專利名稱：降壓電壓變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的各方面總體涉及電壓變換器，更具體而言涉及從交流(AC ) 電壓或直流(DC)電壓產(chǎn)生DC電壓的降壓電壓變換器。
背景技術(shù)：
工業(yè)環(huán)境中各種靠電供能的設(shè)備常常依靠多種AC和/或DC電壓的 任一種來獲得動(dòng)力。更具體而言，面向DC的系統(tǒng)傾向于使用較低的DC 電壓，通常在12到50伏DC (VDC)的范圍內(nèi)。然而，面向AC的系 統(tǒng)經(jīng)常采用更高的AC電壓，有時(shí)在100和250均方根伏(VRMS)的 范圍內(nèi)。也可以使用這些范圍之外的其他AC或DC電壓。不過，工業(yè) 儀表，例如用于測(cè)量質(zhì)量流量和其他關(guān)于流過通道的材料的信,t、的 Coriolis流量計(jì)，常常采用需要以諸如1.2-24 VDC的低DC電壓作為電 源的電氣元件，因此不能耐受這樣大范圍的AC或DC輸入電壓。于是， 在這種環(huán)境下非常有利的是常使用這樣的降壓變換器，其能夠從AC或 DC輸入電壓產(chǎn)生基本固定的低DC輸出電壓。圖1中給出了當(dāng)前使用的一種特定類型降壓變換器或整流器1的簡(jiǎn) 化示意圖，該變換器用于將正DC輸入電壓V!n轉(zhuǎn)換成DC輸出電壓 Vout?？缭捷斎腚娙萜鰿A施加輸入電壓VIN,輸入電容器與地參考電勢(shì) 耦合且與n溝道功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)開關(guān)Q的漏極端子耦合。輸 入電容器CA充當(dāng)濾波器，通過向開關(guān)Q的漏極臨時(shí)提供額外的電流， 在輸入電壓Vw有變化時(shí)，幫助保持從開關(guān)Q的漏極看到的電壓電平。 由輸出電容器Cs為輸出電壓VOUT提供類似的功能。開關(guān)Q的柵極由開關(guān)控制器2驅(qū)動(dòng)，開關(guān)控制器根據(jù)輸出電壓VOUT 的電壓電平與期望或目標(biāo)輸出電壓VOUT的電平的比較情況來導(dǎo)通或截 止開關(guān)Q。開關(guān)控制器2可以替換地或額外地使用輸出處的其他一些可 測(cè)量量，例如電流。通過基本周期性地導(dǎo)通或截止開關(guān)Q,開關(guān)控制器 2 —般能夠在輸入電壓Vw的電平和輸出電壓VouT驅(qū)動(dòng)的負(fù)載都有變化 的情況下將輸出電壓VouT保持在期望的電平。通常，開關(guān)周期為一個(gè) 工作循環(huán)期間開關(guān)Q的導(dǎo)通時(shí)間和截止時(shí)間之和。因此，開關(guān)Q的占空比為導(dǎo)通時(shí)間和周期之比。于是，利用若干種技術(shù)的任一種，開關(guān)控 制器2控制開關(guān)Q的占空比和周期，以將輸出電壓VOUT保持在滿意的 電平上。在變換器l工作期間，當(dāng)開關(guān)Q導(dǎo)通時(shí)，電流從輸入電壓V^經(jīng)過 開關(guān)Q的漏極和源極端子，并經(jīng)過電感器L流到輸出電壓VOUT。電流 流經(jīng)電感器L的結(jié)果是，在電感器L中存儲(chǔ)了電能。典型地，由開關(guān)控 制器2設(shè)定的開關(guān)Q的導(dǎo)通時(shí)間受到電感器L和輸出電容器Cb的元件 值的限制，使得在導(dǎo)通時(shí)間期間電感器兩端的電壓Vl幾乎恒定。在這 些條件下，在開關(guān)Q導(dǎo)通時(shí)，連接到開關(guān)Q的源極端子電感器L的端 子保持在輸入電壓V^附近，而電感器L的另一端子處于輸出電壓VOUT 電平。結(jié)果，在開關(guān)Q導(dǎo)通時(shí)，耦合在開關(guān)Q的源極端子的二極管D 的陰極3處的電壓使得二極管D被反向偏置，因此不導(dǎo)電，因?yàn)槎O管 D的陽極4連接到地。當(dāng)開關(guān)Q隨后截止時(shí)，電感器L兩端的電壓Vl反特板性，以便保 持經(jīng)過電感器L的電流的連續(xù)性。電壓的這種"倒轉(zhuǎn)"使得二極管D陰 極3的電壓下落到地之下，由此將二極管D正向偏置為導(dǎo)電。于是，將 開關(guān)Q導(dǎo)通時(shí)存儲(chǔ)在電感器L中的電能作為流經(jīng)二極管D和電感器L 的電流傳送到輸出電壓Vout。在由開關(guān)控制器2決定的一些點(diǎn)處，開關(guān) Q再次被導(dǎo)通，并重復(fù)上述循環(huán)。于是在開關(guān)Q導(dǎo)通或截止時(shí)電流都流 入電壓輸出Vout。圖1的降壓變換器1的一個(gè)潛在缺點(diǎn)在于，需要從開關(guān)控制器2提 供大的電壓擺動(dòng)，以驅(qū)動(dòng)開關(guān)Q的柵極，從而導(dǎo)通或截止開關(guān)Q。更具 體而言，要導(dǎo)通開關(guān)Q并保持該狀態(tài)，開關(guān)控制器2必須將柵極驅(qū)動(dòng)到 高于輸入電壓Vw的電壓電平，因?yàn)閊f冊(cè)極電壓必須要高于源極電壓，在 導(dǎo)通狀態(tài)期間該源極電壓接近輸入電壓VIN。為了截止開關(guān)Q,柵極電 壓必須要接近地，因?yàn)樵谶@個(gè)時(shí)候由于電感器L的倒轉(zhuǎn)二極管D變?yōu)檎?向偏置，從而將源極驅(qū)動(dòng)至稍低于地。當(dāng)輸入電壓Vw為較低DC電壓 時(shí)，可以通過容易獲得的電壓"提升"電路產(chǎn)生用于導(dǎo)通開關(guān)Q的適當(dāng) 柵極電壓。不過，當(dāng)輸入電壓V^為265 VRMS量級(jí)上的大AC電壓(其 轉(zhuǎn)換成大約375 VDC的最大DC電壓電平)時(shí)，在提供柵極處幾百伏的 極大電壓擺動(dòng)的同時(shí)及時(shí)而精確地控制柵極電壓通常需要涉及到特殊 化電氣元件的開關(guān)控制器2的較復(fù)雜電路設(shè)計(jì)。發(fā)明內(nèi)容總體上，本發(fā)明的實(shí)施例提供了 一種用于從輸入電壓產(chǎn)生輸出電壓 的降壓電壓變換器。該變換器包括具有第一和第二端子的開關(guān)，其中第 二端子與輸出電壓電耦合。整流器具有第一和第二端子，其中第二端子 與輸出電壓電耦合。第一電感器將開關(guān)的第一端子與輸入電壓電耦合。 與第一電感器磁耦合的第二電感器將整流器的第一端子與電壓基準(zhǔn)電 耦合。而且，配置與輸出電壓耦合的開關(guān)控制器來控制開關(guān)。結(jié)合附圖認(rèn)真閱讀如下詳細(xì)描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將能夠理解本 發(fā)明的其^也實(shí)施例和優(yōu)點(diǎn)。方案本發(fā)明的 一個(gè)方面包括用于從輸入電壓產(chǎn)生輸出電壓的降壓電壓變換器，包括包括第一端子和第二端子的開關(guān)，其中所述開關(guān)的所述第二端子與所述輸出電壓電氣耦合；包括第一端子和第二端子的整流器，其中所述整流器的所述第二端 子與所述輸出電壓電氣耦合；第一電感器，其將所述開關(guān)的所述第一端子與所述輸入電壓電氣耦合.與所迷第一電感器磁耦合的第二電感器，所述第二電感器將所述整 流器的所述第一端子與電壓基準(zhǔn)電氣耦合；以及與所述輸出電壓耦合的開關(guān)控制器，其被配置成控制所述開關(guān)。 優(yōu)選地，所述第一電感器和所述第二電感器均包括1.7毫亨的電感。 優(yōu)選地，所述的降壓電壓變換器(IOO),還包括 第一電容器，其將所述輸入電壓與所述電壓基準(zhǔn)電氣耦合；以及 第二電容器，其將所述輸出電壓與所述電壓基準(zhǔn)電氣耦合。 優(yōu)選地，所述第一電容器包括22微法的電容。 優(yōu)選地，所述第二電容器包括120微法的電容。 優(yōu)選地，所述電壓基準(zhǔn)為地。優(yōu)選地，所述第一電感器的匝數(shù)和所述第二電感器的匪數(shù)包括1: 1 的比例。優(yōu)選地，所述第一電感器包括第一變壓器繞組，其中所述第二電感 器包括第二變壓器繞組，且其中所述第一電感器和所述第二電感器繞磁 心纏繞。優(yōu)選地，所述^f茲心為鐵氧體^f茲心。優(yōu)選地，所述輸入電壓和所述輸出電壓為正直流電壓；所述開關(guān)包括n溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所述開關(guān)的所述第一端子包括 所述FET的漏極端子，所述開關(guān)的所述第二端子包括所述FET的源極 端子，且所述開關(guān)控制器通過所述FET的柵極端子控制所述FET;并且其中所述整流器包括二極管，所述整流器的所述第 一端子包括所述 二極管的陽極，且所述整流器的所述第二端子包括所述二極管的陰極。優(yōu)選地，所述輸入電壓和所述輸出電壓為負(fù)DC電壓;所述開關(guān)包括p溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所述開關(guān)的所述第一端子包括 所述FET的漏極端子，所述開關(guān)的所述第二端子包括所述FET的源極 端子，且所述開關(guān)控制器通過所述FET的柵極端子控制所述FET;并且其中所述整流器包括二極管，所述整流器的所述第一端子包括所述 二極管的陰極，且所述整流器的所述第二端子包括所述二極管的陽極。優(yōu)選地，所述開關(guān)控制器被配置為通過基本周期性地導(dǎo)通和截止所 述開關(guān)來控制所述開關(guān)。優(yōu)選地，所述開關(guān)控制器被配置為基于所述輸出電壓控制所述開關(guān)。優(yōu)選地，所述開關(guān)控制器被配置為基于所述輸出電壓處的電流控制 所述開關(guān)。優(yōu)選地，所述輸入電壓為交流輸入電壓；并且所述降壓電壓變換器還包括AC整流電路，其將所述AC輸入電壓 與所述第一電感器耦合。優(yōu)選地，所述AC整流電路被配置為將所述AC輸入電壓轉(zhuǎn)換成第 一正DC電壓；并且所述輸出電壓為幅度低于所述第一正DC電壓的幅度的正DC輸出 電壓。優(yōu)選地，所述AC整流電路被配置為將所述AC輸入電壓轉(zhuǎn)換成第 一負(fù)DC電壓；并且所述輸出電壓為幅度低于所述第一負(fù)DC電壓的幅度的負(fù)DC輸出電壓。優(yōu)選地， 一種工業(yè)測(cè)量?jī)x表包括所述降壓電壓變換器。優(yōu)選地， 一種科里奧利(Coriolis )流量計(jì)包括所述降壓電壓變換器。
圖1為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的降壓電壓變換器的方框圖。圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的降壓變換器的方框圖。圖3為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例、用于從正DC輸入電壓產(chǎn)生正DC輸出電壓的降壓變換器的示意圖。圖4為圖3的降壓電壓變換器的特定實(shí)施例所實(shí)現(xiàn)的流經(jīng)第一電感器和第二電感器的電流、開關(guān)漏極處的電壓和二極管陽極處的電壓的時(shí)序圖。圖5為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例、用于從負(fù)DC輸入電壓產(chǎn)生負(fù)DC輸出 電壓的降壓變換器的示意圖。圖6為進(jìn)一步采用用于AC輸入電壓的AC整流電路的圖2的降壓 變換器的方框圖。
具體實(shí)施方式
圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的降壓電壓變換器100的簡(jiǎn)化方框圖，該 變換器用于從輸入電壓Vw產(chǎn)生輸出電壓Vout?？傮w上，變換器100包 括具有第一端子112和第二端子114的開關(guān)111,其中第二端子114與 輸出電壓VouT耦合。開關(guān)111的第一端子112通過第一電感器124與 輸入電壓VIN電耦合。通過與輸出電壓VouT耦合的開關(guān)控制器110控制 開關(guān)lll。此外，與第一電感器124磁耦合的第二電感器126將整流器 117的第一端子118與電壓基準(zhǔn)128電耦合，而整流器117的第二端子 120與輸出電壓VOUT電耦合。圖3為降壓電壓變換器100的具體范例的簡(jiǎn)化示意圖根據(jù)本發(fā)明 實(shí)施例的用于從正DC輸入電壓Vw產(chǎn)生正DC輸出電壓VouT的電壓變 換器200。變換器200包括具有第一端子212和第二端子214的開關(guān)Q,， 其中第二端子214與輸出電壓VouT耦合。開關(guān)Q！的第一端子212通過 第一電感器L1與輸入電壓Vw電耦合。通過與輸出電壓VoUT耦合的開 關(guān)控制器210控制開關(guān)Q!。此外，與第一電感器L1磁耦合的第二電感器L2將整流器或二極管Di的陽極218與電壓基準(zhǔn)電耦合，而二極管 Dj的陰極220與輸出電壓VOUT電耦合。更具體地介紹圖3的變換器200的具體范例，開關(guān)(^可以是FET, 例如具有漏極端子212、源極端子214和柵極端子216的n溝道功率FET。 如以下要更詳細(xì)描述的，開關(guān)控制器210利用柵極216通過導(dǎo)通和截止 FET Qi來控制FET Qh在一個(gè)實(shí)施例中，開關(guān)控制器210至少部分地 基于輸出電壓VouT的電壓電平基本周期性地導(dǎo)通和截止FET Q"在其 他實(shí)施例中，開關(guān)控制器210可以采用輸出的另一種特性(例如電流) 來控制FETQt。在另一個(gè)實(shí)施例中，可以采用輸出特性的組合(例如電 壓和電流組合)來控制Qh在備選實(shí)施例中，可以用其他類型的電子元 件，例如雙極結(jié)晶體管(BJT)代替FETQi實(shí)現(xiàn)類似目的。在圖3的具體實(shí)施例中，第一電容器d將輸入電壓VIN與電壓基 準(zhǔn)電耦合，而通過第二電容器C2將輸出電壓VouT電耦合到電壓基準(zhǔn)。 在一個(gè)實(shí)施例中，電壓基準(zhǔn)為地，即0V。將第一電容器d和第二電容 器C2用作濾波電容器，以幫助提供短期電流供應(yīng)，以便支持輸入電壓 V^和輸出電壓VouT兩者的電壓電平，并且除去高頻噪聲。在一個(gè)特定 實(shí)施中，第一電容器d具有22微法(juF),而第二電容器C2具有120jiF 的電容。在一個(gè)實(shí)施例中，第一電感器L!和第二電感器L2形成共享單個(gè)磁 心(例如鐵氧體磁心)222的變壓器的第一和第二繞組，在磁心周圍纏成的磁心。而且，在一種實(shí)施中，第一電感器:u繞磁心的匝數(shù)和第二電感器L2繞磁心的匝數(shù)形成1: 1的比值。盡管在變換器200工作的以下 討論中采用1: 1的比值，在備選實(shí)施例中其他比值也是可能的。在一 個(gè)范例中，電感器L!、 L2都具有1.7毫亨(mH)的電感。變換器200的工作取決于開關(guān)或FET 的狀態(tài)。開關(guān)控制器210 通過將柵極216的電壓提升到充分高于源極214處的電壓來導(dǎo)通FET Ql5從而導(dǎo)通開關(guān)Qn源極處的電壓為輸出電壓Vout。當(dāng)FETQi導(dǎo)通 時(shí)，F(xiàn)ET(^的漏極212處的電壓Vo也大致等于輸出電壓VOUT,電流從 輸入電壓VIN經(jīng)過第一電感器L!、 FET 的漏極212和源極214流到輸 出電壓VouT。結(jié)果，電能被存儲(chǔ)在第一電感器"中，典型地，存儲(chǔ)在 被第一電感器L!纏繞的磁心222中。而且，由于第一電感器"和第二電感器L2l: 1的磁耦合，第一電感器Li兩端的電壓Vu等于第二電感器U兩端的電壓VL2。于是，由于第一電感器"兩端的電壓實(shí)質(zhì)上為輸入電壓Vw減去輸出電壓VOUT, 二極管D！的陽極218處的電壓VA變成 _(VIN-VOUT)。因此，憑借與輸出電壓VouT耦合的陰極220,陽極218的 電壓VA小于陰極220的電壓，導(dǎo)致二極管Dj皮反向偏置，因此不導(dǎo)電。 因此，在開關(guān)Qi導(dǎo)通時(shí)實(shí)質(zhì)上沒有電流流經(jīng)第二電感器L2，在電流流 經(jīng)第一電感器"時(shí)電能被存儲(chǔ)在磁心222中。當(dāng)開關(guān)控制器210截止開關(guān)Qi時(shí)，第一電感器"兩端的電壓VL1 變成負(fù)值以試圖保持其先前的電流水平，從而將開關(guān)Qi的漏極212驅(qū) 動(dòng)至輸入電壓V^以上。由于兩個(gè)電感器^、 L2之間的》茲耦合，第二電感器L2兩端的電壓VL2與第一電感器"兩端的電壓VL1匹配。結(jié)果，第 二電感器L2兩端的電壓VL2接近輸出電壓的負(fù)值-VouT，在該點(diǎn)二極管D!變成正向偏置且導(dǎo)電。忽略二極管D!上通常很小的電壓降，于是也 將第一電感器"兩端的電壓VL1限制在-Vout,于是將開關(guān)Q！的漏極212處的電壓Vo箝位在輸入電壓V^和輸出電壓Vout之和(即VIN + Vout)。 該箝位的結(jié)果是，以經(jīng)過第二電感器L2和二極管D!流到輸出電壓V0UT的電流形式提供了先前存儲(chǔ)在電感器"、L2的磁心222中的能量。 一段 時(shí)間之后，開關(guān)控制器210再次導(dǎo)通開關(guān)Qh并重復(fù)該過程。無論開關(guān) (^是導(dǎo)通還是截止，電流都從變換器200向輸出電壓VouT流動(dòng)。圖4以筒化時(shí)序圖示出了流經(jīng)根據(jù)本發(fā)明特定實(shí)施例的第一電感器"的電流Iu和流經(jīng)第二電感器L2的電流lL2的波形。此外，還示出了在相同時(shí)間段內(nèi)開關(guān)Qi的漏極212處的電壓Vo和二極管Di的陽極218 處的電壓VA。在該范例中，輸入電壓V^為50 VDC,輸出電壓VOUT 為12 VDC,由輸出電壓VouT驅(qū)動(dòng)的負(fù)載(未示出)為40歐姆(Q )。 在該具體范例中，第一電容器C!具有22 的電容，第二電容器C2為 120(LiF而電感器Lh L2均表現(xiàn)出1.7mH的電感。此外，開關(guān)Q!為n溝 道功率FET,元件編號(hào)STD5NM50, 二極管D！為MURS160。圖4的時(shí)序圖繪示了變換器200工作的典型周期特性。對(duì)于開關(guān) Q!導(dǎo)通的時(shí)間T。n,流經(jīng)第一電感器L！的電流IL1基本線性地從水平I！ 增大到水平12。在同一時(shí)間段期間，二極管D!被反向偏置，于是基本沒 有電流經(jīng)過第二電感器L2流動(dòng)。而且，由于開關(guān)Q!是導(dǎo)通的，開關(guān)Q! 的漏極212處的電壓Vd保持在大約Vout，而二極管D！的陽極218處的電壓VA為-(Vw VOUT),如前所述。換言之，電感器L!、 L2兩端的電壓 VL1、 Vl2相等，為(VwVouT)，漏極電壓Vo向高于陽極電壓VA處偏移 輸入電壓V^的值。當(dāng)開關(guān)Qi截止時(shí)，電感器L" L2兩端的電壓Vu、 Vl2相等，且漏 極電壓Vo和陽極電壓VA之間相對(duì)偏移V^都是真實(shí)情況。在開關(guān)Q！ 截止的時(shí)間toFF期間，二極管Di導(dǎo)電，陽極電壓VA被箝位在輸出電壓 Vout。由于漏極電壓Vo向高于陽極電壓VA處偏移輸入電壓Vw的值，因此如上所述漏極電壓Vd被箝位在(Vw + Vout)。而且，由于開關(guān)Qi是截止的，第一電感器"中的電流基本為零，而第二電感器L2中的電 流由于第二電感器L2兩端恒定的電壓-VouT而基本線性地從12降到I!。在圖4所示的特定實(shí)施例中，上電流水平12大約為350毫安(mA), 而下電流水平h大約為250 mA。由于經(jīng)過電感器L的電流IL1和經(jīng)過 電感器L2的電流IL2被提供在輸出電壓V。ut處，因此提供到40D負(fù)載 的平均電流為(12 VDC) / (40 Q) = 300 mA。開關(guān)控制器210基于電感器 Ll、 L2的元件值、被驅(qū)動(dòng)的負(fù)載對(duì)輸出電壓V滅的變化的耐受性以及其 他因素來調(diào)節(jié)t，和tOFF。在圖4的情況下，t，為大約5微秒(iiS),而 toFF為大約15|iS。由于電感器L兩端的電壓等于L(di/dt),在toN期間第 一電感器L！兩端的恒定電壓Vu，即VIN- VOUT = (50 VDC) - (12 VDC)= 3 8 VDC大致是tOFF期間第二電感器L2兩端的電壓VL2的幅度，即-VOUT=-12 V的三倍，于是說明了在該具體情形下toFF大致為toN三倍長(zhǎng)的原因。當(dāng)然，對(duì)于輸入電壓V^和輸出電壓Vout的不同組合，將可能通過 開關(guān)控制器210實(shí)施tON與tOFF的不同比例。對(duì)于這里公開的變換器200的各種實(shí)施例，可以將寬范圍的正DC 電壓用作輸入電壓V,以便產(chǎn)生低幅度的正DC輸出電壓VOUT。如上 所述，所采用的各種元件，例如電感器L!、 L2、電容器d、 C2、 二極管 Dp開關(guān)Q!和開關(guān)控制器210,部分地決定著本發(fā)明特定實(shí)施例所允許 的輸入和輸出電壓VIN、 VOUT的極限。上述變換器200的各種實(shí)施例的突出優(yōu)點(diǎn)在于導(dǎo)通和截止開關(guān) 所需的開關(guān)Qi柵極216的電壓擺動(dòng)是有限的。由于開關(guān)Q!的源極214 直接耦合到輸出電壓VOUT,因此僅需要在輸出電壓Vout和更高幾伏之 間移動(dòng)?xùn)艠O216的電壓來操作開關(guān)于是，可以通過標(biāo)準(zhǔn)的容易獲取 的電子元件驅(qū)動(dòng)(^的柵極216，由此簡(jiǎn)化了開關(guān)控制器210的設(shè)計(jì)。在采用本發(fā)明的 一 個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的其他應(yīng)用中也可以實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)點(diǎn)中 的一個(gè)或多個(gè)，或其他優(yōu)點(diǎn)。也可以通過根據(jù)本發(fā)明另 一實(shí)施例的另 一電壓變換器300實(shí)現(xiàn)類似的優(yōu)點(diǎn)。如圖5所示，變換器300以類似于上述變換器200的方式工作， 其^^皮配置成將負(fù)DC輸入電壓Vw轉(zhuǎn)換成更低幅度的負(fù)DC輸出電壓 VOUT。盡管變換器200和變換器300的大部分元件，例如電感器^、 L2、 》茲心222和電容器d、 C2是相同的，采用了一些1"奮改來處理負(fù)DC輸入 電壓ViN。取代變換器200的開關(guān)Qi的是開關(guān)Q2，在圖5的具體范例中 它是p溝道功率FET。開關(guān)Q2包括與笫一電感器L!耦合的漏極端子312、 與輸出電壓VouT耦合的源4及端子314以及4冊(cè)極端子316。開關(guān)控制器 310以類似于變換器200的開關(guān)控制器210的方式工作，經(jīng)由柵極316 控制開關(guān)Q2的工作。開關(guān)控制器310僅需要在輸出電壓VOUT和更高幾 伏之間移動(dòng)?xùn)艠O316的電壓來操作開關(guān)Q2，于是和現(xiàn)有技術(shù)變換器相比 簡(jiǎn)化了開關(guān)控制器310的設(shè)計(jì)。圖5的變換器300還包括具有第一端子318和第二端子320的二極 管D2。由于輸入和輸出電壓VIN、 VouT的極性是負(fù)的，第一端子318為 陰極而第二端子320為陽極，這與變換器200的二極管D！的取向相反。 變換器300的工作類似于以上結(jié)合圖3的變換器200所述的工作，只是 所有電壓和電流的極性實(shí)質(zhì)性反轉(zhuǎn)。圖6中給出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電壓變換器400的又一實(shí)施例， 用于將AC輸入電壓轉(zhuǎn)換成DC輸出電壓。除了以上結(jié)合圖2的變換器 100所述的元件之外，使用了 AC整流電路430,用于將AC輸入電壓 Vw轉(zhuǎn)換成電壓變換器400的其余元件可用的DC電壓，以產(chǎn)生期望的 DC輸出電壓VouT。在需要正DC輸入電壓VouT的一個(gè)實(shí)施例中，可以 將AC整流電路430配置成將AC輸入電壓V^轉(zhuǎn)換成第一正DC電壓， 然后可以通過圖3的變換器200將第一正DC電壓轉(zhuǎn)換成輸出電壓VOUT。 在另一個(gè)實(shí)施例中，如果需要負(fù)DC輸出電壓VOUT,可以將AC整流電 路430配置成將AC輸入電壓Vw轉(zhuǎn)換成第一負(fù)DC電壓，在一種實(shí)施 中隨后將該第一負(fù)DC電壓經(jīng)由圖5的變換器300轉(zhuǎn)換成較低幅度的負(fù)DClt出電壓VouT。盡管在這里討論了本發(fā)明的若干實(shí)施例，其他涵蓋于本發(fā)明范圍內(nèi)的實(shí)施例也是可能的。例如，在備選實(shí)施例中可以涉及到不同的AC和DC電壓電平，這樣可能表示使用除這里具體公開的元件值之外的值。 此外，提到正和負(fù)電壓極性僅僅是為了參考，本發(fā)明的其他實(shí)施例可以 使用不同的電壓參考方案。此外，在備選實(shí)施例中，電氣耦合的元件未 必是直接互連的。而且，可以將一個(gè)實(shí)施例的各方面與備選實(shí)施例的各 方面組合以產(chǎn)生本發(fā)明的其他實(shí)施。于是，盡管在特定實(shí)施例的上下文 中描述了本發(fā)明，這種描述是用于例示而非限制。因此，本發(fā)明的適當(dāng) 范圍僅由如下權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種用于從輸入電壓(VIN)產(chǎn)生輸出電壓(VOUT)的降壓電壓變換器(100)，包括包括第一端子(112)和第二端子(114)的開關(guān)(111)，其中所述開關(guān)(111)的所述第二端子(114)與所述輸出電壓(VOUT)電氣耦合；包括第一端子(118)和第二端子(120)的整流器(117)，其中所述整流器(117)的所述第二端子(120)與所述輸出電壓(VOUT)電氣耦合；第一電感器(124)，其將所述開關(guān)(111)的所述第一端子(112)與所述輸入電壓(VIN)電氣耦合；與所述第一電感器(124)磁耦合的第二電感器(126)，所述第二電感器(126)將所述整流器(117)的所述第一端子(118)與電壓基準(zhǔn)(128)電氣耦合；以及與所述輸出電壓(VOUT)耦合的開關(guān)控制器(110)，其被配置成控制所述開關(guān)(111)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的降壓電壓變換器(100)，其中所述第一電感 器(124)和所述第二電感器(126)均包括1.7毫亨的電感。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的降壓電壓變換器(IOO)，還包括 第一電容器(CO,其將所述輸入電壓(VIN)與所述電壓基準(zhǔn)(128)電氣耦合；以及第二電容器(C2),其將所述輸出電壓與所述電壓基準(zhǔn)(128)電 氣耦合。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的降壓電壓變換器(IOO)，其中所述第一電容 器(CJ包括22微法的電容。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的降壓電壓變換器(IOO)，其中所述第二電容 器(C2)包括120微法的電容。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的降壓電壓變換器(IOO),其中所述電壓基準(zhǔn) (128)為地。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的降壓電壓變換器(IOO)，其中所述第一電感 器(124)的匣數(shù)和所述第二電感器(126)的壓數(shù)包括l: l的比例。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的降壓電壓變換器(IOO)，其中所述第一電感 器(124)包括第一變壓器繞組，其中所述第二電感器(126)包括第二 變壓器繞組，且其中所述第一電感器(124)和所述第二電感器(126)繞磁心(222 )纏繞。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的降壓電壓變換器(100)，其中所述磁心(222)為鐵氧體;茲心。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的降壓電壓變換器(100),其中所述輸入電壓(V^)和所述輸出電壓(VouT)為正直流(DC )電壓； 所述開關(guān)(lll)包括n溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)(QO，所述開關(guān)(111 ) 的所述第一端子(112)包括所述FET (QO的漏極端子(212)，所述開 關(guān)(111 )的所述第二端子(114)包括所述FET(QO的源極端子(214)， 且所述開關(guān)控制器U10)通過所述FET (QO的柵極端子(216)控制 所述FET ( Qi);并且其中所述整流器(117)包括二極管(Di),所述整流器(117)的所述 第一端子(II8)包括所述二極管(DO的陽極(218)，且所述整流器 (117)的所述第二端子(120)包括所述二極管(DO的陰極(220)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的降壓電壓變換器(100)，其中 所述輸入電壓(V!N)和所述輸出電壓(VouT)為負(fù)DC電壓； 所述開關(guān)(lll)包括p溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)(Q2),所述開關(guān)(111 )的所述第一端子(112)包括所述FET (Q2)的漏極端子(312)，所述開 關(guān)(111 )的所述第二端子(114)包括所述FET(Q2)的源極端子(314)， 且所述開關(guān)控制器(110)通過所述FET (Q2)的柵極端子(316)控制 所述FET ( Q2 );并且其中所述整流器(117)包括二極管(D2)，所述整流器(117)的所述 第一端子(118)包括所述二極管(D2)的陰極(318),且所述整流器 (117)的所述第二端子(120)包括所述二極管(D2)的陽極(220)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的降壓電壓變換器(100)，其中所述開關(guān)控 制器(110)被配置為通過基本上周期地導(dǎo)通和截止所述開關(guān)(111)來 控制所述開關(guān)(111 )。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的降壓電壓變換器(100),其中所述開關(guān)控 制器(110)被配置為基于所述輸出電壓(VOUT)控制所述開關(guān)(111 )。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的降壓電壓變換器(100)，其中所述開關(guān)控 制器(110)被配置為基于所述輸出電壓(VouT)處的電流控制所述開 關(guān)(111 )。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的降壓電壓變換器(100)，其中所述輸入電壓(V^)為交流(AC)輸入電壓；并且 所述降壓電壓變換器(100)還包括AC整流電路(430)，其將所述AC 輸入電壓與所述第一電感器(124)耦合。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的降壓電壓變換器(IOO)，其中所述AC整流電路(43O)被配置為將所述AC輸入電壓轉(zhuǎn)換成第 一正 DC電壓；并且所述輸出電壓(VouT)為幅度低于所述第一正DC電壓的幅度的正 DC輸出電壓。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的降壓電壓變換器(IOO),其中所述AC整流電路(43 O)被配置為將所述AC輸入電壓轉(zhuǎn)換成第 一 負(fù) DC電壓；并且所述輸出電壓(VouT)為幅度低于所述第一負(fù)DC電壓的幅度的負(fù) DC輸出電壓。
18. —種工業(yè)測(cè)量?jī)x表，包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的降壓電壓變換器。
19. 一種科里奧利流量計(jì)，包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的降壓電壓變換 器(100)。
全文摘要
提供了一種用于從輸入電壓(V<sub>IN</sub>)產(chǎn)生輸出電壓(V<sub>OUT</sub>)的降壓電壓變換器(100)。該變換器(100)包括具有第一端子(112)和第二端子(114)的開關(guān)(111)，其中第二端子(114)與輸出電壓(V<sub>OUT</sub>)電氣耦合。還包括具有第一端子(118)和第二端子(120)的整流器(117)，其中該第二端子(120)與輸出電壓(V<sub>OUT</sub>)電氣耦合。第一電感器(124)將開關(guān)(111)的第一端子(112)與輸入電壓(V<sub>IN</sub>)電氣耦合。與第一電感器(124)磁耦合的第二電感器(126)將整流器(117)的第一端子(118)與電壓基準(zhǔn)(128)電氣耦合。與輸出電壓(V<sub>out</sub>)耦合的開關(guān)控制器(110)被配置為控制開關(guān)(111)。
文檔編號(hào)H02M3/155GK101228683SQ200580051176
公開日2008年7月23日 申請(qǐng)日期2005年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月26日
發(fā)明者S·林德曼, W·M·曼斯菲爾德 申請(qǐng)人:微動(dòng)公司