CN111277135A

CN111277135A - 功率转换器

Info

Publication number: CN111277135A
Application number: CN201910909009.7A
Authority: CN
Inventors: 黄柏勋
Original assignee: Nuvoton Technology Corp
Current assignee: Nuvoton Technology Corp
Priority date: 2018-12-04
Filing date: 2019-09-25
Publication date: 2020-06-12
Anticipated expiration: 2039-09-25
Also published as: US20200177081A1; CN111277135B; TWI679514B; US11063515B2; TW202022526A

Abstract

本发明提供一种功率转换器，其包括切换式电容转换电路以及电感式降压电路。切换式电容转换电路接收输入电压，且根据第一操作频率操作以将输入电压转换为中间电压。电感式降压电路与切换式电容转换电路串接。电感式降压电路接收中间电压，且在第二操作频率下操作以根据中间电压于转换输出端产生输出电压。第一操作频率由第二操作频率所决定。本发明通过控制第一级的切换式电容转换电路的切换操作时序来提高其效率，而不需专用的时脉产生器。

Description

功率转换器

技术领域

本发明是有关于一种功率转换器，特别是有关于一种混和型功率转换器。

背景技术

对于已知的降压转换器而言，当其电压转换率较大时，由于其输出端相对于接地的电压应力较大，使得难以实现较高的效率。之后，提出了混和型切换式电容转换器，其包括第一阶的切换式电容转换器以及第二阶的降压转换器。与已知的降压转换器比较起来，在较大电压阶降的情况下切换式电容转换器具有较佳的效率。然而，由于切换式电容转换器以及降压转换器各自需要一个专用的振荡器以产生操作所需的基础时脉信号，增加了混和型切换式电容转换器的整体尺寸。此外，若切换式电容转换器的切换操作是发生在降压转换器的电感器的电感电流下降时，切换式电容转换器中会引发大的转态电流峰值(current spike)，这导致切换式电容转换器无法具有最佳效率。

发明内容

因此，本发明提供一种混和式功率转换器，其通过控制第一级的切换式电容转换电路的切换操作时序来提高其效率，而不需专用的时脉产生器。

本发明提供一种功率转换器，其包括一切换式电容转换电路以及一电感式降压电路。切换式电容转换电路接收输入电压，且根据第一操作频率操作以将输入电压转换为中间电压。电感式降压电路与切换式电容转换电路串接。电感式降压电路接收中间电压，且在第二操作频率下操作以根据中间电压于转换输出端产生输出电压。第一操作频率由第二操作频率所决定。

在一实施例中，切换式电容转换电路包括多个开关，且电感式降压电路包括串接于切换式电容转换电路与转换输出端之间的高侧开关与电感器。根据第一操作频率，切换式电容转换电路的开关在高侧开关导通的期间内进行切换。

附图说明

图1表示根据本发明一实施例的功率转换器。

图2为根据本发明一实施例的切换式电容转换电路与电感式降压电路的电路图。

图3A为根据本发明一实施例，电感式降压电路在软充电(soft-charging)模式下的操作示意图。

图3B为根据本发明一实施例，电感式降压电路在硬充电(hard-charging)模式下的操作示意图。

图4表示根据本发明一实施例的时脉产生电路。

附图标号

1

功率转换器；

10

切换式电容转换电路；

11

电感式降压电路；

12

时脉产生电路；

40

频率检测电路；

41

相位检测电路；

42

除频电路；

100

电容器；

101…104

开关；

110

输入电容器；

111

高侧开关；

112

低侧开关；

113

电感器；

114

输出电容器；

400

电流源；

401、402

开关；

403

电容器；

404

比较器；

410、420

D型正反器；CKSC

时脉信号；

CLK10、CLK11

切换信号；

GND

接地端；

HS_ON

切换信号；

LS_ON

切换信号；

I_CH

充电电流；

I_HS、I_LS

电流；

N10、N11、N12、N40、N41

节点；

RST

检测信号；

S40

频率信号；

T10、Q、

输出端；

T11

输入端；

T12

转换输出端；

V_IN

输入电压；

V_OUT

输出电压；

V_UNREG

中间电压；

Vramp

斜坡电压；

f_CKSC、f_{HS_ON}

频率。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

图1是表示根据本发明一实施例的功率转换器。参阅图1，功率转换器1为一混合式功率转换器，其包括第一级的切换式电容转换电路10以及第二级的电感式降压电路11，且更包括时脉产生电路12。切换式电容转换电路10接收输入电压V_IN，且接收时脉信号CKSC。切换式电容转换电路10以时脉信号CKSC的频率f_CKSC作为其操作频率，使得切换式电容转换电路10在时脉信号CKSC的频率f_CKSC下操作，以将输入电压V_IN转换为中间电压V_UNREG。电感式降压电路11与切换式电容转换电路10串接，以接收中间电压V_UNREG。电感式降压电路11的一内部电路依据负载大小来产生至少一切换信号HS_ON，以切换信号HS_ON的频率f_{HS_ON}作为电感式降压电路11的操作频率。电感式降压电路11在切换信号HS_ON的频率f_{HS_ON}下操作，以将中间电压V_UNREG转换为输出电压V_OUT。在此实施例中，时脉产生电路12接收电感式降压电路11的切换信号HS_ON。时脉产生电路12检测切换信号HS_ON的频率f_{HS_ON}，且根据检测到的频率f_{HS_ON}来产生时脉信号CKSC。因此，切换式电容转换电路10的操作频率(f_CKSC)是由电感式降压电路11的操作频率(f_{HS_ON})所决定。下文将详细说明切换式电容转换电路10、电感式降压电路11、以及时脉产生电路12的电路架构与操作。

图2为根据本发明一实施例的切换式电容转换电路10与电感式降压电路11的电路图。参阅图2，电感式降压电路11串接于切换式电容转换电路10的输出端T10。切换式电容转换电路10包括两开关组。切换式电容转换电路10在操作频率(f_CKSC)下操作且分别通过两个不同的切换信号控制此两开关组，使得此两开关组交替地导通，以将输入电压V_IN转换为中间电压V_UNREG。以下将以一例子来说明切换式电容转换电路10的电路架构与操作。参阅图2，切换式电容转换电路10例如包括电容器100以及开关101～104。开关101耦接于输入电压V_IN与节点N10之间，开关102耦接于节点N10与输出端T10之间，开关103耦接于接地端GND与节点N11之间，开关104耦接于节点N11与输出端T10之间。电容器100耦接于节点N10与N11之间。第一组的开关101与104由相同的切换信号CLK10所控制，以在导通与关闭状态之间切换。第二组的开关102与103由相同的切换信号CLK11所控制，以在导通与关闭状态之间切换。在此实施例中，切换信号CLK10与CLK11由切换式电容转换电路10的一内部电路根据时脉信号CKSC所产生。基于切换信号CLK10与CLK11的时序，开关101与104的导通期间与开关102与103的导通时间彼此不重叠。在一实施例中，切换信号CLK10与CLK11具有相同的频率，但切换信号CLK10与CLK11的相位互为反向。如此一来，开关101与104可同时导通，开关102与103可同时导通，但开关101与104不会和开关102与103同时导通。在此实施例中，切换信号CLK10与CLK11的频率等于切换式电容转换电路10的操作频率(f_CKSC)，也就是开关101～104的切换频率等于切换式电容转换电路10的操作频率(f_CKSC)。在此例子中，切换式电容转换电路10中产生切换信号CLK10与CLK11的内部电路可直接将时脉信号CKSC输出作为切换信号CLK10与CLK11中的一者，且将时脉信号CKSC反向后输出作为切换信号CLK10与CLK11中的另一者。在其他实施例中，切换信号CLK10与CLK11的频率等于时脉信号CKSC的操作频率(f_CKSC)的1/N，其中，N为一正整数。通过开关101～104的切换操作，切换式电容转换电路10将输入电压V_IN转换为输出端T10上的中间电压V_UNREG。

参阅图2，电感式降压电路11的输入端T11连接切换式电容转换电路10的输出端T10，使得电感式降压电路11与切换式电容转换电路10串接。电感式降压电路11包括输入电容器110、高侧开关111、低侧开关112、电感器113、以及输出电容器114。输入电容器110耦接于输入端T11与接地端GND之间，且由中间电压V_UNREG充电。高侧开关111耦接于输入端T11与节点N12之间。低侧开关112耦接于节点N12与接地端GND之间。电感器113耦接于节点N12与转换输出端T12之间。输出电容器114耦接于转换输出端T12与接地端GND之间。高侧开关111由切换信号HS_ON所控制，以在导通与关闭状态之间切换。详细来说，每当切换信号HS_ON发生一使能脉冲(即切换信号HS_ON处于高位准)时，高侧开关111导通。低侧开关112由切换信号LS_ON所控制，以在导通与关闭状态之间切换。在此实施例中，切换信号HS_ON与LS_ON由电感式降压电路11的上述内部电路所产生。高侧开关111的导通期间与低侧开关112的导通时间彼此不重叠。在一实施例中，切换信号HS_ON与LS_ON具有相同的频率，但切换信号HS_ON与LS_ON的相位互为反向。如此一来，高侧开关111不会和低侧开关112同时导通。通过高侧开关111与低侧开关112切换操作，电感式降压电路11根据中间电压V_UNREG于转换输出端T12上产生输出电压V_OUT。

根据高侧开关111与低侧开关112的导通/关断状态，电感式降压电路11可在两个模式下操作以产生输出电压V_OUT。参阅图3A，当高侧开关111根据切换信号HS_ON而导通且低侧开关112根据切换信号LS_ON而关断时，电感式降压电路11处于软充电(soft-charging)模式。在软充电模式下，产生了自输入电容器110抽取且流经输入端T11、高侧开关111、与电感器113的电流I_HS。参阅图3B，当高侧开关111根据切换信号HS_ON而关断且低侧开关112根据切换信号LS_ON而导通时，电感式降压电路11处于硬充电(hard-charging)模式。在硬充电模式下，产生了流经低侧开关112与电感器113的电流I_LS。

如上所述，切换式电容转换电路10的开关101～104在导通状态与关断状态之间切换。当开关101～104切换时，会在流经电容器100的电流上引起转态电流峰值(transientcurrent spile)，这降低了切换式电容转换电路10的效率。为了要消除上述的转态电流峰值，可设置与电容器100串接的一定电流负载。如图3A所示，在软充电模式下，高侧开关111导通，且电感器113与电容器100串接。由于电感电流的连续性，在软充电模式时的电感器113可视为与电容器100串接的一定电流负载。因此，开关101～104在高侧开关111导通的期间内切换，可消除上述的转态电流峰值。

根据上述，高侧开关111的切换由切换信号HS_ON所控制。因此，本案所提出的时脉产生电路12根据切换信号HS_ON来产生控制开关101～104切换的时脉信号CKSC，也就是时脉信号CKSC的频率(f_CKSC)是由切换信号HS_ON的频率(f_{HS_ON})所决定，使得开关101～104是在高侧开关111导通的期间内切换。图4是表示根据本发明一实施例的时脉产生电路12。参阅图4，时脉产生电路12接收中间信号V_UNREG、切换信号HS_ON、以及输出电压V_OUT，且包括频率检测电路40、相位检测电路41、以及除频电路42。频率检测电路40包括电流源400、开关401与402、电容器403、以及比较器404。电流源400耦接功率转换器1的操作电压VDD，且提供充电电流I_CH。开关401耦接于电流源400与节点N40之间，且由切换信号HS_ON所控制。电容器403耦接于节点N40与N41之间。频率检测电路40通过节点N41接收输出电压V_OUT。开关402耦接于节点N40与N41之间。比较器404的正输入端耦接节点N40，且其负输入端接收中间电压V_UNREG。比较器404执行比较操作，且根据比较结果于其输出端上产生一频率信号S40。相位检测电路41包括D型正反器410。D型正反器410的输入端D接收频率信号S40，其时脉端CK接收切换信号HS_ON，且其输出端Q产生一检测信号RST。在此实施例中，除频器42以一除2的除频器来实现。参阅图4，除频器42包括D型正反器420。D型正反器420的输入端D与反相输出端

连接，其时脉端CK接收检测信号RST，且其输出端Q产生时脉信号CKSC，其中，时脉信号CKSC与反相输出端

的信号互为反相。

如图4所示，开关401由切换信号HS_ON所控制。详细来说，每当切换信号HS_ON具有一使能脉冲(处于高位准)时，开关401导通，且电流源400的充电电流I_CH对电容器403充电。因此，节点N40上的斜坡电压Vramp由输出电压V_OUT的位准逐渐地往上升。当开关402导通时，电容器403放电，且斜坡电压Vramp重置为输出电压V_OUT的位准。比较器404比较斜坡电压Vramp与中间电压V_UNREG。当斜坡电压Vramp小于中间电压V_UNREG，频率信号S40处于一低位准。一旦斜坡电压Vramp大于中间电压V_UNREG，频率信号S40则转变为高位准。根据上述对电容器403的充电操作，当切换信号HS_ON的频率越快，斜坡电压Vramp则上升地越快，使得频率信号S40在短时间内由低位准转换为高位准。因此可知，频率信号S40的频率与切换信号HS_ON的频率相关联，尤其是，频率信号S40的频率正比于切换信号HS_ON的频率。根据上述，频率检测电路40是操作来检测切换信号HS_ON的频率，且产生可表示切换信号HS_ON的频率的频率信号S40。

在D型正反器410的操作下，当切换信号HS_ON处于高位准时，检测信号RST的位准随着频率信号S40变化。详细来说，当切换信号HS_ON处于高位准而频率信号S40处于低位准时，检测信号RST处于一低位准(即D型正反器410反使能检测信号RST)；当检测切换信号HS_ON与频率信号S40处于高位准(切换信号HS_ON与频率信号S40同相)时，检测信号RST则转换为一高位准(即D型正反器410使能检测信号RST)。因此可知，相位检测电路41通过D型正反器410的操作来检测切换信号HS_ON与频率信号S40之间的相位关系，且产生检测信号RST来表示前述的相位关系。此外，当检测信号RST处于高位准时，开关402导通，以重置斜坡电压Vramp为输出电压V_OUT的位准。在D型正反器420的操作下，所产生的时脉信号CKSC的频率等于检测信号RST的频率的1/2。

根据上述，检测信号RST的位准转换是发生在切换信号HS_ON处于高位准时。因此，根据检测信号RST而产生的时脉信号CKSC的位准转换也发生在切换信号HS_ON处于高位准时。由于切换信号CLK10与CLK11的频率等于时脉信号CKSC的频率(f_CKSC)，切换信号CLK10与CLK11的位准转换也发生在切换信号HS_ON处于高位准时。通过切换信号HS_ON与切换信号CLK10与CLK11的控制，使得开关101～104在高侧开关111导通的期间内切换，如此一来消除了转态电流峰值。

根据本发明的实施例，功率转换器1不需要专用于切换式电容转换电路10的振荡器。功率转换器1根据电感式降压电路11所使用的切换信号HS_ON来产生控制切换式电容转换电路10的时脉信号CKSC。此外，通过时脉信号CKSC的控制，切换式电容转换电路10中的开关101～104在电感式降压电路11的软充电模式下切换，避免了转态电流峰值的发生，使得切换式电容转换电路10的效率提高。

Claims

1.一种功率转换器，其特征在于，包括：

一切换式电容转换电路，接收一输入电压，且根据一第一操作频率操作以将该输入电压转换为一中间电压；以及

一电感式降压电路，与该切换式电容转换电路串接，接收该中间电压，且在一第二操作频率下操作以根据该中间电压于一转换输出端产生一输出电压；

其中，该切换式电容转换电路包括多个开关，且该电感式降压电路包括串接于该切换式电容转换电路与该转换输出端之间的一高侧开关与一电感器；以及

其中，根据该第一操作频率，该切换式电容转换电路的该多个开关在该高侧开关导通的期间内进行切换。

2.如权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，该多个开关根据具有该第一操作频率的一时脉信号切换，该电感式降压电路包括串接于该切换式电容转换电路与该转换输出端之间的一高侧开关与一电感器，且该高侧开关受控于具有该第二操作频率的一第一切换信号；以及

其中，该功率转换器更包括一时脉产生器，该时脉产生器接收该第一切换信号，且根据该第一切换信号来产生该时脉信号。

3.如权利要求2所述的功率转换器，其特征在于，该时脉产生器包括：

一频率检测电路，接收该第一切换信号，且检测该第一切换信号的频率以产生一频率信号；

一相位检测电路，接收该第一切换信号以及该频率信号，且产生一检测信号，其中，当该第一切换信号与该频率信号同相时，该相位检测电路使能该检测信号；以及

一除频电路，接收该检测信号，且根据该检测信号产生具有该第一操作频率的该时脉信号。

4.如权利要求3所述的功率转换器，其特征在于，该时脉信号的该第一操作频率为该检测信号的1/2倍。

5.如权利要求3所述的功率转换器，其特征在于，该频率检测电路包括：

一电流源，提供一充电电流；

一第一开关，耦接于该电流源与一第一节点之间，且受控于该第一切换信号；

一电容器，耦接于该第一节点与一第二节点之间，其中，一斜坡电压产生于该第一节点，且该频率检测电路通过该第二节点接收该输出电压；

一第二开关，耦接于该第一节点与该第二节点之间；以及

一比较器，具有耦接该第一节点的一正输入端以及接收该中间电压的一负输入端，且比较该斜坡电压与该中间电压以产生该频率信号。

6.如权利要求3所述的功率转换器，其特征在于，该相位检测电路包括：

一D型正反器，具有接收该检测信号的一输入端、接收该第一切换信号的一时脉端、以及产生该检测信号的一输出端。

7.如权利要求3所述的功率转换器，其特征在于，该除频电路包括：

一D型正反器，具有一输入端、接收该检测信号的一时脉端、产生该时脉信号的一输出端、以及一反相输出端。

8.如权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，该切换式电容转换电路的该多个开关包括多个第一开关以及多个第二开关，该多个第一开关与该多个第二开关在该第一操作频率下切换，且该多个第一开关的导通期间与该多个第二开关的导通期间彼此不重叠。

9.如权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，该电感式降压电路的一输入端接收该中间电压，且包括：

一输入电容器，耦接该电感式降压电路的该输入端与一接地端之间；

一高侧开关，耦接于该电感式降压电路的该输入端与一第一节点之间；

一低侧开关，耦接于该第一节点与该接地端之间；

一电感器，耦接于该第一节点与该转换输出端之间；以及

一输出电容器，耦接于该转换输出端与该接地端之间；

其中，该高侧开关的导通期间与该低侧开关的导通期间彼此不重叠。