一种用于高电压转换的直流降压转换器

本发明属于电力电子，具体涉及用于高电压转换的直流降压转换器。

背景技术：

1、随着大数据分析的快速发展，数据中心的数量以及带来的电力需求正在迅速增长。除此之外，人工智能的发展也让各种设备变得智能并且耗电。所以更高效、更低体积及更高功率密度的直流转换器变得越来越重要。数据中心有着大量的cpu、gpu和存储器用于数据处理，这些模块的供电电压一般都较低，大致在0.8到1.8v之间，需要将供电网络总线上的48v电压转换过来为其供电。数据中心的供电通常采用传统的两级功率传输架构，第一级中间总线变换器(intermediate bus converter，ibc)用于完成48v-12v的电压转换，第二级负载点变换器(point of load，pol)再完成12v-1v的转换来为后续的模块供电。但由于芯片的工作电压较低而工作电流很大，使得两级功率传输架构在供电网络的传输路径上的损耗急剧增大。越来越多的数据中心电力传输正在从传统的两级功率传输架构变换成48-1v的直接转换。这种单级功率传输降低电源传输线上的电流，从而提高整体效率，并且缩小系统体积，提高功率密度，但是其也对单级直流降压转换器的转换比提出更高的要求。

2、对于传统的buck转换器，为了实现48倍以上的输入输出转换比，其需要产生一个非常短的导通时间，这不利于高频操作的实现，同时极大的影响效率；而对于多级电荷泵，其可以很容易的实现较高的转换比，但电荷泵只在几个特定的转换比下才能实现高效率，同时存在着外部器件较多以及输出功率较低的问题。目前最有效的解决办法是采用混合拓扑，该方法结合传统buck转换器与电荷泵的优点，通过电容电感的相互作用，进一步地提高转换比。例如十二级串联电容架构，通过引入11个飞行电容与1个氮化镓开关将拓扑的转换比提高到d/12，提高转换效率,但其也引入较多的外部器件[1]。三级阶梯式混合架构只引入了四个飞行电容，并且把所有开关的应力降到输入电压的五分之一，但是该拓扑只有d/5的转换比[2]。

3、综上所述，目前的高转换比混合拓扑还存在着转换比较低，外部器件较多的问题。需要一种高效的降压转换器，在利用最少的外部器件的同时能够实现高的电压转换比，从而进一步提高转换效率与功率密度。

4、参考文献：

5、[1]c.chen,j.liu and h.lee,"a 2.5-5mhz 87％ peak efficiency 48v-to-1vintegrated hybrid dc-dc converter adopting ladder sc network with capacitor-assisted dual-inductor filtering,"2022ieee international solid-state circuitsconference(isscc),san francisco,ca,usa,2022,pp.234-236

6、[2]h.cao et al.,"a 12-level series-capacitor 48-1v dc–dc converterwith on-chip switch and gan hybrid power conversion,"in ieee journal ofsolid-state circuits,vol.56,no.12,pp.3628-3638,dec.2021。

技术实现思路

1、基于上述需求，本发明提出一种用于高电压转换的直流降压转换器，在利用最少的外部器件的同时能够实现高的电压转换比，从而进一步提高转换效率与功率密度。

2、本发明提供的高电压转换的直流降压转换器，采用16相电容电感混合拓扑，引入三个飞行电容与两个电感，实现d/8的转换比，并且功率管实现全片上，是目前利用最少飞行电容实现d/8转换比的混合拓扑，具有较好的应用前景。具体包括三个电容cf1、cf2和cf3与两个电感l1、l2以及十个功率开关管s1-s10，如图1所示；其中，开关管s1-s4所承受的电压应力为24v，利用16v与12v的ldmos进行堆叠来承受24v的电压；开关管s5-s8所承受的电压应力为12v，此四个开关都使用12v的ldmos；开关管s9与s10承受的电压应力为6v，其也使用两个5v的管子进行堆叠来承受6v的电压；拓扑中：输入电压vin与开关管s1上管s1h的漏极连接，上管s1h的源极与开关管s1的下管s1l的漏极连接，下管s1l管的源极与开关管s2上管s2h的漏极以及飞行电容cf1的上极板连接，上管s2h管的源极与开关管s2下管s2l的漏极连接，飞行电容cf1的下极板与开关管s3下管s3l的源极以及开关管s4管上管s4h的漏极连接，上管s4h管的源极与开关管s4下管s4l的漏极连接，下管s3l管的漏极与开关管s3上管s3h的源极连接，s3h的漏极与s2l的源极、飞行电容cf2的上极板以及开关管s5的漏极连接，飞行电容cf2的下极板与开关管s6的源极以及开关管s7管的漏极连接，开关管s6的漏极与开关管s5管的源极、飞行电容cf3的上极板以及开关管s8的漏极连接，飞行电容cf3的下极板与开关管s10上管s10h的漏极以及电感l2的一端连接，上管s10h管的源极与开关管s10下管s10l的漏极连接，开关管s8的源极与电感l1的一端以及开关管s9上管s9h的漏极连接，上管s9h的源极与开关管s9管下管s9l的漏极连接，电感l1的另一端与电感l2的另一端、输出电容co的上极板以及输出负载ro的上端连接，s4l管的源极、开关管s7管的源极、s10l管的源极、输出电容co的下极板以及负载ro的下端均接地。

3、除了功率路径外，系统中还包括反馈控制模块、瞬态检测模块、采样保持电路模块、逻辑模块、比较器、占空比复制模块与电容电压校准模块以及高压堆叠管驱动模块等。反馈控制电路中补偿网络与瞬态检测模块的两个输入为输出电压与参考电压，补偿网络的输出误差放大信号vea与斜坡信号vramp连接到比较器的两个输入，比较器的输出与使能信号一起连接到逻辑模块，电感l1的一端vlx1、电感l2的一端vlx2、时钟信号与功率管的控制信号vg1-10连接到采样保持电路模块的四个输入，逻辑模块的输出占空比信号duty、瞬态检测模块的输出tran以及采样保持电路模块的输出vc1b、vc2b和vc3b连接到占空比复制与电容电压校准模块的输入，占空比复制与电容电压校准模块的输出d1-10连接到高压堆叠管驱动模块的输入；高压堆叠管驱动模块包括死区时间控制电路、多级栅极驱动电路、高压高速脉冲触发电平移位电路以及堆叠开关自举电路；电容电压校准模块的输出d1-10与多级栅极驱动电路的第一级反馈信号vfbl连接到死区时间控制电路的输入，死区时间控制电路的输出d*1-10与堆叠开关自举电路产生的堆叠下管高压电源轨vdd_1-vdd_8连接到高压高速脉冲触发电平移位电路的输入，其中vdd_1连接到s1h管的栅极，堆叠开关自举电路的另一个输出vs2-4分别连接到s2h、s3h和s4h的栅极，高压高速脉冲触发电平移位电路的输出与多级栅极驱动电路的输入连接，多级栅极驱动电路的输出vg1-10分别连接到各个功率管的栅极。

4、系统中的控制信号产生以及飞行电容电压校准主要由采样保持电路及占空比复制与电容电压平衡模块实现，其结构如图2所示。采样保持电路模块由相同的四部分组成，第一部分的输入为电感l1的一端电压vlx1，用于采样其电压，剩余三部分的输入为电感l2的一端电压vlx2，用于采样vlx2四个不同周期的电压，四部分的输出分别为vpl1_1、vpl2_1、vpl2_2以及vpl2_5,各部分都由一个二极管、两个高压ldmos管sf11与sf12、一个5v nmos管sd1、一个电流源、一个采样管以及三个电容c1、c2与c3组成。vlx1-2信号与二极管的正端连接，二极管的负端与电容c1的上极板、ldmos管sf11的漏极连接，电容c1管的下极板与电容c2的上极板以及采样管的一端连接，采样管的另一端连接输出信号与电容c3的上极板，ldmos管sf11的栅极与nmos管sd1的漏极、ldmos管sf12的栅极与源极以及电流源连接，信号vd1与nmos管sd1的栅极连接，电容c3与电容c2的下极板、ldmos管sf11的源极、ldmos管sf12的源极以及nmos管sd1的源极都接地。采样保持电路的输出分别接到三个比较器，其中vpl1_1和vpl2_1与比较器1的输入连接，vpl1_1和vpl2_2与比较器2的输入连接，vpl1_1和vpl2_5与比较器3的输入连接。占空比复制与电容电压平衡模块分为复制模块、校准模块以及一个计数器与使能逻辑。复制模块由比较器4、逻辑模块以及一个开关网络组成；校准模块为三个相同的部分，每一部分包括一个充电管、一个放电管以及对应的控制电路，3个放电管记为sd1-3。复制模块中包括sl1管、sl2管、sbc1管和sbc2管；复制模块中的sl1管、sl2管、sbc1管和sbc2管以及校准模块中的三个开关管swu1-3的源极都与电源连接，这些管子的栅极与sl1管的漏极以及电流源的上端连接，sl2管的漏极与sl3管的漏极和栅极以及校准模块中三个放电管sd1-3连接，sbc1管的漏极与由duty信号控制的开关管swb1连接，swb1管的另一端vbc1与电容cbc1的上极板、比较器4的一个输入以及开关管swb3的一端连接，sbc2的漏极与由信号vdn控制的开关管swb2的上端连接，swb2管的下端vbc2与电容cbc2的上极板、开关管swb4的上端、比较器4的另一个输入以及校准模块中三个充电管和三个放电管的漏极连接，比较器4的输出vcmp连接到逻辑模块的输入，逻辑模块的一个输出vdn控制swb2管，另一个输出输入到校准模块内，与比较器1-3的输出vbc1-3与充电管控制逻辑和放电管控制逻辑的输入连接，充电管控制逻辑的输出控制开关管swu1，放电管控制逻辑的输出控制开关管swd1，计数器的输出和信号tran与使能逻辑的输入连接，使能逻辑的输出en与比较器1-4的使能端连接。

5、系统中的高压堆叠管驱动模块的具体电路如下图3所示，该模块由稳压电荷转移自举电路、三级驱动电路以及电平移位电路组成。稳压电荷转移自举电路由有源二极管网络与一个稳压管二极dz2、两个肖特基二极管ds2_1和ds2_2以及两个自举电容cbst2_1与cbst2_2组成。有源二极管网络上端连接高压供电节点bst2，下端连接稳压管二极dz2的负端与肖特基二极管ds2_1的正端，该点电压为vdd_2,其连接自举电容cbst2_1的上极板，并为第三级驱动与电平移位电路供电，肖特基二极管ds2_1的负端连接自举电容cbst2_2的上极板与堆叠上管的栅极，输入信号s2*连接到电平移位电路的输入，电平移位电路的输出连接多级驱动电路。多级驱动电路分为三级。第一级与第二级包括一个上拉管与一个下拉管，并且第一级与第二级上拉管的漏极都通过一个肖特基二极管ds2_2连接到高压供电节点bst2，第三级只有一个上拉管，其源极连接到电压节点vdd_2，各级驱动上拉管与下拉管的漏极都接到一起并与堆叠下管的栅极相连，稳压管dz2的正端、自举电容cbst2_1与cbst2_2的下极板、第一级和第二级驱动下拉管的源极都与堆叠管下管源极电压节点sw2连接。

6、与现有技术相比，本发明提供的用于高压转换的直流降压转换器具有如下创新和有益效果：

7、(1)该电路仅使用三个飞行电容，实现了d/8的转换比，相对于现有的结构，可有效提高功率密度与转换倍数；

8、(2)在保证高转换比的前提下，通过设计新的采样保持电路以及电容电压校准模块，实现飞行电容电压快速平衡，保障电压转换的稳定性；

9、(3)通过使用堆叠高压开关，使得电路中的功率管都可以做在片上，并且都是用耐压20v以下的管子，提高功率管的fom值，并且通过提出的高压堆叠开关驱动方案，实现高压堆叠管的快速驱动，并且极大减小自举电路所需的自举电容，实现自举电路的片上集成。