專利名稱：具有改善的瞬變電流能力的增壓dc/dc 電壓轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用在DC/DC (直流/直流)轉(zhuǎn)換和電壓調(diào)節(jié)中的開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)、操作和性能，以及涉及用在這樣轉(zhuǎn)換器中的半導(dǎo)體部件。具體地說(shuō)，本發(fā)明關(guān)注增壓DC/DC轉(zhuǎn)換，即，輸出電壓超過(guò)輸入電壓的DC/DC轉(zhuǎn)換，尤其關(guān)注輸出電壓明顯大于最小輸入電壓的 DC/DC轉(zhuǎn)換。
背景技術(shù)：
電壓調(diào)節(jié)通常需要防止對(duì)各種微電子部件，譬如，數(shù)字IC(集成電路)、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、顯示模塊、硬盤驅(qū)動(dòng)器、射頻(RF)電路、微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器、和模擬IC供電的供給電壓的變化，尤其在像蜂窩式電話、筆記本電腦和消費(fèi)電子產(chǎn)品那樣的電池供電應(yīng)用中。由于產(chǎn)品的電池或其它DC輸入電壓常常必須增壓到較高DC電壓，或降壓到較低 DC電壓，所以這樣的調(diào)節(jié)器被稱為DC-DC轉(zhuǎn)換器。每當(dāng)電池電壓大于所希望負(fù)載電壓時(shí)就使用降壓轉(zhuǎn)換器。降壓轉(zhuǎn)換器可以包含電感式開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器、電容式電荷泵、和線性調(diào)節(jié)器。 相反，每當(dāng)電池電壓低于所希望負(fù)載電壓時(shí)，就需要常稱為升壓轉(zhuǎn)換器的增壓轉(zhuǎn)換器。增壓轉(zhuǎn)換器可以包含電感式開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器和電容式電荷泵。但是，現(xiàn)有技術(shù)的電感式開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器、電容式電荷泵轉(zhuǎn)換器、和線性調(diào)節(jié)器在能力和性能上都存在某些局限性。電感式升壓開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器在上述電壓調(diào)節(jié)器當(dāng)中，電感式開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器可以在最寬范圍的電流、輸入電壓和輸出電壓上達(dá)到卓越的性能。有兩種主要類型的電感式開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器-通常稱為非隔離轉(zhuǎn)換器的利用單繞組電感器的電感式開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器、和通常稱為隔離轉(zhuǎn)換器的使用變壓器和多繞組電感器的電感式開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器。其中，單繞組、非隔離電感式開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器通常用在大小、效率、和電池壽命至關(guān)重要的便攜式產(chǎn)品中。非隔離電感式開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器能夠在寬范圍的輸入輸出電壓和負(fù)載電流上高效地工作，尤其當(dāng)只專用于分別將輸入電壓增壓或降壓到較高或較低電壓時(shí)。非隔離降壓轉(zhuǎn)換器常稱為Buck(降壓)轉(zhuǎn)換器。非隔離增壓轉(zhuǎn)換器常稱為升壓轉(zhuǎn)換器。非隔離電感式開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器描述在如下專利文獻(xiàn)中通過(guò)引用并入本文、由R. K. Williams提交的發(fā)明名稱為“High-Efficiency DC/DC VoltageConverter Including Down Inductive Switching Pre-Regulator and CapacitiveSwitching Post-Converter" W^itH 11/890, 818 號(hào)。電感式開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器存在多種基本局限性。例如，降壓和升壓轉(zhuǎn)換器兩者都呈現(xiàn)脈沖寬度極窄的困境。在高轉(zhuǎn)換比上，即當(dāng)輸出電壓顯著不同于輸入電壓時(shí)，自然地出現(xiàn)窄脈沖。當(dāng)輸出電壓和輸入電壓類似時(shí)，也出現(xiàn)窄脈沖。例如，在升壓轉(zhuǎn)換器中，每當(dāng)所希望輸出電壓明顯大于輸入電壓時(shí)，就出現(xiàn)窄脈沖寬度。這種窄脈沖局限性使得通過(guò)高比率-例如，通過(guò)因數(shù)四或更多來(lái)升高輸入電壓變得困難且低效。出現(xiàn)這種情況是因?yàn)椋诙l工作時(shí)，升壓轉(zhuǎn)換器按照如下關(guān)系輸送輸出電壓
權(quán)利要求
1.一種DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器，包括包含電感式開(kāi)關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器的預(yù)調(diào)節(jié)器，所述預(yù)調(diào)節(jié)器具有輸入端和輸出端；以及包含電荷泵的后轉(zhuǎn)換器，所述后轉(zhuǎn)換器具有與所述預(yù)調(diào)節(jié)器的輸出端耦合的第一輸入端、和與所述預(yù)調(diào)節(jié)器的輸入端耦合的第二輸入端。
2.如權(quán)利要求1所述的DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器，其中所述電荷泵包含電容器，所述后轉(zhuǎn)換器的第一輸入端通過(guò)第一開(kāi)關(guān)與所述電容器的第一端耦合，所述后轉(zhuǎn)換器的第二輸入端通過(guò)第二開(kāi)關(guān)與所述電容器的第二端耦合。
3.如權(quán)利要求2所述的DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器，其中所述電容器的第一端通過(guò)第三開(kāi)關(guān)與所述轉(zhuǎn)換器的輸出端耦合，和所述電容器的第二端通過(guò)第四開(kāi)關(guān)與地線耦合。
4.如權(quán)利要求3所述的DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器，其中所述第一、第二、第三和第四開(kāi)關(guān)的每一個(gè)都包含MOSFET。
5.如權(quán)利要求1所述的DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器，其中所述電荷泵包含至少兩個(gè)電容器，所述后轉(zhuǎn)換器的第一輸入端通過(guò)第一開(kāi)關(guān)與第一電容器的第一端耦合，所述后轉(zhuǎn)換器的第二輸入端通過(guò)第二開(kāi)關(guān)與所述第一電容器的第二端耦合，所述第一電容器的第二端通過(guò)第三開(kāi)關(guān)與第二電容器的第一端耦合，和所述后轉(zhuǎn)換器的第二輸入端通過(guò)第四開(kāi)關(guān)與所述第二電容器的第二端耦合。
6.如權(quán)利要求5所述的DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器，其中所述第一電容器的第一端通過(guò)第五開(kāi)關(guān)與所述轉(zhuǎn)換器的輸出端耦合，和所述第二電容器的第二端通過(guò)第六開(kāi)關(guān)與地線耦合。
7.如權(quán)利要求6所述的DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器，其中所述第二電容器的第一端通過(guò)第七開(kāi)關(guān)與所述轉(zhuǎn)換器的輸出端耦合。
8.如權(quán)利要求7所述的DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器，其中所述第一、第二、第三、第四、第五、第六和第七開(kāi)關(guān)的每一個(gè)都包含M0SFET。
9.如權(quán)利要求1所述的DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器，其中所述預(yù)調(diào)節(jié)器適用于增壓所述預(yù)調(diào)節(jié)器的輸入端上的電壓。
10.如權(quán)利要求9所述的DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器，其中所述后轉(zhuǎn)換器適用于將所述后轉(zhuǎn)換器的輸入端上的電壓加倍。
11.如權(quán)利要求9所述的DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器，其中所述后轉(zhuǎn)換器適用于將所述后轉(zhuǎn)換器的輸入端上的電壓放大因數(shù)1. 5倍。
12.如權(quán)利要求1所述的DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器，其中所述預(yù)調(diào)節(jié)器適用于降壓所述預(yù)調(diào)節(jié)器的輸入端上的電壓。
13.如權(quán)利要求12所述的DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器，其中所述后轉(zhuǎn)換器適用于將所述后轉(zhuǎn)換器的輸入端上的電壓加倍。
14.如權(quán)利要求12所述的DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器，其中所述后轉(zhuǎn)換器適用于將所述后轉(zhuǎn)換器的輸入端上的電壓放大因數(shù)1. 5倍。
15.一種將DC輸入電壓轉(zhuǎn)換成DC輸出電壓的方法，包括重復(fù)地開(kāi)關(guān)所述DC輸入電壓與地線之間的電感器的第一端，以便產(chǎn)生中間電壓；使用所述中間電壓對(duì)至少一個(gè)電容器充電；以及重復(fù)地將所述至少一個(gè)電容器的第一端與所述DC輸入電壓連接和將所述至少一個(gè)電容器的第一端與所述DC輸入電壓斷開(kāi)，從而在所述電容器的第二端上產(chǎn)生DC輸出電壓。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，包括提供輸出電容器；當(dāng)所述至少一個(gè)電容器的第一端與所述DC輸入電壓連接時(shí)，將所述至少一個(gè)電容器的第二端與所述輸出電容器連接；以及當(dāng)所述至少一個(gè)電容器的第一端與所述DC輸入電壓斷開(kāi)時(shí)，將所述至少一個(gè)電容器的第二端與所述輸出電容器斷開(kāi)。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，在所述中間電壓用于對(duì)所述至少一個(gè)電容器充電的同時(shí)，將所述電感器的第一端與所述DC輸入電壓連接。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，包括在所述中間電壓用于對(duì)所述至少一個(gè)電容器充電的同時(shí)磁化所述電感器。
19.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，在所述至少一個(gè)電容器的第二端與所述輸出電容器連接、和所述至少一個(gè)電容器的第一端與所述DC輸入電壓連接的同時(shí)，將所述電感器的第一端與所述DC輸入電壓連接。
20.如權(quán)利要求16所述的方法，包括在所述至少一個(gè)電容器的第二端與所述輸出電容器連接、和所述至少一個(gè)電容器的第一端與所述DC輸入電壓連接的同時(shí)，磁化所述電感
21.—種將DC輸入電壓轉(zhuǎn)換成DC輸出電壓的方法，包括將電感器的第一端與DC輸入電壓連接；重復(fù)地將所述電感器的第二端與地線連接和將所述電感器的第二端與地線斷開(kāi)，以便產(chǎn)生中間電壓；使用所述中間電壓對(duì)至少一個(gè)電容器充電；以及重復(fù)地將所述至少一個(gè)電容器的第一端與所述DC輸入電壓連接和將所述至少一個(gè)電容器的第一端與所述DC輸入電壓斷開(kāi)，從而在所述電容器的第二端上產(chǎn)生DC輸出電壓。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，包括提供輸出電容器；當(dāng)所述至少一個(gè)電容器的第一端與所述DC輸入電壓連接時(shí)，將所述至少一個(gè)電容器的第二端與所述輸出電容器連接；以及當(dāng)所述至少一個(gè)電容器的第一端與所述DC輸入電壓斷開(kāi)時(shí)，將所述至少一個(gè)電容器的第二端與所述輸出電容器斷開(kāi)。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中，在所述中間電壓用于對(duì)所述至少一個(gè)電容器充電的同時(shí)，將所述電感器的第二端與地線連接。
24.如權(quán)利要求22所述的方法，包括在所述中間電壓用于對(duì)所述至少一個(gè)電容器充電的同時(shí)磁化所述電感器。
25.如權(quán)利要求22所述的方法，其中，在所述至少一個(gè)電容器的第二端與所述輸出電容器連接、和所述至少一個(gè)電容器的第一端與所述DC輸入電壓連接的同時(shí)，將所述電感器的第二端與地線連接。
26.如權(quán)利要求22所述的方法，包括在所述至少一個(gè)電容器的第二端與所述輸出電容器連接、和所述至少一個(gè)電容器的第一端與所述DC輸入電壓連接的同時(shí)，磁化所述電感
全文摘要
一種DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器包括串聯(lián)在該轉(zhuǎn)換器的輸入端和輸出端之間的電感式開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器和電容式電荷泵。該電荷泵具有與該轉(zhuǎn)換器的輸入端連接的第二輸入端。這樣就減小了將電荷從電荷泵中的電容器轉(zhuǎn)移到輸出電容器的電流路徑中的串聯(lián)電阻，從而提高了轉(zhuǎn)換器對(duì)負(fù)載所需的電流的迅速變化作出響應(yīng)的能力。
文檔編號(hào)H02M3/155GK102171918SQ200980138643
公開(kāi)日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2009年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月31日
發(fā)明者理查德.K.威廉斯 申請(qǐng)人:先進(jìn)模擬科技公司