CN108028600B - 开关电容器电力转换器 - Google Patents

Abstract

一种用于向负载提供电力的设备包括电力转换器，所述电力转换器接受第一形式的电力并提供第二形式的电力。所述电力转换器包括控制系统、串联的第一级和第二级。所述第一级接受所述第一形式的电力。所述控制系统控制所述第一级和所述第二级的操作。所述第一级是开关网络或调节网络。所述第二级在所述第一级是开关网络的情况下是调节电路，否则是开关网络。

Description

开关电容器电力转换器

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年7月8日提交的美国临时申请62/189,909的优先日期的权益，上述申请的内容通过引用而全文并入于此。

技术领域

本发明涉及电力转换器，特别地涉及dc-dc电力转换器。

背景技术

本领域已知，电气装置需要电力来进行工作。然而，一些电气装置比其它装置的适应性更广泛。例如，钨丝灯泡将在宽的电压范围内工作。尽管钨丝灯泡在低电压处可能变暗、并且在高电压处可能过早烧坏，但它不会简单地停止工作。

然而，数字电路在要求方面更挑剔。数字电路需要具有特定特性的电力。接收了达不到这些特性的处理器将不只是计算得更加缓慢。该处理器简直将会停机。

不幸的是，电力并不总是以基于微处理器的系统将认为是可接受的形式进行传递的。例如，在手持装置中，电池电压的范围从完全充电到几乎为零不等。因此，大多数这样的系统需要用于接受原始形式的电力、并将该电力以系统认为是更合适的形式传递至该系统的东西。

这一关键但不起眼的任务在于电力转换器。

已知多种电力转换器。这些电力转换器包括美国专利8,860,396、美国专利8,743,553、美国专利8,723,491、美国专利8,503,203、美国专利8,693,224、美国专利8,724,353、美国专利8,339,184、美国专利8,619,445、美国专利 8,817,501、美国公开2015/0077175以及美国专利9,041,459中所描述的电力转换器。所有上述专利的内容通过引用而并入于此。

发明内容

在一方面，本发明的特征在于一种用于向负载提供电力的设备。这种设备包括电力转换器，所述电力转换器接受第一形式的电力并提供第二形式的电力。所述电力转换器包括控制系统、以及串联的第一级和第二级。所述第一级接受所述第一形式的电力。所述控制系统控制所述第一级和所述第二级的操作。所述第一级是开关网络或调节网络。在所述第一级是开关网络的情况下，所述第二级是调节网络。另一方面，在所述第一级是调节网络的情况下，所述第二级是开关网络。

实施例包含所述控制系统至少部分地基于所述第一级和所述第二级之间测得的电压来进行控制的实施例。

实施例还包含所述第一级是调节网络的实施例、所述第一级是开关网络的实施例、以及所述第二级是诸如级联乘法器等的开关网络的实施例。在任一情况下，所述开关网络可以是级联乘法器。

在一些实施例中，所述级中的至少一个级包括具有第一端子和第二端子的开关网络。这些实施例包含这些端子分离的实施例、这些端子具有公共的接地的实施例、以及这些端子具有分离的接地的实施例。

在其它实施例中，所述级中的至少一个级包括具有第一开关电路和第二开关电路的开关网络，其中这两个开关电路各自具有第一端子和第二端子。在这些实施例中，所述第二开关电路的第一端子连接至所述第一开关电路的第二端子。这些实施例包含两个开关电路具有不同的电压变换比的实施例、以及两个开关电路具有相同的电压变换比的实施例。

在一些实施例中，所述开关网络包括串联的第一开关电路和第二开关电路，而在其它实施例中，所述开关网络包括串并联的第一开关电路和第二开关电路。

所述电力转换器的一些实施例还包括与所述第一级和所述第二级串联的第三级，使得所述第二级在所述第一级和所述第三级之间。这些实施例包括所述第一级和所述第三级是开关网络的实施例、所述第一级和所述第三级是调节网络的实施例、以及所述第三级以使所述第三级变成磁性过滤器的占空比工作的实施例。

在一些实施例中，所述开关网络包括级联乘法器。这些实施例包含级联乘法器是单相级联乘法器的实施例、级联乘法器非对称的实施例、级联乘法器是步降乘法器的实施例、以及级联乘法器是这些级联乘法器的任何组合的任何实施例。这些实施例还包括级联乘法器是双相级联乘法器的实施例。在这种情况下，级联乘法器可以是对称级联乘法器、或包括并联泵电容器的级联乘法器、或没有DC电容器的级联乘法器、

在上述实施例的一些实施例中，所述级联乘法器产生辅助电压以驱动附加电路。这些实施例包含包括被连接成由所述辅助电压驱动的电平移位器的实施例、以及门驱动器被连接成由所述辅助电压驱动的实施例。

在一些实施例中，所述开关网络包括第一双相级联乘法器和第二双相级联乘法器、以及由两个级联乘法器所共享的相位节点。在这些实施例中，堆叠在第二级联乘法器上的第一级联乘法器是异步的，并且该第二级联乘法器是同步的。这些实施例包含第一级联乘法器和第二级联乘法器以相同频率工作的实施例、以及第一级联乘法器和第二级联乘法器以不同的频率工作的实施例。

在一些实施例中，所述调节网络包括降压转换器。这些实施例包含所述降压转换器包括具有相同基准电压的第一端子和第二端子的实施例。示例包括所述降压转换器的第一端子和第二端子处于不同的基准电压的示例、所述降压转换器具有三个端子的示例、以及所述降压转换器具有处于浮动电压的浮动节点的示例。在具有浮动节点的实施例中，浮动节点可以在两个负载之间或者在两个源之间。

考虑了多种其它调节网络。这些调节网络包括降压-升压转换器、升压转换器、甚至是四端子非反相降压-升压转换器。

在使用升压转换器作为调节网络的一些实施例中，开关网络包括步降单相非对称级联乘法器。在这些实施例的一些实施例中，连接至所述调节网络的选择开关使所述开关网络输出其正常输出电压的一部分。在其它实施例中，所述开关被调整为使得与所述开关相对应的寄生二极管的阴极彼此连接。这些实施例包含所述第一级是调节网络的实施例。

实施例包括所述调节网络调节多个线的实施例、所述调节网络调节至多一个线的实施例、以及所述调节网络基于到所述调节网络的输入电压来调节多个线中的特定线的实施例。

实施例包含所述调节网络具有多个输出端口的实施例、以及所述调节网络是多抽头升压转换器的实施例。这些实施例包含所述开关网络包括单相步降开关电容器电路的实施例。

在另外的其它实施例中，所述电力转换器在地电位之上浮动。

在一些实施例中，所述开关网络是可再配置的。在其它实施例中，所述调节网络是可再配置的。在另外的其它实施例中，这两个网络都是可再配置的。在任一情况下，存在无论这两个网络中的哪一个网络可再配置、磁性过滤器都连接至该可再配置的一个网络的实施例。因此，磁性过滤器可以连接至可再配置的开关网络或可再配置的调节网络。

在一些实施例中，所述开关网络包括双相开关电容器电路。这些实施例包含所述开关电容器电路包括串联的泵电容器和串联的DC电容器的实施例。

在一些实施例中，所述开关网络包括包含DC电容器的双相开关电路，其中所述DC电容器仅在所述开关网络处于各状态之间的死区转变期间存储来所述调节网络的电荷。

在另外的其它实施例中，所述调节网络包括用于促进所述开关网络内的绝热电荷转移的电感器。

一些实施例还包括连接至所述开关网络以促进所述开关网络内的绝热电荷转移的磁性过滤器。这些实施例包含所述磁性过滤器连接在所述开关网络和负载之间的实施例、所述磁性过滤器连接在所述开关网络和源之间的实施例、以及所述调节网络和所述磁性过滤器进行协作以促进所述开关网络内的绝热电荷转移的实施例。

实施例还包括具有连接至所述开关网络以限制从所述开关网络流出的电流的电路的实施例、以及具有连接至所述开关网络以促进所述开关网络内的绝热电荷转移的电路的实施例。

在一些实施例中，所述开关网络包括两相步降开关网络，并且所述调节网络是步降网络。这些实施例包含所述开关网络包括级联乘法器的实施例。在包括级联乘法器的这些实施例中，所述调节网络可以包括降压转换器。这些实施例还包括调节网络促进绝热电荷转移的实施例。

在另外的其它实施例中，所述开关网络包括步降单相非对称级联乘法器，并且所述调节网络包括用于使电压步降的转换器。在这些实施例的一些实施例中，所述第一级是开关网络。

在一些实施例中，所述调节网络包括被配置为具有两种工作模式的多抽头降压转换器。这些实施例包含所述开关网络提供在工作中维持在不同电压的第一电压轨和第二电压轨的实施例。

另外的其它实施例是所述调节网络包括具有多个抽头、并且被配置为具有三种工作模式的降压转换器的实施例。这些实施例包含所述开关网络提供在工作中维持在不同电压的第一电压轨、第二电压轨和第三电压轨的实施例。

设备的其它实施例是所述开关网络包括两相开关电容器电路、并且所述调节网络是降压转换器的实施例。

实施例还包括所述调节网络包括并联的第一调节电路和第二调节电路的实施例。

在一些实施例中，所述电力转换器包括第一输出和第二输出。在工作中，所述第一输出和所述第二输出维持在相应的第一电压差和第二电压差。所述第一电压差是第一电压和第二电压之间的差，以及所述第二电压差是第三电压和所述第二电压之间的差。

在一些实施例中，所述调节网络包括并联的第一调节电路、第二调节电路和第三调节电路。

在其它实施例中，所述电力转换器包括第一输出、第二输出和第三输出。在工作中，所述第一输出、所述第二输出和所述第三输出维持在相应的第一电压差、第二电压差和第三电压差。所述第一电压差是第一电压和第二电压之间的差。所述第二电压差是第三电压和所述第二电压之间的差。并且所述第三电压差是第四电压和所述第二电压之间的差。

在一些实施例中，所述电力转换器具有第一端子和第二端子，使得在工作中，跨所述第一端子维持第一电压差并且跨所述第二端子维持第二电压差。所述第一电压差是第一电压和第二电压之间的差，所述第二电压差是第三电压和所述第二电压之间的差，其中所述第二电压是可变的。这些实施例中的一些实施例还具有用于提供第二电压的第三级。这些实施例还包括所述第三级包含开关模式电力转换器、开关电容器转换器、降压转换器或级联乘法器的实施例。

在一些实施例中，所述电力转换器被配置为提供具有非零DC偏移的AC 输出。

在其它实施例中，所述开关网络包括可再配置的异步级联乘法器，以及所述调节网络连接至所述开关网络以使得所述开关网络能够引起电压的步升或电压的步降。在一些情况下，所述调节网络包括四开关降压-升压转换器。

在另外的其它实施例中，所述第一级是包括以单相同步地进行工作的可再配置级联乘法器的开关网络，并且所述调节网络包括四开关降压-升压转换器。这些实施例包含所述调节网络在使得所述开关网络能够使电压步升或者使电压步降的点处连接至所述开关网络的实施例。

实施例还包括所述开关网络包含嵌入有电荷泵的级联乘法器的实施例。所述电荷泵可以具有多种特性。例如，所述电荷泵可以是可再配置的，或者所述电荷泵可以是分数电荷泵。可选地，嵌入的电荷泵在多种模式下进行工作，其中各模式与电压变换比相对应。或者，所述级联乘法器可以包括可再配置的两相异步步降级联乘法器。在这些实施例的任意实施例中，所述调节网络包括两相升压转换器。

在另外的其它实施例中，所述电力转换器的一些实施例还包括与所述第一级和所述第二级串联的第三级，其中所述第二级在所述第一级和所述第三级之间，其中所述第一级和所述第三级这两者都是开关网络。所述调节电路包括降压转换器，并且两个开关网络包括单相异步步升级联乘法器。这些实施例还包括位于所述调节网络的输出处的稳定电容器。

在另外的其它实施例中，所述电力转换器还包括与所述第一级和所述第二级串联的第三级，其中所述第二级在所述第一级和所述第三级之间。在这些实施例中，所述第一级和所述第三级是开关网络，所述调节电路包括降压 -升压转换器，第一开关网络包括单相异步步升级联乘法器，以及第二开关网络包括单相同步步升级联乘法器。这些实施例包含还具有位于所述调节网络的输出处的稳定电容器的实施例。

在一些实施例中，所述电力转换器还包括与所述第一级和所述第二级串联的第三级，其中所述第二级在所述第一级和所述第三级之间。所述第一级和所述第三级都是调节网络。然而，所述第一级包括升压转换器，并且所述第三级包括降压转换器。所述开关网络包括具有相等级数的第一级联乘法器和第二级联乘法器。这些实施例中的一些实施例还具有所述第一级联乘法器和所述第二级联乘法器所共享的相位泵。在其它实施例中，所述第一级联乘法器和所述第二级联乘法器以180度异相进行工作。并且在另外的其它实施例中，所述级联乘法器包括相应的第一开关栈和第二开关栈，以及所述开关网络的输出是所述第一开关栈的顶部和所述第二开关栈的顶部之间的电压差。

在一些实施例中，所述电力转换器还包括与所述第一级和所述第二级串联的第三级，其中所述第二级在所述第一级和所述第三级之间。在这些实施例中，所述第一级和所述第三级是调节网络，所述第一级包括三电平升压转换器，所述第三级包括降压转换器，以及所述开关网络包括具有不相等的级数的第一级联乘法器和第二级联乘法器。

在其它实施例中，所述开关网络接收具有第一部分和第二部分的电流，其中所述第一部分来自所述调节网络，并且所述第二部分绕过所述调节网络，其中所述第二部分大于所述第一部分。

在一些实施例中，所述电力转换器还包括与所述第一级和所述第二级串联的第三级，其中所述第二级在所述第一级和所述第三级之间。所述第一级是第一调节网络，所述第三级是第二调节网络，并且所述第一级包括升压转换器。所述第三级包括降压转换器。所述调节网络包括具有不相等的级数的乘法器。这些实施例包含所述第二级包括连接至所述第一级的附加电感器的实施例。

另外的其它实施例包括第三级。在这些实施例中，所述第一级包括调节网络，所述第三级包括调节网络，所述电力转换器向负载提供第一电压差，所述第一级向所述第二级提供第二电压差，所述第二级向所述第三级提供第三电压差，所述第一电压差是第一电压和第二电压之间的电压差，所述第二电压差是第三电压和第四电压之间的电压差，所述第三电压差是第五电压和第六电压之间的电压差，所述第四电压与所述第二电压不同，以及所述第六电压与所述第二电压不同。这些实施例包含所述第二级包括可再配置的开关网络的实施例。

在一些实施例中，所述第一级包括具有可再配置的双相级联乘法器的开关网络，其中该双相级联乘法器级联乘法器具有嵌入的、被配置为促进所述级联乘法器中的电容器之间的绝热电荷转移的电感器。在一些实施例中，所述电感器嵌入在恒定电流通过的位置处。这些实施例还包含所述第二级包括 zeta转换器的实施例、以及所述级联乘法器包括嵌入有电感器的相位泵的实施例。在这些实施例的其它实施例中，所述级联乘法器包括泵电容器，以及所述电感器嵌入在使所述电感器和泵电容器之间所通过的路径的数量最大的位置处。

在一些实施例中，所述开关网络包括具有串联的泵电容器的双相级联乘法器。这些实施例还包含所述开关网络包具有可变的转移功能的实施例、以及所述开关网络包括包含嵌入的电荷泵的相位泵的实施例。在后面这种情况下，嵌入的电荷泵包括开关组、泵电容器、以及控制器，所述控制器操作所述开关组以引起第一工作模式和第二工作模式之间的转变，其中所述第一工作模式和第二工作模式各自与所述级联乘法器的转移功能相对应。这些情况包括所述控制器操作所述开关组、以使得嵌入的控制器使所述级联乘法器具有该级联乘法器提供电压增益或电压衰减的转移功能的情况。

在另一方面，用于向负载提供电力的设备包括电力转换器，所述电力转换器接受第一形式的电力并提供第二形式的电力。所述电力转换器包括控制系统、串联的第一级和第二级。所述第一级接受所述第一形式的电力。所述控制系统控制所述第一级和所述第二级的操作。所述第一级是开关网络或调节网络。所述第二级在所述第一级是开关网络的情况下是调节电路，否则是开关网络。

根据以下具体实施方式和附图，这些和其它特征将显而易见。

附图说明

图1示出具有串联的调节电路和开关网络的电力转换器；

图2示出与图1所示的电力转换器相反的电力转换器；

图3示出具有包含两个串联的开关电路的开关网络的电力转换器；

图4示出具有包含两个串并联的开关电路的开关网络的电力转换器；

图5示出两个调节网络之间的开关网络；

图6示出两个开关网络之间的调节网络；

图7示出输入和输出相隔离的开关网络的等效电路；

图8示出输入和输出具有公共接地的开关网络的等效电路；

图9示出输入和输出具有非公共接地的开关网络的等效电路；

图10示出图1中的开关网络的第一实现；

图11示出图1中的开关网络的第二实现，其中该开关网络是具有并联泵电容器的双相对称级联乘法器；

图12示出图1中的开关网络的第三实现，其中该开关网络具有堆叠具有共享相位节点的双相对称级联乘法器上的双相非对称级联乘法器；

图13A示出图10中的电力转换器的变形；

图13B示出与图13A所示的电力转换器相似、但是调节网络和开关网络的顺序相反的电力转换器；

图14A示出图1中的开关网络的第二实现；

图14B和14C示出图14A所示的相位泵的实现；

图15A示出用于实现调节网络的降压转换器；

图15B～15C示出图15A中的降压转换器的非隔离变形；

图16A～16B示出用于实现前述电力转换器中的任意电力转换器中的调节网络的非隔离降压-升压转换器；

图17A～17B示出用于实现前述电力转换器中的任意电力转换器中的调节网络的非隔离升压转换器；

图18A～18B示出四端子非反相降压-升压转换器；

图19示出具有再配置开关网络的图1中的电力转换器；

图20示出具有再配置调节网络的图1中的电力转换器；

图21示出调节电路具有两个以上输出端口的电力转换器；

图22示出与图21所示的电力转换器相似、但是使用双相开关电容器电路而不是单相开关电容器电路的电力转换器；

图23示出在开关网络和负载之间具有磁性过滤器的电力转换器；

图24示出在开关网络和电源之间具有磁性过滤器的电力转换器；

图25示出被修改为在开关网络和负载之间包括磁性过滤器的图22中的电力转换器；

图26示出使用与步降调节网络串联连接的两相步降开关网络的电力转换器；

图27示出与图19所示的电力转换器相似、但是开关网络和调节网络的顺序相反的电力转换器；

图28示出调节网络是具有多个抽头的降压转换器的电力转换器；

图29示出与图28所示的电力转换器相似、但是使用具有四个抽头而不是三个抽头的降压转换器的电力转换器；

图30示出具有实现开关网络的两相开关电容器电路以及实现调节网络的降压转换器的图26中的电力转换器；

图31示出具有两个电压输出的电力转换器；

图32示出具有三个电压输出的电力转换器；

图33示出在地电位之上浮动的电力转换器；

图34是4开关降压-升压转换器实现调节网络、并且可再配置的单相非对称级联乘法器实现开关网络的实施例；

图35是双电感降压转换器实现调节网络、并且可再配置的双相非对称步升级联乘法器实现开关网络的图2中的电力转换器的特定实施例；

图36示出开关网络具有嵌入在级联乘法器中的单独电荷泵的电力转换器的实现；

图37示出图36中的嵌入的电荷泵；

图38示出降压转换器实现调节电路、单相非对称步升级联乘法器实现第一开关网络、并且单相对称步升级联乘法器实现第二开关网络的图6中的电力转换器；

图39示出用降压-升压转换器替代降压转换器的图38中的电力转换器；

图40示出具有相等级数的两个级联乘法器实现开关网络的电力转换器；

图41示出具有不相等的级数的两个级联乘法器实现开关网络的电力转换器；

图42示出进入开关网络的大部分电流绕过升压转换器的电力转换器；

图43示出具有浮动的调节网络和接地的开关网络的电力转换器；以及

图44示出嵌入在开关网络中的电感器促进该开关网络内的绝热电荷转移的图2中的实现。

具体实施方式

图1示出具有串联的两级的电力转换器。根据这两级内的电路的详情、以及控制器的操作，电力转换器将是dc-dc转换器、ac-dc转换器、dc-ac转换器或ac-ac转换器。

各级是调节网络16A或开关网络12A。所示的电力转换器将电压/电流变换的功能与调节的功能分离开。如图1所示，电力转换器通过提供与开关网络12A串联的调节网络16A来进行分离。这两级能够以相同的频率、以不同的频率、同相地、以及异相地进行工作。

仅为了清楚，示出电源14和负载18A。这些组件实际上不是电力转换器的一部分。它们仅表示要转换的电力的源、以及该电力的最终消耗者。这些组件和电力转换器之间的虚线表示这些组件是可选的。在该图和其它图中被示出为与虚线相连接的其它组件同样是可选的。例如，调节网络16A和开关网络12A之间的虚线也是可选的。

在图1中，电源14是电压源。然而，由于功率是电压和电流的乘积，因此电源14可以很容易成为电流源。合适电源14的示例包括但不限于电池、太阳能板、燃料电池和电源。

电源14无需传递恒定电力流。实际上，如果电源14传递恒定电力流，则电力转换器将几乎不是必需的。毕竟，电力转换器的任务是：尽管电源14所提供的电力流中存在变化，但是电力转换器仍然向负载18A传递具有特定特性的恒定电力流。电源14仅仅是电力源，或者相当地，由于电力是能量的时间导数，因此电源14是能量源。

负载18A可以是任何类型的电气负载。重要的是，负载18A是静能量消耗者。负载18A的示例包括微处理器、LED、RF PA或DSP。实际上，负载18A 可以甚至是另一电力转换器。

图中所示的箭头表示电力流动，而不是电力流动的大小。因此，各级可以是双向的。在这种情况下，如果负载18A供给电力，则负载18A用作电源 14、并且电源14用作负载18A。然而，在一些实施例中，一个或多个级是单向的。另外，存在如下的实施例，其中级可以是步升级、步降级或步升/步降级。

所示的调节网络16A本身可以包括两个或更多个构成调节电路，其中这些构成调节电路作为组合来进行工作以调节一些电气参数。这些调节电路可以具有不同的电压额定值，并且以不同的方式彼此连接。在一些实施例中，调节电路串联地连接。在其它实施例中，调节电路并联地、串并联地或者并串联地连接。

构成调节网络16A的调节电路可以是不同的类型。例如，调节网络16A 可以包括与线性调节器相组合的降压转换器。合适调节电路的示例包括降压转换器、升压转换器、降压-升压转换器、反激转换器、推挽转换器、正向转换器、全桥转换器、半桥转换器、多电平转换器(降压或升压)、谐振转换器、Cuk转换器、SEPIC转换器、Zeta转换器、以及线性调节器。

与调节网络16A一样，开关网络12A也可以由协作的开关电路的组合构成。这些单独的开关电路可以具有不同的变换比、相同的变换比和不同的电压额定值。这些开关电路还可以是不同种类的开关电路，诸如串并联或级联的乘法器电路。

级联乘法器包括开关栈、相位泵、泵电容器以及可选的dc电容器。相位泵包括进行协作以产生泵信号V_clk的开关对。一般来说，时钟的两个状态由短暂的死区分隔开，以允许瞬变等以衰减。在需要补充时钟信号的级联乘法器中，相位泵包括用以产生补充的另一开关对。开关栈是在级联乘法器的输入和输出之间所连接的一系列开关。

在开关电路是级联乘法器的这些情况下，开关电路可以是非对称的、对称的、泵串联的、或泵并联的。附加类型的开关电路包括串并联开关电路、并串联开关电路、倍压电路、以及Fibonacci电路。这些构成开关电路可以彼此串联地、串并联地、或者并串联地连接。所示电力转换器的一些配置允许绝热电荷转移入或转移出开关网络12A中的电容器。

其它配置的特征在于在转移电荷的过程中在两个或更多个状态之间转变的可再配置的开关网络12A。该电荷转移取决于跨电容器端子的电压。对开关网络12A进行再配置涉及：使网络中的开关改变状态，以使该电压发生变化。再配置可以例如发生在要改变开关网络12A的端口之间的电压或电流变换的情况下。

图1还示出电力转换器中的用于控制一个或多个级的操作的控制器。该控制器响应于I/O信号和时钟信号而进行工作。在一些实施例中，I/O信号是数字通信信号。时钟信号可以是来自时钟的信号，或者可以是来自一些模拟参考的信号。该时钟信号可以是用户所设置的信号。可选地，另一子系统设置该信号并将其发送至电力转换器。

在一些实施例中，控制器从电力转换器接收多个传感器输入，并且沿第一路径P1和第二路径P2而提供控制信号。被提供至传感器输入的传感器信号的示例是V_O、V_X、V_IN、I_IN、I_X和I_O。在前述传感器输入中，V_IN、V_X和V_O的负端子可以处于地电位、地电位之上或地电位之下，这取决于这些负端子的相应的调节电路和开关网络。实际上，由于电压反映两个点之间的势能的差，因此，地电位没有特别的特殊之处。

控制器的功能是控制调节网络16A和开关网络12A两者，以控制V_IN、I_IN、 V_O和I_O。在执行该控制时，控制器可以使用前馈控制或反馈控制。前馈控制涉及基于输入来选择输出控制信号，而反馈控制涉及基于输出来选择输出控制信号。

可适用的附加控制方法包括电压模式控制、电流模式控制、滞后控制、 PFM控制、脉冲跳跃控制、以及基于纹波的控制。在依赖于电压模式控制的实施例中，控制可以是线性的或非线性的。在依赖于电流模式控制的实施例中，控制可以基于电流的平均值或电流的峰值。

可以采用多种方式将调节网络和开关网络互连。图1、2、5和6示出四个基本的构建块。

特别地，图1示出与调节网络16A串联的开关网络12A，其中负载18A连接至开关网络12A、并且电源14连接至调节网络16A。

图2与图1相似，但是将电源14和负载18A交换。因此，在图2中，电源14 连接至开关网络12A，并且负载18A连接至调节网络16A。在由图1所示的电力转换器中的负载18A供给电力的情况下，结果是与图2所示的电力转换器等效的电力转换器。

如上所述，可以使开关网络12A包括两个或更多个开关电路。图3示出开关网络12A具有两个串联的开关电路的特定示例。各开关电路是一级。假设各级具有相同的开关电容器拓扑，所得到的开关网络12A利用相同数量的开关和电容器实现更大的变换比。可选地，开关网络12A可以实现相同的变换比，但是利用较少的开关和电容器。另一方面，图3所示的电力转换器的缺点在于与单级情况相比、两个级的至少一个级中的组件上的电压应力增加。

图4示出开关网络12A具有串并联连接的第一开关电路和第二开关电路的实施例。第一开关电路实现4:1的变换比，并且第二开关电路实现3:1的变换比。作为结果，调节网络16A和开关网络12A之间的中间电压V_X可以是输出电压V_O的任何部分。在所示的电力转换器中，中间电压V_X等于输出电压V_O。然而，如果第一开关电路提供4:1的变换比并且第二开关电路提供2:1的变换比，则中间电压V_X将会大于输出电压V_O。同样，如果第一开关电路提供4:1的变换比并且第二开关电路提供7:2的变换比，则中间电压V_X将会小于输出电压V_O。

图5和图6示出代表性的三级实施例。

图5中的实施例与图1中的实施例类似，但是包含连接至开关网络12A的附加调节网络16B。作为结果，开关网络12A在两个调节网络16A、16B之间。

相反，图6中的实施例与图2中的实施例类似，但是包含连接至调节网络 16A的附加开关网络12B。作为结果，调节网络16A在两个开关网络12A、12B 之间。

上述的四个构建块以各种方式组合。例如，将图5中的构建块与图1中的构建块进行组合将得到第一调节网络连接至第一开关网络的输入的电力转换器，其中该第一开关网络的输出连接至第二调节网络的输入。该第二调节网络的输出得到第二开关网络的输入。在所得到的电力转换器中，电源14连接至第一调节网络的输入，并且负载18A连接至第二开关网络的输出。

图7～9是适合对开关网络12A的行为进行建模的电路。特别地，开关网络 12A提供从第一电压V₁向第二电压V₂的电压转变，其中第二电压V₂和第一电压V₁按整数比率相关。常用的比率是1:3、1:2、1:1、2:1和3:1。输出电阻器 R_O考虑了由各种组件的有限电阻所引起的压降。例如，在旨在提供1:2的变换比的开关网络12A中，具有约1:1.9的实际变换比而不是理想的1:2比率将并不罕见。

图7所示的模型与图8～9所示的模型不同，这是因为第二电压V₂可以与第一电压V₁隔离。另外，可以任意地将第一电压V₁的负端子与第二电压V₂的负端子分离开。这可以通过使传统的开关电容器电路与电容隔离级相结合来实现。然而，这是以增加的组件成本、大小以及效率降低为代价的。

图8所示的模型因为其公共接地而与图7和图9所示的模型不同。在某些应用中期望公共接地。例如，诸如移动电话、平板电脑和笔记本等的依赖于电池许多装置在整个装置中使用相同的地电位。

图9所示的模型具有非公共接地。特别地，偏移电压V_off将第一电压V₁侧上的变换器绕组的负端子与第二电压V₂侧上的变换器绕组的负端子分离开。开关电容器拓扑设置偏移电压V_off的范围。这种设置偏移电压的能力在某些应用中是有利的。

图10示出图1中的开关网络12A的特定实现。在所示的实施例中，开关网络12A是具有第一组和第二组的一个或多个开关的步降单相非对称级联乘法器。在了解到各组开关可以由操作一致的多个开关实现的情况下，为方便起见，这些组的开关这里将被称为第一“开关”1和第二“开关”2。开关网络12A 还包括泵电容器C5～C7和dc电容器C1～C4。泵电容器C5～C7是并联的，因为它们的负端子都连接至泵信号V_clk。dc电容器C1～C4是并联的，因为它们的负端子接地。在工作中，这些dc电容器C1～C4存储来自泵电容器C5～C7的电荷。

在正常工作期间，开关网络12A以特定频率和占空比(诸如50％)在第一状态和第二状态之间交替。

在第一状态期间，第一开关1闭合，并且第二开关2断开。在第二状态期间，第一开关1断开，并且第二开关2闭合。第一开关1和第二开关2均在状态之间转变的频率可以与调节网络16A在状态之间切换的频率相同或不同。在这些频率可能相同的情况下，第一开关1和第二开关2与调节网络16A可能但不必同相。

泵电容器C5～C7随着泵信号V_clk在0伏和输出电压V_O之间交替而上下摆动。针对各时钟周期，电荷在泵电容器C5～C7和dc电容器C1～C4之间移动。在所示的特定实施例中，来自dc电容器C1的电荷在三个时钟周期之后到达最后一个dc电容器C4。总的来说，可以使用图9所示的变换比为1:1并且偏移电压V_off为3V_O的电路模型来对开关网络12A进行建模。

在图11所示的可选实施例中，开关网络12A是具有并联泵电容器的双相对称级联乘法器。所有的开关以结合图10所说明的相同方式进行工作。结合美国专利8,860,396中对图15的说明来说明级联乘法器，上述文献的内容通过引用而并入于此。

图11所示的实施例的特定特征是级联乘法器内不存在dc电容器(即，电容器C1、C2在输入端子和输出端子处)。结果，需要添加第一开关1A、第二开关2A和第一dc电容器C2。第一dc电容器C2的唯一功能是保持节点电压相对恒定。结果，第一dc电容器C2的电容取决于预期流入和流出第一dc电容器C2 的电荷量、以及节点电压的电压纹波要求。

在工作中，第一开关1A和第二开关2A决不会同时处于闭合状态。在可能大的程度上，使第一开关1A与第一开关组1同步，以使得：在第一开关1A 断开的情况下，第一开关组1中的所有开关都断开，并且在第一开关1A闭合的情况下，第一开关组1中的所有开关都闭合。同样，在尽可能大的程度上，使第二开关2A与第二开关组2同步，以使得：在第二开关2A断开的情况下，第二开关组2中的所有开关都断开，并且在第二开关2A闭合的情况下，第二开关组2中的所有开关都闭合。结果，在泵信号V_clk较高的情况下，泵电容器 C8连接至第一dc电容器C2。在泵信号V_clk较低的情况下，泵电容器C5连接至第一dc电容器C2。

图11所示的实施例的优点在于该实施例可以产生附加的dc电压。例如，可以跨第二dc电容器C3产生辅助电压。该辅助电压因此可用于驱动其它电路，包括诸如门驱动器和电平移位器等的电路、或者在工作期间将需要落在电力转换器的输入电压V_IN和输出电压V_O之间的电压的任何其它电路。

又一优点是可以使用第二dc电容器C3中所存储的电荷来供给线性调节器、从而产生调节后的电压。

在图12所示的又一实施例中，开关网络12A的特征在于堆叠具有共享相位泵节点(即泵信号V_clk及其补充)的双相对称级联乘法器上部的双相非对称级联乘法器。所有的开关以结合图10所说明的相同方式进行工作。

因为在所示实施例中共享节点，因此两个级联乘法器以相同的频率进行工作。然而，无需共享相位泵。

另外，在所示的特定实施例中，各级的变换比相对较低。然而，对于变换比没有特别的限制。例如，双相非对称级联乘法器将很有可能具有2:1的变换比，而双相对称级联乘法器具有10:1的变换比。

图12所示的结构的优点是对称级联乘法器没有dc电容器，并且与相应的非对称级联乘法器相比具有较少的开关。因此，图中所示的两者的组合具有较少的开关和较少的dc电容器。另一方面，第一开关S1和第二开关S2与其它开关相比阻断了两倍的电压。

图13A示出作为图10所示的电力转换器的变形的电力转换器。在图13A 所示的电力转换器中，跨dc电容器C1、C3而不是如图10所示跨dc电容器C1、 C2施加中间电压V_X。相应的电路模型将是图9所示的电路模型，但是具有2:1 的变换比和2V_O的偏移电压V_off。在一些情况下，根据调节网络16A的性质，图13A所示的配置与图10中的配置相比允许更宽的输入电压V_IN范围。

图13B示出与图13A所示的电力转换器相似、但是调节网络16A和开关网络12A的顺序相反的电力转换器。与图13A所示的、开关网络12A使电压步降的配置不同，在图13B所示的配置中，开关网络12A使电压步升。

图14A示出除了级联乘法器是两相级联乘法器而不是单相级联乘法器以外、与图10所示的电力转换器类似的电力转换器。另外，泵电容器C1～C3是串联的，而不是并联的。结果，泵电容器C1～C3避免了跨这些泵电容器C1～C3 具有过高的电压。另一方面，所需的电容比图10所示的开关网络12A中所需的电容更高。将泵电容器C1～C3串联连接的又一缺点是在电荷再分布期间在这些电容器之间发生绝热电荷转移的情况下，与这种再分布相关联的损耗比利用图10所示的开关网络12A时的损耗更大。

级联乘法器包括相位泵32。图14B～14C示出合适相位泵的示例。与传统的相位泵不同，图14B～14C所示的这些相位泵包括嵌入的电荷泵。所得到的相位泵可由此生成具有可变增益的泵信号。特别地，图14B所示的相位泵32 提供电压衰减；图14C所示的相位泵32提供电压增益。

图14B所示的相位泵32包括第一开关对1、第二开关对2、第三开关对3、第四开关对4、第一泵电容器C1和第二泵电容器C2。响应于接收到输出电压 V_O，所示的相位泵32产生泵信号V_clk及其补充。

在工作中，相位泵32在第一工作模式或第二工作模式下进行工作。在第一工作模式下，泵信号V_clk在0伏和V_O/2伏之间交替。在第二工作模式下，泵信号V_clk在0伏和V_O伏之间交替。

第一模式下的操作需要相位泵32根据表1A中的以下开关模式在四个状态之间转变：

状态	V<sub>clk</sub>	1	2	3	4
						第一	0V	关	开	开	关
第二	V<sub>O</sub>/2	关	开	关	开
						第三	0V	关	开	开	关
第四	V<sub>O</sub>/2	开	关	开	关

表1A

第二模式下的操作需要相位泵32根据表1B中的以下开关模式在两个状态之间转变：

状态	V<sub>clk</sub>	1	2	3	4
						第一	0V	关	开	开	关
第二	V<sub>O</sub>	开	关	关	开

表1B

第一模式和第二模式之间的切换使得相位泵32能够改变级联乘法器的转移功能。例如，如果如图14B所示地实现图14A中的相位泵32，则在第一模式下，变换比将是1:2并且具有2V_O伏的偏移电压V_off，但是在第二模式下，变换比将是1:1并且具有3V_O伏的偏移电压V_off。

图14C所示的相位泵32包括第一开关组1、第二开关组2、第一泵电容器 C1、以及第二泵电容器C2。响应于接收到输出电压V_O，所示的相位泵32产生泵信号V_clk及其补充。

在正常工作中，相位泵32在第一状态和第二状态之间转变。在第一状态期间，第一开关组1中的开关闭合，而第二开关组2中的开关断开。在第二状态期间，第一开关组1中的开关断开，而第二开关组2中的开关闭合。

与图14B所示的、提供具有低于输出电压V_O的峰值的交变信号的相位泵 32不同，该相位泵32提供具有高于输出电压V_O的峰值的交变信号。由于泵信号V_clk的峰值电压是输出电压V_O的两倍，因此图14C所示的相位泵32与使用两个开关对的标准相位泵相比产生更高的变换比和偏移电压V_off。

例如，如果如图14C所示地实现图14A所示的相位泵32，则与针对标准相位泵的具有3V_O伏的偏移电压V_off的变换比1:1相比、变换比将是具有5V_O伏的偏移电压V_off的2:1。

图15A示出可以与实现调节网络16A相结合地使用的降压转换器。该降压转换器与附录的表中的配置“A1”类似。

在图15A中，降压转换器具有输入端子、输出端子和公共负端子。公共负端子维持在公共电压V_com。输入端子维持在与公共电压V_com相差V₁伏的第一电压V₁。输出端子维持在与公共电压相差V₂伏的第二电压V₂。

降压转换器包括第一开关S1、第二开关S2、电感器L1和驱动器电路20A。驱动器电路20A接收控制信号VR，并且输出用于控制第一开关S1和第二开关 S2的合适电压。

输入端子和输出端子实际上无需共享公共负端子。事实上，具有两个开关S1、S2、电感器L1和四个端子的非隔离调节电路存在6个可能的配置。这些配置中的两个是降压转换器。图15B～15C中示出这两者。两个是图 16A～16B中所示的降压-升压转换器。并且剩余的两个是图17A～17B中所示的升压转换器。如果希望具有四个开关S1、S2、S3、S4，则会出现其它的可能性，其中两种可能性在图18A～18B中示出。

附录中示出除用于调节电路的上述配置以外的配置的示例。附录中所示的所有典型调节电路都可以在调节网络16A中使用。

图15B～15C所示的降压转换器各自具有正输入端子和输出端子以及其各自的负端子。为便于讨论，图15B～15C中的降压转换器的各端子处的电压已被指定了名称和实际值。各降压转换器具有第一开关S1和第二开关S2、电感器L1和驱动器电路20A。驱动器电路20A接收控制信号VR，并且作为响应而输出用于控制第一开关S1和第二开关S2的电压。驱动器电路20A参考接地电位(即，0V)，其中该接地电位是图15B中的负输入端子和图15C中的负输出端子。驱动器电路20A内可能需要电平移位器或自举电路以提供用以控制第一开关S1和第二开关S2的适当电压信号。

在工作中，图15B～15C中的降压转换器在第一状态和第二状态之间转变。在第一状态下，第一开关S1闭合，并且第二开关S2断开。在第二状态下，第一开关S1断开，并且第二开关S2闭合。在使用该调节网络16A的电力转换器中，正输出端子处的电压+V₂比正输入端子处的电压+V₁低。

在图15B所示的降压转换器中，携带浮动电压-V₂的负输出端子在两个负载18A和18B之间。另一方面，电压+V₂被限制在+V₁和-V₂之间浮动。在图15C 所示的降压转换器中，携带浮动电压-V₁的负输入端子连接在两个源14A和 14B之间。另一方面，电压+V₂被限制在+V₁和-V₁之间浮动。

图16A～16B示出用于实现调节网络16A的四端子降压-升压转换器。在图 16A中，电压-V₂在+V₁和+V₂之间浮动。在图16B中，电压-V₁在+V₁和+V₂之间浮动。

各降压-升压转换器具有第一开关S1和第二开关S2、电感器L1和驱动器电路20A，其中该驱动器电路20A接收控制信号VR、并且作为响应而输出用于控制开关S1、S2的电压信号。降压-升压转换器在第一状态和第二状态之间转变。在第一状态下，第一开关S1闭合，并且第二开关S2断开。相反，在第二状态下，第一开关S1断开，并且第二开关S2闭合。在使用该调节网络16A 的电力转换器中，正输出端子处的电压+V₂可以高于或低于正输入端子处的电压+V₁。

图17A～17B示出用于实现调节网络16A的升压转换器。在图17A所示的升压转换器中，电压+V₁在+V₂和-V₂之间。在图17B所示的升压转换器中，电压+V₁在+V₂和-V₁之间。

各升压转换器的特征在于第一开关S1和第二开关S1、电感器L1和驱动器电路20A，其中该驱动器电路20A接收控制信号VR、并且作为响应而输出适于驱动第一开关S1和第二开关S2的电压。

在工作中，各升压转换器在第一状态和第二状态之间转变。在第一状态下，第一开关S1闭合，并且第二开关S2断开。相比之下，在第二状态下，第一开关S1断开，并且第二开关S2闭合。在使用图17A或17B中的升压转换器所实现的调节网络16A中，正输出端子处的电压+V₂比正输入端子处的电压 +V₁高。

调节网络16A还可以使用非隔离调节电路来实现，其中该非隔离调节电路具有第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、电感器L1、和四个端口。附录的表中示出多种配置。

图18A～18B示出这种四端子非反相降压-升压转换器的两个实施例，其中各实施例可以根据开关配置在降压模式或升压模式下进行工作。在降压模式下，调节器使电压步降，而在升压模式下，调节器使电压步升。

在降压模式下进行工作的情况下，第一开关S1闭合，并且第二开关S2 断开。然后操作剩余的开关以在第一状态和第二状态之间转变。在第一状态下，第三开关S3闭合，并且第四开关S4断开。在第二状态下，第三开关S3 断开，并且第四开关S4闭合。在降压模式下，+V₂<+V₁，而-V₂<+V₁。

在升压模式下进行工作的情况下，第三开关S3闭合，而第四开关S4断开。然后操作剩余的开关以在第一状态和第二状态之间转变。在第一状态下，第一开关S1闭合，并且第二开关S2断开。在第二状态下，第一开关S1断开，并且第二开关S2闭合。在升压模式下进行工作的情况下，+V₂>+V₁，而-V₂<+V₁。

期望沿图18A～18B所示的线路的转换器，这是因为该转换器扩宽了其端子处的可接受电压极限。然而，这是以增加的组件成本、大小以及效率降低为代价的。

图10～13B所示的电力转换器的缺点是偏移电压V_off固定为输出电压V_O的特定部分。例如，在图10所示的电力转换器中，偏移电压V_off是4V_O。在图13A、13B所示的电力转换器中，偏移电压V_off是2V_O。这在输入电压V_IN或输出电压V_O被限制在窄范围内的情况下是可接受的。然而，如果输入电压V_IN或输出电压 V_O在比该窄范围宽的范围内变化，则这可以将调节网络16A置于与其特定实现相关联的可接受电压极限之外。这样导致开关的工作范围或过电压中的间隙。

图19所示的电力转换器克服了以上缺点。所示的电力转换器是图1所示的一种电力转换器，其中开关网络12A是使用具有选择开关S3～S10的步降单相非对称级联乘法器而实现的，并且调节网络16A是使用图17A所示的调节电路而实现的。

所示的开关网络12A是可再配置的开关电容器网络的示例。存在用以实现这种可再配置开关电容器网络的多种方式。实际上，原则来说，如果可以添加任意数量的开关，则可以存在用以实现这种可再配置的开关电容器网络的有限数量的方式。

调节网络16A包括第一有源开关3和第二有源开关4以及电感器L1。第一有源开关3和第二有源开关4以特定占空比和频率在第一状态和第二状态之间循环。

根据输入电压V_IN和输出电压V_O所设置的所需偏移电压V_off，可以通过选择性地启用和禁用选择开关S3～S10来将该偏移电压V_off设置为输出电压V_O的一部分。特别地，表2中示出各选择开关针对各种偏移电压V_off的状态：

V<sub>LX</sub>

V<sub>off</sub>

S3

S4

S5

S6

S7

S8

S9

S10

V<sub>1</sub>/V<sub>2</sub>

3V<sub>4</sub>

开

关

关

关

开

关

关

关

V<sub>2</sub>/V<sub>3</sub>

2V<sub>4</sub>

关

开

关

关

关

开

关

关

V<sub>3</sub>/V<sub>4</sub>

1V<sub>4</sub>

关

关

开

关

关

关

开

关

V<sub>4</sub>/gnd

0V

关

关

关

开

关

关

关

开

表2

一些禁用的开关(即，“关断”)将看到与调节网络16A中的有源开关相比更高的电压。

例如，假设V₄等于1伏。则V₃等于2伏，V₂等于3伏，并且V₄等于4伏。在表2的第一行所述的模式下进行工作的情况下，开关S3和S7开启：开关S6跨自身具有3伏，并且开关S5跨自身具有2伏，而有源开关3、4跨自身仅具有1 伏。一般来说，选择开关S3～S10将必须具有比有源开关3、4更高的电压额定值，或者将需要被实现为级联的低压开关。

该电路的另一个问题是跨选择开关S3～S10的电压可以改变极性。这种极性的改变造成了困难，这是因为MOSFET具有与之并联的寄生二极管，其中寄生二极管的极性取决于MOSFET的主体接触的连结位置。例如，在一个实施例中，调节网络16A的第一有源开关3是具有寄生二极管D1的MOSFET，其中该寄生二极管D1的正端子连接至电感器L1。结果，第一有源开关3可以仅阻断有源开关3的输出侧的端子处的、比有源开关3的电感器侧处的电压更高的电压。因此，选择开关S3～S10必须能够在两个方向上进行阻断。为此的一种方式是使两个开关背对背连接，其中以相应的寄生二极管的阴极(负端子)彼此连接的方式连结主体。为此的另一种方式是提供用于动态改变的寄生二极管的极性的电路，例如提供主体抓取器(body-snatcher)电路。

所示的电力转换器还包括(美国专利8,619,445中所描述的)用以在故障的情况下保护该电力转换器中的低压开关的断路开关S11。断路开关S11必须是高压开关以实现该功能。由于该开关并非常规地工作，因此可以将其做得较大以减少电阻。然而，这样做增大了模具成本。

在一些实践中，由于升压转换器仅在其占空比介于约5％和95％之间的情况下才实用，因此在可用输出电压的空间中将存在间隙。

存在至少两种用以填充这些间隙的方式。第一种方式是按压断路开关 S11以用作调节网络16A的输入处的线性调节器。另一种方式是将线性调节器放置在调节网络16A的输出处。这些方式都是以效率为代价的。在这两种方式中，优选将线性调节器放置在输入处，这是因为这样做与将线性调节器放置在输出处相比对效率的损害较小。

原则上，可以对调节网络16A或开关网络12A进行再配置。图20示出调节网络16A被配置为根据电力转移的方向来接受或产生电压V₁～V₄的电路。在工作中，调节网络16A调节至少一个线。然而，在一些实施例中，调节网络 16A调节一个以上的线。在调节网络16A调节一个以上的线的这些实施例中，调节网络16A根据输入电压V_IN的值来这样做。例如，如果输入电压V_IN较低，则调节网络16A将调节V₃。如果输入电压V_IN较高，则调节网络16A将调节V₁。该调节网络16A而不是开关网络12A进行再配置。

代替使用一系列选择开关来向具有两个输出端口的调节网络16A呈现不同的电压(如图19所示)，还可以使用具有两个以上的输出端口的调节网络 16A。图21示出具有这种配置的电力转换器。

图21所示的电力转换器包括可再配置的开关网络12A和可再配置的调节网络16A。利用再配置开关在两种情况下执行再配置。网络的实际操作中不涉及这些再配置开关。这些再配置开关的功能是在网络上选择不同的抽头点。

在图21所示的电力转换器中，可再配置的开关网络12A是单相步降开关电容器电路。可再配置的调节网络16A是具有有源开关S1～S5、共源共栅开关S6、电感器L1和断路开关S11。

在正常工作期间，有源开关S1～S5中仅两个有源开关正以相同的特定频率断开和闭合。剩余的有源开关禁用。升压转换器连接至开关网络12A上的多个抽头。这使得升压转换器能够通过控制所启用的有源开关的时间比来调节两个dc电容器之间的电压差。这种控制得到调节后的输出电压V_O。由于两个dc电容器之间的电压差是输出电压V_O，因此有源开关S1～S5仅需支持作为低电压的输出电压V_O。在所示的示例中，各有源开关S1～S5仅需支持1伏。然而，所禁用的开关通常会看到更高的电压。开关网络12A内的选择开关 S6～S10阻断该电压，从而使所禁用的有源开关无需承受该电压。

以下的表3示出用以实现特定的LX信号V_LX的开关的适当配置。

V<sub>LX</sub>

S1

S2

S3

S4

S5

S6

S7

S8

S9

S10

V<sub>1</sub>/V<sub>2</sub>

3

4

关

关

关

关

开

开

关

关

V<sub>2</sub>/V<sub>3</sub>

关

3

4

关

关

关

关

开

开

关

V<sub>3</sub>/V<sub>0</sub>

关

关

3

4

关

关

关

关

开

开

V<sub>0</sub>/gnd

关

关

关

3

4

开

关

关

关

开

表3

断路开关S11额定处理最高电压。该断路开关S11的功能是使输入与输出断开连接。然而，该断路开关S11还可以在启动期间、电源对地短路期间使用，并且以结合图19所讨论的方式用作线性调节器。

图21中的电力转换器具有与图19所示的电力转换器相同数量的开关。然而，该电力转换器具有较少的高压开关。特别地，图19所示的电力转换器具有8个高压开关，而图21中的电力转换器仅具有5个高压开关。另一方面，图 19所示的电力转换器仅具有两个有源开关，而图21中的电力转换器具有5个有源开关。这意味着，图19所示的电力转换器需要较少的门驱动器和较少的电平移位器。

在这两种情况下，选择开关必须能够在两个方向上进行阻断。因此，图 19中的电力转换器和图21中的电力转换器这两者都包括双向开关或主体抓取器。

图21中的电力转换器的一个缺点是有源开关看到正极性和负极性。这使得与对图19所示的电力转换器进行再配置相比、对图21中的电力转换器进行再配置的难度更大且成本更高。

图22示出除了开关网络12A被实现为双相开关电容器电路而不是单相开关电容器电路以外、与图21所示的电力转换器类似的电力转换器。另外，泵电容器C4～C9和dc电容器C0～C3都是串联的。这意味着，它们的负端子没有固定到公共电压。尽管存在这些差异，但图21～22所示的电力转换器以类似的方式进行工作。

图22所示的开关网络12A与图21所示的开关网络12A相比具有更多的组件。然而，图22所示的双相开关网络12A中的各dc电容器与图21所示的单相开关网络12A中的相应dc电容器相比可以具有更小的电容。这是因为，在图 21所示的单相开关网络12A中，dc电容器存储来自泵电容器的电荷。相比之下，在图22中的双向开关网络12A中，dc电容器在开关网络12A在第一状态和第二状态之间转变的死区期间仅存储来自升压转换器的电荷。

在至此为止描述的电力转换器中，开关网络12A中的电容器的绝热充电和放电可以通过调节网络16A中的电感器来进行。然而，可以通过提供单独的磁性过滤器来分离实现绝热电荷转移和调节的功能。在图23中，图1的电力转换器被修改为在负载18A和开关网络12A之间包括磁性过滤器。在图24 中，图1的电力转换器被修改为在电源14和开关网络12A之间包括磁性过滤器。

还可以将磁性过滤器并入到图5～6所示的电力转换器中。实际上，当图5 所示的第二调节网络16B的占空比接近100％时，该第二调节网络16B有效地变成磁性过滤器。对于如图15C所示而实现的调节网络16A，第二调节网络 16B可以通过永久地闭合第一开关S1并且断开第二开关S2而变换为磁性过滤器。

在一些实施例中，即使在存在磁性过滤器的情况下，调节网络16B也参与实现绝热电荷转移。例如，磁性过滤器可以使第一电容器绝热地进行充电，而调节网络16A使相同的第一电容器绝热地进行放电，或者反之亦然。

图25示出被修改为在开关网络12A和负载18A之间包括磁性过滤器的图 22中的电力转换器。所示的磁性过滤器包括电感器L2和电容器C0。如图 23～24所述，磁性过滤器的存在提供了开关网络12A中的电容器的绝热充电和放电。磁性过滤器限制开关网络12A的输出处的电流的流动，从而减少开关网络12A中的电容器之间的再分布电流、并因此减少由这种再分布引起的损耗。

磁性过滤器的使用提供了另一种跨越间隙的方式，其中该间隙是在为满足电压需求、调节网络16A将必须以其可允许的占空比范围以外的占空比进行工作的情况下所产生的。在没有磁性过滤器的实施例中，通过使用作为线性调节器的开关来填充这些间隙。然而，线性调节器是低效的。

在磁性过滤器可用的情况下，可以通过对开关网络12A的输出进行斩波并使该输出通过磁性过滤器以产生dc输出，来避免使用低效的线性调节器跨越间隙。在一些实施例中，开关网络12A中的开关执行斩波。在其它实施例中，可以添加附加开关S12以辅助斩波。注意，所示与虚线相连接的元件是可选的。在降压-升压转换器实现调节网络16A的这些实施例中，既不需要线性调节器也不需要开关网络12A处的电压斩波。

以下的表4总结了两个实施例的操作，其中一个实施例具有附加开关 S12、另一实施例没有附加开关S12。表中的选项1表示开关网络12A中的开关如何在第一状态和第二状态之间进行转变以执行斩波。选项2表示附加开关S12的使用如何有效地在第一状态和第二状态之间添加第三状态。选项2 的益处是，该选项2避免了具有两个串联连接的开关导电，从而减少损耗。另外，选项2提供了当开关网络12A在两个状态之间转变时可以进行导电的体二极管。

状态3

1A

2A

1B

2B

1

2

S12

选项1

开

开

开

开

关

关

-

选项2

关

关

关

关

关

关

开

表4

图26示出使用与步降调节网络16A串联连接的两相步降开关网络12A来将输出电压V_O限制到2伏和4伏之间的电力转换器。开关网络12A可以是任何类型。然而，一个好的选择是级联乘法器，这部分是因为调节网络16A由此将会允许开关网络12A中的电容器之间的绝热电荷转移。具有第一开关3和第二开关4、电感器L1以及电容器C1的降压转换器实现调节网络16A。

在正常工作期间，调节网络16A以特定频率和占空比在第一状态和第二状态之间交替，其中占空比确定变换比。在第一状态期间，第一开关3闭合，并且第二开关4断开。在第二状态期间，第一开关3断开，并且第二开关4闭合。

图27示出与图19中所示的电力转换器相似、但是使用宽输出电压V_O范围而不是宽输入电压V_IN范围的电力转换器。与图19中的电力转换器不同，图27 中的电力转换器具有使电压步降而不是步升的调节网络16A。另外，开关网络12A和调节网络16A的顺序与图19中所示的顺序相反。所得到的配置实现开关网络12A中的至少一些电容器之间的绝热电荷转移。

图27中的电力转换器的操作沿着结合图19所阐述的线路进行。特别地，控制器根据表2中的定时模式来控制开关。

用以获得宽电压范围的另一种方式是使用步降开关网络12A并且实现具有带多个抽头的降压转换器的调节网络16A，如图28所示。开关网络12A获得输入电压V_IN并且提供两个电压轨：2伏的第一轨和4伏的第二轨。降压转换器的特征在于如下的两种工作模式：LX信号V_LX在开关循环期间在0伏和2伏之间交替的第一模式、以及LX信号V_LX在开关循环期间在2伏和4伏之间交替的第二模式。表5中阐述了开关的定时模式，其中标记为“开”的开关在整个开关循环期间是闭合的，并且标记为“关”的开关在整个开关循环期间是断开的。

V<sub>LX</sub>

1A

2A

1B

2B

1C

2C

0V/2V

3

4

开

关

开

关

2V/4V

开

关

3

4

关

开

表5

图28所示的电力转换器的优点是各开关仅需支持2伏。另外，开关被配置为避免对主体抓取器电路的需求。开关1B和2A特别地具有指向彼此的体二极管、并因此阻断具有任何极性的电压。

为了获得比图28所示的电力转换器给出的输出范围更宽的输出范围，尽管以更多的开关为代价，但是可以实现包含具有三种而非两种的工作模式的降压转换器的调节网络16A。否则，操作与结合图28所述的操作类似。

在图29中，开关网络12A保持分别将三个电压轨保持在2伏、4伏和6伏。在第一工作模式下，LX信号V_LX在开关循环期间在0伏和2伏之间交替。在第二工作模式下，LX信号V_LX在开关循环期间在2伏和4伏之间交替。在第三工作模式下，LX信号V_LX在开关循环期间在4伏和6伏之间交替。

表6中示出三种工作模式的定时图：

V<sub>LX</sub>

1A

2A

1B

2B

1C

2C

1D

2D

0V/2V

3

4

开

关

关

关

开

关

2V/4V

开

关

3

4

开

关

关

关

4V/6V

关

关

关

开

3

4

关

开

表6

表6中被标记为“开”的开关在整个开关循环期间是闭合的。标记为“关”的开关在整个开关循环期间是断开的。如显而易见的，各开关仅需支持至多 2伏。另外，开关被适当地配置为使得无需主体抓取器电路。特别地，开关对1B、2A和开关对1C、2B示出指向彼此的两个体二极管。这些开关对因此可以阻断任何极性的电压。

图30示出具有实现开关网络12A的两相开关电容器电路以及实现调节网络16A的降压转换器的图26中的电力转换器。

具有两种工作模式的降压转换器在表5所示的开关配置之间交替。在第一模式下，LX信号V_LX在开关循环期间在0伏和2伏之间交替。在第二模式下， LX信号V_LX在开关循环期间在2伏和4伏之间交替。标记为“开”的开关在整个开关循环期间是闭合的，并且标记为“关”的开关在整个开关循环期间是断开的。各开关仅需能够支持2伏。在正常工作期间，开关网络12A以特定频率和占空比在第一状态和第二状态之间交替。在一些实施例中，占空比是50％。

图31示出具有并联的第一调节器和第二调节器的电力转换器。该电力转换器提供第一输出和第二输出。在所示的特定示例中，第一输出V_O1在4伏和 2伏之间，而第二输出V_O2在2伏和0伏之间。

第一调节器包括第一开关3和第二开关4、以及第一电感器L1。第二调节器包括第三开关5和第四开关6、以及第二电感器L2。

在正常工作期间，第一调节器以特定频率和占空比在第一状态和第二状态之间交替。该占空比确定变换比。在第一状态期间，第一开关3闭合，并且第二开关4断开。在第二状态期间，状态相反。第二调节器以相同的方式与替代第一开关3的第三开关5和替代第二开关4的第四开关6一起工作。开关网络12A、第一调节器和第二调节器能够以相同或不同的频率或者以它们之间的任意相位差进行工作。

图32示出具有多个输出电压的另一实施例。在这种情况下，存在与三个输出电压V_O1、V_O2和V_O3相对应的三个调节网络16A、16B和16C。与图31所示的电力转换器不同，这些电压的底端受到较少限制。

图33示出与调节网络16A串联的开关网络12A在地电位之上浮动的电力转换器。开关网络12A和调节网络16A浮动的电压来自第三级。该第三级可以使用诸如降压转换器等的开关模式电力转换器、或诸如级联乘法器等的开关电容器转换器、或任何其它类型的电力转换器来实现。所得到的串联连接的级提供比它们通常能够提供的输出电压更高的输出电压。图中提供了典型的电压。特别地，在图33中，第三级产生2伏的轨。这有效地使输出电压V_O升压2伏。

图33所示的配置的优点是跨调节网络16A的端子仅必须施加低电压。因此，只需要低压晶体管。这些低压晶体管开关得非常快。结果，可以减少电感器的大小。

图34～44示出具有以下将要说明的特定特征的附加实施例。除了转变之间的短暂死区(在该死区期间，所有的开关都断开以避免由实际开关的有限开关时间所引起的困难)以外，开关组1和开关组2中的所有开关总是处于相反的状态，开关组3和开关组4中的所有开关总是处于相反的状态，并且开关组5和开关组6中的所有开关总是处于相反的状态。

图34示出4开关降压-升压转换器实现调节网络16A、并且可再配置的单相非对称级联乘法器实现开关网络12A的实施例。在该电力转换器中，调节网络16A连接至开关网络12A内的级联乘法器的中间，从而使得开关网络12A 能够使电压步升或步降。

调节网络16A包括电感器L1、第一开关3、第二开关4、第三开关5和第四开关6。

在调节网络16A在其升压模式下进行工作的情况下，中间电压V_X比输入电压V_IN高。在该模式下，第三开关5和第四开关6是有源的，第一开关3是闭合的，并且第二开关4是断开的。

相反，在调节网络16A在其降压模式下进行工作的情况下，中间电压V_X比输入电压V_IN低。在该模式下，第一开关3和第二开关4是有源的，第三开关 5是闭合的，并且第四开关6是断开的。

另一方面，开关网络12A包括第一开关组1和第二开关组2、四个选择开关S1～S4、四个dc电容器C1～C4、以及三个泵电容器C5～C7。四个dc电容器 C1～C4上的电压分别是4/2V_X、3/2V_X、2/2V_X和1/2V_X。

在工作中，四个选择开关S1～S4选择开关网络12A内的不同dc电容器 C1～C4，以呈现给负载18A。通过根据不同的模式适当地设计选择开关S1～S4 的启用和禁用，可以产生具有dc偏移的ac输出。这对于向RF功率放大器提供电力时的包络跟踪特别有用。

图35示出图2中的实施例的如下变形，其中在该变形中，双电感降压转换器实现调节网络16A，并且可再配置的双相非对称步升级联乘法器实现开关网络12A。

调节网络16A是具有第一电感器L1、第二电感器L2、第一电容器C0、第一开关3和第二开关4的双电感降压转换器(如附录的表中的配置“C1”所示)。在一些实施例中，第一电感器L1和第二电感器L2是非耦合的。在其它实施例中，第一电感器L1和第二电感器L2是耦合的。这些实施例包括使用正耦合和负耦合的实施例。

与单电感器降压转换器不同，向双电感转换器的输入电流相对恒定。这导致通过开关网络12A的均方根电流(rms current)较低。连接至开关网络12A 的两个端子引导相对恒定的电流。由于这种行为、并且由于泵电容器将总是可用于向各电感器馈电，因此双电感降压转换器最好与全波级联乘法器一起使用。还可以使用半波级联乘法器。然而，在该情况下，泵电容器将仅在一半时间向电感器馈电。这需要提供高电容dc电容器。

开关网络12A包括第一开关组1和第二开关组2、八个选择开关S1～S8、四个dc电容器C1～C4、以及六个泵电容器C5～C10。

向开关网络12A馈电的第三电感器L3促进开关网络12A内的绝热电荷转移。由于第三电感器L3仅过滤开关网络12A的输入处看到的电容器上的电压纹波、并且由于第三电感器L3不具有跨自身的特别大的电压，因此该第三电感器L3具有比调节网络16A内所需的电感小得多的电感。

启用和禁用不同的选择开关S1～S8对开关网络12A进行再配置，从而使得能够改变开关网络12A的偏移电压V_off。表7示出用于实现四种不同偏移电压的开关模式。

V<sub>off</sub>

S1

S2

S3

S4

S5

S6

S7

S8

3V<sub>4</sub>

开

关

关

关

开

关

关

关

2V<sub>4</sub>

关

开

关

关

关

开

关

关

1V<sub>4</sub>

关

关

开

关

关

关

开

关

0V

关

关

关

开

关

关

关

开

表7

在所示的特定示例中，连接至电力转换器的输出的负载包括彼此串联连接、并且通过偏置了电压V_B的晶体管与电流路径串联连接的多个发光二极管。这允许控制LED电流，因而使得能够控制与LED电流I_LED成比例的LED 的亮度。用以控制LED电流I_LED的电力转换器和电路的组合(相当于电流宿(current sink))通常被称为LED驱动器。在大部分实施例中，电流宿比单个晶体管稍微更复杂。然而，图35所示的原理也适用于这些情况。

代替如参考图19所讨论地使用线性调节器来填充间隙，可以使用沿图35 所示的线路的电流宿。然而，这也是稍微低效的方法。

在图36中示出的图1的电力转换器的另一实施例中，两相升压转换器实现调节网络16A，而可再配置的双相非对称步降级联乘法器实现开关网络 12A。所示的特定级联乘法器的特征在于嵌入的可再配置分数电荷泵22。

两相升压转换器包括第一电感器L1、第二电感器L2、第一开关5、第二开关6、第三开关7和第四开关8。调节网络16A内的电路20A经由第一路径P1 接收来自控制器的控制信号。在正常工作期间，电路20A向第一开关5和第二开关6提供第一驱动信号，并且向第三开关7和第四开关8提供第二驱动信号。第一驱动信号和第二驱动信号是相位正交的。对开关4～8进行开关的占空比的控制调节了输出电压V_O。

开关网络12A包括六个选择开关S1～S6、六个泵电容器C5～C10、四个dc 电容器C1～C4、第一开关组1和第二开关组2、以及电路20B，其中电路20B 基于沿路径P2从控制器接收到的控制信号，来向第一开关组1和第二开关组 2、并且向六个选择开关S1～S6提供驱动信号。

可再配置分数电荷泵22具有多个模式。在这里描述的特定示例中，模式是1:1模式和3:2模式。

可再配置分数电荷泵22使得其所嵌入至的父级联乘法器能够输出半比。表8示出父级联乘法器的可用变换比(V₄:V_O)、以及为实现这些变换比所需的嵌入的可再配置分数电荷泵22的开关状态和变换比。

V<sub>4</sub>:V<sub>O</sub>

S1

S2

S3

S4

S5

S6

22

4.5:1.0

开

关

关

开

关

关

3:2

4.0:1.0

开

关

关

开

关

关

1:1

3.5:1.0

关

开

关

关

开

关

3:2

3.0:1.0

关

开

关

关

开

关

1:1

2.5:1.0

关

关

开

关

关

开

3:2

2.0:1.0

关

关

开

关

关

开

1:1

表8

提供半比的特定益处是所得到的电力转换器在没有结合图36所述的间隙的情况下进行工作。

例如，假设输出电压V_O是1伏，并且输入电压V_IN是3.5伏。变换比4:1。这要求50％的占空比，其中该占空比正好在调节电路(即，双相升压转换器) 的允许范围内。

现在假设输入电压V_IN降至3.05伏。此时，调节电路处所需的占空比将降至低于可接受极限的5％。通常，这将导致间隙。但对于图36所示的电路并不会导致间隙。这是因为仅需切换到3.5:1变换比。这使所需的占空比提高回 65％，这使其回到调节电路的允许范围内。

另外，为了消除间隙，提供半比的能力使得调节电路能够以25％和75％之间的占空比运行。这具有许多益处，包括减少均方根电流并因此提高效率。

图37示出图36所示的可再配置分数电荷泵22的详情。可再配置电荷泵22 包括第一开关组2、第二开关组4、选择开关S0、dc电容器C1、以及第一泵电容器C2和第二泵电容器C3。可再配置分数电荷泵22被连接成具有输入电压 V₁、输出电压V₂和接地V₃。

可再配置分数电荷泵22在第一模式或第二模式下进行工作。在第一模式下进行工作时，可再配置分数电荷泵22提供3:2的变换比V1:V2。在第二模式下进行工作时，变换比是1:1。

为了在第一模式下进行工作，选择开关S0断开，并且第一开关组3和第二开关组4以某一特定频率进行开关断开和闭合。在一些实施例中，开关以50％的占空比断开和闭合。第一开关组3和第二开关组4总是处于相反的状态。

为了在第二模式下进行工作，选择开关S0闭合，并且第一开关组3和第二开关组4断开。

图38～39示出调节网络16A在第一开关网络12A和第二开关网络12B之间的、图6所示的电力转换器的可选实施例。该配置使得至少一个开关网络12A、 12B能够绝热地进行充电。另外，整体变换比变成第一开关网络12A和第二开关网络12B的变换比的乘积。

在图38所示的实施例中，降压转换器实现调节网络16A，单相非对称步升级联乘法器实现第一开关网络12A，并且单相对称步升级联乘法器实现第二开关网络12B。

第一开关网络12A包括四个dc电容器C1～C4、三个泵电容器C5～C7、以及第一开关1和第二开关2。在所示的配置中，第一开关网络12A并非绝热地进行充电。因此，第一开关网络12A以近似50％的占空比进行工作。然而，这并不是必需的，因为稳定性不存在问题。在工作中，第一开关网络12A提供第一电压V₁，其中该第一电压V₁是输入电压V_IN的四倍。然而，调节网络16A 从第一开关网络12A接收的中间电压V_X是输入电压V_IN的两倍。

调节网络16A包括第一开关5、第二开关6和电感器L1。调节网络16A控制第一开关5和第二开关6的占空比以调节其输出电压V_O。

第二开关网络12B包括第一开关组3和第二开关组4、两个dc电容器 C11～C12、以及三个泵电容器C8～C10。与第一开关网络12A不同，存在向第二开关网络12B馈电的电感器L1。结果，第二开关网络12B绝热地进行充电。

调节网络16A的输出处所连接的dc电容器C12阻碍绝热操作，因此是可选的。为了维持稳定性，通常仅添加该dc电容器C12。结果，该dc电容器C12 的电容比网络中的其它电容器的电容小得多。

由于第二开关网络12B绝热地进行充电并且其变换比是1:4，因此使该第二开关网络12B以50％的占空比进行工作提升了稳定性。电力转换器的整体输出电压V_O由V_O＝8V_IN(D+1)给出，其中占空比D等于调节网络16A中的第二开关6的占空比D。

图39示出除了降压-升压转换器实现调节网络16A、并且第一开关网络 12A和第二开关网络12B不同地连接至调节网络16A以外、与图38所示的电力转换器类似的电力转换器。结果得到不同的输入至输出转移功能。

调节网络16A包括电感器L1、第一开关5和第二开关6。

第一开关网络12A和第二开关网络12B与图38所示的开关网络相同。如图38中的情况那样，虽然来自不同节点，但是对第二开关网络12B绝热充电。第二开关网络12B包括连接至调节网络16A的输出的第一dc电容器C12和第二dc电容器C13。这些电容器阻碍绝热操作，因此是可选的。然而，这些电容器对于维持稳定性通常是有用的。优选地，这些电容器的电容值比第一开关网络12A和第二开关网络12B内的其它电容器所使用的电容值小得多。

图39中的电力转换器和图38中的电力转换器之间的差异使得图39所示的电力转换器能够具有为正或为负的输出电压V_O。具体地，对于调节网络的第二开关6的给定占空比D，输出电压V_O由V_O＝V_IN(20D)/(2D-1)给出。因此，输出电压在占空比D超过0.5的情况下为正，并且在占空比不足0.5的情况下为负。

图40～43示出图5所示的电力转换器的实施例。各实施例的特征在于第一调节网络16A和第二调节网络16B。在各实施例中，控制第一调节网络16A和第二调节网络16B这两者中的开关的占空比D以允许控制电力转换器的输出电压V_O。另外，在各实施例中，调节网络16A中存在的电感器允许开关网络 12A中的电容器之间的绝热电荷转移。该绝热电荷转移的范围是图40～43所示的不同配置之间的差异之一。

在所示的配置中，第一调节网络16A被实现为步升转换器，而第二调节网络16B被实现为步降转换器。然而，情况并不一定如此。例如，顺序可以相反，其中第一调节网络16A引起电压的步降，并且第二调节网络16B引起电压的步升。或者，第一调节网络16A和第二调节网络16B可以引起电压的步升或步降。图中所示的特定配置的优点是，如果开关网络12A是可再配置的开关网络(诸如图19所示的开关网络)，则所示的配置将允许填充覆盖范围中的间隙。

所示的实施例特征在于用以控制第一调节网络16A和第二调节网络16B 中的开关的操作的控制器。这样的控制器可以用于实现多种控制技术，其中这些控制技术可以与控制第一调节网络16A和第二调节网络16B的操作相结合地使用。在一些实施例中，控制器实现针对第一调节网络16A的前馈控制和针对第二调节网络16B的反馈控制。在其它实施例中，控制器实现针对第一调节网络16A的反馈控制和针对第二调节网络16B的前馈控制。

在图40所示的实施例中，第一调节网络16A是升压转换器，并且第二调节网络16B是降压转换器。升压转换器具有升压转换器电感器L1以及第一升压转换器开关3和第二升压转换器开关4。降压转换器具有降压转换器电感器 L2以及第一降压转换器开关5和第二降压转换器开关6。

开关网络12A包括第一开关组1和第二开关组2、三个dc电容器C1～C3、以及跨两个对称步升级联乘法器分散的六个泵电容器C4～C9。两个级联乘法器共享公共的相位泵并且以180度异相进行工作。该开关网络12A的操作与双相版本或全波的级联乘法器的操作类似。主要区别在于开关栈的底部和顶部的分离。

由于栈开关是分离的，因此可以产生作为开关栈的顶部处所存在的电压之间的差的中间电压V_X3。在所示的实施例中，第一开关栈的顶部处的电压是4V_X，而第二开关栈的顶部处的电压是3V_X+V_IN。因此，中间电压V_X3是这两个电压之间的差，即V_X-V_IN。

在图41所示的实施例中，第一调节网络16A是三电平升压转换器，并且第二调节网络16B是降压转换器。升压转换器具有升压转换器电感器L1、四个开关3、4、5、6、和电容器C13。降压转换器具有降压转换器电感器L2以及第一降压转换器开关7和第二降压转换器开关8。

图41示出与图40所示的电力转换器相似、但是第一调节网络16A是三电平升压转换器的电力转换器。对于相同的过滤量，三电平升压转换器与图40 所示的升压转换器相比需要较小的电感。另外，三电平升压转换器以降低的跨其开关的电压应力进行工作。然而，三电平升压转换器还具有更多的开关和附加电容器。第二调节网络16B再次是如图40所示的降压转换器那样的降压转换器。

开关网络12A包括第一开关组1和第二开关组2、三个dc电容器C1～C3、以及跨两个对称步升级联乘法器分散的九个泵电容器C4～C12。两个级联乘法器共享公共的相位泵并且以180度异相进行工作。与图40所示的开关网络 12A不同，图41中的两个级联乘法器具有不同级数。因此，级数的非对称性得到被呈现给第二调节网络16B的第三中间电压V_X3。特别地，第三中间电压即2V_X是等于6V_X的第一电压V₁和等于4V_X的第二电压V₂之间的差。

在工作中，三电平升压转换器在两个模式下进行工作。在各模式下，升压转换器以特定频率循环通过第一状态、第二状态、第三状态和第四状态。各级与开关的特定配置相对应。表9A示出第一模式下的四种状态，并且表9B 示出第二模式下的四种状态。

状态	V<sub>LX</sub>	3	4	5	6
						第一	V<sub>X</sub>	开	关	开	关
第二	V<sub>X</sub>/2	关	开	开	关
						第三	V<sub>X</sub>	开	关	开	关
第四	V<sub>X</sub>/2	开	关	关	开

表9A

状态	V<sub>LX</sub>	3	4	5	6
						第一	0V	关	开	关	开
第二	V<sub>X</sub>/2	关	开	开	关
						第三	0V	关	开	关	开
第四	V<sub>X</sub>/2	开	关	关	开

表9B

在各模式内，三电平升压转换器通过控制器通过控制其广义占空比来调节其输出。广义占空比等于除以第二时间间隔后的第一时间间隔。第一时间间隔等于三电平升压转换器在第一状态或第三状态下所花费的时间量。第二时间间隔是三电平升压转换器在第二状态或第四状态下所花费的时间量。

当三电平降压转换器在第一模式下进行工作时，中间电压V_X大于输入电压V_IN的两倍。相比之下，当三电平降压转换器在第二模式下进行工作时，中间电压V_X小于输入电压V_IN的两倍。

图41所示的电力转换器相对于图40所示的电力转换器的优点是图41所示的电力转换器较不复杂。另外，由于开关网络12A内的电容器将享有绝热电荷转移的益处，因此由开关网络12A内的电荷再分布所造成的损耗将会减少。

图42中的电力转换器结合了图40～41所示的电力转换器的特征。如图40 所示的电力转换器中的情况那样，开关网络12A接收输入电压V_IN和第一中间电压V_X这两者以产生第三中间电压V_X3。然而，如图41那样，级数是不相等的，其中非对称性产生第三中间电压V_X3。

在图42所示的开关网络12A中，第一调节网络16A不再驱动相位泵，如图40～41中的情况那样。因此，相位泵不再享有由于第一调节网络16A中的电感器L1的介入所引起的绝热电荷转移的益处。为了弥补这一点，开关网络 12A具有用于促进绝热电荷转移的附加电感器L3。

在工作中，第一电压V₁等于V_X+5V_IN，第二电压V₂等于V_X+3V_IN，并且第三中间电压V_X3等于2V_IN。

图42所示的电力转换器相对于图41所示的电力转换器的优点是，输入电流中的仅一部分实际通过三电平升压转换器。大部分电流范围绕过三电平升压转换器并且直接进入相位泵中。

另外，由于附加电感器L3仅需促进绝热电荷转移，因此该附加电感器L3 与升压转换器中的电感器L1相比可以具有更小的电感。这继而减少了电阻式电感器损耗。

然而，图42所示的电力转换器的缺点是需要附加电感L3。另外，级联乘法器需要更多级来实现相同的电压增益。例如，在图41中，第一电压V₁等于 6V_X，而在图42所示的电路中，第一电压V₁等于V_X+5V_IN。

图43示出升压转换器实现第一调节网络16A、降压转换器实现第二调节网络16B、以及双相非对称步升级联乘法器实现开关网络12A的电力转换器。

第一调节网络16A包括第一开关3、第二开关4和电感器L1。第二调节网络16B包括第一开关5、第二开关6和电感器L2。开关网络12A包括第一开关组1、第二开关组2、四个dc电容器C1～C4、以及六个泵电容器C5～C10。

在图43所示的电力转换器中，仅开关网络12A接地。第一调节网络16A 和第二调节网络16B这两者都浮动。这减少了第一调节网络16A和第二调节网络16B中的跨开关的电压应力。不幸地，这还缩小了可接受输入电压V_IN范围和输出电压V_O范围。这一缺点可以通过使用可再配置的开关网络12A来克服，但是以更多开关的增加的成本为代价。

图44示出图2中的电力转换器的特定实现，其中可再配置的双相对称步升级联乘法器实现开关网络12A、并且Zeta转换器实现调节网络16A。

调节网络16A包括第一电感器L3、第二电感器L4、电容器C10、第一开关3和第四开关4。根据占空比，Zeta转换器可以使电压步升或步降。然而， Zeta转换器的缺点是需要更多的无源组件。另外，Zeta转换器由于所引入的附加极点和零点而更难以稳定。

开关网络12A包括第一开关组1和第二开关组2、两个选择开关S1～S2、三个dc电容器C1～C3、六个泵电容器C4–C9、第一电感器L1、以及第二电感器L2。

在工作中，开关网络12A在第一模式和第二模式之间转变。在第一模式期间，第一选择开关S1闭合，并且第二选择开关S2断开。于是中间电压V_X是V_IN/2。在第二模式期间，第一选择开关S1断开，并且第二选择开关S2闭合。在第二模式下，中间电压V_X变成输入电压V_IN。

用以实现开关网络12A内的绝热的电容器间的电荷转移的一种方式是与第二开关S2串联地放置小的电感器。然而，尽管这将促进第一模式期间的绝热电荷转移，但在第二模式期间不会如此。

用以实现开关网络12A内的绝热的电容器间的电荷转移的另一种方式是将第一电感器L1嵌入在电荷泵中、并且与电荷泵的接地端子串联地嵌入第二电感器L2。

优选地，第一电感器L1嵌入在运送恒定电流并且连接至尽可能多的泵电容器C4～C9的充电和放电路径的位置处。因此，合适的位置在相位泵处。

电荷泵通常具有运送恒定电流的两个节点。如图44所示，第一电感器L1 在这两个节点其中之一处，并且第二电感器L2在另一节点处。然而，实际只需要这两个电感器其中之一来促进绝热电荷转移。

已经描述了本发明及其优选实施例，主张为新的且由专利进行保护的内容如所附权利要求书所示。

Claims (20)

1.一种包括电力转换器的设备，所述电力转换器包括开关网络(12A)，所述开关网络(12A)在连接至一组电容器时，使所述电容器变得互连以形成连接至电压源(14)的开关电容器电路，所述设备还包括

调节网络(16A)，所述调节网络(16A)与所述开关电容器电路协作以向多个串联连接的LED提供电力，所述开关网络包括在第一开关配置与第二开关配置之间转变的多个开关，

其中，所述第一开关配置致使形成第一开关电容器电路，并且所述第二开关配置致使形成第二开关电容器电路，

其中，由于已经执行了包括所述第一开关配置和所述第二开关配置的循环，因此，所述开关网络使电压在所述开关电容器电路的第一端子处的电压与第二端子处的电压之间变换，

其中，所述开关网络包括第一嵌入的电感器和第二嵌入的电感器，并且

其中，所述第一嵌入的电感器放置在恒定电流通过的位置处，并且所述第二嵌入的电感器与所述开关网络的接地端子串联放置。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述调节网络包括第一电感器和第二电感器，所述第一电感器和所述第二电感器轮流向所述LED供应电流。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述调节网络是双电感降压转换器。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述调节网络包括耦合电感器。

5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述开关网络包括选择开关(S1-S8)，所述选择开关(S1-S8)能够在第一配置与第二配置之间重新配置，所述第一配置和所述第二配置使所述开关网络将输入电压变换成对应的第一偏移电压和第二偏移电压(VX)。

6.一种包括电力转换器的设备，其中，所述电力转换器包括第一级、第二级以及控制所述第一级和所述第二级的操作的控制系统，其中，所述第一级选自由开关网络(12A)和调节网络(16A)组成的组，其中，在所述第一级是开关网络的情况下，所述第二级是调节网络，其中，在所述第一级是调节网络的情况下，所述第二级是开关网络，并且其中，所述开关网络包括可再配置的双相级联乘法器，所述可再配置的双相级联乘法器包括第一嵌入的电感器(L1)和第二嵌入的电感器(L2)，所述第一嵌入的电感器和所述第二嵌入的电感器在恒定电流通过的位置处放置在所述级联乘法器内，以促进所述级联乘法器中的电容器之间的绝热电荷转移。

7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述第二级包括zeta转换器。

8.根据权利要求6所述的设备，其中，所述级联乘法器包括相位泵，并且其中，所述第一嵌入的电感器和所述第二嵌入的电感器嵌入在所述相位泵处。

9.根据权利要求6所述的设备，其中，所述级联乘法器包括泵电容器，并且其中，所述第一嵌入的电感器和所述第二嵌入的电感器嵌入在使所述电感器与所述泵电容器之间通过的路径的数量最大的位置处。

10.一种包括电力转换器的设备，其中，所述电力转换器包括第一级、第二级以及控制所述第一级和所述第二级的操作的控制系统，其中，所述第一级选自由开关网络(12A)和调节网络(16A)组成的组，其中，在所述第一级是开关网络的情况下，所述第二级是调节网络，其中，在所述第一级是调节网络的情况下，所述第二级是开关网络，其中，所述开关网络包括第一嵌入的电感器和第二嵌入的电感器，并且其中，所述第一嵌入的电感器放置在恒定电流通过的位置处，并且所述第二嵌入的电感器与所述开关网络的接地端子串联放置，并且其中，所述开关网络接收第一电压对并提供第二电压对，其中，来自每个对的电压中的较低电压是不相等的。

11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述开关网络是非对称级联乘法器。

12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述开关网络包括步降单相非对称级联乘法器，并且其中，所述调节网络包括升压转换器。

13.根据权利要求11所述的设备，其中，所述开关网络包括步降单相非对称级联乘法器，并且其中，所述调节网络包括使电压步降的转换器。

14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述第一级是所述开关网络。

15.根据权利要求11所述的设备，其中，所述第一级是所述调节网络。

16.根据权利要求10所述的设备，其中，所述开关网络是对称级联乘法器。

17.根据权利要求16所述的设备，其中，所述开关网络是具有并联泵电容器的双相对称级联乘法器。

18.根据权利要求16所述的设备，其中，所述开关网络被配置成提供辅助电压用以驱动电路，所述辅助电压在所述电力转换器的输入电压与输出电压之间。

19.根据权利要求10所述的设备，其中，来自每个对的电压中的较低电压之一是接地。

20.根据权利要求10所述的设备，其中，来自每个对的电压中的较低电压均不是接地。

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