[發明專利]控制在開關電容式功率變換器中的功率損耗

有效

• 申請號: 201080034630.0
• 申請日: 2010-07-16
• 公開（公告）號: CN102577060A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: W·C·阿塞思;T·C·格里尼格
• 申請（專利權）人: 蘋果公司
• 主分類號: H02M3/07
• 分類號: H02M3/07
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 陳華成

技術領域

所公開的實施例總體涉及用于將DC功率轉換成不同的電壓的技術。更具體而言，所公開的實施例涉及用于主動控制在開關電容式功率變換器中的功率損耗的技術。

背景技術

高效率的開關電容式功率變換器包括由諧振時鐘控制電路來驅動以生成幾乎為輸入電壓V_LO的兩倍的輸出電壓V_HI的一個或多個開關電容模塊(switched-capacitor?block，SCB)。為了在最高可能的效率下工作，開關電容式功率變換器需要使電壓變換處理期間的功率損耗最小化。這些功率損耗既包括(1)在SCB中的傳導損耗，也包括(2)在SCB和諧振時鐘控制電路中的開關損耗。

幸運的是，這些損耗能夠通過改變由諧振時鐘控制電路生成的、用于驅動SCB中的開關晶體管的柵極驅動電壓V_G來控制。更具體而言，增加V_G增加開關損耗，并且同時減少傳導損耗。相反地，減少V_G增加傳導損耗并且減少開關損耗。因此，能夠調整V_G以實現在開關損耗和傳導損耗之間的平衡，該平衡使得在功率變換器中的功率損耗最小化。

遺憾的是，傳導損耗和開關損耗的相對量值由于功率變換器的工作點隨著時間變化而改變。更具體而言，傳導損耗和開關損耗的相對量值會隨著均方根輸出電流I_RMS和輸入電壓V_LO的變化而改變。結果，使功率損耗最小化的V_G值由于功率變換器的工作點變化而改變。

因此，所需要的是用于以考慮了功率變換器的工作點的變化的方式來控制在開關電容式功率變換器中的功率損耗的方法和裝置。

發明內容

所公開的實施例涉及用于實現被配置成在將輸入電壓轉換成輸出電壓時主動控制功率損耗的開關電容式功率變換器的系統。該系統包括一個或多個開關電容模塊(SCB)，其中每個SCB包括第一電容器以及配置成將第一電容器的恒定電位端子和時變電位端子耦接于輸入電壓、輸出電壓和參考電壓之間的一組開關器件。該系統還包括產生用于開關在該一個或多個SCB中的晶體管的柵極驅動信號的時鐘控制電路。該系統另外還包括被配置成主動控制來自時鐘控制電路的柵極驅動信號以使開關電容式功率變換器的功率損耗基本上最小化的控制器。

在某些實施例中，控制器被配置成通過控制柵極驅動信號的電壓來主動控制柵極驅動信號，其中增大柵極驅動信號的電壓減少在該一個或多個SCB中的傳導損耗，但是增加在時鐘控制電路中的開關損耗，并且相反地，減小柵極驅動信號的電壓減少在時鐘控制電路中的開關損耗，但是增加在該一個或多個SCB中的傳導損耗。

在某些實施例中，控制器被配置成通過控制柵極驅動信號的頻率來主動控制柵極驅動信號，其中增大柵極驅動信號的頻率減少在該一個或多個SCB中的傳導損耗，但是增加在該一個或多個SCB及時鐘控制電路中的開關損耗，并且相反地，減小柵極驅動信號的頻率減少在該一個或多個SCB及時鐘控制電路中的開關損耗，但是增加在該一個或多個SCB中的傳導損耗。

在某些實施例中，控制柵極驅動信號的頻率包括使用時鐘控制電路中的一個或多個抽頭電感器(tapped?inductor)來控制時鐘控制電路的頻率。

在某些實施例中，控制器被配置成通過控制柵極驅動信號正在驅動的SCB的數量來主動控制柵極驅動信號，其中增加SCB的數量減少在SCB中的傳導損耗，但是增加在該一個或多個SCB及時鐘控制電路中的開關損耗，并且相反地，減少SCB的數量減少在該一個或多個SCB及時鐘控制電路中的開關損耗，但是增加在SCB中的傳導損耗。

在某些實施例中，控制柵極驅動信號的電壓包括：確定作為開關電容式功率變換器的輸入電壓和輸出電流的函數的柵極驅動信號的電壓，其中該函數使用預定的參數；并且然后使用所確定的電壓來產生柵極驅動信號。

在某些實施例中，控制柵極驅動信號的電壓包括：測量在開關電容式功率變換器中的功率損耗；以及將所測得的功率損耗用作對于用于控制柵極驅動信號的電壓的控制系統的輸入以使開關電容式功率變換器的功率損耗基本上最小化。

在某些實施例中，控制系統使用比例-積分-微分(PID)控制技術來控制柵極驅動信號的電壓。