專(zhuān)利名稱：開(kāi)關(guān)模式電源的有源阻尼控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
以下所述的本發(fā)明的實(shí)施方式通常涉及開(kāi)關(guān)模式電源和開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器，特別是涉及用于抑制由寄生元件導(dǎo)致的電路噪聲的方法及裝置。
背景技術(shù)：
由于效率高，開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)廣泛應(yīng)用于功率電子電路中，例如CPU、DRAM和ASIC中。與線性調(diào)節(jié)器中所用的功率器件不同，SMPS中的功率器件用作接通(ON)或斷開(kāi)(OFF)開(kāi)關(guān)部件。因此，可使傳導(dǎo)功率損耗(conduction power loss)最小化。但是，由于如下原因中的至少其中之一，這些功率器件的開(kāi)關(guān)動(dòng)作通常將導(dǎo)致有害的高頻振蕩a.電路板布圖及功率器件封裝中的寄生電感；b.功率開(kāi)關(guān)器件中同有的寄生電容；以及c.電容器中的串聯(lián)電阻或電感。
SMPS通常包括至少兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件，其中有源控制第一器件以調(diào)節(jié)輸出電壓。第一器件通常稱為“主開(kāi)關(guān)”。第二器件通常稱為“整流器”，其可以無(wú)源或有源控制。通常觀測(cè)到的一個(gè)高頻振蕩位于任一上述功率器件的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)處。由于此振蕩頻率比正常開(kāi)關(guān)頻率高得多，正常設(shè)置的感應(yīng)器和電容器的濾波網(wǎng)絡(luò)不能有效抑制該振鈴(ringing)。因而，在輸出中會(huì)出現(xiàn)高頻波紋(ripple)，導(dǎo)致可能發(fā)生電磁干擾(EMI)。在現(xiàn)有技術(shù)中，通常采用無(wú)源RC“緩沖電路”(“snubber”)來(lái)抑制所述振鈴問(wèn)題。盡管有些效果，但RC緩沖電路明顯增加了功率損耗。
由于效率高，SMPS廣泛應(yīng)用于ASIC、DRAM及其它電子器件中。SMPS拓?fù)?topology)的選擇需要考慮輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系。一個(gè)實(shí)例是便攜裝置，例如數(shù)碼相機(jī)，其使用單節(jié)鋰離子電池為3.3V軌(rail)供電，在充電之后電池電壓約為4.2V，而在數(shù)碼相機(jī)停止工作之前下降到約2.7V。盡管其大小和重量有限，在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中也需要適當(dāng)?shù)男?，以使電池的使用壽命最大化。這種應(yīng)用要求在輸入電壓大于、小于或等于輸出電壓的情況下SMPS均可以高效且自動(dòng)地運(yùn)行。
如果輸入電壓保持大于輸出電壓，則僅可使用“降壓”(“buck”)變換器。相反，如果輸入電壓總是保持小于輸出電壓，則僅可使用“升壓”(“boost”)變換器。公知的“降壓—升壓”(“buck-boost”)變換器可在輸入電壓大于、小于或等于輸出電壓的情況下自動(dòng)運(yùn)行，但不能在較寬范圍的輸入電壓內(nèi)保持高效率。只有當(dāng)輸入電壓接近輸出電壓時(shí)，降壓—升壓變換器才具有適當(dāng)?shù)男?，但是?dāng)輸入電壓大于輸出電壓時(shí)，降壓—升壓變換器的效率比降壓變換器小得多，而當(dāng)輸入電壓小于輸出電壓時(shí)，降壓—升壓變換器的效率又比升壓變換器小得多。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種開(kāi)關(guān)模式電源，其使用有源控制阻尼器件，用于抑制由寄生元件產(chǎn)生的電路噪聲及振鈴，該開(kāi)關(guān)模式電源包括第一和第二輸入電壓端口，用于將輸入電壓連接至該開(kāi)關(guān)模式電源；第一和第二輸出電壓端口，用于將負(fù)載連接至該開(kāi)關(guān)模式電源的已調(diào)節(jié)輸出電壓，其中在該第一與第二輸出電壓端口之間連接一輸出電容器；輸出電感器，其中該輸出電感器的第二端連接至該第一輸出電壓端口；開(kāi)關(guān)SW，其第一端連接至該第一輸入電壓端口，第二端連接至該輸出電感器的第一端；整流器，其第一端連接至該開(kāi)關(guān)SW的第二端，第二端連接至該第二輸入電壓端口及第二輸出電壓端口；以及可控電阻器，連接在該開(kāi)關(guān)SW的第一端與第二端之間或該整流器的第一端與第二端之間，其中該可控電阻器被控制如下當(dāng)該開(kāi)關(guān)SW接通時(shí)，該可控電阻器的電阻值大(開(kāi)路)；以及當(dāng)該開(kāi)關(guān)SW斷開(kāi)時(shí)，該可控電阻器改變以使振鈴的振幅和設(shè)置時(shí)間最小化。
其中，通過(guò)監(jiān)測(cè)該開(kāi)關(guān)SW的第二端的波形、通過(guò)測(cè)量該輸出電感器的電流、或通過(guò)對(duì)該可控電阻器的值預(yù)先編程，控制該可控電阻器，以在正常工作過(guò)程中使阻尼效應(yīng)最大化并使額外功率損耗最小化。
其中，該可控電阻器在振鈴開(kāi)始時(shí)電阻值較小以使阻尼效應(yīng)最大化，而在接近振鈴結(jié)束時(shí)電阻值較大以使額外功率損耗最小化，以及其中在該可控電阻器與該開(kāi)關(guān)并聯(lián)時(shí)，該開(kāi)關(guān)SW被驅(qū)動(dòng)到線性區(qū)中以抑制振鈴。
其中，對(duì)于高輸出電流或低輸出電壓應(yīng)用，低傳導(dǎo)降可控功率半導(dǎo)體器件(同步整流器)作為該整流器。
其中，該同步整流器用作常規(guī)同步開(kāi)關(guān)和有源阻尼電阻器。
其中，由同步開(kāi)關(guān)SS替代該整流器和并聯(lián)連接至該整流器的可控電阻器。
其中，在輕負(fù)載下，開(kāi)關(guān)SW和同步開(kāi)關(guān)SS被控制如下開(kāi)關(guān)SW接通，同步開(kāi)關(guān)SS斷開(kāi)，以增加該輸出電感器的電流；開(kāi)關(guān)SW斷開(kāi)，同步開(kāi)關(guān)SS接通，以減小該輸出電感器的電流；以及在該輸出電感器的電流為0或?yàn)樨?fù)值之后，同步開(kāi)關(guān)SS從接通狀態(tài)變換為線性狀態(tài)，以提供高于正常接通狀態(tài)的電阻但低于斷開(kāi)電阻的電阻。
其中，該可控電阻器被預(yù)設(shè)或調(diào)整為在振鈴的開(kāi)始時(shí)電阻較低而在振鈴結(jié)束時(shí)電阻較高，以抑制振鈴。
其中，在輕負(fù)載下，開(kāi)關(guān)SW和同步開(kāi)關(guān)SS被控制如下開(kāi)關(guān)SW接通，同步開(kāi)關(guān)SS斷開(kāi)，以增加該輸出電感器的電流；開(kāi)關(guān)SW斷開(kāi)，同步開(kāi)關(guān)SS接通，以減小該輸出電感器的電流；以及在該輸出電感器的電流為0或?yàn)樨?fù)值之后，同步開(kāi)關(guān)SS斷開(kāi)而開(kāi)關(guān)SW從斷開(kāi)狀態(tài)變換為線性狀態(tài)，以提供高于正常接通狀態(tài)的電阻但低于斷開(kāi)電阻的電阻。
其中，由電流源Id替代該可控電阻器，以及其中該電流源Id被控制如下當(dāng)開(kāi)關(guān)SW接通時(shí)，Id為0；以及當(dāng)開(kāi)關(guān)SW斷開(kāi)時(shí)，該電流源Id改變，以使振鈴的振幅和設(shè)置時(shí)間最小化。
其中，對(duì)于高輸出電流或低輸出電壓應(yīng)用，同步整流器作為該整流器。
其中，通過(guò)監(jiān)測(cè)該開(kāi)關(guān)SW的第二端的波形、通過(guò)測(cè)量該輸出電感器的電流、或通過(guò)對(duì)該電流源Id的值預(yù)先編程，控制該電流源Id，以在正常工作過(guò)程中使阻尼效應(yīng)最大化并使額外功率損耗最小化，以及其中在該電流源Id與該開(kāi)關(guān)SW并聯(lián)時(shí)，該開(kāi)關(guān)SW被驅(qū)動(dòng)到線性區(qū)中而作為抑制振鈴的有源阻尼器件。
其中，在輕負(fù)載下，開(kāi)關(guān)SW和同步開(kāi)關(guān)SS被控制如下開(kāi)關(guān)SW接通，同步開(kāi)關(guān)SS斷開(kāi)，以增加該輸出電感器的電流；開(kāi)關(guān)SW斷開(kāi)，同步開(kāi)關(guān)SS接通，以減小該輸出電感器的電流；以及在該輸出電感器的電流為0或?yàn)樨?fù)值之后，同步開(kāi)關(guān)SS從接通級(jí)變換為線性級(jí)，以使低于正常接通級(jí)的電流但高于斷開(kāi)電流的電流通過(guò)。
其中，在輕負(fù)載下，開(kāi)關(guān)SW和同步開(kāi)關(guān)SS被控制如下開(kāi)關(guān)SW接通，同步開(kāi)關(guān)SS斷開(kāi)，以增加該輸出電感器的電流；開(kāi)關(guān)SW斷開(kāi)，同步開(kāi)關(guān)SS接通，以減小該輸出電感器的電流；以及在該輸出電感器的電流為0或?yàn)樨?fù)值之后，同步開(kāi)關(guān)SS斷開(kāi)而開(kāi)關(guān)SW從斷開(kāi)級(jí)變換為線性級(jí)，以使低于正常接通級(jí)的電流但高于斷開(kāi)電流的電流通過(guò)。
其中，該第二輸出電壓端口接地。
本發(fā)明還提出一種開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器，其使用有源控制阻尼器件，用于抑制電路噪聲及寄生振鈴，該開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器包括第一和第二輸入電壓端口，用于將輸入電壓連接至該開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器，其中在該第一輸入電壓端口與第二輸入電壓端口之間連接一輸入電容器；第一和第二輸出電壓端口，用于將負(fù)載連接至該開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的已調(diào)節(jié)輸出電壓，其中在該第一與第二輸出電壓端口之間連接輸出電容器；輸出電感器，其中該輸出電感器的第二端連接至該第一輸出電壓端口；第一三態(tài)功率器件，其第一端連接至該第一輸入電壓端口，第二端連接至該輸出電感器的第一端，其中該第一三態(tài)功率器件能夠用作開(kāi)關(guān)器件和有源阻尼部件；第二三態(tài)功率器件，其第一端連接至該第一三態(tài)功率器件的第二端，第二端連接至該第二輸入電壓端口及第二輸出電壓端口，其中該第二三態(tài)功率器件能夠用作開(kāi)關(guān)器件和有源阻尼部件；以及控制電路，該控制電路有源控制該第一三態(tài)功率器件的工作狀態(tài)以基于輸出電壓反饋調(diào)整該輸出電壓，以及檢測(cè)包含導(dǎo)致寄生振鈴的狀態(tài)的電路工作狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)所述功率器件進(jìn)入其線性區(qū)以便有源地阻尼振鈴，以及其中所述功率器件中的至少一個(gè)設(shè)計(jì)為工作于接通、斷開(kāi)和線性區(qū)；以及該第一和第二功率器件輪流改變工作狀態(tài)，以驅(qū)動(dòng)輸出電感器。
其中，該輸出電壓端口用作輸入電壓端口，該輸入電壓端口用作輸出電壓端口。
其中，該第二三態(tài)功率器件與該輸出電感器交換位置。
本發(fā)明還提出一種開(kāi)關(guān)模式電源，其使用有源控制阻尼器件，用于抑制電路噪聲及寄生振鈴，該開(kāi)關(guān)模式電源包括第一和第二輸入電壓端口，用于將輸入電壓連接至該開(kāi)關(guān)模式電源，其中在該第一輸入電壓端口與第二輸入電壓端口之間連接一輸入電容器；第一和第二輸出電壓端口，用于將負(fù)載連接至該開(kāi)關(guān)模式電源的已調(diào)節(jié)輸出電壓，其中在該第一與第二輸出電壓端口之間連接一輸出電容器；第一三態(tài)功率器件及第一電感器，串聯(lián)連接于該第一和第二輸入電壓端口之間；第二三態(tài)功率器件及第二電感器，串聯(lián)連接于該第一和第二輸出電壓端口之間；橋接電容器，其耦合于該第一三態(tài)功率器件與該第一電感器的連接點(diǎn)和該第二三態(tài)功率器件與該第二電感器的連接點(diǎn)之間；以及控制電路，該控制電路有源控制該第一三態(tài)功率器件的工作狀態(tài)以基于輸出電壓反饋調(diào)整該輸出電壓，以及檢測(cè)包含導(dǎo)致寄生振鈴的狀態(tài)的電路工作狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)所述功率器件進(jìn)入其線性區(qū)以便有源地阻尼振鈴。
其中，每個(gè)功率器件能夠用作開(kāi)關(guān)器件和有源阻尼部件所述功率器件中的至少一個(gè)設(shè)計(jì)為工作于接通、斷開(kāi)和線性區(qū)；以及所述功率器件輪流改變電路工作狀態(tài)。


圖1A、1B和1C示出升壓電路及與該電路相關(guān)聯(lián)的兩個(gè)常見(jiàn)的振鈴的示意圖。
圖2示出抑制某些寄生振鈴的現(xiàn)有技術(shù)的RC緩沖方案(snubbingscheme)。
圖3示出寄生振鈴的等效電路，其為包括Lr和Cr的二次系統(tǒng)。
圖4示出按照本發(fā)明的實(shí)施例在常規(guī)(regular)降壓電路中使用有源阻尼電阻器抑制振鈴的方案。
圖5示出按照本發(fā)明另一實(shí)施例的簡(jiǎn)化同步降壓電路的示意圖。
圖6A-6C示出在同步降壓電路中本發(fā)明的實(shí)施例的工作級(jí)(stage)。
圖7A-7C示出在同步降壓電路中本發(fā)明的實(shí)施例的不同工作級(jí)。
圖8示出按照本發(fā)明的又一實(shí)施例在常規(guī)降壓電路中使用有源阻尼電流源抑制振鈴的方案。
圖9示出按照本發(fā)明又一實(shí)施例的簡(jiǎn)化同步降壓電路的示意圖。
圖10A-10C示出在同步降壓電路中的有源阻尼方案的實(shí)施例的工作級(jí)。
圖11A-11C示出在同步降壓電路中的有源阻尼方案的實(shí)施例的不同工作級(jí)。
圖12示出按本發(fā)明的另一實(shí)施例形成的降壓(step down)變換器的框圖。
圖13A至13E示出應(yīng)用本發(fā)明的方案至不同拓?fù)涞膶?shí)例。
圖14示出基于本發(fā)明的實(shí)施例的通用電路(generalized circuit)。
圖15示出現(xiàn)有技術(shù)的柵電壓(gate voltage)和本發(fā)明的實(shí)施例公開(kāi)的可控柵電壓及其對(duì)開(kāi)關(guān)輸出的作用。
具體實(shí)施例方式
這里公開(kāi)的實(shí)施例使用有源可控阻尼器件，例如可控電阻器、電流源和三態(tài)功率器件，以獲得適當(dāng)?shù)淖枘岵⑹构β蕮p耗最小化。
將說(shuō)明本發(fā)明的多種實(shí)施例。以下說(shuō)明提供完全理解并可實(shí)施所述實(shí)施例的具體細(xì)節(jié)。但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解在沒(méi)有許多所述細(xì)節(jié)的情況下，也可實(shí)施本發(fā)明。此外，某些公知結(jié)構(gòu)或功能可能不作詳細(xì)說(shuō)明，以避免多余的描述使得各實(shí)施例的相關(guān)說(shuō)明小清楚。
以下所做的說(shuō)明中的術(shù)語(yǔ)應(yīng)該以其合理的最寬的方式解釋?zhuān)词蛊渑c本發(fā)明的某具體實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明相關(guān)聯(lián)使用。下文可能進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)某些術(shù)語(yǔ)；但是，任何應(yīng)該以任何限制的方式解釋的術(shù)語(yǔ)將在本具體實(shí)施方式
部分明顯且具體地限定。
這里提出的本發(fā)明的實(shí)施例的說(shuō)明及其應(yīng)用不應(yīng)該認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的范圍的限定。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員理解可以改變及修改所述實(shí)施例，并可在實(shí)施中使用此處公開(kāi)的實(shí)施例的各種部件的替代物或等價(jià)物。所述公開(kāi)的實(shí)施例的改變和修改可在不偏離本發(fā)明的范圍和精神的情況下做出。
在以下說(shuō)明中，提出一些具體細(xì)節(jié)，以提供對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例的完全理解。具體地，在整個(gè)說(shuō)明中一直使用降壓電路。但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明可在沒(méi)有一個(gè)或更多具體細(xì)節(jié)的情況下，或在不同電路拓?fù)渲袑?shí)施，所述不同的電路拓?fù)浒ǖ幌抻谏龎骸⒒貟?flyback)、SPEIC、Zeta、正向(forward)、半橋、全橋、推挽電路等。在其它情況下，未示出或詳細(xì)說(shuō)明公知的實(shí)施或操作，以免使本發(fā)明的各實(shí)施例的其它方面不清楚。
圖1A示出簡(jiǎn)化的現(xiàn)有技術(shù)的降壓電路及兩個(gè)通常觀測(cè)到的寄生振鈴。當(dāng)該降壓電路中的主(頂部)開(kāi)關(guān)SW1接通(ON)時(shí)，由SW1、整流器D和輸入電容(input cap)CIN形成的回路區(qū)域的等效寄生電感與跨過(guò)整流器D的等效寄生電容諧振。此振鈴可引起開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)N產(chǎn)生較大的過(guò)沖(overshoot)VIN，導(dǎo)致高輸出開(kāi)關(guān)尖脈沖(switching spike)以及可能擊穿整流器D。所述振鈴的頻率非常高并可在輸出端顯示為開(kāi)關(guān)尖脈沖。圖1B的波形示出該現(xiàn)象。所述振鈴稱為情況1的振鈴。
如圖1C所示，在電感器的電流“不連續(xù)”之后，緊接在輕負(fù)載的情況后立即發(fā)生第二寄生振鈴，稱為情況2的振鈴。在這種情況下，輸出濾波電感器L與跨過(guò)整流器D的寄生電容諧振。圖2示出現(xiàn)有技術(shù)的抑制這些寄生振鈴的RC緩沖方案。
圖3示出寄生振鈴的等效電路，其為包括Lr和Cr的二次系統(tǒng)。Lr在情況1中為由SW1、D和CIN形成的回路的總漏電感，在情況2中為輸出電感L。Cr為跨過(guò)D的等效寄生電容。為了阻尼跨過(guò)Cr的振蕩，最好具有與D(或Cr)并聯(lián)的RC緩沖網(wǎng)路。RD通常選為不大于 CD用于阻擋直流電流進(jìn)入RD，以降低傳導(dǎo)損耗。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，CD選為至少比Cr大3倍，從而使RD可有效地阻尼該振鈴。更大的Cror更小的RD將使阻尼更有效，但也將增加功率損耗。由于節(jié)點(diǎn)N在切換，CD在每個(gè)循環(huán)放電和充電，導(dǎo)致不必要的功率損耗。并且，由于在兩種情況下等效寄生電感Lr不同，因此難以優(yōu)化RD的工作范圍.
圖4示出按照本發(fā)明的實(shí)施例在常規(guī)降壓電路中使用有源阻尼電阻器抑制振鈴的方案。RD與主開(kāi)關(guān)SW1或整流器D并聯(lián)設(shè)置。RD被控制如下a.當(dāng)主開(kāi)關(guān)SW1接通(ON)時(shí)，RD無(wú)窮大；以及b.當(dāng)整流器D斷開(kāi)(OFF)時(shí)，RD改變以使情況1和/或情況2的振鈴的振幅和設(shè)置時(shí)間(settling time)最小化。
可通過(guò)監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)N的波形，或通過(guò)測(cè)量電感器L的電流，或通過(guò)對(duì)RD值預(yù)先編程來(lái)控制RD，以在正常工作過(guò)程中使阻尼效應(yīng)最大化并使額外功率損耗最小化。理想地，RD在振鈴開(kāi)始時(shí)較小以使阻尼效應(yīng)最大化，而在接近振鈴結(jié)束時(shí)較大以使額外功率損耗最小化。在RD與主開(kāi)關(guān)SW1并聯(lián)的情況下，可驅(qū)動(dòng)主開(kāi)關(guān)SW1進(jìn)入線性區(qū)，以作為抑制情況2的振鈴的有源阻尼器件。
對(duì)高輸出電流或低輸出電壓應(yīng)用而言，優(yōu)選使用低傳導(dǎo)降可控功率半導(dǎo)體器件(low conduction drop controllable power semiconductor device)(在本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)稱為同步整流器)替代“常規(guī)”整流器。在公開(kāi)的實(shí)施例中，同步整流器可同時(shí)用作常規(guī)同步開(kāi)關(guān)和有源阻尼電阻器。
圖5示出按照本發(fā)明另一實(shí)施例的同步降壓電路的示意圖。在本應(yīng)用中，如前所述，主開(kāi)關(guān)SW1也可用作有源阻尼電阻器。
注意每個(gè)功率半導(dǎo)體器件有三個(gè)工作區(qū)(或模式)接通(ON)、斷開(kāi)(OFF)和線性。在接通階段，功率半導(dǎo)體器件具有最小阻抗和最小傳導(dǎo)功率損耗。在斷開(kāi)階段，功率器件不傳導(dǎo)電流。在線性階段，功率器件的電阻至少為接通階段的10倍。
圖6A-6C示出在輕負(fù)載的情況下三個(gè)工作級(jí)的同步降壓電路的實(shí)施例，以抑制情況2的振鈴a.主開(kāi)關(guān)SW1接通，同步開(kāi)關(guān)SW2斷開(kāi)。電感器L的電流增加。
b.主開(kāi)關(guān)SW1斷開(kāi)，同步開(kāi)關(guān)SW2接通。電感器L的電流減小。
c.在電感器L的電流為0或?yàn)樨?fù)值之后，SW2從接通狀態(tài)變換為線性狀態(tài)，從而提供比正常接通狀態(tài)的電阻高得多但低于斷開(kāi)電阻的電阻。可預(yù)設(shè)或調(diào)整(modulate)該電阻以抑制振鈴。在一個(gè)實(shí)施例中，在情況2的振鈴的開(kāi)始時(shí)線性電阻較低而在振鈴結(jié)束時(shí)電阻較高。
圖7A-7C示出在輕負(fù)載的情況下具有三個(gè)工作級(jí)的同步降壓電路的另一實(shí)施例，以抑制情況2的振鈴a.主開(kāi)關(guān)SW1接通，同步開(kāi)關(guān)SW2斷開(kāi)。電感器L的電流增加。
b.主開(kāi)關(guān)SW1斷開(kāi)，同步開(kāi)關(guān)SW2接通。電感器L的電流減小。
c.在電感器L的電流為0或?yàn)樨?fù)值之后，SW2斷開(kāi)而SW1從斷開(kāi)狀態(tài)變換為線性狀態(tài)，從而提供比正常接通狀態(tài)的電阻高得多但低于斷開(kāi)電阻的電阻?？深A(yù)設(shè)或調(diào)整該電阻以抑制振鈴。在一個(gè)實(shí)施例中，在情況2的振鈴的開(kāi)始時(shí)線性電阻較低而在振鈴結(jié)束時(shí)電阻較高。
圖8示出按照本發(fā)明的又一實(shí)施例在常規(guī)降壓電路中使用有源阻尼電流源抑制振鈴的方案。電流源Id可與開(kāi)關(guān)SW1或整流器D并聯(lián)設(shè)置。Id被控制如下a.當(dāng)主開(kāi)關(guān)SW1接通時(shí)，Id為0；以及b.當(dāng)D斷開(kāi)時(shí)，Id改變以使情況1和/或情況2的振鈴的振幅和設(shè)置時(shí)間最小化。
可通過(guò)監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)N的波形，或通過(guò)測(cè)量電感器L的電流，或通過(guò)對(duì)Id值預(yù)先編程來(lái)控制Id，以在正常工作過(guò)程中使阻尼效應(yīng)最大化并使額外功率損耗最小化。Id通常在振鈴開(kāi)始時(shí)較小以使阻尼效應(yīng)最大化，而在接近振鈴結(jié)束時(shí)較大以使額外功率損耗最小化。在Id與主開(kāi)關(guān)SW1并聯(lián)的情況下，可驅(qū)動(dòng)主開(kāi)關(guān)SW1進(jìn)入線性區(qū)，以作為抑制情況2的振鈴的有源阻尼器件。
對(duì)高輸出電流或低輸出電壓應(yīng)用而言，優(yōu)選使用同步整流器替代常規(guī)整流器。如上所述，同步整流器可同時(shí)用作常規(guī)同步開(kāi)關(guān)和有源阻尼電流源。
圖9示出簡(jiǎn)化的同步降壓電路的示意圖。在本應(yīng)用中，如前所述，主開(kāi)關(guān)SW1也可用作有源阻尼電流源。
圖10A-10C示出在輕負(fù)載的情況下具有三個(gè)工作級(jí)的同步降壓電路中的有源阻尼方案的實(shí)施例，以抑制情況2的振鈴a.主開(kāi)關(guān)SW1接通，同步開(kāi)關(guān)SW2斷開(kāi)。電感器L的電流增加。
b.主開(kāi)關(guān)SW1斷開(kāi)，同步開(kāi)關(guān)SW2接通。電感器L的電流減小。
c.在電感器L的電流為0或?yàn)樨?fù)值之后，SW2從接通級(jí)變換為線性級(jí)，從而可使比正常接通狀態(tài)的電流低得多但高于斷開(kāi)電流的電流通過(guò)?？深A(yù)設(shè)或調(diào)整該電流源的水平(level)以抑制振鈴。優(yōu)選地，在情況2的振鈴的開(kāi)始時(shí)電流水平較高而在振鈴結(jié)束時(shí)電流水平較低。
圖11A-11C示出在輕負(fù)載的情況下具有三個(gè)工作級(jí)的同步降壓電路中的有源阻尼方案的另一實(shí)施例，以抑制情況2的振鈴a.主開(kāi)關(guān)SW1接通，同步開(kāi)關(guān)SW2斷開(kāi)。電感器L的電流增加。
b.主開(kāi)關(guān)SW1斷開(kāi)，同步開(kāi)關(guān)SW2接通。電感器L的電流減小。
c.在電感器L的電流為0或?yàn)樨?fù)值之后，SW2斷開(kāi)而SW1從斷開(kāi)級(jí)變換為線性級(jí)，從而提供比正常接通狀態(tài)的電流低得多但高于斷開(kāi)電流的電流?？深A(yù)設(shè)或調(diào)整該電流源的水平以抑制該振鈴。優(yōu)選地，在情況2的振鈴的開(kāi)始時(shí)電流水平較高而在振鈴結(jié)束時(shí)電流水平較低。
圖12示出按照本發(fā)明的實(shí)施例形成的降壓變換器的框圖。功率器件P1和P2均可作為開(kāi)關(guān)器件和有源阻尼部件，并且所述器件的至少其中之一可工作于三個(gè)區(qū)(1)接通，(2)斷開(kāi)和(3)線性區(qū)。P1和P2輪流改變電路的工作狀態(tài)以驅(qū)動(dòng)電感器。注意P1和P2不同時(shí)接通。
控制電路控制P1的工作狀態(tài)，以基于P1的輸出電壓反饋調(diào)整輸出電壓。該控制電路還檢測(cè)電路工作狀態(tài)，具體說(shuō)來(lái)，導(dǎo)致寄生振鈴的那些狀態(tài)，以驅(qū)動(dòng)P1或P2進(jìn)入線性區(qū)，從而有源阻尼該振鈴。因此，所提出的電路可以較低的功率損耗獲得最低的可能噪聲級(jí)(level)。圖15示出用于阻尼振鈴的柵電壓控制及其對(duì)開(kāi)關(guān)輸出的作用的實(shí)例。
圖13A至13E示出應(yīng)用本發(fā)明的方案至不同拓?fù)涞膶?shí)例。
圖14示出基于本發(fā)明的方案的通用電路。概言之，該電路包括功率級(jí)和控制器件，該功率級(jí)具有兩個(gè)三態(tài)功率半導(dǎo)體器件(至少一個(gè)器件工作在三態(tài))、至少一個(gè)電感器、一個(gè)輸入電容器和一個(gè)輸出電容器?？刂破骷脑摴β始?jí)接收反饋，并產(chǎn)生控制信號(hào)以驅(qū)動(dòng)至少一個(gè)功率半導(dǎo)體器件，從而調(diào)整輸出電壓并使電路噪聲和功率損耗最小化。
結(jié)論除非上下文清楚要求，否則在整個(gè)說(shuō)明書(shū)及權(quán)利要求書(shū)中，詞語(yǔ)“包含”、“包括”之類(lèi)不能解釋為與排他或窮舉含義相對(duì)的包含的含義；也就是說(shuō)，應(yīng)該解釋為“包含，但不限于”的含義。這里所用的術(shù)語(yǔ)“連接”、“耦合”或其任何變化，意思是兩個(gè)或更多元件之間的直接或間接的任何連接或耦合；元件之間的連接的耦合可為物理的、邏輯的或其組合。
此外，詞語(yǔ)“這里”、“上述”、“以下”及任何含有類(lèi)似意義的詞語(yǔ)，當(dāng)用于本中請(qǐng)時(shí)，應(yīng)該指本申請(qǐng)整體而不是本申請(qǐng)的任何特殊部分。在上下文允許的情況下，上述說(shuō)明書(shū)中使用單數(shù)或復(fù)數(shù)的詞語(yǔ)也可以分別包括復(fù)數(shù)或單數(shù)。指一列表兩個(gè)或更多項(xiàng)目的詞語(yǔ)“或”覆蓋所有以下詞語(yǔ)解釋列表中的任何項(xiàng)目，列表中的所有項(xiàng)目，以及列表中的項(xiàng)目的任何組合。
本發(fā)明的實(shí)施例的上述詳細(xì)說(shuō)明不應(yīng)該理解為排他性，或?qū)⒈景l(fā)明限制為上述嚴(yán)格形式。上述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
及實(shí)施例的目的是例示，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)理解，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，各種等效修改是可能的。
這里提供的本發(fā)明的方案可用于其它系統(tǒng)，并不一定是上述系統(tǒng)。上述各實(shí)施例的元件和動(dòng)作可組合以提供其它實(shí)施例。
可根據(jù)上述具體實(shí)施方式
改變本發(fā)明。盡管以上說(shuō)明描述了本發(fā)明的某些實(shí)施例，并描述了預(yù)期的最佳方式，無(wú)論以上說(shuō)明在文字上看起來(lái)多么具體，本發(fā)明可以許多方式實(shí)施。上述補(bǔ)償系統(tǒng)的細(xì)節(jié)可在其實(shí)施細(xì)節(jié)上做相當(dāng)?shù)母淖?，?dāng)仍包含在這里公開(kāi)的本發(fā)明內(nèi)。
如上所述，在說(shuō)明本發(fā)明的某些特征或方案時(shí)所用的具體術(shù)語(yǔ)不應(yīng)該認(rèn)為意指該術(shù)語(yǔ)在此處被再定義為對(duì)與該術(shù)語(yǔ)相關(guān)聯(lián)的本發(fā)明的任何具體特征或方案的限制。通常，在以下權(quán)利要求中所用的術(shù)語(yǔ)不應(yīng)該解釋為將本發(fā)明限制為說(shuō)明書(shū)中所公開(kāi)的具體實(shí)施例，除非上述具體實(shí)施方式
部分對(duì)此術(shù)語(yǔ)做了清楚的限定。因而，本發(fā)明的實(shí)際范圍不僅包含所公開(kāi)的實(shí)施例，而且包含依據(jù)權(quán)利要求書(shū)的實(shí)施本發(fā)明的所有等同方式。
盡管以下以某些權(quán)利要求的方式表示本發(fā)明的某些方案，本發(fā)明人以任何數(shù)目的權(quán)利要求的形式構(gòu)思本發(fā)明的各種方案。因而，本發(fā)明人保留在提出本申請(qǐng)之后增加附加的權(quán)利要求的權(quán)利，以這種附加權(quán)利要求的形式保護(hù)本發(fā)明的其它方案。
權(quán)利要求
1.一種開(kāi)關(guān)模式電源，其使用有源控制阻尼器件，用于抑制由寄生元件產(chǎn)生的電路噪聲及振鈴，該開(kāi)關(guān)模式電源包括第一和第二輸入電壓端口，用于將輸入電壓連接至該開(kāi)關(guān)模式電源；第一和第二輸出電壓端口，用于將負(fù)載連接至該開(kāi)關(guān)模式電源的已調(diào)節(jié)輸出電壓，其中在該第一與第二輸出電壓端口之間連接一輸出電容器；輸出電感器，其中該輸出電感器的第二端連接至該第一輸出電壓端口；開(kāi)關(guān)SW，其第一端連接至該第一輸入電壓端口，第二端連接至該輸出電感器的第一端；整流器，其第一端連接至該開(kāi)關(guān)SW的第二端，第二端連接至該第二輸入電壓端口及第二輸出電壓端口；以及可控電阻器，連接在該開(kāi)關(guān)SW的第一端與第二端之間或該整流器的第一端與第二端之間，其中該可控電阻器被控制如下當(dāng)該開(kāi)關(guān)SW接通時(shí)，該可控電阻器的電阻值大(開(kāi)路)；以及當(dāng)該開(kāi)關(guān)SW斷開(kāi)時(shí)，該可控電阻器改變以使振鈴的振幅和設(shè)置時(shí)間最小化。
2.按照權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)模式電源，其中通過(guò)監(jiān)測(cè)該開(kāi)關(guān)SW的第二端的波形、通過(guò)測(cè)量該輸出電感器的電流、或通過(guò)對(duì)該可控電阻器的值預(yù)先編程，控制該可控電阻器，以在正常工作過(guò)程中使阻尼效應(yīng)最大化并使額外功率損耗最小化。
3.按照權(quán)利要求2所述的開(kāi)關(guān)模式電源，其中該可控電阻器在振鈴開(kāi)始時(shí)電阻值較小以使阻尼效應(yīng)最大化，而在接近振鈴結(jié)束時(shí)電阻值較大以使額外功率損耗最小化，以及其中在該可控電阻器與該開(kāi)關(guān)并聯(lián)時(shí)，該開(kāi)關(guān)SW被驅(qū)動(dòng)到線性區(qū)中以抑制振鈴。
4.按照權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)模式電源，其中對(duì)于高輸出電流或低輸出電壓應(yīng)用，低傳導(dǎo)降可控功率半導(dǎo)體器件(同步整流器)作為該整流器。
5.按照權(quán)利要求4所述的開(kāi)關(guān)模式電源，其中該同步整流器用作常規(guī)同步開(kāi)關(guān)和有源阻尼電阻器。
6.按照權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)模式電源，其中由同步開(kāi)關(guān)SS替代該整流器和并聯(lián)連接至該整流器的可控電阻器。
7.按照權(quán)利要求6所述的開(kāi)關(guān)模式電源，其中在輕負(fù)載下，開(kāi)關(guān)SW和同步開(kāi)關(guān)SS被控制如下開(kāi)關(guān)SW接通，同步開(kāi)關(guān)SS斷開(kāi)，以增加該輸出電感器的電流；開(kāi)關(guān)SW斷開(kāi)，同步開(kāi)關(guān)SS接通，以減小該輸出電感器的電流；以及在該輸出電感器的電流為0或?yàn)樨?fù)值之后，同步開(kāi)關(guān)SS從接通狀態(tài)變換為線性狀態(tài)，以提供高于正常接通狀態(tài)的電阻但低于斷開(kāi)電阻的電阻。
8.按照權(quán)利要求7所述的開(kāi)關(guān)模式電源，其中該可控電阻器被預(yù)設(shè)或調(diào)整為在振鈴的開(kāi)始時(shí)電阻較低而在振鈴結(jié)束時(shí)電阻較高，以抑制振鈴。
9.按照權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)模式電源，其中在輕負(fù)載下，開(kāi)關(guān)SW和同步開(kāi)關(guān)SS被控制如下開(kāi)關(guān)SW接通，同步開(kāi)關(guān)SS斷開(kāi)，以增加該輸出電感器的電流；開(kāi)關(guān)SW斷開(kāi)，同步開(kāi)關(guān)SS接通，以減小該輸出電感器的電流；以及在該輸出電感器的電流為0或?yàn)樨?fù)值之后，同步開(kāi)關(guān)SS斷開(kāi)而開(kāi)關(guān)SW從斷開(kāi)狀態(tài)變換為線性狀態(tài)，以提供高于正常接通狀態(tài)的電阻但低于斷開(kāi)電阻的電阻。
10.按照權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)模式電源，其中由電流源Id替代該可控電阻器，以及其中該電流源Id被控制如下當(dāng)開(kāi)關(guān)SW接通時(shí)，Id為0；以及當(dāng)開(kāi)關(guān)SW斷開(kāi)時(shí)，該電流源Id改變，以使振鈴的振幅和設(shè)置時(shí)間最小化。
11.按照權(quán)利要求10所述的開(kāi)關(guān)模式電源，其中對(duì)于高輸出電流或低輸出電壓應(yīng)用，同步整流器作為該整流器。
12.按照權(quán)利要求10所述的開(kāi)關(guān)模式電源，其中通過(guò)監(jiān)測(cè)該開(kāi)關(guān)SW的第二端的波形、通過(guò)測(cè)量該輸出電感器的電流、或通過(guò)對(duì)該電流源Id的值預(yù)先編程，控制該電流源Id，以在正常工作過(guò)程中使阻尼效應(yīng)最大化并使額外功率損耗最小化，以及其中在該電流源Id與該開(kāi)關(guān)SW并聯(lián)時(shí)，該開(kāi)關(guān)SW被驅(qū)動(dòng)到線性區(qū)中而作為抑制振鈴的有源阻尼器件。
13.按照權(quán)利要求10所述的開(kāi)關(guān)模式電源，其中在輕負(fù)載下，開(kāi)關(guān)SW和同步開(kāi)關(guān)SS被控制如下開(kāi)關(guān)SW接通，同步開(kāi)關(guān)SS斷開(kāi)，以增加該輸出電感器的電流；開(kāi)關(guān)SW斷開(kāi)，同步開(kāi)關(guān)SS接通，以減小該輸出電感器的電流；以及在該輸出電感器的電流為0或?yàn)樨?fù)值之后，同步開(kāi)關(guān)SS從接通級(jí)變換為線性級(jí)，以使低于正常接通級(jí)的電流但高于斷開(kāi)電流的電流通過(guò)。
14.按照權(quán)利要求10所述的開(kāi)關(guān)模式電源，其中在輕負(fù)載下，開(kāi)關(guān)SW和同步開(kāi)關(guān)SS被控制如下開(kāi)關(guān)SW接通，同步開(kāi)關(guān)SS斷開(kāi)，以增加該輸出電感器的電流；開(kāi)關(guān)SW斷開(kāi)，同步開(kāi)關(guān)SS接通，以減小該輸出電感器的電流；以及在該輸出電感器的電流為0或?yàn)樨?fù)值之后，同步開(kāi)關(guān)SS斷開(kāi)而開(kāi)關(guān)SW從斷開(kāi)級(jí)變換為線性級(jí)，以使低于正常接通級(jí)的電流但高于斷開(kāi)電流的電流通過(guò)。
15.按照權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)模式電源，其中該第二輸出電壓端口接地。
16.一種開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器，其使用有源控制阻尼器件，用于抑制電路噪聲及寄生振鈴，該開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器包括第一和第二輸入電壓端口，用于將輸入電壓連接至該開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器，其中在該第一輸入電壓端口與第二輸入電壓端口之間連接一輸入電容器；第一和第二輸出電壓端口，用于將負(fù)載連接至該開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的已調(diào)節(jié)輸出電壓，其中在該第一與第二輸出電壓端口之間連接輸出電容器；輸出電感器，其中該輸出電感器的第二端連接至該第一輸出電壓端口；第一三態(tài)功率器件，其第一端連接至該第一輸入電壓端口，第二端連接至該輸出電感器的第一端，其中該第一三態(tài)功率器件能夠用作開(kāi)關(guān)器件和有源阻尼部件；第二三態(tài)功率器件，其第一端連接至該第一三態(tài)功率器件的第二端，第二端連接至該第二輸入電壓端口及第二輸出電壓端口，其中該第二三態(tài)功率器件能夠用作開(kāi)關(guān)器件和有源阻尼部件；以及控制電路，該控制電路有源控制該第一三態(tài)功率器件的工作狀態(tài)以基于輸出電壓反饋調(diào)整該輸出電壓，以及檢測(cè)包含導(dǎo)致寄生振鈴的狀態(tài)的電路工作狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)所述功率器件進(jìn)入其線性區(qū)以便有源地阻尼振鈴，以及其中所述功率器件中的至少一個(gè)設(shè)計(jì)為工作于接通、斷開(kāi)和線性區(qū)；以及該第一和第二功率器件輪流改變工作狀態(tài)，以驅(qū)動(dòng)輸出電感器。
17.按照權(quán)利要求16所述的開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器，其中該輸出電壓端口用作輸入電壓端口，該輸入電壓端口用作輸出電壓端口。
18.按照權(quán)利要求16所述的開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器，其中該第二三態(tài)功率器件與該輸出電感器交換位置。
19.一種開(kāi)關(guān)模式電源，其使用有源控制阻尼器件，用于抑制電路噪聲及寄生振鈴，該開(kāi)關(guān)模式電源包括第一和第二輸入電壓端口，用于將輸入電壓連接至該開(kāi)關(guān)模式電源，其中在該第一輸入電壓端口與第二輸入電壓端口之間連接一輸入電容器；第一和第二輸出電壓端口，用于將負(fù)載連接至該開(kāi)關(guān)模式電源的已調(diào)節(jié)輸出電壓，其中在該第一與第二輸出電壓端口之間連接一輸出電容器；第一三態(tài)功率器件及第一電感器，串聯(lián)連接于該第一和第二輸入電壓端口之間；第二三態(tài)功率器件及第二電感器，串聯(lián)連接于該第一和第二輸出電壓端口之間；橋接電容器，其耦合于該第一三態(tài)功率器件與該第一電感器的連接點(diǎn)和該第二三態(tài)功率器件與該第二電感器的連接點(diǎn)之間；以及控制電路，該控制電路有源控制該第一三態(tài)功率器件的工作狀態(tài)以基于輸出電壓反饋調(diào)整該輸出電壓，以及檢測(cè)包含導(dǎo)致寄生振鈴的狀態(tài)的電路工作狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)所述功率器件進(jìn)入其線性區(qū)以便有源地阻尼振鈴。
20.按照權(quán)利要求19所述的開(kāi)關(guān)模式電源，其中每個(gè)功率器件能夠用作開(kāi)關(guān)器件和有源阻尼部件；所述功率器件中的至少一個(gè)設(shè)計(jì)為工作于接通、斷開(kāi)和線性區(qū)；以及所述功率器件輪流改變電路工作狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)用于抑制開(kāi)關(guān)模式電源中由寄生元件導(dǎo)致的電路噪聲的方法及裝置。所提出的實(shí)施例使用有源控制阻尼器件，例如可控電阻器、電流源以及三態(tài)功率器件，以實(shí)現(xiàn)所需的阻尼并使功率損耗最小化。
文檔編號(hào)H02M3/155GK1797917SQ200510097100
公開(kāi)日2006年7月5日 申請(qǐng)日期2005年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月28日
發(fā)明者徐鵬 申請(qǐng)人:美國(guó)芯源系統(tǒng)股份有限公司