[发明专利]具有集成电容器的电源转换器

说明书

相关申请

本申请要求于2011年10月18日提交的美国申请61/548,360的权益，其全部内容以引用的方式并入本文。

发明领域

本发明涉及采用电容器传递能量的电源转换器中的储能元件。

背景技术

电源转换器通常包括多个开关以及一个或多个电容器以便，例如，为便携式电子装置和消费性电子产品供电。开关模式电源转换器是一种特定类型的电源转换器，其通过使用开关网络将储存元件（即，电感器和电容器）切换为不同的电气配置来调节其输出电压或电流。

其中一种开关模式电源转换器是开关电容转换器。开关电容转换器采用电容器传递能量。变压比越大，电容器和开关的数量就越多。

开关电容转换器包括含有大量开关的开关网络。这些开关是通常与晶体管一起使用的有源装置。开关网络可一体成型在单个或多个整体式半导体基板上。

典型的电源转换器执行电压转换和输出调节。在许多电源转换器中，比如降压转换器，电压转换和输出调节在一个阶段中进行。然而，也可将这两种功能分开为在两个专门的阶段中进行。这种两级电源转换器构架的特征在于具有转换阶段和单独的调节阶段。转换阶段将一种电压转换为另一种电压，而调节阶段则确保转换阶段输出的电压和/或电流保持所需的特 征。

图1A示出了两级电源转换器构架的示例，其中，电容器用于传递能量。转换阶段由类似于开关电容转换器的开关电容元件12A代表，而调节阶段则由调节电路16A代表。

在该构架中，开关电容元件12A的输入端与电压源14电气连接。调节电路16A的输入与开关电容元件12A的输出电气连接。然后，负载18A与调节电路16A的输出电气连接。于2009年5月8日提交的美国专利申请2009/0278520中描述了这样一种转换器，该申请的全部内容以引用的方式并入本文。而且，于2012年5月4日提交的PCT申请PCT/2012/36455中描述了一种模块化多级电源转换器构架，其全部内容同样以引用的方式并入本文。

开关电容元件12A和调节电路16A可以多种不同的方式混合和匹配。这就为这种转换器的组装提供了一种转换性集成电源解决方案（TIPSTM）。如此，图1A所示的配置仅代表将一个或多个开关电容元件12与一个或多个调节电路16A配置在一起的多种方式中的其中一种方式。

通常，开关电容元件12A的开关网络与调节电路16A通过具有无源装置的半导体工艺而制成。然而，这些无源装置通常用在模拟电路中来控制电源转换器。这些无源装置通常不用于将能量存储在电源转换器中。这是因为这些无源装置不能有效地储存大量能量。

这些无源装置往往是平面的，并且是在有源装置之后通过一种较好的金属而制成，从而减少寄生效应。由于这些无源装置是在有源装置之后制成的，并且与有源装置处于同一晶片上，所以在选择制造这些无源装置的加工步骤时要十分注意。错误的选择可能会损坏已经制成的有源装置。

为了避免在无源装置制作期间可能对有源装置造成损坏，优选地仅采用CMOS兼容处理。考虑到该处理的要求，在CMOS流程中实现高电容密度电容器和高Q电感器很难和/或成本很高。因此，在电源转换器中，通常的做法是将能量储存在离散组件中，比如多层陶瓷电容器和片式电感器。然而，也可以在其自己的晶片上通过可用于特定应用的工艺流程来制 造价廉的高性能无源装置。这种装置称为集成无源装置（IPD）。

图1B-1D示出了图1A所示电源转换器构架的一种实施方式。

在图1B所示的实施例中，电源转换器20在高输入电压VIN下从电压源14获取能量并在低输出电压VO下将获取到的能量输送到负载18A。在不失一般性的情况下，负载18A模制为电阻器。

电源转换器20包括开关电容元件12A，开关电容元件12A的特征在于其具有3:1串并行开关电容网络，该开关电容网络具有电源开关S1-S7和泵电容C21-C22。相反，调节电路16A为降压转换器，该降压转换器具有第一和第二输出电源开关SL和SH、滤波电感器L1和输出电容器CO。电源开关S1-S7、输出电源开关SL和SH以及驱动/控制电路23一体成型在单个半导体模具22上。然而，泵电容C21-C22、滤波电感器L1和解耦输入电容器CIN1为离散组件。