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TWI876503B - 用於可堆疊式多相電源轉換器之轉換控制電路及其方法 - Google Patents

用於可堆疊式多相電源轉換器之轉換控制電路及其方法 Download PDF

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TWI876503B
TWI876503B TW112132893A TW112132893A TWI876503B TW I876503 B TWI876503 B TW I876503B TW 112132893 A TW112132893 A TW 112132893A TW 112132893 A TW112132893 A TW 112132893A TW I876503 B TWI876503 B TW I876503B
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Inventor
吳緯權
楊智皓
方立文
戴鼎容
Original Assignee
立錡科技股份有限公司
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Abstract

一種轉換控制電路，用以控制互相並聯耦接的複數可堆疊式子轉換器，以產生輸出電源至負載。轉換控制電路包括電流均流端及電流均流電路，電流均流訊號耦接於互相並聯的複數電流均流端。電流均流電路包括：配置一：電流均流訊號僅根據複數可堆疊式子轉換器的複數電感之一者所對應的電感電流而產生；或者配置二：電流均流訊號根據複數可堆疊式子轉換器中複數啟動相位對應的複數電感所對應的複數電感電流而產生，其中電流均流訊號中由主控電路所產生的成分，與從屬電路之一所產生的成分之比例為k，其中k相關於總相位數與啟動相位數之差值。

Description

用於可堆疊式多相電源轉換器之轉換控制電路及其方法
本發明係有關一種轉換控制電路，特別是指一種用於可堆疊式多相電源轉換器之轉換控制電路。本發明也有關於用以控制該可堆疊式多相電源轉換器之方法。
可堆疊式多相電源轉換器可提供高效能的直流/直流電源轉換，以滿足高負載電流和快速瞬態響應的需求。因此，在高效能計算(high performance computing,HPC)應用中，可堆疊式多相電源轉換器被廣泛應用於CPU、GPU及人工智慧等領域。當負載電流增加時，可堆疊式多相電源轉換器的相數會增加；而在輕負載時，則會減少相數以節省能源。
圖1顯示先前技術之可堆疊式多相電源轉換器。圖1之可堆疊式多相電源轉換器1001包括子轉換器910、920、930、940，用以轉換輸入電壓VIN以產生輸出電壓VO至負載99。每一子轉換器910、920、930、940包括同步端Y#、識別端ID#及電流均流端IS#，同步端Y#用以傳送或接收同步訊號SYNC，識別端ID#用以設定子轉換器910、920、930、940之相序，電流均流端IS#用以傳送或接收電流均流訊號IBUS。子轉換器910、920、930、940分別產生電感電流IL1、IL2、IL3、IL4，藉此產生輸出電流ISUM。
圖2顯示先前技術之可堆疊式多相電源轉換器之電路示意圖。如圖2所示，子轉換器910、920、930、940分別包括電流均流電路911、921、931、941，電流均流電路911、921、931、941分別包括電流IS11、IS21、IS31、IS41以及電阻R1、R2、R3、R4，其中電流IS11、IS21、IS31、IS41相關於子轉換器910、920、930、940各自對應的電感電流IL1~IL4。電流IS11、IS21、IS31、IS41分別與電阻R1、R2、R3、R4耦接於各自對應的電流均流端，且所有電流均流端互相並聯耦接，藉此產生電流均流訊號IBUS。子轉換器910、920、930、940各自對應的轉導放大器9N(N為相序，例如91、92、93、94)用以比較電流均流訊號IBUS與對應的子轉換器的感測訊號VISN(N為相序，例如VIS1、VIS2、VIS3、VIS4)，以產生調整訊號Vadj，藉此調整對應相位子轉換器之占空比等參數，進而達成各相位子轉換器之間的電流均流。上述感測訊號VISN根據對應的感測電流ISN(N為相序，例如IS1、IS2、IS3、IS4)與電阻R而產生。
上述先前技術之缺點在於，當輸出電流ISUM降低至一程度(例如負載99轉為輕負載)，使得啟動相位數降低時，將造成電流均流訊號IBUS之失衡，進而造成可堆疊式多相電源轉換器無法達成電流均流之狀態。舉例而言，如圖2所示，可堆疊式多相電源轉換器包括4相位子轉換器，當輸出電流ISUM降低，使得啟動相位數從4相位轉為3相位時(例如電流IS41轉為0)，此時電流均流訊號IBUS之電壓如以下式1所示：IBUS=(IS11+IS21+IS31)*(R1∥R2∥R3∥R4) (式1)
其中，符號「∥」表示電阻並聯。由上列式1可知，當啟動相位數降低時，將至少於暫態階段造成電流均流訊號IBUS失衡，進而造成可堆疊式多相電源轉換器無法達成電流均流之狀態，或者造成不必要的電流或電壓的上衝或下衝。
相較於上述先前技術，本發明提供一種用以控制可堆疊式多相電源轉換器的控制電路，可於可堆疊式多相電源轉換器的啟動相位數改變時，仍持續達成電流均流之效果，而不受啟動相位數之變化而影響，進而達成更省電、高效率及輸出電流與電壓穩定等優點。
於一觀點中，本發明提供一種轉換控制電路，用以控制一可堆疊式子轉換器，其中複數可堆疊式子轉換器配置為一可堆疊式多相電源轉換器，其中該複數可堆疊式子轉換器之每一者包括一功率級電路以及一對應的該轉換控制電路，其中該複數可堆疊式子轉換器所對應之複數該功率級電路互相並聯耦接，以產生一輸出電源至一負載，該輸出電源包括一輸出電流，其中該轉換控制電路用以控制該功率級電路的至少一開關以切換對應的一電感，藉此產生該輸出電源，其中該轉換控制電路配置為一主控電路或一從屬電路，其中該複數可堆疊式子轉換器具有一總相位數與一啟動相位數，其中該啟動相位數根據該輸出電流之位準而決定，該轉換控制電路包含：一電流均流端，其中一電流均流訊號係耦接於互相並聯的複數該轉換控制電路之複數該電流均流端；一電流均流電路，用以產生及/或接收該電流均流訊號，且用以根據該電流均流訊號與對應的一子電流感測訊號的一差值而產生一調整訊號，以調整該轉換控制電路之至少一參數，以於該複數可堆疊式子轉換器之間進行電流均流，其中子電流感測訊號相關於對應的該電感所對應的一電感電流；其中該電流均流電路包括以下配置：配置一：其中該電流均流訊號僅根據該複數可堆疊式子轉換器的複數該電感之一者所對應的該電感電流而產生；或者配置二：其中該電流均流訊號根據該複數可堆疊式子轉換器中複數啟動相位對應的複數該電感所對 應的複數電感電流而產生，其中該電流均流訊號中由該主控電路所產生的成分，與該從屬電路之一所產生的成分之比例為k，其中k相關於該總相位數與該啟動相位數之差值。
於一實施例中，於配置一中，該電流均流訊號僅根據該主控電路對應的該電感電流而產生。
於一實施例中，該主控電路對應的該電流均流電路不產生該調整訊號，且不調整該轉換控制電路之該至少一參數，其中該從屬電路之每一對應的該電流均流電路產生該調整訊號，以調整對應的該至少一參數，以於該複數可堆疊式子轉換器之間進行電流均流。
於一實施例中，於配置二中，該主控電路與該從屬電路之每一對應的該電流均流電路產生對應的該調整訊號，以調整各自對應的該至少一參數，以於該複數可堆疊式子轉換器之間進行電流均流。
於一實施例中，該轉換控制電路以一固定時間控制對應的該複數可堆疊式子轉換器之其中之一的該至少一開關，其中該固定時間根據一閾值電壓、一積分電容值或一積分電流而決定；其中該調整訊號用以調整該至少一參數，以調整該固定時間，藉此於該複數可堆疊式子轉換器之間進行電流均流，其中該至少一參數包括該閾值電壓、該積分電容值及該積分電流的其中至少之一。
於一實施例中，該轉換控制電路更包含一轉導電路以及一濾波電路，其中該轉導電路用以根據對應的該子電流感測訊號與該電流均流訊號之該差值產生一轉導電流，該濾波電路用以根據該轉導電流產生一放大輸出訊號，其中該調整訊號對應為該放大輸出訊號，該放大輸出訊號對應為該閾值電壓。
於一實施例中，該轉換控制電路更包含：一同步端，其中一同步訊號係耦接於互相並聯的複數該轉換控制電路之複數該同步端；其中該同步訊號包括複數脈波，該複數脈波被連續計數為一計數值，其中該同步訊號包括一重置訊號，用以重置並啟動該計數值；其中當該計數值相關於該轉換控制電路對應的一相序編號時，該轉換控制電路致能對應的該功率級電路，以產生該輸出電源；其中該主控電路用以經由該同步端產生該同步訊號，且該從屬電路用以經由該同步端接收該同步訊號。
於一實施例中，當該計數值達到該啟動相位數時，產生該重置訊號，其中該同步訊號之具有一較高電壓位準之一脈波用以示意該重置訊號。
於一實施例中，該可堆疊式子轉換器經由該同步訊號之一對應脈波之觸發而啟動。
於一實施例中，該轉換控制電路配置為一積體電路，該同步端對應於該積體電路之一同步接腳，該電流均流端對應於該積體電路之一電流均流接腳。
於另一觀點中，本發明也提供一種控制方法，用以控制一可堆疊式子轉換器，其中複數可堆疊式子轉換器配置為一可堆疊式多相電源轉換器，其中該複數可堆疊式子轉換器之每一者包括一功率級電路，其中該複數可堆疊式子轉換器所對應之複數該功率級電路互相並聯耦接，以產生一輸出電源至一負載，其中該功率級電路包括至少一開關以切換一電感，藉此產生該輸出電源，其中該複數可堆疊式子轉換器之其中之一配置為一主控可堆疊式子轉換器，且該複數可堆疊式子轉換器之其他者配置為一從屬可堆疊式子轉換器，其中該複數可堆疊式子轉換器具有一總相位數與一啟動相位數，該控制方法包含：控制該功率級電路之該至少一開關切 換對應的該電感；該複數可堆疊式子轉換器之每一者用以產生或接收一電流均流訊號；以及根據該電流均流訊號以於該複數可堆疊式子轉換器之間進行電流均流；其中產生該電流均流訊號之步驟包括以下方式之一：方式一：僅根據該複數可堆疊式子轉換器的複數該電感之一者所對應的一電感電流而產生該電流均流訊號；或者方式二：根據該複數可堆疊式子轉換器中複數啟動相位對應的複數該電感所對應的複數電感電流而產生該電流均流訊號，其中該電流均流訊號中由該主控可堆疊式子轉換器所產生的成分，與該從屬可堆疊式子轉換器之一所產生的成分之比例為k，其中k相關於該總相位數與該啟動相位數之差值。
以下將藉由具體實施例詳加說明，以更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
10:功率級電路
1001:可堆疊式多相電源轉換器
110,111,112,117:轉換控制電路
1100,1101,1102:可堆疊式子轉換器
16:驅動器
17:電阻
18,181,182,187:電流均流電路
19,197:調變電路
1916:固定時間產生電路
197:調變電路
20:功率級電路
2003:可堆疊式多相電源轉換器
2004:可堆疊式多相電源轉換器
2005:可堆疊式多相電源轉換器
210,211,212:轉換控制電路
2100,2101,2102:可堆疊式子轉換器
26:驅動器
27:電阻
28,281,282:電流均流電路
29:調變電路
30:功率級電路
310:轉換控制電路
3100:可堆疊式子轉換器
36:驅動器
37:電阻
38:電流均流電路
39:調變電路
40:功率級電路
410:轉換控制電路
4100:可堆疊式子轉換器
60:比較器
70:濾波電路
81,82,8N:轉導電路
910,920,930,940:子轉換器
911,921,931,941:電流均流電路
99:負載
9N:轉導放大器
Cpo:比較訊號
CTon:積分電容器
IS1,IS2,ISN:感測電流
IS1’,IS2’,IS3’,ISN’,IS1a,IS1a’:感測電流
IS11,IS21,IS31,IS41:電流
IBUS:電流均流訊號
ID#:識別端
ID_Z:相序編號
Igm1a:轉導電流
IL1,IL2,IL3,IL4:電感電流
Io1,Io2,Io3,IoN:電感電流
IS#:電流均流端
ISUM:輸出電流
ITon:電流源
ISN:感測電流
k:整數
L1,L2,L3,LN:電感
N:整數
N0:功率級電路
N10,N11,N12:轉換控制電路
N100,N101,N102:可堆疊式子轉換器
N6:驅動器
N7:電阻
N8,N81,N82:電流均流電路
N9:調變電路
Nph_activated:啟動相位數
Nph_total:總相位數
NZ:計數值
R:電阻
R1,R2,R3,R4:電阻
R27,R37,RN7:電阻值
RX:重置訊號
S6:開關
SP1a:調變訊號
SPWM,SP1,SP2,SP3,SPN:調變訊號
Sw0,Sw1,Sw2,Sw3,SwZ:切換節點
SYNC:同步訊號
t0~t4,t0’:時點
Ton:導通時間
Tsw:週期
Va1a:調整訊號
Vadj,Va1,Va2,Va3,VaN:調整訊號
VAO:放大輸出訊號
Vc:積分電壓
VH:高位準
VIBUS:電流均流訊號
VIN:輸入電壓
VISN:感測訊號
VISN,VIS2,VIS1a:子電流感測訊號
VL:低位準
VO:輸出電壓
Vst1,Vst2,Vst3,VstN:電壓
VTH:閾值
Vth_Ton:閾值電壓
Y#:同步端
Z:整數
圖1顯示先前技術之可堆疊式多相電源轉換器之方塊圖。
圖2顯示先前技術之可堆疊式多相電源轉換器之電路示意圖。
圖3顯示本發明之可堆疊式多相電源轉換器中的轉換控制電路之一實施例之電路示意圖。
圖4顯示本發明之可堆疊式多相電源轉換器中的電流均流電路之一具體實施例示意圖。
圖5顯示本發明之可堆疊式多相電源轉換器中的電流均流電路之另一具體實施例示意圖。
圖6顯示本發明之可堆疊式多相電源轉換器中的固定時間產生電路之一具體實施例示意圖。
圖7顯示本發明之可堆疊式多相電源轉換器中的轉換控制電路之一具體實施例示意圖。
圖8顯示本發明之可堆疊式多相電源轉換器的一實施例操作波形圖。
本發明中的圖式均屬示意，主要意在表示各電路間之耦接關係，以及各訊號波形之間之關係，至於電路、訊號波形與頻率則並未依照比例繪製。為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明，但這並不旨在限制本發明的申請專利範圍。
圖3顯示本發明之可堆疊式多相電源轉換器之一實施例示意圖。在一實施例中，可堆疊式多相電源轉換器2003包括N個相位的可堆疊式子轉換器1100~N100(例如1100、2100、3100、...N100)，其中N為大於1的整數，以下亦同。在一實施例中，可堆疊式子轉換器1100、2100、3100~N100分別包括功率級電路10、20、30~N0，功率級電路10、20、30~N0用以互相並聯耦接，以產生輸出電源(例如對應於輸出電壓VO)至負載99，輸出電源包括輸出電流ISUM。在一實施例中，功率級電路10、20、30~N0操作於交錯相位。具體而言，功率級電路10、20、30~N0用以切換電感L1、L2、L3及LN，以產生對應的電感電流Io1、Io2、Io3~IoN，藉此達成交錯的切換式電源轉換。上述N為大於1的整數，以下亦同。
在一實施例中，功率級電路為降壓(buck)轉換器，然而，這並非用以限制本發明之專利範圍。功率級電路亦可選擇配置為其他切換式電源轉換器，例如升壓(boost)轉換器、升降壓(buck-boost)轉換器、返馳式轉換器(flyback)等。
在一實施例中，可堆疊式子轉換器1100、2100、3100~N100更包括對應的轉換控制電路110、210、310~N10，用以控制各自對應的功率級電路之至少一開關，以切換對應的電感，藉此產生輸出電源。在一實施例中，可堆疊式多相電源轉換器2003更包括對應數量的驅動器(16、26、36~N6)，其中每一驅動器分別耦接於對應的轉換控制電路與功率級電路之間，以驅動其切換。
在一實施例中，每一轉換控制電路110、210、310~N10可程式設定，使其配置為主控電路或從屬電路，且交錯的相序編號也可程式設定。請繼續參閱圖3，在一實施例中，每一轉換控制電路110、210、310~N10包括一識別端ID#，用以設定相序編號ID_Z。在一實施例中，轉換控制電路中的一電阻與一定電流源用以決定轉換控制電路的相序編號ID_Z。每一轉換控制電路110、210、310~N10中的定電流源分別經由各自對應的識別端ID#耦接於設定電阻17、27、37~N7，藉此產生電壓Vst1、Vst2、Vst3~VstN，電壓Vst1、Vst2、Vst3~VstN之電壓位準用以決定對應的轉換控制電路的相序編號ID_Z。
在一實施例中，轉換控制電路110的識別端ID#耦接於接地電位，以設定其相序編號ID_Z為0(亦即電阻17可省略而短路)。在一實施例中，相序編號ID_Z更用以決定轉換控制電路配置為主控電路或從屬電路。在一實施例中，轉換控制電路110的識別端ID#耦接於接地電位，以設定其相序編號ID_Z為0，進而設定轉換控制電路110作為主控電路。在一實施例中，電阻27、37、N7之電阻值R27、R37、RN7之關係為：R27<R37<RN7，藉此設定轉換控制電路210、310、N10之相序編號ID_Z為1、2、3。在一實施例中，相序編號ID_Z為0(主控電路)以外的其他相序編號ID_Z將決定轉換控制電路(例如210、310、N10)作為從屬電路。
請繼續參閱圖3，在一實施例中，每一轉換控制電路110、210、310~N10包括一同步端Y#，用以傳送或接收同步訊號SYNC。在一實施例中，所有同步端Y#(亦即轉換控制電路110、210、310~N10的同步端Y#)互相耦接，或從另一觀點，所有同步端Y#互相並聯耦接，亦即，同步訊號SYNC耦接於互相並聯的複數轉換控制電路(110、210、310~N10)之複數同步端Y#。在一實施例中，主控電路(亦即轉換控制電路110)經由對應的同步端Y#產生及傳送同步訊號SYNC。另一方面，從屬電路(亦即轉換控制電路210、310~N10)用以經由各自對應的同步端Y#接收同步訊號SYNC。
在一實施例中，可堆疊式多相電源轉換器2003中的轉換控制電路之識別端ID#可被省略。在一實施例中，相序編號ID_Z可藉由其他方式設定，例如：預先程式化的單次或多次寫入可程式記憶體電路，或數位通訊介面(例如積體匯流排電路I2C)。
請繼續參閱圖3。在一實施例中，複數可堆疊式子轉換器具有一總相位數與一啟動相位數，其中該啟動相位數根據輸出電流之位準而決定。舉例而言，在一實施例中，N等於4，可堆疊式子轉換器1100、2100、3100~N100具有總相位數4與啟動相位數(小於等於4)，啟動相位數根據輸出電流ISUM之位準而決定，當輸出電流ISUM增加，啟動相位數也會增加；當輸出電流ISUM降低，啟動相位數也會減少。
在一實施例中，每一轉換控制電路110、210、310~N10更包括一電流均流端IS#，且轉換控制電路110、210、310~N10分別包括電流均流電路18、28、38~N8，以及調變電路19、29、39~N9。在一實施例中，電流均流電路18、28、38~N8用以產生及/或接收電流均流訊號VIBUS，其中電流均流訊號VIBUS係耦接於互相並聯的轉換控制電路110、210、310~N10各自對應的電流均流端IS#。
在一實施例中，電流均流電路更用以根據電流均流訊號VIBUS與對應的子電流感測訊號VISN之差值而產生調整訊號Vadj，調變電路用以根據調整訊號Vadj而產生調變訊號SPWM。具體而言，電流均流電路18、28、38~N8用以根據電流均流訊號VIBUS與對應的子電流感測訊號VISN之差值而分別產生對應的調整訊號Va1、Va2、Va3~VaN，以調整對應的轉換控制電路110、210、310~N10之至少一參數，並經由調變電路19、29、39~N9而產生對應的調變訊號SP1、SP2、SP3~SPN，藉此於可堆疊式子轉換器1100、2100、3100~N100之間進行電流均流。
在一實施例中，轉換控制電路(例如N10)可配置為一積體電路，同步端Y#對應於積體電路之同步接腳，電流均流端IS#對應於積體電路之電流均流接腳。在一實施例中，轉換控制電路及驅動器(例如N6)可整合於一積體電路中，或者轉換控制電路、驅動器及功率級電路(例如N0)可整合於一積體電路中。
需說明的是，圖3之實施例中，電流均流電路18、28、38~N8可配置為圖4或圖5所示之具體實施例，以下將分別說明該兩種具體實施例之操作。
請參閱圖4，圖4顯示本發明之可堆疊式多相電源轉換器中的電流均流電路之一具體實施例示意圖。在一實施例中，如圖4之可堆疊式多相電源轉換器2004之配置，電流均流訊號VIBUS僅根據複數可堆疊式子轉換器(1101、2101~N101)的複數電感(例如L1、L2~LN)之一者所對應的電感電流(例如Io1、Io2~IoN)而產生。舉例而言，在本實施例中，電流均流訊號VIBUS僅根據可堆疊式子轉換器1101的電感L1所對應的電感電流Io1而產生。
在一較佳實施例中，轉換控制電路111配置為主控電路，換言之，在本實施例中，電流均流訊號VIBUS僅根據主控電路(111)對應的電感電流(Io1)而產生。在一較佳實施例中，主控電路(例如轉換控制電路111)對應的電流均流電路181不產生調整訊號，且不調整轉換控制電路111之至少一參數，從屬電路(例如轉換控制電路211~N11)之每一對應的電流均流電路(281~N81)產生調整訊號(Va2~VaN)，以調整對應的至少一參數，以於複數可堆疊式子轉換器(1101、2101~N101)之間進行電流均流。
請繼續參閱圖4，在一實施例中，電流均流電路181、281~N81分別包括轉導電路81、82~8N。在一實施例中，於主控電路(轉換控制電路111)之電流均流電路181中，電流均流訊號VIBUS根據相關於電感電流Io1之感測電流IS1與電阻R而產生；於從屬電路(轉換控制電路211~N11)之電流均流電路(281~N81)中，轉導電路(82~8N)根據電流均流訊號VIBUS與對應的子電流感測訊號(VIS2~VISN)之差值而產生對應的調整訊號(Va2~VaN)。在一實施例中，從屬電路(轉換控制電路211~N11)之子電流感測訊號(VIS2~VISN)根據對應的感測電流(IS2~ISN)與電阻R而產生，其中感測電流IS2~ISN相關於對應的電感電流Io2~IoN。
需說明的是，由圖4之實施例可知，本發明之可堆疊式多相電源轉換器可僅由其中一個可堆疊式子轉換器(主控電路)產生電流均流訊號，且其他可堆疊式子轉換器(從屬電路)根據其子電流感測訊號與該電流均流訊號而產生調整訊號，以調整對應的轉換控制電路之至少一參數，藉此達成電流均流。由於電流均流訊號僅由其中一個可堆疊式子轉換器(主控電路)產生，因此當可堆疊式多相電源轉換器的啟動相位數減少時，電流均流訊號不受影響，仍持續達成電流均流之狀態。
請參閱圖5，圖5顯示本發明之可堆疊式多相電源轉換器中的電流均流電路之另一具體實施例示意圖。在一實施例中，如圖5之可堆疊式多相電源轉換器2005之配置，電流均流訊號VIBUS根據複數可堆疊式子轉換器(1102、2102~N102)中複數啟動相位對應的複數電感(例如L1、L2~LN)所對應的複數電感電流(例如Io1、Io2~IoN)而產生。在一實施例中，電流均流訊號VIBUS中由主控電路所產生的成分，與從屬電路之一所產生的成分之比例為k。在一實施例中，k為大於等於1之整數，且相關於總相位數Nph_total與啟動相位數Nph_activated之差值，具體而言，k可由下列式2表示：k=Nph_total-Nph_activated+1 (式2)
式2中，當輸出電流ISUM位準越高，啟動相位數Nph_activated越高，啟動相位數Nph_activated小於等於總相位數Nph_total，且啟動相位數Nph_activated大於等於2(等於1時，無電流平衡的必要性)。
具體而言，如圖5所示，在一較佳實施例中，轉換控制電路112配置為主控電路，其餘轉換控制電路(例如212~N12)配置為從屬電路，電流均流電路182、282~N82分別包括轉導電路81、82~8N。在本實施例中，電流均流電路182、282~N82分別根據對應的k倍的感測電流k*IS1’、感測電流IS2’~ISN’以及電阻R而產生及接收電流均流訊號VIBUS，其中感測電流IS1’、IS2’~ISN’相關於對應的電感電流Io1、Io2~IoN。在一實施例中，轉導電路81、82~8N根據電流均流訊號VIBUS與對應的子電流感測訊號VIS1、VIS2~VISN之差值而產生對應的調整訊號Va1、Va2~VaN，以調整對應的轉換控制電路112、212~N12之至少一參數，藉此進行可堆疊式子轉換器1102、2102~N102之間的電流均流。在本實施例中，子電流感測訊號VIS1、VIS2~VISN根據對應的感測電流(IS1’、IS2’~ISN’)與電阻R而產生，其中感測電流IS1’、IS2’~ISN’相關於對應的電感電流Io1、Io2~IoN。
需注意的是，上述實施例中，主控電路(轉換控制電路112)所產生之電流均流訊號VIBUS的成分相關於k倍的感測電流k*IS1’，從屬電路(轉換控制電路212~N12)所產生之電流均流訊號VIBUS的成分相關於感測電流IS2’~ISN’。
在一具體實施例中，N等於3，可堆疊式多相電源轉換器2005具有總相位數3，當負載99為重載(輸出電流ISUM較大)，啟動相位數等於3時，k等於1，假設電流均流電路182、282~N82中的電阻R之電阻值大致上相同，此時電流均流訊號VIBUS之位準可由下列式3表示：VIBUS=(1*IS1’+IS2’+IS3’)* (R/3) (式3)
上述實施例中，當負載99轉為中載(輸出電流ISUM變小)，啟動相位數等於2時，k等於2，此時電流均流訊號VIBUS之位準可由下列式4表示：VIBUS=(2*IS1’+IS2’)/3R (式4)
由式3與式4可知，根據本發明之可堆疊式多相電源轉換器，由於電流均流訊號VIBUS相關於主控電路的k倍的感測電流k*IS1’，因此當可堆疊式多相電源轉換器的啟動相位數改變時，可不影響電流均流的平衡狀態。舉例而言，當啟動相位數由3改變為2時，k由1轉變為2，此時電流均流訊號VIBUS之成分雖少了感測電流IS3’，但主控電路所產生的感測電流則變為2倍(2*IS1’)，因此電流均流訊號VIBUS之位準大致上不受影響，可持續達成電流均流的平衡狀態，因此即使於暫態時，也能維持各相位電流與電壓之穩定。
請參閱圖6，圖6顯示本發明之可堆疊式多相電源轉換器中的固定時間產生電路之一具體實施例示意圖。在一實施例中，調變電路N9包括圖6所示的固定時間產生電路1916，固定時間產生電路1916包括電流源 ITon、積分電容器CTon及比較器60。在一實施例中，比較訊號Cpo用以控制開關S6之導通狀態，當開關S6導通時，將積分電容器CTon上的積分電壓Vc重置例如至0V，當開關S6轉為不導通時，固定時間產生電路1916藉由積分電容器CTon開始積分電流源ITon，以產生積分電壓Vc。比較器60用以比較積分電壓Vc及閾值電壓Vth_Ton而產生比較訊號Cpo。
在一實施例中，調變訊號SPN根據比較訊號Cpo，以一固定時間控制對應的可堆疊式子轉換器的功率級電路的至少一開關，例如控制對應的功率級電路的固定導通時間。在一實施例中，固定時間根據閾值電壓Vth_Ton、積分電容器CTon之電容值或電流源ITon之積分電流而決定。在一實施例中，調整訊號VaN(對應於前述的Vadj)用以調整至少一參數，以調整固定時間，藉此於複數可堆疊式子轉換器(例如可堆疊式子轉換器1102、2102~N102)之間進行電流均流。在本實施例中，如圖6所示，至少一參數包括閾值電壓Vth_Ton、積分電容器CTon之電容值及電流源ITon之積分電流的其中至少之一。
請參閱圖7，圖7顯示本發明之可堆疊式多相電源轉換器中的轉換控制電路之一具體實施例示意圖。在一實施例中，轉換控制電路117包括電流均流電路187、調變電路197以及濾波電路70。在一實施例中，電流均流電路187中的轉導電路81用以根據對應的子電流感測訊號VIS1a與電流均流訊號VIBUS之差值產生轉導電流Igm1a，其中子電流感測訊號VIS1a、電流均流訊號VIBUS分別根據感測電流IS1a、IS1a’而產生，其中感測電流IS1a、IS1a’相關於對應的電感電流。在一實施例中，濾波電路70用以根據轉導電流Igm1a產生放大輸出訊號VAO。在本實施例中，調整訊號Va1a對應為放大輸出訊號VAO，放大輸出訊號VAO對應為閾值電壓Vth_Ton。
在圖7之實施例中，調變電路197藉由調整訊號Va1a調整閾值電壓Vth_Ton，以產生調變訊號SP1a，調變訊號SP1a用以控制對應的可堆疊式子轉換器的功率級電路的至少一開關，藉此於複數可堆疊式子轉換器之間進行電流均流。
請同時參閱圖3與圖8，圖8顯示對應於圖3可堆疊式4相位電源轉換器的一實施例操作波形圖。在一具體實施例中，圖3之可堆疊式多相電源轉換器2003具有總相位數4，亦即可堆疊式多相電源轉換器2003包括可堆疊式子轉換器1100、2100、3100、4100。在一實施例中，可堆疊式子轉換器1100、2100、3100、4100具有對應的切換節點Sw0、Sw1、Sw2~SwZ(本實施例為Sw0、Sw1、Sw2、Sw3)，切換節點Sw0、Sw1、Sw2~SwZ為電感L1、L2、L3~LN耦接於對應的功率級電路的節點。上述Z為大於等於1的整數。
在一實施例中，如圖8所示，同步訊號SYNC包括複數脈波，複數脈波被連續計數為計數值NZ，其中同步訊號SYNC包括重置訊號RX，用以重置並啟動計數值NZ。在一實施例中，當計數值NZ相關於轉換控制電路對應的相序編號ID_Z時，該轉換控制電路致能對應的功率級電路，以產生輸出電源。在一實施例中，可堆疊式子轉換器經由該同步訊號之對應脈波之觸發而啟動。以下將說明包括4相位的可堆疊式多相電源轉換器2003之操作。
具體而言，如圖3與圖8所示，在本實施例中，轉換控制電路110、210、310、410之相序編號ID_Z分別被設定為0、1、2、3。在一實施例中，於一週期Tsw中，在時點t0時產生同步訊號SYNC與重置訊號RX(例如藉由轉換控制電路110)，此時每一轉換控制電路110、210、310、410之計數值NZ均被設定為0。於時點t1，由於計數值NZ為0且等於轉換控制電路110 之相序編號ID_Z，因此同步訊號SYNC的下降緣觸發轉換控制電路110以致能功率級電路10，藉此產生輸出電源至負載99，例如藉由控制功率級電路10的上橋開關導通，使得切換節點Sw0於一導通時間Ton電性連接於輸入電壓VIN。同時，同步訊號SYNC的下降緣將計數值NZ加至1。需注意的是，導通時間Ton由固定時間產生電路決定。
於時點t2，由於計數值NZ為1，因此同步訊號SYNC的下降緣觸發轉換控制電路210(相序編號ID_Z為1)以致能功率級電路20，藉此產生輸出電源至負載99，例如藉由控制功率級電路20的上橋開關導通，使得切換節點Sw1於一導通時間Ton電性連接於輸入電壓VIN。同時，同步訊號SYNC的下降緣將計數值NZ加至2。
於時點t3，由於計數值NZ為2，因此同步訊號SYNC的下降緣觸發轉換控制電路310(相序編號ID_Z為2)以致能功率級電路30，藉此產生輸出電源至負載99，例如藉由控制功率級電路30的上橋開關導通，使得切換節點Sw2於一導通時間Ton電性連接於輸入電壓VIN。同時，同步訊號SYNC的下降緣將計數值NZ加至3。
於時點t4，由於計數值NZ為3，因此同步訊號SYNC的下降緣觸發轉換控制電路410(相序編號ID_Z為3)以致能功率級電路40，藉此產生輸出電源至負載99，例如藉由控制功率級電路40的上橋開關導通，使得切換節點Sw3於一導通時間Ton電性連接於輸入電壓VIN。同時，同步訊號SYNC的下降緣將計數值NZ加至4。
在一實施例中，當計數值NZ達到啟動相位數時，產生重置訊號RX。在本實施例中，最大值為4。因此，當計數值NZ為4時，同步訊號SYNC的上升緣用以觸發重置訊號RX以重置計數值(例如於時點t0’)，並進行下一週期。
在另一實施例中，如圖8所示，同步訊號SYNC之具有較高電壓位準(例如高位準VH)之脈波用以示意重置訊號RX，同步訊號SYNC的其他脈波可以為具有較低電壓位準(例如低位準VL)之脈波。從一觀點而言，在本實施例中的重置訊號RX在同步訊號SYNC的複數脈波中調變或混合，當同步訊號SYNC的電壓位準高於一閾值VTH時，產生本機重置訊號RX。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。所說明之各個實施例，並不限於單獨應用，亦可以組合應用，舉例而言，兩個或以上之實施例可以組合運用，而一實施例中之部分組成亦可用以取代另一實施例中對應之組成部件。此外，在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化以及各種組合，舉例而言，本發明所稱「根據某訊號進行處理或運算或產生某輸出結果」，不限於根據該訊號的本身，亦包含於必要時，將該訊號進行電壓電流轉換、電流電壓轉換、及/或比例轉換等，之後根據轉換後的訊號進行處理或運算產生某輸出結果。由此可知，在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化以及各種組合，其組合方式甚多，在此不一一列舉說明。因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。
10:功率級電路
111:轉換控制電路
1101:可堆疊式子轉換器
16:驅動器
181:電流均流電路
19:調變電路
20:功率級電路
2004:可堆疊式多相電源轉換器
211:轉換控制電路
2101:可堆疊式子轉換器
26:驅動器
281:電流均流電路
29:調變電路
81,82,8N:轉導電路
99:負載
IS1,IS2,ISN:感測電流
Io1,Io2,IoN:電感電流
IS#:電流均流端
ISUM:輸出電流
L1,L2,LN:電感
N:整數
N0:功率級電路
N11:轉換控制電路
N101:可堆疊式子轉換器
N6:驅動器
N81:電流均流電路
N9:調變電路
R:電阻
SP1,SP2,SPN:調變訊號
Va2,VaN:調整訊號
VIBUS:電流均流訊號
VIN:輸入電壓
VISN,VIS2:子電流感測訊號
VO:輸出電壓

Claims (19)

  1. 一種轉換控制電路，用以控制一可堆疊式子轉換器，其中複數可堆疊式子轉換器配置為一可堆疊式多相電源轉換器，其中該複數可堆疊式子轉換器之每一者包括一功率級電路以及一對應的該轉換控制電路，其中該複數可堆疊式子轉換器所對應之複數該功率級電路互相並聯耦接，以產生一輸出電源至一負載，該輸出電源包括一輸出電流，其中該轉換控制電路用以控制該功率級電路的至少一開關以切換對應的一電感，藉此產生該輸出電源，其中該轉換控制電路配置為一主控電路或一從屬電路，其中該複數可堆疊式子轉換器具有一總相位數與一啟動相位數，其中該啟動相位數根據該輸出電流之位準而決定，該轉換控制電路包含： 一電流均流端，其中一電流均流訊號係耦接於互相並聯的複數該轉換控制電路之複數該電流均流端； 一電流均流電路，用以產生及/或接收該電流均流訊號，且用以根據該電流均流訊號與對應的一子電流感測訊號的一差值而產生一調整訊號，以調整該轉換控制電路之至少一參數，以於該複數可堆疊式子轉換器之間進行電流均流，其中子電流感測訊號相關於對應的該電感所對應的一電感電流； 其中該電流均流電路包括以下配置： 配置一：其中該電流均流訊號僅根據該複數可堆疊式子轉換器的複數該電感之一者所對應的該電感電流而產生；或者 配置二：其中該電流均流訊號根據該複數可堆疊式子轉換器中複數啟動相位對應的複數該電感所對應的複數電感電流而產生，其中該電流均流訊號中由該主控電路所產生的成分，與該從屬電路之一所產生的成分之比例為k，其中k相關於該總相位數與該啟動相位數之差值。
  2. 如請求項1所述之轉換控制電路，其中於配置一中，該電流均流訊號僅根據該主控電路對應的該電感電流而產生。
  3. 如請求項2所述之轉換控制電路，其中該主控電路對應的該電流均流電路不產生該調整訊號，且不調整該轉換控制電路之該至少一參數，其中該從屬電路之每一對應的該電流均流電路產生該調整訊號，以調整對應的該至少一參數，以於該複數可堆疊式子轉換器之間進行電流均流。
  4. 如請求項1所述之轉換控制電路，其中於配置二中，該主控電路與該從屬電路之每一對應的該電流均流電路產生對應的該調整訊號，以調整各自對應的該至少一參數，以於該複數可堆疊式子轉換器之間進行電流均流。
  5. 如請求項1所述之轉換控制電路，其中該轉換控制電路以一固定時間控制對應的該複數可堆疊式子轉換器之其中之一的該至少一開關，其中該固定時間根據一閾值電壓、一積分電容值或一積分電流而決定； 其中該調整訊號用以調整該至少一參數，以調整該固定時間，藉此於該複數可堆疊式子轉換器之間進行電流均流，其中該至少一參數包括該閾值電壓、該積分電容值及該積分電流的其中至少之一。
  6. 如請求項5所述之轉換控制電路，更包含一轉導電路以及一濾波電路，其中該轉導電路用以根據對應的該子電流感測訊號與該電流均流訊號之該差值產生一轉導電流，該濾波電路用以根據該轉導電流產生一放大輸出訊號，其中該調整訊號對應為該放大輸出訊號，該放大輸出訊號對應為該閾值電壓。
  7. 如請求項2所述之轉換控制電路，其中該轉換控制電路更包含： 一同步端，其中一同步訊號係耦接於互相並聯的複數該轉換控制電路之複數該同步端； 其中該同步訊號包括複數脈波，該複數脈波被連續計數為一計數值，其中該同步訊號包括一重置訊號，用以重置並啟動該計數值； 其中當該計數值相關於該轉換控制電路對應的一相序編號時，該轉換控制電路致能對應的該功率級電路，以產生該輸出電源； 其中該主控電路用以經由該同步端產生該同步訊號，且該從屬電路用以經由該同步端接收該同步訊號。
  8. 如請求項7所述之轉換控制電路，其中當該計數值達到該啟動相位數時，產生該重置訊號，其中該同步訊號之具有一較高電壓位準之一脈波用以示意該重置訊號。
  9. 如請求項7所述之轉換控制電路，其中該可堆疊式子轉換器經由該同步訊號之一對應脈波之觸發而啟動。
  10. 如請求項7所述之轉換控制電路，其中該轉換控制電路配置為一積體電路，該同步端對應於該積體電路之一同步接腳，該電流均流端對應於該積體電路之一電流均流接腳。
  11. 一種控制方法，用以控制一可堆疊式子轉換器，其中複數可堆疊式子轉換器配置為一可堆疊式多相電源轉換器，其中該複數可堆疊式子轉換器之每一者包括一功率級電路，其中該複數可堆疊式子轉換器所對應之複數該功率級電路互相並聯耦接，以產生一輸出電源至一負載，其中該功率級電路包括至少一開關以切換一電感，藉此產生該輸出電源，其中該複數可堆疊式子轉換器之其中之一配置為一主控可堆疊式子轉換器，且該複數可堆疊式子轉換器之其他者配置為一從屬可堆疊式子轉換器，其中該複數可堆疊式子轉換器具有一總相位數與一啟動相位數，該控制方法包含： 控制該功率級電路之該至少一開關切換對應的該電感； 該複數可堆疊式子轉換器之每一者用以產生或接收一電流均流訊號；以及 根據該電流均流訊號以於該複數可堆疊式子轉換器之間進行電流均流； 其中產生該電流均流訊號之步驟包括以下方式之一： 方式一： 僅根據該複數可堆疊式子轉換器的複數該電感之一者所對應的一電感電流而產生該電流均流訊號；或者 方式二：根據該複數可堆疊式子轉換器中複數啟動相位對應的複數該電感所對應的複數電感電流而產生該電流均流訊號，其中該電流均流訊號中由該主控可堆疊式子轉換器所產生的成分，與該從屬可堆疊式子轉換器之一所產生的成分之比例為k，其中k相關於該總相位數與該啟動相位數之差值。
  12. 如請求項11所述之控制方法，其中於方式一中，僅根據該主控可堆疊式子轉換器對應的該電感電流而產生該電流均流訊號。
  13. 如請求項12所述之控制方法，其中該主控可堆疊式子轉換器不調整對應的該功率級電路，其中該從屬可堆疊式子轉換器之每一者調整對應的該功率級電路，以調整對應的至少一參數，以於該複數可堆疊式子轉換器之間進行電流均流。
  14. 如請求項11所述之控制方法，其中於方式二中，產生對應於該主控可堆疊式子轉換器與該從屬可堆疊式子轉換器之每一者的一調整訊號，以調整各自對應的至少一參數，以於該複數可堆疊式子轉換器之間進行電流均流。
  15. 如請求項11所述之控制方法，更包含： 以一固定時間控制對應的該複數可堆疊式子轉換器之其中之一的該至少一開關，其中該固定時間根據一閾值電壓、一積分電容值或一積分電流而決定；以及 根據該電流均流訊號調整該複數可堆疊式子轉換器之至少一參數，以調整該固定時間，藉此於該複數可堆疊式子轉換器之間進行電流均流，其中該至少一參數包括該閾值電壓、該積分電容值及該積分電流的其中至少之一。
  16. 如請求項15所述之控制方法，更包含：根據對應的一子電流感測訊號與該電流均流訊號之該差值產生一轉導電流，且根據該轉導電流產生一放大輸出訊號，其中該放大輸出訊號對應為該閾值電壓，該子電流感測訊號相關於該電感電流。
  17. 如請求項12所述之控制方法，更包含： 控制該主控可堆疊式子轉換器產生一同步訊號； 控制該從屬可堆疊式子轉換器接收該同步訊號；其中該同步訊號包括複數脈波，該複數脈波被連續計數為一計數值，其中該同步訊號包括一重置訊號，用以重置並啟動該計數值；以及 當該計數值相關於一對應的相序編號時，致能一對應的功率級電路，以產生該輸出電源。
  18. 如請求項17所述之控制方法，更包含：以該同步訊號之具有一較高電壓位準之一脈波示意該重置訊號，其中當該計數值達到該啟動相位數時，產生該重置訊號。
  19. 如請求項17所述之控制方法，更包含：根據該同步訊號之一對應脈波之觸發而啟動該可堆疊式子轉換器。
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