CN110620509B - 开关模式功率变换器 - Google Patents

Abstract

一种开关模式功率变换器设备。该设备包括电感元件，该电感元件将接收输入电压的第一节点耦合到第二节点。第一晶体管将第二节点耦合到生成输出电压的第三节点。控制电路包括第一开关，该第一开关将第三节点耦合到第一晶体管的控制端子。

Description

开关模式功率变换器

优先权声明

本申请要求于2018年6月19日提交的法国专利申请号第1855400的优先权，该优先权申请的内容在法律所允许的最大范围内在此通过引用而被整体并入。

技术领域

本公开一般涉及电子电路，并且更具体地涉及开关模式功率变换器。

背景技术

在开关模式功率变换器中，通过切换开关中的一个或多个开关来降低(chop)供应给变换器的输入的DC电压，以实现以下阶段：在电感元件中的功率存储，以及存储在电感元件中的功率朝向连接到变换器输出的负载放电。

在本领域中，需要克服通常开关模式功率变换器的全部或部分缺点、特别是克服由于供电电压源的连接而导致的缺点的开关模式功率变换器。

发明内容

实施例提供了一种设备，该设备包括：电感元件，将第一节点耦合到第二节点；至少一个第一晶体管，将第二节点耦合到第三节点；以及第一控制电路，包括第一开关，该第一开关将第三节点耦合到第一晶体管的控制端子，该设备形成开关模式功率变换器。

根据一个实施例，第二开关将第二节点耦合到施加参考电位的第四节点。

根据一个实施例，第一开关是第二晶体管，该第二晶体管的沟道的类型与第一晶体管的沟道的类型相同。

根据一个实施例，第一晶体管具有N沟道。

根据一个实施例，第一电路包括用于控制第一开关的第二电路。

根据一个实施例，第一控制电路还包括：电容元件，连接在第二节点与第五节点之间；以及第一二极管和第三开关的串联关联，连接在第五节点与第一晶体管的控制端子之间。

根据一个实施例，第三开关的控制端子连接到第一开关的控制端子。

根据一个实施例，第三开关是第三晶体管，该第三晶体管的沟道的类型与第一晶体管的沟道的类型相反。

根据一个实施例，第一晶体管与第二二极管串联在第二节点与第三节点之间。

根据一个实施例，第二二极管和第一晶体管的体二极管相对于彼此沿反向方向连接。

另一实施例提供了一种电子电路，该电子电路包括诸如上文所限定的设备。

另一实施例提供了一种启动诸如上文所限定的设备的方法。

根据一个实施例，该方法包括以下步骤：将DC电压源连接到第一节点；以及通过接通第一开关来将第一晶体管设置为断开状态。

根据一个实施例，第一开关由第一控制电路维持导通，直到第三节点处于基本上等于施加到第一节点的电位。

根据一个实施例，第二电路向第一开关的控制端子供应第三节点的电位和第一节点的电位之间的最高电位、或者第三节点的电位和第二节点的电位之间的最高电位。

根据一个实施例，一旦第一节点和第三节点的电位基本上相等，就以脉冲宽度调制来控制第二开关。

附图说明

以下将结合附图在具体实施例的非限制性描述中对上述和其他特点和优点进行详细讨论。为了更好地理解实施例，现在仅通过示例参考附图，其中：

图1示意性地示出了DC/DC开关模式功率变换器的实施例；

图2进一步详细地示出了图1的变换器的一部分的实施例；以及

图3示出了图1的变换器的操作示例的时序图。

具体实施方式

在不同的附图中，相同的元件用相同的附图标记来指代。具体地，不同实施例共用的结构和/或功能元件可以用相同的附图标记来指代，并且可以具有相同的结构、尺寸和材料特性。进一步地，各种附图(特别是图3的时序图)并未按比例绘制。

为了清楚起见，仅示出了有助于理解所描述的实施例的步骤和元件，并且对其进行了详细说明。具体地，尚未对用于控制截止开关以及例如以脉冲宽度调制(PWM)来控制这种开关的控制电路进行描述，所描述的实施例与通常的解决方案兼容。

在整个本公开中，术语“连接(connected)”用于指代除导体外没有中间元件的电路元件之间的直接电气连接，而术语“耦合”用于指代可以直接或者可以经由一个或多个中间元件的电路元件之间的电气连接。

本文中使用术语“约(about)”、“基本上(substantially)”和“大约(approximately)”来指代所讨论的值的正负10％(优选地，正负5％)的公差。

进一步地，当认为两个节点之间没有电流流动时，除非另有规定，否则不将能够在两个节点之间流动的可能的泄漏电流考虑在内。

图1示出了将DC供电电压转换为另一DC电压的DC/DC开关模式功率变换器的实施例的电路。

变换器1包括：两个输入端子或输入节点101和103，被配置为接收DC电源电压Vin；以及两个输出端子或输出节点105和107，被配置为提供DC输出电压Vout。例如，电压Vin为正，并且参照节点103，节点103通常为地。例如，电压Vout为正，并且参照节点107，节点107在本文中连接到节点103。

电感元件109将节点101耦合到变换器1的内部(即，中间)节点111。

节点111和103通过与二极管115并联连接的截止开关113耦合。在该示例中，二极管115的阳极连接到节点103，而阴极连接到节点111。例如，开关113和二极管115的并联关联由例如具有N型沟道的MOS晶体管实现，其中二极管115随后与晶体管的体二极管相对应。

电容元件119耦合输出节点105和107。电容元件119优选地在变换器1外部，但也可以部分或全部集成在变换器1中，如图1所示。

节点111通过二极管117和晶体管121(在该示例中为N沟道MOS晶体管)的串联关联而被耦合到输出节点105。晶体管121的体二极管121A以及二极管117相对于彼此沿反向方向连接。在该示例中，晶体管121的源极和二极管121a的阳极耦合(优选地，连接)到节点105。然后，二极管121a的阴极耦合(优选地，连接)到二极管117的阴极和晶体管121的漏极，二极管117的阳极耦合(优选地，连接)到节点111。

作为变型，相对于开关113以反向方向(即，相反相位)被控制的截止开关(未示出)与二极管117并联连接。在该变型中，例如，该开关和二极管117由例如具有N沟道的MOS晶体管形成，其中二极管117随后与晶体管的体二极管相对应。

变换器1包括用于控制晶体管121的电路123。电路123被配置为向晶体管121的控制端子或栅极供应控制信号cmd2。电路123包括开关127，开关127将节点105耦合到晶体管121的栅极。电路123包括电路129，电路129被配置为向开关127的控制端子供应控制信号cmd1。

在将供电电压源Vin连接到端子101和103时，电路123被配置为维持开关127处于导通(即，闭合)状态，直到电压Vout基本上等于供电电压Vin，也就是说，直到节点105的电位基本上等于节点101的电位。

在所示实施例中，电路123还包括开关139。开关139的控制端子连接到开关127的控制端子，以接收控制信号cmd1。开关139的导电端子耦合(优选地，连接)到晶体管121的栅极。开关139的另一导电端子通过两个彼此串联耦合的二极管135和137而被耦合到输入节点101。电容元件131将节点111耦合到中间节点133，该中间节点133位于串联耦合的二极管135和137的电路互连处。在该示例中，二极管135和137的阳极位于相应节点101和133的一侧上。电路123被配置为在关断开关113之后接通(即，闭合)开关121。

最初，当没有在输入端子101与103之间施加电压时，开关113，127和139断开(即，打开)，并且晶体管121断开(即，不导电)。

在第一操作阶段中，将电压源Vin连接到节点101和103后，不在开关模式下对变换器1进行控制。因此，开关113保持断开。作为连接电压源的结果，电路129接通(即，闭合)开关127，其中开关139保持断开。因此，节点105的电位被施加到晶体管121的栅极，由此晶体管121的栅极-源极电压基本上为零。因此，晶体管121保持断开。由于晶体管121断开并且开关113断开，所以理论上，没有电流通过电感元件109从节点101流向节点105。然而，在所示实施例中，由于节点101与105之间的漏电流，所以电压Vout增加。在另一实施例中，接通连接在节点101与105之间的可选接通开关引起电压Vout的增加。当电压Vout变得基本上等于Vin时，开关127被关断。然后晶体管121的栅极保持充电到一电位，该电位基本上等于节点105的电位，并且晶体管121保持断开。

在第二操作阶段中，在开关模式下(例如，以晶体管开关113的脉冲宽度调制)对变换器1进行控制。在第一开关循环期间，开关113被接通(即，闭合)。这种接通将导致电容元件131两端存在基本上等于Vin的电压(到二极管135的电压之内)。然后，开关113被关断，并且节点111的电位增加。由于电容元件131不能放电，所以它在节点111与133的电位之间执行电平移动，节点133的电位随节点111电位的增加而增加，其中电平移动的量级为Vin。同时，开关139被接通。然后，晶体管121的栅极被带到经电平移动的节点133的电位。这个电位足以使晶体管121接通。然后，电路123维持开关139导通，直到变换器1关断，从而使晶体管121能够维持导通。实际上，对于每个开关循环，电容元件供应在一方面的通过处于导通状态的开关139耦合到晶体管121的栅极的节点133与另一方面的节点105之间的电位差，这种电位差足以维持晶体管121处于导通状态。只要晶体管121被接通，就可以观察到开关113被接通时在电感元件109中的功率存储的正常操作、以及开关113被关断时将该功率递送到电容元件119的正常操作。

所描述的电路的优点(特别是晶体管121的使用)在于它避免了一旦电压源Vin连接、通过电感元件109在节点101与105之间的浪涌电流的流动。这种浪涌电流会有损坏变换器和/或连接在变换器输出的部件的风险。

与部件在变换器外部(特别是分立外部部件)相比，晶体管121及其控制电路集成在变换器1中的事实是一种不太复杂且体积更小的解决方案。

图2进一步详细地示出了图1的变换器1的一部分的实施例，更具体地示出了控制电路123的一部分的实施例。

图2示出了节点133、二极管137、开关139、晶体管121的控制端子G、节点105、开关127、电路129、以及节点111。

在本实施例中，开关127是MOS晶体管，该晶体管和晶体管121的沟道类型相同，在该示例中为N沟道。晶体管127的源极耦合(优选地，连接)到节点105。开关139也是MOS晶体管，但其沟道类型与晶体管121和127的沟道类型相反。因此，在该示例中，晶体管139具有P沟道。

控制电路123包括电路141，电路141用于偏置晶体管139的衬底。更具体地，在该示例中，电路141被配置为将晶体管139的衬底置于节点133的电位和栅极G的电位之间的最高电位。作为示例，电路141包括源级-漏极路径串联连接的两个PMOS晶体管143和145，PMOS晶体管143和145将二极管137的阴极耦合到晶体管121的栅极G。晶体管143的栅极连接到晶体管121的栅极G，晶体管145的栅极连接到二极管137的阴极。晶体管143和145互连的节点147连接到晶体管143、145和139的衬底。

电路129在本文中被配置为向晶体管127和139的栅极施加节点105和111的电位之间的最高电位。例如，电路129包括源级-漏极路径串联连接的两个PMOS晶体管149和151，从而耦合节点111和105。晶体管149的栅极连接到节点105，晶体管151的栅极连接到节点111。晶体管149和151互连的节点153连接到晶体管149和151的衬底以及晶体管139和127的栅极。

在未示出的备选实施例中，电路129被配置为向晶体管127和139的栅极施加节点105和101的电位当中的最高电位。在图2的示例中，这相当于将节点111替换为节点101。

图3示出了图示如关于图2所述实现的图1的变换器的操作示例的时序图。

时序图301，303，305，307，309和311分别图示电压Vin、节点111的电压V1、节点133的电压V2、电压Vout、晶体管127的栅极的电压Vcmd1、以及晶体管121的栅极G的电压Vcmd2的时间变化。当参考晶体管的节点的电压或栅极的电压时，可以认为该电压是该节点或该栅极与地(节点103)之间的电压。换句话说，当参考节点的电压或晶体管的栅极的电压时，该电压是该节点或该栅极的电位。

在初始时间t0，节点101与103之间没有连接供电电压源。因此，Vin，V1，V2，Vout，Vcmd1和Vcmd2的电压为零。进一步地，开关113断开，并且晶体管121，127和139断开。

在标记第一操作阶段的开始的下一时间t1，在节点101与103之间连接DC电压源Vin，例如，电池。

从时间t1开始，由于变换器1的杂散电容，电压Vin增加以在时间t2达到稳定值Vbat。晶体管121断开，这导致电压Vout保持基本上为零。进一步地，开关113断开，晶体管121断开，电压V1和V2基本上等于电压Vin，并且随电压Vin增加而增加。然后，与电压Vout和V1的最大值相对应的电压Vcmd1基本上等于电压V1，因此等于电压Vin，并且随电压Vin增加而增加。电压Vcmd1相对于电压Vout的这种增加导致晶体管127的栅极-源极电压足以使晶体管导通。进一步地，由于电压Vcmd1和V2基本上等于电压Vin并且随电压Vin的增加而增加的事实，晶体管139的栅极-源极电压保持为零或接近零。结果，晶体管139保持断开。由于晶体管127和139分别导通和断开的事实，电压Vcmd2基本上等于电压Vout。因此，晶体管121的栅极-源极电压为零或接近零，晶体管121有效地保持断开，直到时间t2。

在时间t2，电压Vin等于Vbat，电压V1，V2和Vcmd1基本上等于Vin，并且电压Vout和Vcmd2为零或接近零。

从随后的时间t3开始，电容元件119逐渐充电，这或者由于节点101与105之间的泄漏电流、或者通过接通连接在这些节点之间的可选接通开关。因此，电压Vout增加，直到该电压Vout在时间t4基本上等于电压Vin(换言之，等于Vbat)。

在时间t3与t4之间，虽然电压Vout增加，但是电压V1和V2基本上等于电压Vin。然后，与电压Vout和V1相对应的最大值的电压Vcmd1基本上等于电压V1，并且因此等于电压Vin。由于电压Vcmd1和V2两者基本上等于Vin，所以晶体管139的栅极-源极电压为零或接近零，并且晶体管139保持断开。进一步地，只要电压Vout没有基本上等于电压Vin，电压Vcmd1和Vout之间的差就使得晶体管127的栅极-源极电压足以维持其导通，电压Vcmd2随后跟随电压Vout。结果，晶体管121的栅极-源极电压为零或接近零，并且晶体管121保持断开。然而，当电压Vout基本上等于电压Vin时，电压Vcmd1和Vout基本上相等。然后，晶体管127的栅极-源极电压变为零或接近零，并且晶体管127断开。一旦晶体管127已经关断，晶体管121的栅极G就会浮动，并且电压Vcmd2在开关127接通时基本上等于电压Vout(换言之，等于Vbat)。因此，晶体管121的栅极-源极电压为零或接近零，并且晶体管121保持断开。

因此，在时间t4时，电压Vin等于Vbat，电压V1，V2，Vout，Vcmd1和Vcmd2基本上等于Vbat，开关113断开，并且晶体管121，127和139断开。

在随后的标志第一操作阶段的结束和第二操作阶段的开始的时间t5，开关113被接通，直到时间t6。

在时间t5与t6之间，电压V1为零或接近零，并且电压V2基本上等于电压Vin(换言之，等于Vbat)。其他电压Vin，Vout，Vcmd1的值与在时间t4基本上相同。因此，晶体管127和139保持断开。结果，电压Vcmd2保持基本上等于Vbat以及因此等于电压Vout，并且晶体管121保持断开。

在时间t6时，开关113被关断，并且节点111的电压V1增加。由于电容元件131执行在节点111和133的电位之间的电平移动，所以节点133的电压V2也会相对于电压V1增加，其中移动的量级为Vbat。因此，在电压V1仍然小于Vbat的同时，电压v2已经大于Vbat并且电压Vcmd1仍然等于Vbat(电压Vout)。然后，晶体管139的栅极-源极电压足以使晶体管139导通，并且足以使节点133的电位被带到晶体管的栅极G。晶体管121的栅极G的电容充电，并且电压Vcmd2增加。电压Vcmd2相对于电压Vout的增加导致晶体管121的栅极-源极电压足以使晶体管121导通。一旦晶体管121导通，电流可以从节点111流到节点105，并且存储在电感元件109中的功率被送回电容元件119。进一步地，一旦晶体管121导通，电压V1和Vout就会平衡。

应当指出，在某些情况下，在时间t6之后，特别是由于电压V1增加到超过Vbat所需的时间可能比接通晶体管139和晶体管121所需的时间短这一事实，电压V1可能表现出大于Vbat的电压峰值。在这种情况下，电压Vcmd1随后基本上等于电压V1，并且随电压V1的增加而增加。然而，由于电压V2相对于电压V1移动了Vbat，所以晶体管139的栅极-源极电压仍然足以使晶体管139接通，由此晶体管121接通，并且电压V1减小以基本上等于电压Vout。

向晶体管127和139的栅极施加节点111和105的电位之间的最高电位的优点是确定晶体管139的栅极-源极电压始终小于或等于Vbat。

尽管图3中没有说明这一点，但是变换器1为升压型。因此，在开关113的多个开关循环之后，对开关113进行控制以在稳定状态下获得具有大于Vbat的选定值的电压Vout。

在根据图2的实施例形成的变换器1中，晶体管121，127和139的最大栅极-源极电压、栅极-漏极电压和漏极-源极电压的绝对值的量级为Vbat，并且因此小于变换器1可以递送的最大电压Vout。

在备选实施例(未示出)中，控制电路123不包括开关139。在这种情况下，电路123仅包括开关127和电路129。一旦电压Vout基本上等于电压Vin，用以维持晶体管121导通的控制就可以借助于另一控制电路来实现，该另一控制电路为例如包括电荷泵并且被配置为维持晶体管121的栅极电容充分充电以使晶体管121保持导通的电路，该电荷泵被配置为例如耦合到节点105。

已经对各种实施例和变型进行了描述。本领域技术人员将理解，这些不同实施例和变型的某些特点可以进行组合，并且本领域技术人员会想到其他变型。具体地，本领域技术人员能够通过调整控制电路123而在升压变换器以外的其他类型的变换器中设置晶体管121和控制电路123。例如，晶体管121和电路123类型的控制电路可以设置在降压-升压开关模式功率变换器或者功率因数校正(PFC)开关模式功率变换器中。

进一步地，开关113以及与二极管117并联的开关(如果存在)可以通过除了脉冲宽度调制之外的方式进行控制，例如，通过频率调制。

最后，基于上述功能指示，所述实施例和变型的实际实现方式在本领域技术人员的能力范围之内。

这些更改、修改和改进旨在作为本公开的一部分，并且旨在落入本发明的精神和范围内。因而，上述描述仅作为示例，而非旨在进行限制。本发明仅限于以下权利要求及其等同物中所限定的范围。

Claims (14)

1.一种电子设备，包括：

电感元件，将第一节点耦合到第二节点，所述第一节点被配置为接收输入电压；

第一晶体管，将所述第二节点耦合到第三节点，所述第三节点被配置为生成输出电压；以及

第一控制电路，包括第一开关，所述第一开关将所述第三节点耦合到所述第一晶体管的控制端子，

其中所述设备形成开关模式功率变换器，所述开关模式功率变换器用于将所述输入电压转换为所述输出电压；

其中所述第一控制电路还包括：

电容元件，连接在所述第二节点与第五节点之间；以及

第一二极管和第三开关的串联关联，连接在所述第五节点与所述第一晶体管的控制端子之间；

其中所述第三开关的控制端子连接到所述第一开关的控制端子。

2.根据权利要求1所述的电子设备，其中第二开关将所述第二节点耦合到施加参考电位的第四节点。

3.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述第一开关是第二晶体管，所述第二晶体管具有的沟道掺杂有与所述第一晶体管的沟道相同的导电类型。

4.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述第一晶体管具有N沟道。

5.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述第一控制电路包括用于控制所述第一开关的第二控制电路。

6.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述第三开关是第三晶体管，所述第三晶体管具有掺杂有第一导电类型的沟道，并且其中所述第一晶体管具有掺杂有与所述第一导电类型相反的第二导电类型的沟道。

7.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述第一晶体管与第二二极管串联耦合在所述第二节点与所述第三节点之间。

8.根据权利要求7所述的电子设备，其中所述第二二极管和所述第一晶体管的体二极管相对于彼此沿反向方向连接。

9.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述设备是电子电路的部件。

10.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述第一控制电路被配置为：通过接通所述第一开关将所述第一晶体管设置为断开状态，来响应于施加向所述第一节点供应所述输入电压的DC电压源而启动所述设备。

11.根据权利要求10所述的电子设备，其中所述第一控制电路被配置为：维持所述第一开关处于导通状态，直到所述第三节点处的电位基本上等于所述第一节点处的所述输入电压。

12.根据权利要求10所述的电子设备，其中所述第一控制电路被配置为：向所述第一开关的控制端子供应所述第三节点处的电位和所述第一节点处的电位之间的最高电位。

13.根据权利要求10所述的电子设备，其中所述第一控制电路被配置为：向所述第一开关的控制端子供应所述第三节点处的电位和所述第二节点处的电位之间的最高电位。

14.根据权利要求11所述的电子设备，其中第二开关将所述第二节点耦合到施加参考电位的第四节点，并且其中所述第一控制电路被配置为：一旦所述第一节点的电位和所述第三节点的电位基本上相等，就以脉冲宽度调制来控制所述第二开关。

Images