[发明专利]高转换效率的可重构串联-并联型开关电容电压变换器

说明书

高转换效率的可重构串联‑并联型开关电容电压变换器，包括N‑1个控制单元，能够实现第二变换端和第一变换端的电压转换比为1:1至N:1。当可重构串联‑并联型开关电容电压变换器中第一变换端和第二变换端的电压转换比为Nx:1时，将N‑1个控制单元分为k+1组控制模块，设置k个控制开关管分别对应前k组控制模块，前k组控制模块中每组包含m个控制单元，最后一组控制模块包含t个控制单元，m＝Nx‑1，k和t满足N‑1＝m×k+t，且k和m同时为0或同时为正整数，t取尽可能小。本发明最大限度地利用了电路中的每个器件，具有高电压转换效率和低热损耗；另外提出将本发明的电荷泵进行相关级联、并联的使用方案，增加了设计的灵活性，提升了电荷泵的电流性能。

技术领域

本发明属于供电系统技术领域，涉及一种高转换效率的可重构串联-并联型开关电容电压变换器。

背景技术

随着数据中心的建设和消费电子快充的普及，电压变换器的能量密度不断提高，更高的能量密度必然要求更高的转换效率。在这些新的应用领域，传统的电荷泵拓扑获得了广泛的应用。电荷泵是一种开关电容电压变换器，相较于其他电压变换器拓扑，电荷泵最大的特点是只有容性的储能器件，没有感性的储能器件。也正因为这个特点，让电荷泵获得了两个优势：首先，没有磁性储能器件，电荷泵可以瞬间电流为零，使得其天然是软开关，显著的降低了电荷泵的开关损耗；其次，也是因为没有磁性储能器件，电荷泵也就没有由磁性储能器件引入的导通热损耗。基于以上两个原因，电荷泵可以实现更高的转换效率。

图1是常见的2:1串联-并联型电荷泵。四个功率管Q1-Q4按照50％占空比交替导通，在一个相位，Q1和Q3导通，Q2和Q4关断；在下一个相位，Q2和Q4导通，Q1和Q3关断。图2表示了CFLY电容在两个相位下的工作情况。在理想的没有负载的情况下，CFLY电容电压等于VY电压，等于VX电压的一半。

如果将2:1串联-并联型电荷泵推广到N:1串联-并联型电荷泵，如图3和图4所示。在一个相位，N-1个电容串联接在VX电压和VY电压之间；在另一个相位，N-1个电容并联接在VY电压和地之间。在理想的没有负载的情况下，所有N-1个电容的电压相等，等于VY电压；VX电压等于N-1个电容电压与VY电压之和，即VX电压等于N*VY电压。

特别说明，图3中功率管的源端电压不同，对地的逻辑信号需要电平转换才能驱动功率管。图3为了方便说明，省略了电平转换，认为当功率管的栅极看到的逻辑为高时，该功率管导通；当功率管的栅极看到的逻辑为低时，该功率管关断。图3中的INV为反相器，反相器前后的逻辑相反。时钟信号CLK为50％占空比的方波信号。