相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

無(wú)

背景技術(shù)：

在許多電壓轉(zhuǎn)換器中，功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(mosfet)通常代替二極管用作有源開(kāi)關(guān)，以對(duì)電壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓進(jìn)行整流。使用此功率mosfet來(lái)對(duì)電壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行整流通常被稱為同步整流或有源整流。對(duì)于低電壓轉(zhuǎn)換器(以大約10v或更小的電壓進(jìn)行操作)，功率mosfet在功率方面可以是有效的，由于功率mosfet不包括作為二極管的固有特性的恒定電壓降，從而導(dǎo)致顯著的功率損耗。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本文公開(kāi)用于控制dc到dc轉(zhuǎn)換器的輸出電壓電平的系統(tǒng)和方法。在一個(gè)實(shí)施例中，dc到dc轉(zhuǎn)換器包括具有初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)的電力變壓器，耦合到變壓器的初級(jí)側(cè)的第一開(kāi)關(guān)，耦合到變壓器的次級(jí)側(cè)的第二開(kāi)關(guān)，在電力變壓器的次級(jí)側(cè)的電感器，耦合到電感器的伏秒(vs)控制器，以及耦合到vs控制器的輸出電壓控制回路。電感器連接到輸出電壓節(jié)點(diǎn)和電感器節(jié)點(diǎn)。更具體地，vs控制器被配置為基于第一開(kāi)關(guān)的初級(jí)側(cè)占空比小于閾值來(lái)控制第二開(kāi)關(guān)的次級(jí)側(cè)占空比，以便使電感器節(jié)點(diǎn)和輸出電壓節(jié)點(diǎn)之間的電壓降在一時(shí)間段內(nèi)的積分等于零。輸出電壓控制回路被配置為產(chǎn)生與初級(jí)側(cè)占空比相關(guān)聯(lián)的第一信號(hào)，其中當(dāng)vs控制器控制次級(jí)側(cè)占空比時(shí)，輸出電壓節(jié)點(diǎn)處的電壓電平保持在非零值處。

在另一實(shí)施例中，dc到dc轉(zhuǎn)換器包括具有初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)的電力變壓器，耦合到電力變壓器的次級(jí)側(cè)處的輸出電壓節(jié)點(diǎn)的輸出電壓控制回路，以及耦合到輸出電壓控制回路的伏秒(vs)控制器。輸出電壓控制回路被配置為產(chǎn)成第一信號(hào)以控制電力變壓器的初級(jí)側(cè)處的第一開(kāi)關(guān)，第一信號(hào)具有第一占空比。vs控制器被配置為產(chǎn)生第二信號(hào)以控制電力變壓器的次級(jí)側(cè)處的第二開(kāi)關(guān)，第二信號(hào)具有第二占空比。進(jìn)一步地，當(dāng)?shù)谝徽伎毡刃∮陂撝禃r(shí)，第二占空比由vs控制器確定。當(dāng)?shù)谝徽伎毡却笥陂撝禃r(shí)，第二占空比以互補(bǔ)的方式基于第一占空比確定。

在進(jìn)一步的實(shí)施例中，一種方法包括通過(guò)伏秒(vs)控制器將用于控制dc到dc轉(zhuǎn)換器的電力變壓器的初級(jí)側(cè)處的第一開(kāi)關(guān)的第一占空比與閾值進(jìn)行比較。該方法進(jìn)一步包括：如果第一占空比的值小于閾值，則由vs控制器控制用于控制電力變壓器的次級(jí)側(cè)的第二開(kāi)關(guān)的第二占空比，并且將輸出電壓節(jié)點(diǎn)處的電壓電平保持在非零值處；以及如果第一占空比的值大于閾值，則通過(guò)輸出電壓回路基于第一占空比控制第二占空比，并且將輸出電壓節(jié)點(diǎn)處的電壓電平從非零值單調(diào)地增加到預(yù)定值。

附圖說(shuō)明

為詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例，現(xiàn)在將參考附圖，其中：

圖1示出根據(jù)各種實(shí)施例的包括伏秒(vs)控制器的dc到dc轉(zhuǎn)換器的框圖；

圖2示出用于進(jìn)一步示出根據(jù)各種實(shí)施例的dc到dc轉(zhuǎn)換器的伏秒(vs)控制器的示例；

圖3示出根據(jù)各種實(shí)施例的dc到dc轉(zhuǎn)換器的各種信號(hào)的波形的示例；以及

圖4示出用于解釋對(duì)根據(jù)各種實(shí)施例的dc到dc轉(zhuǎn)換器的第二占空比的選擇性控制的流程圖。

符號(hào)和術(shù)語(yǔ)

在整個(gè)以下描述和權(quán)利要求中使用某些術(shù)語(yǔ)來(lái)指代特定的系統(tǒng)部件。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的，公司可以通過(guò)不同的名稱來(lái)指代部件。該文檔并非旨在區(qū)分名稱不同而非功能不同的部件。在以下討論和權(quán)利要求中，術(shù)語(yǔ)“包括(including)”和“包含(comprising)”以開(kāi)放的方式使用，并且因此應(yīng)當(dāng)被解釋為意味著“包括但不限于…”。此外，術(shù)語(yǔ)“耦合(couple)”或“耦合(couples)”旨在意味著間接或直接連接。因此，如果第一設(shè)備耦合到第二設(shè)備，則該連接可以通過(guò)直接連接，或者通過(guò)經(jīng)由其他設(shè)備和連接件的間接連接進(jìn)行。

具體實(shí)施方式

以下討論針對(duì)本發(fā)明的各種實(shí)施例。雖然這些實(shí)施例中的一個(gè)或更多個(gè)可以是優(yōu)選的，但是所公開(kāi)的實(shí)施例不應(yīng)被解釋或以其他方式用于限制本公開(kāi)(包括權(quán)利要求)的范圍。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，以下描述具有廣泛的應(yīng)用，并且任何實(shí)施例的討論意味著該實(shí)施例僅為示例性的，而并非旨在暗示本公開(kāi)(包括權(quán)利要求)的范圍限于該實(shí)施例。

為滿足對(duì)電子設(shè)備(例如，電壓轉(zhuǎn)換器)的高速和小型化的不斷增長(zhǎng)的需求，微電子電路的電壓電平已經(jīng)相應(yīng)地下降。在這方面，許多電壓轉(zhuǎn)換器使用同步整流(即，使用同步整流器)來(lái)控制輸出電壓電平。使用同步整流器不僅可以滿足在低電壓電平下進(jìn)行操作的需求，而且以提高的效率在低電壓電平下進(jìn)行操作。

更具體地，具有同步整流器的電壓轉(zhuǎn)換器意味著電壓轉(zhuǎn)換器使用有源控制開(kāi)關(guān)諸如晶體管(通常為功率金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管(mosfet)或功率雙極結(jié)型晶體管(bjt))來(lái)控制轉(zhuǎn)換器的特性。在一個(gè)示例中，要控制的特性是轉(zhuǎn)換器的輸出電壓電平。

不幸的是，采用此晶體管作為同步整流器的電壓轉(zhuǎn)換器可經(jīng)受反向電流流動(dòng)，即從電壓轉(zhuǎn)換器的輸出端流到電壓轉(zhuǎn)換器的輸入端的反向電流。此反向電流流動(dòng)可以被稱為能量傳輸?shù)姆聪蛄鲃?dòng)。該反向電流可導(dǎo)致下游電壓敏感的電子設(shè)備故障或關(guān)閉。通常在電壓轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)期間發(fā)生反向電流的現(xiàn)象。

進(jìn)一步地，電壓轉(zhuǎn)換器通常被實(shí)施為經(jīng)由電氣總線向其他設(shè)備提供電力。這些設(shè)備可以是不同類型的設(shè)備，諸如各種類型的集成電路。頻繁發(fā)生的情況是連接到總線的設(shè)備可以預(yù)偏置電壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。換言之，在電壓轉(zhuǎn)換器被接通的時(shí)刻，在電壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓節(jié)點(diǎn)處已經(jīng)存在非零電壓。因此，電壓和電流可以沿相反方向從總線排出，直到輸出電壓已經(jīng)達(dá)到輸出電壓對(duì)應(yīng)于基準(zhǔn)電壓的電平，并且然后根據(jù)正常的啟動(dòng)行為而斜升。如上所述，電流的反向流動(dòng)可對(duì)將由來(lái)自電氣總線的電壓轉(zhuǎn)換器供電的設(shè)備和/或電路造成嚴(yán)重?fù)p壞。

通常，已經(jīng)提出閉環(huán)和開(kāi)環(huán)控制電路，試圖解決由于預(yù)偏置電壓引起的在電壓轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)時(shí)的反向電流的問(wèn)題。然而，在此類嘗試的解決方案中，已經(jīng)觀察到輸出電壓的過(guò)沖或下沖。即，在所提出的解決方案中沒(méi)有完全消除反向電流。在電壓轉(zhuǎn)換器的整流器中可以包括額外的放電電路，以解決反向電流的問(wèn)題。然而，使用額外的放電電路通常需要額外的部件(例如，提供oring(求或運(yùn)算)功能的fet)，這繼而增加了制造電壓轉(zhuǎn)換器的成本。

所公開(kāi)的本發(fā)明的實(shí)施例消除了反向電流，特別是當(dāng)電壓轉(zhuǎn)換器被預(yù)偏置時(shí)的反向電流?；谟糜陔妷恨D(zhuǎn)換器的初級(jí)側(cè)處的開(kāi)關(guān)的第一占空比，轉(zhuǎn)換器選擇性地控制用于電壓轉(zhuǎn)換器的次級(jí)側(cè)處的開(kāi)關(guān)的第二占空比。通過(guò)選擇性地控制第二占空比，在電壓轉(zhuǎn)換器被預(yù)偏置時(shí)，電壓轉(zhuǎn)換器可以有利地提供單調(diào)的(即，沒(méi)有過(guò)沖和/或下沖)啟動(dòng)行為。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，電壓轉(zhuǎn)換器被實(shí)施為直流到直流(dc到dc)降壓轉(zhuǎn)換器。降壓轉(zhuǎn)換器是電壓降壓轉(zhuǎn)換器。然而，所公開(kāi)的實(shí)施例也可以用于dc到dc升壓轉(zhuǎn)換器、正向轉(zhuǎn)換器、反激式轉(zhuǎn)換器或任何其他合適的轉(zhuǎn)換器。

圖1示出說(shuō)明根據(jù)各種實(shí)施例的所公開(kāi)的dc到dc轉(zhuǎn)換器100的框圖。dc到dc轉(zhuǎn)換器100包括電力變壓器102，各種開(kāi)關(guān)m1、m2和m3，伏秒(vs)控制器120以及輸出電壓控制回路110。dc到dc轉(zhuǎn)換器100還包括輸入電壓源118以及連接到電感器108和電容器109的輸出電壓節(jié)點(diǎn)vo。輸入電壓源118被配置為提供dc電壓vin。如上所述，所公開(kāi)的實(shí)施例優(yōu)選地用在dc到dc降壓轉(zhuǎn)換器中，這意味著輸出電壓節(jié)點(diǎn)vo處的電壓電平小于由輸入電壓源118提供的電壓(即vin)。為便于參考，在輸出電壓節(jié)點(diǎn)vo處的電壓電平在本文被稱為vo。

如圖1所示，電力變壓器102包括初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)。初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)分別被指定為“102-p”和“102-s”。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)m1、m2和m3中的每個(gè)被配置為交替地接通和斷開(kāi)，以便調(diào)節(jié)輸出電壓vo。盡管開(kāi)關(guān)m1、m2和m3優(yōu)選為功率金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管(mosfet)，但是開(kāi)關(guān)可以是能夠接通和斷開(kāi)的任何類型的半導(dǎo)體設(shè)備，諸如二極管和/或雙極結(jié)型晶體管(bjt)。

通常，占空比用于控制開(kāi)關(guān)的有效和非有效時(shí)間段。占空比是一個(gè)周期的百分比，其中在該百分比內(nèi)信號(hào)有效，周期是信號(hào)完成一個(gè)完整的開(kāi)和關(guān)周期所需的時(shí)間。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，第一占空比(d1)由輸出電壓控制回路110確定，其中第一占空比用于控制開(kāi)關(guān)m1和m2(第一控制信號(hào)101)。第二占空比(d2)由vs控制器120選擇性地確定，其中第二占空比用于控制開(kāi)關(guān)m3(第二信號(hào)105)。

仍然參考圖1，輸出電壓控制回路110包括比較器112和脈寬調(diào)制器(pwm)114。比較器112被配置為將轉(zhuǎn)換器100的輸出電壓vo與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。基于比較的結(jié)果，pwm114被配置為產(chǎn)生第一控制信號(hào)101。第一控制信號(hào)101優(yōu)選為關(guān)于第一占空比d1的信息的脈寬調(diào)制信號(hào)，即第一控制信號(hào)101具有第一占空比d1的特性。此外，第一控制信號(hào)101被提供給vs控制器120的輸入端。基于第一占空比d1(第一控制信號(hào)101)、電感器節(jié)點(diǎn)vl處的電壓電平(信號(hào)103)和輸出電壓節(jié)點(diǎn)vout處的電壓電平(信號(hào)107)，vs控制器120隨后確定用于由vs控制器120自身控制的第二控制信號(hào)105的第二占空比d2，或者隨著第一占空比d1相應(yīng)地改變第二占空比d2。

為調(diào)節(jié)輸出電壓vo，或者更具體地，為使輸出電壓vo從預(yù)偏置電壓電平斜升，饋送到輸出電壓控制回路110的輸入端中的基準(zhǔn)電壓通常用于引導(dǎo)輸出電壓vo?；鶞?zhǔn)電壓由電壓源提供，并且因此基準(zhǔn)電壓是單調(diào)增加的信號(hào)。換言之，基準(zhǔn)電壓是在電壓增加時(shí)包括少的或沒(méi)有下沖或過(guò)沖的信號(hào)。

為從如上所述的預(yù)偏置電壓達(dá)到單調(diào)啟動(dòng)行為，即使在輸出電壓從預(yù)偏置電壓開(kāi)始斜升之前，也能實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓vo的控制。所公開(kāi)的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例在第一占空比d1小于閾值時(shí)，使用vs控制器120控制電感器108兩端的電壓降和時(shí)間的乘積，并且使該乘積等于零，使得由具有第二占空比d2特性的第二控制信號(hào)105對(duì)開(kāi)關(guān)m3的控制導(dǎo)致輸出電壓vo保持在預(yù)偏置電壓處。換言之，當(dāng)?shù)谝徽伎毡萪1小于閾值時(shí)，第二占空比d2由vs控制器120控制。根據(jù)增加的基準(zhǔn)電壓，第一占空比d1增加。一旦第一占空比d1達(dá)到閾值，則第二占空比d2由vs控制器120虛擬地控制。在那時(shí)，用于控制開(kāi)關(guān)m3的第二占空比d2根據(jù)第一占空比d1確定。更具體地，基于第一占空比d1互補(bǔ)地確定第二占空比d2的值，即d2＝1-d1。由此，可以從預(yù)偏置電壓提供輸出電壓的單調(diào)啟動(dòng)行為?？傊?，第二控制信號(hào)105的第二占空比d2最初由vs控制器120控制，以便將輸出電壓vo保持在預(yù)偏置電平處，直到第二占空比d2達(dá)到閾值。在第一占空比d1達(dá)到閾值的該時(shí)間點(diǎn)之后，第二占空比d2的控制依賴于第一占空比d1，并且輸出電壓vo根據(jù)基準(zhǔn)電壓?jiǎn)握{(diào)地斜升到預(yù)定電壓電平。將參考圖3中的波形描述使輸出電壓vo根據(jù)基準(zhǔn)電壓?jiǎn)握{(diào)斜升的dc到dc轉(zhuǎn)換器100的細(xì)節(jié)。

圖2示出根據(jù)各種實(shí)施例的vs控制器120的進(jìn)一步說(shuō)明。vs控制器120包括減法器202、積分器204和比較器206。減法器202耦合到電感器108的兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，即輸出電壓節(jié)點(diǎn)vo和電感器節(jié)點(diǎn)vl。減法器202被配置為從輸出電壓vo(信號(hào)107)中減去電感器節(jié)點(diǎn)處的電壓電平(信號(hào)103)。電壓差由減法器202提供給積分器204的輸入端，使得減法的結(jié)果在一時(shí)間段ts內(nèi)積分以產(chǎn)生積分值。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，時(shí)間段ts是第一控制信號(hào)101的周期。更具體地，時(shí)間段ts等于第一占空比d1的時(shí)間周期。如圖2所示，積分值被提供給比較器206的輸入端。比較器206的另一輸入端被配置為接收紋波信號(hào)201，其中紋波信號(hào)201包括周期ts。在每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)，紋波信號(hào)201從輸出電壓vo開(kāi)始，并且在周期ts結(jié)束時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榱?。?yōu)選地，比較器206被配置為比較積分值和輸出電壓vo，以便產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)，即信號(hào)105。更具體地，信號(hào)105可以表示為具有第二占空比d2特性的信號(hào)。

圖3示出說(shuō)明對(duì)應(yīng)于根據(jù)各種實(shí)施例的dc到dc轉(zhuǎn)換器100的信號(hào)第一控制信號(hào)101、第二控制信號(hào)105和輸出電壓107的時(shí)變波形301、303、305和307的示例。波形301和303分別表示信號(hào)101和105；波形305表示電感器108兩端的電壓降和時(shí)間的乘積；以及波形307表示隨時(shí)間改變的輸出電壓vo。更具體地，在圖3中，垂直虛線將波形分成兩個(gè)部分320和340，其中虛線對(duì)應(yīng)于第一占空比d1的閾值。

如輸出電壓波形307所示，在時(shí)間t＝0時(shí)，dc到dc轉(zhuǎn)換器100已經(jīng)被預(yù)偏置在非零電壓電平(例如，2v)處。隨著第一占空比d1(波形301)隨時(shí)間增加，第二占空比d2(波形303)相應(yīng)地改變，以確保波形305在一時(shí)間段(例如，310)內(nèi)的積分值等于零。由此，輸出電壓vo保持在預(yù)偏置電壓電平(例如，2v)處，直到第一占空比d1(波形301)達(dá)到閾值。該閾值由vs控制器120基于電感器電壓vl和輸出電壓vo動(dòng)態(tài)地確定。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，閾值可以被定義為輸出電壓vo與電感器電壓vl的比率。換言之，vs控制器120繼續(xù)監(jiān)測(cè)第一占空比d1。在第一占空比d1達(dá)到閾值vo/vl之前(左側(cè)部分320)，第二占空比d2由vs控制器120控制，使得輸出電壓vo在預(yù)偏置電壓電平處保持不變。

仍然參考圖3，當(dāng)?shù)谝徽伎毡萪1隨時(shí)間增加并且超過(guò)閾值時(shí)(右側(cè)部分340)，vs控制器120釋放對(duì)第二占空比d2的控制。更具體地，第二占空比d2的值由vs控制器120基于第一占空比d1虛擬地確定，即d2＝1-d1?！疤摂M地”意味著當(dāng)?shù)谝徽伎毡萪1小于閾值時(shí)(320)，vs控制器120確定并控制第二占空比d2的值。然而，當(dāng)?shù)谝徽伎毡萪1大于閾值時(shí)(340)，第二占空比d2的值仍然由vs控制器120控制，但是d2的值完全基于d1來(lái)確定。通過(guò)在320和340的交點(diǎn)處對(duì)第二占空比d2實(shí)施此選擇性控制，輸出電壓vo(波形307)開(kāi)始隨著基準(zhǔn)電壓(未示出)單調(diào)地增加到預(yù)定的電壓電平。更具體地，在340處，由于第二占空比d2不再由vs控制器120控制以使輸出電壓vo不變，所以電壓降與時(shí)間段(波形307)的乘積的積分值不是零，并且優(yōu)選地大于零。

圖4示出流程圖400，以說(shuō)明控制根據(jù)各種實(shí)施例的dc到dc轉(zhuǎn)換器100的輸出電壓的方法。流程圖400開(kāi)始于框402，以通過(guò)vs控制器120將第一占空比d1與閾值(vo/vl)進(jìn)行比較。優(yōu)選地，dc到dc轉(zhuǎn)換器100是降壓轉(zhuǎn)換器，并且轉(zhuǎn)換器100已經(jīng)被預(yù)偏置在非零電壓電平處。

繼續(xù)流程圖400，流程圖400提供兩種可能性404和406。如果第一占空比d1小于閾值，則流程圖400前進(jìn)到框404；并且如果占空比d1大于閾值，則流程圖400前進(jìn)到框406。

在框404處，第二占空比d2由vs控制器控制，使得電感器108兩端的電壓降與時(shí)間段的乘積的積分值等于零。由此，dc到dc轉(zhuǎn)換器100的輸出電壓vo在預(yù)偏置電壓電平處保持不變。

另一方面，在框406處，從vs控制器120釋放對(duì)第二占空比d2的控制。第二占空比d2的值完全基于第一占空比d1(d2＝1-d1)，這意味著第二占空比d2與第一占空比d1互補(bǔ)地改變。更具體地，第一占空比d1由輸出電壓控制回路110確定。因此，輸出電壓vo隨基準(zhǔn)電壓?jiǎn)握{(diào)地增加(即，沒(méi)有流經(jīng)電感器108的反向電流)到由用戶預(yù)定義的電壓電平。

上述討論意在說(shuō)明本發(fā)明的原理和各種實(shí)施例。一旦完全理解上述公開(kāi)內(nèi)容，則許多變化和修改對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將變得明顯。本發(fā)明旨在將所附權(quán)利要求解釋為包括所有此類變化和修改。