专利名称：高效电力调节器和方法
技术领域：
本发明涉及有关非隔离dc-dc电力调节器的装置和方法，更具体而言，涉及有关包括保护或控制装置的非隔离dc-dc调节器的装置和方法。
背景技术：
为了提供所有类型的电信载荷，电信网络电力系统通常包括以下转换:ac-dc级转换(ac-dc stage converting),即，将电力从ac公用线路转换到48V的dc配电总线；以及dc-dc级转换(dc-dc stage converting),即，将48V的dc配电总线转换到多个电压电平。或者，可以通过隔离dc-dc转换器将48V的dc配电总线转换到低电压总线。此外，输入端耦合到低电压总线的多个下游非隔离dc-dc转换器可以根据电信网络电力系统的需要而产生多种电压电平。通常，dc配电总线可以具有相对较宽的电压范围。例如，dc配电总线在正常操作模式下可以具有36V到75V的范围。在瞬变过程中，dc配电总线的瞬变电压通常高达100V。为了优化配电系统，可以使用一个或多个非隔离电力转换器来减少配电总线电压的范围变化。非隔离dc-dc转换器可以通过使用不同的电力拓扑来实施，例如，降压型dc-dc转换器、升压型dc-dc转换器、降压-升压型dc-dc转换器、线性调节器等等。为了获得可靠的电信电力系统，可以将多种保护装置串联连接到非隔离dc-dc转换器，以构成非隔离dc-dc调节器。例如，η型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管等浪涌电流限制装置可以安置在输入电压总线与降压型dc-dc转换器之间。当降压型dc-dc转换器接入输入电压总线时，浪涌电流限制装置通过缓慢开通NMOS晶体管来帮助减少流入dc-dc转换器的电流。同样地，反极性保护装置可以串联连接到dc-dc转换器。当极性发生反转时，反极性保护装置有助于阻止电流流入dc-dc转换器。按照惯例，这些保护开关安置在dc-dc转换器的主电力路径上。因此，保护开关可能承受dc-dc转换器的满电压和满电流应力。这种满电压和满电流应力可能会在dc-dc转换器中造成额外的电力损耗。
发明内容
本发明的优选实施例提供了用于获得高效非隔离dc-dc开关调节器的系统、结构和方法，这些优选实施例一般能解决或避开这些和其他问题，并且一般能获得技术优点。根据一个实施例，一种系统包括三端子转换器和保护装置。所述三端子转换器包括:第一端子，其耦合到输入电压总线；第二端子，其耦合到输出电压总线；以及第三端子，其耦合到保护装置的第一端子。所述保护装置包括浪涌电流限制元件和反极性保护元件。根据另一个实施例,一种调节器包括第一开关兀件；输入电容器，其稱合在输入电压总线的正极端子与回路点(return point)之间；输出电容器，其耦合在输出电压总线的正极端子与所述回路点之间；以及保护装置，其耦合在所述回路点与所述输入电压总线和所述输出电压总线的公共回路点之间。根据又一个实施例，一种方法包括将三端子转换器的第一端子连接到输入电压总线的正极端子；将所述三端子转换器的第二端子连接到输出电压总线的正极端子；将所述三端子转换器的第三端子连接到保护装置的第一端子；以及将所述保护装置的第二端子连接到所述输入电压总线和所述输出电压总线的公共回路。本发明的一个实施例的优点在于，能够减小dc-dc调节器的大小和电力损耗，从而改进电力系统的效率、可靠性以及成本。前述内容已相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便更好地理解下文中的本发明的具体实施方式
。下文中将描述本发明的额外特征和优点，其形成本发明的权利要求书的主题。所属领域的技术人员应了解，所揭示的概念和具体实施例可容易地用作修改或设计其他结构或过程的基础，以实现与本发明目的相同的目的。所属领域的技术人员还应意识到，此类等效构造不脱离所附权利要求书中所阐述的本发明的精神和范围。
为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考以下结合附图进行的描述，其中图1图示了根据一个实施例的高效电力调节器的框图；图2图示了图1中所示的保护装置102的五个实施例；图3图示了图1中所示的三端子转换器100的三个实施例；图4图示了根据一个实施例的三端子降压型dc-dc转换器以及保护装置的示意图；图5图示了根据另一个实施例的三端子升压型dc-dc转换器以及保护装置的示意图；图6图示了根据又一个实施例的三端子升压型dc-dc转换器以及保护装置的示意图；图7图示了根据又一个实施例的三端子降压-升压型dc-dc转换器以及保护装置的示意图；并且图8图示了根据又一个实施例的三端子降压-升压型dc-dc转换器以及保护装置的示意图。除非另有指示，否则不同图中的对应标号和符号通常指代对应部分。绘制各图是为了清楚地说明各个实施例的相关方面，因此未必是按比例绘制的。
具体实施例方式下文将详细论述当前优选实施例的制作和使用。然而，应了解，本发明提供可在广泛多种具体上下文中体现的许多适用发明性概念。所论述的具体实施例仅仅说明用以制作和使用本发明的具体方式，而不限制本发明的范围。
本发明的以下描述是针对具体上下文中的优选实施例，所述具体上下文也就是高效降压型dc-dc转换器。然而，本发明还可以适用于多种dc-dc转换器，包括降压型dc-dc转换器、升压型dc-dc转换器、降压-升压型dc-dc转换器、反激式转换器、正向转换器、半桥式和全桥式转换器等等。首先参看图1，图1图示了根据一个实施例的高效电力调节器的框图。所述高效电力调节器包括三端子转换器100和保护装置102。三端子转换器100可以是非隔离调节器的一部分，所述非隔离调节器包括降压型dc-dc转换器、升压型dc-dc转换器、降压-升压型dc-dc转换器等等。保护装置102可以包括多种电源保护功能，例如，浪涌电流限制、反极性保护等等。三端子转换器100具有:第一端子，其耦合到输入电压总线的正极端子；第二端子，其耦合到输出电压总线的正极端子；以及第三端子，其耦合到中间点Vm，即，保护装置102的一个端子。如图1中所示，保护装置102的其他端子耦合到输入电压总线的负极端子以及输出电压总线的负极端子。根据一个实施例，输入电压总线的负极端子以及输出电压总线的负极端子可以进一步耦合到大地。使得保护装置102耦合在中间点Vm与大地之间的一个有利特征在于，可以减少保护装置102处的电流应力以及电力损耗，从而能够提高图1中所示电力转换器的效率。图2图示了图1中所示的保护装置102的五个实施例。第一保护装置202包括以串联方式连接起来的第一 η型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管212和二极管214。如图2中所示，第一 NMOS晶体管212的源极连接到二极管214的阳极。以串联方式连接起来的NMOS晶体管212和二极管214构成了(图1中所示的)三端子调节器的保护装置。更具体而言，二极管214可以提供反极性保护，并且第一 NMOS晶体管212可以用作涌浪电流限制
>j-U ρ α装直。NMOS晶体管212用作慢启动开关，其由控制器(未图示)来控制。当输入电压突然施加到电力调节器上时 ，连接在输入电压与电力转换器之间的NMOS晶体管212可以缓慢地开通。这样一来，流过NMOS晶体管212的电流缓慢升高，这使得电力转换器的输入电压缓慢增大至它的正常电压。应注意，尽管图2所示的保护装置202采用NMOS晶体管212作为电流限制元件，但是所属领域的一般技术人员会想出许多变化、替代和修改方案。例如，保护装置202可以采用其他和替代性实施例中的电流限制元件，例如，负温度系数(NTC)热敏电阻、固定电阻器等等。保护装置202进一步包括反极性保护元件。所属领域中已知，二极管允许电流在正向上通过，但是能阻止电流在反向上流动。因此，当电力转换器接入具有反极性的输入电压总线时，包括二极管214的保护装置202可以阻止电流流入电力转换器，从而防止施加给电力转换器输入端的反向电压损坏电力转换器的内部电路。或者，可以用保护装置204中所示的第二 NMOS晶体管216来取代保护装置202的二极管214。通过关断第二 NMOS晶体管216，第二 NMOS晶体管216可以用作串联二极管。另一方面，当串联二极管在正向传导模式下操作时，已开通的NMOS晶体管216可以减少整个保护装置204的电压下降。用NMOS晶体管来取代串联二极管的有利特征在于，整个NMOS晶体管开通时的电压下降远小于串联二极管开通时的电压下降。这样一来，电力保护装置的效率可以得到进一步提高。应注意，尽管图2所示为使用NMOS晶体管216来取代串联二极管214，但是所属领域的技术人员会认识到，图2中所示的NMOS晶体管216只是一个实施例，并且其他装置也可以采用。例如，可以用P型金属氧化物半导体(PMOS)晶体管来取代串联二极管214。图2中所示的保护装置206是保护装置204的替代性实施例。通过交换保护装置204的第一 NMOS晶体管212与第二 NMOS晶体管216，可以构成保护装置206。应注意，可能有多种实施例能够实现保护装置206所提供的功能。例如，第一 NMOS晶体管212和第二NMOS晶体管216均可以由PMOS晶体管来取代。另外，第一 NMOS晶体管212或第二 NMOS晶体管216中的任一者可以被通过串联或并联方式连接起来的多个晶体管取代。图2还图示了第四保护装置208和第五保护装置210。如图2中所示，第四保护装置208包括第一 NMOS晶体管212。同样地，第五保护装置210包括二极管214。应注意，根据一个实施例，保护装置(例如，保护装置202)可以包括以串联方式连接起来的NMOS晶体管和二极管。然而，具有以串联方式连接起来的两个组件的保护装置仅仅是一个实例，而不应过度限制权利要求书的范围。所属领域的一般技术人员会想出许多变化、替代和修改方案。例如，电力调节器可以采用包括二极管(例如，保护装置210)或NMOS晶体管(例如，保护装置208)的保护装置。对保护装置中的组件数目进行限制仅仅是为了清楚地说明不同实施例的发明性方面。本发明不限于保护装置中的组件的任何特定数目。图3图示了图1中所示的三端子转换器100的三个实施例。第一三端子转换器302是降压型dc-dc转换器，所述降压型dc-dc转换器包括第一 NMOS晶体管SWl、第二 NMOS晶体管SW2、输入电容器Cl、输出电容器C2以及输出电感器LI。降压型dc-dc转换器的操作原理在所属领域中已为人们所熟知，因此本文本不再对其进行进一步的详细论述。第二三端子转换器304是升压型dc-dc转换器，所述升压型dc-dc转换器包括第一 NMOS晶体管SWl、第二 NMOS晶体管SW2、输入电容器Cl、输出电容器C2以及输出电感器LI。升压型dc-dc转换器304的用途为，对施加给第一 NMOS晶体管SWl的脉冲的宽度进行调制，从而提供高于输入电压的输出电压。升压型dc-dc转换器的操作原理在所属领域中已为人们所熟知，因此本文本不再对其进行进一步的详细论述。第三三端子转换器306是降压-升压型dc-dc转换器，所述降压-升压型dc-dc转换器包括降压型dc-dc转换器外加升压型dc-dc转换器。更具体而言，当降压-升压型dc-dc转换器306在升压模式下操作时，第一 NMOS晶体管SWl开通并且第二匪OS晶体管SW2关断。这样一来，电感器L1、第三NMOS晶体管SW3以及第四NMOS晶体管SW4构成了升压型dc-dc转换器，该转换器的系统配置与升压型dc-dc转换器304的系统配置相同。另一方面，当降压-升压型dc-dc转换器在降压模式下操作时，第四NMOS晶体管SW4开通并且第三NMOS晶体管SW3关断。这样一来，第一 NMOS晶体管SW1、第二 NMOS晶体管SW2以及电感器LI构成了降压型dc-dc转换器，该转换器的系统配置与降压型dc-dc转换器302的系统配置相同。图4图示了根据一个实施例的三端子降压型dc-dc转换器以及保护装置的示意图。所属领域中已知，根据降压型dc-dc转换器的操作原理，高边开关和低边开关是在互补模式下操作的。高边开关的传导时间与降压型dc-dc转换器的开关周期的比率被称作降压型dc-dc转换器的忙闲度。忙闲度由PWM控制器或类似装置来设定。为了将输出电压维持在预定电压处，当输出电压下降至低于预定电压时，高边开关接通并且低边开关断开，以使输入端通过接通的高边开关以及输出电感器对输出电容器进行充电。另一方面，当输出电压超过预定电压时，PWM控制器会断开高边开关并接通低边开关，从而使输出电压通过接通的低边开关以及输出电感器向大地放电。这样一来，I禹合到降压型dc-dc转换器的电子电路可以在载荷和温度发生波动的情况下接收到恒定的输出电压。在降压型转换器的稳态操作过程中，流入Vin+端子的输入dc电流等于从Vo+端子流出的电流与第一 NMOS晶体管SWl的忙闲度的乘积。如图4中所示，在稳态操作过程中流过保护装置204 (从底部流到顶部)的电流为，从Vo+端子流出的输出电流与流入Vin+端子的输入电流之间的差值。当输出电压接近降压型dc-dc转换器302的输入电压时，第一NMOS晶体管SWl的忙闲度会变得相对较高。因此，从Vo+端子流出的输出电流与流入Vin+端子的输入电流相差不大。这样一来，流过保护装置204的电流就远低于流入Vin+端子的输入电流。因而能减少保护装置204的电流应力以及电力损耗。总而言之，具有图4中所示保护装置202的一个有利特征在于，可以通过减少保护装置204处的电力损耗来提高电力调节器的效率。图5图示了根据另一个实施例的三端子升压型dc-dc转换器以及保护装置的示意图。类似于图4中的转换器以及保护装置，当升压型dc-dc转换器304在高忙闲度模式下操作时，相比于保护装置串联连接到升压型dc-dc转换器304的电力架构，保护装置202可以具有较低电流值。这样一来，可以减少保护装置202的电力损耗。图6图示了根据又一个实施例的三端子升压型dc-dc转换器以及保护装置的示意图。图6中的系统配置类似于图5中的系统配置，不同之处在于，保护装置202被保护装置204取代。所属领域的技术人员会认识到，保护装置202还可以由图2中所示的保护装置206来取代。图2中所示的各保护装置与图3中所示的各三端子调节器之间的任一组合均在本发明的范围之内。图7图示了根据又一个实施例的三端子降压-升压型dc-dc转换器以及保护装置的示意图。当降压-升压型dc-dc转换器306在具有高忙闲度的降压型dc-dc转换器模式下操作时，相比于保护装置串联连接到降压-升压型dc-dc转换器306的电力架构，保护装置204可以具有较低RMS电流值。同样地，当降压-升压型dc-dc转换器306在具有高忙闲度的升压型dc-dc转换器模式下操作时，相比于保护装置串联连接到降压-升压型dc-dc转换器306的电力架构，保护装置204可以具有较低电流值。这样一来，降压-升压型dc-dc转换器306的总效率可以提高。图8图示了根据又一个实施例的三端子降压-升压型dc-dc转换器以及保护装置的示意图。降压-升压型dc-dc转换器802的系统配置类似于图7中所示的降压-升压型dc-dc转换器306的系统配置，不同之处在于，降压-升压型dc-dc转换器802与负极电力系统(negative power system)相连接。更具体而言,输入端和输出端的公共回路的电压高于输入端或输出端中的任一者。负极电力系统的操作原理在所属领域中已为人们所熟知，因此，为了避免重复，本文本不再对其进行详细论述。将保护装置206连接在公共回路与中间点Vm之间的有利特征在于，当降压-升压型dc-dc转换器在高忙闲度模式下操作时，保护装置的电力损耗可以减少。虽然已详细地描述了本发明的实施例及其优点，但是应理解，可以在不脱离如所附权利要求书所界定的本发明的精神和范围的情况下对本发明做出各种改变、替代和更改。
此外，本申请案的范围不希望限于本说明书中所描述的过程、机器、制造工艺、物质成分、构件、方法和步骤的特定实施例。所属领域的一般技术人员容易从本发明的揭示内容中了解到，可根据本发明利用所执行功能或所实现结果均与本文本所描述的对应实施例大致相同的过程、机器、制造工艺、物质成分、构件、方法或步骤，包括目前存在的或以后将开发的。因此，所附权利要求书既定在其范围内包括此类过程、机器、制造工艺、物质成分、构件、方法或步骤。
权利要求
1.一种系统，包括: 三端子转换器，其包括: 第一端子，其耦合到输入电压总线； 第二端子，其耦合到输出电压总线；以及 第三端子，其耦合到保护装置的第一端子；以及 所述保护装置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述保护装置包括: 浪涌电流限制元件；以及 反极性保护元件。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述浪涌电流限制元件串联连接到所述反极性保护元件。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述浪涌电流限制元件是η型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管。
5.根据权利要求2所述的系统，其中所述浪涌电流限制元件是P型金属氧化物半导体(PMOS)晶体管。
6.根据权利要求2所述的系统，其中所述反极性保护元件是NMOS晶体管。
7.根据权利要求2所述的系统，其中所述反极性保护元件是PMOS晶体管。
8.根据权利要求2所述的系统，其中所述反极性保护元件是二极管。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述三端子转换器是降压型dc-dc转换器。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述三端子转换器是升压型dc-dc转换器。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述三端子转换器是降压-升压型dc-dc转换器。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述三端子转换器是经配置以采用负极电力进行操作的dc-dc转换器,所述系统包括: 所述保护装置，其耦合在所述输入电压总线和所述输出电压总线的公共回路与中间点之间；以及 所述dc-dc转换器，其包括: 所述第一端子，其耦合到所述输入电压总线的负极端子； 所述第二端子，其耦合到所述输出电压总线的负极端子；以及 所述第三端子，其耦合到所述中间点。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述三端子转换器是经配置以采用正极电力进行操作的dc-dc转换器,所述系统包括: 所述保护装置，其耦合在所述输入电压总线和所述输出电压总线的公共回路与中间点之间；以及 所述dc-dc转换器，其包括: 所述第一端子，其耦合到所述输入电压总线的正极端子； 所述第二端子，其耦合到所述输出电压总线的正极端子；以及 所述第三端子，其耦合到所述中间点。
14.一种调节器，包括:第一开关元件； 输入电容器，其耦合在输入电压总线的正极端子与回路点之间； 输出电容器，其耦合在输出电压总线的正极端子与所述回路点之间；以及保护装置，其耦合在所述回路点与所述输入电压总线和所述输出电压总线的公共回路点之间。
15.根据权利要求14所述的调节器，其进一步包括第二开关元件和电感器，其中: 所述第一开关元件耦合在所述输入电压总线的所述正极端子与所述调节器的相点之间； 所述第二开关元件耦合在所述调节器的所述相点与所述回路点之间；并且 所述电感器耦合在所述调节器的所述相点与所述输出电压总线的所述正极端子之间。
16.根据权利要求14所述的调节器，其进一步包括第二开关元件和电感器，其中: 所述电感器耦合在所述输入电压总线的所述正极端子与所述调节器的相点之间； 所述第一开关元件耦合在所述输出电压总线的所述正极端子与所述调节器的所述相点之间；并且 所述第二开关元件耦合在所述调节器的所述相点与所述回路点之间。
17.根据权利要求14所述的调节器，其进一步包括第二开关元件、第三开关元件、第四开关元件以及电感器，其 中: 所述第一开关元件耦合在所述输入电压总线的所述正极端子与所述调节器的第一相点之间； 所述第二开关元件耦合在所述调节器的所述第一相点与所述回路点之间； 所述电感器耦合在所述第一相点与第二相点之间。
所述第三开关元件耦合在所述调节器的所述第二相点与所述回路点之间；并且所述第四开关元件耦合在所述输出电压总线的所述正极端子与所述调节器的所述第二相点之间。
18.—种方法,包括: 将三端子转换器的第一端子连接到输入电压总线的正极端子； 将所述三端子转换器的第二端子连接到输出电压总线的正极端子； 将所述三端子转换器的第三端子连接到保护装置的第一端子；以及 将所述保护装置的第二端子连接到所述输入电压总线和所述输出电压总线的公共回路。
19.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括: 将浪涌电流限制装置连接在所述保护装置的所述第一端子与所述保护装置的接合点之间；以及 将反极性保护装置连接在所述保护装置的所述接合点与所述第二端子之间。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述浪涌电流限制是第一η型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管,所述方法进一步包括: 对所述第一 NMOS晶体管的栅极电压进行配置，以实现: 当将冲击电压施加给所述输入电压总线时，所述第一 NMOS晶体管缓慢开通；以及 当将稳定电压施加给所述输入电压总线时，所述第一 NMOS晶体管完全开通。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述反极性保护装置是第二NMOS晶体管，所述方法进一步包括: 对所述第二 NMOS晶体管的栅极电压进行配置，以实现: 当所述三端子转换器的正极引线耦合到所述输入电压的正极端子时，所述第二 NMOS晶体管允许电流流过所述第二 NMOS晶体管；以及 当所述三端子转换器的正极引线耦合到所述输入电压的负极端子时，所述第二 NMOS晶体管阻止电流流过所述第二 NMOS晶体管。
22.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括: 对所述三端子转换 器进行配置以使所述三端子转换器在高忙闲度模式下操作。
全文摘要
一种实施性高效电力调节器包括三端子转换器和保护装置。所述三端子转换器包括第一端子，其耦合到输入电压总线的正极端子；第二端子，其耦合到输出电压总线的正极端子；以及第三端子，其耦合到所述保护装置。所述保护装置包括串联连接到反极性保护装置的浪涌电流限制元件。
文档编号H02H9/00GK103081320SQ201280002516
公开日2013年5月1日 申请日期2012年8月6日 优先权日2011年8月4日
发明者毛恒春, 刘雁飞, 吴壬华 申请人:华为技术有限公司