一种开关电容转换器的制作方法

1.本发明涉及电源技术领域，特别涉及一种开关电容转换器。


背景技术：

2.开关电容转换器通常用作cpu、芯片组、外设等低压大电流负载的电源，由于电路中不包含磁性器件，从而降低了功率损耗，且具有大变比、高功率密度、器件应力小的特点。因此相较于传统的降压转换器可采用低耐压的开关管实现较高的转换效率，同时开关电容转换器具有更大的降压比。
3.图1(a)为现有技术开关电容转换器的电路一个实施例的示意图，包括开关管s1、开关管s2、开关管s3、开关管s4、电容c1、电容c2、输入端vin、输出端vout和接地端；开关管s1的一端连接输入端vin，开关管s1的另一端同时连接开关管s2的一端和电容c1一端，开关管s2的另一端同时连接输出端vout、开关管s3的一端和电容c2一端，开关管s3的另一端同时连接开关管s4的一端和电容c1另一端，开关管s4的另一端同时连接接地端和电容c2另一端；开关管s1、开关管s2、开关管s3和开关管s4的控制端分别用于输入驱动信号g1、驱动信号g2、驱动信号g3和驱动信号g4，驱动信号g1、驱动信号g2、驱动信号g3和驱动信号g4为高电平时开关管s1、开关管s2、开关管s3和开关管s4开通，驱动信g1、驱动信号g2、驱动信号g3和驱动信号g4为低电平时开关管s1、开关管s2、开关管s3和开关管s4关闭。
4.图2为图1(a)开关电容转换器电路的时序图，开关管s1、开关管s2、开关管s3和开关管s4均以50％占空比工作，开关管s1和开关管s3的驱动波形相同，开关管s2和开关管s4的驱动波形相同，并且开关管s1和开关管s3的驱动波形与开关管s2和开关管s4的驱动波形互补。
5.图1(b)为图1(a)在开关管s1和开关管s3导通时的等效电路图，开关管s1和开关管s3导通时，电容c1和电容c2连接到vin进行充电，将电容c1和电容c2的容值设计为大小相同，输出端vout电压为1/2vin；图1(c)为图1(a)在开关管s2和开关管s4导通时的等效电路图，开关管s2和开关管s4导通时，电容c1和电容c2对vout放电，由于电容c1和电容c2的容值设计为相同，输出端vout电压为1/2vin。因此图1(a)的开关电容转换器的降压比仅为2:1，并且电容c1、电容c2电压为1/2vin，充放电冲击电流大，导致器件损耗增加，寿命缩短。
6.现有的开关电容转换器电路要实现较大的变比，需增加开关器件和电容实现，由于开关器件的增加，导致控制的复杂度以及浮地驱动的成本均会增加。例如，实现3:1的变比时现有技术开关电容转换器的电路示意图请参考图3，此时需要六个mos管，其中五个mos管为浮地驱动，其时序图请参考图4，电容c1、c2、c3、co取值相同，因此当降压比增加时，需采样更多的浮地驱动芯片，并且增加mos管使得开关电容转换器的整体损耗也将增加。


技术实现要素：

7.有鉴如此，本发明提出一种开关电容转换器，至少在一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一。
8.为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案实施例如下：
9.一种开关电容转换器，包括开关管s1、开关管s2、开关管s3、开关管s4、电容c2、电容c3、电容c4、二极管、二极管d2、二极管d3、输入端vin、输出端vout和接地端；
10.所述开关管s1的一端连接所述输入端vin，所述开关管s1的另一端同时连接所述开关管s2的一端、所述电容c3一端和所述二极管d3的阴极，所述电容c3另一端同时连接所述二极管d1的阴极和所述二极管d2的阳极，所述二极管d2的阴极同时连接所述二极管d3的阳极和所述电容c4一端，所述开关管s2的另一端同时连接所述输出端vout、所述开关管s3的一端和所述电容c2一端，所述开关管s3的另一端同时连接所述开关管s4的一端、所述二极管d1的阳极和所述电容c4另一端，所述开关管s4的另一端和所述电容c2另一端同时连接所述接地端；
11.所述开关电容转换器工作时，所述开关管s1、所述开关管s2、所述开关管s3和所述开关管s4的占空比均为50％，所述开关管s1和所述开关管s3的驱动波形相同，所述开关管s2和所述开关管s4的驱动波形相同，并且所述开关管s1和所述开关管s3的驱动波形与所述开关管s2和所述开关管s4的驱动波形互补。
12.优选地，所述开关管s1、所述开关管s2、所述开关管s3和所述开关管s4均为mos管。
13.进一步地，所述开关电容转换器工作时，所述开关管s1和所述开关管s3的驱动波形与所述开关管s2和所述开关管s4的驱动波形设置有死区时间。
14.进一步地，所述开关电容转换器还包括至少一个扩展开关模块；所述扩展开关模块包括：电容c7_i、二极管d7_i、二极管d8_i、和二极管d9_i，i为大于或等于1的自然数；所述二极管d7_i的阴极连接所述开关管s1的另一端，所述二极管d7_i的阳极和所述电容c7_i一端连接在一起作为所述扩展开关模块的输入端，所述电容c7_i另一端同时连接所述二极管d8_i的阴极和所述二极管d9_i的阳极，所述二极管d8_i的阳极连接所述开关管s3的另一端，所述二极管d9_i的阴极作为所述扩展开关模块的输出端；
15.当所述扩展开关模块为1个时，该所述扩展开关模块的输入端连接所述二极管d2的阴极，该所述扩展开关模块的输出端连接所述二极管d3的阳极和所述电容c4一端的连接点；
16.当所述扩展开关模块为2个或两个以上时，第一个扩展开关模块的输入端连接所述二极管d2的阴极，前一个扩展开关模块的输出端连接后一个扩展开关模块的输入端，最后一个展开关模块的输出端连接所述二极管d3的阳极和所述电容c4一端的连接点。
17.进一步地，所述开关电容转换器还包括二极管d4、二极管d5、二极管d6和电容c6；所述二极管d6的阴极连接所述电容c2一端，所述二极管d6的阳极同时连接所述二极管d5的阴极和所述电容c6一端，所述二极管d5的阳极同时连接所述电容c5另一端和所述二极管d4的阴极，所述二极管d4的阳极和所述电容c6另一端同时连接所述接地端。
18.进一步地，所述开关电容转换器还包buck电路；所述buck电路包括开关管s5、开关管s6、电感l1和输出电容co；开关管s5的另一端连接开关管s3的一端，开关管s5的另一端同时连接开关管s6的一端和电感l1一端，电感l1另一端和输出电容co一端同时连接输出端vout，开关管s6的另一端和输出电容co另一端同时连接接地端；
19.所述开关电容转换器工作时，所述开关管s5和所述开关管s6的驱动波形互补；所述开关管s1和所述开关管s3开通阶段，所述开关管s5关断；所述开关管s2和所述开关管s4
开通阶段，所述开关管s5可以开通。
20.进一步地，所述开关电容转换器工作时，所述开关管s5和所述开关管s6的驱动波形设置有死区时间。
21.进一步地，所述开关电容转换器工作时，所述开关管s1、所述开关管s2、所述开关管s3和所述开关管s4的占空比由所述buck电路闭环调节的占空比决定。
22.进一步地，所述开关电容转换器工作时，所述开关管s2和所述开关管s4的导通时间需≥所述开关管s5导通时间。
23.本发明对比现有技术有如下的有益效果：
24.(1)本发明实施例提供的开关电容转换器，电路所需的开关管数量少，数量仅为四个，因此具有控制简单，开关管损耗降低，同时，开关管数量减少降低了驱动芯片的数量，满足低成本要求。
25.(2)本发明实施例所提供的开关电容转换器通过增加扩展开关模块和/或buck电路能使降压比达到3:1、4:1等，可扩展性增加。
26.(3)本发明实施例所提供的开关电容转换器中每个电容的分压减小，电容的充放电冲击电流小，开关管电压应力降低，器件损耗减小，寿命提升。
附图说明
27.通过以下附图对本发明实施例进行描述，使本发明的技术特征和优点将更为清楚：
28.图1(a)为现有技术开关电容转换器一个实施例的电路示意图；
29.图1(b)为图1(a)在开关管s1和开关管s3导通时的等效电路图；
30.图1(c)为图1(a)在开关管s2和开关管s4导通时的等效电路图；
31.图2为图1(a)开关电容转换器电路的时序图；
32.图3为现有技术开关电容转换器另一个实施例的电路示意图；
33.图4为图3开关电容转换器电路的时序图；
34.图5(a)为本发明第一实施例的开关电容转换器的电路示意图；
35.图5(b)为图5(a)在开关管s1和开关管s3导通时的等效电路图；
36.图5(c)为图5(a)在开关管s2和开关管s4导通时的等效电路图；
37.图6为图5(a)开关电容转换器电路的时序图；
38.图7本发明第二实施例的开关电容转换器的电路示意图；
39.图8(a)为本发明第三实施例开关电容转换器的电路示意图；
40.图8(b)为图8(a)在开关管s1和开关管s3导通时的等效电路图；
41.图8(c)为图8(a)在开关管s2和开关管s4导通时的等效电路图；
42.图9为图8(a)开关电容转换器电路的时序图；
43.图10为本发明第四实施例开关电容转换器的电路示意图；
44.图11为图10开关电容转换器电路的时序图。
具体实施方式
45.以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例，以下
实施例也不是对本发明的保护范围进行限制。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
46.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书中描述的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列元器件、单元电路或控制时序不必限于清楚地列出的那些元器件、单元电路或控制时序，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些电路固有的元器件、单元电路或控制时序。
47.另外，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
48.应该理解的是，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件。
49.实施例一
50.图5(a)为本发明第一实施例的开关电容转换器的电路示意图，请参考图5，包括开关管s1、开关管s2、开关管s3、开关管s4、电容c2、电容c3、电容c4、二极管、二极管d2、二极管d3、输入端vin、输出端vout和接地端；开关管s1的一端连接输入端vin，开关管s1的另一端同时连接开关管s2的一端、电容c3一端和二极管d3的阴极，电容c3另一端同时连接二极管d1的阴极和二极管d2的阳极，二极管d2的阴极同时连接二极管d3的阳极和电容c4一端，开关管s2的另一端同时连接输出端vout、开关管s3的一端和电容c2一端，开关管s3的另一端同时连接开关管s4的一端、二极管d1的阳极和电容c4另一端，开关管s4的另一端和电容c2另一端同时连接接地端；开关管s1、开关管s2、开关管s3和开关管s4的控制端分别用于输入驱动信号g1、驱动信号g2、驱动信号g3和驱动信号g4，驱动信号g1、驱动信号g2、驱动信号g3和驱动信号g4为高电平时开关管s1、开关管s2、开关管s3和开关管s4开通，驱动信g1、驱动信号g2、驱动信号g3和驱动信号g4为低电平时开关管s1、开关管s2、开关管s3和开关管s4关闭。
51.其中的开关管s1、开关管s2、开关管s3和开关管s4例如可以为：mos管，此时mos管的漏极为开关管的一端、mos管的源极为开关管的另一端、mos管的栅极为开关管的控制端；或者绝缘栅双极晶体管(igbt)、双极结型晶体管(双极晶体管或bjt)，以及其他有源受控功率半导体，端子的连接方法与mos管的端子连接方法对应一致。对于本领域的技术人员而言，可以根据需要选择何种类型的开关管作为本发明的开关管s1至s4，并将相关的端子进行对应配置，本发明对于开关管s1至s4的选择不做限定。
52.图6为图5(a)开关电容转换器电路的时序图，开关管s1、开关管s2、开关管s3和开关管s4均以50％占空比工作，开关管s1和开关管s3的驱动波形相同，开关管s2和开关管s4的驱动波形相同，并且开关管s1和开关管s3的驱动波形与开关管s2和开关管s4的驱动波形互补的同时设置有死区时间避免共通。
53.图5(b)为图5(a)在开关管s1和开关管s3导通时的等效电路图，开关管s1和开关管s3导通时，输入端vin、开关管s1、电容c3、二极管d2、电容c4、开关管s3、电容c2和接地端构成的回路给电容c3、电容c4和电容c2充电，输出端vout电压为1/3*vin,实现3:1降压。
54.图5(c)为图5(a)在开关管s2和开关管s4导通时的等效电路图，开关管s2和开关管s4导通时：接地端、开关管s4、二极管d1、电容c3、开关管s2和输出端vout构成一个回路，电容c3对输出端vout放电；接地端、开关管s4、电容c3、二极管d3、开关管s2和输出端vout构成一个回路，电容c4对输出端vout放电；接地端和电容c2构成一个回路，电容c2对输出端vout
放电；此时电容c3和电容c4并联后再和电容c2串联对输出端vout放电,由于电容c3、电容c4和电容c5的容值设计为大小相同，实现3:1降压。
55.本实施例的开关电容转换器电路降压比为3:1，较图3所示降压比为3:1的开关电容转换器未增加开关管数量，控制简单，并且电容c2、电容c3和电容c4分压小，从而冲击电流小，损耗降低。
56.实施例二
57.图7本发明第二实施例的开关电容转换器的电路示意图，请参考图5，本实施例在第一实施例的基础上增加至少一个或扩展开关模块。各扩展开关模块包括：电容c7_i、二极管d7_i、二极管d8_i、和二极管d9_i，i为大于或等于1的自然数，二极管d7_i的阴极连接开关管s1的另一端，二极管d7_i的阳极和电容c7_i一端连接在一起作为扩展开关模块的输入端，电容c7_i另一端同时连接二极管d8_i的阴极和二极管d9_i的阳极，二极管d8_i的阳极连接开关管s3的另一端，二极管d9_i的阴极作为扩展开关模块的输出端。
58.各扩展开关模块在第一实施例中的连接关系为：
59.当扩展开关模块为1个时，扩展开关模块的输入端连接二极管d2的阴极，扩展开关模块的输出端连接二极管d3的阳极和电容c4一端的连接点；
60.当扩展开关模块为2个或两个以上时，第一个扩展开关模块的输入端连接二极管d2的阴极，前一个扩展开关模块的输出端连接后一个扩展开关模块的输入端，最后一个展开关模块的输出端连接二极管d3的阳极和电容c4一端的连接点。
61.本实施例在开关管s1和开关管s3导通时：输入端vin、开关管s1、电容c3、二极管d2、各扩展开关模块中的电容c7_i和二极管d7_9组成的串联电路、电容c4、开关管s3、电容c2和接地端构成的回路给电容c3、各扩展开关模块中的电容c7_i、电容c4和电容c2充电，各电容取值均相同，输出端vout电压为1/(3 n)*vin，其中n为扩展开关模块的数量，n的取值为大于或等于1的自然数，实现(n 3):1降压。
62.开关管s2和开关管s4导通时：接地端、开关管s4、二极管d1、电容c3、开关管s2和输出端vout构成一个回路，电容c3对输出端vout放电；接地端、开关管s4、二极管d8_i、电容c7_i、二极管d7_i、开关管s2和输出端vout构成一个回路，该回路的数量与扩展开关模块的个数相同；接地端、开关管s4、电容c3、二极管d3、开关管s2和输出端vout构成一个回路，电容c4对输出端vout放电；接地端和电容c2构成一个回路，电容c2对输出端vout放电；此时电容c3、电容c7_i和电容c4并联后再和电容c2串联对输出端vout放电，由于各电容取值均相同，实现(n 3):1降压。
63.通过上面的分析可知，本实施例的降压比为(n 3):1，可见本实施例在不增加开关管数量时可实现大的降压比，同时转换器的可扩展性增加。
64.实施例三
65.图8(a)为本发明第一实施例的开关电容转换器的电路示意图，请参考图8(a)施例一基础上增加二极管d4、二极管d5、二极管d6和电容c6，二极管d6的阴极连接电容c2一端，二极管d6的阳极同时连接二极管d5的阴极和电容c6一端，二极管d5的阳极同时连接电容c5另一端和二极管d4的阴极，二极管d4的阳极和电容c6另一端同时连接接地端。
66.图9为图8(a)开关电容转换器电路的时序图，开关管s1、开关管s2、开关管s3和开关管s4均以50％占空比工作，开关管s1和开关管s3的驱动波形相同，开关管s2和开关管s4
的驱动波形相同，并且开关管s1和开关管s3的驱动波形与开关管s2和开关管s4的驱动波形互补的同时设置有死区时间避免共通。
67.图8(b)为图8(a)在开关管s1和开关管s3导通时的等效电路图，开关管s1和开关管s3导通时，输入端vin、开关管s1、电容c3、二极管d2、电容c4、开关管s3、电容c2、二极管d6、电容c6和接地端构成的回路给电容c3、电容c4、电容c2和电容c6充电，各电容取值均相同，输出端vout电压为1/2*vin，实现2:1降压。
68.图8(c)为图8(a)在开关管s2和开关管s4导通时的等效电路图，开关管s2和开关管s4导通时：接地端、开关管s4、二极管d1、电容c3、开关管s2和输出端vout构成一个回路，电容c3对输出端vout放电；接地端、开关管s4、电容c3、二极管d3、开关管s2和输出端vout构成一个回路，电容c4对输出端vout放电；接地端、二极管d4和电容c2构成一个回路，电容c2对输出端vout放电；接地端、电容c6、二极管d6构成一个回路，电容c6对输出端vout放电；此时电容c3和电容c4并联形成的网络与电容c2和电容c6并联形成的网络串联后对输出端vout放电，由于各电容取值均相同，实现4:1降压。
69.实施例四
70.图10为本发明第四实施例开关电容转换器的电路示意图，请参考图10，本实施例在第三实施例的基础上增加buck电路实现更大变比降压，同时使输出端vout为恒压输出。buck电路包括开关管s5、开关管s6、电感l1和输出电容co；开关管s5的另一端连接开关管s3的一端，开关管s5的另一端同时连接开关管s6的一端和电感l1一端，电感l1另一端和输出电容co一端同时连接输出端vout，开关管s6的另一端和输出电容co另一端同时连接接地端；开关管s5和开关管s6的控制端分别用于输入驱动信号g5和驱动信号g6，驱动信号g5和驱动信号g6为高电平时开关管s5和开关管s6开通，驱动信g5和驱动信号g6为低电平时开关管s5和开关管s6关闭。
71.其中电容c3、电容c4、电容c5和电容c6取值均相同，电容co的取值与负载电流i的大小、电容co的电压纹波取值和buck电路的工作周期t有关，计算公式为c*v＝i*t。
72.图11为图10开关电容转换器电路的时序图，其中vs为开关管s2的另一端和开关管s3的一端连接在一起的节点的电压，vout为开关电容转换器输出端vout的电压。请参见图11，其中开关管s1和开关管s3的驱动波形相同，开关管s2和开关管s4的驱动波形相同，并且开关管s1和开关管s3的驱动波形与开关管s2和开关管s4的驱动波形互补的同时设置有死区时间避免共通，开关管s5和开关管s6的驱动波形互补的同时设置有死区时间避免共通，开关管s1、开关管s2、开关管s3和开关管s4的占空比由buck电路闭环调节的占空比决定，因此开关管s1、开关管s2、开关管s3和开关管s4不限于以50％占空比工作，从而实现对输出电压更宽范围调节。电容的充放电在极短时间内可以完成，其余时间均在保持状态，开关管s1、开关管s2、开关管s3和开关管s4占空比将取决于后级占空比调节。
73.在开关管s1和开关管s3开通阶段，vs为1/2*vin，此时开关管s5不开通，开关管s6开通，由电感l1续流为输出提供能量。
74.在开关管s2和开关管s4开通阶段，vs为1/4*vin，开关管s5可在此阶段导通，以1/4*vin给电感l1励磁，vout为d(1/4*vin)，d为开关管s5的占空比，实现各大变比的降压，vout具有恒压输出。
75.其中开关管s2和开关管s4的导通时间是由开关管s5的导通时间决定，开关管s2和
s4的导通时间需≥开关管s5导通时间，即ton(s2、s4)≥ton(s5)，开关管s1、开关管s2、开关管s3和开关管s4占空比将取决于后级s5占空比调节，使d得调节范围更大，即有更宽输出电压范围。
76.例如，vin为48v，开关管s1和开关管s3开通阶段，vs为24v，此时开关管s5不开通，开关管s6开通，由电感l1续流为输出提供能量；在开关管s2和s4开通阶段，vs为12v，开关管s5可在此阶段导通，以12v作为buck的输入电压进行更大变比的降压。该转换器的可提高输入电压范围，提高降压比并且具有恒压输出。
77.上述实施例所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。