功率转换器的制作方法

本文涉及用于功率转换的系统、方法、设备、装置、制品和指令。

背景技术：

针对现有的功率转换器存在的问题，本文提出了功率转换器的改进的技术方案。

技术实现要素：

根据示例实施例，开关电容式功率转换器scpc包括：能量存储元件；电压参考控制器，该电压参考控制器被配置成基于经接收固定参考电压而输出经调整的参考电压；以及电荷泵送电路，该电荷泵送电路被配置成在电荷泵送频率下操作该scpc，且被配置成在该功率转换器的输出电压的绝对值小于该经调整的参考电压的绝对值的情况下在该电荷泵送频率下对该能量存储元件充电；其中如果该电荷泵送频率在预定频率排除范围内，那么该电压参考控制器被配置成将该经调整的参考电压设置成一值，使得该电荷泵送频率不再在该预定频率排除范围内。

在另一示例实施例中，该预定频率排除范围为以下各者中的至少一者：人耳可听的频率范围；20hz到20khz；nfc通信频率范围；或100khz到1mhz。

在另一示例实施例中，该能量存储元件为电容器。

在另一示例实施例中，该scpc被配置成输出高负载电流和低负载电流；且该电荷泵送电路被配置成响应于该高负载电流而在较高电荷泵送频率下操作该scpc且响应于该低负载电流而在较低电荷泵送频率下操作该scpc。

在另一示例实施例中，电荷泵送序列等于该电荷泵送频率的周期；且如果在预定时间段内接收到少于第一预设数目个电荷泵送序列，那么该电压参考控制器被配置成增加该经调整的参考电压，直到该电荷泵送频率超出该预定频率排除范围。

在另一示例实施例中，电荷泵送序列等于该电荷泵送频率的周期；且如果在预定时间段内接收到多于第一预设数目个电荷泵送序列但少于第二预设数目个泵送序列，那么该电压参考控制器被配置成将该经调整的参考电压保持在当前值，使得该电荷泵送频率保持超出该预定频率排除范围。

在另一示例实施例中，电荷泵送序列等于该电荷泵送频率的周期；且如果在预定时间段内接收到多于第一预设数目个和第二预设数目个电荷泵送序列，那么该电压参考控制器被配置成减少该经调整的参考电压同时保持该电荷泵送频率超出该预定频率排除范围。

在另一示例实施例中，如果该经调整的参考电压达到最小值，那么该电压参考控制器被配置成停止减少该经调整的参考电压。

在另一示例实施例中，另外包括一组开关，该组开关将该电荷泵送电路和该功率转换器的电压输出耦合到到该能量存储元件。

在另一示例实施例中，该scpc是作为dc到dc功率转换器。

在另一示例实施例中，用dac来设置该经调整的参考电压。

根据示例实施例，一种制品包括至少一个非暂时性有形的机器可读存储媒体，该机器可读存储媒体包括用于功率转换的可执行机器指令，该制品包括：其中该制品包括开关电容式功率转换器(scpc)，该scpc具有：能量存储元件；电压参考控制器，以及电荷泵送电路；其中该指令包括：使用该电压参考控制器，基于经接收固定参考电压而输出经调整的参考电压；以及使用该电荷泵送电路在电荷泵送频率下操作该scpc，且在该功率转换器的输出电压的绝对值小于该经调整的参考电压的绝对值的情况下在该电荷泵送频率下对该能量存储元件充电；其中如果该电荷泵送频率在预定频率排除范围内，那么该电压参考控制器将该经调整的参考电压设置成不同值，使得该电荷泵送频率不再在该预定频率排除范围内。

在另一示例实施例中，电荷泵送序列等于该电荷泵送频率的周期；且如果在预定时间段内接收到少于第一预设数目个电荷泵送序列，那么该电压参考控制器增加该经调整的参考电压，直到该电荷泵送频率超出该预定频率排除范围。

在另一示例实施例中，电荷泵送序列等于该电荷泵送频率的周期；且如果在预定时间段内接收到多于第一预设数目个电荷泵送序列但少于第二预设数目个泵送序列，那么该电压参考控制器将该经调整的参考电压保持在当前值，使得该电荷泵送频率保持超出该预定频率排除范围。

在另一示例实施例中，电荷泵送序列等于该电荷泵送频率的周期；且如果在预定时间段内接收到多于第一预设数目个和第二预设数目个电荷泵送序列，那么该电压参考控制器减少该经调整的参考电压同时保持该电荷泵送频率超出该预定频率排除范围。

在另一示例实施例中，如果该经调整的参考电压达到最小值，那么该电压参考控制器停止减少该经调整的参考电压。

以上论述并不意图表示当前或将来权利要求集的范围内的每一示例实施例或每一实施方案。图式和以下具体实施方式还举例说明各种示例实施例。

考虑结合附图的以下具体实施方式可更全面地理解各种示例实施例，在附图中：

附图说明

图1为功率转换器的第一例子。

图2为第一功率转换器的输出电压随时间的示例曲线图。

图3为功率转换器的第二例子。

图4为第二功率转换器的输出电压和内部逻辑信号随时间的示例曲线图。

图5为比较第一功率转换器与第二功率转换器的模拟之间的输出电压、转换器电流和负载电流随时间的示例曲线图。

图6为用于启用第二功率转换器的示例指令集。

图7为用于托管用于启用第二功率转换器的指令的示例系统。

虽然这些图呈现示例实施例集，但应理解，其它实施例也是可能的。也涵盖属于所附权利要求书的精神和范围内的所有修改、等效物和替代实施例。

具体实施方式

在各种示例实施例中，开关电容式功率转换器(switchingcapacitivepowerconverter；scpc)从可变电压输入产生稳定电压输出。输出电压可具有高于输入电压的值，且其为稳定的，尽管输入电压和输出负载可变化。

图1为功率转换器100的第一例子。第一功率转换器100为开关电容式功率转换器(switchingcapacitivepowerconverter；scpc)，其包括：电压输入102(用于接收电压vin)；电压参考输入104(用于接收电压vref)；时钟输入106；电压输出108(用于提供电压vout)；开关s1、s2、s3、s4；开关电容器112(例如，飞跨电容器，标注为csw)；比较器114；启用元件116(例如，与门)；以及反相器118(例如，非门)。第一功率转换器100连接到cout120和电压输出108处的负载(未示出)。负载汲取给定vout电压的负载电流。

开关电容器112从电压输入102上的vin充电，且随后放电到负载，因此提供电荷转移和电压输出108上的恒定vout。

scpc100集成开关s1、s2、s3、s4和时钟信号(clk)驱动反相器118，使得开关s1、s2与s3、s4交替地工作。所示出配置产生使vin加倍的vout。

scpc100在以下两个阶段中操作：电荷存储阶段和电荷转移到负载阶段。这两个阶段由时钟信号(clk)定序。闭合s1和s2在前半个循环(即，电荷存储阶段)中将开关电容器112(例如，飞跨电容器或csw)充电到vin。在后半个循环中，s3和s4断开，且s1、s2闭合(即，电荷转移到负载阶段)。此行为将开关电容器112(csw)的负极端子连接到vin且将正极端子连接到vout。

如果跨越负载的vout小于跨越开关电容器112(csw)的vout，那么电荷从开关电容器112(csw)流动到负载。

电荷存储阶段和电荷转移到负载阶段循环地进行，从而增加scpc100的vout，直到达到在电压参考输入104处接收的预定参考电压(即，vref)。当vout达到vref时，启用元件116阻挡clk信号，且开关停止。scpc100随后保持处于电荷存储阶段。

随着vout迅速变得小于vref，启用元件116将clk信号传递到开关s1、s2、s3、s4，且scpc100通过在电荷存储与电荷转移到负载阶段之间交替开关s1、s2、s3、s4来恢复电荷泵送，直到vout达到或变得大于vref。

图2为在稳定状态下的第一功率转换器100的输出电压202(vout)随时间204的示例曲线图200。

在理想电路中，通过在比较器114上使用电压滞后而将scpc100的输出电压vout调节在电压滞后窗206(hyst)内。vout将被理想地调节在vref与vref+hyst之间。用于停止升高的vout的阈值电压为vref+hyst，且用于停止下降的vout的阈值电压为vref。

在理想操作期间，scpc100将电荷从vin泵送到vout，且vout上升到vref+hyst。随后，scpc100停止泵送电荷(这是由于clk被启用元件116停用)且保持处于电荷存储阶段。随后，vout归因于负载的电流汲取而从vref+hyst线性降低，直到vout＝vref。随后，scpc100恢复将电荷从vin泵送到vout，直到vout再次上升到vref+hyst。

然而，在现实世界电路中，scpc100的时间响应对于将vout调节在电压滞后窗206(hyst)内来说过慢。因此，vout的上升斜坡208对于scpc100的动态表现来说过快，且vout变得高于vref+hyst，直到达到vref+δv。可通过设计来设置hyst。对于高hyst，可进行从vref到vref+hyst的若干泵送和存储阶段。图2为小滞后scpc和/或轻负载条件的说明。此额外vout波纹210(δv)等于scpc的输出电压步升能力(stepupcapability)。

scpc的输出波纹210(δv)等于：

在轻(即，低输出电流)负载条件下，vout上升斜坡208大体上小于(例如，可忽略地不同于)vout的下降斜坡212。因此，vout波纹频率通过跨越δv的负载电容的放电限定：

其中iload等于负载的电流。在将式[1]集成在式[2]内部的情况下，vout频率可写成负载的电流与输出电压202(vout)的函数，参见方程式[3]。

如从方程式[3]可见，scpc100的输出波纹210(δv)频率取决于负载的电流iload。

在动态电路条件下，scpc100的输出波纹210(δv)频率(即，开关频率)随着负载的电流而变化。

在一些示例电路应用中，在轻负载电流下，输出波纹210(δv)频率可小于20khz，该频率处于人耳可听范围(例如，20hz到20khz)内。取决于应用，可通过驱动其它电路组件的机械振动来放大输出波纹210(δv)频率，使得可易于听见音响噪声(例如，可能在小负载电流下制造可听见的鸣笛声)。

在一些示例应用中，取决于负载的电流，此类可变开关频率将有时属于人耳可听频率范围，且其它时候超出人耳可听频率范围。

然而，在一个示例实施例中，可致使此类可听噪声随着scpc100的应用而变化的准确负载电流可在5ma的范围内。在某些安全/智能卡应用中，此类噪声可引起安全风险。

此类轻负载电流可听振动的一个可能的变通方案为在scpc100的输出处添加电阻负载。然而，此可导致scpc100功率消耗增加(即使在无负载的情况下)，进而降低轻负载下的scpc100的功率效率。

另一可能方法在轻电流负载下将scpc100置于开放回路模式。此可通过移除scpc100的输出电压调节来完成。在此方法中，scpc100的输出电压(vout)等于输入电压(vin)乘以二。自振scpc100的输出波纹210(δv)频率将随后约等于scpc100的开关时钟(clk)频率，进而在高于20khz的频率下开关时钟的情况下减少可听噪声。

在另一方法中，通过相对于负载120调制scpc100的开关s1、s2、s3、s4的电阻来解决潜在的音频噪声。在轻电流负载下，开关s1、s2、s3、s4具高电阻性，且scpc100的输出波纹210(δv)振幅减小。

在又一方法中，通过调整scpc100的电压输出108上的内部负载(未示出)以便固定scpc100的输出频率来解决音频噪声。然而，此方法可导致功率效率降低，这是由于内部负载在scpc100的电压输出108处添加额外负载电流。

下文更详细地论述用于使来自scpc的音频噪声衰减的另一方法。此方法改进功率转换器(例如，scpc)在轻负载条件下的功率效率。

在此方法中，参见方程式[3]，在轻负载条件下，vout频率通过增加vout而增加到至少超出人耳可听范围。在轻负载条件下增加vout导致开关频率较高，此使得输出波纹噪声超出可听频率。在另一示例实施例中，输出波纹可移位到超出nfc通信带宽(例如，100khz到1mhz)，以减少或消除对nfc通信的干扰。

此方法的益处包括：无外部负载因此功率效率较好；去除来自scpc操作的可能音频噪声而无论是何种负载；以及在scpc输出上无额外负载电流时，功率效率稳定而无论是何种负载。此经噪声衰减的scpc的应用包括：接触智能卡读取器；以及基于scpc的nfc增压器应用。假设无电容损失，那么scpc的功率效率保持大致相同而不管scpc输出电压。在由ldo对scpc进行滤波的情况下，vout变化将不会影响轻负载的良好ldo电源抑制比(powersupplyrejectionratio；psrr)。

图3为功率转换器300的第二例子，该例子示出此频率移位方法的例子。第二功率转换器300为开关电容式功率转换器(switchingcapacitivepowerconverter；scpc)，其包括：电压输入302(用于接收电压vin)；电压参考输入304(用于接收电压vref)；时钟输入306；电压输出308(用于提供电压vout)；开关s1、s2、s3、s4；开关电容器312(例如，飞跨电容器或csw)；比较器314；启用元件316(例如，与门)；以及反相器318(例如，非门)。

scpc功率转换器300还包括电压参考控制器332。电压参考控制器332包括：时钟分频器322；数字控制器324；以及dac326(数模转换器)。

第二功率转换器300连接到cout和电压输出308处的负载(未示出)。负载汲取给定vout电压的负载电流。

在scpc功率转换器300内部的一组信号包括：clk_div信号328(低频内部时钟)；上行信号330；下行信号332；vref_dac信号334(也称为经调整的参考电压，或设置点信号)；泵浦信号336；clk_sw信号338；以及负载信号340。

scpc功率转换器300基本上如参考图1所描述而操作。然而，电压参考控制器332监测clk_sw信号338频率(即，scpc300泵送活动)且作为响应使用vref_dac信号334来修改比较器314的电压参考设置点电压以确保电压输出308上的vout波纹不在预定频率排除范围(例如，人耳可听频率范围，nfc通信频率范围等)内。

时钟分频器322在时钟输入306上接收clk信号，且将clk信号频率划分成较低clk_div信号328频率。

数字控制器324接收并监测指示scpc300的泵送频率的clk_sw信号338。数字控制器324还接收clk_div信号328，且由clk_div信号328计时。

如果clk_sw信号338频率在预定频率排除范围内，那么在一个示例实施例中，数字控制器324将上行信号330发送到dac326，使得vref_dac信号334增加，且clk_sw信号338频率因此增加到高于预定频率排除范围。在另一实施例中，数字控制器324将下行信号332发送到dac326，使得vref_dac信号334减少，且clk_sw信号338频率因此减少到低于预定频率排除范围。

dac326在电压参考输入304上接收vref，且基于上行信号330和下行信号332而将不同电压参考设置点电压(vref_dac信号334)输出到比较器314。

在另一示例实施例中，如果在clk_div信号328的周期内不接收clk_sw信号338，那么数字控制器324保持增加电压参考设置点(vref_dac)，直到clk_sw信号338的频率超出预定频率排除范围。随后，当clk_sw信号338频率超过预定最高频率(即，指示负载再次汲取正常电流)时，电压参考设置点(vref_dac)减少，直到低于预定最高频率。预定最高频率也超出预定频率排除范围，以便确保不出现可听和/或其它无用信号干涉。

虽然以上例子提及增加/减少(increase/decrease)、高于/低于、增加/减少(increment/decrement)、上行/下行等，但在其它例子实施例中，此类术语指所比较的参考和电压的绝对值。因此，在负电压以及正电压下操作的实施例包括在这些示例实施例中。

图4为第二功率转换器300的输出电压(vout)和内部逻辑信号随时间的示例曲线图400。示例曲线图400将输出电压402(vout)示出为垂直轴，且将时间404示出为水平轴。以类似于图2中所论述的方式的方式，还示出电压滞后窗406(hyst)；上升斜坡408；输出波纹410(δv)；以及下降斜坡412。

还示出scpc功率转换器300内的一组电路信号418。这些信号418包括：clk_div信号328；上行信号330；下行信号332；clk_sw信号338；以及负载信号340。

例子曲线图400示出在scpc负载调节期间处于稳定状态的信号418的性能。在t0处，scpc300负载电流较低，且scpc将vout调节在标准窗内。

在t1与t2之间，在低频时钟(clk_div信号328)的周期期间未感测到scpc300泵送活动(即，clk_sw信号338)，因此在t2处，vref_dac334增加(即，上行信号420被发送到dac326)。因此，scpc300的输出调节窗较高，vout波纹较低，且scpc300的输出频率增加。

在t2与t3之间，同样在低频时钟(clk_div信号328)的周期期间未感测到scpc300泵送活动(即，clk_sw信号338)，因此在t3处，vref_dac334同样增加(即，上行信号422)。因此，scpc300的输出调节窗甚至更高。如前所述，由于scpc300的输出调节窗较高，因此vout波纹较低，且scpc300的输出频率另外增加。

在t3与t4之间，在每一周期(参见低频时钟(clk_div信号328))期间仅看到一个泵送序列(即，clk_sw信号424、426、428、430)，因此scpc300调节(即，vref_dac334)既不增加也不减少。

通过选择低频时钟频率(即，clk_div信号328频率)且确保至少一个泵送序列在低频时钟的周期期间发生，数字控制器324使scpc300的输出频率保持高于预定频率排除范围的上限(例如，20khz)。因此，使得scpc300的输出波纹频率超出预定频率排除范围(例如，音频带宽)。

在t4与t5之间，由数字控制器324检测多于四个泵送序列，因此在t4处，vref_dac减少(即，下行信号414)。在其它示例实施例中，致使数字控制器324减少vref_dac信号334的低频时钟的周期内的泵送序列的数目可取决于预定义轻负载电流电平而变化。超出此数目的增加的数目个泵送序列指示负载再次汲取较大电流。

在t5与t6之间，同样由数字控制器324检测多于四个泵送序列，因此在t5处，vref_dac同样减少(即，下行信号416)。在vref_dac信号334返回到标准电压调节窗之后，vref_dac信号334减少停止，即使泵送序列的数目多于四个也如此。

在t6之后432，scpc300的输出电压(vout)保持在标准电压调节窗内，以便保持关于负载电压调节的良好性能。

图5为比较第一功率转换器100与第二功率转换器300的模拟之间的输出电压、转换器电流和负载电流随时间的示例曲线图。该曲线图包括三个部分：负载电流502；第一功率转换器100及第二功率转换器300；电流504、506；以及第一功率转换器100电压508及第二功率转换器300电压510。

如上文所论述，第一功率转换器100不具有电压参考控制器332，而第二功率转换器300具有电压参考控制器332。

执行超过5ms的scpc功率转换器300的使用verilog-a的瞬态模拟(使用典型工艺和环境温度)。针对5.4vvout电平设置scpc300。scpc300在轻负载电流(1ma)下开始，随后在4ms之后，在scpc300回到轻负载之前在65ma下历时500us负载scpc300。

在负载调节期间，图5示例的曲线图示出在电压参考控制器332的操作之前和之后的scpc的输出电压508、510和电流消耗504、506两者。在轻负载下，在稳定状态下第一功率转换器的100输出波纹等于12khz，而第二功率转换器的300输出波纹变成40khz。因此，电压参考控制器332使得scpc300的输出波纹频率超出预定频率排除范围(例如，音频带宽)。存在极少或不存在关于电流消耗504、506的变化。

图6为用于启用第二功率转换器的示例指令集600。论述指令的次序并不限制其它示例实施例实施指令的次序，除非以其它方式具体陈述。此外，在一些实施例中，同时实现指令。

第一示例指令集开始于602中，使用电压参考控制器基于经接收固定参考电压而输出经调整的参考电压。在604中，使用电荷泵送电路在电荷泵送频率下操作scpc，且在scpc的输出电压的绝对值小于经调整的参考电压的绝对值的情况下在电荷泵送频率下对能量存储元件充电。随后在606中，其中如果电荷泵送频率在预定频率排除范围内，那么电压参考控制器将经调整的参考电压设置成不同值，使得电荷泵送频率不再在预定频率排除范围内。

指令可被扩增或被以下额外指令中的一个或多个替换，该等指令不以特定次序呈现：

608-其中电荷泵送序列等于电荷泵送频率的周期；且其中如果在预定时间段内接收到少于第一预设数目个电荷泵送序列，那么电压参考控制器增加经调整的参考电压，直到电荷泵送频率超出预定频率排除范围；

610-其中如果在预定时间段内接收到多于第一预设数目个电荷泵送序列但少于第二预设数目个泵送序列，那么电压参考控制器将经调整的参考电压保持在当前值，使得电荷泵送频率保持超出预定频率排除范围；

612-其中如果在预定时间段内接收到多于第一预设数目个和第二预设数目个电荷泵送序列，那么电压参考控制器减少经调整的参考电压同时保持电荷泵送频率超出预定频率排除范围；以及

614-其中如果经调整的参考电压达到最小值，那么电压参考控制器停止减少经调整的参考电压。

图7为用于托管用于启用第二功率转换器的指令的示例系统700。系统600示出与电子设备604介接的输入/输出数据602。电子设备604包括处理器606、存储装置608和非暂时性机器可读存储媒体610。机器可读存储媒体610包括控制处理器606如何使用存储装置608内的数据来接收输入数据602并将输入数据变换成输出数据602的指令612。在本说明书中的其它地方论述存储在机器可读存储媒体610中的示例指令612。在替代示例实施例中，机器可读存储媒体为非暂时性计算机可读存储媒体。

处理器(例如，中央处理单元、cpu、微处理器、专用集成电路(application-specificintegratedcircuit；asic)等)控制存储装置(例如，用于临时数据存储的随机存取存储器(randomaccessmemory；ram)、用于永久数据存储的只读存储器(readonlymemory；rom)、固件、闪存、外部和内部硬盘驱动器等等)的总操作。处理器装置使用总线与存储装置和非暂时性机器可读存储媒体通信并执行实施存储在机器可读存储媒体中的一个或多个指令的操作和任务。在替代示例实施例中，机器可读存储媒体为计算机可读存储媒体。

在本说明书中,已经依据选定的细节集合呈现示例实施例。然而，本领域的普通技术人员将理解，可实践包括这些细节的不同选定集合的许多其它示例实施例。希望所附权利要求书涵盖所有可能的示例实施例。

应注意，已经参考不同标的物描述了以上实施例。具体来说，可已参考方法型或指令型权利要求书描述一些实施例，而可已参考设备型或装置型权利要求书描述其它实施例。然而，本领域的技术人员将从上可知，除非另外指明，否则除了属于一种类型的标的物的特征的任何组合以外，与不同标的物相关的特征的任何组合(具体来说，方法型或指令型权利要求书的特征与设备型或装置型权利要求书的特征的组合)也被视为用本文件来公开。