脉动线性电力转换器的制作方法

本公开涉及脉动线性电力转换器。

背景技术：

选择电力转换器的当代设计以满足诸如高效率、准确输出调节、快速暂态响应、低解决方案成本等的指定性能要求。电力转换器用给定输入电压为负载生成输出电压和电流。需要在稳态和暂态状况期间满足电流调节或负载电压要求。根据特定应用，线性电力转换器或开关电力转换器可以是适宜的解决方案。

线性电力转换器适于为非常低通电器件供电。它们简单且成本低。然而，由于它们的工作方式，导致它们极其低效。

线性电力转换器通过取输入电压和输出电压之差，并且将功率差异作为余热耗散而进行工作。输入和输出电压之间的差越大，生成的热越多。在许多情况下，线性电力转换器比它实际上最终向目标器件的传递的浪费更多的电力，从而使电压降压。

图1示出线性电力转换器11、输出电容器14和负载12。线性电力转换器11包括场效应晶体管fet，场效应晶体管fet在其线性模式下运行，从而作为与负载12串联的可变电阻器工作。此外，线性电力转换器11包括用于动态调节fet13的电阻的反馈回路。

为了创建反馈回路，误差放大器15借助取样电阻器网络ra和rb来感测输出电压，然后将反馈电压vfb与参考电压vref进行比较。误差放大器输出电压驱动fet的栅极。当输入电压vin减小或负载电流增大时，输出电压减小。反馈电压vfb也减小。结果，反馈误差放大器生成增大的栅极电压。这样减小了源极和漏极之间的电压降vsd并且恢复输出电压，使得vfb等于vref。以类似的方式，当输出电压增大时，负反馈回路增大vsd。如已经提到的，线性电力调节器的主要不足是过量的功率耗散。

相比之下，开关电力转换器通过逐渐地从输入电压源取得少量能量，并且将它们移至输出而进行工作。这是通过电开关和控制能量传递到输出的速率的控制器来实现。

以这种方式使一定量的能量移动所涉及的能量损耗相对小，并且结果是，开关电力转换器通常可具有高得多的效率。

图2示出包括能切换电力级21的开关dc-dc转换器，其中，根据开关信号和输入电压来生成输出电压。在将输出电压vout调节成参考电压vref的数字控制电路中，生成开关信号。开关电力级21包括由高侧fet22和低侧fet23以及电感24和电容25组成的双开关。在充电阶段期间，通过切换信号，高侧fet22导通并且低侧fet23截止，以对电容器进行充电。在放电阶段期间，高侧fet22截止并且低侧fet23导通，以将平均电感器电流与负载电流匹配。生成作为占空比由控制规律确定的数字脉宽调制(pwm)信号的开关信号。开关电力转换器适于高负载。当驱动轻负载时，在实现二极管仿真时，pwm信号的占空比变得非常小。然而，不能使高侧fet的导通时间任意地小。因此，需要最少的导通时间。此外，在开关电力转换器中出现开关损耗。

因此，具体地，当驱动轻负载时，需要的是节能电力转换器。

技术实现要素：

大体结合附图中的至少一个示出和/或描述的电力转换器和相关方法在权利要求书中更完全地阐述。

本公开涉及具有在其线性模式下运行的高侧开关的开关电力转换器。电力转换器的效率大于百分之50。损耗只是线性电力转换器的损耗的d倍，其中，d是导通时间对周期。

将根据以下的描述和附图来更充分地理解本公开的这些和其他优点、方面和新颖特征及其示例实施例的细节。

附图说明

将参照附图，其中：

图1示出线性电力转换器的框图；

图2示出开关电力转换器的框图；

图3示出pwm信号和脉动线性调节(实线)和传统开关调节(虚线)的电感器电流与时间的关系；

图4示出效率度量与vo/vin的关系；以及

图5示出相对损耗与vo/vin的关系。

具体实施方式

本发明涉及如图2中所示的能开关的电力转换器。能开关的电力转换器包括能开关的电力级21，能开关的电力级21用于通过包括高侧开关22和低侧开关23的开关元件，根据开关信号和输入电压来生成输出电压。在轻负载模式下，控制器26被配置成禁用，即截止低侧开关13并且生成开关信号，以在开关信号的导通时间期间部分导通高侧开关12。相对于高侧开关22的运行来定义开关信号的导通时间。在轻负载模式下，仅仅低输出电流升高。另选地，作为如在fet的情况下一样完全截止低侧开关并且只使用开关本体二极管的替代，只有当本体二极管原本将导通电流时，低侧开关才可导通。通过导通低侧开关，本体二极管损耗减小并且效率提高。

控制器被配置成生成开关信号，以通过将高侧开关22在其线性区域中操作，在开关信号的导通时间期间部分导通高侧开关。因此，高侧开关22充当电阻器。因此，电力转换器是脉动线性电力转换器。然而，相比于电流正持久流动的线性电力转换器，电流正流过包括高侧开关和电阻性负载的电阻性路径的时间大幅减少。

因为高侧开关22不需要完全导通或截止，所以栅极驱动需要减小。

图3示出pwm信号和脉动线性调节(实线)和传统开关调节(虚线)的电感器电流与时间的关系。pwm信号是周期性的，其占空比对应于导通时间。随着pwm信号上升，电感器电流升高。当pwm信号下降时，电感器电流出现峰值。可观察到，脉动线性调节的电感器电流与传统开关调节的电感器电流同时地出现峰值。然而，对于脉动线性调节而言，电感器电流峰值的幅值较小。这是由于以下事实：高侧开关没有导通至达到fet在其饱和区域中运行的程度。此外，相比于传统pwm调节和传统线性调节，用脉动线性调节，存在没有电感器电流流动的时间。

传统线性调节器的效率是输出电压与输入电压的比率vo/vin。

图4示出针对脉动线性调节(实线)和传统线性调节(虚线)的效率度量与vo/vin的关系。脉动线性调节的效率是至少百分之50。这比可低至百分之10的传统线性调节高得多。

图5示出针对脉动线性调节(实线)和传统线性调节(虚线)的相对损耗与vo/vin的关系。损耗只是传统线性调节的损耗的d倍，其中，d是导通时间对周期。

回头参照图2，控制器还可被配置成在轻负载模式和高负载模式之间跳变，在这种情况下，生成开关信号，用于将高侧开关和低侧开关交替导通和截止。因此，电力转换器可在轻负载模式下作为脉动线性电力转换器运行，或者在高负载模式下作为传统开关电力转换器运行。因此，本解决方案将脉动线性调节和传统pwm调节的优点组合在单个装置中。能开关的转换器可有利地适于应对大量负载。能开关的电力转换器可包括用于确定它是在驱动高负载还是轻负载的装置。

轻负载模式下开关信号的最少导通时间可比高负载模式下开关信号的最少导通时间短。具体地，用脉动线性调节，因为导通时间相比于占空比非常低的传统pwm调节的更大，所以根本不会存在导通时间限制。

本发明还涉及用于控制能开关的电力转换器的方法，该能开关的电力转换器包括具有包括高侧开关和低侧开关的双开关元件的能开关的电力级。该方法包括在轻负载模式下：禁用低侧开关并且生成开关信号，该开关信号用于在开关信号的导通时间期间部分导通高侧开关。本发明还涉及计算机可读介质，该计算机可读介质具有用于执行如上所述方法的计算机可读指令。