TWI524617B - 電源供應系統、包含其之積體電路及用以控制其之方法 - Google Patents

電源供應系統、包含其之積體電路及用以控制其之方法 Download PDF

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Description

電源供應系統、包含其之積體電路及用以控制其之方法
本發明大體上和電子電路有關，尤其是，和多電源供應系統與方法有關。
以高效率操作的電力轉換及調節電路系統的需求持續增加。其中一種此類型調節器電路稱為切換式調節器或切換式電源供應器。切換式電源供應器藉由控制被耦合至一負載的一或更多個電晶體切換器的「導通(on)」及「不導通(off)」工作比(duty-ratio)來控制電力流至該負載。用以控制該等一或更多個電晶體切換器的「導通」及「不導通」時間的其中一種方式係產生一經過脈波寬度調變(Pulse-Width-Modulated，PWM)的訊號，俾使得該等一或更多個電晶體切換器的「導通」及「不導通」時間係由該PWM訊號的相對脈波寬度來決定。切換式電源供應器已經被施行為一種用於提供已調節輸出的有效機制。目前存在許多不同種類的切換式電源供應器。此外，多個電源供應器能夠被合併在一起，例如，用以提供負載點(Point-Of-Load，POL)電力給各式各樣的負載，或是用以在產生輸出電壓時提供冗餘性。
本發明的其中一項觀點包含一種電源供應系統。該電源供應 系統包含複數個電源供應器。該複數個電源供應器中的每一者可以包含一振盪器系統，其被配置成用以在一時脈節點處產生一時脈訊號。該複數個電源供應器中的每一者的振盪器系統會在該時脈節點處被電耦合，以便同步化和該複數個電源供應器中的每一者相關聯的時脈訊號。該些電源供應器中的每一者可能還包含一脈波寬度調變(Pulse-Width Modulation，PWM)產生器，其被配置成用於以一誤差電壓及該時脈訊號為基礎來產生一PWM切換訊號。該些電源供應器中的每一者可以進一步包含一電力級，其被配置成用於以該PWM切換訊號為基礎來產生一輸出電壓。
本發明的另一實施例包含一種電源供應系統。該電源供應系統可以包含複數個電源供應器。該複數個電源供應器中的每一者可以包含一誤差放大器系統。該誤差放大器系統可以包含一誤差放大器，其被配置成用於以該些電源供應器中一個別電源供應器相對於一參考電壓的回授電壓為基礎在一誤差放大器輸出節點處產生一誤差電壓。該誤差放大器系統可以還包含一二極體，用以互連該誤差放大器輸出節點以及一被電耦合至該些複數個電源供應器中的每一者的比較節點。和該些複數個電源供應器中的一電源供應器相關聯的誤差放大器系統會透過該二極體提供該誤差電壓給該比較節點。該些電源供應器中的每一者可以還包含一PWM產生器，其被耦合至該比較節點並且被配置成用於以該比較節點處的誤差電壓為基礎來產生一PWM切換訊號。該些電源供應器中的每一者可以進一步包含一電力級，其被配置成用於以該PWM切換訊號為基礎來產生一輸出電壓。
本發明的另一實施例包含一種電源供應系統。該系統包含一相位移控制器，其被配置成用以產生複數個時脈訊號。該些複數個時脈訊 號中的每一者會相對於彼此產生相位移。該系統還包含複數個電源供應器，它們被配置成用以產生至少一輸出電壓並且實質上為空間分散。該些複數個電源供應器中的每一者可以包含一電力級，其被配置成用於以一PWM切換訊號為基礎來控制至少一切換器，以便產生該個別的至少一輸出電壓。該些電源供應器中的每一者可以還包含一PWM產生器，其被配置成用於響應於該些複數個時脈訊號中的一時脈訊號來產生該PWM切換訊號。
本發明的另一實施例包含一種控制電源供應系統的方法。該電源供應系統可以包含實質上空間分散的複數個電源供應器。該方法可以包含以至少一時脈訊號為基礎來產生複數個PWM切換訊號。該些複數個PWM切換訊號中的每一者會相對於彼此產生相位移。該方法還包含提供該複數個PWM切換訊號給和該等個別複數個電源供應器相關聯的一電力級中的至少一切換器。該方法還包含以該複數個PWM切換訊號的相位移為基礎相對於該複數個電源供應器中其餘至少一電源供應器來交替啟動及關閉該些電力級中的每一者中的該至少一切換器。該方法可以進一步包含以和該複數個電源供應器中的每一者相關聯的電力級中的該至少一切換器之啟動及關閉為基礎來產生至少一輸出電壓。
10‧‧‧電源供應系統
12‧‧‧電源供應器
14‧‧‧振盪器系統
16‧‧‧誤差放大器系統
18‧‧‧脈波寬度調變(PWM)產生器
20‧‧‧電力級
22‧‧‧時脈節點
24‧‧‧比較節點
50‧‧‧電源供應電路
52‧‧‧誤差放大器系統
54‧‧‧脈波寬度調變(PWM)產生器
56‧‧‧誤差放大器
58‧‧‧二極體
60‧‧‧比較節點
62‧‧‧比較器
100‧‧‧電力級
102‧‧‧閘極驅動器
104‧‧‧切換節點
106‧‧‧輸出節點
150‧‧‧電源供應系統
152‧‧‧電源供應器
154‧‧‧振盪器系統
156‧‧‧誤差放大器系統
158‧‧‧脈波寬度調變(PWM)產生器
160‧‧‧電力級
162‧‧‧相位移控制器
200‧‧‧方法
圖1所示的係根據本發明觀點的電源供應系統的範例。
圖2所示的係根據本發明觀點的電源供應電路的範例。
圖3所示的係根據本發明觀點的電力級的範例。
圖4所示的係根據本發明觀點的電源供應系統的另一範例。
圖5所示的係用於控制根據本發明觀點之電源供應系統的方法。
本發明大體上和電子電路有關，尤其是，和電源供應系統與方法有關。一電源供應系統可以包含能夠被排列在一積體電路上的複數個電源供應器。該些電源供應器中的每一者可以包含：一振盪器系統，其被配置成用以在一時脈節點處產生一時脈訊號；以及一誤差放大器，其被配置成用以在一誤差放大器輸出節點處產生一誤差電壓。該些電源供應器中的每一者可以還包含：一脈波寬度調變(PWM)產生器，其被配置成用於以一誤差電壓及該時脈訊號為基礎來產生一PWM切換訊號；以及一電力級，其被配置成用於以該PWM切換訊號為基礎來產生一輸出電壓。
於一範例中，該些電源供應器中每一者的振盪器系統會被配置成用以在一時脈節點處產生該時脈訊號，該時脈節點係被電耦合該些電源供應器中的每一者的振盪器系統的輸出。所以，和該複數個電源供應器中的每一者相關聯的振盪器系統的時脈訊號會以該電耦合為基礎被同步化。於另一範例中，該些電源供應器中的每一者的誤差放大器會被配置成用於以該些電源供應器中一個別電源供應器相對於一參考電壓的回授電壓為基礎在一誤差放大器輸出節點處產生該誤差電壓。一二極體會互連該誤差放大器輸出節點以及一被電耦合至該複數個電源供應器中的每一者的比較節點。所以，和該複數個電源供應器中的一電源供應器相關聯的誤差放大器會透過該二極體提供該誤差電壓給該比較節點，俾使得該些誤差放大器中的一給定誤差放大器會在一給定時間處提供該誤差電壓給所有電源供應器。
於又一範例中，該些電源供應器會以該IC為基準被排列成實質上為空間分散。該電源供應系統可以包含一相位移控制器，其被配置成用以產生複數個時脈訊號，該複數個時脈訊號中的每一者會相對於彼此產生相位移。該複數個時脈訊號會以一主時脈訊號為基礎被產生，例如，從該等個別電源供應器的振盪器系統中的一或全部處產生。該些電源供應器中每一者的PWM產生器因而能夠響應於該複數個時脈訊號中的一時脈訊號來產生PWM切換訊號，俾使得該些PWM切換訊號每一者同樣會相對於彼此產生相位移。該些電源供應器中每一者的電力級因而能夠以一PWM切換訊號為基礎來控制至少一切換器，用以產生至少一輸出電壓。
圖1所示的係根據本發明觀點的電源供應系統10的範例。電源供應系統10能夠被施行在任何各式各樣的應用中，例如，攜帶型消費者裝置、工業應用，或者使用在極端溫度應用中，例如，衛星酬載或控制系統的一部分。舉例來說，電源供應系統10能夠被施行為用於目前類比控制式電源供應系統設計的向後兼容改善樣式，例如，施行在能夠取代電路板上類比負載點(POL)電源供應控制器的一或更多個積體電路(Integrated Circuit，IC)中。電源供應系統10包含複數個(N個)電源供應器12，其中，N為大於一的正整數。於圖1的範例中，該些電源供應器12中的每一者會被配置成用以產生一個別的輸出電壓VOUT，圖1的範例中例示為VOUT_1至VOUT_N。該些分開的輸出電壓VOUT_1至VOUT_N中的每一者會有近似相同的大小，或者可能不同。此外，應該瞭解的係，電源供應系統10並不受限於從每一個個別的電源供應器12處提供一分開的輸出電壓VOUT，取而代之的係，亦可以冗餘的方式從所有該些電源供應器12處提供單一輸出電壓VOUT。
該些電源供應器12中的每一者皆包含一振盪器系統14、一誤差放大器系統16、一脈波寬度調變(PWM)產生器18、以及一電力級20。振盪器系統14會被配置成用以產生一時脈訊號CLK，其可以係一斜坡訊號或是一具有事先定義頻率的數位脈衝。誤差放大器系統16會被配置成用於以一個別的參考電壓VREF(圖1的範例中例示為VREF_1至VREF_N)為基礎來分別產生一誤差電壓VERR。於一範例中，參考電壓VREF_1至VREF_N的振幅能夠單獨被調整，以便設定輸出電壓VOUT_1至VOUT_N的個別大小。於另一範例中，參考電壓VREF_1至VREF_N可以具有相同的振幅(舉例來說，可以係由一共同的節點所提供)，以便為輸出電壓VOUT_1至VOUT_N定義實質上相等的大小或者定義一共同的電壓VOUT。於又一範例中，參考電壓VREF能夠以一數位控制系統為基礎來定義，例如，待審申請案律師檔案編號第NG(ST)021132 US PRI號中所述，本文以引用的方式將其完整併入。誤差放大器系統16會被配置成用於以該參考電壓VREF和一與該輸出電壓VOUT相關聯的回授電壓之間的差異為基礎來產生該誤差電壓VERR。所以，誤差電壓VERR會被施行成用以維持該輸出電壓VOUT的實質恆定大小。
時脈訊號CLK及誤差電壓VERR會各被提供至PWM產生器18。PWM產生器18因而能夠以時脈訊號CLK及誤差電壓VERR為基礎來產生一切換訊號PWM，圖1的範例中分別例示為切換訊號PWM_1至PWM_N。舉例來說，PWM產生器18可以包含一比較器，其被配置成用以比較該誤差電壓VERR以及一與該時脈訊號CLK相關聯的斜坡訊號(其可以為該時脈訊號CLK本身)，以便產生具有工作週期正比於該誤差電壓VERR之大小的切換訊號PWM。切換訊號PWM因而會被提供至電力級20，以便以該 切換訊號PWM為基礎來控制一或更多個切換器用於產生輸出電壓VOUT。輸出電壓VOUT因而能夠提供電力給負載RL，圖1的範例中分別例示為RL_1至RL_N。
在圖1的範例中，時脈訊號CLK係從該些電源供應器12中每一者的振盪器系統14的輸出處被提供至一共同的時脈節點22上，俾使得該些振盪器系統14的輸出會被電耦合在一起。因此，該些電源供應器12中每一者的振盪器系統14的時脈訊號CLK實質上會被同步成為單一時脈訊號CLK。於一範例中，該些電源供應器12中每一者的振盪器系統14會以實質上相同的方式被配置，俾使得該等個別電源供應器12中每一者的振盪器系統14中的一給定的振盪器系統14會與其餘一或更多個電源供應器12的振盪器系統14具有實質上相同的特徵(也就是，電阻值、電容值、…等)。於一範例中，該些振盪器系統14能夠由共同的製程來製作，俾使得該些振盪器系統14會在製作時實質上為製程匹配。該些振盪器系統14中的每一者能夠以各式各樣不同的方式被配置，用以提供時脈訊號CLK。舉例來說，該些個別電源供應器12中每一者的振盪器系統14能夠被配置成實質上雷同於待審申請案律師檔案編號第NG(ST)021132 US PRI號中所述的振盪器系統。因此，電源供應系統10能夠以透過單一導體(也就是，共同的時脈訊節點22)來耦合該些振盪器系統14中每一者的輸出為基礎達到單線同步化(one-wire synchronization)的目的。
由於透過時脈節點22耦合該些振盪器系統14的關係，該單一時脈訊號CLK的頻率及訊號特徵會以和該些振盪器系統14相關聯的電路器件的特徵及相對製作容許誤差為基礎。舉例來說，該些振盪器系統14中 的一給定振盪器系統14的電路器件的特徵會規定從該些振盪器系統14中該個別振盪器系統14處輸出的時脈訊號CLK的高脈波寬度與低脈波寬度。然而，和該些振盪器系統14中的一給定振盪器系統14相關聯的電路器件相對於一或更多個其它振盪器系統14的製作容許誤差則會規定該些振盪器系統14中的一給定振盪器系統14的高脈波寬度與低脈波寬度略不同於該等其它一或更多個振盪器系統14。因此，由於其中的電路器件的相對製作容許誤差的關係，透過時脈節點22耦合該些振盪器系統14的輸出會導致該共同時脈訊號CLK的高脈波寬度由具有最短高脈波寬度之振盪器系統14來決定而低脈波寬度由具有最長高脈波寬度之振盪器系統14來決定。又，該些振盪器系統14中的一給定振盪器系統14的電路器件相對於一或更多個其它振盪器系統14的輕微變異(舉例來說，一或更多個電路器件的電阻/電容變異)同樣可能會以和製作容許誤差變異雷同的方式導致該些振盪器系統14的輸出同步化成時脈節點22處的共同時脈訊號CLK。
據此，透過時脈節點22耦合該些振盪器系統14的輸出會導致一由以該整振盪器系統14之個別輸出的電耦合為基礎被同步化的冗餘振盪器系統14所提供的共同時脈訊號CLK。依此方式可以非常有效且廉價的方式達成同步化該些振盪器系統14的目的。用以提供該些振盪器系統14之同步化的此種振盪器系統14排列亦可以在該些振盪器系統14之間沒有指定主/從(master/slave)關係的方式來達成，因為時脈訊號的頻率與特徵係以透過時脈節點22耦合該些振盪器系統14的輸出為基礎自動被設定。再者，以該些振盪器系統14之輸出的同步化為基礎，該共同時脈訊號CLK實質上不容易受到會影響該些振盪器系統14中一給定振盪器系統14的雜訊影響，因 為該共同時脈訊號CLK的頻率與訊號特徵會以和該些振盪器系統14相關聯的電路器件的特徵及相對製作容許誤差為基礎自動被設定。因此，該共同時脈訊號CLK的頻率與訊號特徵能夠凌駕於會影響該些振盪器系統14中一給定振盪器系統14的雜訊。
除此之外，或者，於圖1的範例中，誤差電壓VERR係從該些電源供應器12中每一者的誤差放大器系統16的輸出處被提供至一比較節點24上，俾使得該些誤差放大器系統16的輸出會被電耦合在一起。因此，誤差電壓VERR會從該些誤差放大器系統16中具有最大大小的一給定誤差放大器系統16處透過該比較節點24被施加至該些PWM產生器18中的每一者。於一範例中，該些誤差放大器系統16會以實質上相同的方式被配置，俾使得該等個別電源供應器12中每一者的誤差放大器系統16中的一給定的誤差放大器系統16會與其餘一或更多個電源供應器12的誤差放大器系統16具有實質上相同的特徵(也就是，電阻值、電容值、…等)。於一範例中，該些誤差放大器系統16能夠由共同的製程來製作，俾使得該些誤差放大器系統16會在製作時實質上為製程匹配。據此，電源供應系統10能夠以透過單一導體(也就是，比較節點24)來耦合該些誤差放大器系統16中每一者的輸出為基礎達到單線負載分享(one-wire load sharing)的目的，如本文中的更詳細說明。
圖2所示的係根據本發明觀點的電源供應電路50的範例。該電源供應電路50包含一誤差放大器系統52以及一PWM產生器54。電源供應電路50可以和該些電源供應器12中的一給定電源供應器12相關聯，俾使得誤差放大器系統52會對應於誤差放大器系統16且PWM產生器54 會對應於圖1之範例中的PWM產生器18。因此，誤差放大器系統52和PWM產生器54係以誤差放大器系統X及PWM產生器X來表示，其中，X對應於該等N個電源供應器12中其中一者。所以，在圖2之範例的下面說明中會參考圖1的範例。
誤差放大器系統52包含一誤差放大器56以及一二極體58。誤差放大器56會被配置成用以比較參考電壓VREF_X和一回授電壓VFB_X，並且用以提供一大小以該參考電壓VREF_X和該回授電壓VFB_X之間的差異為基礎的誤差電壓VERR_X。於一範例中，回授電壓VFB_X的大小可以正比於其中包含該誤差放大器系統52的電源供應器12的個別輸出電壓VOUT_X。因此，誤差電壓VERR_X的大小係以該參考電壓VREF_X和該回授電壓VFB_X之間的差異為基礎，以便將輸出電壓VOUT_X的大小維持在預設的大小處，如本文中的更詳細說明。此外，應該瞭解的係，誤差放大器系統52可以包含額外的電路器件，例如，用以互連該誤差電壓VERR_X和該回授電壓VFB_X的一或更多個補償電路器件，例如，充當該誤差電壓VERR_X的低通濾波器。
誤差電壓VERR_X會以二極體58的正向偏壓為基礎跨越二極體58被提供至一比較節點60成為跨越PWM產生器54中之電阻器RERR的誤差電壓VERR。比較節點60會對應於圖1之範例中的比較節點24，俾使得比較節點60會被電耦合至其它個別電源供應器12中的額外誤差放大器系統16和對應的額外PWM產生器18。所以，誤差電壓VERR對應於被提供至該等個別電源供應器12中每一者中的PWM產生器18中每一者的誤差電壓VERR。如前面所述，誤差電壓VERR_X的大小係以回授電壓VFB_X和參考電壓VREF_X之間的差異為基礎。然而，於一範例中，誤差電壓VERR_X的大小可以不同於 從一個別電源供應器12之誤差放大器系統16處輸出之以一個別回授電壓VFB_Y和一個別參考電壓VREF_Y之間的差異為基礎的誤差電壓VERR_Y。
於另一範例中，該些誤差放大器系統16中每一者會以實質上相同的方式被配置(舉例來說，實質上雷同於誤差放大器系統52)，俾使得該等個別電源供應器12中每一者的誤差放大器系統16中的一給定誤差放大器系統16的電路器件會與其餘一或更多個電源供應器12的誤差放大器系統16具有實質上相同的特徵(也就是，電阻值、電容值、…等)。舉例來說，參考電壓VREF_X及/或回授電壓VFB_X可以係一被提供至所有該些誤差放大器系統16的共同參考電壓，俾使得該些電源供應器12會被配置成冗餘電源供應器，用以調節一共同輸出電壓VOUT。然而，和該些誤差放大器系統16相關聯的電路器件的相對製作容許誤差則會造成由該些誤差放大器系統16中每一者所產生的誤差電壓VERR_X之些微不同的大小。所以，比較節點60(舉例來說，圖1之範例中的比較節點24)處的誤差電壓VERR的大小會以從具有最大大小之個別誤差放大器系統52輸出的誤差電壓VERR_X為基礎。舉例來說，因為誤差電壓VERR_X的最大大小會正向偏壓二極體58，所以，該誤差電壓VERR_X將被提供至比較節點60成為共同誤差電壓VERR；而其它一或更多個電源供應器12的誤差放大器系統16的二極體58則會以個別其它誤差電壓VERR_X的較小大小為基礎被反向偏壓。據此，比較節點60上的誤差電壓VERR會自動被設為實質上等於該些誤差放大器系統16中一個別誤差放大器系統16所產生之具有最大大小的誤差電壓VERR_X。
因為電源供應電路50之配置的關係，其中，比較節點60上的誤差電壓VERR係由該些誤差放大器系統16中具有最大大小的個別誤差放 大器系統16來自動設定，所以，該等個別電源供應器12的誤差放大器系統16會以冗餘方式操作，不同於包含用於提供該誤差電壓VERR之單一主誤差放大器的配置。舉例來說，倘若該些誤差放大器系統16中於比較節點60上提供誤差電壓VERR的給定誤差放大器系統16失效的話，具有次大大小誤差電壓VERR_X的一不同電源供應器12的誤差放大器系統16將自動接手用以於該較節點上提供誤差電壓VERR。據此，誤差電壓VERR會以非常健全的方式被提供，以便實質上減輕該誤差放大器系統16中電路失效的效應。此外，因為誤差電壓VERR係由具有最大大小的誤差電壓VERR_X來自動設定，所以，該些誤差放大器系統16不需要包含嚴格的製造容許誤差，俾使得該些誤差放大器系統16能夠使用實質上較便宜的器件來製作。
在圖2的範例中，PWM產生器54包含一比較器62，其被配置成用以比較該誤差電壓VERR與一斜坡電壓VRMP。該斜坡電壓VRMP在圖中例示為由時脈訊號CLK透過一電阻器RRMP提供。該時脈訊號CLK可以由該些振盪器系統14中的一或更多者提供，例如，透過時脈節點22。舉例來說，該時脈訊號CLK可以係一斜坡訊號，俾使得斜坡電壓VRMP係一和該時脈訊號CLK相關聯的電壓。於另一範例中，PWM產生器54可以包含一斜坡訊號產生器(圖中並未顯示)，其被配置成用以響應於該時脈訊號CLK來產生一斜坡訊號，俾使得該斜坡電壓VRMP能夠由該斜坡訊號產生器來產生。PWM產生器54因而會產生一工作週期以該誤差電壓VERR之大小為基礎的數位切換訊號PWM_X。
圖3所示的係根據本發明觀點的電力級100的範例。電力級100可以對應於圖1之範例中的電力級20。所以，在圖3之範例的下面說明 中會參考圖1與2的範例。
電力級100包含一閘極驅動器102。閘極驅動器102會被配置成用以響應於切換訊號PWM_X(例如，由圖2之範例中的PWM產生器54提供)來產生切換訊號SW1與SW2。該些切換訊號SW1與SW2會被提供至個別的電晶體N1與N2。電晶體N1會互連一輸入電壓VIN與一切換節點104；而電晶體N2會互連該切換節點104與一低電壓軌(在圖3之範例中例示為接地)。電力級100還包含一電感器LOUT，其會互連該切換節點104與一會於其上提供輸出電壓VOUT_X的輸出106；電力級100還進一步包含一輸出電容器COUT，用以互連該輸出106與該低電壓軌。所以，圖3之範例中的電力級100會被配置成一降壓轉換器，其會以電晶體N1與N2的交替切換為基礎來產生輸出電壓VOUT_X，以便產生流經電感器LOUT的電流。
於一範例中，該輸出電壓VOUT_X可以係一對應於圖1之範例中該些電源供應器12中一給定電源供應器12的輸出電壓。於另一範例中，該輸出電壓VOUT_X可以對應於圖1之範例中的電源供應系統10之該些電源供應器12的集合輸出電壓，俾使得輸出節點106會被耦合至和所有電源供應器12相關聯的輸出節點。此外，該電力級100還包含一對回授電阻器R1與R2，用以互連該輸出節點106與該低電壓軌，而且回授電阻器R1與R2會被配置成用以產生回授電壓VFB_X。該回授電壓VFB_X因而具有正比於輸出電壓VOUT_X的大小。該回授電壓VFB_X因而會被提供至誤差放大器系統，例如，分別為圖1與2之範例中的誤差放大器系統16或誤差放大器系統52。所以，該回授電壓VFB_X會被施行成用以產生切換訊號PWM_X，以便維持輸出電壓VOUT_X的大小。
應該瞭解的係，電力級100並不希望受限於圖3的範例。舉例來說，電力級100雖然在圖中被例示為降壓轉換器；不過，其它類型的電源供應器亦能夠被施行在該電力級中，例如，升壓轉換器或降升壓轉換器。此外，電力級100並不受限於施行兩個N型場效電晶體(Field Effect Transistor，FET)作為該些電晶體；取而代之的係，可以使用單一切換器、P型切換器、或是它們的組合。再者，電力級100可以還包含額外的電路器件，例如，用以提供溫度補償，舉例來說，如待審申請案律師檔案編號第NG(ST)021132 US PRI號中所述。所以，電力級100能夠以各式各樣的方式來配置。
圖4所示的係根據本發明觀點的電源供應系統150的另一範例。電源供應系統150能夠被施行在任何各式各樣的應用中，例如，攜帶型消費者裝置、工業應用，或者使用在極端溫度應用中，例如，衛星酬載或控制系統的一部分。電源供應系統150包含複數個(N個)電源供應器152，其中，N為大於一的正整數。於圖4的範例中，該些電源供應器152會被配置成用以產生一集合輸出電壓VOUT，俾使得該些電源供應器152中每一者的輸出會被電耦合在一起。據此，該些電源供應器152會被配置成冗餘電源供應器。此外，於另一範例中，該些電源供應器152中的每一者會實質上空間排列在該電源供應系統150上。舉例來說，該些電源供應器152會以該IC為基準被排列在多個不同的位置中，例如，以一印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)為基準近似對稱分散或者近似對稱分散於一IC裡面。
該些電源供應器152中的每一者皆包含一振盪器系統154、一誤差放大器系統156、一PWM產生器158、以及一電力級160。於圖4的 範例中，該些振盪器系統154係被耦合在一起，例如，透過一時脈節點，以便產生一時脈訊號CLK，其可以係一斜坡訊號或是一具有事先定義頻率的數位脈衝。所以，該些振盪器系統154每一者會被配置成實質上雷同於圖1之範例中的振盪器系統14。於一範例中，該些振盪器系統154每一者會以實質上相同的方式被配置，俾使得該時脈訊號CLK的頻率及訊號特徵會以和該些振盪器系統154相關聯的電路器件的特徵及相對製作容許誤差為基礎。
該些誤差放大器系統156會被配置成用以產生一以參考電壓VREF(圖中並未顯示)為基礎的誤差電壓VERR。於一範例中，參考電壓VREF可以具有一事先決定的大小，以便定義輸出電壓VOUT的所希大小。舉例來說，該些誤差放大器系統156會被配置成用於以該參考電壓VREF和一與該輸出電壓VOUT相關聯的回授電壓之間的差異為基礎來產生該誤差電壓VERR，用以維持該輸出電壓VOUT的實質恆定大小。在圖4的範例中，該誤差電壓VERR係被提供至一被耦合至該些PWM產生器158中每一者的共同比較節點上。所以，該些誤差放大器系統156會被配置成實質上雷同於圖2之範例中的誤差放大器系統52，俾使得該誤差電壓VERR能夠在一給定時間處以和該些誤差放大器系統156相關聯的電路器件的相對製作容許誤差為基礎由該些誤差放大器系統156中的單一誤差放大器系統156來提供。
電源供應系統150還包含一相位移控制器162。相位移控制器162被配置成用以產生複數個(N個)時脈訊號CLK_1至CLK_N，該些時脈訊號對應於該等個別複數個(N個)電源供應器152。於一範例中，該複數個時脈訊號CLK_1至CLK_N會以被耦合至該些振盪器系統154中每一者的 時脈節點上的時脈訊號CLK為基礎被產生。相位移控制器162可能因而會被配置成用以產生該些時脈訊號CLK_1至CLK_N成為時脈訊號CLK的相位移版本。舉例來說，相位移控制器162會產生時脈訊號CLK_1至CLK_N，以便具有關於該些時脈訊號CLK_1至CLK_N中每一個連續時脈訊號為近似相等的相位移。於一範例中，針對N=4來說，該些時脈訊號CLK_1至CLK_4中的每一者可以和下一個連續時脈訊號CLK_1至CLK_4相位移近似90°。
該些時脈訊號CLK_1至CLK_N以及該誤差電壓VERR每一者會被提供至該些PWM產生器158中的一個別PWM產生器158。該些PWM產生器158因而會以該等個別時脈訊號CLK_1至CLK_N以及該誤差電壓VERR為基礎來產生切換訊號PWM_1至PWM_N。舉例來說，該些PWM產生器158每一者可以包含一比較器，其被配置成用以比較該誤差電壓VERR以及一與該等個別時脈訊號CLK_1至CLK_N相關聯的斜坡訊號，以便產生工作週期正比於該誤差電壓VERR之大小的切換訊號PWM_1至PWM_N。因為該些切換訊號PWM_1至PWM_N係透過該等個別時脈訊號CLK_1至CLK_N來產生，所以，該些切換訊號PWM_1至PWM_N中的每一個連續切換訊號可能同樣會相位移近似相等的數額。該些切換訊號PWM_1至PWM_N因此會被提供至個別的電力級160，用以控制一或更多個切換器，以便產生輸出電壓VOUT，其會提供電力給跨越一輸出電容器COUT的負載RL。於一範例中，該些電力級160會被配置成實質上雷同於範例3中的電力級100。
所以，以該等個別切換訊號PWM_1至PWM_N的相位移為基礎，該些電力級160中的切換器的切換會交替交錯地控制該等個別電源供應器152，用以產生輸出電壓VOUT。因此，因為該些電源供應器152為空 間分散(舉例來說，在一PCB或IC中)，所以，該些電源供應器152每一者能夠施行較小的電路器件且該電源供應系統150呈現的熱分散效果會優於用以產生該輸出電壓VOUT的單一電源供應器。據此，該些電源供應器152能夠被施行成一小型共同封裝中的多個獨立調節器電源供應器(舉例來說，二合一封裝(two-in-one packaging))，用以產生該輸出電壓VOUT，俾使得該小型共同封裝能夠以相對於單獨電源供應器封裝實質上較低的成本來製造。此種小型共同封裝可能同樣有較佳的質量分佈，用以實質上降低振動程度並且達到容易安裝的目的。此外，在產生該輸出電壓VOUT時流入和該些電力級160中每一者中的電感器(也就是，電感器LOUT)相關聯的輸入與輸出電容器之中的RMS電流實質上會低於一單獨電源供應器。舉例來說，RMS電流在該些電力級160之近似50%的工作週期處可能近似零。除此之外，以用於產生該輸出電壓VOUT的該些集合電源供應器152的有效較高切換頻率為基礎，電源供應系統150能夠呈現優於一單獨電源供應器的改良暫態響應。再者，因為該些電源供應器152集合產生輸出電壓VOUT，所以，該些電源供應器152中的每一者消耗的電力明顯小於產生該輸出電壓VOUT的單一電源供應器。
應該瞭解的係，電源供應系統150並不希望受限於圖4的範例。於一範例中，圖4的範例雖然例示產生單一輸出電壓VOUT；不過，電源供應系統150仍能產生獨特的輸出電壓VOUT_1至輸出電壓VOUT_N，雷同於上面在圖1的範例中所述。此外，輸出電壓VOUT亦能夠被產生為一負輸出電壓，例如，以施行該些電源供應器152之返馳式(flyback)或Cuk電力電路拓樸為基礎。此外，電源供應系統150亦能夠施行被配置成用以產生時脈訊號CLK 的單一振盪器，取代施行透過一時脈節點進行同步的振盪器系統154。再者，電源供應系統150並不需要在比較節點上併入單一誤差電壓VERR，取而代之的係，產生被提供至該等個別PWM產生器158的多個獨特誤差電壓。據此，電源供應系統150能夠以各式各樣的方式來配置。
有鑒於上面所述之前面的結構及功能性特點，參考圖5將更明白本發明的特定方法。應該瞭解與明白的係，於其它實施例中，圖中所示的動作可以不同的順序來進行及/或可以和其它動作同時進行。又，未必需要所有圖示特點方可施行本發明的特定方法。
圖5所示的係用於控制根據本發明觀點之電源供應系統的方法200的範例。在202處，複數個PWM切換訊號會以至少一時脈訊號為基礎被產生，該複數個PWM切換訊號中的每一者會相對於彼此產生相位移。該些PWM切換訊號能夠由同樣有相位移的多個時脈訊號處被產生，該些時脈訊號中每一個連續時脈訊號的相位移近似相等。在204處，該複數個PWM切換訊號會被提供給和該等個別複數個電源供應器相關聯的一電力級中的至少一切換器。在206處，該些電力級中的每一者中的該至少一切換器會以該複數個PWM切換訊號的相位移為基礎相對於該複數個電源供應器中其餘至少一電源供應器被交替啟動及關閉。該些電源供應器會相對於彼此空間分散，例如，分散在一PCB或IC中，並且能夠因而以該等個別切換器的交替啟動及關閉為基礎呈現較佳的熱控制效果。在208處，至少一輸出電壓會以和該複數個電源供應器中的每一者相關聯的電力級中的該至少一切換器之啟動及關閉為基礎被產生。該至少一電壓可以係單一電壓或者可以係和該等個別電源供應器中的每一者相關聯的輸出電壓。
上面已經說明過本發明的範例。理所當然地，雖然無法說明用於達到說明本發明之目的的器件或方法的每一種可想像組合；但是，熟習本技術的人士便會理解本發明可以有許多進一步組合及排列。據此，本發明希望涵蓋落在本申請案之範疇裡面，包含隨附的申請專利範圍在內，的所有替代例、修正例、以及變化例。
10‧‧‧電源供應系統
12‧‧‧電源供應器
14‧‧‧振盪器系統
16‧‧‧誤差放大器系統
18‧‧‧脈波寬度調變(PWM)產生器
20‧‧‧電力級
22‧‧‧時脈節點
24‧‧‧比較節點

Claims (28)

  1. 一種電源供應系統，其包括複數個電源供應器，該複數個電源供應器中的每一者包括：一振盪器系統，其被配置成用以在一時脈節點處產生一時脈訊號，其中，該複數個電源供應器中的每一者的振盪器系統會在該時脈節點處被電耦合，以便同步化和該複數個電源供應器中的每一者相關聯的時脈訊號；一脈波寬度調變(PWM)產生器，其被配置成用於以一誤差電壓及該時脈訊號為基礎來產生一PWM切換訊號；以及一電力級，其被配置成用於以該PWM切換訊號為基礎來產生一輸出電壓。
  2. 根據申請專利範圍第1項的系統，其中，和該複數個電源供應器中的每一者相關聯的振盪器系統會以實質上相同的方式被配置，俾使得該時脈訊號的頻率與訊號特徵係根據和該複數個電源供應器中的每一者相關聯的振盪器系統相關聯的電路特徵及相對製作容許誤差而定。
  3. 根據申請專利範圍第1項的系統，其中，該複數個電源供應器中的每一者進一步包括一誤差放大器系統，其被配置成用以產生該誤差電壓，其中，和該複數個電源供應器中的每一者相關聯的誤差放大器系統包括：一誤差放大器，其被配置成用於以該些電源供應器中一個別電源供應器相對於一參考電壓的回授電壓為基礎在一誤差放大器輸出節點處產生該誤差電壓；以及一二極體，其互連該誤差放大器輸出節點以及一被電耦合至該複數個電源供應器中的每一者的比較節點，其中，和該複數個電源供應器中的一 電源供應器相關聯的誤差放大器系統會透過該二極體提供該誤差電壓給該比較節點，該PWM產生器會被耦合至該比較節點並且被配置成用於以該時脈訊號及該比較節點處的誤差電壓為基礎來產生該PWM切換訊號。
  4. 一種積體電路，包括申請專利範圍第1項的電源供應系統。
  5. 根據申請專利範圍第4項的積體電路，進一步包括一相位移控制器，其被配置成用以產生複數個時脈訊號，該複數個時脈訊號中的每一者會相對於彼此產生相位移，其中，該複數個電源供應器中的每一者的電力級會被配置成用於以該PWM切換訊號為基礎來控制至少一切換器，以便產生該輸出電壓，且其中，該PWM產生器會被配置成用於響應於該複數個時脈訊號中的一時脈訊號來產生該PWM切換訊號。
  6. 根據申請專利範圍第4項的積體電路，其中，該複數個電源供應器中的每一者實質上空間排列於該積體電路上。
  7. 一種電源供應系統，其包括複數個電源供應器，該複數個電源供應器中的每一者包括：一誤差放大器系統，其包括：一誤差放大器，其被配置成用於以該些電源供應器中一個別電源供應器相對於一參考電壓的回授電壓為基礎在一誤差放大器輸出節點處產生一誤差電壓；以及一二極體，其互連該誤差放大器輸出節點以及一被電耦合至該複數個電源供應器中的每一者的比較節點，其中，和該複數個電源供應器中的一電源供應器相關聯的誤差放大器系統會透過該二極體提供該誤差電壓給該比較節點； 一脈波寬度調變(PWM)產生器，其被耦合至該比較節點並且被配置成用於以該比較節點處的誤差電壓為基礎來產生一PWM切換訊號；以及一電力級，其被配置成用於以該PWM切換訊號為基礎來產生一輸出電壓。
  8. 根據申請專利範圍第7項的系統，其中，和該複數個電源供應器中的每一者相關聯的誤差放大器系統會以實質上相同的方式被配置，俾使得和該複數個電源供應器中的一個別電源供應器相關聯的誤差放大器系統會以和該複數個電源供應器中的每一者相關聯的振盪器系統相關聯的電路特徵及相對製作容許誤差為基礎在該比較節點上提供該誤差電壓。
  9. 根據申請專利範圍第8項的系統，其中，和該複數個電源供應器中其餘至少一電源供應器相關聯的誤差放大器系統相關聯的二極體會響應於和在該比較節點上提供該誤差電壓的該複數個電源供應器中的個別電源供應器相關聯的振盪器系統，而被反向偏壓。
  10. 根據申請專利範圍第7項的系統，其中，該複數個電源供應器中的每一者進一步包括一振盪器系統，其被配置成用以在一時脈節點處產生一時脈訊號，其中，該PWM產生器會被配置成用於以該誤差電壓及該時脈節點處的時脈訊號為基礎來產生該PWM切換訊號。
  11. 根據申請專利範圍第10項的系統，其中，該複數個電源供應器中的每一者的振盪器系統會在該時脈節點處被電耦合，以便同步和該複數個電源供應器中的每一者相關聯的時脈訊號。
  12. 一種積體電路，包括申請專利範圍第7項的電源供應系統。
  13. 根據申請專利範圍第12項的積體電路，進一步包括一相位移控制 器，其被配置成用以產生複數個時脈訊號，該複數個時脈訊號中的每一者會相對於彼此產生相位移，其中，該複數個電源供應器中的每一者的電力級會被配置成用於以該PWM切換訊號為基礎來控制至少一切換器，以便產生該輸出電壓，且其中，該PWM產生器會被配置成用於響應於該複數個時脈訊號中的一時脈訊號來產生該PWM切換訊號。
  14. 根據申請專利範圍第12項的積體電路，其中，該複數個電源供應器中的每一者實質上空間排列於該積體電路上。
  15. 一種電源供應系統，包括：一相位移控制器，其被配置成用於以一振盪器系統所產生的一主時脈訊號為基礎來產生複數個時脈訊號，該複數個時脈訊號中的每一者會相對於彼此產生相位移；以及複數個電源供應器，它們被配置成用以產生至少一輸出電壓並且實質上為空間分散，該複數個電源供應器中的每一者包括：一電力級，其被配置成用於以一脈波寬度調變(PWM)切換訊號為基礎來控制至少一切換器，以便產生該個別的至少一輸出電壓；以及一PWM產生器，其被配置成用於響應於該複數個時脈訊號中的一時脈訊號來產生該PWM切換訊號。
  16. 根據申請專利範圍第15項的系統，其中，該振盪器系統包括一和該複數個電源供應器中的每一者相關聯的振盪器系統，該複數個電源供應器會在一時脈節點處被電耦合，該複數個電源供應器中的每一者的振盪器系統會於該時脈節點上產生該主時脈訊號。
  17. 根據申請專利範圍第15項的系統，其中，該複數個電源供應器中的 每一者會被配置成用以產生一個別的輸出電壓。
  18. 根據申請專利範圍第15項的系統，其中，該複數個電源供應器每一者包括一共同輸出節點，俾使得該複數個電源供應器會共同被配置成用以產生一輸出電壓。
  19. 根據申請專利範圍第15項的系統，其中，該複數個電源供應器中的每一者進一步包括一誤差放大器系統，其被配置成用以產生該誤差電壓，其中，和該複數個電源供應器中的每一者相關聯的誤差放大器系統包括：一誤差放大器，其被配置成用於以該些電源供應器中一個別電源供應器相對於一參考電壓的回授電壓為基礎在一誤差放大器輸出節點處產生該誤差電壓；以及一二極體，其互連該誤差放大器輸出節點以及一被電耦合至該複數個電源供應器中的每一者的比較節點，其中，和該複數個電源供應器中的一電源供應器相關聯的誤差放大器系統會透過該二極體提供該誤差電壓給該比較節點，該PWM產生器會被耦合至該比較節點並且被配置成用於以該複數個時脈訊號中的該個別時脈訊號及該比較節點處的誤差電壓為基礎來產生該PWM切換訊號。
  20. 根據申請專利範圍第15項的系統，其中，該相位移控制器被配置成用以產生該複數個時脈訊號中的每一者，其具有關於該等時脈訊號中每一個連續時脈訊號為近似相等的相位移。
  21. 一種積體電路，包括申請專利範圍第15項的電源供應系統。
  22. 一種控制電源供應系統的方法，該電源供應系統包括實質上空間分散的複數個電源供應器，該方法包括： 以至少一時脈訊號為基礎來產生複數個脈波寬度調變(PWM)切換訊號，該複數個PWM切換訊號中的每一者會相對於彼此產生相位移；提供該複數個PWM切換訊號給和該等個別複數個電源供應器相關聯的一電力級中的至少一切換器；以該複數個PWM切換訊號的相位移為基礎相對於該複數個電源供應器中其餘至少一電源供應器來交替啟動及關閉該些電力級中的每一者中的該至少一切換器；以及以和該複數個電源供應器中的每一者相關聯的電力級中的該至少一切換器之啟動及關閉為基礎來產生至少一輸出電壓。
  23. 根據申請專利範圍第22項的方法，進一步包括：產生複數個時脈訊號，每一個時脈訊號會相對於彼此產生相位移；以及提供該複數個時脈訊號給個別複數個PWM控制器，該等個別複數個PWM控制器每一者會和該電源供應系統中的該複數個電源供應器中的一個別電源供應器相關聯，其中，產生該複數個PWM切換訊號包括以該等個別複數個時脈訊號為基礎來產生該複數個PWM切換訊號。
  24. 根據申請專利範圍第23項的方法，其中，產生該複數個時脈訊號包括響應於一主時脈訊號來產生該複數個時脈訊號。
  25. 根據申請專利範圍第24項的方法，進一步包括，透過和該等個別複數個電源供應器相關聯的複數個振盪器系統在一時脈節點處產生該主時脈訊號，該複數個振盪器系統中的每一者具有一在該時脈節點處被電耦合的輸出，俾使得該複數個振盪器系統中的每一者會實質上同步。
  26. 根據申請專利範圍第22項的方法，進一步包括以相對於一參考電壓和該複數個電源供應器中的每一者相關聯的回授電壓產生複數個誤差電壓，其中，產生該複數個PWM切換訊號包括以該等個別複數個時脈訊號及該等個別複數個誤差電壓為基礎來產生該複數個PWM切換訊號。
  27. 根據申請專利範圍第26項的方法，其中，產生該複數個誤差電壓包括正向偏壓和該等個別複數個電源供應器相關聯的複數個二極體中的一二極體，以便提供該複數個誤差電壓中的一誤差電壓至一比較節點，其中，產生該複數個PWM切換訊號包括以該等個別複數個時脈訊號及該複數個誤差電壓中的個別誤差電壓為基礎來產生該複數個PWM切換訊號。
  28. 根據申請專利範圍第22項的方法，其中，產生該複數個PWM切換訊號包括產生該複數個PWM切換訊號使其具有關於該複數個PWM切換訊號中每一個連續PWM切換訊號為近似相等的相位移。
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