高降压型DC/DC转换器的制作方法

发明背景

1.发明领域

本发明大体上涉及dc-dc转换器。

2.相关技术的讨论

dc-dc转换器通常用于各种应用中，以将第一电压电平的输入dc功率转换成第二电压电平的输出dc功率。这种dc-dc转换器可以升高电压(即升压)，降低电压(即降压)，和/或提供输入功率和输出功率之间的隔离。

概述

本发明的至少一个方面针对一种dc-dc转换器系统，其包括正输入端，该正输入端被配置为耦合到dc电压源的正端子；负输入端，该负输入端被配置为耦合到dc电压源的负端子；输出端，该输出端被配置为耦合到负载并且向负载提供输出dc功率；多个开关，该多个开关耦合到正输入端和负输入端，并且被配置为从dc电压源接收具有dc电压电平的输入dc功率；第一电容器，该第一电容器耦合到多个开关和输出端；第二电容器，该第二电容器耦合到多个开关和输出端；以及控制器，该控制器耦合到多个开关，并被配置为操作所述多个开关使得在dc-dc转换器系统的第一操作模式下，第一电容器两端的电压处于基本上等于输入dc功率的dc电压电平的一半的电平，在dc-dc转换器系统的第二操作模式下，第二电容器两端的电压处于基本上等于输入dc功率的dc电压电平的一半的电平，以及相对于输入dc功率的dc电压电平，输出dc功率的输出电压电平按照电压降压比降压。

根据一个实施例，dc-dc转换器系统还包括耦合在多个开关和输出端之间的第一电感器，以及耦合在第一电容器和输出端之间的第二电感器。在一个实施例中，多个开关包括耦合在正输入端和第一电容器之间的第一开关、耦合在第二电容器和输出端之间的第二开关以及耦合在第一电感器和输出端之间的第三开关。在另一个实施例中，在第一操作模式中，控制器还被配置为向第一开关提供控制信号以使第一开关闭合，从而将正输入端耦合到第一电容器，向第二开关提供控制信号以使第二开关闭合，从而将输出端耦合到第二电容器，并且向第三开关提供控制信号以使第三开关闭合，从而将输出端耦合到第一电感器。

根据另一个实施例，多个开关还包括耦合在负输入端和第二电容器之间的第四开关、耦合在第一电容器和第一电感器之间的第五开关以及耦合在第二电感器和输出端之间的第六开关。在一个实施例中，在第二操作模式中，控制器还被配置为向第四开关提供控制信号以使第四开关闭合，从而将负输入端耦合到第二电容器，向第五开关提供控制信号以使第五开关闭合，从而通过第一电感器将第二电容器耦合到输出端，并向第六开关提供控制信号以使第六开关闭合，从而将输出端耦合到第二电感器。

根据一个实施例，在dc-dc转换器系统的第三操作模式中，控制器还被配置为向第三开关提供控制信号以使第三开关闭合，从而将输出端耦合到第一电感器，并向第六开关提供控制信号以使第六开关闭合，从而将输出端耦合到第二电感器，其中控制器还被配置为当dc-dc转换器系统在第一操作模式和第二操作模式之间转换时，在第三操作模式下操作dc-dc转换器系统。在一个实施例中，第一电容器的正端子耦合到第一开关，并且第一电容器的负端子耦合到第二电感器。在另一个实施例中，第二电容器的正端子耦合到第一电容器的负端子，且第二电容器的负端子耦合到第四开关。

本发明的另一方面针对一种用于操作dc-dc转换器系统的方法，所述方法包括：利用多个开关来从dc电压源接收具有dc电压电平的输入dc功率，利用耦合到多个开关的控制器来在第一操作模式下操作多个开关，使得耦合到多个开关的第一电容器两端的电压处于基本上等于输入dc功率的dc电压电平的一半的电平，利用控制器来在第二操作模式下操作多个开关使得耦合到多个开关的第二电容器两端的电压处于基本上等于输入dc功率的dc电压电平的一半的电平，向耦合到多个开关的负载提供具有输出电压电平的输出dc功率，以及利用控制器，操作多个开关使得输出dc功率的输出电压电平相对于输入dc功率的dc电压电平按照电压降压比降压。

根据一个实施例，dc-dc转换器系统包括正输入端，该正输入端被配置为耦合到dc电压源的正端子；负输入端，该负输入端被配置为耦合到dc电压源的负端子；输出端，该输出端被配置为耦合到负载并且向负载提供输出dc功率；第一电感器，该第一电感器耦合在多个开关和输出端之间；以及第二电感器，该第二电感器耦合在第一电容器和输出端之间，以及在第一操作模式下操作多个开关包括经由包括第一电容器和第二电感器的第一功率路径将正输入端耦合到输出端，经由包括第二电感器的第二功率路径将第二电容器耦合到输出端，以及经由第三功率路径将第一电感器耦合到输出端。

根据另一个实施例，在第二操作模式中操作多个开关包括经由包括第二电容器和第一电感器的第四功率路径将负输入端耦合到输出端，经由包括第一电感器的第五功率路径将第一电容器耦合到输出端，以及经由第六功率路径将第二电感器耦合到输出端。在一个实施例中，方法还包括在第一操作模式和第二操作模式中交替操作多个开关。在另一个实施例中，方法还包括当多个开关的操作在第一操作模式和第二操作模式之间转换时以第三操作模式操作多个开关。在一个实施例中，在第三操作模式中操作多个开关包括经由第三功率路径将第一电感器耦合到输出端，以及经由第六功率路径将第二电感器耦合到输出端。

根据一个实施例，从dc电压源接收输入dc功率包括从前端功率因数校正(pfc)预调节器接收输入dc功率，所述前端功率因数校正(pfc)预调节器利用简单的二极管整流器来产生输入dc功率。

本发明的至少一个方面针对一种dc-dc转换器系统，其包括正输入端，该正输入端被配置为耦合到dc电压源的正端子；负输入端，该负输入端被配置为耦合到dc电压源的负端子；输出端，该输出端被配置为耦合到负载并向负载提供输出dc功率；以及用于从dc电压源接收具有dc电压电平的dc输入功率的装置，用于将dc输入功率分成两个电压源的装置，该两个电压源中的每个电压源具有基本上等于dc输入功率的dc电压电平的一半的电压电平，以及用于按照电压降压比将输入dc功率的dc电压电平降压到在输出端处的降压电压电平的装置。

根据一个实施例，用于将dc输入功率分成两个电压源的装置包括用于在第一操作模式中产生具有基本上等于dc输入功率的dc电压电平的一半的电平的第一电压源的装置。在另一个实施例中，用于将dc输入功率分成两个电压源的装置还包括用于在第二操作模式中产生具有基本上等于dc输入功率的dc电压电平的一半的电平的第二电压源的装置。

根据另一个实施例，用于对输入dc功率的dc电压电平进行降压的装置包括用于在第一操作模式中在dc-dc转换器系统中产生第一多个功率路径以按照电压降压比将输入dc功率的dc电压电平降压到降压电压电平的装置。在一个实施例中，用于对输入dc功率的dc电压电平进行降压的装置还包括用于在第二操作模式中在dc-dc转换器系统中产生第二多个功率路径以按照电压降压比将输入dc功率的dc电压电平降压到降压电压电平的装置。

附图简述

下文参考附图讨论了至少一个实施例的各个方面，附图不旨在按比例绘制。附图被包括以提供对各种方面和实施例的说明和进一步理解，并被合并在本说明书中且构成本说明书的一部分，但并不意欲作为任何特定的实施例的限制的定义。附图连同说明书的其余部分一起用来解释所描述和所要求保护的方面和实施例的原理和操作。在附图中，在各个图中图示的每个相同的或几乎相同的组件以相似的数字来表示。为了清楚起见，并非每个组件都可在每个图中被标记。在附图中：

图1是根据本文描述的方面的dc-dc转换器系统的电路图；

图2是示出根据本文描述的方面的在不同操作模式期间的dc-dc转换器系统的操作的时序图；

图3是示出根据本文所描述的方面的处于第一操作模式下的dc-dc转换器的操作的电路图；

图4是示出根据本文描述的方面的处于第二操作模式下的dc-dc转换器的操作的电路图；以及

图5是示出根据本文描述的方面的处于第三操作模式下的dc-dc转换器的操作的电路图。

发明详述

本文所讨论的方法和系统的示例并不将其应用限于下面描述中阐述的或者在附图中示出的组件的结构及其布置的细节。方法和系统能够在其它实施例中体现且能够以各种方式被实践或执行。特定实施例的例子在本文仅为了例证性目的而被提供且并不旨在为限制性的。具体来说，结合任何一个或者更多个示例论述的动作、组件、元件以及特征不旨在排除任何其他的示例中的类似作用。

另外，本文中所使用的措辞和术语是出于描述的目的，且不应视为具有限制性。对本文中以单数提到的系统和方法的示例、实施例、组件、元件或者动作的任何引用也可以包含包括复数的实施例，并且以复数对本文的任何实施例、组件、元件或者动作的任何引用也可以包含仅包括单数的实施例。以单数形式或者复数形式的引用并不旨在限制当前公开的系统或者方法、它们的组件、动作或者元件。本文使用的“包括(including)”、“包含(comprising)”、“具有”、“含有”和“涉及”及其变型旨在包括其后列举的项目和其等价物以及额外的项目。对“或”的引用可解释为包含的，使得使用“或”所描述的任何术语可以指示所描述的术语的单个、多于一个以及全部中的任何一种。另外，在本文件和通过引用并入的文件之间用法不一致的情况下，在并入的参考文献中的术语用法作为对本文件中的术语用法的补充；对于不可协调的不一致，以本文件中的术语用法为准。

如上所述，dc-dc转换器通常用于各种应用中以将第一电压电平的输入dc功率转换为第二电压电平的输出dc功率。例如，在电信系统或服务器电源中使用的公共整流器采用输出hvdc(例如，380vdc或更高)的前端功率因数校正(pfc)预调节器，以及具有同步整流以产生低电压输出(例如，48v或12v)的llc谐振转换器。由llc谐振转换器提供的同步整流可以实现高效率和功率密度的要求。然而，这种llc谐振转换器通常是复杂的，并且需要硬件和固件两者的解决方案来解决归因于变化的负载要求和变化的输入电压的通过同步整流器的正弦电流的相移。

本文提供了一种提供高效率和高功率密度的非隔离式高降压型dc-dc转换器系统。另外，由于本文描述的dc-dc转换器系统具有相对高的电压传输比，所以它适合于从利用简单的二极管整流器而不是同步整流器的前端pfc预调节器接收输入dc电压源。

图1是根据本文描述的方面的dc-dc转换器系统100的电路图。系统100包括正输入端103、负输入端105、电容器c1104、电容器c2106、开关s1108、开关s2110、开关s3112、开关s4114、电容器c3116、电容器c4118、开关s5120、开关s6122、电感器l1124、电感器l2126、电容器co128和输出端125。根据一个实施例，开关s1-s6是金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)；然而，在其他实施例中，开关s1-s6中的任何一个可以是不同类型的晶体管或开关。

正输入端103被配置为耦合到dc电压源102的正端子，而负输入端105被配置为耦合到dc电压源102的负端子。电容器c1104的第一端子耦合到正输入端103，并且电容器c2106的第一端子被配置为耦合到负输入端105。根据一个实施例，dc源102由整流器(例如，pfc预调节器的整流器)提供；然而，在其他实施例中，dc源102可以由另一适当系统提供。电容器c1104的第二端子耦合到电容器c2106的第二端子。开关s1108的源极耦合到正输入端103，并且开关s3112的源极耦合到负输入端105。

开关s1108的漏极耦合到开关s2110的源极。开关s2110的漏极耦合到电感器l1124的第一端子。电感器l1124的第二端子耦合到电容器co128的正端子。电感器l1124的第二端子还被配置为经由输出端125耦合到负载130。开关s3112的漏极耦合到开关s4114的源极。开关s4114的漏极耦合到开关s5120的源极、开关s6122的源极和电容器co128的负端子。开关s4114的漏极还被配置成耦合到负载130。电容器c3116的正端子117耦合到开关s1108的漏极。电容器c3116的负端子119耦合到电感器l2126的第一端子。电感器l2126的第二端子耦合到电容器co128的正端子。

电容器c4118的负端子121耦合到开关s3112的漏极。电容器c4118的正端子123耦合到开关s5120的漏极。开关s5120的漏极还耦合到电容器c3116的负端子119。开关s6122的漏极耦合到开关s2110的漏极，耦合到电容器c1104的第二端子以及耦合到电容器c2106的第二端子。每个开关s1-s6的栅极耦合到控制器101并且被配置为从控制器101接收控制信号。

下面参考图2-图5描述了转换器系统100的操作。图2是示出在不同操作模式(t1-t4)期间转换器的操作的时序图。图2包括示出在不同操作模式(t1-t4)期间由控制器101提供给开关s1108和s4114的栅极的控制信号的第一迹线202、示出在不同的操作模式(t1-t4)期间由控制器101提供给开关s2110和s3112的栅极的控制信号的第二迹线204、示出了在不同操作模式(t1-t4)期间由控制器101提供给开关s5120的栅极的控制信号的第三迹线206、以及示出了在不同操作模式(t1-t4)期间由控制器101提供给开关s6122的栅极的控制信号的第四迹线208。图3是示出在第一操作模式(t1)下的转换器的操作的电路图。图4是示出在第二操作模式(t2)和第四操作模式(t4)下的转换器的操作的电路图。图5是示出在第三操作模式(t3)下的转换器的操作的电路图。

如图2-3所示，在第一操作模式(t1)期间，控制器101向开关s1108和开关s4114的栅极发送高控制信号202以使开关s1108和开关s414闭合，将低控制信号204发送到开关s2110和开关s3112的栅极以保持开关s2110和开关s3112处于断开(open)状态，将低控制信号206发送到开关s5120的栅极以保持开关s5120处于断开状态，并且将高控制信号208发送到开关s6122的栅极以使开关s6122闭合。

在第一操作模式(t1)中，一旦开关s1108、开关s4114和开关s6122闭合并且系统100从dc电压源102(例如，从pfc预调节器)接收具有dc电压电平(vdc)的dc功率，则系统100通过多个功率路径操作以向负载130提供降压的dc电压。如图3所示，第一功率路径302包括电容器c1104、开关s1108、电容器c3116、电感器l2126、电容器co128和开关s6122；第二功率路径304包括电容器c4118、电感器l2126、电容器co128和开关s4114；以及第三功率路径306包括电感器l1124、负载130和开关s6122。在第一操作模式(t1)中，功率路径302-306的功能使得系统100根据以下等式进行操作：

vc4*d＝vo(其中vc4是电容器c4118两端的电压，d是降压比，以及vo是输出端125处的输出电压)；

vc1＝vc3+vc4(其中vc1是电容器c1104两端的输入电压，以及vc3是电容器c3116两端的电压)；以及

vc4＝1/2vc1。

如图2和图4所示，在第二操作模式(t2)期间，控制器101将低控制信号202发送到开关s1108和开关s4114的栅极，以保持开关s1108和开关s414处于断开状态，将低控制信号204发送到开关s2110和开关s3112的栅极以保持开关s2110和开关s3112处于断开状态，将高控制信号206发送到开关s5120的栅极以使开关s5120闭合，以及将高控制信号208发送到开关s6122的栅极以使开关s6122闭合。在第二操作模式(t2)中，一旦开关s5120和s6122闭合，则系统100以多个功率路径操作。如图4所示，第一功率路径402包括电感器l1124、负载130和开关s6122；以及第二功率路径404包括电感器l2124、电容器co128和开关s5120。

如图2和图5所示，在第三操作模式(t3)期间，控制器101向开关s1108和开关s4114的栅极发送低控制信号202以将开关s1108和开关s414保持在断开状态，将高控制信号204发送到开关s2110和开关s3112的栅极以使开关s2110和开关s3112闭合，将高控制信号206发送到开关s5120的栅极以使开关s5120闭合，并将低控制信号208发送到开关s6122的栅极以将开关s6122保持在断开状态。

在第三操作模式(t3)中，一旦开关s2110、开关s3112和开关s5120闭合并且系统100从dc电压源102(例如，从pfc预调节器)接收具有dc电压电平(vdc)的dc功率，则系统100通过多个功率路径操作以向负载130提供降压的dc电压。如图5所示，第一功率路径502包括电容器c3116、开关s2110、电感器l1124、负载130和开关s5120；第二功率路径504包括电容器c2106、电感器l1124、负载130、开关s5120、电容器c4118和开关s3112；并且第三功率路径506包括电感器l2126、电容器co128和开关s5120。在第三操作模式(t3)中，功率路径402-406的功能使得系统100根据以下等式进行操作：

vc3*d＝vo；

vc2＝vc3+vc4；

vc3＝1/2vc；以及

vc1＝vc2＝1/2vdc。

如图2和图4所示，在第四操作模式(t4)期间，控制器101将低控制信号202发送到开关s1108和开关s4114的栅极以保持开关s1108和开关s414处于断开状态，将低控制信号204发送到开关s2110和开关s3112的栅极以保持开关s2110和开关s3112处于断开状态，将高控制信号206发送到开关s5120的栅极以使开关s5120闭合，以及将高控制信号208发送到开关s6122的栅极以使开关s6122闭合。在第四操作模式(t4)中，一旦开关s5120和s6122闭合，则系统100就以多个功率路径进行操作。如图4所示，第一功率路径402包括电感器l1124、负载130和开关s6122；并且第二功率路径404包括电感器l2124、电容器co128和开关s5120。在第四操作模式(t4)中的系统100的操作与第二操作模式(t2)中的系统100的操作相同。在第四操作模式(t4)之后，系统可以转换回第一操作模式(t1)。

通过(在操作模式t1-t4内)操作如上所述的系统，dc电压源102被有效地分成两个1/2电压源(例如，vc1＝vc2＝1/2vdc)，并且系统100可以以由以下等式定义的相对高的电压传输比进行操作：

vo＝1/4vdc*d(vo是负载130两端的电压)。

在至少一个实施例中，如上所述的系统100的操作导致电压传输比比典型dc-dc转换器的电压传输比至少大两倍。例如，在一个实施例中，如上所述的系统100的操作导致电压传输比为0.5；然而，在其他实施例中，可以操作系统100以产生另一适当值的电压传输比。

除了较大的电压传输比之外，上述系统100通过比典型的dc-dc转换器更少的组件实现相对高的电压传输比。例如，在如上所述的系统100的操作期间，通过系统100的电流波形是具有基本上不变的相位的方波。因此，系统100可能不需要实现由典型的同步整流器使用的相同的硬件和固件解决方案，以解决电流波形中由于变化的负载需求或输入电压(如上所述)引起的相移。

本文提供了能够提供高效率和高功率密度的非隔离的高降压型dc-dc转换器系统。另外，由于本文描述的dc-dc转换器系统具有相对高的电压传输比，所以它适合于从利用简单的二极管整流器而不是同步整流器的前端pfc预调节器接收输入dc电压源。

这样已经描述了本发明的至少一个实施例的几个方面，应认识到，本领域的技术人员将容易想到各种变更、修改和提高。这种变更、修改和提高旨在成为本公开的一部分，并且旨在处于本发明的精神和范围内。因此，以上描述和附图仅仅是示例性的。