专利名称：用于两个输出电压的功率变换和调节的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及电子电路，更具体的说，本发明涉及具有功率调 节的电路。
背景技术：
电气设备需要有电力才能工作。许多电气设备都使用开关模式的功 率变换器来供电。 一些开关模式的功率变换器设计为能够提供多个输出
电压。这种类型的功率变换器所面对的一个挑战是提供正和负DC输出电 压。已知的这种类型的功率变换器通常依靠齐纳二极管的固定值来设置 输出电压。在许多这种电路中，齐纳二极管传导一个负载中大部分的电 流，甚至传导全部电流。在这些已知电路的齐纳二极管中的功率损失会导 致效率的降低，这在很多应用中是不能接受的。
参考附图对本发明的非限制性的和非穷尽的实施例进行描述，其中 各个附图中相同的附图标记表示相同的部分，除非有另外的说明
图1是根据本发明的教导所概括的具有参考输入返回的正和负输 出的功率变换器或开关调节器的实例的工作原理图2是根据本发明的教导所概括的包括用于调节输出电压的分流 调节器实例的功率变换器的示意图3是根据本发明的教导所概括的包括用于调节输出电压的分流 调节器另一实例的功率变换器的示意图4是根据本发明的教导所概括的包括用于调节想得到的输出电 压的分流调节器电路实例的功率变换器的示意图5是根据本发明的教导所概括的包括用于调节想得到的输出电 压的温度补偿的分流调节器电路实例的功率变换器的示意图6是根据本发明的教导所概括的包括用于调节想得到的输出电 压的温度补偿的分流调节器电路另一实例的功率变换器的示意图7是根据本发明的教导所概括的更详细的功率变换器实例的示
意图8是根据本发明的教导所概括的另一功率变换器实例的示意图。
具体实施例方式
这里公开了关于电源调节器的实例。在下面的描述中，给出了很多具 体的细节以使本发明可以得到透彻的理解。但对本领域的技术人员来说显 然的是，实现本发明并不需要使用这些具体的细节。对于实施本发明的公 知的方法没有进行详细的描述，以避免使本发明变的混乱。
整个的说明书中，提到"一个实施例"、"实施例"、"一个实例" 或"实例"，则表示，在本发明的至少一个实施例或实例中包括了结合 实施例所描述的特别的特征、结构或特性。因此，说明书许多地方出现 的短语"一个实施例中"、"实施例中"、"一个实例中"或"实例中，，， 并不一定都指的是同一个实施例。而且，特别的特征、结构或特性可以 结合为例如 一 个或更多的实施例或实例中的任何合适的结合和/或再结 合。
接着讨论，根据本发明的教导， 一些实例的电源调节器利用开关模 式的功率变换，它能提供对于通用参考(即输入返回)的极性相反的两 个输出电压。所公开的电源调节器的实例可以用在不使用隔离变压器而 从较高的输入电压提供正和负直流(DC)输出电压的多种应用中。公开 的实例方法相对于其它已知的方法能够以更低的成本和更高的效率来提 供两个经调节的输出电压。公开的电源调节器和选择输出电压的方法相 对于需要在齐纳二极管中流过大电流以设置输出电压的已知的方法，可 以提供更大的灵活性。公开的电源调节器和方法的一些目标应用是，在 输入和输出之间不需要电化隔离(galvanic isolation)的应用，例如 多数家用电器的电源。
图1是根据本发明的教导所概括的具有分别参考输入返回(input return)的正和负输出160和165的功率变换器或开关调节器100的实 例的工作原理图。如图所示，DC输入电压Vd05耦合到由控制电路170 控制的开关S,115。在各个实例中，控制电路17 0包括能使用多种开关技 术中的任何一种或多种的电路系统(circuitry),该开关技术包括恒频 脉宽调制(P西)、变频P丽、开/关控制等其中的至少一种。控制电路
170还使用参考电压V,175来调节输出。能量转移元件，即图中的电感 器Ld25，耦合在开关SJ15和调节器电路100的输出之间。该实例中， 输出在图中表示为跨过负载阻抗ZJ50的输出电压V,160和跨过负载阻抗 Z2155的输出电压V2165。图中的电容器(M40跨过负载阻抗Z,150耦合， 电容器C2l45跨过负载阻抗Z2l55耦合。如图1的实例所示，输出每一个 都耦合到"l妻地端子，该"l妄地端子耦合到负载阻抗Z,150和负载阻抗 Zd55。
工作时，DC输入电压Vel05由响应控制电^各170的开关Sdl5的动 作或开关操作变换为跨过负载阻抗Z,150的输出电压Vd60和跨过负载阻 抗Zd55的输出电压V2165。为了便于解释，开关S,115在图1中只给出 了适合于在三个位置或设置(setting)中开关的单刀多掷开关。应当理 解开关S！115可以使用多种技术来实现，例如使用电路来提供所描述的 开关功能等。
如实例所示，开关S'115包括耦合到电感器125的端子，并能经耦 合设置在第一设置或位置G以提供传导通路使电感器125能接收电流 IcllO,或者在第二设置或位置F以提供传导通路使电感器125能接收电 流If120，或者在第三设置或位置X或者断开，这样电感器125没有耦合 来接收电流或电流If120。因此，当开关位于位置G时，电 感器中的电流与从输入电压Vd05所供给的输入电流 相同。如图所示，当开关S,115位于位置F时，电感器L,125中的电流
与从功率变换器的输出所获得的续流(freewheeling)电流If120 相同。当开关SJ15位于位置X时，电感器L125中的电流L130为零。
该实施例中，控制电路170持续并顺序地对开关Sdl5在位置G、 X 和F之间进行开关操作以根据参考电压Vm175的值调节一个输出。在一 个操作模式中，(连续的传导模式)开关S>115没有使用位置X。单个 调节的输出可以是Vd60， V2165,或二者的结合。跨过功率变换器100 的输出耦合的分流电路180使用另一个参考电压V,185。分流电路180 可以增大或减小电流L135或电流Id37以调节另外的输出。
工作时，开关S,115的开关操作产生电流II130， L110和If120， 它们包含三角形或梯形的成分。电容器Cjl40和(M45分别过滤电流lLl30 和If120,这会产生相应的DC输出电压V,16()和V2165,输出电压V,160 和Vd65具有相对于它们的DC值的小的交流(AC)变化。具有分流电路
180的负载阻抗ZJ50和Zd55从各自的输出电压VJ60和V2165产生电 流L135和电流L137。
对于图1的调节器，可以控制开关Sdl5来只调节单个的输出电 压，因为控制器170只有一个参考电压Vm170。没有使用其它的调节方 法，另一输出电压会随着电流和L137而改变，电流L135和I2137 随负载阻抗Z,160和Z2165的改变而变化。要调节多于一个的输出电压， 则需要另一个调节器以响应输出电压V！160和V2165的改变来改变电流 L135和l2137。该实例中，图中的控制电if各170具有三个输入，包括耦 合到负载阻抗Zd5Q末端的输入，耦合到负载阻抗Z2155末端的输入和耦 合到接地端子的输入。
功率变换器或电源调节器IOO的一个实例中，不包括控制电路170 或者替换控制电路170，以适合于以固定模式对开关进行开关操 作，这会产生未调节的输出电压V'160或V2165。这个实例中，当跨过电 感器L'125的电压等于输入电压V。105和输出电压V,160的差时，通过电 感器L125的电流Il130会増大，这是当开关S,115位于位置G时所产生 的现象。继续这个实例，当跨过电感器L125的电压等于输出电压V,160 和输出电压V2165的和时，通过电感器L!125的电流L130会减小，这是 当开关S,115位于位置F时所产生的现象。
图2概括地给出了功率变换器或电源调节器200，它包括耦合来通 过响应负载阻抗Z2155上的输出电压V2165以给负载阻抗Z,150的负载电 流In235增加或多或少的电流来调节输出电压V2165的分流调节器205。 该实施例中，根据本发明的教导，分流调节器205响应输出电流U35 和L2240的改变而独立改变电流L135从而调节想得到的输出电压 Vd65。输出电流Iz,235和I"240可以响应各自的负载阻抗Z,和Zz的改变 而改变，或响应输入电压Vd05的改变而改变。工作时，如果负载阻抗 Z,150不足以调节想得到的输出电压V2165,那么分流调节器205会只增 加负载Z,150中的电流。图2的实例中，电源调节器200包括图1中的电 源调节器IOO,还包括具有参考电压^m185的分流调节器205以实现分 流电路180的功能。如图2所示，控制电路170对开关进行开关 操作，以调节输出电压V。245，输出电压V。245是V!160和Vd65的和。
该实施例中，分流调节器205包括跨导放大器225,跨导放大器225 产生来自跨过负载阻抗Z, 15 0耦合的电流源I训25 0的单向电流以调节跨
过负载阻抗Z2155的输出电压Vd65。由于控制器170调节V,160和V2165 的和，因此，分流调节器205对V2165的调节也会调节V,160。根据本发 明的教导，工作时，如果负载的改变使电流I"240减小，控制电路170 会更改开关S'的开关操作以调节输出电压V。245的值。然后，电流源 1则250会减小以维持输出电压V,160和V"65处于由参考电压V,185所 确定的值。如果负载阻抗Z,160的改变使电流In235减小，电流源1^250 会响应输出电压V2165的减小而增大以调节输出电压V,160和V2165。各 个实例中，分流调节器205包括在集成电路中。
图3概括地给出了功率变换器或电源调节器300,它包括耦合来通 过响应负载阻抗Zd50上的输出电压V,160以^^负载阻抗Z2150的负载电 流Iz2240增加或多或少的电流来调节输出电压Vd60的分流调节器305。 该实施例中，根据本发明的教导，分流调节器305响应输出电流1^235 和1"240的改变而独立改变电流L137从而调节想得到的输出电压 Vd60。输出电流In235和IZ2240可以响应各自的负载阻抗Z,和Z"勺改变 而改变，或响应输入电压Vd05的改变而改变。工作时，如果负载阻抗 Z2150不足以调节想得到的输出电压V,160,那么分流调节器305会只增 加负载Z2155中的电流。图3的实例中，电源300包括图1中的电源调 节器IOO，还包括具有参考电压V,32Q的分流调节器305以实现具有参 考电压V,185的分流电路180的功能。如图3所示，控制电路170对开 关Sj115进行开关操作，以调节输出电压v。245，输出电压v。245是v,160 和V2165的和。
该实施例中，分流调节器305中包括的跨导放大器325产生来自跨 过负载阻抗Z2155耦合的电流源1，350的单向电流以调节跨过负载阻抗 Z,15()的电压V,160。由于控制器170调节V,160和V2165的和，因此，分 流调节器305对V,160的调节也会调节V2165。根据本发明的教导，工作 时，如果负载的改变使电流IZ1235减小，控制电路170会更改开关S,的 开关操作以调节输出电压V。245的值。然后，电流源1，350会减小以维 持输出电压v,160和v2165处于由参考电压v,332 0所确定的值。如果负 载阻抗Z2165的改变使电流In240减小，电流源1^350会响应输出电压 V,160的减小而增大以调节输出电压V,160和V2165。各个实施例中，分 流调节器305包括在集成电路中。
优选的是，分流调节器205或305应调节需要较紧密调节的输出电
压。因此，当电压V2165比电压VJ60需要更紧密的调节时，图2的实例 是优选的，当电压V,160比电压V2l65需要更紧密的调节时，图3的实例 是优选的。
图4概括地给出了具有分流调节器2 05的一个实例的功率变换器或 电源调节器400,分流调节器205使用了电阻器RW15、齐纳二极管420 和NPN晶体管405。齐纳二极管420在NPN晶体管405的基极设置参考 电压V附2。电阻器R！415给齐纳二极管420和NPN晶体管405的基极提供 电流。图4的实例中，调节电压V。2425使其等于由NPN晶体管405的基 极到发射极电压VBE所减小的电压V,。由于基极到发射极电压随温度而 改变，输出电压V。i410和V。2425也随温度而改变。
图5概括地给出了具有分流调节器205的另 一个实例的功率变换器 或电源调节器500，分流调节器205在图4的实例电路的基础上增加了 NPN晶体管550。图5的实例中，在所有的温度范围内晶体管550的基极 到发射极电压基本上都等于晶体管405的基极到发射极电压。因此，图 5的实例中的输出电压V"25经调节等于来自齐纳二极管420的电压 V隨2，基本上不随温度而改变。优选的是，对于最佳温度补偿NPN晶体管 405和550相同。
图6概括地给出了图3采用的分流调节器305的实例和图5的温度 补偿技术的功率变换器或电源调节器600。图6中，齐纳二极管620根据 通过电阻器和PNP晶体管650的电流建立了参考电压V隱3。另一个 PNP晶体管605实现图3中的电流源ISH235 0的功能。优选的是，对于最 佳温度补偿PNP晶体管605和650相同。
图4、图5和图6的实例中，双极晶体管405、 550、 605和650都 只包括单个的晶体管。但本发明的教导并不限于单个的晶体管，根据本 发明的教导，可以给双极晶体管405、 550、 605和650增加另外的晶体 管或其它的电路元件，例如达4木顿(Darlington)晶体管对等，以实现 想得到的电路性能。
图7示意性概括地给出了具有更多细节和可选元件的图5的功率变 换器或调节器的一个实例。尤其是，图7的实例给出了包括二极管DJ10 和晶体管的开关S,115。晶体管745包括在具有控制电路74Q和参考 电压V,的集成电路705中，为了不使本发明由于不必要的细节而变得 混乱，图中没有给出参考电压V,。该实例中，集成电路705可以是加利
福尼亚州的圣荷塞(San Jose, CA)的Power Integration公司生产的 LNK304。该实例中，集成电路705耦合在DC输入电压V。105和电感器 之间。另一个实例中，根据本发明的教导，不包括集成电路705，晶体 管745是一个分立的金属氧化物半导体(M0SFET)或双极晶体管，控制 电路740是分开的控制器。电容器CJ35是耦合到集成电路705的BP端 子的旁路电容器，用于集成电路705的操作。该实例中，控制电路740 接收与电容器C口30上的输出电压V。成比例的信号。当开关115中的二 极管D!710传导续流电流1"20的时候，电容器CJ30充电到约等于输出 电压V"IO和V。2425的和。工作时，在二极管导电的时候，二极 管DJ10自动将开关Sdl5配置到位置F,在二极管不导电的时候， 则配置到位置G或X。可选的电阻器R575 0减少NPN晶体管405中的功率 消耗，也限制NPN晶体管405中的电流。如果去掉负载阻抗Z,150和 Z2155,则电阻器RJ55和R7760给输出提供最小的负载。
图8示意性概括地给出了具有单个的电容器C5810的图7的功率变 换器或调节器，电容器C5810跨过输出耦合以代替前面描述的两个电容 器(M40和G145从而减少电源的成本。
在前面的详细的描述中，参考具体的实例或实施例描述了本发明的 方法和装置。然而，显然的是在不脱离本发明更广的精神和范围内，可 以进行各种修改和改变。说明书和附图只是用于说明而不是用于限制发 明。
权利要求
1.一种功率变换器，包括在功率变换器输入与第一和第二功率变换器输出之间耦合的能量转移元件；在功率变换器输入和能量转移元件之间耦合的开关；耦合到开关以控制开关的开关操作从而产生在第一功率变换器输出处的第一输出电压和在第二功率变换器输出处的第二输出电压的控制电路，其中响应第一电压参考而对第一和第二输出电压的和进行调节，响应第二电压参考而对第二输出电压进行调节，其中当跨过能量转移元件的电压等于在功率变换器输入处的输入电压和第一输出电压之间的差的时候能量转移元件中的电流经耦合而增大，其中当跨过能量转移元件的电压等于第一和第二输出电压的和的时候能量转移元件中的电流经耦合而减小。
2. 如权利要求1所述的功率变换器，还包括跨过第一功率变换器输出耦合以响应第二电压参考而对第二输出电压进行调节的分流电 路。
3. 如权利要求2所述的功率变换器，还包括耦合到分流电路以提供第二电压参考的齐纳二极管。
4. 如权利要求1所述的功率变换器，其中能量转移元件包括电感器。
5. 如权利要求l所述的功率变换器，还包括跨过第一功率变换器输出耦合的第一电容器和跨过第二功率变换器输出耦合的第二电容器。
6. 如权利要求1所述的功率变换器，还包括跨过第一和第二功率变换器输出耦合的第一电容器。
7. 如权利要求1所述的功率变换器，其中第一和第二功率变换器输出耦合到共同的接地端子。
8. 如权利要求1所述的功率变换器，其中当跨过能量转移元件的电压等于在功率变换器输入处的输入电压和第一输出电压之间的差的时候，能量转移元件中的电流经耦合而增加，这时开关经耦合以提供第 一传导通路；其中当跨过能量转移元件的电压等于第一和第二输出电压的和的时候，能量转移元件中的电流经耦合而减小，这时开关经耦合以 提供第二传导通路。
9. 如权利要求1所述的功率变换器，其中控制电路还包括使用恒 频脉宽调制(PWM)、变频P丽或开/关控制中的至少一种的电路系统。
10. 如权利要求3所述的功率变换器，其中分流电路包括单向的 跨导放大器，该单向的跨导放大器耦合到第一功率变换器的输出，以在 第 一 负载阻抗不足以调节输出电压的时候，增加第 一功率变换器输出处 的单向电流。
11. 如权利要求10所述的功率变换器，其中单向跨导放大器耦合 到第二电压参考。
12. 如权利要求2所述的功率变换器，其中分流电路包括在集成 电路中。
13. 如权利要求3所述的功率变换器，其中分流电路包括与跨过 第 一功率变换器输出耦合的第 一电阻器串联耦合的第 一双极晶体管。
14. 如权利要求13所述的功率变换器，其中分流电路还包括耦合 来根据第 一 晶体管上的温度消除压降的变化的热匹配双极晶体管。
15. 如权利要求1所述的功率变换器，其中开关经耦合设置在三 个设置之一，其中当开关在第一设置时，能量转移元件中的电流与从功 率变换器的输入所供给的输入电流相同，当开关在第二设置时，能量转 移元件中的电流与来自功率变换器输出的续流电流相同，当开关在第三 设置时，能量转移元件中的电流为零。
16. —种功率变换器，包括在功率变换器输入与第一和第二功率变换器输出之间耦合的能量 转移元件；在功率变换器输入和能量转移元件之间耦合的开关； 耦合到开关以控制开关的开关操作从而产生在第一功率变换器输 出处的第一输出电压和在第二功率变换器输出处的第二输出电压的控 制电路，其中响应电压参考而对第一输出电压进行调节，其中当跨过能 量转移元件的电压等于在功率变换器输入处的输入电压和第一输出电 压之间的差的时候能量转移元件中的电流经耦合而增大，其中当跨过能 量转移元件的电压等于第 一和第二输出电压的和的时候能量转移元件 中的电流经耦合而减小；以及跨过第二功率变换器输出耦合以响应电压参考而对第一功率变换器输出处的第 一 输出电压进行调节的分流电路。
全文摘要
本发明公开了一种电源变换器。根据本发明的装置包括电源变换器。功率变换器具有在功率变换器输入与第一和第二功率变换器输出之间耦合的能量转移元件。开关耦合在功率变换器输入和能量转移元件之间。控制电路耦合到开关以控制开关的开关操作从而产生在第一功率变换器输出处的第一输出电压和在第二功率变换器输出处的第二输出电压。响应第一电压参考而对第一和第二输出电压的和进行调节。响应第二电压参考而对第二输出电压进行调节。当跨过能量转移元件的电压等于在功率变换器输入处的输入电压和第一输出电压之间的差的时候能量转移元件中的电流经耦合而增大。当跨过能量转移元件的电压等于第一和第二输出电压的和的时候，能量转移元件中的电流经耦合而减小。
文档编号H02M3/10GK101207330SQ20071016113
公开日2008年6月25日 申请日期2007年12月18日 优先权日2006年12月18日
发明者A·B·奥德尔, M·乌切利, T·帕斯托尔 申请人:电力集成公司