用于谐振开关电容变换器（SCC）的优化运行的数字零电流切换锁相控制器IC制造技术

一种用于谐振式变换器的数字锁相控制器，所述谐振式变换器具有一个或多个子电路，所述子电路具有谐振槽路和跨接所述谐振槽路的一个或多个飞跨电容，所述数字锁相控制器包括：自动调谐器，其接收零电流检测(ZCD)信号作为输入，并通过执行确保所述变换器中所有谐振槽路的零电流切换(ZCS)运行的算术运算来实现调谐算法；数字混合高分辨率(HR)定序器，其接收切换时间命令作为输入，并生成馈入所述变换器的开关晶体管的栅极的脉宽调制信号；采样块，其具有单个延迟元件的时间分辨率，用于准确读取ZCD传感器的输出；调控器模块，其用于基于辅助配置而执行所有同步动作并指示所述控制器的运行模式。的运行模式。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于谐振开关电容变换器(SCC)的优化运行的数字零电流切换锁相控制器IC


[0001]本专利技术涉及谐振式变换器领域。更具体地，本专利技术涉及用于优化谐振开关电容变换器(RSCC)的运行的数字零电流切换锁相控制器。

技术介绍

[0002]过去二十年中一直对开关电容变换器(SCC)进行探索，其在数据中心和其他云计算相关应用的电源管理中发挥着主导作用。鉴于电力输送结构的标准化进程正在加快，而这一进程受领先地位的开放计算项目(OCP)联合体的影响较大，因而一个应用立场得以确立，即有必要以极高的效率和非常高的功率密度将电压轨从48V降至12V，在该立场上，SCC技术及其衍生产品明显优于基于电感的替代产品。
[0003]功率密度和转换效率在数据中心应用中非常重要，能够最大限度地提高单位体积的计算能力。这一要求对将电平从48V转换至12V提出了极其严格的性能要求，因此不会进一步降低整体解决方案的吸引力。由于该应用需要固定的转换率，因此SCC技术是一个极具吸引力的候选方案。在中等功率水平下，SCC的峰值效率已被广泛证实超过98％。最近已公布了用于数据中心应用的基于谐振开关电容的电源变换器(RSCC)的结果，结果表明在200W左右时的峰值效率为98.5％。
[0004]一般情况下，切换频率相对于变换器谐振条件的精度是促进RSCC高效功率转换的主要因素。在每个切换状态的导通时间与谐振器周期的一半完全匹配的情况下，可以实现电荷最优转移，从而最大限度地减少切换状态之间的死区时间。这样，飞跨电容的电荷在每个周期都得到了充分利用。输出电荷转移更频繁的变换器拓扑结构固有地引入了更低的等效电阻。因此，这些拓扑结构可能比具有基本充放电模式的拓扑结构更有效。
[0005]对于包含多个切换状态以完成充电周期的拓扑结构或对于具有多个谐振器的配置，充分利用每个飞跨电容的电荷，每个周期都会给电路控制器引入复杂性。由于每个状态的传导路径都不同，而这会改变谐振周期，因此每个切换状态(在某些应用中，每个单独的开关)都需要飞跨电容电流的准确过零信息和特定的时序设置。每个子电路的谐振参数作为元件上的应力、负载工况、设计的物理布局以及随温度和时间的漂移的函数而变化。此外，还应考虑元件变化及电流过零检测(ZCD)电路精度的时序参数。
[0006]因此，本专利技术的目的是提供一种用于优化谐振开关电容变换器(SCC)的运行的数字零电流切换锁相控制器。
[0007]本专利技术的另一个目的是提供一种控制器，该控制器基于获得ZCD信息，能够即时识别出每个子电路的谐振周期，并锁定到正确的切换时间。
[0008]本专利技术的再一个目的是提供一种能够自动补偿电路的任何变化的控制器。
[0009]随着描述的进行，本专利技术的其他目的和优点将变得显而易见。

技术实现思路

[0010]一种用于谐振式变换器的数字锁相控制器，该谐振式变换器具有一个或多个子电路，所述子电路具有谐振槽路和跨接谐振槽路的一个或多个飞跨电容，该数字锁相控制器包括：
[0011]a.自动调谐器，其接收零电流检测(ZCD)信号作为输入，并通过执行确保变换器中所有谐振槽路的零电流切换(ZCS)运行的算术运算来实现调谐算法；
[0012]b.数字混合高分辨率(HR)定序器，其接收切换时间命令作为输入，并生成馈入变换器的开关晶体管的栅极的脉宽调制信号；
[0013]c.采样块，其具有单个延迟元件的时间分辨率，用于准确读取ZCD传感器的输出；和
[0014]d.调控器模块，其用于基于辅助配置而执行所有同步动作并指示控制器的运行模式。
[0015]谐振式变换器可以是谐振开关电容变换器(RSCC)。
[0016]可以针对单级或多级RSCC拓扑结构获得完全ZCS运行。
[0017]每个子电路的谐振周期都可以被即时识别并锁定到正确的切换时间，以充分利用针对每个飞跨电容的电荷转移速率。
[0018]每个子电路的切换时间都可被即时修改，以补偿由于温度或老化引起的无源元件的值的任何变化。
[0019]控制器具有基于全数字标准单元的架构，该全数字标准单元具有单个供应域，无需修改，以使用通用数字流程序进行设计。
[0020]该架构的实现可以基于异步硬件和组合电路，以消除定时和高速同步所需的复杂且耗电的硬件。
[0021]自动调谐器可以适于通过接收ZCD信号作为输入并输出以下辅助信号来调谐每个子电路的切换时间：
[0022]a.表示RSCC的每个子电路的切换时间的数字字(digitalword)，其中，该数字字的MSB对应于具有系统时钟切换周期的时间分辨率的RSCC晶体管的驱动信号的粗部分，并且该数字字的LSB表示具有等于单个延迟元件的延迟的时间分辨率的驱动信号的细部分；和
[0023]b.指示控制器的锁相状态的数字信号：
[0024]i.启动过程中的固有延迟计算；
[0025]ii.每个子电路的正确切换时间的锁定；
[0026]iii.一个或多个子电路的锁相过程的进程。
[0027]每个谐振槽路的谐振特性的锁相过程可以包括：
[0028]a.根据用户可配置的门控命令进行操作，无需补偿预定数量的切换周期；
[0029]b.计算控制器与变换器的晶体管之间的固有延迟；
[0030]c.对ZCD传感器进行采样以获得每个谐振槽路的切换状态(早切换或晚切换)；
[0031]d.基于获得的变换器的切换状态计算误差信号；
[0032]e.通过以下方式修改每个谐振槽路的切换周期的持续时间：
[0033]f.在获得早切换的情况下增加持续时间；或者
[0034]g.在获得晚切换的情况下减少持续时间；
[0035]h.基于上述步骤e的结果计算变换器的切换周期；
[0036]i.更新每个谐振槽路的门控命令；以及
[0037]j.重复上述步骤c至f直至控制器被禁用。
[0038]自动调谐器可以包括：
[0039]a.数字补偿单元，用于估计已采样的ZCD信号并判定所需的对切换时间的修改；
[0040]b.数字低通滤波器(LPF)，用于对噪声变化和ZCD传感器的不准确读数做平滑处理；和
[0041]c.数字逻辑块，用于在被锁定时产生控制器锁相状态的数字表示。
[0042]HR定序器可以适用于：
[0043]a.接收每个子电路的切换时间和用户可配置的死区时间作为输入；
[0044]b.将具有单个延迟元件的时间分辨率的驱动信号输出到RSCC晶体管。
[0045]HR定序器可以包括：
[0046]a.基于数字计数器的粗计数块，其在内部时钟频率下运行；
[0047]b.逻辑块，适于：
[0048]b.1.接收表示每个子电路的切换时间的比特的第一部分作为输入；
[0049]b.2.通过计数器
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比较器电路生成时间分辨率等于系统内部时钟周期的时基信号；和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于谐振式变换器的数字锁相控制器，所述谐振式变换器具有一个或多个子电路，所述子电路具有谐振槽路和跨接所述谐振槽路的一个或多个飞跨电容，所述数字锁相控制器包括：a.自动调谐器，其接收零电流检测(ZCD)信号作为输入，并通过执行确保所述变换器中所有谐振槽路的零电流切换(ZCS)运行的算术运算来实现调谐算法；b.数字混合高分辨率(HR)定序器，其接收切换时间命令作为输入，并生成馈入所述变换器的开关晶体管的栅极的脉宽调制信号；c.采样块，其具有单个延迟元件的时间分辨率，用于准确读取ZCD传感器的输出；和d.调控器模块，其用于基于辅助配置而执行所有同步动作并指示所述控制器的运行模式。2.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述谐振式变换器为谐振开关电容变换器(RSCC)。3.根据权利要求1所述的控制器，其中，针对单级或多级RSCC拓扑结构获得完全ZCS运行。4.根据权利要求1所述的控制器，其中，每个子电路的谐振周期都被即时识别并锁定到正确的切换时间，以充分利用针对每个飞跨电容的电荷转移速率。5.根据权利要求1所述的控制器，其中，每个子电路的切换时间都被即时修改，以补偿由于温度或老化引起的无源元件的值的任何变化。6.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述控制器具有基于全数字标准单元的架构，所述全数字标准单元具有单个供应域，无需修改，以使用通用数字流程序进行设计。7.根据权利要求6所述的控制器，其中，所述架构的实现基于异步硬件和组合电路，以消除定时和高速同步所需的复杂且耗电的硬件。8.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述自动调谐器适于通过接收ZCD信号作为输入并输出以下辅助信号来调谐每个子电路的切换时间：c.表示RSCC的每个子电路的切换时间的数字字，其中，所述数字字的MSB对应于具有系统时钟切换周期的时间分辨率的RSCC晶体管的驱动信号的粗部分，并且所述数字字的LSB表示具有等于单个延迟元件的延迟的时间分辨率的驱动信号的细部分；和d.指示所述控制器的锁相状态的数字信号：i.启动过程中的固有延迟计算；ii.每个子电路的正确切换时间的锁定；iii.一个或多个子电路的锁相过程的进程。9.根据权利要求8所述的控制器，其中，每个谐振槽路的谐振特性的锁相过程包括：a.根据用户可配置的门控命令进行操作，无需补偿预定数量的切换周期；b.计算所述控制器与所述变换器的晶体管之间的固有延迟；c.对ZCD传感器进行采样以获得每个谐振槽路的切换状态(早切换或晚切换)；d.基于获得的所述变换器的切换状态计算误差信号；e.通过以下方式修改每个谐振槽路的切换周期的持续时间：i.在获得早切换的情况下增加持续时间；或者ii.在获得晚切换的情况下减少持续时间；
f.基于上述步骤e的结果计算变换器的切换周期；g.更新每个谐振槽路的门控命令；以及h.重复上述步骤c至f直至所述控制器被禁用。10.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述自动调谐器包括：a.数字补偿单元，用于估计已采样的ZCD信号并判定所需的对切换时间的修改；b.数字低通滤波器(LPF)，用于对噪声变化和ZCD传感器的不准确读数做平滑处理；和c.数字逻辑块，用于在被锁定时产生控制器锁相状态的数字表示。11.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述HR定序器适于：a.接收每个子电路的切换时间和用户可配置的死区时间作为输入；b.将具有单个延迟元件的时间分辨率的驱动信号输出到RSCC晶体管。12.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述HR定序器包括：a.基于数字计数器的粗计数块，其在内部时钟频率下运行；b.逻辑块，适于：b.1.接收表示每个子电路的切换时间的比特的第一部分作为输入；b.2.通过计数器
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比较器电路生成时间分辨率等于系统内部时钟周期的时基信号；和c.细调块，其包括由每个子电路的延迟线和多路复用器的组合所组成的电路，所述细调块适于：c.1.从所述逻辑块接收表示切换时间和基于计数器的信号的比特的LSB部分作为输入；和c.2.生成以单个延迟元件的时间分辨率控制RSCC晶体管的栅极的脉宽调制信号。13.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述采样块包括：a.组合的延迟线多路复用器单元；b.计数器
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比较器逻辑块；所述采样块适于：c.接收以下项作为输入：c.1.辅助采样配置；c.2.数字字，其表示HR定序器与RSCC晶体管的导通之间的固有延迟；和d.产生ZCD传感器的有效读数。14.根据权利要求13所述的采样块，其中，采样操作能够执行为：a.同步程序，其通过以下方式来利用系统的内部时钟：由所述控制器的关断命令以内部时钟频率对ZCD传感器连续采样直至应用死区时间结束，并处理采样样本以获取所述变换器的切换状态；和b.异步程序，其将系统的内部时钟和基于延迟线的模块相结合，用于以单个延迟元件的时间分辨率进行高分辨率采样，其中，使用单个采样操作，基于启动时的所估计的固有延迟准确获取所述变换器的切换状态，其中，一旦死区时间周期结束，所述采样块就向所述自动调谐器提供ZCD传感器的有效读数。15.根据权利要求13所述的采样块，其中，所述控制器的输出与所述RSCC晶体管的...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：内盖夫本古里安大学技术与应用有限公司，
类型：发明
国别省市：