CN101507090B - 多输出多拓扑结构电压变换器 - Google Patents

多输出多拓扑结构电压变换器 Download PDF

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Abstract

在一些实施例中，一种三开关双输出降压变换器包括具有N+1个开关电路的变换器电路，所述变换器电路被配置为接收输入电压并提供N个输出电压，其中，N大于等于2，此外所述变换器还包括控制电路，所述控制电路用于根据所述N个输出电压按照时间间隔有选择地向所述N+1个开关电路提供控制信号，其中，所述N个输出电压包括至少两种不同类型的输出。还公开了其他实施例，并要求对其进行保护。

Description

多输出多拓扑结构电压变换器
技术领域
本发明涉及电压变换器，更具体而言，涉及具有N+1个开关的N输出电压变换器，其中，N大于等于二，并且N输出包括至少两种不同类型的输出。
背景技术
电压变换器是本领域公知的。美国专利No.6747855、No.6639391和No.6611435中的每一个都描述了各种采用电压调节器的电子系统。
附图说明
通过对附图所示的优选实施例进行的下列描述，本发明的各个特征将变得显而易见，在所有的附图中采用类似的附图标记泛指相同的部分。附图未必一定是按比例绘制的，相反，附图的重点在于对本发明的原理进行说明。
图1是根据本发明的一些实施例的多输出多拓扑结构电压变换器的方框图；
图2是根据本发明的一些实施例的流程图；
图3是根据本发明的一些实施例的多输出多拓扑结构电压变换器的示意图；
图4是根据本发明的一些实施例的电流图；
图5是根据本发明的一些实施例的另一电流图；
图6是根据本发明的一些实施例的信号曲线图；
图7是根据本发明的一些实施例的另一电流图；
图8是根据本发明的一些实施例的另一电流图；
图9是根据本发明的一些实施例的另一电流图；
图10是根据本发明的一些实施例的信号曲线图；
图11是根据本发明的一些实施例的另一多输出多拓扑结构电压变换器的示意图；
图12是根据本发明的一些实施例的另一多输出多拓扑结构电压变换器的示意图；
图13是根据本发明的一些实施例的另一多输出多拓扑结构电压变换器的示意图；以及
图14是根据本发明的一些实施例的系统的方框图。
具体实施方式
在下面的描述中，出于解释而非限定的目的阐述了具体的细节，例如，具体的结构、架构、接口、技术等，其目的在于提供对本发明的各个方面的彻底理解。但是，对于受益于本公开的本领域技术人员显而易见的是：可以在没有这些具体细节的其他例子中实施本发明的各个方面。在某些情况下，省略了对公知器件、电路和方法的描述，从而避免因不必要的细节而使对本发明的描述模糊不清。
参考图1，电压变换器10可以包括变换器电路11，所述变换器电路11可以具有N+1个开关电路S1-SN+1。可以将变换器电路11配置为接收输入电压VIN，并且所述变换器电路11可以提供N个输出电压V1-VN，其中，N大于等于2，将控制电路12配置为根据所述N个输出电压V1-VN按照时间间隔有选择地向所述N+1个开关电路S1-SN+1提供控制信号，其中，所述N个输出电压包括至少两种不同类型的输出。就文中的使用情况而言，不同类型的输出是指来自不同类别的电压变换器的输出，而并非是简单的不同幅度的输出电压。
例如，可以将开关电路S1-SN+1耦合至相应的电压变换器拓扑结构1-N，其中，至少一个拓扑结构不同于至少另一个拓扑结构。例如，拓扑结构1可以包括升压变换器拓扑结构，拓扑结构2可以包括降压变换器拓扑结构，使得所述N个输出电压中的至少一个包括升压输出并且所述N个输出电压中的至少一个包括降压输出。本领域技术人员将认识到各种开关和拓扑结构配置均在本发明的范围和精神内。例如，可以对所述开关重新配置，使得拓扑结构1可以包括降压—升压变换器拓扑结构并且拓扑结构2可以包括降压变换器拓扑结构，从而所述N个输出电压中的至少一个包括降压—升压输出并且所述N个输出电压中的至少一个包括降压输出。基于本说明书的教导，本领域技术人员可以容易地实现其他配置和拓扑结构。
一般而言，每一相继的输出电压可以等于或小于前一输出电压(例如，V1≥V2≥…VN)。例如，可以利用两个开关电路(例如，S1和S2)来产生N个输出电压量中的第一输出电压(例如，V1)，并且可以为所述N个输出电压中的每一附加的输出电压(例如，V2-VN)只提供一个附加的开关电路(例如，S3-SN+1)。可以认为电压变换器10具有级联变换器拓扑结构，其以改进的方式利用半导体开关，这样可以降低开关的数量。
在一些实施例中，可以将第一开关电路S1耦合至输入电压VIN。可以将第一电压变换器电路13耦合至第一开关电路S1，其中，将所述第一电压变换器电路配置为提供第一种类型的输出电压V1。可以将至少第二开关电路S2和第三开关电路S3串联耦合在输入电压和地电势之间。可以将另一变换器电路14(例如，LC电路)耦合至第二开关电路和第三开关电路S2和S3的接合点，其中，将变换器电路14配置为提供不同于第一种类型的输出电压的第二种类型的输出电压。可以在每一相继的开关电路和开关SN+1的接合点处耦合附加的变换器电路15。
例如，可以按照二间隔模式配置控制电路12，从而在开关循环的周期的第一间隔内导通第二开关电路S2并且关断第一开关电路和第三开关电路S1、S3；在开关循环的同一周期的第二间隔内导通第一开关电路和第三开关电路S1、S3并且关断第二开关电路S2。或者，可以按照三间隔模式配置控制电路12，从而在开关循环的周期的第一间隔内导通第二开关电路和第三开关电路S2、S3并且关断第一开关电路S1；在开关循环的同一周期的第二间隔内导通第二开关电路S2并且关断第一开关电路和第三开关电路S1、S3；以及在开关循环的同一周期的第三间隔内导通第一开关电路和第三开关电路S1、S3并且关断第二开关电路S2。可以在开关循环内采用更多个间隔和开关配置，从而为每一级联级提供所有所需的输出电压。
当然，本发明的各种实施例可能更加适用于各种供电应用，也可能不太适用于各种供电应用。具体而言，本发明的电压变换器的一些实施例可能非常适合为PC平台上的很多通用的低功率轨(power rail)供电。例如，可以采用一个或多个根据本发明的一些实施例的具有N+1开关的N输出多拓扑结构变换器来替代计算平台上常见的很多低功率线性调节器。
参考图2，本发明的一些实施例可能涉及提供具有N+1个开关电路的变换器电路(例如，在方框21中)；在所述变换器电路处接收输入电压(例如，在方框22中)；从所述变换器电路提供N个输出电压，其中，N大于等于2(例如，在方框23中)；以及根据所述N个输出电压按照时间间隔向所述N+1个开关电路有选择地提供控制信号，其中，所述N个输出电压包括至少两种不同类型的输出(例如，在方框24中)。在一些实施例中，所述N个输出电压中的至少一个可以包括升压输出，所述N个输出电压中的至少一个可以包括降压输出。在一些实施例中，所述N个输出电压中的至少一个包括降压—升压输出，所述N个输出电压中的至少一个包括降压输出。
例如，一些实施例可能涉及采用两个开关电路来产生所述N个输出电压中的第一输出电压(例如，在方框25中)；以及为所述N个输出电压中的每一附加的输出电压仅提供一个附加的开关电路(例如，在方框26中)。在一些实施例中，提供变换器电路的步骤可以包括：提供耦合至所述输入电压的第一开关电路(例如，在方框27中)；提供耦合至所述第一开关电路的第一电压变换器电路，所述第一电压变换器电路被配置为提供第一种类型的输出电压(例如，在方框28中)；提供串联耦合于输入电压与地电势之间的第二开关电路和第三开关电路(例如，在方框29中)；以及提供耦合至所述第二开关电路和第三开关电路的接合点的LC电路，所述LC电路被配置为提供不同于第一种类型的输出电压的第二种类型的输出电压(例如，在方框30中)。
例如，一些实施例还可以涉及在开关循环的周期的第一间隔内导通第二开关电路并且关断第一开关电路和第三开关电路(例如，在方框31中)；以及在开关循环的同一周期的第二间隔内导通第一开关电路和第三开关电路并且关断第二开关电路(例如，在方框32中)。或者，一些实施例还可以涉及在开关循环的周期的第一间隔内导通第二开关电路和第三开关电路并且关断第一开关电路(例如，在方框33中)；在开关循环的同一周期的第二间隔内导通第二开关电路并且关断第一开关电路和第三开关电路(例如，在方框34中)；以及在开关循环的同一周期的第三间隔内导通第一开关电路和第三开关电路并且关断第二开关电路(例如，在方框35中)。
一般而言，本发明的一些实施例可以提供一类三开关、双输出拓扑结构，从而以减少数量的半导体开关器件(例如，MOSFET)生成两个或更多个输出。例如，本发明的一些实施例可以提供一种在电压调节器内以更少数量的部件生成更多电压轨(voltage rail)的方法。本发明的一些实施例可以提供一种一般类别的叠置变换器拓扑结构，其通过改进的或者最佳的方式利用半导体开关，因而能够降低开关的数量。有利地，本发明的一些实施例可以通过降低板空间、降低实现多个电压的成本以及提高平台上的功率变换效率而带来直接的利益。
本申请与2005年6月21日提交的标题为“MULTIPLE OUTPUT BUCKCONVERTER”的美国专利申请No.11/158576相关。所述相关申请描述了一种三开关双输出降压变换器，其能够提供两个或更多具有不同幅度的输出电压，但是所有的输出电压都是相同类型的(例如，所有的输出电压都是由降压变换器拓扑结构提供的)。有利地，本发明的一些实施例提供了一种多输出多拓扑结构电压变换器，其中，多个输出电压包括至少两种不同类型的输出(例如，所述输出来自至少两种不同类型的电压变换器拓扑结构)。
参考图3，本发明的一些实施例可以以减少数量的半导体开关(例如，FET)提供具有双输出电压的三开关拓扑结构。假设在PC平台上可以存在多个幅度不同的电压，那么本发明的一些实施例有利地提供了一种方便并且经济有效的方式来通过减少数量的半导体开关获得两个或更多个电压。在图3中，只采用三个半导体开关就生成了两个截然不同的电压轨。开关S2和S3与二极管D(开关S1)结合形成了网络，所述网络按照特定的时间间隔有选择地施加所述输入电势VIN和地电势，以生成这两个输出。
例如，图3的多输出多拓扑结构电压变换器可以根据驱动信号而具有两种截然不同的操作模式。图4和图5示出了当变换器在二间隔模式下工作时所述变换器的等效电路。在这种模式下，所述电路具有两个截然不同的间隔。在所述循环的第一间隔内，开关S2导通，而二极管D(开关S1)自然反偏(截止)，并且开关S3关断。在同一循环的第二间隔(例如，所述循环的另一半)内，开关S2关断，而开关S3导通，并且二极管D(开关S1)正向偏置(导通)。
对应于输出V02的降压操作归因于这样的事实，即，中间节点电压VX(是VIN和V02的差值以及L1和L2的值的函数)总是低于VIN。例如，可以将VX表示为：
VX＝(VIN×L2+V02×L1)/(L1+L2)
图6示出了对应于所述二间隔模式的示范性波形。应当指出，在一些实施例中，只有一个半导体开关(例如，S2或S3)在所有的间隔内工作。有利地，这样可以使损耗降低，并且因此功率变换器具有高效率。
参考图7-9，还可以使图3的多输出多拓扑结构电压变换器以一种备选的方式工作，即工作在三间隔模式下。在所述三间隔模式下，最初，在循环的开始，开关S2和S3都导通。二极管D(开关S1)反偏(截止)，因而不导通。S3中的电流是双向的，这是因为电感器电流L2通过S3降低，而电感器电流L1(也流经S2)则通过S3升高。根据L1和L2的幅度，流经S3的电流可以是正的或负的。在第一间隔的末尾，关断开关S3，之后另两个间隔与上述二间隔模式类似。输出电压的幅度还取决于开关S2的占空比、S3的关断时间以及电感器L1和L2的大小。图10示出了对应于三间隔工作模式的示范性波形。
应当指出：在这一方案中，两个电感器上的电压并不相似。开关S2中的电流波形也与二间隔模式中不同，这是因为在开关S2工作时的电感器电流的上升时间是不同的。可以调整开关S2和S3的导通时间来获得不同幅度的输出电压。有利地，由于只存在两个有源开关，因此与需要为两个分立的变换器配置两个驱动器相比，能够采用单个驱动器驱动整个电路。还应当指出，只需对一个开关(S2或S3)的占空比进行控制就能调节两个输出电压。
在二间隔模式下，两个电感器L1和L2上的电压波形是相似的。可以利用这一事实耦合所述两个电感器，因而能够采用单个电感器。参考图11，本发明的一些实施例可以包括采用了耦合电感器的三开关双输出升压和降压变换器。所述耦合电感器电路可以基于电感器电压波形的相似性，并且所述耦合电感器电路可以只在二间隔模式下工作(例如，不能采用三间隔模式，这是因为所述电感器上的电压波形不充分相似)。有利地，耦合电感器的使用可以使部件减少，从而节约平台空间和成本。在多输出多拓扑结构变换器使用耦合电感器时，所述多输出多拓扑结构变换器的波形与图6所示的波形类似，二者可以存在一些小的偏差。
参考图12，还可以将对偶原理应用于上述电路，本发明的一些实施例可以提供具有一个降压输出和一个综合降压—升压输出的三开关双输出变换器。有利地，两种不同类型的输出是利用三个开关获得的。
本领域技术人员将认识到：文中描述的几个具体实施例仅仅是采用减少数量的开关元件获得更多数量输出的众多电路的一些例子。得益于本说明书，可以扩展出本发明的其他实施例，以便获得更高数量的输出。参考图13，一种示范性多输出多拓扑结构电压变换器电路采用三个半导体开关和一个二极管(总共四个开关)提供了两个降压输出和一个升压输出。可以应用对偶原理，并且可以将另一组双输出电路与仅仅三个开关进行组合。可以将借助“N+1”个开关实现“N”个输出的原理用于降压、升压、降压—升压和其他普通拓扑结构。
与现有的多输出电压变换器相比，本发明的各个实施例具有下列优点中的一个或多个：
·与两个或更多个分立变换器相比，本发明的多输出电压变换器是一种紧凑型变换器；
·本发明的多输出电压变换器以减小的平台上的面积量为多个器件供电；
·本发明的多输出电压变换器是为平台上的多个器件供电的低成本解决方案；
·变换器的总体效率提高，这是因为能够利用两个输出来维持变换器的平均负载(一般而言，这两个输出不会同时处于高输出状态)；
·降低了对变换器的控制和驱动要求，或使对变换器的控制和驱动要求最小化，从而使变换器更为紧凑，价格更加低廉。
参考图14，电子系统140包括用于向具有N+1个开关的N输出降压变换器144(例如，三开关双输出降压和升压变换器)供电的电源142，其中N大于等于2。例如，所述电源可以包括用于向变换器144提供输入电压的AC/DC适配器或电池。可以将变换器144的输出提供给负载146，所述负载146可以利用来自变换器144的两种不同类型的输出电压。例如，所述负载可以包括一个或多个集成电路(例如，处理器和存储器)。
变换器144可以具有一个或多个上文中结合图1-13描述的特征。例如，变换器144可以包括具有N+1个开关电路的变换器电路，所述变换器电路被配置为接收输入电压，并提供N个输出电压，其中，N大于等于2，并且，变换器144还包括控制电路，所述控制电路用于根据所述N个输出电压按照时间间隔向所述N+1个开关电路有选择地提供控制信号，其中，将所述N个输出电压之一提供给所述集成电路，并且其中，所述N个输出电压包括至少两种不同类型的输出。
在系统140的一些实施例中，可以利用两个开关电路来产生所述N个输出电压中的第一输出电压，并且为所述N个输出电压中的每一附加输出电压仅提供一个附加的开关电路。例如，对于三开关双输出变换器而言，所述变换器电路可以包括耦合至所述输入电压的第一开关电路和耦合至所述第一开关电路的第一电压变换器电路，所述第一电压变换器电路被配置为提供第一种类型的输出电压。所述变换器还可以包括串联耦合于所述输入电压与地电势之间的第二开关电路和第三开关电路、以及耦合至所述第二开关电路和第三开关电路的接合点的LC电路，其中，将所述LC电路配置为提供不同于所述第一种类型的输出电压的第二种类型的输出电压。
在系统140的一些实施例中，可以将所述控制电路配置为在开关循环的周期的第一间隔内导通第二开关电路并且关断第一开关电路和第三开关电路；在开关循环的同一周期的第二间隔内导通第一开关电路和第三开关电路并且关断第二开关电路。或者，在系统140的一些实施例中，可以将所述控制电路配置为在开关循环的周期的第一间隔内导通第二开关电路和第三开关电路并且关断第一开关电路；在开关循环的同一周期的第二间隔内导通第二开关电路并且关断第一开关电路和第三开关电路；以及在开关循环的同一周期的第三间隔内导通第一开关电路和第三开关电路并且关断第二开关电路。
本领域技术人员将认识到，可以通过配置很多不同的硬件和/或软件单元来为所述开关元件提供适当的控制信号。例如，可以容易地对处理器或微控制器进行编程，以输出具有适当定时关系的波形。或者，可以将分立的硬件电路配置为具有各种时间常数，以提供具有适当定时关系的控制信号。
本发明的上述和其他方面是以单独的方式和组合的方式实现的。不应将本发明解释为需要两个或更多这样的方面，除非在特定的权利要求中明确提出了这样的要求。此外，尽管已经结合当前被示为优选实例的内容对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明不限于所公开的实例，相反本发明旨在涵盖落在本发明的精神和范围内的各种修改和等效方案。

Claims (17)

1.一种用于提供N个输出电压的设备，包括：
具有N+1个开关电路的变换器电路，所述变换器电路被配置为接收输入电压并提供所述N个输出电压，其中，N大于等于3；以及
控制电路，其用于根据所述N个输出电压按照时间间隔向所述N+1个开关电路有选择地提供控制信号，
其中，所述N个输出电压包括至少两种不同类型的输出，
其中利用两个开关电路来产生所述N个输出电压中的第一输出电压，并且其中，为所述N个输出电压中的每一个附加输出电压只提供一个附加的开关电路，
其中，所述变换器电路包括：
耦合至所述输入电压的第一开关电路；
耦合至所述第一开关电路的第一电压变换器电路，所述第一电压变换器电路被配置为提供第一种类型的输出电压；
串联耦合于所述输入电压与地电势之间的第二开关电路和第三开关电路；以及
耦合至所述第二开关电路和所述第三开关电路的接合点的LC电路，所述LC电路被配置为提供不同于所述第一种类型的输出电压的第二种类型的输出电压。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述N个输出电压中的至少一个包括升压输出，所述N个输出电压中的至少一个包括降压输出。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述N个输出电压中的至少一个包括降压-升压输出，所述N个输出电压中的至少一个包括降压输出。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述控制电路被配置为在开关循环的周期的第一间隔内导通所述第二开关电路并且关断所述第一开关电路和所述第三开关电路；以及在所述开关循环的同一周期的第二间隔内导通所述第一开关电路和所述第三开关电路并且关断所述第二开关电路。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述控制电路被配置为在开关循环的周期的第一间隔内导通所述第二开关电路和所述第三开关电路并且关断所述第一开关电路；在所述开关循环的同一周期的第二间隔内导通所述第二开关电路并且关断所述第一开关电路和所述第三开关电路；以及在所述开关循环的所述同一周期的第三间隔内导通所述第一开关电路和所述第三开关电路并且关断所述第二开关电路。
6.一种用于提供N个输出电压的方法，包括：
提供具有N+1个开关电路的变换器电路；
在所述变换器电路处接收输入电压；
从所述变换器电路提供所述N个输出电压，其中，N大于等于3；
根据所述N个输出电压按照时间间隔向所述N+1个开关电路有选择地提供控制信号，其中，所述N个输出电压包括至少两种不同类型的输出；
利用两个开关电路来产生所述N个输出电压中的第一输出电压；以及
为所述N个输出电压中的每一个附加输出电压只提供一个附加的开关电路，
其中，提供所述变换器电路的步骤包括：
提供耦合至所述输入电压的第一开关电路；
提供耦合至所述第一开关电路的第一电压变换器电路，所述第一电压变换器电路被配置为提供第一种类型的输出电压；
提供串联耦合于所述输入电压与地电势之间的第二开关电路和第三开关电路；以及
提供耦合至所述第二开关电路和所述第三开关电路的接合点的LC电路，所述LC电路被配置为提供不同于所述第一种类型的输出电压的第二种类型的输出电压。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述N个输出电压中的至少一个包括升压输出，所述N个输出电压中的至少一个包括降压输出。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述N个输出电压中的至少一个包括降压-升压输出，所述N个输出电压中的至少一个包括降压输出。
9.根据权利要求6所述的方法，还包括：
在开关循环的周期的第一间隔内导通所述第二开关电路并且关断所述第一开关电路和所述第三开关电路；以及
在所述开关循环的同一周期的第二间隔内导通所述第一开关电路和所述第三开关电路并且关断所述第二开关电路。
10.根据权利要求6所述的方法，还包括：
在开关循环的周期的第一间隔内导通所述第二开关电路和所述第三开关电路并且关断所述第一开关电路；
在所述开关循环的同一周期的第二间隔内导通所述第二开关电路并且关断所述第一开关电路和所述第三开关电路；以及
在所述开关循环的所述同一周期的第三间隔内导通所述第一开关电路和所述第三开关电路并且关断所述第二开关电路。
11.一种用于提供N个输出电压的系统，包括：
集成电路；
具有N+1个开关电路的变换器电路，所述变换器电路被配置为接收输入电压并提供所述N个输出电压，其中，N大于等于3；以及
控制电路，其用于根据所述N个输出电压按照时间间隔向所述N+1个开关电路有选择地提供控制信号，
其中，将所述N个输出电压之一提供给所述集成电路，
并且其中，所述N个输出电压包括至少两种不同类型的输出，
其中，利用两个开关电路来产生所述N个输出电压中的第一输出电压，并且其中，为所述N个输出电压中的每一个附加输出电压只提供一个附加的开关电路，
其中，所述变换器电路包括：
耦合至所述输入电压的第一开关电路；
耦合至所述第一开关电路的第一电压变换器电路，所述第一电压变换器电路被配置为提供第一种类型的输出电压；
串联耦合于所述输入电压与地电势之间的第二开关电路和第三开关电路；以及
耦合至所述第二开关电路和所述第三开关电路的接合点的LC电路，所述LC电路被配置为提供不同于所述第一种类型的输出电压的第二种类型的输出电压。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述N个输出电压中的至少一个包括升压输出，所述N个输出电压中的至少一个包括降压输出。
13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述N个输出电压中的至少一个包括降压-升压输出，所述N个输出电压中的至少一个包括降压输出。
14.根据权利要求11所述的系统，其中，所述控制电路被配置为在开关循环的周期的第一间隔内导通所述第二开关电路并且关断所述第一开关电路和所述第三开关电路；以及在所述开关循环的同一周期的第二间隔内导通所述第一开关电路和所述第三开关电路并且关断所述第二开关电路。
15.根据权利要求11所述的系统，其中，所述控制电路被配置为在开关循环的周期的第一间隔内导通所述第二开关电路和所述第三开关电路并且关断所述第一开关电路；在所述开关循环的同一周期的第二间隔内导通所述第二开关电路并且关断所述第一开关电路和所述第三开关电路；以及在所述开关循环的所述同一周期的第三间隔内导通所述第一开关电路和所述第三开关电路并且关断所述第二开关电路。
16.根据权利要求11所述的系统，其中，所述集成电路包括处理器。
17.根据权利要求11所述的系统，还包括：
电池，被配置为向所述变换器电路提供所述输入电压。
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