[发明专利]时间复用多输出DC/DC转换器和电压调整器

说明书

背景技术

通常需要进行电压调整以防止对各种微电子组件供电的电源的变化， 尤其是在如蜂窝电话、笔记本电脑和消费产品这类电池供电的应用中需要 进行这样的电压调整，各种微电子组件例如是数字IC、半导体存储器、显 示模块、硬盘驱动器、RF电路、微处理器、数字信号处理器和模拟IC。

由于产品的电池或DC输入电压通常必须被增高(step-up)至较高的 DC电压或者被减低(step-down)至较低的DC电压，因此，将这些调整 器称为DC到DC转换器。在电池电压高于所希望的负载电压时，就使用 减低转换器。减低转换器可以包括感应式开关调整器、电容式电荷泵以及 线性调整器。反之，当电池的电压低于对其负载供电所需的电压时，就需 要增高转换器，通常称为升压转换器。增高转换器可以包括感应式开关调 整器或者电容式电荷泵。

在前述的电压调整器中，感应式开关调整器可以跨越最宽范围的电 流、输入电压和输出电压获得良好的性能。DC/DC感应式开关调整器的基 本原理是基于如下简单的假设的：电感器中的电流不能瞬时被改变并且电 感器将产生反向电压来抵制其电流的任何改变。

基于电感器的DC/DC开关转换器的基本原理是将DC电源切换或“切 削”为脉冲或突发，并且利用包括电感器和电容器的低通滤波器对这些突 发滤波，以产生功能良好的时变电压，即，将DC变为AC。通过利用一 个或多个晶体管以高频率切换以重复地磁化和去磁化电感器，则可以将电 感器用来增高或减低转换器的输入，以产生与其输入不同的输出电压。在 利用磁性使AC电压变高或变低之后，然后输出被整流回DC，并且被滤 波以移除任何的纹波(ripple)。

晶体管通常是利用具有低的导通态电阻的MOSFET来实现的，通常称 为“功率MOSFET”。利用来自转换器的输出电压的反馈来控制开关条 件，即使转换器的输入电压或其输出电流的急速改变，也可以维持恒定的 经过适当调整的输出电压。

为了移除因晶体管的开关动作生成的任何AC噪声或纹波，输出电容 器被置于开关调整器电路的输出的两端。电感器与输出电容器一起形成了 能够移除晶体管的大部分开关噪声以防止噪声到达负载的“低通”滤波 器。通常为1MHz或更大的开关频率必然比滤波器的“LC”回路的谐振 频率“高”。跨越多个开关周期被平均，被开关的电感器表现得就像具有 缓变平均电流的可编程电流源。

由于平均电感器电流是由被偏置为“导通”或“截止”开关的晶体管 来控制的，因此，晶体管中的功耗理论上较小，并且可以实现在百分之八 十到九十范围中的高转换器效率。具体地，当利用“高”栅极偏压将管理 MOSFET偏置为导通状态(on-state)的开关时，其表现出具有通常为200 毫欧或更小的低R_DS(on)电阻的线性I-V漏极特性。例如在0.5A时，这种器 件将表现出仅100mV的最大压降I_D·R_DS(on)而不管其高漏极电流如何。在 其导通状态的传导时间期间其功耗为I_D²·R_DS(on)。在给出的示例中，在晶体 管的传导期间功耗为(0.5A)2·(0.2Ω)＝50mW。

在其截止状态中，功率MOSFET使其栅极被偏置到其源极，即，使得 V_GS＝0。即使具有等于转换器的电池输入电压V_batt的所施加漏极电压 V_DS，功率MOSFET的漏极电流I_DSS也很小，通常远低于一微安培并且通 常高于毫微安培。电流I_DSS主要包括结漏(junction leakage)。

因此，在DC/DC转换器中用作开关的功率MOSFET是高效的，这是 因为在其截止状况中，其在高电压时表现出低电流，并且在其导通状态 中，其在低压降时表现出高电流。除开关瞬态之外，功率MOSFET中的 I_D·V_DS积保持较小，并且开关中的功耗保持较低。