[發明專利]具有集成電容器的電源轉換器

有效

• 申請號: 201280051526.1
• 申請日: 2012-10-18
• 公開（公告）號: CN103975433B
• 公開（公告）日: 2017-09-08
• 發明（設計）人: 大衛·M·朱利亞諾
• 申請（專利權）人: 北極砂技術有限公司
• 主分類號: H01L23/52
• 分類號: H01L23/52;H05K1/16
• 代理公司: 北京市立方律師事務所11330
• 代理人: 王榮

相關申請

本申請要求于2011年10月18日提交的美國申請61/548,360的權益，其全部內容以引用的方式并入本文。

發明領域

本發明涉及采用電容器傳遞能量的電源轉換器中的儲能元件。

背景技術

電源轉換器通常包括多個開關以及一個或多個電容器以便，例如，為便攜式電子裝置和消費性電子產品供電。開關模式電源轉換器是一種特定類型的電源轉換器，其通過使用開關網絡將儲存元件（即，電感器和電容器）切換為不同的電氣配置來調節其輸出電壓或電流。

其中一種開關模式電源轉換器是開關電容轉換器。開關電容轉換器采用電容器傳遞能量。變壓比越大，電容器和開關的數量就越多。

開關電容轉換器包括含有大量開關的開關網絡。這些開關是通常與晶體管一起使用的有源裝置。開關網絡可一體成型在單個或多個整體式半導體基板上。

典型的電源轉換器執行電壓轉換和輸出調節。在許多電源轉換器中，比如降壓轉換器，電壓轉換和輸出調節在一個階段中進行。然而，也可將這兩種功能分開為在兩個專門的階段中進行。這種兩級電源轉換器構架的特征在于具有轉換階段和單獨的調節階段。轉換階段將一種電壓轉換為另一種電壓，而調節階段則確保轉換階段輸出的電壓和/或電流保持所需的特 征。

圖1A示出了兩級電源轉換器構架的示例，其中，電容器用于傳遞能量。轉換階段由類似于開關電容轉換器的開關電容元件12A代表，而調節階段則由調節電路16A代表。

在該構架中，開關電容元件12A的輸入端與電壓源14電氣連接。調節電路16A的輸入與開關電容元件12A的輸出電氣連接。然后，負載18A與調節電路16A的輸出電氣連接。于2009年5月8日提交的美國專利申請2009/0278520中描述了這樣一種轉換器，該申請的全部內容以引用的方式并入本文。而且，于2012年5月4日提交的PCT申請PCT/2012/36455中描述了一種模塊化多級電源轉換器構架，其全部內容同樣以引用的方式并入本文。

開關電容元件12A和調節電路16A可以多種不同的方式混合和匹配。這就為這種轉換器的組裝提供了一種轉換性集成電源解決方案（TIPSTM）。如此，圖1A所示的配置僅代表將一個或多個開關電容元件12與一個或多個調節電路16A配置在一起的多種方式中的其中一種方式。

通常，開關電容元件12A的開關網絡與調節電路16A通過具有無源裝置的半導體工藝而制成。然而，這些無源裝置通常用在模擬電路中來控制電源轉換器。這些無源裝置通常不用于將能量存儲在電源轉換器中。這是因為這些無源裝置不能有效地儲存大量能量。

這些無源裝置往往是平面的，并且是在有源裝置之后通過一種較好的金屬而制成，從而減少寄生效應。由于這些無源裝置是在有源裝置之后制成的，并且與有源裝置處于同一晶片上，所以在選擇制造這些無源裝置的加工步驟時要十分注意。錯誤的選擇可能會損壞已經制成的有源裝置。

為了避免在無源裝置制作期間可能對有源裝置造成損壞，優選地僅采用CMOS兼容處理?？紤]到該處理的要求，在CMOS流程中實現高電容密度電容器和高Q電感器很難和/或成本很高。因此，在電源轉換器中，通常的做法是將能量儲存在離散組件中，比如多層陶瓷電容器和片式電感器。然而，也可以在其自己的晶片上通過可用于特定應用的工藝流程來制 造價廉的高性能無源裝置。這種裝置稱為集成無源裝置（IPD）。

圖1B-1D示出了圖1A所示電源轉換器構架的一種實施方式。

在圖1B所示的實施例中，電源轉換器20在高輸入電壓VIN下從電壓源14獲取能量并在低輸出電壓VO下將獲取到的能量輸送到負載18A。在不失一般性的情況下，負載18A模制為電阻器。

電源轉換器20包括開關電容元件12A，開關電容元件12A的特征在于其具有3:1串并行開關電容網絡，該開關電容網絡具有電源開關S1-S7和泵電容C21-C22。相反，調節電路16A為降壓轉換器，該降壓轉換器具有第一和第二輸出電源開關SL和SH、濾波電感器L1和輸出電容器CO。電源開關S1-S7、輸出電源開關SL和SH以及驅動/控制電路23一體成型在單個半導體模具22上。然而，泵電容C21-C22、濾波電感器L1和解耦輸入電容器CIN1為離散組件。