一种多模式的开关电容变换器及其电压转换方法技术

一种多模式的开关电容变换器及其电压转换方法，能在不调换输入输出端口的条件下同时实现直通、半压和倍压三种模式的电压转换，直通模式下将开关器件S1、S2、S3、S4、S7和S8导通，S5、S6、S9和S10断开，实现输入电源到输出电压的1:1电压转换；半压模式下第一阶段将开关器件S1、S4、S5、S7和S10导通，S2、S3、S6、S8和S9断开，第二阶段将开关器件S2、S3、S6、S8和S9导通，S1、S4、S5、S7和S10断开，实现输入电源到输出电压的2:1电压转换；倍压模式下第一阶段将开关器件S2、S3、S4、S5、S8和S10导通，开关器件S1、S6、S7和S9断开，第二阶段将开关器件S1、S3、S4、S6、S7和S9导通，开关器件S2、S5、S8和S10断开，实现输入电源到输出电压的1:2电压转换。

【技术实现步骤摘要】
一种多模式的开关电容变换器及其电压转换方法
本专利技术属于高效率变换器
，涉及一种多模式的开关电容变换器及其电压转换方法，能够应用于手机快充领域，在不改变输入输出端口的条件下，实现直通、半压和倍压的高效率电压转换。
技术介绍
随着5G时代的到来，为满足5G高耗能的需求，手机电池容量越来越大。伴随而来的快充技术让人们可以利用碎片时间来使自己的手机电量迅速恢复，因此快充技术逐渐成为高端手机的标配，开关电容变换器因为效率高而被广泛应用于手机快充。现有的快充方案多种多样，不同适配器也提供了5V、10V、20V等多种输入电压，这对后级电压变换器提出了更高的要求：当手机电池为两节10V时，就要求变换器同时兼容倍压、直通和半压的电源转换，但现有的开关电容变换器往往只能同时实现倍压和直通、或同时直通和半压，如果要同时兼顾倍压、半压和直通三者，往往需要将输入输出端口对调。图1是现有的一种同时兼容直通和半压模式的开关电容变换器，包括8个开关器件SW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW6、SW7、SW8和两个飞电容CFLY1、CFLY2，还包括输入电源VIN，输出电容以及输出负载。这种开关电容变换器通过控制开关器件的不同开关状态，能够实现电压直通（如图2所示）或者半压（如图3所示）的功能。图2给出了上述变换器工作在直通模式下的等效电路图，直通模式下，控制开关器件SW1、SW2、SW5、SW6导通，开关器件SW3、SW4、SW7、SW8关闭，输入电源VIN直接给开关电容变换器的输出VOUT充电，VOUT=VIN。图3给出了上述变换器工作在半压模式下的等效电路图，半压模式包括两个阶段：在Phase1阶段，控制开关器件SW1、SW3、SW6、SW8导通，开关器件SW2、SW4、SW5、SW7关断，输入电源VIN通过电容CFLY1给输出VOUT充电，电容CFLY1充电；与此同时，电容CFLY2给输出VOUT充电，电容CFLY2放电。在Phase2阶段，控制开关器件SW2、SW4、SW5、SW7导通，开关器件SW1、SW3、SW6、SW8关断，输入电源VIN通过电容CFLY2给输出VOUT充电，电容CFLY2充电；与此同时，电容CFLY1给输出VOUT充电，电容CFLY1放电。半压模式的两个阶段phase1和Phase2的占空比各为50%，半压模式的两个阶段相互交替工作输出功率，在稳态时VOUT=VCFLY=VIN/2，VOUT是开关电容变换器输出电压的电压值，VIN是输入电源的电压值，VCFLY是电容CFLY1上的电压值也是电容CFLY2上的电压值。根据以上分析可知，现有的双相开关电容变换器能够同时兼容直通和半压的电压转换，但不能实现倍压的电压转换；如果将其输入与输出的端口对调，则能实现直通和倍压的电压转换，但不能实现半压的电压转换。即现有的方案无法在不调换输入输出端口的条件下，同时兼容直通、半压和倍压三种电压转换。
技术实现思路
针对上述传统开关电容变换器无法在不调换输入输出端口的条件下，同时兼容直通、半压和倍压三种电压转换的不足之处，本专利技术提出了一种新型的开关电容变换器拓扑架构，结合本专利技术的开关控制方法，可以在不改变输入输出端口的条件下，实现直通（1:1）、半压（2:1）和倍压（1:2）三种模式的高效率电压转换，轻松应对手机快充领域在两节电池的条件下，各种模式的电压转换比要求。同时，本专利技术提出的开关电容变换器相比现有的双相开关电容变换器，仅多出2个开关器件，保持了系统的高集成度。本专利技术的技术方案为：一种多模式的开关电容变换器，其特征在于，包括第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第六开关器件、第七开关器件、第八开关器件、第九开关器件、第十开关器件、第一电容和第二电容，所述开关电容变换器的输入正极端分别通过第一开关器件后连接第一电容的第一连接端和通过第二开关器件后连接第二电容的第一连接端，所述开关电容变换器的输入负极端和输出负极端都接地并分别通过第九开关器件后连接第一电容的第二连接端和通过第十开关器件后连接第二电容的第二连接端；所述开关电容变换器的输出正极端分别通过第五开关器件和第七开关器件的串联结构后连接第一电容的第二连接端以及通过第六开关器件和第八开关器件的串联结构后连接第二电容的第二连接端；第三开关器件接在第六开关器件和第八开关器件的串联点与第一电容的第一连接端之间，第四开关器件接在第五开关器件和第七开关器件的串联点与第二电容的第一连接端之间；输入电源接在所述开关电容变换器的输入正极端和输入负极端之间，所述开关电容变换器的输出正极端和输出负极端之间输出所述开关电容变换器的输出电压，所述开关电容变换器具有直通模式、半压模式和倍压模式；直通模式下，只有第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第七开关器件和第八开关器件导通，实现所述输入电源到所述开关电容变换器输出电压的1:1电压转换；半压模式下，第一阶段只有第一开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第七开关器件和第十开关器件导通，第二阶段只有第二开关器件、第三开关器件、第六开关器件、第八开关器件和第九开关器件导通，半压模式的两个阶段占空比各为50%且相互交替工作，在稳态时实现所述输入电源到所述开关电容变换器输出电压的2:1电压转换；倍压模式下，第一阶段只有第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第八开关器件和第十开关器件导通，第二阶段只有第一开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第六开关器件、第七开关器件和第九开关器件导通，倍压模式的两个阶段占空比各为50%且相互交替工作，在稳态时实现所述输入电源到所述开关电容变换器输出电压的1:2电压转换。具体的，所述第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第六开关器件、第七开关器件、第八开关器件、第九开关器件、第十开关器件的实现形式包括但不限于氮化镓晶体管、双极结型晶体管、绝缘栅双极型晶体管、金属-氧化物半导体场效应晶体管、场控晶闸管、门极可关断晶闸管和传输门。基于上述多模式开关电容变换器，本专利技术还提出了对应的开关控制方法，以实现不同的电压转换，本专利技术提出的上述多模式开关电容变换器的电压转换方法技术方案如下：一种多模式开关电容变换器的电压转换方法，所述多模式开关电容变换器包括第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第六开关器件、第七开关器件、第八开关器件、第九开关器件、第十开关器件、第一电容和第二电容，所述开关电容变换器的输入正极端分别通过第一开关器件后连接第一电容的第一连接端和通过第二开关器件后连接第二电容的第一连接端，所述开关电容变换器的输入负极端和输出负极端都接地并分别通过第九开关器件后连接第一电容的第二连接端和通过第十开关器件后连接第二电容的第二连接端；所述开关电容变换器的输出正极端分别通过第五开关器件和第七开关器件的串联结构后连接第一电容的第二连接端以及通过第六开关器件和第八开关器件的串联结构后连接第二电容的第二连接端；第三开关本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多模式的开关电容变换器，其特征在于，包括第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第六开关器件、第七开关器件、第八开关器件、第九开关器件、第十开关器件、第一电容和第二电容，所述开关电容变换器的输入正极端分别通过第一开关器件后连接第一电容的第一连接端和通过第二开关器件后连接第二电容的第一连接端，所述开关电容变换器的输入负极端和输出负极端都接地并分别通过第九开关器件后连接第一电容的第二连接端和通过第十开关器件后连接第二电容的第二连接端；所述开关电容变换器的输出正极端分别通过第五开关器件和第七开关器件的串联结构后连接第一电容的第二连接端以及通过第六开关器件和第八开关器件的串联结构后连接第二电容的第二连接端；第三开关器件接在第六开关器件和第八开关器件的串联点与第一电容的第一连接端之间，第四开关器件接在第五开关器件和第七开关器件的串联点与第二电容的第一连接端之间；/n输入电源接在所述开关电容变换器的输入正极端和输入负极端之间，所述开关电容变换器的输出正极端和输出负极端之间输出所述开关电容变换器的输出电压，所述开关电容变换器具有直通模式、半压模式和倍压模式；直通模式下，只有第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第七开关器件和第八开关器件导通，实现所述输入电源到所述开关电容变换器输出电压的1:1电压转换；半压模式下，第一阶段只有第一开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第七开关器件和第十开关器件导通，第二阶段只有第二开关器件、第三开关器件、第六开关器件、第八开关器件和第九开关器件导通，半压模式的两个阶段占空比各为50%且相互交替工作，在稳态时实现所述输入电源到所述开关电容变换器输出电压的2:1电压转换；倍压模式下，第一阶段只有第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第八开关器件和第十开关器件导通，第二阶段只有第一开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第六开关器件、第七开关器件和第九开关器件导通，倍压模式的两个阶段占空比各为50%且相互交替工作，在稳态时实现所述输入电源到所述开关电容变换器输出电压的1:2电压转换。/n...

【技术特征摘要】
1.一种多模式的开关电容变换器，其特征在于，包括第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第六开关器件、第七开关器件、第八开关器件、第九开关器件、第十开关器件、第一电容和第二电容，所述开关电容变换器的输入正极端分别通过第一开关器件后连接第一电容的第一连接端和通过第二开关器件后连接第二电容的第一连接端，所述开关电容变换器的输入负极端和输出负极端都接地并分别通过第九开关器件后连接第一电容的第二连接端和通过第十开关器件后连接第二电容的第二连接端；所述开关电容变换器的输出正极端分别通过第五开关器件和第七开关器件的串联结构后连接第一电容的第二连接端以及通过第六开关器件和第八开关器件的串联结构后连接第二电容的第二连接端；第三开关器件接在第六开关器件和第八开关器件的串联点与第一电容的第一连接端之间，第四开关器件接在第五开关器件和第七开关器件的串联点与第二电容的第一连接端之间；
输入电源接在所述开关电容变换器的输入正极端和输入负极端之间，所述开关电容变换器的输出正极端和输出负极端之间输出所述开关电容变换器的输出电压，所述开关电容变换器具有直通模式、半压模式和倍压模式；直通模式下，只有第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第七开关器件和第八开关器件导通，实现所述输入电源到所述开关电容变换器输出电压的1:1电压转换；半压模式下，第一阶段只有第一开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第七开关器件和第十开关器件导通，第二阶段只有第二开关器件、第三开关器件、第六开关器件、第八开关器件和第九开关器件导通，半压模式的两个阶段占空比各为50%且相互交替工作，在稳态时实现所述输入电源到所述开关电容变换器输出电压的2:1电压转换；倍压模式下，第一阶段只有第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第八开关器件和第十开关器件导通，第二阶段只有第一开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第六开关器件、第七开关器件和第九开关器件导通，倍压模式的两个阶段占空比各为50%且相互交替工作，在稳态时实现所述输入电源到所述开关电容变换器输出电压的1:2电压转换。


2.根据权利要求1所述的多模式的开关电容变换器，其特征在于，所述第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第六开关器件、第七开关器件、第八开关器件、第九开关器件、第十开关器件的实现形式包括但不限于氮化镓晶体管、双极结型晶体管、绝缘栅双极型...

【专利技术属性】
技术研发人员：施耀辉，
申请(专利权)人：上海南芯半导体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31