專利名稱：功率變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種功率變換器，功率變換器包括從電源接收能量的一個(gè)電感器，并且將提供輸出電壓的輸出電容器連接到所說的電感器。本發(fā)明同樣地涉及操作這種功率變換器的方法。
背景技術(shù)：
這種類型的功率變換器在本領(lǐng)域中是公知的。它們例如包括常規(guī)的補(bǔ)償變換器(buck converter)，這種變換器例如用于直流-直流的下變換器(down-conversion)。
補(bǔ)償變換器包括串聯(lián)連接的一個(gè)電感器和一個(gè)用作輸出濾波器的電容器，和切換裝置，切換裝置用于連接所說的這個(gè)串聯(lián)連接與一個(gè)直流電壓源。對(duì)于切換裝置進(jìn)行控制，以便在輸出電容器的兩端可以獲得期望的輸出電壓。這樣，輸出電容器就可以為負(fù)載提供經(jīng)過調(diào)節(jié)的電壓輸出。
對(duì)于補(bǔ)償變換器發(fā)生的一個(gè)公共的問題是在輸出端的電壓紋波，通常通過增加輸出電容器的數(shù)目來減小這些電壓紋波。然而，所需的大量的輸出電容器使輸出濾波器成為這種電源的最昂貴的部件之一。
雖然可以使用補(bǔ)償變換器，以此作為單個(gè)變換器，但是在所謂的多相變換器中還可以使用多個(gè)補(bǔ)償變換器。多相變換器的原理允許在穩(wěn)態(tài)條件下減小輸出電壓紋波。這樣，通過使用多相變換器就可能減小輸出電容器的數(shù)目。
還有，補(bǔ)償變換器的輸出端的電壓紋波主要是由與負(fù)載的過渡狀態(tài)有關(guān)的電壓降和跳變確定的。在負(fù)載電流減小時(shí)增加輸出電壓的理由是存儲(chǔ)在補(bǔ)嘗電感器(buck inductor)中的能量。這個(gè)能量傳遞到輸出電容器，這也是發(fā)生在多相變換器中的情況。因此，減小由特定的應(yīng)用場(chǎng)合確定的負(fù)載電流的負(fù)載階躍(load steps)確定了保持在所允許的電壓容差之內(nèi)所需要的輸出電容器的數(shù)量和類型。
對(duì)于高速數(shù)字集成電路，像用于個(gè)人計(jì)算機(jī)的高端奔騰處理器，補(bǔ)償變換器可具體用于直流-直流下變換器。尤其是高速數(shù)字集成電路表現(xiàn)出極其陡峭的負(fù)載瞬變特性。同時(shí)，這些集成電路的技術(shù)規(guī)范要求極其苛刻的電壓容差限制值。高速數(shù)字集成電路的電源電壓明顯趨向于較低的電壓，在不久的將來可達(dá)到小于1.5伏。這樣，對(duì)于這樣的高速應(yīng)用，電壓控制具有特殊的重要性。
還有，其它類型的常規(guī)的變換器需要大數(shù)量的昂貴的電容器來保持輸出電壓在可接受的限制范圍之內(nèi)。
在專利申請(qǐng)WO01/59917中，建議使用由第一電感器和第二電感器彼此并聯(lián)連接組成的一個(gè)電感。包括第二電感器的支路此外還包括一個(gè)開關(guān)，這個(gè)開關(guān)只在負(fù)載瞬變期間才閉合。這個(gè)解決方案使電壓紋波減小，但由于電感器的特性，反應(yīng)的時(shí)間相當(dāng)?shù)芈?，因?yàn)橥ㄟ^這個(gè)支路的電流的建立十分緩慢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種功率變換器，它的電容器的數(shù)目減小，這就迅速地補(bǔ)償了在變換器的電壓輸出端的負(fù)載的減小。
提出一種功率變換器，它包括一個(gè)電感器，用于接收來自電源的能量，并且將輸出電容器連接到電感器，用于提供輸出電壓。進(jìn)而，提出的功率變換器包括一個(gè)附加的電流通路，所說的電流通路或者與電感器并聯(lián)連接或者與電容器并聯(lián)連接。附加的電流路徑可以是開路的或者是閉路的。形成所說的附加的電流路徑，以使流過它的電流在附加的電流路徑開路時(shí)基本上立即達(dá)到期望值。而且提供反饋裝置以使當(dāng)輸出電容器兩端的輸出電壓達(dá)到預(yù)定的最大值時(shí)附加的電流路徑開路。反饋裝置可以(不是必須)包括用于控制附加的電流路徑的處理裝置。
況且，還提出一種對(duì)應(yīng)的方法。
本發(fā)明考慮的出發(fā)點(diǎn)是，通過在負(fù)載減小期間清除存儲(chǔ)在電感器中的能量，可以減小輸出電容器的數(shù)目。按照本發(fā)明，通過使用附加的電流路徑或者瞬態(tài)分路(transient shunt)，可以清除存儲(chǔ)的能量。所提出的瞬態(tài)分路允許變換器中的輸出電容器的數(shù)量減至最小，因?yàn)橄擞捎谪?fù)載的減小引起的負(fù)載階躍的影響。
因此，本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它能夠減小電容，一直減到或者由導(dǎo)通瞬態(tài)確定的或者由正常操作確定的限制值。
與按照文獻(xiàn)WO01/59917的解決方案相比，所提出的功率變換器還能夠?qū)λB接的負(fù)載的已經(jīng)檢測(cè)到的減小作出立即的反應(yīng)。因?yàn)樘峁┮粋€(gè)確定的附加電流路徑，而不是附加的電感器，所以這種補(bǔ)償并不會(huì)經(jīng)受像文獻(xiàn)WO01/59917那樣的由于經(jīng)過電感器的電流的逐漸增加而引起的延遲。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中變得顯而易見。
附加電流路徑可以包括能夠提供可控阻抗并因此能夠提供確定的電流路徑的任何部件，所說確定的電流路徑即可以立即建立電流的路徑。附加電流路徑具體來說可以是一個(gè)低阻抗路徑或者包括一個(gè)電流源。
在一個(gè)實(shí)施例中，附加電流路徑可以只是開路和閉路的，例如，在預(yù)定的時(shí)間是開路的，或者一直到在輸出電容器上達(dá)到預(yù)定電壓之前是開路的。在后一種情況下，可實(shí)現(xiàn)滯后。
在另一個(gè)實(shí)施例中，附加電流路徑除了在開路時(shí)以外都是可以調(diào)節(jié)的，例如根據(jù)通過電感器的電流或者根據(jù)電容器兩端的電壓進(jìn)行這種調(diào)節(jié)。
本發(fā)明還可以用于補(bǔ)償負(fù)載的任何減小，即，用于負(fù)載的部分減小與應(yīng)用于負(fù)載完全斷開的情況一樣地好。
本發(fā)明還可以應(yīng)用到各種類型的功率變換器。例如，本發(fā)明可以應(yīng)用到補(bǔ)償變換器，但也同樣可應(yīng)用到其它的下變換器、升壓變換器、以及其它種類的上變換器(up-converters)，還可以應(yīng)用到組合的升壓變換器/補(bǔ)償變換器和其它類型的組合的上/下變換器。
本發(fā)明對(duì)于單個(gè)變換器的應(yīng)用與對(duì)于多相變換器的應(yīng)用一樣地好。
本發(fā)明具體來說可應(yīng)用到所有的高速集成電路的負(fù)載點(diǎn)的直流-直流變換器，當(dāng)前尤其是可應(yīng)用到像奔騰那樣的處理器芯片和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)。
下面參照附圖并借助于實(shí)例描述本發(fā)明。


圖1是按照本發(fā)明的一個(gè)補(bǔ)償變換器的電路圖，其中表示出附加電流路徑的兩個(gè)不同的可能位置；圖2是按照本發(fā)明的一個(gè)補(bǔ)償變換器的第一實(shí)施例的電路圖，其中在附加電流路徑中使用一個(gè)電流源；圖3是按照本發(fā)明的一個(gè)補(bǔ)償變換器的第二實(shí)施例的電路圖，其中使用低阻抗路徑作為附加電流路徑；圖4是按照本發(fā)明的一個(gè)補(bǔ)償變換器的第三實(shí)施例的電路圖，其中使用低阻抗路徑作為附加電流路徑。
具體實(shí)施例方式
圖1是按照本發(fā)明的另一方面的補(bǔ)償變換器的基本電路圖，其中表示一個(gè)附加電流路徑的可能的位置。
補(bǔ)償變換器包括電壓源1。電壓源1的第一端連接到第一MOSFET(金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)2的漏極D1，電壓源1的第二端連接到地。第一MOSFET2的源極還連接到第二MOSFET3的漏極D2。第二MOSFET3的源極S2連接到地。對(duì)應(yīng)的二極管4、5并聯(lián)連接到兩個(gè)MOSFET2、3中的每一個(gè)。MOSFET2、3的對(duì)應(yīng)的柵極G1、G2連接到一個(gè)控制單元(未示出)，控制單元負(fù)責(zé)切換MOSFET2、3。
此外，將電感器6的第一連接部分連接在第一MOSFET2的源極S1和第二MOSFET3的漏極D2之間。電感器6的第二連接部分連接到輸出電容器7的第一連接部分。輸出電容器7的第二連接部分連接到地。
可將在輸出電容器7兩端的電壓作為經(jīng)過調(diào)節(jié)的電壓源提供給負(fù)載。通過借助于控制單元調(diào)節(jié)MOSFET2、3的切換，就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。
按照本發(fā)明，所提供的附加電流路徑11、12與電感器6并聯(lián)和/或與電容器7并聯(lián)。無論何時(shí)連接到輸出電容器7的負(fù)載斷開，這個(gè)附加電流路徑都是開路的。借此，可以經(jīng)過附加電流路徑清除存儲(chǔ)在電感器6中的能量。由箭頭表示在可能的附加電流路徑上電流的方向。
圖2提供按照本發(fā)明的一個(gè)補(bǔ)償變換器的第一實(shí)施例，其中包括一個(gè)附加電流路徑。所說的補(bǔ)償變換器對(duì)應(yīng)于以上參照附圖1描述的補(bǔ)償變換器，對(duì)于對(duì)應(yīng)的部件使用相同的標(biāo)號(hào)。這里，還要描述一下連接到輸出電容器7的負(fù)載8。為了提供圖1的附加電流路徑12，一個(gè)可控的電流源22與輸出電容器7并聯(lián)連接。對(duì)于電流源22進(jìn)行安排，使其能在地的方向提供一個(gè)附加電流。電流源22的控制輸入端連接到反饋裝置。反饋裝置構(gòu)成與補(bǔ)償變換器的電壓輸出端連接的連接部分，反饋裝置可以包括控制單元。
只要負(fù)載8接通，包括可控的電流源22在內(nèi)的電流路徑就不是開路的，補(bǔ)償變換器的操作就像一個(gè)常規(guī)的補(bǔ)償變換器那樣。然而，一旦負(fù)載8斷開，可控的電流源22就受到了激勵(lì)，從而可以減小電感器6中的能量。斷開負(fù)載8導(dǎo)致輸出電容器7上的電壓的增加。因此，無論何時(shí)輸出電壓達(dá)到預(yù)定的與應(yīng)用有關(guān)的最大限制值時(shí)，反饋裝置就通過激勵(lì)電流源22使附加電流路徑開路。
一旦電流源22受到激勵(lì)，就可以通過輸出電壓來調(diào)節(jié)電流源22，以使輸出電壓維持在一個(gè)預(yù)定的限制值，這個(gè)輸出電壓是與將進(jìn)入電容器7的電流調(diào)節(jié)為零的輸出電壓相同的。按照另一種方式，可以調(diào)節(jié)電流源22，使其等于電感器6的電流，從而可以將進(jìn)入電容器7和負(fù)載8的組合的電流調(diào)節(jié)為零。在另一個(gè)可替換的實(shí)施例中，可以通過電流源22扣除一個(gè)固定量的電流。這個(gè)固定量的電流必須等于或大于當(dāng)達(dá)到輸出電壓的預(yù)定限制值時(shí)剩余的最壞情況下的最大電感器電流。在一定的時(shí)間可以抽取電流，這就是說，不僅從電感器6抽取一定量的能量，而且從電容器7也要抽取一定量的能量。一直到輸出電壓下降到低于一定的數(shù)值，都可抽取電流。借此，可實(shí)現(xiàn)電流的滯后控制。
圖3提供按照本發(fā)明的補(bǔ)償變換器的第二實(shí)施例，其中包括一個(gè)附加電流路徑。這個(gè)補(bǔ)償變換器再一次對(duì)應(yīng)于參照附圖1描述的補(bǔ)償變換器，相同的標(biāo)號(hào)用于對(duì)應(yīng)的部件。負(fù)載8再一次地連接到輸出電容器7。為了提供圖1的附加電流路徑12，將一個(gè)可變電阻器32并聯(lián)連接到輸出電容器7。借此，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)低阻抗路徑，即附加電流路徑。與圖2的實(shí)施例類似，當(dāng)輸出電容器7上的電壓達(dá)到預(yù)定值時(shí)，附加電流路徑是開路的?？刂瓶勺冸娮杵?2的方式有幾種，就像對(duì)于圖2的電流源22描述的那樣。可變電阻器32的控制輸入端連接到反饋裝置，通過減小可變電阻器32的電阻，可以使電流路徑開路。反饋裝置再一次構(gòu)成一個(gè)與補(bǔ)償變換器的電壓輸出端連接的連接部分，并且反饋裝置可以包括控制單元。
對(duì)于輸出電壓的滯后控制，例如可以利用具有一定導(dǎo)通電阻的MOSFET來實(shí)現(xiàn)電阻器32。當(dāng)在輸出電容器7上達(dá)到預(yù)定的電壓限制值時(shí)，這個(gè)MOSFET導(dǎo)通。對(duì)于這個(gè)電壓限制值進(jìn)行設(shè)定，以使當(dāng)負(fù)載8斷開時(shí)可以達(dá)到這個(gè)電壓限制值。結(jié)果，整個(gè)的電感器電流通過這個(gè)導(dǎo)通電阻分流。這個(gè)導(dǎo)通電阻必須足夠地小以便在所有的情況下都可以分流。這樣，在一般情況下，還有電流通過MOSFET從輸出電容器7流出。當(dāng)電壓下降到低于某個(gè)第二預(yù)定閾值的時(shí)候，MOSFET再一次地?cái)嚅_。在電感器中的剩余電流將要開始再一次地給輸出電容器7充電，最終導(dǎo)致附加分流的作用。
圖4提供按照本發(fā)明的補(bǔ)償變換器的第三實(shí)施例，其中包括一個(gè)附加電流路徑。這個(gè)補(bǔ)償變換器再一次對(duì)應(yīng)于參照附圖1描述的補(bǔ)償變換器，相同的標(biāo)號(hào)用于對(duì)應(yīng)的部件。負(fù)載8再一次地連接到輸出電容器7。為了提供圖1的附加電流路徑11，將一個(gè)可變阻抗并聯(lián)連接到電感器6上。這樣，再一次地實(shí)現(xiàn)了一個(gè)低阻抗路徑，即附加電流路徑。
可變阻抗是用MOSFET41和兩個(gè)二極管42、43實(shí)現(xiàn)的，二極管43是MOSFET41的體二極管。串聯(lián)連接的兩個(gè)二極管42、43并聯(lián)連接到電感器6上。兩個(gè)二極管的正向方向彼此相反。MOSFET41并聯(lián)連接到二極管43，二極管43的正向方向在輸出電容器7的方向。更加具體地說，MOSFET41的漏極D3連接到距輸出電容器7較近的二極管43的連接部分，而MOSFET41的源極S3連接到距輸出電容器7較遠(yuǎn)的二極管43的連接部分。MOSFET41的柵極G3連接到反饋裝置。反饋裝置構(gòu)成與補(bǔ)償變換器的電壓輸出端連接的連接部分，反饋裝置可以包括控制單元。
當(dāng)輸出電壓達(dá)到預(yù)定值時(shí)，通過反饋裝置向MOSFET41的柵極G3施加一個(gè)電壓。借此，電感器6利用經(jīng)過MOSFET41和二極管42的特定電阻在一個(gè)方向短路。這樣，電感器電流就開始循環(huán)。由于在MOSFET41和二極管42中的損耗，扼流圈中的能量減小。如果電流降到零，則在MOSFET41和二極管42中消耗掉整個(gè)的能量。
在負(fù)載8再一次接通并且因此再一次地需要能量的情況下，當(dāng)電流仍舊在循環(huán)流動(dòng)時(shí)，可以使用剩余能量開始為負(fù)載8供電。為此，可以將二極管42實(shí)施為肖特基二極管，或者通過另一個(gè)低歐姆的MOSFET來實(shí)施二極管42。這樣，可以減小電感器電流的衰變，并且更多的電流將保存在電感器中以便再一次地向負(fù)載8提供。在負(fù)載8再一次接通的情況下，另一個(gè)MOSFET導(dǎo)通，同時(shí)MOSFET41仍舊導(dǎo)通，導(dǎo)致在相反方向的一個(gè)附加短路。此外，在負(fù)載8再一次迅速導(dǎo)通的情況下，這樣一個(gè)另外的MOSFET可能會(huì)導(dǎo)通。
要說明的是，已經(jīng)描述的本發(fā)明的實(shí)施例只是各種各樣可能的實(shí)施例中的某一些。還應(yīng)該理解，本發(fā)明的任何已提供的實(shí)施例都可以按照許多方式進(jìn)行改變和補(bǔ)充。
權(quán)利要求
1.一種功率變換器，包括一個(gè)電感器，用于接收來自電源的能量，并且將輸出電容器連接到所說的電感器，用于提供輸出電壓，其特征在于還包括一個(gè)附加的電流通路，它與所說電感器和所說電容器中的一個(gè)并聯(lián)連接，附加的電流路徑可以是開路的或者是閉路的，其中形成所說的附加的電流路徑，以使流過所說附加電流路徑的電流在所說附加電流路徑開路時(shí)基本上立即達(dá)到期望值；而且反饋裝置，以使當(dāng)所說輸出電容器兩端的所說輸出電壓達(dá)到預(yù)定的最大值時(shí)附加電流路徑開路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率變換器，其中所說的附加電流路徑包括一個(gè)可控的電流源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率變換器，其中所說的附加電流路徑是一個(gè)低阻抗路徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的功率變換器，其中所說的低阻抗路徑包括一個(gè)電阻器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率變換器，其中所說的反饋裝置使所說的附加電流路徑開路預(yù)定的時(shí)間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率變換器，其中當(dāng)達(dá)到第二預(yù)定的輸出電壓時(shí)，所說的反饋裝置閉合已經(jīng)開路的附加電流路徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率變換器，其中所說的反饋裝置根據(jù)所說的輸出電壓控制開路的附加電流路徑。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率變換器，其中所說的反饋裝置根據(jù)通過所說電感器的電流控制開路的附加電流路徑。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率變換器，其中所說的功率變換器是由補(bǔ)償變換器、升壓變換器、和補(bǔ)償/升壓變換器構(gòu)成的組中的一種。
10.一種用于控制功率變換器的方法，功率變換器包括一個(gè)電感器，用于接收來自電源的能量，并且將輸出電容器連接到所說的電感器，用于提供輸出電壓，所說的方法包括如下步驟當(dāng)所說輸出電容器兩端的所說輸出電壓達(dá)到預(yù)定的最大值時(shí)，使與所說電感器和所說電容器之一并聯(lián)連接的一個(gè)可控的附加電流路徑開路，從而使對(duì)應(yīng)的期望電流基本上立即地流過所說的附加電流路徑。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種功率變換器，功率變換器包括一個(gè)電感器6，用于接收來自電源1的能量，并且將輸出電容器7連接到所說的電感器6，用于提供輸出電壓。為了保證迅速補(bǔ)償在使用幾個(gè)輸出電容器的電壓輸出端的負(fù)載的減小，建議安排一個(gè)附加的電流通路11、12，它與所說電感器6或者所說電容器7并聯(lián)連接，附加的電流路徑11、12可以是開路的或者是閉路的。流過附加電流路徑11、12的電流在附加電流路徑11、12開路時(shí)基本上立即達(dá)到期望值。而且，提供反饋裝置，以使當(dāng)所說輸出電壓達(dá)到預(yù)定的最大值時(shí)附加電流路徑11、12開路。本發(fā)明同樣地涉及一種相應(yīng)的方法。
文檔編號(hào)H02M3/158GK1711672SQ200380103377
公開日2005年12月21日 申請(qǐng)日期2003年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月15日
發(fā)明者T·德鮑姆, R·埃菲里奇, T·G·托爾勒, J·奧森 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司