用于开关模式充电器的可重配置的多相功率级的制作方法_3

文档序号:8383116阅读:来源:国知局
储的能量(以磁场的形式被存储)放电至电路的剩余部分之中。如上所述,当开关(HSl或HS2)被断开时,对应的开关(LSI或LS2)可被闭合。
[0038]如果在电感器(LI或L2)完全放电之前,开关(HSl或HS2)再次被关断,系统负载112和电池将处于非零电压。与系统负载112并联放置的电容器Cmjt可随着电感器(LI或L2)在每个周期中的充电和放电,帮助对系统电压输入Vsystem进行滤波。当USB适配器被用作电压输入端时,电容器Caffi可被用于对充电电压输入进行滤波。相反地,当USB适配器被用作电压输出端时,如本文所描述的,即,当HS2/LS2被用作升压转换器电路时,电容器Caffi可被用于对输出电压进行滤波。电容器Cin可向输入电压/充电电压提供类似的滤波。例如,Cin可提供输入电压v_in和接地v_pgnf之间的滤波。如上所述,当开关(HSl或HS2)被闭合时,对应的开关(LSI或LS2)可被断开。
[0039]已总的描述了两相降压转换器100的降压转换器方面的运行,现在将描述升压转换器方面。通常地,升压转换器的基本运行可基于相同的理想化的电感器原理起作用,即,穿过电感器的电流一般不会立即变化。在升压转换器中,输出电压高于输入电压。
[0040]当开关(LSI或LS2)被闭合时,电流流经电感器(LI或L2)并且电感器(LI或L2)存储能量。当开关(LSI或LS2)被断开时,因为电感器上的电压极性被反向,电流将被减少。在此相中,HSl或HS2被闭合,并且电感器(LI或L2)两端的电压为(Vin-Vout),在升压转换器中该电压是负的。在导通状态中,电压仅是Vin。电感器(LI或L2)将反对穿过电感器(LI或L2)的电流的变化或减少。因此,电感器(LI或L2)两端的极性将被反向。结果是,两个源(例如,电池和电感器(LI或L2))将串联,导致更高的电压以经过例如HSl或HS2中的二极管对电容器Caffi进行充电。
[0041]如果开关(LSI或LS2)循环得足够快,电感器(LI或L2)将在充电阶段之中不完全放电,并且当该开关被断开时,系统负载112将一直检测到大于单独的输入源电压的电压。(“足够快”将取决于电路所涉及的特别的电阻、电感和电容。)在这些应用的一些示例中,通常开关频率可以是1-3MHZ,然而,其他频率是有可能的,并且通常地将取决于所使用的部件(例如,电感器LI和L2)。此外,当开关(LSI或LS2)被断开时,与USB适配器上的负载并联的电容器Caie被充电至该组合电压。当开关(LSI或LS2)然后被闭合时,电容器Cqk向USB适配器提供电压和能量。在此期间,在HSl或HS2中的二极管充当防止电容器Caffi通过开关(LSI或LS2)进行放电的阻断二极管。开关(LSI或LS2)可再次被断开,以防止电容器Caie的放电足够使电容器Caffi两端的电压下降大于某一预定可接受电平(例如,在连接至USB适配器的电子设备的电压容差之内)。
[0042]运行中,升压转换器可以两种状态运行。第一状态是导通状态,其中开关(LSI或LS2)被闭合,导致电感器(LI或L2)中电流的增加。第二状态是关断状态,其中开关(LSI或LS2)是断开的,并且被提供给电感器(LI或L2)电流的仅有路径是穿过HSl或HS2中的二极管或者穿过该开关HSl或HS2自身,到达电容器Caie和负载(例如,被附接至USB适配器的设备)。这导致将在导通状态期间累积的能量转移至电容器之中。来自例如电池的电流与电感器电流相同,从而穿过电感器LI或L2的电流是不间断的。
[0043]控制器114可被配置为通过HS驱动器和LS驱动器控制开关HS1、HS2、HS3、LS1和LS2,以实施本文所描述的功能。例如,控制器114可控制开关(例如,HSl或HS2),从而开关(例如,HSl或HS2)按需要断开和闭合,以实现降压模式。随着开关(HSl或HS2)断开和闭合,对应的开关(LSI或LS2)可闭合和断开。此外,控制器114可控制开关(HS1/LS1或HS2/LS2)的占空比,以控制电压VSYSTEM。当开关(HSl或HS2)被闭合时,产生v_chg和v_swl *v_sw2之间的连接。通常地,开关(HSl或HS2)被闭合时间越长,在Vsystem处的电压可越高。然而,这可根据例如系统负载112所需的电流而变化。在一些示例中,第一相和第二相可被相移180°,然而,其他示例相移(例如,0°、90°或任何其他的相移)是可能的。在使用三相的示例中,相位可被相移120°。在使用四相位的示例中,相位可被相移90°。在使用八相位的示例中,相位可被相移45°。然而再次,其他相移也是可能的。
[0044]在一些示例中,当开关(HSl或HS2)断开时,开关(LSI或LS2)可被闭合。应当理解的是,开关HSl和HS2可以是独立可控的。在一些示例中,当HS2被闭合时HSl可断开,并且当HS2断开时HSl可被闭合。开关LSl和LS2也可独立可控。类似地,在一些示例中,当LS2被闭合时LSl可断开,并且当LS2断开时LSl可被闭合。开关LSl和LS2也可独立可控。在第一相的降压转换器运行中,HSl的控制可依赖于LS1,从而当HSl断开时LSl被闭合,并且当HSl被闭合时LSl断开。在第二相的降压转换器运行中,HS2的控制可依赖于LS2,从而当HS2断开时LS2被闭合,并且当HS2被闭合时LS2断开。
[0045]控制器114还可断开和闭合开关LSl和LS2,以实现本文所描述的升压模式。控制器114还可控制HSl和HS2以实现本文所描述的升压描述。该控制器可被配置,以允许一个相组件作为升压转换器,同时另一个相组件作为降压转换器。可替换地,两个相组件可作为降压转换器或者两个相组件作为升压转换器。此外,虽然在图1中示出两个相,在一些示例中多于两个相可被实施。例如,其他电路可包括四相。在此示例中,相位可被偏移90°,然而再次,其他相移是可能的。两相降压转换器100可被配置通过使用仅单个相为电池充电,用于低功率充电。例如,单个相可被用于提供涓流充电模式。
[0046]在图1的所示示例中,电路的部分可被提供在单个芯片110中。此芯片110可包括晶体管HS1、HS2、HS3、LS1和LS2,该晶体管可充当开关并且可由控制器114进行控制,在一些示例中,该晶体管可在芯片110内部。如本文所描述的,芯片110可包括无线输出端v_wireless,其可被用于实施无线充电功能。芯片110还可包括充电电压输入端v_chg,其可被用于实施备选的充电功能(比如,如本文所描述的使用USB适配器或其他连接器)。输入电压v_in可与接地输入v_pgnd结合被使用,从而输入电容器Cin可被用于对充电电压进行滤波。系统电压v_sys可被用于向芯片110提供输入电压。两个输出端v_swl和v_sw2被示出为在芯片110的降压转换器中。应当注意,这些输出端v_swl和v_sw2中的一个或多个可被用作升压转换器对一个或多个升压转换器的切换节点,这可使用芯片110被实现。
[0047]虽然图1示出了两个电感器LI和L2的使用,其他的滤波电路可被使用,例如使用电感器、电容器或其他滤波部件的滤波电路。此外,在一些示例中,开关HSl、HS2、LSI和LS2可以是晶体管。在其他示例中,开关HSl和HS2可以是晶体管,同时开关LSl和LS2可以是二极管。
[0048]如图2所示,两相降压转换器100包括定义第一相的第一低侧开关LSl和第一高侧开关HS1。两相降压转换器100进一步包括定义第二相的第二低侧开关LS2和第二高侧开关HS2。控制器114可被配置,以断开和闭合第一低侧开关LS1、第一高侧开关HS1、第二低侧开关LS2和第二高侧开关HS2中的至少一个,以实施降压模制。在图1所示的示例中,控制器114可进一步被配置,以断开和闭合第一低侧开关LS1、第一高侧开关HS1、第二低侧开关LS2和第二高侧开关HS2中的至少一个,以实施升压模式。控制器114可进一步被配置,以在第一相组件和第二相组件中的至少一个中控制至少一个开关的占空比,以实施涓流充电、恒定电流或恒定电压中的至少一种。第一滤波器元件LI可被耦接至第一相组件的输出端,并且第二滤波器元件L2可被耦接至第二相组件的输出端。在一些示例中,第一滤波器元件和第二滤波器元件可以是电感器。
[0049]图2是说明依照本公开的示例,被配置为在“快速”充电模式中的图1的两相降压转换器100的方框图。在图2的示例中,两个相均可用来提供高电流以用于快速充电。在该示例中,1A的输出被提供,5A通过v_swl并且5A通过v_sw2。每个相的占空比可被用于设置两相降压转换器100的转换率,即输出电压与输入电压比。在理想化的降压转换器中,占空比可完全地取决于电流的值。然而,由于寄生电阻分量,随着更高电流,占空比可被增加以补偿损耗,并且通常地可以是更高的以提供高电流。在12伏(V)时的3A的输入可被提供。应当注意,通常是功率守恒而不是电流守恒。36瓦特(W)的功率被提供作为输入,12伏乘以3A,12v X 3A = 36W。假定理想化的、100%效率的降压转换器,对于1A的电压输出是3.6V,36W除以10A,36W/10A = 3.6V。更经典的效率可以是95 %。因此,电压可降低5%,或大约3.42V。
[0050]如上所述,降压转换器通过使用两个开关(例如,晶体管)控制穿过电感器的电流。最初,在示例中两个开关可断开,从而不产生充电,即没有电流流通,或非常低的电流流通。当一个开关(例如,HSl)首先被闭合时,电流穿过电感器LI开始增加。当HSl被闭合时,HS2可断开。当HSl随后被断开时,HS2可被闭合,并且电流将经过电感器L2开始增加。因为穿过电感器(LI和L2)的电流不能立即增加,电感器两端的电压将下降。该电压降抵消了电源电压,并因此降低了系统负载112两端的净电压VSYSTEM。随着时间过去,经过电感器(LI或L2)的电流将随着电感器两端电压的减少而增加,因此系统负载112所检测到的净电压增加。在此期间,电感器以磁场的形式存储能量。
[0051]在对应的电感器LI和L2已完全充电之前,开关HSl和HS2可被断开,则在其两端将一直存在电压降,从而由系统负载112所检测到的净电压将一直小于输入电压源(当在对应
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