CN108964447B - 电力转换器及对具有电力转换器的电源适配器充电的方法 - Google Patents

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Abstract

一种电力转换器，其包括：电力调节电路，用以接收输入电力且设定所述电力转换器的工作电压；电流感测电路，用以确定所述电力转换器的输入电流；电压调节电路，用以降低所述输入电力的电压电平；电荷泵电路，用以存储由电压调节电路递送的电荷且将大于所述输入电流的电流输出到负载；以及电力路径制器，用以在所述电力转换器内控制切换且提供反馈。

Description

电力转换器及对具有电力转换器的电源适配器充电的方法
技术领域
本文中所公开的各种实施例涉及对移动和其它电子装置充电，包括针对设计用于高电压直流电池充电的高效2:1切换电容器转换器的实施方案选项。描述两种8-FET和9-FET拓扑方法连同适用控制电路。
背景技术
智能手机、其它移动装置和小型电子装置的快速电池充电在过去几年中变得越来越重要。归因于线缆、连接器的限制以及移动装置中的锂离子(Li离子)电池的充电接受率，传统上充电电流限制在约3安培。最近可实现的充电接受率方面的进展允许一些移动装置电池以高得多的电流进行充电，例如，对于三安培-小时电池，电流在六安培与十安培之间。通过使用大电流旅行适配器来实施对此新电池能力的市场可购响应，所述电流旅行适配器两端具有专用高电流线缆和高电流连接器，从而在电池的充电状态下在变化电压下提供高电流。
发明内容
下文呈现各种实施例的简要概述。在以下概述中可以做出一些简化和省略，其意在突出和介绍各种实施例的一些方面，但不限制本发明的范围。在稍后的章节中将详细描述足以让本领域的普通技术人员能获得且使用本发明性概念的实施例。
各种实施例包括一种电力转换器，所述电力转换器包括：电力调节电路，用以接收输入电力且设定所述电力转换器的工作电压；电流感测电路，用以确定所述电力转换器的输入电流；电压调节电路，用以降低所述输入电力的电压电平；电荷泵电路，用以存储由电压调节电路递送的电荷且将大于所述输入电流的电流输出到负载；以及电力路径控制器，用以在所述电力转换器内控制切换且提供反馈。
电压调节电路可包括单个晶体管和驱动器电路。
电压调节电路可包括在50％占空比处切换的一对晶体管。
电力转换器可包括多个背栅晶体管，以阻挡从输出到输入的泄漏电流。
电荷泵电路可包括被交替切换以将电力提供到负载的一对飞跨电容器。
电压调节电路可包括一对输入晶体管且电荷泵电路包括一对背栅晶体管、一对中点晶体管和一对接地晶体管。
输入晶体管和中点晶体管可被接通以对电荷泵充电且被切断以使电荷泵放电。
背栅晶体管和接地晶体管可被接通以使电荷泵放电且被切断以对电荷泵充电。
背栅晶体管可被开启以防止电力转换器中从输出到输入的反向电流。
电力转换器可包括一对输入驱动器、一对背栅驱动器、一对中点驱动器和一对接地驱动器。
电力调节电路可将操作电力提供到输入驱动器、背栅驱动器、中点驱动器和接地驱动器。
电力路径控制器可接收电流和电压测量且将逻辑信号提供到输入驱动器、背栅驱动器、中点驱动器和接地驱动器。
各种实施例还包括对具有电力转换器的电源适配器充电的方法，所述方法包括：将输入电力提供到电力转换器；使用输入电力来将操作电力提供到电力转换器内的多个驱动器电路；以及控制电压调节电路和电荷泵电路以降低到电源适配器的负载的电压且增大到所述负载的电流。
所述方法可包括接通电压调节电路的第一输入晶体管且接通电荷泵电路的第一中点晶体管以在第一半循环中对电荷泵电路的第一飞跨电容器充电。
所述方法可包括接通电压调节电路的第二输入晶体管且接通电荷泵电路的第二中点晶体管以在第二半循环中对电荷泵电路的第二飞跨电容器充电。
所述方法可包括切断电荷泵电路的第一背栅晶体管且切断电荷泵电路的第一接地晶体管以在第一半循环中使电荷泵电路的第一飞跨电容器放电。
方法可包括切断电荷泵电路的第二背栅晶体管且切断电荷泵电路的第二接地晶体管以在第二半循环中使电荷泵电路的第二飞跨电容器放电。
所述方法可包括接通一对背栅晶体管以防止电力转换器中从输出到输入的反向电流。
附图说明
本发明的额外目标和特征当结合图式获取时将从以下详细描述和所附权利要求书中更加显而易见。尽管示出且描述若干实施例，但在每个附图中类似的附图标记识别类似的零件，在附图中：
图1示出根据本文中所描述的实施例的电力转换器的8-FET电路拓扑；且
图2示出根据本文中所描述的实施例的电力转换器的9-FET电路拓扑。
具体实施方式
应理解，图式仅为示意性的且不按比例绘制。还应理解，贯穿图式使用的相同附图标记表示相同或相似的零件。
描述和图式示出各种示例性实施例的原理。将了解，本领域的技术人员将能够设计各种布置，尽管本文中未明确地描述或示出所述布置，但其体现本发明的原理且包括于本发明的精神和范围内。此外，本文中所引述的所有例子主要明确地意图出于教学目的辅助读者理解本发明的原理和由发明人所提供用以深化本领域的概念，且所有例子应视为并不限制此类特定引述例子和条件。另外，除非另有指示(例如，“或另外”或“或在替代方案中”)，否则如本文中所使用，术语“或”是指非排他性的或(即，和/或)。此外，本文中所描述的各种实施例未必相互排斥，这是因为一些实施例可与一个或多个其它实施例组合，从而形成新的实施例。如本文所使用，除非另外指明，否则术语“上下文”和“上下文对象”应被理解成同义。例如“第一”、“第二”、“第三”等描述词不意图限制所论述元件的次序，且用于区分一个元件与下一元件，且通常可互换。
本文中所描述的实施例促进对Li离子电池的高电流充电，而不复杂化高电流旅行适配器和装置上的非标准线缆和连接器。可使用2:1切换电容器转换器的实施方案来实现实施例，所述2:1切换电容器转换器的输入电流是十分高效的转换器中的输入电流的两倍且输入电压是十分高效的转换器中的输入电压的一半。
本文中所描述的实施例包括使用2:1切换电容器转换器的各种实施方案，所述2:1切换电容器转换器可用于移动装置和其它电子组件的电池充电。
图1示出根据本文中所描述的实施例的电力转换器100(“转换器”)的8-FET电路拓扑。转换器100可包括内部电力调节电路110，以从电源接收输入电压VIN且将电力信号提供到转换器100的组件的驱动器电路。转换器100的组件可包括由相应输入驱动器电路120D和125D控制的输入晶体管120和125。输入驱动器电路120D和125D可从内部电力调节电路110接收电力信号VAA。转换器100可包括由相应背栅驱动器电路130D和135D控制的背栅晶体管130和135。背栅驱动器电路130D和135D可从内部电力调节电路110接收电力信号VBB。转换器100还可包括由相应中点驱动器电路140D和145D控制的中点晶体管140和145，且从内部电力调节电路110接收电力信号VBB。转换器100可包括由相应接地驱动器电路150D和155D控制的接地晶体管150和155。接地驱动器电路150D和155D可从内部电力调节电路110接收电力信号VEE。除VIN之外，内部电力调节电路110还可具有次级输出VSCND，其在一些条件下可用于有效地从VSCND而非VIN牵引一定的芯片内部电力。各种驱动器电路的功能性由电力路径控制器感测和逻辑块170(“电力路径控制器170”)控制。
晶体管120和125可具有足够高的电压额定值且具有足够大小以经受转换器100将遇到的最大输入电压。输入电压VIN可在至多约20V的电池电压的两倍的范围内。待充电电池可额定在5V且从3.5V操作到5V。其它六个晶体管130、135、140、145、150和155可能较小且可使用约最大输出电压的电压额定值，对于Li离子电池供电应用，通常约5V。输出电压VOUT的调节通过控制对应于两个输入晶体管120和125的相应输入驱动器电路120D和125D的电压来实现。可实施电流感测以通过对通过晶体管120和125的电流进行镜像处理来确定输入电流IIN。当装置不传递电力时使用对晶体管130和135的背栅切换来实施反向电流保护。针对8-FET拓扑的电流感测可通过各种方法来实现。输入晶体管120和125的电流镜电路可馈送到积分器电路中，所述积分器电路使用转换器100产生与到芯片中的平均电流成正比的电压。
包括图1中所示出的8-FET拓扑的转换器100包括双相2:1切换电容器布置，从而添加了输出调节能力和反向电流保护。在输出调节能力的情况下，转换器100可提供输出电压VOUT，所述输出电压VOUT大约是输入电压VIN的二分之一，且输出电流IOUT可以是输入电流ISENSE的两倍。使用转换器100的电池充电应用能够控制VOUT和IOUT，而高度准确度的电压调节可通过8-FET拓扑中的输入晶体管120和125来实现。晶体管120和125可更大且更稳固，能够处理更高电压。其它晶体管130、135、140、145、150和155可额定用于最大所要输出电压。本文中所描述的晶体管可以是NMOS或PMOS。
在转换器100中，所测量的值VIN、VOUT和ISENSE可被输入电力路径控制器170，所述电力路径控制器170随后提供向转换器100内的电路组件反馈和控制。VIN、VOUT和ISENSE信号可以是模拟输入，所述模拟输入通过电力路径控制器170被转换为数字信号。可替换的是，电力路径控制器170可接收模拟输入且使用模拟控制来控制转换器100的组件。电力路径控制器170可与内部电力调节电路110连通且具有到驱动器电路的连接以控制转换器100的动作。举例来说，电力路径控制器170可变化发送到输入驱动器电路120D或125D的控制信号以变化相应输入晶体管120和125的输出电压。电力路径控制器170可控制分别驱动背栅130和135的背栅驱动器电路130D和135D。当转换器100不在电力传递模式中操作时，相应背栅130或135与默认定向反向，使得电流不可从VOUT流动到VIN，且因此防止在从VOUT到VIN的方向上的电流泄漏。
转换器100还可包括电荷泵电路142，所述电荷泵电路142具有由多个FET控制的飞跨电容器180和185。电荷泵电路142可包括上文所描述的组件，包括背栅晶体管130和135、背栅驱动器130D和135D、中点晶体管140和145、中点驱动器140D和145D、接地晶体管150和155以及接地驱动器150D和155D。飞跨电容器180和185也被称为切换电容器。飞跨电容器180和185可相对于地面悬浮。电力路径控制器170可在双切换模式中操作转换器100，从而在交替使电容放电且发送电流通过负载190之前每半循环交替地将电荷存储在飞跨电容器180和185中。出于使负载190处的输入电流加倍的目的，完成每半循环将负载190连接到转换器100的动作，同时在电力路径转换器170的控制下输入晶体管120和125可使输入电压减半或减少其它除数。
确定输入电流ISENSE的额外方式是当相应电容器180或185连接于VIN与VOUT之间时在充电循环的一部分期间计算跨飞跨电容器180或185的电压改变。此测量可随外部飞跨电容器的有效电容变化，因此已知电流源可实施于芯片中以充当电路内校准，以解释外部组件中的变化。转换器100可另外包括解耦电容器194和196以将输出信号平滑化到负载190。
在操作中，图1的8-FET拓扑可按以下方式起作用。中点晶体管140和145可与输入晶体管120和125同时被接通和切断。背栅晶体管130和135可同样地与接地晶体管150和155一起被接通和切断。
在可为全循环的百分之五十的时间T1期间，电力路径控制器170可开启晶体管120和140，从而在VIN与VOUT之间连接飞跨电容器180。晶体管130和150被关断。在此相同时间T1期间，电力路径控制器170开启晶体管135和155，从而在VOUT与接地之间连接飞跨电容器185。晶体管125和145被关断。
对于第二个半循环，在时间T2期间，晶体管125和145被接通，从而在VIN与VOUT之间连接飞跨电容器185。晶体管135和155被关断。在此相同时间T2期间，电力路径控制器170开启晶体管130和150，从而在VOUT与接地之间连接飞跨电容器180。晶体管120和140被切断。
在时间T1期间，飞跨电容器180充电到VCHARGE电平，且在初始充电半循环之后，飞跨电容器185对负载190放电。在时间T2期间，飞跨电容器180对负载190放电，且飞跨电容器180充电到VCHARGE电平。
VCHARGE电平由电力路径控制器170确定。取决于负载190的所要输出充电电压，电力路径控制器170可变化到输入驱动器电路120D和125D的驱动信号，以变化最终沿着VOUT发送到负载190的输出VCHARGE的电平。
如本文中所论述，背栅晶体管130和135可用于阻挡可通常从VOUT流动到VIN的泄漏电流。在正常配置中，当VOUT处的电池侧存在电力且VIN处的电压为零时，存在从VOUT到VIN的泄漏。这是不合乎需要的，因为其将使电池电力耗尽。因此背栅晶体管130和135可以是NMOSFET，但不限于此，所述NMOS FET被配置成使得晶体管内的体二极管的方向可反向且阻挡反向电流。
图2示出根据本文中所描述的实施例的电力转换器200的9-FET电路拓扑。在图2中重复使用图1的类似编号和组件。在图2中，电力转换器200的实施方案可包括9-FET拓扑，其与8-FET拓扑的不同之处在于在VIN与2:1切换电容器转换器200的其它八个晶体管220、225、130、135、140、145、150和155之间添加了额外晶体管，输入晶体管205。单个输入晶体管205的使用会消除来自初始电压调节级的切换能力。在此实施方案中，仅输入晶体管205可额定和大小设定用于最大预期输入电压，且晶体管220、225、130、135、140、145、150和155的其余部分可额定和大小设定成更小以用于负载190的最大输出电压。输入晶体管205的输出VCHARGE的调节由控制用于输入晶体管205的栅极驱动器电路215的电压的电力路径控制器170实现。由内部电力调节电路110输出的额外电源VFF可用于对输入栅极驱动器电路215供电。电力转换器200中的反向电流保护可通过与关于图1的8-FET实施方案相似的方式或通过本文中所描述的其它技术来实现。
在图2中所示出的9-FET拓扑中，通过发送具有各种电压电平的控制信号来设定用以对负载190供电的输出电压电平VCHARGE，通过来自电力路径控制器170的反馈和控制来实现输出电压调节。举例来说，来自电力路径控制器170的低电压信号将引发输入晶体管205的栅极上的低电压，从而产生低VCHARGE。来自电力路径控制器170的较高电压信号将引发输入晶体管205的栅极上的较高电压，从而产生较高VCHARGE。VCHARGE通常为被除数VIN的某个商。
根据本文中所描述的实施例，当转换器100或200未在电力传递模式中操作时，背栅晶体管130和135与电力路径控制器170的默认定向反向，且防止从VOUT到VIN的电流泄漏。可替换的是，对于图2中所示出的转换器200，背栅晶体管的切换动作可实施于输入晶体管205上。电流感测可在9-FET配置中执行，且可通过在输入晶体管205处的电流镜实现，所述电流镜被配置成提供与通过输入晶体管205的电流成正比的信号，所述电流可被低通滤波到感测电路中以测量平均电流。
图1和2中所示出的两个拓扑使用对输入FET、9-FET实施方案中的输入晶体管205和8-FET实施方案中的输入晶体管120和125的栅极电压控制以调节转换器100和200的输出以及其它切换晶体管经历的电压应力。由于输入晶体管被控制以输出电压，VCHARGE通常并不大于所要输出电压的两倍，因此避免由非输入晶体管上较高电压所引起的应力。一旦处于电平VCHARGE，便可在电源适配器或类似的输出机构内将输出电压另外调节到所要使用电平。
可通过控制9-FET实施方案中输入晶体管205或8-FET实施方案中输入晶体管120和125的栅极电压来控制输出阻抗。本文中所描述的实施例可在内部感测通过转换器的电流。如本文中所描述，所使用的小子集的晶体管可具有较高电压额定值，9-FET实施方案中的晶体管205或8-FET实施方案中的输入晶体管120和125。
图2的9-FET实施方案可以与图1的8-FET实施方案类似的方式操作。如上文所描述，操作电荷泵电路和电力路径控制器170的切换动作。可通过单个输入晶体管205和驱动器电路205D执行电压调节。
尽管已通过特定参考各种实施例的某些方面详细地描述了各种实施例，但是应理解，本文中所描述的实施例能够具有其它实施例，且其细节能够在各种显而易见的方面中进行修改。对于本领域的技术人员来所显而易见，可在保持于本文中所描述的实施例的精神和范围内的同时实现变化和修改。因此，前文的公开内容、描述和图式仅出于说明性目的，且并不以任何方式限制本文中所描述的实施例，本文中所描述的实施例仅由权利要求书限定。

Claims (7)

1.一种电力转换器，其特征在于，包括：
电力调节电路，用以接收输入电力且设定所述电力转换器的工作电压；
电流感测电路，用以确定所述电力转换器的输入电流；
电压调节电路，用以降低所述输入电力的电压电平，所述电压调节电路包括一对输入晶体管；
电荷泵电路，用以存储由电压调节电路递送的电荷且将大于所述输入电流的电流输出到负载，所述电荷泵电路包括一对背栅晶体管、一对中点晶体管和一对接地晶体管；
一对输入驱动器；
一对背栅驱动器；
一对中点驱动器；
一对接地驱动器；以及
电力路径控制器，用以在所述电力转换器内控制切换且提供反馈，
其中所述电力转换器被配置为接通所述背栅晶体管和接地晶体管以使所述电荷泵放电且切断所述背栅晶体管和接地晶体管以对所述电荷泵充电；
其中所述电力转换器被配置为开启所述背栅晶体管以防止所述电力转换器中从输出到输入的反向电流，当电力转换器不传递电力时使用对背栅晶体管的背栅切换来实施反向电流保护；
其中所述电力调节电路被配置为将工作电力提供到所述输入驱动器、背栅驱动器、中点驱动器及接地驱动器。
2.根据权利要求1所述的电力转换器，其特征在于，所述电压调节电路包括单个晶体管和驱动器电路。
3.根据权利要求1所述的电力转换器，其特征在于，所述电压调节电路包括以百分之五十占空比切换的一对晶体管。
4.根据权利要求1所述的电力转换器，其特征在于，包括多个背栅晶体管，以阻挡从输出到输入的泄漏电流。
5.根据权利要求1所述的电力转换器，其特征在于，所述电荷泵电路包括被交替切换以将电力提供到负载的一对飞跨电容器。
6.根据权利要求1所述的电力转换器，其特征在于，输入晶体管和中点晶体管被接通以对所述电荷泵充电且被切断以使所述电荷泵放电。
7.一种对具有电力转换器的电源适配器充电的方法，其特征在于，包括：
将输入电力提供到所述电力转换器；
使用所述输入电力以将工作电力提供到所述电力转换器内的多个驱动器电路，所述驱动器电路包括一对背栅晶体管、一对中点晶体管和一对接地晶体管，一对输入驱动器，一对背栅驱动器，一对中点驱动器，一对接地驱动器；以及
控制电压调节电路及电荷泵电路以缩减到所述电力适配器的负载的电压且增加到所述负载的电流，所述电压调节电路包括一对输入晶体管，所述电荷泵电路包括一对背栅晶体管、一对中点晶体管和一对接地晶体管，一对输入驱动器，一对背栅驱动器，一对中点驱动器，一对接地驱动器；
接通所述背栅晶体管和接地晶体管以使所述电荷泵放电且切断所述背栅晶体管和接地晶体管以对所述电荷泵充电；
通过开启所述背栅晶体管以防止所述电力转换器中从输出到输入的反向电流，当电力转换器不传递电力时使用对背栅晶体管的背栅切换来实施反向电流保护；
将工作电力提供到所述输入驱动器、背栅驱动器、中点驱动器及接地驱动器。
CN201810486297.5A 2017-05-19 2018-05-18 电力转换器及对具有电力转换器的电源适配器充电的方法 Active CN108964447B (zh)

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