TW201528684A - 切換用於連接電子系統中兩個節點的拓樸 - Google Patents

Abstract

一種用於提供在第一電壓的第一節點與在第二電壓的第二節點之間連接的電路。該種電路具有第一電感元件、第一開關元件、第二電感元件及第二開關元件，其中第一電感元件具有與第一節點耦接的第一終端，第一開關元件耦接於第一電感元件的第二終端與第二節點之間，第二電感元件具有第一終端與第二終端，第一終端經配置用於接收來自第一電感元件的第二終端之電流，第二終端與第三節點耦接，第二開關元件耦接於第二電感元件的第一終端與第二節點之間。第一開關元件與第二開關元件經配置用於提供第一節點與第二節點之間的交換電流流動路徑。

Description

切換用於連接電子系統中兩個節點的拓樸

本發明揭露係關於電子系統，更特定言之，係關於用於提供帶有不同電壓的兩節點間連接之交換電路。

用於提供帶有不同電壓的兩節點間的電路包括調節器、熱交換電路與突波抑制電路，調節器以受控之方法轉換節點間的功率，當起始電壓不同時，熱交換電路將兩節點連在一起，突波抑制電路可以保護一個節點免受其他節點上的電壓突波。兩節點通常在任意真實電路中具有很大的電容，如果節點突然被連接在一起，其可以產生很大的電流以快速流動。需要小心以確保當兩節點連接的時候，瞬時電壓干擾不要發生在兩節點上。

提供節點間連接的電路常使用耗散性元件。如此通常需要大的交換裝置與高級的控制器，高級的控制器調整時間與轉換速率以保持交換功率耗散在安全限制內。此方法在連接事件期間，同時維持在輸入節點與輸出節點的連續電流傳導，而最小化可與該等節點連接的各節點與裝置處之電壓 干擾。然而，在連接間隔期間，大功率很可能會跨交換裝置耗散。如此導致交換裝置(如可包括散熱器的功率電晶體)的溫度在連接事件期間大幅升高。此交換裝置必須具有適當大小以應付溫度升高。在較高的功率位準，找到能夠可靠地運作的電晶體裝置可能相當困難。

或者，連接電路可使用傳統的降壓調節器交換拓樸以藉由調整交換的工作週期而將電流流動限制到安全層級。如此減少在連接間隔期間的功率損耗但是使得輸入節點的電流不連續，而可能中斷或損壞與節點耦接的連接器與電路。

因此，對於能夠最小化功率耗散及提供連續電流傳導的新連接拓樸係有其需要的。

根據一個態樣，本發明揭露提供用於在第一電壓的第一節點與在第二電壓的第二節點間連接之電路。該電路具有第一電感元件、第一開關元件、第二電感元件及第二開關元件，其中第一電感元件具有與第一節點耦接的第一終端，第一開關元件耦接於第一電感元件的第二終端與第二節點之間，第二電感元件具有第一終端與第二終端，第一終端經配置用於接收來自第一電感元件的第二終端之電流，第二終端與第三節點耦接，第二開關元件耦接於第二電感元件的第一終端與第二節點之間。第三節點可接地。當第一開關元件打開且第二開關元件關閉時，第一開關元件經配置而提供用於第一節點與第二節點間電流流動的第一路徑。當第二開關元件打開且第一開關元件關閉時，第二開關元件經配置而提供 用於第一節點與第二節點間電流流動的第二路徑。

再者，電容元件可耦接於第一電感元件的第二終端與第二感應元件的第一終端之間。

該電路可進一步包括控制器，控制器經配置而用於控制第一開關元件的工作週期或兩個開關元件的工作週期。

例如，該等開關元件中的一個可係電晶體，而其他開關元件可係二極體，當第一開關元件關閉時，二極體經配置以傳導電流。或者，兩個開關元件皆可係電晶體。

在一個實施例中，第一電感元件與第二電感元件可磁性脫開。在另一個實施例中，第一電感元件與第二電感元件可磁性耦接。第一電感元件與第二電感元件可係相同值，或可具有不同值。

該電路可進一步包括電流感應電阻器，電流感應電阻器經配置以決定通過第一電感元件與第二電感元件的電流流動的總和。

根據本發明揭露的一個態樣，控制器可經配置以控制第一開關元件的開關以提供第二節點的電壓，第二節點的電壓相對於第一節點的電壓作調節。例如，可提供第二節點的電壓在所需程度，所需程度的第二節點的電壓小於第一節點的電壓。

在一個實施例中，電路可經配置作為具有反饋迴圈的電壓模式交換調節器，以提供表示第二節點的電壓之值給控制器。

在另一個實施例中，電路可經配置作為具有反饋迴 圈的電流模式交換調節器，以提供表示第二節點的電壓之值給控制器，及電流感應電阻器，使控制器能夠決定第二節點的電流。

在進一步的實施例中，控制器可經配置以在固定頻率模式中操作。

在另一個的實施例中，控制器可經配置以在磁滯模式中操作。

進一步，電路可經配置作為熱交換電路而將負載附接於第二節點以接收來自第一節點的電壓。

再者，電路可經配置作為過電壓保護電路以保護與第二節點耦接的負載免於受第一節點的電壓峰值。

根據本發明揭露的方法，可執行以下步驟以提供在第一電壓的第一節點與在第二電壓的第二節點間的連接：-在第一節點與第三節點之間將第一電感元件、電容元件與第二電感元件以串聯耦接，其中第三節點可接地，-將第一開關元件耦接於第二節點與一節點之間，該節點連接第一電感元件與電容元件，-將第二開關元件耦接於第二節點與一節點之間，該節點連接第二電感元件與電容元件，及-切換第一開關元件與第二開關元件以提供通過第一開關元件與第二開關元件的第一電流流動與第二電流流動的交換。

當第一開關元件打開時，第二開關元件可被關閉，而當第一開關元件關閉時，第二開關元件可被打開。

本發明揭露額外的優點與態樣將從以下詳盡說明而向該發明所屬領域具有通常知識者輕易彰顯，其中簡單藉由考慮用於實施本發明揭露的最佳模式的繪示之方法而展示並描述了本發明揭露的實施例。如將描述的，在不背離本發明精神下，本發明揭露可用於其他及不同的實施例，且若干細節易於各式顯明方面中有所變化。因此，圖示與說明書自然係作為說明，而不是作為侷限。

10‧‧‧交換電路

12‧‧‧控制器

20‧‧‧交換調節器

22‧‧‧控制器

30‧‧‧交換調節器

32‧‧‧控制器

40‧‧‧交換調節器

42‧‧‧控制器

44‧‧‧放大器

46‧‧‧比較器

48‧‧‧鎖存器

50‧‧‧交換電路

52‧‧‧控制器

54‧‧‧放大器

56‧‧‧比較器

60‧‧‧熱交換電路

62‧‧‧控制器

70‧‧‧過電壓保護電路

72‧‧‧控制器

L1‧‧‧電感元件

L2‧‧‧電感元件

C1‧‧‧電容元件

Cout‧‧‧輸出電容器

T1‧‧‧時間間隔

T2‧‧‧時間間隔

S1‧‧‧開關元件

S2‧‧‧開關元件

R1‧‧‧電阻器

R2‧‧‧電阻器

R3‧‧‧電阻器

M1‧‧‧MOSFET

M2‧‧‧MOSFET

D1‧‧‧二極體

Iref‧‧‧參考電流值

在配合以下圖示閱讀時，本發明揭露實施例的以下詳盡描述可以作最家裡解，在圖示中特徵不需依比例繪示而是基於對相關特徵的最佳說明而繪示，其中：第1A-1C圖根據本發明揭露繪示用於連接兩節點的示範交換拓樸，第2圖繪示第1圖中的拓樸之示範實施例，第3A-3E圖係繪示第2圖的電路中的電流之時間圖表，第4圖繪示帶有本發明揭露的拓樸之示範電壓模式交換調節器，第5圖繪示帶有本發明揭露的拓樸之示範電流模式交換調節器，第6圖繪示帶有本發明揭露的拓樸之示範固定頻率模式交換調節器，第7圖繪示帶有本發明揭露的拓樸之示範磁滯模式交換調節器， 第8圖繪示帶有本發明揭露的拓樸之示範熱交換電路，第9圖繪示帶有本發明揭露的拓樸之示範過電壓保護電路。

本發明揭露將使用用於連接帶有不同電壓的兩節點的交換拓樸之特定示範例而製成。然而，發明所屬領域具有通常知識者將瞭解本發明揭露之概念而用於連接電路的各式其他變化。

第1A圖圖示用於提供電子系統中輸入節點「輸入」與輸出節點「輸出」間連接的交換電路10。輸出節點的輸出電壓可不同於施於輸入節點的輸入電壓。電路10包括於輸入節點與電壓供應節點之間以串聯連接的電感元件L1、電容元件C1與電感元件L2，提供小於輸出電壓程度的電壓。如第1A圖所示，電壓供應節點可係接地節點。

主要路徑開關元件S1耦接於輸出節點與一節點之間，該節點連接電感元件L1與電容元件C1。輔助路徑開關元件S2耦接於輸出節點與一節點之間，該節點連接電感元件L2與電容元件C1。

第1B圖與第1C圖係繪示控制訊號1與2經提供以分別控制開關元件S1與S2的時間圖表。在時間間隔T1期間，開關元件S1打開，提供用於輸入節點與輸出節點間電流流動的主要路徑。在時間間隔T2期間，開關元件S2打開，提供用於輸入節點與輸出節點間電流流動的輔助路徑。當開 關元件S1打開時，開關元件S2關閉，而當開關元件S2打開時，開關元件S1關閉。

電感元件L1與L2可係獨立的，即磁性脫開。或者，電感元件L1與L2可共用一個磁心，即它們可磁性耦接。只要電容元件C1連接L1與L2係存在的，則輸入與輸出節點間提供連續電源傳導。如果電感元件L1與L2磁性耦接，電感元件C1可選擇性地從電路10移除。然而，在此情況中，輸入與輸出節點間的電流不係連續的。

交換電路10的示範實施例繪示於第2圖中。例如，MOSFET M1可用作開關S1，而二極體D1可用作開關S2。開關S1與S2可由MOSFET、IGBT或雙極電晶體，或由二極體執行。電流感應電阻器R1可提供於輸出節點與該等開關之間以監測輸出電流。控制器12可決定經過電阻器R1的電流流動以控制MOSFET M1的開關。

第3A-3E圖繪示分別流動通過MOSFET M1、二極體D1、感應電阻R1、電感元件L1與電感元件L2的電流。在由控制器12決定的時間間隔T1期間，MOSFET M1由控制器12打開，且通過M1的電流建立達到控制器12設定的預定峰電流閾值。

在時間間隔T2期間，控制器12關掉M1且電流流動通過二極體D1提供的替換電流路徑。當超過控制器的時間間隔T2時或感應電阻器R1感應的電流減少預定閾值時，控制器將M1打開。M1的開關一直重複到控制器12決定輸入與輸出電壓相等。輸入、輸出與接地節點的電流全部以連續 方式流動，且通過L1與L2的電流總和等於在R1中流動的輸出電流。

在時間間隔T1期間，輸入與輸出節點間的電壓差在跨電感元件L1出現。當開關M1打開時，剩餘能量被反應元件L1、C1與L2吸收。在下個時間間隔T2期間，反應元件L1、C1與L2將儲存的能量還給輸出節點並維持連續輸入電流流動。當同時維持輸入與輸出節點的連續電流傳導時，控制器12交換主要與輔助電流路徑的電流流動。

如以下更詳盡的討論，電路10可使用電流或電壓模式反饋以提供輸入與輸出節點間的開關調節。控制器12可使用各式交換控制方式，包括磁滯模式、固定頻率模式、常數開/關時間，或用於控制開關S1與S2以使輸入與輸出電壓相等的任意其他方案。

例如，第4圖繪示帶有電壓模式反饋的示範交換調節器20。由電阻器R2與R3組成的分壓器與輸出節點耦接以決定R2與R3間節點的輸出電壓。輸出電容器Cout亦與輸出節點耦接。控制器22可基於輸出電壓控制MOSFET M1的開關以交換主要與輔助路徑間的電流流動直到輸出電壓等於預定值。

第5圖繪示帶有電流模式反饋的示範交換調節器30。控制器32可基於感應電阻器R1感應的輸出電流控制MOSFET M1的開關以交換主要與輔助路徑間的電流流動直到R2與R3間節點的輸出電壓等於預定值。

第6圖繪示帶有在固定頻率模式中操作的控制器42 之示範交換調節器40。控制器42包括操作放大器44以監測跨感應電阻器R1的壓降。此壓降代表電流流動通過電阻器R1。比較器46比較操作放大器44的輸出訊號與代表參考電流值Iref的訊號。RS鎖存器48具有提供帶有固定頻率時脈訊號的設定輸入S與提供帶有比較器輸出訊號的重置輸入R，固定頻率時脈訊號可由振盪器產生。開關M1由RS鎖存器48的輸出訊號控制。

當鎖存器48設定在時脈訊號的各時脈週期的開始時，RS鎖存器48的輸出變高而打開開關M1並提供通過主要電流路徑的電流流動。當電阻器R1感應的電流減少到Iref值時，鎖存器48的輸出變低而關閉開關M1並提供通過由二極體D1所提供的輔助電流路徑之電流流動。M1的開關持續到輸出電壓在所需程度。

第7圖繪示帶有在磁滯模式中操作的控制器52之示範交換調節器50。控制器52包括操作放大器54以監測跨感應電阻器R1的壓降，此壓降代表電流流動通過電阻器R1。磁滯比較器56比較操作放大器54的輸出訊號與代表參考電流值Iref的訊號以產生控制開關M1的開關之輸出訊號。

第8圖繪示具有本發明揭露的交換拓樸的熱交換電路60之示範實施例。當負載以輸入電壓供應時，熱交換電路控制負載電壓的增加。即便輸入電壓突然改變，例如，當電路突然連接到現場電源供應時，如此保持電壓與電流的改變在控制之下。傳統熱交換電路具有大型MOSFET電晶體，其與具有以受控方式增加的輸出電壓之線性調節器的操作方式 相同。如此控制dv/dt，但電晶體花了大量時間讓電流承載存在於汲極到源極的壓降，其將電力耗散並導致MOSFET上的熱應力。此應力需要選擇帶有適當散熱器的適當MOSFET。

第8圖圖示了第1圖的交換拓樸經配置為熱交換電路60。輸入電壓施於輸入節點，且負載附接於輸出節點。熱交換電路60包括控制器62，當輸出電壓升高時，控制器62調整MOSFET M1的工作週期，且控制器62作為時間的函數。

在典型的熱交換事件開始前，M1係關閉的，輸出節點的電壓係零，且沒有電流在電感元件L1或L2中流動。M1在低工作週期被控制器62初始打開。當M1打開時，電流流動通過電感元件L1且從電晶體M1流動到感應電阻器R1，接著到輸出電容器Cout與輸出接點的負載。由於L1的電感，電流從零斜線上升到L1、輸入電壓及M1打開時間所控制的值。

當電晶體M1關閉時，電流突然停止在M1中的流動且儲存於電感元件L1的剩餘能量導致在M1的汲極處的電壓快速上升。電容元件C1導致二極體D1的正極也上升，且當D1的正極電壓超過二極體D1的負極電壓(其大約等於輸出節點的電壓)時，二極體D1將開始傳導電流。此電流將流動通過L1與C1，接著通過D1到感應電阻器R1與負載。如果L1與L2耦接帶有示於第8圖的相位之電感器，L1中電流的部分將轉換到L2的電流中且將從L2流動到D1及再次到R1與負載。

如果L1與L2係獨立的電感器，L1電流中的若干部 分將會流動到L2而不是初始流到D1。在幾個週期發生之後，如此將導致電容元件C1上的電壓增加，及L2中的電流極性反轉且表現會變成像耦接電感器的狀況。

隨著M1的工作週期增加，L1中的電流會增加且輸出節點的電壓會以受控的方式增加。當M1的工作週期接近100%時(即電晶體M1連續開著)，輸出節點的電壓將接近輸入節點的電壓，L1中的電流將接近負載電流，即熱交換週期完成。

本發明揭露的熱交換電路60相對於傳統線性熱交換電路具有優勢，在傳統線性熱交換電路中，MOSFET M1只作為開關操作而不在其承載電流的同時觀測從汲極到源極的電壓。此意味著帶有低導通電阻RDS(on)(包括那些具有受限安全操作區域(SOA)的)的MOSFET可以被作為電晶體M1使用。其亦最小化M1中的電力耗散，而最小化散射器的需求。

熱交換電路60的其他優點係輸入與輸出節點的電流都會以與線性熱交換電路相似的方式而平順且連續，最小化對於輸入或輸出濾波器的需求。

第9圖圖示了基於第1圖的交換拓樸之示範過電壓保護電路70。過電壓保護電路70經配置用於保護與輸出節點耦接的負載免於受輸出節點的電壓峰值。過電壓保護電路70包括控制器70且以與第8圖中的熱交換電路60相同的操作方式操作。然而，過電壓保護電路70亦包括由電阻器R2與R3組成的電阻分配器以量測到輸出節點的電壓，及反饋迴圈以將所量測的輸出電壓供應到控制器72。再者，電路70包括 MOSFET M2，而不是二極體D1。

當到達輸出電壓的預設程度時，電晶體M1的工作週期由控制器72控制到小於100%的值。此工作週期控制導致過電壓保護電路70作為降壓電壓調節器，其中即使當輸入節點的電壓升高到大於輸出節點的電壓時，輸出節點仍保持在一常數電壓。此表現使得過電壓保護電路70可能作為降壓電壓調節器操作，如果預設輸出電壓設定低於預期輸入電壓，過電壓保護電路70能減少輸入電壓到所需的輸出程度。

或者，如果預設輸出電壓設定高過平常穩定狀態的輸入電壓，但是小於輸入節點預期的峰值電壓(即輸入電壓峰值)，過電壓保護電路70可作為突波抑制器操作。當過電壓保護電路70作為突波抑制器操作且突波到達輸入節點時，在突波期間，控制器72將調整電晶體M1的工作週期從穩定狀態中的100%操作到較低的工作週期以將輸出電壓保持在預設值或低於預設值。再者，當電晶體M1關閉時，控制器72控制電晶體M2以將此電晶體打開，而當M1打開時，其則將M2關閉。

前述說明繪示並描述了本發明的態樣。此外，本發明揭露只展示與描述偏好的實施例，但如前面所述，可以理解，本發明能夠用於其他各式組合、變化與環境中並能夠在本說明書所述的發明概念範圍內、偕同以上所教示及(或)相關領域的知識而作改變或修改。

以上所述的實施例用於進一步解釋實施本發明已知的最佳模式並使發明所屬領域具有通常知識者能夠利用本發 明於此等或其他實施例中及由本發明的特定應用或使用所得的各式變化。因此，本說明書不係用於將本發明限制於其所揭露的形式。

12‧‧‧控制器

L1‧‧‧電感元件

L2‧‧‧電感元件

C1‧‧‧電容元件

R1‧‧‧電阻器

M1‧‧‧MOSFET

D1‧‧‧二極體

Claims (19)

1. 一種用於提供在一第一電壓的一第一節點與在一第二電壓的一第二節點之間的連接之電路，包括：一第一電感元件，該第一電感元件具有與該第一節點耦接的一第一終端，一第一開關元件，該第一開關元件於該第一電感元件的一第二終端與該第二節點之間，一第二電感元件，該第二電感元件具有一第一終端，該第一終端經配置而用於接收來自該第一電感元件的該第二終端之電流，及具有與一第三節點耦接的一第二終端，及一第二開關元件，該第二開關元件耦接於該第二電感元件的該第一終端與該第二節點之間，當該第一開關元件打開且該第二開關元件關閉時，該第一開關元件經配置而提供用於該第一節點與該第二節點間的一電流流動之一第一路徑，及當該第二開關元件打開且該第一開關元件關閉時，該第二開關元件經配置而提供用於該第一節點與該第二節點間的一電流流動之一第二路徑。
2. 如請求項1所述之電路，進一步包括耦接於該第一電感元件的該第二終端與該第二電感元件的該第一終端之間的一電容元件。
3. 如請求項2所述之電路，進一步包括經配置而用於控制該第一開關元件的一工作週期之一控制器。
4. 如請求項1所述之電路，其中該第一開關元件與該第二開關元件中的一個包括一電晶體，及該其他開關元件包括一二極體，當該第一開關元件關閉時，該二極體經配置而傳導電流。
5. 如請求項1所述之電路，其中該第一開關元件包括一第一電晶體，及該第二開關元件包括一第二電晶體。
6. 如請求項1所述之電路，其中該第一電感元件與該第二電感元件磁性脫開。
7. 如請求項1所述之電路，其中該第一電感元件與該第二電感元件磁性耦接。
8. 如請求項1所述之電路，進一步包括一電流感應電阻器，該電流感應電阻器經配置以決定通過該第一電感元件與該第二電感元件的電流流動之總和。
9. 如請求項3所述之電路，其中該控制器經配置以控制該第一開關元件的開關以提供相對於該第一節點的一電壓而調節之該第二節點的一電壓。
10. 如請求項3所述之電路，其中該控制器經配置以控制該第一開關元件的開關以提供一所需程度的該第二節點的一電壓，所需程度的該第二節點的該電壓低於該第一節點的一電壓。
11. 如請求項3所述之電路，進一步包括一反饋迴圈，該反饋迴圈用於提供表示該第二節點的電壓之一值給一控制器。
12. 如請求項3所述之電路，進一步包括一反饋迴圈，該反饋迴圈用於提供表示該第二節點的電壓之一值給一控制器，及一電流感應電阻器，該電流感應電阻器用於使該控制器能夠決定該第二節點的電流。
13. 如請求項3所述之電路，其中該控制器經配置而在一固定頻率模式中操作。
14. 如請求項3所述之電路，其中該控制器經配置而在一磁滯模式中操作。
15. 如請求項1所述之電路經配置作為一熱交換電路，該熱交換電路用於將一負載附接於該第二節點以接收來自該第一節點的一電壓。
16. 如請求項1所述之電路經配置作為一過電壓保護電路，該過電壓保護電路用於保護與該第二節點耦接的一負載免於受該第一節點的電壓峰值(voltage spikes)。
17. 一種用於提供在一第一電壓的一第一節點與在一第二電壓的一第二節點之間的連接之方法，該方法包括以下步驟：於該第一節點與一第三節點之間耦接一第一電感元件與一第二電感元件，該第一電感元件的一第一終端與該第一節點耦接，該第二電感元件的一第一終端經配置用於接收來自該第一電感元件的一第二終端之電流，及該第二電感元件的一第二終端與該第三節點耦接，將一第一開關元件耦接於該第二節點與該第一電感元件的該第一終端之間，將一第二開關元件耦接於該第二節點與該第二電感元件的該第一終端之間，切換該第一開關元件與該第二開關元件以提供通過該第一開關元件與該第二開關元件的該第一與第二電流流動之交換。
18. 如請求項17所述之方法，其中一電容元件耦接於該第一電感元件的該第二終端與該第二電感元件的該第一終端之間。
19. 如請求項17所述之方法，其中當該第一開關元件打開時，該第二開關元件關閉，及當該第一開關元件關閉時，該第二開關元件打開。