专利名称：具有整体式磁性装置的隔离式电压调节器的制作方法
技术领域：
本发明是涉及一种为处理器或存储器提供低电压与高电流的电压调节器，尤其是指一种具整体式磁性装置的隔离式高输入电压调节器。
背景技术：
现代的处理器是在一极低电压与一高电流的条件下操作，以符合更快速、更具效率的数据处理需求。电压调节器组件(Voltage Regulator Module，VRM)即用于提供微处理器电力。
请参考图1，其为具有至少两个交错通道的一交错式同步降压型拓扑布局，被广泛地运用于5伏特/12伏特输入电压调节器组件中。每一邻接的交错通道之间的相位差是360度除以交错通道数量后所得的商值。
图2是显示出图1中所示的交错式同步降压型转换器的一基本单元。一输入电容器210的一直流电压输入端Vin是经由一整流器电路201而连接至输出导线211，且该输出导线211连接至一输出电容212。整流器电路201包含有一高压侧金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)213、一低压侧MOSFET 215、及作为一输出电感器用的一磁性装置214。低压侧MOSFET 215的漏极是由高压侧MOSFET 213的源极及电感器214的输入端216连接着，以提供一续流(freewheeling)电流。当高压侧MOSFET 213闭合且低压侧MOSFET 215断开时，输入端216上具有一高位准，且通过高压侧MOSFET 213及电感器214而为负载提供电流。当高压侧MOSFET213断开且低压侧MOSFET 215闭合时，输入端216上具有一低位准，且电流通过低压侧MOSFET 215及电感器214而依惯性流动。因此输出电感器214的输入端216上具有一方波型电压。
一般而言，大多数电压调节器组件的输入电压为5伏特或12伏特，且输出电压是低于3.3伏特。一交错式同步降压型转换器及其他改进的结构业已广泛地使用。一单一通道降压型转换器包括多个降压型开关及一电感器。降压型开关包含有一高压侧MOSFET，用于在一导通/非导通周期的第一时距期间自输入端导通一负载电流，及一低压侧MOSFET，用于在不同于该第一时距的第二时距期间，使该负载电流依惯性自由流通。藉由电流涟波抵销效应，交错技术可减小输入与输出滤波器两者的大小尺寸，且改善该转换器的暂态反应。因此，该交错式降压型转换器用于处理一高电流及高转换速率(slew rate)的应用场合。
然而，在12伏特或5伏特输入电压调节器组件中，高输入电流会在输入电源总线上造成高功率损失，且需要一大输入滤波器来达成暂态需求。因此，可提出48伏特输入总线作为另一选择，以降低输入电流及电源总线损失，且减少输入滤波器的大小尺寸。
48伏特输入电压调节器组件需要隔离，其一基本解决方案是实施两级式方法，其中首先是藉由一直流/直流转换器将48伏特电压转换成一较低DC电压，且接着再由一交错式同步降压型转换器来完成后段能量转换。但由于这种方案可能使用过多的半导体及至少两个磁性装置，因此具有过大的尺寸。因此，其不利于设计与应用。
图3所示的48伏特输入电压调节器组件，是为已有技术中的一已有两级式电压调节器组件，其具有用于48伏特转换至一低直流电压的一前段半桥式转换器304，及完成第二步骤电压转换的一后段交错式同步降压型转换器303。明显地，相较于12伏特电压调节器组件拓扑布局，本方案多使用一个前段转换器304。因此，其需要更多的半导体磁性装置及其他被动装置。由于其需使用两个控制器，因此其控制亦较为复杂。总之，该方案提高了电压调节器组件的成本、轮廓及制造的复杂性。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用于一高压输入电压调节器组件的新颖结构。该结构可相似于一简单的降压型转换器，且可简化48伏特输入电压调节器组件的设计。
为实现上述目的，本发明提供一种类似于降压型拓扑布局，是运用一整体式磁性装置来实现如同一已有的降压型转换器中扼流圈者的一单一磁性装置。该磁性装置实际上是具有如一电源变压器及一输出扼流圈滤波器两者的作用。为了便于驱动，高压侧同步整流器设置成与低压同步整流器呈一共同接地方式。因此，整体式磁性装置与两个同步整流器构成一整流器电路，正如一单一降压型转换器一般。倘若利用一共振重置顺向式(resonant resetforward)，则需要多一个开关来提供一期待的交流电压至整流器电路初级绕组。事实上，在12伏特或5伏特输入电压调节器组件降压型拓扑布局不正常操作期间，亦需要该开关来隔离输入电压。因此，本方案具有相似于一降压型转换器的一极简单结构，且亦可保持一普通48伏特输入电压调节器组件的优点。而且，亦可使用其他拓扑布局。
为了供应更高的负载电流，可并联地配置两整流器电路。该结构使绕组电流下降一半，且因此减少总铜损。
该整流器电路亦可在转换器初级侧中串联地配置。如此可降低变压器的匝数比，且因此可改善变压器的耦合。良好的耦合有利于降低漏磁电感，且因此缩短一输出电流换向时的死区时间(dead time)。当体二极管的导通时间缩短时，可提高总效率。为进一步说明本发明的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细的描述。
图1是已有技术中广泛地用于5伏特/12伏特输入电压调节器组件中的一交错式同步降压型拓扑布局。
图2是已有技术的一交错式同步降压型拓扑布局基本单元的一简单同步降压型拓扑布局。
图3是已有技术的具有一前段半桥式转换器及一后段交错式同步降压型转换器的两级式48伏特输入电压调节器组件。
图4是本发明用于48伏特的电压调节器组件，其是利用整体式磁性结构、交错技术及同步整流。
图5是图4所示的基本单元。
图6是包括两个并联整流器的一改进式基本单元。
图7是具有两个整流器的另一改进式基本单元，其中该两整流器是在次级侧中并联且在初级侧中串联。
图8是本发明在初级侧中具有共同拓扑布局的一示意图。
具体实施例方式
尽管本发明可允许众多不同形式的具体实施例，然而下面将详细描述且图解一较佳具体实施例。本说明书是用于解说发明原理，而不应视为用于将本发明的广泛构想局限于上述特殊具体实施例的限制。
请参考图4，其显示出本发明的具有一简单电路、低轮廓及低成本的解决方案。在这种拓扑布局中，交错通道的数量是至少两个，且每一邻接的交错通道之间的相位差是360度除以交错通道数量后所得的商值。
图5是显示出用于本发明拓扑布局的一基本单元。一输入电容器510处的一DC电压Vin是连接至一开关511，且经由一整流器电路502而连接至输出导线。在整流器电路502中，变压器513是集成于输出电感器514中。因此其包含有正如同降压型整流器电路中者一般的一磁性装置501。两个同步整流开关亦用于该整流器电路中。为了便于驱动，可将整流开关515设置成与续流开关516呈一共同接地方式。当需要将一初级侧能量转移至次级侧时，整流开关515闭合且续流开关516断开，而使终端520上具有一高位准。当不需要任何初级侧能量时，整流开关515断开且续流开关516闭合，而使终端520上具有一低位准。因此终端520上具有正如同图2中的终端216一般的一方波。电源开关511是在接通(ON)阶段期间，提供整个电路输出的能量。当电源开关511处于断开(OFF)状态期间，一电容器512是与电源开关511分流，以在一共振重置顺向式转换器中实施变压器513磁性重置。事实上，整个电路仅具有额外一个开关，用于正常操作下的开关操作。因此，本发明所提出的电路中所用元件的数目与12伏特或5伏特输入降压型电压调节器组件几乎完全相同。该两者皆具有三个切换用MOSFET、一磁性装置及滤波电容器。
图6是显示用于本发明拓扑布局的另一基本单元。其更适合于一高输出电流的应用场合。在本拓扑布局中，两整流器电路在初级侧与次级侧皆互相并联。
图7是显示用于本发明拓扑布局的又一基本单元。在本拓扑布局中，整流器电路是在初级侧中串联且在次级侧中并联。这种结构可保持高输出电流的能力。而且，初级侧中的串联结构可减少变压器的匝数比，而因此改进变压器的耦合。良好的耦合有利于低漏磁电感及减少输出电流换向时的死区时间。因此，转换器的效率得以提升。
如图8所示，其他电路亦可在初级侧中，提供整流器电路一期待的AC电压。该电路可以为主动箝位(active-clamp)顺向式、双开关共振重置顺向式、双开关主动箝位顺向式或其他拓扑布局。所有方式的布局皆可在主开关闭合时的第一时距期间，对整流器电路提供一正电压；及在不同于该第一时距的一第二时距期间重置磁性装置。
虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化和修改，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本发明权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种隔离式电压调节器，包括一整体式磁性装置，用于实行变压器及输出扼流圈滤波器两功能，其包括一第一变压器，具有一第一初级绕组及一第一次级绕组；一第二变压器，具有一第二初级绕组及一第二次级绕组；一第一扼流圈滤波器，具有连结至该第一次级绕组的一第一终端的一端；及一第二扼流圈滤波器，具有连结至该第二次级绕组的一第一终端的一端，且该第二扼流圈滤波器的另一端是连结至该第一扼流圈滤波器的另一端，以形成该隔离式电压调节器的输出端；一第一开关，具有连接至该第一次级绕组的该第一终端的一第一电极，及接地的一第二电极；一第二开关，具有连接至该第一次级绕组的一第二终端的一第一电极，及接地的一第二电极；一第三开关，具有连接至该第二次级绕组的该第一终端的一第一电极，及接地的一第二电极；及一第四开关，具有连接至该第二次级绕组的一第二终端的一第一电极，及接地的一第二电极。
2.如权利要求1所述的隔离式电压调节器，其特征在于该第一次级绕组、该第一扼流圈滤波器、该第一开关及该第二开关，是形成一降压型整流器电路。
3.如权利要求1所述的隔离式电压调节器，其特征在于该第二次级绕组、该第二扼流圈滤波器、该第三开关及该第四开关，是形成一降压型整流器电路。
4.如权利要求1所述的隔离式电压调节器，其特征在于该隔离式电压调节器是一交错式同步降压型转换器。
5.如权利要求1所述的隔离式电压调节器，其特征在于该隔离式电压调节器还包括一第一主开关，其是与连接至该第一初级绕组的一第一电容器并联，及一第二主开关，其是与连接至该第二初级绕组的一第二电容器并联。
6.如权利要求1所述的隔离式电压调节器，其特征在于该第一初级绕组是并联该第二初级绕组；及/或该隔离式电压调节器还包括一主开关，其是与连接至该第一初级绕组及该第二初级绕组的一电容器并联。
7.如权利要求1所述的隔离式电压调节器，其特征在于该第一初级绕组是串联该第二初级绕组；该隔离式电压调节器还包括一主开关，其是与连接至该第二初级绕组的一电容器并联。
8.如权利要求1所述的隔离式电压调节器，其特征在于一主动箝位顺向式电路、一双开关共振重置顺向式电路及一双开关主动箝位顺向式电路其中之一，是连接至该第一初级绕组。
9.如权利要求1所述的隔离式电压调节器，其特征在于该隔离式电压调节器还包括连结至该隔离式电压调节器的该输出端的一电容器滤波器。
10.一种包括多个通道的交错式电压调节器，每一该通道皆包括一共用整体式磁性装置，用于实现变压器及输出扼流圈滤波器两功能，其包括一变压器及一扼流圈滤波器，该扼流圈滤波器具有连结至该变压器的一第一次级绕组的第一终端的一端；以及一第一开关，具有连接至该第一次级绕组的该第一终端的一第一电极，及接地的一第二电极；及一第二开关，具有连接至该第一次级绕组的第二终端的一第一电极，及接地的一第二电极，其中该次级绕组、该扼流圈滤波器、该第一开关及该第二开关是形成一整流器电路。
11.如权利要求10所述的隔离式电压调节器，其特征在于该第一开关及该第二开关是两个同步整流开关。
12.一种包括多个通道的交错式降压型转换器，每一该通道皆包括一共用整体式磁性装置，用于实现变压器及输出扼流圈滤波器两功能，其包括一变压器，及一扼流圈滤波器，该扼流圈滤波器具有连结至该变压器的一第一次级绕组的第一终端的一端；以及一第一开关，具有连接至该第一次级绕组的该第一终端的一第一电极，及接地的一第二电极；及一第二开关，具有连接至该第一次级绕组的第二终端的一第一电极，及接地的一第二电极，其中该次级绕组、该扼流圈滤波器、该第一开关及该第二开关是形成一整流器电路。
全文摘要
一种用于高压输入电压调节器组件的结构，它是一交错式电压调节器，包括用于实现变压器及输出扼流圈滤波器两功能的一整体式磁性装置、一第一开关、一第二开关、一第三开关及一第四开关。整体式磁性装置包括一变压器，具有一第一和第二初级绕组、一第一和一第二次级绕组；一第一扼流圈滤波器，具有连结至第一次级绕组第一终端的一端；以及一第二扼流圈滤波器，具有连结至第二次级绕组第一终端的一端，第二扼流圈滤波器的另一端连结至第一扼流圈滤波器另一端以形成隔离式电压调节器的输出端。第一开关、第二开关、第一扼流圈滤波器、第一次级绕组构成一同步整流器电路。第三开关、第四开关、第二扼流圈滤波器及第二次级绕组构成另一同步整流器电路。
文档编号H02M3/335GK1574581SQ20041003990
公开日2005年2月2日 申请日期2004年3月12日 优先权日2003年5月20日
发明者李文华, 柯忠伟, 黄贵松, 章进法 申请人:台达电子工业股份有限公司