專利名稱：開關直流－直流轉換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種開關DC-DC轉換器，包括集成控制電路，用于產生穩(wěn)定的直流輸出電壓。所述DC-DC轉換器具體包括電感器和二極管，以按照降壓轉換器、升壓轉換器或電壓反相轉換器操作。
背景技術：
因為開關模式電源提供的高效率，所以越來越多的開關穩(wěn)壓器用于DC-DC轉換，以產生穩(wěn)定的直流輸出電壓。由于具有簡單設計的新設備設計和低元件成本而使得相對于線性穩(wěn)壓器更多地使用開關穩(wěn)壓器。開關穩(wěn)壓器的另一個優(yōu)點是輸出電壓的增加的應用靈活性，所述輸出電壓可以小于、大于或極性相反于輸入電壓。
當使用單片集成控制電路時，僅僅需要一些電路元件來設計DC-DC轉換器。這種控制電路具體上包括內部溫度補償基準電壓、比較器、具有有源電流限制電路的受控占空比振蕩器、驅動器級和高電流輸出開關。一種公知的這種單片控制電路是例如由ON半導體元件工業(yè)公司制造的集成電路MC34063。
作為下變換器的這種DC-DC轉換器被示出在圖1中。所述DC-DC轉換器包括電感器L1、二極管D1和集成控制電路IC1，用于提供穩(wěn)定的DC輸出電壓U2。電感器L1具體上是線圈。在本申請中的控制電路IC1是集成電路MC34063A。
控制電路IC1包括基準電壓產生器RG和比較器CO，用于調節(jié)輸出電壓U2。它還包括振蕩器OS，它具有輸入端3，電容器C3與其耦接以用于限定振蕩器OS的振蕩頻率?？刂齐娐稩C1還包括邏輯電路LC和具有驅動器晶體管Q2和輸出開關Q1的輸出級，所述晶體管Q2驅動所述輸出開關Q1。比較器CO和振蕩器OS耦接到邏輯電路LC以操作輸出級。
控制電路IC1以輸入電壓U0而工作，所述輸入電壓U0耦接到控制電路IC1的電流輸入端1、6、7和8。經由耦接到控制電路IC1的端子6和7的低電阻電阻器R1而對DC-DC轉換器提供過載保護。輸出開關Q1使用電流輸入端1而耦接輸入電壓U0，并且使用電流輸出端2而耦接到線圈L1的第一端，用于提供用于線圈L1的操作的電壓U1。
續(xù)流二極管D1耦接在地和端子2之間。線圈L1以第二端耦接到輸出電容器C2，輸出電容器C2使得輸出電壓U2平滑。電壓U2經由分壓器、電阻器R3和R2與端子5而耦接到控制電路IC1的比較器CO，用于提供用于調節(jié)DC-DC轉換器的反饋回路FB。
如上所述的電路是公知的，并且在IC制造商的應用手冊中提出了類似的電路?？梢栽贖TTP//onsemi.com下在2002年4月的修訂本10的數(shù)據(jù)表中通過ON半導體元件公司獲得MC34063的詳細應用數(shù)據(jù)。按照所述數(shù)據(jù)表，MC34063的最大可允許開關電流是1.5A。
對于高于1.5A的峰值電流，DC-DC轉換器需要包括外部電源晶體管，如圖2和3所示。在附圖2中，NPN晶體管T1以電流輸入而耦接到輸入電壓U0和集成電路IC1的端子1。晶體管T1的基極端耦接到集成電路IC1的端子2，并且電流輸出耦接到電感器L1。輸出開關Q1因此作為晶體管T1的驅動器級操作。未示出的DC-DC轉換器的調節(jié)回路對應于圖1的調節(jié)回路。
電阻器R4將晶體管T1的基極端耦接到地。當阻斷輸出開關Q1時，也阻斷晶體管T1。當Q1轉換為導通時，晶體管T1也相應地導通，因此，輸出開關Q1僅僅提供用于晶體管T1的基極電流。通過晶體管T1的電流因此依賴于晶體管T1的電流放大系數(shù)而對應地較高。因此，通過晶體管T1的電流輸出而提供用于操作電感器T1的所有電流，于是，需要按照所需要的輸出功率來使用功率晶體管。
在圖3中，示出了DC-DC轉換器，它使用用于提供較高輸出功率的PNP晶體管T2。晶體管T1的電流輸入是發(fā)射極，它在本實施例中耦接到輸入電壓U0。電流輸出、即集電極耦接到電感器L1。電阻器R5將晶體管T2的基極端子耦接到輸入電壓U0，并且將電阻器R6耦接到集成電路IC1的端子1。集成電路IC1的端子2耦接到地。
圖3所示的DC-DC轉換器的操作類似于圖2的DC-DC轉換器的操作當集成電路IC1的輸出開關Q1轉換為導通時，電流通過開關Q1流過晶體管T2的發(fā)射極和基極，因此將晶體管T2轉換為導通。當Q1被阻斷時，晶體管T2也被阻斷，因為那時在晶體管Q2基極的電壓高。
在用于集成電路MC34063的數(shù)據(jù)表中描述了用于升壓轉換器和電壓反相轉換器的對應的應用。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供如上所述的一種低成本DC-DC轉換器，它具有擴展的功率范圍，特別在中等功率范圍內降低了用于集成控制電路的熱應力。
使用在權利要求1和2中指定的開關DC-DC轉換器來實現(xiàn)所述目的。在從屬權利要求中指定了本發(fā)明的有益實施例。
按照本發(fā)明的開關DC-DC轉換器包括電感器、二極管和具有用于產生輸出電壓的輸出開關的集成控制電路。所述輸出開關和二極管耦接到電感器，用于作為例如降壓轉換器、升壓轉換器或電壓反相轉換器操作。晶體管以控制輸入而耦接到輸出開關的電流輸入，以電流輸入而耦接到DC-DC轉換器的輸入電壓，并且以電流輸出而耦接到輸出開關的電流輸出。
在本發(fā)明的另一個方面，晶體管與控制電路的輸出開關并聯(lián)，用于提供用于電感器的操作的附加電流。所述電感器因此以兩個電流的和進行工作，一個電流由晶體管提供，第二個電流由集成控制電路的輸出開關提供。
可以經由一個阻抗來有益地調整在所述兩個電流之間的比率，所述阻抗耦接在所述晶體管的電流輸入和控制輸入之間，用于向集成控制電路的輸出開關的電流輸入提供電流，并且用于提供用于所述晶體管的控制電流。所述阻抗的值被選擇使得在低功率范圍內，跨接于所述阻抗上的電壓不足以打開所述晶體管。因此由輸出開關來全部提供電感器的操作的電流。
僅僅在高于或略為低于集成控制電路的所述規(guī)格的功率范圍中，所述阻抗上的電壓降足夠打開所述晶體管，因此將DC-DC轉換器的輸出功率范圍擴展到大于集成控制電路的指定電流的功率。具體上，在中間功率范圍中，可以使用低功率的晶體管類型，它比功率晶體管便宜得多。有益的是，所述晶體管可以也已經在一個功率范圍內開始導通，在所述功率范圍內，通過輸出開關的電流低于指定的最大電流，用于降低集成控制電路的熱應力。
參照示意附圖更詳細地說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述附圖示出了圖1現(xiàn)有技術的具有集成控制電路的開關DC-DC轉換器，所述轉換器作為降壓轉換器操作，圖2現(xiàn)有技術的降壓轉換器，包括用于提供較高的輸出電流的外部NPN晶體管，圖3現(xiàn)有技術的降壓轉換器，包括外部PNP晶體管，和圖4按照本發(fā)明的具有外部晶體管的降壓轉換器。
具體實施例方式
在圖4中，示出了開關DC-DC轉換器，它包括一輸入電壓U0耦接于其上的集成控制電路IC1、電源電壓輸入1、6和8。控制電路IC1例如是低成本的集成電路MC34063A。所述DC-DC轉換器還包括二極管D1、電感器L1——在這個實施例中是線圈——和反饋回路FB，它們被布置來作為降壓轉換器操作。DC-DC轉換器提供了輸出電壓U2，它經由反饋回路FB被穩(wěn)定。上述的電路至此對應于圖1所示的DC-DC轉換器。
按照本發(fā)明，晶體管T3與控制電路IC1的輸出開關Q1并聯(lián)，用于提供用于電感器L1的操作的附加電流I2?？刂齐娐稩C1包括輸出開關Q1，它提供用于電感器L1的操作的電流I1。經由阻抗R7來調整來自晶體管T3的電流I2，所述阻抗在這個實施例中是電阻器，它耦接在晶體管T3的電流輸入和控制輸入之間。電流I1和I2在電感器L1前的節(jié)點10被求和。
所述DC-DC轉換器的操作如下當晶體管Q2將輸出開關Q1轉換為導通時，電流流過阻抗R7和輸出開關Q1，產生電流I1。電阻器R7具有0.75歐姆的電阻值，這對于小于1安培的電流導致產生低于0.75伏特的電壓降。因此，對于低于1安培的電流I1，晶體管T3或多或少地被截止。對于高于1安培的電流，當輸出開關Q1被轉換為導通時電阻器R7上的電壓降高于0.75伏特——這導致晶體管T3的導通。因此，對于大于大約1安培的電流，對于電感器L1的操作提供附加電流I2。
因此，當使用與輸出開關Q1并聯(lián)的晶體管T3時，對于與大于1安培的電流相對應的較高功率范圍，降低了集成電路IC1的熱耗散。而且，對于對應于大約1.5安培的電流的功率范圍，通過控制電路IC1來提供輸出電流的主要部分。因此，在這個范圍中，晶體管T3的熱耗散仍然低，這使得可以使用低成本的晶體管，諸如BC327型晶體管。對于最大峰值電流1A和最大功耗0.6W，指定的這個晶體管。
對于輸出功率的進一步的擴展，可以與晶體管T3并聯(lián)幾個低成本的PNP晶體管，它們仍然比單個功率晶體管便宜。在本申請中，附加晶體管每個以電流輸入耦接到輸入電壓U0，以控制輸入耦接到端子1，并且以電流輸出耦接到集成電路IC1的端子2。
因此，圖4所示的DC-DC轉換器具有優(yōu)點與圖2和3的電路相比較，可以使用更小的外部晶體管，這導致具有降低的成本的DC-DC轉換器。
本發(fā)明不限于參照圖4所述的實施例，對于本領域的技術人員，可能在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下進行各種可用的修改。具體上，對于晶體管T3可以使用任何其他的晶體管，諸如場效應晶體管或任何其他的可控制開關元件。本發(fā)明也適用于升壓轉換器和電壓反相轉換器。
權利要求
1.開關DC-DC轉換器，包括電感器(L1)、二極管(D1)、晶體管(T3)和具有輸出開關(Q1)的集成控制電路(IC1)，所述輸出開關(Q1)和二極管(D1)耦接到電感器(L1)，用于提供DC輸出電壓(U2)，其特征在于，晶體管(T3)的電流輸入和電流輸出與輸出開關(Q1)的電流輸入(1)和電流輸出(2)并聯(lián)，用于提供用于電感器(L1)的操作的附加電流。
2.按照權利要求1的開關DC-DC轉換器，其中，在晶體管(T3)的輸入電壓(U0)和控制輸入之間耦接阻抗(R7)，用于限定通過晶體管(T3)的電流。
3.按照權利要求2的開關DC-DC轉換器，其中，選擇阻抗(R7)的電阻值，以便當輸出開關(Q1)的電流在控制電路(IC1)的規(guī)格內時阻斷晶體管(T3)。
4.按照權利要求2或3的開關DC-DC轉換器，其中，選擇阻抗(R7)的電阻值，以便晶體管(T3)在高于控制電路(IC1)的規(guī)格的、用于提供到電感器(L1)的電流的較高功率范圍內導通。
5.按照前述的權利要求之一的開關DC-DC轉換器，其中，晶體管(T3)是NPN晶體管、PNP晶體管或場效應晶體管，最好是低功率類型的，并且具有最大峰值電流1安培。
6.按照前述的權利要求之一的開關DC-DC轉換器，其中，所述控制電路(IC1)是集成的單片控制電路，包括內部參考電壓產生器(RG)、比較器(CO)、受控占空比振蕩器(OS)、耦接到輸出開關(Q1)的邏輯電路(LG)，比較器(10)的輸入與所述參考電壓產生器(RG)的參考電壓耦接。
7.按照前述權利要求之一的開關DC-DC轉換器，其中，電感器(L1)、二極管(D1)和集成控制電路(IC1)被布置來用于作為降壓轉換器、升壓轉換器或電壓反相轉換器操作。
8.按照權利要求7的開關DC-DC轉換器，其中，所述DC-DC轉換器還包括反饋回路(FB)，用于產生穩(wěn)定的DC輸出電壓(U2)。
9.按照權利要求8的開關DC-DC轉換器，其中，DC輸入電壓(U0)被施加到控制電路(IC1)的輸入(6，8，1)，控制電路(IC1)的輸出(2)耦接到電感器(L1)的第一端，電感器(L1)的第二端耦接到用于提供DC輸出電壓(U2)的輸出電容器(C2)，DC輸出電壓(U2)經由用于穩(wěn)定所述DC輸出電壓(U2)的反饋回路(FB)耦接到控制電路(IC1)的控制輸入(5)，二極管(D1)耦接在地和電感器(L1)的第一端之間，用于作為降壓轉換器操作。
全文摘要
開關DC－DC轉換器包括電感器(L1)、二極管(D1)、晶體管(T3)和具有輸出開關(Q1)的集成控制電路(IC1)。所述輸出開關(Q1)和二極管(D1)耦接到用于提供DC輸出電壓(U2)的電感器(L1)。晶體管(T3)以電流輸入耦接到輸入電壓(U0)，以控制輸入耦接到輸出開關(Q1)的電流輸入(1)，以電流輸出耦接到輸出開關(Q1)的電流輸出(2)。
文檔編號H02M3/155GK1716742SQ20051008212
公開日2006年1月4日 申請日期2005年6月29日 優(yōu)先權日2004年6月30日
發(fā)明者萊因哈德·凱格爾, 讓-保羅·洛弗爾 申請人:湯姆森特許公司