CN113474983A - 增强型多级升压转换器 - Google Patents

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Abstract

一种升压转换器可以包括：第一级，该第一级包括被构造成使得其绕组在其磁芯中生成相反磁场的第一双反绕线电感器；以及第二级，该第二级包括被构造成使得其绕组在其磁芯中生成相反磁场的第二双反绕线电感器。升压转换器还可以包括用于控制第一级和第二级具有多个阶段的控制电路系统，该多个阶段包括：第一阶段，在该第一阶段中第一双反绕线电感器的第一线圈和第二双反绕线电感器的第二线圈并联耦合在电源和接地电压之间；以及第二阶段，在第二阶段中第一双反绕线电感器的第一线圈和第二双反绕线电感器的第二线圈串联耦合在电源和接地电压之间。

Description

增强型多级升压转换器
技术领域
本公开总体上涉及用于音频设备、压电设备、触觉反馈设备和/或其他设备(包括但不限于诸如无线电话和媒体播放器的个人音频设备)的电路，并且更具体地，涉及一种可以在这种设备中使用的增强型多级升压转换器。
背景技术
包括无线电话(诸如移动/蜂窝电话、无绳电话)、mp3播放器和其他消费者音频设备的个人音频设备被广泛使用。这种个人音频设备可以包括用于驱动一对耳机、一个或多个扬声器、压电换能器、触觉反馈换能器和/或其他换能器的电路系统。这种电路系统通常包括驱动器，该驱动器包括用于向换能器驱动换能器输出信号的功率放大器。通常，功率转换器可以用于向功率放大器提供供电电压，以便放大被驱动到扬声器、耳机、压电换能器、触觉反馈换能器或其他换能器的信号。开关功率转换器是一种将电源从一个直流(DC)电压电平转换成另一DC电压电平的电子电路。这种开关DC-DC转换器的示例包括但不限于升压转换器、降压转换器、降压-升压转换器、反相降压-升压转换器以及其他类型的开关DC-DC转换器。因此，使用功率转换器，诸如由电池提供的DC电压的DC电压可以被转换成用于给功率放大器供电的另一DC电压。
电池供电系统可以使用升压转换器为音频放大器生成大于电池的电压的电源。例如，在电池供电的换能器中使用升压转换器的动机是在换能器放大器的输出处生成比通过直接从电池给放大器供电可以实现的更大的信号摆幅(swing)。
传统上，虽然升压转换器和从升压转换器供电的放大器通常被制造在同一集成电路上，但是升压转换器通常需要集成电路外部的升压电感器，这需要很大的空间。然而，在制造方面的最近进步使得具有磁芯的电感器能够集成到集成电路管芯中。集成电感器的优点可以包括更小的总电路面积、在垂直于集成电路的表面的方向上的高度方面的显著降低、更低的电磁干扰发射以及电感器物理特性的更小的变化。
尽管有电感器制造方面的进步，但设计具有集成电感器的升压转换器可能具有挑战性。用于音频应用的外部升压转换器电感器通常具有1μH至2μH之间的电感，并在2.5A至4A的电流下饱和。然而，典型的集成电感器可能具有在几十到几百纳亨范围内的电感，其中电流饱和极限处于1A或小于1A。用于音频的典型升压转换器可以从4V电池电源向10W负载供应12V。因此，即使假设效率为100％，标准升压转换器设计也可能汲取2.5A的输入电流，这远远超过集成电感器的饱和点。多相转换器可以用于将电流分配给多个电感器，但较小的电感导致较大的电流纹波(ripple)，这可能仍超过饱和限制。
为了使用集成电感器，功率转换器的设计必须克服其低电感和低饱和电流的限制。这个问题的一个解决方案是使用具有改进的升压转换器架构的多绕线电感器(multi-wound inductor)。
多绕线电感器可以用于削弱芯体中的磁场并防止过早饱和。图1A描绘了具有缠绕在公共磁芯104周围的两个线圈102a和102b的多绕线电感器100。图1B描绘了电感器100的横截面侧视图，其描绘了线圈102a和102b中的每一个中的电流，其中“·”描绘了在垂直于页面平面的方向上流出页面的电流I1，并且同时“X”描绘了在垂直于页面平面的方向上流入页面的电流I2。线圈102a和102b可以在相反的方向上进行缠绕，使得正电流在每个线圈中生成相反的场。因此，通过磁芯104的总磁通量
Figure BDA0003224263470000023
可以等于来自线圈102a的磁通量
Figure BDA0003224263470000024
和来自线圈102b的磁通量
Figure BDA0003224263470000025
之间的差。线圈102a、102b中的磁通量
Figure BDA0003224263470000026
可以分别与线圈102a、102b中的电流I1和I2成比例。
当磁芯104中的磁场超过阈值Bsat时，电感器100可能饱和。磁场可以与磁芯104中的总磁通量
Figure BDA0003224263470000027
成比例，因此其可以与电流的差(例如，I1-I2)成比例。结果，电感器100的饱和限制可以被给出为：
Figure BDA0003224263470000021
其中
Figure BDA0003224263470000022
是电流I1和使电感器100饱和的电流I2之间的差，并且对于集成电感器，该差值通常可以在0.5A至1.0A左右。上述式子(1)可能仅对低至中等水平的电流有效。图1C示出了电流I2对电流I1的饱和曲线。虚线描绘了来自式子(1)的饱和边界108，而阴影区域描绘了由边界ABCDE限定的真实饱和区域110。对于低电流，不饱和区域112是沿着主对角线的条带，如式子(1)所述。然而，在较大电流下，不饱和区域112在宽度方面收缩，直到在非常大的电流下电感器100总是饱和为止。这种效应可能发生，因为线圈102a和102b之间的场抵消可能不完美，特别地在它们各自的端部处。而且，一些电感器设计可以使用线圈102a、102b中的一个中的额外匝来控制耦合系数，这可以进一步减少场抵消。结果，即使电流差|I1–I2|在其限度内，电感器100也可能饱和。因此，式子(1)的条件可以表示饱和的必要(但不是充分)条件。替代地，电感器100不饱和的充分条件是电流I1和I2必须位于由点ABCDE限定的不饱和区域112中。
多绕线电感器可以在设备饱和之前扩展绕组电流的范围。例如，如果电流I2为零，电流I1可能只扩展到图1C中的点E，并保持不饱和。然而，在电流I2的值适当选择的情况下，电流I1的范围可以扩展到点D或者甚至点C，并且由于电流I1和I2的场抵消而保持不饱和。这种范围扩展可以用于帮助解决集成升压电感器的饱和问题。然而，升压架构也必须被设计为利用多绕线电感器的益处。
图2描绘了可以与多绕线电感器100一起使用并且具有负载202的单级升压转换器200的一个示例。单级升压转换器200可以使用电容器204来稳定其输出电压Vout。电池206可以向单级升压转换器200供应输入电压Vin。单级升压转换器200可以包括多个开关210、212、214和216，每个开关具有栅极G以接收控制信号来控制这个开关的导通性(例如，选择性地断开和闭合这个开关)。这种控制信号可以包括图2中标记为P1和P2的脉宽调制控制信号，以及图2中标记为
Figure BDA0003224263470000031
和
Figure BDA0003224263470000032
的它们各自的逻辑互补信号。开关210和212可以使电感器100的顶部线圈102a在充电状态(其中线圈102a耦合在电池206和接地之间)和转移状态(其中线圈102a耦合在电源206和负载202之间)之间进行切换。同样地，开关214和216可以使电感器100的底部线圈102b在充电状态(其中线圈102b耦合在电池206和接地之间)和转移状态(其中线圈102b耦合在电源206和负载202之间)之间进行切换。升压电压比Vout/Vin可能与控制信号P1和P2的脉宽调制占空比D有关，其公式与标准升压转换器的公式非常相似：
Figure BDA0003224263470000033
假设没有电感器损耗或开关损耗。
图2中描绘的单级升压转换器200可能无法防止多绕线电感器在实际升压电压和输出功率下饱和。例如，图3A描绘了单级升压转换器200在一个脉宽调制周期内的电流I1和I2的电路仿真，其中输出电压Vout为12V、输出功率为10W以及输入电压Vin为4V，这可以表示音频应用中用于升压转换器的标准标称操作条件。如图3A所绘的仿真结果也对开关210、212、214和216以及电感器100中的电阻性损耗进行建模。图3B描绘了电感器100的电流差I1–I2和饱和水平
Figure BDA0003224263470000041
图3C描绘了曲线图上的电流I2与I1以及也绘制在图3C中的饱和边界Isat，示出了尽管在图3B中电流差I1–I2保持在饱和水平
Figure BDA0003224263470000042
以下，但在图3C中它们各自的幅值超过了饱和边界Isat。因此，单级升压转换器200对于期望的应用可能没有用。
图4描绘了可以与多绕线电感器100一起使用并且具有负载202的两级升压转换器400的一个示例。两级升压转换器400的每个级401a、401b可以与图2中示出的单级升压转换器200相同，并且级401a、401b可以串联耦合。两级升压转换器400的一个缺点是，与单级转换器200所需的单个电容器204相比，它需要两个电容器204和205来稳定每个级401的输出。电容器204和205可以很大，并且可以显著影响总电路面积。
在两级升压转换器400的架构中，第一级401a的升压输出将输入电压供应到第二级401b。因此，两个级401的总升压比是每个级401a、401b的升压比的乘积。因为两个级401a、401b可以以相同的占空比操作，所以两级升压转换器400的总升压比可以给出为：
Figure BDA0003224263470000043
假设没有电感器损耗或开关损耗。将等式(3)与等式(2)进行比较，两级升压转换器400可能需要比单级升压转换器200更低的占空比来实现相同的升压电压比。例如，为了从4V升压到12V，相比于两级升压转换器400的0.42，单级升压转换器200可能需要0.67的占空比。较低的占空比可能降低电流纹波的幅值，这应有助于防止饱和。
图5A描绘了两级升压转换器400在一个脉宽调制周期上的电流I1-STAGE1、I2-STAGE1、I1-STAGE2和I2-STAGE2的电路仿真。图5A与图3A的比较示出线圈电流纹波幅值可以显著降低。图5B描绘了电感器100的电流差I1-STAGE1–I2-STAGE1、电流差I1-STAGE2–I2-STAGE2和饱和水平
Figure BDA0003224263470000051
图5C描绘了曲线图的电流I2-STAGE1对I1-STAGE1和I2-STAGE2对I1-STAGE2以及也在图5C中绘制的饱和边界Isat。在将图5B和图5C分别与图3A和图3B进行比较时，显示出单级升压转换器200的过饱和问题为被极大地改善。第一级401a的电感器100的电流现在可能在饱和极限内。然而，第二级401b的电感器100的电流仍可能超过饱和极限。两级升压转换器400的问题是，即使占空比较小，第二级401b也来源于第一级401a的输出，而第一级401a的输出处于比电池206的电压Vin的更高的电压。因此，当控制信号P1有效时，第二级401b的电感器100可能经历更大的电压降，并且这可能导致图5B中示出的较大的电流差I1-STAGE2–I2-STAGE2。
因此，对于期望的应用，单级升压转换器200和两级升压转换器400都不能满足电感器100的饱和约束。
通过在背景技术部分中包括该讨论，申请人认为这个背景技术部分的内容中的任何一个都不是可以用于支持基于现有技术拒绝所记载的权利要求的现有技术。
发明内容
根据本公开的教导，可以减少或消除与现有的基于电感器的功率转换器相关联的一个或多个缺点和问题。
根据本公开的实施例，一种升压转换器可以包括：第一级，该第一级包括被构造成使得其绕组在其磁芯中生成相反磁场的第一双反绕线电感器；以及第二级，该第二级包括被构造成使得其绕组在其磁芯中生成相反磁场的第二双反绕线电感器。升压转换器还可以包括用于控制第一级和第二级具有多个阶段的控制电路系统，该多个阶段包括：第一阶段，在该第一阶段中第一双反绕线电感器的第一线圈和第二双反绕线电感器的第二线圈并联耦合在电源和接地电压之间；以及第二阶段，在第二阶段中第一双反绕线电感器的第一线圈和第二双反绕线电感器的第二线圈串联耦合在电源和接地电压之间。
根据本公开的这些和其他实施例，一种电子设备可以包括至少一个电路和升压转换器，该至少一个电路被配置为接收升压电压作为对该至少一个电路的供电电压。该升压转换器可以包括：第一级，该第一级包括被构造成使得其绕组在其磁芯中生成相反磁场的第一双反绕线电感器；以及第二级，该第二级包括被构造成使得其绕组在其磁芯中生成相反磁场的第二双反绕线电感器。升压转换器还可以包括用于控制第一级和第二级具有多个阶段的控制电路系统，该多个阶段包括：第一阶段，在该第一阶段中第一双反绕线电感器的第一线圈和第二双反绕线电感器的第二线圈并联耦合在电源和接地电压之间；以及第二阶段，在第二阶段中第一双反绕线电感器的第一线圈和第二双反绕线电感器的第二线圈串联耦合在电源和接地电压之间。
根据本公开的这些和其他实施例，一种方法可以包括，在升压转换器(该升压转换器具有：第一级，该第一级包括被配置为使得其绕组在其磁芯中生成阶段反磁场的第一双反绕线电感器；以及第二级，该第二级包括被配置为使得其绕组在其磁芯中生成阶段反磁场的第二双反绕线电感器)中，控制第一级和第二级具有多个阶段，该多个阶段包括：第一阶段，在该第一阶段中第一双反绕线电感器的第一线圈和第二双反绕线电感器的第二线圈并联耦合在电源和接地电压之间；以及第二阶段，在第二阶段中第一双反绕线电感器的第一线圈和第二双反绕线电感器的第二线圈串联耦合在电源和接地电压之间。
从本文包括的附图、描述和权利要求中，本公开的技术优点对于本领域技术人员来说是显而易见的。实施例的目的和优点将至少通过权利要求中特别指出的元件、特征和组合来实现和达到。
应当理解的是，前面的整体性描述和下面的详细描述都是示例和说明性的，并不限制本公开中阐述的权利要求。
附图说明
通过结合附图参考以下描述，可以获得对本实施例及其优点的更完整的理解，在附图中相同的附图标记表示相同的特征，并且其中：
图1A和图1B描绘了根据本公开的实施例的多绕线集成电感器；
图1C示出了根据本公开实施例的图1A和图1B中示出的多绕线集成电感器内的电流的饱和曲线；
图2示出了根据本公开的实施例的使用多绕线集成电感器的单级升压转换器；
图3A描绘了根据本公开的实施例的图2中示出的单级升压转换器的多绕线集成电感器在一个脉宽调制周期上的电流的电路仿真；
图3B描绘了根据本公开的实施例的图2中示出的单级升压转换器的多绕线集成电感器的电流差和电流饱和水平的电路仿真；
图3C示出了根据本公开的实施例的图2中示出的单级升压转换器的多绕线集成电感器内的电流的饱和曲线；
图4示出了根据本公开的实施例的其中每一级使用多绕线集成电感器的两级升压转换器；
图5A描绘了根据本公开的实施例的图4中示出的两级升压转换器的多绕线集成电感器在一个脉宽调制周期上的电流的电路仿真；
图5B描绘了根据本公开的实施例的图4中示出的两级升压转换器的多绕线集成电感器的电流差和电流饱和水平的电路仿真；
图5C示出了根据本公开的实施例的图4中示出的两级升压转换器的多绕线集成电感器内的电流的饱和曲线；
图6示出了根据本公开的实施例的示例个人移动设备的所选择的组件；
图7示出了根据本公开的实施例的用于驱动换能器的个人移动设备的示例集成电路的所选择的组件的框图；
图8示出了根据本公开实施例的示例开关模式放大器的所选择的组件的框图和电路图；
图9示出了根据本公开的实施例的其中每一级使用多绕线集成电感器的增强型两级升压转换器的所选择的组件；
图10A和图10B描绘了示出了根据本公开的实施例的基于用于增强型两级升压转换器的开关控制信号的值的图9的增强型两级升压转换器的所选择的组件的连接性的等效电路图；
图11A至图11C描绘了根据本公开的实施例的图9中示出的增强型两级升压转换器的多绕线集成电感器在一个脉宽调制周期上的电流的电路仿真；
图12A描绘了根据本公开的实施例的图9中示出的增强型两级升压转换器的多绕线集成电感器在一个脉宽调制周期上的电流的电路仿真；
图12B描绘了根据本公开的实施例的图9中示出的增强型两级升压转换器的多绕线集成电感器的磁化电流和电流饱和水平的电路仿真；
图12C示出了根据本公开的实施例的图9中示出的增强型两级升压转换器的多绕线集成电感器内的电流的饱和曲线；
图13示出了根据本公开的实施例的其中每一级使用多绕线集成电感器的增强型多级升压转换器的所选择的组件；
图14描绘了根据本公开的实施例的示例增强型多级升压转换器的所选择的组件。
具体实施方式
图6示出了根据本公开的实施例的示例个人移动设备1。图6描绘了具有扬声器7的个人移动设备1。扬声器7仅仅是示例，并且应当理解的是，个人移动设备1可以与各种换能器(包括磁线圈扬声器、压电扬声器、触觉反馈换能器等)结合使用。附加地或替代性地，个人移动设备1可以耦合到呈一对耳塞扬声器8A和8B的形式的耳机3。图6中描绘的耳机3仅仅是示例，并且应当理解的是，个人移动设备1可以与各种音频换能器(包括但不限于头戴式受话器、耳塞、入耳式耳机和外部扬声器)结合使用。插头4可以提供耳机3到个人移动设备1的电端子的连接。个人移动设备1可以向用户提供显示，并使用触摸屏2接收用户输入，或者替代性地，标准液晶显示器(liquid crystal display，LCD)可以与设置在个人移动设备1的面和/或侧部上的各种按钮、滑动件和/或拨号盘相组合。同样如图6所示，个人移动设备1可以包括集成电路(integrated circuit，IC)9，该集成电路用于生成模拟信号以便传输到扬声器7、耳机3和/或另一换能器。
图7示出了根据本公开的实施例的用于驱动换能器的个人移动设备的示例IC 9的所选择的组件的框图。如图7所示，微控制器核心18可以向数模转换器(digital-to-analogconverter，DAC)14供应数字音频输入信号DIG_IN，该数模转换器可以将数字输入信号转换成模拟输入信号VIN。DAC 14可以向放大器16供应模拟信号VI，该放大器可以放大或衰减模拟输入信号VI以提供差分音频输出信号VO，该音频输出信号可以操作扬声器、头戴式受话器换能器、压电换能器、触觉反馈换能器、线路电平信号输出和/或其他合适的输出。在一些实施例中，DAC 14可以是放大器16的一体组件。电源10可以提供放大器16的电源轨输入。在一些实施例中，电源10可以包括开关模式功率转换器，如下文更详细描述的那样。尽管图6和图7设想IC 9驻留在个人移动设备中，但是本文描述的系统和方法也可以应用于除个人移动设备之外的电气和电子系统和设备，包括用于在比个人移动设备更大的计算设备、汽车、建筑物或其他结构中使用的换能器系统。
图8示出了根据本公开实施例的示例开关模式放大器20的所选择的组件的框图和电路图。在一些实施例中，开关模式放大器20可以实施参照图7描述的放大器16的全部或一部分。如图8所示，开关模式放大器20可以包括环路滤波器22、控制器24和功率转换器26。
环路滤波器22可以包括被配置为接收输入信号(例如，音频输入信号VIN或其导数)和反馈信号(例如，音频输出信号VO、其导数或指示音频输出信号VO的其他信号)并且基于这样的输入信号和反馈信号生成要传送到控制器24的控制器输入信号的任何系统、设备或装置。在一些实施例中，这种控制器输入信号可以包括指示输入信号和反馈信号之间的积分误差的信号。在其他实施例中，这种控制器输入信号可以包括指示目标电流信号或目标电压信号的信号，所述目标电流信号要作为输出电流IOUT被驱动到耦合到第二控制环路28的输出端子的负载，所述目标电压信号要作为输出电压VO被驱动到所述负载。
控制器24可以包括被配置为基于输入信号(例如，输入信号INPUT)、输出信号VO和/或开关模式放大器20的其他特性，控制与功率转换器26一体的开关的切换以便根据输入信号将电能从电源VSUPPLY转移到开关模式放大器20的负载的任何系统、设备或装置。
功率转换器26可以包括被配置为在其输入处接收电压VSUPPLY(例如，由电源10提供)并在其输出处生成其输出电压VO的任何系统、设备或装置。在一些实施例中，电压VSUPPLY可以通过功率转换器26的输入端子接收，这些输入端子包括正输入端和负输入端，该负输入端可以耦合到接地电压。如在本公开中更详细描述的(包括但不限于，参考下面的图9至图14)那样，功率转换器26可以包括功率电感器和多个开关，该多个开关由从控制器24接收的控制信号控制，以便将电压VSUPPLY转换成电压VO，使得音频输出信号VO是到环路滤波器22的输入信号的函数。
图9描绘了根据本公开的实施例的可以与多绕线电感器100一起使用并且具有负载202的示例增强型两级升压转换器900的所选择的组件。在一些实施例中，增强型两级升压转换器900可以用于实施图7中描绘的电源10的全部或一部分。在这些和其他实施例中，增强型两级升压转换器900可以用于实施图8中描绘的功率转换器26的全部或一部分。图9中示出的增强型两级升压转换器900在许多方面类似于图4中描绘的两级升压转换器400，并且因此，下面仅讨论增强型两级升压转换器900和两级升压转换器400之间的差异。特别地，虽然增强型两级升压转换器900的第一级901a可以类似于两级升压转换器400的第一级401a，但是与两级升压转换器400的第二级401b相比，增强型两级升压转换器900的增强型第二级901b可以包括如图9所示布置并且如图9所示由控制信号P1、P2、
Figure BDA0003224263470000101
和
Figure BDA0003224263470000102
控制的附加开关910、912、914和916以及电容器905(代替电容器405)。如同在两级升压转换器400中一样，级901a和901b中的每一个的电感器100a、100b是包括多个线圈的双反绕线电感器，该多个线圈包括线圈102a和102b并且以这样的方式缠绕，即当通过线圈102a和102b的电流为正时，由线圈102a和102b在磁芯104中产生的磁场抵消。
图10A和图10B描绘了示出了根据本公开的实施例的基于用于增强型两级升压转换器900的开关控制信号的值的增强型两级升压转换器900的所选择的组件的连接性的等效电路图。特别地，图10A描绘了当控制信号P1无效(并且控制信号
Figure BDA0003224263470000103
无效)时电感器100a和100b中的每一个的顶部线圈102a的连接性，并且图10B描绘了当控制信号P1无效(并且控制信号
Figure BDA0003224263470000104
有效)时电感器100a和100b中的每一个的顶部线圈102a的连接性。为了说明清楚，图10A和图10B忽略了所有电阻性开关损耗。
如图10A所见，当控制信号P1有效(并且控制信号
Figure BDA0003224263470000111
无效)时，电感器100a和100b的顶部线圈102a与电池206的电源和接地并联。图10A中示出的配置是增强型两级升压转换器900的充电阶段，在该充电阶段中能量存储在顶部线圈102a中。如图10B所见，当控制信号P1无效(并且控制信号
Figure BDA0003224263470000112
有效)时，电感器100a和100b的顶部线圈102a与电池206的电源和接地串联。图10A中示出的配置是增强型两级升压转换器900的转移阶段，在该转移阶段中能量从顶部线圈102a转移到电容器204和负载202。
因此，对来自两个级的线圈102a并联充电和从线圈102a串联转移所存储能量的独特行为可能是这种架构的优点。电感器100a和100b的底部线圈102b可以以类似的方式进行控制。
因为第一级901a和增强型第二级901b并联充电并串联转移，所以总升压比是每个级的贡献的和，如下式给出：
Figure BDA0003224263470000113
假设没有电阻性损耗。等式4示出了每个级901a、901b的升压动作相加地组合，与其中每个级401a、401b的升压动作相乘地组合的两级升压转换器400相反。结果，增强型两级升压转换器900可能需要比单级升压转换器200更小的占空比，以便实现可以最小化电流纹波的相同升压比(尽管相比于两级转换器400在更小程度上)。
当增强型两级升压转换器900的控制信号P1从有效转变为无效(并且控制信号
Figure BDA0003224263470000114
从无效转变为有效)时，线圈102a中的电流I1-STAGE1和I1-STAGE2可能不完全相等。这种不相等的电流可能发生，因为当控制信号P1有效时，用于电感器100a和100b的线圈102a的传导路径电阻可能不同(例如，当控制信号P1有效时，电感器100b可能在其传导路径中具有额外的开关，这可能添加开关电阻)。当具有不同电流的两个电感器串联连接时，电感器中的一个(或两个)中的电流必须快速变化以满足连续性。然而，电感器中的电流的快速变化可能在电路中生成较大的潜在破坏性的电压。为了解决这个问题，开关912可以将电容器905耦合在线圈102a的公共电节点(当控制信号P1无效时)和接地之间，从而为任何这种过电流提供替代性路径。对于电感器100a和100b的底部线圈102b，开关916可以用于开关912所用于的类似目的。
与两级升压转换器400的电容器405相比，电容器905可以小得多、具有对总电路面积的最小影响。事实上，在一些情况下，这种电容器可以具有足够小的电容，使得电容器905可以形成在增强型两级功率转换器900的集成电路内。增强型两级功率转换器900的架构的自然结果是电容器905可以平衡第一级901a和增强型第二级901b之间的电流。
图11A至图11C描绘了根据本公开的实施例的图9中示出的两级升压转换器的多绕线集成电感器在一个脉宽调制周期上的电流的电路仿真。图11A描绘了示例控制信号P1和P2，并且图11B描绘了电感器100a和100b的线圈102a和102b的电流。在控制信号P1有效并且控制信号P2无效或者控制信号P1无效并且控制信号P2有效的状态期间，至少一对线圈102串联耦合到负载202，如图10B所示。在这些状态下，能量可以从电感器100A和100B的磁场转移，同时能量可以同时存储在磁场中。实际上，在这种状态下，能量可以从电感器100的一个线圈102转移到电感器的另一线圈102。这种转移动作可以防止过多的能量在磁芯104中积累，从而潜在地防止过早饱和。
增强型两级功率转换器900可以防止电流饱和，因为它可以最小化磁芯104中的总磁场，从而最小化磁芯104中存储的磁能量的量。磁芯104中的总磁场可以与磁化电流Imag成比例，该磁化电流(对于每个电感器100)可以定义为：
Imag＝I1-I2 (5)
当磁化电流Imag大于或等于磁化电流饱和极限
Figure BDA0003224263470000121
时，磁芯104可能饱和。
图11C分别描绘了电感器100a和100b的磁化电流Imag1和Imag2。当控制信号P1和P2两者有效时，线圈102中的电流均增加，因为两者并联耦合在电源和接地之间，如先前在图10A中所示。然而，在这个状态期间，磁化电流Imag1和Imag2保持相对平坦，因为由每个线圈102生成的磁通量以相等的速率变化，并且因此差异保持恒定。实际上，这种恒定可以对磁化电流波形产生“平顶”，如图11C所示，这防止磁化电流Imag1和Imag2饱和。
图12A描绘了根据本公开的实施例的增强型两级升压转换器900在一个脉宽调制周期上的电流I1-STAGE1、I2-STAGE1、I1-STAGE2和I2-STAGE2的电路仿真。与图3A相比，图12A中示出的电流具有比单级升压转换器200转换器小得多的纹波幅值。附加地，与图5A相比，相比于在两级功率转换器400中，图12A中示出的电流更平衡。
图12B描绘了根据本公开的实施例的增强型两级升压转换器900的电感器100a和电感器100b的磁化电流Imag1和Imag2以及磁化电流饱和极限
Figure BDA0003224263470000133
的电路仿真。图12C示出了根据本公开实施例的图900中示出的增强型两级升压转换器的电感器100a和100b内的电流的饱和曲线。与如图3B和图3C所示的单级升压转换器200的性能和如图5B和图5C所示的两级升压转换器400的性能相比，增强型两级升压转换器900可以更容易地满足饱和电流约束。
用于创建增强型两级升压转换器900的构思可以被扩展以创建多级架构。例如，图13描绘了根据本公开的实施例的可以与多绕线电感器100一起使用并且具有负载202的示例增强型多级升压转换器1300的所选择的组件。在一些实施例中，增强型多级升压转换器1300可以用于实施图7中描绘的电源10的全部或一部分。在这些和其他实施例中，增强型两级升压转换器1300可以用于实施图8中描绘的功率转换器26的全部或一部分。图13中示出的增强型多级升压转换器1300在许多方面类似于图9中描绘的增强型两级升压转换器900，并且因此，下面仅讨论增强型多级升压转换器1300和增强型两级升压转换器900之间的差异。增强型多级升压转换器1300和增强型两级升压转换器900之间的主要区别在于，增强型多级升压转换器1300包括三个级，其中第一级901a和第二级901b与增强型两级升压转换器900的那些基本相同，同时第三级901c是第二级901b的副本(copy)。增强型多级升压转换器1300可以类似于增强型两级升压转换器900的操作：当控制信号P1有效并且控制信号
Figure BDA0003224263470000131
无效时，所有三个电感器100a、100b和100c的所有顶部线圈102a可以并联耦合在电源电压和接地之间，并且当控制信号P1无效并且控制信号
Figure BDA0003224263470000132
有效时，所有三个电感器100a、100b和100c的顶部线圈102a可以串联耦合在电源电压和接地之间。其他升压转换器电路可以通过添加附加的像第二级901b那样的增强型级以形成更高阶的多级设计来实施。
作为另一示例，图14描绘了根据本公开的实施例的可以与多绕线电感器100一起使用并且具有负载202的示例增强型多级升压转换器1400的所选择的组件。在一些实施例中，增强型多级升压转换器1400可以用于实施图7中描绘的电源10的全部或一部分。在这些和其他实施例中，增强型两级升压转换器1400可以用于实施图8中描绘的功率转换器26的全部或一部分。在增强型多级升压转换器1400中，第一级可以包括两个(或更多个)并联的第一级部分901a。这种并联可以允许线圈102a和102b之间的电流的分流。其他升压转换器电路可以通过添加并联和增强型级的任何适当组合来实施。
如本文所使用的那样，当两个或更多元件被称为彼此“耦合”时，这个术语指示这两个或更多元件处于电子连通或机械连通(如适用的的话)，无论是间接连接还是直接连接、具有中间元件或没有中间元件。
本公开涵盖本领域普通技术人员将理解的对本文中的示例实施例的所有改变、替换、变化、变更和修改。类似地，在适当的情况下，所附权利要求涵盖本领域普通技术人员将理解的对本文中的示例实施例的所有改变、替换、变化、变更和修改。此外，在所附权利要求中对适配成、布置成、能够、配置为、使其能够、能够操作或可操作以执行特定功能的装置或系统或装置或系统的组件的引用涵盖该装置、系统或组件，无论其或该特定功能是否被激活、开启或解锁，只要该装置、系统或组件如此适配、布置、能够、配置、使其能够、能够操作或可操作即可。因此，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对本文描述的系统、装置和方法进行修改、添加或省略。例如，系统和装置的组件可以是集成的或分离的。而且，本文公开的系统和装置的操作可以由更多、更少或其他组件来执行，并且所描述的方法可以包括更多、更少或其他步骤。附加地，步骤可以以任何合适的顺序执行。如本文所用，“每一个”是指集合的每一个成员或集合的子集的每一个成员。
尽管示例性实施例在附图中示出并在下面描述，但是本公开的原理可以使用任何数量的技术(无论当前是否已知)来实施。本公开不应以任何方式限于附图中示出的和上文描述的示例性实施方式和技术。
除非另有特别说明，附图中描绘的物品不一定按比例绘制。
本文所引述的所有示例和条件性语言都是为了教学目的以帮助读者理解发明人为推进本领域所贡献的公开内容和构思，并且被解释为不限于这些具体引述的示例和条件。尽管已经详细描述了本公开的实施例，但是应当理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对其进行各种改变、替换和变更。
虽然上面已经列举了具体的优点，但是各种实施例可以包括列举的优点中的一些、不包括列举的优点或者包括列举的优点中的全部。附加地，在阅读了前述附图和描述之后，其他技术优点对于本领域普通技术人员来说将变得显而易见。
为了有助于专利局和在本申请中发布的任何专利的任何读者解释所附权利要求，申请人希望注意，除非在特定权利要求中明确使用了词语“用于……装置”或“用于……步骤”，否则他们不旨在所附权利要求或权利要求元素中的任何一个触发35 U.S.C.§112(f)。

Claims (15)

1.一种升压转换器，包括：
第一级，所述第一级包括被构造成使得其绕组在其磁芯中生成相反磁场的第一双反绕线电感器；以及
第二级，所述第二级包括被构造成使得其绕组在其磁芯中生成相反磁场的第二双反绕线电感器；以及
控制电路系统，所述控制电路系统用于控制所述第一级和所述第二级具有多个阶段，所述多个阶段包括：
第一阶段，其中所述第一双反绕线电感器的第一线圈和所述第二双反绕线电感器的第二线圈并联耦合在电源和接地电压之间；以及
第二阶段，其中所述第一双反绕线电感器的所述第一线圈和所述第二双反绕线电感器的所述第二线圈串联耦合在所述电源和所述接地电压之间。
2.根据权利要求1所述的升压转换器，所述多个阶段还包括：
第三阶段，其中所述第一双反绕线电感器的第三线圈和所述第二双反绕线电感器的第四线圈并联耦合在所述电源和所述接地电压之间；以及
第四阶段，其中所述第一双反绕线电感器的所述第三线圈和所述第二双反绕线电感器的所述第四线圈串联耦合在所述电源和所述接地电压之间。
3.根据权利要求1所述的升压转换器，还包括电容器和多个开关，其中所述控制电路系统还被配置为将所述第一双反绕线电感器和所述第二双反绕线电感器之间的过量电流卸载到所述电容器上，以平衡所述第一双反绕线电感器和所述第二双反绕线电感器，并防止在所述第一双反绕线电感器和所述第二双反绕线电感器中积累过量电压。
4.根据权利要求1所述的升压转换器，还包括第三级，所述第三级包括第三双反绕线电感器，所述第三双反绕线电感器被构造成使得其绕组在其磁芯中生成相反的磁场，并且其中所述控制电路还被配置为控制所述第一级、所述第二级和所述第三级，使得：
在所述第一阶段中，所述第一双反绕线电感器的所述第一线圈、所述第二双反绕线电感器的所述第二线圈和所述第三双反绕线电感器的第三线圈并联耦合在所述电源和所述接地电压之间；以及
在所述第二阶段中，所述第一双反绕线电感器的所述第一线圈、所述第二双反绕线电感器的所述第二线圈和所述第三双反绕线电感器的所述第三线圈串联耦合在所述电源和所述接地电压之间。
5.根据权利要求1所述的升压转换器，还包括与所述第一级并联的所述第一级的副本，使得所述第一级的相应输入和所述第一级的副本彼此耦合，并且使得所述第一级的相应输出和所述第一级的副本彼此耦合。
6.一种电子设备，包括：
至少一个电路，所述至少一个电路被配置为接收升压电压作为到所述至少一个电路的供应电压；以及
升压转换器，所述升压转换器包括：
第一级，所述第一级包括被构造成使得其绕组在其磁芯中生成相反磁场的第一双反绕线电感器；以及
第二级，所述第二级包括被构造成使得其绕组在其磁芯中生成相反磁场的第二双反绕线电感器；以及
控制电路系统，所述控制电路系统用于控制所述第一级和所述第二级具有多个阶段，所述多个阶段包括：
第一阶段，其中所述第一双反绕线电感器的第一线圈和所述第二双反绕线电感器的第二线圈并联耦合在电源和接地电压之间；以及
第二阶段，其中所述第一双反绕线电感器的所述第一线圈和所述第二双反绕线电感器的所述第二线圈串联耦合在所述电源和所述接地电压之间。
7.根据权利要求6所述的电子设备，所述多个阶段还包括：
第三阶段，其中所述第一双反绕线电感器的第三线圈和所述第二双反绕线电感器的第四线圈并联耦合在所述电源和所述接地电压之间；以及
第四阶段，其中所述第一双反绕线电感器的所述第三线圈和所述第二双反绕线电感器的所述第四线圈串联耦合在所述电源和所述接地电压之间。
8.根据权利要求6所述的电子设备，所述升压转换器还包括电容器和多个开关，其中所述控制电路系统还被配置为将所述第一双反绕线电感器和所述第二双反绕线电感器之间的过量电流卸载到所述电容器上，以平衡所述第一双反绕线电感器和所述第二双反绕线电感器，并防止在所述第一双反绕线电感器和所述第二双反绕线电感器中积累过量电压。
9.根据权利要求6所述的电子设备，所述升压转换器还包括第三级，所述第三级包括第三双反绕线电感器，所述第三双反绕线电感器被构造成使得其绕组在其磁芯中生成相反的磁场，并且其中所述控制电路还被配置为控制所述第一级、所述第二级和所述第三级，使得：
在所述第一阶段中，所述第一双反绕线电感器的所述第一线圈、所述第二双反绕线电感器的所述第二线圈和所述第三双反绕线电感器的第三线圈并联耦合在所述电源和所述接地电压之间；以及
在所述第二阶段中，所述第一双反绕线电感器的所述第一线圈、所述第二双反绕线电感器的所述第二线圈和所述第三双反绕线电感器的所述第三线圈串联耦合在所述电源和所述接地电压之间。
10.根据权利要求6所述的电子设备，所述升压转换器还包括与所述第一级并联的所述第一级的副本，使得所述第一级的相应输入和所述第一级的副本彼此耦合，并且使得所述第一级的相应输出和所述第一级的副本彼此耦合。
11.一种方法，所述方法包括在具有包含被构造成使得其绕组在其磁芯中生成相反磁场的第一双反绕线电感器的第一级、以及包含被构造成使得其绕组在其磁芯中生成相反磁场的第二双反绕线电感器的第二级的升压转换器中：
控制所述第一级和所述第二级具有多个阶段，所述多个阶段包括：
第一阶段，其中所述第一双反绕线电感器的第一线圈和所述第二双反绕线电感器的第二线圈并联耦合在电源和接地电压之间；以及
第二阶段，其中所述第一双反绕线电感器的所述第一线圈和所述第二双反绕线电感器的所述第二线圈串联耦合在所述电源和所述接地电压之间。
12.根据权利要求11所述的方法，所述多个阶段还包括：
第三阶段，其中所述第一双反绕线电感器的第三线圈和所述第二双反绕线电感器的第四线圈并联耦合在所述电源和所述接地电压之间；以及
第四阶段，其中所述第一双反绕线电感器的所述第三线圈和所述第二双反绕线电感器的所述第四线圈串联耦合在所述电源和所述接地电压之间。
13.根据权利要求11所述的方法，其中：
所述升压转换器还包括电容器和多个开关；以及
所述方法还包括将所述第一双反绕线电感器和所述第二双反绕线电感器之间的过量电流卸载到所述电容器上，以平衡所述第一双反绕线电感器和所述第二双反绕线电感器，并防止在所述第一双反绕线电感器和所述第二双反绕线电感器中积累过量电压。
14.根据权利要求11所述的方法，其中：
所述升压转换器还包括第三级，所述第三级包括第三双反绕线电感器，所述第三双反绕线电感器被构造成使得其绕组在其磁芯中生成相反的磁场；并且
所述方法还包括控制所述第一级、所述第二级和所述第三级，使得：
在所述第一阶段中，所述第一双反绕线电感器的所述第一线圈、所述第二双反绕线电感器的所述第二线圈和所述第三双反绕线电感器的第三线圈并联耦合在所述电源和所述接地电压之间；以及
在所述第二阶段中，所述第一双反绕线电感器的所述第一线圈、所述第二双反绕线电感器的所述第二线圈和所述第三双反绕线电感器的所述第三线圈串联耦合在所述电源和所述接地电压之间。
15.根据权利要求11所述的方法，还包括提供与所述第一级并联的所述第一级的副本，使得所述第一级的相应输入和所述第一级的副本彼此耦合，并且使得所述第一级的相应输出和所述第一级的副本彼此耦合。
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