开关电容器网络中的重新平衡电流的抑制
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年9月30日提交的题为“suppression of rebalancing currents in a switched-capacitor network”的美国专利申请第16/588,060号的优先权，其内容通过引用整体并入本文中。
技术领域
3.本发明涉及电力转换器，并且具体地涉及电力转换器内的开关电容器网络。
背景技术：
4.现代电子设备通常具有需要电力来操作的不同部件。这些部件在其要求上是苛刻的。因此，重要的是为每个部件提供稳定的电力源。
5.出现的困难是许多这样的设备中的最终电力源是电池。由电池提供的电压不是恒定的。当电池放电时，该电压开始减小。温度的改变可以引起该电压的恢复。负载的改变同样引起电池的输出电压的改变。
6.即使可以确保稳定的电池电压，也存在另外的困难。不同的部件具有不同的电力需求。例如，智能电话上的显示器通常比处理器需要更高的电压。由于电池仅能提供一个电压，因此必须找到某种方式来迎合设备内不同部件的不同需求。
7.为了帮助保持向各种部件提供稳定的电压源，大多数这样的设备的特征在于位于电池与各种部件之间的电力转换器。电力转换器的功能是采用电池能够提供的内容并将其转换成适合于构成设备的各种部件的形式。
8.已知的电力转换器关于执行其功能使用开关电容器网络。这样的网络的困难在于，在其操作过程中，电荷从一个电容器移动至另一电容器。这种移动引起发热，而发热导致能量损耗。
技术实现要素：
9.在一个方面，本发明的特征在于一种电力转换器，该电力转换器包括开关网络和控制开关网络的控制器。控制器使开关网络形成开关电容器电路，在操作过程期间，该开关电容器电路包括第一路径和第二路径。第一路径延伸通过包括多个泵电容器的第一电容器网络，以及第二路径延伸通过包括相同的多个泵电容器的第二电容器网络。第一路径连接至多个泵电容器中的第一泵电容器的阳极和阴极。第二路径连接至第一泵电容器的阳极和阴极以及连接至多个泵电容器中的第二泵电容器的阳极和阴极。第一泵电容器的阳极连接至第二泵电容器的阳极。控制器被配置成使得当在形成第二电容器网络之后第一泵电容器的阳极连接至第二泵电容器的阳极时，阳极之间的电压差为零。
10.在一些实施方式中，第一路径和第二路径具有不同数目的泵电容器。
11.在其他实施方式中，第一路径和第二路径具有相同的电容。
12.在又一实施方式中，控制器被配置成使开关网络形成还包括第三路径的开关电容
器电路。在第一电容器网络中形成的第三路径与第一路径具有相同的电容。
13.在这些实施方式中还有这样的实施方式，其中控制器是使开关网络形成还包括第三路径的开关电容器电路的控制器，该第三路径在第一电容器网络中形成。第一路径、第二路径和第三路径均具有相同的电容。
14.其他实施方式包括其中第一路径包括平衡电容器和第一泵电容器两者的那些实施方式。在这些实施方式中存在以下这样的实施方式：在一些这样的实施方式中，第二路径仅包括泵电容器而不包括平衡电容器，并且其中，第一路径和第二路径具有相同的电容；在一些这样的实施方式中，平衡电容器和第一泵电容器具有相同的电容；在一些这样的实施方式中，平衡电容器将电荷存储在第一区域上，第一泵电容器将电荷存储在第二区域上，并且第二区域超过第一区域；在一些这样的实施方式中，平衡电容器将电荷存储在由第一间隙分开的第一区域和第二区域上，以及第一泵电容器将电荷存储在由第二间隙分开的第一区域和第二区域上，其中第二间隙超过第一间隙。
15.在第一路径包括平衡电容器和第一泵电容器两者的实施方式中，还有以下这样的实施方式：在一些这样的实施方式中，开关网络包括平衡开关，该平衡开关将平衡电容器连接至第一泵电容器；在一些这样的实施方式中，相对于在没有平衡电容器的情况下电力转换器绝热地操作的程度，平衡电容器提高电力转换器绝热地操作的程度；以及在一些这样的实施方式中，相对于在没有平衡电容器的情况下重新平衡电流将存在的程度，平衡电容器降低在电力转换器中存在重新平衡电流的程度。
16.在其他实施方式中，第一电容器网络和第二电容器网络协作以将第一电压转换成第二电压，其中第一电容器网络和第二电容器网络中的每一个包括平衡电容器。在这些实施方式中，即使省略平衡电容器，第一电容器网络和第二电容器网络也将继续将第一电压转换成第二电压。
17.在又一实施方式中，多个泵电容器中的电容器均是电荷平衡的。
18.在这些实施方式中还有开关电容器电路连接至一个或更多个调节器的实施方式。
19.在一些实施方式中，第一电容器网络和第二电容器网络一起限定级联乘法器。
20.在其他实施方式中，开关网络包括堆叠开关、相位开关和平衡开关，其中，平衡开关小于堆叠开关。
21.在又一实施方式中，多个泵电容器包括要被重新平衡的泵电容器，开关电容器电路包括平衡电容器，并且开关网络的开关包括被配置成将平衡电容器与要被平衡的泵电容器断开的开关。
22.在另一实施方式中，电力转换器包括开关网络和控制开关网络的控制器。其被配置成使开关网络形成电容器网络。电容器网络包括第一路径和第二路径，其中第一路径和第二路径中的每一个具有至少一个泵电容器。作为至少一个泵电容器的结果，第一路径和第二路径具有对应的第一电容和第二电容。第一路径还包括重新平衡电容器。作为重新平衡电容器和至少一个泵电容器的结果，第一路径具有第三电容。第一电容与第二电容之间的差的大小大于第三电容与第二电容之间的差的大小。因此，重新平衡电容器具有减少两个路径之间的电荷重新分布的效果，并且因此减少了来自使电荷重新分布的所得电流的损耗。
23.如本文中所使用的，“被配置成引起”某一状况的控制器被认为是意指与“适于引
起”该状况的控制器以及“引起”该状况的控制器相同的事物。在所有情况下，所有前述术语涵盖控制器，无论控制器是否实际在操作中。因此，注意，任何将权利要求解释为对于权利要求涵盖该装置而言要求该装置实际上处于操作中的人是由于未能根据说明书解释权利要求而在解释权利要求时出错的人。
附图说明
24.图1示出了具有连接至负载的调节器的电力转换器；
25.图2示出了具有连接至电压源的调节器的电力转换器；
26.图3示出了具有连接至源和负载两者的调节器的电力转换器；
27.图4示出了来自图1的开关电容器电路的细节；
28.图5和图6示出了由图4所示的开关电容器电路中的开关的不同配置形成的两个网络；
29.图7示出了类似于图4所示的开关电容器电路但是添加了平衡电容器的开关电容器电路的细节；以及
30.图8和图9示出了由图7所示的开关电容器电路中的开关的不同配置形成的两个网络。
具体实施方式
31.图1至图3示出了第一电力转换器100、第二电力转换器101和第三电力转换器102，其中的每一个具有开关电容器电路110。每个开关电容器电路110包括电容器组112和使用电容器组112在不同时间形成不同电容器网络的开关网络114。动态地形成这些电容器网络的过程使电荷在电容器之间转移。这种电荷转移最终导致开关电容器电路110将在开关电容器电路的第一端子116处呈现的第一电压转换成在开关电容器电路的第二端子118处可用的第二电压。
32.图1所示的类型的电力转换器在美国专利第8,860,396号、美国专利第8,743,553号、美国专利第8,723,491号、美国专利第8,503,203号、美国专利第8,693,224号、美国专利第8,724,353号、美国专利第8,619,445号、美国专利第9,203,299号、美国专利第9,742,266号、美国专利第9,041,459号、美国公布第2017/0085172号、美国专利第9,887,622号、美国专利第9,882,471号、pct公布第wo2017161368号、pct公布第wo2017/091696号、pct公布第wo2017/143044号、pct公布第wo2017/160821号、pct公布第wo2017/156532号、pct公布第wo2017/196826号和美国公布第2017/0244318号中详细地描述，以上美国专利、美国公布和pct公布的内容通过引用全部并入本文中。
33.在开关电容器电路110内可以使用各种不同的拓扑。这些拓扑包括梯形(ladder)、迪克森(dickson)、串并联、斐波那契(fibonacci)、级联乘法器和倍增器(doubler)拓扑。
34.开关电容器电路的第二端子118处的电压等于开关电容器电路的第一端子116处的电压与电压转换因子的乘积。电压转换因子是来自由第一集合和第二集合的并集形成的集合的数。第一集合是所有正整数的集合。第二集合是第一集合中的整数的倒数集合。当电压转换因子属于第一集合时，电力转换器100被称为“升压”电力转换器。当电压转换因子属于第二集合时，电力转换器100被称为“降压”电力转换器。
35.控制器120提供控制信号以控制开关网络114的操作。为了执行这些功能，控制器120依赖于可编程处理器122和配置数据124和/或处理器指令，所述处理器指令在被执行时使控制器120执行其任务。
36.其他实施方式包括其中控制器120依赖于逻辑电路系统的实施方式和其中控制器120依赖于模拟电路系统来控制开关网络114的操作的实施方式。
37.因为开关电容器电路110的电压转换因子是从离散值的集合中选择的，所以将存在开关电容器电路110不能提供的许多电压。因此，这样的转换器的操作范围将具有许多大的间隙。因此，仅依赖于开关电容器电路110的电力转换器将不能高效地提供落在这些间隙内的电压。为此，还设置调节器是有用的。
38.类似于开关电容器电路110，调节器将输入电压转换成输出电压。然而，与开关电容器电路110不同，调节器原则上可以输出在连续电压操作范围内的任何电压。这不同于开关电容器电路110，开关电容器电路110仅可以高效地输出由电压转换因子的离散集合限定的电压。因此，调节器对于能够填充这些间隙是有用的。
39.在第一电力转换器100的情况下，负载侧调节器130将电荷泵的第二端子118连接至负载140。电荷泵的第一端子116连接至电源150。正是该电源150提供响应于由控制器120在控制路径132上提供的控制信号而要由电力转换器100转换的电力。
40.为了帮助控制器120决定要将什么控制信号置于控制路径132上，控制器120还经由传感器路径134接收传感器信号。这些传感器信号提供关于开关电容器电路110如何操作的信息。因此，传感器路径134允许控制器120执行反馈控制。
41.在第二电力转换器101的情况下，供给侧调节器160将电荷泵的第一端子116连接至电源150。第三电力转换器102包括负载侧调节器130和源侧调节器160两者。
42.在一些实施方式中，调节器130、调节器160是开关电感器电路。示例包括降压转换器、升压转换器、降压-升压转换器(无论是非反相的还是其他形式的)、cuk转换器、sepic转换器、谐振转换器、多电平转换器、反激式转换器、正激式转换器和全桥转换器。在这样的实施方式中，控制器120还提供用于控制调节器的开关的控制信号。
43.在其他实施方式中，调节器130、调节器160是无源调节器。无源调节器的示例是电感器。无源调节器的另一示例是lc槽路(lc tank)。这样的实施方式免除了控制调节器130、调节器160内的开关的需要。
44.调节器130、调节器160——无论是有源的还是无源的——通常包括电感器。在关注的频率处，电感器表现得像理想的电流源。为此，附图中的一些使用理想电流源iout来表示调节器130、调节器160。尽管电流源iout将用特定方向上的箭头示出以表示电流，但是这并不旨在暗示电流的值。因此，电流的值可以是正的或负的。因此，理想电流源iout可以取决于调节器130、调节器160所连接的开关电容器电路110的活动而被视为流出电流(sourcing current)或吸收电流(sinking current)。
45.图4示出了在其第一端子116处接收输入电压vin并在其第二端子118处提供输出电压vout的特定开关电容器电路110的细节。所示的开关电容器电路110是电压转换因子为1/5的两相级联乘法器。因此，输出电压vout是输入电压vin的五分之一。理想电流源iout表示负载侧调节器130。
46.电容器组112包括第一外部泵电容器c1a、第二外部泵电容器c1b、第三外部泵电容
器c4a和第四外部泵电容器c4b，以及第一内部泵电容器c2a、第二内部泵电容器c2b、第三内部泵电容器c3a和第四内部泵电容器c4b。正是这些泵电容器参与电压转换。
47.开关网络114包括堆叠开关和相位开关。
48.堆叠开关将泵电容器c1a、c1b、c4a、c4b、c2a、c2b、c3a、c4b的阳极连接至相邻泵电容器的阳极或连接至开关电容器电路110的两个端子116、118中之一。在所示的电路中存在十个这样的堆叠开关。
49.相位开关将泵电容器c1a、c1b、c4a、c4b、c2a、c2b、c3a、c4b的阴极连接至地或连接至开关电容器电路110的输出端子118。在所示的开关网络114中，存在四个这样的相位开关。
50.堆叠开关和相位开关划分成作为单元一起操作的第一开关组1和第二开关组2。控制器20使第一开关组1中的开关一起断开和闭合，并且使第二开关组2中的开关一起断开和闭合。这样做时，控制器20使开关网络114将来自电容器组112的电容器互连以首先形成第一电容器网络136，并且稍后使用相同的电容器以形成第二电容器网络138，如图5和图6所示。
51.基于开关网络114的配置，开关电容器电路110在第一状态、第二状态和第三状态之间转变以完成一个操作周期。
52.在开关电容器电路的第一状态中，第一开关组1中的所有开关断开，并且第二开关组2中的所有开关闭合。这形成第一电容器网络136，如图5所示。
53.在开关电容器电路的第二状态中，第一开关组1中的所有开关闭合，并且第二开关组2中的所有开关断开。这形成第二电容器网络138，如图6所示。
54.在开关电容器电路的第三状态中，第一开关组1和第二开关组2两者中的所有开关均断开。由于所有开关均断开，因此第三状态不形成任何网络。
55.出现第三状态的必要性是因为重要的是确保第一开关组1和第二开关组2中的开关不会同时处于闭合状态。由于这些开关是使用晶体管实现的，因此需要考虑以下事实：无法精确地控制晶体管何时将实际在导通状态与非导通状态之间转变。通过具有所有开关均断开的第三状态，可以降低来自第一开关组1和第二开关组2的开关同时闭合的可能性。
56.在一个操作周期中，控制器120断开和闭合开关网络114中的开关，以使开关电容器电路110从第一状态转变至第三状态、从第三状态转变至第二状态、从第二状态转变至第三状态、并且然后从第三状态转变回到第一状态。因此，第一状态与第二状态之间的每次转变具有介于中间的第三状态。在该第三状态上花费的时间是“死区时间”。为了省略不必要的复杂性，在进一步的讨论中将假设开关电容器电路110直接在其第一状态与第二状态之间转变。
57.在第一状态和第二状态期间形成的第一电容器网络136和第二电容器网络138中的每一个具有多个电荷转移路径152、154，在本文中简称为“路径”。这些路径152、154中的每一个携载最终对输出电流iout有贡献的电流。所示的特定实施方式包括低电容路径152和高电容路径154。第一路径和第五路径是高电容路径152。剩余路径是低电容路径154。因此，通过这些路径152、154的电流是不同的。
58.在第一状态期间，所示的电容器中的至少之一将累积第一电荷量。在第二状态期间，该电容器将失去其先前累积的第二电荷量。如果第一量和第二量相同，则称该电容器是“电荷平衡的”。否则，称该电容器是“电荷不平衡的”。
59.如果比较图5和图6，则明显的是，在高电容路径154上度过第一状态的电容器可以发现其自身在低电容路径152上度过第二状态。
60.例如，如图5和图6所示，第一外部泵电容器c1a在高电容路径154上度过第一状态，而在低电容路径152上度过第二状态。因此，第一外部泵电容器c1a将具有不同的充电和放电电流。因此，第一外部泵电容器c1a将趋于变得不平衡。
61.在一个状态期间变得不平衡的电容器有机会在下一状态中对此进行校正。然而，这以效率为代价。为了找出原因，考虑电容器之间的相互作用是有用的。
62.例如，假设在第一状态结束时，第一电容器变得不平衡。在第二状态中，开关可以将第一电容器的阳极连接至第二电容器的阳极。如果两个阳极处于不同的电压，则重新平衡电流将流过第一电容器与第二电容器之间的开关。
63.尽管该过程将校正不平衡，但这是有代价的。因为两个阳极实际上将短路在一起，所以该重新平衡电流会相当大。这导致大的欧姆损耗。由电荷的重新平衡或重新分布引起的欧姆损耗在本文中将被称为“重新分布损耗”。
64.这可以在图6中看到，其中，第一外部泵电容器c1a发现其阳极与第一内部泵电容器c2a的阳极短路。就所涉及的两个阳极之间存在电压差的程度而言，大的重新平衡电流将在它们之间流动。
65.抑制重新平衡电流的一种方式是确保要连接在一起的任何两个阳极在将它们连接在一起时已经具有相同的电压。这确保当两个阳极连接时，在它们之间没有重新平衡电流流动。
66.例如，在图6的情况下，如果第一外部泵电容器的阳极与第一内部泵电容器的阳极处于相同的电压，则连接两个阳极将不会触发重新平衡电流的流动。
67.在特定状态期间进入或离开任何电容器的电荷量是在该状态的过程中电流的积分。因此，为了确保电容器在周期过程中获得和损耗等量的电荷，重要的是在第一时间间隔和第二时间间隔期间该电容器的电流积分相同。图7示出了与图5所示的开关电容器电路类似的开关电容器电路110，但是该开关电容器电路110已经被修改成仅实现该条件，从而降低了电容器之间的电荷不平衡的风险。
68.如图7所示，电容器组112包括两种不同的电容器。与图5中的情况一样，电容器组112包括第一外部泵电容器c1a、第二外部泵电容器c1b、第三外部泵电容器c4a和第四外部泵电容器c4b，以及第一内部泵电容器c2a、第二内部泵电容器c2b、第三内部泵电容器c3a和第四内部泵电容器c4b。然而，电容器组112还包括第一平衡电容器cr1和第二平衡电容器cr4。
69.选择这些第一平衡电容器cr1和第二平衡电容器cr4的电容，使得第一状态和第二状态中的所有路径152、154将具有相同的电容。在所有泵电容器c1a、c1b、c4a、c4b、c2a、c2b、c3a、c4b具有相同电容的情况下，第一平衡电容器cr1和第二平衡电容器cr4将具有与泵电容器c1a、c1b、c4a、c4b、c2a、c2b、c3a、c4b相同的电容。
70.除了十个堆叠开关和四个相位开关之外，开关网络114还包括第一平衡开关156和第二平衡开关158。第一平衡开关156是第一开关组1的一部分。第二平衡开关158是第二组2的一部分。
71.平衡电容器cr1、cr4的存在导致图8和图9中所示的第一电容器网络136和第二电容器网络138。
72.与图5和图6中的情况一样，第一电容器网络136和第二电容器网络138的特征在于多个路径。然而，与其特征在于高电容路径154和低电容路径152的混合的那些电容器网络不同，图7和图8中所示的第一电容器网络136和第二电容器网络138仅具有高电容路径154。这降低了连接电压不相等的两个阳极的可能性，并且因此降低了重新平衡损耗的可能性。
73.平衡电容器cr1、cr2不参与电压转换。因此，它们不需要存储大量的电荷。它们的唯一作用是提供平衡电容。这使它们摆脱了与泵电容器c1a、c1b、c4a、c4b、c2a、c2b、c3a、c4b相关联的设计约束。
74.对于给定的板间介电常数，平行板电容器的电容取决于板的面积和它们之间的分隔。因此，可以通过具有彼此远离的大的板或靠近在一起的小的板来获得大的电容。
75.如果板是大的，则它们将消耗集成电路上的大量面积。由于制造电路的成本取决于其总面积，因此具有大的板导致更昂贵的电路。
76.另一方面，如果使板较小并且使板间分隔也较小来实现相同的电容，则对于存储在板上的给定量的电荷，表面电荷密度将更大。因此，板之间的电场将变得更强。该高电场以及板之间的较小间隙一起产生电介质击穿和跨电介质的电弧放电的风险。
77.泵电容器112旨在存储大量的电荷并且还维持高的dc偏置电压。因此，它们通常非常大，使得所存储的电荷可以分布在较大的区域上。事实上，在一些实现方式中，泵电容器112足够大，使得更实际的是将它们设置为集总电路元件而不是集成电路的一部分。
78.然而，这对于平衡电容器cr1、cr4而言并非如此。这些平衡电容器仅用于提供电容值。在操作中，它们仅存储象征性的电荷量。平衡电容器cr1、cr4也不必维持dc偏置。因此，平衡电容器cr1、cr4可以做得非常小。这意味着它们不会显著增加制造电路的成本。
79.在操作中，开路堆叠开关通常在其端子两端具有高电压。因此，即使当高电压促使电流流动时，开路堆叠开关也必须阻止电流流动。这需要某些设计折衷，该设计折中导致物理上大的开关，其消耗集成电路上的相当大的面积。
80.平衡开关156、158避免了这些设计折衷。在操作中，平衡开关156、158将仅在其端子两端具有低电压纹波。这意味着可以使平衡开关156、158在物理上小于堆叠开关114。
81.通常，为了促进高效的电力转换，有用的是，电力转换器100、101、102使尽可能多的电流通过电感器。由于电感器趋于抵抗电流的改变，因此这抑制了对损耗有贡献的电流瞬变。在100％绝热的电力转换器100、101、102中，所有电流将流过电感器。
82.重新平衡电流直接在泵电容器之间流动。因此，它不会流过电感器。就重新平衡电流存在的程度而言，其降低了电力转换器100、101、102绝热的程度。因此，通过使用平衡电容器cr1、cr4来抑制重新平衡电流促进了电力转换器100、101、102作为整体的绝热操作。
83.已经描述了本发明及其优选实施方式，作为新的且通过专利证书保护的内容如所附权利要求所述。