CN102177645B - 基于变压器的高频电力转换器 - Google Patents

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Abstract

一种基于变压器的高频电力转换系统，包括被设置在包括单个能量开关的电流路径中的初级线圈。振荡器耦合至能量开关的控制输入。由于在初级线圈所在的电流路径中设置单个开关，所以该设计与现有设计相比节省了基于开关的损耗。由于与能量开关相关联的寄生电容与振荡器产生的电荷转移协作，所以该设计还提供改进的转换效率。

Description

基于变压器的高频电力转换器
背景信息
本发明涉及电隔离器，其中微型变压器提供从第一隔离回路到第二隔离回路的电力传输。
微型变压器用于电力传输的使用被公开在例如本发明人的美国专利申请公开文本2006/0120115A1中，该申请的公开内容在此通过引用而被并入。这类电力转换系统包括使得具有电力供应的初级电路回路和另一没有电力供应的次级电路回路之间发生电力传输的电力变压器。电力变压器是开关控制的、理想地按照高频来操作以保持效率的振荡电路的部件。在已知的设计中，需要至少两个交叉耦合的开关来保持可持续的振荡。振荡回路(tank)开关频率由开关的大小和电力变压器绕组的电感来限定。寄生电容随着开关大小的增加而增加并且可以限制振荡回路开关频率。
电路回路之间设置有反馈路径来调整初级电路回路的操作以保证传递到次级电路回路的电力保持在预定定额内。反馈路径包括反馈开关，其被包含在电源电压(VDD)到振荡回路的电流路径中。该反馈开关导致了电路中不期望的电力损耗。而且，反馈路径通常按照比振荡电路的期望开关频率低得多的频率来操作。
电力转换效率和节电是电力转换器系统的重要考虑。因此，本发明人发现本技术领域中需要相对于已知系统增加振荡回路开关频率并且减少基于开关的损耗的基于微型变压器的电力转换系统。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的电力转换系统的电路图。
图2是根据本发明另一实施例的电力转换系统的电路图。
图3例示了根据本发明实施例的微型变压器绕组。
图4例示了根据本发明实施例的微型变压器。
图5是根据本发明实施例的振荡器的电路图。
图6是根据本发明实施例的振荡器的电路图。
具体实施方式
本发明的实施例提供基于变压器的电力转换系统，其中在包括单个能量开关的电流路径中设置初级线圈。振荡器耦合至能量开关的控制输入。由于在初级线圈所在的电流路径中设置单个开关，所以与现有设计相比，该设计节省了基于开关的损耗。由于与能量开关相关联的寄生电容与振荡器所产生的电荷转移协作，所以该设计还提供改进的转换效率。而且，反馈开关可以从振荡电路所在的电流路径中被移除，这有助于其中的更高开关频率。
图1例示了根据本发明实施例的电力转换器100。电力转换器100可以包括通过微型变压器130耦合在一起的第一和第二电路回路110、120。微型变压器130提供电路回路110、120之间的电隔离但允许第一电路回路110为第二电路回路120产生电力，如本申请所讨论的那样。因而，电路回路110、120可以相互电势地隔离，具有电隔离的地基准。
根据第一实施例，电源电压VDD可以对第一电路回路110供电。微型变压器的初级线圈130.1的第一端子可以耦合至电源电压VDD。初级线圈130.1的第二端子可以耦合至晶体管开关SW1(本申请中被称为“能量开关”)的源极。能量开关SW1的源极可以耦合至地。
类似地，振荡器140可以耦合至电源电压VDD。振荡器140的输出可以耦合至能量开关SW1的栅极。振荡器140还可以耦合至第二开关SW2(被称为“反馈开关”)的源极。反馈开关SW2的源极可以耦合至地。反馈开关SW2的栅极可以耦合至反馈隔离变压器150，其从第二电路回路120传递控制信号至第一电路回路110。响应于控制信号，反馈开关SW2选择性地激活或去激活振荡器140。
第二电路回路120可以包括微型变压器130.2的次级线圈、二极管160、负载电路170和比较器180。微型变压器130可以感生出第二电路回路120中可以通过二极管160传递至负载170的电流。该电流产生负载电路170两端的电势。比较器180可以检测负载170两端的电势，并且如果电势超过操作要求或降至操作要求以下则产生反馈控制信号。比较器180可以耦合至反馈隔离变压器150以将控制信号传递回第一电路回路110。
在操作期间，反馈开关SW2在激活状态和待激活状态之间控制振荡器140。在激活状态下，振荡器140生成到能量开关SW1的栅极的振荡驱动信号，其导致能量开关SW1按照驱动信号的频率接通和断开微型变压器130的初级线圈130.1。振荡频率通常远大于反馈信号的频率，这允许微型变压器130针对到第二电路回路120的电力传递而按照高频来开关但允许相对低的反馈控制信号从第二电路回路120被返回至第一电路回路110。
在实践中，由于能量开关SW1是控制微型变压器130的电力开关，所以与其它晶体管开关(例如，反馈开关SW2)相比，能量开关被制造得相对大(例如，在宽度上超过10,000微米)。因此，能量开关SW1可以拥有相对大的栅极电容，其被模型化为电容器Cp。通常，具有大寄生电容的开关在它们被按照高频来开关时可能导致大的电力损耗。然而，图1的实施例将能量开关SW1的栅极耦合至振荡器140，其有利地在操作期间使用能量开关SW1的寄生电容。当被激活时，振荡器140按照驱动电荷至开关栅极的谐振频率来操作并且按照谐振频率从开关栅极接收返回电荷。能量开关SW1的寄生电容用作真正的电容器并且当振荡器驱动电荷至栅极时，在振荡的第一阶段累积电荷，而在振荡器接收电荷时，在振荡的下一阶段返回电荷至振荡器。因此，能量开关SW1的寄生电容的电力损耗被最小化。
作为另一个优点，图1的设计从初级线圈130.1和能量开关SW1所在的电流路径中移除了反馈开关SW2。该设计最小化了该电流路径中的开关数量并且因此减小了路径中基于开关的损耗。进一步，施加给初级线圈130.1的开关频率不再受反馈开关SW2的开关频率限制。
作为进一步的优点，由于变压器开关频率不再依赖于电力变压器130绕组的电感，图1的设计允许优化的变压器开关频率。尽管振荡器频率可能依赖于能量开关大小，但受其影响的可能性很小。
在图1及本讨论全文中，为了易于说明，负载电路170被示为图1中的电容器。当然，其不限于此。根据他们可能使用电力转换器100的实现需要，电路设计者可以引入其它组件以用作负载170。例如，负载170可以是可以包含用于滤波的电容器和所期望的其它组件的多组件电路。负载两端所建立的电压可以被期望是DC电压并且因此电容器将不拉(draw)任何电流。
在此前的描述中，尽管反馈开关SW2被示为耦合在振荡器140和地之间，但其还可以被设置在振荡器和VDD之间。只要SW2被设置在振荡器所在的VDD-至-地路径中的某个地方并且当反馈开关SW2打开或者振荡器140去激活时能量开关SW1保持关闭，则SW2的位置对于图1的设计不重要。
图2例示了根据本发明另一实施例的电力转换器200。图2的电力转换器200应用于使用差分电压的系统中。电力转换器200也可以包括通过微型变压器230耦合在一起的第一和第二电路回路210、220。微型变压器的初级和次级线圈230.1、230.2中的每一个包括具有各自的中间抽头的一对绕组(图2中被标为a和b)，中间抽头连接至各自电路回路210、220，如下面所述。微型变压器230提供电路回路210、220之间的电隔离但允许第一电路回路210为第二电路回路220产生电力，如本申请所讨论的那样。
根据第一实施例，电源电压VDD可以对第一电路回路210供电。微型变压器的初级线圈230.1的中间抽头可以耦合至电源电压VDD。第一初级线圈230.1.1的第二端子可以耦合至第一能量开关SW1.1的源极。类似地，第二初级线圈230.2.2的第二端子可以耦合至第二能量开关SW1.2的源极。能量开关SW1.1、SW1.2的漏极均可以耦合至地。
振荡器240还可以耦合至电源电压VDD。振荡器可以具有一对输出，每一个耦合至各自的能量开关SW1.1、SW1.2。振荡器240还可以耦合至反馈开关SW2的漏极。反馈开关SW2的源极可以耦合至地。反馈开关SW2的栅极可以耦合至反馈隔离变压器250，其从第二电路回路220传递控制信号至第一电路回路210。响应于控制信号，反馈开关SW2选择性地激活或去激活振荡器240。
第二电路回路220可以包括微型变压器230.2的次级线圈的两个绕组230.2.1、230.2.2、一对二极管260.1、260.2、负载电路270和比较器280。在操作期间，微型变压器230可以在次级回路的各自绕组230.2.1、230.2.2中感生电流。这些电流可以通过各自二极管260.1、260.2被传递至负载270。在图2的结构中，电流被传递至负载270和比较器280连接的公共节点N。由于二极管260.1、260.2，电流不允许从节点N被传播回微型变压器的次级绕组230.2。电流产生负载电路270两端的电势。比较器280可以检测负载270两端的电势并且如果电势超过操作要求或降至操作要求以下则产生反馈控制信号。比较器280可以耦合至反馈隔离变压器250以将控制信号传递回第一电路回路210。
在操作期间，反馈开关SW2在激活状态和待激活状态之间控制振荡器240。在激活状态下，振荡器240生成到能量开关SW1.1、SW1.2的振荡驱动信号，其导致能量开关SW1.1、SW1.2按照驱动信号的频率接通和断开微型变压器230的各自初级线圈230.1.1、230.1.2。到两个能量开关的驱动信号相互异相，并且因此能量开关也相互异相地接通和断开初级线圈230.1.1、230.1.2。驱动信号的频率通常远大于反馈信号的频率，这允许微型变压器230针对到第二电路回路220的电力传递而按照高频来开关但允许相对低的反馈控制信号从第二电路回路220被返回至第一电路回路210。
在实践中，由于能量开关SW1.1、SW1.2是控制各自初级线圈230.1.1、230.1.2的电力开关，所以与其它晶体管开关(例如，反馈开关SW2)相比，能量开关可以被制造得相对大。因此，能量开关SW1.1、SW1.2可以拥有相对大的栅极电容，其被模型化为相应的电容器Cp1、Cp2。通常，具有大寄生电容的开关在它们被按照高频来开关时可能导致大的电力损耗。然而，图2的实施例将能量开关SW1.1、SW1.2的栅极耦合至振荡器240，这有利地在操作期间使用能量开关SW1.1、SW1.2的寄生电容。当被激活时，振荡器240按照驱动电荷至开关栅极的谐振频率来操作并且按照谐振频率从开关栅极接收返回电荷。能量开关SW1.1、SW1.2的寄生电容用作电容器并且当振荡器驱动电荷至栅极时，在振荡的第一阶段累积电荷，而在振荡器接收电荷时，在振荡的下一阶段返回电荷至振荡器。再次，施加给开关SW1.1的驱动信号可以与施加给开关SW1.2的驱动信号异相。在图2的实施例中，振荡器在其驱动电荷至一个开关SW1.2时从另一个开关(比如说，开关SW1.1)接收电荷，并且反之亦然。因此，能量开关SW1.1、SW1.2的寄生电容的电力损耗被最小化。
作为另一个优点，图2的设计从初级线圈230.1.1、230.1.2和能量开关SW1.1、SW1.2中的任一个所在的电流路径中移除了反馈开关SW2。该设计最小化了每一电流路径中的开关数量并且因此减小了它们中基于开关的损耗。进一步，施加给初级线圈230.1.1、230.1.2的开关频率不再受反馈开关SW2的开关频率限制。
作为进一步的优点，由于变压器开关频率不再依赖于电力变压器230绕组的电感，图2的设计允许优化的变压器开关频率。尽管振荡器频率可能依赖于能量开关大小，但受其影响的可能性很小。
图3例示了根据本发明实施例的具有一对子线圈310、320的单个微型变压器线圈300的布局。可以针对图2的初级线圈和次级线圈重复图3的结构。在该实施例中，子线圈310、320中的每一个可以作为以螺旋形回路来排列的导体而被布置在平面基板上。尽管图3例示了螺旋形作为分段的弧形，但其它几何图样可以用于绕组，包括连续的螺旋形和基于正方形、矩形或三角形的螺旋形。微型变压器线圈300可以包括中间抽头330，其是被设置为用于连接至其它电路元件的端子。子线圈310、320中的每一个可以包括其它端子340、350以将各自的子线圈连接至其它电路元件。在操作期间，每个子线圈310、320将按照预定的方向携带电流，由方向箭头360、370所示。根据实施例，每个子线圈310、320的绕组可以被定向为当它们携带电流时，它们在相反方向产生通量，如图4所示。
图4示意性地例示了根据本发明实施例来构造的微型变压器。在图4中，在第一层(层1)设置第一线圈410；第一线圈410可以包括一对子线圈410.1、410.2。可以在第二层(层2)设置第二线圈420并且第二线圈也可以包括第二对子线圈420.1、420.2。第一和第二层可以被设置在按照分隔距离保持间隔开的各自集成电路中。替代地，第一线圈410可以被设置在其上形成有介电层(诸如粘合层)的基板上而第二线圈420可以被设置在介电层上。在这两种情况下，第一和第二线圈410、420相互电隔离。第一和第二线圈410、420的子线圈可以按照它们的中心来对准以通过电磁通量来连接它们。例如，第一和第二线圈中每一个的第一子线圈410.1、420.1可以是空间对准的，并且第二子线圈410.2、420.2也可以是空间对准的。
图4例示了多组子线圈之间产生的通量。如图所示，可以选择子线圈绕组的方向以致使第一组子线圈410.1/420.1所产生的通量具有与第二组子线圈410.2/420.2所产生的通量相反的方向。该设计允许子线圈产生局部强烈的通量，其导致线圈之间的电力传输，如上所述。同时，两个通量源的相反方向能够导致远离线圈的位置处的辐射通量的消除。因而，图4的微型变压器设计可以导致远离线圈的位置处减少的电磁辐射，这可以导致其它电路组件处的减少的干扰。
图5是根据本发明实施例的振荡器500的电路示意图。振荡器可以包括通过节点N1和N2相互并联耦合的电感器L和电容器C。第一对振荡器开关Osc1、Osc2被示为分别将节点N1和N2耦合至VDD。振荡器开关Osc1、Osc2可以直接耦合至VDD，或者如图5所示，可以通过反馈开关SW2(虚线所示)耦合至VDD。振荡器开关Osc1的栅极可以耦合至节点N2而振荡器开关Osc2的栅极可以耦合至节点N1。可以设置第二对振荡器开关Osc3、Osc4来分别将节点N1和N2耦合至地。振荡器开关Osc3、Osc4可以直接耦合至地，如图5所示，或者替代地，可以通过反馈开关SW2耦合至地。振荡器开关Osc3的栅极可以耦合至节点N2而振荡器开关Osc4的栅极可以耦合至节点N1。该结构根据电感器L和电容器C的大小以及振荡器开关Osc1-Osc4的开关速度来产生节点N1、N2处的振荡电压。节点N1和N2可以用作振荡器输出并且耦合至图1或图2的(多个)能量开关。
图6是根据本发明另一实施例的振荡器600的电路示意图。振荡器可以包括具有连接至VDD的中间抽头并且具有子电感器L1.1和L1.2的电感器。设置一对开关Osc5、Osc6来将各自子电感器L1.1和L1.2的端子耦合至地。开关可以是交叉耦合的，具有耦合至对应电感器的输出节点N3、N4的栅极(例如，Osc5的栅极耦合至N4而Osc6的栅极耦合至N3)。振荡器600还可以包括分流电容器C1，尽管根据交叉耦合的开关Osc5、Osc6所提供的寄生电容，可以省略该电容器。该结构在节点N3、N4处产生振荡电压。节点N3、N4可以用作振荡器输出并且耦合至图1或图2的(多个)能量开关。
本申请具体例示和描述了本发明的多个实施例。然而，将认识到，本发明的修改和变形被上述教导所覆盖且落入所附权利要求的范围内，而不脱离本发明的实质和所要保护的范围。

Claims (27)

1.一种基于变压器的电力转换系统，包含：
具有初级线圈和次级线圈的微型变压器，所述初级线圈是第一电路回路的部件而所述次级线圈是第二电路回路的部件，
能量开关，耦合至所述初级线圈以选择性地使能和禁止通过所述初级线圈的电流路径，
振荡器，耦合至所述能量开关以控制所述能量开关的激活，以及
反馈开关，耦合至所述振荡器以响应于来自所述第二电路回路的反馈控制信号而选择性地使能和禁止所述振荡器，
其中所述能量开关是微型变压器的电源电压和第一地之间的第一电流路径中设置的唯一微型变压器控制开关，所述第一电流路径包括所述初级线圈和所述能量开关，并且包括所述振荡器和所述反馈开关的第二电流路径从所述电源电压延伸至所述第一地。
2.如权利要求1所述的电力转换系统，其中第二电路回路包含：
负载装置，耦合至与第一电路回路的地电势地隔离的第二地电势，以及
二极管，将所述次级线圈耦合至所述负载装置。
3.如权利要求1所述的电力转换系统，还包含：反馈电路，设置在所述第二电路回路中以检测电力转换在所述微型变压器两端建立的电压，所述反馈电路产生到所述反馈开关的反馈控制信号。
4.如权利要求3所述的电力转换系统，其中所述反馈电路包含：
电压比较器，以及
具有一对线圈的反馈微型变压器，相应的线圈被设置在所述第一电路回路和所述第二电路回路中的每一个中，所述反馈微型变压器的在所述第一电路回路中的线圈耦合至所述反馈开关。
5.如权利要求1所述的电力转换系统，其中所述能量开关和所述反馈开关均为晶体管，所述能量开关晶体管的栅极电容大于所述反馈开关晶体管的栅极电容。
6.如权利要求1所述的电力转换系统，其中所述反馈控制信号按照比所述振荡器的振荡频率低的频率来操作。
7.如权利要求1所述的电力转换系统，其中在集成电路的公共基板中设置所述第一电路回路。
8.如权利要求1所述的电力转换系统，其中在集成电路的叠置的基板层上设置所述初级线圈和所述次级线圈。
9.如权利要求1所述的电力转换系统，其中所述初级线圈直接耦合至所述第一电路回路的电源电压。
10.一种基于变压器的电力转换系统，包含通过电力变压器耦合在一起的一对电隔离的第一电路回路和第二电路回路，
其中第一电路回路包含：
第一电流路径，从电源电压延伸至第一地，并且包括所述电力变压器的初级线圈和单个能量开关以选择性地使能和禁止所述第一电流路径，
第二电流路径，从所述电源电压延伸至所述第一地，并且包括振荡器和反馈开关以选择性地使能和禁止所述第二电流路径，以及
其中所述能量开关的控制端子耦合至所述振荡器的输出；并且
其中第二电路回路包含所述电力变压器的次级线圈和负载装置。
11.如权利要求10所述的电力转换系统，其中第二电路回路还包含：设置在由所述次级线圈和所述负载装置形成的回路内的二极管。
12.如权利要求10所述的电力转换系统，还包含：反馈电路，设置在所述第二电路回路中以检测电力转换在所述电力变压器两端建立的电压，所述反馈电路产生到所述反馈开关的反馈控制信号。
13.如权利要求12所述的电力转换系统，其中所述反馈电路包含：
电压比较器，以及
具有一对线圈的反馈微型变压器，相应的线圈被设置在所述第一电路回路和所述第二电路回路中的每一个中，所述反馈微型变压器的在所述第一电路回路中的线圈耦合至所述反馈开关。
14.如权利要求10所述的电力转换系统，其中所述能量开关和所述反馈开关均为晶体管，所述能量开关晶体管的栅极电容大于所述反馈开关晶体管的栅极电容。
15.如权利要求12所述的电力转换系统，其中所述反馈控制信号按照比所述振荡器的振荡频率低的频率来操作。
16.一种基于变压器的电力转换系统，包含：
具有初级线圈和次级线圈的微型变压器，所述初级线圈是第一电路回路的部件而所述次级线圈是第二电路回路的部件，
能量开关，耦合至所述初级线圈以选择性地使能和禁止通过所述初级线圈的电流路径，
振荡器，耦合至所述能量开关以控制所述能量开关的激活，以及
反馈开关，耦合至所述振荡器以响应于来自所述第二电路回路的反馈控制信号而选择性地使能和禁止所述振荡器，
其中所述初级线圈直接耦合至所述第一电路回路的电源电压，包括所述初级线圈和所述能量开关的第一电流路径从所述电源电压延伸至第一地，并且包括所述振荡器和所述反馈开关的第二电流路径从所述电源电压延伸至所述第一地。
17.一种基于变压器的电力转换系统，包含：
具有初级和次级线圈的微型变压器，所述初级线圈和所述次级线圈中的每一个具有将各自线圈划分为一对子线圈的中间抽头，所述初级线圈是第一电路回路的部件而所述次级线圈是第二电路回路的部件，
其中所述第一电路回路包含：
第一电流路径和第二电流路径，每一个从电源电压延伸至第一地，并且包括所述初级线圈的各自子线圈和单个能量开关以选择性地使能和禁止各自的电流路径，
第三电流路径，从所述电源电压延伸至所述第一地，并且包括振荡器和反馈开关以选择性地使能和禁止所述第三电流路径，所述振荡器具有一对输出，其中一个输出耦合至所述能量开关中的相应一个能量开关；并且
其中所述第二电路回路包含所述微型变压器的次级线圈和负载装置。
18.如权利要求17所述的电力转换系统，其中所述初级线圈的子线圈包括多个螺旋绕组，所述多个螺旋绕组被定向为在所述子线圈携带电流时在相互相反的方向上产生通量。
19.如权利要求17所述的电力转换系统，其中所述第二电路回路包含：
负载装置，耦合至与第一电路回路的地电势地隔离的第二地电势，以及
二极管，将所述次级线圈耦合至所述负载装置。
20.如权利要求17所述的电力转换系统，还包含：反馈电路，设置在所述第二电路回路中以检测电力转换在所述微型变压器两端建立的电压，所述反馈电路产生到所述反馈开关的反馈控制信号。
21.如权利要求20所述的电力转换系统，其中所述反馈电路包含：
电压比较器，以及
具有一对线圈的反馈微型变压器，相应的线圈被设置在所述第一电路回路和所述第二电路回路中的每一个中，所述反馈微型变压器的在所述第一电路回路中的线圈耦合至所述反馈开关。
22.如权利要求17所述的电力转换系统，其中所述能量开关和所述反馈开关均为晶体管，所述能量开关晶体管的栅极电容大于所述反馈开关晶体管的栅极电容。
23.如权利要求20所述的电力转换系统，其中所述反馈控制信号按照比所述振荡器的振荡频率低的频率来操作。
24.如权利要求17所述的电力转换系统，其中在集成电路的公共基板中设置所述第一电路回路。
25.如权利要求17所述的电力转换系统，其中在集成电路的叠置的基板层上设置所述初级线圈和所述次级线圈。
26.如权利要求17所述的电力转换系统，其中所述初级线圈直接耦合至所述第一电路回路的电源电压。
27.如权利要求17所述的电力转换系统，其中：
关于所述次级线圈的作为一对子线圈的相应的第一子线圈和第二子线圈以叠置的关系设置所述初级线圈的作为一对子线圈的第一子线圈和第二子线圈，
所述初级线圈的第一子线圈和所述次级线圈的第一子线圈的线圈绕组被定向为当所述初级线圈的第一子线圈和所述次级线圈的第一子线圈中的一个携带电流时按照第一方向产生通量，并且
所述初级线圈的第二子线圈和所述次级线圈的第二子线圈的线圈绕组被定向为当所述初级线圈的第二子线圈和所述次级线圈的第二子线圈中的一个携带电流时按照第二方向产生通量，所述第二方向与所述第一方向相反。
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