开关模式电源的有源阻尼控制制造技术

本发明专利技术公开用于抑制开关模式电源中由寄生元件导致的电路噪声的方法及装置。所提出的实施例使用有源控制阻尼器件，例如可控电阻器、电流源以及三态功率器件，以实现所需的阻尼并使功率损耗最小化。

【技术实现步骤摘要】

以下所述的本专利技术的实施方式通常涉及开关模式电源和开关调节器，特别是涉及用于抑制由寄生元件导致的电路噪声的方法及装置。
技术介绍
由于效率高，开关模式电源(SMPS)广泛应用于功率电子电路中，例如CPU、DRAM和ASIC中。与线性调节器中所用的功率器件不同，SMPS中的功率器件用作接通(ON)或断开(OFF)开关部件。因此，可使传导功率损耗(conduction power loss)最小化。但是，由于如下原因中的至少其中之一，这些功率器件的开关动作通常将导致有害的高频振荡a.电路板布图及功率器件封装中的寄生电感；b.功率开关器件中同有的寄生电容；以及c.电容器中的串联电阻或电感。SMPS通常包括至少两个开关器件，其中有源控制第一器件以调节输出电压。第一器件通常称为“主开关”。第二器件通常称为“整流器”，其可以无源或有源控制。通常观测到的一个高频振荡位于任一上述功率器件的开关节点处。由于此振荡频率比正常开关频率高得多，正常设置的感应器和电容器的滤波网络不能有效抑制该振铃(ringing)。因而，在输出中会出现高频波纹(ripple)，导致可能发生电磁干扰(EMI)。在现有技术中，通常采用无源RC“缓冲电路”(“snubber”)来抑制所述振铃问题。尽管有些效果，但RC缓冲电路明显增加了功率损耗。由于效率高，SMPS广泛应用于ASIC、DRAM及其它电子器件中。SMPS拓扑(topology)的选择需要考虑输入电压与输出电压的关系。一个实例是便携装置，例如数码相机，其使用单节锂离子电池为3.3V轨(rail)供电，在充电之后电池电压约为4.2V，而在数码相机停止工作之前下降到约2.7V。尽管其大小和重量有限，在整个运行过程中也需要适当的效率，以使电池的使用寿命最大化。这种应用要求在输入电压大于、小于或等于输出电压的情况下SMPS均可以高效且自动地运行。如果输入电压保持大于输出电压，则仅可使用“降压”(“buck”)变换器。相反，如果输入电压总是保持小于输出电压，则仅可使用“升压”(“boost”)变换器。公知的“降压—升压”(“buck-boost”)变换器可在输入电压大于、小于或等于输出电压的情况下自动运行，但不能在较宽范围的输入电压内保持高效率。只有当输入电压接近输出电压时，降压—升压变换器才具有适当的效率，但是当输入电压大于输出电压时，降压—升压变换器的效率比降压变换器小得多，而当输入电压小于输出电压时，降压—升压变换器的效率又比升压变换器小得多。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提出一种开关模式电源，其使用有源控制阻尼器件，用于抑制由寄生元件产生的电路噪声及振铃，该开关模式电源包括第一和第二输入电压端口，用于将输入电压连接至该开关模式电源；第一和第二输出电压端口，用于将负载连接至该开关模式电源的已调节输出电压，其中在该第一与第二输出电压端口之间连接一输出电容器；输出电感器，其中该输出电感器的第二端连接至该第一输出电压端口；开关SW，其第一端连接至该第一输入电压端口，第二端连接至该输出电感器的第一端；整流器，其第一端连接至该开关SW的第二端，第二端连接至该第二输入电压端口及第二输出电压端口；以及可控电阻器，连接在该开关SW的第一端与第二端之间或该整流器的第一端与第二端之间，其中该可控电阻器被控制如下当该开关SW接通时，该可控电阻器的电阻值大(开路)；以及当该开关SW断开时，该可控电阻器改变以使振铃的振幅和设置时间最小化。其中，通过监测该开关SW的第二端的波形、通过测量该输出电感器的电流、或通过对该可控电阻器的值预先编程，控制该可控电阻器，以在正常工作过程中使阻尼效应最大化并使额外功率损耗最小化。其中，该可控电阻器在振铃开始时电阻值较小以使阻尼效应最大化，而在接近振铃结束时电阻值较大以使额外功率损耗最小化，以及其中在该可控电阻器与该开关并联时，该开关SW被驱动到线性区中以抑制振铃。其中，对于高输出电流或低输出电压应用，低传导降可控功率半导体器件(同步整流器)作为该整流器。其中，该同步整流器用作常规同步开关和有源阻尼电阻器。其中，由同步开关SS替代该整流器和并联连接至该整流器的可控电阻器。其中，在轻负载下，开关SW和同步开关SS被控制如下开关SW接通，同步开关SS断开，以增加该输出电感器的电流；开关SW断开，同步开关SS接通，以减小该输出电感器的电流；以及在该输出电感器的电流为0或为负值之后，同步开关SS从接通状态变换为线性状态，以提供高于正常接通状态的电阻但低于断开电阻的电阻。其中，该可控电阻器被预设或调整为在振铃的开始时电阻较低而在振铃结束时电阻较高，以抑制振铃。其中，在轻负载下，开关SW和同步开关SS被控制如下开关SW接通，同步开关SS断开，以增加该输出电感器的电流；开关SW断开，同步开关SS接通，以减小该输出电感器的电流；以及在该输出电感器的电流为0或为负值之后，同步开关SS断开而开关SW从断开状态变换为线性状态，以提供高于正常接通状态的电阻但低于断开电阻的电阻。其中，由电流源Id替代该可控电阻器，以及其中该电流源Id被控制如下当开关SW接通时，Id为0；以及当开关SW断开时，该电流源Id改变，以使振铃的振幅和设置时间最小化。其中，对于高输出电流或低输出电压应用，同步整流器作为该整流器。其中，通过监测该开关SW的第二端的波形、通过测量该输出电感器的电流、或通过对该电流源Id的值预先编程，控制该电流源Id，以在正常工作过程中使阻尼效应最大化并使额外功率损耗最小化，以及其中在该电流源Id与该开关SW并联时，该开关SW被驱动到线性区中而作为抑制振铃的有源阻尼器件。其中，在轻负载下，开关SW和同步开关SS被控制如下开关SW接通，同步开关SS断开，以增加该输出电感器的电流；开关SW断开，同步开关SS接通，以减小该输出电感器的电流；以及在该输出电感器的电流为0或为负值之后，同步开关SS从接通级变换为线性级，以使低于正常接通级的电流但高于断开电流的电流通过。其中，在轻负载下，开关SW和同步开关SS被控制如下开关SW接通，同步开关SS断开，以增加该输出电感器的电流；开关SW断开，同步开关SS接通，以减小该输出电感器的电流；以及在该输出电感器的电流为0或为负值之后，同步开关SS断开而开关SW从断开级变换为线性级，以使低于正常接通级的电流但高于断开电流的电流通过。其中，该第二输出电压端口接地。本专利技术还提出一种开关调节器，其使用有源控制阻尼器件，用于抑制电路噪声及寄生振铃，该开关调节器包括第一和第二输入电压端口，用于将输入电压连接至该开关调节器，其中在该第一输入电压端口与第二输入电压端口之间连接一输入电容器；第一和第二输出电压端口，用于将负载连接至该开关调节器的已调节输出电压，其中在该第一与第二输出电压端口之间连接输出电容器；输出电感器，其中该输出电感器的第二端连接至该第一输出电压端口；第一三态功率器件，其第一端连接至该第一输入电压端口，第二端连接至该输出电感器的第一端，其中该第一三态功率器件能够用作开关器件和有源阻尼部件；第二三态功率器件，其第一端连接至该第一三态功率器件的第二端，第二端连接至该第二输入电压端口及第二输出电压端口，其中该第二三态功率器件能够用作开关器件和有源阻尼部件；以及控制电路本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开关模式电源，其使用有源控制阻尼器件，用于抑制由寄生元件产生的电路噪声及振铃，该开关模式电源包括：第一和第二输入电压端口，用于将输入电压连接至该开关模式电源；第一和第二输出电压端口，用于将负载连接至该开关模式电源的已调节 输出电压，其中在该第一与第二输出电压端口之间连接一输出电容器；输出电感器，其中该输出电感器的第二端连接至该第一输出电压端口；开关ＳＷ，其第一端连接至该第一输入电压端口，第二端连接至该输出电感器的第一端；整流器，其第一 端连接至该开关ＳＷ的第二端，第二端连接至该第二输入电压端口及第二输出电压端口；以及可控电阻器，连接在该开关ＳＷ的第一端与第二端之间或该整流器的第一端与第二端之间，其中该可控电阻器被控制如下：当该开关ＳＷ接通时，该可控电阻器的 电阻值大（开路）；以及当该开关ＳＷ断开时，该可控电阻器改变以使振铃的振幅和设置时间最小化。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：徐鹏，
申请(专利权)人：美国芯源系统股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]