CN111224541A - 控制功率开关的开关顺序以缓解电压过应力 - Google Patents

控制功率开关的开关顺序以缓解电压过应力 Download PDF

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Abstract

一种示例性方法包括控制多个功率开关的开关顺序。所述功率开关耦合到飞跨电容器，并且包括响应于所述飞跨电容器的过量杂散电感而易受电压过应力的影响的寄生双极晶体管。所述方法另外包括：响应于所述受控开关顺序，将第一电压电平的输入电压转换为第二电压电平的输出电压，同时缓解所述多个功率开关的所述寄生双极晶体管的所述电压过应力。

Description

控制功率开关的开关顺序以缓解电压过应力
技术领域
各个实施例的各个方面涉及控制功率开关的开关顺序以缓解电压过应力的设备和方法。
背景技术
功率转换器可以用于多种目的，例如移动装置的高压电池充电。功率转换器可以将第一电压电平的输入功率转换为第二电压电平的输出功率。第二电压电平可以包括比第一电压电平更高的电平，有时被称为“上转换”，或者可以包括比第一电压电平更低的电平，有时被称为“下转换”。
对于各种应用，这些和其它事项对功率开关实施方案的效率提出了挑战。
发明内容
各个示例性实施例涉及各种问题，例如以上解决的那些问题和/或通过以下公开内容变得显而易见的其它问题，以下公开内容涉及通过控制功率转换器的功率开关的开关顺序同时缓解功率转换器的电压应力来转换输入电压。
在某些示例性实施例中，本公开的各个方面涉及控制功率开关的开关顺序(所述功率开关包括响应于所耦合的飞跨电容器的过量杂散电感而易受电压过应力的影响的寄生双极晶体管)，同时缓解电压过应力。
在一个更具体的示例性实施例中，一种方法包括控制多个功率开关的开关顺序。多个功率开关耦合到飞跨电容器，并且包括响应于飞跨电容器的过量杂散电感而易受电压过应力的影响的寄生双极晶体管。所述方法另外包括：响应于受控开关顺序，将第一电压电平的输入电压转换为第二电压电平的输出电压，同时缓解多个功率开关的寄生双极晶体管的电压过应力。
可以通过在不同时间将多个功率开关的相邻对中的第一功率开关和第二功率开关在导通状态和关断状态之间转变来控制开关顺序。例如，多个功率开关包括至少两对相邻功率开关。控制开关顺序可以包括：对于每一对相邻功率开关，在第一时间将相应对相邻功率开关中的第一功率开关从导通状态转变到关断状态，和在从第一时间延迟的第二时间将相应对相邻功率开关中的第二功率开关从导通状态转变到关断状态。在第二时间转变相应对相邻功率开关中的第二功率开关可以缓解或防止所述对相邻功率开关中的一个寄生双极晶体管在多个功率开关处于关断状态(例如，死区时间)时响应于飞跨电容器的过量杂散电感而转变回导通状态。
在一些具体实施例中，飞跨电容器另外易受电压过应力的影响。在此些实施例中，控制多个功率开关的开关顺序包括在不同时间将多个功率开关的多对相邻功率开关中的第一功率开关和第二功率开关在导通状态和关断状态之间转变，同时缓解飞跨电容器和多个功率开关的寄生双极晶体管的电压过应力。在第二时间转变相应对相邻功率开关中的第二功率开关可以最小化在多个功率开关处于关断状态时由过量杂散电感引起的跨飞跨电容器的峰值电压振铃。例如，当飞跨电容器的最大额定电压接近应用电压时，飞跨电容器可能易受电压过应力的影响。
在更具体和相关的实施例中，多个功率开关包括第一对和第二对相邻功率开关。控制多个功率开关的开关顺序可以包括：将第一对相邻功率开关转变到导通状态，同时第二对相邻功率开关处于关断状态；在第一时间将第一对中的第一功率开关转变到关断状态，使得第一对中的第二功率开关保持导通状态，同时第一对中的第一功率开关和第二对相邻功率开关处于关断状态；和在从第一时间延迟的第二时间将第一对中的第二功率开关转变到关断状态，使得多个功率开关中的每一个功率开关处于关断状态。多个功率开关可以形成开关电容器直流(DC)-DC转换器(SCC)的一部分，并且第一时间与SCC的空白时间相关联，第二时间与SCC的死区时间相关联。
控制开关顺序可以另外包括：将第二对相邻功率开关转变到导通状态，同时第一对相邻功率开关保持关断状态；在第三时间将第二对中的第一功率开关转变到关断状态，使得第二对中的第二功率开关保持导通状态，同时第二对中的第一功率开关和第一对相邻功率开关处于关断状态；和在从第三时间延迟的第四时间将第二对中的第二功率开关转变到关断状态，使得多个功率开关中的每一个功率开关处于关断状态。第一时间和第三时间与SCC的空白时间相关联，并且第二时间和第四时间与SCC的死区时间相关联。
在多个实施例中，飞跨电容器具有过量杂散电感，并且多个功率开关包括多对相邻功率开关。所述方法可以另外包括：当多个功率开关的第一对相邻功率开关处于导通状态时，杂散电感(例如，杂散电感器)储存能量；和响应于第一对中的一个功率开关转变到关断状态同时第一对中的另一个功率开关保持导通状态而消耗所储存的能量。
在另一个具体实施例中，一种示例性设备包括飞跨电容器、多个功率开关和门控制电路。飞跨电容器可能易受电压过应力的影响。多个功率开关耦合到飞跨电容器，并且将第一电压电平的输入电压转换为第二电压电平的输出电压。多个功率开关具有响应于飞跨电容器的过量杂散电感而易受电压过应力的影响的寄生双极晶体管。门控制器电路控制多个功率开关的开关顺序，以将输入电压转换为第二电压电平，同时缓解飞跨电容器和多个功率开关的寄生双极晶体管的电压过应力。
在其它具体示例性实施例中，飞跨电容器、多个功率开关和门控制器电路形成SCC的一部分。SCC可以经由上转换模式和下转换模式中的一种或多种将来自第一功率源的第一电压电平的输入电压转换为第二电压电平，并且将第二电压电平的输出电压提供给负载电路。在更具体的实施例中，所述设备包括电池充电系统，所述电池充电系统包括开关电容器DC-DC转换器。
门控制电路控制开关顺序可以包括：在不同时间在将多个功率开关的多对相邻功率开关中的第一功率开关和第二功率开关从导通状态转变到关断状态。多个功率开关可以包括第一对和第二对相邻功率开关。门控制器电路用于通过向多个功率开关的门提供控制信号以在开关周期期间选择性地接通和关断多个功率开关来控制开关顺序。开关周期可以包括至少一个空白时间，其中多个功率开关中的至少一个功率开关处于导通状态，并且其余多个功率开关处于关断状态；和至少一个死区时间，其中多个功率开关处于关断状态。至少一个死区时间顺序地跟在至少一个空白时间之后。在各个实施例中，至少一个空白时间与多个功率开关中的一个功率开关处于导通状态并且其余多个功率开关处于关断状态相关联。
飞跨电容器可能具有过量杂散电感或与其相关联。过量杂散电感用于当一对相邻功率开关处于导通状态时储存能量，并且响应于所述对相邻功率开关中的一个功率开关转变到关断状态同时所述对相邻功率开关中的另一个功率开关保持导通状态而消耗所储存的能量。例如，门控制电路可以将(一对相邻功率开关中的)第二功率开关转变到关断状态延迟于(所述对中的)第一功率开关转变到关断状态，并且作为响应，消耗杂散电感上储存的能量。
以上讨论/综述并非旨在描述本公开的每个实施例或每个实施方案。随后的附图和详细描述也例示了各个实施例。
附图说明
结合附图考虑以下详细描述，可以更完全地理解各个示例性实施例，其中：
图1是根据本公开的用于控制功率开关的开关顺序的示例性设备；
图2是根据本公开的用于控制功率开关的开关顺序的另一示例性设备；
图3A-3C示出了根据本公开的用于下转换输入电压并由此缓解电压过应力的以符合图2的方式所实施类型的设备的多个功率开关的示例性开关顺序；
图4A-4D示出了根据本公开的用于上转换输入电压并由此缓解电压过应力的以符合图2的方式所实施类型的设备的多个功率开关的示例性开关顺序；
图5示出了根据本公开的示例性开关定时；和
图6示出了根据本公开的包括功率转换器的具体示例性设备。
尽管本文讨论的各个实施例可以进行修改和替代，但是其各个方面已经通过附图中的例子示出并且将被详细地描述。然而，应当理解，其目的不是将本公开限制为所描述的特定实施例。相反，其目的是涵盖落入包括权利要求中限定的各个方面的本公开范围内的所有修改、等同和替代。另外，在本申请中通篇使用的术语“例子”仅是说明性的，而不是限制性的。
具体实施方式
据信本公开的各个方面适用于涉及控制功率开关的开关顺序同时使用功率转换器转换功率的各种不同类型的设备、系统和方法。在某些实施方案中，本公开的各个方面已经被示出在通过延迟一对相邻功率开关中的功率开关在接通和关断状态之间的转变来缓解功率转换器的组件的电压过应力的环境中使用时是有益的。尽管不必一定如此限制，但是可以通过以下对使用示例性上下文的非限制性例子的讨论来理解各个方面。
因此，在以下描述中，阐述了各种具体细节以描述本文中提出的具体例子。然而，对于本领域技术人员而言应显而易见的是，可以在没有下面给出的所有具体细节的情况下实践一个或多个其它例子和/或这些例子的变型。在其它情况下，未详细描述熟知的特征，以免混淆本文中的例子的描述。为了便于说明，可以在不同的图中使用相同的附图标记指代相同的元件或相同元件的另外实例。而且，尽管在一些情况下可以在各个附图中描述各个方面和特征，但是应当理解，即使未明确示出组合或未被明确描述为组合，来自一个附图或实施例的特征也可以与另一附图或实施例的特征组合。
可以使用功率转换器(例如，开关电容器直流(DC)-DC转换器(SCC))将输入功率转换为不同的电压电平。作为一个具体例子，在涉及高压充电应用的应用中，SCC可以将来自功率源(例如，外部功率源)的输入DC电压转换为用于向电池递送电力的电池电压。在移动电话或其它移动装置应用中，来自无线功率接收器的输出电压可以被下转换以将电力提供到移动电话的电池中。相反，来自电池的电池电压可以被上转换以提供大于电池电压的DC电压输出。作为一个例子，移动电话或其它移动装置可以通过电感耦合线圈将电力传输到外部装置。如本文中另外描述，功率转换器可以包括多个功率开关和用于将输入电压从第一电压电平转换为第二电压电平的飞跨电容器。在多种应用中，功率转换器的尺寸被小型化，并且功率转换器可以被集成在芯片中，除了一个(或多个)飞跨电容器(以及如本文和在一些例子中另外描述，一个(或多个)自举电容器)之外。由于组件的尺寸和应用电压，芯片上功率开关和一个(或多个)芯片外飞跨电容器可能易受电压应力的影响。作为一个特定例子，功率开关包括寄生双极晶体管，所述寄生双极晶体管在存在飞跨电容器的过量杂散电感时易于导通，并且可能会耗散高瞬态功率并生成过量热源，这会使集成在一起的功率开关及周围电路降级。飞跨电容器的额定电压可能受相应电路尺寸的限制。由于小型化，飞跨电容器的最大操作电压被推至更靠近应用电压，从而易受电压过应力的影响。根据本公开的实施例包括功率转换器的多个功率开关的受控开关顺序，其缓解了功率开关的寄生双极晶体管和/或飞跨电容器的电压过应力。
在各个具体实施例中，功率转换器包括多对相邻功率开关(例如，两对相邻功率开关)。控制功率开关从导通状态到关断状态的转变，以缓解和/或避免在死区时间(其中所有功率开关处于关断状态)期间由一个(或多个)飞跨电容器的杂散电感器强制施加到任一相邻功率开关中的寄生双极晶体管的高电流。例如，在死区时间期间，每两个相邻连接的功率开关都处于关断状态。如果存在由例如杂散电感器强制施加到功率开关中的电流，则寄生双极晶体管可能会导通。通过延迟相邻对中的一个功率开关(处于导通状态)转变到关断状态，可以消耗来自杂散电感器的能量，这可以缓解寄生双极晶体管的意外导通并且还可以最小化在死区时间期间由杂散电感器引起的跨一个(或多个)飞跨电容器的峰值电压振铃。在本文中另外描述的本时间段有时被称为“空白时间”。空白时间包括开关周期中的时间段，其中一对相邻功率开关中的一个功率开关处于导通状态，并且所述对相邻功率开关中的另一个功率开关处于关断状态。可以通过延迟所述对相邻功率开关中的一个功率开关从导通状态转变到关断状态来生成空白时间。
在一个具体实施例中，一种用于控制功率转换器的功率开关的开关顺序的方法用于缓解功率转换器的组件的电压过应力，同时将功率从第一电压电平转换为第二电压电平。所述方法包括控制多个功率开关的开关顺序，功率开关耦合到飞跨电容器，并且功率开关包括响应于飞跨电容器的过量杂散电感而易受电压过应力的影响的寄生双极晶体管。响应于受控开关顺序，所述方法另外包括将第一电压电平的输入电压转换为第二电压电平的输出电压，同时缓解多个功率开关的寄生双极晶体管的电压过应力。在一些实施例中，飞跨电容器另外易受电压过应力的影响。
控制多个功率开关的开关顺序可以包括在不同时间将多个功率开关的相邻对中的第一功率开关和第二功率开关在导通状态和关断状态之间转变，同时缓解飞跨电容器和/或多个功率开关的寄生双极晶体管的电压过应力。例如，多个功率开关包括两对相邻功率开关。对于每一对相邻功率开关，控制开关顺序可以包括：在第一时间将相应对相邻功率开关中的第一功率开关从导通状态转变到关断状态，和在从第一时间延迟的第二时间将相应对相邻功率开关中的第二功率开关从导通状态转变到关断状态。在第二时间转变第二功率开关缓解或防止了所述对功率开关中的寄生双极晶体管响应于飞跨电容器的过量杂散电感而转变回导通状态。可替换的是和/或另外，在第二时间转变第二功率开关最小化了在多个功率开关处于关断状态时由过量杂散电感引起的跨飞跨电容器的峰值电压振铃。
在各个相关的和具体的实施例中，多个功率开关包括第一对和第二对相邻功率开关。多个功率开关可以形成SCC的一部分。控制多个功率开关的开关顺序可以包括：将第一对相邻功率开关转变到导通状态，同时第二对相邻功率开关处于关断状态；在第一时间将第一对中的第一功率开关转变到关断状态，使得第一对中的第二功率开关保持导通状态，同时第一对中的第一功率开关和第二对相邻功率开关处于关断状态；和在从第一时间延迟的第二时间将第一对中的第二功率开关转变到关断状态，使得多个功率开关中的每一个功率开关处于关断状态。控制开关顺序另外包括：将第二对相邻功率开关转变到导通状态，同时第一对相邻功率开关保持关断状态；在第三时间将第二对中的第一功率开关转变到关断状态，使得第二对中的第二功率开关保持导通状态，同时第二对中的第一功率开关和第一对相邻功率开关处于关断状态；和在从第三时间延迟的第四时间将第二对中的第二功率开关转变到关断状态，使得多个功率开关中的每一个功率开关处于关断状态。如本文中另外描述，第一时间和/或第三时间与SCC的空白时间相关联，并且第二时间和/或第四时间与SCC的死区时间相关联。
在各个实施例中，飞跨电容器具有过量杂散电感，并且多个功率开关包括多对相邻功率开关。所述方法另外包括：经由飞跨电容器的过量杂散电感，当多个功率开关的第一对相邻功率开关处于导通状态时，储存能量；和响应于第一对中的一个功率开关转变到关断状态同时第一对中的另一个功率开关保持导通状态而消耗所储存的能量。
其它示例性实施例涉及包括上述功率开关、飞跨电容器和用于控制功率开关的开关顺序的门控制器电路的设备。
现在转向附图，图1是根据本公开的用于控制功率开关的开关顺序的示例性设备。设备100可以包括功率转换器(例如，SCC)，其将输入电压从第一电压电平转换为第二电压电平的输出电压。
功率转换器可以包括多个功率开关102和飞跨电容器103。功率开关102可以包括响应于飞跨电容器103的过量杂散电感而易受电压过应力的影响的寄生双极晶体管。耦合到功率开关102的飞跨电容器103也可能易受电压过应力的影响。作为一个例子，当飞跨电容器103的最大额定电压接近设备100/功率转换器的应用电压时，飞跨电容器103可能易受电压过应力的影响。作为覆盖将足够接近以引起飞跨电容器的易受影响性的情况的范围的一个例子，在Cfly电容器的最大额定电压低于功率转换器的最大应用电压时，考虑此过应力。作为一个更具体的例子，对于20V到10V的下转换转换器或10V到20V的上转换器，如果飞跨电容器的最大额定电压为16V(＜20V)，则会出现此问题，尽管在这两种情况下，跨Cfly的平均电压均为10V。在Cfly的杂散电感器引起电压振铃并且没有适当的开关顺序的情况下，可以在Cfly上施加＞20V的瞬态电压。耦合到飞跨电容器103的功率开关102可以使用功率转换器的功率开关的开关顺序来转换电压，以缓解或防止飞跨电容器103和/或多个功率开关102的寄生双极晶体管的电压过应力。例如，功率开关102用于将第一电压电平的输入电压转换为第二电压电平的输出电压。输入电压可以来自内部功率源(例如，电池)或外部功率源(例如，有线或无线耦合功率源)，并且取决于实施方式可以是上转换(例如，来自内部功率源的电压可以被上转换)或下转换(例如，来自外部功率源的电压可以被下转换)。
设备100另外包括门控制器电路101。门控制器电路101控制功率开关102的开关顺序以将输入电压转换为第二电压电平，同时缓解飞跨电容器103和/或多个功率开关102的寄生双极晶体管的电压过应力。例如，多个功率开关102可以包括多对相邻功率开关，例如如图2所示的第一对和第二对相邻功率开关。门控制器电路101通过向多个功率开关102的门提供控制信号以在开关周期期间选择性地接通和关断多个功率开关102中的相应一个功率开关来控制开关顺序。图3A(例如，下转换)和图4A-4B(例如，上转换，如与下面关于SCC电路应用的情况的图5相关)另外示出了示例性开关周期。
示例性开关周期包括至少一个空白时间和至少一个死区时间，例如每个开关周期有两个空白时间和两个死区时间。如本文中使用，空白时间包括或是指多个功率开关102中的至少一个功率开关处于导通状态并且多个功率开关102中的其余功率开关处于关断状态的时间。在具体实施例中，空白时间包括多个功率开关102中的一个功率开关处于导通状态并且其余多个功率开关102处于关断状态或与其相关联。例如，门控制器电路101可以通过将一对相邻功率开关中的第一功率开关的从导通状态转变到关断状态延迟于所述对相邻功率开关中的第二功率开关转变到关断状态来引起空白时间。死区时间包括或是指多个功率开关102中的每个功率开关处于关断状态的时间。
在各个实施例中，死区时间可以顺序地跟每个空白时间之后。例如，开关周期可以包括两个死区时间和两个空白时间(每对相邻功率开关各一个)，其中每个死区时间之后跟有一个死区时间。飞跨电容器103可能与过量杂散电感相关联。杂散电感器可以在一对相邻功率开关处于导通状态时储存能量，并且可以响应于空白时间(例如，响应于所述对相邻功率开关中的一个功率开关转变到关断状态同时所述对中的另一个功率开关保持导通状态)而消耗所储存的能量。
因此，门控制电路101通过在不同时间将多个功率开关102的相邻对中的第一功率开关和第二功率开关从导通状态转变到关断状态来控制开关顺序。门控制电路101可以将第二功率开关转变到关断状态延迟于第一功率开关转变到关断状态，并且作为响应，使经由过量杂散电感储存的能量消耗。通过消耗所储存的能量，可以缓解功率开关102的寄生双极晶体管上和/或在飞跨电容器103上的过电压应力。
上述功率转换器可以用于将输入电压从第一电压电平转换为大于第一电压电平的第二电压电平，在本文中通常被称为“上转换”。在其它实施例中和/或另外，功率转换器可以将输入电压从第一电压电平转换为小于第一电压电平的第二电压电平，在本文中通常被称为“下转换”。例如，飞跨电容器103、多个功率开关102和门控制器电路101形成SCC的一部分。SCC可以经由上转换模式和下转换模式中的一种或多种将来自第一功率源的输入电压转换为第二电压电平，并且将第二电压电平的输出电压提供给负载电路。
图2是根据本公开的用于控制功率开关的开关顺序的另一示例性设备。所述设备包括功率转换器200(例如，SCC)，其包括电压转换电路210和飞跨电容器216。电压转换电路210另外包括用于以受控方式控制SCC的功率开关211、212、213、214的开关顺序的门控制器电路215，所述受控方式缓解了功率开关211、212、213、214的寄生双极晶体管(例如，219、220)上和/或飞跨电容器216上的过电压应力。
每个功率开关211、212、213、214具有寄生双极晶体管，如功率开关212、214的寄生双极晶体管219和220所示。寄生双极晶体管可以包括寄生PNP或NPN寄生双极晶体管。取决于NWELL或深NWELL(DNW)或N型埋层(NBL)的连接，相应功率开关212、214中的寄生双极晶体管219、220在存在飞跨电容器216的过量杂散电感的情况下易于导通。寄生双极晶体管219、220的意外导通可能会耗散高瞬态功率并生成过量热源，这会使在电压转换电路210中集成在一起的相应功率开关212、214和/或其它周围电路降级。另外，飞跨电容器216的额定电压受飞跨电容器216的相应尺寸限制。当飞跨电容器216的最大电压在功率转换器200的应用电压的阈值之内(例如，接近其)时，飞跨电容器216还易受过电压应力的影响。
在一个具体例子中，SCC包括两对相邻功率开关，第一对212、214和第二对211、213。门控制电路215控制第一对212、214和第二对211、213的开关顺序，以将输入电压从第一电压电平转换为第二电压电平，同时缓解寄生双极晶体管219、220和/或飞跨电容器216上的过电压应力。
功率转换器200可以任选地包括另外的电路组件。例如，功率转换器200可以另外包括自举电容器218和/或输出电压电容器217。此外，功率转换器可以包括更多数量的电路组件，例如多于两对或四个功率开关、多于一个飞跨电容器216和/或多于一个自举电容器218(相比于图2所示)。
图3A-3C示出了根据本公开的用于下转换输入电压并由此缓解电压过应力的以符合图2的方式所实施类型的设备的多个功率开关的示例性开关顺序。
更具体地，图3A示出了用于下转换模式(例如，降低输入电压电平)的图2的多个功率开关211、212、213、214的开关周期的示例性定时图。如图3A所示，多对相邻功率开关同时切换到导通状态，并在延迟时间切换到关断状态。更具体地说，功率开关212、214接通，同时功率开关211、213关断。并非同时关断相应对开关(例如，关断功率开关212、214或功率开关211、213)，而是将所述对(例如，功率开关212和213)中的一个功率开关转变到关断状态有所延迟(相较于所述对相邻功率开关中的另一个功率开关)。当所有开关都关断时，功率转换器可以被称为处于死区时间321(例如，每两个相邻连接的功率开关都处于关断状态)。通过延迟所述对中的一个功率开关的转变，出现了空白时间331、332，其中一对中的一个功率开关处于导通状态，并且其余多个功率开关处于关断状态。空白时间331、332可以避免在一个(或多个)死区时间321期间由飞跨电容器216的杂散电感器(例如，图3B-3C所示的杂散电感器333)强制施加到任一相邻功率开关212、214中的寄生双极晶体管(例如，图2的晶体管219、220)中的高电流，同时还最小化了在一个(或多个)死区时间321期间由杂散电感器引起的跨飞跨电容器216的峰值电压振铃。如本文另外示出，在一个(或多个)空白时间331、332，可以消耗杂散电感器上存储的能量。在不使用一个(或多个)空白时间331、332的情况下，如果存在由杂散电感器强制施加到功率开关212、214中的电流，则一个(或多个)寄生双极晶体管219、220可以导通。
与上转换相比，下转换的开关顺序可能不同。在一个具体例子中，下转换可以以2∶1转换。图3A所示的开关顺序示出，与第二功率开关212相比，第一功率开关214的导通状态持续时间有意地减少了某一时间量，即(第一)空白时间331。第一和第二功率开关212、214形成第一对相邻功率开关。在本空白时间331内，杂散电感器中储存的能量耗尽，并且因此，当第二功率开关212转变到关断状态时，不存在被强制施加到第二功率开关212的寄生双极晶体管220中的电流(或存在最小电流)。将(第二)空白时间332应用于功率开关211的导通状态持续时间，这确保了杂散电感器中不存在剩余能量(或存在最小剩余能量)，并且因此没有(或最小)电流在第四功率开关213转变到关断状态并且第一功率开关214尚未导通的死区时间321期间被强制施加到第一功率开关214内的寄生双极晶体管219中。
图3B和3C示出了功率转换器200下转换时的示例性杂散电感器电流路径。图3B示出了在与第一功率开关214相关联的空白时间331期间的电感器电流路径，其中第二功率开关212在相应空白时间331期间保持导通状态，其中第一和第二功率开关212、214形成第一对相邻功率开关。图3C示出了在与第三功率开关211相关联的空白时间332期间的电感器电流路径，其中第四功率开关213在相应空白时间332期间保持导通状态，其中第三和第四功率开关211、213形成第二对相邻功率开关。此外，空白时间332还可以避免由于将杂散电感器333应用到一个(或多个)飞跨电容器216而引起的感应电压振铃而导致的过高电压应力。
图4A-4D示出了根据本公开的用于上转换输入电压并由此缓解电压过应力的以符合图2的方式所实施类型的设备的多个功率开关的示例性开关顺序。
更具体地，图4A-4B示出了用于上转换模式(例如，增加输入电压电平)的图2的多个功率开关的开关周期的示例性定时图。如图4A-4B所示，多对相邻功率开关同时切换到导通状态，并在延迟时间切换到关断状态。在一个具体例子中，上转换可以以1∶2转换。
图4A示出了一个实施例中的示例性开关顺序，其中跨一个(或多个)飞跨电容器216的应用电压足够好地低于飞跨电容器216的最大电压容限(例如，在1∶2上转换中，跨Cfly的应用电压低于Cfly的最大电压容限的50％)。将空白时间451应用于第二功率开关212的导通状态持续时间，以避免强制施加的杂散电感器电流流入第一功率开关214中的寄生双极晶体管219中。还将空白时间452应用于第四功率开关213的导通状态持续时间，以避免强制施加的杂散电感器电流流入第二功率开关212中的寄生双极晶体管220中。每个空白时间451、452之后跟有相应死区时间431。
图4B示出了一个实施例中的示例性开关顺序，其中跨一个(或多个)飞跨电容器216的应用电压在飞跨电容器216的最大电压容限的阈值内(例如，在1∶2上转换的情况下的50％)。与图4A相比，将空白时间471应用于第一功率开关214而不是第二功率开关212的导通状态持续时间。在此些实施例中，杂散电感器电流被强制施加到第一功率开关214中的寄生双极晶体管219中，这对于功率转换器200的可靠性和寿命而言可能并不那么关键(与使飞跨电容器216受到由于杂散电感器333引起的电压振铃而导致的过应力的风险相比)。可以使用功率转换器200中的集成芯片上寄存器向包括功率转换器200的充电系统提供图4A或图4B中的选择定时方案的可编程性。每个空白时间471、452之后跟有相应死区时间431。
图4C-4D示出了功率转换器200上转换时的示例性杂散电感器电流路径。图4C示出了在与第四功率开关213相关联的空白时间452期间的电感器电流路径，其中第三功率开关211保持接通(其中第三和第四功率开关211、213形成第二对相邻功率开关)。图4D示出了在与第一功率开关214相关联的空白时间471期间的电感器电流路径，其中第二功率开关212保持接通(其中第一和第二功率开关212、214形成第一对相邻功率开关)。
图5示出了根据本公开的示例性开关定时。在各个实施例中，开关定时可以由功率转换器的门控制电路使用。
门控制电路可以包括一个或多个延迟单元594、595。对于百分之五十占空比基本时钟信号581，可以通过延迟单元594、595导出两个另外的时钟信号582、583。第一延迟单元594可以具有等于空白时间584的量的时间延迟，并且第二延迟单元595可以具有等于死区时间585的量的时间延迟。可以实施延迟可编程性，并且可以将其提供给系统开发人员，以使最佳空白时间的各种变化适于不同系统环境中。延迟单元594、595可以以与下降沿延迟相同的上升沿延迟来实施，或者可以以与下降延迟不同的上升延迟来实施。后者提供了更大的灵活性来微调定时，但有更高的复杂性且需要更多的设计工作。
可以与三个时钟信号581、582、583相关联地采用各种基于锁存器的控制逻辑，以根据图3A和4A-4B所示的定时图来生成导通或关断功率开关的开关控制信号。可以使用上/下转换模式指示符来选择操作哪个定时图。
图6示出了根据本公开的包括功率转换器的具体示例性设备。所述设备可以包括充电系统661，其具有一个或多个功率转换器，例如一个或多个先前结合图2描述的功率转换器200。
在多种移动装置的高效高压电池充电应用中，如图6中所示，采用功率转换器200、662来将来自功率源(例如，通用串行总线(USB)-电力递送(PD)适配器663或无线功率接收器(RX)或收发器(TRX)664)的DC电压转换为电池电压，从而将电力递送到电池667中。例如，可以将来自无线功率RX 664的16.8V输出电压在功率转换器200中以2∶1的比率下转换，并且另外在另一个功率转换器662中以2∶1的比率下转换，从而产生连接到电池667的4.2V功率源。在各个实施例中，充电系统661可以包括多于一个功率源，例如与USB-PD 663和无线功率RX/TX 664相关联的那些，并且其可以使用功率开关665、666进行切换。
相反，图6所示的功率转换器200、662也可以以上转换模式操作。例如，来自电池667的电池电压可以由另一个功率转换器662和功率转换器200分别以比率二上转换，从而在无线收发器664的输入端处产生四倍高的DC电压，所述无线收发器664通过电感耦合线圈668和669向接收装置660传输电力。
在具体实施例中，功率转换器200和662可以是相同的转换器电路拓扑，具有针对不同操作电压容限的不同晶体管实施方案。在不失一般性的情况下，功率转换器200被描述为SCC，但是例子不限于此，并且可以以符合功率转换器200的方式来实施另一个功率转换器662。
单片式开关电容器DC-DC转换器(例如，移动装置的高压高效电池充电系统中使用的转换器)会受到两种类型的电气过应力的影响，这两种类型的电气过应力是由一个(或多个)飞跨电容器中的或与一个(或多个)飞跨电容器相关联的过量杂散电感器引起的。所述类型的电气过应力包括电压过冲和跨一个(或多个)飞跨电容器的电压振铃，所述电压过冲可能会强制性地导通以互补金属氧化物半导体(CMOS)和双极CMOS-DMOS(双扩散金属氧化物半导体)(BCD)工艺制造的功率开关中固有的寄生双极晶体管，所述跨一个(或多个)飞跨电容器的电压振铃的峰值可能会超过电容器的最大电压容限。当功率转换器进行切换时，过应力会被周期性地施加，并且这不利于充电系统661的寿命或可靠性。根据各个实施例，可以使用示例性开关顺序来缓解和/或防止在下转换模式下操作的SCC的两种应力以及上转换模式下的至少一种应力，从而提高了充电系统661的鲁棒性。
在一个具体例子中，用于缓解上述过电压应力的功率转换器200和/或其它功率转换器662中的开关周期可以包括：在第一时间，第一对相邻功率开关转变到导通状态，同时第二对相邻功率开关处于关断状态；在第二时间，第一对中的第一功率开关转变到关断状态，使得第一对中的第二功率开关处于导通状态，并且第二对处于关断状态；和在第三时间，第一对中的第二功率开关转变到关断状态，使得多个功率开关处于关断状态。开关周期可以另外包括：在第四时间，第二对相邻功率开关转变到导通状态，同时第一对相邻功率开关处于关断状态；在第五时间，第二对中的第一功率开关转变到关断状态，使得第二对中的第二功率开关处于导通状态，并且第一对处于关断状态；和在第六时间，第二对中的第二功率开关转变到关断状态，使得多个功率开关处于关断状态。
在本文中可以使用例示朝向的术语(例如，上/下、左/右、顶部/底部和以上/以下)来表示附图中所示的元件的相对位置。应该理解的是，所述术语仅出于符号上的便利而使用，并且在实际使用中，所公开的结构的朝向可以不同于附图中所示的朝向。因此，不应以限制性方式解释所述术语。
技术人员将认识到，除非另外指出，否则说明书(包括权利要求书)中使用的各种术语表示本领域中的普通含义。作为例子，说明书描述和/或说明了可用于通过各种电路或电路系统实施所要求保护的公开内容的各个方面，所述各种电路或电路系统可以作为或使用诸如块、模块、装置、系统、单元、控制器和/或其它电路型描绘而被示出(例如，附图标记101和215，并且图1-2描述了如本文所述的块/模块)。此些电路或电路系统与其它元件一起使用以例示某些实施例如何以所述形式或结构、步骤、功能、操作、活动等来实现。例如，在某些上述实施例中，一个或多个模块可以是离散的逻辑电路或可编程的逻辑电路，其被配置和布置成实施这些操作/活动，如可以在本文所述的方法中实现。在某些实施例中，此可编程电路是一个或多个计算机电路，包括用于存储和存取待作为一组(或多组)指令而执行(和/或待用作限定可编程电路将如何执行的配置数据)的程序的存储器电路系统，并且本文所述的算法或过程由可编程电路使用以执行相关的步骤、功能、操作、活动等。取决于应用，指令(和/或配置数据)可以被配置成在逻辑电路系统中实施，其中指令(无论以目标代码、固件或软件的形式表征)存储在存储器(电路)中并可从存储器(电路)存取。
基于以上讨论和说明，本领域技术人员将容易认识到，可以在不严格遵循本文中示出和描述的示例性实施例和应用的情况下，对各个实施例进行各种修改和改变。例如，在附图中例示的方法可以涉及以各种顺序执行的步骤，其中保留了本文中实施例的一个或多个方面，或者可以涉及更少或更多的步骤。例如，可以使用图1所示的设备来实施本文描述的各种方法。作为另一例子，图2所示的功率转换器200可以在图6所示的电池系统中实施。此些修改并不脱离本公开的各个方面的真实精神和范围，包括权利要求书中阐述的各个方面。

Claims (10)

1.一种方法，其特征在于，包括：
控制多个功率开关的开关顺序，所述功率开关耦合到飞跨电容器，并且所述功率开关包括响应于所述飞跨电容器的过量杂散电感而易受电压过应力的影响的寄生双极晶体管；和
响应于所述受控开关顺序，将第一电压电平的输入电压转换为第二电压电平的输出电压，同时缓解所述多个功率开关的所述寄生双极晶体管的所述电压过应力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述飞跨电容器另外易受电压过应力的影响，并且控制所述多个功率开关的所述开关顺序包括在不同时间将所述多个功率开关的相邻对中的第一功率开关和第二功率开关在导通状态和关断状态之间转变，同时缓解所述飞跨电容器和所述多个功率开关的所述寄生双极晶体管的所述电压过应力。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个功率开关包括两对相邻功率开关，并且对于每一对相邻功率开关，控制所述开关顺序包括：
在第一时间将所述相应对相邻功率开关中的第一功率开关从导通状态转变到关断状态；和
在从所述第一时间延迟的第二时间将所述相应对相邻功率开关中的第二功率开关从所述导通状态转变到所述关断状态。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述第二时间转变所述相应对相邻功率开关中的所述第二功率开关缓解或防止了所述相应对中的至少一个寄生双极晶体管响应于所述飞跨电容器的所述过量杂散电感而转变回所述导通状态。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述第二时间转变所述相应对相邻功率开关中的所述第二功率开关最小化了在所述多个功率开关处于所述关断状态时由所述过量杂散电感引起的跨所述飞跨电容器的峰值电压振铃。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个功率开关包括第一对和第二对相邻功率开关，并且控制所述多个功率开关的所述开关顺序另外包括：
将所述第一对相邻功率开关转变到导通状态，同时所述第二对相邻功率开关处于关断状态；
在第一时间将所述第一对中的第一功率开关转变到关断状态，使得所述第一对中的第二功率开关保持所述导通状态，同时所述第一对中的所述第一功率开关和所述第二对相邻功率开关处于所述关断状态；和
在从所述第一时间延迟的第二时间将所述第一对中的所述第二功率开关转变到所述关断状态，使得所述多个功率开关中的每一个功率开关处于所述关断状态。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述多个功率开关形成开关电容器DC-DC转换器(SCC)的一部分，并且所述第一时间与所述SCC的空白时间相关联，并且所述第二时间与所述SCC的死区时间相关联。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，控制所述开关顺序另外包括：
将所述第二对相邻功率开关转变到所述导通状态，同时所述第一对相邻功率开关保持所述关断状态；
在第三时间将所述第二对中的第一功率开关转变到所述关断状态，使得所述第二对中的所述第二功率开关保持所述导通状态，同时所述第二对中的所述第一功率开关和所述第一对相邻功率开关处于所述关断状态；和
在从所述第三时间延迟的第四时间将所述第二对中的所述第二功率开关转变到所述关断状态，使得所述多个功率开关中的每一个功率开关处于所述关断状态。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述飞跨电容器与所述过量杂散电感相关联，并且所述多个功率开关包括多对相邻功率开关，并且所述方法另外包括：经由所述飞跨电容器的所述过量杂散电感，
当所述多个功率开关的第一对相邻功率开关处于导通状态时，储存能量；和
响应于所述第一对中的一个功率开关转变到关断状态同时所述第一对中的另一个功率开关保持所述导通状态而消耗所储存的能量。
10.一种设备，其特征在于，包括：
飞跨电容器，其易受电压过应力的影响的；
多个功率开关，其耦合到所述飞跨电容器并且用于将第一电压电平的输入电压转换为第二电压电平的输出电压，所述多个功率开关具有响应于所述飞跨电容器的过量杂散电感而易受电压过应力的影响的寄生双极晶体管；和
门控制器电路，其用于控制所述多个功率开关的开关顺序，以将所述输入电压转换为所述第二电压电平，同时缓解所述飞跨电容器和所述多个功率开关的所述寄生双极晶体管的所述电压过应力。
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