[發明專利]用于開關電容器電路的泵電容器配置

在審

• 申請號: 201380061384.1
• 申請日: 2013-11-25
• 公開（公告）號: CN104871108A
• 公開（公告）日: 2015-08-26
• 發明（設計）人: 大衛·朱利亞諾
• 申請（專利權）人: 北極砂技術有限公司
• 主分類號: G05F1/10
• 分類號: G05F1/10;G05F3/02
• 代理公司: 北京市立方律師事務所 11330
• 代理人: 劉莉婕;緱正

相關申請的交叉引用

本申請要求在2012年11月26日提交的美國申請第13/685,186號的優先權日的權益。前述申請的全部內容以引用的方式并入本文。

發明領域

本發明主題涉及用于在不同電壓之間轉換的開關電容器轉換器。

背景技術

功率轉換器可以大體上包括開關和一個或者多個電容器。這類電容器用于例如向便攜式電子設備和消費性電子產品供電。

開關模式功率轉換器是特定類型的功率轉換器，其通過使用開關網絡將儲能元件(即，電感器和電容器)切換至不同電氣配置來調節輸出電壓或者電流。

開關電容器轉換器是主要利用電容器來傳輸能量的一類開關模式功率轉換器。在這類轉換器中，電容器和開關的數量隨著轉換比的增加而增加。

在開關網絡中的開關通常是利用晶體管實現的有源器件。開關網絡可以集成在單個半導體襯底上或者集成在多個單片半導體襯底上。作為替代實施方式，可以通過使用離散器件來形成開關網絡。而且，因為開關通常載有大電流，所以其可以由眾多更小的并聯開關組成。

常用類型的開關電容器轉換器是級聯倍增器開關電容器轉換器。在圖1A至圖1B中示出了級聯倍增器16A的兩個示例。在圖1A中圖示的級聯倍增器16A常常稱為科克夫特-沃爾頓(Crockcoft-Walton)電壓倍增器，而在圖1B中圖示的級聯倍增器16A常常稱為迪克森(Dickson)電荷泵。

在圖1A中圖示的級聯倍增器16A從電壓源14接收輸入電壓VIN，并且產生是該輸入電壓VIN四倍的輸出電壓VO。假設輸入電壓VIN等于1伏特，在圖1A中圖示的級聯倍增器16A的操作描述如下。

具有第一和第二時鐘間隔的時鐘在泵節點P1處生成以預定義頻率重復的電壓。該時鐘負責控制電荷從電壓源14轉移至負載18。在該示例中，初始電荷從電壓源14到達負載18需要第一和第二時鐘間隔的三次反復。

在第一時鐘間隔期間，在泵節點P1處的電壓為0伏特，以及奇數標記的二極管D1、D3、D5導通電流。結果，電荷從電壓源14轉移至第一泵電容器CA11，從第一DC電容器CAZ1轉移至第二泵電容器CA12，從第二DC電容器CAZ2轉移至第三泵電容器CA13，以及從第三DC電容器CAZ3轉移至負載18。

在第一時鐘間隔之后的第二時鐘間隔期間，在泵節點P1處的電壓為1伏特，以及偶數標記的D2、D4、D6導通電流。結果，電荷從第一泵電容器CA11轉移至第一DC電容器CAZ1，從第二泵電容器CA12轉移至第二DC電容器CAZ2，以及從第三泵電容器CA13轉移至第三DC電容器CAZ3和負載18。

在第一開關節點NA11處的電壓在1伏特與2伏特之間交替，在第二開關節點NA12處的電壓在2伏特與3伏特之間交替，以及在第三節點NA13處的電壓在3伏特與4伏特之間交替。結果，存在1伏特的電壓差通過每個泵電容器CA11-CA13。同時，在第一DC節點NAZ1處的電壓為2伏特并且在第二DC節點NAZ2處的電壓為3伏特，從而產生1伏特的電壓差通過每個DC電容器CAZ1-CAZ3。

一般而言，假設在泵節點P1處的峰值電壓是輸入電壓VIN，通過在級聯倍增器16A中的泵電容器CA11-CA13和DC電容器CAZ1-CAZ3中的每一個的最大電壓為輸入電壓VIN。

相似地，在圖1B中圖示的級聯倍增器16A從電壓源14接收輸入電壓VIN，并且產生是該輸入電壓VIN七倍的輸出電壓VO。假設輸入電壓VIN等于1伏特，在圖1B中圖示的級聯倍增器16A的操作描述如下。

第一時鐘在第一泵節點P1處生成電壓并且第二時鐘在第二泵節點P2處生成電壓。第一時鐘和第二時鐘彼此180度反相，從而使得它們具有以預定義頻率重復的第二和第二時鐘間隔。這些時鐘負責控制電荷從電壓源14轉移至負載18。在該示例中，初始電荷從電壓源14到達負載18需要花費第一和第二時鐘間隔的四次反復。

在第一時鐘間隔期間，在第一泵節點P1處的電壓為0伏特，在第二泵節點P2處的電壓為1伏特，以及奇數標記的二極管D1、D3、D5、D7導通電流。結果，電荷從電壓源14轉移至第一泵電容器CA11，從第二泵電容器CA21轉移至第三泵電容器CA12，從第四泵電容器CA22轉移至第五泵電容器CA13，以及從第六泵電容器CA23轉移至負載18。