專利名稱：具有整體式磁性裝置的隔離式電壓調(diào)節(jié)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是涉及一種為處理器或存儲器提供低電壓與高電流的電壓調(diào)節(jié)器，尤其是指一種具整體式磁性裝置的隔離式高輸入電壓調(diào)節(jié)器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代的處理器是在一極低電壓與一高電流的條件下操作，以符合更快速、更具效率的數(shù)據(jù)處理需求。電壓調(diào)節(jié)器組件(Voltage Regulator Module，VRM)即用于提供微處理器電力。
請參考圖1，其為具有至少兩個交錯通道的一交錯式同步降壓型拓?fù)洳季?，被廣泛地運(yùn)用于5伏特/12伏特輸入電壓調(diào)節(jié)器組件中。每一鄰接的交錯通道之間的相位差是360度除以交錯通道數(shù)量后所得的商值。
圖2是顯示出圖1中所示的交錯式同步降壓型轉(zhuǎn)換器的一基本單元。一輸入電容器210的一直流電壓輸入端Vin是經(jīng)由一整流器電路201而連接至輸出導(dǎo)線211，且該輸出導(dǎo)線211連接至一輸出電容212。整流器電路201包含有一高壓側(cè)金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管(MOSFET)213、一低壓側(cè)MOSFET 215、及作為一輸出電感器用的一磁性裝置214。低壓側(cè)MOSFET 215的漏極是由高壓側(cè)MOSFET 213的源極及電感器214的輸入端216連接著，以提供一續(xù)流(freewheeling)電流。當(dāng)高壓側(cè)MOSFET 213閉合且低壓側(cè)MOSFET 215斷開時，輸入端216上具有一高位準(zhǔn)，且通過高壓側(cè)MOSFET 213及電感器214而為負(fù)載提供電流。當(dāng)高壓側(cè)MOSFET213斷開且低壓側(cè)MOSFET 215閉合時，輸入端216上具有一低位準(zhǔn)，且電流通過低壓側(cè)MOSFET 215及電感器214而依慣性流動。因此輸出電感器214的輸入端216上具有一方波型電壓。
一般而言，大多數(shù)電壓調(diào)節(jié)器組件的輸入電壓為5伏特或12伏特，且輸出電壓是低于3.3伏特。一交錯式同步降壓型轉(zhuǎn)換器及其他改進(jìn)的結(jié)構(gòu)業(yè)已廣泛地使用。一單一通道降壓型轉(zhuǎn)換器包括多個降壓型開關(guān)及一電感器。降壓型開關(guān)包含有一高壓側(cè)MOSFET，用于在一導(dǎo)通/非導(dǎo)通周期的第一時距期間自輸入端導(dǎo)通一負(fù)載電流，及一低壓側(cè)MOSFET，用于在不同于該第一時距的第二時距期間，使該負(fù)載電流依慣性自由流通。藉由電流漣波抵銷效應(yīng)，交錯技術(shù)可減小輸入與輸出濾波器兩者的大小尺寸，且改善該轉(zhuǎn)換器的暫態(tài)反應(yīng)。因此，該交錯式降壓型轉(zhuǎn)換器用于處理一高電流及高轉(zhuǎn)換速率(slew rate)的應(yīng)用場合。
然而，在12伏特或5伏特輸入電壓調(diào)節(jié)器組件中，高輸入電流會在輸入電源總線上造成高功率損失，且需要一大輸入濾波器來達(dá)成暫態(tài)需求。因此，可提出48伏特輸入總線作為另一選擇，以降低輸入電流及電源總線損失，且減少輸入濾波器的大小尺寸。
48伏特輸入電壓調(diào)節(jié)器組件需要隔離，其一基本解決方案是實(shí)施兩級式方法，其中首先是藉由一直流/直流轉(zhuǎn)換器將48伏特電壓轉(zhuǎn)換成一較低DC電壓，且接著再由一交錯式同步降壓型轉(zhuǎn)換器來完成后段能量轉(zhuǎn)換。但由于這種方案可能使用過多的半導(dǎo)體及至少兩個磁性裝置，因此具有過大的尺寸。因此，其不利于設(shè)計(jì)與應(yīng)用。
圖3所示的48伏特輸入電壓調(diào)節(jié)器組件，是為已有技術(shù)中的一已有兩級式電壓調(diào)節(jié)器組件，其具有用于48伏特轉(zhuǎn)換至一低直流電壓的一前段半橋式轉(zhuǎn)換器304，及完成第二步驟電壓轉(zhuǎn)換的一后段交錯式同步降壓型轉(zhuǎn)換器303。明顯地，相較于12伏特電壓調(diào)節(jié)器組件拓?fù)洳季郑痉桨付嗍褂靡粋€前段轉(zhuǎn)換器304。因此，其需要更多的半導(dǎo)體磁性裝置及其他被動裝置。由于其需使用兩個控制器，因此其控制亦較為復(fù)雜?？傊?，該方案提高了電壓調(diào)節(jié)器組件的成本、輪廓及制造的復(fù)雜性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種用于一高壓輸入電壓調(diào)節(jié)器組件的新穎結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可相似于一簡單的降壓型轉(zhuǎn)換器，且可簡化48伏特輸入電壓調(diào)節(jié)器組件的設(shè)計(jì)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種類似于降壓型拓?fù)洳季郑沁\(yùn)用一整體式磁性裝置來實(shí)現(xiàn)如同一已有的降壓型轉(zhuǎn)換器中扼流圈者的一單一磁性裝置。該磁性裝置實(shí)際上是具有如一電源變壓器及一輸出扼流圈濾波器兩者的作用。為了便于驅(qū)動，高壓側(cè)同步整流器設(shè)置成與低壓同步整流器呈一共同接地方式。因此，整體式磁性裝置與兩個同步整流器構(gòu)成一整流器電路，正如一單一降壓型轉(zhuǎn)換器一般。倘若利用一共振重置順向式(resonant resetforward)，則需要多一個開關(guān)來提供一期待的交流電壓至整流器電路初級繞組。事實(shí)上，在12伏特或5伏特輸入電壓調(diào)節(jié)器組件降壓型拓?fù)洳季植徽２僮髌陂g，亦需要該開關(guān)來隔離輸入電壓。因此，本方案具有相似于一降壓型轉(zhuǎn)換器的一極簡單結(jié)構(gòu)，且亦可保持一普通48伏特輸入電壓調(diào)節(jié)器組件的優(yōu)點(diǎn)。而且，亦可使用其他拓?fù)洳季帧?br> 為了供應(yīng)更高的負(fù)載電流，可并聯(lián)地配置兩整流器電路。該結(jié)構(gòu)使繞組電流下降一半，且因此減少總銅損。
該整流器電路亦可在轉(zhuǎn)換器初級側(cè)中串聯(lián)地配置。如此可降低變壓器的匝數(shù)比，且因此可改善變壓器的耦合。良好的耦合有利于降低漏磁電感，且因此縮短一輸出電流換向時的死區(qū)時間(dead time)。當(dāng)體二極管的導(dǎo)通時間縮短時，可提高總效率。為進(jìn)一步說明本發(fā)明的上述目的、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和效果，以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。


圖1是已有技術(shù)中廣泛地用于5伏特/12伏特輸入電壓調(diào)節(jié)器組件中的一交錯式同步降壓型拓?fù)洳季帧?br> 圖2是已有技術(shù)的一交錯式同步降壓型拓?fù)洳季只締卧囊缓唵瓮浇祲盒屯負(fù)洳季帧?br> 圖3是已有技術(shù)的具有一前段半橋式轉(zhuǎn)換器及一后段交錯式同步降壓型轉(zhuǎn)換器的兩級式48伏特輸入電壓調(diào)節(jié)器組件。
圖4是本發(fā)明用于48伏特的電壓調(diào)節(jié)器組件，其是利用整體式磁性結(jié)構(gòu)、交錯技術(shù)及同步整流。
圖5是圖4所示的基本單元。
圖6是包括兩個并聯(lián)整流器的一改進(jìn)式基本單元。
圖7是具有兩個整流器的另一改進(jìn)式基本單元，其中該兩整流器是在次級側(cè)中并聯(lián)且在初級側(cè)中串聯(lián)。
圖8是本發(fā)明在初級側(cè)中具有共同拓?fù)洳季值囊皇疽鈭D。
具體實(shí)施例方式
盡管本發(fā)明可允許眾多不同形式的具體實(shí)施例，然而下面將詳細(xì)描述且圖解一較佳具體實(shí)施例。本說明書是用于解說發(fā)明原理，而不應(yīng)視為用于將本發(fā)明的廣泛構(gòu)想局限于上述特殊具體實(shí)施例的限制。
請參考圖4，其顯示出本發(fā)明的具有一簡單電路、低輪廓及低成本的解決方案。在這種拓?fù)洳季种?，交錯通道的數(shù)量是至少兩個，且每一鄰接的交錯通道之間的相位差是360度除以交錯通道數(shù)量后所得的商值。
圖5是顯示出用于本發(fā)明拓?fù)洳季值囊换締卧Ｒ惠斎腚娙萜?10處的一DC電壓Vin是連接至一開關(guān)511，且經(jīng)由一整流器電路502而連接至輸出導(dǎo)線。在整流器電路502中，變壓器513是集成于輸出電感器514中。因此其包含有正如同降壓型整流器電路中者一般的一磁性裝置501。兩個同步整流開關(guān)亦用于該整流器電路中。為了便于驅(qū)動，可將整流開關(guān)515設(shè)置成與續(xù)流開關(guān)516呈一共同接地方式。當(dāng)需要將一初級側(cè)能量轉(zhuǎn)移至次級側(cè)時，整流開關(guān)515閉合且續(xù)流開關(guān)516斷開，而使終端520上具有一高位準(zhǔn)。當(dāng)不需要任何初級側(cè)能量時，整流開關(guān)515斷開且續(xù)流開關(guān)516閉合，而使終端520上具有一低位準(zhǔn)。因此終端520上具有正如同圖2中的終端216一般的一方波。電源開關(guān)511是在接通(ON)階段期間，提供整個電路輸出的能量。當(dāng)電源開關(guān)511處于斷開(OFF)狀態(tài)期間，一電容器512是與電源開關(guān)511分流，以在一共振重置順向式轉(zhuǎn)換器中實(shí)施變壓器513磁性重置。事實(shí)上，整個電路僅具有額外一個開關(guān)，用于正常操作下的開關(guān)操作。因此，本發(fā)明所提出的電路中所用元件的數(shù)目與12伏特或5伏特輸入降壓型電壓調(diào)節(jié)器組件幾乎完全相同。該兩者皆具有三個切換用MOSFET、一磁性裝置及濾波電容器。
圖6是顯示用于本發(fā)明拓?fù)洳季值牧硪换締卧?。其更適合于一高輸出電流的應(yīng)用場合。在本拓?fù)洳季种?，兩整流器電路在初級?cè)與次級側(cè)皆互相并聯(lián)。
圖7是顯示用于本發(fā)明拓?fù)洳季值挠忠换締卧?。在本拓?fù)洳季种校髌麟娐肥窃诔跫墏?cè)中串聯(lián)且在次級側(cè)中并聯(lián)。這種結(jié)構(gòu)可保持高輸出電流的能力。而且，初級側(cè)中的串聯(lián)結(jié)構(gòu)可減少變壓器的匝數(shù)比，而因此改進(jìn)變壓器的耦合。良好的耦合有利于低漏磁電感及減少輸出電流換向時的死區(qū)時間。因此，轉(zhuǎn)換器的效率得以提升。
如圖8所示，其他電路亦可在初級側(cè)中，提供整流器電路一期待的AC電壓。該電路可以為主動箝位(active-clamp)順向式、雙開關(guān)共振重置順向式、雙開關(guān)主動箝位順向式或其他拓?fù)洳季?。所有方式的布局皆可在主開關(guān)閉合時的第一時距期間，對整流器電路提供一正電壓；及在不同于該第一時距的一第二時距期間重置磁性裝置。
雖然本發(fā)明已參照當(dāng)前的具體實(shí)施例來描述，但是本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，以上的實(shí)施例僅是用來說明本發(fā)明，在沒有脫離本發(fā)明精神的情況下還可作出各種等效的變化和修改，因此，只要在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神范圍內(nèi)對上述實(shí)施例的變化、變型都將落在本發(fā)明權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種隔離式電壓調(diào)節(jié)器，包括一整體式磁性裝置，用于實(shí)行變壓器及輸出扼流圈濾波器兩功能，其包括一第一變壓器，具有一第一初級繞組及一第一次級繞組；一第二變壓器，具有一第二初級繞組及一第二次級繞組；一第一扼流圈濾波器，具有連結(jié)至該第一次級繞組的一第一終端的一端；及一第二扼流圈濾波器，具有連結(jié)至該第二次級繞組的一第一終端的一端，且該第二扼流圈濾波器的另一端是連結(jié)至該第一扼流圈濾波器的另一端，以形成該隔離式電壓調(diào)節(jié)器的輸出端；一第一開關(guān)，具有連接至該第一次級繞組的該第一終端的一第一電極，及接地的一第二電極；一第二開關(guān)，具有連接至該第一次級繞組的一第二終端的一第一電極，及接地的一第二電極；一第三開關(guān)，具有連接至該第二次級繞組的該第一終端的一第一電極，及接地的一第二電極；及一第四開關(guān)，具有連接至該第二次級繞組的一第二終端的一第一電極，及接地的一第二電極。
2.如權(quán)利要求1所述的隔離式電壓調(diào)節(jié)器，其特征在于該第一次級繞組、該第一扼流圈濾波器、該第一開關(guān)及該第二開關(guān)，是形成一降壓型整流器電路。
3.如權(quán)利要求1所述的隔離式電壓調(diào)節(jié)器，其特征在于該第二次級繞組、該第二扼流圈濾波器、該第三開關(guān)及該第四開關(guān)，是形成一降壓型整流器電路。
4.如權(quán)利要求1所述的隔離式電壓調(diào)節(jié)器，其特征在于該隔離式電壓調(diào)節(jié)器是一交錯式同步降壓型轉(zhuǎn)換器。
5.如權(quán)利要求1所述的隔離式電壓調(diào)節(jié)器，其特征在于該隔離式電壓調(diào)節(jié)器還包括一第一主開關(guān)，其是與連接至該第一初級繞組的一第一電容器并聯(lián)，及一第二主開關(guān)，其是與連接至該第二初級繞組的一第二電容器并聯(lián)。
6.如權(quán)利要求1所述的隔離式電壓調(diào)節(jié)器，其特征在于該第一初級繞組是并聯(lián)該第二初級繞組；及/或該隔離式電壓調(diào)節(jié)器還包括一主開關(guān)，其是與連接至該第一初級繞組及該第二初級繞組的一電容器并聯(lián)。
7.如權(quán)利要求1所述的隔離式電壓調(diào)節(jié)器，其特征在于該第一初級繞組是串聯(lián)該第二初級繞組；該隔離式電壓調(diào)節(jié)器還包括一主開關(guān)，其是與連接至該第二初級繞組的一電容器并聯(lián)。
8.如權(quán)利要求1所述的隔離式電壓調(diào)節(jié)器，其特征在于一主動箝位順向式電路、一雙開關(guān)共振重置順向式電路及一雙開關(guān)主動箝位順向式電路其中之一，是連接至該第一初級繞組。
9.如權(quán)利要求1所述的隔離式電壓調(diào)節(jié)器，其特征在于該隔離式電壓調(diào)節(jié)器還包括連結(jié)至該隔離式電壓調(diào)節(jié)器的該輸出端的一電容器濾波器。
10.一種包括多個通道的交錯式電壓調(diào)節(jié)器，每一該通道皆包括一共用整體式磁性裝置，用于實(shí)現(xiàn)變壓器及輸出扼流圈濾波器兩功能，其包括一變壓器及一扼流圈濾波器，該扼流圈濾波器具有連結(jié)至該變壓器的一第一次級繞組的第一終端的一端；以及一第一開關(guān)，具有連接至該第一次級繞組的該第一終端的一第一電極，及接地的一第二電極；及一第二開關(guān)，具有連接至該第一次級繞組的第二終端的一第一電極，及接地的一第二電極，其中該次級繞組、該扼流圈濾波器、該第一開關(guān)及該第二開關(guān)是形成一整流器電路。
11.如權(quán)利要求10所述的隔離式電壓調(diào)節(jié)器，其特征在于該第一開關(guān)及該第二開關(guān)是兩個同步整流開關(guān)。
12.一種包括多個通道的交錯式降壓型轉(zhuǎn)換器，每一該通道皆包括一共用整體式磁性裝置，用于實(shí)現(xiàn)變壓器及輸出扼流圈濾波器兩功能，其包括一變壓器，及一扼流圈濾波器，該扼流圈濾波器具有連結(jié)至該變壓器的一第一次級繞組的第一終端的一端；以及一第一開關(guān)，具有連接至該第一次級繞組的該第一終端的一第一電極，及接地的一第二電極；及一第二開關(guān)，具有連接至該第一次級繞組的第二終端的一第一電極，及接地的一第二電極，其中該次級繞組、該扼流圈濾波器、該第一開關(guān)及該第二開關(guān)是形成一整流器電路。
全文摘要
一種用于高壓輸入電壓調(diào)節(jié)器組件的結(jié)構(gòu)，它是一交錯式電壓調(diào)節(jié)器，包括用于實(shí)現(xiàn)變壓器及輸出扼流圈濾波器兩功能的一整體式磁性裝置、一第一開關(guān)、一第二開關(guān)、一第三開關(guān)及一第四開關(guān)。整體式磁性裝置包括一變壓器，具有一第一和第二初級繞組、一第一和一第二次級繞組；一第一扼流圈濾波器，具有連結(jié)至第一次級繞組第一終端的一端；以及一第二扼流圈濾波器，具有連結(jié)至第二次級繞組第一終端的一端，第二扼流圈濾波器的另一端連結(jié)至第一扼流圈濾波器另一端以形成隔離式電壓調(diào)節(jié)器的輸出端。第一開關(guān)、第二開關(guān)、第一扼流圈濾波器、第一次級繞組構(gòu)成一同步整流器電路。第三開關(guān)、第四開關(guān)、第二扼流圈濾波器及第二次級繞組構(gòu)成另一同步整流器電路。
文檔編號H02M3/335GK1574581SQ20041003990
公開日2005年2月2日 申請日期2004年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月20日
發(fā)明者李文華, 柯忠偉, 黃貴松, 章進(jìn)法 申請人:臺達(dá)電子工業(yè)股份有限公司