DC‑DC转换器的低热设计制造技术

DC‑DC转换器包括接收电压输入的输入端P

Thermal design of DC DC converter

DC DC converter includes an input terminal receiving input voltage P

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】DC-DC转换器的低热设计优先权本申请是于2015年9月25日提交的美国申请号为14/866,172的国际申请，其要求于2015年6月17日提交的美国临时申请号为62/180,677的优先权和利益，所有申请通过引用并入本文。
本公开涉及DC-DC转换器和操作DC-DC转换器的方法，更具体地，涉及与用于高频开关的低热设计结合的DC-DC转换器。背景一种类型的DC-DC转换器是开关稳压器。具有高转换效率的开关稳压器被广泛用作用于向各种控制电路(负载)提供电压的电池中的电压转换器。例如，开关稳压器还用在汽车电源中。考虑到对更高的开关频率和热设计的要求之间的平衡，一个常规的多相DC-DC转换器使用多个负载点(POL)转换器。然而，在该常规实施例中所公开的DC-DC转换器可能导致零件数量增加。零件数量上的这样的增加可能增加用于安装零件的区域并提高制造成本。在另一常规的开关电路设备中，开关可包括并联布置的具有不同栅极宽度的多个MOSFET。然而，利用常规的开关电路设备，栅极布线的阻抗和每个开关的导通电阻之间的差异可能产生集中在元件中的一个内的寄生电容的充电电流。因此，元件发热并且可能发生集中的能量损耗。附图简述在附图中：图1图示了根据所公开的实施例中的一个的DC-DC转换器中的电路的示例；图2是图示了在驱动电路中的每个节点处的输入电流和电势之间的关系的波形图；图3图示了控制器的示例；图4是图示了图3中所图示的配置中的信号之间的关系的波形图；图5图示了DC-DC转换器的示例；图6图示了在图5中所图示的示例中的开关电路中流动的电流；图7图示了与图5中所图示的示例进行比较的比较示例；图8图示了在图7中所图示的比较示例中的开关电路中流动的电流；图9图示了对图1中的控制器的修改；图10是图示了图9中所图示的配置中的信号之间的关系的波形图；图11图示了对图1中的控制器的另一修改；图12是图示了图11中所图示的配置中的信号之间的关系的波形图；图13图示了控制器的示例；图14是图示了图13中所图示的配置中的信号之间的关系的波形图；图15图示了DC-DC转换器中的电路的修改；图16图示了DC-DC转换器中的电路的另一修改；图17图示了DC-DC转换器中的电路的示例；以及图18图示了在图17中的电路中的每个节点处的输入电流和电势之间的关系。详细描述开关稳压器的理想特性包括例如，供应大电流的能力、控制高开关频率的能力和由于发热等而造成的小损耗。然而，在一方面，大电流供应能力和高开关频率之间存在权衡，以及另一方面，在大电流供应能力和由于热而导致的能量损耗上的降低之间有权衡。例如，如果开关电路的导通电阻降低以便供应大电流，则寄生电容和充电电流增加，这可能导致发热。此外，如果由于对使用环境的限制(例如，在需要避免其他无线电波的干扰的车载设备中)而需要高开关频率，开关电路被频繁接通，则每当开关电路接通时，寄生电容的充电电流就会流动，并且所产生的发热和由于发热引起的能量损耗甚至更频繁地发生。同时，不生成过多热的热设计在开关稳压器中是可取的。因此，将有助于提供DC-DC转换器，其可降低由于热特别是在高频开关期间产生的能量损耗。根据本公开的示例性DC-DC转换器包括：接收电压输入的输入端；并联连接在输入端和接地之间的多个开关电路；输出所转换的电压的输出端；以及控制器，其被配置为通过将分别接通开关电路的控制信号输入到每个开关电路中来在预定周期内接通开关电路。在该示例性DC-DC转换器中，控制器可执行控制以顺序地接通开关电路。在该示例性DC-DC转换器中，控制器可重复控制。在该示例性DC-DC转换器中，开关电路可以是高侧开关电路。在该示例性DC-DC转换器中，开关电路可以是低侧开关电路。根据以下实施例的DC-DC转换器和其控制方法允许降低由于热引起的能量损耗。图17图示了DC-DC转换器电路的示例。基于供应给输入端P输入的输入电压V输入，DC-DC转换器100输出期望的输出电压V输出。图17中所图示的DC-DC转换器100是输出低于输入电压V输入的输出电压V输出的降压型DC-DC转换器。输出电压V输出被供应给连接到输出端P输出的负载101。负载101连接到比输入电压V输入低的电势下的电源线(在图17中，接地(GND)线)。DC-DC转换器100包括用于在时间上划分输入电压V输入的高侧开关电路HM1和低侧开关电路LM1，并且还包括电感器L和电容器C0，该电感器L和电容器C0形成用于平滑在时间上划分的输入电压V输入并将结果输出到负载101的平滑滤波器。在一个实施例中，高侧开关电路HM1是被定位在负载101的电源侧上的开关电路，以及低侧开关电路LM1是被定位在负载101的接地侧上的开关电路。此外，DC-DC转换器包括传输控制信号以用于控制开关电路HM1和LM1的电源IC102。例如，开关电路HM1和LM1可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。开关电路HM1的漏极连接到输入端P输入。开关电路HM1的源极连接到开关电路LM1的漏极。开关电路LM1的源极经由节点N连接到接地GND。电感器L连接到节点N。节点N的电势为Vlx。寄生电容Clx可存在于节点N和电感器L之间。IC102包括连接到高侧开关电路HM1的驱动电路DRVH1和连接到开关电路LM1的驱动电路DRVL1。在一个实施例中，DC-DC转换器100输出期望的输出电压V输出，驱动电路DRVH1和DRVL1分别输出控制信号VH1和VL1，以用于对开关电路HM1和LM1的开/关控制。控制信号VH1和VL1例如是脉冲宽度调制(PWM)信号，其具有与用于使开关电路HM1和LM1接通的占空比对应的脉冲宽度。控制信号VH1和VL1的脉冲宽度例如由在IC102中提供的未图示的控制器控制。图18图示了由驱动电路DRVH1和DRVL1生成的PWM信号VH1和VL1、从输入端P输入输入的输入电流I输入和节点N处的电势Vlx之间的关系。如图18所示，紧接着在开关电路HM1由PWM信号VH1接通之后的时间Δt期间，比在开关电路HM1断开时大的输入电流I输入流经开关电路HM1，并且节点N的电势Vlx升高。在此，为了使相对大的电流通过开关电路HM1和LM1，用作开关电路HM1和LM1的MOSFET的导通电阻优选是低的。然而，当MOSFET的导通电阻较低时，寄生电容Clx增加，这导致充电电流上升，从而增加了由于发热引起的能量损耗。由于开关频率较高，因此电流更频繁地流经开关电路HM1，从而增加了由于发热引起的能量损耗事件的频率。此外，当输入电压V输入增加时，紧接着在开关电路HM1接通之后的时间Δt期间的能量损耗也增加。例如，当每单位时间的损耗是180W且Δt是5ns时，则以2MHz的开关频率执行对开关电路HM1的开/关控制产生施加到开关电路HM1的1.8W的功率。在这种情况下，例如如果使用以50℃/W的比率生成每功率的热的MOSFET，则该MOSFET生成90℃的热。以下参照附图对用于降低这样的热生成和由此引起的能量损耗的实施例进行了描述。图1图示了根据所公开的实施例中的一个的DC-DC转换器中的电路的示例。基于供应给输入端P输入的输入电压V输入，DC-DC转换器10输出期望的输出电压V输出。图1中所图示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种DC‑DC转换器，包括：输入端，所述输入端接收电压输入；第一开关电路和第二开关电路，所述第一开关电路和所述第二开关电路并联连接在所述输入端和接地之间；输出端，所述输出端输出所转换的电压；以及控制器，所述控制器被配置为通过将分别接通所述第一开关电路和所述第二开关电路的控制信号输入到所述第一开关电路和所述第二开关电路中的每个中来在第一预定周期和第二预定周期中操作所述第一开关电路和所述第二开关电路，其中，在所述第一预定周期期间，所述第一开关电路首先接通，以及在所述第二预定周期期间，所述第二开关电路首先接通。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.06.17 US 62/180,677;2015.09.25 US 14/866,1721.一种DC-DC转换器，包括：输入端，所述输入端接收电压输入；第一开关电路和第二开关电路，所述第一开关电路和所述第二开关电路并联连接在所述输入端和接地之间；输出端，所述输出端输出所转换的电压；以及控制器，所述控制器被配置为通过将分别接通所述第一开关电路和所述第二开关电路的控制信号输入到所述第一开关电路和所述第二开关电路中的每个中来在第一预定周期和第二预定周期中操作所述第一开关电路和所述第二开关电路，其中，在所述第一预定周期期间，所述第一开关电路首先接通，以及在所述第二预定周期期间，所述第二开关电路首先接通。2.如权利要求1所述的DC-DC转换器，其中，所述控制器被配置为执行控制，以顺序接通所述第一开关电路和所述第二开关电路。3.如权利要求2所述的DC-DC转换器，其中，所述控制器被配置为重复所述控制。4.如权利要求1所述的DC-DC转换器，其中，所述第一开关电路和所述第二开关电路包括高侧开关电路。5.如权利要求1所述的DC-DC转换器，其中，所述第一开关电路和所述第二开关电路包括低侧开关电路。6.如权利要求1所述的DC-DC转换器，其中，所述第一预定周期和第二预定周期是交替的周期。7.如权利要求2所述的DC-DC转换器，还包括：多个附加的开关电路，所述多个附加的开关电路并联连接在所述输入端和所述接地之间，其中，所述控制器还被配置为在多个附加的预定周期中操作所述附加的开关电路，其中，在所述多个附加的预定周期中的每个中，所述多个附加的开关电路中的一个首先接通。8.如权利要求1所述的DC-DC转换器，还包括：电阻器，所述电阻器耦合在所述第一开关电路或所述第二开关电路中的至少一个和所述控制器之间。9.如权利要求1所述的DC-DC转换器，其中，所述第一预定周期和所述第二预定周期包括相同的时间段。10.一种方法，包括：将第一开关电路和第二开关电路并联耦合在输入端和接地之间，并耦合在所述输入端和输出端之间；将控制器分别耦合到所述第一开关电路和所述第二开关电路中的每个；使用所述控制器，生成第一控制信号和第二控制信号；将所述第一控制信号和所述第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：宫前亨，
申请(专利权)人：赛普拉斯半导体公司，
类型：发明
国别省市：美国,US