TW201820067A - 切換調整器同步節點緩衝器電路 - Google Patents

切換調整器同步節點緩衝器電路 Download PDF

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Abstract

本發明揭示涉及用於切換功率轉換器之緩衝器電路的各種方法及裝置。一實例性功率轉換器具有一緩衝電路。該緩衝器電路包含：一旁路電容器，其將該功率轉換器之一輸入節點連接至該功率轉換器之一接地節點；一解耦電容器，其將該功率轉換器之該輸入節點連接至一緩衝器節點；及一緩衝電阻器，其將該緩衝器節點連接至該接地節點。該緩衝電阻器將該解耦電容器連接至該功率轉換器之該接地節點。該緩衝電阻器大於1歐姆。該解耦電容器大於5奈法拉且小於0.5微法拉。該旁路電容器大於1微法拉。

Description

切換調整器同步節點緩衝器電路
相關申請案之交叉引用 本申請案主張2017年9月15日提交之美國非臨時專利申請案第15/705,745號之權益，該申請案係2016年11月16日提交之美國非臨時專利申請案第15/353,554號之接續案，該等申請案兩者皆以全文引用的方式併入本文中。
電子裝置通常需要產生多個功率狀態而僅由單個電源供電。例如，膝上型電腦可僅具有單個電池，但可能需要產生具有不同供電電壓之功率狀態，以用於膝上型電腦上之各種組件。此外，無論是否需要多個功率狀態，電子裝置通常需要調節自外部源輸送至該等電子裝置之功率。返回膝上型電腦之實例，膝上型電腦處理器含有敏感電子設備，且基於處理器工作之艱難程度展現出廣泛變化的功率要求。簡單地插入於幹線電壓源之DC版本中並不可行，因為將無法使處理器與電源中之驟降或突波屏蔽開，且電源將同樣不能與處理器所汲取之功率的迅速轉變保持同步。藉由功率轉換器解決前述需求。
功率轉換器自供電功率狀態接收功率且產生經調整的功率狀態。在一個實例中，功率轉換器使經調整的功率狀態中之供電電壓穩定，且提供來自供電功率狀態之變化電流以便如此做。改變電流允許此種功率轉換器在經調整的功率狀態中供應任何組件或裝置之變化的功率需要，而保持經調整的功率狀態之供電電壓穩定。其他功率轉換器藉由改變電壓而保持電流穩定，或改變電流及電壓兩者以保持輸送至經調整的狀態之功率的量穩定，來產生經調整的功率狀態。
一類功率轉換器利用開關之迅速切換來以受控方式將功率自連接至該等功率轉換器之輸入的電源傳送至連接至該等功率轉換器之輸出的負載。此等功率轉換器通常被稱為切換調整器或切換式模式調整器。開關在傳導狀態與非傳導狀態之間切換的頻率被稱為轉換器之切換頻率，且設定自電源傳送至負載之功率的量。圖1提供呈降壓轉換器100之形式的切換調整器之一個實例。當功率轉換器之輸入相較於輸出處於較高電壓時，利用降壓拓撲。如所說明，電壓V輸入 高於電壓V輸出 。經由包含電感器101及電容器102的輸出濾波器將負載電流iL 提供至負載103。開關104及105藉由驅動器電路106及回饋電路107控制，該回饋電路107在節點108上接收關於負載及/或功率轉換器之狀態的資訊。
在常規操作期間，開關104及105交替地將電流自輸入V輸入 提供至相位節點109 (亦稱為開關節點)且將相位節點109耦合至接地。在開關105接通時的週期部分期間，至負載103的功率僅由儲存於電感器101及電容器102中的能量提供。同時，能量被儲存於開關105之寄生電感及電容器中。當週期切換時，儲存於此等寄生元件中的能量、開關105之主體二極體及藉由開關104提供的功率在相位節點109處創建不合需要的振鈴。振鈴係不合需要的，因為其創建了對於電子系統(轉換器係該電子系統之一部分)之剩餘部分的電磁干擾，且因為其增加了控制電路判定系統之當前狀態且回應於負載103之能量需求之變化而調節切換頻率所花費的時間。
用於降低相位節點109上之振鈴之一個選項係增添包括電容器及電阻器的R-C緩衝器電路110。緩衝器電路110之電容器提供電流，使得穿過電感器的電流之變化在切換事件期間並非如此迅速。R-C電路之共振頻率經選擇以在很大程度上阻尼以振鈴之頻率操作的信號。緩衝器電路藉此降低振鈴且經調諧以對不同頻率之信號具有最小影響。然而，緩衝器電路使功率轉換器之總效率降低了幾個百分點。如可在圖1中看出，緩衝器電路110之電容器在每一切換週期期間必須充電且放電，因為開關104兩端的電壓在每一切換週期期間波動。此效率降低在輕負載處感覺最明顯，因為緩衝器電路所消耗的功率與輸入電壓與輸出電壓之差異成比例，且並不取決於負載電流iL 。
在一種方法中，揭示一種具有緩衝器電路之功率轉換器。該緩衝器電路包含：旁路電容器，其將該功率轉換器之輸入節點連接至該功率轉換器之接地節點；解耦電容器，其將該功率轉換器之該輸入節點連接至緩衝器節點；及緩衝電阻器，其將該緩衝器節點連接至該接地節點。該緩衝電阻器將該解耦電容器連接至該功率轉換器之該接地節點且大於1歐姆。該解耦電容器大於5奈法拉且小於0.5微法拉。該旁路電容器大於1微法拉。
在一種更特定的方法中，功率轉換器亦包括相位節點及場效電晶體，該場效電晶體將輸入節點連接至相位節點。解耦電容器及緩衝電阻器形成自輸入節點至接地節點的單個電流路徑。在單個電流路徑上不存在克希何夫(Kirchhoff)接面。緩衝器電路阻尼相位節點上之振盪。
在另一種方法中，揭示一種具有緩衝器電路之功率轉換器。該緩衝器電路包含：第一電容器，其將該功率轉換器之輸入節點耦合至該功率轉換器之接地節點；及第二電容器，其具有第一端子，其中該第一端子耦合至該功率轉換器之該輸入節點；及電阻器，其將該第二電容器之第二端子耦合至該接地節點。該電阻器大於1歐姆。該第二電容器大於5奈法拉且小於0.5微法拉。該第一電容器大於1微法拉。
在一種更特定的方法中，功率轉換器亦包括相位節點及功率電晶體，該功率電晶體具有閘極節點且將輸入節點耦合至相位節點。第一電容器形成輸入節點與接地之間的第一電路分支。第二電容器及電阻器形成輸入節點與接地之間的第二電路分支。該第一電路分支及該第二電路分支為穿過緩衝器電路至接地節點的僅有電流路徑。緩衝器電路阻尼相位節點上之振盪。
現將詳細參考所揭示發明之實施例，隨附圖式中說明該等實施例之一或多個實例。以解釋本技術而非限制本技術之方式提供每一實例。事實上，熟習此項技術者將明白，可在不脫離本技術之範疇的情況下對本技術做出修改及變化。例如，作為一個實施例之部分所說明或描述的特徵可與另一實施例一起使用，以產生更進一步的實施例。因此，意欲本標的物涵蓋所附申請專利範圍及其等效物之範疇內的所有此類修改及變化。
用於切換功率轉換器之高效率緩衝器電路防止功率轉換器之相位節點(亦稱為開關節點)上之振鈴，而與先前方法相比在任何給定切換週期期間提供降低的功率損失。緩衝器電路經定位以將電荷提供至切換電晶體之寄生電感及電容器且自該等寄生電感及電容器接收電荷，而不依賴於在功率轉換器之輸入與負載之間或功率轉換器之負載兩端的電路路徑。緩衝器電路之組件部分地基於功率轉換器之所要操作模式加以選擇。該等組件可以如下所描述之許多方式實行。儘管詳細地提供同步降壓轉換器之實例，但本揭示內容之一般教導同樣地適用於不同切換調整器，諸如降壓轉換器、升壓轉換器、降壓-升壓轉換器、升壓-降壓轉換器，或基於變壓器之轉換器。
緩衝器電路可阻尼相位節點振盪，且可將電荷提供至相位節點上之寄生元件或自該等寄生元件汲取電荷，而不直接連接至相位節點本身。特定而言，耦合至功率轉換器之輸入的適當大小之電阻電容(R-C)緩衝器電路可經由耦合至輸入節點的開關將電荷提供至相位節點。可進行R-C緩衝器電路之大小設定以匹配否則在未引入相位節點之情況下將會發生的相位節點上之振鈴之頻率。頻率取決於各種因素，諸如調整器之切換頻率、供電及負載功率狀態之特性、調整器之輸出濾波器，及開關之特性。
圖2說明實例性功率轉換器200及緩衝器電路201，其中緩衝器電路可防止相位節點202上之振鈴，而不直接耦合至該相位節點202。功率轉換器200包括旁路電容器203，該旁路電容器用於過濾輸入節點204上之不需要的雜訊或波動以免影響功率轉換器200。緩衝器電路201包括解耦電容器205及緩衝電阻器206。緩衝器電路連接在功率轉換器200之同步節點207處。基於功率轉換器200之特定實體實行方案，同步節點可能不同於輸入節點。例如，封裝引線或印刷電路板跡線可能會將寄生元件增添至圖2之電路圖，該等寄生元件將導致同步節點207及輸入節點204在電路中充當分離的網。解耦電容器205將同步節點207耦合且連接至緩衝節點。緩衝電阻器206將緩衝節點耦合且連接至接地。除穿過解耦電容器205及緩衝電阻器206之外，不存在至緩衝節點的其他電流路徑。解耦電容器205將同步節點207耦合且連接至緩衝電阻器206。
功率轉換器200經由開關209將功率輸送至負載208。如所說明，開關209為場效電晶體且可稱為功率轉換器200之控制FET。開關替代地可為雙極型接面電晶體且有利地為能夠處置大電流並關斷大電壓的功率裝置。經由包含電感器210及電容器211之輸出濾波器將電荷提供至負載208。甚至在開關209切斷且開關212接通時，輸出濾波器繼續將功率供應至負載208。如所說明，開關212為FET且可稱為功率轉換器200之同步FET。儘管兩個開關被說明為n型裝置，但該等開關可各自單獨地切換成p型裝置。開關209及212接通的相對時間設定了自功率轉換器之輸入輸送至功率轉換器之輸出的功率的量。切換由閘極驅動器213控制，該閘極驅動器213在節點215上輸送的回饋信號之影響下對控制電路214作出回應。回饋信號包括關於負載208或功率轉換器本身之狀態的資訊。如所說明，不存在直接連接至相位節點202及電感器210的緩衝器電路，控制FET及同步FET為連接至相位節點202的僅有裝置。
緩衝器電路可包括與低電容值高頻回應輸入解耦電容器串聯的緩衝電阻器以對功率轉換器之相位節點中之振盪提供無損耗形式的阻尼。緩衝器電路可連接至功率轉換器之輸入節點或同步節點，但將有利地耦合至同步節點。使用圖2之電路作為實例，緩衝器電路201可包括與緩衝電阻器206串聯的具有低電容之解耦電容器205。解耦電容器205及緩衝電阻器206可經選擇來以在很大程度上阻尼否則將發生在相位節點202處的振盪之方式迅速地將電荷提供至相位節點202或迅速地自該相位節點202吸收電荷。換言之，電容器及電阻器之值可經選擇來設定R-C常數，該R-C常數將與由節點上之寄生元件及開關209及212之切換導致的相位節點上之振盪頻率成比例。緩衝器電路藉此阻尼相位節點202上之振盪。
緩衝器電路201及相同的此類其他緩衝器電路向功率轉換器提供無損耗阻尼。與耦合在開關209及212兩端的緩衝器電路相反，緩衝器電路201直接連接在實際上為兩個不同偏電壓的事物之間。V輸入 及接地電壓兩者未經設計以在功率轉換器處於標準操作中時改變。因此，除提供至功率轉換器開關或自功率轉換器開關接收的過剩電流(輸入電壓源及旁路電容器203太慢而無法處置該過剩電流)之外，不存在大的週期性電荷損耗。緩衝器電路201兩端的電壓因此不會在零與大DC電壓(諸如V輸入 或V輸出 )之間劇烈地改變。替代地，電壓在顯著較小的程度上波動。
根據圖2之教導之較廣泛類的緩衝器電路展現出除自功率轉換器之輸入至接地的直接路徑之外不提供額外電路路徑的拓撲。在此等緩衝器電路中，解耦電容器及緩衝電阻器形成自輸入節點至接地節點的單個電流路徑，且在單個電流路徑上不存在克希何夫接面。換言之，不存在自功率轉換器系統中之替代節點至接地的穿過緩衝器電路的替代路徑。此較廣泛類的緩衝器電路亦可包括形成功率轉換器之輸入節點與接地之間的電路分支的電容器及電阻器。此第一電路分支可與諸如旁路電容器203的第二電容器並聯，該第二電容器形成輸入節點與接地之間的第二電路分支。第一電路分支及第二電路分支可為穿過緩衝器電路至功率轉換器之接地節點的僅有電流路徑。
解耦電容器205及電阻器206之值可基於輸入電壓與輸出電壓之比率、切換頻率、輸出電感器之大小及開關之寄生元件加以選擇。值亦可寬鬆地取決於旁路電容器203之大小，因為解耦電容器應保持大於旁路電容器的千分之一。對於以12 V之輸入電壓V輸入 、1.2 V之輸出電壓V輸出 、1.0 MHz之切換頻率及0.47 uH之輸出濾波器電感器210操作的功率轉換器，解耦電容器可為大約0.1 uF且電阻器可為大約1 歐姆。
圖3說明橫坐標為以微秒為單位的時間且縱座標以伏為單位的軸系300。所繪出的兩條曲線展示功率轉換器之相位節點上之電壓。第一曲線301展示緩衝器電路(諸如功率轉換器200中之緩衝器電路)在1歐姆電阻器及0.1 uF電容器的情況下如何表現。在適當大小之n型功率FET的情況下，兩條曲線的有關操作條件為12 V之輸入電壓V輸入 、1.2 V之輸出電壓V輸出 、1.0 MHz之切換頻率及0.47 uH之輸出濾波器電感器210。第二曲線302展示緩衝器電路(諸如功率轉換器200中之緩衝器電路)在無電阻器的情況下如何表現。如所見，第一曲線301穩定的速度比第二曲線302快得多。該圖說明選擇緩衝器電路之R值及C值兩者之重要性。若R-C常數太低，則電荷被快速地提供至相位節點，但提供電荷的速度對於節點而言太快，且當僅利用旁路電容器時過衝及振盪更高。
圖4說明橫坐標為以安培為單位之負載電流iL 且縱座標為效率的軸系400，該效率用功率轉換器中消耗了多少功率相對於功率轉換器輸送了多少功率來表達。因此，100%效率意謂緩衝器電路輸送了所有功率且緩衝器電路未消耗功率。兩條曲線401及402分別對應於以上關於曲線301及302所提及之條件。緩衝電阻器之引入並未顯著地影響效率。另外，與緩衝器電路直接附接至相位節點的方法相比，功率轉換器之總效率較高。特定而言，使用附接至相位節點之緩衝器電路的功率轉換器之效率曲線將對於高負載電流展現出穩定的且更顯著的效率降低。
緩衝電路之電阻器及電容器基於要求振盪阻尼的功率轉換器之特性加以選擇。出於選擇此等值及與不同值之選擇相關聯的相對折衷之目的，以高功率FET及在1 MHz至8 MHz之範圍內之切換頻率操作的功率轉換器通常可視為在相同狀態中操作。出於解釋之目的，功率轉換器200可視為具有1 MHz之切換頻率。在此等條件下，解耦電容器可具有自10 nF直至0.1 uF之值，而在效率及阻尼方面仍維持本文所揭示之效益。緩衝電阻器可具有在1歐姆至2歐姆之範圍內的值且可高達4歐姆。旁路電容器之大小通常被設定大小以便不會對緩衝器電路之效能具有一階效應。為此，解耦電容器之電容比旁路電容器之電容小得多。具體而言，旁路電容器可為解耦電容器值的高達1000倍。旁路電容器之大小藉由諸如系統切換頻率及輸入電壓RMS的其他約束條件加以設定。例如，解耦電容器可為10 uF。解耦電容器可為陶瓷電容器，諸如MLCC 50V X5R。解耦電容器可為置放在印刷電路板上的外部組件。
可增加緩衝電阻器值以增添對相位節點振鈴的額外阻尼。例如，使緩衝電阻器值加倍將導致振鈴之可感知降低。然而，隨著緩衝電阻器之值增加，旁路電容器之總阻抗開始增加，藉此減輕在功率電晶體切換轉變期間的阻尼效應。使用來自圖3及圖4之實例，使緩衝電阻增加超過4歐姆將導致阻尼之此降低。
解耦電容器為在開關開始傳導功率轉換器之全輸出電流時將主切換電荷供應至功率電晶體的電容器。在圖2之實例中，此係全電感器電流，及來自開關212之主體二極體之反向恢復電流。此切換轉變發生的速度與轉換器操作切換頻率相比通常快得多。解耦電容器必須在高於轉換器之切換頻率之頻率下具有低阻抗，使得在開關209中之電流之上升時間期間，電荷可源自電容器205。隨著解耦電容器之值增加，電容器之阻抗在與開關209之切換轉變相關聯的較高頻率下變得更具電感性而非電容性，從而減輕緩衝電阻器206可提供的阻尼。按照轉換器之相關聯系統之效能的要求，可降低解耦電容器之值。特定功率電晶體之大小及固有切換時間以及PCB板電感將改變功率電晶體中之電流之上升時間。
圖5說明用於阻尼功率轉換器之相位節點上之振盪之一組方法的流程圖500。方法包括切斷連接至相位節點及接地的同步功率電晶體之步驟501。方法繼續進行接通控制功率電晶體以創建自功率轉換器之輸入節點至功率轉換器之相位節點的低阻抗電路路徑之步驟502。控制功率電晶體可為來自功率轉換器200之控制開關209。同步電晶體可為來自功率轉換器200之同步開關212。可在步驟501與步驟502之間增添短暫的空檔時間以確保輸入電壓不會經由穿過跨兩個功率電晶體之低阻抗路徑的縱橫電流直接耦合至接地。
流程圖500繼續進行兩個同時的步驟503及504，其中經由控制功率電晶體將電荷提供至相位節點。在步驟503中，在控制功率電晶體接通之10皮秒內將第一電荷量自第一電容器提供至相位節點。在步驟504中，在控制功率電晶體接通之10皮秒內將第二電荷量自第二電容器提供至相位節點。第一電容器可為旁路電容器203。第二電容器可為解耦電容器205。第二電荷量大於第一電荷量。第二電容器與電阻器串聯，且結合電阻器來將功率轉換器之輸入連接至接地。第一電容器將功率轉換器之輸入直接耦合至接地。然而，第二電容器更快速地對相位節點上之電壓之迅速變化作出回應，且快速地提供電流以阻尼功率轉換器之相位節點上之振盪。
緩衝器電路可與功率轉換器一起在各種組態中實體地實行。緩衝器電路之被動組件可各自單獨地實行為離散被動裝置。離散裝置可置放於印刷電路板中、極靠近功率轉換器。功率轉換器本身可實行於單個積體電路上或實行為組合至單個封裝中的晶片組。替代地，離散被動裝置亦可組合至具有功率轉換器之封裝中。此外，緩衝器電路之元件中之一個或兩個可與功率轉換器整合。若功率轉換器本身經充分整合，則元件可形成於與功率轉換器之特定組件或整個功率轉換器相同的積體電路中。在以下實例中，功率轉換器經充分整合，使得開關209及212、閘極驅動器213及控制器214形成於同一積體電路上。然而，在以下實例中之每一個中，緩衝器電路可與未完全整合的功率轉換器整合，或與該功率轉換器一起使用。
在一種方法中，功率轉換器包括將功率轉換器之輸入節點連接至相位節點的電晶體。功率轉換器亦包括位於印刷電路板上的封裝。電晶體可位於封裝中。功率轉換器亦可包括具有解耦電容器及緩衝電阻器之緩衝器電路。功率轉換器亦可包括旁路電容器。旁路電容器可為旁路電容器203，解耦電容器可為解耦電容器205，緩衝電阻器可為緩衝電阻器206。旁路電容器、解耦電容器及緩衝電阻器中之每一個可為直接附接至印刷電路板的離散被動組件。電晶體與離散組件之間的連接可包括印刷電路板上之封裝連接件及跡線。旁路電容器可為陶瓷電容器。解耦電容器可為電解電容器。離散組件亦可整合於印刷電路板中，而並非是焊接至印刷電路板的可分離組件。
緩衝器電路亦可整合於與功率轉換器之其他組件相同的封裝中，但並非整合於與功率轉換器之其他組件相同的積體電路中。圖6說明具有封裝601之功率轉換器600，該封裝601具有：包含解耦電容器603及緩衝電阻器604的緩衝器電路，及具有其他功率轉換器組件之積體電路602。值得注意的是，輸出濾波器組件實行於封裝601外側，但該等輸出濾波器組件亦可實行於封裝中。封裝601可實行於印刷電路板上，且旁路電容器203可為經由焊接直接附接至印刷電路板或整合至印刷電路板中的離散電容器。緩衝電阻器604及解耦電容器603可為形成於封裝602之基板上且耦合至封裝601之封裝引線的離散被動組件。離散組件亦可黏結至封裝601中之其他積體電路之側面，該等其他積體電路裝載功率轉換器之其他組件。
緩衝器電路亦可使用主動裝置(諸如經由使用電阻器及電容器仿真器)來實行。在此等方法中，緩衝器電路亦可整合於與功率轉換器之其他組件相同的積體電路中。圖7說明具有單個積體電路701之功率轉換器700，該單個積體電路701裝載功率轉換器之各種元件以及緩衝器電路。在此方法中，緩衝器電路包括解耦電容器702及緩衝電阻器703。解耦電容器702可為形成於積體電路701之佈線層中的金屬絕緣體金屬電容器。緩衝電阻器在此狀況下實行為基於積體電路之電流鏡，作為藉由端子704控制來仿真電阻器的受控負載。電流鏡可包括主動裝置，諸如電晶體。電晶體可形成於與回饋電路214中之電晶體相同的基板中。在一些方法中，電晶體可形成於與實行開關209及開關212的FET相同的基板中。
圖8說明具有單個積體電路801之功率轉換器800，除緩衝器電路之解耦電容器實行為基於積體電路之電容器倍增器802及小積體電路電容器803之外，該單個積體電路801類似於積體電路701。電容器倍增器802將使電容器803之電容倍增至相位節點之適當阻尼所需的大小，而避免對具有實行於積體電路上的大電容器之需求。基於積體電路之電容器倍增器802及小積體電路電容器803兩者皆位於裝有積體電路801的封裝中。電容器倍增器可包括主動裝置，諸如電晶體。電晶體可形成於與回饋電路214中之電晶體相同的基板中。在一些方法中，電晶體可形成於與實行開關209及開關212的FET相同的基板中。
在圖7及圖8之方法中，圖8中之電阻器及電容器之值可基於實際轉換器之效能加以修整。通常，可藉由引入對被提供修整的相關聯離散組件具有可變影響的修整電路，使用以上所描述之方法中之任一者來進行此修整。然而，由於主動電路之裝置固有使用，圖7及圖8之方法尤其適用於此方法。此等方法可允許修整該等組件來以逐個裝置的方式調節R-C值，因為促成相位節點上之振鈴之頻率的寄生元件可因裝置不同而改變。更一般而言，使用修整電路來選擇R-C值引起較小設計風險，因為振鈴之頻率從事前的角度來看可為難以模型化且估計之參數。
雖然已關於本發明之特定實施例詳細描述了本說明書，但將瞭解，熟習此項技術者在獲得對前述內容之理解後，可容易想到此等實施例之替代、變化及等效物。雖然本揭示內容中之實例係針對向經調整的狀態提供固定電壓之切換功率轉換器，但相同的方法可應用於向經調整的狀態提供固定電流之功率轉換器。在所提供之實例中，可整體或部分地切換參考電壓、接地電壓及信號攜載電壓之極性以達成類似結果。例如，假如額外反向器增添至系統或假如整個系統切換，則可切換邏輯低及邏輯高。功率轉換器可為負載裝置之點。負載裝置之點可結合集中控制器來操作。此外，儘管本揭示內容中之實例係針對切換轉換器，但本文所揭示之方法適用於在操作模式之間轉變且包括控制迴路的任何功率轉換器方案。在不脫離本發明之範疇的情況下，本發明之此等及其他修改及變化可由熟習此項技術者實踐，該範疇在所附申請專利範圍中更具體地闡述。
100‧‧‧降壓轉換器
101、210‧‧‧電感器
102、211、803‧‧‧電容器
103、208‧‧‧負載
104、105、209、212‧‧‧開關
106‧‧‧驅動器電路
107‧‧‧回饋電路
108、215‧‧‧節點
109、202‧‧‧相位節點
110、201‧‧‧緩衝器電路
200、600、700、800‧‧‧功率轉換器
203‧‧‧旁路電容器
204‧‧‧輸入節點
205、603、702‧‧‧解耦電容器
206、604、703‧‧‧緩衝電阻器
207‧‧‧同步節點
213‧‧‧閘極驅動器
214‧‧‧控制電路
300‧‧‧軸系
301‧‧‧第一曲線
302‧‧‧第二曲線
401、402‧‧‧曲線
500‧‧‧流程圖
501-504‧‧‧步驟
601‧‧‧封裝
602、701、801‧‧‧積體電路
704‧‧‧端子
802‧‧‧電容器倍增器
iL‧‧‧負載電流
圖1為根據相關技術之具有緩衝器電路之功率轉換器的方塊圖。
圖2為根據一些實施例之具有高效率緩衝器電路之功率轉換器的方塊圖。
圖3為包括功率轉換器之同步節點上之振鈴之兩個繪圖的圖表，其中一個繪圖說明根據圖2之緩衝器電路的緩衝器且一個繪圖說明無串聯電阻器之根據圖2之緩衝器電路的緩衝器。
圖4為包括緩衝器電路之效率之兩個繪圖的圖表，該等緩衝器電路用來產生圖3中之繪圖。
圖5為根據一些實施例之用於使用高效率緩衝器電路來降低功率轉換器中之振鈴之一組方法的流程圖。
圖6為根據一些實施例之具有高效率緩衝器電路之封裝功率轉換器的方塊圖，該高效率緩衝器電路具有離散組件。
圖7為根據一些實施例之具有高效率緩衝器電路之封裝功率轉換器的方塊圖，該高效率緩衝器電路整合於與轉換器之組件相同的積體電路上。
圖8為根據一些實施例之具有高效率緩衝器電路之封裝功率轉換器的方塊圖，該高效率緩衝器電路整合於與轉換器之組件相同的積體電路上，其中緩衝器電路之組件各自包括主動裝置。

Claims (49)

  1. 一種具有一緩衝器電路之功率轉換器，該緩衝器電路包含： 一旁路電容器，其將該功率轉換器之一輸入節點連接至該功率轉換器之一接地節點； 一解耦電容器，其將該功率轉換器之該輸入節點連接至一緩衝器節點； 一緩衝電阻器，其將該緩衝器節點連接至該接地節點； 一同步功率電晶體，其連接在一相位節點與該接地節點之間； 一控制功率電晶體，其連接在該輸入節點與該相位節點之間；以及 一控制電路，其可操作以執行包含以下項的操作：切斷該同步功率電晶體，後續接著接通該控制功率電晶體以創建自該輸入節點至該相位節點之一低阻抗電路路徑； 其中該緩衝電阻器將該解耦電容器連接至該功率轉換器之該接地節點； 其中該緩衝電阻器大於1歐姆； 其中該解耦電容器大於5奈法拉且小於0.5微法拉； 其中該旁路電容器大於1微法拉；且 其中電荷在該控制功率電晶體接通之10皮秒內經由該控制功率電晶體自該旁路電容器及該解耦電容器提供至該相位節點。
  2. 如請求項1之功率轉換器，其中： 該解耦電容器及該緩衝電阻器形成自該輸入節點至該接地節點之一單個電流路徑； 在該單個電流路徑上不存在克希何夫接面；且 該緩衝器電路阻尼該相位節點上之振盪。
  3. 如請求項2之功率轉換器，其進一步包含： 一電感器，其連接至該相位節點； 其中該同步功率電晶體、該電感器及該控制功率電晶體為連接至該相位節點的僅有裝置。
  4. 如請求項1之功率轉換器，其中： 該緩衝電阻器小於4歐姆。
  5. 如請求項1之功率轉換器，其進一步包含： 一封裝，其位於一印刷電路板上； 其中該控制功率電晶體位於該封裝中； 其中該旁路電容器、該解耦電容器及該緩衝電阻器為直接附接至該印刷電路板的離散被動組件。
  6. 如請求項5之功率轉換器，其中： 該旁路電容器為一陶瓷電容器； 該功率轉換器為一切換式功率轉換器，該切換式功率轉換器具有一切換頻率；且 該切換頻率大於1百萬赫且小於8百萬赫。
  7. 如請求項1之功率轉換器，其進一步包含： 一封裝，其位於一印刷電路板上； 其中該控制功率電晶體位於該封裝中； 其中該解耦電容器及該緩衝電阻器為位於該印刷電路板中的離散被動組件；且 其中該旁路電容器為直接附接至該印刷電路板的一離散被動組件。
  8. 一種具有一緩衝器電路之功率轉換器，該緩衝器電路包含： 一旁路電容器，其將該功率轉換器之一輸入節點連接至該功率轉換器之一接地節點； 一解耦電容器，其將該功率轉換器之該輸入節點連接至一緩衝器節點； 一緩衝電阻器，其將該緩衝器節點連接至該接地節點； 一相位節點； 一第一電晶體，其將該輸入節點連接至該相位節點；以及 一封裝，其位於一印刷電路板上； 其中該緩衝電阻器將該解耦電容器連接至該功率轉換器之該接地節點； 其中該緩衝電阻器大於1歐姆； 其中該緩衝電阻器為具有一第二電晶體的一電阻器仿真器電路； 其中該解耦電容器大於5奈法拉且小於0.5微法拉； 其中該第一電晶體及該第二電晶體兩者皆位於該封裝中；且 其中該旁路電容器為直接附接至該印刷電路板的一離散被動組件；且 其中該旁路電容器大於1微法拉。
  9. 如請求項8之功率轉換器，其中： 該解耦電容器為一電容器倍增器及一被動電容器；且 該電容器倍增器及該被動電容器兩者皆位於該封裝中。
  10. 如請求項9之功率轉換器，其中： 該電容器倍增器、該被動電容器以及該第一電晶體及該第二電晶體全部形成於一單個積體電路之基板上。
  11. 如請求項8之功率轉換器，其中： 該解耦電容器及該緩衝電阻器形成自該輸入節點至該接地節點之一單個電流路徑； 在該單個電流路徑上不存在克希何夫接面；且 該緩衝器電路阻尼該相位節點上之振盪。
  12. 如請求項11之功率轉換器，其進一步包含： 一電感器，其連接至該相位節點； 其中該第一電晶體、該電感器及該第二電晶體為連接至該相位節點的僅有裝置。
  13. 如請求項8之功率轉換器，其中： 該緩衝電阻器小於4歐姆。
  14. 如請求項8之功率轉換器，其中： 該旁路電容器為一陶瓷電容器； 該功率轉換器為一切換式功率轉換器，該切換式功率轉換器具有一切換頻率；且 該切換頻率大於1百萬赫且小於8百萬赫。
  15. 一種具有一緩衝器電路之功率轉換器，該緩衝器電路包含： 一第一電容器，其將該功率轉換器之一輸入節點耦合至該功率轉換器之一接地節點； 一第二電容器，其具有一第一端子，其中該第一端子耦合至該功率轉換器之該輸入節點； 一電阻器，其將該第二電容器之一第二端子耦合至該接地節點； 一第一功率電晶體，其連接在一相位節點與該接地節點之間； 一第二功率電晶體，其連接在該輸入節點與該相位節點之間；以及 一控制電路，其可操作以執行包含以下項的操作：切斷該第一功率電晶體，後續接著接通該第二功率電晶體以創建自該輸入節點至該相位節點之一低阻抗電路路徑； 其中該電阻器大於1歐姆； 其中該第二電容器大於5奈法拉且小於0.5微法拉； 其中該第一電容器大於1微法拉；且 其中電荷在該第二功率電晶體接通之10皮秒內經由該第二功率電晶體自該第一電容器及該第二電容器提供至該相位節點。
  16. 如請求項15之功率轉換器，其中： 該第一電容器形成該輸入節點與接地之間的一第一電路分支； 該第二電容器及該電阻器形成該輸入節點與接地之間的一第二電路分支； 該第一電路分支及該第二電路分支為穿過該緩衝器電路至該接地節點的僅有電流路徑；且 該緩衝器電路阻尼該相位節點上之振盪。
  17. 如請求項16之功率轉換器，其進一步包含： 一電感器，其連接至該相位節點； 其中該第一功率電晶體、該電感器及該第二功率電晶體為連接至該相位節點的僅有裝置。
  18. 如請求項15之功率轉換器，其中： 該電阻器小於4歐姆。
  19. 如請求項15之功率轉換器，其進一步包含： 一封裝，其位於一印刷電路板上； 其中該第二功率電晶體位於該封裝中； 其中該第一電容器、該第二電容器及該電阻器各自為直接附接至該印刷電路板的離散被動組件。
  20. 如請求項19之功率轉換器，其中： 該第一電容器為一陶瓷電容器； 該功率轉換器為一切換式功率轉換器，該切換式功率轉換器具有一切換頻率；且 該切換頻率大於1百萬赫且小於8百萬赫。
  21. 如請求項15之功率轉換器，其進一步包含： 一封裝，其位於一印刷電路板上； 其中該第二功率電晶體位於該封裝中； 其中該第二電容器及該電阻器各自為位於該印刷電路板中的被動組件；且 其中該第一電容器為直接附接至該印刷電路板的一離散被動組件。
  22. 一種具有一緩衝器電路之功率轉換器，該緩衝器電路包含： 一第一電容器，其將該功率轉換器之一輸入節點耦合至該功率轉換器之一接地節點； 一第二電容器，其具有一第一端子，其中該第一端子耦合至該功率轉換器之該輸入節點； 一電阻器，其將該第二電容器之一第二端子耦合至該接地節點； 一相位節點； 一第一電晶體，其將該輸入節點連接至該相位節點；以及 一封裝，其位於一印刷電路板上； 其中該電阻器大於1歐姆； 其中該電阻器為具有一第二電晶體的一電阻器仿真器電路； 其中該第一電晶體及該第二電晶體兩者皆位於該封裝中；且 其中該第一電容器為直接附接至該印刷電路板的一離散被動組件； 其中該第一電容器大於1微法拉；且 其中該第二電容器大於5奈法拉且小於0.5微法拉。
  23. 如請求項22之功率轉換器，其中： 該第二電容器為一電容器倍增器及一被動電容器； 其中該電容器倍增器及該被動電容器兩者皆位於該封裝中。
  24. 如請求項23之功率轉換器，其中： 該電容器倍增器、該被動電容器以及該第一電晶體及該第二電晶體全部形成於一單個積體電路之基板上。
  25. 一種具有一緩衝器電路之功率轉換器，該緩衝器電路包含： 一第一電容器，其將該功率轉換器之一輸入節點耦合至該功率轉換器之一接地節點； 一第二電容器，其具有一第一端子，其中該第一端子耦合至該功率轉換器之該輸入節點； 一緩衝電阻器，其將該第二電容器之一第二端子耦合至該接地節點； 一相位節點； 一同步功率電晶體，其連接在該相位節點與該接地節點之間；以及 一控制功率電晶體，其連接在該輸入節點與該相位節點之間； 其中該緩衝電阻器大於1歐姆； 其中該第一電容器大於1微法拉； 其中該第二電容器大於5奈法拉且小於0.5微法拉；且 其中該第二電容器包含一電容器倍增器及一積體電路電容器，該電容器倍增器使該積體電路電容器之一電容倍增。
  26. 如請求項25之功率轉換器，其進一步包含： 一電感器，其連接至該相位節點； 其中該控制功率電晶體、該電感器及該同步功率電晶體為該功率轉換器之連接至該相位節點的僅有裝置。
  27. 如請求項25之功率轉換器，其中： 該電容器倍增器包含一放大器、具有一第一端子及一第二端子的一第一電阻器，以及具有一第一端子及一第二端子的一第二電阻器； 該第一電阻器之該第一端子為該第二電容器之該第一端子； 該第一電阻器之該第二端子為該第二電容器之該第二端子； 該第一電阻器之該第一端子耦合至該放大器之一輸出； 該第一電阻器之該第二端子耦合至該第二電阻器之該第一端子； 該放大器之一輸入及該第二電阻器之該第二端子耦合至該積體電路電容器之一第一端子；且 該積體電路電容器之一第二端子耦合至該接地節點。
  28. 如請求項25之功率轉換器，其中： 該電容器倍增器包含一電晶體；且 該電容器倍增器之該電晶體位於一封裝中，該封裝具有該同步功率電晶體及該控制功率電晶體中之一個或兩個。
  29. 如請求項25之功率轉換器，其中： 該電容器倍增器包含一電晶體；且 該電容器倍增器之該電晶體位於一封裝中，該封裝具有一回饋電路之一電晶體。
  30. 如請求項25之功率轉換器，其中： 該電容器倍增器包含一電晶體； 該電容器倍增器之該電晶體形成於一基板上； 該控制功率電晶體及該同步功率電晶體中之一個或兩個亦形成於該基板上；且 該基板為一單個積體電路之一基板。
  31. 如請求項25之功率轉換器，其中： 該電容器倍增器包含一電晶體； 該電容器倍增器之該電晶體形成於一基板上； 一回饋電路之一電晶體亦形成於該基板上；且 該基板為一單個積體電路之一基板。
  32. 如請求項25之功率轉換器，其中： 該緩衝電阻器包含一電阻器仿真器電路。
  33. 如請求項32之功率轉換器，其中該電阻器仿真器電路包含一基於積體電路之電流鏡。
  34. 如請求項32之功率轉換器，其中： 該電阻器仿真器電路包含一電晶體；且 該電阻器仿真器電路之該電晶體位於一封裝中，該封裝具有該同步功率電晶體及該控制功率電晶體中之一個或兩個。
  35. 如請求項32之功率轉換器，其中： 該電阻器仿真器電路包含一電晶體；且 該電阻器仿真器電路之該電晶體位於一封裝中，該封裝具有一回饋電路之一電晶體。
  36. 如請求項32之功率轉換器，其中： 該電阻器仿真器電路包含一電晶體； 該電阻器仿真器電路之該電晶體形成於一基板上； 該同步功率電晶體及該控制功率電晶體中之一個或兩個亦形成於該基板上；且 該基板為一單個積體電路之一基板。
  37. 如請求項32之功率轉換器，其中： 該電阻器仿真器電路包含一電晶體； 該電阻器仿真器電路之該電晶體形成於一基板上； 一回饋電路之一電晶體亦形成於該基板上；且 該基板為一單個積體電路之一基板。
  38. 一種用於阻尼一功率轉換器之一相位節點上之振盪的方法，該方法包含： 切斷連接至該相位節點及接地的一同步功率電晶體； 接通一控制功率電晶體以創建自該功率轉換器之一輸入節點至該相位節點之一低阻抗電路路徑； 將一第一電荷量自一第一電容器提供至該相位節點；以及 將一第二電荷量自一第二電容器提供至該相位節點； 其中該第一電容器大於1微法拉且將該輸入節點耦合至一接地節點； 其中該第二電容器小於該第一電容器、大於5奈法拉，且將該輸入節點耦合至一電阻器仿真器電路； 其中該電阻器仿真器電路仿真一電阻，該電阻大於1歐姆且將該第二電容器耦合至該接地節點；且 其中該第二電荷量大於該第一電荷量。
  39. 如請求項38之方法，其中該電阻器仿真器電路包含一基於積體電路之電流鏡。
  40. 如請求項38之方法，其中： 該電阻器仿真器電路包含一電晶體；且 該電阻器仿真器電路之該電晶體位於一封裝中，該封裝具有該同步功率電晶體及該控制功率電晶體中之一個或兩個。
  41. 如請求項38之方法，其中： 該電阻器仿真器電路包含一電晶體；且 該電阻器仿真器電路之該電晶體位於一封裝中，該封裝具有一回饋電路之一電晶體。
  42. 如請求項38之方法，其中： 該電阻器仿真器電路包含一電晶體； 該電阻器仿真器電路之該電晶體形成於一基板上； 該同步功率電晶體及該控制功率電晶體中之一個或兩個亦形成於該基板上；且 該基板為一單個積體電路之一基板。
  43. 如請求項38之方法，其中： 該電阻器仿真器電路包含一電晶體； 該電阻器仿真器電路之該電晶體形成於一基板上； 一回饋電路之一電晶體亦形成於該基板上；且 該基板為一單個積體電路之一基板。
  44. 如請求項38之方法，其中該第二電容器包含一電容器倍增器及一積體電路電容器。
  45. 如請求項44之方法，其中： 該電容器倍增器包含一電晶體；且 該電容器倍增器之該電晶體位於一封裝中，該封裝具有該同步功率電晶體及該控制功率電晶體中之一個或兩個。
  46. 如請求項44之方法，其中： 該電容器倍增器包含一電晶體；且 該電容器倍增器之該電晶體位於一封裝中，該封裝具有一回饋電路之一電晶體。
  47. 如請求項44之方法，其中： 該電容器倍增器包含一電晶體； 該電容器倍增器之該電晶體形成於一基板上； 該同步功率電晶體及該控制功率電晶體中之一個或兩個亦形成於該基板上；且 該基板為一單個積體電路之一基板。
  48. 如請求項44之方法，其中： 該電容器倍增器包含一電晶體； 該電容器倍增器之該電晶體形成於一基板上； 一回饋電路之一電晶體亦形成於該基板上；且 該基板為一單個積體電路之一基板。
  49. 如請求項38之方法，其中： 該將該第一電荷量自該第一電容器提供至該相位節點在該控制功率電晶體接通之10皮秒內提供該第一電荷量；且 該將該第二電荷量自該第二電容器提供至該相位節點在該控制功率電晶體接通之10皮秒內提供該第二電荷量。
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