[发明专利]控制在开关电容式功率变换器中的功率损耗

说明书

技术领域

所公开的实施例总体涉及用于将DC功率转换成不同的电压的技术。更具体而言，所公开的实施例涉及用于主动控制在开关电容式功率变换器中的功率损耗的技术。

背景技术

高效率的开关电容式功率变换器包括由谐振时钟控制电路来驱动以生成几乎为输入电压V_LO的两倍的输出电压V_HI的一个或多个开关电容模块(switched-capacitor block，SCB)。为了在最高可能的效率下工作，开关电容式功率变换器需要使电压变换处理期间的功率损耗最小化。这些功率损耗既包括(1)在SCB中的传导损耗，也包括(2)在SCB和谐振时钟控制电路中的开关损耗。

幸运的是，这些损耗能够通过改变由谐振时钟控制电路生成的、用于驱动SCB中的开关晶体管的栅极驱动电压V_G来控制。更具体而言，增加V_G增加开关损耗，并且同时减少传导损耗。相反地，减少V_G增加传导损耗并且减少开关损耗。因此，能够调整V_G以实现在开关损耗和传导损耗之间的平衡，该平衡使得在功率变换器中的功率损耗最小化。

遗憾的是，传导损耗和开关损耗的相对量值由于功率变换器的工作点随着时间变化而改变。更具体而言，传导损耗和开关损耗的相对量值会随着均方根输出电流I_RMS和输入电压V_LO的变化而改变。结果，使功率损耗最小化的V_G值由于功率变换器的工作点变化而改变。

因此，所需要的是用于以考虑了功率变换器的工作点的变化的方式来控制在开关电容式功率变换器中的功率损耗的方法和装置。

发明内容

所公开的实施例涉及用于实现被配置成在将输入电压转换成输出电压时主动控制功率损耗的开关电容式功率变换器的系统。该系统包括一个或多个开关电容模块(SCB)，其中每个SCB包括第一电容器以及配置成将第一电容器的恒定电位端子和时变电位端子耦接于输入电压、输出电压和参考电压之间的一组开关器件。该系统还包括产生用于开关在该一个或多个SCB中的晶体管的栅极驱动信号的时钟控制电路。该系统另外还包括被配置成主动控制来自时钟控制电路的栅极驱动信号以使开关电容式功率变换器的功率损耗基本上最小化的控制器。

在某些实施例中，控制器被配置成通过控制栅极驱动信号的电压来主动控制栅极驱动信号，其中增大栅极驱动信号的电压减少在该一个或多个SCB中的传导损耗，但是增加在时钟控制电路中的开关损耗，并且相反地，减小栅极驱动信号的电压减少在时钟控制电路中的开关损耗，但是增加在该一个或多个SCB中的传导损耗。

在某些实施例中，控制器被配置成通过控制栅极驱动信号的频率来主动控制栅极驱动信号，其中增大栅极驱动信号的频率减少在该一个或多个SCB中的传导损耗，但是增加在该一个或多个SCB及时钟控制电路中的开关损耗，并且相反地，减小栅极驱动信号的频率减少在该一个或多个SCB及时钟控制电路中的开关损耗，但是增加在该一个或多个SCB中的传导损耗。

在某些实施例中，控制栅极驱动信号的频率包括使用时钟控制电路中的一个或多个抽头电感器(tapped inductor)来控制时钟控制电路的频率。

在某些实施例中，控制器被配置成通过控制栅极驱动信号正在驱动的SCB的数量来主动控制栅极驱动信号，其中增加SCB的数量减少在SCB中的传导损耗，但是增加在该一个或多个SCB及时钟控制电路中的开关损耗，并且相反地，减少SCB的数量减少在该一个或多个SCB及时钟控制电路中的开关损耗，但是增加在SCB中的传导损耗。

在某些实施例中，控制栅极驱动信号的电压包括：确定作为开关电容式功率变换器的输入电压和输出电流的函数的栅极驱动信号的电压，其中该函数使用预定的参数；并且然后使用所确定的电压来产生栅极驱动信号。

在某些实施例中，控制栅极驱动信号的电压包括：测量在开关电容式功率变换器中的功率损耗；以及将所测得的功率损耗用作对于用于控制栅极驱动信号的电压的控制系统的输入以使开关电容式功率变换器的功率损耗基本上最小化。

在某些实施例中，控制系统使用比例-积分-微分(PID)控制技术来控制栅极驱动信号的电压。