一種開關(guān)穩(wěn)壓器的制造方法
【專利摘要】一種開關(guān)穩(wěn)壓器，提供了一個(gè)在開關(guān)穩(wěn)壓器中緩沖波形的方法和裝置。這個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器包括一個(gè)電感，一個(gè)電源開關(guān)電耦合到這個(gè)電感上，一個(gè)第一二極管電耦合到這個(gè)電感上，一個(gè)緩沖電路并聯(lián)耦合到電感上。電壓開關(guān)和緩沖電路包括先斷后通開關(guān)，即在緩沖開關(guān)打開之后，電源開關(guān)關(guān)閉，這就是開關(guān)周期的起點(diǎn)，在電源開關(guān)打開之后，緩沖開關(guān)關(guān)閉，從而衰減了緩沖振蕩波形。
【專利說(shuō)明】一種開關(guān)穩(wěn)壓器
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及一種開關(guān)穩(wěn)壓器。更特別地是，本發(fā)明涉及一種開關(guān)穩(wěn)壓器，其具有緩沖波形的作用，在保持效率的情況下，功率損耗最小。
【背景技術(shù)】:
[0002]振蕩波形和瞬態(tài)脈沖一般存在于開關(guān)穩(wěn)壓器中，因?yàn)榉€(wěn)壓器中運(yùn)用的開關(guān)都是大功率的開關(guān)。這些振蕩波形必須是衰減的，他們可能造成設(shè)備故障，過(guò)量的電磁干擾(EMI)或者不穩(wěn)定。
[0003]通過(guò)已知的技術(shù)可知，在功率電路中，緩沖器用于改變波形，如在功率電路中，衰減振蕩。我們都知道，通常的緩沖器是一個(gè)RC衰減電路。這種RC緩沖器的性能很差，因?yàn)樵谌魏坞妷浩频那闆r下，都有功率消耗，因此，太多的電力被浪費(fèi)。另一種緩沖器是二極管RC電路。盡管二極管RC緩沖器對(duì)RC緩沖器有所改進(jìn)(因?yàn)槎O管在某方面提供了更好的控制)，這種二極管的性能仍然不好，它有不必要的功率耗散，使得其功率很低。
[0004]這些緩沖器的設(shè)計(jì)都存在效率低的問(wèn)題。因?yàn)樵O(shè)計(jì)的這些緩沖器都被應(yīng)用于幾瓦的功率電路中。此外，他們采用額外的電路元件，使得成本和電路復(fù)雜度大幅的增加。
[0005]本發(fā)明所預(yù)期的是設(shè)計(jì)在開關(guān)穩(wěn)壓器中改變波形的方法和裝置，使得功率的損失最小化，成本和電路復(fù)雜度盡可能最小化。

【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0006]本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器，能夠緩沖波形，并且使得功率損失最小。
[0007]本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器，能夠緩沖波形，同時(shí)保持系統(tǒng)的效率。
[0008]本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器，在具有上述特性的同時(shí)，使得成本和電路復(fù)雜度盡可能最小化。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:
[0010]本發(fā)明的目的和其他一些目的被一種開關(guān)穩(wěn)壓器達(dá)到了，其包括一個(gè)電感，一個(gè)電源開關(guān)電耦合到這個(gè)電感上，一個(gè)第一二極管電耦合到這個(gè)電感上，一個(gè)緩沖電路并聯(lián)耦合到電感上。電源開關(guān)和緩沖器電路包括先斷后通開關(guān)，即在緩沖開關(guān)打開之后，電源開關(guān)關(guān)閉，這就是開關(guān)周期的起點(diǎn)，在電源開關(guān)打開之后，緩沖開關(guān)關(guān)閉，從而衰減了緩沖振蕩波形。
[0011]對(duì)比專利文獻(xiàn):CN2489367Y交流開關(guān)補(bǔ)償式穩(wěn)壓器01218634.1，CN202854636U新型穩(wěn)壓器 201220571447.0
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】:
[0012]下面將更詳盡的描述本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點(diǎn)，采取相應(yīng)的【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】，各元件的參考符號(hào)都在圖中標(biāo)明。
[0013]圖1所示為一個(gè)升壓型開關(guān)穩(wěn)壓器的原理示意圖，其含有一個(gè)根據(jù)本發(fā)明原則的緩沖電路。
[0014]圖2所示為圖1的開關(guān)穩(wěn)壓器中的緩沖電路不工作的時(shí)候，其電壓和電流波形。
[0015]圖3所示為圖1的開關(guān)穩(wěn)壓器中的緩沖電路工作的時(shí)候，其電壓和電流波形。
[0016]圖4所示為一個(gè)降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器的原理示意圖，其含有一個(gè)根據(jù)本發(fā)明原則的緩沖電路。
[0017]圖5所示為一個(gè)電壓反向的開關(guān)穩(wěn)壓器的原理示意圖，其含有一個(gè)根據(jù)本發(fā)明原則的緩沖電路。
【具體實(shí)施方式】:
[0018]圖1所示為開關(guān)穩(wěn)壓器100的原理圖，其含有一個(gè)根據(jù)本發(fā)明原則的緩沖電路。雖然圖1所示的開關(guān)穩(wěn)壓器100是升壓型的，它顯示出來(lái)的作用，在下面的描述中，可以利用于其他的開關(guān)穩(wěn)壓器。
[0019]開關(guān)穩(wěn)壓器100包括一個(gè)電感102,其有一個(gè)第一端子104和一個(gè)第二端子106,一個(gè)電源開關(guān)108，其耦合在電感和第一結(jié)點(diǎn)之間，該結(jié)點(diǎn)為低電位，如圖1中所示的接地點(diǎn)110，一個(gè)第一二極管112耦合在電感102的第二端子106上。在高頻的條件下，快速開關(guān)的應(yīng)用，第一二極管112最好為一個(gè)肖特基二極管。開關(guān)穩(wěn)壓器100的輸入電壓是由耦合在電感102的第一端子104上的直流電源120提供的。
[0020]開關(guān)穩(wěn)壓器100還包括一個(gè)輸出電容114,其f禹合到第一二極管112上。輸出電壓通過(guò)負(fù)載116。緩沖電路并聯(lián)耦合在電感102上，該緩沖電路包括一個(gè)第二二極管122和一個(gè)緩沖開關(guān)124。與電源開關(guān)108相關(guān)的寄生電容和寄生二極管，用寄生電容130和寄生二極管132代替，圖中用虛線表示，并聯(lián)耦合在電源開關(guān)108上。
[0021]圖1所示的開關(guān)穩(wěn)壓器100的工作情況要結(jié)合圖2和圖3的波形來(lái)描述。為了便于參考，電感102和電源開關(guān)108之間的結(jié)點(diǎn)被定義為第二結(jié)點(diǎn)134。圖2所示的是，當(dāng)圖1所示的開關(guān)穩(wěn)壓器100失去作用的時(shí)候，第二結(jié)點(diǎn)134的電壓和電感102的電流波形，即在電源開關(guān)108的整個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，保持緩沖開關(guān)124打開，使得緩沖電路失去作用。相比之下，圖3所示的是，當(dāng)緩沖電路工作的時(shí)候，第二結(jié)點(diǎn)134的電壓和電感102的電流波形。本發(fā)明的緩沖設(shè)計(jì)的好處將在下面的圖2和圖3中顯示出來(lái)。
[0022]參考圖2，啟動(dòng)時(shí)間Tl，電源開關(guān)108關(guān)閉時(shí)，電感102上的電流呈坡道上升。在Tl期間，第二結(jié)點(diǎn)134上的電壓為零。當(dāng)電源開關(guān)108打開的時(shí)候，時(shí)間段T2開始的信號(hào)，電感102上的電流開始下降，第二結(jié)點(diǎn)134上的電壓從零到預(yù)設(shè)電壓值之間擺動(dòng)，為了說(shuō)明的目的，該值為48伏特(直流電源被假設(shè)為12V)。第二結(jié)點(diǎn)134上的電壓正向偏置第一二極管112 (導(dǎo)通狀態(tài))，使得輸出電容114充電。在時(shí)間段T2期間，電感102上的電流在T2結(jié)束的時(shí)候衰減為零，使得第一二極管112進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。在時(shí)間段T2的結(jié)束點(diǎn)上，第二結(jié)點(diǎn)134上的電壓回到零。
[0023]一旦第一二極管112回到截止?fàn)顟B(tài)，電感102和寄生電容130 (“LC回路”)形成一個(gè)并聯(lián)諧振回路。這被應(yīng)用于時(shí)間段T3的開始。在這時(shí)，寄生電容130從時(shí)間段T2開始充電到48V，LC回路在其正電壓峰值的時(shí)候，寄生電容130的等效電壓為36V (由48V減去直流電源的12V得到)。由于LC回路用作于一個(gè)振蕩器，第二結(jié)點(diǎn)134上的電壓峰峰值為72V，因?yàn)橹绷麟娫?20的正弦偏置為12V。
[0024]因?yàn)檎也◤?2V降到_24V，LC回路振蕩被電源開關(guān)108的寄生二極管132所阻斷。在時(shí)間段T3期間，電流通過(guò)寄生二極管132和電感102，流向直流電源120，直到電感102上的電流降為零。當(dāng)寄生二極管不再正向偏置的時(shí)候(即，截止?fàn)顟B(tài))，LC回路在其負(fù)電壓峰值。
[0025]在時(shí)間段T4期間，LC回路振蕩的自然諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)都下降。T4時(shí)間段時(shí)，第二結(jié)點(diǎn)134上的電壓和電感102上的電流在圖2中顯示出來(lái)。LC回路的振蕩持續(xù)下降，一直到下一個(gè)開關(guān)周期的開始，即電源開關(guān)108再次關(guān)閉的時(shí)候。
[0026]如圖2所示，沒(méi)有使用緩沖器的開關(guān)穩(wěn)壓器有幾個(gè)缺點(diǎn)。首先，對(duì)于單個(gè)集成電路的開關(guān)穩(wěn)壓器，在同樣的集成電路中電源開關(guān)具有邏輯性，在時(shí)間段T3期間，寄生二極管132的正向偏置狀態(tài)引起沒(méi)有預(yù)設(shè)的電流，趨向于“混淆”邏輯性。其次，第二結(jié)點(diǎn)134上的電壓和電感102上的電流的振蕩，使得過(guò)量的電磁干擾。第三，電感102上的電流值依賴于下個(gè)開關(guān)周期開始的時(shí)候。因此，電感電流可以延長(zhǎng)或者縮短下個(gè)周期的打開，依賴于其值。在電流模式下，這往往導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。
[0027]參考圖3所示的是，當(dāng)圖1所示的開關(guān)穩(wěn)壓器100中的緩沖電路工作的時(shí)候，第二結(jié)點(diǎn)134上的電壓和電感102上的電流的波形。應(yīng)該指出的是，電源開關(guān)108和緩沖開關(guān)124最好為先斷后通開關(guān)，當(dāng)其中一個(gè)開關(guān)打開的時(shí)候，在其他開關(guān)關(guān)閉之前，有一個(gè)預(yù)設(shè)的延遲(如200納秒)。
[0028]在時(shí)間段Tl期間，電源開關(guān)108關(guān)閉，緩沖開關(guān)124打開，電感102上的電流呈坡道上升。在Tl期間，第二結(jié)點(diǎn)134上的電壓為零。當(dāng)電源開關(guān)108打開的時(shí)候，時(shí)間段T2開始的信號(hào)，電感102上的電流開始下降，第二結(jié)點(diǎn)134上的電壓從零到預(yù)設(shè)電壓值之間擺動(dòng)，為了說(shuō)明的目的，該值為48伏特(與圖2中的例子相同)。第二結(jié)點(diǎn)134上的電壓正向偏置第一二極管112 (導(dǎo)通狀態(tài))，使得輸出電容114充電。在預(yù)設(shè)的延遲之后(如上述例子中給出的200納秒)，緩沖開關(guān)124關(guān)閉，第二二極管122進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。時(shí)間段T2持續(xù)，直到電感102上的電流到達(dá)零的時(shí)候，導(dǎo)致第一二極管112進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。
[0029]當(dāng)?shù)谝欢O管112截止的時(shí)候，LC回路由電感102和寄生電容130組成。在這時(shí)，寄生電容130從時(shí)間段T2開始充電到預(yù)設(shè)值(在這個(gè)例子中，為48V)。在自然諧振頻率下，LC回路開始振蕩的時(shí)候，寄生電容130放電至電感102。這對(duì)應(yīng)于時(shí)間段T3的開始。寄生電容130放電，直到其電壓等于直流電源120的電壓(如圖2給出的值，寄生電容130放電到 12V)。
[0030]當(dāng)寄生電容-電感上的電壓，下降到二極管理想的正向壓降(如，對(duì)于硅管，為0.7伏特)，低于直流電源120的12V，第二二極管122進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。在第二二極管122進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，電感102上的電流通過(guò)第二二極管122逐漸衰減為零。預(yù)設(shè)的延遲之后，緩沖開關(guān)124打開，電源開關(guān)108關(guān)閉，開始下一個(gè)開關(guān)周期。
[0031]圖3所示的是，開關(guān)穩(wěn)壓器的緩沖電路，比圖2所示的沒(méi)有緩沖的穩(wěn)壓器，有很大的優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明的緩沖穩(wěn)壓器，在保持系統(tǒng)效率的條件下，使得功率損耗最小，在關(guān)閉期間，基本上消除了過(guò)量的電磁干擾，電流模式下的不穩(wěn)定是由振蕩和寄生二極管132上的反向電流所引起的。[0032]圖4所示的是降壓模式下，開關(guān)穩(wěn)壓器200的原理圖，其有一個(gè)根據(jù)本發(fā)明原則的緩沖電路。開關(guān)穩(wěn)壓器200包括一個(gè)三極管，用作電源開關(guān)208，一個(gè)第一二極管212耦合到電源開關(guān)208上，一個(gè)結(jié)點(diǎn)為低電壓，即為接地點(diǎn)210，電感202電耦合到電源開關(guān)208和第一二極管212上。與圖1所示的升壓型開關(guān)穩(wěn)壓器100中的第一二極管112相比，圖4中的第一二極管212最好為一個(gè)高頻肖特基二極管，應(yīng)用高速開關(guān)。直流電源220提供輸入電壓，其耦合在電源開關(guān)208上。
[0033]輸出電容214耦合在電感202上。輸出電壓流經(jīng)負(fù)載216。緩沖電路并聯(lián)耦合到電感上，該緩沖電路包括一個(gè)第二二極管222和一個(gè)緩沖開關(guān)224。與電源開關(guān)208相關(guān)的寄生電容和寄生二極管，用寄生電容230和寄生二極管232代替，圖中用虛線表示，并聯(lián)耦合在電源開關(guān)208上。應(yīng)該指出的是，電源開關(guān)208和緩沖開關(guān)224最好為先斷后通開關(guān)，當(dāng)其中一個(gè)開關(guān)打開的時(shí)候，在其他開關(guān)關(guān)閉之前，有一個(gè)預(yù)設(shè)的延遲。
[0034]圖1-3，對(duì)升壓型開關(guān)穩(wěn)壓器100的描述，圖4中的緩沖電路，與圖1中的緩沖電路相同，當(dāng)電源開關(guān)208打開，緩沖開關(guān)224關(guān)閉的時(shí)候，緩沖振蕩波形有一個(gè)衰減。圖4的緩沖穩(wěn)壓器，在保持系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性的條件下，使得功率損失最小。
[0035]圖4所示的是電壓反向模式下，開關(guān)穩(wěn)壓器300的原理圖，其有一個(gè)根據(jù)本發(fā)明原貝U的緩沖電路。開關(guān)穩(wěn)壓器300包含一個(gè)電源開關(guān)308，一個(gè)第一二極管312電耦合到電源開關(guān)308上，電感302電耦合到電源開關(guān)308上，一個(gè)結(jié)點(diǎn)為低電壓，即為接地點(diǎn)310。與圖1所示的升壓型開關(guān)穩(wěn)壓器300中的第一二極管312和圖4所示的升壓型開關(guān)穩(wěn)壓器300中的第一二極管312相比，圖5所示的第一二極管312最好為一個(gè)高頻肖特基二極管，應(yīng)用高速開關(guān)。直流電源320提供輸入電壓，其耦合在電源開關(guān)308上。
[0036]輸出電容314 f禹合在第一二極管312上。輸出電壓流經(jīng)負(fù)載316。緩沖電路并聯(lián)耦合到電感上，該緩沖電路包括一個(gè)第二二極管322和一個(gè)緩沖開關(guān)324。與電源開關(guān)308相關(guān)的寄生電容和寄生二極管，用寄生電容330和寄生二極管332代替，圖中用虛線表示，并聯(lián)耦合在電源開關(guān)308上。應(yīng)該指出的是，電源開關(guān)308和緩沖開關(guān)324最好為先斷后通開關(guān)，當(dāng)其中一個(gè)開關(guān)打開的時(shí)候，在其他開關(guān)關(guān)閉之前，有一個(gè)預(yù)設(shè)的延遲。
[0037]與圖1和4中的緩沖電路相同，圖5中的緩沖電路，在電源開關(guān)308打開，緩沖開關(guān)324關(guān)閉的時(shí)候，緩沖振蕩波形有一個(gè)衰減。圖5的緩沖穩(wěn)壓器，在保持系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性的條件下，使得功率損失最小。
[0038]根據(jù)本發(fā)明原則，人們會(huì)發(fā)現(xiàn)，它還可以被應(yīng)用于其他的電路，為說(shuō)明起見，本發(fā)明不受限制，只受本發(fā)明的權(quán)利要求所限制。
【權(quán)利要求】
1.一種開關(guān)穩(wěn)壓器，其特征是:保持穩(wěn)壓器的效率，開關(guān)穩(wěn)壓器包括一個(gè)電感，一個(gè)電源開關(guān)和一個(gè)整流二極管電耦合到電感上，一個(gè)緩沖電路包括一個(gè)緩沖開關(guān)，緩沖電路并聯(lián)耦合到電感上，這種方法包括:當(dāng)電源開關(guān)關(guān)閉，緩沖開關(guān)打開的時(shí)候開始開關(guān)周期；開關(guān)是指當(dāng)緩沖開關(guān)打開的時(shí)候，電源開關(guān)打開，同時(shí)還指當(dāng)電源開關(guān)打開的時(shí)候，緩沖開關(guān)關(guān)閉；當(dāng)整流二極管自轉(zhuǎn)向的時(shí)候，衰減電流通過(guò)電感流向緩沖電路，以防止電感電流反復(fù)改變極性，當(dāng)緩沖開關(guān)打開的時(shí)候結(jié)束開關(guān)周期。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種開關(guān)穩(wěn)壓器，其特征是:還包括一個(gè)與電源開關(guān)相關(guān)的能量?jī)?chǔ)存的寄生電容，在下一個(gè)開關(guān)周期為開關(guān)穩(wěn)壓器提供能量；衰減的特征還在于將緩沖二極管與緩沖開關(guān)串聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種開關(guān)穩(wěn)壓器，其特征是:開關(guān)穩(wěn)壓器耦合到輸入電源上，且有一個(gè)輸出結(jié)點(diǎn)，開關(guān)穩(wěn)壓器包括:一個(gè)電感，一個(gè)電源開關(guān)電稱合到電感上，一個(gè)整流二極管電耦合到電感上，一個(gè)輸出電容耦合到輸出結(jié)點(diǎn)上，一個(gè)緩沖電路并聯(lián)耦合到電感上，緩沖電路包括一個(gè)緩沖開關(guān)，在電源開關(guān)打開之后，緩沖開關(guān)關(guān)閉，當(dāng)整流二極管自轉(zhuǎn)向的時(shí)候，為緩沖振蕩波形提供一個(gè)衰減，以防止電感電流反復(fù)改變極性，從而，在緩沖開關(guān)打開之后的瞬間，電源開關(guān)關(guān)閉。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種開關(guān)穩(wěn)壓器，其特征是:整流二極管是一個(gè)肖特基二極管；整流二極管電耦合到輸出結(jié)點(diǎn)上；緩沖電路還包括一個(gè)緩沖二極管串聯(lián)耦合到緩沖開關(guān)上；穩(wěn)壓器包括升壓模式和降壓模式；穩(wěn)壓器還包括一個(gè)電壓反向模式。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種開關(guān)穩(wěn)壓器，其特征是:開關(guān)穩(wěn)壓器耦合到輸入電源上，且有一個(gè)輸出結(jié)點(diǎn)，開關(guān)穩(wěn)壓器包括:一個(gè)三極管，有一個(gè)與之相關(guān)的寄生電容和寄生二極管的特性，一個(gè)電感電耦合到三極管上，整流二極管電耦合到電感上，一個(gè)輸出電容電耦合到輸出結(jié)點(diǎn)上，一個(gè)緩沖電路并聯(lián)耦合到電感上，緩沖電路包括一個(gè)緩沖二極管，其串聯(lián)在緩沖開關(guān)上；在三極管打開之后，緩沖開關(guān)關(guān)閉的時(shí)候有一個(gè)預(yù)設(shè)的延遲，與三極管相關(guān)的同時(shí)，為緩沖振蕩波形提供一個(gè)衰減，當(dāng)整流二極管自轉(zhuǎn)向的時(shí)候，提供一個(gè)衰減，以防止電感電流反復(fù)改變極性，從而，在緩沖開關(guān)打開之后，三極管關(guān)閉的時(shí)候有一個(gè)第二預(yù)設(shè)延遲。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種開關(guān)穩(wěn)壓器，其特征是:整流二極管是一個(gè)肖特基二極管；整流二極管電耦合到輸出結(jié)點(diǎn)上；電感電耦合到輸出結(jié)點(diǎn)上；穩(wěn)壓器包括降壓模式；穩(wěn)壓器還包括一個(gè)電壓反向模式；第一延遲和第二延遲基本上相同。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種開關(guān)穩(wěn)壓器，其特征是:開關(guān)穩(wěn)壓器耦合到輸入電源上，且有一個(gè)輸出結(jié)點(diǎn)，開關(guān)穩(wěn)壓器包括:一個(gè)三極管，有一個(gè)與之相關(guān)的寄生電容和寄生二極管的特性，一個(gè)電感電耦合到三極管上，整流二極管電耦合到電感上，一個(gè)輸出電容電耦合到輸出結(jié)點(diǎn)上，一個(gè)緩沖電路并聯(lián)耦合到電感上，緩沖電路包括一個(gè)緩沖二極管，其串聯(lián)在緩沖開關(guān)上；在三極管打開之后，緩沖開關(guān)關(guān)閉，電感電壓接近于零，與穩(wěn)壓器相關(guān)，為緩沖振蕩電路提供一個(gè)衰減，當(dāng)整流二極管自轉(zhuǎn)向的時(shí)候，提供一個(gè)衰減，以防止電感電流反復(fù)改變極性，從而，在緩沖開關(guān)打開之后，三極管關(guān)閉的時(shí)候有一個(gè)預(yù)設(shè)延遲。
【文檔編號(hào)】H02M1/14GK203813656SQ201320763947
【公開日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2013年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月27日
【發(fā)明者】李志鵬 申請(qǐng)人:蘇州貝克微電子有限公司