基于变压器的电源转换器的滞环控制制造技术

在所描述的示例中，一种转换器配置(300)将输入电压(VTN)转换成输出电压(VOUT)。该配置(300)包括：变压器(312)；经耦合用于从输入电压端子(VIN+)向变压器(312)的初级侧提供电流至少一个初级侧驱动器开关(Q1)；耦合在变压器(312)的次级侧和输出电压端子(VOUT)之间的至少一个电感器(L3)；耦合在电感器(L3)和接地电位之间的至少一个次级侧开关(Q3)；以及经耦合用于向至少一个初级侧开关(Q1)提供第一接通时间信号并且向至少一个次级侧开关(Q3)提供第二接通时间信号的滞环控制器(316)。滞环控制器被配置为感测输出电压，并且具有至少一个电流输入，经耦合用于感测在电感器(L3)中流动的电流并且生成初级侧驱动器开关接通脉冲以控制输出电压(VOUT)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于变压器的电源转换器的滞环控制
本申请涉及电源转换，并且更具体地涉及针对电源转换器的滞环控制机构。
技术介绍
复杂的电子系统通常包含在印制电路板(PCB)或其他模块上的一些子组件，这些子组件通常位于并且互连在经由背板(backplane)连接的机柜(rack)中或经由线路连接的外壳中。由于集成的电路的核心电压已经连续降到低于3.3伏特到2伏特并且甚至更低，对于这些子组件的电源分布通常使用其中每个子组件使用中间系统电源作为输入创建自己特定的电源的架构。这通常被称为分布式电源架构(DPA)，并且当与传统组件的集中式电源架构(CPA)相比时，其为获得到各种子组件的调节电源的更有效的架构。在用于DPA的传统方法中，初级系统电源将接收输入电压并将其减小至一个或更多个中间系统电压，以被运送到每个PCB子组件。每个PCB子组件通常包括DC-DC转换器，其针对子组件PCB将系统供电电压转换为一个(或更多个)调整好的供电电压。随着电源调节的增加，DC-DC转换器通常被称为开关调整器(SR)或负载点(PoL)转换器。电气隔离或由初级系统电源提供或由各个开关调整器提供。开关调整器是常用多功能元件，其允许各种子组件部件接收所需的电源电压，而不需要增加特定的电压和到系统电源架构的总线。在高电流的情况下，低电压PoL转换器，诸如在30A、1V额定的转换器，PoL转换器明显降低了线路的损耗和成本，这些损耗和成本在通过允许电源作为高电压、低电流，如3A、12V分配而分配30A的电流给各种子组件时会需要。这种方法允许电源以比其它情况所需的更小尺寸、更低成本和更轻重量线路或总线进行分配，。图1描述了一种分布式电源构架。DPA100具有输入电压101，其馈送系统电源103。系统电源连接到电源总线105，其(在这个示例中)在系统内分配电压诸如24V和12V。位于子组件PCB(未显示)上的DC-DC开关调整器107a，107b…107n连接到系统电源总线105，并可以使用一个或两个系统电源。说明板上(onboard)开关调整器的多功能性，调整器107a具有10V和3.3V的输出；调整器107b具有1.0V和1.5V的输出；并且调整器107n具有8V的单一输出。在消费和商业电子应用中，输入电压101可以是100Vac到240Vac。在电信应用中，诸如系统从标准电池电压运行的地方，输入电压可在36Vdc至72Vdc之间，在传统系统中48VDC输入是典型的输入电压。在提高两级DPA的效率方面已经取得了进展，其包括允许中间电压为半未调节的电压，并以开环方式运行。在美国专利号7187562，标题为“两级电源转换电路”，作者为Stojcic等人(U.S.Pat.No.7,187,562,titled“TwoStagePowerConversionCircuit”toStojcicet.Al.)(“’562专利”)中公开了这种方法。如在’562专利中所解释，允许分布式电源构架中的半未调节的中间电压降低第一级的复杂性，并且不会对子组件上的各个开关调整器产生不利影响，因为每个子组件被配置为调节输出电压。对于第二级开关调整器，多相降压转换器已经成为负载点(PoL)转换器的常用转换器构架，其中需要高电流和低电压，诸如40A处1V。图2是具有同步整流器、电流倍增器输出级和控制器的两相降压转换器200的简单示意图。图2说明一种降压转换器200，该降压转换器200是使用晶体管开关Q1、Q2作为高侧驱动器和使用晶体管开关Q3和Q4作为同步整流器的整流器。输出电压VOUT通过两个电感器L3和L4耦合到开关节点，电感器L3和L4用于将输出电流加倍，同时将电压减半(与具有单电感器和单相的降压转换器相比)。开关控制器201在反馈回路中接收输出电压信息，该反馈回路允许控制器201同步开关Q1、Q2，并使用Q3、Q4作为同步整流器并调节输出电压或电流。调整模式分为两种基本类型，该基本类型为：脉宽调制(PWM)和滞环。PWM型包括电压模式控制(VMC)和电流模式控制(CMC)控制器。来自不同的制造商的各种现成的集成电路实施这些传统的转换器控制模式。例如，VMC由从微半导体公司(Microsemi.)商业可获得的SG3524“脉冲宽度IC”实施。CMC由Unitrode制造的UC3843电流模式PWM控制器(现在可从德克萨斯仪器股份有限公司(TexasInstrumentsIncorporated)获得)实施。滞环控制由可从德克萨斯仪器股份有限公司获得的TPS53632集成电路实施。选择的控制模式取决于电源的需求，但是滞环控制固有地提供较低静态电流，并且在现代PoL转换器中常见的极端降低转换应用中擅长。存在滞环控制的几种类型。原始的滞环方法提供了非常简单的具有快速调节，但是也具有广泛变化的开关频率和可变脉冲宽度的电路。已开发改进的滞环控制来改善转换器性能。在一种示例方法中，半固定持续时间接通脉冲用于在每个触发事件时接通高侧驱动器开关。通过调节脉冲的持续时间，和基于输出电压和输入电压触发脉冲，可以实现调整。此外，滞环控制相比其他方法实现好的调整，并可以提供足够快的电压和电流转换速率以供给处理器内核、DSP内核和其他低电压、缺电IC。在集成电路中使用电力节省和休眠模式，结合快速转变至全电压或高速时钟速率，使得当向这些高性能IC提供电源时需要来自对系统性能至关重要的PoL转换器的快速响应。滞环控制器可以提供快速响应于输出或负载条件的变化的逐周期(cyclebycycle)控制，使得这些控制器在向这些先进的集成电路提供电源时受欢迎。通常使用针对DPA的两级方法，因为利用单降压转换器级的高输入电压(诸如36-75伏特DC输入)到低的3.3V电平的转换具有在低的80％范围的典型的转换效率，或对一些传统系统甚至更糟糕。如图1中示出，在传统的转换器中，第一级系统电源的典型的效率是95％至98％，并且第二级开关调整器的典型的效率是90％至95％，导致当使用两级方法时整体系统效率在85％至93％范围中。对于给定的功率电平，转换器的效率通常随着输出电压的降低而降低。例如，提供6V@5A的12V、30W开关调整器转换器会比在输出处提供1V@30A的同样的转换器更有效。相应地，传统方法的低电压输出PoL转换器的典型的整体效率通常更接近整体效率范围的85％最后部分。
技术实现思路
形成示例实施例方面的配置纳入了针对电源转换器的电路以提供高效率的从高输入电压到低电压、高电流输出的单级转换。在这些配置中，桥式拓扑转换器(诸如半桥和替代性地全桥和正向拓扑)与位于输入级电路和输出级电路之间的变压器一起使用，并且滞环控制用于生成开关脉冲，用于在输入和输出级电路中的开关。一些配置以修改的方式使用滞环控制器集成电路(先前用于控制降压转换器)以提供滞环控制。在一些配置中，在输出级中使用电流倍增器以提供输出电流。在其他配置中，半桥输入级与电流倍增器和滞环控制器一起使用。在其他附加的配置中，全桥输入级与滞环控制器一起使用。在一个示例配置中，一种设备包括用于转换输入电压至输出电压的电源转换器，电源转换器进一步包括：具有分别在输入电压端子和输出电压端子之间耦合的初级侧和次级侧的变压器；经耦合从输入电压端子向变压器的初级侧提供电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种设备，其包含：电源转换器，其用于将输入电压转换为输出电压，所述电源转换器进一步包括：变压器，其具有分别耦合在输入电压端子和输出电压端子之间的初级侧和次级侧；至少一个初级侧电源开关，其经耦合以从所述输入电压端子向所述变压器的所述初级侧提供电流；至少一个电感器，其耦合在所述变压器的所述次级侧和所述输出电压端子之间；至少一个次级侧开关，其耦合在与所述电感器和所述变压器的所述次级侧耦合的节点和接地电势之间；以及滞环控制器，其经耦合以向所述至少一个初级侧开关提供第一接通时间信号和向所述至少一个次级侧开关提供第二接通时间信号，所述滞环控制器具有与所述输出电压耦合的反馈输入，并被配置用于感测在所述输出处的电压，并且具有与所述至少一个电感器耦合的至少一个电流输入，并进一步经配置用于接收对应于所述至少一个电感器中流动的电流的信号。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.23 US 62/195,865;2016.03.18 US 15/073,9641.一种设备，其包含：电源转换器，其用于将输入电压转换为输出电压，所述电源转换器进一步包括：变压器，其具有分别耦合在输入电压端子和输出电压端子之间的初级侧和次级侧；至少一个初级侧电源开关，其经耦合以从所述输入电压端子向所述变压器的所述初级侧提供电流；至少一个电感器，其耦合在所述变压器的所述次级侧和所述输出电压端子之间；至少一个次级侧开关，其耦合在与所述电感器和所述变压器的所述次级侧耦合的节点和接地电势之间；以及滞环控制器，其经耦合以向所述至少一个初级侧开关提供第一接通时间信号和向所述至少一个次级侧开关提供第二接通时间信号，所述滞环控制器具有与所述输出电压耦合的反馈输入，并被配置用于感测在所述输出处的电压，并且具有与所述至少一个电感器耦合的至少一个电流输入，并进一步经配置用于接收对应于所述至少一个电感器中流动的电流的信号。2.根据权利要求1所述的设备，其中所述电源转换器进一步包括具有电流倍增器输出的半桥转换器。3.根据权利要求2所述的设备，其中所述电源转换器进一步包括：第二初级侧电源开关，其耦合在所述变压器的所述初级侧和负电压输入之间；第二电感器，其耦合在所述变压器的所述次级侧和所述输出电压端子之间；以及第二次级侧开关，其耦合在与所述第二电感器和所述变压器的所述次级侧耦合的第二节点和用于接收接地电势的端子之间；其中，所述滞环控制器进一步被配置为向所述第二初级侧功电源开关和所述第二次级侧开关提供接通时间信号。4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述电源转换器进一步包括两个交替周期，并且所述至少一个电感器和第二电感器在所述输出电压端子处形成电流倍增器。5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电源转换器进一步包括放大器，所述放大器被配置为比较接收的所述输出电压和参考电压并输出误差信号，所述滞环控制器响应于所述误差信号而将所述接通时间信号输出到所述至少一个初级侧电源开关。6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述电源转换器进一步包括补偿器放大器，其放大和过滤所述误差信号，并输出下垂电压信号。7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述电源转换器进一步包括脉冲定序器，其响应于比较器生成所述至少一个接通时间信号到所述至少一个初级侧驱动器开关，所述比较器接收对应于所述至少一个电感器中的求和电流的电压以及所述误差信号和下垂电压信号中的至少一个，并且响应于比较，输出接通时间脉冲。8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个初级侧电源开关和所述次级侧开关进一步包括场效应晶体管即FET。9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述FET晶体管进一步包括硅MOSFET器件。10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个初级侧电源开关和所述次级侧开关还包括GaN器件。11.根据权利要求1所述的设备，其中所述电源转换器进一步包括具有电流加倍器输出的全桥转换器。12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述全桥变换器进一步包括第二初级侧驱动器开关、第三驱动器开关和第四驱动器开关，所述第二初级侧驱动器开关耦合在所述变压器的所述初级侧和负输入电压端子之间，所述第三驱动器开关耦合在所述输入电压端子和所述变压器的所述初级侧之间，所述第四驱动器开关耦合在所述变压器的所述初级侧和所述负输入端子之间。13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述第一、第二、第三和第四开关...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·D·西曼，
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