CN115211012A - 用于并联电力转换器的启动检测 - Google Patents

用于并联电力转换器的启动检测 Download PDF

Info

Publication number
CN115211012A
CN115211012A CN202180018647.5A CN202180018647A CN115211012A CN 115211012 A CN115211012 A CN 115211012A CN 202180018647 A CN202180018647 A CN 202180018647A CN 115211012 A CN115211012 A CN 115211012A
Authority
CN
China
Prior art keywords
power converter
node
state
output
coupled
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202180018647.5A
Other languages
English (en)
Inventor
瓦利德·福阿德·穆罕默德·阿布埃达哈卜
艾晨·洛
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Murata Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
PASSION
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by PASSION filed Critical PASSION
Publication of CN115211012A publication Critical patent/CN115211012A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/06—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
    • H02M3/07—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider using capacitors charged and discharged alternately by semiconductor devices with control electrode, e.g. charge pumps
    • H02M3/073—Charge pumps of the Schenkel-type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/36—Means for starting or stopping converters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/40—Testing power supplies
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/325—Means for protecting converters other than automatic disconnection with means for allowing continuous operation despite a fault, i.e. fault tolerant converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/06—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
    • H02M3/07—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider using capacitors charged and discharged alternately by semiconductor devices with control electrode, e.g. charge pumps
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/06—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
    • H02M3/07—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider using capacitors charged and discharged alternately by semiconductor devices with control electrode, e.g. charge pumps
    • H02M3/072—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider using capacitors charged and discharged alternately by semiconductor devices with control electrode, e.g. charge pumps adapted to generate an output voltage whose value is lower than the input voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/06—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
    • H02M3/07—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider using capacitors charged and discharged alternately by semiconductor devices with control electrode, e.g. charge pumps
    • H02M3/073—Charge pumps of the Schenkel-type
    • H02M3/075—Charge pumps of the Schenkel-type including a plurality of stages and two sets of clock signals, one set for the odd and one set for the even numbered stages
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/06—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
    • H02M3/07—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider using capacitors charged and discharged alternately by semiconductor devices with control electrode, e.g. charge pumps
    • H02M3/073—Charge pumps of the Schenkel-type
    • H02M3/077—Charge pumps of the Schenkel-type with parallel connected charge pump stages
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1584—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

用于控制多个并联电力转换器的启动的电路/方法，其避免了在加入的电力转换器或具有故障状况的电力转换器中的涌入电流或开关过应力。实施方式包括节点状态检测器，该节点状态检测器耦接至并联连接的电力转换器内的节点以监测电压/电流并且在一些实施方式中被配置成与测量电力转换器的启动输出电压的输出状态检测器协同工作。在基于电荷泵的电力转换器的情况下，节点状态检测器确保电力转换器泵电容器被充电，同时输出电容器也被充电。对于这样的实施方式，如果共享的输出电容器和电力转换器泵电容器两者都被充电到目标值，则可以认为启动的软启动时段完成。实施方式还可以用于稳态操作期间的故障检测。

Description

用于并联电力转换器的启动检测
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年3月3日提交并且题为“Startup Detection for ParallelPower Converters”的美国专利申请第16/807,753号的优先权，该美国专利申请的全部内容通过引用并入本文中。本发明还可以与以下专利申请和专利有关，这些专利申请和专利全部转让给本发明的受让人，这些专利申请和专利的全部内容通过引用并入本文中：
·2020年2月14日提交的题为“Startup of Switched Capacitor Step-DownPower Converter”的美国专利申请序列第16/791,866号，该美国专利申请要求2020年2月6日提交的题为“Startup of Switched Capacitor Step-Down Power Converter”的美国临时专利申请序列第62/971,094号的优先权；
·2019年12月9日提交的题为“Shared Comparator for Charge Pumps”的美国专利申请序列第16/708,112号；
·2020年2月6日提交的题为“In-Rush Current Protected Power Converter”的美国专利申请序列第16/783,800号；以及
·2019年4月16日公告的题为“Selectable Conversion Ratio DC-DCConverter”的美国专利第10,263,514号。
背景技术
(1)技术领域
本发明涉及电子电路，并且更特别地涉及电力转换器电路。
(2)背景
许多电子产品，特别是移动计算和/或通信产品和部件(例如，笔记本电脑、超级本电脑、平板装置、LCD和LED显示器)需要多个电压电平。例如，射频发射器功率放大器可能需要相对高的电压(例如，12V或更高)，而逻辑电路可能需要低的电压电平(例如，1V至2V)。还有其他电路可能需要中间电压电平(例如5V至10V)。
电力转换器通常用于从诸如电池的常见电源生成较低或较高的电压。从较高的输入电压(例如，VIN)电源生成较低的输出电压(例如，VOUT)电平的电力转换器通常被称为降压转换器或减压转换器，之所以这样称呼是因为VOUT<VIN，并且因此转换器是使输入电压“减压”。从较低的输入电压电源生成较高的输出电压电平的电力转换器通常被称为升压转换器或增压转换器，因为VOUT>VIN。在许多实施方式中，电力转换器可以是双向的，该电力转换器根据电源如何连接至转换器而成为升压转换器或降压转换器。
图1A是包括现有技术电力转换器100的电路的框图。在所示示例中，电力转换器100包括转换器电路102和控制器104。转换器电路102被配置成在端子V1+、V1-两端从电压源106接收输入电压VIN，并且将输入电压VIN转换为端子V2+、V2-两端的输出电压VOUT。输出电压VOUT通常耦接在输出电容器COUT两端，输出电容器COUT的两端可以连接负载108。在电力转换器100的一些实施方式中，诸如偏置电压发生器、时钟发生器、电压控制电路等的辅助电路(未示出)也可以存在并耦接至转换器电路102和控制器104。
图1B是包括图1A的现有技术电力转换器100的实例的更详细实施方式的电路的框图。所示转换器电路102包括电荷泵120。如在本公开内容中使用的，术语“电荷泵”是指被配置成将VIN增压或减压至VOUT的开关电容网络。电荷泵的示例包括级联倍增器开关电容网络、迪克森(Dickson)开关电容网络、阶梯(Ladder)开关电容网络、串并联开关电容网络、斐波那契(Fibonacci)开关电容网络和加倍器(Doubler)开关电容网络，所有的这些开关电容网络可以被配置为多相网络或单相网络。基于电荷泵的电力转换器100使用电容器(图1B中未示出)将电荷从电力转换器100的输入端转移至输出端。这些电荷转移电容器通常被称为“飞电容器(fly capacitor)”或“泵电容器”，并且可以是耦接至电力转换器100的集成电路实施方式的外部部件。
在所示示例中，电荷泵120通过电压调节器140耦接至VOUT。如本领域已知的，电压调节器是被设计成自动保持恒定电压电平的电路，并且通常包括基于电感器的开关调节器。图1C是具有用于控制电压调节器140内的各种开关Sx的控制器142和电感器L的现有技术电压调节器140的实施方式的示意图。所示电压调节器140的操作细节可以在以上引用的题为“Startup of Switched Capacitor Step-Down Power Converter”的专利申请中找到。电压调节器140可以自主地操作，或者可以由控制器104通过控制信号路径114控制，以启用、禁用和/或重新配置电压调节器140。
可选地，例如，如果需要对噪声/EMI滤波，或者如果存在对电荷泵120的即时输出VX断电的电路，则可以在电压调节器140之前在电荷泵120的即时输出端子v2+、v2-两端耦接中间电容器CVX。中间电容器CVX的电容通常将被设置为远小于输出电容器COUT的电容并且小于下面描述的电荷泵电容器的电容。
在第一替选实施方式中，电荷泵120的即时输出端子v2+、v2-是转换器电路102的输出端V2+、V2-并且通过电感器(图1B中未示出)耦接至输出电容器COUT和负载108(即，省略电压调节器140但保留了中间电容器Cvx)。在第二替选实施方式中，电荷泵120的即时输出端子v2+、v2-是转换器电路102的输出端V2+、V2-并且直接耦接至输出电容器COUT和负载108(即，电压调节器140和中间电容器Cvx二者均省略)。
在转换器电路102的替选实施方式中，电压调节器140在其端子v1+、v1-两端直接从电压源106接收输入电压VIN(即，省略了电荷泵120和中间电容器Cvx)。
再次参照图1A，控制器104接收一组输入信号并产生一组输出信号。这些输入信号中的一些沿着连接至转换器电路102的信号路径110到达。这些输入信号携带指示转换器电路102的操作状态的信息。控制器104还接收至少时钟信号CLK以及一个或更多个外部输入/输出信号I/O，外部输入/输出信号I/O可以是模拟、数字或两者的组合。基于接收到的输入信号，控制器104产生在信号路径110上返回到转换器电路102的一组控制信号，该组控制信号控制转换器电路102的内部部件(例如，内部开关，如低压FET，尤其是MOSFET)以使转换器电路102将VIN增压或减压到VOUT。在一些实施方式中，辅助电路(未示出)可以向控制器104(以及可选地直接向转换器电路102)提供各种信号，例如时钟信号CLK、输入信号/输出信号I/O、以及诸如通用供应电压VDD和晶体管偏置电压VBIAS等的各种电压。如图1B所示，如果存在，附加控制信号路径114可以控制电压调节器140。
通常，电力转换器100将以如下三种不同状态之一操作：稳态、关停状态和启动状态。在稳态或“正常”操作状态期间，电力转换器100接收输入电压VIN并将其转换成输出电压VOUT。在该稳态或“正常”操作状态下，电力转换器100预计能够传送高达负载108所需求的全输出功率。在关停状态下，电力转换器100被禁用并且没有电压变换或电力传送发生。在启动状态下，电力转换器100内的电路活动被启用以最终以有限或减少的功率传送方式将能量从输入端处的电压源传输至输出电压——即，从关停状态转变至稳态操作。
类似地，电力转换器100的电荷泵120将以如下三种不同状态之一操作：稳态、关停状态和启动状态。在稳态或“正常”操作状态期间，这样的电荷泵120接收输入电压VIN，并且通过在两个时钟相位之间切换泵电容器的连接以将输入电压VIN根据电力转换器100的配置转换为即时输出电压VX或最终输出电压VOUT。在稳态或“正常”操作状态下，电荷泵120预计能够传送高达负载108所需求的全输出功率。在关停状态下，不存在电荷泵切换活动。在启动状态中，电路活动被启用以最终使电荷泵120开始切换，从而使用泵电容器以有限或减少的功率传送方式将电荷从输入端处的电压源传输至输出电压——即，从关停状态转变至稳态操作。在该启动状态下，泵电容器和输出电容器被预充电到稳态时预期的电压电平。
在启动状态期间，基于电荷泵120的电力转换器100既需要将泵电容器上的电压相对于输出电容器COUT处的VOUT电压对准，也需要在电荷泵120准备好转变至稳态操作之前将VOUT电压提高到足够接近稳态目标电压的期望电平。启动状态可以包括：预切换时段，在该预切换时段中电荷泵120中的一些电路处于活动状态但电荷泵切换被禁用(其中，电荷泵切换被限定为应用由控制器104生成的时钟波形来控制电荷泵120中的内部操作)；以及后续切换时段，在该后续切换时段中电荷泵切换被启用，但是是以具有有限供应电流的降低功率传送模式。
大多数时候，电力转换器100中的电荷泵120将在所有电容器(泵电容器和输出电容器COUT)完全放电的情况下启动，这被认为是“平衡”条件。否则，特别是对于降压型减压转换器，可能需要在切换开始之前相对于输出电容器COUT上的电压重新平衡泵电容器上的电压，以防止过大的浪涌电流和/或开关过应力(over-stress)。重新平衡涉及在电荷泵切换操作开始之前，通过同时或顺序地对泵电容器放电和/或预充电，将每个泵电容器两端的电压设置为输出电容器COUT两端的电压VOUT的近似目标倍数。如果例如以上引用的并入的专利“Startup of Switched Capacitor Step-Down Power Converter”中所教导的那样实施电压平衡器电路，则电荷泵120通常将稳固地启动达到被认为是“不平衡”的各种初始条件。在一些实施方式中，可以使用启动状态检测器(未示出)来测量VOUT并在满足期望输出电压条件时提供输出标志信号(例如，从逻辑“0”转变为逻辑“1”的信号线)。输出标志信号可以考虑作为启用电荷泵102的全功率稳态操作之前的一个必需条件(注意，也可能需要其他条件来启用电荷泵102的全功率稳态操作)。
对于需要较高输出功率的应用，多个电力转换器100可以并联耦接以传送较高的负载电流。另外的应用(例如，能量收集)可以并联耦接多个电力转换器100(根据需要包括电力转换器100的相似或不同实例)以满足不同或变化的操作条件下的各种各样输出要求。例如，图2是包括多个并联连接的现有技术电力转换器100_1、……、100_n的电路200的框图，其中n>1。在该示例中，输入电压VIN_x施加至n个电力转换器100_x中的每一个，当被启用来操作时，每个电力转换器100_x在相应的输出电容器COUT_x两端生成对应的输出电压VOUT_x。电力转换器100_x的VIN_x输入可以来自不同的电压源，或者可以跨一个或更多个电力转换器100_x共享。例如，如连接VIN_1至VIN_n的虚线所示，电力转换器100_x的所有输入端可以一起连接至单个电压源。
在所示示例中，电力转换器100_x的VOUT_x输出端被共享(即，在负载节点LN处直接连接在一起)，而未在电力转换器100_x的相应VOUT_x输出端与负载节点LN之间串联地插入额外的隔离开关。这样的隔离开关增加了电路尺寸和复杂性，同时可能降低稳态性能。然而，在直接并联连接(即，VOUT输出端与负载节点LN之间没有串联开关)的电力转换器100_1、……、100_n的启动期间，可能出现可能导致一个或更多个电力转换器100_x内的过大的浪涌电流和/或开关过应力的潜在问题。
作为一个示例，这种情况可以是所有电力转换器100_x同时启动，但是电力转换器100_x中的一个或更多个具有至少一个或更多个故障事件，例如有故障的泵电容器(例如，外部泵电容器可能未被适当地焊接到承载相关联的电力转换器100的集成电路实施方式的电路板)。在启动状态期间，负载节点LN处的电压由健康的电力转换器100_x朝向所期望的VOUT稳态值充电。耦接至相应电力转换器100_x(包括故障电力转换器)的VOUT_x的启动状态检测器(未示出)将检测到共享的VOUT电压何时达到足够的电平，并向相关联的电力转换器100_x提供输出标志信号，从而过早地启用全功率稳态操作。这可能会导致已经有故障的电力转换器内的大浪涌电流和/或开关过应力。
作为另一示例，在一些实施方式中，电力转换器100_x可以不同时启动，而是以某种顺序(包括随机)启动。因此，当负载节点LN处的共享电压已经处于或接近VOUT的全值(full value)时，至少一个电力转换器100_x将被启动并添加到一组启用的电力转换器100_x中。用于添加的电力转换器100_x的启动状态检测器将感测共享的VOUT电压并向相关联的电力转换器100_x提供输出标志信号，从而过早地启用全功率稳态操作。如果添加的电力转换器100_x包括电荷泵120，则在电力转换器100_x的泵电容器上的电压与VOUT电压充分对准之前，可能发生过早启用全功率稳态操作。同样，这种状况会导致增加的电力转换器100_x的电荷泵120内的高浪涌电流和开关过应力。
在电力转换器100_x(其不需要具有用于其相应转换器电路102的相同电路)之间存在差异(例如，电容器或电感器值、启动定时偏移、多个启动状态检测器之间的失配等)的情况下，可能发生类似问题。即使电力转换器100_x未经受故障事件并且精确地同时启动，差异或偏移也可能令一个电力转换器比另一个电力转换器使共享的VOUT电压更快上升。“较慢”的电力转换器倾向于将电流从直接耦接的输出端分流，而“较快的”电力转换器正试图将其维持住，从而导致增加的热耗散和功率浪费。此外，并联电力转换器100_x之间的启动状态检测器之间的失配可能使具有较低阈值启动状态检测器的电力转换器100_x比具有较高阈值启动状态检测器的电力转换器更快地转变至全功率稳态操作。这增加了进一步的热耗散和功率浪费的可能性，同时可能使“较慢”的电力转换器过早地转变至全功率稳态操作。
因此，需要控制具有直接耦接的输出端的多个并联电力转换器100_x的启动，以避免上述问题，从而最小化或防止电力转换器内的过大的浪涌电流、开关过应力以及热耗散。本发明解决了这种需要并提供了许多益处。
发明内容
本发明包括用于控制具有直接耦接的输出的多个并联电力转换器的启动的电路和方法，其除其他方面外还阻止由任何或所有并联电力转换器进行的过早稳态操作，以避免或最小化诸如电力转换器内的过大浪涌电流、开关过应力和/或热耗散的问题。
本发明的实施方式的一个方面是引入一种节点状态检测器，该节点状态检测器耦接至一些或所有并联电力转换器内的选定节点，以监测电压和/或电流，并且在一些实施方式中被配置成在启动期间与测量相关联地电力转换器的输出电压(例如，VOUT和/或VX)的输出状态检测器协同工作。对于包括电荷泵的电力转换器，节点状态检测器确保每个电力转换器的泵电容器都被充分充电，同时输出电容器COUT也被充电。在这样的实施方式中，如果每个电力转换器的共享输出电容器和泵电容器两者都被充电到目标稳态值的选定百分比，则可以认为启动的软启动时段完成。
一般而言，节点状态检测器耦接至相关联的电力转换器的一个或更多个内部节点以测量这些节点处的电压和/或电流，从而确定电力转换器的泵电容器是否在软启动时段期间被充分充电。此外，输出状态检测器耦接至相关联的电力转换器的输出电压以测量输出电压，从而确定输出电容器COUT是否在软启动时段期间被充分充电。
节点状态检测器被配置成如果内部节点处测量的电压或电流足以允许启动以进行到全功率稳态操作，则生成一个或更多个节点标志信号。类似地，输出状态检测器被配置成如果测量的输出电压足以允许启动以进行到全功率稳态操作，则生成输出标志信号。输出标志信号和节点标志信号耦合至相关联的状态验证电路，该状态验证电路仅当来自节点状态检测器和输出状态检测器的所有标志信号都被置于有效态(asserted)时——这指示每个电力转换器的共享输出电容器COUT和泵电容器被充电到目标稳态值的选定百分比——才生成逻辑StartUpOK信号(例如，二进制“1”)。每个StartUpOK信号可以耦合至相关联的电力转换器，并且，在使得相关联的电力转换器能够完成启动状态并进行至全功率稳态操作之前，被置于有效态时的StartUpOK信号可以视为一个必需条件。
由状态验证电路基于从节点状态检测器和输出状态检测器接收到的标志信号将StartUpOK信号置于有效态的标准可以包括(但不限于)：相关联的电力转换器的输出电压是否在其调节目标值的预定义容差值(通常比稳态精确度更宽松)内，在软启动时段期间是否发生其他故障，以及/或者转换器内部节点电压或电流是否在预期目标内。此外，来自多个直接连接的并联电力转换器的系统中的每个电力转换器的StartUpOK信号可以耦合至系统状态验证电路，该系统状态验证电路仅当所有StartUpOk都被置于有效态时才生成逻辑SysStartUpOK信号(例如，二进制“1”)。SysStartUpOk被置于有效态指示每个直接连接的并联电力转换器都成功地穿越启动状态。SysStartUpOk被置于有效态可以可选地用于同步系统中的每个电力转换器向全功率稳定-稳定操作的转变。
在附图和以下描述中阐明本发明的一个或更多个实施方式的细节。本发明的其他特征、目的和优点将根据说明书和附图以及根据权利要求书变得明显。
附图说明
图1A是包括现有技术电力转换器的电路的框图。
图1B是包括图1A的现有技术电力转换器的实例的更详细实施方式的电路的框图。
图1C是具有电感器L和用于控制电压调节器内的一个或更多个开关Sx的控制器的现有技术电压调节器的实施方式的示意图。
图2是包括多个并联连接的现有技术电力转换器的电路的框图。
图3是包括耦接至相关联的节点状态检测器和输出状态检测器的多个并联连接的开关电容器电力转换器的电路的框图。
图4A是可以在图3的并联电力转换器中的一个或更多个内使用的包括单相对称级联倍增器的电荷泵的一个实施方式的示意图。
图4B是可以在图3的并联电力转换器中的一个或更多个中使用的可选择转换率的两相电荷泵的示意图。
图5A是参考电压生成器的示意图。
图5B是输出状态检测器的一个示例的示意图。
图5C是特别适用于与图4B的两相电荷泵一起使用的节点状态检测器的示意图。
图5D是图5C的分压器网络的等效电路示意图。
图5E是基于采样保持电路的节点状态检测器的示例实施方式的框图。
图5F是示出图5E的采样时钟信号与两相电荷泵时钟相比的一种可能关系的时序图集合。
图6是示出耦接至状态验证电路的输出状态检测器(来自图5B)和节点状态检测器(来自图5C)的两个实例的框图。
图7是示出用于具有直接连接的输出端的多个并联电力转换器的启动检测的第一方法的处理流程图。
图8是示出用于具有直接连接的输出端的多个并联电力转换器的启动检测的第二方法的处理流程图。
图9是示出用于具有直接连接的输出端的多个并联电力转换器的启动检测的第三方法的处理流程图。
各个附图中的相同附图标记和名称指示相同的元件。
具体实施方式
本发明包括如下电路和方法：所述电路和方法用于控制具有直接耦接的输出端的多个并联电力转换器的启动，其特别地阻止任何或所有并联电力转换器的过早稳态操作，以便避免或最小化诸如电力转换器内的过大涌入电流、开关过应力和/或热耗散的问题。
一般实施方式
通常，电力转换器的启动状态包括“软启动”时段，在该时段中，电力转换器的操作接近稳态，但是具有到输出的减小的或有限的功率/电流传送。如果在启动时存在故障，则软启动时段是特别有益的。在软启动状态期间的某个点处，电力转换器评估是否退出软启动状态。如果启动被评估为已经成功地发生，则电力转换器从软启动状态转变到稳态，在该稳态下可以开始全功率输送。否则，电力转换器可以选择关停或者在重新进入软启动并且试图再次启动之前转变到中间冷却状态。
现有技术的电力转换器通常主要依赖于测量到输出电压(例如，VOUT和/或VX)已经达到作为退出软启动时段的标准的在预定义容差(例如，80％)内的调节目标。这是一种简单、面积效率高且有成本效益的方法，因为大多数电力转换器已经包括用于监测稳态操作期间的输出电压VOUT的电路。然而，如上所述，已经认识到，对于具有直接耦接的输出端的直接连接的并联电力转换器而言，依赖于测量输出电压作为结束软启动时段的唯一标准可能不够可靠。此外，可以认识到，在电力转换器的相应输出端与负载节点LN之间插入串联的额外开关以控制何时将电力转换器耦接至其他电力转换器将增加稳态操作期间的电力损耗。
考虑到这些认识，本发明的示例性实施方式的一个方面是引入如下节点状态检测器：所述节点状态检测器耦接至一些或全部并联连接的电力转换器100_x内的选定节点以监测电压和/或电流，并且在一些实施方式中被配置成与在启动期间测量相关联的电力转换器100_x的输出电压的输出状态检测器并联工作。对于包括电荷泵的电力转换器而言，节点状态检测器确保每个电力转换器100_x的泵电容器被充分充电，同时输出电容器COUT也被充电。在这样的实施方式中，如果每个电力转换器100_x的共享输出电容器和泵电容器都被充电到目标稳态值的选定百分比，则可以认为启动的软启动时段结束。注意，通常，所测量的输出电压将是VOUT。然而，在电荷泵120的即时输出VX与电力转换器100的最终输出电压VOUT之间包括一些电路元件(例如，电感器)的电力转换器电路中，所测量的输出电压可以是所添加的电路之前的即时输出VX。为了简洁起见，贯彻本公开内容的其余部分，除非另外特别指出，否则“VOUT”将被引用为包括两种情况。
图3是包括耦接至相关联的节点状态检测器302_1、……、302_n和输出状态检测器304_1、……、304_n的多个并联连接的电力转换器100_1、……、100_n的电路300的框图。如图所示，电路300类似于图2的电路200，其中，将输入电压VIN_x施加至n个电力转换器100_x中的每一个，n个电力转换器100_x各自在经启用进行操作时生成跨越相应输出电容器COUT_x两端的对应输出电压VOUT_x。与图2类似，电力转换器100_x的VOUT_x输出是共享的(即，在负载节点LN处直接连接在一起)。电力转换器100_x的VIN_x输入可以来自不同的电压源，或者可以跨电力转换器100_x中的一个或更多个共享(例如，简单地一起连接至单个电压源)。每个节点状态检测器302_x耦接至相关联的电力转换器100_x的一个或更多个内部节点，以测量这样的节点处的电压和/或电流，从而确定电力转换器100_x的内部节点或部件在软启动时段期间是否被充分充电。另外，如图所示，可选的输出状态检测器304_x可以耦接至相关联的电力转换器100_x的输出电压VOUT_x，以测量输出电压，从而确定输出电容器COUT_x在软启动时段期间是否被充分充电。
节点状态检测器302_x被配置成在内部节点处所测量的电压或电流足以允许启动以进行到全功率稳态操作的情况下生成一个或更多个节点标志信号。类似地，输出状态检测器304_x被配置成在所测量的输出电压VOUT_x足以允许启动以进行到全功率稳态操作的情况下生成输出标志信号。在一些实施方式中，节点状态检测器302_x和输出状态检测器304_x的功能可以合并在用于每个电力转换器100_x的控制器104(图1A所示)内。在其他实施方式中，用于每个电力转换器100_x的节点状态检测器302_x和输出状态检测器304_x可以是独立电路。
图3所示的输出标志信号和节点标志信号耦接至相关联的状态验证电路306_1、……、306_n，每个状态验证电路对应于相应的电力转换器100_1、……、100_n。可以将状态验证电路306_x例如实现为与门，该与门仅在来自节点状态检测器302_x和输出状态检测器304_x(如果存在)的所有标志信号都已置于有效态时才生成逻辑StartUpOk_x信号(例如，二进制“1”)，因此指示相应输出电容器COUT_x和每个电力转换器100_x内的内部节点或部件被充电到目标稳态值的选定百分比(显然，StartUpOk_x信号的相反逻辑状态例如二进制“0”指示没有达到选定的充电电平)。每个StartUpOk_x信号被示出为耦接至相关联的电力转换器100_x，并且因此可以被考虑作为在使得相关联的电力转换器100_x能够完成启动状态并且进行到全稳态操作之前的一个必需条件。还可以将状态验证电路306_x实现为例如锁存逻辑元件，一旦在仅启动状态期间来自节点状态检测器302_x和输出状态检测器304_x的所有标志信号都已被置于有效态，该锁存逻辑元件就生成锁存逻辑StartUpOk_x信号。然后，这释放节点状态检测器302_x和输出状态检测器304_x，以用于其他操作状态例如稳态下的其他监测目的。应当清楚的是，可以使用其他公知的电路来符合以下操作：来自对应电力转换器100_x的节点状态检测器302_x和输出状态检测器304_x(如果存在)的标志信号都已被置于有效态，并且作为响应，生成对应的StartUpOk_x信号。在一些实施方式中，每个状态验证电路306_x的功能可以并入用于每个电力转换器100_x的控制器104(图1A所示)内。在其他实施方式中，每个状态验证电路306_x可以是独立电路。
由状态验证电路306_x基于从节点状态检测器302_x和输出状态检测器304_x接收的标志信号将StartUpOk_x信号置于有效态的标准可以包括(但不限于)：相关联的电力转换器100_x的输出电压VOUT是否在其调节目标值的预定义容差值内(通常比稳态精确度宽松)，在软启动时段期间是否发生其他故障，以及/或者转换器内部节点电压或电流是否在预期目标内。
图3还示出了其中每个StartUpOk_x信号耦接至系统状态验证电路308的可选配置(如虚线所示)。可以将系统状态验证电路308例如实现为与门，该与门仅在所有的StartUpOk信号都已被置于有效态的情况下生成逻辑SysStartUpOk信号(例如，二进制“1”)(显然，SysStartUpOk_x信号的相反逻辑状态例如二进制“0”指示并非所有的StartUpOk信号都已被置于有效态)。因此，SysStartUpOk信号被置于有效态指示每个电力转换器100_x都已经成功地穿越启动状态。在示出的示例中，SysStartUpOk信号耦接至每个电力转换器100_x，并且因此SysStartUpOk信号被置于有效态可以可选地用于同步系统中的每个电力转换器100_x向全功率稳定-稳定操作的转变。在一些实施方式中，系统状态验证电路308的功能可以并入用于每个电力转换器100_x的在控制器104(图1A所示)内。在其他实施方式中，系统状态验证电路308可以是独立电路。
在各种实施方式中，直接连接的并联电力转换器100_x的启动可以是并发的或顺序的或随机的(例如，基于需求，如当在特定时间期间仅需要一些电力转换器100_x来向其他电路提供电力时)。还要注意，电力转换器100_x的转换器电路102(参见图1)不需要是相同的类型或实例，但是如果直接连接的并联电力转换器100_x的主要目的是增加功率输送，则常见的是转换器电路102都是相同的类型。
级联倍增器实施方式
通过参考特定的示例实施方式，可以更好地理解上述关于节点状态检测器和状态验证逻辑的原理。例如，图4A是可以在图3的并联电力转换器100_x的一个或更多个内使用的包括单相对称级联倍增器的电荷泵120的一个实施方式的示意图400。所示出的电荷泵120被配置成在端子V1+、V1-处接收输入电压(例如，VIN)，并且将输入电压转换成端子V2+、V2-处的输出电压(例如，VOUT)。级联倍增器是可以提供高转换增益的开关电容网络。如本公开内容中使用的，转换增益(1)在开关电容网络产生大于输入电压的输出电压(VOUT>VIN)的情况下表示电压增益；或者(2)在开关电容网络产生小于输入电压的输出电压(VIN>VOUT)的情况下表示电流增益。通过使级联倍增器电荷泵120循环通过不同的拓扑状态，将能量从输入转移至输出。经由电荷转移路径将电荷从输入电压转移至输出电压。每个拓扑状态下的电容器的数量和配置设定了转换增益。所示出的电荷泵120将由控制器104以已知方式控制，如上文所描述并且如上文引用的题为“Shared Comparator for Charge Pumps”的美国专利申请中更详细地说明的。
在所示出的示例中，电荷泵120包括五个串联连接的开关S1至S5。开关可以是例如MOSFET开关，特别地是N型MOSFET开关，并且每个开关S1至S5可以包括被配置成用作单个开关的串联连接的MOSFET的堆叠。为了方便讨论开关顺序，开关S1、S3和S5有时将统称为“奇数开关”，以及开关S2和S4有时将统称为“偶数开关”。
电荷泵120还包括第一“低侧”相位开关S7和第二“低侧”相位开关S8、以及第一“高侧”相位开关S6和第二“高侧”相位开关S9。低侧相位开关S7、S8可以将第一相位节点PN1和第二相位节点PN2连接至V2-端子。V1-端子通常连接至V2-端子并因此与V2-端子共享相同的电压；然而，在一些实施方式中，V1-和V2-端子可以不直接连接，并且因此可以具有不同的电压。
高侧相位开关S6、S9可以将第一相位节点PN1和第二相位节点PN2连接至V2+端子。为了方便讨论开关顺序，高侧相位开关S6和低侧相位开关S8有时将统称为“偶数相位开关”，以及低侧相位开关S7和高侧相位开关S9有时将统称为“奇数相位开关”。
控制器104中的时钟源生成不交叠的时钟波形Pl和P2，所述时钟波形Pl和P2耦接至各个开关S1至S9并且通常通过电平移位器和栅极驱动器电路(未示出)控制各个开关S1至S9的导通状态/关断状态。在许多实施方式中，所示出的电荷泵120将与近似相同的电路配对，所述电路的不同之处仅在于部件开关将在不同(通常180°相反)相位上操作。
第一泵电容器C1将开关S1与开关S2之间的第一堆叠节点VC1连接至相位节点PN1。类似地，第三泵电容器C3将开关S3与开关S4之间的第三堆叠节点VC3连接至相位节点PN1。第二泵电容器C2将开关S2与开关S3之间的第二堆叠节点VC2连接至相位节点PN2。类似地，第四泵电容器C4将开关S4与开关S5之间的第四堆叠节点VC4连接至相位节点PN2。第五堆叠节点VX连接至电荷泵120的端子V2+。
所示出的电荷泵120具有四个级。第一级包括开关S1、第一堆叠节点VC1和第一泵电容器C1；第二级包括开关S2、第二堆叠节点VC2和第二泵电容器C2；第三级包括开关S3、第三堆叠节点VC3和第三泵电容器C3；以及第四级包括开关S4、第四堆叠节点VC4和第四泵电容器C4。第五串联开关S5将第四级连接至第五堆叠节点VX，第五堆叠节点VX连接至端子V2+。
来自控制器104的控制信号使串联开关S1至S5、低侧相位开关S7、S8和高侧相位开关S6、S9根据特定顺序改变状态。作为结果，电荷泵120以选定频率在第一操作状态与第二操作状态之间重复转变。例如，在由具有逻辑“1”状态的P1时钟波形和具有逻辑“0”状态的P2时钟波形限定的第一操作状态期间，控制器104(1)闭合奇数开关S1、S3、S5、低侧相位开关S7和高侧相位开关S9，并且(2)断开偶数开关S2、S4、高侧相位开关S6和低侧相位开关S8。在由具有逻辑“1”状态的P2时钟波形和具有逻辑“0”状态的P1时钟波形限定的第二操作状态期间，控制器104(1)断开奇数开关S1、S3、S5、低侧相位开关S7和高侧相位开关S9，并且(2)闭合偶数开关S2、S4、高侧相位开关S6和低侧相位开关S8。控制器104对所有开关S1至S9的转变进行控制和排序，以便并入当在第一操作状态与第二操作状态之间进行转变时所需的任何必要的死区时间。作为在第一操作状态与第二操作状态之间交替的结果，电荷以已知方式从端子V1+、V1-传递至端子V2+、V2-。
对于图4A的电荷泵配置而言，节点状态检测器302_x(图3中所示)可以用于监测一个或更多个堆叠节点VCX和/或一个或更多个相位节点PNx处相对于VIN和/或VOUT的平均电压，以确定泵电容器CX在启动期间是否被充分地充电到选定电平。类似地，输出状态检测器304_x可以用于监测VX处的平均电压以确定输出电容器COUT在启动期间是否被充分地充电到选定电平。超过选定参考电平的平均电压可以指示电荷泵120尚未跟上共享输出电压VOUT和/或电荷泵120内存在故障，并且因此特定电力转换器100_x不应当转变到稳态操作。这样的节点状态检测器302_x可以包括被设计为监测平均电压的各种已知电路之一。
在其中电感器L位于电荷泵120的VX输出与电力转换器100_x的VOUT输出之间的实施方式中，如上所述，节点状态检测器302_x可以用于监测一个或更多个堆叠节点VCX(包括VX)处的电压，以确定泵电容器CX和输出电容器COUT在启动期间是否被充分地充电到选定电平。超过选定参考电平的电压可以指示电荷泵120尚未跟上共享输出电压VOUT和/或电荷泵120内存在故障，并且因此特定电力转换器100_x不应当转变到稳态操作。这样的节点状态检测器302_x可以包括被设计为监测电压的各种已知电路之一。
在其他实施方式中，可以使用电流感测(而不是电压感测)节点状态检测器来监测通过电力转换器100_x的选定节点的电流的相反极性和/或实质大小(substantialmagnitude)。超过选定参考电平和/或具有与预期电平相反的极性的电流可以指示电力转换器100_x尚未跟上共享输出电压VOUT和/或电力转换器100_x内存在故障，并且因此特定电力转换器100_x不应当转变到稳态操作。这样的电流感测检测器在本领域中是公知的。可以由电流感测节点状态检测器监测的节点可以包括VX节点、一个或更多个堆叠节点VCX和/或一个或更多个相位节点PNx中的一个或更多个。这样的节点状态检测器302_x可以包括被设计为监测电流的各种已知电路之一。
应当明显的是，可以使用之前提及的节点的电压和/或电流的其他测量来确定泵电容器CX和输出电容器COUT在启动期间是否被适当充电到选定电平。这样的测量可以包括与泵电容器CX和输出电容器COUT的充电相关联的任何电压或电流特性，例如电压增量、电压纹波或电流尖峰，只要它们与泵电容器CX和输出电容器COUT的充电直接相关联即可。
作为对称级联倍增器的另一示例，图4B是可以在图3的并联电力转换器100_x中的一个或更多个内使用的可选择转换率两相电荷泵420的示意图。更具体地，所示出的电荷泵420可以使用相同的基本电路可选择地配置成除以2或除以3的转换率，如上文参考的美国专利第10,263,514号中更详细描述的。然而，应当了解，本发明可以结合具有固定配置的电荷泵、具有更少或更多相的电荷泵以及其他电荷泵类型来使用。
如图所示，泵电容器C1a、C2a、C1b、C1b和由时钟信号P1和P2控制的开关的阵列的布局类似于固定的除以3电荷泵，不同之处在于每个单元402a、402b包括各自添加的配置元件404a、404b和替选的“DIV3”导体和“DIV2”导体。另外，在单元402a中，直接地耦接至VIN的开关406a由可选择的时钟信号Px控制，而在互补单元402b中，直接地耦接至VIN的开关406b由可选择的时钟信号的互补者
Figure BDA0003830389990000151
控制。
当配置元件404a、404b被配置成将相应的泵电容器C1a、C1b耦接至对应的DIV3导体，并且时钟信号Px的相位被设置为与单元402a中的P1相同，并且互补时钟信号
Figure BDA0003830389990000152
的相位被设置为与单元402b中的P2相同时，则电荷泵420以与常规的固定的除以3电荷泵电路完全相同的方式作为除以3电荷泵电路来操作；因此，电荷泵420的即时输出VX是VIN/3。
当配置元件404a、404b被配置为将相应的泵电容器C1a、C1b耦接至对应的DIV2导体时，那些泵电容器C1x与另一单元的C2x泵电容器并联连接。因此，在示出的示例中，单元402a中的泵电容器C1a与单元402b中的泵电容器C2b并联耦接，而单元402b中的泵电容器C1b与单元402a中的泵电容器C2a并联耦接。此外，在DIV2配置中，时钟信号Px的相位被设置成与单元402a中的P2相同(而不是如DIV3配置中与P1相同)，并且互补时钟信号
Figure BDA0003830389990000161
的相位被设置成与单元402b中的P1相同(而不是如DIV3配置中与P2相同)。如此配置，两个泵电容器(例如，C1a和C2b或者C1b和C2a)的并联布置有效地形成了单个等效泵电容器，并且从而消除了在电荷泵420的每个单元402a、402b中具有第二独立泵电容器。因此，电荷泵420以与常规的固定的除以2电荷泵电路完全相同的方式作为除以2转换器电路操作；因此，电荷泵420的即时输出VX是VIN/2。
在DIV3配置的稳态操作中，泵电容器被充电到VX的倍数(通常与VOUT相同)。对于图4B所示的泵电容器而言，泵电容器C1a和C1b将被充电到2*VX，而泵电容器C2a和C2b将被充电到VX。
在DIV2配置的稳态操作中，泵电容器被再次充电到VX的倍数。对于图4B所示的泵电容器而言，泵电容器C1a和C1b将与泵电容器C2a和C2b并联，并且所有的泵电容器将被充电到VX。
更一般地，如果电荷泵420的转换增益是N，则每个时钟相位中将存在(N-1)个电容器，电容器两端的最大电压将是(N-1)*VX，并且电容器两端的最小电压将是VX。
图4B中值得注意的是与各个泵电容器C1a、C2a、C1b和C2b的(相对于VIN的)“顶部”板相关联的差分节点N1a、N2a和差分节点N1b、N2b。耦接至成对的这些节点的差分检测器电路可以利用单元402a、402b的泵电容器电压的对称性来确定各个泵电容器相对于VOUT是否被充分充电。例如，图5A至图5D示出了提供节点状态检测器302_x和输出状态检测器304_x的功能的电路模块集合。
图5A是参考电压生成器502的示意图。所示出的参考电压生成器502是电阻性分压器，其由所施加的输入电压VIN(输入电压VIN可以与施加到图4B的电荷泵420的VIN相同)根据串联连接的电阻器R0与R1的比率VREF＝VIN*(R0/(R0+R1))生成经缩放的参考电压VREF。在一些实施方式中，电阻器R0的值可以是可调节的或可设置的，从而允许VREF相对于VIN的缩放比率的一些可变性。应当清楚，可以使用其他已知电路来生成参考电压VREF，例如带隙电路、进入电阻器的参考电流等。
图5B是输出状态检测器304_x的一个示例的示意图。串联连接的电阻器R2和R3形成电阻性分压器，该电阻性分压器由来自相关联的电力转换器100_x的所施加的输出电压VOUT根据串联连接的电阻器R2和R3的比率来生成经缩放的电压VOUT'。在一些实施方式中，电阻器R2的值可以是可调节的或可设置的，因此允许VOUT'相对于VOUT的缩放比率的一些可变性，这对于提供可变性以允许不同的或宽范围的转换增益比率(例如，图4B的电荷泵420的DIV2和DIV3配置)是特别有用的。经缩放的电压VOUT'被施加到比较器504的第一输入。比较器504的第二输入是来自参考电压生成器502的经缩放的参考电压VREF。如果VOUT'近似等于或大于VREF(由于比较器504内的部件和信号路径中的微小偏差而可能出现小的不符合)，则比较器504输出输出标志信号VOutComp。由于VREF和/或VOUT'可以是可调节的或可设置的，因此可以设置关于VOUT(以及因此VOUT')是否被认为已经达到选定目标值的容差，从而生成输出标志信号VOutComp。应当清楚，可以使用其他类型的比较或测量电路来代替图5B所示的输出状态检测器304_x。然而，有利的是，所示出的电路易于实现。
图5C是特别适用于与图4B的两相电荷泵420一起使用的节点状态检测器302_x的示意图。分压器网络包括串联耦接至并联电阻器R5和R6的分流电阻器R4。电阻器R5和R6分别耦接至来自电荷泵420的同级节点对(例如，N1a和N1b，或N2a和N2b)。在一些实施方式中，电阻器R4的值可以是可调节的或可设置的，这对于提供可变性以允许不同的或宽范围的转换增益比(例如，图4B的电荷泵420的DIV2和DIV3配置)是特别有用的。应当清楚，可以使用其他类型的分压器电路来代替所示的分压器网络。然而，有利的是，所示出的电路易于实现。
在示出的实施方式中，分流电阻器R4与并联电阻器R5和R6之间的节点X耦接至比较器506的第一输入。比较器506的第二输入是来自参考电压生成器502的经缩放的参考电压VREF。如果节点X处的电压大致等于或大于VREF，则比较器506输出节点标志信号VNodeComp。在这种情况下，节点X处的电压等于施加在节点1输入和节点2输入处的差分电压的缩放与求和版本。开关Sw1和Sw2允许节点状态检测器302_x在不使用时与电荷泵420断开耦接。应当清楚，可以使用其他类型的比较或电压测量电路来代替图5C所示的节点状态检测器302_x。然而，有利的是，所示出的电路易于实现。
对于具有转换增益N的电荷泵420而言，将存在节点状态检测器302_x的(N-1)个实例。因此，例如，对于转换增益为N＝3的图4B的两相电荷泵420的DIV3配置而言，节点状态检测器302_x的第一实例的节点1和节点2将耦接至差分节点N1a和N1b，而节点状态检测器302_x的第二实例的节点1和节点2将耦接至差分节点N2a和N2b。对于转换增益为N且相数为m(其中，m≥1)的电荷泵而言，如果每个节点状态检测器302_x的节点X输入的数量等于m，则节点状态检测器302_x的数量仍可以为(N-1)。参考图5C的实施方式，m个节点X输入将各自耦接至开关SwX和电阻器R_X的串联连接，从而共享相同的分流电阻器和节点X。在这种情况下，节点X处的电压等于在每个节点X输入处施加的电压的缩放与求和版本。
图5D是图5C的分压器网络的等效电路示意图508，其中，耦接至差分节点1输入和节点2输入的电阻器具有相同的电阻值R，而从节点X到电路地的分流电阻器具有从R按因数1/n缩放的电阻值。在这种情况下，节点X处的电压是节点1与节点2处的电压之和除以(2+n)。如果n的值远小于2，则节点X处的电压接近节点1和节点2处的差分电压的平均值。因此，图5D的电路可以用于生成表示两个输入电压的平均值的输出电压，其中，n的值被选择为根据需要来调整施加到该平均值的缩放因数以适应电荷泵转换增益比、软启动或启动完成的标准等。
对于一般的对称级联倍增器，图5C的差分节点状态检测器302_x的优点在于，它利用泵电容器的“顶”板节点上的电压跨多个切换相位的级对称性来生成差分电压的缩放平均值。可以将在节点X处生成的经缩放平均电压与从VIN得出的VREF参考电压进行比较。例如，对于图4B的电荷泵420的DIV3配置而言，取决于时钟相位，泵电容器C1a和C1b的顶板电压将在3*VX和2*VX之间区别地切换，因此它们的经缩放平均电压将与5*VX成比例，而泵电容器C2b和C2a的顶板电压将在2*VX与VX之间区别地切换，因此它们的经缩放平均电压将与3*VX成比例。作为另一示例，对于图4B的电荷泵420的DIV2配置而言，取决于时钟相位，泵电容器C1a和C1b的顶板电压将在2*VX与VX之间区别地切换，因此它们的经缩放平均电压将与3*VX成比例，而泵电容器C2b和C2a的顶板电压将在2*VX与VX之间区别地切换，因此它们的经缩放平均电压也将与3*VX成比例。
应当认识到的是，图3的节点状态检测器302_x仅是适用于差分情况的电路的示例，并且可以利用其他差分电路。此外，在替选实施方式中，单端电压检测电路可以用于图3的节点状态检测器302_x(参见以下关于图5E和图5F的描述)。
图6是示出耦接至状态验证电路306_x的输出状态检测器304_x(来自图5B)和节点状态检测器302_x(来自图5C)的两个实例的框图。在所示出的示例中，状态验证电路306_x被实现为与门，该与门仅在来自节点状态检测器302_x和输出状态检测器304_x的所有标志信号(VOutComp、VNodeComp1和VNodeComp2)指示电荷泵420的泵电容器和输出电容器COUT被充电到目标稳态值的选定百分比的情况下生成逻辑“1”StartUpOk信号。可以将StartUpOk信号考虑作为在确定是否将相关联的电荷泵420从启动状态转变并进行到全功率稳态操作(例如通过停用任何启动状态限制或输出电力输送的减少)时的一个必需条件。
本发明的实施方式的变化和益处
在一些实施方式中，上述节点状态检测器302_x的组合可以与并联连接的电力转换器100_x的集合的转换器电路102结合使用；即，节点状态检测器302_x的类型可以在并联连接的电力转换器100_x之间变化。
在不同的实施方式中，状态验证电路306_n可以与控制器(例如图1中的控制器104)交互或相互通信，使得例如同时或以期望的顺序发出StartUpOk_x标志信号，以便进一步控制各个电力转换器100_x从启动到稳态操作的转变。
此外，状态验证电路306_n可以被配置成在发出StartUpOk_x标志信号时考虑除了目标电容器电荷值之外的因素，例如启动电力转换器100_x的期望顺序。其他因素可以包括电力转换器100_x的输出电流是否为负(应用于电荷泵和电压调节器电力转换器两者的因素)或者节点电压是否大于期望阈值(特别地与绝热电荷泵有关)。类似地，系统状态验证电路308可以与控制器(例如图1中的控制器104)交互或相互通信，使得例如SysStartUpOk标志信号的发出考虑除了各个StartUpOk_x标志信号之外的因素。
一种替选类型的节点状态检测器302_x将是耦接至要监测的一个或更多个节点的常规采样保持电路。采样保持电路可以被配置成仅在特定时间期间，例如在时钟信号P1与P2之间或仅在这样的时钟信号的特定部分期间，周期性地对耦接的一个或更多个节点处的电压或电流进行采样。例如，这将允许监测在峰和/或谷处的时变节点值，而不是对多个节点求和以获得平均值。
图5E是基于采样保持电路的节点状态检测器302_x的示例实施方式的框图。在示出的示例中，将堆叠节点VCX(其可以包括VX节点)处的电压施加到开关Sw的输入，开关Sw在闭合时将所施加的电压耦接至保持电容器CH和比较器510的第一输入。比较器510的第二输入是例如来自图5A中的参考电压生成器502的经缩放参考电压VREF。在采样时钟信号的控制下周期性地断开开关Sw，并且将保持电容器CH上的采样保持电压与VREF进行比较。如果耦接的节点处的电压近似等于或大于VREF，则比较器510输出节点标志信号VNodeComp。采样时钟信号可能需要通过电平移位器512(以虚线示出)，以便能够对来自较高电压VCX节点的电压进行采样。值得注意的是，图5E的节点状态检测器302_x是单端电压检测电路。
对于被采样的任何VCX节点n而言，节点n处的电压将在VX的两个整数倍即nVX和(n-1)VX之间变化。理想地，应当在节点n处的VCX达到节点n处的最大电压nVX时进行采样，以更好地表示在对应电容器两端达到的电压。另外，与正被测量的堆叠节点VCX相关联的相位节点(例如，图4A中的PN1或PN2)应当被下拉到电路接地(例如，通过开关，未示出)，使得采样的电压是相关联的泵电容器CX两端的电压。
图5F示出图5E的采样时钟波形与两相电荷泵时钟相比的一种可能关系的时序图集合。如图所示，采样时钟信号应当具有容纳于选定电荷泵时钟相位的脉冲宽度内的脉冲宽度，如虚线514和516所示。采样仅需要在电荷泵时钟相位之一期间发生，优选地在被采样的VCX节点处具有较高电压的相位(例如，相位P1)期间发生。
可以用作采样保持节点状态检测器302_x的电路的其他示例可以在上面引用的美国专利申请序列第16/783,800号中找到。
本发明的各种实施方式的优点包括以下中的一个或更多个：
·在不需要在电力转换器的相应VOUT输出与负载节点LN之间串联的降低性能的隔离开关的情况下，避免了并联电力转换器集合中增加的电力转换器中的损坏性的涌入电流和/或开关过应力的问题；
·对直接连接的并联电力转换器进行更精确的启动检测，以使得免受启动期间电力转换器内的一个或更多个故障事件的影响，从而避免损坏性的涌入电流和/或开关过应力的问题；
·对并联电荷泵进行更精确的启动检测，以使得免受启动期间的故障状况例如有故障的泵电容器或输出电容器或其他电荷泵电路的影响，从而避免损坏性的涌入电流和/或开关过应力的问题；
·对于某些电荷泵类型而言，通过使用泵电容器开关节点的级对称性来对电压进行平均来进行与参考电压的比较，从而简化节点状态检测器实现方式；
·避免了电荷泵节点上的过压应力和/或过流应力(当电荷泵被实现为使用低压晶体管开关尤其是MOSFET开关的集成电路解决方案时尤其重要)；和/或
·避免了电力浪费和/或热问题，原因在于仍然处于软启动时段的电力转换器可能将电流从电力转换器输出分流，而已经转变离开软启动时段的一个或更多个其他电力转换器进行工作以维持共享的输出VOUT。
方法
本发明的另一方面包括用于具有直接连接的输出的多个并联电力转换器的启动检测的方法。例如，图7是示出用于具有直接连接的输出的多个并联电力转换器的启动检测的第一方法的处理流程图700。该方法包括：监测至少一个电力转换器的输出，并且如果该输出处的电压在对应的目标稳态输出值的期望百分比内，则生成输出标志信号(框702)；监测至少一个电力转换器内的至少一个节点，并且如果该至少一个节点处的电压和/或电流具有期望的节点值和/或极性，则生成对应的节点标志信号(框704)；以及如果与多个电力转换器中的至少一个对应的输出标志信号和一个或多个节点标志信号都已被置于有效态，则生成逻辑信号(框706)。
作为另一示例，图8是示出用于具有直接连接的输出的多个并联电力转换器的启动检测的第二方法的处理流程图800。该方法包括：监测至少一个电力转换器的输出，并且如果该输出处的电压具有选定输出值，则生成输出标志信号(框802)；监测至少一个电力转换器内的至少一个节点，并且如果该至少一个节点处的电压和/或电流在对应的目标稳态节点值的选定百分比内，则生成对应的节点标志信号(框804)；以及如果与多个电力转换器中的至少一个相对应的输出标志信号和一个或多个节点标志信号都已被置于有效态，则生成逻辑信号(框806)。
作为又一示例，图9是示出用于具有直接连接的输出的多个并联电力转换器的启动检测的第三方法的处理流程图900。该方法包括：监测至少一个电力转换器的输出电容器，并且如果输出电容器被充分充电到选定电平，则生成输出标志信号(框902)；监测至少一个电力转换器内的至少一个泵电容器节点，并且如果至少一个泵电容器节点被充分充电到选定电平，则生成对应的节点标志信号(框904)；以及如果与多个电力转换器中的至少一个相对应的输出标志信号和一个或多个节点标志信号都已被置于有效态，则生成逻辑信号(框906)。
上述方法的其他方面可以包括响应于逻辑信号的接收而使至少一个电力转换器能够转变到稳态操作模式。
制造技术和选项
注意，虽然以上在启动检测的上下文中描述了节点状态检测器302_x电路，但是它们也可以用于连续地监测堆叠节点VCX以及VX和/或VOUT。这对于例如在启动之后检测故障状况、生成VOUTCOMP值可能是有用的，该VOUTCOMP值可以在例如被监测节点处的电压下降到低于选定值或超过选定值时用作中断信号。因此，电力转换器可以响应于从一个或更多个节点状态检测器302_x电路至少接收到指示故障事件(例如，电压和/或电流过低或过高)的VOUTCOMP信号而转变离开稳态操作模式(例如，转变到启动模式)。
如本公开内容中所使用的，术语“MOSFET”包括具有其电压确定晶体管的导通性的绝缘栅极的任何场效应晶体管(FET)，并且包括具有金属或类金属、绝缘体和/或半导体结构的绝缘栅极。术语“金属”或“类金属”包括至少一种导电材料(例如，铝、铜或其他金属，或者高掺杂的多晶硅、石墨烯或其他导电体)，“绝缘体”包括至少一种绝缘材料(例如，氧化硅或其他介电材料)，并且“半导体”包括至少一种半导体材料。
可以实现本发明的各种实施方式以满足各种规范。除非以上另有说明，否则对合适的部件值的选择是设计选择的问题。本发明的各种实施方式可以以任何合适的集成电路(IC)技术(包括但不限于MOSFET结构)或者以混合或分立电路形式来实现。可以使用任何合适的基板和工艺(包括但不限于标准体硅、绝缘体上硅(SOI)和蓝宝石上硅(SOS))来制造集成电路实施方式。除非以上另有说明，否则本发明的实施方式可以以其他晶体管技术例如双极、LDMOS、BCD、GaAs HBT、GaN HEMT、GaAs pHEMT和MESFET技术来实现。然而，本发明的实施方式在使用基于SOI或SOS的工艺来制造时或者在使用具有类似特性的工艺来制造时特别有用。使用SOI或SOS工艺以CMOS进行的制造使得电路能够具有低功耗、由于FET堆叠而在操作期间承受高功率信号的能力、良好的线性度以及高频操作(即，高达并超过50GHz的射频)。单片IC实现方式是特别有用的，因为可以通过精心设计而将寄生电容通常保持为低(或保持为最小，跨所有单元保持一致，从而允许对寄生电容进行补偿)。
根据特定规范和/或实现技术(例如，NMOS、PMOS或CMOS以及增强模式或耗尽模式的晶体管器件)，可以调整电压电平，以及/或者将电压和/或逻辑信号极性反转。部件电压、电流和功率的处理能力可以根据需求进行调整，例如，通过调整器件的尺寸、串联“堆叠的”部件(特别是FET)以承受更大的电压和/或使用并联的多个部件以处理更大的电流。可以添加附加电路部件以增强所公开的电路的能力，以及/或者在不显著改变所公开的电路的功能的情况下提供附加功能。
根据本发明的电路和装置可以被单独使用或与其他部件、电路和装置结合使用。本发明的实施方式可以制造为集成电路(IC)，其可以被包封在IC封装和/或模块中，以易于处理、制造和/或提高性能。特别地，本发明的IC实施方式通常用于其中一个或更多个这样的IC与其他电路块(例如，滤波器、放大器、无源部件以及可能的附加IC)组合成一个封装的模块。然后，IC和/或模块通常与通常在印刷电路板上的其他部件组合，以形成最终产品，例如蜂窝电话、膝上型计算机或电子平板电脑，或形成可以在各种各样的产品例如车辆、测试装备、医疗装置等中使用的更高级别的模块。通过模块和组件的各种配置，这样的IC通常实现通信模式，通常是无线通信。
总结
已经描述了本发明的许多实施方式。应当理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种修改。例如，以上描述的步骤中的一些可以是与顺序无关的，并且因此可以以与所描述的顺序不同的顺序来执行。此外，上述步骤中的一些步骤可以是可选的。针对上述方法描述的各种动作可以以重复的、连续的或并行的方式来执行。
应当理解的是，前述描述旨在说明而非限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书的范围限定，并且其他实施方式在权利要求书的范围内。特别地，本发明的范围包括所附权利要求书中阐述的过程、机器、制品或物质组成中的一种或更多种的任何和所有可行组合。(注意，权利要求元素的括号里的标记是为了易于查阅这样的元素，并且其本身并不指示元素的特别要求的排序或枚举；此外，这样的标记可以在从属权利要求中重复使用，作为对附加元素的引用，而不应被视为开始互相冲突的标记序列)。

Claims (45)

1.一种检测电路，被配置成耦接至具有直接连接的输出的多个并联电力转换器，所述检测电路包括用于至少一个电力转换器的：
(a)至少一个节点状态检测器，每个节点状态检测器耦接至所述至少一个电力转换器的对应节点，并且被配置成如果所述对应节点处的电压和/或电流具有选定节点值，则将对应的节点标志信号置于有效态；
(b)输出状态检测器，其耦接至所述至少一个电力转换器的输出，并且被配置成如果所述输出处的电压具有选定输出值，则将输出标志信号置于有效态；以及
(c)状态验证电路，其被配置成从所述至少一个节点状态检测器接收所述节点标志信号，并且可选地从所述输出状态检测器接收所述输出标志信号，并且如果所接收到的所有标志信号都被置于有效态，则将逻辑信号置于有效态。
2.根据权利要求1所述的发明，其中，所述至少一个电力转换器被配置成响应于从所述状态验证电路接收到被置于有效态的逻辑信号而转变至稳态操作模式。
3.根据权利要求1所述的发明，其中，在未从所述状态验证电路接收到所述逻辑信号的情况下，阻止所述至少一个电力转换器转变至稳态操作模式。
4.根据权利要求1所述的发明，其中，所述至少一个电力转换器被配置成响应于从所述状态验证电路接收到至少所述逻辑信号而转变离开稳态操作模式。
5.根据权利要求1所述的发明，其中，所述至少一个电力转换器包括开关电容器电力转换器。
6.根据权利要求5所述的发明，其中，每个开关电容器电力转换器包括串联耦接的多个开关，并且所述多个开关中的至少一个开关耦接至相关联的节点状态检测器。
7.根据权利要求1所述的发明，其中，在未从所有状态验证电路都接收到被置于有效态的逻辑信号的情况下，阻止所述至少一个电力转换器转变至稳态操作模式。
8.根据权利要求1所述的发明，其中，所述至少一个电力转换器包括对称级联倍增器电荷泵。
9.根据权利要求1所述的发明，其中，所述至少一个节点状态检测器包括：
(a)分压器网络，其被配置成从所述至少一个电力转换器内的同级节点对接收输入电压，并且输出所述输入电压的缩放和；以及
(b)比较电路，其耦接至所述分压器网络的输出并且耦接至参考电压，所述比较电路被配置成如果所述对应节点处的电压具有选定节点值，则将所述对应的节点标志信号置于有效态。
10.一种检测电路，被配置成耦接至具有直接连接的输出的多个并联电力转换器，所述检测电路包括用于至少一个电力转换器的：
(a)至少一个节点状态检测器，每个节点状态检测器耦接至所述至少一个电力转换器的对应节点，并且被配置成如果所述对应节点处的电压和/或电流在对应的目标稳态节点值的选定百分比内，则将对应的节点标志信号置于有效态；
(b)输出状态检测器，其耦接至所述至少一个电力转换器的输出，并且被配置成如果所述输出处的电压在对应的目标稳态输出值的选定百分比内，则将输出标志信号置于有效态；以及
(c)状态验证电路，其耦接至所述至少一个电力转换器、所述输出状态检测器和所述至少一个节点状态检测器，所述状态验证电路被配置成从所述输出状态检测器接收所述输出标志信号以及从所述至少一个节点状态检测器接收所述对应的节点标志信号，并且如果所接收到的所有标志信号中都被置于有效态，则将逻辑信号置于有效态。
11.根据权利要求10所述的发明，其中，所述至少一个电力转换器被配置成响应于从所述状态验证电路接收到至少所述逻辑信号而转变至稳态操作模式。
12.根据权利要求10所述的发明，其中，在未从所述状态验证电路接收到所述逻辑信号的情况下，阻止所述至少一个电力转换器转变至稳态操作模式。
13.根据权利要求10所述的发明，其中，所述至少一个电力转换器被配置成响应于从所述状态验证电路接收到至少所述逻辑信号而转变离开稳态操作模式。
14.根据权利要求10所述的发明，其中，所述至少一个电力转换器包括开关电容器电力转换器。
15.根据权利要求10所述的发明，其中，所述至少一个电力转换器包括对称级联倍增器电荷泵。
16.根据权利要求10所述的发明，其中，所述至少一个节点状态检测器包括：
(a)分压器网络，其被配置成从所述至少一个电力转换器内的同级节点对接收输入电压，并且输出所述输入电压的缩放和；以及
(b)比较电路，其耦接至所述分压器网络的输出并且耦接至参考电压，所述比较电路被配置成如果所述对应节点处的电压具有选定节点值，则将所述对应的节点标志信号置于有效态。
17.一种检测电路，被配置成耦接至具有直接连接的输出的多个电力转换器，所述检测电路包括用于至少一个电力转换器的：
(a)至少一个节点状态检测器，每个节点状态检测器耦接至所述至少一个电力转换器的对应泵电容器节点，并且被配置成如果所述对应泵电容器节点被充分充电到选定电平，则将对应的节点标志信号置于有效态；
(b)输出状态检测器，其耦接至所述至少一个电力转换器的输出电容器，并且被配置成如果所述输出电容器被充分充电到选定电平，则将输出标志信号置于有效态；以及
(c)状态验证电路，其耦接至所述至少一个电力转换器、所述输出状态检测器和所述至少一个节点状态检测器，所述状态验证电路被配置成从所述输出状态检测器接收所述输出标志信号以及从所述至少一个节点状态检测器接收所述对应的节点标志信号，并且如果所接收到的所有标志信号都被置于有效态，则向所述至少一个电力转换器提供逻辑信号；
其中，所述至少一个电力转换器被配置成响应于从所述状态验证电路接收到至少所述逻辑信号而转变至稳态操作模式。
18.根据权利要求17所述的发明，其中，所述至少一个电力转换器包括电荷泵。
19.根据权利要求17所述的发明，其中，所述至少一个电力转换器包括对称级联倍增器电荷泵。
20.根据权利要求17所述的发明，其中，所述至少一个节点状态检测器包括：
(a)分压器网络，其被配置成从同级泵电容器节点对接收输入电压并且输出所述输入电压的缩放和；以及
(b)比较电路，其耦接至所述分压器网络的输出并且耦接至参考电压，所述比较电路被配置成如果所述同级泵电容器节点对的电压具有选定值，则将所述对应的节点标志信号置于有效态。
21.一种电路，包括：
(a)多个并联电力转换器，其具有直接连接的输出；
(b)至少一个节点状态检测器，其耦接至所述多个电力转换器中的对应电力转换器的至少一个泵电容器节点，并且被配置成如果所述至少一个泵电容器节点被充分充电到选定电平，则将对应的节点标志信号置于有效态；
(c)至少一个输出状态检测器，其耦接至所述多个电力转换器中的对应电力转换器的输出电容器，并且被配置成如果所述输出电容器被充分充电到选定电平，则将输出标志信号置于有效态；以及
(d)至少一个状态验证电路，其耦接至所述多个电力转换器中的至少一个、输出状态检测器中的至少一个以及所述节点状态检测器中的至少一个，所述至少一个状态验证电路被配置成(1)从所耦接的电力转换器和所耦接的状态检测器接收所述输出标志信号和一个或多个所述对应的节点标志信号，并且(2)如果所接收到的所有标志信号都被置于有效态，则向至少一个耦接的电力转换器提供逻辑信号；
其中，所述至少一个耦接的电力转换器被配置成响应于从所述至少一个状态验证电路接收到至少所述逻辑信号而转变至稳态操作模式，并且在未从所述至少一个状态验证电路接收到所述逻辑信号的情况下，阻止所述至少一个耦接的电力转换器转变至所述稳态操作模式。
22.根据权利要求21所述的发明，其中，所述多个电力转换器中的至少一个电力转换器包括开关电容器电力转换器。
23.根据权利要求21所述的发明，其中，所述多个电力转换器中的至少一个电力转换器包括对称级联倍增器电荷泵。
24.根据权利要求21所述的发明，其中，所述至少一个节点状态检测器包括：
(a)分压器网络，其被配置成从一对对称泵电容器节点接收输入电压，并且输出所述输入电压的缩放和；以及
(b)比较电路，其耦接至所述分压器网络的输出并且耦接至参考电压，所述比较电路被配置成如果所述一对对称泵电容器节点的电压具有选定值，则将所述对应的节点标志信号置于有效态。
25.一种用于具有直接连接的输出的多个并联电力转换器的启动检测的方法，所述方法包括：
(a)监测至少一个电力转换器的输出，并且如果所述输出处的电压具有选定输出值，则生成输出标志信号；
(b)监测所述至少一个电力转换器的至少一个节点，并且如果所述至少一个节点处的电压和/或电流具有选定节点值和/或极性，则生成对应的节点标志信号；以及
(c)如果与所述多个电力转换器中的至少一个对应的所述输出标志信号和一个或多个节点标志信号都被置于有效态，则生成逻辑信号。
26.根据权利要求26所述的方法，还包括：响应于接收到至少所述逻辑信号而使至少一个电力转换器能够转变至稳态操作模式。
27.根据权利要求26所述的方法，还包括：在未接收到所述逻辑信号的情况下，阻止至少一个电力转换器转变至稳态操作模式。
28.根据权利要求26所述的方法，还包括：响应于接收到至少所述逻辑信号而使至少一个电力转换器能够转变离开稳态操作模式。
29.一种用于具有直接连接的输出的多个并联电力转换器的启动检测的方法，所述方法包括：
(a)监测至少一个电力转换器的输出，并且如果所述输出处的电压在对应的目标稳态输出值的选定百分比内，则生成输出标志信号；
(b)监测至少一个电力转换器的至少一个节点，并且如果所述至少一个节点处的电压和/或电流在对应的目标稳态节点值的选定百分比内，则生成对应的节点标志信号；以及
(c)如果与所述多个电力转换器中的至少一个对应的所述输出标志信号和一个或多个所述节点标志信号都被置于有效态，则生成逻辑信号。
30.根据权利要求29所述的方法，还包括：响应于接收到至少所述逻辑信号而使至少一个电力转换器能够转变至稳态操作模式。
31.根据权利要求29所述的方法，还包括：在未接收到所述逻辑信号的情况下，阻止至少一个电力转换器转变至稳态操作模式。
32.根据权利要求29所述的方法，还包括：响应于接收到至少所述逻辑信号而使至少一个电力转换器能够转变离开稳态操作模式。
33.一种用于具有直接连接的输出的多个并联电力转换器的检测电路，所述检测电路包括用于至少一个电力转换器的：
(a)监测至少一个电力转换器的输出电容器，并且如果所述输出电容器被充分充电到选定电平，则生成输出标志信号；
(b)监测所述至少一个电力转换器的至少一个泵电容器节点，并且如果所述至少一个泵电容器节点被充分充电到选定电平，则生成对应的节点标志信号；以及
(c)如果与所述多个电力转换器中的至少一个对应的所述输出标志信号和一个或多个节点标志信号都被置于有效态，则生成逻辑信号。
34.根据权利要求33所述的方法，还包括：响应于接收到至少所述逻辑信号而使至少一个电力转换器能够转变至稳态操作模式。
35.根据权利要求33所述的方法，还包括：在未接收到所述逻辑信号的情况下，阻止至少一个电力转换器转变至稳态操作模式。
36.根据权利要求33所述的方法，还包括：响应于接收到至少所述逻辑信号而使至少一个电力转换器能够转变离开稳态操作模式。
37.一种具有直接连接的输出的多个并联开关电容器电力转换器电路，每个开关电容器电力转换器电路被配置成耦接至一个或更多个电容器并且包括：
(a)至少一个节点状态检测器，每个节点状态检测器耦接至所述开关电容器电力转换器电路的对应节点，并且被配置成如果所述对应节点处的电压和/或电流足以允许所述开关电容器电力转换器电路启动以转变至稳态操作模式，则将对应的节点标志信号置于有效态；
(b)状态验证电路，其被配置成从所述至少一个节点状态检测器接收所述节点标志信号，并且除非基于来自这样的多个并联开关电容器电力转换器电路中的每一个的对应节点标志信号，所述多个并联开关电容器电力转换器电路全部都准备好转变至所述稳态操作模式，否则阻止所述多个并联开关电容器电力转换器电路转变至所述稳态操作模式。
38.根据权利要求37所述的发明，其中，每个开关电容器电力转换器电路包括串联耦接的多个开关，并且所述多个开关中的至少一个开关耦接至相关联的节点状态检测器。
39.根据权利要求37所述的发明，其中，所述开关电容器电力转换器电路的至少一个节点是所述开关电容器电力转换器电路的输出，并且至少一个节点状态检测器耦接至所述开关电容器电力转换器电路的输出。
40.一种具有直接连接的输出的多个并联开关电容器电力转换器电路，每个开关电容器电力转换器电路包括串联耦接并且被配置成耦接至一个或更多个电容器的多个开关，并且每个开关电容器电力转换器电路包括：
(a)至少一个节点状态检测器，每个节点状态检测器耦接至与所述开关电容器电力转换器电路内的所述多个开关中的至少一个开关相关联的对应节点，并且被配置成如果所述对应节点处的电压和/或电流足以允许所述开关电容器电力转换器电路启动以转变至稳态操作模式，则将对应的节点标志信号置于有效态；
(b)状态验证电路，其被配置成从所述至少一个节点状态检测器接收所述节点标志信号，并且除非所述多个并联开关电容器电力转换器电路全部准备好转变至所述稳态操作模式，否则阻止所述多个并联开关电容器电力转换器电路转变至所述稳态操作模式。
41.根据权利要求40所述的发明，其中，至少一个节点状态检测器耦接至所述开关电容器电力转换器电路的输出。
42.一种开关电容器电力转换器电路，包括输出和串联耦接的多个开关，并且被配置成通过相应输出的直接连接并联耦接至至少一个其他开关电容器电力转换器电路，所述开关电容器电力转换器电路包括：
(a)至少一个节点状态检测器，每个节点状态检测器耦接至与所述开关电容器电力转换器电路内的所述多个开关中的至少一个相关联的对应节点，并且被配置成如果所述对应节点处的电压和/或电流足以允许所述开关电容器电力转换器电路启动以转变至稳态操作模式，则将对应的节点标志信号置于有效态；
(b)状态验证电路，其被配置成从所述至少一个节点状态检测器接收所述节点标志信号，并且除非基于来自这样的多个并联开关电容器电力转换器电路中的每一个的对应节点标志信号，并联耦接的开关电容器电力转换器电路全部都准备好转变至所述稳态操作模式，否则阻止所述并联耦接的开关电容器电力转换器电路转变至所述稳态操作模式。
43.根据权利要求42所述的发明，其中，至少一个节点状态检测器耦接至所述开关电容器电力转换器电路的输出。
44.一种检测电路，被配置成耦接至具有直接连接的输出的多个并联开关电容器电力转换器电路中的对应开关电容器电力转换器电路，每个开关电容器电力转换器电路包括串联耦接并且被配置成耦接至一个或更多个电容器的多个开关，每个检测电路包括：
(a)至少一个节点状态检测器，每个节点状态检测器耦接至所述至少一个开关电容器电力转换器电路的对应节点，并且被配置成如果所述对应节点处的电压和/或电流具有选定节点值，则将对应的节点标志信号置于有效态；
(b)输出状态检测器，其耦接至所述至少一个开关电容器电力转换器电路的输出，并且被配置成如果所述输出端的电压具有选定输出值，则将输出标志信号置于有效态；以及
(c)状态验证电路，其被配置成从所述至少一个节点状态检测器接收所述节点标志信号，并且可选地从所述输出状态检测器接收所述输出标志信号，并且如果所接收到的所有标志信号都被置于有效态，则将逻辑信号置于有效态；
其中，在未从所述多个并联开关电容器电力转换器电路的所有状态验证电路都接收到的被置于有效态的逻辑信号的情况下，通过所述状态验证电路阻止所述多个并联开关电容器电力转换器电路中的对应开关电容器电力转换器电路转变至稳态操作模式。
45.一种检测电路，被配置成耦接至具有直接连接的输出的多个并联开关电容器电力转换器电路中的对应开关电容器电力转换器电路，每个开关电容器电力转换器电路包括串联耦接并且被配置成耦接至一个或更多个电容器的多个开关，每个检测电路包括：
(a)至少一个节点状态检测器，每个节点状态检测器耦接至至少一个开关电容器电力转换器电路的对应节点，并且被配置成如果所述对应节点处的电压和/或电流具有选定节点值，则将对应的节点标志信号置于有效态；
(b)输出状态检测器，其耦接至所述至少一个开关电容器电力转换器电路的输出，并且被配置成如果所述输出处的电压具有选定输出值，则将输出标志信号置于有效态；以及
(c)状态验证电路，其被配置成从所述输出状态检测器接收所述输出标志信号，并且可选地从所述至少一个节点状态检测器接收所述节点标志信号，并且如果所接收的所有标志信号都被置于有效态，则将逻辑信号置于有效态；
其中，在未从所述多个并联开关电容器电力转换器电路的所有状态验证电路都接收到被置于有效态的逻辑信号的情况下，通过所述状态验证电路阻止所述多个并联开关电容器电力转换器电路中的对应开关电容器电力转换器电路转变至稳态操作模式。
CN202180018647.5A 2020-03-03 2021-03-02 用于并联电力转换器的启动检测 Pending CN115211012A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/807,753 2020-03-03
US16/807,753 US10992226B1 (en) 2020-03-03 2020-03-03 Startup detection for parallel power converters
PCT/US2021/020468 WO2021178404A1 (en) 2020-03-03 2021-03-02 Startup detection for parallel power converters

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115211012A true CN115211012A (zh) 2022-10-18

Family

ID=75223419

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202180018647.5A Pending CN115211012A (zh) 2020-03-03 2021-03-02 用于并联电力转换器的启动检测

Country Status (5)

Country Link
US (2) US10992226B1 (zh)
CN (1) CN115211012A (zh)
DE (1) DE112021000755T5 (zh)
TW (1) TW202145690A (zh)
WO (1) WO2021178404A1 (zh)

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102355293B1 (ko) * 2019-09-27 2022-01-25 주식회사 실리콘마이터스 스위치-커패시터 컨버터
US10958166B1 (en) 2020-02-06 2021-03-23 Psemi Corporation Startup of switched capacitor step-down power converter
US11482931B2 (en) 2020-02-06 2022-10-25 Psemi Corporation In-rush current protected power converter
US10992226B1 (en) 2020-03-03 2021-04-27 Psemi Corporation Startup detection for parallel power converters
US11646665B2 (en) 2021-06-24 2023-05-09 Psemi Corporation Efficient bootstrap supply generators for multi-level power converters
US20220416653A1 (en) 2021-06-24 2022-12-29 Psemi Corporation Multi-Level Structures and Methods for Switched-Mode Power Supplies
WO2022271413A1 (en) 2021-06-24 2022-12-29 Psemi Corporation Multi-level structures and methods for switched-mode power supplies
US11923765B2 (en) 2021-11-01 2024-03-05 Psemi Corporation Multi-level power converters having a top and bottom high-voltage protective switches
WO2023076951A1 (en) 2021-11-01 2023-05-04 Psemi Corporation Protecting multi-level power converters
US11936291B2 (en) 2021-11-08 2024-03-19 Psemi Corporation Controlling charge-balance and transients in a multi-level power converter
WO2023081609A1 (en) 2021-11-08 2023-05-11 Psemi Corporation Controlling charge-balance and transients in a multi-level power converter
WO2023081610A1 (en) 2021-11-08 2023-05-11 Psemi Corporation Improving light-load recovery in a multi-level converter
US11641160B1 (en) * 2022-05-11 2023-05-02 Nanya Technology Corporation Power providing circuit and power providing method thereof
US20230387796A1 (en) 2022-05-24 2023-11-30 Psemi Corporation Charging Circuit for Bootstrap Capacitors
CN117081388B (zh) * 2023-10-12 2024-01-05 武汉市聚芯微电子有限责任公司 电荷泵控制方法、电路、装置、设备和存储介质

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6636104B2 (en) 2000-06-13 2003-10-21 Microsemi Corporation Multiple output charge pump
JP4365873B2 (ja) * 2007-06-06 2009-11-18 株式会社東芝 電圧供給回路および半導体記憶装置
US7907429B2 (en) 2007-09-13 2011-03-15 Texas Instruments Incorporated Circuit and method for a fully integrated switched-capacitor step-down power converter
US8120411B1 (en) * 2009-07-31 2012-02-21 Altera Corporation Charge pump with ramp rate control
US10103632B2 (en) * 2011-04-18 2018-10-16 Richtek Technology Corp. Enhanced phase control circuit and method for a multiphase power converter
US9136795B2 (en) 2011-05-19 2015-09-15 Skyworks Solutions, Inc. Variable switched DC-to-DC voltage converter
US8462578B2 (en) * 2011-05-23 2013-06-11 Freescale Semiconductor, Inc. Charge pump circuit with fast start-up
US20130234785A1 (en) 2012-03-12 2013-09-12 Futurewei Technologies, Inc. Apparatus and Method for Feedforward Controlled Charge Pumps
US8619445B1 (en) * 2013-03-15 2013-12-31 Arctic Sand Technologies, Inc. Protection of switched capacitor power converter
EP2979354B1 (en) 2013-03-26 2019-04-10 Telefonaktiebolaget LM Ericsson (publ) A voltage modulator
EP3047565B1 (en) 2013-09-19 2019-01-09 Philips Lighting Holding B.V. Compact driver, notably for a light emitting diode, having an integrated dual output
WO2016069803A1 (en) 2014-10-28 2016-05-06 Advanced Charging Technologies, LLC Electrical circuit for delivering power to consumer electronic devices
CN108173414B (zh) * 2017-12-29 2020-04-21 成都芯源系统有限公司 多相变换器及其负载电流瞬态上升检测方法
US10263514B1 (en) 2018-03-13 2019-04-16 Psemi Corporation Selectable conversion ratio DC-DC converter
US10965204B2 (en) * 2018-03-20 2021-03-30 Psemi Corporation Adaptive control for reconfiguring a regulator and/or a charge pump for a power converter
US10992226B1 (en) 2020-03-03 2021-04-27 Psemi Corporation Startup detection for parallel power converters

Also Published As

Publication number Publication date
TW202145690A (zh) 2021-12-01
WO2021178404A1 (en) 2021-09-10
US10992226B1 (en) 2021-04-27
US11855532B2 (en) 2023-12-26
US20230070219A1 (en) 2023-03-09
DE112021000755T5 (de) 2022-12-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11855532B2 (en) Startup detection for parallel power converters
TWI807250B (zh) 切換電容式降壓電力轉換器的啟動
EP3485562B1 (en) Balancing charge pump circuits
US11482931B2 (en) In-rush current protected power converter
US11146173B1 (en) Startup of power converter with switched-capacitor circuit
US11646665B2 (en) Efficient bootstrap supply generators for multi-level power converters
CN115411931A (zh) 动态分压比电荷泵开关
US11283344B2 (en) Current in-rush limiter
US11146167B1 (en) Current detection for an adiabatic power converter
US11356014B2 (en) Reversed-operation power converter startup circuit and method
US20210305818A1 (en) High Efficiency Bidirectional Charge Balancing of Battery Cells
US10797594B1 (en) Shared comparator for charge pumps
US11936371B1 (en) Accurate reduced gate-drive current limiter
US20230387796A1 (en) Charging Circuit for Bootstrap Capacitors
WO2024030722A1 (en) Multi-mode power converters with shared components
CN113746326A (zh) 一种开关电容转换器及方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20240410

Address after: Japan

Applicant after: Murata Manufacturing Co.,Ltd.

Country or region after: Japan

Address before: California, USA

Applicant before: Passion

Country or region before: U.S.A.

TA01 Transfer of patent application right