CN111181387A - 一种dc-dc转换器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种DC‑DC转换器，可以实现升压‑降压转换，转换器包括：电源输入电路，电源输出电路，控制电路，以及彼此相互并联连接的第一相电荷泵转换支路和第二相电荷泵转换支路；第一相电荷泵转换支路第一端和第二相电荷泵转换支路第一端分别与电源输入电路输出端连接，第一相电荷泵转换支路第二端和第二相电荷泵转换支路第二端分别与电源输出电路输入端连接，第一相电荷泵转换支路和第二相电荷泵转换支路分别与控制电路连接且彼此分别独立被控制电路控制，控制电路基于转换器输出的反馈信号产生第一相电荷泵转换支路和第二相电荷泵转换支路的控制信号，本发明公开的技术方案可以实现更高的电压转换效率和灵活的工作模式切换。

Description

一种DC-DC转换器
技术领域
本申请涉及DC-DC转换器技术领域，尤其涉及一种升压-降压DC-DC转换器。
背景技术
DC-DC转换器用于生成可高于或低于其输入电压的稳压输出，现有技术中，其中一种DC-DC转换器由一个电感和四个开关组成，但是此种DC-DC转换器在升压模式下，开关噪声和瞬态响应方面表现很差。
为了解决上述问题，提出了可以采用单电感的升压转换器连接另一个基于电感的降压转换器；或，一个基于电容的电荷泵连接一个基于电感的降压转换器解决上述技术问题，在这两种方法中，由于设置有很多开关，转换效率受到限制。专利号US8854019中公开了一种具有电荷泵和DC/DC转换器的混合电路用以提高升压-降压转换器的效率，此种技术方案中电荷泵需要始终处于运行状态，否则由电容驱动的四个开关将失去控制，另外在低占空比状态下，效率低，同时其中的两相倍压器不能同步工作或作为单独的电荷泵工作，灵活性受到限制。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种缓解或解决常规方案的缺点和问题的概念。
本发明的另一目的是提供一种新型的用于供电系统中升压-降压应用的DC-DC转换器。
根据本发明的第一方面，使用DC-DC转换器实现上述及其它目的，DC-DC转换器包括：
电源输入电路，
电源输出电路，
控制电路，以及
彼此相互并联连接的第一相电荷泵转换支路和第二相电荷泵转换支路；
第一相电荷泵转换支路第一端和第二相电荷泵转换支路第一端分别与电源输入电路输出端连接，第一相电荷泵转换支路第二端和第二相电荷泵转换支路第二端分别与电源输出电路输入端连接，第一相电荷泵转换支路和第二相电荷泵转换支路分别与控制电路连接且彼此分别独立被控制电路控制，控制电路基于转换器输出的反馈信号产生第一相电荷泵转换支路和第二相电荷泵转换支路的控制信号。
使用根据本发明实施例的DC-DC转换器，通过控制电路对第一相电荷泵转换支路和第二相电荷泵转换支路进行控制，实现了上述第一相电荷泵转换支路和上述第二相电荷泵转换支路可以同相或错相进行工作，也可以仅由两相其中的一相进行工作。
根据本发明的第一方面的第一实施方式，第一相电荷泵转换支路包括第一电容、第一开关组合和第二开关组合，第一开关组合和第二开关组合分别与第一电容连接，第一开关组合和第二开关组合分别与控制电路连接且彼此分别独立被控制电路控制以实现第一电容充放电模式切换；
第二相电荷泵转换支路包括第二电容、第三开关组合和第四开关组合，第三开关组合和第四开关组合分别与第二电容连接，第三开关组合和第四开关组合分别与控制电路连接且彼此分别独立被控制电路控制以实现第二电容充放电模式切换。
根据本发明的第一方面的第二实施方式，第一开关组合包括第一开关和第四开关，第二开关组合包括第二开关和第三开关，第一开关第一端和第三开关第一端分别与电源输入电路输出端连接，第一开关第二端和第二开关第一端分别与第一节点连接，第三开关第二端和第四开关第一端分别与第二节点连接，第二开关第二端与固定电压节点连接，第一电容设置在第一节点和第二节点之间，第一开关第三端、第二开关第三端、第三开关第三端和第四开关第三端分别与控制电路连接且彼此分别独立被控制电路控制；
第三开关组合包括第五开关和第八开关，第四开关组合包括第六开关和第七开关，第五开关第一端和第七开关第一端分别与电源输入电路输出端连接，第五开关第二端和第六开关第一端分别与第三节点连接，第七开关第二端和第八开关第一端分别与第四节点连接，第六开关第二端与固定电压节点连接，第二电容设置在第三节点和第四节点之间，第五开关第三端、第六开关第三端、第七开关第三端和第八开关第三端分别与控制电路连接且彼此分别独立被控制电路控制。
根据本发明的第一方面的第一实施方式和第二实施方式，可以实现通过控制电路控制第一开关组合和第二开关组合中的开关，上述第一开关组合和第二开关组合中的开关不是通过第一电容和第二电容进行控制驱动，而是通过控制电路进行控制驱动，这样可以解决电荷泵需要始终处于运行状态，否则由电容驱动的开关将失去控制的技术问题。
根据本发明的第一方面的第三实施方式，第四开关第二端和第八开关第二端分别与第五节点连接。
本剧本发明的第一方面的第四实施方式，第五节点与电源输出电路输入端连接。
根据本发明的第一方面或第一方面的任一实施方式电源输出电路包括第九开关，电感和第三电容，电感第一端通过电源输出电路输入端与第五节点连接，电感第二端与电源输出电路输出端连接，第三电容第一端与电感第二端和电源输出电路输出端之间形成的第六节点连接，第三电容第二端与固定电压节点连接，第九开关第一端通过电源输出电路输入端与第五节点连接，第九开关第二端与和固定电压节点连接，第九开关第三端与控制电路连接且彼此分别独立被控制电路控制。
根据本发明的第一方面或第一方面的任一实施方式，控制电路包括：彼此串联连接电源转换调节器和驱动控制器，电源转换调节器第一端与第六节点与电源输出电路输出端之间形成的第七节点连接，电源转换调节器第二端与驱动控制器连接。
根据本发明的第二方面，使用另外一种DC-DC转换器实现上述以及其它目的，DC-DC转换器包括两个或更多任一前述权利要求中的第一相电荷泵转换支路和/或第二相电荷泵转换支路，两个或更多第一相电荷泵转换支路和/或第二相电荷泵转换支路彼此并联连接。
对于大功率应用，优选并行两个或更多第一相电荷泵转换支路和/或第二相电荷泵转换支路组成的转换器。此外，并行两个或更多第一相电荷泵转换支路和/或第二相电荷泵转换支路组成的转换器可以增大输出电压的倍数。
根据本发明的第二方面的第一实施方式，两个或更多第一相电荷泵转换支路第一端和第二相电荷泵转换支路第一端分别与电源输入电路输出端连接，两个或更多第一相电荷泵转换支路第二端和/或第二相电荷泵转换支路第二端分别与电源输出电路输入端连接，两个或更多第一相电荷泵转换支路和/或第二相电荷泵转换支路分别与控制电路连接且彼此分别独立被控制电路控制，控制电路基于转换器输出的反馈信号产生两个或更多第一相电荷泵转换支路和/或第二相电荷泵转换支路的控制信号。
根据本发明的第二方面的第二实施方式，两个或更多第一相电荷泵转换支路中的第四开关第二端和/或第二相电荷泵转换支路第八开关第二端分别与第五节点连接。
根据本发明的第二方面的第三实施方式，第五节点与电源输出电路输入端连接。
根据本发明的第二方面或第二方面的任一实施方式，电源输出电路包括第九开关，电感和第三电容，电感第一端通过电压输出电路输入端与第五节点连接，电感第二端与电源输出电路输出端连接，第三电容第一端与电感第二端和电源输出电路输出端之间形成的第六节点连接，第三电容第二端与固定电压节点连接，第九开关第一端通过电压输出电路输入端与第五节点连接，第九开关第二端与固定电压节点连接，第九开关第三端与控制电路连接并被控制电路控制。
根据本发明的第二方面或第二方面的任一实施方式，控制电路包括：彼此串联连接的电源转换调节器和驱动控制器，电源转换调节器第一端与第六节点与电源输出电路输出端之间形成的第七节点连接，电源转换调节器第二端与驱动控制器连接。
应注意，当前DC-DC转换器的更多应用和优势将从下面的详细描述中显而易见。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为现有技术中公开的一种DC-DC转换器电路图；
图2为本发明实施例提供的一种DC-DC转换器结构框图；
图3为本发明实施例提供的一种DC-DC转换器电路图；
图4为本发明实施例提供的双相泵时序变化图；
图5为本发明实施例提供的单相泵时序变化图；
图6为本发明实施例提供的在降压重载模式时序变化图；
图7为本发明实施例提供的在降压轻载模式时序变化图；
图8为本发明实施例提供的另一种DC-DC转换器电路图。
附图标记：S1-第一开关；S2-第二开关；S3-第三开关；S4-第四开关；S5-第五开关；S6-第六开关；S7-第七开关；S8-第八开关；S9-第九开关；S10-第十开关；S11-第十一开关；S12-第十二开关；S13-第十三开关；24-第一电容；34-第二电容；44-第三电容，54-第四电容。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅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。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。图1是现有技术中公开的一种DC-DC转换器，上述DC-DC转换器中增加降压转换电路，降压转换电路包括电感L，电感L一直连通电压输出电路输入端和电压输出电路输出端，通过调节电荷泵开关S1～S8和开关S9之间的时序来实现升压和降压过程，只用单个开关控制器113控制开关S3，S4，S7，S8和S9，开关S1，S2，S5，S6由对应的第二电容34和第一电容24进行控制，开关S1～S8和S9首选MOS开关，开关S3，S4，S7，S8和S9优先选用驱动器驱动，开关S1，S2，S5，S6不需要驱动器控制驱动，因为第一电容24的正极端和第二电容34的正极端可以达到较高电压来驱动这些开关，比如，开关S1和开关S2由第二电容34的正极端的电压驱动，驱动电压由对应的跳线传送，类似地，开关S5和开关S6由第一电容24的正极端的电压驱动，驱动电压由对应跳线传送。
现有技术公开的技术方案中开关S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8和S9，只有S3，S4，S7，S8，S9由驱动器驱动，其他开关S1，S2，S5，S6则由飞跨电容直接驱动，这种特殊的驱动结构有局限性，电荷泵需要始终处于运行状态，否则由电容驱动的四个开关将失去控制；在低占空比状态下，效率会很低；因为即使在输出电压小于输入电压的降压条件下，电荷泵倍压器也需要一直运行，但理想情况下，当不需要升压时，应该关闭倍压器；在该结构中，两个倍压器不能同步工作或作为单独的电荷泵工作。
相对于图1的DC-DC转换器电路，图2描述了一种电路复杂度和转换效率更高的转换电路，即本专利提出的转换器电路。
作为本发明的第一方面，如图2所示为根据本发明实施例的DC-DC转换器简化方框图，参考图1DC-DC转换器包括电源输入电路101，电源输出电路109，控制电路107，以及彼此相互并联连接的第一相电荷泵转换支路103和第二相电荷泵转换支路105；其中，电源输入电路101输入端与电源连接可接收输入电压，电源输入电路101输出端与第一相电荷泵转换支路103第一端和第二相电荷泵转换支路105第一端连接，电源输出电路109输入端与第一相电荷泵转换支路103第二端和第二相电荷泵转换支路105第二端连接，控制电路107与第一相电荷泵转换支路103和第二相电荷泵转换支路105连接，且第一相电荷泵转换支路103和第二相电荷泵转换支路105彼此分别独立被控制电路107控制，控制电路107用于依据接收的使能信号向第一相电荷泵转换支路103和第二相电荷泵转换支路105输出控制信号，进而控制上述第一相电荷泵转换支路103和第二相电荷泵转换支路103充放电过程切换，进而可以完成对输出电压的调整。
上述电源输入电路101一端与电源连接，另外一端与第一相电荷泵转换支路103和第二相电荷泵转换支路105连接，上述电源输入电路101作为第一相电荷泵转换支路103和第二相电荷泵转换支路105的输入端用于对整个DC-DC转换器输入电压，电源输出电路109输入端与第一相电荷泵转换支路103和第二相电荷泵转换支路105的输出端连接用于输出第一相电荷泵转换支路103和第二相电荷泵转换支路105输出的电压。
图3所示为根据本发明实施例的具有第一相电荷泵转换支路和第二相电荷泵转换支路DC-DC转换器，DC-DC转换器形成如图2所示的DC-DC转换器的可能实施形式。
图3中示出了第一相电荷泵转换支路103和第二相电荷泵转换支路105在DC-DC转换器具体结构，该第一相电荷泵转换支路103和第二相电荷泵转换支路105被控制电路107控制完成充放电过程切换，进而可以完成对输出电压的调整。在某些输入和输出条件下，例如，输出目标比输入略高，如果两相电荷泵可以同步运行，效率会更高，因为有效开关电阻会减小1/2，构成了两个平行路径，在这些条件下，如果电容有足够的时间(开关S9导通时)充满电，则无需牺牲下一个完整的周期为它们充电。
图3中，第一相电荷泵转换支路103与第二相电荷泵转换支路105中分别包括有一个电容，电容作为储能元件可以产生比输入电压大的输出电压，或是产生负的输出电压，本实施例中设置两个第一相电荷泵转换支路103与第二相电荷泵转换支路105可以使DC-DC转换器最大输出电压为输入电压的两倍。
第一相电荷泵转换支路103与第二相电荷泵转换支路105的结构组成相同，第一相电荷泵转换支路103包括第一电容24、第一开关组合和第二开关组合，第一开关组合和第二开关组合分别与第一电容24连接，第一开关组合和第二开关组合分别与控制电路107连接且彼此分别独立被控制电路107控制以实现第一电容24充放电模式切换，第一开关组合和第二开关组合中的开关被控制电路107输入的使能脉冲信号进行控制实现第一电容24充放电模式切换。
第二相电荷泵转换支路105包括第二电容34、第三开关组合和第四开关组合，第三开关组合和第四开关组合分别与第二电容34连接，第三开关组合和第四开关组合分别与控制电路107连接且彼此分别独立被控制电路107控制以实现第二电容34充放电模式切换，第三开关组合和第四开关组合中的开关被控制电路107输入的使能脉冲信号进行控制实现第二电容34充放电模式切换。
通过上述第一开关组合、第二开关组合和第一电容24组成的第一相电荷泵转换支路103与第三开关组合、第四开关组合和第二电容34组成的第二相电荷泵转换支路105通过控制电路107分别独立控制可以实现第一开关组合、第二开关组合，第三开关组合和第四开关组合独立工作，进而实现第一相电荷泵转换支路103与第二相电荷泵转换支路105交替工作或同时工作，这样可以形成在某些输入和输出条件下，例如，输出目标比输入略高，如果两个电荷泵可以同步运行，效率会更高，因为有效开关电阻会减小1/2，构成了两个平行路径。在这些条件下，如果电容有足够的时间(开关S9导通时)充满电，则无需牺牲下一个完整的周期为它们充电。
在该实施例中，第一开关组合包括第一开关S1和第四开关S4，第二开关组合包括第二开关S2和第三开关S3，第一开关S1第一端和第三开关S3第一端都与电源输入电路101输出端连接用于向开关连接的电路输入电压，第一开关S1第二端和第一开关S2第一端分别与第一节点13连接，其中，第一节点13设置在第一开关S1第二端和第二开关S2第一端之间，第三开关S3第二端与第四开关S4第一端分别与第二节点15连接，其中，第二节点15设置在第三开关S3第二端与第四开关S4第一端之间，第二开关S2第二端与固定电压节点29连接，其中，固定电压节点29用于接地短接，其中，第一电容24设置在第一节点13和第二节点15之间，第一电容24通过第一节点13和第二节点15所在的跳线传输电压，第一开关S1第三端，第二开关S2第三端，第三开关S3第三端和第四开关S4第三端分别与控制电路107连接且彼此分别独立被控制电路107控制。
第三开关组合包括第第五开关S5和第八开关S8，第四开关组合包括第六开关S6和第七开关S7，第五开关S5第一端和第七开关S7第一端都与电源输入电路101输出端连接用于向开关连接的电路输入电压，第五开关S5第二端和第六开关S6的第一端分别与第三节点17连接，其中，第三节点17设置在第五开关S5第二端和第六开关S6的第一端之间，第七开关S7第二端与第八开关S8第一端分别与第四节点19连接，其中，第四节点19设置在第七开关S7第二端与第八开关S8第一端之间，第六开关S6第二端与固定电压节点29连接，其中，固定电压节点29用于接地短接，其中，第二电容34设置在第三节点17和第四节点19之间，第二电容34通过第三节点17和第四节点19所在的跳线传输电压，第五开关S5第三端，第六开关S6第三端，第七开关S7第三端和第八开关S8第三端分别与控制电路107连接且彼此分别独立被控制电路107控制。
图3中，其中a，b，c，d，e，f，g和h分别代表控制电路107基于转换器输出的反馈信号产生向开关S1～S9时序控制信号。
在发明实施例中，第一电容24和第二电容34不区分正负极或区分正负极，在此第一电容24和第二电容34以不区分正负极为例进行说明本发明的实施例，第一电容24设置在第一节点13和第二节点15之间，通过控制电路107控制第一开关S1和第二开关S2，第一节点13在电源输入电路101和固定电压节点29之间切换，通过控制电路107控制第三开关S3和第四开关S4，第二节点15在电源输入电路101和电源输出电路109之间切换；第二电容34设置在第三节点17和第四节点19之间，通过控制电路107控制第五开关S5和第六开关S6，第三节点17在电源输入电路101和固定电压节点29之间切换，通过控制电路107控制第七开关S7和第八开关S8，第四节点19在电源输入电路101和电源输出电路109之间切换，本发明实施例中，当第一电容24在向负载转移电荷过程的同时，第二电容34可以被再次充电，反之同样，通过共享泵送，使得第一电容24和第二电容34恒定维持一个接近两倍电源的稳定电压。
上述开关S1～S9可以是N型或P型MOS开关，在本发明实施例中，开关S2，S6，S9采用具有较小面积的N型MOS开关对于同样的导通电阻状态是更为有利的，基于不同的驱动电路设计，开关S1，S3，S4，S5，S7，S8可以是N型或P型MOS开关，本发明实施例公开的技术方案与现有技术中提到的结构只有单一操作模式不同，本发明公开的结构可以通过开关调控实现多种操作模式。
由控制电路107控制第三开关S3和第七开关S7，选择性的将第一电容24和/或第二电容34第一端与电源输入电路101输出端连接，由控制电路107控制第二开关S2和第六开关S6选择性的将第一电容24和/或第二电容34第二端与固定电压节点29连接，在为第一电容24和/或第二电容34充电阶段，第一相电荷泵转换支路103中的第一开关S1和第四开关S4断开，第一相电荷泵转换支路103中的第三开关S3和第二开关S2导通将第一电容24的第一端连接到电源输入电路101输出端，将第一电容24的第二端与固定电压节点29连接，和/或，第二相电荷泵转换支路105中的第五开关S5和第八开关S8断开，第二相电荷泵转换支路105中的第七开关S7和第六开关S6导通将第二电容34的第一端连接到电源输入电路101输出端，将第二电容34的第二端与固定电压节点29连接。本发明实施例实现了第一电容24和第二电容34同时充电或者单独充电，如果第一电容24和/或第二电容34充电时间足够长，第一电容24和/或第二电容34充电电压达到电源的电压水平。
在放电阶段，第一相电荷泵转换支路103中的第一开关S1和第四开关S4导通，第一相电荷泵转换支路103中第二开关S2和第三开关S3断开，将第一电容24的第一端连接到电源输出电路109输入端，将第一电容24的第二端连接到电源输入电路101输出端，第二相电荷泵转换支路105中的第五开关S5和第八开关S8导通，第六开关S6和第七开关S7断开，将第二电容34的第一端连接到电源输出电路109输入端，将第二电容34的第二端连接到电源输入电路101输出端，在放电阶段，充满电的第一电容24和/或第二电容34分别与电源串联向负载提供高于电源电压的初始电压，为了限制输出电压中的脉动电压量，经过相对少量的电荷转换，控制电路107将第一电容24和/或第二电容34切换回到充电阶段，为满足DC-DC转换器将电荷转换到负载的需要，控制电路按照上述过程进行开关切换。
从上述的控制过程可以得出，本发明实施例公开的DC-DC转换器中的开关S1～S9直接由控制电路107控制驱动，不存在由第一电容24和/或第二电容34直接驱动的开关，通过本发明公开的技术方案，电荷泵不需要始终处于运行状态，当在低占空比状态下，效率会提高；因为即使在输出电压小于输入电压的降压条件下，电荷泵倍压器不需要一直运行，在本发明公开的实施例中第一相电荷泵转换支路与第二相电荷泵转换支路可以同步工作或单独工作，换言之，第一相电荷泵转换支路与第二相电荷泵转换支路为两个倍压器。
作为本发明的一个实施例，如果第一电容24和第二电容34区分正负极，第三开关S3第二端与第四开关S4第一端之间的第二节点15与第一电容24正极端连接，设置在第一开关S1第二端和第二开关S2第一端之间的第一节点13与第一电容24负极端连接，设置在第五开关S5第二端和第六开关S6第一端之间的第三节点17与第二电容34负极端连接，设置在第七开关S7第二端与第八开关S8第一端之间的第四节点19与第二电容34正极端连接。
作为本发明的一个实施例，上述第一相电荷泵转换支路103中的第四开关S4第二端和第二相电荷泵转换支路105中的第八开关S8第二端分别与第五节点31连接，其中，第五节点31设置在第一相电荷泵转换支路103中的第四开关S4第二端和第二相电荷泵转换支路105中的第八开关S8第二端之间，上述第一相电荷泵转换支路103和第二相电荷泵转换支路105上电压通过第五节点31设置的跳线将电压传输至电源输出电路109，也就是说，第五节点31与电源输出电路109输入端连接。
作为本发明的一个实施例，上述电源输出电路109，包括第九开关S9，电感L和第三电容44，电感L第一端通过电源输出电路输入端21与第五节点31连接，电感L第二端与电源输出电路输出端27连接，第三电容44第一端与电感L第二端和电源输出电路输出端27之间形成的第六节点23连接，第三电容44第二端与固定电压节点29连接，第九开关S9第一端通过电源输出电路输入端21与第五节点31连接，第九开关S9第二端与和固定电压节点29连接，第九开关S9第三端与控制电路107连接被控制电路107控制，通过对第九开关S9的导通和断开与电荷泵开关配合，起到降压作用，上述在控制电路107控制下，第九开关S9导通将电源输出电路输入端21连接到固定电压节点29，控制电路107通过打开和闭合第九开关S9与第一相电荷泵转换支路103和/或第二相电荷泵转换支路105配合起到降压效果，电感L和第三电容44起到低通滤波器的作用，将转换后的电压传送到负载，输出电压中脉动电压的大小主要取决于电感L的电感大小和第三电容44的电容值。
总之，电源输出电路109由整流滤波部分和续流开关组成，其中，续流开关和电荷泵配合，使得整个转换器可以实现升压和降压的目的。
作为本发明的一个实施例，控制电路107包括：彼此串联连接电源转换调节器111和驱动控制器113，电源转换调节器111第一端与第六节点23与电源输出电路输出端27之间形成的第七节点25连接，电源转换调节器111第二端与驱动控制器113连接，本发明公开的实施例，当需要调节输出电压时，通过电源转换调节器111获取待输出的电压信号，然后传输至驱动控制器113，通过驱动控制器113依据接收的使能信号向第一相电荷泵转换支路103和第二相电荷泵转换支路105输出控制信号，进而独立控制第一开关组合，第二开关组合，第三开关组合和第四开关组合实现向负载输出所需电压。
本发明公开的DC-DC转换器结构可以通过开关调控实现多种操作模式如下图所示：
图4为本发明公开的双相泵不同阶段切换时序图，如图4所示，时序图中指向一个周期，在该周期内的放电阶段，控制电路发送开关时序信号驱动第一开关组合和第三开关组合在两个时钟周期内交替切换，此与现有技术相似，实现了第一相电荷泵转换支路103与第二相电荷泵转换支路105交替工作，控制电路107发送开关时序信号驱动第一开关组合或第三开关组合，使得第一电容24和第二电容34交替进行放电，电荷被传送到电源输出电路输入端21，第一电容24或第二电容34与电池电源串联，此时可以输出两倍于输入电压的输出电压，当第一开关组合和第三开关组合进行切换时，第九开关S9与第一开关组合和第三开关组合中的开关状态不一致，VLX为电源输出电路109输入的电压，电感L电流IL会随着第一相电荷泵转换支路103与第二相电荷泵转换支路105交替切换进行相应变化，图4显示了同时打开和关闭第一开关S1和第四开关S4或第五开关S5和第八开关S8双相泵不同阶段切换时序图，但不需要完全同时打开和关闭第一开关S1和第四开关S4或第五开关S5和第八开关S8，门控信号之间会有延迟Td，但这不会影响操作。
图5为本发明公开的单相泵不同阶段切换时序图，如图5所示，时序图中指向一个周期，在该周期内的放电阶段，控制电路发送开关时序信号驱动第一开关组合和第三开关组合在两个时钟周期内同时切换，此与现有技术不同，实现了第一相电荷泵转换支路103与第二相电荷泵转换支路105同时工作，控制电路107发送开关时序信号驱动第一开关组合和第三开关组合，使得第一电容24和第二电容34同时进行放电，电荷被传送到电源输出电路输入端21，第一电容24和第二电容34分别与电池电源串联，此时可以输出两倍于输入电压的输出电压，电感L电流IL会随着第一相电荷泵转换支路103与第二相电荷泵转换支路105同时切换进行变化，图5显示了同时打开和关闭第一开关S1和第四开关S4与第五开关S5和第八开关S8单相泵不同阶段切换时序图，但不需要完全同时打开和关闭第一开关S1和第四开关S4与第五开关S5和第八开关S8，门控信号之间会有延迟Td，但这不会影响操作，在图5中，第九开关S9与第二开关S2，第三开关S3，第六开关S6，第七开关S7开关状态一致，当本发明转换器在高占空比周期，当输出电压较高时，较多的电荷进出第一电容24和第二电容34；其结果是，当本发明所述转换器工作在低占空比周期，负载流经电流较少，或，开关驱动被重构允许较高的负载电流或电荷在低输出电压下传送。
图6为本发明在降压重载模式下转换器的运行时序图，在本发明实施例中转换器在降压重载模式下，其中，倍压器关闭，第一开关S1，第二开关S2，第三开关S3，第五开关S5，第六开关S6和第七开关S7停止开关切换，也就是说，第三开关S3，第七开关S7，第二开关S2，第六开关S6处于静态导通状态，第一开关S1和第五开关S5处于静态断开状态，其中，第三开关S3和第四开关S4中的一个处于静态导通状态，如第三开关S3处于静态导通状态，而第四开关S4进行开关切换，类似地，第七开关S7和第八开关S8中的一个处于静态导通状态，如第七开关S7处于静态导通状态，而第八开关S8进行开关切换，两个相位的开关可以按照时间并行，驱动实现同时开关，以提高效率。在本发明实施例中转换器在降压重载模式下，如图6所示，第四开关S4和第八开关S8进行开关切换，第三开关S3和第七开关S7处于静态导通状态，第九开关S9与第四开关S4和第八开关S8开关状态不一致，这只是一个示例，同时也可以是，第四开关S4和第八开关S8处于静态导通状态，第三开关S3和第七开关S7进行开关切换，第九开关S9与第三开关S3和第七开关S7开关状态不一致，在此示例中，第一开关S1和第五开关S5处于静态断开状态，第二开关S2和第六开关S6可以被导通对第一电容24和第二电容34进行充电，但是绝对不是必需的。
图7为本发明降压轻载模式下转换器的运行时序图，其中，在本发明实施例中转换器在降压轻载模式下，其中，倍压器关闭，第一开关S1，第二开关S2，第三开关S3，第五开关S5，第六开关S6，第七开关S7和第八开关S8停止开关切换，也就是说，第三开关S3，第七开关S7，第二开关S2，第六开关S6处于静态导通状态，第一开关S1，第五开关S5和第八开关S8处于静态断开状态，在发明实施例中转换器在降压轻载模式下，第三开关S3和第四开关S4中的一个处于静态导通状态，在一定时间内，第三开关S3，第四开关S4，第七开关S7和第八开关S8中只有一个作为降压转换器的开关进行开关切换，而其它的开关则静态地导通或断开即可实现转换器在降压轻载模式下电压输出。比如，选择第四开关S4进行开关切换，当第四开关S4切换时，第三开关S3处于静态导通状态，而第七开关S7和第八开关S8其中之一可以静态导通，或者两者都可以静态导通。另外，在此示例中，将第一开关S1和第五开关S5导通，将第二开关S2和第六开关S6断开，可以对第一电容24和第二电容34进行完全充电，但是充电并不是必需的。
在降压轻载模式下，也可以对面积大的开关进行分段以进一步减少开关损耗。在图7中，只取第四开关S4的一部分用来开关切换，而第四开关S4的其余部分则被静态地打开，这可以通过对第四开关S4进行分段的驱动控制来实现。
操作模式的选择取决于输入电压Vin，输出电压Vout的电压目标值和轻载条件以及不同模式下的效率，对于重载时输出高电压Vout，例如Vout电压接近输入电压Vin电压的2倍时，两相泵的效率更高。而对于在重载下Vin<Vout<<2Vin的情况，单相泵效率更高。或者对于Vout<Vin，关闭倍压器时，仅启用降压模式会更为有效。在降压模式下，轻载时可以只开关切换一个相位，而在重载条件下则可以并联两个相位来提高效率。
本发明公开的技术方案通过总控制器控制所有的开关，避免电荷泵需要始终处于运行状态，且在低占空比状态下，效率会很提高，两个倍压器可以同步工作或作为单独的电荷泵工作，提高了电压转换效率。
作为本发明的第二方面，还公开了另外一种DC-DC转换器结构，其中包括两个或更多根据任一前述实施例中的第一相电荷泵转换支路103和/或第二电压转换105支路，两个或更多第一相电荷泵转换支路103和/或第二相电荷泵转换支路105彼此并联连接，
两个或更多第一相电荷泵转换支路103第一端和第二相电荷泵转换支路105第一端分别与电源输入电路101输出端连接，两个或更多第一相电荷泵转换支路103第二端和/或第二相电荷泵转换支路105第二端分别与电源输出电路输入端21连接，两个或更多第一相电荷泵转换支路103和/或第二相电荷泵转换支路105分别与控制电路107连接且彼此分别独立被控制电路控制，控制电路用于依据接收的使能信号向两个或更多第一相电荷泵转换支路103和/或第二相电荷泵转换支路107输出控制信号。
上述两个或更多第一相电荷泵转换支路103中的S4第二端和/或第二相电荷泵转换支路105中的S8第二端分别与第五节点31连接。
如图8所示，示出了DC-DC转换器增加了一个第二相电荷泵转换支路105，第二相电荷泵转换支路105包括第四电容54、第五开关组合和第六开关组合，第五开关组合和第六开关组合分别与第四电容54连接，第五开关组合和第六开关组合分别与控制电路107连接且彼此分别独立被控制电路107控制以实现第四电容54充放电模式切换，第五开关组合和第六开关组合通过被控制电路107基于转换器输出的反馈信号产生对增加的第二相电荷泵转换支路105的控制信号，实现第四电容54充放电模式切换。
第五开关组合包括第十开关S10和第十三开关S13，第六开关组合包括第十二开关S12和第十一开关S11，第十开关S10第一端和第十二开关S12的第一端与电源输入电路101输出端连接用于输入电压，第十开关S10第二端和第十一开关S11的第一端分别与第八节点33连接，其中，第八节点33设置在第十开关S10第二端和第十一开关S11的第一端之间，第十二开关S12第二端与第十三开关S13第一端分别与第九节点35连接，其中，第九节点35设置在第十二开关S12第二端与第十三开关S13第一端之间，第十一开关S11第二端与固定电压节点29连接，其中，固定电压节点29用于接地短接，其中，第四电容54设置在第八节点33和第九节点35之间，第四电容54通过第八节点33和第九节点35所在的跳线传输电压，第十开关S10第三端，第十一开关S11第三端，第十二开关S12第三端和第十三开关S13第三端分别与控制电路107连接且彼此分别独立被控制电路107控制，第十三开关S13的第二端与第五节点31连接。第五节点31与电源输出电路输入端21连接。
图8中，其中a，b，c，d，e，f，g，h，i，j，k和m分别代表控制电路107基于转换器输出的反馈信号产生向开关S1～S13时序控制信号。
上述电源输出电路109，包括第九开关S9，电感L和第三电容44，电感L第一端通过电源输出电路输入端21与第五节点31连接，电感L第二端与电源输出电路输出端27连接，第三电容44第一端与电感L第二端和电源输出电路输出端27之间形成的第六节点23连接，第三电容44第二端与固定电压节点29连接，第九开关S9第一端通过电源输出电路输入端21与第五节点31连接，第九开关S9第二端与和固定电压节点29连接，第九开关S9第三端与控制电路107连接被控制电路107控制，通过对第九开关S9的导通和断开与电荷泵开关配合，起到降压作用，上述在控制电路107控制下，第九开关S9导通将电源输出电路输入端21连接到固定电压节点29，控制电路107通过打开和闭合第九开关S9与第一相电荷泵转换支路103和/或第二相电荷泵转换支路105配合起到降压效果，电感L和第三电容44起到低通滤波器的作用，将转换后的电压传送到负载，输出电压中脉动电压的大小主要取决于电感L的电感大小和第三电容44的电容值。
总之，电源输出电路109由整流滤波部分和续流开关组成，其中，续流开关和电荷泵配合，使得整个转换器可以实现升压和降压的目的。
控制电路107包括：彼此串联连接电源转换调节器111和驱动控制器113，电源转换调节器111第一端与第六节点23与电源输出电路输出端27之间形成的第七节点25连接，电源转换调节器111第二端与驱动控制器113连接，本发明公开的实施例，当需要调节输出电压时，通过电源转换调节器111获取待输出的电压信号，然后传输至驱动控制器113，通过驱动控制器113依据接收的使能信号向第一相电荷泵转换支路103和第二相电荷泵转换支路105输出控制信号，进而独立控制第一开关组合，第二开关组合，第三开关组合和第四开关组合实现向负载输出所需电压。
图8所示的实施例具体的工作原理与上述第一方面一致在此就不在赘述。
本发明公开的技术方案通过总控制器控制所有的开关，避免电荷泵需要始终处于运行状态，且在低占空比状态下，效率会很提高，多个倍压器可以同步工作或作为单独的电荷泵工作，提高了电压转换效率。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (13)

1.一种DC-DC转换器，其特征在于，包括：
电源输入电路，
电源输出电路，
控制电路，以及
彼此相互并联连接的第一相电荷泵转换支路和第二相电荷泵转换支路；第一相电荷泵转换支路第一端和第二相电荷泵转换支路第一端分别与电源输入电路输出端连接，第一相电荷泵转换支路第二端和第二相电荷泵转换支路第二端分别与电源输出电路输入端连接，第一相电荷泵转换支路和第二相电荷泵转换支路分别与控制电路连接且彼此分别独立被控制电路控制，控制电路基于转换器输出的反馈信号产生第一相电荷泵转换支路和第二相电荷泵转换支路的控制信号。
2.如权利要求1所述的所述一种DC-DC转换器，其特征在于，第一相电荷泵转换支路包括第一电容、第一开关组合和第二开关组合，第一开关组合和第二开关组合分别与第一电容连接，第一开关组合和第二开关组合分别与控制电路连接且彼此分别独立被控制电路控制以实现第一电容充放电模式切换；
第二相电荷泵转换支路，包括第二电容、第三开关组合和第四开关组合，第三开关组合和第四开关组合分别与第二电容连接，第三开关组合和第四开关组合分别与控制电路连接且彼此分别独立被控制电路控制以实现第二电容充放电模式切换。
3.如权利要求2所述的一种DC-DC转换器，其特征在于，
第一开关组合包括第一开关和第四开关，第二开关组合包括第二开关和第三开关，第一开关第一端和第三开关第一端分别与电源输入电路输出端连接，第一开关第二端和第二开关第一端分别与第一节点连接，第三开关第二端和第四开关第一端分别与第二节点连接，第二开关第二端与固定电压节点连接，第一电容设置在第一节点和第二节点之间，第一开关第三端、第二开关第三端、第三开关第三端和第四开关第三端分别与控制电路连接且彼此分别独立被所述控制电路控制；
第三开关组合包括第五开关和第八开关，第四开关组合包括第六开关和第七开关，第五开关第一端和第七开关第一端分别与电源输入电路输出端连接，第五开关第二端和第六开关第一端分别与第三节点连接，第七开关第二端和第八开关第一端分别与第四节点连接，第六开关第二端与固定电压节点连接，第二电容设置在第三节点和第四节点之间，第五开关第三端、第六开关第三端、第七开关第三端和第八开关第三端分别与控制电路连接且彼此分别独立被控制电路控制。
4.如权利要求3所述的一种DC-DC转换器，其特征在于，第四开关第二端和第八开关第二端分别与第五节点连接。
5.如权利要求4所述的所述一种DC-DC转换器，其特征在于，第五节点与电源输出电路输入端连接。
6.如权利要求1至5任一项所述的一种DC-DC转换器，其特征在于，电源输出电路包括第九开关，电感和第三电容，电感第一端通过电压输出电路输入端与第五节点连接，电感第二端与电源输出电路输出端连接，第三电容第一端与电感第二端和电源输出电路输出端之间形成的第六节点连接，第三电容第二端与固定电压节点连接，第九开关第一端通过电压输出电路输入端与第五节点连接，第九开关第二端与固定电压节点连接，第九开关第三端与控制电路连接并被控制电路控制。
7.如权利要求6任一项的所述一种DC-DC转换器，其特征在于，控制电路包括：彼此串联连接的电源转换调节器和驱动控制器，电源转换调节器第一端与第六节点与电源输出电路输出端之间形成的第七节点连接，电源转换调节器第二端与驱动控制器连接。
8.一种DC-DC转换器，其特征在于，包括两个或更多根据任一前述权利要求中的第一相电荷泵转换支路和/或第二相电荷泵转换支路，两个或更多第一相电荷泵转换支路和/或第二相电荷泵转换支路彼此并联连接。
9.如权利要求8所述一种DC-DC转换器，其特征在于，两个或更多第一相电荷泵转换支路第一端和/或第二相电荷泵转换支路第一端分别与电源输入电路输出端连接，两个或更多第一相电荷泵转换支路第二端和/或第二相电荷泵转换支路第二端分别与电源输出电路输入端连接，两个或更多第一相电荷泵转换支路和/或第二相电荷泵转换支路分别与控制电路连接且彼此分别独立被控制电路控制，控制电路基于转换器输出的反馈信号产生两个或更多第一相电荷泵转换支路和/或第二相电荷泵转换支路控制信号。
10.如权利要求9所述一种DC-DC转换器，其特征在于，两个或更多第一相电荷泵转换支路中的第四开关第二端和/或第二相电荷泵转换支路第八开关第二端分别与第五节点连接。
11.如权利要求10所述的所述一种DC-DC转换器，其特征在于，第五节点与电源输出电路输入端连接。
12.如权利要求9至11任一项所述的一种DC-DC转换器，其特征在于，电源输出电路包括第九开关，电感和第三电容，电感第一端通过电压输出电路输入端与第五节点连接，电感第二端与电源输出电路输出端连接，第三电容第一端与电感第二端和电源输出电路输出端之间形成的第六节点连接，第三电容第二端与固定电压节点连接，第九开关第一端通过电压输出电路输入端与第五节点连接，第九开关第二端与固定电压节点连接，第九开关第三端与控制电路连接并被控制电路控制。
13.如权利要求9至11任一项的所述一种DC-DC转换器，其特征在于，控制电路包括：彼此串联连接的电源转换调节器和驱动控制器，电源转换调节器第一端与第六节点与电源输出电路输出端之间形成的第七节点连接，电源转换调节器第二端与驱动控制器连接。
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