[发明专利]具有改善的瞬变电流能力的增压DC/DC 电压转换器

说明书

交叉参考相关申请

本申请是2007年8月8日提交、特此通过引用全文并入的专利申请第11/890,818号和专利申请第11/890,956号的部分继续。

技术领域

本发明涉及用在DC/DC(直流/直流)转换和电压调节中的开关电源的设计、操作和性能，以及涉及用在这样转换器中的半导体部件。具体地说，本发明关注增压DC/DC转换，即，输出电压超过输入电压的DC/DC转换，尤其关注输出电压明显大于最小输入电压的DC/DC转换。

背景技术

电压调节通常需要防止对各种微电子部件，譬如，数字IC(集成电路)、半导体存储器、显示模块、硬盘驱动器、射频(RF)电路、微处理器、数字信号处理器、和模拟IC供电的供给电压的变化，尤其在像蜂窝式电话、笔记本电脑和消费电子产品那样的电池供电应用中。

由于产品的电池或其它DC输入电压常常必须增压到较高DC电压，或降压到较低DC电压，所以这样的调节器被称为DC-DC转换器。每当电池电压大于所希望负载电压时就使用降压转换器。降压转换器可以包含电感式开关调节器、电容式电荷泵、和线性调节器。相反，每当电池电压低于所希望负载电压时，就需要常称为升压转换器的增压转换器。增压转换器可以包含电感式开关调节器和电容式电荷泵。

但是，现有技术的电感式开关调节器、电容式电荷泵转换器、和线性调节器在能力和性能上都存在某些局限性。

电感式升压开关转换器

在上述电压调节器当中，电感式开关转换器可以在最宽范围的电流、输入电压和输出电压上达到卓越的性能。有两种主要类型的电感式开关转换器-通常称为非隔离转换器的利用单绕组电感器的电感式开关转换器、和通常称为隔离转换器的使用变压器和多绕组电感器的电感式开关转换器。其中，单绕组、非隔离电感式开关转换器通常用在大小、效率、和电池寿命至关重要的便携式产品中。

非隔离电感式开关转换器能够在宽范围的输入输出电压和负载电流上高效地工作，尤其当只专用于分别将输入电压增压或降压到较高或较低电压时。非隔离降压转换器常称为Buck(降压)转换器。非隔离增压转换器常称为升压转换器。非隔离电感式开关调节器描述在如下专利文献中：通过引用并入本文、由R.K.Williams提交的发明名称为“High-Efficiency DC/DC VoltageConverter Including Down Inductive Switching Pre-Regulator and CapacitiveSwitching Post-Converter”的专利申请第11/890,818号。

电感式开关调节器存在多种基本局限性。例如，降压和升压转换器两者都呈现脉冲宽度极窄的困境。在高转换比上，即当输出电压显著不同于输入电压时，自然地出现窄脉冲。当输出电压和输入电压类似时，也出现窄脉冲。

例如，在升压转换器中，每当所希望输出电压明显大于输入电压时，就出现窄脉冲宽度。这种窄脉冲局限性使得通过高比率-例如，通过因数四或更多来升高输入电压变得困难且低效。出现这种情况是因为，在定频工作时，升压转换器按照如下关系输送输出电压：

VOUT=11-DVbatt]]>

其中，V_batt是输入电压，和D是电感器磁化期间，即，磁能存储期间MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)导电的占空因数。为了使V_OUT＞＞V_batt，则表达式(1-D)必须很小，因此D→100％。随着D增大，低侧MOSFET在该周期的越来越长部分内接通，并且使更短的时间可用于将它能量传输给输出电容器。在较短的持续时间内传输更多的能量需要越来越大的较大电流，并且使效率受损。

因为低侧MOSFET必须截止，然后非常迅速地重新接通，所以升压转换器中的极高占空比造成窄断开脉冲问题，并且对于高增压转换比，使效率下降。在理想情况下，转换器应该较接近50％占空比地工作，因此使更等量的时间可用于磁化电感器，然后将存储在电感器中的能量传输给输出电容器两者。