用于峰值切換以減小高頻dc-dc轉(zhuǎn)換器中的損失的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體涉及降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。更具體地，本發(fā)明涉及一種用于峰值切換以減小降壓式DC-DC轉(zhuǎn)換器在高頻率非連續(xù)傳導(dǎo)模式(DCM)操作期間的損失的方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]降壓轉(zhuǎn)換器是一種電壓逐步降低(step-down)和電流逐步升高(step-up)的轉(zhuǎn)換器，其提供一種有效的機(jī)制來減少DC電源的電壓。在降壓轉(zhuǎn)換器中，電感器中的電流常常由兩個(gè)切換器/開關(guān)(switch)(通常是晶體管和二極管)來控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本公開提供用于在降壓轉(zhuǎn)換器中的不連續(xù)傳導(dǎo)模式(DCM)操作期間進(jìn)行峰值切換的方法和裝置。
[0004]在第一示例中，一種方法包括監(jiān)測橫跨切換節(jié)點(diǎn)的諧振間隔。該方法還包括檢測與橫跨切換節(jié)點(diǎn)的諧振間隔相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)預(yù)設(shè)值。該方法進(jìn)一步包括響應(yīng)于檢測到與橫跨切換節(jié)點(diǎn)的諧振間隔相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)預(yù)設(shè)值而啟動(dòng)高切換器進(jìn)入“接通”操作。
[0005]在第二示例中，一種裝置包括降壓轉(zhuǎn)換器和控制器。降壓轉(zhuǎn)換器被配置為耦合到電源并且包括切換節(jié)點(diǎn)、第一晶體管和第二晶體管?？刂破鞅慌渲脼楸O(jiān)測橫跨切換節(jié)點(diǎn)的諧振間隔?？刂破鬟€被配置為檢測與橫跨切換節(jié)點(diǎn)的諧振間隔相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)預(yù)設(shè)值?？刂破鬟M(jìn)一步被配置為響應(yīng)于檢測到與橫跨切換節(jié)點(diǎn)的諧振間隔相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)預(yù)設(shè)值而啟動(dòng)第一晶體管進(jìn)入“接通”操作。
[0006]在第三示例中，一種降壓轉(zhuǎn)換器電路包括切換節(jié)點(diǎn)、第一晶體管和第二晶體管。降壓轉(zhuǎn)換器電路還包括被配置為監(jiān)測橫跨切換節(jié)點(diǎn)的諧振間隔的控制電路?？刂齐娐愤€被配置為檢測與橫跨切換節(jié)點(diǎn)的諧振間隔相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)預(yù)設(shè)值?？刂齐娐愤M(jìn)一步被配置為響應(yīng)于檢測到與橫跨切換節(jié)點(diǎn)的諧振間隔相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)預(yù)設(shè)值而啟動(dòng)第一晶體管進(jìn)入“接通”操作。
[0007]根據(jù)以下附圖、描述以及隨附權(quán)利要求，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，其它技術(shù)特征可以是顯而易見的。
【附圖說明】
[0008]為更完全地理解本公開及其特征，現(xiàn)結(jié)合附圖參照以下描述，其中:
[0009]圖1示出根據(jù)本公開的示例降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
[0010]圖2示出根據(jù)本公開的橫跨切換節(jié)點(diǎn)和兩個(gè)晶體管的諧振間隔的示例圖；
[0011]圖3示出根據(jù)本公開的示例降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
[0012]圖4示出根據(jù)本公開的橫跨切換節(jié)點(diǎn)和兩個(gè)晶體管的諧振間隔的示例圖；以及
[0013]圖5示出根據(jù)本公開的用于在降壓轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行切換的示例方法。
【具體實(shí)施方式】
[0014]以下討論的圖1至圖5和用于描述該專利文檔中的本發(fā)明的原理的各種示例僅以說明的方式來展示，而不應(yīng)當(dāng)以限制本發(fā)明范圍的任何方式來解釋。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是，本發(fā)明的原理可以通過任何合適的方式和任何類型的適當(dāng)布置的設(shè)備或系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。
[0015]在具有兩個(gè)切換器和一個(gè)電感器的降壓轉(zhuǎn)換器中，通常在電感器中存在直流電流(DC)和紋波電流二者，使得兩個(gè)電流之和產(chǎn)生三角波形。在電感器(如在許多功率轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu))中，通常期望的是平均電流保持恒定，這有時(shí)被稱為連續(xù)傳導(dǎo)模式。即，在連續(xù)傳導(dǎo)模式下，通過電感器的電流在平均值周圍的上下值之間連續(xù)循環(huán)。例如，在具有10A±1A循環(huán)周期的連續(xù)傳導(dǎo)模式下，上值和下值是圍繞平均值10A的11A和9A。作為另一示例，在具有0A土 1A循環(huán)周期的連續(xù)傳導(dǎo)模式下，上值和下值是平均值0A周圍的+1A和-1A。在后一個(gè)示例中，流過電感器的電流在循環(huán)周期期間改變方向。
[0016]連續(xù)傳導(dǎo)模式可以在降壓轉(zhuǎn)換器中通過逐個(gè)循環(huán)周期(cycle to cycle)執(zhí)行相同的操作來實(shí)現(xiàn)。例如，在循環(huán)周期開始時(shí)，第一切換器被接通，并且電感器中的電流上升。在上升結(jié)束時(shí)，第一切換器被關(guān)斷并且第二切換器被接通，并且電感器中的電流衰減到起點(diǎn)。
[0017]在一些降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，期望的是電感器中的電流總是沿一個(gè)方向流動(dòng)。因此，在其中通過電感器的電流在-1A至+1A之間循環(huán)(具有平均值0A)的上述第二實(shí)施例可能是不期望的。相反，可能期望的是電流總是大于或等于0A。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，當(dāng)電流為正并衰減到零時(shí)，第二切換器可在電流變到零的時(shí)間前后就被關(guān)斷。然而，當(dāng)?shù)诙袚Q器被關(guān)斷時(shí)，其余的電流仍不得不流到某處。在一些降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，電流流到另一個(gè)二極管。應(yīng)當(dāng)理解的是，在同步降壓轉(zhuǎn)換器(諸如，使用M0SFET的高側(cè)切換器和低側(cè)切換器二者)中，當(dāng)電感器電流接近零并且低側(cè)切換器被關(guān)斷時(shí)，電流將流過低側(cè)切換器的體二極管。
[0018]當(dāng)電感器中的電流衰減到零時(shí)打開第二切換器是不連續(xù)傳導(dǎo)模式(DCM)操作的一個(gè)示例。在DCM中，操作的穩(wěn)定狀態(tài)被改變，以使操作不再被認(rèn)為是連續(xù)傳導(dǎo)模式。在上述降壓轉(zhuǎn)換器中，這種變化可以通過有意避免電感器中的電流倒向的事件來觸發(fā)。為了避免電流倒向，可以檢測電流衰減，并且一旦電流變到零，第二切換器就被關(guān)斷。因此，DCM是指通過關(guān)斷降壓轉(zhuǎn)換器低側(cè)切換器而中斷降壓轉(zhuǎn)換器的連續(xù)傳導(dǎo)模式周期，以避免電感器的電流倒向。
[0019]通過降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器，當(dāng)切換頻率上升到高頻(HF)范圍時(shí)，可能增加切換器損失。實(shí)際上，在切換器轉(zhuǎn)換期間可能出現(xiàn)的能量損失可以是如此之大以至于阻止了高頻操作。然而，可能期望在高頻下操作DC/DC轉(zhuǎn)換器，以減小轉(zhuǎn)換器的物理尺寸。
[0020]本發(fā)明描述了高頻(HF)DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實(shí)施例，其具有定時(shí)的切換器動(dòng)作以使高側(cè)切換器在其兩端具有低電壓下接通。當(dāng)切換器節(jié)點(diǎn)電壓在DCM中的諧振間隔期間移向它的峰值電壓時(shí)，可能出現(xiàn)切換器兩端的最小電壓。應(yīng)當(dāng)理解的是，由于充當(dāng)例如電感器電容器電路的輸出電感器和切換器的寄生輸出電容的相互作用，而使得諧振出現(xiàn)。在此所公開的實(shí)施例可適用于各種電源系統(tǒng)，諸如，使用降壓轉(zhuǎn)換器的那些電源系統(tǒng)。然而，應(yīng)該理解的是，公開的實(shí)施例也可適用于其他類型的系統(tǒng)。例如，類似的技術(shù)可用于用來谷值切換(valley switching)的升壓轉(zhuǎn)換器。
[0021]圖1示出根據(jù)本公開的示例降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)100。應(yīng)當(dāng)指出的是，圖1所示的示例降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)100僅用于圖示說明。在不背離本公開的范圍的情況下，可以使用降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)100的其它實(shí)施例。
[0022]如圖1所示，降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)100可以包括提供輸入電源電壓Vin的電源102。降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)100還可以包括兩個(gè)晶體管QJ04和Q2106。兩個(gè)晶體管QJ04和Q2106中的每個(gè)可以分別具有寄生電容114和116。降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)100可以進(jìn)一步包括電容器CJ08、電感器L 110以及輸出端120。另外，降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)100可以具有切換節(jié)點(diǎn) VsW 122。
[0023]晶體管QdOWPQdOe中的每個(gè)可以具有寄生電容。如圖1所示，當(dāng)在DCM中操作時(shí)，電感器L 110與寄生電容114和116中的每個(gè)能夠在兩個(gè)變換器切換器斷開時(shí)產(chǎn)生諧振。無需任何附加的處理電路，切換可在次優(yōu)點(diǎn)處發(fā)生，在該次優(yōu)點(diǎn)處，存在高側(cè)切換器或晶體管(^104兩端的相對(duì)大的電壓。圖2示出根據(jù)本公開的橫跨圖1所示的切換節(jié)點(diǎn)VsW122和兩個(gè)晶體管QJ04和Q2106的諧振間隔的示例圖。具體地，圖2示出當(dāng)在諧振間隔期間的切換是次優(yōu)的例子。如圖2所示，切換可以發(fā)生在當(dāng)切換節(jié)點(diǎn)VsW處的電壓遠(yuǎn)離或沒有增加到最大值或峰值時(shí)的時(shí)間處，使得相對(duì)高的電壓存在于切換器或晶體管％104兩端。因此，在切換時(shí)使得高切換器或晶體管Q1104被接通，由于切換器兩端相對(duì)大的電壓，可能出現(xiàn)能量損失。
[0024]圖3示出根據(jù)本公開的示例降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)300。與圖1類似，降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)300可以包括電源302、兩個(gè)晶體管QJO^PQJOe、電容器(；308、電感器L 310以及輸出320，其中每一個(gè)晶體管分別具有寄生電容314和316。降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)300還可以具有切換節(jié)點(diǎn)VsW 322，使得電感器L 310連接到晶體管Q2 306。
[0025]此外，降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)300可以包括控制器/控制電路330?？刂破?30可以被配置為當(dāng)切換節(jié)點(diǎn)電壓即將達(dá)到或已經(jīng)達(dá)到最大或峰值電壓時(shí)對(duì)高側(cè)切換器“接通”的發(fā)生進(jìn)行智能計(jì)時(shí)。晶體管QJ04和Q2306均可以具有寄生電容。如圖3所示，當(dāng)在DCM中操作時(shí)，當(dāng)兩個(gè)轉(zhuǎn)換器切換器斷開時(shí)，電感器L 310與寄生電容314和316中的每個(gè)能夠產(chǎn)生諧振?？刂破?30可以使得切換出現(xiàn)在最優(yōu)點(diǎn)處，在該最優(yōu)點(diǎn)處，在高側(cè)切換器或晶體管Qi304的兩端不存在相對(duì)大的電壓。
[0026]例如，控制器330可以被配置為監(jiān)測橫跨切換節(jié)點(diǎn)(諸如切換節(jié)點(diǎn)VsW322)的諧振間隔。當(dāng)控制器330檢測到橫跨切換節(jié)點(diǎn)的諧振間隔與一個(gè)或多個(gè)預(yù)設(shè)值相關(guān)聯(lián)時(shí)，該控制器330可以被配置為啟動(dòng)高切換器或晶體管QJ04進(jìn)入“接通”操作。在一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)預(yù)設(shè)值可以是電壓閾值。例如，當(dāng)橫跨切換節(jié)點(diǎn)的諧振間隔高于閾值電壓(諸如，處于、靠近或接近最大值)，使得切換器兩端的電壓低時(shí)，控制器330可以被配置為啟動(dòng)高切換器或晶體管QJ04進(jìn)入“接通”操作。
[0027]在一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)預(yù)設(shè)值可以是導(dǎo)函數(shù)的輸出。導(dǎo)函數(shù)可以提供表示切換節(jié)點(diǎn)兩端的電壓值的正值、負(fù)值或零值的輸出。例如，控制器300可以被配置為響應(yīng)于接收來自峰值檢測電路的信號(hào)而啟動(dòng)高切換器或晶體管QJ04進(jìn)入“接通”操作，該峰值檢測電路查看電