多相電流調(diào)整期間的電流斜變的制作方法
【專利摘要】本申請涉及多相電流調(diào)整期間的電流斜變。電流共享配置中的電壓調(diào)整器可將總電流提供給共同負(fù)載，并可同時(shí)被導(dǎo)通以使部分電流向上斜變。每個(gè)電壓調(diào)整器可提供在電流共享配置中相應(yīng)的部分電流。目標(biāo)電流值可從部分電流的循環(huán)平均的電流值以及電壓調(diào)整器的電壓誤差值中確定，并且當(dāng)電壓調(diào)整器導(dǎo)通時(shí)每個(gè)部分電流可被斜變至目標(biāo)電流值而不是循環(huán)平均電流值，由此導(dǎo)致更穩(wěn)定和平衡的電流斜變。預(yù)測性多相數(shù)字控制器因此可基于測得或推斷出的電感器電流所確定的目標(biāo)電流和誤差電壓來工作。可根據(jù)預(yù)測性多相數(shù)字控制器的操作來計(jì)算脈寬、脈沖位置和脈沖頻率(增加或跳過脈沖)。
【專利說明】多相電流調(diào)整期間的電流斜變
[0001] 優(yōu)先權(quán)聲明
[0002] 本申請請求2013年5月8日和2013年12月31日提交的題為"Current Ramping During Multiphase Current Regulation (多相電流調(diào)整期間的電流斜變）"的美國臨時(shí)專 利申請61/820, 821和美國非臨時(shí)專利申請14/144785的優(yōu)先權(quán)，這兩件申請的發(fā)明人為 Chris M. Young、Sundar Kidambi和Jim Toker，并且這兩件申請就像在本文中充分和完全闡 述那樣被援引包含于此。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003] 本發(fā)明涉及調(diào)整電流，更具體地涉及多相電流調(diào)整。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0004] 圖1示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)作為降壓轉(zhuǎn)換器而已知的功率轉(zhuǎn)換器的一個(gè)實(shí)施例的電 路圖；
[0005] 圖2示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)具有向共同節(jié)點(diǎn)提供電流的多個(gè)電壓調(diào)整器的電流共享 配置的電路圖；
[0006] 圖3示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的方法當(dāng)電流在單個(gè)循環(huán)中被校正時(shí)占空比的值和電感 器電流之間的關(guān)系；
[0007] 圖4示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例當(dāng)電流在單個(gè)循環(huán)中被校正時(shí)占空比的值與電感器電 流之間的關(guān)系；
[0008] 圖5示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例當(dāng)電流在單個(gè)循環(huán)中被校正時(shí)占空比的值與電感器電 流之間的關(guān)系以及在功率轉(zhuǎn)換器輸出處的電荷；
[0009] 圖6示出根據(jù)另一實(shí)施例當(dāng)電流在單個(gè)循環(huán)中被校正時(shí)占空比的值與電感器電 流之間的關(guān)系以及在功率轉(zhuǎn)換器輸出處的電荷；
[0010] 圖7示出當(dāng)斜變至循環(huán)平均值時(shí)電流共享配置中的兩個(gè)部分電感器電流的表現(xiàn) 的波形圖，并進(jìn)一步示出表示在同一時(shí)間周期內(nèi)調(diào)整器輸出電壓的表現(xiàn)的波形圖；
[0011] 圖8更詳細(xì)地示出表示來自圖7的兩個(gè)部分電感器電流的表現(xiàn)的波形圖；
[0012] 圖9示出在斜變期間兩個(gè)部分電流、PWM驅(qū)動(dòng)信號和占空比控制命令的表現(xiàn)之間 的關(guān)系的第一組波形；
[0013] 圖10示出在斜變期間多個(gè)部分電流、PWM驅(qū)動(dòng)信號和占空比控制命令的表現(xiàn)之間 的關(guān)系的第二組波形；
[0014] 圖11示出在斜變期間多個(gè)部分電流、PWM驅(qū)動(dòng)信號和占空比控制命令的表現(xiàn)之 間的關(guān)系的第三組波形，其指示了當(dāng)強(qiáng)行地同時(shí)導(dǎo)通所有的部分電流時(shí)所產(chǎn)生的電流不平 衡；
[0015] 圖12示出表示在斜變期間多個(gè)部分電流、PWM驅(qū)動(dòng)信號和占空比控制命令的表現(xiàn) 之間的關(guān)系的第四組波形，這指示了當(dāng)所有電流一起平移時(shí)電流鎖的效果，而PWM工作在 穩(wěn)態(tài)占空比處并在平移電流時(shí)被"凍結(jié)"；
[0016] 圖13示出表示全部被驅(qū)動(dòng)至與平均電流值不同的同一目標(biāo)電流值的多個(gè)部分電 流的表現(xiàn)的波形；
[0017] 圖14示出表示相電流及其相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號的表現(xiàn)之間的關(guān)系的波形圖，其指示 了脈沖可處于循環(huán)中的任何位置；
[0018] 圖15示出可用于電流共享配置中的電壓調(diào)整器的控制器的一個(gè)實(shí)施例的方框 圖；
[0019] 圖16示出表示當(dāng)采用預(yù)測性中點(diǎn)電流調(diào)整器時(shí)的負(fù)載電流（相電流）的表現(xiàn)的 波形圖；
[0020] 圖17A示出表示揭露次諧波振蕩問題的電感器電流的表現(xiàn)的波形圖；
[0021] 圖17B示出表示電感器電流的表現(xiàn)的波形圖以及如何可以消除圖17A中示出的次 諧波振蕩問題；
[0022] 圖18示出表示在10-150A的模擬期間使用lA/ns負(fù)載步進(jìn)的輸出電壓和多相電 流的表現(xiàn)的波形圖；
[0023] 圖19示出表示在切換頻率為600KHZ時(shí)負(fù)載頻率掃描的模擬期間輸出電壓和多相 電流的表現(xiàn)的波形圖；
[0024] 圖20示出表示在lOOmV/μ s處對于1. 8->0. 8V、0. 8->2. 3V的模擬期間輸出電 壓和多相電流的表現(xiàn)的波形圖；
[0025] 圖21示出可用于電流共享配置中的電壓調(diào)整器的可變頻率數(shù)字EAPP(增強(qiáng)的有 源脈沖定位）控制器的一個(gè)實(shí)施例的方框圖；
[0026] 圖22示出提供電感器電流估計(jì)器的一個(gè)實(shí)施例的基礎(chǔ)的電路；
[0027] 圖23示出表示在圖22所示的電路的工作期間電感器電流和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號的表 現(xiàn)的波形圖；
[0028] 圖24示出具有固定頻率的預(yù)測性電流調(diào)制器的一個(gè)實(shí)施例的方框圖；
[0029] 圖25示出表示在圖24所示電路的工作期間電感器電流和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號的表現(xiàn) 的波形圖；
[0030] 圖26示出數(shù)字EAPP調(diào)制器的一個(gè)實(shí)施例的方框圖；
[0031] 圖27示出表示在圖26所示電路的工作期間電感器電流和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號的表現(xiàn) 的波形圖；
[0032] 圖28示出快速負(fù)載瞬變檢測器（D-EAPP)的一個(gè)實(shí)施例的方框圖；
[0033] 圖29A示出表示在電感器電流的背景下高側(cè)FET控制信號的"導(dǎo)通時(shí)間"的第一 可能的布置的波形圖；
[0034] 圖29B示出表示在電感器電流的背景下高側(cè)FET控制信號的"導(dǎo)通時(shí)間"的第二 可能的布置的波形圖；
[0035] 圖29C示出表示在電感器電流的背景下高側(cè)FET控制信號的"導(dǎo)通時(shí)間"的第三 可能的布置的波形圖；
[0036] 圖30A示出表示高側(cè)FET控制信號和電感器電流的波形圖；
[0037] 圖30B示出表示高側(cè)FET控制信號和電感器電流的波形圖，其示出與用以執(zhí)行預(yù) 測性電流控制的可適用控制方程對應(yīng)的"開始時(shí)間"參數(shù)；
[0038] 圖30C示出表示高側(cè)FET控制信號和電感器電流的波形圖，其指示與用以執(zhí)行預(yù) 測性電流控制的可適用控制方程對應(yīng)的"導(dǎo)通時(shí)間"參數(shù)；
[0039] 圖31示出表示電感器電流和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號的表現(xiàn)的波形圖，其指示可用來向 前移動(dòng)脈沖而不改變脈寬（占空比）的微分項(xiàng)。
[0040] 圖32示出表示根據(jù)第一控制序列的電感器電流和相應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號的表現(xiàn)的波形 圖；
[0041] 圖33示出表示根據(jù)第二控制序列的電感器電流和相應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號的表現(xiàn)的波形 圖；
[0042] 圖34示出表示根據(jù)第三控制序列的電感器電流和相應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號的表現(xiàn)的波形 圖；
[0043] 圖35示出表示根據(jù)第四控制序列的電感器電流和相應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號的表現(xiàn)的波形 圖；
[0044] 圖36示出當(dāng)在時(shí)鐘循環(huán)之間存在一個(gè)"導(dǎo)通時(shí)間"時(shí)的電感器電流的波形；以及
[0045] 圖37示出表示具有逐個(gè)樣本進(jìn)行的預(yù)測的模擬電流分布的波形圖。
[0046] 雖然本發(fā)明容易得出多種修改和替代形式，但已經(jīng)借助示例在附圖中示出且即將 詳細(xì)描述其特定實(shí)施例。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，附圖和對其的詳細(xì)描述不旨在將本發(fā)明限制 為所公開的具體形式，相反，本發(fā)明旨在涵蓋落在所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和 范圍內(nèi)的所有修改、等效物以及替代物。注意，標(biāo)題僅為了組織目的并且不旨在用來限制或 解釋說明書或權(quán)利要求書。此外，注意詞"可以"在本申請中全篇地用于容許的含義（即有 可能、能夠），而不是強(qiáng)制含義（即必須）。術(shù)語"包括"及其衍生詞表示"包括，但不限于"。 術(shù)語"耦合"表示"直接或間接地連接"。

【具體實(shí)施方式】
[0047] DC-DC電壓轉(zhuǎn)換經(jīng)常通過切換電壓調(diào)整器或步降調(diào)整器來實(shí)現(xiàn)，該調(diào)整器也被稱 為電壓轉(zhuǎn)換器或負(fù)載點(diǎn)（P0L)調(diào)整器/轉(zhuǎn)換器，它根據(jù)需要通過一個(gè)或多個(gè)負(fù)載設(shè)備將較 高電壓（例如12V)轉(zhuǎn)換成較低值。更概括地說，電壓調(diào)整器和電流調(diào)整器被統(tǒng)稱為功率 轉(zhuǎn)換器，在本文中，術(shù)語功率轉(zhuǎn)換器旨在涵蓋所有這些設(shè)備。常見架構(gòu)的特征在于將較高 電壓分配給多個(gè)電壓調(diào)整器，每個(gè)電壓調(diào)整器產(chǎn)生不同的（或可能相同的）電壓至一個(gè)或 多個(gè)負(fù)載。切換電壓調(diào)整器經(jīng)常使用兩個(gè)或更多個(gè)功率晶體管，以將一個(gè)電壓處的能量轉(zhuǎn) 換至另一電壓。通常被稱為"降壓調(diào)整器"的這種電壓調(diào)整器100的一個(gè)常見例示出于圖 1中。降壓調(diào)整器100-般切換一對功率晶體管（138和140)以在這對晶體管的公共節(jié)點(diǎn) SW處產(chǎn)生方波。可以使用包括電感器142和電容器144的LC電路來平滑化所產(chǎn)生的方波， 以產(chǎn)生要求的電壓Vout。由誤差放大器146、比例積分微分（PID)濾波器132、脈寬調(diào)制器 (PWM) 134和輸出控制電路136構(gòu)成的控制環(huán)可被配置成控制輸出方波的占空比，并因此控 制Vout的結(jié)果值。
[0048] 通過共享的負(fù)載點(diǎn)供電分配功率與單負(fù)載點(diǎn)供電或P0L調(diào)整器相比具有許多吸 引人的優(yōu)勢。通過在寬范圍的輸出電流上的更高效率、通過冗余實(shí)現(xiàn)的可靠性以及分布的 熱耗散，分配或電流共享可用來適應(yīng)與低電壓應(yīng)用關(guān)聯(lián)的不斷增大的電流需求。電流共享 配置的一個(gè)例子示出于圖2中。P0L轉(zhuǎn)換器102U04和106 (代表第一、第二和第N P0L轉(zhuǎn) 換器）可耦合至數(shù)字通信總線120,它們相應(yīng)的調(diào)整的電壓輸出通過相應(yīng)的電感器103、105 和107和電容器110而共享，以在由電阻112表示的負(fù)載處提供單個(gè)電壓。應(yīng)當(dāng)注意，盡管 在圖2中輸出級（HS FET和LS FET晶體管對）圖示為在相應(yīng)的POL轉(zhuǎn)換器之外，但在圖1 中輸出級被表示為POL調(diào)整器的一部分，以最好地突出不同實(shí)施例的某些指定的特征。也 應(yīng)當(dāng)注意，盡管輸出級是POL轉(zhuǎn)換器的功能部分，當(dāng)POL轉(zhuǎn)換器例如被配置在集成電路（1C) 上時(shí)，控制電路和輸出級可被配置在同一 1C上，也可以不那樣。本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員將理解， 本文描述的POL調(diào)整器的各種例示旨在包括根據(jù)本文描述的電流共享原理的所有可能的 實(shí)現(xiàn)。
[0049] 在一組實(shí)施例中，低帶寬、多階數(shù)字控制環(huán)可被配置成通過將從屬設(shè)備（在數(shù)字 通信總線上作為從屬設(shè)備工作的P0L調(diào)整器）的負(fù)載線對準(zhǔn)于主設(shè)備（在數(shù)字通信總線上 作為主設(shè)備工作的P0L調(diào)整器）來平衡設(shè)備輸出之間的不均等性。然而，一階數(shù)字控制環(huán) 可能是足夠的。自治的或?qū)Ｓ玫闹鱌0L調(diào)整器（例如P0L調(diào)整器104)可將其感測到的輸 出電流數(shù)字化，并在傳統(tǒng)的主-從配置中將指示數(shù)字通信總線120上的該電流的值的信息 發(fā)送至該組中所有的從屬P0L調(diào)整器（例如P0L調(diào)整器102、106)。所有從屬設(shè)備可基于主 設(shè)備的輸出電流的值和相應(yīng)的從屬設(shè)備的輸出電流的值之間的差來調(diào)整它們相應(yīng)的控制 FET的占空比以有效地向上或向下增加或減少它們的目標(biāo)輸出電壓。輸出電壓的修整的一 個(gè)實(shí)施例可通過調(diào)節(jié)前端誤差放大器（調(diào)整器150中的放大器146)的目標(biāo)電壓（調(diào)整器 150中的Vref)來實(shí)現(xiàn)。輸出電壓的修整的其它實(shí)施例可通過縮放占空比來實(shí)現(xiàn)，所述縮放 占空比要么通過校正控制濾波器（調(diào)整器150中的132)中的抽頭要么通過調(diào)整對占空比 控制塊（調(diào)整器150中的134)的控制數(shù)來實(shí)現(xiàn)。主設(shè)備可在諸如I2C、SMBus或一些其它 通信總線（例如圖2配置中的120)的通信總線上主動(dòng)地發(fā)送指示其電流值的信息，而從屬 設(shè)備可使用該信息來修整其已編程的基準(zhǔn)電壓從而平衡該系統(tǒng)中的每個(gè)設(shè)備的電流加載。 主設(shè)備可繼續(xù)發(fā)送該信息直到錯(cuò)誤出現(xiàn)、其相位下落、或其通信接口失效為止，此時(shí)該組中 的其它從屬設(shè)備可調(diào)處新的主設(shè)備。部分電流（即在電流共享組中的諸P0L調(diào)整器的各電 流）由此可被平衡至例如具有16Hz更新帶寬的平均部分負(fù)載電流的5%之內(nèi)。
[0050] 例如，圖1所示的電壓調(diào)整器100和圖2所示的調(diào)整器102、104、106這樣的電壓 調(diào)整器例如通常包括用于從瞬變輸出電壓偏離中恢復(fù)的機(jī)制。這些短期電壓偏離可能是由 多種控制環(huán)干擾造成的，例如目標(biāo)基準(zhǔn)電壓變化、輸入總線電壓階變、負(fù)載電流瞬變以及可 能使輸出電壓從其預(yù)期的額定值偏離的其它事件。典型地，電壓調(diào)整器的控制環(huán)（包括輸 出控制136)內(nèi)的信號處理電路處理這些電壓偏離。然而，由控制環(huán)實(shí)現(xiàn)的恢復(fù)過程是相對 慢的?？偟貋碚f，在可靠的電壓調(diào)整器的設(shè)計(jì)中最常被考慮的因素包括瞬變響應(yīng)、寬范圍上 的輸出穩(wěn)定性、使用的方便性以及成本。這些因素也是電流共享配置中的考量因素，例如圖 2所示的那個(gè)配置。
[0051] 為了獲得專門要求的系統(tǒng)性能，因此也需要對電壓調(diào)整器（或更具體地，對具有 至少一個(gè)受控輸出的功率轉(zhuǎn)換器或系統(tǒng)）進(jìn)行補(bǔ)償以從瞬變輸出電壓偏離中恢復(fù)。然而， 補(bǔ)償經(jīng)常是難以實(shí)現(xiàn)的。許多應(yīng)用需要瞬變響應(yīng)以及高帶寬響應(yīng)。例如，使用電壓模式控 制（例如電壓模式PWM控制（例如圖1所示））的傳統(tǒng)調(diào)整器一般需要補(bǔ)償。電流模式控 制機(jī)制需要較少的補(bǔ)償，但仍舊是需要補(bǔ)償?shù)?。另外，電流模式控制可能容易使系統(tǒng)對電流 測量過程中經(jīng)常引入的噪聲更為敏感。盡管磁滯控制模式需要非常少的補(bǔ)償或者不需要補(bǔ) 償，但它們需要切換頻率的穩(wěn)定，因?yàn)榉€(wěn)定的頻率在某些應(yīng)用中通常是一種重要的需求，例 如在電信應(yīng)用中。此外，磁滯控制在多相應(yīng)用中難以同步。
[0052] 在一組實(shí)施例中，電壓調(diào)整器可工作在恒定的切換頻率處，并可具有第一瞬變響 應(yīng)而無需用于調(diào)整的電流測量（而是至少基于電壓調(diào)整器的輸出的已建立的穩(wěn)態(tài)表現(xiàn)來 推測電感器電流，盡管其它實(shí)施例如優(yōu)選的那樣可包括電流測量而不是推測電感器電流）， 并且無需補(bǔ)償。無補(bǔ)償供電的一種方法是一循環(huán)（或單循環(huán)）控制。在一些實(shí)施例中，在 系統(tǒng)200中的每個(gè)P0L調(diào)整器中實(shí)現(xiàn)的數(shù)字調(diào)制器可工作在固定頻率處并具有高帶寬，以 有可能實(shí)現(xiàn)各P0L調(diào)整器的良好瞬變響應(yīng)。調(diào)制器也可被設(shè)計(jì)成無補(bǔ)償?shù)毓ぷ?。盡管這種 單循環(huán)控制對于單P0L調(diào)整器可良好地工作，然而當(dāng)在例如圖2所示系統(tǒng)200的電流共享 配置中運(yùn)作P0L調(diào)整器時(shí)數(shù)字控制中固有的等待時(shí)間可能成為問題。更具體地，數(shù)字等待 時(shí)間和固定頻率可能限制了瞬變響應(yīng)，同時(shí)仍然需要應(yīng)付在高重復(fù)率瞬變事件期間的動(dòng)態(tài) 電流平衡。前面提到的數(shù)字調(diào)制器可作為單循環(huán)調(diào)整器（ASCR)而工作，ASCR可校正單個(gè) 切換循環(huán)中的電壓偏離。切換循環(huán)可具有固定周期（恒定切換頻率），這對電信應(yīng)用是有優(yōu) 勢的，并且天生是穩(wěn)定的，并易于使用。ASCR也可省去執(zhí)行快速電流測量的需要，所述快速 電流測量可能導(dǎo)致噪聲并且產(chǎn)生模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC)的費(fèi)用支出，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC)是產(chǎn) 生用于數(shù)字處理的數(shù)字測量值所必需的。
[0053] 因此，要求實(shí)現(xiàn)高帶寬控制，這可通過固有的穩(wěn)定性和波紋濾波來幫助實(shí)現(xiàn)。也 要求實(shí)現(xiàn)雙邊沿調(diào)制以避免不得不等待下一循環(huán)以校正當(dāng)前的循環(huán)，由此有效地使"采樣" 率翻倍。增益被確定為足以校正單循環(huán)中的瞬變，其中響應(yīng)受到電感器/電容器濾波器限 制而不是受到控制器限制。單循環(huán)方法的一個(gè)例子經(jīng)由電路圖300示出于圖3中，電路圖 300示出負(fù)載電流L的表現(xiàn)，其示出不盡如人意的結(jié)果。如圖3所示，可調(diào)節(jié)占空比（d。代 表穩(wěn)態(tài)占空比，而d。'代表經(jīng)調(diào)節(jié)的占空比）以在一個(gè)循環(huán)內(nèi)傳遞電荷/電流從而恢復(fù)電 壓。然而，該方法可能無法生效，因?yàn)樵谘h(huán)結(jié)束時(shí)（在時(shí)間T之后，在時(shí)間Τ'）電流不與 要求的電流值（對于電容性情形）匹配以維持要求的輸出電壓值。如圖3所示，作為由于 調(diào)節(jié)輸出電壓所需的占空比調(diào)整的緣故在單個(gè)校正循環(huán)期間所引入的電荷的結(jié)果，電流過 沖，由此導(dǎo)致輸出電壓過沖。
[0054] -種不同的、改進(jìn)的方法可以包括：響應(yīng)于在恢復(fù)輸出電壓時(shí)輸出電壓的瞬變偏 離，調(diào)整電壓調(diào)整器的輸出處的電荷?？稍陔妷赫{(diào)整器對瞬變偏離的響應(yīng)被校正的（之前 的）循環(huán)之后的循環(huán)期間，調(diào)節(jié)該電荷?？筛鶕?jù)從當(dāng)前循環(huán)/之前循環(huán)期間穩(wěn)態(tài)占空比被 設(shè)定至的各值以及從表征對該穩(wěn)態(tài)占空比值作出的調(diào)整的值推導(dǎo)出的控制值，來調(diào)整該電 荷，以當(dāng)響應(yīng)于輸出電壓的瞬時(shí)偏離導(dǎo)通來校正輸出電壓時(shí)減少電壓調(diào)整器的響應(yīng)時(shí)間。 換句話說，平均電感器電流可跟蹤負(fù)載電流，并且調(diào)節(jié)輸出電壓所需的電感器電流的改變 可以被反轉(zhuǎn)。這種方法的可能的結(jié)果經(jīng)由圖4中的電流圖400示出。電荷調(diào)整對輸出電流 的影響的例子則示出于圖5和圖6中。陰影區(qū)域表示在輸出處（具體地說在輸出電容器 上）的附加電荷，該附加電荷來源于旨在在單個(gè)校正循環(huán)內(nèi)響應(yīng)瞬變事件而調(diào)節(jié)輸出電壓 的占空比調(diào)節(jié)。如圖5和圖6所示，負(fù)載電流不過沖，事實(shí)上除了在作出占空比調(diào)節(jié)的單個(gè) 循環(huán)期間，負(fù)載電流不會改變。同樣如圖5和圖6所示，d。再次表示穩(wěn)態(tài)占空比，而d。'表 示經(jīng)調(diào)節(jié)的占空比。
[0055] 在這種背景下，"不穩(wěn)"可被認(rèn)為是從一個(gè)切換循環(huán)轉(zhuǎn)入至另一切換循環(huán)的"現(xiàn) 象"，其最終建立一不合需結(jié)果的點(diǎn)。因此，穩(wěn)定的關(guān)鍵可以是對單個(gè)切換循環(huán)隔離這種"現(xiàn) 象"，從而不允許不合需的結(jié)果從一個(gè)循環(huán)至另一循環(huán)傳播和建立。當(dāng)新的循環(huán)開始時(shí)，相 對于之前循環(huán)的改變是"未做的"。在一循環(huán)"內(nèi)"的比例控制則可恢復(fù)電流，由此導(dǎo)致循環(huán) 內(nèi)的電荷模式控制。然而應(yīng)當(dāng)理解，由于高帶寬和高增益，可能需要濾波來防止調(diào)制器嘗試 校正所觀察到的"噪聲"。傳統(tǒng)的模擬濾波器（例如IIR)可提供一些校正，但大量的濾波導(dǎo) 致大量延遲，這不利地影響帶寬和穩(wěn)定性。例如，當(dāng)執(zhí)行傳統(tǒng)濾波時(shí)，一階IIR濾波器（比 如單級模擬濾波器）降低了噪聲但引入了延遲，而較高階的濾波器更好地衰減但引入了額 外的延遲。此外，盡管FIR濾波能消除噪聲（波紋），但延遲仍然構(gòu)成問題。因此，在各實(shí)施 例中，可使用消除波紋并具有最小延遲的特定數(shù)字濾波器，這可導(dǎo)致20dB信噪比改善（這 可被認(rèn)為是"增益"改善）。
[0056] 當(dāng)考慮影響多相電流控制的各個(gè)問題時(shí)，動(dòng)態(tài)電流平衡代表最大的挑戰(zhàn)之一。優(yōu) 化研究已表明，單相ASCR已證明是強(qiáng)健的而不需要非線性增益。然而，從（例如圖1中的 調(diào)整器100的單調(diào)整器的）單相調(diào)整向（例如圖2中的電流共享配置200中示出的調(diào)整器 102、104、106這樣的多個(gè)調(diào)整器的）多相電流共享調(diào)整的轉(zhuǎn)變?nèi)匀皇且淮筇魬?zhàn)。
[0057] 電流斜奪
[0058] 圖7示出根據(jù)具有兩個(gè)相（即兩個(gè)P0L調(diào)整器，例如僅調(diào)整器102和104)的系統(tǒng) 200的基本模型的表現(xiàn)，其中曲線圖704表示輸出電壓V QUT的表現(xiàn)，而曲線圖702示出電感 器電流I1Q3 (由電感器103傳導(dǎo)的電流）和I1Q5 (由電感器105傳導(dǎo)的電流）的表現(xiàn)，平均 電流由跡線706表示。如曲線圖702的上部所示，電流共享是適當(dāng)?shù)牟⑶覜]有多少噪聲存 在。然而，同樣如曲線圖702用圓圈表示的下部所示，電流斜變被延遲，在電流1 1(15的這個(gè)特 例下，它被圖示為在朝向目標(biāo)值再次上升之前先下滑，這代表不合需的表現(xiàn)。優(yōu)選地，希望 電流在無顯著延遲的情況下向上斜變。圖8中的曲線圖802某種程度上更詳細(xì)地示出了圖 7的曲線圖702中示出的延遲的電流斜變。對于1 1(13，電流斜變可能由于PWM相位存在而被 延遲。而對于11(15，盡管一開始不存在延遲，但是該電流在到達(dá)要求值之前會"反轉(zhuǎn)"?？偟?來說，電流共享使電流斜變減慢，其中較快的斜變電流被減慢以與平均電流（跡線706)匹 配。應(yīng)當(dāng)注意，圖7和圖8中表示的跡線和曲線圖旨在示出包括兩個(gè)P0L調(diào)整器的電流共 享配置中的相應(yīng)電感器電流的斜變，所述P0L調(diào)整器在圖2中以示例方式給出。圖7和圖 8(以及后面給出的其它曲線圖）中表示的分析旨在突出某些工作原理，這些工作原理可被 考慮在內(nèi)以提供消除或最小化電流共享配置中電流斜變期間的延遲的方案，而不旨在表示 圖2所示的P0L調(diào)整器的表現(xiàn)，但表示在沒有用來消除或最小化P0L調(diào)整器（例如圖2所 示的那些P0L調(diào)整器）中的電流斜變期間的延遲的附加的系統(tǒng)和方法的情況下P0L調(diào)整器 的表現(xiàn)。此外，為簡化起見，只示出兩電感器電流，然而該分析等同地適用于電流共享配置 中連接的三個(gè)或更多個(gè)P0L調(diào)整器。
[0059] 圖9示出相（電感器）電流（920)、與相電流對應(yīng)的P麗控制信號（930)以及用 于控制/產(chǎn)生PWM信號的占空比命令（940)的時(shí)序圖。如圖9所示，對于"相1"（902)和 "相3"（904)兩者的電流在其達(dá)到命令的占空比之前下降了。在這段時(shí)間期間的占空比命 令是50 %，如占空比命令信號910以及對應(yīng)的PWM信號906、908指示的那樣，所述PWM信 號906、908驅(qū)動(dòng)用于分別產(chǎn)生電流902、904的調(diào)整器的相應(yīng)輸出級。跡線912表示PWM信 號906、908的占空比的移動(dòng)平均值，而三角波形914表示雙邊沿PWM控制的鋸齒控制信號。 同樣如圖9所示那樣，耗費(fèi)"相3"幾乎第1/4個(gè)循環(huán)以作出響應(yīng)，并且耗費(fèi)"相1"幾乎一 整個(gè)周期來達(dá)到命令的占空比。還要注意，"相1"在到達(dá)命令的占空比之前截止。
[0060] 圖10再次示出相（電感器）電流（1020)、與相電流對應(yīng)的PWM控制信號（1030) 以及用于控制/產(chǎn)生PWM信號的占空比命令（1040)的時(shí)序圖，但圖10針對四個(gè)相電流而 不是僅針對兩個(gè)相電流。如圖10所示，平均電流共享顯著地減慢了電流斜坡。其它相被延 遲，直到"導(dǎo)通"的相達(dá)到其穩(wěn)態(tài)峰為止。然后，所有的相導(dǎo)通，但存在具有最低瞬時(shí)電流的 相。由此在短時(shí)間之后，所有其它相必須截止以使最低相能趕上。該循環(huán)繼續(xù)，藉此所有的 相短暫地導(dǎo)通，然后在其它相截止的同時(shí)最低的相保持導(dǎo)通。時(shí)序圖1040再次給出占空比 命令1026的圖示。
[0061] 圖11示出強(qiáng)制導(dǎo)通所有的相如何導(dǎo)致電流不平衡。圖11也示出對于四個(gè)相電流 的相（電感器）電流（1120)、與相電流對應(yīng)的PWM控制信號（1130)以及用于控制/產(chǎn)生 PWM信號的占空比命令（1140)的時(shí)序圖。曲線圖1120示出基于整合的占空比與穩(wěn)態(tài)占空 比的差異的模擬電流的表現(xiàn)。圖12示出相（電感器）電流（1220)、與相電流對應(yīng)的PWM控 制信號（1230)以及用于控制/產(chǎn)生PWM信號的占空比命令（1240)的時(shí)序圖，并示出電流 鎖的影響，藉此所有電流一起平移（向上或向下），否則PWM工作在穩(wěn)態(tài)占空比處，并在平移 電流時(shí)被"凍結(jié)"。跡線1204表示（各相的）各電感器電流，并指示電流在電流斜變之后是 平衡的。跡線1206表示由跡線1204表示的電流的移動(dòng)平均值。曲線圖1240中的占空比 控制跡線1226示出如何在大約時(shí)間點(diǎn)50處停止調(diào)制，并在大約時(shí)間點(diǎn)70處以之前調(diào)制停 止時(shí)所在的同一值再次開始調(diào)制以恢復(fù)斜變。因此，如圖12所示，在調(diào)制停止的時(shí)間周期 內(nèi)，電流共享實(shí)際上被禁用。
[0062] 盡管圖12中的電流波形看上去很好地平衡，但模擬的電流指示了該電流并不平 衡直到斜變停止后的大約一個(gè)循環(huán)為止。由此，如圖所示的例如模擬電流這樣的電流可能 無法用于實(shí)時(shí)地平衡這些電流。然而，如果在這個(gè)時(shí)間（即在斜變已停止后）調(diào)節(jié)"導(dǎo)通" 時(shí)間以平衡這些模擬電流，則電流平衡可能受到破壞。在今日的系統(tǒng)中，一般確定電流的平 均值，并且當(dāng)開始電流共享配置時(shí)所有電流被驅(qū)動(dòng)至所確定的平均值。然而，當(dāng)嘗試將所有 電流驅(qū)動(dòng)至平均值時(shí)，前述問題出現(xiàn)了。嘗試將電流驅(qū)動(dòng)至最大或最小電流值也可能無法 解決這個(gè)問題，因?yàn)轵?qū)動(dòng)至最大電流可能僅對施加負(fù)載有效，而驅(qū)動(dòng)至最小電流可能僅對 釋放負(fù)載有效。
[0063] 預(yù)測件電流定位
[0064] 在一組實(shí)施例中，前述問題的一種解決方案包括驅(qū)動(dòng)所有的相，即將所有相中的 相應(yīng)電流驅(qū)動(dòng)至不同于平均電流值的同一目標(biāo)電流。這示出于圖13中，圖13示出一波形圖 1300,該波形圖1300示出對于四個(gè)相應(yīng)相（電感器）電流的電流波形（跡線）1302、1304、 1306和1308,并且由相應(yīng)跡線1310、1312、1314和1316表示這些電流的相應(yīng)移動(dòng)平均值。 所有相中的電流可盡可能快地斜變，并且它們自然地平衡在穩(wěn)態(tài)中，同時(shí)也可平衡在非穩(wěn) 態(tài)中，只要對于所有相（內(nèi)的電流）該目標(biāo)值是相同的就行。在一組實(shí)施例中，可基于電壓 誤差來確定該目標(biāo)電流值，如下文中進(jìn)一步描述的那樣。"外環(huán)"（即電壓調(diào)整環(huán)）可用來 驅(qū)動(dòng)電流目標(biāo)，即將電流驅(qū)動(dòng)至目標(biāo)值。在一些實(shí)施例中，這可通過使用驅(qū)動(dòng)脈沖的數(shù)字脈 沖布置(也就是驅(qū)動(dòng)P0L調(diào)整器的輸出級的脈沖，例如HS和LS FET)來達(dá)成。
[0065] 如圖14的時(shí)序圖1400所示，使用數(shù)字控制，驅(qū)動(dòng)信號（即驅(qū)動(dòng)調(diào)整器的輸出級的 PWM信號）的脈沖的開始和停止可被布置在循環(huán)內(nèi)的任何位置。圖14中的示例性循環(huán)在左 側(cè)和右側(cè)分別由時(shí)鐘邊沿1和時(shí)鐘邊沿2界定?？紤]到在循環(huán)開始時(shí)的電流，"導(dǎo)通時(shí)間" 可由循環(huán)結(jié)束時(shí)的要求的電流確定?？筛鶕?jù)誤差信號（例如，由圖1所示的放大器146輸 出的誤差信號）確定該要求的電流。開始時(shí)間可通過使脈沖位于循環(huán)中的中心、使循環(huán)中 的平均電流與要求的電流匹配并根據(jù)例如dV/dt在一循環(huán)中使脈沖前移或后移來確定。在 圖14所示的時(shí)間線上，直至"t"的時(shí)間點(diǎn)表示過往的操作（1408)，計(jì)算出的脈沖1410被 表示在t+t m之間，并且計(jì)劃的未來的操作1412在時(shí)間點(diǎn)t+tm之后。Iphase1402表示在過 往操作1408期間的相電流，平均電流I av"1406對應(yīng)于（Iphase的）之前的循環(huán)平均電流，而 Itmg1404表示對于計(jì)劃的未來的操作1412的作為目標(biāo)的新平均電流。
[0066] 在一組實(shí)施例中，數(shù)字多相系統(tǒng)的架構(gòu)的主要特征可包括預(yù)測性模擬電流定 位，該預(yù)測性模擬電流定位可以：用以基于計(jì)劃的脈沖來預(yù)測電流波形以消除等待時(shí)間， 在每個(gè)Fsw(切換周期）對每個(gè)相進(jìn)行一次電流ADC讀取；并被適配成估計(jì)電路參數(shù) (L，DCR，Rm)。這些特征也可包括簡單PID (比例積分微分）電壓外環(huán)、固定頻率基礎(chǔ)加上脈 沖超前、根據(jù)需要的額外脈沖（其具有最大值每-相切換頻率限幅器，例如1.5*Fsw)以及 作為FW的倍數(shù)（例如24*Fsw到30*Fsw)的特定內(nèi)部采樣率。模擬數(shù)字多相模型的一組模 擬條件如下：具有 6 個(gè)相的 VR12. 5 負(fù)載，其中 L/DCR=150n/300 μ，C=4*470 μ +52*14. 4 μ，F(xiàn) sw=600KHz, VID=1. 8V, Rdroop=l. 2m 歐姆，負(fù)載 10_150A(lA/ns)。
[0067] 圖15示出根據(jù)前述原理可用于電流共享配置中的POL調(diào)整器的控制器的環(huán)設(shè)計(jì) 1500的一個(gè)實(shí)施例的方框圖。該控制器可包括模擬區(qū)1502和數(shù)字區(qū)1504,并可控制用于 驅(qū)動(dòng)負(fù)載1532的功率設(shè)施1506。圖16示出一波形圖1600,該波形圖1600示出當(dāng)采用預(yù) 測性中點(diǎn)電流調(diào)整器時(shí)的負(fù)載電流的表現(xiàn)（并類似于圖14所示的波形圖1400)。每相的新 目標(biāo)平均電流可從當(dāng)前電流的值和電壓誤差中計(jì)算出。因此，對于每個(gè)相，可使用下面的方 程來確定目標(biāo)電流值I tog，每個(gè)相電流可朝向該目標(biāo)電流值1_斜變，這是使用PID控制方 法來達(dá)成的，所述方程表示如下：
[0068] Itarg=Iaver+P*verror+I*integ (verrJ +D*deriv (verror) ·
[0069] 如從前面方程可以知道的那樣，可根據(jù)電壓誤差來施加比例、積分和微分控制。電 流共享配置中的電流斜變，即每個(gè)相電流的斜變是朝著前面示出的目標(biāo)值的，而不是朝著 計(jì)算出的平均電流值。這導(dǎo)致所有電流更穩(wěn)定和更快的斜變。使電感器電流在t md處擊中 itog的脈沖導(dǎo)通時(shí)間（U可被計(jì)算出：
[0070] t〇n= (Itarg-I (t)) *L/Vin+Vout/Vin* (tend-t) ·
[0071] 該系統(tǒng)在Itog處保持在與穩(wěn)態(tài)操作相容的狀態(tài)下。此外，在該循環(huán)中傳遞電荷的 脈沖開始時(shí)間（t start)可被計(jì)算為等于tsw*Itmg。
[0072] 如果在向上斜坡開始之后新的電荷命令（即新的較高目標(biāo)電流值）到達(dá)，尤其如 果它在該循環(huán)中較晚，則峰電流可變得過大。下面的公式限定了峰電流，以使循環(huán)結(jié)束時(shí)的 電流等于平均電流。參見圖16,t=t start，并且tmd=tsw。

【權(quán)利要求】
1. 一種在電流共享配置中使相電流斜變的方法，其中，所述相電流求和至總電流，所述 方法包括： 通過多個(gè)電壓調(diào)整器模塊中的每個(gè)電壓調(diào)整器模塊在電流共享配置中提供相應(yīng)的相 電流； 根據(jù)所述相應(yīng)的相電流和提供所述相應(yīng)的相電流的電壓調(diào)整器模塊的電壓誤差值的 循環(huán)平均的當(dāng)前值，對每個(gè)相應(yīng)的相電流確定目標(biāo)電流值；以及 響應(yīng)于指令多個(gè)電壓調(diào)整器模塊使其相應(yīng)的部分電流斜變，而使每個(gè)相電流斜變至所 述目標(biāo)電流值。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述電壓誤差確定所述目標(biāo)電流值包 括獲得下列參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)： 根據(jù)所述電壓誤差的比例控制值； 根據(jù)所述電壓誤差的積分控制值；或者 根據(jù)所述電壓誤差的微分控制值。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括： 通過每個(gè)電壓調(diào)整器模塊產(chǎn)生共同輸出電壓； 其中產(chǎn)生相應(yīng)的相電流是根據(jù)所述共同輸出電壓來執(zhí)行的。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，還包括： 通過每個(gè)電壓調(diào)整器模塊產(chǎn)生相應(yīng)的控制脈沖； 其中產(chǎn)生共同輸出電壓是響應(yīng)于所述相應(yīng)的控制脈沖來執(zhí)行的。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，還包括：根據(jù)下列參數(shù)來確定所述控制脈沖 的寬度： 相應(yīng)的切換循環(huán)結(jié)束時(shí)的目標(biāo)電流值；以及 相應(yīng)的切換循環(huán)開始時(shí)的相應(yīng)的相電流的值。
6. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，還包括：確定所述控制脈沖的開始時(shí)間，包 括計(jì)算一開始時(shí)間，所述開始時(shí)間導(dǎo)致根據(jù)相應(yīng)的切換循環(huán)內(nèi)的目標(biāo)電流值傳遞特定量的 電荷。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述特定量的電荷與所述目標(biāo)電流值乘以 表征相應(yīng)的切換循環(huán)的時(shí)間周期相當(dāng)。
8. -種電壓調(diào)整器模塊，包括： 輸出級，所述輸出級被配置成提供一共同輸出電壓以及一個(gè)或多個(gè)附加電壓調(diào)整器模 塊，并進(jìn)一步被配置成提供對應(yīng)的相電流，其中所述相應(yīng)的相電流代表由多個(gè)電壓調(diào)整器 模塊建立的電流共享配置所提供的總電流的一部分，所述多個(gè)電壓調(diào)整器模塊中的每個(gè)電 壓調(diào)整器模塊被配置成提供在所述電流共享配置中的相應(yīng)的相電流；以及 控制器，其被配置成： 根據(jù)所述對應(yīng)的相電流的循環(huán)平均當(dāng)前值和與所述共同輸出電壓對應(yīng)的電壓誤差值 來確定目標(biāo)電流值；以及 響應(yīng)于指令多個(gè)電壓調(diào)整器模塊使其相應(yīng)的相電流斜變，而使所述輸出級將所述相電 流斜變至目標(biāo)電流值。
9. 如權(quán)利要求8所述的電壓調(diào)整器模塊，其特征在于，所述控制器被進(jìn)一步配置成根 據(jù)下面的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)來確定所述目標(biāo)電流值： 基于所述電壓誤差的比例控制值； 基于所述電壓誤差的積分控制值；或者 基于所述電壓誤差的微分控制值。
10. 如權(quán)利要求8所述的電壓調(diào)整器模塊，其特征在于，所述控制器被進(jìn)一步配置成產(chǎn) 生控制脈沖；以及 所述輸出級被配置成響應(yīng)于所述控制脈沖而產(chǎn)生和提供輸出電壓以及一個(gè)或多個(gè)附 加電壓調(diào)整器模塊。
11. 如權(quán)利要求10所述的電壓調(diào)整器模塊，其特征在于，所述控制器被進(jìn)一步配置成 根據(jù)下列參數(shù)確定控制脈沖的寬度： 相應(yīng)的切換循環(huán)結(jié)束時(shí)的目標(biāo)電流值；以及 相應(yīng)的切換循環(huán)開始時(shí)的相電流的值。
12. 如權(quán)利要求10所述的電壓調(diào)整器模塊，其特征在于，所述控制器被進(jìn)一步配置成 確定所述控制脈沖的開始時(shí)間，所述開始時(shí)間導(dǎo)致根據(jù)相應(yīng)的切換循環(huán)內(nèi)的目標(biāo)電流值傳 遞特定量的電荷。
13. 如權(quán)利要求12所述的電壓調(diào)整器模塊，其特征在于，所述特定量的電荷與所述目 標(biāo)電流值乘以表征相應(yīng)的切換循環(huán)的時(shí)間周期相稱。
14. 一種預(yù)測性多相控制器，包括： 輸出，其被配置成提供一個(gè)或多個(gè)控制值，所述一個(gè)或多個(gè)控制值用于產(chǎn)生控制電壓 調(diào)整器模塊的輸出級的控制信號，其中，所述電壓調(diào)整器模塊可用作被配置成建立電流共 享配置的多個(gè)電壓調(diào)整器模塊中的一個(gè)，其中所述多個(gè)電壓調(diào)整器模塊中的每個(gè)電壓調(diào)整 器模塊用于提供在電流共享配置中的相應(yīng)的相電流；以及 電路，其被配置成： 確定根據(jù)第一相電流的循環(huán)平均的當(dāng)前值的目標(biāo)電流值以及與由所述多個(gè)電壓調(diào)整 器模塊提供的共同輸出電壓所對應(yīng)的電壓誤差值，其中所述第一相電流由所述電壓調(diào)整器 豐旲塊提供；以及 響應(yīng)于指令使第一相電流斜變而使所述第一相電流斜變至所述目標(biāo)電流值，其中為 使所述第一相電流斜變，所述控制器被進(jìn)一步配置成調(diào)節(jié)一個(gè)或多個(gè)控制值中的一個(gè)或多 個(gè)。
15. 如權(quán)利要求14所述的預(yù)測性多相控制器，其特征在于，所述電路被進(jìn)一步配置成 根據(jù)下面的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)來確定所述目標(biāo)電流值： 基于所述電壓誤差的比例控制值； 基于所述電壓誤差的積分控制值；或者 基于所述電壓誤差的微分控制值。
16. 如權(quán)利要求14所述的預(yù)測性多相控制器，其特征在于，所述一個(gè)或多個(gè)控制值包 括控制脈沖的脈寬值；以及 其中所述控制信號包括所述控制脈沖。
17. 如權(quán)利要求16所述的預(yù)測性多相控制器，其特征在于，所述電路被進(jìn)一步配置成 根據(jù)下列參數(shù)來確定所述脈寬值： 相應(yīng)的切換循環(huán)結(jié)束時(shí)的目標(biāo)電流值；以及 相應(yīng)的切換循環(huán)開始時(shí)的第一相電流的值。
18. 如權(quán)利要求14所述的預(yù)測性多相控制器，其特征在于，所述一個(gè)或多個(gè)控制值包 括控制脈沖的開始時(shí)間；以及 其中所述控制信號包括所述控制脈沖。
19. 如權(quán)利要求18所述的預(yù)測性多相控制器，其特征在于，所述電路被進(jìn)一步配置成 確定所述控制脈沖的開始時(shí)間，所述開始時(shí)間導(dǎo)致根據(jù)相應(yīng)的切換循環(huán)內(nèi)的所述目標(biāo)電流 值傳遞特定量的電荷。
20. 如權(quán)利要求19所述的預(yù)測性多相控制器，其特征在于，所述特定量的電荷與所述 目標(biāo)電流值乘以表征相應(yīng)的切換循環(huán)的時(shí)間周期相稱。
21. 如權(quán)利要求14所述的預(yù)測性多相控制器，其特征在于，所述電路進(jìn)一步被配置成 根據(jù)在切換循環(huán)開始時(shí)的第一相電流的估計(jì)值來確定所述目標(biāo)電流值。
【文檔編號】H02M3/157GK104143914SQ201410110842
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年3月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月8日
【發(fā)明者】C·M·揚(yáng), S·S·齊達(dá)畢, J·R·托克 申請人:英特賽爾美國有限公司