时间复用多输出ＤＣ／ＤＣ转换器和电压调整器制造技术

一种具有多个输出的升压开关转换器包括连接在输入供应（通常为电池）与节点Ｖｘ之间的电感器。低位开关连接节点Ｖｘ与地。包括两个或更多个输出级。每个输出级包括高位开关和输出电容器。每个输出级被连接为将电流递送到各个负载。控制电路被连接为按重复的序列来驱动低位开关和高位开关。电感器首先被充电并且然后被放电到各个输出级。实际上，提供了一系列不同的开关转换器，每个开关转换器具有不同的输出电压。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】时间复用多输出DC/DC转换器和电压调整器
技术介绍
通常需要进行电压调整以防止对各种微电子组件供电的电源的变化，尤其是在如蜂窝电话、笔记本电脑和消费产品这类电池供电的应用中需要进行这样的电压调整，各种微电子组件例如是数字IC、半导体存储器、显示模块、硬盘驱动器、RF电路、微处理器、数字 信号处理器和模拟IC。 由于产品的电池或DC输入电压通常必须被增高(st印-up)至较高的DC电压或者 被减低(st印-down)至较低的DC电压，因此，将这些调整器称为DC到DC转换器。在电池 电压高于所希望的负载电压时，就使用减低转换器。减低转换器可以包括感应式开关调整 器、电容式电荷泵以及线性调整器。反之，当电池的电压低于对其负载供电所需的电压时， 就需要增高转换器，通常称为升压转换器。增高转换器可以包括感应式开关调整器或者电 容式电荷泵。 在前述的电压调整器中，感应式开关调整器可以跨越最宽范围的电流、输入电压 和输出电压获得良好的性能。DC/DC感应式开关调整器的基本原理是基于如下简单的假 设的电感器中的电流不能瞬时被改变并且电感器将产生反向电压来抵制其电流的任何改变。 基于电感器的DC/DC开关转换器的基本原理是将DC电源切换或"切削"为脉冲或 突发，并且利用包括电感器和电容器的低通滤波器对这些突发滤波，以产生功能良好的时 变电压，即，将DC变为AC。通过利用一个或多个晶体管以高频率切换以重复地磁化和去磁 化电感器，则可以将电感器用来增高或减低转换器的输入，以产生与其输入不同的输出电 压。在利用磁性使AC电压变高或变低之后，然后输出被整流回DC，并且被滤波以移除任何 的纹波(ripple)。 晶体管通常是利用具有低的导通态电阻的MOSFET来实现的，通常称为"功率 M0SFET"。利用来自转换器的输出电压的反馈来控制开关条件，即使转换器的输入电压或其 输出电流的急速改变，也可以维持恒定的经过适当调整的输出电压。 为了移除因晶体管的开关动作生成的任何AC噪声或纹波，输出电容器被置于开 关调整器电路的输出的两端。电感器与输出电容器一起形成了能够移除晶体管的大部分开 关噪声以防止噪声到达负载的"低通"滤波器。通常为lMHz或更大的开关频率必然比滤波 器的"LC"回路的谐振频率"高"。跨越多个开关周期被平均，被开关的电感器表现得就像具 有缓变平均电流的可编程电流源。 由于平均电感器电流是由被偏置为"导通"或"截止"开关的晶体管来控制的，因 此，晶体管中的功耗理论上较小，并且可以实现在百分之八十到九十范围中的高转换器效 率。具体地，当利用"高"栅极偏压将管理MOSFET偏置为导通状态(on-state)的开关时， 其表现出具有通常为200毫欧或更小的低RDS(。n)电阻的线性I-V漏极特性。例如在0. 5A 时，这种器件将表现出仅100mV的最大压降ID *RDS(。n)而不管其高漏极电流如何。在其导通 状态的传导时间期间其功耗为ID2 RDS(。n)。在给出的示例中，在晶体管的传导期间功耗为 (0. 5A) 2 (0. 2 Q ) = 50mW。5 在其截止状态中，功率MOSFET使其栅极被偏置到其源极，S卩，使得Vw = 0。即使 具有等于转换器的电池输入电压Vbatt的所施加漏极电压V。s，功率MOSFET的漏极电流IDSS 也很小，通常远低于一微安培并且通常高于毫微安培。电流I^主要包括结漏(junction leakage)。 因此，在DC/DC转换器中用作开关的功率MOSFET是高效的，这是因为在其截止状 况中，其在高电压时表现出低电流，并且在其导通状态中，其在低压降时表现出高电流。除 开关瞬态之外，功率MOSFET中的ID V。s积保持较小，并且开关中的功耗保持较低。 功率MOSFET不仅用来通过切削输入电源而将AC转换为DC，而且还可以用来取 代将合成的AC整流回DC所需的整流器二极管。MOSFET作为整流器的操作通常伴随着将 MOSFET与肖特基二极管并联地布置并且只要二极管导电就导通MOSFET， S卩，与二极管的导 电同步。因此，在这种应用中，将MOSFET称为同步整流器。 由于将同步整流器MOSFET制作为具有低导通电阻以及比肖特基二极管低的压降 的大小，因此，传导电流从二极管被转移到MOSFET沟道并且"整流器"中的整体功耗被减 小。大多数功率MOSFET包括寄生的源漏极二极管(source-to-drain diode)。在开关整 流器中，这种固有的P-N二极管的取向必须与肖特基二极管具有相同的极性，S卩，阳极到 阳极、阴极到阴极。由于这种硅P-N二极管和肖特基二极管的并联组合仅在同步整流器 MOSFET导通之前的较短间隔内承载电流(称为"先通后断"(break-before-make))，因此， 二极管中的平均功耗较低并且肖特基二极管时常完全被除去。 假设与振荡周期相比晶体管开关事件较快，在电路分析中，开关期间的功耗可以 被认为忽略不计或者替代地被当作固定的功耗。于是，整体上，可以通过考虑传导损耗和栅 极驱动损耗来估计低电压开关调整器中的功耗。然而，在数兆赫的开关频率时，开关波形分 析变得更加重要，并且必须通过分析相器件的漏极电压、漏极电流和栅极偏压驱动与时间 的关系来进行考虑。 基于上面的原理，现代的基于电感器的DC/DC开关调整器是利用很宽范围的电 路、电感器和转换器拓扑来实现的。大体上，它们被分为两种主要类型的拓扑，即非隔离转 换器和隔离转换器。 常见的隔离转换器包括反激式和正激式转换器，并且需要变压器或经耦合的电感 器。在更高功率时，还使用全桥转换器。隔离转换器能够通过调节变压器的初级绕组与次 级绕组比来增高或减低其输入电压。具有多个绕组的变压器可以同时产生多个输出，包括 比输入高的电压和比输入低的电压。变压器的缺点是与单绕组电感器相比它们较大并且遭 受不希望的杂散电感。 非隔离电源包括减低降压转换器、增高升压转换器以及降压升压转换器 (Buck-boost converter)。特别地，降压和升压转换器是高效的并且大小较小，尤其是在兆 赫频率范围中操作时，可以使用2.2iiH或更小的电感器。这种拓扑在每个线圈中产生单个 经调整的输出电压，并且需要专用控制环路和用于每个输出的单独的P丽控制器，以不断 地调节开关导通时间从而调整电压。 在便携式和电池供电的应用中，通常采用同步整流来提高效率。采用同步整流的 减低降压转换器称为同步降压调整器。采用同步整流的增高升压转换器称为同步升压调整 器。 同步升压转换器操作如图1所示，现有技术的同步升压转换器1包括低位 (low-side)功率M0SFET开关9、与电池相连的电感器2、输出电容器5以及与整流器二极 管4并联的"浮动的"同步整流器M0SFET 3。 MOSFET的栅极由先通后断电路7驱动并且由 P丽控制器6响应于来自出现在滤波电容器5两端的转换器的输出的电压反馈VFB进行控 制。需要BBM操作来防止输出电容器5短路。 可以是N沟道或P沟道的同步整流器MOSFET 3从其源极和漏极端子永远不连接 到任何供电轨(即，既不连到地也不连到Vbatt)的意义上来说，被认为是浮动的。二极管4 是同步整流器MOSFET 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开关转换器，包括：电感器，该电感器连接在电源电压与节点Ｖ↓［ｘ］之间；低位开关，该低位开关连接在所述节点Ｖ↓［ｘ］与地之间；第一高位开关，该第一高位开关连接在所述节点Ｖ↓［ｘ］与第一负载之间；以及第二高位开关，该第二高位开关连接在所述节点Ｖ↓［ｘ］与第二负载之间。

【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：理查德K威廉姆斯，
申请(专利权)人：先进模拟科技公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]