[发明专利]降压电压变换器

说明书

技术领域

本发明的各方面总体涉及电压变换器，更具体而言涉及从交流(AC)电压或直流(DC)电压产生DC电压的降压电压变换器。

背景技术

工业环境中各种靠电供能的设备常常依靠多种AC和/或DC电压的任一种来获得动力。更具体而言，面向DC的系统倾向于使用较低的DC电压，通常在12到50伏DC(VDC)的范围内。然而，面向AC的系统经常采用更高的AC电压，有时在100和250均方根伏(VRMS)的范围内。也可以使用这些范围之外的其他AC或DC电压。不过，工业仪表，例如用于测量质量流量和其他关于流过通道的材料的信息的Coriolis流量计，常常采用需要以诸如1.2-24VDC的低DC电压作为电源的电气元件，因此不能耐受这样大范围的AC或DC输入电压。于是，在这种环境下非常有利的是常使用这样的降压变换器，其能够从AC或DC输入电压产生基本固定的低DC输出电压。

图1中给出了当前使用的一种特定类型降压变换器或整流器1的简化示意图，该变换器用于将正DC输入电压V_IN转换成DC输出电压V_OUT。跨越输入电容器C_A施加输入电压V_IN，输入电容器与地参考电势耦合且与n沟道功率场效应晶体管(FET)开关Q的漏极端子耦合。输入电容器C_A充当滤波器，通过向开关Q的漏极临时提供额外的电流，在输入电压V_IN有变化时，帮助保持从开关Q的漏极看到的电压电平。由输出电容器C_B为输出电压V_OUT提供类似的功能。

开关Q的栅极由开关控制器2驱动，开关控制器根据输出电压V_OUT的电压电平与期望或目标输出电压V_OUT的电平的比较情况来导通或截止开关Q。开关控制器2可以替换地或额外地使用输出处的其他一些可测量量，例如电流。通过基本周期性地导通或截止开关Q，开关控制器2一般能够在输入电压V_IN的电平和输出电压V_OUT驱动的负载都有变化的情况下将输出电压V_OUT保持在期望的电平。通常，开关周期为一个工作循环期间开关Q的导通时间和截止时间之和。因此，开关Q的占空比为导通时间和周期之比。于是，利用若干种技术的任一种，开关控制器2控制开关Q的占空比和周期，以将输出电压V_OUT保持在满意的电平上。

在变换器1工作期间，当开关Q导通时，电流从输入电压V_IN经过开关Q的漏极和源极端子，并经过电感器L流到输出电压V_OUT。电流流经电感器L的结果是，在电感器L中存储了电能。典型地，由开关控制器2设定的开关Q的导通时间受到电感器L和输出电容器C_B的元件值的限制，使得在导通时间期间电感器两端的电压V_L几乎恒定。在这些条件下，在开关Q导通时，连接到开关Q的源极端子电感器L的端子保持在输入电压V_IN附近，而电感器L的另一端子处于输出电压V_OUT电平。结果，在开关Q导通时，耦合在开关Q的源极端子的二极管D的阴极3处的电压使得二极管D被反向偏置，因此不导电，因为二极管D的阳极4连接到地。

当开关Q随后截止时，电感器L两端的电压V_L反转极性，以便保持经过电感器L的电流的连续性。电压的这种“倒转”使得二极管D阴极3的电压下落到地之下，由此将二极管D正向偏置为导电。于是，将开关Q导通时存储在电感器L中的电能作为流经二极管D和电感器L的电流传送到输出电压V_OUT。在由开关控制器2决定的一些点处，开关Q再次被导通，并重复上述循环。于是在开关Q导通或截止时电流都流入电压输出V_OUT。