用于開關電容器電路的泵電容器配置的制作方法
【專利說明】用于開關電容器電路的泵電容器配置
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求在2012年11月26日提交的美國申請第13/685，186號的優先權日的權益。前述申請的全部內容以引用的方式并入本文。
發明領域
[0003]本發明主題涉及用于在不同電壓之間轉換的開關電容器轉換器。
【背景技術】
[0004]功率轉換器可以大體上包括開關和一個或者多個電容器。這類電容器用于例如向便攜式電子設備和消費性電子產品供電。
[0005]開關模式功率轉換器是特定類型的功率轉換器，其通過使用開關網絡將儲能元件(即，電感器和電容器)切換至不同電氣配置來調節輸出電壓或者電流。
[0006]開關電容器轉換器是主要利用電容器來傳輸能量的一類開關模式功率轉換器。在這類轉換器中，電容器和開關的數量隨著轉換比的增加而增加。
[0007]在開關網絡中的開關通常是利用晶體管實現的有源器件。開關網絡可以集成在單個半導體襯底上或者集成在多個單片半導體襯底上。作為替代實施方式，可以通過使用離散器件來形成開關網絡。而且，因為開關通常載有大電流，所以其可以由眾多更小的并聯開關組成。
[0008]常用類型的開關電容器轉換器是級聯倍增器開關電容器轉換器。在圖1A至圖1B中示出了級聯倍增器16A的兩個示例。在圖1A中圖示的級聯倍增器16A常常稱為科克夫特-沃爾頓(Crockcoft-Walton)電壓倍增器，而在圖1B中圖示的級聯倍增器16A常常稱為迪克森(Dickson)電荷泵。
[0009]在圖1A中圖示的級聯倍增器16A從電壓源14接收輸入電壓VIN，并且產生是該輸入電壓VIN四倍的輸出電壓V0。假設輸入電壓VIN等于I伏特，在圖1A中圖示的級聯倍增器16A的操作描述如下。
[0010]具有第一和第二時鐘間隔的時鐘在泵節點Pl處生成以預定義頻率重復的電壓。該時鐘負責控制電荷從電壓源14轉移至負載18。在該示例中，初始電荷從電壓源14到達負載18需要第一和第二時鐘間隔的三次反復。
[0011]在第一時鐘間隔期間，在泵節點Pl處的電壓為O伏特，以及奇數標記的二極管D1、D3、D5導通電流。結果，電荷從電壓源14轉移至第一泵電容器CAll，從第一 DC電容器CAZl轉移至第二泵電容器CA12，從第二 DC電容器CAZ2轉移至第三泵電容器CA13，以及從第三DC電容器CAZ3轉移至負載18。
[0012]在第一時鐘間隔之后的第二時鐘間隔期間，在泵節點Pl處的電壓為I伏特，以及偶數標記的D2、D4、D6導通電流。結果，電荷從第一泵電容器CAll轉移至第一 DC電容器CAZl，從第二泵電容器CA12轉移至第二 DC電容器CAZ2，以及從第三泵電容器CA13轉移至第三DC電容器CAZ3和負載18。
[0013]在第一開關節點NAll處的電壓在I伏特與2伏特之間交替，在第二開關節點NA12處的電壓在2伏特與3伏特之間交替，以及在第三節點NA13處的電壓在3伏特與4伏特之間交替。結果，存在I伏特的電壓差通過每個泵電容器CA11-CA13。同時，在第一 DC節點NAZI處的電壓為2伏特并且在第二 DC節點NAZ2處的電壓為3伏特，從而產生I伏特的電壓差通過每個DC電容器CAZ1-CAZ3。
[0014]一般而言，假設在泵節點Pl處的峰值電壓是輸入電壓VIN，通過在級聯倍增器16A中的泵電容器CA11-CA13和DC電容器CAZ1-CAZ3中的每一個的最大電壓為輸入電壓VIN。
[0015]相似地，在圖1B中圖示的級聯倍增器16A從電壓源14接收輸入電壓VIN，并且產生是該輸入電壓VIN七倍的輸出電壓VO。假設輸入電壓VIN等于I伏特，在圖1B中圖示的級聯倍增器16A的操作描述如下。
[0016]第一時鐘在第一泵節點Pl處生成電壓并且第二時鐘在第二泵節點P2處生成電壓。第一時鐘和第二時鐘彼此180度反相，從而使得它們具有以預定義頻率重復的第二和第二時鐘間隔。這些時鐘負責控制電荷從電壓源14轉移至負載18。在該示例中，初始電荷從電壓源14到達負載18需要花費第一和第二時鐘間隔的四次反復。
[0017]在第一時鐘間隔期間，在第一泵節點Pl處的電壓為O伏特，在第二泵節點P2處的電壓為I伏特，以及奇數標記的二極管D1、D3、D5、D7導通電流。結果，電荷從電壓源14轉移至第一泵電容器CAl I，從第二泵電容器CA21轉移至第三泵電容器CA12，從第四泵電容器CA22轉移至第五泵電容器CA13，以及從第六泵電容器CA23轉移至負載18。
[0018]在第一時鐘間隔之后的第二時鐘間隔期間，在第一泵節點Pl處的電壓為I伏特，在第二泵節點P2處的電壓為O伏特，以及偶數標記的D2、D4、D6導通電流。結果，電荷從第一泵電容器CAll轉移至第二泵電容器CA21，從第三泵電容器CA12轉移至第四泵電容器CA22，以及從第五泵電容器CA13轉移至第六泵電容器CA23。
[0019]在第一開關節點NAll處的電壓在I伏特與2伏特之間交替，在第二開關節點NAl2處的電壓在3伏特與4伏特之間交替，以及在第三節點NA13處的電壓在5伏特與6伏特之間交替。這產生了分別通過泵電容器CA11、CA21、CA12、CA22、CA13、CA23的I伏特、2伏特、3伏特、4伏特、5伏特和6伏特的電壓差。因此，存在不同的電壓通過每個泵電容器。
[0020]假設在第一和第二泵節點P1、P2處的峰值電壓是輸入電壓VIN。最小電壓應力通過第一泵電容器CAll并且等于輸入電壓VIN。而最大電壓應力通過第六泵電容器CA23并且等于輸入電壓VIN的六倍。
[0021]常常需要在級聯倍增器16A中的所有電容器都具有相同的電壓應力，這是因為，針對每個電容器，可以使用相同類型的電容器。由于供應鏈的復雜度增加，所以針對每個電容器選擇獨立類型的電容器成本通常更高。而且，如果級聯倍增器16A單片地集成，那么包括僅一種類型的具有給定額定電壓的電容器往往更具有性價比。
[0022]另一方面，低電壓電容器比高電壓電容器儲存更少的能量。例如，具有如圖1A中的串聯堆疊泵電容器配置的級聯倍增器16A會需要更大的總電容量來實現與具有如圖1B中的并聯堆疊泵電容器配置的級聯倍增器16A相同的效率。
[0023]因此，需要靈活地控制電壓應力在電容器中的分布連同通過電容器的最大和最小電壓應力。

【發明內容】

[0024]在一個方面中，本發明的特征在于一種包括第一端子、第二端子、以及耦合在所述第一與第二端子之間以便使在所述第一端子處的電位是在所述第二端子處的電位的倍數的第一級聯倍增器的設備。所述第一級聯倍增器包括:第一組開關元件，其中一個所述開關元件與所述第一端子耦合并且另一個所述開關元件與所述第二端子耦合。該第一組開關元件包括第一和第二開關元件。具有第一端子和第二端子的所述第一開關元件具有電流流過所述第一開關元件的第一狀態和抑制電流流過所述第一開關元件的第二狀態。所述第二開關元件也具有第一和第二狀態。在所述第一狀態中，電流流過所述第二開關元件，并且在所述第二狀態中，抑制電流流過所述第二開關元件。與所述第一開關元件類似，所述第二開關元件具有第一和第二端子。所述第二開關元件的所述第一端子與所述第一開關元件的所述第二端子耦合。所述第一級聯倍增器也具有:具有第一和第二操作狀態以便提供第一電位的第一電路；用于提供第二電位的第二電路；以及第一電容器網絡。該第一電容器網絡耦合在所述第一電路與所述第一組開關元件之間。該第一電容器網絡包括一組電容器，每個電容器均具有第一端子和第二端子，所述第一端子與在所述開關元件對之間的選擇節點中的對應選擇節點耦合。在該組電容器中的電容器中有第二端子與所述第一電路DC耦合的第一和第二電容器、通過所述第一電容器與所述第一電路親合的第三電容器、以及親合在所述第二電路與所述第一組開關元件之間的第二電容器網絡。
[0025]在另一方面中，本發明的特征在于一種包括第一端子、第二端子、以及耦合在所述第一與第二端子之間以便使在所述第一端子處的電位是在所述第二端子處的電位的倍數的第一級聯倍增器的設備。所述第一級聯倍增器包括:第一組開關元件，其中一個所述開關元件與所述第一端子耦合并且另一個所述開關元件與所述第二端子耦合。該第一組開關元件包括第一和第二開關元件。具有第一端子和第二端子的所述第一開關元件具有電流流過所述第一開關元件的第一狀態和抑制電流流過所述第一開關元件的第二狀態。所述第二開關元件也具有第一和第二狀態。在所述第一狀態中，電流流過所述第二開關元件，并且在所述第二狀態中，抑制電流流過所述第二開關元件。與所述第一開關元件類似，所述第二開關元件具有第一和第二端子。所述第二開關元件的所述第一端子與所述第一開關元件的所述第二端子耦合。所述第一級聯倍增器也具有:具有第一和第二操作狀態以便提供第一電位的第一電路；用于提供第二電位的第二電路；以及第一電容器網絡。該第一電容器網絡耦合在所述第一電路與所述第一組開關元件之間。第一級聯倍增器也包括耦合在所述第二電路與所述第一組開關元件之間的第二電容器網絡。所述第一和第二電容器網絡中的至少一個包括一組電容器，每個電容器均具有第一端子和第二端子，所述第一端子與在所述開關元件對之間的選擇節點中的對應選擇節點耦合。在該組電容器中的電容器中有所述第二端子與所述第一電路DC親合的第一和第二電容器和通過所述第一電容器與所述第一電路親合的第三電容器。
[0026]在某些實施例中，所述第一和第二電容器網絡中的至少一個是第一電容器網絡。然而，在其他實施例中，所述第一和第二電容器網絡中的至少一個是第二電容器網絡。
[0027]某些實施例也包括控制器。所述控制器配置為使選擇自所述多個開關元件中的開關元件在所述第一與第二狀態之間轉換以便使在所述第一端子處的電壓是在所述第二端子處的電壓的倍數。該配置通過提供所述控制器至今尚不能夠執行的新功能而在所述控制器中造成物理轉換。在可編程控制器的情況下，該配置可以包括重新編程所述控制器，由此使所述控制器有效地變為全新機器。
[0028]在不同實施例中可以使用多種開關元件。例如，在某些實施例中，所述第一開關元件包括正向偏壓以置于所述第一狀態中并且反向偏壓以置于所述第二狀態中的二極管。然而，在其他實施例中，所述第一開關元件包括開關。以及在其他實施例中，該第一開關元件包括晶體管。本發明的實施例也可以包括選擇自任何前述組合的開關元件。
[0029]在某些實施例中，所述第二電路配置為提供第二時變電位，所述第二時變電位以特定或者預定義頻率在第一狀態與第二狀態之間切換。實施例包括在所述第二時變電位與所述第一時變電位之間的各種相位差。然而，本發明的具體實施例包括所述第二時變電位與所述第一時變