電容器26，阻抗24包括一個電阻器。運算放大器20的非反相輸入被耦合以接收參考電平VREF1。應(yīng)該理解，誤差放大器16的反饋結(jié)構(gòu)不是本發(fā)明的限制規(guī)定，用所屬領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其它反饋結(jié)構(gòu)也可以實現(xiàn)。
PWM電路12的輸出141、142、143……14n分別與相應(yīng)的功率級341、342、343……34n的輸入連接。功率級341的一個輸出與輸出節(jié)點50連接。類似地，功率級342、343……34n的輸出與輸出節(jié)點50連接。功率級341、342、343……34n分別具有產(chǎn)生反饋電流IFEED1、IFEED2、IFEED3……IFEEDn的電流感應(yīng)模塊351、352、353……35n，這些反饋電流與流經(jīng)儲能元件441、442、443……44n的電流成比例。反饋電流信號IFEED1、IFEED2、IFEED3……IFEED n分別通過反饋連接線371、372、373……37n反饋到PWM電路12。用于電流感應(yīng)模塊的電路對所屬領(lǐng)域技術(shù)人員來說是公知的。
功率級341、342、343……34n包括驅(qū)動電路541、542、543……54n，該驅(qū)動電路又分別具有作為功率級341、342、343……34n輸入的輸入，與各個開關(guān)晶體管561、562、563……56n的柵極連接的高端驅(qū)動器輸出，和與各個開關(guān)晶體管581、582、583……58n的柵極連接的低端驅(qū)動器輸出。高端開關(guān)晶體管561、562、563……56n的漏極被耦合以接收工作電壓源如VCC，高端開關(guān)晶體管561、562、563……56n的源極分別與低端開關(guān)晶體管581、582、583……58n的漏極連接。低端開關(guān)晶體管581、582、583……58n的源極被耦合以接收工作電壓源如VSS。晶體管561、562、563……56n的源極和漏極分別與晶體管581、582、583……58n的源極和漏極共同連接在一起，并分別與各個儲能元件441、442、443……44n的一個端點連接。儲能元件441、442、443……44n的另一個端點作為功率級341、342、343……34n的輸出。例如，儲能元件441、442、443……44n是電感器。應(yīng)該注意到，當(dāng)n等于2時，功率轉(zhuǎn)換器10是兩相功率轉(zhuǎn)換器；當(dāng)n等于3時，功率轉(zhuǎn)換器10是三相功率轉(zhuǎn)換器；當(dāng)n等于4時，功率轉(zhuǎn)換器10是四相功率轉(zhuǎn)換器，等等。
振蕩器控制電路60通過電阻器59與振蕩器器18的輸入32耦合。特別是，振蕩器控制電路60包括與誤差放大器16的輸出17連接以接收補償電壓VCOMP的輸入61，被耦合以接收參考電壓VREF2的輸入63，和與振蕩器器18的輸入32連接的輸出65。簡要參考圖2，其說明了與本發(fā)明一個實施例一致的振蕩器控制電路60的示意圖。圖2示出比較器62，其包括作為振蕩器控制電路60的輸入61的反向輸入、作為振蕩器控制電路60的輸入63的非反向輸入，和一個輸出。更適宜地，比較器62具有磁滯現(xiàn)象。比較器62的輸出與場效應(yīng)晶體管(“FET”)76的柵極連接。FET 76的源極被耦合以接收工作電壓源如VSS，且FET 76的漏極作為漏極開路輸出和振蕩器控制電路18的輸出65。
負(fù)載80連接在輸出節(jié)點50和工作電壓源如VSS之間。輸出電容器82與負(fù)載80并聯(lián)。輸出節(jié)點50與阻抗24連接在一個反饋結(jié)構(gòu)中。
與一實施例一致，通過調(diào)節(jié)功率轉(zhuǎn)換器10的頻率以使負(fù)載步進(jìn)周期和多相功率轉(zhuǎn)換器10的持續(xù)接通時間處于暫時關(guān)聯(lián)中，電流不平衡及因此而產(chǎn)生的熱耗散被抑制。應(yīng)該理解，多相功率轉(zhuǎn)換器10的持續(xù)接通時間是指一個或多個高端開關(guān)晶體管561-56n處于導(dǎo)通狀態(tài)的時間。暫時關(guān)聯(lián)是負(fù)載步進(jìn)周期和多相功率轉(zhuǎn)換器10的持續(xù)接通時間在擴展的時間段內(nèi)不一致、相同或相似。這通過設(shè)定振蕩器18以產(chǎn)生多個有預(yù)定頻率和相位關(guān)系的振蕩器輸出信號來實現(xiàn)。與一實施例一致，功率轉(zhuǎn)換器10是四相功率轉(zhuǎn)換器，也就是，變量“n”等于4，且振蕩器18產(chǎn)生四個以90度角分開的三角波形。振蕩器18可以通過在振蕩器18的輸入32和工作電壓源如VSS之間連接電阻器84來設(shè)定?？刂普袷幤?8輸出頻率的結(jié)構(gòu)不限定為一個電阻器。其它電路網(wǎng)絡(luò)也能與輸入32耦合。例如，電阻器分壓網(wǎng)絡(luò)可輸入32耦合。振蕩器18將振蕩器輸出信號傳送到PWM電路12的輸入121B、122B、123B……12nB。應(yīng)該注意到，當(dāng)功率轉(zhuǎn)換器10為兩相功率轉(zhuǎn)換器時，振蕩器18產(chǎn)生兩個以180度角分開的三角波形；當(dāng)功率轉(zhuǎn)換器10為三相功率轉(zhuǎn)換器時，振蕩器18產(chǎn)生三個以120度角分開的三角波形；當(dāng)功率轉(zhuǎn)換器10為n相功率轉(zhuǎn)換器時，振蕩器18產(chǎn)生n個以360/n度角分開的三角波形。正如上文中討論過的，功率轉(zhuǎn)換器可以是兩相功率轉(zhuǎn)換器、三相功率轉(zhuǎn)換器、四相功率轉(zhuǎn)換器、五相功率轉(zhuǎn)換器，等等。應(yīng)該進(jìn)一步注意到，振蕩器輸出信號也指斜坡信號。
此外，誤差放大器16將補償信號VCOMP傳送到PWM電路12的輸入121A、122A、123A……12nA。補償信號VCOMP也指誤差信號VERROR并出現(xiàn)在誤差放大器16的輸出17。
現(xiàn)在參考圖3，舉例說明了用于四相功率轉(zhuǎn)換器的振蕩器18產(chǎn)生的三角波形或斜坡信號的時間矢量圖。圖3示出了振幅范圍在電平VL90和電平VH90間的三角波形90、振幅范圍在電平VL92和電平VH92間的三角波形92、振幅范圍在電平VL94和電平VH94間的三角波形94和振幅范圍在電平VL96和電平VH96間的三角波形96。三角波形90和92的相角以90度角分開；三角波形92和94的相角以90度角分開；三角波形94和96的相角以90度角分開；三角波形96和90的相角以90度角分開；在時刻t0和t8期間，波形90比波形92超前90度角，波形90比波形94超前180度角，波形90比波形96超前270度角，且補償電壓VCOMP有一個實質(zhì)上恒定的電壓值VCOMP1。應(yīng)該注意到，為了清楚起見波形90-96被顯示在分開的圖示中，且對波形90-96的每個圖示，電平VCOMP1是相同的電平。
當(dāng)波形90的電壓值比電 VCOMP大時，PWM 12的輸出141出現(xiàn)的信號100有一個邏輯低電平，即邏輯0電平。當(dāng)波形90的電壓值比電壓VCOMP小時，信號100有一個邏輯高電平，即邏輯1電平。類似地，當(dāng)波形92-96的電壓值比電壓VCOMP大時，PWM 12的輸出142-14n出現(xiàn)的信號102-106分別有一個邏輯低電平，即邏輯0電平，而當(dāng)波形92-96的電壓值比電壓VCOMP小時，PWM 12的輸出142-14n出現(xiàn)的信號102-106分別有一個邏輯高電平，即邏輯1電平。因而，通過分別比較補償信號VCOMP與波形90-96，可以產(chǎn)生信號102-106。
在t8時刻，負(fù)載電流ILOAD減少從而增加了電壓VOUT并使電壓VCOMP從電平VCOMP1減小到電平VCOMP2。PWM輸出141-14n保持低，即，當(dāng)電壓信號VCOMP處于電平VCOMP2時，PWM 12的相應(yīng)脈沖寬度調(diào)制器電路是不工作的。由于相應(yīng)的脈沖寬度調(diào)節(jié)器不工作，波形90-96變得不隨時間變化且其電平分別為VS90、VS92、VS94和VS96。因此，振蕩器輸出信號90-96被中止。這樣，波形90-96中被引入了一個相位偏移角。換句話說，輸出信號90-96被中止的時間在波形90-96中僅僅引入了一個延遲。因此，在時刻t8波形90開始從電平VS90減小。然而，在時刻t9，波形90在電平VS90處被中止并保持該電平直到t10時刻，在時刻t10該電平繼續(xù)減小到電平VL90。類似地，在t9時刻，波形92在電平VS92處被中止并保持該電平直到t10時刻，在時刻t10該電平繼續(xù)增加到電平VH92；波形94在電平VS94處被中止并保持該電平直到時刻t10，在時刻t10該電平繼續(xù)增加到電平VH94；及波形96在電平VS96處被中止并保持該電平直到t10時刻，在時刻t10該電平繼續(xù)減小到電平VL96。當(dāng)波形90-96被中止時，PWM信號100-106的占空因數(shù)為零，即其為邏輯低或邏輯0電平。
應(yīng)該注意到，對于每個波形90-96，電平VCOMP1和電平VCOMP2分別相同。電平VH90、VH92、VH94和VH96相同及電平VL90、VL92、VL94和VL96相同。
在時刻t10，輸出電壓VOUT開始恢復(fù)，使出現(xiàn)在誤差放大器16的輸出17的補償電壓VCOMP增加。在時刻t11，輸出電平VOUT恢復(fù)且出現(xiàn)在誤差放大器16的輸出17的補償電壓VCOMP處于電平VCOMP1。這樣，波形90-96從其被中止處重新開始。在時刻t10和t15的時間段內(nèi)，當(dāng)波形92-96的電壓值比電壓VCOMP大時，出現(xiàn)在PWM 12的輸出141-14n的信號100-106處于邏輯低電平；當(dāng)波形92-96的電壓值比電壓VCOMP小時，信號100-106處于邏輯高電平。
圖4是與本發(fā)明另一實施例一致的多相功率轉(zhuǎn)換器150的結(jié)構(gòu)圖。圖4示出了圖2中描述的PWM電路12、誤差放大器16、振蕩器18、功率級341-34n、負(fù)載80和負(fù)載電容器82。多相功率轉(zhuǎn)換器150進(jìn)一步包括一個抖動網(wǎng)絡(luò)152，其輸出153通過電阻器59與振蕩器18的輸入32耦合。
圖5是與本發(fā)明實施例一致的抖動網(wǎng)絡(luò)152的結(jié)構(gòu)圖。抖動網(wǎng)絡(luò)152可以包括運算放大器154和162，其中每個運算放大器有一個反向輸入、非反向輸入和輸出。電阻器156連接在運算放大器154的輸出和其反向輸入之間，及電阻器158連接在運算放大器154的輸出和其非反向輸入之間。此外，電阻器160連接在運算放大器154的非反向輸入和工作電壓源如VSS之間，及電容器163連接在運算放大器154的反向輸入和工作電壓源如VSS之間。在一個單位增益結(jié)構(gòu)中，運算放大器162的非反向輸入與運算放大器154的反向輸入連接，及運算放大器162的輸出與其反向輸入連接。運算放大器162的輸出也通過電阻器164與輸出153連接。輸出153被耦合以通過電阻器168接收工作電壓源如VSS.
在運行中，抖動網(wǎng)絡(luò)152改變功率級341-34n的開關(guān)頻率以阻止負(fù)載步進(jìn)率和功率級341-34n的開關(guān)頻率在一個相當(dāng)大的時段內(nèi)匹配。這防止了通道中不平衡電流的堆積。
圖6是與本發(fā)明另一實施例一致的多相功率轉(zhuǎn)換器200的結(jié)構(gòu)圖。圖6示出了圖2和圖4中描述的PWM電路12、誤差放大器16、振蕩器18、功率級341-34n、負(fù)載80和負(fù)載電容器82。多相功率轉(zhuǎn)換器200進(jìn)一步包括一個振蕩器控制和抖動網(wǎng)絡(luò)202，其輸出203通過電阻器59與振蕩器18的輸入32耦合。
在運行中，振蕩器控制和抖動網(wǎng)絡(luò)202改變功率級341-34n的開關(guān)頻率并引入一個相位延遲以阻止負(fù)載步進(jìn)率和開關(guān)341-34n的開關(guān)頻率在一個相當(dāng)大的時段內(nèi)匹配。這防止了通道中不平衡電流的堆積，從而抑制了多相功率轉(zhuǎn)換器200的熱耗散和熱故障。
到此應(yīng)該認(rèn)識到，本發(fā)明提供了一種以不同的負(fù)載躍遷率(transition rate)平衡多相功率轉(zhuǎn)換器中的電流以抑制熱耗散的方法。與本發(fā)明的一實施例一致，通過調(diào)節(jié)多相功率轉(zhuǎn)換器的頻率或周期和負(fù)載步進(jìn)周期以使其在一個擴展時段不是一致、相同或相似，從而抑制了熱耗散。與另一實施例一致，通過抖動功率級的開關(guān)頻率以使負(fù)載步進(jìn)率和開關(guān)的開關(guān)頻率在一個相當(dāng)大的時段內(nèi)不匹配來抑制熱耗散。本發(fā)明的一個優(yōu)點是其實施在價格上很劃算。
雖然這里公開的是某些優(yōu)選實施例和方法，但從前述公開對所屬領(lǐng)域技術(shù)人員來說很明顯，對這些實施例和方法可以進(jìn)行變化和修改而不偏離本發(fā)明的實質(zhì)和領(lǐng)域。例如，可以用數(shù)字技術(shù)實施此方法。應(yīng)該注意到，除非另作說明，使用術(shù)語“當(dāng)……時”來表示當(dāng)時一個事件發(fā)生且當(dāng)該事件正在發(fā)生時。意圖是本發(fā)明應(yīng)僅限于隨附的權(quán)利要求書及適用法律的規(guī)則和法則要求的范疇。
權(quán)利要求
1.一種以不同的負(fù)載躍遷率平衡多相功率轉(zhuǎn)換器中的電流的方法，包括提供所述多相功率轉(zhuǎn)換器，所述多相功率轉(zhuǎn)換器有一個持續(xù)接通時間；和調(diào)節(jié)所述多相功率轉(zhuǎn)換器的頻率從而負(fù)載步進(jìn)周期和所述多相功率轉(zhuǎn)換器的所述持續(xù)接通時間處于一暫時關(guān)聯(lián)中。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述提供所述多相功率轉(zhuǎn)換器的步驟包括提供一個誤差放大器，所述誤差放大器有一個輸出；提供一個振蕩器，所述振蕩器有一個輸出；將所述誤差放大器的所述輸出連接到一個脈沖寬度調(diào)制器的第一輸入；將所述振蕩器的所述輸出連接到所述脈沖寬度調(diào)制器的第二輸入；提供第一功率級，所述第一功率級有一個與所述脈沖寬度調(diào)制器的輸出連接的輸入。連接具有一輸入的第二功率級到所述脈沖寬度調(diào)制器的另一輸出；在所述第一功率級的所述輸出和一個輸出節(jié)點間連接第一電感器；在所述第二功率級的所述輸出和所述輸出節(jié)點間連接第二電感器；和將所述輸出節(jié)點連接到所述誤差放大器的輸入。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括，將一抖動電路與所述多相功率轉(zhuǎn)換器連接。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述調(diào)節(jié)所述多相功率轉(zhuǎn)換器的所述持續(xù)接通時間的步驟包括抖動一個振蕩器信號、中止所述振蕩器信號或使所述振蕩器信號相位偏移中的任項。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述暫時關(guān)聯(lián)是一致關(guān)聯(lián)、相似關(guān)聯(lián)或相同關(guān)聯(lián)中的一個。
6.一種以不同的負(fù)載躍遷率抑制多相功率轉(zhuǎn)換器中的熱耗散的方法，包括運行所述多相功率轉(zhuǎn)換器以阻止負(fù)載步進(jìn)率鎖定于所述多相功率轉(zhuǎn)換器的相電流上。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述運行所述多相功率轉(zhuǎn)換器的步驟包括中止一個振蕩器信號、抖動所述多相功率轉(zhuǎn)換器的輸出信號或中止所述振蕩器信號中的一項。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，進(jìn)一步包括從多相功率轉(zhuǎn)換器輸出電壓產(chǎn)生一個電路輸出電壓；和從所述電路輸出電壓產(chǎn)生一個補償電壓。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，進(jìn)一步包括，將所述補償電壓與至少一個振蕩器信號比較以產(chǎn)生一個脈沖寬度調(diào)制信號及將所述補償電壓與多個振蕩器信號比較以產(chǎn)生多個脈沖寬度調(diào)制信號。
10.一種以不同的負(fù)載躍遷率抑制多相功率轉(zhuǎn)換器中的熱耗散的方法，包括通過中止一個振蕩器信號及抖動所述振蕩器的一個輸入信號，運行所述多相功率轉(zhuǎn)換器以阻止負(fù)載步進(jìn)率鎖定于所述多相功率轉(zhuǎn)換器的相電流上。
全文摘要
一種以不同的負(fù)載躍遷率抑制多相功率轉(zhuǎn)換器中的熱耗散的方法。提供一個具有持續(xù)接通時間的多相功率轉(zhuǎn)換器和調(diào)節(jié)該多相功率轉(zhuǎn)換器的頻率，以使負(fù)載步進(jìn)周期和多相功率轉(zhuǎn)換器的持續(xù)接通時間處于一暫時關(guān)聯(lián)中?？蛇x地，通過中止振蕩器信號以阻止負(fù)載步進(jìn)率鎖定于多相功率轉(zhuǎn)換器的相電流上。與另一可選方法一致，通過中止振蕩器信號及抖動該振蕩器的輸入信號以阻止負(fù)載步進(jìn)率鎖定于多相功率轉(zhuǎn)換器的相電流。
文檔編號H02M1/00GK101090236SQ20071010881
公開日2007年12月19日 申請日期2007年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月16日
發(fā)明者奧萊·P·莫耶, 保羅·J·哈里曼, 本杰明·M·里斯, 克里斯托弗·J·加斯 申請人:半導(dǎo)體元件工業(yè)有限責(zé)任公司