[发明专利]低损耗DC/DC变换器以及直流对直流功率变换方法

说明书

本申请是于2003年10月23日提交的名称为“低损耗DC/DC变换器”的中国专利申请200310101782.X的分案申请。

技术领域

本发明涉及电流变换器，更具体地说，本发明涉及直流对直流(DC/DC)变换器。

背景技术

在一些用途中，可以使用高切换频率来操作DC/DC变换器。例如，为了满足对于特定负载的响应时间要求，可能需要处于几十到几百兆赫兹量级上的切换频率。然而，对于更高切换频率，作为栅极切换损耗结果而耗散的功率就可能增大到不可接受的水平。

图1表示在称作“降压(buck)”配置的降压配置中的一种DC/DC变换器系统100。其中脉宽调制控制器(PWM控制器)110控制p型开关(p-switch)120和n型开关(n-switch)130，p型开关120和n型开关130使用大功率晶体管来实现。负载140可以经电感器150和电容器160而耦合到p型开关120和n型开关130的输出。

系统100可能以多种方式消耗功率，其中每种方式都会降低系统的效率。例如，由接通状态漏极/源极电阻(称作R_ds-on)导致的电阻损耗使系统的效率降低。为减少由R_ds-on导致的功率损耗，可能要使用更大的晶体管。

然而，更大的晶体管在栅极与源极之间呈现增大的电容C_gs。而这又增大了被称为晶体管栅极损耗的损耗。对于跨电容C_gs以频率f切换的电压V，栅极损耗由下面的公式(1)给出：

栅极损耗＝1/2C_gsV²f                       公式(1)

在较低频率下(例如在约100kHz量级上的频率)，栅极损耗可能显著小于R_ds-on。然而，当使用较高切换频率时，栅极损耗可以构成系统100中的功率消耗的主要部分。

发明内容

概括地说，在本发明的一个实施方案中提供了一种DC/DC变换器，其包括第一开关，用以响应在第一控制终端处的接通电压而在第一输出终端上输出第一电压。所述变换器也可以包括第二开关，以便响应在第二控制终端处的接通电压而在与第一输出终端相连的第二输出终端上输出第二电压。

第一控制终端可以选择性地、顺序地接到N个不同电压之一，其中N为整数且N＞2，所述N个不同电压包括至少一个初始电压、一个中间电压、一个最终电压，所述中间电压介于所述初始电压和所述最终电压之间。第二控制终端可以选择性地接到M个不同电压之一，其中M为整数且M＞2。

第一开关和第二开关例如可以包括第一和第二晶体管，其中第一和第二输出终端包括第一和第二晶体管的相关漏极，并且其中第一和第二控制终端包括第一和第二晶体管的相关栅极。

所述变换器也可以包括耦合至第一控制终端的第一多级控制器。第一多级控制器可以包括N个驱动器，从n＝1到n＝N的每个驱动器选择性地将一个不同电压V_n施加到第一控制终端上，其中n为整数。N个驱动器可以选择性地施加不同电压，其施加时间足以使在第一控制终端处的电压基本上与该不同电压相称。

所述变换器还可以包括耦合至第二控制终端的第二多级控制器。第二多级控制器可以包括M个驱动器，从m＝1到m＝N的每个驱动器选择性地将不同电压V_m施加到第二控制终端上，其中m为整数。第一和第二多级控制器可以交替地接通第一开关和第二开关。第一输出终端和第二输出终端可以经例如一个电感器和一个电容器而耦合至负载。

概括地说，在本发明另一个实施方案中，一个直流对直流(DC/DC)变换器包括一个集成电路。集成电路包括第一开关，以响应在第一控制终端处的接通电压而在第一输出终端上输出第一电压。集成电路也可以包括第二开关，以响应在第二控制终端处的接通电压而在与第一输出终端相连的第二输出终端上输出第二电压。

所述集成电路也可以包括耦合至第一控制终端的第一多级控制器。第一多级控制器可以包括N＞2个驱动器，其中n＝1到n＝N驱动器各自选择性地将一个不同电压V_n施加到第一控制终端上。N个驱动器中至少一个可以包括一个相关电容。

所述变换器也可以包括一个与集成电路分立的电容器，其中该电容器的电容包含在N个驱动器之一的相关电容中。该电容器可以是P个电容器之一，其中P个电容器中的每一个电容器的电容包含在N个驱动器中至少一个的相关电容中，其中P为非零正整数。