功率變換器及其功率級(jí)電路的制作方法
【專利摘要】公開了一種功率變換器及其功率級(jí)電路，本發(fā)明通過在功率變換器中設(shè)置多個(gè)開關(guān)變換器，利用其中一個(gè)作為線性電流源的前級(jí)直流?直流變換器，將其輸出電壓控制在略高于負(fù)載電壓，并通過由兩個(gè)輔助晶體管構(gòu)成的線性電流源在負(fù)載跳變對(duì)負(fù)載進(jìn)行電流注入或電流分流。由此，可以提高電路響應(yīng)速度，同時(shí)，可以減小線性電流源導(dǎo)致的損耗，使得功率變換器仍能保持具有較小的損耗。
【專利說明】
功率變換器及其功率級(jí)電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)，具體涉及一種功率變換器及其功率級(jí)電路。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著計(jì)算機(jī)、服務(wù)器處理器性能的提升，功耗也變得越來越大。在處理器功耗變化時(shí)，其負(fù)載變化率達(dá)到300Α/μ8。因此需要電壓調(diào)整單元(VRM)具有極快的調(diào)節(jié)速度以防止供電電壓出現(xiàn)過沖以及跌落。電源系統(tǒng)中的功率變換器需要能夠適應(yīng)于負(fù)載的跳變而保持較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，通常通過暫態(tài)過程檢測(cè)來控制電流輸入以及電流抽取網(wǎng)絡(luò)的工作。暫態(tài)過程檢測(cè)通過檢測(cè)輸出電壓的微分參數(shù)或者負(fù)載電流來實(shí)現(xiàn)。由于輸出電壓上有較多毛刺，電壓微分干擾噪聲很大，而負(fù)載電流采樣則較為困難。同時(shí)，開關(guān)電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)受限于電感電流的上升斜率，不能無限提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明提供一種功率變換器及其功率級(jí)電路，在提高電路響應(yīng)速度的同時(shí)，保持電路仍然具有較小的損耗。
[0005]第一方面，提供一種功率變換器，包括:
[0006]第一開關(guān)變換器，連接在所述功率變換器的輸入端和中間端之間；
[0007]第一輔助晶體管，連接在所述中間端和所述功率變換器的輸出端之間；
[0008]第二輔助晶體管，連接在所述中間端和接地端之間；
[0009]至少一個(gè)第二開關(guān)變換器，并聯(lián)連接在所述功率變換器的輸入端和輸出端之間；
[0010]第一控制電路，用于控制所述第一開關(guān)變換器向所述中間端輸出第一輸出電壓；以及，
[0011]第二控制電路，用于控制所有的第二開關(guān)變換器輸出第二輸出電壓，并控制第一輔助晶體管在負(fù)載向上跳變時(shí)工作于線性區(qū)，控制第二輔助晶體管在負(fù)載向下跳變時(shí)工作于線性區(qū)；
[0012]其中，所述第一輸出電壓高于所述第二輸出電壓。
[0013]優(yōu)選地，所述第一控制電路根據(jù)第一參考電壓和第一反饋電壓控制所述第一開關(guān)變換器;所述第二控制電路根據(jù)第二參考電壓和第二反饋電壓控制所述第二開關(guān)變換器；所述第一參考電壓大于所述第二參考電壓，所述第一反饋電壓用于表征中間端電壓，所述第二反饋電壓用于表征所述功率變換器的輸出電壓。
[0014]優(yōu)選地，所述第二控制電路包括:
[0015]恒壓控制器，用于根據(jù)第二參考電壓和第二反饋電壓向所述第二開關(guān)變換器輸出恒壓控制信號(hào)，所述恒壓控制信號(hào)適于控制所述第二開關(guān)變換器輸出恒定電壓；
[0016]輔助晶體管控制電路，用于根據(jù)第二反饋電壓輸出第一控制信號(hào)和第二控制信號(hào)以分別控制第一輔助晶體管和第二輔助晶體管，使得在所述第二反饋電壓下降超過第一閾值時(shí)所述第一輔助晶體管工作在線性區(qū)且所述第二輔助晶體管關(guān)斷，在所述第二反饋電壓上升超過第二閾值時(shí)所述第一輔助晶體管關(guān)斷且所述第二輔助晶體管工作在線性區(qū)。
[0017]優(yōu)選地，所述第二控制電路包括:
[0018]恒壓控制器，用于根據(jù)第二參考電壓和第二反饋電壓輸出恒壓控制信號(hào)，所述恒壓控制信號(hào)適于控制每個(gè)所述第二開關(guān)變換器輸出恒定電壓；
[0019]輔助晶體管控制電路，用于根據(jù)第二反饋電壓輸出第一控制信號(hào)和第二控制信號(hào)以分別控制第一輔助晶體管和第二輔助晶體管，使得在第二反饋電壓下降偏離所述第二參考電壓超過第一閾值時(shí)所述第一輔助晶體管工作在線性區(qū)且所述第二輔助晶體管關(guān)斷，在所述第二反饋電壓上升偏離所述第二參考電壓超過第二閾值時(shí)所述第一輔助晶體管關(guān)斷且所述第二輔助晶體管工作在線性區(qū)；
[0020]邏輯電路，與恒壓控制器的輸出端和所述輔助晶體管控制電路的輸出端連接，用于向每個(gè)所述第二開關(guān)變換器輸出對(duì)應(yīng)的開關(guān)控制信號(hào)，在第一控制信號(hào)和第二控制信號(hào)均指示關(guān)斷時(shí)將所述恒壓控制信號(hào)作為開關(guān)控制信號(hào)輸出，在第一控制信號(hào)指示工作在線性區(qū)時(shí)輸出使得開關(guān)變換器的主功率開關(guān)保持導(dǎo)通或保持為占空比最大的開關(guān)控制信號(hào)，在第二控制信號(hào)指示工作在線性區(qū)時(shí)輸出使得開關(guān)變換器的主功率開關(guān)保持關(guān)斷或保持為占空比最小的開關(guān)控制信號(hào)。
[0021 ]優(yōu)選地，所述輔助晶體管控制電路包括:
[0022]第一跨導(dǎo)放大器，同相輸入端輸入第二參考電壓，反相輸入端輸入所述第二反饋電壓，輸出端輸出所述第一控制信號(hào)；
[0023]第二跨導(dǎo)放大器，同相輸入端輸入所述第二反饋電壓，反相輸入端輸入所述第二參考電壓，輸出端輸出所述第二控制信號(hào)；
[0024]第一電阻，連接在所述第一跨導(dǎo)放大器的輸出端和功率變換器的輸出端之間；
[0025]第二電阻，連接在所述第二跨導(dǎo)放大器的輸出端和接地端之間。
[0026]優(yōu)選地，所述功率變換器包括N個(gè)第二開關(guān)變換器，N大于等于2;
[0027]所述恒壓控制器用于輸出具有M個(gè)不同相位的N路恒壓控制信號(hào)，所述N路恒壓控制信號(hào)用于分別控制對(duì)應(yīng)的第二開關(guān)變換器輸出恒定電壓，M小于等于N。
[0028]優(yōu)選地，所述第一控制器輸出的用于控制第一開關(guān)變換器的第一開關(guān)控制信號(hào)與所述N路恒壓控制信號(hào)的相位均不相同。
[0029]第二方面，提供一種功率變換器的功率級(jí)電路，包括:
[0030]第一開關(guān)變換器，連接在所述功率變換器的輸入端和中間端之間，受控向所述中間端輸出第一輸出電壓；
[0031]第一輔助晶體管，連接在所述中間端和所述功率變換器的輸出端之間，在負(fù)載向上跳變時(shí)受控工作于線性區(qū)；
[0032]第二輔助晶體管，連接在所述中間端和接地端之間，在負(fù)載向下跳變時(shí)受控工作于線性區(qū)；
[0033]至少一個(gè)第二開關(guān)變換器，并聯(lián)連接在所述功率變換器的輸入端和輸出端之間，所有所述第二開關(guān)變換器受控向所述中間端輸出第二輸出電壓；
[0034]所述第一輸出電壓高于所述第二輸出電壓。
[0035]優(yōu)選地，所述功率變換器包括N個(gè)第二開關(guān)變換器，N大于等于2;
[0036]所述N個(gè)第二開關(guān)變換器分別受控于具有M個(gè)不同相位的恒壓控制信號(hào)輸出恒定電壓，M小于等于N。
[0037]本發(fā)明實(shí)施例通過在功率變換器中設(shè)置多個(gè)開關(guān)變換器，利用其中一個(gè)作為線性電流源的前級(jí)直流-直流變換器，將其輸出電壓控制在略高于負(fù)載電壓，并通過由兩個(gè)輔助晶體管構(gòu)成的線性電流源在負(fù)載跳變對(duì)負(fù)載進(jìn)行電流注入或電流分流。由此，可以提高電路響應(yīng)速度，同時(shí)，可以減小線性電流源導(dǎo)致的損耗，使得功率變換器仍能保持具有較小的損耗。
【附圖說明】
[0038]通過以下參照附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的描述，本發(fā)明的上述以及其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將更為清楚，在附圖中:
[0039]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的功率變換器的電路示意圖；
[0040]圖2是本發(fā)明實(shí)施例的功率變換器的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的電路示意圖；
[0041 ]圖3是本發(fā)明實(shí)施例的功率變換器的工作波形圖；
[0042]圖4是本發(fā)明實(shí)施例的第二控制電路的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的電路示意圖；
[0043]圖5是本發(fā)明實(shí)施例的功率變換器的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的電路示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0044]以下基于實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，但是本發(fā)明并不僅僅限于這些實(shí)施例。在下文對(duì)本發(fā)明的細(xì)節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細(xì)節(jié)部分。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說沒有這些細(xì)節(jié)部分的描述也可以完全理解本發(fā)明。為了避免混淆本發(fā)明的實(shí)質(zhì)，公知的方法、過程、流程、元件和電路并沒有詳細(xì)敘述。
[0045]此外，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，并且附圖不一定是按比例繪制的。
[0046]同時(shí)，應(yīng)當(dāng)理解，在以下的描述中，“電路”是指由至少一個(gè)元件或子電路通過電氣連接或電磁連接構(gòu)成的導(dǎo)電回路。當(dāng)稱元件或電路“連接到”另一元件或稱元件/電路“連接在”兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間時(shí)，它可以是直接耦接或連接到另一元件或者可以存在中間元件，元件之間的連接可以是物理上的、邏輯上的、或者其結(jié)合。相反，當(dāng)稱元件“直接耦接到”或“直接連接到”另一元件時(shí)，意味著兩者不存在中間元件。
[0047]除非上下文明確要求，否則整個(gè)說明書和權(quán)利要求書中的“包括”、“包含”等類似詞語(yǔ)應(yīng)當(dāng)解釋為包含的含義而不是排他或窮舉的含義;也就是說，是“包括但不限于”的含義。
[0048]在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”等僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性。此外，在本發(fā)明的描述中，除非另有說明，“多個(gè)”的含義是兩個(gè)或兩個(gè)以上。
[0049]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的功率變換器的電路示意圖。如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的功率變換器包括功率級(jí)電路和控制電路。其中，功率級(jí)電路包括第一開關(guān)變換器1、第一輔助晶體管Q1、第二輔助晶體管Q2和多個(gè)第二開關(guān)變換器2ni = l至N，N為大于等于2的整數(shù)。其中，第一開關(guān)變換器I連接在所述功率變換器的輸入端i和中間端m之間。第一輔助晶體管Ql連接在中間端m和功率變換器的輸出端ο之間，用于在負(fù)載向上跳變時(shí)將中間端i的能量注入到負(fù)載。第二輔助晶體管Q2連接在中間端m和接地端之間，在負(fù)載向下跳變時(shí)受控工作于線性區(qū)，對(duì)流向負(fù)載的電流進(jìn)行分流。第一輔助晶體管Ql和第二輔助晶體管Q2構(gòu)成了連接在中間端i和輸出端ο之間的線性電流源。經(jīng)由第一開關(guān)變換器I轉(zhuǎn)換的能量可以在負(fù)載向上跳變時(shí)通過線性電流源中的第一輔助晶體管Ql注入負(fù)載，從而提高負(fù)載向上跳變時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。同時(shí)，線性電流源還可以在負(fù)載向下跳變時(shí)從負(fù)載抽取電流(也即，對(duì)電流進(jìn)行分流)，從而提高負(fù)載向下跳變時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。第二開關(guān)變換器2,以相互并聯(lián)的方式連接在功率變換器的輸入端i和輸出端0之間。第二開關(guān)變換器2,的作用在于在負(fù)載穩(wěn)定時(shí)提供功率變換向負(fù)載輸出穩(wěn)定的輸出電壓。多個(gè)第二開關(guān)變換器21并聯(lián)的作用在于可以提供較大的電流。
[0050]同時(shí)，多個(gè)不同的第二開關(guān)變換器21可以分別受控于具有不同相位的恒壓控制信號(hào)輸出恒定電壓。這樣不同支路的第二開關(guān)變換器輸出的電流紋波具有不同的相位，從而使得相互疊加后的輸出電流的紋波最小化。
[0051]如圖1所示，第一開關(guān)變換器I和第二開關(guān)變換器2,均采用相同的降壓型拓?fù)?BUCK)。容易理解，由于第一開關(guān)變換器I是作為第一輔助晶體管Ql的前級(jí)直流-直流變換器，因此，其可以采用與第二開關(guān)變換器2,不同的降壓型拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)。同時(shí)，還容易理解，第一開關(guān)變換器I和第二開關(guān)變換器也可以根據(jù)需要采用升壓型拓?fù)?BOOST)或升降壓型拓?fù)?BUCK-B00ST)。在電路結(jié)構(gòu)上，第二開關(guān)變換器2i可以分別設(shè)置各自的輸出電容，也可以如圖1所示在輸出端共享同一個(gè)較大的輸出電容C2。必要時(shí)，如圖1所示，功率變換器還在輸入端設(shè)置輸入電容C3。
[0052]控制電路包括第一控制電路3和第二控制電路4。其中，第一控制電路3用于控制第一開關(guān)變換器I向所述中間端輸出第一輸出電壓Voi ο第二控制電路4用于控制所有的第二開關(guān)變換器21-2N受控輸出第二輸出電壓VQ2，并控制第一輔助晶體管Ql在負(fù)載向上跳變時(shí)工作于線性區(qū)，控制第二輔助晶體管Q2在負(fù)載向下跳變時(shí)工作于線性區(qū)。在負(fù)載穩(wěn)定時(shí)，第一輔助晶體管Ql和第二輔助晶體管Q2受控關(guān)斷，同時(shí)，在負(fù)載向上跳變時(shí)，第二輔助晶體管Q2受控關(guān)斷，在負(fù)載向下跳變時(shí)，第一輔助晶體管受控關(guān)斷。其中，第一輸出電壓…工高于第二輸出電壓Vc)2，優(yōu)選地，通過設(shè)置第一控制電路3的參考電壓(第一參考電壓Vref I)和第二控制電路4的參考電壓(第二參考電壓Vrrf2)使得第一輸出電壓Vcil略高于第二輸出電壓Vc)2。例如，控制第一輸出電壓Vo1超過第二輸出電壓Vo2的幅度在第二輸出電壓Vo2的50%以內(nèi)。由此，在第一輔助晶體管Ql工作于線性區(qū)時(shí)，電流由中間端m注入輸出端O，同時(shí)，在圖1中，由于第一輸出電壓Vo1低于采用降壓型拓?fù)涞牡谝婚_關(guān)變換器I的輸入電壓，因此，在工作于線性區(qū)時(shí)，第一輔助晶體管兩端的壓降為第一輸出電壓VodP第二輸出電壓Vo2的差值，在這一差值較小時(shí)，晶體管所造成的損耗也相應(yīng)下降。
[0053]其中，第一控制電路3根據(jù)第一參考電壓Vrefl和第一反饋電壓Vfbl控制第一開關(guān)變換器I。其中，第一反饋電壓Vfbi用于表征中間端m的電壓(也即第一開關(guān)變換器輸出的第一輸出電壓)。第一控制電路3可以采用各種現(xiàn)有的恒壓控制器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。
[0054]第二控制電路3根據(jù)第二參考電壓Vref2和第二反饋電壓Vfb2控制第二開關(guān)變換器
2。其中，第一參考電壓Vrrf1大于第二參考電壓Vrrf2，第二反饋電壓Vfb2用于表征所述功率變換器的輸出電壓(也即，第二輸出電壓)。
[0055]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，如圖2所示，第二控制電路4包括恒壓控制器41和輔助晶體管控制電路42。
[0056]恒壓控制器41的輸出端與第二開關(guān)控制器2,的控制端連接，用于根據(jù)第二參考電壓Vre3f2和第二反饋電壓Vfb2輸出至少一個(gè)恒壓控制信號(hào)Kl，所述恒壓控制信號(hào)Kl用于控制所述第二開關(guān)變換器輸出恒定的第二輸出電壓。在不采用多相控制的場(chǎng)合，恒壓控制器41對(duì)所有N個(gè)第二開關(guān)控制器輸出N個(gè)相位相同的恒壓控制信號(hào)。在采用多相控制的場(chǎng)合，恒壓控制器41向所有N個(gè)第二開關(guān)變換器輸出N個(gè)恒壓控制信號(hào)，其中，N個(gè)恒壓控制信號(hào)具有M個(gè)不同的相位(M小于等于N)。例如，對(duì)于具有6個(gè)并聯(lián)的第二開關(guān)變換器的情形，恒壓控制器41輸出6路恒壓控制信號(hào)，其分為三組具有三種不同的相位(此時(shí)M小于N)。又例如，對(duì)于具有6個(gè)并聯(lián)的第二開關(guān)變換器的情形，恒壓控制器41輸出6路恒壓控制信號(hào)，每一路均具有不同的相位(此時(shí)M等于N)。由此，可以使得第二開關(guān)控制器輸出的電流紋波相互補(bǔ)償。恒壓控制器41可以采用任何現(xiàn)有恒壓控制電路結(jié)構(gòu)。
[0057]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，第一控制電路3輸出的用于控制第一開關(guān)變換器的開關(guān)控制信號(hào)與所述N路恒壓控制信號(hào)的相位均不相同。
[0058]在圖2所示實(shí)施例中，第二控制電路4通過第二反饋電壓Vfb2來判斷負(fù)載是否出現(xiàn)跳變。在負(fù)載向上跳變時(shí)，負(fù)載電流增大，此時(shí)，由于功率變換器無法實(shí)現(xiàn)輸出功率的跳變，其輸出電壓Vo2會(huì)下降；在負(fù)載向下跳變時(shí)，負(fù)載電流減小，此時(shí)，由于功率變換器同樣無法瞬間減低輸出功率，其輸出電壓Vo2會(huì)上升。圖2所示電路正是利用這一特性來進(jìn)行操作。
[0059]輔助晶體管控制電路42用于根據(jù)第二反饋電壓Vfb2輸出第一控制信號(hào)Vqi和第二控制信號(hào)Vq2以分別控制第一輔助晶體管Ql和第二輔助晶體管Q2，使得在第二反饋電壓Vfb2下降超過第一閾值時(shí)第一輔助晶體管Ql工作在線性區(qū)且第二輔助晶體管Q2關(guān)斷，在第二反饋電壓Vfb2上升超過第二閾值時(shí)第一輔助晶體管Ql關(guān)斷且第二輔助晶體管Q2工作在線性區(qū)。
[0060]在圖2所示的實(shí)施方式中，輔助晶體管控制電路42包括第一跨導(dǎo)放大器GM1、第二跨導(dǎo)放大器GM2、第一電阻Rl和第二電阻R2。其中，第一跨導(dǎo)放大器GMl的同相輸入端輸入第二參考電壓Vref2，反相輸入端輸入第二反饋電壓Vfb2。第二跨導(dǎo)放大器GM2的同相輸入端輸入第二反饋電壓Vfb2，反相輸入端輸入第二參考電壓Vrrf2。第一電阻Rl連接在第一跨導(dǎo)放大器GMl的輸出端和功率變換器的輸出端ο之間。第二電阻R2連接在第二跨導(dǎo)放大器GM2的輸出端和接地端之間。第一跨導(dǎo)放大器GMl的輸出端電壓作為第一控制信號(hào)Vdi輸出到第一輔助晶體管Ql的柵極，也即，第一跨導(dǎo)放大器GMl的輸出端與第一輔助晶體管Ql的柵極連接，從而控制其工作狀態(tài)。第二跨導(dǎo)放大器GM2的輸出端電壓作為第二控制信號(hào)Vq2輸出到第二輔助晶體管Q2的柵極，也即，第二跨導(dǎo)放大器GM2的輸出端與第二輔助晶體管Q2的柵極連接，從而控制其工作狀態(tài)。由此，第一跨導(dǎo)放大器GMl輸出的第一控制信號(hào)Vq1等于(Vref2-Vfb2)*Gl*Rl+VQ2，其中Gl為第一跨導(dǎo)放大器GMl的增益，由于第一電阻Rl—端連接功率變換器的輸出端，因此，第一控制信號(hào)除了第一電阻Rl兩端的電壓降(Vref2-Vfb2)*Gl*Rl外還需要疊加輸出電壓VQ2。同時(shí)，由于第一輔助晶體管Ql的源極也與功率變換器的輸出端連接，因此，上述連接關(guān)系使得第一控制信號(hào)Vqi施加到第一輔助晶體管Ql的柵源電壓Vgs1S第一控制信號(hào)Vq1減去輸出電壓VQ2，也即，等于第一電阻兩端的電壓降，其與Vref2-Vfb2成比例，可以表征輸出電壓偏離特定閾值的程度。類似地，第二控制信號(hào)Vq2等于(Vfb2-Vref2)*G2*R2。同時(shí)，施加到第二輔助晶體管Q2的柵源電壓Vgs2等于第二控制信號(hào)Vq2可以表征輸出電壓上升偏離特定閾值的程度。
[0061]在第二反饋電壓Vfb2下降小于第二參考電壓Vre3f2時(shí)，第一控制信號(hào)Vqi施加到第一輔助晶體管Ql的柵源電壓乂⑶逐漸上升，此時(shí)由于未達(dá)到導(dǎo)通門限電壓，第一輔助晶體管Ql保持關(guān)斷。在第二反饋電壓Vfb2下降偏離第二參考電壓Vre3f2超過第一閾值時(shí)，第一輔助晶體管Ql的柵源電壓Vgs1I升到門限電壓，從而使得第一輔助晶體管Ql進(jìn)入線性區(qū)，通過電壓輸入端向功率變換器的輸出端注入電流。此時(shí)，由于Vfb2較小，Vfb2-Vrrf2為負(fù)值，第二控制信號(hào)Vq2為負(fù)，第二輔助晶體管Q2保持關(guān)斷。類似地，在第二反饋電壓Vfb2上升到大于第二參考電壓Vref2時(shí)，第二控制信號(hào)Vq2施加到第二輔助晶體管Q2的柵源電壓Vgs2逐漸上升，此時(shí)由于未達(dá)到導(dǎo)通門限電壓，第二輔助晶體管Q2保持關(guān)斷。在第二反饋電壓Vfb2上升到偏離第二參考電壓Vref2超過第二閾值時(shí)，第二輔助晶體管Q2的柵源電壓Vgs2上升到門限電壓，從而使得第二輔助晶體管Ql進(jìn)入線性區(qū)，從功率變換器的輸出端抽取/分流輸出電流，從而快速減小輸出功率。此時(shí)，由于Vfb2較大，Vrrf2-Vfb2為負(fù)值或較小值，第一控制信號(hào)Vq1為負(fù)，第一輔助晶體管Ql保持關(guān)斷。
[0062]根據(jù)以上分析可知，在輸出電壓偏離到什么程度時(shí)，啟動(dòng)第一或第二輔助晶體管進(jìn)入線性區(qū)由晶體管自身的門導(dǎo)通限電壓(第一輔助晶體管和第二輔助晶體管可以具有不同的門限電壓)、第一跨導(dǎo)放大器GMl和第二跨導(dǎo)放大器GM2的增益、第一電阻Rl和第二電阻R2的阻值以及第二參考電壓Vref2確定。第二參考電壓Vref2用于表征功率變換器的期望輸出電壓。由于功率變換器正常情況下工作在恒壓狀態(tài)，其輸出電壓穩(wěn)定在期望輸出電壓附近(僅會(huì)有極小的波動(dòng))。這可以使得第一控制信號(hào)Vqi和第二控制信號(hào)VQ2直接表征當(dāng)前輸入電壓偏離期望輸出電壓的程度。在圖2所示的電路中，第二參考電壓Vre3f2由同一個(gè)參考電壓源提供。該參考電壓源可以與恒壓控制器41共用，由此，可以提高電路的共用程度，一定程度減小電路規(guī)模。
[0063]優(yōu)選地，為了設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置的方便，第一跨導(dǎo)放大器GMl和第二跨導(dǎo)放大器GM2具有相同的增益，同時(shí)，第一電阻Rl和第二電阻R2具有相同的阻值。
[0064]圖3是本發(fā)明實(shí)施例的功率變換器的工作波形圖。如圖3所示，
[0065]在tl時(shí)刻，負(fù)載向上跳變時(shí)，負(fù)載電流增大，輸出電壓Vo2下降，此時(shí)，第一輔助晶體管Ql的驅(qū)動(dòng)電壓(也即第一控制信號(hào)Vq1)升高。在t2時(shí)刻，第一輔助晶體管Ql的驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到導(dǎo)通門限電壓，第一輔助晶體管Ql進(jìn)入線性區(qū)。第一輔助晶體管Ql進(jìn)入線性區(qū)后，流過的電流Iq3開始上升，并隨著輸出電壓跌落幅度的減小而逐漸減小直到t3時(shí)刻。在t3時(shí)刻，第一輔助晶體管Ql的驅(qū)動(dòng)電壓低于導(dǎo)通門限，第一輔助晶體管Ql關(guān)斷，電流降為零。
[0066]在t4時(shí)刻，負(fù)載向下跳變，負(fù)載電流Iumd減小，輸出電壓升高，此時(shí)第二輔助晶體管Q2的驅(qū)動(dòng)電壓(也即第二控制信號(hào)Vq2)升高。在t5時(shí)刻，第二輔助晶體管Q2的驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到導(dǎo)通門限，第二輔助晶體管Q2進(jìn)入線性區(qū)。第二輔助晶體管Q2進(jìn)入線性區(qū)后電流Iq2上升，并隨著輸出電壓下降的幅度逐漸減小直到t6時(shí)刻。在t6時(shí)刻，第二輔助晶體管Q2的驅(qū)動(dòng)電壓低于門限電壓，第二輔助晶體管Q2關(guān)斷，電流將為零。
[0067]本發(fā)明實(shí)施例通過在功率變換器中設(shè)置多個(gè)開關(guān)變換器，利用其中一個(gè)作為線性電流源的前級(jí)直流-直流變換器，將其輸出電壓控制在略高于負(fù)載電壓，并通過由兩個(gè)輔助晶體管構(gòu)成的線性電流源在負(fù)載跳變對(duì)負(fù)載進(jìn)行電流注入或電流分流。由此，可以提高電路響應(yīng)速度，同時(shí)，可以減小線性電流源導(dǎo)致的損耗，使得功率變換器仍能保持具有較小的損耗。
[0068]圖4是本發(fā)明實(shí)施例的第二控制電路的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的電路示意圖。圖4所示第二控制電路包括恒壓控制器41、輔助晶體管控制電路42和邏輯電路43。
[0069]其中，恒壓控制器41以及輔助晶體管控制電路42的結(jié)構(gòu)與圖2所示相同，在此不再贅述。
[0070]邏輯電路43與恒壓控制器41的輸出端和輔助晶體管控制電路42的輸出端連接，用于向每個(gè)所述第二開關(guān)變換器輸出對(duì)應(yīng)的開關(guān)控制信號(hào)，在第一控制信號(hào)Vq1和第二控制信號(hào)Vq2均指示關(guān)斷時(shí)將恒壓控制信號(hào)Kl1作為開關(guān)控制信號(hào)輸出，在第一控制信號(hào)VQ1指示工作在線性區(qū)時(shí)輸出使得開關(guān)變換器的主功率開關(guān)保持導(dǎo)通或保持為占空比最大的開關(guān)控制信號(hào)，在第二控制信號(hào)VQ2指示工作在線性區(qū)時(shí)輸出使得開關(guān)變換器的主功率開關(guān)保持關(guān)斷或保持為占空比最小的開關(guān)控制信號(hào)。
[0071]為了方便顯示，圖4中僅示出了一路控制信號(hào)。對(duì)于多路不同的第二開關(guān)變換器，可以通過設(shè)置多個(gè)并列的邏輯電路43來分別輸出對(duì)應(yīng)的開關(guān)控制信號(hào)。
[0072]在圖4所示的電路中，邏輯電路43包括第一比較器CMP1、第二比較器CMP2和邏輯組合電路LG。其中，第一比較器CMPI用于比較所述第一控制信號(hào)Vqi與第三閾值電壓Vth3，輸出第一比較信號(hào)SI。第二比較器CMP2用于比較第二控制信號(hào)Vq2與第四閾值電壓Vth4，輸出第二比較信號(hào)S2。第一比較信號(hào)SI可以表征當(dāng)前第一控制信號(hào)Vqi施加到第一輔助晶體管Ql的柵源電壓是否大于門限電壓，在圖2中，第三閾值電壓Vth3等于第一輔助晶體管Ql的門限電壓。第二比較信號(hào)S2可以表征當(dāng)前第二控制信號(hào)VQ2施加到第二輔助晶體管Q2的柵源電壓是否大于門限電壓，在圖2中，第四閾值電壓Vth4等于第二輔助晶體管Q2的門限電壓。
[0073]邏輯組合電路LG輸入第一比較信號(hào)S1、第二比較信號(hào)S2和恒壓控制信號(hào)Kl，在第一比較信號(hào)SI表征第一控制信號(hào)Vqi小于第三閾值電壓Vth3，且第二比較信號(hào)S2表征第二控制信號(hào)Vq2小于第四閾值電壓Vthdt輸出恒壓控制信號(hào)KI ο邏輯組合電路LG在第一比較信號(hào)SI表征第一控制信號(hào)Vq1大于第三閾值電壓Vth3時(shí)輸出表征導(dǎo)通的開關(guān)控制信號(hào)或占空比最高的開關(guān)控制信號(hào)Kl，在第二比較信號(hào)S2表征第二控制信號(hào)VQ2大于第四閾值電壓Vth4時(shí)輸出表征關(guān)斷的開關(guān)控制信號(hào)或占空比最低的開關(guān)控制信號(hào)。
[0074]在圖4所示的電路中，邏輯組合電路LG包括或門0R、非門NOT和與門AND?；蜷TOR的兩個(gè)輸入端分別輸入第一比較信號(hào)SI和恒壓控制信號(hào)Kl。非門NOT輸入端輸入第二比較信號(hào)S2，輸出端和與門AND的一個(gè)輸入端連接，與門AND的另一個(gè)輸入端與或門OR的輸出端連接。與門AND的輸出端用于輸出開關(guān)控制信號(hào)Κ21(3
[0075]在負(fù)載穩(wěn)定時(shí)，第一控制信號(hào)VQ1和第二控制信號(hào)VQ2均為較低的電平，輔助晶體管Ql和Q2均關(guān)斷。此階段中，邏輯電路23中的第一比較器CMPl和第二比較器CMP2也輸出低電平，因此，或門OR的輸出結(jié)果由恒壓控制信號(hào)Kl決定，與門AND的一個(gè)輸入端接收或門的輸出，另一個(gè)輸入端接收第二比較器CMP2的輸出信號(hào)的取反信號(hào)，由于第二比較器CMP2輸出低電平，取反后為高電平，因此與門AND的輸出結(jié)果由或門OR的輸出結(jié)果決定。如上所述，或門OR的輸出又由恒壓控制器21輸出的恒壓控制信號(hào)Kl決定，從而，與門AND的輸出結(jié)果，開關(guān)控制信號(hào)K2與恒壓控制信號(hào)Kl相同。由此，在電路正常工作時(shí)，功率級(jí)電路中的主功率開關(guān)由恒壓控制器21控制。在負(fù)載向上跳變時(shí)，反饋電壓Vfb下降，第一比較器CMPl輸出高電平，或門OR對(duì)應(yīng)輸出高電平，不受恒壓控制信號(hào)Kl影響。第二比較器CMP2輸出低電平，經(jīng)過取反后為高電平。由此，與門AND輸出的開關(guān)控制信號(hào)保持高電平，以控制主功率開關(guān)Q3持續(xù)導(dǎo)通。在負(fù)載向下跳變時(shí)，反饋電壓Vfb上升，第一比較器CMPl輸出低電平，或門OR的輸出由恒壓控制信號(hào)KI決定。但是，第二比較器CMP2輸出高電平，經(jīng)取反后為低電平。與門AND輸出的開關(guān)控制信號(hào)保持低電平，以控制主功率開關(guān)Q3持續(xù)關(guān)斷。
[0076]容易理解，在開關(guān)變換器I存在最大占空/最小占空比限制要求時(shí)，可以在邏輯電路的輸出端中增加最大占空/最小占空比限制電路，以在必要時(shí)提供具有最大占空比或最小占空比的開關(guān)控制信號(hào)。
[0077]在本實(shí)施方式中，通過在利用輔助晶體管注入電流時(shí)控制開關(guān)變換器的主功率開關(guān)保持導(dǎo)通或占空比最大，在通過輔助晶體管分流電流時(shí)控制開關(guān)變換器的主功率開關(guān)保持關(guān)斷或占空比最小，可以保證大部分電流從開關(guān)變換器流過，進(jìn)一步減小輔助晶體管引起的損耗，提尚系統(tǒng)效率。
[0078]圖5是本發(fā)明實(shí)施例的功率變換器的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的電路示意圖。與在實(shí)施方式不同，圖5所示的功率變換器的功率級(jí)電路僅具有一路第二開關(guān)變換器2。這使得圖5所示的電路可以應(yīng)用于負(fù)載電流較小，需要減小電路規(guī)模，節(jié)省成本的場(chǎng)合。第一開關(guān)變換器I由第一控制電路3控制輸出第一輸出電壓Vq1，第二開關(guān)變換器2由第二控制電路4控制輸出第二輸出電壓VQ2。通過調(diào)節(jié)第一控制電路3和第二控制電路4的參考電壓，可以使得第一輸出電壓Vo1略高于第二輸出電壓VQ2，從而可以降低第一輔助晶體管Ql的壓降，減小損耗。在本實(shí)施例中，第一控制電路3可以采用任何現(xiàn)有的恒壓控制器電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。第二控制電路2可以采用如上所述的各種電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。
[0079]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，本發(fā)明可以有各種改動(dòng)和變化。凡在本發(fā)明的精神和原理之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種功率變換器，包括: 第一開關(guān)變換器，連接在所述功率變換器的輸入端和中間端之間； 第一輔助晶體管，連接在所述中間端和所述功率變換器的輸出端之間； 第二輔助晶體管，連接在所述中間端和接地端之間； 至少一個(gè)第二開關(guān)變換器，并聯(lián)連接在所述功率變換器的輸入端和輸出端之間； 第一控制電路，用于控制所述第一開關(guān)變換器向所述中間端輸出第一輸出電壓；以及，第二控制電路，用于控制所有的第二開關(guān)變換器輸出第二輸出電壓，并控制第一輔助晶體管在負(fù)載向上跳變時(shí)工作于線性區(qū)，控制第二輔助晶體管在負(fù)載向下跳變時(shí)工作于線性區(qū)； 其中，所述第一輸出電壓高于所述第二輸出電壓。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率變換器，其特征在于，所述第一控制電路根據(jù)第一參考電壓和第一反饋電壓控制所述第一開關(guān)變換器;所述第二控制電路根據(jù)第二參考電壓和第二反饋電壓控制所述第二開關(guān)變換器;所述第一參考電壓大于所述第二參考電壓，所述第一反饋電壓用于表征中間端電壓，所述第二反饋電壓用于表征所述功率變換器的輸出電壓。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率變換器，其特征在于，所述第二控制電路包括: 恒壓控制器，用于根據(jù)第二參考電壓和第二反饋電壓向所述第二開關(guān)變換器輸出恒壓控制信號(hào)，所述恒壓控制信號(hào)適于控制所述第二開關(guān)變換器輸出恒定電壓； 輔助晶體管控制電路，用于根據(jù)第二反饋電壓輸出第一控制信號(hào)和第二控制信號(hào)以分別控制第一輔助晶體管和第二輔助晶體管，使得在所述第二反饋電壓下降超過第一閾值時(shí)所述第一輔助晶體管工作在線性區(qū)且所述第二輔助晶體管關(guān)斷，在所述第二反饋電壓上升超過第二閾值時(shí)所述第一輔助晶體管關(guān)斷且所述第二輔助晶體管工作在線性區(qū)。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率變換器，其特征在于，所述第二控制電路包括: 恒壓控制器，用于根據(jù)第二參考電壓和第二反饋電壓輸出恒壓控制信號(hào)，所述恒壓控制信號(hào)適于控制每個(gè)所述第二開關(guān)變換器輸出恒定電壓； 輔助晶體管控制電路，用于根據(jù)第二反饋電壓輸出第一控制信號(hào)和第二控制信號(hào)以分別控制第一輔助晶體管和第二輔助晶體管，使得在第二反饋電壓下降偏離所述第二參考電壓超過第一閾值時(shí)所述第一輔助晶體管工作在線性區(qū)且所述第二輔助晶體管關(guān)斷，在所述第二反饋電壓上升偏離所述第二參考電壓超過第二閾值時(shí)所述第一輔助晶體管關(guān)斷且所述第二輔助晶體管工作在線性區(qū)； 邏輯電路，與恒壓控制器的輸出端和所述輔助晶體管控制電路的輸出端連接，用于向每個(gè)所述第二開關(guān)變換器輸出對(duì)應(yīng)的開關(guān)控制信號(hào)，在第一控制信號(hào)和第二控制信號(hào)均指示關(guān)斷時(shí)將所述恒壓控制信號(hào)作為開關(guān)控制信號(hào)輸出，在第一控制信號(hào)指示工作在線性區(qū)時(shí)輸出使得開關(guān)變換器的主功率開關(guān)保持導(dǎo)通或保持為占空比最大的開關(guān)控制信號(hào)，在第二控制信號(hào)指示工作在線性區(qū)時(shí)輸出使得開關(guān)變換器的主功率開關(guān)保持關(guān)斷或保持為占空比最小的開關(guān)控制信號(hào)。5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的功率變換器，其特征在于，所述輔助晶體管控制電路包括: 第一跨導(dǎo)放大器，同相輸入端輸入第二參考電壓，反相輸入端輸入所述第二反饋電壓，輸出端輸出所述第一控制信號(hào)； 第二跨導(dǎo)放大器，同相輸入端輸入所述第二反饋電壓，反相輸入端輸入所述第二參考電壓，輸出端輸出所述第二控制信號(hào)； 第一電阻，連接在所述第一跨導(dǎo)放大器的輸出端和功率變換器的輸出端之間； 第二電阻，連接在所述第二跨導(dǎo)放大器的輸出端和接地端之間。6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的功率變換器，其特征在于，所述功率變換器包括N個(gè)第二開關(guān)變換器，N大于等于2; 所述恒壓控制器用于輸出具有M個(gè)不同相位的N路恒壓控制信號(hào)，所述N路恒壓控制信號(hào)用于分別控制對(duì)應(yīng)的第二開關(guān)變換器輸出恒定電壓，M小于等于N。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的功率變換器，其特征在于，所述第一控制器輸出的用于控制第一開關(guān)變換器的第一開關(guān)控制信號(hào)與所述N路恒壓控制信號(hào)的相位均不相同。8.一種功率變換器的功率級(jí)電路，包括: 第一開關(guān)變換器，連接在所述功率變換器的輸入端和中間端之間，受控向所述中間端輸出第一輸出電壓； 第一輔助晶體管，連接在所述中間端和所述功率變換器的輸出端之間，在負(fù)載向上跳變時(shí)受控工作于線性區(qū)； 第二輔助晶體管，連接在所述中間端和接地端之間，在負(fù)載向下跳變時(shí)受控工作于線性區(qū)； 至少一個(gè)第二開關(guān)變換器，并聯(lián)連接在所述功率變換器的輸入端和輸出端之間，所有所述第二開關(guān)變換器受控向所述中間端輸出第二輸出電壓； 所述第一輸出電壓高于所述第二輸出電壓。9.根據(jù)權(quán)利要求9所述的功率變換器，其特征在于，所述功率變換器包括N個(gè)第二開關(guān)變換器，N大于等于2; 所述N個(gè)第二開關(guān)變換器分別受控于具有M個(gè)不同相位的恒壓控制信號(hào)輸出恒定電壓，M小于等于N。
【文檔編號(hào)】H02M1/088GK105871181SQ201610324238
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年5月16日
【發(fā)明人】沈志遠(yuǎn)
【申請(qǐng)人】南京矽力杰半導(dǎo)體技術(shù)有限公司