[发明专利]电荷泵的平衡技术和电路

说明书

提供了预平衡开关电容器转换器的方法和系统。第一比较器包括：正输入，被配置为接收输出电容器两端的电压；以及负输入，被配置为接收第一滞后电压。第二比较器包括：正输入，被配置为接收开关电容器转换器的输入电容器两端的电压；以及负输入，被配置为接收第二滞后电压。第一电流源耦合在输出电容器和GND之间，并且被配置为在确定输出电容器两端的电压高于第一滞后电压提供的容差时对输出电容器放电。第二电流源耦合在输入电容器和GND之间，并且被配置为在确定输入电容器两端的电压高于第二滞后电压提供的容差时对输入电容器放电。

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119要求2016年7月15日提交的名称为“平衡和驱动电荷泵电路”的美国临时专利申请序列号62,363,025的优先权的权益，其全部内容通过引用结合于此用于所有目的。

技术领域

本公开一般涉及电压转换器。更具体地，本公开涉及更可靠的开关电容器转换器电路。

背景技术

电荷泵电路是一种开关电容器电路，可用于将直流(DC)输入电压转换为另一个直流电压。电荷泵可以配置为产生输出电压，该输出电压是输入电压的倍数(例如，2、3......N倍)，或者它可以设置输出电压，该输出电压是其一部分(例如，1/2、1/3...1/N次输入电压)。在一些实施方案中，此电路还可从正输入电压产生负输出电压。由于电荷泵电路不需要电感器进行电压转换，因此有时将其称为无电感器DC/DC转换器。

图1A示出了传统的开关电容器转换器电路100。在图1A的示例中，输入电压近似等于稳态下的输出电压的2倍。在图1A的示例中，仅作为示例而非通过限制的方式示出的晶体管被示为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)Q1和Q3(106和110)，被以与晶体管Q2和Q4(108和112)互补的方式接通和断开，如图1B所示。显示晶体管以大约50％的占空比切换。如图1B所示，在稳态操作期间，晶体管Q1-Q4(106至112)被切换为循环充电和放电电容器104，有时称为快速电容器C_FLY。通过向电路100添加反馈，可以不同地驱动晶体管Q1和Q4(106和112)以产生除V_IN/2之外的输出电压V_OUT。例如，可以使用不同的占空比来提供输出电压的灵活性，输出电压是输入电压的不同因素(例如，0.75、0.5、0.25等)。此外，分别交换输入和输出节点V_IN和V_OUT，输出电压可以是输入电压的倍数。为简单起见，如本文所用，术语“因子”包括分数和倍数的含义。

在图1A的示例中，当晶体管Q1106和Q3110接通时，电容器C_FLY 104和C_OUT 114有效地串联连接，从而将C_FLY 104和C_OUT 114充电到大约V_IN/2。电容器C_FLY 104和C_OUT 114最初在启动时由输入电压V_IN充电，其中C_FLY 104和C_OUT 114的节点两端的电压为V_IN/2。通常，电容器由于其大尺寸而连接在任何控制器封装的外部。开关Q1-Q4(106至112)也可以在封装外部以适应更高的电流。输入电压VIN 102直接连接到晶体管Q1(106)的顶端，其中电容器C_FLY104在其导通时通过晶体管Q1(106)连接到VIN102。

当晶体管Q2 108和Q4 112导通时，电容器C_FLY 104和C_OUT 114并联。这种布置迫使电容器C_FLY 104和C_OUT 114两端的电压在大约V_IN/2处基本相似。