专利名称：操作dc/dc 上/下变换器的方法
技术领域：
本发明涉及具有各种输出的DC/DC变换器，这些变换器是上变换器也是下变换器，在这里称为上/下变换器。DC/DC上/下变换器生成超过、低于或处于输入电压电平的输出电压。
变换器在实践中是已知的，它们是上变换器和下变换器，但它们需要多个不同的类型的晶体管或开关，所以是相对较昂贵的。具有各种输出的下变换器和上变换器也是已知的，然而，它们不能同时提供高的和低的输出电压。
降压(buck)变换器(下变换器)和提升变换器(上变换器)由于用于电感性能量的贮存装置例如线圈或电抗器(下面只称为线圈)的安排，而实际上是不同的。对于降压变换器，主开关装置被安排在生成输入电压的DC电压源的一个极与线圈之间，而对于提升变换器，线圈被直接连接到生成输入电压的DC电压源的该一个极，以及主开关装置在线圈的另一个一端与DC电压源的另一个极之间。在应用方面，差别在于在最高负荷下主电压的高度。对于降压变换器，具有高负荷的主电压低于输入电压，而对于提升变换器，具有高负荷的主电压高于输入电压。
US 2002/0113580 A1公开一种DC/DC上/下变换器，它包括电感能量贮存装置、开关装置和控制装置。这些控制装置被安排成用于控制开关装置，使得电能在下变换模式时被传送到DC/DC变换器(降压变换)的第一输出端，以及电能在上变换模式时从第一输出被传送到DC/DC变换器(提升模式)的第二输出端。这个装置的缺点在于，要被传送到第二输出端的负荷要两次被传送到电感能量贮存装置，而在这种方式下，高损耗是一下就要解决的问题。另外，第一输出端的输出电容器要缓冲负荷，这导致第一输出的输出电压纹波的增加。
而且，这个变换器只有两个输出端，第一个输出端具有低于输入电压的电压，以及第二个输出端具有高于输入电压的电压。为了实现这个上/下变换器，只需要三个开关装置。然而，对于许多电子应用，需要两个以上的电源电压。在US 2002/0113580 A1中公开的变换器对于这样的设备是不够的。
美国专利6437545 B2公开了图6所示的上/下变换器的控制图，它具有多个输出端。这个DC/DC变换器包括电感能量贮存装置、开关装置、和控制装置，所述控制装置被安排成有选择地控制开关装置，以使得电能被传送到输出端。控制装置被安排成这样来控制各个输出，它们使得每个输出可得到多个不同的切换周期，并且在多个输出之间提供一个主输出，该主输出需要大多数能量。这个控制器提供有不同的切换周期的一个切换序列，其中每个切换周期从阶段Φ1开始，在该阶段时，与输出之一相关联的所有的开关被打开以及与在输入电压的正端与负端之间的线圈串联连接的主开关被关闭。在阶段Φ1期间，能量在线圈中被上变换，因为在电流电路中没有包括另外的消耗。除了电流上变换以外，还有一个阶段，在此阶段时被分配给每个一个输出的开关之一被关闭，这样，在线圈中能量又被下变换。当流过线圈的电流再次达到它在上变换阶段开始时具有的数值并因此平衡被重新建立时，电流上变换阶段Φ1再次开始，并随后只在一个负荷支路上有电流的下变换。因此切换序列包括多个接连的切换周期，使得下变换阶段跟随在上变换阶段后面。这里描述的和如图6所示的上/下变换器被安排成仅仅用于两个输出，以及对于两个输出每个具有一个开关装置(S4，S5)，并且还具有主开关装置(S1)，续流(freewheeling)开关装置(S2)和另一个开关装置(S3)，该开关装置是安排在面向变换器输出端的线圈输出端与没有连接到主开关装置的那一极之间，该极被指定给生成输入电压的DC电压源，和该另一个开关装置(S3)在降压模式下被打开，但对于提升模式它是必须的。这样，除了用来控制在各个输出支路上的电流分布的开关装置(D2，S4，S5)以外，总共3个开关装置(D1，S4，S3)是必须的。
本发明的目的是提供操作至少具有两个输出的DC/DC上/下变换器的最经济的方法。两个输出之一可以高于输入电压，同时，一个可以低于输入电压。
按照本发明的方法被提供用于根据降压变换器构建的和用于根据提升变换器构建的上/下变换器。
本目的是通过权利要求1中规定的方法达到的，它涉及到所谓的降压变换器。通过按照本发明的方法和通过降压变换器，在切换周期过程中被存储在线圈中的能量也用于供给超过输入电压的输出电压。在这方面，切换周期被理解为一系列切换阶段，它进而又相应于开关装置的规定的状态。切换周期在原理上包括各个线圈电流的上变换阶段和以后的下变换阶段，该电流流过电感能量贮存装置。上变换阶段和/或下变换阶段然后被再划分成两个或多个阶段。一个阶段代表所有开关装置的各种状态的某种组合。本发明然后是基于这样的认识通过电感贮存装置的负荷在所有输出中适当分布，形成现有技术的US6,437,545 B2的另外的开关装置和它的控制可以省去，这样，电路装置可以更加经济地实现。
权利要求1中规定的方法可以以极其简单的方式被扩展以用于另外的输出。作为替换例，切换周期被再划分成与附加输出有关的另一个切换阶段，或现有的切换阶段可以替换地用于一个或另一个输出的接连的切换周期，以便两个输出以相互切换(toggling)的方式工作。
控制装置优选地为每个开关装置生成切换阶段，这些阶段是如此构建的以使得线圈电流的下变换阶段具有至少两个切换阶段。对于在下变换阶段期间正好有两个切换阶段，这意味着相应的DC/DC上/下变换器具有正好两个输出，以及全部(两个)输出端在切换周期期间依次地接收负荷。在这种情况下正好两个输出被理解为分别指与输入电压相比具有一个低电压的输出和一个高电压的输出。
对于在下变换阶段期间的三个切换阶段，这意味着相应的DC/DC上/下变换器具有三个输出端，以及全部(三个)输出端在切换周期期间依次接收负荷。
按照一个实施例，一个切换周期准确地具有所有的切换阶段一次。
本目的是通过权利要求4中规定的方法达到的，它涉及到所谓的提升变换器。在按照本发明的这个方法中，在能量存储到线圈期间，还有一个阶段，其中产生低于输入电压电平的输出电压。这样，线圈电流的上变换阶段和/或下变换阶段被再划分成两个或多个阶段。一个阶段代表所有的开关装置的各种状态的某种组合。按照本发明的方法使得有可能在US 6,437,545 B2的图6的现有技术中省去涉及的开关装置S1和S2。这样，电路装置可以更加经济地实现。
控制装置优选地为每个开关装置生成切换阶段，这些切换阶段被构建成使得线圈电流的上变换阶段具有至少两个切换阶段。在这些切换阶段的至少一个切换阶段中，一个具有低于输入电压的电压输出接收负荷。在电流下变换阶段中，则提供了其电压超过输入电压的输出。
在权利要求4中规定的方法能以特别简单的方式加以扩展而用于另外的输出。为此，-切换周期替换地被再划分成与这个附加输出有关的另一个切换阶段，或-切换阶段替换地被使用于一个或另一个输出的依次的切换周期，以使得结果是两个输出的准相互切换操作。
多次实施本方法，可以创建添加任何数目的输出的可能性。
按照一个实施例，一个切换周期正好包括一次所有的切换阶段。
开关装置可以是MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT(绝缘栅双极性晶体管)、GTO(栅极关断开关)、双极性晶体管或任何其它晶体管或开关。它们优选地是MOSFET，因为这样可以以特别简单的方式实现按照本发明的上/下对立物(counter)。
按照本发明的DC/DC变换器适合于要向消费装置提供不同电压的电子设备，例如移动无线电话、PDA(个人数字助理)或MP3播放器中使用。
参照此后描述的实施例阐述和明白本发明的这些和其它方面。
在图上
图1显示用于降压变换器的电路装置图；图2是按照降压变换器电路图的第一变例中涉及线圈电流的图；图3是按照降压变换器的电路图的第二变例中涉及线圈电流的图；图4显示用于提升变换器的电路装置图；图5是按照提升变换器的电路图的第一变例中涉及线圈电流的图；以及图6是按照提升变换器的电路图的第二变例中涉及线圈电流的图。
图1显示用于基于降压变换器的上/下计数器的电路装置图。被安排在产生输入电压Uin的DC电压源的正极与被用作为能量贮存装置的线圈L1之间的开关装置T1被用作为主开关，它接通或关断输入电压。第一二极管D1被安排成与开关装置T1并联，这样，第一二极管D1的阳极被连接到线圈L1，以及当开关装置T1被打开时，如果线圈L1在X1处的电位高于Uin就可以放电。在本例中显示的和具有多个输出的上/下计数器具有三个输出端A，B和C，主电压是低于输入电压Uin和在开关电路中具有最大负荷的电压UA。线圈电流IL1经由开关装置T3被提供给开关电路的这个支路。超过输入电压Uin的电压UB可在另外的输出端处得到。开关电路的这个支路不需要包括可控制的开关装置，但视情况而定，串联连接到输出UB的二极管D3将是足够的。与负荷C有关的支路只表示例如按照本发明扩展上/下计数器的可能性。在这个输出端或要被提供的负荷C上呈现的电压UC的高度在这里不作进一步规定，因为最终它是关于要考虑的所有负荷的平衡问题。控制器监视输出电压UA，UB，UC以及按照要求控制开关装置T1，T2，T3，T4。
线圈L1拾取在指定给主开关装置T1与续流开关装置D2之间的输入电压的末端X1处的F2。在X1处的平均电压由主开关装置T1的工作比所设定。
开关T2是任选的。对于变换器的功能，重要的是当主开关装置T1打开时，线圈电流IL1必须能够在下面的支路经由第二二极管D2流到线圈L1。二极管D2用它的阳极连接到生成输入电压UIN的DC电压源的一个极，这里是负极，以及它的阴极连接到线圈L1的开关操纵端。由于在二极管D2在正向导通时也可能发生损耗，可以安排与其并联的开关装置T2用来减小正向损耗。
图2是涉及降压变换器的电路图中按照本发明的第一变例的线圈电流IL1的图。在该第一电路图上，切换周期SZ1包括线圈电流IL1的上变换阶段和下变换阶段的接连的多阶段(这里是双阶段)。平衡线GL表示，在主开关装置T1的合适的工作比下，切换周期SZ1的开始端和结束端处的线圈电流IL1具有相同的数值。如果具有高输出电压的输出端的负荷增加太多，则不能建立平衡，于是平衡线被废弃。这里表示的切换周期SZ1包括相应于开关装置T1，T2，T3和T4的以下状态的各个阶段Φ1，Φ2，和Φ3Φ1T1和T3闭合，T4打开。可选的开关装置T2打开。线圈电流IL1增加，同时向输出端A供给功率。
Φ2T1打开，以及T3和可选的开关装置T2闭合。存储在线圈L1中的一部分能量被传送到输出端A而同时线圈电流IL1减小。
Φ3T3打开，可选的开关装置T2闭合。这时线圈电流IL1更快速下降，并在一个时间段内经由二极管D3流到具有输出端B的支路直到再次达到它的输出值为止。
在一个切换周期期间，接连地向该至少两个可用的输出端A，B提供功率。
图3是涉及降压变换器的电路图的按照本发明的第二变例的线圈电流IL1的图。该第二电路图是第二切换周期SZ2，它包括第一线圈电流IL1的上变换阶段和接连的多阶段(这里是双阶段)的下变换阶段，其中不同的切换状态形成在下变换阶段期间的基础，也就是说，这里输出被调换，而主开关装置T1在它下一个切换阶段中被打开之前先保持闭合。这里也引入平衡线GL，这指的是使得主开关装置T1的工作比与负荷配合。另外，如果负荷具有某些临界要求，则变换器只能按要求操作。这里表示的切换周期SZ2包括相应于开关装置T1，T2，T3和T4以下各状态的多个阶段Φ4，Φ5，和Φ6Φ4T1和T3闭合，T4打开。可选的开关装置T2打开。在线圈电流IL1的上变换阶段期间，也向具有相对较低输出电压的输出端(这里是输出端A)供电。
Φ5T1闭合，以及T3和T4打开。可选的开关装置T2打开。虽然主开关装置T1仍旧是闭合的因此电路装置仍由电源电压Uin供电，但已经有电流下变换阶段，因为负荷支路用超过输入电压的输出电压(UB＞Uin)供电。然后电流相当缓慢地减小。
Φ6T1，T34和T4打开。可选的开关装置T2闭合。在电流下变换阶段的第二部分，曲线急剧下降，因为输出电压UB仅仅由存储在线圈L1中的能量产生。这时电路包括线圈L1，在负荷支路B中的二极管D3，平滑电容器与代表负荷A的输出电阻的并联电路，以及二极管D2和可选开关装置T2。
总之，降压变换器的切换周期SZ1或SZ2，按照本发明，分别包括上变换阶段Φ1或Φ4，以及至少两个接连的电流下变换阶段Φ2和Φ3或Φ5和Φ6。图2和图3所示的图涉及到一个上/下对立物的电流上变换阶段和电流下变换阶段，该上/下对立物是基于降压变换器的并且该上/下对立物具有低于输入电压Uin的主输出电压UA以及它的至少一个次要电压UB超过输入电压Uin。与现有技术不同，按照本发明的电流下变换不单是由关断主开关装置T1所致，而且也是通过提供高输出电压而引起的。这是通过分别在每个切换周期SZ1或SZ2中使多个输出端(包括A，B，可能还有C)工作而达到的。负荷支路C表示，按照这个图，可以形成另外的输出，其输出电压(这里是UC)大于或小于输入电压Uin，然而，分别在切换周期SZ1或SZ2结束时，达到平衡GL这个条件必须被遵守。然而，一个切换周期也可以具有T1和D2的多个接通和关断阶段。
图4显示基于提升变换器的上/下对立物的电路装置图。连接在生成输入电压Uin的DC电压源的负极与用作为能量贮存装置的线圈L1之间的开关装置T1被用作为主开关。在本例中显示的并具有多个输出端的上/下对立物具有三个输出端D，E和F，主输出端具有超过输入电压Uin的电压UE。这个主输出端具有高负荷。只要在线圈L2一侧通向二极管D4的电位Y2高于输出电压UE，在负荷支路E中的二极管D4两端就会产生线圈电流IL2。在至少一个附加输出端，这里是支路D，有可利用的次要电压，它低于输入电压Uin。在实施例的例子中，显示另一个输出支路，具有仅仅以示例性方式超过输入电压Uin的次要电压UF。这个另外的次要电压UF也可以是较低的。控制器监视输出电压UD，UE和UF，以及按照要求控制开关装置T5，T6和T7。对于本发明重要的是在线圈电流IL2的上变换阶段期间次要输出端D就已有功率提供。
图5是涉及降压变换器的电路图的按照本发明的第一变例的线圈电流IL2的图。对于第一电路图，切换周期SZ3包含线圈电流IL2的双阶段的上变换阶段和至少一个接连的下变换阶段。平衡线GL表示在平衡状态下，达到了主开关装置T5的工作比对负荷的正确适配。另外，按照目的，变换器的操作只在负荷具有某些裕度的要求时才是可能的。这里表示的切换周期S13包括多个阶段Φ7，Φ8和Φ9，它们相应于开关装置T5，T6和T7的以下状态Φ7T5闭合，以及T6和T7打开。线圈电流IL2增加。
Φ8T6闭合，以及T5和T7打开。线圈电流IL2进一步增加，但与第一阶段Φ7相比较已经变平，因为增加了耗费，也就是，次要电压具有低的输出电压，这里负荷支路具有UD＜Um。
Φ9T5，T6和T7打开。负荷支路E经二极管D4由电感贮存装置提供能量。
图6是涉及提升变换器的电路图的按照本发明第二变例的线圈电流IL2的图。这个例子显示具有三个输出端D，E和F的DC/DC变换器的电流的双阶段上变换阶段和同样的双阶段下变换阶段。电流上变换阶段包括阶段Φ10和Φ11，电流下变换阶段包括阶段Φ12和Φ13。在实施例的这个例子中，每一个输出端在切换周期SZ4期间被驱动。
Φ10T5闭合，以及T6和T7打开。能量存储在线圈L2中。
Φ11T5和T7打开，T6闭合。支路D如此运行，使得线圈电流IL2的上升具有不太陡的形式。
Φ12T5，T6和T7打开，以使得在支路E中经由二极管D4产生输出电压UE，该输出电压UE在这个提升变换器中是主电压，并且超过输入电压Uin。
Φ13T5和T6打开，T7闭合。存储在线圈L2中的一部分能量被传送到输出端UF。
对于图2，3，5，和6上的图，在线IL1和IL2下面的画阴影线的表面分别代表各个输出端A，B，C，D，E和F的电流消耗。这些电路图显示向输出端供应的次序和相应的持续时间。当阶段Φ1和Φ2，...，Φ13的持续时间被相应地调节以使得这些表面的大小保持为相同时，在切换周期SZi中在不同的次序下也可以得到相同的结果。控制器控制规定的负荷分配，开关装置随之被设置。
图2，3，5，和6所示的切换阶段和切换周期仅仅是例子。当按照本发明的方法被使用于具有比这里给出的更多的输出端的DC/DC上/下变换器时，在这方面的变化如下，替换地，-在同时考虑平衡线GL的情况下切换周期被再划分成多个切换阶段和/或-与相应地显示的控制所有可用输出的单独的切换周期相反，不同结构的切换周期是交替进行的。
用于图1的降压变换器的各个主开关装置T1或用于图3的提升变换器的T5以及还有续流开关装置T2在频率方面的控制，可以无视输出开关装置T3，T4，T6和T7的控制而实施。在这种情形下，其性能不再通过切换阶段来表示。
开关装置D3和D4任选地也可以用其它半导体开关(同步整流)替代。
所显示的和讨论的所有的电压源可以用具有相反的极性的电压源替代，在这种情况下所有的二极管要反向。当电压接近于零时，通常所说的是较低的电压。
权利要求
1.一种操作DC/DC上/下变换器的方法，该DC/DC上/下变换器具有-一个输入电压端(Uin)和至少第一和第二输出电压端(UA，UB)，-至少一个电感能量贮存装置(L1)，它通过第一末端(X1)连接到主开关装置(T1)，以及经由开关装置(T3，D3)能通过第二末端(Y1)连接到至少两个输出端(A，B)，-输出开关装置(T3，D3)，用于通过供给一个线圈电流(IL1)而为第一和第二输出电压(UA，UB)提供电能，-在电感能量贮存装置(L1)与生成输入电压(Uin)的DC电压源之间的主开关装置(T1)，-续流开关装置(T2，D2)，如果主开关装置(T1)被关断，则它使得电感装置(L1)中流动的电流可以连续不断流动，以及-控制装置(控制器)，用于选择地驱动所有的开关装置(T1，T2，T3，T4)，其中·低于输入电压(Uin)的第一输出电压(UA)出现在第一输出端(A)，和·高于输入电压(Uin)的第二输出电压(UB)出现在第二输出端(B)，·用于控制线圈电流(IL1)的方向以使其流到第一输出端(A)或流到第二输出端(B)的至少另一个开关装置(T3)被串联连接到第一输出端(A)，其特征在于，控制装置(控制器)-控制输出开关装置(T3，T4)，以使得在一个切换周期(SZ1，SZ2)的过程中该线圈电流(IL1)从第二末端(Y1)流到两个输出支路(A，B)中，以及-在上/下变换器的瞬态中控制该主开关(T1)，以使得在第一末端(X1)的平均电压等于在第二末端(Y1)的电压。
2.如在权利要求1中要求的方法，其中控制装置(控制器)为开关装置(T1，T2，T3，T4)生成各切换阶段(分别为Φ2，Φ3和Φ5，Φ6)，以及线圈电流(IL1)的过程包括上变换阶段和下变换阶段，其特征在于，线圈电流(IL1)的下变换阶段包括至少两个切换阶段(分别为Φ2，Φ3和Φ5，Φ6)。
3.如在权利要求2中要求的方法，其中切换周期(SZ1，SZ2)具有所有的切换阶段(分别为Φ1，Φ2，Φ3和Φ4，Φ5，Φ6)正好一次。
4.一种操作DC/DC上/下变换器的方法，该DC/DC上/下变换器具有-一个输入电压端(Uin)和至少第一和第二输出电压端(UD，UE)，-至少一个电感能量贮存装置(L2)，它通过第一末端(X2)连接到生成输入电压(Uin)的DC电压源，并能经由开关装置(T6，D4)通过第二末端(Y2)连接到输出端(D，E)，-输出开关装置(T6，D4)，用于通过供给一个线圈电流(IL2)而为第一和第二输出电压(UD，UE)提供电能，-在电感能量贮存装置(L2)的第二末端(Y2)与DC电压源的另一个极之间的主开关装置(T5)，以及-控制装置(控制器)，用于选择地驱动所有的开关装置(T5，T6，T7)，其中·低于输入电压(Uin)的第一输出电压(UD)出现在第一输出端(D)，和·高于输入电压(Uin)的第二输出电压(UE)出现在第二输出端(E)，.用于控制线圈电流(IL2)的方向以使其流到第一输出端(D)或流到第二输出端(E)的至少另一个开关装置(T6)被串联连接到第一输出端(D)，其特征在于，控制装置(控制器)-控制输出开关装置(T6，T7)，以使得在一个切换周期(SZ1，SZ2)的过程中线圈电流(IL2)从第二末端(Y2)流到两个输出支路(D，E，F)至少一次，以及-在上/下变换器的瞬态中控制该主开关(T5)，以使得在线圈(L2)的第二末端(Y2)上的平均电压等于在第一末端(X1)上的电压，因此等于输入电压(Uin)。
5.如在权利要求4中要求的方法，其中控制装置(控制器)为每个开关装置(T5，T6，T7)生成切换阶段(分别为Φ7，Φ8，Φ9和Φ10，Φ11，Φ12)，以及线圈电流(IL2)的模式具有上变换阶段和下变换阶段，其特征在于，线圈电流(IL2)的上变换阶段包括至少两个切换阶段(分别为Φ7，Φ8和Φ10，Φ11)。
6.如在权利要求5中要求的方法，其中切换周期(SZ3，SZ4)精确地包括所有的切换阶段(分别为Φ7，Φ8，Φ9和Φ10，Φ11，Φ12，Φ13)一次。
7.如在前述权利要求的任一项中要求的方法，其特征在于，开关装置(T1，T2，...，T7)是MOSFET；IGBT，GTO或双极性晶体管。
8.实施如在权利要求1到9中要求的用于操作在诸如移动电话、PDA(个人数字助理)、或MP3播放器那样的电子设备中的DC/DC上-下变换器的方法，在该电子设备中耗电部分要被提供以不同的电压。
全文摘要
一种用于上－下变换器的方法，该变换器是基于降压变换器的，该方法在线圈(L
文档编号H02M3/158GK1902810SQ200480039824
公开日2007年1月24日 申请日期2004年12月22日 优先权日2004年1月5日
发明者T·G·托勒, F·J·斯卢伊斯, H·C·J·比特克尔, M·瓦尔特尔 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司