基于用于开关电容器DC-DC转换器的电流感应技术的可变调
频方案
技术领域
[0001] 本
发明实施方案通常涉及基于开关电容器(SC)的DC-DC转换器，并且更特别地涉及采用梯形拓扑的电容
分压器的调制方案。
背景技术
[0002] DC-DC转换器接收来自输入源(例如，主电源、
电池等)的输入
电压，并且使用所述输入电压将
输出电压提供给负载(例如，计算机、IoT设备等)。常规DC-DC转换器常常使用包括电感器和例如功率MOSFET的电
力开关的拓扑。此等基于电感器的拓扑有问题和/或所述拓扑带有常常不容易解决的特定设计考虑因素。
发明内容
[0003] 在一个或多个实施方案中，提供不包括电感器的改良型开关电容器(SC)转换器拓扑。特别地，所述拓扑包括被配置成
电容分压器的梯形SC
电路，其中栅极驱动
信号产生以引发电容器的充电和放电。在这种特定拓扑中，产生未调节的输出电压，所述输出电压是例如电池的电源的输入电压的特定分数。本发明实施方案还包括基于负载条件的用于栅极
驱动器逻辑的可变调频(VFM)方案。
附图说明
[0004] 本发明实施方案的这些和其他方面和特征将在结合附图查看对特定实施方案的以下描述后对所属领域的一般技术人员变得显而易见，在附图中：
[0005] 图1是图示具有梯形拓扑的示例电容分压器的
框图；
[0006] 图2A和2B图示使电容分压器的飞电容器充电和放电的操作方面；
[0007] 图3是图示用于实现可变调频的一个示例常规方法的框图；
[0008] 图4是图示用于实现可变调频的另一示例常规方法的框图；
[0009] 图5是图示用于实现根据本发明实施方案的可变调频的示例方法的框图；
[0010] 图6是图示用于实现根据本发明实施方案的可变调频的另一示例方法的框图；
[0011] 图7是图示用于实现根据本发明实施方案的可变调频的又一示例方法的框图；
[0012] 图8是图示能够用于一些本发明实施方案中的感应的电流的
频率值的表的方面的图；以及
[0013] 图9是图示根据本发明实施方案的示例可变调频方法的
流程图。
具体实施方式
[0014] 现在将参考图式来详细地描述本发明实施方案，本发明实施方案是作为实施方案的说明性实例而提供，以便使所属领域的技术人员能够实践所属领域的技术人员了解的实施方案和替代例。明显地，以下的图式和实例并不意味将本发明实施方案的范围限于单一实施方案，而是借助于互换所描述或所说明元件中的一些或全部，其他实施方案是可能的。此外，在本发明实施方案的特定元件能够使用已知部件部分地或完全地实现的情况下，将仅描述理解本发明实施方案必需的此等已知部件的那些部分，并且将省略对此等已知部件的其他部分的详细描述，以便不使本发明实施方案难理解。如所属领域的技术人员所了解的，描述为以
软件实现的实施方案不应限于此，而是能够包括以
硬件或软件与硬件的组合实现的实施方案，反之亦然，除非本文中另有规定。在本
说明书中，示出单数部件的实施方案不应被视为限制性的；相反地，本公开意图涵盖包括多个相同部件的其他实施方案，反之亦然，除非本文中另有明确陈述。此外，
申请人不希望说明书或
权利要求中的任何术语具有罕见或特殊的意义，除非明确地如此陈述。此外，本发明实施方案涵盖本文中借助于说明引用的已知部件的当前和未来的已知等效物。
[0015] 根据特定方面，本发明实施方案是基于通常不包括电感器的改良型开关电容器(SC)转换器拓扑。特别地，所述拓扑包括被配置成电容分压器的梯形SC电路。所述电容分压器能够用于提供未调节的输出电压Vout，所述输出电压是输入电压Vin的特定分数(例如2)，例如Vin/2(即，工作循环≈50％)。因此，所述电容分压器能够用于例如从2S电池产生1S电压。由于所述电容分压器具有无电感器的拓扑，因此与基于电感器的拓扑相比，所述电容分压器能够实现相对小的板空间、减少的损耗和高效率(>96％，尤其在轻负载下)。然而，需要一种可变调频(VFM)方案以基于例如负载条件对栅极驱动信号进行调制。
[0016] 图1是图示SC转换器的示例电容分压器拓扑的框图。如这个实例中所示，输入电压Vin由2S电池提供。示例Vout被示出为等效于1S电池(即Vout＝Vin/2)。栅极驱动器102驱动耦合在Vin、Vout和接地之间的四个开关(例如NFET)104，以便使飞电容器Cfly 106充电和放电，且由此将
能量从输入端转移到输出端。如图1中另外所示，栅极驱动信号被发送到栅极驱动器102以驱动NFET 104，如下文将更详细地描述。所述栅极驱动信号具有开关频率Fs、开关周期Ts和工作循环D，在这种情况下，所述工作循环理想地为所图示的这个实施方案中的输入电压与输出电压Vin与Vout的比的约50％。然而，其他工作循环比对于这个实施方案和其他实施方案是可能的(例如Vout＝Vin/3、Vout＝Vin/4、Vout＝2Vin、Vout＝3Vin、Vout＝4Vin等)，以达成特定的性能度量，例如效率、纹波或声学噪声。此外，尽管Vin在这个实例中被示出为由电池提供，但是其他类型的电源是可能的，例如来自提供足够DC电压的适配器、移动电源(power bank)或其他供应器的电力。Vout能被提供到任何类似的负载，例如CPU电压调节器、
电子负载、电池、便携式装置、IoT设备等。
[0017] 如所属领域的技术人员将了解，图1所示的开关电容器转换器采用梯形拓扑，所述拓扑能够容易地扩展到需要其他Vout-Vin比的其他实施方案。举例来说，在添加两个或更多个开关电容器(即飞电容器和相关联开关)的情况下，图1中的电路能够适合用于提供Vout＝Vin/3比和/或Vout＝2Vin/3比。然而，为使本发明清楚起见，此处将省略所述电路的另外细节。还应该注意，本发明实施方案不限于梯形拓扑，并且其他拓扑是可能的，例如串并联拓扑、二重拓扑等，并且所属领域的技术人员在通过本发明实例教示之后将能够理解如何用此类其他拓扑来实现本发明实施方案。
[0018] 图2A和2B更详细地图示根据实施方案的开关电容器DC-DC转换器的操作方面。如图2A所示，为了对飞电容器Cfly充电，NFET Q2和Q4接通，而NFET Q1和Q3关断(例如，根据开关
控制信号的“低”值)。这导致飞电容器Cfly从输入端充电(特别地，将电荷从“去耦”电容器C2转移到Cfly，C2由Q2和Q4与Cfly并联地开关)。如图2B所示，为了使飞电容器Cfly放电，NFET Q1和Q3接通，而NFET Q2和Q4关断(例如，根据开关控制信号的“高”值)，这导致电容器放电到输出端(特别地，将电荷从Cfly转移到“输出”电容器C1，C1由Q1和Q3与Cfly并联地开关，并且由此在输出端处形成输出电压Vout)。飞电容器的充电和放电操作因此导致从输入端到输出端的能量转移。
[0019] 如上所述，尽管工作循环D基于所述的输入到输出电压转换比n(例如，n＝1/2)能够保持基本上恒定，但是需要开关频率Fs的可变调频方案，以改良性能度量，例如效率、纹波
和声学噪声。一种常规方法被称作基于Vin
阈值的调制。在这种方法中，如图3所示，基于比较器302的输出来调整栅极驱动信号产生。这种方法需要两个感应电路304、306以及比较器302，一个感应电路用于Vin，一个感应电路用于Vout。通过逻辑308基于比较(Vin*n-Vin阈值)与Vout的结果来执行可变调频。
[0020] 第二种常规方法被称作基于
迟滞窗(Hysteresis-Window)的调制。在这种方法中，如图4所示，使用基于飞电容器电压的迟滞窗的比较器输出来调整栅极驱动信号产生。需要分别用于上部及下部窗
水平406、408的两个
运算放大器402、404。需要感应飞电容器电压的
差分放大器410，这对于IC设计难以实现。通过栅极逻辑412基于使用比较器414、416将飞电容器电压与迟滞窗进行比较来执行可变调频。
[0021] 根据特定方面，本发明实施方案的目标是克服常规调频方案中的问题，尤其例如上文关于图3和4所描述的那些问题。图5是实现根据本发明实施方案的调频方案的示例SC转换器的框图。应当注意，这个实例采用梯形拓扑，但是这在所有实施方案不是必要的。还应当注意，尽管仅示出了单相转换器，但是实施方案的原理能够扩展到多相和/或交织转换器。
[0022] 如这个实例中所示，
调制器502包括栅极逻辑/驱动器504和电流信息转换逻辑506。如进一步所示，电流信息转换逻辑506使用查找表508将从感应
电阻器510感应的电流转换成能够通过栅极逻辑/驱动器504实现的开关频率、工作循环和任何脉冲产生或脉冲跳跃参数。举例来说，查找表508存储对应于预定义电流到频率曲线的数据，电流信息转换逻辑506可从所述曲线选择和/或基于感应的电流信息来确定恰当的开关频率。请注意，感应
电阻器510能够放置在
输入侧以及其他恰当
位置，或用其他电流感应技术取代。
[0023] 如下文将更详细地描述，能够经由查找表508视例如效率/纹波目标而将电流信息映射到各种开关频率选项。在这方面，应当注意，表508在一些实施方案中能够存储线性或非线性的多个外形和/或曲线，以将电流信息转换成开关频、工作循环和任何脉冲产生或脉冲跳跃参数，并且逻辑506能够被配置成将实时地、接近实时地或非实时地加以处理的数据用于选择、调整或产生表508的外形和曲线，例如在任何给定时间或在特定操作条件下使用插脚带、
输入信号或其他此类机制和
算法(未示出)。还应当注意，表508或其他表能够存储除开关频率以外的额外栅极驱动参数，能够使用逻辑506或其他逻辑来使用所述参数。
[0024] 图6是根据本发明实施方案的另一示例调频方案的框图。
[0025] 如这个实例中所示，调制器602包括栅极逻辑/驱动器604和电流信息转换逻辑606，以及集成式功率MOSFET 610和集成式SENSEFET 612。如进一步所示，电流信息转换逻辑606使用查找表608将从SENSEFET 612感应的电流转换成能够通过栅极逻辑/驱动器604实现的开关频率、工作循环和任何脉冲产生或脉冲跳跃参数。类似于先前实例，查找表608存储对应于预定义电流到频率曲线的数据，电流信息转换逻辑606可从所述曲线选择和/或基于感应的电流信息来确定恰当的开关频率，如下文将更详细描述。
[0026] 应当了解，图5和6中的调制器502和602分别能够用所属领域的技术人员在通过本发明实例教示之后已知的多种方式来实现。还应当了解，尽管栅极逻辑/驱动器504/604示出为与电流信息转换逻辑506/606分开，但是只是为了易于说明才这样示出。举例来说，栅极逻辑/驱动器504/604和电流信息转换逻辑506/606能够部分地或全部地使用共享或共同电路元件来实现。仍应当进一步了解，调制器502和602能够包括额外的或比这些实例中所图示更少的部件。更另外地，能够使用除电阻器和SENSEFET以外的电流感应元件。
[0027] 图7是根据本发明实施方案的又一示例调频方案的框图。
[0028] 不同于其他实例，这一方案不包括查找表。当然，在调制器700中，电流被直接用于产生开关频率。使用电流感应电阻器702和具有电平漂移的
低电压电流感应放大器704(例如
运算放大器)来执行电流感应，以产生感应电压706。将这个感应电压706馈入到压控
振荡器(VCO)708，所述压控振荡器产生频率取决于电压706(例如针对给定电压范围线性相关)的固定工作循环
时钟信号输出(例如50％工作循环)。将这个时钟信号作为时钟输入提供给J-K触发器710，以分别在所述触发器的Q及QN输出端产生栅极驱动信号Q及互补栅极驱动信号QN。这些信号712提供给驱动器714，由此以通过电压706确定的开关频率驱动(例如使用一次)恰当开关的栅极。
[0029] 应当注意，上文关于
控制器700所描述的示例部件及其配置是非限制性的，且各种替代是可能的。举例来说，替代VCO，能够使用其他类型的电压对频率转换器。还应当注意，上文关于控制器700所描述的特定部件也能够用于实现控制器502和602的一些部件，并且所属领域的技术人员在通过本发明实例教示之后将理解如何改动此等部件。
[0030] 图8是图示根据实施方案的示例预定义电流到频率曲线(例如关于图5和6的方案所提及的预定义电流到频率曲线)的图。
[0031] 在这个实例中，曲线802、804和806中的每一个能够被划分成三个主要区带：Fs_Min、Fs_Adj、Fs_Max。鉴于曲线802、804和806的数据在Fs_Min和Fs_Max区带中是相同的，所以Fs_Adj区带中的曲线802、804和806能够用斜率不同的多个线段以不同方式实现。举例来说，这些不同值能够提供灵活性，以便提供用于优化效率、纹波、声学噪声和其他性能度量的多个Fs选项。这是有利的，因为一旦电容器组合被确定，常规VFM方案在给定电流下通常实现单一开关频率。此外，能够使根据本发明实施方案的调频独立于输入/输出/飞电容器的电容。举例来说，即使存在连接到输出端的极大Cout或电池，本发明实施方案仍会很好地工作。更另外地，本发明实施方案的调频独立于部件寄生电容和PCB布局，并且由此对在输入端和输出端处引入的噪声较不敏感。电流能够从不同的部件和位置感应，并且用于具有任何电流流动方向的各种SC拓扑。总之，因此，实现本发明实施方案的所述方案的
风险极低。只要电流信息可靠，在整个负载范围中就能保证可变调频及低栅极抖动，并且高负载下的效率保持极好。
[0032] 图9是根据实施方案的示例栅极信号调制方法的流程图。
[0033] 如这个实例中所示，在步骤S902中，产生初始栅极驱动信号，所述信号具有恰当开关频率、工作循环和任何其他脉冲产生或脉冲跳跃参数。所述栅极驱动信号的开关频率例如能够是预定频率，但是可以在必要时加以调整。如上所述，工作循环能够根据所述的输入对输出电压转换比是固定的，但是其他工作循环也是可能的。举例来说，如果比是Vout＝Vin/2，则工作循环能设定为50％、45％、40％等。
[0034] 在步骤S904中，感应负载条件的参数。举例来说，所述参数能够是负载所吸取的电流。能够以上文所述的多种方式，例如使用输出
节点或输入节点处或附近的感应电阻器、功率晶体管附近的SENSEFET等来感应此电流。
[0035] 响应于感应的参数(例如电流)，在步骤S906中，对栅极信号进行调制。在一些示例实施方案中，使用查找表来确定恰当的开关频率。在此等实施方案中，如果感应的电流值不对应于查找表的特定条目，则能够从所述表提取两个频率值以用于高于和低于感应的电流值的在所述表中的两个最接近电流值，并且能够使用所述两个最接近电流值的频率值来内插感应的电流值的频率。在其他实例中，能够将感应的电流值舍位到所述表中的最接近电流值，并且能够提取单一的频率值。在不包括查找表的其他实施方案中，能够例如使用VCO来执行直接的电流到频率转换操作。
[0036] 能够连续地重复以上步骤，直到不需要进一步调制。
[0037] 尽管已经参考本发明实施方案的优选实施方案特别地描述了本发明实施方案，但是所属领域的一般技术人员应容易了解，在不背离本公开的精神和范围的情况下，可进行形式和细节上的改变和
修改。希望随附权利要求涵盖此等改变和修改。
