CN1474500A

CN1474500A - 利用开关电容矩阵实现直流变压器的电路及方法

Info

Publication number: CN1474500A
Application number: CNA021335737A
Authority: CN
Inventors: 钟洪声
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2002-08-05
Filing date: 2002-08-05
Publication date: 2004-02-11

Abstract

本发明利用开关电容矩阵实现直流变压器的电路及方法，是属于电子器件或开关电源领域。它是由一个电容和四个转换开关组成开关电容单元，由二个以上的开关电容单元排列成矩阵电路，构成直流变压器，利用纵向、横向的开关控制电压的变换。该变压器传能方式为电场能→电场能，能流密度高，效率可达90％以上，利于集成工艺，可做成小型单片式的DC/DC变压器产品。在小的功率领域中代替传统的DC/DC变换器，利于电子设备小型化。

Description

利用开关电容矩阵实现直流变压器的电路及方法

技术领域

本专利属于电子器件或开关电源领域。

已有技术

我们知道变压器是在磁性材料构成的磁路上饶两组(或两组以上)线圈，通常称为初级、次级，在其初级上输入一个交流电压，就会在次级上输出一个同频的交流电压，其电压输入输出比为：

\frac{u_{1}}{u_{2}} = \frac{N_{1}}{N_{2}} - - - (1)

其中μ₁是输入电压，μ₂是输出电压，N₁是初级线圈，N₂是次级线圈。

其物理特性是，根据电磁定律，初级线圈的交变电流产生一个交变磁场，再由交变磁场在次级线圈产生一个交变电流。因此，磁变压器只能变换交流电，不能变换直流电。从能量的观点看，它是电场能转换为磁场能，再由磁场能转换为电场能。即：电场能→磁场能→电场能。

由于磁变压器不能转换直流电，所以在实际应用中，直流到直流变换器通常是先将直流变换为高频交流(或脉冲形式)，再用高频磁变压器变压，其后再高频整流、滤波，得到所需的直流。这就是实际的DC/DC模块电源产品的工作原理。磁变压器已广范应用，其能量的转换效率高(可达99％以上)、可靠性好，唯一缺点是重量、体积大。随着电子技术的发展，人们对电子设备小型化的要求越来越高。对于磁变压器，提高其工作频率，可以在某一程度减小体积、重量，但是改善有限，不能广泛满足电子设备对于小型化发展的要求。

目前的变压器，基本上是指磁性变压器。随着新材料的出现，压电陶瓷变压器也出现。但是它也只能变换交流，而且只能工作在某一特定频段，传输能量的方式是，电场能→机械能→电场能。目前已经在某些特殊领域应用，如高压点火。压电陶瓷变压器虽然体积可以比较小，但是能量转换的效率低(40％左右)，功率小，一般在数瓦之内。

发明内容

本发明的目的是为了克服磁变压器的重量、体积大和压电陶瓷变压器效率低，以及这两种变压器均不能直接变换直流电压的不足之处，为实现变压器能进入集成电路以满足电子设备小型化发展的需要。

本发明的思想如图1所示，利用矩阵电路中，每个电容的储能特性及利用矩阵电容阵列的变化进行充、放电来实现直流电压的变换，其传输能量的方式是电场能→电场能。因此特提出利用开关电容矩阵实现直流变压器的电路和方法。

本发明的方案：电路是由一个电容和四个转换开关组成开关电容单元如图4，再由二个以上的开关电容单元按纵向和横向排列成矩阵电路，电路的输入电容为C_i，输出电容为C_o，见图1。工作时，操作的方法是，在开关电容矩阵电路中，加输入直流电压U_i在输入电容C_i上，接通开关电容单元的纵向开关，断开其横向的开关，使矩阵电路中开关电容单元中的电容在纵向为串联，再在横向为并联，如图2所示。此时输入电压U_i向所有开关电容单元中的电容进行充电。当充电到一定值后，再断开开关电容单元的纵向转换开关，接通它的横向开关，使矩阵电路中开关电容单元中的电容在纵向为并联，横向为串联，如图3所示，此时开关电容矩阵沿横向与输出电容C_o形成回路。开关电容单元中的电容将其已充入的电能，沿放电回路放电到输出电容C_o上。循环往复，在输出电容C_o上得到稳定的输出电压U_o，因此，输入电压U_i转换为输出电压U_o达到直流变压作用。其传输能量的方式直接是电场能→电场能。

本发明专利的基本工作原理是：如图1所示，输入直流电压U_i加在输入电容C_i上，电容矩阵内所有电容的两端均与所有1(图2注明的触点)连接(即纵向串联)，如图2所示，M个电容串联，再N组并联，此时，输入电压U_i对所有电容充电，我们设所有电容是同一电容值，且设计充电时间可使所有电容充满。此时，每个电容上的电压均是输入电压的M分之一：

u_{ik} (t) = \frac{U_{i}}{M} - - - (2)

此时，我们将所有电容同时顺时针转90度，即所有电容的两端与2(图3注明的触点)连接(即横向串联)，如图3所示。我们知道，电容上的电压不能跳变，由于电路结构的变化，变为N个电容串联，再M组并联，并与输出电容C_o形成回路，矩阵内电容就会向输出电容C_o放电，输出电容C_o上的电压会逐步上升。以上的充、放电过程不断重复，达到稳定，可得输出电容C_o上的电压是N乘以单个电容上的电压，所以，输出电压是：

U_{o} = N \frac{U_{i}}{M} - - - (3)

故，我们可得：

\frac{U_{o}}{U_{i}} = \frac{N}{M} - - - (4)

因此，我们利用开关电容矩阵，设计出该直流变压器，其变换比由(4)式给出，其M为电容矩阵行，N为电容矩阵列，U_i为输入电压，U_o为输出电压。

我们知道，电容矩阵，是由完全相同的M×N个电容构成。电容矩阵旋转90度从理论上说是可行的，但是在电路中难以实现。因此，我们用一组开关来实现，如图4所示是一个开关电容单元，统一协调一致，控制开关的通、断，可实现上述同样的目的，实现能量的传递。

本发明制作的直流变压器只有电容和电子开关组成，无磁性元件，因此它的体积小、重量轻、效率高，即是考虑到开关元件有一定损耗，其效率也可达90％以上，变换比容易设计。其传能的方式为电场能→电场能，不是磁变压器的传能方式，电场能→磁场能→电场能，也不是陶瓷变压器的传能方式，电场能→机械能→电场能。因此能流密度更高。因为不需用磁性材料，所以本直流变压器能实现集成电路(电容和电子开关MOS管均可集成)。虽然具体电路的实现仍有一定难度，但是考虑到它是由一个个简单的单元电路，线性排列组合成矩阵形式，特别适合于集成工艺设计。

电子设备的小型化是人们追求的目标。本发明尽管其控制复杂，集成工艺设计有一定难度，但是随着电子技术的进步，这些问题将会越来越容易解决。因此根据这一思路，开关电容矩阵原理的小型单片式DC/DC变压器(变换器)，将能够作成产品，并可根据要求，方便地设计其变换比。该产品有广泛的应用前景，如：可在许多电路板中替代传统的DC/DC变换器。

附图说明图1：开关电容矩阵工作原理图图2：充电期电路结构图图3：放电期电路结构图图4：(a)、(b)均为开关电容单元示意图图5：由四个MOS开关管和一个电容构成的开关电容单元图图6：由MOS管作开关的3×2开关电容矩阵直流变换器图7：时钟控制信号，图6中所有纵向的MOS管由本上图时钟信号控制，即充电期；图6中所有横向的MOS管由本下图时钟信号控制，即放电期。图8：(a)充电期等效电路图；(b)放电期等效电路图。

实施例

结合附图通过实施例进一步说明本发明。

开关的具体实现可由电子开关元件实现，我们以MOS管来实现具体的开关，其单元电路可由图5所示。

我们以M＝3，N＝2的开关电容矩阵为例来说明，具体电路图由图6所示。由6个单元构成，其开关MOS管的驱动由时钟信号控制，时钟分为两路。第一路(图7上)控制所有纵向的MOS管，当其为高电平时，所有纵向MOS管导通时，即充电期(相当于前面所述的所有矩阵内电容纵向串联，输入电压U_i向矩阵电容充电)。第二路(图7下)控制所有横向的MOS管，与第一路控制信号互补，并保留一定死区时间(在此短暂时间内，所有的MOS管均关闭状态)，当第二路控制信号高电平时，所有横向的MOS管导通，即为放电期。时钟信号详细时序如图7所示。

为了利于理解，根据实际情况，我们简化电路模型，作如下假设：(1)MOS管是理想的，即导通时，导通电阻为0，截止时，导通电阻为无穷大。(2)矩阵电容的每个电容均相等。(3)导线和电容的等效电阻忽略不计。

其一个周期的工作过程如下：

充电期：t₁≤t≤t₂，第一路时钟高电平，触发所有纵向MOS管的栅极，使所有纵向MOS管导通(此时所有横向MOS管为截止状态)。根据假设(1)，图6电路可等效为图8(a)所示电路，在输入电容C_i上加入输入电压U_i，与电容矩阵电路构成一个充电回路。根据假设(2)，所有电容相等，且根据假设(3)，可知当充电期结束时，即t₂时，每个电容上的电压均被充满，并等于U_i/M。如果我们假设输入电压U_i是3V，此时充到每个电容上的电压值是1V。

过度区1：t₂≤t≤t₃，控制时钟信号均为低电平，控制使所有MOS管处于截止状态，由于电容的储能特性，每个电容上电压保持不变，仍为1V。

放电期：t₃≤t≤t₄，第二路时钟高电平，触发所有横向MOS管栅极，使所有横向的MOS管导通(此时所有纵向的MOS管为截止状态)。其等效电路如图8(b)所示。电容矩阵电路与输出电容C_o形成放电回路，电容矩阵电路内所有电容同时将储能向输出电容C_o释放。输出电容上的电压将逐步升高，直到与电容矩阵等效电容上的电压平衡为止，即达到2V。

过度区2：t₄≤t≤t₅，两路控制信号均为低电平，所有MOS管处于截止状态，等待下一个重复周期。

以上四个状态为一个周期，不断循环，可实现直流到直流的变换。上实施例是输入3V变换到输出2V。满足(4)式，这就是直流变压器，它既可以从高电平变到低电平，也可以由低电平变到高电平。

Claims

1.利用开关电容矩阵实现直流变压器的电路，其特征是由一个电容和四个转换开关组成开关电容单元，由二个以上的开关电容单元按纵向和横向排列成矩阵电路，电路的输入电容为C_i，输出电容为C_o。

2.利用开关电容矩阵实现直流变压器的方法，其特征是在电容矩阵电路中，输入直流电压U_i加在输入电容C_i上，接通开关电容单元的纵向开关，断开其横向的开关，使矩阵电路中开关电容单元中的电容在纵向为串联，在横向为并联，此时输入电压U_i向所有开关电容单元中的电容进行充电，当充电到一定值后，再断开开关电容单元的纵向转换开关，接通它的横向开关，使矩阵电路中开关电容单元中的电容在纵向为并联，横向为串联，此时开关电容单元中的电容沿横向和输出电容C_o形成回路，并放电到矩阵电路输出电容C_o上，输出电压为U_o，输入电压U_i转换为输出电压U_o达到直流变压作用。

3.根据权利要求1或2所述的利用开关电容矩阵实现直流变压器的电路及方法，其特征是转换开关采用MOS(场效应)半导体开关管。