多個開關變換器的控制設備的製作方法

2024-02-11 16:46:15 1

專利名稱：多個開關變換器的控制設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種多個開關變換器的控制設備。
背景技術：
在現有技術中，多個變換器是已知的；它們是通過兩個或多個任意標準類 型(例如，降壓、回掃、升壓等)的開關變換器並聯組合的方式製成的，典型 地，所有的都是相同的，這樣，它們共用同樣的電壓源並且在同樣的負載上分 配功率。然後如果以這樣的變換器控制方法被激活，那麼基本上包括以合適的 方式交錯的PWM脈衝序列雜制每一個變換器，其更適合被稱之為"多相" 變換器。
當使用單一變換器不能實現或者遵照設計說明不經濟時使用多個和多相的 方法。在這些方法可能合適的情況中最明顯盼瞎況是大功率和/或大電流。事實 上，總功率或電流能被數量為n的變換器細分，其中的每一個都能被換算以便 承載N分之一。除此之外，在多相方法的特定背景中，使用合適時間控制單一 變換器的PWM脈衝序列可以得到其所有的參數而不需要^^觀糧。例如，所 有變換器的輸入(或輸出)的波紋電流最小化或者設置在一定情況下達到零是 可能的，因此優化電壓並進而減小由優化而影響的電容器的工作檯成本；或者， 仍然利用合適的控制方法，整個系統能被製成相當於一個整體，其工作的頻率 與各個單獨頻率之和相同，因此使磁性部分的尺寸變小並且獲得了由單一變換 器難以達到的動態性能。
圖1所示兩相降壓變換器用於提供臺式計算機和筆記本計算機中的現代處 理器，具有樹氐電源電壓(低於1.8V)、高消耗(大於90A)和極高消耗動力(大 於lA/ns)的特點。下面，將特別參考多相變換器；不過，需要指出的是在多個 變換器方法的簡化方案中所有標記也依然有效。
正如已經提到的那樣，導致使用多相變換器的基本需要是大功率。在這禾中 情況下，當該系統被要求滿負荷工作時可以導出從多個變換器的使用中受益最 大，然而隨著負荷的減少，許多可用的變換器導致出現冗餘。除了一些供應系統中需要冗餘來保證極高水平的服務持續性的情況之外， 一般情況下這構成了 一種浪費。此外，在減少負荷時，與控制相關的育遣損耗(例如FET電晶體的 驅動)，以及一系列不考慮負荷的能量的損耗(例如與功率元件的負載和卸載寄 生電容相關的損耗)開始變得重要並且系統的變換效率(也就是返回到負荷的 功率與由 俞入電源吸收的功率之間的比例)開始fflil減小。
在許多系統中，其可以具有非操作的所謂的等待狀態，其特徵是極大的減 少為其供應電流的變換器的負荷，符合任意的標準或所要求的建議，其目的是
調整在前述狀態中這些裝置的能量消耗的減少(例如能源之星、育娜2000、藍 色天使(BuleAngel),等)。在這種情況下，上面提到的能量損耗的M^、對於達 到合格就變得很重要。
有時，如果保證單一變換器的損耗落入在所推薦的限制內不是一件容易完 成的任務，那麼，容易想像到多個變換器將加重這項任務完成的難度。因此有 必要拓展用於單一變換器的已知技術到多個或多相變換器中或利用新的特別用 於多個或多相變換器的技術來完善現有技術，以這種方式來使系統設計者的任 務變得容易。
在以上情況中，用於單一變換器的負載消耗和基本上所有所涉及的變換器 的操作頻率的減少限制至嘬低或零的各種技術是已知的。很明顯，在一個多相 變換器中，由N個單一變換器複合而成(命名為N相變換器)，這些技術中的 任何一個都能應用到全部N個變換器中的每一個。因此如果Pin0是由單一變換
器吸收的輸入功率(為了簡化認為所有的都相同)在負載情況下，例如零，在 這些瞎況下用於N相變換器的功率吸收將是N，PinO。儘管PinO很小，如果N
足夠大，那麼N ，PinO可能超過N相變換器所屬的功率等級中所設定柳蹄値。

發明內容
考慮到所公開的現有技術，本發明的目的是提供一種用於多個變換器的控 制設備，其使變換器的損耗減少。
根據本發明，這一目的由多個開關變換器的控制設備來實現，齡變換器 包括至少一個功率開關並與所述至少一個功率開關的控制電路相關聯，其特徵 在於包括裝置，適用於將代表多個開關變換器負荷的信號與多個參考信號相比 較，並用於4妙萬述多個控制電路的至少一個有效或失效以響應所述比較。
由於本發明可能製作一種用於多個開關變換器的控制設備1鈔人中至U低的負
5荷變換效率達到最優，從而減少由於負荷減少而效率降低的正常比率。進一步 地，所述控制設備在零負荷時能將能量消耗降到劇氏，從而減少單一變換器的 能量消耗並且保持單一變換器的開關周期之間的時間關係，從而保持應用於多 個變換器的附加參數(例如最小化電流波紋)。


本發明的特徵和優點從下面其實施例的詳細描述中將變得更加明顯，在所 包括的附圖中其闡述作為非限制性實施例，其中
圖1是根據現有技^^勾造的降壓兩相變換器的圖示；
圖2是用於多相變換器的脈衝產生，方框圖和相應時間圖的圖示；
圖3是根據本發明第一實施例構造的控制設備方框圖的圖示；
圖4是根據本發明第二實施例構造的控制設備方框圖的圖示；
圖5是根據本發明第三實施例構造的控制設備方框圖的圖示；
圖6是圖2-5中電路的功能塊10的可能實施例的圖示；
圖7a和7b是圖2-5中電路的功能塊10的其他可能實施例的圖示；
圖8是圖3-5中電路的裝置101的可能實施例的圖示；
圖9是圖8中電路所獲得的信號CTRL與輸出功率Pout之間函數關係圖的
圖示；
圖10是圖3-5中電路的裝置101的另一可能實施例的圖示； 圖11是圖10中電路所獲得的信號CITRL與輸出功率Pout之間函數關係圖 的圖示；
圖12是圖8中電路的實施例一禾中形式的圖示； 圖13是圖10中電路的實施例一種形式的圖示； 圖14是圖8中電路的另一形式的圖示；
圖15a和15b是圖8和圖10中電路其他實施例的圖示；
圖16是用於PWM調節器的軟停止功能實施例的圖示；
圖17是用於PWM調節器的軟停止功能一種形式的圖示；
圖18是圖3-5中電路的功能i央1的實施例的圖示；
圖19是圖3-5中電路的功能塊2的實施例的圖示；
圖20是圖3-5中電路的功能i央1和2的另一實施例的圖示；
圖21-23是圖3中電路的調節器的可能實施例的圖示；圖24-26是圖5中電路的調節器的可能實施例的圖示。
具體實施例方式
參考圖2所示的方框圖和相應時間圖，方框圖包括功能塊l，時鐘產生器，
和2，其為時間分割裝置；根據現有技術，所述功能塊能通過對於任何一種多相
變換器系統的脈衝產生裝置的方式來製作。
如果它是固定頻率變換器的系統，那麼功能塊1將可以是由使用者iM外 部無源元件的方式編程的振蕩器；如果它是滯後控制變換器或者自振蕩變換器 的系統，那麼功能塊1將包括不同變換器之間的主從設計系統。在每種情況中， 功能塊1產生周期Tsk的信號CLK，該周期Tsk表示整個系統的時基。
功能塊2接受輸入端中的信號CLK並且在N輸出端中產生其信號 Clkj(j=U"，N)，其相互之間Mii周期丁sw/N在時間上交替。如果假設信號CM 與信號CLK同步，那麼每個調節器Modl…ModN將ffl31信號PWMl…PWMN 的方式控制^變換器Convl《onvN，更精確的說是單一變換器的功率開關， 以這樣一種方式，每個單一變換器以N/Tsw的頻率操作。在一些實際實施方式 中兩個功能塊1和2可以被認為是相互之間沒有實體上的區別並且將他們分割 為兩個功能塊是簡單的和i^上的分割。
信號CTRL是多個變換器Convl…Co!wN的負荷情況的指示信號。信號 CTRL是由負反饋控制迴路產生，其通過功能塊10的方式調節多個變換器 Convl..《onvN的輸出電壓Vout並且供應到所有調節器Modi.. 'ModN。因此這 種結構取決於用於單一變換器的控制方法和所使用的調製類型。所取決的控制， 主要是隨著其變量使用"電壓模式"和"電流模式"調節器。在前一種情況中， 調節器的輸入信號Rj (屍1,…N)是電壓斜線上升的，這在相互之間完全相同， 其fflil功能塊l產生，並且與信號Clkj在時間上相關聯。在後一種情況中，{言 號Rj立刻成為與第J個變換器的功率開關中的電流成比例的瞬時電壓斜線上升。 至於所關心的調節，具有"下降沿"調節器，其功率開關的傳導周波的開始由 信號CLK (典型脈衝)和CTRL和Rj之間比較的結果來設置，"上升沿"調節 器，其信號CLK (典型脈衝)決定傳導周波的結束，而CTRL和Rj之間的比 較決定傳導周波的開始，以及"雙沿"調節器，其典型Clkj和Rj在三角形載波 信號中被識別並且後者與CTRL之間的比較決定傳導周波的開始和結束。
從而，公開了前面提及的功能i央輸出的調製PWM信號通過合適的接口互
7電路驅動單一變換器的功率開關。
正如CTRL，所有的都相同，多個變換器Convl…ConvN的負荷平均分布 在單個變換器之間。因此可以稱為，以一種等價的方式，CTRL電平依靠針 單一變換器所承載的負荷水平，其約等於總量的1/N。
參考圖3所示的根據本發明構造的控制設備的方框圖。該裝置一般可應用 到所有類型，不論它們是非絕緣的還是絕緣的(即具有絕緣M器的類型)，都 具有直流輸入和修正的正弦電壓例如PFC (功率因數修正器)，典型地，升壓類 型的特定開關變換器，其從交流電源中吸收與電壓同相位的正弦電流。
而且，控制設備也應用至娜些N相變換器，其單一元件通過其固有屬性， 不在系統振蕩器的固定頻率下操作而是根據其操作情況確定其操作頻率，即依 靠輸入電壓和輸出電流(例如，滯後控制變換器和自振蕩變換器)，其中從系統 意味著變換器之一 ("主"變換器)為其他所有變換器("從"變換器)設置開 關頻率。
圖3中示出了裝置100適合控制與相應的變換器的功率開關相關聯的PWM 調節器1…N。裝置100包括一組比較器Cl…Cq，具有l^qSN-l或者滯後， 信號CTRL被應用到其輸入端，信號CTRL指示多個變換器Convl…ConvN的 負荷情況以及參考電壓Vrefi (i=l，…q)被應用到其他輸入端，其值不是單調 的依照從1上升到q柳頃序。 地，假設如果CTR^Vrefi，這些比較器的輸 出為高邏輯電平，否貝偽低邏輯電平。裝置100包括監控裝置101，在其輸入端 接收比較器C卜'Cq的輸出，以及，可選擇地，附加控制體Vk (k=l,2,"'p)。 裝置IOI，基於其所鄉入的邏輯狀態，提供ENj信號(H,2,…N-1)，其能使 NPWM調節器的N-1的操作有效或失效。當第j個調節器失效，這意 其輸 出總是例如總是保持由後者控制的功率開關斷開;這也意贈第J個變換器已經 失效。進一步地，裝置IOI，基於處於低邏輯狀態的信號Enj的數量M，因此失 效的調節器/變換器的數量fflil信號線ADJ一①以下述方式作用在功能i央2上， 該方式為有效輸出N-M的Clkj信號以Tsw/ (N-M)的時間間隔交替。可選擇 地，在系統中其單一變換器的電流波紋取決於其操作頻率，裝置101或可選擇 地功能塊2將通過信號線ADJ—T作用以下述方式在功能塊1上，該方式為其周 期為Tsw (N-M)/N，因此每個單一變換器將繼續以相同的頻率操作從而處於 相同的電流波紋水平。
8從而N相變換器來自於多個變換器Convl ，Convn操作對於只要負荷保持 在特定水平之上的所有有效的N相，該特定水平的CTRL信號例如為 CTRL>Vrefl (具有CTRL〉Vrefq)。如果負荷例如為CTRL<Vrefh(h=l,"'q-l)(具 有CTRL<Vref (q- (h+1)))那麼n個比較器Ci的h具有在低邏輯狀態時的輸 出，由裝置100的邏輯指示的N個變換器的M OVK)，…N-l)是斷開的，並 且N-M個有效變換器的C閣信號之間交替間隔變為Tsw/ (N-M)。可選擇的， 取決於單一變換器的類型以及其操作模式(假設為現有技術中已知)，CLK信號 頻率增加，其方式為單一變換器的開關周期為Tsw， (N-M)/N。應該很明顯注 意到，響應於一個或多個變換器的開關斷開，因此所保留的每一個都必須承載 大量的功率，信號CTRL的值增加，其原因是為Ci比較器提供合適的設定滯後 值。
當負荷例如為CTRL<Vrefq (CTRLVrefh(h=l,"'q-l) (CTRL>Vref(q-(h+l))(h=V"q-l)) 越來越多的使Ms (M=1/**N-1)個斷開的變換器有效，直到返回滿負荷 CTRL>Vrefl(CTRL>Vrefq^;i^Ns將再次可操作。
圖4中示出了具有根據本發明第二實施例的控制設備；所述裝置在"下降 沿"型的PWM調節器的情況中是有用的，即其功率開關的傳導周波由信號Clkj 初始化並且由CTRL和Rj之間的比較結果終止。實質上不同於後者的是ffiil缺 少信號ENj (j=l,2,'"N-l)和S31PWM調節器的失效功能的事實來體現的，因 此相關聯的變換器託付到功能塊2上。事實上後者僅僅通過不再輸送相應時鐘 信號Clkj來使第j個調節器失效，以至於由其控制的功率開關不接通。
圖5中示出了具有根據本發明第三實施例的控制設備；所述體中每個 PWM調節器M31信號①j (j=l,2,'"N-l)來代魏自裝置IOI的信號線ADJ—O 與功能塊2進，m信。在這種情況中，任何在功能塊1上的作用都必須ffiil功 能塊2來激舌。
圖6中示出了圖2-5中的功能塊IO的可能實施例，其中變換器是非絕緣的。 功育歐央10包括設置在電壓Vout和接地GND之間的兩個串聯電阻Rl和R2，誤 差放大器300，其具有連接到電壓源Vref300的非反向輸入端子和連接到電壓 V300=R2XVout/ (Rl+R2)的反向輸入端子，以及設置在放大器300的輸出端和反向輸入端子之間的反饋網絡301 。
在圖7a和7b中示出了圖2-5的功能塊10在絕緣變換器情況下的可能實施 例。電壓Vout是位於聲光耦合器400的側面401的輸入端，並且連接到電阻R400 的聲光耦合器的其他側面連接到電壓發生器V400 (圖7a)或連接到並聯於電阻 R400 (圖7b)的電流發生器I400。
隨後，公開了用於無冗餘的N相變換器的可操作的實施例，即N-1相不足 以承載滿負荷，或者換句話說，*變換器被設計為最多承載總功率的1/N。為 了簡化說明，令N=3， q=2，p=2並且信號CTRL代表與負荷精確成比例(CTRL =K'PouO的負箭瞎況以及，為了確定概念，令其動魏包含在0和3V之間。
對於具有滯後的比較器，通M^擇合適的比較器滯後值，原則上可能利用 所述比較器的輸出直接作為信號ENl和EN2，如圖8所示。由該電路獲得的Pout 和CTRL之間的關係如圖9中所示，其描述如下。
假設從最大負荷條件(標定功率)下啟動，因此所有容器接通。這種情況 下具有代表性的點是CTRL=3V， Pout=100%，兩個比較器的輸出為高電平， 因此EN1=EN2 = 1。通過減少負荷，具有代表性的點將沿著線50運動到點 CTRL=Vrefl=1.5V， Pout=50%，在這裡比較器C1的輸出變為低電平從而變 成ENl二O並且變換器Convl被關斷，留下變換器Coiw2和Conv3工作。這樣 導致的結果是，在觸發C1之前，承載標定功率的16.7%的每個變換器，現招每 不得不承載標定功率的25 % ，所以輸出電壓調製系統將CTRL的值從1.5V移動 到2.25V，接收功率是必要的，如具有代表性的點所示從線50到線51穿越恆定 功率的水平部分。
當Cl的輸出變為低電平時，其變為Vrefl =2.5V，以至於信號CTRL，盡 管其增加，將不改變C1的輸出，仍然保持低電平。為了使C1重新打開並且重 新激舌變換器Convl ， CTRL必須超過2.5V的閾值，即等於標定值50%的負荷， 必須變為大於標定值的55.6%。通iiiS—步減少負荷，具有代表性點移動到線 51上，達到點CTRL=Vref2=lV， Pout=22.2%，這裡C2的輸出也變為低電 平，並且除EN1二0之外，也出現了EN2二0並且變換器Conv2關斷，僅僅留 下變換器Conv3工作。結果是，在比較器C2的觸發之前承載標定功率的11.1 X的變換器Conv3，現在必須自己承載該負荷並且為了這樣做，調節系統將 CTRL值從IV變為2V，如具有代表性的點所示從線51到線52穿越恆定功率的水平部分。
當輸出C2變為低電平時，其變為VreG:2.5V，因此CTTRL，儘管其增加， 將不改變輸出C2，仍然保持低電平。為了重新打開C2並且重新激活變換器 Conv2， CTRL必須超過2.5V的閾值，即等於標定值的22.2%的負荷必須變為 大於標定值的27.8%。 Mii—步M^、負荷，具有^^性的點將沿著線52移動， 對於變換器Conv3，在負荷落到低於適當值之下時，將根據類型應用已知技術 使其功率損耗達到最小。
M增加負荷，前面提及的線50-52沿著相對方向運行只要負荷達到總 量的27.8% (CTRL=2.5V)，輸出C2為高電平以及EN2=1並且將使變換器 Cow2再次使能；以這種方式在每個變換器上平分負荷，CTRL將從2.5VM^ 到大約1.25V，留下C2仍然保持高電平(當C2被觸發時閾值Vref2返回到1V)， 並且指示了線51上的具有代表性的點。仍然MiS—步增加負荷，點將沿著線 51上升直到ffiil變為大於標定值的55.6%(CTRL=2.5V)，輸出Cl也再次變為 高電平，獲得EN1—並且使變換器Convl再次使能。這樣，*變換器的負 荷變為18.5X而且^KCTRL^1.67V，留下C1仍然保持高電平(當C1被觸發 時閾值Vrefl返回到1.5V)並且具有代表性的點返回到線50。
隨著功能塊1和2的合適結構，信號EN1和EN2能被用作線ADJ—O以及， 可能，ADJ一T。
合適滯後選擇使比較器在無滯後中4頓。然而，在這種情況中，控制信號 EN1和EN2的邏輯不是前述情況的簡單組合，正如記錄多少個和哪個變換^l皮 關斷來決定比較器的觸發必須產生的作用是必要的。
在我們的情況中，由於兩個變換器可以被接通或斷開，我們將有兩個"狀 態體"EN1、 EN2，劍門將其假設為邊緣觸發設置重置鄉的兩個觸發器KF1、 FF2的輸出。令Sl和S2代表設置信號，Rl、 R2 ^f餓重置信號。Cl和C2指示 兩個同名比較器的邏輯輸出，分別涉及較大參考電壓Vrefl和較小參考電壓 Vref2。基於這種選擇，明顯看到如果C1二1，那麼必須是C2二1，正如如果EN1 =1則它也是EN2二1。
通過禾,正邏輯，本發明的目的的方法論能通過以下布爾表達式來翻譯
R1^1如果C2:0與EN1:1， R2=l如果C2^0與EN1=0與EN2=1， S2 =1如果(31=1與EN1二0與EN2二0， Sl = l如果。1=1與EN1:0與EN2二1.所^^輯通過電路120的方式完成，其中與門121在輸入端具有信號C1，觸 發器FF2的Q和觸發器FF1的非Q以及在輸出端的FF1的信號設置Sl ，與門 122在輸入端具有信號C2和FF1的Q以及在輸出端的FF1的信號重置Rl ，與 門123在輸入端具有信號Cl ， FF1的非Q和FF2的非Q以及在輸出端的FF2 的信號設置S2並且與門124在輸入端具有信號C2， FF1的非Q和FF2的Q並 且在輸出端提供FF2的重置信號R2。
完成前述布爾功能的電路在圖10中闡述，(為了簡明，C2的輸入以這樣一 種方式交換來節省變換器)同時Pout和CTRL之間的關係從該電路中獲得，其 在圖11中被闡述並且公開如下。
假設啟動點為最大負荷情況(標定功率)，因此所有變換器接通。這種情況 的具有代表性的點是CTRL=3V，Pout^lOOX並且獲得Cl =1 ，C2=0以及EN1 =EN2=1。 ffli!M^負荷，具有代表性的點將沿著線60移動，當負荷達到標 定負荷的83.3%時其變成C1=0，但是這不引起觸發器輸出的任何變化，其僅 僅抑制設置信號。ffi)lia—步減小負荷到點CTRL二Vref2-lV， Pout=333%， 其變成C2二1以至於具有EN1— Rl=l以及FF1被重置，以至於其變成EN1 二0並且變換器Convl被關斷，留下變換器Coiw2和Conv3工作。結果，在C2 被觸發之前，承載標定功率的11.1%的每個變換器，現在必須承載標定功率的 16.7%,以至於電壓輸出調節系統將CTRL值從1V變為1.5V，其必須承i^萬述 功率，如具有代表性的點所，過從線60運動到線61穿過恆定功率7jl平部分。 再次具有C2二0但是，重新激活變換器l， Cl二l，即CTRL必須超過2.5V的 閾值，即目前為標定值的33.3%的負荷，必須變成大於標定值的55.6%。
3Mit—步M^負荷，具有fW性的點移動到線61，直到，也再次，CTRL =VreG=lV，但是具有Pout:22.2X。將再次發生C2:1，當EN1:0並且EN2 =1變成R2二1並且FF2以這樣的方式重置，即除lfet夕卜ENl二O，而且EN2 ^0並且變換器Conv2關斷。僅留下變換器Conv3工作。由此得到結果，在C2 被觸發之前承載標定功率的11.1X的變換器Conv3現在必須判蟲承載該負荷， 並且為了這樣做，調節系統將使CTRL值從1V變為2V。如具有代表性的點所 示從線61到線62穿過恆定功率的水平部分。再次獲得02=0，但是為了再次 激舌變換器Conv2就必須使得01，即CTRL需要超過2.5V的閾值，即目前 等於標定值的22.2%的負荷^標定值的27.8%。通過進一步減少負荷，具有代表性的點將沿著線62移動。對於變換器
Conv3，當負荷落在合適的值之下時，將根據，應用己知技術使功率損耗降到最低。
S31增加負荷，前面提及的線60^62沿相反的方向運動，只要負荷到達總量 的27.8% (CTRL二2.5V)， Cl=l發生，因此當EN1二EN2二0時其變成S2二1， FF2被設置，其變成EN2:1並且將使變換器Cow2再次使能。結果，ffl3W 針變換器平分負荷，CTRL將從2.5VM^到大約1.25V，從而仍然得到C1^ 0。 fflil繼續增加負荷，該點繼續沿著藍線移動上升，直到M變成大於標定值 的55.6% (CTRL=2.5V)，再次得到C1二1，因此，當EN1二0， EN2=1其變 成S1二1， FF1被設置，其^EN1—並且將使變換器1再次使能。這樣齡 變換器上的負荷變為18.5 %並且變為CTRL=16.7V並且具有代表性的點返回到 線60上。
也是在此情況下，隨著功能塊1和2的合適的結構，同樣的信號EN1和EN2 將能被用作線ADJ一O以及，可能，ADJ_T。
當一個或多個變換^l皮接通或斷開，信號CTRL不是根據等級變量從初始 值到由輸出電壓的調節迴路指示的新的平衡值，而是通過在多數瞎況下為阻尼 振蕩類型的電晶體。因此，在換相期間CTRL具有對於新的平衡值的下衝或過 衝，其全部通常與瞬時幅值成比例，並且可能從而超過一個或多個比較器的滯 後或閾值的幅值。這可以引起兩種效果首先，負荷變量作為一個整體不觸發 比較器並且從而弓l起變換器接M/斷開(假設僅考慮初始化和最終初始化以及最 終CTRL值)，可以臨時使CTRL低於或高於其中一個閾值並且引發不期望的接 通或斷幵；其次，隨著整體的負荷變化，例如引起一個或多個比較器觸發，過 度的過衝/下衝比較器的磁滯值或閾值，後者將切換返回到預定狀態。在前面提 及的現象可以導致系統不穩定之前，因為比較器繼續在一個狀態和另一個狀態 之間切換，弓跑單個變換器擀賣的接通和斷開，其很明顯是不期望的或有害的。
為了消除或最小化觸發這種不穩定的可能性，在電路的可操作實施例中， 從圖8和10中所示的電路開始，可選擇地或者結合需要增加額外的能抵制前面 提及的過衝/下衝的邏輯進而確保所,衝/下衝最小化或完全消除。
圖8中的電路必須產生邏輯信號以屏蔽臨時CTRL擺動超出特定的閾值。 這相當於引入了延時。關於這，應該注意到在關斷變換器之前甚至長的延遲都
13是可容忍的(效率是規則操作的問題)但是當其在接通時必須相當短隨著突 然負荷增加超過工作數量的變換器能承受的範圍，在接通時過度的延時將弓跑 輸出電壓調節的臨時損耗。
一個基於圖8中電路實施例的可操作實例如圖12示出，其通過保持雜圖
9所示的函數關係，以免於CTRL的瞬時振蕩。在該電路中，在每次切換之後， 針比較翻法激活一段由感應其輸入的兩個纖的單穩多諧振蕩器500固定 的時間Tmask，由此方式來凍結其狀態。很明顯，時間Tmask必須足夠長以屏 蔽CTRL的下衝過衝但是並不是只要延時就可能隨著負荷的快速和經常變化重 啟，正如輸出電壓的臨時損耗調節。
另一個基於圖8中的電路實施例的例子如圖13所示(僅僅用於比較器C1， 在C2上將必須複製相同的電路)。在那裡，每次切換之後，比較器的滯後增加 一段時間Tmask，這樣CTRL的下衝/過衝不再使其重新切換。通過兩個單穩多 諧振蕩器Mvl和Mv2是可能實現的，具^1俞入端的第一個單穩多諧振蕩器感 應負邊緣而具有輸A^的另一個單穩多諧振蕩器感應正纖。當Cl 低電平 來斷開變換器Convl，在斷開CTRL之後將突然增加可能的過衝，以至於il31 由單穩Mvl控制上拉Q1的接通，Cl的閾值臨時移動到值Vmax (例如5V)， 如果另一方面Cl升高再次接通變換器Convl，在電壓再次接通之後，CTRL將 隨著可能的下衝再次突然減少，以使得M由單穩Mv2控制下拉Q2的接通， Cl的閾值臨時變到零。
在這種情況中，時間Tmask也必須足夠長來屏蔽CTRL的下衝/過衝但是不 能太長以至延時新的接通可能隨後引起負荷快速和經常的變化正如臨時失去輸 出電壓的調節。
用於圖8中使電路免免疫的同樣的概念能用在圖10的電路中。在圖14中， 示出了一個實施例，在特定方面，組合了兩種技術。兩個單穩多諧振蕩器用於 *線(Ml—1和Ml—2用於EN1 ，並且M2—1和M2_2用於EN2)是兩個接兩 個地感應負邊緣(Ml—1和M2J)和正邊緣(M1一2和M2—2)。在圖13中的電 路公開了相同的方法，分另依變換器斷開和接iEt後比較器Cl和C2的輸出端 屏蔽一段時間Tmask。
至今該方法考慮的基本限制在於時間Tmask的持續時間的協調上，其在整 體控制設備的設計期間被設置，以至於覆蓋最多可能的應用情況，然而，沒有以下確定的事實隨著負荷具有廣泛的和經常的變化，沒有故障，這是因為監 控系統實際上在每次幹預之後都會抑制特定一段時間。
在轉換期間CTRL下衝和過衝的完全最小化或消除育giM改進接通和斷開 的先後順序的方式來實現。
基於前面的標準，隨著負荷的減少多於一個的變換器必須關斷，所述的變 換器一個接一個地切斷，在一個斷開和另一個斷開之間插入一段延時。這樣， 總的瞬態被分割為幾個較小幅度的瞬態，因此過衝和下衝也具有較小的幅度。
在圖15a和15b中，以舉例的方式，示出了在圖8和圖10的電路中如何完成上 述功能的。
至於圖8中的電路，增加了或門和延遲單元Td (圖15a);延遲單元Td在 輸入中具有信號E1並且提供輸出信號，該輸出信號輸入至懼有信號C2的或門 600。當C2輸出為低電平時，信號EN2將變為低電平，假設EN1已經在與Td 相等的至少一段時間為低電平。至於圖10中的電路，已經增加的延遲單元Td (圖15b)具有在輸入端的FF觸發器1的非輸出Q和適合於將輸出信號提供到 與門，其供應信號R2。
至今所考慮的該5爐的關斷標準不涉及裝置100但是介入調節器PWM上。 基本思想是當信號ENj變為低電平時不突然斷開第j個變換器而是逐步地M^ 由後者承載的功率從決定轉換的值到ENj的零，以至於使得CTRL的逐漸增加 結果並且達到最小化，如果不能完全消除，那麼該結果過衝。在重啟中特定的 循序性，將用於減少結果下衝，實際上重啟被認為是軟啟動，但是非常簡短地 阻止來自調 1出電壓的損失。
因為關於Enj轉換到零，第j個變換器的實際關斷被，，所以如在前面的 情況中，將功能塊2適應於成新的有效變換器的數量的操作不再直接由^S 100 來執行，而是由第J個調節器來執行，其通過線①J的方式，通信全部斷開。使 用這一操作方法的系統在圖5中示出。
為了提供所述用於短路的將被稱為軟停止的功能的實施例的實例，提及 PWM調節器的預定結構是適當的，並且將選擇PWM控制器的結構，該控制器 可以是商業中應用最廣泛的UC3842。在圖16中示出了軟停止電路，其由點劃 線與UC3842的PWM調節器一起被標識。
由電晶體Q1、Q2形成的波動箝制Q2的發射極的電壓等於電容C16上的當
15前的電壓，連接到Q2的電路的短路接地電流被洩放。為了限制該電流，分壓器
R-2R的電阻2R是R+R中的UC3842的調節器中典型電阻的兩倍，並且第一電 阻R設置在非反向緩衝器Bl的輸出端，不用來改變也供應至U其他調節器的信 號電平CTRL。
如果ENj是高電平，發生器I2被切斷，電容器Cttt發生器Il保持承載在 Vbus附近的電壓(Vbus-Vbe，根據發生器Il的典型實施例)，因此電晶體Q1 被導通，電晶體Q2的劃対及箝制在Vbus-vbe。以合適的方式已會魏擇了Vbus， 在這些情況下，對於所有CTRL能採用的值，Q2的發射極上的電壓小於 Vbus-Vbe，因此Q2被截止並且比較器PWM C0MP1的反向輸入端上的電壓 VCsref以下面的方式與CTRL的值相關聯:VCaef= (CTR1^2X Vbe)/3如果CTRL 《3V+2Vbe並且Vq^二1如果CmL^3V+2Vbe。
在這些情況下，電晶體Q3飽和、電晶體Q4截止，因此fOT高邏輯輸入到 與門，從而來自功能塊l的時鐘脈衝ClkjM並設置PWM閉鎖FF，引起第j 個變換器的功率開關接通。當信號Rj電平變成與Vcs^電平一致時導通結束。 事實上，比較器C0MP1的輸出變為高電平並重置PWM閉鎖FF。在特定情況 下，信號Rj是與流過第j個變換器的功率開關的電流成比例的電壓，所以Vcs^ 電平決定了導通結束時流過功率開關的電流，以及變換器承載的功率。
如果，用相應的極化電阻代替功能塊Q3+Q4，比較器COMPl存在，夷卩麼
後者的輸出為高電平並能獲得恰好相同的正常操作環境。
如果因為電壓CTRL變得低於參考電平而使ENj被驅動為低電平，標誌著 第J個變換器的斷開，接通發生器I2， C16放電產生電流12-11。為了能在幾毫 秒內使C16放電，這個差異特意按照該方式設置很小。從而，Q2的^l肚的電 壓減少其預定值(維持Vbe以下)且一旦有Vbe低於Q2的發射極上的電壓就 開始導通並且強制後面的，極的電腿艮隨C16上的幾毫伏的電壓。結果，VCSref 電平不與CTRL相關聯並且以和C16上的電壓相同的dV/dt逐漸減小，從而逐 漸M^、變換器所承載的功率。此時，C變為與2 Vbe —樣，受二極體Dl和 D2的影響Vc^f被取消，因此COMPl的理想態輸出應為高電平並且觸發器觸 發重置FF並保持重置，進而關斷變換器。雖然數吡較器COMPl的電壓偏移 的影響，但是後者的輸出可能並不一直為高電平且時鐘脈衝Clkj仍然能設置FF 並在後者的輸出端產生非常短的脈衝。為了避免這種情況， 一旦電容器C16上的電壓低於2 Vbe並且電晶體Q2和Q3的基極電壓變得小於Vbe， Q3截止， Q4接通並且在與門的輸A^剤氐信號以閉鎖脈衝Clkj。這也劍言號cDj變為低 電平並作用於功能塊2上。C16的持續放電直至陏典型的電壓Vbe，因此Q1在 截止限制值(也因為在其鄉極由於Q2的Sm電流而具有小的正電壓)。
如果，用相應的極化電阻代替功能塊Q3+Q4，仍然具有比較器C0MP1， 一旦C16上的電壓低於Vbe+0.5V且因此Q2的基極電壓低於0.5V且能獲得精 確相同的環境，那麼比較器C0MP1的輸出就會為低電平。
如果因為負荷增加而使RNj不得不再變高電平的話，將斷開發生器I2並且 電容器C16將從大約Vbe fflil電流II開始加載，電流II可認為大於12-11 ，所 以C16上的電壓的增加的速度遠決於其下降的 。 一旦C16上的電壓達到 2 Vbe， Q3開始導通且Q4截止，因此脈衝Qjk仍能設置FF;進而電壓VCSref 變得大於零，然後變換器重啟並在C16上的電壓變得能截止Q2時能提供功率 值。
在所考慮的例子中，電容器C16在控制設備內並受整體電容量的限制值影 響。如果需要關斷時間來^^、要的電容達到非積分量，那麼C16應該在外部。 需要在N相控制器中專用於這種功能的N-1電容器和N-1針。所有變換器和控 制模擬多路復用器700的邏輯之間共用單個定時電容器具有很多好處，在關斷 相位期間模擬多路復用器700運行變換器上的定時器，如圖17所示。
為了完全說明，在圖18和19中，分別示出了具有可調頻率的功能塊1的 實施例的實例和功能塊2的實施例的實例。
在圖18中示出了振蕩功能±央，其內部結構可以是任何現有技術類型，其中
時間元件(在實例中，假設電容器Q、 C2和C3是相同的)M可控開關以這樣
的方式斷開連接，以便於修改其振蕩頻率。在所考慮的實例中，當單個變換器 是可操作的，所有電容器皮連接在一起並且振蕩頻率是U;如果工作的變換器 是兩個，Q被相應的開關斷開並且振蕩頻率變為2 U;當所有變換器都是可 操作的時，Q和C2被相應的開關斷開並且振蕩頻率變為3 U。
在圖19中示出了迴路計數器，包括鄉D701-703的三M蟲發器，其中狀 態Qh Q2、 Q3屏蔽圖I8中的電路產生的時鐘信號CLK。這些輸出中，僅有一 個為邏輯電平1並且其位置向前滑向每個時鐘脈衝的下降沿所在的位置。
當所有的變換器都工作時，迴路(即第三觸發器的輸出Q)在前者的輸入D上閉合，即EN1 和EN2 (①2)都為邏輯電平1，以這樣的方式以便
於計數到3從而將脈衝CLK依次分配到各4it出CM、 Clk2、 Clk3。應該記得， 在這些情況中振蕩皿頻率3 ，f。sc下操作，所以^變換器在頻率為U下操作。 另一方面當ENl(Ol)處於邏輯電平0並且EN2 (02)處於邏輯電平l，迴路在 第二觸發器的輸入D上閉合，同時第一觸發器的輸入D被迫為O，因此使得計 數到2從而脈衝CLK依次分配在單個輸出Clk2和Clk3以及禁止的CM上。 在這些情況下，振蕩器在頻率2 U下操作，因此*變換器也是在頻率U 下操作的。當僅僅變換器Conv3是可操作的時，第一個兩個觸發器的輸入D被 強制為0並且第三觸發器的輸入D被強制為1，在這種方式中，其輸出也為1 從而Clk產CLK，在這些情況中其為頻率信號U。
最後，應該注意的是信號E!S[j (A)與CLK異步並且因此，為了確保變換 器的使膨禁止的一種情況和另一種情況之間連貫變化以及振蕩頻率的變化，對 於所述的信號來說能弓胞計數器迴路的閉合和振蕩器計時的變化是有利的，僅 在計數周期完成之後，即僅當第三觸發器的輸出Q3是高時。因此將延遲斷開和 接通最多計數到兩個時鐘周期並且其是可以忽略的。由功能塊1和2組成的系 統根據最後的記號來操作，如圖20所示。
在這裡，信號EN1 和EN2 (cD2)提供給類型為D801-802的兩個其
他的觸發器的給定輸入端，被稱為同步觸發器，其使得輸出端的 僅在脈衝 CLK處是可見的，這意味著Q3變為邏輯狀態1 。如果Q3 —直處於邏輯狀態1 ， 因為僅有變換器Conv3是可操作的，時鐘脈衝將提供激活同步觸發器的邊沿。
關斷變換器進一步可能的方法包括改進調節器的電路，通過改變其增益， 正如在分別響應圖3和5中的電路圖的圖21-23和24-26中所示的那樣。所述圖 中的調節器包括圖16中的調節器的一部分，其不具有軟停止功能並且相互之間 M31在比較器C0MP1的反向端輸入的信號的增加來區別(圖21和24)或者通 過比較器COMPl的非反向端輸入的信號的減少來區別(圖22、 23、 25和26)。
在前一種情況中(圖21和24)信號Rj的水平(N-M) /N由包括一個電阻 Ra和另一個電阻Ra的電路承載，該一個電阻Ra連接到信號Rj和連接到比較 器C0MP1的反向端子的電阻Ra的電路承載，該另一個電阻Ra連接到比較器 C0MP1的非反向端和接地的開關Sl上並且由負信號Enj-l來控制；電g鮑括 在輸入端具有信號CTRL和串聯連接電阻R的輸出端的緩衝器B1 、兩個二極體Dl和D2、和另一個3^接到另一個電阻R和一個IV的齊納二極體並聯的一端
並且,接到比較器COMPl的非反向端的電阻R。比較器COMPl的輸出是設 置重置觸發器FF的重置信號R，其設置信號S在圖21中是具W^入信號Enj-l 和Clkj的與門的輸出，同時在圖24中其為信號Clkj，觸發器FF的輸出信號Q 是信號PWMj。
在第二種情況中(圖22、 23、 25和26)電路增加了開關和與兩個二極體 Dl和D2並聯或串聯的電阻器；這些開關由信號Enj-l來控制，使得隨著關斷
的變換器的數目增加，短路大量的電阻。
在圖22和25中電阻具有R的2/3的值並且開關Sl與兩串聯電阻R並聯設 置；開關sl由負信號Enj-l驅動並且圖22和25中的電路之間的唯一區別是觸 發器FF的信號S在圖22的電路中的輸入端處是信號E印-l和C閣在與門的輸 出端處的信號，而在圖25的電路中僅是信號Clkj。
在圖23和26中電阻具有R的4/3值並且開關Sl與具有4*R的值並且和 IV的齊納二極體並聯的電阻並聯設置；開關Sl由負信號Enj-l驅動並且圖23 和26的電路之間僅有的區別是觸發器FF的信號S在圖23的電路中具有在車俞入 端處的信號Enj-l和Clkj的與門的輸出端處的信號，而在圖26的電路中僅是信 號Clkj。
權利要求
1、一種多個開關變換器(Conv1…ConvN)的控制設備，每個變換器包括至少一個功率開關並且與所述至少一個功率開關的控制電路(Mod1…ModN)相關聯，其特徵在於包括裝置(100)，其適用於將表示多個變換器(Conv1…CovnN)的負載的信號(CTRL)與多個參考信號(Vref1…Vref(N-1))相比較並且適用於響應於所述比較以使所述多個控制電路(Mod1……ModN)中的至少一個使能(EN1…EN(N-1))或禁止。
2、 根據權利要求l的設備，其特徵在於包括另一裝置(1， 2)，適用於產 生以給定的時間周期(Tsw/N)暫時交替的多個信號(Clkl…ClkN)，所述多個 信號(CM…ClkN)在所述多個控制電路(Modl…ModN)的輸入端。
3、 根據權利要求2的設備，其特徵在於所述裝置(100)作用於所述另一 裝置(1， 2)以便以與禁止的控制電路的數目(M)的函數關係改變所述給定 的交替時間周期(Tsw/N)。
4、 根據權利要求l的設備，其特徵在於所述裝置(100)包括多個比較器 (Cl…C (N-l))，齡比較驗其輸入端具有表示多個變換器(Convl ''ConvN)的負載的所述信號(CTRL)以及所述多個參考信號(Vrefl…Vref (N-l))的參 考信號。
5、 根據權利要求4的設備，其特徵在於所述比較器(C1…C (N-l))是具 有滯後的比較器，如果所述多個變換器的負載的表示信號小於相應的參考信號， 那麼^所述比較器適用於禁止控制電路，並且如果所述表示多個變換器的負 載的信號等於或大於由相應的參考信號和滯後給定的總和，那麼^h所述比較 器使能控制電路。
6、 根據權利要求4或5的設備，其特徵在於所述多個參考信號的參考信號 (Vrefl…Vref (N-l))彼]Jti間具有互不相同的值。
7、 根據權利要求4的設備，其特徵在於包括其他 (500)，其適用於在 其切換之後的預定時間周期(Tmask)內使每個比較器去激活。
8、 根據木又利要求5的設備，其特徵在於包括電路功能i央(Mvl， Mv2)， 其能在其切換之後使每個比較器的滯後值增加或減少給定值。
9、 根據權利要求4的設備，其特徵在於包括多個延時元件(Td， 600)，其設置在比較器(C1…C (N-l))的輸出端處並且例如獲得多個變換器中的變 換器的依次斷開。
10、 根據前述任一t又利要求的設備，其特徵在於所述裝置(100)直接作用在所述多個控制電路上以用於使育誠者禁止所述多個控制電路中的至少一個。
11、 根據前述任一權利要求的設備，其特徵在於所述裝置(100)作用在所 述另一裝置(1， 2)上以使能或者禁止所述多個控制電路中的至少一個。
12、 根據權利要求10的設備，作為權利要求2的附加，其特徵在於它包括 在所述多個控制電路(Modl…ModN)和所述另一裝置(1， 2)之間的連接線
13、 根據權利要求12的設備，其特徵在於包括多個電路(Q3， Q4)， * 控制電路對應一個電路，並且一旦所述裝置接收到禁止，它們當中的每一個都 能將相應的變換器所承載的功率逐步地M^到零，。
14、 根據權利要求l的設備，其特徵在於所述控制電路(Modl…ModN) 包括元件，適用於響應由所述控制設備的所述裝置(100)提供的信號以便改變 所述控制電路的增益。
15、 一種用於多個開關變換器(Convl…ConvN)的控制設備，4f^變換器 包括至少一個功率開關，所述設備包括與所述多個變換器相關聯的多個控制電 路(Modl…ModN)，所述設備包括如權利要求l到14所述的控制設備。
全文摘要
公開了一種多個開關變換器(Conv1.ConvN)的控制設備；每個變換器包括至少一個功率開關並且與該至少一個功率開關的控制電路(Mod1...ModN)相關聯。該控制設備包括裝置(100)，用於將代表多個變換器(Conv1.ConvN)的負載的信號(CTRL)與多個參考信號(Vref1...Vref(N-1))相比較並且用於響應所述比較以便使能或者禁止所述多個控制電路(Mod1...ModN)中的至少一個。
文檔編號H02J1/10GK101473506SQ200680055034
公開日2009年7月1日 申請日期2006年6月21日 優先權日2006年6月21日
發明者C·阿德拉格納, G·加塔瓦裡 申請人:意法半導體股份有限公司