高效双控制回路调节开关电源变换器制造技术

提出了一种高效双控制回路调节开关电源变换器（ＤＳＰＣ），用于将未经调节的ＤＣ输入变换为至功率负载的经过调节的ＤＣ输出。该ＤＳＰＣ包括：能量存储回路，该能量存储回路具有：功率电感器、功率电容器和功率二极管；ＰＷＭ开关功率调节回路，用于将未经调节的ＤＣ输入变换为经过调节的ＤＣ输出；功率效率最大化回路，其与功率二极管并联连接。该功率效率最大化回路包括：与功率二极管并联连接的功率分流晶体管和实时控制回路，其响应于通过功率二极管的续流电流，以使较高续流电流导致较高功率分流晶体管的电导的方式来调节功率分流晶体管的电导。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及电源领域。更具体地，本专利技术涉及开关电源的 设计。
技术介绍
由于开关电源的小型尺寸、低重量以及通常高效率，开关电源 已经在消费者电子工业中享有不断增加的市场接受。在便携式应用 中尤其如此，其中小型尺寸、低重量以及电池寿命都是最需考虑的 事项。作为现有技术开关电源的第一示例，图1示出了非同步的单回 路调节开关变换器1。单回路调节开关变换器1操作用于将未经调节的DC输入3变换为经过调节的DC输出电压5，该经过调节的DC 输出电压5向接到电源地2的功率负载4供电。受控的功率输出晶 体管9通过功率电感器6、功率电容器7以及无源功率二极管8的串 联、并联网来驱动功率负载4，其中功率电感器6的输入侧6a连接 到功率输出晶体管9并且输出侧6b连接到功率负载4。在该单回路 系统中，控制信号(即功率输出晶体管9的栅极电压)从具有误差 放大器IO和脉沖宽度调制(PWM)控制器11的反馈控制支路获得, 其中脉冲宽度调制(PWM)控制器ll根据经过调节的DC输出电压 5高于还是低于"参考"电压来使功率输出晶体管9导通或者截止。 因为功率电感器6利用其线圏电流存储电能，所以无论何时功率输 出晶体管9截止，无源功率二极管8都续流(free-wheel)电感器电流G图2A和图2B —起示出了第二现有技术单回路同步调节开关变 换器20和一些与其相关的操作信号波形。除了利用功率分流晶体管21以及驱动反相器22对单回路调节开关变换器1中的功率二极管8 进行替换外，单回路同步调节开关变换器29基本上与单回路调节开 关变换器1相同。因为反相器22通过PWM控制器11的输出来驱动， 所以单回路同步调节开关变换器20利用具有误差放大器10和脉冲 宽度调制(PWM)控制器11的反馈控制支路进行操作，以便以互补 关/开方式同步驱动功率输出晶体管9和功率分流晶体管21。这可以 通过分别比较功率输出晶体管9和功率分流晶体管21的两个栅极信 号波形Vgs—Ql 20a和Vgs—Q2 20b而看出。为了防止其中晶体管9 和21两者都导电的直通(shoot-through )的危险情况， 一是供了死区 时间tl，其中晶体管9和21两者都截止(Ids—Ql 20c = Ids—Q2 20d = 0)并且负载电流Io通过具有正向电压Vf的内置寄生二极管(功率 分流晶体管21的一部分，未示出)返回。相应的能量损失是Vf*I0*tl。 另外，在时间间隔t2和t3期间存在能量损失，其中分别使功率输出 晶体管9截止和使功率分流晶体管21导通。因此，晶体管9和21 的每个开关循环产生下列总能量损失 ELC=每个开关循环的能量损失=0.5*Vf*I0* (t2+t3) +Vf*I0*tl". (1) 功率变换器性能的非常重要的度量是其总功率效率，其定义如下 总功率效率=输出功率/输入功率… (2)显然，上述ELC的作用不期望地降低了单回路同步调节开关变 换器20的总功率效率。如稍后将示出的，在较小负载电流I。时总功 率效率的损失快速地变得显著。因此，本专利技术的主要目的是提高总 功率效率。
技术实现思路
提出了一种高效双控制回路调节开关功率变换器(DSPC)，用 于将未经调节的DC输入变换为到功率负载的调节DC输出。该DSPC 包括能量存储回路，该能量存储回路自身包括具有输入侧和输出侧的功率电感器，其中该输出侧串联连接到功率负载；功率电容器，其将输出侧耦合到电源地；以及功率二极管，其将输入侧桥接到电 源地；第一开关电源调节回路，其置于未经调节的DC输入和功率电感 器输入侧之间，用于可控制地将未经调节的DC输入变换为经过调 节的DC输出，同时感测功率负载处的功率调节；第二功率效率最大化回路，其与功率二极管并联连接，用于分 流该功率二极管的电流的一部分，并因此避免相关联的功率损失，使得最大化DSPC的总功率效率而与传送到功率负载的功率水平无 关。在一个实施方式中，开关电源调节回路使用了 PWM控制回路， 其响应于功率负载处所感测的输出，调整与功率电感器串联连接的 功率输出晶体管的导通时间脉冲宽度。在一个实施方式中，该经过调节的DC输出实施为经过调节的负 载电压，其中功率负载处所感测的输出是负载电压。在一个可替换实施方式中，该经过调节的DC输出实施为经过调节的负载电流，其中功率负载处所感测的输出是负载电流。在一个实施方式中，该功率效率最大化回路包括功率分流晶 体管，其与功率二极管并联连接；以及实时控制回路，其响应于通 过功率二极管的感测续流电流，以使较高的感测续流电流产生较高的功率分流晶体管电导(conductance)的方式，来调整功率分流晶 体管的电导。另外，响应于感测的零续流电流，实时控制回路使功 率分流晶体管截止以得到基本为零的相应晶体管电导。在一个实施方式中，响应于任何给定的感测续流电流水平，实 时控制回路进行调整以得到恰好足够水平的功率分流晶体管的电 导，使得超过该足够的电导水平，可归因于驱动功率分流晶体管自 身的相应功率损失将另外降低DSPC的总功率效率。对于本领域技术人员而言，在其余的本专利技术描述中，本专利技术的 这些方面以及他们的多个实施方式将更加明显。附图说明为了更完整地描述本专利技术的多个实施方式，将参考附图。然而， 这些附图不是对本专利技术的范围的限制，而仅仅是示例性的。图1是示出了根据现有技术第一示例的非同步单回路调节开关变换器的图示；图2A和图2B分别示出了根据现有技术第二示例的单回路同步调节开关变换器和一些信号波形的图示；图3是示出了本专利技术双控制回路调节开关电源变换器的实施方 式的顶层(top level)电路结构；图4是示出了双控制回路调节开关电源变换器的第一开关电源 调节回路的可替换方案的电路示意图5是示出了双控制回路调节开关电源变换器的第一开关电源 调节回路的可替换实施方式的电路示意图6是示出了第二功率效率最大化回路的实施方式的高层电路结构；图7A至图7C示出了用于测量图6的第二功率效率最大化回路 的续流二极管电流的各种方式；图8是实施图3的顶层电路结构的详细电路示意同步调节开关变换器的总功率效率；图10A示出了在重负载功率水平条件的范围下图8的双控制回 路调节开关电源变换器内的各种信号波形；以及图10B示出了在轻负载功率水平条件的范围下图8的双控制回 路调节开关电源变换器内的各种信号波开具体实施例方式在此包含的上述描述和下文描述以及附图仅集中在本专利技术的一 个或者多个当前优选的实施方式，并且还描述了一些示例性可选特征和/或可替换实施方式。介绍这些描述和附图用于示出目的，并且 同样地，不作为对本专利技术的限制。因此，那些本领域普通技术人员 将容易认识到变型、修改以及可替换方案。应理解到，这种变型、 修改以及可替换方案也包括在本专利技术的范围内。图3是示出了本专利技术双控制回路调节开关电源变换器(DSPC) 30的实施方式的顶层电路结构。参考电源地2， DSPC30将未经调 节的DC输入3变换为至具有负载电流10 15的功率负载4的经过调 节的DC输出电压5。 DSPC30的输出端是能量存储回路，其进一步 包括以下元件功率电感器6，其具有输入侧6a和输出侧6b，其中输出侧6b 串联连接与功率负载4。功率电容器7，其将输出侧6b耦合到电源地2。 功率二极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高效双控制回路调节开关电源变换器（ＤＳＰＣ），相对于电源地，将未经调节的ＤＣ输入变换为至功率负载的经过调节的ＤＣ输出，该ＤＳＰＣ包括：能量存储回路，所述能量存储回路进一步包括：具有输入侧和输出侧的功率电感器，其中所述输出侧串联连接到所述功率负载；功率电容器，其将所述输出侧耦合到所述电源地；以及功率二极管，其将所述输入侧桥接到所述电源地；第一开关电源调节装置，其置于所述未经调节的ＤＣ输入和所述输入侧之间，用于可控制地将所述未经调节的ＤＣ输入变换为所述经过调节的ＤＣ输出，同时感测所述功率负载处的功率调节；以及第二功率效率最大化装置，其与所述功率二极管并联连接，用于分流电流的一部分，因此避免了通过所述功率二极管的功率损失，由此最大化ＤＳＰＣ的总功率效率而与传送到所述功率负载的功率水平无关。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：张之也，张育诚，
申请(专利权)人：万国半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：BM[百慕大]