一种开关电容-差分开关电源复合DC-DC变换器

摘要

本发明涉及电力电子、集成电路设计技术领域，公开了一种开关电容‑差分开关电源复合DC‑DC变换器，包括电源模块、前端开关电容变换器以及后端差分开关电源变换器，所述电源模块与所述前端开关电容变换器连接，所述前端开关电容变换器输出端与所述后端差分开关电源变换器输入端连接，所述前端开关电容变换器、后端差分开关电源变换器均设有n路输出，n为大于等于1的正整数。与现有技术相比，本发明将开关电容和开关电源变换器结合，利用SC变换器进行高功率密度的电压初调，降低感性元件需求；利用DSMPS变换器的差分结构进一步降低感性元件工作电压，并实现可变调压比，将动态离散电压转换为连续稳压输出。

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子、集成电路设计技术领域，具体涉及一种开关电容-差分开关电源复合DC-DC变换器。

背景技术

伴随着便携移动设备的小型化和轻量化发展，系统对电能变换器的功率密度不断提出了更高要求。从蓄电池到负载的DC-DC电能变换，主要可采用的技术路径包括：低压差（Low Drop Out，LDO）、开关电容（Switched Capacitor，SC）和开关电源（Switched ModePower Supply，SMPS）技术。而相比LDO和SC技术，SMPS变换器具有较好的效率、纹波、动态响应和稳压输出能力，是进行高质量电能变换的首选。在因特尔的第四代酷睿处理器中，集成化的SMPS变换器为移动PC产品提升了一倍的续航，并延长了50%的电池寿命。然而SMPS变换器需要较大的感性储能元件来实现高效率、低纹波的电能变换，这些元件一般会占据整个系统40%左右的体积和重量。SMPS变换器较大的感性储能元件需求将不利于DC-DC变换器的小型化和集成化发展。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种开关电容-差分开关电源复合DC-DC变换器拓扑结构，将开关电容和开关电源变换器结合，利用SC变换器进行高功率密度的电压初调，降低感性元件需求；利用DSMPS变换器的差分结构进一步降低感性元件工作电压，并实现可变调压比，将动态离散电压转换为连续稳压输出。

技术方案：本发明提供了一种开关电容-差分开关电源复合DC-DC变换器，包括电源模块、前端开关电容变换器以及后端差分开关电源变换器，所述电源模块与所述前端开关电容变换器连接，所述前端开关电容变换器输出端与所述后端差分开关电源变换器输入端连接，所述前端开关电容变换器、后端差分开关电源变换器均设有n路输出，n为大于等于1的正整数。

进一步地，所述前端开关电容变换器包括2n-1个电容与2n个开关，其输出电压分别为V

进一步地，所述2n个开关交替导通，其开关的占空比均为50%。

进一步地，所述后端差分开关电源变换器包括n个差分SMPS，其两输入端分为高压输入与低压输入，分别与所述前端开关电容变换器的n路输出的两个输出端相连，其电压差为V

进一步地，所述后端差分开关电源变换器的n个差分SMPS均采用同步整流。

进一步地，所述差分SMPS包括一对MOSFET和一个电感，一对所述MOSFET分别为主功率管与辅助管，所述主功率管与辅助管交替导通。

有益效果：

1、本发明在前端采用了SC变换器调压，而非传统的SMPS变换器，避免了使用庞大的感性元件。前端变换器由于较大的电压等级和功率等级，若采用SMPS调压，则需要体积庞大的感性元件。而在同等储能下，容性元件的功率密度要比感性元件高2~3个数量级。因此，前端SC变换器可以在同等效率下实现远高于SMPS变换器的功率密度。

2、本发明相比全SC变换器调压，复合拓扑的后端采用DSMPS变换器，可提供稳压输出。尽管SC变换器可实现高效率、高功率密度的电能变换，但其输出纹波较大，动态响应差，且调压比为恒定，不能将变化的蓄电池电压转换为稳压输出。

3、本发明前端SC变换器提供了多路输出，而非传统的单路，这就有效地降低了后端变换器的调压比。在传统的两级DC-DC变换器中，中间母线为单电压轨（比如：5V），这就要求后端变换器进行大调压比的电能变换，从而增加感性元件需求，并降低效率。而对于新的复合拓扑，前端SC变换器提供了多路输出，为后端变换器提供了更加灵活的母线电压，可大幅降低后端变换器的调压比，从而改善应力、储能元件需求和效率。

4、本发明后端DSMPS变换器采用了差分结构，进一步降低电感需求和开关器件的电压应力。

5、本发明可以将开关电容和开关电源技术的优点结合起来，本发明具有连续可调的输出电压、更高的效率、更低的电压纹波；可以大幅降低感性元件需求，从而有利于系统的小型化和集成化。前端开关电容电路可采用片上金属层-绝缘层-金属层(Metal-Isolator-Metal, MIM)电容实现。由于片上容性元件的功率密度要比感性元件高2~3个数量级，所以电容元件所带来的额外器件开销较小。在特定输入输出条件下，后端DSMPS变换器在稳态时可降低87%的电流纹波，或在同等纹波下降低87%的感性元件需求。得益于大幅降低的感性元件需求，后端DSMPS变换器便于采用封装级或片上电感实现，有利于整个变换器系统的全集成化发展。

附图说明

图1为本发明实施例三路输出的SC-DSMPS复合DC-DC变换器拓扑。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明提出一种多路输出的SC-DSMPS复合变换器拓扑，可以将开关电容和开关电源变换器的优点结合起来：利用SC变换器进行高功率密度的电压初调，降低感性元件需求；利用DSMPS变换器的差分结构进一步降低感性元件工作电压，并实现可变调压比，将动态离散电压转换为连续稳压输出。下面以三路输出为例进行具体描述，如下：

在6~10V的蓄电池供电下，三路输出的SC-DSMPS的复合DC-DC变换器拓扑如附图1所示。其中，前端采用SC变换器调压，提供三路非恒压输出，分别是蓄电池电压的1/3、2/3和3/3倍；后端采用3个差分开关电源变换器，分别提供5V、3.3V和1.8V的稳压输出。前端SC变换器中包含六个开关和五个电容，分别为S

后端差分开关电源变换器包括3个差分SMPS，均采用同步整流buck变换器。相比传统的buck变换器，同步整流技术用MOSFET代替传统的二极管，从而避免了二极管的高导通损耗。后端差分开关电源变换器的每个差分SMPS均包括一对MOSFET和一个电感，参见附图1。一对MOSFET分为为主功率管和辅助管，主功率管和辅助管交替导通，提供连续可调的降压输出。同时，后端DSMPS充分利用前端SC变换器输出的多个电压轨，实现差分电压输入：其两个输入端分为高压输入和低压输入，低压输入端并非地线，而是SC变换器较低的电压轨。这样的设计可以降低输入电压范围，从而进一步降低感性元件需求。

本发明提出了多路输出的SC-DSMPS复合DC-DC变换器拓扑，实现开关电容与开关电源变换器的有机融合。前端SC变换器提供电压初调，将蓄电池电压转换为多路动态母线电压，从而降低后端开关电源变换器的电压应力和感性元件需求；后端开关电源变换器具有可变调压比，满足稳压输出的转换需求，同时弥补SC变换器在纹波和动态响应上的不足。有机融合的多路输出SC-DSMPS复合变换器拓扑结合了两种DC-DC变换技术的优点，在满足多路稳压输出的条件下，降低感性元件需求和系统体积。

新的拓扑结构在效率、功率密度、稳压、纹波、应力方面都具有明显优势。以3.3V输出的差分SMPS为例：当蓄电池电压为9V时，前端SC变换器提供了3V和6V的母线，因此，后端DSMPS变换器的输入电压由原本的0~9V变为3~6V，降低了电压应力。

设电感感值为L、开关周期为T，非差分设计的buck变换器主电感满足伏秒平衡；在0~9V输入、3.3V输出下，占空比d满足：9d=3.3。继而得电流纹波为：v

在电路实现方面，虽然复合变换器的器件数量较多，但每个器件的电流应力都较小，并不会占据过大的芯片面积。前端SC变换器中的功率电容可采用高集成度的片上MIM电容实现，相比功率电感，在同等储能条件下可提升2~3个数量级的集成度。同时，得益于大幅降低的感性元件需求，后端DSMPS变换器便于采用封装级或片上电感实现，有利于整个变换器系统的全集成化发展。新的拓扑将促进电源系统的全集成化，推进自片上电源（PowerSupply on Chip，PwrSoC）和封装电源（Power Supply in Package，PSiP）的应用。

上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。