ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ С ОТДЕЛЬНЫМИ СХЕМАМИ КОМБИНИРОВАННОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
VOLTAGE CONVERTER WITH SEPARATE CIRCUITS OF COMBINED CONVERSION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение, в общем, относится к преобразователю напряжения. Более конкретно, различные, обладающие признаками изобретения способы и устройство, раскрытые здесь, относятся к понижающему и повышающему преобразователю с отдельными схемами понижения и повышения напряжения.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В общем, преобразователи напряжения обычно попадают в одну из трех категорий: понижающие преобразователи, повышающие преобразователи и комбинированные преобразователи.
Понижающий преобразователь представляет собой преобразователь постоянного напряжения в пониженное постоянное напряжение; то есть он преобразует более высокое входное постоянное напряжение в более низкое выходное постоянное напряжение, и, в общем, он представляет собой импульсный источник электропитания, работающий в режиме переключения. В общем, понижающий преобразователь может быть весьма эффективным, но он работает в узком диапазоне входных напряжений, когда входное напряжение, полученное от источника напряжения, больше, чем выходное напряжение, которое необходимо подавать на нагрузку.
Повышающий преобразователь представляет собой преобразователь постоянного напряжения в повышенное постоянное напряжение, то есть он преобразует более низкое входное постоянное напряжение в более высокое выходное постоянное напряжение, и, в общем, он также представляет собой импульсный источник питания, работающий в режиме переключения. В общем, повышающий преобразователь имеет простую структуру схемы и может обеспечивать небольшие пульсации тока на своем входе. Однако, как и понижающий преобразователь, он работает в узком диапазоне входных напряжений, когда входное напряжение, получаемое от источника напряжения, больше, чем выходное напряжение, которое необходимо подавать на нагрузку.
Комбинированный преобразователь представляет собой тип преобразователя постоянного тока, который имеет величину выходного напряжения, которая может быть либо больше, либо меньше, чем величина входного напряжения. Другими словами, комбинированный преобразователь включает в себя функциональные возможности понижающего преобразователя, так и функциональные возможности повышающего преобразователя.
В традиционном комбинированном преобразователе функциональные возможности понижения напряжения и функциональные возможности повышения напряжения не отделены друг от друга или не зависят друг от друга, но они совместно используют некоторые важные компоненты, такие как переключающие устройства (например, полевые транзисторы со структурой металл-оксид-полупроводник (MOSFET), диоды и т.д.), и поэтому им нельзя управлять, или его нельзя оптимизировать отдельным образом. Традиционный комбинированный преобразователь имеет некоторые ограничения с точки зрения своей эффективности, ограниченный диапазон входных и выходных напряжений и ряд приложений, в которых он может применяться.
Таким образом, желательно выполнить преобразователь напряжения с возможностью работы в режиме понижения напряжения и в режиме повышения напряжения. Кроме того, желательно выполнить такой преобразователь напряжения с возможностью работы с повышенной эффективностью в широком диапазоне входных и выходных напряжений в различных приложениях.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее раскрытие направлено на обладающие признаками изобретения способы и устройство для преобразования напряжения. Например, в некоторых вариантах осуществления преобразователь напряжения снабжен схемой понижения напряжения и схемой повышения напряжения, которой можно управлять отдельным и независимым образом.
В общем, в одном аспекте изобретение относится к устройству, включающему в себя: преобразователь напряжения, выполненный с возможностью преобразования входного напряжения в выходное напряжение и подачи выходного напряжения на нагрузку, блок управления, выполненный с возможностью управления работой преобразователя напряжения. Преобразователь напряжения включает в себя: схему понижения напряжения, включающую в себя первый набор переключателей, и схему повышения напряжения, включающую в себя второй набор переключателей, где второй набор переключателей выполнен отдельно от и с возможностью управления независимо от первого набора переключателей. Блок управления выполнен с возможностью управления подачей питания от преобразователя мощности на нагрузку через схему понижения напряжения в режиме понижения напряжения путем управления операциями переключения первого набора переключателей и управления подачей питания от преобразователя напряжения на нагрузку через схему повышения напряжения в режиме повышения напряжения путем управления операциями переключения второго набора переключателей.
В одном или более вариантах осуществления блок управления выполнен с возможностью получения выборки входного напряжения, выборки выходного напряжения, выборки входного тока, подаваемого в преобразователь напряжения, и выборки выходного тока, подаваемого с помощью преобразователя напряжения, и выполнен с возможностью управления подачей питания на нагрузку на основании выборки входного напряжения, выборки выходного напряжения, выборки входного тока и выборки выходного тока.
Согласно одному дополнительному признаку этих вариантов осуществления блок управления включает в себя множество аналого-цифровых преобразователей (АЦП), выполненных с возможностью преобразования выборки входного напряжения, выборки выходного напряжения, выборки входного тока и выборки выходного тока в цифровые значения. Согласно другому дополнительному признаку этих вариантов осуществления блок управления включает в себя схему, выполненную с возможностью сравнения входного напряжения и выходного напряжения друг с другом, где блок управления выбирает режим работы преобразователя напряжения на основании результата сравнения. Согласно еще одному дополнительному признаку этих вариантов осуществления блок управления выполнен с возможностью управления подачей питания от преобразователя напряжения на нагрузку через схему понижения напряжения путем переключения, по меньшей мере, одного из переключателей из первого набора переключателей с частотой переключения и коэффициентом заполнения, и путем регулировки, по меньшей мере, одного из частоты переключения и коэффициента заполнения в ответ на разность между выборкой входного напряжения и выборкой выходного напряжения. Согласно другому дополнительному признаку этих вариантов осуществления блок управления выполнен с возможностью управления подачей питания от преобразователя напряжения на нагрузку через схему повышения напряжения путем переключения, по меньшей мере, одного из переключателей из второго набора переключателей с частотой переключения и коэффициентом заполнения и путем регулировки, по меньшей мере, одного из частоты переключения и коэффициента заполнения в ответ на разность между выборкой входного напряжения и выборкой выходного напряжения.
В одном или более вариантах осуществления блок управления выполнен с возможностью: управления подачей питания от преобразователя напряжения на нагрузку, когда входное напряжение больше, чем сумма выходного напряжения и первого фиксированного напряжения, где первое фиксированное напряжение больше или равно нулю Вольт, путем управления операциями переключения первого набора переключателей; и управления подачей питания от преобразователя напряжения на нагрузку, когда входное напряжение меньше, чем выходное напряжение, путем управления операциями переключения второго набора переключателей.
Согласно одному дополнительному признаку этих вариантов осуществления первое фиксированное напряжение составляет менее 1 Вольта. Согласно другому дополнительному признаку этих вариантов осуществления блок управления дополнительно выполнен с возможностью управления преобразователем напряжения для работы в режиме прямого преобразования, когда выходное напряжение больше, чем разность между входным напряжением и первым фиксированным напряжением, и меньше, чем сумма входного напряжения и второго фиксированного напряжения.
В общем, в другом аспекте настоящее изобретение относится к способу, включающему в себя этапы, на которых: дискретизируют входное напряжение, выходное напряжение, входной ток и выходной ток преобразователя напряжения, который включает в себя схему понижения напряжения, включающую в себя первый набор переключателей, и схему повышения напряжения, включающую в себя второй набор переключателей, где второй набор переключателей находится отдельно и может управляться независимо от первого набора переключателей; когда входное напряжение больше, чем сумма выходного напряжения и первого фиксированного напряжения, которое больше или равно нулю Вольт, управляют подачей питания от преобразователя напряжения на нагрузку путем управления операциями переключения первого набора переключателей; и, когда входное напряжение меньше, чем выходное напряжение, управляют подачей питания от преобразователя напряжения на нагрузку путем управления операциями переключения второго набора переключателей.
В одном или более вариантах осуществления управление подачей питания от преобразователя напряжения на нагрузку путем управления операциями переключения первого набора переключателей схемы понижения напряжения содержит подачу одного или более сигналов управления на один или более переключателей из первого набора переключателей и широтно-импульсную модуляцию одного или более сигналов управления.
Согласно одному дополнительному признаку данного варианта осуществления широтно-импульсная модуляция одного или более сигналов управления содержит регулировку одного из частоты и коэффициента заполнения каждого широтно-импульсно-модулированного сигнала управления в ответ на разность между входным напряжением и выходным напряжением.
В одном или более других вариантах осуществления управление подачей питания от преобразователя напряжения на нагрузку путем управления операциями переключения второго набора переключателей схемы повышения напряжения содержит подачу одного или более сигналов управления на один или более переключателей из второго набора переключателей и широтно-импульсную модуляцию одного или более сигналов управления. Согласно одному дополнительному признаку данного варианта осуществления широтно-импульсная модуляция одного или более сигналов управления содержит регулировку одного из частоты и коэффициента заполнения каждого широтно-импульсно-модулированного сигнала управления в ответ на разность между входным напряжением и выходным напряжением.
В одном или более вариантах осуществления первое фиксированное напряжение составляет менее 1 Вольта.
В общем, в еще одном аспекте изобретение относится к устройству, включающему в себя понижающий и повышающий преобразователь напряжения с возможностью работы в режиме понижения напряжения и в режиме повышения напряжения и блок управления. Понижающий и повышающий преобразователь напряжения содержит: входной узел; выходной узел; первый переключатель, имеющий первый вывод, второй вывод и управляющий вывод для избирательного размыкания и замыкания первого переключателя для управления контуром тока между первым выводом и вторым выводом, причем первый вывод соединен с входным узлом; первый конденсатор, соединенный между вторым выводом первого переключателя и землей; второй переключатель, имеющий первый вывод, второй вывод и управляющий вывод для избирательного размыкания и замыкания второго переключателя для управления контуром тока между первым выводом и вторым выводом, причем первый вывод соединен со вторым выводом первого переключателя и с первым конденсатором; третий переключатель, имеющий первый вывод, второй вывод и управляющий вывод для избирательного размыкания и замыкания третьего переключателя для управления контуром тока между первым выводом и вторым выводом, причем третий переключатель соединен параллельно со вторым переключателем; четвертый переключатель, имеющий первый вывод, второй вывод и управляющий вывод для избирательного размыкания и замыкания четвертого переключателя для управления контуром тока между первым выводом и вторым выводом, причем первый вывод соединен со вторыми выводами второго и третьего переключателей, и второй вывод соединен с землей; индуктор, имеющий первый вывод и второй вывод, причем первый вывод соединен со вторыми выводами второго, третьего и четвертого переключателей; пятый переключатель, имеющий первый вывод, второй вывод и управляющий вывод для избирательного размыкания и замыкания пятого переключателя для управления контуром тока между первым выводом и вторым выводом, причем первый вывод соединен со вторым выводом индуктора, и второй вывод соединен с землей; шестой переключатель, имеющий первый вывод, второй вывод и управляющий вывод для избирательного размыкания и замыкания шестого переключателя для управления контуром тока между первым выводом и вторым выводом, причем первый вывод соединен со вторым выводом индуктора и первым выводом пятого переключателя; седьмой переключатель, имеющий первый вывод, второй вывод и управляющий вывод для избирательного размыкания и замыкания седьмого переключателя для управления контуром тока между первым выводом и вторым выводом, причем шестой переключатель соединен параллельно с пятым переключателем; второй конденсатор, соединенный между вторыми выводами шестого и седьмого переключателей и землей; и восьмой переключатель, имеющий первый вывод, второй вывод и управляющий вывод для избирательного размыкания и замыкания шестого переключателя для управления контуром тока между первым выводом и вторым выводом, причем первый вывод соединен со вторым конденсатором и вторыми выводами шестого и седьмого переключателей, и где второй вывод соединен с выходным узлом. Блок управления выполнен с возможностью подачи первого-восьмого управляющих сигналов на соответствующие управляющие выводы первого-восьмого переключающих устройств для управления переключением первого-восьмого переключающих устройств, чтобы побудить понижающий и повышающий преобразователь напряжения работать избирательно в одном из режима повышения напряжения и режима понижения напряжения.
В одном или более вариантах осуществления, когда блок управления управляет понижающим и повышающим преобразователем напряжения для работы в режиме понижения напряжения, блок управления подает: первый управляющий сигнал для включения первого переключателя; второй управляющий сигнал для выключения второго переключателя; третий управляющий сигнал, в качестве первого широтно-импульсно-модулированного сигнала, имеющего первую частоту и первый коэффициент заполнения для поочередного включения и выключения третьего переключателя; четвертый управляющий сигнал в качестве второго широтно-импульсно-модулированного сигнала, имеющего первую частоту и второй коэффициент заполнения для поочередного включения и выключения четвертого переключателя; пятый управляющий сигнал для выключения пятого переключателя; шестой управляющий сигнал для выключения шестого переключателя; седьмой управляющий сигнал для включения седьмого переключателя; и восьмой управляющий сигнал для включения восьмого переключателя.
В одном или более вариантах осуществления, когда блок управления управляет понижающим и повышающим преобразователем напряжения для работы в режиме повышения напряжения, блок управления подает: первый управляющий сигнал для включения первого переключателя; второй управляющий сигнал для включения второго переключателя; третий управляющий сигнал для выключения третьего переключателя; четвертый управляющий сигнал для выключения четвертого переключателя; пятый управляющий сигнал в качестве первого широтно-импульсно-модулированного сигнала, имеющего первую частоту и первый коэффициент заполнения для поочередного включения и выключения пятого переключателя; шестой управляющий сигнал в качестве второго широтно-импульсно-модулированного сигнала, имеющего первую частоту и второй коэффициент заполнения для поочередного включения и выключения шестого переключателя; седьмой управляющий сигнал для выключения седьмого переключателя; и восьмой управляющий сигнал для включения восьмого переключателя.
В одном или более вариантах осуществления блок управления включает в себя множество аналого-цифровых преобразователей (АЦП), выполненных с возможностью получения цифровых значений, представляющих собой: входное напряжение на входном узле, входной ток, протекающий через входной узел, выходное напряжение на выходном узле, выходной ток, протекающий через выходной узел, и блок управления подает первый-восьмой управляющие сигналы на соответствующие управляющие выводы первого-восьмого переключающих устройств для управления переключением первым-восьмым переключающими устройствами, чтобы побудить понижающий и повышающий преобразователь напряжения работать избирательно в одном из режимов повышения напряжения или понижения напряжения в ответ на цифровые значения.
Согласно одному дополнительному признаку данного варианта осуществления блок управления выполнен с возможностью: побуждать понижающий и повышающий преобразователь напряжения работать в режиме понижения напряжения, когда входное напряжение больше, чем сумма выходного напряжения и первого фиксированного напряжения, где первое фиксированное напряжение больше или равно нулю Вольт; побуждать понижающий и повышающий преобразователь напряжения работать в режиме повышения напряжения, когда входное напряжение меньше, чем выходное напряжение; и побуждать понижающий и повышающий преобразователь напряжения работать в режиме прямого преобразования, когда выходное напряжение больше, чем разность между входным напряжением и первым фиксированным напряжением, и меньше, чем выходное напряжение.
Как используется здесь для целей настоящего раскрытия термин "СИД" следует понимать, как включающий в себя любой электролюминесцентный диод или другой тип системы на основе p-n перехода/инжекции носителей, которая позволяет генерировать излучение в ответ на электрический сигнал. Таким образом, термин СИД включает в себя, но ограничивается этим, различные структуры, основанные на полупроводниках, которые испускают световой пучок в ответ на ток, светоизлучающие полимеры, органические светоизлучающие диоды (ОСИД), электролюминесцентные полоски и т.п. В частности, термин СИД относится к светоизлучающим диодам всех типов (в том числе к полупроводниковым и органическим светоизлучающим диодам), которые можно сконфигурировать для генерации излучения в одном или более из инфракрасного спектра, ультрафиолетового спектра и различных участков видимого спектра (обычно включающего в себя излучение на длинах волн приблизительно от 380 нанометров до приблизительно 780 нанометров). Некоторые примеры СИД включают в себя, но не ограничиваются этим, различные типы инфракрасных СИД, ультрафиолетовых СИД, красных СИД, синих СИД, зеленых СИД, янтарных СИД, оранжевых СИД и белых СИД (которые будут дополнительно обсуждены ниже). Например, одна реализация СИД, выполненного с возможностью генерации, по существу, белого светового пучка (например, белого СИД) может включать в себя ряд кристаллов, которые, соответственно, излучают излучение в различных спектрах электролюминесценции, которые, в комбинации, смешиваются, для образования, по существу, белого светового пучка. В другой реализации СИД, излучающий белый световой пучок, может быть связан с материалом люминофора, который преобразует электролюминесценцию, имеющую первый спектр, в другой второй спектр. В одном примере этой реализации электролюминесценция, имеющая относительно короткую длину волны и узкополосный спектр "накачивают" материал люминофора, который, в свою очередь, излучает излучение на более длинной длине волны, имеющее несколько более широкий спектр.
Следует также понимать, что термин "СИД" не ограничивает тип физического и/или электрического исполнения СИД. Например, как обсуждено выше, СИД может относиться к одному светоизлучающему диоду, имеющему многочисленные кристаллы, которые выполнены с возможностью соответствующим образом излучать излучение в различных участках спектра (например, которыми можно или нельзя управлять по отдельности). Кроме этого, СИД может ассоциироваться с люминофором, который рассматривается как неотъемлемая часть СИД (например, некоторые типы белых СИД). В общем, термин СИД может относиться к корпусированным СИД, некорпусированным СИД, СИД для поверхностного монтажа, СИД типа кристалл на плате, СИД, включающий в себя некоторый тип корпусированного и/или оптического элемента (например, рассеивающая линза) и т.д.
Термин "источник света" следует понимать как относящийся к любому одному или более из множества источников излучения, включающих в себя, но неограниченных этим, источники на основе СИД (в том числе один или более СИД, как определено выше), источники света на основе ламп накаливания (например, лампы накаливания, галогенные лампы), флуоресцентные источники, фосфоресцентные источники, источники разряда высокой интенсивности (например, лампы на основе паров натрия, паров ртути и металлогалогенные лампы). Лазеры, другие типы электролюминесцентных источников, пиролюминесцентные источники (например, пламя), свече-люминесцентные источники (например, газовые фонари, источники излучения на основе углеродной дуги), фотолюминесцентные (например, газоразрядные источники), катодные люминесцентные источники, использующие насыщение электронов, гальвано-люминесцентные источники, кристалло-люминесцентные источники, радиолюминесцентные источники и люминесцентные полимеры.
"Драйвер системы освещения" используется в данном случае, как относящийся к устройству, которое обеспечивает подачу электрического питания на один или более источников света в определенном формате, чтобы побудить источники света излучать свет. В частности, драйвер системы освещения может получать электрическую энергию в первом формате (например, переменное напряжение электрической сети; фиксированное постоянное напряжение и т.д.) и обеспечивать подачу питания во втором формате, который удовлетворяет требованиям источника(ов) света (например, источник(и) света на основе СИД), который он приводит в действие.
Термин "осветительный прибор" используется здесь как относящийся к устройству, включающему в себя один или более источников света одинаковых или различных типов. Данный осветительный прибор может иметь любое одно из множества монтажных размещений для источника(ов) света, размещений кожуха/корпуса и форм и/или конфигураций электрических и механических соединений. Дополнительно, данный осветительный прибор, если требуется, может ассоциироваться (например, включать в себя, быть связан с и/или выполнен вместе с) с различными другими компонентами (например, схемой управления; драйвером системы освещения), которые относятся к работе источника(ов) света. Термин "осветительный прибор на основе СИД" относится к осветительному прибору, который включает в себя один или более источников света на основе СИД, как обсуждено выше, отдельно или в комбинации с другими источниками света, не основанными на СИД.
Термин "контроллер" используется здесь, в общем, для описания различных устройств, которые относятся к работе преобразователя напряжения. Контроллер можно реализовать различными способами (например, с помощью специализированных аппаратных средств), чтобы выполнить различные функции, обсужденные здесь. "Процессор" является одним из примеров контроллера, в котором используется один или более микропроцессоров, которые можно запрограммировать с использованием программного обеспечения (например, микрокода), чтобы выполнять различные функции, обсужденные здесь. Контроллер можно реализовать с помощью или без использования процессора, а также можно реализовать как комбинацию специализированных аппаратных средств, чтобы выполнять некоторые функции, и процессора (например, один или более запрограммированных процессоров и связанные с ними схемы), чтобы выполнять другие функции. Примеры компонентов контроллера, которые можно использовать в различных вариантах осуществления настоящего раскрытия, включают в себя, но не ограничиваются этим, традиционные микропроцессоры, специализированные интегральные схемы (ASIC) и полевые программируемые вентильные матрицы (FPGA).
Следует понимать, что, когда элемент называется как "соединенный" или "связанный" с другим элементом, он может быть непосредственно соединен или связан с другим элементом или может представлять собой промежуточные элементы. Напротив, когда элемент называется как "непосредственно соединенный" или "непосредственно связанный" с другим элементом, промежуточные элементы не присутствуют.
Следует понимать, что все комбинации вышеизложенных концепций и дополнительных концепций, обсужденных более подробно ниже (при условии, что такие концепции не являются взаимно несовместимыми) рассматриваются как часть предмета изобретения, раскрытого здесь. В частности, все комбинации заявленного предмета изобретения, показанные в конце данного раскрытия, рассматриваются как часть предмета изобретения, раскрытого здесь. Следует также понимать, что терминологии, используемой в данном описании в явном виде, которая также может появиться в любом раскрытии в качестве ссылки, следует придавать значение, наиболее удовлетворяющее конкретным концепциям, раскрытым здесь.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На чертежах одинаковые позиции, в общем, относятся к одинаковым частям на всех различных видах. Кроме того, данные чертежи не обязательно выполнены в масштабе, между тем особое внимание уделяется, в общем, иллюстрации принципов изобретения.
Фиг. 1 иллюстрирует примерный вариант осуществления устройства, включающего в себя понижающий и повышающий преобразователь.
Фиг. 2 иллюстрирует один примерный вариант осуществления блока управления для понижающего и повышающего преобразователя.
Фиг. 3 - временная диаграмма, иллюстрирующая таймирование сигналов управления для первого режима работы (например, в режиме понижения напряжения) одного варианта осуществления понижающего и повышающего преобразователя.
Фиг. 4 - временная диаграмма, иллюстрирующая таймирование сигналов управления для второго режима работы (например, в режиме повышения напряжения) одного варианта осуществления понижающего и повышающего преобразователя.
Фиг. 5 - временная диаграмма, иллюстрирующая таймирование сигналов управления для третьего режима работы (например, режим прямого преобразования) одного варианта осуществления понижающего и повышающего преобразователя.
Фиг. 6 - диаграмма состояний, иллюстрирующая переходы между различными режимами работы для одного варианта осуществления понижающего и повышающего преобразователя.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как обсуждено выше, традиционные комбинированные преобразователи напряжения имеют некоторые ограничения с точки зрения эффективности, ограниченный диапазон входных и выходных напряжений и ряд приложений, в которых они могут применяться. Поэтому заявитель в данном случае понимает и принимает во внимание, что было бы полезно выполнить понижающий и повышающий преобразователь, который способен работать в режиме понижения напряжения и в режиме повышения напряжения с повышенной эффективностью во всем диапазоне входных и выходных напряжений в многочисленных различных приложениях.
В свете вышеизложенного, различные варианты осуществления и реализации настоящего изобретения направлены на понижающий и повышающий преобразователь, в котором один или более переключателей, которые используются для работы понижающего преобразователя, отделены от и могут независимо управляться по отношению к одному или более переключателям, используемым для операции повышения напряжения.
Фиг. 1 иллюстрирует примерный вариант осуществления устройства 100, включающего в себя понижающий и повышающий преобразователь. Устройство 100 включает в себя преобразователь 110 напряжения и блок 120 управления.
Преобразователь 110 напряжения включает в себя входной узел 105 и выходной узел 115. Входной узел 105 соединен с и принимает входное напряжение VIN из источника 10 напряжения. Выходной узел 115 соединен с и обеспечивает подачу выходного напряжения VOUT на нагрузку 20. Преобразователь 110 напряжения также включает в себя первый переключатель SW1, второй переключатель SW2, третий переключатель SW3, четвертый переключатель SW4, пятый переключатель SW5, шестой переключатель SW6, седьмой переключатель SW7, восьмой переключатель SW8, первый конденсатор C1, второй конденсатор C2 и индуктор L1. Преобразователь 110 напряжения также включает в себя первое и второе токоизмерительные устройства I1 и I2, и резисторы R1, R2, R3 и R4 для дискретизации напряжения. В некоторых вариантах осуществления первый-восьмой переключатели SW1-SW8 представляют собой транзисторы и, в конкретном варианте осуществления, они представляют собой полевые транзисторы со структурой металл-оксид-полупроводник (MOSFET). В некоторых вариантах осуществления один или более элементов, таких как первый конденсатор С1, второй конденсатор C2, индуктор L1 и резисторы R1, R2, R3 и R4 для дискретизации напряжения можно реализовать с помощью комбинации множества последовательных или параллельных размещений аналогичных элементов (например, С1 можно реализовать 2, 3 или 4 конденсаторов, соединенных параллельно; L1 может представлять собой два индуктора, соединенных последовательно и т.д.).
Блок 120 управления принимает выборки: из входного напряжения VIN, которое дискретизируется с помощью резисторов R1 и R2 для дискретизации напряжения; входного тока, который подается во входной узел 105 с помощью источника 10 напряжения и дискретизируется с помощью первого токоизмерительного устройства I1; второго напряжения VOUT, которое дискретизируется с помощью резисторов R3 и R4 для дискретизации напряжения; и выходного тока, который подается в нагрузку 20 с помощью преобразователя 110 напряжения и дискретизируется с помощью второго токоизмерительного устройства I2. В ответ на эти выборки, блок 120 управления вырабатывает восемь сигналов VA, VB, VС, VD, VE, VF, VG и VH управления переключателями для управления состояниями переключения восьми переключателей SW1-SW8, чтобы побудить преобразователь 110 напряжения преобразовывать входное напряжение VIN на входном узле 105 в выходное напряжение VOUT на выходном узле 115. В частности, блок 120 управления обеспечивает подачу: VA на первый переключатель SW1; VB на второй переключатель SW2; VС на третий переключатель SW3; VD на четвертый переключатель SW4, VE на пятый переключатель SW5; VF на шестой переключатель SW6; VG на седьмой переключатель SW7; VH на восьмой переключатель SW8. Дополнительные детали конкретного варианта осуществления блока 120 управления будут представлены ниже в отношении Фиг. 2.
Преобразователь 110 напряжения представляет собой комбинированный преобразователь, который может также называться как понижающий и повышающий преобразователь, и может работать в режиме понижения напряжения и в режиме повышения напряжения, как будет более подробно описано ниже. Преобразователь 110 напряжения включает в себя схему понижения напряжения и схему повышения напряжения, которыми можно управлять независимо друг от друга. Преобразователь 110 напряжения также включает в себя режим прямого преобразования, который позволяет передавать входное напряжение VIN с входного узла 105 на выходной узел 115 в качестве выходного напряжения VOUT.
Схема понижения напряжения включает в себя первый набор переключателей, включающий в себя третий и четвертый переключатели SW3 и SW4, которые переключаются в ответ на сигналы импульсно-широтной модуляции (ШИМ) для преобразователя 110 напряжения, для работы в режиме пониженного напряжения. Третий и четвертый переключатели SW3 и SW4 работают вместе с С1, С2, L1 и SW7 для реализации режима понижения напряжения. В режиме понижения напряжения первый, седьмой и восьмой переключатель SW1, SW7 и SW8 остаются включенными, тогда как второй, пятый и шестой переключатели SW2, SW5 и SW6 остаются выключенными. В некоторых вариантах осуществления в режиме понижения напряжения в режиме понижения напряжения управление переключателями выполняется согласно следующей последовательности: (1) включение первого переключателя SW1; (2) выключение пятого и шестого переключателя SW5 и SW6; (3) выключение второго переключателя SW2; (4) включение седьмого переключателя SW7; (5) включение восьмого переключателя SW8; и (6) возбуждение третьего и четвертого переключателя SW3 и SW4 с помощью сигнала ШИМ, чей коэффициент усиления и/или частоту можно регулировать или изменять для преобразования входного напряжения VIN в выходное напряжение VOUT. Таким образом, хотя видно, что все восемь переключателей SW1-SW8 должны иметь правильные установочные параметры для реализации режима понижения напряжения, он представляет собой конкретные операции переключения третьего и четвертого переключателя SW3 и SW4 в ответ на сигналы управления ШИМ, подаваемые из блока 120, которые реализуют эффект понижения напряжения для преобразования входного напряжения VIN в выходное напряжение VOUT.
Схема повышения напряжения включает в себя второй набор переключателей, включающий в себя пятый и шестой переключатели SW5 и SW6. Пятый и шестой переключатели SW5 и SW6 работают вместе с C1, C2, L1 и SW2 для реализации режима повышения напряжения. В режиме повышения напряжения первый и восьмой переключатели SW1 и SW8 остаются включенными, тогда как третий и четвертый переключатели SW3 и SW4 остаются выключенными. В некоторых вариантах осуществления в режиме понижения напряжения управление переключателями выполняется согласно следующей последовательности: (1) включение первого переключателя SW1; (2) выключение третьего и четвертого переключателей SW3 и SW4; (3) выключение седьмого переключателя SW7; (4) включение второго переключателя SW2; (5) включение восьмого переключателя SW8; и (6) возбуждение пятого и шестого переключателей SW5 и SW6 с помощью сигнала ШИМ, чей коэффициент и/или частоту можно регулировать или изменять для преобразования входного напряжения VIN в выходное напряжение VOUT. Таким образом, хотя это видно, что все восемь переключателей SW1-SW8 должны иметь правильные установочные параметры для реализации режима повышения напряжения, он представляет собой конкретные операции переключения пятого и шестого переключателя SW5 и SW6 в ответ на сигналы управления ШИМ, поступающие из блока 120 управления, который реализует эффект повышения напряжения для преобразования входного напряжения VIN в выходное напряжение VOUT.
Схема прямого преобразования включает в себя третий набор переключателей, включающих в себя второй и седьмой переключатели SW2 и SW7, которые включают преобразователь 110 напряжения для работы в режиме прямого преобразования. Второй и седьмой переключатели SW2 и SW7 работают вместе с C1, C2 и L1 для реализации режима прямого преобразования. В режиме прямого преобразования первый, второй, седьмой и восьмой переключатели SW1, SW2, SW7 и SW8 остаются включенными до тех пор, пока третий, четвертый, пятый и шестой переключатели SW3, SW4, SW5 и SW6 остаются выключенными.
Первый переключатель SW1 обеспечивает защиту от обратной полярности на входе для преобразователя 110 напряжения, восьмой переключатель SW8 обеспечивает защиту от обратной полярности на выходе для преобразователя 110 питания и его можно также использовать для включения или выключения преобразователя 110 питания при различных условиях.
В процессе работы выходное напряжение VOUT преобразователя 110 питания может быть меньше, равно или больше, чем входное напряжение VIN. Например, входное напряжение VIN можно подавать от источника 10 напряжения, например, солнечной панели, чье напряжение может быть непостоянным, и вместе с тем может значительно изменяться в зависимости от условий окружающей среды, и выходное напряжение VOUT можно определить по характеру нагрузки 20, например, нагрузка 20 может содержать аккумуляторную батарею, имеющую, по существу, фиксированное напряжение. В этом случае блок 120 управления должен управлять преобразователем 110 напряжения для работы в различных режимах в зависимости от того больше, равно или меньше ли входное напряжение VIN выходного напряжения VOUT.
Теоретически, блок 120 управления должен управлять первым-восьмым переключателями SW1-SW8, чтобы побудить устройство 100 работать в режиме повышения напряжения, когда входное напряжение VIN на входном узле 105 меньше, чем выходное напряжение VOUT на выходном узле 115; работать в режиме прямого преобразования, когда входное напряжение VIN равно выходному напряжению VOUT; и работать в режиме понижения напряжения, когда входное напряжение VIN больше, чем выходное напряжение VOUT.
Однако из-за малых падений напряжения на концах переключателей в преобразователе 110 напряжения, и, возможно, желания обеспечить гистерезис, на практике блок 120 управления побуждает устройство 100 работать в режиме прямого преобразования в малом диапазоне входных напряжений VIN около выходного напряжения VOUT.
Соответственно, на практике блок 120 управления управляет преобразователем 110 питания для того, чтобы работать: в режиме понижения напряжения, когда входное напряжение VIN больше, чем пороговое напряжение понижения; в режиме повышения напряжения, когда входное напряжение VIN меньше, чем пороговое напряжение повышения; и в режиме прямого преобразования, когда входное напряжение VIN находится между пороговым напряжением повышения и пороговым напряжением понижения. В некоторых вариантах осуществления пороговое напряжение понижения равно сумме выходного напряжения VOUT и первому фиксированному напряжению. В общем, первое фиксированное напряжение является относительно малым, например, менее чем 1 Вольт и, в частности 0,5 Вольт. В некоторых вариантах осуществления первое пороговое напряжение может быть равно нулю. Пороговое напряжение повышения равно разности между выходным напряжением VOUT и вторым фиксированным напряжением. В некоторых вариантах осуществления второе фиксированное напряжение может быть равно нулю, в случае которого пороговое напряжение повышения равно выходному напряжению VOUT.
Фиг. 2 иллюстрирует один примерный вариант осуществления блока 200 управления для понижающего и повышающего преобразователя. Блок 200 управления может представлять собой один вариант осуществления блока 120 управления, показанного на Фиг. 1. Блок 200 управления включает в себя: множество аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 212, 214, 216 и 218; компаратор 220; контроллер 230; генератор 240 тактовых импульсов; интерфейс 250 ввода/вывода общего назначения (GPIO); и генератор 260 с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).
Контроллер 230, который может содержать процессор, такой как процессор общего назначения, специализированную интегральную схему (ASIC) и т.д., включает в себя схему 232 генератора тактовых импульсов/таймера. В варианте осуществления, когда контроллер 230 содержит программируемый процессор, он может дополнительно содержать запоминающее устройство, включающее в себя код или инструкции для побуждения процессора исполнять алгоритм управления операциями преобразователя напряжения, такого как, преобразователь 110 напряжения, как будет описано ниже более подробно.
Интерфейс 250 GPIO выводит первый, второй, седьмой и восьмой сигналы управления VA, VB, VG и VH. ШИМ генератор 260 выводит третий, четвертый, пятый и шестой сигналы управления VС, VD, VE и VF, которые являются сигналами ШИМ с переменным коэффициентом заполнения и/или частотой для реализации режима понижения напряжения или режима повышения напряжения, как будет объяснено ниже более подробно. ШИМ генератор 260 может включать в себя несколько схем ШИМ, которые могут работать независимо друг от друга, например, одна единственная схема ШИМ для третьего, четвертого, пятого и шестого сигналов управления ШИМ VС, VD, VE и VF.
Работа блока 200 управления будет теперь представлена в виде конкретного варианта осуществления, где блок 200 управления используется в качестве блока 120 управления устройства 100.
В процессе работы, АЦП 212, 214, 216 и 218 получает выборки из: входного напряжения (например, входного напряжения VIN, которое дискретизируется с помощью резисторов R1 и R2 для дискретизации значений напряжения, показанных на Фиг. 1); входного тока (например, входного тока, который подается во входной узел 105 с помощью источника 10 напряжения и дискретизируется с помощью первого токоизмерительного устройства I1, показанного на Фиг. 1); выходного напряжения (например, выходного напряжения VOUT, которое дискретизируется с помощью резисторов R3 и R4 для дискретизации значений напряжения, показанных на Фиг. 1); и выходного тока (например, выходного тока, который подается в нагрузку 20 с помощью преобразователя 110 напряжения и дискретизируется с помощью второго токоизмерительного устройства I2). В ответ на полученные выборочные напряжения и выборочные токи, АЦП 212, 214, 216 и 218 производит цифровые значения, представляющие аналоговые входные выборки. Компаратор 220 сравнивает цифровые значения, представляющие дискретизированное входное напряжение, и цифровые значения, представляющие дискретизированное выходное напряжение и подает сигнал сравнения в контроллер 230, который позволяет контроллеру 230 определить, следует ли управлять преобразователем 110 напряжения для того, чтобы работать в режиме понижения напряжения, режиме повышения напряжения или режиме прямого преобразования.
Как описано выше, в ответ на сравнение дискретизированного входного напряжения и дискретизированного выходного напряжения, контроллер 230 определяет, следует ли управлять преобразователем 110 напряжения для того, чтобы работать в режиме понижения напряжения, режиме повышения напряжения или режиме прямого преобразования. В частности, когда входное напряжение VIN больше, чем порог понижения напряжения (например, выходное напряжение VOUT плюс маленькое первое фиксированное напряжение), то контроллер 230 определяет, что преобразователь 110 напряжения должен работать в режиме понижения напряжения. Когда входное напряжение VIN меньше, чем порог повышения напряжения (например, выходное напряжение VOUT), то контроллер 230 определяет, что преобразователь 110 напряжения должен работать в режиме повышения напряжения. И когда входное напряжение VIN находится между порогом повышения напряжения и порогом понижения напряжения, контроллер 230 определяет, что преобразователь 110 напряжения должен работать в режиме прямого преобразования.
Контроллер 230 побуждает интерфейс 250 GPIO выводить первый, второй, седьмой и восьмой сигналы управления VA, VB, VG и VH и ШИМ генератор 260 выводить третий, четвертый, пятый и шестой сигналы управления VС, VD, VE и VF, согласно выбранному режиму работы преобразователя 100 напряжения.
Как описано выше, устройство 200 может представлять собой один вариант осуществления блока 120 управления, показанного на Фиг. 2. Однако следует понимать, что возможны и другие варианты осуществления блока 120 управления (Фиг. 1). В некоторых вариантах осуществления компаратор 220 может быть опущен, и контроллер 230 может сам сравнить цифровые значения для дискретизированного входного напряжения и дискретизированного выходного напряжения. В других вариантах осуществления АЦП 212 и 214 и компаратор 220 можно заменить аналоговым компаратором, который сравнивает дискретизированные входные и выходные напряжения, после чего один АЦП преобразует результат сравнения в цифровое значение. Возможны и другие размещения.
На Фиг. 3 изображена временная диаграмма, иллюстрирующая таймирование сигналов управления для первого режима работы, в частности, для режима понижения напряжения. Как показано на Фиг. 3, когда контроллер 230 определяет, что преобразователь 110 напряжения должен работать в режиме понижения напряжения, контроллер 230 побуждает интерфейс 250 GPIO выводить первый, седьмой и восьмой выходные сигналы VA, VG и VH с высоким уровнем для того, чтобы включить первый, седьмой и восьмой переключатели SW1, SW7 и SW8, и выводить второй выходной сигнал VB с низким уровнем для того, чтобы поддерживать второй переключатель SW2 в выключенном состоянии. Контроллер 230 также побуждает ШИМ генератор 260 вырабатывать сигналы VC и VD ШИМ для управлением операциями переключения третьего и четвертого переключателей SW3 и SW4 с соответствующей частотой и коэффициентом заполнения для режима понижения напряжения для преобразования входного напряжения VIN на входном узле 105 в выходное напряжение VOUT на выходном узле 115. В это время, ШИМ генератор 260 также выводит пятый и шестой сигналы управления VE и VF с низким уровнем для того, чтобы поддерживать пятый и шестой переключатели SW5 и SW6 в выключенном состоянии. Генератор 230 тактовых импульсов подает тактовый сигнал для управления таймированием операций в блоке 200 управления, и, в частности, его можно использовать для выработки частоты и/или коэффициента заполнения сигналов VC и VD ШИМ. Контроллер 230 может изменять или регулировать, по меньшей мере, одно из частоты и коэффициента заполнения сигналов VC и VD ШИМ для регулировки выходного напряжения, подаваемого на выходной узел 115.
На Фиг. 4 изображена временная диаграмма, иллюстрирующая таймирование сигналов управления для второго режима работы, в частности, для режима повышения напряжения. Как показано на Фиг. 4, когда контроллер 230 определяет, что преобразователь 110 напряжения должен работать в режиме повышения напряжения, контроллер 230 побуждает интерфейс 250 GPIO выводить первый, второй и восьмой выходные сигналы VA, VB и VH с высоким уровнем для того, чтобы включить первый, второй и восьмой переключатели SW1, SW2 и SW8, и выводить седьмой выходной сигнал VG с низким уровнем для того, чтобы поддерживать седьмой переключатель SW7 в выключенном состоянии. Контроллер 230 также побуждает ШИМ генератор 260 вырабатывать сигналы VE и VF ШИМ для управления операциями переключения пятого и шестого переключателей SW5 и SW6 с соответствующей частотой и коэффициентом заполнения для режима повышения напряжения для преобразования входного напряжения VIN на входном узле 105 в выходное напряжение VOUT на выходном узле 115. В это время, ШИМ генератор 260 также выводит третий и четвертый управляющие сигналы VC и VD с низким уровнем для того, чтобы поддерживать третий и четвертый переключатели SW3 и SW4 в выключенном состоянии. Генератор 230 тактовых импульсов подает тактовый сигнал для управления таймированием операций в блоке 200 управления, и, в частности, его можно использовать для выработки частоты и/или коэффициента заполнения сигналов VE и VF ШИМ. Контроллер 230 может изменять или регулировать, по меньшей мере, одно из частоты и коэффициента заполнения сигналов VE и VF ШИМ для регулировки выходного напряжения, подаваемого на выходной узел 115.
На Фиг. 5 изображена временная диаграмма, иллюстрирующая таймирование сигналов управления для третьего режима работы, в частности, режима прямого преобразования. Как показано на Фиг. 5, когда контроллер 230 определяет, что преобразователь 110 напряжения должен работать в режиме прямого преобразования, контроллер 230 побуждает интерфейс 250 GPIO выводить первый, второй, седьмой и восьмой выходные сигналы VA, VB, VG и VH с высоким уровнем для того, чтобы включить первый, второй, седьмой и восьмой переключатели SW1, SW2, SW7 и SW8. В это время, контроллер 230 также побуждает ШИМ генератор 260 выводить третий, четвертый, пятый и шестой сигналы управления VС, VD, VE и VF с низким уровнем для того, чтобы поддерживать третий, четвертый, пятый и шестой переключатели SW3, SW4, SW5 и SW6 в выключенном состоянии.
На Фиг. 6 изображена схема, иллюстрирующая переходы между различными режимами работы для одного варианта осуществления понижающего и повышающего преобразователя. Как показано на Фиг. 6, TH1 - порог понижения напряжения, который представляет собой точку перехода входного напряжения VIN между режимом понижения напряжения и режимом прямого преобразования, и TH2 - порог повышения напряжения, который представляет собой точку перехода входного напряжения VIN между режимом прямого преобразования и режимом повышения напряжения. Когда входное напряжение VIN на входе узла 105 увеличивается, преобразователь 110 напряжения изменяет режим работы последовательности: режим повышения напряжения → режим прямого преобразования → режим понижения напряжения. Когда входное напряжение VIN уменьшается, преобразователь 110 напряжения изменяет режим работы согласно последовательности: режим понижения напряжения → режим прямого преобразования → режим повышения напряжения.
Устройство 100, как описано выше, можно использовать в различных устройствах и приложениях, включая, например: контроллеры и инверторы для преобразования солнечной энергии; устройства для зарядки аккумуляторов с высокоэффективными функциональными возможностями для различных аккумуляторов (например, литий-ионная аккумуляторная батарея, свинцово-кислотный аккумулятор, Ni-MH аккумулятор и литий-железо-фосфатный аккумулятор); драйверы для систем освещения, например, драйверы СИД постоянного тока для осветительных приборов на основе СИД или других осветительных приборов, использующих другие источники света; преобразователи постоянного напряжения в постоянное общего назначения, которые могут быть включены в бытовые электронные устройства, медицинские устройства и т.д.
Хотя в данном описании были описаны и проиллюстрированы некоторые варианты осуществления изобретения, специалисты в данной области техники легко представят себе различные другие средства и/или структуры для выполнения функции и/или получения результатов и/или одного или более преимуществ, описанные здесь, и каждое из таких изменений и/или модификаций подразумевает, что оно находится в пределах объема вариантов осуществления, обладающих признаками изобретения и описанных в данном документе. В общем, специалисты в данной области техники легко поймут, что все параметры, размеры, материалы и конфигурации, описанные здесь, подразумеваются как примерные, и что фактические параметры, размеры, материалы и/или конфигурации будут зависеть от конкретного применения или применений, для которых используется изобретательская идея. Специалистам в данной области техники будут понятны, или они смогут установить, используя не более чем обычное экспериментирование, многие эквиваленты в конкретных, обладающих признаками изобретения вариантах осуществления, описанных здесь. Таким образом, следует понимать, что вышеизложенные варианты осуществления представлены посредством только примера, и что в пределах объема прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов, обладающие признаками изобретения варианты осуществления могут быть реализованы на практике иным образом, чем как конкретно описано и заявлено. Обладающие признаками изобретения варианты осуществления настоящего раскрытия направлены на каждый отдельный признак, систему, изделие, материал, комплект и/или способ, которые описаны здесь. Кроме того, любая комбинация из двух или более таких признаков, систем, изделий, материалов, комплектов и/или способов, если такие признаки, системы, изделия, материалы, комплекты и/или способы не являются взаимно несовместимыми, включает в себя обладающий признаками изобретения объем настоящего изобретения.
Все определения, которые определены и используются здесь, следует понимать для управления словарными определениями, определениями в документах в качестве ссылки и/или обычными значениями определенных терминов.
Как использовано здесь в описании и в формуле изобретения, формы единственного числа, если явно не указано обратное, следует понимать в значении "по меньшей мере, один".
Термин "и/или" так, как он используется здесь в описании и в формуле изобретения, следует понимать как означающий "один из двух или оба" элемента, которые таким образом соединены, то есть элементы, которые конъюнктивно присутствуют в некоторых случаях и дизъюнктивно присутствуют в других случаях. Многочисленные элементы, перечисленные с помощью "и/или" следует истолковывать таким же образом, то есть "один или более" из элементов, таким образом соединенных. Другие элементы необязательно могут присутствовать помимо элементов, специально идентифицированных с помощью фразы "и/или", не смотря на то, относится ли она или не относится к этим специально идентифицированным элементам.
Как использовано здесь в описании и в формуле изобретения, фраза "по меньшей мере, один" при ссылке на перечень из одного или более элементов, следует понимать как означающую, по меньшей мере, один элемент, выбранный из любого одного или более элементов в перечне элементов, но не обязательно включающую в себя, по меньшей мере, один из отдельного и каждого элемента, специально перечисленного в перечне элементов, и не исключающую любые комбинации элементов в перечне элементов. Это определение также допускает, что элементы необязательно могут присутствовать помимо элементов, специально идентифицированных в перечне элементов, к которым относится фраза "по меньшей мере, один", не смотря на то, относится ли она или не относится к этим специально идентифицированным элементам.
Следует также понимать, что, если явно не указано иное, в любых способах, заявленных здесь, которые включают в себя более одного этапа или действия, порядок этапов или действий способа, не обязательно ограничен порядком, в котором изложены этапы или действия способа. Кроме того, в формуле изобретения ссылочные позиции, указанные в круглых скобках, если таковые имеются, предназначены только для удобства, и их не следует истолковывать как ограничивающие формулу изобретения каким-либо образом.