CN106575919B - 开关电容器转换器 - Google Patents
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Abstract
一种系统，包括：开关电容器电路，包括多个分压器电路级，多个分压器电路级包括被耦合至第二分压器电路级的第一分压器电路级；和控制器，被配置成将时钟信号供应至第一分压器电路级，以在时钟信号的第一半周期期间在第一分压器电路级的输出节点上提供第一电压，并且在时钟信号的第二半周期期间在所述输出节点上提供第二电压。第二分压器电路级被配置成在时钟信号的半周期期间充电至输入电压，并且控制器被配置成使第二分压器电路级的充电同步到以下项中选择出的一项：(i)时钟信号的第一半周期，其中第一电压被供应作为所述输入电压，和(ii)时钟信号的第二半周期，其中第二电压被供应作为所述输入电压。
Description
背景技术
由于固态照明(SSL)的当前趋势在于模块化和集成化，所以分布式驱动器归因于其灵活性、面积效率和低成本而越来越受欢迎。仅利用电容器转移能量的开关电容器转换器(SCC)排除了电感部件的使用，使得这样的转换器成为如分布式驱动器那样的有利的拓扑。
实施分布式驱动器的一个方面是“板上驱动器(driver on board)”，其中驱动器和光源在一个承载板上组合到一起。这样的板的电源从经调整的标准电压变化至未调整的宽范围电压，这给驱动器维持高性能带来了难度。例如，为了可与定制44V至57V作为电压范围的以太网供电(PoE)标准兼容，这些驱动器使良好的线性调整(line regulation)成为必要，由此可以获得高效率。
结果，如之前所提到的，开关电容器转换器的一个关键挑战是在宽范围的电源下实现精确的输出电压，也就是良好的线性调整。
对于传统的开关电容器转换器，输入与输出电压之间的关系可以被表示为公式：
VO＝M×VIN–RO×IL
其中，VO、VIN、RO、IL、M分别是输入和输出电压、等效输出电阻、负载电流和转换率。
对于拓扑固定的开关电容器DC-DC转换器，通过仅一个转换率来转换电压。在一个特定转换率下，输出电压与输入电压成正比。具有仅一个转换率的开关电容器转换器具有有限的线性调整性能，不仅造成低效率，而且造成大的输出功率变化。当严格地要求电压精度时，该未调整的输出电压是不可接受的。
从开关电容器转换器中获得经调整的输出电压的一个传统途径是添加反馈回路以调节电路的等效输出电阻。
另一传统途径是将多个SCC级联到一起，作为多级逐次逼近(SAR)转换器操作。各级将在前的电压分成两个按比例缩小的电压范围。相应地，如果将两个级级联，则可得到四个可配置比率。因此，N个级提供2N个可能的比率。因而，在级联的多级SAR SCC之后，可以实现高电压分辨率。
发明内容
本发明人已认识到，尽管可以通过添加反馈回路来调节SCC电路的等效输出电阻的上面所描述的方法来实现线性输出电压，但是当经调整的输出电压远离由转换率决定的期望的电压或理想电压时，SCC的效率降低。经调整的输出电压与理想电压之间的差异越大，效率下降越大。因此，该方法的缺陷是在调整电压的同时牺牲效率。
本发明人进一步认识到，由于线性多级SAR SCC使用若干级来获得高分辨率，所以所使用的大量电容器和开关降低了转换器的总体效率。
根据本公开的一个方面，提供了一种系统，包括：开关电容器电路，包括多个分压器电路级，所述多个分压器电路级包括被耦合至第二分压器电路级的第一分压器电路级；和控制器，被配置成将时钟信号供应至第一分压器电路级，以在时钟信号的第一半周期期间在第一分压器电路级的输出节点上提供第一电压，并且在时钟信号的第二半周期期间在所述输出节点上提供第二电压；其中第二分压器电路级被配置成在时钟信号的半周期期间充电至输入电压，并且控制器被配置成使第二分压器电路级的充电同步到以下项中选择出的一项：(i)时钟信号的第一半周期，其中第一电压被供应作为所述输入电压，和(ii)时钟信号的第二半周期，其中第二电压被供应作为所述输入电压。
在示例性实施例中，至少一个选择开关被连接在所述输出节点与第二分压器电路级的输入节点之间。
控制器可以被配置成通过在时钟信号的第一半周期期间接通所述至少一个选择开关而使第二分压器电路的充电同步到时钟信号的第一半周期，以在所述输入节点上供应第一电压。
控制器可以被配置成通过在时钟信号的第二半周期期间接通所述至少一个选择开关而使第二分压器电路的充电同步到时钟信号的第二半周期，以在所述输入节点上供应第二电压。
在示例性实施例中，控制器被配置成检测输出参数，并且基于所检测到的输出参数和目标输出电压来确定开关电容器电路的转换率，并进行所述选择以将开关电容器电路配置成提供所确定的转换率。
输出参数可以是开关电容器电路的输出电压。
系统可以进一步包括至少一个光源(D)，其中开关电容器电路提供驱动所述至少一个光源的输出电压，并且输出参数是指示流过所述至少一个光源的电流的、跨感测电阻器的感测电压。
第一分压器电路级可以基于迪克森梯拓扑(Dickson ladder topology)并且被配置成作为除以5分压器操作或者作为除以4分压器操作。
在该实施例中，第一分压器电路级可以包括多个开关，并且控制器被配置成通过供应所述时钟信号以在时钟信号的第一半周期期间接通所述多个开关中的第一组并在时钟信号的第二半周期期间接通所述多个开关中的第二组，而将第一分压器电路级控制成作为除以5分压器操作。控制器可以被配置成通过供应所述时钟信号以在时钟信号的第一半周期期间接通所述多个开关中的第三组并在时钟信号的第二半周期期间接通所述多个开关中的第四组，而将第一分压器电路级控制成作为除以4分压器操作。
第一分压器电路级可以是除以二分压器。
第二分压器电路级可以是除以二分压器。
第二分压器电路级可以被配置成作为(i)除以2分压器、(ii)除以3分压器或(iii)除以1.5分压器操作。
第二分压器电路级可以包括多个开关，并且控制器可以被配置成：通过供应所述时钟信号以在时钟信号的第一半周期期间接通所述多个开关中的第一组并在时钟信号的第二半周期期间接通所述多个开关中的第二组，而将第二分压器电路级控制成作为除以2分压器操作；通过供应所述时钟信号以在时钟信号的第一半周期期间接通所述多个开关中的第三组并在时钟信号的第二半周期期间接通所述多个开关中的第四组，而将第二分压器电路级控制成作为除以3分压器操作；并且通过供应所述时钟信号以在时钟信号的第一半周期期间接通所述多个开关中的第五组并在时钟信号的第二半周期期间接通所述多个开关中的第六组，而将第二分压器电路级控制成作为除以1.5分压器操作。
这些及其他方面将从下文中描述的实施例中显而易见。本公开的范围不旨在由该发明内容限制，也不由必定解决所指出的缺点中的任何或所有的实施限制。
附图说明
为了更好地理解本公开并示出如何使实施例生效，参考附图，其中：
图1a图示出实施为通用DC-DC转换器的系统；
图1b图示出实施为LED驱动器的系统；
图2示出开关电容器功率链的示意性框图；
图3图示出功率链的第一开关电容器转换器级的迪克森梯电路；
图4图示出耦合至第一开关电容器转换器级的2:1分压器电路；
图5图示出电压同步技术的操作原理；
图6图示出通过电压同步技术进行的开关减少；
图7图示出功率链的最后的第五级中使用的三重转换率电路；和
图8a至图8d图示出四个操作模式中的开关电容器功率链的操作机制。
具体实施方式
首先参考图1a和图1b，其图示出其中依照下面所描述的实施例的SAR SCC被实施为通用DC-DC转换器的系统100(图1a)和其中依照下面所描述的实施例的SAR SCC被实施为发光二极管(LED)驱动器的系统150。
系统100和150两者都包括开关电容器功率链102和控制器104。开关电容器功率链102由从电源101输出的输入电压Vin供电。
控制器104包括模数转换器(ADC)110、电压参考(Ref)114、数字控制振荡器(DCO)106、以及配置成提供数字码112的有限状态机(FSM)108。
在系统100中，在DC-DC转换器中感测输出电压。而在系统150中，LED驱动器感测通过感测电阻器Rs的电流，使LED电流保持可控。虽然图1b示出了用来驱动单个LED(D)的SARSCC，但是LED也可以是一组LED，例如一串LED。虽然本文中提及LED光源，但是任何合适的光源都可以由SAR SCC驱动，例如高/低压气体放电源、激光二极管、白炽光源或卤素源。虽然图1b示出用来驱动LED(D)的SAR SCC，但是本公开的实施例不限于仅解决照明负载的驱动，而且还有其他应用，其中尺寸约束类似地适用(例如，在诸如智能电话、膝上型PC和需要纤薄与紧凑的电子设计的其他便携式设备之类的设备中)。
ADC 110被布置成感测输出参数(例如，图1a中的输出电压Vo或图1b中的跨感测电阻器Rs的感测电压Vs)并将模拟输入信号转换成数字域。电压参考114是用于由ADC 110执行的转换过程的偏置电压，并且在感测过程中起重要作用，如本领域技术人员来说显而易见的。ADC 110被配置成通过有限数量的数字输出码独特地表示特定范围内的所有模拟输入。可以添加感测输入电压的正向反馈回路以改善线性调整。
ADC 110的输出被耦合至FSM 108的输入。FSM 108被配置成从ADC 110接收码、确定输出参数的当前状态并输出对应的数字码以控制开关电容器功率链102中的选择开关(如稍后将更详细地描述的)。FSM 108可以被预配置成控制开关电容器功率链102以提供目标电压(目标输出参数)。备选地，FSM 108可以被配置成从用户接收目标电压(目标输出参数)，由此该目标电压可以由用户依赖于开关电容器功率链102的应用而改变。
FSM 108进一步被配置成将控制信号输出至DCO 106。FSM 108的功能可以以存储在包括一个或多个存储介质的存储器上且布置用于在包括一个或多个处理单元的处理器上执行的代码(软件)来实施。代码被配置以便当从存储器中取出并在处理器上执行时执行与下面讨论的实施例一致的操作。备选地，不排除FSM 108的功能中的一些或全部在专用硬件电路装置或如现场可编程门阵列(FPGA)的可配置的硬件电路装置中实施。由于SAR SCC专为片上应用设计，所以FSM 108可以优选地使用根据超大规模集成(VLSI)途径的数字电路来实施。
DCO 106被用来基于从FSM 108接收的控制信号而产生处于期望频率的开关时钟信号。开关时钟信号被用来控制开关电容器功率链102的开关。在轻负载的情况下，DCO 106将缩减操作频率以改善总体效率。
现在将参照图2来描述图1a和图1b中示出的开关电容器功率链102的结构。
如图2所示，开关电容器功率链102包括五个级。
第一SCC级202具有两个可切换的转换率，也就是其可以作为4:1分压器(M＝0.25)操作或者作为5:1分压器(M＝0.2)操作。第二SCC级204a是2:1分压器(M＝0.5)，旨在提供稳定电压作为用于跟随的级的参考。第三SCC级204b和第四SCC级204c两者都是2:1分压器(M＝0.5)，使电压区域按比例缩小。最后的第五SCC级205具有三个可切换的转换率，也就是其可以作为3:1分压器操作、作为2:1分压器操作或者作为3:2分压器操作。
第一SCC级202被示出在图3中并且使用基于五个电容器C1至C5和单极单掷型的九个开关S1至S9的迪克森梯拓扑来实施。更具体地，第一SCC级202包括两个飞跨梯(flyingladder)，每个飞跨梯包括两个电容器：一个第一飞跨梯包括与第三电容器C3串联的第一电容器C1，并且第二飞跨梯包括与第四电容器C4串联的第二电容器C2。
第一SCC级202进一步包括六个中心节点3011至3016。第一开关S1将第一中心节点3011(节点A)选择性地连接至电源20的正端子。第二开关S2将第一中心节点3011选择性地连接至第二中心节点3012(节点B)。第三开关S3将第二节点3012选择性地连接至第三中心节点3013(节点C)。第四开关S4将第三中心节点3013选择性地连接至第四中心节点3014(节点D)。第五开关S5将第四中心节点3014选择性地连接至第五中心节点3015。第五加载电容器C5被置于第五中心节点3015与第六中心节点3016之间。第六中心节点3016被连接至电源20的负端子。
包括第一和第三电容器C1、C3的第一飞跨梯位于第一中心节点3011与第一次级节点3021之间。第六开关S6将第一次级节点3021选择性地连接至第五中心节点3015；第七开关S7将第一次级节点3021选择性地连接至第六中心节点3016。第一电容器C1与第三电容器C3中间的节点被连接至第三中心节点3013。
包括第二和第四电容器C2、C4的第二飞跨梯位于第二中心节点3012与第二次级节点3022之间。第八开关S8将第二次级节点3022选择性地连接至第五中心节点3015；第九开关S9将第二次级节点3022选择性地连接至第六中心节点3016。第二电容器C2与第四电容器C4中间的节点被连接至第四中心节点3014。
两个飞跨梯由于断开和闭合开关S1至S9的恰当的顺序而被相反地定相。
如上面所说明的，第一SCC级202可以作为4:1分压器(M＝0.25)操作或者作为5:1分压器(M＝0.2)操作，这通过将适当的开关顺序应用于开关S1至S9来实现。术语“开关顺序”在本文中用来是指SCC级的第一组开关在第一时间相位期间被接通(而余下的第二组开关被关断)，并且SCC级的第二组开关在第二时间相位期间被接通(而SCC级的第一组开关被关断)。
例如，为将第一SCC级202配置用于作为5:1分压器操作，从DCO 106输出的具有占空比D的开关时钟信号被供应至开关S1、S3、S5、S6和S8以控制这些开关在第一时间相位Φ1期间处于给定状态、例如被接通，并且具有1-D的占空比的时钟信号被供应至开关S2、S4、S7和S9以控制这些开关处于相反的状态、例如被关断。在相继的第二时间相位Φ2期间，所有开关的状态可以反转。
为将第一SCC级202配置用于作为4:1分压器的操作，从DCO 106输出的具有占空比D的开关时钟信号被供应至开关S3、S5、S6和S8以控制这些开关在第一时间相位Φ1期间处于给定状态、例如被接通，并且具有1-D的占空比的时钟信号被供应至开关S1、S2、S4、S7和S9以控制这些开关处于相反的状态、例如被关断。在相继的第二时间相位Φ2期间，所有开关的状态可以反转。
显而易见，作为5:1分压器或作为4:1分压器操作的第一SCC级202之间的差异依赖于开关S1被接通所在的开关时钟信号的时间相位。如图2所示，从FSM 108输出的数字输出码的第一位(位1)被用来控制开关S1是在开关时钟信号的第一时间相位Φ1期间还是在第二时间相位Φ2期间被接通(闭合)，因此控制第一SCC级202是作为5:1分压器还是作为4:1分压器操作。
从DCO 106输出的开关时钟信号的占空比可以被设定为50％。为防止开关将状态从接通转变至关断期间的电流直通(current shoot-through)，增加死区时间。SCC级的死区时间是指当第一组开关和第二组开关两者都断开时所在的时间段。所以，实际占空比可以被配置成略小于50％，例如49％。死区时间可以通过产生两个相位互补的非重叠时钟信号的死区时间发生器来增加。
通过将第一SCC级202实施为4:1/5:1分压器，与2级2:1分压器相比，在获得相同的分辨率的同时减少了开关和电容器的数量，由此提高了面积效率。
图4图示出第一SCC级202与第二稳定器SCC级204a之间的连接。
选择开关块206a(也示出在图2中)被耦合在第一SCC级202与第二稳定器SCC级204a之间。选择开关块206a的第一选择开关SS1被耦合在第一SCC级202的节点A与第二稳定器SCC级204a的高电压输入V+之间。选择开关块206a的第二选择开关SS2被耦合在第一SCC级202的节点C与第二稳定器SCC级204a的高电压输入V+之间。第二稳定器SCC级204a的低电压输入V-被耦合至第一SCC级202的第五中心节点3015。
第二稳定器SCC级204a以两个相位操作。在第一时间相位Φ1中，飞跨电容器Cf的顶板被连接至第二稳定器SCC级204a的高电压输入V+端子，并且飞跨电容器Cf的底板归因于开关S24被接通(同时开关S22(b)和S23被关断)而被连接至Vo(第二稳定器SCC级204a的输出电压)。在第二时间相位Φ2中，飞跨电容器Cf的顶板被连接至Vo(归因于S23被接通)，并且飞跨电容器Cf的底板归因于开关S22(b)被接通(同时开关S24被关断)而被连接至第二稳定器SCC级204a的低电压输入V-。加载电容器Cl的顶板被连接至Vo，同时加载电容器Cl的底板被连接至第二稳定器SCC级204a的低电压输入V-。显而易见，加载电容器与飞跨电容器Cf共享电荷。输出电压因而在加载是零时处于输入电压的一半(第二稳定器SCC级204a的高电压输入V+上的电压与第二稳定器SCC级204a的低电压输入V-上的电压之间的中点)处。当处于额定加载时，第二稳定器SCC级204a的输出电压Vo因为有限输出电阻而下降。幸运的是，在通过反馈控制器104进行的调整之后，可以达到期望的输出电压。
当作为5:1分压器操作时，第一SCC级202将电压1/5Vin提供至第二稳定器SCC级204a的低电压输入V-。当作为4:1分压器操作时，第一SCC级202将电压1/4Vin提供至第二稳定器SCC级204a的低电压输入V-。
本发明人已认识到，在在前的SCC级的各输出点中，事实上，在不同的半周期处提供两个转换率。当作为5:1分压器操作时，可以发现第一SCC级202的以下输出节点电压：
节点A：4/5Vin(Φ1)和Vin(Φ2)
节点B：4/5Vin(Φ1)和3/5Vin(Φ2)
节点C：2/5Vin(Φ1)和3/5Vin(Φ2)
节点D：2/5Vin(Φ1)和1/5Vin(Φ2)
图5示出第一SCC级202。采用节点A作为图解，当迪克森梯工作时，节点A的电压将输出两个可能的电压水平。这些输出电压水平中的一个在从DCO 106输出的开关时钟信号处于第一时间相位Φ1中时是V1：4/5Vin，并且另一个在从DCO 106输出的开关时钟信号处于第二时间相位Φ2中时是V2：Vin。
跟随的级联SCC(该示例中是第二SCC级204a)具有两个操作相位，充电相位和输出相位。当2:1分压器从在前的级(该示例中是第一SCC级)获取能量输出时的唯一相位是充电相位，这意味着输出相位独立于在前的输出电压。
因此跟随的级联SCC(该示例中是第二SCC级204a)需要在该第一半周期充电并且在第二半周期放电。在第一半周期中，充电取决于在前的SCC(该示例中是第一SCC级202)的输出，而在第二半周期中，放电与在前的SCC(该示例中是第一SCC级202)的输出无关。
基于以上认识，本公开的实施例涉及受时间控制以使跟随的SCC的充电半周期与在前的SCC的两个半周期中的期望的一个选择性地同步的选择开关的使用，其中在前的SCC的两个半周期分别提供稳定且不同的转换率。
通过控制选择开关SS1和SS2，第二稳定器SCC级204a的电压域可以通过使第二稳定器SCC级204a的高电压输入V+上的电压变化而变化。
如图5所示，控制信号被供应至选择开关块206a的选择开关SS1。供应至选择开关SS1的对应于从FSM 108输出的数字输出码的第二位(位2)的控制信号被同步到从DCO 106输出的开关时钟信号。因此供应至选择开关SS1的控制信号能够将选择开关SS1控制成在第一时间相位Φ1期间接通或者在第二时间相位Φ2期间接通。
如果在第一时间相位Φ1期间选择开关SS1被接通并且选择开关SS2被关断(从第一SSC级202的节点A输出的电压4/5Vin被供应至第二稳定器SCC级204a的高电压输入V+)并且在第二时间相位Φ2期间选择开关SS1和选择开关SS2两者都被关断，则第二稳定器SCC级204a的电压域将在1/5Vin与4/5Vin之间，因而第二稳定器SCC级204a的输出电压Vo将是2.5/5Vin。这被图示在图8(c)的列“STB 2nd”中。
如果在第一时间相位Φ1期间选择开关SS1和选择开关SS2两者都被关断，并且在第二时间相位Φ2期间选择开关SS1被接通并且选择开关SS2被关断(从第一SCC级202的节点A输出的电压Vin被供应至第二稳定器SCC级204a的高电压输入V+)，则第二稳定器SCC级204a的电压域将在1/5Vin与Vin之间，因而第二稳定器SCC级204a的输出电压Vo将是3/5Vin。这被图示在图8(d)的列“STB 2nd”中。
尽管图5中未示出，但是控制信号也被供应至选择开关块206a的选择开关SS2。供应至选择开关SS2的对应于从FSM 108输出的数字输出码的第三位(位3)的控制信号被同步到从DCO 106输出的开关时钟信号。因此供应至选择开关SS2的控制信号能够将选择开关SS2控制成在第一时间相位Φ1期间接通或者在第二时间相位Φ2期间接通。
如果在第一时间相位Φ1期间选择开关SS1被关断并且选择开关SS2被接通(从第一SCC级202的节点C输出的电压2/5Vin被供应至第二稳定器SCC级204a的高电压输入V+)并且在第二时间相位Φ2期间选择开关SS1和选择开关SS2两者都被关断，则第二稳定器SCC级204a的电压域将在1/5Vin与2/5Vin之间，因而第二稳定器SCC级204a的输出电压Vo将是1.5/5Vin。这被图示在图8(a)的列“STB 2nd”中。
如果在第一时间相位Φ1期间选择开关SS1和选择开关SS2两者都被关断，并且在第二时间相位Φ2期间选择开关SS2被接通并且选择开关SS1被关断(从第一SCC级202的节点C输出的电压3/5Vin被供应至第二稳定器SCC级204a的高电压输入V+)，则第二稳定器SCC级204a的电压域将在1/5Vin与3/5Vin之间，因而第二稳定器SCC级204a的输出电压Vo将是2/5Vin。这被图示在图8(b)的列“STB 2nd”中。
从以上内容显而易见，两个不同的电压(待供应至第二稳定器SCC级204a的高电压输入V+)可以通过仅一个选择开关(只通过改变其控制信号)来选择。
上面描述的该电压同步技术与传统方法相比将第一SCC级202与第二稳定器SCC级204a之间的要求的选择开关的数量有利地减少一半；这被图示在图6中。
再次参见当作为5:1分压器操作时的第一SCC级202的输出节点电压，用以从第一SCC级202获得电压4/5Vin、3/5Vin、2/5Vin和1/5Vin的传统方法是使用被分别连接至输出节点A、B、C和D的四个选择开关。在使用上面描述的电压同步技术之后，仅节点A和节点C有必要分别连接至选择开关SS1和SS2。这是因为节点A和节点C中的每一个可以输出能够覆盖期望的电压范围的两个电压。因此所要求的选择开关的数量降低一半到两个(连接至节点A的选择开关SS1和连接至节点C的选择开关SS2)。
虽然上面已参照作为5:1分压器操作的第一SCC级202描述了第一SCC级202与第二稳定器SCC级204a之间的电压同步技术，但是相同原理在第一SCC级202作为4:1分压器操作时适用。此外，虽然上面已参照第一SCC级202和第二稳定器SCC级204a描述了电压同步技术，但是相同原理也适用于图2中示出的后面的SCC级。也就是，使各SCC级的充电半周期同步到在前的SCC级的两个半周期中的期望的一个，其中在前的SCC的两个半周期分别提供稳定且不同的转换率。因此与传统方法相比将相应SCC级之间的要求的选择开关的数量减少一半。
虽然第二稳定器SCC级204a的电压域通过仅使第二稳定器SCC级204a的高电压输入V+上的电压变化而变化，但是对于后面的级(第三SCC级204b、第四SCC级204c和最后的第五SCC级205)，用于这些级的电压域可以通过使相应级的高电压输入V+上的电压和低电压输入V-上的电压两者变化而变化。如下面将描述的，选择开关被用来控制用于这些级的电压域。这些选择开关由对应于从FSM 108输出的数字输出码的控制信号来控制。
再次参见图2，选择开关块206b被用来控制供应至第三SCC级204b的高电压输入V+的电压。选择开关块206b的选择开关SS3被耦合在第一SCC级202的节点C与第三SCC级204b的高电压输入V+之间。选择开关块206b的选择开关SS4被耦合在第二稳定器SCC级204a的输出与第三SCC级204b的高电压输入V+之间。
选择开关块206c被用来控制供应至第三SCC级204b的低电压输入V-的电压。选择开关块206c的选择开关SS5被耦合在第一SCC级202的节点C与第三SCC级204b的低电压输入V-之间。选择开关块206c的选择开关SS6被耦合在第二稳定器SCC级204a的输出与第三SCC级204b的低电压输入V-之间。选择开关块206c的选择开关SS7被耦合在第一SCC级202的第五中心节点3015与第三SCC级204b的低电压输入V-之间。
参照作为5:1分压器操作的第一SCC级202，在操作中，可以创建用于第三SCC级204b的以下电压域。
1/5Vin(在第三SCC级204b的低电压输入V-处)与第二稳定器SCC级204a的输出电压(在第三SCC级204b的高电压输入V+处)之间的电压域可以通过接通选择开关SS4和SS7两者来选择。第二稳定器SCC级204a的输出电压(在第三SCC级204b的低电压输入V-处)与2/5Vin(在第三SCC级204b的高电压输入V+处)之间的电压域可以通过接通选择开关SS6和SS3(在第一时间相位Φ1期间)两者来选择。从第三SCC级204b输出的可能的电压(在第三SCC级204b的低电压输入V-处、输出电压和在高电压输入V+处)被图示在图8(a)的列“3rd”中。
2/5Vin(在第三SCC级204b的低电压输入V-处)与第二稳定器SCC级204a的输出电压(在第三SCC级204b的高电压输入V+处)之间的电压域可以通过接通选择开关SS5(在第一时间相位Φ1期间)和SS4两者来选择。第二稳定器SCC级204a的输出电压(在第三SCC级204b的低电压输入V-处)与3/5Vin(在第三SCC级204b的高电压输入V+处)之间的电压域可以通过接通选择开关SS6和SS3(在第二时间相位Φ2件)两者来选择。从第三SCC级204b输出的可能的电压(在第三SCC级204b的低电压输入V-处、输出电压和在高电压输入V+处)被图示在图8(c)的列“3rd”中。
如上面所描述的，由第二稳定器SCC级204a提供四个电压域，所以需要两个数字位来控制选择开关SS3至SS7，如对于本领域技术人员来说显而易见的。从FSM 108输出的数字输出码的第四和第五位(位4和5)被用来控制选择开关块206b和选择开关块206c的选择开关。
选择开关块206d和206e控制用于四个SCC级204c的电压域。选择开关块206d包括选择开关SS8和SS9。选择开关块206e包括选择开关SS10和SS11。
选择开关SS8和SS1成对地工作(两者在相同时间被接通/关断)并且SS9和SS10也是如此。如果选择开关SS8和SS11被接通，则用于第四SCC级204c的电压域在第三SCC级204b的高电压输入V+与第三SCC级204b的输出电压之间。如果选择开关SS9和SS10被接通，则用于第四SCC级204c的电压域在第三SCC级204b的输出电压与第三SCC级204b的低电压输入V-之间。从FSM 108输出的数字输出码的第六位(位6)被用来控制选择开关块206d和选择开关块206e的选择开关。从FSM 108输出的数字输出码的单个位足以控制选择开关块206d和选择开关块206e的选择开关，因为当选择开关SS8和SS11被接通时，选择开关SS9和SS10必须被关断，并且反之亦然。反相器(图2中未示出)是在电路级实施这一点的最简单的方式。
选择开关块206f和206g控制用于最后的第五SCC级205的电压域。选择开关块206f包括选择开关SS12和SS13。选择开关块206g包括选择开关SS14和SS15。
选择开关SS12和SS15成对地工作(两者在相同时间被接通/关断)并且SS13和SS14也是如此。如果选择开关SS12和SS15被接通，则用于最后的第五SCC级205的电压域在第四SCC级204c的高电压输入V+与第四SCC级204c的输出电压之间。如果选择开关SS13和SS14被接通，则用于最后的第五SCC级205的电压域在第四SCC级204c的输出电压与第四SCC级204c的低电压输入V-之间。从FSM 108输出的数字输出码的第七位(位7)被用来控制选择开关块206f和选择开关块206g的选择开关。从FSM 108输出的数字输出码的单个位足以控制选择开关块206f和选择开关块206g的选择开关，因为当选择开关SS12和SS15被接通时，选择开关SS13和SS14必须被关断，并且反之亦然。反相器(图2中未示出)是在电路级实施这一点的最简单的方式。
图5图示出包括九个开关S1至S9和两个飞跨电容器CF1和CF2的最后的第五SCC级205。通过将适当的开关顺序应用于开关S1至S9，该级能够以三个模式操作，即作为3:1分压器、2:1分压器或3:2分压器操作。与单级2:1分压器相比，该三重转换率级具有更高的电压选择，由此保持更高的电压分辨率。
为作为3:1分压器操作，开关S1、S9和S8将在第一时间相位Φ1期间接通(电容器Cf1和Cf2在V+与Vo之间串联连接)，并且开关S2、S5、S4和S7将在第二时间相位Φ2期间接通(电容器Cf1和Cf2在V-与Vo之间并联)。
为作为2:1分压器操作，开关S1、S6、S3和S8将在第一时间相位Φ1期间接通(电容器Cf1和Cf2在V+与Vo之间并联)，并且开关S2、S5、S4和S7将在第二时间相位Φ2期间接通(电容器Cf1和Cf2在V-与Vo之间并联)。
为作为3:2分压器操作，开关S1、S6、S2和S8将在第一时间相位Φ1期间接通(电容器Cf1和Cf2在V+与Vo之间并联)，并且开关S4、S9和S5将在第二时间相位Φ2期间接通(电容器Cf1和Cf2在V-与Vo之间串联)。
选择开关块206h包括选择开关SS16和SS17。选择开关SS16被耦合在最后的第五SCC级205的高电压输入V+与开关电容器功率链102的输出之间。选择开关SS17被耦合在最后的第五SCC级205的输出电压与开关电容器功率链102的输出之间。
从FSM 108输出的数字输出码的第八位(位8)被用来控制选择开关块206h的选择开关。单个位足以控制选择开关块206d的选择开关，如下面所说明的。假设两个电压域VD1和VD2由最后的第五SCC级205提供并且这些电压域是连续的(意味着VD1的最低电压等于VD2的最高电压)。如果期望VD1的最低电压，则最后的第五SCC级205的电压域可以被调节至VD2并且选择开关SS16用来选择VD2的最高电压(该电压与VD1的最低电压相同)。因此选择开关块206h中的仅两个选择开关被用来选择输出电压。当选择开关SS16被接通时，SS17被关断并且反之亦然。反相器(图2中未示出)是在电路级实施这一点的最简单的方式。若要求VD1的最低电压是可选择的，那么需要耦合在最后的第五SCC级205的低电压输入V-与开关电容器功率链102的输出之间的附加选择开关(并且将要求从FSM 108输出的数字输出码的附加位移以控制选择开关块206h)。
如上面描述的，在开关电容器功率链102的各级期间，若干可配置的开关被用来调节相应级中的电压节点的连接。开关电容器功率链102中的开关的各单独设定对应于一个转换率。因而，通过逐一地设定开关的级，或相邻的级，可以实现连续的输出电压。尽管，输出电压没有被平滑地控制成连续的，或者是伪连续的，然而，阶跃可以被准确地约束在小范围内。
在图8中，参照作为5:1分压器操作的第一SCC级202图示出操作机制。应该指出的一个概念是，为实现稳定的输出电压，稳定的参考节点是必要的。因而，第二SCC级204a被包含在内以用作稳定器，提供了按比例缩小的电压。
图8图示出从各级输出的可能的电压(在各级的低电压输入V-处、输出电压和在高电压输入V+处)。在图8中，实线表示稳定的电压，而虚线表示不稳定的电压。同时，阴影区域表示能够被调整的区域。操作机制可以被分成四个操作模式，其分别被示出在图8(a)、图8(b)、图8(c)和图8(d)中。
第一SCC级202(5:1分压器和4:1分压器)将输入电压分成5个区域、例如5Vin至4Vin、4Vin至3Vin、3Vin至2Vin、2Vin至1Vin和1Vin至接地。
首先，如图8(a)所示，第二稳定器SCC级204a被连接在2Vin与1Vin之间，提供了用于跟随的级的稳定电压1.5Vin。结果，输出电压可以以小的阶跃从Vin到2Vin。类似地，当第二稳定器SCC级204a被连接在2Vin至3Vin之间时，其被示出在图8(c)中，输出电压的区域从2Vin至3Vin。可以注意到，在上述条件中，电压2Vin和3Vin不稳定(以虚线绘制)。因此，为实现2Vin和3Vin的稳定电压，提供了图8(b)和图8(d)中示出的模式，其中第二稳定器SCC级204a将电压直接提供至输出。将这四个操作模式结合到一起，可以准确地调整从Vin到3Vin的输出电压。
对于第一SCC级202，假定输入电压是Vin，那么，如果作为5:1分压器操作，则该级可以提供Vin、4/5Vin、3/5Vin、2/5Vin和1/5Vin电压。如果作为4:1分压器操作，则可能的电压是5/4Vin、VDD、3/4Vin、2/4Vin和1/4Vin。对于各情况，参见图8，存在有在图8(a)中的“4th”列中示出的在最后的第五SCC级205之前的八个可能的电压域和在图8(c)中的“4th”列中示出的在最后的第五SCC级205之前的八个可能的电压域，因而总共十六个。注意，在图8(b)和图8(d)中覆盖了3/5Vin、2/5Vin的情况。对于最后的第五SCC级205，它是3个比率可配置的。因此，当第一SCC级202作为5:1分压器操作时，计算出(8+8)×3＝48个转换率。类似地，当第一SCC级202作为4:1分压器操作时，转换率的数量也是48。因此，开关电容器功率链102提供了96个可切换的转换率、M0至M96。因而，通过切换相邻的比率、例如MN和MN+1，输出电压可以在非常小的电压波纹内调整。所有的这些可能的转换率都通过从控制器104的FSM108输出的数字码来配置。
依照上面描述的实施例，开关电容器转换器功率链102提供了良好的线性调整，以及高的效率。开关电容器转换器功率链102可以提供许多转换率以适应输入电压。所以，利用多个伪连续步骤，实现良好的线性调整和输出准确度。同时，因为真实电压接近理想电压，所以由调整引起的效率下降被大大地降低。
因为开关电容器转换器功率链102的拓扑完全是电容性的，所以很可能被完整地集成在单个芯片上，这意味着它是灵活的并且将是成本低的。这些特征将其扩展到多种多样的应用，例如，板上驱动器型LED驱动器、SoC电源、远程传感器网络、能量收集等等。
虽然上面已参照包括五个级的开关电容器转换器功率链102描述了本公开的实施例，但是这仅仅是示例并且电压同步技术可以应用于包括跟随第一SCC级202的一个或多个分压器级的开关电容器转换器功率链102。
开关电容器转换器功率链102的级中使用的所有开关都可以是双向的并且以与电路的开关频率兼容的合适技术来实施。例如，开关可以由硅衬底上的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或氮化镓沉底上的高电子迁移率晶体管(HEMT)来形成。
可以由本领域技术人员在实践所要求保护的发明时从对附图、本公开和随附权利要求的研究中理解并实现对所公开的实施例做出的其他变化。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以满足权利要求中所记载的若干项目的功能。相互不同的从属权利要求中记载了特定措施这个纯粹的事实不表明这些措施的组合不能有利地使用。计算机程序可以被存储/分布在合适的介质上，诸如与其他硬件一起供应或作为其一部分供应的光学存储介质或固态介质，但也可以以其他形式分布，诸如经由因特网或其他有线或无线电信系统。权利要求中的任何附图标记都不应该解释为限制范围。
Claims (13)
1.一种系统(100，150)，包括：
开关电容器电路(102)，包括多个分压器电路级，所述多个分压器电路级包括被耦合至第二分压器电路级的第一分压器电路级；和
控制器(104)，被配置成将时钟信号供应至所述第一分压器电路级，以在所述时钟信号的第一半周期期间在所述第一分压器电路级的输出节点上提供第一电压，并且在所述时钟信号的第二半周期期间在所述输出节点上提供第二电压；以及
至少一个选择开关，连接在所述输出节点与所述第二分压器电路级的输入节点之间；
其中所述第二分压器电路级被配置成在所述时钟信号的半周期期间充电至输入电压，并且所述控制器被配置成使所述第二分压器电路级的充电同步到以下项中选择出的一项：(i)所述时钟信号的所述第一半周期，通过在所述第一半周期中接通所述至少一个选择开关，其中所述第一电压被供应作为所述输入电压，和(ii)所述时钟信号的所述第二半周期，其中所述第二电压被供应作为所述输入电压。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器被配置成通过在所述时钟信号的所述第二半周期期间接通所述至少一个选择开关，而使所述第二分压器电路的充电同步到所述时钟信号的所述第二半周期，以在所述输入节点上供应所述第二电压。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中所述控制器被配置成检测输出参数，并且基于所检测到的输出参数和目标输出电压来确定所述开关电容器电路的转换率，并进行所述选择以将所述开关电容器电路配置成提供所确定的转换率。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述输出参数是所述开关电容器电路的输出电压。
5.根据权利要求3所述的系统，进一步包括至少一个光源(D)，其中所述开关电容器电路提供驱动所述至少一个光源的输出电压，并且所述输出参数是指示流过所述至少一个光源的电流的、跨感测电阻器的感测电压。
6.根据权利要求1至2中的任一项所述的系统，其中所述第一分压器电路级基于迪克森梯拓扑并且被配置成作为5:1分压器操作或者作为4:1分压器操作。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述第一分压器电路级包括多个开关，并且所述控制器被配置成通过供应所述时钟信号以在所述时钟信号的所述第一半周期期间接通所述多个开关中的第一组并在所述时钟信号的所述第二半周期期间接通所述多个开关中的第二组，而将所述第一分压器电路级控制成作为5:1分压器操作。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述控制器被配置成通过供应所述时钟信号以在所述时钟信号的所述第一半周期期间接通所述多个开关中的第三组并在所述时钟信号的所述第二半周期期间接通所述多个开关中的第四组，而将所述第一分压器电路级控制成作为4:1分压器操作。
9.根据权利要求1至2中的任一项所述的系统，其中所述第一分压器电路级是2:1分压器。
10.根据权利要求6所述的系统，其中所述第二分压器电路级是2:1分压器。
11.根据权利要求6所述的系统，其中所述第二分压器电路级被配置成作为(i)2:1分压器、(ii)3:1分压器或(iii)3:2分压器操作。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述第二分压器电路级包括多个开关，并且所述控制器被配置成：
通过供应所述时钟信号以在所述时钟信号的所述第一半周期期间接通所述多个开关中的第一组并在所述时钟信号的所述第二半周期期间接通所述多个开关中的第二组，而将所述第二分压器电路级控制成作为2:1分压器操作；
通过供应所述时钟信号以在所述时钟信号的所述第一半周期期间接通所述多个开关中的第三组并在所述时钟信号的所述第二半周期期间接通所述多个开关中的第四组，而将所述第二分压器电路级控制成作为3:1分压器操作；并且
通过供应所述时钟信号以在所述时钟信号的所述第一半周期期间接通所述多个开关中的第五组并在所述时钟信号的所述第二半周期期间接通所述多个开关中的第六组，而将所述第二分压器电路级控制成作为3:2分压器操作。
13.根据权利要求1所述的系统，还包括：
一种光模块，包括至少一个光源，其中所述开关电容器电路提供驱动所述至少一个光源的输出电压。
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