[发明专利]包括外部飞跨电容器和内部飞跨电容器的开关电容DC-DC转换器

说明书

本发明涉及一种集成电路开关电容DC‑DC转换器，其包括基于至少一个外部飞跨电容器的第一开关电容转换器和包括多个内部飞跨电容器的第二开关电容转换器。控制器被配置为选择第一开关电容转换器的转换器拓扑以及选择第二开关电容转换器的转换器拓扑。

技术领域

本发明涉及一种集成电路开关电容DC-DC转换器，其包括基于至少一个外部飞跨电容器(flying capacitor)的第一开关电容转换器和包括多个内部飞跨电容器的第二开关电容转换器。控制器被配置为选择第一开关电容转换器的转换器拓扑并且选择第二开关电容转换器的转换器拓扑。

背景技术

开关电容DC-DC电力转换器在本领域中是已知的，并且已经用于各种类型的便携式通信设备，例如头戴式听力设备。开关电容DC-DC电力转换器用于将来自便携式通信设备的能量源或电源(例如，可再充电电池)的DC输入电压转换为适合于为各种类型的集成电路和其他有源组件供电的更高或更低的DC输出电压。与基于电感器的对应物相比，开关电容DC-DC电力转换器具有某些吸引人的特性——例如相对较低的EMI水平，因为在电感器的磁场中没有存储的能量。开关电容DC-DC电力转换器可以具有小尺寸和高能量转换效率。开关电容DC-DC电力转换器的不同拓扑能够以拓扑相关的最优电压转换比(例如，1:2或1:3升压转换，以及2:1和3:1降压转换)提供DC电压升高(即，升压)和DC电压降低(即，降压)。

开关电容DC-DC转换器非常适用于为头戴式听力设备供电，在头戴式听力设备中，外壳或定制壳体的紧凑尺寸以及小电池容量通常严重限制了电源电路的尺寸、功率转换效率和电磁辐射。

然而，在DC输入电压在大电压范围上变化的应用中以及类似地在负载功率或负载电流显示出很大变化的应用中，保持现有开关电容DC-DC转换器的高能量转换效率仍然是一个挑战。关于SC DC-DC转换器的DC输入电压的变化水平，许多类型的可再充电电池电源(例如，锂离子电池单元)表现出较大的电压变化，例如从完全充电状态下的大约4.2V到放电状态下的大约3.0V。关于变化的负载功率，这可能是由通过开关电容DC-DC转换器供电的各种类型的消耗者(例如，电路块或模块，例如，闪存、RF收发器等)的功耗波动引起的。这些消耗者中的一些天生地可能表现出高度可变的功耗(例如，听力设备的音频功率放大器)，或者由于它们仅被临时激活而表现出高度可变的功耗。后一种类型的消耗者可能在长时间内处于睡眠模式/断电状态，这些时间被相对短暂的活动突发中断，导致对应的功耗突发。

完全集成的开关电容DC-DC转换器通常能够在小输出功率水平下实现高能量转换效率，因为大量的飞跨电容器和相应大量的转换器拓扑可以容易地以集成格式设计，其中飞跨电容器一体地形成在半导体管芯或电路上，即片上(on-chip)。大量的转换器拓扑意味着尽管DC输入电压的变化很大，但开关电容DC-DC转换器的固有能量效率可以保持很高。然而，完全集成的开关电容DC-DC转换器通常不能支持大的负载功率水平，因为集成的飞跨电容器的电容有限并且对开关频率有实际限制。另一方面，在基于外部飞跨电容器(即，片外(off-chip)飞跨电容器)的开关电容DC-DC转换器中实现高固有能量效率通常是不切实际的。需要在载板上设置大量单独的飞跨电容器和相关的导线布线和互连引脚是不切实际的，特别是对于诸如移动电话、头戴式听力设备等的紧凑便携式通信设备。

因此，本领域仍然需要具有改进的性能特性的开关电容DC-DC转换器，例如更小的尺寸和更好地适应变化的负载条件和变化的DC输入电压。特别是这样一种改进的开关电容DC-DC转换器，其能够在正常或普通以及典型小得多的负载功率水平下提供大负载功率突发而不损害能量转换效率。

发明内容