具有平衡电流的多通道脉波宽度调变转换器 (1)技术领域
本发明有关一种电源转换器，特别是有关于一种具有平衡电流的多通道脉波宽度调变转换器。
(2)背景技术
随着新一代电脑对高速、高电流的需求，尤其是最新个人电脑(PC)的微处理器(Microprocessor)的电流需求，已超过60安培(A)，故DC-DC转换器的电流要求也越来越高。因此，多通道的并联式转换器的架构便常被引用。其中，多相式形式的多通道转换器，更因为输入及输出的电流涟波(Ripple)的分散作用，而可以采用较小，较便宜的滤波电容。
多通道并联式转换器，是利用数个具有相同输出电压的脉波宽度调变(Pulse-width Modulated)转换通道，将其输出端并联，来提供更高的输出电流。在数个通道中，因为各个通道之间无可避免的些许不对称，使得一个或多个通道会不合比例地承受较高的负载。更有甚者，若各通道为具有吸入(Sinking)及供应(Sourcing)电流能力的同步整流(Synchronous rectified)形式，巨大的无效电流，便可能从电压高的通道流入电压低的通道，造成额外地功率消耗，并造成各个通道的功率元件不均匀的工作担负，因此功率元件的的额定耐受规格便需加以提高，因而增加了转换器的成本。且如果由少数的通道负责所有负载，不仅造成热量集中，其寿命亦会减短，因为工作温度的增加，组件的平均寿命便会减少。因此，在多通道并联式转换器中，必须具备有能平衡各通道电流的系统，使各个转换通道都在相同条件下工作，以避免上述的问题。
习知的多通道转换器，例如，美国专利第6,285,571号中所揭示，利用检测每一个通道的电感(Inductance)前的平均电压，以调整各个通道的脉波宽度调变器(Pulse-width Modulator；PWM)的工作周期(Duty Cycle)，进而降低每个通道的电感前平均电压的差异，以减少各个通道间不平衡的电流。此法虽可使各个通道的电感前误差电压减少，但因多通道转换器的开关频率愈驱增加，导致所使用的电感数值有愈驱减少的趋势，而其等效的直流串联电流感应电阻亦愈驱微小，因此只要稍微的偏置电压(Offset)，便可造成很大的不平衡电流。例如，15毫伏(mV)的偏置电压，除以3毫欧姆(milliohm)的电感直流电流感应电阻，等于5安培的电流，其将由高电压的通道流向低电压的通道。
另一美国专利第6,278,263号中所揭示的多相式转换器，以检测每个通道的电流大小，其是利用通道电流流经电流感应电阻产生的电压信号，以获得正比于通道电流大小通道的通道电流信号，并经由将各个通道的通道电流信号相加后平均，以获得平均通道电流信号。电流平衡回路，便利用每一个通道的通道电流信号与此平均通道电流信号的差异信号，来修正每个通道PWM的工作周期，以使每一个通道的电流差异缩小。此方法虽可有效的降低通道电流的不平衡，但因其电流平衡回路是使用平均通道电流信号，因此，当工作通道数目有变更时，此部分的电路亦需配合更动。例如，转换器集成电路(Converter IC)常将多个通道的控制电路做在同一个IC上，由使用者依需要而选择适当数量的工作通道来操作。
如图1中所示，为习知的多通道并联式直流转换器，当电流检测器110检测得到正比于此通道的通道电流大小的VISEN1的信号值，再与其他通道的电流检测器所获得的VISEN2及VISEN3的信号，由加法电路102相加后，再由比例电路103加以平均，其获得一平均通道电流信号。以其中一通道为例，此平均通道电流信号经减法电路104再与VISEN1进行比较，获得一差异信号，经补偿电路105进行适当的放大于滤波，在减法电路106与误差放大器101所输出的信号相减得到一经修正的误差放大器输出信号，输入脉波宽度调变器107中并配合一三角波的输入，以控制功率开关108的工作循环，使获得一脉波形式的电源输出，其经电感109及电容112滤波后并经电流检测器110输出至负载111，提供负载111所需的电流。如上所述的，习知的转换器利用测量每一个转换通道的通道电流大小，再以平均值为基准，调整每个通道的通道电流大小，但当所需使用的工作通道数量变更时，此转换器的电路便需修正其平均电路，才能获得合适的平均通道电流值。如何能够提供多通道的电源转换器，简易而有效的将负载电流平均的分配至每一并联工作的通道，实为多通道的电源转换器重要的发展方向。
(3)发明内容
鉴于上述的发明背景中，因为新的PC微处理器的电流需求日益增大，故需要能提供大电流的转换器。如何能够提供多通道的电源转换器，简易而有效地将负载电流平均的分配至每一个转换通道，并可依使用时的需要调整转换通道的数量，对多通道的电源转换器提供重要的贡献。
本发明的目的之一是提供一种具有平衡每个转换通道的输出电流的转换器，以稳定电压输出及平衡各通道电流输出。
本发明的另一目的是提供一种不仅可使用在单相电源转换，亦可使用在多相电源转换的具有平衡电流功能的电源转换器。
根据以上所述的目的，本发明提供一种具有平衡电流的多通道脉波宽度调变转换器，包括一误差放大器，利用标准输出的参考电压与转换器的平均输出电压相比较，输出转换器电压差异信号，以控制主要转换通道及多个并联转换通道。而主要转换通道是由主要通道脉波宽度调变器，控制主要通道功率开关的功率周期，产生主要通道的脉波电源输出，在经由主要通道电感及电容滤波，并通过主要通道电流感应电阻，送至电源输出端，且主要通道差动电路，连接于主要通道电流感应电阻的两端，以该主要通道电流感应电阻的两端电压为输入，得到与该主要转换通道的通道电流大小成正比的主要通道电流信号。而并联转换通道是由第二减法电路，输出第二差异信号，给并联通道脉波宽度调变器，产生并联通道脉波宽度调变信号，以控制并联通道功率开关的工作周期，产生并联通道脉波电源，再经并联通道电感及电容滤波，并通过并联通道电流感应电阻，输出至电源输出端。且并联通道差动电路，此时从并联通道电流感应电阻两端的电压信号，得到与并联转换通道的电流大小成正比的并联通道电流信号，传送至第一减法电路，比较并联通道电流信号与主要通道电流信号的差异，再经补偿电路做适当的放大与滤波，送至第二减法电路，用以修正由误差放大器输出的转换器电压差异信号来控制并联通道脉波宽度调变器。本发明的转换器，不仅可为单相式转换器，亦可为多相式转换器，且各并联转换通道，均具有依使用需要开启或关闭的功能。
为更清楚理解本发明的目的、特点和优点，下面将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明。
(4)附图说明
图1为习知的多通道并联通道式直流转换器；及
图2为本发明的具有平衡电流的多通道脉波宽度调变转换器。
(5)具体实施方式
由发明背景中可知，最新的PC微处理器的电流需求，已超过60安培，故需要能提供大电流的DC-DC转换器。多通道并联转换器的架构，因为输入及输出的电流涟波的分散作用，可以采用较小，较便宜的滤波电容。但习知的转换器，因为无可避免的不对称电压，使得一个或多个通道会不合比例地承受负载，形成额外的功率消耗，使功率元件的的额定耐受规格必须加以提高，因而增加了成本，且其寿命亦会减短。且因为转换器IC常需将多个通道的控制电路做在同一个IC上，由使用者依需要而选择适当数量的工作通道来操作。而习知的通道电流平衡回路，当工作通道数目有变更时，电路必需配合更动。如何能够提供多通道的电源转换器，简易而有效的将负载电流平均的分配至每一并联工作的通道，实对多通道的电源转换器提供了重要的贡献。
本发明的转换器是利用一组主要转换通道及多个并联转换通道所构成，其中每一个并联转换通道的输出电流均与主要转换通道的输出电流相比较，以控制每一个并联转换通道的输出电流，使达到全部的转换通道具有相同的输出电流。再经由误差放大器控制整体输出电压，而达到稳定电压输出及平衡电流的目的，其不仅可使用在单相电源转换，亦可使用在多相电源转换。参阅图2，如图中所示为本发明的具有平衡电流的多通道脉波宽度调变转换器。以下将以此一较佳实施例，利用四个转换通道的本发明的转换器加以说明其工作原理。本发明的转换器的主要转换通道是由脉波宽度调变器201，功率开关205，电感209，电容231，电流感应电阻213及差动电路217所构成，其主要的工作是由脉波宽度调变器201比较输入信号及一标准三角波，产生控制信号以控制功率开关205的工作周期，形成电源输出脉波，再经电感209及电容231滤波，输出至负载232。差动电路217检测电流感应电阻213的两侧的电压差异信号，获得一正比于电流大小的输出信号VISEN1。
再以单一并联转换通道为例，其是由两个减法电路221，222，补偿电路227，脉波宽度调变器202，功率开关206，电感210，电容231，电流感应电阻214及差动电路218所构成。并联转换通道与主要转换通道的不同在于脉波宽度调变器202及201所得到的输入信号并不相同。除了一标准三角波的输入外，在主要转换通道的输入信号，是由误差放大器230比较输出平均电压与参考电压VREF的差异所获得的差异信号直接当作脉波宽度调变器201的输入信号，而在并联转换通道的脉波宽度调变器202的输入信号，则是由电流感应电阻214及差动电路218所测量得到的正比于此并联转换通道的电流大小的信号VISEN2经减法电路222与VISEN1相减所获得的差异值，再经一补偿电路227提供适当的放大与滤波，送至减法电路221与误差放大器230所输出的差异信号相减所获得的信号。所以此并联通道具备有可受通道电流差异信号调整输出电流大小的能力，当VISEN1＞VISEN2时，此并联转换通道将修正增加脉波宽度调变器202的工作周期(Duty cycle)，使此并联通道的通道电流增加，当VISEN1＜VISEN2时，将修正减少脉波宽度调变器202的工作周期，使输出电流降低。故透过本发明的电路使得各个并联转换通道的输出电流与主要转换通道的输出电流趋于一致，而达到平衡各通道的输出电流的目的。另由于误差放大器230比较输出平均电压与参考电压的差异所获得的差异信号，通时加诸于脉波宽度调变器201，202的输入进而影响其输出信号的工作周期，当平均输出电压低于VREF时，全体每一通道的输出电流因而被要求提高，此提高了整体输出电压，当平均输出电压高于VREF时，全体每一通道的输出电流因而被要求降低，从而降低了整体输出电压。相同的，由脉波宽度调变器203，204，功率开关207，208，电感211，212，电容231，电流感应电阻215，216，差动电路219，220，减法电路223，224，225，226及补偿电路228，229所构成的另外两个并联转换通道亦具有相同的功能及特性。故本发明的具有平衡电流的多通道脉波宽度调变转换器，是具有提供稳定输出电压及平衡电流的功能，且因为其并不需要使用到通道平均电流的信号，以作为平衡电流的标准，故当输出转换通道数改变时，例如由上述实施例中的四个转换通道，改变为两个转换通道时，本发明的转换器的电路，仅需关闭其中两个并联转换通道，并不需要修改或增加电路，即可工作，对实际使用本发明的转换器提供了简易而有效的工作电路。且因为主要转换通道，无须减法电路及补偿电路，故在整体的成本上亦较习知的转换器更为降低。
本发明的具有平衡电流的多通道脉波宽度调变转换器，是使用电流感应电阻及差动电路获得与转换通道电流成正比的信号，并与主要转换通道的通道电流信号相比较，以调整通道的PWM的工作周期，使各个通道的电流趋于一致，但此电流感应电阻并不一定需要为一实际串连的电阻，其亦可利用功率开关导通时，电流经过其导通电阻的压降而得，此时差动电路将从导通电阻的两侧获得通道电流的大小，而电源输出脉波，经电感及电容滤波，形成直流电源输出，其并不脱离本发明的精神。
如熟悉此技术的人员所了解的，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的申请专利范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或替换，均应包括在下述的权利要求所限定范围内。