一种多模式降压变换器制造技术

本发明专利技术属于模拟电路技术领域，具体的说是涉及一种多模式降压变换器。本发明专利技术集成两种不同的模式：1)传统的2:1开关电容模式；2)三电平buck模式。在不同的电压区间，两种模式分别工作，可满足不同电压转换比的需求。同时，此方案相比现有的双相开关电容变换器，仅多出2个功率管和一个电感，保持了系统的高集成度。保持了系统的高集成度。保持了系统的高集成度。

【技术实现步骤摘要】
一种多模式降压变换器


[0001]本专利技术属于模拟电路
，具体的说是涉及一种多模式降压变换器。

技术介绍

[0002]随着5G时代的到来，手机电池容量越来越大以满足5G高耗能的需求。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，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。而随着硅氧负极电池等新材料电池的兴起，电池电压不再局限于传统的电压范围，传统的开关电容变换器一旦确定了结构，就无法改变其输入输出的电压转换比。
[0003]图1是现有的一种开关电容变换器，包括8个功率管(SW1/SW2/SW3/SW4/SW5/SW6/SW7/SW8)；两个飞电容(CFLY1/CFLY2)；输入电源VIN；输出电容COUT以及输出负载。利用功率管不同的开关状态，该变换器能够实现输出电压减半，输出电流翻倍的功能。
[0004]图2给出了上述变换器工作在半压模式下的等效电路图：
[0005]1.在Phase1阶段，SW1/SW3/SW6/SW8导通，SW2/SW4/SW5/SW7关断。VIN通过CFLY1给VOUT充电，电容CFLY1充电。与此同时，CFLY2给VOUT充电，CFLY2放电。
[0006]2.在Phase2阶段，SW2/SW4/SW5/SW7导通，SW1/SW3/SW6/SW8关断。VIN通过CFLY2给VOUT充电，电容CFLY2充电。与此同时，CFLY1给VOUT充电，CFLY1放电。
[0007]每个phase占空比为50％，VOUT＝VCFLY＝VIN/2。
[0008]可见，现有的双相开关电容变换器通过CFLY电容转移能量，能够实现输出电压减半，输出电流翻倍的功能，是目前高效率电压转换器中常用的一种拓扑结构。可是该结构也有缺陷，一旦结构确定，只能实现固定2:1的电压转换，不可改变电压转换比，在一些比较复杂的应用场景中时就显得不太适用。

技术实现思路

[0009]本专利技术针对上述问题，提出一种多模式降压变换器，集成两种不同的模式：1)传统的2:1开关电容模式；2)三电平buck模式。在不同的电压区间，两种模式分别工作，可满足不同电压转换比的需求。同时，此方案相比现有的双相开关电容变换器，仅多出2个功率管和一个电感，保持了系统的高集成度。
[0010]针对上述问题，本专利技术的技术方案是：
[0011]一种多模式降压变换器，其特征在于，包括第一功率管Q1、第二功率管Q2、第三功率管Q3、第四功率管Q4、第五功率管Q5、第六功率管Q6、第七功率管Q7、第八功率管Q8、第九功率管Q9、第十功率管Q10、第一电容、第二电容和电感，输入电压VIN依次通过第一功率管Q1、第二功率管Q2、第三功率管Q3、第四功率管Q4后接地，输入电压VIN还依次通过第五功率管Q5、第六功率管Q6、第七功率管Q7、第八功率管Q8后接地；第五功率管Q5的源极依次通过第九功率管Q9和第十功率管Q10后接第八功率管Q8的漏极；第一电容的正极接第一功率管Q1的源极，第一电容的负极接第三功率管Q3的源极；第二电容的正极接第五功率管Q5的源
极，第二电容的负极接第七功率管Q7的源极；第九功率管Q9源极与第十功率管Q10漏极的连接点通过电感后与第二功率管Q2源极和第六功率管Q6源极共同连接，作为降压变换器的输出端VOUT；
[0012]所述降压变换器包括2:1开关电容模式和三电平buck模式；
[0013]所述2:1开关电容模式包括第一阶段和第二阶段，在第一阶段，Q1/Q3/Q6/Q8导通，Q2/Q4/Q5/Q7/Q9/Q10关断，VIN通过第一电容给VOUT充电，第一电容充电，与此同时，第二电容给VOUT充电，第二电容放电；在第二阶段，Q2/Q4/Q5/Q7导通，Q1/Q3/Q6/Q8/Q9/Q10关断，VIN通过第二电容给VOUT充电，第二电容充电，与此同时，第一电容给VOUT充电，第一电容放电；在2:1开关电容模式中，Q9/Q10和电感不参与工作，每个阶段占空比为50％，VOUT＝VCFLY＝VIN/2，VCFLY为电容电压；
[0014]所述三电平buck模式根据Q5控制信号的占空比D分为D<0.5和D>0.5两种情况，Q8控制信号为Q5控制信号的反相信号，Q9控制信号为Q5控制信号错位180
°
的信号，Q10控制信号为Q9控制信号的反相信号；
[0015]当D<0.5时，包括四个阶段，在第一阶段，Q5和Q10导通，Q1/Q2/Q3/Q4/Q6/Q7/Q8/Q9关断，VIN通过第二电容和电感给VOUT充电，同时，VIN给第二电容充电，电感储能；在第二阶段，Q8和Q10导通，Q1/Q2/Q3/Q4/Q5/Q6/Q7/Q9关断，VIN和第二电容浮空，电感释放能量给VOUT续流；在第三阶段，Q8和Q9导通，Q1/Q2/Q3/Q4/Q5/Q6/Q7/Q10关断；VIN浮空，第二电容通过电感给VOUT充电，同时，第二电容放电，电感储能；第四阶段与第二阶段相同；Q1/Q2/Q3/Q4/Q6/Q7和第一电容不参与工作，电路以第一阶段、第二阶段、第三阶段、第四阶段顺序为一个周期进行循环工作，以实现VOUT＝VIN*D的电压转换比，通过调节D的大小，实现VOUT＝0～VIN/2的输出结果；
[0016]当D>0.5时，包括四个阶段，在第一阶段，Q5和Q10导通，Q1/Q2/Q3/Q4/Q6/Q7/Q8/Q9关断，VIN通过第二电容和电感给VOUT充电，同时，VIN给第二电容充电，电感释放能量；在第二阶段，Q5和Q9导通，Q1/Q2/Q3/Q4/Q6/Q7/Q8/Q10关断，第二电容浮空，VIN通过电感给VOUT充电，VIN给电感充能；在第三阶段，Q8和Q9导通，Q1/Q2/Q3/Q4/Q5/Q6/Q7/Q10关断，VIN浮空，第二电容通过电感给VOUT充电，同时，第二电容放电，电感释放能量；第四阶段与第二阶段相同；Q1/Q2/Q3/Q4/Q6/Q7和第一电容不参与工作，电路以第一阶段、第二阶段、第三阶段、第四阶段顺序为一个周期进行循环工作，以实现VOUT＝VIN*D的电压转换比，通过调节D的大小，实现VOUT＝VIN/2～VIN的输出结果。
[0017]本专利技术的有益效果是：提出了一种新型的多模式降压方案，该方案集成两种不同的模式，可任意改变电压转换比。
附图说明
[0018]图1为常见的双相开关电容变换器；
[0019]图2为现有双相开关电容变换器工作在半压模式的等效电路图；
[0020]图3为本专利技术的多模式降压变换器；
[0021]图4为本专利技术的降压变换器工作在2:1开关电容模式的等效电路图；
[0022]图5为多模式降压方案工作在三电平buck模式(D<0.5)的等效电路图；
[0023]图6为多模式降压方案工作在三电平buck模式(D<0.5)时各节点波形；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多模式降压变换器，其特征在于，包括第一功率管Q1、第二功率管Q2、第三功率管Q3、第四功率管Q4、第五功率管Q5、第六功率管Q6、第七功率管Q7、第八功率管Q8、第九功率管Q9、第十功率管Q10、第一电容、第二电容和电感，输入电压VIN依次通过第一功率管Q1、第二功率管Q2、第三功率管Q3、第四功率管Q4后接地，输入电压VIN还依次通过第五功率管Q5、第六功率管Q6、第七功率管Q7、第八功率管Q8后接地；第五功率管Q5的源极依次通过第九功率管Q9和第十功率管Q10后接第八功率管Q8的漏极；第一电容的正极接第一功率管Q1的源极，第一电容的负极接第三功率管Q3的源极；第二电容的正极接第五功率管Q5的源极，第二电容的负极接第七功率管Q7的源极；第九功率管Q9源极与第十功率管Q10漏极的连接点通过电感后与第二功率管Q2源极和第六功率管Q6源极共同连接，作为降压变换器的输出端VOUT；所述降压变换器包括2:1开关电容模式和三电平buck模式；所述2:1开关电容模式包括第一阶段和第二阶段，在第一阶段，Q1/Q3/Q6/Q8导通，Q2/Q4/Q5/Q7/Q9/Q10关断，VIN通过第一电容给VOUT充电，第一电容充电，与此同时，第二电容给VOUT充电，第二电容放电；在第二阶段，Q2/Q4/Q5/Q7导通，Q1/Q3/Q6/Q8/Q9/Q10关断，VIN通过第二电容给VOUT充电，第二电容充电，与此同时，第一电容给VOUT充电，第一电容放电；在2:1开关电容模式中，Q9/Q10和电感不参与工作，每个阶段占空比为50％，VOUT＝VCFLY＝VIN/2，VCFLY为电容电压；所述三电平buck模式根据Q5控制信号的占空比D分为D<0.5和D>0.5两种情况，Q8控制信号为Q5控制信号的反相信号，Q9控制信号为Q5控制信号错位180
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【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：