具有集成双向启动的电力转换器的制作方法

具有集成双向启动的电力转换器
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年1月22日提交的美国专利申请第16/749,844号的优先权，该美国专利申请的内容通过引用整体并入本文。


背景技术：
(1)技术领域
3.本发明涉及电子电路，并且更特别地涉及电力转换器电路，包括dc-dc电力转换器电路。
4.(2)背景技术
5.许多电子产品，特别是移动计算和/或通信产品和部件(例如，笔记本电脑、超级本电脑、平板装置、lcd和led显示器)需要多个电压水平。例如，射频(rf)发射器功率放大器可能需要相对高的电压(例如12v或更高)，而逻辑电路系统可能需要低的电压水平(例如1v至2v)。还有其他电路系统可能需要中间电压水平(例如5v至10v)。
6.电力转换器通常用于从诸如电池的公共电源生成较低或较高的电压。电力转换器包括dc-dc或ac-dc转换器。一种类型的电力转换器包括转换器电路、控制电路系统和辅助电路系统，辅助电路系统例如偏置电压发生器、时钟发生器、电压调节器、电压控制电路等。从较高输入电压的电源生成较低输出电压水平的电力转换器通常称为降压转换器，之所以这样称呼是因为v
out
小于v
in
，并且因此转换器使输入电压“降压”。从较低输入电压电源生成较高输出电压水平的电力转换器通常称为升压转换器，因为v
out
大于v
in
。
7.图1a是现有技术的单向电力转换器100的框图。具有输入端子t1/t1'和输出端子t2/t2'的转换器电路102被配置成使得输入端子t1/t1'耦接至电压源104(例如电池)，并且输出端子t2/t2'耦接至输出电容器c
out
和负载106。转换器电路102例如可以是诸如电荷泵的开关电容网络，或基于电感器的调节器。电荷泵的示例包括级联乘法器、迪克逊(dickson)、梯形(ladder)、串并联(series-parallel)、斐波那契(fibonacci)和倍增器(doubler)开关电容网络，所有这些都可以被配置成多相或单相开关电容网络。基于电荷泵型转换器电路102的电力转换器100使用电容器作为主要能量存储元件，以将电荷从电力转换器100的输入端转移至输出端。这些电荷转移电容器通常被称为“飞电容器(fly capacitor)”或“泵电容器”，并且可以是耦接至电力转换器100的集成电路实施方式的外部部件。相反，针对转换器电路102使用基于电感器的调节器的电力转换器100使用电感器或变压器，而不是电容器，作为主要能量存储元件。基于电感器的调节器的示例包括公知的降压、升压、降压-升压、谐振、多级、库克(cuk)、sepic、正向和全桥配置。
8.在所示示例中，施加到输入端子t1/t1'上的电压为v
in
，并且在输出端子t2/t2'上提供的转换电压为v
out
。控制器108输出一组控制信号112，该控制信号112控制转换器电路102的内部部件(例如，诸如低电压fet尤其是mosfet的内部开关)，以使转换器电路102将v
in
升压或降压至v
out
。控制器108还可以接收指示转换器电路102操作的单独的一组控制信号
112。辅助电路110可以将各种电压和/或信号，例如电压v
dd
、时钟信号clk、电路偏置电压v
bias
以及一个或更多个控制信号ctrl提供至控制器108(并且可选地直接提供至转换器电路102)。在v
input
处为所示的辅助电路110提供电力。(应当注意，虽然本公开内容在电力转换器100与转换器电路102之间进行了区分，但是许多文献将整个电力转换器100标记为“电力转换器”，或者将转换器电路102标记为“电荷泵”)。
9.许多降压转换器和升压转换器被设计为单向的，其中转换器电路102、控制器108和辅助电路110的大部分或所有部件集成在单个集成电路或电路模块内。因此，通过设计，用于单向电力转换器的电路系统被从其输入电压v
in
供电，因为电压源104(例如电池)在输入处可以用于为电路系统提供电力。例如，如图1a所示，辅助电路110由电压源104提供的电压v
in
供电，该电压源104耦接至辅助电路110的v
input
端子(以及转换器电路102的输入端子t1)。
10.图1b是示出用于图1a的电力转换器100的辅助电路110的一个示例的框图。来自电压源104的电压v
in
耦接至v
input
并且被施加至电压调节器122，该电压调节器122生成经调节的输出电压v
dd
(例如1.8v或3.3v或4.5v)。除非v
in
超过期望的最小值v
min
，否则欠压锁定(uvlo)电路124也耦接至v
input
并且防止电压调节器122的操作(并且因此阻止v
dd
的输出)。uvlo电路124还可以根据电压v
in
小于v
min
或至少为v
min
来将控制信号ctrl提供至控制器108，以禁用或启用控制器108的操作。来自电压调节器122的v
dd
输出可以耦接至偏置发生器126并且耦接至振荡器128，偏置发生器126将偏置电压v
bias
输出至控制器108(并且可选地直接输出至转换器电路102)，振荡器128输出一个或更多个时钟信号clk(例如单相定时脉冲、或者两个或更多个定时脉冲相位)。通常，在辅助电路110内的大部分或所有子电路中将使用低电压fet(特别是mosfet)。在变型中，如果一些电压和/或信号(例如v
dd
、v
bias
、clk)可用，则可以从系统外部提供所述一些电压和/或信号(从而消除辅助电路110的一些部件)，但是这样做使电力转换器100的自给性和独立性降低，这与电子电路系统朝向更高集成度的工业趋势相反。
11.有时，以反向配置利用现有的单向电力转换器可能是有用的，使得v
in
和v
out
电压相对于转换器电路102的标称输入端子t1/t1'和输出端子t2/t2'进行切换。因此，例如，将设计为单向降压电力转换器的电路改变为升压电力转换器可能是有用的，并且将设计为升压电力转换器的电路改变为单向降压电力转换器也可能是有用的，从而扩大了单个电路设计的应用范围。
12.此外，单向电力转换器并非很好地适合所有应用。例如，许多电子应用可能需要可充电电池电力，被配置成使得电力有时可以从电池流向负载，而在其他时间电力在相反方向上流动以对电池充电。这样的应用可以包括例如具有两个单独电池的膝上型计算机和电动车辆。在电动车辆的示例中，内燃发动机和/或再生制动可以将再充电电力提供至电池，该电池另外被用来为电动传动系统供电。这样的应用通常需要双向电力转换器，该双向电力转换器可以动态地被配置成降压或升压转换器，具有可以由控制电路系统选择的操作模式。因此，有时，电压v
in
和v
out
的应用在转换器电路102的输入和输出端子处有效地交换。(注意，这里所考虑的类型的电力转换器一旦在稳态下操作，就会固有地支持双向电力流；是初始启用和启动定义了这样的电力转换器的单向性质)。
13.以“反向”配置或模式操作的电力转换器出现的问题是：在转换器电路102结合控
制电路系统根据施加在有效的输入端子处的输入电压v
in
而生成输出电压v
out
之前，在有效的v
out
端子处不存在足够的电压。例如，图2a示出了图1a的单向电力转换器100的反向操作配置的框图200，其中与图1a中所示的电压源104和负载106相比，交换了电压源104'和负载106'。因此，转换器电路102被配置使得端子t1/t1'耦接至输出电容器c
out
和负载106'，并且端子t2/t2'耦接至电压源104'，并且标记v
out
和v
in
与图1a相反。因此，耦接至辅助电路110的v
input
的电压为v
out
，因为v
input
也耦接至转换器电路102的输入端子t1。在图2a所示的配置中，电压v
out
可能为零或太低而无法在转换器电路102操作之前为辅助电路110供电，这都是因为辅助电路110没有足够的电压来使控制器108操作——循环启动问题。仅当v
out
达到或超过指定的最小电压v
min
时，辅助电路110才将变得可以操作并且启用转换器电路102的操作。
14.启动问题的现有解决方案是创建单独的电压供应，该电压供应提供大于最小电压v
min
的必要电压，以为辅助电路110供电，而不管电力转换的方向如何；即，来自转换器电路102的v
out
和v
in
均不直接用于为辅助电路110供电。在需要为此目的而存在或添加合适的电压方面，该解决方案增加了系统复杂性。如果这样的电压尚不可用，则需要附加的电路系统来根据v
in
生成该电压，潜在地添加另一辅助电力转换器仅用以启用主电力转换器200。如果电力转换器200作为降压转换器操作，则来自电压源104'的电压v
in
高于电压v
out
，从可用的较高电压源生成较低电压相对简单——附加电路系统可以采用低压降调节器(ldo)或电阻分压器的形式。然而，如果电力转换器200作为升压转换器操作，则来自电压源104'的电压v
in
低于电压v
out
，从可用的较低电压源生成较高电压更加困难——附加电路系统通常将采用其它电力转换器的形式，例如开关电容网络或基于电感器的升压调节器。电感器在总体尺寸上通常比电容器大得多，并且比电容器更昂贵。
15.在转让给本发明的受让人的、于2020年1月22日提交的题为“reversed-operation power converter startup circuit and method”的共同未决美国专利申请第16/749,785号中教导了一种解决方案，该美国专利申请的内容通过引用并入本技术。该解决方案是提供一种电压升压器，其耦接在v
in
与v
out
之间，并且被配置成将电压施加在v
out
上直到普通电力转换器操作提供足够的v
out
电压。例如，图2a示出了这样的电压升压器202，其可以是例如电荷泵电路。电压升压器202通常将被实现为耦接至转换器电路102的外部电路。注意，随着转换器电路102的转换率增加，电压升压器202很可能也将需要更高的转换率，并且用于电压升压器202的基于电荷泵的实现方式的电路尺寸开始变得与基于电感器的升压调节器相当。
16.如果转换器电路102主要是降压电力转换器，则可以通过对辅助电路110的单独的电压供应，或通过包括电压升压器202，来启用转换器电路102以用于反向升压操作(如图2a所示，将输入电压v
in
供应至端子t2、t2')。然而，如果转换器电路102主要是升压电力转换器，则启用它以用于反向降压操作可以更简单，因为从较高电压v
in
在辅助电路110的v
input
处生成较低电压不需要电压升压器202。相反，解决方案包括预充电电路204，该预充电电路204生成低于输入电压v
in
的一个或更多个电压水平，并且可以耦接至转换器电路102内的一个或更多个节点。例如，图2b是图2a的预充电电路204的一个实施方式的示意图，该预充电电路204耦接至转换器电路102内的一个或更多个节点，并且/或者耦接至辅助电路110的v
input
。在所示示例中，一组通常具有相等的值的串联连接的电阻器r1至r5提供电阻分压器，
以基于电阻分压器顶部处的电压v
c5
生成部分电压v
x
，并且可选地生成部分电压v
c1
至v
c4
。电阻分压器的顶部节点v
c5
和底部节点v
ss
分别耦接至转换器电路102的端子t2、t2'，从而导致电压v
c5
等于端子t2处的输入电压v
in
。电压v
x
可以耦接至转换器电路102的端子t1，该端子t1已经耦接至辅助电路110的v
input
。以这种方式，预充电电路204可以将必要电压供应至等于或大于v
min
的v
input
，以便启用图2a中的控制器108和转换器电路102。一旦转换器电路102操作开始，图2b中的二极管d0至d4可以用于将电阻分压器与v
x
和v
c1
至v
c4
处的电压分离。根据需要通过用开关代替二极管d0至d4，预充电电路204也可以被实现为耦接至转换器电路102的外部电路。以这种方式，可以根据需要启用或禁用预充电电路204，以支持单向升压电力转换器200的反向降压操作。
17.期望的是转换器电路102能够以反向单向方式或以双向方式启动和操作，同时为相关联的辅助电路110提供足够的电压，并且无需电压升压器202或预充电电路204的添加的外部电路——即，外部部件为零。本发明满足这种需求并且提供附加的益处。


技术实现要素：

18.本发明包括与电力转换器相关的电路和方法，该电力转换器可以以反向单向方式或双向方式启动和操作，同时为相关联的辅助电路和启动提供足够的电压，而无需电压升压器和/或预充电电路的添加的外部电路——即，对于一些实施方式，外部部件为零，或者对于其他实施方式，具有数量减少的外部部件。
19.一些实施方式包括辅助电路，该辅助电路被配置成将各种电压和/或信号提供至电力转换器控制电路系统和电力转换器，该电力转换器具有被配置成可选择地耦接至第一电压的第一端子以及被配置成可选择地耦接至第二电压的第二端子，辅助电路包括至少一个输入电压选择器，该至少一个输入电压选择器被配置成耦接至电力转换器的第一端子和第二端子，并且被配置成选择性地耦接第一电压或第二电压中的较大者以向辅助电路供电。
20.一些实施方式包括辅助电路，该辅助电路被配置成将各种电压和/或信号提供至其他电路系统，该辅助电路包括：耦接至电力转换器的第一端子的至少第一子电路；以及耦接至电力转换器的第二端子的至少第二子电路，并且该辅助电路被配置成选择耦接至第一电压或第二电压中的较大者的至少一个子电路以提供用于辅助电路的输出。
21.这样的辅助电路实施方式的显著益处是可以实现模拟复用器和/或子电路选择电路系统，而无需电压升压电路或预充电电路的添加的外部电路。
22.一些实施方式包括改进的栅极驱动器电路，该改进的栅极驱动器电路包括电平移位器和栅极驱动器，该电平移位器和栅极驱动器被配置成选择性地耦接至第一输出源电位或第二输出源电位中的一个，并且将具有第一电压的输入开关信号转换成具有第二电压的输出开关信号，其中，栅极驱动器电路被配置成控制电力转换器的相应晶体管开关。在电荷泵用于执行电力转换的电力转换器的实施方式中，第一输出源电位来自电荷泵的第一电压节点，第二输出源电位来自电荷泵的不同的第二电压节点。
23.改进的栅极驱动器和相关联的电力转换器配置的显著益处是：可以实现该电路系统而无需预充电电路的添加的外部电路。
24.本发明的实施方式可以包括两者的发明构思，从而消除了对外部电压升压器电路
和外部预充电电路的需要。
25.在附图和以下描述中阐述本发明的一个或更多个实施方式的细节。本发明的其他特征、目的和优点将根据说明书和附图以及根据权利要求书变得明显。
附图说明
26.图1a是现有技术的单向电力转换器的框图。
27.图1b是示出用于图1a的电力转换器的辅助电路的一个示例的框图。
28.图2a示出了图1a的单向电力转换器的反向操作配置的框图，其中与图1a所示的电压源和负载相比，交换了电压源和负载。
29.图2b是图2a的预充电电路的一个实施方式的示意图，该预充电电路耦接至转换器电路内的一个或更多个节点，并且/或者耦接至辅助电路的v
input
。
30.图3a是本发明的第一实施方式的框图，示出了用于转换器电路的辅助电路的双电压布置。
31.图3b是本发明的第二实施方式的框图，示出了用于转换器电路的辅助电路的双输入电压选择器布置。
32.图4a是图3b的第一输入电压选择器的第一实施方式的示意图。
33.图4b是图3b的第一输入电压选择器的第二实施方式的示意图。
34.图5a是图3b的uvlo电路的第一变型实施方式的示意图。
35.图5b是图3b的uvlo电路的第二变型实施方式的示意图。
36.图6a是现有技术的转换器电路的电路图，其包括具有1:5的升压比的单相对称级联乘法器，并且可以用作图1a的转换器电路的实例。
37.图6b是现有技术的栅极驱动器电路的框图。
38.图7a是可以与图6a的转换器电路结合使用的改进的栅极驱动器电路的框图。
39.图7b是经修改的转换器电路的电路图，其包括具有1:5的升压比的单相对称级联乘法器，并且可以用作图1a的转换器电路的实例。
40.图8是示出为电力转换器的辅助电路供电的第一方法的方法流程图。
41.图9是示出在电力转换器的辅助电路的多个子电路中的子电路之中进行选择的方法的方法流程图。
42.图10是示出为电力转换器的相应晶体管开关的栅极驱动器电路提供电力的方法的方法流程图。
43.各个附图中相同的附图标记指示相同的元件。
具体实施方式
44.本发明包括与电力转换器相关的电路和方法，该电力转换器可以以反向单向方式或双向方式启动和操作，同时为相关联的辅助电路和启动提供足够的电压，而无需电压升压器和/或预充电电路的添加的外部电路——即，对于一些实施方式，外部部件为零，或者对于其他实施方式，具有数量减少的外部部件。
45.对转换器辅助电路的选择性电压输入
46.图3a是本发明的第一实施方式的框图300，示出了用于转换器电路304的辅助电路
302的双电压布置。转换器电路304可以类似于图1a和图2a的转换器电路102，但是电压标记已经改变为va和vb而不是v
in
和v
out
，以反映转换器电路304可以以反向单向方式或双向方式操作。辅助电路302可以类似于图1a的辅助电路110，添加了输入电压选择器306，其具有分别耦接至va和vb的输入a和b。
47.输入电压选择器306用作模拟复用器，允许选择va或vb作为对辅助电路302的输入电压v
input
。在辅助电路302内部，来自所选输入a或b的va或vb中的电压用于为各种子电路例如uvlo电路124和电压调节器122(见图1b)供电。输入电压选择器306可以作为辅助电路302的一部分集成在相同的集成电路(ic)管芯上，或者可以是单独的ic管芯，例如在包含辅助电路302的ic管芯实施方式的模块中。
48.在一些实施方式中，可以例如通过来自控制器108(未在图3a中示出)的选择信号(或信号)来积极地控制将哪个输入，a还是b，用作输入电压v
input
，该选择信号根据哪个耦接至两个施加电压va、vb中的较大者来选择输入a或输入b。此外，可以基于转换器电路304的现有的正向或反向配置的知识，而不是基于va和vb处的相对电压的确定，来控制输入电压选择。例如，这样的知识可以是来自控制器108的模式设置信号，或是来自控制器108内的修整(trim)或存储器部件的信号。在其他实施方式中，输入电压选择器306可以自己选择两个施加电压va和vb中的较大者(参见下面的示例)。
49.因此，例如，如果转换器电路304用在以正向(降压)方向运行的降压电力转换器中，则va将始终是较大的电压，因此将选择输入电压选择器306的输入a来为辅助电路302提供电力。然而，如果相同的转换器电路304以反向(升压)方向运行，则vb将是较大的电压直到转换器电路304操作之后，并且因此在启动阶段期间，将选择输入电压选择器306的输入b来为辅助电路302提供电力，之后可以选择(或自选择)输入电压选择器306的输入a来为辅助电路302提供电力。在启动之后，在转换器电路304的稳态操作期间，继续以va或vb中的较低者为辅助电路302供电通常更有效，只要该电压满足或超过指定的最小电压v
min
。
50.类似地，如果转换器电路304用在以正向(升压)方向运行的升压电力转换器中，则va将是较大的电压直到转换器电路304操作，并且因此在启动阶段期间将选择输入电压选择器306的输入a来为辅助电路302提供电力，之后可以选择(或自选择)输入电压选择器306的输入b来为辅助电路302提供电力。然而，如果相同的转换器电路304以反向(降压)方向运行，则vb将始终是较大的电压，并且因此将选择输入电压选择器306的输入b来为辅助电路302供电。同样，在启动之后，在转换器电路304的稳态操作期间，继续以va或vb中的较低者为辅助电路302供电通常更有效，只要该电压满足或超过指定的最小电压v
min
。
51.图3a示出了用于辅助电路302的单个输入电压选择器306。在替选实施方式中，需要选择va或vb作为输入电压的辅助电路302内的每个子电路可以具有其自己的电压选择器电路。例如，图3b是本发明第二实施方式的框图320，示出了用于转换器电路304的辅助电路302的双输入电压选择器布置。在所示实施方式中，电压调节器122具有相应的第一输入电压选择器306a，第一输入电压选择器306a具有分别耦接至va和vb的输入a和b，并且uvlo电路124具有相应的第二输入电压选择器306b，第二输入电压选择器306b具有分别耦接至va和vb的输入a和b。所示实施方式的一个优点是可以针对电压调节器122和uvlo电路124的电路特性来定制第一输入电压选择器306a和第二输入电压选择器306b。第一输入电压选择器306a和第二输入电压选择器306b可以是相同的电路(但可以具有不同的电路值)，或者可以是不
同的电路，并且存在着可以实现任一输入电压选择器306a、306b的多种方式。
52.例如，图4a是图3b的第一输入电压选择器306a的第一实施方式306a1的示意图。将来自转换器电路304的va的电压施加至与第一电阻器r1串联耦接的第一二极管d1。并行地，将来自转换器电路304的vb的电压施加至与第二电阻器r2串联耦接的第二二极管d2。输出节点v
sel
耦接至电阻器r1、r2(注意，二极管d1、d2和相应的电阻器r1、r2的顺序可以颠倒，不影响操作)。二极管d1、d2基本上将任一输入的电压与另一输入分离。v
sel
处的输出电压为va和vb的最大值(减去每个二极管的正向电压)，并且电路自选择较大的电压作为v
sel
来输出。出于效率原因为了在稳态操作期间偏好一个输入超过其它输入，可以将偏好的路径中的电阻器的值设计为远低于不偏好的路径中的电阻器的值。
53.作为另一示例，图4b是图3b的第一输入电压选择器306a的第二实施方式306a2的示意图。将来自转换器电路304的va的电压施加至第一开关s1，该第一开关s1可选地与第一二极管d1(对于某些开关技术，其可以是固有寄生二极管)并联耦接，并且将来自转换器电路304的vb的电压施加至第二开关s2，该第二开关s2可选地与第二二极管d2(同样，对于某些开关技术，其可以是固有寄生二极管)并联耦接。输出节点v
sel
耦接至两个开关s1、s2。可以通过例如来自控制器108的选择信号来积极地控制开关s1、s2。如果检测到来自转换器电路304的va的电压高于来自vb的电压，则控制器108可以闭合开关s1并且断开开关s2，以将输入电压从va传递至v
sel
。相反，如果检测到来自va的电压低于来自vb的电压，则控制器108可以断开开关s1并且闭合开关s2，以将输入电压从vb传递至v
sel
。可替选地，开关s1、s2的状态可以由控制器108基于关于转换器电路304是以正向还是反向方向操作的信息来设置。
54.如果二极管d1、d2可选地或固有地与相应的开关s1、s2并联耦接，则第二实施方式306a2可以像图4a的第一实施方式306a1那样操作，并且独立于开关s1、s2而自选择输入电压va和vb中的较大者作为v
sel
输出。通过用小得多的开关电压降来旁路二极管正向电压降，关闭耦接至正向导通的二极管的开关将更多的相应的输入电压从va或vb传递至v
sel
。这允许更有效的解决方案，同时确保在对辅助电路302的v
input
处所需的高于v
min
的更大电压裕度。
55.图4a和图4b中所示的实施方式306a1、306a2中的任一个可以用作为用于uvlo电路124的输入电压选择器306b。应当清楚，图4a和图4b中所示的电路的其他变型以及其他模拟复用器电路可以用于输入电压选择器306、306a、306b。
56.在其他实施方式中，输入电压选择器的功能可以更紧密地集成在电压调节器122和/或uvlo电路124的电路系统内。例如，积极受控的或自选择的电路系统可以启用或禁用电压调节器122和/或uvlo电路124内的子电路，以有效地选择由来自转换器电路304的va或vb中的一个供电的子电路。
57.例如，图5a是图3b的uvlo电路124的第一变型实施方式124a的示意图。将来自转换器电路304的va的电压施加至第一欠压锁定电路uvlo a，而将来自转换器电路304的vb的电压施加至第二欠压锁定电路uvlo b。耦接至uvlo a和uvlo b的输出选择器310选择使用哪个欠压锁定电路，以响应于输入选择信号将ctrl信号输出至其他电路。例如，可以由控制器108基于比较来自va和来自vb的电压来生成选择信号。可替选地，也可以由控制器108基于关于转换器电路304是正向还是反向操作的信息来生成选择信号。在变型实施方式中，如果可以单独启用和禁用欠压锁定电路uvlo a、uvlo b，则可以省略输出选择器310，并且可以使用选择信号直接选择欠压锁定电路uvlo a、uvlo b以耦接至ctrl输出。
58.作为另一示例，图5b是图3b的uvlo电路124的第二变型实施方式124b的示意图。将来自转换器电路304的va的电压施加至包括串联电阻器r1a、r2a的第一电阻分压器子电路，该第一电阻分压器子电路的中心节点通过二极管d1耦接至比较器322的第一输入。将来自转换器电路304的vb的电压施加至包括串联电阻器r1b、r2b的第二电阻分压器子电路，该第二电阻分压器子电路的中心节点通过二极管d2耦接至比较器322的第一输入。比较器322的第二输入耦接至参考电压源324。电阻分压器子电路缩放输入电压va、vb，以匹配比较器322的电压输入限制，并且二极管d1、d2将任一输入的电压与另一输入分离。施加至比较器322的第一输入的经缩放电压为va和vb的最大值，因此电路自选择较大的电压以与参考电压源324进行比较，并且输出ctrl信号。类似于图4b，图5b中的比较器322的第一输入处的二极管d1、d2可以被以下开关代替：该开关被例如来自控制器108的选择信号积极地控制。
59.应当清楚，图5a和图5b所示的子电路选择电路系统的其他变型可以用于图3b的uvlo电路124。类似地，子电路选择电路系统可以用于电压调节器122以有效地确定哪个施加的电压va、vb将为电压调节器122供电。
60.图3a和图3b所示的电路架构的显著益处是模拟复用器和/或子电路选择电路系统可以在辅助电路302内实现，从而消除了对电压升压器电路或预充电电路的添加的外部电路的需要。
61.对栅极驱动器电路的选择性电压输入
62.图3a和图3b的实施方式修改了辅助电路302，以在启动期间选择来自转换器电路304的电压va、vb中的较大者作为用于辅助电路302的电源。在正常升压电力转换器以反向方向操作(即，在降压模式下)的情况下，在本发明的实施方式中可以消除预充电电路204(参见图2a)。
63.更好地理解对预充电电路204的需要是有用的，特别是对于包括开关电容网络的电力转换器而言。图6a是现有技术的转换器电路600的电路图，其包括具有1:5的升压比的单相对称级联乘法器，并且可以用作图1a的转换器电路102的实例。转换器电路600被配置成在节点v
x
处接收输入电压(例如5v)，并且在节点v
c5
处将输入电压转换成更高的输出电压(例如25v)。所示的转换器电路600将以已知方式被图1的控制器108控制。参照转换器电路600和图1a，节点v
x
对应于转换器电路102的输入端子t1，节点v
c5
对应于转换器电路102的输出端子t2，并且节点v
ss
对应于转换器电路102的两个端子t1'和t2'。
64.级联乘法器是可以提供高转换增益的开关电容网络。如本公开内容中使用的，转换增益(1)在开关电容网络生成大于输入电压的输出电压(v
out
》v
in
)的情况下，表示电压增益；或者(2)在开关电容网络生成小于输入电压的输出电压(v
in
》v
out
)的情况下，表示电流增益。通过使级联乘法器循环通过不同的拓扑状态来使能量从输入端转移至输出端。经由电荷转移路径使电荷从输入电压转移至输出电压。每个拓扑状态下的电容器的数目和配置设定了转换增益。
65.在所示示例中，转换器电路600包括五个串联连接的mosfet开关m1至m5。每个mosfet开关m1至m5可以包括串联连接的mosfet的堆叠，该串联连接的mosfet具有公共栅极连接并且被配置成用作单个开关。为了方便讨论开关顺序，开关m1、m3和m5有时将统称为“奇数开关”，开关m2和m4有时将统称为“偶数开关”。
66.转换器电路600还包括第一“低侧”mosfet相位开关m7和第二“低侧”mosfet相位开
关m8，以及第一“高侧”mosfet相位开关m6和第二“高侧”mosfet相位开关m9。低侧相位开关m7、m8可以将第一相位节点p1和第二相位节点p2连接至电位v
ss
(通常是电路地)。高侧相位开关m6、m9可以将第一相位节点p1和第二相位节点p2连接至v
x
。为了方便讨论开关顺序，高侧相位开关m6和低侧相位开关m8有时将统称为“偶数相位开关”，低侧相位开关m7和高侧相位开关m9有时将统称为“奇数相位开关”。
67.第一泵电容器c1将开关m1与开关m2之间的第一堆叠节点v
c1
连接至相位节点p1。类似地，第三泵电容器c3将开关m3与开关m4之间的第三堆叠节点v
c3
连接至相位节点p1。第二泵电容器c2将开关m2与开关m3之间的第二堆叠节点v
c2
连接至相位节点p2。类似地，第四泵电容器c4将开关m4与开关m5之间的第四堆叠节点v
c4
连接至相位节点p2。第五堆叠节点v
c5
连接至转换器电路600的端子
68.所示的转换器电路600具有四个级。第一级包括开关m1、第一堆叠节点v
c1
和第一泵电容器c1；第二级包括开关m2、第二堆叠节点v
c2
和第二泵电容器c2；第三级包括开关m3、第三堆叠节点v
c3
和第三泵电容器c3；第四级包括开关m4、第四堆叠节点v
c4
和第四泵电容器c4。第五串联开关m5将第四级连接至第五堆叠节点v
c5
。
69.控制器108中的时钟源生成不交叠的时钟波形和该时钟波形耦接至各种开关m1至m9并控制各种开关m1至m9的打开/关闭状态。控制器108将一组控制信号112输出至转换器电路600，这使串联开关m1至m5、低侧相位开关m7、m8和高侧相位开关m6、m9根据特定的顺序改变状态。因此，转换器电路600以选定的频率重复地在第一操作状态与第二操作状态之间转变。
70.例如，在由具有逻辑“1”状态的时钟波形和具有逻辑“0”状态的时钟波形限定的第一操作状态期间，控制器108(1)闭合奇数开关m1、m3、m5、低侧相位开关m7和高侧相位开关m9；并且(2)断开偶数开关m2、m4、高侧相位开关m6和低侧相位开关m8。在由具有逻辑“1”状态的时钟波形和具有逻辑“0”状态的时钟波形限定的第二操作状态期间，控制器108(1)断开奇数开关m1、m3、m5、低侧相位开关m7和高侧相位开关m9；并且(2)闭合偶数开关m2、m4、高侧相位开关m6和低侧相位开关m8。控制器108以下述方式控制并按顺序排列所有开关m1至m9的转变：并入当在第一操作状态与第二操作状态之间进行转变时所需的任何必要的死区时间。作为在第一操作状态与第二操作状态之间交替的结果，电荷被以已知方式倍增并且从v
x
传递至v
c5
。
71.如本领域中已知的，通过相应的栅极驱动器电路g1至g9将开关信号施加至mosfet开关m1至m9，以便为及时关断(阻断)或接通(导通)每个mosfet开关提供合适的电压水平。图6b是现有技术的栅极驱动器电路610的框图。栅极驱动器电路610包括电平移位器612，该电平移位器612耦接至输入源v
ddi
和汇v
ssi
电位(sink v
ssi potentials)，并且耦接至输出源v
ddo
和汇v
sso
电位。电平移位器612将输入开关信号v
swi
从一个电压域转换至另一电压域。电平移位器612的经电平移位的输出电压v
lso
耦接至栅极驱动器614，该栅极驱动器614在v
swo
处提供v
lso
的低阻抗版本，以及时的方式驱动相关联的mosfet开关m
x
的栅极端子。
72.返回参照图6a的转换器电路600，栅极驱动器电路g1至g9以简化的方框形式示出，该栅极驱动器电路g1至g9耦接至相应的开关m1至m9并且连接至输出源和汇电位。每个栅极驱动器电路g1至g9具有相应的输入开关信号en1至en9(时钟波形或中的一个)，该相
应的输入开关信号en1至en9控制相应的开关m1至m9的开关状态。所有栅极驱动器电路g1至g9都耦接至公共输入源v
ddi
和汇v
ssi
电位(为清楚起见未示出)，其中从辅助电路110生成的v
dd
电压耦接至公共输入源v
ddi
。为了功率和面积效率，栅极驱动器电路g1至g6和g9耦接至转换器电路600本身的节点v
c1
至v
c5
作为输出源v
ddo
和汇v
sso
电位。在图6a的特定实施方式中，mosfet开关m1至m4、m6至m9为n型晶体管，而mosfet开关m5为p型晶体管。这也反映在针对每个栅极驱动器电路g1至g9示出的输出源v
ddo
和汇v
sso
电位中。栅极驱动器电路g7至g8耦接至从辅助电路110生成的v
dd
电压，以用于栅极驱动器电路g7至g8的输入源v
ddi
电位和输出源v
ddo
电位。
73.在正向升压操作模式中，由于与开关m1至m5中的每个开关并联的固有的体二极管路径，节点v
c1
至v
c5
最初(即，在启动时)被泵压到在v
x
处施加的电压以上，并且最终，达到足够的输出源v
ddo
和汇v
sso
电位，以用于栅极驱动器电路g1至g9的正常操作，由此开关m1至m5可以接管。然而，在反向降压操作模式中，将输入电压施加在节点v
c5
处，并且输出电压将在节点v
x
处生成。节点v
x
、v
c1
至v
c4
可以在v
ss
地电位处或接近v
ss
地电位处开始；因此，还没有足够的输出源v
ddo
和汇v
sso
电位可以用于栅极驱动器电路g1至g9的正常操作，进一步恶化了循环启动问题。因此，预充电电路204通常用于将初始的足够的电压从节点v
c5
处的输入电压提供至转换器电路600内的节点v
x
、v
c1
至v
c4
，以提供足够的输出源v
ddo
和汇v
sso
电位以用于栅极驱动器g1至g9的初始操作。在启动之后，然后由转换器电路600的稳态操作的性质充分地供应节点v
x
、v
c1
至v
c4
处的电压，并且因此可以禁用预充电电路204或者将预充电电路204断开连接。
74.图7a是可以与图6a的转换器电路600结合使用的改进的栅极驱动器电路700的框图。改进的栅极驱动器电路700在许多方面类似于图6b的栅极驱动器电路610。因此，栅极驱动器电路700包括电平移位器612，该电平移位器612耦接至输入源v
ddi
和汇v
ssi
电位，并且耦接至输出源v
ddo
和汇v
sso
电位。电平移位器612将输入开关信号v
swi
从一个电压域转换至另一电压域。电平移位器612的经电平移位的输出电压v
lso
耦接至栅极驱动器614，该栅极驱动器614在v
swo
处提供低阻抗输出，以及时的方式驱动相关联的mosfet开关m
x
的栅极端子。
75.此外，栅极驱动器电路700包括用作模拟复用器的选择器702，允许为在栅极驱动器电路700内使用的输出源v
ddo
电位选择两个输入电压v
ddo
a或v
ddo
b中的一个。选择器702可以例如由控制器108(例如，基于关于转换器电路304是以正向还是反向方向操作的信息)控制，或者利用类似于图4a的自选择实施方式。因此，栅极驱动器电路700是相对于输出源v
ddo
电位的双电压器件。一旦由选择器702耦接接通输入电压v
ddo
a或v
ddo
b，则栅极驱动器电路700的操作基本上与常规的栅极驱动器相同。
76.图7b是经修改的转换器电路720的电路图，该转换器电路720包括具有1:5的升压比的单相对称级联乘法器，并且可以用作图1a的转换器电路102的实例。在所示实施方式中，栅极驱动器电路g1至g3、g6和g9是图7a的栅极驱动器电路700的实例。在所示实施方式中，对栅极驱动器g1至g3、g6和g9中的每一个的第一输入(例如v
ddo
a)是与图6a所示示例中相同的v
cx
节点(即，v
c1
至v
c4
)。对栅极驱动器g1至g3、g6和g9中的每一个的第二输入(例如v
ddo
b)是(在这个4级示例中)施加在v
c5
(“反向模式输入节点”)处的反向方向输入电压。常规的单源栅极驱动器电路g4和g5可以是图6b的栅极驱动器电路610的实例，并且保持耦接至v
c5
以用于它们的输出源v
ddo
电位，如图6a所示示例中一样。常规的单源栅极驱动器电路g7和
g8可以是图6b的栅极驱动器电路610的实例，并且也保持耦接至从辅助电路110生成的v
dd
电压以用于它们的输入源v
ddi
电位和输出源v
ddo
电位。
77.在正向升压操作模式中，选择器702将为栅极驱动器电路g1至g3、g6和g9选择相应的堆叠节点v
c1
至v
c4
作为输出源v
ddo
电位。然而，在转换器电路720的启动阶段期间的反向降压操作模式中，选择器702将为栅极驱动器电路g1至g3、g6和g9选择反向模式输入节点(在本示例中为v
c5
)作为输出源v
ddo
电位，直到在堆叠节点v
c1
至v
c4
处发展出足够的电压水平以支持栅极驱动器电路。因此，无论正向或反向操作模式，都有足够的输出源v
ddo
电位可以用于栅极驱动器电路g1至g9中的每一个。改进的栅极驱动器电路700因此有效地使所示的转换器电路720在启动时自偏置(self-biasing)。
78.图7a和图7b所示的改进的栅极驱动器电路700和电路架构的显著益处是，可以实现该电路系统而无需预充电电路204的添加的外部电路。
79.虽然已经在转换器电路600和720中使用单相对称级联乘法器来说明由改进的栅极驱动器电路700解决的问题，但应当注意，改进的栅极驱动器电路700的使用不限于开关电容网络或电荷泵。本发明的这一方面还可以应用于使用以下晶体管开关的基于电感器的调节器：该晶体管开关具有一个或更多个串联堆叠的开关级。
80.组合实施方式
81.图3a所示的示例的实施方式消除了对外部电压升压器电路202的需要。图7a和7b所示的示例的实施方式消除了对外部预充电电路204的需要。应当清楚，本发明的实施方式可以包括两者的发明构思，从而消除了对外部电压升压器电路202和外部预充电电路204的需要。因此，组合实施方式允许在外部部件为零的情况下电力转换器以反向单向方式或以双向方式来启动和操作。
82.方法
83.本发明的另一方面包括用于为辅助电路供电、选择辅助电路的子电路以及为双电压输入栅极驱动器供电的方法。
84.例如，图8是示出为电力转换器的辅助电路供电的方法的方法流程图800。该方法包括：提供包括转换器电路的电力转换器，该转换器电路具有被配置成可选择地耦接至第一电压的第一端子以及被配置成可选择地耦接至第二电压的第二端子(框802)；将辅助电路耦接至转换器电路的第一端子和第二端子(框804)；并且选择性地耦接第一电压或第二电压中的较大者来为辅助电路提供电力(框806)。在替选方法中，第一电压或第二电压的选择可以基于转换器电路的现有正向或反向配置的知识。
85.作为另一示例，图9是示出在电力转换器的辅助电路的多个子电路中选择子电路的方法的方法流程图900。该电力转换器包括提供包含转换器电路的电力转换器，该转换器电路具有被配置成可选择地耦接至第一电压的第一端子以及被配置成可选择地耦接至第二电压的第二端子(框902)；将辅助电路的至少第一子电路耦接至转换器电路的第一端子(框904)；将辅助电路的至少第二子电路耦接至转换器电路的第二端子(框906)；并且将至少一个第一子电路或至少一个第二子电路选择性地耦接至第一电压或第二电压中的较大者，以生成用于辅助电路的输出(框908)。
86.作为又一示例，图10是示出为电力转换器的转换器电路的相应晶体管开关的栅极驱动器电路提供电力的方法的方法流程图1000。该方法包括：将电平移位器和栅极驱动器
选择性地耦接至第一输出源电位或第二输出源电位中的一个，其中，第一输出源电位来自电力转换器的转换器电路的第一电压节点，第二输出源电位来自电力转换器的转换器电路的不同的第二电压节点(框1002)。
87.这些方法可以一起使用。例如，图8的方法可以用于辅助电路的第一部分，图9的方法可以用于辅助电路的第二部分。作为另一示例，图10的方法可以与图8的方法和/或图9的方法结合使用。
88.制造技术和选项
89.如本公开内容中所使用的，术语“mosfet”包括具有绝缘栅极(其电压确定晶体管的导电性)的任何场效应晶体管(fet)，并且包括具有金属或类金属、绝缘体和/或半导体结构的绝缘栅极。术语“金属”或“类金属”包括至少一种导电材料(例如，铝、铜或其他金属，或者高掺杂的多晶硅、石墨烯或其他导电体)，“绝缘体”包括至少一种绝缘材料(例如，氧化硅或其他介电材料)，并且“半导体”包括至少一种半导体材料。
90.如本公开内容中所使用的，术语“射频”(rf)是指在约3khz至约300ghz的范围内的振荡速率。该术语还包括无线通信系统中使用的频率。rf频率可以是电磁波的频率或是电路中的交流电压或电流的频率。
91.可以实现本发明的各种实施方式以满足各种规范。除非以上另有说明，否则对合适的部件值的选择是设计选择的问题。本发明的各种实施方式可以以任何合适的集成电路(ic)技术(包括但不限于mosfet结构)或者以混合或分立电路形式来实现。可以使用任何合适的衬底和工艺(包括但不限于标准体硅、绝缘体上硅(soi)和蓝宝石上硅(sos))来制造集成电路实施方式。除非以上另有说明，否则本发明的实施方式可以以其他晶体管技术，例如双极、ldmos、bcd、gaas hbt、gan hemt、gaas phemt和mesfet技术来实现。然而，本发明的实施方式在使用基于soi或sos的工艺来制造时或者在使用具有类似特性的工艺来制造时特别有用。使用soi或sos工艺在cmos中进行的制造使得电路能够具有低功耗、由于fet堆叠而在操作期间承受高功率信号的能力、良好的线性度以及高频操作(即，高达并超过50ghz的无线电频率)。单片ic实现方式是特别有用的，因为可以通过精心设计而将寄生电容通常保持为低(或保持为最小，跨所有单元保持一致，允许对寄生电容进行补偿)。
92.根据特定规范和/或实现技术(例如，nmos、pmos或cmos以及增强模式或耗尽模式的晶体管器件)，可以调整电压水平，以及/或者将电压和/或逻辑信号极性反转。部件电压、电流和功率的处理能力可以根据需求进行调整，例如，通过调整器件尺寸、串联地“堆叠”部件(特别是fet)以承受更大的电压、和/或使用并联的多个部件以处理更大的电流。可以添加附加电路部件以增强所公开的电路的能力，以及/或者在不显著改变所公开的电路的功能的情况下提供附加功能。
93.根据本发明的电路和装置可以被单独使用或与其他部件、电路和装置结合使用。本发明的实施方式可以被制造为集成电路(ic)，集成电路(ic)可以被封装在ic封装和/或模块中，以易于处理、制造和/或改进性能。特别地，本发明的ic实施方式经常用于以下模块中：在该模块中，一个或更多个这样的ic与其他电路块(例如，滤波器、无源部件和可能的附加ic)组合至一个封装件中。然后通常将ic和/或模块与通常在印刷电路板上的其他部件组合，以形成最终产品例如蜂窝电话、膝上型计算机或电子平板，或形成可以在各种产品(例如车辆、测试设备、医疗装置等)中使用的更高级别的模块。通过模块和组件的各种配置，这
样的ic通常启用一种通信模式，经常是无线通信。
94.结论
95.已经描述了本发明的许多实施方式。应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种修改。例如，以上描述的步骤中的一些可以是与顺序无关的，并且因此可以以与所描述的顺序不同的顺序来执行。此外，上述步骤中的一些步骤可以是可选的。可以以重复、串行或并行的方式执行关于上述方法所描述的各种动作。
96.应当理解，前述描述意图说明而非限制本发明的范围，该范围由所附权利要求书的范围限定，并且其他实施方式在权利要求书的范围内。特别地，本发明的范围包括所附权利要求书中阐述的方法、机器、制造或物质组成中的一种或更多种的任何和所有可行组合。(注意，权利要求元素的括号里的标记用于容易地指代这样的元素，并且本身不指示特定要求的排序或元素的枚举；此外，可以在从属权利要求中重复使用这样的标记作为对附加元素的引用，而不被视为开始一个互相冲突的标记序列)。