CN1672315A - 直流/直流下变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种直流/直流下变换器,其包括一个同步整流器(S)、一个位于其输入侧的切换元件(C)、一个位于其输出侧的电感(L)。为了允许快速的负荷波动以及为了减少成本和操作损耗,建议提供一个辅助电路,该辅助电路包括一个辅助切换元件(A)、一个辅助整流器(Daux)和一个辅助电感(Laux),该辅助电路与同步整流器、位于输入侧的切换元件与位于输出侧的电感之间的接点耦接。

Description

直流/直流下变换器
技术领域
本发明涉及一种直流/直流下变换器,其包括一个同步整流器、一个位于其输入侧的切换元件和一个位于其输出侧的电感。
背景技术
趋于将此类(用于直流/直流变换的降压(Buck)变换器)的直流/直流下变换器例如用于数字切换电路的电源部分,特别是PC的处理器部分,其中典型地是进行将电压从5...12伏变换为1.5...3.3伏的电压变换。在当代数字切换电路中,要产生的直流电源电压的值甚至已经低到1.5伏以下;那么,另外有必要使直流/直流下变换器适应日益快速的负荷波动。因此,必须以所使用的切换元件的相应高切换频率操作下变换器(同步整流器和位于输入侧的切换元件通常是场效应晶体管);然而逐渐增加的切换频率引起了逐渐增加的损耗。因此,切换频率不能随意地增加。不过为了允许较快的负荷波动,相关下变换器的输出滤波电容也要不断增加。然而,这种渐增的行为将导致高成本。
随着切换频率变得越来越高,切换损耗与在切换元件的导电状态中产生的损耗的比率也变得越来越大。一方面,由同步整流器和位于输入侧的切换元件的交替接通和切断而产生的损耗变得越来越大,这是因为在接通状态和切断状态之间的变换期间在切换元件上同时存在有电流和电压。另一方面,随着切换频率的增加,由于同步整流器的体二极管的逆向流动或逆向恢复而产生的损耗开始成为整个损耗的一个重要部分,该同步整流器通常实施为场效应晶体管。此外,损耗也由(特别是两个切换元件的)寄生电容的硬切换引起。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种直流/直流下变换器,其允许快的负荷波动,其尽可能地经济廉价且其操作损耗尽可能地低。
此目的借助于一个辅助电路来实现,该辅助电路包括一个辅助切换元件、一个辅助整流器和一个辅助电感,该辅助电路与同步整流器、位于输入侧的切换元件与位于输出侧的电感之间的接点耦接。
采用一个此类辅助电路,实际上对于输入侧的切换元件以及对于同步整流器能实现无电压或所谓的零电压切换,而在此同时能避免由于同步整流器的体二极管的逆向恢复而产生的损耗。
权利要求2解释了辅助电路的元件的排列。
权利要求3的特征定义了辅助切换元件处于接通状态的时隙,以使得能避免由于同步整流器的体二极管的逆向恢复而产生的损耗。
权利要求4描述了输入侧的切换元件的接通时刻,因此能实施零电压切换。作为对权利要求4的另一选择,权利要求5披露了一个电压量测,以使得能保证当电压足够低时接通输入侧的切换元件。
权利要求6披露了一个适用于同步整流器的切断时刻。
附图说明
下文将参考附图详细描述本发明的一个实施例,其中:
图1示出了根据本发明的一个直流/直流下变换器;以及
图2A到2I示出了在操作图1所示的直流/直流下变换器期间作为时间函数的电压和电流的变化。
具体实施方式
在图1中示出的直流/直流下变换器包括一个位于输入侧的切换元件C、一个同步整流器S和一个位于输出侧的电感L。位于输入侧的切换元件C和同步整流器S通常都实施为场效应晶体管。切换元件C包括一个连接在它的漏极端和源极端之间的体二极管DC,还包括一个与其并联的电容CC,如果有必要,除切换元件C的寄生电容之外,该电容CC还可包括一个外部电容。同步整流器S包括一个连接在它的漏极端和源极端之间的体二极管DS,还包括一个与其并联的电容CS,如果有必要,除同步整流器S的寄生电容之外,该电容CS还可包括一个外部电容。切换元件C、同步整流器S和电感L以星形结构连接,且彼此连接于节点P1。将一输入电压Uin加到直流/直流下变换器的输入上。能从直流/直流下变换器的输出得到一个输出电压Uout,该输出电压在可以包含一个或多个电容器的输出电容Cout两端下降。该输出电容Cout与电感L串联。
还设置一个辅助电路H,其包括一个辅助切换元件A、一个由一个二极管构成的辅助整流器Daux和一个由一个线圈构成的小辅助电感Laux,该元件以星形结构连接于节点P2。辅助切换元件A实施为一个具有一个连接在漏极与源极之间的体二极管DA和一个电容CA的场效应晶体管,该电容CA与体二极管DA并联且其构成了辅助切换元件A的寄生电容。辅助电路H连接到节点P1,并设置在输送电压Uin的直流/直流下变换器的输入和同步整流器S之间。然后,辅助切换元件A的漏极端连接到输送输入电压Uin的正电势的输入端。另一输入端连接到参考电势GND,其也连接到二极管Daux的阳极、同步整流器S的源极端和输出电容Cout的一端。二极管Daux的阴极连接到辅助切换元件A的源极端且连接到辅助电感Laux的一端,辅助电感Laux的另一端连接到点P1。
图2A到2I示出了电压和电流的各种变化,以描述与图1相一致的电路结构的操作。
图2A:辅助切换元件A的控制端(栅极端)上的电势GA;
图2B:位于输入侧的切换元件C的控制端(栅极端)上的电势GC;
图2C:同步整流器S的控制端(栅极端)上的电势GS;
图2D:朝节点P2方向流过辅助切换元件A的电流IAM;
图2E:朝节点P1方向流过输入侧的切换元件C的电流IC;
图2F:从节点P1到参考电势GND的方向流过同步整流器S的电流IS;
图2G:从参考电势GND朝节点P2的方向流过辅助整流器Daux的电流IAD;
图2H:输入侧的切换元件C上的方向为从输入电压Uin到节点P1的电压UC;
图2I:同步整流器S上的方向为从节点P1到参考电势GND的电压US。
时段t0≤t<t1:
在时刻t0,接通辅助切换元件A。在此时刻,位于输入侧的切换元件C切断而同步整流器S接通。接通辅助切换元件A的结果是,电流IAM从值零陡然增加,上升的陡度取决于与电感L相比而很小的电感Laux的值。因此,以所谓的零电流切换,即在电流IAM等于零处接通辅助切换元件A。流过位于输入侧的切换元件C的电流IC等于零。关于电流IS,平缓上升地一直增加到时刻t0(对应于一直到此时刻之前,总是为负的电流IS的绝对值都在减少),在其上叠加有电流IAM,以使得电流IS以相应的较陡的上升而增加,并在时刻t0和随后的时刻t1之间进入正值范围之内,以致于能从该时刻起切断同步整流器(具有IS的正值)而不进行体二极管DS的逆向恢复(产生损耗),因为体二极管在通常采用MOSFET的情况下决不传导电流。只要辅助切换元件A被接通,整流器Daux就被切断且IAD为零。电压UC等于输入电压Uin。电压US等于零。
时段t1≤t<t2:
辅助切换元件A保持接通,而目前切换元件C保持切断;然而,原则上从时刻t1起就能允许接通切换元件C(由图2B中的控制电势GC的上升沿上的双箭头表示),由于从此时刻起电流IC就为负,因此在接通体二极管DC的同时能以使切换损失最小的零电压切换接通切换元件C。在时刻t1切断同步整流器S。电流IAM在时刻t1和t2之间基本保持恒定。电流IC呈现为负值,且在时刻t2之前一直基本上保持恒定。电流IS现在已经呈现为零值。电流IAD仍然为零。电压UC返回零,UC下降的陡度取决于在此下降期间切换的电容CC和CS的值。图2A中的下降的线表示该电压仅在时刻t1’以延迟的方式已经下降到零。优选地,测量电压UC,并与一个阈值比较;当电压UC已经下降得足够多时,能接通切换元件C,然后相应的仅在切换元件C中感应有小的损耗。切换元件S上的电压US从时刻t1起增加到输入电压Uin的值,此上升的陡度又取决于在电压US的上升期间切换的电容CC和CS的值。图2I中的上升虚线表示电压US仅在时刻t1’以延迟的方式已经增加到Uin的值。在时刻t1以零电压切换切断了切换元件S,即,US在时刻t1等于零。
时段t2≤t<t3:
在时刻t2,切断辅助切换元件A,以使电流IAM变为零。电感Laux经由整流器Daux放电,在此时刻有下降电流IAD流过此处。在时刻t2电流IC的绝对值从(负)值下降,直到在时刻t3其降为零值。在时刻t2’接通切换元件C;这种情况在体二极管DC接通时或在检测到电压UC的绝对值足够低时发生,也就是以零电压切换(还是参见上面的与时刻t1≤t<t2的时段相关的描述,在此时段能接通切换元件C)进行。
时段t3≤t<t4:
辅助切换元件A和同步整流器S保持切断,而切换元件C保持接通;流过辅助整流器Daux的电流IAD以与时段t2≤t<t3相同的陡度持续下降。在时刻t4电流IAD下降到了零。电流IC稳定地以与时段t2≤t<t3相同的陡度持续增加,在时刻t3其值为零。
时段t4≤t<t5:
在时刻t4,辅助电感Laux已经被完全放电,因此电流IAD已经到达零值,且保持为零。结果,在切换元件C仍然接通的同时,电流IC增加的强度比时段t3≤t<t4要小。
时段t5≤t<t6:
在时刻t5,切断切换元件C而接通同步整流器S。因此,电流IC下降到零。在时刻t5,电流IS从零跳到负值,从此时刻起在时刻t6之前电流IS增加,而其绝对值因此而减少(在小负荷或零负荷的情况下,IS直到时刻t6增加到了正值)。在时刻t5电压UC增加到值Uin。因为电容CC和CS的相关联切换不能随意地快且电压UC的相应上升和电压US的下降不以无限的陡度进行,所以提供了用于接通切换元件S的小空闲时间(在图2A到2I中不能识别出);这意味着仅在切断切换元件C之后的一个短暂时段接通切换元件S,因此保证了切换元件S的接通是以零电压切换进行的。
从时刻t6开始重复对t0到t6描述的时段的操作。
示出了在时刻t0和t4之间发生的事件,为了更好地解释本发明在图2A到2I中这些事件在时间上被扩展。实际上从t0到t4的时段与从t0到t6的时段的比率远小于在图2A到2I示出的比率。

Claims (6)

1.一种直流/直流下变换器,其包括一个同步整流器、一个位于其输入侧的切换元件、一个位于其输出侧的电感和一个辅助电路,该辅助电路包括一个辅助切换元件、一个辅助整流器和一个辅助电感,该辅助电路与同步整流器、位于输入侧的切换元件与位于输出侧的电感之间的接点耦接。
2.如权利要求1所述的直流/直流下变换器,其特征在于:所述辅助切换元件、所述辅助整流器和所述辅助电感的第一端彼此连接,
-辅助切换元件的第二端连接到下变换器的一个输入端,
-下变换器的第二输入端连接到辅助整流器的第二端和同步整流器的一端,及
-辅助电感的第二端连接到同步整流器的第二端。
3.如权利要求1或2所述的直流/直流下变换器,其特征在于:其被设置成在接通同步整流器的同时和在切断输入侧的切换元件的同时接通辅助切换元件,又在接下来切断同步整流器之后切断辅助切换元件。
4.如权利要求1到3的任一项所述的直流/直流下变换器,其特征在于:其被设置成当电流在输入侧的切换元件的体二极管的正向流动时,接通输入侧的切换元件,该切换元件实施为场效应晶体管。
5.如权利要求1到3的任一项所述的直流/直流下变换器,其特征在于:其被设置成测量输入侧的切换元件上的电压,并当输入侧的切换元件上的测量电压已经达到一个可选择的阈值时接通输入侧的切换元件。
6.如权利要求1到5的任一项所述的直流/直流下变换器,其特征在于:其被设置成当电流从同步整流器、输入侧的切换元件与位于输出侧的电感之间的接点流向同步整流器时,关闭实施为一个场效应晶体管的同步整流器。
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