开关电容变换器

技术领域

本发明涉及功率转换器技术领域，更具体地，涉及一种开关电容变换器。

背景技术

随着电力电子产品的需求和半导体技术的发展，电源管理芯片在便携式电脑、移动电话、个人数字助理以及其他便携或非便携电子设备中的应用更加广泛。开关电源因转换效率高、输出电流大、静态电流小、输出负载范围宽等优点而被广泛应用。

开关电容变换器是一种典型的无磁性元件变换器，其由一定数量的开关器件和分压电容组成，通过开关控制电容的工作状态，实现电能的传递和转换。其能够通过较少的开关器件产生更高数量的输出电平，具有体积小、效率高和功率密度大等优点，已成为电池充电领域研究的一种趋势。

图1示出根据现有技术的开关电容变换器的结构示意图。如图1所示，开关电容变换器100包括依次连接于电压输入端Vin和地之间的四个开关Q1～Q4、飞跨电容CFly以及四个驱动器。飞跨电容CFly的第一端与开关Q1和开关Q2之间的节点CFH耦接，第二端与开关Q3和开关Q4之间的节点CFL耦接。电池101耦接于开关Q2和开关Q3之间的电压输出端Vout和地之间。四个驱动器用于分别根据第一至第四控制信号Drv1～Drv4输出驱动信号以控制开关Q1～Q4的导通和关断，从而得到稳定的输出电压。

图2示出了图1中的开关电容变换器的工作时序图。如图2所示，开关电容变换器的一个完整的充电周期包括充电阶段和放电阶段，当开关电容变换器100处于充电阶段时，开关Q1和开关Q3导通，电流经过开关Q1和飞跨电容CFly到开关Q3的源端；当开关电容变换器100处于放电阶段时，开关Q2和开关Q4导通，电流从飞跨电容CFly的上端流过开关Q2到达电池101的第一端，再从地流过开关Q4的源端到达飞跨电容CFly电容的第二端。开关电容变换器的工作原理即为通过连续不断的重复充电周期以达到快速高效率的大电流充电。

现有技术的开关电容变换器100存在以下问题：开关电容变换器100可能经受到敏感电路元件的大浪涌电流，例如在开关Q1和开关Q3导通时，输入电压Vin远大于飞跨电容CFly上电压，因为开关电容变换器中没有电感器来限制电流，因此输入浪涌电流会快速上升到高电平，这种浪涌电流可能会超过晶体管的安全工作电流，从而影响到开关电容变换器的可靠性。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种开关电容变换器，可以实现变换器的软启动控制，提高变换器的可靠性。

根据本发明实施例，提供了一种开关电容变换器，包括：串联耦接于输入电压和地之间的四个开关；飞跨电容，第一端与所述四个开关中的第一开关和第二开关之间的第一节点耦接，第二端与所述四个开关中的第三开关和第四开关之间的第二节点耦接，其中，所述第一开关包括并联耦接于输入电压和所述第一节点之间的多个子开关，所述开关电容变换器还包括：软启动电路，配置为在软启动时段使能控制所述多个子开关逐级导通，以使得所述第一开关的电阻随时间逐步递减。

可选的，所述多个子开关的尺寸由低至高以二进制加权式递增。

可选的，开关电容变换器还包括：与所述第一开关中的多个子开关一一对应的多个子驱动器，所述多个子驱动器的输入端共同耦接至第一控制信号，使能端与所述软启动电路的输出端耦接，输出端与对应的子开关的栅极耦接。

可选的，所述软启动电路配置为根据一时钟信号生成具有多位二进制数的使能信号，所述使能信号的每一位用于控制对应子驱动器的开启和关闭。

可选的，所述软启动电路包括：级联的多个触发器，其中，所述多个触发器中的每个触发器的数据端和负输出端耦接，正输出端用于输出所述使能信号的每一位，所述多个触发器的第一个触发器的时钟端用于接收所述时钟信号的反相信号，其余的多个触发器的时钟端与前一触发器的负输出端耦接。

可选的，所述多个触发器均通过D触发器实现。

可选的，所述开关电容变换器还包括：第二至第四驱动器，配置为分别根据第二至第四控制信号驱动所述四个开关中的第二至第四开关。

综上所述，本发明实施例的开关电容变换器包括串联耦接于输入电压和地之间的四个开关和飞跨电容，飞跨电容的第一端与四个开关中的第一开关和第二开关之间的第一节点耦接，第二端与四个开关中的第三开关和第四开关之间的第二节点耦接。其中，第一开关包括并联耦接于输入电压和第一节点之间的多个子开关，该开关电容变换器还包括软启动电路，软启动电路用于在软启动时段使能控制多个子开关逐级导通，以使得飞跨电容第一端至输入电压之间的导通阻抗逐渐减小，控制飞跨电容上得充电电流缓慢增加，有利于实现电路的软启动，避免了启动时的大浪涌电流的产生，电路稳定性和可靠性更好。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出根据现有技术的开关电容变换器的结构示意图；

图2示出了图1中的开关电容变换器的工作时序图；

图3示出根据本发明实施例的开关电容变换器的结构示意图；

图4示出图3中的开关电容变换器启动过程中的工作波形图；

图5示出图3中的软启动电路的电路示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

应当理解，在以下的描述中，“电路”可包括单个或多个组合的硬件电路、可编程电路、状态机电路和/或能存储由可编程电路执行的指令的元件。当称元件或电路“耦接到”另一元件或称元件/电路“耦接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接耦接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图3示出根据本发明实施例的开关电容变换器的结构示意图，图4示出图3中的开关电容变换器启动过程中的工作波形图。如图3所示，开关电容变换器200包括依次连接于电压输入端Vin和地之间的四个开关Q1～Q4、飞跨电容CFly以及四个驱动器。飞跨电容CFly的第一端与开关Q1和开关Q2之间的节点CFH耦接，第二端与开关Q3和开关Q4之间的节点CFL耦接。电池101耦接于开关Q2和开关Q3之间的电压输出端Vout和地之间。四个驱动器用于分别根据第一至第四控制信号Drv1～Drv4输出驱动信号以控制开关Q1～Q4的导通和关断，从而得到稳定的输出电压。

在一种实施例中，将图3中位于飞跨电容CFly的电流充电路径上的开关Q1和开关Q3作为一组开关，将位于飞跨电容CFly的电流放电路径上的开关Q2和开关Q4作为另一组开关。第一至第四控制信号Drv1～Drv4用于周期性地将第一组开关和第二组开关彼此相反地导通和关断，以循环充电和放电飞跨电容CFly，在电压输出端Vout提供输出电流。在一些实施例中，开关Q1和开关Q3统一操作，开关Q2和开关Q4统一操作。并且，在每个时钟周期中，开关Q1和开关Q2以互补的方式导通和关断，开关Q3和开关Q4以互补的方式导通和关断。

在一个实施例中，开关Q1～Q4选自N型MOSFET(N-Type-Metal-Oxide-Semiconductor，N型金属氧化物半导体场效应晶体管)，在控制信号为高电平时，对应的晶体管导通；在控制信号为低电平时，对应的晶体管关断。且第一至第四控制信号Drv1～Drv4的高电平时间不完全重叠(也即存在一定的死区时间)，避免开关Q1～Q4同时导通。

进一步的，开关电容变换器200的开关Q1和对应的驱动器组成的电路210被拆分为多个子电路211～21n。其中，开关Q1被拆分为并联耦接于输入电压Vin和节点CFH之间的多个子开关，多个子开关的尺寸由低至高以二进制加权式递增。例如，在一个实施例中，开关Q1被拆分为4个子开关，多个子开关的尺寸依次为原开关Q1的尺寸的1/16，2/16，4/16，8/16等。进一步的，开关电容变换器200还包括软启动电路220，软启动电路220配置为在软启动时段使能控制子电路211～21n中的多个子开关逐级导通，以使得开关Q1的电阻随时间逐步递减，飞跨电容CFly的充电电流可以缓慢增加。

进一步的，多个子电路211～21n中还包括与第一开关的多个子开关一一对应的多个子驱动器，所述多个子驱动器的输入端共同耦接至第一控制信号Drv1，使能端与软启动电路220的输出端耦接，输出端与对应的子开关的栅极耦接。软启动电路220通过产生使能信号EN使能控制多个子驱动器的开启来在软启动时段逐级导通所述多个子开关。

如图4所示，本发明实施例的开关电容变换器200的启动过程包括预充电时段、软启动时段和工作时段三个阶段。在预充电时段：飞跨电容CFly的两端电压被充电至输出电压Vout。在软启动时段：软启动电路220向多个子电路211～21n的多个子驱动器提供使能信号EN，从而使得多个子电路211～21n中的多个子开关逐级导通，以使得开关Q1的电阻随时间逐步递减，从而控制飞跨电容CFly上的充电电流缓慢增加。由于飞跨电容CFly在软启动时段的初始时刻其两端的电压已经被预充到输出电压Vout了，所以其放电电流比较小，而缓慢增加的充电电流可以使得其两端的电压被逐步抬高，从而最终完成了软启动过程。在软启动过程之后的工作时段，软启动电路220使能开启多个子电路211～21n中的全部子驱动器，从而使得其中的多个子开关全部导通。

图5示出图3中的软启动电路的电路示意图。如图5所示，在一种实施例中，软启动电路220根据一时钟信号CLK生成具有多位二进制数B0B1B2…Bn-1的使能信号，使能信号的每一位用于控制多个子电路211～21n中对应的子驱动器的开启。示例的，多位二进制数B0B1B2…Bn-1的每一位均具有“0”和“1”这两种状态，当B0为“0”时，子电路211中的子驱动器关闭；当B0为“1”时，子电路211中的子驱动器开启。

进一步的，软启动电路220包括级联的多个D触发器，多个D触发器中的每个D触发器的数据端D和负输入端Q-耦接，正输出端Q用于输出使能信号的每一位，所述多个D触发器中的第一个D触发器的时钟端CLK用于接收使能信号CLK的反相信号或反相信号的分频信号，其余的多个D触发器的时钟端与前一D触发器的负输出端Q-耦接。时钟信号CLK的反相信号或反相信号的分频信号驱动级联的多个D触发器构成的n位二进制计数器，其输出分别控制多个子电路211～21n的开启，从而实现输入电压Vin至飞跨电容CFly的上极板之间的导通阻抗的逐渐减小，当计数器达到上限值时停止计数。

综上所述，本发明实施例的开关电容变换器包括串联耦接于输入电压和地之间的四个开关和飞跨电容，飞跨电容的第一端与四个开关中的第一开关和第二开关之间的第一节点耦接，第二端与四个开关中的第三开关和第四开关之间的第二节点耦接。其中，第一开关包括并联耦接于输入电压和第一节点之间的多个子开关，该开关电容变换器还包括软启动电路，软启动电路用于在软启动时段使能控制多个子开关逐级导通，以使得飞跨电容第一端至输入电压之间的导通阻抗逐渐减小，控制飞跨电容上得充电电流缓慢增加，有利于实现电路的软启动，避免了启动时的大浪涌电流的产生，电路稳定性和可靠性更好。

应当说明，尽管在本文中，将器件说明为某种N沟道或P沟道器件、或者某种N型或者P型掺杂区域，然而本领域的普通技术人员可以理解，根据本发明，互补器件也是可以实现的。本领域的普通技术人员可以理解，导电类型是指导电发生的机制，例如通过空穴或者电子导电，因此导电类型不涉及掺杂浓度而涉及掺杂类型，例如P型或者N型。本领域普通技术人员可以理解，本文中使用的与电路运行相关的词语“期间”、“当”和“当……时”不是表示在启动动作开始时立即发生的动作的严格术语，而是在其与启动动作所发起的反应动作(reaction)之间可能存在一些小的但是合理的一个或多个延迟，例如各种传输延迟等。本文中使用词语“大约”或者“基本上”意指要素值(element)具有预期接近所声明的值或位置的参数。然而，如本领域所周知的，总是存在微小的偏差使得该值或位置难以严格为所声明的值。本领域已恰当的确定了，至少百分之十(10％)(对于半导体掺杂浓度，至少百分之二十(20％))的偏差是偏离所描述的准确的理想目标的合理偏差。当结合信号状态使用时，信号的实际电压值或逻辑状态(例如“1”或“0”)取决于使用正逻辑还是负逻辑。

此外，还需要说明，在本文中的诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。