交错式多电平转换器制造技术

提供了使用交错式多电平转换器(101)将在输入节点(102)处接收的输入信号转换为在输出节点(106)处的输出信号的系统、方法和电路系统。在一个示例中，电力转换系统(100)包括第一多电平开关电路(110)、第二多电平开关电路(150)和控制电路(105)。第一多电平开关电路和第二多电平开关电路耦合到开关节点(103)、输入节点(102)和参考节点(104)。控制电路(105)被配置为基于输出信号生成开关控制信号作为用以控制输出信号的具有占空比的脉宽调制信号并将开关控制信号提供到第一多电平开关电路(110)和第二多电平开关电路(150)。路(110)和第二多电平开关电路(150)。路(110)和第二多电平开关电路(150)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】交错式多电平转换器

技术介绍

[0001]对于电池供电的系统(包括移动电话、平板电脑、笔记本电脑和其他设备)期望高效电源。降压、升压和其他DC/DC转换器使用高侧和低侧驱动器将开关节点交替地连接到输入电压或接地。因此，高侧和低侧驱动器的尺寸设定成承受输入电压电平，并且会受到开关损耗的影响。多电平开关转换器电路使用更多的开关级和一个或多个飞跨电容器，从而导致降低的开关损耗和更高的有效开关频率。多电平开关转换器使得能够使用不一定针对输入电压电平额定的较低额定功率设备，并且与双电平转换器相比，转换器中的各个功率设备可以在降低的频率下运行，甚至同时实现更高的整体开关频率。

技术实现思路

[0002]在一个示例中，一种电力转换系统包括第一多电平开关电路、第二多电平开关电路、电感器和控制电路。第一多电平开关电路耦合到开关节点、输入节点和参考节点。第二多电平开关电路耦合到开关节点、输入节点和参考节点，因此第二多电平开关电路与第一多电平开关电路并联设置。电感器耦合在开关节点和输出节点之间。控制电路被配置为基于输出信号生成开关控制信号作为用以控制输出信号的具有占空比的脉宽调制信号，并且将开关控制信号提供到第一多电平开关电路和第二多电平开关电路。
[0003]在一个示例中，一种将在输入节点处接收到的输入信号转换为在输出节点处的输出信号的方法包括：将输入信号提供到耦合到开关节点、输入节点和参考节点的第一多电平开关电路；将输入信号提供到耦合到开关节点、输入节点和参考节点的第二多电平开关电路，因此第二多电平开关电路与第一多电平开关电路并联布置；测量输出信号；基于输出信号生成开关控制信号作为用以控制输出信号的具有占空比的脉宽调制信号；以及将开关控制信号提供到第一多电平开关电路和第二多电平开关电路。
[0004]在一个示例中，一种集成电路包括耦合到开关节点、输入节点和参考节点的第一多电平开关电路和第二多电平开关电路，因此第二多电平开关电路与第一多电平开关电路并联布置。第一多电平开关电路和第二多电平开关电路中的每一个包括由开关控制信号控制的一组开关，该组开关包括耦合在输入节点和第一内部节点之间的第一开关、耦合在第一内部节点和开关节点之间的第二开关、耦合在开关节点和第二内部节点之间的第三开关，以及耦合在第二内部节点和参考节点之间的第四开关。第一多电平开关电路和第二多电平开关电路中的每一个包括耦合到第一内部节点的第一电容器连接特征件和耦合到第二内部节点的第二电容器连接特征件。集成电路包括耦合到开关节点的电感器连接件。
附图说明
[0005]图1是根据本说明书的一个方面的包括交错式多电平转换器的电力转换系统的框图。
[0006]图2是根据本说明书的一个方面的交错式多电平转换器的电路图。
[0007]图3是根据本说明书的一个方面的交错式多电平转换器的框图。
[0008]图4是根据本说明书的一个方面的交错式多电平转换器的电路图。
[0009]图5A
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图5D是图示了根据本说明书的一个方面的示例交错式多电平转换器在四种不同开关条件期间的操作的电路图。
[0010]图6A
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图6D是图示了根据本说明书的一个方面的示例交错式多电平转换器在四种不同开关条件期间的操作的电路图。
[0011]图7A
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图7B是图示了根据本说明书的一个方面的示例交错式多电平转换器在两种不同开关条件期间的操作的电路图。
[0012]图8是根据本说明书的一个方面的用于交错式多电平转换器的控制电路的框图。
[0013]图9是根据本说明书的一个方面的用于交错式多电平转换器的控制电路的框图。
[0014]图10是根据本说明书的一个方面的用于交错式多电平转换器的示例控制电路的示意图。
[0015]图11是根据本说明书的一个方面的由交错式多电平转换器的控制电路生成的信号的时序图。
具体实施方式
[0016]附图不一定按比例绘制。
[0017]多电平转换器表现出许多优点，包括更高的有效开关频率、将低的开关损耗以及具有更少纹波的输出电流。然而，多电平转换器在调节飞跨电容器电压方面存在设计挑战，并且由于输入电流以开关频率的一半进行切换，因此多电平转换器可能在开关频率的一半处表现出输入电流传导电磁干扰(EMI)的单音(tone)。
[0018]为了克服上述缺点，一种电力转换系统包括具有两个并联多电平开关电路的交错式多电平转换器。在所描述的架构中，输入电流以与开关频率相同的频率进行切换，这消除了对输入电流传导EMI的半开关频率单音问题。使多电平转换器部件(除了电感器)上的电流密度减半。由于最大电压摆幅与非交错式多电平转换器中的全输入电压的最大电压摆幅相比减小到输入电压的一半，降低了辐射EMI。交错式多电平转换器包括共享输入电压节点、开关节点、参考节点和电感器的两个多电平开关电路。两个多电平功率级由同一组开关信号驱动。
[0019]在整个说明书中，作为相同或类似部件的示例的部件被分配了具有最后两位数字的相同值的附图标记，而附图标记的(一个或多个)初始数字是基于首次引入它的图号分配的。
[0020]图1是包括交错式多电平转换器101和控制电路105的电力转换系统100的框图。电力转换系统100至少部分地在包括交错式多电平转换器101和控制电路105的集成电路(为简单起见未示出)上实施。IC还包括输入节点102(例如，IC引脚或焊盘)以接收输入信号(诸如输入电压信号VIN)和参考节点104(例如，系接到地或其他参考电压)。IC包括开关节点103(例如，IC引脚或焊盘)以将由交错式多电平转换器101生成的开关信号(诸如电压或电流)输送到电感器195。电感器195(可以在或可以不在IC上实施)耦合到输出节点106，输出节点106被配置为耦合到由电力转换系统供电的负载。
[0021]在该示例中，电力转换系统100是DC/DC转换器。当供电时，系统100转换输入节点102处的输入信号VIN以在输出节点106处提供输出信号VOUT。在一个示例中，系统100操作
以根据提供到控制电路105的目标信号或值来调节输出信号。目标值可以是内部信号或者可以从外部源提供到控制电路105。
[0022]多电平交错式转换器101包括第一多电平开关电路110和第二多电平开关电路150。第一多电平开关电路110和第二多电平开关电路150两者耦合到输入节点102、开关节点103和参考节点104。如下文将更详细描述的，多电平开关电路110、150中的每一个包括耦合在输入节点102和参考节点104之间的开关(诸如功率晶体管)。开关由控制电路105基于来自电感器195和/或输出节点106的反馈信号(例如，输出信号)生成的开关控制信号来控制。开关控制信号是脉宽调制信号，其具有由控制电路105选择的占空比以使输出信号与目标信号等值(equivalence)。将参照图8
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图11描述与多电平开关电路中的飞跨电容器的平衡控制有关的示例控制电路的某些方面。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电力转换系统，其被配置为将在输入节点处接收的输入信号转换为在输出节点处的输出信号，所述电力转换系统包括：第一多电平开关电路，其耦合到开关节点、所述输入节点和参考节点；第二多电平开关电路，其耦合到所述开关节点、所述输入节点和所述参考节点，使得所述第二多电平开关电路与所述第一多电平开关电路并联布置；以及控制电路，其被配置为：基于所述输出信号，生成开关控制信号作为用以控制所述输出信号的具有占空比的脉宽调制信号；并且将所述开关控制信号提供到所述第一多电平开关电路和所述第二多电平开关电路。2.根据权利要求1所述的电力转换系统，其中所述第一多电平开关电路和所述第二多电平开关电路中的每一个包括：由所述开关控制信号控制的一组开关，所述一组开关包括耦合在所述输入节点和第一内部节点之间的第一开关、耦合在所述第一内部节点和所述开关节点之间的第二开关、耦合在所述开关节点和第二内部节点之间的第三开关，以及耦合在所述第二内部节点和所述参考节点之间的第四开关；以及飞跨电容器，其耦合在所述第一内部节点和所述第二内部节点之间。3.根据权利要求2所述的电力转换系统，其中所述控制电路被配置为：生成包括第一开关控制信号、第二开关控制信号、第三开关控制信号和第四开关控制信号的开关控制信号，所述第二开关控制信号与所述第一开关控制信号异相180度，所述第三开关控制信号是第一开关控制信号的反相，所述第四开关控制信号是所述第二开关控制信号的反相；并且将相应开关控制信号提供到所述第一多电平开关电路和所述第二多电平开关电路中的相应开关，使得：提供到所述第一多电平开关电路中的所述第一开关和所述第二多电平开关电路中的所述第一开关的开关控制信号彼此异相180度；提供到所述第一多电平开关电路中的所述第二开关和所述第二多电平开关电路中的所述第二开关的开关控制信号彼此异相180度；提供到所述第一多电平开关电路中的所述第三开关和所述第二多电平开关电路中的所述第三开关的开关控制信号彼此异相180度；并且提供到所述第一多电平开关电路中的所述第四开关和所述第二多电平开关电路中的所述第四开关的开关控制信号彼此异相180度。4.根据权利要求3所述的电力转换系统，其中所述控制电路被配置为：将所述第一开关控制信号提供到所述第一多电平开关电路中的所述第二开关和所述第二多电平开关电路中的所述第一开关；将所述第二开关控制信号提供到所述第一多电平开关电路中的所述第一开关和所述第二多电平开关电路中的所述第二开关；将所述第三开关控制信号提供到所述第一多电平开关电路中的所述第三开关和所述第二多电平开关电路中的所述第四开关；并且将所述第四开关控制信号提供到所述第一多电平开关电路中的所述第四开关和所述第二多电平开关电路中的所述第三开关。
5.根据权利要求2所述的电力转换系统，其还包括：第一平衡电路，其耦合在所述第一多电平开关电路和所述第二多电平开关电路之间，其中所述第一平衡电路被配置为将所述第一多电平开关电路中的所述飞跨电容器与所述第二多电平开关电路中的所述飞跨电容器选择性地连接成并联电路布置；以及第二平衡电路，其耦合在所述第一多电平开关电路和所述第二多电平开关电路之间，其中所述第二平衡电路被配置为将所述第一多电平开关电路中的所述飞跨电容器与所述第二多电平开关电路中的所述飞跨电容器选择性地连接成并联电路布置。6.根据权利要求5所述的电力转换系统，其中：所述第一平衡电路耦合在所述第一多电平开关电路的所述第一内部节点与所述第二多电平开关电路的所述第一内部节点之间，其中所述第一平衡电路被配置为将所述第一多电平开关电路中的所述飞跨电容器的高侧极板选择性地连接到所述第二多电平开关电路中的所述飞跨电容器的高侧极板；并且所述第二平衡电路耦合在所述第一多电平开关电路的所述第二内部节点和所述第二多电平开关电路的所述第二内部节点之间，其中所述第二平衡电路被配置为将所述第一多电平开关电路中的所述飞跨电容器的低侧极板选择性地连接到所述第二多电平开关电路中的所述飞跨电容器的低侧极板。7.根据权利要求6所述的电力转换系统，其中所述第一平衡电路和所述第二平衡电路中的每一个包括：串联布置在所述第一多电平开关电路和所述第二多电平开关电路之间的第一平衡开关和第二平衡开关，其中所述第一平衡开关和所述第二平衡开关通过彼此异相180度的相应开关控制信号的值的重叠而导通。8.根据权利要求7所述的电力转换系统，其中所述控制电路包括：不平衡检测电路，其被配置为：确定在所述第一多电平开关电路中的所述飞跨电容器或所述第二多电平开关电路中的所述飞跨电容器两端的电压是否落在关于所述输入节点处的输入电压的一半的等值范围之外；并且响应于确定所述电压落在所述等值范围之外，生成平衡信号；以及驱动器调整电路，其被配置为：接收所述平衡信号；并且响应于所述平衡信号，将至少一个所述开关控制信号的时序调整重叠持续时间，以使所述第一平衡开关和所述第二平衡开关两者在所述重叠持续时间期间均闭合。9.一种用于多电平转换器的控制器，所述控制器被配置为：将输入信号提供到耦合到开关节点、输入节点和参考节点的第一多电平开关电路；将所述输入信号提供到耦合到所述开关节点、所述输入节点和所述参考节点的第二多电平开关电路，使得所述第二多电平开关电路与所述第一多电平开关电路并联布置；测量所述多电平转换器的输出节点处的输出信号；基于所述输出信号生成开关控制信号作为用以控制所述输出信号的具有占空比的脉宽调制信号；并且将所述开关控制信号提供到所述第一多电平开关电路和所述第二多电平开关电路。10.根据权利要求9所述的控制器，其中所述第一多电平开关电路和所述第二多电平开
关电路中的每一个包括串联耦合在所述输入节点和所述参考节点之间的第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，其中所述开关由所述开关控制信号控制，并且所述控制器被配置为：生成包括第一开关控制信号、第二开关控制信号、第三开关控制信号和第四开关控制信号的开关控制信号，所述第二开关控制信号与所述第一开关控制信号异相180度，所述第三开关控制信号是所述第一开关控制信号的反相，所述第四开关控制信号是所述第二开关控制信号的反相；并且...

【专利技术属性】
技术研发人员：S，
申请(专利权)人：德克萨斯仪器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：