專利名稱：無振蕩直流－直流功率變換器的制作方法
相關(guān)申請的交叉引用本申請要求1999年6月25日由Dragan D.Nebrigic，Milan M.Jevtitch，Vig Sherill，Nick Busko，William Millam和PeterHansen提交的、發(fā)明名稱為“具有內(nèi)嵌動態(tài)開關(guān)電容功率變換器的電池”的、序號為60/141119的共同擁有的美國臨時申請的優(yōu)先權(quán)，因此將其全部包括在本文中作為參考。
本申請還與以下共同未決的并且共同擁有的美國專利申請有關(guān)它在相同的日期由Dragan D.Nebrigic等提交、序列號為09/532918、發(fā)明名稱為“動態(tài)控制固有調(diào)節(jié)的電荷泵功率變換器”(P&G案號7883)，因此將其全部包括在本文中作為參考。
便攜式電子設備中的電子線路一般需要直流(DC)功率。通常使用一個或幾個電池作為能源來提供這種直流功率。理想情況是所述能源完全符合便攜式電子設備的能源要求。但是，最常見的情況是來自電池的電壓和電流并不適用于直接為便攜式電子設備的電子線路供電。例如，由電池決定的電壓電平可能與電子設備的電子線路所要求的電壓電平不同。此外，電子設備的某些部分可能工作在不同于其他部分的電壓電平，因而要求不同的電源電壓。另外，電池通常無法迅速響應設備所要求的快速電流波動。


圖1中示出便攜式電子設備10的典型的配置，它包括能源12，例如一個或多個電池；以及負載裝置14，例如需要功率的內(nèi)部電子線路。介于能源12和負載裝置14之間的是電源16，它可執(zhí)行許多功能。例如，圖中作為電源16組成部分示出的功率變換器20對來自能源12的功率進行必要變換，使其適用于負載裝置14。
電源16還可以執(zhí)行功率變換之外的功能。例如，保護能源12、負載裝置14和/或功率變換器20免受持久高電流的損害可能需要在電氣上將能源12與便攜式電子設備10的其他部分的連接斷開。另一個例子是，功率變換器20在啟動時可能需要輔助裝置，這由電源16提供。
就所需的功率變換類型而論，功率變換器20可以“升高”電壓(即升壓)或“降低”電壓。即，變換器20可以使來自能源12的跨接在輸入端子對24、25上的輸入電壓Vs上升或下降到提供給負載裝置14的跨接在輸出端子對26、27上的輸出電壓Vo。功率變換器20還可以存儲一定量電量以滿足負載裝置14所需的能源12無法提供的瞬時尖脈沖或瞬時增量的需要。
功率變換器20還可以調(diào)節(jié)輸出電壓Vo，使其保持與期望的輸出電壓電平接近，并減小可能導致有害的噪聲或?qū)е仑撦d裝置14出現(xiàn)不期望的性能的快速波動。這種波動可能因為負載所需的變化、來自外部電磁源的感應噪聲、能源12的特性和/或來自電源16中其他部件的噪聲而發(fā)生。
電感式直流-直流功率變換器通常應用在中等容量到中/高容量的開關(guān)電源中。已知的電感式直流-直流功率變換器基于在充電和放電狀態(tài)之間切換輸出級。輸出級包括開關(guān)，當充電狀態(tài)期間接通時，它使電感元件(諸如電感器)從電源充電(即，將能量存儲在電場中)。整流元件(如二極管)是非導電性的，因而可以阻止放電至跨接在輸出端子上的負載電容器。在放電狀態(tài)期間，開關(guān)斷開，整流元件導電，使電感器放電至負載電容器。
已知電感式直流-直流功率變換器用多種方法配置，以實現(xiàn)較大容量、較大電壓范圍及倒相/非倒相輸出。倒相輸出具有與輸入相反的代數(shù)符號。例如，在正輸入端子24上提供相對于接地的負輸入端子25的+1.5V的輸入電壓。正輸出端子26接地，負輸出端子27為-1.0V。已知的配置實例包括以下稱謂的變換器降壓(buck)、升壓、降壓-升壓、非倒相降壓-升壓、電橋、Watkins-Johnson、電流饋送電橋、uk、單端初級電感變換器(SEPIC)、平方降壓(buck square)。
電感式直流-直流功率變換器經(jīng)常被選用，是因其功率效率高于其他變換器、如其效率與輸出電壓Vo與輸入電壓Vs的比值有關(guān)的線性變換器。并且，電感式變換器的輸出電壓Vo一般與開關(guān)的占空系數(shù)而非開關(guān)的工作頻率有關(guān)，這不同于一般所知的電容式功率變換器。
但是，電感式直流-直流功率變換器20的已知的輸出級確實包含一些與用于變換器中的電容器、開關(guān)及整流元件有關(guān)的缺點。具體地說，對作為整流元件的二極管的依賴會在該二極管的兩端產(chǎn)生電壓降，這使得低輸入電壓(例如亞伏級)不可行。而且，已知的開關(guān)一般同樣要求具有不適合于低輸入電壓的幅度的控制信號。另外，實際電感和電容值的范圍受到可實現(xiàn)的控制器工作頻率的限制。因此電感式變換器中的功率輸出級需要相對較貴的、有噪聲的、并且相對較大的分立的電感器。
此外，已知的電感式直流-直流功率變換器20依靠基于振蕩器的控制。為這些已知的“振蕩器控制的功率變換器”20選擇的電感器-電容器組合通常決定適合于工作的工作頻率。對所述振蕩器控制的功率變換器輸出的功率的調(diào)整通常由控制器通過脈寬調(diào)制(PWM)或脈頻調(diào)制(PFM)來提供。PWM和PFM方案帶來的問題包括電路和制造的復雜性。這種復雜性導致難于將功率變換器20小型化，原因在于分配在半導體設備上的所需的分立元件的數(shù)目和/或所需的面積。
除了與其復雜性相關(guān)的缺點外，由于振蕩器持續(xù)工作的緣故，振蕩器控制的功率變換器在輕負荷情況下是低效率的。
在先有技術(shù)中還有另外的缺點，它是因某些電感式直流-直流功率變換器20使用反饋(電感器電壓VL或電感器電流iL)來檢測存儲在電感器中的能量以及檢測輸出電壓Vo所導致的。這些反饋技術(shù)因PWM和PFM控制的本質(zhì)而產(chǎn)生問題。例如，電感器電壓VL反饋是一種讀出存儲在電感器L中能量的間接途徑，并由于輸入電壓Vs中的波動和/或負載裝置14的需求的緣故而將噪聲引入反饋電壓VF中(這與電感器電壓VL相同或直接相關(guān))。使用電流反饋可避開電壓噪聲來源；但是，已知的電流反饋功率變換器20在對電流反饋iF中噪聲干擾(這與電感器電流iL相同或直接相關(guān))的健壯性不足方面存在問題，導致過早切換開關(guān)并降低了功率變換器的穩(wěn)定性。
具體地說，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，動態(tài)控制器驅(qū)動電感式功率輸出級，以維持負載電容器CL兩端的輸出電壓Vo的速率傳送能量。更具體地說，功率變換器具有功率輸出級，它用于電耦合到能源輸入端子中的輸入端子并且電耦合到負載裝置的輸出端子。功率輸出級包括電感元件，它在充電狀態(tài)期間由所述能源提供的電感器電流充電。功率輸出級還包括負載電容器，它在放電狀態(tài)期間由所述電感元件充電。動態(tài)控制器對輸入信號作出反應而有選擇地并且以非振蕩的方式產(chǎn)生控制信號S2，用以在放電狀態(tài)下斷開開關(guān)而在充電狀態(tài)下接通開關(guān)。輸入到控制器的輸入信號包括以下各種信號中的一種或多種跨接輸出端子的輸出電壓、跨接輸入端子的輸入電壓、可選擇的基準電壓以及在電感元件兩端測量到的反饋電壓。
將從附圖及其說明中將明白本發(fā)明的這些及其他目的和優(yōu)點。
圖1是包括具有功率變換器的電源的便攜式電子設備的上層框圖。
圖2A是降壓功率變換器的輸出級的上層示意圖。
圖2B是升壓功率變換器的輸出級的上層示意圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的動態(tài)控制電感式功率變換器的上層框圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的圖2B升壓功率變換器啟閉控制器電路的一個實施例。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的圖2B升壓功率變換器電壓反饋無振蕩控制器電路的實施例。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的圖5電壓反饋無振蕩控制器的工作流程圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的圖5升壓功率變換器的啟動電路的實施例。
圖8是圖7啟動電路的波形圖。
圖9是圖7啟動電路的工作流程圖。
圖10是根據(jù)本發(fā)明的圖5升壓功率變換器的增益放大器電路的圖11是根據(jù)本發(fā)明的圖5升壓功率變換器的電壓基準電路的實施例。
圖12是根據(jù)本發(fā)明的圖5升壓功率變換器的比較器實施例的上層框圖。
圖13是根據(jù)本發(fā)明的圖12比較器的電路實施例。
圖14是根據(jù)本發(fā)明的圖5定時電路的電路實施例。
圖15是圖2B升壓功率變換器電流反饋無振蕩控制器電路的實施例。
發(fā)明的詳細描述對已知電感式功率變換器的解釋將有助于理解本發(fā)明。參考圖2A，作為提供小于輸入電壓Vs的輸出電壓Vo的向下變換器的實例，它描繪的是功率變換器31A的已知降壓功率輸出級30a的上層示意圖。降壓輸出級30a在輸入端子24、25處耦合到能源12，而在輸出端子26、27處耦合到負載裝置14，以便將來自能源的能量輸送到負載裝置。能源12提供輸入電壓Vs和輸入電流iS。負載裝置14接收電流iO和輸出電壓VO。
降壓輸出級30a包括開關(guān)MS、整流元件MR、電感元件(如電感器L)以及電容元件(如負載電容器CL)。負載電容器CL將其正端子32連接到正輸出端子26，而將其負端子33連接到負輸出端子27，后者還連接到負輸入端子25，形成地基準電位。這樣，負載電容器CL被充電到輸出電壓Vo。電感器L將其正端34連接到反饋電壓節(jié)點VF。反饋電壓VF與電感器L兩端的電壓VL有關(guān)。電感器L將其負端35連接到正輸出端子26。
用MOSFET實現(xiàn)的構(gòu)成同步整流器的整流元件MR的正端子(源極)36連接到反饋電壓節(jié)點VF，而其負端子(漏極)37連接到負輸入和輸出端子25、27。整流元件MR響應控制信號S1而接通，以便象二極管那樣工作。整流元件MR的MOSFET具有反向?qū)娏鞯臏系?，因而通過相對于MOSFET開關(guān)MS將源極和漏極顛倒而象通常用于振蕩器控制功率變換器20中的二極管那樣工作。開關(guān)MS的正端子(漏極)連接到正輸入端子24，而其負端子(源極)39連接到反饋電壓節(jié)點VF。開關(guān)MS隨控制信號S2的接通而斷開。
在放電狀態(tài)期間，控制信號S1接通以便接通整流元件MR、使得它導通，然后控制信號S2斷開以便斷開開關(guān)MS，允許電感器L放電至負載電容器CL中。在充電狀態(tài)期間，控制信號S1斷開以斷開整流元件或使其成為不導通的MR，然后控制信號S2接通以接通開關(guān)MS，允許由來自能源12的輸入電流iS激勵所述電感器。
參考圖2B，功率變換器31的升壓功率輸出級30b圖解說明了適合于相對于輸入電壓VS提高輸出電壓VO的配置。升壓功率輸出級30b與上述降壓功率輸出級30a一樣地配置其輸入端子24和25、輸出端子26和27以及負載電容器CL。輸入端子24和反饋電壓節(jié)點VF之間的電壓確定了電感器電壓VL。因此，電感器電壓VL等價于反饋電壓VL減去輸入電壓VS。
整流元件MR的負端子37連接到VL反饋電壓節(jié)點VF，而其正端子36連接到正輸出端子26。具體地說，將MOSFET配置成同步整流器，其漏極作為負端子，其源極作為正端子。MOSFET開關(guān)MS的正端子(漏極)連接到反饋電壓節(jié)點VF，而其負端子(源極)接地。在放電狀態(tài)期間，MOSFET開關(guān)MS隨控制信號S2的斷開而斷開，而整流元件MR隨控制信號S1的接通而接通，將能源12和電感器L連接到負載電容器CL。這樣，將把輸入電壓VL和電感器電壓VL相加以升高加到負載電容器CL的輸出電壓VO。在充電狀態(tài)期間，MOSFET開關(guān)MS響應控制信號S2的接通而接通，將電感器L與能源12并聯(lián)。整流元件MR隨控制信號S1的斷開而斷開，將負載電容器CL與能源12和電感器L的連接斷開。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，圖2A的降壓功率輸出級30a和圖2B的升壓功率輸出級30b都有利地具有高的效率并且可以在低輸入電壓(例如亞伏級)條件下工作，其方法是以用0.35微米雙水楊苷(salicide)工藝(兩金屬、兩聚水楊苷)制作的、利用能夠低閾值(例如亞伏級)控制的MOSFET晶體管開關(guān)的集成電路的形式實現(xiàn)，如以下共同未決的共同擁有的、都在2000年3月22日提交的申請中所述的序列號為09/532761、發(fā)明名稱為“橫向非對稱輕度參雜漏極MOSFET”’、署名Ying Xu等(P&G案號7992)的美國專利申請，此處作為參考引入。除具有低閾值控制外，公開的MOSFET器件還具有很低的導通電阻，它直接促進了根據(jù)本發(fā)明使用的功率輸出級30a和30b的效率。
參考圖3，圖中以框圖的形式示出功率變換器41，說明了根據(jù)本發(fā)明一個方面，對從能源12至連接到輸出電壓VO的、跨接在輸出端子26、27上的負載裝置14的功率傳輸?shù)臒o振蕩動態(tài)控制。對功率變換器41進行動態(tài)控制，原因在于它適合于來自負載裝置14的需要，即使在輸入電壓VS中以及在功率變換器的傳輸和存儲特性中有變化也如此。
功率變換器41是固有地電壓可調(diào)的，原因在于傳輸?shù)哪芰坎粌H對應于需求并且還這樣控制能量的傳輸速率、使得輸出電壓VO保持在可接受的范圍內(nèi)。這一般指保持在可接受的電壓脈動VRIP范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明，功率變換器41包括功率輸出級42，它將存儲的能量傳輸給負載裝置14；以及連接到功率輸出級30、以便以響應方式命令傳輸適當量的存儲的能量的功率控制器46。
在一個實施例中，功率輸出級42是電感式直流-直流功率變換器，上述降壓功率輸出級30a和升壓功率輸出級30b是其實例。負載電容器CL在電氣上跨接在輸出端子26、27上。負載電容器CL存儲電荷并提供與其存儲的電荷有關(guān)的輸出電壓VO。功率輸出級42還包括電感器L、用以把能量從能源12傳送至負載電容器CL，如上面所討論的。可以有利地選擇電感器L和負載電容器CL的低的串聯(lián)電阻、以便降低功率變換器41的電源消耗。功率輸出級42包括連接到電感器L的開關(guān)矩陣48；負載電容器CL；以及能源12，用以在充電狀態(tài)和放電狀態(tài)之間構(gòu)成功率輸出級30。
此外，功率輸出級30可以是倒相或非倒相的，根據(jù)輸出電壓是否具有與輸入電壓Vs相反的代數(shù)符號。例如，2.2V輸入電壓VS可以轉(zhuǎn)化為-1.6V輸出電壓VO。一般地，為清楚起見，以下說明非倒相實施例，但對于本專業(yè)的技術(shù)人員來說，利用本公開，應該意識到倒相功率變換器的應用。
多回路功率變換器46包括動態(tài)控制器50、電壓基準52以及用以有利地控制功率輸出級42的環(huán)境控制器64。所述動態(tài)控制器對作為控制器50的輸入信號的反饋信號作出反應。第一控制回路56由輸出電壓VO形成，后者作為反饋信號從輸出端子26提供給動態(tài)控制器50。動態(tài)控制器50對輸出電壓VO低于預定值VREF作出反應而命令開關(guān)矩陣48把附加電荷從能源12傳送至負載電容器CL。動態(tài)控制器50把VO與來自電壓基準52的基準電壓VREF進行比較之后，作出VO是否低于預定值的決定。合適的VREF可以由能源12提供，如果其電壓足夠穩(wěn)定以簡化電壓基準52的話(例如鋰電池是電壓穩(wěn)定的)。因此，電壓基準52可以由輸入電壓VS的分壓器或倍壓器提供，以實現(xiàn)所需的基準電壓VREF。
除了第一控制回路56之外，多回路功率變換器46還對第二控制回路58或輸入信號作出反應。在第二控制回路58中，由動態(tài)控制器50間接檢測存儲在電感器L中的能量、作為反饋電壓VF，該電壓與電感器電壓VL相同或直接相關(guān)。另一方面，存儲在電感器L中的能量也可以作為由電感器電流iL或反饋電流iF(它可以與電感器電流iL相同或直接相關(guān))產(chǎn)生的電場的強度來直接檢測，這將在下面參考圖15來討論。這樣，利用與電感器相關(guān)的反饋信號，都可以在電感器L首次達到最佳充電狀態(tài)(即以電場形式存儲的能量)時預測電感器L需要時的任何放電。最佳充電狀態(tài)是存在的，因為對電感器L的不足充電將導致不必要的開關(guān)功率損耗，而對電感器L的過度充電又不必要地限制了功率傳輸速率。
對于不必要的開關(guān)功率損耗，動態(tài)控制開關(guān)矩陣48利用第一控制回路、通過保持在放電狀態(tài)直到需要進一步充電(即直到VO下降至低于VREF)而部分地實現(xiàn)所述效率。相形之下，先有技術(shù)的振蕩器控制功率變換器20，是以固定速率切換的，即使不必要時也如此。因此，本發(fā)明是無振蕩器的，即使它有時進行切換，還是提供無振蕩的控制，因為切換是由反饋控制決定的，并不以固定頻率持續(xù)地振蕩。
開關(guān)矩陣48動態(tài)控制中的其他效率是通過使電感器L保持在充電狀態(tài)足夠長、以獲得相當數(shù)量的電量來實現(xiàn)的。例如，充電至完全充滿電的40％而非80％將需要工作頻率增倍以傳輸相同電量。開關(guān)MS和整流元件MR消耗與這種增加的工作頻率相關(guān)的功率。這是因為所使用的場效應晶體管的低導通電阻和高截止電阻的緣故。因為功率消耗是電流平方乘電阻的函數(shù)，所以，大部分功率消耗發(fā)生在過渡過程中。所以，第二控制回路58檢測電感器L兩端的電壓電平，以防止在充電狀態(tài)期間未充滿，因而避免了不必要的開關(guān)損耗。
根據(jù)本發(fā)明一方面優(yōu)化電感器L上的充電還包括避免過度充電。電感器的特征是其充電速率是時間的函數(shù)。具體地說，當電感器接近完全充電狀態(tài)時，它們接受額外能量的速率將減小。因此，電感器獲取的初始能量比稍后獲取相同能量需要花較少時間。例如，將電感器L兩次充電至45％比將電感器L一次充電至90％要花較少時間，即使電感器L將接受相同的電量也如此。所以，使開關(guān)矩陣48保持在充電狀態(tài)的時間長于達到電感器L最佳充電電平所需的時間將失去傳輸更多功率的機會。
應當指出，特定電感元件存儲能量的最佳電平可以根據(jù)經(jīng)驗和/或用分析方法確定，本專業(yè)的技術(shù)人員利用本公開將明白這一點。
結(jié)合以上討論的一個或多個其他控制回路56、58，功率變換器41可以有利地包括前向控制回路60作為輸入信號，由此向動態(tài)控制器50提供能源12的一個或多個參數(shù)。前向控制回路60的一種應用包括由于在能源12中檢測到不安全的狀況或性能限制狀況而禁止(即中斷至輸出端子26、27的輸出電流)和/或旁路(即直接將能源12連接到輸出端子26、27)功率變換器31。例如，低輸入電壓可能表示能源12中剩余電量不足以保證功率變換器31的持續(xù)工作。另一個例子是，從能源12抽取的電流可能太高，不能持續(xù)工作。在功率變換器41中可以包括保護電路，用以根據(jù)控制回路60而中斷輸出至輸出端子26、27的輸出電流。
作為另外一個動態(tài)控制例子，負載裝置14的大的需求可能成為功率變換器41在能源12直接耦合至輸出端子26、27的情況下持續(xù)工作的根據(jù)。當輸入電壓VS和所需的輸出電壓VO接近相同時，尤其如此?？梢酝ㄟ^用兩條路徑提供電流至輸出端子26、27來達到增加輸出電流容量的目的。
作為另一個實例，反饋電壓VF(第二控制回路58)和輸入電壓VS(前向控制回路60)可以表示功率變換器41被完全放電并處在啟動狀態(tài)。此啟動狀態(tài)可以有利地成為使用快速順序啟動電路的根據(jù)，下面說明根據(jù)本發(fā)明的一個方面的一個實例。
結(jié)合其他控制回路或控制輸入信號56、58和60之一，功率控制器46可以進而包括自適應控制回路62，如圖中用環(huán)境控制器64表示的。環(huán)境控制器64案檢測控制參數(shù)66并向動態(tài)控制器50發(fā)出命令68，以改變輸出電壓VO的預定值。例如，環(huán)境控制器64可能檢測到動態(tài)控制器50變得不穩(wěn)定，為對該情況作出反應，可能提供一個信號以驅(qū)動動態(tài)控制器50至穩(wěn)定的輸出狀態(tài)。更具體地說，環(huán)境控制器64可以適合于檢測功率變換器41的不穩(wěn)定工作狀態(tài)，例如瞬時輸出電壓和電流各自接近恒定值。然后，環(huán)境控制器64可以調(diào)整所述預定值以驅(qū)動功率變換器41至穩(wěn)定的工作狀態(tài)。此外，預定值的這種改變可以包括將動態(tài)控制器50復位至穩(wěn)定的初始狀態(tài)。
作為另一個例子，自適應控制回路62可以包括控制信號SC，它輸入至環(huán)境控制器64，由此可以使動態(tài)控制器50對負載裝置14(例如，CPU、易失性內(nèi)存、模擬至數(shù)字變換器、數(shù)字至模擬變換器)的改變作出反應或者對其他參數(shù)的改變作出反應。有利的是，負載裝置14可以利用來自功率變換器41的調(diào)整過的輸出電壓VO更好地運行。作為另一個例子，輸出控制信號SC可以是重構(gòu)控制信號，例如用以選擇所需的倒相或非倒相方式或預定的輸出電壓VO。作為再一個例子，可以通過SC命令來指揮保護性功能(例如旁路、禁用、或改變輸出電壓)，以阻止破壞負載裝置14。例如，負載裝置14在高電流下可能發(fā)生故障，因而可以施加限制以阻止這種情況的發(fā)生。
取決于本發(fā)明中利用的開關(guān)矩陣48的類型，動態(tài)控制器50為開關(guān)矩陣48產(chǎn)生各種控制信號，它們表示為開關(guān)信號S1、S2、S3至SN。例如，控制信號S3至SN可以表示用于把功率輸出級42配置成各種組合的輸入信號，以提供升壓、降壓、倒相和/或非倒相輸出配置。
應當指出，電感器L和負載電容器CL是對電荷存儲和傳輸元件的說明，它們可以表示分立元件或集成電路元件。
此外，由于動態(tài)控制器50的靈活性，負載電容器CL可以包括各種級別的存儲能力，例如小電容器(如陶瓷電容器、片狀厚膜電容器、鉭電容器、聚合物電容器)和大電容器(如特大電容器、假(pseudo)電容器、雙層電容器)。電感和電容量是存儲能力的反映。因此，假如相同量的能量傳輸，則需要或者從小電感器L以高工作頻率傳輸小劑量能量或者較慢地傳輸較大劑量的能量。因此，功率變換器41具有靈活性，原因在于相同的動態(tài)控制器50可以控制各種功率輸出級42。具體地說，不同于先有技術(shù)振蕩器控制的功率變換器20，動態(tài)控制器50可以在適合于包括特大電容器的功率輸出級30的低工作頻率范圍內(nèi)工作。
還應當指出，能源12可以包括各種電荷存儲器或發(fā)電裝置，例如一個或多個電化電池(如蓄電池)、光生伏打電池、直流(DC)發(fā)電器(例如利用與可重復充電電池結(jié)合的原動力(motion-powered)發(fā)電器充電的手表)以及其他適用的電源。
作為另一個例子，根據(jù)本發(fā)明的功率變換器41可以有利地用于由其他電源供電的電子設備中。例如，從標準交流電(AC)墻裝插頭接收其功率的設備一般將交流功率轉(zhuǎn)換為用于該設備的電子部件的直流(DC)功率。不經(jīng)過進一步調(diào)整，提供的直流功率可能不適合所有或部分電子元件。例如，微處理器可能工作在2.2V，而輸入/輸出電子元件可能工作在5V。因此，可以使用根據(jù)本發(fā)明的功率變換器41將輸入電壓降低至微處理器的工作電壓。
參考圖4，它說明了圖2B功率輸出級30b的啟閉控制器50a電路的一個實施例。一般已知的包括電感式功率變換器的功率變換器20，即使當來自負載裝置14的需求使功率變換器效率低時也繼續(xù)振蕩。因此，當負載電容器CL充足電時，啟閉控制器有利地阻止脈寬調(diào)制(PWM)輸出的振蕩。
具體地說，如上面圖2B中所述，升壓功率輸出級30b只是增加了跨接在輸入端子24、25上的電容元件C1，該電容元件用來增強輸入電壓Vs的穩(wěn)定性。
啟閉控制器50a對用于脈寬調(diào)制(PWM)的輸入信號作出反應并且對功率輸出級30b進行振蕩控制，其方法是選擇性地產(chǎn)生控制信號S1以便在放電狀態(tài)期間接通整流元件MR而在充電狀態(tài)期間斷開整流元件MR，以及選擇性地產(chǎn)生控制信號S2以便在放電狀態(tài)期間斷開開關(guān)MS而在充電狀態(tài)期間接通開關(guān)MS。啟閉控制器50a檢測到通過比較基準電壓VREF和輸出電壓Vo而表明的低需求，滯后地停止振蕩控制信號、使得輸出級30b保持在放電狀態(tài)。啟閉控制器50a包括滯后比較器70，它對基準電壓VREF、輸出電壓Vo和反饋電壓VF作出反應以產(chǎn)生占空系數(shù)信號，并且滯后地對輸出電壓Vo和基準電壓VREF作出反應以產(chǎn)生停止信號。調(diào)制器72產(chǎn)生具有預定頻率的振蕩信號。由占空系數(shù)設置信號來設置SR觸發(fā)器74，并且由振蕩信號來復位SR觸發(fā)器74，以便產(chǎn)生確定充電狀態(tài)和放電狀態(tài)的開關(guān)信號。多路復用器75對開關(guān)信號作出反應以產(chǎn)生控制信號S1和S2。多路復用器75具有預定的狀態(tài)開關(guān)延遲，以緩和功率輸出級30b的交叉導電。多路復用器75還對所述停止信號作出反應而停止振蕩直到需要更多能量，其方法是斷開控制信號S2以斷開開關(guān)MS以及接通控制信號S1以接通整流元件MR。
此外，啟動電路76在功率輸出級30b放電時偏置啟閉控制器50a，并且向負載電容器CL提供初始電荷。
參考圖5，它顯示電壓反饋動態(tài)控制器50b的電路的實施例，用于如圖2B中所示的升壓功率變換器。具體地說，第一控制回路56提供輸出電壓Vo，而第二控制回路58向動態(tài)控制器50b提供反饋電壓VF，所述動態(tài)控制器50b使用控制信號S1和S2提供對變換器充電/放電狀態(tài)的控制。
啟動電路76由來自輸入端子24的輸入電壓Vs供電。啟動電路76響應反饋電壓VF、以便當功率輸出級30b完全放電、因而控制器50b尚未工作時、使啟動電路76向電壓基準52、增益放大器78及動態(tài)控制器50b提供偏壓。
增益放大器78分別從第一和第二控制回路56、58接收輸出電壓Vo和反饋電壓VF，并向它們中的每一個提供所需的偏壓和增益，以便產(chǎn)生經(jīng)過濾波和放大的輸出電壓V′o和反饋電壓V′F?？梢詾閯討B(tài)控制器50b的合適的響應性和穩(wěn)定性而選擇所需的偏壓和增益。
動態(tài)控制器50b接收輸入電壓VS、來自電壓基準52的基準電壓VREF、濾波后的反饋電壓V′F及濾波后的輸出電壓V′o作為輸入信號。更具體地，在放電狀態(tài)期間，動態(tài)控制器50b經(jīng)由響應控制信號S1′的開關(guān)M2將基準電壓VREF連接到正比較器輸入端80。動態(tài)控制器50b經(jīng)由響應控制信號S1′的開關(guān)M4將濾波后的輸出電壓V′o連接到負比較器輸入端81。在充電狀態(tài)期間，動態(tài)控制器50b經(jīng)由響應控制信號S2′的開關(guān)M1將輸入電壓Vs連接到正比較器輸入端80。動態(tài)控制器50b進而經(jīng)由響應控制信號S2′的開關(guān)M3將濾波后的反饋電壓V′F連接到負比較器輸入端81。
動態(tài)控制器包括比較器82，用以根據(jù)正和負比較器輸入端80、81的輸入信號產(chǎn)生比較信號，如下面的圖6中所述。所述比較信號被定時電路84所用，以產(chǎn)生控制信號S1、S2、S1′、S2′、S1N及S2N，如圖14中所述。控制信號S1用來控制整流元件MR，并具有足以控制功率MOSFET的電流?？刂菩盘朣2用來控制開關(guān)MS，并具有足以控制功率MOSFET的電流。S1′和S2′是控制信號S1、S2的未放大形式，用在動態(tài)控制器50b中?？刂菩盘朣1N和S2N分別是控制信號S1、S2的倒相形式，用來控制啟動電路76。
參考圖6，它顯示圖5電壓反饋動態(tài)控制器50b的操作100的流程圖。操作100開始時控制器未工作，因而控制信號S1和S2是斷開的(塊102)。因此將執(zhí)行啟動操作104，如以下參考圖7-9所作的更加詳細說明。操作100開始動態(tài)操作，在充電和放電狀態(tài)之間按需要轉(zhuǎn)變。
然后作出關(guān)于輸出電壓Vo是否小于基準電壓VREF的決定(塊106)。若不是，則負載電容器CL充足了電，操作100將重復塊106，停留在放電狀態(tài)中。
但是，若塊106中輸出電壓Vo小于基準電壓VREF，則執(zhí)行啟動延遲(塊108)。然后斷開控制信號S1，斷開整流元件MR(塊110)。此后將發(fā)生交叉導電延遲，此時控制信號S2已經(jīng)斷開并且開關(guān)MS斷開(塊112)。這可防止功率輸出級30b的低效率短路。然后，控制信號S2接通，接通開關(guān)MS，開始了充電狀態(tài)(塊114)。
在塊116處作出關(guān)于電感器L是否充分激勵的決定，其方法是確定反饋電壓VF是否大于或等于輸入電壓Vs的預定的部分β，其中0＜β＜1，塊116將重復直到滿足條件。
所述部分β是用分析方法或根據(jù)經(jīng)驗選擇的，用以提供最佳能量傳輸量。相對較小的部分β導致較高的開關(guān)工作頻率。因為一般的開關(guān)大多數(shù)是在從斷開到接通和從接通到斷開的過渡期間消耗能量的，所以將切換次數(shù)減到最少將提高效率。但是，較大的部分β將限制功率輸出級30b的容量，因為當電感器L接近完全激勵狀態(tài)時，它的能量存儲速率將減小。
當塊116的條件滿足時，則執(zhí)行啟動延遲(塊118)。然后斷開控制信號S2，斷開開關(guān)MS(塊120)。此后將發(fā)生交叉導電延遲，此時控制信號S2已經(jīng)斷開并且開關(guān)MS現(xiàn)在斷開(塊122)。然后，控制信號S1接通，接通整流元件MR，開始放電狀態(tài)。這樣，操作100返回決106以重復所述序列。
圖7是圖5升壓功率變換器啟動電路76的實施例。
圖8是圖7啟動電路76的波形圖。
參考圖9，它說明圖7啟動電路76的操作104。啟動操作104開始于塊150和塊152中的初始狀態(tài)，在塊150中負載已經(jīng)加到功率變換器，而在塊152中輸入電壓可用于功率變換器。然后作出關(guān)于是否功率控制器已經(jīng)斷開以及不控制功率輸出級的決定(塊154)。若功率控制器接通(塊154)，則使小型啟動電容器CQPUMP浮動(塊156)，啟動操作104完成。
應當指出，對于啟動操作104來說，控制器50b是斷開的，即使該控制器開始工作之后也如此。也就是說，控制啟動電路76的控制信號一般在控制器實際產(chǎn)生足以操作整流元件MR和開關(guān)MS的電壓之前就可用了。
若在塊154中控制器是斷開的，則啟動開關(guān)被接通以便向啟動電容器CQPUMP提供輸入電壓VS(塊158)，而啟動電容器CQPUMP接地(塊160)。當對啟動電容器CQPUMP充電時(塊162)，首先用它來將控制器偏置(塊164)，然后放電到負載電容器中(塊166)，而包括啟動電容器CQPUMP的啟動電路從功率變換器的功率輸出級脫開(塊168)。然后，啟動操作104返回塊154，以便檢查此啟動循環(huán)是否足以啟動控制器和必需重復的后續(xù)啟動操作循環(huán)。
參考圖10，它描繪圖5動態(tài)控制器50b增益放大器電路78的實施例。增益放大器電路78接收反饋電壓VF作為輸入信號并輸出電壓Vo。啟動電路76將運算放大器180偏置。運算放大器180的正輸入端是通過分壓器R3/R4連接的輸入端。該運算放大器的負輸入端和輸出端通過電阻器R1和R2連接以便反饋。這些電阻器可以是集成的(例如聚脂電阻器)，并且具有高阻抗(例如兆歐范圍)以便降低功率消耗。
參考圖11，它顯示圖5的根據(jù)本發(fā)明的一個方面的升壓功率變換器30b的電壓基準電路52的一個實施例，后者能夠以亞伏級輸入電壓Vs工作。恒定電流電路200為電壓基準干線電路202供電，把電壓基準干線電路202與輸入電壓Vs的變化隔離。輸出緩沖器204放大來自電壓基準干線電路202的未放大的基準電壓。為了對電壓基準干線電路202進行溫度補償，并聯(lián)二極管陣列比例絕對溫度(PTAT)電路206給電路202加偏壓。
參考圖12和13，它顯示圖5升壓功率變換器30b的比較器82的一個實施例。有利地使用差分放大器206-210，因為它們在排斥共模信號方面很有效。例如，共模信號可能在輸入端上引起噪聲。集成電路差分放大器具有相對較低的輸出增益。這在兩個方面具有意義在輸入晶體管的非線性方面以及在為定時電路84提供必要的電流增益方面。
為提供一定程度的輸入非線性補償，描述了一種三級差分放大器組合，其中第一差分放大器206在其負輸入端接收V+輸入信號，而在其正輸入端接收V-輸入信號。第二差分放大器208在其負端子接收V-，而在其正端子接收V+。第一差分放大器206的輸出端連接到第三差分放大器210的負端子，第二差分放大器208的輸出端連接到第三差分放大器210的正輸入端。第四差分放大器212配置成電壓跟隨緩沖器，以增加來自第三差分放大器210的比較器開關(guān)信號(Out+，Out-)的電流。
參考圖14，它顯示圖5功率控制器46A定時電路84的一個實施例。
參考圖15，它顯示圖2B升壓功率輸出級30b的電流反饋無振蕩器動態(tài)控制器50b電路的一個實施例。特別地，由電流探頭300在反饋電壓VF節(jié)點檢測反饋電流iF。反饋電流iF與電感器電流iL有關(guān)或相同。檢測到的反饋電流iF被電流變換器302轉(zhuǎn)換成反饋電壓VF，作為上述增益放大器78的輸入信號。
雖然已經(jīng)通過對幾個實施例的描述來說明本發(fā)明并且已經(jīng)相當詳細地描述了這些說明性的實施例，但是，申請人的意圖不是為了局限或用任何形式將所附權(quán)利要求書的范圍限制在這些細節(jié)中。對那些本專業(yè)的技術(shù)人員來說，其他的優(yōu)點和修改是顯而易見的。
例如，為了簡明起見，開關(guān)MS和整流元件MR通常由正接通信號接通與斷開。對于那些利用本公開的本專業(yè)的技術(shù)人員來說，顯然可以使用常閉開關(guān)和/或由負接通信號接通的開關(guān)。
作為另一個實例，可以把根據(jù)本發(fā)明的功率變換器結(jié)合到各種各樣的產(chǎn)品中。例如，利用上述小型和低功耗(即高效)特性的功率變換器31可以有利地結(jié)合到電池封裝中，以延長電池使用壽命并按照需要提供能量和幅度。結(jié)合所述功率變換器可以按照類似于以下共同未決和共同擁有的專利申請中所公開的方式來完成，這些專利申請都在1998年4月2日提交以Vladimir Gartstein和DraganD.Nebrigic的名義申請的、序列號09/054192、發(fā)明名稱為“具有內(nèi)置控制器以延長電池運轉(zhuǎn)時間的原電池組”的美國專利申請；以Vladimir Gartstein和Dragan D.Nebrigic的名義申請的、序列號09/054191、發(fā)明名稱為“具有內(nèi)置控制器以延長電池運轉(zhuǎn)時間的電池組”的美國專利申請；以Vladimir Gartstein和Dragan D.Nebrigic的名義申請的、序列號09/054087、發(fā)明名稱為“具有內(nèi)置控制器的電池組”的美國專利申請；以及以Dragan D.Nebrigic和VladimirGartstein的名義申請的、序列號60/080427、發(fā)明名稱為“具有內(nèi)置控制器以延長電池運轉(zhuǎn)時間的電池組”的美國臨時申請。上述所有申請都整個地包括在本文中作為參考。
權(quán)利要求
1.一種具有連接到能源的輸入端子和連接到負載裝置的輸出端子的功率變換器，所述功率變換器的特征在于輸出級，用于選擇性地將所述輸入端子連接到所述輸出端子，以便將能量從電源傳輸至負載裝置；可操作地連接到所述輸出級的控制器，用以動態(tài)地控制所述輸入和輸出端子的所述選擇性連接；所述輸出級進一步包括連接到所述輸入端子的電感元件；連接到所述輸出端子的電容元件；響應第一狀態(tài)而接通并且響應第二狀態(tài)而斷開的整流元件；以及響應來自所述控制器的控制信號S2的開關(guān)，所述整流元件和所述開關(guān)相對于所述電感和電容元件可操作地連接，以便在所述第一狀態(tài)期間把所述電感元件連接到所述電容元件、從而將能量從所述電感元件釋放到所述電容元件、而在所述第二狀態(tài)期間激勵所述電感元件；所述控制器響應輸入信號而選擇性地和非振蕩地產(chǎn)生控制信號S2，以便在所述第一狀態(tài)下斷開所述開關(guān)而在所述第二狀態(tài)下接通所述開關(guān)，所述控制器的所述輸入信號包括以下各種電壓中的一種或多種跨接在所述輸出端子上的輸出電壓；跨接在所述輸入端子上的輸入電壓；可選擇的基準電壓；以及相對于所述電感元件測量的反饋電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的功率變換器，其特征在于還包括連接到所述輸出級和所述控制器的放大器，并且所述放大器配置成放大所述反饋電壓和所述輸出電壓中至少一種電壓。
3.如上述權(quán)利要求中任何一個所述的功率變換器，其特征在于所述控制器包括開關(guān)驅(qū)動器，它可操作地用于放大所述開關(guān)的所述控制信號S2。
4.如上述權(quán)利要求中任何一個所述的功率變換器，其特征在于所述整流元件包括場效應晶體管。
5.如上述權(quán)利要求中任何一個所述的功率變換器，其特征在于所述開關(guān)包括至少一個低閾值、低導通電阻的MOSFET。
6.如上述權(quán)利要求中任何一個所述的功率變換器，其特征在于所述控制器包括用以產(chǎn)生所述基準電壓的電壓基準電路。
7.如上述權(quán)利要求中任何一個所述的功率變換器，其特征在于所述控制器包括用以響應所述輸入信號的比較器，所述比較器包括分別連接到所述各輸入信號中兩種信號的第一和第二比較器輸入端，所述比較器在比較器輸出端產(chǎn)生開關(guān)信號、以便確定所述第一和第二狀態(tài)。
8.如上述權(quán)利要求中任何一個所述的功率變換器，其特征在于電容元件電氣地跨接在所述各輸入端子上以穩(wěn)定輸入電壓。
9.如上述權(quán)利要求中任何一個所述的功率變換器，其特征在于所述電感元件包含電感元件電流，所述控制器還包括連接到所述電感元件的電流變換器，后者可用來檢測所述電感元件電流并將所述電感元件電流轉(zhuǎn)換成所述反饋電壓。
10.一種包括功率變換器的集成電路，所述功率變換器具有連接到能源的輸入端子和連接到負載裝置的輸出端子，所述集成電路的特征在于輸出級，用于選擇性地將所述輸入端子連接到所述輸出端子，以便將能量從所述能源傳輸?shù)剿鲐撦d裝置；可操作地連接到所述輸出級的控制器，用以動態(tài)地控制所述輸入和輸出端子的所述選擇性連接；輸出級，它適合于將電感元件連接到所述輸入端子并將電容元件連接到所述輸出端子，所述輸出級還包括響應控制信號S1的整流元件和響應來自所述控制器的控制信號S2的開關(guān)，所述整流元件和所述開關(guān)相對于所述電感和電容元件而可操作地連接，用以在第一狀態(tài)期間把所述電感元件連接到所述電容元件以便將能量從所述電感元件釋放到所述電容元件、并且在第二狀態(tài)期間對所述電容元件充電；所述控制器響應輸入信號而選擇性地和非振蕩地產(chǎn)生控制信號S1以便在所述第一狀態(tài)期間接通所述整流元件而在所述第二狀態(tài)期間斷開所述整流元件，并且所述控制器響應輸入信號而選擇性地和非振蕩地產(chǎn)生控制信號S2以便在所述第一狀態(tài)期間斷開所述開關(guān)而在所述第二狀態(tài)期間接通所述開關(guān)，所述控制器的所述輸入信號包括以下各種電壓中的一種或多種跨接在所述輸出端子上的輸出電壓；跨接在所述輸入端子上的輸入電壓；可選擇的基準電壓；以及在所述電感元件兩端測量的反饋電壓。
全文摘要
一種用于將電源連接到負載裝置的功率變換器，它包括選擇性地連接的輸出級，用以將能量從電源傳輸至負載裝置；連接到所述輸出級的控制器；輸出級；連接到輸出端子的電容元件；整流元件；以及對來自控制器的控制信號作出反應的開關(guān)。所述整流元件和開關(guān)連接到所述電感和電容元件。所述控制器響應輸入信號而產(chǎn)生控制信號、以便在第一狀態(tài)下斷開開關(guān)而在第二狀態(tài)下接通開關(guān)。控制器的輸入信號產(chǎn)生一個或多個跨接在輸出端子上的輸出電壓、跨接在輸入端子上的輸入電壓、可選擇的基準電壓以及相對于電感元件測量的反饋信號。
文檔編號H02M3/155GK1451200SQ01809669
公開日2003年10月22日 申請日期2001年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月22日
發(fā)明者D·D·尼布里吉克, M·M·杰弗蒂齊, V·加特斯泰恩, W·T·米拉姆, J·V·舍里爾, N·布斯科, P·漢森 申請人:伊利諾伊大學評議會