TWI770094B - 準共振降壓型高頻直流電壓轉換器及其方法 - Google Patents

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Abstract

準共振降壓型直流電壓轉換器包括輸入埠(201)，其具有被設計為接收待轉換的電壓位準的第一端子(202)，輸出埠(206)，其具有被設計成提供轉換的電壓位準的第一端子(204)，第一開關(Qhs)，其與該輸入埠的該第一端子串聯連接以及調節電路(211)，其被配置為用於：產生漣波電壓(Ond)，其依據該第一開關的閉合或開啟狀態而上升或下降；產生設定點訊號(Vcons)，其與轉換的電壓之平均位準與參考電壓(Vref)間之差成比例；執行該設定點訊號與已添加該漣波電壓的該轉換的電壓位準(Vout)之間的第一比較(210)；以及取決於該第一比較的結果，在預定週期(Ton)內於其控制該第一開關的閉合的輸出端上產生或不產生啟動訊號(HS_Cmd)。

Description

準共振降壓型高頻直流電壓轉換器及其方法
本發明的領域是開關模式電源供應。更具體地說，本發明涉及準共振降壓型的非隔離式DC/DC電壓轉換器，特別是用於負載點調節器應用。直流電壓的轉換被用於出於對轉換裝置的電源供應電壓的需求而產生的許多技術領域，諸如將由可攜式電腦的電池所供應至處理器的電壓進行轉換、以及供應至在更加嚴峻的環境下運作的應用程式，諸如太空應用的環境。
一般而言，DC/DC電壓轉換器在其輸出端的功能是增加輸入端的電壓或降低輸入端的電壓，以便為位於下游的裝置提供電源。圖1示例出了根據現有技術的降壓轉換器。該轉換器包括MOSFET(即金屬氧化物半導體場效電晶體)類型的兩個電壓控制開關Qhs和Qls，電流控制模式中的調節電路，該電流控制模式允許轉換器的輸出電 壓位準Vout被調節以作為從流進該第一開關Qhs的電流而來的訊號Mes.I的函數。該調節電路包括：- 控制電路107，其可以採用程控或有線邏輯電路的形式，像是具有觸發器，並且允許開關的開啟或閉合為受控的；- 誤差放大器MEA，其產生與轉換器的輸出電壓位準和參考電壓之間的差成比例的設定點訊號Icons；- 比較器Comp，其允許將從流進該第一開關的電流而來的訊號和設定點訊號進行比較。
該轉換器在輸出端還包括由輸出電感器Lout和輸出電容器Cout形成的低通濾波器。連接到該控制電路輸入端的振盪器Osc，其允許該第一開關在其脈衝的上升邊緣的時刻被控制。該降壓轉換器在其操作週期內包含兩種不同的機制。各該機制以該第一開關Qhs的狀態為特徵。對於該第一開關Qhs的閉合狀態而獲得的機制稱為“ON”，而稱為“OFF”的機制係對應於該第一開關的開啟狀態。
該振盪器連接到該控制電路107的輸入ON，並且藉由產生閉合該第一開關的命令HS_Cmd，允許在其脈衝的上升邊緣觸發一個操作週期。這個閉合命令啟始了該轉換器的“ON”機制。該振盪器可以藉由類比電路或者共振器或者石英晶體來實現，並且可以修正該轉換器的操作頻率。
在第一時期(“ON”機制)中，該第一開關Qhs為閉合。電流迅速增加，直到達到流進輸出電感的電流 值，然後增加得甚為緩慢，直到在第一時期的終點時達到其最大值。輸出電感中的電流增加並等於Qhs中的電流。在整個這個時期期間，該第二開關Qls是打開的(打開的命令僅於閉合該開關Qhs之前的當下發生)。閉合該Qhs的命令和開啟該Qls的命令連同損耗一起發生，損耗會隨著該轉換器運行頻率的增加而增加。
在第二時期(“OFF”機制)中，該開關Qhs接收到打開的命令，然後該開關Qls接收到閉合的命令。輸出電感中的電流等於Qls中的電流並且正在下降。開啟該Qhs的命令以及，在較小程度上，閉合該Qls的命令係連同損耗一起發生，並且係隨著轉換器的運行頻率的增加而增加。
轉換的輸出電壓的調節是線性的並且包括兩個嵌套的控制迴路。第一個迴路是外部的並且與該誤差放大器MEA一起形成，該誤差放大器MEA允許設定點訊號Icons被產生以作為電流的影像，該電流為連接到其第一輸入之參考電壓Vref與連接到其第二個輸入之轉換的電壓位準之間的差(舉例來說)的函數。該第一個迴路控制轉換的電壓位準的平均值。該第二個迴路是內部的，並且是與該比較器Comp一起形成，該比較器Comp的第一輸入呈現給該設定點訊號Icons，並且其第二輸入呈現給訊號Imes，即流進該第一個開關的該電流的影像。該第二個迴路允許對該電流的最大值進行控制。開啟Qhs的命令發生在當該電流Mes.I的影像訊號達到該影像訊號Icons的值。
在這種類型的轉換器中，電抗元件體積龐大。
旨在減小電抗元件的尺寸的一種已知的解決方案以及作為轉換器的一個結果在於增加開關的開關頻率。儘管如此，這樣地增加開關頻率會增加開關損耗並導致電磁兼容性問題。電壓位準的調節速度是這種類型的轉換器的重要因素，因為它允許將恆定電壓傳送至負載，而不管後者所施加的(對最新一代數位負載的旺盛和急速的需求)對電流的需求。在現有技術中所實施的調節原則的情況下，調節速度受誤差放大器的速度以及對為了穩定控制輸出電壓的穩定界限的遵守的限制。這種穩定性也可能受到輸出負載(使用者的選擇)的性質的影響。為了有一個穩定的系統，最大調節速度在設計階段是固定的，並且它不能藉由使用者決定的選擇(例如增加一個輸出電容)來改善。這種類型的調節導致作成多個妥協，該些妥協需要藉由增加輸出電容來加以彌補，並且不允許縮小轉換器的尺寸。
本發明旨在獲得輸出電壓的高速調節，以便使電抗元件小型化，而不需要使後者體積過大，並且允許使用者藉由在輸出處添加濾波解決方案來進一步改進動態性能特性的可能性。
根據本發明，輸出電壓位準的調節由非線性 電路完成，因此具有高速動態表現。這種類型的調節特別適用於具有恆定持續時間COT(即“恆定導通時間”)的閉合切換相位的電晶體的轉換器。這種調節的一個要素是在轉換器的輸出電壓位準上添加漣波電壓。這種額外的漣波電壓係根據第一開關的閉合或開啟狀態而上升或下降，其可以保證調節的穩定運行，而不管電壓雜訊的存在或負載性質如何。允許高頻操作的電晶體尤其可以是在GaN(氮化鎵)基底上的HEMT(即高速電子遷移率電晶體)。最後，轉換器設置用於防止過載的電路，其可在當流入電晶體的電流達到預定的臨界值時，允許下一次的電荷轉移的循環停止。
本發明的一個主題是準共振降壓型的直流電壓轉換器，其包括輸入埠，其具有旨在接收待轉換的電壓位準的第一端子，輸出埠，其具有被設計成提供轉換的電壓位準的第一端子，接地線，其將該輸入埠的第二端子與該輸出埠的第二端子連接，第一開關，其與該輸入埠的該第一端子串聯連接以及調節電路，其具有與該轉換器的該輸出埠的該第一端子連接的輸入端子及與該第一開關的控制端子連接的輸出端子，該調節電路被配置為用於：- 產生漣波電壓，其依據該第一開關的閉合或開啟狀態而上升或下降；- 產生設定點訊號(Vcons)，其與轉換的電壓之平均位準與參考電壓間之差成比例；- 執行該設定點訊號與已添加該漣波電壓的該轉換的 電壓位準之間的第一比較；以及- 取決於該第一比較的結果，在預定週期內於其控制該第一開關的閉合的輸出端上產生或不產生啟動訊號。
根據這樣的電壓轉換器的特定實施例
- 該調節電路還可以包括：控制電路，其具有被設計為傳送該啟動訊號的輸出端；以及一個比較器電路，其具有被設計為用於傳送該比較的該結果的輸出端，該輸出端連接到該控制電路的第一輸入端。
- 該調節電路還可以包括：一附加的漣波電路，其被配置為用於傳送該已轉換的電壓位準，該漣波電壓已被添加到該已轉換的電壓位準，該附加的漣波電路具有連接到該轉換器的該輸出埠的該第一端子的第一輸入端、連接到該控制電路的輸出端的第二輸入端以及連接到該比較器電路的第一輸入端的輸出端；以及誤差放大器，其被設計為傳送該設定點訊號，該放大器具有連接到該轉換器的該輸出埠的該第一端子的第一輸入端、被配置為接收該參考電壓的第二輸入端以及連接到該比較器電路的第二輸入端的輸出端。
- 該控制電路還可以被配置為用於控制：該第一開關的閉合或開啟；在該附加的漣波電路的該第二輸入端上，該上升或下降電壓之產生。
- 該轉換器還可以包括：共振電感器，其與該第一開關串聯連接，並具有第一端子和第二端子，該第一端子連接到該第一開關；共振電容器，其具有第一端子和第二端 子，該第一端子連接到該共振電感器的該第二端子；第二開關，一方面連接到該共振電容器的該第一端子，並且另一方面連接到該共振電容器的該第二端子。
- 該轉換器還可以包括低通輸出濾波器。
- 該調節電路可以包括用於防止過載的電路，該電路包括用於測量流進該第二開關的電流的電路；以及比較器電路，其具有：用於預定限制電流訊號的第一輸入端；連接到用於測量流進該第二開關的該電流的該電路的第二輸入端；用於防止過載的該電路還具有連接到該控制電路的第二輸入端的輸出端；該控制電路被配置為用於在其輸出端上傳送取決於該第一輸入端和該第二輸入端之間的比較的訊號，並且只要代表流進該第二開關的該電流的該訊號等於至少該預定限制電流訊號時控制該第一開關的開啟。更具體地說，該電流測量電路可以包括連接在該共振電容器的該第二端子和該接地線之間的電阻器。
- 該轉換器還可以包括與該第一開關並聯連接的續流二極體，其具有連接到該第一埠的該第一端子的陰極，該預定週期被選擇用於當流過該第一開關的電流流進該續流二極體時開啟該第一開關。
- 該控制電路可以被配置為在預定的最小持續時間內開啟該第一開關。
- 該第一開關和該第二開關可以表現出小於或等於100ns的切換時間並且較佳地為小於或等於10ns的切換時間。尤其是，該第一開關和該第二開關可以使用GaN技術 來製造。
本發明的另一個主題是一種借助於準共振降壓型的直流電壓轉換器來轉換電壓的方法，該電壓轉換器包括輸入埠，其具有旨在接收待轉換的電壓位準的第一端子、輸出埠，其具有被設計為提供轉換的電壓位準的第一端子、接地線，其將該輸入埠的第二端子連接到該輸出埠的第二端子、第一開關，其與該輸入埠的該第一端子串聯連接以及調節電路，其具有連接到該轉換器的該輸出埠的該第一端子的輸入端子及連接到該第一開關的控制端子的輸出端子，該方法包括用於以下的步驟：- 產生漣波電壓，該漣波電壓之上升或下降係根據該第一開關的閉合或開啟狀態；- 產生設定點訊號，該設定點訊號係與轉換的電壓的平均位準和參考電壓之間的差成比例；- 比較，將該設定點訊號與已添加該漣波電壓的該轉換後的電壓位準進行比較；並且，根據該第一比較的結果：- 在預定週期內產生或不產生控制該第一開關之閉合的啟動訊號。
根據這種方法的一個實施例，準共振降壓型的該直流電壓轉換器還包括與該第一開關串聯連接的共振電感器，其具有第一端子和第二端子，該第一端子連接到該第一開關；共振電容器，其具有第一端子和第二端子，該第一端子連接到該共振電感器的該第二端子；第二開 關，其一方面連接到該共振電容器的該第一端子，且另一方面連接到該共振電容器的該第二端子；該方法還包括用於以下的步驟：當該共振電感器的該第二端子(MP)與該接地線之間的電壓變為負時，產生用於閉合該第二開關的訊號；並相應於控制該第一開關的閉合的啟動訊號之產生而產生用於開啟該第二開關的訊號。
107、207:控制電路
201:輸入埠
202、204、214:第一端子
203、205:第二端子
206:輸出埠
208:第一輸入端
209:輸出端子
210、212:比較器
211:調節電路
213:電壓比較器電路
401、402、403、501、503、504、505、506、507、509:時間
404:設定點訊號
502:高電平狀態
Qls:第二開關
Qhs:第一開關
Ond:漣波電壓
Vcons、Icons:設定點訊號
Vref:參考電壓
Vout:轉換的電壓準位
Lout:電感器
MEA:誤差放大器
HS_Cmd、LS_Cmd:啟動訊號
Ton:預定週期
Lr:共振電感器
Cin、Ci1、C2:電容器
Ilim:預定電流限制訊號
Ond.Add.:附加的漣波電路
Mes.I、Imes、I_high、Vout+Ond:訊號
Cout:輸出電容器
Osc:振盪器
Comp:比較器
Rsh、Ri1、Rs1、Rs2:電阻器
I Qls:電流
MP:測量點
MP_low:附加的輸入
藉由閱讀以下以非限制性範例的方式所呈現的描述並藉助於所附圖式，將能夠更好地理解本發明及其他特徵，而優點將變得更清楚而明顯，其中：‧圖1，已如上所述，其根據現有技術示例出了降壓電壓轉換器的電路圖；‧圖2示例出了根據本發明的一個實施例的準共振降壓轉換器的電路圖；‧圖3示例出了用於圖2中的轉換器的附加的漣波電路的一個實施例；‧圖4示例出了從圖2的轉換器而來的轉換的輸出電壓的調節原理的時序圖；‧圖5示例了用於圖2的轉換器的過載保護原理的時序圖；‧圖6示例出了根據本發明第二實施例的準共振降壓轉換器的電路圖。
在以下的描述中，開關和電晶體等用語係可以互相轉換使用地。同樣地，轉換器的輸出電壓有時會被識別為Vout，其他時間被視為轉換的電壓位準。
圖2示例出了根據本發明的一個實施例的電壓降壓轉換器。在本實施例中，只有轉換器的“ON”相位具有預定義的恆定持續時間。對應於閉合該第一開關Qhs的持續時間之後者被計算以便獲得軟開關，換句話說，在閉合時，由於與其串聯的該共振電感器Lr的存在，其變成在零電流下而發生閉合的開關，在開啟時，其變成在當開關中的電流為負時而發生開啟的開關，並且結果是電流流入與其並聯設置的二極體中。該轉換器具有輸入埠201，其被設計為接收要被轉換的電壓位準及輸出埠206，其允許提供被轉換的電壓位準。該輸入埠201包括第一和第二端子，分別以202和203來表示。該輸出埠206還包括第一和第二端子，分別以204和205來表示。接地線，其連接在該第二端子203和該第二端子205之間。電容器Cin，其與該轉換器的該輸入埠201並聯連接並介於該第一端子202和該第二端子203之間，其允許對要被轉換的電壓位準進行濾波。由HEMT形成的第一開關Qhs，其一方面與該輸入埠的該第一端子202串聯連接，另一方面與共振電感器Lr的該第一端子214串聯連接。根據一個實施例，該開關Qhs與陰極連接到該端子202的續流二極體並聯連接。根據一個優選實施例，HEMT使用GaN技術。由於對各種類型的 輻射的穩健性、低接觸電阻和在具有軟開關的系統中之並不會產生任何缺點的快速開關速度，GaN的選擇是合理的。具有優勢的是，電晶體的切換時間可以從幾奈秒到幾十奈秒，較佳的是小於或等於100ns，或者甚至到10ns。該共振電感器Lr的該第二端子連接到共振電容器Cr的該第一端子和該測量點MP。第二開關Qls連接在該共振電容器Cr的該第一和該第二端子之間(一個替代的方案在於將該電容器Cr的該第二端子接地)。根據一個較佳的實施例，陰極連接到該測量點MP的續流二極體與該開關Qls並聯連接。然而，這個二極體的存在並不是必不可少的。根據一個實施例，電阻器Rsh允許對流進該第二開關Qls的電流進行測量。該電阻器連接在該共振電容器Cr的該第二端和接地線之間。該低通輸出濾波器包括連接在該測量點MP和該第一端子204之間的電感器Lout和連接在該第一端子204和該第二端子205之間的電容器Cout。連接到該轉換器的該輸出埠的調節電路211，其包括附加的漣波電路Ond.Add.、誤差放大器MEA、比較器210及控制電路207，該控制電路207允許：- 產生漣波電壓，其在該第一開關Qhs為閉合狀態下時升高並且在該第一開關Qhs為開啟狀態下時下降；- 產生設定點訊號，其與平均轉換電壓位準和參考電壓Vref之間的差成比例；- 在該設定點訊號Vcons和已添加該漣波電壓的轉換後電壓位準之間進行第一比較；以及 - 取決於該第一比較的結果，在如圖4中所示的預定週期Ton內，於其輸出端上產生或不產生用於控制該第一開關的閉合的啟動訊號。更確切地說，在圖2的實施例中，該啟動訊號對於已添加了該漣波電壓的轉換後的電壓位準控制該第一開關的閉合，小於或等於該設定點電壓。
該附加的漣波電路Ond.Add.的第一輸入端連接到該轉換器的該輸出埠206的該第一端子204，而該第二輸入端連接到該控制電路207的輸出端，該控制電路207也被設計為傳送用於該第一開關Qhs的該啟動訊號。該附加的漣波電路的電路圖在圖3中示出。允許產生該設定點訊號Vcons的該誤差放大器MEA具有連接到該參考電壓Vref的第一輸入端和連接到該轉換器的該輸出埠206的該第一端子204的第二輸入。允許執行該第一比較的該比較器210具有連接到該誤差放大器MEA的該輸出端的第一輸入端和連接到該附加的漣波電路Ond.Add.的輸出端的第二輸入端。連接到該控制電路207的該第一輸入端的該比較器210的該輸出端提供表示該第一比較的結果的二進制訊號，該該第一比較允許在表示該轉換的電壓位準之增加和漣波之增加的減少訊號變為等於該設定點訊號Vcons時，產生控制該第一開關的閉合的該啟動訊號。在一個實施例中，該控制電路207是諸如FPGA(即現場可程式閘陣列)等的可程式化電路。這樣的調節允許對輸出電壓進行非常快速地控制，因為它是基於在無條件地穩定控制模式下所使用之比較器。這種調節的最大速度允許形成具有優 異的動態性能特性的轉換器。靜態調節性能由MEA提供，它修正了應用於該比較器的設定點，以獲得完美調節的平均輸出電壓。該調節電路211的過載保護包括比較器212，其具有用於預定電流限制訊號Ilim的第一輸入端和與用於測量流進該第二開關Qls的電流的電路的第二輸入端。只要電流I Qls高於Ilim，就不能控制該第一開關Qhs，從而限制了該轉換器的最大輸出電流。實際上，該轉換器的最大輸出電流係位於取決於該常數Ton的值Ipic(高於Ilim)。圖5顯示了過載保護操作的時序圖。此外，該控制電路207被配置為用於在預定的最小持續時間內開啟該第一開關Qhs，該預定的最小持續時間允許在暫態相位期間限制該轉換器的最大操作頻率。
圖6示例出了根據本發明第二實施例的準共振降壓轉換器的電路圖。該調節電路211包括電壓比較器電路213，其用於當該共振電感器的該第二端子MP與該接地線之間的電壓變為負時產生用於該第二開關Qls的啟動訊號LS_cmd，以及用於相應於控制該第一開關Qhs的閉合的該啟動訊號HS_cmd之產生而產生用於開啟該第二開關Qls的訊號。因此，相對於圖2所示的實施例，該控制電路207包括附加的輸入MP_low。
圖3顯示出了由圖2中的Ond.Add表示的該附加的漣波電路的一個特定實施例的電路圖。該附加的漣波電路一方面允許產生根據該第一開關Qhs的閉合或開啟狀態而上升或下降的漣波電壓，並且另一方面允許所產生的 漣波被添加到轉換後的電壓位準。包括電阻器Rs1和Rs2的分壓器，其連接在該輸出轉換電壓Vout和地之間。Rs2具有表示其連接到該輸出電壓Vout的第一輸入端的第一端子，以及連接到Rs1的第一端子的第二端子。Rs1的第二端子接地。該分壓器的中點表示連接到該比較器電路的該第一輸入端的該附加的漣波電路的輸出端。兩個電容器Ci1和C2為串聯連接。該電容器Ci1的第一端子也連接到轉換的該電壓輸出Vout，並且其第二端子一方面連接到該電容器C2的第一端子，並且另一方面連接到電阻器Ri1的第一端子。Ri1的第二端連接到該控制電路的該輸出端，而C2的第二端子也連接到該分壓器的中點。
在另一個實施例中，該附加的漣波電路可以連同該控制電路被整合到專用電路中。
圖4顯示出示例了經轉換的電壓位準Vout的調節原理的時序圖，Vout實質上為恆定。為了避免轉換的電壓位準對干擾的雜訊太敏感，需要在轉換的電壓位準的最大值和最小值之間設有最小變化差。訊號Ond.表示由該附加的漣波電路所產生的漣波電壓之上升或下降，其上升或下降係取決於該第一開關Qhs的閉合或開啟狀態。產生漣波，然後藉由圖3所示的電路將其加到轉換後的電壓位準上。將漣波Ond.加到轉換後的電壓位準的結果由訊號Vout+Ond.來表示。後者表示取決於該第一開關Qhs的閉合或開啟狀態而上升或下降之電壓，該第一開關Qhs包括有等於Vout的直流分量。在時間401之前，該訊號Vout+Ond 減小並且變成相等於該設定點訊號404。該訊號Vout+Ond和該設定點訊號404之間的這種相等性，在該比較器的該輸出處導引出了訊號Vlow通往高電平狀態的通道。該訊號Vlow在該控制電路的該第一輸入端上被傳輸到其內部控制邏輯，該內部控制邏輯產生控制該第一開關閉合的該啟動訊號HS_Cmd。該啟動訊號HS_Cmd在該訊號Vout+Ond增加的該週期Ton內保持高電平狀態。在時間402，HS_Cmd進入低電平狀態，並且處於最高值的該訊號Vout+Ond開始下降。轉換後的該訊號Vout+Ond減小，直到時間403時，其再次變得等於該設定點訊號404，該設定點訊號404開始一個用於啟動該第一開關的新週期。
圖5示例出了根據圖2中的較佳實施例的時序圖，其顯示出了防過載保護的調節原理。Vout的時序圖顯示出了轉換的電壓位準。在時間501之前，防過載保護的功能不具效果。這是因為該電流I Qls保持小於允許的限制值Ilim。在時間501，該電流I Qls短暫地達到該Ilim值，這導致I_high短暫切換到高電平狀態502。在時間501時由I Qls超出Ilim的幅度和持續時間不足以在時間503阻止HS_Cmd的導通。另一方面，在時間504，超過電流Ilim的I Qls在幅度和持續時間上範圍都很廣泛。這使得在時間505時導引出了I_high進入高電平狀態的通道並且禁止了HS_Cmd進入高電平狀態的通道。在時間506，由於HS_Cmd的低電平狀態而沒有接收到任何電荷轉移之轉換的電壓位準Vout下降，這導引出了V_low進入高電平狀態 的通道。在時間507，該電流I Qls已經充分地減小到以允許HS_Cmd進入高電平狀態的通道。轉換的電壓位準Vout仍然過低，V_low保持高電平狀態。在時間507，另一個用於HS_Cmd進入高電平狀態的通道的命令被致能。當輸出過載減小(在時間509之前)時，電流減小，該訊號I_high回落到零，並且輸出電壓Vout在時間509增加到其參考位準，這導致了V low進入低電平狀態的通道發生，該發生係相應於在過載條件下操作期間之結束。此外，圖2中所示的該控制電路207被配置為用於：- 當該測量點MP和該接地線之間的電壓變為負時，閉合該第二開關Qls，這表示與Qls平行的該續流二極體即將導通；- 當V low變為高電平狀態時開啟該第二開關Qls，這表示該第一開關Qhs可能進入閉合狀態(“ON”)。
根據一個實施例的電流測量電路，其包括霍爾效應感測器。在另一個實施例中，GaN電晶體被用III-V族材料所開發並較佳地具有寬能隙的電晶體所取代。該調節電路的所有功能都可以被實現並且可以被整合到專用電路中，例如ASIC(即特定應用積體電路)。現有技術的轉換器通常提供約90%的效率。在這樣的性能水準上，效率的提高需要付出巨大的努力。然而，本發明之主題的轉換器以95%的效率在性能特徵上提供了相當大的改進。
201:輸入埠
202、204、214:第一端子
203、205:第二端子
206:輸出埠
207:控制電路
208:第一輸入端
209:輸出端子
210、212:比較器
211:調節電路

Claims (11)

  1. 一種準共振降壓型直流電壓轉換器，包括：具有被設計為接收待轉換的電壓位準之第一端子的輸入埠、具有被設計成提供轉換的電壓位準之第一端子的輸出埠、將該輸入埠的第二端子與該輸出埠的第二端子連接的接地線、與該輸入埠的該第一端子串聯連接的第一開關以及具有與該轉換器的該輸出埠的該第一端子連接之輸入端子及與該第一開關的控制端子連接之輸出端子的調節電路，其特徵在於該調節電路被配置為用於：產生漣波電壓，其上升或下降為該第一開關的閉合或開啟狀態之函數；產生設定點訊號，其與轉換的電壓之平均位準與參考電壓間之差成比例；執行該設定點訊號與已添加該漣波電壓的該轉換的電壓位準之間的第一比較；以及取決於該第一比較的結果，在預定週期內於其控制該第一開關的閉合的輸出端上產生或不產生啟動訊號；其中：該調節電路還包括：控制電路，其具有能夠傳送該啟動訊號的輸出端；以及比較器電路，其具有被設計為用於傳送該比較的該結果的輸出端，該輸出端連接到該控制電路的第一輸入 端；該調節電路還包括：附加的漣波電路，其被配置為用於傳送已被添加該漣波電壓之該轉換的電壓位準，該附加的漣波電路具有連接到該轉換器的該輸出埠的該第一端子的第一輸入端、連接到該控制電路的輸出端的第二輸入端以及連接到該比較器電路的第一輸入端的輸出端；誤差放大器，其被設計為傳送該設定點訊號，該放大器具有連接到該轉換器的該輸出埠的該第一端子的第一輸入端、被配置為接收該參考電壓的第二輸入端以及連接到該比較器電路的第二輸入端的輸出端；該控制電路還被配置為用於控制：該第一開關的閉合或開啟；在該附加的漣波電路的該第二輸入端上，該上升或下降電壓之產生；該轉換器還包括：共振電感器，其與該第一開關串聯連接，並具有第一端子和第二端子，該第一端子連接到該第一開關；共振電容器，其具有第一端子和第二端子，該第一端子連接到該共振電感器的該第二端子；第二開關，一方面連接到該共振電容器的該第一端子，並且另一方面連接到該共振電容器的該第二端子；該調節電路包括電壓比較器電路，其被配置為用於當該共振電感器的該第二端子與該接地線之間的電壓變為負 時產生用於該第二開關的啟動訊號，以及用於相應於控制該第一開關的閉合的該啟動訊號之產生而產生用於開啟該第二開關的訊號。
  2. 根據申請專利範圍第1項之電壓轉換器，還包括低通輸出濾波器。
  3. 一種準共振降壓型直流電壓轉換器，包括：具有被設計為接收待轉換的電壓位準之第一端子的輸入埠、具有被設計成提供轉換的電壓位準之第一端子的輸出埠、將該輸入埠的第二端子與該輸出埠的第二端子連接的接地線、與該輸入埠的該第一端子串聯連接的第一開關以及具有與該轉換器的該輸出埠的該第一端子連接之輸入端子及與該第一開關的控制端子連接之輸出端子的調節電路，其特徵在於該調節電路被配置為用於：產生漣波電壓，其上升或下降為該第一開關的閉合或開啟狀態之函數；產生設定點訊號，其與轉換的電壓之平均位準與參考電壓間之差成比例；執行該設定點訊號與已添加該漣波電壓的該轉換的電壓位準之間的第一比較；以及取決於該第一比較的結果，在預定週期內於其控制該第一開關的閉合的輸出端上產生或不產生啟動訊號；其中： 該調節電路還包括：控制電路，其具有能夠傳送該啟動訊號的輸出端；以及比較器電路，其具有被設計為用於傳送該比較的該結果的輸出端，該輸出端連接到該控制電路的第一輸入端；該調節電路還包括：附加的漣波電路，其被配置為用於傳送已被添加該漣波電壓之該轉換的電壓位準，該附加的漣波電路具有連接到該轉換器的該輸出埠的該第一端子的第一輸入端、連接到該控制電路的輸出端的第二輸入端以及連接到該比較器電路的第一輸入端的輸出端；誤差放大器，其被設計為傳送該設定點訊號，該放大器具有連接到該轉換器的該輸出埠的該第一端子的第一輸入端、被配置為接收該參考電壓的第二輸入端以及連接到該比較器電路的第二輸入端的輸出端；該控制電路還被配置為用於控制：該第一開關的閉合或開啟；在該附加的漣波電路的該第二輸入端上，該上升或下降電壓之產生；該轉換器還包括：共振電感器，其與該第一開關串聯連接，並具有第一端子和第二端子，該第一端子連接到該第一開關；共振電容器，其具有第一端子和第二端子，該第 一端子連接到該共振電感器的該第二端子；第二開關，一方面連接到該共振電容器的該第一端子，並且另一方面連接到該共振電容器的該第二端子；該調節電路包括用於防止過載的電路，該電路包括用於測量流進該第二開關的電流的電路；以及另一比較器電路，其具有：用於預定限制電流訊號的第一輸入端；連接到用於測量流進該第二開關的該電流的該電路的第二輸入端；用於防止過載的該電路還具有連接到該控制電路的第二輸入端的輸出端；該控制電路被配置為用於在其輸出端上傳送取決於該第一輸入端和該第二輸入端之間的比較的訊號，並且只要代表流進該第二開關的該電流的該訊號等於至少該預定限制電流訊號時控制該第一開關的開啟。
  4. 根據申請專利範圍第3項之電壓轉換器，其中，用於測量流進該第二開關的該電流的該電路包括連接在該共振電容器的該第二端子和該接地線之間的電阻器。
  5. 根據申請專利範圍第1或3項之電壓轉換器，其包括與該第一開關並聯連接的續流二極體，其具有連接到該第一埠的該第一端子的陰極，其中該預定週期被選擇用於當流過該第一開關的電流流進該續流二極體時開啟該第一開關。
  6. 根據申請專利範圍第1或3項之電壓轉換器，其中，該控制電路被配置為在預定的最小持續時間內開啟該第一開關以限制最大操作頻率。
  7. 根據申請專利範圍第1或3項之電壓轉換器，其中，該第一開關和該第二開關表現出小於或等於100ns的切換時間。
  8. 根據申請專利範圍第7項之電壓轉換器，其中，該第一開關和該第二開關係使用GaN技術來製造。
  9. 根據申請專利範圍第1或3項之電壓轉換器，其中，該第一開關和該第二開關包括續流二極體。
  10. 一種借助於準共振降壓型的直流電壓轉換器來轉換電壓的方法，該電壓轉換器包括輸入埠，其具有旨在接收待轉換的電壓位準的第一端子、輸出埠，其具有被設計為提供轉換的電壓位準的第一端子、接地線，其將該輸入埠的第二端子連接到該輸出埠的第二端子、第一開關，其與該輸入埠的該第一端子串聯連接以及調節電路，其具有連接到該轉換器的該輸出埠的該第一端子的輸入端子及連接到該第一開關的控制端子的輸出端子，該方法包括用於以下的步驟： 產生漣波電壓，該漣波電壓之上升或下降係根據該第一開關的閉合或開啟狀態；產生設定點訊號，該設定點訊號係與轉換的電壓的平均位準和參考電壓之間的差成比例；將該設定點訊號與已添加該漣波電壓的該轉換的電壓位準之間進行比較；並且，根據該比較的結果：在預定週期內產生或不產生控制該第一開關之閉合的啟動訊號；其中，該準共振降壓型的直流電壓轉換器還包括共振電感器，其與該第一開關串聯連接，並具有第一端子和第二端子，該第一端子連接到該第一開關；共振電容器，其具有第一端子和第二端子，該第一端子連接到該共振電感器的該第二端子；第二開關，一方面連接到該共振電容器的該第一端子，並且另一方面連接到該共振電容器的該第二端子；該方法還包括步驟用於：當該共振電感器的該第二端子與該接地線之間的電壓變為負時產生用於閉合該第二開關的訊號；以及相應於控制該第一開關的閉合的該啟動訊號之產生而產生用於開啟該第二開關的訊號。
  11. 根據申請專利範圍第10項之轉換電壓的方法，其中，該第一開關和該第二開關表現出小於或等於100ns的切換時間。
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