CN101030729B - 用于功率变换与调节的装置 - Google Patents

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Abstract

公开了对具有多个输出电压的功率变换器进行控制的技术。一种稳压功率变换器实例包括连于功率变换器的输入端和功率变换器的第一、第二输出端之间的能量传送元件。在该功率变换器的输入端和该能量传送元件之间连接了开关，从而，开关的切换将在上述功率变换器的第一输出端处产生第一输出电压和在其第二输出端处产生第二输出电压。当上述能量传送元件两端的电压为功率变换器输入端处的电压与第一输出电压之差时，该能量传送元件中的电流增大。当上述能量传送元件两端的电压为第一与第二输出电压之和时，该能量传送元件中的电流减小。

Description

用于功率变换与调节的装置 
技术领域
本发明通常涉及电子电路，更具体地，涉及其中存在功率调节的电路。 
背景技术
电气设备需要功率来进行工作。许多电气设备均采用开关模式的功率变换器进行供电。一些开关模式的功率变换器设计成提供多种输出电压。对于这种类型的功率变换器，一个挑战是提供正、负直流输出电压。已知的这种类型的功率变换器通常均依赖齐纳二极管的固定值来设定输出电压，而这增加了成本，并限制了这些功率变换器的灵活性。 
发明内容
一种功率变换器，包括：连于功率变换器的输入端和功率变换器的第一、第二输出端之间的能量传送元件；连于所述功率变换器的输入端和所述能量传送元件之间的开关，从而，所述开关的切换引起在所述功率变换器的第一输出端处产生第一输出电压，并在所述功率变换器的第二输出端处产生第二输出电压，其中，当所述能量传送元件两端的电压为所述功率变换器的输入端处的电压与所述第一输出电压之差时，所述能量传送元件中的电流增加，当所述能量传送元件两端的电压为所述第一和第二输出电压之和时，所述能量传送元件中的电流减小。 
一种功率变换器，包括：连于功率变换器的输入端和功率变换器的第一、第二输出端之间的能量传送元件；连于所述功率变换器 的输入端和所述能量传送元件之间的开关，从而，所述开关的切换引起在所述功率变换器的第一输出端处产生第一输出电压，并在所述功率变换器的第二输出端处产生第二输出电压，其中，当所述能量传送元件两端的电压为所述功率变换器的输入端处的电压与所述第一输出电压之差时，所述能量传送元件中的电流增加，当所述能量传送元件两端的电压为所述第一和第二输出电压之和时，所述能量传送元件中的电流减小；以及连接到所述开关的控制电路，用于控制所述开关的切换，以响应所述功率变换器的第一和第二输出对输出电压进行稳压。 
附图说明
在附图中，通过举例而非限制的方式详细示出了本发明。 
图1示出了根据本发明教导的开关稳压器的功能框图，该开关稳压器具有以输入返回(input return)为参考的正、负输出。 
图2的示意图示出了包括在根据本发明教导的稳压器实例中的并联稳压器实例，该并联稳压器响应输出电流的变化而独立地调节电流值，以维持所希望的输出电压。 
图3的示意图示出了包括在根据本发明教导的稳压器实例中的并联稳压器实例。 
图4的示意图示出了根据本发明教导的稳压器电路实例。 
具体实施方式
公开了涉及电源稳压器的实例。在以下的描述中，阐述了大量具体细节来使读者透彻理解本发明。然而，对本领域普通技术人员而言，显而易见，无需上述具体细节即可实施本发明。为避免使本发明变得不清楚，没有详细描述与上述实施方式有关的众所周知的方法。 
贯穿本说明书的“一个实施例”或“某一实施例”表明，在本 发明的至少一个实施例中包括了结合实施例描述的特定特征、结构或特性。因而，在本说明书各处出现的“对于一个实施例”或“在某一实施例中”不一定均指相同的实施例。而且，在根据本发明的教导的一个或多个实施例中，可以以任何合适的方式组合以下所述和/或在附图中示出的特定特征、结构、特性、组合和/或子组合。 
正如以下所讨论的，根据本发明教导的一些电源稳压器实例使用开关模式的功率变换器，而这些功率变换器提供相对于公共参考点(即输入返回)的两个极性相反的输出电压。可以在各种应用中使用公开的电源稳压器实例，在这些应用中，不使用隔离变压器，用较高的输入电压来提供正、负直流(DC)输出电压。与已知的方法相比，公开的方法实例可以以更低的成本提供两个经过稳压的输出电压。与那些依靠齐纳二极管的固定值来设定输出电压的其他已知方法相比，在选择输出电压方面，公开的电源稳压器和方法提供了更多的灵活性。公开的电源稳压器和方法的某些目标应用是那些不要求在输入与输出之间设置电隔离的应用(如用于主要家用电器的电源)。 
为进行说明，图1的功能框图示出了根据本发明教导的一般功率变换器或开关稳压器100的实例，该实例包括以输入返回为参考的正输出160与负输出165。如图所示，直流输入电压VG 105连接到开关S1 115，而该开关由控制电路170进行控制。在各种实例中，控制电路170包括了采用任何以下开关技术的电路，这些技术至少包括恒定频率脉宽调制(PWM)、可变频率PWM、通/断控制等之中的一种技术。能量传送元件(在图中示出为电感器L1 125)连于开关S1 115与稳压器电路100的输出之间。在所示实例中，输出为负载阻抗Z1 150两端的输出电压V1 160和负载阻抗Z2 155两端的电压V2 165。在图中，电容器C1 140与负载阻抗Z1 150的两端相连，电容器C2 145与负载阻抗Z2 155的两端相连。如图1中的实例所示，每个输出均连接到与负载阻抗Z1 150和负载阻抗Z2 155连接的接地端子。 
在工作中，通过开关S1 115响应控制电路170进行的动作或切 换，将直流输入电压VG 105转换为负载阻抗Z1 150两端的输出电压V1 160和负载阻抗Z2 155两端的输出电压V2 165。在所示实例中，控制电路170引起开关S1 115在三个位置之间进行切换。当开关S1 115位于位置G时，电感器L1 125中的电流IL 130与输入电压VG 105提供的输入电流IG 110相同。当开关S1115位于位置F时，电感器L1 125中的电流IL 130与从图示的功率变换器的输出得到的续流电流IF 120相同。当开关S1 115位于位置X时，电感器125中的电流IL 130为0。在所述实例中，控制电路170用一定的顺序和持续时间将开关S1 115在位置G、X、F进行之间切换，以便对一个输出进行稳压。在一种工作模式(连续导通模式)中，开关115总不处于位置X。该单个经过稳压的输出可以是V1 160、V2 165或它们两者的组合。 
在工作中，开关S1 115的切换产生了包含三角或梯形分量的电流IL 130、IG 110和IF 120。电容器C1 140和C2 145分别过滤电流IL 130和IF 120，这便分别产生了直流输出电压V1 160和V2 165，相对于它们的DC值，上述电压具有较小的交流(AC)变化。负载阻抗Z1 150和负载阻抗Z2 155通过相应的输出电压V1 160和V2 165产生负载电流I1 135和I2 137。 
对于图1中的稳压器，开关S1 115仅对单个输出电压进行稳压。另一个输出电压将随负载电流I1 135和I2 137变化。对多于一个的输出电压进行稳压需要电流调节器来响应输出电压V1 160和V2 165的变化而对电流I1 135和I2 137进行调节。在所示实例中，控制电路170包括三个输入端，其中，一个输入端与负载阻抗Z1 150的一端相连，一个输入端与负载阻抗Z2 155一端相连，且一个输入端与接地端子相连。 
在功率变换器或电源稳压器100的一个实例中，不包括控制电路170，或者，控制电路170以固定的模式来切换开关S1 115的状态，这产生了未经稳压的输出电压V1 160和V2 165。在该实例中，当电感器L1 125两端的电压为输入电压VG 105与输出电压V1 160之差时， 流经电感器L1 125的电流IL 130增大，而这是在开关S1 115处于位置G时发生的。继续讨论这个实例，当电感器L1 125两端的电压为输出电压V1 160与输出电压V2 165之和时，流经电感器L1 125的电流IL 130减小，而这是在开关S1 115处于位置F时发生的。 
图2大体示出了功率变换器或电源稳压器200，它包括分别与负载阻抗Z1 150和Z2 155的两端相连的并联稳压器205和210。在所示实例中，根据本发明的教导，并联稳压器205和210响应输出电流IZ1 235和IZ2 240的变化独立地调节电流I1 135和I2 137，以维持希望的输出电压。在各种实例中，取决于负载阻抗Z1 150和Z2 155如何变化，可能仅需并联稳压器205或210之中的一个稳压器。在工作中，如果负载阻抗Z1 150或Z2 155不足以维持希望的输出电压，则并联稳压器205或210仅增加负载中的电流。如图2的实例所示，电源200包括图1中的电源稳压器100，并加入了并联稳压器205和210。如图2所示，控制电路170切换开关S1 115，以便对输出电压VO 245进行稳压，该输出电压为V1 160和V2 165之和。 
在所示实例中，电压V1 160和V2 165的比值由分别包括在并联稳压器205和210中的电阻器R1 215和R2 220的比值来决定。跨导放大器225和230分别被包括在并联稳压器205和210之中，并分别在它们的输出端产生来自电流源ISH1 250和ISH2 255的单向电流，以便对阻抗Z1 150和Z2 155两端的电压V1 160和V2 165进行稳压。在工作中，根据本发明的教导，如果由于负载变化引起负载电流IZ1 235或IZ2 240的减小，则控制电路将改变对开关进行的切换，以维持输出电压VO 245的值。然后，电流源ISH1 250或ISH2 255将分别增大，以便将输出电压V1 160和V2 165维持在由电阻器R1 215和R2 220之比所决定的值。在各种实例中，在集成电路中引入一个或多个并联稳压器205和210。 
图3示出了根据本发明教导的功率变换器或电源稳压器300中包括的图2中的并联稳压器205和210的一个实例。在所示实例中， 并联稳压器205包括电阻器R1215和双极晶体管305，而并联稳压器210包括电阻器R2220和双极晶体管310。在一个实例中，晶体管305和310具有有限的基极至发射极电压VBE，这导致输出电压VO1 315和VO2 320与V1和V2的希望的稳压值之差不超过VBE。在图3的实例中，通过以下表达式描述VO1与VO2的稳压： 
(V1-VBE)≤VO1≤(V1+VBE) 
(V2-VBE)≤VO2≤(V2+VBE) 
且 
VO1+VO2＝V1+V2＝VO
因此，根据本发明的教导，图3的电路中的VBE的非零值可防止上述晶体管同时导通。 
在如图3所示的实例中，应当懂得，在图中，示出双极晶体管305和310包括单一的晶体管。然而，本发明的教导并不限于单一的晶体管，根据本发明的教导，也可以在合适的时候将另外的晶体管或其它电路元件(例如达林顿晶体管对等等)加入双极性晶体管305和310，以实现所希望的电路性能。此外，注意，图3所示的实例同时包含了双极晶体管305和310。然而，注意，在另一个实例中，如果相应负载的变化不要求来自并联稳压器205和210两者的电流，则取消双极晶体管305或310。 
图4的示意图更详细地示出了图3中的功率变换器或稳压器电路的一个实例。特别地，在图4的实例中，开关S1 115包括二极管D1 410和晶体管445，且该晶体管和控制电路440一起被包括在集成电路405中。在所示实例中，集成电路405可以是加州圣何塞的PowerIntegrations公司生产的LNK304。在所示实例中，集成电路405连于直流输入电压VG 105和电感器L1 125之间。在另一个实例中，根据本发明的教导，未包括集成电路405，因此晶体管445为分立的金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)或双极晶体管，且控制电路440是独立的控制器。电容器C4 435是用于集成电路405的工作的、连接 到集成电路405的BP端子的旁路电容器。在所示实例中，控制电路440接收与电容器C3 430上的电压成正比的信号。当开关S1 115中的二极管410导通续流电流IF 120时，电容器C3经充电所得的电压约为输出电压VO1 315和VO2 320之和。在工作中，当二极管D1 410导通时，它自动将开关S1 115置于位置F，当二极管D1 410不导通时，它将开关S1 115置于位置G或X。 
在之前的详细描述中，已结合特定的示范性实施例对本发明的方法和设备进行说明。然而，显而易见，可以对所述实施例进行各种修改和变更，而不至于背离本发明的更宽广的精神和范围。因此，应当将本说明书和附图视为说明性的而非限制性的。 

Claims (34)

1.一种功率变换器，包括：
连于功率变换器的输入端和功率变换器的第一、第二输出端之间的包括电感器的能量传送元件；
连于所述功率变换器的输入端和所述能量传送元件之间的开关，所述开关的切换引起在所述功率变换器的第一输出端处产生第一输出电压，并在所述功率变换器的第二输出端处产生第二输出电压；
与所述功率变换器的第一输出端的两端相连的第一电容器；以及
与所述功率变换器的第二输出端的两端相连的第二电容器，
其中，当所述能量传送元件两端的电压为所述功率变换器的输入端处的输入电压与所述第一输出电压之差时，所述能量传送元件中的电流增加，
当所述能量传送元件两端的电压为所述第一和第二输出电压之和时，所述能量传送元件中的电流减小。
2.如权利要求1所述的功率变换器，其中，第一负载阻抗连接所述功率变换器的第一输出端的两端，第二负载阻抗连接所述功率变换器的第二输出端的两端，使得所述第一输出电压为所述第一负载阻抗两端的电压，所述第二输出电压为所述第二负载阻抗两端的电压。
3.如权利要求1所述的功率变换器，其中，所述第一和第二输出端均连接到接地端子。
4.如权利要求1所述的功率变换器，其中，当所述能量传送元件两端的电压为所述功率变换器的输入端处的电压与所述第一输出电压之差时，所述能量传送元件中的电流增加，此时所述开关被连接到第一位置，
当所述能量传送元件两端的电压为所述第一、第二输出电压之和时，所述能量传送元件中的电流减小，此时所述开关被连接到第二位置。
5.一种功率变换器，包括：
连于功率变换器的输入端和功率变换器的第一、第二输出端之间的包括电感器的能量传送元件；
连于所述功率变换器的输入端和所述能量传送元件之间的开关，所述开关的切换引起在所述功率变换器的第一输出端处产生第一输出电压，并在所述功率变换器的第二输出端处产生第二输出电压；
与所述功率变换器的第一输出端的两端相连的第一电容器；以及
与所述功率变换器的第二输出端的两端相连的第二电容器，
其中，当所述能量传送元件两端的电压为所述功率变换器的输入端处的电压与所述第一输出电压之差时，所述能量传送元件中的电流增加，
当所述能量传送元件两端的电压为所述第一和第二输出电压之和时，所述能量传送元件中的电流减小；以及
连接到所述开关的控制电路，用于响应所述功率变换器的第一和第二输出而控制所述开关的切换，以便对输出电压进行稳压。
6.如权利要求5所述的功率变换器，其中，所述控制电路还连接到接地端子。
7.如权利要求5所述的功率变换器，其中，由所述控制电路进行稳压的输出电压等于所述功率变换器的第一输出端两端的电压和第二输出端两端的电压之和。
8.如权利要求5所述的功率变换器，其中，所述控制电路包括采用恒定频率脉宽调制、可变频率脉宽调制或通/断控制中的至少一种技术的电路。
9.如权利要求5所述的功率变换器，还包括连接在与所述功率变换器的第一输出端相连的第一负载阻抗两端的第一并联稳压器。
10.如权利要求9所述的功率变换器，还包括连接在与所述功率变换器的第二输出端相连的第二负载阻抗两端的第二并联稳压器。
11.如权利要求9所述的功率变换器，其中，所述第一并联稳压器包括连接到所述功率变换器的第一输出端的单向跨导放大器，如果所述第一负载阻抗不足以对输出电压进行稳压，则所述放大器在所述功率变换器的第一输出端处加入单向电流。
12.如权利要求9所述的功率变换器，其中，所述第一并联稳压器被集成在集成电路中。
13.如权利要求9所述的功率变换器，其中，所述第一并联稳压器包括：
与所述功率变换器的第一输出端的两端相连的第一双极晶体管；以及
具有连接到所述第一双极晶体管的基极的第一端子的第一电阻器。
14.如权利要求10所述的功率变换器，其中，所述第一并联稳压器至少包括：
与所述功率变换器的第一输出端的两端相连的第一双极晶体管以及具有连接到所述第一双极晶体管的基极的第一端子的第一电阻器；并且
其中，所述第二并联稳压器包括具有连接所述第一电阻器的所述第一端子的第二端子的第二电阻器。
15.如权利要求14所述的功率变换器，其中，所述第二并联稳压器还至少包括与所述功率变换器的第二输出端的两端相连的并且具有耦合到所述第二电阻器的所述第二端子的基极的第二双极晶体管。
16.如权利要求5所述的功率变换器，其中，所述开关连接成设于三个位置之一，当所述开关处于第一位置时，所述能量传送元件中的电流与所述功率变换器的输入端提供的输入电流相同，当所述开关处于第二位置时，所述能量传送元件中的电流与来自所述功率变换器的输出端的续流电流相同，当开关处于第三位置时，所述能量传送元件中的电流为零。
17.如权利要求16所述的功率变换器，其中，所述开关包括连于所述功率变换器的输入端与所述能量传送元件之间的开关晶体管，和用于响应与所述输出电压成正比的信号来控制所述集成电路中的所述开关晶体管的控制电路。
18.如权利要求17所述的功率变换器，其中，所述开关晶体管和所述控制电路为连于所述功率变换器的输入端与所述能量传送元件之间的集成电路所包含。
19.如权利要求17所述的功率变换器，还包括接收所述续流电流的和连接到与所述开关晶体管相连的所述控制电路的二极管，当所述二极管导通时，所述控制电路将所述开关置于所述第一位置，当所述二极管未导通时，所述控制电路将所述开关置于所述第二或第三位置。
20.一种功率变换器，包括：
连于功率变换器的输入端和功率变换器的第一、第二输出端之间的包括电感器的能量传送元件；
连于所述功率变换器的输入端和所述能量传送元件之间的开关，所述开关的切换引起在所述功率变换器的第一输出端处产生第一输出电压，并在所述功率变换器的第二输出端处产生第二输出电压；
与所述功率变换器的第一输出端的两端相连的第一电容器；以及
与所述功率变换器的第二输出端的两端相连的第二电容器，
所述功率变换器的特征在于还包括：
分别与所述功率变换器的第一输出端的两端和所述功率变换器的第二输出端的两端相连的一对并联稳压器。
21.如权利要求20所述的功率变换器，其中所述并联稳压器被配置为独立地对电流进行稳压以维护所期望的第一和第二输出电压。
22.如权利要求20或21所述的功率变换器，其中所述功率变换器还包括被连接用于控制所述开关的切换的控制电路。
23.如权利要求22所述的功率变换器，其中所述控制电路控制所述开关的切换以对输出电压进行稳压，所述输出电压等于所述第一输出电压和所述第二输出电压之和。
24.如权利要求20所述的功率变换器，其中所述并联稳压器的每个都包括各自的电阻器，其中所述电阻器之比决定所述第一输出电压和所述第二输出电压之比。
25.如权利要求20所述的功率变换器，其中所述并联稳压器的每个都包括被连接用于对并联电流进行传导的双极晶体管。
26.如权利要求20所述的功率变换器，其中所述开关包括晶体管开关。
27.如权利要求20所述的功率变换器，其中所述功率变换器还包括被连接用于将所述第一输出电压和所述第二输出电压之和置于电容器上的二极管。
28.如权利要求20所述的功率变换器，其中第一负载阻抗连接所述功率变换器的第一输出端的两端，第二负载阻抗连接所述功率变换器的第二输出端的两端，使得所述第一输出电压为所述第一负载阻抗两端的电压，所述第二输出电压为所述第二负载阻抗两端的电压。
29.如权利要求20所述的功率变换器，其中所述第一和第二输出端均连接到接地端子。
30.如权利要求22或23所述的功率变换器，其中所述控制电路包括采用恒定频率脉宽调制、可变频率脉宽调制或通/断控制中的至少一种技术的电路。
31.如权利要求20所述的功率变换器，其中所述第一并联稳压器包括连接到所述功率变换器的第一输出端的单向跨导放大器，如果所述第一负载阻抗不足以对输出电压进行稳压，则所述放大器在所述功率变换器的第一输出端处加入单向电流。
32.如权利要求20所述的功率变换器，其中所述第一并联稳压器至少包括与所述功率变换器的第一输出端的两端相连的第一双极晶体管以及具有连接到所述第一双极晶体管的基极的第一端子的第一电阻器，并且其中所述第二并联稳压器包括具有与所述第一电阻器的所述第一端子相连的第二端子的第二电阻器。
33.如权利要求20所述的功率变换器，其中，所述开关连接成设于两个位置之一，当所述开关处于第一位置时，所述能量传送元件中的电流与所述功率变换器的输入端提供的输入电流相同，当所述开关处于第二位置时，所述能量传送元件中的电流与来自所述功率变换器的输出端的续流电流相同。
34.如权利要求33所述的功率变换器，还包括接收所述续流电流的和连接到与所述开关晶体管相连的所述控制电路的二极管，当所述二极管导通时，所述控制电路将所述开关置于所述第一位置，当所述二极管未导通时，所述控制电路将所述开关置于所述第二位置。
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