CN1578081B

CN1578081B - 将直流输入电压转换为多个直流输出电压的装置及方法

Info

Publication number: CN1578081B
Application number: CN2004100587498A
Authority: CN
Inventors: C·克兰滋
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2004-07-28
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2024-07-28
Also published as: US7368833B2; DE10334598A1; CN1578081A; US20050036255A1

Abstract

一装置，其具有一第一级具有一输入电路具有一电感组件(1)，一第二级具有一些输出电路具有负载(3，4，5)以及一开关装置(S1，S2，S3)用以控制从输入电路到输出电路之电流被使用以从一DC输入电压(Vin)产生一些独立的DC输出电压(V1，V2，V3)。根据本发明的装置可被操作于不同的模式中。

Description

将直流输入电压转换为多个直流输出电压的装置及方法

技术领域

本发明是关于一种用于从单一DC电压产生多个DC电压的装置与方法。

背景技术

一般在想要使功率消耗最小化时，必须于电路以及装置中，提供多个供应电压；这些供应电压是产生自一DC输入电压。

习知使用所谓的DC/DC转换器来有效转换DC电压。DC/DC转换器可用以从一DC输入电压产生任何想要的DC输出电压。

为了产生多个DC输出电压，可平行操作多个DC/DC转换器；然因为需要大量的组件，这个方法会消耗高成本，且其缺点为在个别的DC/DC转换器中产生的开关损失会对整体效率产生不利影响。另一种产生多个DC输出电压的可能方式为经由一DC/DC转换器来产生最高的所需DC输出电压，并使用串联的调节器从最高的供应电压产生其他的DC输出电压。这个方法的成本比使用多个DC/DC转换器低，但是，因为串联调节器中的电压损失，因而必须考量整体效率降低的缺点。

再者，已知在具有多个输出电压的DC/DC转换器中可使用具有多个线圈的变压器，然而这种方式仍有缺点，尤其是，此类型的DC/DC转换器需要大量的空间需求。

发明内容

因此，本发明的目的在于具体说明一种从一DC输入电压产生多个DC输出电压的改良装置以及改良方法。本案的一项特定目标为降低组件成本。

本发明的构想在于经由有利控制DC/DC转换器中的电流流量，而使不同组件可被多方面使用。

根据本发明的装置包含一第一级与一第二级。所述第一级包含具有一电感组件的输入电路，且因而产生一有效DC输入电压；所述第二级包含多个输出电路，其产生DC输出电压且供应多个负载。根据本发明装置的第一级以及第二级是经由一开关装置而连接，其经设计而用以提供一放电电流，所述放电电流是由所述电感组件供应到不同的的输出电路，以供给不同的负载。

经由开关装置的辅助即可适当的控制输入电路与输出电路之间的电流流量，以于不同的输出电路中产生不同的DC电压。

根据本发明装置的特徵在于其使用较少数量的组件。输入电路的多重使用表示只需要一个电感组件，因此可降低组件成本以及空间需求，也可以经由有利地控制电流流量来降低开关损失。

一般而言，在输出电流上的负载具有电容特性。在本发明的一个有利改进中，在多个输出电路上的负载具有电容组件；可经由放电电流的辅助而对这些电容组件进行充电，并可稳定特定DC输出电压。在一较佳实施例中，在所有输出电路上的负载都具有电容组件。

本发明的另一个有利改进的特征在于其开关装置是经过设计以选择性的电连接以及切断在不同输出电路上具有第一级的电感组件的负载。这表示，尽管输入电路是多重使用的，仍可确认输出电路与输入电路之间连接与切断的高度变化性，因此可以满足与输出电路供应的负载相关的不同需求。

开关装置可包含一个或多个多通道开关及/或单通道开关、或者隔离开关。在一较佳实施例中，开关装置是由多个隔离开关所形成，且每一个隔离开关是配置在电感组件的一连接点以及输出电路上其中一个负载的连接点之间；隔离开关的使用确保开关装置的开关具有足够的同步性，换言之，流经电感组件的电流在任何时间点都不会被输出电路或输入电路中的开关程序阻断，否则，电流的阻断将造成破坏性的电压冲击。

在一特定较佳实施例中，开关装置包含多个平行连接的隔离开关，其中每一个隔离开关连接一输出电路到输入电路，所述开关装置还包含输入电路中的一隔离开关。可以利用特别简单的方法来驱动此实施例的开关装置。

在本发明装置的一较佳实施例中，是经由一控制装置来驱动所述开关装置，所述控制装置测量输出电路中的电压，且以这些测量数值的一函数来控制从输入电路到输出电路之电流流量，并经由发射控制讯号来驱动开关装置；因此，A/D转换器便可测量输出电路的DC输出电压，亦可使用比较器，或使用其它适合的测量装置及不同测量装置的组合来决定输出电路中的电压。

在本发明另一个有利改良中，可设定电流从输入电路到输出电路的时间周期，也可有利地改变输出电路被供应的顺序。再者，也可结合不同的程序以确实提供电压于DC输出电路中。

在根据本发明的另一个较佳改进实施例中，提供了一控制装置，其控制所述DC输出电压中的至少一个DC输出电压；举例而言，此构想可经由控制流经电感组件的电流，因而影响电感组件充电的范围而达成。控制程序可确定永远可以达到、且不超过所需的DC输出电压。

经由适当控制从输入电路到输出电路的电流流量即可降低欲加以控制的电压数量。在一特定实施例中，仅控制所述DC输出电压中的其中一个DC输出电压，因而可形成一个简单的控制回路。

在一特定较佳实施例中，是利用电感组件的充电持续时间(即电流形成流经电感组件的时间间隔)来作为控制装置的一操作变数；举例而言，在对输出电路的功率需求增加而需要增加电感组件上的充电电平时，即可经由拉长电感组件的充电持续时间而达成。然而，也可使用其它可以控制电感组件充电范围的适当操作变数。此外，也可以使用从输入电路到不同输出电路的电流流量的期间来作为控制DC输出电压的一种操作变量。

在另一个较佳实施例中，根据本发明的装置具有预防电流从输出电路流动到输入电路的装置，以避免降低本发明DC/DC转换器的效率。

在本发明的一项有利改进实例中，在多个输出电路中置有具偶极功能的装置；由於不需主动抑制从输出电路流回输入电路中电感组件的电流，因而使用这样的被动装置可以简单的方式来设计开放式回路以及封闭式回路控制装置，此问题是发生于特别是当输出电路上的负载具有电容特性时。上述方式可以节省例如用来决定零干扰电流的测量装置。

在一特定较佳实施例中，具有偶极功能的装置只被放置在一个输出电路中，因而更可降低在整个装置中的组件数量。

在根据本发明的第一方法中，循环进行了多个步骤，其中每一步骤包含了两个子步骤。在第一步骤的第一子步骤中，于电感组件中产生一电流，且对所述电感组件进行充电。在第一步骤的第二子步骤中，流经电感组件的电流被送到一第一输出电路，经由对电感组件进行放电来供应第一输出电路上的负载，因而产生第一输出电路的电压。

在随后的步骤中，首先以与第一步骤相同的方式来对电感组件进行充电，而在第二子步骤中，电流被送到一第二输出电路，且供应在第二输出电路上的负载，由此方式来产生第二输出电路的输出电压。

於每一个输出电路中执行基於上述模式的步骤，以产生一电压。根据本发明的第一方法的优点为可产生独立产生两个或多个DC输出电压。举例而言，在一输出电路上的负载改变并不影响其他输出电路中的电压。

在根据本发明方法的一有利改进中，对DC输出电压加以控制。控制程序确保在每一个步骤中，供应各个负载所需的电荷数量都被送到输出电路。在电感组件上的电荷数量(在下一个循环中对应步骤的第一子步骤结束时所达到的电荷数量)可作为在一给定步骤的第二子步骤结束时所述输出电路所产生的电压的函数，，其可于一循环期间内作用对输出电路上的负载改变产生作用。

在根据本发明方法的一较佳改进中，电流在每一步骤结束时降为零，因此每一个步骤都是以完全放电的电感组件开始，亦即在一给定步骤的第一子区段开始时电荷数量为零。因此在第一子区段结束时，在电感组件上的电荷数量仅与在第一子区段期间所累积的电能有关。因此，为了达成一预定电荷数量，仅需要控制累积的能量。在此较佳改进中，控制程序是使用电感组件的充电时间持续期间作为一操作变数。

根据本发明的一第二方法是经由对电感组件放电来连续执行电感组件的一充电步骤以及不同输出电路的至少两个充电步骤。

因为多个输出电路的充电是经由电感组件的充电相而进行，因而降低了在一循环中电感组件的充电步骤数目。因此，就一方面来说，可减少开关程序的数目，因此可降低开关损失并增加本发明DC/DC转换器的效率。其次，只有在电感组件的重新充电步骤之前即被立即充电的那些输出电路需要具有偶极功能的装置，这是因为此为可发生零干扰电流的唯一场合。

较佳为，监控输出电路中的DC输出电压，在达到与特定输出电路有关的额定电压时便终止输出电路的充电步骤；也可以经由输出电路的充电步骤期间来控制DC输出电压。

在一有利改进中，以输出电路上的总负载的函数来控制电感组件的第一充电步骤中所建立的电流，在此例中的操作变量为电感组件的充电步骤期间。较佳为，(仅有)在最近充电的输出电路中的输出电压是为了此目的而加以控制，因此可产生多个DC电压，而其中只有一个、或者至少只有较少数目的DC输出电压会被控制。那些没有受到封闭回路控制的DC输出电压则受到开放回路的控制。

在本方法的一较佳实施例中，在电感组件的充电步骤之後的输出电路充电步骤的顺序并不以固定方式预先决定，而可以有利地改变此顺序以可靠地产生输出电压；特别是，其可弹性地对一负载改变产生反应。

在一输出电路充电步骤开始之前，可先决定此输出电路是否需要被重新充电，如果其相关DC输出电压仍高於一最小值，则可省略此充电步骤。此方式更降低了开关程序的数目，并进一步降低了开关损失。

在根据本发明方法的一有利改进中，一个循环只具有一个电感组件充电步骤，而随后为输出电路的充电步骤。在此例中，可无任何限制地选择电流在输出电路充电步骤结束时的值，特别是，这个值可能为零以外的数字。因此，根据本发明的DC/DC转换器可操作于一已知DC/DC转换器的CCM模式(连续传导模式)中，且具有习知特性，例如较高的输出功率电平。

在根据本发明方法的一有利改进中，只有在最近充电的输出电路中的电压被控制，亦即仅控制一个DC输出电压。此外，在此输出电路中具有一个具偶极功能的装置。

在本发明一较佳改进中，将一个循环分成持续相同时间的两半部，其中第一半部形成电感组件的充电步骤，而在输出电路上的负载则于第二半部中供应。

本发明不仅与上述改进实例有关，且亦延伸到所有可能的改进组合。特别是，可将根据本发明的两种方法的循环彼此结合。

附图说明

于下文中参考图示说明来描述不同的实施方式，其中：

图1显示在CCM以及DCM模式(连续以及不连续传导模式)中，习知DC/DC转换器的线圈电流的时间反应；

图2显示根据本发明的DC/DC转换器的一实施例；以及

图3a以及图3b是根据本发明方法的两个实施例显示开关装置的反应。

具体实施方式

习知DC/DC转换器(图1)的时间反应的特征在于一电感器或者线圈的充电以及放电相。线圈电流I于充电相中增加，并于放电相降低。如果在任何时间线圈电流I都不为零，则此即称为所谓的CCM模式；如果线圈电流掉到零(t＝t2)，则DC/DC转换器于所谓的DCM模式中操作。循环持续时间是由一充电相以及一放电相来定义，并标注为T。

图2左半部显示根据本发明装置的第一级，其具有输入电路；在输入电路中包含了一线圈1来作为电感组件，并包含一电压源2以提供DC输入电压Vin。根据本发明装置的第二级则图示于右半部中，其包含三个输出电路，所述输出电路产生三个DC输出电压V1，V2，V3。在此例中，三个输出电路中的每一个输出电路都具有电容3，4，5形式的一联合负载。开关装置连接两级，其包含多个开关S0，S1，S2，S3，这些开关是由开关晶体管所形成。在此例中，每一个输出电路都具有一个连结的开关S1，S2以及S3。另一个开关S0与输入电路连结，并使线圈1接地。测量每一个输出电路中的电压V1，V2，V3并将其供应到一监视装置K。监视装置K包含一开放回路控制电路，其控制输出电路中的开关S1，S2，S3。监视装置K亦具有一封闭回路控制电路，其以一或多个输出电压V1，V2，V3的一函数来操作输入电路中的开关S0，且将其与开放回路控制电路同步化。此外，所述一或多个输出电路中包括具有偶极功能的装置(未显示)，以预防电流从输出电路回流到输入电路。

图2所示的本发明装置的实施例中的开关S0，S1，S2，S3在一循环期间的时间反应则于根据本发明方法两种实施例的图3a以及图3b中加以说明。在这两个实施例中，在任一给定时间都只有一个开关被关闭(状态1)，而其它的则全部为开启(状态0)。如果在一给定时间打开了关闭的开关，则同时关闭其它开关的其中一个开关。为了不阻断正在流动的线圈电流，这些开关会同步地关闭以及打开。在图3a以及图3b中，一给定开关的状态0表示一开启的开关，而状态1表示一关闭的开关。

图3a中所描述的循环可分成三个步骤。第一步骤开始于t＝0，且其第一子步骤终止于t＝t1；在此子步骤期间，开关S0被关闭，且线圈被充电。在t＝t1，第一步骤的第二子步骤开始，开关S1被关闭，且线圈1经由在第一输出电路中的电容5而放电。结果，在第一输出电路中的电压V1升高。DC/DC转换器操作于与DCM相似的模式中，亦即线圈电流在每一个线圈放电相期间掉到零。以时间t＝t2的电压V1的函数来控制下一个循环中在第一步骤的第一子步骤期间的线圈1的充电时间，这确保线圈电流是产生于第一子步骤期间，其转移一充足量的电荷到第一输出电路中的电容5，并因而维持输出电压V1。

第二步骤开始于t＝t2。在与第一步骤对应的方法中，其包含了线圈再次被充电(开关S0被关闭)的一第一子步骤与线圈电流流到第二输出电路中的电容4中(开关S2被关闭)的一第二子步骤(从t＝t3到t＝t4)。以与第一步骤对应的方法来进行控制程序。此外，第三步骤类似于前述的两个步骤。

此方法以放置在每一个输出电路中、具有偶极功能的装置来产生彼此独立的三个输出电压V1，V2，V3，其预防任何电流从输出电路流到输入电路。

图3b根据本发明方法之第二实施例说明了在一循环期间中开关S0，S1，S2，S3的开关作用。第一步骤为线圈1的充电步骤，在第一步骤期间开关S0被关闭。在第一输出电路中的电容5的充电相开始于t＝t1，此时开关S1被关闭，且输出电压V1升高。在t＝t2，V1已经到达一额定数值，因此控制电路开启开关S1并关闭开关S2。在第二输出电路中的电容4的充电相开始，输出电压V2升高，且在t＝t3时到达一额定数值。在此瞬间，控制电路会开启开关S2且关闭开关S3。在第三输出电路中的电容3现在被充电。在本实施例中，最后的输出电路的充电相会持续直线圈1已经被完全地放电(t＝T)为止。当t＝T时，执行检查以决定V3是否与一额定数值不同，且控制在下一循环中的线圈充电步骤的持续期间以在最近充电的输出电路中产生正确的电压V3。在此方法中，仅有最近被充电的(第三)输出电路具有具备偶极功能的装置(未显示)，因为此为发生零干扰的线圈电流的唯一地点。此外，在此实施例中，在每一个循环中只具有一个线圈充电相，且只控制在最近充电的输出电路中的DC输出电压。

在此实施例中，负载具有开关负载(即负载会随时间变化)与基本负载(即连续吸取电流的负载)的形式。必须对被控制的输出电路供给一基本负载，否则控制机制不能运行。因此，基本负载是连接到最近充电的输出电路，而开关负载则连接到之前充电的输出电路。

对于监控装置K而言，决定在DC输出电路的电压与其它变量(例如DC输入电压或者线圈电流)(例如经由开关S0两端的电压降)也是有利的，这些变量可包含在开放回路或封闭回路控制方法的过程控制中。

Claims

1.一种用于将DC输入电压(Vin)转换为多个DC输出电压(V1，V2，V3)的装置，其具有

-一第一级，其具有一电感组件(1)，所述电感组件(1)可由所述DC输入电压(Vin)所产生的电流加以充电，

-一第二级，其具有多个产生所述DC输出电压(V1，V2，V3)的输出电路，且所述多个输出电路中的每一个输出电路分别具有至少一负载(3，4，5)，以及

-一开关装置，其是经过设计以供应一放电电流，所述放电电流由该电感组件(1)提供到不同的输出电路，以提供不同的负载(3，4，5)。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于

所述多个输出电路中的至少一个输出电路的负载(3，4，5)具有电容特性。

3.如权利要求1或2中任一所述的装置，其特征在于

所述开关装置是经过设计以使不同的输出电路上的负载(3，4，5)与所述第一级的所述电感组件(1)选择性地电连接以及切断连接。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于

所述开关装置具有多个平行连接的隔离开关(S1，S2，S3)，所述隔离开关中的每一个隔离开关是配置于该电感组件(1)的一连接点以及所述多个负载(3，4，5)中的其中一个负载的一连接点之间。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于

所述隔离开关(S1，S2，S3)是由开关晶体管所形成。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述装置还包括

一控制装置(K)，其监控所述输出电路的DC输出电压(V1，V2，V3)，并发射控制信号，进而以所监控的DC输出电压(V1，V2，V3)的函数来驱动所述开关装置。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于

所述控制装置(K)具有一或多个比较器以监控一或多DC输出电压(V1，V2，V3)。

8.如权利要求6或7中任一所述的装置，其特征在于所述控制装置(K)具有一或多个A/D转换器，以决定一或多个DC输出电压(V1，V2，V3)。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述装置还包括

一控制装置(K)，其经由影响所述电感组件(1)的所述充电电流来控制所述多个DC输出电压(V1，V2，V3)中的至少一个DC输出电压。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于

所述控制装置(K)只控制所述多个DC输出电压(V1，V2，V3)中的一个DC输出电压。

11.如权利要求9或10中任一所述的装置，其特征在于

所述控制装置(K)设定所述电感组件(1)的充电持续时间。

12.如权利要求1所述的装置，其特征在于

所述多个输出电路中的至少一个输出电路具有一电路组件，所述电路组件避免任何电流从所述输出电路中的电容组件(3，4，5)流到所述电感组件(1)。

13.一种用于使DC输入电压(Vin)转换为多个DC输出电压(V1，V2，V3)的方法，所述方法具有一循环，在所述循环中执行多个步骤且其中第一和第二步骤包含了两个子步骤，其中第一步骤中的两个子步骤为：

a1)以所述DC输入电压(Vin)所产生的一充电电流来充电一电感组件(1)；

b1)经由一第一负载(3)来放电该电感组件(1)，所述第一负载(3)与产生一第一DC输出电压(V3)的第一输出电路连结；以及其中第二步骤中的两个子步骤为；

a2)以所述DC输入电压(Vin)所产生的一充电电流重新充电该电感组件(1)；以及

b2)经由至少一个第二负载(4)来放电该电感组件(1)，所述第二负载(4)与产生一第二DC输出电压(V2)的第二输出电路连结。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于下列步骤：

-控制所述第一输出电路以及所述第二输出电路中所产生的DC输出电压(V3，V2)。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于下列步骤：

-决定所述第一输出电路以及所述第二输出电路中所产生的DC输出电压(V3，V2)；以及

-以在所述第一输出电路中所决定的所述DC输出电压(V3)的函数来设定步骤a1)中的充电持续时间，并以在所述第二输出电路中所决定的所述DC输出电压(V2)的一函数来独立地设定步骤a2)中的充电持续时间。

16.一种用于使DC输入电压(Vin)转换为多个DC输出电压(V1，V3)的方法，所述方法具有一循环，所述循环包含下列步骤：

A)以所述DC输入电压(Vin)产生的一充电电流来充电一电感组件(1)；

B1)经由一第一负载(3)来部分放电所述电感组件(1)，所述第一负载(3)与产生一第一DC输出电压(V3)的一第一输出电路连结；

B2)经由至少一个第二负载(4)来再次放电所述电感组件(1)，所述第二负载(4)与产生一第二DC输出电压(V2)的一第二输出电路连结。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于下列步骤：

-于所述输出电路中监控所述第一和第二DC输出电压。

18.如权利要求16或所述的方法，其特征在于

在步骤A)开始流动的充电电流具有一个大于0的数值。

19.如权利要求17或18所述的方法，其特征在于下列步骤：

-在重新充电所述电感组件(1)之前，控制所述电感组件(1)所充电的最后一个输出电路中的所述DC输出电压(V2)。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于下列步骤：

-在重新充电所述电感组件(1)之前，决定所述电感组件(1)所充电的最后一个输出电路中的所述DC输出电压(V3)；以及

-单独以这个输出电路中所决定的所述DC输出电压(V3)的一函数来设定步骤A)中的充电持续时间。

21.如权利要求16所述的方法，其特征在于

与所述输出电路的有关的步骤B1)以及步骤B2)的顺序可于连续循环中加以改变。