Step-down converter with dual transformers

Abstract

Systems and devices for voltage converters are described. A circuit can include a plurality of switching elements, a first transformer and a second transformer. The first transformer can be configured to receive an input voltage at a first voltage level. The first transformer can be further configured to reduce the input voltage to generate an output voltage based on states of the plurality of switches. The output voltage can be at a second voltage level that is less than the first voltage level. The second transformer can be connected to the first transformer in parallel. The second transformer can be configured to perform ripple cancellation on the output voltage. The second transformer can be further configured to provide the output voltage to a load that operates under the second voltage level.

Description

STEP-DOWN CONVERTER WITH DUAL TRANSFORMERSTECHNICAL FIELD

[0001] The present disclosure relates in general to apparatuses and devices that includes step-down converters having a dual transformer configuration.BACKGROUND

[0002] A step-down converter or a buck converter is a DC-DC voltage converter that can convert a higher input voltage into a lower output voltage. Step-down converter can be used in various applications and power systems to provide a stable power supply at a reduced voltage level. The step-down converter can include switching elements, such as metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) , that can be rapidly switched on and off based on a switching signal. Control signals, such as a pulse width modulation (PWM) signal, can be used for controlling the output voltage by adjusting the duty cycle of the switching signal.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0003] Fig. 1 is a diagram showing an example system that can implement a step-down converter with dual transformers in one embodiment.

[0004] Fig. 2A is a diagram showing a step-down converter with dual transformers in one embodiment.

[0005] Fig. 2B is a diagram showing a layout of the step-down converter of Fig. 2A in one embodiment.

[0006] Fig. 3A is a diagram showing a state of a step-down converter with dual transformers in one embodiment.

[0007] Fig. 3B is a diagram showing another state of a step-down converter with dual transformers in one embodiment.

[0008] Fig. 3C is a diagram showing another state of a step-down converter with dual transformers in one embodiment.

[0009] Fig. 3D is a diagram showing another state of a step-down converter with dual transformers in one embodiment.

[0010] Fig. 4 is a diagram showing current waveforms generated by implementation of a step-down converter with dual transformers in one embodiment.

[0011] Fig. 5A is a diagram showing another step-down converter with dual transformers in one embodiment.

[0012] Fig. 5B is a diagram showing another step-down converter with dual transformers in one embodiment.

[0013] Fig. 5C is a diagram showing another step-down converter with dual transformers in one embodiment.

[0014] Fig. 5D is a diagram showing another step-down converter with dual transformers in one embodiment.

[0015] Fig. 5E is a diagram showing another step-down converter with dual transformers in one embodiment.

[0016] Fig. 5F is a diagram showing another step-down converter with dual transformers in one embodiment.

[0017] Fig. 5G is a diagram showing another step-down converter with dual transformers in one embodiment.

[0018] Fig. 6A is a diagram showing a magnetic component with a stacked configuration in a step-down converter with dual transformers in one embodiment.

[0019] Fig. 6B is a diagram showing a magnetic component with integrated dual-transformers in a step-down converter with dual transformers in one embodiment.

[0020] Fig. 7 is a diagram showing an example implementation of a rectifier in one embodiment.DETAILED DESCRIPTION

[0021] In the following description, numerous specific details are set forth, such as particular structures, components, materials, dimensions, processing steps and techniques, in order to provide an understanding of the various embodiments of the present application. However, it will be appreciated by one of ordinary skill in the art that the various embodiments of the present application may be practiced without these specific details. In other instances, well-known structures or processing steps have not been described in detail in order to avoid obscuring the present application.

[0022] Fig. 1 is a diagram showing an example system 100 that can implement a step-down converter with dual transformers in one embodiment. System 100 can be part of a device or a machine, such as a motherboard, a computer, a server, a vehicle, or other computing devices and machines including loads that operated under regulated voltage outputted by power converters. In the example shown in Fig. 1, system 100 can include a power supply 102, a controller 104, an AC to DC power converter 106 ( “AD / DC converter 106” ) , a step-down converter 110 and at least one load such as a load 114 and a load 116.

[0023] Power supply 102 can be configured to provide power to various components in system 100 via one or more power converters. Power supply 102 can provide alternating current (AC) power to AC / DC converter 106 in the form of a voltage signal labeled as AC input 120. AC / DC converter 106 can be a power converter configured to convert AC input 120 into a direct current (DC) voltage labeled as DC voltage 126. DC voltage 126 can be a voltage signal having a voltage level V1. AC / DC converter 106 can provide DC voltage 126 to at least one load that operates under the voltage level V1. By way of example, AC / DC converter 106 can provide DC voltage 126 to load 116.

[0024] To provide power to other loads that operate under voltage levels different from the voltage level V1, AC / DC converter 106 can provide DC voltage 126 to a DC-DC converter to convert DC voltage 126 into another voltage level. By way of example, load 114 operates at a voltage level V2, where V2 is less than V1. AC / DC converter 106 can provide DC voltage 126 to step-down converter 110. Step-down converter 110 can be a DC-DC power converter configured to convert DC voltage 126 into DC voltage 128. DC voltage 128 can be a voltage signal having the voltage level V2. Step-down converter 110 can provide DC voltage 128 to load 114.

[0025] In one embodiment, step-down converter 110 can include a DC to AC inverter 130 ( “DC / AC inverter 130” ) , a step-down transformer circuit 132 and an AC to DC rectifier 134 ( “AC / DC rectifier 134” ) . DC / AC inverter 130 can be configured to receive DC voltage 126 and convert DC voltage 126 into AC voltage that can be processed by a transformer in step-down transformer circuit 132. Step-down transformer circuit 132 can be configured to receive the AC voltage from DC / AC inverter 130 and generate a step-down AC voltage (e.g., lower voltage level) . AC / DC rectifier 134 can be configured to receive the step-down AC voltage and convert the step-down AC volage into DC voltage 128.

[0026] Controller 104 can be a microcontroller configured to generate different control signals for AC / DC converter 106 and step-down converter 110. In the example shown in Fig. 1, controller 104 can generate and provide a control signal that is a PWM signal, labeled as PWM 122, for AC / DC converter 106. Controller 104 can also generate and provide another control signal that is  a PWM signal, labeled as PWM 124, for step-down converter 110. PWM 122 can control a duty cycle of a switching signal being used to switch on and switch off switching elements within AC / DC converter 106. PWM 124 can control a duty cycle of a switching signal being used to switch on and switch off switching elements within step-down transformer circuit 132 of step-down converter 110.

[0027] In an aspect, a step-down converter can include a step-down ratio transformer that defines a conversion ratio for converting a higher input voltage into a lower output voltage. The conversion ratio can be defined by a ratio of the number of primary turns to the number of secondary turns of the step-down ratio transformer. The number of primary turns is greater than the number of secondary turns in the step-down ratio transformer. In some aspects, multiple stages of conversion may be needed to convert an input voltage that is significantly higher than a desired output voltage. For example, to convert a 48 volt (V) DC signal into 3.3V, a first conversion stage utilizing a step-down converter with a 4: 1 ratio can convert 48V into 12V, then another converter is needed to convert 12V into 3.3V.

[0028] To reduce power loss caused by this two-stage step-down conversion, high step-down converters that utilize one conversion stage to replace the two stages can be employed. Design and implementation of such high step-down converters can present various challenges. Some solutions for high step-down converters can utilize three-phase transformers. However, the LLC step-down converters can produce large ripple currents and regulation of output voltage becomes difficult. Other solutions encounter challenges such as complex transformer designs and / or decreasing efficiency as the conversion ratio increases.

[0029] To address challenges in high step-down converters, step-down converter 110 can include a dual transformer configuration (e.g., having two distinct transformers) . The dual transformer configuration allows a first transformer, which can be a step-down transformer, to perform voltage step-down and a second transformer, which can be an autotransformer, to perform current doubling for ripple current cancellation. The separation of the two transformers in step-down converter 110 allows the first transformer to be tuned to adjust the step-down conversion ratio without affecting  the ripple current cancellation performed by the second transformer. The current inside the second transformer can be Quasi-DC (e.g., DC dominant with small AC ripples) , which can reduce high frequency wire losses. Hence, the step-down ratio can be increased significantly by tuning the first transformer with minimal impact on efficiency.

[0030] Fig. 2A is a diagram showing a step-down converter with dual transformers in one embodiment. A step-down converter 200 is shown in Fig. 2A. Step-down converter 200 can be an embodiment of step-down converter 110 shown in Fig. 1. Step-down converter 200 can include a plurality of switching elements QU_A, QU_B, QM_A, QM_B, QB_A, QB_B. Switching elements QU_A, QU_B can be upper or high-side switches, switching elements QM_A, QM_B can be middle switches and switching elements QB_A, QB_B can be bottom or low-side switches. Switching elements QU_A, QU_B, QM_A, QM_B, QB_A, QB_B can be MOSFETs. States (e.g., on or off) of switching elements QU_A, QU_B, QM_A, QM_B, QB_A, QB_B can be controlled by a control signal provided by a controller, such as PWM 124 provided by controller 104 as shown in Fig. 1. In one embodiment, if the duty cycle of PWM 124 is larger than or equal to 0.5, zero voltage switching (ZVS) can be activated for all switching elements QU_A, QU_B, QM_A, QM_B, QB_A, QB_B.

[0031] Step-down converter 200 can further include flying capacitors C1, C2, a first transformer 210 and a second transformer 220. The high-side switching elements QU_A, QU_B and middle switching elements QM_A, QM_B can be a full bridge inverter (e.g., DC / AC inverter 130 in Fig. 1) . The first transformer 210 can be step-down transformer circuit 132 shown in Fig. 1. Secondary winding 213, the low side switching elements QB_A, QB_B and second transformer 220 can form a rectifier (e.g., AC / DC rectifier 134 in Fig. 1) . First transformer 210 can be a control transformer including primary windings 211, 212 and a secondary winding 213. A turn ratio of primary windings 211, 212 to secondary winding 213 can be N: N: 1, where N can be an integer or decimal number greater than 1. Primary windings 211, 212 can have the same number of turns. Flying capacitor C1 can be connected to between primary winding 212 and the node between switching elements QU_A and QM_B. Flying capacitor C2 can be connected between primary winding 211 and the node between switching elements QU_B and QM_A. The series  connection of flying capacitors C1 with first transformer 210, and flying capacitor C2 with second transformer 220, can provide a voltage step down by half (e.g., reduce Vin by 50%) . Second transformer 220 can be an autotransformer including one winding, and second transformer 220 can be tapped at a center point 223 such that the winding of second transformer 220 can be partitioned into sections 211, 222, and sections 211, 222 can have a turn ratio of 1: 1. The turn ratio of 1: 1 allows second transformer 220 to function similar to the current doubler.

[0032] First transformer 210 can be configured to handle or see AC, such as being able to receive and output AC, and first transformer 210 can be a step-down transformer that provides voltage step-down. Second transformer 220 can be configured to handle or see AC, such as being able to receive and output AC.. Second transformer 220 can be an autotransformer. Due to the autotransformer properties, the current inside second transformer 220 can be Quasi-DC (e.g., DC dominant with small AC ripples) . Second transformer 220 can also provide voltage step down by half (e.g., reduce by 50%) due to the current doubling. Step-down converter 200 can further include an output inductor L0 and an output capacitor C0. The output inductor L0 and capacitor C0 can form a standard buck converter for voltage regulation and filtering.

[0033] Step-down converter 200 can receive an input voltage having a first voltage level V1 ( “input voltage V1” ) at a node between switching elements QU_A, QU_B. Step-down converter 200 can convert input voltage V1 into a second voltage level V2 ( “output voltage V2” ) that can be provided to a load labeled as a resistor R0 ( “load R0” ) . Output voltage V2 can range from 0V to V1. Load R0 can be a load that operates under voltage level V2 (e.g., load 114 shown in Fig. 1) . To convert input voltage V1 into output voltage V2, first transformer 210 can step-down input voltage V1 to voltage level V2 that is less than V1. First transformer 210 can step-down input voltage V1 by reducing input voltage V1 based on turns ratio N: N: 1 of first transformer 210. Second transformer 220 can perform current doubling to cancel current ripple in output voltage V2 and provide output voltage V2 to load R0. A voltage gain of step-down converter 200 can be expressed as:

[0034] where Vout is V2, Vin is V1, D is the duty cycle of control signal PWM 124 and N is the number of turns in the turn ratio N: N: 1 of first transformer 210.

[0035] In one embodiment, step-down converter 200 (and other variants and embodiments discussed herein) can operate in two different modes –a resonant mode and a PWM mode. Under the resonant mode, flying capacitors C1, C2 can resonant with leakage inductance of first transformer 210 and the second transformer 220. The resonance between flying capacitors C1, C2 and leakage inductance of first transformer 210 can produce a sinusoidal or nearly sinusoidal current through the switching elements in step-down converter 200. The sinusoidal current can result in reduced body diode conduction, voltage spikes, ringing, and switching loss. In one embodiment, flying capacitors C1, C2 can be designed to have smaller size in order to increase frequency to for generating sinusoidal current. Under PWM mode, voltages flying capacitors C1, C2 can be quasi-DC voltages and current on the second transformer 220 can be a quasi-DC current.

[0036] In an aspect, conventional step-down converters have wires with primary windings crossed with one another for ease of connection (e.g., primary winding pin swap) . If this cross connection is outside of first transformer 210, the cross connection has to be implemented in the printed circuit board (PCB) which requires interlayer vias and longer traces. The cross connection in the PCB can cause high ohmic losses in high current applications. In various embodiments shown herein, this cross connection is implemented inside first transformer 210. By way of example, first transformer 210 can have wires of primary windings 211, 212 crossed at a crossing point 215 internally (e.g., inside first transformer 210) . Referring to Fig. 2B, a layout 230 of step-down converter 200 can have all components mounted on a same side of a PCB, including first transformer 210 being mounted as an individual component. Since primary windings 211, 212 are crossed inside first transformer 210, primary windings 211, 212 are may not need to cross different layers of the PCB. The layout 230 of step-down converter 200 can reduce energy loss by reducing PCB routing and via holes.

[0037] Fig. 3A is a diagram showing a state of a step-down converter with dual transformers in one embodiment. A state 300 of a step-down converter (e.g., 110 in Fig. 1 or 200 in Fig. 2) is  shown in Fig. 3A. State 320 can be activated in response to the duty cycle of the step-down converter being equal to 0.5. Under state 300, switching elements QU_A, QM_A and QB_A are switched on and QU_B, QM_B and QB_B are switched off. Under state 300, flying capacitor C1 can be charged and flying capacitor C2 can be discharged. A circuit model 301 of state 300 is also shown in Fig. 3A. Comparing state 300 with circuit model 301, input voltage V1 is Vin, primary winding 211 is P1, primary winding 212 is P2, secondary winding 213 is S1, and sections 221, 222 are sections T2A, T2B, respectively. Current flow direction under state 300 is shown by arrows in Fig. 3A. Under state 300, current can flow from V1 (or Vin) towards a node 302 between primary windings 211, 212 (or P1, P2) , then towards a node 304 between node 302 and secondary winding 213 (or S1) , then towards a node 306 that is situated at a center tap (e.g., center point 223) of second transformer 220 between T2A and T2B. The current flow under state 300 can charge flying capacitor C1 and discharge flying capacitor C2.

[0038] Fig. 3B is a diagram showing another state of a step-down converter with dual transformers in one embodiment. A state 310 of a step-down converter (e.g., 110 in Fig. 1 or 200 in Fig. 2) is shown in Fig. 3B. State 310 can be activated in response to the duty cycle of the step-down converter being equivalent to 0.5. Note that state 300 in Fig. 3A and state 310 in Fig. 3B are complementary states when the duty cycle of the step-down converter is 0.5. Under state 320, switching elements QU_B, QM_B and QB_B are switched on and QU_A, QM_A and QB_A are switched off. Under state 310, flying capacitor C1 can be discharged and flying capacitor C2 can be charged. A circuit model 311 of state 310 is also shown in Fig. 3B. Comparing state 310 with circuit model 311, input voltage V1 is Vin, primary winding 211 is P1, primary winding 212 is P2, secondary winding 213 is S1, and sections 221, 222 are sections T2A, T2B, respectively. Current flow direction under state 310 is shown by arrows in Fig. 3B. Under state 310, current can flow from V1 (or Vin) towards a node 312 between primary windings 211, 212 (or P1, P2) , then towards a node 314 between node 312 and secondary winding 213 (or S1) , then towards a node 306 that is situated at a center tap (e.g., center point 223) of second transformer 220 between T2A and T2B. The current flow under state 310 can discharge flying capacitor C1 and charge flying capacitor C2.

[0039] Fig. 3C is a diagram showing another state of a step-down converter with dual transformers in one embodiment. A state 320 of a step-down converter (e.g., 132 in Fig. 1 or 200 in Fig. 2) is shown in Fig. 3C. State 320 can be activated in response to the duty cycle of the step-down converter being greater than 0.5. Under state 320, switching elements QU_A and QU_B are switched on and QM_A, QM_B, QB_A and QB_B are switched off. Further, under state 320, flying capacitors C1 and C2 can be charged and first transformer 210 can be shorted. A circuit model 321 of state 320 is also shown in Fig. 3C. Comparing state 320 with circuit model 321, input voltage V1 is Vin and sections 221, 222 are sections T2A, T2B, respectively. Current flow direction under state 320 is shown by arrows in Fig. 3C. Under state 320, current can flow from V1 (or Vin) towards node 306 situated at a center tap (e.g., center point 223) of second transformer 220 between T2A and T2B. The current flow in state 320 can charge flying capacitors C1 and C2.

[0040] Fig. 3D is a diagram showing another state of a step-down converter with dual transformers in one embodiment. A state 330 of a step-down converter (e.g., 110 in Fig. 1 or 200 in Fig. 2) is shown in Fig. 3D. State 330 can be activated in response to the duty cycle of the step-down converter being less than 0.5. Under state 330, switching elements QB_A and QB_B are switched on and QU_A, QU_B, QM_A and QM_B are switched off. Further, under state 330, flying capacitors C1 and C2 can be in open circuit and first transformer 210 can be shorted. A circuit model 331 of state 330 is also shown in Fig. 3D. Comparing state 330 with circuit model 331, sections 221, 222 are sections T2A, T2B, respectively. Current flow direction under state 330 is shown by arrows in Fig. 3D. Under state 330, current can flow towards node 306 situated at a center tap (e.g., center point 223) of second transformer 220 between T2A and T2B.

[0041] Fig. 4 is a diagram showing current waveforms generated by implementation of a step-down converter with dual transformers in one embodiment. A set of current waveforms 400 that vary with respect to time are shown in Fig. 4. Waveforms 400 show current that varies with time for primary windings 211, 212 of first transformer 210 in Fig. 2, secondary winding 213 of first transformer 210 in Fig. 2 and winding 221 of second transformer 220. As shown by waveforms 400, current on primary windings 211, 212 of first transformer 210 can vary at the same rate.  Current on second winding 213 can also vary with current of primary windings 211, 212, but in opposite direction (e.g., current on secondary winding 213 is negative when current on primary windings 211, 212 is positive, and vice versa) . Further, current on winding 221 of second transformer shown in Fig. 4 resembles quasi-DC current.

[0042] Fig. 5A is a diagram showing another step-down converter with dual transformers in one embodiment. A step-down converter 500 is shown in Fig. 5A. Step-down converter 500 can be an embodiment of step-down converter 110 shown in Fig. 1. Step-down converter 500 can be a variant of step-down converter 200 shown in Fig. 2A. Step-down converter 500 can include flying capacitors C1, C2, first transformer 210 and second transformer 220. In step-down converter 500, flying capacitor C1 can be connected between primary winding 212 and a node between switching elements QM_A and QB_B. Further, in step-down converter 500, flying capacitor C2 can be connected between primary winding 211 and a node between switching elements QM_B and QB_A. A voltage gain of step-down converter 500 can be expressed as:

[0043] where Vout is V2, Vin is V1, D is the duty cycle of control signal PWM 124 and N is the number of turns in the turn ratio N: N: 1 of first transformer 210.

[0044] Fig. 5B is a diagram showing another step-down converter with dual transformers in one embodiment. A step-down converter 510 is shown in Fig. 5B. Step-down converter 510 can be an embodiment of step-down converter 110 shown in Fig. 1. Step-down converter 510 can be a variant of step-down converter 200 shown in Fig. 2A. Step-down converter 510 can include flying capacitors C1, C2, first transformer 210, second transformer 220, and diodes D1, D2. In step-down converter 510, flying capacitor C1 can be connected between primary winding 212 and a node between switching elements QM_A and QB_B. Further, in step-down converter 500, flying capacitor C2 can be connected between primary winding 211 and a node between switching elements QM_B and QB_A. A voltage gain of step-down converter 500 can be expressed as:

[0045] where Vout is V2, Vin is V1, D is the duty cycle of control signal PWM 124 and N is the number of turns in the turn ratio N: N: 1 of first transformer 210. The addition of diodes D1, D2 provides a snubber circuit that prevents overvoltage by clamping voltage across the low-side switching elements QB_A, QB_B to half of Vin (or half of V1, or 0.5V1) .

[0046] Fig. 5C is a diagram showing another step-down converter with dual transformers in one embodiment. A step-down converter 520 is shown in Fig. 5C. Step-down converter 520 can be an embodiment of step-down converter 110 shown in Fig. 1. Step-down converter 520 can be a variant of step-down converter 200 shown in Fig. 2A. Step-down converter 520 can include flying capacitors C1, C2, C3, C4, first transformer 210, second transformer 220 and a plurality of switching elements QU_A, QU_B, QM1_A, QM2_A, QM1_B, QM2_B, QB_A, QB_B. The switching elements in step-down converter 520 can be MOSFETs, and states of the switching elements can be controlled by a control signal provided by a controller, such as PWM 124 provided by controller 104 as shown in Fig. 1. In one embodiment, if the duty cycle of PWM 124 has a duty cycle higher than or equal to 0.5, zero voltage switching (ZVS) can be activated for all switching elements in step-down converter 520.

[0047] In step-down converter 520, flying capacitor C1 can be connected between primary winding 212 and a node between switching elements QM1_B and QM2_A. Flying capacitor C2 can be connected between primary winding 211 and a node between switching elements QM1_A and QM2_B. Flying capacitor C3 can be connected between primary winding 211 and a node between switching elements QU_A and QM1_B. Flying capacitor C4 can be connected between primary winding 212 and a node between switching elements QU_B and QM1_A. A voltage gain of step-down converter 520 can be expressed as:

[0048] where Vout is V2, Vin is V1, D is the duty cycle of control signal PWM 124 and N is the number of turns in the turn ratio N: N: 1 of first transformer 210. Referring to Fig. 2A, 5A and 5B, step- down converter 520 includes eight switching elements and step-down converters 200, 500, 510 include six switching elements. The additional switching elements in step-down converter 520 can provide a higher step-down ratio when compared to the embodiments with six switching elements. Thus, the embodiments with less switching elements uses less components and the embodiments with more switching elements provide higher step-down ratio.

[0049] Fig. 5D is a diagram showing another step-down converter with dual transformers in one embodiment. A step-down converter 530 is shown in Fig. 5D. Step-down converter 530 can be an embodiment of step-down converter 110 shown in Fig. 1. Step-down converter 530 can be a variant of step-down converter 200 shown in Fig. 2A. Step-down converter 530 can include flying capacitors C1, C2, C3, C4, first transformer 210, second transformer 220 and the plurality of switching elements QU_A, QU_B, QM1_A, QM2_A, QM1_B, QM2_B, QB_A, QB_B.

[0050] In step-down converter 530, flying capacitor C1 can be connected between primary winding 212 and a node between switching elements QM1_B and QM2_A. Flying capacitor C2 can be connected between primary winding 211 and a node between switching elements QM1_A and QM2_B. Flying capacitor C3 can be connected between section 221 of second transformer 220 and a node between switching elements QU_A and QM1_B. Flying capacitor C4 can be connected between section 222 of second transformer 220 and a node between switching elements QU_B and QM1_A. A voltage gain of step-down converter 520 can be expressed as:

[0051] where Vout is V2, Vin is V1, D is the duty cycle of control signal PWM 124 and N is the number of turns in the turn ratio N: N: 1 of first transformer 210. The connection of flying capacitors C3, C4 to second transformer 220 can prevents overvoltage by clamping voltage across the high-side switching elements QU_A, QU_B and voltage across the low-side switching elements QB_A, QB_B to 0.2Vin (or 0.2V1) .

[0052] Fig. 5E is a diagram showing another step-down converter with dual transformers in one embodiment. A step-down converter 540 is shown in Fig. 5E. Step-down converter 540 can be  an embodiment of step-down converter 110 shown in Fig. 1. Step-down converter 540 can be a variant of step-down converter 200 shown in Fig. 2A. Step-down converter 540 can include flying capacitors C1, C2, first transformer 210, second transformer 220, and snubber circuits 542, 544. In step-down converter 540, flying capacitor C1 can be connected to between primary winding 212 and the node between switching elements QU_A and QM_B. Flying capacitor C2 can be connected between primary winding 211 and the node between switching elements QU_B and QM_A. Snubber circuit 542 can be connected between a source terminal of switching element QB_B and a node between switching elements QU_A and QM_A. Snubber circuit 544 can be connected between a source terminal of switching element QB_A and a node between switching elements QU_B and QM_B. The addition of snubber circuits 542, 544 can prevent overvoltage by clamping voltage across the low-side switching elements QB_A, QB_B to half of Vin (or half of V1, or 0.5V1) .

[0053] Fig. 5F is a diagram showing another step-down converter with dual transformers in one embodiment. A step-down converter 550 is shown in Fig. 5F. Step-down converter 550 can be an embodiment of step-down converter 110 shown in Fig. 1. Step-down converter 550 can be a variant of step-down converter 200 shown in Fig. 2A. Step-down converter 550 can include flying capacitors C1, C2, first transformer 210, second transformer 220, and snubber circuits 552, 554. In step-down converter 550, flying capacitor C1 can be connected to between primary winding 212 and the node between switching elements QU_A and QM_B. Flying capacitor C2 can be connected between primary winding 211 and the node between switching elements QU_B and QM_A. Snubber circuit 552 can be connected between a source terminal of switching element QB_B and a gate of switching element QM_A. Snubber circuit 544 can be connected between a source terminal of switching element QB_A and a gate of switching element QM_B. The addition of snubber circuits 552, 554 can prevent overvoltage by clamping voltage across the low-side switching elements QB_A, QB_B to half of Vin (or half of V1, or 0.5V1) .

[0054] Fig. 5G is a diagram showing another step-down converter with dual transformers in one embodiment. A step-down converter 560 is shown in Fig. 5G. Step-down converter 560 can be an embodiment of step-down converter 110 shown in Fig. 1. Step-down converter 560 can be a variant  of step-down converter 200 shown in Fig. 2A. Step-down converter 560 can include flying capacitors C1, C2, first transformer 210, second transformer 220, and k parallel output blocks ranging from block 562-1 to 562-k. In step-down converter 560, flying capacitor C1 can be connected to between primary winding 212 and the node between switching elements QU_A and QM_B. Flying capacitor C2 can be connected between primary winding 211 and the node between switching elements QU_B and QM_A. Each one of the k parallel output blocks can include a copy of secondary winding 213 (including 213-1 to 213-k) and a copy of sections 221, 222 (including 221-1, 222-1 to 221-k, 222-k) . The k parallel output blocks can split high output currents and reduce ohmic losses of step-down converter 560.

[0055] Fig. 6A is a diagram showing a magnetic component with a stacked configuration in a step-down converter with dual transformers in one embodiment. A magnetic component 600 having five input / out (I / O) pins P1, P2, P3, P4, P5 is shown in Fig. 6A. Magnetic component can be a part of a step-down converter, such as one of step-down converters 110, 200, 500, 510, 520, 530, 540, 550, 560, described herein. The five I / O pins can reduce a PCB layout complexity of the step-down converter. Magnetic component 600 can have a stacked configuration 602 as shown in Fig. 6A. Stacked configuration 602 of magnetic component 600 can include a magnetic core composed of magnetic material 604, where magnetic material 604 can be ferrite or other magnetic materials. Primary windings 211, 212, secondary winding 213, and winding sections 221, 222 can wrap around or encompass the magnetic core composed of magnetic material 604. Magnetic material 604 can also isolate first transformer 210 from second transformer 220. The coupling factor between first transformer 210 and second transformer 220 can be minimized. Stacked configuration 602 can reduce the overall size, ease the PCB layout and reduce the overall cost.

[0056] Fig. 6B is a diagram showing a magnetic component with integrated dual-transformers in a step-down converter with dual transformers in one embodiment. Magnetic component 600 of Fig. 6A can have an integrated dual-transformer configuration 610 as shown in Fig. 6B. Integrated dual-transformer configuration 610 of magnetic component 600 can include a first magnetic core composed of magnetic material 604 and a second magnetic core composed of material 612, where  magnetic materials 604, 612 can be ferrite or other magnetic materials. Primary windings 211, 212 and secondary winding 213 can wrap around or encompass the first magnetic core composed of magnetic material 604. Winding sections 221, 222 can wrap around or encompass the second magnetic core composed of magnetic material 612. Integrated dual-transformer configuration 610 can minimize the coupling factor between first transformer 210 and second transformer 220.

[0057] Fig. 7 is a diagram showing an example implementation of a rectifier in one embodiment. In one embodiment, secondary winding 213 of first transformer 210, second transformer 220, and the low-side switching elements QB_A, QB_B can form a rectifier 700. Rectifier 700 can be an embodiment of AC / DC rectifier 134 shown in Fig. 1. Rectifier 700 can be configured to perform output ripple current cancellation, can handle quasi-DC current in second transformer 220, and can perform current doubling. Rectifier 700 can be used for various applications as well, such as a LLC converter 702 shown in Fig. 7.

[0058] The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. As used herein, the singular forms "a" , "an" and "the" are intended to include the plural forms as well, unless the context clearly indicates otherwise. It will be further understood that the terms "comprises" and / or "comprising, " when used in this specification, specify the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, and / or components, but do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, and / or groups thereof.

[0059] The corresponding structures, materials, acts, and equivalents of all means or step plus function elements, if any, in the claims below are intended to include any structure, material, or act for performing the function in combination with other claimed elements as specifically claimed. The description of the present invention has been presented for purposes of illustration and description, but is not intended to be exhaustive or limited to the invention in the form disclosed. Many modifications and variations will be apparent to those of ordinary skill in the art without departing from the scope and spirit of the invention. The embodiment was chosen and described in order to best explain the principles of the invention and the practical application, and to enable  others of ordinary skill in the art to understand the invention for various embodiments with various modifications as are suited to the particular use contemplated.

Claims

1.A circuit comprising:a plurality of switching elements;a first transformer configured to:receive an input voltage at a first voltage level; andreduce the input voltage to generate an output voltage based on states of the plurality of switches, wherein the output voltage is at a second voltage level that is less than the first voltage level;a second transformer connected to the first transformer in parallel, the second transformer being configured to:perform ripple cancellation on the output voltage; andprovide the output voltage to a load that operates under the second voltage level.2.The circuit of claim 1, wherein:the first transformer is a step-down transformer; andthe second transformer is an autotransformer.3.The circuit of claim 1, wherein the first transformer comprises:a first primary winding;a second primary winding; anda secondary winding, wherein a turn ratio of the first winding to the second primary to the secondary winding is N: N: 1.4.The circuit of claim 3, wherein a ratio of the first voltage level to the second voltage level is dependent on N and a duty cycle of a switching signal being used for controlling the states of the plurality of switches.5.The circuit of claim 1, wherein the second transformer is tapped at a center point and a turn ratio of the second transformer is 1: 1.6.The circuit of claim 1, wherein a pin swap of two primary winding in the first transformer allows components of the circuit to be placed on the same layer of PCB without interlayer routing.7.A power converter comprising:an inverter configured to receive direct current (DC) voltage and convert the DC voltage into alternating current (AC) voltage having a first voltage level;a first transformer configured to:receive the AC voltage from the inverter; andreduce the AC voltage to generate an AC output voltage, wherein the AC output voltage is at a second voltage level that is less than the first voltage level;a rectifier comprising a second transformer connected to the first transformer in parallel, the rectifier being configured to receive the AC output voltage and convert the AC output voltage into a DC output voltage, and the second transformer being configured to perform ripple cancellation on the DC output voltage.8.A system comprising:a controller configured to generate a control signal;a power converter comprising:an inverter configured to receive direct current (DC) voltage and convert the DC voltage into alternating current (AC) voltage having a first voltage level;a first transformer configured to:receive the AC voltage from the inverter; anduse the control signal to reduce the AC voltage to generate an AC output voltage, wherein the AC output voltage is at a second voltage level that is less than the first voltage level;a rectifier comprising a second transformer connected to the first transformer in parallel, the rectifier being configured to receive the AC output voltage and convert the AC output voltage into a DC output voltage, and the second transformer being configured to perform ripple cancellation on the DC output voltage.

Images