TWI275234B - Multiphase DC-to-DC power converter and method of supplying power to a load - Google Patents

Description

!275234 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於直流電源系統及其子系統，特別係關於 種新式及改良式多相直流至直流轉換器架構，其中各別 不同之通道具有不同之操作性能參數，以便使該轉換器可 達成較大範圍之高效率。 【先前技術】 遇释一直流至直 — w 一，〜％别命电鈥徂你沙及該 ^換器反應_及其效率兩者之間之權衡考量。相對於大 感值之電感态而§，使用一小電感值之電感器可使該轉 f器以較快速度傳送電流。—小電感值通常需要較高切換 項率，以助於限制峰值至峰值漣波電流。另—方面，由於 :方根電流之增加以及切換損失，轉換器之效率係隨著電 感值降低而降低。 【發明内容】 :據本發明’藉由使用一多相直流至直流轉換器架構， 二能(反應時間或速度)及效率(輸出功率/輸入功率)之 二::：成為取佳狀況’其中各別不同之通道具有不同之 攸加 數係被加以選擇，以使該辕 換态可達成較大範圍之高效率。 ^ -或爭夕“ 午特別的疋，本發明使用了 成更夕個快速反應時間轉換器通道以及一 率轉換哭诵.首夕έ人 或更夕個尚效 午轉換„。通叙組合’並組合了所有通道之輸出。 如將於以下所說明者，根據本發明之 流至直流轉換％ ·5Γ π I a·、ffi M '子稱多相直 心換"可5又置成用於著重（使用）高效率通道，以 1275234 適於輕負載條件(例如12至15安培之等級），其中該高效 ;s l c係用於^供100%之漏電流。如此可允許該轉換器使 :記型電腦電源應用之電池壽命加長，並減少桌上型電腦 應用之熱負荷（發熱），該應用係使用了其大部份操作時間 二漏电抓模式。由於該咼效率通道係用於供應10 0%之漏電 yJ,L其餘之快速反應時間通道係使用於處理高負載電流狀 况：於具有兩個快速反應時間通道之實施例中，該等快速 通道中之每—個通道係受控制，以便處理該高負載電流需 求之一半。 【實施方式】 έ 2Ί兒明本發明之該新穎及改良式非對稱多相直流 带、、二木構之刖，必須注意者為，本發明主要係屬於直流 电源電路及元件之模組化配置以及控制該等電路及元件操 作之控制電路。於一實施例中’言亥等模組化配置可輕易地 =架構成場可程式間陣列⑽Α)實施方式及 電路（ASIC)晶片組。 預 μ因此，這種電路及元件之配置以及其與受電設備（例如 於瞭解^ )構成界面之方式係已大部份表示於圖式中易 :姓 區塊圖及時序圖中（其僅為顯示與本發明相關之 1寸：細f::以致可揭露為熟悉本項技術人士所易於瞭解 功能I::來：此本=塊圖之說明主要係在於以簡便的 容易瞭解…明之主要元件’藉此本發明便可較 參考第1 圖係表示根據本發明之非對稱多相 1275234 直流轉換器之實施例，其包含複數個脈衝寬度調變器之轉 換时通道，其中3個係以10-1、1〇-2及1〇-3表示，這僅 料了舉例說明之用，並不在於限制。數目3個係根據本 發明之實際使用狀況，用以適用__ 6〇安培之負載電流需 未，其中每-個通道負荷三分之一之負載。於該3個通道 中，通道1(M係為—高效率通道，其功能在於提供漏電流 (/、可為20安培之等級）至該負載。剩餘之40安培需求係 對半均分並指定給兩個快速反應通道丨〇_2及1 之每一 個。驅動及控制單元丨 母 ^ 1 L 2及12一3係分別用於各別 I、之母一個，其監視積分誤差放大器2〇,並以可控制之 驅動訊號給相關輸出切換上方及下方金屬：化物 + ¥體场效電晶體f"〇]、30-2 A 30-3。金屬氧 篮琢效电曰曰租對30-1之共用或相位節點& 電感33-1而耦合至一功率έ且合輪中# 、 ^ 刀午、·且口輸出即點35，_ 容器Co及一負載40係藕合至該功 .

m片 口别出即點3 5 〇 A 屬氧化物半導體場效電晶體對3〇-2之丘 w 9总、杀、風+』 '、取相位節點31 - 2係透過一電感器33_2而耗合至功率組合 1¾人£2 t 出郎點3 5 ’以 至屬氧化物半導體場效電晶體對3〇〜3之並 3卜3 #读堝一 +斤口。〇〇 〇 /、用或相位節點 ’、P兒感裔— ύ而耦合至功率組合於ψ… 0物出郎點q ς。 如以上所概述，該高效率通道之電感器33丨。 於快速反應時間通道之電感器33 —2及y為較大 值之電感器可使快速反應時間通道1〇〜2及i，因為小電感 高效率通道1。-丨之速度傳送電流，高效率：道3二較快於 用較大電感值電感器。一較高頻率時鐘 係使 糸配合每一快速 1275234 通道之較小電感值之使用，其輸出係藉 少，以用於高效率通道1(M。 无為55而減 來睁：：·;表：於弟2圖之用於每—通道之暫態負載運作 =弟i圖之非對稱架構之操作”。以上所指出者，兮 =率通道HM係用於輕負載條件（例如2g安培之等 中该南效率通道係用於提供1〇〇%之漏電流，如圖中之U :不。如此可允許該轉換器使筆記型電腦電源應用之電、、也 :命加長’該應用係使用了其大部份操作時間於漏電流模 由於該高效率通道係用於供應職之漏電流，兩個快 速反應時間通道10-2及10_3之每一個通道係受控制，以 便處理該高負载電流需求之一半。這係以圖中之Μ及Μ 表不，其中電流需求由漏電流值21至全負載值25之動態 ^加係均荨地藉由兩個高效率通道1 〇 - 2及1 〇 - 3而產生。 因此，暫態負載圖形21、22及23係表示本發明負載電流 供應刼作之非對稱特性，其於功率組合輸出節點35產生負 載電流合成，如第2圖頂部圖形所示。 弟3圖係表示一圖示比較，其比較習知多相轉換器之 效率41與本發明非對稱多相實施例之效率42，其中該習 知多相轉換器之所有通道係以相同方式設置並為相等之負 載分配。該習知效率曲線41係由單一快速通道之實驗室測 里所導出’然而該非對稱多相效率曲線42係表示由單一較 向效率通道及兩個快速反應時間功率通道所產生之合成 值。對於小於20安培之電流值而言，該快速功率通道之非 1275234 負載損失係增加㈣高效率料 以上之電流值而言，該高效 革相失，對於2〇安培 兩個快速通道之功率損失。^貞載#失係增加至該 轉換器之效率於輕負載情況下(4:可知’該非對稱多相 此便可使於使用大部份操作時= 二安 電池軎合麩糸真々丄 .包，瓜杈式之應用中之 迅也可〒較為長久，如以上所說明者。 雖然已說明及表示根據本發 知丨丄 θ I灵施例，然而必須暸 解者為，本發明係不限於該等 …、 xg , K ^例，而係亦容許熟悉本 項技術人士所知之數種變化盥 咖 改。因此，本發明係不受 限於此處已說明及表示之該草 t 4 4細即，而係涵蓋熟悉本項技 術人士所瞭解之該等所有變化與修改。 文 【圖式簡單說明】 第1圖表示根據本發明之非對稱多相直流轉換器之每 施例。 錢 弟2圖係為關於弟1圖之非對盤夕 口i并対私多相直流轉換器架構 之操作之一組暫態反應時序圖。 第3圖係表示一圖示比較，其比較習知多相㈣器之 效率與本發明非對稱多相實施例之效率，其中該習知多相 轉換器之所有通道係以相同方式設置並為相等之負載^ 酉己。 【主要元件符號說明】 10-1 通道 10-2 通道 10 - 3 通道 1275234 1 2-1 驅動及控制單元 12-2 驅動及控制單元 12-3 驅動及控制單元 20 積分誤差放大器 30-1 金屬氧化物半導體場效電晶體對 30-2 金屬氧化物半導體場效電晶體對 30- 3 金屬氧化物半導體場效電晶體對 31- 1 共用或相位節點 31-2 共用或相位節點 31-3 共用或相位節點 33-1 電感器 33-2 電感器 33-3 電感器 35 功率組合輸出節點 40 負載 50 時鐘 55 除法器

Co . 輸出電容器 11

Claims (1)

1275234 I年月日修(更)正替換頁 十、申請專利範圍： 種供電給負載之方法，包含以下步驟： U)提供一多相直流至直流轉換器，該轉換 個直流至直流轉換器通道， 歿數 點被組合，用以提…J 道之輸出係在-輸出節 “ 合成直流電流至該負載，該複數個 直-至直流轉換器通道包括_第一、高效率通道及 多個第二快速反應時間通道，該第-、高效率通道且有ΐ 第-較高功率轉換效率及一第一反應時間，每—該第 2反應時間通道具有一較該第一較高功率轉換效率為小之 第二功率轉換效率以及一較該第一反應時 應時間；以及 心弟一反 (b)藉由一單一控制迴路，同時並連續地控制每一 1 高效率通道及該一或更多個第二快速反應時間通道，心 一控制迴路係監視該輸出節點及連續地致能每一該高效率 通道及該-或更多個快速反應時間通道，以使該高^率通 道提供百分之一百之漏電流，用於輕負載電流條件，以及 回應從該漏電流值至全負載電流值之電流需求之動態増 力口，該一或更多個快速反應時間通道係藉由處理該全負^ 電流值而反應，藉以於該輸出節點實現由該漏電流及該全 負載電流組成之合成負載電流。 2_根據申請專利範圍第丨項之方法，其中該高效率通 道之輸出電感值係大於該一或更多個快速反應時間通道之 輪出電感值。 3· —種多相直流至直流功率轉換器，用於供電給一 12 1275234 七、指定代表圖： (一） 本案指定代表圖為：第（1 )圖。 (二) 本代表圖之元件符號簡單說明： 10-1 通道 1 0 - 2 通道 10-3 通道 12-1 驅動及控制單元 1 2-2 驅動及控制單元 12-3 驅動及控制單元 20 積分誤差放大器 30-1 金屬氧化物半導體場效電晶體對 30-2 金屬氧化物半導體場效電晶體對 30- 3 金屬氧化物半導體場效電晶體對 31- 1 共用或相位節點 31-2 共用或相位節點 31-3 共用或相位節點 33-1 電感器 33-2 電感器 33-3 電感器 35 功率組合輸出節點 40 負載 50 時鐘 55 除法器 Co 輸出電容器 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：

⑽使)正讎頁 ---------- -，一-〜一 -，-一Ί，〜《·~**««***·^ 截该多相直流至直流功率轉換器包含： 複數個直流至直流轉換器通道，該等通道之輪出係在 /輪出節點被組合，用以提供一合成直流電流至該負載， 该複數個直流至直流轉換器通道包括一第一、高效率通道 及或更夕個弟一快速反應時間通道，該第一、高效率通 道具有一第一較高功率轉換效率及一第一反應時間，每一 该第二快速反應時間通道具有一較該第一較高功率轉換效 率為小之第二功率轉換效率以及一較該第一反應時間為快 厶第二反應時間；以及 一單一控制迴路，其監視該輸出節點及同時並連續地 多久此母一該咼效率通道及該一或更多個快速反應時間通 道，藉以使該高效率通道提供百分之一百之漏電流，用於 輕負載電流條件，以及回應從該漏電流值至全負載電流值 么電流需求之動態增加，使該一或更多個快速反應時間通 道藉由處理該全負載電流值而反應，藉以於該輸出節點實 現由呑亥漏電〉’IL及该全負載電流組成之合成負載電流。 4 ·根據申請專利範圍第3項之多相直流至直流功率轉 換器，其中該高效率通道之輸出電感值係大於該一或更多 個快速反應時間通道之輸出電感值。 十一、圖式： 如次頁 13