專利名稱：直流轉換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是有關于直流轉換器(DC-DC converter)，且特別有關于操作于非連續(xù)導通模式(discontinuous conduction mode, DCM)的零電流切換脈沖頻率調制(zero current switching and pulse frequency modulation, ZCS-PFM)直、流轉換器。
背景技術：
直流轉換器是一種電子電路，用于轉換直流電源的電位。直流轉換器通常采用開關切換技術(switched-mode conversion)達成電位轉換，其中，通過先將輸入能量暫存后再釋放之來達成直流電位的轉換。所采用的儲能元件可為磁性儲存元件(電感或變壓器)、 或電性儲存元件(電容)。通過開關設備，能量可被輸入儲能元件或輸出儲能元件。然而，開關切換式直流轉換器有其缺點，包括切換操作所帶來的能量消耗以及電磁干擾(EMI)。

發(fā)明內容
本發(fā)明揭露一種直流轉換器，其中采用零電流切換脈沖調制技術，且操作于非連續(xù)導通模式。根據本發(fā)明一種實施方式所實現(xiàn)的一直流轉換電路包括一第一開關、一第二開關、一輸入二極管、一磁化電感、一第一共振電容、一第一共振電感、一第一輸出二極管以及一第一輸出濾波電容。所述第一以及第二開關采輪流導通方式操作。當?shù)谝婚_關導通時， 一輸入電位耦接至該輸入二極管的陽極。該輸入二極管的陰極是耦接該磁化電感的一第一端。該第二開關的導通狀態(tài)是設計來短路該磁化電感的一第二端至一接地端。該第一共振電容以及該第一共振電感是以串聯(lián)方式布置于該磁化電感的該第二端以及該接地端之間。 該第一共振電容以及該第一共振電感之間的一第一連接節(jié)點還通過該第一輸出二極管耦接該第一輸出濾波電容的一第一端，以穩(wěn)壓該第一輸出濾波電容的電位。該第一輸出濾波電容的一第二端耦接該接地端。此外，該第一輸出濾波電容的該第一端耦接一第一負載，以供應該第一負載一第一輸出電位。在某些實施方式中，該第一共振電容的一第一端耦接該磁化電感的該第二端，該第一共振電容的一第二端耦接該第一連接節(jié)點，該第一共振電感的一第一端耦接該第一連接節(jié)點，且該第一共振電感的一第二端耦接該接地端。在此類實施方式中，該第一輸出二極管的陽極以及陰極分別耦接該第一連接節(jié)點以及該第一輸出濾波電容的該第一端。該第一輸出電位以及該輸入電位之間的增益為正值。關于前述的正增益直流轉換器的電路結構，可還添加一第二共振電感、一第二共振電容、一第二輸出二極管以及一第二輸出濾波電容于其中。上述第二共振電感與電容串聯(lián)耦接于該磁化電感的該第二端以及該接地端之間。上述第二共振電感以及電容之間一第二連接節(jié)點還經由該第二輸出二極管耦接至該第二輸出濾波電容的一第一端，以穩(wěn)壓該第二輸出濾波電容的電位。該第二共振電感具有一第一端耦接該磁化電感的該第二端，且具有一第二端耦接該第二連接節(jié)點。該第二共振電容具有一第一端耦接該第二連接節(jié)點，且具有一第二端耦接該接地端。該第二輸出二極管的陽極耦接該第二輸出濾波電容的該第一端，且該第二輸出二極管的陰極耦接該第二連接節(jié)點。該第二輸出濾波電容的該第一端還耦接一第二負載，以供應該第二負載一第二輸出電位。該第二輸出電位以及該輸入電位之間的增益為負值。為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合所附圖示，詳細說明如下。


圖1根據本發(fā)明一種實施方式圖解一直流轉換器；圖2以流程解所揭露的直流轉換器的一種控制流程；圖3圖解圖1上數(shù)個信號的波形；且圖4以流程解所揭露的直流轉換器的一種設計方針。[主要元件標號說明]Cno、Cpo 第二、第一輸出濾波電容；Cnr、Cpr 第二、第一共振電容；Di 輸入二極管；DruDp 第二、第一輸出二極管；I_Dn、I_Dp 流經 Dn、Dp 的電流；Ii 輸入電流； hr、Ipr 第二、第一共振電流；nl、n2 第一、第二連接節(jié)點；Lm 磁化電感； Lnr、Lpr 第二、第一共振電感；foio、Rpo 第二、第一負載；Ql、Q2 第一、第二開關；Vcnr, Vcpr 第二、第一共振電位差；V_Dn、V_Dp Dn、Dp 上的跨壓；Vi 輸入電位；以及Vno、Vpo 第二、第一輸出電位。
具體實施例方式以下說明揭露本發(fā)明多種實施方式，內容是敘述本發(fā)明的主要精神，并非意圖限定本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范疇應當要參考申請專利范圍的內容。圖1圖解根據本發(fā)明一種實施方式所實現(xiàn)的一直流轉換器，以一正值增益轉換一輸入電位Vi為一第一輸出電位Vpo，或以一負值增益轉換該輸入電位Vi成一第二輸出電位 Vno0如圖所示，直流轉換器包括一第一開關Q1、一第二開關Q2、一輸入二極管Di、一磁化電感Lm、一第一共振電容Cpr、一第一共振電感Lpr、一第一輸出二極管Dp、一第一輸出濾波電容Cpo、一第二共振電感Lnr、一第二共振電容Cnr、一第二輸出二極管Dru以及一第二輸出濾波電容Cno。上述第一以及第二輸出濾波電容Cpo以及Cno的尺寸可較上述第一以及第二共振電容Cpr以及Cnr的尺寸大上一特定比例。該第一開關Ql以及該第二開關Q2是以交替方式導通，以轉換輸入能量。該第一開關Ql是設計來將輸入電位Vi耦接至輸入二極管Di的陽極。輸入二極管 Di的陰極是耦接該磁化電感Lm的一第一端。該第二開關Q2設置在該磁化電感Lm的一第二端以及一接地端之間。并聯(lián)于該第二開關Q2，該第一共振電容Cpr以及該第一共振電感 Lpr串聯(lián)耦接在該磁化電感Lm的該第二端以及該接地端之間，此外，該第二共振電感Lnr以及該第二共振電容Cnr也串聯(lián)耦接于該磁化電感Lm的該第二端以及該接地端之間。包括有該第一共振電容Cpr、該第一共振電感Lpr、該第一輸出二極管Dp以及該第一輸出濾波電容Cpo的電路結構是設計來產生正增益輸出電位Vpo給一第一負載Rpo使用。包括有該第二共振電感Lnr、該第二共振電容Cnr、該第二輸出二極管Dn以及該第二輸出濾波電容Cno 的電路結構是設計來產生一負增益輸出電位Vno給一第二負載too使用。此段落討論上述正增益轉換的相關元件連結。該第一共振電容Cpr具有一第一端耦接該磁化電感Lm的該第二端，且具有一第二端耦接一第一連接節(jié)點nl，以還耦接至第一共振電感Lpr。第一共振電感Lpr具有一第一端耦接該第一連接節(jié)點nl，且具有一第二端耦接該接地端。該第一輸出二極管Dp具有一陽極耦接該第一連接節(jié)點nl，且具有一陰極耦接該第一輸出濾波電容Cpo的一第一端。該第一輸出濾波電容Cpo的一第二端耦接該接地端。該第一負載Rpo耦接該第一輸出濾波電容Cpo的該第一端。該第一輸出電位Vpo是由上述元件所產生，以供應給該第一負載Rpo。此段落討論負增益轉換技術的元件連結關系。第二共振電感Lnr具有一第一端耦接該磁化電感Lm的該第二端，且具有一第二端耦接一第二連接節(jié)點n2，以還耦接該第二共振電容Cnr。第二共振電容Cnr具有一第一端耦接該第二連接節(jié)點n2，且具有一第二端耦接該接地端。該第二輸出二極管Dn具有一陰極耦接該第二連接節(jié)點π2，且具有一陽極耦接該第二輸出濾波電容Cno的一第一端。第二輸出濾波電容Cno的一第二端耦接該接地端。 第二輸出電位Vno是由上述元件產生來供應給該第二負載too。以下段落討論上述第一以及第二開關Ql以及Q2的數(shù)種控制方式。參閱圖2所示的流程圖，其中對輸出電位Vpo或Vno進行穩(wěn)壓。如步驟S202所示中，第一開關Ql的導通條件可包括一第一共振電位差(Vcpr，位于該第一共振電容Cpr的第一端以及第二端之間)已鎖定(到達且維持在)該第一輸出電位的負值(-Vpo)；—第二共振電位差(Vcnr，位于該第二共振電容Cnr的第一端以及第二端之間)已鎖定在該第二輸出電位(Vno)；—第一共振電流(Ipr，自該第一共振電感Lpr的第一端流向第二端)且一第二共振電流anr，自該第二共振電感Lnr的一第一端流向第二端)已拉升至零電平；并且第一以及第二輸出電感Dp以及Dn已關閉。在某些實施方式中，第一開關Ql的導通是根據本領域技術人員所熟知的停滯時間控制(dead-time control)技術所操作。接下來，如步驟S204所示，第一開關Ql的斷開以及第二開關Q2的導通是發(fā)生輸入電流Ii掉至零值時。 如步驟S206所示，斷開第二開關Q2的時間點是在第一以及第二輸出二極管Dp以及Dn切換為關閉時。步驟S202、S204以及S206所形成的循環(huán)可穩(wěn)壓輸出電位Vpo以及Vno。圖2所示的流程圖非意圖限定第一以及第二開關Ql以及Q2的控制流程。第一以及第二開關Ql以及Q2的導通/不導通切換時間點可隨著直流轉換器中其它元件的設計作調整。根據圖2所示的控制流程，圖1的直流轉換器是在四種操作模式中反復切換。圖3圖解圖1中數(shù)個信號的波形。在一第一時間區(qū)間tl t2中，直流轉換器是操作于一第一操作模式。第一開關 Ql切換為導通，且第二開關Q2維持不導通。在第一操作模式的起始時間點(時間點tl)， 第一以及第二共振電流Ipr以及hr自零值起始，第一共振電位差Vcpr自電位-Vpo起始， 第二共振電位差Vcnr自電位Vno起始，且第一以及第二輸出二極管Dp以及Dn為關閉。第一開關Ql的導通狀態(tài)使得輸入電流Ii得以產生，且第一以及第二共振電容Cpr以及Cnr 得以經由對應的共振網絡充電。當?shù)谝灰约暗诙舱耠娢徊頥cpr以及Vcnr到達零值，第一以及第二共振電流I Pr以及Inr為其最大值。第一以及第二共振電位差Vcpr以及Vcnr 持續(xù)上升直至第一以及第二共振電流Ipr以及hr以及輸入電流Ii降低到零值。如圖所示，第一以及第二輸出二極管Dp以及Dn在第一時間區(qū)間tl t2間為反向偏壓，因此，第一以及第二輸出二極管Dp以及Dn在第一操作模式中維持關閉。第一輸出濾波電容Cpo以及第一負載Rpo所形成的回路可能致使該第一輸出電位Vpo微微下降。第二輸出濾波電容 Cno以及第二負載too所形成的回路可能致使該第二輸出電位Vno緩緩上升。在時間點t2(輸入電流Ii降至零值時)，第一開關Ql切換為不導通，且第二開關 Q2切換為導通，以展開第二時間區(qū)間t2 t3內的一第二操作模式。在此階段，輸入電流 Ii鎖定在零值，且第一以及第二共振電流Ipr以及hr下降成負值。導通的第二開關Q2所提供的短路路徑使得該第一以及該第二共振電容Cpr以及Cnr得以通過對應的共振網絡放電。當?shù)谝灰约暗诙舱耠娢徊頥cpr以及Vcnr下降到零值時，第一以及第二共振電流Ipr 以及hr為其最小值。在時間點t3，第一以及第二共振電位差Vcpr以及Vcnr分別降至電位-Vpo以及Vno，且第一以及第二輸出二極管Dp以及Dn隨之啟動，以于下一個時間區(qū)間 t3 t4產生電流I_Dp以及I_Dn。在第三時間區(qū)間t3 t4中，一第三操作模式展開。在此階段，第一以及第二輸出二極管Dp以及Dn為順向偏壓，因此第一以及第二共振電位差Vcpr以及Vcnr分別鎖定在電位-Vpo以及Vno。由于第一以及第二輸出濾波電容Cpo以及Cno的尺寸可遠大于第一以及第二共振電容Cpr以及Cnr，穿越第一以及第二輸出二極管Dp以及Dn的電流I_Dp以及1_ Dn分別逼近第一以及第二共振電流Ipr以及hr的絕對值。在第三時間區(qū)間t3 t4中， 第一輸出電位Vpo微微升回一較高電平，且第二輸出電位Vno微微拉回一較低電平。在時間點t4，第一以及第二共振電流Ipr以及Inr鎖定在零值，且第一以及第二輸出二極管Dp 以及Dn切換為關閉。在時間點t4，第二開關Q2切換為不導通，且直流轉換器切換至一第四操作模式。 請注意，此時第一以及第二開關Ql以及Q2為不導通且第一以及第二輸出二極管Dp以及Dn 為關閉。第一輸出濾波電容Cpo以及第一負載Rpo所形成的回路將第一輸出電位Vpo再次微微下拉至較低電平。第二輸出濾波電容Cno以及第二負載too所形成的回路將第二輸出電位Vno再次微微拉升為較高電平。由于第一共振電位差Vcpr是鎖定為第一輸出電位的負值(-Vpo)、且第二共振電位差Vcnr是鎖定在第二輸出電位的值Vno，第一以及第二共振電流Ipr以及Inr拉升回零值且第一以及第二輸出二極管Dp以及Dn再次關閉。第一開關 Ql可在時間點t5再次導通，以展開另外一輪的輸出電位穩(wěn)壓程序。導通第一開關Ql的時間點可視第一以及第二負載Rpo與too的值而定。在所介紹的實施方式中，停滯時間控制 (dead-time control)技術為一種很好的選擇。
圖3顯示第一輸出電位Vpo是穩(wěn)壓在一正值(例如，約+5. 6伏特)附近，且第二輸出電位Vno是穩(wěn)壓在一負值(例如，約-5. 6伏特)附近。圖1所揭露的直流轉換器可成功地轉換輸入電位Vi為一正增益輸出電位Vpo以及一負增益輸出電位Vno。第一以及第二開關Ql以及Q2的控制流程是基于零電流切換技術以及電壓切換技術。在時間點tl，第一開關Ql導通，但輸入電流Ii為零值；零電流切換形成。在時間點t2， 第一開關Ql切換為不導通，且輸入電流Ii回復為零值；同樣形成零電流切換。在時間點 t3，第一以及第二輸出二極管Dp以及Dn在零電壓切換事件中切換；此時，第一以及第二二極管Dp以及Dn上的跨壓V_Dp以及V_Dn接近零伏特。在時間點t4，第一以及第二輸出二極管Dp以及Dn在零電流切換條件下關閉；此時，第一以及第二輸出二極管Dp以及Dn上的電流I_Dp以及I_Dn為零。在某些實施方式中，第一以及第二開關Ql以及Q2是以雙接面晶體管(BJT)實現(xiàn)， 目的為降低能量消耗。由于尾端電流(tailing current)的耗損可被避免，雙接面晶體管的特性相當適合此處所揭露的零電流切換技術。此外，為了降低電流壓力(current stress), 應當避免不必要的能量傳遞操作；因此，可采用單向開關。在另一種實施方式中，直流轉換器僅提供上述的正增益轉換。此類型的直流轉換器不包括負增益轉換所需的元件(例如，不包括第二共振電感以及電容Lnr以及Cnr、第二輸出二極管Dn以及第二輸出濾波電容Cno)。在此類實施例中，第一開關Ql的導通條件包括第一共振電位差Vcpr已鎖定在第一輸出電位的負值(-Vpo)；第一共振電流Ipr已拉升至零電平；且第一輸出二極管Dp已關閉。此外，當輸入電流Ii降至零電平，第一開關Ql可切換為不導通且第二開關Q2可切換為導通。接著，第一輸出二極管Dp再次切換為關閉狀態(tài)時，第二開關Q2可切換為不導通。在另外一種實施方式中，直流轉換器僅提供上述負增益轉換。此類型的直流轉換器不包括正增益轉換所需的元件(例如，不包括第一共振電容以及電感Cpr以及Lpr、第一輸出二極管Dp以及第一輸出濾波電容Cpo)。在此類實施例中，第一開關Ql的導通條件包括第二共振電位差Vcnr已鎖定在第二輸出電位Vno ；第二共振電流Inr已拉升至零電平； 且第二輸出二極管Dn已切換為關閉狀態(tài)。此外，當輸入電流Ii降至零電平時，可斷開第一開關Ql且導通第二開關。接著，當?shù)诙敵龆O管Dn再次轉換為關閉狀態(tài)時，第二開關Q2 可被斷開。以下段落敘述直流轉換器的設計準則。圖4以流程解對稱型正/負增益轉換器的一種設計準則。使用者可決定的直流轉換設計參數(shù)包括整體能量消耗上限Ptotal、輸入電位Vi、預定正增益量Anor、正增益上限Amax、輸出電位穩(wěn)壓頻率f、以及正增益輸出電位Vpo的鏈波的上限八Vp0o以下揭露
數(shù)個方程式供設計使用
Ll 1方程式 ^『T^.^.hR^+ ^^- + · {/^1(方程式 2) 1 + A max 2、 Lpr J Amax 2 ^2 + ^4 max JEpo(mm) = (A腳.所(方程式 3)
Ptotal 11
8
權利要求
1.一種直流轉換器，包括一輸入二極管、一第一輸出二極管以及一第一輸出濾波電容； 一第一開關，用以耦接一輸入電位至該輸入二極管的一陽極； 一磁化電感，具有一第一端以及一第二端，其中該磁化電感的該第一端耦接該輸入二極管的一陰極；一第二開關，用以耦接該磁化電感的該第二端至一接地端；以及一第一共振電容以及一第一共振電感，串聯(lián)于該磁化電感的該第二端以及該接地端之間，其中，該第一共振電容以及該第一共振電感之間的一第一連接節(jié)點經由該第一輸出二極管耦接該第一輸出濾波電容的一第一端以穩(wěn)壓該第一輸出濾波電容上的一電位； 其中該第一輸出濾波電容的一第二端耦接該接地端；該第一輸出濾波電容的該第一端還耦接一第一負載以供應該第一負載一第一輸出電位；且該第一開關以及該第二開關于采輪流導通方式操作。
2.根據權利要求1所述的直流轉換器，其中該第一共振電容具有一第一端耦接該磁化電感的該第二端，且具有一第二端耦接該第一連接節(jié)點；該第一共振電感具有一第一端耦接該第一連接節(jié)點且具有一第二端耦接該接地端；且該第一輸出二極管具有一陽極耦接該第一連接節(jié)點且具有一陰極耦接該第一輸出濾波電容的該第一端。
3.根據權利要求2所述的直流轉換器，其中該第一開關在一第一共振電位差到達且維持在該第一輸出電位的負值、一第一共振電流拉升至零值并且該第一輸出二極管關閉后方切換為導通狀態(tài)；該第一共振電位差存在于該第一共振電容的上述第一以及第二端之間；且該第二共振電流流經該第一共振電感，是自其中上述第一端流向上述第二端。
4.根據權利要求3所述的直流轉換器，其中于一輸入電流降至零電平時斷開該第一開關且導通該第二開關。
5.根據權利要求4所述的直流轉換器，其中于該第一輸出二極管再次關閉時切換該第二開關成不導通。
6.根據權利要求1所述的直流轉換器，其中該第一共振電感具有一第一端耦接該磁化電感的該第二端，且具有一第二端耦接該第一連接節(jié)點；該第一共振電容具有一第一端耦接該第一連接節(jié)點且具有一第二端耦接該接地端；且該第一輸出二極管具有一陰極耦接該第一連接節(jié)點，且具有一陽極耦接該第一輸出濾波電容的該第一端。
7.根據權利要求6所述的直流轉換器，其中該第一開關是在一第一共振電位差到達且維持在該第一輸出電位、一第一共振電流拉升至零電平并且該第一輸出二極管關閉后方切換為導通；該第一共振電位差存在于該第一共振電容的上述第一以及第二端之間；且該第一共振電流流經該第一共振電感，自其中上述第一端流向上述第二端。
8.根據權利要求7所述的直流轉換器，其中于一輸入電流降至零電平時斷開該第一開關且導通該第二開關。
9.根據權利要求8所述的直流轉換器，其中于該第一輸出二極管再度切換為不導通時斷開該第二開關。
10.根據權利要求2所述的直流轉換器，還包括 一第二輸出二極管以及一第二輸出濾波電容；以及一第二共振電感以及一第二共振電容，串聯(lián)于該磁化電感的該第二端以及該接地端之間，其中該第二共振電感以及該第二共振電容之間的一第二連接節(jié)點是經由該第二輸出二極管耦接該第二輸出濾波電容的一第一端以穩(wěn)壓該第二輸出濾波電容；該第二共振電感具有一第一端耦接該磁化電感的該第二端，且具有一第二端耦接該第二連接節(jié)點；且該第二共振電容具有一第一端耦接該第二連接節(jié)點，且具有一第二端耦接該接地端； 其中該第二輸出二極管具有一陰極耦接該第二連接節(jié)點且具有一陽極耦接該第二輸出濾波電容的該第一端；該第二輸出濾波電容的該第一端還耦接一第二負載，以供應該第二負載一第二輸出電位；且該第二輸出濾波電容的一第二端耦接該接地端。
11.根據權利要求10所述的直流轉換器，其中該第一開關是在一第一共振電位差達到且維持在該第一輸出電位的負值、一第二共振電位差達到且維持在該第二輸出電位、一第一共振電流以及一第二共振電流拉升為零電平并且上述第一以及第二輸出二極管關閉后方切換為導通狀態(tài)；該第一共振電位差存在于該第一共振電容的上述第一以及第二端之間； 該第二共振電位差存在于該第二共振電容的上述第一以及第二端之間； 該第一共振電流流經該第一共振電感，自其中上述第一端流向上述第二端；且該第二共振電流流經該第二共振電感，自其中上述第一端流向上述第二端。
12.根據權利要求11所述的直流轉換器，其中于一輸入電流降至零電平時斷開該第一開關且導通該第二開關。
13.根據權利要求12所述的直流轉換器，其中于上述第一以及第二二極管再次關閉時斷開該第二開關。
全文摘要
一種直流轉換器，具有一第一以及一第二開關、一輸入二極管、一磁化電感、一共振電容、一共振電感、一輸出二極管以及一輸出濾波電容。第一以及第二開關采輪流導通。第一開關導通時，一輸入電位耦接至輸入二極管的陽極，且輸入二極管的陰極耦接磁化電感的第一端。第二開關是設計來短路磁化電感的第二端至接地端。共振電容與電感是串聯(lián)于磁化電感的第二端以及接地端之間。共振電容與電感之間的一連接節(jié)點乃經由輸出二極管耦接該輸出濾波電容，以穩(wěn)壓該輸出濾波電容的電位，供電給一負載。
文檔編號H02M3/07GK102594132SQ20111002015
公開日2012年7月18日 申請日期2011年1月18日 優(yōu)先權日2011年1月18日
發(fā)明者許家龍 申請人:奇景光電股份有限公司