TW202304117A - 多相混合轉換器以及操作多相混合轉換器的方法 - Google Patents

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Abstract

本申請描述了一種使用切換式電容器技術的多相混合DC-DC轉換器。多相混合轉換器可以減少轉換器的電感器上的伏秒，從而可以減小電感器的尺寸。此外，多相混合轉換器可以利用電感器作為電流源來對飛行電容器進行充電及放電，這可以減小中間電容器的尺寸並增加溶液密度。由於充電及放電動作由電感器執行，多相混合轉換器可以消除電容器至電容器的電荷轉移。因此，多相混合轉換器不需要高電容來實現高效操作，其可進一步提高溶液密度。

Description

多相混合轉換器
本揭露大體係關於，但不限於功率轉換器電路。
混合功率轉換器電路為電源設計提供了有效的功率解決方案。混合功率轉換器電路為一種基於切換式電容器轉換器及基於電感器的轉換器提供直流至直流(direct current to direct current; DC-DC)電壓轉換的功率轉換器。混合功率轉換器包含一或多個開關元件（例如，一或多個電晶體）及無功（reactive）元件（例如，電容器及電感器），其與開關元件的週期性切換相結合，以提供DC輸出電壓。
本揭露描述了一種使用切換式電容器技術的多相混合DC-DC轉換器電路拓撲，包括雙相混合DC-DC轉換器電路及N相混合DC-DC轉換器電路（在本揭露中也稱為「混合轉換器」）。本揭露之多相混合轉換器可以減少轉換器之電感器上的伏秒（volt-second），從而可以減小電感器的尺寸。此外，多相混合轉換器可以利用電感器作為電流源，來對飛行電容器（flying capacitor）進行充電及放電（類似於理想的無損電荷轉移），這可以減小中間電容器的尺寸並增加溶液密度。由於充電及放電動作係由電感器執行，本揭露之多相混合轉換器可以消除電容器至電容器的電荷轉移。因此，多相混合轉換器不需要高電容來實現高效操作，其可進一步提高溶液密度。最後，藉由使用本發明的閘極驅動技術，多相混合轉換器相比其他方法可以在更高的工作週期（duty cycle）上工作。
在一些態樣中，本揭露涉及一種多相混合轉換器，包含：第一切換式電容器電路，包括第一開關元件、第二開關元件、以及第一電容器；第一切換轉換器電路，包括第三開關元件、第四開關元件、以及第一電感器，其中，第二開關元件與第三開關元件耦合；第二切換式電容器電路，包括第五開關元件、第六開關元件及第二電容器；第二切換轉換器電路，包括第七開關元件、第八開關元件及第二電感器，其中第六開關元件與第七開關元件耦合；以及控制電路，用於使用第一時序相控制第一切換轉換器電路的操作，並使用第二時序相控制第二切換轉換器電路的操作；其中，第一電容器在第一切換式電容器電路與第二切換轉換器電路之間交叉耦合。
在一些態樣中，本發明涉及一種操作多相混合轉換器的方法，此方法包括以下步驟：產生多個互補第一控制訊號以導通及斷開第一切換轉換器電路的開關元件，其中，第一時序相包括互補第一控制訊號；產生多個互補第二控制訊號以導通及斷開第二切換轉換器電路的多個開關元件，其中，第二時序相包括互補第二控制訊號；使用互補第一控制訊號之一者及互補第二控制訊號之一者產生多個第三控制訊號，以導通及斷開第一切換式電容器電路及第二切換式電容器電路的多個開關元件；根據具有切換頻率及工作週期的切換週期，應用互補第一控制訊號、互補第二控制訊號及第三控制訊號，切換週期包括第一時序相及第二時序相；藉由第一切換轉換器電路、第二切換轉換器電路、第一切換式電容器電路及第二切換式電容器電路，產生一系列脈衝給予包括至少一個電容器及至少一個電感器的至少一個LC電路；調整切換訊號的工作週期，以調整系列脈衝，以設置輸出電容器上的輸出電壓；以及在輸出電容器上提供輸出電壓，作為多相混合轉換器的輸出電壓。
在一些態樣中，本揭露涉及一種多相混合轉換器，包含：第一切換式電容器電路，包括第一開關元件、第二開關元件，以及第一電容器；第一切換轉換器電路，包括第三開關元件、第四開關元件，以及第一電感器，其中，第二開關元件與第三開關元件耦合；第二切換式電容器電路，包括第五開關元件、第六開關元件，以及第二電容器；第二切換轉換器電路，包括第七開關元件、第八開關元件，以及第二電感器，其中，第六開關元件與第七開關元件耦合；以及控制電路，用於使用第一時序相控制第一切換轉換器電路的操作，以及使用第二時序相控制第二切換轉換器電路的操作，此控制電路用以進行以下步驟：產生多個互補第一控制訊號，以導通及斷開第一切換轉換器電路的開關元件；產生多個互補第二控制訊號，以導通及斷開第二切換轉換器電路的開關元件；以及使用互補第一控制訊號之一者及互補第二控制訊號之一者產生多個第三控制訊號，以導通及斷開第一切換式電容器電路及第二切換式電容器電路的開關元件。
本揭露描述了一種使用切換式電容器技術的多相混合DC-DC轉換器電路拓撲，包括雙相混合DC-DC轉換器電路及N相混合DC-DC轉換器電路（在本揭露中也稱為「混合轉換器」）。本揭露之多相混合轉換器可以減少轉換器之電感器上的伏秒（volt-second），從而可以減小電感器的尺寸。此外，多相混合轉換器可以利用電感器作為電流源來對飛行電容器（flying capacitor）進行充電及放電（類似於理想的無損電荷轉移），這可以減小中間電容器的尺寸並增加溶液密度。由於充電及放電動作由電感器執行，本揭露之多相混合轉換器可以消除電容器至電容器的電荷轉移。因此，多相混合轉換器不需要高電容來實現高效操作，其可進一步提高溶液密度。最後，藉由使用本發明的閘極驅動技術，多相混合轉換器相比其他方法可以在更高的工作週期工作。
本揭露中使用的術語「轉換器」包括但不限於「調節器」、「DC調節器」、「電壓調節器」、「DC電壓調節器」、「DC-DC轉換器」、「DC轉換器」及「轉換器」中的任何一個或其任何組合，並且包括但不限於這些術語中任何一或多個的簡單含義。
多相混合轉換器可以包含雙相混合轉換器以及N相混合轉換器兩者。下面參照圖1至圖12D描述雙相混合轉換器的各種實例，並且下面參照圖13至圖17描述N相混合轉換器的各種實例。
圖1為雙相混合轉換器100的一實例的示意圖。雙相混合轉換器100可以包括前半功率級P1，前半功率級P1包括第一開關元件Q1、第二開關元件Q2、第三開關元件Q3、第四開關元件Q4、第一電感器L1及第一切換式電容器Cfly1（在本揭露中也稱為飛行電容器）。雙相混合轉換器100可以進一步包括後半功率級P2，後半功率級P2包括第五開關元件Q5、第六開關元件Q6、第七開關元件Q7、第八開關元件Q8、第二電感器L2及第二切換式電容器Cfly2（在本揭露中也稱為飛行電容器）。圖1的開關元件可以為電晶體，例如功率電晶體。
在圖1所示的實例中，第一開關元件Q1及第二開關元件Q2在輸入電壓VIN與第一中間節點MID1之間串聯連接。第五開關元件Q5及第六開關元件Q6在輸入電壓VIN與第二中間節點MID2之間串聯連接。
雙相混合轉換器100可以使用至少一個切換式電容器電路及至少一個切換轉換器電路來提供調節，因此為一種混合轉換器。例如，前半功率級P1可以包括第一切換轉換器電路及第一切換轉換器電路。第一切換轉換器電路可以包括第一開關元件Q1、第二開關元件Q2及第一飛行電容器Cfly1，以及第一切換轉換器電路包括第三開關元件Q3、第四開關元件Q4及第一電感器L1。如圖1所示，第二開關元件Q2與第三開關元件Q3串聯耦合。
類似地，後半功率級P2可以包括第二切換轉換器電路及第二切換轉換器電路。第二切換轉換器電路可以包括第五開關元件Q5、第六開關元件Q6及第二飛行電容器Cfly2，以及第二切換轉換器電路包括第七開關元件Q7、第八開關元件Q8及第二電感器L2。第六開關元件Q6與第七開關元件Q7串聯耦合。
如圖1所示，雙相混合轉換器100的飛行電容器Cfly1與Cfly2交叉耦合。更特定而言，第一飛行電容器(Cfly1)可以連接在第二切換式電容器電路與第一切換轉換器電路之間，並且第二飛行電容器Cfly2可以連接在第一切換式電容器電路與第二切換轉換器電路之間。
雙相混合轉換器100可以從輸一入端子接收輸入電壓VIN，並向連接到輸出電容器COUT的一輸出端子提供輸出電壓VO。在一些實例中，雙相混合轉換器100的輸出端子可以耦合到任何期望負載。雙相混合轉換器100可以在工作週期「D」下工作，工作週期「D」相對於2VO/VIN（工作週期=D=2VO/VIN）的比率而變化。
控制電路102可以將控制訊號輸出到雙相混合轉換器100的開關元件的相應控制節點，諸如輸出到電晶體的閘極端子。控制電路102可以包括邏輯電路系統以產生控制訊號A、A’、B、B’、C及D。例如，控制訊號可為方波訊號。在一些實例中，控制電路102可以控制控制訊號的頻率及工作週期。
在一些實例中，控制電路102可包括脈寬調變(pulse-width modulation；PWM)控制器，其產生PWM訊號到功率級P1、P2，以根據切換頻率及/或工作週期導通或斷開開關元件Q1~Q8。控制電路102可以包括輸入/輸出(input/output；I/O)介面，並且可以例如藉由I/O介面用切換頻率及/或工作週期來程式化（例如，在轉換器啟動之前）。
如圖1所示，第一至第八開關元件Q1~Q8由控制訊號A、A’、B、B’、C及D來控制，其中，A’為A的互補控制訊號，及B’為B的互補控制訊號。因為圖1所示的實例是使用n型電晶體（諸如n型場效電晶體）實施開關元件，當給定控制訊號為高時，相應的開關元件導通。然而，使用p型電晶體、n型與p型電晶體及/或其他類型開關的實施方式也為可能的。
關於圖2示出並描述了用於產生控制訊號C及D的邏輯電路系統的實例。控制訊號D可以使用第一及（AND）閘104藉由（B AND A’）產生，並且控制訊號C可以使用第二及（AND）閘106藉由（A AND B’）產生。
如下面詳細描述的，控制電路102可以使用一第一時序相(φ 1)控制第一切換轉換器電路（Q3、Q4、L1）的操作，並且使用一第二時序相(φ 2)控制第二切換轉換器電路（Q7、Q8、L2）的操作。因此，圖1的混合轉換器100為「雙相」混合轉換器。
在一些實例中，雙相混合轉換器電路100可以包括耦合在第二開關元件Q2及第三開關元件Q3之間的第一節點MID1與一參考電壓節點（諸如接地節點）之間的第一電容器Cmid1。類似地，雙相混合轉換器電路100可以包括耦合在第六開關元件Q6及第七開關元件Q7之間的第二節點MID2與參考電壓節點之間的第二電容器Cmid2。
包括第一電容器Cmid1及第二電容器Cmid2可能有利。例如，電容器Cmid1、Cmid2可以減少設計中長熱迴路的寄生電感。縮短熱迴路並減少寄生電感也可以減少高頻振鈴。此外，包括電容器Cmid1、Cmid2可確保開關元件Q2、Q3、Q6及Q7的電壓應力為Vin/2。
如上所述，飛行電容器Cfly1及Cfly2可以交叉耦合。藉由交叉耦合飛行電容器，不需要在兩個功率級P1、P2之間共用電壓。即，第二開關元件Q2與第三開關元件Q3之間的第一節點MID1及第六開關元件Q6與第七開關元件Q7之間的第二節點MID2不需要連接。藉由消除連接，可以提高雙相混合轉換器100的效率，這是因為在兩個功率級P1、P2之間沒有直流電流來回流動。
圖2為用於圖1的雙相混合轉換器的控制邏輯電路系統的實例的示意圖。如圖2的實例所示，控制訊號C可以使用第一AND閘104藉由(A’ AND B)產生，並且控制訊號D可以使用第二AND閘106藉由(A AND B’)產生。
以這種方式，圖2的控制邏輯電路系統可以使用互補第一控制訊號中之一個(A’)及互補第二控制訊號中之一個(B)來產生第三控制訊號(C)。控制訊號C可以控制第二切換式電容器電路（Q5、Q6、Cfly1）的操作。
類似地，圖2的控制邏輯電路系統可以使用互補第一控制訊號中的另一個(A)及互補第二控制訊號中的另一個(B’)來產生另一第三控制訊號(D)。控制訊號D可以控制第一切換式電容器電路（Q1、Q2、Cfly2）的操作。
在一些實例中，第一及第二AND閘104、106可以形成圖1的控制電路102的一部分。
圖3為工作週期小於50%的圖1中雙相混合轉換器的控制訊號的時序圖的一實例。切換週期為T SW，並包括D*T SW(φ 2)及(1-D*T SW)(φ 1)，其中，D為工作週期，*表示乘法的數學運算。時間(1-D*T SW)可以表示第一時序相φ 1（顯示為互補控制訊號B、B’），以及時間D*T SW可以表示第二時序相φ 2（顯示為控制訊號互補A、A’）。如圖3的實例中所示，第一時序相φ 1（具體地為控制訊號B）及第二時序相φ 2（具體地為控制訊號A）彼此不重疊。控制電路，諸如圖1的控制電路102，可以根據具有切換頻率及工作週期的切換週期來產生第一及第二時序相，其中工作週期小於50%。
在一些非限制性實例中，控制訊號A及B可以為180度的異相，諸如藉由在切換週期的一半或T SW/2，處設置A控制訊號的邏輯高的上升沿及B控制訊號的邏輯高的上升沿之間的時間。
圖4為工作週期大於50%之圖1中雙相混合轉換器的控制訊號的時序圖的另一實例。切換週期為T SW，並包括D*T SW(φ 2)及(1-D*T SW)(φ 1)，其中D為工作週期，*表示乘法的數學運算。時間(1-D*T SW)可以表示第一時序相φ 1（顯示為互補控制訊號B、B’），並且時間D*T SW可以表示第二時序相φ 2（顯示為互補控制訊號A、A’）。如圖4的實例中所示，第一時序相φ 1（具體地為控制訊號B）及第二時序相φ 2（具體地為控制訊號A）可以彼此重疊。控制電路，諸如圖1的控制電路102，可以根據具有切換頻率及工作週期的切換週期產生第一及第二時序相，其中工作週期大於50%。
控制電路，諸如圖1的控制電路102，可以產生諸如圖3或圖4所示的控制訊號，並根據具有切換頻率及工作週期的切換週期，應用互補第一控制訊號、互補第二控制訊號及互補第三控制訊號，其中，切換週期包括第一時序相(φ 1)及第二時序相(φ 2)。作為響應，第一切換轉換器電路、第二切換轉換器電路、第一切換式電容器電路及第二切換式電容器電路可以向至少一個LC電路產生一系列脈衝，此LC電路包括至少一個電容器，例如圖11的輸出電容器COUT或輸入電容器CIN，以及至少一個電感器，例如電感器L1、L2中的至少一個。
隨後，控制電路可以調整切換訊號（具體地控制訊號A及B）的工作週期，以調整系列脈衝，從而將輸出電容器上的輸出電壓設置為預先定義且基本恒定的振幅。隨後，雙相混合轉換器可以在輸出電容器COUT上提供輸出電壓，以作為雙相混合轉換器的輸出電壓。若輸出電容器COUT為LC電路的一部分，如圖1所示，則配置為輸出電壓小於輸入電壓的降壓轉換器。然而，若電容器不為LC電路的一部分，諸如圖11中的輸出電容器COUT，則配置為輸出電壓大於輸入電壓的升壓轉換器。
在一些非限制性實例中，控制訊號A及B可以為180度的異相，諸如藉由在切換週期的一半或T SW/2處，設置A控制訊號的邏輯高的上升沿及B控制訊號的邏輯高的上升沿之間的時間。
圖5A為工作週期小於50%的圖1之雙相混合轉換器的第一操作相的實例的示意圖。控制電路，諸如圖1的控制電路102，可以輸出各種控制訊號以導通及斷開圖5A至圖5C的各種開關元件。開關元件Q1、Q4、Q6及Q7導通，開關元件Q2、Q3、Q5及Q8斷開。電容器Cfly1耦合到地，並向電感器L2供應電感器電流的一半。控制電路導通開關元件Q1，輸入電壓VIN對電容器Cfly2充電，並將電感器電流的另一半提供給電感器L2。電感器L1為自由轉動（freewheeling）的。此外，通過電感器L1的電流斜降，而通過電感器L2的電流斜升。在圖5A的第一操作相中，第一時序相φ 1由(1-D*T SW)表示，第二時序相φ 2由D*T SW表示。
圖5B為工作週期小於50%的圖1之雙相混合轉換器的第二操作相的實例的示意圖。開關元件Q4及Q8導通，開關元件Q1~Q3及Q5~Q7斷開。電感器L1及電感器L2均為自由轉動的。在圖5B的第二操作相中，第一時序相φ 1由(1-D*T SW)表示，第二時序相φ 2也由(1-D*T SW)表示。
圖5C為工作週期小於50%的圖1之雙相混合轉換器的第三操作相的實例的示意圖。開關元件Q2、Q3、Q5及Q8導通，開關元件Q1、Q4、Q6及Q7斷開。電容器Cfly2耦合到地，並向電感器L1供應電感器電流的一半。控制電路導通開關元件Q5，輸入電壓VIN對電容器Cfly1充電，並將電感器電流的另一半提供給電感器L1。電感器L2為自由轉動的。在圖5C的第三操作相中，第一時序相φ 1由D*T SW表示，第二時序相φ 2由(1-D*T SW)表示。
一旦第三操作相完成，操作循環回到圖5B的第二操作相，隨後回到圖5A的第一操作相，在此操作再次開始。在操作期間，開關元件Q7跟隨開關元件Q1，開關元件Q2跟隨開關元件Q8，開關元件Q3跟隨開關元件Q5，以及開關元件Q6跟隨開關元件Q4。兩個飛行電容器均透過一電感器進行充電及放電。
圖12A至圖12D描繪了工作週期小於50%的圖1的雙相混合轉換器的一替代實例操作相，如下詳述。
圖6A為工作週期大於50%的圖1之雙相混合轉換器的第一操作相的實例的示意圖。控制電路，諸如圖1的控制電路102，可以輸出各種控制訊號以導通及斷開圖6A至圖6C的各種開關元件。開關元件Q1、Q4、Q6及Q7導通，開關元件Q2、Q3、Q5及Q8斷開。圖6A中的操作類似於圖5A中的操作。電容器Cfly1耦合到地，並向電感器L2供應電感器電流的一半。控制電路導通開關元件Q1，輸入電壓VIN對電容器Cfly2充電，並將電感器電流的另一半提供給電感器L2。電感器L1為自由轉動的。在圖6A的第一操作相中，第一時序相φ 1由(1-D*T SW)表示，第二時序相φ 2由D*T SW表示。
圖6B為工作週期大於50%的圖1之雙相混合轉換器的第二操作相的實例的示意圖。控制電路，諸如圖1的控制電路102，可以同時導通開關元件Q1、Q5。為了防止任何交叉傳導，控制電路可以斷開開關元件Q2、Q6。在一些實例中，開關元件Q3、Q7可以導通，如圖6B所示。在其他實例中，開關元件Q3、Q7可以斷開。
當開關元件Q1導通時，透過電容器Cfly2對電感器L2充電。類似地，當開關元件Q5導通時，透過電容器Cfly1對電感器L1充電。在圖6B的第二操作相中，第一時序相φ 1由D*T SW表示，第二時序相φ 2也由(D*T SW)表示。因此，第一時序相φ 1及第二時序相φ 2重疊。
圖6C為工作週期大於50%的圖1之雙相混合轉換器的第三操作相的實例的示意圖。開關元件Q2、Q3、Q5及Q8導通，開關元件Q1、Q4、Q6及Q7斷開。圖6C中的操作類似於圖5C中的操作。電容器Cfly2耦合到地，並向電感器L1供應電感器電流的一半。控制電路導通開關元件Q5，輸入電壓VIN對電容器Cfly1充電，並將電感器電流的另一半提供給電感器L1。電感器L2為自由轉動的。在圖6C的第三操作相中，第一時序相φ 1由D*T SW表示，第二時序相φ 2由(1-D*T SW)表示。
一旦第三操作相完成，操作循環回到圖6B的第二操作相，隨後回到圖6A的第一操作相，在此操作再次開始。在操作期間，開關元件Q6跟隨開關元件Q1、Q4，開關元件Q2跟隨開關元件Q5、Q8。此操作可擴寬輸入電壓範圍，從而可以允許輸入電壓出現更大的波動。
圖7為雙相混合轉換器的另一實例的示意圖。在一些實例中，雙相混合轉換器200可以包括耦合在前半功率級P1的中點節點204與後半功率級P2的中點節點206之間的網路電路202。中點節點204位於第二開關元件Q2與第三開關元件Q3之間，中點節點206位於第六開關元件Q6與第七開關元件Q7之間。
網路電路202可以包括電短路（例如，直接連接兩個節點的低阻抗元件）、電阻元件、電容元件或電感元件中的至少一個。例如，網路電路202可以包括一電阻器、一電容器或一電感器。作為另一實例，網路電路202可以包括電阻器及電容器、電阻器及電感器，或者電容器及電感器。作為另一實例，網路電路202可以包括電阻器、電容器及電感器。
若在瞬態期間兩個飛行電容器之間存在失配，則包括網路電路可能是有利的。此外，若兩個飛行電容器之間存在電壓差，則網路電路可以與之匹配。
圖8為雙相混合轉換器的另一實例的示意圖。圖8的雙相混合轉換器300的電感器L1及L2可以為耦合電感器，而不像圖1中為單獨的電感器。使用耦合電感器可以實現更小的尺寸及更高的效率。
圖9為雙相混合轉換器的另一實例的示意圖。圖8的雙相混合轉換器300的電感器L1及L2可以為變壓器，而不像圖1中為單獨的電感器。此外，雙相混合轉換器300可以包括耦合在由L1及L2形成的變壓器與輸出電容器COUT之間的小電感器L3。使用變壓器可以實現更小的尺寸及更高的效率。
圖10為耦合作為降壓轉換器之圖1之雙相混合轉換器的示意圖。圖10的雙相混合轉換器500可以在第一開關元件Q1與第五開關元件Q5之間的節點處接收輸入電壓VIN，並在第一電感器L1與第二電感器L2之間的節點處產生輸出電壓VOUT，其小於輸入電壓。
圖11為耦合作為升壓轉換器之圖1之雙相混合轉換器的示意圖。圖10的雙相混合轉換器600可以在第一電感器L1與第二電感器L2之間的節點處接收輸入電壓VIN，並在第一開關元件Q1與第五開關元件Q5之間的節點處產生輸出電壓VOUT，其大於輸入電壓。
圖12A為工作週期小於50%的圖1之雙相混合轉換器的第一操作相的另一實例的示意圖。控制電路，諸如圖1的控制電路102，可以輸出各種控制訊號以導通及斷開圖5A至圖5C的各種開關元件。開關元件Q1、Q4、Q6及Q7導通，開關元件Q2、Q3、Q5及Q8斷開。電容器Cfly1耦合到地，並向電感器L2供應電感器電流的一半。控制電路導通開關元件Q1，輸入電壓VIN對電容器Cfly2充電，並將電感器電流的另一半提供給電感器L2。電感器L1為自由轉動的。此外，通過電感器L1的電流斜降，而通過電感器L2的電流斜升。在圖12A的第一操作相中，第一時序相φ 1由(1-D*T SW)表示，第二時序相φ 2由D*TSW表示。
圖12B為工作週期小於50%的圖1之雙相混合轉換器的第二操作相的實例的示意圖。開關元件Q4及Q8導通，開關元件Q1~Q3及Q5及Q7斷開。開關元件Q6導通並且可以保持導通，直到開關元件Q5在圖12C的第三操作相導通為止。導通開關元件Q6可以改善電容器Cfly1與電容器Cmid1、Cmid2之間的電壓平衡，特別在低工作週期的情況下。電感器L1及電感器L2均為自由轉動的。在圖12B的第二操作相中，第一時序相φ 1由(1-D*TSW)表示，第二時序相φ 2也由(1-D*TSW)表示。
圖12C為工作週期小於50%的圖1之雙相混合轉換器的第三操作相的另一實例的示意圖。開關元件Q2、Q3、Q5及Q8導通，開關元件Q1、Q4、Q6及Q7斷開。電容器Cfly2耦合到地，並向電感器L1供應電感器電流的一半。控制電路導通開關元件Q5，輸入電壓VIN對電容器Cfly1充電，並將電感器電流的另一半提供給電感器L1。電感器L2為自由轉動的。在圖12C的第三操作相中，第一時序相φ 1由D*TSW表示，第二時序相φ 2由(1-D*TSW)表示。
圖12D為工作週期小於50%的圖1之雙相混合轉換器的第四操作相的實例的示意圖。開關元件Q4及Q8導通，開關元件Q1~Q3及Q5及Q7斷開。開關元件Q2導通並且可以保持導通，直到開關元件Q1在圖12A的第一操作相導通為止。導通開關元件Q2可以改善電容器Cfly2與電容器Cmid1、Cmid2之間的電壓平衡，特別在低工作週期的情況下。電感器L1及電感器L2均為自由轉動的。在圖12B的第二操作相中，第一時序相φ 1由(1-D*TSW)表示，第二時序相φ 2也由(1-D*TSW)表示。
一旦第四操作相完成，操作循環回到圖12A的第一操作相，在此操作再次開始。在操作期間，開關元件Q7跟隨開關元件Q1，開關元件Q2跟隨開關元件Q8，開關元件Q3跟隨開關元件Q5，以及開關元件Q6跟隨開關元件Q4。兩個飛行電容器均透過電感器進行充電及放電。
本揭露的技術不限於雙相混合轉換器。相反，技術可以擴展到N相混合轉換器，其中N大於2。本發明者已經認識到，可以期望並聯添加兩個或更多個相以減少熱應力並減少輸入及輸出波紋。
本發明者已經認識到，在一些實施方式中，與需要添加兩個或更多個相的一些方法相比，期望能夠一次添加一個相以增加功率輸出。類似地，本發明者已經認識到，為了提高效率，可以期望一次卸下一個相，諸如在較輕的負載條件下。換言之，一個（或多個相）的操作可以在一段時間內禁用，否則操作將被啟用。
N相混合轉換器可包括多個可離散或耦合在共用磁芯上的電感器（「耦合電感器」）。
圖13為N相混合轉換器700的實例的示意圖。N相混合轉換器700可以包括第一相電路系統、第二相電路系統、第三相電路系統等，直至N相電路系統。
第一相電路系統可包括第一開關元件Q1、第二開關元件Q2、第三開關元件Q3、第四開關元件Q4、第一電感器L1及第一切換式電容器Cfly1（在本揭露中也稱為飛行電容器）。圖13的開關元件可以為電晶體，例如功率電晶體。
第二相電路可包括第五開關元件Q5、第六開關元件Q6、第七開關元件Q7、第八開關元件Q8、第二電感器L2及第二切換式電容器Cfly2（在本揭露中也稱為飛行電容器）。
N相電路可包括第九開關元件Q9、第十開關元件Q10、第十一開關元件Q11、第十二開關元件Q13、第三電感器L3及第三切換式電容器Cfly3（在本揭露中也稱為飛行電容器）。附加相電路系統，諸如第三、第四、第五相電路系統等，可以包括在第二相電路系統及N相電路系統之間。
在圖13所示的實例中，第一開關元件Q1及第二開關元件Q2在輸入電壓VIN與中間節點MID之間串聯連接。第五開關元件Q5及第六開關元件Q6以及第九開關元件Q9及第十開關元件Q10也是類似地連接。
N相混合轉換器700可以使用至少一個切換式電容器電路及至少一個切換轉換器電路來提供調節，因此為混合轉換器。例如，第一相電路系統可以包括第一切換轉換器電路及第一切換轉換器電路。第一切換轉換器電路可以包括第一開關元件Q1、第二開關元件Q2及第一飛行電容器Cfly1，以及第一切換轉換器電路包括第三開關元件Q3、第四開關元件Q4及第一電感器L1。如圖1所示，第二開關元件Q2與第三開關元件Q3串聯耦合。
類似地，第二相電路系統可以包括第二切換轉換器電路及第二切換轉換器電路。第二切換轉換器電路可以包括第五開關元件Q5、第六開關元件Q6及第二飛行電容器Cfly2，以及第二切換轉換器電路包括第七開關元件Q7、第八開關元件Q8及第二電感器L2。第六開關元件Q6與第七開關元件Q7串聯耦合。
類似地，N相電路系統可以包括第三切換轉換器電路及第三切換轉換器電路。第三切換轉換器電路可以包括第九開關元件Q9、第十開關元件Q10及第三飛行電容器Cfly3，以及第三切換轉換器電路包括第十一開關元件Q11、第十二開關元件Q12及第三電感器L2。第十開關元件Q10與第十一開關元件Q11串聯耦合。儘管只顯示了三個切換轉換器電路及三個切換轉換器電路，但技術可以擴展到N相。
N相混合轉換器700可以從輸入端子接收輸入電壓VIN，並向連接到輸出電容器COUT的輸出端子提供輸出電壓VO。在一些實例中，N相混合轉換器700的輸出端子可以耦合到任何期望負載。N相混合轉換器700可以在工作週期「D」下工作，工作週期「D」相對於2VO/VIN（工作週期=D=2VO/VIN）的比率而變化。
控制電路702可以將控制訊號輸出到雙相混合轉換器700的開關元件的相應控制節點，諸如輸出到電晶體的閘極端子。例如，控制電路702可以從PWM控制電路系統接收PWM訊號。例如，PWM控制電路系統可以包括脈寬調變(PWM)控制電路，諸如圖17的PWM控制電路902，其產生PWM訊號以根據切換頻率及/或工作週期導通或斷開開關元件Q1~Q12。控制電路702或其他控制電路系統可以包括輸入/輸出(I/O)介面，並且可以例如藉由I/O介面用切換頻率及/或工作週期來程式化（例如，在轉換器啟動之前）。
控制電路702可在節點SW1、MID及GND處接收電壓，並可包括邏輯電路系統以產生可應用於開關元件Q1~Q4的閘極的相1（第一時序相φ 1）閘極驅動器控制訊號A、AM、A3及AP。換言之，控制電路702可以是或包括與第一開關元件、第二開關元件、第三開關元件及第四開關元件共用的一閘極驅動器電路。
例如，控制電路702或一或多個附加控制電路可以包括用於產生相2（第二時序相φ2）控制訊號B、BM、B3、BP及相N控制訊號C、CM、C3及CP（第N時序相φN）的邏輯電路系統。例如，控制訊號可為方波訊號。在一些實例中，控制電路702可以控制控制訊號的頻率及工作週期。
如圖13所示，第一至第十二開關元件Q1~Q12由各種控制訊號控制，其中AP=A’、A3=A、AM=C&A’、BP=B’、B3=B、BM=A&B’、CP=C’、C3=C及CM=B&C’，其中A’為A的互補控制訊號，B’為B的互補控制訊號，以及C’為C的互補控制訊號。因為圖13所示的實例使用n型電晶體（諸如n型場效電晶體）實施開關元件，當給定控制訊號為高時，相應的開關元件導通。然而，使用p型電晶體、n型及p型電晶體及/或其他類型開關的實施方式也為可能的。
如下面詳細描述的，控制電路702可以使用第一時序相(φ 1)控制第一切換轉換器電路（Q3、Q4、L1）的操作，可以使用第二時序相(φ2)控制第二切換轉換器電路（Q7、Q8、L2）的操作，並且可以使用第N時序相(φN)控制第N切換轉換器電路（Q11、Q12、L3）的操作。因此，圖13的混合轉換器700為「N相」混合轉換器。
圖13的N相混合轉換器700的電感器L1、L2及L3可以為共用磁芯的耦合電感器，或者它們可以為單獨的電感器。使用耦合電感器可以實現更小的尺寸及更高的效率。
圖14為N相混合轉換器800的另一實例的示意圖。N相混合轉換器800可以包括第一相電路系統、第二相電路系統、第三相電路系統等，直至N相電路系統。圖14的許多特徵類似於圖13的特徵，並且為了簡潔起見，將不會另外詳細描述。
與圖13的N相混合轉換器700相反，飛行電容器Cfly1及Cfly2可以在圖14中交叉耦合。例如，第一電容器Cfly1可以在第一切換式電容器電路（Q1、Q2、Cfly1）與第二切換轉換器電路（Q7、Q8、L2）之間交叉耦合。類似地，第二電容器Cfly1可在第二切換式電容器電路（Q5、Q6、Cfly2）與第三切換轉換器電路（Q11、Q12、L3）之間交叉耦合，以此類推，用於所有N相。最後相的飛行電容器隨後可耦合至第一切換轉換器電路（Q3、Q4、L1）。藉由交叉耦合飛行電容器，相鄰電路系統之間無需共用電壓。
圖14的N相混合轉換器800的電感器L1、L2及L3可以為共用磁芯的耦合電感器，或者它們可以為單獨的電感器。使用耦合電感器可以實現更小的尺寸及更高的效率。
在一些實施方式中，期望一次添加一個相以增加功率輸出。例如，假設圖14的N相混合轉換器800（或圖13的N相混合轉換器700）在雙相模式下運行，其中開關元件Q1~Q8配置為導通及斷開，並且開關元件Q9~12斷開。使用本揭露的各種技術，若負載增加，N相混合轉換器800可以藉由導通及斷開開關元件Q9~12來添加另一相。這與其中必須以兩個為一組添加相以支持額外載入的其他方法相比，這可能為低效的。
類似地，為了提高效率，可以期望一次卸下一相，諸如在較輕的負載條件下。例如，若負載降低，則N相混合轉換器800（或圖13的N相混合轉換器700）可以斷開開關元件Q9~12，同時繼續導通及斷開開關元件Q1~Q8，從而降低N相混合轉換器700的功率輸出。換言之，一或多個相的操作可以在一段時間內禁用，否則操作將被啟用。
圖15為工作週期小於50%的圖13的N相混合轉換器的控制訊號的時序圖的實例。圖表1至圖表4表示第一時序相的控制訊號A、AM、A3及AP。圖表5至圖表8表示第二時序相的控制訊號B、BM、B3及BP。圖表9至圖表12表示第三時序相的控制訊號C、CM、C3及CP。圖表13表示通過電感器L1、L2及L3的電流。底部的圖表，圖表14表示輸出電壓VOUT。
參考圖表1至圖表4，訊號V(ap)為訊號V(a)、V(a3)=V(a)及V(am)=V(c)&V(ap)的互補控制訊號。訊號V(a)在第一相施加到Q1的閘極。訊號V(am)在第一相施加到Q2的閘極。訊號V(a3)在第一相施加到Q3的閘極。訊號V(ap)在第一相施加到Q4的閘極。切換週期為TSW。
參考圖表5至圖表8，訊號V(bp)為訊號V(b)、V(b3)=V(b)及V(bm)=V(a)&V(bp)的互補控制訊號。訊號V(b)在第二相施加到Q5的閘極。訊號V(bm)在第二相施加到Q6的閘極。訊號V(b3)在第二相施加到Q7的閘極。訊號V(bp)在第二相施加到Q8的閘極。
參考圖表9至圖表12，訊號V(cp)為訊號V(c)、V(c3)=V(c)及V(cm)=V(b)&V(cp)的互補控制訊號。訊號V(c)在第三相施加到Q9的閘極。訊號V(cm)在第三相施加到Q10的閘極。訊號V(c3)在第三相施加到Q11的閘極。訊號V(cp)在第三相施加到Q12的閘極。
控制電路，諸如圖13的控制電路802，可以根據具有切換頻率及工作週期的切換週期產生第一、第二、第三時序相等，其中工作週期小於50%。
圖16為工作週期大於50%的圖13的N相混合轉換器的控制訊號的時序圖的另一實例。圖表1至圖表4表示第一時序相的控制訊號A、AM、A3及AP。圖表5至圖表8表示第二時序相的控制訊號B、BM、B3及BP。圖表9至圖表12表示第三時序相的控制訊號C、CM、C3及CP。圖表13表示通過電感器L1、L2及L3的電流。底部的圖表，圖表14表示輸出電壓VOUT。圖16中的訊號與圖15中的訊號類似，為了簡潔起見，將不再詳細描述。
控制電路，諸如圖13的控制電路702，可以產生控制訊號A、B、C（以及來自訊號A、B及C的其他控制訊號），諸如圖15或圖16所示，並根據具有切換頻率及工作週期的切換週期，應用互補第一控制訊號、互補第二控制訊號及互補第三控制訊號，其中切換週期包括第一時序相(φ 1)、第二時序相(φ2)，以及第三時序相(φ3)。作為響應，切換轉換器電路及切換式電容器電路可以向至少一個LC電路產生一系列脈衝，LC電路包括至少一個電容器，例如圖13及圖14的輸出電容器COUT或輸入電容器CIN，以及至少一個電感器，例如電感器L1、L2、L3中的至少一個。
隨後，控制電路可以調整切換訊號（諸如控制訊號A、B及C）的工作週期，以調整系列脈衝，從而將輸出電容器上的輸出電壓設置為預定義且基本恒定的振幅。隨後，N相混合轉換器可以提供輸出電容器COUT上的輸出電壓作為N相混合轉換器的輸出電壓。若輸出電容器COUT為LC電路的一部分，如圖13及圖14所示，則配置為輸出電壓小於輸入電壓的降壓轉換器。然而，若電容器不為LC電路的一部分，則配置為輸出電壓大於輸入電壓的升壓轉換器。
圖17為N相混合轉換器系統的實例的示意圖。N相混合轉換器系統900包括N相混合轉換器及PWM控制電路902。圖17的N相混合轉換器900類似於圖13的N相混合轉換器700。
在所示的實例中，PWM控制電路902包括第一電阻器R1、第二電阻器R2、誤差放大器EA、半程限制器904、受控電壓源906、放大器穩定網路908、第一比較器CMP1、第二比較器CMP2、第二比較器CMP3、第一設置/復位(S/R)閂鎖RS1、第二S/R閂鎖RS2、第三S/R閂鎖RS3、頂部分壓電阻器R3、底部分壓電阻器R3、差分放大器DIFF1及增益電路GAIN1。儘管描述了PWM控制電路902的一個實例，但本文的教導適用於以多種方式實施的PWM控制器。因此，其他實施方式也為可能的。
如圖17所示，頂部分壓電阻器R3及底部分壓電阻器R4作為電阻分壓器連接，電阻分壓器產生大約等於輸入電壓VIN一半的電壓訊號HALFVIN。因此，R3及R4可以具有名義上相等的電阻值。
差分放大器DIFF1放大開關元件Q1與Q2之間的節點與開關元件Q3與Q4之間的節點之間的電壓差，此電壓差隨後與電壓訊號HALFVIN一起應用於增益電路GAIN1。半幅限制器904用於限制增益電路GAIN1的輸出。特別地，當增益電路GAIN1的輸出為負時，半幅限制器904的輸出為零。然而，當增益電路GAIN1的輸出為正時，半幅限制器904的輸出跟隨半幅限制器904的輸入，直到達到最大允許輸出值。半幅限制器904的輸出控制受控電壓源906以調整由誤差放大器EA產生的閾值ITH。因此，受控電壓源906產生等於約ITH減去由半幅限制器904設置的一調整電壓的經調整的閾值ITH1。以這種方式，PWM控制電路902可以包括閾值調整電路，其配置為藉由基於多相混合轉換器900的輸入電壓VIN調整閾值訊號ITH來產生經調整的閾值訊號ITH1。
使用由第一電阻器R1及第二電阻器R2形成的電阻分壓器將輸出電壓VO向下分壓以產生反饋訊號FB。反饋訊號FB耦合到誤差放大器EA的非反相輸入，誤差放大器EA可以被實施作為跨導放大器。參考DC電壓REF耦合到誤差放大器EA的反相輸入，並且FB與REF之間的誤差被轉換為用於設置閾值ITH的電流輸出。以這種方式，PWM控制電路902可以包括閾值產生電路，其配置為基於多相混合轉換器900的經調節的輸出電壓產生閾值訊號ITH。放大器穩定網路908可以以多種方式實施，諸如使用電阻器-電容器(RC)補償網路來提供穩定補償。
第一比較器CMP1將第一電感器L1的電流指示與經調整的閾值ITH1進行比較。第二比較器CMP2將第二電感器L2的電流指示與閾值ITH進行比較，並且第三比較器CMP3將第三電感器L3的電流指示與閾值ITH進行比較。
第一SR閂鎖RS1輸出在應用第一時脈訊號CLK1時設置的第一PWM控制訊號A。當第一感測到的電感器電流訊號高於ITH1時，第一比較器CMP1的輸出重設第一PWM控制訊號A，第一PWM控制訊號A為第一開關元件Q1及第三開關元件Q3的控制訊號。此外，第一PWM控制訊號A可以經邏輯反轉以控制第四開關元件Q4。
第二SR閂鎖RS2輸出在應用第二時脈訊號CLK2時設置的第二PWM控制訊號B。第二時脈訊號CLK2相對於第一時脈訊號CLK1的相移取決於系統900中N相的數量。當第二感測到的電感器電流訊號高於ITH時，第二比較器CMP2的輸出重設第二PWM控制訊號B，第二PWM控制訊號B為第五開關元件Q5及第七開關元件Q7的控制訊號。此外，第二PWM控制訊號B可以經邏輯反轉以控制第八開關元件Q8。
第三SR閂鎖RS2輸出在應用第三時脈訊號CLK3時設置的第三PWM控制訊號C。當第三感測到的電感器電流訊號高於ITH時，第三比較器CMP3的輸出重設第三PWM控制訊號B，第三PWM控制訊號B為第九開關元件Q5及第七開關元件Q7的控制訊號。此外，第二PWM控制訊號B可以經邏輯反轉以控制第八開關元件Q8。
各種注釋
本文描述的非限制性態樣或實例中的每一個可以獨立存在，或者可以以各種排列或組合方式與一或多個其他實例組合。
上述詳細描述包括對構成詳細描述一部分的附圖的引用。附圖以圖解的方式示出了可以實施本發明的具體實施例。這些實施例在本文中也被稱為「實例」。此類實例還可包括除所示或所述的元件外的元件。然而，本發明者還考慮僅提供所示或所述元件的實例。此外，本發明者還考慮使用所示或所述元件的任何組合或排列的實例（或其一或多個態樣），關於特定實例（或其一或多個態樣），或關於本文所示或描述的其他實例（或其一或多個態樣）。
若文件與藉由引用合併的任何文件之間的用法不一致，則以本文件中的用法為准。
在本文件中，術語「一」或「一」與專利文件中常見的術語一樣，包括一或多個，與「至少一個」或「一或多個」的任何其他實例或用法無關。在本文件中，術語「或」用於指代非排他的或，因此「A或B」包括「A但不包括B」、「B但不包括A」及「A及B」，除非另有說明。在本文件中，術語「包括」及「其中」被用作各自術語「包括」及「其中」的簡明英語等價物。此外，在以下態樣，術語「包括」及「包括」為開放式的，即，在一態樣中，除了列出的彼等元素之外，包括其他元素的系統、裝置、物品、組合物、配方或過程仍然被視為屬於彼態樣的範圍。此外，在以下態樣中，術語「第一」、「第二」及「第三」等僅用作標籤，並不打算對其對象施加數值要求。
本文描述的方法實例可以為至少部分實施的機器或電腦。一些實例可以包括電腦可讀媒體或編碼有指令的機器可讀媒體，這些指令可用於配置電子裝置以執行上述實例中描述的方法。此類方法的實施方式可以包括代碼，諸如微碼、組合語言代碼、高階語言代碼等。此類代碼可包括用於執行各種方法的電腦可讀指令。代碼可形成電腦程式產品的一部分。此外，在一個實例中，代碼可有形地存儲在一或多個揮發性、非暫態或非揮發性有形電腦可讀媒體上，諸如在執行期間或其他時間。這些有形電腦可讀媒體的實例可包括但不限於硬碟、可移動磁碟、可移動光碟（例如，光碟及數位視訊光碟）、盒式磁帶、記憶卡或記憶棒、隨機存取記憶體(random access memory; RAM)、唯讀記憶體(read only memory; ROM)等。
上述描述旨在說明性而非限制性。例如，上述實例（或其一或多個態樣）可相互結合使用。其他實施例諸如由熟習本領域者在審查上述描述後使用。提供摘要以符合37 C.F.R.§1.72(b)，以便讀者快速確定技術揭示內容的性質。提交本文件時，應理解本文件不會用於解釋或限制態樣的範圍或含義。此外，在上述實施方式中，可以將各種特徵組合在一起，以簡化本揭露。這不應被解釋為意圖說明未主張之揭示特徵對於任何態樣都必不可少。相反，本發明的標的可能不在於特定揭示實施例的所有特徵。因此，以下態樣在此作為實例或實施例併入實施方式中，其中每個態樣作為單獨的實施例獨立存在，並且預期此類實施例可以以各種組合或排列彼此組合。本發明的範圍應當參考所附的態樣以及此類態樣所享有的全部等同物範圍來確定。
100:雙相混合轉換器 102:控制電路 104:第一及（AND）閘 106:第二及（AND）閘 200:雙相混合轉換器 202:網路電路 204,206:中點節點 300:雙相混合轉換器 400:雙相混合轉換器 500:雙相混合轉換器 600:雙相混合轉換器 700:N相混合轉換器 702:控制電路 800:N相混合轉換器 802:控制電路 900:N相混合轉換器 902:PWM控制電路 904:半程限制器 906:受控電壓源 908:放大器穩定網路 A,A',A3,AM,APB:控制訊號 B,B’,B3,BM,BP:控制訊號 CIN:輸入電容器 Cfly1:第一切換式電容器（飛行電容器） Cfly2:第二切換式電容器（飛行電容器） Cmid1:第一電容器 Cmid2:第二電容器 COUT:輸出電容器 C,C3,CM,CP:控制訊號 CLK1,CLK2,CLK3:時脈訊號 CMP1,CMP2,CMP3:比較器 D:控制訊號 DIFF1:差分放大器 EA:誤差放大器 FB:反饋訊號 GAIN1:增益電路 GND:節點 HALFVIN:電壓訊號 I(L1),I(L2),I(L3):電感器的電流 ITH1:經調整的閾值/經調整的閾值訊號 ITH:閾值/閾值訊號 L1,L2,L3:電感器 MID:中間節點 MID1:第一中間節點 MID2:第二中間節點 P1:前半功率級 P2:後半功率級 PWM,PWMC,PWMA:脈寬調變 Q1:第一開關元件 Q2:第二開關元件 Q3:第三開關元件 Q4:第四開關元件 Q5:第五開關元件 Q6:第六開關元件 Q7:第七開關元件 Q8:第八開關元件 Q9:第九開關元件 Q10:第十開關元件 Q11:第十一開關元件 Q12:第十二開關元件 R1,R2,R3,R4:電阻器 REF:參考DC電壓 RS1,RS2,RS3:S/R閂鎖 SW1,SW3:節點 T SW:切換週期 VO:輸出電壓 VIN:輸入電壓 V(A),V(AM),V(A3),V(AP),V(B),V(BM),V(B3),V(BP),V(C),V(CM),V(C3),V(CP),V(out):訊號 φ 1:第一時序相 φ 2:第二時序相
在附圖中，不一定按比例繪製，相似的元件符號可以在不同的視圖中描述相似的部件。具有不同字母後綴的元件符號可以表示相似部件的不同例子。附圖藉由舉例而非限制地，一般示出了本文檔中論述的各種實施例。 圖1為雙相混合轉換器的一實例的示意圖。 圖2為用於圖1的雙相混合轉換器的控制邏輯電路系統的一實例的示意圖。 圖3為圖1中雙相混合轉換器之控制訊號的時序圖的一實例。 圖4為圖1中雙相混合轉換器之控制訊號的時序圖的另一實例。 圖5A為工作週期小於50%的圖1之雙相混合轉換器的第一操作相的一實例的示意圖。 圖5B為工作週期小於50%的圖1之雙相混合轉換器的第二操作相的一實例的示意圖。 圖5C為工作週期小於50%的圖1之雙相混合轉換器的第三操作相的一實例的示意圖。 圖6A為工作週期大於50%的圖1之雙相混合轉換器的第一操作相的一實例的示意圖。 圖6B為工作週期大於50%的圖1之雙相混合轉換器的第二操作相的一實例的示意圖。 圖6C為工作週期大於50%的圖1之雙相混合轉換器的第三操作相的一實例的示意圖。 圖7為雙相混合轉換器的另一實例的示意圖。 圖8為雙相混合轉換器的另一實例的示意圖。 圖9為雙相混合轉換器的另一實例的示意圖。 圖10為耦合作為降壓轉換器之圖1之雙相混合轉換器的示意圖。 圖11為耦合作為升壓轉換器之圖1之雙相混合轉換器的示意圖。 圖12A為工作週期小於50%的圖1之雙相混合轉換器的第一操作相的另一實例的示意圖。 圖12B為工作週期小於50%的圖1之雙相混合轉換器的第二操作相的另一實例的示意圖。 圖12C為工作週期小於50%的圖1之雙相混合轉換器的第三操作相的另一實例的示意圖。 圖12D為工作週期小於50%的圖1之雙相混合轉換器的第四操作相的另一實例的示意圖。 圖13為N相混合轉換器的一實例的示意圖。 圖14為N相混合轉換器的另一實例的示意圖。 圖15為工作週期小於50%的圖13的N相混合轉換器的控制訊號的時序圖的一實例。 圖16為工作週期大於50%的圖13的N相混合轉換器的控制訊號的時序圖的另一實例。 圖17為N相混合轉換器系統的一實例的示意圖。
100:雙相混合轉換器
102:控制電路
A,A':控制訊號
Cfly1:第一切換式電容器(飛行電容器)
Cfly2:第二切換式電容器(飛行電容器)
Cmid1:第一電容器
Cmid2:第二電容器
COUT:輸出電容器
C:控制訊號
D:控制訊號
L1,L2:電感器
MID1:第一中間節點
MID2:第二中間節點
P1:前半功率級
P2:後半功率級
Q1:第一開關元件
Q2:第二開關元件
Q3:第三開關元件
Q4:第四開關元件
Q5:第五開關元件
Q6:第六開關元件
Q7:第七開關元件
Q8:第八開關元件
VO:輸出電壓
VIN:輸入電壓

Claims (20)

  1. 一種多相混合轉換器，包括： 一第一切換式電容器電路，包括一第一開關元件、一第二開關元件、以及一第一電容器； 一第一切換轉換器電路，包括一第三開關元件、一第四開關元件、以及一第一電感器，其中，該第二開關元件與該第三開關元件耦合； 一第二切換式電容器電路，包括一第五開關元件、一第六開關元件、以及一第二電容器； 一第二切換轉換器電路，包括一第七開關元件、一第八開關元件、以及一第二電感器，其中，該第六開關元件與該第七開關元件耦合；以及 一控制電路，用於使用一第一時序相控制該第一切換轉換器電路的操作，並使用一第二時序相控制該第二切換轉換器電路的操作； 其中，該第一電容器在該第一切換式電容器電路與該第二切換轉換器電路之間交叉耦合。
  2. 如請求項1之多相混合轉換器，其中，該第二電容器連接在該第二切換式電容器電路與該第一切換轉換器電路之間。
  3. 如請求項1之多相混合轉換器，其中，該第一時序相包括多個互補第一控制訊號，並且其中該第二時序相包括多個互補第二控制訊號。
  4. 如請求項3之多相混合轉換器，該控制電路使用多個第三控制訊號來控制該第一切換轉換器電路及該第二切換轉換器電路的操作，該控制電路使用該等互補第一控制訊號之一者及該等互補第二控制訊號之一來產生該等第三控制訊號之一。
  5. 如請求項4之多相混合轉換器，該控制電路包括： 一第一邏輯電路，用於使用該等互補第一控制訊號中的一第一個及該等互補第二控制訊號中的一第二個來產生該等第三控制訊號中的一第一個；以及 一第二邏輯電路，用於使用該等互補第一控制訊號中的一第二個及該等互補第二控制訊號中的一第一個來產生該等第三控制訊號中的一第二個。
  6. 如請求項1之多相混合轉換器，包括： 一第三切換式電容器電路，包括一第九開關元件、一第十開關元件，以及一第三電容器； 一第三切換轉換器電路，包括一第十一開關元件、一第十二開關元件，以及一第三電感器，其中，該第十開關元件與該第十一開關元件耦合； 其中，該第二電容器連接在該第二切換式電容器電路與該第三切換轉換器電路之間； 其中，該第三電容器連接在該第三切換式電容器電路與該第一切換轉換器電路之間； 該控制電路用以進行以下步驟： 使用一第三時序相控制該第三切換轉換器電路的操作。
  7. 如請求項6之多相混合轉換器，其中，該第一電感器與該第二電感器共用一磁芯。
  8. 如請求項7之多相混合轉換器，進一步包括： 一第三電感器，配置為共用該磁芯。
  9. 如請求項6之多相混合轉換器，該控制電路用以進行以下步驟： 在啟用該第三切換轉換器電路的操作的一時間段期間，禁用至少該第三切換轉換器電路的操作。
  10. 如請求項1之多相混合轉換器，包括： 一第四電容器，耦合在一參考電壓節點與一第一節點之間，該第一節點在該第二開關元件與該第三開關元件之間；以及 一第五電容器，耦合在該參考電壓節點與一第二節點之間，該第二節點在該第六開關元件與該第七開關元件之間。
  11. 如請求項10之多相混合轉換器，包括： 一網路電路，耦合在該第一節點與該第二節點之間。
  12. 如請求項1之多相混合轉換器，該多相混合轉換器用於產生小於一輸入電壓的一輸出電壓。
  13. 如請求項1之多相混合轉換器，包括： 一脈寬調變控制電路，包括： 一閾值產生電路，配置為基於該多相混合轉換器之一經調整的輸出電壓產生一閾值訊號； 一閾值調整電路，配置為藉由基於該多相混合轉換器之一輸入電壓調整該閾值訊號來產生一經調整的閾值訊號； 一第一比較器，配置為比較該多相混合轉換器之一第一電感器電流與該經調整的閾值訊號；以及 一第一閂鎖電路，配置為基於該第一比較器之一輸出產生至少一個第一開關控制訊號。
  14. 如請求項13之多相混合轉換器，其中，該脈寬調變控制電路進一步包括： 一第二比較器，配置為比較該多相混合轉換器之一第二電感器電流與該閾值訊號； 一第二閂鎖電路，配置為基於該第二比較器之一輸出產生至少一個第二開關控制訊號； 一第三比較器，配置為比較該多相混合轉換器的一第三電感器電流與該閾值訊號進行比較；以及 一第三閂鎖電路，配置為基於該第三比較器之一輸出產生至少一個第三開關控制訊號。
  15. 一種操作一多相混合轉換器的方法，包括以下步驟： 產生多個互補第一控制訊號以導通及斷開一第一切換轉換器電路的開關元件，其中，一第一時序相包括該等互補第一控制訊號； 產生多個互補第二控制訊號以導通及斷開一第二切換轉換器電路的多個開關元件，其中，一第二時序相包括該些互補第二控制訊號； 使用該等互補第一控制訊號之一者及該等互補第二控制訊號之一者產生多個第三控制訊號，以導通及斷開一第一切換式電容器電路及一第二切換式電容器電路的多個開關元件； 根據具有一切換頻率及一工作週期的一切換週期，應用該等互補第一控制訊號、該等互補第二控制訊號及該等第三控制訊號，該切換週期包括該第一時序相及該第二時序相； 藉由該第一切換轉換器電路、該第二切換轉換器電路、該第一切換式電容器電路及該第二切換式電容器電路，產生一系列脈衝給予包括至少一個電容器及至少一個電感器的至少一個LC電路； 調整切換訊號的該工作週期，以調整該系列脈衝，以設置一輸出電容器上的一輸出電壓；以及 在該輸出電容器上提供該輸出電壓，作為該多相混合轉換器的一輸出電壓。
  16. 如請求項15之操作一多相混合轉換器的方法，包括以下步驟： 產生多個互補第四控制訊號以導通及斷開一第三切換轉換器電路的開關元件，其中，一第三時序相包括該等互補第三控制訊號；以及 使用該等互補第二控制訊號之一者及該等互補第三控制訊號之一者產生多個第五控制訊號，以導通及斷開一第三切換式電容器電路的多個開關元件。
  17. 如請求項16之操作一多相混合轉換器的方法，包括以下步驟： 在啟用該第三切換轉換器電路的操作的一時間段期間，禁用至少該第三切換轉換器電路的操作。
  18. 一種多相混合轉換器，包括： 一第一切換式電容器電路，包括一第一開關元件、一第二開關元件，以及一第一電容器； 一第一切換轉換器電路，包括一第三開關元件、一第四開關元件，以及一第一電感器，其中，該第二開關元件與該第三開關元件耦合； 一第二切換式電容器電路，包括一第五開關元件、一第六開關元件，以及一第二電容器； 一第二切換轉換器電路，包括一第七開關元件、一第八開關元件，以及一第二電感器，其中，該第六開關元件與該第七開關元件耦合；以及 一控制電路，用於使用一第一時序相控制該第一切換轉換器電路的操作，並使用一第二時序相控制該第二切換轉換器電路的操作，該控制電路用以進行以下步驟： 產生多個互補第一控制訊號，以導通及斷開該第一切換轉換器電路的開關元件； 產生多個互補第二控制訊號，以導通及斷開該第二切換轉換器電路的開關元件；以及 使用該等互補第一控制訊號之一者及該等互補第二控制訊號之一者產生多個第三控制訊號，以導通及斷開一第一切換式電容器電路及一第二切換式電容器電路的開關元件。
  19. 如請求項18之多相混合轉換器，包括： 一第三切換式電容器電路，包括一第九開關元件、一第十開關元件，以及一第三電容器；以及 一第三切換轉換器電路，包括一第十一開關元件、一第十二開關元件，以及一第三電感器，其中，該第十開關元件與該第十一開關元件耦合， 該控制電路用以進行以下步驟： 產生互補第三控制訊號，以導通及斷開該第三切換轉換器電路的開關元件。
  20. 如請求項18之多相混合轉換器，其中，該第一電感器與該第二電感器共用一磁芯。
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