CN101777831A - 直流-直流变换器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于移动装置的将直流输入电压变换为直流输出电压的直流-直流变换器。变换器包含输入电路、控制电路与开关。输入电路与直流输入电压供应源连接，且输入电路包含一组并联的第一电容与缓冲电路。控制电路产生控制信号。开关与输入电路连接，并根据控制信号开启或关闭，以产生直流输出电压。

Description

直流-直流变换器及其制造方法
技术领域
本发明涉及直流-直流变换器，通过对一开关的开关控制，将一给定的直流输入电压变换为一预期的直流输出电压，以供应一负载。特别是，变换器减低振荡输入电压下降量。
背景技术
一般而言，利用开关操作的直流-直流变换器具有相对较小的尺寸，因此可设置于集成电路(IC)中，其中开关操作可例如为对一开关组件(如晶体管)的脉冲宽度调制(PWM)控制。此外，通常使用电感-电容(L-C)滤波器作为电路组件，以达成直流-直流变换器中电路的平均化。
图1a显示已知具有PWM控制电路的直流-直流变换器。直流-直流变换器10将直流输入电压Vin变换为另一直流输出电压Vout。直流-直流变换器10具有PWM控制电路12，以开启及关闭开关14(例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET))。接着，平均电路16(如L-C滤波器)平坦化节点电压Vsn(其具有PWM波形)，以产生稳定的直流输出电压Vout。变换器10亦具有输入电容11。由于传送至变换器10的电流为平均直流电流，而开关14中的电流为脉冲电流，因此设置输入电容11于变换器10的输入处，以平均化输入电流。输入电容11提供低阻抗电压源给变换器10，并可用以过滤脉冲电流及避免电磁干扰(EMI)。对于变换器10的详细描述，可参考Lynch及Hesse于Texas Instruments Power Supply Design Seminar，SEM-1500，(SLUP184)中发表的“低电压直流-直流变换器的工作原理(Under the Hoodof Low-Voltage DC/DC Converters)”(以下称作Lynch及Hesse)。
当开关14响应电路12的PWN控制信号而开启或关闭时，节点电压Vsn将相应地上升或下降。然而，在实际应用上，直流输入电压Vin将不可避免地受到开关14操作的影响，而在开关切换的瞬间产生振荡。特别是，如图1b所示，开关14的关闭将导致更严重的振荡，其可能往回对直流输入电压源有不利的影响，而直流输入电压源在同一时间可能也供应电压给其它装置。一般来说，系统(如电子装置)允许直流输入电压在一范围内变化。然而，如果振荡输入电压的底侧低于该变化范围的最低限度，将会产生问题。
需注意，由Lynch及Hesse可知，节点电压振荡的上升可由一缓冲电路控制。缓冲电路的描述可参考Philip Todd于SEM-900 Unitrode PowerSupply Design Seminar，1994.Topic II，TI Literature No.SLUP100中发表的“缓冲电路：理论、设计、及应用(Snubber Circuits：Theory，Design，and Application)”。然而，Lynch及Hesse并没有讨论到输入电压的振荡，也没有建议使用缓冲电路来降低输入电压的振荡。
发明内容
本发明提供用于移动装置的直流-直流变换器及其制造方法。本发明的一方面为降低输入电路的品质因子。本发明的另一方面为减低直流输入电压在开关开启及关闭时的振荡。本发明的又一方面为控制直流输入电压的下降或底侧。本发明的再一方面为并入一缓冲电路，与输入电路中的一电容并联。
在一实施例中，公开了一种直流-直流变换器，将直流输入电压变换为直流输出电压。变换器包含输入电路、控制电路、及开关。输入电路与直流输入电压的供应源串联连接，且包含一组并联的第一电容与缓冲电路。控制电路产生控制信号。开关与输入电路连接，并根据控制信号开启或关闭，以产生直流输出电压。
在另一实施例中，公开了一种移动装置，包含上述直流-直流变换器。
此外，公开了制造上述直流-直流变换器的方法。此方法包含通过选择缓冲电路而调整输入电路的品质因子，使得当开关开启或关闭时，振荡输入电压的下降不会超过一预定比率。
本发明前述及其它特征可从本发明实施例的更具体的描述而明显。
附图说明
本发明以例示的方式描述，且不受限于所附随的附图，其中类似的组件有类似的组件符号。
图1a描述一直流-直流变换器；
图1b显示直流输入电压在开关关闭时开始振荡；
图2a显示本发明一实施例的移动装置；以及
图2b显示本发明另一实施例的直流-直流变换器。
主要组件符号说明
10         直流-直流变换器
11         输入电容
12         PWM控制电路
14         开关
16         平均电路
20         移动装置
200        直流-直流变换器
201        输入电路
202        电容
203        缓冲电路
204        控制电路
206        开关
208        平均电路
250        电源
2032       电容
2034       电阻
具体实施方式
本发明的用于移动装置、计算机系统、或类似产品的直流-直流变换器将参考所附随的图式描述于下。应了解，本领域技术人员可以其它不同形式来实施本发明，本发明不应受限于在此所提出的实施例。
图2a为根据本发明实施例所绘示的具有直流-直流变换器200的移动装置20的示意图。移动装置20可为移动电话、个人数字助理(PDA)、膝上型计算机、车用媒体播放器、可携式影像播放器、数字相机、全球定位系统(GPS)、航空显示器等。在一实施例中，移动装置20具有连接至主机板的图形卡(两者皆未绘示于图中)，而直流-直流变换器200系并入图形卡中，以供应直流输出电压至图形处理单元(GPU)(图未示)，供处理并显示计算机图形。在另一实施例中，直流-直流变换器200可直接设置并整合于主机板上，以供应图形处理单元。较佳地，移动装置20采用移动PCI Express模块(MXM)，其为定义于PC系统及图形次系统间的标准接口。接着，直流-直流变换器200系包含于MXM板中，以将由移动装置20的电源供应250所供应的7.5V-22V的直流输入电压转换为1.1V的直流输出电压，供例如NVIDIAGeforce系列的GPU使用。举例来说，当移动装置20为膝上型计算机或笔记型计算机时，电源供应250可为一可充电电池，像是镍氢电池(NiMH)或是锂离子电池，而直流输入电压值则取决于电池250的使用。
图2b为根据本发明一实施例所绘示的直流-直流变换器200的示意图。变换器200包含输入电路201、控制电路204、及至少一开关206。开关206可为MOSFET开关，而控制电路204较佳为PWM控制电路，供产生PWM控制信号以控制半导体开关206的开启/关闭比率(即工作周期(duty cycle))。与输入电路201连接的开关206根据控制信号而开启或关闭，以产生输出直流电压Vout。需注意，在实际应用上，变换器200可包含数个开关206，其连接并受控于控制电路204。举例来说，图2b显示一对上下开关206。开关206与控制电路204的操作类似于其在传统由PWM控制的直流-直流变换器中的操作，因此相关细节将不赘述。
如本领域技术人员所知，开关206所输出的电压具有涟波波形且具有若干噪声，而涟波的频率可能约为100KHz，接近切换开关频率。因此，可较佳地提供平均电路208，以平均化或消除振荡电压，产生稳定的直流输出电压Vout。平均电路208的一范例可为简单的L-C滤波器，其中电感与电容串联。
较佳地，输入电路201包含并联的电容202及缓冲电路203。特别是，并联的电容202与缓冲电路203的品质因子(Q factor)低于电容202本身的品质因子。在此实施例中，通过此安排，输入电路201可取代传统的输入电容，以在上开关206开启时提供脉冲电流。尤其是，因为缓冲电路203消耗了振荡所包含的能量，因此可进一步限制直流输入电压Vin的振荡，使得直流输入电压Vin不会有太大的振荡，且其位准也不会低于装置20的系统需求。较佳地，缓冲电路203设计用以消耗高频振荡(如100MHz)的能量。
在物理学及工程学中，品质因子为一无维参数，其比较一振荡物理系统的振幅衰减的时间常数与其振荡周期。品质因子越高，相对于振荡频率的能量散逸的速率越低，因此振荡停止所需的时间越长。对一电性共振系统来说，品质因子一般取决于电路中的电阻值、电感值、及电容值，其具有以下关系：
在一串联RLC电路中，
Figure G2008101828146D0000051
以及
在一并联RLC电路中，
Figure G2008101828146D0000052
在一实施例中，缓冲电路203可以只是具有大等效串联电阻(ESR)(图未式)的电解电容。在一较佳实施例中，缓冲电路203包含串联的电容2032及电阻2034。电容2032及202均为多层陶瓷电容(MLCC)，其因为具有小尺寸而常用于集成电路中。具有低ESR的电容将提高品质因子。因此，在缓冲电路203中，电容2032耦合至具有大电阻值的电阻2034，以降低品质因子。此实施例在变换器200设置于MXM板(其无法使用电解电容)时特别有利。
在直流-直流变换器200的制造过程中，制程工程师将考虑移动装置20的实际特性，以决定输入电路201或缓冲电路203的品质因子。举例来说，制程工程师将考虑直流输入电压Vin、输入寄生电感Lp、开关206的操作频率、开关206的寄生电感、电容202的电容值等等。在一范例中，对MXM板上的变换器200来说，当直流输入电压为约7.5V且电容202的电容值为约100μF时，电容2032的电容值范围为约100μF至10000μF，而电阻2034的电阻值范围为约1欧姆至10欧姆(较佳为2.2欧姆)。
通过选择具有所需品质因子的缓冲电路203(或选择电容2032及电阻2034)，可抑制输入电压Vin的振荡。特别是，当上开关206关闭时，振荡输入电压Vin的下降可控制在不超过一预定比率，例如10％。
当选择缓冲电路203的后，将缓冲电路203设置在直流-直流变换器200中。当缓冲电路203具有如上述的耦合的电容2032及电阻2034时，较佳地可透过例如表面黏着技术将电容2032及电阻2034先封装在一起并接着将其整合至变换器200中。此方法可省下封装时间及成本。
上述的实施例仅用以描述本发明，然本发明并不限于以上特定实施例的描述。参照这些描述，可轻易完成说明性实施例及本发明其它实施例的各种修改。因此，本发明的权利要求范围欲包含所有此类修改或其它落入本发明真实范畴及其均等范围内的实施例。

Claims (16)

1.一种直流-直流变换器，将直流输入电压变换为直流输出电压，该变换器包含：
输入电路与该直流输入电压的供应源连接，且该输入电路包含一组并联的第一电容与缓冲电路；
控制电路产生控制信号；以及
开关与该输入电路连接，并根据该控制信号开启或关闭，以产生该直流输出电压；
其中，该组并联的第一电容与缓冲电路的品质因子小于该第一电容的品质因子。
2.如权利要求1所述的变换器，其中该缓冲电路包含第二电容与电阻，且该电阻与该第二电容串联。
3.如权利要求2所述的变换器，其中该第二电容与该电阻为封装在一起并一同设置在该变换器的中。
4.如权利要求2所述的变换器，其中该第二电容为一多层陶瓷电容。
5.如权利要求2所述的变换器，其中该第一电容的电容值为约100μF，该第二电容的电容值为约100μF至10000μF，该电阻的电阻值为约1欧姆至10欧姆。
6.如权利要求5所述的变换器，其中该直流输入电压为约7.5V。
7.如权利要求6所述的变换器，其中该第一电容的电容值为约100μF，该第二电容的电容值为约1000μF，该电阻的电阻值为约2.2欧姆。
8.一种移动装置，包含如权利要求1至7中任一项所述的直流-直流变换器。
9.一种制造直流-直流变换器的方法，该直流-直流变换器将直流输入电压变换为直流输出电压，且该直流-直流变换器包含开关及产生控制信号至该开关的控制电路，该方法包含：
提供输入电路，该输入电路与该直流输入电压的供应源连接，且包含一组并联的第一电容与缓冲电路；
连接该开关与该输入电路，其中该开关根据该控制信号开启或关闭，以产生该直流输出电压；
通过选择该缓冲电路而调整该输入电路的品质因子，使得当该开关关闭时，该输入电压的下降不会超过一预定比率；以及
将所选的缓冲电路设置在该输入电路中。
10.如权利要求9所述的方法，其中该预定比率为10％。
11.如权利要求9所述的方法，其中提供该输入电路的步骤还包含：
提供第二电容与电阻于该缓冲电路中，且该电阻与该第二电容串联。
12.如权利要求11所述的方法，其中将所选的缓冲电路设置在该输入电路中的步骤还包含：
将该第二电容与该电阻封装在一起并整合至该输入电路中。
13.如权利要求11所述的方法，提供该第二电容的步骤还包含：
使用多层陶瓷电容作为该第二电容。
14.如权利要求11所述的方法，其中该第一电容的电容值为约100μF，该第二电容的电容值为约100μF至10000μF，该电阻的电阻值为约1欧姆至10欧姆。
15.如权利要求14所述的方法，其中该直流输入电压为约7.5V。
16.如权利要求15所述的方法，其中该第一电容的电容值为约100μF，该第二电容的电容值为约1000μF，该电阻的电阻值为约2.2欧姆。
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