專利名稱：具有零電壓切換的多級轉(zhuǎn)換器的制作方法
相關(guān)申請的對照本申請案基于先前2004年1月21日申請的共同待審臨時申請案第60/538,091號。
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明關(guān)于電子電路的領(lǐng)域，尤其關(guān)于直流至直流轉(zhuǎn)換器及切換模式電源，例如降壓轉(zhuǎn)換器。
發(fā)明背景直流至直流轉(zhuǎn)換器通常設(shè)計成切換調(diào)節(jié)式電源，亦稱為切換模式電源。一些直流至直流轉(zhuǎn)換器提高較低的輸入電壓(升壓轉(zhuǎn)換器)，而另外一些直流至直流轉(zhuǎn)換器則為降低較高的輸入電壓(降壓轉(zhuǎn)換器)。有一種可降低電壓的降壓切換模式電源，其稱為降壓轉(zhuǎn)換器，它是一種切換模式調(diào)節(jié)器或切換電源。在某些方面，這些裝置類似一線性電源，而在另外其他方面，這些裝置卻又大不相同。一切換電源通常包括一能量儲存電感器，有時并包括一非線性調(diào)節(jié)器網(wǎng)絡(luò)。這種電源可并入一調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其中一控制元件(例如功率金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管開關(guān))被快速地以開及關(guān)狀態(tài)而切換。這種開/關(guān)脈沖可通過一振蕩器/誤差放大器/脈寬調(diào)制器網(wǎng)絡(luò)做為一控制器來加以控制。因此，在較為一般的切換調(diào)節(jié)器中，晶體管開關(guān)(例如功率金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管)是一控制元件。
在開狀態(tài)(ON)的周期中，能量被吸入一電感器內(nèi)，并儲存于磁場中。當(dāng)該控制元件轉(zhuǎn)變成關(guān)狀態(tài)(OFF)時，能量被儲存并且通過一二極管來指引該電感器操作連接至一濾波器與負(fù)載。各種不同的取樣電路可取樣該輸出電壓并饋送一樣本信號至做為控制器部分的誤差放大器的輸入端?？蓪⒃摌颖倦妷号c一參考電壓做比較，并且一誤差放大器可增加其輸出控制電壓，該輸出控制電壓被傳送至一脈寬調(diào)制器。該脈寬調(diào)制器產(chǎn)生一修正的開/關(guān)信號，例如有時是一方波，其時間由輸入誤差電壓所決定。
有更多如切換模式電源的直流至直流轉(zhuǎn)換器的特定范例揭示于共同讓受公開的美國專例申請案第2003/0038614及2004/0070382號中，此處將這些揭示內(nèi)容并入以供參照。如上所述，降壓轉(zhuǎn)換器的為一種特定型式的降壓直流至直流轉(zhuǎn)換器。
為了對各種微處理器提供電源，更特別的是對下一代微處理器提供電源，這需要約1伏特及高達(dá)1000安培的電流，因此于多級降壓轉(zhuǎn)換器中的階級數(shù)持續(xù)地增加，有時需要8個階級之多。最佳階級數(shù)可由輸出電流、系統(tǒng)效率、暫態(tài)需求、熱管理、電容器成本、金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管效能、尺寸限制及整體系統(tǒng)成本決定。用于降壓轉(zhuǎn)換器的控制器具有復(fù)雜的設(shè)計，通常設(shè)計成一具有伴隨柵極驅(qū)動器的多級脈寬調(diào)制器控制集成電路(例如HIP6301、HIP6601B、HIP6603B或HIP6604B)及外部金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管，例如由本發(fā)明讓受人IntersilAmericas Inc.所制造的。
多級功率轉(zhuǎn)換是優(yōu)于先前單一階級轉(zhuǎn)換器架構(gòu)的一種改良設(shè)計，并用于滿足新一代微處理器對于電流增加之需求。多級轉(zhuǎn)換器將功率及負(fù)載電流做了分配，這造成了尺寸較小及成本較低的晶體管，其具有更少的輸入及輸出電容器。會產(chǎn)生這樣的結(jié)果，其原因在于高效率轉(zhuǎn)換頻率，其具有較高頻率波紋電流及階級交錯。每一階級電路通常包括一下部金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管及一上部金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管，作為功率開關(guān)。降低轉(zhuǎn)換器尺寸的需求以及高功率密度的需求需要增加用于功率轉(zhuǎn)換器中的切換頻率。然而在這些多級直流至直流轉(zhuǎn)換器(特別是降壓轉(zhuǎn)換器)中使用高切換頻率會導(dǎo)致切換損失、壓迫到功率元件以及產(chǎn)生電磁干擾。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明具有多種優(yōu)點(diǎn)，改良了切換模式電源及直流至直流轉(zhuǎn)換器的效率，因?yàn)槠淇刹僮饔诹汶妷呵袚Q及可用于非隔離高輸入/低電壓輸出電壓轉(zhuǎn)換器，例如一降壓轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明使用一諧振儲能電路，用于一多級拓?fù)?。Vout/Vin直流轉(zhuǎn)換函數(shù)依階級數(shù)而定。與使用現(xiàn)有的降壓拓?fù)鋪磉M(jìn)行一般輸出波紋消除相較之下，利用本發(fā)明則可到達(dá)更佳的效能。
在本發(fā)明中，工作周期不再僅為狀態(tài)ON時間的函數(shù)，而是狀態(tài)ON時間以及階級數(shù)(N)的函數(shù)。本發(fā)明利用例如脈寬調(diào)制控制器或其他降壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行過零檢測。在本發(fā)明中，可于金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管轉(zhuǎn)變成ON或OF之前，產(chǎn)生一跨越上部金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管的零電壓。在金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管轉(zhuǎn)變成ON或OF之前，產(chǎn)生一諧振儲能電路，以完成一跨越該金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管的零電壓，其為改良拓?fù)涞囊徊糠?。前端電感器是產(chǎn)生一所需的諧振儲能電路。
一般而言，該金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管具有一固有的寄生電容，做為諧振儲能電路的一部分。如果該固有寄生電容太小的話，可增加一電容器。如果金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管的原有二極管能力不足的話，則可增加一個二極管。
根據(jù)本發(fā)明，位于前端的電感器并不允許電流增加，直至金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管完全處于ON狀態(tài)為止。并不會有電流重疊的情況，直到金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管轉(zhuǎn)變?yōu)镺N狀態(tài)為止。至于該電感器，其暫態(tài)現(xiàn)象較為平順并且該二極管緩慢地轉(zhuǎn)成OFF狀態(tài)，并非切換。因此可得知，存在有零電流跨越上部金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管，且存在有零電壓跨越下部金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管。由于該諧振儲能電路，狀態(tài)ON的時間是固定的，但狀態(tài)ON的時間則可根據(jù)控制器的信號內(nèi)容而變動。每一階級的整個周期一直改變，且時間是可變的，其重要原因在于控制器可改變狀態(tài)ON的時間。本發(fā)明是可操作的，因?yàn)楫?dāng)所有下部金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管處于ON狀態(tài)時，便會存在一時間周期，且因?yàn)樵撝C振存在，便可利用該時間周期。
根據(jù)本發(fā)明，一多級直流至直流轉(zhuǎn)換器包含至少兩階級電路，每一階級電路具有上部及下部金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管；弘及一前端電感器，配合這些階級電路而操作，用以形成一諧振儲能電路，以確保零電壓切換以及使功率損失減至最小程度。該轉(zhuǎn)換器包含一控制器，配合階級電路來操作，用于過零伏檢測。該控制器可為一脈寬調(diào)制控制器或其他的降壓控制器。該諧振儲能電路系用于達(dá)成跨越功率開關(guān)的零電壓，該功率開關(guān)通常為場效晶體管。該轉(zhuǎn)換器可包含一反饋信號處理電路，可配合每一階級電路操作；以及一輸出電容器，可以由這些階級電路而來之電壓輸出操作。一電容器可配合至少每一上部功率開關(guān)及下部功率開關(guān)而操作。一二極管亦可配合該上部功率開關(guān)及下部功率開關(guān)而操作。如果該功率開關(guān)的固有電容或二極管功能不足以形成諧振儲能電路的話，則可增加這些電容器及二極管。

通過參照附圖而詳細(xì)地描述說明內(nèi)容，可清楚地了解本發(fā)明其他目的、特征及優(yōu)點(diǎn)。
圖1是多級切換模式電源(亦即一直流至直流轉(zhuǎn)換器)的示意性電路圖，并表示用以形成本發(fā)明多級拓?fù)涞膯我恢C振儲能電路的前端電感器。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的N階級時序圖。
圖3是表示Vout/Vin的圖形，其為θ及N的函數(shù)。
圖4是表示Vout/Vin的圖形，其為θ及N的函數(shù)。
圖5是表示模式1的電路功能范例的示意性電路圖。
圖6是類似于第5圖的電路圖的另一示意性電路圖，但表示模式2的操作。
圖7是表示關(guān)于VSW、VSW_Vin、階級1、階級2、階級N的時間的圖形。
圖8是表示所有3個階級皆為零電壓切換的模擬結(jié)果。
圖9是示意性電路圖，表示類似于圖1所示的2階級電路，但更詳細(xì)地表示功能性元件，該元件可為該功率元件的內(nèi)部元件。
圖9A是圖9的等效電路，表示在各別階級結(jié)構(gòu)(電路)的電流I01及I02。
圖10是本發(fā)明的等效電路，表示其于模式1之前的功能。
圖11是本發(fā)明的等效電路，表示其于模式1的功能。
圖12A是本發(fā)明的等效電路，表示其于模式2的功能。
圖12B是表示圖12A的電路操作的方程式。
圖13A是本發(fā)明的等效電路，表示其于模式3的功能。
圖13B是描繪圖13A中所示等效電路的操作的公式。
圖14是根據(jù)本發(fā)明狀態(tài)平面圖的圖形。
圖15至18是類似于圖10、11、12A、13A的電路的等效電路范例，并表示不同模式及時間的功能性操作。
圖19是表示根據(jù)本發(fā)明的相對于時間的能量不耗損情況的圖形。
圖20是表示工作效率對階級數(shù)及狀態(tài)ON時間的3維圖形。
圖21是表示SPICE測試的結(jié)果。
圖22是示意性電路圖，表示SPICE模型設(shè)定的范例，其可用于模型化本發(fā)明。
圖23是表示狀態(tài)平面全負(fù)載圖的圖形。
圖24是表示無負(fù)載狀態(tài)圖的圖形。
圖25是比較本發(fā)明硬切換與軟切換兩者效率的圖形。
具體實(shí)施方式以下將參考附圖來以較詳細(xì)的方式說明本發(fā)明，其中會說明本發(fā)明較佳實(shí)施例。然而，本發(fā)明可以許多不同形式實(shí)施，并且不應(yīng)受限于這些實(shí)施例。本說明內(nèi)容會說明這些實(shí)施例，使得揭示內(nèi)容詳細(xì)完整，進(jìn)而使熟悉本項技術(shù)人士可清楚地了解本發(fā)明主張范圍。整個揭示內(nèi)容中，相同的元件符號表示相同的元件，加撇符號用于表示替代實(shí)施例中類似的元件。
本發(fā)明改進(jìn)了直流至直流轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)整體效率，因?yàn)榱汶妷呵袚Q可用于非隔離高輸入電壓及低電壓輸出電壓轉(zhuǎn)換器，例如降壓轉(zhuǎn)換器。
降低該轉(zhuǎn)換器尺寸的需求以及較高功率密度的需求使得使用于功率轉(zhuǎn)換器的切換頻率有提高的需要。然而，使用高切換頻率卻導(dǎo)致切換損失、產(chǎn)生壓迫于功率元件以及產(chǎn)生電磁干擾。為了克服這缺點(diǎn)，軟性切換零電壓切換被用于本發(fā)明中。
圖1是多級降壓轉(zhuǎn)換器30的一部份的一片段區(qū)框圖，該多級降壓轉(zhuǎn)換器30做為一直流至直流轉(zhuǎn)換器，包括一輸出電感器32，耦合于Vout的負(fù)載與介于高及低側(cè)功率開關(guān)34、36間的節(jié)點(diǎn)之間，該高側(cè)和低側(cè)功率開關(guān)34、36連接在一起。該高側(cè)和低側(cè)功率開關(guān)34、36也稱為上部及下部功率開關(guān)。該不同階級電路40被級聯(lián)并終止于階級N(如圖所示)，以形成階級電路40，40a….40N。該階級電路包括適當(dāng)?shù)妮斎肱c輸出42，44。脈寬調(diào)制驅(qū)動器50以該功率開關(guān)34，36操作，每個并包括一反饋信號處理電路52。電容器54，55可與該功率開關(guān)串聯(lián)(如圖所示)，其包括跨越負(fù)載并聯(lián)的一輸出電容器56。這些功率開關(guān)各者可具有固有電容，而且可不需電容器。
根據(jù)本發(fā)明，為了具有零伏切換，一電感器60置于電路前端處配置的一般切換電路的前方(如圖所示)，并接收來自輸入電壓源61輸入電壓。該控制方法亦被改變以檢測零電壓，如以下所進(jìn)一步詳細(xì)說明的。在每一階級中，該電感器60與上部金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管的電容器54諧振。
圖9是類似于圖1的示意性電路圖，但較詳細(xì)地表示電路40、40a的第一及第二階級結(jié)構(gòu)，其為級聯(lián)。此外，做為功率裝置的場效晶體管34、36每一個皆包含二極管62、63，在第一階級電路中以D1標(biāo)示，在第二階級電路中以D2標(biāo)示，并以up表示上部功率開關(guān)或以low表示下部功率開關(guān)。該二極管可為體二極管。場效晶體管34、36具有某些內(nèi)在的二極管能力，但如體二極管的額外二極管可依為達(dá)到所需電感值的需要而增加，如以下所述。圖9a表示一無輸出的等效電路結(jié)構(gòu)，并表示在各別階級結(jié)構(gòu)中的電流I01及I02。相似的電路元件以相同的元件符號表示，除了圖9及圖9a中的級聯(lián)或第二階級電路或結(jié)構(gòu)中的字母“a”之外。所有圖中的上部及下部開關(guān)以up與low表示，其中第一階級電路開關(guān)為S1，第二階級電路開關(guān)為S2。上部及下部電容器及二極管的表示與一些附圖相關(guān)，以區(qū)別上部及下部與階級電路。
圖2是表示本發(fā)明的時序圖，其是使用n階級的前端電感器60，其中狀態(tài)ON的時間及狀態(tài)OFF的時間相對于階級1，2與階級n來表示，使得一工作周期所使用的全部時間等于階級數(shù)n乘以狀態(tài)ON的時間加上階級數(shù)n乘以狀態(tài)OFF的時間。
圖3圖形的垂直軸表示Vout除以Vin，水平軸右側(cè)表示階級數(shù)，水平軸左側(cè)表示θ，θ表示狀態(tài)ON的時間除以狀態(tài)OFF的時間。因此，圖3表示電壓OUT除以電壓IN是θ及N(亦即階級數(shù))的函數(shù)。
圖4更詳細(xì)地表示Vout除以Vin為θ及N的函數(shù)。
圖5表示圖1輸入電感器功能的概念示意電路圖，其為模式1的操作，具有上部電容器且表示電流流動。
圖6是一相似電路圖，但的表示模式2的操作。圖7是表示零伏切換點(diǎn)(做為一預(yù)定時間)以及不同的VSW點(diǎn)與對于不同階級的upper_drive。圖8表示對于3個不同階級的模擬結(jié)果，其表示皆于零電壓進(jìn)行切換。
參考圖1至圖8，假設(shè)有N個階級，如圖1所示，并且輸出電感器60夠大足以使用固定電流源。在t＝0時，周期開始。階級1的上部金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管34處于on的狀態(tài)且所有(N-1)個上部金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管36處于off的狀態(tài)，同時所有(N-1)個下部金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管處于on的狀態(tài)。該操作將依操作模式及時間(+)而定會有不同。在模式1及t＝ton時，階級1的上部金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管將轉(zhuǎn)變?yōu)閛ff狀態(tài)，并且其下部金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管的體二極管63會轉(zhuǎn)變?yōu)閛n狀態(tài)。結(jié)果，階級1的下部金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管將于零電壓轉(zhuǎn)變?yōu)閛n狀態(tài)。在該時間過后，N階級的所有功率金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管處于on的狀態(tài)，并且上部金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管處于off的狀態(tài)。在模式2，N*Cr電容器會開始與Lr電感器60產(chǎn)生諧振，該諧振時間為toff，當(dāng)VSWIN與VSW相等時，階級2可于零電壓時轉(zhuǎn)變?yōu)閛n的狀態(tài)。該周期持續(xù)所有N個階級。當(dāng)開關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)閛ff狀態(tài)并且所有的功率金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管為on狀態(tài)時，下一個操作模式便開始。
該電路的模擬如圖5及圖6的功能性電路圖所示，而所獲得的結(jié)果則如圖8的模擬圖形所示?？蓮脑撃M圖形的模擬結(jié)果得知，該3個階級皆切換于零電壓。該轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定狀態(tài)分析顯示出VoutVin=1n×θ+n]]>其中θ為ton/toff(例如圖3所示)，對于較高輸入電壓及較低輸出電壓而言，可使用更多級來達(dá)到實(shí)際工作周期，而不需下層級。該兩層級(或階級)電路如圖9所示，該兩層級電路的等效電路表示于圖9A中。如圖所示，該兩階級的結(jié)構(gòu)加入了二極管62，63，用于每一個功率切換階級結(jié)構(gòu)，包含D1_up二極管62以及D1_low二極管63，其與電容器54，56并聯(lián)，并與功率開關(guān)34，36并聯(lián)。如圖所示，CR1_up電容器54與D1_up二極管62并聯(lián)。對于其他階級結(jié)構(gòu)而言，CR2_up電容器54a與D2_up二極管62a并聯(lián)。上部及下部開關(guān)圖示于每一階級結(jié)構(gòu)中。在模式1之前t＜t0的電路功能性操作表示于圖10中。
t0時，如圖11所示，S1_up開關(guān)34轉(zhuǎn)變?yōu)閛n的狀態(tài)，其用于模式1，而具有以下初始狀況i1r(0)＝IroVCr1_up(0)＝0i1r(t)=VinLt+Iro]]>t2時，電感器電流到達(dá)輸出電流(模式2)，圖12A的功能圖反映出這種狀況。這種狀況可通過圖12B所示的公式解釋之。模式3時，開關(guān)34，36皆為on狀態(tài)，如圖13A的功能性電路圖的最佳表示方式，其中初始狀況系通過圖13所示的公式解釋之。
狀態(tài)平面圖表示于圖14中，其顯示模式2及模式3的各種不同操作中心。
本發(fā)明允許零電壓切換。參考圖9，其表示零電壓切換的兩階級電路的范例，該電路的功能可表示如下Io1=Io2=IO2]]>VD1_low＝VD2_low＝0
Cr1_up＝Cr2_up＝Cr當(dāng)操作模式為t＜t0＝0時，該操作模式可表示成如圖15中的電路功能?？缭诫A級1上部開關(guān)(S1_up)的電壓為0。開關(guān)S1_up為off狀態(tài)、開關(guān)S2_up為off狀態(tài)、開關(guān)S1_low為on狀態(tài)、開關(guān)S2_low為on狀態(tài)、二極管D1_low為off狀態(tài)、二極管D2_low為off狀態(tài)。操作模式1對應(yīng)于0＜t＜t1，其如圖16所示。該電路功能可表示為開關(guān)S1_up為on狀態(tài)、開關(guān)S1_low為off狀態(tài)、開關(guān)S2_up為off態(tài)、開關(guān)S2_low為on狀態(tài)、二極管D1_low為on狀態(tài)、二極管D2_low為off狀態(tài)。以下表示式用于本范例Z=LrCr]]>ωo=1LrCr]]>ir(0)＝Ir1V的歸一化值為V/Vin，而i(t)的歸一化值則為i(t)Z/Vin。如此便可得出ir(t)=VinLrt+Ir1]]>ilrn(t)＝ωot+Irln操作模式2對應(yīng)于t1＜t＜t2，其由圖17的電路范例所表示。該電路的操作為，開關(guān)S1_up為on狀態(tài)、開關(guān)S1_low為off狀態(tài)、開關(guān)S2_up為off態(tài)、開關(guān)S2_low為on狀態(tài)、二極管D1_low為off狀態(tài)、二極管D2_low為off狀態(tài)。初始狀況為ir(t1)=Io2]]>VCr(tl)＝0歸一化之方程式系為Vin-Lr∂ir(t)∂t-VCr(t)=0]]>Vcrn(t)＝1-cos(ωot)ir(t)-Cr∂VCr(t)∂t-Io2=0]]>
irn(t)=sin(ωot)+Ion2]]>操作模式3對應(yīng)于t2＜t＜t3，其由圖18的電路圖所表示。該電路功能的操作為，開關(guān)S1_up為off狀態(tài)、開關(guān)S1_low為off狀態(tài)、開關(guān)S2_up為off態(tài)、開關(guān)S2_low為on狀態(tài)、二極管D1_low為off狀態(tài)、二極管D2_low為off狀態(tài)。初始狀況為ir(t2)＝Ir2VCr(t2)＝Vm歸一化方程式為Vin-Lr∂ir(t)∂t-VCr(t)=0]]>ir(t)-Cr∂VCr(t)∂t-Io2=0]]>Vcrn(t)=1+sin(ωo2t)Ir2n2+cos(ωo2t)(Vmn-1)]]>Irn(t)=2sin(ωo2t)(1-Vmn)+cos(ωo2t)Ir2n]]>這種功能的狀態(tài)平面圖表示于圖14中，其表示模式2與模式3的操作中心。圖中的點(diǎn)表示模式2的操作中心、模式2于狀態(tài)on時間的圖形、模式3的操作中心、模式3于狀態(tài)off時間的圖形以及模式1于電感器充電時的點(diǎn)。以下為分析性方程式Ir1n=2(cos(ωoton)-cos(12wo2toff))sin(12ωo2toff)]]>Irn2=(cos(12ωo2toff)cos(ωoton)-1)2sin(12ωo2toff)]]>Vmn＝1-cos(ωoton)Ion=2-sin(ωoton)sin(12ωo2toff)-2+2cos(12ωo2toff)cos(ωoton)sin(12ωo2toff)]]>Ts=2ton+2toff+Ion-Ir1nωo]]>電路功能的簡化方程式可表示如下
θ＝ωotoffβ＝ωotonIr1n=2(cos(β)-cos(θ2))sin(θ2)]]>Ir2n=2(cos(θ2)cos(β)-1)sin(θ2)]]>Ion=22(cos(θ2)cos(β)-1)sin(θ2)-2sin(β)]]>Vmn＝1-cos(β)Tsωo＝2β+2θ+Ion-Irln能量不耗損情況下的電路功能表示如下Pin_n=2Ts(∫0t0Irn(t)∂t+∫t0t1irn(t)∂t+∫t1Tsirn(t)∂t)]]>POut_n＝IonD其中D為 工作周期在能量不耗損的情況下，可得出D，其為β及θ的函數(shù)D＝f(β，θ)能量不耗損的圖形范例表示于圖19的圖形，其中Lr＝10nH，Cr＝10nF，n＝2，toff＝90nS。
該工作效率、ON狀態(tài)的時間以及階級數(shù)(n)表示于圖20的3維圖形中，其中垂直軸(y)表示工作效率、x軸表示階級數(shù)、z軸表示ON狀態(tài)的時間。SPICE測試結(jié)果表示于圖21的圖形中，其中水平軸表示時間，垂直軸表示電壓，并表示了切換電壓、柵極驅(qū)動電壓、下一階級柵極驅(qū)動電壓。
SPICE模型設(shè)定電路表示于圖22中。該SPICE模型設(shè)定表示各種不同集成電路(如U51及U50)，可配合各種元件及集成電路而操作。該SPICE模型是用于集成電路設(shè)計的電腦模型化技術(shù)。如圖所示，通過該SPICE模型而輸入電路的細(xì)節(jié)，可檢驗(yàn)該電路的頻率與相位響應(yīng)并可檢驗(yàn)一段設(shè)定時間的電路響應(yīng)，以做為暫態(tài)分析，而與交流分析相比較。亦有不同的分析用于檢驗(yàn)溫度變動與噪聲的影響。通過使用圖22所示的SPICE模型，可于”紙上”測試該設(shè)計，然后進(jìn)行原型測試。
狀態(tài)平面全負(fù)載的圖形表示于圖23中，其中表示模式1，2及3。無負(fù)載狀態(tài)圖則表示于圖24中。圖25表示硬切換與軟切換兩者的效率比較。
在閱讀上述說明內(nèi)容及附圖之后，熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員應(yīng)會明了，本發(fā)明可進(jìn)行許多修改及其他實(shí)施例。因此本發(fā)明并不限于所揭示之特定實(shí)施例，并且各種修改及實(shí)施例也可包含于申請專利范圍范疇之內(nèi)。
主要元件符號說明30 多級降壓轉(zhuǎn)換器32 輸出電感器32a 電感器34 功率開關(guān)34a 功率開關(guān)36 功率開關(guān)36a 功率開關(guān)40 電路40a 電路40N 電路42 輸入44 輸出50 脈寬調(diào)制驅(qū)動器52 反饋信號處理電路54 電容器54a 電容器55 電容器55a 電容器
56 電容器60 電感器61 輸入電壓源62 二極管62a二極管63 二極管63a二極管C11電容器C2 電容器C3P電容器L1 電感器L2 電感器L8 電感器R1 電阻器R13電阻器R2 電阻器R2P電阻器R3 電阻器R4 電阻器R6 電阻器R7 電阻器U50集成電路U51集成電路
權(quán)利要求
1.一種多級直流至直流轉(zhuǎn)換器，包含至少2階級電路，每一階級電路具有上部及下部功率開關(guān)；以及前端電感器，配合這些階級電路而操作，用以形成諧振儲能電路，以確保零電壓切換以及使功率損失減至最小程度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級直流至直流轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包含一控制器，其配合一階級電路而操作，用以進(jìn)行過零伏檢測。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多級直流至直流轉(zhuǎn)換器，其中該控制器包含一脈寬調(diào)制控制器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級直流至直流轉(zhuǎn)換器，其中該諧振儲能電路被形成用于達(dá)成跨越該功率開關(guān)的零電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級直流至直流轉(zhuǎn)換器，其中該上部及下部功率開關(guān)包含場效應(yīng)晶體管。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級直流至直流轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包含反饋信號處理電路，其配合每一階級電路而操作。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級直流至直流轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包含一輸出電容器，可以由這些階級電路而來的電壓輸出而操作。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級直流至直流轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包含一輸出電感器，可操作于每一階級電路之內(nèi)。
9.一種多級直流至直流轉(zhuǎn)換器，包含至少2階級電路，每一階級電路具有上部及下部功率開關(guān)以及一配合至少每一上部功率開關(guān)而操作的電容器； 以及一前端電感器，配合這些上部功率開關(guān)及電容器而操作，用以形成一諧振儲能電路，以確保零電壓切換以及使功率損失減至最小程度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多級直流至直流轉(zhuǎn)換器，其中一上部電容器與一個個別上部功率開關(guān)并聯(lián)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多級直流至直流轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包含一二極管，其配合每一上部功率開關(guān)而操作，用以加強(qiáng)零電壓切換。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多級直流至直流轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包含一二極管，其配合每一下部功率開關(guān)而操作，用以加強(qiáng)零電壓切換。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多級直流至直流轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包含一下部電容器，其配合每一下部功率開關(guān)而操作。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多級直流至直流轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包含一控制器，其配合一階級電路操作，用以進(jìn)行過零伏檢測。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的多級直流至直流轉(zhuǎn)換器，其中該控制器包含一脈寬調(diào)制控制器。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多級直流至直流轉(zhuǎn)換器，其中該諧振儲能電路用于達(dá)成跨越該功率開關(guān)的零電壓。
17.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多級直流至直流轉(zhuǎn)換器，其中該上部及下部功率開關(guān)包含場效應(yīng)晶體管。
18.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多級直流至直流轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包含一反饋信號處理電路，其配合每一階級電路而操作。
19.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多級直流至直流轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包含一輸出電容器，可以由這些階級電路而來的電壓輸出而操作。
20.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多級直流至直流轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包含一輸出電感器，其配合階級電路而操作。
21.一種用于調(diào)整多級直流至直流轉(zhuǎn)換器的方法，包含使用一前端電感器并配合階級電路以形成一諧振儲能電路；以及在零伏時切換該階級電路中的功率開關(guān)，以確保零電壓切換及使功率損失減至最小程度。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中該方法進(jìn)一步包含進(jìn)行過零伏檢測。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中該方法進(jìn)一步包含形成一諧振儲能電路，其中以電容器配合該功率開關(guān)而操作。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中該方法進(jìn)一步包含形成一諧振儲能電路，其中以二極管配合該功率開關(guān)而操作。
全文摘要
一多級直流至直流轉(zhuǎn)換器包含至少兩階級電路，每一階級電路具有上部及下部金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管；以及一前端電感器，配合這些階級電路而操作，用以形成一諧振儲能電路，以確保零電壓切換以及使功率損失減至最小程度。
文檔編號H02M3/158GK1661896SQ200510005928
公開日2005年8月31日 申請日期2005年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月21日
發(fā)明者摩蘇伊 薩基, 維克多林 湯瑪斯 申請人:英特賽爾美國股份有限公司