用于零電壓轉換功率轉換器的自適應定時的方法和設備與流程

相關申請案的交叉參考

根據35u.s.c.§119(e)，本申請案要求作為發明人的bandyopadhyay等人的2016年4月13日提交的發明名稱為“用于零電壓轉換功率轉換器的自適應定時方法(adaptivetimingmethodforzerovoltagetransitionpowerconverters)”的共同擁有的美國臨時專利申請序列號62/322,004的權益，該申請案特此以其全文引用的方式并入本文中。另外，本申請案與以下申請案有關：作為發明人的labella等人的2016年4月14日提交的發明名稱為“用于零電壓轉換功率轉換器中的諧振能量最小化的方法和設備(methodsandapparatusforresonantenergyminimizationinzerovoltagetransitionpowerconverters)”的共同擁有且共同轉讓的第14/982,750號美國專利申請案(“‘750’申請案”)；作為發明人的labella等人的2016年11月12日提交的發明名稱為“用于零電壓轉換功率轉換器的自適應定時的方法和設備(methodsandapparatusforadaptivetimingforzerovoltagetransitionpowerconverters)”的共同擁有且共同轉讓的第15/350,697號美國專利申請案；以及作為發明人的bandyopadhyay等人的與本申請案同時提交的發明名稱為“用于零電壓轉換功率轉換器的自適應定時的方法和設備(methodsandapparatusforadaptivetimingforzerovoltagetransitionpowerconverters)”的共同擁有且共同轉讓的第___________號美國專利申請案、代理人案號ti-77183，這些申請案特此也以其全文引用的方式并入本文中。

本發明大體上涉及電子設備，且具體來說，涉及用于功率轉換的電路。

背景技術：

開關電源可追溯到幾十年前并且目前大量用于電子行業中。開關電源常見于多種類型的電子設備中，例如，工業機械、車用電子設備、計算機和服務器、移動消費電子產品(手機、平板電腦等)、移動電子設備的電池充電器以及低成本/輕量物品，例如，無線耳機和鑰匙鏈手電筒。許多應用包含用于便攜式電池供電裝置的開關電源，其中初始電壓逐級下降到降低電壓，用于為裝置(例如，在相當低的電壓直流(dc)電平下操作的集成電路)的部分供電。開關電源很受歡迎，因為這些電源可以制造成很輕且成本低。當與使用非開關電源(例如，線性電源)的先前方法相比時，開關電源高效地轉換電力的電壓和電流電平。

通過使用高速、低損耗開關(例如，mosfet晶體管)來將能量從輸入電源(例如，電池)傳遞到僅在需要時進行供電的電子設備(負載)，以便保持負載所需的電壓和電流電平來實現開關電源的高效率。

執行從供應特定電壓和電流范圍內的電能的dc輸入(例如，電池)到不同dc電壓和電流范圍的轉換的開關電源被稱為“dc-dc”轉換器。許多現代dc-dc轉換器能夠通過采用零電壓轉換(zvt)而實現接近或高于90％的效率。zvt技術由hua等人開發并且在1994年公開的論文(“新穎零電壓轉換pwm轉換器”，g.hua、c.-s.leu、y.jiang和f.c.lee，電氣和電子工程師協會會報電力電子(ieeetrans.powerelectron.)第9卷第2期第213至219頁，1994年3月)中描述，所述論文特此以其全文引用的方式并入本文中。zvt功能在dc-dc轉換器中的使用會減少否則將由于開關損耗而產生的能量損耗耗。zvt還具有減少dc-dc轉換器的主電源開關上的電壓應力的額外益處。開關上的電壓應力的減小使開關能夠具有較低電壓容限率，并且因此開關可能較小且成本較低。

先前dc-dc轉換器采用的zvt電路引入了額外開關以及在開關元件上的對應額外能量損耗和電壓應力。然而，zvt功能的能量損耗和電壓應力的影響顯著低于對采用zvt功能的開關轉換器的總體性能改進。仍需要用于減小zvt功能的能量損耗和電壓應力的進一步改進。這些改進將允許電子設備的以下改進：電池壽命增加、操作成本降低、裝置上的應力降低以及熱管理改進。

技術實現要素：

在所描述的實例中，設備包含：第一開關，其具有控制端、耦合到電壓源的第一電流處理端，并且具有耦合到開關節點的第二電流處理端；第二開關，其具有控制端、耦合到開關節點的第一電流處理端，并且具有耦合到參考電壓的第二電流處理端；第一電感器，其具有耦合到開關節點的一個端以及耦合到負載端的第二端；第三開關，其具有控制端、耦合到電壓源的第一電流處理端以及耦合到輔助節點的第二電流處理端；第四開關，其具有控制端、耦合到輔助節點的第一電流處理端以及耦合到參考電壓的第二電流處理端；以及第二電感器，其具有耦合到開關節點的第一端以及耦合到輔助節點的第二端。另外，設備包含第五開關，其具有控制端、耦合到開關節點和第二電感器的第一端的第一電流處理端，以及耦合到輔助節點以及第二電感器的第二端的第二電流處理端；以及定時電路，其被配置成將控制信號輸出到第一開關、第二開關、第三開關、第四開關和第五開關的控制端，以將電流供應到負載端。

附圖說明

圖1是說明zvtdc-dc降壓功率轉換器的電路圖。

圖2是用于操作zvt功能的開關轉換事件的序列的時序圖。

圖3是針對一個實例實施例的用于操作zvt功能的開關轉換事件的序列的時序圖。

圖4是與圖3的時序圖有關的一組波形圖。

圖5是zvt諧振電路的理想等效電路圖的電路圖。

圖6是一個替代布置中的zvt諧振電路的理想等效電路圖的電路圖。

圖7是示出當高壓側輔助開關的體二極管鉗位(clamp)輔助開關節點時的效果的仿真圖。

圖8是一個實施例的電路圖。

圖9是示出包含圖8的雙向開關的控制電路的另一電路實施例的圖。

圖10是示出圖8的實施例電路的操作的仿真圖。

圖11是示出方法實施例的流程圖。

圖12是使用控制器來提供定時電路的另一實施例的電路圖。

具體實施方式

不同附圖中的對應數字和符號通常指代對應零件，除非另外指明。附圖未必按比例繪制。

術語“耦合的(被耦合的)”可以包含利用中介元件進行的連接，并且額外元件和各種連接可以存在于“耦合的(被耦合的)”任何元件之間。

圖1說明布置在降壓轉換器電路拓撲中的常規zvtdc-dc轉換器電路100。降壓dc-dc轉換器以低于輸入電壓的電壓提供輸出電壓。可以得益于zvt開關的使用的其它類型的dc-dc轉換器包含但不限于，升壓轉換器，其將輸出電壓增加到大于輸入電壓的電壓；以及降壓-升壓dc-dc轉換器，其在降壓功能與升壓功能之間動態地轉換以適應于各種輸入電壓電平(具有可以大于或小于輸出電壓的輸入電壓)，以將輸出電壓提供到負載。

圖1以簡化電路圖說明zvtdc-dc降壓轉換器電路100的開關元件、主要無源組件和主要寄生元件。為簡單說明起見，從圖1中省略用于實例zvtdc-dc降壓功率轉換器中的次要組件、次要寄生元件、用于監視輸出電壓的電路以及用于控制開關定時的控制電路。

在圖1中，電路100包含兩個主要電源開關102(s1)和104(s2)，所述電源開關結合輸出電感器106(lo)和電容器108(co)執行降壓轉換器的主要功能。降壓轉換器電路100在輸出電壓電平vo下將能量供應到負載(表示為電阻器110(ro))，所述輸出電壓電平vo是來自dc輸入電壓源112(vin)的下降電壓。vin表示作為到達zvt功率轉換器的輸入電壓源(例如，電池或另一電源)的外部元件以及跨越vin輸入電壓源的正端和負端的電壓電平兩者。

輔助開關sa1和sa2以及輔助電感器la是添加到先前常規開關轉換器拓撲以實現zvt功能的組件。圖1中通過寄生電感114(lbyp)表示促成開關s2上的電壓應力的主要寄生電感。如圖1中所說明，晶體管102的源極端、晶體管104的漏極端以及每個輔助電感器116(la)和輸出電感器106(lo)的一個端被耦合到公共開關節點118(switchnode)。第一輔助開關120(sa1)、第二輔助開關122(sa2)和輔助電感器116一起耦合在輔助節點124(auxnode)處。圖1的實例電路100中的所有四個開關(s1、s2、sa1和sa2)被示為實施為增強型n溝道mosfet。開關s1和s2的漏極-源極寄生電容對電路描述非常重要，并且在圖1中分別被說明為電容126(cds1)和電容128(cds2)。mosfet開關的本征體二極管還被示為耦合在圖1的所有開關(s1、s2、sa1和sa2)的源極與漏極之間。

盡管增強型n溝道mosfet通常用作如在圖1的實例中所示的dc-dc轉換器中的開關，但是其它類型的晶體管開關以及二極管開關已采用且可以用于形成電路100。圖1中的開關還可以用于形成其它類型的開關功率轉換器。

電路100通過在兩個主要狀態之間交替地切換而將下降電壓供應到負載(輸出電壓在電阻器110(ro)兩端)。在主要狀態中的一個主要狀態下(通過閉合的開關s1以及打開的開關s2限定，這表示開關s1是接通的晶體管，而開關s2是斷開的晶體管)，輸入電壓源(vin)將能量供應到負載，并且用于保持或增加磁能的能量也存儲于電感器lo中。在另一主要狀態下(由打開的開關s1和閉合的開關s2限定，這表示開關s1是斷開的晶體管，而開關s2是接通的晶體管)，阻擋來自輸入電壓(vin)的電流。在此狀態下，先前存儲于電感器lo中的磁能轉換成電能，并且將能量供應到負載(電阻器ro)。通過改變電路在每一個主要狀態中花費的相對時間量來將負載ro兩端的輸出電壓保持在預定義范圍中。

在上文所述的兩個狀態之間交替的轉換器有時被描述為脈寬調制(pwm)開關轉換器。使用此描述，因為輸出電壓vo與輸入電壓vin乘以開關s1的占空比(開關s1的接通時間與總循環周期的比率)成比例。通常，先前已知的降壓轉換器在這些狀態之間循環(通常以例如數百khz至1mhz以及更高的頻率)。除了兩個主要狀態之外，在兩個主要狀態之間的轉換期間存在短暫的死區時間(deadtime)。在死區時間期間，開關s1和s2同時打開，即實施開關s1和s2的晶體管同時斷開。死區時間用于確保不存在跨越直接接地的輸入電壓源(vin)的高電流路徑，如果開關s1和s2同時閉合，則可能會出現所述高電流路徑。常規pwm開關電源在每個操作循環期間采用兩個死區時間：第一死區時間在開關s1打開時出現并且在開關s2閉合時結束；以及第二死區時間在開關s2打開時出現并且在開關s1閉合時結束。

在zvt轉換器(例如，電路100)中，zvt功能在第二死區時間隨著s2打開而開始之前開始，并且zvt功能在第二死區時間隨著開關s1閉合而結束之后結束。zvt功能不會在上述降壓轉換器循環的第一死區時間(在開關s1打開與s2閉合之間的時間)中操作。

圖2說明用于操作降壓轉換器電路100中的zvt功能的開關轉換事件的序列的時序圖。在圖2中，開關事件被標記為t0、t1、t3和t4。(應注意，為增加說明的簡單性，當將常規zvtdc-dc降壓轉換器的開關事件序列與本申請案的實例布置的開關事件序列相比較時，圖2中不存在被標記為t2的事件。)在圖2中，在開關s2打開與開關s1閉合之間的時間間隔期間的上述死區時間開始于事件t1處并且結束于事件t3處。

圖1中所說明的四個開關(主要開關s1、s2和輔助開關sa1和sa2)中的每一個的打開和閉合狀態在圖2中通過施加到開關柵極(分別是vg1、vg2、vga1和vga2)的電壓表示，并且以四個圖形：232、234、236和238示出。圖形232說明在開關s1的柵極上的電壓，圖形234說明在開關s2的柵極上的電壓，圖形236說明在開關sa1的柵極上的電壓，以及圖形238說明在開關sa2的柵極上的電壓。施加到開關柵極的標注為von的電壓指示開關閉合(對應晶體管接通)，并且標注為voff的電壓指示開關打開(對應晶體管斷開)。圖2說明開關事件的序列，并且不說明具體電壓電平、波形形狀以及時間增量。

先前已知方法的zvt功能隨著開關sa1接通而開始于圖2中標記為t0的事件處，如圖形236中所示。在事件t0之前的時間中，對于當前降壓轉換器循環的大部分，開關s2已閉合且開關s1和sa2已打開。如圖2中所說明，時間從事件t0前進到事件t1。在時間t1處，開關s2打開，如圖形234中所示。在下一事件t3處，開關s1和sa2閉合，如圖形232、238兩者中所示。開關sa1在時間t3處打開，如圖形236中所示，并且在用于提供死區時間的短暫延遲之后，sa2在事件t3后不久閉合，如圖形238中所示。在事件t4處，如圖形238中所示sa2打開，以完成用于降壓轉換器的當前循環的zvt功能。

當主電源開關s1在圖2中所說明的標記為t3的事件處從打開轉換到閉合(s1接通，如圖形232中所示)時，圖1中所說明的實例常規zvt降壓轉換器電路100實現zvt。開關s1在t3處接通，開關s1兩端具有零或接近零伏電壓。對于用于在s1接通(或閉合)之前達到開關s1兩端具有零或近零伏電壓的條件的電路100，使用l-c諧振電路。l-c諧振電路增加開關s1的源極端處的電壓(耦合到圖1中的節點“switchnode”)，直到所述電壓大致等于s1的漏極端處的電壓，所述電壓耦合到且大致等于輸入電壓vin。l-c諧振電路包含輔助電感器la以及電容cds1和cds2的并聯組合(分別是開關s1和s2的漏極至源極寄生電容)(參看圖1)。此l-c諧振電路在本文中稱為“zvt諧振電路”。zvt諧振電路是電路100的一部分。在一些方法中，僅當在圖2中的事件t1與t3之間的時間跨度期間，開關sa1閉合且開關s1、s2和sa2打開時，zvt諧振電路才諧振。一些方法中的事件t1與t3之間的時間跨度等于zvt諧振電路的諧振頻率的四分之一循環。

當與在不具有zvt功能的情況下形成的dc-dc轉換器相比時，盡管并入有zvt功能的一些常規dc-dc轉換器通常在晶體管開關上具有較低能量損耗和較低電壓應力，但是zvt功能本身引入了額外的能量損耗和電壓應力。

先前已知的zvt功能的能量損耗具有兩個關鍵因素，所述能量損耗通過使用本申請案的布置而減小。首先，當在傳導峰值電流時輔助開關sa1斷開時會損耗能量，因為峰值電流轉換通過mosfet線性區域。在zvt操作期間的能量損耗的第二關鍵因素是通過輔助開關sa1、sa2、主要開關s1以及電感器la的傳導損耗的總和。

由zvt功能引起的電壓應力的最顯著影響在于開關s2所需的電壓容差。開關s2上的電壓應力影響s2晶體管尺寸和潛在成本。開關s2上的電壓應力是在峰值電流流過開關sa1的情況下開關sa1斷開的結果，從而產生由寄生電感114(lbyp)所感應的開關s2兩端的電壓尖峰。另外，由于通過寄生電感振鈴(ring)，因此當在電流流過sa1的情況下sa1斷開時，存在sa1兩端的電壓尖峰。然而，當與主要功率晶體管s1和s2相比較時，調整用于較高電壓容差的sa1的尺寸不會顯著影響潛在的轉換器成本，因為sa1已經是相對較小的晶體管。

如上文所論述，圖1以簡化電路圖說明zvtdc-dc降壓功率轉換器的開關元件、主要無源組件和主要寄生元件。出于簡化的目的，從圖1中省略存在于先前方法和本申請案的實例布置中的次要組件、次要寄生元件以及用于監視輸出電壓且控制開關定時的電路。在實施例的一個特征中，改進電路100中所描繪的開關的轉換的排序和定時，以減小應力且增加效率。因此，本文中的電路100用于闡述zvtdc-dc降壓功率轉換器的開關事件以及用于說明實施例。

在各個實施例中，所采用的開關轉換排序和定時引起功率效率提高。使用所述布置還使zvt功率轉換器能夠改進，以具有用于開關實施的減小的半導體管芯區域。

實施例中采用的開關轉換排序和定時在zvt功能的操作期間發生，并且不會顯著影響電路100在電源循環的剩余部分期間的操作。因此，不包含完整電源循環的描述。

圖3以時序圖說明用于操作‘750申請案的實例布置的zvt功能的開關轉換事件的序列。為了說明的目的呈現此闡述，然而實施例方法還可以應用于其它zvt定時布置。在圖3中，開關事件被標記為t0、t1、t2、t3和t4。

圖1中所說明的四個開關(s1、s2、sa1和sa2)中的每一個的打開和閉合狀態在圖3中通過施加到開關柵極的電壓(分別是vg1、vg2、vga1和vga2)表示。圖形332說明在開關s1的柵極端處的電壓vg1。圖形334說明在開關s2的柵極端處的電壓vg2。圖形336說明在開關sa1的柵極端處的電壓。圖形338說明在開關sa2的柵極端處的電壓。施加到開關柵極的標注為von的電壓指示開關閉合，因為晶體管接通，并且標注為voff的電壓指示開關打開，因為晶體管斷開。圖3中的圖形332、334、336和338說明開關事件的序列。圖3不說明具體電壓電平、波形形狀以及時間增量。對于各個實施例以及其它zvt方法兩者，在開關sa1斷開與開關sa2接通之間存在短暫的死區時間。此死區時間用于確保不存在跨越輸入電壓源vin的高電流路徑。開關sa1斷開與開關sa2接通之間的死區時間不會顯著影響電路100功能。因此，出于進一步簡單說明的目的，開關sa1斷開、中介死區時間以及開關sa2接通被說明為在圖3中的單個事件(在時間t2處)中發生。

‘750申請案的實例布置的zvt功能開始于圖3中標記為t0的事件，其中如圖形336中所示，開關sa1接通，同時開關s2保持閉合(接通)并且開關s1和sa2保持打開。在圖3中，時間前進到事件t1。在事件t1處，開關s2打開，如圖形334中所示。在如圖3中所示的下一事件t2處，開關sa1打開，如圖形336中所說明，并且在滿足死區時間要求的短暫延遲之后，開關sa2閉合，如圖形338中所示。(強烈對比下，在先前方法中，zvt電路不會在時間t2處采用開關事件，如先前所述。)如圖3中所示，在用于本申請案的布置的事件t3處，如圖形332中所說明，開關s1閉合。在事件t4處，如圖形338中所示開關sa2打開，以完成用于降壓轉換器的當前循環的zvt功能。

另外，不用電壓和電流值以及時間增量來標注本文提供的波形圖和時序圖，因為具體值取決于如何實施具體實例布置。當在本文中比較波形時，使用相同的相對電壓、電流和時間標度。

對于上述開關事件之間的每個連續時間跨度，描述在相應時間跨度內的實施例采用的zvt功能以及開關轉換排序和定時，以及將實施例的當前布置與先前方法相比較。另外，下文提供用于控制本申請案的布置的開關排序和定時的電路功能的描述。

在zvt功能的操作期間的第一時間跨度在事件t0與t1之間，如圖3中所示。在每個降壓轉換器循環期間，zvt功能在事件t0處開始。在t0之前的時間中，zvt功能開始于以下狀態：開關s1打開且開關s2閉合，并且開關sa1和sa2打開。在事件t0處，開關sa1閉合，從而使從零安培斜升(ramp)的電流能夠流過輔助電感器la，直到在電感器la中流動的電流大致等于流過電感器lo的電流。同時，在閉合的開關s2中流動的電流斜升至零或近零。對于開始于事件t0處且結束于事件t1處的時間間隔，電路100的行為對于本文中的實施例以及其它zvt方法兩者是類似的，不同之處在于，通過本申請案的實施例的控制電路調整在事件t0之后發生事件t1的時間。下文進一步描述所述調整。

可以執行對發生事件t1的時間的調整，以便修改zvt諧振電路的諧振軌跡(trajectory)，使得在事件t3處開關節點電壓將等于或幾乎等于輸入電壓vin(下文描述用于后續事件的zvt功能)。持續不斷調整諧振軌跡使zvt功能適應于負載的動態改變以及其它操作條件。當開關s2在事件t1處斷開時，通過監視和調整流過開關s2的電流is2而在實施例中間接地實現對發生t1(在事件t0之后)的時間的調整。為了實現s2關斷電流的調整，在事件t3處測量開關節點電壓。如果在時間t3處，開關節點電壓等于或大于vin，則遞增地減小s2關斷電流的目標值(當s2斷開時通過s2的電流，或is2-斷開)。如果在時間t3處，開關節點電壓小于vin，則遞增地增加is2-斷開。在緊跟著降壓轉換器循環的zvt功能的操作期間，開關s2中的電流在事件t0與t1之間被監視并且與is2-斷開(在先前循環中設定)相比較。在所述布置中，當電流is2等于或小于is2-斷開時，斷開開關s2。

在zvt功能的操作期間的第二時間跨度是在事件t1與t2之間，如圖3中所示。對于實施例以及其它zvt方法兩者，開關s2在事件t1處打開，其中零或近零電流流過開關s2，如圖形334中所示。開關s1和sa2在t1處保持打開。在僅閉合開關sa1的情況下，電感器la分別與開關s1和s2的寄生漏極至源極電容cds1和cds2的并聯組合諧振(zvt諧振電路)。在實例實施例中，在事件t1之后為1/6tr的時間處發生事件t2(其中“tr”是zvt諧振電路的諧振周期)。在1/6tr處，開關節點達到大于1/2vin的電壓。在時間t2處，sa1打開且sa2閉合(在打開sa1與閉合sa2之間的短暫死區時間延遲之后)，如在圖3中的圖形336、338中所示。

圖4以圖形440、442和444說明用于‘750申請案的實例布置的輔助電感器116(la，圖1)中的電流，標記為i(la)，并且還呈現將獲得的電流與在用于常規zvt轉換器的其它方法中獲得的對應電流相比較的圖形。為清楚說明起見，分別從圖3復制圖4中的圖形432、434、436和438中所示的開關事件t0、t1、t2、t3和t4。對于出于比較目的說明的本申請案和先前方法的布置兩者，用于i(la)波形的圖4的時間標度相同。

圖4的圖形432、434、436和438分別對應于圖3中的圖形332、334、336和338，并且分別描繪用于圖1中的電路100的開關s1、s2、sa1和sa2上的柵極電壓。在圖4中，在事件t0、t1、t2、t3和t4處說明‘750申請案的實例排序布置。

在圖4中，在具有事件時間t2調整的用于i(la)的單獨圖形440和不具有t2調整的用于i(la)的442以及組合同一軸上的兩個布置的圖形444上示出在電感器la(在圖1中標記為116)中流動的電流。呈現圖形444以說明在事件t2與t4之間的時間跨度期間，具有t2調整的布置在較短時間段內在較低電感器la電流下操作。對于圖形444中的重疊波形圖，虛線用于說明不具有t2調整的電流i(la)，以示出波形顯著不同的位置。在圖4的圖形440、442和444中，用標記為i(lo)的固定網格線表示穿過lo的電流。實際上，i(lo)不是固定值并且與負載相關。為簡單說明起見，i(lo)被示為固定值。

在調整或不調整t2的方法之間的額外不同之處在于，在調整t2的布置中，由于通過寄生電感振鈴，因此當在電流流過開關sa1的事件t2處開關sa1打開時，出現電壓尖峰。在時間t2和t3重合的其它zvt降壓轉換器中，此電壓尖峰僅在開關s2兩端出現，因為當出現尖峰時開關s2打開且開關s1閉合。相反，在調整t2的布置中，通過打開開關sa1操作所述布置，其中s1和s2兩者打開，并且在s1的漏極至源極電容(cds1)完全放電之前，分布在串聯的開關s1和s2兩者兩端分布電壓尖峰。具體來說，在調整t2的方法中，開關s1和s2的寄生漏極-源極電容cds1和cds1的串聯組合相應地形成電容分壓器，在所述電容分壓器兩端出現電壓尖峰。將s1和s2兩者兩端的電壓尖峰分壓會減小開關s2的電壓容差要求(當與其它方法中的同一開關的電壓容差要求相比時)。開關s1的電壓容差要求不會通過t2調整增加，因為在實例布置中當sa1打開時出現的s1兩端的尖峰小于在降壓轉換器的操作期間的其它時間s1兩端的電壓。

對于具有t2調整的方法，在zvt功能的操作期間的第三時間跨度是在事件t2與t3之間。如上文所述，在圖3的描述中，當發生開關sa1從閉合到打開的轉換時，發生對于‘750申請案的布置的事件t2，并且不久以后開關sa2從打開轉換到閉合，其中開關s1和s2保持打開。當開關sa1打開并且開關sa2閉合時，改變zvt諧振電路配置并且電感器la兩端的電壓反向。通過電感器la的電流將在同一方向上繼續，并且在la中的電流朝向零諧振的情況下諧振將在不同軌跡上繼續，從而導致開關節點繼續充電。假設在開關節點電壓仍足夠高于1/2vin電壓電平的情況下發生時間t2處的事件，那么在事件t2處存儲于la中的能量繼續為開關節點充電，直到所述開關節點變為大致等于輸入電壓vin。應注意，對于理想電路，如果當開關節點正好等于1/2vin時將發生t2，那么存儲于電感器la中的能量會將開關節點電壓充電至vin。然而，在實例布置中，在開關節點處于大于1/2vin的電壓下的情況下應發生t2，以便調節組件參數變化和非理想電路特征。在事件t2之后為1/12tr的時間處，開關節點電壓變成大致等于vin，在所述時間處發生事件t3，其中s1閉合。在圖形432、434、436和438中在時間t3處示出此序列。

圖5以簡化電路圖說明用于在上述從事件t1至t2的時間跨度期間操作的實例配置的等效理想zvt諧振電路500。圖6以另一簡化電路圖說明用于在上述從事件t2至t3的時間跨度的實例配置的等效理想zvt諧振電路600。等效電路500和600兩者說明圖1的電路100的一部分，其中開關s1、s2、sa1和sa2處于上述針對相應時間跨度的狀態。為簡單起見，在針對電路500和600的圖中，開關sa1和sa2被視為理想的且當閉合時示為互連導體，并且當打開時簡單未示出。

如上所述，在各種實施例的事件t2與t3之間的時間段期間，電感器la中的所存儲能量用于將開關節點從大于1/2vin的電平充電至vin。與本發明的布置形成鮮明對比，對于使用其它方法的zvt轉換器，轉換器利用來自功率轉換器輸入電壓源vin的能量將開關節點充電至大致等于輸入電壓vin。因此，當在先前方法的操作期間，開關s1在t3處閉合時，更多能量存儲于la中并且la中的電流更高(與針對本申請案的布置相比)。存儲于la中的更多能量以及通過la的更高電流引起其它方法的更高能量損耗。

如上所述，實施例的事件t2不是其它方法轉換器的操作的一部分。因此，對于從t1至t3的完整時間跨度，其它方法zvt諧振電路繼續在同一軌跡上的諧振。相反，對于本文中描述的實例布置，如上所述在事件t2處修改諧振軌跡。

如圖4中所說明，與其它方法相比，在‘750申請案的實例布置的操作期間，當sa1斷開時，通過開關sa1的電流較低。由于將開關節點電壓斜升至大于1/2vin的電平，因此通過sa1的電流較低。相對于等待開關節點電壓大致等于vin，提前執行開關sa1的斷開(當與其它方法相比時)。因此，對于本申請案的布置，當開關sa1在晶體管線性區域中傳導時(在從接通到斷開的轉換期間)，開關sa1損耗的能量低得多。

在zvt功能的操作期間的第四和最后時間跨度是在事件t3與t4之間。在事件t3與t4之間的時間段期間，開關s1在事件t3處接通，并且電感器la中的電流斜降至零，此時sa2在事件t4處斷開，從而結束用于當前降壓轉換器循環的zvt功能的操作。在開關s1閉合之后，存儲于電感器la中的超過lo中的電流的電流部分返回到源極，并且la中的剩余電流流入lo中以供應負載。

在事件t3與t4之間的時間段中，在其它方法的操作與‘750申請案的布置的操作之間存在至少三個差異。第一差異在于，在其它方法中，在t3處，開關sa1打開并且開關sa2閉合。對于‘750申請案的方法，在上述事件t3之前(在t2處)，sa1打開且sa2閉合。第二差異在于，存儲于電感器la中的較小部分能量返回到源極(當與其它方法相比時)，由此減小能量損耗。第三差異在于，對于其它方法，在t3處，電感器la電流到達其峰值。相反，對于‘750申請案的方法，通過la的峰值電流較低并且更早地實現峰值電流(在事件t2處)，從而引起所描述布置的從t3至t4的時間段顯著較短。另外，所描述布置的從t2至t4的時間比其它方法的從t3至t4的時間短。

上述‘750申請案的實例布置的操作引起開關sa1、sa2和s1以及電感器la各自以較低的rms電流電平在較短時間量內傳導電流(當與其它方法相比時)，從而引起顯著較低的能量損耗。通過使用這些布置可以獲得的益處包含：降低通過sa1、sa2、s1和la的rms電流，因為在開關節點電壓達到vin之前sa1斷開，從而導致在la、sa1和sa2中的較低峰值電流；減少開關sa1的傳導時間，因為開關sa1比在先前方法中更早斷開，從而在開關節點電壓達到vin之前斷開；以及由于針對上述布置，la中的峰值電流較低，因此la中的電流在較少時間內斜降至零，從而導致在開關s1中的較低rms電流。另外，由于la中的電流更快地斜降至零，因此也減少開關sa2、開關s1和電感器la的傳導時間。

在解決降壓轉換器的操作的重要問題時，zvt配置會產生額外的問題。例如，當開關102(圖1)在窄脈沖寬度的情況下斷開時，由于穿過輔助電感器116的小的負電流，因此開關120的體二極管可以保持輔助開關節點124被鉗位到vin。流過輔助電感器116的負電流表示存在流入輔助節點中或流出開關節點的電流。反向電流由開關122的反向恢復和/或漏極至源極電容產生。由于功率循環中的寄生電感，因此對于高效率優選的開關102的快速斷開導致在vin處的振蕩振鈴。因為輔助開關節點124通過開關120的體二極管被鉗位到vin，所以開關122必須處理由于振鈴產生的增加的電壓應力。這需要較大的且較低效的開關122，該開關122會增加成本和電路面積。

圖7是示出在開關120的體二極管將輔助開關節點124鉗位到vin時的效果的仿真跡線700。在時間t0(圖3)處，開關120接通并且將輔助開關節點124拉至vin。在時間t2處，開關120斷開，并且在時間t3處，開關102接通。此時通過輔助電感器116的電流減少，如通過跡線738的向下斜坡所示。然而，由于開關112的反向恢復和/或存儲于輔助電感器116和開關122的寄生電容中的能量，因此通過輔助電感器116的電流可能過沖(overshoot)。這可以引起負電流736。在時間730之后不久的時間處，開關120的體二極管將被正向偏置直到時間732，由此將輔助開關節點124鉗位到vin。這使得輔助開關節點在開關102斷開時在時間732處具有電壓尖峰734，從而導致在開關122上的應力。

圖8是說明一個實施例的電路圖。應注意，盡管本文所描述的實施例電路和定時可以與‘750申請案的zvt布置結合使用，但是實施例的電路和方法還可以并入有其它zvt定時電路且與其它zvt定時電路一起使用，并且不限于本文所描述的實例。

圖8中的類似標記的元件執行與圖1中的元件類似的功能。也就是說，元件802、804、806、808、810、812、814、816、818、820、822、824、826和828分別執行與圖1中的元件102、104、106、108、110、112、114、116、118、120、122、124、126和128類似的功能。晶體管842和844形成雙向開關845，所述雙向開關845用于在開關802斷開時(對應于圖7中的時間732)將輔助開關節點824和主要開關節點818連接在一起。晶體管842和844以雙向形式耦合，以避免由體二極管正向偏置引起的跨越輔助電感器816的短路電流。在開關節點818處或在輔助開關節點824處，輔助電感器816兩端的電壓在電路800的操作期間的不同時間處可以更加正向。因此，單個晶體管可以使其體二極管在某一時刻正向偏置，由此干擾電路800的操作。為了避免可以由正向偏置的體二極管引起的問題，晶體管842和844處于雙向配置中，使得晶體管842和844的體二極管中的一者始終反向偏置。在一個實例實施例中，晶體管842和844是ldmos晶體管。在替代實施例中，取決于用于功率裝置802、820、822和804的晶體管類型，其他晶體管類型可以用于842、844。在一個實施例中，所有這些晶體管都可以是ldmos晶體管。晶體管842和844由控制電路846控制。下文相對于圖9說明控制電路846的操作。雙向開關845使電流從開關820的體二極管流出，并且在由輔助電感器816(la)和跨越所述輔助電感器的雙向開關845形成的環路中流通。這有效地斷開開關820的體二極管，并且當開關802斷開時減少跨越開關822的振鈴。

圖9是示出用于實施圖8中的雙向開關845的控制電路的實例實施例的圖。圖9中的類似標記的元件執行與圖8中的元件類似的功能。也就是說，開關902、904、920和922、開關節點918、輔助開關節點924、雙向開關945(包含晶體管942和944)以及電感器916和906、負載電容器908、負載電阻910和控制電路946分別執行與圖8中的開關802、804、820和822、開關節點818、輔助開關節點824、雙向開關845(包含晶體管842和844)以及電感器816和806、負載電容器808、負載電阻810和控制電路846類似的功能。晶體管942和944兩者經由電平位移器956和958以及驅動器952和954由與(and)門962的輸出信號驅動。

在一個實例實施例中，晶體管964是源極跟隨器配置中的漏極擴展nmos晶體管。晶體管964的漏極耦合到輔助開關節點924。電平位移器960將開關902(參看圖3中的332)的控制信號提供到晶體管964的柵極。當開關902接通時，開關920斷開(參看圖3)。因此，當開關902和輔助節點924的柵極控制都為高時，其指示晶體管920的體二極管正在傳導并且因此將輔助節點924連接到vin。這些信號將使晶體管964接通并且引起跨越電阻器966的高信號。因為通過振鈴產生輔助節點924上的信號，所以電容器968用于使晶體管964的源極上的信號平滑，所述源極耦合到反相器970。開關902的控制信號還耦合到反相器972。反相器970和972的輸出耦合到或非(nor)門974。因此，當在開關902和輔助節點924兩者的兩個控制信號上檢測到高信號時，反相器970和972兩者提供低信號，并且因此或非門974將高信號提供到d觸發器976的clk輸入。

d觸發器976的d輸入耦合到vdd。因此，當clk輸入信號為高且復位信號為低時，高信號將被鎖存在輸出q上。d觸發器976的復位輸入耦合到pwm預延遲信號。此信號在開關902的控制信號之后，但是例如在開關902的控制信號轉換之前5ns轉換。因此，如果或非門974的輸出為高(即，檢測到高輔助節點924電壓)，那么當pwm預延遲信號在開關902的柵極上的控制信號變低之前5ns變低時，d觸發器976的q輸出將在時間732(圖7)之前5ns變高。在pwm預延遲返回到高信號之前，此信號不會再次變低。

pwm預延遲還耦合到反相器978，所述反相器978耦合到d觸發器982的clk輸入。因此，當pwm預延遲信號在開關902的柵極上的控制信號變低之前5ns變低時，反相器978的輸出將高信號提供到d觸發器982的clk輸入。開關902的控制信號還耦合到延遲反相器980的輸入。當反相器980的輸出為高時，d觸發器982復位到低q輸出。通過反相器980的延遲，例如在開關902的控制信號從高信號轉換到低信號之后15ns，反相器980復位d觸發器982。因此，在時間732(圖7)之前5ns開始，d觸發器提供輸出q上的高輸出，直到在時間732之后15ns。d觸發器976和982的輸出耦合到與門962。因此，當在之前5ns的時間段內(如通過d觸發器976的高輸出所指示)檢測到高輔助節點924電壓，以及之后15ns的時間段內(如通過d觸發器982的高輸出所指示)檢測到高輔助節點924電壓時，與門將高信號提供到電平位移器956和958，由此接通晶體管942和944。這會將由諧振產生的來自輔助電感器916的負電流分流。

圖10是圖9的電路的操作的仿真跡線。跡線1031是輔助節點924(圖9)上的電壓。跡線1038是通過輔助電感器點916(圖9)的電流。在時間1030處，跡線1038示出通過電感器916的負電流1036。在時間段1040期間，雙向開關945接通，所述時間段是從時間1032處開關902(圖9)斷開之前5ns至之后15ns的時間段。這樣使輔助節點電壓能夠緊隨著開關節點電壓。因此，與峰值734(參看圖7)不同，當開關902(圖9)斷開并且開關922上的應力因此減小時，輔助節點924(參看圖9)上的電壓僅具有小峰值1034。避免此應力使開關922能夠制造得更小且更高效。

圖11是用于關于檢測由開關802上的正向偏置引起的輔助節點824上的高電壓示出電路800的操作的方法實施例的流程圖1100。在步驟1102處，過程開始于接通開關sa1(圖8中的820)，并且s2接通。在時間t1處，步驟1104斷開s2(圖8中的804)。步驟1106斷開sa1(圖8中的820)，并且在短暫延遲之后，接通sa2(圖8中的822)，這在t2處發生。在t3處，步驟1107接通s1(圖8中的802)。步驟1108斷開sa2。此時，sa2的體二極管可以正向偏置。步驟1110確定輔助節點此時是否具有高電壓。如果不是，則步驟1120斷開s1。在延遲(如上文所論述)之后，方法在步驟1118處繼續且接通s2，并且過程返回到步驟1102。如果在步驟1110中檢測到輔助節點上的高電壓，則方法轉換到步驟1112并且在步驟1114斷開s1之前接通雙向開關(圖8中的845)。在步驟1114之后，步驟1116斷開雙向開關。在延遲之后，步驟1118接通s2，并且過程返回到步驟1102。

圖12是另一實施例的電路圖。在圖12中，控制器1280提供定時電路開關控制輸出，以將柵極控制電壓vg1、vg2提供到主要開關s1、s2，并且將柵極控制電壓vga1、vga2提供到輔助開關sa1、sa2和雙向開關1244(bds1)和1242(bds2)。圖12中的類似標記的元件執行與圖8中的元件類似的功能。也就是說，開關1202、1204、1220和1222、開關節點1218、輔助開關節點1224、雙向開關1245(包含晶體管1242和1244)以及電感器1216和1206、負載電容器1208、負載電阻1210和控制電路1246分別執行與圖8中的開關802、804、820和822、開關節點818、輔助開關節點824、雙向開關845(包含晶體管842和844)以及電感器816和806、負載電容器808、負載電阻810和控制電路846類似的功能。控制器1280實施開關序列以操縱電路1200的降壓轉換器，開關序列包含輔助開關sa1的延遲斷開和在所述事件之后的開關s1的延遲接通、雙向開關的接通以及用于如上所述實施例中的其它開關序列，以改進zvt轉換器的性能。控制器1280還控制用于轉換器操作循環的其它部分的柵極電壓，以調節輸出電壓。到控制器1280的輸入包含輸入電壓vin、輸出電壓vout、開關節點電壓vsw、輔助開關節點和電壓輸入auxin。

控制器1280可以通過各種方式實施，例如實施為電路，包含(作為非限制性實例)微控制器、微處理器、cpu、dsp、risc、arm內核或作為專用邏輯功能的其它可編程邏輯，例如狀態機，并且可以包含固定或用戶可編程指令。此外，作為一個替代實施例，控制器1280可以實施于單獨集成電路上，其中開關s1、s2、sa1、sa2、1242、1244和其余無源模擬組件實施于獨立的集成電路上。在一個替代方案中，開關s1、s2、sa1、sa2、1242、1244和其余無源模擬組件中的一個或更多個可以與控制器1280實施于相同的襯底中。控制器1280可以使用現場可編程門陣列(fpga)或復雜可編程邏輯裝置(cpld)等實施為專用集成電路(asic)。新穎布置的排序和定時控制可以實施為軟件、固件或硬編碼指令。延遲線和計數器等可以用于確定延遲和定時，如通過特定硬件設計師所確定。

因為實施例被實施為施加到轉換器的晶體管的柵極信號序列的變化，所以通過修改軟件和一些感測硬件(包含添加跨越輔助電感器的雙向開關)，所述布置可以用于現有zvt轉換器電路中，并且因此實施例可以用于改進先前現有系統的性能，而不需要完全替換轉換器硬件。

在權利要求的范圍內，在所描述實施例中修改是可能的，并且其它實施例是可能的。