[发明专利]高效开关电容器功率转换

说明书

技术领域

公开的实施例一般地涉及用于传递不同电势的DC功率的技术。更具体地，公开的实施例涉及使用谐振时钟电路产生用于开关晶体管的栅极驱动信号的高效开关电容器功率转换技术。

背景技术

电池性能对于诸如膝上计算机的便携式计算设备的高效操作是至关重要的。为了提供更高的供电电压，便携式计算设备内的电池单元(battery cell)通常被串联堆叠在电池组(battery pack)内。由于导电损耗(conduction loss)在这种串联布置中较低，因此这种布置有效地提供功率。不幸的是，当功率随后被下转换以便为某些系统组件提供较低的电压时，以这种方式提供功率的效率低。例如，通常使用仅能实现90％效率或更低的降压转换器(buck converter)或其它下转换技术对功率进行下转换(注意，功率＝I＊V，而导电损耗与I²R成比例)。

电池管理单元(BMU)通常控制电池组的充电和放电处理。然而，如果构成电池组的电池单元的容量不匹配，电池组可能遭受不平衡状态的损伤。由于具有最高充电状态的单元将引发充电处理的中断，不平衡的电池组具有减少的容量，这意味着具有较低充电状态的单元永远不会被完全充电。另外，当电池组放电时，即使其它单元中可能剩余有电荷，但具有最少电荷的单元可以引发放电处理停止。

作为串联布置电池单元以便实现更高电压的替换，可以使用电压转换器增加输出电压。然而，已有的电压转换器设计具有效率低的问题，即显著的功率损耗。

发明内容

本发明的某些实施例提供了一种将较低电压高效转换为较高电压的系统。该系统包括接收较低电压的输入，以及提供较高电压的输出。该系统还包括具有较高电势端子和较低电势端子的第一电容器，以及第一组开关设备，该第一组开关设备可选择性地在较低电压、较高电压和被称为“基电压”的低于该较低电压的电压之间耦接第一电容器的较高电势端子和较低电势端子。该系统附加地包括产生具有大体非重叠时钟相位的时钟信号的谐振时钟电路，所述非重叠时钟相位包括第一相位和第二相位。该谐振时钟电路配置为控制第一组开关设备，使得在第一相位期间，第一电容器的较高电势端子被耦接到较低电压，并且第一电容器的较低电势端子被耦接到基电压，以及在第二相位期间，第一电容器的较高电势端子被耦接到较高电压，并且第一电容器的较低电势端子被耦接到较低电压。

在某些实施例中，所述谐振时钟电路是LC振荡器电路，其包括至少一个电感L和至少部分地由一个或多个开关设备的栅极形成的至少一个电容C。

在某些实施例中，该系统还包括提供较低电压的电池，其中该电池的较低电势端子被耦接到基电压，并且该电池的较高电势端子被耦接到较低电压。

在某些实施例中，该电池包括多个电池单元，所述多个电池单元并联在输入和基电压之间。

在某些实施例中，该系统还包括第二组开关设备和第二电容器。在这些实施例中，该谐振时钟电路附加地被配置为控制第二组开关设备，使得在第一相位期间，第二电容器的较高电势端子被耦接到较高电压，并且第二电容器的较低电势端子被耦接到较低电压，以及在第二相位期间，第二电容器的较高电势端子被耦接到较低电压，并且第二电容器的较低电势端子被耦接到基电压。

在某些实施例中，该系统还包括耦接在输出和基电压之间的输出电容器。该系统还可以包括耦接在输入和基电压之间的输入电容器。

在某些实施例中，第一组开关设备包括：在第一相位期间，将第一电容器的较高电势端子耦接到较低电压的第一开关；在第一相位期间，将第一电容器的较低电势端子耦接到基电压的第二开关；在第二相位期间，将第一电容器的较高电势端子耦接到较高电压的第三开关；以及在第二相位期间，将第一电容器的较低电势端子耦接到较低电压的第四开关。

在某些实施例中，谐振时钟电路包括第一相位输出和第二相位输出。它还包括耦接在振荡器电压源和第一相位输出之间的第一电感器，以及耦接在振荡器电压源和第二相位输出之间的第二电感器。该谐振时钟电路附加地包括第一晶体管和第二晶体管，该第一晶体管的源极端子耦接到基电压或比基电压低的电压，漏极端子耦接到第一相位输出、并且栅极端子耦接到第二相位输出，以及该第二晶体管的源极端子耦接到基电压或较低电压、漏极端子耦接到第二相位输出、并且栅极端子耦接到第一相位输出。

在某些实施例中，第一组开关设备包括功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。

在某些实施例中，第一电容包括具有超低等同串联电阻(ESR)和超低等同串联电感(ESL)的一个或多个陶瓷电容器。