[发明专利]局部绝热转换

说明书

电荷泵的操作被控制，以通过利用具有操作特性的绝热模式和具有其它特性的非绝热模式来优化功率转换效率。该控制通过控制在电荷泵的输出处的可配置电路来实现。

相关的申请数据

本申请要求于2013年9月16日提交的美国申请no.14/027,716的优先权日期的权益。上述申请的内容被完整地结合于此。

技术领域

本发明涉及绝热功率转换，并且更具体地，涉及对电荷泵的局部绝热操作的配置和控制。

背景技术

电荷泵的各种配置，包括串并联和迪克森(Dickson)配置，依靠于开关元件的交替配置来在电荷泵的端子之间传播电荷和传输能量。与电荷传播相关联的能量损耗决定转换器的效率。

参考图1，其示出了处于耦合到低电压负载110和高电压源190的降压模式中的单相Dickson电荷泵100。在示出的配置中，通常低电压负载110由源所提供的电压的1/5电压和由高电压源190所提供的电流的5倍电流来驱动(平均而言)。泵以被称为状态二和状态一的交替状态来驱动，使得如图1所示的开关在处于指示的状态时被闭合。一般情况下，每个状态的持续时间是周期时间T的一半并且电荷泵100的相应的切换频率等于周期时间T的倒数。

图2A-B分别示出了在每个状态二和状态一中的等效电路，其中示出了作为等效电阻R的每个闭合的开关。电容器C1至C4具有电容C。在电荷泵100的第一常规操作中，高电压源190是电压源，例如，二十五伏的源，使得低电压负载100由五伏来驱动。在操作中，通过电容器C1至C4的电压分别是大约五伏、十伏、十五伏和二十伏。

在电荷泵100中的能量损耗的一个原因与通过开关(即，通过在图2A-B中的电阻器R)的电阻损耗有关。参考图2A，在状态二期间，电荷从电容器C2转移到电容器C1并且从电容器C4转移到电容器C1。假设周期时间T比电路的时间常数足够大的条件下(例如，电阻R足够小)，这些电容器上的电压平衡。一般地，在这种平衡中的电阻能量损耗与在电容器之间传递的、并且因此传递给低电压负载110的电流的平方的时间平均成正比。类似地，在状态一期间，电容器C3和C2平衡，电容器C4充电并且电容器C1放电，通常也导致与传递到低电压负载110的电流的平方的时间平均成正比的电阻能量损耗。

对于传递到负载110的特定平均电流，假设负载呈现近似恒定的电压，则可以表明，电阻能量损耗随着周期时间T被降低(即，切换频率被增加)而减少。这通常可以通过考虑把周期时间减小到二分之一的影响来理解，其通常将平衡时的峰值电流减少二分之一，并且由此将电阻能量损耗大约减少到四分之一。因此电阻能量损耗与切换频率的平方大约成反比。

但是，能量损耗的另一个来源与开关中的电容损耗有关，使得能量损耗随着切换频率的增加而增加。一般而言，在每个周期转换中损耗固定量的电荷，这可以被认为形成与切换频率成正比的电流。因此，这种电容能量损耗大约与切换频率的平方成正比。

因此，利用电压源和负载，存在最小化的分别随着频率增加而减少和随着频率增加而增加的电阻和电容能量损耗的总和的最佳切换频率。

发明内容

于2012年11月8日发布的专利公开WO2012/151466描述了其中源和/或负载包括调节电路的配置。特别地，在图1和2A-B中，负载110可以有效地包含电流槽而不是呈现在被称为电荷泵的“绝热”操作的例子中的恒定电压。如果电流槽接受恒定电流，则在图2A中示出的电流在所示出的状态期间有效地保持基本上恒定的值。因此，电阻功率损耗比在背景技术中讨论的电压驱动的情况下的电阻损耗低，并且也基本上独立于周期时间T。在其中负载使脉冲电流下降的情形中，那么对于特定的平均电流，电阻能量损耗通常随着电流的占空比降低(和峰值电流增加)而增加。存在低占空比的范围，其中利用脉冲电流的电阻损耗超过对于将由相对恒定的输出电压，例如，跨大的输出电容器驱动的电荷泵导致的相同平均电流的损耗。