电容计算装置、方法及系统与流程

1.本发明涉及电容计算装置、方法和系统，且在一些具体的实施例中，涉及开关电容功率转换器中的电容计算装置、方法和系统。


背景技术：

2.随着技术的不断进步，各种电子设备(例如移动电话、平板电脑、数码相机、mp3播放器和/或其他类似的电子设备)已经流行起来。每个便携式设备可以采用多个可充电的电池单元(battery cell)。这些可充电的电池单元可以串联或并联连接，以形成用于存储电能的可充电电池组。
3.电池充电器被用来恢复电池的能量。电池充电器被控制以向电池提供电压(例如，恒压充电模式)和电流(例如，恒流充电模式)，以便恢复电池的能量。
4.适合于给电池充电的功率转换拓扑可能是多种多样的。根据拓扑结构的不同，功率转换拓扑可分为三类，即开关型功率转换器、线性稳压器和开关电容型功率转换器(以下简称为开关电容转换器或开关电容功率转换器)。与其它拓扑结构相比，由于开关电容转换器由多个开关和一个飞跨电容(flying capacitor)构成，所以开关电容转换器的复杂性较低。因此，开关电容转换器可以提供紧凑而高效的电源以实现电池充电。
5.开关电容转换器的输出电压纹波与该开关电容转换器的飞跨电容的电容值直接相关。由于各种各样的原因，飞跨电容的电容值可能会降低。降低的电容值可能导致更大的电压纹波。当采用开关电容转换器给电池充电时，较大的电压纹波可能会缩短电池的寿命。另外，当采用双相开关电容转换器(dual
‑
phase switched
‑
capacitor converter)对电池进行充电时，两个飞跨电容的不平衡电容值可能会降低电池的寿命。因此，在向电池施加充电电流之前，希望能对飞跨电容的状态进行诊断。更具体地说，希望能够计算飞跨电容的电容值，并基于计算出的电容值确定充电电流。本发明为满足这一需求提供了解决方案。


技术实现要素：

6.本公开提供了一种开关电容功率转换器中的电容计算装置、方法和系统，在本公开的一些优选实施例中，上述问题及其他问题通常被解决或规避，并且可获得技术优势。
7.根据一个实施例，提供了一种功率转换器，包括：串联在输入电压总线和地之间的第一开关、第二开关、第三开关和第四开关；第一飞跨电容，连接在第一开关和第二开关的公共节点与第三开关和第四开关的公共节点之间；第一电流阱(current sink)，连接在第三开关和第四开关的公共节点和地之间；以及控制器，被配置为将第一电流注入至第一飞跨电容中，并基于第一飞跨电容的多个检测电压和相应的电压测量时刻来计算第一飞跨电容的电容值。
8.根据另一实施例，提供了一种用于计算电容的方法，包括：提供流过开关电容功率转换器中的第一飞跨电容的电流；在第一电压测量时刻，测量第一飞跨电容的第一端子处的第一电压；在第二电压测量时刻，测量第一飞跨电容的所述第一端子处的第二电压；以及
基于第一电压、第二电压、第一电压测量时刻和第二电压测量时刻计算第一飞跨电容的电容值。
9.根据又一实施例，提供了一种系统，包括：串联在输入电压总线和地之间的第一开关、第二开关、第三开关和第四开关；第一飞跨电容，连接在所述第一开关和所述第二开关的公共节点与所述第三开关和所述第四开关的公共节点之间；串联在所述输入电压总线和地之间的第五开关、第六开关、第七开关和第八开关；第二飞跨电容，连接在所述第五开关和所述第六开关的公共节点与所述第七开关和所述第八开关的公共节点之间；第一电流阱，连接在第三开关和第四开关的公共节点与地之间；第二电流阱，连接在所述第七开关和所述第八开关的公共节点与地之间；以及控制器，被配置为将第一电流注入所述第一飞跨电容中，将第二电流注入所述第二飞跨电容中，基于多个第一检测电压和相应的第一电压测量时刻计算所述第一飞跨电容的电容值，并基于多个第二检测电压和相应的第二电压测量时刻计算所述第二飞跨电容的电容值。
10.以上描述宽泛地概括了本公开的特征和技术优点，使得下面对本公开的详细描述可以被更好地理解。下面会对本公开的附加特征和优点进行描述，这些附加特征和优点也构成本公开的权利要求保护的主题。本领域技术人员应当理解，基于本公开的构思和具体实施例，对那些与本公开具有相同目的的其它结构或工艺进行修改和设计，是容易实现的。本领域技术人员还应认识到，这些等效结构未偏离如所附权利要求中所阐述的本公开的精神和范围。
附图说明
11.为了更完整地理解本公开及其优点，现将结合附图提供以下描述以供参考，其中：
12.图1示出了根据本公开实施例的双相开关电容功率转换器的示意图；
13.图2示出了本公开实施例中与图1所示的双相开关电容功率转换器相关联的电容计算装置的示意图；
14.图3a和3b分别示出了本公开实施例中用于计算飞跨电容的电容值的各电压
‑
时间线的示意图以及相应的控制器端口示意图；
15.图4示出了本公开实施例中与单相开关电容功率转换器相关联的电容计算装置的示意图；
16.图5
‑
6示出了本公开实施例中用于配置开关电容功率转换器的充电电流的方法流程示意图；以及
17.图7示出了本公开实施例中用于在开关电容功率转换器中计算飞跨电容的电容值的方法流程示意图。
18.在不同附图中，相对应的数字和符号一般用于指示相对应的部分，除非另有说明。这些附图是为了清楚地示出各种实施例的相关方面，不一定且不必须按比例绘制。
具体实施方式
19.下面将详细讨论本公开的优选实施例的实现和应用。然而，应当理解，本公开提供了许多可应用的发明构思，这些发明构思可在多种特定上下文中体现。所讨论的特定实施例仅仅是对实现和应用本公开的一些特定方式的说明，并且不限制本公开的范围。
20.本公开将在特定上下文中描述一些优选实施例，即开关电容功率转换器中的电容计算装置、方法和系统。然而，本公开还可应用于各种其他的功率转换器。下面，将参照附图对本公开的各种实施例进行详细说明。
21.图1示出了根据本公开实施例的双相开关电容功率转换器的示意图。双相开关电容功率转换器包括两个支路。第一支路包括串联连接在输入电压总线vin和地之间的第一开关q1、第二开关q2、第三开关q3和第四开关q4。第一飞跨电容cf1连接在q1和q2的公共节点与q3和q4的公共节点之间。第二支路包括串联连接在输入电压总线vin和地之间的第五开关q5、第六开关q6、第七开关q7和第八开关q8。第二飞跨电容cf2连接在q5和q6的公共节点与q7和q8的公共节点之间。如图1所示，q2和q3的公共节点连接到输出电压总线v
o
。q6和q7的公共节点也连接到输出电压总线v
o
。输出电容co连接在vo和地之间。
22.控制器(图1未示出，但图3b有示出)被配置为产生开关q1
‑
q8的栅极驱动信号。此外，控制器被配置为基于多个检测电压和相应的电压测量时刻来计算cf1和cf2的电容值。控制器的具体工作原理将参照图3a和3b在下文中进行描述。
23.在一些实施例中，双相开关电容功率转换器是电池充电系统的一部分。双相开关电容功率转换器用于对电池进行充电。为了保护电池，隔离开关(未示出)可以连接在输入电压总线vin和为电池充电提供电能的电源之间。隔离开关可以由两个背靠背连接(back
‑
to
‑
back)的开关构成(即可以由两个串联连接且体二极管反向相连的开关构成)。隔离开关能够提供反向阻断能力，以将电池与系统隔离。
24.根据一个实施例，图1所示的开关(例如，开关q1
‑
q8)可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field
‑
effect transistor,mosfet)器件、双极结晶体管(bipolar junction transistor,bjt)器件、超结晶体管(super junction transistor,sjt)器件、绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,igbt)器件、基于氮化镓(gallium nitride,gan)的功率器件和/或类似器件。
25.需要注意的是，虽然图1示出开关q1
‑
q8分别由单个n型晶体管实现，但本领域技术人员可以认识到可能存在许多变化、修改和替代方案。例如，根据不同的应用和设计需要，开关q1
‑
q8中的至少一个/一些可以由p型晶体管实现。此外，图1所示的每个开关可以由并联连接的多个开关实现。此外，电容可以与一个开关并联以实现零电压开关(zero voltage switching,zvs)/零电流开关(zero current switching,zcs)。
26.在工作过程中，第一支路的工作原理类似于第二支路的工作原理，区别在于：第一支路的驱动信号(例如q1的驱动信号)和第二支路的驱动信号(例如q5的驱动信号)的相位相差180度。为了简单起见，下面仅详细描述第一支路的工作原理。
27.在工作过程中，双相开关电容功率转换器的第一支路被配置为在两相不同的阶段下工作。在第一阶段，开关q1和q3导通，开关q2和q4关断。由于开关q1和q3导通，因此可以在vin和v
o
之间建立第一导通路径。第一导通路径由开关q1、第一飞跨电容cf1和开关q3形成。电流经由第一导通路径从vin流向vo。在第一阶段期间，第一飞跨电容cf1被充电，且能量被相应地存储在第一飞跨电容cf1中。
28.在第二阶段，开关q1和q3关断，开关q2和q4导通。由于开关q2和q4导通，因此可以建立第二导通路径。第二导通路径由开关q4、第一飞跨电容cf1和开关q2形成。在第二阶段期间，电流使第一飞跨电容cf1被放电，并且存储在第一飞跨电容cf1中的能量相应地减少。
29.在工作过程中，双相开关电容功率转换器起到了分压器的作用。更具体地说，双相开关电容功率转换器的输出电压等于输入电压的一半。
30.图2示出了本公开实施例中与图1所示的双相开关电容功率转换器相关联的电容计算装置的示意图。电容计算装置包括与输出电容co并联的电池、第一电流阱i1和第二电流阱i2。如图2所示，第一电流阱连接在q3和q4的公共节点与地之间。q3和q4的公共节点示出为c1。第二电流阱连接在q7和q8的公共节点与地之间。q7和q8的公共节点示出为c2。第一电流阱i1和第二电流阱i2可以由合适的电流镜实现。
31.在工作过程中，q2和q6被导通，q1、q3、q4、q5、q7和q8被关断，如其符号上的箭头所示。控制器(未示出)被配置为：分别将第一电流注入到第一飞跨电容cf1中、将第二电流注入到第二飞跨电容cf2中。该电池被配置为：通过由q2、第一飞跨电容cf1和第一电流阱形成的导通路径为第一电流提供电能。该电池被配置为：通过由q6、第二飞跨电容cf2和第二电流阱形成的导通路径为第二电流提供电能。如图2所示，电池的电压表示为v
b
。第一飞跨电容两端的电压表示为v
cf1
。第二飞跨电容两端的电压表示为v
cf2
。需注意，飞跨电容(例如，第一飞跨电容cf1和第二飞跨cf2)上存储的剩余电荷应在将特定电流注入相应的电容之前被去除(放电)。
32.控制器被配置为：基于多个第一检测电压和相应的第一电压测量时刻来计算第一飞跨电容cf1的电容值。特别地，在提供流过cf1的第一电流之后，控制器在第一电压测量时刻检测节点c1上的第一电压，然后在第二电压测量时刻检测节点c1上的第二电压。基于第一电压和第一电压测量时刻形成第一检测点。基于第二电压和第二电压测量时刻形成第二检测点。这两个检测点形成一条电压
‑
时间线。控制器能够根据该电压
‑
时间线的斜率计算电容值。同样，控制器被配置为：基于多个第二检测电压和相应的第二电压测量时刻来计算第二飞跨电容cf2的电容值。
33.图3a和3b分别示出了本公开实施例中用于计算飞跨电容的电容值的各种电压
‑
时间线的示意图以及相应的控制器的端口示意图。图3a的横轴表示时间，横轴的单位是毫秒；纵轴表示飞跨电容的一个端子(例如，节点c1)上的电压。
34.控制器300被配置为：测量节点c1上的电压vc1，并记录相应的测量时刻。基于测量到的电压和相应的测量时刻，控制器300能够计算第一飞跨电容的电容值(cf1)。同样，控制器300被配置为：测量节点c2上的电压vc2，并记录相应的测量时刻。基于测量到的电压和相应的测量时刻，控制器300能够计算第二飞跨电容的电容值(cf2)。计算cf2的电容值的方法与计算cf1的电容值的方法相似。为了简单起见，下面只讨论计算cf1的电容值的方法。
35.在一些实施例中，第一线302是电容值等于100μf的飞跨电容的电压
‑
时间线。第二线304是电容值等于80μf的飞跨电容的电压
‑
时间线。第三线306是电容值等于60μf的飞跨电容的电压
‑
时间线。如图3a所示，斜率越陡意味着电容值越低。
36.第一线302是基于两个检测点形成的。第一检测点包括v1和t1。第二检测点包括v2和t2。在工作过程中，控制器300被配置为将第一电流注入至cf1中。控制器300被配置为：在第一电压测量时刻t1测量第一飞跨电容cf1的一个端子(第一端子)处的第一电压(v1)，然后在第二电压测量时刻t2测量第一飞跨电容在该第一端子处的第二电压(v2)。参见图2，第一飞跨电容的第一端子是c1。基于这两个检测点，控制器300能够获得第一线302，并基于第一线302的斜率计算第一飞跨电容的电容值。
37.在一些实施例中，在第一电流i1流过第一飞跨电容cf1之后，第一电流i1和第一飞跨电容两端的电压满足以下等式:
38.cf1
×
v
cf1
＝i1
×
t
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
39.在等式(1)中，v
cf1
表示第一飞跨电容两端的电压。cf1表示第一飞跨电容的电容值，t表示测量第一飞跨电容两端电压的时间。
40.第一飞跨电容两端的电压、电池的电压和节点c1上的电压满足以下等式：
41.v
cf1
＝v
b
‑
vc1
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
42.在等式(2)中，v
b
表示电池的电压。vc1表示节点c1上的电压。
43.根据等式(1)和(2)，第一检测点可表示为：
[0044][0045]
等式(3)中，v1表示第一电压，t1表示第一电压测量时刻。
[0046]
根据等式(1)和(2)，第二检测点可表示为：
[0047][0048]
在等式(4)中，v2表示第二电压，t2表示第二个电压测量时刻。
[0049]
等式(3)中的第一检测点和等式(4)中的第二检测点可以形成电压
‑
时间线(例如，图3中所示的第一线302)。此电压
‑
时间线满足以下等式：
[0050][0051]
等式(5)示出了第一飞跨电容cf1的电容值是用于计算第一线302的斜率的计算式的一部分，即第一飞跨电容cf1的电容值可以影响第一线302的斜率。该斜率等于i1除以第一飞跨电容的电容值。i1是预定值。在确定斜率的值之后，控制器300能够计算第一飞跨电容的电容值。
[0052]
图3a进一步说明了另外两个检测点(v3/t1和v4/t2)。基于这两个检测点，可以绘制第三线306。
[0053]
在工作过程中，上述电容值的计算方法既适用于单相开关电容功率转换器，也适用于双相开关电容功率转换器。在单相开关电容功率转换器中，控制器300基于飞跨电容的电容值和飞跨电容的预设电容值来计算电容值偏差百分比。如果电容值偏差百分比太高(例如，大于50％)，则控制器停止电池充电。如果电容值偏差百分比在可接受范围内，则控制器300减小充电电流以保护电池不被损坏。更具体地说，控制器300可基于电容值偏差百分比来减小流过电池的充电电流。例如，若计算出的飞跨电容的电容值约为飞跨电容预设电容值的75％，即电容值偏差百分比约为25％，则响应于该电容值偏差百分比，充电电流可减少25％(额定充电电流的75％)。
[0054]
在双相开关电容功率转换器中，控制器300被配置为接收第一检测点、第二检测点、第三检测点和第四检测点的信息，其中第一检测点的信息包括节点c1上的第一电压和第一电压测量时刻，第二检测点的信息包括节点c1上的第二电压和第二电压测量时刻，第三检测点的信息包括节点c2上的第三电压和第三电压测量时刻，第四检测点的信息包括节点c2上的第四电压和第四电压测量时刻。
[0055]
控制器300被配置为：基于由第一检测点和第二检测点形成的第一电压
‑
时间线的
斜率来计算第一飞跨电容的电容值。控制器300被配置为：基于由第三检测点和第四检测点形成的第二电压
‑
时间线的斜率来计算第二飞跨电容的电容值。
[0056]
在计算得到第一飞跨电容和第二飞跨电容的电容值之后，控制器300能够基于这两个飞跨电容的电容值来确定电池充电电流。在一些实施例中，控制器300可以按照这两个飞跨电容中的任何一个的电容值偏差百分比成比例地降低充电电流。在另一些实施例中，控制器300可确定第一飞跨电容的电容值是否大致等于第二飞跨电容的电容值，并且在判断出第一飞跨电容的电容值与第二飞跨电容的电容值之间的不匹配之后减小充电电流。
[0057]
图4示出了本公开实施例中与单相开关电容功率转换器相关联的电容计算装置的示意图。图4所示的电容计算装置与图2所示的电容计算装置类似，区别在于：图4对应的功率转换器是单相开关电容功率转换器。上文已结合图3a详细讨论了电容计算装置的工作原理，所以在此不再讨论。
[0058]
应当注意，图4示出了与单相开关电容功率转换器相关联的电容计算装置。在本公开中，对开关电容功率转换器的相数的限制仅仅是为了清楚地说明各个实施例的发明内容。本发明不受限于任何特定数目的相数。例如，电容计算装置也可用于多相开关电容功率转换器中。
[0059]
图5
‑
6示出了本公开实施例中用于对开关电容功率转换器的充电电流进行配置的方法流程示意图。图5
‑
6所示的流程图只是一个例子，不应过度理解为用于限制权利要求的范围。本领域普通技术人员可以认识到本公开的各实施例可以存在许多变化、替代和修改。例如，如图5
‑
6所示的各步骤可以被添加、删除、替换、重新排列和重复。
[0060]
图5示出了本公开实施例的方法500的第一部分的流程示意图。图6示出了本公开实施例的方法500的第二部分的流程示意图。
[0061]
再参考图2，双相开关电容功率转换器与电池相连接。在一些实施例中，电池是单个单元(single
‑
cell)结构的电池。在另一些实施例中，电池可以是双单元(dual
‑
cell)结构的电池。在对电池充电之前，控制器被配置为计算飞跨电容的电容值，并基于飞跨电容的电容值确定充电电流。双相开关电容功率转换器包括两个飞跨电容。用于对这两个飞跨电容的电容值进行计算的装置和方法是相似的。为了简单起见，下面将基于一个飞跨电容(例如，图2所示的cf1)来讨论方法500。
[0062]
方法500从步骤502开始，之后进行步骤504。在步骤504中，控制器对多个控制逻辑单元(例如寄存器)进行复位。例如，控制器在执行进一步的操作之前，对先前测量获得的、保存在寄存器中的各种操作参数进行复位。同样在步骤504中，控制器被配置为检查电池的电压。
[0063]
在步骤506，控制器确定电池的电压是否在正常电压范围(从v1到v2)内。对于单个单元结构的电池，正常电压范围为约3.0v至约4.3v。对于双单元结构的电池，正常电压范围为约6.0v至约8.6v。在步骤506中，如果控制器确定电池的电压不在正常电压范围内，则方法500执行步骤524。同样在步骤506中，如果控制器确定电池的电压在正常电压范围内，则方法500执行步骤508。
[0064]
在步骤508，控制器在预定时间段内检查飞跨电容的端电压。在一些实施例中，控制器被配置为：施加流过飞跨电容(例如，图2示出的cf1)的充电电流，并在20毫秒内检查端电压(例如，图2示出的v1)。如果v1不能降低到预定电压值(例如，0.1v)，则飞跨电容被短
路。在获知飞跨电容被短路后，控制器被配置为：关断双相开关电容功率转换器。否则，方法500继续执行步骤510。
[0065]
在步骤510中，控制器被配置为：计算由两个检测点形成的电压
‑
时间线的斜率。如图3a和3b所示，第一检测点包括v1和t1。如图所示，第二检测点包括v2和t2。如上文结合图3a和3b所述，控制器能够基于电压
‑
时间线的斜率来计算飞跨电容的电容值。
[0066]
在步骤512，将计算出的电容值除以飞跨电容的预设值(正常值)以获得与百分比相关联的小数。通过将该小数乘以100，可以将该小数转换为百分比值。在步骤512中，控制器确定该百分比值是否处于约75％到约125％的范围内。在步骤512中，如果该百分比值不在该范围内，则方法500执行步骤518。同样在步骤506中，如果该百分比值在该范围内，则方法500执行步骤514。
[0067]
在步骤514中，控制器判定飞跨电容的电容值良好。在步骤516中，控制器被配置为：向电池施加正常电池充电电流。
[0068]
在步骤518中，控制器判定飞跨电容的电容值不良。在步骤520中，控制器被配置为：向电池施加有限的电池充电电流。此外，如果该百分比值小于50％，则控制器可以停止电池充电。在步骤522中，控制器向电池充电系统发送警告信号。在步骤524，方法500结束。
[0069]
图7示出了本公开实施例中用于在开关电容功率转换器中计算飞跨电容的电容值的方法流程示意图。图7所示的流程图只是一个示例，不应过度理解为用于限制权利要求的保护范围。本领域普通技术人员可以对本公开提供的实施例进行一些变化、替代和修改。例如，可以对图7中所示的各步骤进行添加、删除、替换、重新排列和重复。
[0070]
在步骤702中，控制器被配置为：提供流过开关电容功率转换器的第一飞跨电容的电流。
[0071]
在步骤704，控制器被配置为：在第一电压测量时刻测量第一飞跨电容的第一端子处的第一电压。
[0072]
在步骤706，控制器被配置为：在第二电压测量时刻测量第一飞跨电容的第一端子处的第二电压。
[0073]
在步骤708，控制器被配置为：基于第一电压、第二电压、第一电压测量时刻和第二电压测量时刻来计算第一飞跨电容的电容值。
[0074]
尽管已经详细描述了本公开的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求定义的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开各实施例进行各种修改、替换和变换。
[0075]
此外，本技术的范围不限于说明书中描述的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例。正如本领域普通技术人员可以容易地从本公开中理解的那样，与本文描述的相应实施例具有基本相同的功能或实现基本相同的结果的过程、机器、制造、物质组合物、装置、方法或步骤可以根据本公开被采用，这些过程、机器、制造、物质组合物、装置、方法或步骤可以是目前存在的或未来被开发的。因此，所附权利要求书旨在将这样的过程、机器、制造、物质组合物、装置、方法或步骤包括在其范围内。