[發明專利]雙極性多輸出DC/DC轉換器以及電壓調整器

無效

• 申請號: 200880102314.5
• 申請日: 2008-08-05
• 公開（公告）號: CN101779174A
• 公開（公告）日: 2010-07-14
• 發明（設計）人: 理查德·K·威廉姆斯
• 申請（專利權）人: 先進模擬科技公司
• 主分類號: G05F1/577
• 分類號: G05F1/577
• 代理公司: 北京東方億思知識產權代理有限責任公司 11258
• 代理人: 宋鶴;南霆

背景技術

為了防止給各種微電子組件(諸如數字IC、半導體存儲器、顯示模塊、硬盤驅動器、RF電路、微處理器、數字信號處理器和模擬IC)供電的電源電壓的變化，尤其是在類似蜂窩電話、筆記本電腦和消費產品的以電池供電的應用中，通常要求進行電壓調整。

因為產品的電池或者DC輸入電壓常常必須被升高到更高DC電壓或者被降低到更低DC電壓，所以這樣的調整器被稱為DC-DC轉換器。當電池的電壓大于所希望的負載電壓時，使用降低型(step-down)轉換器。降低型轉換器可以包括電感性開關式調整器、電容性電荷泵、以及線性調整器。相反，當電池的電壓低于對負載供電所需的電壓時，需要升高型(step-up)轉換器，升高型轉換器通常被稱為升壓轉換器。升高型轉換器可以包括電感性開關式調整器或者電容性電荷泵。

在前述電壓調整器中，電感性開關式轉換器可以實現最廣范圍的電流、輸入電壓和輸出電壓中的優良性能。DC/DC電感性開關式轉換器的根本原理是以如下簡單前提為基礎的：電感器(線圈或變壓器)中的電流不立刻改變，并且電感器將產生相反電壓以抵抗其電流的任何改變。

基于電感器的DC/DC開關式轉換器的基本原理是：將DC電源切換或“突變”成脈沖或突發，并且利用包括電感器和電容器的低通濾波器濾除那些突發來產生表現良好的隨時間變化的電壓，即將DC改變成AC。通過利用一個或多個晶體管以高頻進行開關來對電感器重復磁化和解磁化，電感器可以被用于升高型或降低型轉換器的輸入，從而產生與其輸入不同的輸出電壓。在利用磁化將AC電壓升高或降低改變之后，輸出然后被整流回到DC，并且被濾波以去除任何紋波。

晶體管一般是用具有低導通狀態阻抗的MOSFET(通常稱為“功率MOSFET”)來實現的。利用來自轉換器的輸出電壓的反饋控制開關狀況，可以維持恒定的調整良好的輸出電壓，而無論轉換器的輸入電壓或其輸出電流是否迅速改變。

為了去除由晶體管的開關動作而生成的任何AC噪聲或紋波，在開關式調整器電路的輸出的兩端設置了輸出電容器。輸出電容器與電感器一起形成能夠去除晶體管的開關噪聲中的大多數以防止它們達到負載的“低通”濾波器。開關頻率(一般為1MHz或更大)必須相對于濾波器的“LC”振蕩回路(tank)的諧振頻率為“高”。對多個開關周期進行平均，被開關的電感器表現得像具有低改變平均電流的可編程電流源。

因為平均電感器電流由被偏置作為“導通(on)”或“關斷(off)”開關的晶體管來控制，所以在晶體管中的功耗理論上來說是小的并且可以實現在百分之八十到百分之九十范圍內的高轉換器效率。具體地，當功率MOSFET被偏置作為利用“高”柵極偏置的導通狀態開關時，其展現出具有低R_DS(on)阻抗(一般為200毫歐或更小)的線性I-V漏極特性。例如，在0.5A時，這樣的器件將展現出僅僅100mV的最大電壓降I_D·R_DS(on)，而不論其漏極電流如何。在其導通狀態導電時間期間的功耗為I_D²·R_DS(on)。在該示例中，給出在晶體管導電期間的功耗為(0.5A)²·(0.2Ω)＝50mW。

在其關斷狀態，功率MOSFET使其柵極偏置到其源極，即，使得V_GS＝0。即使施加的漏極電壓V_DS等于轉換器的電池輸入電壓V_batt，功率MOSFET的漏極電流I_DSS也是很小的，通常在1微安以下并且更一般為數毫微安。電流I_DSS主要包括結漏(junction?leakage)。

所以，用作DC/DC轉換器中的開關的功率MOSFET是高效的，因為在其關斷狀況中，其以高電壓展現出低電流，并且在其導通狀態中，其以低電壓降展現出高電流。在開關瞬變以外，功率MOSFET中的I_D·V_DS乘積保持很小，并且開關中的功耗保持很低。

功率MOSFET不僅用于通過使輸入電源突變而使AC轉換成DC，而且可以用于替代將合成的AC整流回DC所需的整流二極管。作為整流器的MOSFET的操作常常通過如下方式實現：與肖特基二極管并列地設置MOSFET，并且當二極管導電時使MOSFET導通，即與二極管的導電同步。在這樣的應用中，MOSFET因此被稱為同步整流器(synchronousrectifier)。