[发明专利]具有多个开关转换器的供电系统中的相位偏移的确定

说明书

技术领域

本文的公开内容总体上涉及具有多个电压转换器的供电系统的领域，每个电压转换器被配置为通过以预定频率对开关元件进行开关而将输入电压转换为输出电压，并且更具体地涉及确定这样的供电系统中的电压转换器之间的开关相位的分布。

背景技术

近年来，具有多个开关电压转换器的供电系统的发展已经导致了许多种类的电子装备的性能和效率上的改进。

例如，对于各种应用领域中比以往更快且更复杂的信号和数据处理的需求已经加剧了对于具有多个高性能集成电路(例如，处理器、ASIC和FPGA)的新一代信号处理系统的需要，高性能集成电路的特征在于它们对于多个低供电电压的需要、高电流水平的需求、以及严格的供电电压调节要求。通过多转换器供电系统来满足这些需要，诸如所谓的中间总线架构(IBA)电源，其经由两级电压转换布置从输入功率源提供某个数目的严格调节的电压。

图1是示出了常规IBA电源的示例的示意图。在图1的示例中，IBA功率系统10是两级功率分布网络，其包括连接到输入功率总线30的第一级DC/DC转换器20，输入功率总线30通常处于36-75V、18-36V或18-60V之间的电压V_DCH。IBC20通常以高效形式的开关模式电源(SMPS)来实施，高效形式的开关模式电源(SMPS)可以完全被调节或线路调节以将输入功率总线电压V_DCH转换为中间电压总线(IVB)40上的较低中间总线电压V_IB。第一级DC/DC转换器20经由IVB40连接到某个数目(N)的第二级DC/DC电压转换器50-1至50-N的输入。

在图1的示例中，多个第二级DC/DC电压转换器50-1至50-N中的每个第二级DC/DC电压转换器是非隔离的降压调节器，通常被称作负载点(POL)调节器。一般而言，每个POL调节器可以是被隔离的或者非隔离的。然而，在由IBC20提供隔离的场合，POL调节器优选地全部是非隔离的。每个POL调节器(k)是SMPS，并且通过以决定电压转换比率的开关占空比来对POL中的开关元件(诸如，功率MOSFET)进行开关而向它的负载60-k递送经调节的电压Vout_k。在图1的示例中，POL调节器50-1和50-2向共同负载60-1递送功率(尽管多于两个POL调节器可以向共同负载递送功率)。

尽管IBC20和POL调节器50-1至50-N在图1的示例中是降压调节器，但是它们的拓扑不限于此并且替换地可以是升压、降压-升压等。

在这样的具有多个电压转换器50-1至50-N的供电系统中，转换器50-1至50-N的开关相位可能需要相对于彼此被偏移，以便减少系统中的某些不合意的效应。这些不合意的效应包括IVB40中的大波纹电压以及由于开关脉冲的同步边缘所致的高水平的辐射发射。应当注意，这些问题不是特定于IBA电源的，而是出现在许多利用多个开关电压转换器的其他应用中，诸如电流共享轨道和追踪/定序群组。

所谓的“相位散布(phasespreading)”是一种缓解这些效应的方法。最简单的相位散布的方式是允许电压转换器(在图1的示例中是POL调节器50-1至50-N)根据它们自己内部生成的时钟个体地进行操作。这使开关脉冲边缘在时间上的出现随机化，由此减少了开关脉冲同时发生从而从对电压转换器(即，图1的示例中的IBC20)进行馈电的输入源瞬时汲取高峰值电流的可能性。

更为受控且有效的相位散布的方式牵涉到基于共同时钟信号来控制对电压转换器的开关，并且通过开关时段对电压转换器的相应开关脉冲边缘进行分布。在这种情况下，针对所有的转换器使用单个时钟源并且每个转换器将它的开关相位偏移设置为开关周期的时段T_s内的不同值。例如，在以共用占空比进行操作的三个电压转换器的群组中，可以在转换器之间引入T_s/3的相位偏移。这种类型的相位散布有效地减小了输入波纹电压并且还减小了辐射发射的量值并且增大了辐射发射的频率。

随着这样的供电系统中的电压转换器数目的增加以及对于更高电流的需求变得更为普遍，对于导致最低的可能输入波纹电压的经优化的受控相位散布的存在着日益增长的需要。这不仅仅是一种遍及开关周期的时段等同地分布相位偏移的任务，因为如下文中将解释的，来自每个转换器对输入波纹电压的贡献取决于转换器进行操作的占空比以及它的负载电流。