CN110855137B - 具有预偏置输出电压的转换器 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及转换器的预偏置启动。一种方法，该方法包括通过伏秒(VS)控制器(120)将用于控制DC到DC转换器(100)的电力变压器(102)初级侧处的第一开关(M1)的第一占空比(D1)与阈值进行比较。该方法进一步包括：如果第一占空比(D1)的值小于阈值，则由VS控制器(120)控制用于控制电力变压器(102)次级侧处的第二开关(M3)的第二占空比(D2)，并且将输出电压节点(Vo)处的电压电平保持在非零值处；以及如果第一占空比(D1)的值大于阈值，则由输出电压回路(110)基于第一占空比(D1)控制第二占空比(D2)，并且将输出电压节点(Vo)处的电压电平从非零值单调地增加到预定值。

Description

具有预偏置输出电压的转换器
本申请是2014年10月11日提交的名为“转换器的预偏置启动”的中国专利申请201480082596.2的分案申请。
相关申请的交叉引用
无
技术领域
本申请一般涉及转换器，并且更具体地涉及具有预偏置输出电压的转换器。
背景技术
在许多电压转换器中，功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)通常代替二极管用作有源开关，以对电压转换器的输出电压进行整流。使用此功率MOSFET来对电压转换器进行整流通常被称为同步整流或有源整流。对于低电压转换器(以大约10V或更小的电压进行操作)，功率MOSFET在功率方面可以是有效的，由于功率MOSFET不包括作为二极管的固有特性的恒定电压降，从而导致显著的功率损耗。
发明内容
本文公开用于控制DC到DC转换器的输出电压电平的系统和方法。在一个实施例中，DC到DC转换器包括具有初级侧和次级侧的电力变压器，耦合到变压器的初级侧的第一开关，耦合到变压器的次级侧的第二开关，在电力变压器的次级侧的电感器，耦合到电感器的伏秒(VS)控制器，以及耦合到VS控制器的输出电压控制回路。电感器连接到输出电压节点和电感器节点。更具体地，VS控制器被配置为基于第一开关的初级侧占空比小于阈值来控制第二开关的次级侧占空比，以便使电感器节点和输出电压节点之间的电压降在一时间段内的积分等于零。输出电压控制回路被配置为产生与初级侧占空比相关联的第一信号，其中当VS控制器控制次级侧占空比时，输出电压节点处的电压电平保持在非零值处。
在另一实施例中，DC到DC转换器包括具有初级侧和次级侧的电力变压器，耦合到电力变压器的次级侧处的输出电压节点的输出电压控制回路，以及耦合到输出电压控制回路的伏秒(VS)控制器。输出电压控制回路被配置为产成第一信号以控制电力变压器的初级侧处的第一开关，第一信号具有第一占空比。VS控制器被配置为产生第二信号以控制电力变压器的次级侧处的第二开关，第二信号具有第二占空比。进一步地，当第一占空比小于阈值时，第二占空比由VS控制器确定。当第一占空比大于阈值时，第二占空比以互补的方式基于第一占空比确定。
在进一步的实施例中，一种方法包括通过伏秒(VS)控制器将用于控制DC到DC转换器的电力变压器的初级侧处的第一开关的第一占空比与阈值进行比较。该方法进一步包括：如果第一占空比的值小于阈值，则由VS控制器控制用于控制电力变压器的次级侧的第二开关的第二占空比，并且将输出电压节点处的电压电平保持在非零值处；以及如果第一占空比的值大于阈值，则通过输出电压回路基于第一占空比控制第二占空比，并且将输出电压节点处的电压电平从非零值单调地增加到预定值。
附图说明
为详细描述本发明的示例性实施例，现在将参考附图，其中：
图1示出根据各种实施例的包括伏秒(VS)控制器的DC到DC转换器的框图；
图2示出用于进一步示出根据各种实施例的DC到DC转换器的伏秒(VS)控制器的示例；
图3示出根据各种实施例的DC到DC转换器的各种信号的波形的示例；以及
图4示出用于解释对根据各种实施例的DC到DC转换器的第二占空比的选择性控制的流程图。
符号和术语
在整个以下描述和权利要求中使用某些术语来指代特定的系统部件。如本领域技术人员将理解的，公司可以通过不同的名称来指代部件。该文档并非旨在区分名称不同而非功能不同的部件。在以下讨论和权利要求中，术语“包括(including)”和“包含(comprising)”以开放的方式使用，并且因此应当被解释为意味着“包括但不限于…”。此外，术语“耦合(couple)”或“耦合(couples)”旨在意味着间接或直接连接。因此，如果第一设备耦合到第二设备，则该连接可以通过直接连接，或者通过经由其他设备和连接件的间接连接进行。
具体实施方式
以下讨论针对本发明的各种实施例。虽然这些实施例中的一个或更多个可以是优选的，但是所公开的实施例不应被解释或以其他方式用于限制本公开(包括权利要求)的范围。此外，本领域技术人员将理解，以下描述具有广泛的应用，并且任何实施例的讨论意味着该实施例仅为示例性的，而并非旨在暗示本公开(包括权利要求)的范围限于该实施例。
为满足对电子设备(例如，电压转换器)的高速和小型化的不断增长的需求，微电子电路的电压电平已经相应地下降。在这方面，许多电压转换器使用同步整流(即，使用同步整流器)来控制输出电压电平。使用同步整流器不仅可以满足在低电压电平下进行操作的需求，而且以提高的效率在低电压电平下进行操作。
更具体地，具有同步整流器的电压转换器意味着电压转换器使用有源控制开关诸如晶体管(通常为功率金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)或功率双极结型晶体管(BJT))来控制转换器的特性。在一个示例中，要控制的特性是转换器的输出电压电平。
不幸的是，采用此晶体管作为同步整流器的电压转换器可经受反向电流流动，即从电压转换器的输出端流到电压转换器的输入端的反向电流。此反向电流流动可以被称为能量传输的反向流动。该反向电流可导致下游电压敏感的电子设备故障或关闭。通常在电压转换器的启动期间发生反向电流的现象。
进一步地，电压转换器通常被实施为经由电气总线向其他设备提供电力。这些设备可以是不同类型的设备，诸如各种类型的集成电路。频繁发生的情况是连接到总线的设备可以预偏置电压转换器的输出电压。换言之，在电压转换器被接通的时刻，在电压转换器的输出电压节点处已经存在非零电压。因此，电压和电流可以沿相反方向从总线排出，直到输出电压已经达到输出电压对应于基准电压的电平，并且然后根据正常的启动行为而斜升。如上所述，电流的反向流动可对将由来自电气总线的电压转换器供电的设备和/或电路造成严重损坏。
通常，已经提出闭环和开环控制电路，试图解决由于预偏置电压引起的在电压转换器启动时的反向电流的问题。然而，在此类尝试的解决方案中，已经观察到输出电压的过冲或下冲。即，在所提出的解决方案中没有完全消除反向电流。在电压转换器的整流器中可以包括额外的放电电路，以解决反向电流的问题。然而，使用额外的放电电路通常需要额外的部件(例如，提供ORing(求或运算)功能的FET)，这继而增加了制造电压转换器的成本。
所公开的本发明的实施例消除了反向电流，特别是当电压转换器被预偏置时的反向电流。基于用于电压转换器的初级侧处的开关的第一占空比，转换器选择性地控制用于电压转换器的次级侧处的开关的第二占空比。通过选择性地控制第二占空比，在电压转换器被预偏置时，电压转换器可以有利地提供单调的(即，没有过冲和/或下冲)启动行为。
在一个优选实施例中，电压转换器被实施为直流到直流(DC到DC)降压转换器。降压转换器是电压降压转换器。然而，所公开的实施例也可以用于DC到DC升压转换器、正向转换器、反激式转换器或任何其他合适的转换器。
图1示出说明根据各种实施例的所公开的DC到DC转换器100的框图。DC到DC转换器100包括电力变压器102，各种开关M1、M2和M3，伏秒(VS)控制器120以及输出电压控制回路110。DC到DC转换器100还包括输入电压源118以及连接到电感器108和电容器109的输出电压节点Vo。输入电压源118被配置为提供DC电压Vin。如上所述，所公开的实施例优选地用在DC到DC降压转换器中，这意味着输出电压节点Vo处的电压电平小于由输入电压源118提供的电压(即Vin)。为便于参考，在输出电压节点Vo处的电压电平在本文被称为Vo。
如图1所示，电力变压器102包括初级侧和次级侧。初级侧和次级侧分别被指定为“102-p”和“102-s”。在一个优选实施例中，开关M1、M2和M3中的每个被配置为交替地接通和断开，以便调节输出电压Vo。尽管开关M1、M2和M3优选为功率金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)，但是开关可以是能够接通和断开的任何类型的半导体设备，诸如二极管和/或双极结型晶体管(BJT)。
通常，占空比用于控制开关的有效和非有效时间段。占空比是一个周期的百分比，其中在该百分比内信号有效，周期是信号完成一个完整的开和关周期所需的时间。在一个优选的实施方式中，第一占空比(D1)由输出电压控制回路110确定，其中第一占空比用于控制开关M1和M2(第一控制信号101)。第二占空比(D2)由VS控制器120选择性地确定，其中第二占空比用于控制开关M3(第二信号105)。
仍然参考图1，输出电压控制回路110包括比较器112和脉宽调制器(PWM)114。比较器112被配置为将转换器100的输出电压Vo与基准电压进行比较。基于比较的结果，PWM114被配置为产生第一控制信号101。第一控制信号101优选为关于第一占空比D1的信息的脉宽调制信号，即第一控制信号101具有第一占空比D1的特性。此外，第一控制信号101被提供给VS控制器120的输入端。基于第一占空比D1(第一控制信号101)、电感器节点VL处的电压电平(信号103)和输出电压节点Vout处的电压电平(信号107)，VS控制器120随后确定用于由VS控制器120自身控制的第二控制信号105的第二占空比D2，或者随着第一占空比D1相应地改变第二占空比D2。
为调节输出电压Vo，或者更具体地，为使输出电压Vo从预偏置电压电平斜升，馈送到输出电压控制回路110的输入端中的基准电压通常用于引导输出电压Vo。基准电压由电压源提供，并且因此基准电压是单调增加的信号。换言之，基准电压是在电压增加时包括少的或没有下冲或过冲的信号。
为从如上所述的预偏置电压达到单调启动行为，即使在输出电压从预偏置电压开始斜升之前，也能实现对输出电压Vo的控制。所公开的本发明的一个实施例在第一占空比D1小于阈值时，使用VS控制器120控制电感器108两端的电压降和时间的乘积，并且使该乘积等于零，使得由具有第二占空比D2特性的第二控制信号105对开关M3的控制导致输出电压Vo保持在预偏置电压处。换言之，当第一占空比D1小于阈值时，第二占空比D2由VS控制器120控制。根据增加的基准电压，第一占空比D1增加。一旦第一占空比D1达到阈值，则第二占空比D2由VS控制器120虚拟地控制。在那时，用于控制开关M3的第二占空比D2根据第一占空比D1确定。更具体地，基于第一占空比D1互补地确定第二占空比D2的值，即D2＝1-D1。由此，可以从预偏置电压提供输出电压的单调启动行为。总之，第二控制信号105的第二占空比D2最初由VS控制器120控制，以便将输出电压Vo保持在预偏置电平处，直到第二占空比D2达到阈值。在第一占空比D1达到阈值的该时间点之后，第二占空比D2的控制依赖于第一占空比D1，并且输出电压Vo根据基准电压单调地斜升到预定电压电平。将参考图3中的波形描述使输出电压Vo根据基准电压单调斜升的DC到DC转换器100的细节。
图2示出根据各种实施例的VS控制器120的进一步说明。VS控制器120包括减法器202、积分器204和比较器206。减法器202耦合到电感器108的两个终端节点，即输出电压节点VO和电感器节点VL。减法器202被配置为从输出电压Vo(信号107)中减去电感器节点处的电压电平(信号103)。电压差由减法器202提供给积分器204的输入端，使得减法的结果在一时间段Ts内积分以产生积分值。在一个优选实施例中，时间段Ts是第一控制信号101的周期。更具体地，时间段Ts等于第一占空比D1的时间周期。如图2所示，积分值被提供给比较器206的输入端。比较器206的另一输入端被配置为接收纹波信号201，其中纹波信号201包括周期Ts。在每个周期开始时，纹波信号201从输出电压Vo开始，并且在周期Ts结束时转变为零。优选地，比较器206被配置为比较积分值和输出电压Vo，以便产生脉宽调制信号，即信号105。更具体地，信号105可以表示为具有第二占空比D2特性的信号。
图3示出说明对应于根据各种实施例的DC到DC转换器100的信号第一控制信号101、第二控制信号105和输出电压107的时变波形301、303、305和307的示例。波形301和303分别表示信号101和105；波形305表示电感器108两端的电压降和时间的乘积；以及波形307表示随时间改变的输出电压Vo。更具体地，在图3中，垂直虚线将波形分成两个部分320和340，其中虚线对应于第一占空比D1的阈值。
如输出电压波形307所示，在时间t＝0时，DC到DC转换器100已经被预偏置在非零电压电平(例如，2V)处。随着第一占空比D1(波形301)随时间增加，第二占空比D2(波形303)相应地改变，以确保波形305在一时间段(例如，310)内的积分值等于零。由此，输出电压Vo保持在预偏置电压电平(例如，2V)处，直到第一占空比D1(波形301)达到阈值。该阈值由VS控制器120基于电感器电压VL和输出电压Vo动态地确定。在一个优选实施例中，阈值可以被定义为输出电压Vo与电感器电压VL的比率。换言之，VS控制器120继续监测第一占空比D1。在第一占空比D1达到阈值Vo/VL之前(左侧部分320)，第二占空比D2由VS控制器120控制，使得输出电压Vo在预偏置电压电平处保持不变。
仍然参考图3，当第一占空比D1随时间增加并且超过阈值时(右侧部分340)，VS控制器120释放对第二占空比D2的控制。更具体地，第二占空比D2的值由VS控制器120基于第一占空比D1虚拟地确定，即D2＝1-D1。“虚拟地”意味着当第一占空比D1小于阈值时(320)，VS控制器120确定并控制第二占空比D2的值。然而，当第一占空比D1大于阈值时(340)，第二占空比D2的值仍然由VS控制器120控制，但是D2的值完全基于D1来确定。通过在320和340的交点处对第二占空比D2实施此选择性控制，输出电压Vo(波形307)开始随着基准电压(未示出)单调地增加到预定的电压电平。更具体地，在340处，由于第二占空比D2不再由VS控制器120控制以使输出电压Vo不变，所以电压降与时间段(波形307)的乘积的积分值不是零，并且优选地大于零。
图4示出流程图400，以说明控制根据各种实施例的DC到DC转换器100的输出电压的方法。流程图400开始于框402，以通过VS控制器120将第一占空比D1与阈值(Vo/VL)进行比较。优选地，DC到DC转换器100是降压转换器，并且转换器100已经被预偏置在非零电压电平处。
继续流程图400，流程图400提供两种可能性404和406。如果第一占空比D1小于阈值，则流程图400前进到框404；并且如果占空比D1大于阈值，则流程图400前进到框406。
在框404处，第二占空比D2由VS控制器控制，使得电感器108两端的电压降与时间段的乘积的积分值等于零。由此，DC到DC转换器100的输出电压Vo在预偏置电压电平处保持不变。
另一方面，在框406处，从VS控制器120释放对第二占空比D2的控制。第二占空比D2的值完全基于第一占空比D1(D2＝1-D1)，这意味着第二占空比D2与第一占空比D1互补地改变。更具体地，第一占空比D1由输出电压控制回路110确定。因此，输出电压Vo随基准电压单调地增加(即，没有流经电感器108的反向电流)到由用户预定义的电压电平。
上述讨论意在说明本发明的原理和各种实施例。一旦完全理解上述公开内容，则许多变化和修改对于本领域技术人员而言将变得明显。本发明旨在将所附权利要求解释为包括所有此类变化和修改。

Claims (16)

1.一种用于DC到DC转换器的电路，其包括：
第一开关，其适于串联耦合到电力变压器的初级侧；
第二开关，其适于与所述电力变压器的次级侧并联耦合；
伏秒控制器即VS控制器，其适于耦合到耦合在输出电压节点和电感器节点之间的电感器，所述电感器节点耦合到所述第二开关，其中所述VS控制器被配置为：
测量所述电感器两端的电压以获得所述电感器两端的伏秒的度量；并且
在所述第一开关的第一占空比小于阈值时，控制所述第二开关的第二占空比，以使所述电感器节点和所述输出电压节点之间的电压降在一时间段内的积分等于零；以及
输出电压控制回路，其耦合到所述VS控制器和所述第一开关，并且被配置为产生与所述第一占空比相关联的第一信号；
其中当所述VS控制器控制所述第二占空比时，所述输出电压节点处的电压电平保持在非零值处。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述时间段是所述第一信号的周期。
3.根据权利要求1所述的电路，其中所述VS控制器被配置为产生与所述第二占空比相关联的第二信号，以根据所述第二占空比控制所述第二开关交替地接通和断开。
4.根据权利要求3所述的电路，其中所述VS控制器包括减法器、积分器以及比较器，所述减法器被配置为产生等于所述输出电压节点处的电压电平与所述电感器节点处的电压电平之间的差的求减值，所述积分器耦合到所述减法器且被配置为在所述时间段内对所述求减值进行积分以产生积分值，并且所述比较器被配置为比较所述积分值和所述输出电压节点处的电压，以产生所述第二信号。
5.根据权利要求1所述的电路，其中当所述第一占空比大于所述阈值时，所述VS控制器被配置为释放对所述第二占空比的所述控制。
6.根据权利要求5所述的电路，其中当释放对所述第二占空比的所述控制时，所述第二占空比以互补的方式随着所述第一占空比改变，以使所述输出电压节点处的所述电压从所述非零值单调地斜升到预定值。
7.根据权利要求1所述的电路，其中所述阈值是所述电感器节点和所述输出电压节点之间的电压电平的比率。
8.一种用于DC到DC转换器的控制器，其包括：
输出电压控制回路，其适于耦合到输出电压节点，并且被配置为产生第一信号以控制与电力变压器的初级侧串联耦合的第一开关，所述第一信号具有第一占空比；以及
伏秒控制器即VS控制器，其适于耦合到所述输出电压控制回路，并且被配置为：测量电感器两端的电压以获得所述电感器两端的伏秒的度量，并且产生第二信号以控制与所述电力变压器的次级侧并联耦合的第二开关，所述第二信号具有第二占空比；
其中当所述第一占空比小于阈值时，所述VS控制器被配置为确定所述第二占空比以将所述输出电压节点的输出电压保持在非零值处；
其中当所述第一占空比大于所述阈值时，所述第二占空比以互补的方式基于所述第一占空比确定。
9.根据权利要求8所述的用于DC到DC转换器的控制器，其中所述电感器耦合在所述输出电压节点和电感器节点之间并且所述第二开关耦合到所述电感器节点。
10.根据权利要求9所述的用于DC到DC转换器的控制器，其中所述第二占空比由所述VS控制器确定，以使所述电感器节点和所述输出电压节点之间的电压降在一时间段内的积分等于零。
11.根据权利要求10所述的用于DC到DC转换器的控制器，其中所述时间段是所述第一信号的周期。
12.根据权利要求10所述的用于DC到DC转换器的控制器，其中所述VS控制器进一步包括减法器、积分器以及比较器，所述减法器被配置为产生等于所述输出电压节点处的电压电平与所述电感器节点处的电压电平之间的差的求减值，所述积分器耦合到所述减法器且被配置为在所述时间段内对所述求减值进行积分以产生积分值，并且所述比较器被配置为比较所述积分值和所述输出电压节点处的所述电压，以产生所述第二信号。
13.根据权利要求9所述的用于DC到DC转换器的控制器，其中所述阈值是所述电感器节点处的电压电平和所述输出电压节点处的电压电平的比率。
14.根据权利要求8所述的用于DC到DC转换器的控制器，其中当所述第二占空比由所述VS控制器确定时，所述输出电压节点处的电压电平保持在非零值处。
15.根据权利要求8所述的用于DC到DC转换器的控制器，其中当所述第一占空比大于所述阈值时，所述第二占空比等于1减去所述第一占空比，并且所述输出电压节点处的电压电平随基准电压单调地斜升到一电压电平。
16.根据权利要求15所述的用于DC到DC转换器的控制器，其中所述基准电压是所述输出电压控制回路的输入。
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