CN112868171B - 共享自举电容器系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种系统，包括开关电容器功率转换器，该开关电容器功率转换器包括：第一支路，包括四个串联连接的开关；第二支路，包括四个串联连接的开关；以及共享自举电容器，被配置为向第一支路和第二支路的高端开关依次施加偏置功率。

Description

共享自举电容器系统和方法
技术领域
本公开涉及一种具有共享自举电容器的功率转换器，并且在特定实施例中，涉及一种在开关电容器功率转换器中采用的共享自举电容器。
背景技术
随着技术的进一步发展，诸如移动电话、平板电脑、数码相机、MP3播放器等各种电子设备已经变得流行。每个电子设备都需要处于基本恒定的电压的直流电，即使电子设备汲取的电流可能在很宽的范围内变化，该直流电也可以在指定的公差内调节。为了将电压维持在指定的公差内，耦合到电子设备的功率转换器(例如，开关dc/dc转换器)能够提供非常快速的瞬态响应，同时在各种负载瞬态下保持稳定的输出电压。
许多功率转换器(例如，开关dc/dc转换器)包括两个串联在输入电源和地之间的n型开关(例如，功率MOSFET)。连接到输入电源的开关通常被称为高端开关，接地的开关通常被称为低端开关。低端驱动电路和高端驱动电路分别用于控制低端开关和高端开关的栅极。低端驱动电路的偏置功率由稳定的偏置电压提供。为了接通高端开关(例如，n型高端开关)，高端驱动电路可能需要高于输入电源的电压的栅极电压。
自举电路可以产生高于输入电源的电压的栅极电压。自举电路包括开关、自举电容器和自举二极管。开关可以被实现为低端开关。自举二极管连接在偏置电源和自举电容器的正极端之间。更特别地，自举二极管的阳极连接到偏置电源，而自举二极管的阴极连接到自举电容器。自举电容器的负极端连接到高端开关和低端开关的公共节点。
在操作中，当低端开关接通之后，偏置电源通过由自举二极管和低端开关形成的导电通道为自举电容器充电。在低端开关关断并且高端开关接通之后，自举电容器的负极端被上拉至输入电源的电压。自举二极管变为反向偏置，自举电容器用作浮动电源，用于驱动高端开关。更具体地，等于输入电源的电压加上偏置电源的电压的电压被用于驱动高端开关的栅极。
随着功率电子技术的发展，多电平功率转换器已经出现作为进一步减小半导体器件的电压应力的有效替代方案。在多电平功率转换器(例如，开关电容器功率转换器)中，可以存在串联连接的多个高端开关。每个高端开关都需要一个高端驱动器。为了产生足以驱动相应的高端开关的电压，每个高端驱动器都需要一个自举电容器。这样，多电平功率转换器可能需要多个自举电容器。多个自举电容器通常被实现为外部分立电容器。
在诸如蜂窝电话应用之类的具有空间限制的应用中，期望具有能够在各种操作条件下驱动多个高端开关的共享自举电容器。
发明内容
通过本公开的优选实施例，通常可以解决或避免了这些和其他问题，并且总体上实现了技术优点，其提供了一种用于改善开关电容器功率转换器系统的性能的共享自举电容器。
根据一个实施例，一种装置包括第一高端栅极驱动器，第二高端栅极驱动器和自举电容器。第一高端栅极驱动器被配置为驱动第一高端开关。第二高端栅极驱动器被配置为驱动第二高端开关。自举电容器被配置为分别通过第一组隔离开关和第二组隔离开关为第一高端栅极驱动器和第二高端栅极驱动器提供偏置功率。
自举电容器的第一端通过第一隔离开关连接到第一高端栅极驱动器的第一偏置功率输入。自举电容器的第二端通过第二隔离开关连接到第一高端栅极驱动器的第二偏置功率输入。第一隔离开关包括彼此背对背连接的第一p型晶体管和第二p型晶体管。第二隔离开关包括彼此背对背连接的第一n型晶体管和第二n型晶体管。
可替代地，自举电容器的第一端通过两个背对背连接的第一晶体管和两个背对背连接的第一二极管连接到第一高端栅极驱动器的第一偏置功率输入。两个背对背连接的第一晶体管和两个背对背连接的第一二极管并联连接。自举电容器的第二端通过两个背对背连接的第二晶体管和两个背对背连接的第二二极管连接到第一高端栅极驱动器的第二偏置功率输入。两个背对背连接的第二晶体管和两个背对背连接的第二二极管并联连接。
根据另一实施例，一种方法包括：通过接通自举电容器与第一高端驱动器之间的第一隔离开关，将自举电容器连接到第一高端驱动器。该方法还包括：接通第一高端开关，并在接通第一高端开关之后，通过关断第一隔离开关，将自举电容器与第一高端驱动器断开连接。该方法进一步包括通过接通自举电容器和第二高端驱动器之间的第二隔离开关，将自举电容器连接到第二高端驱动器，接通第二高端开关，并在接通第二高端开关之后，通过关断第二隔离开关，将自举电容器与第二高端驱动器断开连接。
该方法还包括：通过接通偏置电压源和自举电容器之间的开关为自举电容器充电，并在第一高端开关和第二高端开关都完全接通之后为自举电容器充电。
自举电容器由开关电容器功率转换器的多个高端开关共享。将自举电容器顺序地连接到开关电容器功率转换器的多个高端开关。
根据又一个实施例，一种系统，包括开关电容器功率转换器，该开关电容器功率转换器包括：第一支路，其包括四个串联连接的开关；第二支路，其包括四个串联连接的开关；以及共享自举电容器，被配置为向第一支路和第二支路的高端开关依次施加偏置功率。
第一支路包括串联连接在电源和地之间的第一开关、第二开关、第三开关和第四开关。第二支路包括串联连接在电源和地之间的第五开关、第六开关、第七开关和第八开关。第一电容器连接在第一开关和第二开关的公共节点与第三开关和第四开关的公共节点之间。第二电容器连接在第五开关和第六开关的公共节点与第七开关和第八开关的公共节点之间。
第一驱动器被配置为驱动第一开关，并且其中共享自举电容器通过第一隔离开关和第二隔离开关连接到第一驱动器。第一隔离开关和第二隔离开关被配置为在接通第一开关之前同时接通。共享自举电容器通过第一偏置开关和第二偏置开关连接到偏置电源。第一偏置开关和第二偏置开关被配置为在第一开关接通之后接通。第一偏置开关、第二偏置开关和第一开关被配置为同时关断。
本公开的实施例的优点是在开关电容器功率转换器中采用共享自举电容器，从而提高开关电容器功率转换器的效率、可靠性和成本。
前述内容已经相当广泛地概述了本公开的特征和技术优点，以便可以更好地理解以下本公开的详细描述。在下文中将描述形成本公开的权利要求的主题的本公开的附加特征和优点。本领域技术人员应当理解，所公开的概念和特定实施例可以容易地用作修改或设计用于实现本公开的相同目的的其他结构或过程的基础。本领域技术人员还应该认识到，这样的等同构造不脱离所附权利要求书中阐述的本公开的精神和范围。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优点，现在参考以下结合附图进行的描述，其中：
图1示出了根据本公开的各种实施例的共享自举电容器功率转换器系统的框图。
图2示出了根据本公开的各种实施例的图1所示的功率转换器的第一实施方式的示意图。
图3示出了根据本公开的各种实施例的共享自举电容器和相关的控制电路的示意图。
图4示出了根据本公开的各种实施例的应用于共享自举电容器功率转换器系统的控制机制的时序图。
图5示出了根据本公开的各种实施例的图1所示的驱动器的第一实施方式的示意图。
图6示出了根据本公开的各种实施例的具有共享自举电容器的开关电容器功率转换器的框图。
图7示出了根据本公开的各种实施例的开关电容器功率转换器的第一半的示意图。
图8示出了根据本公开的各种实施例的开关电容器功率转换器的第二半的示意图。
图9示出了根据本公开的各种实施例的应用于图1所示的开关电容器功率转换器的控制系统的框图。
图10示出了根据本公开的各种实施例的图1所示的驱动器的第二实施方式的示意图。
图11示出了根据本公开的各种实施例的具有共享自举电容器和图10所示驱动器的开关电容器功率转换器的框图。
图12示出了根据本公开的各种实施例的用于控制图1所示的共享自举电容器功率转换器的方法的流程图。
图13示出了根据本公开的各种实施例的图1所示的功率转换器的第二实施方式的示意图。
图14示出了根据本公开的各种实施例的图13所示的第一高端开关的驱动电路的示意图。
图15示出了根据本公开的各种实施例的图13所示的开关电容器功率转换器的驱动电路的示意图。
除非另外指出，否则不同图中的相应数字和符号通常指代相应的部分。绘制附图以清楚地示出各种实施例的相关方面，并且不一定按比例绘制。
具体实施方式
下面详细讨论当前优选实施例的制造和使用。然而，应当理解，本公开提供了许多可应用的发明构思，这些构思可以在各种各样的特定上下文中体现。所讨论的特定实施例仅说明制造和使用本公开的特定方式，并不限制本公开的范围。
关于优选实施例将在特定上下文中描述本公开，即具有共享自举电容器的开关电容器功率转换器。然而，本公开也可以应用于具有多个高端开关的各种功率转换器。在下文中，将参考附图详细解释各种实施例。
图1示出了根据本公开的各种实施例的共享自举电容器功率转换器系统的框图。共享自举电容器功率转换器系统100包括功率转换器160，多个驱动器150，多个第一开关130，多个第二开关140，自举电容器120和可控偏置电路110。
如图1所示，可控偏置电路110连接到自举电容器120。在一些实施例中，可控偏置电路110用于维持自举电容器两端的电压。特别地，可控偏置电路110可以包括偏置电源和连接在偏置电源和自举电容器120之间的两个偏置开关。需要补充自举电容器120时，自举电容器120连接到偏置电源，在两个偏置开关接通之后由偏置电源充电。另一方面，通过关断两个偏置开关，自举电容器120与偏置电源断开连接。下面将参考图3和图5描述可控偏置电路110的详细原理图。
在一些实施例中，自举电容器120可以被实现为由多个高端驱动器(例如，驱动器150)共享的单个外部电容器。可选地，自举电容器120可以包括由多个高端驱动器(例如，驱动器150)共享的多个分立电容器。多个分立电容器的数量小于多个高端驱动器的数量。例如，功率转换器160可以包括两个相位。每个相位包括三个高端开关。驱动器150可以包括六个高端驱动器，用于驱动两个相位的其各自的高端开关。自举电容器120包括两个分立电容器。第一分立电容器用作第一相的高端驱动器共享的第一自举电容器。第二分立电容器用作第二相的高端驱动器共享的第二自举电容器。
应当注意的是，上一示例中使用的分立电容器的数量完全是出于演示目的而选择的，而非旨在将本公开的各种实施例限制为任何特定数量的分立电容器。
还应当注意的是，在上面的示例中，将两个分立电容器分配给两个不同的相位仅是一个示例。根据不同的应用和设计需求，分立电容器的分配可能会相应变化。例如，上面的第一分立电容器可以被实现为外部电容器。上面的第二分立电容器可以被实现为嵌入在驱动器所在芯片中的内部电容器。第一分立电容器用作四个高端驱动器共享的第一自举电容器。第二分立电容器用作两个高端驱动器共享的第二自举电容器。
自举电容器120通过多个第一开关130和多个第二开关140连接到驱动器150。驱动器150可以包括被配置为驱动功率转换器160的各个高端开关的多个高端驱动器。多个第一开关130和多个第二开关140都包括多个隔离开关。在一些实施例中，通过控制多个隔离开关的接通/关断，自举电容器120可以顺序地连接到多个高端驱动器或与多个高端驱动器断开连接。下面将参考图3-4描述开关130和140的详细示意图和操作原理。
功率转换器160包括由驱动器150的高端驱动器驱动的多个高端开关。在一些实施例中，功率转换器160可以是非隔离功率转换器，例如电荷泵功率转换器、两相开关电容器功率转换器、多相降压转换器和它们的任意组合等。在可替代的实施例中，功率转换器160可以是隔离功率转换器，例如双全桥功率转换器、双半桥半转换器、双LLC功率转换器和它们的任意组合等。在一个实施例中，功率转换器160被实现为两相2:1开关电容器功率转换器。下面将参考图2描述两相2:1开关电容器功率转换器的示意图。
图2示出了根据本公开的各种实施例的图1所示的功率转换器的第一实施方式的示意图。在一些实施例中，功率转换器160被实现为如图2所示的两相2:1开关电容器功率转换器。为简单起见，在整个描述中，两相2:1开关电容器功率转换器也被称为开关电容器转换器160。开关电容器转换器160包括第一支路和第二支路，该第一支路包括四个串联连接的开关，该第二支路包括四个串联连接的开关。
如图2所示，第一支路包括串联连接在输入电源VIN和地之间的第一开关M1、第二开关M2、第三开关M3和第四开关M4。如本领域所公知的，第四开关M4是低端开关。开关M1、M2和M3是高端开关。第二支路包括串联连接在输入电源VIN和地之间的第五开关M5、第六开关M6、第七开关M7和第八开关M8。如本领域所公知的，第八开关M8是低端开关。开关M5、M6和M7是高端开关。
开关电容器转换器160还包括第一电容器CP1和第二电容器CP2。第一电容器CP1连接在开关M1和M2的公共节点与开关M3和M4的公共节点之间。第二电容器CP2连接在开关M5和M6的公共节点与开关M7和M8的公共节点之间。如图2所示，开关M2和M3的公共节点连接到开关M6和M7的公共节点。这两个支路的连接节点是如图2所示的开关电容器转换器160的输出。
在一些实施例中，共享自举电容器(未示出，但在图3中进行了说明)被配置为将偏置功率顺序地施加到第一支路的高端开关M1-M3和第二支路的高端开关M5-M7的高端驱动器。
根据一个实施例，图2的开关(例如，开关M1-M8)可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field-effect transistor，MOSFET)器件。可选地，开关元件可以是任何可控开关，例如绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolartransistor，IGBT)器件，集成栅换向晶闸管(integrated gate commutated thyristor，IGCT)器件，栅极关断晶闸管(gate turn-off thyristor，GTO)器件，可控硅整流器(silicon controlled rectifier，SCR)器件，结栅场效应晶体管(junction gate field-effect transistor，JFET)器件，MOS控制晶闸管(MOS controlled thyristor，MCT)器件等。
应该注意的是，虽然图2示出了将开关M1-M8实现为单个n型晶体管，但是本领域技术人员应认识到可能存在许多变型、修改和替代。例如，取决于不同的应用和设计需求，开关M1-M8中的至少一些可以被实现为p型晶体管。此外，图2所示的每个开关可以被实现为并联连接的多个开关。而且，电容器可与一个开关并联连接以实现零电压开关(zero voltageswitching，ZVS)/零电流开关(zero current switching，ZCS)。
在操作中，开关电容器转换器160的每个支路都在两个不同的相位中操作。在第一相中，第一支路的开关M1和M3接通，并且开关M2和M4关断。作为M1和M3接通的结果，输入电源VIN对第一电容器CP1充电。同样在第一相中，第二支路的开关M6和M8接通，并且开关M5和M7关断。作为接通M6和M8的结果，存储在第二电容器CP2中的能量被释放。总而言之，高端开关M1、M3和M6在第一相中接通。
在一些实施例中，在第一相中，共享自举电容器(图3所示的电容器C0)被顺序地施加到开关M3、M6和M1的高端驱动器。共享自举电容器的详细工作原理和控制方案将在下面结合图4进行描述。
在第二相中，第一支路的开关M2和M4接通，并且开关M1和M3关断。作为接通M2和M4的结果，存储在第一电容器CP1中的能量被释放。同样在第二相中，第二支路的开关M5和M7接通，并且开关M6和M8关断。作为接通M5和M7的结果，输入电源VIN对第二电容器CP2充电。总而言之，高端开关M2，M5和M7在第二相中接通。
在一些实施例中，在第二相中，共享自举电容器(图3所示的电容器C0)被顺序地施加到开关M7、M2和M5的高端驱动器。共享自举电容器的控制方案的详细工作原理将在下面参考图4进行描述。
图3示出了根据本公开的各种实施例的共享自举电容器和相关的控制电路的示意图。自举电容器120被实现为如图3所示的单个电容器C0。如图3所示，自举电容器120通过第一偏置开关Sb1和第二偏置开关Sb2连接到偏置电源VDRV。偏置开关Sb1和Sb2用于控制自举电容器120的充电过程。偏置开关Sb1和Sb2的详细工作原理将在下面参考图4进行描述。
驱动器150包括第一高端驱动器块151、第二高端驱动器块152、第三高端驱动器块153、第五高端驱动器块155、第六高端驱动器块156和第七高端驱动器块157。高端驱动器块151-153和155-157被配置为分别驱动高端开关M1-M3和M5-M7。每个高端驱动器块(例如，第一高端驱动器块151)包括内部电容器(例如，电容器C1-C7)和驱动电路(例如，驱动电路D1-D7)。
如图3所示，高端驱动器共享自举电容器120。在整个说明书中，自举电容器120可以替代地被称为共享自举电容器120。而且，自举电容器120可以替代地被称为自举电容器C0。
在高端开关的接通过程中，共享自举电容器120提供偏置功率以建立高于高端开关的源极电压的栅极驱动电压。在高端开关的关断过程中，驱动电路可以依靠内部电容器(例如，电容器C1)来完全关断高端开关。
如图3所示，多个第一开关130包括开关S11、S21、S31、S51、S61和S71。多个第二开关140包括开关S12、S22、S32、S52、S62和S72。每个高端驱动器块(例如，驱动器块151)通过两个开关连接到共享自举电容器120。例如，第一高端驱动器块151的偏置端分别通过开关S11和S12连接到共享自举电容器120。
在操作中，在开关S11和S12接通之后，共享自举电容器120连接到第一驱动电路D1的偏置端。另一方面，在开关S11和S12已经关断之后，共享自举电容器120与第一驱动电路D1的偏置端断开连接。在共享自举电容器120与第一驱动电路D1的偏置端断开连接之后，第一驱动电路D1可以依靠内部电容器C1来维持操作。
开关S11-S71和S12-S72可以被实现为隔离开关。更特别地，开关S11-S71中的每一个被实现为两个背对背连接的p沟道晶体管。开关S12-S72中的每一个被实现为两个背对背连接的n沟道晶体管。下面将参考图5描述隔离开关的详细实现。
图4示出了根据本公开的各种实施例的应用于共享自举电容器功率转换器系统的控制机制的时序图。图4的水平轴表示时间间隔。可能有十三根垂直轴。第一根垂直轴Y1代表开关S61和S62(图3所示)的接通时间。第二根垂直轴Y2代表高端开关M6(图2所示)的栅极驱动信号。第三根垂直轴Y3代表开关S31和S32(图3所示)的接通时间。第四根垂直轴Y4代表高端开关M3(图2所示)的栅极驱动信号。第五根垂直轴Y5代表开关S11和S12(图3所示)的接通时间。第六根垂直轴Y6代表高端开关M1(图2所示)的栅极驱动信号。第七根垂直轴Y7代表开关Sb1和Sb2(图3所示)的接通时间。
第八根垂直轴Y8代表开关S21和S22(图3所示)的接通时间。第九根垂直轴Y9代表高端开关M2(如图2所示)的栅极驱动信号。第十根垂直轴Y10代表开关S71和S72(图3所示)的接通时间。第十一根垂直轴Y11代表高端开关M7(图2所示)的栅极驱动信号。第十二根垂直轴Y12代表开关S51和S52(图3所示)的接通时间。第十三根垂直轴Y13代表高端开关M5(图2所示)的栅极驱动信号。
参考图2，开关M1-M3和M5-7是功率转换器160的高端开关。如上关于图2所述的，功率转换器160工作在两个不同的相位。如图4所示，在时刻t0至时刻t11期间，功率转换器160在第一相中工作，在第一相中，第一支路和第二支路被配置成使得第一电容器CP1被充电且第二电容器CP2被放电。如图4所示，在第一相期间，高端开关M6、M3和M1接通。在时刻t11至时刻t22期间，功率转换器160在第二相中工作，第一支路和第二支路均配置为使得第一电容器CP1被放电且第二电容器CP2被充电。如图4所示，在第二相期间，高端开关M2、M7和M5接通。
在时刻t1，开关S61和S62已经被接通。参考图3，响应于开关S61和S62的接通，自举电容器120连接到驱动电路D6的偏置端。自举电容器120能够提供高于开关M6的源极电压的偏置电压。在时刻t2，驱动电路D6将栅极驱动信号馈送到开关M6的栅极。如图4所示，响应于来自驱动电路D6的栅极驱动信号，开关M6接通并保持接通直到时刻t11为止。在开关M6接通之后，开关S61和S62在时刻t3关断。响应于开关S61和S62的关断，自举电容器120与驱动电路D6断开连接。自举电容器120准备好为其他高端驱动器提供偏置功率。
开关M3的接通过程(从t4到t6)和开关M1的接通过程(从t7到t9)与开关M6相似，因此为避免重复这里不再赘述。
在第一相中所有高端开关M6、M3和M1接通之后，偏置开关Sb1和Sb2在t10接通。参考图3，响应于偏置开关Sb1和Sb2的接通，偏置电源VDRV对自举电容器120进行充电。如图4所示，自举电容器120的充电过程从时刻t10延长到时刻t11。在一些实施例中，如图4所示，在时刻t11，偏置开关Sb1、Sb2以及高端开关M6、M3和M1同时关断。
在第二相中，高端开关M2的接通过程(从t12到t14)，高端开关M7的接通过程(从t15到t17)和高端开关M5的接通过程(从t18到t20)与第一相的过程相似，因此为避免重复这里不再赘述。
在第二相中所有高端开关M2、M7和M5接通之后，偏置开关Sb1和Sb2从时刻t21到时刻t22接通。参考图3，响应于偏置开关Sb1和Sb2的接通，偏置电源VDRV对自举电容器120进行充电。如图4所示，自举电容器120的充电过程从时刻t21延长到时刻t22，。在一些实施例中，如图4所示，在时刻t22，偏置开关Sb1、Sb2以及高端开关M2、M7和M5同时关断。
应该注意的是，图4所示的时序图只是一个示例，不应过度地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员应认识到许多变化、替代和修改。例如，开关S61/S62的接通与开关M6的接通之间的时间延迟可以根据不同的应用和设计需要而变化。
还应该注意的是，根据高端开关的接通顺序，将共享自举电容器连接到高端驱动器的时序可以不同。
图4示出了在两个不同相位中工作的具有六个高端开关的功率转换器的时序图。该时序图只是一个示例。高端开关的数量可以根据应用和设计需求而有所不同。此外，可能存在不同数量的相位，或在不同的相位下接通的不同数量的高端开关。图4所示的控制方案适用于多种应用。在某些应用中，两个或多个外部自举电容器可以由多个高端开关共享，以改善自举电容器的补充时间。在这些情况下，可以同时补充外部电容器或将其切换到不同的内部电容器。
图5示出了根据本公开的各种实施例的图1中所示的驱动器的第一实施方式的示意图。高端开关M1、M2、M3、M5、M6和M7的驱动电路相似。为简单起见，这里仅详细讨论高端开关M1的驱动电路。高端开关M2、M3、M5、M6和M7的驱动电路的详细原理图包含在下面的图7-8中。
高端开关M1由高端驱动器D1控制。如图5所示，高端驱动器D1具有分别连接到电势VDD1和VSS1的两个偏置端。高端驱动器D1被配置为接收栅极驱动信号IN1。如图5所示，控制器(未示出)产生控制信号GC1，将该控制信号通过电平移位器LS10馈送到高端驱动器D1。如图5所示，电平移位器LS10具有四个偏置端，分别连接到电势VDRV、VDD1、VSS1和地。电平移位器的工作原理在本领域中是众所周知的，因此为避免重复不再详细讨论。如图5所示，高端驱动器D1及其相关的电路形成高端驱动器块151。
高端驱动器D1的偏置端连接到内部电容器C1，还通过两个隔离开关连接到外部自举电容器C0。如图5所示，第一隔离开关包括第一p型晶体管S111和第二p型晶体管S112。第一p型晶体管S111和第二p型晶体管S112彼此背对背连接以形成第一隔离开关。第二隔离开关包括第一n型晶体管S121和第二n型晶体管S122。第一n型晶体管S121和第二n型晶体管S122彼此背对背连接以形成第二隔离开关。
第一隔离开关和第二隔离开关的接通和关断由多个电平移位器和驱动器控制。基于功率转换器160的操作，控制器(未示出)产生用于控制第一隔离开关和第二隔离开关的接通/关断的控制信号G11。如图5所示，控制信号G11分别馈入电平移位器LS11和LS12。电平移位器LS11和LS12的输出分别连接到驱动器D11和D12的输入。如图5所示，驱动器D11和D12具有两个输出。两个输出处的信号相互补充，如驱动器一个输出处的圆点所示。
参考图4，在从t7到t9的时间间隔内，第一隔离开关和第二隔离开关都被接通，使得外部自举电容器C0连接到驱动器D1的偏置端。在该时间间隔期间，电平移位器LS11/LS12、驱动器D11/D12和控制器被配置为使得第一隔离开关和第二隔离开关在该时间间隔内都接通并保持接通。在时刻t9之后，电平移位器LS11/LS12、驱动器D11/D12和控制器被配置为使得第一隔离开关和第二隔离开关都关断并且保持关断。
应当注意的是，电平移位器LS11的两个偏置电压与电平移位器LS12的两个偏置电压不同。如图5所示，电平移位器LS12连接到电势VCAP+和VCAP-。相反，电平移位器LS11连接到电势VDD1和VSS1。
自举电容器C0通过第一偏置开关Sb1和第二偏置开关Sb2连接到偏置电源VDRV。在一些实施例中，第一偏置开关Sb1被实现为p型晶体管。第二偏置开关Sb1被实现为n型晶体管。如图5所示，第一偏置开关Sb1、第二偏置开关Sb2及其相关的驱动电路形成隔离开关块161。
参考图4，在t10到t11的时间间隔和t21到t22的时间间隔期间，第一偏置开关Sb1和第二偏置Sb2开关都接通，从而外部自举电容器C0被偏置电源VDRV充电。在这些时间间隔期间，电平移位器LS0、驱动器D01/D02和控制器被配置为使得第一偏置开关和第二偏置开关两者在该时间间隔期间都接通并保持接通。
应当注意的是，在图5中，电平移位器LS11和LS12有助于使隔离开关在两个不同的电压域中正确工作。这两个电压域是由VCAP+/VCAP-表示的外部自举电容器电压域和由VDD1/VSS1表示的内部电容器电压域。
图6示出了根据本公开的各种实施例的具有共享自举电容器的开关电容器功率转换器系统的框图。开关电容器功率转换器系统600包括开关电容器功率转换器160及其相关的驱动电路。上面已经参考图2描述了开关电容器功率转换器160，因此在此不再赘述。参考图2，开关电容器功率转换器160包括开关M1-M8。开关M1-M3和M5-7是高端开关。高端开关需要自举电容器来提供偏置功率。如图6所示，每个高端开关(例如，开关M1)由高端驱动器块(例如，高端驱动器块151)驱动。高端驱动器块通过隔离开关块(例如，隔离开关块161)连接到自举电容器120。
图6所示的所有高端驱动器块共享相同的结构。作为一个示例，高端驱动器块151的示意图已经在上面参考图5进行了详细地讨论，因此在此不讨论其他高端驱动器块152、153、155、156和157的结构。同样，图6所示的所有隔离开关块都具有相同的结构。作为一个示例，隔离开关块161的示意图已经在上面参考图5进行了详细地讨论，因此，在此不讨论其他隔离开关块162、163、165、166和167的结构。
低端开关M4和M8不需要自举电容器。如图6所示，低端开关M4由驱动器块154驱动。低端开关M8由驱动器块158驱动。驱动器块154和驱动器块158的偏置功率直接来自偏置电源VDRV。
参考图2，功率转换器160包括第一支路和第二支路，该第一支路包括开关M1-M4和第一电容器CP1；该第二支路包括开关M5-M8和第二电容器CP2。下面参考图7详细示出第一支路和相关的驱动电路。下面参考图8详细示出第二支路和相关的驱动电路。
图7示出了根据本公开的各种实施例的开关电容器功率转换器的第一半的示意图。如图7所示，开关M1-M4串联连接在输入电源VIN和地之间。上面已经参考图5描述了开关M1的驱动电路。开关M2和M3的驱动电路与开关M1的驱动电路相似，因此在此不进行讨论。开关M4是由低端驱动器D4驱动的低端开关。如图7所示，开关M1、M2和M3的驱动电路共享相同的自举电容器C0。自举电容器C0以可控制的方式连接到开关M1、M2和M3的驱动电路D1、D2和D3。更具体地，自举电容器C0通过接通/关断自举电容器C0与高端驱动器D1、D2和D3之间的隔离开关连接到开关M1、M2和M3的驱动电路。
应当注意的是，如图7所示，采用三个电平移位器L10、L20和L30将控制信号GC1、GC2和GC3转换为用于高端驱动器D1、D2和D3的合适的栅极驱动信号IN1、IN2和IN3。
图8示出了根据本公开的各种实施例的开关电容器功率转换器的第二半的示意图。如图8所示，开关M5-M8串联连接在输入电源VIN和地之间。开关M5-M8的驱动电路与图7所示的开关M1-M4的驱动电路相似，因此在此不再赘述。
图9示出了根据本公开的各种实施例的应用于图1所示的开关电容器功率转换器的控制系统的框图。与图7-8所示的系统相比，图9所示的控制系统减少了电平移位器的数量。特别地，单个电平移位器用于VCAP+/VCAP-域对时钟信号CLK进行电平移位。隔离开关(双向开关)的控制信号和偏置开关的控制信号的时序在VCAP+/VCAP-域中产生。每个驱动器电容器域VDDi/VSSi中使用一个电平移位器(例如LS911-LS971)。高端驱动器的输入信号的时序和隔离开关的驱动信号的时序在驱动器电容器域VDDi/VSSi中产生。如图9所示，接通序列(例如，GC1-GC8)的相位和时序可以在接地参考电平上实现。或者，接通序列(例如，GC1-GC8)的定相和时序可以在驱动器电容器域中实现。
如图9所示，控制系统包括电平移位器902、脉冲发生器904和相位/延迟块906。电平移位器902和相位/延迟块906都被配置为接收时钟信号CLK。时钟信号CLK通过电平移位器902被馈送到脉冲发生器904。脉冲发生器904被配置为产生控制信号L12、L22、L32、L52、L62和L72。
参考图7，L12是电平移位器LS12的输出信号。L12用于通过驱动器D12控制开关S111和S121的接通/关断。L22是电平移位器LS22的输出信号。L22用于通过驱动器D22控制开关S211和S221的接通/关断。L32是电平移位器LS32的输出信号。L32用于通过驱动器D32控制开关S311和S321的接通/关断。
参考图8，L52是电平移位器LS52的输出信号。L52用于通过驱动器D52控制开关S511和S521的接通/关断。L62是电平移位器LS62的输出信号。L62用于通过驱动器D62控制开关S611和S621的接通/关断。L72是电平移位器LS72的输出信号。L72用于通过驱动器D72控制开关S711和S721的接通/关断。
参考图9，相位/延迟块906被配置为产生控制信号GC1、GC2、GC3、GC4、GC5、GC6、GC7和GC8。GC4和GC8用于控制功率转换器160的低端开关M4和M8。再次参考图7，GC4直接应用于驱动器D4。同样，再次参考图8，GC8直接应用于驱动器D8。
控制信号GC1通过电平移位器911和脉冲/延迟块912。脉冲/延迟块912产生控制信号L11和IN1。再次参考图7，L11是电平移位器LS11的输出信号。L11用于通过驱动器D11控制开关S112和S122的接通/关断。IN1被馈送到驱动器D1中来控制开关M1。
控制信号GC2通过电平移位器921和脉冲/延迟块922。脉冲/延迟块922产生控制信号L21和IN2。再次参考图7，L21是电平移位器LS21的输出信号。L21用于通过驱动器D21控制开关S212和S222的接通/关断。IN2被馈送到驱动器D2中来控制开关M2。
控制信号GC3通过电平移位器931和脉冲/延迟块932。脉冲/延迟块932产生控制信号L31和IN3。再次参考图7，L31是电平移位器LS31的输出信号。L31用于通过驱动器D31控制开关S312和S322的接通/关断。IN3被馈送到驱动器D3中来控制开关M3。
控制信号GC5通过电平移位器951和脉冲/延迟块952。脉冲/延迟块952产生控制信号L51和IN5。再次参考图8，L51是电平移位器LS51的输出信号。L51用于通过驱动器D51控制开关S512和S522的接通/关断。IN5被馈送到驱动器D5中来控制开关M5。
控制信号GC6通过电平移位器961和脉冲/延迟块962。脉冲/延迟块962产生控制信号L61和IN6。再次参考图8，L61是电平移位器LS61的输出信号。L61用于通过驱动器D61控制开关S612和S622的接通/关断。IN6被馈送到驱动器D6中来控制开关M6。
控制信号GC7通过电平移位器971和脉冲/延迟块972。脉冲/延迟块972产生控制信号L71和IN7。再次参考图8，L71是电平移位器LS71的输出信号。L71用于通过驱动器D71控制开关S712和S722的接通/关断。IN7被馈送到驱动器D7中来控制开关M7。
图10示出了根据本公开的各种实施例的图1所示的驱动器的第二实施方式的示意图。除了由相同的驱动器D11控制两个p型晶体管S111和S112，和由相同的驱动器D12控制两个n型晶体管S121和S122之外，图10中所示的驱动器与图5中所示的驱动器相似。
如图10所示，第一二极管D111和第二二极管D112彼此背对背连接。背对背连接的D111和D112与背对背连接的S121和S122并联连接。D111和D112的公共节点表示为VSS1_MAX。S121和S122的公共节点表示为VSS1_MIN。第三二极管D121和第四二极管D122彼此背对背连接。背对背连接的D121和D122与背对背连接的S111和S112并联连接。D121和D122的公共节点表示为VDD1_MIN。S111和S112的公共节点被表示为VDD1_MAX。添加二极管D111、D112、D121和D122为驱动器D11和D12提供适当的轨。
如图10所示，电平移位器LS11具有分别连接到电势VDD1_MAX、VDRV、VSS1_MAX和地的四个偏置端。电平移位器LS11的输出信号被馈送到驱动器D11种。驱动器D11具有两个分别连接到电势VSS1_MAX和VDD1_MAX的偏置端。如图10所示，驱动器D11的输出信号用于驱动S111和S112。
如图10所示，电平移位器LS12具有四个分别连接到电势VDD1_MIN、VDRV、VSS1_MIN和地的偏置端。电平移位器LS12的输出信号被馈送到驱动器D12中。驱动器D12的两个偏置端分别连接到电势VSS1_MIN和VDD1_MIN。如图10所示，驱动器D12的输出信号用于驱动S121和S122。
图10所示的第二实施方式的一个有利特征是背对背连接的p型晶体管S111和S112具有相同的栅极控制信号。这样的配置有助于简化对隔离开关的控制，从而改善功率转换器160的性能。类似地，背对背连接的n型晶体管S121和S122具有与图10所示相同的栅极控制信号。
图11示出了根据本公开的各个实施例的具有共享自举电容器和图10所示驱动器的开关电容器功率转换器的框图。除了隔离开关181、182、183、185、186和187包括图10所示的驱动电路之外，开关电容器功率转换器系统1100类似于图6所示的开关电容器功率转换器系统600。
图12示出了根据本公开的各个实施例的用于控制图1所示的共享自举电容器功率转换器的方法的流程图。图12所示的流程图只是一个示例，不应过度地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员应认识到许多变化、替代和修改。例如，可以添加、移除、替换、重新布置和重复图12所示的各个步骤。
开关电容器功率转换器包括多个高端开关和一个共享自举电容器。多个高端开关中的每一个都由高端驱动器驱动。高端驱动器具有两个偏置端，分别通过两个隔离开关连接到共享自举电容器的两端。开关电容器功率转换器工作在两个不同的相位，即充电相位和放电相位。
在步骤1202处，在接通第一高端开关之前，通过接通第一隔离开关和第二隔离开关将自举电容器连接到第一高端驱动器。第一隔离开关连接在第一高端驱动器的正偏置端和自举电容器的正极端之间。第二隔离开关连接在第一高端驱动器的负偏置端和自举电容器的负极端之间。
在步骤1204处，在第一高端驱动器连接到自举电容器之后，第一高端驱动器向第一高端开关施加栅极驱动信号。响应于栅极驱动信号，第一高端开关接通。在自举电容器连接到第一高端驱动器与第一高端开关的接通之间存在延迟。延迟可以在大约50纳秒至大约100纳秒的范围内。这个范围只是一个示例。根据不同的应用和设计需求，上述范围可能会有所不同。
在接通第一高端开关之后，通过关断第一隔离开关和第二隔离开关，将自举电容器与第一高端驱动器断开连接。第一高端开关的接通与将自举电容器与第一高端驱动器断开连接之间存在延迟。延迟可以在大约50纳秒至大约100纳秒的范围内。这个范围只是一个示例。根据不同的应用和设计需求，上述范围可能会有所不同。
在步骤1206处，在接通第二高端开关之前，通过接通第三隔离开关和第四隔离开关将自举电容器连接到第二高端驱动器。第三隔离开关连接在第二高端驱动器的正偏置端和自举电容器的正极端之间。第四隔离开关连接在第二高端驱动器的负偏置端和自举电容器的负极端之间。
在步骤1208处，在第二高端驱动器连接到自举电容器之后，第二高端驱动器向第二高端开关施加栅极驱动信号。响应于栅极驱动信号，第二高端开关接通。在自举电容器连接到第二高端驱动器与第二高端开关的接通之间存在延迟。延迟可以在大约50纳秒至大约100纳秒的范围内。这个范围只是一个示例。根据不同的应用和设计需求，上述范围可能会有所不同。
在接通第二高端开关之后，通过关断第三隔离开关和第四隔离开关，将自举电容器与第二高端驱动器断开连接。第二个高端开关的接通与将自举电容器与第二个高端驱动器断开连接之间存在延迟。延迟可以在大约50纳秒至大约100纳秒的范围内。这个范围只是一个示例。根据不同的应用和设计需求，上述范围可能会有所不同。
在步骤1210处，在第一相中，在所有高端开关已经接通之后，将自举电容器与所有高端驱动器断开连接。连接在自举电容器和偏置电源之间的偏置开关接通。响应于偏置开关的接通，偏置电源为自举电容器充电。高端开关和偏置开关同时关断。
在第二相中，在所有高端开关都接通之后，将自举电容器与所有高端驱动器断开连接。连接在自举电容器和偏置电源之间的偏置开关接通。响应于偏置开关的接通，偏置电源为自举电容器充电。高端开关和偏置开关同时关闭。
图13示出了根据本公开的各种实施例的图1所示的功率转换器的第二实施方式的示意图。图13所示的开关电容器功率转换器160是单相2:1开关电容器功率转换器。如图13所示，开关M1、M2、M3和M4串联连接在输入电源VIN和地之间。开关电容器功率转换器160的工作原理与图2所示的相似，因此在此不再详细讨论以避免重复。
如图13所示，开关M1、M2和M3是高端开关。M2和M3的驱动电路与图5所示的相似。第一高端开关M1的驱动电路不同，下面将参考图14进行详细描述。
图14示出了根据本公开的各种实施例的图13所示的第一高端开关的驱动电路的示意图。除了图5所示的隔离开关已由单个晶体管代替，图14所示的第一高端开关M1的驱动电路的示意图与图5所示的驱动电路相似。更具体地，如图14所示，用p型晶体管S112代替D1的正偏置端和外部自举电容器C0之间的隔离开关。此外，如图14所示，用n型晶体管S121代替D1的负偏置端和外部自举电容器C0之间的隔离开关。再次参考图13，与开关M2和M3的源极相比，第一高端开关M1的源极具有最高的电势。结果，可以使用图14所示的驱动电路来驱动第一高端开关M1。
如图14所示的驱动电路的一个有利特征是简化的驱动电路有助于降低驱动电路的成本和提高功率转换器160的可靠性。
图15示出了根据本公开的各种实施例的图13所示的开关电容器功率转换器的驱动电路的示意图。如上面参考图14所述，除了第一高端开关M1具有简化的驱动电路，图15所示的驱动电路的示意图与图7所示的示意图相似。
尽管已经详细描述了本公开的实施例及其优点，但是应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。
此外，本申请的范围不旨在限于说明书中描述的过程、机器、制造品、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。作为本领域的普通技术人员可以从本公开的公开内容中容易地理解，可以根据本公开利用目前存在或以后将要开发的、与本文描述的相应实施例执行基本相同功能或实现基本相同结果的过程、机器、制造品、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这样的过程、机器、制造品、物质组成、手段、方法或步骤包括在它们的范围内。因此，规范和图应当被理解为仅是由所附权利要求书限定的本公开的示例，并且可以预期涵盖落入本公开的范围内的任何和所有修改、变型、组合或等效物。
例如，在一个实施例中，公开了一种装置，该装置包括被配置为驱动第一高端开关的第一高端栅极驱动器装置，被配置为驱动第二高端开关的第二高端栅极驱动器装置，和自举电容器装置，其被配置为分别通过第一组隔离开关和第二组隔离开关为第一高端栅极驱动器和第二高端栅极驱动器提供偏置功率。

Claims (12)

1.一种具有共享自举电容器的装置，包括：
第一高端栅极驱动器，被配置为驱动第一高端开关；
第二高端栅极驱动器，被配置为驱动第二高端开关；以及
自举电容器，被配置为分别通过第一组隔离开关和第二组隔离开关为所述第一高端栅极驱动器和所述第二高端栅极驱动器提供偏置功率；其中，
所述自举电容器的第一端通过第一隔离开关连接到所述第一高端栅极驱动器的第一偏置功率输入；以及所述自举电容器的第二端通过第二隔离开关连接到所述第一高端栅极驱动器的第二偏置功率输入；
所述第一隔离开关包括彼此背对背连接的第一p型晶体管和第二p型晶体管；以及所述第二隔离开关包括彼此背对背连接的第一n型晶体管和第二n型晶体管；
第一驱动器被配置为驱动所述第一p型晶体管和所述第一n型晶体管；以及第二驱动器被配置为驱动所述第二p型晶体管和所述第二n型晶体管，其中所述第一驱动器和所述第二驱动器被配置为接收相同的控制信号。
2.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述第一驱动器的偏置电压端分别连接到所述第一p型晶体管的源极和所述第一n型晶体管的源极；以及
所述第二驱动器的偏置电压端分别连接到所述第二p型晶体管的源极和所述第二n型晶体管的源极。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中：
所述第一p型晶体管的源极和所述第一n型晶体管的源极直接连接到所述自举电容器；以及
所述第二p型晶体管的源极和所述第二n型晶体管的源极直接连接到所述第一高端栅极驱动器。
4.一种用于共享自举电容器的方法，包括：
通过接通自举电容器和第一高端驱动器之间的第一组隔离开关，将所述自举电容器连接到所述第一高端驱动器；
接通第一高端开关，并在接通所述第一高端开关之后，通过关断所述第一组隔离开关，将所述自举电容器与所述第一高端驱动器断开连接；
通过接通所述自举电容器和第二高端驱动器之间的第二组隔离开关，将所述自举电容器连接到所述第二高端驱动器；以及
接通第二高端开关，并在接通所述第二高端开关之后，通过关断所述第二组隔离开关，将所述自举电容器与所述第二高端驱动器断开连接；其中，
所述通过接通自举电容器和第一高端驱动器之间的第一组隔离开关，将所述自举电容器连接到所述第一高端驱动器包括：
通过接通所述自举电容器的第一端和所述第一高端驱动器的第一偏置功率之间的第一隔离开关，并接通所述自举电容器的第二端和所述第一高端驱动器的第二偏置功率之间的第二隔离开关，将所述自举电容器连接到所述第一高端驱动器；其中，所述第一隔离开关包括彼此背对背连接的第一p型晶体管和第二p型晶体管；以及所述第二隔离开关包括彼此背对背连接的第一n型晶体管和第二n型晶体管；第一驱动器被配置为驱动所述第一p型晶体管和所述第一n型晶体管；以及第二驱动器被配置为驱动所述第二p型晶体管和所述第二n型晶体管，其中所述第一驱动器和所述第二驱动器被配置为接收相同的控制信号。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括：
通过接通偏置电压源和所述自举电容器之间的开关为所述自举电容器充电。
6.根据权利要求4或5所述的方法，还包括：
在所述第一高端开关和所述第二高端开关完全接通之后，为所述自举电容器充电。
7.根据权利要求5所述的方法，其中：
所述自举电容器由开关电容器功率转换器的多个高端开关共享。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括：
将所述自举电容器顺序地连接到所述开关电容器功率转换器的所述多个高端开关。
9.一种共享自举电容器系统，包括：
开关电容器功率转换器，其包括：第一支路，其包括四个串联连接的开关；以及第二支路，其包括四个串联连接的开关，所述第一支路包括串联连接在电源和地之间的第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，所述第二支路包括串联连接在所述电源和地之间的第五开关、第六开关、第七开关和第八开关；以及
共享自举电容器，被配置为向所述第一支路和所述第二支路的高端开关依次施加偏置功率；
第一驱动器，被配置为驱动所述第一开关，并且其中所述共享自举电容器通过第一隔离开关和第二隔离开关连接到所述第一驱动器；
其中，所述共享自举电容器的第一端通过所述第一隔离开关连接到所述第一驱动器的第一偏置功率输入，所述共享自举电容器的第二端通过所述第二隔离开关连接到所述第一驱动器的第二偏置功率输入；所述第一隔离开关包括彼此背对背连接的第一p型晶体管和第二p型晶体管，所述第二隔离开关包括彼此背对背连接的第一n型晶体管和第二n型晶体管。
10.根据权利要求9所述的系统，还包括：
第一电容器，连接在所述第一开关和所述第二开关的公共节点与所述第三开关和所述第四开关的公共节点之间；以及
第二电容器，连接在所述第五开关和所述第六开关的公共节点与所述第七开关和所述第八开关的公共节点之间。
11.根据权利要求9或10所述的系统，其中：
所述第一隔离开关和所述第二隔离开关被配置为在接通所述第一开关之前同时接通。
12.根据权利要求9或10所述的系统，其中：
所述共享自举电容器通过第一偏置开关和第二偏置开关连接到偏置电源，其中：
所述第一偏置开关和所述第二偏置开关被配置为在所述第一开关接通之后接通；以及
所述第一偏置开关、所述第二偏置开关和所述第一开关被配置为同时关断。
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