CN1274984A - 具有单个电感器的多输出补偿变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明用单个电感,单个脉宽调制器集成电路,两个MOSFET再加上一个附加的MOSFET以及用于每个电压输出的电容提供了一种廉价的多输出补偿变换器。

Description

具有单个电感器的多输出补偿变换器
本申请要求享有作为本申请参考资料的1999年5月6日提交的U.S.Provisional Patent Application 60/132,820的权益。
本发明一般涉及到补偿变换器，具体涉及到用于桌面和便携计算机的DC-DC变换器。
以往之所以使用采用补偿布局的无隔离降压直流变换器是因为它的磁路仅仅包括一个电感器并且没有变压器。使用尽量简单的磁路是重要的，因为磁路的费用会随着增加了额外的线圈而急剧上升。不仅是制造费用，测试费用也会造成费用的增加。进而，更复杂的磁路会增加结构误差的可能性，这些都会造成变换器的故障。然而，这些补偿变换器仅仅能够产生一种输出电压。如果需要一个以上的输出电压，就需要在补偿变换器的输出端有一个线性调节器，或者是在第一变换器的输出端有一个第二补偿变换器，或者是有一个并联的补偿变换器。采用线性调节器尽管费用低但是效率很差，并且伴随有发热的问题。使用第二补偿变换器或是并联的补偿变换器都要增加一或多个完整的变换器及其所有的附加磁路，控制器集成电路等等。进而，两个频率变换器串联连接会使系统的效率降低一半。
许多系统的操作需要多个低压电源总线。具体地说，计算机母板就需要3.3伏和2.0伏电压下的大电流。用来产生这两种电压的惯用方案是每一个输出使用一个独立的补偿变换器。每个变换器包括一个控制集成电路，两个MOSFET(用于同步变换)，一个电感，一或多个输出电容，以及许多小的信号元件。这些零件特别是电感会使电源变换的费用很高。迫切需要一种简单和廉价的解决方案。
本发明提供一种廉价的多输出补偿变换器，使用单个电感，单个脉宽调制器集成电路，两个MOSFET加上一个附加的MOSFET，以及用于每个电压输出的一或多个电容。
本发明进一步提供了一种廉价的多输出补偿变换器，它不需要为每一个输出提供一个电感，一个脉宽调制器集成电路，以及两个MOSFET再加上一个MOSFET。
本发明进一步提供了一种多输出补偿变换器，可供在需要从单个高电压输入获得多个输出电压输出的场合使用。
本发明进而还提供了一种单一的单线圈电感，用来产生多个补偿输出，形成各自具有输出调节器的一个单一的多输出补偿变换器。
本领域的技术人员通过阅读以下结合附图的详细说明就可以看出本发明的上述和其他优点。
图1是本发明中采用双输出结构的一种基本的多输出补偿变换器；
图2是本发明中采用双输出结构的一种多输出补偿变换器；
图3是本发明的一种简化的双输出补偿变换器，用来说明变换器的控制和操作；
图4是图3的补偿变换器，表示第一种状态下的操作元件；
图5是图3的补偿变换器，表示第二种状态下的操作元件；
图6是图3的补偿变换器，表示第三种状态下的操作元件；
图7是一个开关模拟图，表示本发明的补偿变换器的一个输出；以及
图8是本发明的补偿变换器的另一个输出。
参见图1，图中表示了本发明中采用双输出结构的一种基本的多输出单电感补偿变换器10。变换器10的输入12连接到一个输入MOSFET 14，后者又连接到一个控制MOSFET 16和一个电感18。
MOSFET 16连接到地20，而电感18连接到第一MOSFET 22。MOSFET 22通过一个电荷存储器件例如是电容24连接到地20。MOSFET 22进而再连接到第一电压输出28。MOSFET 22的栅极连接到一个脉宽调制器26，后者又连接到MOSFET14和16的栅极。
为了获得第二输出电压，在电感18和MOSFET 22之间连接一个第二MOSFET 30。MOSFET 30通过一个电容32连接到地20并且连接到第二电压输出36。第二电压输出36连接到一个用来控制MOSFET 30的脉宽调制器34。尽管在图中表示了不同的脉宽调制器，本领域的技术人员都知道它们可以是单个半导体芯片上的一个集成电路。
参见图2，在图中表示了本发明中采用双输出结构的一种多输出，单电感的补偿变换器50。补偿变换器50的电压输入52连接到一个输入MOSFET 54。MOSFET54连接到一个控制MOSFET 56，后者连接到地58。MOSFET 54和56被连接到一个电感60，电感连接到具有一个二极管63的第一MOSFET 62，二极管再通过第一电容64连接到地58。MOSFET 62进一步连接到一个脉宽调制器66，调制器连接到MOSFET 54和56的栅极。第一MOSFET 62的输出进一步连接到第一电压输出68。
为了获得第二输出，将电感60连接到具有一个体二极管69的第二MOSFET70，并且将它的输出通过第二电容72连接到地58，同时连接到第二电压输出74。第二电压输出74连接到一个脉宽调制器71，调制器连接到MOSFET 70栅极。
参见图3，图中表示了一种双输出，单电感的补偿变换器100的简化示意图。电压输入110连接到一个输入MOSFET 112，它通过一个二极管114连接到地116。MOSFET 112进一步连接到一个电感118，电感连接到一个二极管120，二极管120通过一个电容122连接到地116，并且连接到第一电压输出124。
为了获得第二输出，将电感118连接到一个MOSFET 126，它通过一个电容128连接到地116，并且连接到第二电压输出132。第二电压输出132连接到一个脉宽调制器130，调制器连接到MOSFET 112和126的栅极。这样构成的补偿变换器100可以从第一电压输出124提供比第二电压输出132更高的电压输出。
参见图4，图中表示了补偿变换器100在第一状态I下的工作部件。图4与图3中采用了相同的编号。这样，在图中表示的有电压输入110，MOSFET 112，电感118，二极管120，和第一电压输出124。
参见图5，图中表示了第二工作状态下的补偿变换器100。采用与图3相同的编号，并且包括连接到地116的二极管114，电感118，二极管120，和第一电压输出124。
参见图6，图中表示了第三工作状态下的补偿变换器100。采用与图3相同的编号，并且包括连接到地116的二极管114，电感118，MOSFET 126，和第二电压输出132。
参见图7，在图中用二伏输出波形150表示一种开关模拟图。
参见图8，在图中用三伏输出波形152表示一种开关模拟图。
在工作中，多输出补偿变换器10，50和100正常工作，单输入补偿变换器用于一个电压输出。
在图1的结构中，脉宽调制器26按照确定的占空比切换MOSFET 14和16导通和关断，完成同步整流。MOSFET 16按照单向开关的方式工作，维持通过电感18的电流。电感18的输入在假定的瞬时具有连续的电流，它根据设在电感18和输出电容24和32之间的MOSFET 22和30的状态流入各个输出电容24和32。第一电压输出28用MOSFET 22控制从电感18流向输出电容24的电流。第二电压输出36用脉宽调制器26和MOSFET 30控制从电感18流向输出电容32的电流。
补偿变换器10的动作如下。首先，MOSFET 22导通，让电感电流流到第一电压输出28。然后关断MOSFET 22，并且导通MOSFET 30，让电流在脉宽调制器34的控制下流到第二电压输出36。
对于图2的结构，脉宽调制器66按照确定的占空比切换MOSFET 54和56导通和关断，完成同步整流。MOSFET 56按照单向开关的方式工作，维持通过电感60的电流。电感60的输入在假定的瞬时具有连续的电流，它根据设在电感60和输出电容64和72之间的MOSFET 62和70的状态流入各个输出电容64和72。第一电压输出68具有比较高的电压。这一高电压输出68用MOSFET 62控制从电感60流向输出电容64的电流。当MOSFET 62导通时，电流流到输出68。当MOSFET 62关断时，电感电流不会流到第一电压输出68，除非电感节点上的电压高于输出电压68加上MOSFET 62内部的体二极管63的电压降。
补偿变换器50的动作如下。首先，用脉宽调制器66使MOSFET 62导通，让电流流到输出68。然后关断MOSFET 62，并且MOSFET 62中的二极管63导通。然后导通连接在第二电压输出74上的MOSFET 70，并且将电感60的电流从第一电压输出68变换到第二电压输出74。用脉宽调制器71关断MOSFET 70，完成一个循环。
MOSFET 54和56的前端通过控制占空比来控制第一电压输出68。MOSFET70通过控制导通时间来控制第二电压输出74。由于二极管的电压降，在控制第二电压输出74时不需要的电流都被变换到第一电压输出68。
首先需要注意的是，由于增加了附加的MOSFET，可以涉及成单个控制电路来控制多个输出，每一个附加的输出仅仅增加一个附加的MOSFET。第二，仅仅使用了一个单一的单线圈电感。第三，由于辅助的MOSFET是由一个电流源供电的，效率可以比得上多个变换器，甚至更好。
按照第一种变更模式，带二极管的MOSFET例如是MOSFET 62和70可以采用独立的Schottky二极管与其体二极管相并联，避免反向恢复时间的问题。
按照第二种变更模式，可以用一个p-沟道MOSFET和一个二极管代替图中所示的n-沟道MOSFET62。
按照第三种变更模式，用附加的MOSFET和电容还可以产生附加的输出，就象MOSFET 70和电容72那样。
按照第四种变更模式，输入变换器不需要是同步的。
按照第五种变更模式，输出电压切换与前端的MOSFET可以是同步的，也可以是异步的。
图3是本发明的一种简化的双输出补偿变换器100，用来说明变换器的控制和操作。
在图4的第一状态下，MOSFET 112导通，MOSFET 126关断。在这一状态I下，进入输入端110的电压通过MOSFET 112进入电感118，通过二极管120到输出124。
在图5的第二状态下，MOSFET 112关断，MOSFET 126导通。在这一状态IIA下，二极管114维持电流通过电感118经由二极管120到输出124。
在图6所示的第三状态IIB下，MOSFET 112关断，MOSFET 126导通。这样就断开了二极管120，并且变成了使二极管114变成了一个单向开关的结构，以便维持通过电感118并且经由MOSFET 126到达输出132的电流。
各个脉宽调制器的占空比是根据上述的状态和电感118上平衡的电压-时间特性(volt-seconds)来计算的。假设MOSFET和电感118都没有电阻，并且二极管120具有与电流无关的正向电压Vf：
    [Vin-(VoutI+Vf)]tI＝(VoutI+2Vf)tIIA+(VoutII+Vf)tIIB        公式1
其中：
Vin＝输入电压；
VoutI＝第一电压输出；
VoutII＝第二电压输出；
Vf＝二极管正向电压；
VoutII＝第二电压输出；
tI＝状态I的导通时间
tIIA＝状态IIA的导通时间；
tIIB＝状态IIB的导通时间；
第二公式表明整个一个周期T中共有三种状态。
      tI+tIIA+tIIB＝T                       公式2
公式3的依据是流到VoutI或是VoutII的电感电流；如果电感很大，电感的电流在一定周期内是不变的，因此，每个输出接收到的平均电流取决于开始时间。
保存电荷：
tIIB *IL＝III *T；(tI+tIIA)IL＝IIT             公式3
其中：
IL＝电感电流；
II＝Vout(I)的DC输出电流；
III＝Vout(II)的DC输出电流；
按以下方式变换公式3：
Figure A0011817100111
Figure A0011817100112
    tI+tIIA＝T-tIIB             公式6
Figure A0011817100114
Figure A0011817100115
由此产生的公式是：
其中的DCIIB＝状态IIB的占空比
这一公式可以被用来从公式1和2中消掉tIIB：
Figure A0011817100117
公式12的解是：
将其代入公式11：
Figure A0011817100122
占空比的解是：
应该注意到，随着III接近0(零)，DCIIB接近0，而DCI接近单输出补偿变换器的正常占空比：
Figure A0011817100124
这是单输出补偿变换器的正常占空比。
当Vf接近0(零)时会获得另一个值得注意的限制：
Figure A0011817100125
以上是用于单输出补偿变换器的下述公式的广义化的概念：
Figure A0011817100126
本发明的多输出补偿变换器的占空比是将其输出电流的占空比除以总的输出电流，或者是：
Figure A0011817100127
而占空比应该是：
Figure A0011817100131
按照分别用于二伏和三伏的图7和8，可以获得稳定的输出电压。
尽管本发明是结合着具体的最佳模式来描述的，本领域的技术人员从上述的原理中显然还可以得到许多变更，修改和变形。因此，所有的这些变更，修改和变形都应该被认为是处在权利要求书的精神和范围之内。上文中所有的说明或是附图中表示的内容都应该被解释成是示意性的而并不构成限制。

Claims (21)

1.一种补偿变换器包括：
一个电压输入；
第一电压输出；
第二电压输出；
单个的电感；
连接到电压输入上的输入开关装置，用于控制第一电压输入连接到单个电感上的时间；
连接在输入开关装置和单个电感之间的单向开关装置，用于维持通过单个电感的电流；
连接到单个电感和第一电压输出端的第一电压输出电路；
连接到输入开关装置，第一电压输出电路，以及第二电压输出端上的脉宽调制器；以及
连接到单个电感和第二电压输出端的第二电压输出电路，上述第二电压输出电路连接到脉宽调制器。
2.按照权利要求1的补偿变换器，其特征是第一电压输出电路包括：
连接到脉宽调制器上的第一开关装置，用于控制单个电感连接到第一电压输出端的时间；以及
连接在第一开关装置和第一电压输出端之间的第一电荷存储装置，用于存储二者之间的电荷。
3.按照权利要求1的补偿变换器，其特征是第二电压输出电路包括：
连接在单个电感和第二电压输出端之间的第二电荷存储装置，用于存储二者之间的电荷；以及
设在单个电感和第二电荷存储装置之间的第二单向开关装置，用于维持第二电荷存储装置上的电荷。
4.按照权利要求1的补偿变换器，其特征是第二电压输出电路包括：
第二脉宽调制器；
连接到第二脉宽调制器上的第二开关装置，用于控制单个电感连接到第二电压输出端上的时间；以及
连接在第二开关装置和第二电压输出端之间的第二电荷存储装置，用于控制二者之间的电荷。
5.按照权利要求4的补偿变换器，其特征是：
第一电压输出电路包括：
连接到脉宽调制器上的第一开关装置，用于控制单个电感连接到第一电压输出端上的时间，
第一开关装置包括第一单向开关装置，用于使电流通过第一开关装置；并且
第二开关装置包括第二单向开关装置，用于使电流通过第二开关装置。
6.按照权利要求1的补偿变换器，其特征是脉宽调制器使得输入开关装置与第一电压输出电路同步地工作。
7.按照权利要求1的补偿变换器，其特征是脉宽调制器使得输入开关装置与第一电压输出电路异步地工作。
8.一种补偿变换器包括：
一个电压输入；
第一电压输出；
第二电压输出；
单个的电感；
连接到电压输入上的输入晶体管，用于控制第一电压输入连接到单个电感上的时间；
连接在输入晶体管和单个电感之间的二极管，用于控制通过单个电感的电流；
连接到单个电感和第一电压输出端的第一电压输出电路；
连接到输入晶体管，第一电压输出电路，以及第二电压输出端上的脉宽调制器；以及
连接到单个电感和第二电压输出端的第二电压输出电路，上述第二电压输出电路连接到脉宽调制器。
9.按照权利要求8的补偿变换器，其特征是第一电压输出电路包括：
连接到脉宽调制器上的第一晶体管，用于控制单个电感连接到第一电压输出端的时间；以及
连接在第一晶体管和第一电压输出端之间的第一电荷存储装置，用于存储二者之间的电荷。
10.按照权利要求8的补偿变换器，其特征是第二电压输出电路包括：
连接在单个电感和第二电压输出端之间的第二电容，用于存储二者之间的电荷；以及
设在单个电感和第二电容之间的第二二极管，用于控制第二电容上的电荷。
11.按照权利要求8的补偿变换器，其特征是第二电压输出电路包括：
第二脉宽调制器；
连接到第二脉宽调制器上的第二晶体管，用于控制单个电感连接到第二电压输出端上的时间；以及
连接在第二晶体管和第二电压输出端之间的第二电容，用于控制二者之间的电荷。
12.按照权利要求11的补偿变换器，其特征是：
第一电压输出电路包括：
连接到脉宽调制器上的第一晶体管，用于控制单个电感连接到第一电压输出端上的时间，
第一晶体管包括第一二极管，用于控制通过第一晶体管的电流；并且
第二晶体管包括第二二极管，用于控制通过第二晶体管的电流。
13.按照权利要求8的补偿变换器，其特征是脉宽调制器使得输入晶体管与第一电压输出电路同步地工作。
14.按照权利要求8的补偿变换器，其特征是脉宽调制器使得输入晶体管与第一电压输出电路异步地工作。
15.一种补偿变换器包括：
一个电压输入；
第一电压输出；
一个地；
第二电压输出；
单个的电感；
连接到电压输入上的输入MOSFET，用于控制第一电压输入连接到单个电感上的时间；
连接到输入MOSFET和第二电压输出端上的一个脉宽调制器；
连接在输入MOSFET和单个电感之间的单向开关装置，将单向开关装置连接到地，用于维持通过单个电感的电流；
连接到单个电感，第一电压输出端并且连接到地的第一电压输出电路；以及
连接到单个电感，第二电压输出端，并且连接到地的第二电压输出电路，上述第二电压输出电路连接到脉宽调制器。
16.按照权利要求15的补偿变换器，其特征是第一电压输出电路包括：
连接到脉宽调制器上的第一MOSFET，用于控制单个电感连接到第一电压输出端的时间；以及
连接在第一MOSFET和第一电压输出端之间的第一电容，用于存储二者之间的电荷，并且连接到地。
17.按照权利要求15的补偿变换器，其特征是第二电压输出电路包括：
连接在单个电感和第二电压输出端之间的第二电容，用于存储二者之间的电荷，并且连接到地；以及
设在单个电感和第二电容之间的第二二极管，用于控制第二电容上的电荷。
18.按照权利要求15的补偿变换器，其特征是第二电压输出电路包括：
第二脉宽调制器；
连接到第二脉宽调制器上的第二MOSFET，用于控制单个电感连接到第二电压输出端上的时间；以及
连接在第二MOSFET和第二电压输出端之间的第二电容，用于控制二者之间的电荷，并且连接到地。
19.按照权利要求18的补偿变换器，其特征是：
第一电压输出电路包括：
连接到脉宽调制器上的第一MOSFET，用于控制单个电感连接到第一电压输出端上的时间，
第一MOSFET包括第一二极管，用于控制通过第一MOSFET的电流；并且
第二MOSFET包括第二二极管，用于控制通过第二MOSFET的电流。
20.按照权利要求15的补偿变换器，其特征是脉宽调制器使得输入晶体管与第一电压输出电路同步地工作。
21.按照权利要求15的补偿变换器，其特征是脉宽调制器使得输入晶体管与第一电压输出电路异步地工作。
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