脈動線性電力轉換器的制作方法

本公開涉及脈動線性電力轉換器。

背景技術：

選擇電力轉換器的當代設計以滿足諸如高效率、準確輸出調節、快速暫態響應、低解決方案成本等的指定性能要求。電力轉換器用給定輸入電壓為負載生成輸出電壓和電流。需要在穩態和暫態狀況期間滿足電流調節或負載電壓要求。根據特定應用，線性電力轉換器或開關電力轉換器可以是適宜的解決方案。

線性電力轉換器適于為非常低通電器件供電。它們簡單且成本低。然而，由于它們的工作方式，導致它們極其低效。

線性電力轉換器通過取輸入電壓和輸出電壓之差，并且將功率差異作為余熱耗散而進行工作。輸入和輸出電壓之間的差越大，生成的熱越多。在許多情況下，線性電力轉換器比它實際上最終向目標器件的傳遞的浪費更多的電力，從而使電壓降壓。

圖1示出線性電力轉換器11、輸出電容器14和負載12。線性電力轉換器11包括場效應晶體管fet，場效應晶體管fet在其線性模式下運行，從而作為與負載12串聯的可變電阻器工作。此外，線性電力轉換器11包括用于動態調節fet13的電阻的反饋回路。

為了創建反饋回路，誤差放大器15借助取樣電阻器網絡ra和rb來感測輸出電壓，然后將反饋電壓vfb與參考電壓vref進行比較。誤差放大器輸出電壓驅動fet的柵極。當輸入電壓vin減小或負載電流增大時，輸出電壓減小。反饋電壓vfb也減小。結果，反饋誤差放大器生成增大的柵極電壓。這樣減小了源極和漏極之間的電壓降vsd并且恢復輸出電壓，使得vfb等于vref。以類似的方式，當輸出電壓增大時，負反饋回路增大vsd。如已經提到的，線性電力調節器的主要不足是過量的功率耗散。

相比之下，開關電力轉換器通過逐漸地從輸入電壓源取得少量能量，并且將它們移至輸出而進行工作。這是通過電開關和控制能量傳遞到輸出的速率的控制器來實現。

以這種方式使一定量的能量移動所涉及的能量損耗相對小，并且結果是，開關電力轉換器通常可具有高得多的效率。

圖2示出包括能切換電力級21的開關dc-dc轉換器，其中，根據開關信號和輸入電壓來生成輸出電壓。在將輸出電壓vout調節成參考電壓vref的數字控制電路中，生成開關信號。開關電力級21包括由高側fet22和低側fet23以及電感24和電容25組成的雙開關。在充電階段期間，通過切換信號，高側fet22導通并且低側fet23截止，以對電容器進行充電。在放電階段期間，高側fet22截止并且低側fet23導通，以將平均電感器電流與負載電流匹配。生成作為占空比由控制規律確定的數字脈寬調制(pwm)信號的開關信號。開關電力轉換器適于高負載。當驅動輕負載時，在實現二極管仿真時，pwm信號的占空比變得非常小。然而，不能使高側fet的導通時間任意地小。因此，需要最少的導通時間。此外，在開關電力轉換器中出現開關損耗。

因此，具體地，當驅動輕負載時，需要的是節能電力轉換器。

技術實現要素：

大體結合附圖中的至少一個示出和/或描述的電力轉換器和相關方法在權利要求書中更完全地闡述。

本公開涉及具有在其線性模式下運行的高側開關的開關電力轉換器。電力轉換器的效率大于百分之50。損耗只是線性電力轉換器的損耗的d倍，其中，d是導通時間對周期。

將根據以下的描述和附圖來更充分地理解本公開的這些和其他優點、方面和新穎特征及其示例實施例的細節。

附圖說明

將參照附圖，其中：

圖1示出線性電力轉換器的框圖；

圖2示出開關電力轉換器的框圖；

圖3示出pwm信號和脈動線性調節(實線)和傳統開關調節(虛線)的電感器電流與時間的關系；

圖4示出效率度量與vo/vin的關系；以及

圖5示出相對損耗與vo/vin的關系。

具體實施方式

本發明涉及如圖2中所示的能開關的電力轉換器。能開關的電力轉換器包括能開關的電力級21，能開關的電力級21用于通過包括高側開關22和低側開關23的開關元件，根據開關信號和輸入電壓來生成輸出電壓。在輕負載模式下，控制器26被配置成禁用，即截止低側開關13并且生成開關信號，以在開關信號的導通時間期間部分導通高側開關12。相對于高側開關22的運行來定義開關信號的導通時間。在輕負載模式下，僅僅低輸出電流升高。另選地，作為如在fet的情況下一樣完全截止低側開關并且只使用開關本體二極管的替代，只有當本體二極管原本將導通電流時，低側開關才可導通。通過導通低側開關，本體二極管損耗減小并且效率提高。

控制器被配置成生成開關信號，以通過將高側開關22在其線性區域中操作，在開關信號的導通時間期間部分導通高側開關。因此，高側開關22充當電阻器。因此，電力轉換器是脈動線性電力轉換器。然而，相比于電流正持久流動的線性電力轉換器，電流正流過包括高側開關和電阻性負載的電阻性路徑的時間大幅減少。

因為高側開關22不需要完全導通或截止，所以柵極驅動需要減小。

圖3示出pwm信號和脈動線性調節(實線)和傳統開關調節(虛線)的電感器電流與時間的關系。pwm信號是周期性的，其占空比對應于導通時間。隨著pwm信號上升，電感器電流升高。當pwm信號下降時，電感器電流出現峰值。可觀察到，脈動線性調節的電感器電流與傳統開關調節的電感器電流同時地出現峰值。然而，對于脈動線性調節而言，電感器電流峰值的幅值較小。這是由于以下事實：高側開關沒有導通至達到fet在其飽和區域中運行的程度。此外，相比于傳統pwm調節和傳統線性調節，用脈動線性調節，存在沒有電感器電流流動的時間。

傳統線性調節器的效率是輸出電壓與輸入電壓的比率vo/vin。

圖4示出針對脈動線性調節(實線)和傳統線性調節(虛線)的效率度量與vo/vin的關系。脈動線性調節的效率是至少百分之50。這比可低至百分之10的傳統線性調節高得多。

圖5示出針對脈動線性調節(實線)和傳統線性調節(虛線)的相對損耗與vo/vin的關系。損耗只是傳統線性調節的損耗的d倍，其中，d是導通時間對周期。

回頭參照圖2，控制器還可被配置成在輕負載模式和高負載模式之間跳變，在這種情況下，生成開關信號，用于將高側開關和低側開關交替導通和截止。因此，電力轉換器可在輕負載模式下作為脈動線性電力轉換器運行，或者在高負載模式下作為傳統開關電力轉換器運行。因此，本解決方案將脈動線性調節和傳統pwm調節的優點組合在單個裝置中。能開關的轉換器可有利地適于應對大量負載。能開關的電力轉換器可包括用于確定它是在驅動高負載還是輕負載的裝置。

輕負載模式下開關信號的最少導通時間可比高負載模式下開關信號的最少導通時間短。具體地，用脈動線性調節，因為導通時間相比于占空比非常低的傳統pwm調節的更大，所以根本不會存在導通時間限制。

本發明還涉及用于控制能開關的電力轉換器的方法，該能開關的電力轉換器包括具有包括高側開關和低側開關的雙開關元件的能開關的電力級。該方法包括在輕負載模式下：禁用低側開關并且生成開關信號，該開關信號用于在開關信號的導通時間期間部分導通高側開關。本發明還涉及計算機可讀介質，該計算機可讀介質具有用于執行如上所述方法的計算機可讀指令。