CN105593778A - 用于连接电子系统中的两个节点的开关拓扑 - Google Patents

用于连接电子系统中的两个节点的开关拓扑 Download PDF

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CN105593778A CN201480051706.9A CN201480051706A CN105593778A CN 105593778 A CN105593778 A CN 105593778A CN 201480051706 A CN201480051706 A CN 201480051706A CN 105593778 A CN105593778 A CN 105593778A
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Abstract

一种用于在具有第一电压的第一节点与具有第二电压的第二节点之间提供连接的电路。所述电路具有：第一电感元件，所述第一电感元件具有耦合到第一节点的第一末端；第一开关元件，所述第一开关元件耦合在所述第一电感元件的第二末端和所述第二节点之间；第二电感元件，所述第二电感元件具有配置为用于从所述第一电感元件的第二末端接收电流的第一末端，并具有耦合到第三节点的第二末端；以及第二开关元件，所述第二开关元件耦合在所述第二电感元件的第一末端和所述第二节点之间。所述第一和第二开关元件配置为用于在所述第一节点和所述第二节点之间提供交替的电流路径。

Description

用于连接电子系统中的两个节点的开关拓扑
技术领域
本公开涉及电子系统，尤其涉及一种用于在具有不同电压的两个节点之间提供连接的开关电路。
背景技术
用于在具有不同电压的两个节点之间提供连接的电路包括：以可控方式在两个节点之间转换功率的调节器、当初始电压不同时将两个节点连接在一起的热插拔电路、以及可保护一个节点免受另一个节点上的电压浪涌损害的浪涌抑制电路。在任何实际电路中这两个节点通常均具有很大的电容，如果两个节点被突然连接在一起，这可能会引起非常大的电流迅速流动。这就需要确保当两个节点连接在一起时，两个节点上不会出现大的瞬态电压扰动。
在节点之间提供连接的电路通常使用耗能元件。这通常需要大型开关装置以及调节时间和转换速率的复杂控制器，以将开关功耗保持在安全范围内。在连接事件期间，这种方法保持输入和输出节点处的连续电流传导，这使每个节点处和可能连接到这些节点的设备处的电压扰动最小化。然而，在连接间隔期间，在开关装置上必须耗散很大的功率。这导致在连接事件期间开关装置(例如可包括散热器的功率晶体管)的温度显著上升。开关装置必须具有合适的尺寸来处理该温度上升。在较高的功率水平下，可能很难找到能可靠工作的晶体管器件。
可替代地，连接电路可使用常规降压调节器开关拓扑，该开关拓扑通过调节开关的占空比将电流限制在安全水平。这减少了连接间隔期间的功率损耗，但会导致输入节点处的电流不连续，这将破坏或损坏耦合到该节点的连接器和电路。
因此，需要一种能够使功率损耗最小化并能够提供连续电流传导的新的连接拓扑。
发明内容
根据一方面，本公开提供了一种用于在具有第一电压的第一节点和具有第二电压的第二节点之间提供连接的电路。所述电路具有：第一电感元件，所述第一电感元件具有耦合到所述第一节点的第一末端；第一开关元件，所述第一开关元件耦合在所述第一电感元件的第二末端和所述第二节点之间；第二电感元件，所述第二电感元件具有配置为用于从所述第一电感元件的第二末端接收电流的第一末端，并具有耦合到第三节点的第二末端；以及第二开关元件，所述第二开关元件耦合在所述第二电感元件的第一末端和所述第二节点之间。所述第三节点可接地。所述第一开关元件配置为用于，当所述第一开关元件接通，且所述第二开关元件断开时，为所述第一节点和所述第二节点之间的电流提供第一路径。所述第二开关元件配置为用于，当所述第二开关元件接通，且所述第一开关元件断开时，为所述第一节点和所述第二节点之间的电流提供第二路径。
此外，所述第一电感元件的第二末端和所述第二电感元件的第一末端之间可耦合有电容元件。
所述电路还可包括配置为用于控制所述第一开关元件或两个开关元件的占空比的控制器。
例如，所述第一开关元件和第二开关元件中的一个可为晶体管，另一个开关元件可为二极管，所述二极管配置为当所述第一开关元件断开时传导电流。可替代地，两个开关元件都可为晶体管。
在一个实施例中，所述第一电感元件和第二电感元件可以是磁性解耦和的。在另一个实施例中，所述第一电感元件和第二电感元件可以是磁性耦和的。所述第一电感元件和第二电感元件可具有相同的值，或者可具有不同的值。
所述电路还可包括配置为用于确定流过所述第一电感元件和第二电感元件的电流的总和的电流检测电阻。
根据本公开的一方面，所述控制器可配置为控制所述第一开关元件的开关，以在所述第二节点处提供根据所述第一节点的电压进行调节的电压。例如，可在所述第二节点处提供期望水平的电压，该期望水平的电压低于所述第一节点的电压。
在一个实施例中，所述电路可配置作为电压模式开关调节器，所述电压模式开关调节器具有反馈回路，所述反馈回路用于为控制器提供表示所述第二节点处的电压的值。
在另一个实施例中，所述电路可配置作为电流模式开关调节器，所述电流模式开关调节器具有反馈回路和电流检测电阻，该反馈回路用于为控制器提供表示所述第二节点处的电压的值，该电流检测电阻用于使所述控制器能够确定所述第二节点处的电流。
在进一步的实施例中，所述控制器可配置为在固定频率模式下运行。
在另一实施例中，所述控制器可配置为在磁滞模式下运行。
此外，所述电路可配置作为用于将负载连接到所述第二节点以从所述第一节点接收电压的热插拔电路。
并且，所述电路可配置作为过压保护电路，所述过压保护电路用于保护耦合到所述第二节点的负载免受所述第一节点处的电压尖峰损坏。
根据本公开的方法，可执行以下步骤，以在具有第一电压的第一节点和具有第二电压的第二节点之间提供连接：
-在所述第一节点和第三节点之间串联耦合第一电感元件、电容元件和第二电感元件，其中，所述第三节点可接地，
-在所述第二节点与连接所述第一电感元件和所述电容元件的节点之间耦合第一开关元件，
-在所述第二节点与连接所述第二电感元件和所述电容元件的节点之间耦合第二开关元件，以及
-切换所述第一开关元件和所述第二开关元件，以提供流经所述第一开关元件和第二开关元件的交替的第一电流和第二电流。
当所述第一开关元件接通时，所述第二开关元件可断开，当所述第一开关元件断开时，所述第二开关元件可接通。
通过以下详细描述，本公开的其他优点和方面对于本领域技术人员而言将变得显而易见，其中，仅通过示出预期实现本公开的最好模式来示出及描述本公开的实施例。还要说明，本公开具有其他的和不同的实施例，且本公开的若干细节在各种明显的方面容许被修改，但所有修改均不会脱离本公开的精神。因此，附图和说明书被认为本质上是说明性的，而不是限制性的。
附图说明
当参照以下附图进行阅读时，可更好地理解以下本公开实施例的详细描述，在附图中，不一定按照比例来绘制特征，而是根据最好地对相关特征进行说明来进行绘制，其中：
图1A-1C示出了根据本公开的用于连接两个节点的示例性开关拓扑；
图2示出了图1中的拓扑的示例性实现；
图3A-3E为示出图2电路中的电流的时序图；
图4示出了具有本公开的拓扑的示例性电压模式开关调节器；
图5示出了具有本公开的拓扑的示例性电流模式开关调节器；
图6示出了具有本公开的拓扑的示例性固定频率模式开关调节器；
图7示出了具有本公开的拓扑的示例性磁滞模式开关调节器；
图8示出了具有本公开的拓扑的示例性热插拔电路；
图9示出了具有本公开的拓扑的示例性过压保护电路。
具体实施方式
本公开将使用开关拓扑的具体示例实现，该开关拓扑用于连接具有不同电压的两个节点。然而，本领域技术人员将认识到，本公开的概念适用于各种其他的连接电路变型。
图1A示出了用于在电子系统中的输入节点“输入(INPUT)”和输出节点“输出(OUTPUT)”之间提供连接的示例性开关电路10。输出节点的输出电压可不同于施加到输入节点的输入电压。电路10包括串联连接在输入节点和电压供应节点之间的电感元件L1、电容元件C1和电感元件L2，电压供应节点提供低于输出电压水平的电压。如图1A所示，电压供应节点可以是接地的节点。
输出节点与连接电感元件L1和电容元件C1的节点之间耦合有主路径开关元件S1。输出节点与连接电感元件L2和电容元件C1的节点之间耦合有辅路径开关元件S2。
图1B和图1C为示出控制信号和的时序图，控制信号被设置为分别控制开关元件S1和S2。在时间间隔T1期间，开关元件S1接通，为输入节点和输出节点之间的电流提供主路径。在时间间隔T2期间，开关元件S2接通，为输入节点和输出节点之间的电流提供辅路径。当开关元件S1接通时，开关元件S2断开，而当开关元件S2接通时，开关元件S1断开。
电感元件L1和L2可以是独立的，即是磁性解耦和的。可替代地，电感元件L1和L2可以共享共同磁芯，即它们可被磁耦合。只要连接L1和L2的电容元件C1存在，在输入节点和输出节点之间就提供连续的电流传导。如果电感元件L1和L2是磁耦合的，则可选地可以将电容元件C1从电路10中移除。然而，在这种情况下，输入节点和输出节点之间的电流是不连续的。
图2示出了开关电路10的示例性实现。例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)可用作开关S1，二极管D1可用作开关S2。开关S1和S2可为MOSFET、绝缘栅门极晶体管(IGBT)或双极型晶体管来，或者为二极管。输出节点和开关之间可设置有电流检测电阻R1，用于监测输出电流。控制器12可确定流经电阻R1的电流，以控制MOSFETM1的开关。
图3A-3E示出了分别流经MOSFETM1、二极管D1、检测电阻R1、电感元件L1和电感元件L2的电流。在由控制器12确定的时间间隔T1期间，MOSFETM1由控制器12接通，并且通过M1的电流增加到由控制器12设定的预设峰值电流阈值。
在时间间隔T2期间，控制器12断开M1，电流流经由二极管D1提供的替换电流路径。在控制器时间间隔T2结束时或当由检测电阻R1检测到电流降低到预设阈值时，控制器12重新接通M1。重复M1的开关，直到控制器12确定输入电压和输出电压相等。输入节点、输出节点和接地节点处的电流全部以连续方式流动，且通过L1和L2的电流的总和等于流入R1的输出电流。
在时间间隔T1期间，跨越电感元件L1，输入节点和输出节点之间出现电压差。当开关M1接通时，电抗元件L1、C1和L2吸收多余的能量。在接下来的时间间隔T2期间，电抗元件L1、C1和L2将存储的能量返还到输出节点，且保持连续的输入电流流动。控制器12在保持输入节点和输出节点处连续电流传导的同时，在主电流路径和辅电流路径之间切换电流。
如下面进行的更详细的讨论，电路10可使用电流或电压模式反馈在输入节点和输出节点之间提供开关调节。控制器12可使用各种开关控制方案，包括用于控制开关S1和S2的磁滞模式、固定频率模式、恒定接通/断开时间、或者任何其他的方案，以便使输入电压和输出电压成为相等的值。
例如，图4示出了具有电压模式反馈的示例性开关调节器20。输出节点耦合有由电阻R2和R3构成的确定R2和R3之间的节点处的输出电压的分压器。输出节点还耦合有输出电容器Cout。控制器22可基于输出电压控制MOSFETM1的开关，以在主路径和辅路径之间切换电流，直到输出电压等于预设值。
图5示出了具有电流模式反馈的示例性开关调节器30。控制器32可基于由检测电阻R1检测到的输出电流控制MOSFETM1的开关，以在主路径和辅路径之间切换电流，直到R2和R3之间的节点处的输出电压等于预设值。
图6示出了具有以固定频率模式运行的控制器42的示例性开关调节器40。控制器42包括运算放大器44，该运算放大器监测通过检测电阻R1的电压降。该电压降表示流经电阻R1的电流。比较器46将运算放大器44的输出信号与表示参考电流值Iref的信号进行比较。RS锁存器48具有置位输入S和复位输入R，置位输入被提供可由振荡器产生的固定频率时钟信号，复位输入被提供比较器的输出信号。开关M1由RS锁存器48的输出信号控制。
当在每个时钟信号的时钟周期的开始设置锁存器48时，RS锁存器48的输出升高，接通开关M1并通过主电流路径提供电流。当由电阻R1检测到的电流减小至Iref值时，锁存器48的输出降低，断开开关M1，并通过由二极管D1提供的辅助电流路径提供电流。继续M1的开关，直到输出电压达到期望水平。
图7示出了具有以磁滞模式运行的控制器52的示例性开关调节器50。控制器52包括运算放大器54，该运算放大器监测通过检测电阻R1的电压降，该电压降表示流经电阻R1的电流。磁滞比较器56将运算放大器54的输出信号与表示参考电流值Iref的信号进行比较，以产生控制开关M1的开关的输出信号。
图8示出了具有本公开的开关拓扑的热插拔电路60的示例性实施例。当负载被提供输入电压时，热插拔电路控制负载电压的增加。这使电压和电流的变化受到控制，即使该输入电压突然发生变化，例如，当电路突然连接到实时电源(livepowersupply)时。传统热插拔电路具有以与线性调节器类似的方式运行的大型MOSFET晶体管，该线性调节器具有以可控方式增加的输出电压。这控制了dv/dt，但晶体管花费了大量时间携载电流，同时有从漏极到源极的电压降出现，这消耗了功率，并导致了MOSFET上的热应力。该应力需要选择具有合适散热片的合适MOSFET。
图8示出了配置为热插拔电路60的图1的开关拓扑。输入电压被施加到输入节点，且负载连接到输出节点。热插拔电路60包括控制器62，随着输出电压升高，控制器调节MOSFETM1的作为时间函数的占空比。
在典型热插拔事件开始之前，M1断开，输出节点处的电压为零，并且没有电流流过电感元件L1或L2。M1最初由控制器62以低占空比接通。当M1接通时，电流流过电感元件L1和晶体管M1到达检测电阻R1，然后到达输出电容器Cout和输出节点处的负载。由于L1的电感，电流从零斜升到由L1、输入电压和M1接通时间所控制的值。
当晶体管M1断开时，电流突然停止流入M1，且存储在电感元件L1中的残余能量使M1的漏极处的电压迅速上升。电容元件C1也使得二极管D1的阳极电压上升，当D1的阳极电压超过二极管D1的阴极电压(约等于输出节点处的电压)时，二极管D1将开始传导电流。该电流将流过L1和C1，然后通过D1到达检测电阻R1和负载。如果L1和L2是具有如图8所示的相位的耦合电感，那么L1中的一些电流将被转换为L2中的电流，并从L2流到D1，然后再次到达R1和负载。
如果L1和L2是独立电感，L1中的一部分电流将首先流入到L2，而不是D1。在出现若干周期之后，这将导致电容元件C1上的电压增加，L2中电流的极性将反转，且行为将变得像在耦合电感的情况。
当M1的占空比增加时，L1中的电流将增加，并且OUTPUT节点处的电压将以可控方式增加。当M1的占空比接近100％(即，晶体管M1连续导通)时，输出节点处的电压将接近输入节点处的电压，L1中的电流将接近负载电流，且热插拔周期结束。
本公开的热插拔电路60具有超过传统线性热插拔电路的优点，因为MOSFETM1仅作为开关运行，且在其携载电流的同时不会出现从漏极到源极的电压。这意味着，具有低导通电阻RDS(on)的MOSFET，包括具有有限的安全运行区域(SOA)的MOSFET，可被用作晶体管M1。这也使M1中的功耗最小化，且使对散热的需求最小化。
热插拔电路60的另一个优点是，输入和输出节点处的电流与线性热插拔电路的方式类似，均是平稳且连续的，从而使输入或输出滤波的需求最小化。
图9示出了基于图1中的开关拓扑的示例性过压保护电路70。过压保护电路70配置为用于保护耦合到输出节点的负载免受输入节点处的电压尖峰损害。过压保护电路70包括控制器70，且以与图8中热插拔电路60的运行方式类似的方式运行。然而，过压保护电路70还包括由电阻器R2和R3构成的用于测量输出节点处的电压的电阻分压器，以及将所测得的输出电压供应到控制器72的反馈回路。并且，电路70包括MOSFETM2，而不是二极管D1。
当达到输出电压的预设水平时，晶体管M1的占空比由控制器72控制到一个低于100％的值。该占空比控制使过压保护电路70充当降压电压调节器，其中输出节点被保持为恒定电压，即使输入节点处的电压上升到输出节点的电压之上。这种行为使得，如果预设输出电压设定为低于期望的输入电压，则过压保护电路70能够作为降压电压调节器将输入电压减小到期望的输出水平。
可替代地，如果预设输出电压设定为高于常规稳态输入电压，但低于输入节点处的预期的峰值电压(即输入电压尖峰)，则过压保护电路70可作为浪涌抑制器运行。当过压保护电路70作为浪涌抑制器运行，且浪涌到达输入节点时，控制器72将在浪涌期间将晶体管M1的占空比从运行在稳态下的100％调节到较低的占空比，以将输出电压保持在等于或低于预设值。另外，控制器72控制晶体管M2，以当晶体管M1断开时将晶体管M2接通，并在M1接通时将M2断开。
前述说明书示出和描述了本发明的各方面。此外，该公开仅示出和描述了优选实施例，但是如上所述，应当理解的是，本发明能够在各种其他组合、变型和环境中使用，并且能够在本文所表达的发明构思的范围内改变或修改，与以上教导、和/或相关领域的技术或知识相适应。
上文描述的实施例还旨在解释实施本发明的已知最佳模式，并使本领域其他技术人员能够在这些或其他实施例中利用本发明，并根据本发明的特定应用或用途的需要进行各种修改。因此，本说明书并非旨在将本发明限制为本文所公开的形式。

Claims (19)

1.一种用于在具有第一电压的第一节点与具有第二电压的第二节点之间提供连接的电路，所述电路包括：
第一电感元件，所述第一电感元件具有耦合到所述第一节点的第一末端，
第一开关元件，所述第一开关元件耦合在所述第一电感元件的第二末端和所述第二节点之间，
第二电感元件，所述第二电感元件具有配置为用于从所述第一电感元件的第二末端接收电流的第一末端，并具有耦合到第三节点的第二末端，以及
第二开关元件，所述第二开关元件耦合在所述第二电感元件的第一末端和所述第二节点之间，
所述第一开关元件配置为用于，当所述第一开关元件接通，且所述第二开关元件断开时，为所述第一节点和所述第二节点之间的电流提供第一路径，并且
所述第二开关元件配置为用于，当所述第二开关元件接通，且所述第一开关元件断开时，为所述第一节点和所述第二节点之间的电流提供第二路径。
2.根据权利要求1所述的电路，所述电路还包括耦合在所述第一电感元件的第二末端和所述第二电感元件的第一末端之间的电容元件。
3.根据权利要求2所述的电路，所述电路还包括配置为用于控制所述第一开关元件的占空比的控制器。
4.根据权利要求1所述的电路，其中，所述第一开关元件和第二开关元件中的一个包括晶体管，且另一个开关元件包括二极管，所述二极管配置为当所述第一开关元件断开时传导电流。
5.根据权利要求1所述的电路，其中，所述第一开关元件包括第一晶体管，且所述第二开关元件包括第二晶体管。
6.根据权利要求1所述的电路，其中，所述第一电感元件和第二电感元件是磁性解耦和的。
7.根据权利要求1所述的电路，其中，所述第一电感元件和第二电感元件是磁性耦和的。
8.根据权利要求1所述的电路，所述电路还包括配置为用于确定流过所述第一电感元件和第二电感元件的电流的总和的电流检测电阻。
9.根据权利要求3所述的电路，其中，所述控制器配置为控制所述第一开关元件的开关，以在所述第二节点处提供根据所述第一节点的电压进行调节的电压。
10.根据权利要求3所述的电路，其中，所述控制器配置为控制所述第一开关元件的开关，以在所述第二节点处提供期望水平的电压，所述期望水平的电压低于所述第一节点的电压。
11.根据权利要求3所述的电路，所述电路还包括反馈回路，所述反馈回路用于为控制器提供表示所述第二节点处的电压的值。
12.根据权利要求3所述的电路，所述电路还包括反馈回路和电流检测电阻，所述反馈回路用于为控制器提供表示所述第二节点处的电压的值，所述电流检测电阻用于使控制器能够确定所述第二节点处的电流。
13.根据权利要求3所述的电路，其中，所述控制器配置为在固定频率模式下运行。
14.根据权利要求3所述的电路，其中，所述控制器配置为在磁滞模式下运行。
15.根据权利要求1所述的电路，所述电路配置作为用于将负载连接到所述第二节点以从所述第一节点接收电压的热插拔电路。
16.根据权利要求1所述的电路，所述电路配置作为过压保护电路，所述过压保护电路用于保护耦合到所述第二节点的负载免受所述第一节点处的电压尖峰损坏。
17.一种用于在具有第一电压的第一节点和具有第二电压的第二节点之间提供连接的方法，所述方法包括：
在所述第一节点和第三节点之间耦合第一电感元件和第二电感元件，所述第一电感元件的第一末端耦合到所述第一节点，所述第二电感元件的第一末端配置为用于接收来自所述第一电感元件的第二末端的电流，并且所述第二电感元件的第二末端耦合到所述第三节点，
在所述第二节点和所述第一电感元件的第二末端之间耦合第一开关元件，
在所述第二节点和所述第二电感元件的第一末端之间耦合第二开关元件，
切换所述第一开关元件和所述第二开关元件，以提供流经所述第一开关元件和第二开关元件的交替的第一电流和第二电流。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，在所述第一电感元件的第二末端和所述第二电感元件的第一末端之间耦合电容元件。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，当所述第一开关元件接通时，所述第二开关元件断开，当所述第一开关元件断开时，所述第二开关元件接通。
CN201480051706.9A 2013-09-20 2014-08-18 用于连接电子系统中的两个节点的开关拓扑 Pending CN105593778A (zh)

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