在非连续导通模式下使用耦合电感器的多相DC‑DC转换器的方法以及装置制造方法及图纸

本公开内容消除了在DCM下操作的DC‑DC转换器的耦合相中不期望的低侧开关的体二极管的导通或者不期望的低侧开关的导通，以提高效率。具体而言，在一个实施方式中，通过检测强耦合或弱耦合，本公开内容在强耦合的情况下通过接通低侧开关从而避免了体二极管导通，并且在弱耦合的情况下通过关断低侧开关从而避免了负的体二极管电流。此外，对于在轻负载下(即，在DCM下)操作的具有耦合电感器的多相开关DC‑DC转换器，当第一相的高侧开关被接通时，如果需要则第二相的低侧开关的体二极管被适应性地绕过、被特定设计阻止或者通过减小体二极管两端的正向电压而被防止导通。

【技术实现步骤摘要】
在非连续导通模式下使用耦合电感器的多相DC-DC转换器的方法以及装置相关申请的交叉引用本申请要求享有于2015年10月5日提交的美国临时申请No.62/237,318的权益。该申请以全文引用的方式并入本文中。
本公开内容总体上涉及一种开关电源，并且更具体而言，涉及在非连续导通模式下使用耦合电感器来提高多相开关转换器的轻负载功率效率。
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这里提供的
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描述是出于概括地呈现本公开内容的背景的目的。当前专利技术人的工作，至本
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部分中所描述的程度，以及在提交时可能未被称为现有技术的本说明书的方面，既不明确地也不暗示承认作为相对于本公开内容的现有技术。多相耦合电感器DC-DC转换器在输出功率需求为高时在连续导通模式(CCM)下进行操作，而在输出功率需求为低时在非连续导通模式(DCM)下进行操作。输送高电流的大多数DC-DC转换器在CCM下进行操作，其中DC-DC转换器的高侧开关和低侧开关交替地接通和关断，并且DC-DC转换器的耦合电感器中的电流连续地上升和下降。CCM使得DC-DC转换器能够以高效率来输送高电流。在DCM下，DC-DC转换器仅在需要时向负载输送能量。当需要能量时，高侧开关被接通一定量的时间。在高侧开关被关断后，低侧开关被接通。当电感器电流下降到零时，低侧开关被关断。当不需要能量时，DC-DC转换器的开关停止切换并保持关断直到需要能量为止。当开关被关断时，电感器电流保持为零；并且当开关两者都关断时，输出滤波电容器维持电流。因此，在DCM下，开关损耗和AC电流相关的损耗随着负载电流的降低而减小，并且DC-DC转换器即使在轻负载时也维持高效率。
技术实现思路
多相DC-DC转换器，包括：包括耦合在一起的第一电感器和第二电感器的耦合电感器；包括连接到第一电感器的第一高侧开关和第一低侧开关的第一相；包括连接到第二电感器的第二高侧开关和第二低侧开关的第二相；以及驱动第一高侧开关和第二高侧开关以及第一低侧开关和第二低侧开关以在非连续导通模式下操作DC-DC转换器的控制器。贯穿本公开内容，第一相和第二相仅用作示例，并且本公开内容的教导适用于包括多于两相的多相转换器。类似地，虽然所描述的示例包括以正输出电流操作的降压(步降)转换器，但本公开内容的教导同样适用于具有负输出电流或高侧体二极管导通的降压转换器，并且适用于升压转换器、升降压转换器以及耦合电感器可适用的其它拓扑结构。响应于第一高侧开关被接通并且第二低侧开关被关断，控制器基于第二低侧开关的体二极管是否导通，来判断第一电感器与第二电感器之间的耦合是强还是弱。还可以基于当第一相高侧开关被接通并且第二相低侧开关被接通时第二相低侧开关中的电感器电流为正极性或负极性来检测强耦合或弱耦合。控制器取决于耦合是强还是弱来执行以下功能：如果耦合为强，如果第一相的高侧开关被接通并且第二相的低侧开关被关断，则接通第二相的低侧开关；如果第二相的低侧开关被接通，则保持其接通。如果耦合为弱，如果第一相的高侧开关被接通并且第二相的低侧开关被关断，则不接通第二相的低侧开关；如果第一相的高侧开关被接通并且第二相的低侧开关被接通，则保持第二相的低侧开关被接通。该操作扩展到相之间的耦合是一个问题的以下公开的所有情况。在另一特征中，多相DC-DC转换器包括：包括耦合在一起的第一电感器和第二电感器的耦合电感器；包括连接到第一电感器的第一高侧开关和第一低侧开关的第一相；以及包括连接到第二电感器的第二高侧开关和第二低侧开关的第二相。第三开关连接在第一高侧开关与第一低侧开关之间，其中，第三开关和第一低侧开关的体二极管背对背连接。第四开关连接在第二高侧开关与第二低侧开关之间，其中，第四开关和第二低侧开关的体二极管背对背连接。控制器驱动第一高侧开关和第二高侧开关以及第一低侧开关和第二低侧开关，以在非连续导通模式下操作DC-DC转换器。控制器仅响应于第一高侧开关被接通而接通第四开关，并且仅响应于第二高侧开关被接通而接通第三开关，其中，第一低侧开关和第二低侧开关的体二极管未导通。此外，控制器可检测第一相与第二相之间的耦合是强还是弱，并且如果耦合为弱，则可在每相中添加总是接通的第三开关，从而在弱耦合的情况下节省切换功率。在另一特征中，多相DC-DC转换器包括：包括耦合在一起的第一电感器和第二电感器的耦合电感器；包括连接到第一电感器的第一高侧开关和第一低侧开关的第一相；以及包括连接到第二电感器的第二高侧开关和第二低侧开关的第二相。第三开关跨接第二低侧开关的体端子和漏极端子。第四开关跨接第二低侧开关的体端子和源极端子。控制器驱动第一高侧开关和第二高侧开关以及第一低侧开关和第二低侧开关，以在非连续导通模式下操作DC-DC转换器。控制器响应于第一高侧开关被接通并且第二高侧开关和第二低侧开关的结点处的电压具有第一极性而接通第四开关。控制器响应于第一高侧开关被接通并且第二高侧开关和第二低侧开关的结点处的电压具有与第一极性相反的第二极性而接通第三开关。第二低侧开关的体二极管未导通。此外，控制器可以检测第一相与第二相之间的耦合是强还是弱，并且如果耦合为弱，则可以在每相中添加总是关断的第三开关和总是接通的第四开关，以在弱耦合的情况下节省切换功率。在另一特征中，多相DC-DC转换器包括：包括耦合在一起的第一电感器和第二电感器的耦合电感器；包括连接到第一电感器的第一高侧开关和第一低侧开关的第一相，其中，第一低侧开关包括串联连接的第一多个开关；以及包括连接到第二电感器的第二高侧开关和第二低侧开关的第二相，其中，第二低侧开关包括串联连接的第二多个开关。控制器驱动第一高侧开关和第二高侧开关以及第一低侧开关和第二低侧开关，以在非连续导通模式下操作DC-DC转换器。第一低侧开关和第二低侧开关的体二极管未导通。此外，控制器可以检测第一相与第二相之间的耦合是强还是弱，并且如果耦合为弱，则控制器保持第二多个开关总是接通，以在弱耦合的情况下节省切换功率。在另一特征中，多相DC-DC转换器包括：包括耦合在一起的第一电感器和第二电感器的耦合电感器；包括连接到第一电感器的第一高侧开关和第一低侧开关的第一相；以及包括连接到第二电感器的第二高侧开关和第二低侧开关的第二相。第三开关跨接第二低侧开关的体端子和源极端子。第四开关跨接第二低侧开关的体端子和电压源。控制器驱动第一高侧开关和第二高侧开关以及第一低侧开关和第二低侧开关，以在非连续导通模式下操作DC-DC转换器。控制器响应于第一高侧开关被接通而关断第三开关并且接通第四开关。第二低侧开关的体二极管未导通。此外，控制器可以检测第一相与第二相之间的耦合是强还是弱，并且如果耦合为弱，则在每相中可以添加总是接通的第三开关和总是关断的第四开关，以在弱耦合的情况下节省切换功率。在另一特征中，多相DC-DC转换器包括：包括耦合在一起的第一电感器和第二电感器的耦合电感器；以及未耦合到第一电感器和第二电感器的第三电感器。DC-DC转换器的第一相和第二相分别连接到第一电感器和第二电感器。DC-DC转换器的第三相连接到第三电感器。控制器响应于在连续导通模式下操作DC-DC转换器而选择第一相和第二相，并且响应于在非连续导通模式下操作DC-DC转换器而选择第三相。在另一特征中，多相DC-DC转换器包括：包括第一电感器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多相DC‑DC转换器，包括：耦合电感器，所述耦合电感器包括耦合在一起的第一电感器和第二电感器；第一相，所述第一相包括连接到所述第一电感器的第一高侧开关和第一低侧开关；第二相，所述第二相包括连接到所述第二电感器的第二高侧开关和第二低侧开关；以及控制器，所述控制器驱动所述第一高侧开关和所述第二高侧开关以及所述第一低侧开关和所述第二低侧开关以操作所述多相DC‑DC转换器；并且响应于在非连续导通模式下操作所述多相DC‑DC转换器并且响应于所述第一高侧开关被接通，通过以下方式来防止所述第二低侧开关的体二极管导通：使电流绕过所述第二低侧开关体二极管；阻止电流流经所述第二低侧开关体二极管；或者增大用于所述第二低侧开关体二极管的导通的阈值。

【技术特征摘要】
2015.10.05 US 62/237,318;2016.10.03 US 15/283,9151.一种多相DC-DC转换器，包括：耦合电感器，所述耦合电感器包括耦合在一起的第一电感器和第二电感器；第一相，所述第一相包括连接到所述第一电感器的第一高侧开关和第一低侧开关；第二相，所述第二相包括连接到所述第二电感器的第二高侧开关和第二低侧开关；以及控制器，所述控制器驱动所述第一高侧开关和所述第二高侧开关以及所述第一低侧开关和所述第二低侧开关以操作所述多相DC-DC转换器；并且响应于在非连续导通模式下操作所述多相DC-DC转换器并且响应于所述第一高侧开关被接通，通过以下方式来防止所述第二低侧开关的体二极管导通：使电流绕过所述第二低侧开关体二极管；阻止电流流经所述第二低侧开关体二极管；或者增大用于所述第二低侧开关体二极管的导通的阈值。2.根据权利要求1所述的多相DC-DC转换器，其中，所述控制器取决于所述第一电感器与所述第二电感器之间的耦合的强度来防止所述第二低侧开关体二极管导通，并且其中，所述控制器：响应于所述第一高侧开关被接通并且所述第二低侧开关被关断，基于所述第二低侧开关的体二极管在未被防止导通的情况下是否将导通，来判断所述第一电感器与所述第二电感器之间的耦合是强还是弱；当所述耦合为强时，响应于所述第一高侧开关被接通，防止第二低侧开关体二极管导通；并且当所述耦合为弱时，响应于所述第一高侧开关被接通，不防止第二低侧开关体二极管导通。3.根据权利要求2所述的多相DC-DC转换器，其中，所述控制器基于以下各项来判断所述第一电感器与所述第二电感器之间的耦合是强还是弱：流经所述耦合电感器的所述第一电感器和所述第二电感器中的一个或多个电感器的电流；或者流经所述第一高侧开关和所述第二高侧开关和/或所述第一低侧开关和所述第二低侧开关中的一个或多个开关的电流；或者在第一节点和第二节点中的一个或多个节点处的电压，其中，在所述第一节点处所述第一电感器连接到所述第一高侧开关和所述第一低侧开关，在所述第二节点处所述第二电感器连接到所述第二高侧开关和所述第二低侧开关。4.根据权利要求2所述的多相DC-DC转换器，其中，所述控制器判断所述第一电感器与所述第二电感器之间的耦合为：当所述第一高侧开关被接通并且当所述第二低侧开关被关断时，基于所述第二低侧开关的体二极管未导通，来确定所述耦合为弱；并且当所述第一高侧开关被接通并且当所述第二低侧开关被关断时，基于所述第二低侧开关的体二极管导通，来确定所述耦合为强。5.根据权利要求2所述的多相DC-DC转换器，其中，所述控制器判断所述第一电感器与所述第二电感器之间的耦合为：当所述第一高侧开关被接通并且当所述第二低侧开关被关断时，基于在所述第二电感器连接到所述第二高侧开关和所述第二低侧开关的节点处的电压未被所述第二低侧开关的体二极管箝位，来确定所述耦合为弱；并且当所述第一高侧开关被接通并且当所述第二低侧开关被关断时，基于在所述节点处的所述电压被所述第二低侧开关的体二极管箝位，来确定所述耦合为强。6.根据权利要求2所述的多相DC-DC转换器，其中，所述控制器：当所述耦合为强时，响应于所述第一高侧开关被接通，而接通所述第二低侧开关，以防止所述第二低侧开关的体二极管导通；并且当所述耦合为弱时，响应于所述第一高侧开关被接通，而不接通所述第二低侧开关，以防止负电流流经所述第二低侧开关。7.根据权利要求1所述的多相DC-DC转换器，还包括：第五开关，所述第五开关连接在所述第一高侧开关与所述第一低侧开关之间，其中，所述第五开关和所述第一低侧开关的体二极管背对背连接；以及第六开关，所述第六开关连接在所述第二高侧开关与所述第二低侧开关之间，其中，所述第六开关和所述第二低侧开关的体二极管背对背连接，其中，所述控制器通过以下方式来降低所述第一低侧开关和所述第二低侧开关的体二极管导通的趋势：响应于所述第一高侧开关被接通，来关断所述第六开关；并且响应于所述第二高侧开关被接通，来关断所述第五开关，其中，所述第一低侧开关和所述第二低侧开关的体二极管未导通。8.根据权利要求7所述的多相DC-DC转换器，其中，响应于所述控制器在连续导通模式下操作所述多相DC-DC转换器，所述控制器接通所述第五开关和所述第六开关。9.根据权利要求7所述的多相DC-DC转换器，其中，所述第一相和所述第二相中的每相都包括电平移位器，所述电平移位器将来自所述控制器的第一控制信号从第一电源轨转换到第二电源轨并且输出第二控制信号以驱动所述第五开关或所述第六开关，所述第二电源轨包括低于切换节点电压的电压，其中，所述第一低侧开关和所述第二低侧开关的体二极管不导通，而不管所述第一电感器与所述第二电感器之间的耦合的强度。10.根据权利要求9所述的多相DC-DC转换器，其中，响应于所述控制器在跳跃模式下操作所述多相DC-DC转换器，所述第一控制信号和驱动所述第一高侧开关的第三控制信号的极性相反，其中，在所述跳跃模式下，当所述第一高侧开关被接通时所述第二低侧开关被接通并且所述第一相和所述第二相的电感器电流不重叠。11.根据权利要求1所述的多相DC-DC转换器，还包括：第五开关，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：周鑫，J·M·伯克哈特，B·A·三和，
申请(专利权)人：马克西姆综合产品公司，
类型：发明
国别省市：美国,US