CN104115385B - 具有分离降压和升压转换电路的功率转换器 - Google Patents
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Abstract
一种装置(100)包括降压和升压转换电路(110)以及用于控制降压和升压转换器的控制单元(120，200)。降压和升压转换器包括降压转换电路和升压转换电路，该降压转换电路具有第一组开关(SW3，SW4)，并且该升压转换电路具有第二组开关(SW5，SW6)。降压转换电路和升压转换电路可以被相互独立地被控制。控制单元被配置为通过控制第一组开关的开关操作来控制在降压转换模式中从功率转换器经由降压转换电路向负载(20)的功率输送，并且通过控制第二组开关的开关操作来控制在升压转换模式中从功率转换器经由升压转换电路向负载的功率输送。
Description
技术领域
本发明主要地涉及一种功率转换器。更具体地，这里公开的各种发明方法和装置涉及一种具有分离降压和升压转换电路的降压和升压转换器。
背景技术
一般而言，功率转换器通常分为三类之一：降压转换器；升压转换器；以及降压-升压转换器。
降压转换器是步进降低DC到DC转换器、即它将更高DC输入电压转换成更低DC输出电压，并且一般而言，它是开关模式电源。一般而言，降压转换器可以高度地高效，但是它在从电压源接收的输入电压大于将向负载供应的输出电压时在窄输入电压范围内操作。
升压转换器是步进升高DC到DC转换器、即它将更低DC输入电压转换成更高DC输出电压，并且一般而言，它也是开关模式电源。一般而言，升压转换器可以具有简单电路结构并且可以在它的输入提供小脉动电流。然而如同降压转换器，它在从电压源接收的输入电压大于将向负载供应的输出电压时在窄输入电压范围内操作。
降压-升压转换器是具有可以大于或者小于输入电压量值的输出电压量值的DC到DC转换器类型。换而言之，降压-升压转换器包括降压转换器功能和升压转换器功能。
在常规降压-升压转换器中，降压功能和升压功能未相互分离或者独立，但是它们共享一些重要部件、比如开关器件(例如MOSFET、二极管等)、因此不能被分离地控制或者优化。常规降压-升压转换器表现在它的效率、有限输入和输出电压范围以及它可以被应用于的应用数目方面的一些限制。
因此，将希望提供一种能够在降压转换模式和升压转换模式中操作的功率转换器。也将希望提供能够在许多不同应用中在宽输入和输出电压范围内以更大效率操作的这样的功率转换器。
发明内容
本公开内容涉及用于功率转换器的发明方法和装置。例如在一些实施例中，一种功率转换器具有可以被分离地和独立地控制的降压转换器电路和升压转换器电路。
一般而言，在一个方面中，本发明涉及一种装置，该装置包括：被配置为将输入电压转换成输出电压并且向负载供应输出电压的功率转换器，以及被配置为控制功率转换器的操作的控制单元。功率转换器包括：包括第一组开关的降压转换电路和包括第二组开关的升压转换电路，其中第二组开关与第一组开关分离并且能够独立于第一组开关被控制。控制单元被配置为通过控制第一组开关的开关操作来控制在降压转换模式中从功率转换器经由降压转换电路向负载的功率输送，并且通过控制第二组开关的开关操作来控制在升压转换模式中从功率转换器经由升压转换电路向负载的功率输送。
在一个或者多个实施例中，控制单元被配置为接收输入电压的采样、输出电压的采样、向功率转换器供应的输入电流的采样和由功率转换器供应的输出电流的采样，并且被配置为基于输入电压的采样、输出电压的采样、输入电流的采样和输出电流的采样控制向负载的功率输送。
根据这些实施例的一个可选特征，控制单元包括被配置为将输入电压的采样、输出电压的采样、输入电流的采样和输出电流的采样转换成数值的多个模数转换器(ADC)。根据这些实施例的另一可选特征，控制单元包括被配置为将输入电压和输出电压相互比较的电路装置，其中控制单元基于比较的结果选择功率转换器的操作模式。根据这些实施例的更多另一可选特征，控制单元被配置为通过在开关频率和占空比处开关第一组开关的开关中的至少一个开关并且通过响应于输入电压的采样与输出电压的采样之差调整开关频率和占空比中的至少一项来控制从功率转换器经由降压转换电路至负载的功率输送。根据这些实施例的又一可选特征，控制单元被配置为通过在开关频率和占空比处开关第二组开关的开关中的至少一个开关并且通过响应于输入电压的采样与输出电压的采样之差调整开关频率和占空比中的至少一项来控制从功率转换器经由升压转换电路至负载的功率输送。
在一个或者多个实施例中，控制单元被配置为：在输入电压大于输出电压与第一固定的电压之和时通过控制第一组开关的开关操作来控制从功率转换器向负载递送的功率，其中第一固定的电压大于或者等于零伏特；并且在输入电压小于输出电压时通过控制第二组开关的开关操作来控制从功率转换器向负载的功率输送。
根据这些实施例的一个可选特征，第一固定的电压小于1伏特。根据这些实施例的另一可选特征，控制单元还被配置为在输出电压大于输入电压与第一固定的电压之差并且小于输入电压与第二固定的电压之和时控制功率转换器以在直接转换模式中操作。
一般而言，在另一方面中，本发明涉及一种方法，该方法包括：对功率转换器的输入电压、输出电压、输入电流和输出电流进行采样，该功率转换器包括降压转换电路和升压转换电路，该降压转换电路包括第一组开关，该升压转换电路包括第二组开关，其中第二组开关与第一组开关分离并且能够独立于第一组开关被控制；在输入电压大于输出电压与大于或者等于零伏特的第一固定的电压之和时，通过控制第一组开关的开关操作来控制从功率转换器向负载的功率输送；并且在输入电压小于输出电压时，通过控制第二组开关的开关操作来控制从功率转换器向负载的功率输送。
在一个或者多个实施例中，通过控制降压转换电路的第一组开关的操作来控制从功率转换器向负载的功率输送包括向第一组开关的一个或者多个开关供应一个或者多个控制信号并且脉宽调制一个或者多个控制信号。
根据这一实施例的一个可选特征，脉宽调制一个或者多个控制信号包括响应于输入电压与输出电压之差调整每个脉宽调制的控制信号的频率和占空比之一。
在一个或者多个其它实施例中，通过控制升压转换电路的第二组开关的开关操作来控制从功率转换器向负的载功率输送包括向第二组开关的一个或者多个开关供应一个或者多个控制信号并且脉宽调制一个或者多个控制信号。根据这一实施例的一个可选特征，脉宽调制一个或者多个控制信号包括响应于输入电压与输出电压之差调整每个脉宽调制的控制信号的频率和占空比之一。
在一个或者多个其它实施例中，第一固定的电压小于1伏特。
一般而言，在又一方面中，本发明涉及一种装置，该装置包括能够在降压转换模式中和在升压转换模式中操作的降压和升压功率转换器以及控制单元。降压和升压功率转换器包括：输入节点；输出节点；具有第一端子、第二端子和控制端子的第一开关，该控制端子用于有选择地关断和闭合第一开关以控制在第一端子与第二端子之间的电流路径，其中第一端子连接到输入节点；在第一开关的第二端子与接地之间连接的第一电容器；具有第一端子、第二端子和控制端子的第二开关，该控制端子用于有选择地关断和闭合第二开关以控制在第一端子与第二端子之间的电流路径，其中第一端子连接到第一开关的第二端子和第一电容器；具有第一端子、第二端子和控制端子的第三开关，该控制端子用于有选择地关断和闭合第三开关以控制在第一端子与第二端子之间的电流路径，其中第三开关与第二开关并联连接；具有第一端子、第二端子和控制端子的第四开关，该控制端子用于有选择地关断和闭合第四开关以控制在第一端子与第二端子之间的电流路径，其中第一端子连接到第二开关和第三开关的第二端子，并且第二端子连接到接地；具有第一端子和第二端子的电感器，其中第一端子连接到第二、第三和第四开关的第二端子；具有第一端子、第二端子和控制端子的第五开关，该控制端子用于有选择地关断和闭合第五开关以控制在第一端子与第二端子之间的电流路径，其中第一端子连接到电感器的第二端子，并且第二端子连接到接地；具有第一端子、第二端子和控制端子的第六开关，该控制端子用于有选择地关断和闭合第六开关以控制在第一端子与第二端子之间的电流路径，其中第一端子连接到电感器的第二端子和第五开关的第一端子；具有第一端子、第二端子和控制端子的第七开关，该控制端子用于有选择地关断和闭合第七开关以控制在第一端子与第二端子之间的电流路径，其中第六开关与第五开关并联连接；在第六和第七开关的第二端子与接地之间连接的第二电容器；以及具有第一端子、第二端子和控制端子的第八开关，该控制端子用于有选择地关断和闭合第八开关以控制在第一端子与第二端子之间的电流路径，其中第一端子连接到第二电容器以及第六和第七开关的第二端子，并且其中第二端子连接到输出节点。控制单元被配置为向与第一至第八开关器件的控制端子中的对应控制端子提供第一至第八控制信号以便控制第一至第八开关器件的开关以使降压和升压功率转换器有选择地在升压转换模式和降压转换模式之一中操作。
在一个或者多个实施例中，在控制单元控制降压和升压功率转换器以在降压转换模式中操作时，控制单元提供：用于接通第一开关的第一控制信号；用于关断第二开关的第二控制信号；用于交替地接通和关断第三开关的作为具有第一频率和第一占空比的第一脉宽调制的信号的第三控制信号；用于交替地接通和关断第四开关的作为具有第一频率和第二占空比的第二脉宽调制的信号的第四控制信号；用于关断第五开关的第五控制信号；用于关断第六开关的第六控制信号；用于接通第七开关的第七控制信号；以及用于接通第八开关的第八控制信号。
在一个或者多个实施例中，在控制单元控制降压和升压功率转换器以在升压转换模式中操作时，控制单元提供：用于接通第一开关的第一控制信号；用于关断第二开关的第二控制信号；用于关断第三开关的第三控制信号；用于关断第四开关的第四控制信号；用于交替地接通和关断第五开关的作为具有第一频率和第一占空比的第一脉宽调制的信号的第五控制信号；用于交替地接通和关断第六开关的作为具有第一频率和第二占空比的第二脉宽调制的信号的第六控制信号；用于关断第七开关的第七控制信号；以及用于接通第八开关的第八控制信号。
在一个或者多个实施例中，控制单元包括被配置为提供代表以下各项的数值的多个模数转换器(ADC)：在输入节点的输入电压、经过输入节点的输入电流、在输出节点的输出电压、经过输出节点的输出电流，并且控制单元向与第一至第八开关器件的控制端子中的对应控制端子生成第一至第八控制信号以便控制第一至第八开关器件的开关，以使降压和升压功率转换器响应于数值有选择地在升压转换模式和降压转换模式之一中操作。
根据这一实施例的一个可选特征，控制单元被配置为：在输入电压大于输出电压与第一固定的电压之和时使降压和升压功率转换器在降压转换模式中操作，其中第一固定的电压大于或者等于零伏特；在输入电压小于输出电压时使降压和升压功率转换器在升压转换模式中操作；并且在输出电压大于输入电压与第一固定的电压之差并且小于输出电压时使降压和升压功率转换器在直接转换模式中操作。
如这里出于本公开内容的目的而使用的那样，应当理解术语“LED”包括能够响应于电信号生成辐射的任何电致发光二极管或者其它类型的基于载流子注入/结的系统。因此，术语LED包括但不限于响应于电流发射光的各种基于半导体的结构、发光聚合物、有机发光二极管(OLED)、电致发光带等。具体而言，术语LED指代可以被配置为在红外线光谱、紫外线光谱和可见光谱的各种部分(一般包括从近似380纳米至近似780纳米的辐射波长)中的一个或者多个光谱中生成辐射的所有类型的发光二极管(包括半导体和有机发光二极管)。LED的一些示例包括但不限于各种类型的红外线LED、紫外线LED、红色LED、蓝色LED、绿色LED、黄色LED、琥珀色LED、橙色LED和白色LED(以下进一步讨论)。例如被配置为生成实质上白光的LED(例如白色LED)的一个实现方式可以包括分别发射不同电致发光光谱的多个管芯，这些电致发光光谱在组合中混合以形成实质上白光。在另一实现方式中，白光LED可以与将具有第一光谱的电致发光转换成不同第二光谱的磷光体材料关联。在这一实现方式的一个示例中，具有相对短波长和窄带宽光谱的电致发光“抽运”磷光体材料，该”磷光体材料又辐射具有有些更宽光谱的更长波长辐射。
也应当理解术语LED未限制LED的物理和/或电气封装类型。例如如以上讨论的那样，LED可以指代具有多个管芯的单个发光设备，这些管芯被配置为分别发射不同辐射光谱(例如可以个别可控或者可以不这样)。LED也可以与视为LED(例如一些类型的白色LED)的整体部分的磷光体关联。一般而言，术语LED可以指代封装的LED、非封装的LED、表面装配LED、板上芯片LED、包括某一类型的装箱和/或光学元件(例如扩散透镜)的LED等。
应当理解术语“光源”指代多种辐射源中的任何一个或者多个辐射源，这些辐射源包括但不限于基于LED的源(包括一个或者多个如以上定义的LED)、白炽源(例如灯丝灯、卤素灯)、荧光源、磷光源、高强度放电源(例如钠蒸汽、汞蒸气和金属卤素灯)、激光器、其它类型的电致发光源、火致发光源(例如火焰)、烛致发光源(例如汽灯罩、碳电弧辐射源)、光致发光源(例如气态放电源)、使用电子饱和的阴极发光源、电流发光源、晶体发光源、放射发光源和发光聚合物。
“照明驱动器”这里用来指代以用于使一个或者多个光源发射光的格式向光源供应电功率的装置。具体而言，照明驱动器可以接收第一格式的电功率(例如AC市电功率；固定的DC电压等)和第二格式的供应功率，该第二格式被定制适应它驱动的光源的(例如LED光源)的要求。
术语“照明单元”这里用来指代包括相同或者不同类型的一个或者多个光源的装置。给定的照明单元可以具有多种用于光源的装配布置、罩/壳布置以及形状和/或电气和机械连接配置中的任一项。此外，给定的照明单元可选地可以与各种与光源的操作有关的其它部件(例如控制电路装置；照明驱动器)关联(例如包括和/或耦合到这些部件和/或与这些部件一起封装)。“基于LED的照明单元”指代如下照明单元，该照明单元单独或者在其它非基于LED的光源的组合中包括一个或者多个如以上讨论的基于LED的光源。
术语“控制器”这里一般用来描述与功率转换器的操作有关的各种装置。可以用多种方式(如比如用专用硬件)实施控制器以执行这里讨论的各种功能。“处理器”是控制器的一个示例，该控制器运用可以使用软件(例如微代码)来编程为执行这里讨论的各种功能的一个或者多个微处理器。控制器可以运用或者不用处理器来实施并且也可以被实施为用于执行一些功能的专用硬件和用于执行其它功能的处理器(例如一个或者多个编程的微处理器和关联电路装置)的组合。可以在本公开内容的各种实施例中运用的控制器部件的示例包括但不限于常规微处理器、专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)。
将理解在单元称为“连接”或者“耦合到”另一单元时，它可以直接连接或者耦合到另一单元，或者居间单元可以存在。对照而言，在单元称为“直接连接”或者“直接耦合”到另一单元时，无居间单元存在。
应当理解设想以下更具体讨论的前述概念和附加概念的所有组合(假设这样的概念未互不一致)作为这里公开的发明主题内容的部分。具体而言，设想在本公开内容的篇尾出现的要求保护的主题内容的所有组合作为这里公开的发明主题内容的部分。也应当理解应当向也可以在通过引用而结合的任何公开内容中出现的这里明确运用的术语赋予与这里公开的具体概念最一致的含义。
附图说明
在附图中，相似标号一般指代贯穿不同图的相同部分。附图也未必按比例、代之以一般着重于举例说明本发明的原理。
图1图示包括升压和降压转换器的装置的一个示例实施例。
图2图示用于降压和升压转换器的控制单元的一个示例实施例。
图3是图示用于降压和升压转换器的一个实施例的第一操作模式(例如降压转换模式)的控制信号的定时的定时图。
图4是图示用于降压和升压转换器的一个实施例的第二操作模式(例如升压转换模式)的控制信号的定时的定时图。
图5是图示用于降压和升压转换器的一个实施例的第三操作模式(例如直接转换模式)的控制信号的定时的定时图。
图6示出状态图，该状态图图示在用于降压和升压转换器的一个实施例的各种操作模式之间的转变。
具体实施方式
如以上讨论的那样，常规降压-升压转换器表现在它的效率、有限输入和输出电压范围以及它可以被应用于的应用数目方面的一些限制。因此，申请人这里已经认识和理解提供一种能够在许多不同应用中在宽输入和输出电压范围内以更大效率在降压转换模式和升压转换模式中操作的降压和升压转换器将是有益的。
鉴于前文，本发明的各种实施例和实现方式涉及一种降压和升压转换器，其中被运用于降压转换操作的一个或者多个开关与被运用于升压转换操作的一个或者多个开关分离、并且可以相对于后者被独立地控制。
图1图示包括降压和升压转换器的装置100的一个示例实施例。装置100包括功率转换器110和控制单元120。
功率转换器110包括输入节点105和输出节点115。输入节点105连接到电压供应10并且从电压供应10接收输入电压VIN。输出节点115连接到负载20并且向负载20供应输出电压VOUT。功率转换器110也包括第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3、第四开关SW4、第五开关SW5、第六开关SW6、第七开关SW7、第八开关SW8、第一电容器C1、第二电容器C2和电感器L1。功率转换器110也包括第一和第二电流感测单元I1和I2以及电压采样电阻器R1、R2、R3和R4。在一些实施例中，第一至第八开关SW1～SW8是晶体管，并且在一个具体实施例中是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在一些实施例中，元件中的一个或者多个元件、比如第一电容器C1、第二电容器C2、电感器L1和电压采样电阻器R1、R2、R3和R4可以用相似元件的多个串联和/或并联布置的组合来实现(例如C1可以由并联的2、3或者4个电容器实现；L1可以是串联的两个电感器；等等)。
控制单元120接收以下各项的采样：电压采样电阻器R1和R2采样的输入电压VIN；电压供应10向输入节点105提供的并且第一电流感测单元I1采样的输入电流；电压采样电阻器R3和R4采样的输出电压VOUT；以及功率转换器110向负载20供应的并且第二电流感测单元12采样的输出电流。响应于这些采样，控制单元120生成用于八个开关控制信号VA、VB、VC、VD、VE、VF、VG和VH，这些开关控制信号用于控制八个开关SW1～SW8的开关状态以使功率转换器110将在输入节点105的输入电压VIN转换成在输出节点115的输出电压VOUT。具体而言，控制单元120：向第一开关SW1供应VA；向第二开关SW2供应VB；向第三开关SW3供应VC；向第四开关SW4供应VD；向第五开关SW5供应VE；向第六开关SW6供应VF；向第七开关SW7供应VG；向第八开关SW8供应VH。以下将关于图2提供控制单元120的一个具体实施例的进一步细节。
功率转换器110是降压-升压转换器并且也可以称为降压和升压转换器并且能够在如以下更具体说明的降压转换模式和升压转换模式中操作。功率转换器110包括能够相互独立地控制的降压转换电路和升压转换电路。功率转换器110包括向输出节点115传送在输入节点105的输入电压VIN作为输出电压VOUT的直接转换模式。
降压转换电路包括第一组开关，该第一组开关包括响应于用于功率转换器110在降压转换模式中操作的脉宽调制(PWM)信号来开关的第三和第四开关SW3和SW5。第三和第四开关SW3和SW4与C1、C2、L1和SW7一起操作以实现降压转换模式。在降压转换模式中，第一、第七和第八开关SW1、SW7和SW8保持接通，而第二、第五和第六开关SW2、SW5和SW6保持关断。在一些实施例中，在降压转换模式中，根据以下序列控制开关：(1)接通第一开关SW1；(2)关断第五和第六开关SW5和SW6；(3)关断第二开关SW2；(4)接通第七开关SW7；(5)接通第八开关SW8；以及(6)用PWM信号驱动第三和第四开关SW3和SW4，该PWM信号的占空比和/或频率可以被调整或者变化为将输入电压VIN转换成输出电压VOUT。因此，尽管看来所有八个开关SW1～SW8必须具有用于实施降压转换模式的恰当设置，但是正是第三和第四开关SW3和SW4的响应于来自控制单元120的PWM控制信号的特定开关操作实现用于将输入电压VIN转换成输出电压VOUT的电压降压效果。
升压转换电路包括第二组开关，该第二组开关包括第五和第六开关SW5和SW6。第五和第六开关SW5和SW6与C1、C2、L1和SW2一起操作以实现升压转换模式。在升压转换模式中，第一和第八开关SW1和SW8保持接通，而第三和第四开关SW3和SW4保持关断。在一些实施例中，在降压转换模式中，根据以下序列控制开关：(1)接通第一开关SW1；(2)关断第三和第四开关SW3和SW4；(3)关断第七开关SW7；(4)接通第二开关SW2；(5)接通第八开关SW8；以及(6)用PWM信号驱动第五和第六开关SW5和SW6，该PWM信号的占空比和/或频率可以被调整或者变化为将输入电压VIN转换成输出电压VOUT。因此，尽管看来所有八个开关SW1～SW8必须具有用于实施升压转换模式的恰当设置，但是正是第五和第六开关SW5和SW6的响应于来自控制单元120的PWM控制信号的特定开关操作实现用于将输入电压VIN转换成输出电压VOUT的电压升压效果。
直接转换电路包括第三组开关，该第三组开关包括被接通用于功率转换器110在直接转换模式中操作的第二和第七开关SW2和SW7。第二和第七开关SW2和SW7与C1、C2和L1一起操作以实现直接转换模式。在直接转换模式中，第一、第二、第七和第八开关SW1、SW2、SW7和SW8保持接通，而第三、第四、第五和第六开关SW3、SW4、SW5和SW6保持关断。
第一开关SW1提供用于功率转换器110的输入反向保护，并且第八开关SW8提供用于功率转换器110的输出反向保护并且也可以用来在各种条件之下接通或者关断功率转换器110。
在操作中，功率转换器110的输出电压VOUT可以小于、等于或者大于输入电压VIN。例如可以从电压供应10(例如太阳能板)提供输入电压VIN，该电压供应的电压可以未恒定、但是代之以可以根据环境条件显著地变化，并且输出电压VOUT可以由负载20的性质确定，例如负载20可以包括具有基本上固定的电压的电池。在该情况下，控制120需要控制功率转换器110以根据输入电压VIN是否大于、等于或者小于输出电压VOUT在不同模式中操作。
在理论上，控制单元120应当控制第一至第八开关SW1～SW8以使装置100：在输入节点105的输入电压VIN小于在输出节点115的输出电压VOUT时在升压转换模式中操作；在输入电压VIN等于输出电压VOUT时在直接转换模式中操作；并且在输入电压VIN大于输出电压VOUT时在降压转换模式中操作。
然而由于在功率转换器110中的开关两端的少量电压降以及可能希望提供滞后，在实践中，控制单元120使装置100在围绕输出电压VOUT的小输入电压VIN范围内在直接转换模式中操作。
因而，在实践中，控制单元120控制功率转换器110以：在输入电压VIN大于降压阈值电压时在降压转换模式中操作；在输入电压VIN小于升压阈值电压时在升压转换模式中操作；并且在输入电压VIN在升压阈值电压与降压阈值电压之间时在直接转换模式中操作。在一些实施例中，降压阈值电压等于输出电压VOUT与第一固定的电压之和。一般而言，第一固定的电压相对小、例如小于1伏特并且具体为0.5伏特。在一些实施例中，第一阈值电压可以是零。升压阈值电压等于输入电压VOUT与第二固定的电压之差。在一些实施例中，第二固定的电压可以是零，在该情况下，升压阈值电压等于输出电压VOUT。
图2图示用于降压和升压转换器的控制单元200的一个示例实施例。控制单元200可以是图1的控制单元120的一个实施例。控制单元200包括：多个模数转换器(ADC)212、214、216和218；比较器220；控制器230；时钟生成器240；通用输入/输出(GPIO)接口250；以及脉宽调制(PWM)生成器260。
可以包括处理器、比如通用处理器、专用集成电路(ASIC)等的控制器230包括时钟/定时器电路232。在控制器230包括可编程处理器的一个实施例中，它还可以包括存储器设备，该存储器设备包括用于使处理器执行如以下更具体描述的算法的代码或者指令，该算法用于控制功率转换器、比如功率转换器110的操作。
GPIO接口250输出第一、第二、第七和第八控制信号VA、VG、VG和VH。PWM生成器260输出第三、第四、第五和第六控制信号VC、VD、VE和VF，这些控制信号是用于实施降压转换模式或者升压转换模式并且如以下将更具体说明的具有可变占空比和/或频率的PWM信号。PWM生成器260可以包括可以独立地操作的若干PWM电路、例如各自用于第三、第四、第五和第六PWM控制信号VC、VD、VE和VF的一个PWM电路。
现在将在控制单元200用作装置100的控制单元120的一个具体实施例中提供控制单元200的操作。
在操作中，ADC212、214、216和218接收以下各项的采样：输入电压(例如图1中的电压采样电阻器R1和R2采样的输入电压VIN)；输入电流(例如图1中的电压供应10向输入节点105提供的并且第一电流感测单元I1采样的输入电流)；输出电压(例如图1中的电压采样电阻器R3和R4采样的输出电压VOUT)；以及输出电流(例如功率转换器110向负载20供应的并且第二电流感测单元I2采样的输出电流)。响应于接收的采样电压和采样电流，ADC212、214、216和218产生代表模拟输入采样的数值。比较器220比较代表采样的输入电压的数值和代表采样的输出电压的数值并且向控制器230提供比较信号，该比较信号允许控制器230确定是否控制功率转换器110以在降压转换模式、升压转换模式或者直接转换模式中操作。
如以上说明的那样，响应于采样的输入电压和采样的输出电压的比较，控制器230确定是否控制功率转换器110以在降压转换模式、升压转换模式或者直接转换模式中操作。具体而言，在输入电压VIN大于降压阈值电压(例如输出电压VOUT加上小的第一固定的电压)时，然后控制器230确定功率转换器110应当在降压转换模式中操作。在输入电压VIN小于升压阈值电压(例如输出电压VOUT)时，然后控制器230确定功率转换器110应当在升压转换模式中操作。并且在输入电压VIN在升压阈值电压与降压阈值电压之间时，控制器230确定功率转换器110应当在直接转换模式中操作。
控制器230根据功率转换器100的选择的操作模式使GPIO接口250输出第一、第二、第七和第八控制信号VA、VB、VG和VH以及PWM生成器260输出第三、第四、第五和第六控制信号VC、VD、VE和VF。
如以上说明的那样，单元200可以是图2的控制单元120的一个实施例。然而应当理解图1的控制单元120的其它实施例是可能的。在一些实施例中，可以省略比较器220，并且控制器230本身可以比较用于采样的输入电压和采样的输出电压的数值。在其它实施例中，ADC212和214以及比较器220可以被比较采样的输入和输出电压的模拟比较器取代，该模拟比较器被跟随有将比较结果转换成数值的单个ADC。其它布置是可能的。
图3是图示用于第一操作模式、具体用于降压转换模式的控制信号的定时的定时图。如图3中所示，在控制器230确定功率转换器110应当在降压转换模式中操作，控制器230使GPIO接口250输出在高电平的第一、第七和第八输出信号VA、VG和VH以便接通第一、第七和第八开关SW1、SW7和SW8并且输出在低电平的第二输出信号VB以便保持第二开关SW2关断。控制器230也使PWM生成器260生成具有用于降压转换模式的适当频率和占空比的PWM信号VC和VD以控制第三和第四开关SW3和SW4的开关操作，该降压转换模式用于将在输入节点105的输入电压VIN转换成在输出节点115的输出电压VOUT。这时，PWM生成器260也输出在低电平的第五和第六控制信号VE和VF以便在关断状态中维持第五和第六开关SW5和SW6。时钟生成器230提供用于控制在控制单元200中的操作的定时的时钟信号并且具体可以用来生成PWM信号VC和VD的频率和/或占空比。控制器230可以变化或者调整PWM信号VC和VD的频率和占空比中的至少一项以调节向输出节点115提供的输出。
图4是图示用于第二操作模式、具体用于升压转换模式的控制信号的定时的定时图。如图4中所示，在控制器230确定功率转换器110应当在升压转换模式中操作时，控制器230使GPIO接口250输出在高电平的第一、第二和第八输出信号VA、VB和VH以便接通第一、第二和第八开关SW1、SW2和SW8，并且输出在低电平的第七输出信号VG以便保持第七开关SW7关断。控制器230也使PWM生成器260生成具有用于升压转换模式的适当频率和占空比的PWM信号VE和VF以控制第五和第六开关SW5和SW6的开关操作，该升压转换模式用于将在输入节点105的输入电压VIN转换成在输出节点115的输出电压VOUT。这时，PWM生成器260也输出在低电平的第三和第四控制信号VC和VD以便在关断状态中维持第三和第四开关SW3和SW4。时钟生成器230提供用于控制在控制单元200中的操作的定时的时钟信号，并且具体可以用来生成PWM信号VE和VF的频率和/或占空比。控制器230可以变化或者调整PWM信号VE和VF的频率和占空比中的至少一项以调节向输出节点115提供的输出。
图5是图示用于第三操作模式、具体为直接转换模式的控制信号的定时的定时图。如图5中所示，在控制器230确定功率转换器110应当在直接转换模式中操作时，控制器230使GPIO接口250输出在高电平的第一、第二、第七和第八输出信号VA、VB、VG和VH以便接通第一、第二、第七和第八开关SW1、SW2、SW7和SW8。这时，控制器230也使PWM生成器260输出在低电平的第三、第四、第五和第六控制信号VC、VD、VE和VF以便在关断状态中维持第三、第四、第五和第六开关SW3、SW4、SW5和SW6。
图6示出状态图，该状态图图示在用于降压和升压转换器的一个实施例的各种操作模式之间的转变。如图6中所示，TH1是降压阈值，该降压阈值是输入电压VIN在降压转换模式与直接转换模式之间的转换点，并且TH2是升压阈值，该升压阈值是输入电压VIN在直接转换模式与升压转换模式之间的转变点。在输入节点105的输入电压VIN增加时，功率转换器110根据以下序列改变操作模式：升压转换模式-＞直接转换模式-＞降压转换模式。在输入电压VIN减少时，功率转换器110根据以下序列改变操作模式：降压转换模式-＞直接转换模式-＞升压转换模式。
可以在多种设备或者应用中运用如以上描述的装置100，这些设备或者应用例如包括：太阳能功率控制器和逆变器；用于不同电池(例如锂离子电池、铅酸电池、Ni-MH电池和锂离子磷酸盐电池)的具有高效率充电功能的电池充电器；照明驱动器、例如用于基于LED的照明单元或者运用其它光源的其它照明单元的恒定电流LED驱动器；可以在消费者电子设备、保健设备等中包括的通用DC-DC转换器。
尽管这里已经描述和图示若干发明实施例，但是本领域普通技术人员将容易设想用于执行这里描述的功能和/或获得这里描述的结果和/或这里描述的优点中的一个或者多个优点的多种其它手段和/或结构，并且这样的变化和/或修改中的每个这样的变化和/或修改视为在这里描述的发明实施例的范围内。更一般而言，本领域技术人员将容易理解这里描述的所有参数、尺度、材料和配置是为了举例并且实际参数、尺度、材料和/或配置将依赖于本发明教导被运用于的一个或者多个具体应用。本领域技术人员将认识或者能够仅使用例行实验来确立这里描述的具体发明实施例的许多等效实施例。因此将理解仅通过示例呈现前述实施例并且在所附权利要求书及其等效含义的范围内可以用除了具体描述并且要求保护的方式之外的方式实现发明实施例。本公开内容的发明实施例涉及这里描述的每个个别特征、系统、产品、材料、工具包和/或方法。此外，如果两个或者更多这样的特征、系统、产品、材料、工具包和/或方法未互不一致，则在本公开内容的发明范围内包括这样的特征、系统、产品、材料、工具包和/或方法的任何组合。
如这里定义和使用的所有定义应当被理解为支配词典定义、在通过引用而结合的文献中的定义和/或定义的术语的普通含义。
如这里在说明书中和在权利要求书中使用的不定冠词“一个/一种”除非清楚地相反指明则应当被理解意味着“至少一个/一种”。
应当理解如这里在说明书中和在权利要求书中使用的短语“和/或”意味着这样连结的要素中的“任一个或者两个要素”、即在一些情况下联合地存在而在其它情况下分开地存在的要素。应当以相同方式解释用“和/或”列举的多个要素、即这样连结的要素中的“一个或者多个要素”。除了“和/或”子句具体标识的要素之外的其它要素无论是否与具体标识的那些要素有关还是无关都可以可选地存在。
如这里在说明书中和在权利要求书中使用的短语“至少一个”在引用一个或者多个要素的列表时应当被理解意味着从要素列举中的要素中的任何一个或者多个要素中选择的至少一个要素、但是未必包括在要素列表内具体列举的每一个要素中的至少一个要素并且未排除要素列表中的要素的任何组合。这一定义也允许可以可选地存在除了在短语“至少一个”引用的要素列表内具体标识的要素之外的、无论是与具体标识的那些要素有关还是无关的要素。
也应当理解，除非清楚地相反指示，在这里要求保护的包括多于一个步骤或者动作的任何方法中，该方法的步骤或者动作的顺序未必限于该方法的步骤或者动作被记载的顺序。另外，如果有的在权利要求书中在括号之间出现的标号是仅为了方便而提供的并且不应被解释为以任何方式限制权利要求。
Claims (15)
1.一种用于功率转换的装置(100)，包括：
功率转换器(110)，所述功率转换器(110)被配置为将输入电压(VIN)转换成输出电压(VOUT)并且向负载(20)供应所述输出电压，所述功率转换器包括：
降压转换电路，所述降压转换电路包括第一组开关,所述第一组开关包括第一开关(SW3和SW4)；以及
升压转换电路，所述升压转换电路包括第二组开关，所述第二组开关包括第二开关(SW5和SW6)，其中所述第二组开关与所述第一组开关分离并且能够独立于所述第一组开关被控制；以及
控制单元(120，200)，所述控制单元(120，200)被配置为通过分别使用相对应的脉宽调制(PWM)控制信号控制所述第一开关的开关操作并且通过关断所述第二组开关来控制在降压转换模式中从所述功率转换器经由所述降压转换电路向所述负载的功率输送，并且通过分别使用相对应的PWM控制信号控制所述第二开关的开关操作并且通过关断所述第一组开关来控制在升压转换模式中从所述功率转换器经由所述升压转换电路向所述负载的功率输送。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制单元被配置为接收所述输入电压(VIN)的采样、所述输出电压(VOUT)的采样、向所述功率转换器供应的输入电流(Iinput)的采样和由所述功率转换器供应的输出电流(Ioutput)的采样，并且被配置为基于所述输入电压的所述采样、所述输出电压的所述采样、所述输入电流的所述采样和所述输出电流的所述采样控制到所述负载的功率输送。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述控制单元包括被配置为将所述输入电压的所述采样、所述输出电压的所述采样、所述输入电流的所述采样和所述输出电流的所述采样转换成数字量的多个模数转换器(ADC)(212/214/216/218)。
4.根据权利要求2所述的装置，其中所述控制单元包括被配置为将所述输入电压和所述输出电压相互比较的电路装置(220)，其中所述控制单元基于所述比较的结果选择所述功率转换器的操作模式。
5.根据权利要求2所述的装置，其中所述控制单元被配置为通过以下方式来控制从所述功率转换器经由所述降压转换电路向所述负载的功率输送：通过以所述相对应的PWM控制信号的开关频率和占空比来开关所述第一组开关的所述第一开关(SW3，SW4)中的至少一个开关，并且通过响应于所述输入电压的所述采样与所述输出电压的所述采样之差调整所述开关频率和所述占空比中的至少一项。
6.根据权利要求2所述的装置，其中所述控制单元被配置为通过以下方式来控制从所述功率转换器经由所述升压转换电路向所述负载的功率输送：通过以所述相对应的PWM控制信号的开关频率和占空比来开关所述第二组开关的所述第二开关(SW5，SW6)中的至少一个开关，并且通过响应于所述输入电压的所述采样与所述输出电压的所述采样之差调整所述开关频率和所述占空比中的至少一项。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制单元被配置为在所述输入电压大于所述输出电压与第一固定的电压之和(TH1)时通过控制所述第一组开关的所述开关操作并且旁路经由第一旁路开关(SW7)的关断的所述第二开关中的至少一个来控制从所述功率转换器向所述负载的功率输送，所述第一旁路开关(SW7)布置为与所述第二组开关的关断的所述第二开关中的至少一个并联，其中所述第一固定的电压大于或者等于零伏特；并且
其中所述控制单元被配置为在所述输入电压小于所述输出电压(VOUT)与第二固定的电压之差(TH2)时通过控制所述第二组开关的所述开关操作并且旁路经由第二旁路开关(SW2)的关断的所述第一开关中的至少一个来控制从所述功率转换器向所述负载的功率输送，所述第二旁路开关(SW2)被布置为与所述第一组开关的关断的所述第一开关的至少一个并联。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述第一固定的电压小于1伏特。
9.根据权利要求7所述的装置，其中所述控制单元还被配置为在所述输入电压大于所述输出电压与所述第二固定的电压之差(TH2)并且小于所述输出电压与所述第一固定的电压之和(TH1)时控制所述功率转换器以在直接转换模式中操作。
10.一种用于功率转换的方法，包括：
对功率转换器(110)的输入电压(VIN)、输出电压(VOUT)、输入电流(Iinput)和输出电流(Ioutput)进行采样，所述功率转换器包括降压转换电路和升压转换电路，所述降压转换电路包括第一组开关，所述第一组开关包括第一开关(SW3和SW4)，并且所述升压转换电路包括第二组开关，所述第二组开关包括第二开关(SW5和SW6)，其中所述第二组开关与所述第一组开关分离并且能够独立于所述第一组开关被控制；
在所述输入电压大于所述输出电压与第一固定的电压之和(TH1)时，通过分别使用相对应的脉宽调制(PWM)控制信号控制所述第一开关的开关操作并且通过关断所述第二组开关来控制从所述功率转换器向负载(20)的功率输送，所述第一固定的电压大于或者等于零伏特；并且
在所述输入电压小于所述输出电压(VOUT)与第二固定的电压之差(TH2)时，通过分别使用相对应的PWM控制信号控制所述第二开关的开关操作并且通过关断所述第一组开关来控制从所述功率转换器向所述负载的功率输送。
11.根据权利要求10所述的方法，其中控制从所述功率转换器向负载的功率输送包括通过接通被布置为与所述第二组开关的关断的两个开关中的至少一个开关并联的第一旁路开关(SW7)来旁路所述第二组开关中的关断的两个开关中的至少一个开关。
12.根据权利要求10所述的方法，其中使用所述相对应的PWM控制信号来控制所述第一开关的开关操作包括响应于所述输入电压与所述输出电压之差调整每个PWM的控制信号的频率和占空比中的一项。
13.根据权利要求10所述的方法，其中控制从所述功率转换器向负载的功率输送还包括通过接通被布置为与所述第一组开关的关断的两个开关中的至少一个开关并联的第二旁路开关(SW2)来旁路所述第一组开关中的关断的两个开关中的至少一个开关。
14.根据权利要求10所述的方法，还包括对应脉宽调制(PWM)控制信号的脉宽调制，其中所述脉宽调制包括响应于所述输入电压与所述输出电压之差调整每个脉宽调制的控制信号的频率和占空比中的一项。
15.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一固定的电压小于1伏特。
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