CN112054680B - 一种混合型电源转换器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种混合型电源转换器，包括：第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第一电感、第二电感、第一电容和负载电容；第一电感的一端分别与第三MOS管的漏极和输入端相连，另一端分别与第一MOS管的漏极和第二MOS管的第一端相连；第三MOS管的源极分别与第四MOS管的漏极和第一电容的一端相连；第一电容的另一端分别与第二MOS管的第二端和第二电感的一端相连；第二电感的另一端分别与负载电容的一端和输出端相连。解决了现有的混合型电源转换器的结构损耗较大导致效率较低，且不能有效地消除右半平面零点对负载瞬态响应的影响导致瞬态响应速度慢的技术问题。

Description

一种混合型电源转换器
技术领域
本申请涉及电子技术领域，尤其涉及一种混合型电源转换器。
背景技术
在传统的直流-直流(DC-DC)电源管理芯片中，电容型转换器拥有能量密度大、静态功耗低的优点，但也存在转换范围小、效率低的缺点；而电感型的转换器，可以获得较高的转换范围以及效率，但也存在不连续的输出电流导致输出电压纹波大，以及电路结构中存在的右半平面零点而导致瞬态响应差的问题；因而，大量学者通过结合上述两种转换器优点而设计出电容电感混合型开关转换器。
目前，主要的电容电感混合型开关转换器为DPUC双路混合型转换器结构，虽然DPUC结构可以通过降低电感电流从而提高转换范围，以及获得连续输出电流以降低输出电压纹波，但是该结构损耗较大导致效率较低，且不能有效地消除右半平面零点对负载瞬态响应的影响导致瞬态响应速度慢。
因此，提供一种混合型电源转换器是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本申请的目的在于提供一种混合型电源转换器，用于解决现有的混合型电源转换器的结构损耗较大导致效率较低，且不能有效地消除右半平面零点对负载瞬态响应的影响导致瞬态响应速度慢的技术问题。
有鉴于此，本申请提供了一种混合型电源转换器，包括：第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第一电感、第二电感、第一电容和负载电容；
所述第一电感的一端分别与所述第三MOS管的漏极和输入端相连，另一端分别与所述第一MOS管的漏极和所述第二MOS管的第一端相连；
所述第三MOS管的源极分别与所述第四MOS管的漏极和所述第一电容的一端相连；
所述第一电容的另一端分别与所述第二MOS管的第二端和所述第二电感的一端相连；
所述第二电感的另一端分别与所述负载电容的一端和输出端相连。
可选地，所述第一MOS管为NMOS管。
可选地，所述第二MOS管为PMOS管或NMOS管。
可选地，当所述第二MOS管为PMOS管时，
所述第二MOS管的漏极分别与所述第一电感的另一端和所述第一MOS管的漏极相连，所述所述第二MOS管的源极分别与所述第一电容的另一端和所述第二电感的一端相连。
可选地，当所述第二MOS管为NMOS管时，
所述第二MOS管的源极分别与所述第一电感的另一端和所述第一MOS管的漏极相连，所述所述第二MOS管的漏极分别与所述第一电容的另一端和所述第二电感的一端相连。
可选地，所述第三MOS管为NMOS管。
可选地，所述第四MOS管为NMOS管。
可选地，所述第一MOS管的源极、所述第四MOS管的源极和所述负载电容的另一端均接地。
本申请实施例中，提供的了一种混合型电源转换器，包括：第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第一电感、第二电感、第一电容和负载电容；第一电感的一端分别与第三MOS管的漏极和输入端相连，另一端分别与第一MOS管的漏极和第二MOS管的第一端相连；第三MOS管的源极分别与第四MOS管的漏极和第一电容的一端相连；第一电容的另一端分别与第二MOS管的第二端和第二电感的一端相连；第二电感的另一端分别与负载电容的一端和输出端相连。
本申请提供的混合型电源转换器，通过两条能量传输路径以降低电感电流，保持输出电流的连续性从而降低输出电压纹波和损耗，并且通过增加的第二电感能够进一步降低输出电压纹波的基础上，实现了软充电从而降低第一电容与负载电容之间的电荷共享损耗进而提高效率，同时消除右半平面零点对负载瞬态响应的影响，提升了瞬态响应的速度。解决现有的混合型电源转换器的结构损耗较大导致效率较低，且不能有效地消除右半平面零点对负载瞬态响应的影响导致瞬态响应速度慢的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有的一种DPUC双路混合型转换器的结构示意图；
图2a为本申请实施例提供的一种混合型电源转换器的结构一示意图；
图2b为本申请实施例提供的一种混合型电源转换器的结构二示意图；
图3为本申请实施例提供的一种混合型电源转换器的开关器件的控制时序图。
标号：S1、第一MOS管；S2、第二MOS管；S3、第三MOS管；S4、第四MOS管；L1、第一电感；L2、第二电感；CF、第一电容；Co、负载电容。
具体实施方式
本申请实施例提供了一种混合型电源转换器，解决了现有的混合型电源转换器的结构损耗较大导致效率较低，且不能有效地消除右半平面零点对负载瞬态响应的影响导致瞬态响应速度慢的技术问题。
下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
如图1所示，图1为现有的一种DPUC双路混合型转换器的结构示意图，
现有的DPUC双路混合型转换器结构有三个工作状态。状态一时，占空比为D，开关器件S1、S3、S5导通，S2、S4截止，电感L充电至VIN，电容CF从VOUT-VIN放电；状态二时，开关器件S1、S3、S5截止，S2、S4导通，电感L从VIN放电，电容CF充电至VOUT-VIN。根据电感L的伏秒平衡定律，可以得到该结构的电压转换率(Convention Ratio)
Figure BDA0002680337550000041
当占空比D大于0.5时，在状态一、二之间插入状态三。此时，开关器件S2、S3、S5导通，S1、S4截止，电感L放电，电容CF充电，从而减少电容峰值电流以降低损耗。
现有的DPUC双路混合型转换器结构通过增加一个电容，来增加一条能量传输路径，从而降低电感电流以获得较低的电感寄生电阻损耗，虽然DPUC结构可以降低电感电流以及获得连续输出电流，但是新增一条电容CF对电容CO的硬放电路径，从而增加一部分电荷共享损耗，降低了转换比；此外，该结构并不能有效地消除右半平面零点对负载瞬态响应的影响；同时，状态三的操作也增加了控制电路的复杂度以及损耗。
以下为本申请实施例提供的一种混合型电源转换器的实施例。
请参阅图2a、图2b和图3，本申请提供了一种混合型电源转换器，包括：
第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第一电感、第二电感、第一电容和负载电容；第一电感的一端分别与第三MOS管的漏极和输入端相连，另一端分别与第一MOS管的漏极和第二MOS管的第一端相连；第三MOS管的源极分别与第四MOS管的漏极和第一电容的一端相连；第一电容的另一端分别与第二MOS管的第二端和第二电感的一端相连；第二电感的另一端分别与负载电容的一端和输出端相连。
需要说明的是，由于本领域技术人员在设计混合型电源转换器用的开关器件默认为MOS管，因而本申请中的混合型电源转换中的开关器件设置为MOS管，本领域技术人员还可以将设置为三极管等开关器件。
以下为本申请一种混合型电源转换器的工作原理：
状态一，占空比为D，开关器件S1、S3导通，开关器件S2、S4截止，如图2虚线所示；此时，电感L1充电至电压VIN，电感L2充电至电压VIN+VX+VOUT，VX为节点电压；电容CF从电压VX-VIN开始放电，瞬态电流iC,dis＝iL2,meg＝iOUT，其中iC,dis为电容CF放电电流，iL2,meg为电感L2充电电流，iOUT为输出电流；状态二，占空比为1-D，开关器件S2、S4导通，开关器件S1、S3截止，如图2实线所示；此时，电感L1放电至电压VX-VIN，电感L2放电至电压VOUT-VX，电容CF充电至电压VX，瞬态电流ic,ch＝iL1,de-iL2,de＝iL1,de-iOUT，其中ic,ch为电容CF充电电流，iL2,de为电感L2放电电流，iL1,de为电感L1放电电流。
本申请的混合型电源转换器的双电感单电容的电路结构，可以实现在多个状态下工作，以改善和优化负载瞬态响应、输出电压纹波、电流驱动能力等性能。
图3为本申请实施例提供的一种混合型电源转换器的开关器件的控制时序图。
由电感L1、L2伏秒平衡定律可以得到：
D·VIN＝(1-D)·(VX-VIN)；
D·(VIN+VX-VOUT)＝(1-D)·(VOUT-VX)；
由上式可以得到电压转换率：
Figure BDA0002680337550000051
式1为现有DPUC双路混合型转换器结构的电压转换率，式2为本申请实施例提供的一种混合型电源转换器的电压转换率，通过过式1和式2可以知道，在相同占空比的情况下，本申请的混合型电源转换器有更大的转换比。
由电容CF、CO电荷平衡定律可以得到：
lL2＝IOUT；
本申请实施例提供的一种混合型电源转换器，通过两条能量传输路径以降低电感电流，保持输出电流的连续性从而降低输出电压纹波和损耗；并且通过增加的第二电感能够进一步降低输出电压纹波的基础上，实现了软充电从而降低第一电容与负载电容之间的电荷共享损耗进而提高效率，同时消除右半平面零点对负载瞬态响应的影响，提升了瞬态响应的速度。解决现有的混合型电源转换器的结构损耗较大导致效率较低，且不能有效地消除右半平面零点对负载瞬态响应的影响导致瞬态响应速度慢的技术问题。
进一步地，第一MOS管为NMOS管。
进一步地，第二MOS管为PMOS管或NMOS管。
进一步地，当第二MOS管为PMOS管时，
第二MOS管的漏极分别与第一电感的另一端和第一MOS管的漏极相连，第二MOS管的源极分别与第一电容的另一端和第二电感的一端相连。
进一步地，当第二MOS管为NMOS管时，
第二MOS管的源极分别与第一电感的另一端和第一MOS管的漏极相连，第二MOS管的漏极分别与第一电容的另一端和第二电感的一端相连。
进一步地，第三MOS管为NMOS管。
进一步地，第四MOS管为NMOS管。
进一步地，第一MOS管的源极、第四MOS管的源极和负载电容的另一端均接地。
需要说明的是，第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管的栅极均为信号的输入端，而第一MOS管的源极、第四MOS管的源极接地，负载电容的另一端也为接地设置。
本申请的混合型电源转换器，拥有更大的电压转换比；通过多个状态的控制以及电感L2组成的滤波器，可以在维持高效率、大转换范围的同时，实现低电感电流连续的输出使得输出低电压纹波，并且消除了右半平面零点从而改善和优化负载瞬态响应。
应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种混合型电源转换器，其特征在于，包括：第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第一电感、第二电感、第一电容和负载电容；
所述第一电感的一端分别与所述第三MOS管的漏极和输入端相连，另一端分别与所述第一MOS管的漏极和所述第二MOS管的第一端相连；
所述第三MOS管的源极分别与所述第四MOS管的漏极和所述第一电容的一端相连；
所述第一电容的另一端分别与所述第二MOS管的第二端和所述第二电感的一端相连；
所述第二电感的另一端分别与所述负载电容的一端和输出端相连；
所述第一MOS管的源极、所述第四MOS管的源极和所述负载电容的另一端均接地。
2.根据权利要求1所述的混合型电源转换器，其特征在于，所述第一MOS管为NMOS管。
3.根据权利要求1所述的混合型电源转换器，其特征在于，所述第二MOS管为PMOS管或NMOS管。
4.根据权利要求3所述的混合型电源转换器，其特征在于，当所述第二MOS管为PMOS管时，
所述第二MOS管的漏极分别与所述第一电感的另一端和所述第一MOS管的漏极相连，所述所述第二MOS管的源极分别与所述第一电容的另一端和所述第二电感的一端相连。
5.根据权利要求3所述的混合型电源转换器，其特征在于，当所述第二MOS管为NMOS管时，
所述第二MOS管的源极分别与所述第一电感的另一端和所述第一MOS管的漏极相连，所述所述第二MOS管的漏极分别与所述第一电容的另一端和所述第二电感的一端相连。
6.根据权利要求1所述的混合型电源转换器，其特征在于，所述第三MOS管为NMOS管。
7.根据权利要求1所述的混合型电源转换器，其特征在于，所述第四MOS管为NMOS管。
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