基于准峰值电流控制策略的多相交错并联FSBB变换器相位管理方法

本发明涉及一种基于准峰值电流控制策略的多相交错并联fsbb变换器相位管理方法，属于准峰值电流控制。

背景技术：

1、四开关buck-boost变换器（four switch buck-boost，以下简称fsbb）作为一种同时具有升、降压能力的电能变换拓扑，可级联llc dcx实现gpu、cpu等ai计算芯片所需的48v-1.8v高降压、大电流电能变换。其中fsbb作为一种前级预稳压模块主要负责应对宽范围输入电压和稳定末端1.8v芯片供电电压。

2、专利申请号为202211603927.5的发明专利，公开了四开关buck-boost变换器的准峰值电流控制方法，其中揭示了一种单相fsbb变换器的四边形电流调控策略及其实现方法，该方法通过精确采样fsbb变换器中电感l上的电流信号，并输入至逻辑调理电路，得到所期望的开关时序。控制策略为一种变频、变占空比控制策略，无需对输入电压进行检测，可实现所有开关器件在全负载范围内和全输入电压范围内的零电压开通；通过相应的优化设计方法可以减小电感电流的有效值，实现变换器的高频化、小型化以及高效率。此外，准峰值电流控制策略还可以在不改变控制逻辑的前提下实现变换器升、降压以及重载电流连续和轻载电流断续之间的自动、平滑过渡。最后，控制策略无需进行复杂的计算，可以利用模数混合电路实现并具有良好的实时性。

3、然而随着ai计算芯片功耗的指数增长，单相fsbb往往不能满足芯片的功率要求，需通过多相交错并联实现，1）扩展功率容量；2）降低母线电压纹波；3）提高动态响应能力等。然而fsbb四边形电流调制控制自由度多、自由度之间耦合关系复杂，且准峰值电流控制策略为一种变频、变占空比控制策略，策略下fsbb多相交错并联在动态相位管理方面面临重大挑战。本发明针对上述应用场景需求及fsbb多相交错并联所面临的相位管理难题，基于单相fsbb变换器的准峰值电流控制策略，提出一种基于准峰值电流控制策略的多相交错并联fsbb变换器相位管理方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，以及面向ai计算芯片供电场景下日益增长的功率和动态响应需求，针对fsbb+llc两级式芯片供电架构中前级fsbb变换器，基于单相准峰值电流控制策略，进而提供一种基于准峰值电流控制策略的多相交错并联fsbb变换器相位管理方法。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种基于准峰值电流控制策略的多相交错并联fsbb变换器相位管理方法，包括以下步骤：

4、步骤一：多相交错并联fsbb变换器中每相fsbb变换器在多相交错并联调控下遵循准峰值电流控制策略，每相fsbb变换器的控制电路均包括一个电流采样电路和一套逻辑调理电路，各相逻辑调理电路共用一个补偿器输出信号；电流采样电路将各相电感电流采样信号输出至逻辑调理电路，形成各相的开关时序并输入至驱动电路，得到最终的开关驱动信号；

5、步骤二：基于步骤一构建三种多相交错并联动态相位管理模式，包括：并行相位管理模式、i型串行相位管理模式以及ii型串行相位管理模式；通过改变逻辑调理电路中的相位管理范式电路的输入信号来更换相位管理模式；

6、步骤三：电感电流调节和动态相位调整及纠错；各相在补偿器输出信号的作用下实时调节各自电感电流；通过决定对应相fsbb变换器的开关管q1开通/q2关断时刻，利用各相电感电流采样信号中的钳位阶段灵活调节相电流周期实现相位调整及纠错。

7、优选的，步骤一中所述准峰值电流控制策略具体如下：

8、所述步骤一中的各相电感电流包含四个阶段，分别为输入阶段、输入-输出阶段、下降阶段和钳位阶段，为使开关器件能够完全实现零电压导通，电感电流的绝对值在四个阶段的切换点处需要大于等于最小零电压开通电流，由式(1)确定，公式如下：

9、(1)

10、其中，为开关器件漏源极寄生电容，为死区时间，为输入电压，为输出电压；输入阶段与输入-输出阶段的切换点为a点，所述输入-输出阶段与下降阶段的切换点为b点，所述下降阶段与钳位阶段的切换点为c点，钳位阶段与下一周期输入阶段的切换点为d点；

11、所述补偿器输出信号被用来调节电感电流波形中a点的幅值，即，同时输入阶段和输入-输出阶段时间的总和由和比例系数共同决定，由式(2)给出，公式如下：

12、 (2)

13、其中，为fsbb变换器电感的感值；

14、由此可得b点电流幅值和下降阶段时长，由公式(3)和(4)给出，公式如下：

15、(3)

16、(4)

17、时，钳位阶段被用来填补时间空缺，限制最小工作周期为，电感电流断续；时，钳位阶段被舍去，电感电流连续，因此电感电流实时工作周期由(5)给出，且主要与输入电压和负载电流有关，受调控，公式如下：

18、 (5)。

19、优选的，其特征在于，步骤一中所述逻辑调理电路包括：q1开通/q2关断逻辑电路、q2开通/q1关断逻辑电路、q3开通/q4关断逻辑电路以及q3开通/q4关断逻辑电路；

20、q1开通/q2关断逻辑电路包括：第一或门or1、第一与门and1、第一比较器cp1、第一计时器、第二计时器以及相位管理范式电路；

21、相位管理范式电路的输出端、第一比较器cp1的输出端和第二计时器的输出端分别与第一与门and1的输入端连接，第一与门and1的输出端和第一计时器的输出端分别与第一或门or1的输入端连接；

22、所述相位管理范式电路包括：第二比较器cp2、第三计时器、第四计时器、增益g1以及锁存器；第三计时器的输出端与第二比较器cp2的同相输入端连接，第四计时器的输出端与增益g1的输入端连接，增益g1的输出端与锁存器的输入端连接，锁存器的输出端与第二比较器cp2的反相输入端连接；

23、q2开通/q1关断逻辑电路：第二或门or2、第二与门and2、第三比较器cp3、第四比较器cp4、第五计时器以及增益g2；

24、第三比较器cp3的输出端与第二与门and2的输入端连接，第五计时器的输出端与第四比较器cp4的同相输入端连接，增益g2的输出端与第四比较器cp4的反相输入端连接，第二与门and2的输出端和第四比较器cp4的输出端分别与第二或门or2的输入端连接；

25、q3开通/q4关断逻辑电路包括：第三与门and3、第五比较器cp5及第六比较器cp6；第五比较器cp5的输出端和第六比较器cp6的输出端分别与第三与门and3的输入端连接；

26、q4开通/q3关断逻辑电路为第七比较器cp7。

27、优选的，步骤二中所述并行相位管理模式具体过程如下：

28、以d点为每个周期电感电流的起始点，此时fsbb变换器的开关管q1开通，以主相1的开关管q1开通触发信号pq1(1)为基准，采用第四计时器实时记录主相两次pq1(1)的触发间隔，即当前下电感电流运行周期，并根据并联相数n得到从相2的下一周期触发间隔，间隔时间通过从相2锁存器锁存，pq1(1)到来时，从相2第三计时器开始计数，并与锁存器中的值进行比较，相等时控制从相2 开关管q1开通；从相3同样以pq1(1)为基准，从相3锁存器锁存下一周期移相间隔时间，pq1(1)到来时与从相3第三计时器比较，相等时控制从相3开关管q1开通，以此类推，从相n以pq1(1)为基准，从相n锁存器锁存下一周期移相间隔时间并与从相n第三计时器比较，相等时控制从相n开关管q1开通；上述移相间隔时间在各锁存器中随逐周期更新；此外，开关管q2、q3和q4的触发脉冲由n相各自的逻辑调理电路依据准峰值电流控制策略独立产生；当负载突变或输入电压波动时，主相与各从相均具备受实时调整电感电流的能力，且各从相可根据主相1的电流周期实时调整移相间隔，仅滞后一个周期，稳定后，主相1电流周期恒定，各相自然恢复均匀交错。

29、优选的，步骤二中所述i型串行相位管理模式具体过程如下：

30、以d点为每个周期电感电流的起始点，此时开关管q1开通，以主相1的开关管q1开通触发信号pq1(1)为基准，采用第四计时器实时记录主相两次pq1(1)的触发间隔，即当前下电感电流运行周期，并根据并联相数n得到触发间隔，锁存至各从相2～n的锁存器中；从相2以pq1(1)为基准，pq1(1)到来时，从相2第三计时器开始计数，并与锁存器中的值进行比较，相等时生成pq1(2)控制从相2 开关管q1开通；从相3以从相2开关管q1开通触发信号pq1(2)为基准，pq1(2)到来时，从相3第三计时器开始计数，并与锁存器中的值进行比较，相等时生成pq1(3)控制从相3开关管q1开通；以此类推，从相n以从相n-1开关管q1开通触发信号pq1(n-1)为基准，pq1(n-1)到来时，从相n第三计时器开始计数，并与锁存器中的值进行比较，相等生成pq1(n)控制从相n开关管 q1开通；上述移相间隔时间在各锁存器中随逐周期更新；此外，开关管q2、q3和q4的触发脉冲pq2(1～n)、pq3(1～n)和pq4(1～n)由n相各自的逻辑调理电路依据准峰值电流策略独立产生；当负载突变或输入电压波动时，主相与各从均具备受实时调整电感电流的能力，且各从相可根据主相1的电流周期实时调整移相间隔，仅滞后一个周期，稳定后，主相1电流周期恒定，各相自然恢复均匀交错。

31、优选的，步骤二中所述ii型串行相位管理模式具体过程如下：

32、以d点为每个周期电感电流的起始点，此时开关管q1开通，从相2以主相1的开关管q1开通触发信号pq1(1)为基准，采用第四计时器实时记录主相两次pq1(1)的触发间隔，即当前下主相1电感电流运行周期，并根据并联相数n得到触发间隔，锁存至从相2锁存器中，pq1(1)到来时，从相2第三计时器开始计数，并与锁存器中的值进行比较，相等时生成pq1(2)控制从相2开关管 q1开通；从相3以从相2的开关管q1开通触发信号pq1(2)为基准，采用第四计时器实时记录两次pq1(2)的触发间隔，即当前下从相2电感电流运行周期，并根据并联相数n得到触发间隔，锁存至从相3锁存器中，pq1(2)到来时，从相3第三计时器开始计数，并与锁存器中的值进行比较，相等时生成pq1(3)控制从相3开关管 q1开通；以此类推，从相n以从相n-1的开关管q1开通触发信号pq1(n-1)为基准，采用第四计时器实时记录两次pq1(n-1)的触发间隔，即当前下从相n-1电感电流运行周期，并根据并联相数n得到触发间隔，锁存至从相n锁存器中，pq1(n-1)到来时，从相n第三计时器开始计数，并与锁存器中的值进行比较，相等时生成pq1(n)控制从相n 开关管q1开通；各相锁存器中的移相间隔时间逐周期更新，此外，开关管q2、q3和q4的触发脉冲pq2(1～n)、pq3(1～n)和pq4(1～n)由n相各自的逻辑调理电路依据准峰值电流策略独立产生；当负载突变或输入电压波动时，主相与各从均具备受实时调整电感电流的能力，第n相可根据第n-1相的电流周期实时调整移相间隔，仅滞后一个周期，稳定后，各相电流周期恒定，自然恢复均匀交错。

33、优选的，步骤二中所述通过逻辑调理电路中的相位管理范式电路改变其输入信号来更换相位管理模式具体如下：

34、1）第三计时器和第四计时器的输入信号分别为pq1(1)和pq1(1)时，为并行相位管理模式；

35、2）第三计时器和第四计时器的输入信号分别为pq1(n-1)和pq1(1)时，为i型串行相位管理模式；

36、3）第三计时器和第四计时器的输入信号分别为pq1(n-1)和pq1(n-1)时，为ii型串行相位管理模式。

37、优选的，步骤三中所述通过决定对应相fsbb变换器的开关管q1开通/q2关断时刻的具体方法为：

38、相位管理范式电路输出的移相管理信号与比较信号和计时器2控制的fsbb电感电流最小工作周期在第一与门and1的作用下共同决定对应相fsbb变换器的开关管q1开通/q2关断时刻，实现利用钳位阶段灵活调节相电流周期，完成相位调整及纠错，防止在相位管理模式下移相指令与软开关条件及准峰值电流控制逻辑冲突。

39、与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：

40、1）本发明中fsbb变换器在四边形电流调制下保持实时动态交错并联；

41、2）本发明具有自动的相位纠错机制，动态防止相位错乱；

42、3）本发明调整移相间隔时仅间隔一周期，从相即可完成调整；

43、4）本发明无最大交错相数限制；

44、5）本发明瞬态过程中各开关器件仍能保持零电压开通；

45、6）本发明的相位管理方法包括并行相位管理模式、i型串行相位管理模式以及ii型串行相位管理模式三个模式。