CN113939984B - 自偏置非隔离低功率开关调节器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种自偏置非隔离降压调节器。该调节器可包括第一输入端子和第二输入端子、耦接到该第一输入端子的高电压开关、耦接到该高电压开关的低电压开关、具有耦接到该高电压开关和该第一低电压开关的第一端子的电感器、耦接在该第一低电压开关和该第二输入端子之间的高电压整流二极管、耦接到该第一低电压开关和该高电压整流二极管的第二低电压开关、以及具有耦接到该电感器的该第一端子的第一端子和耦接到该第二低电压开关的第二端子的电容器。

Description

自偏置非隔离低功率开关调节器
相关专利申请的交叉引用
本申请要求于2019年6月6日提交的美国临时专利申请号62/858,113的权益，该申请全文以引用方式并入本文。
背景技术
物联网(IoT)是涵盖许多组相关概念的伞状术语，但本质上，这些概念共享以下特征：分布式智能、多个互连的传感器/致动器和分散控制。在实践中，IoT意味着通过结合传感器，可以使某些空间、环境或物体变得“智能”，这些传感器可以进行通信，以使它们的行为变得智能。所有这些新技术都需要电源：可在具有数十或数百个智能传感器节点的智能家庭或智能办公室中使用的高效、低待机消耗的AC/DC电源。在不期望用户触及电气部件的许多情况下，这些电源不需要安全隔离。在这些情况下，传感器节点可受益于低成本非隔离电源解决方案。
非隔离反激转换器可用于生成低功率低电压的电源。使用单独的辅助绕组来产生为转换器本身的控制电路供电的偏置电压。然而，与单电感降压转换器相比，多绕组反激变压器的成本使其处于劣势。已开发出了许多简单的自偏置电压调节器，这些自偏置电压调节器使用降压转换器拓扑结构并且能够从通用AC线路输入端生成低输出电压。
图1示出了现有技术的自偏置非隔离降压调节器，该自偏置非隔离降压调节器从输入源101接收输入电源电压VIN并在负载106处将该输入电源电压转换为低输出电压VO。该调节器包括：接收栅极驱动信号G1的高端高电压开关102、高电压整流二极管103、电感器104、输出滤波电容器105。该调节器还包括自举二极管107和飞跨电容器108，以导出用于驱动开关102的偏置电压VBOOT。
图1的该调节器存在某些缺点。自举二极管107需要高电压(～600V)超快二极管，这影响调节器的成本。最小可实现输出电压由开关102的栅极电压要求决定。因此，用图1的调节器可能无法实现应用中通常所需的3.3V或5V的输出电压。另一个限制是开关102的由高降压比率VO/VIN决定的短导通时间，因此开关102中的峰值电流难以控制。后一种限制影响调节器的最大可实现开关频率，并且因此影响电感器104的尺寸和成本。
图2中示出了对输出电压没有上述限制并且不需要高电压自举二极管的现有技术的自偏置调节器。该调节器还包括接收栅极驱动信号G1的低电压开关109。图1的高电压自举二极管107已被替换为低电压自举二极管110。
图3描绘了示出图2的调节器的操作的电压和电流波形。电感器104中的电流IL由波形201给出。波形200示出了自举二极管110中的电流。栅极驱动信号G1和G2分别由波形202和203表示。为了在电容器108处提供自举电压VBOOT，G2的后缘相对于G1被延迟，从而在开关109断开时保持开关102导通。因此，电流IL穿过二极管110，将电容器108充电至期望的电压电平VBOOT。在该操作模式下，开关102的栅极电压暴露于大约2倍VBOOT的电压电平，这对生成G2的控制电路的成本和复杂性产生负面影响。图2的调节器仍然受到与开关102和109的短导通时间以及控制这些开关中的峰值电流的难度相关的限制。
因此，需要一种自偏置非隔离调节器，该自偏置非隔离调节器能够在来自通用AC线路电压的高开关频率下有效地操作，并且递送不限于所需自举电压的低输出电压。
发明内容
根据一个或多个示例性实施方案的一个方面，提供了一种自偏置非隔离降压调节器，该自偏置非隔离降压调节器可包括：高电压开关；低电压开关，该低电压开关耦接到高电压开关；电感器，该电感器具有耦接到高电压开关和低电压开关的第一端子；高电压整流二极管，该高电压整流二极管耦接在低电压开关和接地之间；低电压二极管，该低电压二极管具有阳极和阴极，其中该阳极耦接到低电压开关和高电压整流二极管；以及电容器，该电容器具有耦接到电感器的第一端子的第一端子和耦接到低电压二极管的阴极的第二端子。
高电压开关和低电压开关可以是场效应晶体管(FET)，并且高电压源的源极端子可以耦接到低电压开关的源极端子。高电压开关和低电压开关的源极端子可耦接到电感器的第一端子。低电压开关的漏极端子可耦接到高电压整流二极管和低电压二极管的阳极。低电压开关可被配置为去激活以促进通过低电压二极管的交流电流路径。调节器还可包括比较器，该比较器被配置为监测低电压开关两端的电压降，从而感测低电压开关中的电流。高电压开关还可被配置为一旦低电压开关中的电流基本上达到零就被激活。
根据一个或多个示例性实施方案，调节器还可包括电流感测元件，该电流感测元件被配置为感测低电压开关中的电流。调节器还可包括第一比较器和第二比较器，该第一比较器被配置为将电流感测元件的输出和最小阈值电流进行比较，该第二比较器被配置为将低电压开关处的电压和电容器处的电压进行比较。调节器还可包括PWM锁存器，该PWM锁存器耦接到低电压开关、第一比较器和第二比较器。PWM锁存器可被配置为基于第一比较器的指示电流感测元件的输出小于最小阈值电流的输出来断开低电压开关。PWM锁存器可被配置为基于第二比较器的指示低电压开关处的电压小于电容器处的电压的输出来重新激活低电压开关。
根据一个或多个示例性实施方案，调节器可包括比较器，该比较器被配置为监测电流感测元件的输出。调节器还可包括PWM锁存器，该PWM锁存器耦接到比较器和高电压开关的输出端。PWM锁存器被配置为基于比较器的指示低电压开关中的电流基本上为零的输出来接通高电压开关。
根据一个或多个示例性实施方案，调节器还可包括比较器，该比较器被配置为将来自电流感测元件的输出与最大阈值电流进行比较。调节器还可包括：保护锁存器，该保护锁存器耦接到比较器的输出端；和延迟定时器，该延迟定时器具有耦接到比较器的输出端的输入端和耦接到保护锁存器的输出端。保护锁存器可被配置为基于比较器的指示低电压开关中的电流大于最大阈值电流的输出来抑制栅极驱动信号接通高电压开关。保护锁存器可被配置为使得栅极驱动信号能够基于延迟定时器的输出来接通高电压开关。
根据一个或多个示例性实施方案的一个方面，提供了自偏置非隔离降压调节器，该自偏置非隔离降压调节器可包括：集成电路，该集成电路被配置为接收输入电压；高电压整流二极管，该高电压整流二极管耦接在集成电路和接地之间；电感器，该电感器耦接到集成电路的输出引脚；以及电容器，该电容器具有耦接到集成电路的第一端子和耦接到电感器的第二端子。集成电路可包括：高电压开关，该高电压开关耦接到输入电压；低电压开关，该低电压开关具有耦接到高电压开关和电感器的源极端子和耦接到高电压整流二极管的漏极端子；低电压二极管，该低电压二极管具有阳极和阴极，所述阳极耦接到低电压开关的漏极端子和高电压整流二极管，并且所述阴极耦接到电容器的第一端子；以及电流源，该电流源耦接在输入电压和电容器的第一端子之间，并且所述电流源被配置为对电容器进行初始充电。调节器还可包括电阻器，该电阻器耦接到集成电路的输入引脚以用于感测集成电路的输出引脚处的峰值电压电位和平均电压电位中的至少一者。
附图说明
图1示出了根据现有技术的自偏置非隔离降压调节器。
图2示出了根据现有技术的另一种自偏置非隔离降压调节器。
图3示出了展现图2的调节器的操作的电压和电流波形。
图4示出了根据示例性实施方案的自偏置非隔离降压调节器。
图5示出了展现图4的示例性调节器的操作的示例性电压和电流波形。
图6示出了根据另一个示例性实施方案的自偏置非隔离降压调节器。
图7示出了根据另一个示例性实施方案的以边界导通模式操作的自偏置非隔离降压调节器。
图8示出了展现图7的示例性调节器的操作的示例性电压和电流波形。
图9示出了根据又一个示例性实施方案的自偏置非隔离降压调节器。
图10示出了根据又一个示例性实施方案的自偏置非隔离降压调节器。
具体实施方式
现在将详细参考在附图中示出的以下示例性实施方案，其中相同的附图标号始终表示相同的元件。示例性实施方案可能以各种形式实施，而不限于本文阐述的示例性实施方案。为了清楚起见，省略了对众所周知的部分的描述。
图4示出了根据一个示例性实施方案的自偏置非隔离降压调节器，该自偏置非隔离降压调节器从输入源101接收输入电源电压VIN并在负载106处将该输入电源电压转换为低输出电压VO。该调节器还可包括：接收栅极驱动信号G1的高端高电压开关102、高电压整流二极管103、电感器104以及输出滤波电容器105。该调节器还可包括接收栅极驱动信号G5的低电压开关112、低电压二极管113和飞跨电容器108，以导出用于驱动开关102和112的偏置电压VBOOT。另选地，低电压二极管113可用低电压开关替换。
如图4所示，高电压开关102的漏极端子耦接到输入源101，并且高电压开关102的源极端子耦接到低电压开关112的源极端子。高电压开关102和低电压开关112的源极端子耦接到电感器104。高电压整流二极管103的阴极耦接到低电压二极管113的阳极，这二者均耦接到低电压开关112的漏极端子。高电压整流二极管103的阳极耦接到输入源101的回路。低电压二极管113的阴极耦接到飞跨电容器108的一个端子，并且飞跨电容器108的另一个端子耦接到高电压开关102和低电压开关112的源极端子以及电感器104。输出电容器105耦接到电感器104的输出端，并且与负载106并联。
图5描绘了示出图4的示例性调节器的操作的电压和电流波形。电感器104中的电流IL由波形302给出。波形300展现了低电压二极管113中的电流ID。低电压开关112中的电流ISR由波形301给出。栅极驱动信号G1和G5分别由波形303和304表示。栅极驱动信号G5连续(或者，至少在整流二极管103的导通时间的持续时间内)接通低电压开关112，在接近结束时根据供应VBOOT所需短暂中断。在G5中的这些中断期间，电流IL经由二极管113转移到电容器108中。由于此时电感器104中的电流接近零，低电压二极管113的峰值电流应力可显著减小。
图6示出了根据另一个示例性实施方案的调节器，该调节器可包括电流感测元件120、第一比较器141、第二比较器142和用于生成栅极驱动信号G5的PWM锁存器140。如图6所示，PWM锁存器140可包括置位(S)输入端和复位(R)输入端，并且可输出驱动低电压开关112的栅极驱动信号G5。第一比较器141和第二比较器142的输出端分别耦接到PWM锁存器140的R输入端和S输入端。第一比较器141的反相端子接收电流感测元件120的输出，并且第一比较器141的非反相端子接收最小阈值电流“min”。第二比较器142的反相端子耦接到低电压开关112的漏极端子，并且第二比较器142的非反相端子耦接到飞跨电容器108。在操作中，当第一比较器141检测到电流ISR降至阈值“min”以下时，PWM锁存器140将低电压开关112断开。当第二比较器142检测到低电压开关112的漏极端子处的电压低于VBOOT时，PWM锁存器140重新激活该低电压开关。
图7示出了根据另一个示例性实施方案的调节器，该调节器以边界导通模式(BCM)操作并且还可包括电流感测元件120、比较器131和用于生成栅极驱动信号G1的PWM锁存器130。如图7所示，PWM锁存器130可包括置位(S)输入端和复位(R)输入端，并且可输出驱动高电压开关102的栅极驱动信号G1。PWM锁存器130的R输入端可耦接到周期性脉冲信号，并且PWM锁存器130的S输入端可耦接到比较器131的输出端。比较器131的非反相端子可耦接到高电压开关102的源极端子，并且比较器131的反相输入端可耦接到电流感测元件120的输出端。在操作中，当比较器131检测到电流ISR基本上达到零时，PWM锁存器130将高电压开关102接通。
图8描绘了示出图7的示例性调节器的操作的电压和电流波形。电感器104中的电流IL由波形302给出。波形300展现了低电压二极管113中的电流ID。低电压开关112中的电流ISR由波形301给出。栅极驱动信号G1和G5分别由波形303和304表示。
图9示出了根据又一个示例性实施方案的调节器，该调节器还可包括电流感测元件120、比较器133、延迟定时器134、保护锁存器132以及用于保护调节器免受过电流影响的栅极135。比较器133的反相输入端耦接到电流感测元件120的输出端，并且比较器133的非反相输入端耦接到最大阈值电压。比较器133的输出端耦接到延迟定时器134和保护锁存器132的复位(R)输入端。延迟定时器134的输出端耦接到保护锁存器132的置位(S)输入端。保护锁存器132的输出端耦接到栅极135的一个输入端子。栅极135的另一个输入端子耦接到栅极驱动信号G1。栅极135的输出端耦接到低电压开关102的栅极端子。在操作中，当比较器133检测到电流感测120信号超过阈值电平“max”时，保护锁存器132经由栅极135抑制低电压开关102的栅极驱动信号G1。保护锁存器132在延迟时间之后重新尝试启用栅极驱动信号G1，该延迟时间基于延迟定时器134的输出。
图10描绘了根据又一个示例性实施方案的调节器，该调节器可包括集成电路(IC)500。该集成电路具有：输入引脚VIN，该输入引脚VIN用于从输入源101接收输入电压VIN；输出引脚RTN，该输出引脚RTN用于使电感器104通电；VDD引脚，该VDD引脚用于供应内部偏置电压以生成分别用于控制高电压开关102和低电压开关112的栅极驱动信号G1和栅极驱动信号G5；以及DIO引脚，该DIO引脚用于将高电压整流二极管103耦接到低电压开关112和低电压二极管113。另选地，低电压二极管113可用低电压开关替换。IC 500还可包括电流源121，该电流源用于以电流ISTART对飞跨电容器108进行初始充电。IC 500还可包括输入引脚FB，该输入引脚FB用于经由电阻器120感测RTN处的峰值电压电位和/或平均电压电位。
尽管已经相对于本公开的示例性实施方案描述和示出了本公开的发明构思，但本公开不限于本文公开的示例性实施方案，并且可以在不脱离本发明构思的范围的情况下进行修改。

Claims (21)

1.一种调节器，所述调节器包括：
第一输入端子和第二输入端子，所述第一输入端子和所述第二输入端子用于接收输入电压；
高电压开关，所述高电压开关的第一端耦接到所述第一输入端子；
第一低电压开关，所述第一低电压开关的第二端耦接到所述高电压开关的第二端；
电感器，所述电感器具有耦接到所述高电压开关的第二端和所述第一低电压开关的第二端的第一端子；
高电压整流二极管，所述高电压整流二极管的阴极耦接到所述低电压开关的第一端且阳极耦接到所述第二输入端子；
第二低电压开关，所述第二低电压开关的第一端耦接到所述第一低电压开关的第一端和所述高电压整流二极管的阴极；和
电容器，所述电容器具有耦接到所述电感器的所述第一端子的第一端子和耦接到所述第二低电压开关的第二端的第二端子。
2.根据权利要求1所述的调节器，其中所述第二低电压开关是具有阳极和阴极的低电压二极管，其中所述低电压二极管的所述阳极耦接到所述第一低电压开关，并且其中所述低电压二极管的所述阴极耦接到所述电容器的所述第二端子。
3.根据权利要求1所述的调节器，其中所述高电压开关和所述第一低电压开关是场效应晶体管(FET)；
其中所述高电压开关的源极端子耦接到所述第一低电压开关的源极端子；并且
其中所述高电压开关和所述低电压开关的所述源极端子耦接到所述电感器的所述第一端子。
4.根据权利要求3所述的调节器，其中所述第一低电压开关的漏极端子耦接到所述高电压整流二极管和所述第二低电压开关。
5.根据权利要求1所述的调节器，其中所述第一低电压开关被配置为去激活以促进通过所述第二低电压开关的交流电流路径。
6.根据权利要求1所述的调节器，还包括电流感测元件，所述电流感测元件被配置为感测所述第一低电压开关中的电流。
7.根据权利要求1所述的调节器，还包括比较器，所述比较器被配置为监测所述第一低电压开关两端的电压降，从而感测所述第一低电压开关中的电流。
8.根据权利要求1所述的调节器，其中所述高电压开关被配置为一旦所述第一低电压开关中的电流基本上达到零就被激活。
9.根据权利要求6所述的调节器，还包括：
第一比较器，所述第一比较器被配置为将所述电流感测元件的输出与最小阈值电平进行比较。
10.根据权利要求1所述的调节器，还包括：
第二比较器，所述第二比较器被配置为将所述第一低电压开关处的电压与所述电容器处的电压进行比较。
11.根据权利要求9所述的调节器，还包括：
PWM锁存器，所述PWM锁存器耦接到所述第一低电压开关和所述第一比较器，
其中所述PWM锁存器被配置为基于所述第一比较器的指示所述电流感测元件的所述输出小于所述最小阈值电平的输出来断开所述第一低电压开关。
12.根据权利要求10所述的调节器，还包括：PWM锁存器，所述PWM锁存器耦接到所述第一低电压开关和所述第二比较器，其中所述PWM锁存器被配置为基于所述第二比较器的指示所述低电压开关处的所述电压小于所述电容器处的所述电压的输出来激活所述低电压开关。
13.根据权利要求6所述的调节器，还包括比较器，所述比较器被配置为将所述电流感测元件的输出与基本上为零的阈值电平进行比较。
14.根据权利要求13所述的调节器，还包括PWM锁存器，所述PWM锁存器耦接到所述比较器和所述高电压开关；
其中所述PWM锁存器被配置为基于所述比较器的指示所述低电压开关中的所述电流基本上为零的输出来接通所述高电压开关。
15.根据权利要求6所述的调节器，还包括比较器，所述比较器被配置为将来自所述电流感测元件的输出与最大阈值电平进行比较。
16.根据权利要求15所述的调节器，还包括：
保护锁存器，所述保护锁存器耦接到所述比较器的输出端；
其中所述保护锁存器被配置为基于所述比较器的指示所述电流感测元件的所述输出中的所述电流大于所述最大阈值电平的输出来抑制栅极驱动信号接通所述高电压开关。
17.根据权利要求16所述的调节器，还包括：
延迟定时器，所述延迟定时器具有耦接到所述比较器的所述输出端的输入端和耦接到所述保护锁存器的输出端；
其中所述保护锁存器被配置为使得所述栅极驱动信号能够基于所述延迟定时器的输出来接通所述高电压开关。
18.一种调节器，所述调节器包括：
第一输入端子和第二输入端子，所述第一输入端子和所述第二输入端子用于接收输入电压；
集成电路，所述集成电路的输入引脚耦接到所述第一输入端子；
高电压整流二极管，所述高电压整流二极管的阴极耦接到所述集成电路的DIO引脚且阳极耦接到所述第二输入端子；
电感器，所述电感器的第一端子耦接到所述集成电路的输出引脚；和
电容器，所述电容器具有第一端子和第二端子，所述电容器的第一端子耦接到所述电感器的第一端子，所述电容器的第二端子耦接到所述集成电路的VDD引脚；
其中所述集成电路包括：
高电压开关，所述高电压开关的第一端耦接到所述第一输入端子；
第一低电压开关，所述第一低电压开关具有耦接到所述高电压开关的第二端和所述电感器的第一端子的源极端子以及耦接到所述高电压整流二极管的阴极的漏极端子；和
第二低电压开关，所述第二低电压开关的第一端耦接到所述第一低电压开关的所述漏极端子，所述第二低电压开关的第二端耦接到所述电容器的所述第二端子。
19.根据权利要求18所述的调节器，其中所述第二低电压开关是具有阳极和阴极的低电压二极管，其中所述低电压二极管的所述阳极耦接到所述第一低电压开关，并且其中所述低电压二极管的所述阴极耦接到所述电容器的所述第二端子。
20.根据权利要求18所述的调节器，还包括电流源，所述电流源耦接在所述第一输入端子和所述电容器的所述第二端子之间，所述电流源被配置为对所述电容器进行初始充电。
21.根据权利要求18所述的调节器，还包括电阻器，所述电阻器耦接到所述集成电路的输入引脚以用于感测所述集成电路的所述输出引脚处的峰值电压电位和平均电压电位中的至少一者。
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