[发明专利]高效率DC-DC同步降压转换器

说明书

技术领域

更具体而言，本发明涉及包含半桥配置形式的半导体开关并由互补驱动信号控制的DC-DC电源，例如同步降压DC-DC转换器。

背景技术

大多数低压电子系统仅具有几个不同的DC电源电压向各种电子功能块提供经调节的功率。通常采用开关电源调节器电路，因为其具有高效率。最常见的开关电源调整器电路类型之一(例如将输入DC电压转换成用于功能电路的较低电平输出电压)是DC-DC同步降压转换器。(降压转换器或步降开关式电源也可称为开关式调节器。)

DC-DC转换器的效率根据在其功率级和其驱动器及控制器电路中所耗用的功率来确定。驱动器电路可单独实施为一专用IC，或其可与控制器电路集成到一个封装中。采用互补模式进行开关的功率MOSFET是在DC-DC同步降压转换器功率级中用作的开关的常用装置。这种MOSFET将DC输入电压转换成周期性脉冲，这些周期性脉冲在由低通滤波器滤波后，形成处于由工作循环确定的较低电平的DC输出电压。图1中显示此种转换器电路的实例10。电路10具有功率级12，其包括控制MOSFET 13、同步MOSFET 14、控制电路15和驱动电路16。

在转换器电路10中，在经驱动器电路16控制下用作开关的控制MOSFET 13的控制之下，输入电压V_入间歇地施加于提供储能功能的电感器L。控制电路15向驱动器电路16提供一脉冲输入，且驱动器电路16又分别向功率MOSFET、控制FET 13和同步FET 14施加两组互补的栅极驱动脉冲。在控制FET 13的“关”时间中，同步MOSFET 14关闭电路回路，从而允许电感器L释放在控制FET 13的“开”时间中储存的能量。输入电容器C_入通过旁通高频分量(例如作为对DC输入电压V_入的“斩波”作用的结果而产生的尖脉冲)来提供过滤功能。输出电容器C_出提供滤波功能以使输出电压V_出变平滑，所提供的该输出电压V_出的电平低于V_入。

由功率级MOSFET的驱动器电路16输出的脉冲组均具有振幅Vdr。用于控制MOSFET 13的脉冲具有工作循环D，而用于同步MOSFET 14的脉冲具有工作循环(1-D)，如图2中所示。工作循环D由控制电路15设定，从而以所需电平来调节输出电压V_出。

在多相配置中，根据相的数量来增加功率级12和驱动器电路16，同时一个控制电路将经过移相的控制脉冲分布至每一相中的驱动器，从而分别通过输入和输出滤波电容器C_入和C_出实现变低的尖脉冲和纹波电流。图3中显示这种类型的多相同步降压DC-DC转换器30的示意图。转换器30可从市售的IC构建而成。图中所示的特定芯片组支持多达四个DC-DC转换器，为了清楚起见仅显示两个。引脚指示按常规进行，例如PWMn(n＝1、2、3、4)指控制电路IC 31的脉宽调制脉冲输出，PWM指用于驱动器电路IC 32和33的脉宽调制脉冲输入，UGATE和LGATE指分别用于“上部”(即控制)MOSFET和“下部”(即同步)MOSFET的栅极驱动脉冲，且CS指用于辅助控制电路(未示出)(例如限流)的电流传感信号。

DC-DC转换器的效率是电路设计者需要解决的一个重要问题。如上文所提及，DC-DC转换器的效率通过在其功率级(例如转换器10的级12)及在驱动和控制电路(例如分别为转换器10的单元16和15)中消耗的功率来确定。通常，功率级的功率消耗Pcond受到开关(例如转换器10的MOSFET 13和14)的电阻R_ds(开)的影响。

具体而言：

Pcond＝1rms²×Rds(on)    方程式(1)

其中Irms是通过开关的均方根电流。MOSFET在其“开”状态中的漏极-源极电阻R_ds(开)与其驱动(即栅极-源极)电压Vgs成反比。因此，驱动电压越高，会使转换器的功率级消耗的功率越少。图4中显示典型的曲线，其图解说明功率MOSFET的R_ds(开)如何随施加在其栅极与源极之间的驱动电压而变化。