一种非对称可重构多相电源制造技术

本发明专利技术公开了一种非对称可重构多相电源，由多组6相主相与2相可共享辅助相结合，具体包括至少2个主相降压变换器及1个辅助相降压变换器，主相辅助相降压变换器分别包括6相降压变换器和2相降压变换器，多相电源包括可重构通路开关、可重构通路开关控制电路及高动态非线性闭环控制电路，高动态非线性闭环控制电路采样每相电感电流和输出电压，产生含有占空比信息的PWM脉冲信号并用于控制主相和辅助相的输出电压；辅助相通过所述可重构通路开关耦合到对应的负载；可重构通路开关控制电路采用3个周期的状态机控制可重构通路开关，即：可重构通路开关断开负载切载后负载对应的可重构通路开关导通及切载完成后进入断开可重构通路开关。路开关。路开关。

【技术实现步骤摘要】
一种非对称可重构多相电源


[0001]本专利技术涉及开关电源，尤其涉及一种非对称可重构多相电源。

技术介绍

[0002]开关电源作为各类用电设备的电源，是用半导体功率器件作为开关，将未调整的交流或直流输入电压变换为调整后的交流或直流输出电压的电路。随着5G数据通信，人工智能，高性能运算与大数据分析等技术的发展，CPU和AI芯片需要更强大的运算力，势必会导致芯片功耗和电流成倍的上升，低电压大电流达1V/1000A级供电将成为常态。这对电压调节模块(Voltage Regulator Module，VRM)提出了巨大挑战：不仅需要具有宽负载电流范围工作的能力，还需要有快速的负载瞬态响应。对于低电压和大电流的应用，多相降压变换器是首选的架构，与单相变换器相比，它减少了每相的电流应力，同时通过消除纹波减小了输出电容的尺寸。更精确的输出电压调节、更快速的响应时间也是当前VRM设计的主要考虑因素。目前有很多专注于改善电源在负载切换时的动态特性的研究，其中包括时间最优控制(TOC)等对控制方式的优化以及非对称多相变换器等辅助电路的设计。
[0003]非对称结构的多相变换器具有N个正常模式相和M个辅助模式相。与传统对称多相降压变换器采用多相均流，每相电感值必须相同不一样，非对称结构的辅助模式相可以采用更高的开关频率和更小的电感，动态时能够快速响应电流变化，减少动态跌落。同时正常模式相的大电感以及中低频开关保证了稳态时电路的稳定性和高能效。非对称结构中的辅助模式相可以看作一种电压变换器型的辅助电路，除此之外还可以通过电阻、电感或者开关等结构作为辅助路径来补偿瞬态时输出电容的电荷不平衡，从而减少瞬态时间和输出电压的过调或欠调现象。
[0004]然而这些研究主要集中于优化单个VRM的动态响应，在实际应用中需要辅助模块来辅助的系统通常由多个处理器组成，为每个VRM部署辅助电路也可能会增加成本并占用更多主板空间。由此提出了一种非对称可重构多相电源架构及控制算法，通过辅助降压变换器向负载提供和吸收能量，改善电源的动态响应，可重构通路开关在不同负载间切换，控制辅助降压变换器复用于多个主相，降低成本并节省布局面积。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：为克服现有技术的局限以及不足，本专利技术提出一种非对称可重构多相电源，以降压变换器作为典型应用，该拓扑结构提出的辅助降压变换器可以在瞬态期间灵活连接到任何VRM，以提高动态响应，节约成本与空间。
[0006]技术方案：
[0007]一种非对称可重构多相电源，包括主相降压变换器及辅助相降压变换器，所述主相降压变换器包括6相降压变换器，辅助相降压变换器包括2相降压变换器，所述主相降压变换器至少有2个，辅助相降压变换器为1个，所述多相电源还包括可重构通路开关、可重构通路开关控制电路及高动态非线性闭环控制电路，高动态非线性闭环控制电路采样每相电
感电流和输出电压，产生含有占空比信息的PWM脉冲信号并用于控制主相和辅助相的输出电压；辅助相通过所述可重构通路开关耦合到对应的负载；所述可重构通路开关控制电路采用3个周期的状态机控制可重构通路开关，所述3个周期为S0周期、S1周期和S2周期，在S0周期，系统处于稳态，所有可重构通路开关断开；当负载切载信号发出后，进入S1周期，负载对应的可重构通路开关导通，所述辅助相降压变换器通过与导通的可重构通路开关连接于相应的主相降压变换器，并将输出电压采样点由近端电容处切换到远端负载处，所述辅助相降压变换器与主相降压变换器共同向负载供电以改善动态响应速度；切载完成后进入S2周期，输出电压采样点由远端负载处切换到近端电容处，待近端电容处电压稳定后回到S0周期，断开所述可重构通路开关。
[0008]有益效果：
[0009]1.本专利技术采用的非对称可重构多相电源架构，可重构通路开关由负载信息控制，在多处理器电源应用中可以灵活连接到任何VRM，不需要为每个VRM部署辅助电路，从而降低成本，减少电路体积，具有很高的泛用性。
[0010]2.本专利技术采用的非对称可重构多相电源架构，以降压变换器作为典型应用，相比于传统对称多相变换器，辅助相降压变换器在动态时可以协助主相共同向负载供电，改善了动态响应速度和输出电压的过调或欠调。
[0011]3.本专利技术采用的非对称可重构多相电源架构，辅助相降压变换器和可重构通路开关可以独立运行，对主相VRM没有要求，具有很高的兼容性。
附图说明
[0012]图1是本专利技术系统框图；
[0013]图2是非对称可重构多相电源电路原理图；
[0014]图3是可重构通路开关控制电路的具体实施方式图；
[0015]图4是可重构通路开关控制的状态机示意图，其中，(a)为波形图，(b)为状态转换图；
[0016]图5是多相数字IQCOT控制模块的系统框图；
[0017]图6是本专利技术在非对称可重构多相变换器应用中的simplis仿真波形图，(a)为负载轻切重，(b)为负载重切轻。
具体实施方式
[0018]一种非对称可重构多相电源，包括主相降压变换器及辅助相降压变换器，所述主相降压变换器包括6相降压变换器，辅助相降压变换器包括2相降压变换器，所述主相降压变换器至少有2个，辅助相降压变换器为1个，所述多相电源还包括可重构通路开关、可重构通路开关控制电路及高动态非线性闭环控制电路，高动态非线性闭环控制电路采样每相电感电流和输出电压，产生含有占空比信息的PWM脉冲信号并用于控制主相和辅助相的输出电压；辅助相通过所述可重构通路开关耦合到对应的负载；所述可重构通路开关控制电路采用3个周期的状态机控制可重构通路开关，所述3个周期为S0周期、S1周期和S2周期，在S0周期，系统处于稳态，所有可重构通路开关断开；当负载切载信号发出后，进入S1周期，负载对应的可重构通路开关导通，所述辅助相降压变换器通过与导通的可重构通路开关连接于
相应的主相降压变换器，并将输出电压采样点由近端电容处切换到远端负载处，所述辅助相降压变换器与主相降压变换器共同向负载供电以改善动态响应速度；切载完成后进入S2周期，输出电压采样点由远端负载处切换到近端电容处，待近端电容处电压稳定后回到S0周期，断开所述可重构通路开关。在本实施例中，
[0019]可重构通路开关包括两个串联的背靠背的功率MOS管。所述主相降压变换器中的每相降压变换器分别包括第一MOS开关管Qi和第二MOS开关管QNi，第一MOS开关管Qi的漏极连接输入电压，第二MOS开关管QNi的源极连接地，第一MOS开关管Qi的源极与第二MOS开关管QNi的漏极相连并耦合滤波电感L
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的一端，滤波电感L
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的另一端为输出端，每相降压变换器还分别包括理想滤波电容Coi、串联等效电阻ESR及电流源IOi，所述理想滤波电容Coi与串联等效电阻ESR串联后与电流源IO并联，并联的一端连接于输出端，另一端接地。所述辅助相降压变换器中的每相降压变换器分别包括第三MOS开关管Qai和第四MOS开关管Qa本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非对称可重构多相电源，包括主相降压变换器及辅助相降压变换器，所述主相降压变换器包括6相降压变换器，辅助相降压变换器包括2相降压变换器，其特征在于，所述主相降压变换器至少有2个，辅助相降压变换器为1个，所述多相电源还包括可重构通路开关、可重构通路开关控制电路及高动态非线性闭环控制电路，高动态非线性闭环控制电路采样每相电感电流和输出电压，产生含有占空比信息的PWM脉冲信号并用于控制主相和辅助相的输出电压；辅助相通过所述可重构通路开关耦合到对应的负载；所述可重构通路开关控制电路采用3个周期的状态机控制可重构通路开关，所述3个周期为S0周期、S1周期和S2周期，在S0周期，系统处于稳态，所有可重构通路开关断开；当负载切载信号发出后，进入S1周期，负载对应的可重构通路开关导通，所述辅助相降压变换器通过与导通的可重构通路开关连接于相应的主相降压变换器，并将输出电压采样点由近端电容处切换到远端负载处，所述辅助相降压变换器与主相降压变换器共同向负载供电以改善动态响应速度；切载完成后进入S2周期，输出电压采样点由远端负载处切换到近端电容处，待近端电容处电压稳定后回到S0周期，断开所述可重构通路开关。2.根据权利要求1所述的非对称可重构多相电源，其特征在于，可重构通路开关包括两个串联的背靠背的功率MOS管。3.根据权利要求2所述的非对称可重构多相电源，其特征在于，所述主相降压变换器中的每相降压变换器分别包括第一MOS开关管Qi和第二MOS开关管QNi，第一MOS开关管Qi的漏极连接输入电压，第二MOS开关管QNi的源极连接地，第一MOS开关管Qi的源极与第二MOS开关管QNi的漏极相连并耦合滤波电感L
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的一端，滤波电感L
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的另一端为输出端，每相降压变换器还分别包括理想滤波电容Coi、串联等效电阻ESR及电流源IOi，所述理想滤波电容Coi与串联等效电阻ESR串联后与电流源IO并联，并联的一端连接于输出端，另一端接地。4.根据权利要求2所述的非对称可重构多相电源，其特征在于，所述辅助相降压变换器中的每相降压变换器分别包括第三MOS开关管Qai和第四MOS开关管QaNi，第三MOS开关管Qai的漏极连接输入电压，第四MOS开关管QaNi的源极连接地，第三MOS开关管Qai的源极与第四MOS开关管QaNi的漏极相连并耦合滤波电感L
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的一端，滤波电感L
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的另一端连接近端的输出电容CB并作为输出端。5.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐申，王欣茹，高源，钱毅杰，孙伟锋，时龙兴，
申请(专利权)人：东南大学—无锡集成电路技术研究所，
类型：发明
国别省市：