具有單個電感器的多輸出補償變換器的製作方法
2023-08-10 18:00:01 3
專利名稱：具有單個電感器的多輸出補償變換器的製作方法
本申請要求享有作為本申請參考資料的1999年5月6日提交的U.S.Provisional Patent Application 60/132,820的權益。
本發明一般涉及到補償變換器，具體涉及到用於桌面和便攜計算機的DC-DC變換器。
以往之所以使用採用補償布局的無隔離降壓直流變換器是因為它的磁路僅僅包括一個電感器並且沒有變壓器。使用儘量簡單的磁路是重要的，因為磁路的費用會隨著增加了額外的線圈而急劇上升。不僅是製造費用，測試費用也會造成費用的增加。進而，更複雜的磁路會增加結構誤差的可能性，這些都會造成變換器的故障。然而，這些補償變換器僅僅能夠產生一種輸出電壓。如果需要一個以上的輸出電壓，就需要在補償變換器的輸出端有一個線性調節器，或者是在第一變換器的輸出端有一個第二補償變換器，或者是有一個並聯的補償變換器。採用線性調節器儘管費用低但是效率很差，並且伴隨有發熱的問題。使用第二補償變換器或是並聯的補償變換器都要增加一或多個完整的變換器及其所有的附加磁路，控制器集成電路等等。進而，兩個頻率變換器串聯連接會使系統的效率降低一半。
許多系統的操作需要多個低壓電源總線。具體地說，計算機母板就需要3.3伏和2.0伏電壓下的大電流。用來產生這兩種電壓的慣用方案是每一個輸出使用一個獨立的補償變換器。每個變換器包括一個控制集成電路，兩個MOSFET(用於同步變換)，一個電感，一或多個輸出電容，以及許多小的信號元件。這些零件特別是電感會使電源變換的費用很高。迫切需要一種簡單和廉價的解決方案。
本發明提供一種廉價的多輸出補償變換器，使用單個電感，單個脈寬調製器集成電路，兩個MOSFET加上一個附加的MOSFET，以及用於每個電壓輸出的一或多個電容。
本發明進一步提供了一種廉價的多輸出補償變換器，它不需要為每一個輸出提供一個電感，一個脈寬調製器集成電路，以及兩個MOSFET再加上一個MOSFET。
本發明進一步提供了一種多輸出補償變換器，可供在需要從單個高電壓輸入獲得多個輸出電壓輸出的場合使用。
本發明進而還提供了一種單一的單線圈電感，用來產生多個補償輸出，形成各自具有輸出調節器的一個單一的多輸出補償變換器。
本領域的技術人員通過閱讀以下結合附圖的詳細說明就可以看出本發明的上述和其他優點。
圖1是本發明中採用雙輸出結構的一種基本的多輸出補償變換器；圖2是本發明中採用雙輸出結構的一種多輸出補償變換器；圖3是本發明的一種簡化的雙輸出補償變換器，用來說明變換器的控制和操作；圖4是圖3的補償變換器，表示第一種狀態下的操作元件；圖5是圖3的補償變換器，表示第二種狀態下的操作元件；圖6是圖3的補償變換器，表示第三種狀態下的操作元件；圖7是一個開關模擬圖，表示本發明的補償變換器的一個輸出；以及圖8是本發明的補償變換器的另一個輸出。
參見圖1，圖中表示了本發明中採用雙輸出結構的一種基本的多輸出單電感補償變換器10。變換器10的輸入12連接到一個輸入MOSFET 14，後者又連接到一個控制MOSFET 16和一個電感18。
MOSFET 16連接到地20，而電感18連接到第一MOSFET 22。MOSFET 22通過一個電荷存儲器件例如是電容24連接到地20。MOSFET 22進而再連接到第一電壓輸出28。MOSFET 22的柵極連接到一個脈寬調製器26，後者又連接到MOSFET14和16的柵極。
為了獲得第二輸出電壓，在電感18和MOSFET 22之間連接一個第二MOSFET 30。MOSFET 30通過一個電容32連接到地20並且連接到第二電壓輸出36。第二電壓輸出36連接到一個用來控制MOSFET 30的脈寬調製器34。儘管在圖中表示了不同的脈寬調製器，本領域的技術人員都知道它們可以是單個半導體晶片上的一個集成電路。
參見圖2，在圖中表示了本發明中採用雙輸出結構的一種多輸出，單電感的補償變換器50。補償變換器50的電壓輸入52連接到一個輸入MOSFET 54。MOSFET54連接到一個控制MOSFET 56，後者連接到地58。MOSFET 54和56被連接到一個電感60，電感連接到具有一個二極體63的第一MOSFET 62，二極體再通過第一電容64連接到地58。MOSFET 62進一步連接到一個脈寬調製器66，調製器連接到MOSFET 54和56的柵極。第一MOSFET 62的輸出進一步連接到第一電壓輸出68。
為了獲得第二輸出，將電感60連接到具有一個體二極體69的第二MOSFET70，並且將它的輸出通過第二電容72連接到地58，同時連接到第二電壓輸出74。第二電壓輸出74連接到一個脈寬調製器71，調製器連接到MOSFET 70柵極。
參見圖3，圖中表示了一種雙輸出，單電感的補償變換器100的簡化示意圖。電壓輸入110連接到一個輸入MOSFET 112，它通過一個二極體114連接到地116。MOSFET 112進一步連接到一個電感118，電感連接到一個二極體120，二極體120通過一個電容122連接到地116，並且連接到第一電壓輸出124。
為了獲得第二輸出，將電感118連接到一個MOSFET 126，它通過一個電容128連接到地116，並且連接到第二電壓輸出132。第二電壓輸出132連接到一個脈寬調製器130，調製器連接到MOSFET 112和126的柵極。這樣構成的補償變換器100可以從第一電壓輸出124提供比第二電壓輸出132更高的電壓輸出。
參見圖4，圖中表示了補償變換器100在第一狀態I下的工作部件。圖4與圖3中採用了相同的編號。這樣，在圖中表示的有電壓輸入110，MOSFET 112，電感118，二極體120，和第一電壓輸出124。
參見圖5，圖中表示了第二工作狀態下的補償變換器100。採用與圖3相同的編號，並且包括連接到地116的二極體114，電感118，二極體120，和第一電壓輸出124。
參見圖6，圖中表示了第三工作狀態下的補償變換器100。採用與圖3相同的編號，並且包括連接到地116的二極體114，電感118，MOSFET 126，和第二電壓輸出132。
參見圖7，在圖中用二伏輸出波形150表示一種開關模擬圖。
參見圖8，在圖中用三伏輸出波形152表示一種開關模擬圖。
在工作中，多輸出補償變換器10，50和100正常工作，單輸入補償變換器用於一個電壓輸出。
在圖1的結構中，脈寬調製器26按照確定的佔空比切換MOSFET 14和16導通和關斷，完成同步整流。MOSFET 16按照單向開關的方式工作，維持通過電感18的電流。電感18的輸入在假定的瞬時具有連續的電流，它根據設在電感18和輸出電容24和32之間的MOSFET 22和30的狀態流入各個輸出電容24和32。第一電壓輸出28用MOSFET 22控制從電感18流向輸出電容24的電流。第二電壓輸出36用脈寬調製器26和MOSFET 30控制從電感18流向輸出電容32的電流。
補償變換器10的動作如下。首先，MOSFET 22導通，讓電感電流流到第一電壓輸出28。然後關斷MOSFET 22，並且導通MOSFET 30，讓電流在脈寬調製器34的控制下流到第二電壓輸出36。
對於圖2的結構，脈寬調製器66按照確定的佔空比切換MOSFET 54和56導通和關斷，完成同步整流。MOSFET 56按照單向開關的方式工作，維持通過電感60的電流。電感60的輸入在假定的瞬時具有連續的電流，它根據設在電感60和輸出電容64和72之間的MOSFET 62和70的狀態流入各個輸出電容64和72。第一電壓輸出68具有比較高的電壓。這一高電壓輸出68用MOSFET 62控制從電感60流向輸出電容64的電流。當MOSFET 62導通時，電流流到輸出68。當MOSFET 62關斷時，電感電流不會流到第一電壓輸出68，除非電感節點上的電壓高於輸出電壓68加上MOSFET 62內部的體二極體63的電壓降。
補償變換器50的動作如下。首先，用脈寬調製器66使MOSFET 62導通，讓電流流到輸出68。然後關斷MOSFET 62，並且MOSFET 62中的二極體63導通。然後導通連接在第二電壓輸出74上的MOSFET 70，並且將電感60的電流從第一電壓輸出68變換到第二電壓輸出74。用脈寬調製器71關斷MOSFET 70，完成一個循環。
MOSFET 54和56的前端通過控制佔空比來控制第一電壓輸出68。MOSFET70通過控制導通時間來控制第二電壓輸出74。由於二極體的電壓降，在控制第二電壓輸出74時不需要的電流都被變換到第一電壓輸出68。
首先需要注意的是，由於增加了附加的MOSFET，可以涉及成單個控制電路來控制多個輸出，每一個附加的輸出僅僅增加一個附加的MOSFET。第二，僅僅使用了一個單一的單線圈電感。第三，由於輔助的MOSFET是由一個電流源供電的，效率可以比得上多個變換器，甚至更好。
按照第一種變更模式，帶二極體的MOSFET例如是MOSFET 62和70可以採用獨立的Schottky二極體與其體二極體相併聯，避免反向恢復時間的問題。
按照第二種變更模式，可以用一個p-溝道MOSFET和一個二極體代替圖中所示的n-溝道MOSFET62。
按照第三種變更模式，用附加的MOSFET和電容還可以產生附加的輸出，就象MOSFET 70和電容72那樣。
按照第四種變更模式，輸入變換器不需要是同步的。
按照第五種變更模式，輸出電壓切換與前端的MOSFET可以是同步的，也可以是異步的。
圖3是本發明的一種簡化的雙輸出補償變換器100，用來說明變換器的控制和操作。
在圖4的第一狀態下，MOSFET 112導通，MOSFET 126關斷。在這一狀態I下，進入輸入端110的電壓通過MOSFET 112進入電感118，通過二極體120到輸出124。
在圖5的第二狀態下，MOSFET 112關斷，MOSFET 126導通。在這一狀態IIA下，二極體114維持電流通過電感118經由二極體120到輸出124。
在圖6所示的第三狀態IIB下，MOSFET 112關斷，MOSFET 126導通。這樣就斷開了二極體120，並且變成了使二極體114變成了一個單向開關的結構，以便維持通過電感118並且經由MOSFET 126到達輸出132的電流。
各個脈寬調製器的佔空比是根據上述的狀態和電感118上平衡的電壓-時間特性(volt-seconds)來計算的。假設MOSFET和電感118都沒有電阻，並且二極體120具有與電流無關的正向電壓Vf[Vin-(VoutI+Vf)]tI＝(VoutI+2Vf)tIIA+(VoutII+Vf)tIIB公式1其中Vin＝輸入電壓；VoutI＝第一電壓輸出；VoutII＝第二電壓輸出；Vf＝二極體正向電壓；VoutII＝第二電壓輸出；tI＝狀態I的導通時間tIIA＝狀態IIA的導通時間；tIIB＝狀態IIB的導通時間；第二公式表明整個一個周期T中共有三種狀態。
tI+tIIA+tIIB＝T 公式2
公式3的依據是流到VoutI或是VoutII的電感電流；如果電感很大，電感的電流在一定周期內是不變的，因此，每個輸出接收到的平均電流取決於開始時間。
保存電荷tIIB*IL＝III*T；(tI+tIIA)IL＝IIT 公式3其中IL＝電感電流；II＝Vout(I)的DC輸出電流；III＝Vout(II)的DC輸出電流；按以下方式變換公式3
tI+tIIA＝T-tIIB公式6
由此產生的公式是
其中的DCIIB＝狀態IIB的佔空比這一公式可以被用來從公式1和2中消掉tIIB
公式12的解是
將其代入公式11
佔空比的解是
應該注意到，隨著III接近0(零)，DCIIB接近0，而DCI接近單輸出補償變換器的正常佔空比
這是單輸出補償變換器的正常佔空比。
當Vf接近0(零)時會獲得另一個值得注意的限制
以上是用於單輸出補償變換器的下述公式的廣義化的概念
本發明的多輸出補償變換器的佔空比是將其輸出電流的佔空比除以總的輸出電流，或者是
而佔空比應該是
按照分別用於二伏和三伏的圖7和8，可以獲得穩定的輸出電壓。
儘管本發明是結合著具體的最佳模式來描述的，本領域的技術人員從上述的原理中顯然還可以得到許多變更，修改和變形。因此，所有的這些變更，修改和變形都應該被認為是處在權利要求書的精神和範圍之內。上文中所有的說明或是附圖中表示的內容都應該被解釋成是示意性的而並不構成限制。
權利要求
1.一種補償變換器包括一個電壓輸入；第一電壓輸出；第二電壓輸出；單個的電感；連接到電壓輸入上的輸入開關裝置，用於控制第一電壓輸入連接到單個電感上的時間；連接在輸入開關裝置和單個電感之間的單向開關裝置，用於維持通過單個電感的電流；連接到單個電感和第一電壓輸出端的第一電壓輸出電路；連接到輸入開關裝置，第一電壓輸出電路，以及第二電壓輸出端上的脈寬調製器；以及連接到單個電感和第二電壓輸出端的第二電壓輸出電路，上述第二電壓輸出電路連接到脈寬調製器。
2.按照權利要求1的補償變換器，其特徵是第一電壓輸出電路包括連接到脈寬調製器上的第一開關裝置，用於控制單個電感連接到第一電壓輸出端的時間；以及連接在第一開關裝置和第一電壓輸出端之間的第一電荷存儲裝置，用於存儲二者之間的電荷。
3.按照權利要求1的補償變換器，其特徵是第二電壓輸出電路包括連接在單個電感和第二電壓輸出端之間的第二電荷存儲裝置，用於存儲二者之間的電荷；以及設在單個電感和第二電荷存儲裝置之間的第二單向開關裝置，用於維持第二電荷存儲裝置上的電荷。
4.按照權利要求1的補償變換器，其特徵是第二電壓輸出電路包括第二脈寬調製器；連接到第二脈寬調製器上的第二開關裝置，用於控制單個電感連接到第二電壓輸出端上的時間；以及連接在第二開關裝置和第二電壓輸出端之間的第二電荷存儲裝置，用於控制二者之間的電荷。
5.按照權利要求4的補償變換器，其特徵是第一電壓輸出電路包括連接到脈寬調製器上的第一開關裝置，用於控制單個電感連接到第一電壓輸出端上的時間，第一開關裝置包括第一單向開關裝置，用於使電流通過第一開關裝置；並且第二開關裝置包括第二單向開關裝置，用於使電流通過第二開關裝置。
6.按照權利要求1的補償變換器，其特徵是脈寬調製器使得輸入開關裝置與第一電壓輸出電路同步地工作。
7.按照權利要求1的補償變換器，其特徵是脈寬調製器使得輸入開關裝置與第一電壓輸出電路異步地工作。
8.一種補償變換器包括一個電壓輸入；第一電壓輸出；第二電壓輸出；單個的電感；連接到電壓輸入上的輸入電晶體，用於控制第一電壓輸入連接到單個電感上的時間；連接在輸入電晶體和單個電感之間的二極體，用於控制通過單個電感的電流；連接到單個電感和第一電壓輸出端的第一電壓輸出電路；連接到輸入電晶體，第一電壓輸出電路，以及第二電壓輸出端上的脈寬調製器；以及連接到單個電感和第二電壓輸出端的第二電壓輸出電路，上述第二電壓輸出電路連接到脈寬調製器。
9.按照權利要求8的補償變換器，其特徵是第一電壓輸出電路包括連接到脈寬調製器上的第一電晶體，用於控制單個電感連接到第一電壓輸出端的時間；以及連接在第一電晶體和第一電壓輸出端之間的第一電荷存儲裝置，用於存儲二者之間的電荷。
10.按照權利要求8的補償變換器，其特徵是第二電壓輸出電路包括連接在單個電感和第二電壓輸出端之間的第二電容，用於存儲二者之間的電荷；以及設在單個電感和第二電容之間的第二二極體，用於控制第二電容上的電荷。
11.按照權利要求8的補償變換器，其特徵是第二電壓輸出電路包括第二脈寬調製器；連接到第二脈寬調製器上的第二電晶體，用於控制單個電感連接到第二電壓輸出端上的時間；以及連接在第二電晶體和第二電壓輸出端之間的第二電容，用於控制二者之間的電荷。
12.按照權利要求11的補償變換器，其特徵是第一電壓輸出電路包括連接到脈寬調製器上的第一電晶體，用於控制單個電感連接到第一電壓輸出端上的時間，第一電晶體包括第一二極體，用於控制通過第一電晶體的電流；並且第二電晶體包括第二二極體，用於控制通過第二電晶體的電流。
13.按照權利要求8的補償變換器，其特徵是脈寬調製器使得輸入電晶體與第一電壓輸出電路同步地工作。
14.按照權利要求8的補償變換器，其特徵是脈寬調製器使得輸入電晶體與第一電壓輸出電路異步地工作。
15.一種補償變換器包括一個電壓輸入；第一電壓輸出；一個地；第二電壓輸出；單個的電感；連接到電壓輸入上的輸入MOSFET，用於控制第一電壓輸入連接到單個電感上的時間；連接到輸入MOSFET和第二電壓輸出端上的一個脈寬調製器；連接在輸入MOSFET和單個電感之間的單向開關裝置，將單向開關裝置連接到地，用於維持通過單個電感的電流；連接到單個電感，第一電壓輸出端並且連接到地的第一電壓輸出電路；以及連接到單個電感，第二電壓輸出端，並且連接到地的第二電壓輸出電路，上述第二電壓輸出電路連接到脈寬調製器。
16.按照權利要求15的補償變換器，其特徵是第一電壓輸出電路包括連接到脈寬調製器上的第一MOSFET，用於控制單個電感連接到第一電壓輸出端的時間；以及連接在第一MOSFET和第一電壓輸出端之間的第一電容，用於存儲二者之間的電荷，並且連接到地。
17.按照權利要求15的補償變換器，其特徵是第二電壓輸出電路包括連接在單個電感和第二電壓輸出端之間的第二電容，用於存儲二者之間的電荷，並且連接到地；以及設在單個電感和第二電容之間的第二二極體，用於控制第二電容上的電荷。
18.按照權利要求15的補償變換器，其特徵是第二電壓輸出電路包括第二脈寬調製器；連接到第二脈寬調製器上的第二MOSFET，用於控制單個電感連接到第二電壓輸出端上的時間；以及連接在第二MOSFET和第二電壓輸出端之間的第二電容，用於控制二者之間的電荷，並且連接到地。
19.按照權利要求18的補償變換器，其特徵是第一電壓輸出電路包括連接到脈寬調製器上的第一MOSFET，用於控制單個電感連接到第一電壓輸出端上的時間，第一MOSFET包括第一二極體，用於控制通過第一MOSFET的電流；並且第二MOSFET包括第二二極體，用於控制通過第二MOSFET的電流。
20.按照權利要求15的補償變換器，其特徵是脈寬調製器使得輸入電晶體與第一電壓輸出電路同步地工作。
21.按照權利要求15的補償變換器，其特徵是脈寬調製器使得輸入電晶體與第一電壓輸出電路異步地工作。
全文摘要
本發明用單個電感,單個脈寬調製器集成電路,兩個MOSFET再加上一個附加的MOSFET以及用於每個電壓輸出的電容提供了一種廉價的多輸出補償變換器。
文檔編號H02M3/155GK1274984SQ0011817
公開日2000年11月29日 申請日期2000年5月6日 優先權日1999年5月6日
發明者R·J·倫克 申請人:美國快捷半導體有限公司