專利名稱：升壓功率變換器系統(tǒng)及升壓方法
技術領域：
本申請涉及一種升壓功率變換器系統(tǒng)以及升壓方法，并且更為具體地，涉及一種在不連續(xù)導通模式中具有高壓側有源阻尼的升壓功率變換器。
背景技術：
升壓功率變換器是開關型電源的一種類型，其將輸入直流(DC)電壓轉換為更高的、具有相同極性的輸出DC電壓。升壓功率變換器可以在不連續(xù)導通模式下工作，其中，在開關循環(huán)的一部分，流過電感器的電流為零。當電感器的電流達到零時，由于功率開關和整流二極管中的寄生電容的影響，功率變換器將產(chǎn)生環(huán)流(ring)或振蕩。這個環(huán)流使得變換器的控制回路變得不穩(wěn)定并且降低變換效率。此外，當升壓變換器用于有效功率因數(shù)修正時，這個環(huán)流可以在線路電流中引入雜散諧波，從而導致所不期望的功率因數(shù)的 減少。針對這個問題的一種解決方式是使用無源電阻-電容(RC)網(wǎng)絡，無源RC將變換器開關節(jié)點接地，其減弱該振蕩。然而，在集成解決方案的情況下，這種方法需要相對大的電容器，從而占用很多芯片面積，或者在分立元件解決方案的情況下，這種方法需要額外的外部元件。另一種方法是在變換器開關節(jié)點和地之間使用有源阻尼(即，低側阻尼開關)，但是這種方法浪費了功率并且降低了變換器效率。

發(fā)明內(nèi)容
本申請?zhí)峁┮环N升壓功率變換器系統(tǒng)，包括輸入電壓高壓側節(jié)點；電感器，其在所述電感器的第一端部處耦合到所述輸入電壓高壓側節(jié)點；功率開關，其在所述電感器的第二端部處耦合到所述電感器；驅動電路，其被配置成對所述功率開關進行控制，以使得當負載電流下降到臨界導通閾值以下時，所述升壓功率變換器系統(tǒng)在不連續(xù)導通模式下進行操作；以及阻尼開關，其被配置成使得電流從所述電感器的所述第二端部處的所述功率開關流向所述輸入電壓高壓側節(jié)點，其中，當所述功率開關斷開時，所述阻尼開關閉合，并且當所述功率開關閉合時，所述阻尼開關斷開。本申請?zhí)峁┮环N升壓方法，包括為升壓功率變換器提供輸入電壓高壓側節(jié)點；將電感器與所述輸入電壓高壓側節(jié)點在所述電感器的第一端部處耦合；將功率開關與所述電感器在所述電感器的第二端部處耦合；將驅動電路配置為控制所述功率開關，以使得當負載電流下降到臨界導通閾值以下時，所述升壓功率變換器在不連續(xù)導通模式下進行操作；以及將阻尼開關配置為使得電流從所述電感器的所述第二端部處的所述功率開關流向所述輸入電壓高壓側節(jié)點，其中，當所述功率開關斷開時，所述阻尼開關閉合，并且當所述功率開關閉合時，所述阻尼開關斷開。一種電子設備，包括輸入電壓高壓側節(jié)點；電感器，其與所述輸入電壓高壓側節(jié)點在所述電感器的第一端部處耦合；功率開關，其與所述電感器在所述電感器的第二端部處耦合；驅動電路，其被配置成對所述功率開關進行控制，以使得當負載電流下降到臨界導通閾值以下時，所述電子設備在不連續(xù)導通模式下進行操作；以及阻尼開關，其被配置成使得電流從所述電感器的所述第二端部處的所述功率開關流向所述輸入電壓高壓側節(jié)點，其中，當所述功率開關斷開時，所述阻尼開關閉合，并且當所述功率開關閉合時，所述阻尼開關斷開。本申請?zhí)峁┮环N工作在不連續(xù)導通模式(DCM)下的升壓功率變換器，該升壓功率變換器具有高壓側有源阻尼以減少環(huán)流并且增加變換器的穩(wěn)定性和效率。有利地，本申請的升壓功率變換器可以達到振蕩的臨界阻尼，這是因為通過使用高壓側有源阻尼，避免了現(xiàn)有解決方案所具有的對變換器效率的不利影響。


通過下文的描述并且參考附圖，本申請主題的實施例的特征和優(yōu)點將變得更為明顯，其中類似的附圖標記表示類似的部件，并且其中 圖I示出了與本申請一致的一個示例性實施例的電路框圖；圖2示出了將與本申請一致的一個示例性實施例和現(xiàn)有技術實現(xiàn)方式進行比較的電感器電流波形；圖3示出了將與本申請一致的一個示例性實施例與現(xiàn)有技術實現(xiàn)方式進行比較的阻尼開關功率波形；圖4示出了與本申請示例性實施例一致的具有臨界阻尼的電感器電流波形；以及圖5示出了與本申請一致的一個示例性實施例的操作流程圖。雖然下文的詳細描述將參考說明性的實施例來進行，但是對于本領域技術人員而言，對于這些實施例的許多改變、修改以及變化是顯而易見的。
具體實施例方式概括而言，本申請?zhí)峁┮环N工作在不連續(xù)導通模式(DCM)下的升壓功率變換器，該升壓功率變換器具有高壓側有源阻尼以減少環(huán)流并且增加變換器的穩(wěn)定性和效率。有利地，本申請的升壓功率變換器可以達到振蕩的臨界阻尼，這是因為通過使用高壓側有源阻尼，避免了現(xiàn)有解決方案所具有的對變換器效率的不利影響。升壓功率變換器是開關型電源的一種類型，并且通常包括功率開關、整流器和濾波器；濾波器進一步包括電感器-電容網(wǎng)絡。在驅動電路的控制下，功率開關斷開和閉合，以便產(chǎn)生脈沖串，對脈沖串的脈沖寬度或者脈沖頻率進行調制的以實現(xiàn)對變換器的控制，例如，以響應于變化的輸出負載條件。整流器和濾波器將脈沖串變換為DC輸出電壓。在某些輸出負載條件下，負載電流超過臨界導通閾值并且變換器在連續(xù)導通模式下進行操作，但是，在其他輸出負載條件期間，負載電流下降到臨界導通閾值以下并且變換器在不連續(xù)導通模式下進行操作。當變換器在不連續(xù)導通模式下進行操作時，對于功率開關的開關循環(huán)一部分而言，流過電感器的電流為零，由于功率開關和整流二極管中寄生電容的影響，從而導致功率變換器產(chǎn)生環(huán)流或振蕩。如果不提供阻尼，那么這個環(huán)流使得變換器的控制回路變得不穩(wěn)定并且降低變換效率。圖I示出了與本申請一致的一個示例性實施例的電路框圖100。電路框圖100通常包括具有高壓側節(jié)點102的輸入電壓端口 Vin、輸出電壓端口 VQUT120、電感器L 104，異步整流電路116以及脈寬調制(PWM)或者脈沖頻率調制(PFM)驅動電路112。異步整流電路116進一步包括功率開關118和整流二極管D1122和D2124。功率開關118的開關時間由PWM/PFM驅動電路112進行控制。與異步整流電路116相關聯(lián)的寄生電容由電容器Csw 114來表示。阻尼開關110可以串聯(lián)連接在高壓側電壓輸入端102和異步整流電路116之間。在變換器操作期間，電流監(jiān)視器106監(jiān)視流過電感器L 104的電流。當功率開關108斷開時，流過電感器L 104的電流減少。當所監(jiān)視的流過電感器L 104的電流大體上達到零值時，過零檢測器108產(chǎn)生觸發(fā)信號。這個觸發(fā)信號隨后可以閉合阻尼開關110，從而使得一部分電流從功率開關節(jié)點返回到變換器的高壓側電壓輸入端102。這個電流反饋減少電感器L 104中的振蕩。反饋回來的這部分電流，并且因此阻尼水平，取決于阻
尼開關110在閉合狀態(tài)下的有效阻抗(RDSw)。當況/乃…,=犯/Csw)時(其容許的誤差為
+/-10% )，達到臨界阻尼。當功率開關118閉合時，阻尼開關110可以重新斷開。
在某些實施例中，阻尼開關110的閉合僅基于功率開關118的斷開，因為在功率開關118斷開時，流過電感器L 104電流減少。在某些實施例中，阻尼開關110可以是可控電阻器。圖2示出了將與本申請一致的一個示例性實施例和現(xiàn)有技術實現(xiàn)方式進行比較的電感器電流波形200。圖206示出了在沒有任何阻尼的情況下所產(chǎn)生的環(huán)流的幅值(mA)。圖204示出了由現(xiàn)有技術實現(xiàn)方式所產(chǎn)生的環(huán)流的幅值(mA)，其中，電流通過阻尼開關反饋到低壓側電壓輸入端(即，接地)。這個阻尼開關具有大于與臨界阻尼相關聯(lián)的電阻約十四倍的RDSqn。圖202示出了由與本申請一致的示例性實施例所產(chǎn)生的環(huán)流的幅值(mA)，其中，電流通過阻尼開關反饋到高壓側電壓輸入端。這個阻尼開關也具有大于與臨界阻尼相關聯(lián)的電阻約十四倍的RDSW。這些圖示出了與無阻尼的情況206相比，現(xiàn)有技術實現(xiàn)方式204在環(huán)流方面有所改善(減少)。這些圖進一步示出了與現(xiàn)有技術的情況204相比，與本申請一致的示例性實施例202在環(huán)流方面提供了進一步的改善(減小)，但是這樣做，如在下文中將要討論的，具有更好的功率效率。圖3示出了將與本申請一致的一個示例性實施例與現(xiàn)有技術實現(xiàn)方式進行比較的阻尼開關功率波形300。圖304示出了對應于上文所討論的并且在圖204中示出的現(xiàn)有技術情況，阻尼開關中的瞬時功率(mW)。圖302示出了阻尼開關中的瞬時功率(mW)，這個阻尼開關對應于上文所討論的并且在圖202中示出的與本申請一致的示例性實施例。這些圖示出了與現(xiàn)有技術情況304相比而言，與本申請一致的示例性實施例302提供了功率優(yōu)勢。耗散在與本申請一致的示例性實施例的阻尼開關中的平均功率為O. 31mW，而耗散在現(xiàn)有技術的阻尼開關中的相應平均功率為8. 4mW。與現(xiàn)有技術相比，這表示改善了 27倍。圖4示出了與本申請示例性實施例一致的具有臨界阻尼的電感器電流波形400。由于與本申請一致的實施例相關聯(lián)的功率效率的改善，阻尼開關110的RDSm值可以減少到臨界阻尼。圖402示出了在臨界阻尼條件下，流過電感器L 104的電流的幅值(mA)。圖402示出了在這種情況下環(huán)流大體上被消除。圖5示出了與本申請一致的一個示例性實施例的操作流程圖500。在操作510處，為升壓功率變換器提供輸入電壓高壓側節(jié)點。在操作520處，電感器的第一端部被耦合到輸入電壓高壓側節(jié)點。在操作530處，功率開關被耦合到電感器的第二端部。在操作540處，驅動電路被配置成對功率開關進行控制，以使得當負載電流下降到臨界導通閾值以下時，升壓功率變換器在不連續(xù)導通模式下進行操作。在操作550處，阻尼開關被配置成使得電流從電感器的第二端部處的功率開關流向輸入電壓高壓側節(jié)點。阻尼開關可以串聯(lián)在功率開關和輸入電壓高壓側節(jié)點之間。當功率開關斷開時，阻尼開關閉合，并且當功率開關閉合時，阻尼開關斷開。在某些實施例中，可以對流過電感器的電流進行監(jiān)視，并且當檢測到電流的過零時，可以強制閉合阻尼開關。在某些實施例中，阻尼開關可以是可控電阻器。在本文的描述中，給出了許多具體細節(jié)。然而，應該明白的是，在沒有這些具體細節(jié)的情況下，也可以實踐本申請的實施例。在其他情況下，沒有詳細示出公知的電路、結構和技術，以防對本申請的理解產(chǎn)生模糊。提及“一個實施例”、“實施例”、“示例性實施例”、“各種實施例”等，表明所描述的本申請的實施例可以包括特定的特征、結構或者特性，但是并非每個實施例都必須包括這些特定的特征、結構或者特性。此外，某些實施例可以具有針對其他實施例所描述的某些或全部特征，或者不具有針對其他實施例所描述的特征。在說明書和權利要求中，可能使用了術語“耦合”和“連接”，及它們的衍生詞。應 該理解的是，這些術語并非旨在作為彼此的同義詞。而是，在特定的實施例中，“連接”用于表明兩個或多個元件彼此之間直接物理接觸或電接觸。“耦合”用于表明兩個或多個元件彼此協(xié)作或交互，但是他們之間可能具有或者可能不具有介入物理元件或電元件。術語“開關”可以體現(xiàn)為MOSFET開關(例如，單個NMOS和PMOS元件)，BJT開關和/或本領域公知的其他開關電路。另外，本文的任意實施例中所使用的“線路(circuitry)”或“電路”，可以例如包括固定電路、可編程電路、狀態(tài)機電路中的一個或者任一組合，和/或包含在大型系統(tǒng)中的電路，例如，包含在集成電路中的元件。本文所采用的術語和表述被用于描述的目的而不是限制的目的，在使用這些術語和表述時，并非旨在排除所示和所述特征(或其部分)的任何等價物，并且已經(jīng)認識到在權利要求的范圍內(nèi)，各種修改都是可能的。因此，權利要求旨在涵蓋所有這樣的等價物。本文已經(jīng)描述了各種特征、方面和實施例。如本領域技術人員將會明白的，很容易對這些特征、方面和實施例進行相互組合、改變和修改。因此，應該考慮，本申請包括這些組合、變化和修改。
權利要求
1.一種升壓功率變換器系統(tǒng)，包括 輸入電壓高壓側節(jié)點； 電感器，其在所述電感器的第一端部處耦合到所述輸入電壓高壓側節(jié)點； 功率開關，其在所述電感器的第二端部處耦合到所述電感器； 驅動電路，其被配置成對所述功率開關進行控制，以使得當負載電流下降到臨界導通閾值以下時，所述升壓功率變換器系統(tǒng)在不連續(xù)導通模式下進行操作；以及 阻尼開關，其被配置成使得電流從所述電感器的所述第二端部處的所述功率開關流向所述輸入電壓高壓側節(jié)點，其中，當所述功率開關斷開時，所述阻尼開關閉合，并且當所述功率開關閉合時，所述阻尼開關斷開。
2.根據(jù)權利要求I所述的升壓功率變換器系統(tǒng)，進一步包括 電流監(jiān)視電路，其被配置成對流過所述電感器的電流進行監(jiān)視；以及過零檢測電路，其耦合至所述電流監(jiān)視電路，所述過零檢測電路被配置成檢測流過所述電感器的所述電流的過零，其中，當檢測到所述過零時，閉合所述阻尼開關。
3.根據(jù)權利要求I所述的升壓功率變換器系統(tǒng)，其中，在閉合狀態(tài)時，所述阻尼開關的電阻約為
4.根據(jù)權利要求I所述的升壓功率變換器系統(tǒng)，其中，在閉合狀態(tài)時，所述阻尼開關的電阻值大于
5.根據(jù)權利要求I所述的升壓功率變換器系統(tǒng)，其中，所述功率開關被配置為整流電路的有源元件，所述整流電路與所述阻尼開關串聯(lián)。
6.根據(jù)權利要求5所述的升壓功率變換器系統(tǒng)，其中，所述整流電路被配置成為異步整流電路。
7.根據(jù)權利要求I所述的升壓功率變換器系統(tǒng)，其中，所述阻尼開關是可控電阻器。
8.一種升壓方法，包括 為升壓功率變換器提供輸入電壓高壓側節(jié)點； 將電感器與所述輸入電壓高壓側節(jié)點在所述電感器的第一端部處耦合； 將功率開關與所述電感器在所述電感器的第二端部處耦合； 將驅動電路配置為控制所述功率開關，以使得當負載電流下降到臨界導通閾值以下時，所述升壓功率變換器在不連續(xù)導通模式下進行操作；以及 將阻尼開關配置為使得電流從所述電感器的所述第二端部處的所述功率開關流向所述輸入電壓高壓側節(jié)點，其中，當所述功率開關斷開時，所述阻尼開關閉合，并且當所述功率開關閉合時，所述阻尼開關斷開。
9.根據(jù)權利要求8所述的升壓方法，進一步包括 對流過所述電感器的電流進行監(jiān)視； 檢測被監(jiān)視的電流的過零；以及 當檢測到所述過零并且所述功率開關斷開時，閉合所述阻尼開關。
10.根據(jù)權利要求8所述的升壓方法，其中，在閉合狀態(tài)時，所述阻尼開關的電阻約為
11.根據(jù)權利要求8所述的升壓方法，其中，在閉合狀態(tài)時，所述阻尼開關的電阻大于歐姆，其中，L為所述電感器的值，以亨利為單位，并且Csw為在所述電感器的所述第二端部處的寄生電容的值，以法拉第為單位。
12.根據(jù)權利要求8所述的升壓方法，進一步包括，將所述功率開關配置為整流電路的有源元件，所述整流電路與所述阻尼開關串聯(lián)。
13.根據(jù)權利要求12所述的升壓方法，其中，所述整流電路被配置為異步整流電路。
14.根據(jù)權利要求8所述的升壓方法，其中，所述阻尼開關是可控電阻器。
15.—種電子設備,包括 輸入電壓高壓側節(jié)點； 電感器，其與所述輸入電壓高壓側節(jié)點在所述電感器的第一端部處耦合； 功率開關，其與所述電感器在所述電感器的第二端部處耦合； 驅動電路，其被配置成對所述功率開關進行控制，以使得當負載電流下降到臨界導通閾值以下時，所述電子設備在不連續(xù)導通模式下進行操作；以及 阻尼開關，其被配置成使得電流從所述電感器的所述第二端部處的所述功率開關流向所述輸入電壓高壓側節(jié)點，其中，當所述功率開關斷開時，所述阻尼開關閉合，并且當所述功率開關閉合時，所述阻尼開關斷開。
16.根據(jù)權利要求15所述的電子設備，進一步包括
17.根據(jù)權利要求15所述的電子設備，其中，在閉合狀態(tài)時，所述阻尼開關的電阻約為
18.根據(jù)權利要求15所述的電子設備，其中，在閉合狀態(tài)時，所述阻尼開關的電阻值大于歐姆，其中，L為所述電感器的值，以亨利為單位，并且Csw為在所述電感器的所述第二端部處的寄生電容的值，以法拉第為單位。
19.根據(jù)權利要求15所述的電子設備，其中，所述功率開關被配置為整流電路的有源元件，所述整流電路與所述阻尼開關串聯(lián)。
20.根據(jù)權利要求15所述的電子設備，其中，所述阻尼開關是可控電阻器。
全文摘要
本申請涉及升壓功率變換器系統(tǒng)及升壓方法。根據(jù)一個實施例的一種升壓功率變換器系統(tǒng)包括輸入電壓高壓側節(jié)點；電感器，其在所述電感器的第一端部處耦合到所述輸入電壓高壓側節(jié)點；功率開關，其在所述電感器的第二端部處耦合到所述電感器；驅動電路，其被配置成對所述功率開關進行控制，以使得當負載電流下降到臨界導通閾值以下時，所述升壓功率變換器系統(tǒng)在不連續(xù)導通模式下進行操作；以及阻尼開關，其被配置成使得電流從所述電感器的所述第二端部處的所述功率開關流向所述輸入電壓高壓側節(jié)點，其中，當所述功率開關斷開時，所述阻尼開關閉合，并且當所述功率開關閉合時，所述阻尼開關斷開。
文檔編號H02M3/10GK102904441SQ20121025476
公開日2013年1月30日 申請日期2012年7月23日 優(yōu)先權日2011年7月28日
發(fā)明者R·霍洛韋, A·翁格, H·侯 申請人:快捷半導體(蘇州)有限公司, 快捷半導體公司