开关电容器功率转换器的制造方法

开关电容器功率转换器的制造方法
【专利摘要】一种开关电容器功率转换器，包括：具有至少两个电容器的集合；输入端，用于接收输入电压；输出端，用于输出与输入电压不同的输出电压；多个开关，被配置为将电容器集合布置成输入端和输出端之间的多个不同的子电路布置，以用于将输入电压转换成输出电压；其中电容器集合被配置为采用其中集合连接到输入端的第一子电路布置、不同于第一子电路布置的第二子电路布置以及其中集合连接到输出端且不同于第一和第二子电路布置的第三子电路布置，子电路布置被配置为使得集合中的每个电容器充当浮动电容器。
【专利说明】开关电容器功率转换器

【技术领域】
[0001] 本发明涉及开关电容器功率转换器。还涉及至少部分地加入了开关电容器功率转 换器的集成电路。此外，本发明涉及包括被布置为对有机发光二极管组件供电的开关电容 器功率转换器的系统。还涉及操作开关电容器功率转换器的方法。

【背景技术】
[0002] 开关电容器功率转换器（SCPC)能够用来将输入电压转换成不同的输出电压。 SCPC可被布置为用来提供大于输入电压的输出电压的上转换器或用来提供低于输入电压 的输出电压的下转换器。SCPC包括一个或多个电容器，该一个或多个电容器能使用开关在 输出端和输出端之间被布置成不同的子电路配置。在一种已知布置中，控制器在充电阶段 和放电阶段之间循环控制开关。在充电阶段中，开关被设置为将电容器布置成第一子电路 配置并且对电容器进行充电。在放电阶段中，控制开关，以使得将电容器布置成不同于第一 配置的第二子电路配置，并且对电容器进行放电。应该理解的是，其它配置也是可能的，其 中一些电容器在第一阶段中充电，其它电容器在第二阶段中充电，和/或可在一个或两个 阶段中将输入端和输出端连接到子电路布置。不同数量的电容器和不同的子电路布置使得 这种SCPC能够提供大量不同的转换比，转换比包括输出电压与输入电压的比。
[0003] 图1示出了已知SCPC2的子电路布置Ia和lb，包括充电和放电阶段。SCPC2包 括四个电容器CpC2、C3和C4。子电路布置形成于输入端3和输出端4之间，其中输入端3 接收电压Vin并将其提供给布置Ia和lb，输出端4从布置Ib接收输出电压V。并将其提供 给负载。连接到负载的输出电容器C6被示为从输出端4接收输出电压。SCPC2包括多个开 关5,其中使用所述多个开关5将电容器CpC2、C3和C4布置成如Ia和Ib所示的子电路布 置。此外，电容器Clp、C2p、C3p和C4p被示为表示SCPC2中的寄生电容。在充电阶段Ia中， 将电容器充电至与输入电压Vin相关的以下电压=C1 = 4Vin、C2 = 2Vin、C3 =Vin和C4 =Vin。 这是在初始启动循环之后达到的电压，所述初始启动循环包括当首次施加了电压Vin时从 布置Ia到Ib及回到Ia的转变。在放电阶段中，输入电压以及C1和C3所达到的电压施加 到输出端4,从而提供的输出电压为Vin+4Vin+Vin = 6Vin。
[0004] SCPC正在得到更广泛的使用，并且正在成为电感转换器的极具吸引力的替代品。 SCPC的一个好处在于它们只使用开关和电容器，而电感转换器则需要线圈，线圈更大、更昂 贵且难以在硅上集成。从而，SCPC在多种应用中是更吸引人的，尤其是对那些需要完全集 成或小型化方案的应用来讲更是如此。SCPC的一个缺点在于可能的电压转换比是分离的且 受到电容器数量的限制，而电感转换器中，转换比则是开关信号的占空比的连续函数。一般 而言，可通过使用更多数量的电容器来改善SCPC的效率。如果转换器是完全集成（开关和 电容器都在片上）的话，则电容器和开关的数量不再如此让人关注，这是因为在集成的区 域中，部件的数量不如它们的尺寸重要。然而，所需的电容器的尺寸随着所需的输出功率而 改变大小，这使得在一些应用中不能实现完全集成。在使用外部浮动（floating)电容器的 情况下，封装尺寸以及外部电容器的数量都将成为限制因素。管脚的数量也会随外部浮动 电容器的数量增加，从而增加方案的成本和面积。


【发明内容】

[0005] 根据本发明的第一方面，提供了一种开关电容器功率转换器，包括：
[0006] 具有至少两个电容器的集合；
[0007] 输入端，用于接收输入电压；
[0008] 输出端，用于输出与输入电压不同的输出电压；
[0009]多个开关，被配置为将电容器集合布置成输入端和输出端之间的多个不同的子电 路布置，以用于将输入电压转换成输出电压；
[0010] 其中电容器集合被配置为采用其中集合连接到输入端的第一子电路布置、不同 于第一子电路布置的第二子电路布置以及其中集合连接到输出端且不同于第一和第二子 电路布置的第三子电路布置，子电路布置被配置为使得集合中的每个电容器充当浮动电容 器。
[0011] 提供了一种有优势的dc-dc转换器布置，该转换器布置与具有相等转换比的操作 于两个子电路布置上的功率转换器相比可以更节省空间且功率效率更高。该三"阶段"布 置（其中每个电容器包括浮动电容器）效率尤其高，且与两阶段转换器相比一般需要更少 的部件来实施。
[0012] 转换器可包括被配置为在三个阶段切换开关的控制器，阶段对应于三个子电路布 置。从而，控制器可包括定时电路，该定时电路用来循环经过三个阶段，并控制所述多个开 关以使得电容器集合采用第一、第二和第三子电路配置且在需要时连接到输入端和输出 端。应理解，可提供多于三个阶段，且转换器可被配置为包括可以不同于第一、第二和第三 子电路布置的第四、第五、第六或进一步的子电路布置。可替换地，第四、第五、第六或进一 步的子电路布置可与第一、第二和第三子电路布置之一相同，但不与其所等同的子电路布 置连续采用。
[0013] 集合中的每个电容器可包括两个电容器极板，且集合可被配置成使得每个极板与 相应的开关相关联。从而，所述多个开关可被布置为与电容器的各极板相邻。这使得能够 按照需要对每个极板或每个电容器的"侧"进行重新配置。该布置使得所有电容器能够操 作为浮动电容器。
[0014] 集合中的每个电容器可包括两个电容器极板，且控制器可被配置为对每个极板处 的连接在在三个阶段中的至少一个阶段中进行重新配置。已经发现，在三个阶段以这种方 式重新配置电容器有利于高效使用电容器并因此提供高效的开关电容器功率转换器。
[0015] 子电路布置中的两个可包括对电容器进行充电的子电路布置，子电路布置中的一 个可包括输出电压适于提供到输出端的布置。提供两个充电阶段和一个输出阶段使得能够 高效使用电容器实现期望的转换比。SCPC可操作为上转换器或下转换器。
[0016] 集合可包括至少三个电容器。子电路布置可被配置为使得只将具有三个电容器的 集合中的一个电容器充电至大于输入电压的电压。这使得能够使用尺寸较小且阻断电压较 低的电容器或尺寸相同但电容较高的电容器。
[0017] 集合可包括三个电容器，且可将子电路布置配置为提供6/1的转换比。对于从电 池电压源向OLED系统供电来讲，6/1的转换比是有利的。
[0018] 集合中的至少一个电容器可在第一、第二和第三子电路布置中的每一个中连接到 输入端。子电路布置可被布置为使得只在第三子电路布置中将输出电压提供给输出端。
[0019] 可选地，集合包括三个电容器：第一、第二和第三电容器，以及
[0020] 第一子电路布置包括将第一和第二电容器布置成并联布置且该并联布置连接到 输入端的第一充电布置；
[0021] 第二子电路布置包括将第一和第二电容器布置成与输入端串联并且将第一和第 二电容器配置成对第三电容器进行充电的第二充电布置；以及
[0022] 第三子电路布置包括全部三个电容器都被布置成与电压源和输出端串联的输出 布置。
[0023] 根据本发明的第二方面，提供了一种在具有包括至少两个电容器的集合的开关电 容器功率转换器中将输入电压转换成输出电压的方法，包括以下步骤：
[0024] 将电容器布置成第一子电路布置，其中集合连接到用于接收输入电压的输入端，
[0025] 将电容器布置成不同于第一子电路布置的第二子电路布置，
[0026] 将电容器布置成不同于第一和第二子电路布置的第三子电路布置，其中集合连接 到用于输出所转换的输出电压的输出端，子电路布置被配置为使得集合中的每个电容器充 当浮动电容器。
[0027] 该方法可包括循环切换经过第一、第二和第三子电路布置的步骤。
[0028] 根据本发明的第三方面，提供了一种包括如第一方面中所述的开关电容器功率转 换器的集成电路（IC)。
[0029] 根据本发明的第四方面，提供了一种包括第三方面的集成电路或第一方面的开关 电容器功率转换器以及至少一个有机发光二极管（OLED)的系统，其中开关电容器功率转 换器的输出端被配置为对OLED进行供电。
[0030] 输入端可被配置为接收来自电池（比如锂离子电池）的输入电压。系统的功率转 换器在从电池电压源向OLED或OLED组件供电方面有着特别地应用。

【专利附图】

【附图说明】
[0031] 下面仅以示例的方式参照以下附图对本发明的实施方式进行具体描述，其中：
[0032] 图1示出了已知SCPC的充电和放电子电路布置；
[0033] 图2示出了操作为上转换器的具有6/1转换比的示例SCPC的三个子电路布置；
[0034] 图3示出了操作为下转换器的具有1/6转换比的示例SCPC的三个子电路布置；
[0035] 图4示出了操作为上转换器的具有7/1转换比的示例SCPC的三个子电路布置；
[0036] 图5示出了操作为上转换器的具有11/1转换比的示例SCPC的三个子电路布置；
[0037] 图6示出了在集成电路上形成的示例SCPC;
[0038] 图7示出了部分在集成电路上形成且具有外部安装电容器的示例SCPC;
[0039] 图8不出了用于向有机发光二极管供电的系统；以及
[0040] 图9示出了SCPC的示例操作方法的流程图。

【具体实施方式】
[0041] 图2中示出了示例SCPC20,其被配置为在三个阶段进行操作，每个阶段包括三个 电容器C1X2和C3的集合的不同子电路布置。这三个阶段以及相应的子电路布置在图2中 被示为Phl、Ph2和Ph3。SCPC20包括输入端21，输入端21被示为连接到电压源22并且从 电压源22接收输入电压Vin。SCPC20还包括输出端23,输出端23连接到输出电容器Cwt 并向其提供输出电压Vtjut。输出电容器Ctjut形成由SCPC20供电的负载（未不出）的一部 分。SCPC20被示为充当上转换器。图2中示出的SCPC20的子电路布置被配置为使SCPC 20具有6/1的转换比，转换比包括比VtjutZiVint5
[0042]SCPC20包括受控的多个开关（未示出），以使得电容器Q、C2和C3彼此相连，且 该集合连接到输入端21和输出端23,以形成阶段一Phi、阶段二Ph2和阶段三Ph3的子电 路布置。开关可包括M0SFET，其中每个MOSFET接收来自控制器（未示出）的控制信号。控 制器可形成SCPC20的一部分或者其可外接至SCPC20。控制器被配置为控制开关，以使得 形成子电路布置。在这一实施方式中，控制器被配置为依次循环经过三个阶段。从而，控制 器适于配置开关，以使得SCPC20采用如阶段一Phl所示的子电路配置，接下来采用如阶段 二Ph2所示的子电路配置，接下来采用如阶段三Ph3所示的子电路配置。控制器然后重复 该序列，返回到如阶段一Phl所示的子电路配置，并以此类推。
[0043] 在这种实施方式中，在全部三个阶段中，输入端21连接到电压源22。从而，电压 Vin在每个子电路配置中都施加到电容器集合，只不过施加到集合中的不同电容器或集合中 的不同电容器组。在这种实施方式中，在第三阶段Ph3中，电容器集合经由输出端23连接 到负载。具体地，SCPC20只在第三阶段中连接到负载。从而，可以认为第一和第二阶段是 具有不同子电路布置的两个分离充电阶段，并且可认为第三阶段是具有另一不同子电路配 置的输出或放电阶段。提供三个阶段是有利的，这是因为可以创建在功率和空间方面高效 的拓扑结构。当与如图1所示的两阶段SCPC相比时，本发明的SCPC20需要较少电容器的 集合来实现给定的转换比。
[0044] 阶段一Phl包括第一子电路布置，其中电容器集合的子集（包括电容器C1和C2) 以并联布置连接到电压源22。在使用中，从而将电容器(^和(： 2两者都充电至Vin。电容器 C3没有连接到电压源22,电容器C1和C2也没有，负载也没有。输出端23连接到负载，但没 有连接到子电路布置的其余部分。
[0045] 阶段二Ph2包括第二子电路布置，其中阶段1中的电容器子集（即C1和C2)彼此 串联。此外，该子集还与电压源22串联且与电容器C3串联。由具有电压Vin的电压源22和 电容器C1和C2 (根据阶段1，每个都具有Vin的电压）对电容器C3进行充电。从而电容器C3 被充电至3Vin，包括电压源22的电压与C1和C2两端的电压之和。与在阶段1中一样，输出 端23连接到负载，但不连接到子电路布置的其余部分。
[0046] 阶段三Ph3包括第三子电路布置，其中集合中的所有电容器（即C1X2和C3)与电 压源22串联。该布置还经由输出端23与负载串联。从而，施加到表示负载一部分的电容 器Qut的电压包括电容器CpC2和C3中的每一个两端的电压与电压源的电压之和，其分别 包括Vin+Vin+3Vin+Vin。从而，在使用中，输出端23在电容器Ctjut两端提供6Vin的电压，从而 实现6/1的转换比。
[0047] 阶段1、阶段2和阶段3的子电路配置还被配置为使得集合中的所有电容器包括浮 动或"泵浦"电容器。已经发现其提供在空间和功率方面高效的拓扑结构，尤其是与三阶段 操作组合时更是如此。集合中的每个电容器具有两个极板，每个极板都连接到开关，以使得 能够在子电路布置中重新配置电容器。
[0048] 现在考虑电容器C1，其在阶段一中连接在电压源22的正侧与电压源22的负侧之 间。在阶段二中，其连接在电压源22的正侧与电容器C2之间。在阶段三中，其还是连接在 电压源22的正侧与电容器C2之间。从而，电容器C1的两个极板处的连接在三个阶段中的 至少一个阶段中发生了改变。
[0049] 现在考虑电容器C2，在阶段一中，其连接在电压源22的正侧与电压源22的负侧之 间。在阶段二中，其连接在电容器C1与电容器C3之间。在阶段三中，其还是连接在电容器 C1与电容器C3之间。从而，电容器C2的两个极板处的连接在三个阶段中的至少一个阶段中 发生了改变。
[0050] 现在考虑电容器C3，在阶段一中，其与子电路布置的其余部分隔离。在阶段二中， 其连接在电压源22的负侧与电容器C2之间。在阶段三中，其连接在电容器C2与输出端23 之间，输出端23又连接到输出电容Cwt。从而，电容器C3的两个极板处的连接在三个阶段 中的至少一个阶段中发生了改变。
[0051] 下表给出了电容器CpC2和C3的每个极板处的连接。

【权利要求】
1. 一种开关电容器功率转换器，包括： 具有至少两个电容器的集合； 输入端，用于接收输入电压； 输出端，用于输出与输入电压不同的输出电压； 多个开关，被配置为将电容器的所述集合布置成输入端和输出端之间的多个不同的子 电路布置，以用于将输入电压转换成输出电压； 其中电容器的所述集合被配置为采用其中所述集合连接到输入端的第一子电路布置、 不同于第一子电路布置的第二子电路布置以及其中所述集合连接到输出端且不同于第一 和第二子电路布置的第三子电路布置，所述子电路布置被配置为使得所述集合中的每个电 容器充当浮动电容器。
2. 根据权利要求1所述的开关电容器功率转换器，其中所述转换器包括控制器，该控 制器被配置为在三个阶段间切换开关，所述阶段对应于三个子电路布置。
3. 根据任意前述权利要求所述的开关电容器功率转换器，其中所述集合中的每个电容 器包括两个电容器极板，以及所述集合被配置成使得每个极板与相应的开关相关联。
4. 根据任意前述权利要求所述的开关电容器功率转换器，其中所述集合中的每个电容 器包括两个电容器极板，以及其中控制器被配置为将每个极板处的连接重新配置为子电路 布置中的至少一个。
5. 根据任意前述权利要求所述的开关电容器功率转换器，其中所述子电路布置中的两 个包括对电容器进行充电的子电路布置，所述子电路布置中的一个包括使输出电压适于提 供到输出端的布置。
6. 根据任意前述权利要求所述的开关电容器功率转换器，其中所述集合包括三个电容 器，以及子电路布置被配置为使得只将三个电容器之一充电至大于输入电压的电压。
7. 根据权利要求6所述的开关电容器功率转换器，其中所述集合包括三个电容器，以 及将子电路布置配置为提供6/1的转换比。
8. 根据任意前述权利要求所述的开关电容器功率转换器，其中由MOSFET提供开关。
9. 根据任意前述权利要求所述的开关电容器功率转换器，其中所述集合中的至少一个 电容器在第一、第二和第三子电路布置的每一个中都连接到输入端。
10. 根据权利要求9所述的开关电容器功率转换器，其中所述子电路布置被布置为使 得只在第三子电路布置中将输出电压提供给输出端。
11. 根据任意前述权利要求所述的开关电容器功率转换器，其中所述集合包括三个电 容器：第一、第二和第三电容器，以及 第一子电路布置包括将第一和第二电容器布置成并联布置且所述并联布置连接到输 入端的第一充电布置； 第二子电路布置包括将第一和第二电容器布置成与输入端串联并且将第一和第二电 容器配置成对第三电容器进行充电的第二充电布置；以及 第三子电路布置包括全部三个电容器都被布置成与电压源和输出端串联的输出布置。
12. -种在具有包括至少两个电容器的集合的开关电容器功率转换器中将输入电压转 换成输出电压的方法，包括以下步骤： 将电容器布置成第一子电路布置，其中所述集合连接到用于接收输入电压的输入端， 将电容器布置成不同于第一子电路布置的第二子电路布置，以及 将电容器布置成不同于第一和第二子电路布置的第三子电路布置，其中所述集合连接 到用于输出所转换的输出电压的输出端，所述子电路布置被配置为使得所述集合中的每个 电容器充当浮动电容器。
13. -种包括如权利要求1-11中的任一项所述的开关电容器功率转换器的集成电路。
14. 一种包括如权利要求13所述的集成电路或如权利要求1-11中的任一项所述的开 关电容器功率转换器以及至少一个有机发光二极管OLED的系统，其中开关电容器功率转 换器的输出端被配置为向所述OLED进行供电。
15. 根据权利要求14所述的系统，其中输入端被配置为从电池接收输入电压。
【文档编号】H02M3/06GK104426356SQ201410443423
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2014年9月2日 优先权日:2013年9月6日
【发明者】拉维奇安德拉·考拉迪, 杰拉尔德·维勒·皮盖 申请人:恩智浦有限公司