TWI361342B - Voltage regulator - Google Patents

Description

丄則342 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及電子電路的電源系統，特別涉及電源系統 電壓調節器。 【先前技術】 ,現代數位邏輯設備現在採用〇.13μιη工藝或更小尺寸的技 術進行製造。這些小尺寸工藝設備在非常低的電壓下（比以前 用於大多數設備的電愿低得多）工作，在不久的將來，.可能就 會普遍工作在i伏以下。在這些使用低電屋的設備系統中，一 個挑戰是，怎樣才能有效地將傳統系統令所用的主電源，如$ 伏或12伏電源，應用於這些j伏以下的低電麼言史備。 、特別是’傳統的非隔離降壓直流_直流變換器對於將以伏 電源轉換成1伏電源來說效率過低。為了調節輸出電磨，傳統 的降壓變換器會改變導通週期的脈衝寬度。為了將㈣轉換成 L伏’ 1統的非隔離降壓直流·直流變換器的占空比將非常小， 這導致南轉換損耗以及低功率效率。 【發明内容】 根據本么月的一些實施例，提供了一種耗合電感調節器系 广人用於將來自電源的輸入電壓轉換成輸出端的輸出電屋，該 :電感調即益系統包括：至少兩個導電開關，用以將能量從 咸::、傳达至輸出端；與至少兩個導電開關相連接的至少兩個電 1 中上述至少兩個電感器是在—個公共鐵心上繞制的， 泣:母個電感器所具有的極性使得這至少兩個電感器中的直 "II·彼此抵消，並且其中電感器具有接近等於i的耦合係 丄观342 數”上述至从兩個導電開關相連接的至少兩個穩流開關，用 =在非導通週期中為電流提供路徑；以及產生驅動信號的驅動 信號發生器，每個驅動信號具有約5〇%的占空比，其中驅動信 號控制上述導電開關。 ° 口口根據本發明的另一些實施例，提供了一種搞合電感調節 盗’用於將來自電源的輸入電壓轉換成輸出端的輸出電壓，該 耗合電感調節器包括：控制導通時間的至少兩種相位信號’ ^ =兩個驅動a ’其響應上述至少兩種相位信號而從電源傳送能 里’連接於上述至少兩個藤動器和輸出端之間的橋形網路，該 ，形網路由耦合電感器構成而具有N級，其中N至少是丨，= 每-級中有成對的電感器’這些成對電感器各自具有接近等於 1的耦合係數；其中每種相位信號具有約1〇〇%/2N的占空比； 而輸出電壓則約等於所述輸入電壓除以2N。 還應指出，本申請要求於2003年8月21日提交的美國臨 時專利申請第刪96 957號的權益，其全勒容在此結合作為 參考。 在附圖和下面的說明書中，闡明本發明一個或多個實施例 的詳細内容。根據說明書和附圖以及從中請專利範圍，本發明 的其他特徵、目的以及優點將是顯而易見的。 【實施方式】 第一圖不出了耦合電感調節器10的實施例的功能方塊 圖’祕合電感調g卩n用於給—個或多個設備提供電能，上述 -個或多個設備例如為高速驅動器以及其他電子設備。耗

感調節器10可開環工作，以將& # M 乂埘w入電壓vDD轉換成非隔離的輸 出電壓νουτ。該輸出電壓的幅值約為輸入電壓的整數倍或者整 數因數並且可由耗合電感調節器10的結構和搞合電感調節器 1361342 ，即益320中的各點，如2:1調節器324的輸出端和降壓變換 器322的輸出端，傳送到降壓變換器322。由於與單個降慶變 換器直接將Vin變換成ν〇_比’降麼變換器322的輸出電流 的幅值是前者的輸出電流的一半，因此與僅用單個降壓變換= 產生Vout相比，降壓變換器322的輪出裝置可有利地在尺寸上 以大小至少為2的因數減小，亦即與僅用單個降壓變換器時相 比’降壓變換器322的輸出裝置的尺寸可減小到前者的尺寸至 二除以2。上述輸出裝置可包括諸如輸出電容器和輸出電感器 等器件。有利的是’本發明人認識到2:1調節器324的輸出端 φ 上的紋波電壓將減小到降壓變換器322的輸出端上的紋波電壓 除以因數2’因此可以將更小的輸出裝置用於降麼變換器如。 另外’電容器的體積效率通t直接關係到電容器的額定電壓， 因此隨，容額定值的額定電壓增加，通常電容器的體積減小 (VH/VL)2,其中VH是較高額定電壓，* %是較低額定電壓。 另外’電感器的體積直接與流過電感器的電流的平方有關，因 此隨電感器的最大額定電流減小，電感器㈣㈣減小。在一 個實施例中’可用多回饋信號進行VLVHC調節器no的多回 路控制。可採用任何-種多回路控制技術，例如加權回饋信號、籲 從多個回饋信號中選擇-個回饋信號、及改變每個反饋回路的 響應時間。例如’從降壓變換器輸出端到降壓變換器⑵的内 反饋回路的回應可设定為比從v〇ut到降壓變換器322的外部 回路慢。 另外’與僅用-個非隔離降壓變換器將vin變換成乂〇加相 比’爾H C調節器3 2 〇的總功率效率可以更低。第九b圖示 出了在-個由Vln產生Vout的非隔離降壓變換器中，流過導電 開關的電流Ids @波形326，該降壓變換器的占空比可以比 18 VLVHC調節器320中的占空比低約四倍。 過導電開關的峰值電流可比流過醫 :占 關的峰值電流高約畔，從 m的導電開 比VLVHC V。 導致降壓變換器中的開關損耗可 非隔離降謝的開關損㈣高4倍。 出在導電ml ί 中的功率耗散Pd的波形328顯示 出在導電開關的切換過程中發生的高開關損耗。 節写m示出了用於產生低鍾輸出的極低電壓高電流調 調f調節器）的另-實施例。咖hc調節器340 340在電源346P=20在功成上類似，區別是VLVHC調節器 和可包括兩個或更多個相合電感調節器342 節器⑵調節器、h調節t和344較佳是降壓式箱合電感調 小電源346❾輪出裝置=^4:1調節器等等）’以便獲得減 合電感調節器的任一、實广例，’显處’然而本發明的範圍包括耦 器。 只& 例如具有1:2升壓比的升壓調節 節器二：:=心=電:輸出的極低電壓高電流調 與域C調節器34。：;力:另施例，VHC調節器37。 37〇在電源376之前可勺^上類似，區別是VLVHC調節器 和別，合電感調節;^；或^個電感器搞合調節器仍 合電感調節器的降壓&槿 4可具有任—結構，例如搞 器等等)，升！处構(二（調節器、3:1調節器、4:1調節 第十：圓Γ:調節器)，以及反相結構。謂 系统350可包括電源松= 350的一個實施例。多級調節器 調節器354〜36〇的降壓變接到兩個或更多個搞合電感 奐斋。有利的是，多級調節器系統35〇 19

Claims (1)

1361342 十、申請專利範圍厂… 種％屋調節器系统，用於 成輸出端的輪出電壓，1特朿自電源的輸人電壤轉換 -低損耗T 該調節器系統包括： 2耗調郎器’其由所述輸入 ，合電感調節器，其由所 生中間電堡； 所述低損耗調節器，回庳爽白裕、:昼產生所述輸出電·； 號及來自所述中間電 輸出電壓的第-回饋信 使得料輸出電壓調節到;;3=調節所述中間電屡， 權’以控制所饋信號及所述第二回饋信號加 2’如申請專利範圍第〗項所 4一回饋信號與—參考電塵進行比較r而Γ 將所述 所述調節器系統還包括一場效 ）. 準放大器而調節所述中間電麼。日體卿），其回應該基 包含 所述第-及第二回鎮^中選^述輪出電壓和所述争間電㈣ 令選擇-個’用以控制所述輪出電壓。 4·如申請專利範圍第1 包含：―多回路控制系统，皇勺所^用的電麼調節器系統，進一步 速内部回路和用以押制所.f. ^ 以控制所述中間電壓的慢 f Μ控制所迷輸出電㈣快速外部回路。 5.如申請專利範圍第〗項所述的 述耦合電感調節器包括： 5 P盗系統，其中所 28 1361342 至少兩個導電開關，用以將能量從所述電源傳送至所述輸 出端； 至少兩個電感器，其與所述至少兩個導電開關相連接所 述至少兩個電感器是在一公共鐵芯上繞製在一起的，並且每個 電感器所具有的極性使得各所述電感器中的直流電流彼此抵 消’所述電感器具有接近等於1的耦合係數； 至 >'兩個穩流開關，其與所述至少兩個導電開關相連接， 用以在非導通週期為電流提供路徑；以及 驅動U發生器’用以產生驅動信號’每個驅動信號具 有約鄕的Μ比’所舰動信號㈣所述至少兩個導電開 關。 6.如申凊專利範圍第5項所述的電壓調節器系統，盆中所 個導電開關、所述至少兩個電感器、及所述至i兩個 降壓結構連接而使得所述輸出電壓的幅值約等 琴1的一半’其令所述降壓結構包括兩個降麗調節 盗、、中每個降壓調節器以約占空 兩個降壓調節器中的每一個包括： U所述 導電開其與所述穩流開關和所述電感器相連接，該 所述輸出$ 電流從所述電源通過所述電感器傳送至 号的電通週期’所述穩流開關為流過所述電感 益的电机棱供到所述輸出端的導電路徑。 电 7·如申請專利範圍第5項所述的雷 #。。 述至少兩個導電開_其中—個電―线，其中所 少兩個導電開關的另-個則具有第導通時間，而所述至 時間與所述第二導通時間是由非導通時 29 1361342 非導通時間的持續時間略小於所述第一導通時間和所述第 It::持續時間’並且其中所述至少兩個導電開關的總導通 時間接近於但是小於100%。 8’如申凊專利範@第5項所述的電㈣節器系統，盆中所 個導電開關包括第-導電開關和第二導電開關:、所述 屯開關接收第-驅動信號，而所述第二導電開 其中所述至少兩個穩流開關包括第-穩流開關和 ^ t ’所述第一穩流開關接收所述第二驅動信號，所 流開關接收所述第-驅動信號，並且其t所述的第- 二㈣信號為具有一相位偏移量的相同信號，該相位 里於360度除以所述至少兩個導電開關的數量。 雷舞Lrf多級輕合電感調節器系統，用於將來自電源的輸入 =轉換成輸出端的輸出電屋，其特徵在於該多級調節器系統 壓 第-轉合電感調節器，其由所述輸入電壓產生一中間電 该第—耦合電感調節器具有第一特徵尺寸； 壓 第^合電感調節器’其由所述中間電屢產生所述輸出電 5玄第—耦合電感調節器具有第二特徵尺寸. 所述第-特徵尺寸不等於所述第二特徵尺寸；以及 回具有來自所述中間電®至該第二搞合 電：调=的的一前饋信號’以及來自所述輸出電壓的一回饋 中該h料制系統包含—電路，該電路對來自所述 ==和所述中間電壓的所述回饋和前饋信號加權，以控制 所述輸出電壓。 1361342 統：中:3 = = :所述的，合電感調節器系 結構設置’並且其令所;各:均以-種降屋 二特徵尺寸。 ^特徵尺核於、或料於所述第 1 1.戈口 #，饮^、/月J乾圍第9項所述的多級福合電感調節器系 、’〜、斤述的第—和第二福合電感調節器各自包括·· ’、 至少兩個導電開關’用以從所述電源將能量傳送至輸出端. ，少兩個電^器，其與所述至少兩個導電開關相連接，所 :减：：：ί感益疋在一公共鐵心上繞製在-起的，並且每個 :感益^、有的極性使得各所述電感”的直流電流彼此抵 4 ’所述電感器具有的耦合係數約等於1; 至少兩個穩流開關，其與所述至少兩個導電開關相連接， 用以在非導通週期為電流提供路徑；以及 驅動L號發生器，其產生驅動信號，每個驅動信號具有 約50%的占空比’所述驅動信號控制所述至少兩個導電^關。 如申請專利範圍第Π項所述的多級耦合電感調節器系 統’其中所述的第一和第二叙合電感調節器各自均以一種降壓 結構連接，使得每個耦合電感調節器的輸出電壓的幅值約等於 該耦合電感調節器的輸入電壓的一半， 其中每個耦合電感調節器的降壓結構包括兩個降壓調節 器’每個降壓調節器以約50%占空比工作，以及 其中該至少兩個降壓調節器中的每一個包括一導電開關， δ玄‘電開關與一穩流開關和一電感器相連接，在所述導電開關 導通週期將電流從所述電源通過所述電感器傳送至所述輸出 端，而在非導通週期，所述穩流開關為流過所述電感器的電流 31 1361342 提供到所述輸出端的導電路徑。 間，而所述至少兩個導電開_另1個且導通時 述第-導通時間與所述第二導 ：導通時間，所 和所述第二導持時間略小於所述第-導通時間 開關的總導料間接近於但是小於刚％中所歧少兩個導電 二:==Γ項所述的多級輕合電感調節器系 =接第:驅動信號，述第二導; 穩流開關和第二穩流開關:、所:J二:==關包括第-=第所述;二穩流_收:述 所述的第-和紅驅動信號為具有—相位偏移 卢 該相位偏移量等於360声哈w E , J15说 夕里㈣360度除以所述至少兩個導電開關的數量。 拖二5ψ種电壓調即益系統，用於將來自電源的輸入電壓轉 換成輸出W輸出電壓’其特徵在於該㈣H统包括： 第-耦合電感調節器’其由所述輸入電壓產生一中. -降壓變換器，其由所述中間電壓產生所述輪出電摩.， 回饋信號，其檢測所述降壓變換器的輸出電壓； 所述降壓變換器，回應該回饋信號而控制所述輸出 以及 ’ 一多回路控制系統，具有來自所述中間電壓至所述降虔變. 32 丄則342 所述多回路控制系統包括-電-，該電 權，以控制所述輸所这中間電壓的回饋和前饋信號加 輪 中所所述的電壓調節器系統，其 出端；，導电開關’用以將能量從所述電源傳送至所述 述至= : = :其與所述至少兩個導電開關相連接，所 電感器所具有的極性使得= -起的，並且每個 消，所，器具有接:::::::::直流電流彼此抵 用以個穩流開關，其與所述至少兩個導電開關相連接， y導通週期為電流提供路徑；以及 :動信號發生器’用以產生驅動信號，每個驅動信發且 <的占空比，所述驅動信號控制所述至少兩個二/、 關。 τ毛開 17·如申請專利範圍第16項所述的電壓調節器系統，其中所述第— 耦合電感調節器是以一種降壓結構設置的，使得所述輪出電壓約等於所 述中間電壓的一半，其中所述降壓結構包括兩個降壓調節器，每個降壓 調節器以約5〇%占空比工作，以及其中所述兩個降壓調節器中的每—個 包括：一導電開關，其與一穩流開關和一電感器相連接，該導電開關在 導通週期將電流從戶斤述電源通過電感器傳送至所述輸出端，而在非導通 週期，所述穩流開關為流過所述電感器的電流提供到所述輸出端的導電 路徑。 18.如申請專剎範圍第17項所述的電壓調節器系統，其中 33 丄342 $步包括第二搞合電感調節器，該第二搞 — 在所述降壓變換器和所述第1合電_^1 所J少二所述的電壓調節器系統，其中 至少兩個導二 :有第一導通時間，而所述 時間斑所❹./ @具有弟-導通時間’所述第-導通 非導通時門間是由非導通時間分隔開的，其中所述 通=的=略小於所述第-導通時間和所述第二導 時門接、斤於間’並且其中所述至少兩個導電開關的總導通 時間接近於但是小於100%。 所如Ψ 專利範圍第16項所述的電壓調節11系統，盆中 3導括第一導電_第二導電開關，二 k矛导知開關接收第一驅動信號，而胼β货_ 第-驅動ϋ甘占3劫輯述第二導電開關接收 弟一㈣n Μ所述至少兩個穩流 和第二穩流開關，所沭笛氆4„HUA 德机開關 所itm: 關接收所述第二驅動信號， 所逑第-開關接收所述第—驅動信號，並且其中所述 -^弟二驅動信號為具有—相位偏移量的相同信號，該相位偏 移里等於360度除以所述至少兩個導電開關的數量。 几一種電壓調節器系統，用於將來自電源的輸入電 換成輸出端的輸出電壓，其特徵在於該調節器系統包括： -降壓變換器’其由所述輸人電愿產生—中間電壓. -第-•合電感調節器’其由所述中間電壓 述 電壓； 和出 電壓； 第回饋域，其檢測所述第一輕合電感調節器的輸出 34 丄: =述降壓變換器，回應該第—回饋信號而控制所述中 進而對所述第，合電感調節器的輪出電壓進行調節;： ^回㈣㈣統’具有來自所述中間電壓至所述降 =:弟二回饋信號’其令所述多回路控制系統包括一電-路’忒电路對來自所述輸出電壓和所述 卜 回饋信號加權，以控制所述輸出電壓。B毛壓的第-及第二 所請專利範圍第Μ項所述的電屋邮器系統，其中 和二：这==包括一電路，該電路在來自所述輸出電壓 牙來自所述中間電壓的所述第—及第 一’以控制所述輸出電壓。 k擇八中之 23.如申請專利範圍第21項所述的 所述多回路控制系統包括用以控制所調即益f統，其中 路和用以控制所述輸出電壓的快速外部回差的慢速内部回 所述5二::2利範圍第21項所述的電壓調節器系統，其中 疔XL弟耦合電感調節器包括· 出端至少兩個導電開關’用以將能量從所述電源傳送至所述輸 述至=感=在其與所述至少兩個導電開一 電感器所:共鐵心上繞製在一起的，並且每個 消:所述電;^呈有各所述電感11中的直流電流彼此抵 电❾盗具有約等於1的耦合係數； 至少兩個穩流開關，其與 用以在非導通週期為電流提供路徑二:個導電開關相連接’ 35 1361342 一驅動信號發生器，用以產生驅動信號，每個驅動信號具 有約50%的占空比，所述驅動信號控制所述至少兩個導電開 關。 25_如申請專利範圍第24項所述的電壓調節器系統，其中 所述第一耦合電感調節器是以一種降壓結構設置的，使得所述 輸出電壓約等於所述中間電壓的一半，其中所述降壓結構包括 兩個降壓調節器，每個降壓調節器以約5〇%占空比工作，以及 其中所述兩個降壓調節器中的每一個包括： 一導電開關，其與一穩流開關和一電感器相連接，並在導通週 期將電流從所述電源通過所述電感器傳送至所述輸出端，而在 非導通週期，所述穩流開關為流過所述電感器的電流提供到所 述輸出端的導電路徑。 一 + 6·如申請專利範圍第25項所述的電壓調節器系統，其進 心=電感調節器’該第二耗合電感調節器連接到 請專利範圍第26項所述的電壓調節器系統，其中 感調節；之:電感：節”聯連接在降壓變換器和第-搞合電 這樣一二 所述㈣… 至少兩個導電開關的另—個且有第導通時間，而所述 時間與所述苐二導通時間是:非= 36 U0U42 非‘通％·間的持續時間略小於所述第 通時間的持續時間，並且其中所述至少兩=間和所述第々 時間接近於但是小於1〇〇%。 7兩個導電開闕的總導通 所丨如巾4專利範圍第Μ項所述的㈣調節器系統，其中 述^一 ^個導電開關包括第一導電開關和第二導電開關，所 第-酿I?關接收第一驅動信號，而所述第二導電開關接收 弟^驅動化號，其令所述至少兩個穩流開關包括第—穩流開關 °第二穩流開關，所述第一穩流開關接收所述第二驅動信號， 所述第二穩流開關接收所述第一驅動信號，並且其中所述的第 和第二驅動信號為具有一相位偏移量的相同信號，該相位偏 移量等於360度除以所述至少兩個導電開關的數量。 37