低损耗增压及减压电压转换器的制造方法
【专利说明】低损耗增压及减压电压转换器
[0001]相关申请案的交叉参考
[0002]不适用。
[0003]关于联邦资助研究或研发的声明
[0004]不适用。
技术领域
[0005]本发明为电压转换器的领域。更具体来说，本发明的实施例针对于例如在DC电力供应器及DC电机驱动应用等等中使用的DC-DC开关模式电压转换器。
【背景技术】
[0006]电压转换器电路为具有将由经调节DC电压驱动的负载的许多电气与电子系统的常见组件。举例来说，许多电子系统包含需要相对稳定的DC电压的集成电路及其它负载。如此，这些系统通常包含用于将从电池或经由整流器从AC线路电压接收的未经调节DC输入电力转换成待施加到集成电路或其它系统负载(例如DC电机)的稳定的经调节DC电力输出的DC电力供应器。
[0007]DC电力供应器中通常包含的一种常见类型的DC-DC电压转换器电路在此项技术中称为开关模式DC-DC电压转换器。如此项技术中已知，开关模式DC-DC “降压”转换器(或“减压”转换器)产生平均比其输入电压低的输出电压，而“升压”转换器(或“增压”转换器)产生平均比其输入电压高的输出电压。现代常规经调节DC电力供应器通常包含实际上是“降压”与“升压”转换器电路类型的组合的“降压-升压”拓扑的开关模式DC-DC转换器。降压-升压电压转换器能够产生可比所接收输入电压高或低的输出电压。
[0008]图1是常规非反相降压-升压DC-DC电压转换器2的示意图。如此项技术中为典型的，经由开关SWl将输入端子IN处的电压施加到电感器4的一端。电感器4的所述同一端还通过开关SW2耦合到接地。电感器4的另一端本身通过开关SW3耦合到接地；此节点还经由开关SW4耦合到电容器6的一个板且在输出端子OUT处耦合到负载LD。电容器6跨越输出端子OUT与接地而连接。开关SWl到SW4通常构造为功率场效应晶体管(FET)，其中其栅极由控制逻辑(未展示)控制。
[0009]在电压转换器2作为“降压-升压”转换器的操作中，开关SWl及SW3共同周期性地切换断开及闭合，而开关SW2及SW4共同但与开关SWl及SW3互补地周期性地切换断开及闭合。通常，在切换转变之间强制“空载”时间以避免开关SWl及SW2两者同时闭合的短路状况。在循环的其中开关SWl及SW3闭合(且开关SW2及SW4断开)的那些部分期间，从输入端子IN激励电感器4。在循环的其中开关SW2及SW4闭合(且开关SWl及SW3断开)的那些部分期间，将由电感器4存储的能量递送到负载LD，其中电容器6用作用以减少输出端子OUT处的纹波的滤波电容器。
[0010]然而，如上文所述，开关SWl到SW4通常实施为功率FET。在大多数应用中，这些功率FET必定为相对大的，特别是对于其中在DC电力供应器中或在DC电机驱动应用中实施电力转换器2的那些情况。由于这些开关SWl到SW4中的每一者每循环切换两次，因此这些功率FET中的切换损耗可为显著的。另外，穿过这些功率FET的传导损耗随着电压转换器2所需的输出电流的电平的增加而增加。
[0011]为了最小化由于用于实现开关SWl到SW4的功率FET所致的切换损耗，可使电压转换器2在单独的“降压”及“升压”模式中操作而非使其作为其中所有开关SWl到SW4每循环切换两次的降压-升压转换器操作。通过控制逻辑来强制这些单独的操作模式，所述控制逻辑根据输出电压Vout与其切换操作模式的参考电压(例如，所要输出电压电平)的比较而控制开关SWl到SW4的状态。根据此操作式样，电压转换器2通常经控制以在例如输入电压相对低(例如，低于参考电压)的时间期间在其升压模式中操作，且在例如输入电压相对高(例如，高于参考电压)的时间期间在其降压模式中操作。
[0012]图2a图解说明电压转换器2在其升压模式中的操作。在此升压模式中，控制逻辑(未展示)使开关SW2在所有时间保持断开，且使开关SWl在所有时间保持闭合。此控制逻辑还控制开关SW3及SW4以互补方式断开及闭合，通常在转变之间具有空载时间以避免短路情形。在操作中，在循环的其间开关SW3闭合且开关SW4断开的那些部分期间从输入端子IN激励电感器4。在循环的其间开关SW4闭合且开关SW3断开的相反部分期间，将由电感器4存储的能量递送到电容器6及负载LD，从而提升输出端子OUT处的电压。开关SW3、SW4的工作循环确定输出端子OUT处的电压；输出电压Vout的所要电平通常高于输入端子IN处的电压，如此项技术中已知。
[0013]相反地，图2b图解说明电压转换器2在其降压模式中的操作。在此模式中，控制逻辑使开关SW4保持闭合且使开关SW3保持断开，同时开关SWl及SW2以互补方式被切换断开及闭合，再次强制空载时间以避免短路。在例如开关SWl闭合且开关SW2断开的时间期间，由来自输入端子IN的电流激励电感器4。相反地，在例如开关SWl断开且开关SW2闭合的时间期间，将由电感器4存储的电流施加到负载LD。电容器6有效地作为滤波电容器操作，从而减少负载LD处的输出电压Vout中的纹波。再次，开关SW1、SW2的工作循环确定输出端子OUT处的电压；在电压转换器2的此降压模式操作中，所要输出电压通常低于输入端子IN处的电压。
[0014]然而，在图2b的降压配置中，只要电力转换器2在此模式中操作，实施开关SW4的功率FET便闭合，从而呈现直接在电感器4与负载LD之间的高电流路径中的电阻。特定来说，在其中启用升压模式操作(图2a)达仅短暂时间周期(例如在系统通电期间)(且其中负载LD的电流要求通常相当低)的电力转换器2的应用中，电力转换器2将主要在降压配置中操作。在降压模式中穿过实施始终闭合的开关SW4的功率FET的电阻损耗可为相当显著的。
【发明内容】
[0015]本发明的实施例提供一种可在减压(“降压”)及增压(“升压”)模式中操作且其中比常规电压转换器显著减少电阻损耗的开关模式DC-DC电压转换器。
[0016]本发明的实施例提供其中不再需要时最小化升压模式切换的此电压转换器。
[0017]本发明的实施例提供在其增压与减压操作模式之间提供平滑转变且反之亦然的此电压转换器。
[0018]参考以下说明书连同其图式的所属领域的技术人员将明了本发明的实施例的其它目标及优点。
[0019]本发明的实施例可实施为一种包含并联连接于输入端子与输出端子之间的降压转换器级及电荷泵级的电压转换器。所述电压转换器包含控制电路，所述控制电路在输出电压达到第一输出电压电平后即刻停用所述电荷泵级且控制所述降压转换器级以将所述输出电压电平调节为高于所述第一输出电压电平的第二输出电压电平。
【附图说明】
[0020]图1是常规降压-升压电压转换器的呈示意形式的电路图。
[0021]图2a及2b是图1的常规降压-升压电压转换器当分别在单独的升压及降压模式中操作时的呈示意形式的电路图。
[0022]图3是根据本发明的实施例的电压转换器的呈框形式的电路图。
[0023]图4是根据本发明的实施例的电压转换器的呈示意形式的电路图。
[0024]图5是图解说明根据本发明的实施例的图3及4的电压转换器的操作的电压转移曲线图。
【具体实施方式】
[0025]将结合本发明的实施例(即，实施为在集成电路中实现的开关模式DC-DC电压转换器)来描述本发明。应理解，以下描述仅以实例方式提供且并不打算限制所主张的本发明的真实范围。
[0026]图3在一般意义上图解说明根据本发明的实施例的开关模式DC-DC电压转换器10的构造。如上文所提及，预期电压转换器10将通常以一般连同其它功能一起嵌入于较大规模集成电路内的单片集成电路来实现，但替代地实施为独立集成电路。或者，预期电压转换器10的组件中的一些或全