电路、对应的多相转换器设备及操作方法

本申请要求于2019年7月2日提交的意大利专利申请号102019000010662的优先权，其内容在法律允许的最大程度通过引用以其整体并入本文。

技术领域

本描述涉及多相电子转换器，例如DC/DC转换器设备。

特别地，一个或多个实施例涉及用于管理不同操作状态之间的多相DC/DC转换器的转变(例如，管理次级相的加电和断电)的技术。

背景技术

电子转换器(诸如DC/DC转换器)广泛用于许多应用中，以产生复杂电子系统(诸如智能手机、笔记本电脑或其他设备)的操作所需的电源电压电平。在转换器的输出处提供的稳定且精确的电源电压也可以促进匹配从此类电子系统预期的性能。

在许多应用中，可以例如考虑功率效率来设计转换器，以便减少能量消耗。

例如，转换器的低能耗可以促进增加电池供电的电子设备的操作寿命。

在电缆供电设备的情况下，低能耗可能是有益的，例如，由于功率耗散而导致热应力的降低。

某些应用可能涉及来自电子转换器的大范围的输出电流容量。为了遍及整个输出电流范围提供令人满意的转换器电源效率，多相DC/DC转换器已经被开发以便避免高电流同时在晶体管(例如MOS晶体管)中和转换器外部的组件中流动。

多相DC/DC转换器包括在转换器的输出节点处(例如，并联)耦合的两个以上的开关级，所述开关级中的每个所述开关级由相应的PWM生成电路控制。通常，转换器的主相(即主开关级)在输出负载电流较低时操作，并且至少一个次级相可以被激活作为输出电流的增加的结果。在后一种情况下，激活相中的每个激活相都提供总输出电流的一小部分。

在这样的多相DC/DC转换器中，不同操作状态之间的转变(其中每个状态与被激活的不同组的相相对应，并且转变包括对至少一个次级相进行加电或断电)应当被适当地管理。

次级相的加电和断电两者都可以影响转换器的性能，从而可能产生针对整个应用(即转换器和/或由此供应的电子设备)的问题。

可能期望快速转变以便快速地响应输出负载电流的变化并避免例如由于转换器的单相(例如主相)的有限输出电流容量而引起的调节损失。

相反，发生太快的转变可能导致输出电压的不被期望的响应(例如尖峰)。因此，所述转变的时序要求应服从权衡，以便在转换器的各种不同操作条件下(例如，输入电压Vin、输出电压Vout、输出负载电流的不同值以及可能的过程、电压和温度(PVT)变化等)提供改进的性能。

尽管本领域中的广泛的活动，还期望其他改进的解决方案。

本领域中需要提供这种改进的解决方案。

发明内容

一个或多个实施例可以涉及对应的多相转换器设备。

一个或多个实施例可以涉及操作电路或多相转换器设备的对应方法。

一个或多个实施例可以提供一种电路，该电路被配置为生成用于多相转换器设备中的次级开关级的控制信号，其中，该电路被配置为根据用于主开关级的控制信号来生成用于次级开关级的所述控制信号。

一个或多个实施例可以因此有助于提供用于对多相转换器的次级相进行上电和断电的所选时序，从而使宽输出电流容量要求与转变期间输出电压处的小瞬变相匹配。

一个或多个实施例可以有助于提供不取决于转换器的操作条件的这种转变时序。

附图说明

现在将参考所附的附图仅通过示例的方式描述一个或多个实施例，其中：

图1是多相转换器的示例性电路框图；

图2是用于管理多相转换器中的状态转变的电路的示例性电路图；并且

图3是用于管理多相转换器中的状态转变的另一电路的示例性电路图。

具体实施方式

在随后的描述中，图示了一个或多个具体细节，该细节旨在提供对本描述的实施例的示例的深入理解。实施例可以在没有一个或多个具体细节的情况下，或者在其他方法、部件、材料等的情况下获得。在其他情况下，已知的结构、材料或操作没有被详细图示或描述，以使得实施例的某些方面将不被模糊。

在本说明书的框架中对“一实施例”或“一个实施例”的引用旨在指示关于该实施例描述的特别的配置、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，可以在本说明书的一个或多个点中出现的诸如“在一实施例中”或“在一个实施例中”之类的短语不一定指代一个和同一实施例。此外，特别的构造、结构或特性可以以任何适当的方式被组合在一个或多个实施例中。

在本文所附的所有附图中，相似的部分或元件用相似的附图标记/数字指示，并且为了简洁起见对应的描述将不再被重复。

本文中使用的附图标记仅出于方便起见而被提供，并且因此不限定保护的程度或实施例的范围。

通过引入示例性实施例的详细描述的方式，首先可以参考图1，图1图示了两相DC/DC转换器的示例性电路框图。在本详细描述中，仅通过简化的方式参考了两相转换器的示例性情况。一个或多个实施例通常可以应用于具有两个以上的相(即，主相和至少一个次级相)的多相转换器。

如图1中所例示的，两相DC/DC转换器10可以包括第一开关级100、第二开关级100'以及耦合到其的控制电路。

开关级100和100'中的每个都可以包括相应的半桥布置，半桥布置包括高侧开关和低侧开关(例如，MOS晶体管)、耦合到该半桥布置的相应的无功组件(例如，电感器)、以及耦合到高侧开关和低侧开关以根据相应的PWM调制信号PWM，PWM'来控制其开关的相应驱动电路1000，1000'。开关级100，100'可被配置为接收输入电压Vin并生成转换器10的输出电压Vout。例如，在一个或多个实施例中，开关级100，100'可以根据传统的降压、升压或降压-升压拓扑被实现。

转换器10中的控制电路可以包括(例如，电阻性)分压器102，其被配置用于通过对输出电压Vout的分压来生成反馈电压信号Vfb。控制电路可以包括误差放大器104，该误差放大器104被配置用于确定反馈电压信号Vfb与参考电压信号Vref之间的差，从而生成指示所确定的差的第一控制信号Vc，以用于控制转换器10的操作。

在第一比较器106中，第一控制信号Vc可以与周期性斜坡信号(例如，三角形或锯齿信号)进行比较，从而生成用于控制第一开关级100的开关操作的第一输出振荡信号PWM(例如，第一脉宽调制信号)。

在如图1中所例示的两相转换器10中，第一控制信号Vc可以被提供在相位管理电路块108的输入处，其中相位管理电路块108被配置为在输出处生成第二控制信号Vc'。在第二比较器106'中，第二控制信号Vc'可以与周期性斜坡信号进行比较，从而生成用于控制第二开关级100'的开关操作的相应的输出振荡信号PWM'。因此，在一个或多个实施例中，相位管理电路块108可以被配置为生成第二控制信号Vc'，以便导致转换器10的不同操作状态(即，仅以一个相，或以并联的两相进行操作)之间的转变时序与转换器的操作条件无关。

如图1中所例示的，信号PWM和PWM'可以被提供作为向转换器10中的有限状态机(FSM)电路块110的输入，该有限状态机110可以被配置为从以下各项接收输入信号：

-第一非连续模式检测器(DMD)比较器112，其被配置为检测第一开关级100中的电感器电流是否达到某个阈值(例如，零)，

-第二DMD比较器112'，其被配置为检测第二开关级100'中的电感器电流是否达到某个阈值(例如，零)，

-第一比较器跳跃块114，其被配置为控制第一相到脉冲跳跃模式的转变，

-第二比较器跳跃块114'，其被配置为控制第二相到脉冲跳跃模式的转变，

-第一过电流保护OCP电路块116，其被配置为将第一开关级100中的电感器电流限制为最大值，

-第二OCP电路块116'，其被配置为将第二开关级100'中的电感器电流限制为最大值，以及

-转换器10外部的信号(例如，数字信号)，诸如使能信号EN、时钟信号CK和测试信号TEST。

有限状态机电路块110可以被配置为控制斜坡生成器电路块118，斜坡生成器电路块118可以生成斜坡信号用于施加到第一比较器106和第二比较器106'。斜坡生成器电路块118可以从高侧电流感测电路块120接收附加输入信号，该高侧电流感测电路块120可以被配置为感测在第一开关级100和第二开关级100'中流动的电流。

有限状态机电路块110可以附加地被配置为控制环抑制器电路块122，该环抑制器电路块122被配置为由于相应的相位进入脉冲跳跃模式而被加电。

图2是相位管理电路块108的可能实施方式的示例性电路图，该相位管理电路块108用于生成第二控制信号Vc'并管理两相转换器10的操作状态之间的转变。

如图2中所例示的相位管理电路块108可以包括用于接收第一控制信号Vc的输入节点1080和用于提供第二控制信号Vc'的输出节点1082，其中：

-输出节点1082可以经由电子开关SW1选择性地耦合到输入节点1080，

-输出节点1082可以经由电子开关SW2选择性地耦合到中间节点1084，并且

-电容性组件C(例如，电容器)被耦合在中间节点1084与参考(接地)节点GND之间。

电容器C被配置为：

-借助于电流生成器G1被充电，该电流生成器G1可以经由电子开关SW3选择性地耦合在供电节点Vsupply与中间节点1084之间，以将恒定的参考电流Iref注入到电容器C中；以及

-借助于电流生成器G2被放电，该电流生成器G2可以经由电子开关SW4选择地耦合在中间节点1084与参考(接地)节点之间，以从电容器C吸收恒定的参考电流Iref。

因此，如图2中所例示的电路108的操作可以被总结如下：

-在激活转换器10的次级相的时间段期间，开关SW2和SW3可以被闭合并且开关SW1和SW4可以被断开，从而导致次级控制信号Vc'从0V增加到Vc(其中Vc是转换器10的整个环路的控制电压的稳态值)，并且具有由于电容器10以恒定电流Iref被充电而引起的恒定转换速率的斜坡；

-当次级相的上电转变被终止时(即，当Vc'＝Vc；激活时间段结束时)，开关SW2可以被断开，而开关SW1可以被闭合，从而将输出节点1082耦合到输入节点1080并将整个DC/DC控制回路的主控制电压Vc传播到第二比较器106'；

在次级相的去激活的时间段期间，开关SW2和SW4可以被闭合，而开关SW1和SW3可以被断开，从而导致次级控制信号Vc'从Vc减少到0V，并且具有由于电容器C以恒定电流Iref被放电而引起的恒定转换速率的斜坡；并且

-当次级相的断电转变被终止时(即，当Vc'＝0V；去激活时间段结束时)，开关SW2和SW4可以被保持闭合以维持次级控制信号Vc'＝0V。

备选地，例如在要获得的总值低于系统中可用的参考电流Iref的情况下，可以使用开关电流对电容器C进行充电/放电。可以通过布置电子开关与提供参考电流Iref的电流发生器串联来获得开关电流，该电子开关以一定的占空比D(其中D被包括在0与1之间)交替地被激活和去激活(即分别变为导电和不导电)。因此，开关电流的平均值可以等于Iref*D，因此低于Iref。

如图2中所例示的相位管理电路108可能不允许实现用于转换器10的第二相的上电和断电转变的明确限定的时序，特别是在由于输入电压Vin、输出电压Vout和输出电流的改变而引起的转换器的操作点变化的情况下。

实际上，操作条件的变化可能导致控制电压信号Vc的变化。如图2中所例示的电路可以以与控制信号Vc本身的值成比例的上电和断电时序来操作。因此，在如图2中所例示的电路中，总转变时间可能无法被优化，这可能要求设计权衡，该设计权衡可能导致输出电压调节性能较差、或者输出电流容量请求的变化快速恢复的性能较差。

如图3中所例示的一个或多个实施例可以在这方面提供改进，提供(多个)次级相的上电和断电转变的持续时间，该持续时间与Vc'的恒定转换速率斜坡变化无关，但与可变转换速率斜坡有关。

特别地，在如图3中所例示的一个或多个实施例中，在上电和断电转变期间控制信号Vc'的转换速率可以是控制电压Vc本身的函数(例如，与其成比例)。例如，这可以通过以被生成为控制电压Vc的函数的可变电流对电容器C进行充电和/或放电来获得。

特别地，图3是用于生成作为Vc的函数的充电/放电电流的可能的电路实施方式的示例，但是其他实施方式也是可能的。如图3中所例示的(其中，与图2中所图示的元件和组件类似的元件和组件已经利用相似的附图标记被指示)，在转换器10的次级相的激活期间(即，在开关SW2和SW3被闭合且开关SW1和SW4被断开的情况下)，电容器C可以以被注入到节点1084中的电流I3充电，其中I3的值取决于控制电压Vc的值。

特别地，根据一个或多个实施例的相位管理电路块108可以包括跨导放大器电路布置TA(例如，包括如图3所示布置的运算放大器1086、晶体管M1和电阻器R)，其被配置为电压到电流转换器以生成电流I1，该电流I1是控制电压Vc的值的函数(例如，与Vc成比例：I1＝Vc/R)。由跨导放大器TA生成的电流I1可以借助于包括晶体管M2和M4的电流镜电路布置来被镜像，从而提供电流I3＝n*I1＝n*Vc/R，其中n是取决于晶体管M2和M4的尺寸的镜像因子。

类似地，在转换器10的次级相的去激活期间(即，在开关SW2和SW4被闭合且开关SW1和SW3被断开的情况下)，电容器C可以利用从节点1084吸收的电流I4被放电，电流I4的值取决于控制电压Vc的值。由跨导放大器TA生成的电流I1可以借助于级联的电流镜电路布置(例如，包括晶体管M2，M3的第一电流镜和包括晶体管M5，M6的第二电流镜)被镜像，从而提供电流I4＝m*I1＝m*Vc/R，其中m是取决于晶体管M2，M3，M5和M6的尺寸的镜像因子。

因此，根据图3的一个或多个实施例可以提供与转换器设备10的操作条件无关的上电和断电时序，只要它们可以与控制电压Vc的值无关即可。

例如，在Vc较高的情况下，被生成用于控制Vc'的转换速率的电流(即，I3或I4)可以因此较高，从而补偿要达到的Vc的高值。在Vc较低的情况下，被生成用于控制Vc'的转换速率的电流可以较低，从而补偿要达到的Vc的低值，从而导致不取决于Vc的值的上电和断电时序(分别为t

除了不取决于Vc外，这样的转变时间t

在一个或多个实施例中，转变时间t

再次，应注意的是，图3提供了电路的可能实施方式的非限制性示例，该电路用于生成取决于控制电压Vc的值的充电电流I3和/或放电电流I4，该电流用于提供几乎独立于Vc本身，并且因此几乎独立于转换器设备的操作条件的多相转换器设备的转变时序。备选实施方式是可能的

例如，在一个或多个实施例中，充电电流I3(例如，在晶体管M4中流动)和/或放电电流I4(例如，在晶体管M6中流动)的值可以由数字控制器来设置，该数字控制器被配置为感测控制信号Vc并将充电和放电电流的值选择为其函数。

因此，一个或多个实施例可提供优于现有解决方案的以下优点：

-由于充电/放电电流取决于控制电压Vc(例如与之成比例)，在不同的操作条件下生成固定且恒定的次级相的上电/断电时序的可能性；

-选择上电/断电时序以便避免输出电压的变化和/或电流容量问题的可能性：

i)为了避免输出电压的变化，可以选择足够长的时间以防止输出电压上的纹波现象，

ii)为了提供令人满意的输出电流容量，可以选择足够短的时间以防止转换器在输出电流容量不充足的情况下操作；

本文所述的一个或多个实施例的架构可以提供改进的使用灵活性，并且可以与不同的触发信号一起使用，以管理第二相(或者通常是次级相)的激活和去激活，例如：

-由输出电流传感器(例如，比较器电路)提供的信号，该传感器被配置为根据由应用负载请求的输出电流来管理次级相的激活和去激活，

-由输入电压传感器(例如，比较器电路)提供的信号，该传感器被配置为根据转换器输入电压来管理次级相位，

-由控制电压(Vc)比较器提供的信号，该比较器被配置为根据转换器控制电压来对次级相进行上电或断电，该转换器控制电压取决于转换器的行为，以及

-外部触发信号和/或其他取决于应用的信号。

如本文所例示的，电路(例如108)可以被配置为生成用于多相转换器设备(例如10)的次级开关级控制信号(例如Vc')。该多相转换器设备包括主开关级(例如100)和至少一个次级开关级(例如100')。这样的电路可以包括：

-输入节点(例如，1080)，其被配置为接收用于多相转换器设备的主开关级的控制信号(例如，Vc)，

-输出节点(例如，1082)，其被配置为为多相转换器设备的所述至少一个次级开关级提供所述次级开关级控制信号，

-第一电子开关(例如，SW1)，其被配置为由于所述至少一个次级开关级被激活而将输出节点耦合到输入节点，以及

-第二电子开关(例如，SW2)，被配置为在所述至少一个次级开关级的激活或去激活期间将输出节点耦合到电容性组件(例如，电容器C)。

该电路可以包括：第一电流生成电路，其被配置为生成第一电流(例如，I3)，用于在所述至少一个次级开关级的激活期间选择性地(例如，SW3)对电容性组件进行充电；以及第二电流生成电路，其被配置为生成第二电流(例如，I4)，用于在所述至少一个次级开关级的去激活期间选择性地(例如，SW4)使电容性组件放电。第一电流生成电路和第二电流生成电路可以被配置为根据在输入节点处接收到的所述控制信号来生成所述第一电流和所述第二电流中的至少一个。

如本文中所例示的，第一电流生成电路和第二电流生成电路可以被配置为生成与所述控制信号成比例的所述第一电流和所述第二电流中的所述至少一个。

如本文中所例示的，该电路可以包括：

-跨导放大器布置(例如，TA)，其被耦合到输入节点并且被配置为根据在输入节点处接收到的控制信号来生成控制电流(例如，I1)，

-第一电流镜电路块(例如，M2，M4)，其被配置为镜像所述控制电流以生成所述第一电流，以及

-第二电流镜电路块(例如，M2，M3，M5，M6)，其被配置为镜像所述控制电流以生成所述第二电流。

如本文中所例示的，该电路可以包括数字控制器电路块，该数字控制器电路块被配置为感测所述控制信号并且根据所感测的所述控制信号来设置所述第一电流和所述第二电流中的至少一个的值。

如本文中所例示的，多相转换器设备可以包括可由主控制信号控制的主开关级和可由相应的控制信号控制的至少一个次级开关级，其中所述至少一个次级开关级可被激活以与所述主开关级并联提供电流。该多相转换器设备可以包括根据一个或多个实施例的至少一个电路，该至少一个电路被配置为根据所述主控制信号来生成用于所述至少一个次级开关级的所述控制信号。

如本文中所例示的，多相转换器设备可以包括根据一个或多个实施例的多个次级开关级和多个电路，所述多个电路被配置为生成用于多个次级开关级中的次级开关级的相应的控制信号。

如本文中所例示的，一种操作根据一个或多个实施例的电路或根据一个或多个实施例的多相转换器设备的方法可以包括：

-在所述电路的输入节点处接收用于多相转换器设备的主开关级的控制信号，

-作为所述至少一个次级开关级被激活的结果，将所述电路的输出节点耦合到所述电路的输入节点，

-在所述至少一个次级开关级的激活或去激活期间，将所述电路的输出节点耦合到电容性组件，

-生成用于在所述至少一个次级开关级的激活期间选择性地对电容性组件充电的第一电流和用于在所述至少一个次级开关级的去激活期间选择性地对电容性组件放电的第二电流，以及

-根据在所述电路的输入节点处接收到的所述控制信号来生成所述第一电流和所述第二电流中的至少一个。

在不损害基本原理的情况下，细节和实施例可以相对于仅通过示例的方式已经描述的内容进行变化，甚至显著地变化，而不背离保护的范围。

保护的范围由所附权利要求书限定。

权利要求是本文针对实施例提供的技术教导的组成部分。