TWI840359B - 基於可變調頻進行電壓轉換的設備及方法 - Google Patents

Abstract

本發明實施例涉及不包括電感器的改良型開關電容器(SC)轉換器拓撲。特別地，該拓撲包括配置成電容分壓器的梯形SC電路，其中閘極驅動信號產生以引發電容器的充電和放電。在這種特定拓撲中，產生未調節的輸出電壓，該輸出電壓是例如電池的電源的輸入電壓的某一分數。本發明實施例還包括基於用於開關電容器轉換器的閘極驅動信號產生的電流感應技術的可變調頻(VFM)方案。

Description

基於可變調頻進行電壓轉換的設備及方法

本發明實施例通常涉及基於開關電容器(SC)的DC-DC轉換器，並且更特別地涉及採用梯形拓撲的電容分壓器的調制方案。

DC-DC轉換器接收來自輸入源(例如，主電源、電池等)的輸入電壓，並且使用該輸入電壓將輸出電壓提供給負載(例如，電腦、IoT設備等)。一般DC-DC轉換器常常使用包括電感器和例如功率MOSFET的電力開關的拓撲。此等基於電感器的拓撲有問題及/或該等拓撲帶有常常不容易解決的某些設計考慮因素。

在一或多個實施例中，提供不包括電感器的改良型開關電容器(SC)轉換器拓撲。特別地，該拓撲包括被配置成電容分壓器的梯形SC電路，其中閘極驅動信號產生以引發電容器的充電和放電週期。在這種特定拓撲中，產生未調節的輸出電壓，該輸出電壓是例如電池的電源的輸入電壓的某一分數。本發明實施例還包括基於負載條件的用於閘極驅動器邏輯的可變調頻(VFM)方案。

102:閘極驅動器

104-1:開關

104-2:開關

104-3:開關

104-4:開關

106:飛電容器Cfly

302:比較器

304:感應電路

306:感應電路

308:邏輯

402:運算放大器

404:運算放大器

406:上部窗水平

408:下部窗水平

410:差分放大器

412:閘極邏輯

414:比較器

416:比較器

502:調制器

504:閘極邏輯/驅動器

506:電流資訊轉換邏輯

508:查閱資料表

510:感應電阻器

602:調制器

604:閘極邏輯/驅動器

606:電流資訊轉換邏輯

608:查閱資料表

610:集成式功率MOSFET

612:集成式SENSEFET

700:調制器

702:電流感應電阻器

704:低電壓電流感應放大器

706:感應電壓

708:壓控振盪器(VCO)

710:J-K觸發器

712:信號

714:驅動器

802:曲線

804:曲線

806:曲線

S902:步驟

S904:步驟

S906:步驟

本發明實施例的這些和其他態樣和特徵將在結合附圖查看對特定實施例的以下描述後對所屬領域的一般技藝人士變得顯而易見，在附圖中：圖1是圖示具有梯形拓撲的示例電容分壓器的方塊圖；圖2A和圖2B圖示使電容分壓器的飛電容器充電和放電的操作態樣；圖3是圖示用於實現可變調頻的一個示例一般方法的方塊圖；圖4是圖示用於實現可變調頻的另一示例一般方法的方塊圖；圖5是圖示用於實現根據本發明實施例的可變調頻的示例方法的方塊圖；圖6是圖示用於實現根據本發明實施例的可變調頻的另一示例方法的方塊圖；圖7是圖示用於實現根據本發明實施例的可變調頻的又一示例方法的方塊圖；圖8是圖示能夠用於一些本發明實施例中的感應的電流的頻率值的表的態樣的圖；及圖9是圖示根據本發明實施例的示例可變調頻方法的流程圖。

現在將參考圖式來詳細地描述本發明實施例，本發明實施例是作為實施例的說明性實例而提供，以 便使所屬領域的技藝人士能夠實踐所屬領域的技藝人士瞭解的實施例和替代例。明顯地，以下的圖式和實例並不意味將本發明實施例的範圍限於單一實施例，而是借助於互換所描述或所說明元件中的一些或全部，其他實施例是可能的。此外，在本發明實施例的某些元件能夠使用已知部件部分地或完全地實現的情況下，將僅描述理解本發明實施例必需的此等已知部件的那些部分，並且將省略對此等已知部件的其他部分的詳細描述，以便不使本發明實施例難理解。如所屬領域的技藝人士所瞭解的，描述為以軟體實現的實施例不應限於此，而是能夠包括以硬體或軟體與硬體的組合實現的實施例，反之亦然，除非本文中另有規定。在本說明書中，示出單數部件的實施例不應被視為限制性的；相反地，本揭示意圖涵蓋包括複數個相同部件的其他實施例，反之亦然，除非本文中另有明確陳述。此外，申請人不希望說明書或請求項中的任何術語具有罕見或特殊的意義，除非明確地如此陳述。此外，本發明實施例涵蓋本文中借助於說明引用的已知部件的當前和未來的已知均等物。

根據某些態樣，本發明實施例是基於通常不包括電感器的改良型開關電容器(SC)轉換器拓撲。特別地，該拓撲包括被配置成電容分壓器的梯形SC電路。該電容分壓器能夠用於提供未調節的輸出電壓Vout，該輸出電壓是輸入電壓Vin的某一分數(例如2)，例如Vin/2(即，工作循環

50%)。因此，該電容分壓器能夠用於 例如從2S電池產生1S電壓。由於該電容分壓器具有無電感器的拓撲，因此與基於電感器的拓撲相比，該電容分壓器能夠實現相對小的板空間、減少的損耗和高效率(>96%，尤其在輕負載下)。然而，需要一種可變調頻(VFM)方案以基於例如負載條件對閘極驅動信號進行調制。

圖1是圖示SC轉換器的示例電容分壓器拓撲的方塊圖。如這個實例中所示，輸入電壓Vin由2S電池提供。示例Vout被示出為等效於1S電池(即Vout=Vin/2)。閘極驅動器102驅動耦合在Vin、Vout和接地之間的四個開關(例如NFET)104，以便使飛電容器Cfly 106充電和放電，且由此將能量從輸入端轉移到輸出端。如圖1中另外所示，閘極驅動信號被發送到閘極驅動器102以驅動NFET 104，如下文將更詳細地描述。該閘極驅動信號具有開關頻率Fs、開關週期Ts和工作循環D，在這種情況下，該工作循環理想地為所圖示的這個實施例中的輸入電壓與輸出電壓Vin與Vout的比的約50%。然而，其他工作循環比對於這個實施例和其他實施例是可能的(例如Vout=Vin/3、Vout=Vin/4、Vout=2 Vin、Vout=3 Vin、Vout=4 Vin等)，以達成某些的效能度量，例如效率、紋波或聲學雜訊。此外，儘管Vin在這個實例中被示出為由電池提供，但是其他類型的電源是可能的，例如來自提供足夠DC電壓的適配器、移動電源(power bank)或其他供應器的電力。Vout能 被提供到任何類型的負載，例如CPU電壓調節器、電子負載、電池、可攜式裝置、IoT設備等。

如所屬領域的技藝人士將瞭解，圖1所示的開關電容器轉換器採用梯形拓撲，該拓撲能夠容易地擴展到需要其他Vout-Vin比的其他實施例。舉例而言，在添加兩個或更多個開關電容器(即飛電容器和相關聯開關)的情況下，圖1中的電路能夠適合用於提供Vout=Vin/3比及/或Vout=2 Vin/3比。然而，為使本發明清楚起見，此處將省略該電路的另外細節。還應該注意，本發明實施例不限於梯形拓撲，並且其他拓撲是可能的，例如串聯-並聯拓撲、二重拓撲等，並且所屬領域的技藝人士在通過本發明實例教示之後將能夠理解如何用此類其他拓撲來實現本發明實施例。

圖2A和圖2B更詳細地圖示根據實施例的開關電容器DC-DC轉換器的操作態樣。如圖2A所示，為了對飛電容器Cfly充電，NFET Q2和Q4接通，而NFET Q1和Q3關斷(例如，根據開關控制信號的「低」值)。這導致飛電容器Cfly從輸入端充電(特別地，將電荷從「去耦」電容器C2轉移到Cfly，C2由Q2和Q4與Cfly並聯地開關)。如圖2B所示，為了使飛電容器Cfly放電，NFET Q1和Q3接通，而NFET Q2和Q4關斷(例如，根據開關控制信號的「高」值)，這導致電容器放電到輸出端(特別地，將電荷從Cfly轉移到「輸出」電容器C1，C1由Q1和Q3與Cfly並聯地開關，並且由此在輸出端處 建立輸出電壓Vout)。飛電容器的充電和放電操作因此導致從輸入端到輸出端的能量轉移。

如前述，儘管工作循環D基於所需的輸入到輸出電壓轉換比n(例如，n=½)能夠保持基本上恆定，但是需要開關頻率Fs的可變調頻方案，以改良效能度量，例如效率、紋波和聲學雜訊。一種一般方法被稱作基於Vin閾值的調制。在這種方法中，如圖3所示，基於比較器302的輸出來調整閘極驅動信號產生。這種方法需要兩個感應電路304、306以及比較器302，一個感應電路用於Vin且一個感應電路用於Vout。通過邏輯308基於比較(Vin*n-Vin閾值)與Vout的結果來執行可變調頻。

第二種一般方法被稱作基於遲滯窗(Hysteresis-Window)的調制。在這種方法中，如圖4所示，使用基於飛電容器電壓的遲滯窗的比較器輸出來調整閘極驅動信號產生。需要分別用於上部及下部窗水平406、408的兩個運算放大器402、404。需要感應飛電容器電壓的差分放大器410，這對於IC設計難以實現。通過閘極邏輯412基於使用比較器414、416將飛電容器電壓與遲滯窗進行比較來執行可變調頻。

根據某些態樣，本發明實施例的目標是克服一般調頻方案中的一些問題，尤其例如上文關於圖3和圖4所描述的那些問題。圖5是實現根據本發明實施例的調頻方案的示例SC轉換器的方塊圖。應當注意，這個實例採用梯形拓撲，但是這在所有實施例不是必要的。還應當注 意，儘管僅示出單相轉換器，但是實施例的原理能夠擴展到多相及/或交錯轉換器。

如這個實例中所示，調制器502包括閘極邏輯/驅動器504和電流資訊轉換邏輯506。如進一步所示，電流資訊轉換邏輯506使用查閱資料表508將從感應電阻器510感應的電流轉換成能夠通過閘極邏輯/驅動器504實現的開關頻率、工作循環和任何脈衝產生或脈衝跳躍參數。舉例而言，查閱資料表508儲存對應於預定義電流到頻率曲線的資料，電流資訊轉換邏輯506可從該等曲線選擇及/或基於感應的電流資訊來決定恰當的開關頻率。請注意，感應電阻器510能夠放置在輸入側以及其他恰當位置，或用其他電流感應技術取代。

如下文將更詳細地描述，能夠經由查閱資料表508視例如效率/紋波目標而將電流資訊映射到各種開關頻率選項。在這方面，應當注意，表508在一些實施例中能夠儲存線性或非線性的多個輪廓及/或曲線，以將電流資訊轉換成開關頻率、工作循環和任何脈衝產生或脈衝跳躍參數，並且邏輯506能夠被配置成將即時地、接近即時地或非即時地加以處理的資料用於選擇、調整或產生表508的輪廓和曲線，例如在任何給定的時間或在某些操作條件下使用插腳帶、輸入信號或其他此類機制和演算法(未示出)。還應當注意，表508或其他表能夠儲存除開關頻率以外的額外閘極驅動參數，能夠使用邏輯506或其他邏輯來使用該等參數。

圖6是根據本發明實施例的另一示例調頻方案的方塊圖。

如這個實例中所示，調制器602包括閘極邏輯/驅動器604和電流資訊轉換邏輯606，以及集成式功率MOSFET 610和集成式的電流感應MOSFET(SENSEFET)612。如進一步所示，電流資訊轉換邏輯606使用查閱資料表608將從SENSEFET 612感應的電流轉換成能夠通過閘極邏輯/驅動器604實現的開關頻率、工作循環和任何脈衝產生或脈衝跳躍參數。類似於先前實例，查閱資料表608儲存對應於預定義電流到頻率曲線的資料，電流資訊轉換邏輯606可從該等曲線選擇及/或基於感應的電流資訊來決定恰當的開關頻率，如下文將更詳細描述。

應當瞭解，圖5和圖6中的調制器502和602分別能夠用所屬領域的技藝人士在通過本發明實例教示之後已知的多種方式來實現。還應當瞭解，儘管閘極邏輯/驅動器504/604示出為與電流資訊轉換邏輯506/606分開，但是只是為了易於說明才這樣示出。舉例而言，閘極邏輯/驅動器504/604和電流資訊轉換邏輯506/606能夠部分地或全部地使用共用或共同電路元件來實現。仍應當進一步瞭解，調制器502和602能夠包括額外的或比這些實例中所圖示更少的部件。更另外地，能夠使用除電阻器和SENSEFET以外的電流感應元件。

圖7是根據本發明實施例的又一示例調頻方案的方塊圖。

不同於其他實例，這一方案不包括查閱資料表。而是，在調制器700中，電流被直接用於產生開關頻率。使用電流感應電阻器702和具有位準偏移的低電壓電流感應放大器704(例如運算放大器)來執行電流感應，以產生感應電壓706。將這個感應電壓706饋送到壓控振盪器(VCO)708，該壓控振盪器產生頻率取決於電壓706(例如針對給定電壓範圍線性相關)的固定工作循環時鐘信號輸出(例如，舉例而言50%工作循環)。將這個時鐘信號作為時鐘輸入提供給J-K觸發器710，以分別在該觸發器的Q及QN輸出端產生閘極驅動信號Q及互補閘極驅動信號QN。這些信號712提供給驅動器714，由此以通過電壓706決定的開關頻率驅動(例如使用一次)恰當開關的閘極。

應當注意，上文關於控制器700所描述的示例部件及其配置是非限制性的，且各種替代是可能的。舉例而言，替代VCO，能夠使用其他類型的電壓對頻率轉換器。還應當注意，上文關於控制器700所描述的某些部件也能夠用於實現控制器502和602的一些部件，並且所屬領域的技藝人士在通過本發明實例教示之後將理解如何改動此等部件。

圖8是圖示根據實施例的示例預定義電流到頻率曲線(例如關於圖5和圖6的方案所提及的預定義電流到頻率曲線)的圖。

在這個實例中，曲線802、804和806中的每一個能夠被劃分成三個主要區帶：Fs_Min、Fs_Adj、Fs_Max。鑒於曲線802、804和806的資料在Fs_Min和Fs_Max區帶中是相同的，所以Fs_Adj區帶中的曲線802、804和806能夠用斜率不同的多個線段以不同方式實現。舉例而言，這些不同值能夠提供靈活性，以便提供用於最佳化效率、紋波、聲學雜訊和其他效能度量的多個Fs選項。這是有利的，因為一旦電容器組合被決定，一般VFM方案在給定電流下通常實現單一開關頻率。此外，能夠使根據本發明實施例的調頻獨立於輸入/輸出/飛電容器的電容。舉例而言，即使存在連接到輸出端的極大Cout或電池，本發明實施例仍會很好地工作。更另外地，本發明實施例的調頻獨立於部件寄生電容和PCB佈局，並且由此對在輸入端和輸出端處引入的雜訊較不敏感。電流能夠從不同的部件和位置感應，並且用於具有任何電力流動方向的各種SC拓撲。總之，因此，實現本發明實施例的該方案的風險極低。只要電流資訊可靠，在整個負載範圍中就能保證可變調頻及低閘極信號干擾，並且輕負載下的效率保持極好。

圖9是根據實施例的示例閘極信號調制方法的流程圖。

如這個實例中所示，在步驟S902中，產生初始閘極驅動信號，該信號具有恰當開關頻率、工作循環和任何其他脈衝產生或脈衝跳躍參數。該閘極驅動信號的開關頻率例如能夠是預定頻率，但是可以在必要時加以調整。如前述，工作循環能夠根據所需的輸入對輸出電壓轉換比是固定的，但是其他工作循環也是可能的。舉例而言，若比是Vout=Vin/2，則工作循環能設定為50%、45%、40%等。

在步驟S904中，感應負載條件的參數。舉例而言，該參數能夠是負載所吸取的電流。能夠以前述的多種方式，例如使用輸出節點或輸入節點處或附近的感應電阻器、功率電晶體附近的SENSEFET等來感應此電流。

回應於感應的參數(例如電流)，在步驟S906中，對閘極信號進行調制。在一些示例實施例中，使用查閱資料表來決定恰當的開關頻率。在此等實施例中，若感應的電流值不對應於查閱資料表的特定條目，則能夠從該表提取兩個頻率值以用於高於和低於感應的電流值的在該表中的兩個最接近電流值，並且能夠使用該等兩個最接近電流值的頻率值來內插感應的電流值的頻率。在其他實例中，能夠將感應的電流值捨位到該表中的最接近電流值，並且能夠提取單一的頻率值。在不包括查閱資料表的其他實施例中，能夠例如使用VCO來執行直接的電流到頻率轉換操作。

能夠連續地重複以上步驟，直到不需要進一步調制。

儘管已經參考本發明實施例的優選實施例特別地描述了本發明實施例，但是所屬領域的一般技藝人士應容易瞭解，在不背離本揭示的精神和範圍的情況下，可進行形式和細節上的改變和修改。隨附申請專利範圍意欲涵蓋此等改變和修改。

502:調制器

504:閘極邏輯/驅動器

506:電流資訊轉換邏輯

508:查閱資料表

510:感應電阻器

Claims (20)

1. 一種用於將一輸入端處的一輸入電壓轉換成一輸出端處的一輸出電壓的設備，該設備包括：一電容器，其中該電容器被配置，以使得該電容器的一充電和放電將能量從該輸入端轉移到該輸出端；多個開關，該等開關被配置成控制該電容器的該充電和放電；一控制器，該控制器基於與從該輸入端到該輸出端的該能量轉移相關聯的一電流來控制該等開關的一開關頻率；及一查閱資料表，該查閱資料表耦合到該控制器，其中該控制器被配置成使用該查閱資料表中的一或多個條目基於該電流來設定該開關頻率，其中該查閱資料表儲存一同一給定電流值的複數個不同開關頻率值，並且其中該控制器被配置成基於該電流來選擇該複數個不同開關頻率值中的某一至少一個開關頻率值，並且其中該同一給定電流值的該複數個不同開關頻率值對應於複數個不同效能度量值，該複數個不同效能度量值與從該輸入端到該輸出端的該能量轉移相關聯。
2. 如請求項1之設備，該設備還包括耦合到該控制器的一電流感應電阻器，該電流感應電阻器被配 置成感測該電流。
3. 如請求項1之設備，該設備還包括耦合到該控制器的一電流感應MOSFET(SENSEFET)，該SENSEFET被配置成感應該電流。
4. 如請求項1之設備，其中該複數個不同效能度量值包括不同效率值。
5. 如請求項1之設備，其中該複數個不同效能度量值包括不同紋波值。
6. 如請求項1之設備，其中該控制器包括一壓控振盪器，該壓控振盪器被配置成根據基於該電流的一電壓來控制該開關頻率。
7. 如請求項1之設備，其中該等開關包括FET，並且其中該控制器被耦合成向該等FET的閘極提供閘極驅動信號，該等閘極驅動信號具有該開關頻率。
8. 如請求項7之設備，其中該等閘極驅動信號還具有至少部分地取決於該輸入電壓與該輸出電壓之間的一比的一工作循環。
9. 如請求項1之設備，其中該電容器被配置成在不使用一電感器的情況下將能量從該輸入端轉移到該輸出端。
10. 如請求項1之設備，其中該等開關和該電容器被配置成一梯形拓撲。
11. 如請求項1之設備，該設備還包括一去耦電容器，該去耦電容器用於利用該輸入電壓對該電容器充電。
12. 如請求項1之設備，該設備還包括一輸出電容器，該輸出電容器用於儲存作為該電容器的該放電的一結果的該輸出電壓。
13. 一種用於將一輸入端處的一輸入電壓轉換成一輸出端處的一輸出電壓的方法，該方法包括：使一電容器充電和放電，以便將能量從該輸入端轉移到該輸出端；操作多個開關，以控制該電容器的該充電和放電；通過一控制器基於與從該輸入端到該輸出端的該能量轉移相關聯的一電流來控制該等開關的一開關頻率；及通過該控制器，使用一查閱資料表中的一或多個條目基於該電流來設定該開關頻率，其中該查閱資料表儲存一同一給定電流值的複數個不同開關頻率值，該方法還包括基於該電流來選擇該複數個不同開關頻率值中的某一至少一個開關頻率值，並且其中該同一給定電流值的該複數個不同開關頻率值對應於複數個不同效能度量值，該複數個不同效能度量值與從該輸入端到該輸出端的該能量轉移相關 聯。
14. 如請求項13之方法，該方法還包括使用耦合到該控制器的一電流感應電阻器來感應該電流。
15. 如請求項13之方法，該方法還包括使用耦合到該控制器的一電流感應MOSFET(SENSEFET)來感應該電流。
16. 如請求項13之方法，其中該複數個不同效能度量值包括不同效率值。
17. 如請求項13之方法，其中該複數個不同效能度量值包括不同紋波值。
18. 如請求項13之方法，其中該控制器包括一壓控振盪器，其中根據基於該電流的一電壓來執行控制該開關頻率。
19. 如請求項13之方法，其中該等開關包括FET，該方法還包括通過該控制器向該等FET的閘極提供閘極驅動信號，該等閘極驅動信號具有該開關頻率。
20. 如請求項19之方法，其中該等閘極驅動信號還具有至少部分地取決於該輸入電壓與該輸出電壓之間的一比的一工作循環。