CN1897425A - 功率转换器及提供高于或低于输入电压的输出电压的方法 - Google Patents

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Abstract

一种功率转换器及提供高于或低于输入电压的输出电压的方法。该功率转换器包括第一开关、第二开关和第三开关、开关控制器和隔离电路。该功率转换器连接到一个高电压源和输入电压源。上述开关独立地接通和断开，从而获得稳定的输出电压，其中输出电压可以高于或低于输入电压。本发明的功率转换器与传统的DC－DC转换器相比，提供高于或低于输入电压的输出电压，需要较少的组件并具有高的功率转换效率，当有电池提供输入电压时很好地延展了电池的工作时间。

Description

功率转换器及提供高于或低于输入电压的输出电压的方法
技术领域
本发明涉及电子设备的电源管理电路，尤其是涉及输入电压具有宽变化范围的DC-DC电源转换器。
背景技术
为了更易于使用，便携式电子设备需要在不同的条件下都便于使用。便携式电子设备的一个需求是可以由不同的电源带动工作，诸如AC适配器、汽车适配器、USB电源线，以及各种可再充电和不可再充电的电池，如镍镉、镍氢、锂和锂聚合物电池。由这些不同的电源输送的实际电压会在一个很大的范围内变化。例如，由已完全充电的电池输送的电压会与由相同的电池在其近乎放空的时候输送的电压非常不同。
另一方面，在便携式电子设备中的多数集成电路(IC)仅可以在一个非常窄的电压范围内正常工作。然而，由于电子设备的输入源的不同类型和状态，输送给一些IC的电压会变化很大，即，一些IC的所需的电源电压会高于便携式电子设备的输入电压或者低于便携式电子设备的输入电压。因而，为了提供稳定电压给这些IC，使用电源管理电路来产生这种稳定的电压。这些电源管理电路包括低压降线性调节器、开关电容(调节器、开关模式DC-DC转换器等。在这些电路中，开关模式DC-DC转换器因其高效性而最通用。
有这样一些传统的开关模式DC-DC转换器，它们能够产生高于或低于输入电压的输出电压。例如，级联式降压-升压转换器、H-桥降压-升压转换器、单端初级电感转换器(SEPIC)、降压-升压转换器、FLYBACK转换器等。这些转换器中都具有相同的缺陷：级联式降压-升压转换器和SEPIC降压-升压转换器对于每个通道都需要一个以上的电感器，FLYBACK转换器需要体积很大和价格昂贵的变压器，H-桥降压-升压转换器需要更多的开关。这些传统的转换器不是需要额外的组件就是具有高成本。此外，这些转换器与单降压或单升压转换器相比具有较低的功率转换效率。因而，本发明的主要目的是提出一种改进的降压转换器，它能够生成高于或低于输入电压的输出电压，且同时兼具低成本、少组件和高效。
发明内容
本发明提出了一种增强的降压转换器结构。与传统的仅能够实现降压转换功能的降压转换器相比，本发明通过仅在传统的降压变换器上增加一个附加的开关，能够以低成本、少组件和更高效率产生高于或低于输入电压的输出电压，且在任何时候，转换原理都遵循传统的操作方法。
在本发明的一个实施例中，提出了一种功率转换器，用以提供高于或低于输入电压的输出电压。该功率转换器包括耦合在输入电压和一节点之间的第一开关，耦合在电压源和该节点之间的第二开关，以及耦合在该节点和地之间的第三开关，其中电压源的电压高于输入电压。当输入电压低于输出电压时，设置第三开关断开，并且交替且互斥地将第一开关和第二开关设置为断开和接通。结果，转换器生成低于输入电压的输出电压。功率转换器还包括隔离电路。隔离电路包括一个电感器和一个电容器。电感器耦合在节点和输出电压之间，电容器耦合在输出电压和地之间。功率转换器还包括开关控制器，用以根据由开关控制器收集的输入信息和输出信息控制第一、第二和第三开关的状态。
本发明所述的功率转换器，当输入电压高于输出电压时，设置第二开关断开，并且交替且互斥地将第一开关和第三开关设置为断开和接通。
本发明所述的功率转换器，所述开关控制器能够读出输入电压和输出电压，并根据输入电压和输出电压有选择地断开和接通第一、第二和第三开关。
在本发明的另一个实施例中，还提出了一种功率转换器，用以提供高于输入电压的输出电压。该功率转换器包括电压源，耦合在输入电压和一节点之间的第一开关，耦合在电压源和该节点之间的第二开关，其中电压源的电压高于输入电压。结果，转换器能够生成高于输入电压的输出电压。功率转换器还包括隔离电路。隔离电路包括一个电感器和一个电容器。电感器耦合在节点和输出电压之间，电容器耦合在输出电压和地之间。功率转换器还包括开关控制器，以控制第一和第二开关的状态。
在本发明的又一个实施例中，还提出了一种用以产生高于或低于输入电压的输出电压的方法。该方法包括提供第一控制信号以控制第一开关的状态，其中第一开关耦合在输入电压和一节点之间，提供第二控制信号以控制第二开关的状态，其中第二开关耦合在电压源和该节点之间，提供第三控制信号以控制第三开关的状态，其中第三开关耦合在该节点和地之间，当输入电压低于输出电压时，断开第三开关，并且交替且互斥地断开和接通第一开关和第二开关；而当输入电压高于输出电压时，断开第二开关，并且交替且互斥地断开和接通第一开关和第三开关。电压源的电压高于输入电压。
本发明所述的用于提供高于或低于输入电压的输出电压的方法，还包括通过对在节点生成的电压进行滤波而获取直流输出电压。
在本发明的又一个实施例中，还提出了一种用以产生高于输入电压的输出电压的方法。该方法包括提供第一控制信号以控制第一开关的状态，其中第一开关耦合在输入电压和一节点之间，提供第二控制信号以控制第二开关的状态，其中第二开关耦合在电压源和该节点之间，并且交替且互斥地断开和接通第一开关和第二开关。电压源的电压高于输入电压。
本发明所述的用于产生高于输入电压的输出电压的方法，还包括通过对在节点生成的电压进行滤波而获取直流输出电压。
本发明与传统的DC-DC转换器相比，提供高于或低于输入电压的输出电压，需要较少的组件并具有高的功率转换效率，当有电池提供输入电压时很好地延展了电池的工作时间。
附图说明
本发明的实施例的特征和优点将随着后续详细说明的进行而变得显而易见，且参考附图，其中相同的附图标记表示相同的元件，其中：
图1示出了根据本发明的改进的降压转换器的范例拓扑结构；
图2示出了当输入电压高于输出电压时的图1的简化等效电路；
图3示出了当输入电压低于输出电压时的图1的简化等效电路；
图4示出了当输入电压低于输出电压时的一些关键性电参数的波形。
具体实施方式
图1示出了改进的降压转换器100的范例拓扑结构。通常，改进的降压转换器100在输入端口104接收输入直流电压，VIN，并在输出端口116提供期望输出直流电压，VOUT。输出电压可以高于或低于输入电压。改进的降压转换器100包括第一开关106，第二开关108，第三开关110，隔离电路120和开关控制器118。此处使用的开关可以是任何类型的，例如，MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，IGBT(绝缘栅双极晶体管)、BJT(双极结型晶体管)和二极管。
开关106的一端经节点105连接到输入端口104，且其另一端连接到节点107。开关108的一端经路径103连接到端口102，且其另一端连接到节点107。开关110的一端连接到地，且其另一端连接到节点107。隔离电路120具有一个电感器112和一个连接到电感器112的电容器114。电感器112耦合在节点107和节点109之间，而电容器114耦合到节点109和地之间。节点109连接到输出端口116。隔离电路120用于对在节点107获得的电压进行低通滤波，从而在输出端口116获得直流电压，VOUT。此外，隔离电路120还能够隔离输入和输出电流，并防止输出电流的反向，借此保持电流的连续性。
将输入电压VIN施加到输入端口104，将另一电压源VHIGH施加到端口102，且在输出端口116得到输出电压VOUT。通常，VHIGH高于VIN的最大可能电压，且可以由任何电源传送，其中电源包括但不限于，升压转换器、电荷泵、AC适配器等。升压转换器可以包括开关模式升压DC-DC转换器、开关电容转换器等。
转换器100在两种模式下工作。当输入电压VIN低于输出电压VOUT时，转换器100作为升压转换器。当输入电压VIN高于输出电压VOUT时，转换器100作为降压转换器。开关控制器118通过检测转换器100经由节点105的输入信息和经由节点109的输出信息确定在哪种模式下工作。当设置了适当的模式时，控制器118在路径111、113和115上生成三个控制信号，以分别控制开关106、108和110，以便这些开关可以在该模式下工作。虽然通常情况下只有电压信息被采集来，但也可以使用输入和输出的电流信息来获得更佳的性能。
当输入电压VIN高于输出电压V0UT时，开关控制器118经由路径113发送控制信号，以断开开关108，将开关106和110交替且互斥地设置为断开和接通。图2示出了当输入电压高于输出电压时图1的简化等效电路200。为了清楚，此处省略了开关控制器118。请注意，图2本质上示出了传统的降压转换器。在一个开关周期T1中，如果开关106的接通时间是D1×T1，那么开关110的接通时间应当为(1-D1)×T1，其中D1大于0且小于1，且由输入电压水平和输出电压水平之间的关系确定D1的值。VOUT和VIN之间的关系是VOUT＝D1×VIN。这样，将输入电压转换为较低的输出电压。
当输入电压VIN低于输出电压VOUT时，开关控制器118经由路径115发送控制信号以断开开关110，且将开关106和108交替且互斥地设置为断开和接通。图3示出了当输入电压低于输出电压时图1的简化等效电路300。为了清楚，此处省略了开关控制器118。在一个开关周期T2中，当开关106接通时，节点107上的电压等于在输入端口104处的电压VIN。在隔离电路120进行的低通滤波之后，在输出端口116获得VOUT，它为节点107上电压的直流分量。请注意，此时，本发明还与传统的降压转换器一样工作，但具有不同的输入电压水平。
图4示出了当输入电压低于输出电压时一些关键电参数的波形。曲线402示出了在节点107的电压波形和在输出端口116的电压波形。曲线404示出了流经开关108的电流波形。曲线406示出了流经开关106的电流波形。曲线408示出了流经电感器112的电流波形。根据曲线402，在一个开关周期T2内，如果开关108的接通时间是D2×T2，那么开关106的接通时间应当是(1-D2)×T1，其中D2大于0且小于1，且通过在输入电压水平和输出电压水平之间的关系确定D2的值。同样，VOUT可以这样导出：
VOUT＝D2×VHIGH+(1-D2)×VIN
从该等式中可以理解VOUT高于VIN。还请注意，当开关108接通时，VHIGH提供所需的输出电流VOUT。当开关106接通时，VIN直接提供所需的输出电流给VOUT。即，从VHIGH部分和原始的VIN部分导出VOUT的功率。传统级联式升降压转换器的拓扑结构首先使用升压转换器来由VIN产生VHIGH，接着使用传统降压转换器来由VHIGH产生VOUT。即，完全由VHIGH获得VOUT的功率，而VHIGH也由VIN转换得到。因而，通过两个完整的转换步骤获得VOUT降低了转换效率。优越地，与传统的级联式升降压转换器的转换效率相比，本发明的拓扑结构有较高的效率。
因而，本发明提出了一种获得高于或低于输入电压的输出电压的柔性降压转换器，仅使用三个开关来实现该功能。与传统的DC-DC转换器相比，提供高于或低于输入电压的输出电压，本发明需要较少的组件并具有高的功率转换效率，且借此，当有电池提供输入电压时很好地延展了电池的工作时间。
所述领域技术人员很容易理解本发明还提供能够产生高于输入电压的输出电压的功率转换器的实施例，如图3所示。此外，本发明中示出的隔离电路120可以是任何形式，只要该电路能够低通滤波或隔离输入和输出电流。还应当注意到，将图1所示的电路去掉隔离电路120，剩余的电路还可以用作转换器，且这样的电路还可以实施本发明的精神。
此处使用的术语和表达是被用于说明而非限制性的术语，且在使用这样的术语和表达时，无意排除所示和所述(或其中部分的)特征的任何等同物，且可以认识到，在权利要求范围内的各种修改都是可能的。其它修改、变化和变换也是可能的。因而，权利要求将覆盖所有这样的等同物。

Claims (17)

1.一种功率转换器，用于提供高于或低于输入电压的输出电压，其特征在于，该功率转换器包括：
一节点；
耦合在输入电压和该节点之间的第一开关；
耦合在电压源和该节点之间的第二开关；以及
耦合在该节点和地之间的第三开关，
其中可以独立和选择性地断开和接通第一开关、第二开关和第三开关。
2.根据权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，电压源的电压高于输入电压。
3.根据权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，还包括隔离电路，该隔离电路包括：
耦合在该节点和输出电压之间的电感器；以及
耦合在输出电压和地之间的电容器。
4.根据权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，当输入电压低于输出电压时，设置第三开关断开，并且交替且互斥地将第一开关和第二开关设置为断开和接通。
5.根据权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，当输入电压高于输出电压时，设置第二开关断开，并且交替且互斥地将第一开关和第三开关设置为断开和接通。
6.根据权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，还包括耦合到第一开关、第二开关和第三开关上的开关控制器，其中开关控制器选择性地断开和接通第一、第二和第三开关。
7.根据权利要求6所述的功率转换器，其特征在于，所述开关控制器能够读出输入电压和输出电压，并根据输入电压和输出电压有选择地断开和接通第一、第二和第三开关。
8.一种功率转换器，用于产生高于输入电压的输出电压，其特征在于，该功率转换器包括：
一节点；
耦合在输入电压和该节点之间的第一开关；以及
耦合在电压源和该节点之间的第二开关，
其中可以独立和选择性地将第一开关和第二开关设置为断开和接通。
9.根据权利要求8所述的功率转换器，其特征在于，所述电压源的电压高于输入电压。
10.根据权利要求8所述的功率转换器，其特征在于，还包括隔离电路，该隔离电路包括：
耦合在该节点和输出电压之间的电感器；以及
耦合在输出电压和地之间的电容器。
11.根据权利要求8所述的功率转换器，其特征在于，还包括耦合到第一开关和第二开关上的开关控制器，其中开关控制器选择性地断开和接通第一和第二开关。
12.一种用于提供高于或低于输入电压的输出电压的方法，其特征在于，包括以下步骤：
向耦合在输入电压和一节点之间的第一开关提供第一控制信号；
向耦合在电压源和该节点之间的第二开关提供第二控制信号；
向耦合在该节点和地之间的第三开关提供第三控制信号；
当输入电压低于输出电压时，断开第三开关，并且交替且互斥地断开和接通第一开关和第二开关；以及
当输入电压高于输出电压时，断开第二开关，并且交替且互斥地断开和接通第一开关和第三开关。
13.根据权利要求12所述的用于提供高于或低于输入电压的输出电压的方法，其特征在于，所述电压源的电压高于输入电压。
14.根据权利要求12所述的用于提供高于或低于输入电压的输出电压的方法，其特征在于，还包括通过对在节点生成的电压进行滤波而获取直流输出电压。
15.一种用于产生高于输入电压的输出电压的方法，其特征在于，包括：
向耦合在输入电压和一节点之间的第一开关提供第一控制信号；
向耦合在电压源和该节点之间的第二开关提供第二控制信号；以及
交替且互斥地断开和接通第一开关和第二开关。
16.根据权利要求15所述的用于产生高于输入电压的输出电压的方法，其特征在于，所述电压源的电压高于输入电压。
17.根据权利要求15所述的用于产生高于输入电压的输出电压的方法，其特征在于，还包括通过对在节点生成的电压进行滤波而获取直流输出电压。
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