供电电路和用电设备的制作方法

本技术涉及供电，具体涉及一种供电电路和用电设备。

背景技术：

1、计算机系统等设备的负载通常表现为大电流和高动态特性。在负载变化时，为这些系统提供能量的供电电路需要迅速响应调整输出电压，但由于控制带宽的限制，会降低动态性能。如果提高控制带宽来提高动态性能，则会导致效率的下降。因此如何提高动态性能的同时提高效率是待解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术提供一种供电电路和用电设备，可以在提高动态性能的同时提高效率。

2、第一方面，提供一种供电电路，包括：第一直流电压变换单元，第一直流电压变换单元包括第一连接端、第二连接端、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第一电感和第一电容；第一连接端和第二连接端中的一者耦接于直流电压输入端，第一连接端和第二连接端中的另一者接地；第一开关管的第一端为第一连接端，第一开关管的第二端耦接于第一电容的第一端；第一电容的第二端耦接于第二开关管的第一端；第二直流电压变换单元，第二直流电压变换单元的输入端耦接于第二开关管的第二端，第二直流电压变换单元的输出端耦接于直流电压输出端；第三开关管的第一端为第二连接端，第三开关管的第二端耦接于第二开关管的第一端，第一电感的第一端耦接于第一开关管的第二端，第一电感的第二端耦接于直流电压输出端；或者，第一电感的第一端为第二连接端，第一电感的第二端耦接于第二开关管的第一端，第三开关管的第一端耦接于第一开关管的第二端，第三开关管的第二端耦接于直流电压输出端。

3、本技术实施例的供电电路，一方面，第一直流电压变换单元向第二直流电压变换单元的输入端供电，另一方面，第一直流电压变换单元在给第二直流电压变换单元供电的同时，通过耦接于直流电压输出端的器件向负载提供一部分负载电流，即实现了电流分摊，不需要某一个单元承担所有的负载电流，与串联架构方案中两个单元之间损耗完全叠加相比，在相同动态性能下，即可以提高整体的效率，在相同效率下，可以具有更高的开关频率，从而提高动态性能；并且本技术实施例中，第一直流电压变换单元可以实现降压变换，其中第一电感可以提供较大的电压调节比，具有比较宽的输入电压范围。

4、本技术实施例的供电电路，具有串并混合设置的第一直流电压变换单元和第二直流电压变换单元，与单级架构的供电电路相比，由于有两级单元的缓冲，在较大电压变换比例的情况下，各级单元的开关频率可以更低，从而在相同动态性能下，提高了效率，在相同效率下，可以具有更高的开关频率，从而提高了动态性能。

5、本技术实施例的供电电路，由于第一直流电压变换单元的一部分电流会输出至第二直流电压变换单元，这样就使得第二直流电压变换单元输入电压由第一直流电压变换单元决定，因此第二直流电压变换单元的输入电压不需要单独控制，第一直流电压变换单元中第一电容的电压在电压变换的过程中周期性充电和放电，与并联架构的方案相比，控制较为简单。

6、在一些可能的实施方式中，第一直流电压变换单元的开关频率小于第二直流电压变换单元的开关频率。

7、第一直流电压变换单元工作于低频，从而可以通过较为简单的设计来实现，以降低开关损耗。第一直流电压变换单元给第二直流电压变换单元供电，减小了第二直流电压变换单元的电压传输比，实现了效率提升。第一直流电压变换单元提供一部分负载电流，即通过部分功率传输的方式减少了第二直流电压变换单元的功率，提高了整体端到端效率。第二直流电压变换单元工作于高频，提供另一部分负载电流，从而可以使用较小的电感设计，减少开关管电流应力；并且高频可以带来高控制带宽，实现更快的动态响应，且由于第一直流电压变换单元的一部分电流供电给第二直流电压变换单元，因此工作于高频的第二直流电压变换单元可以带动工作于低频的第一直流电压变换单元响应负载，以改善动态性能。

8、在一些可能的实施方式中，第一直流电压变换单元还包括第二电容，第二电容的第一端耦接于第二直流电压变换单元的输入端，第二电容的第二端接地。

9、第二电容可以用于在第二开关管截止时给第二直流电压变换单元供电，可以理解地，如果第一直流电压变换单元不包括第二电容，则需要在第二直流电压变换单元中设置相应的器件在第二开关管截止时放电以供第二直流电压变换单元使用，这就使第二直流电压变换单元的设计需要依赖于第一直流电压变换单元，在第二直流电压变换单元中设置相应的器件使第二开关管截止时放电。可见，第一直流电压变换单元中的第二电容可以使第一直流电压变换单元与第二直流电压变换单元之间更具有独立性，第二直流电压变换单元不需要针对第二开关管截止提供放电的器件，从而降低了电路设计的复杂性。

10、在一些可能的实施方式中，第二直流电压变换单元包括：第四开关管、第五开关管、第三电感和第三电容；第四开关管的第一端为第二直流电压变换单元的输入端；第五开关管的第一端耦接于第四开关管的第二端，第五开关管的第二端接地；第三电感的第一端耦接于第四开关管的第二端，第三电感的第二端为第二直流电压变换单元的输出端；第三电容的第一端耦接于第三电感的第二端，第三电容的第二端接地。

11、该结构的第二直流电压变换单元为降压buck电路，结构简单，易于实现，且可以工作在较高的工作频率，来提高动态性能，此时，可以使第一直流电压变换单元工作在较低的工作频率，由于第一直流电压变换单元直接为负载提供一部分电流，因此这种配合方式能够在较高动态性能下提高效率。

12、在一些可能的实施方式中，第二直流电压变换单元包括：第十三开关管、第十四开关管、第十五开关管、第十六开关管、第六电感、第七电容和第八电容；第十三开关管的第一端为第二直流电压变换单元的输入端；第十四开关管的第一端耦接于第十三开关管的第二端；第十五开关管的第一端耦接于第十四开关管的第二端；第十六开关管的第一端耦接于第十五开关管的第二端，第十六开关管的第二端接地；第七电容的第一端耦接于第十三开关管的第二端，第七电容的第二端耦接于第十六开关管的第一端；第六电感的第一端耦接于第十四开关管的第二端；第八电容的第一端耦接于第六电感的第二端，第八电容的第一端为第二直流电压变换单元的输出端，第八电容的第二端接地。

13、该结构的第二直流电压变换单元为谐振开关电容变换器，可以通过电容和电感的谐振作用来降低纹波，使输出电流更加稳定。并且谐振开关电容变换器可以工作在较高的工作频率，来提高动态性能，此时，可以使第一直流电压变换单元工作在较低的工作频率，由于第一直流电压变换单元直接为负载提供一部分电流，因此这种配合方式能够在较高动态性能下提高效率。

14、在一些可能的实施方式中，第一直流电压变换单元还包括：第十七开关管、第九电容、第十八开关管和第十九开关管；第十七开关管的第一端耦接于直流电压输入端，第十七开关管的第二端耦接于第二连接端；第九电容的第一端耦接于第二连接端；第十八开关管的第一端耦接于第九电容的第二端，第十八开关管的第二端耦接于第二开关管的第一端；第十九开关管的第一端接地，第十九开关管的第二端耦接于第九电容的第二端。第十七开关管、第九电容、第十八开关管和第十九开关管可以配合其他部分实现降压变换功能，可以增大占空比的调节范围，即扩展输入电压的调节范围。

15、在一些可能的实施方式中，第一直流电压变换单元还包括：第二十三开关管、第二十四开关管、第二十五开关管和第十一电容；第二十四开关管的第一端耦接于直流电压输入端；第十一电容的第一端耦接于第二十四开关管的第二端，第十一电容的第二端耦接于第二连接端；第二十三开关管的第一端耦接于第二十四开关管的第二端，第二十三开关管的第二端耦接于第二直流电压变换单元的输入端；第二十五开关管的第一端接地，第二十五开关管的第二端耦接于第二连接端。第二十三开关管、第二十四开关管、第二十五开关管和第十一电容可以配合其他部分实现降压变换功能，可以增大占空比的调节范围，即扩展输入电压的调节范围。

16、在一些可能的实施方式中，n个第一直流电压变换单元和n个第二直流电压变换单元，n＞1；第i个第一直流电压变换单元的第二开关管的第二端耦接于第i个第二直流电压变换单元的输入端，i的取值为1、2、…、n；n个第一直流电压变换单元的第一连接端相互耦接，n个第一直流电压变换单元的第二连接端相互耦接，n个第二直流电压变换单元的输出端相互耦接。在多个供电模块之间的并联的基础上，可以利用交错方式进行控制，这种并联交错控制的方式可以增加等效频率，增加动态性能、增加功率扩展并减小纹波。

17、在一些可能的实施方式中，n个第二直流电压变换单元的输入端相互耦接。通过将两个级联单元之间的中间节点在不同相的电路之间耦接，可以进一步提高减小纹波的效果。

18、在一些可能的实施方式中，n个第一直流电压变换单元的第一电感相互电磁耦合。通过将不同相的第一电感之间相互电磁耦合，可以进一步提高第一直流电压变换单元中减小纹波的效果。

19、在一些可能的实施方式中，第二直流电压变换单元包括第二电感；n个第一直流电压变换单元的第二电感相互电磁耦合。通过将不同相的第一电感之间相互电磁耦合，可以进一步提高第二直流电压变换单元中减小纹波的效果。

20、在一些可能的实施方式中，第一直流电压变换单元和第二直流电压变换单元集成在一个芯片中或分别集成在不同芯片中，以实现更加灵活的布局。

21、第二方面，提供一种控制方法，用于上述的供电电路，方法包括：控制第一直流电压变换单元工作于交替的第一阶段和第二阶段；在第一阶段，控制第三开关管导通，控制第一开关管和第二开关管截止；在第二阶段，控制第三开关管截止，控制第一开关管和第二开关管导通。可以配合上述供电电路实现相应的供电功能。

22、在一些可能的实施方式中，第一直流电压变换单元采用闭环控制，第二直流电压变换单元采用开环控制。

23、第二直流电压变换单元采用开环的控制方式，在设计上更加简单，不需要考虑被控变量的影响，但是无法实现较为精确地电压控制，由于在本技术实施例中，第二直流电压变换单元的输入电压来自于第一直流电压变换单元，因此可以通过第一直流电压变换单元的闭环控制来实现对整体电压变换的精确控制，可以在实现整体电压变换精确控制的同时，降低第二直流电压变换单元的控制难度，从而降低了成本。

24、第三方面，提供一种用电设备，包括上述的供电电路、控制器和负载；负载耦接于供电电路的直流电压输出端，控制器耦接于供电电路，控制器用于控制供电电路。

25、在一些可能的实施方式中，第一直流电压变换单元的开关频率小于第二直流电压变换单元的开关频率，第二直流电压变换单元与直流电压输出端之间的传输路径距离小于第一直流电压变换单元与直流电压输出端之间的传输路径距离。

26、对于动态性能的提升，主要是通过提高开关频率来实现的，即高频的第二直流电压变换单元相对于低频的第一直流电压变换单元更有利于提高控制带宽，进而提高动态性能，而传输路径距离越大，则传输阻抗越大，对于动态性能提升的不良影响也就越大，因此在有限的布局空间中，可以设置第二直流电压变换单元与直流电压输出端之间的传输路径距离小于第一直流电压变换单元与直流电压输出端之间的传输路径距离，即在有限的布局空间中，尽量降低高频单元与负载之间的传输路径距离，以提高动态性能。