CN114223123B - Dc-dc转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有改进的效率和冷启动能力的将直流转换为直流(DC‑DC)的电能转换器单元。一方面，提供用于根据转换因数将低电压输入转换为较高电压输出以向诸如无线传感器节点等的负载供电的直流至直流(DC‑DC)转换器，转换器包括：第一DC‑DC转换器电路，其被配置为在负载的启动模式期间将低电压输入转换为第一较高电压输出；第二DC‑DC转换器电路，其被配置为在负载的正常操作模式期间将低电压输入转换为第二较高电压输出；控制电路，用于控制转换因数，其中第一和第二转换器电路各自包括：输入级，用于接收低电压输入；中间级，其与输入级串连，用于以由输入和输出之间的比率定义的转换因数来将低电压输入转换为第一较高电压输出或第二较高电压输出；最终级，其与中间级串连，用于输出第一或第二较高电压输出，其中各级包括：共享电容器，用于将低电压输入的电压提升至第一转换器的第一较高电压输出或第二转换器的第二较高电压输出。

Description

DC-DC转换器
技术领域
本发明一般涉及一种具有改进的效率和冷启动能力的用于将直流转换为直流(DC-DC)的电能转换器单元。
背景技术
电能转换器是将电能从一个形式转换为另一个形式的装置，例如，从交流(AC)转换为直流(DC)。电能转换器还可以转换电压水平或频率或二者的组合。特别地，本发明涉及DC至DC转换器。
DC至DC转换器通常用于诸如蜂窝电话、膝上型计算机或便携式计算机等的便携式电子装置。DC-DC转换器还广泛用于物联网(IoT)、装置或无线传感器节点(WSN)。在这种应用中，主电源通常(主要)来自电池。许多这些装置具有需要来自相同电池的不同电压水平的电子电路和子电路。因此，可以利用DC-DC转换器以提供从基本上具有一个电压水平的一个单电源获得的若干电源电压水平。
电荷泵是一种特定种类的DC至DC转换器，其使用特别的电路布局yi通过若干级来增加(或降低)电压水平。电荷泵(尤其是特别种类的)已知具有高的转换效率而不需要大量的电子组件。这种高的转换效率是IoT装置的领域内的典型要求，这是因为IoT装置的寿命需要足够长以至于不需要或几乎不需要更换电池，例如，能够提供即插即忘(plug-and-forget)的IoT装置。
此外，占用面积和/或材料的清单也应当小。由于更换电池需要时间、装置的离线时间、人为干扰、(与装置中通常使用的其他基本电子组件相比)相对昂贵，因此这是不理想的，并且最重要地，是非常不环保的。
为了减小对电池的依赖，用于向IoT装置提供电力的能量收集器的流行度快速增加。然而，来自能量收集器的输出电力、特别是电压水平对于典型IoT应用可能是不足的。因此，需要DC-DC转换器来提升来自能量收集器的低的输入电压。
DC-DC转换器是已知的并满足各种要求，可以针对诸如高的转换因数或高的效率等的特别目的进行优化。然而，在已知的DC-DC转换器中，总是在这些优化之间存在诸如效率或冷启动能力等的权衡。然而，在IoT和WSN应用中，优选满足两个要求。
由此，存在对具有改进的效率和冷启动能力的用于将直流转换为直流(DC-DC)的电能转换器单元的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有改进的效率和冷启动能力的用于将直流转换为直流(DC-DC)的电能转换器单元。
在本发明的第一方面，该目的由用于根据转换因数将低电压输入转换为较高电压输出来向诸如无线传感器节点等的负载供电的直流至直流(DC-DC)转换器提供，转换器包括：第一DC-DC转换器电路，其被配置为在负载的启动模式期间将低电压输入转换为第一较高电压输出；第二DC-DC转换器电路，其被配置为在负载的正常操作模式期间将第二低电压输入转换为较高电压输出；控制电路，用于控制转换因数，其中，第一DC-DC转换器电路和第二DC-DC转换器电路各自包括：输入级，用于接收低电压输入；中间级，其与输入级串连，并且用于以由输入和输出之间的比率定义的转换因数来将低电压输入转换为第一较高电压输出或第二较高电压输出；最终级，其与中间级串连，并且用于输出第一较高电压输出或第二较高电压输出，其中，各个级包括：共享电容器，用于将低电压输入的电压提升至第一转换器的第一较高电压输出和第二转换器的第二较高电压输出。
电力转换器可以被配置为将输入DC电压转换为特定DC输出电压。输入电压水平和输出电压水平之间的转换比率由转换器的配置确定并受到限制。电压水平只能以最大比率进行转换。如果能源提供非常低(例如，mV)的电压水平、并且负载需要高得多的水平(例如，1V至5V)，则通常需要这种高的比率，这对于可以由能量收集器(例如，作为辅助电源)供电的物联网(IoT)装置和无线传感器节点(WSN)是典型的。
对于(主要)从能量收集源供电的IoT或WSN装置，由于应用依赖于能量收集器的低输入电压，因此可能需要这种高的转换因数或转换比率。在没有能量收集器的情况下，IoT或WSN通常将严重依赖其主电源(即，电池)，使得在特定时间段内需要更换电池。因此，能量收集器的使用可以显著推迟或甚至完全消除更换电池的需要。
为了使能量收集器有效，DC-DC转换器优选能够冷启动。通常，能够冷启动的转换器不是最高效的转换器。然而，其他DC-DC转换器可能是高效的，但无法实现冷启动。因此，能量效率和冷启动能力之间存在权衡。
具有能量收集器的IoT和WSN装置可以被配置为具有不同的操作模式。例如，在第一操作模式中，电路或负载可以启动，并且在第二操作模式中，电路可以是(完全)可操作的。在第一模式中，能量收集器的输入电压可能非常低。在该第一启动阶段，能量收集器可能具有无法为能量收集器提供足够的输出电压以操作的电池，例如，由于电池完全耗尽或能量收集器在制造后首次启动时。因此，在该阶段需要DC-DC转换器，其能够在这些具有挑战性的条件下启动能量收集器系统。在第二模式中，即，一旦能量收集器已经启动，电路可以以正常运行方式操作。在该第二阶段，需要或期望高效率。转换比率可以高于第一阶段，或者也可以相等或更低。因此，可以选择更高效的转换器以更好和更高效地使用从能量收集器获得的能量。
因此，能量收集器系统应该能够在两种条件下转换低电压水平输入，即，在启动模式期间将电压提升到第一较高电压，以及在后续正常操作模式期间将电压提升到第二较高电压。
如说明书的发明背景部分所示，电荷泵是DC-DC转换器，其提供高于电源的电压的电压，或者在能量收集器的情况下，提供高于收集器的输入电压的电压。电荷泵存在具有各种优化的多种设计。例如，存在已知高效的电荷泵设计，而其他设计则优化了冷启动能力。
为了在IoT或WSN应用中(例如，与上述不同的操作模式相对应)使用能量收集器在冷启动能力和高效率下将DC转换为DC，可以组合两种不同的电荷泵设计。
通过在转换器中实现针对冷启动能力优化的第一电荷泵和针对高效率的第二电荷泵这两种电路设计，可以组合这两种电路设计。使用这样的组合设计，占用面积和材料清单也将加倍或至少显著增加。在典型针对IoT或WSN装置的微型设计应用中，这是不可取的。
然而，发明人的见解是，这两种电路设计(即，能够启动的第一提升电荷泵电路布局和正常收集操作模式效率优化的第二电荷泵电路布局)可以以更高效的方式组合。两种电荷泵设计中最重要的组件之一是用于将低电压输入提升为较高电压输出的电容器。由于这两种设计通常具有带有相应电容器的初始级、中间级和最终级，因此可以在设计之间共享这些电容器。
使用所提出的设计，被配置为在启动模式期间将所述低电压输入转换为第一较高电压输出的第一DC-DC转换器电路可以通过共享用于提升电压的相应的电容器来与被配置为在正常操作模式期间将所述低电压输入转换为第二较高电压输出的第二DC-DC转换器电路进行组合。通过组合设计，冷启动能力和效率之间不存在权衡或存在有限的权衡，而总占用面积和材料清单保持在最低限度。
在示例中，第一DC-DC转换器电路包括Dickson电荷泵布局。Dickson电荷泵布局至少包括最初级、一个或多个中间级、以及最终级。各个级都包括二极管或用作二极管以防止沿特定方向的电流的组件。二极管在级之间串联连接。连接到二极管并在级之间的电容器与时钟信号串联连接。后续级的电容器由不同的时钟信号控制，例如，来自振荡器的第一时钟信号和第二时钟信号。通过各个(中间)级，电压电平随着时钟信号的电压水平而增加。这种Dickson电荷泵可以具有若干中间级以进一步将转换比率增加到期望水平。在其他示例中，二极管可以由电荷转移开关或动态电荷转移开关代替。这可以允许更高效的转换。电荷转移开关可以利用由后级的电压驱动的NMOS晶体管。由于后级的电压较高，因此使用该电压允许更好的导通。动态电荷转移开关是对电荷转移开关的调整，以降低其泄露电流。在正常的电荷转移开关中，栅极电压不会达到低电位，因此，NMOS在其应关断时会泄漏。动态电荷转移开关在其应关断时将NMOS栅极电位动态切换到后级或前级的电位。这可以使用由电荷转移开关的输出电压控制的反相器来实现。
可替代地，电荷转移开关也可以利用由前级电压驱动的PMOS晶体管。在这种情况下，正常的电荷转移开关的栅极电压不会达到高电位，因此，PMOS在其应关断时会泄漏。动态电荷转移开关在其应关断时将PMOS栅极电位动态切换到前级的电位或后级的电位。这可以使用由电荷转移开关的输入电压控制的反相器来实现。
在示例中，第二DC-DC转换器电路包括串并联电荷泵布局。串并联电荷泵布局是一种不同类型的电荷泵，并针对效率进行了优化，或者至少比Dickson电荷泵更高效。串并联电荷泵也具有最初级(输入级)、中间级(转换级)和最终级(输出级)。各个级包括由时钟信号(例如，振荡器信号)控制的开关、以及电容器。串并联电荷泵的电容器被放置在链中并通过开关彼此连接。优选具有两个或至少两个相位的振荡器控制开关。在第一阶段，全部电容器并联连接并充电至输入电压。在下一阶段，电容器串联连接，并且各个电容器将后续电容器的电压推高了输入电压。得到的输出电压是输入电压乘以所使用的电容器的数量。
在替代示例中，第二DC-DC转换器电路包括Makowski电荷泵布局。尽管Makowski电荷泵的拓扑结构与串并联电荷泵相同，但是切换方式不同。在Makowski切换方案中，第一电容器首先与源并联连接。在下一阶段，电容器与输入串联连接，并且电压变为两倍。在该阶段期间，第二电容器与第一电容器和输入源并联放置，因此被充电至双倍电压。在第三阶段，第二电容器与第一电容器和输入源串联放置，因此电压变为四倍。得到的输出电压是输入电压乘以2的N次方，其中N是所使用的电容器的数量。
在示例中，中间级由多个中间级组成。中间级的数量由所需的转换比率定义。因此，例如可以有两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个或甚至更多的中间级。
在示例中，控制电路至少包括用于控制第一DC-DC转换器电路的级的第一时钟信号和第二时钟信号，并且其中，第二时钟信号包括第一时钟信号的反相。在示例中，用于在第一电荷泵电路和第二电荷泵电路的级中输入的时钟信号可以在这些电路之间共享。例如，信号振荡器可以与第一输出时钟信号和第二(例如，反相)输出时钟信号一起使用。第一时钟信号和第二时钟信号可以相应地在第一初始启动模式和随后的第二操作模式中驱动第一电荷泵和第二电荷泵这二者的级。
在示例中，控制电路至少包括用于控制第二DC-DC转换器电路的级的第一时钟信号和第二时钟信号。尽管振荡器可以以相应的方式控制这两个电路的时钟信号，但是在另一个优选示例中，振荡器可以为第一电荷泵电路和第二电荷泵电路提供单独的时钟信号。在该示例中，振荡器提供两个时钟信号。一个时钟信号驱动自身也具有冷启动能力的第一冷启动转换器电路，并且另一个时钟信号驱动更高效的第二转换器电路，但需要充电的电池以操作。优选地，各个时钟信号可以具有自己的振荡器，或者至少那些不能从来自振荡器的反相现有时钟信号中获得的时钟信号可以具有自己的振荡器。
在示例中，第一DC-DC转换器的第一时钟信号和第二时钟信号分别与第二DC-DC转换器的第一时钟信号和第二时钟信号相对应。
在示例中，第一时钟信号和第二时钟信号驱动第二DC-DC转换器电路的级的级开关部件。
在示例中，开关部件包括二极管。在简单化设计中，可以由二极管来实现开关部件。
在示例中，开关装置包括电荷转移开关。这些电荷转移开关优选是动态电荷转移开关。在更复杂的设计中，这些也可以通过电荷转移开关来实现，或者甚至更优选地，通过动态电荷转移开关来实现。使用这种电荷转移开关可以实现更高的效率。电荷转移开关可以由NMOS晶体管实现，优选由后级的电压驱动。由于该电压更高，因此这允许更好的导通。动态电荷转移开关进一步降低了泄漏电流。动态电荷转移开关在其应关断时将NMOS栅极电位动态切换到后级或前级的电位。这可以使用由电荷转移开关的输出电压控制的反相器来实现。电荷转移开关也可以由PMOS晶体管实现，优选由前级的电压驱动。由于该电压较低，因此这允许更好的导通。动态电荷转移开关进一步降低了泄漏电流。动态电荷转移开关在其应关断时将PMOS栅极电位动态切换到前级的电位或后级的电位。这可以使用由电荷转移开关的输入电压控制的反相器来实现。
在示例中，开关部件还包括至少一个附加开关，并且其中，至少一个附加开关包括NMOS或PMOS晶体管。
在示例中，在第一DC-DC转换器电路和第二DC-DC转换器电路之间所共享的各个级的电容器包括多个电容器，并且其中，多个电容器的电容可以不同。然而，多个电容器也可以具有相同的电容。
在第一电荷泵电路和第二电荷泵电路之间共享电容器的挑战是这两者都将具有可用的非最佳电容。用于启动或冷启动的第一电荷泵电路可能比用于操作模式的第二电荷泵电路需要更多的级并因此需要更多的电容器。将电容器拆分为多个电容器，这允许这两种电荷泵设计被设计为具有不同数量的级。
在示例中，控制电路优选包括用于启用多个电容器中的至少一个电容器的附加开关部件。拆分电容器可能会带来附加的挑战：由于没有可用的控制信号，因此拆分电容器的开关优选在冷启动或启动阶段期间无源关断。这可以通过附加开关部件来实现。
在示例中，开关部件包括由控制电路驱动的NMOS和/或PMOS晶体管。NMOS开关可以在启动或冷启动阶段期间无源关断。PMOS可能不会。控制PMOS开关的反相器克服了该挑战，并且可以在该阶段期间无源接地。
在示例中，转换器还包括电压提升器电路，所述电压提升器电路被配置为在确定所述低电压输入低于输入电压阈值时，将所述低电压输入提升至所述控制电路的开关进行操作的水平。
在示例中，输入电压阈值与控制开关进行操作以驱动第一DC-DC转换器电路所需的最小电压水平相对应。另外的挑战是将启动阶段时钟信号连接到电容器。时钟信号应在启动阶段导通，但应在正常操作阶段呈现高阻抗。然而，在电压过低(例如，低于阈值)的情况下，时钟信号将不导通。另外的输入电压提升器电路可以帮助实现这一点，并且可以实现为小且简单的电路，该电路仅在输入电压降至阈值以下时才被激活，因为它只需要保持恒定的非切换电压。
本公开的上述和其他特征和优点将从以下参照附图的描述中得到最好的理解。在附图中，相同的附图标记表示相同的部分或执行相同或类似功能或操作的部分。
附图说明
图1示出了包括Dickson电荷泵布局的第一DC-DC转换器电路的实施例；
图2示出了包括一般串并联或Makowski电荷泵布局的第二DC-DC转换器电路的实施例；
图3示出了根据本发明的第一和第二DC-DC转换器电路的组合的实施例；
图4示出了根据本发明的第一和第二DC-DC转换器电路的组合在启动模式期间的实施例；
图5示出了根据本发明的第一和第二DC-DC转换器电路的组合在正常操作模式期间的实施例；
图6示出了图5中所示的实施例，但是实现了动态电荷转移开关；
图7示出了本发明的实施例，其中每个级具有多个电容器；
图8示出了用于电荷泵的具有Makowski时序方案的第二DC-DC转换器电路的示例。
具体实施方式
根据本发明的直流至直流(DC-DC)转换器包括针对两个不同目的的两个DC-DC电路。在物联网(IoT)或无线传感器节点(WSN)应用中，期望即插即忘的使用。这意味着在制造Iot装置或WSN之后，可以安装并使用IoT装置或WSN而不必须更换电池或者进行其他类型的维护或服务。尤其针对具有能量收集器的IoT和WSN应用，这是具有挑战性的。
这种能量收集器系统通常将需要对来自采集的能量进行高效转换，以向例如传感器和无线模块等的装置或负载供电并为电池充电。尽管该装置可能配备(预)充电的电池，但是电池会随着时间的推移而耗尽。因此，如果在制造和系统投入使用之间存在特定量的时间，电池可能会耗尽至没有足够的能量来启动或引导系统的水平。必须采取额外的措施来防止这种情况发生。这些措施可以通过外部装置来采用，该外部装置可以针对这一需要为电池充电以。该系统还可以具有一个包括在装置中的附加模块，并且该附加模块将在电池耗尽时使装置或系统恢复运行。系统可能需要额外帮助才能启动的这种情况称为系统的冷启动或启动阶段。不仅在系统的制造和安装与此后的运行之间有较长时间段的情况下可能需要冷启动或启动阶段，而且在特定时间段内能量收集不足的情况下也需要冷启动或启动阶段，即，如果在射频(RF)收集器的情况下存在RF信号不足，或者在光伏收集器的情况下存在阳光不足。
如果能量水平完全耗尽(例如，耗尽至系统没有足够的电力来生成例如用于控制开关等的控制信号的程度)，则需要启动或冷启动。如果能量不可用，则不能操作使用开关的能量转换器。在这种条件期间，需要与这种限制不适用的情况不同的方式。在没有足够的能量来向系统的控制电路供电的情况下，需要不依赖于开关的能量转换。图1中展示了这种设计。图1公开了第一DC-DC转换器电路10，其被配置为在系统的启动模式期间将低电压输入转换为较高电压输出，因此受能量水平耗尽的限制。图1的DC-DC转换器10是(一般)Dickson电荷泵类型的DC-DC转换器，其不依赖于或不需要开关，因此可以在有限的耗尽能量水平下操作，甚至低于用于操作这种开关所需的最小阈值。
图1中所示的第一DC-DC电荷泵10具有三个(类型的)级。最初级11、中间级12和最终级13。中间级12可以根据所需的转换比率(由此输入电压和输出电压之间的比率)扩展为多个中间级。
第一DC-DC电荷泵10包括多个电容器，这些电容器在从源、输入电压至输出电压的链中连接。各个电容器的顶板通过二极管与链中的下一个电容器相连接。二极管允许电流仅沿一个方向流动。振荡器信号包括两个相反的相位。两个相位连接到电容器的底板，从而随着振荡器信号上下推动顶板的电压。全部偶数编号的电容器都连接到一个相位，并且奇数编号的电容器连接到另一相位。在振荡器信号将一个电容器的电压推高并将下一个电容器的电压推低时，电荷将通过二极管从第一个电容器流向下一个电容器。然后，在振荡器将下一个电容器的电压推高时，电荷将不会回流，这是因为二极管只允许沿一个方向流动。替代地，电荷将随着时钟信号被推高，从而在电容器的顶板处产生比从源获得的电压更高的电压。下一个电容器被充电到更高的电压，并且重复该处理。利用链中的各个电容器重复该处理，因此，沿链提升了电压。
二极管需要在两个端子处具有特定电压差以开始导通，因此，低电压时钟信号将不能通过二极管有效推动电压。电荷转移开关和动态电荷转移开关是克服该阈值的适应方式。
电荷转移开关是二极管的替代，电荷转移开关允许更快的转换。电荷转移开关可以利用由后级的电压驱动的NMOS晶体管，由于后级的电压更高，因此使用该电压允许更好的导通。然而，它们也可以利用由前级的电压驱动的PMOS晶体管。
一旦能量水平耗尽的限制条件(例如，电池电量低)结束后，系统就可以按正常操作模式来操作。在该模式中，存在足够的电力以操作开关等。因此，对特定类型的开关的实现没有限制。因此，由于所提出的Dickson电荷泵不是非常高效，所以可以使用更高效的DC-DC转换器电路。图2中展示了这种转换器，第二DC-DC转换器电路20。该电路20包括串并联或Makowski电荷泵。这二者具有相同的布局20但具有不同的控制或时序方案。图2给出了总体布局。与图1类似，第一DC-DC转换器电路和第二DC-DC转换器电路也包括最初级21、中间级22和最终级23，并且与第一电路10类似，第二电路20也可以包括多个中间级22。
电容器被放置在链中并由开关连接。具有两个相位的振荡器控制开关。在第一相位中，全部电容器并联连接并充电至输入电压。在下一相位，电容器串联连接，并且各个电容器将随后的电容器的电压推高了输入电压。得到的输出电压是输入电压乘以所使用的电容器的数量。
如所指示的，第二DC-DC转换器还可以包括Makowski电荷泵，该Makowski电荷泵可以具有类似于如图2所展示的串并联的电路布局。再一次，电容器被放置在从源至输出的链中。各个电容器使用开关连接到下一个电容器。开关由振荡器信号接通或关断。振荡器具有多个相位，因此在一个时钟周期期间的不同时间处仅有一个开关。以这种方式驱动开关，使得第一电容器被充电到源的电压。然后，该电容器的底板连接到源，将顶板电压推至源电压的两倍。链中的下一个电容器现在连接到第一个电容器的顶板，因此充电到两倍的源电压。接下来，电容器的底板连接到前一个电容器，顶板电压被推至输入电压的四倍。可以针对更多电容器重复该处理，各个电容器使输出电压翻倍。图8展示了两个(中间)阶段的时序方案和一般布局。
在图3中，图1和图2的两个电路布局10和布局20以组合或混合设计进行组合。可以看出，第一DC-DC转换器10和第二DC-DC转换器20这二者组合，并且(这两个)电路具有最初级31、三个中间级32a、32b、32c、以及最终级33。这两个电路共享电容，即，一个或多个电容器。
通过组合这两种类型的电荷泵，可以将正确的或最佳的电荷泵用于正确的情况。因此，如果由于电力水平过低的情况而需要冷启动，则冷启动第一电荷泵10是最佳的，并且如果有用于控制信号的足够的电力，则可以使用更高效的第二电荷泵20，使得可以利用更高效的转换器布局。通常，在系统中仅使用两个电荷泵中的一个，或者紧挨着使用这两个电荷泵。在第一种情况下，要么没有冷启动能力，要么能量收集非常低效。在第二种情况下，一个系统需要两个泵，因此需要双倍的面积。特别是冷启动电荷泵很大，这是因为它们通常需要许多电容器。通过所提出的设计，这两个优点都可以在与仅其中一个电荷泵的面积相同的面积内获得。因此，占用面积和材料清单保持在较低水平。特别是对于低功耗IoT和WSN应用，这是显著有助于装置的即插即忘能力的关键特征。与现有技术相比，所提出的设计具有若干优点，优点例如是：能够针对这两个泵利用相同的电容器来将高效电荷泵与冷启动电荷泵相组合；利用微小改变便可以将动态电荷转移开关应用至设计；电路可以冷启动，因此电路可以由无源信号驱动；设计可以在没有外部组件的情况下完全集成；可以在正常操作中实现高转换效率(>85％)；在实现相同的泵送能力的同时减小芯片面积，芯片面积减小使得芯片生产的成本降低；并且级的数量在泵之间可以不同，因此允许更多设计自由度。
在图4中，以冷启动或启动模式展示了如图3所示的组合设计40。因此，其中第一DC-DC转换器电路是活动的，而第二DC-DC转换器电路是不活动的。在此模式期间，图3的全部开关当前都断开，因此未示出。可以看出，该设计简化为Dickson电荷泵，该电荷泵已被证明是有用且有效的。
图5展示了图3的组合设计50(在具有两个阶段的串并联操作中)。因此，其中第二DC-DC转换器电路是活动的，而第一DC-DC转换器电路是不活动的。首先，CLK为高的充电阶段，并且图3中相应的开关闭合，因此绘制为连接。在此之下，提升阶段被示出为CLKb为高，并且相应的开关被绘制为连接。
图6再次示出了图5的提升阶段，但二极管由动态电荷电荷转移开关(DCTS)实现。在该阶段期间，为了更好的性能，应该没有电流从右向左流过DCTS。箭头在63中放大一个DCTS并显示全部端子的电位。由此，可以得出结论，DCTS没有断开并且会泄漏。最后两个阶段不利用DCTS，这是因为没有可以驱动它们的后续阶段。
图7示出了完整的所提出设计70，其中电容器分成三部分并应用了DCTS。只有与时钟驱动开关并联的DCTS需要一个附加NMOS以在正常操作期间不泄漏。
图8示出了用于两级电荷泵82的Makowski时序方案81和所指示的信号位置。可以看出，该拓扑与串并联电荷泵的拓扑相同，只是控制信号不同。
在解释说明书及其相关权利要求书时，“包含”、“包括”、“并入”、“含有”、“是”和“具有”等表达方式应以非排他性方式解释，即解释为允许存在其他未明确定义的项或组件。对单数的引用也应解释为对复数的引用，反之亦然。
此外，本发明还可以利用比这里所描述的实施例中所提供的更少的组件来实施，其中，一个组件执行多种功能。还可以使用比图中所描绘的更多的元件来实施本发明，其中在所提供的实施例中由一个组件执行的功能分布在多个组件上。
本领域技术人员将容易理解，转换器的级包括开关，并且这些开关可以通过本领域已知的若干类型的开关来实施，诸如但不限于晶体管、场效应晶体管、MOSFET、NMOS等。
本领域技术人员在实践要求保护的发明时，通过研究附图、说明书和所附权利要求，可以理解和实现对所公开实施例的其他变型例。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，不定冠词“a”或“an”不排除复数。电路或其他单元的单个级可以完成权利要求中列举的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中列举了某些措施这一事实并不指示这些措施的组合不能有利地使用。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制其范围。

Claims (18)

1.一种直流至直流转换器，即DC-DC转换器，用于根据转换因数将低电压输入转换为较高电压输出以向负载供电，所述转换器包括：
第一DC-DC转换器电路，其被配置为在所述负载的启动模式期间将所述低电压输入转换为第一较高电压输出；
第二DC-DC转换器电路，其被配置为在所述负载的正常操作模式期间将所述低电压输入转换为第二较高电压输出；
控制电路，用于控制所述转换因数，
其中，所述第一DC-DC转换器电路和所述第二DC-DC转换器电路各自包括：
输入级，用于接收所述低电压输入；
中间级，其与所述输入级串连，并且用于以由输入和输出之间的比率定义的转换因数来将所述低电压输入转换为所述第一较高电压输出或所述第二较高电压输出；
最终级，其与所述中间级串连，并且用于输出所述第一较高电压输出或所述第二较高电压输出，
其中，各个所述级包括：
共享电容器，用于将所述低电压输入的电压提升至所述第一DC-DC转换器的所述第一较高电压输出和所述第二DC-DC转换器的所述第二较高电压输出，
其中，所述第一DC-DC转换器电路包括Dickson电荷泵布局，
其中，所述第二DC-DC转换器电路包括Makowski电荷泵布局。
2.根据权利要求1所述的直流至直流转换器，其中，所述负载是无线传感器节点。
3.根据权利要求1所述的直流至直流转换器，其中，所述第二DC-DC转换器电路包括串并联电荷泵布局。
4.根据权利要求1所述的直流至直流转换器，其中，所述第一DC-DC转换器电路和所述第二DC-DC转换器电路中的任一个或多于一个包括多个中间级。
5.根据权利要求1所述的直流至直流转换器，其中，所述控制电路至少包括用于控制所述第一DC-DC转换器电路的所述输入级、所述中间级、所述最终级的第一时钟信号和第二时钟信号，以及其中，所述第二时钟信号包括所述第一时钟信号的反相。
6.根据权利要求1所述的直流至直流转换器，其中，所述控制电路至少包括用于控制所述第二DC-DC转换器电路的所述输入级、所述中间级、所述最终级的第一时钟信号和第二时钟信号。
7.根据权利要求5或6所述的直流至直流转换器，其中，所述第一DC-DC转换器的所述第一时钟信号和所述第二时钟信号分别与所述第二DC-DC转换器的所述第一时钟信号和所述第二时钟信号相对应。
8.根据权利要求6所述的直流至直流转换器，其中，所述第一时钟信号和所述第二时钟信号驱动所述第二DC-DC转换器电路的所述输入级、所述中间级、所述最终级中的级的开关部件。
9.根据权利要求6所述的直流至直流转换器，其中，所述第一时钟信号和所述第二时钟信号驱动所述第一DC-DC转换器电路的所述输入级、所述中间级、所述最终级中的级的开关部件。
10.根据权利要求9所述的直流至直流转换器，其中，所述开关部件包括电荷转移开关。
11.根据权利要求10所述的直流至直流转换器，其中，所述开关部件包括动态电荷转移开关。
12.根据权利要求10所述的直流至直流转换器，其中，所述开关部件还包括至少一个附加开关，以及其中，所述至少一个附加开关包括NMOS晶体管或PMOS晶体管。
13.根据权利要求1所述的直流至直流转换器，其中，在所述第一DC-DC转换器电路和所述第二DC-DC转换器电路之间共享的、各个级的电容器包括多个电容器。
14.根据权利要求13所述的直流至直流转换器，其中，所述多个电容器在电容上不同。
15.根据权利要求13所述的直流至直流转换器，其中，所述控制电路包括附加开关部件，所述附加开关部件用于启用所述多个电容器中的至少一个电容器。
16.根据权利要求8至12中的任一项所述的直流至直流转换器，其中，所述开关部件包括由所述控制电路驱动的NMOS晶体管和/或PMOS晶体管。
17.根据权利要求8至12中的任一项所述的直流至直流转换器，还包括电压提升器电路，所述电压提升器电路被配置为在确定所述低电压输入低于输入电压阈值的情况下，将所述低电压输入提升至用于所述控制电路的开关进行操作的水平。
18.根据权利要求17所述的直流至直流转换器，其中，所述输入电压阈值被设置为与所述时钟信号进行操作以驱动所述第一DC-DC转换器电路所需的最小电压水平相对应。
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