具有稳定操作的串联堆叠相位DC-DC转换器的制作方法

具有稳定操作的串联堆叠相位dc-dc转换器
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2021年8月23日提交的“具有稳定操作的串联堆叠相位dc-dc转换器”的美国临时专利申请第63/236,116号的优先权，所述申请出于所有目的以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
3.所描述实施例大体上涉及功率转换器，且更确切地说，本发明实施例涉及串联堆叠dc-dc功率转换器电路。


背景技术：

4.当今消费者可以使用各种各样的电子装置。这些装置中的许多具有由已调节的低电压dc电源供电的集成电路。这些低电压电源通常由使用来自电池或其他电源的更高电压输入的专用功率转换器电路产生。在一些应用中，专用功率转换器电路可能是电子装置的最大功率耗散组件之一，且有时会比其供电的集成电路消耗更多空间。随着电子装置变得更复杂和更紧凑，需要更高效的功率转换器电路。


技术实现要素：

5.在一些实施例中，公开了一种电路。电路包括：第一顶部降压转换器电路，其在第一连接节点和第二连接节点处并联耦合到第二顶部降压转换器电路；和底部降压转换器电路，其在第二连接节点处串联耦合到第一和第二顶部降压转换器电路中的每一个；功率输入端子，其耦合到第一和第二顶部降压转换器电路；和功率输出端子，其耦合到底部降压转换器电路和第一连接节点。
6.在一些实施例中，第一顶部降压转换器电路包括在第一开关节点处耦合到第一低侧开关的第一高侧开关。
7.在一些实施例中，第一顶部降压转换器电路包括耦合到第一开关节点的第一飞跨电容器。
8.在一些实施例中，第二顶部降压转换器电路包括在第二开关节点处耦合到第二低侧开关的第二高侧开关。
9.在一些实施例中，功率输入端子耦合到第一和第二高侧开关。
10.在一些实施例中，第二顶部降压转换器电路包括耦合到第二开关节点的第二飞跨电容器。
11.在一些实施例中，第一飞跨电容器通过第一开关耦合到第一电感器，且第二飞跨电容器通过第二开关耦合到第一电感器。
12.在一些实施例中，底部降压转换器电路包括在第三开关节点处耦合到第三低侧开关的第三高侧开关。
13.在一些实施例中，第三开关节点耦合到第二电感器。
14.在一些实施例中，功率输出端子通过第二电感器耦合到第三开关节点且通过第一电感器耦合到第一连接节点。
15.在一些实施例中，公开了一种电路。电路包括：第一顶部降压转换器电路，其耦合到输入端子；第二顶部降压转换器电路，其耦合到输入端子，第一顶部降压转换器电路在第一和第二连接节点处耦合到第二顶部降压转换器电路；底部降压转换器电路，其在第二连接节点处耦合到第一和第二顶部降压转换器电路；和输出端子，其耦合到底部降压转换器电路和第一连接节点。
16.在一些实施例中，第一顶部降压转换器电路包括在第一开关节点处耦合到第一低侧开关的第一高侧开关。
17.在一些实施例中，第一顶部降压转换器电路包括耦合到第一开关节点的第一飞跨电容器。
18.在一些实施例中，第二顶部降压转换器电路包括在第二开关节点处耦合到第二低侧开关的第二高侧开关。
19.在一些实施例中，输入端子耦合到第一和第二高侧开关。
20.在一些实施例中，第二顶部降压转换器电路包括耦合到第二开关节点的第二飞跨电容器。
21.在一些实施例中，第一飞跨电容器通过第一开关耦合到第一电感器，且第二飞跨电容器通过第二开关耦合到第一电感器。
22.在一些实施例中，底部降压转换器电路包括在第三开关节点处耦合到第三低侧开关的第三高侧开关。
23.在一些实施例中，第三开关节点耦合到第二电感器。
24.在一些实施例中，第一和第二顶部降压转换器电路以及底部降压转换器电路布置成在输出端子处产生低于输入端子处的输入电压的输出电压。
附图说明
25.图1说明根据本公开的实施例的串联堆叠相位dc-dc功率转换器电路；
26.图2a说明根据本公开的实施例的以50％的占空比操作的图1的电路的切换序列和时序图；且
27.图2b说明根据本公开的实施例的以最大占空比操作的图1的电路的切换序列和时序图。
具体实施方式
28.本文中所公开的电路及相关技术大体上涉及功率转换器。更确切地说，本文中所公开的电路、装置和相关技术涉及串联堆叠相位直流到直流(dc-dc)功率转换器。在一些实施例中，可消除串联堆叠相位dc-dc转换器的顶部相位的存储元件与底部相位的存储元件之间的电荷转移。去除存储元件之间的电荷转移可引起消除可能存在于串联堆叠相位dc-dc转换器中的正反馈回路。通过去除正反馈回路，本公开的实施例可防止串联堆叠相位dc-dc转换器的运行中断且可提供转换器的连续稳定操作。
29.在各种实施例中，可实现正反馈回路的消除和转换器的稳定操作，同时允许转换
器在其操作中实现100％占空比。此外，本公开的实施例可在不使用较高额定电压的装置的情况下实现转换器的顶部相位的存储元件与底部相位的存储元件之间的电荷转移的去除，从而降低系统成本。此外，本公开的实施例可防止串联堆叠相位dc-dc功率转换器的运行中断而不影响功率转换器的效率。本文中描述了各种发明性实施例，包括方法、过程、系统、装置等。
30.现将相对于附图描述若干说明性实施例，附图形成本发明的一部分。以下描述仅提供实施例，且并不意图限制本公开的范畴、适用性或配置。实情为，实施例的以下描述将为所属领域的技术人员提供用于实施一个或多个实施例的启迪性描述。应理解，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下对元件的功能和配置做出各种改变。在以下描述中，出于解释的目的，阐述特定细节以便提供对特定发明性实施例的透彻理解。然而，将显而易见，可在无这些特定细节的情况下实践各种实施例。图式和描述并不意图为限制性的。本文中使用词语“实例”或“示例性”来意指“充当实例、例子或图示”。本文中描述为“示例性”或“实例”的任何实施例或设计不一定被解释为优先于或优于其它实施例或设计。
31.图1说明根据本公开的实施例的串联堆叠相位dc-dc功率转换器电路100。如图1中所展示，电路100可包括区段101(顶部相位-a)和103(顶部相位-b)中所展示的两个顶部降压转换器级。电路100可进一步包括区段105(底部相位)中所展示的底部降压转换器级。顶部或底部相位降压转换器级也可称为顶部或底部降压转换器电路。在顶部相位-b 103中复制顶部相位-a 101中的降压转换器中的高侧和低侧开关。顶部相位-a 101和顶部相位-b 103可耦合到输入端子111和连接节点107以形成并联配置。此外，顶部相位-a 101和顶部相位-b 103可在第一连接节点109处耦合在一起。输入端子111可布置成接收输入电压v
in
。顶部相位-a 101和顶部相位-b 103可在连接节点107处以串联配置连接到底部相位105(具有电压vm)。顶部相位-a 101可为可包括串联连接的开关102和104的降压转换器级，且顶部相位-b 103可为可包括串联连接的开关118和120的降压转换器级。底部相位105级可为包括串联连接的开关106和108的降压转换器。电路100可包括飞跨电容器(flycap)122和124。flycap 122可耦合到开关节点141且flycap 124可耦合到开关节点143。电路100可连接在输入端子111与接地115之间。电路100可包括具有输出电压v
out
的输出端子154。输出端子154可耦合到负载电容器130和负载132。在一些实施例中，v
out
的值可小于v
in
的值。电路100可进一步包括耦合在第一连接节点109与输出端子154之间的电感器128。电路100还可包括连接在开关节点145与输出端子154之间的电感器126。
32.电路100可进一步包括产生第一时钟φ
1 138的第一时钟产生器134，产生第二时钟φ
2 140的第二时钟产生器136，产生第三时钟φ
1a 146的第三时钟产生器142和产生第四时钟φ
1b 148的第四时钟产生器144。在一些实施例中，第三时钟φ
1a 146和第四时钟φ
1b 148可从第一时钟φ
1 138产生。顶部相位-a 101可进一步包括开关110和112。开关110和112可耦合到flycap122。开关112可用于将flycap 122连接到接地，同时开关110可用于将flycap 122连接到电感器128。顶部相位-b可进一步包括开关114和116。开关114和开关116可耦合到flycap 124。开关116可用于将flycap 124连接到接地，同时开关114可用于将flycap 124连接到电感器128。开关102可由第三时钟146控制，而开关104、112和114可由为第三时钟146的反相的时钟149控制。开关106可由第二时钟140控制，而开关108可由为第二时钟140的反相的时钟151控制。开关118可由第四时钟148控制，而开关110、120和116可由
为第四时钟148的反相的时钟153控制。在电路100中，顶部相位-a 101和顶部相位-b 103可交替地操作以便为flycap 122和124充电。flycap 122和124可为底部相位105提供连续电源。通过这种方式，连接节点107可在不使用充电电容器的情况下操作，这是因为flycap 122或124中的任一个在连接节点107处连续连接，从而为底部相位105的操作提供供电电压。因此，可避免正反馈回路，且规避串联堆叠相位dc-dc功率转换器的运行中断。此外，电路100可在没有正反馈且不使用相对较高额定电压装置的情况下操作，从而降低系统成本。
33.现同时参考图1和图2a，说明了电路100的切换序列和时序图200a的实施例。时序图200a说明电路100的50％占空比操作的情况。在第一时间周期中，参考顶部相位-a 101，当第三时钟146为高时，开关102可被控制为接通且为flycap 122充电。开关104和112可被控制为断开，这是因为其由第三时钟146的反相控制。开关110可在这一时间期间被控制为接通，这是因为开关110由在这一时间期间为高的第四时钟148的反相控制。因此，可形成从v
in
到flycap 122到电感器128到v
out
的电流路径。在这一期间，flycap 122被充电。以类似方式，参考顶部相位-b 103，当第四时钟148为高时，开关118可被控制为接通且为flycap 124充电。开关120和116可断开，这是因为其由时钟153(第四时钟148的反相)控制。开关114可在这一时间期间被控制为接通，这是因为开关114由在这一时间期间为高的第三时钟146的反相控制。因此，可形成从v
in
到flycap 124到电感器128到v
out
的电流路径。在这一期间，flycap 124被充电。
34.在第二时间周期中，当第三时钟146为低的而其反相为高时，开关104、110、112、114、116和120可被控制为接通。因此，flycap 122和124并联连接在节点vm与接地之间。这使连接到节点vm的电容最大化。此外，由于开关110和112并联连接到开关114和116，因此电感器128对接地的阻抗降至最小。此外，由于开关104和120以并联配置出现在flycap与节点vm之间，因此连接在flycap 122和124与节点vm之间的有效电阻降至最小，且连接在flycap 122和124与接地115之间的有效电阻可由于开关112和116以并联配置出现而降至最小。以这种方式，这些开关可优化成相对较小，以便转换器以峰值效率运行。
35.现同时参考图1和图2b，说明了电路100的切换序列和时序图200b的实施例。时序图200b说明电路100的最大占空比操作的情况。在最大占空比操作模式中，第一时钟138以其最大占空比运行，同时第二时钟140也以其最大占空比运行。电路100在这些条件下可以正常工作，且电路100的运行不会中断。在一些实施例中，在电感器128的充电周期期间，可存在与电感器128串联的两个开关(102和110，或118和114)。与电感器128串联的有效电阻的略微增加可使得转换器的最大效率略微降低，然而，这可通过顶部相位的低侧操作的较小损耗来补偿。
36.所属领域的技术人员将理解，可存在控制电路100中的开关的替代方法，以便以实现更简单的整体回路控制的方式对开关进行定相。在替代切换方案中，代替如先前所描述一起接通所有开关104、112、110、114、116和120，可设计作用中相位和非作用中相位，其中当顶部相位-a处于作用中时，接通开关110，且当顶部相位-b处于作用中时，可接通开关114。在这一切换方案中，电感器128可通过开关110和112或通过开关114和116释放其电流。以这种方式，可相对容易地监控和检测例如零电感器电流条件。在这一方案中，flycap 122和flycap 124可交替地作为飞跨电容器和用于节点vm的电容器操作，且可或可不具有较短重叠周期。在另一切换方案实例中，在轻负载条件下，flycap 122和flycap 124可并联操作
以使功率损耗降至最低。在又另一切换方案实例中，flycap 122或124中的任一个的端子可为三态的，这可适用于降低噪声和/或减小电容器-电容器电荷共享损耗。所属领域的技术人员将进一步理解，控制电路100中的开关的替代方法可用于优化轻负载效率，或最小化面积，和/或使电磁干扰(emi)降至最低。
37.尽管本文针对串联堆叠dc-dc功率转换器电路的一种特定配置描述和说明了用于去除串联堆叠相位dc-dc转换器中的飞跨电容器电荷转移的系统和方法，但本公开的实施例适合与功率转换器所其他配置一起使用。举例来说，dc-dc功率转换器电路可采用本公开的实施例来去除正反馈回路且更有效地操作。
38.在一些实施例中，所描述开关可在硅或任何其他半导体材料中形成。在各种实施例中，所描述开关可为晶体管。在一些实施例中，所描述开关可为金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。在各种实施例中，所公开mosfet均可在单个管芯井上形成。在一些实施例中，所公开的串联堆叠相位dc-dc转换器可以单片整合到单个管芯上。在各种实施例中，顶部相位-a、顶部相位-b和底部相位可以形成在单独的个别管芯上。在一些实施例中，顶部相位-a、顶部相位-b和底部相位以及其任意组合可成组地形成在单独管芯上，例如，顶部相位-a和顶部相位-b可形成在单个管芯上且底部相位可形成在另一管芯上，或顶部相位-a和底部相位可形成在单个管芯上且顶部相位-b可形成在另一管芯上。在各种实施例中，顶部相位-a、顶部相位-b和底部相位可整合到一个电子封装中，例如但不限于整合到四扁平无引线(qfn)封装，或双扁平无引线(dfn)封装、球栅阵列(bga)封装中。在一些实施例中，顶部相位-a、顶部相位-b和底部相位可单独封装到电子封装中。在各种实施例中，控制器电路和/或控制逻辑电路可与所公开的串联堆叠相位dc-dc转换器一起整合到单个管芯中。
39.在前文说明书中，本公开的实施例已经参考可针对不同实施方案变化的许多特定细节进行描述。因此，说明书和图式应视为说明性的而非限制性意义的。本公开的范围的唯一和排他性指标，以及申请人所意图成为本公开的范围的内容，是本技术发布的权利要求集合的字面和等效范围，在这类权利要求发布的具体形式中，包括任何后续更正。在不脱离本公开的实施例的精神和范围的情况下，可以任何合适的方式组合特定实施例的具体细节。
40.另外，诸如“底部”或“顶部”等的空间相对术语可用于描述元件和/或特征与另一元件和/或特征的关系，例如如图式中所说明。将理解，除图式中所描绘的定向以外，空间相对术语旨在涵盖在使用和/或操作中的装置的不同定向。举例来说，如果图式中的装置被翻转，那么描述为“底部”表面的元件可定向为“在”其他元件或特征“上”。装置可以其他方式定向(例如，旋转90度或处于其他定向)且相应地解释本文中所使用的空间相对描述符。
41.如本文中所使用的术语“和”、“或”和“一/或”可包括多种含义，所述含义预期还至少部分地取决于使用这类术语的上下文。通常，如果“或”用于关联一个列表(诸如a、b或c)，那么既定意味着a、b和c，此处是在包括性意义上使用，以及a、b或c，此处是在排它性意义上使用。另外，如本文中所使用的术语“一个或多个”可用于以单数形式描述任何特征、结构或特性，或可用于描述特征、结构或特性的某一组合。然而，应注意，这仅为说明性实例，且所主张主题不限于这一实例。此外，如果术语“中的至少一个”用于关联一个列表(诸如a、b或c)，那么可将其解释为表示a、b和/或c的任何组合，诸如a、b、c、ab、ac、bc、aa、aab、abc、aabbccc等。
42.贯穿本说明书对“一个实例”、“实例”、“某些实例”或“示例性实施方案”的提及意味着关于特征和/或实例描述的特定特征、结构或特性可包括在所要求主题的至少一个特征和/或实例中。因此，短语“在一个实例中”、“实例”、“在某些实例中”、“在某些实施方案中”或其它相似短语在贯穿本说明书的各处的出现未必均指同一特征、实例和/或限制。此外，特定特征、结构或特性可组合在一个或多个实例和/或特征中。
43.在先前详细描述中，已经阐述许多具体细节以提供对所要求主题的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些具体细节的情况下实践所要求主题。在其它情况下，未详细描述将由所属领域的一般技术人员所已知的方法和设备以免混淆所要求主题。因此，希望所要求主题不限于所公开的特定实例，而是这一所要求主题还可包括属于所附权利要求书和其等效物的范围内的所有方面。