專利名稱：電壓轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電壓轉(zhuǎn)換器，一種電源管理單元和一種包括該電壓轉(zhuǎn)換器的移動(dòng)設(shè)備。
本發(fā)明能夠用于例如電源，或者諸如移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)或便攜式計(jì)算機(jī)這樣的移動(dòng)設(shè)備中。電壓轉(zhuǎn)換器通常用于從DC輸入電壓源中獲得多個(gè)DC輸出電壓。這些輸出電壓可以比DC輸入電壓具有更高的電壓電平。電壓轉(zhuǎn)換器通常是指DCDC電壓轉(zhuǎn)換器或開關(guān)模式電源(SMPS)。DCDC轉(zhuǎn)換器通常在本領(lǐng)域中是公知的。電壓轉(zhuǎn)換器包括能量?jī)?chǔ)存裝置，諸如電感器，用于儲(chǔ)存從DC輸入電壓源獲得的能量。該能量隨后用于產(chǎn)生并維持多個(gè)輸出電壓。該能量?jī)?chǔ)存裝置被循環(huán)充放電，且通過可編程開關(guān)設(shè)備調(diào)整從能量?jī)?chǔ)存裝置至電壓轉(zhuǎn)換器輸出端的能量流。利用連接至電壓轉(zhuǎn)換器任一輸出端的反相電路，可以提供負(fù)電壓也是本領(lǐng)域公知的。
本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的電壓轉(zhuǎn)換器。為了這個(gè)目的，該電壓轉(zhuǎn)換器包括-電感電路，用于在電感磁化模式期間儲(chǔ)存能量，在電感去磁模式期間轉(zhuǎn)移能量；-至少兩條非反相支路，用于提供至少兩個(gè)非反相輸出電壓；和-反相支路，用于提供反相輸出電壓；反相支路和非反相支路并聯(lián)連接至電感電路的輸出端，電感電路被設(shè)置成向反相支路以及至少兩條非反相支路中的一條轉(zhuǎn)移能量，其中反相電壓和相應(yīng)的至少兩條非反相支路中一條的非反相輸出電壓具有相反的極性和基本相等的幅值。
本發(fā)明基于的思想是通過將反相支路連接至電感電路的輸出端，而不是非反相支路的輸出端，可以實(shí)現(xiàn)所需開關(guān)設(shè)備的大量節(jié)約，這就使得電壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)更有效率和更節(jié)約成本。本發(fā)明還基于的思想是非反相支路和反相支路的輸出電壓能夠通過在電感電路的輸出端可獲得的電壓箝位電平確定，這就無需再將反相支路連接至非反相支路的輸出端。
根據(jù)本發(fā)明的電壓轉(zhuǎn)換器的另一實(shí)施例中，反相支路包括電容電路，用于在電感去磁模式期間儲(chǔ)存被轉(zhuǎn)移的能量，以及用于在電感磁化模式期間釋放被轉(zhuǎn)移的能量。該電容器能夠有利地作為電池首先被充電直到達(dá)到所需的電壓電平，隨后基于請(qǐng)求被放電。
根據(jù)本發(fā)明的電壓轉(zhuǎn)換器的一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)電容電路的輸出端連接至接地電壓時(shí)，該電容電路被設(shè)置成經(jīng)由該電容電路的輸入端接收被轉(zhuǎn)移的能量，而當(dāng)電容電路的輸入端連接至接地電壓時(shí)，該電容電路被設(shè)置成經(jīng)由輸出端釋放能量。該實(shí)施例具有的優(yōu)勢(shì)是它提供了一種便利的方式，用于反轉(zhuǎn)電容器兩端的電壓的極性。
根據(jù)本發(fā)明的電壓轉(zhuǎn)換器的另一實(shí)施例中，電壓轉(zhuǎn)換器包括第一和第二開關(guān)設(shè)備，用于分別在電感磁化模式和電感去磁模式期間分別將電容電路的輸入端(In)和輸出端(Out)連接至接地電壓(GND)。通過第一和第二開關(guān)設(shè)備，電容電路很容易在受控方式下充放電。
根據(jù)本發(fā)明的電壓轉(zhuǎn)換器的一個(gè)實(shí)施例中，電壓轉(zhuǎn)換器還包括電壓下轉(zhuǎn)換(voltage down conversion)電路，通過該電路將輸入電壓施加于電感電路。因此，可以控制電感電路中的充電量并從而控制電壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。
根據(jù)本發(fā)明的電壓轉(zhuǎn)換器的一個(gè)實(shí)施例中，電壓下轉(zhuǎn)換電路包括第三和第四開關(guān)設(shè)備，用于將輸入電壓和接地電壓交替施加于電感電路。該實(shí)施例具有的優(yōu)勢(shì)是電壓下轉(zhuǎn)換的量可以通過第三和第四開關(guān)設(shè)備的占空比來確定。這樣，可以獲得可編程的電壓下轉(zhuǎn)換電路。
根據(jù)本發(fā)明的電壓轉(zhuǎn)換器的一個(gè)實(shí)施例中，所述至少兩條支路中的至少一條包括另一開關(guān)設(shè)備，用于啟動(dòng)該支路。通過該另一開關(guān)設(shè)備，可以控制來自電感電路的能量流。這意味著只有該另一開關(guān)設(shè)備閉合，能量才將轉(zhuǎn)移至該支路。另外，如果該另一開關(guān)設(shè)備閉合，那么反相支路的箝位電壓的幅值將變得基本等于該啟動(dòng)后的非反相支路的箝位電壓的幅值。
根據(jù)本發(fā)明的電壓轉(zhuǎn)換器的另一實(shí)施例中，電壓轉(zhuǎn)換器還包括控制裝置，用于控制開關(guān)設(shè)備。通過控制這些開關(guān)，可以控制電壓轉(zhuǎn)換器的運(yùn)轉(zhuǎn)和響應(yīng)。
本發(fā)明的這些和其他方面將通過附圖加以說明。


圖1表示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電壓轉(zhuǎn)換器；圖2表示現(xiàn)有技術(shù)中的電壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)流經(jīng)電感器L的磁化電流IL；圖3表示現(xiàn)有技術(shù)中的電壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)電感器L兩端的電壓降UL；圖4表示電容性DCDC反相器；圖5表示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)包括電容性DCDC反相器的電壓轉(zhuǎn)換器；圖6表示根據(jù)本發(fā)明包括電容性DCDC反相器的電壓轉(zhuǎn)換器；圖7表示根據(jù)本發(fā)明包括電容性DCDC反相器的電壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)序列；圖8表示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的另一電壓轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器包括輸入電壓降低裝置。
圖1表示現(xiàn)有技術(shù)中的電壓轉(zhuǎn)換器，該電壓轉(zhuǎn)換器將輸入電壓Vi轉(zhuǎn)換為三個(gè)箝位電壓Va，Vb和Vc。圖1中，假設(shè)Va＞Vb＞Vc。電阻RL1，RL2和RL3代表電壓轉(zhuǎn)換器的負(fù)載。根據(jù)本領(lǐng)域中通常公知的方法產(chǎn)生箝位電壓Va，Vb和Vc。例如，通過響應(yīng)于測(cè)量箝位電壓Va，Vb和Vc來控制電感磁化和去磁模式的占空比，或者通過測(cè)量流經(jīng)電路負(fù)載RL1，RL2和RL3的電流。
在電感磁化模式期間，當(dāng)D1，S5和S6進(jìn)入非導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，開關(guān)SL閉合(導(dǎo)通狀態(tài))。很明顯，磁化電流IL等于I1。本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易證明I1等于I1＝(Vi/L)*t，其中L代表電感器L的電感，t代表時(shí)間。因此，磁化電流IL將隨時(shí)間連續(xù)增長(zhǎng)，直到IL等于Imax，例如圖2的曲線20所示。很容易證明，在電感磁化模式期間，電流IL將等于E＝1/2*L*Imax2的能量E轉(zhuǎn)移至電感電路L。
在電感去磁模式期間，開關(guān)SL打開，而同時(shí)開關(guān)元件D1，S5，S6中的一個(gè)進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。這樣，儲(chǔ)存的能量E＝1/2*L*Imax2被分配至輸出支路12，13或者14中。通過示例，圖1假設(shè)只有S5進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，這使得IL＝I2。本領(lǐng)域中通常公知電感器L抵抗突然的電流變化。所以，很容易證明I2將從Imax開始，并從Imax線性減小，如圖2中曲線22所示。圖2中斜線22的角度α通過L*dIL/dt＝(Vi-Vb+VD2)確定，這意味著斜線22的角度α主要由輸出電壓Vb確定。
Vb可以用Vb＝Vi-L*dIL/dt+VD2表示。在電感去磁模式期間，電感器L兩端的電壓L*dIL/dt伏具有負(fù)極性，例如圖3中曲線32所示。但是，很明顯，-L*dIL/dt對(duì)輸出電壓Vb具有正的貢獻(xiàn)。VD2代表二極管D2兩端的電壓降，該電壓降取決于使用的技術(shù)，通常位于0.3伏至0.7伏之間。應(yīng)用二極管D1，D2和D3來防止從電壓轉(zhuǎn)換器的輸出端至內(nèi)部節(jié)點(diǎn)10的電流泄漏。如果開關(guān)S5，S6是嚴(yán)格單向的，即它們只是從內(nèi)部節(jié)點(diǎn)10至輸出端導(dǎo)通，那么二極管D1，D2和D3能夠省略。這種情況例如是，開關(guān)S5，S6由一對(duì)反向串聯(lián)的P-mos晶體管構(gòu)成。很明顯，在這種情況下，支路12也必須包括開關(guān)設(shè)備。如果開關(guān)S5和S6打開，電流I2開始流經(jīng)支路12。如果開關(guān)S5閉合，S6仍然打開，那么電壓Vb-VD2將施加于內(nèi)部節(jié)點(diǎn)10上。由于該電壓小于Va，二極管D1將關(guān)斷，I2將開始流經(jīng)第二支路13。類似地，閉合S6將會(huì)把電壓Vc-VD3施加于內(nèi)部節(jié)點(diǎn)10上，這將使二極管D1和D2關(guān)斷。通過以控制的方式操作開關(guān)SL，S5和S6，可以對(duì)電感器L進(jìn)行磁化和去磁，以及從電感器L向支路12，13，14中的每一條轉(zhuǎn)移能量。電容器C1用作DC輸入緩沖器，以保護(hù)輸入線路免受電壓轉(zhuǎn)換器的高頻開關(guān)輸入電流和開關(guān)噪聲的影響。電容器C2，C3和C4用作DC輸出緩沖器。它們的功能首先是平滑高頻輸出電流，其次是在沒有電荷提供到電壓轉(zhuǎn)換器的支路期間，保證連續(xù)的輸出電壓。因此，C2，C3和C4兩端的電壓會(huì)出現(xiàn)輕微的AC紋波。但是，這幾乎沒什么影響，這是由于電容器C2，C3和C4能夠通過電感電路足夠快地再充電。
圖2表示流經(jīng)電感器L的磁化電流IL。上升沿20代表電感器的充電或磁化(SL閉合)。在電感最大化模式期間，磁化電流IL增加直到SL打開。很容易證明IL等于Vi*t/L，其中t代表時(shí)間，L是電感器L的電感。一旦SL打開，電流IL等于Imax，并且表現(xiàn)出如圖2所示的下降沿22。很容易證明該下降沿可以表示為dIL/dt＝(Vi-Vout+VD)/L，其中VI代表輸入電壓，Vout代表圖1的輸出電壓Va，Vb，Vc中的任一個(gè)。VD代表當(dāng)二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，二極管D1，D2和D3兩端的電壓降。
圖3表示電感器L兩端的電壓降UL，它可以表達(dá)為UL＝L*dIL/dt。這導(dǎo)致，在IL的上升沿20期間，電壓UL是正極性30，在IL的下降沿22期間，電壓UL是負(fù)極性32。
圖4表示DCDC電容性電壓反相器。圖中示出了電容器Cpump經(jīng)輸入電壓源VI充電。在充電期間，開關(guān)S4和S2閉合，而開關(guān)SL和S7打開。通過這樣，Cpump充電直到Cpump兩端的電壓降對(duì)應(yīng)于Vi，并具有圖4所示的極性。一旦Cpump充滿電，最終開關(guān)S4和S2打開，開關(guān)SL和S7閉合。這樣，Cpump連接至電容性電壓反相器的輸出端以轉(zhuǎn)移輸出電壓Vinv，該輸出電壓具有和Vi相同的幅值，但是具有相反的極性。電容器Co是DC輸出緩沖器，用于平滑轉(zhuǎn)換器的高頻輸出電流，并且用于當(dāng)泵電容器Cpump再充電時(shí)，向電容性DCDC反相器的負(fù)載提供輸出電壓Vinv。
圖5表示圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)中的DCDC電壓轉(zhuǎn)換器與圖4討論的電容性DCDC電壓反相器的結(jié)合。電容器Cpump通過交替運(yùn)行的開關(guān)S4，S’4，S”4連接至支路12，13和14的輸出端。通過閉合例如開關(guān)S4和S2，泵電容器Cpump由電壓Vc充電。通過閉合S7和S1，并打開S4，S’4，S”4和S2，輸出電壓Vinv變得等于-Vc。
圖6表示根據(jù)本發(fā)明的DCDC電壓轉(zhuǎn)換器。圖中示出了電容性DCDC反相器連接至內(nèi)部節(jié)點(diǎn)10。這樣，在電感去磁模式期間，Cpump由節(jié)點(diǎn)10處可獲得的電壓充電。如前所述，該電壓由輸入電壓Vi和電感器L兩端的電壓降確定。很明顯，電感器兩端的電壓降由在去磁模式期間從該電感器中引出的電流I2和I’2確定。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的是，通過這種設(shè)置，根據(jù)非反相支路12，13或者14中的哪一條被啟動(dòng)，輸出電壓Vinv可以與箝位電壓Va，Vb或者Vc中的任一個(gè)具有基本相同的幅值。通過提供控制裝置(82)，可以控制開關(guān)S1，S2，S5，S6，S7的占空比，來影響電壓轉(zhuǎn)換器的運(yùn)轉(zhuǎn)。該實(shí)施例的優(yōu)勢(shì)在于只需要有限數(shù)量的額外開關(guān)，即S6和S7，這使得電路更容易以更低的成本集成，并且需要更少的開關(guān)控制。
通過示例，圖7表示用于控制圖6的開關(guān)S1，S6和S7的開關(guān)循環(huán)。假設(shè)向非反相支路14(根據(jù)要求轉(zhuǎn)移)以及非反相支路提供能量。這意味著開關(guān)S5和S2閉合，S6和S7打開。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，節(jié)點(diǎn)10處的電壓電平將基本上對(duì)應(yīng)于箝位電壓Vb是顯而易見的。這意味著Cpump兩端的電壓也變?yōu)閂b。但下一電感磁化模式72期間，開關(guān)S1和S7閉合，使得電流I1開始流動(dòng)，用于給電感器L補(bǔ)充能量，而反相支路的輸出電壓Vinv將變?yōu)?Vb。一旦Cpump連接至反相支路的輸出端，很明顯，電容器Cpump兩端的電壓會(huì)有些下降。所以，在下一電感去磁模式期間，S1和S7重新打開，S6閉合。這樣就允許Cpump補(bǔ)充能量，以至于電容器Cpump兩端的電壓降又是Vb伏。
圖8表示一種DCDC電壓轉(zhuǎn)換器，其中接地電壓GND和輸入電壓Vi通過開關(guān)S3和S4交替連接至電感器L，用于減小輸入電壓Vi的平均值。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，可以有利地利用輸入值的減小來影響DCDC電壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓是顯而易見的。
應(yīng)該注意，上述實(shí)施例說明而不限制本發(fā)明，在不脫離所附權(quán)利要求保護(hù)范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠設(shè)計(jì)出許多其他的實(shí)施例。詞語“包括”不排除存在與權(quán)利要求中所列出的元件或者步驟不同的元件或者步驟。元件前的詞語“一個(gè)”不排除存在多個(gè)這樣的元件。在彼此不同的從屬權(quán)利要求中列舉了某些措施的事實(shí)不表示這些措施的結(jié)合不能被有利地使用。
權(quán)利要求
1.電壓轉(zhuǎn)換器，包括-電感電路(L)，用于在電感磁化模式期間儲(chǔ)存能量，在電感去磁模式期間轉(zhuǎn)移能量；-至少兩條非反相支路(12，13，14)，用于提供至少兩個(gè)非反相輸出電壓(Va，Vb，Vc)；以及-反相支路(15)，用于提供反相輸出電壓；所述反相支路(15)和所述非反相支路(12，13，14)并聯(lián)連接至所述電感電路(L)的輸出端(10)，所述電感電路被設(shè)置成向所述反相支路(15)以及所述至少兩條非反相支路(12，13，14)中的一條轉(zhuǎn)移能量，其中反相電壓(Vinv)和對(duì)應(yīng)的所述至少兩條非反相支路(12，13，14)中的一條的非反相輸出電壓(Va，Vb，Vc)具有相反的極性和基本相等的幅度。
2.如權(quán)利要求1所述的電壓轉(zhuǎn)換器，其中，所述反相支路(15)包括電容電路(Cpump)，用于在所述電感去磁模式期間儲(chǔ)存被轉(zhuǎn)移的能量，以及用于在所述電感磁化模式期間釋放所述被轉(zhuǎn)移的能量。
3.如權(quán)利要求2所述的電壓轉(zhuǎn)換器，其中，當(dāng)所述電容電路(Cpump)的輸出端(Out)連接至接地電壓(GND)時(shí)，所述電容電路(Cpump)被設(shè)置成經(jīng)由所述電容電路(Cpump)的輸入端(In)接收所述被轉(zhuǎn)移的能量，并且其中當(dāng)所述輸入端(In)連接至所述接地電壓(GND)時(shí)，所述電容電路(Cpump)還被設(shè)置成經(jīng)由所述輸出端(Out)釋放能量。
4.如權(quán)利要求3所述的電壓轉(zhuǎn)換器，包括第一和第二開關(guān)設(shè)備，分別用于在所述電感磁化模式和所述電感去磁模式期間，分別將所述電容電路的所述輸入端(In)和所述輸出端(Out)連接至所述接地電壓(GND)。
5.如權(quán)利要求1所述的電壓轉(zhuǎn)換器，其中，所述電壓轉(zhuǎn)換器還包括電壓下轉(zhuǎn)換電路(80)，經(jīng)由所述電壓下轉(zhuǎn)換電路將輸入電壓(Vi)施加于所述電感電路(L)。
6.如權(quán)利要求5所述的電壓轉(zhuǎn)換器，其中，所述電壓下轉(zhuǎn)換電路(80)包括第三和第四開關(guān)設(shè)備(S3，S4)，用于將所述輸入電壓(Vi)和接地電壓(GND)交替施加于所述電感電路(L)。
7.如權(quán)利要求1所述的電壓轉(zhuǎn)換器，其中，所述至少兩條支路(12，13，14)中的至少一條包括另一開關(guān)設(shè)備(S5，S6)，用于啟動(dòng)所述支路。
8.如上述權(quán)利要求中每一個(gè)所述的電壓轉(zhuǎn)換器，其中，所述電壓轉(zhuǎn)換器還包括控制裝置(82)，用于控制所述開關(guān)設(shè)備。
9.一種電源管理單元，包括如上述權(quán)利要求中每一個(gè)所述的電壓轉(zhuǎn)換器。
10.一種移動(dòng)設(shè)備，包括如權(quán)利要求7所述的能量單元。
全文摘要
一種電壓轉(zhuǎn)換器，包括電感電路(L)，用于在電感磁化模式期間儲(chǔ)存能量，在電感去磁模式期間轉(zhuǎn)移能量。另外，該電壓轉(zhuǎn)換器包括至少兩條非反相支路(12，13，14)，用于提供至少兩個(gè)非反相輸出電壓(Va，Vb，Vc)，以及反相支路(15)，用于提供反相輸出電壓。反相支路(15)和非反相支路(12，13，14)并聯(lián)連接至電感電路(L)的輸出端(10)。電感電路被設(shè)置成向反相支路(15)以及該至少兩條非反相支路(12，13，14)中的一條轉(zhuǎn)移能量。這樣，反相電壓(Vinv)和對(duì)應(yīng)的該至少兩條非反相支路(12，13，14)中一條的非反相輸出電壓(Va，Vb，Vc)具有相反的極性和基本相等的幅值。
文檔編號(hào)H02M3/07GK1871760SQ200480031009
公開日2006年11月29日 申請(qǐng)日期2004年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月21日
發(fā)明者亨里克斯·P·M·德克斯, 帕特里克·E·G·斯梅茨, 赫爾曼納斯·J·埃芬, 威廉默斯·J·R·范利爾 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司