[發(fā)明專利]DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器和轉(zhuǎn)換方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410743529.2
• 申請(qǐng)日: 2014-12-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104716827A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-06-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 美拉尼·菲利普
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 恩智浦有限公司
• 主分類號(hào): H02M3/07
• 分類號(hào): H02M3/07
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 王波波

技術(shù)領(lǐng)域

本申請(qǐng)涉及DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器，該DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器用于從輸入電壓可變的電壓輸入生成經(jīng)調(diào)整的電壓輸出。輸出電壓可以具有比輸入電壓更高或更低的值，并且即使輸入電壓和輸出負(fù)載可能會(huì)改變，輸出電壓也是穩(wěn)定的。

背景技術(shù)

開(kāi)關(guān)電容器DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器通常使用“飛跨電容器(flying?capacitor)”。這些電容器從輸入電壓充電，然后放電到負(fù)載，從而提供電荷轉(zhuǎn)移和恒定的輸出電壓。

圖1示出了已知的基本的DC-DC轉(zhuǎn)換器電路。

該電路包括開(kāi)關(guān)電容器Csw。該開(kāi)關(guān)電容器Csw的一個(gè)端子SAP通過(guò)第一開(kāi)關(guān)S1連接到輸入，通過(guò)第三開(kāi)關(guān)S3連接到輸出。該開(kāi)關(guān)電容器Csw的另一個(gè)端子SAM通過(guò)第四開(kāi)關(guān)S4連接到輸入，通過(guò)第二開(kāi)關(guān)S2接地。

這種類型的基本的DC-DC轉(zhuǎn)換器集成開(kāi)關(guān)S1至S4和振蕩器，以使得這些開(kāi)關(guān)S1、S2和S3、S4成對(duì)地交替工作。

振蕩器的輸出顯示為時(shí)鐘信號(hào)Clk，并且時(shí)鐘信號(hào)Clk取決于VOUT是否已經(jīng)達(dá)到目標(biāo)電壓Vref被傳遞到這些開(kāi)關(guān)。與門10控制時(shí)鐘信號(hào)的傳遞，比較器比較輸出電壓(或從輸出電壓得到的電壓)與基準(zhǔn)電壓Vref。比較器的輸出用于控制是否與門傳遞時(shí)鐘信號(hào)。因此比較器的輸出是控制轉(zhuǎn)換器泵送的控制信號(hào)PUMP。當(dāng)該信號(hào)為高時(shí)，循環(huán)的電荷泵被啟用，當(dāng)該信號(hào)為低時(shí)，該循環(huán)被停止。

所示的配置使輸入電壓翻倍。

DC-DC轉(zhuǎn)換器根據(jù)時(shí)鐘序列在兩個(gè)階段工作。在第一個(gè)半周期(存儲(chǔ)階段)，閉合開(kāi)關(guān)S1和S2，將開(kāi)關(guān)電容器Csw充電到輸入電壓Vin。在第二個(gè)半周期(加載階段)，閉合開(kāi)關(guān)S3和S4，打開(kāi)開(kāi)關(guān)S1和S2。這個(gè)動(dòng)作使Csw的負(fù)極端子SAM連接到Vin，使正極端子SAP連接到VOUT。如果輸出負(fù)載Cload兩端的電壓比Csw兩端的電壓小，則電荷從Csw流向Cload。

存儲(chǔ)階段和加載階段交替出現(xiàn)，使DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓升高，直到達(dá)到目標(biāo)值Vref為止。當(dāng)VOUT達(dá)到Vref時(shí)，切換時(shí)鐘被停止，然后DC-DC轉(zhuǎn)換器保持在存儲(chǔ)階段。

一旦VOUT低于Vref，DC-DC轉(zhuǎn)換器重新開(kāi)始泵送，交替存儲(chǔ)階段和加載階段，直到VOUT再次上升到高于Vref。

應(yīng)當(dāng)通過(guò)使用比較器12的電壓滯后在電壓窗口內(nèi)調(diào)整DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。通過(guò)這種方式，在Vref和Vref+Hyst之間調(diào)整VOUT。VOUT上升沿的閾值電壓為Vref+Hyst，VOUT下降沿的閾值電壓為Vref。

圖2示出了這一操作，并示出了輸出電壓VOUT的電壓波形，輸出電壓VOUT在Vref和Vref+Hyst之間波動(dòng)。

在啟動(dòng)時(shí)間期間，DC-DC轉(zhuǎn)換器將能量從Vin泵送到VOUT，并且VOUT上升到Vref+Hyst。然后DC-DC轉(zhuǎn)換器通過(guò)保持在存儲(chǔ)狀態(tài)而停止。這一過(guò)程被示為階段P1，它對(duì)應(yīng)的是信號(hào)PUMP為低時(shí)，等待輸出電壓回落到Vref。

在階段P1期間，由于輸出負(fù)載電流使得VOUT線性下降直到Vref，然后DC-DC轉(zhuǎn)換器重新啟動(dòng)，以使VOUT升高直到Vref+Hyst。這一升高涉及交替的加載階段P2和存儲(chǔ)階段P3。

對(duì)于基本的DC-DC轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，假設(shè)有快速的DC-DC輸出上升沿，則DC-DC輸出的開(kāi)關(guān)噪聲會(huì)相對(duì)于DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出調(diào)整窗口和DC-DC負(fù)載電流而變化：

FSWDCDC=ILOADCLOAD×ΔV]]>

其中：

FSW_DCDC為DC-DC開(kāi)關(guān)頻率；

ILOAD為DC-DC轉(zhuǎn)換器的負(fù)載電流；

ΔV為輸出調(diào)整窗口；

CLOAD為DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電容。

這種類型的DC-DC轉(zhuǎn)換器具有在許多不同領(lǐng)域中的應(yīng)用。一個(gè)實(shí)例是用于近場(chǎng)通信(“NFC”)應(yīng)用，諸如RFID應(yīng)用。NFC系統(tǒng)例如用于與智能卡進(jìn)行非接觸式安全通信。在這種應(yīng)用中，NFC設(shè)備能夠在卡模式或讀取器模式下工作。

在卡模式下，NFC設(shè)備作為非接觸式智能卡，而在讀取器模式下，NFC設(shè)備作為非接觸式智能卡讀取器。