功率转换和飞跨电容器实施的制作方法

1.本公开涉及功率器件领域，更具体地，涉及功率转换和飞跨电容器实施。


背景技术：

2.诸如由google
tm
、facebook
tm
等运营的数据中心为我们的社会提供不可或缺的服务。全球所有数据中心的能耗约占总电能使用量的2％。因此，数据中心提供商一直在寻求提高功率转换效率，以节约能量或者能够增加现有数据中心的服务器的cpu/gpu/asic等功率。机器学习和人工智能架构需要非常强大的gpu或定制设计的asic来满足所需的计算能力。
3.需要更高的电压分布和高效的转换系统来降低损耗并增加转换系统的总功率密度。在过去几年中，供应商在机架级引入48v dc，能够实现几种不同的场景来向数字负载(诸如cpu/asic/gpu)提供高功率。这些架构例如由开放计算联盟协调，目前ocp 3.0是支持机架内48v dc配电的最现代架构。


技术实现要素：

4.实施清洁能源(或绿色技术)对于减少人类对环境的影响非常重要。一般来说，清洁能源包括任何不断发展的方法和材料，以减少能源消耗对环境的总体毒性。
5.本公开包括以下观察结果：原始能量(诸如从绿色能源或非绿色能源接收的)在其可用于为诸如服务器、计算机、移动通信设备、无线基站等的终端设备供电之前需要转换为适当的形式(诸如期望的ac电压、dc电压等)。在特定情况下，能量被存储在相应的一个或多个电池资源中。备选地，从电压发生器接收能量。无论能量是来自绿色能源还是非绿色能源，都希望最有效地利用这些系统提供的原始能量(诸如储存和后续分配)，以减少我们对环境的影响。本公开通过更高效的能量转换来帮助减少我们的碳足迹以及更好地利用能量。
6.本公开还包括观察到可以提高传统电源的功率转换效率。例如，为此，本文的实施例包括经由多个飞跨电容器的实施来提供改进的功率转换性能的新方式。
7.更具体地，本文的实施例包括一种装置，其包括第一飞跨电容器、第二飞跨电容器、电感器和开关网络。开关网络控制能量从第一飞跨电容器和第二飞跨电容器到电感器的传输。电感器将接收到的能量转换为输出电压，从而为负载供电。
8.在又一示例实施例中，电感器从第一飞跨电容器接收能量作为第一电流，以及从第二飞跨电容器接收能量作为第二电流。
9.在一个实施例中，在功率转换期间，第一飞跨电容器存储第一电压；第二飞跨电容器存储第二电压。本文讨论的开关网络的受控切换操作使得第一电压的幅度基本上等于第二电压的幅度。
10.在进一步的示例实施例中，第一飞跨电容器存储第一电压；第二飞跨电容器存储第二电压。在操作/控制开关网络的多个控制循环中的每一循环内，能量从第一飞跨电容器
和第二飞跨电容器到电感器的传输基本上使第一电压的幅度等于第二电压的幅度。因此，本文的实施例包括相应功率转换器的实施，其自然地均衡第一飞跨电容器电压和第二飞跨电容器电压的幅度。
11.在更进一步的实施例中，开关网络同时从第一飞跨电容器和第二飞跨电容器向产生输出电压的电感器提供电流。
12.本文的进一步实施例包括：经由开关网络，在不同时间将第一飞跨电容器和第二飞跨电容器串联耦合在第一参考电压和第二参考电压之间。电感器在将第一飞跨电容器耦合到第二飞跨电容器的节点处接收第一电流和第二电流。
13.根据又一示例实施例，开关网络包括第一开关和第二开关以及控制器。控制器经由使用相同的占空比控制第一开关和第二开关来调节输出电压的幅度。在一个实施例中，控制器基于从将输出电压的幅度与设定点参考电压进行比较得到的误差电压来确定占空比。
14.本文的进一步实施例包括：经由控制器，根据经由从第一飞跨电容器和第二飞跨电容器接收的能量进行的输入电压到输出电压的2相降压转换来实施开关网络的受控切换。
15.在又一示例实施例中，控制器在多个模式之间进行切换，多个模式包括：i)第一模式，其中第一飞跨电容器和第二飞跨电容器被串联连接在输入电压和地之间，第一飞跨电容器被连接到输入电压，而第二飞跨电容器被连接到接地参考，电感器被耦合到将第一飞跨电容器耦合到第二飞跨电容器的节点；ii)第二模式，其中第二飞跨电容器和第一飞跨电容器被串联连接在输入电压和地之间，第二飞跨电容器被连接到输入电压，而第一飞跨电容器被连接到接地参考，电感器被耦合到将第二飞跨电容器耦合到第一飞跨电容器的节点；iii)第三模式，其中电感器被耦合到地；iv)第四模式，其中开关网络进行操作以提供电感器与输入电压的连接。
16.应注意，本文的实施例比传统技术有用。例如，与传统技术相比，本文描述的新型电源经由对所接收的飞跨电容器电压的独特调节提供输入电压到相应输出电压的高效率转换。更具体地，本文的实施例包括平衡多电平交错飞跨电容器降压转换器的飞跨电容器电压的新方法、装置、系统等。
17.下面更详细地公开这些和其他更具体的实施例。
18.应注意，本文讨论的任何资源可包括一个或多个计算机化设备、装置、硬件等，执行和/或支持本文公开的任何或所有方法操作。换言之，一个或多个计算机化设备或处理器可被编程和/或配置为如本文所解释地进行操作以执行如本文所述的不同实施例。
19.本文的又一些其他实施例包括软件程序以执行上文总结并在下文详细公开的步骤和/或操作。一个这样的实施例包括计算机程序产品，其包括非暂态计算机可读存储介质(即，任何计算机可读硬件存储介质)，在该存储介质上对软件指令进行编码供后续执行。当在具有处理器的计算机化设备(硬件)中执行时，指令编程和/或使处理器(硬件)执行本文公开的操作。这种布置通常作为软件、代码、指令和/或其他数据(例如，数据结构)来提供，它们被布置或编码在非暂态计算机可读存储介质上，诸如光学介质(例如，cd-rom)、软盘、硬盘、记忆棒、存储设备等或者其他介质(诸如一个或多个rom、ram、prom等中的固件)，或者作为专用集成电路(asic)等来提供。软件或固件或其他这种配置可安装到计算机化设备
上，以使计算机化设备执行本文所解释的技术。
20.因此，本文的实施例针对支持本文讨论的操作的方法、系统、计算机程序产品等。
21.本文的一个实施例包括计算机可读存储介质和/或系统，具有存储在其上的指令，以促进生成输出电压以向负载供电。当由计算机处理器硬件执行时，指令使计算机处理器硬件(诸如一个或多个相同位置或不同位置定位的处理器设备或硬件)：经由开关网络的控制，对第一飞跨电容器和第二飞跨电容器充电；将来自第一飞跨电容器的第一电流和来自第二飞跨电容器的第二电流传输到电感器；以及经由第一电流和第二电流产生输出电压以向负载供电。
22.为了清晰起见，添加了上述步骤的顺序。注意，本文讨论的任何处理步骤可以任何适当的顺序执行。
23.本公开的其他实施例包括软件程序和/或相应硬件以执行上面总结且在下文详细公开的任何方法实施例步骤和操作。
24.应理解，如本文所讨论的系统、方法、装置、计算机可读存储介质上的指令等也可严格地具体化为软件程序、固件、软件、硬件和/或固件的混合，或者仅具体化为硬件(诸如在处理器(硬件或软件)内，或在操作系统或软件应用内)。
25.进一步注意，尽管本文讨论的实施例可应用于控制包括一个或多个调节功率转换器级和一个或多个开关电容转换器的电源的操作，但本文公开的概念可有利地应用于任何其他合适的电压转换器拓扑。
26.另外，注意，尽管本文的不同特征、技术、配置等中的每一个可以在本公开的不同地方讨论，但在适当情况下，期望每一概念可选地彼此独立地或彼此组合地执行。因此，如本文所述的一个或多个发明可以许多不同的方式具体化和查看。
27.此外，注意，本文对实施例的初步讨论(实施例的简要描述)有意地没有指定本公开或要求保护发明的每个实施例和/或增量新颖方面。相反，该简要描述仅呈现相对于传统技术的一般实施例和相应新颖点。对于本发明的附加细节和/或可能观点图(排列)，读者被引导到下面进一步讨论的本公开的详细描述部分(其是实施例的概要)和相应附图。
附图说明
28.图1是示出根据本文实施例的包括多个飞跨电容器的稳压转换器的示例图。
29.图2是示出根据本文实施例的包括多个飞跨电容器的稳压转换器的示例详细图。
30.图3是示出根据本文实施例的开关控制信号发生器的示例图。
31.图4是示出根据本文实施例的控制信号发生器的示例图。
32.图5是示出根据本文实施例的电压转换器中的多个开关的控制的示例时序图。
33.图6是示出根据本文实施例的处于第一模式的稳压转换器的操作的示例图。
34.图7是示出根据本文实施例的处于第二模式的稳压转换器的操作的示例图。
35.图8是示出根据本文实施例的处于第三模式的稳压转换器的操作的示例图。
36.图9是示出根据本文实施例的电压转换器中的多个开关的控制的示例时序图。
37.图10是示出根据本文实施例的处于第四模式的稳压转换器的操作的示例图。
38.图11是示出根据本文实施例的多级稳压转换器的示例图。
39.图12是示出根据本文实施例的包括交叉连接的飞跨电容器的稳压转换器的示例
图。
40.图13是示出根据本文实施例的双相多电平飞行电容降压转换器的示例图。
41.图14是示出根据本文实施例的可操作以执行一个或多个操作的计算机架构的示例图。
42.图15是示出根据本文实施例的一般方法的示例图。
43.图16是示出根据本文实施例的在电路板上制造稳压转换器的示例图。
44.本文实施例的前述和其他目的、特征和优点将从下文更具体的描述中显而易见，如附图所示，其中相同的参考字符在不同示图中指代相同的部分。附图不必按比例绘制，而是重点放在图示实施例、原理、概念等上。
具体实施方式
45.如前所讨论的，本文的实施例比传统技术有用。例如，与传统技术相比，本文所述的新型电源经由对从多个飞跨电容器接收的能量的独特调节，提供输入电压到相应输出电压的高效转换。更具体地，本文的实施例包括新的方法、装置、系统等，用于在多级交错降压转换器拓扑中平衡飞跨电容器电压的生成和相应存储能量的使用，以产生输出电压。
46.现在，更具体地，图1是示出根据本文实施例的包括多个飞跨电容器的稳压转换器的示例图。
47.如该示例实施例所示，电源100包括控制器140、电压转换器130(也称为功率转换器)和负载118。这些部件中的每一个都代表诸如装置、电子设备、电子电路装置等的实体。
48.应注意，本文所述的每个资源可以任何合适的方式实例化。例如，控制器140可被实例化为或者包括硬件(诸如电路装置)、软件(可执行指令)或者硬件和软件资源的组合(在适用的情况下)。
49.根据进一步的示例实施例，电压转换器130包括第一飞跨电容器fc1、第二飞跨电容器fc2、
…
、开关网络135(诸如包括一个或多个开关qx)和电感器144。
50.在操作期间，开关网络135控制从一个或多个飞跨电容器(诸如fc1、fc2等)到电感器144的能量传输。飞跨电容器经由控制器140控制的开关网络135的切换，从一个或多个参考电压(诸如输入电压120、接地等)进行充电和放电。
51.电感器144将从飞跨电容器fc1、fc2等接收的能量转换为输出电压123，以向负载118供电。
52.在一个实施例中，如本文所讨论的，电感器144从第一飞跨电容器fc1接收能量作为第一电流或第一电压，从第二飞跨电容器fc2接收能量作为第二电流或第二电压等等。电感器144还从输入电压120接收能量。
53.在进一步的示例实施例中，经由控制信号105的生成，开关qx(任意数目的开关)的受控切换使得生成存储在每个飞跨电容器fc1、fc2等中的平衡电压(诸如基本相等的电压)。
54.如下文进一步讨论的，本文的进一步实施例包括：经由控制器140，通过从多个平衡飞跨电容器接收的能量，根据输入电压120(诸如dc输入电压或准ac输入电压等)到输出电压123的多相降压转换，实施开关网络135的受控切换。
55.图2是示出根据本文实施例的包括多个飞跨电容器的稳压转换器的示例详细图。
56.在该示例实施例中，图2中的电压转换器130包括开关网络135，诸如包括开关q1、q2、q3、q4、q5、q6、q7和q8。电压转换器130还包括多个飞跨电容器，诸如飞跨电容器fc1(又称cfly1)、飞跨电容器fc2(又称cfly2)等。如前所讨论的，电压转换器130还包括电感器144和电容器cout。
57.在该示例性实施例中，开关q1、q2、q3和q4串联连接在输入电压节点266(接收输入电压120)和接地参考之间。例如，开关q1的漏极节点(d)被连接到输入电压源极节点；开关q1的源极节点(s)被连接到开关q2的漏极节点(d)；开关q2的源极节点(s)被连接到开关q3的漏极节点(d)；开关q3的源极节点(s)被连接到开关q4的漏极节点(d)；开关q4的源极节点(s)被连接至地。
58.控制器140产生控制信号s1(又称φa)、s2(又称φb)、s1*(又称φa*)和s2*(又称φb*)，其中s1*是s1的反相，s2*是s2的反相。
59.如进一步所示，控制信号s2驱动开关q1；控制信号s1驱动开关q2；控制信号s1*驱动开关q3；控制信号s2*驱动开关q4。
60.此外，在该示例性实施例中，开关q5、q6、q7和q8被串联连接在输入电压节点266和接地参考之间。例如，开关q5的漏极节点(d)被连接到输入电压源极节点266；开关q5的源极节点(s)被连接到开关q6的漏极节点(d)；开关q6的源极节点(s)被连接到开关q7的漏极节点(d)；开关q7的源极节点(s)被连接到开关q8的漏极节点(d)；开关q8的源极节点(s)被连接至地。
61.如前所讨论的，控制器140产生控制信号s1(又称φa)、s2(又称φb)、s1*(又称φa*)和s2*(又称φb*)，其中s1*是s1的反相，s2*是s2的反相。
62.控制信号s1驱动开关q5；控制信号s2驱动开关q6；控制信号s2*驱动开关q7；以及控制信号s1*驱动开关q8。
63.节点251提供开关q2的源极节点、开关q3的漏极节点、开关q6的源极节点、开关q7的漏极节点和电感器144之间的连接。电感器144和电容器cout被串联连接在节点251和电压转换器130的接地参考之间。
64.在一个实施例中，图2中的电压转换器130是示出双相三电平飞跨电容器(d-3lfc)降压转换器的示例图，其中两个3lfc降压转换器的相位节点被短路，并且经由相应的控制信号105以180
°
相移的这种方式进行控制。图3示出了控制电路以及诸如控制信号s1、s2、s1*和s2*的相移控制信号105的生成。
65.在图2的电压转换器130的这种实施中，两个相位节点v_ph1和v_ph2彼此同相。因此，它们可以短接在一起并连接到公共输出电感器144以产生输出电压123。在一个实施例中，如本文进一步讨论的，两个3lfc降压转换器相位以这样的方式控制：在一个切换循环t_sw的一部分内，它们与输入电压串联连接，因此它们的飞跨电容器自然平衡到输入电压120的一半或其他适当值。
66.图3是示出根据本文实施例的开关控制信号发生器的示例图。
67.在该示例性实施例中，控制器140包括放大器310、控制功能340、比较器351、比较器352、反相器361和反相器362。
68.在操作期间，差分放大器310基于输出电压120相对于源参考设定点电压vref之间的差产生误差电压315。控制功能340将接收到的误差电压315转换为馈入比较器351的同相
输入和比较器352的同相输入的补偿信号345。斜坡信号347被输入到比较器351的反相输入；斜坡信号348被输入到比较器352的反相输入。
69.比较器351产生其占空比对应于误差电压315的幅度的控制信号s1。比较器352产生其占空比对应于误差电压315的幅度的控制信号s2。
70.在一个实施例中，控制信号s1和控制信号s2彼此异相180
°
，但是被设置为相同的占空比值。
71.因此，控制器140经由信号s1、s2、s1*和s2*控制开关q1-q8以产生输出电压123。在一个实施例中，控制器140基于从将输出电压123的幅度与设定点参考电压(vref)进行比较得到的误差电压315来确定控制信号s1、s2等的占空比。占空比将输出电压123的幅度保持在设定点参考电压vref。
72.因此，如图3所示，控制器140可被配置为在电压模式控制下进行操作。
73.进一步注意，功率转换器和对应的控制器140可被配置为在任何合适的反馈控制模式下进行操作。例如，控制器140可实施为基于控制器140监控输出电压123提供给负载118的输出电流124(诸如基于检测到的输出电流124的峰值电流、平均电流、波谷电流等)在电流模式控制下进行操作。在这种情况下，控制器140根据所监控输出电流124与电流设定点值的比较来控制开关q1-q8的状态(诸如占空比等)。因此，本文的进一步实施例包括基于监控由输出电压123提供给负载118的输出电流124的幅度来确定占空比。
74.图4是示出根据本文实施例的控制信号发生器的示例图。
75.如果需要高输出功率，则可以实施电压转换器的多个实例(诸如电压转换器130-1、电压转换器130-2等)以产生输出电压123。然而，在这种情况下，可希望实施如图4所示的均流功能，以平衡由电压转换器130-1和电压转换器130-2提供给负载118的电流。
76.在一个实施例中，本文所讨论的均流回路处理每个相位的电流误差，并以这样的方式调制每个电压转换器的占空比，以实现来自每个电压转换器的相同或基本相等的输出电流。
77.更具体地，在该示例实施例中，加法器475将电流iout1和iout2的幅度相加。除法器480将总和除以2，以产生平均电流值iavg。
78.差分功能481产生误差信号481-1，指示平均电流iavg与由电压转换器130-1提供给负载118的iout1之间的差。差分功能482产生误差信号482-1，指示平均电流iavg与由电压转换器130-2提供给负载118的iout2之间的差。
79.基于误差信号481-1，控制功能491(诸如比例积分pi控制器)产生控制信号compcs1。基于误差信号482-1，控制功能492(诸如比例积分pi控制器)产生控制信号compcs2。
80.图4进一步示出了控制功能305-1和控制功能305-2的实施，其中每一个都以与前面讨论的类似方式操作。控制信号compcs1为驱动电压转换器130-1的相应控制信号的生成提供补偿；控制信号compcs2为驱动电压转换器130-2的相应控制信号的生成提供补偿。在这种情况下，来自电压转换器130-1的输出电流iout1基本等于来自电压转换器130-2的输出电流iout2。
81.图5是示出根据本文实施例的当占空比小于50％时的电压转换器中的多个开关的控制的示例时序图。
82.在一个实施例中，在功率转换期间，第一飞跨电容器cf1存储诸如由电压501指示的第一电压；第二飞跨电容器cf2存储第二电压502。由控制信号s1、s2、s1*和s2*控制的开关网络135(诸如开关q1-q8)的切换操作使得第一电压501的幅度随时间基本上等于第二电压502的幅度。
83.在一个实施例中，电压501和电压502的幅度相对于平均电压(输入电压vin/2阈值)随时间而变化。在操作/控制开关网络135的多个控制循环中的每一循环内，能量从第一飞跨电容器fc1和第二飞跨电容器fc2向电感器144的传输基本上使第一电压501的幅度与第二电压502的幅度相等。
84.更具体地，如图5所示，电压501的幅度在时间t0和t1之间略微增加；电压502的幅度在时间t0和t1之间略微减小。电压501的幅度在时间t4和t5之间略微减小；电压502的幅度在时间t4和t5之间略微增加。
85.因此，本文的实施例包括相应电压转换器130的实施，其在单个控制循环(t0和t8之间)以及多个其他后续控制循环中的每一循环内，自然地均衡第一飞跨电容器电压501和第二飞跨电容器电压502的幅度。
86.根据又一些示例实施例，如前所讨论的，开关网络135包括第一开关和第二开关。控制器140经由使用相同的占空比控制开关网络135来产生控制信号以调节输出电压123的幅度。换句话说，在模式#1下操作的时间t0和时间t1之间的时间差(占空比d乘以切换周期tsw，其中tsw＝t0和t8之间的时间)等于时间t4和t5之间的时间差(占空比d乘以切换周期tsw，其中tsw＝t0和t8之间的时间)。如前所讨论的，在一个实施例中，控制器140基于从将输出电压123的幅度与设定点参考电压vref(图3和图4中的示例)进行比较得到的误差电压315来确定占空比d(信号s1的接通时间和信号s2的接通时间)。
87.在更进一步的示例实施例中，经由相应控制信号的生成，控制器140在多个模式之间切换，包括：i)第一模式(图6中的模式#1)，其中第一飞跨电容器fc1和第二飞跨电容器fc2被串联连接在输入电压120和接地参考(第二电压)之间，第一飞跨电容器fc1被连接到输入电压120，而第二飞跨电容器fc2被连接到接地参考，电感器144被耦合到将第一飞跨电容器fc1耦合到第二飞跨电容器fc2的节点251；ii)第二模式(图7中的模式#2)，其中电感器144的节点251被耦合至接地，iii)第三模式(图8中的模式#3)，其中第二飞跨电容器fc2和第一飞跨电容器fc1被串联连接在输入电压120和地之间，第二飞跨电容器fc2被连接到输入电压120，而第一飞跨电容器fc1被连接到接地参考，电感器144的节点251将第二飞跨电容器fc2耦合到第一飞跨电容器fc1。
88.图6是示出根据本文实施例的处于第一模式的稳压转换器的操作的示例图。
89.在更进一步的实施例中，开关网络135同时将来自第一飞跨电容器fc1的电流iph1和来自第二飞跨电容器fc2的电流iph2提供给产生输出电压123的电感器144。
90.本文的其他实施例包括：经由开关网络135，将第一飞跨电容器fc1和第二飞跨电容器fc2串联在第一参考电压(输入电压120)和第二参考电压(地)之间。电感器144在将第一飞跨电容器fc1耦合到第二飞跨电容器fc2的节点251处接收第一电流iph1和第二电流iph2。
91.图7是示出根据本文实施例的处于第二模式的稳压转换器的操作的示例图。
92.在该示例性实施例中，控制器140实施第二模式，其中开关q3、q4、q7和q8同时被激
活。在这种情况下，接地参考向电感器144的节点251提供电流iph1和电流iph2。
93.图8是示出根据本文实施例的处于第三模式的稳压转换器的操作的示例图。
94.现在，参考图5、图6、图7和图8的组合。
95.三电平飞跨电容器降压转换器的操作模式
96.在该示例性实施例中，控制器140基于占空比小于50％的条件产生如图5的时序图500所示的控制信号。
97.1.在t
0-t1之间：(模式#1)，在t＝t0处，控制器140激活开关q1和q6，以进入on状态。在模式#1中，飞跨电容器c
fly1
(又称fc1)从输入电压120充电，并经由开关q3连接到节点相位v
ph1
，为输出电感供电，而c
fly2
(又称fc2)此时正在放电，为输出电感l
out
供电。模式#1的开关的相应状态如图6所示。在该模式#1中，输出电感器144由分别来自开关q3的漏极节点和q6的源极引脚的v
in-v
fly1
和v
fly2
供电。在该模式期间，飞跨电容器自然地被强制平衡到值v
in
/2，因为它们串联设置在输入电压120和接地参考之间。然而，飞跨电容器上的纹波(即，由于来自电感器144和输出电容器cout的负载电流(ilout))导致在两个飞跨电容器fc1和fc2之间流动的无功能量。
98.2.t
1-t2：在t＝t1处，在t1和t2死区时间之间，开关q1和q6断开。
99.3.t
2-t3：在t＝t2处(模式#2)，在从t＝t1的死区时间周期t
dead
之后，开关q4和q7接通。在该模式中，输出电感器144(具有电感lout)利用斜率v
out
/l
out
放电，其中vout是输出电压123。两个飞跨电容器c
fly1
(又称fc1)和c
fly2
(又称fc2)分别保持在v
cfly1
(t1)和v
cfly2
(t1)的稳定电压水平。图7示出了模式#2下的操作状态。
100.4.t
3-t4：在t＝t3处，开关q3和q8断开。
101.5.t
4-t5：(模式#3)，在t＝t4处，在从t＝t3的死区时间周期t
dead
之后，控制器140激活开关q2和q5，并进入接通状态。飞跨电容器c
fly2
(fc2)利用输入电压120充电，并经由开关q7连接到为输出电感144供电的节点相位v
ph2
，而c
fly1
(fc1)此时正在放电，为输出电感l
out
供电。模式#3下的操作如图8所示。在模式#3中，输出电感器144由分别来自开关q7的漏极节点和开关q2的源极节点的v
in-v
fly1
和v
fly2
供电(接收能量)。在该模式期间，飞跨电容器自然地被强制平衡到电压水平v
in
/2，因为它们串联连接在输入电压120和接地参考电压之间。然而，飞跨电容器上的纹波(即，由于负载电流和输出电感)导致两个飞跨电容器之间流动的无功能量。
102.6.t
5-t6：在t＝t5处，开关q5和q2断开。
103.7.t
6-t7：在t＝t6处，在从t＝t5的死区时间周期t
dead
之后，开关q8和q3接通。在该模式(相位)中，输出电感器144利用斜率v
out
/l
out
放电。两个飞跨电容器c
fly1
和c
fly2
保持在分别为v
cfly1
(t5)和v
cfly2
(t5)的稳定电压水平。电路状态现在如图7所示。
104.8.t
7-t8：在t＝t7处，开关q4和q7断开。在t＝t8处，开关q1和q6接通，这对应于切换周期t
sw
的一个循环。
105.双相3lfc降压转换器的自然平衡
106.如前所讨论的，由于3l-fc支路的两个中点的连接，飞跨电容器fc1和fc2在子间隔t0-t1(图6)和t4-t5(图8)期间串联连接。这迫使两个飞跨电容器电压之和等于vin：
[0107]vin
＝v
cfly1
v
cfly2
。
[0108]
这两个子间隔之间的差异在于：在时间范围t0-t1中，电容器cfly2(fc2)位于串联
连接的底部，而在t4-t5中，电容器cfly1(fc1)位于串联连接的底部。在这两个子间隔期间施加在输出电感器144两端的值等于底部电容器的电压减去输出电压：
[0109]vlout
＝v
cfly，bottom-v
out
[0110]
由两个飞跨电容器fc1和fc2的电压失配引起的电流纹波在以下段落中进行推导：
[0111]
电压deltav可计算为：
[0112][0113]
δv
init
的初始电压失配的重新平衡处理的时间相关行为可建模为：
[0114]
δv(t)＝δv
init
·
e-t/τ
。
[0115]
平衡的时间常数τ取决于各种系统参数，并且可通过以下方式以足够的精度来描述：
[0116][0117]
其中，电阻rcond是底部电容器到输出的传导路径的集总电阻，而谐振频率等于
[0118][0119]
占空比d也会影响平衡行为，因为其定义了两个飞跨电容器在通电阶段的周期为多少。调整后的占空比d
adj
如下进行计算：
[0120][0121]
图9是示出根据本文实施例的电压转换器中的多个开关的控制的示例时序图。
[0122]
在该示例性实施例中，控制器140控制操作开关的占空比大于50％。控制器140在多个模式之间进行切换，包括：i)第一模式(如图6中的模式#1)，其中第一飞跨电容器fc1和第二飞跨电容器fc2被串联连接在输入电压120和地之间，第一飞跨电容器fc1被连接到输入电压120，而第二飞跨电容器fc2被连接到接地参考，电感器144被连接到将第一飞跨电容器fc1耦合到第二飞跨电容器fc2的节点251；ii)第四模式(如图10中的模式#4)，其中电感器144被耦合以通过激活的开关q1、q2、q5和q6接收输入电压121；iii)第三模式(如图8中的模式#3)，其中第二飞跨电容器fc2和第一飞跨电容器fc1被串联连接在输入电压120和接地参考之间，第二飞跨电容器fc2被连接到输入电压120，而第一飞跨电容器fc1被连接到接地参考，电感器144耦合到将第二飞跨电容器fc2连接到第一飞跨电容器fc1的节点251。
[0123]
随着时间的推移，应注意，由负载118消耗的输出电流124的消耗发生变化。如前所讨论的，控制相应开关网络135的占空比d发生变化，以适应负载118的不同电流消耗量。本文的实施例包括实施如前面所讨论的4种模式中的一种或多种(诸如模式#1、模式#2、模式#3和模式#4)，以将输出电压123的幅度保持在期望的电压范围内，诸如设定点参考电压vref /-1％或其他合适的值。
[0124]
图10是示出根据本文实施例的处于第四模式的稳压转换器的操作的示例图。
[0125]
如前所讨论的，图10示出了模式4期间的开关q1、q2、q5和q6的激活。这经由相应的
低阻抗开关路径将输入电压120连接到电感器144，导致通过电感器144到负载118的输出电流124的幅度增加。
[0126]
图11是示出根据本文实施例的多级稳压转换器的示例图。
[0127]
在该示例实施例中，电源1100包括电压转换器1121和电压转换器130。电压转换器1121接收输入电压v2，并将其转换为提供给电压转换器130的输入电压120。
[0128]
以如上所讨论的方式，电压转换器130将输入电压120转换为向动态负载118供电的输出电压123。
[0129]
因此，电源1100是以两阶段方法实施双相3lfc的应用。
[0130]
在一个实施例中，电压转换器1121是第一功率转换器级，诸如2:1零电压切换开关电容器。第一级电压转换器1121将输入电压120提供给诸如电压转换器130(又称双相3lfc)的第二级功率转换器。
[0131]
在一个非限制性示例实施例中，当输出电压123是输入电压120的一半时(即，输出电感上的电流纹波较低)，电压转换器130在瞬态响应和功率密度方面提供良好性能，降低电压转换器130(诸如第二级3lfc)上的电流应力。在一个实施例中，控制策略仅需要能够使用商用模拟或数字控制器的占空比控制方案。
[0132]
因此，电压转换器1121可被配置为将输入电压v2(诸如48vdc)转换为输入电压120(诸如24vdc)。电压转换器130将输入电压120转换为输出电压123(诸如12vdc或其他适当值)。
[0133]
图12是示出根据本文实施例的包括交叉连接的飞跨电容器的稳压转换器的示例图。
[0134]
在该实施例中，电压转换器130(诸如双相3lfc降压转换器)利用飞跨电容器的交叉连接来实施。例如，图12中的电压转换器130-12包括具有飞跨电容器交叉连接的公共相位节点。
[0135]
在该示例实施例中，图12中的电压转换器130-12包括开关网络135，诸如包括开关q1、q2、q3、q4、q5、q6、q7和q8。电压转换器130-12还包括多个飞跨电容器，诸如飞跨电容器fc1(又称cfly1)、飞跨电容器fc2(又称cfly2)等。如前所讨论的，电压转换器130-12还包括电感器144和电容器cout。
[0136]
在该示例性实施例中，开关q1、q2、q3和q4被串联连接在输入电压节点和接地参考之间。例如，开关q1的漏极节点(d)被连接到输入电压源节点；开关q1的源极节点(s)在节点1201处被连接到开关q2的漏极节点(d)；开关q2的源极节点(s)被连接到开关q3的漏极节点(d)；开关q3的源极节点(s)在节点1202处被连接到开关q4的漏极节点(d)；开关q4的源极节点(s)被接地。
[0137]
控制器140产生控制信号s1(又称φa)、s2(又称φb)、s1*(又称φa*)和s2*(又称φb*)，其中s1*是s1的反相，其中s2*是s2的反相。控制信号s2驱动开关q1；控制信号s1驱动开关q2；控制信号s2*驱动开关q3；以及控制信号s1*驱动开关q4。
[0138]
此外，在该示例性实施例中，开关q5、q6、q7和q8串联连接在输入电压节点和接地参考之间。例如，开关q5的漏极节点(d)连接到输入电压源节点；开关q5的源极节点(s)在节点1203处连接到开关q6的漏极节点(d)；开关q6的源极节点(s)连接到开关q7的漏极节点(d)；开关q7的源极节点(s)在节点1204处连接到开关q8的漏极节点(d)；开关q8的源极节点
(s)接地。
[0139]
如前所讨论的，控制器140产生控制信号s1(又称φa)、s2(又称φb)、s1*(又称φa*)和s2*(又称φb*)，其中s1*是s1的反相，s2*是s2的反相。控制信号s1驱动开关q5；控制信号s2驱动开关q6；控制信号s1*驱动开关q7；以及控制信号s2*驱动开关q8。
[0140]
飞跨电容器cf1被耦合在节点1201和1204之间。飞跨电容器cf2被耦合在节点1202和1203之间。
[0141]
节点1251提供开关q2的源极节点、开关q3的漏极节点、开关q6的源极节点、开关q7的漏极节点和电感器144之间的连接。电感器144和电容器cout被串联连接在节点1251和电压转换器130-12的接地参考之间。
[0142]
图12所示的这种电路可以是图2所示电压转换器130的有用替代。例如，图12中的交叉连接实施例帮助减少双相3lfc降压转换器中的两个多级半桥电路之间的失配。应用于图12中的电压转换器130-12的pwm控制如图5所示。如下文进一步讨论的，3lfc-df是n电平电压转换器实施的原型。
[0143]
图13是示出根据本文实施例的双相多电平飞行电容降压转换器的示例图。
[0144]
如先前针对电压转换器130所讨论的类似方法可扩展为包括任意数目的n电平飞跨电容器降压转换器，其中n是大于1的整数值。
[0145]
在实施n＝3(即，3电平)飞跨电容功率转换器的该示例实施例中，开关q1-q8被串联连接在输入电压节点和接地参考之间。类似地，开关q9-q16被串联连接在输入电压节点和接地参考之间。
[0146]
飞跨电容器cf1、cf2、
…
cf6被连接在串联开关对之间。例如，飞跨电容器fc3与串联连接的开关q4和q5并联连接；飞跨电容器fc2与串联连接的开关q3至q6并联连接；飞跨电容器fc1与串联连接的开关q2至q7并联连接。
[0147]
飞跨电容器fc6与串联连接的开关q12和q13并联连接；飞跨电容器fc5与串联连接的开关q11至q14并联连接；飞跨电容器fc4与串联连接的开关q10和q15并联连接。
[0148]
以与前面讨论的类似方式，每个支路通过电感器lout提供电流，以产生输出电压123(vout)。
[0149]
图13中的电压转换器130-13示出了具有5电平飞跨电容器(5lfc)降压转换器的示例实施。在电压转换器130-13中，飞跨电容器电压c_fly2(fc2)和c_fly5(fc5)保持为输入电压v_in的一半。此外，c_fly1(cf1)和c_fly4(cf4)两端的平均电压将保持基本等于c_fly3(cf3)和c_fly6(cf6)两端的电压。
[0150]
在一个实施例中，为了以这样的方式控制系统以平衡连接到同一相位节点的两相n电平飞跨电容器(nlfc)的飞跨电容器电压，这两个对应的nlfc被控制为180
°
相移信号，类似于图2中的电压转换器130的控制。
[0151]
图14是根据本文实施例的用于实施先前讨论的任何操作的计算机系统的示例框图。
[0152]
本文所讨论的任何资源(诸如控制器140等)可被配置为包括计算机处理器硬件和/或相应的可执行指令，以执行本文所讨论的不同操作。
[0153]
如图所示，本示例的计算机系统1450包括互连1411，其耦合计算机可读存储介质1412(诸如非暂态类型的介质，可以是其中可存储和检索数字信息的任何合适类型的硬件
存储介质)、处理器1413(计算机处理器硬件)、i/o接口1414和通信接口1417。
[0154]
i/o接口1414支持与存储库1480和输入资源1492的连接。
[0155]
计算机可读存储介质1412可以是任何硬件存储设备，诸如存储器、光存储器、硬盘驱动器、软盘等。在一个实施例中，计算机可读存储介质1412存储指令和/或数据。
[0156]
如图所示，可利用控制器应用140-1(例如，包括指令)对计算机可读存储介质1412进行编码，以执行本文所讨论的任何操作。
[0157]
在一个实施例的操作期间，处理器1413经由互连1411的使用来访问计算机可读存储介质1412，以便启动、运行、执行、解释或以其他方式执行存储在计算机可读存储介质1412上的控制器应用140-1中的指令。控制器应用140-1的执行产生控制器处理140-2，以执行本文讨论的任何操作和/或处理。
[0158]
本领域技术人员应理解，计算机系统1450可包括其他处理和/或软件和硬件部件，诸如控制硬件资源的分配和使用以执行控制器应用140-1的操作系统。
[0159]
根据不同实施例，应注意，计算机系统可驻留在各种类型的设备中的任一种中，包括但不限于电源、开关电容转换器、功率转换器、移动计算机、个人计算机系统、无线设备、无线接入点、基站、电话设备、台式计算机、膝上型计算机、笔记本电脑、上网本电脑、大型机系统、手持计算机、工作站、网络计算机、应用服务器、存储设备、消费电子设备(诸如相机、摄像机、机顶盒、移动设备、视频游戏机、手持视频游戏设备)、外围设备(诸如开关、调制解调器、路由器、机顶盒、内容管理设备、手持远程控制设备)、任何类型的计算或电子设备等。计算机系统1450可位于任何位置，或者可以包括在任何网络环境中的任何适当资源中，以实施本文所讨论的功能。
[0160]
现在将经由图15中的流程图讨论由不同资源支持的功能。注意，以下流程图中的步骤可以任何适当的顺序执行。
[0161]
图15是示出根据本文实施例的示例方法的流程图1500。注意，在上面讨论的概念方面会有一些重叠。
[0162]
在处理操作1510中，控制器140控制电压转换器130的开关网络135，以向第一飞跨电容器fc1和第二飞跨电容器fc2充电。
[0163]
在处理操作1520中，控制器140控制开关网络135，以将第一飞跨电容器fc1和第二飞跨电容器fc2中的能量放电到电感器144。
[0164]
在处理操作1530中，控制器140经由从第一飞跨电容器fc1和第二飞跨电容器fc2接收的能量产生输出电压123以向负载118供电。
[0165]
图16是示出根据本文实施例的在电路板上制造功率转换器电路的示例图。
[0166]
在该示例实施例中，制造器1640接收衬底1610(诸如电路板)。
[0167]
制造器1640进一步将电源100(和先前讨论的相应部件)固定到衬底1610。经由电路路径1622(诸如一条或多条迹线、电缆、导线等)，制造器1640将电源100的电压转换器130耦合到负载118。在一个实施例中，电路路径1621将输出电压123传输到负载118。
[0168]
因此，本文的实施例包括一种系统，包括：衬底1610(诸如电路板、独立板、母板、被指定耦合到母板的独立板等)；电源100，包括如本文所述的对应部件(诸如电压转换器130和对应部件)；以及负载118。如前所讨论的，负载118基于输出电压123通过一个或多个电路路径1622从电压转换器130传输到负载118而供电。
[0169]
应注意，本文的其他实施例包括一种系统(如图16所示)，包括：电路衬底1610和布置在衬底1610上的负载118。电源100(装置)附接到电路衬底1610，并经由输出电压123(诸如经由一个或多个电路路径1622)向负载118供电。
[0170]
应注意，负载118可以是任何合适的电路或硬件，诸如一个或多个cpu(中央处理单元)、gpu(图形处理单元)和asic(专用集成电路，例如包括一个或多个人工智能加速器)，其可位于衬底1610上或设置在远程位置。
[0171]
再次注意，本文的技术非常适合用于电源应用。然而，应当注意，本文的实施例不限于用于这种应用，并且本文讨论的技术也非常适合于其他应用。
[0172]
虽然已经参考本发明的优选实施例具体示出和描述了本发明，但本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求所定义的本技术的精神和范围的情况下，可以对本发明的形式和细节进行各种改变。这种变更旨在包含在本技术的范围内。如此，本技术实施例的前述描述并不用于限制。相反，对本发明的任何限制在以下权利要求中提出。