局部绝热转换的制作方法
【专利说明】局部绝热转换
[0001]相关的申请数据
[0002 ] 本申请要求于2013年9月16日提交的美国申请n0.14/027，716的优先权日期的权益。上述申请的内容被完整地结合于此。
技术领域
[0003]本发明涉及绝热功率转换，并且更具体地，涉及对电荷栗的局部绝热操作的配置和控制。
【背景技术】
[0004]电荷栗的各种配置，包括串并联和迪克森(Dickson)配置，依靠于开关元件的交替配置来在电荷栗的端子之间传播电荷和传输能量。与电荷传播相关联的能量损耗决定转换器的效率。
[0005]参考图1，其示出了处于耦合到低电压负载110和高电压源190的降压模式中的单相Dickson电荷栗100。在示出的配置中，通常低电压负载110由源所提供的电压的1/5电压和由高电压源190所提供的电流的5倍电流来驱动(平均而言)。栗以被称为状态二和状态一的交替状态来驱动，使得如图1所示的开关在处于指示的状态时被闭合。一般情况下，每个状态的持续时间是周期时间T的一半并且电荷栗100的相应的切换频率等于周期时间T的倒数。
[0006]图2A-B分别示出了在每个状态二和状态一中的等效电路，其中示出了作为等效电阻R的每个闭合的开关。电容器Cl至C4具有电容C。在电荷栗100的第一常规操作中，高电压源190是电压源，例如，二十五伏的源，使得低电压负载100由五伏来驱动。在操作中，通过电容器Cl至C4的电压分别是大约五伏、十伏、十五伏和二十伏。
[0007]在电荷栗100中的能量损耗的一个原因与通过开关(S卩，通过在图2A-B中的电阻器R)的电阻损耗有关。参考图2A，在状态二期间，电荷从电容器C2转移到电容器Cl并且从电容器C4转移到电容器Cl。假设周期时间T比电路的时间常数足够大的条件下(例如，电阻R足够小)，这些电容器上的电压平衡。一般地，在这种平衡中的电阻能量损耗与在电容器之间传递的、并且因此传递给低电压负载110的电流的平方的时间平均成正比。类似地，在状态一期间，电容器C3和C2平衡，电容器C4充电并且电容器Cl放电，通常也导致与传递到低电压负载110的电流的平方的时间平均成正比的电阻能量损耗。
[0008]对于传递到负载110的特定平均电流，假设负载呈现近似恒定的电压，则可以表明，电阻能量损耗随着周期时间T被降低(S卩，切换频率被增加)而减少。这通常可以通过考虑把周期时间减小到二分之一的影响来理解，其通常将平衡时的峰值电流减少二分之一，并且由此将电阻能量损耗大约减少到四分之一。因此电阻能量损耗与切换频率的平方大约成反比。
[0009]但是，能量损耗的另一个来源与开关中的电容损耗有关，使得能量损耗随着切换频率的增加而增加。一般而言，在每个周期转换中损耗固定量的电荷，这可以被认为形成与切换频率成正比的电流。因此，这种电容能量损耗大约与切换频率的平方成正比。
[0010]因此，利用电压源和负载，存在最小化的分别随着频率增加而减少和随着频率增加而增加的电阻和电容能量损耗的总和的最佳切换频率。
【发明内容】
[0011]于2012年11月8日发布的专利公开￥02012/151466描述了其中源和/或负载包括调节电路的配置。特别地，在图1和2A-B中，负载110可以有效地包含电流槽而不是呈现在被称为电荷栗的“绝热”操作的例子中的恒定电压。如果电流槽接受恒定电流，则在图2A中示出的电流在所示出的状态期间有效地保持基本上恒定的值。因此，电阻功率损耗比在【背景技术】中讨论的电压驱动的情况下的电阻损耗低，并且也基本上独立于周期时间T。在其中负载使脉冲电流下降的情形中，那么对于特定的平均电流，电阻能量损耗通常随着电流的占空比降低(和峰值电流增加)而增加。存在低占空比的范围，其中利用脉冲电流的电阻损耗超过对于将由相对恒定的输出电压，例如，跨大的输出电容器驱动的电荷栗导致的相同平均电流的损耗。
[0012]在一个方面中，一般而言，电荷栗的操作被控制，以通过利用具有一些操作特性的绝热模式和具有其它特性的非绝热模式来优化功率转换效率。该控制通过控制在电荷栗的输出端的可配置电路来实现。
[0013]在另一个方面中，一般而言，电荷栗的操作被控制，使得电阻功率损耗通过利用具有相对高的占空比(即，相对高的输出电流)的绝热模式和利用具有相对低的占空比(例如，相对低的输出电流)的非绝热模式来最小化。在一些例子中，模式通过在电荷栗的输出端选择性地引入补偿电容器来选择，以呈现基本上恒定的电压。
[0014]在另一个方面中，一般而言，装置包括电荷栗和耦合到电荷栗的控制器。电荷栗具有多个布置为在多个周期中操作的开关元件，其中每个周期与开关元件的不同配置相关联。开关元件被配置为向多个电容元件提供充电和放电路径。控制器具有用于控制电荷栗的周期的定时的输出端和用于接受以电荷栗的操作和/或耦合到电荷栗的外围电路的操作为特征的传感器信号的一个或多个传感器输入。控制器被配置为根据在电荷栗的操作周期内的一个或多个传感器输入的变化调整电荷栗的周期的定时。
[0015]在另一个方面中，一般而言，装置包括开关电容器电荷栗，其配置为提供包括高电压端子和低电压端子的端子之间的电压转换。该装置还包括补偿电路，耦合到电荷栗的第一端子用于通过电荷栗驱动负载，该补偿电路提供可配置地可耦合到电荷栗的第一端子的电容。控制器耦合到电荷栗和可配置电路，并且具有用于配置补偿电路的输出以及用于接受以电荷栗的操作和/或耦合到电荷栗的外围电路的操作为特征的传感器信号的一个或多个传感器输入。
[0016]控制器被配置为根据传感器信号来配置补偿电路，以影响耦合到电荷栗的电源和经由可配置电路耦合到电荷栗的负载之间的功率转换的效率。
[0017]各方面可以包括以下特征中的一个或多个特征。
[0018]控制器被配置为将选定的电容耦合到第一端子，以优化功率转换的效率。
[0019]所述一个或多个传感器信号包括特征化经由补偿电路向电荷栗传递的电流或从电荷栗返回的电流的时间变化的传感器信号。在一些例子中，所述传感器信号特征化向电荷栗的电流或从电荷栗返回的脉冲电流的占空比。在一些例子中，经由补偿电路向电荷栗传递的电流或从电荷栗返回的电流包括在补偿电路和经由补偿电路耦合到电荷栗的外围设备之间传递的电流。
[0020]所述一个或多个传感器信号包括特征化在电荷栗的端子中的至少一个端子处和在耦合到电荷栗的外围电路处的电压的传感器信号。
[0021 ]所述一个或多个传感器信号包括特征化电荷栗的切换频率的传感器信号。
[0022]控制器被配置为根据传感器信号确定操作模式，并且根据所确定的模式确定补偿电路的配置。
[0023]控制器被配置为识别至少一个具有电荷栗的快切换限制操作和脉冲电流负载的模式，并且在所述模式下增加耦合到第一端子的电容。
[0024]控制器被配置为识别至少一个具有电荷栗的慢切换限制操作和具有小于阈值占空比的占空比的脉冲电流负载的模式，并且在所述模式下增加耦合到第一端子的电容。
[0025]该装置还包括外围电路，其包括耦合到补偿电路的调节器。调节器经由补偿电路向电荷栗提供基于电流的负载。控制器被配置为根据由电荷栗执行的功率转换的效率确定补偿电路的配置。在一些例子中，调节器包括降压转换器。在一些例子中，电荷栗包括串并联电荷栗。在一些例子中，电荷栗包括Dickson电荷栗。
[0026]在另一个方面中，一般而言，一种方法针对利用耦合到负载的电荷栗的功率调节，其中电荷栗利用耦合到电荷栗的端子的补偿电路耦合到负载。该方法包括配置由补偿电路提供给电荷栗的第一端子的电容。电容根据传感器信号来选择，以影响耦合到电荷栗的电源和经由可配置电路耦合到电荷栗的负载之间的功率转换的效率。
[0027]该方法可以包括获取传感器信号。传感器信号可以特征化经由补偿电路传递到或来自电荷栗的电流的一个或多个时间变化、在补偿电路和外围电路之间传递的电流的占空比、在电荷栗的第一端子处的电压、以及在耦合到电荷栗的外围电路处的电压。
[0028]—个或多个实施例的一个优点是在功率转换器的不同操作