CN1711672A - 功率变换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种功率变换器，功率变换器包括一个电感器6，用于接收来自电源1的能量，并且将输出电容器7连接到所说的电感器6，用于提供输出电压。为了保证迅速补偿在使用几个输出电容器的电压输出端的负载的减小，建议安排一个附加的电流通路11、12，它与所说电感器6或者所说电容器7并联连接，附加的电流路径11、12可以是开路的或者是闭路的。流过附加电流路径11、12的电流在附加电流路径11、12开路时基本上立即达到期望值。而且，提供反馈装置，以使当所说输出电压达到预定的最大值时附加电流路径11、12开路。本发明同样地涉及一种相应的方法。

Description

功率变换器

技术领域

本发明涉及一种功率变换器，功率变换器包括从电源接收能量的一个电感器，并且将提供输出电压的输出电容器连接到所说的电感器。本发明同样地涉及操作这种功率变换器的方法。

背景技术

这种类型的功率变换器在本领域中是公知的。它们例如包括常规的补偿变换器(buck converter)，这种变换器例如用于直流-直流的下变换器(down-conversion)。

补偿变换器包括：串联连接的一个电感器和一个用作输出滤波器的电容器，和切换装置，切换装置用于连接所说的这个串联连接与一个直流电压源。对于切换装置进行控制，以便在输出电容器的两端可以获得期望的输出电压。这样，输出电容器就可以为负载提供经过调节的电压输出。

对于补偿变换器发生的一个公共的问题是在输出端的电压纹波，通常通过增加输出电容器的数目来减小这些电压纹波。然而，所需的大量的输出电容器使输出滤波器成为这种电源的最昂贵的部件之一。

虽然可以使用补偿变换器，以此作为单个变换器，但是在所谓的多相变换器中还可以使用多个补偿变换器。多相变换器的原理允许在稳态条件下减小输出电压纹波。这样，通过使用多相变换器就可能减小输出电容器的数目。

还有，补偿变换器的输出端的电压纹波主要是由与负载的过渡状态有关的电压降和跳变确定的。在负载电流减小时增加输出电压的理由是存储在补尝电感器(buck inductor)中的能量。这个能量传递到输出电容器，这也是发生在多相变换器中的情况。因此，减小由特定的应用场合确定的负载电流的负载阶跃(load steps)确定了保持在所允许的电压容差之内所需要的输出电容器的数量和类型。

对于高速数字集成电路，像用于个人计算机的高端奔腾^处理器，补偿变换器可具体用于直流-直流下变换器。尤其是高速数字集成电路表现出极其陡峭的负载瞬变特性。同时，这些集成电路的技术规范要求极其苛刻的电压容差限制值。高速数字集成电路的电源电压明显趋向于较低的电压，在不久的将来可达到小于1.5伏。这样，对于这样的高速应用，电压控制具有特殊的重要性。

还有，其它类型的常规的变换器需要大数量的昂贵的电容器来保持输出电压在可接受的限制范围之内。

在专利申请WO01/59917中，建议使用由第一电感器和第二电感器彼此并联连接组成的一个电感。包括第二电感器的支路此外还包括一个开关，这个开关只在负载瞬变期间才闭合。这个解决方案使电压纹波减小，但由于电感器的特性，反应的时间相当地慢，因为通过这个支路的电流的建立十分缓慢。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种功率变换器，它的电容器的数目减小，这就迅速地补偿了在变换器的电压输出端的负载的减小。

提出一种功率变换器，它包括一个电感器，用于接收来自电源的能量，并且将输出电容器连接到电感器，用于提供输出电压。进而，提出的功率变换器包括一个附加的电流通路，所说的电流通路或者与电感器并联连接或者与电容器并联连接。附加的电流路径可以是开路的或者是闭路的。形成所说的附加的电流路径，以使流过它的电流在附加的电流路径开路时基本上立即达到期望值。而且提供反馈装置以使当输出电容器两端的输出电压达到预定的最大值时附加的电流路径开路。反馈装置可以(不是必须)包括用于控制附加的电流路径的处理装置。

况且，还提出一种对应的方法。

本发明考虑的出发点是，通过在负载减小期间清除存储在电感器中的能量，可以减小输出电容器的数目。按照本发明，通过使用附加的电流路径或者瞬态分路(transient shunt)，可以清除存储的能量。所提出的瞬态分路允许变换器中的输出电容器的数量减至最小，因为消除了由于负载的减小引起的负载阶跃的影响。

因此，本发明的一个优点是，它能够减小电容，一直减到或者由导通瞬态确定的或者由正常操作确定的限制值。

与按照文献WO01/59917的解决方案相比，所提出的功率变换器还能够对所连接的负载的已经检测到的减小作出立即的反应。因为提供一个确定的附加电流路径，而不是附加的电感器，所以这种补偿并不会经受像文献WO01/59917那样的由于经过电感器的电流的逐渐增加而引起的延迟。

本发明的优选实施例在从属权利要求中变得显而易见。

附加电流路径可以包括能够提供可控阻抗并因此能够提供确定的电流路径的任何部件，所说确定的电流路径即可以立即建立电流的路径。附加电流路径具体来说可以是一个低阻抗路径或者包括一个电流源。

在一个实施例中，附加电流路径可以只是开路和闭路的，例如，在预定的时间是开路的，或者一直到在输出电容器上达到预定电压之前是开路的。在后一种情况下，可实现滞后。

在另一个实施例中，附加电流路径除了在开路时以外都是可以调节的，例如根据通过电感器的电流或者根据电容器两端的电压进行这种调节。

本发明还可以用于补偿负载的任何减小，即，用于负载的部分减小与应用于负载完全断开的情况一样地好。

本发明还可以应用到各种类型的功率变换器。例如，本发明可以应用到补偿变换器，但也同样可应用到其它的下变换器、升压变换器、以及其它种类的上变换器(up-converters)，还可以应用到组合的升压变换器/补偿变换器和其它类型的组合的上/下变换器。

本发明对于单个变换器的应用与对于多相变换器的应用一样地好。

本发明具体来说可应用到所有的高速集成电路的负载点的直流-直流变换器，当前尤其是可应用到像奔腾^那样的处理器芯片和数字信号处理器(DSP)。

下面参照附图并借助于实例描述本发明。

附图说明

图1是按照本发明的一个补偿变换器的电路图，其中表示出附加电流路径的两个不同的可能位置；

图2是按照本发明的一个补偿变换器的第一实施例的电路图，其中在附加电流路径中使用一个电流源；

图3是按照本发明的一个补偿变换器的第二实施例的电路图，其中使用低阻抗路径作为附加电流路径；

图4是按照本发明的一个补偿变换器的第三实施例的电路图，其中使用低阻抗路径作为附加电流路径。

具体实施方式

图1是按照本发明的另一方面的补偿变换器的基本电路图，其中表示一个附加电流路径的可能的位置。

补偿变换器包括电压源1。电压源1的第一端连接到第一MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)2的漏极D1，电压源1的第二端连接到地。第一MOSFET2的源极还连接到第二MOSFET3的漏极D2。第二MOSFET3的源极S2连接到地。对应的二极管4、5并联连接到两个MOSFET2、3中的每一个。MOSFET2、3的对应的栅极G1、G2连接到一个控制单元(未示出)，控制单元负责切换MOSFET2、3。

此外，将电感器6的第一连接部分连接在第一MOSFET2的源极S1和第二MOSFET3的漏极D2之间。电感器6的第二连接部分连接到输出电容器7的第一连接部分。输出电容器7的第二连接部分连接到地。

可将在输出电容器7两端的电压作为经过调节的电压源提供给负载。通过借助于控制单元调节MOSFET2、3的切换，就可以调节输出电压。

按照本发明，所提供的附加电流路径11、12与电感器6并联和/或与电容器7并联。无论何时连接到输出电容器7的负载断开，这个附加电流路径都是开路的。借此，可以经过附加电流路径清除存储在电感器6中的能量。由箭头表示在可能的附加电流路径上电流的方向。

图2提供按照本发明的一个补偿变换器的第一实施例，其中包括一个附加电流路径。所说的补偿变换器对应于以上参照附图1描述的补偿变换器，对于对应的部件使用相同的标号。这里，还要描述一下连接到输出电容器7的负载8。为了提供图1的附加电流路径12，一个可控的电流源22与输出电容器7并联连接。对于电流源22进行安排，使其能在地的方向提供一个附加电流。电流源22的控制输入端连接到反馈装置。反馈装置构成与补偿变换器的电压输出端连接的连接部分，反馈装置可以包括控制单元。

只要负载8接通，包括可控的电流源22在内的电流路径就不是开路的，补偿变换器的操作就像一个常规的补偿变换器那样。然而，一旦负载8断开，可控的电流源22就受到了激励，从而可以减小电感器6中的能量。断开负载8导致输出电容器7上的电压的增加。因此，无论何时输出电压达到预定的与应用有关的最大限制值时，反馈装置就通过激励电流源22使附加电流路径开路。

一旦电流源22受到激励，就可以通过输出电压来调节电流源22，以使输出电压维持在一个预定的限制值，这个输出电压是与将进入电容器7的电流调节为零的输出电压相同的。按照另一种方式，可以调节电流源22，使其等于电感器6的电流，从而可以将进入电容器7和负载8的组合的电流调节为零。在另一个可替换的实施例中，可以通过电流源22扣除一个固定量的电流。这个固定量的电流必须等于或大于当达到输出电压的预定限制值时剩余的最坏情况下的最大电感器电流。在一定的时间可以抽取电流，这就是说，不仅从电感器6抽取一定量的能量，而且从电容器7也要抽取一定量的能量。一直到输出电压下降到低于一定的数值，都可抽取电流。借此，可实现电流的滞后控制。

图3提供按照本发明的补偿变换器的第二实施例，其中包括一个附加电流路径。这个补偿变换器再一次对应于参照附图1描述的补偿变换器，相同的标号用于对应的部件。负载8再一次地连接到输出电容器7。为了提供图1的附加电流路径12，将一个可变电阻器32并联连接到输出电容器7。借此，实现了一个低阻抗路径，即附加电流路径。与图2的实施例类似，当输出电容器7上的电压达到预定值时，附加电流路径是开路的。控制可变电阻器32的方式有几种，就像对于图2的电流源22描述的那样。可变电阻器32的控制输入端连接到反馈装置，通过减小可变电阻器32的电阻，可以使电流路径开路。反馈装置再一次构成一个与补偿变换器的电压输出端连接的连接部分，并且反馈装置可以包括控制单元。

对于输出电压的滞后控制，例如可以利用具有一定导通电阻的MOSFET来实现电阻器32。当在输出电容器7上达到预定的电压限制值时，这个MOSFET导通。对于这个电压限制值进行设定，以使当负载8断开时可以达到这个电压限制值。结果，整个的电感器电流通过这个导通电阻分流。这个导通电阻必须足够地小以便在所有的情况下都可以分流。这样，在一般情况下，还有电流通过MOSFET从输出电容器7流出。当电压下降到低于某个第二预定阈值的时候，MOSFET再一次地断开。在电感器中的剩余电流将要开始再一次地给输出电容器7充电，最终导致附加分流的作用。

图4提供按照本发明的补偿变换器的第三实施例，其中包括一个附加电流路径。这个补偿变换器再一次对应于参照附图1描述的补偿变换器，相同的标号用于对应的部件。负载8再一次地连接到输出电容器7。为了提供图1的附加电流路径11，将一个可变阻抗并联连接到电感器6上。这样，再一次地实现了一个低阻抗路径，即附加电流路径。

可变阻抗是用MOSFET41和两个二极管42、43实现的，二极管43是MOSFET41的体二极管。串联连接的两个二极管42、43并联连接到电感器6上。两个二极管的正向方向彼此相反。MOSFET41并联连接到二极管43，二极管43的正向方向在输出电容器7的方向。更加具体地说，MOSFET41的漏极D3连接到距输出电容器7较近的二极管43的连接部分，而MOSFET41的源极S3连接到距输出电容器7较远的二极管43的连接部分。MOSFET41的栅极G3连接到反馈装置。反馈装置构成与补偿变换器的电压输出端连接的连接部分，反馈装置可以包括控制单元。

当输出电压达到预定值时，通过反馈装置向MOSFET41的栅极G3施加一个电压。借此，电感器6利用经过MOSFET41和二极管42的特定电阻在一个方向短路。这样，电感器电流就开始循环。由于在MOSFET41和二极管42中的损耗，扼流圈中的能量减小。如果电流降到零，则在MOSFET41和二极管42中消耗掉整个的能量。

在负载8再一次接通并且因此再一次地需要能量的情况下，当电流仍旧在循环流动时，可以使用剩余能量开始为负载8供电。为此，可以将二极管42实施为肖特基二极管，或者通过另一个低欧姆的MOSFET来实施二极管42。这样，可以减小电感器电流的衰变，并且更多的电流将保存在电感器中以便再一次地向负载8提供。在负载8再一次接通的情况下，另一个MOSFET导通，同时MOSFET41仍旧导通，导致在相反方向的一个附加短路。此外，在负载8再一次迅速导通的情况下，这样一个另外的MOSFET可能会导通。

要说明的是，已经描述的本发明的实施例只是各种各样可能的实施例中的某一些。还应该理解，本发明的任何已提供的实施例都可以按照许多方式进行改变和补充。

Claims (10)

1.一种功率变换器，包括一个电感器，用于接收来自电源的能量，并且将输出电容器连接到所说的电感器，用于提供输出电压，

其特征在于还包括：

一个附加的电流通路，它与所说电感器和所说电容器中的一个并联连接，附加的电流路径可以是开路的或者是闭路的，其中：形成所说的附加的电流路径，以使流过所说附加电流路径的电流在所说附加电流路径开路时基本上立即达到期望值；而且

反馈装置，以使当所说输出电容器两端的所说输出电压达到预定的最大值时附加电流路径开路。

2.根据权利要求1所述的功率变换器，其中：所说的附加电流路径包括一个可控的电流源。

3.根据权利要求1所述的功率变换器，其中：所说的附加电流路径是一个低阻抗路径。

4.根据权利要求3所述的功率变换器，其中：所说的低阻抗路径包括一个电阻器。

5.根据权利要求1所述的功率变换器，其中：所说的反馈装置使所说的附加电流路径开路预定的时间。

6.根据权利要求1所述的功率变换器，其中：当达到第二预定的输出电压时，所说的反馈装置闭合已经开路的附加电流路径。

7.根据权利要求1所述的功率变换器，其中：所说的反馈装置根据所说的输出电压控制开路的附加电流路径。

8.根据权利要求1所述的功率变换器，其中：所说的反馈装置根据通过所说电感器的电流控制开路的附加电流路径。

9.根据权利要求1所述的功率变换器，其中：所说的功率变换器是由补偿变换器、升压变换器、和补偿/升压变换器构成的组中的一种。

10.一种用于控制功率变换器的方法，功率变换器包括一个电感器，用于接收来自电源的能量，并且将输出电容器连接到所说的电感器，用于提供输出电压，所说的方法包括如下步骤：当所说输出电容器两端的所说输出电压达到预定的最大值时，使与所说电感器和所说电容器之一并联连接的一个可控的附加电流路径开路，从而使对应的期望电流基本上立即地流过所说的附加电流路径。