开关电容器功率转换器的保护的制作方法
【专利说明】开关电容器功率转换器的保护
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2013年3月15日提交的美国申请第13/838,681号的优先权，其内容 以引用的方式全部并入本文。 发明领域
[0003] 本发明涉及开关电容器功率转换器的保护。
[0004] 背景
[0005] 开关电容器功率转换器电路的各种配置通过在电路中的电容器之间进行受控 电荷传输而在高侧电压与低侧电压之间提供电压转换（即，升压、降压、或者双向转换）。 Dickson电荷栗是这种转换电路的示例。控制在电容器之间的电荷传输通常利用用作"开 关"的电路元件，例如，二极管或者FET晶体管。
[0006] 开关元件和电容器的一些配置在正常操作中限制了跨开关元件的典型最大电压。 这种受限的电压允许使用并非必须适应全高侧电压或者高侧电压与低侧电压之差的开关 元件，从而允许使用"低压"元件。例如，分4个阶段执行在20伏与5伏之间的转换的常规 Dickson电荷栗中，开关元件在操作中通常经历10伏的最大电压并且因此需要10伏的额定 电压（例如，额定击穿电压）。
[0007] 电荷栗通过存储跨每个电容器的输入电压的一部分来升压或者降压。随着电压转 换强度的增加，所需电容器的数量也增加。在每个电容器的两个端子上的开关必须执行电 荷传输，并且将电荷栗配置为提供所需的电压转换比。
[0008] 图1A和图1B示出了两个电荷栗。在图1A中的第一个电荷栗是1:3降压配置，而 在图1B中的第二个电荷栗是3:1升压配置。在每个节点上的电压标签具有两个值，一个值 用于每个操作阶段：在阶段1期间的电压值/在阶段2期间的电压值。每个开关需要在阶 段1或者阶段2期间按照非重叠的方式开通和关断。对于升压或者降压，标记为VX的节点 是最低电荷栗电压电平：VX通常是降压的输出，并且相反地是升压的输入。VX也在开关关 断时设置跨每个开关的电压降：在电容器的底部处的开关中的分别显示出为VX的最大电 压降，而在每个电容器的顶部处的开关则显示出为2VX的最大电压降。这意味着，被选择作 为在电容器的顶部处的开关的晶体管需要大于2VX的漏极源极击穿电压（BVDSS)来避免损 坏。在一般情况下，M0S晶体管的BVDSS越高，用于给定导通电阻的晶体管面积和电容越大， 这增加了裸片成本和切换功率损失。因此，可取的是使用BVDSS接近晶体管需要支持的最大 电压降的晶体管。
[0009] 图2示出了在图1A中的交错版本的降压电荷栗，其中，在每个电容器的顶部处的 开关现在显示出仅仅为VX的最大电压降。应该注意，图2中的交错拓扑可以减少跨每个开 关所显示出的最大电压降，简单地如级联顶部开关中的每一个（或者，每个顶部开关使用 两个串联连接的晶体管），虽然其他方法也可以实现该目的。对于大多数CMOS工艺，使用相 同的低BVDSS晶体管带来的效率和裸片面积增益对于证明更高晶体管计数和复杂性仍然足 够有利。由于必须在VX的各个共模电压倍数下控制并且操作这些低压晶体管，所以复杂性 增加。以图2为例，将最顶部的电容器连接至为6V的VIN的开关可以是3. 3V晶体管，这是 因为，当晶体管不导通时，晶体管显示出跨其漏极-源极端子的为2V的电压差，虽然在晶体 管漏极端子和源极端子处的绝对电压电平超过了 3. 3V(4V或者6V，这取决于操作阶段；4V 是该开关的共模电压电平）。这是因为BVDSS是跨晶体管漏极-源极端子的差分电压约束， 而不是在晶体管端子中的每一个处的绝对约束。虽然漏极和源极端子针对硅衬底分别具有 绝对击穿电压，但是这些绝对击穿电压通常远高于BVDSS并且因此使晶体管在高于BV DSS的共 模电压电平下被操作。
[0010] 除了 BVDSS之外，针对M0S晶体管的另一差分电压约束是通过栅极氧化物击穿电压 确定的最大栅极-源极电压（νκ_)。具有小几何形状和低压晶体管的现代CMOS工艺需要 更薄的栅极氧化物来维持性能，这也导致了更低的额定。这进一步使得使用低压晶体 管开关的高压转换比电荷栗的设计复杂化，这是因为在切换操作期间必须注意避免超过栅 极-源极电压约束和漏极-源极电压约束。
[0011] 通常可用的低压晶体管倾向于诸如1. 8V、3. 3V晶体管，间或是5V晶体管，通常指 定了等于最大操作漏极-源极额定电压VDsmax的额定电压V (；Smax，其中，V(；Smax〈BVDSS。对于在操 作范围内的最小VX电压明显高于晶体管阈值电压的应用，切实可行且方便的做法是针对 晶体管栅极驱动器使用相同的VX电压电平而非生成针对该目的的单独内部电源轨。这是 由于如下事实：VX电平电压已经生成并且支撑在交错电荷栗中的每个非开关节点（例如， 在图2中的电容器之间的VIN、VX、4V节点）之间，为电荷栗操作自身所固有。因此，用于 每个晶体管的栅极驱动器可以电平移位为该晶体管的共模电压电平，使用相同的低压晶体 管，并且驱动晶体管栅极-源极电压在0V与VX之间，如图3所示。示出了在电容器的顶部 处的一对开关的交错电荷栗的第η部分，其中η为整数。在右侧示出了等效晶体管电平，其 中，栅极驱动器用于开通和关断晶体管。晶体管和栅极驱动器电路系统显示出跨它们的VX 电压的最大值。示出的高侧开关是PM0S晶体管，但是，如果其栅极驱动器引导在示出的电 容器节点与在Vn+1与V η+2之间切换的相邻电容器节点之间，其也可以是NM0S。
[0012] 电荷栗通过存储跨电容器的输入电压的一部分或者多个输入电压，来降压或者升 压输入电压。随着转换强度的增加，所使用的电容器的数量也增加。每个电容器有助于在 操作周期的一部分期间建立唯一的中间电压。用于将电容器重新布置为不同配置的开关需 要由一些能源供电。
[0013] 在图4Α和图4Β中，示出了 1:5(降压）配置（或者5:1升压，如果功率流反转的 话）的串并行电荷栗和Dickson电荷栗。在每个节点上的电压标签具有两个值：第一个值 是在操作阶段1期间的电压值；第二个值是在操作阶段2期间的电压值。
[0014] 在Dickson电荷栗中，每个阶段显示出在电荷栗的高压侧处的总电压的仅仅一小 部分。这允许使用更低的额定电压装置并且改进了效率。然而，如果高压侧突然快速升压， 那么低压开关可能会经历暂时性的过电压应力，这可能会导致损坏。
[0015] 在一般情况下，重要的是保护开关元件避免暴露于超过其击穿电压的电压，以防 止损坏转换电路或者防止电路的错误操作。
【发明内容】
[0016] 在一个方面中，在一般情况下，通过测量与开关元件（例如，晶体管）或者相位节 点相关联的一个或者多个内部电压和/或电流、或者在转换器的端子处的电压或者电流， 并且基于这些测量检测到在测量结果偏离预定范围时已经发生的条件，来检测针对开关电 容器功率转换器的瞬时或者故障条件。在检测到所述条件时，故障控制电路系统改变所述 转换器的操作，例如，通过使用高压开关来将开关元件中的至少一些与所述转换器的一个 或者多个端子电断开、或者通过改变相位信号的定时特性来改变所述转换器的操作。
[0017] 在另一个方面中，在一般情况下，在电容器意外对下一个阶段、跨自身、或者对接 地（诸如，其底板针对接地）短路的情况下，可以实施过电压和欠电压保护。监测在电荷栗 中的每个电容器，以查看是否其处于给定电荷栗比的可接受范围内。例如，如果电荷栗的输 出应该是2V，那么最接近输出的电容器也应该大约为2V。在绝热充电中，电容器电压在每 个周期期间可以变化较大，从而在过电压保护和欠电压保护中需要足够的裕度来考虑正常 电压变化。
[0018] 在另一个方面中，在一般情况下，开关电容器功率转换器具有：第一端子，所述第 一端子用于在基本高压下耦合至第一外部电路；以及第二端子，所述第二端子用于在低于 所述高压的基本低压下耦合至第二外部电路。在功率转换器的操作中，电荷在所述第一端 子与所述第二端子之间的电荷传输路径上传递。所述转换器包括多个半导体开关元件。这 些开关元件包括第一组开关元件，所述第一组开关元件在所述第一端子与所述第二端子之 间的所述电荷传输路径上，其中，在所述第一组开关元件中的开关元件都不与所述第一端 子或者所述第二端子串联连接以传送通过所述端子的基本上所有的电流，以及其中，在所 述第一组开关元件中的每个开关元件配置为在多个电容器的对应子组之间形成可控制的 电荷传输路径。所述开关元件还包括第二组开关元件，所述第二组开关元件配置为形成所 述电容器中的至少一些与交流参考电压的电连接。所述多个开关元件配置为在操作中在连 续状态下形成所述互连。所述转换器进一步包括测量电路系统，所述测量电路系统配置为 测量所述第一组开关元件或者所述第二组开关元件中的一个或者多个开关元件的电压和/ 或电流特性；以及耦合至所述测量电路系统的故障控制电路系统，所述故障控制电路系统 配置为：在检测到在测量得到的所述开关元件的特性偏离所述特性的预定范围时确定的条 件时，改变所述功率转换器的操作。
[0019] 各个方面可以包括一个或者多个以下特征。
[0020] 所述多个开关元件进一步包括第三组开关元件，所述第三组开关元件处于所述第 一端子与所述第二端子之间的所述电荷传输路径上，与所述第一端子或者所述第二端子串 联连接。
[0021] 所述第二组开关元件包括在一些操作状态期间（例如，在转换器的"相位节点" 处）形成所述电容器中的至少一些与所述低压端子的电连接的开关元件。
[0022] 所述操作阶段包括时钟阶段的重复序列。
[0023] 所述转换器进一步包括所述多个电容器，每个电容器具有耦合至所述多个开关元 件中的至少一个开关元件的端子的端子。在一些示例中，所述电容器和所述开关元件集成 在单片装置中。
[0024] 所述转换器包括Dickson电荷栗。
[0025] 所述一个或者多个开关元件的所述电压和/或电流特性属于由以下构成的组：
[0026] 鲁跨所述第一组开关元件中的开关元件的端子的电压；
[0027] ?通过所述第一组开关元件中的开关元件的电流；
[0028] 鲁在所述第一组开关元件中的开关元件与所述多个电容器中的电容器之间的结 处的电压；
[0029] 鲁跨所述多个电容器中的耦合至所述开关元件的电容器的端子的电压；
[0030] 鲁在所述第二组开关元件中的开关元件与所述多个电容器中的电容器之间的结 处的电压；以及
[0031] ?通过所述第一组开关元件中的开关元件的电流。
[0032] 所述开关元件的所述电压和/或电流特性包括跨所述开关元件的端子的电压。
[0033] 所述开关元件的所述电压和/或电流特性包括通过所述开关元件的电流。
[0034] 所述开关元件的所述电压和/或电流特性包括在所述开关元件的端子处的电压。
[0035] 所述开关元件的所述电压和/或电流特性包括跨所述多个电容器中的耦合至所 述开关元件的电容器的端子的电压。
[0036] 所述第二组开关元件中的所述开关元件形成相位发生器，