CN107422779B - 电压调节器 - Google Patents

Abstract

公开了一种电压调节器，通过N个输入电容和对应的N个输入开关单元组建了N个输入电路，同时，通过输出开关单元组建输出电路，N个输入电路分别通过N个储能电容连接到输出电路。通过控制输入开关单元和输出开关单元进行状态切换，控制储能电容和输入电容进行充电和放电动作，实现功率变换。通过变更输入电路和储能电容的数量就可以设置电压调节器的降压比。由此，可以以较小的体积实现较高的降压比。本发明实施例的电压调节器结构简单，功率密度高。

Description

电压调节器

技术领域

本发明涉及电力电子技术，具体地，涉及一种电压调节器。

背景技术

开关电容型电压调节器通过开关控制电容的充电和放电，从而实现电压变换。现有的开关电容型电压调节器如图1所示，输入端口被施加输入电压Vin。开关Q1连接在电容C的端a和电压输入端口的第一端i之间，并在控制信号G1的控制下导通或关断。开关Q2连接在电容C的端a和输出端口的第一端之间，并在控制信号G2的控制下导通或关断。其中，控制信号G1和G2反相，也即，控制信号G1为高电平时，控制信号G2为低电平。同时，电容C的端b与输入端口的第二端以及输出端口的第二端连接。输入端口以及输出端口的第二端通常会作为参考端(或称为接地端)。在输出端口还可以设置输出电容Co对输出电压Vout进行平滑。由此，通过开关Q1和Q2交替导通和关断，使得电容C间歇性地对输出端放电，从而实现功率的传递和电压/电流转换。

但是，现有的开关电容变换器的架构不能实现变比的电压调节。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种电压调节器，基于开关控制电容充放电来输出稳定的电压，并提供较高的降压比。

本发明实施例的电压调节器包括：

N个储能电容，具有相互连接的第一端；

N个输入电容，依次串联连接在输入端口的两端；

N个输入开关单元，每个输入开关单元并联连接至对应的一个所述输入电容，以将对应的储能电容的第二端选择性地连接到对应的输入电容的第一端或第二端；以及

第一输出开关单元，用于将N个储能电容相互连接的第一端选择性地连接到输出端口的第一端或第二端；

其中，所述输入开关单元和所述输出开关单元受控进行状态切换以使得所述电压调节器的输出电压和输入电压成比例，其中，N为不小于1的自然数。

优选地，所述输出端口的第一端或第二端被连接至所述N个输入电容连接的任意一端。

优选地，所述电压调节器还包括：

至少一个隔离电容，连接在所述输出端口的任一端和所述N个输入电容连接的任意一端之间。

优选地，所述电压调节器还包括：

第二输出开关单元，并联连接至所述第一输出开关单元，用于将第二输出开关单元的输入端选择性地连接到输出端口的第一端或第二端。

优选地，所述第二输出开关单元的输入端被连接至所述N个输入电容连接的任意一端。

优选地，所述电压调节器还包括：

至少一个隔离电容，分别连接在所述第二输出开关单元的输入端和所述N个输入电容连接的任意一端之间。

优选地，每个所述输入开关单元为包括第一开关和第二开关的半桥电路，其中，所述第一开关和所述第二开关的开关状态互补。

优选地，所述第一输出开关单元为包括第三开关和第四开关的半桥电路，其中，所述第三开关和所述第四开关的开关状态互补，所述第三开关和所述第一开关的开关状态相同。

优选地，所述第一输出开关单元为包括第三开关和第四开关的半桥电路；以及

所述第二输出开关单元为包括第五开关和第六开关的半桥电路；

其中，所述第三开关和所述第四开关的开关状态互补，所述第五开关和所述第六开关的开关状态互补，所述第三开关和所述第五开关的开关状态相同。

优选地，所述电压调节器还包括：

输出电容，连接在所述输出端口的两端。

本发明实施例通过N个输入电容和对应的N个输入开关单元组建了N个输入电路，同时，通过输出开关单元组建输出电路，N个输入电路分别通过N个储能电容连接到输出电路。通过控制输入开关单元和输出开关单元进行状态切换，控制储能电容和输入电容进行充电和放电动作，实现功率变换。通过变更输入电路和储能电容的数量就可以设置电压调节器的降压比。由此，可以以较小的体积实现较高的降压比。本发明实施例的电压调节器结构简单，功率密度高。

附图说明

图1是现有技术中的开关电容型电压调节器的电路图；

图2是现有技术的开关电容变型电压调节器的控制信号波形图；

图3是本发明第一实施例的电压调节器的电路图；

图4是本发明第一实施例的电压调节器的控制信号波形图；

图5是本发明第一实施例的电压调节器在第一状态下的等效电路图；

图6是本发明第一实施例的电压调节器在第二状态下的等效电路图；

图7是本发明第二实施例的电压调节器的电路图；

图8是本发明第二实施例的电压调节器的控制信号波形图；

图9是本发明第二实施例的电压调节器在第一状态下的等效电路图；

图10是本发明第二实施例的电压调节器在第二状态下的等效电路；

图11是本发明第三实施例的电压调节器的电路图；

图12是本发明第三实施例的电压调节器的控制信号波形图；

图13是本发明第三实施例的电压调节器在第一状态下的等效电路图；

图14是本发明第三实施例的电压调节器在第二状态下的等效电路；

图15是本发明第四实施例的电压调节器的电路图；

图16是本发明第四实施例的电压调节器的控制信号波形图；

图17是本发明第四实施例的电压调节器在第一状态下的等效电路图；

图18是本发明第四实施例的电压调节器在第二状态下的等效电路；

图19是本发明第五实施例的电压调节器的电路图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

图3是本发明第一实施例的电压调节器的电路图。如图3所示，本实施例的电压调节器包括输入电容Cn1和Cn2、储能电容C1和C2、输入开关单元IN1和IN2、第一输出单元OUT1和隔离电容C’。其中，储能电容C1和C2的一端均连接到端a，另一端b1和b2分别连接到对应的输入开关单元IN1和IN2。输入电容Cn1和Cn2依次串联连接在输入端口的两端n0和n2之间(图中，n2为接地端)。其中，输入电容Cn1连接在端n0和n1之间，输入电容Cn2连接在端n1和端n2之间。输入开关单元IN1与输入电容Cn1并联，用于将储能电容C1的端b1选择性地连接到端n0或端n1。输入开关单元IN2与输入电容Cn2并联，用于将储能电容C2的端b2选择性地连接到端n1或端n2。优选地，本实施例的电压调节器还可以包括连接在输出端口上的输出电容Cout。

具体地，输入开关单元IN1包括串联连接的开关Q1和Q2，开关Q1和Q2的公共端连接到储能电容C1的端b1，形成半桥电路的形式。输入开关单元IN2包括串联连接开关Q3和Q4，开关Q3和Q4的公共端连接到储能电容C2的端b2，形成半桥电路的形式。开关Q1和Q2分别由控制信号GH和GL控制。开关Q3和Q4分别由控制信号GH和GL控制。图4是本发明第一实施例的电压调节器的控制信号波形图。如图4所示，控制信号GH与GL反相，这使得开关Q1和Q2的开关状态互补，开关Q3和Q4的开关状态互补。也即，开关Q1和开关Q3同步导通，同时，开关Q2和Q4关断，反之，开关Q2和Q4同步导通，而开关Q1和Q3关断。

第一输出开关单元OUT1与储能电容C1和C2的端a连接，用于将该端a选择性地连接到输出端口的端o1或o2(图中为输出端口的接地端)。具体地，第一输出开关单元OUT1包括串联连接的开关Q5和Q6，开关Q5和Q6的公共端连接到储能电容C1和C2相互连接的端a，形成半桥电路的形式。开关Q5和Q6分别由控制信号GH’和GL’控制。如图4所示，控制信号GH’和GL’反相，这使得开关Q5和Q6的开关状态互补。同时，控制信号GH’和用于控制输入开关单元的控制信号GH同相。也就是说，在图3所示的电路中，开关Q1、Q3和Q5同时导通和关断，同时，开关Q2、Q4和Q6处于相反的状态。由此，通过控制信号GH、GL、GH’和GL’分别控制开关Q1-Q6交替导通和关断可以使得电压调节器在第一状态和第二状态之间切换。

隔离电容C’连接在输出端口的端o2(也即，接地端)和输入端口的端n2之间。可选地，隔离电容C’还可以连接在输出端口的端o2和端n0之间，或端o2和端n1之间。在本实施例中，隔离电容C’的作用是在形成输入端口和输出端口之间的电流回流通路的同时隔离这两个端口。

图5是本发明第一实施例的电压调节器在第一状态下的等效电路图。在第一状态下，开关Q1、Q3和Q5导通，开关Q2、Q4和Q6关断。如图5所示，储能电容C1和C2所连接的端a通过开关Q5连接到输出端口的端o1。输入端口和输入电容Cn2作为电流源放电，对输入电容Cn1、储能电容C1以及C2还有隔离电容C’充电，使得电流可以流过输出端口o1和o2，以在输出端口o1和o2形成电压输出Vout。由此，形成多条电流回路。一条电流回路由端n0开始，依次经由开关Q1、储能电容C1、开关Q5、输出端口和隔离电容C’回到输入端口的端n2。另一条电流回路由端n0开始依次经由输入电容Cn1、开关Q3、储能电容C2、开关Q5、输出端口和隔离电容C’回到输入端口的端n2。又一条电流回路依次由储能电容Cn2连接的端n1开始，依次经由开关Q3、储能电容C2、开关Q5、输出端口和隔离电容C’回到储能电容Cn2。假设流过输出端口的电流为2，则由输入端口流入的电流为3/2。流过输入电容Cn2的电流为1/2。同时，流过输入电容Cn1的电流为1/2。流过储能电容C1和C2的电流相同，均为1，且均流向端a，流过隔离电容C’的电流与流过输出端口的电流相同，也为2。

同时，在图5所示的电路中：

Vcn1+Vcn2＝Vin；Vc1-Vc2＝Vcn1；Vcn2-Vc2-Vc’＝Vout

其中，Vcn1为输入电容Cn1两端电压，Vcn2为输入电容Cn2两端电压，Vin为输入端口的电压，Vc1为储能电容C1两端电压，Vc2为储能电容C2两端电压，Vc’为隔离电容C’两端电压，Vout为输出端口的电压。

图6是本发明第一实施例的电压调节器在第二状态下的等效电路图。在第二状态下，开关Q2、Q4和Q6导通，开关Q1、Q3和Q5关断。如图6所示，输入电容Cn1、储能电容C1、C2和隔离电容C’放电，对输入电容Cn2充电，并向输入端口输出电流。由此，形成多条电流回路。一条电流回路由储能电容C1开始，依次经由开关Q2、输入电容Cn1、输入端口n0和n2、隔离电容C’、输出端口o1和o2和开关Q6回到储能电容C1的端a。另一条电流回路从储能电容C1开始，依次经由开关Q2、输入电容Cn2、隔离电容C’、输出端口o1和o2和开关Q6回到储能电容C1的端a。又一条电流回路经由储能电容C2开始，依次经由开关Q4、隔离电容C’、输出端口o1和o2和开关Q6回到储能电容C2的端a。其中，在第二状态下流过个电容的电流方向相对于第一状态反向。在第二状态下，输出端口的第一端o1被悬空。对应地，流过储能电容C1的电流为1，则由输入端口流入(从接地端流入)的电流为1/2，流过输入电容Cn2的电流为1/2。流过输入电容Cn1的电流为1/2，流过储能电容C2的电流为1，流过隔离电容C’的电流为2。如果第一状态和第二状态的持续时间相同，则流过输出端口的平均电流为1。

在图6所示的电路中：

Vcn1+Vcn2＝Vin；Vc1-Vc2＝Vcn2；Vc2+Vc’＝0

在电压调节器以较高的频率在第一状态和第二状态之间切换时，电容电压在不同状态间不会快速变化，因此，第一状态下的各参量与第二状态下的对应各参量基本相等。因此，综合上述公式可得：

Vcn1＝Vcn2＝Vin/2

进而可得：Vout＝Vcn2＝Vin/2

也就是说，本实施例的电压调节器的输出电压Vout为输入电压Vin的1/2。这与所设置的输入电容的数量对应。

本实施例通过2个输入电容和对应的2个输入开关单元组建了2个输入电路，同时，通过输出开关单元组建输出电路，2个输入电路分别通过2个储能电容连接到输出电路。通过控制输入开关单元和输出开关单元进行状态切换，控制储能电容和输入电容进行充电和放电动作，实现功率变换。通过变更输入电路和储能电容的数量就可以设置电压调节器的降压比。由此，可以以较小的体积实现较高的降压比。本实施例的电压调节器结构简单，功率密度高。

同时，本实施例通过设置隔离电容，可以在不使用变压器的前提下实现输入端口和输出端口隔离，避免了输入电压和输出电容上的电流脉动的影响。

图7是本发明第二实施例的电压调节器的电路图。如图7所示，本实施例的电压调节器包括输入电容Cn1-Cn3、储能电容C1-C3、输入开关单元IN1-IN3、第一输出开关单元OUT1和隔离电容C’。其中，输入电容Cn1-Cn3依次串联连接在输入端口的两端n0和n3之间。储能电容C1-C3的一端连接到端a，另一端分别连接到对应的输入开关单元IN1-IN3。输入开关单元INi与输入电容Cni并联，用于分别将对应的储能电容Ci的端bi选择性地连接到对应的输入电容Cni的两端之一，其中，i＝1,2或3。输出开关单元OUT1连接在输出端口之间，用于选择性地将端a连接到输出端口的端o1或端o2。隔离电容C’连接在输出端口的端o2和输入电容所连接的任意一端之间(也即，n0-n3中的任一端)。在图7中，隔离电容C’连接在输出端口的端o2和输入端口的接地端n3之间。优选地，本实施例的电压调节器还可以包括连接在输出端口上的输出电容Cout。

输入开关单元IN1包括串联连接的开关Q1和Q2。输入开关单元IN2包括串联连接的开关Q3和Q4。输入开关单元IN3包括串联连接的开关Q5和Q6。由此，形成三个半桥电路，对应于输入电容Cn1-Cn3。其中，输入开关单元INi的开关的公共端连接到对应储能电容Ci的端bi。同时，输入开关单元INi的两个开关分别受控于具有相反相位的控制信号GH和GL导通和关断(参见图8)，由此，两个开关状态互补。进而，输入开关单元INi可以通过开关的一通一断实现选择性地将对应的端bi连接到对应的输入电容Cni的两端之一。

同时，第一输出开关单元OUT1包括串联连接的开关Q7和Q8。其中，开关Q7和Q8串联连接在输出端口，形成一个半桥电路。开关Q7和Q8分别由控制信号GH’和GL’控制。如图8所示，控制信号GH’和GL’反相，这使得开关Q7和Q8的开关状态互补。同时，控制信号GH’和用于控制输入开关单元的控制信号GH同相。也就是说，在图7所示的电路中，开关Q1、Q3、Q5和Q7实质上同时导通和关断，同时，开关Q2、Q4、Q6和Q8处于相反的状态。由此，通过控制信号GH、GL、GH’和GL’分别控制开关Q1-Q8交替导通和关断可以使得电压调节器在第一状态和第二状态之间切换。

图9是本发明第二实施例的电压调节器在第一状态下的等效电路图。在第一状态下，开关Q1、Q3、Q5和Q7导通，开关Q2、Q4、Q6和Q8关断。如图9所示，端a通过开关Q7连接到输出端口的第一端o1。输入端口和输入电容Cn3放电，对输入电容Cn1、储能电容C1-C3还有隔离电容C’充电，使得电流可以流过输出端口o1和o2，以在输出端口o1和o2形成电压输出Vout。由此，形成多条电流回路。一条电流回路从输入端口的端n0开始，依次经由开关Q1、储能电容C1、开关Q7、输出端口o1和o2以及隔离电容C’回到输入端口的端n3。另一条电流回路从输入端口的端n0开始，依次经由输入电容Cn1、开关Q3、储能电容C2、开关Q7、输出端口o1和o2以及隔离电容C’回到输入端口的端n3。又一条电流回路输入电容Cn3连接的端n2开始，依次经由开关Q5、储能电容C3、开关Q7、输出端口o1和o2以及隔离电容C’回到输入电容Cn3连接的端n3。

假设流过输出端口的电流为2，则由输入端口流入的电流为4/3，流过输入电容Cn3的电流为2/3，流过输入电容Cn1的电流为2/3，流过输入电容Cn2的电流为0。流过储能电容C1-C3的电流相同，均为2/3。流过隔离电容的电流与流过输出端口的电流相同，也为2。

在图9所示的电路中：

Vcn1+Vcn2+Vcn3＝Vin

Vc1-Vc2＝Vcn1

Vc2-Vc3＝Vcn2

Vcn3-Vc3-Vc’＝Vout

其中，Vcni为输入电容Cni两端电压，i＝1,2或3。Vin为输入端口的电压。Vci为储能电容Ci两端电压，i＝1,2或3。Vc’为隔离电容C’两端电压。Vin为输入端口电压。Vout为输出端口的电压。

图10是本发明第二实施例的电压调节器在第二状态下的等效电路图。在第二状态下，开关Q2、Q4、Q6和Q8导通，开关Q1、Q3、Q5和Q7关断。如图10所示，输入电容Cn1、储能电容C1-C3和隔离电容C’放电，对输入电容Cn3充电，并向输出端口输出电流。由此，形成多条电流回路。一条电流回路从储能电容C1开始，依次经由开关Q2、输入电容Cn1、输入端口n0和n3、隔离电容C’以及开关Q8回到储能电容C1。另一条电流回路从储能电容C2开始，依次经由开关Q4、输入电容Cn3、隔离电容C’以及开关Q8回到储能电容C2。又一条电流回路从储能电容C3开始，依次经由开关Q6、隔离电容C’以及开关Q8回到储能电容C3。在第二状态下，输出端口的第一端o1被悬空。其中，在第二状态下流过各电容的电流方向相对于第一状态反向。对应地，由输出端口流出的电流为2，流过输入电容Cn1的电流为2/3，流过输入电容Cn2的电流为0，流过输入电容Cn3的电流为2/3。流过储能电容C1-C3的电流均为2/3。流过隔离电容C’的电流为2。如果第一状态和第二状态的持续时间相同，则流过输出端口的平均电流为1。

在图10所示的电路中：

Vcn1+Vcn2+Vcn3＝Vin

Vc1-Vc2＝Vcn2

Vc2-Vc3＝Vcn3

Vc3+Vc’＝0

在电压调节器以较高的频率在第一状态和第二状态之间切换时，电容电压在不同状态间不会快速变化，因此，第一状态下的各参量与第二状态下的对应各参量基本相等。因此，综合上述公式可得：

Vcn1＝Vcn2＝Vcn3＝Vin/3

进而可得：Vout＝Vcn3＝Vin/3

也就是说，本实施例的电压调节器的输出电压Vout为输入电压Vin的1/3。这与所设置的输入电容的数量对应。

以此类推，对于具有类似结构的电压调节器，在设置N个储能电容、N个输入电容和N个输入开关单元时，输出电压Vout为输入电压Vin的1/N，其中，N为不小于1的自然数。由此，可以实现任意降压比的电压调节器。

图11是本发明第三实施例的电压调节器的电路图。如图11所示，本实施例的电压调节器的输入一侧的结构与第一实施例相同，包括两个输入电容Cn1和Cn2以及两个储能电容C1和C2，还包括半桥电路形式的输入开关单元IN1和IN2，其用于切换储能电容与输入电容的连接关系。在输出侧，电压调节器3包括一个全桥电路形式的输出电路。优选地，本实施例的电压调节器还可以包括连接在输出端口上的输出电容Cout。输出电路包括第一输出开关单元OUT1和第二输出开关单元OUT2。第一输出开关单元OUT1用于将储能电容C1和C2相互连接的端a选择性地连接到输出端口的端o1或o2。第二输出开关单元OUT2并联连接至第一输出开关单元OUT1。第二输出开关单元OUT2用于将其输入端c选择性地连接到输出端口的端o1或o2。

具体地，第一输出开关单元OUT1包括串联连接的开关Q5和Q6。开关Q5和Q6的公共端连接到端a，从而形成一个半桥电路。开关Q5和Q6分别由控制信号GH’和GL’控制。如图12所示，控制信号GH’和GL’反相，这使得开关Q5和Q6的开关状态互补。同时，控制信号GH’和用于控制输入开关单元的控制信号GH同相。第二输出开关单元OUT2包括串联连接的开关Q7和Q8。开关Q7和Q8的公共端为第二输出开关单元OUT2的输入端c。开关Q7根据控制信号GH’的控制导通和关断。开关Q8根据控制信号GL’的控制导通和关断。由此，在图11所示的电路中，开关Q1、Q3、Q5和Q7实质上同时导通和关断，同时，开关Q2、Q4、Q6和Q8处于相反的状态。由此，通过控制信号GH、GL、GH’和GL’分别控制开关Q1-Q8交替导通和关断可以使得电压调节器在第一状态和第二状态之间切换。

隔离电容C’一端与第二输出开关单元OUT2的输入端c连接，另一端与任意一个输入电容所连接的端连接。在图11中，隔离电容C’连接在端c和端n2之间。由此，隔离电容C’在建立由输出端口至输入端口的电流通路的同时，可以有效地隔离输入端口和输出端口。

图13是本发明第三实施例的电压调节器在第一状态下的等效电路图。在第一状态下，开关Q1、Q3、Q5和Q7导通，开关Q2、Q4、Q6和Q8关断。如图13所示，端a通过开关Q5连接到输出端口的端o1。同时，端c通过开关Q7连接到输出端口的端o2。输入端口和输入电容Cn2放电对储能电容C1、C2、隔离电容C’以及输出端口放电。由此，形成多条电流回路。一条电流回路从输入端口的端n0开始，依次经由开关Q1、储能电容C1、开关Q5、输出端口o1和o2、开关Q7以及隔离电容C’回到输入端口的端n2。另一条电流回路由输入端口的端n0开始，依次经由输入电容Cn1、开关Q3、储能电容C2、开关Q5、输出端口o1和o2、开关Q7以及隔离电容C’回到输入端口的端n2。另一条以输入电容Cn2为电流源的电流通路则依次经由端n1、开关Q3、储能电容C2、开关Q5、输出端口o1和o2、开关Q7、隔离电容C’到端n2。其中，假设流过输出端口的电流为1，则由输入端口流入的电流为3/4，流过输出电容Cn2的电流为1/4。同时，流过输入电容Cn1的电流为1/4，流过储能电容C1和C2的电流相同，均为1/2，且均流向端a，流过隔离电容C’的电流与流过输出端口的电流相同，也为1。

在图13所示的电路中：

Vcn1+Vcn2＝Vin

Vc1-Vc2＝Vcn1

Vcn2-Vc2-Vc’＝Vout

其中，Vcn1为输入电容Cn1两端电压。Vcn2为输入电容Cn2两端电压。Vin为输入端口的电压。Vc1为储能电容C1两端电压。Vc2为储能电容C2两端电压。Vc’为隔离电容C’两端电压。Vout为输出端口的电压。

图14是本发明第三实施例的电压调节器在第二状态下的等效电路图。在第二状态下，开关Q2、Q4、Q6和Q8导通，开关Q1、Q3、Q5和Q7关断。如图14所示，端a通过开关Q6连接到输出端口的第二端o2。同时，端c通过开关Q8连接到输出端口的第一端o1。输入电容Cn1、储能电容C1、C2和隔离电容C’对输入电容Cn2、输出端口和输入端口放电。由此，形成不同于第一状态的多条电流回路。一条电流回路从储能电容C1开始，依次经由开关Q2、输入电容Cn1、输入端口n0和n2、隔离电容C’、开关Q8、输出端口o1和o2以及开关Q6回到端a。另一条电流回路从储能电容C1开始，依次经由开关Q2、输入电容Cn2、隔离电容C’、开关Q8、输出端口o1和o2以及开关Q6到端a。又一条电流回路从储能电容C2开始，依次经由开关Q4、隔离电容C’、开关Q8、输出端口o1和o2以及开关Q6到端a。流过各电容的电流方向相对于第一状态反向。其中，假设流过输出端口的电流为1，则流过储能电容C1和C2的电流相同，均为1/2。流过输入电容Cn1的电流为1/4。流过输入电容Cn2的电流为1/4。流过隔离电容C’的电流与流过输出端口的电流相同，也为1。

同时，在图14的电路中：

Vcn1+Vcn2＝Vin

Vc1-Vc2＝Vcn2

Vc2+Vc’＝Vout

在电压调节器以较高的频率在第一状态和第二状态之间切换时，电容电压在不同状态间不会快速变化，因此，第一状态下的各参量与第二状态下的对应各参量基本相等。因此，综合上述公式可得：

Vcn1＝Vcn2＝Vin/2

Vout＝Vcn2/2＝Vin/4

也就是说，本实施例的电压调节器的输出电压Vout为输入电压Vin的1/4。这与所设置的输入电容的数量的两倍对应。

本实施例增加了一个第二输出开关单元，与第一输出开关单元组成全桥电路来改变电路的连接关系。由此，可以使得在第一状态和第二状态下输出端口均被接入到电流回路中，由储能电容或输入端口持续地为其供电，提高了输出端口电压的稳定性。同时，本实施例的电压调节器在电容数量相同的前提下具有更高的降压比。

同时，本实施例通过设置隔离电容，可以在不使用变压器的前提下实现输入端口和输出端口隔离，避免了输入电压和输出电容上的电流脉动的影响。

图15是本发明第四实施例的电压调节器的电路图。如图15所示，本实施例的电压调节器设置了三个输入电容Cn1-Cn3、三个储能电容C1-C3和三个输入开关单元IN1-IN3。输入开关单元IN1-IN3中的开关Q1、Q3和Q5由控制信号GH控制。开关Q2、Q4和Q6由控制信号GL控制。同时，在输出侧，设置有第一输出开关单元OUT1、第二输出开关单元OUT2和隔离电容C’。优选地，本实施例的电压调节器还可以包括连接在输出端口上的输出电容Cout。

其中，第一输出开关单元OUT1包括开关Q7和Q8。第二输出开关单元OUT2包括开关Q9和Q10。开关Q7和Q8分别由控制信号GH’和GL’控制。如图16所示，控制信号GH’和GL’反相，这使得开关Q7和Q8的开关状态互补，开关Q9和Q10的开关状态互补。同时，控制信号GH’和用于控制输入开关单元的控制信号GH同相。在图15所示的电路中，开关Q1、Q3、Q5、Q7和Q9实质上同步导通和关断，开关Q2、Q4、Q6、Q8和Q10处于相反的状态。由此，通过控制信号GH、GL、GH’和GL’分别控制开关Q1-Q10交替导通和关断可以使得电压调节器在第一状态和第二状态之间切换。

隔离电容C’一端与第二输出开关单元OUT2的输入端c连接，另一端与任意一个输入电容所连接的端连接。在图15中，隔离电容C’连接在端c和端n3之间。由此，隔离电容C’在建立由输出端口至输入端口的电流通路的同时，可以有效地隔离输入端口和输出端口。

图17是本发明第四实施例的电压调节器在第一状态下的等效电路图。在第一状态下，开关Q1、Q3、Q5、Q7和Q9导通，开关Q2、Q4、Q6、Q8和Q10关断。如图17所示，端a通过开关Q7连接到输出端口的端o1。同时，端c通过开关Q9连接到输出端口的端o2。输入端口和输入电容Cn3放电，对输入电容Cn1、储能电容C1-C3还有隔离电容C’充电，使得电流可以流过输出端口o1和o2，以在输出端口生成输出电压Vout。由此，形成多条电流回路。一条电流回路从输入端口开始，依次经由开关Q1、储能电容C1、开关Q7、输出端口o1和o2、开关Q9以及隔离电容C’回到端n3(输入端口接地端)。另一条电流回路从输入端口开始，依次经由输入电容Cn1、开关Q3、储能电容C2、开关Q7、输出端口o1和o2、开关Q9、隔离电容C’回到端n3。又一条电流回路从输入电容Cn3连接的端n2开始，依次经由开关Q5、储能电容C3、开关Q7、输出端口o1和o2、开关Q9、隔离电容C’回到端n3。假设流过输出端口的电流为1，则由输入端口流入的电流为2/3。流过输入电容Cn1的电流和流过输入电容Cn3的电流均为1/3。流过输入电容Cn2的电流为0。流过储能电容C1-C3的电流相同均为1/3。流过隔离电容C’的电流与流过输出端口的电流相同，也为1。

在图17所示的电路中：

Vcn1+Vcn2+Vcn3＝Vin

Vc1-Vc2＝Vcn1

Vc2-Vc3＝Vcn2

Vcn3-Vc3-Vc’＝Vout

图18是本发明第四实施例的电压调节器在第二状态下的等效电路图。在第二状态下，开关Q2、Q4、Q6、Q8和Q10导通，开关Q1、Q3、Q5、Q7和Q9关断。如图18所示，端a通过开关Q8连接到输出端口的端o2。同时，端c通过开关Q10连接到输出端口的端o1。输入电容Cn1、储能电容C1-C3以及隔离电容C’对输入端口、输出端口以及输入电容Cn3放电。由此，形成多条电流回路，流过各电容的电流方向相对于第一状态反向。同时，由于连接关系改变，虽然流过各电容的电流反相，但是，流过输出端口的电流方向保持不变。一条电流回路从储能电容C1开始，依次经由开关Q2、输入电容Cn1、输入端口n0和n3、隔离电容C’、开关Q10、输出端口o1和o2以及开关Q8回到电容C1。另一条电流回路从储能电容C2开始，依次经由开关Q4、储能电容Cn3、隔离电容C’、开关Q10、输出端口o1和o2以及开关Q8回到储能电容C2。又一条电流回路从储能电容C3开始，依次经由开关Q6、隔离电容C’、开关Q10、输出端口o1和o2以及开关Q8后回到储能电容C3。假设流过输出端口的电流为1，则流向输入端口的电流为1/3，流过输入电容Cn1和Cn3的电流为1/3。流过输入电容Cn2的电流为0。流过储能电容C1-C3的电流为1/3。流过隔离电容C’的电流与流过输出端口的电流相同，也为1。

在图18所示的电路中：

Vcn1+Vcn2+Vcn3＝Vin

Vc1-Vc2＝Vcn2

Vc2-Vc3＝Vcn3

Vc3+Vc’＝Vout

在电压调节器以较高的频率在第一状态和第二状态之间切换时，电容电压在不同状态间不会快速变化，因此，第一状态下的各参量与第二状态下的对应各参量基本相等。因此，综合上述公式可得：

Vcn1＝Vcn2＝Vcn3＝Vin/3

Vout＝Vcn3/2＝Vin/6

也就是说，本实施例的电压调节器的输出电压Vout为输入电压Vin的1/6。这与所设置的输入电容的数量的两倍对应。

以此类推，对于具有类似结构的电压调节器，在设置N个储能电容、N个输入电容和N个输入开关单元时，输出电压Vout为输入电压Vin的1/2N，其中，N为不小于1的自然数。由此，可以实现任意降压比的电压调节器。

同时，在不需要将输出端口和输入端口隔离时，上述实施例中的隔离电容可以被省略，而直接将输出端口的一端连接到N个输入电容所连接的任意一端来构建一个电流通路。图19是本发明第三实施例的电压调节器的电路图。如图19所示，在本实施例中，设置有N个输入电容Cn1-CnN、N个储能电容C1-CN和N个输入开关单元。其中输入电容Cn1-CnN依次串联连接在输入端口。N个储能电容一端连接在一起，另一端与对应的输入开关单元连接。各输入开关单元用于选择性地将储能电容Ci连接到对应的输入电容Cni的两端中的一端。同时，电压调节器还设置有第一输出开关单元和第二输出开关单元。第一输出开关单元用于选择性地将储能电容C1-CN相互连接的端a连接到输出端口的第一端o1或第二端o2。第二输出开关单元用于选择性地将端c连接到输出端口的第一端o1或第二端o2。与在前的实施例不同，在本实施例中未设置隔离电容，而是直接将原有与隔离电容连接的端c以及端nx(x＝0,1,2,…,N)通过导线连接或设置为同一个节点，直接形成电流流动的通路。基于类似的原理，本实施例的电压调节器的输出电压Vout为输入电压Vin的1/2N。类似地，未设置第二输出开关单元的电压调节器，也可以将输出端口的任一端与输入电容所连接的任意一端通过导线连接。

由此，在不需要输入输出端口隔离的情况下，可以减少器件数量，缩小电路占用的面积。

应理解，虽然本发明实施例中采用金属氧化物半导体晶体管(MOSFET)作为开关器件，但是，本领域技术人员也可以根据需要选择其它类型的可控开关器件作为本发明实施例的电压调节器中的开关，例如，双极性晶体管(BJT)以及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电压调节器，包括：

N个储能电容，具有相互连接的第一端；

N个输入电容，依次串联连接在输入端口的两端；

N个输入开关单元，每个输入开关单元并联连接至对应的一个所述输入电容，以将对应的储能电容的第二端选择性地连接到对应的输入电容的第一端或第二端；以及

第一输出开关单元，用于将N个储能电容相互连接的第一端选择性地连接到输出端口的第一端或第二端；

其中，所述输入开关单元和所述输出开关单元受控进行状态切换以使得所述电压调节器的输出电压和输入电压成比例，其中，N为大于1的自然数。

2.根据权利要求1所述的电压调节器，其特征在于，所述输出端口的第一端或第二端被连接至所述N个输入电容连接的任意一端。

3.根据权利要求1所述的电压调节器，其特征在于，所述电压调节器还包括：

至少一个隔离电容，连接在所述输出端口的任一端和所述N个输入电容连接的任意一端之间。

4.根据权利要求1所述的电压调节器，其特征在于，所述电压调节器还包括：

第二输出开关单元，并联连接至所述第一输出开关单元，用于将第二输出开关单元的输入端选择性地连接到输出端口的第一端或第二端。

5.根据权利要求4所述的电压调节器，其特征在于，所述第二输出开关单元的输入端被连接至所述N个输入电容连接的任意一端。

6.根据权利要求4所述的电压调节器，其特征在于，所述电压调节器还包括：

至少一个隔离电容，分别连接在所述第二输出开关单元的输入端和所述N个输入电容连接的任意一端之间。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的电压调节器，其特征在于，每个所述输入开关单元为包括第一开关和第二开关的半桥电路，其中，所述第一开关和所述第二开关的开关状态互补。

8.根据权利要求7所述的电压调节器，其特征在于，所述第一输出开关单元为包括第三开关和第四开关的半桥电路，其中，所述第三开关和所述第四开关的开关状态互补，所述第三开关和所述第一开关的开关状态相同。

9.根据权利要求4所述的电压调节器，其特征在于，所述第一输出开关单元为包括第三开关和第四开关的半桥电路；以及

所述第二输出开关单元为包括第五开关和第六开关的半桥电路；

其中，所述第三开关和所述第四开关的开关状态互补，所述第五开关和所述第六开关的开关状态互补，所述第三开关和所述第五开关的开关状态相同。

10.根据权利要求1所述的电压调节器，其特征在于，所述电压调节器还包括：

输出电容，连接在所述输出端口的两端。