一种多模式降压变换器的制作方法

1.本发明属于模拟电路技术领域，具体的说是涉及一种多模式降压变换器。


背景技术：

2.随着5g时代的到来，手机电池容量越来越大以满足5g高耗能的需求。伴随而来的，快充技术让人们可以利用碎片时间来使自己的手机电量迅速恢复，逐渐成为高端手机的标配，开关电容变换器因为效率高而被广泛应用于手机快充。而随着硅氧负极电池等新材料电池的兴起，电池电压不再局限于传统的电压范围，传统的开关电容变换器一旦确定了结构，就无法改变其输入输出的电压转换比。
3.图1是现有的一种开关电容变换器，包括8个功率管(sw1/sw2/sw3/sw4/sw5/sw6/sw7/sw8)；两个飞电容(cfly1/cfly2)；输入电源vin；输出电容cout以及输出负载。利用功率管不同的开关状态，该变换器能够实现输出电压减半，输出电流翻倍的功能。
4.图2给出了上述变换器工作在半压模式下的等效电路图：
5.1.在phase1阶段，sw1/sw3/sw6/sw8导通，sw2/sw4/sw5/sw7关断。vin通过cfly1给vout充电，电容cfly1充电。与此同时，cfly2给vout充电，cfly2放电。
6.2.在phase2阶段，sw2/sw4/sw5/sw7导通，sw1/sw3/sw6/sw8关断。vin通过cfly2给vout充电，电容cfly2充电。与此同时，cfly1给vout充电，cfly1放电。
7.每个phase占空比为50％，vout＝vcfly＝vin/2。
8.可见，现有的双相开关电容变换器通过cfly电容转移能量，能够实现输出电压减半，输出电流翻倍的功能，是目前高效率电压转换器中常用的一种拓扑结构。可是该结构也有缺陷，一旦结构确定，只能实现固定2:1的电压转换，不可改变电压转换比，在一些比较复杂的应用场景中时就显得不太适用。


技术实现要素：

9.本发明针对上述问题，提出一种多模式降压变换器，集成两种不同的模式：1)传统的2:1开关电容模式；2)三电平buck模式。在不同的电压区间，两种模式分别工作，可满足不同电压转换比的需求。同时，此方案相比现有的双相开关电容变换器，仅多出2个功率管和一个电感，保持了系统的高集成度。
10.针对上述问题，本发明的技术方案是：
11.一种多模式降压变换器，其特征在于，包括第一功率管q1、第二功率管q2、第三功率管q3、第四功率管q4、第五功率管q5、第六功率管q6、第七功率管q7、第八功率管q8、第九功率管q9、第十功率管q10、第一电容、第二电容和电感，输入电压vin依次通过第一功率管q1、第二功率管q2、第三功率管q3、第四功率管q4后接地，输入电压vin还依次通过第五功率管q5、第六功率管q6、第七功率管q7、第八功率管q8后接地；第五功率管q5的源极依次通过第九功率管q9和第十功率管q10后接第八功率管q8的漏极；第一电容的正极接第一功率管q1的源极，第一电容的负极接第三功率管q3的源极；第二电容的正极接第五功率管q5的源
极，第二电容的负极接第七功率管q7的源极；第九功率管q9源极与第十功率管q10漏极的连接点通过电感后与第二功率管q2源极和第六功率管q6源极共同连接，作为降压变换器的输出端vout；
12.所述降压变换器包括2:1开关电容模式和三电平buck模式；
13.所述2:1开关电容模式包括第一阶段和第二阶段，在第一阶段，q1/q3/q6/q8导通，q2/q4/q5/q7/q9/q10关断，vin通过第一电容给vout充电，第一电容充电，与此同时，第二电容给vout充电，第二电容放电；在第二阶段，q2/q4/q5/q7导通，q1/q3/q6/q8/q9/q10关断，vin通过第二电容给vout充电，第二电容充电，与此同时，第一电容给vout充电，第一电容放电；在2:1开关电容模式中，q9/q10和电感不参与工作，每个阶段占空比为50％，vout＝vcfly＝vin/2，vcfly为电容电压；
14.所述三电平buck模式根据q5控制信号的占空比d分为d<0.5和d>0.5两种情况，q8控制信号为q5控制信号的反相信号，q9控制信号为q5控制信号错位180
°
的信号，q10控制信号为q9控制信号的反相信号；
15.当d<0.5时，包括四个阶段，在第一阶段，q5和q10导通，q1/q2/q3/q4/q6/q7/q8/q9关断，vin通过第二电容和电感给vout充电，同时，vin给第二电容充电，电感储能；在第二阶段，q8和q10导通，q1/q2/q3/q4/q5/q6/q7/q9关断，vin和第二电容浮空，电感释放能量给vout续流；在第三阶段，q8和q9导通，q1/q2/q3/q4/q5/q6/q7/q10关断；vin浮空，第二电容通过电感给vout充电，同时，第二电容放电，电感储能；第四阶段与第二阶段相同；q1/q2/q3/q4/q6/q7和第一电容不参与工作，电路以第一阶段、第二阶段、第三阶段、第四阶段顺序为一个周期进行循环工作，以实现vout＝vin*d的电压转换比，通过调节d的大小，实现vout＝0～vin/2的输出结果；
16.当d>0.5时，包括四个阶段，在第一阶段，q5和q10导通，q1/q2/q3/q4/q6/q7/q8/q9关断，vin通过第二电容和电感给vout充电，同时，vin给第二电容充电，电感释放能量；在第二阶段，q5和q9导通，q1/q2/q3/q4/q6/q7/q8/q10关断，第二电容浮空，vin通过电感给vout充电，vin给电感充能；在第三阶段，q8和q9导通，q1/q2/q3/q4/q5/q6/q7/q10关断，vin浮空，第二电容通过电感给vout充电，同时，第二电容放电，电感释放能量；第四阶段与第二阶段相同；q1/q2/q3/q4/q6/q7和第一电容不参与工作，电路以第一阶段、第二阶段、第三阶段、第四阶段顺序为一个周期进行循环工作，以实现vout＝vin*d的电压转换比，通过调节d的大小，实现vout＝vin/2～vin的输出结果。
17.本发明的有益效果是：提出了一种新型的多模式降压方案，该方案集成两种不同的模式，可任意改变电压转换比。
附图说明
18.图1为常见的双相开关电容变换器；
19.图2为现有双相开关电容变换器工作在半压模式的等效电路图；
20.图3为本发明的多模式降压变换器；
21.图4为本发明的降压变换器工作在2:1开关电容模式的等效电路图；
22.图5为多模式降压方案工作在三电平buck模式(d<0.5)的等效电路图；
23.图6为多模式降压方案工作在三电平buck模式(d<0.5)时各节点波形；
24.图7为多模式降压方案工作在三电平buck模式(d>0.5)的等效电路图；
25.图8为多模式降压方案工作在三电平buck模式(d>0.5)时各节点波形。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明进行详细的描述。
27.如图3所示，本发明的多模式降压变换器，包括10个功率管(q1/q2/q3/q4/q5/q6/q7/q8/q9/q10)，2个飞电容(cfly1/cfly2)，1个电感l，输入电源vin，以及输出电容和输出负载。
28.如图4所示，为工作在2:1开关电容模式的等效电路图：
29.1.在phase1阶段，q1/q3/q6/q8导通，q2/q4/q5/q7/q9/q10关断。vin通过cfly1给vout充电，电容cfly1充电。与此同时，cfly2给vout充电，cfly2放电。
30.2.在phase2阶段，q2/q4/q5/q7导通，q1/q3/q6/q8/q9/q10关断。vin通过cfly2给vout充电，电容cfly2充电。与此同时，cfly1给vout充电，cfly1放电。
31.在2:1开关电容模式中，q9/q10和电感l不参与工作，与传统的双相开关电容变换器相同，每个phase占空比为50％，vout＝vcfly＝vin/2。
32.工作在三电平buck模式时，可根据q5控制信号的占空比d分为两种情况：1)d<0.5；2)d>0.5
33.一旦q5的控制信号确定下来，另外三个功率管的控制信号确定如下：
34.q8控制信号为q5控制信号的反相信号；
35.q9控制信号为q5控制信号错位180
°
的信号；
36.q10控制信号为q9控制信号的反相信号。
37.如图5和图6所示，为三电平buck模式(d<0.5)：
38.1.在φ1阶段，q5和q10导通，q1/q2/q3/q4/q6/q7/q8/q9关断。vin通过cfly2和电感l给vout充电，同时，vin给cfly2充电，电感l储能。
39.2.在φ2阶段，q8和q10导通，q1/q2/q3/q4/q5/q6/q7/q9关断。vin和cfly2浮空，电感l释放能量给vout续流。
40.3.在φ3阶段，q8和q9导通，q1/q2/q3/q4/q5/q6/q7/q10关断。vin浮空，cfly2通过电感l给vout充电，同时，cfly2放电，电感l储能。
41.4.φ4阶段同φ2阶段
42.在三电平buck模式(d<0.5)中，q1/q2/q3/q4/q6/q7和cfly1不参与工作，电路以φ1、φ2、φ3、φ4顺序为一个周期进行循环工作，以实现vout＝vin*d的电压转换比。其中d为q5控制信号的占空比，通过调节d的大小，可以实现vout＝0～vin/2的输出结果。
43.如图7和图8所示，为三电平buck模式(d>0.5)：
44.1.在φ1阶段，q5和q10导通，q1/q2/q3/q4/q6/q7/q8/q9关断。vin通过cfly2和电感l给vout充电，同时，vin给cfly2充电，电感l释放能量。
45.2.在φ2阶段，q5和q9导通，q1/q2/q3/q4/q6/q7/q8/q10关断。cfly2浮空，vin通过电感l给vout充电，同时，vin给电感l充能。
46.3.在φ3阶段，q8和q9导通，q1/q2/q3/q4/q5/q6/q7/q10关断。vin浮空，cfly2通过电感l给vout充电，同时，cfly2放电，电感l释放能量。
47.4.φ4阶段同φ2阶段
48.在三电平buck模式(d>0.5)中，q1/q2/q3/q4/q6/q7和cfly1不参与工作，电路以φ1、φ2、φ3、φ4顺序为一个周期进行循环工作，以实现vout＝vin*d的电压转换比。其中d为q5控制信号的占空比，通过调节d的大小，可以实现vout＝vin/2～vin的输出结果。