CN114070041A - 一种零电压开关的谐振电荷泵及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种零电压开关的谐振电荷泵及其控制方法，其中第一开关管一端连接第一电压变换端，另一端依次通过第二开关管、第三开关管和第四开关管后连接第二电压变换端；第五开关管和第六开关管串联并连接在第二电压变换端和地之间，其串联点一方面通过第三飞电容后连接第三开关管和第四开关管的串联点，另一方面依次通过第一飞电容和谐振电感后连接第一开关管和第二开关管的串联点；第七开关管和第八开关管串联并连接在第二电压变换端和地之间，其串联点通过第二飞电容后连接第二开关管和第三开关管的串联点。本发明利用谐振电感与第一飞电容串联组成谐振腔，配合时序控制利用普通谐振元件实现了六个开关管的ZVS开通，提高了电压转换效率。

Description

一种零电压开关的谐振电荷泵及其控制方法

技术领域

本发明属于便携式设备中的锂电池大功率快充技术领域，涉及一种ZVS(零电压开关)的谐振电荷泵及其控制方法。

背景技术

随着以手机为代表的移动设备对充电功率的要求越来越高，电荷泵结构的充电芯片凭借其高效率的优势已经广泛应用于各种移动设备中。在50W以下的充电功率范围内，单颗2:1结构的电荷泵或者两颗并联方案已基本可以满足需求。但是当充电功率上升到50W以上时，为了进一步减小充电线缆上的损耗，不得不寻求更高转换比的变换器，而4:1结构的电荷泵就能够很好地解决50W以上的大功率充电难题。另外，在便携式设备中，目前已商用的电荷泵充电芯片都是纯电容型的电荷泵。随着变换器功率的不断增大，这类纯电容的电荷泵对飞电容的数量和尺寸要求越要越高，整个方案的成本和面积急剧增大。

基于这个问题一种解决方案提出Switched Tank Converter(STC)在4:1dickson电荷泵基础之上，增加两个电感，分别和其中两个飞电容组成两个LC谐振腔，而中间的飞电容的容值较大，不参与谐振。通过选用高精度的谐振电容和谐振电感，可以控制两个谐振腔的谐振频率基本和开关频率相同，从而实现全部开关管的零电流开关(Zero CurrentSwitching,ZCS)，提高变换器效率。

但是这个方案的缺点是：STC变换器因为有两个谐振腔，为了实现全部开关管的零电流开关，两个谐振腔的元器件参数乘积((谐振电感乘以谐振电容)必须相同，才能保证谐振频率一致。众所周知，普通的电容和电感都有一定的容差范围，例如10％、20％等。如果STC变换器采用这种通用的电容电感作为谐振元器件，必然会造成两个谐振腔的谐振频率不一致。为了解决这个问题，STC变换器通常不得不采用高精度电容电感，而这种高精度的电容电感成本通常数倍于普通电容电感。

即使STC变换器通过采用高精度谐振元器件实现了开关管的零电流开关，但是MOS管源级和漏级之间的寄生电容在管子开通瞬间仍然会通过沟道消耗掉，造成开通损耗。这一部分损耗在STC变换器中无法得到解决，也限制了STC变换器朝高频化方向发展。

发明内容

针对上述STC变换器存在的两个谐振腔需要谐振频率严格相同导致对谐振元件的精度要求高、成本昂贵的问题，以及STC只能够实现ZCS(零电流开关)关断而没法实现ZVS(零电压开关)开通导致的开关损耗较大、提高开关频率时存在限制的问题，本发明提出一种零电压开关的谐振电荷泵，在4:1dickson电荷泵基础上只增加一个谐振电感与承受电压最高的飞电容串联组成谐振腔，解决了多个谐振腔参数匹配问题，减小了对于谐振电感串联的飞电容的容值要求；设置谐振电感电流检测模块，能够保证谐振电荷泵的开关频率跟踪外部谐振元件的谐振频率，使得谐振元件能够采用普通的元件；结合本发明提出的控制方法，可以实现6个开关管的ZVS开通，进一步提高变换器效率。

本发明的技术方案为：

一种零电压开关的谐振电荷泵，包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第一飞电容、第二飞电容和第三飞电容，

第一开关管的一端连接谐振电荷泵的第一电压变换端，其另一端依次通过第二开关管、第三开关管和第四开关管后连接谐振电荷泵的第二电压变换端；

第五开关管和第六开关管串联并连接在所述谐振电荷泵的第二电压变换端和地之间，第七开关管和第八开关管串联并连接在所述谐振电荷泵的第二电压变换端和地之间；

第二飞电容一端连接第七开关管和第八开关管的串联点，另一端连接第二开关管和第三开关管的串联点；

第三飞电容一端连接第五开关管和第六开关管的串联点以及第一飞电容的一端，另一端连接第三开关管和第四开关管的串联点；

所述谐振电荷泵还包括谐振电感、谐振电感电流检测模块、第一电压检测模块和第二电压检测模块，谐振电感一端连接第一飞电容的另一端，其另一端连接第一开关管和第二开关管的串联点；

所述谐振电感电流检测模块用于检测流经所述谐振电感和第一飞电容所在支路的电流，所述第一电压检测模块用于检测第一开关管的漏源电压，所述第二电压检测模块用于检测第六开关管的漏源电压，所述谐振电感电流检测模块、第一电压检测模块和第二电压检测模块的检测结果用于控制第一开关管至第八开关管的开启和关断。

基于以上结构的谐振电荷泵，本发明还提出了对应的时序控制方案如下：

一种零电压开关谐振电荷泵的控制方法，其中所述谐振电荷泵包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第一飞电容、第二飞电容和第三飞电容，

第一开关管的一端连接谐振电荷泵的第一电压变换端，其另一端依次通过第二开关管、第三开关管和第四开关管后连接谐振电荷泵的第二电压变换端；

第五开关管和第六开关管串联并连接在所述谐振电荷泵的第二电压变换端和地之间，第七开关管和第八开关管串联并连接在所述谐振电荷泵的第二电压变换端和地之间；

第二飞电容一端连接第七开关管和第八开关管的串联点，另一端连接第二开关管和第三开关管的串联点；

第三飞电容一端连接第五开关管和第六开关管的串联点以及第一飞电容的一端，另一端连接第三开关管和第四开关管的串联点；

所述谐振电荷泵还包括谐振电感，谐振电感一端连接第一飞电容的另一端，其另一端连接第一开关管和第二开关管的串联点；

所述零电压开关谐振电荷泵的控制方法包括：

实时检测流经所述谐振电感和第一飞电容所在支路的电感电流、所述第一开关管的漏源电压和所述第六开关管的漏源电压；

在所述电感电流下降期间，当检测到所述电感电流下降到第一电流阈值时，控制第一开关管关断；当检测到所述第一开关管的漏源电压大于两倍所述谐振电荷泵的第二电压变换端电压时，控制第二开关管导通，第二开关管实现零电压开关的开通；当检测到所述电感电流下降到第二电流阈值时，控制第三开关管、第五开关管、第八开关管关断；当检测到所述第六开关管的漏源电压小于零时，控制第四开关管、第六开关管和第七开关管导通，第四开关管、第六开关管和第七开关管实现零电压开关的开通；

在所述电感电流上升期间，当检测到所述电感电流上升到第三电流阈值时，控制第二开关管关断；当检测到所述第一开关管的漏源电压小于零时，控制第一开关管导通，第一开关管实现零电压开关的开通；当检测到所述电感电流上升到第四电流阈值时，控制第四开关管、第六开关管、第七开关管关断；当检测到所述第六开关管的漏源电压大于所述谐振电荷泵的第二电压变换端电压时，控制第三开关管、第五开关管和第八开关管导通，第五开关管实现零电压开关的开通；

其中所述第一电流阈值是实现开关管零电压开关开通的最小电感电流值，所述第四电流阈值是电感电流过零检测阈值，所述第一电流阈值和第四电流阈值为大于零的电流值，所述第三电流阈值为所述第一电流阈值取相反值；所述第二电流阈值为所述第四电流阈值取相反值。

本发明的有益效果为：首先，本发明引入一个谐振电感使其与承受电压最高的飞电容(即第一飞电容)串联组成谐振腔，减小了对第一飞电容的容值要求，从而可以选取尺寸更小、体积更小的电容；并且整个变换器只有一个谐振腔，不存在多个谐振腔参数匹配问题。其次，本发明设置了谐振电感电流检测模块，可确保变换器的开关频率跟踪外部谐振元件的谐振频率，实现开关管的近似零电流开关(ZCS)关断，而且谐振元件能够采用普通的元件。最后，本发明引入的谐振电感配合本发明提出的开关管时序控制方法，能够实现第一开关管、第二开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管和第七开关管6个开关管的ZVS开通，进一步提高了电压变换器的效率。

附图说明

图1是本发明提出的一种零电压开关的谐振电荷泵的结构示意图。

图2是本发明提出的一种零电压开关的谐振电荷泵工作在4:1模式下的典型波形图。

图3是本发明提出的一种零电压开关的谐振电荷泵工作在4:1模式下各阶段的等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的技术方案。

如图1所示，本发明提出的一种零电压开关的谐振电荷泵工作包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8、第一飞电容CFLY1、第二飞电容CFLY2、第三飞电容CFLY3、谐振电感LR、谐振电感电流检测模块、第一电压检测模块和第二电压检测模块，第一开关管Q1的一端连接谐振电荷泵的第一电压变换端，其另一端依次通过第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4后连接谐振电荷泵的第二电压变换端；第五开关管Q5和第六开关管Q6串联并连接在谐振电荷泵的第二电压变换端和地之间，第七开关管Q7和第八开关管Q8串联并连接在谐振电荷泵的第二电压变换端和地之间；第二飞电容CFLY2一端连接第七开关管Q7和第八开关管Q8的串联点，另一端连接第二开关管Q2和第三开关管Q3的串联点；第三飞电容CFLY3一端连接第五开关管Q5和第六开关管Q6的串联点以及第一飞电容CFLY1的一端，另一端连接第三开关管Q3和第四开关管Q4的串联点；谐振电感LR一端连接第一飞电容CFLY1的另一端，其另一端连接第一开关管Q1和第二开关管Q2的串联点；谐振电感电流检测模块用于检测流经谐振电感LR和第一飞电容CFLY1所在支路的电流i_LR，第一电压检测模块用于检测第一开关管Q1的漏源电压Vds1，第二电压检测模块用于检测第六开关管Q6的漏源电压Vds6，谐振电感电流检测模块、第一电压检测模块和第二电压检测模块的检测结果用于控制第一开关管Q1至第八开关管Q8的开启和关断。

谐振电荷泵用于实现电压变换，下面以本发明提出的一种零电压开关的谐振电荷泵工作在4:1电压变换的降压模式为例，结合图2和图3所示的一个工作周期不同时间段内本发明的具体电路图，详细描述对本发明的谐振电荷泵进行控制的工作过程。

阶段1(t11-t0):

如图3中(a)所示，在t11-t0阶段，第一开关管Q1、第三开关管Q3、第五开关管Q5和第八开关管Q8是导通的。负载有两个供电来源，一个是第二飞电容CFLY2和第三飞电容CFLY3串联给负载供电，其中第二飞电容CFLY2放电，第三飞电容CFLY3充电；另外输入电源VIN从谐振电荷泵的第一电压变换端输入通过谐振电感LR以及谐振电容即第一飞电容CFLY1给谐振电荷泵的第二电压变换端即输出供电，谐振电感LR和第一飞电容CFLY1串联谐振，在t0时刻，第一飞电容CFLY1电压谐振到接近峰值，谐振电感电流谐振到第一电流阈值I_{LR_ZVS_MIN}。

阶段2(t0-t1):

如图3中(b)所示，在t0时刻，谐振电感电流检测模块检测到电感电流下降到第一电流阈值I_{LR_ZVS_MIN}，此时控制将第一开关管Q1关闭。随后谐振电感LR和第一开关管Q1的漏源寄生电容Cds1、第二开关管Q2的漏源寄生电容Cds2开始谐振，给Cds2放电，给Cds1充电。到t1时刻，第二开关管Q2的漏源电压Vds2下降到零，第一开关管Q1的漏源电压Vds1电压上升到2*Vo，Vo是振电荷泵的第二电压变换端的电压值。

阶段3(t1-t2):

如图3中(c)所示，从t1时刻开始第二开关管Q2的体二极管导通钳位，谐振电感LR和Cds1、Cds2谐振阶段结束，谐振电感LR重新和第一飞电容CFLY1谐振。此时谐振电感LR开始承受较大的负压，谐振电感电流以较大的斜率下降，但仍然为正电流。在t2时刻，第一电压检测模块检测到第一开关管Q1的漏源电压Vds1电压大于2*Vo，控制将第二开关管Q2导通，第二开关管Q2实现ZVS开通。

阶段4(t2-t3):

如图3中(d)所示，在t2-t3阶段，第二开关管Q2、第三开关管Q3、第五开关管Q5和第八开关管Q8导通，谐振电感LR始终承受较大的负压，谐振电感电流以较大的斜率下降并实现反向，到t3时刻，谐振电感电流检测模块检测到电感电流下降到第二电流阈值-I_{LR_ZCD}，此时控制关闭第三开关管Q3、第五开关管Q5和第八开关管Q8。

阶段5(t3-t4):

如图3中(e)所示，在t3时刻，谐振电感电流已反向，并开始和第三开关管Q3的漏源寄生电容Cds3、第四开关管Q4的漏源寄生电容Cds4、第五开关管Q5的漏源寄生电容Cds5、第六开关管Q6的漏源寄生电容Cds6、第七开关管Q7的漏源寄生电容Cds7、第八开关管Q8的漏源寄生电容Cds8谐振，其中Cds4、Cds6、Cds7放电，Cds3、Cds5、Cds8充电。到t4时刻Cds4、Cds6、Cds7电压下降到零。

阶段6(t4-t5):

如图3中(f)所示，从t4时刻开始第四开关管Q4、第六开关管Q6和第七开关管Q7的体二极管导通钳位，谐振电感LR和Cds3、Cds4、Cds5、Cds6、Cds7、Cds8谐振阶段结束，谐振电感LR重新和第一飞电容CFLY1谐振。在t5时刻，第二电压检测模块检测到第六开关管Q6的漏源电压Vds6电压小于零，控制将第四开关管Q4、第六开关管Q6和第七开关管Q7导通，第四开关管Q4、第六开关管Q6和第七开关管Q7实现ZVS开通。

阶段7(t5-t6):

如图3中(g)所示，在t5-t6阶段，第二开关管Q2、第四开关管Q4、第六开关管Q6和第七开关管Q7是导通的，负载有两个供电来源。一个是第三飞电容CFLY3放电给负载供电。另外第一飞电容CFLY1和第二飞电容CFLY2串联给谐振电荷泵的第二电压变换端输出供电，其中第一飞电容CFLY1放电，第二飞电容CFLY2充电，同时谐振电感LR和第一飞电容CFLY1串联谐振，在t6时刻，第一飞电容CFLY1电压谐振到接近谷值，谐振电感LR的电流谐振到第三电流阈值-I_{LR_ZVS_MIN}。

阶段8(t6-t7):

如图3中(h)所示，在t6时刻，谐振电感电流检测模块检测到电感电流上升到第三电流阈值-I_{LR_ZVS_MIN}，此时控制第二开关管Q2关闭。随后谐振电感LR和Cds1、Cds2开始谐振，给Cds2充电，给Cds1放电。到t7时刻，第一开关管Q1的漏源电压Vds1下降到零。

阶段9(t7-t8):

如图3中(i)所示，从t7时刻开始第一开关管Q1的体二极管导通钳位，谐振电感LR和Cds1、Cds2谐振阶段结束，谐振电感LR重新和第一飞电容CFLY1谐振。此时谐振电感LR开始承受较大的正压，谐振电感电流以较大的斜率上升，但仍然为负电流。在t8时刻，第一电压检测模块检测到第一开关管Q1的漏源电压Vds1小于零，控制将第一开关管Q1导通，第一开关管Q1实现ZVS开通。

阶段10(t8-t9):

如图3中(j)所示，在t8-t9阶段，第一开关管Q1、第四开关管Q4、第六开关管Q6和第七开关管Q7导通，谐振电感LR始终承受较大的正压，谐振电感电流以较大的斜率上升并实现反向，到t9时刻，谐振电感电流检测模块检测到电感电流上升到第四电流阈值I_{LR_ZCD}，此时控制关闭第四开关管Q4、第六开关管Q6和第七开关管Q7。

第一电流阈值I_{LR_ZVS_MIN}是实现开关管零电压开关开通的最小电感电流值，第三电流阈值-I_{LR_ZVS_MIN}为与第一电流阈值I_{LR_ZVS_MIN}对称的负值，通过取第一电流阈值I_{LR_ZVS_MIN}的相反值得到。第四电流阈值I_{LR_ZCD}是电感电流过零检测阈值，第二电流阈值-I_{LR_ZCD}为与第四电流阈值I_{LR_ZCD}对称的负值，通过取第四电流阈值I_{LR_ZCD}的相反值得到。第一电流阈值I_{LR_ZVS_MIN}和第四电流阈值I_{LR_ZCD}根据实际应用场景进行设置。

阶段11(t9-t10):

如图3中(k)所示，在t9时刻，谐振电感电流已反向，并开始和Cds5、Cds6谐振，其中Cds5放电，Cds6充电。到t10时刻Cds6电压上升到Vo。

阶段12(t10-t11):

如图3中(l)所示，从t10时刻开始第五开关管Q5体二极管导通钳位，谐振电感LR和Cds5、Cds6谐振阶段结束，谐振电感LR重新和第一飞电容CFLY1谐振。在t11时刻，第二电压检测模块检测到第六开关管Q6的漏源电压Vds6大于Vo，控制导通第五开关管Q5、第三开关管Q3和第八开关管Q8，其中第五开关管Q5实现ZVS开通，第三开关管Q3和第八开关管Q8没有实现ZVS开通。

根据以上对降压模式工作过程的分析可知，本发明提出的谐振电荷泵配合本发明提出的开关管时序控制方法实现了除第三开关管Q3和第八开关管Q8外其余6个开关管的ZVS开通。本发明提出的谐振电荷泵工作在升压模式时同理，只需要将谐振电荷泵的第一电压变换端作为输出端，第二电压变换端作为输入端即可。

本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种零电压开关的谐振电荷泵，包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第一飞电容、第二飞电容和第三飞电容，

第一开关管的一端连接谐振电荷泵的第一电压变换端，其另一端依次通过第二开关管、第三开关管和第四开关管后连接谐振电荷泵的第二电压变换端；

第五开关管和第六开关管串联并连接在所述谐振电荷泵的第二电压变换端和地之间，第七开关管和第八开关管串联并连接在所述谐振电荷泵的第二电压变换端和地之间；

第二飞电容一端连接第七开关管和第八开关管的串联点，另一端连接第二开关管和第三开关管的串联点；

第三飞电容一端连接第五开关管和第六开关管的串联点以及第一飞电容的一端，另一端连接第三开关管和第四开关管的串联点；

其特征在于，所述谐振电荷泵还包括谐振电感、谐振电感电流检测模块、第一电压检测模块和第二电压检测模块，谐振电感一端连接第一飞电容的另一端，其另一端连接第一开关管和第二开关管的串联点；

所述谐振电感电流检测模块用于检测流经所述谐振电感和第一飞电容所在支路的电流，所述第一电压检测模块用于检测第一开关管的漏源电压，所述第二电压检测模块用于检测第六开关管的漏源电压，所述谐振电感电流检测模块、第一电压检测模块和第二电压检测模块的检测结果用于控制第一开关管至第八开关管的开启和关断。

2.一种零电压开关谐振电荷泵的控制方法，其中所述谐振电荷泵包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第一飞电容、第二飞电容和第三飞电容，

第一开关管的一端连接谐振电荷泵的第一电压变换端，其另一端依次通过第二开关管、第三开关管和第四开关管后连接谐振电荷泵的第二电压变换端；

第五开关管和第六开关管串联并连接在所述谐振电荷泵的第二电压变换端和地之间，第七开关管和第八开关管串联并连接在所述谐振电荷泵的第二电压变换端和地之间；

第二飞电容一端连接第七开关管和第八开关管的串联点，另一端连接第二开关管和第三开关管的串联点；

第三飞电容一端连接第五开关管和第六开关管的串联点以及第一飞电容的一端，另一端连接第三开关管和第四开关管的串联点；

其特征在于，所述谐振电荷泵还包括谐振电感，谐振电感一端连接第一飞电容的另一端，其另一端连接第一开关管和第二开关管的串联点；

所述零电压开关谐振电荷泵的控制方法包括：

实时检测流经所述谐振电感和第一飞电容所在支路的电感电流、所述第一开关管的漏源电压和所述第六开关管的漏源电压；

在所述电感电流下降期间，当检测到所述电感电流下降到第一电流阈值时，控制第一开关管关断；当检测到所述第一开关管的漏源电压大于两倍所述谐振电荷泵的第二电压变换端电压时，控制第二开关管导通，第二开关管实现零电压开关的开通；当检测到所述电感电流下降到第二电流阈值时，控制第三开关管、第五开关管、第八开关管关断；当检测到所述第六开关管的漏源电压小于零时，控制第四开关管、第六开关管和第七开关管导通，第四开关管、第六开关管和第七开关管实现零电压开关的开通；

在所述电感电流上升期间，当检测到所述电感电流上升到第三电流阈值时，控制第二开关管关断；当检测到所述第一开关管的漏源电压小于零时，控制第一开关管导通，第一开关管实现零电压开关的开通；当检测到所述电感电流上升到第四电流阈值时，控制第四开关管、第六开关管、第七开关管关断；当检测到所述第六开关管的漏源电压大于所述谐振电荷泵的第二电压变换端电压时，控制第三开关管、第五开关管和第八开关管导通，第五开关管实现零电压开关的开通；

其中所述第一电流阈值是实现开关管零电压开关开通的最小电感电流值，所述第四电流阈值是电感电流过零检测阈值，所述第一电流阈值和第四电流阈值为大于零的电流值，所述第三电流阈值为所述第一电流阈值取相反值；所述第二电流阈值为所述第四电流阈值取相反值。

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