CN110677042B - 电压变换电路及电源系统 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提供了一种电压变换电路以及电源系统，该电压变换电路包括：谐振电容变换单元、电压变换单元和n个电容单元；n个电容单元包括第一电容单元、第二电容单元和第三电容单元；谐振电容变换单元包括第一输出端、第二输出端和第三输出端，电压变换单元和第一电容单元分别连接在第一输出端和第二输出端之间；第二电容单元连接在第二输出端和第三输出端之间；电压变换单元包括第四输出端和第五输出端，第三电容单元连接在第四输出端和第五输出端之间；其中，n为大于2的整数。本申请提供的电压变换电路，通过采用较少的元器件，即可实现电压变换电路的输出电压在一定的数值范围内连续可调。同时，本申请提供的电压变换电路具有较高的输出电流，低功率耗散。

Description

电压变换电路及电源系统
技术领域
本申请实施例涉及电子电路技术，尤其涉及一种电压变换电路以及电源系统。
背景技术
随着人工智能技术的发展，人工智能芯片也应运而生。为了满足人工智能技术领域的各种需求，具有各种功能的人工智能芯片逐渐增多。现有的人工智能芯片，通常需要低电压(例如0.7V电压)供电。而现有的通信系统中，所采用的统一供电标准为48V。这就需要将现有的48V电压转换成低电压以驱动人工智能芯片工作。同时，驱动人工智能芯片工作的电流通常较高(例如700A)。这就需要转换后的电压可在较宽的范围内调节、同时还具有较高的输入电流。也即是说，该电压转换装置在电压转换过程中，具有较小的功率耗散。同时，为了保证人工智能芯片具有稳定的工作环境，通常还需要转换后的电压具有较快的动态响应、较小的纹波，以满足高精度的人工智能芯片的运行。
相关直流-直流(DC-DC)变换技术中，包括采用输入与输出的电压之间电压转换比率固定的方式。如图1所示，图1示出了现有技术中的电压变换电路的示意图。图1所示的电压变换电路包括开关管Q01-Q010十个开关管。通过分别控制各开关管的开通和管断，实现电容C01-C04和电感L01-L03的充放电，从而将输入电压Vin-dc逐级传输至输出端V0out，从而实现对输入电压Vin-dc的降压。如图1所示的电压变换电路为开环电路，其可实现输入输出之间4比1的电压增益。也即是说，当输入电压为48V时，利用该电压变换电路可以实现固定12V的输出电压。从图中可以看出，如图1所示的电压变换电路实现4比1的电压增益需要10个开关管，如果增大电压增益，则需更多的开关管，使得元器件占用过多的版图，不利于高度集成化电路的实现。如图1所示的电压变换电路，输入输出的电压增益固定，也即只能输出固定电压值。如果需要改变输出电压值，只能通过增加开关管或减少开关管实现，降低了电路的灵活性。
发明内容
本申请提供的电压变换电路，通过采用较少的元器件，即可实现电压变换电路的输出电压在一定的数值范围内连续可调。同时，本申请提供的电压变换电路具有较高的输出电流，低功率耗散。
为了解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：
第一方面，本申请实施例提供一种电压变换电路，电压变换电路包括：谐振电容变换单元、电压变换单元和n个电容单元；n个电容单元包括第一电容单元、第二电容单元和第三电容单元；谐振电容变换单元包括第一输出端、第二输出端和第三输出端，电压变换单元和第一电容单元分别连接在第一输出端和第二输出端之间；第二电容单元连接在第二输出端和第三输出端之间；电压变换单元包括第四输出端和第五输出端，第三电容单元连接在第四输出端和第五输出端之间；其中，n为大于2的整数。
本申请提供的电压变换电路，通过采用谐振电容变换单元和DC-DC变换单元连接的拓扑结构，同时，将谐振电容变换器作为电压变换电路的前级输入单元、将DC-DC变换单元作为电压变换电路的后级输出单元，可以使得电压变换电路的输出电压可以在较宽的数值范围内可调。通过改变DC-DC变换电路的电路拓扑结构，可以实现升压变换、降压变换、升降压变换等，提高电路灵活性。
在一种可能的实现方式中，谐振电容变换单元还包括第一输入端和第二输入端，第一输入端与供电电路的正电压端连接，第二输入端与供电电路的负电压端连接，供电电路为电压变换电路提供电能。通过将第一输出端与高电位连接、第三输出端与低电位连接，可以使得第一输出端和第三输出端两端的电压与供电电压相等，从而减少后续电压转换过程中的功率损耗。
在一种可能的实现方式中，谐振电容变换单元包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关；其中，第一开关和第二开关串联在第一输出端和第二输出端之间，第三开关和第四开关串联在第二输出端和第三输出端之间。从该可能的实现方式中可以看出，现有的电压变换器例如buck变换器、boost变换器等，通常包括2个开关。这样一来，本申请提供的电压变换电路可以包括6个开关。与现有技术的10开关固定输出的电压变换电路相比，减少了开关管的数目，有利于高集成电路的实现。
在一种可能的实现方式中，谐振电容变换单元还包括谐振电容、谐振电感、第一结点、第二结点和第三结点。第一结点为第一开关和第二开关之间的连接点，第二结点为第二开关和第三开关之间的连接点，第三结点为第三开关和第四开关之间的连接点。其中，谐振电容串联在第一结点和第三结点之间；谐振电感串联在第二结点和第二输出端之间。或者，谐振电容和谐振电感依次串联在第一结点和第三结点之间；第二结点和第二输出端电连接。谐振电容变换单元通过设置谐振电容和谐振电阻，并且通过该可选的两种实现方式实现谐振电容和谐振电感的串联谐振回路，可以实现谐振电容变换单元的零电压开关或零电流开关，减少开关管开通或关断过程中的功率损耗，从而可以使得谐振电容变换单元具有较高的输出电流，有利于输出大电流的实现。
在一种可能的实现方式中，第一电容单元包括至少一个第一电容；第二电容单元包括至少一个第二电容。
在一种可能的实现方式中，第三输出端和第四输出端为电压变换电路的输出端；n个电容单元还包括第四电容单元，第四电容单元连接在第三输出端和第四输出端之间。
在一种可能的实现方式中，第一开关、第二开关、第三开关、第四开关中的任一开关包括以下之一：绝缘栅型双极型晶体管IGBT，或者由多个IGBT并联或串联而成的开关电路；金属氧化物半导体场效应晶体管Mosfet，或者由多个Mosfet并联或串联而成的开关电路；由IGBT与二极管并联而成的开关电路，或者由Mosfet与二极管并联而成的开关电路。通过该实现方式，可以根据不同的应用场景选择不同结构的开关管，例如当输入功率较高，需要采用大功率晶体管时，可以选择大功率晶体管，或者选择由多个晶体管串联而成的开关电路。从而该实现方式可以提高电压变换电路的灵活性。
在一种可能的实现方式中，电压变换单元包括具有反馈功能以控制输出端电压的电压变换器。通过设置具有反馈功能的电压变换器，可以使得电压变换电路工作在闭环状态，从而可以基于反馈信号对电压变换电路的输出电压进行调节，实现输出电压在较宽范围内的连续可调。
在一种可能实现方式中，电压变换器包括以下任意电路或者以下任意电路之间进行组合所形成的电路：实现降压buck功能的buck电路、实现升压boost功能的boost电路、实现降压-升压功能的buck-boost电路、多相boost电路、多相buck电路。通过该实现方式，可以根据输出电压的变化范围需求灵活选择各功能的变换电路，提高电压变换电路的工作效率和功能利用率。
在一种可能的实现方式中，电压变换电路的工作状态包括以下之一：占空比固定的开环工作状态，占空比可调的闭环工作状态；其中，当电压变换电路工作在开环工作状态时，通过固定电压变换电路中各开关在一个工作周期内的导通时间，以使电压变换电路输出固定电压；当电压变换电路工作在闭环工作状态时，将第三输出端和第四输出端之间的电压作为反馈信号反馈至电压变换单元中各开关的控制端，以使电压变换电路输出可调电压。
在一种可能的实现方式中，n个电容单元还包括第五电容单元，第五电容单元连接在供电电路的高电位和低电位之间。
第二方面，本申请实施例提供了一种电源系统，该电源系统包括输入端口、输出端口以及如第一方面所述的电压变换电路。其中，输入端口连接至外部电源，输出端口与负载的供电端连接；电源系统将外部接收的电能进行转换后，为负载供电。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术中的电压变换电路的一个结构示意图；
图2是本申请提供的电源系统的一个实施例的应用场景示意图；
图3是本申请提供的电源系统的又一个实施例的应用场景示意图；
图4是本申请提供的电压变换电路的一个实施例的结构示意图；
图5a-图5b是本申请提供的谐振电容变换单元的一个实施例的拓扑结构示意图；
图6是本申请提供的电压变换电路的一个实施例的拓扑结构示意图；
图7是本申请提供的电压变换电路的又一个实施例的拓扑结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本文所提及的"第一"、"第二"以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要
性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，"一个"或者"一"等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。"连接"或者"相连"等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
在本文中提及的"单元"通常是指按照逻辑划分的功能性结构，该"单元"可以由纯硬件实现，或者，软硬件的结合实现。
在本申请实施中，“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示:单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。
在本申请实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。例如，多个处理单元是指两个或两个以上的处理单元；多个系统是指两个或两个以上的系统。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
请参考图2，其示出了本申请实施例提供的电源系统的一个应用场景示意图。在图1所示的应用场景中，包括外部电源1、电源系统2、和负载3。其中，外部电源1也可称为供电电路，其为有源电路，其通常包括电压源，以为电源系统提供电能。电源系统2包括电压变换电路21、输入端口Vin和输出端口Vout。其中，电压变换电路21的输入端通过输入端口Vin与外部电源1连接，电压变换电路21的输出端通过输出端口Vout与负载3的供电端连接。电源系统2还可以包括诸如时钟信号发生电路、时钟控制电路等。
通常，外部电源1提供给电源系统2的电压通常为容易获取到的固定电压(例如48V电压)，经电源系统2中的电压变换电路21进行电压转换，转换成负载3可以直接使用的电能。作为示例，负载3可以为各种处理器，例如图像处理器(GPU)，中央处理器(CPU)等。负载3还可以为各种集成电路芯片，该集成电路芯片包括不限于AI(Artificial Intelligence，人工智能)芯片、图像处理芯片。
请继续参考图3，其示出了本申请实施了提供的电源系统的又一个应用场景示意图。在图3所示的应用场景中，包括外部电源1、电源系统2和负载3。其中，电源系统2包括第一电压变换电路21、第二电压变换电路22、输入端口Vin和输出端口Vout。第一电压变换电路21的输入端通过电源系统2的输入端口Vin连接至外部电源1的输入端，第一电压变换电路21的输出端与第二电压变换电路22的输入端连接；第二电压变换电路22的输出端通过电源系统2的输出端口Vout与负载2的供电端连接。电源系统2还可以包括诸如时钟信号发生电路、时钟控制电路等。
其中，外部电源1的结构和图1所示的应用场景中的外部电源1的结构相同，在此不再赘述。在如图2所示的应用场景中，通常负载3所需要的输入电压很小，(例如人工智能芯片的输入电压0.7V、数字信号处理芯片的输入电压1.8V)。市面所提供的统一电压标准通常为48V。由于人工智能芯片、数字信号处理芯片、GPU芯片等为高精度芯片，其所需要的输入电压需要较小的纹波以提高芯片的工作环境和工作效率。从而，通常需要多级电压变换，以满足人工智芯片等高精度芯片的输入电压的需要。因此，上述第一电压变换电路21、第二电压变换电路22的电路拓扑结构均可以为本申请提供的电压变换电路的电路拓扑结构。或者，其中一个电压变换电路的电路拓扑结构为本申请提供的电压变换电路的电路拓扑结构，另外一个电压变换电路也可以为其它电路拓扑结构。
作为示例，上述供电电路输入至第一电压变换电路中的电压为48V；48V电压经过第一电压变换电路转换后，从第一电压变换电路输出5V-3V之间的可调电压，该电压也即输入至第二电压变换电路中的电压；最后，该5V-3V之间的可调电压经过第二电压变换电路转换后，输出1.8V-0.7V之间的可调电压为人工智能芯片、数字信号处理芯片等负载供电。
值得注意的是，本申请实施了所示的电源系统所包括的电压变换电路不限于上述第一电压变换电路、第二电压变换电路，还可以包括更多的电压变换电路，根据实际应用场景的需要设置电压变换电路的数目。上述各电压变换电路的输入电压、输出电压即可以为定值电压、也可以为在一定数值范围内可调的电压，在此不做限定。
在一些具体实现中，图2和图3所示的负载3可以为用于分布式计算、机器学习、自然语言处理、图像处理等执行大量计算任务的AI芯片。
当该AI芯片用于对终端设备(例如手机、计算机、可穿戴智能设备)等安装的应用提供图像处理功能、数据分析与计算功能时，上述电子设备可以为服务器设备，该AI芯片可以设置于服务器设备中。此时，本申请提供的电压变换电路可以设置于为服务器设备提供电能或处理外部输入的电能的电源系统中。该电源系统可以设置于服务器设备内部以为AI芯片供电，也可以独立于服务器设备存在，通过与AI芯片引出的供电端连接以为AI芯片供电。
当该AI芯片应用于自动驾驶领域，提供必要的车载计算时，上述电子设备可以为车载控制设备，该AI芯片还可以设置于车载控制设备中。此时，电压变换电路可以设置于为车载控制设备提供电能或处理外部输入的电能的电源系统中。该电源系统可以设置于车载控制设备内部以为AI芯片供电，也可以独立于车载控制设备存在，通过与AI芯片引出的供电端连接以为AI芯片供电。
上述AI芯片还可以为5G芯片，此时，上述电子设备可以为与终端进行通信的基站硬件设备，该AI芯片可以设置于基站硬件设备中。此时，电压变换电路可以设置于为基站硬件设备提供电能或处理外部输入的电能的电源系统中。该电源系统可以设置于基站硬件设备内部以为AI芯片供电，也可以独立于基站硬件设备存在，通过与AI芯片引出的供电端连接以为AI芯片供电。
结合图2、图3所示的应用场景，下面对本申请提供的电压变换电路的结构进行具体说明。
请继续参考图4，其示出了本申请实施例提供的电压变换电路的一个电路结构示意图。
如图4所示，电压变换电路40包括谐振电容变换单元41、电压变换单元42和电容单元431-433。谐振电容变换单元41包括第一输入端Vi1、第二输入端Vi2、第一输出端Vo1、第二输出端Vo2、第三输出端Vo3。电压变换单元42包括第三输入端Vi3、第四输入端Vi4、第四输出端Vo4、第五输出端Vo5。谐振电容变换单元41的第一输入端Vi1、第二输入端Vi2可以与外部供电电路的正电压端和负电压端连接，用于接收外部电路(例如供电电路、电压源、电流源)输入的电能。谐振电容变换单元41的第一输出端Vo1、第二输出端Vo2与电压变换单元42的第三输入端Vi3和第四输入端Vi4连接。从而，谐振电容变换单元41可以将接收到的电能进行处理变换后向电压变换单元42输入电能。电压变换单元42对接收到的电能进行处理转换，最终形成输出电压为负载供电。
如图4所示的电路结构中，第一电容单元431连接在谐振电容变换单元41的第一输出端Vo1和第二输出端Vo2之间。也即，与电压变换单元42并联。该第一电容单元431可以包括一个电容，也可以包括多个电容。第一电容单元431所包括的电容的数目在此不做限定。第二电容单元432连接在谐振电容变换单元41的第二输出端Vo2和第三输出端Vo3之间。第二电容单元432可以包括一个电容，也可以包括多个电容。该第二电容单元432所包括的电容的数目在此不做限定。第三电容单元433连接在电压变换单元42的第四输出端Vo4、第五输出端Vo5之间。第三电容单元433可以包括一个电容，也可以包括多个电容。该第三电容单元433所包括的电容的数目在此不做限定。
上述电压变换单元42可以包括实现不同电压变换功能的电压变换器。，该电压变换器具有反馈功能，从而可以使得电压变换电路40工作在闭环状态来控制输出端电压。具体的，该电压变换器包括但不限于：实现降压buck功能的buck电路、实现升压boost功能的boost电路、实现降压-升压功能的buck-boost电路、多相buck电路、多相boost电路。该电压变换器还可以为上述各电路之间的组合。具体的，可以为buck电路和boost电路的组合，可以为buck电路和buck-boost电路之间的组合，还可以为buck电路、boost电路和buck-boost电路之间的组合等。也即是说，通过改变电压变换单元42的电路拓扑结构，即可实现不同功能的电路转换。从而，当上述电压变换单元42为buck功能电路、输入电压为V时，电压变换单元42的输出电压可以实现0.5V～V范围内的电压可调。当上述电压变换电路为boost电路、输入电压为V时，电压变换电路的输出电压可以实现V～NV电压数值范围内的电压可调，N大于等于2。当上述电压变换单元42为buck-boost电路、输入电压为V时，电压变换单元的输出电压可以实现0.5V～NV范围内的电压可调，N大于等于2。
需要说明的是，本申请实施例所示的谐振变换单元41的第一输出端Vo1和第二输出端Vo2之间所连接的电路结构、第二输出端Vo2和第三输出端Vo3之间所连接的电路结构具有对称性。具体的，作为示例，第一输出端Vo1和第二输出端Vo2之间连接的元器件的数目、各元器件的特性，与第二输出端Vo2和第三输出端Vo3之间连接的元器件的数目、各元器件的特性相同或相似。从而，第一输出端Vo1和第二输出端Vo2之间的输出电压、第二输出端Vo2和第三输出端Vo3之间的输出电压相同。由于其各元器件的数目、特性相同，当其输出端所加载的负载的功率相同时，各输出端之间的电流相同，也即功率相同。因此，与谐振电容变换单元的第一输出端Vo1和第二输出端Vo2连接的电压变换单元仅需要处理电压变换电路输入的部分功率。从而，可以降低电压变换单元41所采用的元器件的功率参数，进而减小电压变换单元41所采用的元器件的体积，有利于实现高度集成电路。
上述元器件的特性相同具体可以包括但不限于：开关管的开通和关断时延相同、开关管的种类相同、电容的材料相同、电容介质相同、电容容量相同等。
结合图4所示的电压变换电路40的电路结构，对谐振电容变换单元进行详细说明。
请参看图5a，其示出了本申请实施例提供的谐振电容变换单元的电路拓扑结构的示意图。
如图5a所示，谐振电容变换单元41包括依次串联的第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4。第一开关K1的另一端连接至谐振电容变换单元41的第一输出端Vo1，第四开关K4的另一端连接至谐振电容变换单元41的第三输出端Vo3。其中，第一输出端Vo1可以与电压变换电路40的高电位连接，第三输出端Vo3可以与电压变换电路40的低电位连接。在这里，高电位可以为外部供电电路或者外部供电电源的正极，低电位可以为外部供电电路或者外部供电电源的负极，或者，低电位可以为电压变换电路40的参考地电位。
在本实施例中，第一开关K1和第一开关K2之间的连接点形成第一结点a1，第二开关K2和第三开关K3之间的连接点形成第二结点a2，第三开关K3和第四开关K4之间的连接点形成第三结点a3。
谐振电容变换单元41还包括谐振电容C1和谐振电感L1。具体的，谐振电容C1和谐振电感L1的在谐振电容变换单元41中的具体连接可以为图5a所示。在图5a中，谐振电容C1的一端与谐振电感L1电连接，另一端连接至第三结点a3。谐振电感L1的另一端连接至第一结点a1。
在一些可选的实现方式中，谐振电容C1和谐振电感L1的在谐振电容变换单元41中的具体连接可以为图5b所示。在图5b中，谐振电容C1的一端连接至第一结点a1，另一端连接至第三结点a3。谐振电感L1的一端连接至第二结点a2，另一端连接至第二输出端Vo2。
通常谐振电容变换单元41的第一输入端Vi1连接至电压变换电路40的高电位，谐振电容变换单元41的第二输入端Vi2连接至电压变换电路的低电位。
以图5a为例，对谐振电容变换单元41的工作原理进行具体说明。在具体工作中，在第一时间段，第一开关K1闭合，第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4断开。此时，谐振电容C1与谐振电容变换单元41的第一输入端Vi1连接。外部供电电路向谐振电容C1和谐振电感L1充电。在第二时间段，第一开关K1断开，第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4闭合，此时，谐振电容C1和谐振电感L1形成串联谐振回路。在谐振电容C1和谐振电感L1具有较高的品质因数的条件下，当第一输出端Vo1和第二输出端Vo1之间连接后一级电路或负载时，由串联谐振工作原理可知，输入至后一级电路或负载的电流较大。而第一输出端和第二输出端之间的输入电压固定。从而，输入至后一级电路或负载的功率中，具有较小的功率耗散，进而满足现有的人工智能芯片具有较小的供电电压、且具有较大的输入电流的要求。
在本实施例中，第一电容单元431和第二电容单元432具有对称的电路结构。也即是说，第一电容单元431和第二电容单元432所包括的元器件的数目和特性相同或相似。例如，图5a、图5b所示，第一电容单元431可以包括一个电容C2、第二电容单元可以包括一个电容C3。其中，C2和C3的特性相同。这里，第一电容单元431和第二电容单元432通常具有滤波功能和储能功能。从而，可以为连接在谐振电容变换单元41的输出端的后一级电路或负载提供能量。
在本实施例中，由于谐振电容变换单元中有谐振电容C1和谐振电感L1的存在，可以使得谐振电容变换单元的开关管工作在零电压启动或关断状态，大大降低了电压谐振电路的功耗。由串联谐振工作原理可知，当电路处于谐振状态时，其只与谐振电容C1、谐振电感L1的本身材料特性有关。通过改变谐振电容C1的容抗大小，同样可以改变谐振电感L1的感抗大小。当谐振电容C1的容抗达到某一值时，可以使得谐振电感L1的感抗特别小，可以直接采用PCB电路板上的覆铜替代谐振电感L1，从而进一步简化了电路器件数目，进而减少功率耗散。
请继续参考图6，其示出了本申请实施例提供的电压变换电路的一种具体的电路结构示意图。结合图4所示的电压变换电路的结构，以电压变换单元为buck电路为例，对电压变换电路的具体连接和工作原理进行阐述。
如图6所示的电压变换电路中，谐振电容变换单元41的具体连接关系可以参考图5b所示的电路连接关系的具体描述，在此不再赘述。
图6所示的电压变换电路中，电压变换单元42还包括第五开关K5、第六开关K6和电感L2。
其中，电压变换单元42的第三输入端Vi3与谐振电容变换单元41的第一输出端Vo1连接，电压变换单元42的第四输入端Vi4与谐振电容变换单元41的第二输出端Vo2连接。第五开关K5的一端连接至第三输入端Vi3，另一端与第六开关K6连连接。第六开关K6的另一端连接至第二输出端Vo2。第五开关K5和第六开关K6之间的连接点形成第四结点a4。电感L2连接在结点a4和第四输出端Vo4之间。电压变换单元42的第五输出端Vo5与谐振电容变换单元41的第二输出端Vo2连接。
电压变换单元42的第四输出端Vo4和第五输出端Vo5之间还连接有第三电容单元433。该第三电容单元433可以包括一个电容C4。该第三电容单元433所包括的电容具有滤波和储能功能，从而可以避免电压变换电路工作时由于各连接线等产生信号干扰，提高电路抗干扰能力，同时为电压变换电路存储能量。
图6所示的电压变换电路40中，电容单元431包括第二电容C2和第一电阻R1。电容单元432包括第三电容C3和第二电阻R2。
从图6所示的电路可以看出，谐振电容变换单元41的第一输入端Vi1和第二输入端Vi2分别连接外部电压源Vcc的正电压端和负电压端。在电压源Vcc的正电压端和负电压端之间串联有第四电容单元434。该第四电容单元434包括依次串联连接的电阻R3、电容C5、电阻R4和电容C6。该第四电容单元所包括的电容具有滤波和储能功能。
由于电压变换电路40包括多个开关。因此，如图6所示的电路还包括多个控制单元，以控制电压变换电路中的开关的导通和关断。该控制单元可以为控制芯片、信号发生器或者其他控制电路。图6示例性的示出了控制单元441、442和443。由于第五开关和第六开关之间的开通和关断时间反相，为了减少控制单元的数目以及所占用的电路板的版图，可以在第三控制单元443的输出端与第六开关管K6的控制端之间设置反相器，以实现控制信号的反相。
如图6所示，电压变换电路40的输出端为电压变换单元42的第四输出端Vo4和谐振电容变换单元41的第三输出端Vo3。也即是说，第二电容单元432和第三电容单元433串联后作为电压变换电路40的输出端。在电压变换单元42的第四输出端Vo4和谐振电容变换单元41的第三输出端Vo3之间连接有第五电容单元435。该第五电容单元435可以包括一个电容C7。该电容C7具有滤波和储能功能。
电压变换电路具体工作过程中，电压源Vcc向谐振电容变换单元431输入电压。在第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4的控制下，谐振电容变换单元431将电压源提供的电压输入至第一输出端Vo1、第二输出端Vo2和第三输出端Vo3，同时，使得第一输出端Vo1和第二输出端Vo2之间的电压、与第二输出端Vo2和第三输出端Vo3之间的电压相等。从而，输入至电容变换单元42的电压为电源电压的一半。电压变换电路40的工作状态可以包括占空比固定的开环工作状态。此时，通过固定控制单元443的占空比以固定电压变换电路中各开关在一个工作周期内的导通时间，进而使得电压变换电路40的输出端输出的电压为固定值。
例如，当设定控制单元443的占空比为0.33时，也即是说，在电容变换电路的一个工作周期内，开关K4导通的时间占一个周期的33％，开关K5导通的时间占一个周期的66％。当电压源Vcc供电电压为V时，电压变换单元42的第四输出端Vo4和第五输出端Vo5之间的电压为1/2V乘以0.33。当设定控制单元443的占空比为1时，也即是说，开关K5在电容变换电路的一个工作周期内，均处于导通状态，此时，电压变换单元42的第四输出端Vo4和第五输出端Vo5之间的电压为1/2V。当设定控制单元443的占空比为0时，也即是说，开关K5在电容变换电路的一个工作周期内，均处于关断状态。此时，电压变换单元42的第四输出端Vo4和第五输出端Vo5之间的电压为0。通过上述分析可知，通过调节开关K5在电容变换电路的一个工作周期内的占空比，即可以改变输出至电容变换单元42的第四输出端Vo4和第五输出端Vo5之间的电压。
在本实施例中，电压变换电路40的输出端为电压变换单元42的第四输出端Vo4和谐振电容变换单元41的第三输出端Vo3。也即是说，电压变换电路40输出的电压为电压变换单元42的两输出端输出的电压、谐振电容变换单元41的第二输出端Vo2和第三输出端Vo3输出的电压之和。由于谐振电容变换单元41的第二输出端Vo2和第三输出端Vo3输出的电压为电源电压V的一半，因此，电压变换电路的输出端输出的电压可以在0.5V-V之间连续可调。
作为示例，当控制单元443的占空比为0.33、电压源输入的电压为48V时，谐振电容变换单元41的第二输出端Vo2和第三输出端Vo3之间的电压为24V，输入至电压变换单元42的电压为24V。电压变换单元42的第四输出端Vo4和第五输出端Vo5之间输出的电压为24*0.33＝8V。从而，电压变换电路40的输出电压为24V+8V＝32V。实现了输入输出的电压变换。
值得注意的是，上述每一个电容单元可以包括一个电容，也可以包括多个电容。还可以包括串联连接的电容和电阻。在此不做具体限定，根据应用场景的需要设定。本申请所示的电压变换电路中，所采用的电容可以为各种类型的电容，包括但不限于：极性电容、非极性电容等。当采用极性电容时，正极与电压变换电路40的高电位连接，负极与电压变换电路40的低点位连接。本申请所示的电压变换电路40中，所采用的开关管包括但不限于：绝缘栅型双极性晶体管、多个IGBT并联或串联而成的开关电路、金属氧化物半导体场效应晶体管Mosfet、由多个Mosfet并联或串联而成的开关电路、由IGBT与二极管并联而成的开关电路、由Mosfet与二极管并联而成的开关电路。
进一步参考图7，其示出了本申请实施例提供的电压变换电路的又一个电路结构示意图。
其中，图7所示的电压变换电路所包括的各单元、各单元之间的连接关系、每一个单元所包括的元器件的数目、种类、以及各元器件之间的连接关系均可以参考上述图4-图6所示的电路结构。与图4-图6所示的实施例不同的是，本实施例所示的电压变换电路为闭环电路。也即是说，电压变换单元42的第四输出端Vo4连接至控制单元443，从而电压变换电路可以工作在闭环状态。此时，第三输出端Vo3和第四输出端Vo4之间的电压作为反馈信号反馈至控制单元443，,以对控制单元443输出的控制信号进行调节，从而改变电压变换电路的占空比，进而使得输出电压连读可调。这样一来，可以使得电压变换电路的输出电压在一定范围内连续可调，提高电压变换电路的灵活性。
上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims (13)

1.一种电压变换电路，其特征在于，包括谐振电容变换单元、电压变换单元和n个电容单元；
所述n个电容单元包括第一电容单元、第二电容单元和第三电容单元；
所述谐振电容变换单元包括第一输出端、第二输出端和第三输出端，所述电压变换单元和所述第一电容单元分别连接在所述第一输出端和所述第二输出端之间；
所述第二电容单元连接在所述第二输出端和所述第三输出端之间；
所述电压变换单元包括第四输出端和第五输出端，所述第三电容单元连接在所述第四输出端和第五输出端之间；
其中，n为大于2的整数；
所述第一输出端用于输出正电压信号，所述第三输出端用于输出负电压信号，所述第二输出端用于输出所述正电压信号和所述负电压信号之间的电压信号；
所述第二输出端与所述第五输出端连接；
所述第四输出端与所述第三输出端用于连接负载，以为负载充电。
2.根据权利要求1所述的电压变换电路，其特征在于，所述谐振电容变换单元还包括第一输入端和第二输入端，
所述第一输入端与供电电路的正电压端连接，所述第二输入端与供电电路的负电压端连接，所述供电电路为所述电压变换电路提供电能。
3.根据权利要求1所述的电压变换电路，其特征在于，所述谐振电容变换单元包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关；其中，
所述第一开关和所述第二开关串联在所述第一输出端和所述第二输出端之间，所述第三开关和所述第四开关串联在所述第二输出端和所述第三输出端之间。
4.根据权利要求3所述的电压变换电路，其特征在于，所述谐振电容变换单元还包括谐振电容、谐振电感、第一结点、第二结点和第三结点；其中，
所述谐振电容串联在所述第一结点和所述第三结点之间；
所述谐振电感串联在所述第二结点和所述第二输出端之间；
所述第一结点为所述第一开关和所述第二开关之间的连接点，所述第二结点为所述第二开关和所述第三开关之间的连接点，所述第三结点为所述第三开关和所述第四开关之间的连接点。
5.根据权利要求3所述的电压变换电路，其特征在于，所述谐振电容变换单元还包括谐振电容、谐振电感、第一结点、第二结点和第三结点；其中，
所述谐振电容和所述谐振电感依次串联在所述第一结点和所述第三结点之间；
所述第二结点和所述第二输出端电连接；
所述第一结点为所述第一开关和所述第二开关之间的连接点，所述第二结点为所述第二开关和所述第三开关之间的连接点，所述第三结点为所述第三开关和所述第四开关之间的连接点。
6.根据权利要求1-5之一所述的电压变换电路，其特征在于，
所述第一电容单元包括至少一个第一电容；
所述第二电容单元包括至少一个第二电容。
7.根据权利要求1-5之一所述的电压变换电路，其特征在于，所述第三输出端和所述第四输出端为所述电压变换电路的输出端；
所述n个电容单元还包括第四电容单元，所述第四电容单元连接在所述第三输出端和所述第四输出端之间。
8.根据权利要求3所述的电压变换电路，其特征在于，所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关、所述第四开关中的任一开关包括以下之一：
绝缘栅型双极型晶体管IGBT，或者由多个绝缘栅型双极型晶体管IGBT并联或串联而成的开关电路；
金属氧化物半导体场效应晶体管Mosfet，或者由多个金属氧化物半导体场效应晶体管Mosfet并联或串联而成的开关电路；
由绝缘栅型双极型晶体管IGBT与二极管并联而成的开关电路，或者由金属氧化物半导体场效应晶体管Mosfet与二极管并联而成的开关电路。
9.根据权利要求1所述的电压变换电路，其特征在于，所述电压变换单元包括具有反馈功能以控制输出端电压的电压变换器。
10.根据权利要求9所述的电压变换电路，其特征在于，所述电压变换器包括以下任意电路或者以下任意电路之间进行组合所形成的电路：
实现降压buck功能的buck电路、实现升压boost功能的boost电路或者实现降压-升压功能的buck-boost电路。
11.根据权利要求9或10所述的电压变换电路，其特征在于，所述电压变换电路的工作状态包括以下之一：占空比固定的开环工作状态，占空比可调的闭环工作状态；其中，
当所述电压变换电路工作在所述开环工作状态时，通过固定所述电压变换电路中各开关在一个工作周期内的导通时间，使得所述电压变换电路输出固定电压；
当所述电压变换电路工作在所述闭环工作状态时，将所述第三输出端和所述第四输出端之间的电压作为反馈信号反馈至所述电压变换单元中各开关的控制端，以使所述电压变换电路输出可调电压。
12.根据权利要求2所述的电压变换电路，其特征在于，所述n个电容单元还包括第五电容单元，所述第五电容单元连接在所述供电电路的高电位和低电位之间。
13.一种电源系统，其特征在于，所述电源系统包括输入端口、输出端口以及如权利要求1-12任意一项所述的电压变换电路；其中，
所述输入端口连接至外部电源，所述输出端口与负载的供电端连接；
所述电源系统将外部接收的电能进行转换后，为所述负载供电。
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