CN108365747A - 切换式电容直流对直流转换器电路及其产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种切换式电容直流对直流转换器电路及其产生方法。切换式电容直流对直流转换器电路包含两个切换式电容电路，其电容与多个内部开关的连接结构都相同，而相同位置的开关分别由开关导通期间不相重迭的控制信号所控制。而两个切换式电容电路的电容之间又有一互连开关相连接，而控制互连开关的控制信号的开关导通期间也与控制内部开关的控制信号不相重迭。本发明的切换式电容直流对直流转换器电路具有降低切换耗损的优点。

Description

切换式电容直流对直流转换器电路及其产生方法
技术领域
本发明是有关于一种切换式电容直流对直流转换器电路及其产生方法，特别是指能减少切换耗损的切换式电容直流对直流转换器电路，以及产生此电路的方法,具体的讲是一种切换式电容直流对直流转换器电路及其产生方法。
背景技术
切换式电容直流对直流转换器(Switched-capacitor DC-DC power converter,SCPC)电路具有转换效率高且不须要使用外部电感元件的优点，适合整合于晶片内，所以已经大量使用于MCU内部作为电压转换电路。
切换式电容直流对直流转换器电路包含至少一个电容以及多个开关，而在其操作过程中，多个开关频繁地被切换成导通或截止状态，且电容两端上的电压也会频繁地变化。因为电路制程以及电容结构的关系，上述电容结构与晶片内部的其他结构之间(例如与硅基板之间)会形成寄生电容，所以当电容两端上的电压频繁地变化时，寄生电容也被频繁地充放电，而造成不必要的功率耗损(power loss)。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种切换式电容直流对直流转换器电路及其产生方法，以减少不必要的功率耗损。
根据本发明的一实施例，切换式电容直流对直流转换器电路包含一第一切换式电容电路、一第二切换式电容电路以及至少一第五开关。第一切换式电容电路包含一第一输入端、一第一输出端、多个第一开关、多个第二开关以及至少一第一电容。多个第一开关与多个第二开关分别连接至少一第一电容，多个第一开关由一第一控制信号所控制，多个第二开关由一第二控制信号所控制。第二切换式电容电路包含一第二输入端、一第二输出端、多个第三开关、多个第四开关以及至少一第二电容。多个第三开关与多个第四开关分别连接至少一第二电容，多个第三开关由第二控制信号所控制，多个第四开关由该第一控制信号所控制。至少一第五开关电性连接于至少一第一电容以及至少一第二电容，且由一第三控制信号所控制。第一输入端以及第二输入端电性连接并接收输入电压，第一输出端以及第二输出端电性连接并输出上述输出电压，而至少一第一电容以及至少一第二电容的电容值相同，第一切换式电容电路的元件连接架构与第二切换式电容电路的元件连接架构相同，而多个第一开关对应于多个第三开关，而多个第二开关对应于多个第四开关。第一控制信号的开关导通期间、第二控制信号的开关导通期间以及第三控制信号的开关导通期间互不相重迭。
较佳地，在第三控制信号的该开关导通期间，至少一第五开关导通，且第一控制信号控制多个第一开关以及多个第四开关截止，而第二控制信号控制多个第二开关以及多个第三开关截止。
较佳地，至少一第五开关、至少一第一电容以及至少一第二电容的数量皆为多个，则每一第一电容以及每一第二电容之间电性连接多个第五开关的其中一个。
较佳地，至少一第五开关电性连接于至少一第一电容以及至少一第二电容的相同极性端。
根据本发明的一实施例，一种产生切换式电容直流对直流转换器电路的方法包含下列步骤：提供一原始切换式电容电路，其包含一输入端、一输出端、多个第一开关、多个第二开关以及至少一电容，多个第一开关与多个第二开关分别连接该至少一电容，多个第一开关由一第一控制信号所控制，多个第二开关由一第二控制信号所控制；根据原始切换式电容电路，决定一第一切换式电容电路以及一第二切换式电容电路，第一切换式电容电路以及第二切换式电容电路的元件连接架构与原始切换式电容电路相同，而第一切换式电容电路以及第二切换式电容电路的至少一电容的电容值为原始切换式电容电路的至少一电容的电容值的一半，而第一切换式电容电路的多个第一开关由第一控制信号所控制，多个第二开关由第二控制信号所控制，第二切换式电容电路的多个第一开关由第二控制信号所控制，多个第二开关由第一控制信号所控制；电性连接至少一第三开关于第一切换式电容电路的至少一电容以及第二切换式电容电路的至少一电容，至少一第三开关由一第三控制信号所控制，且第一控制信号的开关导通期间、第二控制信号的开关导通期间以及第三控制信号的开关导通期间互不相重迭；电性连接第一切换式电容电路以及第二切换式电容电路的输入端；以及电性连接第一切换式电容电路以及第二切换式电容电路的输出端。
较佳地，至少一第五开关、至少一第一电容以及至少一第二电容的数量皆为多个，则每一第一电容以及每一第二电容之间电性连接多个第五开关的其中一个。
较佳地，至少一第五开关电性连接于至少一第一电容以及至少一第二电容的相同极性端。
附图说明
本发明的上述及其他特征及优势将藉由参照附图详细说明其例示性实施例而变得更显而易知，其中：
图1是本发明的切换式电容直流对直流转换器电路的示意图。
图2是本发明的切换式电容直流对直流转换器电路的控制信号的波形图。
图3是本发明的切换式电容直流对直流转换器电路的一实施例的示意图。
图4是本发明的切换式电容直流对直流转换器电路的产生方法的流程图。
图5是本发明的切换式电容直流对直流转换器电路的产生方法的一步骤示意图。
图6是本发明的切换式电容直流对直流转换器电路的产生方法的另一步骤示意图。
【符号说明】
VIN：输入电压
VOUT：输出电压
1、5：第一切换式电容电路
10：第一电容
11：第一开关
12：第二开关
18：第一输入端
19：第一输出端
2、6：第二切换式电容电路
20：第二电容
21：第三开关
22：第四开关
28：第二输入端
29：第二输出端
31、701～703：第五开关
501～512、601～612、901～912：开关
C50～C52、C60～C62：电容
ф1：第一控制信号
ф2：第二控制信号
ф3：第三控制信号
9：原始切换式电容电路
T1、T2、T3：开关导通期间
S41～S45：步骤流程
具体实施方式
于此使用，词汇“与/或”包含一或多个相关条列项目的任何或所有组合。当“至少其一”的叙述前缀于一元件清单前时，是修饰整个清单元件而非修饰清单中的个别元件。
请参阅图1，其绘示本发明的切换式电容直流对直流转换器电路的示意图。图中，切换式电容直流对直流转换器电路包含第一切换式电容电路1、第二切换式电容电路2以及至少一第五开关31。第一切换式电容电路1以及第二切换式电容电路2具有相同的电容数量，而第五开关31的数量是相同于第一切换式电容电路1或第二切换式电容电路2包含的电容数量。
第一切换式电容电路1包含第一输入端18、第一输出端19、多个第一开关11、多个第二开关12以及一第一电容10，多个第一开关11与多个第二开关12系分别连接第一电容10。每一第一开关11由第一控制信号ф1所控制为导通状态(closed)或是截止状态(open)，而每一第二开关12由第二控制信号ф2所控制为导通状态或是截止状态。
第二切换式电容电路2包含第二输入端28、第二输出端29、多个第三开关21、多个第四开关22以及一第二电容20，多个第三开关21与多个第四开关22分别连接第二电容20。每一第三开关21由第二控制信号ф2所控制为导通状态或是截止状态，每一第四开关22由第一控制信号ф1所控制为导通状态或是截止状态。
第五开关31电性连接于第一电容10以及第二电容20，且由第三控制信号ф3所控制。如果第五开关31、第一电容10以及第二电容20的数量皆为多个时，则每一第一电容10以及每一第二电容20之间电性连接一个第五开关31，亦即，第一电容10、第二电容20以及第五开关31之间为一对一关系。其具体电路连接方式将于下述内容以实施例举例说明。再者，第五开关31可电性连接于第一电容10以及第二电容20的相同极性端，例如，都连接于第一电容10以及第二电容20的底极板。
请续参阅图2，其绘示上述第一控制信号ф1、第二控制信号ф2以及第三控制信号ф3的波形图。图中可看出，此三个控制信号分别包含高电位期间以及低电位期间；在高电位期间，受控制信号控制的开关切换为导通状态，所以高电位期间又称为开关导通期间；而在低电位期间，受控制信号控制的开关切换为截止状态，所以低电位期间又称为开关截止期间。
应注意的是，第一控制信号ф1的开关导通期间T1、第二控制信号ф2的开关导通期间T2以及第三控制信号ф3的开关导通期间T3互不相重迭，如图2所示。换句话说，在切换式电容直流对直流转换器电路中，第一开关11以及第四开关22受第一控制信号ф1控制，会同时导通或截止；第二开关12以及第三开关21受第二控制信号ф2控制，会同时导通或截止；而第一开关11与第四开关22、第二开关12与第三开关21、以及第五开关31，这三群开关不会同时导通。
所以，在第三控制信号ф3的开关导通期间T3，第五开关31导通，第一控制信号ф1控制第一开关11以及第四开关22截止，而第二控制信号ф2控制第二开关12以及第三开关21截止。
应注意的是，第一电容10以及第二电容20的电容值为相同，第一切换式电容电路1的元件连接架构与第二切换式电容电路2的元件连接架构相同，多个第一开关11分别一对一对应于多个第三开关21，而多个第二开关12分别一对一对应于多个第四开关22。
第一输入端18以及第二输入端28电性连接，而第一输出端19以及第二输出端29电性连接。在第一切换式电容电路1的运作过程中，透过第一开关11以及第二开关12的周期性且不相重迭地导通以及截止，第一电容10可持续从第一输入端18获得输入电压VIN的能量，再将其转换成输出电压VOUT，输出到第一输出端19。第二切换式电容电路2的运作原理与第一切换式电容电路1相同，故在此不再赘述。
在第一切换式电容电路1以及第二切换式电容电路2的运作过程中，第一电容10以及第二电容20两端的电压为不断地改变，所以因为第一电容10以及第二电容20的结构而产生的寄生电容便不断地储存电荷(当寄生电容两端的电压增加)、释放电荷(当寄生电容两端的电压减少)，此现象造成不必要的耗电。所以，在第一开关11、第二开关12、第三开关21以及第四开关22皆截止的情况下，第五开关31导通，藉此平均第一电容10以及第二电容20的寄生电容两端电压，减少耗电。
以下将以一电路范例来说明本发明的切换式电容直流对直流转换器电路。
请参阅图3，其绘示本发明的切换式电容直流对直流转换器电路的一实施例的示意图。图中，切换式电容直流对直流转换器电路包含一第一切换式电容电路5、一第二切换式电容电路6以及三个第五开关701、702及703。第一切换式电容电路5与第二切换式电容电路6各自都有三个电容、六个受第一控制信号ф1控制的开关以及六个受第二控制信号ф2控制的开关，而且第一切换式电容电路5以及第二切换式电容电路6的元件连接架构相同。第一切换式电容电路5与第二切换式电容电路6的输入端电性连接，皆接收一输入电压VIN；而第一切换式电容电路5与第二切换式电容电路6的输出端电性连接，皆输出一输出电压VOUT。第五开关701、702及703分别连接在电容C50与C60、电容C51与C61、以及电容C52与C62之间。
以下内容说明在控制信号ф1以及ф2不同相位的情况下，电容C50与C60的底端的电压变化进行说明。请参阅图2，在期间T1，控制信号ф1为高位准而控制信号ф2为低位准，所以开关501、503、505、507导通，而开关502、504、506、508截止，则电容C50的底端的电压值为VIN/2；同时，开关602、604、606、608导通，而开关601、603、605、607截止，则电容C60的底端接地，其电压值为0。同样地，在期间T2，控制信号ф1为低位准而控制信号ф2为高位准，所以电容C50的底端的电压值为0，而电容C60的底端的电压值为VIN/2。
由此可看出，如果电容C50以及电容60的底端结构与晶片内的其他结构之间(例如与硅基板之间)分别产生寄生电容CBP1与CBP2，则在期间T1，寄生电容CBP1会储存能量E1＝1/2*C*(VIN/2)2，其中C为CBP1的电容直，即电容的储存能量与其两端的电压值的平方成正比，所以两端的电压值越大，所储存的能量越高。而在期间T2，电容C50的底端接地，其电压值为0，亦即寄生电容CBP1两端的电压值为0，期间T1所储存的能量在期间T2皆完全释放；寄生电容CBP2也会同样的情况，其造成了切换式电容直流对直流转换器电路的切换损耗。
因此，本发明的切换式电容直流对直流转换器电路在不与期间T1与T2相重迭的期间T3将电容C50与电容C60的底端电性连接，使其电压平均。以图2为例，在期间T1，电容C50的底端的电压值为VIN/2，而电容C60的底端的电压值为0，所以在期间T3两者电压值皆变成VIN/4，因此在期间T2，电容C50的底端的电压值变为0，其损失的能量仅为原本损失的1/4。而在期间T2，电容C60的底端的电压值从VIN/4充电到VIN/2，充电的能量也比原本的少。同样地，在期间T2之后的期间T3，又将将电容C50与电容C60的底端电性连接，使其电压平均，接着在期间T1又可减少电容C60损耗的能量以及电容C50充电的能量。
透过上述的说明，可解释在不与期间T1与T2相重迭的期间T3将电容C50与电容C60的底端电性连接的机制如何减少本发明的切换式电容直流对直流转换器电路的切换损失。而相同的原理可类推到电容C51与C61、以及电容C52与C62，故在此不再赘述。
请参阅图4至图6，图4绘示本发明的切换式电容直流对直流转换器电路的产生方法的流程图，而图5与图6产生切换式电容直流对直流转换器电路的过程的示意图。如图4所示，本发明的切换式电容直流对直流转换器电路的产生方法包含下列步骤。
在步骤S41，提供一原始切换式电容电路(例如图5所示的原始切换式电容电路9)，其包含一输入端、一输出端、多个第一开关、多个第二开关以及至少一电容，该多个第一开关与该多个第二开关分别连接该至少一电容，该多个第一开关由一第一控制信号所控制，该多个第二开关由一第二控制信号所控制。图5所示的切换式电容电路9包含一输入端接收输入电压VIN、一输出端接收VOUT、三个电容C91～C93、受第一控制信号ф1控制的六个第一开关901、903、905、907、909与911、以及受第二控制信号ф2控制的六个第一开关902、904、906、908、910与912。每一电容的两端皆电性连接两个第一开关以及两个第二开关。
图5所示的切换式电容电路9，其输出电压与输入电压的关系为：
VOUT＝VIN*[(1/2)2+1]/2＝5/8*VIN
所以输出电压与输入电压的转换比例为0.625。
在步骤S42，根据原始切换式电容电路，决定一第一切换式电容电路以及一第二切换式电容电路，且第一切换式电容电路以及第二切换式电容电路的元件连接架构与原始切换式电容电路相同，而第一切换式电容电路以及第二切换式电容电路的至少一电容的电容值为原始切换式电容电路的至少一电容的电容值的一半，而第一切换式电容电路的多个第一开关由第一控制信号所控制，多个第二开关由第二控制信号所控制，第二切换式电容电路的多个第一开关由第二控制信号所控制，多个第二开关由第一控制信号所控制。
如图6所示，第一切换式电容电路5以及第二切换式电容电路6的元件连接架构相同，不过电容C50与C60的电容值为图5所示的切换式电容电路9的电容C90的一半；同样地，电容C51与C61的电容值为电容C91的一半，而电容C52与C62的电容值为电容C92的一半。而且在第一切换式电容电路5以及第二切换式电容电路6中，相对应位置上的开关由不同的控制信号所控制。
例如，开关501对应于开关601，两者分别受到控制信号ф1以及ф2的控制，也就是说，根据图3所示的信号图，开关501与601不会同时导通；同样的机制也适用于开关502与602、开关503与603、开关504与604、开关505与605、开关506与606、开关507与607、开关508与608、开关509与609、开关510与610、开关511与611、以及开关512与612。
接着，在步骤S43，电性连接至少一第三开关于第一切换式电容电路的至少一电容以及第二切换式电容电路的至少一电容，至少一第三开关由一第三控制信号所控制。请同时参阅图3以及图6，图3绘示在图6所示的电容50与60的相同极性端之间电性连接开关701、电容51与61的相同极性端之间电性连接开关702、电容52与62的相同极性端之间电性连接开关702。且开关701、702以及703受控制信号ф3所控制，而根据图3所示的信号图，控制信号ф1的开关导通期间T1、控制信号ф2的开关导通期间T2以及控制信号ф3的开关导通期间T3互不相重迭。
在步骤S44，电性连接第一切换式电容电路5以及第二切换式电容电路6的输入端，以接收输入电压VIN。在步骤S45，电性连接第一切换式电容电路5以及第二切换式电容电路6的输出端，以输出一输出电压VOUT。
应注意的是，图3、图5以及图6所示的电路仅是举例，本发明不受限于所举例的电路。本发明的发明精神主要在于可将任何一种切换式电容电路改设计成可降低切换耗损的切换式电容直流对直流转换器电路，而不影响其原本的输出电压与输出电压的转换比例，例如图3所示的切换式电容直流对直流转换器电路的输出电压与输入电压的比例为0.625，与图5所示的电路相同。
除此之外，当各种所绘示及讨论的元件被放置在不同的位置时，可以理解的是，各种元件的相对位置可以改变，且同时此处仍保有上述所提及的功能。可以设想到的是，各种组合、具体特征和实施例的子集合可以被进行，且此子集合仍然落入本说明书的范围之内。各种特征和所公开的实施例可以彼此结合或进行取代，而所有这些修改和改变都将落入本发明的权利要求范围所限定的范围之内。

Claims (7)

1.一种切换式电容直流对直流转换器电路，用以将一输入电压转换成一输出电压，其特征在于，所述的切换式电容直流对直流转换器电路包含：
一第一切换式电容电路，包含一第一输入端、一第一输出端、多个第一开关、多个第二开关以及至少一第一电容，所述多个第一开关与所述多个第二开关分别连接所述至少一第一电容，所述多个第一开关是由一第一控制信号所控制，所述多个第二开关是由一第二控制信号所控制；
一第二切换式电容电路，包含一第二输入端、一第二输出端、多个第三开关、多个第四开关以及至少一第二电容，所述多个第三开关与所述多个第四开关分别连接所述至少一第二电容，所述多个第三开关是由所述第二控制信号所控制，所述多个第四开关是由所述第一控制信号所控制；以及
至少一第五开关，电性连接于所述至少一第一电容以及所述至少一第二电容，所述至少一第五开关是由一第三控制信号所控制；
其中所述第一输入端以及所述第二输入端电性连接并接收所述输入电压，所述第一输出端以及所述第二输出端电性连接并输出所述输出电压，所述至少一第一电容以及所述至少一第二电容的电容值相同，所述第一切换式电容电路的元件连接架构与所述第二切换式电容电路的元件连接架构相同，所述多个第一开关对应于所述多个第三开关，而所述多个第二开关对应于所述多个第四开关；
其中，所述第一控制信号的开关导通期间、所述第二控制信号的开关导通期间以及所述第三控制信号的开关导通期间互不相重迭。
2.如权利要求1所述的切换式电容直流对直流转换器电路，其特征在于，在所述第三控制信号的所述开关导通期间，所述至少一第五开关导通，所述第一控制信号控制所述多个第一开关以及所述多个第四开关截止，而所述第二控制信号控制所述多个第二开关以及所述多个第三开关截止。
3.如权利要求1所述的切换式电容直流对直流转换器电路，其特征在于，所述的至少一第五开关、所述至少一第一电容以及所述至少一第二电容的数量皆为多个，则每一所述多个第一电容以及每一所述多个第二电容之间电性连接所述多个第五开关的其中一个。
4.如权利要求1所述的切换式电容直流对直流转换器电路，其特征在于，所述的至少一第五开关电性连接于所述至少一第一电容以及所述至少一第二电容的相同极性端。
5.一种产生切换式电容直流对直流转换器电路的方法，其特征在于，所述的方法包含：
提供一原始切换式电容电路，其包含一输入端、一输出端、多个第一开关、多个第二开关以及至少一电容，所述多个第一开关与所述多个第二开关分别连接所述至少一电容，所述多个第一开关由一第一控制信号所控制，所述多个第二开关由一第二控制信号所控制；
根据所述原始切换式电容电路，决定一第一切换式电容电路以及一第二切换式电容电路，其中所述第一切换式电容电路以及所述第二切换式电容电路的元件连接架构与所述原始切换式电容电路相同，而所述第一切换式电容电路以及所述第二切换式电容电路的至少一电容的电容值为所述原始切换式电容电路的所述至少一电容的电容值的一半，而所述第一切换式电容电路的所述多个第一开关由所述第一控制信号所控制，所述多个第二开关由所述第二控制信号所控制，所述第二切换式电容电路的所述多个第一开关由所述第二控制信号所控制，所述多个第二开关由所述第一控制信号所控制；
电性连接至少一第三开关于所述第一切换式电容电路的所述至少一电容以及所述第二切换式电容电路的所述至少一电容，所述至少一第三开关由一第三控制信号所控制，且所述第一控制信号的开关导通期间、所述第二控制信号的开关导通期间以及所述第三控制信号的开关导通期间互不相重迭；
电性连接所述第一切换式电容电路以及所述第二切换式电容电路的所述输入端；以及
电性连接所述第一切换式电容电路以及所述第二切换式电容电路的所述输出端。
6.如权利要求5所述的产生切换式电容直流对直流转换器电路的方法，其特征在于，所述的至少一第三开关、每一所述第一切换式电容电路以及所述第二切换式电容电路的所述至少一电容的数量皆为多个，则所述第一切换式电容电路以及所述第二切换式电容电路的每一所述多个电容之间电性连接所述多个第三开关的其中一个。
7.如权利要求5所述的产生切换式电容直流对直流转换器电路的方法，其特征在于，所述的至少一第三开关电性连接于所述第一切换式电容电路以及所述第二切换式电容电路的所述至少一电容的相同极性端。
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