具有磁通密度极限的dc/dc转换器的制造方法
【专利说明】
[0001] 本申请是是申请日为2011年06月07日、申请号为201110162310. X的发明名称 为"具有磁通密度极限的DC/DC转换器"的专利申请的分案申请。
[0002] 相关申请的交叉参考
[0003] 本申请基于并且要求2010年6月4日提交的、题目为"DC/DC Convertor Magnetizing Current Limit"的、律师签号为081318-0281的美国临时专利申请61/351685 的优先权。这里通过引用并入该申请的全部内容。
技术领域
[0004] 本发明涉及DC/DC转换器并且涉及这里所使用的变压器的饱和。
【背景技术】
[0005] DC/DC转换器广泛用于从输入电压跨越到可能高于或低于输入电压的输出电压。 一些DC/DC转换器利用变压器以对输入电压升压或降压，和/或在输入电源和输出电源之 间提供电流隔离（即，受隔离的转换器）。
[0006] 当电压施加到主变压器绕组时，变压器铁芯中的磁场在次级绕组上产生与变压器 的匝数比成比例的电压。匝数比是主绕组上的匝数（NP)与次级绕组上的匝数（NS)的比率。 变压器的次级侧上的电压因此为V SK=Vpki*NS/NP。变压器的次级侧所要求的电流与变压 器的主级侧供给的电流之间的关系与匝数比成反比，比如I SK= Ipki*NP/NS。
[0007] 要求另外的"磁化电流"以磁化变压器的铁芯。该磁化电流在变压器的主级侧流 动，而不在变压器的次级侧流动。
[0008] 磁化电流与电压的关系是感性的（inductive)。换句话说，当电压施加到变压器的 主级侧时，磁化电流由于铁芯内的磁通密度（"通量密度"）增加而线性地升高。由于主绕 组两端的持续正向偏压，变压器将饱和，使得变压器绕组表现为短路。此时，磁化电流非常 快速地增大并且仅由少量的漏感限制，其中漏感通常比磁化电感小100-1000倍。电流的该 快速增大对于DC/DC转换器能够是灾难性的并且可以破坏部件。
[0009] 为避免饱和，DC/DC转换器中的通量密度能够通过称为"复位"铁芯的操作被减小。 这些DC/DC转换器典型地在电力传输阶段和复位阶段之间循环，在电力传输阶段中，电力 从转换器的输入传输到转换器的输出，而在复位阶段中，在电力传输阶段中增加的通量密 度被减小。
[0010] 减小通量密度典型地通过使主绕组上的电压反向来完成。一些DC/DC使用已知的 "有源钳位复位"（"active clamp reset"）。该反向的电压被施加直到通量密度不仅下降 到零而且在相反方向上增大。但是，如果允许在相反方向上增大过多，则变压器的铁芯也能 够在复位阶段中饱和。
[0011] 已经采取了各种措施来在电力传输阶段和复位阶段之间切换，而不引起饱和。
[0012] 一些转换器使用主级侧电流比较器。这些转换器在电力传输阶段将主级侧上的变 压器电流与阈值比较。当超过阈值时，它们切断可控地将转换器的输入与电源连接的主级 侧开关。但是，使用的比较器并不足够快以在电流由于变压器饱和的原因而快速增加的情 况中保护开关或其它部件不受损坏。另外，这些类型的转换器并不保护电流在复位阶段中 不受饱和的影响。
[0013] 一些转换器减缓允许电流增大的速率，使得对饱和的快速检测不太重要。但是，该 减缓降低了转换器快速补偿电源或者负载的快速变化的能力，使其提供紧密调节的能力变 弱。该措施另外还不能避免饱和，比如当输入电压快速跳到其最小值时。
[0014] -些转换器限定电源开关的最大占空比，该最大占空比控制转换器的输入在电力 传输阶段被连接到电源的时间长度，这是因为在高的占空比时变压器饱和通常是较大的问 题，此时接通时间较长。但是，该措施未防止复位阶段中的负向通量饱和。也不能防止低占 空比的电力传输阶段中的变压器饱和，比如当转换器在其输出以其标准运行水平而被初始 地预偏压时。
【发明内容】
[0015] 一种DC/DC转换器，其可以包括电源分级电路、脉冲发生电路、通量密度监控器和 电源控制逻辑。电源分级电路可以包括输入、输出和带有铁芯的变压器。该电源分级电路 可以被构造成以电力传输模式和复位模式运行，其中在电力传输模式中，电力从输入向输 出传输，而在复位模式中，所述变压器的铁芯的通量密度被降低。脉冲发生电路可以被构造 成用以产生调节所述电源分级电路的输出的脉冲。通量密度监控器电路可以被构造成用以 在电力传输模式和复位模式期间产生表示变压器的铁芯的通量密度的通量密度信息。电源 分级控制逻辑可以被构造成用以基于所述脉冲来调节电源分级电路的输出并且用以基于 通量密度信息来防止变压器的铁芯饱和。
[0016] 电源分级控制逻辑可以被构造成用以在通量密度信息表示通量密度已经达到或 者超过预定的阈值时使电力传输阶段终止，以防止在电力传输阶段铁芯饱和。
[0017] 电源分级控制逻辑可以被构造成用以当通量密度信息表示通量密度已经达到或 者超过预定的阈值使通量复位阶段终止，以防止在通量复位阶段铁芯饱和。
[0018] DC/DC转换器是前向转换器。
[0019] 脉冲发生器可以被构造成用以产生最大占空比脉冲，该最大占空比脉冲在电力传 输阶段的占空比达到或超过预定的阈值时终止电力传输阶段。
[0020] 脉冲发生器可以被构造成用以当电源分级电路的输出中的电流达到或超过预定 量时终止电力传输阶段。
[0021] 脉冲发生电路产生的脉冲可以具有恒定的频率。
[0022] 电源分级电路可以被构造成用以提供有源钳位复位。该有源钳位复位使通量密度 的极性在所述复位阶段中反转。
[0023] 电源分级电路可以被构造成用以提供谐振复位。
[0024] 电源分级电路可以包括在所述变压器的次级侧上的开关，该开关作用为二极管。
[0025] 通量密度监控器电路可以包括电容，且可以被构造成用以使电容两端的电压在动 力传输阶段和/或复位阶段跟踪所述变压器的铁芯的通量密度的变化。
[0026] 根据下面对于说明性实施方式、附图和权利要求的详细说明，这些及其它的部件、 步骤、特征、目标、益处和优点现在将变得清楚。
【附图说明】
[0027] 附图具有说明性的实施方式。它们并不说明全部的实施方式。另外或者替代地， 可以使用其它的实施方式。清楚明了的细节或者不需要说明的细节可以被省略以节省空间 或者为了更有效的说明。一些实施方式可以利用另外的部件或者步骤实施和/或不通过所 说明的全部的部件或步骤来实施。当相同的附图标记出现在不同的附图中时，其指代相同 或相似的部件或步骤。
[0028] 图1是DC/DC转换器的框图，所述DC/DC转换器防止作为转换器的一部分的变压 器的铁芯的饱和。
[0029] 图2示出了可用以实现图1中所示的DC/DC转换器并且提供有源钳位复位的部件 的示例。
[0030] 图3示出了可以在标准运行状态下存在于图2中所示的DC/DC转换器中的信号的 示例。
[0031] 图4示出了可以在极端运行状态下存在于图2中所示的DC/DC转换器的信号的示 例，其中所述极端运行状态使通量密度在转换器的复位阶段中达到极限。
[0032] 图5示出了可以在极端运行状态下存在于图2中所示的DC/DC转换器的信号的示 例，其中所述极端运行状态使通量密度在转换器的电力传输阶段中达到极限。
[0033] 图6示出了图2中所示的提供谐振复位而不是有源钳位复位的电路的替代实施方 式。
[0034] 图7示出了图2中所示的电路的替代实施方式，其中使用次级侧开关以替代二极 管。
【具体实施方式】
[0035] 现在描述说明性实施方式。另外或者替代地，可以使用其它的实施方式。清楚明 了的细节或者不需要说明的细节可以被省略以节省空间或者为了更有效的说明。一些实施 方式可以利用另外的部件或者步骤实施和/或不通过所说明的全部的部件或步骤来实施。
[0036] 图1是DC/DC转换器的框图，所述DC/DC转换器防止作为转换器的一部分的变压 器的铁芯的饱和。如图1中所示，DC/DC转换器可以具有通量密度监控器电路101、电源分 级电路103、电源分级控制逻辑105、和PWM发生电路107。
[0037] 电源分级电路可以包括被构造成用以连接到电源比如VIN的输入109。电源分级 电路103可以包括被构造成用以传送恒定的电压输出比如V OTT的输出111。电源分级电路 103可以包括具有铁芯的变压器113。电源分级电路103可以被构造成用以在电力传输模 式下运行，其中在电力传输模式下，电力从输入109传输到输出111。电源分级电路103还 可以被构造成用以在复位模式下运行，其中在复位模式下，变压器113的铁芯中的通量密 度被减小。
[0038] PWM发生电路107可以被构造成用以产生具有受调制的宽度的脉冲，所述脉冲调 节电源分级电路103的输出111。较大的脉冲宽度可以致使更多的电力被传输，而较小的脉 冲宽度可以致使更少的电力被传输。
[0039] 通量密度监控器电路101被构造成用以在电力传输模式和复位模式中产生表示 变压器113的铁芯中的通量密度的通量密度信息。
[0040] 电源分级控制逻辑105被构造成用以基于PWM发生电路107的脉冲来调节电源分 级电路103的输出111。电源分级控制逻辑105另外被构造成用以基于通量密度监控器电 路101的通量密度信息防止变压器113饱和。电源分级控制逻辑105可以被构造成用以在 通量密度信息表示通量密度已经达到或者超过预定的阈值时通过使电力传输阶段终止而 防止铁芯在电力传输阶段中饱和。类似地，电源分级控制逻辑105可以被构造成用以在通 量密度信息表示通量密度已经达到或者超过预定的阈值时通过使复位阶段终止而防止铁 芯在复位阶段中饱和。这些预定的阈值在图1中表示为+/_￥? 115。尽管表示为具有相同 的幅值，但正阈值和负阈值可以是不同的。
[0041] 图2示出了可用以实现图1中的DC/DC转换器并且提供了有源钳位复位的部件的 示例。如图2中所示，变压器113的次级绕组201可以连接到整流过滤系统。通过主绕组 203的电流可以受MOSFET 205控制，MOSFET 205在关闭时可以使电源分级电路103处于电 力传输阶段。通过主绕组203的电流还受MOSFET 207的控制，MOSFET 207在关闭时使电 源分级电路103处于复位阶段。
[0042] 电源分级控制逻辑105可以被构造成用以确保MOSFET 205和207两者永远不会 同时关闭。可以包括上升沿延迟213和215以促进该保护。
[0043] PWM发生电路107可以被构造成用以产生电源分级控制逻辑105使用的PWM信号 220,该PWM