CN112234816A - 一种多模式的开关电容变换器及其电压转换方法 - Google Patents

一种多模式的开关电容变换器及其电压转换方法 Download PDF

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Abstract

一种多模式的开关电容变换器及其电压转换方法,能在不调换输入输出端口的条件下同时实现直通、半压和倍压三种模式的电压转换,直通模式下将开关器件S1、S2、S3、S4、S7和S8导通,S5、S6、S9和S10断开,实现输入电源到输出电压的1:1电压转换;半压模式下第一阶段将开关器件S1、S4、S5、S7和S10导通,S2、S3、S6、S8和S9断开,第二阶段将开关器件S2、S3、S6、S8和S9导通,S1、S4、S5、S7和S10断开,实现输入电源到输出电压的2:1电压转换;倍压模式下第一阶段将开关器件S2、S3、S4、S5、S8和S10导通,开关器件S1、S6、S7和S9断开,第二阶段将开关器件S1、S3、S4、S6、S7和S9导通,开关器件S2、S5、S8和S10断开,实现输入电源到输出电压的1:2电压转换。

Description

一种多模式的开关电容变换器及其电压转换方法
技术领域
本发明属于高效率变换器技术领域,涉及一种多模式的开关电容变换器及其电压转换方法,能够应用于手机快充领域,在不改变输入输出端口的条件下,实现直通、半压和倍压的高效率电压转换。
背景技术
随着5G时代的到来,为满足5G高耗能的需求,手机电池容量越来越大。伴随而来的快充技术让人们可以利用碎片时间来使自己的手机电量迅速恢复,因此快充技术逐渐成为高端手机的标配,开关电容变换器因为效率高而被广泛应用于手机快充。
现有的快充方案多种多样,不同适配器也提供了5V、10V、20V等多种输入电压,这对后级电压变换器提出了更高的要求:当手机电池为两节10V时,就要求变换器同时兼容倍压、直通和半压的电源转换,但现有的开关电容变换器往往只能同时实现倍压和直通、或同时直通和半压,如果要同时兼顾倍压、半压和直通三者,往往需要将输入输出端口对调。
图1是现有的一种同时兼容直通和半压模式的开关电容变换器,包括8个开关器件SW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW6、SW7、SW8和两个飞电容CFLY1、CFLY2,还包括输入电源VIN,输出电容以及输出负载。这种开关电容变换器通过控制开关器件的不同开关状态,能够实现电压直通(如图2所示)或者半压(如图3所示)的功能。
图2 给出了上述变换器工作在直通模式下的等效电路图,直通模式下,控制开关器件SW1、SW2、SW5、SW6导通,开关器件SW3、SW4、SW7、SW8关闭,输入电源VIN直接给开关电容变换器的输出VOUT充电,VOUT=VIN
图3 给出了上述变换器工作在半压模式下的等效电路图,半压模式包括两个阶段:
在Phase1阶段,控制开关器件SW1、SW3、SW6、SW8导通,开关器件SW2、SW4、SW5、SW7关断,输入电源VIN通过电容CFLY1给输出VOUT充电,电容CFLY1充电;与此同时,电容CFLY2给输出VOUT充电,电容CFLY2放电。
在Phase2阶段,控制开关器件SW2、SW4、SW5、SW7导通,开关器件SW1、SW3、SW6、SW8关断,输入电源VIN通过电容CFLY2给输出VOUT充电,电容CFLY2充电;与此同时,电容CFLY1给输出VOUT充电,电容CFLY1放电。
半压模式的两个阶段phase1和Phase2的占空比各为50%,半压模式的两个阶段相互交替工作输出功率,在稳态时VOUT=VCFLY=VIN/2,VOUT是开关电容变换器输出电压的电压值,VIN是输入电源的电压值,VCFLY是电容CFLY1上的电压值也是电容CFLY2上的电压值。
根据以上分析可知,现有的双相开关电容变换器能够同时兼容直通和半压的电压转换,但不能实现倍压的电压转换;如果将其输入与输出的端口对调,则能实现直通和倍压的电压转换,但不能实现半压的电压转换。即现有的方案无法在不调换输入输出端口的条件下,同时兼容直通、半压和倍压三种电压转换。
发明内容
针对上述传统开关电容变换器无法在不调换输入输出端口的条件下,同时兼容直通、半压和倍压三种电压转换的不足之处,本发明提出了一种新型的开关电容变换器拓扑架构,结合本发明的开关控制方法,可以在不改变输入输出端口的条件下,实现直通(1:1)、半压(2:1)和倍压(1:2)三种模式的高效率电压转换,轻松应对手机快充领域在两节电池的条件下,各种模式的电压转换比要求。同时,本发明提出的开关电容变换器相比现有的双相开关电容变换器,仅多出2个开关器件,保持了系统的高集成度。
本发明的技术方案为:
一种多模式的开关电容变换器,其特征在于,包括第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第六开关器件、第七开关器件、第八开关器件、第九开关器件、第十开关器件、第一电容和第二电容,所述开关电容变换器的输入正极端分别通过第一开关器件后连接第一电容的第一连接端和通过第二开关器件后连接第二电容的第一连接端,所述开关电容变换器的输入负极端和输出负极端都接地并分别通过第九开关器件后连接第一电容的第二连接端和通过第十开关器件后连接第二电容的第二连接端;所述开关电容变换器的输出正极端分别通过第五开关器件和第七开关器件的串联结构后连接第一电容的第二连接端以及通过第六开关器件和第八开关器件的串联结构后连接第二电容的第二连接端;第三开关器件接在第六开关器件和第八开关器件的串联点与第一电容的第一连接端之间,第四开关器件接在第五开关器件和第七开关器件的串联点与第二电容的第一连接端之间;
输入电源接在所述开关电容变换器的输入正极端和输入负极端之间,所述开关电容变换器的输出正极端和输出负极端之间输出所述开关电容变换器的输出电压,所述开关电容变换器具有直通模式、半压模式和倍压模式;直通模式下,只有第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第七开关器件和第八开关器件导通,实现所述输入电源到所述开关电容变换器输出电压的1:1电压转换;半压模式下,第一阶段只有第一开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第七开关器件和第十开关器件导通,第二阶段只有第二开关器件、第三开关器件、第六开关器件、第八开关器件和第九开关器件导通,半压模式的两个阶段占空比各为50%且相互交替工作,在稳态时实现所述输入电源到所述开关电容变换器输出电压的2:1电压转换;倍压模式下,第一阶段只有第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第八开关器件和第十开关器件导通,第二阶段只有第一开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第六开关器件、第七开关器件和第九开关器件导通,倍压模式的两个阶段占空比各为50%且相互交替工作,在稳态时实现所述输入电源到所述开关电容变换器输出电压的1:2电压转换。
具体的,所述第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第六开关器件、第七开关器件、第八开关器件、第九开关器件、第十开关器件的实现形式包括但不限于氮化镓晶体管、双极结型晶体管、绝缘栅双极型晶体管、金属-氧化物半导体场效应晶体管、场控晶闸管、门极可关断晶闸管和传输门。
基于上述多模式开关电容变换器,本发明还提出了对应的开关控制方法,以实现不同的电压转换,本发明提出的上述多模式开关电容变换器的电压转换方法技术方案如下:
一种多模式开关电容变换器的电压转换方法,所述多模式开关电容变换器包括第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第六开关器件、第七开关器件、第八开关器件、第九开关器件、第十开关器件、第一电容和第二电容,所述开关电容变换器的输入正极端分别通过第一开关器件后连接第一电容的第一连接端和通过第二开关器件后连接第二电容的第一连接端,所述开关电容变换器的输入负极端和输出负极端都接地并分别通过第九开关器件后连接第一电容的第二连接端和通过第十开关器件后连接第二电容的第二连接端;所述开关电容变换器的输出正极端分别通过第五开关器件和第七开关器件的串联结构后连接第一电容的第二连接端以及通过第六开关器件和第八开关器件的串联结构后连接第二电容的第二连接端;第三开关器件接在第六开关器件和第八开关器件的串联点与第一电容的第一连接端之间,第四开关器件接在第五开关器件和第七开关器件的串联点与第二电容的第一连接端之间;所述开关电容变换器的输入正极端和输入负极端之间连接输入电源,所述开关电容变换器的输出正极端和输出负极端之间输出所述开关电容变换器的输出电压;
所述电压转换方法包括将所述输入电源进行1:1电压转换、2:1电压转换和1: 2电压转换后得到所述开关电容变换器的输出电压,其中:
进行1:1电压转换时,只将第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第七开关器件和第八开关器件导通,实现所述输入电源到所述开关电容变换器输出电压的1:1电压转换;
进行2:1电压转换时,第一阶段只将第一开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第七开关器件和第十开关器件导通,第二阶段只将第二开关器件、第三开关器件、第六开关器件、第八开关器件和第九开关器件导通,进行2:1电压转换时的两个阶段占空比各为50%且相互交替工作,在稳态时实现所述输入电源到所述开关电容变换器输出电压的2:1电压转换;
进行1: 2电压转换时,第一阶段只将第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第八开关器件和第十开关器件导通,第二阶段只将第一开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第六开关器件、第七开关器件和第九开关器件导通,进行1: 2电压转换时的两个阶段占空比各为50%且相互交替工作,在稳态时实现所述输入电源到所述开关电容变换器输出电压的1:2电压转换。
本发明的有益效果为:本发明提出一种开关电容变换器,相比现有的双相开关电容变换器,仅多出2个开关器件,保持了系统的高集成度;结合本发明提出的开关控制实现电压转换方法,能够使得本发明的开关电容变换器在不改变输入输出端口的条件下,实现直通(1:1)、半压(2:1)和倍压(1:2)三种模式的高效率电压转换,足以应对手机快充领域在两节电池的条件下,各种模式的电压转换比要求。
附图说明
下面的附图有助于更好地理解下述对本发明不同实施例的描述,这些附图示意性地示出了本发明一些实施方式的主要特征。这些附图和实施例以非限制性、非穷举性的方式提供了本发明的一些实施例。为简明起见,不同附图中具有相同功能的相同或类似的组件或结构采用相同的附图标记。
图1是现有方案中同时兼容直通和半压的双相开关电容变换器结构示意图。
图2是图1结构双相开关电容变换器工作在直通模式下的等效电路图。
图3是图1结构双相开关电容变换器工作在半压模式下的等效电路图。
图4是本发明提出的一种多模式的开关电容变换器的结构示意图。
图5是本发明提出的一种多模式的开关电容变换器工作在直通模式的等效电路图。
图6是本发明提出的一种多模式的开关电容变换器工作在半压模式的等效电路图。
图7是本发明提出的一种多模式的开关电容变换器工作在倍压模式的等效电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明进行详细地说明。显然,所描述的实施例仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,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它实施例,都属于本发明保护的范围。
需要说明的是,在本发明中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。比如电容和开关器件的第一连接端和第二连接端只是表示电容和开关器件的两个连接端,第一连接端和第二连接端可以互换。
本发明提出一种开关电容变换器,能够在不调换输入输出端口的条件下,同时兼容直通、半压和倍压三种电压转换模式,如图4所示,本发明提出的一种多模式的开关电容变换器,包括第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3、第四开关器件S4、第五开关器件S5、第六开关器件S6、第七开关器件S7、第八开关器件S8、第九开关器件S9、第十开关器件S10、第一电容CFLY1和第二电容CFLY2,开关电容变换器的输入正极端连接第一开关器件S1的第一连接端和第二开关器件S2的第一连接端,开关电容变换器的输入负极端和输出负极端、以及第九开关器件S9的第一连接端和第十开关器件S10的第一连接端接地;第一电容CFLY1的第一连接端连接第一开关器件S1的第二连接端和第三开关器件S3的第一连接端,其第二连接端连接第九开关器件S9的第二连接端和第五开关器件S5的第一连接端;第二电容CFLY2的第一连接端连接第二开关器件S2的第二连接端和第四开关器件S4的第一连接端,其第二连接端连接第十开关器件S10的第二连接端和第六开关器件S6的第一连接端;第七开关器件S7的第一连接端连接第四开关器件S4的第二连接端和第五开关器件S5的第二连接端,其第二连接端连接第八开关器件S8的第一连接端和开关电容变换器的输出正极端;第八开关器件S8的第二连接端连接第三开关器件S3的第二连接端和第六开关器件S6的第二连接端。
其中第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3、第四开关器件S4、第五开关器件S5、第六开关器件S6、第七开关器件S7、第八开关器件S8、第九开关器件S9、第十开关器件S10可以是任意可控开关器件,如各种开关管,包括但不限于氮化镓晶体管、双极结型晶体管BJT、绝缘栅双极型晶体管IGBT、金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET、场控晶闸管MCT、门极可关断晶闸管GTO,和传输门等具有可控开关功能的结构。
Cin是输入电容,接在开关电容变换器的输入正极端和输入负极端之间;Cout是输出电容,接在开关电容变换器的输出正极端和输出负极端之间。输入电源VIN接在开关电容变换器的输入正极端和输入负极端之间,开关电容变换器的输出正极端和输出负极端之间输出开关电容变换器的输出电压VOUT。
本发明提出的多模式开关电容变换器结合其对应的电压转换方法,能够实现开关电容变换器具有直通模式、半压模式和倍压模式三种工作模式。
如图5为本发明的多模式开关电容变换器工作在直通模式的等效电路图。直通模式下,第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3、第四开关器件S4、第七开关器件S7和第八开关器件S8导通,第五开关器件S5、第六开关器件S6、第九开关器件S9和第十开关器件S10断开时,输入电源VIN直接给开关电容变换器的输出VOUT充电,实现输入电源VIN到开关电容变换器输出电压VOUT的1:1电压转换,VOUT=VIN
如图6为本发明的多模式开关电容变换器工作在半压模式的等效电路图,半压模式下包括两个阶段:
在Phase1阶段,将第一开关器件S1、第四开关器件S4、第五开关器件S5、第七开关器件S7和第十开关器件S10导通,第二开关器件S2、第三开关器件S3、第六开关器件S6、第开关器件S8和第九开关器件S9断开,输入电源VIN通过第一电容CFLY1给开关电容变换器的输出VOUT充电,第一电容CFLY1充电;与此同时,第二电容CFLY2给开关电容变换器的输出VOUT充电,第二电容CFLY2放电。
在Phase2阶段,将第二开关器件S2、第三开关器件S3、第六开关器件S6、第八开关器件S8和第九开关器件S9导通,第一开关器件S1、第四开关器件S4、第五开关器件S5、第七开关器件S7和第十开关器件S10断开,输入电源VIN通过第二电容CFLY2给开关电容变换器的输出VOUT充电,第二电容CFLY2充电;与此同时,第一电容CFLY1给开关电容变换器的输出VOUT充电,第一电容CFLY1放电。
半压模式的两个阶段Phase1和Phase2的占空比各为50%,半压模式的两个阶段相互交替工作输出功率,在稳态时VOUT=VCFLY=VIN/2,实现输入电源VIN到开关电容变换器输出电压VOUT的2:1电压转换,本发明的拓扑为对称结构,VCFLY= VCFLY1= VCFLY2
如图7为本发明的多模式开关电容变换器工作在倍压模式的等效电路图,倍压模式也包括两个阶段:
在Phase1阶段,将第二开关器件S2、第三开关器件S3、第四开关器件S4、第五开关器件S5、第八开关器件S8和第十开关器件S10导通,第一开关器件S1、第六开关器件S6、第七开关器件S7和第九开关器件S9断开,输入电源VIN通过第一电容CFLY1给开关电容变换器的输出VOUT充电,第一电容CFLY1放电;与此同时,输入电源VIN给第二电容CFLY2充电。
在Phase2阶段,将第一开关器件S1、第三开关器件S3、第四开关器件S4、第六开关器件S6、第七开关器件S7和第九开关器件S9导通,第二开关器件S2、第五开关器件S5、第八开关器件S8和第十开关器件S10断开,输入电源VIN通过第二电容CFLY2给开关电容变换器的输出VOUT充电,第二电容CFLY2放电;与此同时,输入电源VIN给第一电容CFLY1充电。
倍压模式的两个阶段Phase1和Phase2的占空比各为50%,倍压模式的两个阶段相互交替工作输出功率,在稳态时VOUT=2VCFLY=2VIN,实现输入电源到开关电容变换器输出电压的1:2电压转换。
综上所述,本发明提出了一种新型的多模式开关电容变换器,仅包括10个开关器件(S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10)、2个飞电容(第一电容CFLY、第二电容CFLY2)、输入电源VIN、以及输出电容和输出负载,相比传统双相开关电容变换器,仅多出2个开关器件,保持了系统的高集成度,并且解决了传统双相开关电容变换器无法在不调换输入输出端口的条件下,同时兼容直通、半压和倍压三种电压转换的问题,结合本发明提出的开关控制方法能够使得本发明在不调换输入输出端口的条件下同时实现直通、半压和倍压三种模式的电压转换。
以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明所述的原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种多模式的开关电容变换器,其特征在于,包括第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第六开关器件、第七开关器件、第八开关器件、第九开关器件、第十开关器件、第一电容和第二电容,所述开关电容变换器的输入正极端分别通过第一开关器件后连接第一电容的第一连接端和通过第二开关器件后连接第二电容的第一连接端,所述开关电容变换器的输入负极端和输出负极端都接地并分别通过第九开关器件后连接第一电容的第二连接端和通过第十开关器件后连接第二电容的第二连接端;所述开关电容变换器的输出正极端分别通过第五开关器件和第七开关器件的串联结构后连接第一电容的第二连接端以及通过第六开关器件和第八开关器件的串联结构后连接第二电容的第二连接端;第三开关器件接在第六开关器件和第八开关器件的串联点与第一电容的第一连接端之间,第四开关器件接在第五开关器件和第七开关器件的串联点与第二电容的第一连接端之间;
输入电源接在所述开关电容变换器的输入正极端和输入负极端之间,所述开关电容变换器的输出正极端和输出负极端之间输出所述开关电容变换器的输出电压,所述开关电容变换器具有直通模式、半压模式和倍压模式;直通模式下,只有第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第七开关器件和第八开关器件导通,实现所述输入电源到所述开关电容变换器输出电压的1:1电压转换;半压模式下,第一阶段只有第一开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第七开关器件和第十开关器件导通,第二阶段只有第二开关器件、第三开关器件、第六开关器件、第八开关器件和第九开关器件导通,半压模式的两个阶段占空比各为50%且相互交替工作,在稳态时实现所述输入电源到所述开关电容变换器输出电压的2:1电压转换;倍压模式下,第一阶段只有第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第八开关器件和第十开关器件导通,第二阶段只有第一开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第六开关器件、第七开关器件和第九开关器件导通,倍压模式的两个阶段占空比各为50%且相互交替工作,在稳态时实现所述输入电源到所述开关电容变换器输出电压的1:2电压转换。
2.根据权利要求1所述的多模式的开关电容变换器,其特征在于,所述第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第六开关器件、第七开关器件、第八开关器件、第九开关器件、第十开关器件的实现形式包括但不限于氮化镓晶体管、双极结型晶体管、绝缘栅双极型晶体管、金属-氧化物半导体场效应晶体管、场控晶闸管、门极可关断晶闸管和传输门。
3.一种多模式开关电容变换器的电压转换方法,其特征在于,所述多模式开关电容变换器包括第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第六开关器件、第七开关器件、第八开关器件、第九开关器件、第十开关器件、第一电容和第二电容,所述开关电容变换器的输入正极端分别通过第一开关器件后连接第一电容的第一连接端和通过第二开关器件后连接第二电容的第一连接端,所述开关电容变换器的输入负极端和输出负极端都接地并分别通过第九开关器件后连接第一电容的第二连接端和通过第十开关器件后连接第二电容的第二连接端;所述开关电容变换器的输出正极端分别通过第五开关器件和第七开关器件的串联结构后连接第一电容的第二连接端以及通过第六开关器件和第八开关器件的串联结构后连接第二电容的第二连接端;第三开关器件接在第六开关器件和第八开关器件的串联点与第一电容的第一连接端之间,第四开关器件接在第五开关器件和第七开关器件的串联点与第二电容的第一连接端之间;所述开关电容变换器的输入正极端和输入负极端之间连接输入电源,所述开关电容变换器的输出正极端和输出负极端之间输出所述开关电容变换器的输出电压;
所述电压转换方法包括将所述输入电源进行1:1电压转换、2:1电压转换和1: 2电压转换后得到所述开关电容变换器的输出电压,其中:
进行1:1电压转换时,只将第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第七开关器件和第八开关器件导通,实现所述输入电源到所述开关电容变换器输出电压的1:1电压转换;
进行2:1电压转换时,第一阶段只将第一开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第七开关器件和第十开关器件导通,第二阶段只将第二开关器件、第三开关器件、第六开关器件、第八开关器件和第九开关器件导通,进行2:1电压转换时的两个阶段占空比各为50%且相互交替工作,在稳态时实现所述输入电源到所述开关电容变换器输出电压的2:1电压转换;
进行1: 2电压转换时,第一阶段只将第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第八开关器件和第十开关器件导通,第二阶段只将第一开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第六开关器件、第七开关器件和第九开关器件导通,进行1: 2电压转换时的两个阶段占空比各为50%且相互交替工作,在稳态时实现所述输入电源到所述开关电容变换器输出电压的1:2电压转换。
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