技术领域
[0001] 本
发明涉及一种降压系统，尤其涉及一种两阶段多相位电源供应系统。
背景技术
[0002]
现有技术中，多相位电源降压系统通过多个
电压转换器进行并联，并进行供应电源的输出动作。此方法虽然能够输出较大瓦数的功率，但却牺牲了轻载时的效率。并且，现有技术所通过的单相位保护机制，也无法使电源转换效率趋于最佳化，更无法在线路异常时，执行有效的保护动作。
发明内容
[0003] 本发明提供一种多相位电源降压系统，可提升电压转换效率。
[0004] 本发明提供的多相位电源降压系统包括多个第一级电压转换器、多个第二级电压转换器以及
控制器，第一级电压转换器为开回路控制，第二级电压转换器为闭回路稳压控制。第一级电压转换器针对输入电压进行转换以产生中继电压。第二级电压转换器针对中继电压进行转换以产生
输出电压。控制器接收第一级电压转换器以及第二级电压转换器的各个相位的输出
电流，并接收输入电压、各个相位的中继电压以及输出电压。控制器依据输出电流以调整被开启的相位数以及平衡输出电流，并依据输入电压、中继电压以及输出电压以稳定输出电源。
[0005] 在本发明的一
实施例中，上述的控制器计算输出电流的总和以获得总电流值，并依据总电流值以设定第一级电压转换器以及第二级电压转换器被开启的相位个数。
[0006] 在本发明的一实施例中，上述的控制器更依据输出电流以执行第一级电压转换器间的输出电流平衡状态，以及执行第二级电压转换器间的输出电流平衡状态。
[0007] 在本发明的一实施例中，上述的控制器更依据输出电流以产生过电流保护
信号，其中包含单相位保护以及全相位保护。
[0008] 在本发明的一实施例中，上述的控制器依据输入电压、中继电压以及输出电压以产生过
电压保护信号。
[0009] 在本发明的一实施例中，上述的控制器更接收第一级电压转换器产生的中继电压的第一相位，以及接收第二级电压转换器产生的输出电压的第二相位，并据第一相位以及第二相位分别产生多个第一
控制信号以及多个第二控制信号，其中，各第一控制信号以及各第二控制信号分别控制中继电压的各第一相位以及输出电压的各第二相位，第一控制信号以及第二控制信号皆为数位脉波宽度调变信号。
[0010] 在本发明的一实施例中，上述的各第一级电压转换器为切换电容式降压器以及同步降压器的其中之一，各第一级电压转换器为切换电容式降压器以及同步降压器的其中之另一。
[0011] 在本发明的一实施例中，上述的切换电容式降压器包括多个第一
开关、多个第二开关、多个开关组以及多个电容。第一开关依据第一控制信号以被导通或断开。第二开关分别与第一开关交错串接于切换电容式降压器的输入端以及输出端间，第二开关依据第二控制信号以被导通或断开。开关组并联耦接于切换电容式降压器的输出端以及参考接地端间，各开关组具有第三开关以及第四开关，第三开关以及第四开关分别依据第一控制信号以及第二控制信号以被导通或断开。其中，第一控制信号与第二控制信号反向。
[0012] 在本发明的一实施例中，上述的切换电容式降压器更包括多个电感。电感分别与电容
串联耦接。
[0013] 在本发明的一实施例中，上述的同步降压器包括控制信号产生器、第一晶体管、第二晶体管以及电感。控制信号产生器产生第一控制信号以及第二控制信号。第一晶体管具有第一端接收第一电压，第一晶体管的控制端接收第一控制信号。第二晶体管具有第一端耦接至第一晶体管的第二端，第二晶体管的控制端接收第二控制信号，第二晶体管的第二端耦接至参考接地端。电感耦接在第一晶体管的第二端以及同步降压器的输出端间。其中，同步降压器的输出端产生第二电压。
[0014] 在本发明的一实施例中，上述的输入电压的电压值大于中继电压的电压值，中继电压的电压值大于输出电压的电压值。
[0015] 在本发明的一实施例中，上述的控制器更检测第一级电压转换器以及第二级电压转换器的多个
温度，并依据温度产生
过热保护信号。
[0016] 在本发明的一实施例中，上述的控制器包括感测信号接收
接口、信号转换器、运算
电路以及记忆装置。感测信号接收接口接收输出电流、输入电压、中继电压以及输出电压。信号转换器耦接感测信号接收接口，用以针对输出电流、输入电压、中继电压以及输出电压执行类比数位转换动作。运算电路耦接信号转换器，针对输出电流、输入电压、中继电压以及输出电压的至少其中之一进行运算，并产生至少一运算结果。记忆装置耦接运算电路。
[0017] 在本发明的一实施例中，上述的控制器更包括
通信接口以及时脉产生器。通信接口用以与外界进行信号传收动作。时脉产生器产生控制器的操作时脉信号。
[0018] 在本发明的一实施例中，上述的中继电压的电压值为输入电压的电压值的1/N，N介于4～8间。
[0019] 在本发明的一实施例中，上述的中继电压的电压值为输出电压的电压值的N倍，N介于2～4间。
[0020] 基于上述，本发明提出多相位电源降压系统，利用不同形式的多个第一级电压转换器以及多个第二级电压转换器以分别形成两个阶层。再通过控制器以检测各阶层间的输入电压、中继电压以及输出电压，并检测各个第一级电压转换器以及各个第二级电压转换器的输出电流。控制器针对输入电压、中继电压、输出电压以及针对输出电流值行运算，并依据运算结果调整各个第一级电压转换器以及各个第二级电压转换器的电压转换动作，提升多相位电源降压系统的安全性以及电压转换效率。
[0021] 为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所
附图式作详细说明如下。
附图说明
[0022] 图1绘示本发明一实施例的多相位电源降压系统的示意图；
[0023] 图2绘示本发明实施例的控制器动作方式的示意图；
[0024] 图3绘示本发明另一实施例的多相位电源降压系统的示意图；
[0025] 图4A及图4B绘示切换电容式降压器的实施方式示意图；
[0026] 图5绘示同步降压器的实施方式示意图；
[0027] 图6绘示本发明实施例的控制器的实施方式示意图；
[0028] 图7绘示本发明实施例的多相位电源降压系统的启动程序
流程图。
[0029] 符号说明：
[0030] 100、300：多相位电源降压系统；
[0031] 111～11N：第一级电压转换器；
[0032] 121～12M：第二级电压转换器；
[0033] 130、330：控制器；
[0034] 311～312：同步降压器；
[0035] 321～322：切换电容式降压器；
[0036] S1：第一阶层；
[0037] S2：第二阶层；
[0038] VIN：输入电压；
[0039] VMID：中继电压；
[0040] VOUT：输出电压；
[0041] I1、I2、I3：输出电流；
[0042] S211～S251：步骤；
[0043] T1～T10、T51、T52：晶体管；
[0044] C1、C2、C3、CA、CB：电容；
[0045] IT：输入端；
[0046] OT：输出端；
[0047] CT1、CT2：控制信号；
[0048] GND：参考接地端；
[0049] L1、L2、L3：电感；
[0050] V1、V2：电压；
[0051] 600：控制器；
[0052] 610：感测信号接收接口；
[0053] 620：信号转换器；
[0054] 630：运算电路；
[0055] 640：记忆装置；
[0056] 650：通信接口；
[0057] 660：时脉产生器；
[0058] PSX：保护信号；
[0059] CTX：控制信号；
[0060] S710～S760：步骤。
具体实施方式
[0061] 请参照图1，图1绘示本发明一实施例的多相位电源降压系统的示意图。多相位电源降压系统100包括多个第一级电压转换器111～11N、多个第二级电压转换器121～12M以及控制器130。第一级电压转换器111～11N相互并联耦接，并形成第一阶层S1的电压转换器。第一级电压转换器111～11N共同接收输入电压VIN，并针对输入电压VIN以进行转换以产生中继电压VMID。多个第二级电压转换器121～12M相互并联耦接，并形成第二阶层S2的电压转换器。第二级电压转换器121～12M共同接收中继电压VMID，并针对中继电压VMID进行转换以产生输出电压VOUT。第一级电压转换器111～11N用以分别产生中继电压MID的多个相位，第二级电压转换器121～12M用以分别产生输出电压VOUT的多个相位，且第一级电压转换器111～11N以及第二级电压转换器121～12M分别产生多个相位的输出电流。
[0062] 控制器130耦接第一级电压转换器111～11N以及第二级电压转换器121～12M。控制器130可感测第一级电压转换器111～11N以及第二级电压转换器121～12M的多个输出电流，控制器130并可感测输入电压VIN、中继电压VMID以及输出电压VOUT。控制器130针对第一级电压转换器111～11N以及第二级电压转换器121～12M的多个输出电流进行运算，并依据运算结果来调整各个第一级电压转换器111～11N以及各个第二级电压转换器121～12M所产生的输出电流。另外，控制器130可针对输入电压VIN、中继电压VMID以及输出电压VOUT进行运算，并依据运算结果来控制各个第一级电压转换器111～11N以及各个第二级电压转换器121～12M的电压转换动作。其中，第一级电压转换器111～11N可以为开回路控制的电压转换器，第二级电压转换器121～12M可以为闭回路稳压控制的电压转换器。
[0063] 控制器130可依据中继电压VMID及/或输出电压VOUT的大小，来启动过电压保护动作。其中，控制器130可判断中继电压VMID是否大于预设的一第一临界电压值，并在中继电压VMID大于预设的第一临界电压值时，产生一过电压保护信号，以针对第一级电压转换器111～11N启动过电压保护机制。另外，控制器130可判断输出电压VOUT是否大于预设的一第二临界电压值，并在输出电压VOUT大于预设的第二临界电压值时，产生另一过电压保护信号，以针对第二级电压转换器121～12M启动过电压保护机制。
[0064] 在本实施例中，第一级电压转换器111～11N与第二级电压转换器121～12M可以为不同类型的电压转换器。并且，第一级电压转换器111～11N与第二级电压转换器121～12M可以皆为降压式的电压转换器。也就是说，在本实施例中，输入电压VIN大于中继电压VMID，且中继电压VMID大于输出电压VOUT。
[0065] 在另一方面，在本实施例中，控制器130也可针对所有的第一级电压转换器111～11N与第二级电压转换器121～12M所分别产生的中继电压VMID的多个相位以及输出电压VOUT的多个相位进行检测。控制器130并可依据所获得的中继电压VMID的多个相位以及输出电压VOUT的多个相位，来分别产生多个控制信号，以通过控制信号来控制第一级电压转换器111～11N与第二级电压转换器121～12M的电压转换动作。控制器130可依据输入电压VIN、中继电压VMID以及输出电压VOUT以稳定所产生的输出电源。
[0066] 值得一提的，通过控制器130中的
固件制法的设定，可使第一级电压转换器111～11N被组态
化成第一阶层S1以及第二阶层S2的其中之一，并组态化第二级电压转换器121～
12M成第一阶层S1以及第二阶层S2的其中之另一。也就是说，第一阶层S1以及第二阶层S2中的
硬件架构是可以通过固件制法的设定来互相切换的。
[0067] 关于输出电流的检测动作，细节上来说明，请同步参照图1以及图2，其中图2绘示本发明实施例的控制器动作方式的示意图。控制器130可接收不同的第一级电压转换器111～11N或第二级电压转换器121～12M所产生的多个相位的输出电流，例如分别为第一输出电流I1、第二输出电流I2以及第三输出电流I3。控制器130并分别针对第一输出电流I1、第二输出电流I2以及第三输出电流I3执行步骤S212、S222以及S232以进行电流检测，并依据第一输出电流I1、第二输出电流I2以及第三输出电流I3的大小，来分别判定是否须执行步骤S211、S221以及S231以执行过电流保护。举例来说明，控制器130可使第一输出电流I1与一第一预设临界值进行比较，并在当第一输出电流I1大于第一预设临界值时执行步骤S211以产生一过电流保护信号，并据以执行过电流保护，使产生第一输出电流I1的电压转换器的动作停止，或调降电压转换器所产生的输出电流。上述的过电流保护动作，可针对各个第一级电压转换器111～11N或第二级电压转换器121～12M来执行，也可针对第一级电压转换器111～11N或第二级电压转换器121～12M整体来执行。也就是说，控制器130可用以进行单相位保护动作及全相位保护动作的至少其中之一。
[0068] 在另一方面，控制器130可通过步骤S212、S222以及S232的电流检测动作，来得知各相位的第一级电压转换器111～11N或第二级电压转换器121～12M的输出电流的状态，并藉以调整被开启的相位数(第一级电压转换器111～11N及第二级电压转换器121～12M中被开启的个数)，以及进行输出电流的相位平衡动作。
[0069] 另外，控制器130并通过步骤S241以计算出第一级电压转换器111～11N以及第二级电压转换器121～12M的输出电流的总电流值。并通过使总电流值与一第二预设临界值进行比较，以决定是否执行步骤S251以启动过电流保护。其中，当控制器130判断出总电流值大于第二预设临界值时，可启动步骤S251的过电流保护动作。控制器130可通过关闭部分的或全部的第一级电压转换器111～11N以及第二级电压转换器121～12M来执行步骤S251的过电流保护动作，或者，控制器130可通过调降部分的或全部的第一级电压转换器111～11N以及第二级电压转换器121～12M的输出电流来执行步骤S251的过电流保护动作。
[0070] 在另一方面，在当总电流值未大于第二预设临界值，但大于或小于一需求值时，控制器130可执行步骤S242以启动相位电流控制信息，并依据相位电流控制信息来增加或减少第一级电压转换器111～11N以及第二级电压转换器121～12M中，被开启的数量。在当总电流值大于需求值时，控制器130可依据相位电流控制信息来减少第一级电压转换器111～11N以及第二级电压转换器121～12M中被开启的数量，相对的，在当总电流值小于需求值时，控制器130可依据相位电流控制信息来增加第一级电压转换器111～11N以及第二级电压转换器121～12M中被开启的数量。
[0071] 值得一提的，相位电流控制信息可记录第一级电压转换器111～11N以及第二级电压转换器121～12M的被开启的数量与可能产生的总电流值的关系。其中，控制器130可依据输出电流的需求值，通过查找相位电流控制信息以调控(增加或减少)第一级电压转换器111～11N以及第二级电压转换器121～12M的被开启的相位个数(步骤S243)。
[0072] 相位电流控制信息可储存在记忆装置中，记忆体可设置在控制器130中，或以外挂的方式与控制器130相耦接，没有特定的限制。
[0073] 附带一提的，为进一步提升多相位电源降压系统100的安全性以及电压转换效率，本发明实施例更可设置温度感测器，以针对第一级电压转换器111～11N以及第二级电压转换器121～12M工作中的温度进行感测动作。控制器则可依据所检测的多个温度，来对第一级电压转换器111～11N以及第二级电压转换器121～12M执行过温保护动作。具体来说明，当第一级电压转换器111～11N以及第二级电压转换器121～12M中的至少其中之一的温度大于预设的一温度临界值时，控制器130可产生过温保护信号，并停止发生过温现象的电压转换器的电压转换动作。
[0074] 请参照图3，图3绘示本发明另一实施例的多相位电源降压系统的示意图。多相位电源降压系统300包括多个同步降压器311～312、多个切换电容式降压器321～322以及控制器330。同步降压器311～312可构成第一阶层的电压转换器，切换电容式降压器321～322则可构成第二阶层的电压转换器。同步降压器311～312接收输入电压VIN，并依据控制器330所提供的控制信号以执行电压转换动作，并藉以产生中继电压VMID。切换电容式降压器
321～322则接收中继电压VMID，并依据控制器330所提供的控制信号以执行电压转换动作，并藉以产生输出电压VOUT。
[0075] 在本实施例中，控制器330可通过所产生的控制信号，来操作各个同步降压器311～312、切换电容式降压器321～322的电压转换动作，并藉以调整各个同步降压器311～312、切换电容式降压器321～322所产生的电压及/或输出电流。控制器330并可通过所产生的控制信号，来关闭或启动各个同步降压器311～312、切换电容式降压器321～322的电压转换动作，并产生输出电压VOUT。
[0076] 在本发明其他实施例中，第一阶层的电压转换器也可以由切换电容式降压器321～322来建构，第二阶层的电压转换器则也可以由同步降压器311～312来建构。并且，在本发明实施例中，可通过控制器330中的固件制法来执行第一阶层以及第二阶层中的电压转换器的切换动作。
[0077] 在本实施例中，在低输出电压VOUT的应用范例中，以输入电压VIN为36V～60V为例，中继电压VMID的电压值可以设为输入电压VIN的电压值的1/N，N介于4～8间。在固定输出电压VOUT(例如为12V)的应用范例中，以输入电压VIN为36V～60V为例，中继电压VMID的电压值为输出电压VOUT的电压值的N倍，N介于2～4间。
[0078] 关于切换电容式降压器以及同步降压器的硬件架构，请分别参照图4A及图4B绘示的切换电容式降压器的实施方式示意图，以及图5绘示的同步降压器的实施方式示意图。请先参照图4A，切换电容式降压器410包括由晶体管T1、T3构成的多个第一开关、由晶体管T2、T4构成的第二开关、开关组411～413以及电容C1、C2、C3以及CA。作为第一开关的晶体管T1、T3以及作为第二开关的晶体管T3、T4交错耦接在切换电容式降压器410的输入端IT以及输出端OT间。其中，切换电容式降压器410的输入端IT接收电压V1，切换电容式降压器410的输出端OT产生电压V2。当切换电容式降压器410设置为第一阶层的电压转换器时，电压V1可以为输入电压，电压V2则可以为中继电压。在当切换电容式降压器410设置为第二阶层的电压转换器时，电压V1可以为中继电压，电压V2则可以为输出电压。
[0079] 此外，作为第一开关的晶体管T1、T3接收第一控制信号CT1，并依据第一控制信号CT1以被导通或断开。作为第二开关的晶体管T2、T4接收第二控制信号CT2，并依据第二控制信号CT2以被导通或断开。
[0080] 开关组411～413耦接在切换电容式降压器410的输出端OT以及参考接地端GND间。各个开关组411～413具有两个晶体管所构成的第三开关以及第四开关。在本实施例中，开关组411具有由晶体管T5、T6分别构成的第三开关以及第四开关；开关组412具有由晶体管T8、T7分别构成的第三开关以及第四开关；开关组413具有由晶体管T9、T10分别构成的第三开关以及第四开关。其中，由晶体管T5、T8以及T9构成的第三开关接收控制信号CT1并依据控制信号CT1以被导通或断开。由晶体管T6、T7以及T10构成的第四开关接收控制信号CT2并依据控制信号CT2以被导通或断开。
[0081] 在另一方面，电容C1的一端耦接至晶体管T1、T2的耦接端点，电容C1的另一端耦接至晶体管T5、T6的耦接端点。电容C2的一端耦接至晶体管T2、T3的耦接端点，电容C2的另一端耦接至晶体管T7、T8的耦接端点。电容C3的一端耦接至晶体管T3、T4的耦接端点，电容C3的另一端耦接至晶体管T9、T10的耦接端点。另外，电容CA为稳压电容，耦接在切换电容式降压器410的输出端OT以及参考接地端GND间。
[0082] 在本实施例中，控制信号CT1以及CT2反向，且晶体管T1～T10的型态相同。控制信号CT1以及CT2为数位脉波宽度调变信号，并可交替进行切换。通过责任周期(duty cycle)为50-50，且交替切换的控制信号CT1以及CT2，切换电容式降压器410可产生的电压V1的电压值为电压V2的电压值的1/4。
[0083] 在图4B中，与前述实施例不相同的，切换电容式降压器420更包括电感L1以及L2。电感L1以及L2分别与电容C1串联耦接，此时电流
波形会为弦波，有效抑制突波电流。
[0084] 在图5中，同步降压器500包括晶体管T51、T52以及电感L3。晶体管T51的第一端接收电压V1，晶体管T51的控制端接收第一控制信号CT1，晶体管T51的第二端耦接至晶体管T52的第一端。晶体管T52的控制端接收第二控制信号CT2，晶体管T52的第二端耦接至参考接地端GND。电感L3的一端耦接至晶体管T51的第二端，电感L3的另一端产生电压V2。其中，当同步降压器500设置为第一阶层的电压转换器时，电压V1可以为输入电压，电压V2则可以为中继电压。在当同步降压器500设置为第二阶层的电压转换器时，电压V1可以为中继电压，电压V2则可以为输出电压。电容CB为稳压电容，耦接在同步降压器500的输出端以及参考接地端GND间。
[0085] 以下请参照图6，图6绘示本发明实施例的控制器的实施方式示意图。控制器600包括感测信号接收接口610、信号转换器620、运算电路630、记忆装置640、通信接口650以及时脉产生器660。感测信号接收接口610接收输出电流、输入电压、中继电压以及输出电压，并可接收感测到的电压转换器的温度等相关感测信息。信号转换器620可针对感测信号接收接口610接收到的信息进行信号格式转换(例如类比转数位转换)，并提供数位格式的信号至运算电路630。运算电路630可以为数位
信号处理(digital signal processor,DSP)电路，可针对所接收到的输出电流、输入电压、中继电压以及输出电压等相关信息进行运算，并产生一个或多个保护信号PSX或控制信号CTX。记忆装置640可包括任意形式的记忆体，可用以储存运算电路630执行运算动作的相关信息，也可用以储存相位电流控制信息。其中，相位电流控制信息可以通过针对记忆装置640执行程式化的动作来进行写入，以新增或更新相位电流控制信息。
[0086] 此外，控制器600另包括通信装置650以与外界进行信息沟通，通信装置650可以为本领域普通人员所熟知的任意形式的通信装置。此外，时脉产生器660用以产生控制器600的一操作时脉信号。时脉产生器660可通过一基频震荡器以产生一基频信号，再藉由
锁相回路电路来对基频信号进行倍频，以产生操作时脉信号。
[0087] 请参照图7，图7绘示本发明实施例的多相位电源降压系统的启动程序流程图。在步骤S710中，多相位电源降压系统接收输入电压，接着，在步骤S720中，使多相位电源降压系统被启动。在步骤S730中，使相位电源供应器中的第一阶层电路进行软启动，并在一第一固定时间区间中，判断中继电压是否上升至大于一第一参考电压值。在当中继电压上升至大于第一参考电压值时，执行步骤S740以使相位电源供应器中的第二阶层电路进行软启动。相对的，若中继电压在第一固定时间区间中无法上升至大于第一参考电压时，则执行步骤S760以执行电源关闭的动作。
[0088] 在当第二阶层电路进行软启动时，则在一第二固定时间区间中，判断输出电压是否上升至大于一第二参考电压值，若输出电压可上升至大于第二参考电压值时，则提供输出电压(步骤S750)，相对的，若在第二固定时间区间中，判断输出电压无法上升至大于第二参考电压值时，则执行步骤S760以执行电源关闭的动作。
[0089] 综上所述，本发明提出一种多相位电源降压系统，并通过控制器来感测多个电压转换器输出电流、输入电压、中继电压以及输出电压。依据针对输出电流、输入电压、中继电压以及输出电压执行运算，来调整各电压转换器的电压转换动作。并且，本发明实施例的控制器可针对多相位电源降压系统的实际使用状态来针对各个电压转换器进行调整可提高电源供应器的电压转换效率，并提高使用上的安全性。
[0090] 虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视前附的
权利要求书所界定者为准。
