具有主动回流阻断的DC-DC转换器及用于操作DC-DC转换器的方法与流程

本发明涉及被设计为同步转换器的dc-dc转换器。换言之，dc-dc转换器具有可切换晶体管或一般地整流开关而非二极管，作为回流阻断。本发明还包括一种用于操作这种dc-dc转换器的方法。

背景技术：

除了在此被称为控制开关的实际调节开关之外，同步转换器还具有整流开关(rectifyingswitch)(在此被称为整流开关(rectificationswitch))。整流开关取代二极管，在dc-dc转换器的情况下，使用所述二极管，所述电流的回流必须以其他方式被闭锁。所述开关通常在各情况下由晶体管形成。

为了转换电压电平，同步dc-dc转换器然后使用电线圈，所述电线圈的第一线圈端子连接至dc-dc转换器的输入端子，并且第二线圈端子连接至两条独立电路分支，所述两条独立电路分支中的一条电路分支经由整流开关通向输出端子，并且所述两条独立电路分支中的另一条电路分支经由控制开关通向地电位。为了控制两个开关(整流开关和控制开关)，一个控制电路连接至这两个开关，并且被配置用于在连续切换周期中在各情况下，在控制阶段将整流开关切换成电闭锁并将控制开关切换成电导通，并且在随后的整流阶段将控制开关切换成电闭锁。在控制阶段，线圈的线圈电流因此从输入端子开始经由控制开关流到地电位，并且因此使用磁能对线圈充电。在随后的整流阶段，将控制开关切换成电闭锁，从而使得电线圈现在驱动其线圈电流朝向输出端子。出于此目的，整流开关必须切换成电导通，并且在正确的时间再次阻断。

这是因为，如果使用dc-dc转换器执行上转换(输入电压小于输出电压)，则在输出端子处低负载的情况下，可能发生在整流阶段电流的流动方向反转，并且电流从输出端子经由整流开关流过线圈到达输入端子。出于此原因，当流动方向反转时，整流开关必须在正确的时间切换成电闭锁。

因此，整流开关必须根据理想二极管切换，因为输出电流通常仅在正向上流过所述整流开关到达dc-dc转换器的输出端子。

为了检测电流流动方向的反转(dcm——不连续电流模式)，从ep2819288a1已知一种检测电路，然而，这种检测电路在技术上实现是非常昂贵的。

技术实现要素：

本发明基于实现将采用技术上简单的方式实现的具有返回阻断的同步dc-dc转换器的目标以及用于操作dc-dc转换器的相应方法。

所述目标通过独立权利要求的主题来实现。由从属权利要求以及以下说明和附图所描述的本发明的有利改进。

本发明的一方面涉及一种dc-dc转换器，其中，电线圈的第一线圈端子与所述dc-dc转换器的输入端子连接，并且所述线圈的第二线圈端子一方面经由整流开关连接至所述dc-dc转换器的输出端子，并且另一方面经由控制开关连接至地电位以及连接至所述整流开关的控制电路，并且所述控制开关被配置用于在连续切换周期中在各情况下在调节阶段将所述整流开关切换成电闭锁并将所述控制开关切换成电导通，并且在随后的整流阶段将所述控制开关切换成电闭锁。此外，提供了一种测量部件，所述测量部件被配置用于在调节阶段(即，当电流从输入端子经由线圈和控制开关流到地电位时)生成测量信号，所述测量信号用信号表示流过线圈的电线圈电流的电流强度。比较器电路被配置用于将所述测量信号与预定阈值进行比较。以此方式，由此检测在调节阶段线圈电流是否具有大于阈值的电流强度。测量信号然后不需要直接描述线圈电流，其还可以与线圈电流成比例，也就是说，例如，电压。然后，相应地调整所述阈值。

控制开关和整流开关的所述控制电路被配置用于：如果比较器电路用信号表示在调节阶段电流强度大于阈值，则在随后的整流阶段(也就是说当控制开关切换成电闭锁时)将整流开关切换成电导通，并且一个重要问题是决定是否可能产生回流。

此外，控制电路还被配置用于：如果测量信号用信号表示在调节阶段电流强度持续小于阈值，则保持整流开关为闭锁。线圈电流因此不被引导通过整流开关的切换路径，也就是说，在晶体管的情况下，例如漏极-源极链路。相反，规定经由二极管将线圈电流引导至输出端子。在进一步的文本中，所述二极管(由于其旁路了整流开关的切换路径而被称为旁路二极管)提供了以下优点：线圈电流仍然由旁路二极管整流，即，无法反转其流动方向。在具有根据本发明的所述方面的整流开关和控制开关的dc-dc转换器的情况下，因此以技术上易于实现的方式使能对线圈电流的回流的预防。

本发明基于以下发现：在调节阶段具有足够大的线圈电流(大于阈值)的情况下，可以假设在随后的整流阶段中线圈电流将在朝向输出端子的方向上永久或持续地流动，也就是说，将不存在电流流动方向的反转。仅在低电流流动的情况下(即，电流强度小于阈值)，电流流动可能反转其方向，这就是针对这种情况为什么使用旁路二极管而不是被切换成电导通的整流开关的原因。因此，所述控制电路进行以下操作：在所述调节阶段，在线圈电流大于所述阈值的情况下，假设在随后的整流阶段将不出现所述电流流动方向的反转；并且仅在比所述阈值更小的电流强度的情况下，当所述电流流动方向的反转可能发生时，针对这种情况，使用所述旁路二极管而不是被切换成电导通的所述整流开关。借助于本发明，然后获得以下优势：借助于简单比较器以及用于切换整流开关的逻辑，实现对同步转换器或dc-dc转换器的控制以避免回流。这在技术上是很小的花费，并且因此是成本有效的并在操作上可靠。

本发明还包括其他可选的改进，这些改进的特征带来额外的优点。

在从调节阶段变化到整流阶段期间，独立于实际连接至输出端子的电负载，可能发生引起电压峰值或电流峰值，也就是说，引起线圈电流的偶发上升。从而使得这不被错误的理解为足够大的线圈电流，并且因此，整流开关被切换成电导通，优选地规定：控制电路被配置用于在闭锁所述控制开关之后使用预定时间偏移来评估所述比较器电路。因此，其最初等待直到测量信号的电压电平稳定下来。例如，这可以借助于微控制器通过等待命令来实现。

通过在调节阶段从线圈电流的电流强度中得出在随后的整流阶段是否将存在零电流或电流方向的反转的结论，不需要实际的零电流检测(zcd)。换言之，可以特别成本有效地生产所述dc-dc转换器，因为在整流阶段线圈电流的电流强度是未被监测的。换言之，所描述的测量部件被安装到或连接至仅通向地电位而并不通向输出端子的那个电路分支中。

所述整流开关优选地由具有体二极管的晶体管提供。然后，这可以被有利地用作旁路二极管或形成后者。控制开关还可以在晶体管的基础上形成。具体地，规定每个晶体管被设计为mosfet(金属氧化物场效应晶体管)。

如已经陈述的，电流路径从第二线圈端子开始分支，即一次在朝向输出端子的方向上(经由整流开关)，并且另一方面，再朝向地电位的方向上(经由控制开关)。在此上下文中，用于生成测量信号的测量部件被优选地提供为电阻器，所述电阻器先于或跟随控制开关，其方式为使得测量部件在通向地电位的电路分支中(也就是说，线圈电流仅在调节阶段流过测量部件)。测量部件因此被安排在调节电流路径中。这避免了当dc-dc转换器在整流阶段时在测量部件中实现功率损耗。

操作根据本发明所述的dc-dc转换器引起一种根据本发明的方法。因此，本发明的另一方面涉及一种用于将dc-dc转换器操作为同步上转换器的方法，其中，控制电路在连续切换周期中分别在调节阶段将整流开关切换成电闭锁并将控制开关切换成电导通。在随后的整流阶段，控制开关被切换成电闭锁。然后，为了决定整流开关是否被切换成电导通以便因此将线圈电流经由整流开关的切换路径引导至输出端子，比较器电路在调节阶段生成测量信号，所述测量信号用信号表示流过电线圈的电线圈电流的电流强度。比较器电路将测量信号与预定阈值进行比较，并且控制电路基于其决定在整流阶段整流开关是否被切换成电导通。如果比较器电路用信号表示在调节阶段电流强度大于阈值，则将整流开关切换成电导通。将整流开关保持或切换成电闭锁，并且因此，如果比较器电路用信号表示在调节阶段电流强度持续小于阈值，则将线圈电流以由旁路二极管描述的方式引导至输出端子，从而使得控制电路：在调节阶段，在线圈电流大于阈值的情况下，假设在随后的整流阶段将不出现电流流动方向的反转；并且仅在比阈值更小的电流强度的情况下，当电流流动可能反转其方向时，针对这种情况使用旁路二极管而不是被切换成电导通的整流开关。

本发明包括对根据本发明的方法的改进，这些改进具有如已经结合根据本发明的dc-dc转换器的改进而描述的特征。出于此原因，在此不再描述根据本发明的方法的相应改进。

附图说明

描述了本发明的说明性实施例，在这方面：

图1示出了根据本发明的dc-dc转换器的实施例的图示表示；

图2示出了用于展示根据本发明的可以由根据图1的dc-dc转换器执行的方法的实施例的图解流程图。

参考符号清单

10dc-dc转换器

11输入端子

12输出端子

13负载

14输出电压

15操作电流

16电压源

17地电位

18输入电压

19线圈

20电路分支

21电路分支

22回流开关

23接地开关

24线圈电流

25平滑电容器

26测量部件

27旁路二极管

28切换路径

29控制电路

30切换逻辑

31信号

32触发器

33逆变器

34逆变器

35测量信号

36比较器

37电流源

38电阻器

39调节阶段

40整流阶段

41时钟信号

42上升沿

43比较器

44电流源

45电阻器

p1-p6过程步骤

s1阈值

s2阈值

u+电源电压

qx回流开关的控制信号

nqx接地开关的控制信号

具体实施方式

本文中所解释的以下说明性实施例是本发明的优选实施例。在说明性实施例中，所描述的部件在各情况下表示本发明的在各情况下还独立于彼此地发展本发明的单独特征(被认为独立于彼此)，并且因此也被认为单独于被示出为本发明的部件的部件或采用被示出为本发明的部件的部件之外的另一种组合。此外，所描述的实施例还可以由本发明的已经描述的特征中的其他特征补充。

在附图中，功能相同的元件在各情况下提供有相同参考符号。

图1示出了例如可以在机动车辆中提供的dc-dc转换器10。dc-dc转换器10可以具有输入端子11和输出端子12。借助于dc-dc转换器10，可以使用输出电压14和操作电流15来操作电负载或电负载13。可以经由输入端子12从电压源16处接收此目的所需要的电能。出于此目的，线圈端子11’可以电连接至输入端子11。输入电压18可以低于输出电压14(上转换或升压转换)。可以经由地电位17关闭在输入端子11和输出端子12处的对应电路。

为了从输入电压18处生成输出电压14，dc-dc转换器可以具有电线圈19，所述电线圈具有电感l以及两条电流路径或电路分支20、21。电路分支20可以具有控制开关22，电线圈19的线圈端子12’经由所述控制开关连接至输出端子12。在电路分支20中，还可以提供平滑电容器25。

电流路径21可以具有控制开关23，线圈端子12’经由所述控制开关连接至独立于电路分支20的地电位17。

整流开关22可以是mosfetm2，控制开关23可以是mosfetm1。通过交替切换整流开关22和控制开关23，线圈电流24可以在电路分支20、21之间交替地流动或引导。整流开关22可以另外地具有体二极管，所述体二极管作为旁路二极管27可以在整流开关22的漏极和源极之间引导切换路径28，在整流开关22切换成闭锁的情况下，线圈电流24朝向输出端子12并闭锁来自输出端子12朝向线圈19的回流。因此，当整流开关22切换成闭锁时，到输出端子12的电流流动也是可能的。

在电路分支21中，可以在调节开关23之前或(如图1中所示出的)在调节开关23之后连接测量部件26，以便确定线圈电流24的电流强度。测量部件26可以是具有欧姆电阻值r的电阻器或分流电阻器。

为了切换开关22、23，可以提供控制电路29，所述控制电路可以借助于切换信号qx控制整流开关22，并且借助于反相切换信号nqx控制控制开关23。切换逻辑30在此可以对信号qx和反相信号nqx进行解耦并且出于此目的而生成解耦信号31，借助于所述解耦信号，用于生成信号qx、nqx的触发器32(ff)可以进行切换，其方式为使得：当触发器32被重置(rst＝1，s＝0)时，切换信号nqx被设置为等于1；并且通过这种方式，如果解耦信号11被设置为使得在存在通过信号发送的解耦信号31的情况下，整流开关22由于逆变器34而保持电闭锁，则在此过程中整流开关22借助于qx未被切换成电导通的情况下，控制开关23由于逆变器33而切换成电闭锁(处于电闭锁状态)。当未设置解耦信号31时，相比而言，执行根据触发器32和随后逆变器33、34的已知功能的同步操作。

为了切换触发器32，可以借助于测量部件26生成测量信号35，所述信号借助于比较器36以滞后调节(两点调节)本身已知的方式，在控制开关23切换成电导通并且整流开关22切换成电闭锁的情况下，检测线圈电流24的电流强度的更低阈值s1(更低调节限制)。可以采用借助于依赖于操作电压u+的电流源37和电阻器38表示的方式设置阈值s1。在此调节阶段期间39，线圈电流24因此流过电路分支21，一直到由测量信号54用信号表示线圈电流24的电流强度小于阈值s1。然后，比较器36将触发器32设置为rst＝1。

通过闭锁以此方式触发的电流开关23，将线圈电流24转移到导致整流阶段40的电路分支20。在此过程期间，电路逻辑30可以决定整流开关22是被切换成电导通还是保持电闭锁。在后者情况下，线圈电流24被导通通过旁路二极管27。

图2展示了电路逻辑30的这种决定。电路逻辑30可以具有例如微控制器。

dc-dc转换器10可以被操作为固定频率电压转换器，并且出于此目的可以具有时钟信号41(clk)，所述时钟信号具有随时间彼此跟随的上升沿42(接通沿)。在上升沿42的情况下，可以在过程步骤p1中设置触发器32(s＝1)，并且这可以持续等待时间t，并且在此之后，可以在过程步骤p2中取消设置(s＝0)，并且可以等待另一个等待时间t。在此之后，可以在过程步骤p3中检查是否在调节阶段39期间测量信号35已经超过预定第二阈值s2，所述预定第二阈值可以由比较器43检测并用信号表示。比较器43通过这种方式检查在即将发生的整流阶段40(dcm)期间是否存在线圈电流24朝着输入端子11的回流可能性或危险或风险。可以采用所描述的方式借助于电压源44和电阻器45来设置阈值s2。

如果比较器43用信号表示超出阈值s2(通过加号“+”表示)，则可以在过程步骤p4中设置整流开关22与控制开关23的同步操作，即，可以抑制解耦信号31，从而使得在闭锁控制开关23的情况下，整流开关22切换成电导通。

如果比较器43已经用信号表示在调节阶段39中还未超过阈值s2(通过减号“-”表示)，则可以在过程步骤p5中设置或生成解耦信号31，并且通过这种方式，整流开关22可以在整流阶段40保持电闭锁，尽管控制开关23也被切换成电闭锁。

在这两种情况下，有可能在下一个过程步骤p6中等待整流阶段，即，等待下一个上升沿42(wait)。

因此，线圈电流24仅在调节电路(即，电路分支21)的测量部件26(即，例如，分流电阻器r)处转换电损耗，并且相应地，电损耗在转换器10的工作周期内减少。

然而，因此，在整流阶段40期间，不可获得与线圈电流24有关的任何信息。然而，仅在以下情况下这才令人感兴趣：线圈电流24在调节阶段39中很低，其方式为使得存在线圈电流24在整流阶段40中变成0或甚至反转的风险。因此，当控制开关23接通或切换成电导通时，dc-dc转换器10借助于比较器43检测在调节阶段39线圈电流24的开始值是否足够高以便在整流阶段40将整流mosfetm2(或一般地整流开关22)切换成完全导通。如果线圈电流24不够高(由阈值s2限定)，则在整流阶段40，线圈电流24将流经作为整流mosfetm2的旁路二极管27的体二极管。尽管这产生了更多损耗，但是这仅在传输很少能量的情况下发生。另外，测量部件26可以应用于地电位17，这使得电流测量特别易于实现。

因此，优点是：对高线圈电流或大线圈电流24而言，测量部件26的安排位于调节电路分支21，并且为了另外地在地电位17处的升压转换器，并且对低线圈电流24而言，像常规非同步转换器那样操作或运行dc-dc转换器10(使用旁路二极管27)。在每个切换周期(调节阶段39和整流阶段40的序列)中单独做出决定，由于所述决定而防止了不必要的损耗。

dc-dc转换器10还节省了zcd(零电流检测)的花费，所述zcd将指电路分支20中的附加电路或附加损耗。

在图2中所展示的方法中，由s＝1中断电流测量。从而使得接通电压峰值没有立即再次切断，过程步骤p1与p2之间需要等待时间周期t。适当地，在做出整流阶段40中整流mosfetm2是否变活跃的决定之前，还需要另外等待时间周期t(过程步骤p2与p3之间)。

总体而言，这些示例示出了本发明如何提供针对固定频率电压转换器的dcm检测。