CN1418396B - 单参考dc/dc变换器 - Google Patents

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Abstract

DC/DC变换器(1)，包括电感性电能存储单元(L)、开关单元(S1，S2)和控制单元(6)。控制单元(6)被布置成有选择地使开关单元(S1，S2)工作，以便将一定数量的电能从储能单元(L)转移到DC/DC变换器(1)的输出端，从而与含有最小与最大工作比(Dmin，Dmax)的双态转接周期协调一致地提供所要求的输出电压(Vout)。

Description

单参考DC/DC变换器
本发明涉及一种DC/DC变换器，包括电感性电能存储单元、开关单元和控制单元，其中，控制单元被布置成有选择地使开关单元工作，以便将一定数量的电能从储能单元转移到DC/DC变换器的输出端，从而提供所要求的输出电压。
这种类型的DC/DC变换器在以申请人名义提出的国际专利申请WO95/34121中已知。
实际上，上述类型的DC/DC变换器能以连续方式或PWM(脉宽调制)方式工作，其中，电能被连续地储存在储能单元中，或者以非连续方式或PFM(脉频调制)方式储存在上述单元中，这里，储能单元可能被完全放电。
在以PWM方式工作的单输出DC/DC变换器中，典型的转接周期包括能量被储存在储能单元的第一阶段和能量从储能单元转移到变换器输出端的第二阶段。以PWM方式工作的DC/DC变换器的输出功率受其工作比(duty cycle)的控制，即受第一阶段持续时间与转接周期总持续时间(第一与第二阶段之和)之比的控制。
为了控制已知的DC/DC变换器的输出电压，要求一个包含高输出电压参考电平和低输出电压参考电平的电压窗口。利用此电压窗口控制输出电压时，将使输出电压产生随机低频波动，从而自然会造成输出电压的展宽。这个效应可通过减小电压窗口来降低，但是，由于在所用电压比较器中过程的展宽而使这种降低受到限制。
波动的大小直接与储能单元的充放电电流相关，也直接与变换器工作时的工作比相关。工作比大意味着相当多的电能储存在储能单元中，并从那里放电使电流增大，从而使输出波动增大；反之，工作比小意味着较少的能量转移，从而使电流减小，故输出电压中低频波动也减小。在转接周期的第二阶段，如果储能单元以相当大的电流放电，则输出电压中将出现相当大的压降。当为了控制目的而在此第二阶段期间测量输出电压时，工作比和放电电流会对测量精度造成直接的负面影响。
本发明的目的是给出一种上述类型的DC/DC变换器，它采用单一电压参考电平来控制输出电压，因此降低了电压测量对波动电压的依赖性。
本发明所提出的DC/DC变换器解决了上述问题，在这种变换器中，配置了对开关单元实行运行控制的控制单元，以进行与双态转接周期(含有最大与最小工作比)协调一致的电能转移。
本发明基于这样的认识：当输出电压高于其所要求的数值时，通过参考电压设置，变换器的加载不会过重，从而在随后的转接周期中，较少的能量必须转移给储能单元，由此如前所揭示，输出电压中的电压波动将有所降低。仅当输出电压下降到低于其要求值时，在随后的转接周期中才有更大量的电能必须储存在储能单元中，以便将输出电压恢复到所需要的电平。结果，采用单一的参考电压和双态工作比控制，对该变换器实现极为稳定的控制，总的电压波动降低，同时控制单元也可能具有相对简单的设计。
在本发明的优选实施方案中，DC/DC变换器包括：
-用于接收输入电压Vin的第一和第二输入端；
-用于提供输出电压Vout的第一和第二输出端；
-具有第一和第二连接端的线圈，其中第一连接端与第一输入端相连；
-第一开关单元，其工作连接以提供从线圈的第二连接端到第二输入端的传导通路；
-第二开关单元，其工作连接以提供从线圈的第二连接端到第一输出端的传导通路；
-二极管单元，与第二开关单元并联，并提供从线圈第二连接端到第一输出端的传导通路；
-电容器单元，连接在第一与第二输出端之间；
-控制单元，布置用于对第一和第二开关单元进行工作控制，使它们转接到闭合或导通状态及断开或非导通状态；以及
-比较单元，配置用于将输出电压Vout与参考电压Vref进行比较，从而为控制单元提供控制信号，以便根据最小与最大工作比来转接开关单元。
开关单元优选地采用MOS(金属氧化物半导体)晶体管单元来构成，其控制端(栅)与控制单元相连接，以便控制该晶体管的导通或非导通状态。
如果将本发明的DC/DC变换器应用于便携式电子设备，例如但不限于电池供电的设备中，将具有特殊的优越性。
现在，参照所示附图，对本发明进行详细介绍，图中给出了作为示范性实施方案的DC/DC变换器，其中：
图1示出根据本发明提出的单输出DC/DC上变换器的电路图。
图2示出在图1所示DC/DC上变换器之输出端的输出电压的图形表示。
图3示出在图1所示DC/DC上变换器之电感性储能单元中电流流动的图形表示。
图4示出在图1所示DC/DC上变换器工作于PWM方式时，依据本发明所采取之转接顺序的工作方式状态图。
图1示出了根据本发明工作的具有单一输出的DC/DC上变换器1。
变换器1包含采取线圈L形式的电感性储能单元和串联在第一输入端2与第二输入端3之间的第一开关单元S1。线圈L和第一开关单元S1的接点经第二开关单元S2与第一输出端4相连。二极管D与第二开关单元S2并联，提供从第一输入端2到第一输出端4的电流传导通路。第二输入端3和第二输出端5经公共传导通路例如地或电子设备的机壳相连。平滑电容器C接在第一与第二输出端4、5之间。
变换器1的工作响应输入端2、3上的输入电压Vin，在输出端4、5上提供受控的或经调整的输出电压Vout。为此，配备了一个控制器或控制单元6，以便依照转接顺序控制第一和第二开关单元S1和S2，其中，输出电压Vout要高于输入电压Vin。对第一和第二开关单元S1和S2的控制在图中分别用箭头7、8指出。
还提供了比较单元9，用来将输出电压Vout与单参考电压Vref进行比较，Vref在比较单元9的输入端10处提供。比较单元9的输出与控制单元6的输入端相连，如图中箭头11所示。
图3示出了在脉宽调制(PWM)变换方式下线圈电流I与时间t在一典型的转接周期中的关系曲线，其中，通过线圈L的电流I不为0。在第一阶段Φ1期间，能量存储或聚集在线圈L中；而在PWM转接周期的第二阶段Φ2，所存储的能量馈送至变换器1的输出端4、5。在第一阶段Φ1期间，第一开关单元S1闭合，即处于电流导通状态，而第二开关单元S2则断开，即处于非导通状态。在第一阶段Φ1期间，电流只流过其中存储能量的线圈L。在这个阶段，流过线圈L的电流I增大。在第二阶段Φ2，第一开关单元S1断开，而第二开关单元S2闭合。在这个阶段，由于能量馈送至跨接在变换器1输出端4、5两端的负载12，故流过线圈的电流I减小，这就导致了输出电压Vout中的波动20，如图2所示，波动的频率等于变换器1的转接频率。
输出电压的波动20也由输出电容器C的充电和未充电以及通过此电容器C的等效串联电阻(ESR)的电流所引起。波动20的大小与线圈电流I直接相关，而电流I又受变换器1的工作比控制。
工作比定义为：D＝t1/(t1+t2)＝t1/T
式中：t1＝在第一开关单元S1闭合时第一阶段Φ1的持续时间；
      t2＝在第二开关单元S2闭合时第二阶段Φ2的持续时间；和
      T＝t1+t2
根据本发明，配置了控制单元6，以便按照双态工作比对第一和第二开关单元S1与S2进行转接。该双态工作比具有最小值Dmin和最大值Dmax，其定义为：
Dmax＝t1max/(t1max+t2min)
式中：t1max＝t1的最长持续时间，和
      t2min＝t2的最短持续时间；
         Dmin＝t1min/(t1min+t2max)
式中：t1min＝t1的最短持续时间，和
      t2max＝时间t2的最长持续时间，
式中：T＝t1max+t2min＝t1min+t2max。
如图2所示，在变换周期结束的取样瞬时(t＝T)，象箭头15、16、17、18、19所指出的那样，对输出电压Vout进行测量。根据本发明，如果该取样瞬时输出电压Vout是在参考电平Vref之上，例如取样瞬时15和18的情况，则随后的转接周期将具有最小的工作比Dmin；而如果在该取样瞬时输出电压Vout下降到低于参考电压Vref，例如取样瞬时16、17和19的情况，则随后的转接周期将具有最大的工作比Dmax。
因此，通过对根据本发明所提出的开关单元在双态周期中的控制，可以施加单一的参考电压Vref来控制输出电压Vout。
图4示出的状态图说明了根据本发明所提出的单参考电压DC/DC变换器的控制单元6的工作情况。
考虑从最大工作比Dmax的Φ1态开始，如果周期内时间t大于t1max，则开关单元S1和S2被转接到具有最大工作比的变换周期的2态，亦即图中的Φ2态，Dmax。如果在负载周期结束时，也就是当t>T、且输出电压Vout小于参考电平Vref，即Vout<Vref时，则控制单元6将维持在具有最大工作比Dmax的变换周期内。
同样，如果控制单元6工作在具有最小工作比的变换周期内，即态Φ1，Dmin内，并且如果t>t1min，则开关单元S1和S2被转接到Φ2态，其中能量被转移到变换器1的输出端。在负载周期结束时，亦即t>T时，并且如果Vout>Vref，则该变换器将维持在其具有最小工作比Dmin的变换周期内。
如果在变换周期结束时输出电压Vout<Vref，亦即t>T时，则控制单元将从具有最小工作比Dmin的Φ2态转变到具有最大工作比Dmax的变换周期的Φ1态。另一方面，如果t>T并且Vout>Vref，则控制单元6将从具有最大工作比Dmax的变换周期的Φ2态转变到具有最小工作比Dmin的变换周期的Φ1态。
在图1所示的DC/DC上变换器中，第二开关单元S2是可随意选用的，可以用它来提高DC/DC变换器1的功率转换效率。
根据本发明原理工作的DC/DC变换器，可以与诸如便携式电子设备13之类的电子设备一道使用或用于其中，或者，将其布置构成一独立的电源14，这两种情况在图1中都用虚线表示了出来。

Claims (8)

1.一种DC/DC变换器(1)，包括：
电感性电能存储单元(L)，
开关单元(S1，S2)，用于将一定量的电能从所述电感性电能存储单元(L)转移到所述DC/DC变换器(1)的输出端，从而提供输出电压(Vout)，
用于比较所述输出电压(Vout)与单独参考电压(Vref)的装置(9)，以及
控制单元(6)，其根据所述用于比较的装置(9)的输出，按照双态转接周期控制所述开关单元(S1，S2)，所述双态转接周期包含最小工作比(Dmin)与最大工作比(Dmax)，
其中对所述开关单元(S1，S2)进行控制，使得当所述输出电压(Vout)低于所述参考电压(Vref)时，对于下一个转接周期采用最大工作比(Dmax)，而在所述输出电压(Vout)高于所述参考电压(Vref)时，对于下一个转接周期采用最小工作比(Dmin)。
2.根据权利要求1所述的DC/DC变换器(1)，其中所述控制单元(6)被布置成是在脉宽调制(PWM)方式下的转接周期内对所述输出电压(Vout)进行控制。
3.根据前述任何权利要求之一所述的DC/DC变换器(1)，还包括：
用于接收输入电压(Vin)的第一和第二输入端(2，3)；
用于提供输出电压(Vout)的第一和第二输出端(4，5)；并且其中
所述电感性电能存储单元包括具有第一和第二连接端的线圈(L)，其中所述第一连接端与所述第一输入端(2)相连；
所述第一开关单元(S1)被连接以用于提供从所述线圈(L)的所述第二连接端到所述第二输入端(3)的传导通路；
所述第二开关单元(S2)被连接以用于提供从所述线圈(L)的所述第二连接端到所述第一输出端(4)的传导通路；并且其中所述DC/DC变换器还包括：
二极管单元(D)，与所述第二开关单元(S2)并联连接，并提供从所述线圈(L)的所述第二连接端到所述第一输出端(4)的传导通路；和
电容器单元(C)，连接在所述第一与第二输出端(4，5)之间。
4.根据权利要求1或2所述的DC/DC变换器(1)，其中所述开关单元(S1，S2)包括金属氧化物半导体晶体管单元。
5.根据权利要求3所述的DC/DC变换器(1)，
其中所述开关单元(S1，S2)包括金属氧化物半导体晶体管单元。
6.根据权利要求3所述的DC/DC变换器(1)，其中所述控制单元(6)被配置工作于上变换方式下，其中输出电压(Vout)高于输入电压(Vin)。
7.包含根据前述任何权利要求之一所述的DC/DC变换器(1)的电源(14)。
8.包含根据前述任何权利要求之一所述的DC/DC变换器(1)的便携式电子设备(13)。
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附图1.
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附图4.
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