[發(fā)明專利]低損耗DC/DC變換器以及直流對(duì)直流功率變換方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200710162718.0
• 申請(qǐng)日: 2003-10-23
• 公開（公告）號(hào): CN101179226A
• 公開（公告）日: 2008-05-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: S·蘇塔迪亞
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 馬維爾國(guó)際貿(mào)易有限公司
• 主分類號(hào): H02M3/10
• 分類號(hào): H02M3/10;H02M3/155
• 代理公司: 北京紀(jì)凱知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 趙蓉民

本申請(qǐng)是于2003年10月23日提交的名稱為“低損耗DC/DC變換器”的中國(guó)專利申請(qǐng)200310101782.X的分案申請(qǐng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電流變換器，更具體地說，本發(fā)明涉及直流對(duì)直流(DC/DC)變換器。

背景技術(shù)

在一些用途中，可以使用高切換頻率來操作DC/DC變換器。例如，為了滿足對(duì)于特定負(fù)載的響應(yīng)時(shí)間要求，可能需要處于幾十到幾百兆赫茲量級(jí)上的切換頻率。然而，對(duì)于更高切換頻率，作為柵極切換損耗結(jié)果而耗散的功率就可能增大到不可接受的水平。

圖1表示在稱作“降壓(buck)”配置的降壓配置中的一種DC/DC變換器系統(tǒng)100。其中脈寬調(diào)制控制器(PWM控制器)110控制p型開關(guān)(p-switch)120和n型開關(guān)(n-switch)130，p型開關(guān)120和n型開關(guān)130使用大功率晶體管來實(shí)現(xiàn)。負(fù)載140可以經(jīng)電感器150和電容器160而耦合到p型開關(guān)120和n型開關(guān)130的輸出。

系統(tǒng)100可能以多種方式消耗功率，其中每種方式都會(huì)降低系統(tǒng)的效率。例如，由接通狀態(tài)漏極/源極電阻(稱作R_ds-on)導(dǎo)致的電阻損耗使系統(tǒng)的效率降低。為減少由R_ds-on導(dǎo)致的功率損耗，可能要使用更大的晶體管。

然而，更大的晶體管在柵極與源極之間呈現(xiàn)增大的電容C_gs。而這又增大了被稱為晶體管柵極損耗的損耗。對(duì)于跨電容C_gs以頻率f切換的電壓V，柵極損耗由下面的公式(1)給出：

柵極損耗＝1/2C_gsV²f???????????????????????公式(1)

在較低頻率下(例如在約100kHz量級(jí)上的頻率)，柵極損耗可能顯著小于R_ds-on。然而，當(dāng)使用較高切換頻率時(shí)，柵極損耗可以構(gòu)成系統(tǒng)100中的功率消耗的主要部分。

發(fā)明內(nèi)容

概括地說，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中提供了一種DC/DC變換器，其包括第一開關(guān)，用以響應(yīng)在第一控制終端處的接通電壓而在第一輸出終端上輸出第一電壓。所述變換器也可以包括第二開關(guān)，以便響應(yīng)在第二控制終端處的接通電壓而在與第一輸出終端相連的第二輸出終端上輸出第二電壓。

第一控制終端可以選擇性地、順序地接到N個(gè)不同電壓之一，其中N為整數(shù)且N＞2，所述N個(gè)不同電壓包括至少一個(gè)初始電壓、一個(gè)中間電壓、一個(gè)最終電壓，所述中間電壓介于所述初始電壓和所述最終電壓之間。第二控制終端可以選擇性地接到M個(gè)不同電壓之一，其中M為整數(shù)且M＞2。

第一開關(guān)和第二開關(guān)例如可以包括第一和第二晶體管，其中第一和第二輸出終端包括第一和第二晶體管的相關(guān)漏極，并且其中第一和第二控制終端包括第一和第二晶體管的相關(guān)柵極。

所述變換器也可以包括耦合至第一控制終端的第一多級(jí)控制器。第一多級(jí)控制器可以包括N個(gè)驅(qū)動(dòng)器，從n＝1到n＝N的每個(gè)驅(qū)動(dòng)器選擇性地將一個(gè)不同電壓V_n施加到第一控制終端上，其中n為整數(shù)。N個(gè)驅(qū)動(dòng)器可以選擇性地施加不同電壓，其施加時(shí)間足以使在第一控制終端處的電壓基本上與該不同電壓相稱。

所述變換器還可以包括耦合至第二控制終端的第二多級(jí)控制器。第二多級(jí)控制器可以包括M個(gè)驅(qū)動(dòng)器，從m＝1到m＝N的每個(gè)驅(qū)動(dòng)器選擇性地將不同電壓V_m施加到第二控制終端上，其中m為整數(shù)。第一和第二多級(jí)控制器可以交替地接通第一開關(guān)和第二開關(guān)。第一輸出終端和第二輸出終端可以經(jīng)例如一個(gè)電感器和一個(gè)電容器而耦合至負(fù)載。

概括地說，在本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案中，一個(gè)直流對(duì)直流(DC/DC)變換器包括一個(gè)集成電路。集成電路包括第一開關(guān)，以響應(yīng)在第一控制終端處的接通電壓而在第一輸出終端上輸出第一電壓。集成電路也可以包括第二開關(guān)，以響應(yīng)在第二控制終端處的接通電壓而在與第一輸出終端相連的第二輸出終端上輸出第二電壓。

所述集成電路也可以包括耦合至第一控制終端的第一多級(jí)控制器。第一多級(jí)控制器可以包括N＞2個(gè)驅(qū)動(dòng)器，其中n＝1到n＝N驅(qū)動(dòng)器各自選擇性地將一個(gè)不同電壓V_n施加到第一控制終端上。N個(gè)驅(qū)動(dòng)器中至少一個(gè)可以包括一個(gè)相關(guān)電容。

所述變換器也可以包括一個(gè)與集成電路分立的電容器，其中該電容器的電容包含在N個(gè)驅(qū)動(dòng)器之一的相關(guān)電容中。該電容器可以是P個(gè)電容器之一，其中P個(gè)電容器中的每一個(gè)電容器的電容包含在N個(gè)驅(qū)動(dòng)器中至少一個(gè)的相關(guān)電容中，其中P為非零正整數(shù)。