CN103812338B - 用于调节直流电压变换器的测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于调节直流电压变换器（100）的测量电路，具有开关器件（120），与该开关器件并联的二极管（124），测量和调节单元（130），所述测量和调节单元被设计用于当达到预定义事件时操作开关器件（120），在操作开关器件（120）之后确定和分析该开关器件（120）处的电压作为特征参量，当所述特征参量位于允许的值范围之外时改变预定义事件的参数，其中所述允许的值范围通过并联的二极管（124）的正向电压来确定。

Description

用于调节直流电压变换器的测量电路

技术领域

本发明涉及一种用于调节直流电压变换器的测量电路、一种对应的直流电压变换器以及一种用于调节直流电压变换器的方法。

背景技术

直流电压变换器如今应用在大量领域中，例如应用在移动电话、通信系统、计算机或者笔记本电脑中。直流电压变换器在此获得直流电压作为输入电压并且将该直流电压变换成更高的或者更低的直流电压作为输出电压。直流电压变换器确保了，设备的内部运行电压可以与电池的充电状态无关地保持恒定或者可以产生相对于电池电压更高的内部运行电压。例如在照相器材中可以从比较低的电池电压中产生具有高得多的电压的闪光。

直流电压变换器可以按照极为不同的实施方式构造，但是这些实施方式都根据相同的原理来工作。借助于开关元件、例如晶体管从输入电压中提取能量份额。开关元件的接通时间和断开时间之间的比例在此确定了平均的能量流。在升压变换器中、也即在达到与输入电压相比更高的输出电压的直流电压变换器中，大多将电感连接到输入电压。利用每个接通和断开过程将能量从该电感泵入到输出电容中。

在共振变换器、即升压变换器的一种特殊实施方式中，使用共振回路，以便在电流或电压过零点时接通或断开开关元件。典型地共振回路由一个电感和一个电容组成的串联或并联电路构成。但是所述共振回路也可以具有多个电感和电容。

通过接通开关元件，共振回路被连接到输入电压并且被激励。通过断开开关元件，电感放电到电容中。如果开关元件在正确时刻被重新接通，则共振回路被重新激励并且振荡被维持。借助于传输器、例如变压器，共振回路的能量可以传输到输出电容中。该能量传输相应地通过共振回路的周期性激励来进行，其中该回路被激励得越频繁，可以传输的功率越多。

通过在共振回路的电流或电压过零点时的最优开关时刻进行接通或断开，可以显著降低开关损耗、无线电干扰以及各个器件的电磁负荷。但是如果接通或断开不是在电流或电压过零点期间进行，而是还在共振回路的振荡阶段结束之前进行，则从该共振回路中提取能量、而不是向该共振回路输送能量，这导致开关损耗、输出功率降低以及各个器件的电磁负荷提高。对于共振变换器或对于一般的直流电压变换器，在最优开关时刻来执行接通过程以及断开过程尤其是有重要意义的。

断开过程可以在达到电流强度的上阈值时执行。接通过程可以无延迟地或者在达到电流强度或电压的下阈值之后的固定时间间隔结束之后执行。在此，根据最优开关时刻选择电压或电流强度的阈值。在此得出如下问题：开关元件的实际开关时刻由于例如在开关元件的操控和测量值检测时的不可避免的器件容差和延迟时间而是未知的。也就是不能确保：最优开关时刻和实际开关时刻一致，或者换句话说接通和断开过程在最优开关时刻发生。

因此值得期望的是，提供一种这样的可能性，使得直流电压变换器中的接通和断开过程可以在最优开关时刻发生。

发明内容

根据本发明提出具有独立权利要求的特征的用于调节直流电压变换器的测量电路、用这种测量电路构造的直流电压变换器以及用于调节直流电压变换器的方法。有利的构型是从属权利要求以及下面的描述的主题。

本发明的优点

用于调节直流电压变换器的本发明测量电路具有开关器件、与该开关器件并联的二极管、以及测量和调节单元。所述开关器件被设计用于将直流电压变换器的电感连接到输入电压。测量和调节单元负责使开关器件的实际开关时刻与最优开关时刻重合。当测量和调节单元探测到达到预定义事件时，该测量和调节单元操作开关器件。然后，测量和调节单元监视开关器件处的电压作为特征参量。

所述特征参量受到接通时刻的影响。通过分析所述特征参量可以推导出实际开关时刻与最优开关时刻相差多少。如果所述特征参量位于通过并联的二极管的正向电压给出的允许的值范围内，则最优开关时刻和实际开关时刻重合。如果该特征参量不位于该允许的值范围中，则没有达到最优开关时刻并且为下一次通过所述预定义事件的参数。

如果例如在共振变换器的情况下开关器件的接通恰好在共振回路的电压过零点处进行，则接通损耗被几乎完全避免。在此，由于并联的二极管的正向电压而仅存在最小的损耗。如果在接通过程之后监视开关器件处的电压，则在最优开关时刻的情况下由于二极管的正向电压而测量到短的负的电压脉冲。所述允许的值范围因此通过该负的电压脉冲给出。如果在接通之后作为特征参量测量到不对应于二极管的正向电压的电压值，则没有达到最优开关时刻。

开关器件的实际开关时刻在此仍然未知，但是也没有必要明确地已知该实际开关时刻。表达“测量和调节电路操作开关”在此应被理解为一旦记录到预定义事件的达到，测量和调节单元就启动开关过程。通过监视所述特征参量，测量和调节单元识别出实际开关时刻和最优开关时刻最后是否重合。如果不重合，则预定义事件的参数被一直改变，直到特征参量位于所述允许的值范围中为止，也即直到实际开关时刻和最优开关时刻重合为止。

通过这种方式确保了接通或关断在最优开关时刻发生，而不必更精确地研究开关器件的实际开关时刻。

一旦测量和调节单元确定了属于最优开关时刻的参数，就存在不再监视特征参量的可能性。同样存在此外利用对开关器件的每次操作来监视特征参量的可能性。此外可以仅在预定义的时间间隔之后或者在特定数量的开关过程之后监视特征参量。

此外通过这种方式可以独立于所使用的器件——如电容器、线圈或电阻器件——及其电容值、电感值或电阻值。因为本发明测量电路利用对于每个直流电压变换器来说个别的、最优的开关时刻调节每个直流电压变换器，因此也可以毫无问题地更换器件并且也可以施加不同的输入电压。

有利地，当诸如电压值或电流强度值的测量参量达到阈值时，就达到了预定义事件。例如共振回路的电容处的电压或应当在其电压过零点时发生开关过程的电压或者开关器件处的电压可以被确定为测量参量。在这种情况下，当特征参量位于允许的值范围以外时，阈值作为事件的参数被改变。当在例如测量参量达到阈值之后或者在开关器件被最后一次操作之后的一时间间隔结束时，也可以达到所述预定义事件。在这种情况下，所述时间间隔的持续时间作为事件的参数被改变。

在本发明的优选实施中，开关器件构造为晶体管、尤其是构造为MOSFET晶体管（金属氧化物半导体场效应晶体管）。在此，并联的二极管可以被有利地构造为MOSFET晶体管的体二极管。

大多数MOSFET晶体管具有如下特性，即所述MOSFET晶体管在内部具有集成的二极管、即所谓的体二极管，其与MOSFET晶体管并联。在MOSFET晶体管中，在弱掺杂的（例如p掺杂的）衬底中嵌入两个强掺杂的（例如n⁺掺杂的）区域，这两个强掺杂的区域构成源极接线端子（“源”）和漏极接线端子（“流出”）。在源极接线端子与漏极接线端子之间存在电介质，栅极接线端子（“控制电极”）被安装在该电介质上。所述衬底在此构成第四接线端子、即主体（Bulk）接线端子。在MOSFET晶体管的大多数结构形式中，主体接线端子和源极接线端子在内部连接。由此形成的主体接线端子与源极接线端子之间的p-n结构成所述体二极管。

有利地也可以监视开关器件处的电流强度值作为特征参量。一般也可以将测量电路的任意器件处的电压值或者电流强度值确定为特征参量。也可以设想作为特征参量监视温度、尤其是开关器件的温度。由于过早接通开关器件而发生的能量损耗可以转变为热能并且导致开关器件升温。通过开关器件的温度可以推断出曾有多接近最优开关时刻。

在本发明的优选构型中，直流电压变换器被构造为升压变换器、尤其是共振变换器。所述测量电路也适于与任意形式的直流电压变换器一起使用。也可以设想将该测量电路用于其他类型的变流器、例如整流器，在所述变流器中在最优开关时刻操作开关元件具有重要意义。

本发明的计算单元，例如计算机、电视机或者移动电话的开关电源设备尤其是通过编程技术被设计用于执行本发明方法。

以软件形式实现所述方法也是有利的，因为这导致特别小的成本,尤其是当实施的控制设备还用于另外的任务并且因此无论如何都存在时。用于提供计算机程序的合适数据载体尤其是磁盘、硬盘、闪存、EEPROM、CD-ROM、DVD等。经由计算机网络（因特网、内联网）下载程序也是可能的。

本发明的另外的优点和构型从说明书和附图中得出。

可以理解，前述特征和下面还要阐述的特征不仅可以分别说明的组合、而且还可以其他组合或者单独地使用，而不会脱离本发明的范围。

借助附图中的实施例示意性示出本发明并且在下面参照附图详细描述本发明。

附图说明

图1示意性地示出用于调节直流电压变换器的本发明测量电路的优选实施方式。

图2示意性地示出用于调节直流电压变换器的本发明方法的优选实施方式的框图。

具体实施方式

在图1中示意性示出用于调节直流电压变换器的本发明测量电路的优选实施方式。该直流电压变换器是升压变换器并且构造为共振变换器100。在极102和接地极103之间施加输入电压101。经由两个极106和107输出与输入电压101相比更高的输出电压105。线圈110和在下面称为共振电容器140的第一电容器构成共振回路。除了共振电容器之外还存在第二电容器，该第二电容器在下面称为输出电容器150。开关器件构造为MOSFET晶体管120、尤其是N-MOSFET晶体管。但是在本发明范围内同样可以使用P-MOSFET或者其他合适的开关元件。MOSFET晶体管120具有漏极接线端子121、栅极接线端子122和源级接线端子123。MOSFET晶体管120具有并联的体二极管124。MOSFET晶体管的接线端子121至123与测量和调节单元130电连接。此外测量电阻131与MOSFET晶体管120串联。经由两个另外的测量点132和133，测量和调节单元130可以借助于测量电阻131确定电流强度。

测量和调节单元130操作MOSFET晶体管120形式的开关器件，由此线圈110连接到输入电压101。电流强度随着时间线性升高，因为根据楞次定律在线圈中感应出电压，该电压反作用于电流流动的改变。一旦由测量和调节单元130借助于测量电阻131确定的电流强度达到其最大值，测量和调节单元130就断开MOSFET晶体管120并且将线圈110与输入电压101分开。

根据楞次定律，线圈110维持电流流动并且放电到共振电容器140和输出电容器150中。存储在线圈110中的磁能在此转变成电容器140和150的电能。一旦线圈110被完全放电并且电流强度具有过零点，共振电容器140就放电。通过二极管151确保了，输出电容器150不能放电。共振电容器140现在放电到线圈110中。

通过二极管151保证了，输出电容器150不能反向放电，而是输出电容器150的电压可以作为输出电压105在极106和107处被量取。因此能量总是被加载到输出电容器150中，由此达到与输入电压101相比更高的输出电压105。

一旦共振电容器140完全放电，也就是说当共振电容器140处的电压具有过零点时，MOSFET晶体管120就应当被再次接通。在此，“共振电容器140处的电压”表示测量点141与地之间的电压。

由于共振电容器140和MOSFET晶体管120的并联，共振电容器140处的电压与MOSFET晶体管120处的电压相同，其中“MOSFET晶体管120处的电压”表示漏极接线端子121与地之间的电压。测量和调节单元130确定MOSFET晶体管120处的电压并且一旦该电压达到阈值就启动开关过程。

如果实际开关过程恰好在最优开关时刻进行，则测量和调节单元130在该开关过程之后的一定时间间隔内探测到漏极接线端子121与测量点132之间的、体二极管124的正向电压形式的负电压脉冲。如果测量和调节单元130没有探测到该电压脉冲，则最优开关时刻没有被达到并且测量和调节单元130为下一个开关过程改变阈值。MOSFET晶体管120处的电压在此被确定为特征参量。该特征参量的值范围通过体二极管124的正向电压给出。

如果由测量和调节单元130确定的电流强度再次达到其最大值，则测量和调节单元130再次断开MOSFET晶体管120。

替换地也可以将传输器、例如变压器集成到该测量电路中。例如可以替代于线圈110使用传输器。因此存在借助于该传输器来实现附加地提高或降低直流电压的可能性。

在图2中示意性地作为框图示出用于调节直流电压变换器的本发明方法的优选实施方式。

在该方法的步骤200中接通开关器件。如果达到了预定义的第一事件（步骤210），则再次断开该开关器件（步骤220）。在图1的例子中，步骤210涉及达到电流强度的最大值。

如果达到了预定义的第二事件（步骤230），则开关器件被再次接通（步骤240）。在图1的例子中，步骤230涉及达到MOSFET晶体管120处的电压的阈值。如通过附图标记250所表示的那样，一旦再次达到第一事件（步骤210）就再次断开开关器件（步骤220）。

在接通开关器件（步骤240）之后，在步骤260中在预定义的时间间隔内确定和分析开关器件处的电压作为特征参量。在图1的例子中，步骤260涉及确定MOSFET晶体管120处的电压。如果该特征参量位于通过与开关器件并联的二极管的正向电压确定的允许的值范围之外，则改变步骤230中的预定义事件的参数，这通过附图标记261表示。对特征参量的监视（步骤260）在此可以在开关器件的每次接通（步骤240）之后进行，或者例如在特定数量的断开过程240之后进行。

Claims (11)

1.用于调节直流电压变换器（100）的测量电路，具有

- 开关器件（120），

- 与该开关器件并联的二极管（124），和

- 测量和调节单元（130），其被设计用于

- 当达到第一预定义事件时，关断所述开关器件（120），其中所述第一预定义事件涉及达到通过所述开关器件的电流强度的最大值，

- 当达到第二预定义事件时（230），再次接通（240）该开关器件（120），其中所述第二预定义事件涉及达到所述开关器件处的电压的阈值，

- 确定和分析（260）在该开关器件（120）开关过程之后一段时间间隔内该开关器件（120）处的电压作为特征参量，

- 当所述特征参量位于允许的值范围之外时（261），改变所述第二预定义事件的参数，其中所述第二预定义事件的参数涉及所述开关器件处的电压的阈值，

- 其中所述允许的值范围通过并联的二极管（124）的正向电压来确定。

2.根据权利要求1所述的测量电路，其中

- 当测量参量达到阈值时，

- 当在测量参量达到阈值之后的一时间间隔结束时，或者

- 当在操作所述开关器件之后的一时间间隔结束时，

达到所述第二预定义事件（230）。

3.根据权利要求1或2所述的测量电路，其中所述开关器件（120）构造为晶体管。

4.根据权利要求3所述的测量电路，其中所述开关器件（120）构造为MOSFET晶体管。

5.根据权利要求4所述的测量电路，其中所述二极管（124）构造为MOSFET晶体管的体二极管。

6.根据权利要求1至2之一所述的测量电路，其中所述直流电压变换器（100）构造为升压变换器。

7.根据权利要求6所述的测量电路，其中所述直流电压变换器（100）构造为共振变换器。

8.直流电压变换器，具有根据前述权利要求之一所述的测量电路。

9.用于调节直流电压变换器（100）的方法，其中

- 当达到第一预定义事件时，关断开关器件（120），其中所述第一预定义事件涉及达到通过所述开关器件的电流强度的最大值，

- 当达到第二预定义事件时（230），再次接通（240）所述开关器件（120），其中所述第二预定义事件涉及达到所述开关器件处的电压的阈值，

- 确定和分析（260）在该开关器件（120）的开关过程之后一段时间间隔内该开关器件（120）处的电压作为特征参量，

- 当所述特征参量位于允许的值范围之外时（261），改变所述第二预定义事件的参数，其中所述第二预定义事件的参数涉及所述开关器件处的电压的阈值，

- 通过与所述开关器件（120）并联的二极管（124）的正向电压确定所述允许的值范围。

10.计算单元，其被设计用于执行根据权利要求9所述的方法。

11.机器可读存储介质，具有存储在其上的计算机程序，所述计算机程序在根据权利要求10所述的计算单元上执行时促使所述计算单元执行根据权利要求9所述的方法。