CN101057386B - 电源变换器 - Google Patents

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Abstract

一种电源变换器(1)包括电压电平增加电路(3)，其接收第一和第二电源变换器输入端(IN1，IN2)之间的DC-输入电压(VIN)，并具有输出端(O1；O2，O3)以提供电平高于输入电压(VIN)或者极性与输入电压(VIN)相反的自适应输入电压。下变换器(2)具有：第一和第二下变换器输入端(IN3，IN4)；控制开关(S1)，其具有配置在第一节点(N1)和第一下变换器输入端(IN3)之间的主电流通路；配置在第一节点(N1)与负载(LO)之间的电感(L)和配置在第一节点(N1)和第一下变换器输入端(IN4)之间的同步开关(S2)。控制器(4)控制控制开关(S1)和电压电平增加电路(3)的开关(S3，S4；S3，S4，S5，S6，S7，S8)，以便或者将输入电压(VIN)或者将自适应输入电压耦连至第一节点(N1)或者第一或第二下变换器输入端(IN3，IN4)。

Description

电源变换器
发明领域
本发明涉及电源变换器，包含这种电源变换器的移动装置和包含这种移动装置的无线传输系统。
背景技术
下变换器或反向转换器是常规技术中众所周知的。下变换器包括控制开关，其将电感周期性地连接在输入电压与负载之间。当控制开关打开时，同步整流器(通常也称作同步开关)或二极管导通，电流经过电感流向负载。当控制开关闭合并且二极管或同步开关打开时，因为输入电压具有比输出电压高的电平，所以电感中的电流增加，能量存储在电感中。当控制开关打开并且二极管或同步开关闭合时，电感与负载并联连接，电感中的电流下降，由于能量被传输至负载，所以存储在电感中的能量下降。
下变换器的缺点是，如果输出电压接近输入电压，则电感中能量的增加只能是很临界的，如果输出电压接近于零，则电感中能量的减小也只能是很临界的。在这两种情况下，下变换器不能向负载提供足够的能量，这使下变换器的动态性能变坏。如果输出电压或者接近输入电压或者接近于零，下变换器则不能快速跟随负载所需要的能量阶跃。类似地，如果输出电压或者接近输入电压或者接近于零，下变换器则不能快速跟随所要求的输出电压的变化。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种电源变换器，其包括具有改进的动态性能的下变换器。
本发明的第一方面是提供一种如权利要求1中所述的电源变换器。本发明的第二方面是提供一种移动装置，其包括如权利要求18中所述的这种电源变换器。本发明的第三方面是提供一种无线传输系统，其包括如权利要求19中所述的这种移动装置。在附属权利要求中确定了优选实施例。
根据本发明第一方面的电源变换器包括下变换器和电压电平增加电路。电压电平增加电路接收出现在第一和第二电源变换器输入端之间的电源变换器输入电压，并将电平高于输入电压或极性与输入电压相反的自适应输入电压供给下变换器的输入电压。
下变换器包括控制开关，其具有配置在第一电源变换器输入端与电感之间的主电流通路。电感的另一自由端连接至应被提供输出电压的负载。电源变换器进一步包括：控制器，其控制下变换器的控制开关；和电压电平增加电路，其将或者输入电压或者自适应输入电压耦连至电感或不与电感相连的控制开关的主电流通路的端点。下变换器进一步包括同步开关，其具有配置在第二电源变换器输入端与电感之间的主电流通路。同步开关可以是可控半导体开关或二极管。如果同步开关是可控的，则控制器应以众所周知的方法操作同步开关。
如果输入电压被提供给电感，则电源变换器的操作与常规技术的下变换器相同。如果较高的自适应输入电压供给电感或端点，则当输出电压电平接近输入电压时下变换器的动态性能得到改善，因为电感两端的电压差已经增加了。增加了的电压差使得电感中的能量快速变化，因此能更快地响应负载。如果自适应输入电压具有与输入电压相反的极性，当输出电压电平接近于零时下变换器的动态性能也会得到改善。再说一次，电感两端之间的电压差被变得较大，使电感中的能量能较快地变化，从而能较快地响应负载能量消耗的变化。
依赖于电压电平增加电路的结构，电感两端之间的电压至少能暂地增加，对快速的负载变化或想要的输出电压中的快速瞬变的响应得以改善。
在根据本发明一个实施例中，电压电平增加电路包括众所周知的电压乘法器部件。这种电压乘法器至少具有一个包括电容和开关的叫路段。对开关进行操作使电容在充电方式期间充电至预定的电平，并且充电的电容被切换而与所得的输入电压串联，电压暂时高于输入电压。也能利用已充电的电容暂时提供极性与输入电压相反的电压。电压乘法器的输出电压的电平依赖于它所包含的电路段的数目。众所周知的电压乘法器在它的输出端具有保持输出电压的电容，这个电容在本发明中不出现。
在根据本发明一个实施例中，电压电平增加电路包括单个电容的两个开关，它们必须附加至已知的下变换器。下变换器的两个开关也用在乘法器的操作中。这一实施例的优点是能够以最少量的附加元件向电感提供或者双倍的输入电压或者反相的输入电压。由于损失，电压乘法器所提供的电压电平将稍低于双倍的或反相的电平。还有，电容两端之间的电压在其放电周期中可能稍下降一些。
在根据本发明一个实施例中，电源变换器具有第一阶段，其中电压乘法器的电容基本上充电至输入电压的电平。在第二阶段，电源变换器将电压乘法器的电容切换为与输入电压串联，结果是向电感提供基本上双倍的输入电压。因此，即使电源变换器的输出电压接近输入电压，但在电感两端之间有足够的电压差。
在根据本发明一个实施例中，电源变换器具有第一阶段，其中电压乘法器的电容基本上充电至输入电压的电平。在第二阶段，电源变换器将电压乘法器的电容切换为与地串联，结果是向电感提供基本上为输入电压但极性相反的电压。因此，即使电源变换器的输出电压接近于零，但电感两端之间有足够的电压差。
在根据本发明一个实施例中，使用附加电池代替电容向电感提供或者比输入电压高的电压或者具有相反极性的电压。但是，连接电池使其以不同的极性提供它的输出电压，不像使用电容那样简单。
在根据本发明一个实施例中，电压电平增加电路和下变换器在它们各自的输入端接收DC(直流)-输入电压。
在根据本发明一个实施例中，电压电平增加电路包括：第一可控开关，其具有配置在第一电源变换器输入端与第二节点之间的主电流通路。第二可控开关具有配置在第二节点与第二电源变换器输入端之间的主电流通路。第三可控开关具有配置在第一电源变换器输入端与第一下变换器输入端之间的主电流通路。第四可控开关具有配置在第二电源变换器输入端与第二下变换器输入端之间的主电流通路。第五可控开关具有配置在第一下变换器输入端与第三节点之间的主电流通路。第六可控开关具有配置在第二下变换器输入端与第三节点之间的主电流通路。电容配置在第一节点与第三节点之间。控制器控制第一至第六可控开关，实现或者第一或者第二操作方式。
在正常的操作方式中，第三和第四可控开关闭合，下变换器在它的输入端接收DC-输入电压。电压电平增加电路的其他开关状态是无关的，只要在电容的任一侧的两个开关不都导通，因为这会引起短路。
在另一操作方式中，电容周期性地充电以便在第三节点得到电压，这个电压相对于第二节点的电压来说是正的，并且，将电容连接至第一下变换器输入端，以使这个第一下变器输入端的电压增加到DC-输入电压以上。因此，在电容充电期间，第二、第三、第四和第五开关闭合而其他开关打开。当第一和第五开关闭合而第二、第三和第六开关打开时，电容两端之间的电压被加至DC-输入电压并且供给第一下变换器输入端。
在又一操作方式中，电容周期性地充电以便在第三节点得到电压，这个电压相对于第二节点来说是负的，并且，将电容连接至第二下变换器输入端，以使这个第二下变换器输入端的电压降低。因此，在电容充电周期中，第一、第二、第四和第六开关闭合而其他开关打开。当第二和第六开关闭合而第一、第四和第五开关打开时，电容两端之间的电压提供在地与第二下变换器输入端之间。
在根据本发明一个实施例中，只有当检测到负载要求的功率阶跃大于预定值时，自适应输入电压才供给电感。因此，自适应电压只在有要求时才使用。
在根据本发明一个实施例中，负载要求的功率阶跃(也称作负载阶跃)通过监视输出电压、微分的输出电压、输出电压与参考电压之间的差电压、流经电感的电流或者出现在形成负载的电路中的信号来确定。
负载阶跃引起输出电压的变化，因为变换器不能立即响应负载阶跃。因此，通过直接监视输出电压，或者监视输出电压与参考电压之间的差，或者监视输出电压的导数，能对负载进行检测。负载阶跃也引起流经电感的电流的变化，因此，这个电流也可被监视以检测负载阶跃。在以电流方式控制下变换器的情况下。设备电流电平可任意地变化。这个变化立即被流经电感的电流跟随。设备电流电平和电感电流之间的差可用来启动升压动作。如果负载阶跃被检测到或者被负载的电路事先知道，这个电路所产生的信号就能被利用。
在根据本发明一个实施例中，电源变换器具有指示它的输出电压应如何变化的输入信号。例如，这个输入信号可从指令手机改变它的传输功率的基站接收到。或者这个信号可从要放大的音频信号的功率包络知道。为了在手机中实现最佳的能量消耗，提供给发射机放大器的电源变换器的输出电压受到控制，以便最佳地适应实际传输功率。如果检测到输入信号的电平或输入信号的变化超过预定值，就向下变换器的电感供给自适应输入电压。
在根据本发明一个实施例中，如果电源变换器的输出电压接近输入电压或者接近预定值，就向电感供给自适应输入电压。
在根据本发明一个实施例中，下变换器的电源电压或者是DC-输入电压，或者是DC-输入电压与电池电压的和，结果是DC-输入电压被升压。另一种方式，下变换器的电源电压或者是DC-输入电压，或者是电池电压，结果是下变换器的电压相对于DC-输入电压的极性有改变了的极性。
本发明的这些和其他方面，从参考下述实施例(本发明不局限于此)所做的说明，会看得很清楚。
附图说明
在附图中：
图1是现有技术的下变换器的电路图；
图2是根据本发明一个实施例的电源变换器的电路图；
图3是根据本发明一个实施例的另一电源变换器的电路图；
图4是根据本发明一个实施例的又一电源变换器的电路图；
图5是移动装置的示意图；和
图6是无线传输系统的示意图。
具体实施方式
在各个附图中，具有相同参考符号的部件是相同的，并执行相同的功能。
图1是现有技术的下变换器的电路图。下变换器1具有接收DC-输入电压VIN输入端IN1和IN2，以及向负载LO提供输出电压VO的输出端ON1和ON2。为了便于说明，平滑电容C被考虑为负载LO的部件。DC-输入电压VIN可由电池提供，或者由AC源例如交流电源通过整流电路提供。下变换器包括配置在输入端IN1和节点N1之间的可控开关SW。通常可控开关SW是半导体开关例如双极晶体管或场效应晶体管(FET)。可控开关SW通常称作控制开关。二极管D具有连接至节点N1的阴极和连接至另一输入端IN2的阳极。代替二极管D，也可使用通常称作同步开关的可控开关。电感L配置在节点N1和负载LO之间。电感L可以是线圈或者变压器绕组。负载LO可考虑为包括缓冲电容C和阻抗Z并联的电路。阻抗Z表示电源变换器的输出吸收电流的电路。负载LO两端之间的电压是输出电压VO。
因为现有技术的下变换器是众所周知的，所以只简单地说明它的操作。假定输出电压VO稳定在等于或低于输入电压电平的固定电平上，因为否则电源变换器就不会是下变换器。进一步假定元件是理想的。当开关SW闭合时，节点N1的电压将等于输入电压VIN，因此二极管D阻断。由于电感上有电压差VIN-VO，所以电流IL将线性地增加直至开关SW打开的瞬间。流经电感L的电流IL不能立即停止流动，因此，节点N1上的电压下降直至二极管D开始导电。于是，由于电感L两端之间的电压为-NO，所以流经电感L的电流IL线性地下降直至开关SW再次闭合的瞬间。
通常，控制开关的工作周期被控制，以使输出电压VO稳定在所希望的固定值或者与负载LO吸取的电流无关的可变值。因此例如如果发生负载阶跃，则阻抗Z吸取的电流增加，输出电压VO趋于下降。这种下降会受到开关SW较长时间接通的抵抗，结果是电感L中的平均电流增加，较高的能量被传输至负载LO。已知许多控制拓扑结构用来稳定输出电压Vout于希望值。所选的拓扑结构与本发明无关。换句话说，负载LO所消耗的功率可以是稳定的而输出电压VO必须变化，或者也可以是当消耗的功率变化时输出电压VO必须变化。例如，在手持式设备中，下变换器的输出电压VO相应于接受输出电压VO作为它的功率源的放大器所要传输的输出功率而变化，以获得电池能量的最佳利用。如果要传输低的输出功率，输出电压VO就应当具有相应的低电平，如果要传输高的输出功率，输出电压VO就应当具有相应的高电平。
现有技术的这种下变换器的缺点是，动态性能强烈依赖于输出电压VO的电平。如果输出电压VO有接近输入电压VIN的电平，则要花相当长的时间周期来提高输出功率，原因是由于电感两端之间的电压差小，所以要用长时间来足够地增加流经电感L的电流IL。同样，如果输出电压接近零，则要花相当长的时间周期来减小输出功率，原因是由于电感L两端的电压差小，所以要长时间来足够地减小流经电感L的电流IL。
图2是根据本发明一个实施例的电源变换器的电路图。图2示出与图1所示相同的下变换器，其中控制开关SW以S1表示，二极管D用可控开关S2代替。另外，负载LO和DC输入电压源VIN分别与图1所示的负载LO和DC输入电压相同。图2的下变换器2以与图1所示相同的方式操作。
电源变换器进一步包括电压电平增加电路3，其具有与输入端IN1和IN2相连的输入端以便接收输入电压VIN，和与节点N1相连的输出端O1。
控制器4控制下变换器2的开关S1、S2和电压电平增加电路3，为的是将或者输入电压VIN或者电压电平增加电路3的输出电压供给节点N1。如果开关S1闭合并且电压电平增加电路3不影响节点N1的电压，则输入电压VIN供给节点N1。在另一方式中，电压电平增加电路3的输出电压，也称作自适应输入电压，在输出端O1供给节点N1而开关S1打开。因此，能够在节点N1对输入电压VIN和自适应输入电压进行选择。
下变换器的切换周期涉及开关S1打开时的两个相继的瞬间之间经历的时间周期。切换周期中开关S1闭合时的时间周期称作开关S1的接通时间。切换周期中开关S1打开时的时间周期称作开关S1的断开时间。在同一切换周期中，切换周期是接通时间和断开时间的和。
电压电平增加电路3可提供具有相同极性并且比电压VIN高的电压。例如，如果输入电压VIN具有正极性，这时代替开关S1的闭合向节点N1提供输入电压VIN，则电压电平增加电路以比输入电压VIN更高的电平供给节点N1正极性电压。这一点是有利的，如果负载电流增加并且要求尽可能快地响应，或者如果输出电压VO必须在尽可能短的时间周期内提高的话。或者如果输出电压VO接近输入电压VIN的电平。电压电平增加电路3可提供与输入电压VIN的极性相反的电压。于是，代替闭合开关S2将节点N1连接至地，电压电平增加电路向节点N1提供具有相反极性的电压。这一点是有利的，如果负载电流减小并且要求尽可能快地响应，或者如果输出电压VO必须在尽可能短的时间周期内降低的话。或者如果输出电压接近地电平。
在一个实施例中，电压电平增加电路3包括开关S3、开关S4和电容C。开关S3有配置在端点IN1与节点N2之间的主电流通路，和从控制器4接收控制信号SC3的控制电极。开关S4有配置在端点IN2与节点N2之间的主电流通路，和从控制器4接收控制信号SC4的控制电极。电容器配置在节点N2与节点N1之间。控制器4接收确定下变换器操作方式的输入信号IS。在所有操作方式中，假定全部元件都是理想的。例如开关的主电流通路的阻抗被忽略。
在第一方式中，输入电压VIN供给节点N1。开关S1和S2像平常那样对下变换器进行操作。开关S3和S4可持续打开使电容C悬浮，对节点N1的电压没有影响。
在第二方式中，开关S4可与开关S1同步闭合。于是，当开关S1和S4闭合时电容C将被充电，结果使电容两端之间的电压VC变成等于开关S1闭合时的节点N1的电压。因此，电压VC变成与VIN相同。开关S4也可在开关S1的部分接通时间内闭合。当开关S1和S4打开时，已充电的电容C悬浮，电压VIN供给节点N1。
在第三方式中，从第二方式所讨论的已充电的电容C开始，如果节点N1的电压变成高于输入电压VIN，则开关S3闭合一个时间周期，否则开关S1将会闭合并且开关S4持续打开。因此自适应输入电压供给节点N1。自适应输入电压等于2*VIN，因为电容两端之间的电压VC被切换为与输入电压VIN串联。在开关S3断开时间内开关S2闭合，像平常那样。要注意当开关S1持续打开时开关S3周期地闭合，因而不可能对电容C充电。因此，较高的电压仅能暂时地供给节点N1。在下变换器的每一切换周期或预定数目的切换周期以后，能交替使用第二和第三方式。
在第四方式中，开关S3可与开关S2同步闭合。于是，当开关S3和S2闭合时电容C将被充电，结果电容两端之间的电压VC将变成与电压VIN相等但符号相反。在图2所示例子中，电压VC变成等于-VIN。在开关S2的部分接通时间内开关S3也可以闭合。当开关S3和开关S4都打开时，已充电的电容C悬浮，电压VIN供给节点N1。
在第五方式中，从第四方式所讨论的已充电的电容C开始，如果节点N1的电压低于地电平，则开关S4闭合一个周期时间，否则开关S1将会闭合并且开关S3继续打开。因此自适应输入电压供给节点N1。自适应输入电压等于-VIN，因为电容两端之间的电压VC被切换在节点N1与被视为零伏的地电平之间。在开关S4的断开时间内开关S1闭合，像平常那样。要注意当开关S2持续打开时开关S4周期地闭合，因而不可能对电容C充电至-VIN。因此，负电压仅能暂时地供给节点N1。在下变换器的每一切换周期或预定数目的切换周期以后，能交替使用第四和第五方式。
方式之间的切换由控制器4基于输入信号IS进行控制。输入信号IS能以多种方法得到。例如，为适应负载阶跃，可检查输出电压VO、输出电压VO与参考电压之间的差(误差电压)、输出电压VO的导数、流经电压L的电流、或者流经电感的电流与目标值之间的差(又一误差信号)是否超过参考水平。也可能从负载LO的电路Z知道何时会发生什么样的负载阶跃，例如在手持式发射机中，可事先知道何时增加传输功率。
如果输出电压VO的电平必须改变，则输入信号IS指示输出电压VO的变化。例如在手持式发射机中，可事先知道何时传输功率必须增加，因而应增加发射放大器的电源电压。
图3是根据本发明一个实施例的另一电源变换器的电路图。图3所示的电源变换器以图2所示的电源变换器为基础。不同的是电容已被电池Vb代替。再说一次，下变换器能通过相应地控制控制开关S1、S3和S4以输入信号IS所指示的几种方式操作。
在第一方式中，开关S1和S2像在下变换器那样周期地闭合和打开。开关S3和S4持续打开。电池Vb悬浮，对节点N1的电压没有影响。在开关S1接通期间，输入电压VIN供给节点N1。
在第二方式中，开关S3代替开关S1周期地闭合和打开，此时开关S3持续打开。于是，输入电压VIN与电池Vb的电压之和供给节点N1。如果电池Vb供给与输入电压VIN极性相同的电压，则节点N1的电压电平变成更正于或负于输入电压VIN。
在第三方式中，开关S4代替开关S2周期地闭合和打开，此时开关S4持续打开。于是，电池Vb的电压供给节点。如果电池Vb供给与输入电压VIN极性相反的电压，若输入电压有正电位则节点N1有负电位。由于出现在节点N1上的是负电压而不是零伏，所以电感L中的电流减小得更多。
利用电池Vb代替电容C的优点是，节点N1的电压能在相当长的时间周期中增加到输入电压VIN以上或者降低到地电平以下。消除了电容C的放电问题。能使用相对小的可充电电池经过已有的开关，在不需要向节点N1供给它的电压的时间内，通过附加开关或者通过众所周知的未描述的电池充电装置进行充电。
图3所示的实施例可在几个方面采用。如果节点N1需要分别比输入电压VIN和地电平高和低的两种电压，则可配置两个电池。一个电池通过开关S3与输入电压VIN串联连接使供给节点N1的电压增加到输入电压VIN以上。另一个电池可通过开关S4连接在节点N1与地之间使节点N1得到具有与输入电压VIN相反极性的电压。于是开关S3和S4不再在节点N2上互连。另一种方式，可引入附加开关将两种极性的单个电池连接在节点N1与开关S3或S4中的一个之间。如果只要求比输入电压VIN高的电压或者比地电平低的电压，则需要与开关S3或S4之一有关的单个电池。因此，如果在节点N1上只需要高于输入电压VIN的电压，则开关S4可以省略，并可选地以二极管代替开关S2如图1所示。但是，用二极管代替开关会降低效率。
图4是根据本发明一个实施例的另一电源变换器的电路图。图4与图2中有相同参考号码的元件具有相同的功能。在图4中，图2的开关用MOSFET(金属氧化物场效应)晶体管代替。MOSFET的内在二极管在相关的地方给予指示。开关S3、S4、S7和S8的内在二极管(未示)具有指向端点IN1的阴极。
电源变换器包括下变换器2和电压电平增加电路3。电源变换器的输入端IN1和IN2接收DC-输入电压VIN。下变换器有输入端IN3和IN4，并且将输出电压VO供给与电源变换器的输出相连的负载LO。再说一次，为便于描述，假定平滑电容是负载LO的部件。
下变换器2有与图2所示的下变换器2相同的拓扑结构。其中：开关S1此时是具有内在二极管D1的MOSFET S1，开关S2是具有内在二极管D2的MOSFET S2。
电压电平增加电路3包括MOSFET S3至S8和电容C。MOSFET S3具有配置在电源变换器输入端IN1与节点N2之间的主电流通路。MOSFET S4具有配置在节点N2与电源变换器输入端IN2之间的主电流通路。MOSFET S5具有配置在电源变换器输入端IN1与下变换器输入端IN3之间的主电流通路。MOSFET S5具有内在二极管D5。第四MOSFETS6具有配置在电源变换器输入端IN2与下变换器输入端IN4之间的主电流通路。MOSFET S6具有内在二极管D6。第五MOSFET S7具有配置在下变换器输入端IN3与节点N3之间的主电流通路。第六MOSFET S8具有配置在下变换器输入端IN4与节点N3之间的主电流通路。电容C配置在节点N1与N3之间。
在正常操作方式中，MOSFET S5和S6持续闭合，下变换器接收它的输入端IN3和IN4上的DC-输入电压VIN。电压电平增加电路3的其他MOSFET的状态是无关的，只要电容C的任一侧不是两个MOSFET都导通，因为这将使电路短路。因此MOSFETs S3或S4中只有一个以及MOSFETs S7或S8中只有一个应该同时闭合。开关S1和S2像平常那样在下变换器中操作。
在另一操作方式中，电容C被周期地充电以便在节点N3上得到电压，这个电压相对于节点N2的电压是正的。电容C周期地被连接至下变换器输入端IN3使这个输入端IN3上的电压增加到DC-输入电压VIN以上。因此，在电容C的充电周期中，MOSFET S4、S5、S6和S7闭合而其余的MOSFET S3和S8打开。电容C被充电，结果是在节点N3和N2之间产生输入电压VIN。在充电周期中下变换器2能以正常方式操作。在电压升高周期中，MOSFET S3和S7闭合而MOSFET S4、S5和S8打开，电容两端之间的电压被加至DC-输入电压VIN并供给下变换器输入端IN3。在升压周期中下变换器2也能像正常方式那样操作，但是，此时不是正的输入电压VIN而是输入电压VIN与电容两端之间的电压的和供给下变器2，因此，事实上几乎2*VIN可用于下变换器2。电压升高周期不可持续太长，因为要不然电容C将放电太多。通过在充电周期和升压周期之间的交替，电容C两端之间的电荷和电压应该保持足够高。
在另一种方式中，电容C周期地被充电以便在节点N3上得到电压，这个电压相对于节点N2的电压是负的。电容C周期地被连接至下变换器输入端IN4以降低这个输入端IN4的电压。因此，在电容C的充电周期中，MOSFET S3、S5、S6和S8闭合而其余的MOSFET S4和S8打开。电容C被充电，结果是在节点N2和N3之间几乎产生输入电压VIN。在充电周期中下变换器2能以正常方式工作。在升压周期中，通过MOSFETS4和S8闭合而MOSFET S3、S6、S7打开，在地与下变换器输入端IN4之间提供电容两端之间的电压。在升压周期中下变换器2也能像正常方式那样操作，但是此时不是正输入电压VIN而是电容两端之间的负电压供给下变换器2。电容两端之间的负电压几乎等于输入电压VIN，因此下变换器被馈以-VIN而不是VIN。
如果在单极性结构中使用电池(未示)代替电容，图4所示的电路可根据电池的极性得以简化。首先假定电池在节点N3上有正极，开关S6和S7用短路来代替而开关S8被省略。于是，如果开关S5持续闭合而开关S3和S4两者都打开，则电池悬浮而没有影响。如果需要升压，则开关S3闭合而开关S5打开。于是，提供输入电压的电池和附加的电池串联配置并向端点IN3提供相当高的电压。如果开关S4闭合而开关S5打开，则仅用附加的电池向下变换器提供电源。如果负载LO从下变换器收取相当低的电流，这可能是特别适合的。也能使用两个并联的电池，但只有所供给的电池电压相同和/或有专门的电路才是可能的，以避免一个电池的电流流经另一个电池。如果附加电池不是可再充电的并且仅需要电压上升，那么开关S4也可以省略。
比较好的是，附加电池是可再充电的。当开关S5和S4闭合而开关S3打开时，可再充电的电池被充电。可以要求附加电池在充电期间提供过量的电流。
另一种方式，代替电容C的电池可在节点N3上提供负电压。于是，开关S5和S8用短路代替而开关S7被省略。当开关S6打开时，至少开关S4应当表现为能向节点N3提供负电池电压。
图5表示一种移动装置。移动装置MAP包括电池BAT、下变换器1、放大器AMP和天线ANT。电池BAT向下变换器1提供输入电压VIN。下变换器1向放大器AMP提供输出电压，放大器向天线ANT提供要发射的天线信号Va。提供给放大器AMP的输出电压VO应当最佳地符合所希望的或者所要求的实际传输功率，使电池BAT的使用期限最佳化。因此，在低传输功率的情况下，应当向放大器AMP提供低的输出电压VO，在高传输功率的情况下，应当向放大器AMP提供高的输出电压VO。根据本发明的改进的下变换器，由于电感L两端之间出现较高的电压而能快速地改变它的输出电压VO。因此，本发明的下变换器能快速切换到节省功率的较低输出电压。另一方面，如果以后产生较高电压，它仍然会及时存在，这再一次节省了功率。另外，本发明的下变换器对负载阶跃有更快的反应。
在这一应用中，电源系统要求几十kHz的带宽。
虽然图中未示，但是负载可以是杨声器。因为音频信号的功率包络是已知的，所以放大器AMP的电源电压可在校正的瞬间变化。移动装置MAP可控开关以是MP3播放机。
图6表示一种无线传输系统。无线传输系统包括基站和若干手持式装置，图示的是其中的两个MAP1、MAP2。手持式MAP1和MAP2通过基站BAS彼此通信。基站控制系统中的通信。例如，基站BAS可检查从每一手持式MAP1、MAP2中接收到的功率，并可向手持式MAP1、MAP2发送控制信号以使它们的传输功率匹配，所以基站BAS接收的是足够强的信号但不是太强的信号。太强的信号将过快地耗尽手持式MAP1、MAP2的电池，可能在系统中引起干扰。如果接收的功率太低，例如因为手持式MAP1、MAP2远离或者视野的定向线中断，传输质量将会太低。在当今的无线通信系统中，只存在短时间隙来改变手持式MAP1、MAP2的传输输出功率。供给发射机放大器AMP的电压VO应当在这些短时间隙内改变，使电池BAT的功率消耗最佳化。
应当注意，上述实施例是为了说明而不是限制本发明，技术人员在不脱离附加权利要求的范围的情况下，能设计出多种不同的实施例。
例如，根据本发明的下变换器可用于要求对负载变化快速响应的任何系统，或者输出电压必须在短时间周期内变化的任何系统。根据本发明的下变换器特别适用便携式、电池供电、像蜂窝式电话那样的装置，或者可利用的能量缺少以及低功耗最为重要的其他环境。因为功率消耗是许多应用中的一个焦点，所以根据本发明的下变换器可应用在独立应用的集成电路(IC)中，或者可埋置于芯片系统(SOC)或组件系统(SiP)。
虽然图2所示实施例只示出单级电压乘法器，但也能使用多级电压乘法器，其中的末级与图示的级相同。另一方面，也能使用提高输入电压的其他电路，例如图3的电池或者小的开关方式的电源，只要它在负载阶跃出现时或输出电压必须变化电平时能暂时地向节点N1提供电压。
在权利要求中，括号内的任何参考符号不构成对权利要求的限制。动词“包括”和它的变化的使用不排除存在与权利要求中所述不同的元件和步骤。元件前面的“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以用包括若干不同元件的硬件来实现，也可以用适合编程的计算机实现。在列举若干装置的设备要求中，这些装置中的几个可用一种和相同项目的硬件实现。在相互不同的附属权利要求中列举某些措施，不表示这些措施的组合没有好处。

Claims (19)

1.一种电源变换器(1)，其特征在于包括：
电压电平增加电路(3)，其耦连在接收DC输入电压(VIN)的第一和第二电源变换器输入端(IN1、IN2)之间，并具有输出端(O1；O2，O3)用来提供电平高于输入电压(VIN)或者极性与输入电压(VIN)相反的自适应输入电压，其中所述电压电平增加电路(3)包括电压乘法器(3)部件，在所述电压乘法器(3)部件的输出端中不出现保持电压的电容，
降压变换器(2)，其具有第一和第二降压变换器输入端(IN3、IN4)；控制开关(S1)，其具有配置在第一节点(N1)和第一降压变换器输入端(IN3)之间的主电流通路；配置在第一节点(N1)和负载(LO)之间的电感(L)；和配置在第一节点(N1)和第二降压变换器输入端(IN4)之间的同步开关(S2)，和
控制器(4)，其用于控制控制开关(S1)和电压电平增加电路(3)的开关(S3，S4；S3，S4，S5，S6，S7，S8)，以便将输入电压(VIN)或将自适应输入电压耦连至第一节点(N1)或者第一或第二降压变换器输入端(IN3，IN4)。
2.如权利要求1中所述的电源变换器(1)，其特征在于：电压电平增加电路(3)具有与电源变换器输入端(IN1，IN2)连接的输入，以接收输入电压(VIN)和与第一节点(N1)连接的输出(O1)。
3.如权利要求1中所述的电源变换器(1)，其特征在于电压电平增加电路(3)包括：
第一可控开关(S3)，其具有配置在第一电源变换器输入端(IN1)与第二节点(N2)之间的主电流通路，
第二可控开关(S4)，其具有配置在第二节点(N2)与第二电源变换器输入端(IN2)之间的主电流通路，和
配置在第一节点(N1)和第二节点(N2)之间的电容(C)，
其中，控制器(4)或者激活控制开关(S1)，或者激活第一可控开关(S3)或第二可控开关(S4)中的一个，以便向第一节点(N1)分别提供输入电压(VIN)或者自适应输入电压。
4.如权利要求3中所述的电源变换器(1)，其特征在于：控制器(4)被配置用于将第一控制信号(SC3)供给第一可控开关(S3)，将第二控制信号(SC4)供给第二可控开关(S4)和将第三控制信号(SC1)供给控制开关(S1)，以提供两个阶段的操作：
在第一阶段，第一可控开关(S3)打开而第二可控开关(S4)和控制开关(S1)闭合，以便对电容(C)充电并将输入电压(VIN)供给第一节点(N1)，和
在第二阶段，控制开关(S1)和第二可控开关(S4)打开而第一可控开关(S3)闭合，以便将自适应输入电压提供给第一节点(N1)。
5.如权利要求3中所述的电源变换器(1)，其特征在于：控制器(4)被配置用来将第一控制信号(SC3)供给第一可控开关(S3)，将第二控制信号(SC4)供给第二可控开关(S4)，将第三控制信号(SC1)供给控制开关(S1)，和将第四控制信号(SC2)供给同步开关(S2)，由此提供两个阶段的操作：
在第一阶段，第一可控开关(S3)和同步开关(S2)闭合而第二可控开关(S4)和控制开关(S1)打开，以便对电容(C)充电，同时电感(L)与负载(LO)并联耦连，和
第二阶段，第一可控开关(S3)、控制开关(S1)和同步开关(S2)打开而第二可控开关(S4)闭合，以便将自适应输入电压提供给第一节点(N1)。
6.如权利要求4或5中所述的电源变换器(1)，其特征在于：控制器(4)被配置用来在第一阶段和第二阶段交替地操作电源变换器。
7.如权利要求1中所述的电源变换器(1)，其特征在于电压电平增加电路(3)包括：
第一可控开关(S3)，其具有配置在第一电源变换器输入端(IN1)和第二节点(N2)之间的主电流通路，和
配置在第一节点(N1)和第二节点(N2)之间的电池(B)，
其中，控制器(4)被配置在用来激活控制开关(S1)或者第一可控开关(S3)，以便分别将输入电压(VIN)或自适应输入电压提供给第一节点(N1)。
8.如权利要求1中所述的电源变换器(1)，其特征在于电压电平增加电路(3)进一步包括：
第二可控开关(S4)，其具有配置在第二节点(N2)和第二电源变换器输入端(IN2)之间的主电流通路，和
配置在第一节点(N1)与第二节点(N2)之间的电池(B)，
其中，控制器(4)被配置用来或者激活控制开关(S1)或者激活第二可控开关(S4)，以便分别将输入电压(VIN)或自适应输入电压供给第一节点(N1)。
9.如权利要求3中所述的电源变换器(1)，其特征在于：第一和第二降压变换器输入端(IN3，IN4)被配置用来接收DC-输入电压(VIN)。
10.如权利要求1中所述的电源变换器(1)，其特征在于：电压电平增加电路(3)进一步包括：
第一可控开关(S3)，其具有配置在第一电源变换器输入端(IN1)与第二节点(N2)之间的主电流通路，
第二可控开关(S4)，其具有配置在第二节点(N2)与第二电源变换器输入端(IN2)之间的主电流通路，
第三可控开关(S5)，其具有配置在第一电源变换器输入端(IN1)与第一降压变换器输入端(IN3)之间的主电流通路，
第四可控开关(S6)，其具有配置在第二电源变换器输入端(IN2)与第二降压变换器输入端(IN4)之间的主电流通路，
第五可控开关(S7)，其具有配置在第一降压变换器输入端(IN3)与第三节点(N3)之间的主电流通路，
第六可控开关(S8)，其具有配置在第二降压变换器输入端(IN4)与第三节点(N3)之间的主电流通路，和
配置在第一节点(N1)和第三节点(N3)之间的电容(C)，
其中，控制器(4)被配置用来控制第一至第六可控开关(S3至S8)定期地进行以下操作：
第一操作，用于对电容(C)充电，以便在第三节点(N3)得到相对于第二节点(N2)的电压为正的电压，并且将电容(C)连接至第一降压变换器输入端(IN3)，以便将这个第一降压变换器输入端(IN3)的电压增加到DC-输入电压(VIN)以上，或者
第二操作，用于对电容(C)充电，以便在第三节点(N3)得到相对于第二节点(N2)的电压为负的电压，并且将电容(C)连接至第二降压变换器输入端(IN4)，以便使这个第二降压变换器输入端(IN3)的电压降低。
11.如权利要求1中所述的电源变换器(1)，其特征在于：控制器(4)具有输入端，其用于接收表示负载(LO)要求阶跃的负载阶跃信号，如果负载阶跃信号超过预定值，则向第一节点(N1)提供自适应输入电压。
12.如权利要求11中所述的电源变换器(1)，其特征在于：负载阶跃信号是电源变换器在负载(LO)两端之间的输出电压(Vout)，或者是对时间微分的输出电压(Vout)，其中误差电压指示输出电压(Vout)与参考电压之间的差，流经电感(L)的电流(IL)，或在负载(LO)电路中出现的指示所述阶跃要求的信号。
13.如权利要求1中所述的电源变换器(1)，其特征在于：控制器(4)具有输入端，其用于接收表示负载(LO)两端之间的电源变换器输出电压(Vout)所希望的输出电压阶跃的指令信号，如果输出电压或它的导数阶跃超过预定值，则向第一节点(N1)提供自适应输入电压。
14.如权利要求1中所述的电源变换器(1)，其特征在于：控制器(4)具有输入端，其用于接收负载两端之间的电源变换器输出电压(Vout)，如果输出电压(Vout)和输入电压(Vin)之间的差变成小于预定值，或者如果输出电压(Vout)的电平降低到预定值以下，则向第一节点(N1)提供自适应输入电压。
15.如权利要求1中所述的电源变换器(1)，其特征在于降压变换器(2)进一步包括：配置在第一节点(N1)与不连接至电感(L)的负载(LO)的一端之间的又一个开关元件(S2)。
16.如权利要求1中所述的电源变换器(1)，其特征在于电压电平增加电路(3)包括：
第一可控开关(S3)，其具有配置在第一电源变换器输入端(IN1)与第二节点(N2)之间的主电流通路，
第二可控开关(S5)，其具有配置在第一电源变换器输入端(IN1)与第一降压变换器输入端(IN3)之间的主电流通路，
电池(B)，其配置在第二节点(N2)与第一降压变换器输入端(IN3)之间，具有耦连至第二节点(N2)的负极，
其中，第二电源变换器输入端(IN2)和第二降压变换器输入端(IN4)互连，
控制器(4)被配置用来或者激活第二可控开关(S5)或者激活第一可控开关(S3)，以便向第一降压变换器输入端(IN3)分别提供输入电压(VIN)或者是DC-输入电压(VIN)与电池(B)的电池电压之和的自适应输入电压。
17.如权利要求1中所述的电源变换器(1)，其特征在于电压电平增加电路(3)包括：
第一可控开关(S4)，其具有配置在第二电源变换器输入端(IN2)与第二节点(N2)之间的主电流通路，
第二可控开关(S6)，其具有配置在第二电源变换器输入端(IN2)与第二降压变换器输入端(IN4)之间的主电流通路，
电池(B)，其配置在第二节点(N2)与第二降压变换器输入端(IN4)之间，电池的正极耦连至第二节点(N2)，
其中，第一电源变换器输入端(IN1)与第一降压变换器输入端(IN3)互连，和控制器(4)被配置用来或者激活第二可控开关(S6)或者激活第一可控开关(S4)，以便向第二降压变换器输入端(IN4)分别提供输入电压(VIN)或者是电池(B)电压的自适应输入电压。
18.一种移动装置(MAP)，其特征在于包括：如权利要求1中所述电源变换器(1)，用于向电源变换器(1)提供输入电压(Vin)的电池(BAT)，和放大器(AMP)，其接收由电源变换器(1)供给的输出电压(Vout)。
19.一种无线传输系统，其特征在于：具有包括激活方式和至少下述空转、静止或待机方式之一的多种工作方式，无线传输系统包括至少一个如权利要求18所述的移动装置(MAP1，MAP2)和用于与至少一个移动装置(MAP1，MAP2)进行通信的基站(BAS)。
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