开关电容变换器及其控制方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种开关电容变换器及其控制方法。

背景技术：

开关电容变换器由开关和电容组成，通过开关控制电容的充电和放电从而实现电压或电流变换。现有的开关电容变换器如图1所示，开关电容变换器可以通过控制各开关的导通和关断，进而控制电容进行充电和放电，从而使得输出电压和输入电压成预定的比例。

然而，负载的大小不同可能会导致开关电容变换器的效率不稳定。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种开关电容变换器及其控制方法，以提高开关电容变换器的效率。

第一方面，本发明实施例提供一种开关电容变换器的控制方法，包括：

设置与多个电流区间相对应的开关频率；以及

采样输入电流或输出电流以产生采样信号，并选择与所述采样信号相对应的所述开关频率。

优选地，设置与多个电流区间相应的开关频率包括：

设置与所述采样信号相对应的数字信号，所述数字信号用于表征所述采样信号所在的区间；以及

设置与所述数字信号相对应的阈值电压信号，并根据所述阈值电压信号选择所述开关频率。

优选地，选择与所述采样信号相对应的所述开关频率包括：

以查表方式选择与所述采样信号相对应的阈值电压信号，所述阈值电压信号用于表征所述采样信号所在区间相对应的电压；以及

根据所述阈值电压信号选择用于控制所述开关电容变换器的开关频率的控制信号。

优选地，选择与所述采样信号相对应的所述开关频率包括：

更大的输入电流或输出电流的强度对应更大的开关频率。

第二方面，本发明实施例提供一种开关电容变换器，包括：

功率级，所述功率级包括多个电容和多组开关；以及

控制电路，被配置为采样输入电流或输出电流以产生采样信号，并选择与所述采样信号相对应的开关频率。

优选地，所述控制电路按照预定的方式控制所述多组开关按照所述开关频率交替导通和关断。

优选地，所述控制电路被配置为以查表方式选择与所述采样信号相对应的阈值电压信号，所述阈值电压信号用于表征所述采样信号所在区间相对应的电压；

根据所述阈值电压信号选择用于控制所述开关电容变换器的开关频率的控制信号。

优选地，所述控制电路包括：

电流检测电路，被配置为采样输入电流或输出电流以产生采样信号；

信号产生电路，被配置为根据所述采样信号选择输出相应频率的时钟信号；以及

驱动电路，被配置为根据所述时钟信号输出控制信号；

所述控制信号用于控制所述多组开关交替导通和关断。

优选地，所述信号产生电路包括：

模数-数模转换器，被配置为选择与所述采样信号相对应的阈值电压信号，所述阈值电压信号用于表征所述采样信号所在区间对应的电压；以及

压控振荡器，被配置为根据所述阈值电压信号输出相应频率的时钟信号。

优选地，选择与所述采样信号相对应的开关频率包括：

更大的输入电流或输出电流的强度对应更大的开关频率。

本发明实施例的技术方案通过采样输入电流或输出电流以产生采样信号，并以查表方式选择与所述采样信号相对应的阈值电压信号，进而选择控制开关电容变换器开关频率的控制信号。由此，可以使得所述开关电容变换器可以根据输入电流或输出电流调节开关频率，以提高所述开关电容变换器的效率。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是现有技术的开关电容变换器的电路示意图；

图2是本发明实施例开关电容变换器的电路示意图；

图3是本发明实施例开关电容变换器在第一状态下功率级的等效电路图；

图4是本发明实施例开关电容变换器在第二状态下功率级的等效电路图；

图5是本发明一个实施例开关电容变换器在不同开关频率下的输出电流与效率的关系曲线图；

图6是本发明实施例的控制电路的电路示意图；

图7是本发明实施例模数-数模转换器置位阈值电压的对照图；

图8是本发明实施例输入电流或输出电流与开关频率的对照图；

图9是本发明实施例开关电容变换器控制方法的流程图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

图2是本发明实施例开关电容变换器的电路示意图。如图2所示，本发明实施例的开关电容变换器包括功率级1和控制电路2。其中，所述功率级1包括多个电容和多组开关。所述控制电路2被配置控制所述多组开关导通和关断以使得输出电压保持恒定。具体地，控制电路2控制开关交替地导通和关断以使得多个电容在一部分状态下通过输入端口充电，在另一部分状态下对输出端口放电，从而使得输出电压保持恒定。

在本实施例中，如图2所示，以所述功率级1包括两个电容和两组开关为例进行说明。应理解，本实施例的技术方案也适用于其它各种类型的开关电容变换器，其电容可以有多个，开关也可以有多组，具体可根据实际应用场合选择设置电容的数量和开关的组数。

在本实施例中，所述功率级1包括两个电容和两组开关。所述开关包括第一组开关q1和q2，以及第二组开关q3和q4。开关q1、q2、q3和q4串联在输入端和接地端之间。开关q1与开关q2的公共端为节点m1，开关q2与开关q3的公共端为节点m2，开关q3与开关q4的公共端为节点m3。其中，电容c1连接在节点m1和m3之间，电容cout连接在节点m2和接地端之间，负载load与所述电容cout并联。开关q1、q3在控制信号gh的控制下导通或关断，开关q2、q4在控制信号gl的控制下导通或关断。控制信号gh和gl互补，即，控制信号gh为高电平时，控制信号gl为低电平；在控制信号gl为高电平时，控制信号gh为低电平。由此，可通过控制信号gh和gl控制开关q1、q3和开关q2、q4交替导通和关断，使得开关电容变换器在两种状态之间切换，使得输出电压vout保持为输入电压vin的二分之一。

在本实施例中，开关q1-q4可以采用各种现有的电可控开关器件，例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)、双极结型晶体管(bjt)，或者，绝缘栅双极晶体管(igbt)。

图3是本发明实施例开关电容变换器在第一状态下功率级的等效电路图。如图3所示，当gh为高电平，gl为低电平时，开关q1和q3导通，开关q2和q4关闭，开关电容变换器工作在第一状态，输入电压vin对电容c1充电，同时为输出端供电。输出端的输出电压vout为输入电压vin的二分之一。

图4是本发明实施例开关电容变换器在第二状态下功率级的等效电路图。如图4所示，当gh为低电平，gl为高电平时，开关q1和q3关闭，开关q2和q4导通，开关电容变换器工作在第二状态，电容c1放电为输出端供电。输出端的输出电压vout为输出电压vin的二分之一。

由此，通过控制开关q1、q3和开关q2、q4的交替导通和关断，从而使得输出电压vout为输入电压vin的二分之一。然而，在一定的条件下，如果输出电流在较宽范围内变化，固定的开关频率可能会影响所述开关电容变换器的效率。

在一个可选的实施例中，取输入电压vin为12v，输出电压vout为6v，电容c1为40uf。所述开关电容变换器在不同开关频率下的效率与输出电流iout的关系如图5所示。图5是本发明一个实施例开关电容变换器在不同开关频率下的输出电流与效率的关系曲线图。如图所示，横轴表示输出电流iout，纵轴表示效率，不同形状的曲线表示不同的开关频率，共包括五条曲线。其中有四条曲线分别对应开关频率为260khz、300khz、336khz和200khz的效率曲线图，虚线51为经由控制电路调节的开关频率对应的效率曲线图。由开关频率分别为260khz、300khz、336khz和200khz的四条曲线对比可知，在同一输出电流iout的区间内，开关频率不同，对应的效率也不同，同时，对于每条曲线，在不同的输出电流iout的区间内效率的变化幅度较大。而且，在输出电流iout越低的区间内，开关频率越低对应的效率越高，在输出电流iout越高的区间内，开关频率越高对应的效率越高。由此可知，更大的电流强度对应更大的开关频率能够提升效率。

由此，将控制电路2被配置仅根据所述功率级1的输入电流或输出电流的参数控制所述开关的开关频率以提高所述开关电容变换器的效率。

具体来说，控制电路2根据输入电流或输出电流的强度来选择对应的开关频率，在该开关频率下控制开关电容变换器的开关组导通和关断。由于开关电容变换器的输出电压和输入电压的变化基本上与开关频率无关，因此，其输出电压不受影响。但是，由于开关频率随输入电流或输出电流的强度动态变化，对于一个确定的拓扑控制电路选择合适的开关频率以降低开关电容功率级的损耗，可以有效地提高电容变换器的效率。本实施例中，控制电路2可以通过模拟电路实现，也可以通过可编程控制器实现上述功能。

在一个可选实现方式中，可以通过查表的方式获取当前的输入电流强度或输出电流强度所对应的开关频率。输入电流强度或输出电流强度与开关频率的对应关系，可以通过预先的实验数据获得。

在另一个可选实现方式中，也可以通过实时计算的方式来确定当前的输入电流强度或输出电流强度所对应的开关频率，只要保证电流强度越大，开关频率越高即可。

图5中的虚线51为经由上述控制电路2调节后效率曲线。根据图5可知，随负载变化动态调节开关频率可以在几乎所有区间获得最高的效率，而且效率也比较稳定。

图6是本发明实施例的控制电路的电路示意图。如图6所示，控制电路2包括电流检测电路21、信号产生电路22和驱动电路23。电流检测电路21被配置为采样输入电流或输出电流以产生采样信号。信号产生电路22被配置为根据所述采样信号选择输出相应频率的时钟信号。驱动电路23被配置为根据所述时钟信号输出控制信号，所述控制信号用于控制所述多组开关交替导通和关断。

优选地，所述控制电路2按照预定的方式控制所述多组开关按照所述开关频率交替导通和关断。

优选地，所述控制电路2被配置为以查表方式选择与所述采样信号相对应的阈值电压信号，所述阈值电压信号用于表征所述采样信号所在区间相对应的电压。根据所述阈值电压信号产生用于控制所述开关电容变换器的开关频率的控制信号。

在本实施例中，所述电流检测电路21采样输入电流iin或输出电流iout以产生采样信号vs，所述采样信号vs用于表征输入电流iin或输出电流iout。在一个可选的实现方式中，所述采样信号vs为基本随输入电流iin或输出电流iout变化的信号。

优选地，所述电流检测电路21还包括滤波电路。滤波电路可以尽可能减小输入电流iin或输出电流iout中的交流成分，保留其直流成分，使得波形变得比较平滑。

在本实施例中，信号产生电路22被配置为根据所述采样信号vs选择输出相应频率的时钟信号clock。具体地，所述信号产生电路22包括模数-数模转换器22a和压控振荡器22b。模数-数模转换器22a被配置为将所述根据所述采样信号vs选择相对应的阈值电压信号vr，所述阈值电压信号vr用于表征所述采样信号vs所在区间对应的电压。压控振荡器22b被配置为根据所述阈值电压信号vr输出相应频率的时钟信号clock。

在本实施例中，所述模数-数模转换器22a包括模数转换器和数模转换器。其中，所述模数转换器输入采样信号vs，输出对应的数字信号ds。优选地，所述模数转换器包括多个比较器，所述多个比较器的两端分别输入对应的基准电压信号和采样信号vs，并将比较结果以数字信号的方式输出，所述数字信号ds用于表征所述采样信号vs所在的区间。所述数模转换器输入所述数字信号ds，根据所述数字信号ds置位相应的阈值电压信号vr。所述阈值电压信号vr用于表征所述采样信号vs所在区间对应的电压。优选地，所述数模转换器以查表的方式选择所述阈值电压信号vr。在一个可选的实现方式中，所述采样信号vs、数字信号ds与所述阈值电压信号vr的对应关系如图7所示，图7是本发明实施例模数-数模转换器置位阈值电压的对照图。如图7所示，响应于所述采样信号vs的值低于vs1，模数转换器输出数字信号ds为ds1，数模转换器输出阈值电压信号vr为vr1。响应于所述采样信号vs的值在(vs1，vs2)区间内，模数转换器输出数字信号ds为ds2，数模转换器输出阈值电压信号vr为vr2。响应于所述采样信号vs的值在(vs2，vs3)区间内，模数转换器输出数字信号ds为ds3，数模转换器输出阈值电压信号vr为vr3。响应于所述采样信号vs的值高于vsn，模数转换器输出数字信号ds为dsn，数模转换器输出阈值电压信号vr为vrn。由此，模数-数模转换器即可根据所述采样信号vs选择相对应的阈值电压信号vr。

在本实施例中，压控振荡器22b根据所述阈值电压信号vr输出相应频率的时钟信号clock。压控振荡器是指输出频率与输入电压有对应关系的振荡电路。由此，可通过压控振荡器控制时钟信号的频率。

在本实施例中，驱动电路23被配置为根据所述时钟信号clock输出预定频率的控制信号gh和gl，所述控制信号gh和gl用于控制所述多组开关交替导通和关断。其中控制信号gh用于控制开关q1和q3，gl用于控制开关q2和q4，且所述控制信号gh和gl互补。

由此，控制电路可以实现仅根据所述功率级的输入电流或输出电流的参数控制所述开关的开关频率以提高所述开关电容变换器的效率。其中，所述输入电流或输出电流的参数表征电流强度。

在本实施例中，所述控制电路2根据所述输入电流或输出电流的电流强度以查表方式设置所述开关频率。具体地，输入电流或输出电流与开关频率的对照关系如图8所示。图8是本发明实施例输入电流或输出电流与开关频率的对照图。如图8所示，控制电路2根据输入电流或输出电流所在区间的不同，输出不同开关频率的控制信号。具体地，响应于输入电流或输出电流小于i1，输出开关频率为fsw1的控制信号。响应于输入电流或输出电流在区间(i1，i2)，输出开关频率为fsw2的控制信号。响应于输入电流或输出电流在区间(i2，i3)，输出开关频率为fsw3的控制信号。响应于输入电流或输出电流大于in，输出开关频率为fswn的控制信号。由此，可根据输入电流或输出电流的强度输出预定开关频率的控制信号，以提高所述开关电容变换器的效率。

在一个可选的实现方式中，可根据开关电容变换器的器件参数和外围电路参数模型计算出不同负载电流达到最高效率时对应的开关频率，以获取输入电流或输出电流与开关频率的对应关系，或者，在不同负载电流条件下进行仿真测试，找出效率最高时对应的开关频率。

本实施例通过采样输入电流或输出电流以产生采样信号，并以查表方式选择与所述采样信号相对应的阈值电压信号，进而选择控制开关电容变换器开关频率的控制信号。由此，可以使得所述开关电容变换器可以根据输入电流或输出电流调节开关频率，以提高所述开关电容变换器的效率。

图9是本发明实施例开关电容变换器控制方法的流程图。如图9所示，可根据如下步骤控制所述开关电容变换器：

步骤s100、设置与多个电流区间相对应的开关频率。

步骤s200、采样输入电流或输出电流以产生采样信号，并选择与所述采样信号相对应的所述开关频率。

优选地，设置与多个电流区间相对应的开关频率包括：

设置与所述采样信号相对应的数字信号，所述数字信号用于表征所述采样信号所在的区间；以及

设置与所述数字信号相对应的阈值电压信号，并根据所述阈值电压信号选择所述开关频率。

优选地，选择与所述采样信号相对应的所述开关频率包括：

以查表方式选择与所述采样信号相对应的阈值电压信号，所述阈值电压信号用于表征所述采样信号所在区间相对应的电压；以及

根据所述阈值电压信号选择用于控制所述开关电容变换器的开关频率的控制信号。

优选地，选择与所述采样信号相对应的所述开关频率包括：

更大的输入电流或输出电流的强度对应更大的开关频率。

本实施例通过采样输入电流或输出电流以产生采样信号，并以查表方式选择与所述采样信号相对应的阈值电压信号，进而选择控制开关电容变换器开关频率的控制信号。由此，可以使得所述开关电容变换器可以根据输入电流或输出电流调节开关频率，以提高所述开关电容变换器的效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。