多相电源的功率转换电路和多相电源及其控制方法与流程

1.本发明涉及开关电源技术领域，更具体地，涉及一种多相电源的功率转换电路。


背景技术：

2.物联网(iot)云端服务规模的指数级增长推动了数据中心、网络和电信设备的显著进步，同时持续增加的数据和信息对数据中心的服务器的处理效率提出了新的挑战，因此如何高效地为这些设备供电和散热，同时将用电量降到最低，成为现有的电源技术领域的重要课题。
3.多相电源是将多个功率转换电路并联，并把开关调制过程分配到不同的相来实现对电源的调整控制的技术。多相电源中的相与相之间的pwm(pulse width modulation，脉宽调制)信号可以相同或者错开一定的相位，使得输出和输入看到的波动频率是每一相中的开关频率与相数的乘积，从而可以减少滤波电容的需要和降低对输入的电流冲击，同时可以加快对负载变化的响应。
4.图1示出根据现有技术的一种多相电源的示意性电路图。如图1所示，现有的多相电源100由多相电源控制器110、多相的功率转换电路101-104(图1中以4相的多相电源为例)以及反馈控制电路120。每一相的功率转换电路都包括驱动器、开关管t1和t2、电感lx和输出电容cout，开关管t1和t2连接在输入电压vin和地之间，电感lx的第一端连接至开关管t1和t2的中间节点，第二端连接至输出电容cout的第一端，输出电容cout的第二端接地。各个功率转换电路101-104内的驱动器各自接收来自多相电源控制器110提供的脉宽调制信号pwm1-pwm4，并根据接收的脉宽调制信号控制对应的晶体管的导通和关断，对本相的输出电容cout进行充电而产生本相输出电压vo1-vo4，输出电压vo1-vo4合并为一个输出电压vout而驱动负载。
5.多相电源控制器110包括多个pwm控制器111-114，各个pwm控制器111-114分别根据反馈控制电路120的反馈信号fb来确定多相功率转换电路101-104的工作顺序，从而提供脉宽调制信号pwm1-pwm4。现有的多相电源控制器需要与功率转换电路的数量相同的pwm控制器，不仅存在控制器的结构复杂，电路规模较大，电路成本高的问题，而且各个pwm控制器之间也会存在匹配度上的问题，从而影响到多相电源的各相电流平衡的精确度。


技术实现要素：

6.鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种多相电源的功率转换电路和多相电源及其控制方法，不仅可以降低控制器的电路规模和成本，而且改善了电路不匹配影响各相电流平衡的精确度的问题。
7.根据本发明的第一方面，提供了一种多相电源的功率转换电路，所述多相电源包括n相所述功率转换电路，n为大于1的正整数，其中，所述功率转换电路包括：pwm信号产生电路，接收计数码，并在所述计数码满足预设条件时产生一脉宽调制信号；驱动电路，将所述脉宽调制信号转换为开关驱动信号；以及功率电路，包括至少一个开关管，所述开关驱动
信号用于控制所述至少一个开关管的导通和关断，从而根据输入电压提供本相的输出电压，其中，所述满足预设条件包括所述计数码表征的计数值与所述功率转换电路的编号信息相等。
8.可选的，所述计数码包括第一计数码和第二计数码，所述pwm信号产生电路用于在所述第一计数码满足所述预设条件时产生导通信号，所述导通信号用于确定所述至少一个开关管的导通时刻，在所述第二计数码满足预设条件时产生关断信号，所述关断信号用于确定所述至少一个开关管的关断时刻，并根据所述导通信号和所述关断信号得到所述脉宽调制信号。
9.可选的，所述第一计数码响应于第一时序信号而产生，所述第一时序信号用于表征所述多相电源的n相所述功率转换电路的顺序变化，所述第二计数码响应于第二时序信号而产生，所述第二时序信号比所述第一时序信号延迟预设时间。
10.可选的，所述第一计数码和所述第二计数码分别在所述第一时序信号和所述第二时序信号的每个时钟沿变化，循环输出n个计数值。
11.可选的，所述n个计数值与所述n相所述功率转换电路的编号信息一一对应。
12.可选的，所述第二时序信号响应于所述功率转换电路的导通信号和关断信号的相差、预置的时间偏移量、所述多相电源的输出电压和期望电压的误差量和/或所述多相电源的输入电压变化量而产生。
13.根据本发明的第二方面，提供了一种多相电源，包括：n相上述的功率转换电路，n为大于1的正整数；以及多相电源控制器，所述多相电源控制器用于向所述n相功率转换电路提供计数码，所述计数码用于控制所述n相功率转换电路中对应的功率转换电路根据输入电压产生本相的输出电压，其中，所述对应的功率转换电路包括编号信息与所述计数码表征的计数值相等的功率转换电路。
14.可选的，所述计数码包括第一计数码和第二计数码，所述对应的功率转换电路用于根据所述第一计数码产生导通信号，根据所述第二计数码产生关断信号，其中，所述导通信号用于确定所述对应的功率转换电路中的至少一个开关管的导通时刻，所述关断信号用于确定所述对应的功率转换电路中的至少一个开关管的关断时刻。
15.可选的，所述多相电源控制器包括：导通序列控制电路，用于产生第一时序信号，所述第一时序信号用于表征所述n相功率转换电路的顺序变化；第一计数器，被配置为响应于所述第一时序信号而执行计数操作来产生所述第一计数码；关断序列控制电路，用于产生第二时序信号，所述第二时序信号比所述第一时序信号延迟预设时间；以及第二计数器，被配置为响应于所述第二时序信号而执行计数操作来产生所述第二计数码。
16.可选的，所述第一计数码和所述第二计数码分别在所述第一时序信号和所述第二时序信号的每个时钟沿变化，循环输出n个计数值。
17.可选的，所述n个计数值与所述n相功率转换电路的编号信息一一对应。
18.可选的，所述导通序列控制电路通过相序振荡器实现。
19.可选的，所述关断序列控制电路通过锁相环电路实现。
20.可选的，所述关断序列控制电路包括：鉴频鉴相器，用于接收所述n相功率转换电路中的一个功率转换电路的导通信号和关断信号，并获得所述导通信号和关断信号之间的相差；延迟控制模块，被配置根据所述导通信号和关断信号之间的相差、预置的时间偏移
量、所述多相电源的输出电压和期望电压的误差量和/或所述多相电源的输入电压变化量生成电压控制信号；以及压控振荡器，被配置为根据所述电压控制信号产生所述第二时序信号。
21.可选的，所述多相电源控制器还包括：跨周期控制电路，接收所述第一计数码和所述第二计数码，用于根据所述第一计数码和所述第二计数码之间的延迟时间向所述n相功率转换电路提供一修正信号，所述修正信号用于避免所述延迟时间超前至前一电压周期或者滞后至后一电压周期。
22.根据本发明的第三方面，提供了一种多相电源的控制方法，所述多相电源包括n相权利要求1-6任一项所述的功率转换电路，n为大于1的正整数，其中，所述控制方法包括：产生第一时序信号，所述第一时序信号用于表征所述n相功率转换电路的顺序变化；响应于所述第一时序信号而执行计数操作来产生所述第一计数码；产生第二时序信号，所述第二时序信号比所述第一时序信号延迟预设时间；响应于所述第一时序信号而执行计数操作来产生所述第二计数码；以及所述n相功率转换电路中对应的功率转换电路响应于所述第一计数码和所述第二计数码而根据输入电压产生本相的输出电压，其中，所述对应的功率转换电路包括编号信息与所述第一计数码和所述第二计数码表征的计数值相等的功率转换电路。
23.可选的，所述对应的功率转换电路响应于所述第一计数码和所述第二计数码而根据输入电压产生本相的输出电压包括：所述对应的功率转换电路根据所述第一计数码产生导通信号，以及根据所述第二计数码产生关断信号，其中，所述导通信号用于确定所述对应的功率转换电路中的至少一个开关管的导通时刻，所述关断信号用于确定所述对应的功率转换电路中的至少一个开关管的关断时刻。
24.可选的，所述第一计数码和所述第二计数码分别在所述第一时序信号和所述第二时序信号的每个时钟沿变化，循环输出n个计数值。
25.可选的，所述n个计数值与所述n相功率转换电路的编号信息一一对应。
26.可选的，所述产生第二时序信号包括：响应于所述n相功率转换电路中的一个功率转换电路的导通信号和关断信号之间的相差、预置的时间偏移量、所述多相电源的输出电压和期望电压的误差量和/或所述多相电源的输入电压变化量而产生所述第二时序信号。
27.可选的，所述控制方法还包括：根据所述第一计数码和所述第二计数码之间的延迟时间向所述n相功率转换电路提供一修正信号，所述修正信号用于避免所述延迟时间超前至前一电压周期或者滞后至后一电压周期。
28.本发明的多相电源提供了一种功率转换电路，该功率转换电路包括pwm信号产生电路、驱动电路和功率电路，pwm信号产生电路用于接收一计数码，并在计数码表征的计数值与其自身的编号信息相等时产生脉宽调制信号，控制功率电路中的开关管的导通和关断，所以采用上述功率转换电路的多相电源可以采用单一计时电路来控制各相功率转换电路的导通时间，有利于降低控制器的复杂度和成本。
29.本发明的多相电源还提供了一种多相电源控制器，该多相电源控制器采用相序振荡器加第一计数器的组合来确定各相功率转换电路的导通时刻，并利用锁相环电路加第二计数器的组合来确定各相功率转换电路的关断时刻，从而可以节省为每一相功率转换电路对应设置的pwm控制器，降低了电路的复杂度及成本，也同时避免了电路不匹配造成的电流
平衡精确度的问题。
附图说明
30.通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
31.图1示出根据现有技术的一种多相电源的示意性电路图；
32.图2示出根据本发明实施例的一种多相电源的示意性电路图；
33.图3示出根据本发明实施例的多相电源中的关断序列控制电路的示意性电路图；
34.图4示出根据本发明实施例的多相电源中的功率转换电路的示意性电路图；
35.图5示出根据本发明实施例的多相电源工作的示意性时序图。
具体实施方式
36.以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。
37.应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
38.在本技术中，开关管是工作开关模式以提供电流路径的晶体管，包括选自双极晶体管或场效应晶体管的一种。开关管的第一端和第二端分别是电流路径上的高电位端和低电位端，控制端用于接收驱动信号以控制开关管的导通和关断。
39.本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
40.图2示出根据本发明实施例的一种多相电源的示意性电路图。本发明实施例的多相电源包括多相电源控制器和n相的功率转换电路，n为大于1的正整数，多相电源控制器用于控制n相的功率转换电路的导通顺序和导通时间，以共同输出一输出电压。
41.具体的，如图2所示，多相电源200包括多相电源控制器210和8相的功率转换电路201-208，多相电源控制器210用于向功率转换电路201-208提供计数码，该计数码用于控制所述功率转换电路201-208中对应的功率转换电路根据输入电压产生本相的输出电压，其中所述对应的功率转换电路包括编号信息与所述计数码表征的计数值相等的功率转换电路。进一步的，在多相电源的每个电压周期中，所述多相电源控制器210根据所述计数码输出8个计数值，从而依次导通所述功率转换电路201-208，功率转换电路201-208在工作时分别根据输入电压产生本相的占空比及其相应的输出电压vo1-vo8，输出电压vo1-vo8经电流均衡电路微调占空比后合并为一个输出，以输出电压vout而驱动负载。
42.进一步的，多相电源控制器210包括导通序列控制电路211、第一计数器212、关断序列控制电路213和第二计数器214。导通序列控制电路211例如通过相序振荡器实现，用于产生第一时序信号ck1，第一时序信号ck1用于表征多相电源200中的功率转换电路201-208的顺序变化。第一计数器212被配置为响应于所述第一时序信号ck1而执行计数操作来向所
述功率转换电路201-208提供第一计数码cnt1，所述功率转换电路201-208依次将第一计数码cnt1表征的计数值与自身的编号信息(所述编号信息例如为根据功率转换电路201-208的导通次序对其进行的编号)进行比较，当第一计数码cnt1表征的计数值与其自身的编号信息相等时，该功率转换电路根据第一计数码cnt1产生导通信号，该导通信号用于确定所述功率转换电路中的至少一个开关管的导通时刻。关断序列控制电路213用于产生第二时序信号ck2，所述第二时序信号ck2与第一时序信号ck1同步且比第一时序信号ck1延迟预设时间。第二计数器214被配置为响应于所述第二时序信号ck2而执行计数操作来向功率转换电路201-208提供第二计数码cnt2，所述功率转换电路201-208依次将第二计数码cnt2表征的计数值与自身的编号信息进行比较，当第二计数码cnt2表征的计数值与其自身的编号信息相等时，该功率转换电路根据第二计数码cnt2产生关断信号，该关断信号用于确定所述功率转换电路中的至少一个开关管的关断时刻。其中，导通信号和关断信号之间的时间差用来控制每个通道的pwm时间，从而可以节省为每一相功率转换电路对应设置的pwm控制器，因此本发明实施例的多相电源控制器的电路规模和结构更小，可以降低控制器的成本，提高多相电源的集成度，有利于更高相数(例如16相或24相)的多相电源的实现。
43.进一步的，关断序列控制电路213采集功率转换电路201-208中的一个功率转换电路的导通信号和关断信号，监测导通信号和关断信号之间的相差，并在导通信号和断开信号之间加入预置的时间偏移量，继而得到比所述第一时序信号ck1延迟预设时间的第二时序信号ck2(请参见后续的实施例)。
44.进一步的，第一计数码cnt1和第二计数码cnt2例如通过格雷码等循环的二进制码实现。格雷码是一种做加1运算时，只变化一位的编码，下面表1即为一个三位格雷码编码格式：
45.表1
46.q2q1q0m00000011011301021106111710151004
47.由于格雷码在变化时相邻码元之间只有一个比特位发生变化，因此不会出现错误的中间态，在工程领域中具有很强的使用价值。
48.需要说明的时，本发明不以此为限制，本发明实施例的多相电源同样可以适用于其他类型的二进制循环码，本领域技术人员可以根据具体情况进行选择。
49.进一步的，第一计数码cnt1和第二计数码cnt2分别在第一时序信号ck1和第二时序信号ck2的每个时钟沿(例如上升沿或者下降沿)变化，从而循环输出与n相的功率转换电路的编号信息一一对应的n个计数值，其中，n为大于1的正整数(本实施例的n＝8)。
50.进一步的，关断序列控制电路213例如通过锁相环电路实现。参照图3，关断序列控
制电路213包括鉴频鉴相器2131、延迟控制模块2132和压控振荡器2133。鉴频鉴相器2131用于接收功率转换电路201-208中的一个功率转换电路的导通信号pon和关断信号poff，并获得导通信号pon和关断信号poff之间的相差。延迟控制模块2132用于接收所述相差，并在导通信号pon和关断信号poff之间的加入预置的时间偏移量，以使得功率转换电路中关断信号poff晚于导通信号pon出现，而加入的时间偏移量的大小决定了导通信号pon与关断信号poff之间的延迟时间，即实现了对功率转换电路的pwm调制。进一步的，延迟控制模块2131还包括反馈输入端和前馈输入端，反馈输入端用于接收多相电源的输出电压vout与期望电压vref的误差量verr，前馈输入端用于检测输入电压vin的变化。延迟控制模块2132根据上述的输入信号向压控振荡器2133提供电压控制信号vc，压控振荡器2133根据该电压控制信号vc产生第二时序信号ck2，从而可将延迟控制模块2132产生的延迟时间继承到后续的振荡过程中，实现对后续相的功率转换电路的pwm调制。其中，前馈和反馈输入的信号可快速的实现功率转换电路的pwm调制，完成对输出电压的快速稳定控制，锁相环路的速度很慢，因此可以控制相位稳定以对消误差反馈的失调部分。
51.根据上述说明，本发明的关断序列控制电路213可将检测到的导通信号pon和关断信号poff之间的相差以及反馈输入和前馈输入反映到第二时序信号ck2相对于第一时序信号ck1的延迟时间上，达到调整各个功率转换电路的pwm信号的脉冲宽度的目的。例如，当输出电压vout偏小时，关断序列控制电路213将第二时序信号ck2相对于第一时序信号ck1的延迟时间增大，则当多相电源控制器210欲控制下一个功率转换电路时，可以将下一个功率转换电路的pwm信号的脉冲宽度增大，达到对输出电压的快速稳定控制。由于各相的功率转换电路的导通时间是错开的，因此本发明采用相序振荡器加计数器的组合提供各相功率转换电路所需的导通时间的信息的方法，可以避免使用多个pwm控制器时的电路不匹配的问题。
52.需要说明，压控振荡器2133的实现方式为本领域的常用技术手段，在此不再赘述。
53.继续参照图2，一般而言，实用的压控振荡器2133需要保证延迟控制模块2132产生的延迟时间不会超前到前一电压周期或者滞后到下一电压周期。但是在多相电源的实际工作过程中，这种情况仍然无法避免，因此在优选地实施例中，多相电源控制器210还包括跨周期控制电路215，跨周期控制电路215用于接收所述第一计数码cnt1和第二计数码cnt2，并根据第一计数码cnt1和第二计数码cnt2之间的延迟时间产生一修正信号corr，该修正信号corr可以避免该延迟时间超前至前一电压周期或者滞后至后一电压周期中。
54.图4示出根据本发明实施例的多相电源中的功率转换电路的示意性电路图，多相电源中的多个功率转换电路的结构相同，图4中以功率转换电路201进行说明。如图4所示，功率转换电路201采用buck拓扑，包括pwm信号产生电路2011、驱动电路2012和功率电路。功率电路包括串联连接在输入端和接地端之间的开关管t1和t2，电感lx连接在开关管t1和t2的中间节点和输出端之间，输出电容cout连接在输出端和接地端之间，功率转换电路201的输入端接收输入电压vin，输出端提供本相的输出电压vo1。
55.pwm信号产生电路2011接收所述第一计数码cnt1和第二计数码cnt2，并将第一计数码cnt1和第二计数码cnt2表征的计数值与自身的编号信息进行比较，根据比较结果判断开关管t1和t2的导通时间和关断时间。进一步的，pwm信号产生电路2011用于分别在第一计数码cnt1和第二计数码cnt2表征的计数值与自身的编号信息相等时产生导通信号和关断
信号，导通信号用于确定开关管t1的导通时间，关断信号用于确定开关管t1的关断时间，并根据所述导通信号和关断信号得到脉宽调制信号pwm。驱动电路2012用于将脉宽调制信号pwm转换成开关驱动信号，以控制开关管t1和开关管t2的导通和关断，从而根据输入电压vin产生本相的输出电压vo1。
56.可以理解，本发明实施例的多相电源也可以用于其他拓扑结构的功率转换电路，功率电路的结构包括但不限于浮地型buck功率电路、实地型buck功率电路、反激式功率电路、buck-boost型功率电路和boost型功率电路等拓扑结构。
57.图5示出根据本发明实施例的多相电源的工作的示意性时序图。在图5中，第二时序信号ck2相对于第一时序信号ck1的延迟时间为t1，pwm0-pwm7分别表示功率转换电路201-208的脉宽调制信号的波形图，pwm0-pwm7后的括号中的数字分别表示功率转换电路201-208的格雷码。在本发明实施例中，第一计数码cnt1和第二计数码cnt2采用3位二进制数的格雷码，第一计数码cnt1和第二计数码cnt2分别在第一时序信号ck1和第二时序信号ck2的上升沿变化，在一个电压周期t内输出23个计数值。由表1可知，第一计数码cnt1和第二计数码cnt2在执行计数操作过程中的变化顺序分别为000-》001-》011b-》010-》110-》111-》101-》100，对应脉宽调制信号的顺序为pwm0-》pwm1-》pwm2-》pwm3-》pwm4-》pwm5-》pwm6-》pwm7。
58.如图5所示，在第一时序信号ck1的第一个上升沿，第一计数码cnt1为000，功率转换电路201工作，脉宽调制信号pwm0翻转为高电平，在第二时序信号ck2的第一个上升沿，第二计数码cnt2为000，脉宽调制信号pwm0由高电平翻转为低电平；在第一时序信号ck1的第二个上升沿，第一计数码cnt1为001，功率转换电路202开始工作，脉宽调制信号pwm1翻转为高电平，在第二时序信号ck2的第二个上升沿，第二计数码cnt2为001，脉宽调制信号pwm1由高电平翻转为低电平；在第一时序信号ck1的第三个上升沿，第一计数码cnt1为011，功率转换电路203开始工作，脉宽调制信号pwm2由低电平翻转为高电平，在第二时序信号ck2的第三个上升沿，第二计数码cnt2为011，脉宽调制信号pwm2由高电平翻转为低电平，以此类推。
59.需要说明的是，功率转换电路201-208的格雷码的设置方式不以本实施例为限制，本领域技术人员可以根据具体情况对功率转换电路201-208的顺序进行编号。
60.应当了解，虽然在图2中以8相的多相电源为例对本发明进行说明，但是本发明的多相电源控制器可以适用于任意相数的功率转换电路，并且由于本发明的多相电源控制器的电路规模和结构更小，因此本发明的多相电源可适用于更高的相数(例如16相或24相)。
61.综上所述，本发明的多相电源提供了一种功率转换电路，该功率转换电路包括pwm信号产生电路、驱动电路和功率电路，pwm信号产生电路用于接收一计数码，并在计数码表征的计数值与其自身的编号信息相等时产生脉宽调制信号，控制功率电路中的开关管的导通和关断，所以采用上述功率转换电路的多相电源可以采用单一计时电路来控制各相功率转换电路的导通时间，有利于降低控制器的复杂度和成本。
62.本发明的多相电源还提供了一种多相电源控制器，该多相电源控制器采用相序振荡器加第一计数器的组合来确定各相功率转换电路的导通时刻，并利用锁相环电路加第二计数器的组合来确定各相功率转换电路的关断时刻，从而可以节省为每一相功率转换电路对应设置的pwm控制器，降低了电路的复杂度及成本，也同时避免了电路不匹配造成的电流平衡精确度的问题。
63.在以上的描述中，对公知的结构要素和步骤并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来实现相应的结构要素和步骤。另外，为了形成相同的结构要素，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述各实施例，但是这不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
64.依照本发明的实施例如上文，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。