CN106655764A - 交错式降压转换器 - Google Patents

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Abstract

一个交错式降压转换器通过控制其两个开关中的每一个在导通与不导通间的切换来进行降压转换。这些开关具有相同的切换周期及相同的导通时段，且一个从其中一个开关切换为导通到其中另一个开关切换为导通的时间延迟等于这些开关的导通时段减去一个预设时段，可以使得该交错式降压转换器在所述开关的工作比小时具有相对较高的转换效率。

Description

交错式降压转换器
技术领域
本发明涉及电源转换技术，特别是涉及一种交错式降压转换器。
背景技术
一个现有的交错式降压转换器通过控制其两个开关中的每一个在导通与不导通间的切换来进行降压转换。这些开关具有相同的切换周期及相同的工作比，且从其中一个开关切换为导通到其中另一个开关切换为不导通的时间延迟等于这些开关的切换周期的一半。这些开关在其工作比大于50％时，都能以零电压切换方式切换为导通，而在其工作比小于50％时，都不能以零电压切换方式切换为导通。因此，现有的交错式降压转换器在这些开关的工作比小时有转换效率相对较低的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以改善背景技术缺点的交错式降压转换器。
本发明交错式降压转换器包含一个第一开关、一个第二开关、一个第三开关、一个第四开关、一个第一电感、一个第二电感、一个第三电感、一个输出电容及一个控制器。该第一开关具有一个适用于接收一个输入电压的第一端、一个第二端及一个控制端。该第二开关具有一个耦接到该第一开关的该第一端的第一端、一个第二端及一个控制端。该第三开关具有一个耦接到该第一开关的该第二端的第一端，及一个耦接到一个参考节点的第二端。该第四开关具有一个耦接到该第二开关的该第二端的第一端，及一个耦接到该参考节点的第二端。该第一电感具有一个耦接到该第一开关的该第二端的第一端，及一个适用于提供一个输出电压的第二端。该第二电感耦接在该第二开关的该第二端及该第一电感的该第二端间。该第三电感耦接在该第一开关的该第二端及该第二开关的该第二端间。该输出电容耦接在该第一电感的该第二端及该参考节点间。该控制器耦接到该第一开关的该控制端及该第二开关的该控制端，且控制该第一开关及该第二开关中的每一个在导通与不导通间的切换，使得该第一开关及该第二开关具有相同的切换周期及相同的导通时段，且一个从该第一开关切换为导通到该第二开关切换为导通的时间延迟等于该第一开关及该第二开关的该导通时段减去一个预设时段。
本发明交错式降压转换器中，该控制器还电连接到该第一电感的该第二端以接收该输出电压，且根据该输出电压控制该第一开关及该第二开关中的每一个在导通与不导通间的切换，使得该第一开关及该第二开关的该切换周期及该导通时段中的至少一个是可变的。
本发明交错式降压转换器中，当该第一开关及该第二开关的一个工作比大于一个预设值时，该第一开关及该第二开关的该切换周期是可变的，而当该第一开关及该第二开关的该工作比小于该预设值时，该第一开关及该第二开关的该导通时段是可变的。
本发明交错式降压转换器中，该控制器使用比例积分微分控制技术来根据该输出电压控制该第一开关及该第二开关中的每一个在导通与不导通间的切换。
本发明交错式降压转换器中，该第一开关及该第二开关中的每一个是一个N型金氧半场效电晶体。
本发明交错式降压转换器中，该N型金氧半场效电晶体具有一个充当相对应开关的该第一端的漏极、一个充当相对应开关的该第二端的源极，及一个充当相对应开关的该控制端的栅极。
本发明交错式降压转换器中，该第三开关及该第四开关中的每一个是一个二极管。
本发明交错式降压转换器中，该二极管具有一个充当相对应开关的该第一端的阴极，及一个充当相对应开关的该第二端的阳极。
本发明的有益效果在于：通过让从该第一开关切换为导通到该第二开关切换为导通的该时间延迟等于该第一开关及该第二开关的该导通时段减去该预设时段，可以使得该交错式降压转换器在该第一开关及该第二开关的该工作比小时具有相对较高的转换效率。
附图说明
图1是一个电路方块图，说明本发明交错式降压转换器的实施例；
图2是一个时序图，说明实施例的一个用于控制一个第一开关的第一控制信号及一个用于控制一个第二开关的第二控制信号在第一开关及第二开关的一个工作比为30％时的情况；
图3是一个时序图，说明实施例的第一控制信号及第二控制信号在第一开关及第二开关的工作比为50％时的情况；
图4是一个时序图，说明实施例的第一控制信号及第二控制信号在第一开关及第二开关的工作比为62.5％时的情况；
图5是一个时序图，说明实施例的操作；
图6至图14是等效电路图，分别说明实施例操作在第一模式至第九模式时的情况。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
参阅图1，本发明交错式降压转换器1的实施例适用于接收一个来自一个电压源2的输入电压Vin，将输入电压Vin转换成一个小于输入电压Vin的输出电压Vout，且适用于将输出电压Vout输出到一个负载3。
本实施例的交错式降压转换器1包括一个第一开关11、一个第二开关12、一个第三开关13、一个第四开关14、一个第一电感15、一个第二电感16、一个第三电感17、一个输出电容18及一个控制器19。
第一开关11具有一个适用于耦接到电压源2以接收输入电压Vin的第一端、一个第二端及一个控制端。在本实施例中，第一开关11是一个N型金氧半场效电晶体，且此N型金氧半场效电晶体具有一个充当第一开关11的第一端的漏极、一个充当第一开关11的第二端的源极，及一个充当第一开关11的控制端的栅极。
第二开关12具有一个耦接到第一开关11的第一端的第一端、一个第二端及一个控制端。在本实施例中，第二开关12是一个N型金氧半场效电晶体，且此N型金氧半场效电晶体具有一个充当第二开关12的第一端的漏极、一个充当第二开关12的第二端的源极，及一个充当第二开关12的控制端的栅极。
第三开关13具有一个耦接到第一开关11的第二端的第一端，及一个耦接到一个参考节点4(例如地)的第二端。在本实施例中，第三开关13是一个二极管，且此二极管具有一个充当第三开关13的第一端的阴极，及一个充当第三开关13的第二端的阳极。
第四开关14具有一个耦接到第二开关12的第二端的第一端，及一个耦接到参考节点4的第二端。在本实施例中，第四开关14是一个二极管，且此二极管具有一个充当第四开关14的第一端的阴极，及一个充当第四开关14的第二端的阳极。
第一开关11、第二开关12、第三开关13及第四开关14中的每一个可以在导通与不导通间切换。
第一电感15具有一个耦接到第一开关11的第二端的第一端，及一个适用于耦接到负载3以提供输出电压Vout的第二端。第二电感16耦接在第二开关12的第二端及第一电感15的第二端间。第三电感17耦接在第一开关11的第二端及第二开关12的第二端间。输出电容18耦接在第一电感15的第二端及参考节点4间。
参阅图1至图4，控制器19耦接到第一电感15的第二端以接收输出电压Vout，还耦接到第一开关11的控制端及第二开关12的控制端，且根据输出电压Vout产生分别给第一开关11及第二开关12的一个第一控制信号Vgs1及一个第二控制信号Vgs2，来控制第一开关11及第二开关12中的每一个在导通与不导通间的切换，以稳定输出电压Vout在一个预设目标值。在控制器19的控制下，第一开关11及第二开关12具有相同的切换周期(其长度为Tsw)及相同的导通时段(其长度为Ton)，一个从第一开关11切换为导通到第二开关12切换为导通的时间延迟(其长度为Td)等于第一开关11及第二开关12的导通时段减去一个预设时段(其长度为Tp)(即Td＝Ton-Tp)，且第一开关11及第二开关12的切换周期及导通时段中的至少一个是可变的。换句话说，第一开关11及第二开关12具有相同的工作比(即Ton/Tsw×100％)，且第一开关11及第二开关12在其切换周期中至少同时导通预设时段。在本实施例中，控制器19使用比例积分微分(proportional-integral-derivative，PID)控制技术来根据输出电压Vout控制第一开关11及第二开关12中的每一个在导通与不导通间的切换；且在控制器19的控制下，如图3及图4所示，当第一开关11及第二开关12的工作比大于一个预设值(例如50％)时，第一开关11及第二开关12的切换周期是可变的，而如图2及图3所示，当第一开关11及第二开关12的工作比小于预设值(也就是50％)时，第一开关11及第二开关12的导通时段是可变的。
参阅图5至图14，当第一开关11及第二开关12的工作比小于50％×(1+Tp/Tsw)时，本实施例的交错式降压转换器1循环地操作在第一模式至第九模式。在图6至图14中，第一开关11及第二开关12中的每一个的一个本质二极管111、121及一个寄生电容112、122被画出，控制器19没被画出，且导通的元件以实线画出，而不导通的元件以虚线画出。图5画出第一控制信号Vgs1、第一开关11的跨压Vds1、流经第一电感15的电流IL1、流经第一开关11、其本质二极管111或其寄生电容112的电流IQ1、流经第三开关13的电流ID1、流经第三电感17的电流IL3、第二控制信号Vgs2、第二开关12的跨压Vds2、流经第二电感16的电流IL2、流经第二开关12、其本质二极管121或其寄生电容122的电流IQ2及流经第四开关14的电流ID2中的每一个对时间t的关系。需注意的是，在图5中，电流IL1、IQ1、ID1、IL3、IL2、IQ2、ID2中的每一个的波形同时传达了关于此电流的大小及方向的资讯(也就是此电流的正值及负值指示此电流的相反方向)，而在图6至图14中，电流IL1、IQ1、ID1、IL3、IL2、IQ2、ID2中的每一个的方向由一个相对应的箭头表示。
参阅图5与图6，本实施例的交错式降压转换器1在时点t0到时点t1期间操作在第一模式。在第一模式中，第一开关11不导通，且第二开关12导通。第三开关13切换为导通，使得第一开关11的跨压Vds1维持在Vin。第四开关14不导通。第二开关12的跨压Vds2为零。流经第一电感15的电流IL1的大小逐渐下降。流经第二电感16的电流IL2的大小逐渐上升。流经第三电感17的电流IL3的大小从等于流经第二电感16的电流IL2的大小逐渐下降到零，然后其方向反转且其大小从零逐渐上升到等于流经第一电感15的电流IL1的大小。图6只画出流经第三电感17的电流IL3的方向反转后的情况。
参阅图5与图7，本实施例的交错式降压转换器1在时点t1到时点t2期间操作在第二模式。在第二模式中，第一开关11维持在不导通，且第二开关12维持在导通。第三开关13切换为不导通。第四开关14维持在不导通。第一开关11的寄生电容112及第三电感17谐振，使得第一开关11的跨压Vds1从Vin下降到零。第二开关12的跨压Vds2维持在零。流经第一电感15的电流IL1的大小逐渐上升。流经第二电感16的电流IL2的大小逐渐上升。流经第三电感17的电流IL3的大小逐渐上升。
参阅图5与图8，本实施例的交错式降压转换器1在时点t2到时点t3期间操作在第三模式。在第三模式中，第一开关11维持在不导通，且第二开关12维持在导通。第三开关13维持在不导通。第四开关14维持在不导通。第一开关11的本质二极管111导通，使得第一开关11的跨压Vds1维持在零。第二开关12的跨压Vds2维持在零。流经第一电感15的电流IL1的大小逐渐上升。流经第二电感16的电流IL2的大小逐渐上升。流经第三电感17的电流的大小不变。
参阅图5与图9，本实施例的交错式降压转换器1在时点t3到时点t4期间操作在第四模式。在第四模式中，第一开关11维持在不导通，且第二开关12切换为不导通。第三开关13维持在不导通。第四开关14维持在不导通。第一开关11的本质二极管111导通，使得第一开关11的跨压Vds1维持在零。第二开关12的寄生电容122被充电，使得第二开关12的跨压Vds2从零上升到Vin。流经第一电感15的电流IL1的大小逐渐上升。流经第二电感16的电流IL2的大小逐渐上升。流经第三电感17的电流IL3的大小逐渐下降至小于流经第一电感15的电流IL1的大小。
参阅图5与图10，本实施例的交错式降压转换器1在时点t4到时点t5期间操作在第五模式。在第五模式中，第一开关11维持在不导通，且第二开关12维持在不导通。第三开关13切换为导通，使得第一开关11的跨压Vds1从零上升到Vin。第四开关14切换为导通，使得第二开关12的跨压Vds2维持在Vin。流经第一电感15的电流IL1的大小逐渐下降至等于流经第三电感17的电流IL3的大小。流经第二电感16的电流IL2的大小逐渐下降。流经第三电感17的电流IL3的大小不变。
参阅图5与图11，本实施例的交错式降压转换器1在时点t5到时点t6期间操作在第六模式。在第六模式中，第一开关11切换为导通，且第二开关12维持在不导通。第三开关13切换为不导通。第四开关14维持在导通，使得第二开关12的跨压Vds2维持在Vin。第一开关11的跨压Vds1从Vin下降到零。流经第一电感15的电流IL1的大小逐渐上升。流经第二电感16的电流IL2的大小逐渐下降。流经第三电感17的电流IL3的大小从等于流经第一电感15的电流IL1的大小逐渐下降到零，然后其方向反转且其大小从零逐渐上升到等于流经第二电感16的电流IL2的大小。图11只画出流经第三电感17的电流IL3的方向反转后的情况。
参阅图5与图12，本实施例的交错式降压转换器1在时点t6到时点t7期间操作在第七模式。在第七模式中，第一开关11维持在导通，且第二开关12维持在不导通。第三开关13维持在不导通。第四开关14切换为不导通。第一开关11的跨压Vds1维持在零。第二开关12的寄生电容122及第三电感17谐振，使得第二开关12的跨压Vds2从Vin下降到零。流经第一电感15的电流IL1的大小逐渐上升。流经第二电感16的电流IL2的大小逐渐上升。流经第三电感17的电流IL3的大小逐渐上升。
参阅图5与图13，本实施例的交错式降压转换器1在时点t7到时点t8期间操作在第八模式。在第八模式中，第一开关11维持在导通，且第二开关12先维持在不导通，然后切换为导通。第三开关13维持在不导通。第四开关14维持在不导通。第一开关11的跨压Vds1维持在零。第二开关12的本质二极管121导通，使得第二开关12的跨压Vds2维持在零，且第二开关12以零电压切换方式切换为导通。流经第一电感15的电流IL1的大小逐渐上升。流经第二电感16的电流IL2的大小逐渐上升。流经第三电感17的电流IL3的大小不变。
参阅图5与图14，本实施例的交错式降压转换器1在时点t8到时点t9期间操作在第九模式。在第九模式中，第一开关11切换为不导通，且第二开关12维持在导通。第三开关13维持在不导通。第四开关14维持在不导通。第一开关11的寄生电容112被充电，使得第一开关11的跨压Vds1从零上升到Vin。第二开关12的本质二极管121导通，使得第二开关12的跨压Vds2维持在零。流经第一电感15的电流IL1的大小逐渐上升。流经第二电感16的电流IL2的大小逐渐上升。流经第三电感17的电流IL3的大小逐渐下降。
参阅图1，值得注意的是，本领域中具有通常知识者可以由上述内容推知，在第一开关11及第二开关12的工作比大于50％×(1+Tp/Tsw)时，本实施例的交错式降压转换器1的操作，及第一开关11与第二开关12都能以零电压切换方式切换为导通，因此将不多加说明。
综上所述，本实施例的交错式降压转换器1通过让从第一开关11切换为导通到第二开关12切换为导通的时间延迟等于第一开关11及第二开关12的导通时段减去预设时段，可以使得在第一开关11及第二开关12的工作比小于50％×(1+Tp/Tsw)时，第二开关12能以零电压切换方式切换为导通。所以，本实施例的交错式降压转换器1在第一开关11及第二开关12的工作比小时具有相对较高的转换效率。
值得注意的是，在其它实施例中，第三开关13及第四开关14中的每一个可以是一个N型金氧半场效电晶体。此时，控制器19还耦接到第三开关13及第四开关14，且控制第三开关13及第四开关14中的每一个在导通与不导通间的切换。

Claims (8)

1.一种交错式降压转换器，其特征在于其包含：
一个第一开关，具有一个适用于接收一个输入电压的第一端、一个第二端及一个控制端；
一个第二开关，具有一个耦接到该第一开关的该第一端的第一端、一个第二端及一个控制端；
一个第三开关，具有一个耦接到该第一开关的该第二端的第一端，及一个耦接到一个参考节点的第二端；
一个第四开关，具有一个耦接到该第二开关的该第二端的第一端，及一个耦接到该参考节点的第二端；
一个第一电感，具有一个耦接到该第一开关的该第二端的第一端，及一个适用于提供一个输出电压的第二端；
一个第二电感，耦接在该第二开关的该第二端及该第一电感的该第二端间；
一个第三电感，耦接在该第一开关的该第二端及该第二开关的该第二端间；
一个输出电容，耦接在该第一电感的该第二端及该参考节点间；及
一个控制器，耦接到该第一开关的该控制端及该第二开关的该控制端，且控制该第一开关及该第二开关中的每一个在导通与不导通间的切换，使得该第一开关及该第二开关具有相同的切换周期及相同的导通时段，且一个从该第一开关切换为导通到该第二开关切换为导通的时间延迟等于该第一开关及该第二开关的该导通时段减去一个预设时段。
2.根据权利要求1所述的交错式降压转换器，其特征在于：该控制器还电连接到该第一电感的该第二端以接收该输出电压，且根据该输出电压控制该第一开关及该第二开关中的每一个在导通与不导通间的切换，使得该第一开关及该第二开关的该切换周期及该导通时段中的至少一个是可变的。
3.根据权利要求2所述的交错式降压转换器，其特征在于：当该第一开关及该第二开关的一个工作比大于一个预设值时，该第一开关及该第二开关的该切换周期是可变的，而当该第一开关及该第二开关的该工作比小于该预设值时，该第一开关及该第二开关的该导通时段是可变的。
4.根据权利要求2所述的交错式降压转换器，其特征在于：该控制器使用比例积分微分控制技术来根据该输出电压控制该第一开关及该第二开关中的每一个在导通与不导通间的切换。
5.根据权利要求1所述的交错式降压转换器，其特征在于：该第一开关及该第二开关中的每一个是一个N型金氧半场效电晶体。
6.根据权利要求5所述的交错式降压转换器，其特征在于：该N型金氧半场效电晶体具有一个充当相对应开关的该第一端的漏极、一个充当相对应开关的该第二端的源极，及一个充当相对应开关的该控制端的栅极。
7.根据权利要求1所述的交错式降压转换器，其特征在于：该第三开关及该第四开关中的每一个是一个二极管。
8.根据权利要求7所述的交错式降压转换器，其特征在于：该二极管具有一个充当相对应开关的该第一端的阴极，及一个充当相对应开关的该第二端的阳极。
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