CN110784103B

CN110784103B - 将第一电压转换为第二电压的装置

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Publication number: CN110784103B
Application number: CN201911107739.1A
Authority: CN
Inventors: 格雷戈里·什塞辛斯基; 奥斯卡·布莱德
Original assignee: Arctic Sand Technologies Inc
Current assignee: PASSION; Arctic Sand Technologies Inc
Priority date: 2013-09-16
Filing date: 2014-09-16
Publication date: 2022-07-12
Anticipated expiration: 2034-09-16
Also published as: GB2592816B; GB2534716A; WO2015039079A3; US20150077176A1; KR20160056913A; GB201604221D0; US10162376B2; CN105723599B; GB202107059D0; CN105723599A; DE112014004237T5; US9658635B2; TW201526493A; GB2592816A; US20150326113A1; CN110784103A; USRE49449E1; US9041459B2; US20170285679A1; WO2015039079A2

Abstract

公开了一种用于将第一电压转换为第二电压的装置，其包括：电荷泵，具有布置为在多个周期中操作的开关元件，所述开关元件根据定时模式切换，每个周期与所述开关元件的不同配置相关联，所述开关元件被配置为向多个电容元件提供充电和放电路径；及耦合到电荷泵的控制器，所述控制器包括用于控制切换电荷泵的周期的切换的定时模式的输出和用于接收以电荷泵的操作为特征的传感器信号的一个或多个传感器输入，其中，一个或多个传感器输入中的至少一个被连接至耦合到电荷泵的转换器，控制器被配置为通过基于一个或多个传感器输入调整电荷泵的周期的切换频率来调整电荷泵的周期的切换的定时模式。

Description

将第一电压转换为第二电压的装置

本申请是国际申请日为2014年9月16日、国际申请号为PCT/ US2014/055809(进入中国国家阶段的申请号为201480062695.4)、发明名称为“局部绝热转换”的专利申请的分案申请。

相关的申请数据

本申请要求于2013年9月16日提交的美国申请no.14/027,716 的优先权日期的权益。上述申请的内容被完整地结合于此。

技术领域

本发明涉及绝热功率转换，并且更具体地，涉及对电荷泵的局部绝热操作的配置和控制。

背景技术

电荷泵的各种配置，包括串并联和迪克森(Dickson)配置，依靠于开关元件的交替配置来在电荷泵的端子之间传播电荷和传输能量。与电荷传播相关联的能量损耗决定转换器的效率。

参考图1，其示出了处于耦合到低电压负载110和高电压源190 的降压模式中的单相Dickson电荷泵100。在示出的配置中，通常低电压负载110由源所提供的电压的1/5电压和由高电压源190所提供的电流的5倍电流来驱动(平均而言)。泵以被称为状态二和状态一的交替状态来驱动，使得如图1所示的开关在处于指示的状态时被闭合。一般情况下，每个状态的持续时间是周期时间T的一半并且电荷泵100 的相应的切换频率等于周期时间T的倒数。

图2A-2 B分别示出了在每个状态二和状态一中的等效电路，其中示出了作为等效电阻R的每个闭合的开关。电容器C1至C4具有电容C。在电荷泵100的第一常规操作中，高电压源190是电压源，例如，二十五伏的源，使得低电压负载100由五伏来驱动。在操作中，通过电容器C1至C4的电压分别是大约五伏、十伏、十五伏和二十伏。

在电荷泵100中的能量损耗的一个原因与通过开关(即，通过在图2A-2 B中的电阻器R)的电阻损耗有关。参考图2A，在状态二期间，电荷从电容器C2转移到电容器C1并且从电容器C4转移到电容器C1。假设周期时间T比电路的时间常数足够大的条件下(例如，电阻R足够小)，这些电容器上的电压平衡。一般地，在这种平衡中的电阻能量损耗与在电容器之间传递的、并且因此传递给低电压负载110的电流的平方的时间平均成正比。类似地，在状态一期间，电容器C3和 C2平衡，电容器C4充电并且电容器C1放电，通常也导致与传递到低电压负载110的电流的平方的时间平均成正比的电阻能量损耗。

对于传递到负载110的特定平均电流，假设负载呈现近似恒定的电压，则可以表明，电阻能量损耗随着周期时间T被降低(即，切换频率被增加)而减少。这通常可以通过考虑把周期时间减小到二分之一的影响来理解，其通常将平衡时的峰值电流减少二分之一，并且由此将电阻能量损耗大约减少到四分之一。因此电阻能量损耗与切换频率的平方大约成反比。

但是，能量损耗的另一个来源与开关中的电容损耗有关，使得能量损耗随着切换频率的增加而增加。一般而言，在每个周期转换中损耗固定量的电荷，这可以被认为形成与切换频率成正比的电流。因此，这种电容能量损耗大约与切换频率的平方成正比。

因此，利用电压源和负载，存在最小化的分别随着频率增加而减少和随着频率增加而增加的电阻和电容能量损耗的总和的最佳切换频率。

发明内容

根据本发明的实施例，提供了一种用于将第一电压转换为第二电压的装置，其包括：电荷泵，具有布置为在多个周期中操作的开关元件，其中所述开关元件根据定时模式切换，其中每个周期与所述开关元件的不同配置相关联，其中所述开关元件被配置为向多个电容元件提供充电和放电路径；及控制器，耦合到所述电荷泵，其中所述控制器包括用于控制切换所述电荷泵的周期的切换的所述定时模式的输出和用于接收以所述电荷泵的操作为特征的传感器信号的一个或多个传感器输入；其中所述一个或多个传感器输入中的至少一个被连接至耦合到所述电荷泵的转换器，其中所述控制器被配置为通过基于所述一个或多个传感器输入调整所述电荷泵的周期的切换频率来调整所述电荷泵的所述周期的切换的所述定时模式。

根据本发明的实施例，还提供了一种用于将第一电压转换为第二电压的设备，其包括电荷泵、转换器和控制器，其中所述电荷泵包括布置为在多个周期中操作的开关元件，其中所述开关元件根据定时模式切换，其中所述开关元件被配置为向电容元件提供充电路径，其中所述开关元件还被配置为向所述电容元件提供放电路径，其中来自所述多个周期的所述周期中的每个与所述多个开关元件的多个不同的配置中的相应的一个相关联，其中所述转换器被耦合到所述电荷泵，其中所述控制器被耦合到所述电荷泵，其中所述控制器包括一个或多个传感器输入，其中所述一个或多个传感器输入接受一个或多个相应的传感器信号，其中所述一个或多个相应的传感器信号包括特征化所述控制器被耦合到其的所述电荷泵的操作的信号，其中所述控制器包括用于控制所述电荷泵的周期的所述切换的所述定时模式的输出，其中所述控制器被配置为通过基于所述一个或多个传感器输入调整所述电荷泵的所述周期的切换频率调整所述电荷泵的所述周期的切换的所述定时模式。

根据本发明的实施例，还提供了一种用于将第一电压转换为第二电压的设备，其包括：转换器；用于将电压从第一直流值转换至第二直流值的装置；用于使所述用于将电压从第一直流值转换至第二直流值的装置根据定时模式在多个周期中操作的装置，所述周期中的每个相应于一组用于电容元件的充电和放电路径；用于控制所述定时模式的装置；以及用于接收特征化所述用于将电压从第一直流值转换至第二直流值的装置的操作的传感器信号的装置，其中所述用于控制所述定时模式的装置被耦合到所述用于将电压从第一直流值转换至第二直流值的装置，其中所述用于控制所述定时模式的装置包括用于控制所述用于使所述用于将电压从第一直流值转换至第二直流值的装置根据定时模式在多个周期中操作的装置的输出，其中所述用于控制所述定时模式的装置包括所述用于接收特征化所述用于将电压从第一直流值转换至第二直流值的装置的操作的传感器信号的装置，其中所述转换器被耦合到用于将电压从第一直流值转换至第二直流值的装置，并且其中所述用于控制所述定时模式的装置被配置为通过基于所述用于接收传感器信号的装置调整所述用于将电压从第一直流值转换至第二直流值的装置的所述周期的切换频率来调整所述用于将电压从第一直流值转换至第二直流值的装置的所述定时模式。

附图说明

图1是单相1:5Dickson电荷泵；

图2A-2B是图1的电荷泵在两种操作状态下的等效电路；

图3和4是具有耦合到电荷泵的可切换补偿电路的电路；

图5是用于测量电荷泵电流的电路；

图6是示出在图4中示出的电荷泵的一个周期期间的电荷转移的示意图；

图7A-7C是在不同输出电流和切换频率条件下在图4中示出的电荷泵的输出电压的曲线图；及

图8是单相串并联电荷泵。

具体实施方式

如以上所介绍的，作为一个例子，在图1中示出的电荷泵100可以在“绝热”模式下操作，其中低电压外围设备110和高电压外围设备190中的一个或两者可以包括电流源。例如，在2012年11月8日发表的、并且通过引用被结合于此的专利公开WO 2012/151466描述了其中源和/或负载包括调节电路的配置。特别地，在图1和图2A-2B 中，低电压负载110可以有效地包括电流源，而不是在被称为电荷泵的“绝热”操作的例子中的电压源。如果电流源维持来自电荷泵的恒定电流，则在图2A中示出的电流在所示的状态期间维持基本上恒定的值。因此，在其中电流通过的开关中的电阻损耗比在电压负载情况下的电阻损耗低，并且也基本上独立于切换频率和周期时间T。在电压驱动的情况下，其中在开关中的电容损耗随着切换频率的增加而增加，这表明降低切换频率是所期望的。但是，可能依赖于电荷泵的内部方面、在电荷泵的端子处的电压或电流特性、和/或诸如源和/或负载的外围元件的内部方面的其它因素可能限制周期时间(例如，对切换频率设置下限)。

参考图3，在操作的第一模式中，负载320可以被认为包括具有输出电流IO的恒定电流源312。在一些实现中，负载320也包括输出电容器，这对于下面的分析可以被认为是足够小，使得传递到负载320 的电流可以被认为是基本上恒定的。如以上参考图2A-2 B所介绍的，在电荷泵100的操作的交替状态期间，在电荷泵100的电容器之间的电荷转移因此在操作的绝热模式下基本上恒定。

继续参考图3，在电荷泵100和负载320之间引入补偿电路340。开关344可控制来选择性地将补偿电容器342引入到电荷泵100的输出端。

各种因素会影响在图3中示出的功率转换的效率，包括输入电压源392的电压、电荷泵100的切换频率、以及输出电流IO(或者某种程度上等效的电荷泵100的输入或输出电流)。效率还取决于补偿电容器342是否经由开关344耦合到输出路径。作为一般的方法，控制器350接受特征化影响效率的一个或多个因素的输入并且根据引入补偿电容器，效率是否预计要被提高来输出设置开关344的状态的控制信号。由控制器350实现的逻辑的进一步讨论在该具体实施方式的后面提供。

参考图4，在另一个例子中，电荷泵100的配置具有经由补偿电路340耦合到电荷泵100的低电压端子的调节器320，以及耦合到电荷泵100的高电压端子的电压源392。在图4中示出的调节器320(在下面通常也被互换地称为“转换器”)是降压转换器(Buckconverter)，它由开关322和324、电感器326和输出电容器328组成。开关在交替的状态下打开和关闭(即，分别呈现高和低阻抗)，使得然后当开关324被闭合时开关322打开，而当开关324打开时，开关322被闭合。这些开关在可以低于、高于或等于电荷泵100中的开关的频率下操作，其中占空比被定义为在调节器320中的开关322被闭合的这一小部分时间。优选的实施例是当电荷泵100的切换频率低于调节器320 时。但是，在电荷泵100处于高于调节器320的频率的情况下，当调节器320关闭时(低占空比)，电荷泵100被禁用，并且当调节器320开启时，电荷泵100被启用。

一般而言，当调节器320在其最高占空比下操作时，调节器320 在其最高功率效率下操作。在一些例子中，调节器的控制器(未示出) 以常规的方式调整占空比来实现期望的输出电压VO。在其中的调节器320的开关322被关闭的期间，从电荷泵100传递到调节器320的电流是有效恒定的，等于通过电感器326的电流。假设调节器320的切换频率大大地高于电荷泵100的切换频率，则电荷泵100可以被认为是由具有等于占空比乘以电感器电流的平均电流的脉冲电流源驱动的。

注意，如以上所介绍的，在其中调节器320使脉冲电流下降的情况下，那么对于特定的平均电流，电阻能量损耗一般随着电流的占空比的降低而增加，大约与占空比成反比。存在一系列的低占空比，并且由此相对于平均电流的高峰值电流，其中利用脉冲电流的电阻损耗超过对于将由相对恒定的输出电压，例如，跨大的输出电容器驱动的电荷泵100导致的相同平均电流的损耗。因此，对于选定的低占空比的范围，控制器350关闭开关344并且在电荷泵100的输出端引入相对大的补偿电容器342。其结果是电荷泵100呈现基本上恒定的电压，并且因此操作在基本上“非绝热”模式。因此，由于占空比基本上与输出电压成正比，因此控制器350有效地对输出电压做出响应。从而在高输出电压的绝热模式下和在低输出电压的非绝热模式下操作电荷泵100；并且在阈值占空比下在绝热和非绝热模式之间切换以维持最优的总功率转换的效率。

在控制器350中实现的控制逻辑的例子可以在诸如图4和5所示出的那些配置中在以下的讨论中加以考虑。

一般而言，电荷泵可以在两个唯一操作条件中的其中一个下操作，或者在它们之间的区域中操作。在慢切换限制(SSL)机制中，电荷泵中的电容器电流有时间沉降到其最终值并且电容器电压从电荷泵操作的周期的开始到结束经历幅值的显著变化。在快切换限制(FSL) 机制中，例如，由于高电容、高切换频率和高开关电阻中的一个或多个的组合，电容器在电荷泵操作的周期期间不达到平衡。

另一个因素涉及在电荷泵100的输出处的电容，其中在图4的电路中，可以通过闭合开关344向输出添加补偿电容器342来增加电容。对于小的输出电容，电荷泵100的输出电流通过调节器320的脉冲电流特性被有效地设置。如以上所讨论的，对于给定的平均电流，在脉冲电流情况下的电阻功率损耗与占空比大致成反比。

对于大的输出电容，电荷泵100的输出电流的RMS通过具有补偿电容器342和调节器320的电荷泵100的内部电容器的平衡来有效地确定。对于给定的平均电流，该电阻功率损耗大约与通过电荷泵100 的内部电容器的峰值到峰值电压的平方成反比。

操作的FSL/SSL和恒定/脉冲IO模式的四种组合是可能的。在一些例子中，这四种模式中的每一种基于如在图3和4中所示出的补偿电容器342的添加以不同方式受到影响。

情况一：在FSL模式下，利用如在图3中的恒定输出电流IO，补偿电容器342的引入基本上不影响转换效率。

情况二：在FSL模式下，利用如在图4中的脉冲输出电流，当补偿电容器342被引入时效率增加，从而减少了由电荷泵100所看到的RMS电流。

情况三：在SSL模式下，利用如在图3中的恒定输出电流IO，在不引入补偿电容器342的情况下，效率通常会增加，从而产生绝热操作。

情况四：在SSL模式下，利用如图4中的脉冲负载电流，效率取决于平均输出电流、占空比以及电荷泵100在离SSL/FSL边界多远处操作之间的关系。例如，在低占空比，效率通常随着补偿电容器342 的引入而增加，从而产生非绝热操作。相反，在高占空比，效率通常会在不引入补偿电容器342的情况下增加，从而产生绝热操作。此外，当电荷泵100处于SSL模式时，离SSL/FSL边界越远，在其处效率趋势逆转的占空比越低。

取决于电荷泵电容器、开关电阻和频率的相对值，电荷泵有可能在FSL和SSL之间的机制下操作。在这种情况下，在情况四和情况二之间有效地存在过渡点，在过渡点处，补偿电容器根据转换的总体效率被引入。如上所述，知道平均充电电流及其占空比在情况四中对于确定引入补偿电容器是否将提高效率是必要的。

在一些实现中，控制器350不能访问直接提供其中功率转换正在操作的模式的信号或数据。一种方法是使控制器接收表示电荷泵的输入电流的传感器信号，并且从那个传感器信号推断操作模式。

作为例子，被确定为通过转换器的高电压端子处的开关(例如，在图1中的源109和电容器C4之间的开关)的电压的传感器信号可被用来表示电流，这是因为当开关被闭合时，电压等于电流乘以开关电阻。

在图5中示出的可替代电路提供了输入电流IIN的缩放版本。具有封闭式电阻R的输入开关510与具有封闭式电阻kR的第二开关—例如，制造为其中因子k取决于开关的几何形状的CMOS开关—平行地放置。当开关被闭合时，差动放大器530控制晶体管540的栅极电压，使得通过这两个开关的电压降相等，从而产生缩放的输入电流 IIN/k，其可以被用来形成用于控制器的传感器输入信号。

例如，根据在上述情况四和情况二之间的转换，可以使用检测到的输入电流来确定补偿电容器是否应该被接通。

用于确定电荷泵100的操作模式的一种可能的方法包括采用输入电流IIN的两个或更多个测量值并且确立连续样本值之间的差对于 SSL模式基本上为零，或者对于FSL模式高于预先确定的阈值。

另一种方法是测量在电荷泵100中的电容器的电压的差。一旦输入电流IIN已知，控制器350就可以基于电容器在完整周期上的电压纹波推断出操作模式。注意，控制器350并不需要知道在电荷泵100 中使用的电容器的特定尺寸，这是因为，例如，电容器是没有被预定的分立电容器。但是，电容器值可以从电流、电压纹波和频率的知识中推断出来，由此允许控制器350确定电荷泵100是在FSL还是在SSL 模式下操作。控制器350然后可以通过控制开关344选择性地引入补偿电容器342来选择绝热或非绝热充电。

在其它实现中使用了其它控制器逻辑。例如，一种可选方案是控制器测量使用以下公式计算效率：

η＝VO/(N*VIN)

其中，η是效率，VO是测量得到的转换器输出电压，VIN是测量得到的转换器输入电压，并且N是电荷泵转换率。

控制器通过比较输出电压VO在完整电荷泵周期中的平均值直接测量选择的绝热与非绝热充电对变换器效率的影响。

其它控制器逻辑使用上述方法的组合。例如，控制器可以通过改变电荷泵充电模式确认电荷泵操作模式的评估和效率增加的估计。

一种用于在固定频率下操作电荷泵100的传统方法，其中切换独立于负载发生(即，图1中的开关在固定时间周期上操作)。参考图 6，在切换电荷泵100的一个周期期间，电流I1从电容器C1中放出并且电流IP向电荷泵100中的其它电容器放电。对于特定的中间电流IX，周期时间T越长，由电容器C1提供的电压的下降越大。其后果是，切换频率通常限制了最大中间电流IX，这是因为用于特定负载的切换频率决定电压偏移的程度，以及在一些情况下，在电荷泵100内的各点处和各点之间以及在其端子处的电流的偏移(即，偏差，变化)。对于电荷泵100的特定设计，或电荷泵100的负载和/或源的特性，在偏移上存在操作的限制。

参考图7A-7C，电荷泵100的中间电压VX在各种电流和定时例子中示出。参考图7A，在特定的中间电流IX处，中间电压VX通常遵循锯齿模式，使得它在每个状态的开始处迅速增加，并且然后通常以恒定的速率下降。因此，电压下降的速率取决于输出电流IO。在特定的输出电流IO和切换时间下，总纹波电压δ结果，以及输出电压 VO的裕量被维持，如在图7A中所示。(注意，在图7A-7B中示出的曲线不一定示出包括在状态过渡时间的某些瞬变以及与调节器320的高频切换相关的某些特征；但是，这些近似足够用于下面的讨论)。

参考图7B，在图4的电路中的输出电流IO增加，例如大约两倍，中间电压VX的波纹增加，并且最小中间电压VMIN降低，并且因此，对于恒定的输出电压VO，在调节器320中的裕量(即，跨电感器316) 降低。但是，如果电压裕量降低到低于阈值(大于零)时，调节器320的操作受到阻碍。

参考图7C，为了向调节器320提供具有足够的电压裕量电压，切换频率可以被增加(并且周期时间降低)，例如，以恢复在图7A中示出的裕量。一般地，在这个例子中，使切换频率加倍可以加倍补偿输出电流IO。但是更一般地，输出电流IO或其它感测到的信号和切换频率之间的这种直接关系是不必要的。

一般而言，多种实施例适配电荷泵100的切换频率或者基于在电荷泵100内和可选地在耦合到电荷泵100的端子的低电压和/或高电压外围设备中的测量值确定特定的切换时刻。

在图4中示出的反馈布置中，控制器350适配(例如，以闭环或开环布置)切换频率。对于具有固定切换频率、高达最大额定电流的任何电流，电荷泵100通常在低于(即，切换时间大于)由该最大额定电流确定的特定最小频率的切换频率下操作。因此，当电流低于最大值时，与在由最大额定电流所确定的最小切换频率下操作电荷泵100 相比，电容损耗可以被减少。

一种实现这种反馈操作的方法是监视中间电压VX并且适配电荷泵的操作，以将VMIN维持在固定最小阈值之上。一种适配电荷泵100 的操作的方式是适配在反馈配置中用于切换电荷泵100的频率，使得随着最小中间电压VMIN接近阈值，切换频率被增加，并且随着它上升到高于阈值，切换频率被减少。一种设置固定最小阈值电压的方法是作为调节器320的最大(例如，额定)输出电压VO，在那个电压上加上最小期望的裕量。如以上所述，需要最小裕量(大于零)允许足够的电压差(VX-VO)来以合理的速率充电电感器326(即，增加其电流并且由此在电感器326中存储能量)。最小裕量也与对调节器 320的最大占空比的保证有关。

第二种方法适用于调节器320的期望输出电压VO。例如，调节器320可以具有额度等于3.3伏的最大输出电压VO。利用0.7伏的期望最小裕量，电荷泵100的切换将被控制，以使中间电压VX保持在 4.0伏以上。但是，如果转换器实际上利用1.2伏的输出电压VO进行操作，则电荷泵100的切换频率可以被减少到中间电压VX下降到低至1.9伏的程度并且仍然维持期望的0.7伏的裕量。

在第二种方法的变体中，不是监视实际的输出电压VO，而是可以使用开关312、314之间的电压的平均值作为输出电压VO的估计。

在还有的另一种变体中，适配电荷泵100的切换频率以将中间电压VX维持在低于阈值。例如，阈值可以被设定，使得中间电压VX 下降或升高低于或高于中间电压VX的平均值的特定百分比(例如10％)。该阈值将跟踪中间电压VX。类似地，可以使用相对于绝对纹波电压(例如100毫伏)的波纹来确定切换频率。

还要注意，在输出电压VO上的电压纹波取决于(不一定线性地) 中间电压VX上的电压纹波，并且在一些例子中，电荷泵100的切换频率被增加，以把输出电压VO上的纹波减少到期望的值。

其它例子测量电荷泵100中的内部电压的变化，例如，测量跨C1 至C4中的任何一个的波纹(例如，绝对值或与最大值或平均值的相对值)。可以使用这种纹波值来代替利用中间电压VX上的波纹控制电荷泵100的切换频率。可以使用其它内部电压和/或电流，例如，跨开关或其它电路元件(例如，晶体管开关)的电压，并且切换频率可以被调整，以避免超过跨电路元件的额定电压。

除了调节器320的期望和/或实际输出电压或电流被提供作为对适配电荷泵100的切换频率的控制器350的控制输入之外，其它控制输入也可以被使用。一种这种替代方案是测量调节器320的占空比。注意，在中间电压VX中的变化影响在降压转换器的电感器326中的电流的变化。例如，中间电压VX的平均值通常随着电荷泵100的切换频率的减少而向下减少。随着平均输出电压VO的减少，调节器320 的占空比通常增加，以维持期望的输出电压VO。增加占空比通常增加降压转换器的效率。因此减少电荷泵100的切换频率可以增加调节器320的效率。

应当理解，虽然用来控制切换频率的各种信号可以是以上所述分离的，但是切换频率可以根据多个信号的组合(例如，线性组合、利用最大值和最小值函数的非线性组合)来控制。在一些例子中，电荷泵的效率的近似被优化。

以上讨论集中在利用控制器350在相对慢尺度反馈布置中调整电荷泵100的切换频率。上述作为对控制器350的输入的各种信号可以用在异步操作模式，其中电荷泵100在周期之间在其切换的时间是根据测量值确定的。作为一个例子，在如图6中所示的状态一期间，中间电压VX下降，并且当VX-VO达到阈值(例如，0.7伏)时，电荷泵100中的开关被一起从状态一切换到状态二。在过渡到状态二时，中间电压VX上升并且然后又开始下降，并且当VX-VO再次达到阈值时，电荷泵100中的开关被一起从状态二切换回到状态一。

在一些例子中，使用异步切换以及对电荷泵的平均切换频率的限制或控制的组合。

不幸的是，随着中间电流IX降低，电荷泵100的切换频率也降低。这在低电流处会是有问题的，因为频率可能下降到低于20kHz，这对于人类听觉是可听到的极限。因此，一旦频率下降到低于某个限度，开关344闭合并且引入补偿电容器342。这迫使转换器进入非绝热操作中，从而允许频率被固定到下限(例如20kHz)。因此，当占空比低或者当输出电流IO低时，补偿电容器342被引入。

另外，本申请的技术还可进行如下配置。

(1).一种装置，包括：

开关电容器电荷泵，其配置为提供包括高电压端子和低电压端子的端子之间的电压转换；

补偿电路，耦合到所述电荷泵的第一端子用于以通过电荷泵驱动负载，所述补偿电路提供可配置地可耦合到所述电荷泵的所述第一端子的电容；及

控制器，耦合到电荷泵和所述可配置电路，包括用于配置所述补偿电路的输出，以及用于接受以所述电荷泵的操作和/或耦合到所述电荷泵的外围电路的操作为特征的传感器信号的一个或多个传感器输入；其中所述控制器被配置为根据所述传感器信号来配置所述补偿电路，以影响耦合到所述电荷泵的电源和经由所述可配置电路耦合到所述电荷泵的所述负载之间的功率转换的效率。

(2).如(1)所述的装置，其中所述控制器被配置为将选定的电容耦合到第一端子，以优化功率转换的效率。

(3).如(1)所述的装置，其中所述一个或多个传感器信号包括特征化经由所述补偿电路向所述电荷泵传递的电流或从所述电荷泵返回的电流的时间变化的传感器信号。

(4).如(3)所述的装置，其中所述传感器信号特征化向所述电荷泵的脉冲电流或从所述电荷泵返回的脉冲电流的占空比。

(5).如(3)所述的装置，其中经由所述补偿电路向所述电荷泵传递的电流或从所述电荷泵返回的电流包括在所述补偿电路和经由所述补偿电路耦合到所述电荷泵的外围设备之间传递的电流。

(6).如(1)所述的装置，其中所述一个或多个传感器信号包括特征化在所述电荷泵的所述端子中的至少一个端子处和在耦合到所述电荷泵的所述外围电路处的电压的传感器信号。

(7).如(1)所述的装置，其中所述一个或多个传感器信号包括特征化所述电荷泵的切换频率的传感器信号。

(8).如(1)所述的装置，其中所述控制器被配置为根据所述传感器信号确定操作模式，并且被配置为根据所确定的模式确定所述补偿电路的配置。

(9).如(8)所述的装置，其中所述控制器被配置为识别至少一个具有所述电荷泵的快切换限制操作和脉冲电流负载的模式，并且在所述模式下增加耦合到所述第一端子的电容。

(10).如(8)所述的装置，其中所述控制器被配置为识别至少一个具有所述电荷泵的慢切换限制操作和具有小于阈值占空比的占空比的脉冲电流负载的模式，并且在所述模式下增加耦合到所述第一端子的电容。

(11).如(1)所述的装置，还包括外围电路，其包括耦合到所述补偿电路的调节器，调节器经由所述补偿电路向电荷泵提供基于电流的负载，其中所述控制器被配置为根据由所述电荷泵执行的功率转换的效率确定所述补偿电路的配置。

(12).如(11)所述的装置，其中所述调节器包括降压转换器。

(13).如(1)所述的装置，其中所述电荷泵包括串并联电荷泵。

(14).如(1)所述的装置，其中所述电荷泵包括Dickson电荷泵。

(15).一种用于利用耦合到负载的电荷泵进行功率调节的方法，其中所述电荷泵利用耦合到所述电荷泵的端子的补偿电路耦合到负载，所述方法包括：

配置由所述补偿电路提供给所述电荷泵的第一端子的电容；

根据所述传感器信号选择所述电容，以影响耦合到所述电荷泵的电源和经由所述可配置电路耦合到所述电荷泵的所述负载之间的功率转换的效率。

(16).如(15)所述的方法，还包括获取所述传感器信号，包括获取选自包括以下的组的传感器信号：经由所述补偿电路向所述电荷泵传递的电流或从所述电荷泵返回的电流的时间变化、在所述补偿电路和外围电路之间传递的电流的占空比、在所述电荷泵的所述第一端子处的电压、以及在耦合到所述电荷泵的所述外围电路处的电压。

注意，以上例子集中在允许选择性地切换某个固定容量的补偿电容器到电荷泵的输出上的补偿电路。更一般而言，各种各样的补偿电路可以被控制。一个例子是可变电容器，其可以被实现为例如具有二的幂的电容的切换的电容器组。电容的最优选择一般取决于操作条件 (例如，平均电流、脉冲电流占空比等)和/或电路配置(例如，调节器、源、负载、泵电容器的类型)的组合，其中确定所需的电容是基于以前的模拟或测量值或者基于例如在反馈布置中调整电容的机制。此外，补偿电路的其它形式，例如，在输出路径上引入电感、元件(例如，电容器，电感器)的网络。

注意，本描述集中在电荷泵的特定例子上。包括具有附加阶段或平行相位的Dickson电荷泵的电荷泵的许多其它配置以及电荷泵的其它配置(例如，串-并联)可以根据相同的方法来控制。此外，在高和 /或低电压端子处的外围设备不一定是调节器，或者一定维持基本上恒定的电流。此外，所描述的方法适用于其中高电压供给向低电压负载提供能量、或者其中低电压供给向高电压负载提供能量的配置，或者其中能量可以在电荷泵的高和低电压端子之间的任一方向流动的双向配置。还应该理解，切换元件可以以各种方式实现，包括利用场效应晶体管(FET)或二极管来实现，并且电容器可以被集成到具有开关元件的单片设备中和/或可以是利用分立元件的外部设备。类似地，调节器电路中的至少一些在一些例子中可以与集成设备中的一些或全部电荷泵集成。

上述方法的实现可以被集成到包括或者具有分力/芯片外电容器或者集成电容器的电荷泵的切换晶体管的集成电路中。在其它实现中，确定电荷泵的切换频率的控制器和/或补偿电路可以在与电荷泵不同的设备中实现。控制器可以使用特定于应用的电路系统、可编程处理器/控制器、或者两者。在可编程的情况下，实现可以包括软件，软件存储在包括用于实现上述控制过程的指令的有形机加工可读介质(例如，ROM等)中。

应当理解，前述描述旨在说明而不是限制本发明的范围，本发明由所附权利要求的范围限定。其它实施例也在以下权利要求的范围之内。

Claims

1.一种用于将第一电压转换为第二电压的装置，包括：

电荷泵，具有布置为在多个周期中操作的开关元件，其中所述开关元件根据定时模式切换，其中每个周期与所述开关元件的不同配置相关联，其中所述开关元件被配置为向多个电容元件提供充电和放电路径；及

控制器，耦合到所述电荷泵，其中所述控制器包括用于控制切换所述电荷泵的周期的切换的所述定时模式的输出和用于接收以所述电荷泵的操作为特征的传感器信号的一个或多个传感器输入；及

其中所述一个或多个传感器输入中的至少一个被连接至转换器，所述转换器耦合到所述电荷泵，其中所述控制器被配置为通过基于所述一个或多个传感器输入调整所述电荷泵的周期的切换频率来调整所述电荷泵的所述周期的切换的所述定时模式。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述控制器用于通过确定结束每个连续周期的切换时间来调整所述电荷泵的周期的切换的定时模式，其中，所述切换时间取决于在所述周期期间所述一个或多个传感器的输入的变化。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述一个或多个传感器输入包括表示所述电荷泵的输出电压的输出电压传感器输入，并且其中所述控制器被配置为根据所述输出电压传感器输入的变化调整定时模式。

4.如权利要求3所述的装置，其中所述控制器被配置为调整定时模式来将所述输出电压的变化维持在期望的范围内。

5.如权利要求4所述的装置，其中所述期望的范围包括固定的范围。

6.如权利要求4所述的装置，其中所述期望的范围包括取决于所述控制器的第二传感器输入的范围。

7.如权利要求1所述的装置，其中所述控制器用于基于所述一个或多个传感器输入来调整所述电荷泵的周期的切换频率，以维持所述电荷泵的输出和所述转换器的输出之间的期望的电压裕量。

8.如权利要求1所述的装置，其中所述一个或多个传感器输入包括表示耦合到所述电荷泵的输出的所述转换器的操作特性的转换器传感器输入，其中所述转换器耦合到所述电荷泵的输出。

9.如权利要求8所述的装置，其中所述转换器传感器输入表示转换器的输出电压。

10.如权利要求8所述的装置，其中所述转换器传感器输入表示所述转换器的切换操作的工作周期。

11.如权利要求1所述的装置，其中所述一个或多个传感器输入包括表示所述电荷泵的内部信号的内部传感器输入。

12.如权利要求11所述的装置，其中所述内部信号包括所述电荷泵中的内部电压，并且其中所述控制器被配置为调整定时，以将所述内部电压维持在预定的范围之内。

13.如权利要求1所述的装置，其中电荷泵包括Dickson电荷泵。

14.如权利要求1所述的装置，其中所述电荷泵被配置为用于在绝热模式下操作。

15.如权利要求1所述的装置，其中所述一个或多个传感器输入包括表示经过所述转换器的电流的电流信号。

16.如权利要求15所述的装置，其中所述电流信号表示所述转换器的输出电流。

17.如权利要求1所述的装置，其中所述一个或多个传感器输入包括表示经过所述电荷泵的电流的电流信号。

18.如权利要求17所述的装置，其中所述电流信号表示所述电荷泵的输出电流。

19.如权利要求1所述的装置，其中所述一个或多个传感器输入包括表示在所述多个电容元件中的一个电容元件上的电压纹波的信号。

20.如权利要求1所述的装置，其中所述一个或多个传感器输入包括表示所述转换器的切换频率的信号。

21.如权利要求1所述的装置，其中所述转换器包括直流-直流转换器。

22.如权利要求21所述的装置，其中所述直流-直流转换器包括降压转换器。

23.如权利要求1所述的装置，其特征在于，其中所述电荷泵连接到一个电感，其中所述装置进一步包括耦合到所述电荷泵的控制器，其中所述控制器包括第一传感器输入，并且其中所述控制器调整在一定程度上取决于所述传感器信号的所述切换频率。

24.如权利要求23所述的装置，其特征在于，所述控制器还包括第二传感器输入，所述控制器用于通过确定结束每个连续周期的切换时间来调整所述电荷泵的所述周期的切换的定时模式，其中所述切换时间在一定程度上取决于在所述周期期间所述第一传感器输入的变化和所述第二传感器输入的变化。

25.如权利要求23所述的装置，其特征在于，进一步包括一个连接到所述电荷泵的一个输出的转换器，其中所述电感是所述转换器的一个组成部分，并且其中所述转换器进一步包括连接到所述电感的电容。

26.如权利要求23所述的装置，其特征在于，进一步包括连接到所述电荷泵的一个输出的转换器，其中所述转换器进一步包括选择性地将所述电荷泵与所述电感连接和分离的开关。

27.如权利要求23所述的装置，其特征在于，进一步包括连接到所述电荷泵的一个输出的转换器，其中所述转换器进一步包括选择性地将所述电荷泵与所述电感连接和分离的开关，其中所述控制器引起所述开关在与所述电荷泵的所述周期的所述切换频率不同的第二切换频率工作。

28.如权利要求23所述的装置，其特征在于，进一步包括连接到所述电荷泵的一个输出的转换器，其中所述转换器进一步包括选择性地将所述电荷泵与所述电感连接和分离的开关，其中所述控制器引起所述开关在低于所述电荷泵的所述周期的所述切换频率的第二切换频率工作，其中当所述转换器关闭时，所述电荷泵被禁用。

29.如权利要求23所述的装置，其特征在于，其中所述电荷泵被时钟信号控制。

30.如权利要求23所述的装置，其特征在于，进一步包括第二传感器输入。

31.一种用于将第一电压转换为第二电压的设备，包括电荷泵、转换器和控制器，其中所述电荷泵包括布置为在多个周期中操作的开关元件，其中所述开关元件根据定时模式切换，其中所述开关元件被配置为向电容元件提供充电路径，其中所述开关元件还被配置为向所述电容元件提供放电路径，其中来自所述多个周期的所述周期中的每个与所述开关元件的多个不同的配置中的相应的一个相关联，其中所述转换器被耦合到所述电荷泵，其中所述控制器被耦合到所述电荷泵，其中所述控制器包括一个或多个传感器输入，其中所述一个或多个传感器输入接受一个或多个相应的传感器信号，其中所述一个或多个相应的传感器信号包括特征化所述控制器被耦合到其的所述电荷泵的操作的信号，其中所述控制器包括用于控制所述电荷泵的周期的所述切换的所述定时模式的输出，其中所述控制器被配置为通过基于所述一个或多个传感器输入调整所述电荷泵的所述周期的切换频率调整所述电荷泵的所述周期的切换的所述定时模式。

32.一种用于将第一电压转换为第二电压的设备，包括：转换器；用于将电压从第一直流值转换至第二直流值的装置；用于使所述用于将电压从第一直流值转换至第二直流值的装置根据定时模式在多个周期中操作的装置，所述周期中的每个相应于一组用于电容元件的充电和放电路径；用于控制所述定时模式的装置；以及用于接收特征化所述用于将电压从第一直流值转换至第二直流值的装置的操作的传感器信号的装置，其中所述用于控制所述定时模式的装置被耦合到所述用于将电压从第一直流值转换至第二直流值的装置，其中所述用于控制所述定时模式的装置包括用于控制所述用于使所述用于将电压从第一直流值转换至第二直流值的装置根据定时模式在多个周期中操作的装置的输出，其中所述用于控制所述定时模式的装置包括所述用于接收特征化所述用于将电压从第一直流值转换至第二直流值的装置的操作的传感器信号的装置，其中所述转换器被耦合到用于将电压从第一直流值转换至第二直流值的装置，并且其中所述用于控制所述定时模式的装置被配置为通过基于所述用于接收传感器信号的装置调整所述用于将电压从第一直流值转换至第二直流值的装置的所述周期的切换频率来调整所述用于将电压从第一直流值转换至第二直流值的装置的所述定时模式。