CN1992486A - 用于两级变换器的控制电路 - Google Patents

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Abstract

一种根据本发明的实施例的多级电压变换器，包括第一级变换器，其可操作以变换输入电压为第一输出电压；至少一个第二级变换器，其可操作以接收来自该第一级变换器的第一输出电压，并提供第二输出电压；以及控制电路，其可操作以控制所述第一级变换器和所述第二级变换器。该控制电路使用闭环反馈独立控制第一级变换器和第二级变换器。可替换地，该控制电路可以控制第一级变换器，以第一级变换器具有恒定的占空比。在另一实施例中，该控制电路可以控制第一级变换器，以使第一级变换器具有跟随第二级变换器占空比的占空比。

Description

用于两级变换器的控制电路
相关申请的交叉引用
[0001]本申请要求2005年11月28日申请的，题目为“用于两级变换器的控制技术(CONTROL TECHNIQUE FOR 2 STAGECONVERTERS)”，序列号为60/740,008的美国临时专利申请的利益和优先权，因此其全部内容结合在这里作为参考。
[0002]本申请还涉及2006年10月19日申请的，题目为“多输出变换器和控制IC(MULTIPLE OUTPUT CONVERTER ANDCONTROL IC)”，序列号为11/551,054的美国专利中请，其要求2005年10月28日申请的，题目为“多输出变换器控制IC”，序列号为60/731,206的美国临时专利申请的利益，因此它们两者的全部内容都结合在这里作为参考。
背景技术
[0003]多相交错(interleaved)的降压(buck)变换器通常被用作计算机母板中的电压调节器。这些多相变换器通常包括几个并联连接的同步降压变换器，其被移相。该多个变换器通常变换12V的输入，以提供约1.3伏和至少100A给CPU插槽。
[0004]最近的和正在进行的增加CPU时钟速度的趋势，已经依次导致CPU所需的电流的增加和CPU插槽的转换速率需求的增加。同时，一般地，当电压输入从过去的约5V增加到上述通用的12V输入时，CPU电压需求降低。自然地，电压调节器已经随时间发展了，以满足这些变化的需要。即，已经增加了附加的相，以允许提供附加的电流，并且已经增加了附加的输出电容器，以提供必需的转换速率。另外，变换器的占空比已经降低了。结果，该多个变换器已经变得效率较低，并且需要更多的板空间，以容纳上述附加的相和电容器。
[0005]这些问题的一种解决方法是使用两级变换器，或其它多级变换器。在这种多级变换器中，一个单相或多相同步降压变换器被提供在第一级，并与在第二级的多相同步降压变换器串联连接。该第一级通常逐步降低输入电压，并通常具有相对低的开关频率，因此，相对有效。该第二级以这个较低的电压作为输入，并且其输出提供给CPU插槽。该第二级通常在高频切换。依据相对低的输入母线电压，这个较高频率没有造成问题，其中该相对低的输入母线电压是从第一级提供给第二级的。这个较低电压的使用减少了较高频率下第二级的切换损耗。第二级中的较高的切换频率还允许在输出端必需的滤波器的减少。因此，较小的电感器和输出电容器的数目的减少导致元件数量、板空间和成本的节省。另外该高频率适于增大的带宽。
[0006]过去，这种多级变换器运行，其中第一级为闭环，而第二级使用附加的独立闭环控制器。虽然这个解决方案提供了好的结果，但是它还需要使用两个独立控制IC。
[0007]因此，提供使用单个控制电路的多级电压变换器是很有益的，尤其是用一个IC既控制变换器的第一级，又控制该变换器的第二级。
发明内容
[0008]本发明的一个目的是提供一种多级变换器，其提供更高效率，更低费用，并另外避免了上述问题。
[0009]根据本发明的实施例的多级电压变换器包括：第一级变换器，可操作以变换输入电压为第一输出电压；至少一个第二级变换器，可操作以接收来自该第一级变换器的第一输出电压，并提供第二输出电压；以及形成在单个封装内的控制电路，可操控第一级变换器和第二级变换器。
[0010]根据本发明的另一实施例的多级电压变换器包括：第一级变换器，可操作以变换输入电压为第一输出电压；至少一个第二级变换器，可操作以接收来自该第一级变换器的第一输出电压，并提供第二输出电压；以及控制电路，可操作以控制第一级变换器和第二级变换器，其中该控制电路控制该第一级变换器，以使该第一级变换器的占空比保持恒定。
[0011]根据本发明的另一实施例的多级电压变换器包括：第一级变换器，可操作以变换输入电压为第一输出电压；至少一个第二级变换器，可操作以接收来自该第一级变换器的第一输出电压，并提供第二输出电压；以及控制电路，可操作以控制第一级变换器和第二级变换器，其中该控制电路控制该第一级变换器，以使该第一级变换器的占空比跟随第二级变换器的占空比。
[0012]从下面参考附图的描述，本发明的其它特征和优点将变得显而易见。
附图说明
[0013]图1是根据本发明实施例的用于多级电压控制器的控制集成电路的例示图；
[0014]图2是根据本发明另一实施例的用于多级电压控制器的控制集成电路的例示图；
[0015]图3是根据本发明另一实施例的用于多级电压控制器的控制集成电路的例示图；
[0016]图4是使用了根据本发明实施例的图1的控制集成电路的多级变换器的例示图；
[0017]图5是使用了根据本发明实施例的图2的控制集成电路的多级变换器的例示图；
[0018]图6是使用了根据本发明实施例的图3的控制集成电路的多级变换器的例示图；
[0019]图7例示了本发明实施例的多级输出控制电路；
[0020]图8例示了使用图7的本发明实施例的控制电路的单级电压变换器；
[0021]图9例示了使用图7的本发明实施例的控制电路的多级电压变换器。
具体实施方式
[0022]本发明的实施例的一种多级变换器，优选包括在一个集成电路中的控制电路，其用于控制多级变换器的第一和第二级(和另外的级，如果配备的话)中的每一个。如上所述，通常以闭环方式控制这种多级变换器，通过为第一级变换器提供闭环控制器，并为第二级提供单独的闭环控制器。然而，如上所述，这是效率不高的，因为它通常需要使用两个控制IC。
[0023]图1-3例示了本发明的控制IC的三个实例，其用于在一个集成电路中控制多级变换器的第一级和第二级。在图1-3中例示的IC没有使用通常与其结合使用的相关PWM和驱动电路。
[0024]图1例示了控制IC 10，其使用了所谓的独立/独立(independent/independent)拓扑。如图1可视，该IC 10包括用于两级控制器的每一级的误差信号放大器(EA)输出12，14，并且还包括来自每级的反馈(FB)输入16、18，还提供了用于该两级的时钟频率输出19、20。此外，偏置和参考信息可以提供给驱动电路，以通过该偏置和参考输出22驱动第一级和第二级。此外，还示出了用于第一级的补偿网络200和用于第二级的补偿网络300。该级的补偿网络200接收第一级的第一输出电压VO1，并提供反馈信息给反馈输入16。这个信息还被用来产生在第一误差信号放大器输出12提供的第一误差信号放大器输出信号。类似地，用于第二级的补偿网络300从变换器的第二级接收第二输出电压VO2，并提供反馈信息给第二反馈输入18。这个信息还被用来产生来自第二误差信号放大器输出14的第二误差信号放大器输出信号。
[0025]图2例示了控制集成电路10a的另一实例，其使用固定占空比/独立拓扑来控制多级控制器的第一级和第二级。如图2所示，该IC 10a包括用于第二级的单个误差放大器输出14a，和来自第二级的单个反馈输入18a。第一级具有恒定占空比，因此没有用于第一级的误差信号放大器输出或反馈。然而该控制IC 10a还包括分别用于第一级和第二级的两个频率输出19a、20a。偏置和参考信息可以提供给驱动电路，以通过该偏置和参考输出22a驱动第一和第二级。用于第二级的补偿电路300a实质上与上述补偿电路300以同样的方式运行。注意，在这个实施例中，用于第一级的补偿电路不是必需的。
[0026]图3例示了控制IC 10b的另一实例，其使用从属/依附(Slave/Dependent)拓扑来控制多级变换器的两级。该控制IC 10b提供单个误差信号放大器输出12b，其是既提供给第一级又提供给第二级的。该控制IC 10b还包括来自第二级的反馈输入18b，和分别用于第一级和第二级的两个频率输出19b，20b。偏置和参考信息可以提供给驱动电路，以通过该偏置和参考输出22b驱动第一和第二级。补偿电路300b以与上述补偿电路300同样的方式运行。同样，在这个实施例中，没有使用用于第一级的补偿电路。
[0027]控制IC 10、10a和10b连接到第一级和第二级，以提供适当的控制信号。该控制IC优选提供一个频率输出给第一和第二级中的每一个。这两个频率信号可以以不同的方式获得。一种解决方案是提供两个振荡器，并因此确保这两个频率信号是相互独立的。另一种解决方案是设置第一或第二级的切换频率为另一级的切换频率的倍数，这样只需要一个振荡器。
[0028]图4-6例示了多级变换器的示意性实施例，其使用了三个单独的控制IC 10、10a和10b。图4例示了多级变换器100，其具有连接到第一级驱动器30的控制IC 10，和多个第二级驱动器40a、40b、40n。该驱动器30驱动第一级变换设备35，即开关Q1、Q2，以提供输出电压VO1。驱动器40a、40b、40n被类似地使用，以驱动第二级变换设备45a、45b、45n。如所示的，输出电压VO1，通过由电阻R1、R2形成的电阻分压器，作为反馈信号被提供给控制IC 10。然而，应注意，第一输出电压VO1不必需以这种方式提供。输出电压VO1被提供给第一级的补偿网络200，其依次连接到IC 10的反馈输入16和误差信号放大器输出12，以及第一级驱动器IC 30的误差信号放大器输入32。这样，第一级驱动器30基于闭环结构被控制，该闭环结构使用输出电压VO1调节提供给驱动器30的频率和误差信号。这种闭环***在已有技术中是公知的，因此，这里不需要进一步详细讨论。
[0029]第二级的输出电压VO2被类似地连接到用于第二级的补偿网络300，该补偿网络300被依次连接到反馈输入18。IC 10的误差信号放大器输出14连接到用于第二级的驱动器40a、40b、40n的误差信号放大器输入42a、42b、42n。这些驱动器被用来驱动变换设备45a、45b、45n，其提供第二输出电压VO2。注意，第一级的输出电压VO1被用作第二级变换设备45a、45b、45n的输入。适当的偏置和参考信息还通过偏置和参考输出22提供给驱动器30和驱动器40a-40n。这样，第二级的驱动器40a、40b、40n被类似地控制，使用闭环结构，以使输出电压VO2提供反馈以控制提供给驱动器40a-40n的误差信号，从而控制第二级变换器。这样，在图4中，单个IC控制电路10被用来提供对电压变换器100的第一和第二级闭环控制。注意，提供给第一级的闭环控制是独立于提供给第二级的闭环控制的，因此这种方法被称为独立/独立拓扑。
[0030]图5例示了多级变换器100′的另一实施例，其使用控制IC 10a。控制IC 10a连接到驱动第一级变换设备35′的第一级驱动器30′和驱动第二级变换设备45a′、45b′、45n′的多个第二级驱动器40a′、40b′、40n′。在这个示例电路中，驱动器30′以恒定占空比运行。误差信号放大器输入32′连接到1C 10a的偏置和参考输出22′，并且恒定时钟频率输出被从控制IC 10a提供给驱动器30′。然而，第二级的输出电压VO2′，连接到用于第二级的补偿网络300′，补偿网络300′依次连接到反馈输入18a。IC 10a的误差信号放大器输出14a连接到用于第二级的驱动器40a′、40b′、40n′的误差信号放大器输入42a′、42b′、42n′。偏置和参考信息还通过偏置和参考输出22′提供给驱动器30′和驱动器40a′-40n′。这样，图5的电路提供单个集成电路控制器10a，其以恒定频率和占空比控制第一级，并以闭环方式控制第二级。第一级变换设备35′被用来逐步降低到电压VO1的输入电压，但是这个电压VO1不需要被严格地控制。
[0031]图6例示了多级变换器100″，其使用图3的控制IC 10b，其连接到第一级驱动器30″，和多个第二级驱动器40a″、40b″、40n″。在这个实例电路中，第一级驱动器30″将与第二级驱动器40a″、40b″、40n″以同样的占空比运行。第二级的输出电压VO2″作为反馈被提供给用于第二级的反馈网络300″，其依次连接到反馈输入18b。IC 10b的误差信号放大器输出14b被提供给用于第二级的驱动器40a″、40b″、40n″的误差信号放大器输入42a″、42b″、42n″，和驱动器30″的误差信号放大器输入。适当的偏置和参考信息还通过偏置和参考输出22″提供给驱动器30″和驱动器40a″-40n″。这样，在图6的电路中，基于由第二级的闭环信息提供的信息来控制第一级变换器。即，误差信号放大器输出信号，被提供给驱动器30″的误差信号输入32″，同样，基于来自第二级输出电压VO2的反馈，相同的误差信号放大器输出信号被提供给第二级驱动器的误差信号输入42a″，42b″42n″。
[0032]在图4-6中，第一级被表示为给单个多相输出供电。然而，可能配备具有多输出的两级变换器(或具有多输出的单级变换器)。在这种情况下，第一级将提供母线电压或输入电压给第二级变换器的输入。然后，第二级的每个输出将服务于它的特定***的需要。
[0033]图7例示了多输出控制IC 70的概念。在图7中，概括了IC的插针和它们的功能。图7示出了N个输入/输出对(输入1/输出1，输入2/输出2...输入N/输出N)。在这种概括的表示中，每个输入输出对服务于一个“级”变换器的需要。这个“级”变换器可能是单相或多相变换器。该“级”输入和输出是很通用的，当它们可以用于单级变换器(如图8所示)或多级变换器(如图9所示)。
[0034]该多输出控制IC的控制方法具有许多可能性。所有或一些该输入/输出对可以配置为使每“级”变换器以闭环运行，而其余的“级”变换器以固定占空比运行，或如上所述的从属配置。在图7-9中，概括了IC的控制能力和每“级”变换器的配置。
[0035]此外，注意，在图7-9中，控制IC和驱动器没有像图4-6中那样单独示出。如果设计的细节建议其是需要的，这里描述的任何控制IC的驱动器和控制功能的集成都是可能的。提供具有多输出电压的电压变换器的概念被详细描述在2006年10月19日申请的，序列号为11/551054，题目为“多输出变换器和控制IC(MULTIPLE OUTPUTCONVERTER AND CONTROL IC)”的美国专利申请中。根据这个***，每个第二级变换设备的输出可以被用来提供电能给不同的负荷或子***。
[0036]本发明指出了另外的方法，以控制两级变换器的第一级的运行。先前的方法公开了用闭环反馈控制两级。然而，根据本发明，控制IC实施上述固定占空比和从属配置所需的成本和芯片尺寸，将小于闭环控制器所需的成本和芯片尺寸。在减少控制IC周围需要的无源元件的数量的同时，该固定占空比和该从属配置都允许第一级的控制。
[0037]进一步，本发明的控制电路减少了必需的控制IC的数量，并因此简化了设计。此外，本发明减少了整个芯片尺寸，因为可能使用比两个传统控制器芯片具有更小面积的更便宜的两级控制器芯片。进一步，根据本发明，可能结合某种通用IC特征/功能，其可能另外被两个IC复制。此外，如上所述，本发明允许围绕控制IC的无源元件数量的减少，因为控制IC的数量已经被减少，并且结合了通用特征和功能。此外，本发明允许板面积的减小，因为更少的IC和无源元件是必需的。进一步，注意，与固定占空比/独立拓扑相比，从属/独立拓扑可以提供减少的母线电容。
[0038]此外，如上所述，本发明可应用于多输出控制IC。这些IC是非常通用的，它们允许设计者选择单级或多级变换器配置、多相和传统的单相运行，以及用于***的多种控制拓扑。
[0039]虽然已经关于其特定实施例描述了本发明，但是对本领域技术人员来说，许多其它变化和修改和其它使用将是显而易见的。因此，优选本发明不被这里的具体公开所限制，而只由所附权利要求限制。

Claims (18)

1.一种多级电压变换器，包括：
第一级变换器，可操作以变换输入电压为第一输出电压；
至少一个第二级变换器，可操作以接收来自所述第一级变换器的所述第一输出电压，并提供第二输出电压；以及
提供在单个插槽中的控制电路，可操作以控制所述第一级变换器和所述第二级变换器。
2.如权利要求1所述的多级电压变换器，其中所述控制电路被配置为提供第一时钟频率信号给所述第一级变换器，以设置所述第一级变换器的切换频率，并提供第二时钟频率信号给所述至少一个第二级变换器，以设置所述至少一个第二级变换器的切换频率。
3.如权利要求2所述的多级电压变换器，其中所述控制电路被配置为提供第一误差信号放大器输出信号给所述第一级变换器，以设置所述第一级变换器的占空比，并提供第二误差信号放大器输出信号给所述至少一个第二级变换器，以设置所述至少一个第二级变换器的占空比。
4.如权利要求3所述的多级电压变换器，其中所述控制电路被配置为提供偏置和参考信号给所述第一和第二级变换器，以设置用于所述第一级变换器和第二级变换器的偏置和参考值信息。
5.如权利要求4所述的多级电压变换器，进一步包括：
第二级反馈控制电路，其被配置为接收所述第二输出电压，并提供第二反馈输入给所述控制电路，所述控制电路用于提供所述第二误差信号放大器输出信号。
6.如权利要求5所述的多级电压变换器，进一步包括：
第一级反馈控制电路，其被配置为接收所述第一输出电压，并提供第一反馈输入给所述控制电路，所述控制电路用于提供所述第一误差信号放大器输出信号。
7.如权利要求6所述的多级电压变换器，其中所述第一级变换器的占空比由所述控制电路的第一误差信号放大器输出信号设置，并且所述第二级变换器的占空比基于所述第二误差信号放大器输出信号设置，其中所述第一误差信号放大器输出信号和第二误差信号放大器输出信号互相独立。
8.如权利要求5所述的多级电压变换器，其中所述第一级变换器的占空比是基本恒定的，并且所述第二级变换器的占空比基于所述第二误差信号放大器输出信号设置。
9.如权利要求5所述的多级电压变换器，其中所述第一级变换器和所述第二级变换器的占空比由第二误差信号放大器输出信号设置，以使第一级变换器的占空比与第二级变换器的占空比大体相同。
10.如权利要求9所述的多级电压变换器，其中所述控制电路是单个集成电路。
11.如权利要求7所述的多级电压变换器，其中所述控制电路是单个集成电路。
12.如权利要求7所述的多级电压变换器，其中所述第二级变换器是多相变换器。
13.如权利要求1所述的多级电压变换器，其中所述第一级变换器是单相或多相变换器。
14.如权利要求13所述的多级电压变换器，其中所述第二级变换器是单相或多相变换器。
15.如权利要求8所述的多级电压变换器，其中所述第二级变换器是多相变换器。
16.如权利要求9所述的多级电压变换器，其中所述第二级变换器是多相变换器。
17.一种多级电压变换器，包括：
第一级变换器，可操作以变换输入电压为第一输出电压；
至少一个第二级变换器，可操作以接收来自所述第一级变换器的所述第一输出电压，并提供第二输出电压；以及
控制电路，可操作以控制所述第一级变换器和所述第二级变换器，其中所述控制电路控制所述第一级变换器，以使所述第一级变换器的占空比保持恒定。
18.一种多级电压变换器，包括：
第一级变换器，可操作以变换输入电压为第一输出电压；
至少一个第二级变换器，可操作以接收来自所述第一级变换器的所述第一输出电压，并提供第二输出电压；以及
控制电路，可操作以控制所述第一级变换器和所述第二级变换器，其中所述控制电路控制所述第一级变换器，以使所述第一级变换器的占空比跟随所述第二级变换器的占空比。
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