一种基于开关电容的多级多电平直流电源架构制造技术

本发明专利技术公开了一种基于开关电容的多级多电平直流电源架构，该电源架构包括输入源、第一功率变换部分、开关网络和第二功率变换部分，其中第一功率变换部分是一个固定转压比的转换器结构，包含一个级数为n的开关电容型电路。开关网络是一个多端口输入、双端口输出的电路结构，第二功率变换部分是一个双端口输入、单端口输出三端口电路。所述的电源架构能够降低开关点的摆幅，降低电感的体积，提高功率密度和效率。适用于现代计算SOC领域的电源应用。应用。应用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于开关电容的多级多电平直流电源架构


[0001]本专利技术涉及电力电子
，特别涉及一种基于开关电容的多级多电平直流电源架构。

技术介绍

[0002]近年来，现代计算SOC通常在1V及以下的输出电压下需要较高的输出电流，这给向CPU供电提出了较大的挑战。通常采用全集成稳压器实现局部降压以缓解电流压力。如何实现高效率的、宽范围电压输出、高瞬态响应的DC
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DC变换器是现代计算SOC的难点问题。
[0003]文献A 93.8％ Peak Efficiency,5V
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Input,10A Max ILOAD Flying Capacitor Multilevel Converter in 22nm CMOS Featuring Wide Output Voltage Range and Flying Capacitor Precharging(2019IEEE International Solid
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State Circuits Conference
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(ISSCC),2019)使用22nm的工艺实现了四电平飞跨电容变换器的拓扑结构，拓扑结构中采用三个级联编码的互补开关对。在控制电路中采用启动门极驱动、电平移位器和三相PWM，具体的控制器在FPGA上实现。通过这种拓扑结构最终可以实现10A的最大电流输出。但是这种多级电平结构中，飞跨电容上的电压需要额外控制去平衡。同时，这种拓扑结构和性能需要特殊的先进工艺才能实现。
[0004]文献A 12A Imax,Fully Integrated Multi
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Phase Voltage Regulator with 91.5％Peak Efficiency at 1.8to 1V,Operating at 50MHz and Featuring a Digitally Assisted Controller with Automatic Phase Shedding and Soft Switching in 4nm Class FinFET CMOS(2022IEEE International Solid
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State Circuits Conference(ISSCC),2022)中使用4nm工艺实现了四相交错并联降压转换器的拓扑结构。通过检测负载电流的大小和工作的不同条件动态调节工作的相位数进而获得更优的效率和更低的设备应力。但是这种多相交错的并联结构所需开关数量较多，且需要控制信号控制不同相位。同时，这种拓扑结构需要先进的CMOS工艺才能实现，四相交错并联结构中的电感也需要特殊方式才能实现。

技术实现思路

[0005]鉴于现代计算SOC的高效率、宽范围的电压输出的挑战，本专利技术提供了一种基于开关电容的多级多电平直流电源架构，该电源架构由一级可拓展固定转压比开关电容结构、一级开关网络结构和一级可拓展可调转压比开关电容结构组成。固定转压比开关电容电路通过多个开关管和多个电容实现多电源轨输出。根据输出电压和负载电流要求，可以灵活调整开关网络中的电源轨进而灵活调整输出电压范围，拓展型号，适用于计算SOC等领域电源应用。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]本专利技术首先提出了一种基于开关电容的多级多电平直流电源架构，包括输入源、与输入源连接的第一功率变换部分、第二功率变换部分以及位于第一功率变换部分和第二
功率变换部分之间的开关网络；
[0008]所述的第一功率变换部分是一个固定转压比的转换器结构；第一功率变换部分包括2n个开关管，2n
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2个电容和若干个输出端口；第i
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1个电容跨接在第i个开关管的漏极和第i+1个开关管的源极，其中i≠1且i≠2n；从而每个电容两端都形成固定电压差的电源轨；这些电源轨的高低电平作为多端口的输出电压与开关网络相连接；
[0009]所述开关网络包括多个输入端口和两个输出端口；其中多个输入端口与第一功率变换部分形成的多个电源轨相连接，输出端口与第二功率变换部分相连接；开关网络提供选通作用，选择不同的电源轨提供给接下来的第二功率变换部分；
[0010]所述第二功率变换部分为可调转压比的转换器结构；第二功率变换部分包括输入的端口、输出端口、若干个高侧功率管和若干个低侧功率管；第二功率变换部分用于输入的端口与开关网络的输出端口连接，用于输出的端口与外部负载相连；所述高侧功率管和低侧功率管调节输出电压大小和转压比。
[0011]作为本专利技术的优选方案，2n个开关管按顺序进行标号；其中标号为奇数的开关管其驱动信号的时序一致，使得标号为奇数的开关管同时导通；标号为偶数的开关管其驱动信号的时序一致，使得标号偶数的开关管同时导通；两组开关管交替导通且导通时间恒定。
[0012]作为本专利技术的优选方案，所述第一功率变换部分通过多个电容能够产生多组绝对电压不同、相对电压差相同的电源轨作为开关网络的输入。
[0013]作为本专利技术的优选方案，所述开关网络通过外部控制的不同的控制信号来控制开关管的导通和关断，从而选通不同的电源轨传递到第二功率变换部分。
[0014]作为本专利技术的优选方案，所述开关网络通过选通不同的电源轨能够实现不同范围的电压输出并传递到第二功率变换部分。
[0015]作为本专利技术的优选方案，所述第二功率变换部分通过调节功率管控制信号控制高侧功率管和低侧功率管的导通与关闭，提供负载所需要的输出电压和负载电流。第二功率变换部分能够通过多种不同的电路形式来实现。
[0016]作为本专利技术的优选方案，所述第二功率变换部分采用多路可调节输出电压降压转换器，能够减少功率管应力，提升负载电流大小。
[0017]作为本专利技术的优选方案，第一功率变换部分和第二功率变换部分能够多级级联拓展。其中，多级级联拓展是指可以以第一功率变换部分输出的电源轨作为输入端口级联另一个第一功率变换部分，由此产生更多的电源轨，第二功率变换部分类似。
[0018]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0019]本专利技术中提出的基于开关电容的多级多电平直流电源架构在第一功率变换部分采用阶梯电路结构产生稳定的、绝对电压不同的、相对电压差相同的电源轨。在开关网络中将电源轨的高低电平进行选通，并与第二功率变换部分的输入端口连接。在第二功率变换部分中采用可调转压比的变换器架构，最终将电压信号提供给负载。常规的功率变换电路只能提供0
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V
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的摆幅的电源轨，整体的摆幅较大；而本专利技术中提出的基于开关电容的多级多电平直流电源架构在第一功率变换部分中提供了不同的电源轨为第二功率变换部分供电，可以有效降低电源轨的摆幅，进而可以降低第二级功率变换部分开关点的摆幅，进而减小电感器的体积，最终提高整体的功率密度和效率。
附图说明
[0020]图1为本专利技术一实施例的基于开关电容的多级多电平本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于开关电容的多级多电平直流电源架构，其特征在于，包括输入源、与输入源连接的第一功率变换部分、第二功率变换部分以及位于第一功率变换部分和第二功率变换部分之间的开关网络；所述的第一功率变换部分是一个固定转压比的转换器结构；第一功率变换部分包括2n个开关管，2n
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2个电容和若干个输出端口；第i
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1个电容跨接在第i个开关管的漏极和第i+1个开关管的源极，其中i≠1且i≠2n；从而每个电容两端都形成固定电压差的电源轨；这些电源轨的高低电平作为多端口的输出电压与开关网络相连接；所述开关网络包括多个输入端口和两个输出端口；多个输入端口与第一功率变换部分形成的多个电源轨相连接，输出端口与第二功率变换部分相连接；开关网络提供选通作用，选择不同的电源轨提供给接下来的第二功率变换部分；所述第二功率变换部分为可调转压比的转换器结构；第二功率变换部分包括输入的端口、输出端口、若干个高侧功率管和若干个低侧功率管；第二功率变换部分用于输入的端口与开关网络的输出端口连接，用于输出的端口与外部负载相连；所述高侧功率管和低侧功率管用于调节输出电压大小。2.根据权利要求1所述的一种基于开关电容的多级多电平直流电源架构，其特征在于，2n个开关管按顺序进行标号，其中标号为奇数的开关管其驱动信号的时序一致，使得标号为奇数的开关管同时导通；标号为偶数的开关管其驱动信号的时序一...

【专利技术属性】
技术研发人员：屈万园，巩冰若，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：