CN110061617A - 开关电容器转换器及用于限制其启动时的电流的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了开关电容器转换器(SCC)及用于限制其启动时的电流的方法，以便限制SCC启动时的浪涌电流。这是通过使用SCC的第一功率开关，即耦接至SCC的输入端的开关来实现的，以降低在SCC输入端处提供的电压，使得全输入电压在SCC启动期间不会直接施加到第一功率开关的下游的SCC电路。提供给SCC电路(除第一功率开关之外)的降低的电压用于限制SCC启动期间由SCC电路的其余部分引出的电流。该降低的电压从零开始并斜坡上升到在SCC输入端处提供的电压。一旦降低的电压达到输入电压电平，就可以开始SCC的稳态操作。

Description

开关电容器转换器及用于限制其启动时的电流的方法
技术领域
本申请涉及开关电容器转换器(SCC)，并且具体地涉及其中通过降低SCC的第一开关处的电压来限制在加电时流过SCC的初始电流的电路拓扑。
背景技术
开关电容器转换器(SCC)是一种直流(DC)至DC电压转换器，其通过使用开关和电容器将电力从输入电源转移到输出端，实现高效率和高功率密度。SCC在其输出端包括整流器，并且在输入电源和整流器之间插入一系列功率开关。这种SCC还包括一个或更多个分支，每个分支至少包括将开关中的一个耦接至整流器的电容器。控制开关使得电荷转移到每个分支内的电容器和从每个分支内的电容器转移出电荷，使得对于降压型SCC，输入电源的电压被降压转换成在SCC的输出端处提供降低的电压。分支中一些分支还可以包括与电容器串联连接的电感器，以便提供能够实现开关的有效软切换的谐振。
在SCC的启动(加电)开始时，SCC内的电容器两端的电压通常为零，即，在向SCC施加输入电源之前电容器处于放电状态。然而，在SCC的稳态操作期间，每个电容器维持其两端的平均电压，以及与SCC内的能量转移相关联的一些纹波。放电的电容器可能导致一个问题，即在将输入电源施加到SCC时，当电容器在启动时充电到SCC的稳态操作所需的平均电压时，流过SCC的电流可能会在尖峰达到非常高的电平，有时称为“浪涌电流”。这种高启动电流会导致电应力，其可以损坏SCC部件，包括开关、电容器和电感器。另外，高启动电流可能导致输入电源的电压出现有问题的下降，并且/或者导致过电流保护电路的不必要触发。应限制浪涌电流以防止出现这些问题。
用于限制SCC启动时的电流的一种解决方案是增加由输入电源提供给SCC输入端的电压。例如，在输入电源和SCC输入端之间可以放置限流电路，其中限流电路包括与功率开关并联放置的分流电阻器。在启动期间，分流电阻器限制流入SCC的电流。在达到SCC的稳态操作时，功率开关接通以旁路分流电阻器。虽然这种解决方案解决了浪涌电流问题，但它的代价是在SCC上增加了附加的功率开关。除了功率开关的成本和尺寸之外，在稳态操作期间要求电流流过另一个功率开关会降低SCC的效率。
另一种解决方案是在SCC的启动阶段期间将SCC内的电容器预充电到它们期望的稳态平均电压。这种预充电可能涉及附加预充电电路和/或在启动阶段期间SCC内的开关的特殊控制。更具体地，这种预充电通常需要感测SCC电容器两端的电压，使得可以适当地控制开关以确保每个电容器充电到其所期望的(稳态)电压。虽然预充电电路和控制对于单片集成的SCC可能是可行的，但是对于通常需要分立的功率开关的高功率SCC，这种预充电变得相当复杂。在任何情况下，电容器预充电都需要附加的电路和控制复杂性，并且通常需要附加的电流限制，如上述解决方案中所述，所有这些都是不希望的。
期望电路和相关技术用于限制浪涌电流，同时需要最少的附加电路，需要低复杂性和最小化功率损耗。
发明内容
根据开关电容器转换器(SCC)的实施方式，SCC将在输入端处提供的电力转换为提供至输出端的电力。SCC输入端耦接至输入电源，而SCC输出端耦接至SCC的负载。SCC包括在其输出端处的整流器、第一开关级、第一电容器、控制器、输入有效检测器、电压斜坡发生器和软启动电路。第一开关级包括串联连接并且插入在输入端和整流器之间的第一开关和第二开关。第一开关具有耦接至输入端的第一端子、耦接至第二开关的第二端子、以及控制端子。第一电容器将第一开关级耦接至整流器。控制器能够操作以生成用于分别控制第一开关和第二开关的第一控制信号和第二控制信号，使得第一开关和第二开关交替地切换。输入有效检测器响应于检测到输入端正在提供电力而生成输入有效信号，如输入端的电压所示。响应于输入有效检测信号，电压斜坡发生器生成斜坡电压，该斜坡电压从零增加到最大斜坡电压，该最大斜坡电压通常等于在输入端处提供的稳态电压。斜坡电压的斜率被控制为小于在输入电源有效时发生的输入电压的斜率。软启动电路基于斜坡电压设置在第一开关的第二端子处的电压，使得基于该斜坡电压限制通过SCC的电流。
根据一种方法的实施方式，该方法用于限制开关电容器转换器(SCC)启动时SCC内的电流。SCC包括输入端、输出端、在输出端处的整流器、第一开关级和插入在第一开关级和整流器之间的第一电容器，第一开关级包括串联连接并插入在输入端和整流器之间的第一开关和第二开关。第一开关具有耦接至输入端的第一端子、耦接至第二开关的第二端子、以及控制端子。该方法包括第一步骤：检测到在输入端处的输入电压已经升高至高于有效阈值，有效阈值指示正向SCC提供电力。响应于这种检测，生成斜坡电压，其中，当斜坡电压在输入有效期间上升时，斜坡电压的斜率小于输入电压的斜率。然后施加斜坡电压或其变型，使得其控制第一开关的第二端子处的电压，从而限制流过SCC的电流。在SCC的启动阶段期间，斜坡电压从零增加到最大斜坡电压，该最大斜坡电压通常是输入端处的稳态电压。随后，可以开始SCC的稳态操作。
在阅读以下详细描述并查看附图时，本领域技术人员将认识到另外的特征和优点。
附图说明
附图中的元件不一定相对于彼此按比例绘制。相似的附图标记指示相应的相似部分。各个示出的实施方式的特征可以被组合，除非它们彼此排斥。在附图中描绘了实施方式，并且将在下面的描述中对其进行详细描述。
图1示出了开关电容器转换器(SCC)的示意图，其包括用于在SCC的启动阶段期间限制电流的电路。
图2示出了在SCC例如图1的SCC的启动阶段期间对应于输入电压、输出电压和斜坡电压的波形。
图3示出了如可以包括在图1的SCC中的软启动电路及其外部接口的示意图。
图4A示出了如可以包括在图1的SCC中的电压斜坡发生器的示意图。图4B示出了这种电压斜坡发生器内的电压波形。
图5A示出了如可以包括在图1的SCC中的另一电压斜坡发生器的示意图。图5B示出了这种电压斜坡发生器内的电压波形。
图6A示出了如可以包括在图1的SCC中的又一电压斜坡发生器的示意图。图6B示出了这种电压斜坡发生器内的电压波形。
图7示出了替选的SCC拓扑的示意图，其包括用于在SCC的启动阶段期间限制电流的电路。
图8示出了另一替选的SCC拓扑的示意图，其包括用于在SCC的启动阶段期间限制电流的电路。
图9示出了在SCC进入稳态操作之前的启动间隔期间限制SCC内的电流的方法。
具体实施方式
本文描述的实施方式提供了用于限制在开关电容器转换器(SCC)进入稳态操作之前的启动阶段期间SCC内的电流的电路和方法。这是通过将在SCC的第一开关处提供的电压限制到SCC电路的其余部分来实现的，其中该第一开关在第一端子处连接至SCC输入端并且在第二端子处连接至SCC电路的其余部分。所提供的电压由电压斜坡发生器生成，并且在SCC控制器的控制下通过软启动电路施加到第一开关，使得在第一开关的第二端子处的电压受到限制。所描述的技术不需要提供至SCC输入端且提供至SCC的第一开关的第一端子的电压的斜坡，并且不需要通常与这种斜坡相关联的限流电路。因此，所描述的技术避免了与通常包括在这种电路中的附加功率开关相关联的功率损耗和成本。此外，所描述的技术避免了电容器预充电电路所需的复杂控制和/或附加电路。
不使用任何附加的功率开关，或者用于电容器预充电的复杂电压感测和开关排序，所描述的技术使用第一功率开关和斜坡电压来限制SCC在其启动期间的电流。在启动阶段期间SCC开关的控制与SCC的稳态操作期间的控制大致相同，即，不需要开关的特殊排序。虽然使用特定SCC电路内的第一开关描述了这些技术，但应该理解，该技术可以容易地应用以在其他SCC电路内使用第一开关。在此上下文中，第一开关被认为是连接至输入电源的开关。
下面借助于特定示例来描述本发明。该描述以将输入电压降低至原来的四分之一的SCC即4:1SCC的实施方式开始。虽然所示出的示例是针对4:1SCC，但是应当理解，所描述的技术可以容易地被扩展到其他SCC电路，包括那些以2:1、6:1、8:1等对输入电压降压转换的SCC电路。4:1SCC的实施方式开始于用于实现这种转换器的电路的描述，包括耦接至SCC的第一开关的电压斜坡发生器、SCC控制器和软启动电路。该描述之后是软启动电路和电压斜坡发生器的更详细描述。接下来介绍一些替选的SCC拓扑。最后，描述用于在SCC的启动阶段期间限制电流的方法。
应当理解，下面描述的实施方式不意味着是限制性的。没有详细描述本领域公知的电路和技术，以避免模糊本发明的独特方面。可以对示例实施方式的特征和方面进行组合或重新布置，除非上下文不允许这样做。
启动期间具有限流功能的开关电容器转换器
图1示出了开关电容器转换器(SCC)100的实施方式，其限制了启动阶段期间的电流。所示的SCC 100将在输入端110处提供的电压VIN降压转换至原来的四分之一，以在输出端120处提供电压VOUT。在输出端120处提供的经降压转换的电压VOUT通常是系统内的中间电压，其在被提供给诸如存储器、中央处理单元(CPU)这样的负载之前必须被进一步降低。虽然为了便于说明而没有示出，但是耦接至SCC输出端120的线性调节器或者开关DC/DC转换器可以提供电压的该进一步降低，并且还提供SCC 100没有提供的调节。在其他应用中，由SCC 100提供的经降压转换的电压VOUT可以由负载直接使用。
所示的SCC 100包括作为第一开关级的一部分的第一开关Q1和第二开关Q2，以及作为第二开关级的一部分的第三开关Q3和第四开关Q4。整流器140插入在第四开关Q4和地之间，并在输出端120处的滤波电容器COUT两端提供整流电压VOUT。所示的整流器140包括形成第一半桥整流器支路的开关Q7和Q8以及形成第二半桥整流器支路的开关Q9和Q10。整流器140将输出电流IOUT提供至滤波电容器COUT和输出端120。
SCC 100还包括第一分支130和第二分支132，第一分支130将连接第一开关Q1和第二开关Q2的节点V1耦接至整流器140，第二分支132将连接第三开关Q3和第四开关Q4的节点V3耦接至整流器140。第一分支130包括第一电容器C1和第一电感器L1，并且具有流过它的电流IC1。第二分支132被类似地配置为包括第二电容器C2和第二电感器L2，并且具有流过它的电流IC2。SCC 100内的电感器L1、L2与电容器C1、C2组合形成谐振箱，如果以相应的谐振频率执行切换，则谐振箱能够实现开关的软切换。在不试图实现这种软切换的SCC电路中可以省略电感器L1、L2。SCC 100另外包括飞跨电容器CFLY1，其将连接第二开关Q2和第三开关Q3的节点V2耦接至整流器140。
开关级内的开关和整流器140可以分成两组，在本文中称为组A和组B。对于所示的SCC 100，开关Q1、Q3、Q7和Q10在组A中，而开关Q2、Q4、Q8和Q9在组B中。在SCC 100的稳态操作期间，组A的开关一起切换，并且组B的开关一起切换。组A开关的切换与组B开关的切换交替进行。在开关周期的第一阶段期间，启用组A开关，以对第一分支和第二分支内的电容器C1、C2充电，同时对飞跨电容器CFLY1放电。(电容器C1通过第一开关Q1从输入端110充电，并且电容器C2通过第三开关Q3从飞跨电容器CFLY1充电。)在开关周期的第二阶段期间，飞跨电容器CFLY1被充电，并且第一电容器C1和第二电容器C2被放电。(飞跨电容器CFLY1通过第二开关Q2从电容器C1充电，并且电容器C2通过第四开关Q4放电到滤波电容器COUT和输出端120。)在SCC100的稳态操作期间，第一分支、第二分支和飞跨分支内的电容器两端的预期电压如下：
VC2＝1*Vout，
VFLY1＝2*Vout，
VC1＝3*Vout。
将不提供关于SCC的稳态操作的进一步细节，因为这种操作在本领域中是公知的。
图1的SCC 100中示出的开关Q1、……Q4、Q7、……Q10是功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，但是可以使用其他开关类型。例如，在一些应用中，可以优选结型场效应晶体管(JFET)、双极结型晶体管(BJT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、高电子迁移率晶体管(HEMT)或其他类型的功率晶体管。开关Q1、……Q4、Q7、……Q10可以被集成在同一半导体管芯上，可以各自设置在单独的管芯上，或者可以以其他方式分布在多个半导体管芯中。(对于高功率SCC，功率开关通常需要设置在单独的管芯上。)SCC 100内的每个开关Q1、……Q4、Q7、……Q10具有漏极端子和源极端子以及控制漏极和源极之间的导通的栅极端子。(为便于说明，图1中未明确示出这些端子。)控制信号经由驱动器被提供给每个栅极端子，为了便于说明也没有示出驱动器。
SCC 100包括控制器150、电压斜坡发生器160和软启动电路170。在将输入电压VIN施加到输入端110之后立即出现的启动阶段期间，这些电路150、160、170将基于斜坡电压VRAMP的控制电压VPWM_Q1驱动到第一开关Q1的控制端子(例如，栅极)。在该控制电压VPWM_Q1不参考斜坡电压VRAMP的情况下，控制端子电压VPWM_Q1将参考第一开关Q1将其第二端子(例如，源极)拉到的任何电压。在不进行如本文所述的栅极参考电压的设置的情况下，第一开关Q1的第二端子(电压节点V1)处的电压将跟随输入电压VIN，减去第一开关Q1两端的相对小的漏极-源极电压降。在施加输入电源时，输入电压VIN的突然增加以及在第一开关Q1的第二端子(电压节点V1)处产生的电压增加将导致流入SCC的电流IQ1的突然尖峰。图1的SCC 100通过将斜坡电压VRAMP施加到第一开关Q1的控制端子来防止这种电流尖峰。在第一开关Q1的第二端子(电压节点V1)处的所得电压VSRC_RAMP跟随施加在控制端子处的斜坡电压VRAMP，并且因此至少与输入电压VIN的上升相比也相对缓慢地上升。(这在图3的描述中进一步详细说明。)SCC 100的电流IQ1由节点V1处的电压和该电压节点V1下游的SCC电路的有效电阻，即电压节点V1和地之间的有效电阻来确定。该有效电阻基于当前在从电压节点V1到地的传导路径内的部件(例如，电容器、电感器和开关)的电阻。为了限制SCC 100的电流IQ1，节点V1处的电压VSRC_RAMP从0V开始并缓慢上升直到它达到或几乎达到输入电压VIN。
控制器150生成控制组A内的开关Q1、Q3、Q7、Q10的脉冲宽度调制(PWM)控制信号VPWM_QA以及控制组B内开关Q2、Q4、Q8、Q9的PWM控制信号VPWM_QB。如前所述，生成这些PWM控制信号VPWM_QA、VPWM_QB，使得组A和组B的开关交替地接通。例如，在开关周期的第一阶段期间，组A控制信号VPWM_QA使第一开关Q1接通，而组B控制信号VPWM_QB使第二开关Q2关断。例如，在开关周期的第二阶段期间，组A控制信号VPWM_QA使第一开关Q1关断，而组B控制信号VPWM_QB使第二开关Q2接通。开关控制信号VPWM_QA、VPWM_QB通常输入到每个开关的驱动器电路。对于图1的SCC100，控制信号VPWM_QA可以被提供给4个单独的驱动器，这4个单独的驱动器输出用于组A开关Q1、Q3、Q7、Q10的控制信号VPWM_Q1、VPWM_Q3、VPWM_Q7、VPWM_Q10。控制信号VPWM_QB可以被提供给另外4个单独的驱动器，这另外4个单独的驱动器输出用于组B开关Q2、Q4、Q8、Q9的控制信号VPWM_Q2、VPWM_Q4、VPWM_Q8、VPWM_Q9。然后，将从驱动器输出的控制信号提供给开关的控制端子(例如，栅极)。为便于说明，没有示出驱动器和各个控制信号。在替选实现方式中，控制器150可以为每个开关生成单独的控制信号，而不是为两个开关组提供共同的控制信号VPWM_QA、VPWM_QB，如图1所示。
控制器150被提供有来自SCC输入端110的输入电压VIN。在检测到输入电压VIN已经上升到高于指示输入电源连接至SCC输入端110的使能阈值时，控制器150开始操作。该操作通过生成提供给电压斜坡发生器160的使能信号VEN_RAMP开始。在生成该使能信号VEN_RAMP的同时或之后不久，控制器150开始生成如前所述的开关控制信号VPWM_QA、VPWM_QB。控制器150在启动阶段期间输入和监测SCC输出电压VOUT，使得控制器150可以确定SCC的正常稳态操作何时可以开始。一旦输出电压VOUT达到输出电压阈值，控制器150就可以确定可以开始稳态操作。替选地，控制器150可以比较输入电压VIN和输出电压VOUT并且一旦这些电压的比率达到某个阈值例如就确定稳态操作可以开始。一旦控制器150确定可以开始稳态操作，控制器150生成电力良好信号VPG，其可以由从SCC 100提供电力的其他电力转换器或负载使用。
已经将输入电源施加到输入端110的检测可以由位于控制器150外部的输入有效检测器执行。例如，上述检测可以直接在电压斜坡发生器160内执行，而不是在控制器150内执行。替选地，输入有效检测器可以是不在控制器150或电压斜坡发生器160内的电路。
输入电压使能阈值通常基于预期的输入电压VIN。例如，如果预期的稳态输入电压VIN是54V，则当输入端110处的测量电压达到40V时，可以触发输入有效检测。
可以使用模拟硬件部件(例如晶体管、放大器、二极管和电阻器)与主要包括数字部件的处理器电路的组合来实现控制器150及其组成部分。处理器电路可以包括数字信号处理器(DSP)、通用处理器和专用集成电路(ASIC)中的一个或更多个。控制器150还可以包括：存储器，例如，诸如闪存的非易失性存储器，其包括供处理器电路使用的指令或数据；以及一个或更多个定时器，例如，用于根据切换频率提供开关间隔以生成开关控制信号VPWM_QA、VPWM_QB。
图2示出了SCC 100内的电压波形200。在时间t0处，输入电源连接至SCC输入端110。输入电压VIN快速上升。响应于检测到输入电压VIN已经上升到高于输入电压阈值并且在这之后不久，控制器150在时间t1处通过使用使能信号VEN_RAMP启用电压斜坡发生器160来开始启动操作。然后，电压斜坡发生器160生成斜坡电压VRAMP，该斜坡电压VRAMP在从t1到t2的启动时间间隔内从0V增加到VIN，如图所示。输出电压VOUT与斜坡电压VRAMP成比例，并且在该相同的时间间隔内，从0V斜坡上升到其稳态电压值。在时间t2处，控制器150检测到输出电压VOUT已经达到其稳态值，或者替选地，输入电压VIN与输出电压VOUT的比率已经达到预期的降压转换比率。在这样的检测时，控制器150生成指示输出电压VOUT稳定的电力良好信号VPG，并且SCC 100的稳态操作开始。
图1的软启动电路170输入组A控制信号VPWM_QA并输出控制第一开关Q1的第一驱动控制信号VPWM_Q1。软启动电路170另外输入由电压斜坡发生器160生成的斜坡电压VRAMP，并将其用作生成第一驱动控制信号VPWM_Q1时的参考电压。基于斜坡电压VRAMP的该第一驱动控制信号VPWM_Q1被施加到第一开关Q1的控制端子(例如，栅极)。如上所述，这导致在启动阶段期间电压节点V1处的电压VSRC_RAMP(与输入电压VIN相比)减小，其用于限制流过SCC 100的电流IQ1。
软启动电路
图3示出了软启动电路170的示例100A，以及SCC 100内的电路的相关部分。图3的第一开关Q1和第二开关Q2是MOSFET。如图所示，这些开关中的每个开关的第一端子是漏极(D)，第二端子是源极(S)，并且控制端子是栅极(G)。
软启动电路170包括驱动器172、软启动开关Q1A和二极管D1。驱动器172输入组APWM控制信号VPWM_QA并输出具有用于控制软启动开关Q1A和第一开关Q1的适当电压的第一驱动控制信号VPWM_Q1。驱动器172由电源电压VDRV_SUPPLY供电，并且具有参考电压，该参考电压耦接至软启动开关Q1A的源极，并且当第一开关Q1和软启动开关Q1A关断时通过二极管D1耦接至第一个开关Q1的源极。在典型电路中，驱动器电源电压VDRV_SUPPLY相对于驱动器参考为+5V，使得驱动器172提供相对于驱动器参考在0V与5V之间交替的PWM输出。驱动器172的输出耦接至软启动开关Q1A和第一开关Q1的控制端子(栅极)。
当第一驱动控制信号VPWM_Q1使软启动开关Q1A接通时，输入到软启动电路170的斜坡电压VRAMP导致电压节点V1处的斜坡电压VSRC_RAMP。在第一开关Q1的第二端子(例如，源极)(电压节点V1)处所得的斜坡电压VSRC_RAMP用于限制流过SCC 100的电流。
软启动开关Q1A被示为MOSFET，但是在一些应用中可以优选其他类型的开关。注意，与SCC 100的其他开关(例如，Q1、……Q4)一样，软启动开关Q1A不需要支持高电流电平，因此不需要是功率开关。
当第一开关Q1接通并且驱动器参考电压通过软启动开关Q1A连接至斜坡电压VRAMP时，软启动电路170的二极管D1用于将驱动器172的电压参考(地)与第一开关Q1的第二端子(例如，源极)去耦。在这种状态下并且忽略软启动开关Q1A两端的非实质性漏极-源极电压降Vds_Q1A，第一驱动控制信号VPWM_Q1具有由VRAMP加VDRV_SUPPLY给出的电压(即，VPWM_Q1＝VRAMP+VDRV_SUPPLY)。第一开关Q1的第二端子(例如，源极)处的电压由第一驱动控制信号VPWM_Q1电压减去第一开关Q1的栅极-源极电压Vgs_Q1确定，第一开关Q1的栅极-源极电压Vgs_Q1将是开关阈值电压VTHR。这导致在第一开关Q1的第二端子(例如，源极)处的电压VSRC_RAMP＝VRAMP+VDRV_SUPPLY-VTHR。对于3V的典型开关阈值电压VTHR和前面提到的5V的典型驱动器电源电压VDRV_SUPPLY，所得到的源极电压是VSRC_RAMP＝VRAMP+2V。在其阳极侧具有VRAMP的电压时，二极管D1被反向偏置，使得没有电流流过二极管D1，从而导致上述驱动器172的电压参考(地)与第一开关Q1的第二端子(例如，源极)的去耦。
对于另一个开关阶段，软启动开关Q1A关断，使得驱动器参考电压不再耦接至VRAMP。二极管D1现在用于将驱动器参考电压耦接至第一开关Q1的第二端子(例如，源极)。当在该开关阶段中启用第二开关Q2时，节点V1处的电压将被流向飞跨电容器CFLY1并对其充电的电流拉低。二极管D1防止节点V1处的任何电压变化产生将启用第一开关Q1的电压(例如，Vgs_Q1)。换句话说，二极管D1根据需要将驱动器参考电压连接至斜坡电压VRAMP或源极电压节点V1。注意，二极管D1可以用适当控制的开关代替。
如前所述，开关Q1、……Q4、Q7、……Q10可以是功率MOSFET。注意，在启动阶段期间，第一开关Q1两端的漏极-源极电压Vds_Q1很大，并且该MOSFET在其饱和区域工作。例如，如果输入电压VIN为54V且电压斜坡VSRC_RAMP从2V开始，则第一个开关必须在其漏极端子和源极端子两端下降52V。因此，应该选择第一开关Q1，使得其击穿电压高于预期的最大输入电压VIN。第一开关Q1的尺寸也必须使得其能够支持在SCC 100的启动阶段期间所需的功耗，即IQ1*Vds_Q1。因为电流IQ1基于斜坡电压VRAMP，所以第一开关Q1的功耗是斜坡电压VRAMP的斜率的函数。对于具有给定额定功率的第一开关Q1，应设置斜坡电压VRAMP的斜率以确保不超过额定功率。
电压斜坡发生器电路
许多技术和电路可用于在图1的SCC 100内生成斜坡电压VRAMP。下面描述用于实现电压斜坡发生器的一些示例性电路。
图4A示出了基于模拟电阻器-电容器(RC)网络的电压斜坡发生器460。当检测到输入电压VIN可用时由控制器150生成的斜坡使能信号VEN_RAMP使斜坡开关QRAMP接通，以便将输入电压VIN施加到由电阻器RRAMP和电容器CRAMP组成的RC网络。连接电阻器RRAMP和电容器CRAMP的节点VRC处的电压从施加电压VIN时的0V开始指数地增加。放大器462用于缓冲和放大节点VRC处的电压，并输出斜坡电压VRAMP。节点VRC处的电压呈指数上升并接近输入电压VIN。在没有修改的情况下，节点VRC处的电压将不会根据需要完全达到输入电压VIN。由放大器462施加的例如A＝2的增益确保了斜坡电压VRAMP达到输入电压VIN，并且还使斜坡电压VRAMP的斜率更加线性。放大器462还用于将RC网络与软启动电路170隔离，使得软启动电路170的阻抗不影响由RC网络提供的斜坡电压VRAMP。节点VRC处的电压的增加率由时间常数τ＝RRAMP*CRAMP确定。相应的输出电压VRAMP由该时间常数τ和放大器462的增益A确定。
图4B示出了对应于RRAMP＝100KΩ和CRAMP＝470nF的斜坡电压VRAMP的波形400B。输入电压VIN在时间t＝0时施加，并立即上升到54V。此后不久，即在大约t＝1ms时，斜坡使能信号VEN_RAMP被激活，电压VRC和VRAMP开始上升。对于放大器增益A＝2、A＝3和A＝4，示出了对应于VRAMP电压的波形。应当理解，基于底层RC或其他无源网络的许多电压斜坡发生器变型是可能的。图4A的电压斜坡发生器460具有相当简单并且所需电路最小的优点。
图5A示出了基于电流源的电压斜坡发生器560。在检测到输入电压VIN可用时由控制器150生成的斜坡使能信号VEN_RAMP提供启用包括第一电压斜坡开关QVR1、电阻器R2、电阻器R4和齐纳二极管D1的电流源电路的电压。第一电压斜坡开关QVR1是NPN双极结型晶体管(BJT)，其具有集电极端子、发射极端子和基极(控制)端子。流入第一电压斜坡开关QVR1的集电极端子的电流I1基于R4的电阻，以及第一电压斜坡开关QVR1和齐纳二极管D1的电特性。齐纳二极管的齐纳电压(反向击穿电压)提供高度稳定的电压，该电压在开关QVR1的基极-发射极结和电阻器R4两端提供。这种高度稳定的电压反过来导致开关QVR1引出相当恒定的电流I1。
电流I1通过包括第二电压斜坡开关QVR2和第三电压斜坡开关QVR3的电流镜引出，第二电压斜坡开关QVR2和第三电压斜坡开关QVR3是所示电压斜坡发生器560中的PNP BJT。电流镜用于将电流源与连接至电压斜坡发生器560的任何电路隔离，使得电流源不受其他电路的阻抗的影响，反之亦然。第二电流I2反映第一电流I1，并且第二电流I2也应相对恒定。当电压斜坡发生器由有效电压斜坡使能信号VEN_RAMP启用时，该电流I2流向VRAMP节点，包括电容器C1。当电容器C1被充电时，斜坡电压VRAMP逐渐增加，直到达到输入电压VIN。当斜坡使能信号VEN_RAMP无效时，电阻器R3和由反相器562驱动的第四电压斜坡开关QVR4用于对电容器C1进行放电。这确保了当电压斜坡发生器被激活时，VRAMP处的电压从零开始。
图5B示出了对应于电阻器R4的不同值的斜坡电压VRAMP的波形500B。第一VRAMP曲线，表示为VRAMP，R4＝500Ω，对应于电阻器R4具有相当低的电阻的情况，这导致高电流I1、I2和快速增加的斜坡电压。第二VRAMP曲线，表示为VRAMP，R4＝1kΩ，对应于电阻器R4具有较高电阻的情况，这导致较低电流I1、I2和较慢增加的斜坡电压。第三VRAMP曲线，表示为VRAMP，R4＝1.3kΩ，对应于电阻器R4具有更高电阻的情况，这导致更低电流I1、I2和更缓慢增加的斜坡电压。
由上述电压斜坡发生器460、560生成的斜坡电压的非线性对这些电路呈现了潜在的缺点。另一个潜在的缺点是斜坡电压VRAMP的斜率通常是不可调节的。图6A的电压斜坡发生器以增加电路的潜在代价解决了这个问题。
图6A示出了基于数模转换器(DAC)662的电压斜坡发生器660。当检测到输入电压VIN可用时由控制器150生成的斜坡使能信号VEN_RAMP使计数器664启用，并且在一些实现方式中，启用DAC 662。然后计数器664从0开始计数到某个最大值，此时计数停止。例如，8位计数器将从0到255计数。计数在输入时钟(CLK)的每个周期递增。计数从计数器664输出并输入到DAC 662。DAC 662基于计数输出电压VRAMP。向DAC662提供输入电压VIN。随着计数增加，斜坡电压VRAMP增加，直到计数达到其最大值并且斜坡电压VRAMP达到VIN。此时，可以禁用计数器664，例如以节省电力，或者计数器664可以简单地维持最大输出计数值。替选地，来自DAC662的输出电压VRAMP可以被锁存到输入电压VIN，从而可以禁用DAC 662以节省电力。
在一些实现方式中，DAC 662可以具有显著小于输入电压VIN的动态范围，在此情况下，在DAC输出端处可能需要放大器。(为了便于说明，未示出这样的放大器。)例如，DAC可以生成0V到5V之间的输出电压。然后可以使用具有A＝10.8增益的放大器来放大DAC输出并提供斜坡电压VRAMP，使得VRAMP在0V和输入电压VIN处预期的54V电平之间变化。
图6B示出了作为从电压斜坡发生器660输出的斜坡电压VRAMP的波形600B。注意，与由基于RC网络的电压斜坡发生器460生成的电压不同，斜坡电压VRAMP看起来是高度线性的。VRAMP波形的放大视图610B示出它具有阶梯形状，其中每个阶梯对应于由于计数的增加而引起的增加。
虽然上述电压斜坡发生器660规则地且单调地增加斜坡电压VRAMP，但是可以以更动态的方式控制斜坡电压VRAMP。例如，控制器150可以测量第一开关Q1两端的电压Vds_Q1和通过第一开关Q1的电流IQ1，并调节斜坡电压VRAMP的斜坡以确保满足第一开关Q1的功耗要求。
虽然电压斜坡发生器160被示为图1的SCC 100内的单独电路，但是电压斜坡发生器可以包括在SCC 100的控制器中。图6A的基本上数字的基于DAC的电压斜坡发生器660特别地能够修改成包含在诸如图1的控制器150的控制器内。
对于任何电压斜坡发生器电路，必须选择生成的电压斜坡VRAMP的斜率以确保SCC100的电流被充分限制。缓慢的斜坡电压VRAMP产生缓慢增加的电流并减小SCC 100内的开关和电容器上的电应力，但是以不期望的冗长启动阶段为代价。必须选择斜坡电压VRAMP的斜率以满足SCC 100的部件的最大电流要求，并且保持SCC 100的启动时间合理地短。
替选的开关电容器转换器电路拓扑
已经在图1的SCC 100的上下文中描述了SCC的软启动，其将输入电压VIN降压转换至原来的四分之一并且在其分支中包括谐振电感器。然而，包括电压斜坡发生器160和软启动电路170的软启动电路可以类似地应用于其他SCC拓扑。对于这种变型，类似地生成斜坡电压VRAMP并将其施加到SCC内的第一功率开关的控制端子(例如，栅极)，其中第一功率开关耦接至输入电源。下面描述图1的SCC 100的一些示例变型，但是应该理解，许多其他SCC变型落入所要求保护的发明的范围内。
图7示出了没有谐振电感器的2:1SCC 700。与图1的SCC 100相比，电感器L1、L2、对应于第二开关级的电容器C2、CFLY1、第二开关级的开关Q3、Q4、以及第二整流器支路的开关Q9、Q10被删除。另外，SCC700的电路和控制与图1的SCC 100的电路和控制大致相同。
图8示出了在其整流器840内具有附加整流器支路的6:1SCC 800。SCC 800包括具有第五开关Q5和第六开关Q6的附加开关级。还包括附加电容器C3和附加飞跨电容器CFLY2，并且附加电容器C3和附加飞跨电容器CFLY2将附加开关级耦接至整流器840。图8的整流器840包括专用于SCC 800的每个分支的整流器支路，而不是如图1的SCC 100中那样使用共同的整流器支路来支持多个分支。
软启动开关电容器转换器的方法
图9示出了用于软启动诸如图1中所示的开关电容器转换器(SCC)的方法900。该方法可以在SCC内实现，SCC将在输入端处提供的电力转换为在输出端处的电力。这种SCC包括在输出端处的整流器和插入在输入端和整流器之间的第一开关级。第一开关级包括串联连接的第一开关和第二开关，其中第一开关具有耦接至输入端的第一端子、耦接至第二开关的第二端子、以及控制端子。第一电容器将第一开关级耦接至整流器。
在SCC的启动阶段期间，测量910在输入端处的电压VIN。对该输入电压VIN与输入电压阈值VIN_THRESH进行比较920，输入电压阈值VIN_THRESH表示输入电压VIN是否足以开始SCC的操作。一旦输入电压VIN超过该阈值电压VIN_THRESH，就开始930生成斜坡电压并将其施加到第一开关的控制端子。另外，为SCC内的开关生成940开关控制信号，例如PWM波形。(应当理解，步骤930、940可以按顺序互换，但通常同时执行。)这种操作，包括施加到第一开关的电压的斜坡，继续进行，直到输出电压VOUT足以维持SCC的稳态操作。通过测量950输出电压VOUT并将其与输出电压阈值VOUT_THRESH进行比较960来进行该确定。在替选比较(未示出)中，可以将输入电压VIN与输出电压VOUT的比率与SCC的预期的降压转换比率(例如，对于图1的SCC 100为4)进行比较。一旦输出电压VOUT超过该阈值VOUT_THRESH(或VIN与VOUT的比率达到预期的降压转换比率)，停止970斜坡电压的斜坡，并且开始980SCC的正常稳态操作。可以通过生成可以由SCC提供的电力转换器或负载使用的“电力良好”信号来指示稳态操作。
如本文所使用的，术语“具有”、“包含”、“包括”、“含有”等为开放式术语，其指示所述元件或特征的存在但不排除其他元件或特征。除非上下文另有明确说明，否则冠词“一个”、“一种”和“该”旨在包括复数以及单数。
应该理解的是，除非另外特别指出，否则本文描述的各种实施方式的特征可以彼此组合。
虽然本文中示出和描述了具体实施方式，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以用各种替选和/或等同实现来替代所描述和示出的具体实施方式。本申请旨在涵盖本文中所讨论的具体实施方式的任何修改或变型。因此，本发明旨在仅由权利要求及其等同内容限制。

Claims (22)

1.一种开关电容器转换器，包括：
用于耦接至输入电源的输入端；
用于向负载提供电力的输出端；
第一开关级，其包括串联连接并插入在所述输入端和所述输出端之间的第一开关和第二开关，所述第一开关包括耦接至所述输入端的第一端子、耦接至所述第二开关的第二端子、以及控制端子；
第一电容器，其将所述第一开关级耦接至所述输出端；
控制器，其能够操作以生成用于控制所述第一开关的第一控制信号和用于控制所述第二开关的第二控制信号，使得所述第一开关和所述第二开关被交替地切换；
输入有效检测器，其能够操作以基于所述输入端处的输入电压来生成输入有效信号，其中，所述输入有效信号表示在所述输入端处正在提供电力；
电压斜坡发生器，其能够操作以响应于接收到所述输入有效信号来生成斜坡电压，其中，所述斜坡电压从最小斜坡电压增加到最大斜坡电压，并且所述电压斜坡发生器将所述斜坡电压的斜率限制为小于在所述输入电压有效时出现的输入电压的斜率；以及
软启动电路，其能够操作以基于所述斜坡电压设置所述第一开关的第二端子处的电压。
2.根据权利要求1所述的开关电容器转换器，还包括：
在所述输出端处的整流器。
3.根据权利要求1所述的开关电容器转换器，其中，所述软启动电路包括软启动开关，所述软启动开关具有耦接至所述斜坡电压的第一软启动端子、为所述第一开关提供开关控制参考电压的第二软启动端子、以及软启动控制端子。
4.根据权利要求3所述的开关电容器转换器，其中，所述软启动开关由还控制所述第一开关的所述第一控制信号控制。
5.根据权利要求3所述的开关电容器转换器，还包括：
第一栅极驱动器，其输入所述第一控制信号并输出第一驱动控制信号，所述第一驱动控制信号耦接至所述第一开关的控制端子和所述软启动控制端子，其中，当所述第一控制信号提供有效信号电平时，所述第一驱动控制信号提供用于接通所述第一开关和所述软启动开关的足够电压。
6.根据权利要求3所述的开关电容器转换器，其中，所述软启动电路还包括软启动二极管，所述软启动二极管将所述第二软启动端子耦接至所述第一开关的第二端子。
7.根据权利要求1所述的开关电容器转换器，其中，所述电压斜坡发生器耦接至所述输入端，并且所述斜坡电压基于所述输入电压。
8.根据权利要求7所述的开关电容器转换器，其中，一旦所述输入电压有效并且已经达到稳态电压电平，则由所述电压斜坡发生器生成的最大斜坡电压为所述输入电压。
9.根据权利要求1所述的开关电容器转换器，其中，所述电压斜坡发生器包括电阻器和电容器，并且所述斜坡电压的斜率基于所述电阻器的电阻和所述电容器的电容。
10.根据权利要求1所述的开关电容器转换器，其中，所述电压斜坡发生器包括提供所述斜坡电压的数模转换器DAC，其中，所述DAC定期地增加所述斜坡电压直到所述斜坡电压达到所述最大斜坡电压。
11.根据权利要求10所述的开关电容器转换器，其中，一旦所述输入电压有效并且已经达到稳态电压电平，则所述最大斜坡电压与所述输入电压相同。
12.根据权利要求1所述的开关电容器转换器，其中，在所述斜坡电压从所述最小斜坡电压增加到所述最大斜坡电压的斜坡上升间隔期间，给定时刻处的斜坡电压确定所述给定时刻处流过所述第一开关的电流。
13.根据权利要求1所述的开关电容器转换器，其中，所述最小斜坡电压为零。
14.根据权利要求1所述的开关电容器转换器，其中，所述控制器包括所述输入有效检测器，并且响应于检测到所述输入电压高于输入有效阈值电压而生成所述输入有效信号。
15.根据权利要求1所述的开关电容器转换器，其中，所述控制器感测所述输入电压和所述输出端处的输出电压，并且响应于检测到所感测的输入电压与所感测的输出电压的比率已经达到所述开关电容器转换器的降压转换比率而使得能够向输出负载供电。
16.根据权利要求1所述的开关电容器转换器，还包括：
与所述第一电容器串联连接的第一电感器，使得串联连接的所述第一电感器和所述第一电容器将所述第一开关级耦接至所述输出端。
17.根据权利要求1所述的开关电容器转换器，其中，所述第一开关级直接耦接至所述输出端，并且所述开关电容器转换器将所述输入电压降压转换至原来的二分之一。
18.根据权利要求1所述的开关电容器转换器，还包括：
第二开关级，其包括串联连接并插入在所述第一开关级和所述输出端之间的第三开关和第四开关，其中，所述第三开关由所述第一控制信号控制，并且所述第四开关由所述第二控制信号控制；以及
第二电容器，其将所述第二开关级耦接至所述输出端。
19.根据权利要求1所述的开关电容器转换器，其中，所述第一开关是功率金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，并且其中，所述第一端子是漏极，所述第二端子是源极，并且所述控制端子是栅极。
20.一种用于限制在开关电容器转换器SCC启动时所述SCC内的电流的方法，所述SCC包括：输入端；输出端；第一开关级，其包括串联连接并插入在所述输入端和所述输出端之间的第一开关和第二开关，所述第一开关包括耦接至所述输入端的第一端子、耦接至所述第二开关的第二端子、以及控制端子；第一电容器，其插入在所述第一开关级与所述输出端之间；以及电压斜坡发生器，所述方法包括：
检测到所述输入端处的输入电压已经升高至高于有效阈值，所述有效阈值表示所述输入端正向所述SCC提供电力；
响应于所述检测而生成斜坡电压，当所述斜坡电压在所述输入电压有效期间上升时，所述斜坡电压的斜率小于所述输入电压的斜率；
基于所述斜坡电压来设置所述第一开关的第二端子处的电压。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，当所述输入电压已经达到稳态电压电平时，所述斜坡电压增加到与所述输入电压相同的最大电压。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，所述电压斜坡发生器还包括数模转换器DAC，所述方法还包括：
使耦接至所述DAC的计数器递增；以及
更新所述DAC的输出并将所述DAC的输出提供为所述斜坡电压。
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