專利名稱：Dc-dc轉換器中控制感應能量的系統和方法
技術領域：
本發明涉及功率轉換器，尤其是涉及在功率轉換器中控制感應能量的系統和方法。
背景技術：
這里進行背景技術描述的目的在于對所公開的內容作一般性的說明。發明人的某些工作，在某種程度而言此工作已在背景技術中做出描述，以及在說明書中關于某些在申請日前尚未成為現有技術的內容，無論是以明確或隱含的方式均不視為相對于本公開的現有技術。DC-DC轉換器可被用于實現降壓功率轉換。例如，DC-DC轉換器可能被用于利用高品質，低直流電壓對高靈敏度集成電路進行供電的電子系統中。諸如中央處理單元(CPUs) 或圖形處理單元(GPh)的應用可能需要IV直流左右的低電壓。所述DC-DC轉換器可能包括一具有高側開關，低側開關，電感，以及輸出電容的降壓轉換器。開關頻率和開關尺寸，電感，以及輸出電容被最優化以作特定的應用。所述高側開關開啟后，電感中的存儲能量流入輸出電容(和負載)是由所述電感和輸出電容的LC諧振周期，以及負載的特性來決定的。尖峰輸出電壓是電感內的連續電流流入輸出電容和負載的直接結果。所述負載必須要能夠耐受尖峰輸出電壓。電感值通常會被保持得相對較低，以限制存儲能量，電感位置，以及繞組銅損。限制存儲能量是抑制輸出電壓增加的一種方式，這樣就不會對負載的可靠性造成負面影響。 然而，所述低電感值需要高轉換開關頻率以防止電感飽和以及限制紋波電流。高開關頻率會增加轉換器開關損耗以及降低整體效率。
發明內容
DC-DC轉換器包括一高側開關，一與所述高側開關相連的低側開關，以及一輸出電容。DC-DC轉換器還包括電感，其一端與所述高側開關以及低側開關相連，另一端與所述輸出電容相連。DC-DC轉換器還包括一分流裝置，其通過將流過電感的電流循環流動以響應負載減少的變化，從而控制輸出電容兩端的電壓。在其他特征中，所述分流裝置包括一與所述電感相并聯的第一開關。可選地，所述分流裝置包括相互串聯的第一和第二開關。所述第一和第二開關與所述電感并聯。在穩態負荷需求期間第一和第二開關中至少有一個開關處于開啟狀態。在其他特征中，所述DC-DC轉換器還包括一電壓傳感器以感應輸出電容兩端的電壓。所述DC-DC轉換器還包括一控制器，其與所述電壓傳感器以及分流裝置進行通信，所述控制器在負載需求期間開啟分流裝置，且當所述電容兩端電壓大于預設電壓時，控制器關閉分流裝置作為對負載減少變化的響應。在本發明的其他特征中，在負載減少轉換期間，所述控制器以開環方式在一預設時間內開啟所述分流裝置。作為對負載減少轉換的響應，所述控制器以閉環方式在一基于所述DC-DC轉換器的受監控操作參數的時間內開啟所述分流裝置。在負載減少轉換期間， 所述控制器以開環方式在預設的占空比上開啟所述分流裝置一預設時間。作為對負載減少轉換的響應，所述控制器以閉環方式在基于所述DC-DC轉換器的受監控操作參數的占空比上和時間內開啟和關閉所述分流裝置。本公開的進一步適用范圍將會在說明書、權利要求和附圖中突顯出來。說明書和特定實例的目的僅在于對本公開進行解釋說明，并不會對本公開的保護范圍構成限制。
通過結合說明書和附圖進行說明，本專利將變得更為易懂，其中 圖1是降壓轉換器的電路原理圖2是圖1中所示降壓轉換器的輸出電容電壓和輸出負載電流的特性曲線圖； 圖3是根據本發明的一種帶有可控分流裝置的降壓轉換器的一實施例的原理圖； 圖4是圖3所示的降壓轉換器中在工作期間控制開關的控制模塊的功能方框圖； 圖5是圖3所示降壓轉換器和圖4所示控制模塊的輸出電容電壓和輸出負載電流的特性曲線圖6是圖4所示控制模塊的一個實施例的工作流程圖； 圖7是根據本發明的三相降壓轉換器的一個實施例的原理圖。
具體實施例方式以下描述實質上只是說明性的，其目的并不在于限制本發明、本發明的應用或使用。為了清楚起見，相同的參考編號將在附圖中被用于確定相似的元件。就如這里使用的一樣，表述A、B和C中的至少一個應該被理解為邏輯(A或B或C)，利用無排他性邏輯“或”。 應該知道的是，一種方法中的步驟執行順序可能不同，但這并不能改變本發明的原理。就如此處使用的一樣，術語模塊可能是指特定用途集成電路(ASIC)，或特定用途集成電路(ASIC)的一部分，或包括特定用途集成電路(ASIC)；—電子電路；一組合邏輯電路；現場可編程門陣列(FPGA)；—執行代碼的處理器(共用的，專用的，或組);提供所述功能的其他合適組件；或上述一部分或所有部件的結合，例如在片上系統上。所述術語模塊可能包括存儲器(共用的，專用的，或組)，所述存儲器存儲由處理器執行的代碼。術語代碼，就如上面使用的一樣，可能包括軟件，固件，和/或微代碼，并且可能是指程序，例程，函數，類，和/或對象。術語共用的，就如上面使用的一樣，意思是來自于多個模塊的一些或全部代碼利用一單個(共用的)處理器進行處理。此外，來自于多個模塊的一些或全部代碼存儲于一單個(共用的)存儲器中。術語組，就如上面使用的一樣，意思是來自于單個模塊的一些或全部代碼利用一組處理器進行處理。此外，來自于單個模塊的一些或全部代碼存儲于一組存儲器中。這里所述的一些裝置和方法可以通過由一個或多個處理器執行的一個或多個計算機程序來實現。計算機程序包括存儲于非暫時性有形計算機可讀媒介中的處理器執行指令。計算機程序還可能包括存儲數據。非暫時性有形計算機可讀媒介的非限制性實例是非易失存儲器，磁存儲器，以及光學存儲器。現在參考圖1和圖2，降壓轉換器100包括高側開關m和同步整流器N2 (或低側開關)。降壓轉換器100進一步包括電感Ll和輸出電容Cl。開關m和N2分別由互補的柵極驅動信號DH和DL進行驅動。其輸出負載由I。ut表示。當負載i。ut突然從高直流負載下降到低直流負載時，在高側開關m被關閉并保持關閉狀態之后，電感Ll中的電流對電容Cl和輸出負載放電。電壓Vca趨向于高于目標監管水平。當所述負載I。ut變到OA時，電感Ll中的所有能量就會轉移到電容Cl中。這會使得電容Cl兩端的電壓Vca實際上飆升(或電壓飆升Vs。 )到監管目標以上。一般而言，輸出電感Ll的尺寸可以足夠小，這樣當在電流最大(Ilmax)時的最大存儲能量被完全釋放到電容Cl中時，會導致所述電壓Vca有一允許的增幅Δ V。電感Ll的最小值由最大允許開關頻率、飽和特性以及對紋波電流的要求所限定。電容Cl可通過設置尺寸以限制由所述電感Ll放電所產生的飆升電壓。在CPU應用中，設定電容Cl的最小值要考慮到飆升電壓的要求，這是需要的，并會伴有高側開關m 和低側開關N2的開關損耗。對最大允許開關頻率和電感Ll的最小允許值的設置要考慮到轉換器效率的要求。開關Ni，N2通常不能有效地緩和所述飆升電壓。在一些傳統電路中，可能會利用主體制動。在這些電路中，在電感Ll放電以增加電感Ll兩端電壓(Vel+開關N2 二極體電壓)期間，電壓Vca被感應，且開關N2被關閉。這種方法使得電感Ll的放電速率提高了約兩倍(這里N2的二極體正向電壓接近V。ut)以減小飆升電壓的大小。根據本公開的系統和方法利用有源元件來控制所述電感Ll對電容Cl的電流放電，這就限制了所述飆升電壓的大小。這種方法降低了與電容Cl、電感Li、轉換器閉環有效帶寬以及最小開關頻率有關的要求。當在不犧牲飆升電壓瞬態響應的情況下對轉換器效率進行最優化，減少輸出電容尺寸，和/或降低轉換器成本時，這種方法還提供了額外的自由空間。例如，這里所述的系統和方法可能包括利用一具有低阻抗的可控分流裝置，所述可控分流裝置連接在所述電感Ll兩端。分流裝置使得電感Ll的電流在所述電感Ll上循環流動以控制從電感Ll到電容Cl的能量傳輸和負載I。ut。雖然所述可控分流裝置的特定實例在下文中被出示，然而，任何可使得電感電流在電感上循環流動的可控開關的組合均可被使用。L1/C1諧振周期通過其典型時間來進行時移(延時和調節)，所述典型時間允許所述負載在諧振峰值之間對電容Cl放電。由此產生的鉗位飆升電壓在開關頻率沒有增加的情況下會使得電容Cl顯著降低。此外，低負荷時的效率可以在工作的不連續導通模式 (DCM)中，不增加輸出紋波的情況下，通過增加高側開關的接通持續時間來增大。現在參考圖3-6，出示了根據本公開的一種降壓轉換器200。降壓轉換器200進一步包括一個可控分流裝置210。所述分流裝置210包括相互串聯的開關N3和N4，開關N3和 N4再與電感Ll相并聯。開關N3和N4通過柵極驅動信號DLG進行控制。降壓轉換器200 還包括一個電流傳感器214，其可利用任何合適的方式選擇性地被用于感應通過電感Ll的
7電流。降壓轉換器200還包括一個電壓傳感器216以感應通過電容Cl的電壓。在圖4中，控制模塊230基于電感電流、電容電壓和/或降壓轉換器的其他工作參數來控制開關Ni，N2, N3和N4的工作。控制模塊230可包括用于存儲開關參數，例如占空比，開關期間信息和其他工作數據的存儲器。關閉開關N3和N4使得流過電感Ll的電流Iu可以回流至電感Ll以使得對電感 Cl和負載I。ut放電的能量最小化。在開關m和N2斷開時，負載I。ut突然減小和/或Vel飆升至預設目標以上后，開關N3，N4可通過控制信號DLG進行導通。在正常調節工作期間，開關N3和N4可能截止。如果有需要的話，DLG_HI和DLG_L0W可被調節。例如，持續時間、重復率和控制策略(開環固定定時模式或閉環控制感應Vca)可被調節。在一個實例方案中，開關N3和N4被開啟，并且超額能量由于開關N3和N4的阻抗而被耗散。所述開關N3和N4導通總時間可設定為與預設期間(用于開環控制)相等。可選地，開關N3和N4導通總時間可在閉環方式中被控制(基于一個或多個降壓轉換器的受監測工作參數)。在另一個實例方法中，在預設的占空比上開關N3和N4 —個預設時間可以耗散額外的能量(用于開環控制)。可選地，開關N3和N4可能在一個占空比上和時間內以閉環的方式開啟和關閉，所述占空比和時間取決于基于所述降壓轉換器的工作參數。對電容Cl的電流放電是可控制的，以在負載減小轉換期間提供一個可控的飆升電壓。實際上，電感對電容Cl和/或開關N3和N4的能量經歷了較長一段時間的放電，以在負載減少轉換期間使得所述電壓飆升最小化。在另一個實例中，當開關N2開啟時，開關N3和N4關閉，然后當開關N3和N4開啟時，開關N2關閉，以便將輸出電感中的存儲能量逐步釋放到輸出電容Cl和負載I。ut中。可選擇地，在重復N3和N4的通斷周期期間，開關N2可一直保持在斷開狀態。傳統的主體制動技術使得電感電流在所述低側開關上的二極體正向偏壓結循環流通。每當主體制動被激活，能量就會在二極體內消耗。在輸出負載階躍下降之前，所述能量消耗與高電平輸出電流成比例，并與此階躍重復率成比例。在CPU電池供電的應用中，能量管理系統可能會在高負載和低負載之間進行高頻度轉換，以便在不犧牲性能需求的情況下充分利用較高效率的睡眠狀態。本發明可以在轉換期間通過循環電感電流來達到顯著改善效率和緩和電壓飆升的目的，當使用MOSFET開關時，所述電流通過電感分流的低導通阻抗漏極節而非低側開關MOSFET裝置的二極體正向偏置PN節進行循環。現在參考圖6，其示出了一個描述控制模塊230工作的實例流程圖。在254中，控制確定是否有存在負載需求。如果為真，控制會在256中繼續，并驅動m和N2為所需狀態。 開關N3和N4則斷開。如果2M為假，控制確定V。ut是否大于預設目標Vta,get。如果258為假，控制返回254。如果258為真，控制確定m和N2是否斷開。如果262為真，控制驅動開關N3和N4 (以及可選開關N2)到上述狀態以對將電感的存儲能量釋放到輸出電容進行控制。控制在266繼續，這里控制會確定V。ut是否下降到預設目標Vtmgrt以下。這種確定基于監測到的工作參數(在閉環系統中)或通過等待預設期間(在開環系統中)。現在參考圖7，其示出了一個包括第一相310-A，第二相310-B和第三相310-C(即共同相310)的交錯多相降壓轉換器。310-A，310-B和310-C中的每一相分別包括分流裝置320-A, 320-B和320-C。所述交錯相310如圖所示。第一相3IO-A包括開關附和N2，電感Li，以及電容Cl。分流裝置320-A包括開關 N7和mo。第二相310-B包括開關N3和N4，電感L2，電容C2。分流裝置320-B包括開關 N8。第二相310-B的第一端并聯在電壓源Vin的兩端。開關N8的一端與電感L2的一端相連，其另一端連接在開關N7和N8之間。電容C2與負載I。ut并聯。第三相3IO-C包括開關N5和N6，電感L3，電容C3。分流裝置320-C包括開關N9。 第三相310-C的第一端并聯在電壓源Vin的兩端。開關N9的一端與電感L3的一端相連，其另一端連接在開關N7和N8之間。電容C3與負載I。ut并聯。在使用過程中，開關m_N6受控以提供受監測的調節電壓電流和/或電壓。結合圖3-6，當開關被斷開，開關N7-N10被同步驅動以消耗上述電感L1-L3中的能量。一個具有合適尺寸的開關mo以及具有特定相的NMOS裝置在圖中被出示，其使得特定相電感電流的循環和調整可行。開關N7，N8和N9被相同的DLG信號同步驅動。可選地，如果可以保證將電感循環電流回路設置在一小塊區域的話，則開關NlO可被分成多相 NMOS裝置，以減少鄰近線路的磁場。這里所述的系統和方法解決了降壓轉換器的無效問題，在負載減少轉換期間或輸出電感電流對輸出電容的放電期間緩和了不合需要的輸出飆升電壓vs·。本系統和方法使得降壓轉換器可在最佳開關頻率下工作，在不犧牲輸出瞬態響應或紋波的情況下提高其效率。可選地，輸出電容的尺寸可以減小。所述系統和方法控制電感能量的傳送，這樣就算具有高電感值和低轉換開關頻率，輸出也不會得到不合需求的輸出飆升電壓Vs·。本發明可通過多種方式進行實施。因此，盡管本發明包括特定實施例，但本發明的真實保護范圍不應被限制，因為基于本發明的附圖、說明書以及權利要求的其他修改都是顯而易見的。
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權利要求
1.一種DC-DC轉換器，包括一高側開關；一與高側開關相連的低側開關； 一輸出電容；一電感，所述電感的一端與所述高側開關和低側開關相連，其另一端與輸出電容相連;以及一分流裝置，所述分流裝置在負載減小的轉換期間將流過所述電感的電流循環回流至所述電感以控制所述輸出電容兩端的電壓。
2.根據權利要求1所述的一種DC-DC轉換器，其中，所述分流裝置包括與所述電感并聯的第一開關。
3.根據權利要求1所述的一種DC-DC轉換器，其中，所述分流裝置包括相互串聯的第一開關和第二開關；并且所述第一開關與第二開關與所述電感相并聯。
4.根據權利要求3所述的一種DC-DC轉換器，其中，所述第一和第二開關中的至少一個開關在在負載需求期間處于開啟狀態。
5.根據權利要求1所述的一種DC-DC轉換器，進一步包括一感應所述輸出電容兩端電壓的電壓傳感器。
6.根據權利要求5所述的一種DC-DC轉換器，進一步包括一控制器，所述控制器與所述電壓傳感器和所述分流裝置進行通信；所述控制器在負載需求期間開啟所述分流裝置，并當所述電容兩端的電壓大于預設電壓時，所述控制器關閉所述分流裝置以作為對負載減少轉換的響應。
7.根據權利要求6所述的一種DC-DC轉換器，其中，作為對負載減少轉換的響應，所述控制器以開環方式開啟所述分流裝置一預設時間。
8.根據權利要求6所述的一種DC-DC轉換器，其中，作為對負載減少轉換的響應，所述控制器以閉環方式開啟所述分流裝置一基于所述DC-DC轉換器的受監控操作參數的時間。
9.根據權利要求6所述的一種DC-DC轉換器，其中，作為對負載減少轉換的響應，所述控制器以閉環方式在預設的占空比上開啟和關閉所述分流裝置一預設時間。
10.根據權利要求6所述的一種DC-DC轉換器，其中，作為對負載減少轉換的響應，在基于所述DC-DC轉換器的受監控操作參數的占空比上和時間內所述控制器以閉環方式開啟和關閉所述分流裝置。
11.根據權利要求3所述的一種DC-DC轉換器，進一步包括一感應所述輸出電容兩端電壓的電壓傳感器。
12.根據權利要求11所述的一種DC-DC轉換器，進一步包括一控制器，所述控制器與所述電壓傳感器和所述第一和第二開關進行通信；所述控制器在負載需求期間開啟所述第一和第二開關中的至少一個開關，并當所述電容兩端的電壓大于預設電壓時，所述控制器關閉所述第一和第二開關以作為對負載減少轉換的響應。
13.根據權利要求12所述的一種DC-DC轉換器，其中所述控制器驅動所述低側開關開啟和關閉以作為對所述負載減少轉換的響應。
14.一種DC-DC轉換器，其特征在于包括第一相，所述第一相包括第一輸入；與所述第一輸入相連的第一高側開關； 與所述第一高側開關相連的第一低側開關； 第一輸出電容；第一電感，所述第一電感的一端與所述第一個高側開關和第一低側開關相連，其另一端與所述第一輸出電容相連；和與所述第一電感相連的第一分流裝置；以及第二相，所述第二相具有跨接到所述第一相的第一輸入的第二輸入以及跨接到所述第一電容的輸出，其中所述第二相包括與所述第二輸入相連的第二高側開關； 與所述第二高側開關相連的第二低側開關； 第二輸出電容；第二電感，所述第二電感的一端與所述第二高側開關和第二低側開關相連，其另一端與所述第二輸出電容相連；與所述第二電感相連的第二分流裝置。
15.根據權利要求14所述的一種DC-DC轉換器，進一步包括第三相，所述第三相具有跨接到所述第一相的第一輸入的第三輸入，并且跨接到所述第一電容的第二輸出，其中所述第三相包括 與所述第三輸入相連的第三高側開關； 與所述第三高側開關相連的第三低側開關； 第三輸出電容；第三電感，所述第三電感的一端與所述第三高側開關和第三低側開關相連，其另一端與所述第三輸出電容相連；與所述第三電感相連的第三分流裝置，其中第三分流裝置包括一開關，所述開關的一端與所述第三電感相連，其另一端連接在所述第一和第二開關之間。
16.根據權利要求14所述的一種DC-DC轉換器，其中所述第一分流裝置包括相互串聯的第一開關和第二開關；其中所述第一分流裝置與所述第一電感相并聯；所述第二分流裝置包括一第三開關，所述第三開關的一端與所述第二電感相連，其另一端連接到所述第一開關和第二開關之間。
17.根據權利要求16所述的一種DC-DC轉換器，其中，所述第三開關以及所述第一開關和第二開關中的至少一個開關在負載需求期間保持開啟狀態。
18.根據權利要求16所述的一種DC-DC轉換器，進一步包括 一電壓傳感器，所述電壓傳感器感應所述輸出電容兩端的電壓；和一控制器，所述控制器與所述電壓傳感器和所述第一和第二分流裝置進行通信；所述控制器開啟所述第一和第二分流裝置以作為對負載需求的響應，并當第一電容兩端的電壓大于預設電壓時，所述控制器關閉所述第一和第二分流裝置以作為對負載減少轉換的響應。
19.根據權利要求18所述的一種DC-DC轉換器，其中，所述控制器以開環方式對所述第一和第二分流裝置的占空比和時間進行控制以作為對負載減小轉換的響應。
20.根據權利要求18所述的一種DC-DC轉換器，其中，所述控制器以閉環方式對所述第一和第二分流裝置的占空比和時間進行控制以作為對負載減小轉換的響應。
全文摘要
本發明公開了一種DC-DC轉換器，其包括一高側開關，一與所述高側開關連接的低側開關，以及一輸出電容。其還包括一電感，所述電感一端與所述高側開關和所述低側開關相連，另一端與所述輸出電容相連。其還包括一分流裝置，所述分流裝置在負載減小轉換期間將流過所述電感的電流循環回流至所述電感以控制輸出電容兩端的電壓。
文檔編號H02M1/32GK102447386SQ20111030262
公開日2012年5月9日 申請日期2011年10月9日 優先權日2010年10月5日
發明者史蒂芬·F·孔 申請人:馬克西姆綜合產品公司