[发明专利]电容性DC-DC转换器

说明书

技术领域

本发明涉及DC-DC转换器。本发明特别关注电荷泵电容性DC-DC转换器，和控制这种DC-DC转换器的方法。

背景技术

给负载提供低于可用的电源电压的电压的简单方法是通过线性调节器。线性调节器主要是与负载串联的可控电阻。然而，当负载电压相对于电源电压降低时，需要经过可控电阻降低的电压增高。在可控电阻上消耗的功率增加，并且调节器的整个效率降低。因此线性调节器虽然能允许宽范围的独立电源和负载电压，但是线性调节器是低效率的。

一种正被越来越多地使用的替代解决方案是开关模式电源或DC-DC转换器。代替电阻性元件，使用电抗性元件。理论上，这样的转换器基于虚(电抗性)功率，因为电流和电压是正交的，而不是实(电阻性)功率，因此可以降低实功率消耗。电抗性转换器需要电感性或电容性元件作为电抗性元件。

虽然在理论上可以忽略电阻性和开关损耗，电感性转换器效率能达到100％，但是由于每次电容器充电超过偏移ΔV时，能量1/2CΔV²损失造成的纹波损失，电容性转换器的效率总是低于100％。

尤其对于输入和输出之间大电压差的情况，熟知的是，开关模式转换器在效率方面很容易做得比线性调节器好：与线性调节器的能量持续从输入端传送到输出端并且因此在途经的晶体管上损失能量不同，在开关模式转换器中，能量是临时存储在能量缓冲器(电感器和/或电容器)中，并且随后释放到负载。能量储存元件越理想，效率越高。在实际中，即使对于输入和输出电压之间存在大电压差，效率也可以接近90％以上。

对于所有开关模式转换器来说，当开关频率上升时，能量缓冲器所需的尺寸下降。对于集成的目的来说，这是有利的。然而，实际上，使电感器小型化且保持Q在可接受的水平是很困难的。相反，通过实现很高的电容密度，在硅基片上或封装内集成电容器是切实可行的。

在电容性转换器中，通过适当的串/并联配置将电容器连接到电源，在开关周期的第一部分，电荷被加载到一个或多个“泵”电容器上。然后，在开关周期的第二部分期间，电容器放电到负载。缓冲电容器通常与负载并联连接，以便从输入对泵电容器充电时，降低输出电压纹波和到负载的供应能量。改变在开关周期的第一和第二部分中的电容器之间的串/并联配置，可以改变分离的步骤中的输出电压。对于接近这些步骤的负载-电源电压比，电容性转换器可达到最高的效率。对于输出电压或电流的连续控制的常用技术是在开关电源和负载之间增加线性调节器。开关电源可以在分离的步骤中与负载适配，并且线性调节器可以在这些步骤之间连续调节。

美国专利公开US-A-5841648公开了这样的电容性转换器，其中线性调节器与泵电容器串联连接。可选地，可变阻抗可以串联加到具有固定值电容的泵电容器上，如专利申请WO2004/064234中所公开的一样。

已经提出连续调节转换器的技术。例如，在美国专利文献US-B-6538907中已经提出，一旦达到缓冲电容器上的阈值时就打开或关闭电荷泵。可选地，提出了改变开关频率，然而，这会导致通信线路上不可预知的磁干扰。占空比的改变可以防止频率的变化，但可能会导致效率下降和明显增强高次谐波。因此，由于伴随着电磁干扰(emi)增强的风险，这些技术是不令人满意的。

至此还没有令人满意的解决方案可以将电容性转换器的优势与输入电压和输出电压或电源电压和负载电压之比的连续可变控制有效地结合起来。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的电容性转换器，其允许高效率的电压转换和对线性调节器的过重需求。

根据本发明，提供了一种电容性DC-DC转换器，其包含：输入，用于以输入电压接收电流；输出，用于以输出电压提供电流；电荷泵电容器阵列，在DC-DC转换器内是可重配置的，且包含至少一个电荷泵电容器；多个开关，用于重配置可重配置的电荷泵电容器阵列，其特征在于：电容性DC-DC转换器配置为通过使用所述至少一个电荷泵电容器中的至少一个作为可变电容器，提供输入电压和输出电压之间的连续可变比率。

通过这样的器件，可以避免对于会增加电压转换器的额外尺寸和成本的线性调节器的需求。而且，通过省略线性调节器，由于不需要匹配转换器和避免不稳定或干扰的调节控制，可以简化控制。同时，因为能够在器件的工作范围的至少一部分上实现输出电压的连续变化，且无需改变开关频率或占空比，因此可以避免与改变现有技术的电容性转换器的开关频率或占空比相关联的可能的emi问题。有利地，不需要电感器。