CN100585993C

CN100585993C - 电压转换器

Info

Publication number: CN100585993C
Application number: CN200480018444A
Authority: CN
Inventors: J·迪恩; R·威科莎姆
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2004-06-16
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2024-06-16
Also published as: WO2005006524A3; US7193397B2; US20040263135A1; EP1639692A2; WO2005006524A2; CN1813394A; WO2005006524A8

Abstract

一种转换器包括变压器电路、滤波器和控制器。所述变压器电路耦合至滤波器，并且所述控制器耦合至所述变压器电路和所述滤波器。所述变压器电路包括输入端口和耦合至该输入端口的自耦变压器。所述转换器在输入端口接收输入信号并且所述滤波器在输出端口生成输出信号。所述控制器接收来自所述滤波器的输出信号并且提供一个或多个控制信号给变压器电路用于控制所述输出信号。一种方法包括在包括第一线圈和第二线圈的变压器电路处接收第一输入信号、激活将第一线圈串联至第二线圈的第一开关、激活将第二线圈连接至第二输入信号的第二开关、使第一开关和第二开关无效并且激活连接第一开关至第二输入信号的第三开关。

Description

电压转换器

技术领域

本发明涉及电源电路。本发明尤其涉及电压转换电路。

背景技术

由于诸如微处理器的集成电路日益复杂，所以它们通常需要提供高电流和良好调节的低电压的电源。可以构建提供高电流和良好调节的低电压的交换电源电路。不幸的是，这些电路效率低下并且需要大量昂贵组件，诸如功率金属氧化物半导体场效应晶体管、电感和电容等等。

发明内容

本发明旨在解决上述技术问题。

根据本发明的一种电压转换器，该电压转换器包括：包括输入端口的变压器电路，所述变压器电路包括耦合至该输入端口的自耦变压器，所述输入端口接收第一直流电压信号，所述变压器电路在变压器电路输出处生成方波信号，其中所述自耦变压器包括两个线圈，所述输入端口与一开关和所述自耦变压器串联，并且一二极管与所述开关和所述自耦变压器并联；耦合至所述变压器电路输出的滤波器，所述滤波器接收所述方波信号并在滤波器的输出端口处生成第二直流电压信号；以及耦合至所述变压器电路和所述滤波器的控制器，所述控制器接收来自滤波器的所述第二直流电压信号并且提供一个或多个控制信号给所述变压器电路以用于控制所述第二直流电压信号。

根据本发明的一种多相转换器，包括第一个和第二个如上所述的电压转换器，所述两个电压转换器并联。

根据本发明的一种计算机***，该***包括：处理器；以及前述电压转换器，其中所述转换器的滤波器的输出端口耦合到所述处理器并为所述处理器供电。

根据本发明的一种电压转换方法，该方法包括：在一个包括输入端口的变压器电路处接收第一直流电压信号，所述变压器电路包括含第一线圈和第二线圈的自耦变压器，其中所述输入端口与一开关和所述自耦变压器串联，并且一二极管与所述开关和所述自耦变压器并联；在变压器电路输出处生成方波电压信号；在一滤波器的输入端口接收方波电压信号；在所述滤波器的输出端口生成第二直流电压信号；在一控制器处接收所述第二直流电压信号；基于所述第二直流电压信号，生成两个分立的控制信号，所述两个控制信号分别被提供给所述控制器的两个输出端口；以及在所述变压器电路的两个分立的控制端口接收所述两个控制信号。

根据本发明的一种通信***，该***包括：包括输入端口的变压器电路，所述变压器电路包括耦合至该输入端口的自耦变压器，所述输入端口接收第一直流电压信号，所述变压器电路在变压器电路输出处生成方波信号，其中所述自耦变压器包括两个线圈，所述输入端口与一开关和所述自耦变压器串联，并且一二极管与所述开关和所述自耦变压器并联；耦合至所述变压器电路输出的滤波器，所述滤波器接收所述方波信号并在滤波器的输出端口处生成第二直流电压信号；耦合至所述变压器电路和所述滤波器的控制器，所述控制器接收来自滤波器的所述第二直流电压信号并且提供一个或多个控制信号给所述变压器电路以用于控制所述第二直流电压信号；以及耦合到所述滤波器的输出端口的收发器，所述收发器用于接收所述第二直流电压信号。

附图说明

图1A是根据本发明的某些实施例包括了变压器电路、滤波器和控制器的转换器框图。

图1B是根据本发明的某些实施例示出了在图1A中显示的输入信号、输出信号、控制信号和变压器电路输出信号的一组时序图。

图2是根据本发明的某些实施例在图1A中显示的变压器电路的示意图。

图3是根据本发明的某些实施例在图1A中显示的变压器电路的可选的实施例示意图。

图4是根据本发明的某些实施例在图1A中显示的滤波器的示意图。

图5是根据本发明的某些实施例包括第一转换器和第二转换器的多相转换器的框图。

图6是根据本发明的某些实施例将在图1A中显示的输入信号转换成图1A中显示的输出信号的方法流程图。

图7是根据本发明的某些实施例包括耦合至收发器的在图1A中显示的转换器的通信***框图。

图8是根据本发明的某些实施例包括了耦合至转换器的处理器的计算机***框图。

具体实施方式

在随后本发明各实施例的详细描述中可参考组成本说明一部分的附图，其中以说明的形式示出可实践发明主题的特定实施例。在附图中，相同的编号通篇描述基本类似的组件。对示出的实施例做出足够详尽的解释使得本领域普通技术人员能够实践本发明。可也利用其他的实施例并且结构、逻辑和电学上的改变不背离本发明的范围。如下的描述并非出于限制性的意义，而且各实施例的范围仅由所附权利要求连同全范围授于权力要求的等效物来限定。

图1A是根据本发明的某些实施例包括了变压器电路102、滤波器104和控制器106的转换器100框图。变压器电路102包括输入端口108、输出端口110以及控制端112和114。滤波器104包括输入端口116和输出端口118。控制器106包括输入端口120以及输出端口122和124。变压器电路102的输出端口110耦合至滤波器104的输入端口116。滤波器104的输出端口118耦合至控制器106的输入端口120。控制器106的输出端口122和124分别耦合至变压器电路102的控制端112和114。

工作期间，转换器100在变压器电路102的输入端口108处接收输入信号126，并且在滤波器104的输出端口118处提供输出信号128。控制器106在输入端口120处接收输出信号128，并且在输出端口122和124处提供控制信号130和132。变压器电路102在控制端112和114处接收控制信号130和132以及在输入端口108处接收输入信号126，并且在输出端口110处提供变压器电路的输出信号134。滤波器104在输入端口116处接收变压器电路的输出信号134，并且在输出端口118提供输出信号128。

图1B是根据本发明的某些实施例示出了在图1A中显示的输入信号126、输出信号128、控制信号130和132以及变压器电路输出信号134的一组时序图136。如图1B所示，由转换器100提供的输出信号128的值(参见图1A)要低于输入信号126的值。此外，控制信号130和132是互补信号。当控制信号130为高时，控制信号132为低，并且当控制信号130为低时，控制信号132为高。控制器106(参见图1A)控制了控制信号130和132的占空因数用于控制输出信号128。变压器电路的输出信号134基本上是方波。滤波器104处理变压器电路的输出信号134以提供基本上是直流电压信号的输出信号128。在某些实施例中，输入信号126基本上是具有约为48伏的直流电压信号并且控制器106调制控制信号130和132的占空因数使得输入信号128基本上是具有约为0.6伏特值的直流电压信号。

图2是根据本发明的某些实施例在图1A中显示的变压器电路102的示意图。变压器电路102包括输入端口108、输出端口110、控制端112和114、自耦变压器202、二极管204、开关206、208和210以及输入端口212。自耦变压器202包括线圈214、216和218。输入端口108与二极管204、线圈214和输入端口212串联。输入端口108还与线圈216、开关206、线圈218、开关208和输入端口212串联。开关210连接于输出端口110和输入端口212之间。开关210与线圈218和开关208并联。

自耦变压器202不限于特定种类的自耦变压器。自耦变压器是初级线圈和次级线圈具有全部或部分共用的线圈匝数的变压器。线圈216与线圈218串联，它们从节点220延伸到节点222并且包括了所有的线圈匝数，其中线圈218从节点222延伸到节点224。自耦变压器202还包括作线圈216和218的次级线圈的线圈214。使用自耦变压器202就无需对输出电压整流和有关整流的组件费用。此外自耦变压器202的使用提供有效的转换器100(参见图1A)是因为开关电流或电压很低，从而降低了开关损耗。

二极管204不限于特定种类的二极管。选择二极管204以符合用于重置电流的电路要求。

开关206、208和210不限于特定种类的开关。适于使用与转换器100(参见图1A)制造有关的开关的典型种类包括诸如绝缘栅极金属氧化物半导体场效应晶体管、双极结型晶体管以及绝缘栅极双极型晶体管之类的晶体管。晶体管的规格要能处理转换器100内生成的电流。例如，如果在转换器100工作期间自耦变压器202在线圈216中具有的最大电流值为100安培，那么用作开关206和208的晶体管就要具有处理至少100安培电流的规格。

工作期间将输入端口212的电位设置在诸如零或接地电位上，而变压器电路102分别在输入端口108接收输入信号126(参见图1B)、在控制端112和114处分别接收控制信号130(参见图1B)和132(参见图1B)并且在输出端口110处提供变压器电路的输出信号134(参见图1B)。在一个工作周期的第一部分期间，开关206和208闭合而开关210断开。由于开关206和208闭合，在输入端口108和输入端口212之间形成导电通路。按自耦变压器202的线圈216和218的比率分级降低输入信号126，并且在输出端口110处提供分级的信号作为变压器电路的输出信号134。自耦变压器202包括节点225。在开关206断开后节点225处的电压迅速上升。通过感知此电压电平就可确定何时断开开关208并闭合开关210。在一个工作周期的第二部分期间，开关206和208断开而开关210闭合。由于开关206和208断开而开关210闭合，将输出端口110的电位拉到输入端口212处提供的电位上，并且在线圈214内产生感应电压(来自开关206和208断开后变压器中磁通下降)。在输入端口108处提供输入信号126的电流(未示出)流入二极管204和电源(未示出)。在某些实施例中，二极管204连接到输入端口108之外的其他端口(未示出)，并且所述感应电流流入与该端口相连的电源。

上述操作提供了有效的电压转换。因为流经开关206的电流很低并且开关208和210上的电压也很低，所以切换的功率很低和转换效率很高。由于线圈216内的电流流入滤波器104(参见图1A)，从而使得所述效率进一步上升。

图3是根据本发明的某些实施例在图1A中显示的变压器电路102的可选实施例示意图。变压器电路102包括输入端口108、输出端口110以及控制端112和114、自耦变压器302、二极管204、开关206、208和210以及输入端口210。自耦变压器302包括线圈314和316。输入端口108与开关206、自耦变压器302、开关208和输入端口212串联。二极管204与开关206和自耦变压器302并联。开关210连接于自耦变压器302的输出端口110和输入端口212之间。

自耦变压器302不限于特定种类的自耦变压器。线圈314与线圈316从节点320延伸到节点322并且包括了所有的线圈匝数，其中线圈316从节点322延伸到节点324。上述在图2中对二极管204和开关206、208和210的描述适用于图3示出的二极管204和开关206、208和210。

工作期间将输入端口212的电位设置在诸如零或接地电位上，而变压器电路102分别在输入端口108接收输入信号126(参见图1B)、在控制端112和114处接收控制信号130(参见图1B)和132(参见图1B)并且在输出端口110处提供变压器电路的输出信号134(参见图1B)。在一个工作周期的第一部分期间，开关206和208闭合而开关210断开。由于开关206和208闭合，在输入端口108和输入端口212之间形成导电通路。按自耦变压器302的线圈314和316的比率将输入信号126分级，并且在输出端口110处提供该分级信号作为变压器电路的输出信号134。在一个工作周期的第二部分期间，开关206和208断开而开关210闭合。由于开关206和208断开而开关210闭合，将输出端口110的电位拉到输入端口212处提供的电位上，并且在输入端口108处提供输入信号126的电流(未示出)流入二极管204和电源(未示出)。在某些实施例中，二极管204连接到输入端口108之外的其他端口(未示出)，并且所述电流流入与该端口相连的电源。

上述操作提供了有效的电压转换。因为流经开关206的电流很低并且开关208和210上的电压也很低，所以切换功率很低和转换效率很高。此外，避免了自耦变压器302磁心内部形成的磁通，并且通过提供从自耦变压器302的节点322经由二极管204到输入信号126的电源的导电通路从而改善了转换效率。

图4是根据本发明的某些实施例在图1A中显示的滤波器104的示意图。滤波器104是低通滤波器并且包括输入端口116、输出端口118、电感402、电容404以及输入端口406。电感402连接在输出端口118和输入端口116之间。电容404连接在输出端口118和输入端口406之间。

电感402不限于特定种类的电感。任何能够存储能量的的线圈型导体都适用于有关滤波器104内电感402的制造。电感402不要求“高磁通”密度，所以可以使用低成本电感。在某些实施例中，电感402包括磁心。该磁心可由低损耗磁性材料形成。适于使用有关制造的典型磁性材料包括钼坡莫合金(molypermalloy)和铁氧体。电感402不限于具有特定电感值的电感。在某些实施例中，电感402的电感值在1到5毫微亨。

电容404不限于特定种类的电容。任何能够在电场内存储能量的由电介质或绝缘体分隔的两块平板或导体都可使用作为生产电容404。在某些实施例中，电容404是多层陶瓷电容。

工作期间将输入端口406的电位设置在诸如零或接地电位上，而滤波器104在输入端口116接收变压器电路的输出信号134(参见图1B)并且在输出端口118处提供输出信号128。在某些实施例中，输入端口406耦合至输入端口212(参见图2和图3)。滤波器104对变压器电路的输出信号134行使低通滤波器的功能用以生成输出信号128。通过将线圈218(参见图1B)在电感402(参见图4)处直接连接至输入端口116以获取效率的提高。此外，自耦变压器内的原电流包括在变压器电路的输出信号134内。

再次参见图1A，工作期间控制器106接收到来自滤波器104的输出信号128并且提供控制信号130和132给变压器电路102。如果控制器106确定输出信号128低于控制值，随即就增加控制信号130的“开”时间用以将来自于变压器电路102(参见图1A)的功率提供给滤波器104(参见图1B)。如果控制器106确定输出信号128高于控制值，随即就降低控制信号130的“开”时间以迫使电流沿着包括滤波器104和开关210(参见图2)的通路自由旋转。按照描述进行工作的控制器有时可被称为是同步降压控制器。在某些实施例中，控制器106是同步降压控制器。这样在某些实施例中，转换器100(参见图1A)在由同步降压控制器驱动时，利用自耦变压器提供变压器的有效线圈匝数比的电压减少缩减。

图5是根据本发明的某些实施例包括第一转换器502和第二转换器504的多相转换器500的框图。第一转换器502包括变压器电路102、按图1A中示出的转换器100配置的耦合至滤波器104的控制器106。第二转换器504也按图1A中示出的转换器100配置，包括转换器变压器电路102、控制器106以及滤波器104。多相转换器500的输入端口506耦合至第一转换器502的变压器电路102的输入端口108，并且耦合至第二转换器504的变压器电路102的输入端口108。多相转换器500的输出端口508耦合至第一转换器502的滤波器104的输出端口118，并且耦合至第二转换器504的滤波器104的输出端口118。图5仅示出了两个转换器，但是所述结构不限于两个转换器。可以并联任意数目的转换器并作为一个多相转换器进行操作。图5示出了两个分开的控制器，但是所述结构不限于两个分开的控制器。在某些实施例中，多相控制器500仅包括一个控制器。

工作期间，多相转换器500在输入端口506处接收输入信号126(参见图1B)并且在输出端口508处生成输出信号128(参见图1B)。第一转换器502与第二转换器504工作时有180度的相位差。对n个转换器，每个转换器与相邻转换器具有360/n度的相位差。多相转换器500不限于上述第一转换器502和第二转换器504之间的相位关系。本领域普通技术人员将认识到其他的相位关系也可应用到多相转换器500的操作中。

图6是根据本发明的某些实施例由于将在图1A中显示的输入信号126转换成在图1A中显示的输出信号128的方法600的流程图。方法600包括在包括第一线圈和第二线圈的变压器电路处接收第一输入信号(块602)、激活将第一线圈串联至第二线圈的第一开关(块604)、激活将第二线圈连接至第二输入信号的第二开关(块606)、使第一开关和第二开关无效(块608)并且激活连接滤波器输入信号至第二输入信号的第三开关(块610)。在某些实施例中，在包括第一线圈和第二线圈的变压器电路处接收第一输入信号的过程包括接收来自电源的基本上是直流的电压信号。在某些实施例中，激活将第一线圈串联至第二线圈的第一开关的过程包括使用由控制器提供的第一控制信号激活第一开关。在某些实施例中，激活将第二线圈连接至第二输入信号的第二开关的过程包括由第一控制信号激活第二开关。在某些实施例中，使第一开关和第二开关无效的过程包括在使第二开关无效之前先使第一开关无效。在某些实施例中，激活第三开关以连接第三开关至第二输入信号的过程包括在使第一开关和第二开关无效之后再激活第三开关。在另一些可选实施例中，本方法还包括连接滤波器输入信号至具有一输出信号的滤波器并且连接一转换器至输出信号。

图7是根据本发明的某些实施例的通信***700框图，其中包括耦合至收发器702的在图1A中显示的转换器100。如图1A所示并如上描述，转换器100包括变压器电路102、滤波器104和控制器106。转换器100为收发器702提供电源。在图2和图3中示出的变压器电路102的实施例都适于用在通信***700内的转换器100的制造。收发器702包括任何能够发送和接收信号的设备。所述信号不限于特定种类的信号、特定的通信协议或者特定的信号功率水平。能够发送和接收信号并且行使收发器功能的典型设备包括用于蜂窝通信***的基站、蜂窝电话和全球定位***。

图8是根据本发明的某些实施例包括了耦合至转换器804的处理器802的计算机***800的框图。转换器804包括耦合至自耦变压器808和滤波器810的控制器806。在某些实施例中，控制器806是同步降压控制器。转换器804为处理器802提供电源。在某些实施例中，转换器804是转换器100(参见图1A)。在某些实施例中，转换器804是多相转换器500(参见图5)。处理器802不限于特定种类的处理器。在某些实施例中，处理器是复杂指令组处理器。在其他实施例中，处理器是超长指令字处理器。

说明书中引用，“某一实施例”、“一个实施例”、“某些实施例”或者“其他实施例”指的是连同实施例所描述的特定特性、结构或特征至少包含在本发明某些实施例中但无需是全部实施例之中。“某一实施例”、“一个实施例”或者“某些实施例”的出现未必全部指同样的实施例。

虽然本发明已描述和图示了特定的实施例，本领域普通技术人员在得知本发明公开内容的好处以后，应该认识到旨在完成相同目的的任何安排都可代替示出的特定实施例。这些应用旨在覆盖本发明的任何修改或者变化。因此，本发明的意图是仅受到权利要求与其等效物的限制。

Claims

1.一种电压转换器，该电压转换器包括：

包括输入端口的变压器电路，所述变压器电路包括耦合至该输入端口的自耦变压器，所述输入端口接收第一直流电压信号，所述变压器电路在变压器电路输出处生成方波信号，其中所述自耦变压器包括两个线圈，所述输入端口与一开关和所述自耦变压器串联，并且一二极管与所述开关和所述自耦变压器并联；

耦合至所述变压器电路输出的滤波器，所述滤波器接收所述方波信号并在滤波器的输出端口处生成第二直流电压信号；以及

耦合至所述变压器电路和所述滤波器的控制器，所述控制器接收来自滤波器的所述第二直流电压信号并且提供一个或多个控制信号给所述变压器电路以用于控制所述第二直流电压信号。

2.如权利要求1所述的电压转换器，其特征在于，所述滤波器包括直接耦合至自耦变压器的电感器。

3.如权利要求1所述的电压转换器，其特征在于，所述滤波器包括低通滤波器。

4.如权利要求1所述的电压转换器，其特征在于，所述控制器包括同步降压控制器。

5.如权利要求1所述的电压转换器，其特征在于，所述开关包括绝缘栅极金属氧化物半导体场效应晶体管。

6.如权利要求1所述的电压转换器，其特征在于，所述第一直流电压信号具有输入信号值，所述第二直流电压信号具有输出信号值，并且所述输出信号值小于所述输入信号值。

7.如权利要求6所述的电压转换器，其特征在于，所述输入信号值为48伏特，所述输出信号值为0.6伏特。

8.一种多相转换器，其特征在于包括第一个和第二个如权利要求1所述的电压转换器，所述两个电压转换器并联。

9.如权利要求8所述的多相转换器，其特征在于，所述第二个电压转换器与所述第一个电压转换器异相180度***作。

10.一种电压转换方法，该方法包括：

在一个包括输入端口的变压器电路处接收第一直流电压信号，所述变压器电路包括含第一线圈和第二线圈的自耦变压器，其中所述输入端口与一开关和所述自耦变压器串联，并且一二极管与所述开关和所述自耦变压器并联；

在变压器电路输出处生成方波电压信号；

在一滤波器的输入端口接收方波电压信号；

在所述滤波器的输出端口生成第二直流电压信号；

在一控制器处接收所述第二直流电压信号；

基于所述第二直流电压信号，生成两个分立的控制信号，所述两个控制信号分别被提供给所述控制器的两个输出端口；以及

在所述变压器电路的两个分立的控制端口接收所述两个控制信号。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，在变压器电路处接收第一直流电压信号的过程包括接收来自电源的直流电压信号。

12.一种通信***，该***包括：

耦合至所述变压器电路输出的滤波器，所述滤波器接收所述方波信号并在滤波器的输出端口处生成第二直流电压信号；

耦合至所述变压器电路和所述滤波器的控制器，所述控制器接收来自滤波器的所述第二直流电压信号并且提供一个或多个控制信号给所述变压器电路以用于控制所述第二直流电压信号；以及

耦合到所述滤波器的输出端口的收发器，所述收发器用于接收所述第二直流电压信号。

13.如权利要求12所述的通信***，其特征在于，所述收发器包括用于蜂窝通信***的基站。

14.如权利要求12所述的通信***，其特征在于，所述收发器包括蜂窝电话。

15.如权利要求12所述的通信***，其特征在于，所述收发器包括全球定位***收发器。

16.一种计算机***，该***包括：

处理器；以及

如权利要求1所述的电压转换器，其中所述转换器的滤波器的输出端口耦合到所述处理器并为所述处理器供电。

17.如权利要求16所述的计算机***，其特征在于，所述处理器包括超长指令字处理器。

18.如权利要求16所述的计算机***，其特征在于，所述转换器包括多相转换器。