專利名稱：用于多相位切換電源供應(yīng)器中的暫態(tài)控制的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及切換電源供應(yīng)器的領(lǐng)域。更明確地說，本發(fā)明涉及多相切換電源供應(yīng)器的領(lǐng)域，其運(yùn)用到一綜合反饋信號與暫態(tài)控制。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代的電子設(shè)備經(jīng)常需要用到低電壓至中電壓的低漣波高電流電源。常規(guī)的切換電源供應(yīng)器均能符合該些要求。此外，相較于傳統(tǒng)的傳統(tǒng)裝置，切換電源供應(yīng)器通常比較有效、重量比較輕、而且價(jià)格比較低廉，該些均為現(xiàn)代世界中的優(yōu)點(diǎn)。
圖1示出一多相系統(tǒng)10的簡化示意圖，其運(yùn)用到一常規(guī)的降壓轉(zhuǎn)換器型切換電源供應(yīng)器11。電源供應(yīng)器11結(jié)合N個雙擲開關(guān)12，其中N為大于一的整數(shù)。這N個開關(guān)12中每一個均耦合至N個電感器13中自己所有的其中一個，并且于開關(guān)12每次發(fā)生觸變(toggle)時(shí)交替地將其電感器13的第一節(jié)點(diǎn)連接至輸入直流電源14和接地(共同接地)。電容器15與負(fù)載16被平行耦合于所有N個電感器13的第二節(jié)點(diǎn)與接地之間。
每個開關(guān)12通常被實(shí)現(xiàn)為一對MOSFET或是運(yùn)作方式和雙擲開關(guān)12相同的其它主動裝置，而且于任一拋擲動作中形成一連接。不過，為方便起見，本討論假設(shè)當(dāng)某個特定開關(guān)12將其電感器13連接至電源14時(shí)，該開關(guān)為「開啟(on)」；當(dāng)將其電感器13連接至接地時(shí)，該開關(guān)則為「關(guān)閉(off)」。
當(dāng)某個特定開關(guān)12為開啟時(shí)，電流流入其電感器13。電感器13中所含的能量則會提高。電流從電感器13流入電容器15與負(fù)載16。電容器15中所含的能量亦會提高。負(fù)載16所接收的能量主要來自電感器13。
當(dāng)某個特定開關(guān)12為關(guān)閉時(shí)，電流從其電感器13流至接地。電感器13中所含的能量則降低。電流從電容器15流入負(fù)載16。負(fù)載16所接收的能量主要來自電容器15。
監(jiān)控電路17監(jiān)控多個狀態(tài)變量(例如跨越電容器15的電壓以及流經(jīng)每個電感器13的電流)以決定何時(shí)觸變每個開關(guān)12?？刂齐娐?8響應(yīng)于監(jiān)控電路17所監(jiān)控的這些狀態(tài)變量來控制這N個開關(guān)12的切換。
多相電源供應(yīng)器11具有N個相位19，其中每個開關(guān)12均會影響這N個相位19中的一個。這N個相位19中每一個相互交錯。每個開關(guān)12所消耗的功率與該開關(guān)12的工作周期形成函數(shù)關(guān)系。就N個交錯相位19來說，某個特定開關(guān)12的工作周期通常保持在不超過1/N。換言之，對使用相同組件的開關(guān)12來說，相較于單相系統(tǒng)的電流，對稱的多相系統(tǒng)10通常系提供約N倍的電流。
所以，概念上，具有大量相位19的多相系統(tǒng)10相當(dāng)有利。不過，這種系統(tǒng)10的問題在于，當(dāng)相位19的數(shù)量增加時(shí)，控制電路18的復(fù)雜度便必須提高方可控制且保持多個相位19的時(shí)序。復(fù)雜度提高反應(yīng)于可靠度下降以及成本提高。
其中一項(xiàng)問題是，理想上，這N個相位19中每一個均應(yīng)該提供約略相同的電流。然而，使用具有標(biāo)準(zhǔn)公差的組件卻可能會于各相位19間的電流中造成極大的差異，并且可能會導(dǎo)致其中一個開關(guān)12承載過量的電流。這樣便使得必須要有一標(biāo)準(zhǔn)的控制電路18來管理這些個別相電流、總和電流、以及相時(shí)序。
傳統(tǒng)上，使用一線性控制器作為控制電路18。這是一種復(fù)雜電路，其需要用到來自至少N+1個狀態(tài)變量的輸入。此外，一線性控制器的參數(shù)必須確實(shí)地匹配電感器13、電容器15、以及負(fù)載16的參數(shù)。因此，即使每當(dāng)電感器13、電容器15、及/或負(fù)載16中發(fā)生些微變化，該控制器本身亦必須改變。結(jié)果，當(dāng)設(shè)計(jì)成線性控制器時(shí)，一開始和控制電路18相關(guān)的成本便非常地高，令人無法接受，接著，還會因?yàn)榭刂齐娐?8無法適應(yīng)電感器13、電容器15、及/或負(fù)載16的變化而導(dǎo)致惡化。
控制電路18也可被設(shè)計(jì)成遲滯控制器(hysteretic controller)。不過，遲滯控制器的慣用設(shè)計(jì)方式并不適用于多相系統(tǒng)10。即使是在單相系統(tǒng)中，遲滯控制器特性上依然表現(xiàn)出不良的效能。造成不良效能至少部分因?yàn)榭缭诫娙萜?5的電壓以及流經(jīng)電感器13的電流之間的固有延遲(inherent lag)所造成的。此外，開關(guān)12的切換頻率取決于負(fù)載16。也就是，該切換頻率將隨著負(fù)載16的改變而改變。
系統(tǒng)10的控制電路18還可設(shè)計(jì)成滑動模式控制器，其也可被視為一種二階遲滯控制器的形式?；瑒幽Ｊ娇刂破鞯膽T用設(shè)計(jì)方式同樣被認(rèn)為并不適用于多相系統(tǒng)10，不過，于單相系統(tǒng)中，效能改良上則優(yōu)于遲滯控制器。不過，利用慣用的滑動模式控制器，切換頻率仍然取決于負(fù)載16。
再者，徑行縮放遲滯控制器或是滑動模式控制器用以于多相系統(tǒng)10來管理電感器13的相電流、總和電流、以及開關(guān)12的相時(shí)序于復(fù)雜度方面的改良并未明顯優(yōu)于線性控制器，而且并不會解決可靠度與成本方面的問題。
傳統(tǒng)電源供應(yīng)器11中所使用的傳統(tǒng)遲滯與滑動模式控制電路18的切換頻率與負(fù)載16成函數(shù)關(guān)系。這意味著，負(fù)載16改變時(shí)，切換頻率也會隨之改變。因?yàn)榭缭诫娙萜?5(同樣為跨越負(fù)載16)的漣波頻率直接相關(guān)于切換頻率，所以，負(fù)載16發(fā)生改變便會造成漣波頻率的改變。出現(xiàn)在負(fù)載16處的漣波頻率可能會對作為負(fù)載16的任何電子裝置造成諧波及/或互調(diào)干擾。假使?jié)i波頻率保持恒定，那么便可選擇該漣波頻率使其出現(xiàn)在負(fù)載16比較不敏感的頻譜區(qū)域中?；蛘撸捎谪?fù)載16內(nèi)使用比較簡單的濾波方式來抑制漣波頻率的效應(yīng)。假使允許漣波頻率發(fā)生變化的話，則很難忽略或是抑制該些效應(yīng)。
使用遲滯或是滑動模式控制電路18的慣用多相切換電源供應(yīng)器的另一項(xiàng)問題是，在特定條件下，負(fù)載16的驟移(sudden shift)可能會造成某個特定開關(guān)12進(jìn)入鎖定狀態(tài)，也就是，停留一段超長的時(shí)間。在這種環(huán)境下，開關(guān)12有超出其公差以及發(fā)生故障之虞。明確地說，電流流過開關(guān)12的時(shí)間過長可能會導(dǎo)致開關(guān)12超出其功率額定值，并且可能會因而導(dǎo)致該開關(guān)12發(fā)生災(zāi)難性故障。
所以，需要一種切換電源供應(yīng)器，其具有一種簡單、可靠、而且價(jià)格低廉的控制電路。該切換電源供應(yīng)器僅需要最少量的狀態(tài)變量，可讓流經(jīng)所有電感器的電流保持實(shí)質(zhì)相等，而且實(shí)質(zhì)上獨(dú)立于其組件的公差，不會受到負(fù)載變化的影響，可忍受開關(guān)鎖定狀態(tài)，而且適用于多相系統(tǒng)中。

發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是提供一種用于多相切換電源供應(yīng)器中暫態(tài)控制的設(shè)備與方法。
本發(fā)明的另一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)是提供一種多相切換電源供應(yīng)器，其具有簡單、可靠、而且價(jià)格低廉的控制電路。
本發(fā)明的另一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)是提供一種多相切換電源供應(yīng)器，不論相位數(shù)為何，其均僅需要不超過兩個狀態(tài)的變量。
本發(fā)明的另一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)是提供一種多相切換電源供應(yīng)器，其實(shí)質(zhì)上與組件公差無關(guān)。
本發(fā)明的另一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)是提供一種多相切換電源供應(yīng)器，其可忍受開關(guān)鎖定狀態(tài)。
本發(fā)明的另一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)是提供一種電源供應(yīng)器，其采用暫態(tài)控制來使開關(guān)耗電保持在公差以內(nèi)。
本發(fā)明的上面與其它優(yōu)點(diǎn)可利用下面的形式來實(shí)現(xiàn)，其作法為借助一種用于操作一具有N個相位的暫態(tài)控制多相切換電源供應(yīng)器的方法來進(jìn)行，其中N為大于一的整數(shù)。該方法包括從該電源供應(yīng)器中不超過二個狀態(tài)變量中產(chǎn)生一綜合反饋信號；將該綜合反饋信號轉(zhuǎn)換成一串切換脈沖；確定該串切換脈沖中這些切換脈沖每一個的持續(xù)時(shí)間；當(dāng)該確定動作確定出這些切換脈沖中其中一個超過預(yù)設(shè)的持續(xù)時(shí)間時(shí)，調(diào)整該串切換脈沖；切換N個開關(guān)，以響應(yīng)該串切換脈沖；以及利用這N個開關(guān)中每一個來影響這些N相位中其中一個。
本發(fā)明的上面與其它優(yōu)點(diǎn)可利用另一種形式來實(shí)現(xiàn)，其作法運(yùn)用到一種具有N個相位的暫態(tài)控制多相切換電源供應(yīng)器，其中N為大于一的整數(shù)N個開關(guān)，其被配置成被耦合至一雙極電源；N個電感器，其中這N個電感器中每一個均耦合至這N個開關(guān)中其中一個；一電容器，其被耦合至這N個電感器中每一個并且被配置成被跨越耦合于一負(fù)載之上；一反饋信號產(chǎn)生器，其被耦合至該電容器并且被配置成用以響應(yīng)該電源供應(yīng)器中不超過二個狀態(tài)變量來產(chǎn)生一綜合反饋信號；一脈寬調(diào)制(PWM)產(chǎn)生器，其被耦合至該綜合反饋信號產(chǎn)生器并且被配置成用以將該反饋信號轉(zhuǎn)換成一串切換脈沖；一暫態(tài)控制器，其被耦合至該P(yáng)WM產(chǎn)生器并且被配置成用以于檢測到這些切換脈沖中其中一個超出范圍時(shí)來調(diào)整該串切換脈沖；以及一相位選擇器，其被耦合至這N個開關(guān)，被耦合至該P(yáng)WM產(chǎn)生器，并且被配置成用以響應(yīng)該串切換脈沖來切換這N個開關(guān)，致使這N個開關(guān)中每一個均會影響這N個相位中其中一個。

為更完整了解本發(fā)明，配合后附附圖來參考詳細(xì)的說明與申請專利范圍，其中于所有圖示中，相同的元件符號代表類似的元件，且圖1所示的是一運(yùn)用現(xiàn)有技術(shù)的切換電源供應(yīng)器的多相系統(tǒng)的簡化示意圖；圖2所示的是一根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的單相或多相系統(tǒng)的簡化示意圖；圖3所示的是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的圖2的電源供應(yīng)器的監(jiān)控電路的框圖；圖4所示的是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的圖2的電源供應(yīng)器的控制電路的框圖；圖5所示的是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的滑動表面及其可變窗的相位圖；圖6所示的是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的圖4的控制電路的暫態(tài)控制器的簡化框圖；以及圖7所示的是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的圖2的電源供應(yīng)器的N個相位所使用的N個開關(guān)中每一個的切換的關(guān)系圖。
具體實(shí)施方式圖2所示的是一含有被耦合至一切換電源供應(yīng)器24的直流電源22的多相系統(tǒng)20的簡化示意圖，該切換電源供應(yīng)器24被耦合至負(fù)載26。下文討論將參考圖2。
系統(tǒng)20由電源22、電源供應(yīng)器24、以及負(fù)載26所構(gòu)成。電源22被配置成用于提供第一種形式的直流能量作為電源供應(yīng)器24的輸入能量。此輸入能量由輸入電流IIn處的輸入電壓VIn所組成。電源22可能是電池、交流至直流轉(zhuǎn)換器、太陽能陣列、發(fā)電機(jī)、交流發(fā)電機(jī)、或是具有適當(dāng)直流能量的任何其它電源。
負(fù)載26需要源自電源供應(yīng)器24的輸出能量的第二種形式的直流能量。此輸出能量由輸出電流IOut處的輸出電壓VOut所組成。負(fù)載26可以是任何的電子裝置，不過，其通常是一計(jì)算裝置或是通信裝置，舉例來說，電腦、通信衛(wèi)星、蜂窩設(shè)備、或是類似的電子裝置。
電源供應(yīng)器24被耦合于電源22與負(fù)載26之間，并且被配置成用以將電源22所供應(yīng)的第一種形式的直流能量轉(zhuǎn)換成負(fù)載26所需要的第二種形式的直流能量。
負(fù)載26的參數(shù)通?？赡軙盖颓掖蠓刈兓Ｅe例來說，負(fù)載26可以包含一部具有需要大量電流的處理器的電腦；以及許多附屬裝置(例如電動機(jī)及/或子處理器)，每個附屬裝置中任一個也可能會需要大量電流，而且任一個或是兩者均可被瞬間啟動或取消以實(shí)行某項(xiàng)特定任務(wù)。這種變化可能會在輸出電流IOut中造成暫態(tài)，也就是，陡峭且大幅地移動。因?yàn)榉浅６盖?，所以，該些暫態(tài)動態(tài)(也就是，于變化期間)且靜態(tài)(也就是，于變化以后)地影響輸出電流IOut。從動態(tài)(交流)觀點(diǎn)來看，負(fù)載26可以具有阻抗Z，其中某個瞬間處的輸出電流IOut的動態(tài)數(shù)值為IOut＝VOut/Z (1)從靜態(tài)(直流)觀點(diǎn)來看，阻抗Z含有電阻器R，其中某個特定時(shí)間處的輸出電流IOut的靜態(tài)數(shù)值為IOut＝VOut/R (2)本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員將會發(fā)現(xiàn)，因?yàn)橥ǔ缀醪豢赡茉谌魏翁囟〞r(shí)點(diǎn)處預(yù)測負(fù)載26的能量需求，所以，一般都會將電源22與電源供應(yīng)器24設(shè)計(jì)成符合某個輸出能量需求的范圍(該范圍從預(yù)設(shè)最小值至預(yù)設(shè)最大值)，從而可涵蓋負(fù)載26的需求。
在該較佳實(shí)施例中，電源供應(yīng)器24是一種滑動模式切換電源供應(yīng)器24(也就是，二階遲滯切換電源供應(yīng)器)，其被配置成用以從電源22處接收直流輸入電壓VIn并且供應(yīng)直流輸出電壓VOut給負(fù)載26。
電源供應(yīng)器24被配置成用以將輸入電壓VIn分成N個相位28，其中N為大于一的正整數(shù)。電源供應(yīng)器24含有N個開關(guān)30，每個開關(guān)30均會影響N個相位28中其中一個。這N個開關(guān)30以一對一的對應(yīng)關(guān)系被耦合至N個電感器32。每個開關(guān)30交替地將其特殊電感器32連接于電源22與一共同點(diǎn)或接地34之間。所有N個電感器32均耦合至電容器36。負(fù)載26則耦合至這N個電感器32并且跨越耦合電容器36。
這些開關(guān)30通常被設(shè)計(jì)成多對MOSFET或是運(yùn)作方式和雙擲開關(guān)30相同的其它主動裝置，而且在任一拋擲動作中形成連接。不過，為方便起見，本討論假設(shè)當(dāng)某個特定開關(guān)30將其電感器32連接至電源22時(shí)，該開關(guān)為「開啟(on)」；當(dāng)將其電感器32連接至接地34時(shí)，該開關(guān)則為「關(guān)閉(off)」。
圖3所示的是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的監(jiān)控電路38的框圖。下文討論將參考圖2與圖3。
圖所示的是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的監(jiān)控電路38的框圖。下文討論將參考圖3與圖4。
在該較佳實(shí)施例中，監(jiān)控電路38被耦合至這N個電感器32中每一個并且被耦合至電容器36。監(jiān)控電路38監(jiān)控電源24的狀態(tài)變量。最低限度為，監(jiān)控電路38監(jiān)控電容器電壓Vc(即，跨越電容器36的電壓)。因?yàn)殡娙萜?6直接被跨越耦合至負(fù)載26，所以電容器電壓Vc也稱為輸出電壓VOut。
如同該較佳實(shí)施例中，如果監(jiān)控電路38僅監(jiān)控輸出電壓VOut，監(jiān)控電路38便可僅被設(shè)計(jì)成一用于將電容器36耦合至控制電路40的導(dǎo)體。不過，在可選實(shí)施例中，監(jiān)控電路38則可以包含多個感測裝置(如圖3中的虛線圓所示)，用以監(jiān)控流經(jīng)每個電感器32的電感器電流IL1至ILN、流經(jīng)電容器36的電容器電流IC、或是流經(jīng)負(fù)載26的負(fù)載電流IOut。
圖4所示的是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例配置而成的控制電路40的框圖。下文討論將參考圖2、圖3與圖4。
控制電路40含有一第一狀態(tài)變量產(chǎn)生器42、一第二狀態(tài)變量產(chǎn)生器44，一反饋信號產(chǎn)生器46、一脈寬調(diào)制(PWM)產(chǎn)生器48、一暫態(tài)控制器52、以及一相位選擇器50。下文將詳細(xì)地討論控制電路40的這些組件中的每一個。
控制電路40使電源供應(yīng)器24提供負(fù)載26所需要的輸出電壓VOut與輸出電流IOut。通過控制相位選擇器50的輸出54的時(shí)序便可達(dá)成此目的，這些輸出54耦合至N個開關(guān)30。所以，控制電路40便控制這N個開關(guān)30的切換作業(yè)以產(chǎn)生這N個相位28。
在一較佳實(shí)施例中，控制電路40從監(jiān)控電路38處接收輸出電壓VOut，其同樣為電容器電壓Vc。輸出電壓VOut繞送至第一狀態(tài)變量產(chǎn)生器42。
在第一狀態(tài)變量產(chǎn)生器42中，減法電路56從參考電壓VRef中減去輸出電壓VOut。減法電路56可被設(shè)計(jì)成一簡單的差動放大器，不過，這并非本發(fā)明的規(guī)定。
期望地，參考電壓VRef于正常運(yùn)作期間是一常數(shù)值并且等于欲由電源供應(yīng)器24產(chǎn)生的預(yù)期電壓。參考電壓VRef僅必須供應(yīng)小額的電流，所以，利用本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員所熟知的各種技術(shù)便可輕易地產(chǎn)生預(yù)期精確度的參考電壓VRef。
減法電路56的輸出是參考電壓VRef與輸出電壓VOut之間的差值。所以，減法電路56的輸出是一模擬誤差電壓VE，其表示輸出電壓VOut(實(shí)際的輸出電壓)與參考電壓VRef(預(yù)期的輸出電壓)之間的差值。因此，在正常運(yùn)作期間，偏離參考電壓VRef的任何輸出電壓VOut偏移量代表的便是大小為該偏移量的異于該預(yù)期電壓的誤差。
接著，模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器58便將模擬誤差電壓VE轉(zhuǎn)換成數(shù)字誤差電壓x1x1＝VE＝VOut-VRef(3)該數(shù)字誤差電壓x1為電源供應(yīng)器24的第一(電壓)狀態(tài)變量x1。
本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員將會發(fā)現(xiàn)，在替代實(shí)施例中，可將來自監(jiān)控電路38的其它信號繞送至第一狀態(tài)變量產(chǎn)生器42，用于以未在本文中討論的其它方式來進(jìn)行處理。圖4中的虛線60代表的便是該些實(shí)施例。此替代信號可對應(yīng)于流經(jīng)負(fù)載26的輸出電流IOut，對應(yīng)于流經(jīng)電容器36的電容器電流IC，或是獨(dú)立地對應(yīng)于流經(jīng)一個以上電感器32的電感器電流IL1至ILN。使用該些或其它的替代信號并未脫離本發(fā)明的精神。不過，在該較佳實(shí)施例中，均可從第一狀態(tài)變量x1中預(yù)測出集成和個別的電感器電流，下文將作更詳細(xì)的討論。
該較佳實(shí)施例中，A/D轉(zhuǎn)換器58是一小型(4位元)、快速的(50MHz)轉(zhuǎn)換器。此為一種簡單且便宜的方式。本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員將會發(fā)現(xiàn)，也可使用其它的A/D轉(zhuǎn)換器而并未脫離本發(fā)明的精神。
在A/D轉(zhuǎn)換器58后面，可利用數(shù)字硬件邏輯及/或微處理器電路來設(shè)計(jì)控制電路40的電路與功能，其設(shè)計(jì)方式與邏輯可隨著應(yīng)用不同而大幅不同，不過，數(shù)字電子領(lǐng)域內(nèi)的熟練技術(shù)人員均可輕易地改造其設(shè)計(jì)方式與邏輯。
該較佳實(shí)施例中，推導(dǎo)自輸出電壓VOut的第一狀態(tài)變量x1必須從電源供應(yīng)器24的實(shí)際受監(jiān)控參數(shù)中直接推導(dǎo)出來的僅有的狀態(tài)變量。任何其它狀態(tài)變量均可從第一狀態(tài)變量x1中通過計(jì)算而推導(dǎo)出來。
第一狀態(tài)變量x1是第一狀態(tài)變量產(chǎn)生器42的輸出并且被繞送至第二狀態(tài)變量產(chǎn)生器44與反饋信號產(chǎn)生器46。在第二狀態(tài)變量產(chǎn)生器44內(nèi)，第一狀態(tài)變量x1被傳送至一電感器電流產(chǎn)生器62。電感器電流產(chǎn)生器62通過提取第一狀態(tài)變量x1隨著時(shí)間的導(dǎo)數(shù)計(jì)算出第二狀態(tài)變量x2作為誤差率x2(也就是，誤差電壓x1的比率)x2＝dx1/dt＝dVout/dt＝Ic/C (4)這等同于取出輸出電壓VOut隨著時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，并且實(shí)質(zhì)上等于電容器電流Ic除以電容器36的數(shù)值C。
電感器電流產(chǎn)生器62還會推導(dǎo)出用于表示電感器電流IL1至ILN中每一個的信號，這些信號實(shí)際上是合成的電感器電流。電感器電流產(chǎn)生器62推導(dǎo)出用于代表在第一相位28’期間流經(jīng)第一電感器32’的第一電感器電流IL1的第一合成電感器電流、代表在第二相位28”期間流經(jīng)第二電感器32”的第二電感器電流IL2的第二合成電感器電流、…、依此類推并且推導(dǎo)出用于代表在第N相位28N期間流經(jīng)第N電感器32N的第N電感器電流ILN的第N合成電感器電流。每個合成電感器電流均代表這N個電感器電流IL1至ILN中其中一個。所以，本討論中將合成或?qū)嶋H電感器電流稱為電感器電流IL1至ILN。
電感器電流產(chǎn)生器62可從相位選擇器50(討論如下)中接收一信號，用以確認(rèn)目前的主動相位28。
本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員將會發(fā)現(xiàn)，電感器電流產(chǎn)生器62并不必產(chǎn)生和電感器電流IL1至ILN相同的信號，只要所產(chǎn)生的信號彼此之間的關(guān)系和電感器電流IL1至ILN彼此之間的關(guān)系相同即可。
在一可選實(shí)施例中，電感器電流產(chǎn)生器62可從A/D轉(zhuǎn)換器中直接接收電感器電流IL1至ILN中其中一個或多個；或是可使輸出電流Iout與目前的主動相位28關(guān)聯(lián)，用以解析出每一相位28的電感器電流IL1至ILN。
反饋信號產(chǎn)生器46產(chǎn)生單一反饋信號σ。另外，反饋信號產(chǎn)生器46還會從電源供應(yīng)器24不超過兩個狀態(tài)變量(誤差電壓x1與誤差率x2)中產(chǎn)生單一反饋信號σ。在該較佳的實(shí)施例中，單一反饋信號σ控制所有N個相位28。據(jù)此，單一反饋信號σ便是一綜合反饋信號σ，因?yàn)槠鋾绊懚嘞嚯娫垂?yīng)器24的所有N個相位28。
圖5所示的是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的滑動表面σ及其可變窗Δσ的相位圖。下文討論將參考圖2、圖3、圖4與圖5。
在該較佳實(shí)施例中，控制電路40內(nèi)的反饋信號產(chǎn)生器46是一滑動表面產(chǎn)生器78，其產(chǎn)生綜合反饋信號σ，該信號的形式為單一滑動表面σ。通過產(chǎn)生綜合反饋信號σ作為單一滑動表面σ，那么不論相位28的數(shù)量N為何，均可保持最小的反饋信號產(chǎn)生器46必要狀態(tài)變量數(shù)量(即，兩個一個受監(jiān)控、一個進(jìn)行計(jì)算)。希望少量的狀態(tài)變量，因?yàn)槠淇擅獬Ｒ?guī)多相電源供應(yīng)器中因必須監(jiān)控N+1個狀態(tài)變量以控制N個相位28而快速提高復(fù)雜度的情形。所以，使用少量的狀態(tài)變量優(yōu)于傳統(tǒng)方法處在于可改良可靠度并且降低費(fèi)用。
在下文討論中，反饋信號產(chǎn)生器46與反饋信號σ分別稱為滑動表面產(chǎn)生器78與滑動表面σ。下文將更詳細(xì)討論滑動表面產(chǎn)生器78。
圖5圖解出兩個狀態(tài)變量，水平軸上為誤差電壓x1，垂直軸上為誤差率x2(即，合成電流)。就此而言，圖6所示的是由其狀態(tài)變量x1與x2來定義的電源供應(yīng)器24的運(yùn)作情形。水平軸上繪有兩個螺旋，其中一個的中心為正值x1＝Vout-VRef，x2＝0， (5)另一個螺旋的中心則為負(fù)值x1＝-VRef，x2＝0， (6)正值螺旋圖解的是如果開關(guān)30持續(xù)開啟，狀態(tài)變量x1與x2可遵循的示范軌道；負(fù)值螺旋圖解的則是如果開關(guān)30持續(xù)關(guān)閉，狀態(tài)變量x1與x2可遵循的示范軌道。當(dāng)然，開關(guān)30并不會持續(xù)開啟也不會持續(xù)關(guān)閉，而是以保持下面的狀態(tài)變量值為目的進(jìn)行開啟與關(guān)閉x1＝0，x2＝0， (7)雖然可如本文討論般地利用電流平衡控制器80與可變窗產(chǎn)生器82來調(diào)整滑動表面產(chǎn)生器78所產(chǎn)生的滑動表面σ，不過，滑動表面產(chǎn)生器78仍負(fù)有確認(rèn)何時(shí)應(yīng)該進(jìn)行此切換動作的任務(wù)。
本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員已知滑動模式控制器。滑動表面產(chǎn)生器78便是一種經(jīng)調(diào)節(jié)后適用于電源供應(yīng)器24的滑動模式控制器。在該較佳實(shí)施例中，滑動表面產(chǎn)生器78產(chǎn)生具有下面函數(shù)的單滑動表面σ
σ＝α.x1+x2 (8)其中α為常數(shù)。第一狀態(tài)變量(誤差電壓)x1是受監(jiān)控的電壓狀態(tài)變量，而第二狀態(tài)變量(誤差率)x2則是導(dǎo)數(shù)計(jì)算后(合成)的電流狀態(tài)變量。
滑動模式控制技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的熟練技術(shù)人員已知建立此關(guān)系的目的。一般而言，誤差電壓x1、誤差率x2(誤差電壓x1隨著時(shí)間的變化率)、甚至是誤差電壓x1的時(shí)間加速度均可考慮用于定義滑動表面σ。當(dāng)然，本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員將會發(fā)現(xiàn)，滑動表面σ是一理想化結(jié)果。實(shí)際上，在滑動表面σ上電源供應(yīng)器24的狀態(tài)將極少精確無誤。更確切地說，開關(guān)30受控制，致使電源供應(yīng)器24的往后運(yùn)作(電流平衡控制80與可變窗產(chǎn)生器82的運(yùn)作除外)將會朝向滑動表面σ以及圖5中所示的相位圖的原點(diǎn)。因此，通過控制開關(guān)30的開啟與關(guān)閉，電源供應(yīng)器24的運(yùn)作將會傾向于沿著滑動表面σ「滑動」，經(jīng)由其狀態(tài)變量x1與x2即可證實(shí)。
在該較佳實(shí)施例中，常數(shù)α的范圍如下0≤α≤1/τ(9)其中τ為時(shí)間常數(shù)τ＝R.C(10)其中C為電容器36的數(shù)值，而R為負(fù)載26的電阻值(即，負(fù)載阻抗Z的電阻分量)。
如前面配合公式(3)與(4)所討論的，第一狀態(tài)變量(誤差電壓)x1代表輸出電壓VOut與參考電壓VRef之間的差值；而第二狀態(tài)變量(誤差率)x2代表第一狀態(tài)變量x1的變化率且為其導(dǎo)數(shù)。
因?yàn)閷?shí)際上僅要測量第一狀態(tài)變量x1，并且從第一狀態(tài)變量x1中即可模擬第二狀態(tài)變量x2，所以，僅需要單一滑動表面(綜合反饋信號)σ即可控制相位28的任何數(shù)量N。再者，因?yàn)閷?shí)際上無須測量電流狀態(tài)變量，所以并不需要任何損失性電流測量裝置。如此一來，除了改良效率之外，還可進(jìn)一步改良可靠度并且減低成本。
滑動表面產(chǎn)生78產(chǎn)生滑動表面σ，該滑動表面σ為概括描述電源供應(yīng)器24的操作狀態(tài)的信號。本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員將會發(fā)現(xiàn)，在其它的滑動模式控制器應(yīng)用中，滑動表面σ亦可稱為滑動或切換線、曲線、平面、或是超平面(hyperplane)。
PWM產(chǎn)生器48被耦合至反饋信號產(chǎn)生器46。PWM產(chǎn)生器48被配置成用以將單一滑動表面σ轉(zhuǎn)換成由一串切換脈沖86所組成的PWM信號84。相位選擇器50(下文將作討論)將PWM信號84內(nèi)不同的切換脈沖86繞送至不同的開關(guān)30。
下文討論將參考圖2與圖4。
在PWM產(chǎn)生器48內(nèi)，選配的電流平衡控制器80調(diào)整滑動表面σ，并且將其變更為經(jīng)調(diào)整的滑動表面σ’。電流平衡控制器80相應(yīng)于流入每個電感器32之中的電感器電流IL1至ILN從電感器電流產(chǎn)生器62中接收信號。
電流平衡控制器80接收每個相位28的輸入，這些輸入相應(yīng)于這N個電感器電流IL1至ILN。對這N個相位28中的第M相位而言，其中M為1≤M≤N范圍中的整數(shù)，第M個電感器電流ILM流經(jīng)這N個電感器32中的第M個電感器的電流，該電感器被耦合至這N個開關(guān)30中影響第M相位28的第M個開關(guān)。因?yàn)榈贛個電感器電流ILM僅適用于第M相位28，所以，第M個電感器電流ILM便是第M相位28的相電流。
希望所有這N個電感器電流IL1至ILN實(shí)質(zhì)相等，致使電源供應(yīng)器24能夠提供落在某組特定開關(guān)30的容量內(nèi)的最大電流，以使總效率與可靠度最大化。電流平衡控制器80針對這N個電感器電流IL1至ILN計(jì)算一摘要統(tǒng)計(jì)值Ix(圖中未顯示)作為參考電流。在該較佳實(shí)施例中，希望摘要統(tǒng)計(jì)值Ix是這N個電感器電流IL1至ILN的算術(shù)平均值Ix＝(IL1+IL2+…+ILN)/N (11)本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員將會發(fā)現(xiàn)此并非本發(fā)明的必要條件，而且摘要統(tǒng)計(jì)值Ix亦可不必為算術(shù)平均值，其并不會脫離本發(fā)明的精神。
接著電流平衡控制器80便會針對每個相位28計(jì)算一誤差電流IE(圖中未顯示)，當(dāng)作摘要統(tǒng)計(jì)值Ix與該相位28之電感器電流IL之間的差值IE＝IRef-IL (12)對每個第M相位28來說，接著電流平衡控制器80便會將滑動表面σ變更為經(jīng)調(diào)整的滑動表面σ’，致使該相位28的電感器電流IL實(shí)質(zhì)等于摘要統(tǒng)計(jì)值Ix。
明確地說，當(dāng)某個特定相位28提供不等于摘要統(tǒng)計(jì)值Ix的電感器電流IL時(shí)，電流平衡控制器80便會將和誤差電流IE(圖中未顯示)成正比的偏移量加入滑動表面σ之中。所提供的偏移量將使得經(jīng)調(diào)整的滑動表面σ’略不同于滑動表面σ，而該相位28的電源供應(yīng)器24的運(yùn)作則會沿著經(jīng)調(diào)整的滑動表面σ’移動。依此方式，便可提供實(shí)質(zhì)相等的所有相電流IL1至ILN。
電流平衡控制器80是控制電路40中值得擁有的選配組件。本討論假設(shè)有電流平衡控制器80。如果省略電流平衡控制器80的話，那么滑動表面σ便不會被調(diào)整變成經(jīng)調(diào)整的滑動表面σ’，而下文中任何提及滑動表面σ處亦同樣適用于經(jīng)調(diào)整的滑動表面σ’。
下文討論將參考圖2、圖4與圖5。
經(jīng)調(diào)整的滑動表面σ’被繞送至轉(zhuǎn)換電路102，該轉(zhuǎn)換電路102被配置成用以將經(jīng)調(diào)整的滑動表面σ’轉(zhuǎn)換成PWM信號84，其中實(shí)質(zhì)上PWM信號84由切換頻率fs的一串切換脈沖86所構(gòu)成。在該較佳實(shí)施例中，轉(zhuǎn)換電路102被設(shè)計(jì)成恒定頻率控制器104，該控制器可用于保持實(shí)質(zhì)恒定的切換頻率fs。不過，本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員將會發(fā)現(xiàn)此并非為本發(fā)明的必要條件。亦可使用其它方法來設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換電路102，例如本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員熟知的簡易比較電路(圖中未顯示)，其并未脫離本發(fā)明的精神。
在恒定頻率控制器104中，可變窗產(chǎn)生器82產(chǎn)生可變窗Δσ作為滑動表面σ的寬度。切換頻率fs是可變窗Δσ寬度的函數(shù)。也就是，當(dāng)可變窗Δσ縮窄，切換頻率fs便提高；反之亦然。所以，可變窗Δσ可用以控制切換頻率fs。
可變窗產(chǎn)生器82被配置成用以將滑動表面σ和兩個偏移量作比較。明確地說，可變窗產(chǎn)生器82讓滑動表面σ分叉。當(dāng)檢測到大于滑動表面σ的高臨界值106的運(yùn)作時(shí)，可變窗產(chǎn)生器82便會啟動，促使開關(guān)30開啟。此會影響到這些相位28中其中一個。當(dāng)檢測到小于滑動表面σ的低臨界值108的運(yùn)作時(shí)，可變窗產(chǎn)生器82則會取消，促使目前主動的開關(guān)30關(guān)閉。本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員將會發(fā)現(xiàn)，可變窗產(chǎn)生器82的運(yùn)作亦可使用其它方法，其并未脫離本發(fā)明的精神。
圖5繪出高臨界值106與低臨界值108兩個限制值之間的示范振蕩滑動信號110?；瑒有盘?10描繪的是電源供應(yīng)器24于沿著滑動表面σ滑動時(shí)的運(yùn)作情形，其由其狀態(tài)變量x1與x2來定義。振蕩是由于切換頻率fs的切換開關(guān)30引起的。因此，滑動信號110的振蕩頻率追蹤切換頻率fs。
切換頻率fs跨越電容器36(同樣為跨越負(fù)載26)產(chǎn)生漣波頻率fR。希望漣波頻率fR實(shí)質(zhì)上是固定或恒定的，如此便可比較容易抑制充當(dāng)負(fù)載26的電子裝置內(nèi)所產(chǎn)生的任何干擾及/或諧波效應(yīng)。恒定的預(yù)設(shè)頻率fP(圖中未顯示)可充當(dāng)理想或目標(biāo)漣波頻率fR。也就是，籠統(tǒng)地說，電源供應(yīng)器24(明確地說應(yīng)該是恒定頻率控制器104)可保持切換頻率fs，所以，漣波頻率fR實(shí)質(zhì)上等于恒定的預(yù)設(shè)頻率fP。
在轉(zhuǎn)換電路102內(nèi)，一參考值產(chǎn)生器112產(chǎn)生一固定的參考頻率fx，而且有一比較器114將切換頻率fs與參考頻率fx作比較用以產(chǎn)生一頻率誤差Ef。頻率誤差Ef被應(yīng)用于可變窗產(chǎn)生器82?？勺兇爱a(chǎn)生器82響應(yīng)頻率誤差Ef以構(gòu)成及/或調(diào)整可變窗Δσ。
圖6所示的是控制電路40的暫態(tài)控制器52的框圖，而圖7所示的是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例將多個切換脈沖86分配至這N個相位所使用的N個開關(guān)中的每一個以及其切換的關(guān)系圖。為簡化起見，圖7假設(shè)有N個相位28，其中N＝3(也就是，有三個相位28)。本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員將會發(fā)現(xiàn)此僅為示范例，實(shí)際上N可為大于一的任何預(yù)期整數(shù)。下文討論將參考圖2、圖3、圖4、圖5、圖6與圖7。
響應(yīng)于負(fù)載26中的意外及/或大幅變化可能會發(fā)生暫態(tài)120。在特定條件下，暫態(tài)120可能會驅(qū)使電源供應(yīng)器24進(jìn)入鎖定狀態(tài)維持一段令人不滿意的特長暫態(tài)持續(xù)時(shí)間122。鎖定狀態(tài)終將清除，即使電感器32、電容器36、及/或負(fù)載26極為不匹配及/或偏離理想設(shè)計(jì)甚遠(yuǎn)亦然。
暫態(tài)120期間，反饋信號產(chǎn)生器46可輸出滑動表面σ，當(dāng)經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路102進(jìn)一步處理之后，其便可能指示會影響到目前主動相位28的開關(guān)30維持在其開啟狀態(tài)中。此舉可能造成該開關(guān)30失效，所以是不期望的。
PWM信號84由PWM產(chǎn)生器48輸出并且被輸入暫態(tài)控制器52之中。在暫態(tài)控制器52內(nèi)，PWM信號84被修改成經(jīng)修改的PWM信號124。經(jīng)修改的PWM信號124被配置成用以調(diào)整肇因于負(fù)載26的暫態(tài)120的開關(guān)鎖定持續(xù)時(shí)間126，也就是任何特定開關(guān)30的鎖定狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間。通過調(diào)整開關(guān)鎖定持續(xù)時(shí)間126，不論暫態(tài)持續(xù)時(shí)間122的長度為何，暫態(tài)控制器52均可避免該開關(guān)30與電源供應(yīng)器24遭到可能的破壞。
假使發(fā)生鎖定狀態(tài)，那么，暫態(tài)控制器52便會終止目前的主動相位28，并且促使下一相位28于預(yù)設(shè)持續(xù)時(shí)間之后開始作用。換言之，暫態(tài)控制器52促使開關(guān)30從目前的主動相位28切換至下一相位28，從而可容忍鎖定狀態(tài)。
在暫態(tài)控制器52內(nèi)，持續(xù)時(shí)間時(shí)脈電路128以時(shí)脈頻率fc產(chǎn)生多個時(shí)脈脈沖(圖中未顯示)，其中，時(shí)脈頻率fc遠(yuǎn)大于預(yù)期的切換頻率fs。持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器130被耦合至持續(xù)時(shí)間時(shí)脈電路128并且被配置成用以計(jì)算因而產(chǎn)生的脈沖。
PWM信號84中的每個切換脈沖86的持續(xù)時(shí)間通常取決于單一滑動表面σ與轉(zhuǎn)換電路102。暫態(tài)120代表極端偏離參考值，從而于一特定切換脈沖86上施加暫態(tài)持續(xù)時(shí)間122。
在該較佳實(shí)施例中，PWM信號通過一門電路132且抵達(dá)持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器130。持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器130被PWM信號84中的每個切換脈沖86的前沿初始化。接著，持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器130便會計(jì)算來自持續(xù)時(shí)間時(shí)脈電路128的時(shí)脈脈沖，直到抵達(dá)切換脈沖86的后沿或是持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器130抵達(dá)預(yù)設(shè)計(jì)數(shù)值(圖中未顯示)為止。假使持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器130抵達(dá)該預(yù)設(shè)計(jì)數(shù)值的話，那么，持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器130便會發(fā)出一額外的切換脈沖134。門電路132將來自持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器的任何額外切換脈沖134整合至PWM信號84之中以產(chǎn)生經(jīng)修改的PWM信號124。依此方式，暫態(tài)控制器52便可判斷某個特定切換脈沖86的持續(xù)時(shí)間是否過長，也就是，是否出現(xiàn)可能的鎖定狀態(tài)。
更明確地說，M介于1≤M≤N之中的整數(shù)，而且當(dāng)M＝N，(M+1)＝1時(shí)，PWM信號84便會經(jīng)由門電路132傳送第M個切換脈沖86給持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器130與相位選擇器50(討論如下)。相位選擇器50啟動第M個開關(guān)30并且影響第M個相位28。該第M個切換脈沖86初始化持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器130。接著持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器130便會計(jì)算來自持續(xù)時(shí)間時(shí)脈電路128的時(shí)脈脈沖。
假使于持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器130抵達(dá)該預(yù)設(shè)計(jì)數(shù)值以前該第M個切換脈沖86便已結(jié)束的話，那么持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器130便會停止計(jì)算這些時(shí)脈脈沖。相位選擇器50停留在該第M個相位28之中直到PWM信號84傳送第(M+1)個切換脈沖86為止并且重新開始進(jìn)行該程序。
假使于該第M個切換脈沖86結(jié)束以前，持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器130便已抵達(dá)該預(yù)設(shè)計(jì)數(shù)值的話，那么持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器130便經(jīng)由門電路132送出額外切換脈沖134給相位選擇器50。也就是，持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器130將額外切換脈沖134加至經(jīng)修改的PWM信號124之中。額外切換脈沖134成為第(M+1)個切換脈沖86并且促使相位選擇器50啟動第(M+1)個開關(guān)30且影響第(M+1)個相位28。
此外，額外切換脈沖134也會被傳送至持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器130，接著該持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器130便會被初始化并且再次計(jì)算來自持續(xù)時(shí)間時(shí)脈電路128的時(shí)脈脈沖。
此程序反復(fù)進(jìn)行直到PWM信號84所傳送的第M個切換脈沖86結(jié)束為止，屆時(shí)持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器130便會停止計(jì)數(shù)且電源供應(yīng)器24的運(yùn)作會恢復(fù)正常。
強(qiáng)制從第M個相位改變成第(M+1)個相位28，便可避免因負(fù)載26中的暫態(tài)120或是任何其它狀況導(dǎo)致任何開關(guān)30發(fā)生任何可能的鎖定狀態(tài)。持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器130的預(yù)設(shè)計(jì)數(shù)值，也就是任何切換脈沖86的最大開關(guān)鎖定持續(xù)時(shí)間126，的選擇方式必須不會讓任一開關(guān)30停留的時(shí)間足以造成過熱或是其它破壞的問題。
持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器130可為一向上計(jì)數(shù)器，在這種情況中，該初始化動作可將該計(jì)數(shù)值設(shè)為零，然后持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器130便可向上計(jì)數(shù)至該預(yù)設(shè)計(jì)數(shù)值。替代的方式為，持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器130可為一向下計(jì)數(shù)器，在這種情況中，該初始化動作可將該計(jì)數(shù)值設(shè)為該預(yù)設(shè)計(jì)數(shù)值，然后持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器130便可向下計(jì)數(shù)至零。本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員將會發(fā)現(xiàn)，持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器130所使用的計(jì)數(shù)器類型并不重要，重要的是預(yù)設(shè)數(shù)量時(shí)脈脈沖的計(jì)數(shù)方式。不論使用任何特定型式的計(jì)數(shù)器均不脫離本發(fā)明的精神。
由暫態(tài)控制器輸出的經(jīng)修改的PWM信號124可有效地取代PWM產(chǎn)生器48所輸出的PWM信號84。在本討論的其余部份中，任何以PWM信號84為參考基準(zhǔn)者均假設(shè)以經(jīng)修改的PWM信號124為參考基準(zhǔn)。
圖7所示的是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例將多個切換脈沖86分配至這N個相位28所使用的多個開關(guān)30中的每一個以及其切換的關(guān)系圖。為簡化起見，圖7假設(shè)有N個相位28，其中N＝3(即，有三個相位28)。本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員將會發(fā)現(xiàn)此僅為示范例，實(shí)際上N可為大于一的任何預(yù)期整數(shù)。下文討論將參考圖2、圖3、圖4、與圖7。
在相位選擇器50之中，PWM信號84被繞送至相位計(jì)數(shù)器136。相位計(jì)數(shù)器136在任何特定時(shí)點(diǎn)處確認(rèn)這N個相位28中何者要成為主動狀態(tài)。希望的方式為，相位計(jì)數(shù)器136針對PWM信號84中的每個切換脈沖86均僅「計(jì)數(shù)」一次，不過，必要時(shí)亦可循環(huán)計(jì)數(shù)。舉例來說，在三相應(yīng)用中(即，N＝3，如圖7中所示)，相位計(jì)數(shù)器136可從零計(jì)數(shù)至二，接著于收到來自PWM信號84的下一個切換脈沖時(shí)便會被重置回到零。
在該較佳實(shí)施例中，相位計(jì)數(shù)器136被設(shè)計(jì)成環(huán)型計(jì)數(shù)器(ring counter)。本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員將會發(fā)現(xiàn)此并非本發(fā)明的必要條件，亦可使用相位計(jì)數(shù)器136的其它實(shí)施例，其并不會脫離本發(fā)明的精神。
相位計(jì)數(shù)器136的輸出被送至一切換電路138，并且被送至上文所討論的電感器電流產(chǎn)生器62與電流平衡控制器80。如此可讓電感器電流產(chǎn)生器62與電流平衡控制器80將它們的動作協(xié)同于目前的主動相位28。
切換電路138將源自PWM信號84的多個切換脈沖86依序分配至這N個開關(guān)30的多個控制輸入中。據(jù)此，相位計(jì)數(shù)器136的輸出便可確認(rèn)目標(biāo)開關(guān)30應(yīng)該開啟或關(guān)閉，而且PWM信號84可提供供這些開啟/關(guān)閉事件使用的時(shí)序。源自切換電路138的多個信號54于每個相位28中耦合至每個開關(guān)30的控制輸入。也就是，第一信號54’被耦合至第一開關(guān)30’的控制輸入用以影響第一相位28’，第二信號54”被耦合至第二開關(guān)30”的控制輸入用以影響第二相位28”，依此類推，第N信號54N被耦合至第N開關(guān)30N的控制輸入用以影響第N相位28N。
接著，所有開關(guān)30便均會以切換頻率fs進(jìn)行切換。對這N個相位28中的第M相位而言，切換電路于相位計(jì)數(shù)器136的控制下從第M個開關(guān)30切換至第(M+1)個開關(guān)30。
在該較佳實(shí)施例中，切換電路138可利用本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員所熟知的比較簡易的解碼電路(圖中未顯示)設(shè)計(jì)而成。不過將會發(fā)現(xiàn)，亦可使用切換電路138的替代設(shè)計(jì)方式，其并未脫離本發(fā)明的精神。
總結(jié)來說，本發(fā)明教授一種用于多相切換電源供應(yīng)器24中暫態(tài)控制的設(shè)備與方法。電源供應(yīng)器24具有適用于多相系統(tǒng)20中的控制電路40，其簡單、可靠、而且價(jià)格低廉，同時(shí)不論這些相位28的數(shù)量N為何均僅需要兩個狀態(tài)變量x1與x2。電源供應(yīng)器24實(shí)質(zhì)上可獨(dú)立于組件公差，可忍受開關(guān)30的鎖定狀態(tài)，并且運(yùn)用暫態(tài)控制器52來讓開關(guān)耗電保持在公差內(nèi)。
雖然已經(jīng)詳細(xì)地闡述與說明本發(fā)明的較佳實(shí)施例，不過，本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員將很容易明白仍可對其進(jìn)行各種變化，并不會脫離本發(fā)明的精神或是隨附申請專利范圍的范疇。
權(quán)利要求
1.一種操作具有N個相位的暫態(tài)控制多相切換電源供應(yīng)器的方法，其中N為大于一的整數(shù)，該方法包括從該電源供應(yīng)器中不超過二個狀態(tài)變量中產(chǎn)生一綜合反饋信號；將該綜合反饋信號轉(zhuǎn)換成一串切換脈沖；確定該串切換脈沖中這些切換脈沖每一個的持續(xù)時(shí)間；當(dāng)該確定動作確定出這些切換脈沖中其中一個超過預(yù)設(shè)的持續(xù)時(shí)間時(shí)，調(diào)整該串切換脈沖；切換N個開關(guān)，以響應(yīng)該串切換脈沖；以及利用這N個開關(guān)中的每一個，以影響這些N相位中的其中一個。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其另外包括監(jiān)控該電源供應(yīng)器的輸出電壓；響應(yīng)該監(jiān)控動作而推導(dǎo)出該電源供應(yīng)器的第一狀態(tài)變量；以及響應(yīng)該推導(dǎo)動作而合成出該電源供應(yīng)器的第二狀態(tài)變量。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中該推導(dǎo)動作包括產(chǎn)生一固定的參考電壓；以及從該固定的參考電壓中減去該輸出電壓以推導(dǎo)該第一狀態(tài)變量。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其中該合成動作包括抽出第一狀態(tài)變量隨著時(shí)間的導(dǎo)數(shù)以合成出該第二狀態(tài)變量。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該產(chǎn)生動作產(chǎn)生該綜合反饋信號作為這N個相位的單一滑動表面，該滑動表面的數(shù)值為αx1+x2，其中α為大于0的常數(shù)；x1為該第一狀態(tài)變量；以及x2為該第二狀態(tài)變量。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其另外包括響應(yīng)該監(jiān)控動作，以產(chǎn)生對應(yīng)這N個電感器電流的多個信號；其中這些信號為N個合成電感器電流；以及針對這N個相位中的每一個來調(diào)整該綜合反饋信號，以使這N個合成電感器電流更加地均等。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該轉(zhuǎn)換動作包括以用來定義切換頻率的速率來產(chǎn)生這些切換脈沖，該切換電路以該切換頻率來共同切換這N個開關(guān)；以及該切換動作包括將這些脈沖依序分配于這N個開關(guān)之中。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該綜合反饋信號是一滑動表面；該方法另外包括響應(yīng)該產(chǎn)生動作，而對于該滑動表面形成一可變窗；該轉(zhuǎn)換動作響應(yīng)這些產(chǎn)生與形成動作，以實(shí)質(zhì)恒定的切換頻率來將該滑動表面轉(zhuǎn)換成該串切換脈沖；以及該切換動作以該實(shí)質(zhì)恒定的切換頻率來切換這N個開關(guān)。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中該形成動作包括產(chǎn)生一參考頻率；將該實(shí)質(zhì)恒定的切換頻率與該參考頻率作比較；以及通過響應(yīng)該比較動作來調(diào)整該實(shí)質(zhì)恒定的切換頻率，以使該實(shí)質(zhì)恒定的切換頻率保持實(shí)質(zhì)恒定。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該確定動作包括接收該串切換脈沖中的這些切換脈沖中其中一個；在該其中一個切換脈沖的起始處初始化一持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器；以及針對該其中一個切換脈沖的持續(xù)時(shí)間在該持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器中來計(jì)算時(shí)脈脈沖；以及該調(diào)整動作包括在該計(jì)數(shù)動作抵達(dá)一預(yù)設(shè)計(jì)數(shù)值時(shí)，將一額外的切換脈沖加入該串切換脈沖之中。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其另外包括以大于該串切換脈沖的頻率的時(shí)脈頻率來產(chǎn)生這些時(shí)脈脈沖。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在收到這些切換脈沖中其中一個時(shí)，該切換動作從這N個相位中目前的相位切換至下一個相位；以及該調(diào)整動作包括當(dāng)該確定動作確定該目前開關(guān)維持主動狀態(tài)已超過預(yù)設(shè)的時(shí)間長度時(shí)則將這些切換脈沖中其中一個額外脈沖加入該串切換脈沖之中。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該切換動作包括將這些切換脈沖中的每一個脈沖依序分配于這N個開關(guān)之中。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該切換動作包括以某個切換頻率來共同切換這N個開關(guān)；以及以N-1乘以該切換頻率來個別切換這N個開關(guān)。
15.一種具有N個相位的暫態(tài)控制多相切換電源供應(yīng)器，其中N為大于一的整數(shù)，該電源供應(yīng)器包括N個開關(guān)，其被配置成耦合至一雙極電源；N個電感器，其中這N個電感器中每一個均被耦合至這N個開關(guān)中其中一個；一電容器，其被耦合至這N個電感器中每一個并且被配置成跨越耦合于一負(fù)載之上；一反饋信號產(chǎn)生器，其被耦合至該電容器并且被配置成用以響應(yīng)該電源供應(yīng)器中不超過二個狀態(tài)變量來產(chǎn)生一綜合反饋信號；一脈寬調(diào)制(PWM)產(chǎn)生器，其被耦合至該綜合反饋信號產(chǎn)生器并且被配置成用以將該反饋信號轉(zhuǎn)換成一串切換脈沖；一暫態(tài)控制器，其被耦合至該P(yáng)WM產(chǎn)生器并且被配置成用以于檢測到這些切換脈沖中其中一個超出范圍時(shí)來調(diào)整該串切換脈沖；以及一相位選擇器，其被耦合至這N個開關(guān)，被耦合至該P(yáng)WM產(chǎn)生器，并且被配置成用以響應(yīng)該串切換脈沖來切換這N個開關(guān)，以使這N個開關(guān)中每一個均會影響這N個相位中其中一個。
16.如權(quán)利要求15所述的電源供應(yīng)器，其中該電源供應(yīng)器另外包括一監(jiān)控電路，其被配置成用以監(jiān)控該電源供應(yīng)器的輸出電壓；以及一第一狀態(tài)變量產(chǎn)生器，其被耦合至該監(jiān)控電路并且被配置成用以產(chǎn)生該第一狀態(tài)變量，作為該輸出電壓與一固定參考電壓之間的差值，該固定參考電壓等于該電源供應(yīng)器的理想輸出電壓。
17.如權(quán)利要求16所述的電源供應(yīng)器，其另外包括一第二狀態(tài)變量產(chǎn)生器，其被耦合至該第一狀態(tài)變量產(chǎn)生器并且被配置成用以合成該第二狀態(tài)變量作為該第一狀態(tài)變量隨著時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。
18.如權(quán)利要求15所述的電源供應(yīng)器，其中該反饋信號產(chǎn)生器包括一滑動表面產(chǎn)生器，該滑動表面產(chǎn)生器被配置成用以產(chǎn)生該綜合反饋信號，作為這N個相位的單一滑動表面。
19.如權(quán)利要求18所述的電源供應(yīng)器，其中該滑動表面的數(shù)值為αx1+x2，其中α為大于0的常數(shù)；x1為這些兩個狀態(tài)變量中的第一狀態(tài)變量；以及x2為這些兩個狀態(tài)變量中的第二狀態(tài)變量。
20.如權(quán)利要求19所述的電源供應(yīng)器，其中該常數(shù)的范圍為0≤α≤(τ)-1，其中τ為時(shí)間常數(shù)，其數(shù)值為RC，而R為該負(fù)載的電阻分量的數(shù)值，而C則為該電容器的數(shù)值。
21.如權(quán)利要求19所述的電源供應(yīng)器，其中該第一狀態(tài)變量的數(shù)值為VRef-VOut，其中VRef為參考電壓的數(shù)值，而VOut為該電源供應(yīng)器的輸出電壓的數(shù)值；以及該第二狀態(tài)變量為該第一狀態(tài)變量隨著時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。
22.如權(quán)利要求15所述的電源供應(yīng)器，其中該電源供應(yīng)器還包括一電感器電流產(chǎn)生器，其被配置成用以從該第一狀態(tài)變量來合成N個合成電感器電流；以及該P(yáng)WM產(chǎn)生器包括一電流平衡控制器，該電流平衡控制器被耦合至該反饋信號產(chǎn)生器，被耦合至該電感器電流產(chǎn)生器，并且被配置成用以響應(yīng)N個合成電感器電流來調(diào)整該綜合反饋信號，以使這N個電感器電流實(shí)質(zhì)相等，其中這N個電感器電流中每一個均為流過這N個電感器中其中一個的電流。
23.如權(quán)利要求15所述的電源供應(yīng)器，其中該P(yáng)WM產(chǎn)生器包括一恒定頻率控制器，該恒定頻率控制器被耦合至該反饋信號產(chǎn)生器并且被配置成用于以實(shí)質(zhì)恒定的頻率來產(chǎn)生該串切換脈沖；以及該相位選擇器以該實(shí)質(zhì)恒定的頻率來切換這N個開關(guān)。
24.如權(quán)利要求23所述的電源供應(yīng)器，其中該恒定頻率控制器包括一參考值產(chǎn)生器，該參考值產(chǎn)生器被配置成用以產(chǎn)生一實(shí)質(zhì)恒定的參考頻率；該恒定頻率控制器另外包括一頻率比較器，該頻率比較器被耦合至該參考值產(chǎn)生器并且被配置成用以比較該串切換脈沖的頻率與該參考頻率；以及該恒定頻率控制器響應(yīng)該頻率比較器，將該串切換脈沖維持在該實(shí)質(zhì)恒定的頻率處。
25.如權(quán)利要求15所述的電源供應(yīng)器，其中該暫態(tài)控制器包括一時(shí)脈，其被配置成用于以大于某個切換頻率的實(shí)質(zhì)固定的頻率來產(chǎn)生多個時(shí)脈脈沖，其中該切換頻率為該串切換脈沖的頻率；一持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器，其被耦合至該時(shí)脈與該P(yáng)WM產(chǎn)生器，被配置成用以于這些切換脈沖中每一個期間來計(jì)算這些時(shí)脈脈沖，并且被配置成用以于這些切換脈沖中其中一個的持續(xù)時(shí)間超過這些時(shí)脈脈沖的預(yù)設(shè)計(jì)數(shù)值時(shí)，產(chǎn)生一額外切換脈沖；以及一門電路，其耦合至該持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器與該P(yáng)WM產(chǎn)生器，并且被配置成用以將來自該P(yáng)WM產(chǎn)生器的該串切換脈沖及來自該持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器的這些額外切換脈沖傳送至該切換電路。
26.如權(quán)利要求15所述的電源供應(yīng)器，其中該P(yáng)WM產(chǎn)生器以某個切換頻率來產(chǎn)生該串切換脈沖；該相位選擇器以該切換頻率來共同切換這N個開關(guān)；以及該相位選擇器實(shí)質(zhì)上以N-1乘以該切換頻率來個別切換這N個開關(guān)中每一個。
27.一種具有N個相位的暫態(tài)控制多相滑動模式切換電源供應(yīng)器，其中N為大于一的整數(shù)，該電源供應(yīng)器包括N個開關(guān)，其被配置成耦合至一雙極電源，其中這N個開關(guān)中每一個均影響這N個相位中其中一個；N個電感器，其中這N個電感器中每一個均被耦合至這N個開關(guān)中其中一個；一電容器，其被耦合至這N個電感器中每一個并且被配置成跨越耦合于一負(fù)載之上；一轉(zhuǎn)換電路，其被耦合至該滑動表面產(chǎn)生器并且被配置成用以響應(yīng)該滑動表面來將該滑動表面轉(zhuǎn)換成一串切換脈沖；一暫態(tài)控制器，其被耦合至該轉(zhuǎn)換電路并且被配置成用以于檢測到一超出范圍的暫態(tài)時(shí)來調(diào)整該串切換脈沖；以及一切換電路，其被耦合至這N個開關(guān)，被耦合至該暫態(tài)控制器，并且被配置成用以響應(yīng)該串切換脈沖來切換這N個開關(guān)。
28.如權(quán)利要求27所述的電源供應(yīng)器，其中該轉(zhuǎn)換電路是一恒定頻率控制器；以及該切換電路響應(yīng)該恒定頻率控制器，以實(shí)質(zhì)恒定的切換頻率來切換這N個開關(guān)。
29.如權(quán)利要求28所述的電源供應(yīng)器，其中該恒定頻率控制器包括一參考值產(chǎn)生器，該參考值產(chǎn)生器被配置成用以產(chǎn)生一參考頻率；該恒定頻率控制器另外包括一頻率比較器，該頻率比較器被耦合至該參考值產(chǎn)生器并且被配置成用以比較該切換頻率與該參考頻率；以及該恒定頻率控制器響應(yīng)該頻率比較器來維持該實(shí)質(zhì)恒定的切換頻率。
30.如權(quán)利要求28所述的電源供應(yīng)器，其中該暫態(tài)限制控制器包括一時(shí)脈，其被配置成用于以大于該串切換脈沖之速率的速率來產(chǎn)生多個時(shí)脈脈沖；一持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器，其被耦合至該轉(zhuǎn)換電路與該時(shí)脈，并且被配置成用以計(jì)算這些時(shí)脈脈沖；以及一門電路，其被耦合至該轉(zhuǎn)換電路與該持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器，并且被配置成用以將來自該轉(zhuǎn)換電路的這些切換脈沖傳送至該切換電路；該切換電路在從該門電路中收到這些切換脈沖中的第M個切換脈沖時(shí)切換至這N個開關(guān)中的第M個開關(guān)，其中M為一整數(shù)，其范圍為1＜M≤N；該持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器被這些切換脈沖中的該第M個切換脈沖初始化，在該第M個切換脈沖期間計(jì)算這些時(shí)脈脈沖，并且倘使該持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器于該第M個切換脈沖期間抵達(dá)一預(yù)設(shè)計(jì)數(shù)值的話，其還送出一額外切換脈沖給該門電路；以及該切換電路于從該門電路中收到這些切換脈沖中的第(M+1)個切換脈沖時(shí)切換至這N個開關(guān)中的第(M+1)個開關(guān)，其中該第(M+1)個切換脈沖接續(xù)在該第M個切換脈沖而來自該轉(zhuǎn)換電路的切換脈沖或是由該持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器所送出之該額外切換脈沖兩者中其中一個。
31.一種系統(tǒng)，其包括一雙極電源，其被配置成用于供應(yīng)第一種形式的直流電能量；一電子裝置，其被配置成用于運(yùn)用第二種形式的直流電能量；以及一具有N個相位的滑動模式切換電源供應(yīng)器，其中N為大于一的正整數(shù)，其被耦合于該雙極電源與該電子裝置之間，并且被配置成用以將該第一種形式的直流電能量轉(zhuǎn)換成該第二種形式的直流電能量，其中該電源供應(yīng)器包括N個開關(guān)，其被耦合至該雙極電源，其中這N個開關(guān)中每一個均會影響這N個相位中其中一個；N個電感器，其中這N個電感器中每一個均會被耦合至這N個開關(guān)中其中一個；一電容器，其被耦合至這N個電感器與該電子裝置；一反饋信號產(chǎn)生器，其被配置成用以為這N個相位產(chǎn)生一綜合反饋信號；一脈寬調(diào)制(PWM)產(chǎn)生器，其包括一轉(zhuǎn)換電路，該轉(zhuǎn)換電路系耦合至該反饋信號產(chǎn)生器并且被配置成用于以某個切換頻率來將該反饋信號轉(zhuǎn)換成一串切換脈沖；一暫態(tài)控制器，其被耦合至該P(yáng)WM產(chǎn)生器并且被配置成用以在檢測到這些切換脈沖中其中一個超出范圍時(shí)來調(diào)整該串切換脈沖；以及一相位選擇器，其被耦合至這N個開關(guān)，被耦合至該暫態(tài)控制器，并且被配置成用以響應(yīng)該串切換脈沖來依序切換這N個開關(guān)。
32.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中該電子裝置是計(jì)算裝置或通信裝置兩者中其中一個。
33.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中該反饋信號產(chǎn)生器包括一滑動表面產(chǎn)生器，該滑動表面產(chǎn)生器被配置成用以為這N個相位產(chǎn)生單一滑動表面，作為該反饋信號。
34.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中該相位選擇器在收到這些脈沖序列中其中一個這些脈沖時(shí)切換至這N個開關(guān)中的下一個；該暫態(tài)控制器包括一持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器，該持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器被配置成在該其中一個切換脈沖的起始處被初始化，并且被配置成用以在該其中一個切換脈沖期間該持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器抵達(dá)一預(yù)設(shè)計(jì)數(shù)值時(shí)將一額外的切換脈沖加入該串切換脈沖之中。
35.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中該暫態(tài)控制器包括一持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器該切換電路在從該門電路中收到這些切換脈沖中的第M個切換脈沖時(shí)切換至這N個開關(guān)中的第M個開關(guān)，其中M為一整數(shù)，其范圍為1＜M≤N；該第M個切換脈沖初始化該持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器；該持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器在該第M個切換脈沖期間計(jì)算這些時(shí)脈脈沖，該時(shí)脈脈沖的頻率大于該切換頻率；如果該持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器于該第M個切換脈沖期間抵達(dá)一預(yù)設(shè)計(jì)數(shù)值的話，該持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器便將一額外切換脈沖加入該串切換脈沖之中；以及該切換電路在從該門電路中收到這些切換脈沖中的第(M+1)個切換脈沖時(shí)切換至這N個開關(guān)中的第(M+1)個開關(guān)，其中該第(M+1)個切換脈沖接續(xù)在該第M個切換脈沖而來自該轉(zhuǎn)換電路的切換脈沖或是由該持續(xù)時(shí)間計(jì)數(shù)器所送出之該額外切換脈沖兩者中其中一個。
全文摘要
本發(fā)明提供一種多相滑動模式切換電源供應(yīng)器(24)以及操作該電源供應(yīng)器(24)的方法。每個相(28)的開關(guān)(30)均被耦合至一雙極電源(22)，其中每個開關(guān)(30)均會影響到一個相(28)。一電感器(32)被耦合至每個開關(guān)(30)，而且一電容器(36)被耦合至該電感器(32)。一負(fù)載(26)跨越耦合該電容器(36)。一滑動表面產(chǎn)生器(78)被耦合至監(jiān)控電路(38)并且對于所有相位(28)產(chǎn)生單一滑動表面(σ)。一轉(zhuǎn)換電路(102)耦合至該滑動表面產(chǎn)生器(78)并且配置成用以將該滑動表面(σ)轉(zhuǎn)換成一串切換脈沖(86)。一暫態(tài)控制器(52)耦合至該轉(zhuǎn)換電路(102)并且配置成用以于檢測到一超出范圍暫態(tài)信號時(shí)來調(diào)整該串切換脈沖。一開關(guān)電路(138)耦合至這些開關(guān)(30)與該暫態(tài)控制器(52)，并且可響應(yīng)該串切換脈沖(86)來切換這些開關(guān)(30)。
文檔編號H02M3/10GK1722586SQ20051008451
公開日2006年1月18日 申請日期2005年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月15日
發(fā)明者Z·穆薩維, T·維克托林 申請人:英特賽爾美國股份有限公司