低損耗增壓及減壓電壓轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利說明】低損耗增壓及減壓電壓轉(zhuǎn)換器
[0001]相關(guān)申請案的交叉參考
[0002]不適用。
[0003]關(guān)于聯(lián)邦資助研究或研發(fā)的聲明
[0004]不適用。
技術(shù)領(lǐng)域
[0005]本發(fā)明為電壓轉(zhuǎn)換器的領(lǐng)域。更具體來說，本發(fā)明的實施例針對于例如在DC電力供應(yīng)器及DC電機驅(qū)動應(yīng)用等等中使用的DC-DC開關(guān)模式電壓轉(zhuǎn)換器。
【背景技術(shù)】
[0006]電壓轉(zhuǎn)換器電路為具有將由經(jīng)調(diào)節(jié)DC電壓驅(qū)動的負載的許多電氣與電子系統(tǒng)的常見組件。舉例來說，許多電子系統(tǒng)包含需要相對穩(wěn)定的DC電壓的集成電路及其它負載。如此，這些系統(tǒng)通常包含用于將從電池或經(jīng)由整流器從AC線路電壓接收的未經(jīng)調(diào)節(jié)DC輸入電力轉(zhuǎn)換成待施加到集成電路或其它系統(tǒng)負載(例如DC電機)的穩(wěn)定的經(jīng)調(diào)節(jié)DC電力輸出的DC電力供應(yīng)器。
[0007]DC電力供應(yīng)器中通常包含的一種常見類型的DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器電路在此項技術(shù)中稱為開關(guān)模式DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器。如此項技術(shù)中已知，開關(guān)模式DC-DC “降壓”轉(zhuǎn)換器(或“減壓”轉(zhuǎn)換器)產(chǎn)生平均比其輸入電壓低的輸出電壓，而“升壓”轉(zhuǎn)換器(或“增壓”轉(zhuǎn)換器)產(chǎn)生平均比其輸入電壓高的輸出電壓?，F(xiàn)代常規(guī)經(jīng)調(diào)節(jié)DC電力供應(yīng)器通常包含實際上是“降壓”與“升壓”轉(zhuǎn)換器電路類型的組合的“降壓-升壓”拓撲的開關(guān)模式DC-DC轉(zhuǎn)換器。降壓-升壓電壓轉(zhuǎn)換器能夠產(chǎn)生可比所接收輸入電壓高或低的輸出電壓。
[0008]圖1是常規(guī)非反相降壓-升壓DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器2的示意圖。如此項技術(shù)中為典型的，經(jīng)由開關(guān)SWl將輸入端子IN處的電壓施加到電感器4的一端。電感器4的所述同一端還通過開關(guān)SW2耦合到接地。電感器4的另一端本身通過開關(guān)SW3耦合到接地；此節(jié)點還經(jīng)由開關(guān)SW4耦合到電容器6的一個板且在輸出端子OUT處耦合到負載LD。電容器6跨越輸出端子OUT與接地而連接。開關(guān)SWl到SW4通常構(gòu)造為功率場效應(yīng)晶體管(FET)，其中其柵極由控制邏輯(未展示)控制。
[0009]在電壓轉(zhuǎn)換器2作為“降壓-升壓”轉(zhuǎn)換器的操作中，開關(guān)SWl及SW3共同周期性地切換斷開及閉合，而開關(guān)SW2及SW4共同但與開關(guān)SWl及SW3互補地周期性地切換斷開及閉合。通常，在切換轉(zhuǎn)變之間強制“空載”時間以避免開關(guān)SWl及SW2兩者同時閉合的短路狀況。在循環(huán)的其中開關(guān)SWl及SW3閉合(且開關(guān)SW2及SW4斷開)的那些部分期間，從輸入端子IN激勵電感器4。在循環(huán)的其中開關(guān)SW2及SW4閉合(且開關(guān)SWl及SW3斷開)的那些部分期間，將由電感器4存儲的能量遞送到負載LD，其中電容器6用作用以減少輸出端子OUT處的紋波的濾波電容器。
[0010]然而，如上文所述，開關(guān)SWl到SW4通常實施為功率FET。在大多數(shù)應(yīng)用中，這些功率FET必定為相對大的，特別是對于其中在DC電力供應(yīng)器中或在DC電機驅(qū)動應(yīng)用中實施電力轉(zhuǎn)換器2的那些情況。由于這些開關(guān)SWl到SW4中的每一者每循環(huán)切換兩次，因此這些功率FET中的切換損耗可為顯著的。另外，穿過這些功率FET的傳導(dǎo)損耗隨著電壓轉(zhuǎn)換器2所需的輸出電流的電平的增加而增加。
[0011]為了最小化由于用于實現(xiàn)開關(guān)SWl到SW4的功率FET所致的切換損耗，可使電壓轉(zhuǎn)換器2在單獨的“降壓”及“升壓”模式中操作而非使其作為其中所有開關(guān)SWl到SW4每循環(huán)切換兩次的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器操作。通過控制邏輯來強制這些單獨的操作模式，所述控制邏輯根據(jù)輸出電壓Vout與其切換操作模式的參考電壓(例如，所要輸出電壓電平)的比較而控制開關(guān)SWl到SW4的狀態(tài)。根據(jù)此操作式樣，電壓轉(zhuǎn)換器2通常經(jīng)控制以在例如輸入電壓相對低(例如，低于參考電壓)的時間期間在其升壓模式中操作，且在例如輸入電壓相對高(例如，高于參考電壓)的時間期間在其降壓模式中操作。
[0012]圖2a圖解說明電壓轉(zhuǎn)換器2在其升壓模式中的操作。在此升壓模式中，控制邏輯(未展示)使開關(guān)SW2在所有時間保持?jǐn)嚅_，且使開關(guān)SWl在所有時間保持閉合。此控制邏輯還控制開關(guān)SW3及SW4以互補方式斷開及閉合，通常在轉(zhuǎn)變之間具有空載時間以避免短路情形。在操作中，在循環(huán)的其間開關(guān)SW3閉合且開關(guān)SW4斷開的那些部分期間從輸入端子IN激勵電感器4。在循環(huán)的其間開關(guān)SW4閉合且開關(guān)SW3斷開的相反部分期間，將由電感器4存儲的能量遞送到電容器6及負載LD，從而提升輸出端子OUT處的電壓。開關(guān)SW3、SW4的工作循環(huán)確定輸出端子OUT處的電壓；輸出電壓Vout的所要電平通常高于輸入端子IN處的電壓，如此項技術(shù)中已知。
[0013]相反地，圖2b圖解說明電壓轉(zhuǎn)換器2在其降壓模式中的操作。在此模式中，控制邏輯使開關(guān)SW4保持閉合且使開關(guān)SW3保持?jǐn)嚅_，同時開關(guān)SWl及SW2以互補方式被切換斷開及閉合，再次強制空載時間以避免短路。在例如開關(guān)SWl閉合且開關(guān)SW2斷開的時間期間，由來自輸入端子IN的電流激勵電感器4。相反地，在例如開關(guān)SWl斷開且開關(guān)SW2閉合的時間期間，將由電感器4存儲的電流施加到負載LD。電容器6有效地作為濾波電容器操作，從而減少負載LD處的輸出電壓Vout中的紋波。再次，開關(guān)SW1、SW2的工作循環(huán)確定輸出端子OUT處的電壓；在電壓轉(zhuǎn)換器2的此降壓模式操作中，所要輸出電壓通常低于輸入端子IN處的電壓。
[0014]然而，在圖2b的降壓配置中，只要電力轉(zhuǎn)換器2在此模式中操作，實施開關(guān)SW4的功率FET便閉合，從而呈現(xiàn)直接在電感器4與負載LD之間的高電流路徑中的電阻。特定來說，在其中啟用升壓模式操作(圖2a)達僅短暫時間周期(例如在系統(tǒng)通電期間)(且其中負載LD的電流要求通常相當(dāng)?shù)?的電力轉(zhuǎn)換器2的應(yīng)用中，電力轉(zhuǎn)換器2將主要在降壓配置中操作。在降壓模式中穿過實施始終閉合的開關(guān)SW4的功率FET的電阻損耗可為相當(dāng)顯著的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的實施例提供一種可在減壓(“降壓”)及增壓(“升壓”)模式中操作且其中比常規(guī)電壓轉(zhuǎn)換器顯著減少電阻損耗的開關(guān)模式DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器。
[0016]本發(fā)明的實施例提供其中不再需要時最小化升壓模式切換的此電壓轉(zhuǎn)換器。
[0017]本發(fā)明的實施例提供在其增壓與減壓操作模式之間提供平滑轉(zhuǎn)變且反之亦然的此電壓轉(zhuǎn)換器。
[0018]參考以下說明書連同其圖式的所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將明了本發(fā)明的實施例的其它目標(biāo)及優(yōu)點。
[0019]本發(fā)明的實施例可實施為一種包含并聯(lián)連接于輸入端子與輸出端子之間的降壓轉(zhuǎn)換器級及電荷泵級的電壓轉(zhuǎn)換器。所述電壓轉(zhuǎn)換器包含控制電路，所述控制電路在輸出電壓達到第一輸出電壓電平后即刻停用所述電荷泵級且控制所述降壓轉(zhuǎn)換器級以將所述輸出電壓電平調(diào)節(jié)為高于所述第一輸出電壓電平的第二輸出電壓電平。
【附圖說明】
[0020]圖1是常規(guī)降壓-升壓電壓轉(zhuǎn)換器的呈示意形式的電路圖。
[0021]圖2a及2b是圖1的常規(guī)降壓-升壓電壓轉(zhuǎn)換器當(dāng)分別在單獨的升壓及降壓模式中操作時的呈示意形式的電路圖。
[0022]圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例的電壓轉(zhuǎn)換器的呈框形式的電路圖。
[0023]圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的電壓轉(zhuǎn)換器的呈示意形式的電路圖。
[0024]圖5是圖解說明根據(jù)本發(fā)明的實施例的圖3及4的電壓轉(zhuǎn)換器的操作的電壓轉(zhuǎn)移曲線圖。
【具體實施方式】
[0025]將結(jié)合本發(fā)明的實施例(即，實施為在集成電路中實現(xiàn)的開關(guān)模式DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器)來描述本發(fā)明。應(yīng)理解，以下描述僅以實例方式提供且并不打算限制所主張的本發(fā)明的真實范圍。
[0026]圖3在一般意義上圖解說明根據(jù)本發(fā)明的實施例的開關(guān)模式DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器10的構(gòu)造。如上文所提及，預(yù)期電壓轉(zhuǎn)換器10將通常以一般連同其它功能一起嵌入于較大規(guī)模集成電路內(nèi)的單片集成電路來實現(xiàn)，但替代地實施為獨立集成電路?；蛘撸A(yù)期電壓轉(zhuǎn)換器10的組件中的一些或全