CN116937968A - 无电感器的功率转换器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于将输入端子处的输入电压以一转换率转换为输出端子处的输出电压的无电感器的功率转换器，该功率转换器包括多个级联的电容器级，每个电容器级包括并联连接在电容器级的输入端子对和输出端子对上的飞跨电容器，在每个级联的级之间设置开关块，开关块包括输入和输出端子对以及开关装置，开关装置用于将开关块的输入端子这一与输出端子之一相连接，用于将相应电容器级的电容器的顶板或底板与相应后一级联电容器级的电容器的顶板或底板连接，功率转换器还包括控制单元，该控制单元被布置成根据预定转换率设定的列表中的选定转换率设定来操作每个开关块的开关装置，每个预定转换率设定表示不同的转换率并且包括每个开关块的连接状态，其中预定转换率设定被限定为使得每个飞跨电容器的稳态电压在每个转换率设定之间相等，以用于以无损方式在转换率设定之间切换。

Description

无电感器的功率转换器
技术领域
本发明总体上涉及功率转换器(power converter，也称电力转换器)。更具体地，本发明涉及具有多级开关电容器的无电感器(inductor-less)的功率转换器，用于以某一转换率将输入电压转换成输出电压。
背景技术
功率转换器是用于将输入电压转换成输出电压的电气设备。这些电压可以根据转换率而不同，并且输入电流可以在形式和/或频率上不同于输出电流，例如转换器可以设置成将交流AC输入电压转换成直流DC输出电压，输出电压优选地具有不同的电压差。
这种用于将电能从一个电压电平转换成另一个电压电平、或者从一个频率转换成另一个频率、或者从一种类型转换成另一种类型的功率转换器通常用于便携式电子设备，诸如蜂窝电话、膝上型计算机、便携式计算机，但是也广泛用于物联网(Internet-of-Things,loT)、物联网设备或无线传感器节点、WSN。在这些应用中，主电源通常(主要)来自电池，并且这些设备通常还具有能量采集模块，以收集能量来给电池充电和/或给负载供电。
围绕一系列开关(switches)和电容器设计的功率转换器是众所周知且广泛使用的。近来，多级开关电容设计变得越来越流行。这种设计优于已知的基于电感器的功率转换器，因为没有磁性的或大形状因数的部件，这使得它们适合于小的集成设计或甚至完全的集成实现。
此外，这种设计不需要虚负载(dummy loads)，并且可用于更宽范围的负载。此外，这些功率转换器的转换效率通常高于基于电感器的替代产品。总而言之，这种无电感器的设计通常非常适合电池供电的应用。
然而，与基于电感器的替代产品相比，无电感器的设计也具有缺点，因为基于电感器的功率转换器具有大的连续转换率，而无电感器的设计只具有有限的离散数量的转换率以及低的最大转换率和/或最小转换率。此外，无电感器的功率转换器可以具有不同的转换率，但是在不同转换率之间切换会导致能量损失，这降低了转换器的整体性能，尤其是当与基于电感器的功率转换器相比时——基于电感器的功率转换器具有连续的转换率，使得从一个转换率切换到另一个不会导致能量损失。
因此，需要一种改进的无电感器的功率转换器，该功率转换器被配置用于在多个转换率之间切换，并且其中该功率转换器的总能量损失得到改进。
发明内容
在第一方面，提供了一种无电感器的功率转换器，用于以输入电压与输出电压之间的转换率，将输入端子处的所述输入电压转换为输出端子处的所述输出电压，所述功率转换器包括多个级联的(cascaded)电容器级，每个电容器级包括并联在所述电容器级的输入端子对和输出端子对上的飞跨电容器(flying capacitor)，并且其中在每个级联的级之间设置有开关块，所述开关块包括输入端子对、输出端子对、以及开关装置，所述开关装置用于将开关块的所述输入端子之一与开关块的所述输出端子之一相连接，以用于将相应电容器级的电容器的顶板或底板之一与相应后一级联电容器级的电容器的顶板或底板相连接，其中所述功率转换器还包括控制单元，所述控制单元被布置成根据预定转换率设定(conversion ratio setting)的列表中的选定转换率设定来操作每个开关块的开关装置，每个预定转换率设定表示不同的转换率并且包括每个开关块的连接状态，其中所述预定转换率设定被限定为使得每个飞跨电容器的稳态电压在每个转换率设定之间相等，以用于以无损方式在转换率设定之间切换。
所提出的转换器是无电感器的功率转换器，所述功率转换器被配置用于从输入电压到输出电压的直流DC到DC(DC-DC)转换。输入电压在输入端子对处提供，而输出电压在输出端子对处提供。输入电压和输出电压之间的比值限定了转换率，该比值可以大于1，也可以小于1，这意味着电压可以升高或降低，从而增大或减小。
该转换器是开关电容器转换器，或者特别是DC-DC开关电容器转换器。该转换器由几个级组成，这些级可以被认为是级联的级，每个级具有电容器或飞跨电容器。可以根据电容器的连接方式对电容器进行充电和放电。电容器的连接方式由连接在每个飞跨电容器之间的开关块的操作方式来限定，或者也被限定为电容器级。因此，转换器具有n个电容器级，从而具有n个飞跨电容器，并且在每个电容器级之间具有开关块，该开关块具有开关装置，该开关装置例如包括诸如晶体管的集成开关装置。开关块也可以存在于每个电容器级与输入端子以及每个电容器级与输出端子之间。
每个开关块的开关装置可以具有四个端子、一输入端子对和一输出端子对，因此四个端子中的一个端子连接到前一电容器级的顶板(或者对于第一开关块，连接到输入端子)，一个端子连接到后一电容器级的顶板(或者对于最后一个开关块，连接到输出端子)，一个端子连接到前一电容器级的底板(或者对于第一开关块，接地)，一个端子连接到后一电容器级的底板(或者对于最后一个开关块，接地)。开关装置被布置成将输入端子对中的任一个输入端子与输出端子对中的一个输出端子相连接，从而将前一电容器级的顶板与后一电容器级的顶板相连接，或者将前一电容器级的顶板与后一电容器级的底板相连接，或者将前一电容器级的底板与后一电容器级的顶板相连接，或者将前一电容器级的底板与后一电容器级的底板相连接。
给定了开关装置的不同控制方式以及因此每个电容器的连接方式，则电容器级数以及开关块的数量限定了转换率的选项的数量。级数的增加将使可配置的转换率的数量增加。
尽管开关装置可以根据几个转换率设定来操作，但是已经发现在这些设定之间的切换可能导致转换器的效率损失。特别地，发明人已经发现，在某些情况下，这种效率损失可以被减少或者甚至消除。发明人的发现是，当每个飞跨电容器的稳态电压在转换率之间保持相等时，可以以无损方式实现转换率之间的切换，因此没有或至少具有最小的效率损失。因此，在所有可能的转换率中，控制单元可以被配置为仅允许选择保证该要求的情况下的转换率设定。因此，控制器可以根据所有转换率设定的列表或子选择(sub-selection)，将当前转换率改变为下一个转换率，其中已经确定每个飞跨电容器的稳态电压在当前转换率和下一个转换率之间保持相等，因此该稳态电压在所选转换率设定之间保持相等。
利用所提出的功率转换器，可以根据多个离散的转换率以及根据升高转换还是降低转换来实现转换，例如在降压模式或升压模式下操作转换器。本文所提出的功率转换器的优点在于，与飞跨电容器的放电和/或充电相关联的能量损失保持最小或者被完全解决。此外，基于飞跨电容器或开关电容器的常规功率转换器可能需要转换率设定之间的安定时间，这降低了操作效果和效率。所提出的功率转换器还具有允许完全集成的IC设计的优点。
在一个示例中，所述转换器包括四个级联的电容器级。
在一个示例中，所述转换器包括五个开关块。
在一个示例中，所述控制单元包括用于存储预定转换率设定的列表的存储器单元，并且其中所述预定转换率设定的列表是所有可能的转换率设定的子选择。
在一个示例中，所述转换器被布置用于直流DC输入电压。
在一个示例中，所述转换器被布置成在10微瓦(μWatt)和100毫瓦(mWatt)之间的功率范围内，更优选地在50微瓦和50毫瓦之间的功率范围内，将输入电压转换成输出电压。
在一个示例中，所述转换器被布置为给传感器模块、物联网设备、USB设备和蓝牙模块中的一个或多个供电。
在一个示例中，所述转换器还包括多个输出电压轨(voltage rails)，该输出电压轨包括多个输出，每个输出具有不同的输出电压电平，其中每个输出包括并联在输出上的输出电容器，以及用于将电压轨连接到相应输出的开关输出装置。
在一个示例中，每个开关输出装置以顺序的方式被激活，以用于顺序地对每个输出电容器充电。
在一个示例中，所述转换器还包括多个输入电压轨，该多个输入电压轨包括多个输入，每个输入具有不同的输入电压电平，其中每个输入包括并联连接在输入上的输入电容器，以及用于将电压轨连接到相应输入的开关输入装置。
在一个示例中，每个开关输入装置以顺序的方式被激活，以用于顺序地对每个输入电容器充电。
在本公开的另一方面，提供了一种能量采集器装置，包括：
用于采集环境能量(优选为太阳能、热能、动能或射频能量中的一种)的能量采集模块，并将采集的能量作为输入电压提供给能量采集器装置；
根据前述任一方面所述的无电感器的功率转换器。
本领域技术人员将理解，上述能量采集模块仅仅是示例，并且本公开不仅限于这些示例，而是任何其他类型的适用能量源均可以与合适类型的能量采集模块一起使用。
在一个示例中，所述装置还包括：
最大功率点跟踪模块，其中所述最大功率点跟踪模块作为无电感器的功率转换器的控制单元操作，用于根据最大功率点跟踪算法来操作功率转换器的每个开关块的开关装置，该最大功率点跟踪算法是根据使每个飞跨电容器的稳态电压在每个转换率设定之间相等而选择的。
现在将参照附图通过具体实施例更详细地描述本发明，其中相同或相似的部分和/或部件用相同的附图标记表示。本发明不以任何方式限于所公开的实施例。
附图说明
现在将通过描述根据第一方面的无电感器的功率转换器和根据第二方面的能量采集器装置的实施例来解释本公开，其中参考以下附图，其中：
图1示出了根据本公开的第一方面的无电感器的功率转换器的实施例的示意图，其中示出了在多个开关块中的一个开关块的输入端子和输出端子之间的可能的连接；
图2示出了图1的无电感器的功率转换器的示意图，其中示出了多个开关块中的一个开关块的实施例；
图3示出了根据本公开的第一方面的对于四种不同转换率的无电感器的功率转换器的配置的示例；
图4示出了根据本公开的第一方面的无电感器的功率转换器的另一个实施例的示意图；
图5示出了根据本公开的第二方面的能量采集器装置的实施例的示意图。
具体实施方式
图1和图2示出了无电感器的功率转换器1，用于将无电感器的功率转换器1的输入端子处的输入电压VA转换成无电感器的功率转换器1的输出端子处的输出电压VB。功率转换器1包括四个级联的电容器级CSn，其中n＝1至4，其中每个电容器级包括并联在电容器级CSn的输入端子对和输出端子对上的飞跨电容器Cn。
在每个级联的级CSn之间，设置有开关块SBm，其中m＝1至n+1。每个开关块SBm包括输入端子对和输出端子对，以及用于连接开关块SBm的两个输入端子中的一个输入端子与两个输出端子中的一个输出端子的开关装置。对于开关块SB2，图1更详细地示出了相应开关块SB2的输入端子和输出端子之间的四种可能的连接，这适用于其他开关块SBm。
第一开关块SB1被布置用于将连接到第一开关块SB1的输出端子的电容器C1的顶板或底板与功率转换器1的输入电压VA相连接或者接地。最后一个开关块SB5被布置用于将连接到最后一个开关块SB5的输入端子的电容器C4的顶板或底板与功率转换器1的输出电压VB相连接或者接地。
开关块SBm(m＝2至4)被布置用于将连接到相应开关块SBm的输入端子的电容器Cm-1的顶板或底板与连接到相应开关块SBm的输出端子的电容器Cm的顶板或底板相连接。
功率转换器1的控制单元21(为了清楚起见，在图1至图3中未示出)被布置成根据预定转换率设定列表中的选定转换率设定来操作每个开关块SBm的开关装置。每个预定转换率设定表示输入电压VA和输出电压VB之间的不同转换率，并且包括每个单独开关块SBm的连接状态。预定转换率设定被限定为使得每个飞跨电容器Cn的稳态电压在每个(各个)转换率设定之间相等，以用于以无损方式在转换率设定之间切换。
图2示出了开关块SBm的实施例，其中开关块SBm包括四个开关装置，用于将开关块SBm的每个输入端子和输出端子连接到公共内部节点Vint,m。开关装置(例如晶体管)由功率转换器1的控制单元21控制。
控制单元21包括存储器单元23，存储器单元23用于存储预定转换率设定的列表，其中该预定转换率设定的列表是所有可能的转换率设定的子选择。
每个电容器的电压可以被从各自的内部节点电压Vint,m中加上或减去，以产生下面的内部节点电压Vint,m+1。对于内部电压Vint,m，应用公式：
权重因子wA、wB和wx(x＝n＝1至4)限定了电容器的连接方式。权重因子wA可以是0——当接地端子连接到开关块SB1的输入端子时，或者是1——当功率转换器1的输入电压VA连接到开关块SB1的输入端子时。权重因子wB可以是0——当接地端子连接到开关块SB5的输出端子时，或者是1——当功率转换器1的输出电压VB连接到开关块SB5的输出端子时。电容权重因子wx(其中x＝n)可以是0——当电容器Cn被旁路时，或者是-1——当电容器电压VCn被减去时，或者是1——当电容器电压VCn被加上时。对于权重因数wA、wB和wx，应用以下公式：
假设：功率转换器1的输入电压VA是固定电压，例如由电池或供电轨(supplyrail)提供，假设电容器Cn两端的稳态电压为固定的，并且是功率转换器1的输入电压VA的一部分，其中VCx＝VA·kx，并且功率转换器1的输入电压VA和功率转换器1的输出电压VB之间的比值由转换率VB＝VA·M限定。
使用用于内部节点电压Vint，m的等式，如下：
wA·VA+w1·VC1+w2·VC2+w3·VC3+w4·VC4＝wB·VB
其可以简化为：
wA+w1·k1+w2·k2+w3·k3+w4·k4＝wB·M
以下公式适用于一个转换率中的每个阶段：
以下示例说明了如何利用相同的k向量来获得多个转换率M，其中k的大小等于电容器的数量n。在该示例中，功率转换器1包括四个电容器Cn(n＝1至4)和五个开关块SBm(m＝1至5)。相应的等式可以相应地扩展到包括或多或少的电容器Cn的功率转换器1。
对于
对于
图3示出了功率转换器1的完整配置，该功率转换器1具有两个电容器Cn(n＝1至2)和三个开关块SBm(m＝1至3)，k＝[2/31/3]使得VC1＝VA·2/3和VC2＝VA·1/3，以及四个可能的转换率m。对于此，以下适用于权重矩阵：
对于M＝1/3：
对于M＝2/3：
对于M＝4/3：
对于M＝2：
图4示出了根据本公开第一方面的无电感器的功率转换器10的另一实施例。该功率转换器10还包括多输出电压轨15。多输出电压轨15包括多个输出(Output)y，其中y＝1至N，每个输出y具有不同的输出电压电平。每个输出y包括并联在输出y上的输出电容器Cy，以及用于将电压轨15连接到相应输出y的开关输出装置Sy。
每个开关输出装置Sy由控制单元21以顺序的方式激活，用于顺序地对每个所述输出电容器Cy充电。
图5示出了根据本公开第二方面的能量采集器装置100的实施例。能量采集器装置100包括用于采集环境能量的能量采集器，环境能量优选为太阳能、动能或射频能量中的一种。如上所述，所采集的能量作为输入电压被提供给无电感器的功率转换器1。无电感器的功率转换器1的输出电压被提供给电池。
能量采集器装置100还包括最大功率点跟踪(maximum power point tracking)MPPT模块11，其中MPPT模块11作为无电感器的功率转换器1的控制单元21操作。MPPT模块11根据最大功率点跟踪算法来控制功率转换器1的每个开关块SBm的开关装置，该最大功率点跟踪算法是根据使每个飞跨电容器Cn在每个转换率设定之间相等而选择的。
基于以上描述，本领域技术人员可以对所公开的方法和装置进行修改和添加，这些修改和添加都包含在所附权利要求的范围内。

Claims (13)

1.一种无电感器的功率转换器，用于以输入电压与输出电压之间的转换率，将输入端子处的所述输入电压转换为输出端子处的所述输出电压，所述功率转换器包括多个级联的电容器级，每个电容器级包括并联连接在所述电容器级的输入端子对和输出端子对上的飞跨电容器，并且其中在每个级联的级之间设置有开关块，所述开关块包括输入端子对、输出端子对、以及开关装置，所述开关装置用于将所述开关块的所述输入端子之一与所述输出端子之一相连接，以用于将相应电容器级的电容器的顶板和底板之一与相应后一级联电容器级的电容器的顶板或底板相连接，其中，所述功率转换器还包括控制单元，所述控制单元被布置成根据预定转换率设定的列表中的选定转换率设定来操作每个开关块的所述开关装置，每个预定转换率设定表示不同的转换率并且包括所述开关块中的每一个的连接状态，其中所述预定转换率设定被限定为使得每个飞跨电容器的稳态电压在每个转换率设定之间相等，以用于以无损方式在所述转换率设定之间切换。
2.根据权利要求1所述的无电感器的功率转换器，其中，所述转换器包括四个级联的电容器级。
3.根据权利要求1或2所述的无电感器的功率转换器，其中，所述转换器包括五个开关块。
4.根据前述权利要求中任一项所述的无电感器的功率转换器，其中，所述控制单元包括存储器单元，所述存储器单元用于存储所述预定转换率设定的列表，并且其中所述预定转换率设定的列表是所有可能的转换率设定的子选择。
5.根据前述权利要求中任一项所述的无电感器的功率转换器，其中，所述转换器被布置用于直流DC输入电压。
6.根据前述权利要求中任一项所述的无电感器的功率转换器，其中，所述转换器被设置用于在10微瓦和100毫瓦之间的功率范围内，更优选地在50微瓦和50毫瓦之间的功率范围内，将输入电压转换成的输出电压。
7.根据前述权利要求中任一项所述的无电感器的功率转换器，其中，所述转换器被布置为给传感器模块、物联网设备、USB设备和蓝牙模块中的一个或多个供电。
8.根据前述权利要求中任一项所述的无电感器的功率转换器，其中，所述转换器还包括多个输出电压轨，所述多个输出电压轨包括多个输出，每个输出具有不同的输出电压电平，其中每个输出包括并联在所述输出上的输出电容器，以及用于将所述电压轨连接到所述相应输出的开关输出装置。
9.根据权利要求8所述的无电感器的功率转换器，其中，每个开关输出装置以顺序方式被激活，以用于顺序地对每个所述输出电容器充电。
10.根据前述权利要求中任一项所述的无电感器的功率转换器，其中，所述转换器还包括多个输入电压轨，所述多个输入电压轨包括多个输入，每个输入具有不同的输入电压电平，其中每个输入包括并联连接在所述输入上的输入电容器，以及用于将所述电压轨连接到所述相应输入的开关输入装置。
11.根据权利要求10所述的无电感器的功率转换器，其中，每个开关输入装置以顺序方式被激活，以用于顺序地对每个输入电容器充电。
12.一种能量采集器装置，包括：
能量采集模块，所述能量采集模块用于采集环境能量，并将所采集的能量作为输入电压提供给所述能量采集器装置，所述环境能量优选为太阳能、热能、动能和射频能量中的一种；
根据前述权利要求中任一项所述的无电感器的功率转换器。
13.根据权利要求12所述的能量采集器装置，其中，所述装置还包括：
最大功率点跟踪模块，其中所述最大功率点跟踪模块作为所述无电感器的功率转换器的所述控制单元操作，用于根据最大功率点跟踪算法来操作所述功率转换器的每个开关块的开关装置，所述最大功率点跟踪算法是根据使每个飞跨电容器的稳态电压在每个转换率设定之间相等而选择的。
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