專利名稱：控制在開關(guān)電容式功率變換器中的功率損耗的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
所公開的實施例總體涉及用于將DC功率轉(zhuǎn)換成不同的電壓的技術(shù)。更具體而言， 所公開的實施例涉及用于主動控制在開關(guān)電容式功率變換器中的功率損耗的技術(shù)。
背景技術(shù)：
高效率的開關(guān)電容式功率變換器包括由諧振時鐘控制電路來驅(qū)動以生成幾乎為輸入電壓Vuj的兩倍的輸出電壓Vhi的一個或多個開關(guān)電容模塊(switched-capacitor block, SCB)。為了在最高可能的效率下工作，開關(guān)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(guān)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(qū)動SCB中的開關(guān)晶體管的柵極驅(qū)動電壓Ve來控制。更具體而言，增加Ve增加開關(guān)損耗，并且同時減少傳導損耗。相反地，減少Ve增加傳導損耗并且減少開關(guān)損耗。因此，能夠調(diào)整Ve以實現(xiàn)在開關(guān)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(guān)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(guān)損耗的相對量值會隨著均方根輸出電流Iffls和輸入電壓的變化而改變。結(jié)果，使功率損耗最小化的Ve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(guān)電容式功率變換器中的功率損耗的方法和裝置。

發(fā)明內(nèi)容
所公開的實施例涉及用于實現(xiàn)被配置成在將輸入電壓轉(zhuǎn)換成輸出電壓時主動控制功率損耗的開關(guān)電容式功率變換器的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一個或多個開關(guān)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(guān)器件。該系統(tǒng)還包括產(chǎn)生用于開關(guān)在該一個或多個SCB中的晶體管的柵極驅(qū)動信號的時鐘控制電路。該系統(tǒng)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(qū)動信號以使開關(guān)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(qū)動信號的電壓來主動控制柵極驅(qū)動信號，其中增大柵極驅(qū)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(guān)損耗，并且相反地，減小柵極驅(qū)動信號的電壓減少在時鐘控制電路中的開關(guān)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(qū)動信號的頻率來主動控制柵極驅(qū)動信號，其中增大柵極驅(qū)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(guān)損耗，并且相反地，減小柵極驅(qū)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(guān)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(qū)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(qū)動信號正在驅(qū)動的SCB的數(shù)量來主動控制柵極驅(qū)動信號，其中增加SCB的數(shù)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(guān)損耗，并且相反地，減少SCB的數(shù)量減少在該一個或多個SCB及時鐘控制電路中的開關(guān)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(qū)動信號的電壓包括確定作為開關(guān)電容式功率變換器的輸入電壓和輸出電流的函數(shù)的柵極驅(qū)動信號的電壓，其中該函數(shù)使用預(yù)定的參數(shù)；并且然后使用所確定的電壓來產(chǎn)生柵極驅(qū)動信號。在某些實施例中，控制柵極驅(qū)動信號的電壓包括測量在開關(guān)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(qū)動信號的電壓的控制系統(tǒng)的輸入以使開關(guān)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(tǒng)使用比例-積分-微分(PID)控制技術(shù)來控制柵極驅(qū)動信號的電壓。在某些實施例中，系統(tǒng)通過以下方式來控制柵極驅(qū)動信號的電壓首先執(zhí)行功率測量以產(chǎn)生功率損耗的一個或多個測量分量。然后，系統(tǒng)使用參數(shù)化模型以基于一個或多個所測得的輸入以及一個或多個參數(shù)來計算功率損耗的一個或多個參數(shù)化分量。系統(tǒng)然后基于測量分量及參數(shù)化分量來估計在開關(guān)電容式功率變換器中的功率損耗。最后，系統(tǒng)將所估計的功率損耗用作對于用于控制柵極驅(qū)動信號的電壓的控制系統(tǒng)的輸入以使開關(guān)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，時鐘控制電路是包括至少一個電感和至少一個電容的諧振振蕩器電路。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的電壓變換器。圖2A示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的開關(guān)電容模塊(SCB)的結(jié)構(gòu)。圖2B示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的可級聯(lián)的SCB的結(jié)構(gòu)。圖3給出了示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的電壓變換處理的流程圖。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的諧振時鐘控制電路。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于控制開關(guān)電容式功率變換器的功率損耗的電路。圖6給出了示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的作為柵極驅(qū)動電壓Ve的函數(shù)的功率損耗的圖表。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于控制開關(guān)電容式功率變換器的功率損耗的另選電路。圖8A給出了根據(jù)所公開的實施例的優(yōu)化的和未優(yōu)化的功率變換器的作為均方根輸出電流Ikms的函數(shù)的功率損耗的圖表。
圖8B給出了根據(jù)所公開的實施例的優(yōu)化的和未優(yōu)化的功率變換器的作為均方根輸出電流Ikms的函數(shù)的功率變換效率的圖表。
具體實施例方式給出以下描述以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)和使用所公開的實施例，并且以下描述是在特定的應(yīng)用及其要求的情形下給出的。所公開的實施例的各種修改對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將是顯而易見的，并且在此所定義的一般原理在不脫離所公開的實施例的精神和范圍的情況下可以應(yīng)用于其他實施例和應(yīng)用。因而，所公開的實施例并不限于所示出的實施例，而是應(yīng)當符合與在此所公開的原理和特征一致的最寬的范圍。在該具體描述中所描述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和代碼通常存儲于計算機可讀存儲介質(zhì)上，該計算機可讀存儲介質(zhì)可以是能夠存儲由計算機系統(tǒng)使用的代碼和/或數(shù)據(jù)的任意器件或介質(zhì)。計算機可讀存儲介質(zhì)包括，但不限于，易失性存儲器、非易失性存儲器、磁和光存儲器件(例如，盤驅(qū)動器、磁帶、CD (壓縮盤)、DVD (數(shù)字萬用盤或數(shù)字視頻盤))，或能夠存儲現(xiàn)在已知的或以后將研發(fā)出的代碼和/或數(shù)據(jù)的其他介質(zhì)。在本具體描述中所描述的方法和處理能夠被實現(xiàn)為能夠存儲于以上所述的計算機可讀存儲介質(zhì)內(nèi)的代碼和/或數(shù)據(jù)。當計算機系統(tǒng)讀取并執(zhí)行存儲于計算機可讀存儲介質(zhì)上的代碼和/或數(shù)據(jù)時，計算機系統(tǒng)執(zhí)行被實現(xiàn)為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和代碼、且存儲于計算機可讀存儲介質(zhì)內(nèi)的方法和處理。此外，以下所描述的方法和處理能夠包含于硬件模塊內(nèi)。例如，硬件模塊能夠包括，但不限于，專用集成電路(ASIC)芯片、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)以及現(xiàn)在已知的或以后研發(fā)出的其他可編程邏輯器件。當硬件模塊被激活時，硬件模塊則執(zhí)行包含于硬件模塊內(nèi)的方法和處理。電壓變換器圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的高效開關(guān)電容式功率變換器100。在所示出的實施例中，諧振時鐘控制電路106接收來自振蕩器電壓源的振蕩器供電電壓Vffi。，并且產(chǎn)生四種形式的兩相位時鐘，即Q、CH、Pl和PH。這些兩相位時鐘信號控制在相反的時鐘相位內(nèi)驅(qū)動輸出Vhi的兩個開關(guān)電容模塊(SCB) 102和104。在正向工作期間，SCB 102和104將較低的輸出電壓Vuj 100轉(zhuǎn)換成較高的輸出電壓VhiI 12，其漸進等于2νω-νΒ。更具體而言，在第一時鐘相位內(nèi)，SCB 102提供等于2Vl。-IRq1-VB(其中Rqi是SCB 102的有效電阻，I是輸出電流)的輸出電壓Vhi 112，而SCB 104與Vhi 112解耦。類似地，在第二時鐘相位內(nèi)，SCB 104提供等于2VlQ-IRQ2_VB (其中Rq2是SCB 104的有效電阻，I是輸出電流)的輸出電壓Vhi 112，而SCB 102與Vhi 112解耦。注意，輸出電容器108的一個用途是用于在兩個SCB都不驅(qū)動輸出時將能量供應(yīng)給輸出。開關(guān)電容模塊圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的開關(guān)電容模塊(SCB) 102的結(jié)構(gòu)。SCB 102包括電容器210(也稱為“泵電容器(pump capacitor)”)以及一組開關(guān)器件202、204、206和 208。在所示出的實施例中，開關(guān)器件202、204、206和208是功率金屬-氧化物-半導體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。注意，圖2還示出了 MOSFET 202、204、206和208中的每一個的體二極管(body diode)的方向。圖2另外還示出了 MOSFET 202,204,206和208的連接。更具體而言，MOSFET 202在時鐘輸入Ch的控制之下將電容器210的恒定電位端子耦接到Vuj 110 ；MOSFET 206在時鐘輸入Q的控制之下將電容器210的時變電位端子耦接到基準電壓Vb 113 ；MOSFET 204在時鐘輸入I3h的控制之下將電容器210的恒定電位端子耦接到Vhi 112;以及MOSFET 208在時鐘輸入h的控制之下將電容器210的時變電位端子耦接到Vm 110。在第一時鐘相位內(nèi)，電容器210的恒定電位端子與Vm 110耦接，以及電容器210 的時變電位端子與Vb 113耦接。這使得在電容器210兩端的電壓得以充電在第二時鐘相位內(nèi)，電容器210的恒定電位端子與Vhi 112耦接，以及電容器210的時變電位端子與Vlo 110耦接。以這種方式，在電容器210兩端的電壓被疊加于Vuj 110之上以產(chǎn)生輸出電壓Vhi 112 = 2νω-νΒ-Ι。Κ。，其中I。是輸出電流。在本發(fā)明的一種實施例中，電容器210使用平行電容器組來實現(xiàn)，其中每個電容器都是IOOyF的陶瓷型電容器。電容器組的時變電位端子在Vb與Vuj之間轉(zhuǎn)換。因此， 用于將電容器組的時變電位端子耦接到的MOSFET 208的柵極驅(qū)動必須具有至少的電壓轉(zhuǎn)換，其中Ve是使Rds (on)達到其最小的導通電阻所需的柵極驅(qū)動電壓。同樣地，電容器210的恒定電位端子在Vuj與Vhi之間轉(zhuǎn)換。因此，與電容器組的恒定電位端子連接的 MOSFET 202和204沒有必要轉(zhuǎn)換至Vuj之下。這些柵極驅(qū)動信號能夠通過輸入電壓來偏置以在\(^#￥(；與￥111+￥#￥(；之間轉(zhuǎn)換。注意，驅(qū)動每個柵極所需的能量與(UVe)2成正比。圖2Β示出了如何才可以在添加了兩個開關(guān)器件和三個電容器的情況下獲得高于 Vhi的電壓。更具體而言，圖2Β包含圖2所示的全部電路，并且還另外包含兩個晶體管222 和224以及三個電容器230、232和234。注意，電容器230的下端附接于節(jié)點A 201。在系統(tǒng)工作期間，節(jié)點A 201從轉(zhuǎn)換到VHI。晶體管222在節(jié)點A 201處于Vuj時導通，這促使電容器230充電到Vhi-V,然后，晶體管2 在節(jié)點A 201達到Vhi時導通。這促使輸出電壓Vxh 236達到νΗΙ+νω。以這種方式，圖2B所示的電路有效地充當著電壓三倍器。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，四倍器等可以通過再次應(yīng)用從圖2A到圖2B的變換來構(gòu)造。注意，因為圖2B所示的電路是可逆的，所以能夠?qū)⒃赩b之上的任意點看作是輸入，而剩下的點將是輸出。例如，如果Vuj是輸入并且Vb是地電位，則Vhi提供2倍的輸出以及Vxh 236提供3倍的輸出。作為選擇，如果Vhi是輸入，則\提供1/2倍的輸出以及Vxh提供3/2倍的輸出。類似地，如果Vxh是輸入，則Vhi提供2/3倍的輸出以及Vuj提供1/3倍的輸出。電壓變換處理圖3給出了示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的電壓變換處理的流程圖。該流程圖涵蓋了圖1所示的系統(tǒng)的工作。在工作期間，系統(tǒng)接收輸入電壓步驟302)。然后，系統(tǒng)使用諧振時鐘控制電路來生成具有基本上不重疊的時鐘相位(包括第一相位和第二相位)的時鐘信號(步驟304)。這些時鐘信號被施加于第一組開關(guān)器件(在SCB 102內(nèi))，使得在第一相位內(nèi)第一電容器的恒定電位端子與輸入電壓耦接以及第一電容器的時變電位端子與基準電壓耦接， 以及在第二相位內(nèi)第一電容器的恒定電位端子與輸出電壓耦接以及第一電容器的時變電位端子與輸入電壓耦接(步驟306)。這些時鐘信號還被施加于第二組開關(guān)器件(在SCB 104內(nèi))，使得在第一相位內(nèi)第二電容器的恒定電位端子與輸出電壓耦接以及第二電容器的時變電位端子與輸入電壓耦接，以及在第二相位內(nèi)第二電容器的端子與輸入電壓耦接以及第二電容器的時變電位端子與地耦接(步驟308)。最后，輸出電容器108被用來執(zhí)行許多功能，包括對輸出電壓進行濾波(步驟310)。諧振時鐘控制電路圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的諧振時鐘控制電路。參照圖4的下側(cè)部分，基礎(chǔ)的諧振時鐘控制電路包括產(chǎn)生相反時鐘相位的兩個互補電路部分。第一電路部分包括電感器402和FET 410，并且產(chǎn)生輸出(p2L。第二互補電路部分包括電感器404和FET 408，并且產(chǎn)生輸出<Pil，其中(PIL和q>2L提供相反的時鐘相位。注意，F(xiàn)ET 408和410是交叉耦接的， 從而從互補電路部分的輸出獲得FET 408和410各自的控制輸入。還要注意，每個FET的柵極電容與相反時鐘相位的輸出負載電容集中在一起。(還要注意，負載電容在SCB內(nèi)是柵極電容。)在該諧振時鐘控制電路的工作期間，能量在電感電路元件與電容電路元件之間來回振蕩，沒有顯著的傳導損耗或開關(guān)損耗。更具體而言，在第一電路部分中，能量在電感器 402與輸出(P2L的負載電容之間振蕩，其中該負載電容與相對的FET 408的柵極電容集中在一起。類似地，在第二電路部分中，能量在電感器404與輸出(Pil的負載電容之間振蕩，其中該負載電容與相對的FET 410的柵極電容集中在一起。圖4的上側(cè)部分示出了生成輸出φ Η和(p2H的對應(yīng)的電路。在輸出φ Η和(p2H上的電壓跟隨在輸出<PlL和(P2L上的電壓，但是被偏置以處于較高的電壓電平。這通過使用兩個自舉電容器Cbi 414和Cb2 412以及兩個交叉耦接的FET 422和420來實現(xiàn)，該兩個交叉耦接的FET 422和420在一個相位內(nèi)將升高的時鐘輸出箝位于Vuj，然后在另一相位內(nèi)以Vuj的正偏移來跟隨時鐘輸出。在輸出(PlH和q>2H上的升高的電壓電平能夠被用來驅(qū)動圖2所示的MOSFET 202和204。如以上討論所提及的，這些MOSFET需要在Vuj與VHI+Ve之間轉(zhuǎn)換的柵極驅(qū)動信號。如圖4的上側(cè)部分所示出的，虛線框A能夠再次堆疊以提供圖2B的“超高的”(XH)輸出。注意，齊納二極管(Zener diode) 418和416 (例如，該齊納二極管418和416可以是19V的齊納二極管)被分別耦接于輸出(PlL和(P2L與地之間以在加電期間保護電路免受大的瞬變電壓的影響。還要注意，晶體管420和422能夠以具有與耦接的陽極以及與 (Pm或q>2H耦接的陰極的普通的二極管來代替。最小化功率損耗本發(fā)明的某些實施例通過針對給定的輸出電流Iffls和輸入電壓Vm來優(yōu)化柵極驅(qū)動電壓Ve，從而最小化在開關(guān)電容式功率變換器中的功率損耗。如上文所提及的，在開關(guān)電容式功率變換器中的功率損耗既包括(1)通過開關(guān)電容模塊(SCB)的傳導損耗，也包括O) 在SCB和諧振時鐘控制電路中的開關(guān)損耗。通過SCB的傳導損耗由Iffls2Rtj給出，其中Iems是均方根輸出電流，Rtj是SCB的輸出電阻。注意，輸出電阻&受開關(guān)FET的導通電阻Rds(。n)所支配，其中柵極驅(qū)動電壓Ve越大， 導通電阻就越小。在開關(guān)電容式功率變換器中有兩個主要的開關(guān)損耗源。第一個源出現(xiàn)于諧振時鐘控制電路之內(nèi)，源于使SCB FET的柵極循環(huán)。在圖2A中左側(cè)的SCB FET柵極內(nèi)的損耗與柵極電壓的平方Ve2成正比。相反，在右側(cè)的SCB FET柵極內(nèi)的損耗與(Ve-Vuj)2成正比，因為左側(cè)的FET的源與輸入電壓Vuj有關(guān)。其他開關(guān)損耗由FET的漏極-源極電容的充電和放電所引起。這些其他的開關(guān)損耗與Vj成正比。注意，通過增加柵極驅(qū)動Ve，開關(guān)損耗增加，然而傳導損耗減少。因此，對于給定的輸出電流Ikms和輸入電壓Vm存在使功率損耗最小化的最優(yōu)的柵極驅(qū)動。用于控制Ve的好方式是通過控制諧振振蕩器的輸入電壓。例如，圖5給出了示出 Buck變換器502的參數(shù)化優(yōu)化器電路的圖表，其中該Buck變換器502根據(jù)由Buck變換器 502用來設(shè)置509的電平的所算出的設(shè)定點Vsp 503來控制振蕩器電壓V· 509。參數(shù)化優(yōu)化器504根據(jù)Iems 506和Vuj 511的測量值計算Vsp 503的最優(yōu)值以使在開關(guān)電容式功率變換器506中的功率損耗最小化，如圖5所示。注意，振幅Ve與V· 509成正比。Buck變換器或線性調(diào)節(jié)器能夠根據(jù)開關(guān)電容模塊Vhi 513的輸出生成可控制的 Vosco與線性調(diào)節(jié)器相比，使用Buck變換器的優(yōu)點是較高的效率。Buck變換器的缺點包括部件較多、電路板空間較多以及成本較高。而且，Buck變換器需要在主體(buck)的開關(guān)電感器與諧振時鐘控制電路的電感器之間進行隔離以防止不受控制的振蕩。一種用于隔離 Buck變換器的方法是將大的輸出電容放置于通過圖5所示的小電阻R^ 515與諧振振蕩器的輸入隔開的主體的輸出上。一種用于最小化功率損耗的技術(shù)從針對特定的電路設(shè)計將總損耗表征為Vffi。、Iems 和Vm的函數(shù)開始。功率損耗能夠通過測量功率輸入與功率輸出之差而在實驗室中測量。 通過該數(shù)據(jù)，用于針對給定的Ikms和Vuj使功率最小化的V·或Vsp能夠被確定并被參數(shù)化。 例如，簡單的參數(shù)化由下式給出(Vsp)opt = KA+KBVL0+KcIfflS (1)其中K項是由測得的損耗所確定的參數(shù)。在圖5中的參數(shù)化優(yōu)化器504然后通過周期性地(例如，每一秒)測量和Iems， 使用公式⑴來計算最優(yōu)的設(shè)定點(Vsp)。pt來工作，其中Vsp經(jīng)由Buck控制器控制著VQSC。 因此當Vm和Ikms改變時，Vosc被周期性地更新以使開關(guān)電容式功率變換器的損耗最小化。另一種用于最小化功率損耗的技術(shù)是主動測量功率損耗，Ploss = Pin-Pout,并且實現(xiàn)使該損耗最小化的伺服(servo)。例如，該最小化伺服能夠在一個時段內(nèi)將Vsp設(shè)置為某一標稱值，并且在下一個時段內(nèi)，將Vsp設(shè)置為Vsp+Δ，其中Δ是小擾動。例如，圖6示出了包括由△隔開的多對測量值的功率損耗測量值。更具體而言，圖6示出了作為振蕩器設(shè)定點Vsp的函數(shù)的功率損耗I\。ss，其中示出了由△隔開的多對測量值。注意，功率損耗在功率損耗測量值的差ε為零時處于最小值。對于每一對測量值，功率損耗的變化ε能夠如下進行測量ε =Ploss (Vsp)-Ploss (Vsp+Δ)(2)功率損耗的變化ε是饋入PID伺服的輸入中的誤差信號，其中該PID伺服周期性地調(diào)整標稱的設(shè)定點Vsp以將ε控制成零。當ε為零時，開關(guān)電容式功率變換器將在其最小的功率損耗下工作。標準的比例-積分-微分(PID)伺服能夠被用來以可調(diào)的比例、積分和微分增益最小化功率損耗。圖7示出了用于實現(xiàn)PID伺服以通過控制針對生成Vqsc的Buck控制器的設(shè)定點來使開關(guān)電容式功率變換器的功率損耗最小化的優(yōu)化器的示意圖。與圖5中的參數(shù)化優(yōu)化器相比，在圖7中的功率最小化的PID伺服的優(yōu)點在于不需要預(yù)先表征和參數(shù)化開關(guān)電容式功率變換器。同樣，對電路到電路(circuit-to-circuit)的變化或者對參數(shù)化模型不敏感。這種技術(shù)的缺點是需要根據(jù)電路的需要測量輸入RMS電流Iffls來確定輸入功率，這可能顯著地影響功率損耗。作為折中，能夠使用混合的解決方案，其中某些特征(例如，SCBFET的漏-源電容的開關(guān)損耗)被參數(shù)化，而其他特征(例如，傳導損耗和諧振振蕩器的損耗)被直接測量。 除了不是直接測量功率損耗，而是根據(jù)測量值和參數(shù)化的結(jié)合來估計功率損耗之外，該混合的實現(xiàn)方式將如同功率最小化的PID伺服那樣來起作用。用于最小化功率損耗的其他機制代替通過控制Vffie來最小化功率損耗，其他實現(xiàn)方式能夠例如通過改變并行的 SCB的有效數(shù)量η或者通過調(diào)整振蕩器頻率來最小化功率。為了提高在SCB中的傳導損耗，能夠?qū)⒃S多SCB并聯(lián)連接，這使傳導損耗以因數(shù)η減少，而使開關(guān)損耗以因數(shù)η增加。 因此，另一種可能的實現(xiàn)方式是通過針對給定的負載電流只啟用最優(yōu)數(shù)量的SCB來最小化功率。同樣，調(diào)整fm是最小化功率損耗的另一種有效的方式，因為振蕩器的開關(guān)損耗隨 fosc增大而增加以及輸出電阻隨減小而減少。注意，振蕩器頻率與成比例，所以通過主動改變振蕩器的電感L或者SCB FET的柵極電容C，能夠使功率損耗最小化。能夠?qū)⒄{(diào)整V.、或SCB的數(shù)量的技術(shù)全部共同使用以使總的功率損耗最小化。優(yōu)化的好處使用優(yōu)化器的好處能夠從圖8A和8B中看出。更具體而言，圖8A示出了功率損耗以及圖8B示出了效率相對于輸出電流的圖，既有利用優(yōu)化器的(實線)也有不利用優(yōu)化器的(虛線)。注意，不利用優(yōu)化器(固定U的性能在由箭頭指示的電流處是最優(yōu)的。在圖8A和8B中的虛線分別指示對于特定的Ikms和Vuj優(yōu)化的使用固定的在開關(guān)電容式功率變換器中的功率損耗和效率。相反，實線示出了由使用優(yōu)化器而獲得的功率損耗和效率的改進。在很高的輸出電流下，優(yōu)化器增加V·，從而減小Rtj和傳導損耗，這超過了所增加的開關(guān)損耗。相反，在很輕的負載下，優(yōu)化器減小V·，促使Rtj和傳導損耗增加，但是顯著地減少了開關(guān)損耗。以上關(guān)于實施例的描述只是為了說明和描述的目的而給出。它們并不希望是窮盡的或者將本描述限定于所公開的形式。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當清楚許多改變和變化。此夕卜，以上的公開內(nèi)容并非旨在限定本描述。本描述的范圍由所附的權(quán)利要求書來限定。
權(quán)利要求
1.一種用于主動控制在開關(guān)電容式功率變換器中的功率損耗的方法，所述方法包括使所述開關(guān)電容式功率變換器工作，其中所述開關(guān)電容式功率變換器包括一個或多個開關(guān)電容模塊(SCB)以及產(chǎn)生用于開關(guān)所述一個或多個SCB中的晶體管的柵極驅(qū)動信號的時鐘控制電路；以及在所述開關(guān)電容式功率變換器工作時，主動控制來自所述時鐘控制電路的所述柵極驅(qū)動信號以使所述開關(guān)電容式功率變換器的功率損耗基本上最小化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中主動控制所述柵極驅(qū)動信號包括控制所述柵極驅(qū)動信號的電壓，其中增大所述柵極驅(qū)動信號的電壓減少在所述一個或多個SCB中的傳導損耗，但是增加在所述一個或多個SCB和所述時鐘控制電路中的開關(guān)損耗，以及其中減小所述柵極驅(qū)動信號的電壓減少在所述一個或多個SCB和所述時鐘控制電路中的開關(guān)損耗，但是增加在所述一個或多個SCB中的傳導損耗。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中主動控制所述柵極驅(qū)動信號包括控制所述柵極驅(qū)動信號的頻率，其中增大所述柵極驅(qū)動信號的頻率減少在所述一個或多個SCB中的傳導損耗，但是增加在所述一個或多個SCB和所述時鐘控制電路中的開關(guān)損耗，以及其中減小所述柵極驅(qū)動信號的頻率減少在所述一個或多個SCB和所述時鐘控制電路中的開關(guān)損耗，但是增加在所述一個或多個SCB中的傳導損耗。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中控制所述柵極驅(qū)動信號的頻率包括使用在所述時鐘控制電路中的一個或多個抽頭電感器以控制所述時鐘控制電路的頻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述一個或多個SCB包括多個SCB ；以及其中主動控制所述柵極驅(qū)動信號包括控制所述柵極驅(qū)動信號正在驅(qū)動的SCB的數(shù)量， 其中增加所述SCB的數(shù)量減少在所述SCB中的傳導損耗，但是增加在所述一個或多個SCB 和所述時鐘控制電路中的開關(guān)損耗，以及其中減少所述SCB的數(shù)量減少在所述一個或多個 SCB和所述時鐘控制電路中的開關(guān)損耗，但是增加在所述SCB中的傳導損耗。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中控制所述柵極驅(qū)動信號的電壓包括將所述柵極驅(qū)動信號的電壓確定為所述開關(guān)電容式功率變換器的輸入電壓和輸出電流的函數(shù)，其中所述函數(shù)使用預(yù)定的參數(shù)；以及使用所確定的電壓來產(chǎn)生所述柵極驅(qū)動信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中控制所述柵極驅(qū)動信號的電壓包括測量所述開關(guān)電容式功率變換器的功率損耗；以及將所測得的功率損耗用作對用于控制所述柵極驅(qū)動信號的電壓的控制系統(tǒng)的輸入，以使所述開關(guān)電容式功率變換器的功率損耗基本上最小化。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述控制系統(tǒng)使用比例-積分-微分(PID)控制技術(shù)來控制所述柵極驅(qū)動信號的電壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中控制所述柵極驅(qū)動信號的電壓包括執(zhí)行功率測量以產(chǎn)生所述功率損耗的一個或多個測量分量；使用參數(shù)化模型以基于一個或多個測量輸入以及一個或多個參數(shù)來計算功率損耗的一個或多個參數(shù)化分量；基于所述測量分量和所述參數(shù)化分量來估計所述開關(guān)電容式功率變換器的功率損耗;以及將所估計的功率損耗用作對用于控制所述柵極驅(qū)動信號的電壓的控制系統(tǒng)的輸入，以使所述開關(guān)電容式功率變換器的功率損耗基本上最小化。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述時鐘控制電路是包括至少一個電感和至少一個電容的諧振振蕩器電路。
11.一種配置成主動控制涉及將輸入電壓轉(zhuǎn)換成輸出電壓的功率損耗的開關(guān)電容式功率變換器，包括一個或多個開關(guān)電容模塊(SCB)，其中每個SCB包括第一電容器以及配置成將所述第一電容器的恒定電位端子和時變電位端子耦接于所述輸入電壓、所述輸出電壓和參考電壓之間的一組開關(guān)器件；產(chǎn)生用于開關(guān)在所述一個或多個SCB中的晶體管的柵極驅(qū)動信號的時鐘控制電路；以及配置成主動控制來自所述時鐘控制電路的所述柵極驅(qū)動信號以使所述開關(guān)電容式功率變換器的功率損耗基本上最小化的控制器。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的開關(guān)電容式功率變換器，其中所述控制器被配置成通過控制所述柵極驅(qū)動信號的電壓來主動控制所述柵極驅(qū)動信號，其中增大所述柵極驅(qū)動信號的電壓減少在所述一個或多個SCB中的傳導損耗，但是增加在所述時鐘控制電路中的開關(guān)損耗，以及其中減小所述柵極驅(qū)動信號的電壓減少在所述時鐘控制電路中的開關(guān)損耗，但是增加在所述一個或多個SCB中的傳導損耗。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的開關(guān)電容式功率變換器，其中所述控制器被配置成通過控制所述柵極驅(qū)動信號的頻率來主動控制所述柵極驅(qū)動信號，其中增大所述柵極驅(qū)動信號的頻率減少在所述一個或多個SCB中的傳導損耗，但是增加在所述一個或多個SCB和所述時鐘控制電路中的開關(guān)損耗，以及其中減小所述柵極驅(qū)動信號的頻率減少在所述一個或多個 SCB和所述時鐘控制電路中的開關(guān)損耗，但是增加在所述一個或多個SCB中的傳導損耗。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的開關(guān)電容式功率變換器，其中在控制所述柵極驅(qū)動信號的頻率時，所述控制器被配置成使用在所述時鐘控制電路中的一個或多個抽頭電感器來控制所述時鐘控制電路的頻率。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的開關(guān)電容式功率變換器，其中所述一個或多個SCB包括多個SCB ；以及其中所述控制器被配置成通過控制所述柵極驅(qū)動信號正在驅(qū)動的SCB的數(shù)量來主動控制所述柵極驅(qū)動信號，其中增加所述SCB的數(shù)量減少在所述SCB中的傳導損耗，但是增加在所述一個或多個SCB和所述時鐘控制電路中的開關(guān)損耗，以及其中減少所述SCB的數(shù)量減少在所述一個或多個SCB和所述時鐘控制電路中的開關(guān)損耗，但是增加在所述SCB中的傳導損耗。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的開關(guān)電容式功率變換器，其中在控制所述柵極驅(qū)動信號的電壓時，所述控制器被配置成將所述柵極驅(qū)動信號的電壓確定為所述開關(guān)電容式功率變換器的輸入電壓和輸出電流的函數(shù)，其中所述函數(shù)使用預(yù)定的參數(shù)；以及使用所確定的電壓來產(chǎn)生所述柵極驅(qū)動信號。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的開關(guān)電容式功率變換器，其中在控制所述柵極驅(qū)動信號的電壓時，所述控制器被配置成測量所述開關(guān)電容式功率變換器的功率損耗；以及將所測得的功率損耗用作對用于控制所述柵極驅(qū)動信號的電壓的控制系統(tǒng)的輸入，以使所述開關(guān)電容式功率變換器的功率損耗基本上最小化。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的開關(guān)電容式功率變換器，其中所述控制系統(tǒng)使用比例-積分-微分(PID)控制技術(shù)來控制所述柵極驅(qū)動信號的電壓。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的開關(guān)電容式功率變換器，其中在控制所述柵極驅(qū)動信號的電壓時，所述控制器被配置成執(zhí)行功率測量以產(chǎn)生所述功率損耗的一個或多個測量分量；使用參數(shù)化模型以基于一個或多個測量輸入以及一個或多個參數(shù)來計算所述功率損耗的一個或多個參數(shù)化分量；基于所述測量分量和所述參數(shù)化分量來估計所述開關(guān)電容式功率變換器的功率損耗;以及將所估計的功率損耗用作對用于控制所述柵極驅(qū)動信號的電壓的控制系統(tǒng)的輸入，以使所述開關(guān)電容式功率變換器的功率損耗基本上最小化。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電容式功率變換器，其中所述時鐘控制電路是包括至少一個電感和至少一個電容的諧振振蕩器電路。
21.一種電源，包括 提供輸入電壓的電池；提供輸出電壓的輸出端；以及配置成在將所述輸入電壓轉(zhuǎn)換成所述輸出電壓時主動控制功率損耗的開關(guān)電容式功率變換器，其中所述開關(guān)電容式功率變換器包括，一個或多個開關(guān)電容模塊(SCB)，其中每個SCB包括第一電容器以及配置成將所述第一電容器的恒定電位端子和時變電位端子耦接于所述輸入電壓、所述輸出電壓和參考電壓之間的一組開關(guān)器件；產(chǎn)生用于開關(guān)在所述一個或多個SCB中的晶體管的柵極驅(qū)動信號的時鐘控制電路；以及配置成主動控制來自所述時鐘控制電路的所述柵極驅(qū)動信號以使所述開關(guān)電容式功率變換器的所述功率損耗基本上最小化的控制器。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的電源，其中所述控制器被配置成通過控制所述柵極驅(qū)動信號的電壓來主動控制所述柵極驅(qū)動信號。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的電源，其中所述控制器被配置成通過所述柵極驅(qū)動信號的頻率來主動控制所述柵極驅(qū)動信號。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的電源，其中所述一個或多個SCB包括多個SCB ；以及其中所述控制器被配置成通過控制所述柵極驅(qū)動信號正在驅(qū)動的SCB的數(shù)量來主動控制所述柵極驅(qū)動信號。
全文摘要
所公開的實施例涉及用于實現(xiàn)開關(guān)電容式功率變換器的系統(tǒng)，所述開關(guān)電容式功率變換器被配置成在將輸入電壓轉(zhuǎn)換成輸出電壓時主動控制功率損耗。該系統(tǒng)包括一個或多個開關(guān)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(guān)器件。該系統(tǒng)還包括產(chǎn)生用于開關(guān)在該一個或多個SCB中的晶體管的柵極驅(qū)動信號的時鐘控制電路。該系統(tǒng)另外還包括配置成主動控制來自時鐘控制電路的柵極驅(qū)動信號以使開關(guān)電容式功率變換器的功率損耗基本上最小化的控制器。
文檔編號H02M3/07GK102577060SQ201080034630
公開日2012年7月11日 申請日期2010年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月5日
發(fā)明者T·C·格里尼格, W·C·阿塞思 申請人:蘋果公司