[發明專利]高效率DC-DC同步降壓轉換器

無效

• 申請號: 200580046241.9
• 申請日: 2005-11-14
• 公開（公告）號: CN101099121A
• 公開（公告）日: 2008-01-02
• 發明（設計）人: 賴斯·K·米夫塔霍特迪諾夫
• 申請（專利權）人: 德州儀器公司
• 主分類號: G05F1/10
• 分類號: G05F1/10;G05F1/656;G05F1/652
• 代理公司: 北京律盟知識產權代理有限責任公司
• 代理人: 王允方;劉國偉

技術領域

更具體而言，本發明涉及包含半橋配置形式的半導體開關并由互補驅動信號控制的DC-DC電源，例如同步降壓DC-DC轉換器。

背景技術

大多數低壓電子系統僅具有幾個不同的DC電源電壓向各種電子功能塊提供經調節的功率。通常采用開關電源調節器電路，因為其具有高效率。最常見的開關電源調整器電路類型之一(例如將輸入DC電壓轉換成用于功能電路的較低電平輸出電壓)是DC-DC同步降壓轉換器。(降壓轉換器或步降開關式電源也可稱為開關式調節器。)

DC-DC轉換器的效率根據在其功率級和其驅動器及控制器電路中所耗用的功率來確定。驅動器電路可單獨實施為一專用IC，或其可與控制器電路集成到一個封裝中。采用互補模式進行開關的功率MOSFET是在DC-DC同步降壓轉換器功率級中用作的開關的常用裝置。這種MOSFET將DC輸入電壓轉換成周期性脈沖，這些周期性脈沖在由低通濾波器濾波后，形成處于由工作循環確定的較低電平的DC輸出電壓。圖1中顯示此種轉換器電路的實例10。電路10具有功率級12，其包括控制MOSFET?13、同步MOSFET?14、控制電路15和驅動電路16。

在轉換器電路10中，在經驅動器電路16控制下用作開關的控制MOSFET?13的控制之下，輸入電壓V_入間歇地施加于提供儲能功能的電感器L。控制電路15向驅動器電路16提供一脈沖輸入，且驅動器電路16又分別向功率MOSFET、控制FET?13和同步FET?14施加兩組互補的柵極驅動脈沖。在控制FET?13的“關”時間中，同步MOSFET?14關閉電路回路，從而允許電感器L釋放在控制FET?13的“開”時間中儲存的能量。輸入電容器C_入通過旁通高頻分量(例如作為對DC輸入電壓V_入的“斬波”作用的結果而產生的尖脈沖)來提供過濾功能。輸出電容器C_出提供濾波功能以使輸出電壓V_出變平滑，所提供的該輸出電壓V_出的電平低于V_入。

由功率級MOSFET的驅動器電路16輸出的脈沖組均具有振幅Vdr。用于控制MOSFET?13的脈沖具有工作循環D，而用于同步MOSFET?14的脈沖具有工作循環(1-D)，如圖2中所示。工作循環D由控制電路15設定，從而以所需電平來調節輸出電壓V_出。

在多相配置中，根據相的數量來增加功率級12和驅動器電路16，同時一個控制電路將經過移相的控制脈沖分布至每一相中的驅動器，從而分別通過輸入和輸出濾波電容器C_入和C_出實現變低的尖脈沖和紋波電流。圖3中顯示這種類型的多相同步降壓DC-DC轉換器30的示意圖。轉換器30可從市售的IC構建而成。圖中所示的特定芯片組支持多達四個DC-DC轉換器，為了清楚起見僅顯示兩個。引腳指示按常規進行，例如PWMn(n＝1、2、3、4)指控制電路IC?31的脈寬調制脈沖輸出，PWM指用于驅動器電路IC?32和33的脈寬調制脈沖輸入，UGATE和LGATE指分別用于“上部”(即控制)MOSFET和“下部”(即同步)MOSFET的柵極驅動脈沖，且CS指用于輔助控制電路(未示出)(例如限流)的電流傳感信號。

DC-DC轉換器的效率是電路設計者需要解決的一個重要問題。如上文所提及，DC-DC轉換器的效率通過在其功率級(例如轉換器10的級12)及在驅動和控制電路(例如分別為轉換器10的單元16和15)中消耗的功率來確定。通常，功率級的功率消耗Pcond受到開關(例如轉換器10的MOSFET?13和14)的電阻R_ds(開)的影響。

具體而言：

Pcond＝1rms²×Rds(on)????方程式(1)

其中Irms是通過開關的均方根電流。MOSFET在其“開”狀態中的漏極-源極電阻R_ds(開)與其驅動(即柵極-源極)電壓Vgs成反比。因此，驅動電壓越高，會使轉換器的功率級消耗的功率越少。圖4中顯示典型的曲線，其圖解說明功率MOSFET的R_ds(開)如何隨施加在其柵極與源極之間的驅動電壓而變化。