开关电容器降压电力转换器的启动制造技术

本发明专利技术涉及开关电容器降压电力转换器的启动。用于开关电容器电力转换器的电路实施方式以及/或者这种转换器的操作方法，其稳健的应对各种启动场景、是有效且成本低的、并且具有达到稳态转换器操作的快速启动时间。实施方式通过对电荷泵电容器放电和/或预充电来防止电荷泵电容器在转换器关闭期间完全放电以及/或者在切换操作之前的启动时段期间再平衡电荷泵电容器。实施方式可以包括专用再平衡器电路，该专用再平衡器电路包括耦合至转换器的输出电压的电压感测电路以及被配置成根据来自电压感测电路的指示输出电压的输出信号对各个电荷泵电容器朝向目标稳态倍数的转换器的输出电压充电或放电的平衡电路。实施方式防止或限制在启动状态期间到转换器的涌入电流。

【技术实现步骤摘要】
开关电容器降压电力转换器的启动相关申请的交叉引用——优先权要求本申请要求于2020年2月6日提交的关于“StartupofSwitchedCapacitorStep-DownPowerConverter(开关电容器降压电力转换器的启动)”的美国临时专利申请第62/971,094号和于2020年2月14日提交的美国专利申请第16/791,866号的优先权，所述两个专利申请均通过引用整体并入本文中。
本专利技术包括用于降压开关电容器电力转换器以及/或者这种转换器的操作方法，更具体地，本专利技术涉及开关电容器降压电力转换器的启动。
技术介绍
许多电子产品，特别是移动计算和/或通信产品及部件(例如，笔记本计算机、超簿计算机、平板设备、LCD显示器和LED显示器)需要多个电压水平。例如，射频发射机功率放大器可能需要相对高的电压(例如，12V或更高)，而逻辑电路系统可能需要低的电压水平(例如，1V至2V)。还有其他电路系统可能需要中间电压水平(例如，5V至10V)。电力转换器通常用于从诸如电池的公共电源生成较低或较高的电压。一种类型本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种开关电容器电力转换器，包括：/n(a)具有多个电荷泵电容器的电荷泵；/n(b)各自耦合至至少一个相应电荷泵电容器的多个低侧相开关；以及/n(c)耦合至所述多个低侧相开关的控制器；/n其中，所述控制器被配置成通过在所述转换器的关闭状态期间保持所述多个低侧相开关闭合来防止所述电荷泵电容器在所述关闭状态期间完全放电。/n

【技术特征摘要】
20200206 US 62/971,094;20200214 US 16/791,8661.一种开关电容器电力转换器，包括：
(a)具有多个电荷泵电容器的电荷泵；
(b)各自耦合至至少一个相应电荷泵电容器的多个低侧相开关；以及
(c)耦合至所述多个低侧相开关的控制器；
其中，所述控制器被配置成通过在所述转换器的关闭状态期间保持所述多个低侧相开关闭合来防止所述电荷泵电容器在所述关闭状态期间完全放电。


2.一种开关电容器电力转换器，包括：
(a)具有多个电荷泵电容器的电荷泵；
(b)各自耦合至至少一个相应电荷泵电容器的多个低侧相开关；以及
(c)与所述多个低侧相开关中的相应的低侧相开关并联耦合的多个下拉装置；
其中，所述多个下拉装置被配置成防止所述电荷泵电容器在所述电力转换器的关闭状态期间完全放电。


3.根据权利要求2所述的转换器，其中，第一下拉装置和第二下拉装置中至少之一是电阻器。


4.根据权利要求2所述的转换器，其中，第一下拉装置和第二下拉装置中至少之一是基于晶体管的装置，所述基于晶体管的装置被配置成在所述电力转换器的关闭状态期间至少部分地导电，而在其他时间基本上不导电。


5.根据权利要求2所述的转换器，其中，第一下拉装置和第二下拉装置中至少之一是包括与所述电阻器串联的基于晶体管的开关的开关下拉装置。


6.根据权利要求2所述的转换器，其中，第一下拉装置和第二下拉装置中至少之一包括电流吸收器。


7.一种开关电容器电力转换器，包括：
(a)第一输入端子和第二输入端子、以及第一输出端子和第二输出端子；
(b)连接在所述第一输入端子与所述第一输出端子之间的多个串联连接的开关S1至Sn，各个串联连接的开关具有相应的辅助开关/通路SxA；
(c)各自连接在所述多个串联连接的开关的相应的相邻对之间的多个电荷泵电容器；
(d)各自耦合在所述第一输出端子与至少一个相应电荷泵电容器之间的第一高侧相开关和第二高侧相开关，各个高侧相开关可选地具有相应的辅助开关/通路；
(e)各自耦合在所述第二输出端子与至少一个相应电荷泵电容器之间的第一低侧相开关和第二低侧相开关，各个低侧相开关具有相应的辅助开关/通路；
(f)控制器，所述控制器耦合至所述多个串联连接的开关、所述第一高侧相开关和所述第二高侧相开关、所述第一低侧相开关和所述第二低侧相开关以及所述辅助开关/通路；
其中，所述控制器被配置成通过以下来防止所述电荷泵电容器在所述电力转换器的启动状态的第一时间段期间完全放电：在所述第一时间段期间保持所述第一低侧相开关和所述第二低侧相开关的所述辅助开关/通路闭合，同时断开所述第一高侧相开关和所述第二高侧相开关以及相应的辅助开关/通路，以及所述多个串联连接的开关S1至Sn和相应的辅助开关/通路；并且
其中，所述控制器被配置成通过以下来在所述第一时间段之后平衡所述多个电荷泵电容器中的电压：闭合所述第一低侧相开关和所述第二低侧相开关，可选地断开所述第一低侧相开关和所述第二低侧相开关的所述辅助开关/通路，保持所述第一高侧相开关和所述第二高侧相开关断开，保持所述多个串联连接的开关S1至Sn断开，闭合所述串联连接的开关S1至Sn中的m个开关的所述辅助开关/通路，其中，m小于n，以及然后，在一个或更多个时间段上逐渐地断开所述串联连接的开关S1至Sn中的所述m个辅助开关/通路中的一个或更多个。


8.根据权利要求7所述的转换器，其中，所述串联连接的开关S1至Sn中的所述m个辅助开关/通路中的至少一些以相对于所述第一输入端子的反向顺序逐渐地断开。


9.根据权利要求7所述的转换器，其中，所述串联连接的开关S1至Sn中的所述m个辅助开关/通路中的至少一些以相对于所述第一输入端子的正向顺序逐渐地断开。


10.根据权利要求7所述的转换器，其中，所述串联连接的开关S1至Sn中的所述m个辅助开关/通路中的至少一些根据测量的堆叠节点电压来断开。


11.一种开关电容器电力转换器，包括：
(a)第一输入端子和第二输入端子、以及第一输出端子和第二输出端子；
(b)连接在所述第一输入端子与所述第一输出端子之间的多个串联连接的开关Sx；
(c)各自连接在所述多个串联连接的开关的相应的相邻对之间的多个电荷泵电容器；以及
(d)耦合至所述多个串联连接的开关的控制器；
其中，所述控制器被配置成通过以下来降低所述多个电荷泵电容器之间的电荷转移速率：将所述串联连接的开关Sx的导通电阻RON增加第一选定的持续时间和/或第一数目的切换周期、以及/或者增加所述串联连接的开关Sx的导通电阻RON直至所述多个电荷泵电容器中的任何一个电荷泵电容器两端的第一测量电压在相应的期望值范围内为止。


12.根据权利要求11所述的转换器，其中，所述多个串联连接的开关Sx中的至少一些开关Sx包括相应的辅助开关/通路SxA，所述辅助开关/通路SxA具有与所述相应的开关Sx相比较高的导通电阻RON，并且其中，所述控制器被配置成通过使用所述辅助开关/通路SxA代替所述相应的开关Sx来增加所述串联连接的开关Sx的导通电阻RON。


13.根据权利要求12所述的转换器，其中，所述多个串联连接的开关Sx以选定的频率切换，并且所述控制器还被配置成将切换的频率增加第二选定的持续时间和/或第二数目的切换周期、以及/或者增加切换的频率直至所述多个电荷泵电容器中的任何一个电荷泵电容器两端的第二测量电压在相应的期望值范围内为止。


14.根据权利要求11所述的转换器，其中，所述多个串联连接的开关Sx各自包括场效应晶体管(FET)，所述场效应晶体管(FET)具有控制所述场效应晶体管的导通电阻RON的栅极，每个场效应晶体管被配置成使其栅极耦合至栅极驱动电压的源极，并且其中，所述控制器被配置成通过降低到所述场效应晶体管的相应栅极的所述栅极驱动电压来增加所述串联连接的开关Sx的导通电阻RON。


15.根据权利要求14所述的转换器，其中，所述多个串联连接的开关Sx以选定的频率切换，并且所述控制器还被配置成将切换的频率增加第二选定的持续时间和/或第二数目的切换周期、以及/或者增加切换的频率直至所述多个电荷泵电容器中的任何一个电荷泵电容器两端的第二测量电压在相应的期望值范围内为止。


16.一种开关电容器电力转换器，包括：
(a)第一输入端子和第二输入端子、以及第一输出端子和第二输出端子；
(b)耦合至所述第一输入端子并且被配置成耦合至所述第一电压源的断连开关；
(c)耦合至所述第一输出端子和所述第二输出端子的第二电压源，其中，所述第二电压源两端的电压小于所述第一电压源两端的电压；
(d)耦合在所述第一输入端子和所述第二输入端子与所述第一输出端子和所述第二输出端子之间的电荷泵，所述电荷泵包括多个电荷泵电容器并且能够进行电压转换的降压模式或电压转换的升压模式；
(e)耦合至所述断连开关的控制器；
其中，所述控制器被配置成在操作的启动模式下断开所述断连开关，从而使所述第一电压源与所述电荷泵断开连接并且能够在电压转换的升压模式下操作所述电荷泵直至所述多个电荷泵电容器被充电至期望电压为止，以及然后闭合所述断连开关，从而使所述第一电压源连接至所述电荷泵并且能够在电压转换的降压模式下操作所述电荷泵。


17.根据权利要求16所述的转换器，其中，所述控制器被配置成以逐步的方式闭合所述断连开关，以防止过多的电流涌入至所述电荷泵。


18.一种开关电容器电力转换器，包括：
(a)第一输入端子和第二输入端子、以及第一输出端子和第二输出端子，其中，所述第一输入端子和所述第二输入端子耦合至第一电压源；
(b)耦合至所述第一输出端子并且被配置成耦合至第二电压源的断连开关；
(c)耦合在所述第一输入端子和所述第二输入端子与所述第一输出端子和所述第二输出端子之间的电荷泵，所述电荷泵包括多个电荷泵电容器；
(d)耦合至所述断连开关的控制器；
其中，所述控制器被配置成在操作的启动模式下断开所述断连开关，从而使所述第二电压源与所述电荷泵断开连接直至所述多个电荷泵电容器从所述第一电压源被充电至期望电压水平为止，以及然后闭合所述断连开关，从而使所述第二电压源连接至所述电荷泵并且能够操作所述电荷泵。


19.根据权利要求18所述的转换器，其中，所述控制器被配置成以逐步的方式闭合所述断连开关，以防止过多的电流涌入至所述电荷泵。


20.一种开关电容器电力转换器，包括：
(a)第一输入端子和第二输入端子、以及第一输出端子和第二输出端子，其中，所述第一输入端子和所述第二输入端子耦合至第一电压源；
(b)耦合至所述第一输出端子和所述第二输出端子并且被配置成耦合至第二电压源的调节器电路；
(c)耦合在所述第一输入端子和所述第二输入端子与所述第一输出端子和所述第二输出端子之间的电荷泵，所述电荷泵包括多个电荷泵电容器；
(d)耦合至所述调节器电路的控制器；
其中，所述控制器被配置成在操作的启动模式下禁用所述调节器电路，从而使所述第二电压源与所述电荷泵断开连接直至所述多个电荷泵电容器从所述第一电压源被充电至期望电压水平为止，以及然后启用所述调节器电路，从而使所述第二电压源连接至所述电荷泵。


21.一种被配置成再平衡开关电容器电力转换器中的电荷泵电容器的电路，所述开关电容器电力转换器具有：(1)连接在第一输入端子与第一输出端子之间的多个串联连接的开关；以及(2)多个电荷泵电容器，各个电荷泵电容器连接至所述多个串联连接的开关的相应的相邻对之间的堆叠节点，所述电路包括：
(a)电压感测电路，其耦合至所述电力转换器的输出电压并且被配置成生成指示所述输出电压的信号；以及
(b)平衡电路，其耦合至所述电压感测电路并...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾晨·洛，瓦利德·福阿德·穆罕默德·阿布埃达哈卜，格雷戈里·什琴斯钦斯基，
申请(专利权)人：派赛公司，
类型：发明
国别省市：美国;US