专利名称：兼备降压转换器及电容式分压器的电压转换器的制作方法
兼备降压转换器及电容式分压器的电压转换器相关申请案的交互参考本申请案主张2007年8月1日所提申的美国临时申请案序号第60/953，254号的好处，基于所有意图及目的而在此将其全体一并整合参考之。本申请案也主张2008年6月 3日所提申的美国临时申请案序号第61/058，426号的好处，基于所有意图及目的而在此将 其全体一并整合参考之。本申请案也与所提申的具有至少一位相同发明人且一起被让予之 名为"兼备电容分压器、降压转换器及电池充电器的电压转换器"的申请案有关，其在此 将全体一并整合参考之。先前技术常常想要或取得将一输入电压降低至较低电压电平以改进一电子装置效率的优 势。例如，对于一笔记型计算机而言，最普遍使用的交流电至直流电转接器转换交流电压 至一约19伏特(V)的直流电压。对于大部分现存笔记型计算机的电力系统而言，当该交 流电至直流电转接器被插入时，该19伏特转接器输出电压被提供，直接使用至产生较低电 压供应电平的下游转换器，除了提供电力给电池充电外，还提供电力给例如中央处理单元 (CPU)、图形处理单元(GPU)、内存等等。然而，使用一 19伏特电压电平以最佳化用以产生该 电子装置中所需各种降压电平的下游转换器是困难的。由该交流电至直流电转接器输出的 电压可被降低，但该电流必须增加藉以提供相同功率电平。该增加的电流量增加该交流电 至直流电转接器实体大小，并进一步增加处理该增加的电流量的标准接线规格。该交流电 至直流电转接器的增加的输出电流降低效率。对于使用一可重复充电电池的电池供电电子 装置而言，效率是特别地重要。同时，若一可重复充电电池被提供，则电压下降不会低于那 个电池电压，用以确保有足够的电压来充电该电池。
发明内容
根据一实施例，一种电压转换器包含一结合电容分压器的降压转换器。该转换器 包含四个电容器、一个切换电路、一个电感器、及一个控制器。一第一电容器耦接于一参考 节点及一形成第一输出电压的第一输出节点之间。一第二电容器耦接于一输入节点及该参 考节点或该第一输出节点之间。该切换电路于一脉宽调制(PWM)信号的第一状态时耦接一 第三电容器在该参考及第一输出节点之间，并于一第二脉宽调制信号状态时耦接该第三电 容器在该第一输出及输入节点之间。该电感器耦接至该第三电容器并提供一耦接至提供一 第二输出电压的第四电容器的第二输出节点。该控制器控制该脉宽调制信号的工作周期以 将该第二输出电压调整至一预定电平。在另一实施例中，一电池及电池充电器被纳入。一 外部电源可被包含以用于提供该输入电压。
本发明有关上述说明及下列附图的好处、特征及优势变得更佳了解，其中图1是根据一示范性实施例的兼备降压转换器及电容分压器的电压转换器的示 意及方块图。
图2是一包含图1电压转换器的功率电路的示意及方块图。图3是一整合图1电压转换器的电子装置的简化方块图。图4是一整合图2功率电路的电子装置的简化方块图。图5是包含电压转换器并兼备电池充电器功能的另一功率电路的示意及方块图。图6是一整合图5功率电路的电子装置的简化方块图。
具体实施例方式所示下列说明以使熟知此项技术人士中其中之一可依一特定应用及其需求内文所提供般地制造并使用本发明。然而，对该较佳实施例的各种修正对一熟知此项技术的人 士会是显而易见，且在此所定义的一般原理可被施用至其它实施例。因此，本发明不是要 限制在此所示及所述的特定实施例，而是做为在此所示原理及新特征一致的最大范围的根 据。图1是根据一示范性实施例的兼备同步的降压转换器117及电容分压器的电压转 换器100的示意及方块图。该电压转换器100包含四个电子开关Ql、Q2、Q3及Q4，耦接串 连于一输入节点101及一例如地面(GND)的参考节点之间。在所示实施例中，虽然考虑到 例如P型信道组件、其它类型场效晶体管、其它类型晶体管等等的其它类型电子开关，但该 些电子开关Q1-Q4每一个被架构成一 N型信道金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)。Q4 具有一耦接至该输入节点101的汲极及一耦接至第一中间节点103的源极。Q3具有一耦接 至该第一中间节点103的汲极及一耦接至形成一输出电压VOUTl的第一输出节点105的源 极。Q2具有一耦接至该输出节点105的汲极及一耦接至第二中间节点107的源极。Ql具有 一耦接至该中间节点107的汲极及一耦接至地面GND的源极。一第一电容器Cl藕接于节 点105及地面GND之间，一第二"飞驰"电容器C2耦接于该些中间节点103及107之间， 一第三电容器C3耦接于该输入节点101及节点105之间，以及所示第四电容器CA耦接于 节点101及地面GND之间，以滤波该输入电压VIN。一脉宽调制(PWM)控制器111分别提供 闸极驱动信号Pl、P2、P3及P4至该些开关Ql、Q2、Q3及Q4的闸极。所示VIN及VOUTl电 压被提供至该脉宽调制控制器111的相关输入端。由该脉宽调制控制器111所控制的电子开关Q1-Q4及电容器C1-C3全体形成一 切换式电容器网络，以降低VIN电压而形成VOUTl电压电平。该脉宽调制控制器111发出 P1-P4信号以在每一个脉宽调制周期中的第一部分期间导通开关Ql及Q3，同时关闭开关Q2 及Q4，接着，在每一个脉宽调制周期中的第二部分期间关闭开关Ql及Q3，同时导通开关Q2 及Q4。该切换式电容器网络的脉宽调制工作周期D位在或靠近50%处，且VOUTl电压收缩 至约VIN电压电平的一半，而使该切换式电容器网络也被称之为一电容分压器。举例来说， 在传统架构中，该些开关Ql及Q3的开关约在时间50%处进行导通与关闭的双态触变，且该 些开关Q2及Q4的开关约在时间50%处进行导通与关闭的双态触变。然而，要注意，该工作 周期D可在VOUTl电压仍在VIN电压约一半时大量地偏离50%。这个如下所述地也可对感 应的同步降压调节器117的电压输出作出调整为有利的。该电压转换器100进一步包含一电感器L，其具有一末端耦接至该中间节点107及 另一末端耦接至一形成第二输出V0UT2电压的第二输出节点113。一输出滤波电容器CO耦 接于该输出节点113及地面GND之间。要了解尽管每一个使用相同标记"GND"，但例如，信号地面、电力地面、机座地面等等的各种类型的地面节点可被使用。该电容器CO及电感 器L整体形成一耦接至该中间节点107的电感器-电容器(LC)电路。由该脉宽调制控制 器111所控制的开关Ql及Q2、电感器L及电容器CO整体形成该同步降压调节器117。该 VOUTl电压提供该输入电压给用以形成V0UT2电压电平的降压调节器117。该脉宽调制控制 器111双态触变Q1-Q4开关的激活以调整V0UT2电压至形成该工作周期D的预定电压而使 V0UT2 = D*V0UT1，其中，星号〃 *〃代表相乘。在所示实施例中，V0UT2电压回馈至该脉宽 调制控制器111内的调节器112，其提供一脉宽调制信号至一闸极驱动电路114。该闸极驱 动电路114转换该脉宽调制信号成为分别控制该些开关Q1-Q4操作的闸极驱动信号P1-P4。一外部电源116提供一用以提供该输入电压VIN至节点101的电源电压DCV。在所示实施例中，该外部电源116使用可兼容配对的连接器118及119而可拆除及耦接，连接 器118及119彼此间被调适为机械式及电性介接以传送该电源电压DCV至该电压转换器 100。虽然未特别显示，但该些连接器118及119典型地也传送该地面信号。操作中，该脉宽调制控制器111的调节器112调整该V0UT2电压电平至一预定电 压电平。尤其，该调节器112不是以例如透过一回馈电路(未显示)或其它组件来直接感 测或检测该V0UT2电压电平，就是以间接方式(例如，透过该中间节点107或雷同者)为 之，并控制该脉宽调制信号的工作周期D，该闸极驱动器114接着依据该脉宽调制工作周期 D来控制该Pl及P2信号以控制该些开关Ql及Q2以将该V0UT2电压电平调整至该预定电 压电平。更进一步，在所示实施例中，该Pl信号被"复制"或制造成与该P3信号一样，且 该P2信号被制造成与该P4信号一样，或者，Pl =P3且P2 = P4。在一实施例中，例如，该 些信号线Pl及P3直接耦接或连接在一起，且该些信号线P2及P4直接耦接或连接在一起。 替代性地，该Pl信号被选择性地缓冲以提供该P3信号，且该P2信号被选择性地缓冲以提 供该P4信号。在本方式中，该脉宽调制控制器111控制Pl及P2信号以根据降压调节器操 作来调整该V0UT2电压电平，且该些信号Pl及P2分别被复制成该些信号P3及P4以供电 容分压器操作。达成该电容分压器功能的方法描述如下。当开关Q4及Q2被导通而开关Ql及Q3 被关闭时，该电容器C2耦接于VIN及VOUTl电压之间，因此被充电而使VC1+VC2 = VIN，其 中，VCl及VC2分别为电容器Cl及C2的电压。当开关Q4及Q2被关闭而开关Ql及Q3被 导通时，该电容器C2耦接于VOUTl电压及地面GND之间，因此被放电而使VCl = VC2。如本 方法重复于一适当频率处，两个方程式VC1+VC2 = VIN及VCl = VC2被满足而使VCl = VC2 =1/2 VIN0该电容分压器的最具效率工作周期D是约50%。然而，当该工作周期D偏离 50%，例如至少介于40% -60%范围间时，该电压转换器100仍是以高效率操作。在本方式 中，尽管该工作周期D显著的偏离50%，VOUTl电压仍维持在约VIN电压的一半，而V0UT2 电压被调整至不须一定要是精确地为VOUTl电压一半的想要电压电平。因此，该电容器C2 如同一飞驰电容器般地操作，其在一脉宽调制信号状态时于该些节点101及105之间进行 双态处变，并在另一脉宽调制信号状态时于节点105及地面之间进行双态处变，以分别对 该飞驰电容器进行充电及放电。相较于传统降压转换器类型架构，该电压转换器100的电容分压器透过VOUTl电 压提供较高效率的供电。在VOUTl的电容分压器输出不具有电感器，因而没有电感器核心 损失及铜线圈损失。该电容分压器开关Ql-Q4(例如，金属氧化物半导体场效晶体管)结合零点电压关闭来操作，且每一个开关只看到一半的VIN电压，使得总切换损失相当地低。在 一正常降压转换器中，该些开关表露出该总输入电压VIN，因而具有较高切换损失。更进一 步，既然相较于其它损失，该些电子开关的传导损失具有主导性，该些传导损失可藉由降低 该些开关的导通电阻来被降低，而不增加一般所关注的切换损失。例如，导通电阻可藉由耦 接并联多个开关而被降低。当一传统降压转换器架构想要降低传导损失且RDSON(导通时 的汲极至源极电阻)藉由增加该开关硅晶面积而被降低时，该控制端电荷(例如，闸极电 荷)因此增加。结果，一传统降压转换器中该切换损失的增加藉由减低RDSON来补偿该传 导损失的降低。本架构另一好处是相较于在一较高电流电平下提供较小电压的另一转接 器，该外部电源116可藉由提供较高电压及较小电流以传送相同电量而在实体上被制造的 较小。在一实施例中，VIN电压约19伏特(V)，VOUTl电压约9. 5伏特，且V0UT2电压约5 伏特。该脉宽调制信号的工作周期D及因而Pl及P2信号约53%，以为该降压转换器117 来转换9. 5伏特"输入"电压电平至5伏特调整电压。该工作周期D视负载条件或雷同者 而有些变化。既然该些开关Ql及Q2所使用的工作周期D复制且充当该些开关Q3及Q4的 工作周期使用，相同的工作周期D被使用于该电容分压器。尽管该工作周期会与53%有些 出入，但它仍是相当接近该50%水准。无论如何，即使该工作周期明显地偏离50%，VOUTl 电压亦仍维持在约VIN电压的一半且V0UT2电压被调整至5伏特。在另一实施例中，VIN电压约20伏特，VOUTl电压约10伏特，且V0UT2电压约5伏 特。在本例中，该工作周期D约50%。然而，该脉宽调制控制器111控制该些开关Ql及Q2 的工作周期以调整V0UT2电压至5伏特，且如同前述相同的工作周期D被复制至该些开关 Q3及Q4。进一步注意到，该些电容器C1、C3及CA形成一电容器回路，其使其中该些电容器 CA及C3中任一者可被省略的替代性实施例成为可行的。在一实施例中，VIN电压提供该初 始电压源以供电至该脉宽调制控制器111，且一旦完成调整则利用V0UT2电压来供电。在本 例中，未感测V0UT2电压而是直接提供给该脉宽调制控制器111。图2是一包含该电压转换器100的功率电路200的示意方块图。该电压转换器 100是以实质上类似于图1所示的方式来架构之，其中，该脉宽调制控制器111接收VOUTl 及V0UT2电压，并分别提供该些控制信号P1-P4至该些开关Q1-Q4的闸极。电容器Cl至C3 及CA被纳入并以相同方式被耦接。然而，如前所述，电容器C3及CA中任一者或两者皆可 被纳入以完成该电容器回路。操作实质上 是类似的，其中，该脉宽调制控制器111控制该些 开关Ql及Q2的工作周期D以调整V0UT2电压，且使用电容开关动作以藉由可切换地耦接 该飞驰电容器C2于节点101及105之间或于节点105及地面GND之间来形成VOUTl电压。 在所示实施例中，该外部电源116的输出透过该些连接器118及119并透过一对隔离开关 Sl及S2来提供该电源电压DCV至节点101以形成该VIN信号。该些隔离开关Sl及S2被 提供以如下所进一步描述而选择性地耦接来自该外部电源116的电力至该功率电路200。 一感测电路208控制该开关Sl的操作。该节点101进一步耦接至一电池充电器203的输入 端，于一节点205处具有一输出端，该节点205被进一步耦接至一可重复充电的电池组207 的末端。一开关S3耦接于节点205及105之间以选择性地耦接该电池组以依据该操作模 式而驱动VOUT电压。一电池检测电路206检测该电池组207的存在，并对该脉宽调制控制 器111发出一指示其存在的电池检测信号BD。该脉宽调制控制器111决定包含外部供电模式或电池供电模式的操作模式，并发出信号B以控制该开关S3。 虽然例如其它类型的场效晶体管或其它晶体管类型及雷同者的其它类型电子开 关被考虑到，但所示该些隔离开关Sl及S2为P型信道金属氧化物半导体场效晶体管。所 示该些开关Sl及S2耦接于一共汲极背对背架构中。当该外部电源116最初透过该些连接 器118及119而被连接时，该感测电路208检测该DCV电压并慢慢地导通该开关Sl以避免 大量涌入电流。在一实施例中，该感测电路208包含一用于感测外部电源的电阻器-电容 器(RC)电路或雷同者。在该开关Sl被导通期间，该开关S2的内部二极管顺向偏压，且该 电池充电器203透过节点101检测到外部电源的存在。在所示实施例中，该电池充电器203 发出信号A以导通该开关S2，使得于外部供电模式中由电源电压DCV提供VIN电压。当该外部电源不再供电时，该电池充电器203关闭该开关S2以进行隔离。该脉宽 调制控制器111透过节点101检测到电源电压DCV的存在且透过该BD信号检测到该电池 组207的存在，并决定该操作模式。在电池供电模式中，该脉宽调制控制器111透过该B信 号导通该开关S3，而在外部供电模式中，该脉宽调制控制器111关闭该开关S3。若在电池 供电模式中，在功率渐增时，该脉宽调制控制器111最初可透过节点205自该电池组207中 取得电力。如前所述，一旦V0UT2电压的调整被达成且若如所示地直接被提供给该脉宽调 制控制器111，则在正常操作期间由V0UT2电压供电至该脉宽调制控制器111。该开关S3 以一简化形式来显示，但它也可被实施成例如场效晶体管或金属氧化物半导体场效晶体管 或雷同者般的晶体管。在一实施例中，该电池组207包含具有范围自8. 4伏特至12. 6伏特的电池电压的 三锂离子(Li-离子)电池堆栈。其它电池架构及电压被考虑(包含在某些架构中的不可 重复充电电池)。即使未显示，但该电池充电器203包含一独立降压转换器或雷同者，以用 于转换该电源电压DCV成为充电电压及电流来充电该电池组207。该电池组207包含一个 或更多电池且被耦接于节点205及地面GND。既然该电池组207提供一替代性电源，该外部 电源116可选择性地被移除。当该外部电源可用于提供该电源电压DCV，该些开关Sl及S2被导通供电以在节点 101上形成该VIN电压。该开关S3被断路，且该电池充电器203充电该电池组207。如上 述，该电压转换器100以类似前述的方式来操作，其中，该脉宽调制控制器111控制该P1-P4 信号以调整该V0UT2电压至一预定电压电平，也以操作该电容分压器以使该VOUTl电压形 成约该VIN电压的一半。当该外部电源116不用时，该些开关Sl及S2被打开或关闭以切 断该电池充电器203，且该开关S3被接上或导通以提供该电池组207的电压至VOUTl电压 以作为该主电压源。在本例中，该脉宽调制控制器111如上所述地只控制该些开关Ql及 Q2 (分别透过信号Pl及P2)以调整该V0UT2电压，且该P3及P4信号未被发出以保持该些 开关Q3及Q4关闭。注意，该电池组207可具有相当宽广的电压范围(例如，8伏特-17伏 特)，使该些开关Ql及Q2的工作周期D可具有显著较宽广的工作周期范围(相较于具有 外部电源时)，用以调整V0UT2电压至想要的电压电平。然而，在本例中，该些开关Q3及Q4 维持关闭而未被激活。相较于传统降压转换器类型架构，该功率电路200的电容分压器提供较高效率以 类似上述用于该电压转换器100的方式透过VOUTl电压来供电。再者，在VOUTl处的电容 分压器输出不具有电感器，因而没有电感器核心损失及铜线圈损失。该电容分压器开关Q1-Q4结合零点电压关闭来操作，且每一个开关只看到一半的VIN电压，使得总切换损失相当地低。更进一步，因为该些电子开关的传导损失相较于其它损失具有主导性，所以该些传 导损失可藉由降低该些开关(例如，并联耦接多个开关以降低结合式导通电阻)的导通电 阻(RDSON)而被降低，不增加一般所关注的切换损失。本架构另一好处是现存交流至直流 转接器(例如，19伏特笔记型计算机转换器)可被充当该外部电源116使用，其中，该较高 转接器输出电压被降低以取得较高效率操作。图3是一整合该电压转换器100的电子装置300的简化方块图。该电子装置300 包含自该外部电源116接收电力的电压转换器100，及自该电压转换器100接收电力的功能 性电路302。该功能性电路302代表执行该电子装置300主要功能的主电路。该外部电源 116透过该些连接器118及119来提供该电源电压DCV，其中，所示连接器119安装在该电 子装置300上。当相接时，该电源电压DCV如那些熟知此项技术的人士所了解地透过该些 连接器118及119来提供该输入电压VIN至该电压转换器100。当该外部电源116可供电 时，该电压转换器100提供该些输出电压VOUTl及V0UT2至该功能性电路302。在本例中， 该外部电源116是唯一电源。该电子装置300代表仰赖外部电源的任何类型的小型电子装置。在一实施例中， 该电子装置300是一交流电单元或雷同者，其中，该外部电源116是一用于插入交流电插座 (未显示)的交流电至直流电转接器。在另一实施例中，该电子装置300搭配汽车来使用， 其中，该外部电源116是一插入可用的12伏特直流电源(例如，香烟打火机)的汽车转接 器。在任一例中，该外部电源116以一较所需的VOUTl或V0UT2输出电压电平还高的电压 电平来提供电源电压DCV。该电压转换器100以相当高的效率来转换该较高输入电压至适 合该电子装置300的功能性电路302使用的较低VOUTl及V0UT2输出电压电平。图4是一整合该功率电路200及一功能性电路402的电子装置400的简化方块图。 所示功率电路200及功能性电路402安装在该电子装置400内一印刷电路板(PCB)401上。 该功能性电路402代表执行该电子装置400主要功能的主电路。若该电子装置400是例如 一笔记型计算机或雷同者的计算机系统，则该印刷电路板401代表该计算机内的主机板或 其它合适的印刷电路板。一电池插槽403被提供以如那些熟知此项技术的人士所了解般地 来承接及持住该电池组207。当该电池组207被插入该插槽403时，该电池组207具有数个 末端405以电性介接相关电池节点407。该些节点407中至少其中之一耦接至该电池节点 205以如前述般地接收充电电流或由该电池(各电池)供电。所示说明被简化且不想被限 制至所示架构；任何类型的电池界面可被考虑。在一实施例中，该电池组207如前述般地可 重复充电。在一替代性实施例中，该电池组207不可重复充电而是如那些熟知此项技术的 人士所了解地单纯地为一可置换电池组。若不可重复充电，则该电池充电器203不是不被 提供就是另外被架构以检测电池类型而不执行再充电功能。同时，替代性地，该电池组207 可被整合至该电子装置400中，而不是透过一外部存取来移除(例如，整合MP3或媒体播放 器及雷同者的电池架构)。该电子装置400包含一类似介接该外部电源116的连接器118的连接器119，以类 似上述方式来提供该电源电压DCV给该电子装置300。在一实施例中，该外部电源116是一 交流电至直流电转接器。当相接时，该电源电压DCV如那些熟知此项技术的人士所了解地 透过该些连接器118及119来提供该输入电压VIN至该功率电路200以供电及/或对该电池组207进行充电。该功率电路200如前述供电至该电子装置400的功能性电路402般地 提供该VOUTl及VOUT2输出电压。若该外部电源116不可用且该电池组207已充分充电， 则由该电池组207供电。 该电子装置400代表任何类型的电池供电式电子装置，包含行动式、可携式或手 持式装置，例如，任何类型的个人数字助理(PDA)、个人计算机(PC)、可携式计算机、膝上型 计算机、笔记型计算机等等、手机、个人媒体装置、MP3播放器、可携式媒体播放器等等。该功 率电路200尤其对提供一笔记型计算机或雷同者的电源电压具有优势。在一实施例中，笔 记型计算机的共同电压电平为提供一笔记型计算机电池充电的电力而使用的19伏特。如 所示，若是VIN (或DCV)电压为19伏特，对一具有高达17伏特电压范围的电池组207充电 是有用的。然而，许多下游电压转换器(未显示)较无效率地以一例如19伏特的较高电压 电平来操作。运用该些开关Q1-Q4及该些电容器Cl-C3(及/或电容器CA)的电容分压器 提供9，5伏特VOUTl电压或约一半的VIN电压的降压电平。该9，5伏特电压电平更适合供 电给例如一中央处理单元(CPU，未显示)、一图形处理单元(GPU，未显示)、内存装置(未显 示)等等的主要的计算机装置的转换器。更进一步，该降压转换器117可用以转换该VOUTl 电压(例如，9. 5伏特)至一更适合其它计算机组件的电压电平，例如，可用5伏特来供电给 一硬盘机(HDD)控制器(未显示)、一通用序列总线(USB，未显示)等等。包含该电压转换器100的功率电路200提供有用的电压电平给许多电子装置，包 含计算机及雷同者，同时相较于现存功率电路也提供改进的整体系统效率。该电压转换器 100的电容分压器部分提供较高电压电平(例如，19伏特、9. 5伏特)，而在该切换式电容器 电路下半部所结合的降压转换器提供有用的调节电压电平(例如，5伏特)给其它组件。更 进一步，所制造的外部电源116实体上较小，此因它如前述地以较小电流提供一较高电压 电平。图5是包含一电压转换器501并兼备电池充电器功能的另一功率电路500的示意 方块图。该电压转换器501类似于该电压转换器100并包含以实质上相同方式所耦接的电 子开关Q1-Q4、电容器C0、C1、C2、CA及电感器L。在所示实施例中，该电容器C3被省略。因 为该些电容器Cl、C3及CA如前述般地另外形成一电容器回路结构，故在该些电容器C3及 CA中不是其中之一就是两者被纳入时，该切换式电容器操作及功能实质上是类似的。以一 脉宽调制控制器503取代该脉宽调制控制器111，该脉宽调制控制器503如在此所进一步描 述般地整合脉宽调制控制及电池充电控制功能。如所示，例如，该脉宽调制控制器503包含 该调节器112及该闸极驱动器电路114，其中，该调节器112感测并调整V0UT2电压并提供 脉宽调制给该间极驱动器电路114以类似前述的方式来产生该些驱动信号P1-P4。该脉宽 调制控制器503进一步包含一电池充电及模式控制电路504以控制该功率电路500的电池 充电、操作模式及其它控制功能。由该脉宽调制控制器503所控制的开关Ql及Q2、电感器 L及电容器CO整体形成该同步降压调节器117，其以类似前述的方式来与该切换式电容器 功能相结合。该电池检测电路206被显示以感测该电池组207的连接并以类似前述的方式 来发出该电池检测信号BD至该脉宽调制控制器503。该外部电源116被透过可兼容配对的连接器507及508来耦接的另一外部电源 505所取代。该外部电源505包含内含一地面端的三个末端及以类似用于该外部电源116 的方式来提供电源电压DCV的功率端，且进一步包含一接收一来自该脉宽调制控制器503的电压控制(VC)信号的控制输入端。如下所进一步描述地，该脉宽调制控制器503发出该 电压控制信号以引起该外部电源505调整该电源电压DCV的电压电平，并接着调整VIN及 VOU Tl电压的电压电平。该电源电压DCV透过具有串连耦接于电源电压DCV及节点509间 的电流端的隔离开关Sl及S2来提供。该开关Sl由该感测电路208以类似前述的方式所 控制。该开关S2由该脉宽调制控制器503所提供的信号A所控制。所示开关Sl及S2为 P型金属氧化物半导体场效晶体管(尽管其它类型的电子开关可被使用)，并实质上以所述 用于该功率电路200的相同方式来操作。一电流感测电阻器Rl耦接于节点101及509之 间，且两节点101及509耦接至该脉宽调制控制器503的相关输入端。
形成VOUTl电压的输出节点105也形成一系统总线(SYSTEM BUS)节点，用于以 一类似前述的方式来提供一较高电压供应至各电子电路之。一滤波电容器CSB耦接于该 SYSTEM BUS系统总线节点及地面之间以用于过滤该SYSTEM BUS系统总线节点。一电池充 电电流感测电阻器R2耦接于节点105及在该电池组207被连接时形成一电池电压VBATT 的一节点505之间。流过该电池组207的充电电流以ICHARGE显示之。一开关S3 (在其它 开关类型有被考虑到之下，还是显示成一 P型金属氧化物半导体场效晶体管)具有耦接于 节点505及耦接至该电池组207 —末端的节点205间的电流端。该开关由一该脉宽调制控 制器503所提供的信号B所控制。一滤波电容器CB偶接于节点505及地面之间以用于过 滤VBATT电压。该些输出节点105及113及该节点505耦接至该脉宽调制控制器503的相 关输入端。在本例中，该脉宽调制控制器503发出控制信号A及B以用于分别控制开关S2 及S3。自节点105经过电阻器R2至节点505并接着经开关S3、节点205及该电池组207 至地面的电性路径被称之为一电池充电路径。该电阻器R2是一感测电阻器，其中，该脉宽 调制控制器503感测电阻器R2上的电压以测量ICHARGE电流。替代性电流感测技术已知 且被考虑到。在本例中，该脉宽调制控制器503整合该脉宽调制控制器111的脉宽调制控制功 能及所描述用于该电池充电器203的电池充电控制功能。然而，该脉宽调制控制器503不包 含一独立的电池充电器。替代性地，该电容分压器的输出被运用以透过节点105处的VOUTl 电压对该电池组207进行充电。藉由移除一独立的电池充电器及相关电路来提供一显著优 势。该脉宽调制控制器503透过节点113来监测该V0UT2电压，并以类似前述用于该电压 调节器100及该功率电路200的方式藉由控制该工作周期D (开关Q1/Q3及Q2/Q4的切换) 来将该V0UT2电压调整为一预定电压电平。该脉宽调制控制器503监测该VIN电压，并藉 由监测横过该电流感测电阻器Rl的电压来监测透过该外部电源505提供至节点101的电 流。该脉宽调制控制器503进一步透过节点105监测该VOUTl电压，透过节点505监测该 电池电压VBATT，并透过该横过电流感测电阻器R2 (或VOUTl及VBATT电压间的电压差)的 电压监测该电池电流ICHARGE。该脉宽调制控制器503进一步透过该电压控制信号VC来控 制该DCV信号的电压电平。该电池组207具有一介于最小电池电压及最大电池电压间的正常电池电压范围。 然而，要了解，可重复充电电池可被彻底放电，也可具有小于该正常最小电池电压的电压。 然而，还是要对一彻底放电的电池进行充电。在该电池组207的电压低于该最小电池电压 电平时，若该开关S3要完全导通，则该VOUTl电压(及该SYSTEM BUS系统总线节点)可能 被拉至引起不想要结果(例如，潜在性地引起由该功率电路500所供电的电子装置的失败)的最小电平之下。替代性地，由该脉宽调制控制器503将该开关S3控制在它的线性操作范 围内以提供一点滴式充电(或一相当低的电流或"点滴式(trickle)"电流电平)，而同时 允许该VOUTl电压在一点滴式充电模式期间超过该实际的电池电压。尤其，该脉宽调制控 制器503发出该VC信号以引起该外部电源505发出与该正常最小电池电压的两倍相对应 的两倍于该最小电压电平的DCV电压。该些开关Sl及S2被导通以使VIN电压同时具有两 倍于该最小电压电平的电压电平。因为由电子开关Q1-Q4所切换的电容器Cl、C2及CAW 电容分压功能之故，VOUTl电压变成该VIN电压的一半，其是该正常最小电池电压电平。因 此，VOUTl电压被维持在该最小电池电压电平，即使VBATT电压在一点滴式充电模式期间低 于该最小值亦然。注意，该点滴式充电电流不一定是定值。在一实施例中，该点滴式充电电 流电平随着该电池电压往该最小电池电压电平增加而增加。然而，不管该脉宽调制控制器 503的工作周期D为何值，都需将V0UT2电压维持在它的调整电压电平。当该电池组207的电压增至它的最小电压电平(由于点滴式充电)时，该脉宽调 制控制器503切换至一固定电流充电模式，以递送一相当高的固定电流而在一较快速率下 充电该电池组207。在该固定电流充电模式中，该脉宽调制控制器503监测ICHARGE电流 及VBATT电压，并透过该电压控制信号VC来调整该VIN电压电平而将ICHARGE电流维持在 该固定电流电平。VOUTl电压介于该最小及最大电池电压电平，而该电池组207以固定电 流进行充电。如在固定电流充电模式期间该VBATT电压增加，则该切换工作周期D降低以 维持V0UT2电压在它的调整电平，然而，VOUTl电压却增加。当VBATT电压到达该最大电池 电压电平时，该脉宽调制控制器503切换至一固定电压充电模式，其中，该脉宽调制控制器 503控制该DCV电压以维持VBATT电压至一固定电平(其是该最大电池电压电平)。要理 解，当VBATT电压到达它的最大电平时，不论该充电电流变成什么值，都需将VBATT电压维 持在定值。在一示范实施例中，如同对VBATT电压所进行的测量，该电池组207的正常电压范 围介于8. 4伏特的最小电压电平及12. 6伏特的最大电压电平之间。同时，V0UT2电压的正 常或目标电平约为5伏特。在本例中，当在该点滴式充电模式中的VBATT电压为8. 4伏特或 低于8. 4伏特时，该脉宽调制控制器503控制该DCV电压至该最小电平的两倍或约16. 8伏 特，而使VOUTl电压约为8. 4伏特或稍高于8. 4伏特。该脉宽调制控制器503也调整V0UT2 电压至5伏特，而使该工作周期D约为60%。当在该固定电流充电模式中的VBATT电压介 于8. 4伏特及12. 6伏特之间时，该脉宽调制控制器503控制该DCV电压以维持该ICHARGE 的固定充电电流电平。既然在该固定电流充电模式期间的VBATT电压正常情况为增加，该 脉宽调制控制器503增加DCV电压，并藉一适当数量来降低该工作周期D以维持V0UT2电压 在5伏特。当在该固定电压充电模式的VBATT电压到达它的最大电平12. 6伏特时，该脉宽 调制控制器503控制DCV电压以维持VBATT电压在12. 6伏特。大体上，DCV电压大约维持 在该电池电压的两倍或25. 2伏特。既然在固定电压模式期间，VOUTl电压大约维持在12. 6 伏特或稍高处，那么，该工作周期D约下降至40%以维持V0UT2电压在5伏特。在本方式中， 在该点滴式、固定电流及固定电压电池充电模式期间，该工作周期D范围位在40%-60%之 间。尽管对于该电容分压器而言 ，该最有效率的工作周期为50% (当DCV电压为20伏特且 VOUTl电压为10伏特时)，但该整体效率仍是维持的相当地高，即使在该40% -60%工作周 期范围内亦然。
该脉宽调制控制器503以类似前述用于该电池充电器203的方式来检测及控制该 开关S2，且该脉宽调制控制器503以类似前述用于该脉宽调制控制器111的方式而透过该 BD信号来检测该电池组207。该脉宽调制控制器503控制外部供电模式及电池供电模式间 的操作模式，并在该外部电源505及该电池组207两者被检测到时控制电池充电功能。若该 外部电源505正在供电且该电池组207未被连接，则可命令该VIN电压电平至该适当电平 以提供该脉宽调制信号的50%工作周期，而使VOUTl电压小于一完全充电电池的电压。这 类理论上会提供该电容分压器的最大效率。然而，若一完全充电电池组207被耦接至节点 205而VOUTl电压小于该电池电压，该开关S3的内部二极管顺向偏压而引起短暂的竞争，该 短暂竞争可用别的方法而被该脉宽调制控制器503快速地消除。
在一实施例中，当该外部电源505提供DCV电压且该电池组207未被检测到，则该 脉宽调制控制器503命令DCV电压到达该最大电池电压电平，而非取得50%工作周期的任 何电平。若该电池组207接着被检测到，则该脉宽调制控制器503开始导通开关S3，同时监 测该VBATT电压，并透过该交流电信号据以调整VIN电压以变迁至该适当电压电平及电池 充电模式(前述点滴式充电模式、固定电流充电模式、固定电压充电模式中其中之一)。注 意，虽然不使用该电池组207而以该最大电池电压电平来操作并不需要该切换式电容器电 路(例如，在40%而非50%的工作周期下)的最佳化切换效率，但仍可得到一些好处。第 一，避开具有一完全充电电池的电池耦接问题。第二，以一较高电压电平及降低的电流电平 来操作该外部电源505，而在相同功率电平下提供外部电路而取得较高操作效率。第三，以 较高电压及降低的电流来操作VOUTl电压以递送相同功率电平也可得到较高的转接器操 作效率。该脉宽调制控制器503在固定电流充电模式期间以一预设电流电平(例如，4安 培或"A")来充电该电池组207。在一替代性实施例中，该电池检测电路206被一智能型 电池检测电路(未显示)所取代，用以介接"简易型"或"智能型"电池组。若该智能型 电池检测电路感测到一标准型或简易型电池组，则操作维持不变。若一智能型电池组被检 测到，则如那些熟知此项技术的人士所了解般该智能型电池检测电路自该智能型电池组传 送特别的充电信息至该脉宽调制控制器503，以用于决定特别的充电电流及/或电压电平。 例如，一智能型电池组可能控制一 3. 8安培固定电流电荷及一 25伏特的最大电压。相较于传统降压转换器类形架构，该功率电路500的电容分压器以类似上述用于 该功率电路200的方式透过VOUTl电压来提供较高效率的供电。再者，在VOUTl电压处的 电容分压器输出不具有电感器，因而不具有电感器核心损失及铜线圈损失。该电容分压器 开关Q1-Q4结合零点电压关闭来操作，且每一个开关只表露出一半的VIN电压，使得总切换 损失相当地低。更进一步，因为该些电子开关的传导损失相较于其它损失具有主导性，所以 该些传导损失可藉由降低该些开关的导通电阻来被降低，而不增加一般所关注的切换损失 (例如，藉由并联耦接多个开关以降低导通电阻)。本架构另一好处相较于在一较高电流电 平下提供较小电压的另一转接器，该外部电源505可藉由提供较高电压及较小电流来递送 相同电量而在实体上被制造较小。该功率电路提供额外优势及好处。该电池充电控制及该V0UT2脉宽调制控制被整 合成一单一控制器。该脉宽调制控制器503依据VOUTl及V0UT2电压来产生该工作周期D。 该脉宽调制控制器503依据该电池充电条件来产生回送至该外部电源505的VC信号。该些功率级构件被降低以减少该整体系统成本并增加该功率密度。该额外电池充电器(电池 充电器203)被移除以自该电路移除一额外电感器。作为替代地，提供该SYSTEM BUS系统 总线的有效率VOUTl输出被使用以对该电池组207充电。
图6是一整合该功率电路500及一功能性电路602的电子装置600的简化方块图。 所示该功率电路500及该功能性电路600以类似用于该电子装置400的所述方式安装在该 电子装置600内。该功能性电路602代表执行该电子装置600主要功能的主电路。若该电 子装置600是一例如笔记型计算机的计算机系统，则该印刷电路板601可代表该计算机内 的主机板或其它类似印刷电路板。该电子装置600包含一类似电池插槽603以用于承接并 持住该电池组207，其包含类似末端405以用于在将该电池组207藉类似所述用于该电池装 置400的方式插入该插槽603时来电性介接相关电池节点407。该些节点407中至少其中 之一被耦接至该电池节点205以如前述般地用于接收电流或供电。所示说明被简化且不是 要用以限制所示架构；任何类型的电池界面可被考虑。在一实施例中，该电池组207可如前 述般地重复充电。在一替代性实施例中，该电池组207不可重复充电而是如那些熟知此项 技术的人士所了解地单纯地为一可置换的电池组。同时，替代性地，该电池组207可被整合 至该电子装置600中，而不是透过一外部存取来移除(例如，整合MP3或媒体播放器及雷同 者的电池架构)。该外部电源505及该电子装置600包含可兼容配对的连接器507及508，以提供该 电源电压DCV至该功率电路500并传送该功率控制信号VC至该外部电源505。在一实施例 中，该外部电源505是一交流电至直流电转接器。当连接时，该电源电压DCV提供该输入电 压VIN给该功率电路500，且该脉宽调制控制器503如前述般地透过该VC信号来控制该电 源电压DVC的电压电平。该功率电路500如前述供电至该电子装置600的功能性电路602 般地提供该VOUTl及V0UT2输出电压。若该外部电源505不可用且该电池组207已充分充 电，则由该电池组207供电。该电子装置600代表任何类型的电池供电式电子装置，包含行 动式、可携式或手持式装置，例如，任何类型的个人数字助理(PDA)、个人计算机(PC)、可携 式计算机、膝上型计算机、笔记型计算机等等、手机、个人媒体装置、MP3播放器、可携式媒体 播放器等等。该功率电路500尤其对提供一笔记型计算机或雷同者的电源电压具有优势。该电 容分压器输出VOUT被使用以对该电池充电，并提供以一固定电压进行调整的电池电压给 该降压转换器。该电容分压器输出电压由该外部电源505依据该VC回馈信号来进行调整。 该回馈VC信号由该电池组207的现有及充电状态所决定。以一例如5伏特或任何其它合 适电压电平的想要电压电平来调整该降压转换器的这类方式，来控制该电容分压器及该降 压转换器的工作周期D。该系统电力总线电压只在该电池电压范围内变化。该些脉宽调制 调节功能与提供一较传统降压转换器成本还低的解决方案的电池充电器功能相结合。该功 率电路500提供较高功率转换效率并带给该电子装置600的热管理好处。该外部电源505 尺寸被降低，且该接线规格被放宽。尤其，该外部电源505的输出电压被增加而允许降低的 输出电流来降低尺寸并产生较小的标准线规或在其它方面上较少昂贵接线。该较低VOUTl 电压电平更适合供电给例如一中央处理单元(未显示)、一图形处理单元(未显示)、内存 组件(未显示)等等的主要的计算机装置的转换器。更进一步，该降压转换器117可用以 转换该VOUTl电压(例如，9. 5伏特)至一更适合其它计算机构件的电压电平，例如，可用5伏特来供电给一硬盘机控制器(未显示)、一通用序列总线(未显示)等等。
虽然本发明已参考其某些较佳版本来做相当详细地描述，但其它版本及变化例也 是可行并被考虑。例如，该些脉宽调制控制器111及503可使用分布式电路或整合至一芯 片或集成电路或任何两者的结合来实现。同时，该些脉宽调制控制器111及503可被配置 成模拟式或数字式脉宽调制控制器。那些熟知此项技术的人士应理解到他们可轻易地使用 所揭示的观念及特定实施例作为一用于设计或修改的其它结构的基础，而用以提供本发明 相同目的且不偏离下列申请专利范围所定义的精神及范围。
权利要求
一种电压转换器，包括一第一电容器，耦接于一参考节点及一第一输出节点间，其中，该第一输出节点形成一第一输出电压；一第二电容器，耦接于一输入节点及该参考与该第一输出节点中任一者之间；一第三电容器，具有第一及第二末端；一第一切换电路，其在一脉宽调变信号的一第一状态时分别耦接该第三电容器的第一及第二末端至该参考节点及该第一输出节点，并在该脉宽调变信号的一第二状态时分别耦接该第三电容器的第一及第二末端至该第一输出节点及该输入节点；一电感器，具有一耦接至该第三电容器的第一末端的第一末端，并具有一形成一第二输出节点以提供一第二输出电压的第二末端；一第四电容器，耦接于该第二输出电压及该参考节点之间；以及一控制器，其控制该第一及第二状态间的脉宽调变信号的工作周期，以调整该第二输出电压至一预定电压位准。
2.根据申请专利范围第1项的电压转换器，其中，该控制器包括一调节器，具有一感测该输出电压的输入端及一提供该脉宽调变信号的输出端；及 一切换驱动器电路，接收该脉宽调变信号及一控制该第一切换电路的输出。
3.根据申请专利范围第1项的电压转换器，进一步包括一提供一输入电压至该输入节 点的外部电源。
4.根据申请专利范围第3项的电压转换器，其中，该外部电源包括一交流电至直流电 转接器。
5.根据申请专利范围第1项的电压转换器，进一步包括 一外部电源，其提供一输入电压至该输入节点；一可重复充电电池；一第二切换电路，其选择性地耦接该外部电源的输出至该输入节点，并选择性地耦接 该可重复充电电池至该第一输出节点；及一电池充电器及控制电路，具有一耦接至该输入节点的功率输入端、一耦接至该可重 复充电电池的第一输出端、及具有一用于控制该第二切换电路的第二输出端。
6.根据申请专利范围第5项的电压转换器，其中当该外部电源提供该输入电压时，该电池充电器及控制电路控制该第二切换电路，以 耦接该外部电源的输出至该输入节点；及当该外部电源未提供该输入电压时，该电池充电器及控制电路控制该第二切换电路， 以耦接该可重复充电电池至该第一输出节点。
7.根据申请专利范围第1项的电压转换器，进一步包括该第二电容器，耦接于该输入节点及该第一输出节点之间；及 一第五电容器，耦接于该输入节点及该参考节点之间。
8.一种电子装置，包括一结合式降压转换器及电容分压器，其包括一第一电容器，耦接于一参考节点及一第一功率节点间，其中，该第一功率节点形成一 第一源出电压；一第二电容器，耦接于一输入节点及该参考与该第一功率节点中任一者之间；一第三电容器，具有第一及第二末端；一第一切换电路，其在一脉宽调变信号的一第一状态时分别耦接该第三电容器的第一 及第二末端至该参考节点及该第一功率节点，并在该脉宽调变信号的一第二状态时分别耦 接该第三电容器的第一及第二末端至该第一功率节点及该输入节点；一电感器，具有一耦接至该第三电容器的第一末端的第一末端，并具有一形成一第二 功率节点以提供一第二源出电压的第二末端；一第四电容器，耦接于该参考节点及该第二功率节点之间；以及 一控制器，其控制该第一及第二状态间的脉宽调变信号的工作周期，以调整该第二源 出电压至一预定电压位准；一电源节点，用以接收一输入电压；及功能性电路，其接收该第一及第二源出电压并执行该电子装置的功能。
9.根据申请专利范围第8项的电子装置，进一步包括一外部电源，具有一用于耦接至 该电源节点以提供该输入电压的输出端。
10.根据申请专利范围第9项的电子装置，其中，该外部电源包括一交流电至直流电转 接器。
11.根据申请专利范围第8项的电子装置，进一步包括 一电池节点；及一控制电路，其在该输入电压被提供时选择性地耦接该电源节点至该输入节点，并在 该输入电压未被提供时选择性地耦接该电池节点至该第一功率节点。
12.根据申请专利范围第11项的电子装置，进一步包括一电池充电器，具有一耦接至 该输入节点的功率输入端及具有一耦接至该电池节点的输出端。
13.根据申请专利范围第12项的电子装置，其中，该结合式降压转换器及电容分压器、 该电源节点、该电池节点、该电池充电器、该控制电路及该功能性电路整合在一印刷电路板 上。
14.根据申请专利范围第13项的电子装置，其中，该印刷电路板提供于一笔记型计算 机内。
15.根据申请专利范围第12项的电子装置，进一步包括一具有耦接至该电池节点的一 末端的可重复充电电池。
16.一种转换一输入电压成为一第一输出电压及一第二输出电压的方法，包括 提供该输入电压至一对应至一参考节点的输入节点；在该输入节点、该参考节点及一形成该第一输出电压的第一输出节点间耦接一电容器 回路；依据一脉宽调变信号的工作周期来双态触变一飞驰电容器的耦接，其中，该飞驰电容 器是于该输入节点及该第一输出节点间进行充电并于该第一输出节点及一参考节点间进 行放电；依据该脉宽调变信号的工作周期来选择性地双态触变一在该第一输出节点及该参考 节点间的一电感器的第一末端；耦接该电感器的第二末端至一形成一第二输出电压的第二输出节点；及控制该脉宽调变信号的工作周期以调整该第二输出电压至一预定位准。
17.根据申请专利范围第16项的方法，进一步包括监测该第二输出电压并调整该脉宽调变信号的工作周期，以使该第二输出电压维持在 该预定位准；及转换该脉宽调变信号以驱动用于控制电子开关的信号以进行该飞驰电容器的双态触 变耦接。
18.根据申请专利范围第16项的方法，进一步包括接收来自一外部电源的电压并提供 该接收电压至该输入节点。
19.根据申请专利范围第16项的方法，进一步包括提供一电池节点；及提供一转换该输入电压成为提供至该电池节点的电流的电池充电器。
20.根据申请专利范围第16项的方法，进一步包括当该输入电压未被提供时，在该第 一输出节点及该参考节点间耦接一电池。
21.根据申请专利范围第16项的方法，其中，该耦接一电容器回路包括在该第一输出节点及该参考节点间耦接一第二电容器；及耦接一第三电容器的第一末端至该输入节点，并耦接该第三电容器的第二末端至该第 一输出节点及该参考节点中其中之一；其中，一飞驰电容器的双态触变耦接包括在该脉宽调变信号的一第一状态时将该飞驰 电容器可切换性地耦接于该输入节点及该第一输出节点之间，并在该脉宽调变信号的一第 二状态时将该飞驰电容器可切换性地耦接于该第一输出节点及该参考节点之间；及其中，该选择性地双态触变一电感器的一第一末端包括耦接该电感器的第一末端至该 飞驰电容器的第二末端。
全文摘要
一种电压转换器包含一降压转换器及一电容分压器。该转换器包含四个电容器、一个切换电路、一个电感器、及一个控制器。一第一电容器耦接于一参考节点及一形成一第一输出电压的第一输出节点之间。一第二电容器耦接于一输入节点及该参考节点或该第一输出节点之间。该切换电路于一脉宽调变(PWM)信号的第一状态时耦接一第三电容器在该参考及第一输出节点之间，并于一第二脉宽调变信号状态时耦接该第三电容器在该第一输出及输入节点之间。该电感器耦接至该第三电容器并提供一耦接至提供一第二输出电压的第四电容器的第二输出节点。该控制器控制该脉宽调变信号的工作周期以将该第二输出电压调整至一预定位准。
文档编号H02J7/00GK101874341SQ200880100354
公开日2010年10月27日 申请日期2008年7月31日 优先权日2007年8月1日
发明者克雷格·J·米勒, 邢坤 申请人:英特赛尔美国股份有限公司