无振荡直流-直流功率变换器制造技术

一种用于将电源连接到负载装置的功率变换器，它包括：选择性地连接的输出级，用以将能量从电源传输至负载装置；连接到所述输出级的控制器；输出级；连接到输出端子的电容元件；整流元件；以及对来自控制器的控制信号作出反应的开关。所述整流元件和开关连接到所述电感和电容元件。所述控制器响应输入信号而产生控制信号、以便在第一状态下断开开关而在第二状态下接通开关。控制器的输入信号产生一个或多个跨接在输出端子上的输出电压、跨接在输入端子上的输入电压、可选择的基准电压以及相对于电感元件测量的反馈信号。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求1999年6月25日由Dragan D.Nebrigic，Milan M.Jevtitch，Vig Sherill，Nick Busko，William Millam和PeterHansen提交的、专利技术名称为“具有内嵌动态开关电容功率变换器的电池”的、序号为60/141119的共同拥有的美国临时申请的优先权，因此将其全部包括在本文中作为参考。本申请还与以下共同未决的并且共同拥有的美国专利申请有关它在相同的日期由Dragan D.Nebrigic等提交、序列号为09/532918、专利技术名称为“动态控制固有调节的电荷泵功率变换器”(P&G案号7883)，因此将其全部包括在本文中作为参考。便携式电子设备中的电子线路一般需要直流(DC)功率。通常使用一个或几个电池作为能源来提供这种直流功率。理想情况是所述能源完全符合便携式电子设备的能源要求。但是，最常见的情况是来自电池的电压和电流并不适用于直接为便携式电子设备的电子线路供电。例如，由电池决定的电压电平可能与电子设备的电子线路所要求的电压电平不同。此外，电子设备的某些部分可能工作在不同于其他部分的电压电平，因而要求不同的电源电压。另外，电池通常无法迅速响应设备所要求的快速电流波动。附图说明图1中示出便携式电子设备10的典型的配置，它包括能源12，例如一个或多个电池；以及负载装置14，例如需要功率的内部电子线路。介于能源12和负载装置14之间的是电源16，它可执行许多功能。例如，图中作为电源16组成部分示出的功率变换器20对来自能源12的功率进行必要变换，使其适用于负载装置14。电源16还可以执行功率变换之外的功能。例如，保护能源12、负载装置14和/或功率变换器20免受持久高电流的损害可能需要在电气上将能源12与便携式电子设备10的其他部分的连接断开。另一个例子是，功率变换器20在启动时可能需要辅助装置，这由电源16提供。就所需的功率变换类型而论，功率变换器20可以“升高”电压(即升压)或“降低”电压。即，变换器20可以使来自能源12的跨接在输入端子对24、25上的输入电压Vs上升或下降到提供给负载装置14的跨接在输出端子对26、27上的输出电压Vo。功率变换器20还可以存储一定量电量以满足负载装置14所需的能源12无法提供的瞬时尖脉冲或瞬时增量的需要。功率变换器20还可以调节输出电压Vo，使其保持与期望的输出电压电平接近，并减小可能导致有害的噪声或导致负载装置14出现不期望的性能的快速波动。这种波动可能因为负载所需的变化、来自外部电磁源的感应噪声、能源12的特性和/或来自电源16中其他部件的噪声而发生。电感式直流-直流功率变换器通常应用在中等容量到中/高容量的开关电源中。已知的电感式直流-直流功率变换器基于在充电和放电状态之间切换输出级。输出级包括开关，当充电状态期间接通时，它使电感元件(诸如电感器)从电源充电(即，将能量存储在电场中)。整流元件(如二极管)是非导电性的，因而可以阻止放电至跨接在输出端子上的负载电容器。在放电状态期间，开关断开，整流元件导电，使电感器放电至负载电容器。已知电感式直流-直流功率变换器用多种方法配置，以实现较大容量、较大电压范围及倒相/非倒相输出。倒相输出具有与输入相反的代数符号。例如，在正输入端子24上提供相对于接地的负输入端子25的+1.5V的输入电压。正输出端子26接地，负输出端子27为-1.0V。已知的配置实例包括以下称谓的变换器降压(buck)、升压、降压-升压、非倒相降压-升压、电桥、Watkins-Johnson、电流馈送电桥、uk、单端初级电感变换器(SEPIC)、平方降压(buck square)。电感式直流-直流功率变换器经常被选用，是因其功率效率高于其他变换器、如其效率与输出电压Vo与输入电压Vs的比值有关的线性变换器。并且，电感式变换器的输出电压Vo一般与开关的占空系数而非开关的工作频率有关，这不同于一般所知的电容式功率变换器。但是，电感式直流-直流功率变换器20的已知的输出级确实包含一些与用于变换器中的电容器、开关及整流元件有关的缺点。具体地说，对作为整流元件的二极管的依赖会在该二极管的两端产生电压降，这使得低输入电压(例如亚伏级)不可行。而且，已知的开关一般同样要求具有不适合于低输入电压的幅度的控制信号。另外，实际电感和电容值的范围受到可实现的控制器工作频率的限制。因此电感式变换器中的功率输出级需要相对较贵的、有噪声的、并且相对较大的分立的电感器。此外，已知的电感式直流-直流功率变换器20依靠基于振荡器的控制。为这些已知的“振荡器控制的功率变换器”20选择的电感器-电容器组合通常决定适合于工作的工作频率。对所述振荡器控制的功率变换器输出的功率的调整通常由控制器通过脉宽调制(PWM)或脉频调制(PFM)来提供。PWM和PFM方案带来的问题包括电路和制造的复杂性。这种复杂性导致难于将功率变换器20小型化，原因在于分配在半导体设备上的所需的分立元件的数目和/或所需的面积。除了与其复杂性相关的缺点外，由于振荡器持续工作的缘故，振荡器控制的功率变换器在轻负荷情况下是低效率的。在先有技术中还有另外的缺点，它是因某些电感式直流-直流功率变换器20使用反馈(电感器电压VL或电感器电流iL)来检测存储在电感器中的能量以及检测输出电压Vo所导致的。这些反馈技术因PWM和PFM控制的本质而产生问题。例如，电感器电压VL反馈是一种读出存储在电感器L中能量的间接途径，并由于输入电压Vs中的波动和/或负载装置14的需求的缘故而将噪声引入反馈电压VF中(这与电感器电压VL相同或直接相关)。使用电流反馈可避开电压噪声来源；但是，已知的电流反馈功率变换器20在对电流反馈iF中噪声干扰(这与电感器电流iL相同或直接相关)的健壮性不足方面存在问题，导致过早切换开关并降低了功率变换器的稳定性。具体地说，根据本专利技术的一个方面，动态控制器驱动电感式功率输出级，以维持负载电容器CL两端的输出电压Vo的速率传送能量。更具体地说，功率变换器具有功率输出级，它用于电耦合到能源输入端子中的输入端子并且电耦合到负载装置的输出端子。功率输出级包括电感元件，它在充电状态期间由所述能源提供的电感器电流充电。功率输出级还包括负载电容器，它在放电状态期间由所述电感元件充电。动态控制器对输入信号作出反应而有选择地并且以非振荡的方式产生控制信号S2，用以在放电状态下断开开关而在充电状态下接通开关。输入到控制器的输入信号包括以下各种信号中的一种或多种跨接输出端子的输出电压、跨接输入端子的输入电压、可选择的基准电压以及在电感元件两端测量到的反馈电压。将从附图及其说明中将明白本专利技术的这些及其他目的和优点。图1是包括具有功率变换器的电源的便携式电子设备的上层框图。图2A是降压功率变换器的输出级的上层示意图。图2B是升压功率变换器的输出级的上层示意图。图3是根据本专利技术的动态控制电感式功率变换器的上层框图。图4是根据本专利技术的图2B升压功率变换器启闭控制器电路的一个实施例。图5是根据本专利技术的图2B升压功率变换器电压反馈无振荡控制器电路的实施例。图6是根据本专利技术的图5电压反馈无振荡控制器的工作流程图。图7是根据本专利技术的图5升压功本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有连接到能源的输入端子和连接到负载装置的输出端子的功率变换器，所述功率变换器的特征在于：输出级，用于选择性地将所述输入端子连接到所述输出端子，以便将能量从电源传输至负载装置；可操作地连接到所述输出级的控制器，用以动态地控制所述 输入和输出端子的所述选择性连接；所述输出级进一步包括：连接到所述输入端子的电感元件；连接到所述输出端子的电容元件；响应第一状态而接通并且响应第二状态而断开的整流元件；以及响应来自所述控制器的控制信号Ｓ２的开关，所述整流元件和所述开关相对 于所述电感和电容元件可操作地连接，以便在所述第一状态期间把所述电感元件连接到所述电容元件、从而将能量从所述电感元件释放到所述电容元件、而在所述第二状态期间激励所述电感元件；所述控制器响应输入信号而选择性地和非振荡地产生控制信号Ｓ２，以便 在所述第一状态下断开所述开关而在所述第二状态下接通所述开关，所述控制器的所述输入信号包括以下各种电压中的一种或多种：跨接在所述输出端子上的输出电压；跨接在所述输入端子上的输入电压；可选择的基准电压；以及相对于所述电感元件测量的反馈电压。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：DD尼布里吉克，MM杰弗蒂齐，V加特斯泰恩，WT米拉姆，JV舍里尔，N布斯科，P汉森，
申请(专利权)人：伊利诺伊大学评议会，
类型：发明
国别省市：US[美国]