多通道直流?直流變換器及控制電路和方法
【專利摘要】公開了一種恒定導通時間控制(Constant On Time，COT)的多通道直流?直流變換器以及其控制電路和控制方法。該多通道直流?直流變換器包括多個開關電路和與該多個開關電路一一對應的多個COT控制器。對于每個開關電路，其工作在穩態時，與之對應的COT控制器根據輸入電壓信號、輸出電壓信號、反饋電壓信號和時鐘信號產生控制信號，控制該開關電路的開關頻率和相位與時鐘信號的頻率和相位相等。該多通道直流?直流變換器效率高、體積小。
【專利說明】
多通道直流-直流變換器及控制電路和方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種電子電路，更具體地說，本發明涉及一種多通道直流-直流變換器及其控制電路和方法。
【背景技術】
[0002]電源轉換系統中，恒定導通時間(Constant On Time，C0T)控制由于優越的暫態響應，在直流-直流變換器中得到了廣泛應用。然而相比于峰值電流控制模式，COT控制的電源轉換系統其開關頻率不能被很好地控制。在多通道直流-直流變換器中，每路通道的直流-直流變換器共用一個輸入電壓，我們期望每個通道的開關電路分時使用輸入電壓，進而減小輸入電容的大小，有利于節約成本并縮小整個電路體積。由于COT系統的開關頻率是根據隨輸出電流變化而變化的，因此多個通道之間的電路相位不能被有效地控制，因此在現有技術中，多通道直流-直流變換器常采用峰值電流控制模式。
[0003]因此，我們期望提出了一種可解決上述問題的⑶T控制的多通道直流-直流變換器。
【發明內容】
[0004]為了解決前面描述的一個問題或者多個問題，本發明提出與現有技術不同的一種COT控制的多通道直流-直流變換器及其控制電路和方法。
[0005]本發明一方面提供了一種恒定導通時間控制的多通道直流-直流變換器，具有一個輸入端和η個輸出端，其中η為大于等于2的正整數，所述恒定導通時間控制的多通道直流-直流變換器包括:η個開關電路，共同耦接在多通道直流-直流變換器的輸入端接收輸入電壓信號，每個開關電路將輸入電壓信號轉換為輸出電壓信號，并分別送至多通道直流-直流變換器的η個輸出端，其中，每個開關電路包括至少一個可控開關;時鐘信號發生器，產生η個頻率相同、并依次具有相同相位差的時鐘信號，并將η個時鐘信號分別送至η個開關電路，其中，η個時鐘信號的頻率與η個開關電路穩態工作模式下的開關頻率相等；以及η個恒定導通時間控制器，分別對應控制η個開關電路，每個恒定導通時間控制器接收輸入電壓信號、對應的開關電路的輸出電壓信號、代表對應的開關電路的輸出電壓信號的反饋電壓信號和對應的時鐘信號，并根據輸入電壓信號、輸出電壓信號、反饋電壓信號和對應的時鐘信號產生控制信號，用于控制對應的開關電路，其中，當對應的開關電路工作在穩態時，每個恒定導通時間控制器控制對應的開關電路的可控開關的開關頻率和相位與對應的時鐘信號的頻率和相位相等。
[0006]本發明另一方面提供了一種恒定導通時間控制電路，用于控制η通道直流-直流變換器中每個通道的開關變換器分時復用一個輸入電壓信號，所述恒定導通時間控制電路包括:對應控制每個通道的開關變換器的η個子控制電路，分別接收η個頻率相同、并依次具有相同相位差的時鐘信號，其中，η個時鐘信號的頻率與每個通道的開關變換器在穩態工作模式下的開關頻率相等;每個子控制電路進一步接收輸入電壓信號、對應通道的開關變換器的輸出電壓信號、代表對應通道的開關變換器的輸出電壓的反饋電壓信號;每個子控制器根據輸入電壓信號、對應的輸出電壓信號、對應的反饋電壓信號和對應的時鐘信號產生控制信號，用于控制對應通道的開關變換器;其中，當開關電路工作在穩態時，每個子控制器控制對應通道的開關變換器中的可控開關的開關頻率和相位與對應的時鐘信號的頻率和相位相等。
[0007]本發明又一方面提供了一種用于多通道直流-直流變換器的恒定導通時間控制方法，所述多通道直流-直流變換器具有一個輸入端和η個輸出端，其中η為大于等于2的正整數，所述多通道直流-直流變換器包括η個開關電路，共同耦接在多通道直流-直流變換器的輸入端接收輸入電壓信號，每個開關電路將輸入電壓信號轉換為輸出電壓信號，并分別送至多通道直流-直流變換器的η個輸出端，其中，每個開關電路包括至少一個可控開關，所述控制方法包括:判斷每個開關電路是否工作在穩態;產生η個頻率相同、并依次具有相同相位差的時鐘信號，其中，η個時鐘信號的頻率與η個開關電路穩態工作模式下的開關頻率相等;提供表征每個開關電路的輸出電壓的反饋電壓信號；以及根據每個開關電路的輸入電壓信號、輸出電壓信號、反饋電壓信號和η個時鐘信號中的一個時鐘信號產生控制信號，用于控制對應的開關電路中的可控開關，使得每個開關電路中的可控開關的開關頻率和相位與對應的時鐘信號的頻率和相位相等。
【附圖說明】
[0008]為了更好的理解本發明，將根據以下附圖對本發明進行詳細描述:
[0009]圖1所示為根據本發明一實施例的⑶T控制的多通道直流-直流變換器100的原理框圖；
[00?0]圖2所不為根據本發明一個實施例的η相時鐘信號產生電路200;
[0011]圖3所示為根據本發明一個實施例的用于四通道直流-直流變換器的四個時鐘信號圖300;
[0012]圖4所示為根據本發明另一個實施例的用于四通道直流-直流變換器的四個時鐘信號圖400;
[0013]圖5所示為根據本發明一實施例的單通道COT控制器的電路原理圖。
[0014]圖6所示為鎖相環電路示意工作波形圖500;
[0015]圖7所示為根據本發明一實施例的鎖相環電路工作波形圖600;
[0016]圖8所示為根據本發明一實施例的鎖相環電路工作波形圖700;
[0017]圖9所示為根據本發明圖5所示實施例中的鎖相環電路54的電路原理圖；
[0018]圖10所示為根據本發明圖5所示實施例中的導通時間產生器52的電路原理圖；
[0019]圖11所示為根據本發明一個實施例的受控電壓信號產生器526的電路結構示意圖；
[0020]圖12所示為根據本發明一個實施例的受控電流源522的電路結構示意圖；
[0021]圖13所示為根據本發明一個實施例的使能信號產生器800的電路結構示意圖；
[0022]圖14所示為圖13所示輕載判定電路42的一個具體實施例的電路結構示意圖；
[0023]圖15所不為圖13所不輕載判定電路42的另一個具體實施例的電路結構不意圖；
[0024]圖16所示為根據本發明一實施的一種多通道直流-直流變換器的⑶T控制方法900；
[0025]圖17所示為圖16所示控制方法中實現步驟940的方法。
[0026]下面將參考附圖詳細說明本發明的【具體實施方式】。貫穿所有附圖相同的附圖標記表示相同的或相似的部件或特征。
【具體實施方式】
[0027]下面將詳細描述本發明的具體實施例，應當注意，這里描述的實施例只用于舉例說明，并不用于限制本發明。在下面對本發明的詳細描述中，為了更好地理解本發明，描述了大量的細節。然而，本領域技術人員將理解，沒有這些具體細節，本發明同樣可以實施。為了清晰明了地闡述本發明，本文簡化了一些具體結構和功能的詳細描述。此外，在一些實施例中已經詳細描述過的類似的結構和功能，在其它實施例中不再贅述。盡管本發明的各項術語是結合具體的示范實施例來一一描述的，但這些術語不應理解為局限于這里闡述的示范實施方式。
[0028]在整個說明書中，對“一個實施例”、“實施例”、“一個示例”或“示例”的提及意味著:結合該實施例或示例描述的特定特征、結構或特性被包含在本發明至少一個實施例中。因此，在整個說明書的各個地方出現的短語“在一個實施例中”、“在實施例中”、“一個示例”或“示例”不一定都指同一實施例或示例。此外，可以以任何適當的組合和/或子組合將特定的特征、結構或特性組合在一個或多個實施例或示例中。此外，本領域普通技術人員應當理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，并且附圖不一定是按比例繪制的。應當理解，當稱“元件” “連接到”或“親接”到另一元件時，它可以是直接連接或耦接到另一元件或者可以存在中間元件。相反，當稱元件“直接連接到”或“直接親接到”另一元件時，不存在中間元件。相同的附圖標記指示相同的元件。這里使用的術語“和/或”包括一個或多個相關列出的項目的任何和所有組合。
[0029]圖1所示為根據本發明一實施例的C0T(ConstantOn Time，⑶T)控制的多通道直流-直流變換器100的原理框圖。如圖1所示，多通道直流-直流變換器100包括一個輸入端接收一個輸入電壓Vin和η個輸出端提供分別提供η個輸出電壓(Vqut1、Vqut2、......、VouTn)，其中
η為大于等于2的正整數。多通道直流-直流變換器100進一步包括η個開關電路(101、
102........1On)和η個與η個開關電路——對應的⑶T控制器(201、202........20η)。例如，第一通道開關電路101由第一控制器201控制，第二開關電路102由第二通道控制器202控制，第η開關電路1n由第η控制器20η控制，依次類推。
[0030]η個開關電路(101、102........1 On)共同耦接在多通道直流-直流變換器100的輸入端接收輸入電壓Vin，并根據輸入電壓Vin產生η個獨立的輸出電壓(VciuT1、Vqut2、......、
V0UTn)，每一通道的開關電路包括至少一個可控開關，通過控制該開關電路中的可控開關的導通和關斷切換，對輸入電壓Vin進行調節，進而提供相應地輸出電壓(VciuT1、Vqut2、......或
VoUTn) ο
[OO31 ] 第一COT控制器201接收第一輸出電壓Vqut1、輸入電壓Vin、代表第一輸出電壓Vouti的第一反饋電壓信號Vfbi和第一時鐘信號CLKl，并根據第一輸出電壓Vciut1、輸入電壓Vin、第一輸出電壓Vciut、輸入電壓Vin、第一反饋電壓信號Vfb和第一時鐘信號CLKl產生第一控制信號SWl，用于控制第一開關電路101中的可控開關。其中，當開關電路101工作在穩態時，第一COT控制器201控制開關電路101中的可控開關的開關頻率和相位與第一時鐘信號CLKl的頻率和相位相等。在一個實施例中，第一開關電路101包括高側開關和低側開關，第一控制信號SWl包括高側控制信號和低側控制信號，分別用于控制第一開關電路101中的高側開關和低側開關。
[0032]第二⑶T控制器202接收第二輸出電壓VQUT2、輸入電壓Vin、代表第二輸出電壓V0ut2的第二反饋電壓信號VFB2和第二時鐘信號CLK2，并根據第二輸出電壓Vc)UT2、輸入電壓Vin、第二反饋電壓信號Vfb2和第二時鐘信號CLK2產生第二控制信號SW2，用于控制第二開關電路102中的可控開關。其中，當開關電路102工作在穩態時，第二COT控制器202控制開關電路102中的可控開關的開關頻率和相位與第二時鐘信號CLK2的頻率和相位相等。在一個實施例中，第二開關電路202包括高側開關和低側開關，第二控制信號SW2包括高側控制信號和低側控制信號，分別用于控制第二開關電路102的高側開關和低側開關。
[0033]依次類推，第η個⑶T控制器20η接收第η輸出電壓VQUTn、輸入電壓VIN、代表第η輸出電壓VciUTn的第η反饋電壓信號VFBn和第η時鐘信號CLKn，并根據第η輸出電壓VciUTn、輸入電壓Vin、第η反饋電壓信號VFBn和第η時鐘信號CLKn產生第η相控制信號SWn，用于控制第η開關電路1n中的可控開關。其中，當開關電路1n工作在穩態時，第η個COT控制器20η控制開關電路1n中的可控開關的開關頻率和相位與第η個時鐘信號CLKn的頻率和相位相等。在一個實施例中，第η開關電路1n包括高側開關和低側開關，第η控制信號SWn包括高側控制信號和低側控制信號，分別用于控制第η開關電路1n的高側開關和低側開關。
[0034]在圖1所示實施例中，第一時鐘信號CLK1、第二時鐘信號CLK2........第η個時鐘信號CLKn為一組頻率相同、并依次具有相同相位差的時鐘信號。例如，當η等于2時，第一時鐘信號CLKl和第二時鐘信號CLK2的相位差為180度。又如，當η等于3時，第一時鐘信號CLKl和第二時鐘信號CLK2的相位差為120度，第二時鐘信號CLK2和第三時鐘信號CLK3的相位差為120度，第三時鐘信號CLK3和第一時鐘信號CLKl的相位差為120度，依次重復。
[0035]在圖1所示實施例中，η個開關電路包括降壓開關變換電路(BUCK)、升壓開關變換電路(BOOST)、升降壓開關變換電路(BUCK-B00ST)等合適的拓撲結構。此外，在一個實施例中，η個開關電路可以包括相同的拓撲結構，例如，η個開關電路均為BUCK開關變換電路。在另一個實施例中，η個開關電路也可以包括不同的拓撲結構，例如，第一開關電路101包括BUCK開關電路，第二開關電路102包括BOOST開關電路、第三開關電路1 3為BUCK-B00ST開關電路等。
[0036]本領域的技術人員可以理解，COT控制下的多通道直流-直流變換器100工作在穩態時，即:每個通道的開關電路(101、102........1On)的工作頻率為穩態工作頻率，且輸入電壓Vin和每個開關電路的負載不改變的情況下，其工作頻率基本保持不變。該η相時鐘信號
(CLKUCLK2........CLKn)用于將多通道直流-直流變換器100中的各通道的開關電路與各自對應的時鐘信號同步，并將多通道直流-直流變換器100的工作頻率鎖定為該η相時鐘信號(CLK1、CLK2........CLKn)的頻率。其中，該η相時鐘信號(CLK1、CLK2........CLKn)的頻率即為各通道開關電路穩態工作模式下的開關頻率。
[0037]圖2所示為根據本發明一個實施例的η相時鐘信號(CLKl、CLK2........CLKn)產生電路200。如圖所示，η相時鐘信號產生電路200包括振蕩器301和移相器302。振蕩器301用于產生總時鐘信號CLK，移相器302接收的總時鐘信號CLK，并根據總時鐘信號CLK產生η相時鐘信號(CLK1、CLK2........CLKn)。其中，第一時鐘信號CLKl、第二時鐘信號CLK2........第η
時鐘信號CLKn為一組頻率相同、并依次具有相同相位差的時鐘信號。
[0038]圖3所示為根據本發明一個實施例的用于四通道直流-直流變換器的四個時鐘信號圖300。結合圖2—起描述，振蕩器301產生頻率為f的總時鐘信號CLK，移相器302將該總時鐘信號CLK進行移相生成第一時鐘信號CLKl、第二時鐘信號CLK2、第三時鐘信號CLK3和第四時鐘信號CLK4。第一時鐘信號CLKl和第二時鐘信號CLK2相位相差90度、第二時鐘信號CLK2和第三相時鐘信號CLK3的相位差為90度，第三時鐘信號CLK3和第四時鐘信號CLK4的相位差為90度，第四時鐘信號CLK4和第一時鐘信號CLKl的相位差為90度，依次重復。移相后產生的第一時鐘信號CLK1、第二時鐘信號CLK2、第三時鐘信號CLK3和第四時鐘信號CLK4的頻率和總時鐘信號CLK的頻率f相等。
[0039]圖4所示為根據本發明另一個實施例的用于四通道直流-直流變換器的四個時鐘信號圖400。與圖3不同的是，在圖4所示實施例中，移相器302還具有分頻的功能，總時鐘信號CLK被移相器302移相后產生的第一時鐘信號CLKl、第二時鐘信號CLK2、第三時鐘信號CLK3和第四時鐘信號CLK4。其中，第一時鐘信號CLK1、第二時鐘信號CLK2、第三時鐘信號CLK3和第四時鐘信號CLK4的頻率為總時鐘信號CLK的頻率f的一半，等于l/2f。在其他實施例中，圖2中所示的時鐘信號(CLK1、CLK2........CLKn)產生電路30還可以包括其他結構，
用于產生一組頻率相同、并依次具有相同相位差的時鐘信號，只需要滿足產生的這組時鐘信號的頻率和多通道直流-直流變換器100在穩態工作下的開關頻率相同即可。
[0040]圖5所示為根據本發明一實施例的單個通道COT控制器(201、202.......或20η)的電路原理圖。如圖5所示，COT控制器20η包括關斷時間產生電路51、導通時間產生電路52、邏輯電路53以及鎖相環電路54。
[0041]關斷時間產生電路51接收一個通道的反饋電壓信號VFBn，并將反饋信號VFBn和該通道的參考電壓信號VREFn比較，產生一個關斷時間信號Toff。關斷時間信號Toff包括一個高低邏輯電平信號。在一個實施例中，當關斷時間信號Toff從邏輯低變為邏輯高時，高側開關導通。在一個實施例中，關斷時間產生電路51包括一個電壓比較器501，具有同相輸入端和反相輸入端，其同相輸入端接收反饋信號VFBn，反相輸入端接收參考電壓信號VREFn。當反饋信號VFBn降低到參考電壓信號Vrefi^，電壓比較器501輸出的關斷時間信號Toff變高，高側開關導通。
[0042]導通時間產生電路52接收輸入電壓信號Vin、一個通道的輸出電壓信號VciuTn和誤差信號Vccin，并根據輸入電壓信號Vin、輸出電壓信號VciUTn和誤差信號Vccin產生一個導通時間信號Ton。導通時間信號Ton包括一個高低邏輯電平信號。在一個實施例中，當導通時間信號Ton從邏輯低變為邏輯高時，高側開關關斷。
[0043]邏輯電路53接收關斷時間信號Toff和導通時間信號Ton，并對關斷時間信號TofT和導通時間信號Ton做邏輯運算，產生對應通道的控制信號SWn。在圖5所示實施例中，邏輯電路53示意為一個RS觸發器503，RS觸發器503的置位端S接收關斷時間信號Toff，RS觸發器503的復位端R接收導通時間信號Ton，RS觸發器503在第一輸出端Ql輸出高側控制信號HSn，在第二輸出端Q2輸出低側控制信號LSn，分別控制開關電路1n中的高側開關和低側開關。這里的高側控制信號HSn和低側控制信號LSn即為圖1所示的控制信號SWn的一種具體示例。
[0044]鎖相環電路54接收控制信號、時鐘信號CLKn和使能信號ENn，并根據高側控制信號HSn、時鐘信號CLKn和使能信號ENn產生誤差信號VGon。當使能信號ENn有效時，誤差信號Vc0n為一個代表控制信號和時鐘信號CLKn之間相位差的電壓值。在圖5所示實施例中，控制信號被示意為高側控制信號HSn，在另一個實施例中，鎖相環電路54也可以接收低側控制信號LSn，而非高側控制信號HSn，并根據低側控制信號HLn、時鐘信號CLKn和使能信號ENn產生誤差信號VcOno
[0045]圖6所示為現有的鎖相環電路示意工作波形圖500。如圖6所示，波形圖500從上至下，分別示出了多通道直流-直流變換器100中其中一通道的時鐘信號CLKn、高側控制信號HSn、相位差信號VPDn和誤差信號Voin。相位差信號VPDn的寬度為時鐘信號CLKn和高側控制信號HSn的相位差Φ。誤差信號Vran為一個變化的電壓值，根據相位差Φ的值變化而變化，用于表征相位差Φ的大小。
[0046]圖7所示為根據本發明一實施例的鎖相環電路工作波形圖600。如圖7所示，波形圖600從上至下，分別示出了時鐘信號CLKn、高側控制信號HSn、相位差信號VPDn和誤差信號VCOn。結合圖5、圖7所示實施例和波形圖描述鎖相環電路54的工作原理:當高側控制信號HSn的相位滯后時鐘信號CLKn的相位Φ I時，誤差信號％0?的值變大。導通時間產生電路52響應變化的誤差信號VCQn，減小高側開關的導通時間，將導通時間信號Ton的導通時間長短由Tl減小到T2(T2<T1)，為了維持導通時間信號Ton的占空比不變，高側控制信號HSn下一次的導通時間提前(即下一個高側控制信號HSn的上升沿更靠近CLKn的上升沿)。緊接著下一個周期，由于高側控制信號HSn的上升沿更靠近CLKn的上升沿，相位差信號VPDn減小，因此誤差信號10?的值減小，導通時間信號Ton的導通時間長短由T2增大到T3(T2<T3<T1)。經過幾個周期調節后，高側控制信號HSn和時鐘信號CLKn最終相位同步。在圖7所示波形圖中，高側控制信號HSn和時鐘信號CLKn被示意為經過兩個周期調節后同步，本領域的技術人員應該明白，這里只是示意性的，在實際的工作過程中，需要多個周期的瞬態調節，最終才能使得高側控制信號HSn和時鐘信號CLKn同步。
[0047]圖8所示為根據本發明一實施例的鎖相環電路工作波形圖700。如圖8所示，波形圖700從上至下，分別示出了時鐘信號CLKn、高側控制信號HSn、相位差信號VPDn和誤差信號VCOn。結合圖5、圖8所示實施例和波形圖描述鎖相環電路54的工作原理:當高側控制信號HSn的相位超前時鐘信號CLKn的相位Φ 2時，誤差信號Vcon的值變小。導通時間產生電路52響應變化的誤差信號VCQn，增大高側開關的導通時間，將導通時間信號Ton的導通時間由Tl增大至|JT4(T4>T1)，為了維持導通時間信號Ton的占空比不變，高側控制信號HSn下一次的導通時間延后(即下一個高側控制信號HSn的上升沿更靠近CLKn的上升沿)。緊接著下一個周期，由于高側控制信號HSn的上升沿更靠近CLKn的上升沿，相位差信號VPDn減小，因此誤差信號Vcon的值減小，導通時間信號Ton的導通時間長短由T4減小到T5(Tl <T5<T4)。經過幾個周期的調節后，高側控制信號HSn和時鐘信號CLKn最終相位同步。在圖8所示波形圖中，高側控制信號HSn和時鐘信號CLKn被示意為經過兩個周期調節后同步，本領域的技術人員應該明白，這里只是示意性的，在實際的工作過程中，需要多個周期的瞬態調節，最終才能使得高側控制信號HSn和時鐘信號CLKn同步。
[0048]圖9所示為根據本發明圖5所示實施例中的鎖相環電路54的電路原理圖。如圖9所示，鎖相環電路54包括D觸發器91和92、與門電路93、電流源94和電流源95，第一開關96和第二開關97以及充電電容98。D觸發器91和92分別具有第一輸入端D、第二輸入端C、第三輸入端R、輸出端Q和使能控制端EN13D觸發器91和92的第一輸入端D均接收電源電壓VCC，D觸發器91和92的第二輸入端C分別接收一相時鐘信號CLKn和一相高側控制信號HSn，D觸發器91和92的第三輸入端R耦接在一起。D觸發器91和92的使能控制端EN用于接收一個使能控制信號ENn，當使能控制信號ENn有效時，D觸發器91和92工作。D觸發器91和92的第二輸入端C分別形成鎖相環電路54的第一輸入端和第二輸入端。與門電路93具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，與門電路93的第一輸入端和第二輸入端分別耦接至D觸發器91和92的輸出端Q，與門電路93的輸出端耦接至D觸發器91和92的第三輸入端R。開關96和97分別具有第一端、第二端和控制端，其中，開關96和97的控制端分別耦接至D觸發器91和92的輸出端Q，開關96和97的第一端耦接在一起。在圖9所示的實施例中，開關96和97由晶體管實現，且分別為P管和N管。電流源94耦接至晶體管96的第二端以在晶體管96導通時向其扇入電流II，電流源95耦接至晶體管97的第二端以在晶體管97導通時從其扇出電流12。充電電容98耦接于晶體管96和97的公共端與參考地之間，充電電容98和晶體管96和97的公共端形成鎖相環電路54的輸出端，而充電電容98兩端的電壓即為誤差信號Vcon。
[0049]圖10所示為根據本發明圖5所示實施例中導通時間產生器52的電路原理圖。在圖10所示實施例中，所述導通時間產生器52包括:推挽電路521、受控電流源522，充放電電容523、復位開關524、充電比較器525和受控電壓信號產生器526。
[0050]推挽電路521接收誤差信號Voin，并在輸出端產生補充充電電流Ico。受控電流源522和充放電電容523串聯連接在一電源電壓Vcc和邏輯地之間，受控電流源522和充放電電容523的公共節點527耦接推挽電路521的輸出端，其中受控電流源522用于產生充電電流
13。復位開關524電連接在節點527和邏輯地之間。受控電壓信號產生器526產生受控電壓信號Vd。充電比較器525，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其第一輸入端接收受控電壓信號VD，其第二輸入端耦接至節點527接收充放電電容524兩端的電壓，所述充電比較器525基于受控電壓信號Vd和充放電電容524兩端的電壓產生導通時間信號Ton。
[0051 ] 在一個實施例中，當開關電路(101、102.......或1n)采用降壓(buck)拓撲時，導通時間信號Tonl與輸出電壓Vo υτ成正比、與輸入電壓Vin成反比。當開關電路(101、
102、......或1n)米用boost拓撲時，導通時間信號Ton與輸出電壓Vciut和輸入電壓Vin之差
(Vout-Vin)成正比、與輸出電壓Vqut成反比。
[0052]在一個實施例中，當開關電路(101、102.......或1n)采用buck拓撲時，所述受控充電電流13與輸入電壓Vin成正比，所述受控電壓信號Vd與輸出電壓Vciut成正比。當開關電路
(101,102.......或1n)采用boost拓撲時，所述受控充電電流13與輸出電壓Vqut成正比，所述受控電壓信號Vd與輸出電壓Vciut和輸入電壓Vin之差(Vqut-Vin)成正比。
[0053]圖11所示為根據本發明一個實施例的受控電壓信號產生器526的電路結構示意圖。圖11所示實施例示意為當開關電路(101、102.......或1n)采用boost拓撲時，所述受控電壓信號產生器526的電路結構不意圖。
[0054]在圖11所不實施例中，所述受控電壓信號產生器526包括:第一上拉電流鏡61，具有輸入端、第一電流端和第二電流端，其輸入端接收輸入電壓VIN，第一電流端耦接電阻值為Rl的電阻64;下拉電流鏡62，具有電流入端和電流出端，其電流入端耦接至第一上拉電流鏡61的第二電流端;第二上拉電流鏡63，具有輸入端、第一電流端和第二電流端，其輸入端接收輸出電壓V ο υτ，其第一電流端親接至下拉電流鏡6 2的電流出端和電阻值為R 2的電阻6 5，其第二電流端耦接電阻值為Rl的電阻66;其中所述電阻65兩端電壓即為所述受控電壓信號Vd。通過計算，可知Vd= (Vout-Vin) XR2/R1。
[0055]圖12所示為根據本發明一個實施例的受控電流源522的電路結構示意圖。圖12所示實施例示意為當開關電路(101、102.......或1n)采用boost拓撲時，所述受控電流源
522的電路結構不意圖。
[0056]在圖12所示實施例中，所述受控電流源522包括:運算放大器71，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其第一輸入端經由電阻值為Rl的電阻72接收輸出電壓VQUT、經由電阻值為R2的電阻73耦接至參考地;其第二輸入端經由晶體管74耦接至其輸出端、經由電阻值為R3的電阻7 5耦接至參考地;第三上拉電流鏡76，具有電流入端和電流出端，其電流入端耦接至晶體管74，其電流鏡輸出端提供所述受控充電電流13。通過計算，可知13 = Vout X R2/((R1+R2) XR3)。
[0057]雖然上述實施例僅示出了當開關電路(101、102、......或1n)采用boost拓撲時受控電壓信號產生器526和受控電流源522的結構示意圖。但是本領域技術人員應當意識至Ij，通過簡單的修改，可得到開關電路(101、102.......或1n)采用buck拓撲時受控電壓信號產生器526和受控電流源522的結構示意圖。為簡明起見，這里不再累述。
[0058]圖13所示為根據本發明一個實施例的使能信號產生器800的電路結構示意圖。圖13所示使能信號產生器800用于產生圖5和圖9所示實施例中的使能信號ENn。使能信號ENnS一個邏輯高低電平信號，在一個實施例中，當使能信號ENn為邏輯高時，鎖相環電路54使能(工作)；當使能信號ENn為邏輯低時，鎖相環電路54不使能(不工作)。如圖13所示，使能信號產生器800包括一個鉗位電路41、輕載判定電路42、狀態判定電路43和邏輯電路44。
[0059]在圖13所示實施例中，鉗位電路41產生第一鉗位信號LKl用于設置鎖相環電路54可以調節的相位差的范圍。第一鉗位信號LKl為一個邏輯高低信號，在一個實施例中，當第一鉗位信號LKl為邏輯高時有效，當第一鉗位信號LKl邏輯低時無效。一般地，當時鐘信號CLKn和高側控制信號HSn的相位差大于一個設定的相位閾值(例如，120度)時，即時鐘信號CLKn超前或滯后高側控制信號HSn的相位超過相位閾值)，第一鉗位信號LKl無效(邏輯低)，使能信號ENn不使能鎖相環電路54。
[0060]在一個實施例中，鉗位電路41包括一個滯環比較器401，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端。滯環比較器401的第一輸入端接收參考電流信號kX 13，其中，13為圖10中的充電電流，k為一個比例系數，一般地，k等于0.3。滯環比較器401的第二輸入端接收補充充電電流信號Ico，滯環比較器401比較參考電流信號kX 13和補充充電電流信號Ico，并在輸出端輸出第一鉗位信號LK1。參考電流信號kX 13用于設定補充充電電流信號Ico上下浮動的一個范圍，當補充充電電流信號Ico位于參考電流信號+kX 13和-kX 13之間時，表征時鐘信號CLKn和高側控制信號HSn的相位差位于相位閾值內，第一鉗位信號LKl有效(邏輯高)，鎖相環電路54使能；當補充充電電流信號Ico超出參考電流信號+kX 13和-kX 13之間的范圍時，表征時鐘信號CLKn和高側控制信號HSn的相位差大于相位閾值，第一鉗位信號LKl無效(邏輯低)，使能信號ENn不使能鎖相環電路54。
[0061]在圖13所示實施例中，輕載判定電路42產生第二鉗位信號LK2用于設置鎖相環電路54可以使能的條件。當系統位于輕載狀態下時，其工作頻率遠低于正常帶載下的穩態工作頻率，鎖相環電路54不能工作。在一個實施例中，當系統正常帶載狀態下，第二鉗位信號LK2有效(邏輯高)，鎖相環電路54使能；當系統位于輕載狀態下，第二鉗位信號LK2無效(邏輯低)，鎖相環電路54不使能。
[0062]在圖13所示實施例中，狀態判定電路43用于判定系統工作狀態，并輸出一個提示系統工作狀態的狀態信號PG。狀態信號PG為一個邏輯高低信號，在一個實施例中，當狀態信號PG有效(邏輯高)時，鎖相環電路54使能，當狀態信號PG無效(邏輯低)時，鎖相環電路54不使能。
[0063]在一個實施例中，狀態判定電路43包括接收一個系統軟啟動信號，當軟啟動結束，系統進入正常工作模式后，狀態信號PG有效(邏輯高)；當系統位于軟啟動過程中時，狀態信號PG無效(邏輯低)，使能信號ENn不使能鎖相環電路54。
[0064]在又一個實施例中，狀態判定電路43包括一個過電流檢測電路，當系統出現過流狀態時，狀態信號PG無效(邏輯低)，使能信號ENn不使能鎖相環電路54。
[0065]狀態判定電路43還可包括其他過壓過溫檢測模式，換句話說，鎖相環電路54只有在系統正常啟動后，在沒有過溫過壓等異常情況，且工作在正常穩態工作模式時，鎖相環電路54才被使能。
[0066]圖14所示為圖13所示輕載判定電路42的一個具體實施例的電路結構示意圖。如圖14所示，輕載判定電路42包括一個鑒頻器421，鑒頻器421第一輸入端接收對應通道的時鐘信號CLKn，鑒頻器421第二輸入端接收高側控制信號HSn，鑒頻器421判斷時鐘信號CLKn和高側控制信號HSn的頻率，當高側控制信號HSn的頻率低于時鐘信號CLKn的頻率的一定比值(例如60 % )時，第二鉗位信號LK2無效，鎖相環電路54不使能。
[0067]圖15所不為圖13所不輕載判定電路42的另一個具體實施例的電路結構不意圖。如圖15所示，輕載判定電路42包括一個計數器423，計數器423接收過零信號ZCD，這里的過零信號ZCD包括系統電路里任意一個過零檢測電路輸出的過零檢測信號。過零信號ZCD為一個高低電平信號，當過零檢測信號有效時(邏輯高)，代表低側開關流過的電流過零。例如，可以理解地，在一個BUCK開關變換器的斷續工作模式下，當過零檢測信號有效時(邏輯高)，低側開關被關斷。計數器423計數過零信號ZCD，當過零信號ZCD計數達到一定數值，第二鉗位信號LK2無效，鎖相環電路54不使能。
[0068]需要說明的是，在圖5-圖15所示各實施例中，均采用高側控制信號HSn作為控制信號SWn中的一種特殊示例，本領域的技術人員應該理解，采用低側控制信號LSn同樣可以實現本發明的控制。
[0069]圖16所示為根據本發明一實施的一種多通道直流-直流變換器的⑶T控制方法900。控制方法900可用于前圖1-15所示實施例中的變換器。
[0070]如圖1-15所描述的多通道直流-直流開關變換器，多通道直流-直流變換器具有一個輸入端和η個輸出端，其中η為大于等于2的正整數，所述多通道直流-直流變換器包括η個開關電路，共同耦接在多通道直流-直流變換器的輸入端接收輸入電壓信號，每個開關電路將輸入電壓信號轉換為一個輸出電壓信號，并分別送至多通道直流-直流變換器的η個輸出端，其中，每個開關電路包括至少一個可控開關。該COT控制方法900包括步驟910-940。
[0071]步驟910，分別判斷η個開關電路是否工作在穩態。如果開關電路工作在穩態，轉至步驟920，否者繼續判斷η個開關電路是否工作在穩態。在一個實施例中，判斷η個開關電路是否工作在穩態，可以由圖13所示實施例中的使能信號發生器800來決定。當開關電路工作在穩態時，使能信號發生器800產生的使能信號ENn使能每個開關電路對應的控制電路中的鎖相環電路。
[0072]步驟920，產生η個頻率相同、并依次具有相同相位差的時鐘信號。其中，該η個時鐘信號的頻率與η個開關電路穩態工作模式下的開關頻率相等。例如，圖2所示時鐘信號產生電路可以產生該η個時鐘信號(CLK1、CLK2........CLKn)。
[0073]步驟930，提供表征每個開關電路的輸出電壓的反饋電壓信號。例如圖1所示實施例中的反饋電壓信號(Vfb1、Vfb2、......、Vfbh)。
[0074]步驟940，根據每個開關電路的輸入電壓信號、輸出電壓信號、反饋電壓信號和一個時鐘信號產生控制信號。例如圖1所示實施例中的控制信號(SWl、SW2........SWn)。每個控制信號控制每個開關電路的開關頻率和相位與對應的時鐘信號的頻率和相位相等。
[0075]在一個實施例中，產生控制信號的步驟940還包括步驟941-944，如圖17所示。
[0076]步驟941，根據控制信號和時鐘信號，產生一個代表控制信號和時鐘信號的相位差值的誤差信號。在一個實施例中，控制信號包括高側開關控制信號和低側開關控制信號，可根據高側開關控制信號和時鐘信號，產生一個代表高側開關控制信號和時鐘信號的相位差值的誤差信號。
[0077]步驟942，比較反饋信號和一個參考電壓信號，并產生一個關斷時間信號。
[0078]步驟943，根據輸入電壓信號、輸出電壓信號和誤差信號，產生一個導通時間信號。
[0079]步驟944，根據關斷時間信號和導通時間信號，產生控制信號。在一個實施例中，通過對關斷時間信號和導通時間信號做邏輯運算，產生控制信號用于控制開關電路中的可控開關。
[0080]雖然已參照幾個典型實施例描述了本發明，但應當理解，所用的術語是說明和示例性、而非限制性的術語。由于本發明能夠以多種形式具體實施而不脫離發明的精神或實質，所以應當理解，上述實施例不限于任何前述的細節，而應在隨附權利要求所限定的精神和范圍內廣泛地解釋，因此落入權利要求或其等效范圍內的全部變化和改型都應為隨附權利要求所涵蓋。
【主權項】
1.一種恒定導通時間控制的多通道直流-直流變換器，具有一個輸入端和η個輸出端，其中η為大于等于2的正整數，所述恒定導通時間控制的多通道直流-直流變換器包括: η個開關電路，共同耦接在多通道直流-直流變換器的輸入端接收輸入電壓信號，每個開關電路將輸入電壓信號轉換為輸出電壓信號，并送至多通道直流-直流變換器的η個輸出端中的一個，其中，每個開關電路包括至少一個可控開關； 時鐘信號發生器，產生η個頻率相同、并依次具有相同相位差的時鐘信號，并將該η個時鐘信號分別對應送至所述η個開關電路，其中，η個時鐘信號的頻率與η個開關電路穩態工作模式下的開關頻率相等；以及 η個恒定導通時間控制器，分別對應控制所述η個開關電路，每個恒定導通時間控制器接收輸入電壓信號、對應的開關電路的輸出電壓信號、代表對應的開關電路的輸出電壓信號的反饋電壓信號和對應的時鐘信號，并根據所接收的輸入電壓信號、輸出電壓信號、反饋電壓信號和對應的時鐘信號產生控制信號，用于控制對應的開關電路，其中，當對應的開關電路工作在穩態時，每個恒定導通時間控制器控制對應的開關電路的可控開關的開關頻率和相位與對應的時鐘信號的頻率和相位相等。2.如權利要求1所述恒定導通時間控制的多通道直流-直流變換器，其中，每個恒定導通時間控制器包括: 鎖相環電路，接收控制信號、對應的時鐘信號和使能信號，當使能信號使能鎖相環電路時，鎖相環電路根據控制信號和對應的時鐘信號，產生代表控制信號和對應的時鐘信號的相位差值的誤差信號； 關斷時間產生電路，接收反饋電壓信號，并將反饋信號和參考電壓信號比較，并產生關斷時間信號； 導通時間產生電路，接收輸入電壓信號、輸出電壓信號和誤差信號，并根據輸入電壓信號、輸出電壓信號和誤差信號產生導通時間信號；以及 邏輯電路，接收關斷時間信號和導通時間信號，并對關斷時間信號和導通時間信號做邏輯運算，進而產生控制信號。3.如權利要求1所述恒定導通時間控制的多通道直流-直流變換器，其中，所述開關電路包括高側開關和低側開關，所述控制信號包括用于控制高側開關的高側控制信號和用于控制低側開關的低側控制信號，所述鎖相環電路包括第一D觸發器、第二D觸發器、與門、第一電流源、第二電流源、第一開關、第二開關以及充電電容，其中， 第一 D觸發器和第二 D觸發器分別具有第一輸入端、第二輸入端、第三輸入端、輸出端和使能控制端，第一 D觸發器和第二 D觸發器的第一輸入端接收電源電壓，第一 D觸發器的第二輸入端接收時鐘信號，第二D觸發器的第二輸入端接收高側控制信號，第一D觸發器和第二D觸發器的第三輸入端耦接在一起，第一 D觸發器和第二 D觸發器的使能控制端接收使能信號； 與門具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，與門的第一輸入端和第二輸入端分別親接至第一 D觸發器和第二 D觸發器的輸出端，與門的輸出端耦接至第一 D觸發器和第二 D觸發器的第三輸入端； 第一開關和第二開關分別具有第一端、第二端和控制端，其中，第一開關和第二開關的第一端耦接在一起，第一開關的控制端耦接至第一 D觸發器的輸出端，第二開關的控制端耦接至第二 D觸發器的輸出端； 第一電流源耦接第一開關的第二端以在第一開關導通時向其扇入電流，第二電流源耦接至第二開關的第二端以在第二開關導通時從其扇出電流;以及 充電電容耦接于第一開關和第二開關的公共端與參考地之間，充電電容和第一開關和第二開關的公共端形成鎖相環電路的輸出端，輸出誤差信號。4.如權利要求2所述恒定導通時間控制的多通道直流-直流變換器，其中，所述導通時間產生電路包括: 推挽電路，具有輸入端和輸出端，輸入端接收誤差信號，并在輸出端產生補充充電電流信號； 受控電流源，耦接在一供電電壓源和推挽電路的輸出端之間，用于產生充電電流信號， 充放電電容，具有第一端和第二端，第一端耦接在推挽電路的輸出端，第二端電連接至邏輯地之間； 復位開關，具有第一端、第二端和控制端，其第一端和第二端分別電連接充放電電容的第一端和邏輯地； 受控電壓信號產生器，產生受控電壓信號；以及 充電比較器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其第一輸入端接收受控電壓信號，其第二輸入端耦接至充放電電容的第一端，接收充放電電容兩端的電壓，充電比較器根據受控電壓信號和充放電電容兩端的電壓產生導通時間信號。5.如權利要求4所述恒定導通時間控制的多通道直流-直流變換器，其中，當開關電路為降壓BUCK變換電路時，充電電流信號與輸入電壓信號成正比，受控電壓信號與輸出電壓信號成正比。6.如權利要求4所述恒定導通時間控制的多通道直流-直流變換器，其中，每個恒定導通時間控制器進一步包括使能信號發生器用于產生使能信號，所述使能信號發生器包括: 鉗位電路，用于判定時鐘信號和控制信號的相位差，并產生第一鉗位信號，當相位差大于一個相位閾值時，第一鉗位信號控制使能信號不使能鎖相環電路。7.如權利要求6所述恒定導通時間控制的多通道直流-直流變換器，其中，所述鉗位電路包括一個滯環比較器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其第一輸入端接收與充電電流信號成比例的一個參考電流信號，其第二輸入端接收補充充電電流信號，滯環比較器比較參考電流信號和補充充電電流信號，并在輸出端輸出第一鉗位信號。8.如權利要求4所述恒定導通時間控制的多通道直流-直流變換器，其中，每個恒定導通時間控制器進一步包括使能信號發生器用于產生使能信號，所述使能信號發生器包括: 輕載判定電路，用于判定開關電路是否輕載，并產生第二鉗位信號，當開關電路輕載時，第二鉗位信號控制使能信號不使能鎖相環電路。9.如權利要求1所述恒定導通時間控制的多通道直流-直流變換器，其中，所述η個開關電路具有相同的電路拓撲結構。10.如權利要求1所述恒定導通時間控制的多通道直流-直流變換器，其中，所述η個開關電路具有不同的電路拓撲結構。11.一種恒定導通時間控制電路，用于控制η通道直流-直流變換器中每個通道的開關變換器分時復用一個輸入電壓信號，所述恒定導通時間控制電路包括: 對應控制每個通道的開關變換器的η個子控制電路，分別接收η個頻率相同、并依次具有相同相位差的時鐘信號，其中，η個時鐘信號的頻率與每個通道的開關變換器在穩態工作模式下的開關頻率相等;每個子控制電路進一步接收輸入電壓信號、對應通道的開關變換器的輸出電壓信號、代表對應通道的開關變換器的輸出電壓的反饋電壓信號;每個子控制器根據輸入電壓信號、對應的輸出電壓信號、對應的反饋電壓信號和對應的時鐘信號產生控制信號，用于控制對應通道的開關變換器;其中，當開關電路工作在穩態時，每個子控制器控制對應通道的開關變換器中的可控開關的開關頻率和相位與對應的時鐘信號的頻率和相位相等。12.如權利要求11所述的恒定導通時間控制電路，其中，每個子控制電路包括: 鎖相環電路，接收控制信號、對應的時鐘信號和使能信號，當使能信號使能鎖相環電路時，鎖相環電路根據控制信號和對應的時鐘信號，產生代表控制信號和對應的時鐘信號的相位差值的誤差信號； 關斷時間產生電路，接收反饋電壓信號，并將反饋信號和參考電壓信號比較，并產生關斷時間信號； 導通時間產生電路，接收輸入電壓信號、輸出電壓信號和誤差信號，并根據輸入電壓信號、輸出電壓信號和誤差信號產生導通時間信號；以及 邏輯電路，接收關斷時間信號和導通時間信號，并對關斷時間信號和導通時間信號做邏輯運算，進而產生控制信號。13.—種用于多通道直流-直流變換器的恒定導通時間控制方法，所述多通道直流-直流變換器具有一個輸入端和η個輸出端，其中η為大于等于2的正整數，所述多通道直流-直流變換器包括η個開關電路，共同耦接在多通道直流-直流變換器的輸入端接收輸入電壓信號，每個開關電路將輸入電壓信號轉換為輸出電壓信號，并分別送至多通道直流-直流變換器的η個輸出端，其中，每個開關電路包括至少一個可控開關，所述控制方法包括: 判斷每個開關電路是否工作在穩態； 產生η個頻率相同、并依次具有相同相位差的時鐘信號，其中，η個時鐘信號的頻率與η個開關電路穩態工作模式下的開關頻率相等； 提供表征每個開關電路的輸出電壓的反饋電壓信號；以及 根據每個開關電路的輸入電壓信號、輸出電壓信號、反饋電壓信號和η個時鐘信號中的一個時鐘信號產生控制信號，用于控制對應的開關電路中的可控開關，使得每個開關電路中的可控開關的開關頻率和相位與對應的時鐘信號的頻率和相位相等。14.如權利要求13所述的恒定導通時間控制方法，其中，根據每個開關電路的輸入電壓信號、輸出電壓信號、反饋電壓信號和η個時鐘信號中的一個時鐘信號產生控制信號的步驟包括: 根據控制信號和時鐘信號，產生代表控制信號和時鐘信號的相位差值的誤差信號； 比較反饋信號和參考電壓信號，產生關斷時間信號； 根據輸入電壓信號、輸出電壓信號和誤差信號，產生導通時間信號；以及 根據關斷時間信號和導通時間信號，產生控制信號。
【文檔編號】H02M3/155GK106059290SQ201610622009
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月2日
【發明人】龔軍勇
【申請人】成都芯源系統有限公司