專利名稱：單參考dc/dc變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種DC/DC變換器，包括電感性電能存儲單元、開關(guān)單元和控制單元，其中，控制單元被布置成有選擇地使開關(guān)單元工作，以便將一定數(shù)量的電能從儲能單元轉(zhuǎn)移到DC/DC變換器的輸出端，從而提供所要求的輸出電壓。
這種類型的DC/DC變換器在以申請人名義提出的國際專利申請WO95/34121中已知。
實(shí)際上，上述類型的DC/DC變換器能以連續(xù)方式或PWM(脈寬調(diào)制)方式工作，其中，電能被連續(xù)地儲存在儲能單元中，或者以非連續(xù)方式或PFM(脈頻調(diào)制)方式儲存在上述單元中，這里，儲能單元可能被完全放電。
在以PWM方式工作的單輸出DC/DC變換器中，典型的轉(zhuǎn)接周期包括能量被儲存在儲能單元的第一階段和能量從儲能單元轉(zhuǎn)移到變換器輸出端的第二階段。以PWM方式工作的DC/DC變換器的輸出功率受其工作比(duty cycle)的控制，即受第一階段持續(xù)時間與轉(zhuǎn)接周期總持續(xù)時間(第一與第二階段之和)之比的控制。
為了控制已知的DC/DC變換器的輸出電壓，要求一個包含高輸出電壓參考電平和低輸出電壓參考電平的電壓窗口。利用此電壓窗口控制輸出電壓時，將使輸出電壓產(chǎn)生隨機(jī)低頻波動，從而自然會造成輸出電壓的展寬。這個效應(yīng)可通過減小電壓窗口來降低，但是，由于在所用電壓比較器中過程的展寬而使這種降低受到限制。
波動的大小直接與儲能單元的充放電電流相關(guān)，也直接與變換器工作時的工作比相關(guān)。工作比大意味著相當(dāng)多的電能儲存在儲能單元中，并從那里放電使電流增大，從而使輸出波動增大；反之，工作比小意味著較少的能量轉(zhuǎn)移，從而使電流減小，故輸出電壓中低頻波動也減小。在轉(zhuǎn)接周期的第二階段，如果儲能單元以相當(dāng)大的電流放電，則輸出電壓中將出現(xiàn)相當(dāng)大的壓降。當(dāng)為了控制目的而在此第二階段期間測量輸出電壓時，工作比和放電電流會對測量精度造成直接的負(fù)面影響。
本發(fā)明的目的是給出一種上述類型的DC/DC變換器，它采用單一電壓參考電平來控制輸出電壓，因此降低了電壓測量對波動電壓的依賴性。
本發(fā)明所提出的DC/DC變換器解決了上述問題，在這種變換器中，配置了對開關(guān)單元實(shí)行運(yùn)行控制的控制單元，以進(jìn)行與雙態(tài)轉(zhuǎn)接周期(含有最大與最小工作比)協(xié)調(diào)一致的電能轉(zhuǎn)移。
本發(fā)明基于這樣的認(rèn)識當(dāng)輸出電壓高于其所要求的數(shù)值時，通過參考電壓設(shè)置，變換器的加載不會過重，從而在隨后的轉(zhuǎn)接周期中，較少的能量必須轉(zhuǎn)移給儲能單元，由此如前所揭示，輸出電壓中的電壓波動將有所降低。僅當(dāng)輸出電壓下降到低于其要求值時，在隨后的轉(zhuǎn)接周期中才有更大量的電能必須儲存在儲能單元中，以便將輸出電壓恢復(fù)到所需要的電平。結(jié)果，采用單一的參考電壓和雙態(tài)工作比控制，對該變換器實(shí)現(xiàn)極為穩(wěn)定的控制，總的電壓波動降低，同時控制單元也可能具有相對簡單的設(shè)計(jì)。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，DC/DC變換器包括-用于接收輸入電壓Vin的第一和第二輸入端；-用于提供輸出電壓Vout的第一和第二輸出端；-具有笫一和第二連接端的線圈，其中第一連接端與第一輸入端相連；一第一開關(guān)單元，其工作連接以提供從線圈的第二連接端到第二輸入端的傳導(dǎo)通路；-第二開關(guān)單元，其工作連接以提供從線圈的第二連接端到第一輸出端的傳導(dǎo)通路；-二極管單元，與第二開關(guān)單元并聯(lián)，并提供從線圈第二連接端到第一輸出端的傳導(dǎo)通路；-電容器單元，連接在第一與第二輸出端之間；-控制單元，布置用于對第一和第二開關(guān)單元進(jìn)行工作控制，使它們轉(zhuǎn)接到閉合或?qū)顟B(tài)及斷開或非導(dǎo)通狀態(tài)；以及-比較單元，配置用于將輸出電壓Vout與參考電壓Vref進(jìn)行比較，從而為控制單元提供控制信號，以便根據(jù)最小與最大工作比來轉(zhuǎn)接開關(guān)單元。
開關(guān)單元優(yōu)選地采用MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體)晶體管單元來構(gòu)成，其控制端(柵)與控制單元相連接，以便控制該晶體管的導(dǎo)通或非導(dǎo)通狀態(tài)。
如果將本發(fā)明的DC/DC變換器應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備，例如但不限于電池供電的設(shè)備中，將具有特殊的優(yōu)越性。
現(xiàn)在，參照所示附圖，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)介紹，圖中給出了作為示范性實(shí)施方案的DC/DC變換器，其中

圖1示出根據(jù)本發(fā)明提出的單輸出DC/DC上變換器的電路圖。
圖2示出在圖1所示DC/DC上變換器之輸出端的輸出電壓的圖形表示。
圖3示出在圖1所示DC/DC上變換器之電感性儲能單元中電流流動的圖形表示。
圖4示出在圖1所示DC/DC上變換器工作于PWM方式時，依據(jù)本發(fā)明所采取之轉(zhuǎn)接順序的工作方式狀態(tài)圖。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明工作的具有單一輸出的DC/DC上變換器1。
變換器1包含采取線圈L形式的電感性儲能單元和串聯(lián)在第一輸入端2與第二輸入端3之間的第一開關(guān)單元S1。線圈L和第一開關(guān)單元S1的接點(diǎn)經(jīng)第二開關(guān)單元S2與第一輸出端4相連。二極管D與第二開關(guān)單元S2并聯(lián)，提供從第一輸入端2到第一輸出端4的電流傳導(dǎo)通路。第二輸入端3和第二輸出端5經(jīng)公共傳導(dǎo)通路例如地或電子設(shè)備的機(jī)殼相連。平滑電容器C接在第一與第二輸出端4、5之間。
變換器1的工作響應(yīng)輸入端2、3上的輸入電壓Vin，在輸出端4、5上提供受控的或經(jīng)調(diào)整的輸出電壓Vout。為此，配備了一個控制器或控制單元6，以便依照轉(zhuǎn)接順序控制第一和第二開關(guān)單元S1和S2，其中，輸出電壓Vout要高于輸入電壓Vin。對第一和第二開關(guān)單元S1和S2的控制在圖中分別用箭頭7、8指出。
還提供了比較單元9，用來將輸出電壓Vout與單參考電壓Vref進(jìn)行比較，Vref在比較單元9的輸入端10處提供。比較單元9的輸出與控制單元6的輸入端相連，如圖中箭頭11所示。
圖3示出了在脈寬調(diào)制(PWM)變換方式下線圈電流I與時間t在一典型的轉(zhuǎn)接周期中的關(guān)系曲線，其中，通過線圈L的電流I不為0。在第一階段Φ1期間，能量存儲或聚集在線圈L中；而在PWM轉(zhuǎn)接周期的第二階段Φ2，所存儲的能量饋送至變換器1的輸出端4、5。在第一階段Φ1期間，第一開關(guān)單元S1閉合，即處于電流導(dǎo)通狀態(tài)，而第二開關(guān)單元S2則斷開，即處于非導(dǎo)通狀態(tài)。在第一階段Φ1期間，電流只流過其中存儲能量的線圈L。在這個階段，流過線圈L的電流I增大。在第二階段Φ2，第一開關(guān)單元S1斷開，而第二開關(guān)單元S2閉合。在這個階段，由于能量饋送至跨接在變換器1輸出端4、5兩端的負(fù)載12，故流過線圈的電流I減小，這就導(dǎo)致了輸出電壓Vout中的波動20，如圖2所示，波動的頻率等于變換器1的轉(zhuǎn)接頻率。
輸出電壓的波動20也由輸出電容器C的充電和未充電以及通過此電容器C的等效串聯(lián)電阻(ESR)的電流所引起。波動20的大小與線圈電流I直接相關(guān)，而電流I又受變換器1的工作比控制。
工作比定義為D＝t1/(t1+t2)＝t1/T式中t1＝在第一開關(guān)單元S1閉合時第一階段Φ1的持續(xù)時間；t2＝在第二開關(guān)單元S2閉合時第二階段Φ2的持續(xù)時間；和T＝t1+t2根據(jù)本發(fā)明，配置了控制單元6，以便按照雙態(tài)工作比對第一和第二開關(guān)單元S1與S2進(jìn)行轉(zhuǎn)接。該雙態(tài)工作比具有最小值Dmin和最大值Dmax，其定義為Dmax＝t1max/(t1max+t2min)式中t1max＝t1的最長持續(xù)時間，和t2min＝t2的最短持續(xù)時間；Dmin＝t1min/(t1min+t2max)式中t1min＝t1的最短持續(xù)時間，和t2max＝時間t2的最長持續(xù)時間，式中T＝t1max+t2min＝t1min+t2max。
如圖2所示，在變換周期結(jié)束的取樣瞬時(t＝T)，象箭頭15、16、17、18、19所指出的那樣，對輸出電壓Vout進(jìn)行測量。根據(jù)本發(fā)明，如果該取樣瞬時輸出電壓Vout是在參考電平Vref之上，例如取樣瞬時15和18的情況，則隨后的轉(zhuǎn)接周期將具有最小的工作比Dmin；而如果在該取樣瞬時輸出電壓Vout下降到低于參考電壓Vref，例如取樣瞬時16、17和19的情況，則隨后的轉(zhuǎn)接周期將具有最大的工作比Dmax。
因此，通過對根據(jù)本發(fā)明所提出的開關(guān)單元在雙態(tài)周期中的控制，可以施加單一的參考電壓Vref來控制輸出電壓Vout。
圖4示出的狀態(tài)圖說明了根據(jù)本發(fā)明所提出的單參考電壓DC/DC變換器的控制單元6的工作情況。
考慮從最大工作比Dmax的Φ1態(tài)開始，如果周期內(nèi)時間t大于t1max，則開關(guān)單元S1和S2被轉(zhuǎn)接到具有最大工作比的變換周期的2態(tài)，亦即圖中的Φ2態(tài)，Dmax。如果在負(fù)載周期結(jié)束時，也就是當(dāng)t＞T、且輸出電壓Vout小于參考電平Vref，即Vout＜Vref時，則控制單元6將維持在具有最大工作比Dmax的變換周期內(nèi)。
同樣，如果控制單元6工作在具有最小工作比的變換周期內(nèi)，即態(tài)Φ1，Dmin內(nèi)，并且如果t＞t1min，則開關(guān)單元S1和S2被轉(zhuǎn)接到Φ2態(tài)，其中能量被轉(zhuǎn)移到變換器1的輸出端。在負(fù)載周期結(jié)束時，亦即t＞T時，并且如果Vout＞Vref，則該變換器將維持在其具有最小工作比Dmin的變換周期內(nèi)。
如果在變換周期結(jié)束時輸出電壓Vout＜Vref，亦即t＞T時，則控制單元將從具有最小工作比Dmin的Φ2態(tài)轉(zhuǎn)變到具有最大工作比Dmax的變換周期的Φ1態(tài)。另一方面，如果t＞T并且Vout＞Vref，則控制單元6將從具有最大工作比Dmax的變換周期的Φ2態(tài)轉(zhuǎn)變到具有最小工作比Dmin的變換周期的Φ1態(tài)。
在圖1所示的DC/DC上變換器中，第二開關(guān)單元S2是可隨意選用的，可以用它來提高DC/DC變換器1的功率轉(zhuǎn)換效率。
根據(jù)本發(fā)明原理工作的DC/DC變換器，可以與諸如便攜式電子設(shè)備13之類的電子設(shè)備一道使用或用于其中，或者，將其布置構(gòu)成一獨(dú)立的電源14，這兩種情況在圖1中都用虛線表示了出來。
權(quán)利要求
1.一種DC/DC變換器(1)，包括電感性電能存儲單元(L)、開關(guān)單元(S1，S2)和控制單元(6)，其中，所述控制單元(6)被布置成有選擇地使所述開關(guān)單元(S1，S2)工作，以便將一定數(shù)量的電能從所述儲能單元(L)轉(zhuǎn)移到所述DC/DC變換器(1)的輸出端，從而提供所要求的輸出電壓(Vout)，其特征在于，所述控制單元(6)被配置對所述開關(guān)單元(S1，S2)進(jìn)行工作控制，以便與含有最小與最大工作比(Dmin，Dmax)的雙態(tài)轉(zhuǎn)接周期協(xié)調(diào)一致地轉(zhuǎn)移電能。
2.權(quán)利要求1的DC/DC變換器(1)，其中所述控制單元(6)被布置成將所述輸出電壓(Vout)與參考電壓(Vref)進(jìn)行比較，并且其中所述開關(guān)單元(S1，S2)這樣加以控制，使得如果所述輸出電壓(Vout)低于所述參考電壓(Vref)，則在隨后的轉(zhuǎn)接周期內(nèi)采用最大的工作比(Dmax)；而如果所述輸出電壓(Vout)高于所述參考電壓(Vref)，則在下一轉(zhuǎn)接周期采用最小的工作比(Dmin)。
3.權(quán)利要求1或2的DC/DC變換器(1)，其中所述控制單元(6)被布置成是在脈寬調(diào)制(PWM)方式下的轉(zhuǎn)接周期內(nèi)對所述輸出電壓(Vout)進(jìn)行控制。
4.前述任何權(quán)利要求之一的DC/DC變換器(1)包括-用于接收輸入電壓Vin的第一和第二輸入端(2，3)；-用于提供輸出電壓Vout的第一和第二輸出端(4，5)；-具有第一和第二連接端的線圈(L)，其中所述第一連接端與所述第一輸入端(2)相連；-第一開關(guān)單元(S1)，其工作連接以提供從所述線圈(L)的所述第二連接端到所述第二輸入端(3)的傳導(dǎo)通路；-第二開關(guān)單元(S2)，其工作連接以提供從所述線圈(L)的所述第二連接端到所述第一輸出端(4)的傳導(dǎo)通路；-二極管單元(D)，與所述第二開關(guān)單元(S2)并聯(lián)連接，并提供從所述線圈(L)的所述第二連接端到所述第一輸出端(4)的傳導(dǎo)通路；-電容器單元(C)，連接在所述第一與第二輸出端(4，5)之間；-控制單元(6)，布置用于對所述第一和第二開關(guān)單元(S1，S2)進(jìn)行工作控制，以轉(zhuǎn)接到它們的閉合或?qū)顟B(tài)以及它們的斷開或非導(dǎo)通狀態(tài)，以及-比較單元(9)，配置用于將所述輸出電壓(Vout)與參考電壓(Vref)進(jìn)行比較，從而為所述控制單元(6)提供控制信號，以便根據(jù)所述最小與最大工作比(Dmin，Dmax)來轉(zhuǎn)接所述開關(guān)單元(S1，S2)。
5.權(quán)利要求2、3或4的DC/DC變換器(1)，其中所述開關(guān)單元(S1，S2)包括半導(dǎo)體開關(guān)單元，特別是MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體)晶體管單元。
6.前述任何權(quán)利要求之一的DC/DC變換器(1)，其中所述控制單元(6)被配置工作于上變換方式下，用來在其輸出端(4，5)提供輸出電壓(Vout)，此電壓要高于其輸入端(2，3)處的輸入電壓(Vin)。
7.包含根據(jù)前述任何權(quán)利要求之一的DC/DC變換器(1)的電源(14)。
8.包含根據(jù)前述任何權(quán)利要求之一的DC/DC變換器(1)的便攜式電子設(shè)備(13)。
全文摘要
DC/DC變換器(1)，包括電感性電能存儲單元(L)、開關(guān)單元(S1，S2)和控制單元(6)?？刂茊卧?6)被布置成有選擇地使開關(guān)單元(S1，S2)工作，以便將一定數(shù)量的電能從儲能單元(L)轉(zhuǎn)移到DC/DC變換器(1)的輸出端，從而與含有最小與最大工作比(Dmin，Dmax)的雙態(tài)轉(zhuǎn)接周期協(xié)調(diào)一致地提供所要求的輸出電壓(Vout)。
文檔編號H02M3/155GK1418396SQ01806723
公開日2003年5月14日 申請日期2001年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月18日
發(fā)明者F·J·斯瑞斯, D·W·J·戈雷內(nèi)維爾德 申請人:皇家菲利浦電子有限公司