CN215528874U - 用于将直流输入电压转换为直流输出电压的开关转换器和系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于将直流输入电压转换为直流输出电压的开关转换器和系统。开关转换器包括：输入级；输出级，用于提供输出电压；电容耦合级，用于将输入级和输出级耦合；第一切换级，被配置为在第一状态和第二状态之间切换，在第一状态输入电压被提供到输入级，在第二状态输入电压不被提供到输入级；第二切换级，被配置为在第一状态和第二状态之间切换，在第一状态中参考电压被提供到输出级，在第二状态中参考电压不被提供到输出级；和电压调节级，被配置为在第二切换级从第一状态切换到第二状态之后且在第一切换级从第二状态切换到第一状态之前，设置跨输入级的目标电压。

Description

用于将直流输入电压转换为直流输出电压的开关转换器和 系统
技术领域
本实用新型的实施例总体上涉及开关转换器的领域。具体地，本实用新型的实施例涉及用于将直流输入电压转换成与该输入电压不同的直流输出电压的DC-DC开关转换器。更具体地，本实用新型的实施例涉及一种诸如zeta转换器的开关转换器，其中，取决于振荡信号的占空比，输出电压低于或高于输入电压。
背景技术
直流电-直流电(DC-DC)开关转换器可以用在任何电子系统中，该电子系统包括电源(诸如电池)和一个或多个电子/机电部件，每个部件都以各自的电压工作：在这样的电子系统中，DC-DC开关转换器可以被配置为从由电源提供的(单个)输入电压生成多个受控输出电压。
这可以节省空间，因为避免了在电子系统内使用多个电源为其不同部件供电。
最近，zeta转换器已被开发，其中，取决于振荡信号(通常为方波信号)的占空比，输出电压低于或高于输入电压。
常规的zeta转换器包括用于接收输入电压的电感(或电感-电容)输入级、用于提供输出电压的电感(或电感-电容)输出级、用于将输入级和输出级彼此耦合的电容耦合级、高侧开关和低侧开关。
在振荡信号的控制下，高侧开关被配置为在输入电压被输送到输入级的第一状态(或导通状态)和输入电压被阻止输送到输入级的第二状态(或断开状态)之间切换，且低侧开关被配置为在参考电压被输送至输出级的第一状态(或导通状态)和参考电压被阻止输送至输出级的第二状态(或断开状态)之间切换。
实用新型内容
申请人已理解，传统的zeta转换器对于现代技术需求来说是不令人满意的，特别是对于需要高效率的应用。
实际上，申请人已认识到，与传递到与zeta转换器(的输出级) 耦合的电负载的输出电流相比，流经高侧开关和低侧开关的最大工作电流极高，跨输出级的最大工作电压明显高于输出电压，以及跨输入级的最小工作电压与输出电压相差甚远：这会导致非常高的换向损耗，尤其是在Zeta转换器的高切换频率下。
申请人已理解，当振荡信号的占空比高于0.5(升压条件)，以及当低侧开关从导通状态被切换到断开状态且随后高侧开关从断开状态被切换到导通状态，换向损失上升：在这种情况下，高侧开关会经历基于当前的电气标准可以高于30V和高于10A的初始电压降和电流，这会导致初始功耗高于300W。
此外，当在实际情况中高侧开关通过金属氧化物半导体(MOS) 晶体管来实现，至少在最初，在MOS晶体管的漏极端子和源极端子之间的本征二极管处于直接传导：因此，由于反向恢复时间，流过高侧开关的电流甚至可以更高，从而导致可以甚至高于500W的初始功耗。
申请人已经遇到上述问题，并且设计了一种开关转换器，该开关转换器包括电压调节级，该电压调节级被配置为在低侧开关级从导通状态切换到断开状态之后且在高侧开关级从断开状态切换到导通状态之前，设置跨输入级的目标电压，而且基本上没有功耗(即，通过电压调节级的一个或多个部件没有或基本上没有功耗)。
本实用新型的一个或多个方面在独立权利要求中阐述，本实用新型的有利特征在从属权利要求中指出，这里通过引用将其措词一字不漏地包括在内(而且参考将加以必要的修改应用到任何其他方面的本实用新型具体方面，任何有利特征被提供)。
更具体地，本实用新型的一方面涉及一种开关转换器，用于将直流输入电压转换成直流输出电压。
根据实施例，开关转换器包括：
输入级，用于接收输入电压；
输出级，用于提供输出电压；
电容耦合级，用于将输入级和输出级彼此耦合；
第一切换级，被配置为在第一状态和第二状态之间切换，在第一状态输入电压被允许提供到输入级，在第二状态输入电压被阻止提供到输入级；
第二切换级，被配置为在第一状态和第二状态之间切换，在第一状态参考电压被允许提供到输出级，在第二状态参考电压被阻止提供到输出级；
电压调节级，被配置为在第二切换级从第一状态被切换到第二状态之后且在第一切换级从第二状态被切换到第一状态之前，设置跨输入级的目标电压。
根据实施例，其特征是前述实施例的任何特征的补充或替代，电压调节级包括LC级。
根据实施例，其特征是前述实施例的任何特征的补充或替代，电压调节级包括第三切换级，该第三切换级被配置为在第一状态和第二状态之间切换，在第一状态目标电压被允许跨输入级通过LC级来设置，在第二状态目标电压被阻止跨输入级设置。
根据实施例，其特征是前述实施例的任何特征的补充或替代，电压调节级包括控制模块，该控制模块被配置为：
在第一切换级处于第二状态的情况下，当第二切换级从第一状态被切换到第二状态时，将第三切换级从第二状态切换到第一状态。
当跨输入级的目标电压已被设置时，将第三切换级从第一状态切换回第二状态；和
在第二切换级处于第二状态的情况下，当第三切换级从第一状态切换回第二状态时，将第一切换级从第二状态切换到第一状态。
根据实施例，其特征是前述实施例的任何特征的补充或替代，当第三切换级处于第一状态时，LC级并联连接到输入级。
根据实施例，其特征是前述实施例的任何特征的补充或替代，开关设备还包括至少一个限制级，用于限制跨LC级的振荡。
根据实施例，其特征是前述实施例的任何特征的补充或替代，至少一个限制级包括跨第一切换级和第三切换级的用于限制跨LC级的正向振荡的二极管元件。
根据实施例，其特征是前述实施例的任何特征的补充或替代，至少一个限制级还包括：
跨LC级的第四切换级，用于限制跨LC级的负振荡。
根据实施例，其特征是前述实施例的任何特征的补充或替代，当第三切换级处于第一状态时，LC级并联连接到输出级。
根据实施例，其特征是前述实施例的任何特征的补充或替代，开关转换器是zeta转换器。
本实用新型的另一方面涉及一种用于开关转换器的系统，包括一个或多个这种开关转换器。
附图说明
通过以下对一些示例性和非限制性实施例的描述，本实用新型的这些和其他特征和优势将变得明显。为了更好地理解，应参考附图阅读以下描述，其中：
图1示出了根据本实用新型实施例的开关转换器的示意性电路图，以及
图2示出了根据本实用新型实施例的开关转换器的控制信号的示意性趋势。
具体实施方式
参考附图，图1示出了根据本实用新型实施例的开关转换器100 的示意性电路图。
在下文中，当通过措词“根据实施例”引入开关转换器100的一个或多个特征时，除非另有说明和/或除非特征组合之间明显不兼容，否则它们应被解释为对先前引入的任何特征的补充或替代特征。
根据实施例，开关转换器100是DC-DC开关转换器，即被配置为将直流(DC)输入电压VIN转换成直流(DC)输出电压VOUT的开关转换器(输出电压VOUT与输入电压VIN不同)。
根据实施例，开关转换器是Zeta转换器，即其中取决于振荡信号 VOSC的占空比而使输出电压VOUT低于或高于输入电压VIN的开关转换器(在下文中讨论)。
不失一般性，开关转换器100可以用于任何电子系统，该电子系统包括电源(诸如光伏电池的电池箱)和一个或多个电子/机电部件，每个部件均在各自的电压处工作：在这样的电子系统中，开关转换器 100(或其更多)可以被配置为从通过电源提供的单个输入电压生成多个受控输出电压(因此节省空间，因为避免了在电子系统内使用多个电源来为其不同的部件供电)。该电子系统的示例包括电池充电器或音频功率放大器。
根据实施例，开关转换器100包括提供输入电压VIN的输入端子 TIN和提供输出电压VOUT的输出端子TOUT。
根据实施例，开关转换器100包括：第一切换级，例如，第一开关元件105H(以下被称为高侧开关)；和第二切换级，例如，第二开关元件105L(以下被称为低侧开关)。在下文中，当高侧开关105H和低侧开关105L之间的区分与理解本实用新型无关时，高侧开关105H和低侧开关105L也将由开关105H、105L来简明表示。
开关105H、105L在图中由相同的通用表示来图出，因为它们的具体实现方式与本实用新型的理解无关。
根据实施例，每个开关105H、105L包括用于接收各自的控制信号 VCTRL,H、VCTRL,L的控制端子、以及根据(即，其取值)各自的控制信号VCTRL,H、VCTRL,L的值(即,其取值)能够彼此电耦合的第一端子和第二端子。
根据实施例，每个控制信号VCTRL,H、VCTRL,L是数字信号，即可以采用低逻辑电平(例如，对应于参考电压或接地电压，诸如0V)和高逻辑电平(例如，对应于高于参考电压的正电压，诸如3.4V)的信号。
根据实施例，每个控制信号VCTRL,H、VCTRL,L由振荡信号VOSC提供 (例如，产生)。
根据实施例，振荡信号VOSC是具有占空比D的方波信号。根据实施例，振荡信号VOSC的占空比D是动态可变的，从而相应地改变开关转换器100的转换因子(VOUT/VIN)。
根据实施例，取决于各自控制信号VCTRL,H、VCTRL,L的值，每个开关105H、105L可以处于接通或导通状态，其中各自第一端子和第二端子彼此电耦合(因此允许电流流过开关105H、105L)、以及断开或断开状态，其中各自第一端子和第二端子彼此电耦合(因此阻止任何电流流过开关105H、105L)。
根据实施例，控制信号VCTRL,H、VCTRL,L被设计为使得，开关105H、 105L不都处于导通状态：然而，如在下文中更好地讨论，不像典型的已知的zeta转换器，其中控制信号VCTRL,H、VCTRL,L是相互反转的方波信号，即彼此固定相移180°的方波信号(通常，控制信号VCTRL,H、VCTRL,L中的一个是振荡信号VOSC，控制信号VCTRL,H、VCTRL,L中的另一个是振荡信号VOSC的取反信号)，根据本实用新型的控制信号VCTRL,H、 VCTRL,L是彼此动态相移的方波信号(即，它们之间没有固定的、预定的相移)。
根据实施例，高侧开关105H的第一端子电耦合(例如，直接连接)到输入端子TIN。
根据实施例，低侧开关105L的第二端子电耦合(例如，直接连接) 到提供参考电压(例如，0V)的参考端子TGND。
根据实施例，未示出地，高侧开关105H包括PMOS晶体管，且低侧开关105L包括NMOS晶体管。
根据实施例，开关转换器100包括：输入级，用于接收输入电压 VIN(来自输入端子TIN)；和输出级，用于提供输出电压VOUT(给输出端子TOUT)。
根据实施例，开关变换器100的输入级是电感输入级，开关变换器100的输入级例如包括电感器元件110Lin(在下文中被称为输入电感器)。
根据实施例，输入电感器110具有电耦合(例如，直接连接)到高侧开关105H的第二端子的第一端子、和电耦合(例如，直接连接) 到参考端子TGND的第二端子。
根据实施例，开关转换器100的输出级包括电感器元件110Lout，在下文中被称为输出电感器。
根据实施例，输出电感器110Lout具有第一端子，电耦合(例如，直接连接)到低侧开关105L的第一端子、和第二端子，电耦合(例如，直接连接)到输出端子TOUT。
因此，在示例性考虑的实施例中，在高侧开关105H处于导通状态下，输入电压VIN被允许提供到输入级，且在高侧开关105H处于断开状态下，输入电压VIN被阻止提供到输入级。
根据实施例，开关转换器100的输出级包括电容器元件115Cout，在下文中被称为输出电容器。
根据实施例，输出电容器115Cout具有第一端子，电耦合(例如，直接连接)到输出端子TOUT(并且因此电耦合到输出电感器110Lout的第二端子)，和第二端子，电耦合(例如，直接连接)到参考端子 TGND。
因此，在示例性考虑的实施例中，在低侧开关105L处于导通状态下，参考电压被允许提供到输出级，且在低侧开关105L处于断开状态下，参考电压被阻止提供到输出级。
根据实施例，开关转换器100包括用于将输入级和输出级彼此耦合的电容耦合级。
根据实施例，电容性耦合级包括电容器元件120CC，在下文中被称为耦合电容器。
根据实施例，耦合电容器120CC具有第一端子，电耦合(例如，直接连接)到输入电感器110Lin的第一端子(并且因此电耦合到高侧开关105H的第二端子)、和第二端子，电耦合(例如，直接连接) 到输出电感器110Lout的第一端子(并且因此电耦合到低侧开关105L的第一端子)。
如上所提，开关转换器100可以用在任何电子系统中。根据实施例，开关转换器100被配置为电耦合到这个电子系统的一个或多个模块。在图中，这样的模块在概念上由等价电阻器元件RLOAD(在下文中被称为负载电阻器)来表示，该等价电阻器元件RLOAD具有电耦合(例如，直接连接)到开关转换器100的输出端子TOUT的第一端子、和电耦合(例如，直接连接)到参考端子TGND的第二端子。
到目前为止公开的开关转换器基本上可以被认为是典型的、已知的zeta转换器，其基本关系在这下面被引用(并且对于根据本实用新型实施例的开关转换器仍然有效)：
-作为输入电压VIN的函数的输出电压VOUT可以由以下关系式来表示：
Figure BDA0002983765100000081
-在输出电感器110Lout的第一端子处的最大工作电压VO,max(高侧开关105H处于导通状态，低侧开关105L处于断开状态)，和在输出电感器110Lout的第一端子处的最小工作电压VO,min (高侧开关105H处于关断状态，低侧开关105L处于导通状态)可以由以下关系式来表示：
Figure BDA0002983765100000082
VO,min＝0
-在输入电感器110Lin的第一端子处的最大工作电压VI,min(高侧开关105H处于导通状态，低侧开关105L处于断开状态)，和在输入电感器110Lin的第一端子处的最小工作电压VI,min(高侧开关105H处于断开状态，低侧开关105L处于导通状态)可以由以下关系式来表示：
VI,max＝VIN
Figure BDA0002983765100000091
-流过负载电阻器RLOAD的输出电流IOUT可以由以下关系式来表示：
Figure BDA0002983765100000092
其中，Rload表示负载电阻RLOAD的电阻值；
-流经低侧开关105L的平均IL,avg工作电流和最大IL,max工作电流可以由以下关系式来表示：
Figure BDA0002983765100000093
Figure BDA0002983765100000094
-流经高侧开关105H的平均IH,avg工作电流和最大IH,max工作电流可以由以下关系式来表示：
Figure BDA0002983765100000095
Figure BDA0002983765100000096
申请人已经认识到，已知的zeta转换器(其主要关系在上面被引用)具有低的效率。
的确，鉴于此，仅作为例子：
VIN＝10V
D＝0.7
RLOAD＝1Ω
基于上面引用的关系，结果如下：
VOUT＝23.3V
VO,max＝32.86V
VI,min＝-22.86V
IOUT＝2.33A
IH,max＝IL,max＝10.95A
即，与输出电流IOUT相比，流经开关105H、105L的最大工作电流 IH,max、IL,max极高，最大工作电压VO,max明显高于输出电压VOUT，且最小工作电压VI,min与输出电压VOUT相差极大：这会导致非常高的换向损耗，尤其是在高切换频率下。
申请人了解到，当D>0.5(升压条件)，并当低侧开关105L从导通状态切换到断开状态且高侧开关105H随后从断开状态切换到导通状态时，出现换向损耗的临界值上升：在这种情况下，输出电感器 110Lout的第一端子会经历从最小工作电压VO,min到最大工作电压VO,max的突然的电压偏移(讨论示例中为32.86V)，且高侧开关105H会经历跨其的32.86V的初始电压降(即，VIN-(VIN-VO,max)＝VO,max)和359.8W(32.86V*10.95A)的初始功耗。
此外，当在实际情况中,高侧开关105H通过MOS晶体管来实现，在MOS晶体管的漏极端子和源极端子之间的本征二极管至少在初始时处于直接传导：因此，由于反向恢复时间，流过高侧开关105H的电流也可以比最大工作电流IH,max高2倍或3倍(因此导致可以上升到500W以上的初始功耗)。
根据本实用新型的实施例的开关转换器100旨在克服或至少大大减少如下面所讨论的这些问题。
根据本实用新型的原理，开关转换器100包括电压调节级，该电压调节级被配置为在低侧开关105L从导通状态切换到断开状态之后且在高侧开关105H从断开状态切换到导通状态之前设置跨输入电感器110Lin的目标电压VI,TH。
根据实施例，电压调节级包括电感-电容(LC)级。
根据实施例，电压调节级包括辅助开关级，该辅助开关级被配置为在接通或导通状态和关断状态或断开状态之间切换，其中在接通状态或导通状态目标电压VI,TH被允许跨输入电感器110Lin通过LC级来设置，且在关断状态或断开目标电压VI,TH被阻止跨输入电感器110Lin设置。
根据实施例，LC级包括辅助电感器元件110Laux，在下文中被称为辅助电感器。
根据实施例，辅助电感器110Laux具有电耦合(例如，直接连接) 到辅助开关元件105AUX的第二端子的第一端子，和电耦合(例如，直接连接)到参考端子TGND的第二端子。
根据实施例，LC级的电容效应归因于与耦合电容器CC的第一端子和第二端子相关联的寄生电容器CH,CL，该寄生电容器主要包括高侧开关105H的本征电容器和低侧开关105L的本征电容器。
根据实施例，辅助开关级包括辅助开关元件105AUX，在下文中被称为辅助开关。根据实施例，辅助开关105AUX具有电耦合(例如，直接连接)到输入电感器110Lin(并且因此电耦合到高侧开关105H的第二端子)的第一端子，第二端子、和用于接收各自控制信号VCTRL,AUX的控制端子。
根据实施例，辅助开关105AUX包括双向切换(也被称为模拟切换或PETR切换)。
根据实施例，未图示，辅助开关105AUX和辅助电感器110Laux以相反的顺序彼此电耦合(即，利用电耦合(例如，直接连接)到辅助电感器110Laux的第一端子、利用电耦合(例如，直接连接)到参考端子TGND的第二端子、以及利用彼此电耦合(例如，直接连接)的辅助电感器110Laux的第二端子和辅助开关105AUX的第一端子)。
类似于开关105H、105L，辅助开关105AUX的第一端子和第二端子可根据控制信号VCTRL,AUX的值彼此电耦合。
根据实施例，取决于控制信号VCTRL,AUX的值，辅助开关105AUX可以采用导通状态，其中相应的第一端子和第二端子彼此电耦合(因此允许电流流过辅助开关105AUX，且因此允许目标电压VI,TH被通过 LC级跨输入电感器110Lin设置)，或者采用断开状态，其中相应的第一端子和第二端子彼此电解耦合(因此阻止任何电流流过辅助开关 105AUX，并因此阻止跨输入电感器110Lin设置目标VI,TH电压)。
根据实施例，控制信号VCTRL,AUX是数字信号，即可以采用低逻辑电平(例如，对应于参考电压或接地电压)或高逻辑电平(例如，对应于比参考电压高的正电压，诸如3.4V)的信号。
根据实施例，从振荡信号VOSC来提供(例如，产生)控制信号VCTRL,AUX。
根据示例性考虑的实施例，当辅助开关105AUX处于导通状态时， LC级(具体地，辅助电感器110Laux)与输入级(具体地，输入电感器110Lin)并联连接。
根据示例性考虑的实施例，辅助开关105AUX和LC级(具体地，辅助电感器110Laux)彼此串联连接，并且与输入级(具体地，输入电感器110Lin)并联。
根据备选实施例，未图示，辅助开关105AUX和LC级(具体地，辅助电感器110Laux)彼此串联连接、并且跨高侧开关105H和耦合电容器120CC(例如，利用辅助开关105AUX的电耦合到高侧开关105H的第一端子和辅助电感器110Laux的第一端子的第一端子和第二端子、以及利用辅助电感器110Laux的电耦合到耦合电容器120CC的第二端子的第二端子)。
根据实施例，开关转换器100包括控制模块(例如，微控制器) 125。
根据实施例，控制模块125被配置为接收振荡信号VOSC，并且从振荡信号VOSC提供(例如，产生)控制信号VCTRL,H,VCTRL,L,VCTRL,AUX。
根据实施例，控制模块125还被配置为在输入电感器110Lin的第一输入端子处接收电压VI(以下称为工作电压VI)或其指示，并也基于接收到的工作电压VI提供(例如，产生)控制信号VCTRL,H、VCTRL,L、 VCTRL,AUX。
根据实施例，控制模块125被配置为执行在输入电感器110Lin的第一输入端子处的工作电压(如工作电压VI所示)与目标电压VI,TH之间的比较。根据实施例，目标电压VI,TH在0V和输入电压VIN之间。根据实施例，目标电压VI,TH为0V。根据实施例，目标电压VI,TH被存储在控制模块125的适当的存储位置中。根据实施例，目标电压VI,TH可以由用户设置(和/或改变)。
概括地说，根据实施例，控制模块125被配置为：当低侧开关 105L从导通状态切换到断开状态(高侧开关105H处于断开状态)时，将辅助开关105AUX从断开状态切换到导通状态；当跨输入电感器 110Lin的目标电压已被设置时(即，当VI≥VI,TH时)，将辅助开关 105AUX从导通状态切换回断开状态；以及当辅助开关105AUX从导通状态切换回断开状态(低侧开关105L仍处于断开状态)时，将高侧开关105H从断开状态切换到导通状态。
结合图2，图2示出了根据本实用新型实施例的振荡信号VOSC的和控制信号VCTRL,H、VCTRL,L、VCTRL,AUX的示意性趋势。具体地，图中仅示例性示出，与低侧开关105L从断开状态到导通状态的切换有关、以及与已经示例性地示出的高侧开关105H从导通状态到断开状态的切换有关的振荡信号VOSC和控制信号VCTRL,H、VCTRL,L、VCTRL,AUX的趋势，实际上，如上所述，就换向损耗和功耗而言，这是最坏的情况。
根据实施例，控制模块125操作如下。
当振荡信号VOSC处于低逻辑电平(T0<t<T1)时，控制信号 VCTRL,L处于高逻辑电平，且控制信号VCTRL,H,VCTRL,AUX处于低逻辑电平。在这种情况下，低侧开关105L处于导通状态，高侧开关105H和辅助开关105AUX处于断开状态，且工作电压VI等于最小工作电压VI,min(即，
Figure BDA0002983765100000131
)。
当振荡信号VOSC从低逻辑电平切换到高逻辑电平(t＝T1)时，控制信号VCTRL,L从高逻辑电平切换到低逻辑电平(控制信号VCTRL,L因此为控制信号的取反信号VREF，控制信号VCTRL,AUX从低逻辑电平切换到高逻辑电平，并且控制信号VCTRL,H处在低逻辑电平不变。在这种情况下，低侧开关105L从导通状态切换到断开状态，高侧105H开关处在断开状态不变，并且辅助开关105AUX从断开状态切换到导通状态。在该配置中，由于辅助电感器110Laux和与耦合电容器120CC的第一端子和第二端子相关联的寄生电容器CH，CL之间的谐振效应，工作电压VI从最小工作电压VI,min逐渐增加。
当如由控制模块125执行的工作信号VI和目标电压VI,TH之间的比较结果，工作信号VI等于或高于目标电压VI,TH(t＝T2)时，控制信号VCTRL,AUX从高逻辑电平切换到低逻辑电平，控制信号VCTRL,H从低逻辑电平切换到高逻辑电平，并且控制信号VCTRL,L处在低逻辑电平保持不变。在这情况下，高侧开关105H从断开状态切换到导通状态，辅助开关105AUX从导通状态切换到断开状态，并且低侧开关105L处在断开状态不变。在这配置中，工作电压VI从目标电压VI,TH上升(基本上瞬间)到输入电压VIN：因此，在VIN＝10V和VI,TH＝0的讨论例子中，高侧开关105H会经历跨它的10V的电压降(而不是如已知开关转换器中的32.86V的电压降)，因此功耗显著降低。
如上所提，当辅助开关105AUX处于导通状态(并且低侧105L和高侧105H开关处于断开状态)时，由于辅助电感器110Laux和寄生电容器CH、CL之间的谐振效应，工作电压VI从最小工作电压VI,min逐渐增加。
谐振频率fr由以下给出：
Figure BDA0002983765100000141
其中，Laux表示辅助电感器110Laux的电感值，并且CH和CL分别表示寄生电容器CH和CL的电容值。
根据实施例，LC级的谐振频率fr比开关转换器100的切换频率高，优选地高得多。为了实现这一点，辅助电感器110Laux的电感值可以比输入电感器110Lin的电感值低得多：仅作为例子，Laux＝20nH， Lin＝2μH。
根据实施例，LC级的谐振频率fr与开关转换器100的切换频率之间的比率至少等于10，或高于10。
本实用新型允许利用系统的有限数量的有源部件并实际上不增加无源部件来减少换向损耗：真正地，增加的唯一一个无源部件(即，辅助电感器110Laux)可以具有可以通过印刷电路的走线或以集成形式 (在集成系统的情况下)来获得的值。
根据实施例，开关转换器100还包括一个或多个限制级，用于限制跨LC级(即，跨辅助电感器110Laux)的振荡。
根据实施例，限制级包括正振荡限制级，用于限制跨LC级(即，跨辅助电感器110Laux)的正振荡。根据实施例，正振荡限制级被布置为跨高侧开关105H和辅助开关105AUX。根据实施例，正振荡限制级包括二极管元件130D(或其它钳位元件)，该二极管元件130D具有电耦合(例如，直接连接)到高侧开关105H的第一端子(并且因此电耦合到开关转换器100的输入端子)的阴极端子和电耦合(例如，直接连接)到辅助开关105AUX的第二端子(并且因此电耦合到辅助电感器110Laux的第一端子)的阳极端子。
根据实施例，限制级包括负振荡限制级，用于限制跨LC级(即，跨辅助电感器110Laux)的负振荡。根据实施例，负振荡限制级被布置为跨辅助电感器110Laux。根据实施例，负振荡限制级包括另外的开关元件135(在下文中，限制开关)，例如双边开关，该开关元件135 具有电耦合(例如，直接连接)到辅助电感器110Laux的第一端子(并且因此电连接到二极管元件130D的阳极端子)的第一端子、电耦合 (例如，直接连接)到参考端子TGND的第二端子和用于接收相应的控制信号
Figure BDA0002983765100000151
的控制端子。
类似于开关105H、105L、105AUX，限制开关135的第一端子和第二端子能够根据控制信号
Figure BDA0002983765100000152
的值彼此电耦合。
根据实施例，取决于控制信号
Figure BDA0002983765100000153
的值，限制开关135可以采用导通状态，其中相应的第一端子和第二端子彼此电耦合(因此允许电流流过限制开关135)，或“断开”状态，其中相应的第一端子和第二端子彼此电去耦(因此阻止来自流过限制开关135的任何电流)。
根据实施例，控制信号
Figure BDA0002983765100000154
是数字信号，即可以采用低逻辑电平(例如，对应于参考电压或接地电压)或高逻辑电平(例如，对应于比参考电压高的正电压，诸如3.4V)的信号。
根据实施例，控制信号
Figure BDA0002983765100000155
由振荡信号VOSC被提供(例如，产生)。
根据实施例，控制信号
Figure BDA0002983765100000156
是控制信号VCTRL,AUX的取反信号，控制模块125例如被配置为由振荡信号VOSC提供(例如，产生) 控制信号VCTRL,H、VCTRL,L、VCTRL,AUX、
Figure BDA0002983765100000161
自然地，为了满足局部和特定要求，本领域技术人员可以将许多逻辑和/或物理修改和替换应用于上述实用新型。更具体地，尽管本实用新型已经参照本实用新型的优选实施例以某程度的特殊性来描述，但应当理解，在形式和细节以及其他实施例中的各种省略，替代和改变都是可能的。特别地，本实用新型的不同实施例甚至可以在没有前面描述中阐述的具体细节的情况下来实践，用来提供对本实用新型的更全面的理解。相反，众所周知的特征可以已省略或简化，以便不使描述受到不必要细节的干扰。而且，明确地意图是，结合本实用新型的任何公开的实施例描述的特定元件和/或方法步骤可以结合在任何其他实施例中。
特别地，如果开关转换器具有不同结构或包括等价部件，则类似的考虑适用。在任何情况下，其任何部件都可以分为几个元件，或者两个或多个部件可以合并为一个元件。此外，每个部件都可以复制以支持相应操作的并行执行。还应注意的是(除非另有说明)，不同部件之间的任何交互通常不需要是连续的，并且可以是通过一个或多个中间件来直接或间接。
例如，尽管在上文中已明确提到LC级并联连接到输入级，但通过考虑当辅助开关105AUX处于导通状态时并联连接到输出级的LC 级(具体地，辅助电感器110Laux)(具体地，在输出电感器110Lout的第一端子和参考端子TGND之间)，加以必要的修改的类似考虑适用。在这个情况下，在输出电感器110Lout的第一输入端子处的工作电压或其指示可以在控制模块125处被接收，且控制模块125可以被配置为执行在该工作电压与目标电压之间的比较，基于振荡信号VOSC和该工作电压来产生控制信号VCTRL,H、VCTRL,L、VCTRL,AUX、
Figure BDA0002983765100000162
尽管本实用新型已经参考说明性实施例来描述，但该说明书不意图以限制性的意义来解释。通过参考说明书，示例性实施例的各种修改和组合以及本实用新型的其他实施例对于本领域技术人员来说将是明显的。因此，意图是所附权利要求涵盖任何这样的修改或实施例。

Claims (16)

1.一种用于将直流输入电压转换为直流输出电压的开关转换器，其特征在于，所述开关转换器包括：
输入级，用于接收所述输入电压；
输出级，用于提供所述输出电压；
电容耦合级，用于将所述输入级和所述输出级彼此耦合；
第一切换级，被配置为在第一状态和第二状态之间切换，在所述第一状态中，所述输入电压被允许提供到所述输入级，在所述第二状态中，所述输入电压被阻止提供到所述输入级；
第二切换级，被配置为在第三状态和第四状态之间切换，在所述第三状态中，参考电压被允许提供到所述输出级，在所述第四状态中，所述参考电压被阻止提供到所述输出级；和
电压调节级，被配置为在所述第二切换级从所述第三状态被切换到所述第四状态之后、且在所述第一切换级从所述第二状态被切换到所述第一状态之前，设置跨所述输入级的目标电压。
2.根据权利要求1所述的开关转换器，其中所述电压调节级包括：
电感-电容LC级；
第三切换级，被配置为在第五状态和第六状态之间切换，在所述第五状态中，所述目标电压被允许跨所述输入级通过所述LC级设置，在所述第六状态中，所述目标电压被阻止跨所述输入级设置；和
控制模块，被配置为：
在所述第一切换级处于所述第二状态的情况下，当所述第二切换级从所述第三状态被切换到所述第四状态时，将所述第三切换级从所述第六状态切换到所述第五状态；
当跨所述输入级的目标电压已被设置时，将所述第三切换级从所述第五状态切换回所述第六状态；和
在所述第二切换级处于所述第四状态的情况下，当所述第三切换级从所述第五状态被切换回所述第六状态时，将所述第一切换级从所述第二状态切换到所述第一状态。
3.根据权利要求2所述的开关转换器，其中当所述第三切换级处于所述第五状态时，所述LC级与所述输入级并联连接。
4.根据权利要求2所述的开关转换器，还包括至少一个限制级，用于限制跨所述LC级的振荡。
5.根据权利要求4所述的开关转换器，其中所述至少一个限制级包括跨所述第一切换级和所述第三切换级的二极管元件，用于限制跨所述LC级的正振荡。
6.根据权利要求5所述的开关转换器，其中所述至少一个限制级还包括：
跨所述LC级的第四切换级，用于限制跨所述LC级的负振荡。
7.根据权利要求2所述的开关转换器，其中，当所述第三切换级处于所述第五状态时，所述LC级与所述输出级并联连接。
8.根据权利要求1所述的开关转换器，其中所述开关转换器是zeta转换器。
9.一种用于开关转换器的系统，其特征在于，包括：
产生源电压的电源；
第一电子/机电部件，被配置为在第一电压处操作；
第二电子/机电部件，被配置为在不同于所述第一电压的第二电压处操作；
第一开关转换器，被配置为从所述电源接收所述源电压，并将所述第一电压提供到所述第一电子/机电部件；和
第二开关转换器，被配置为从所述电源接收所述源电压，并将所述第二电压提供到第二电子/机电部件；
所述第一开关转换器和第二开关转换器的每一个包括：
输入级，用于接收所述源电压；
输出级，用于分别提供所述第一电压或所述第二电压；
电容耦合级，用于将所述输入级和所述输出级彼此耦合；
第一切换级，被配置为在第一状态和第二状态之间切换，在所述第一状态中，所述源电压被允许提供到所述输入级，在所述第二状态中，所述源电压被阻止提供到所述输入级；
第二切换级，被配置为在第三状态和第四状态之间切换，在所述第三状态中，参考电压被允许提供到所述输出级，在所述第四状态中，所述参考电压被阻止提供到所述输出级；和
电压调节级，被配置为在所述第二切换级从所述第三状态被切换到所述第四状态之后、且在所述第一切换级从所述第二状态被切换到所述第一状态之前，设置跨所述输入级的目标电压。
10.根据权利要求9所述的系统，其中每个开关转换器的电压调节级包括：
电感-电容LC级；
第三切换级，被配置为在第五状态和第六状态之间切换，在所述第五状态中，所述目标电压被允许跨所述输入级通过所述LC级被设置，在所述第六状态中，所述目标电压被阻止跨所述输入级设置；和
控制模块，被配置为：
在所述第一切换级处于所述第二状态的情况下，当所述第二切换级从所述第三状态被切换到所述第四状态时，将所述第三切换级从所述第六状态切换到所述第五状态；
当跨所述输入级的目标电压已被设置时，将所述第三切换级从所述第五状态切换回所述第六状态；和
在所述第二切换级处于所述第四状态的情况下，当所述第三切换级从所述第五状态被切换回所述第六状态时，将所述第一切换级从所述第二状态切换到所述第一状态。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，对于每个开关转换器，当所述第三切换级处于所述第五状态时，所述LC级与所述输入级并联连接。
12.根据权利要求10所述的系统，每个开关转换器还包括至少一个限制级，用于限制跨所述LC级的振荡。
13.根据权利要求12所述的系统，其中每个开关转换器的至少一个限制级包括跨所述第一切换级和所述第三切换级的二极管元件，用于限制跨所述LC级的正振荡。
14.根据权利要求13所述的系统，其中每个开关转换器的至少一个限制级还包括：
跨所述LC级的第四切换级，用于限制跨所述LC级的负振荡。
15.根据权利要求10所述的系统，其中，对于每个开关转换器，当所述第三切换级处于所述第五状态时，所述LC级与所述输出级并联连接。
16.根据权利要求9所述的系统，其中所述开关转换器是zeta转换器。
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