CN104052278A - 多电平增压变换器拓扑、控制和软启动系统及方法 - Google Patents

多电平增压变换器拓扑、控制和软启动系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及多电平增压变换器拓扑、控制和软启动系统及方法。多电平增压变换器电路包括电感器，该电感器包括与输入电压源连通的一个端子。N个晶体管对串联连接，其中N是大于1的整数。N个晶体管对中的第一晶体管对中的第一晶体管和第二晶体管在一节点处连接在一起。该节点与电感器的另一端子连通。N个晶体管对中的第二晶体管对中的第三晶体管和第四晶体管分别连接到第一晶体管和第二晶体管。（N-1）个电容器具有分别连接在N个晶体管对之间的端子。输出电容器具有与N个晶体管对中的至少一个晶体管连通的端子。

Description

多电平增压变换器拓扑、控制和软启动系统及方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年3月15日递交的美国临时申请No.61/787557的权益。通过引用将上面提及的申请的全文并入本文当中。
技术领域
本公开涉及增压变换器，并且更具体地，涉及多电平增压变换器和用于多电平增压变换器的软启动模块。
背景技术
这里提供的背景说明是出于总体上介绍所公开内容的来龙去脉的目的。在本背景部分中描述的范围内所提及的当前列名的发明人的工作以及在申请时没有资格作为现有技术的本说明书中的方案，既非明确地也非暗示地被承认作为对抗本公开内容的现有技术。
诸如手机和智能手机等手持消费电子设备典型地需要高效DC-DC电源。某些消费电子设备需要比一般由电池提供的输入电压高的输出电压。大电压增压比典型地需要专用高压晶体管器件和大磁性部件，诸如决定电源的总体积、效率和成本的电感器。
现在参考图1A和图1B，示出了根据现有技术的增压变换器10。增压变换器10包括连接到电感器L的一端的电压源VIN。第一和第二晶体管QSR和QMS均包括控制端子和第一和第二端子。晶体管QSR的第二端子连接到节点LX。节点LX还连接到电感器L的另一端以及连接到晶体管QMS的第一端子。
晶体管QSR的第一端子连接到输出电容器COUT以及负载。在晶体管QSR的第一端子处提供增压变换器10的电压输出VOUT。增压变换器10以占空比D和周期T来操作。
在图1B中，在节点LX处并且在晶体管QMS两端的电压被显示为时间的函数。可以理解的是，在操作期间电感器L上的电压摆幅为VOUT。大的电压增压比典型地需要专用的高电压横向扩散MOS（LDMOS）器件。大电感Ｌ基本上决定增压变换器10的总体积、效率和成本。尤其是，到目前为止，电感器的大尺寸使得将电感器和MOS开关器件共同集成在商业上是不切实际的。
在图1C中，多电平减压变换器50包括电压源VIN和晶体管QMS1、QMS2、QSR1和QSR2。电压源VIN连接到晶体管QMS2的第一端子。晶体管QMS2的第一端子和晶体管QMS1的第二端子连接到电容器Cfly的一端。晶体管QMS1的第二端子和晶体管QSR1的第一端子连接到节点LX和电感器Ｌ的一端。晶体管QSR1的第二端子和晶体管QSR2的第一端子连接到电容器Cfly的另一端。电感器L的另一端连接到电容器COUT和负载。
在高电压（1-5kV）应用中，已经使用了图1C所示的多电平减压变换器。在变换器中使用的开关被定额（rate）为承受近似最大输入电压的一半。然而，其他多电平减压变换器拓扑典型地是在较低的电压下使用。当由于初始未被充电的电容器Cfly上的0V使得开关QSR1和QMS2需要承受整个输入电压时，图1C中的拓扑在启动期间遭遇到问题。在正常操作期间，在输入处的电压瞬变（voltage transient）被立即传递到第N个开关对，这使得附加的电压过定额（over-rating）成为必要。实际上，低侧开关QSR2需要2X电压过定额，而高侧开关QMS2需要N倍电压过定额，其中N等于串联连接的晶体管对或者级的数量，并且N为大于1的整数。
发明内容
多电平增压变换器电路包括电感器，该电感器包括与输入电压源连通的一个端子。N个晶体管对串联连接，其中N是大于1的整数。N个晶体管对中的第一晶体管对中的第一晶体管和第二晶体管在一节点处连接在一起。该节点与电感器的另一端子连通。N个晶体管对中的第二晶体管对中的第三晶体管和第四晶体管分别连接到第一晶体管和第二晶体管。（N-1）个电容器具有分别连接在N个晶体管对之间的端子。输出电容器具有与N个晶体管对的至少一个晶体管连通的端子。
在其他特征中，控制模块被配置为控制N个晶体管对的状态。控制模块被配置为在变换器操作之前将（N-1）个电容器充电到预定电平。控制模块部分基于占空比D和周期T来控制N个晶体管对的状态。当以小于50%的占空比在连续电流切换模式下操作时，控制模块被配置为采用顺序方式和非顺序方式中的至少一种方式以第一切换模式、第二切换模式、第三切换模式和第四切换模式来控制第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管的状态，其中在第一切换模式中，第一晶体管和第三晶体管闭合且第二晶体管和第四晶体管断开；在第二切换模式中，第一晶体管和第三晶体管闭合且第三晶体管和第四晶体管断开；在第三切换模式中，第一晶体管和第四晶体管闭合且第二晶体管和第三晶体管断开；以及在第四切换模式中，第一晶体管和第三晶体管闭合且第二晶体管和第四晶体管断开。
在其他特征中，当以小于50%的占空比在连续电流切换模式下操作时，控制模块被配置为采用顺序方式和非顺序方式中的至少一种方式以第一切换模式、第二切换模式、第三切换模式和第四切换模式操作。在第一切换模式期间，由（N-1）个电容器中的至少一个向负载供应电流。在第二切换模式期间，由电感器向负载供应电流。在第三切换模式期间，（N-1）个电容器中的至少一个电容器被充电。在第四切换模式期间，由电感器向负载供应电流。
在其他特征中，控制模块被配置为在D*T处从第一切换模式转变到第二切换模式；在T/2处从第二切换模式转变到第三切换模式；在（1/2+D）*T处从第三切换模式转变到第四切换模式；并且在T处处从第四切换模式转变到第一切换模式，其中T是周期，而D是占空比。
在其他特征中，当以大于50%的占空比在连续电流切换模式下操作时，控制模块被配置为采用顺序方式和非顺序方式中的至少一种方式以第一切换模式、第二切换模式、第三切换模式和第四切换模式来控制第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管的状态，其中在第一切换模式中，第一晶体管和第三晶体管断开且第二晶体管和第四晶体管闭合；在第二切换模式中，第二晶体管和第三晶体管闭合且第一晶体管和第四晶体管断开；在第三切换模式中，第一晶体管和第三晶体管断开且第二晶体管和第四晶体管闭合；以及在第四切换模式中，第一晶体管和第四晶体管闭合且第二晶体管和第三晶体管断开。
在其他特征中，当以大于50%的占空比在连续电流切换模式下操作时，控制模块被配置为采用顺序方式和非顺序方式中的至少一种方式以第一切换模式、第二切换模式、第三切换模式和第四切换模式来进行操作。在第一切换模式和第三切换模式期间，电流流到地。在第二切换模式期间，由（N-1）个电容器中的至少一个电容器向负载供应电流。在第四切换模式期间，（N-1）个电容器中的至少一个电容器被充电。
在其他特征中，控制模块在（D-1/2）*T处从第一切换模式转变到第二切换模式；在T/2处从第二切换模式转变到第三切换模式；在D*T处从第三切换模式转变到第四切换模式；并且在T处从第四切换模式转变到第一切换模式，其中T是周期，而D是占空比。
在其他特征中，当以小于50%的VOUT/VIN在连续电流切换模式下操作时，控制模块采用顺序方式和非顺序方式中的至少一种方式以第一切换模式、第二切换模式、第三切换模式、第四切换模式、第五切换模式和第六切换模式来控制第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管的状态，其中在第一切换模式中，第二晶体管和第三晶体管闭合且第一晶体管和第四晶体管断开；在第二切换模式中，第一晶体管和第三晶体管闭合且第二晶体管和第四晶体管断开；在第三切换模式中，第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管断开且第一晶体管断开；在第四切换模式中，第一晶体管和第四晶体管闭合且第二晶体管和第三晶体管断开；在第五切换模式中，第一晶体管和第三晶体管闭合且第二晶体管和第四晶体管断开；以及在第六切换模式中，第一晶体管、第二晶体管和第四晶体管断开且第三晶体管断开。
在其他特征中，当以小于50%的VOUT/VIN在连续电流切换模式下操作时，控制模块采用顺序方式和非顺序方式中的至少一种方式以第一切换模式、第二切换模式、第三切换模式、第四切换模式、第五切换模式和第六切换模式来进行操作。在第一切换模式期间，由（N-1）个电容器中的至少一个电容器向负载供应电流。在第二切换模式期间，由电感器向负载供应电流。在第三切换模式期间，电流没有被供应到负载或（N-1）个电容器。在第四切换模式期间，（N-1）个电容器中的至少一个电容器被充电。在第五切换模式期间，由电感器向负载供应电流。在第六切换模式期间，电流没有被供应到负载或（N-1）个电容器。
在其它特征中，控制模块被配置为：在电流等于预定电流时，从第一切换模式转变为第二切换模式；在电流为零时，从第二切换模式转变为第三切换模式；在T/2处，从第三切换模式转变为第四切换模式；在电流等于预定电流时，从第四切换模式转变为第五切换模式；在电流为零时，从第五切换模式转变为第六切换模式；以及在T处，从第六切换模式转变为第一切换模式，其中，T为周期，且D为占空比。
在其它特征中，当以大于50%的VOUT/VIN在不连续电流切换模式下操作时，控制模块被配置为采用顺序方式和非顺序方式中的至少一种方式以第一切换模式、第二切换模式、第三切换模式、第四切换模式、第五切换模式以及第六切换模式来控制第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管的状态，在第一切换模式中，第一晶体管和第三晶体管断开且第二晶体管和第四晶体管闭合；在第二切换模式中，第二晶体管和第三晶体管闭合且第一晶体管和第四晶体管断开；在第三切换模式中，第一晶体管、第三晶体管和第四晶体管断开且第二晶体管闭合；在第四切换模式中，第一晶体管和第三晶体管断开且第二晶体管和第四晶体管闭合；在第五切换模式中，第一晶体管和第四晶体管闭合且第二晶体管和第三晶体管断开；以及在第六切换模式中，第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管断开且第四晶体管闭合。
在其它特征中，当以大于50%的VOUT/VIN在不连续电流切换模式下操作时，控制模块被配置为采用顺序方式和非顺序方式中的至少一种方式以第一切换模式、第二切换模式、第三切换模式和第四切换模式来进行操作。在第一切换模式和第四切换模式期间，电流流至地。在第二切换模式期间，由（N-1）个电容器中的至少一个电容器将电流供应至负载。在第五切换模式期间，对（N-1）个电容器中的至少一个电容器进行充电。在第三切换模式和第六切换模式期间，电流没有被供应至负载或（N-1）个电容器。
在其它特征中，控制模块被配置为：在电流等于预定电流时，从第一切换模式转变为第二切换模式；在电流为零时，从第二切换模式转变为第三切换模式；在T/2处，从第三切换模式转变为第四切换模式；在电流等于预定电流时，从第四切换模式转变为第五切换模式；在电流等于零时，从第五切换模式转变为第六切换模式；以及在T处，从第六切换模式转变为第一切换模式，其中，T为周期，且D为占空比。
在其它特征中，电流传感器与控制模块连通并且被配置为感测由电感器供应的感测电流。控制模块基于占空比、周期以及由电感器电流供应的电流来在N个晶体管对的切换模式之间转变。控制模块基于电感器电流超过电流限制和电感器电流等于零中的至少之一来在N个晶体管对的切换模式之间转变。
在其它特征中，软启动模块被配置为在变换器操作之前对（N-1）个电容器以计量比例的方式（ratiometrically）进行充电。软启动模块被配置为将（N-1）个电容器充电到占输出电压一定比例的电压。该比例从关于（N-1）个电容器的内侧电容器的最低比例单调增加至关于（N-1）个电容器的外侧电容器的最高比例。
在其它特征中，软启动模块被配置为顺序地将（N-1）个电容器中的第一个电容器充电至输出电压的1/N；将（N-1）个电容器中的第二个电容器充电至输出电压的2/N；以及将（N-1）个电容器中的第（N-1）个电容器充电至输出电压的（N-1）/N。
在其它特征中，软启动模块被配置为在将（N-1）个电容器充电至预定值之前初始将（N-1）个电容器充电至输入电压。软启动模块被配置为在变换器操作之前顺序地将（N-1）个电容器分别充电至输出电压的（N-1）个分数比例（fraction）。软启动模块包括：驱动器模块，被配置为在N个晶体管对准备切换时生成第一信号；第一充电电路，被配置为将（N-1）个电容器充电至输入电压并生成第二信号；以及第二充电电路，被配置为响应于所生成的第一信号和第二信号而顺序地将（N-1）个电容器分别充电至输出电压的（N-1）个分数比例。
在其它特征中，第二充电电路将（N-1）个电容器中的第（N-1）个电容器充电至输出电压的（N-1）/N。
一种系统，包括：P个多电平增压变换器电路，其中，P是大于一的整数；以及控制模块，被配置为控制P个多电平增压变换器电路的状态。
一种系统，包括P个多电平增压变换器。用于该P个多电平增压变换器的电感器节点和用于该P个多电平增压变换器的输出电容器节点分别连通。控制模块被配置为控制多电平增压变换器和第二多电平增压变换器的状态。在其它特征中，P个多电平增压变换器的电感器由磁性部件磁性耦合。磁性部件和N个晶体管对中的一个或多个晶体管对集成在单个衬底上。
在其它特征中，将电感器电流感测为N个晶体管对中的一个或多个晶体管对上的电压。N个晶体管对中的一个或多个晶体管对集成单个衬底上。连接在N个晶体管对之间的N-1个电容器中的一个或多个电容器集成在单个衬底上。N-1个电容器中的一个或多个电容器和N个晶体管对中的一个或多个晶体管对集成在单个衬底上。电感器和N个晶体管对中的一个或多个晶体管对集成在单个衬底上。
在其它特征中，电感器、N-1个电容器、以及N个晶体管对被集成以创建单片变换器系统。
在其它特征中，控制模块使用以下至少之一来控制N个晶体管对的状态：采用电压模式控制的定频占空比调制、峰值电流模式控制、平均电流模式控制、谷值电流模式控制、恒定导通时间、恒定关断时间、输出电压、电感器电流滞后、脉冲频率调制（PFM）或脉冲密度调制。
在其它特征中，响应于感测的输出电流来修改周期T。响应于编程的输出电流来修改周期T。从外部时钟信号得出周期T。感测（N-1）个电容器上的电压，并且修改N个晶体管对的占空比DN以维持关于（N-1）个电容器的预定电压比。
用于增压变换器的控制电路包括软启动模块，该软启动模块被配置为控制增压变换器的N个晶体管对的状态，其中，N是大于二的整数。驱动器模块与软启动模块连通并且被配置为在增压变换器的N个晶体管对准备切换时生成第一信号。第一充电电路被配置为响应于第一信号而将增压变换器的（N-1）个电容器充电至增压变换器的输入电压，并在充电完成时生成第二信号。第二充电电路被配置为响应于第一信号和第二信号并且在增压变换器的操作开始之前，顺序地将增压变换器的（N-1）个电容器充电至（N-1）个预定电压值。
在其它特征中，（N-1）个预定电压值分别对应于增压变换器的输出电压的（N-1）个分数比例。第二充电电路被配置为在增压变换器的操作之前对（N-1）个电容器以比例计量的方式进行充电。第二充电电路被配置为将（N-1）个电容器充电至与增压变换器的输出电压成比例的电压。比例从关于（N-1）个电容器中的内侧电容器的最低比例单调增加至关于（N-1）个电容器中的外侧电容器的最高比例。
在其它特征中，第二充电电路被配置为顺序地将（N-1）个电容器中的第一个电容器充电至增压变换器的输出电压的1/N；将（N-1）个电容器中的第二个电容器充电至增压变换器的输出电压的2/N；以及将（N-1）个电容器中的第（N-1）个电容器充电至增压变换器的输出电压的（N-1）/N。
在其它特征中，第二充电电路被配置为在操作之前顺序地将（N-1）个电容器分别充电至输出电压的（N-1）个分数比例。第二充电电路将（N-1）个电容器中的第（N-1）个电容器充电至增压变换器的输出电压的（N-1）/N。第一充电电路包括将（N-1）个电容器的端子拉低的电流充电电路。
一种系统，包括控制电路和增压变换器。增压变换器包括电感器，该电感器包括与输入电压源和N个晶体管对连通的一端，其中，N是大于一的整数。N个晶体管对中的第一晶体管对中的第一晶体管和第二晶体管连接到一起并且与电感器连通。N个晶体管对中的第二晶体管对中的第三晶体管和第四晶体管分别连接至第一晶体管和第二晶体管。（N-1）个电容器分别连接在N个晶体管对之间。输出电容器与N个晶体管对中的至少一个晶体管连通。控制模块在增压变换器的操作期间控制N个晶体管对的状态。
一种增压变换器电路包括电感器，该电感器包括与输入电压源连通的一端。N个晶体管对串联连接，其中，N是大于一的整数。N个晶体管对中的第一晶体管对中的第一晶体管和第二晶体管在节点处连接到一起。节点与电感器的另一端子连通。N个晶体管对中的第二晶体管对中的第三晶体管和第四晶体管分别连接至第一晶体管和第二晶体管。（N-1）个电容器具有分别连接在N个晶体管对之间的端子。输出电容器具有与第N个晶体管对中的至少一个晶体管连通的端子。控制模块在（N-1）个电容器被充电至（N-1）个预定电压值之后开始变换器操作，并且在变换器操作期间控制N个晶体管对的状态。
在其他特征中，软启动模块被配置为将（N-1）个电容器充电到（N-1）个预定电压值。该（N-1）个预定电压值对应于增压变换器的输出电压的（N-1）个预定比例。该（N-1）个预定比例从关于（N-1）个电容器中的内侧电容器的最低比例单调增加到关于（N-1）个电容器中的外侧电容器的最高比例。软启动模块被配置为顺序地将（N-1）个电容器中的第一个电容器充电到增压变换器的输出电压的1/N；将（N-1）个电容器中的第二个电容器充电到增压变换器的输出电压的2/N；以及将（N-1）个电容器中的第（N-1）个电容器充电到增压变换器的输出电压的（N-1）/N。
在其他特征中，第一充电电路被配置为在将（N-1）个电容器充电到（N-1）个预定电压值之前将（N-1）个电容器充电到输入电压。启动电路包括被配置为控制N个晶体管对的状态的软启动模块。驱动器模块与软启动模块连通并且被配置为在增压变换器的N个晶体管对准备切换时生成第一信号。第一充电电路被配置为将（N-1）个电容器充电到增压变换器的输入电压并且在充电完成时生成第二信号。第二充电电路被配置为响应于所生成的第一信号和第二信号并且在增压变换器的操作开始之前将（N-1）个电容器顺序地充电到（N-1）个预定电压值。
电路包括增压变换器，该增压变换器包括N个级和（N-1）个电容器，其中N是大于一的整数。启动模块被配置为将（N-1）个电容器充电到与增压变换器的输出电压的（N-1）个预定比例相对应的（N-1）个预定电压值。控制模块被配置为在将（N-1）个电容器充电到（N-1）个预定电压值之后启动变换器操作并且在变换器操作期间控制N个级。
在其他特征中，增压变换器包括电感器，该电感器包括与输入电压连通的第一端。N个级包括N个晶体管对。N个晶体管对中的第一晶体管对中的第一晶体管和第二晶体管连接在一起并且与电感器连通。N个晶体管对中的第二晶体管对中的第三晶体管和第四晶体管分别连接到第一晶体管和第二晶体管。（N-1）个电容器分别连接在N个晶体管对之间。输出电容器与N个晶体管对中的至少一个晶体管连通。
在其他特征中，（N-1）个预定比例从关于（N-1）个电容器中的内侧电容器的最低比例单调增加到（N-1）个电容器中的外侧电容器的最高比例。启动模块被配置为顺序地将（N-1）个电容器中的第一个电容器充电到增压变换器的输出电压的1/N；将（N-1）个电容器中的第二个电容器充电到增压变换器的输出电压的2/N；以及将（N-1）个电容器中的第（N-1）个电容器充电到增压变换器的输出电压的（N-1）/N。
在其他特征中，第一充电电路被配置为在将（N-1）个电容器充电到（N-1）个预定电压值之前将（N-1）个电容器充电到输入电压。启动模块包括被配置为控制N个晶体管对的状态的软启动模块。驱动器模块与软启动模块连通并且被配置为在增压变换器的N个晶体管对准备切换时生成第一信号。第一充电电路被配置为将（N-1）个电容器充电到增压变换器的输入电压并且在充电完成时生成第二信号。第二充电电路被配置为响应于所生成的第一信号和第二信号并且在增压变换器的操作开始之前将（N-1）个电容器顺序地充电到（N-1）个预定电压值。
根据具体实施方式、权利要求书和附图，本公开的进一步的可应用领域将变得明显。具体实施方式和具体示例仅仅旨在举例而非限制本公开的范围。
附图说明
根据具体实施方式和附图，将会更充分地理解本公开，其中：
图1A是根据现有技术的增压变换器的电气示意图；
图1B是示出了根据现有技术的图1A的增压变换器的操作的波形图；
图1C是根据现有技术的示例性多电平降压变换器的电气示意图；
图2是根据本公开的示例性多电平增压变换器的电气示意图；
图3A是示出了图2的示例性增压变换器以小于50%的占空比运行于连续导通模式下的操作的波形图；
图3B示出了针对图3A中的周期期间的电流流动和开关位置；
图4A是示出了图2的示例性增压变换器以大于50%的占空比运行于连续导通模式下的操作的波形图；
图4B示出了针对图4A中的周期期间的电流流动和开关位置；
图5A示出了波形，该波形表示在VOUT/VIN小于50%的情况下在不连续导通模式期间图2的增压变换器的节点LX处的电压、电感器电流和开关上的电压；
图5B示出了针对图5A中的周期期间的电流流动和开关位置；
图6A示出了波形，该波形表示在VOUT/VIN大于50%的情况下在不连续导通模式期间根据本公开的图2的增压变换器的节点LX处的电压、电感器电流和开关上的电压；
图6B示出了针对图6A中的周期期间的电流流动和开关位置；
图7A是包括附加级的多电平增压变换器的示例；
图7B-图7C示出了包括连接至多个电感器的多个多电平增压变换器的系统；
图8是根据本公开的另一个示例性多电平增压变换器的电气示意图；
图9是用于根据本公开的多电平增压变换器的软启动电路的示例的功能框图和电气示意图；
图10示出了用于图9的增压变换器的软启动状态机的示例；以及
图11-图13示出了用于图9和图10中示出的增压变换器的控制信号和部件信号的各种示例。
在附图中，附图标记被重复用于标记相似和/或相同的元件。
具体实施方式
根据本公开的多电平增压变换器采用开关和电容器的网络来修改诸如电感器等磁性部件的电压波形。根据本公开的多电平增压变换器以因数N消减了电压摆幅并且以因数N降低了电压波形的周期，其中N等于晶体管对或级的数量并且N是大于一的整数。
本文描述的多电平增压变换器以N2量级的因数降低了施加至磁性部件的伏秒（volt-second），这降低了电感器的值和电感器的磁能存储要求。这种降低实现了对电感器中的功率损失的改善以及实现了壳体尺寸减小。由于串联开关连接所实现的开关额定电压（voltage rating）的降低，因此开关和电容器的网络不会增加开关中的功率损失。额定电压降低的开关通常表现出优异的性能，如由每单位面积的电阻和每切换能量的电阻所衡量的那样。此外，与开关电容器电路（switched-capacitor circuit）相比，表明了特定优选的开关换向模式由于电荷均衡而不会引起任何损失，并且对电容的有限值不敏感。
现在参照图2，示出了多电平增压变换器100的示例。多电平增压变换器100具有N=2个级。多电平增压变换器100包括电压源VIN，该电压源VIN连接至电感器L的一端。第一晶体管对QSR1和QMS1包括控制端子和第一和第二端子。晶体管QSR1的第二端子连接至节点LX。节点LX还连接至电感L的另一端和晶体管QMS1的第一端子。
第二晶体管对QSR2和QMS2包括控制端子和第一和第二端子。晶体管QSR2的第二端子连接至第一晶体管QSR1的第一端子。晶体管QMS1的第二端子连接至晶体管QMS2的第一端子。
晶体管QSR2的第一端子连接到输出电容器CO。在晶体管QSR2的第一端子处采集多电平增压变换器100的电压输出VOUT。电容器Cfly的一端连接在QSR2的第二端子和QSR1的第一端子之间。电容器Cfly的另一端连接在QMS1的第二端子和晶体管QMS2的第一端子之间。
本公开中描述的多电平增压拓扑当使用启动序列操作时，在启动期间不呈现电压过应力，这允许使用最优额定的开关。另外，因为电感器位于变换器的输入端处，在正常操作期间的输入过电压瞬变与开关隔离，并且还不需要任何开关电压过定额。
与图1A相比，本公开中描述的多电平增压拓扑还大量减小了由常规升压拓扑造成的右半平面零点（right-half-plane zero）控制难题的影响。具体地，因为多电平增压变换器的实际实施方式使得电感器值降低了大约N到N2倍，所以可以在不使相位容限和稳定性退化的情况下增大闭环带宽。这个益处仅适用于增压变换器但不适用于减压变换器，减压变换器不呈现功率级传递函数中的右半平面零点。
本公开中描绘的拓扑的系列特别适合于其中额定开关电压与应用电压相比是小的功率变换应用。这在其中于现代数字处理中可用的额定开关电压被限制为几伏的集成应用中是尤其有利的。仅作为示例，可在使用仅3.3V逻辑器件、使用N=5的配置的标准180nm CMOS工艺下实现获得15V输出的增压变换器。这样的大数量的级在其中开关和电平转换和控制装置都被集成在单个衬底上的集成制造中是更实际的。
当集成了无源部件时，利用本公开可实现附加的尺寸减小。沟槽电容器技术和制造中的最近发展使得飞跨电容器的集成变得实际，消除了额外的互连管脚并且实现了数量大得多的级N。最终，新兴的具有有限能量存储密度的集成电感器技术得益于由本公开实现的电感器值的实质减小，第一次使完全集成的增压变换器成为可能。
现在参考图3A-3B，示出了具有小于50%的占空比的连续导通模式（CCM）中的操作。切换在0、D*T、T/2和(1/2+D)*T处发生，并且然后在T处重复，其中T是周期。在节点LX处的电压在VOUT和VOUT/2之间摆动。
在第一切换模式期间，晶体管QSR2和QMS1闭合并且晶体管QSR1和QMS2断开。通过如所示出的电容器Cfly将电流供应到负载，其允许电感器电流IL在第一切换模式期间上升。在第二切换模式期间，晶体管QSR1和QSR2闭合并且晶体管QMS1和QMS2断开。通过电感器L供应负载电流。在第三切换模式期间，晶体管QSR1和QMS2闭合并且晶体管QMS1和QSR2断开。电感器L对电容器Cfly进行充电。在第四切换模式期间，晶体管QSR1和QSR2闭合并且晶体管QMS1和QMS2断开。电感器L将电流供应到负载。如能认识到的，切换模式可以如图3B所示那样是顺序的，或者是非顺序的。
现在参考图4A-4B，示出了具有大于50%的占空比的CCM中的操作。切换在0、(D-1/2)*T、T/2和D*T处发生，并且然后在T处重复，其中T是周期。在节点LX处的电压在VOUT/2和0之间摆动。
在第一切换模式期间，晶体管QMS1和QMS2闭合并且晶体管QSR1和QSR2断开。电感器电流IL在第一切换模式期间上升。在第二切换模式期间，晶体管QMS1和QSR2闭合并且晶体管QSR1和QMS2断开。通过电容器Cfly供应负载电流。在第三切换模式期间，晶体管QMS1和QMS2闭合并且晶体管QSR1和QSR2断开。电感器电流IL在第三切换模式期间上升。在第四切换模式期间，晶体管QSR1和QMS2闭合并且晶体管QMS1和QSR2断开。电感器L对电容器Cfly进行充电。如能认识到的，切换模式可以如图4B所示那样是顺序的，或者是非顺序的。
现在参考图5A和图5B，示出了具有小于50%的占空比或VOUT/VIN的不连续模式（DCM）中的增压变换器的操作。在第一切换模式期间，晶体管QSR2和QMS1闭合并且晶体管QSR1和QMS2断开。通过如所示出的电容器Cfly将电流供应到负载，其允许电感器电流IL在第一切换模式期间上升。在第二切换模式期间，晶体管QSR1和QSR2闭合并且晶体管QMS1和QMS2断开。通过电感器L供应负载电流。在第三切换模式期间，晶体管QSR1闭合并且剩余的晶体管断开。不将电流供应到负载，并且节点LX处于VIN。
在第四切换模式期间，晶体管QSR1和QMS2闭合并且晶体管QMS1和QSR2断开。电感器L对电容器Cfly进行充电。在第五时间段期间，晶体管QSR1和QSR2闭合并且晶体管QMS1和QMS2断开。电感器L将电流供应到负载。在第六时间段期间，晶体管QSR2闭合并且剩余的晶体管断开。不将电流供应到负载，并且节点LX处于VIN。如能认识到的，切换模式可以如图5B所示那样是顺序的，或者是非顺序的。
现在参考图6A和图6B，示出了具有大于50%的占空比或VOUT/VIN的DCM中的增压变换器的操作。在第一切换模式期间，晶体管QMS1和QMS2闭合并且晶体管QSR1和QSR2断开。电感器电流IL在第一切换模式期间上升。在第二切换模式期间，晶体管QMS1和QSR2闭合并且晶体管QSR1和QMS2断开。通过电容器Cfly来供应负载电流。在第三切换模式期间，晶体管QMS1闭合并且剩余的晶体管断开。不将电流供应到负载，并且节点LX处于VIN。
在第四切换模式期间，晶体管QMS1和QMS2闭合并且晶体管QSR1和QSR2断开。电感器电流IL在第一切换模式期间上升。在第五时间段期间，晶体管QSR1和QMS2闭合并且晶体管QMS1和QSR2断开。电感器L对电容器Cfly进行充电。在第六时间段期间，晶体管QMS2闭合并且剩余的晶体管断开。不将电流供应到负载，并且节点LX处于VIN。如能认识到的，切换模式可以如图6B所示那样是顺序的，或者是非顺序的。
现在参考图7A，多电平增压变换器150的示例包括控制模块152以控制切换。可以添加一个或多个附加的电容器Cfly和晶体管对QSR和QMR。例如在图7A中，示出具有N=4的N级增压变换器。晶体管对QSR3和QMS3以及电容器Cfly2以类似的方式连接。另一晶体管对QSR4和QMS4以及电容器Cfly3以类似的方式连接。多电平增压变换器150可以被拓展到任意数量的嵌套级。每个附加的级使用低电压（额定为VOUT/N的）器件，在不增大切换损耗的情况下增大有效频率，并且减小被施加到电感器的电压纹波。
现在参考图7B-7C，示出了包括连接到多个电感器的第一和第二增压变换器的系统。在图7B中，系统170包括控制模块172，控制模块172生成用于分别连接到电感器L1、……和LP的P个多电平增压变换器174-1、……和174-P的切换信号，其中P是大于1的整数。由控制模块172建立的切换序列类似于具有N*P的相位计数的标准多相变换器。在图7C中，系统180包括控制模块182，控制模块182生成用于连接到耦合的电感器磁结构的P个多电平增压变换器184-1、……和184-P的切换信号。耦合的电感器磁结构可包括在单个磁心上的P个绕组，或多个磁元件，例如耦合的电感器、变压器和相互连接的电感器。由控制模块182建立的切换序列类似于具有N*P的相位计数的标准多相变换器。
多电平增压变换器减小了电路面积和无源部件外形，增大了变换器效率并且延长了电池供电的产品的运行时间。可将多电平增压变换器用于大的电压增压比。示例的应用包括在智能手机和平板中的发光二极管（WLED）。
仅作为示例，可将多电平增压变换器用于驱动一串发光二极管。多电平增压变换器包括多个飞跨电容器Cfly和输出电容器Cout。在多电平增压变换器拓扑中，电容器Cfly在输出电压的预定比例处是均衡的。如果这在启动期间是被忽略的，则可以存在大的电流尖峰并且电容器Cfly可能从不变得均衡。作为结果，必须选择开关来处理相对大的电流摆动。
现在参考图8，多电平增压变换器200的另一示例被示为包括控制模块212。振荡器216可以给控制模块212提供预定频率的振荡器信号。控制模块212可以基于振荡器信号生成控制所需要的时钟信号、延迟的时钟信号、斜坡信号等。可以响应于所感测的负载电流、所编程的输出电压或电流来调整或划分振荡器频率，或者其可以与外部时钟信号同步。
负载范围模块222可以向查找表或其他设备提供负载范围信号。负载范围信号可以用于指定或确定多电平增压变换器的操作参数。查找表（LUT）226使用负载范围信号来访问查找表并且向控制模块或其它电路提供一个或多个控制参数。控制参数的示例包括切换周期T、占空比D等。在一些示例中，LUT226划分OSC频率和输出T。
电流传感器228可用于确定通过诸如电感器L的电感器的电流。控制模块212可将通过电感器的实际电流与零或预定非零电流限制值进行比较。控制模块212控制N个晶体管对的切换。
控制模块212可结合与多相变换器相兼容的任何标准控制算法。这样的算法包括固定频率占空比调制（电压模式控制）、峰值或平均或谷值电流模式控制、恒定导通时间或恒定关断时间、输出电压或电感器电流滞环、脉冲频率调制（PFM）或脉冲密度调制（PDM）。此外，可以使用轻载效率技术，例如，跳过模式（skip mode）和二极管仿真。
控制模块212也可调制N个晶体管对的占空比D1至DN，以维持（N-1）个电容器两端期望的电压。例如，在图3B中，通过例示的方式，在稳定状态操作下，电容器Cfly上的电压标称为VOUT/2。通过均衡充电阶段（3）和放电阶段（1）的持续时间来维持该电压。通过在方便的时候（例如在电容器电压参考地时的阶段（3）期间）感测电容器的电压，并将其与VOUT/2进行比较，控制模块212可识别出电容器电压是否需要增大或减小。在随后的周期期间，可通过控制模块212使阶段（1）和（3）的持续时间偏斜（skew），以在期望的方向上移动电容器电压。
电平转换器230基于输出电流或电压产生电平转换信号。反馈电流234接收参考信号，例如目标电压VOUT信号，并基于电平转换电流或电压产生反馈值。反馈电路234产生电压参考，并将该电压参考与电平转换器230的输出相比较。在一些示例中，反馈电路234包括电阻分压器，其用于相对于目标VOUT产生误差信号。换言之，反馈电路234确定将由系统最小化的误差信号。
补偿器238补偿多电平增压变换器动态响应。在一些示例中，补偿器238包括线性或非线性滤波器。补偿器238确保系统稳定性。补偿器238确保对输入电压VIN或负载IOUT的变化的系统响应在预定规格内。
LUT226也可用于控制补偿器238的一个或多个参数。LUT226也可将参数输出至控制模块，以将系统调谐至与负载范围模块222的负载范围输出相对应的IOUT。例如，顾客可使用负载范围模块222来设定期望的IOUT。在一些示例中，负载范围模块222可包括调光器。
在以下描述中，最初将提供根据本公开的软启动模块的电路布局，随后是操作描述。图9示出用于多电平的增压转换器611的软启动模块610。电池612连接至电感器L1的一端。电感器L1的另一端连接至开关S1和S5的第一端子。开关S1和S5的第二端子分别连接至开关S2和S6的第一端子。第一飞跨电容器Cfly1连接至开关S1和S5的第二端子。
开关S2和S6的第二端子分别连接至开关S3和S7的第一端子。第二飞跨电容器Cfly2连接至开关S2和S6的第二端子。
开关S3和S7的第二端子分别连接至开关S4和S8的第一端子。第三飞跨电容器Cfly3连接至开关S3和S7的第二端子。输出电容器Cout连接至开关S4和S8的第二端子。
尽管示出二极管D1至D4，然而这些二极管是分别与开关S5至S8相关联的寄生二极管。所示的二极管D1至D4跨越开关S5至S8连接。诸如发光二极管（LED）串614的负载包括两个或更多LED（串联或并列或两者组合地连接在一起），并且串联连接至电流源I1。LED串614和电流源I1与输出电容器Cout并列连接。
LED串614与电流源I1之间的节点产生LED1S信号，其连接至比较器616的非反相输入。比较器616的反相输入接收参考电位，诸如150mV。比较器616的输出被输入至SR触发器620的设置输入。SR触发器620的重置输入接收信号POKDLY，其是功率OK（POK）信号的延迟版本。触发器620的输出产生软启动完成（SSDONE）信号，其被输出至软启动状态机模块664。
电压在充电期间被感测，并通过电容器感测电路629与预定参考电位进行比较。例如，电容器Cfly1、Cfly2、以及Cfly3的第一端子C1T、C2T以及C3T分别连接至比较器630、640和650的非反相输入。第一、第二以及第三参考电位Vout/4、Vout/2以及3*Vout/4分别连接至比较器630、640和650的反相输入。将比较器630、640和650的输出输入至软启动状态机模块664。该软启动状态机模块664将S1、S2、S3以及S4开关控制信号输出至开关驱动器模块665，其基于此而驱动开关S1、S2、S3以及S4的切换。
软启动状态机模块664将CHGCAPS信号输出至电流控制电路674。电流控制电路674包括多个电流源I2、I3、I4以及I5。在一些示例中，CHGCAPS信号用于控制开关，以使能电流源I2、I3、I4以及I5。电流源I2、I3以及I4在CHGCAPS信号为高时将电容器Cfly1、Cfly2、以及Cfly3的端子拉低。电流源I5在CHGCAPS信号为高时，向电池驱动Vout。
开关驱动器模块665在开关准备切换时选择性产生DRVDONE信号。将该DRVDONE信号输出至软启动状态机模块664。该软启动状态机模块664将OSCEN信号输出至振荡器模块678，其产生OSC信号。
另一电路661初始将电容器充电至预定电压，例如输入电压或另一电压电平。比较器662的反相输入连接至多路复用器663。该多路复用器663选择性地将比较器662的反相输入连接至电容器Cfly1的端子C1B，随后连接至电容器Cfly2的端子C2B、并随后连接至电容器Cfly3的C3B。多路复用器663的选择信号可由软启动状态机模块664、开关驱动器模块665、分离式逻辑电路，或以任何其它合适方式产生。比较器662的非反相输入连接至参考电位，诸如350mV。多路复用器663将输入改变到比较器662，以允许首先监测Cfly1，随后Cfly2，且随后Cfly3。在一些示例中，选择信号在对应的飞跨电容器Cfly1、Cfly2、以及Cfly3分别被充电的间隔期间选择C1B、C2B和C3B。比较器662的输出（VOEQIN）连接至软启动状态机模块664的输入。
图10示出图9的软启动状态机模块664的操作。图11-13示出在图10的表述中参考的信号。控制保持在重置状态700中，同时POK信号等于零。控制在POK信号等于一时从重置状态700转变为另一状态702。在状态702中，控制将电容器充电至输入电压VIN。控制在VOEQIN信号等于零时保持在状态702中。
控制在SSDONE信号等于一时从任意状态转变到状态708。该SSDONE信号在软启动完成且电路准备进行多电平增压变换器的稳定状态操作时等于一。在一些示例中，稳定状态操作可以包括基于上述增压变换器拓扑的操作。在状态708中，控制退出软启动，将OSCEN设定为等于零，断开开关S1至S4，并且将CHGCAPS信号设定为等于零。
控制在VOEQIN信号等于一且DRVDONE信号等于一时，从状态702转变到状态710。该VOEQIN信号识别所有飞跨电容器何时被充电到预定参考电位。DRVDONE信号识别何时开关准备切换。在状态710，控制启动振荡器，并导通开关S1至S4。
控制在OSC等于一时保持在状态710。控制在OSC=0且条件A为真（或A=1）时从状态710转变为状态714。在状态714，控制对电容器Cfly1进行充电，且开关S2至S4闭合。控制在OSC=1时从状态714转变回状态710。
条件A、B、C以及D被定义如下：
在Cfly1<1/4*Vout时，A=1,
在Cfly1>1/4*Vout且Cfly2<1/2*Vout时，B=1，
在Cfly1>1/4*Vout，Cfly2>1/2*Vout且Cfly3<3/4*Vout时，C=1以及
在Cfly1>1/4*Vout，Cfly2>1/2*Vout且Cfly3>3/4*Vout时，D=1。
控制在OSC=0且条件B=1时从状态710转变到状态718。在状态718，控制对电容器Cfly2进行充电，且开关S3至S4闭合。控制在OSC=1时从状态718转变回状态710。
控制在OSC=0且条件C=1时从状态710转变到状态722。在状态722，控制对电容器Cfly3进行充电，且开关S4闭合。控制在OSC=1时从状态728转变回状态710。
当OSC=0并且条件D=1时，控制从状态710转变为状态726。在状态726处，控制对电容器Couit进行充电并且开关S1至S4断开。当OSC=1时，控制从状态726转变回状态710。
在使用中，POK（功率ok）信号变高。作为响应，开关S1至S4关断，并且飞跨电容器Cfly1、Cfly2和Cfly3被充电至VIN（CHGCAPS信号被设置成等于一）。CHGCAPS信号使能电流控制电路674，其将飞跨电容器Cfly1、Cfly2和Cfly3的端子拉低。当飞跨电容器Cfly1、Cfly2和Cfly3的底部端子处的C1B、C2B和C3B节点小于诸如350mV的预定参考电位时，生成VOEQIN信号。
当开关S1至S4准备切换时，开关驱动器模块665将DRVDONE信号设置为等于一。当DRVDONE信号和VOEQIN信号二者等于一时，软启动状态机器模块664启动振荡器模块678（OSCEN信号等于一）并且导通开关S1至S4。尽管OSC等于一，但是开关S1至S4保持导通并且可以对电感器L1进行充电，如可以从图11中所见的。当OSC等于零时，如上所述，根据节点C1T、C2T和C3T处的电压的值，软启动状态机器模块664选择状态714、718、722和726中的一个并且对飞跨电容器Cfly1、Cfly2和Cfly3或输出电容器Cou中的一个进行充电。
在POK信号等于一之后的预定时间段，POKDLY信号从零变为一。POKDLY信号被输入至SR触发器620。当LED串614和电流源11（LED1S信号）之间的节点处的信号大于诸如150mV的预定电压电位时，比较器616的输出变为高并且SSDONE信号变为等于一。
当SSDONE信号等于一时，软启动状态机器模块664退出软启动并且将OSCEN信号设置为等于零。开关S1至S4断开并且CHGCAPS信号被设置为等于零。
为了使得多电平增压变换器在启动时以良好受控的方式动作，应该均衡飞跨电容器Cfly1、Cfly2和Cfly3的电压。根据本公开的软启动模块610以计量比例的方式对每一个电容器进行充电，以防止多电平增压变换器在启动期间具有不受控制的大电流。如这里所使用的，以计量比例的方式指的是将电容器充电至作为输出电压的比例的电压。在一些示例中，比例从内侧电容器的最低比例至外侧电容器的最高比例单调地增大。该方法的一个优点在于以更低的额定电压来使用开关的能力。
仅作为示例，LED串可以包括5个LED。LED串两端的电压降可以为16-18V。开关可以具有4.8V的额定电压并且在4.3V下操作。因此，在一些示例中，开关的额定电压小于比稳态操作电压高20%的电压。在其它示例中，开关的额定电压小于比稳态操作电压高15%的电压。在其它示例中，开关的额定电压小于比稳态操作电压高12%的电压。
根据本公开的软启动电路在启动期间将多电平增压变换器变化为单输入多输出（SIMO）变换器，并且将电流脉冲供应至飞跨电容器Cfly1、Cfly2和Cfly3中的每一个，并且供应输出电压使得飞跨电容器电压与输出具有以下比例关系：
Cfly1=1/4*Vout,
Cfly2=1/2*Vout,并且
Cfly3=3/4*Vout。
多电平增压变换器要求电容器Cfly1、Cfly2和Cfly3均衡于输出电压的预定比例。如果在启动期间忽视了这些，则存在大的电流尖峰并且电容器可能无法均衡。同样地，利用所实现的均衡，可以使用更小的、低额定电压MOSFET。这降低了管芯尺寸并且实现了改善的操作效率。同样地，多电平增压变换器的导通时间与电池电压成比例，以保持电感器中的峰值电流恒定，而与电池电压无关。
本发明将电感器充电至峰值电流（通常为500mA）并且然后将能量提供至输出Cfly1、Cfly2和Cfly3。每个电感器周期上的能量被发送至与理想比例相比具有最低电压的电容器。这保护增压变换器的每一级中的电容器和功率器件，使其免于在启动期间经受过电压，同时将电容器充电至用于稳态操作的期望电压。
将优先级给予Cfly1，然后给予Cfly2，并且然后给予Cfly3，然后是输出。用于三个飞跨电容器的电压的理想比例如下：
Cfly1=1/4*Vout,
Cfly2=1/2*Vout,并且
Cfly3=3/4*Vout。
尽管示出了三个飞跨电容器，但是可以使用两个或更多个飞跨电容器。尽管在多电平增压器的语境下描述了本公开，但是可以与其它类型的变换器一起使用软启动模块。本公开还可以被扩展至任意电平增压变换器。
可以意识到，导通时间可以与VIN成比例，以保持电感器电流大致恒定。关断时间可以与（VOUT-VIN）成比例。
在图13中，示出了电容器Cfly的充电的示例。在800处，示出了在初始充电至VIN之后的充电情况。该阶段处电压的差异是二极管两端的电压差的结果。之后，如上所述地以计量比例的方式对电容器Cfly进行充电。一旦被充电，可以断言（assert）SSDONE信号并且可以开始多级增压变压器的操作。
前面描述的本质上仅仅是说明性的，并且不应用于限制本公开、其应用、或使用。本公开的广泛的教导可以各种形式被实施。因此，尽管本公开包括特定示例，但是本公开的真实范围不应当被限制，因为通过对附图、说明书和下面权利要求的研究，其他修改将变得非常明显。如此处使用的，短语“A、B和C中的至少一个”应当被解释为意味着逻辑(A或B或C)，使用非排他逻辑“或”。应当被理解的是，方法中的一个或多个步骤可以不同顺序（或同时）执行而不改变本公开的原理。
在本申请中，包括下面的定义，术语模块可被替换为术语电路。术语模块可指的是，部分是，或包括专用集成电路（ASIC）；数字、模拟或混合的模拟/数字离散电路；数字、模拟或混合的模拟/数字集成电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列（FPGA）；执行代码的处理器（共享的、专用的、或分组的）；存储由处理器执行的代码的存储器（共享的、专用的、或分组的）；其他提供所描述的功能的合适的硬件部件；或者一些或所有上述的组合，如片上系统中的。
如上使用的术语代码可包括软件、固件、和/或微码，并且可指的是程序、例程、功能、类、和/或对象。术语共享处理器包含执行来自多个模块的一些或所有代码的单独处理器。术语组处理器包含与其他处理器相组合的执行来自于一个或多个模块的一些或所有代码的处理器。术语共享存储器包含存储来自于多个模块的一些或所有代码的单一存储器。术语组存储器包含与其他存储器相组合存储来自于一个或多个模块的一些或所有代码的存储器。术语存储器可以是术语计算机可读介质的子集。术语计算机可读介质不包含通过介质传播的暂时的电的和电磁的信号，并且因此可被认为是有形的和非暂时的。非暂时性的有形的计算机可读介质的非限制性示例包括非易失性存储器、易失性存储器、磁存储器和光存储器。
在本申请中描述的装置和方法可被部分地或全部地由被一个或多个处理器执行的一个或多个计算机程序来实现。计算机程序包括处理器可执行的存储在至少一种非暂时性的有形的计算机可读介质上的指令。计算机程序还可以包括和/或依赖于存储的数据。

Claims (26)

1.一种多电平增压变换器，包括：
电感器，其包括与输入电压源连通的一个端子；
串联连接的N个晶体管对，其中N是大于1的整数，
其中所述N个晶体管对中的第一晶体管对中的第一晶体管和第二晶体管在一节点处连接在一起，并且其中所述节点与所述电感器的另一端子连通，并且
其中所述N个晶体管对中的第二晶体管对中的第三晶体管和第四晶体管分别连接到所述第一晶体管和所述第二晶体管；
端子分别连接在所述N个晶体管对之间的（N-1）个电容器；以及
输出电容器，其具有与所述N个晶体管对中的至少一个晶体管连通的端子。
2.如权利要求1所述的多电平增压变换器，还包括被配置为对所述N个晶体管对的状态进行控制的控制模块。
3.如权利要求2所述的多电平增压变换器，其中所述控制模块被配置为在变换器操作之前将所述（N-1）个电容器充电到预定电平。
4.如权利要求2所述的多电平增压变换器，其中所述控制模块部分地基于占空比D和周期T来控制所述N个晶体管对的状态。
5.如权利要求2所述的多电平增压变换器，还包括电流传感器，所述电流传感器与所述控制模块连通并被配置为对所述电感器所供应的电流进行感测。
6.如权利要求5所述的多电平增压变换器，其中所述控制模块基于占空比、周期和所述电感器所供应的电流而在所述N个晶体管对的切换模式之间转换。
7.如权利要求2所述的多电平增压变换器，其中所述控制模块基于以下情况中的至少一种而在所述N个晶体管对的切换模式之间转换：i）电感器电流超过电流极限；ii）电感器电流等于零。
8.如权利要求1所述的多电平增压变换器，还包括软启动模块，其被配置为在变换器操作之前以计量比例的方式对所述（N-1）个电容器进行充电。
9.如权利要求1所述的多电平增压变换器，还包括软启动模块，其被配置为将所述（N-1）个电容器充电到与输出电压成比例的电压。
10.如权利要求9所述的多电平增压变换器，其中所述比例从关于所述（N-1）个电容器中的内侧电容器的最低比例单调增加到关于所述（N-1）个电容器中的外侧电容器的最高比例。
11.如权利要求1所述的多电平增压变换器，还包括软启动模块，其被配置为依次执行：
将所述（N-1）个电容器中的第一个电容器充电到输出电压的1/N；
将所述（N-1）个电容器中的第二个电容器充电到所述输出电压的2/N；以及
将所述（N-1）个电容器中的第（N-1）个电容器充电到所述输出电压的（N-1）/N。
12.如权利要求11所述的多电平增压变换器，其中所述软启动模块被配置为在将所述（N-1）个电容器充电到预定值之前初始将所述（N-1）个电容器充电到所述输入电压。
13.如权利要求1所述的多电平增压变换器，还包括软启动模块，其被配置为在变换器操作之前依次将所述（N-1）个电容器分别充电到输出电压的（N-1）个分数比例。
14.如权利要求1所述的多电平增压变换器，还包括软启动模块，所述软启动模块包括：
驱动器模块，其被配置为在所述N个晶体管对准备切换时生成第一信号；
第一充电电路，其被配置为将所述（N-1）个电容器充电到所述输入电压并生成第二信号；以及
第二充电电路，其被配置为响应于所生成的第一信号和第二信号而依次将所述（N-1）个电容器分别充电到输出电压的（N-1）个分数比例。
15.如权利要求14所述的多电平增压变换器，其中所述第二充电电路将所述（N-1）个电容器中的第（N-1）个电容器充电到输出电压的（N-1）/N。
16.一种系统，包括：
P个如权利要求1所述的多电平增压变换器，其中P是大于1的整数；以及
控制模块，被配置为对P个所述多电平增压变换器的状态进行控制。
17.一种系统，包括：
P个如权利要求1所述的多电平增压变换器，其中P是大于1的整数；
其中P个所述多电平增压变换器中的每一个多电平增压变换器的至少一个电感器节点与用于P个所述多电平增压变换器中的每一个多电平增压变换器的输出电容器节点连通；以及
控制模块，其被配置为对P个所述多电平增压变换器的状态进行控制。
18.如权利要求17所述的系统，其中P个所述多电平增压变换器中的至少两个多电平增压变换器的电感器通过磁性部件而磁性耦合。
19.如权利要求17所述的多电平增压变换器，其中将电感器电流感测为所述N个晶体管对中的一个或多个晶体管对上的电压。
20.如权利要求1所述的多电平增压变换器，其中实施以下中的至少一种：
将所述N个晶体管对中的一个或多个晶体管对集成在单个衬底上；
将连接在所述N个晶体管对之间的所述（N-1）个电容器中的一个或多个电容器集成在单个衬底上；
将所述（N-1）个电容器中的一个或多个电容器以及所述N个晶体管对中的一个或多个晶体管对集成在单个衬底上；
将所述电感器以及所述N个晶体管对中的一个或多个晶体管对集成在单个衬底上；
将磁性部件以及所述N个晶体管对中的一个或多个晶体管对集成在单个衬底上；以及
集成所述电感器、所述（N-1）个电容器以及所述N个晶体管对以创建单片变换器系统。
21.如权利要求4所述的多电平增压变换器，其中实施以下中的至少一种：
响应于感测到的输出电流和编程的输出电流中的至少一种来改变周期T；以及
从外部时钟信号得出所述周期T。
22.如权利要求4所述的多电平增压变换器，其中感测所述（N-1）个电容器上的电压并且改变所述N个晶体管对的占空比DN以维持关于所述（N-1）个电容器的预定电压比例。
23.如权利要求2所述的多电平增压变换器，其中当以小于50％的占空比在连续电流切换模式下操作时，所述控制模块被配置为以顺序方式和以非顺序方式中的至少一种方式在第一切换模式、第二切换模式、第三切换模式和第四切换模式下进行操作，并且其中：
在所述第一切换模式期间，由所述（N-1）个电容器中的至少一个电容器向负载供应电流；
在所述第二切换模式期间，由所述电感器向所述负载供应电流；
在所述第三切换模式期间，对所述（N-1）个电容器中的至少一个电容器进行充电；并且
在所述第四切换模式期间，由所述电感器向所述负载供应电流。
24.如权利要求2所述的多电平增压变换器，其中当以大于50％的占空比在连续电流切换模式下进行操作时，所述控制模块被配置为以顺序方式和非顺序方式中的至少一种方式在第一切换模式、第二切换模式、第三切换模式和第四切换模式下进行操作，并且其中：
在所述第一切换模式和所述第三切换模式期间，电流流到地；
在所述第二切换模式期间，由所述（N-1）个电容器中的至少一个电容器向负载供应电流；并且
在所述第四切换模式期间，对所述（N-1）个电容器中的至少一个电容器进行充电。
25.如权利要求2所述的多电平增压变换器，其中当以小于50％的VOUT/VIN在非连续电流切换模式下进行操作时，所述控制模块以顺序方式和非顺序方式中的至少一种方式在第一切换模式、第二切换模式、第三切换模式、第四切换模式、第五切换模式和第六切换模式下进行操作，并且其中：
在所述第一切换模式期间，由所述（N-1）个电容器中的至少一个电容器向负载供应电流；
在所述第二切换模式期间，由所述电感器向所述负载供应电流；
在所述第三切换模式期间，不向所述负载或所述（N-1）个电容器供应电流；
在所述第四切换模式期间，对所述（N-1）个电容器中的至少一个电容器进行充电；
在所述第五切换模式期间，由所述电感器向所述负载供应电流；并且
在所述第六切换模式期间，不向所述负载或所述（N-1）个电容器供应电流。
26.如权利要求2所述的多电平增压变换器，其中当以大于50％的VOUT/VIN在非连续电流切换模式下进行操作时，所述控制模块被配置为以顺序方式和非顺序方式中的至少一种方式在第一切换模式、第二切换模式、第三切换模式、第四切换模式下进行操作，并且其中：
在所述第一切换模式和所述第四切换模式期间，电流流到地；
在所述第二切换模式期间，由所述（N-1）个电容器中的至少一个电容器向负载供应电流；
在所述第五切换模式期间，对所述（N-1）个电容器中的至少一个电容器进行充电；并且
在所述第三切换模式和所述第六切换模式期间，不向所述负载或所述（N-1）个电容器供应电流。
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