用于零电压转换功率转换器的自适应定时的方法和设备技术

本申请公开一种实例设备(图12，1200)，其包含：第一开关(1202)，其具有耦合到电压源(1212)且耦合到开关节点(1218)的控制端；第二开关(1204)，其具有耦合到所述开关节点(1218)以及参考电压的控制端；第一电感器(1206)，其耦合到所述开关节点和负载(1210)；第三开关(1220)，其具有耦合到所述电压源(1212)以及辅助节点(1224)的控制端；第四开关(1204)，其具有耦合到所述辅助节点(1224)和所述参考电压的控制端；第二电感器(1216)，其耦合到所述开关节点和所述辅助节点；第五开关(1245)，其具有耦合到所述开关节点和所述辅助节点的控制端；以及定时电路(1280)，其被配置成将信号输出到所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关、所述第四开关和所述第五开关的所述控制端，以将电流供应到所述负载。

Method and apparatus for adaptive timing of zero voltage transition power converters

The application discloses a device instance (Figure 121200), which comprises: a first switch (1202), which is coupled to a voltage source (1212) and is coupled to the switch node (1218) of the control terminal; second switch (1204), which is coupled to the switch node (1218) and the control end of test voltage; the first inductor (1206), which is coupled to the switch node and the load switch (1210); third (1220), which is coupled to the voltage source (1212) and (1224) the auxiliary node control terminal; fourth switch (1204), which is coupled to the auxiliary node (1224) and the control of the reference voltage terminal of the inductor; second (1216), which is coupled to the switch node and the auxiliary nodes; fifth (1245), the switch has a control terminal coupled to the switch node and the auxiliary node; and when the circuit (1280), which is configured a signal The control terminal is output to the first switch, the second switch, the third switch, the fourth switch and the fifth switch, so as to supply the current to the load.

【技术实现步骤摘要】
用于零电压转换功率转换器的自适应定时的方法和设备相关申请案的交叉参考根据35U.S.C.§119(e)，本申请案要求作为专利技术人的Bandyopadhyay等人的2016年4月13日提交的专利技术名称为“用于零电压转换功率转换器的自适应定时方法(AdaptiveTimingMethodforZeroVoltageTransitionPowerConverters)”的共同拥有的美国临时专利申请序列号62/322,004的权益，该申请案特此以其全文引用的方式并入本文中。另外，本申请案与以下申请案有关：作为专利技术人的LaBella等人的2016年4月14日提交的专利技术名称为“用于零电压转换功率转换器中的谐振能量最小化的方法和设备(MethodsandApparatusforResonantEnergyMinimizationinZeroVoltageTransitionPowerConverters)”的共同拥有且共同转让的第14/982,750号美国专利申请案(“‘750’申请案”)；作为专利技术人的LaBella等人的2016年11月12日提交的专利技术名称为“用于零电压转换功率转换器的自适应定时的方法和设备(MethodsandApparatusforAdaptiveTimingforZeroVoltageTransitionPowerConverters)”的共同拥有且共同转让的第15/350,697号美国专利申请案；以及作为专利技术人的Bandyopadhyay等人的与本申请案同时提交的专利技术名称为“用于零电压转换功率转换器的自适应定时的方法和设备(METHODSANDAPPARATUSFORADAPTIVETIMINGFORZEROVOLTAGETRANSITIONPOWERCONVERTERS)”的共同拥有且共同转让的第___________号美国专利申请案、代理人案号TI-77183，这些申请案特此也以其全文引用的方式并入本文中。
本专利技术大体上涉及电子设备，且具体来说，涉及用于功率转换的电路。
技术介绍
开关电源可追溯到几十年前并且目前大量用于电子行业中。开关电源常见于多种类型的电子设备中，例如，工业机械、车用电子设备、计算机和服务器、移动消费电子产品(手机、平板电脑等)、移动电子设备的电池充电器以及低成本/轻量物品，例如，无线耳机和钥匙链手电筒。许多应用包含用于便携式电池供电装置的开关电源，其中初始电压逐级下降到降低电压，用于为装置(例如，在相当低的电压直流(DC)电平下操作的集成电路)的部分供电。开关电源很受欢迎，因为这些电源可以制造成很轻且成本低。当与使用非开关电源(例如，线性电源)的先前方法相比时，开关电源高效地转换电力的电压和电流电平。通过使用高速、低损耗开关(例如，MOSFET晶体管)来将能量从输入电源(例如，电池)传递到仅在需要时进行供电的电子设备(负载)，以便保持负载所需的电压和电流电平来实现开关电源的高效率。执行从供应特定电压和电流范围内的电能的DC输入(例如，电池)到不同DC电压和电流范围的转换的开关电源被称为“DC-DC”转换器。许多现代DC-DC转换器能够通过采用零电压转换(ZVT)而实现接近或高于90％的效率。ZVT技术由Hua等人开发并且在1994年公开的论文(“新颖零电压转换PWM转换器”，G.Hua、C.-S.Leu、Y.Jiang和F.C.Lee，电气和电子工程师协会会报电力电子(IEEETrans.PowerElectron.)第9卷第2期第213至219页，1994年3月)中描述，所述论文特此以其全文引用的方式并入本文中。ZVT功能在DC-DC转换器中的使用会减少否则将由于开关损耗而产生的能量损耗耗。ZVT还具有减少DC-DC转换器的主电源开关上的电压应力的额外益处。开关上的电压应力的减小使开关能够具有较低电压容限率，并且因此开关可能较小且成本较低。先前DC-DC转换器采用的ZVT电路引入了额外开关以及在开关元件上的对应额外能量损耗和电压应力。然而，ZVT功能的能量损耗和电压应力的影响显著低于对采用ZVT功能的开关转换器的总体性能改进。仍需要用于减小ZVT功能的能量损耗和电压应力的进一步改进。这些改进将允许电子设备的以下改进：电池寿命增加、操作成本降低、装置上的应力降低以及热管理改进。
技术实现思路
在所描述的实例中，设备包含：第一开关，其具有控制端、耦合到电压源的第一电流处理端，并且具有耦合到开关节点的第二电流处理端；第二开关，其具有控制端、耦合到开关节点的第一电流处理端，并且具有耦合到参考电压的第二电流处理端；第一电感器，其具有耦合到开关节点的一个端以及耦合到负载端的第二端；第三开关，其具有控制端、耦合到电压源的第一电流处理端以及耦合到辅助节点的第二电流处理端；第四开关，其具有控制端、耦合到辅助节点的第一电流处理端以及耦合到参考电压的第二电流处理端；以及第二电感器，其具有耦合到开关节点的第一端以及耦合到辅助节点的第二端。另外，设备包含第五开关，其具有控制端、耦合到开关节点和第二电感器的第一端的第一电流处理端，以及耦合到辅助节点以及第二电感器的第二端的第二电流处理端；以及定时电路，其被配置成将控制信号输出到第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和第五开关的控制端，以将电流供应到负载端。附图说明图1是说明ZVTDC-DC降压功率转换器的电路图。图2是用于操作ZVT功能的开关转换事件的序列的时序图。图3是针对一个实例实施例的用于操作ZVT功能的开关转换事件的序列的时序图。图4是与图3的时序图有关的一组波形图。图5是ZVT谐振电路的理想等效电路图的电路图。图6是一个替代布置中的ZVT谐振电路的理想等效电路图的电路图。图7是示出当高压侧辅助开关的体二极管钳位(clamp)辅助开关节点时的效果的仿真图。图8是一个实施例的电路图。图9是示出包含图8的双向开关的控制电路的另一电路实施例的图。图10是示出图8的实施例电路的操作的仿真图。图11是示出方法实施例的流程图。图12是使用控制器来提供定时电路的另一实施例的电路图。具体实施方式不同附图中的对应数字和符号通常指代对应零件，除非另外指明。附图未必按比例绘制。术语“耦合的(被耦合的)”可以包含利用中介元件进行的连接，并且额外元件和各种连接可以存在于“耦合的(被耦合的)”任何元件之间。图1说明布置在降压转换器电路拓扑中的常规ZVTDC-DC转换器电路100。降压DC-DC转换器以低于输入电压的电压提供输出电压。可以得益于ZVT开关的使用的其它类型的DC-DC转换器包含但不限于，升压转换器，其将输出电压增加到大于输入电压的电压；以及降压-升压DC-DC转换器，其在降压功能与升压功能之间动态地转换以适应于各种输入电压电平(具有可以大于或小于输出电压的输入电压)，以将输出电压提供到负载。图1以简化电路图说明ZVTDC-DC降压转换器电路100的开关元件、主要无源组件和主要寄生元件。为简单说明起见，从图1中省略用于实例ZVTDC-DC降压功率转换器中的次要组件、次要寄生元件、用于监视输出电压的电路以及用于控制开关定时的控制电路。在图1中，电路100包含两个主要电源开关102(S1)和104(S2)，所述电源开关结合输出电感器106(Lo)和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种设备，其包括：第一开关，其具有控制端、耦合到电压源的第一电流处理端，并且具有耦合到开关节点的第二电流处理端；第二开关，其具有控制端、耦合到所述开关节点的第一电流处理端，并且具有耦合到参考电压的第二电流处理端；第一电感器，其具有耦合到所述开关节点的一个端以及耦合到负载端的第二端；第三开关，其具有控制端、耦合到所述电压源的第一电流处理端以及耦合到辅助节点的第二电流处理端；第四开关，其具有控制端、耦合到所述辅助节点的第一电流处理端以及耦合到所述参考电压的第二电流处理端；第二电感器，其具有耦合到开关节点的第一端以及耦合到所述辅助节点的第二端；第五开关，其具有控制端、耦合到所述开关节点和所述第二电感器的所述第一端的第一电流处理端，以及耦合到所述辅助节点和所述第二电感器的所述第二端的第二电流处理端；以及定时电路，其被配置成将控制信号输出到所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关、所述第四开关和所述第五开关的所述控制端，以将电流供应到所述负载端。

【技术特征摘要】
2016.04.13 US 62/322,004;2016.12.31 US 15/396,4661.一种设备，其包括：第一开关，其具有控制端、耦合到电压源的第一电流处理端，并且具有耦合到开关节点的第二电流处理端；第二开关，其具有控制端、耦合到所述开关节点的第一电流处理端，并且具有耦合到参考电压的第二电流处理端；第一电感器，其具有耦合到所述开关节点的一个端以及耦合到负载端的第二端；第三开关，其具有控制端、耦合到所述电压源的第一电流处理端以及耦合到辅助节点的第二电流处理端；第四开关，其具有控制端、耦合到所述辅助节点的第一电流处理端以及耦合到所述参考电压的第二电流处理端；第二电感器，其具有耦合到开关节点的第一端以及耦合到所述辅助节点的第二端；第五开关，其具有控制端、耦合到所述开关节点和所述第二电感器的所述第一端的第一电流处理端，以及耦合到所述辅助节点和所述第二电感器的所述第二端的第二电流处理端；以及定时电路，其被配置成将控制信号输出到所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关、所述第四开关和所述第五开关的所述控制端，以将电流供应到所述负载端。2.根据权利要求1所述的设备，其中所述第五开关是双向开关。3.根据权利要求2所述的设备，其中所述双向开关包含具有共漏极连接的第一场效应晶体管和第二场效应晶体管，并且所述第一场效应晶体管的源极耦合到所述第五开关的所述第一电流处理端，且所述第二场效应晶体管的源极耦合到所述第五开关的所述第二电流处理端。4.根据权利要求3所述的设备，其中所述双向开关的所述第一场效应晶体管和第二场效应晶体管是LDMOS晶体管。5.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和第五开关是LDMOS晶体管。6.根据权利要求1所述的设备，并且进一步包含扩展漏极MOS晶体管，其具有耦合到源极跟随器配置中的所述辅助节点的漏极端，并且具有耦合到所述定时电路的控制端。7.根据权利要求6所述的设备，其中所述扩展漏极MOS晶体管具有耦合到所述第一开关的所述控制端的控制端。8.根据权利要求1所述的设备，其中所述定时电路进一步被配置成：在将第一打开信号耦合到所述第二开关的所述控制端之前，将第一闭合信号耦合到所述第三开关的所述控制端；在所述第一打开信号之后的第一选定时间，将第二打开信号耦合到所述第三开关的所述控制端；在所述第二打开信号之后的第二选定时间，将第三闭合信号耦合到所述第四开关的控制端；在所述第三闭合信号之后的第三选定时间，将第四闭合信号耦合到所述第一开关的所述控制端；以及在所述第三闭合信号之后将第三打开信号耦合到所述第四开关的所述控制端；以及在所述第三打开信号之后将第四打开信号耦合到所述第一开关的所述控制端，所述定时电路被配置成：在所述第四开关的所述控制端上的所述第三打开信号之后，检测高电压是否在所述第二电感器的所述第一端上；以及如果在所述第三打开信号之后在所述第二电感器的所述第一端上检测到高电压，则在所述第四打开信号之前耦合所述第五开关的所述控制端上的第四闭合信号。9.根据权利要求8所述的设备，其中所述定时电路进一步被配置成在所述第四打开信号之前的第四选定时间开始所述第四闭合信号。10.根据权利要求9所述的设备，其中所述定时电路进一步被配置成在所述第四打开信号之后的第五选定时间，提供耦合到所述第五开关的所述控制端的第五打开信号。11.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·班德帕德亚，T·M·拉贝拉，
申请(专利权)人：德克萨斯仪器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US