電容性dc-dc轉換器的製作方法

2023-05-14 13:47:16

專利名稱：電容性dc-dc轉換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及DC-DC轉換器。本發明特別關注電荷泵電容性DC-DC轉換器，和控制這種DC-DC轉換器的方法。
背景技術：
給負載提供低於可用的電源電壓的電壓的簡單方法是通過線性調節器。線性調節器主要是與負載串聯的可控電阻。然而，當負載電壓相對於電源電壓降低時，需要經過可控電阻降低的電壓增高。在可控電阻上消耗的功率增加，並且調節器的整個效率降低。因此線性調節器雖然能允許寬範圍的獨立電源和負載電壓，但是線性調節器是低效率的。一種正被越來越多地使用的替代解決方案是開關模式電源或DC-DC轉換器。代替電阻性元件，使用電抗性元件。理論上，這樣的轉換器基於虛(電抗性)功率，因為電流和電壓是正交的，而不是實(電阻性)功率，因此可以降低實功率消耗。電抗性轉換器需要電感性或電容性元件作為電抗性元件。雖然在理論上可以忽略電阻性和開關損耗，電感性轉換器效率能達到100%，但是由於每次電容器充電超過偏移Δ V時，能量1/2CΔ V2損失造成的紋波損失，電容性轉換器的效率總是低於100%。尤其對於輸入和輸出之間大電壓差的情況，熟知的是，開關模式轉換器在效率方面很容易做得比線性調節器好與線性調節器的能量持續從輸入端傳送到輸出端並且因此在途經的電晶體上損失能量不同，在開關模式轉換器中，能量是臨時存儲在能量緩衝器 (電感器和/或電容器)中，並且隨後釋放到負載。能量儲存元件越理想，效率越高。在實際中，即使對於輸入和輸出電壓之間存在大電壓差，效率也可以接近90%以上。對於所有開關模式轉換器來說，當開關頻率上升時，能量緩衝器所需的尺寸下降。 對於集成的目的來說，這是有利的。然而，實際上，使電感器小型化且保持Q在可接受的水平是很困難的。相反，通過實現很高的電容密度，在矽基片上或封裝內集成電容器是切實可行的。在電容性轉換器中，通過適當的串/並聯配置將電容器連接到電源，在開關周期的第一部分，電荷被加載到一個或多個「泵」電容器上。然後，在開關周期的第二部分期間， 電容器放電到負載。緩衝電容器通常與負載並聯連接，以便從輸入對泵電容器充電時，降低輸出電壓紋波和到負載的供應能量。改變在開關周期的第一和第二部分中的電容器之間的串/並聯配置，可以改變分離的步驟中的輸出電壓。對於接近這些步驟的負載-電源電壓比，電容性轉換器可達到最高的效率。對於輸出電壓或電流的連續控制的常用技術是在開關電源和負載之間增加線性調節器。開關電源可以在分離的步驟中與負載適配，並且線性調節器可以在這些步驟之間連續調節。美國專利公開US-A-5841648公開了這樣的電容性轉換器，其中線性調節器與泵電容器串聯連接。可選地，可變阻抗可以串聯加到具有固定值電容的泵電容器上，如專利申請TO2004/064234中所公開的一樣。
已經提出連續調節轉換器的技術。例如，在美國專利文獻US-B-6538907中已經提出，一旦達到緩衝電容器上的閾值時就打開或關閉電荷泵。可選地，提出了改變開關頻率， 然而，這會導致通信線路上不可預知的磁幹擾。佔空比的改變可以防止頻率的變化，但可能會導致效率下降和明顯增強高次諧波。因此，由於伴隨著電磁幹擾(emi)增強的風險，這些技術是不令人滿意的。至此還沒有令人滿意的解決方案可以將電容性轉換器的優勢與輸入電壓和輸出電壓或電源電壓和負載電壓之比的連續可變控制有效地結合起來。

發明內容
本發明的目的是提供一種改進的電容性轉換器，其允許高效率的電壓轉換和對線性調節器的過重需求。根據本發明，提供了一種電容性DC-DC轉換器，其包含輸入，用於以輸入電壓接收電流；輸出，用於以輸出電壓提供電流；電荷泵電容器陣列，在DC-DC轉換器內是可重配置的，且包含至少一個電荷泵電容器；多個開關，用於重配置可重配置的電荷泵電容器陣列，其特徵在於電容性DC-DC轉換器配置為通過使用所述至少一個電荷泵電容器中的至少一個作為可變電容器，提供輸入電壓和輸出電壓之間的連續可變比率。通過這樣的器件，可以避免對於會增加電壓轉換器的額外尺寸和成本的線性調節器的需求。而且，通過省略線性調節器，由於不需要匹配轉換器和避免不穩定或幹擾的調節控制，可以簡化控制。同時，因為能夠在器件的工作範圍的至少一部分上實現輸出電壓的連續變化，且無需改變開關頻率或佔空比，因此可以避免與改變現有技術的電容性轉換器的開關頻率或佔空比相關聯的可能的emi問題。有利地，不需要電感器。優選地，可變電容器被配置為使得當它上面的電壓在預定的電壓範圍內增加時， 其電容下降。通過提供反饋機制，該特徵允許可變電容器提供對DC-DC轉換器一定程度的自調節或自控制。在優選實施例中，電容性DC-DC轉換器進一步包含用於對可變電容器進行偏置的偏置電路。更優選地，偏置電路包含與可變電容器串聯的另一電容器，可變電容器與另一電容器之間的節點通過偏置電阻連接到偏置電壓。所述另一電容器可以是固定值電容器或另一可變電容器。這樣的偏置電路允許對改變負載的快速響應，而不會降低在穩定負載處的效率。當然，電阻器不必是獨立組件，而是可以包含開關的控制電晶體的源漏阻抗。在有利的實施例中，電容性DC-DC轉換器進一步包含控制可變電容器的控制環路。控制環路可以包括用於感測輸出電壓的傳感裝置和用於控制偏置電路的控制裝置。這樣的實施例與多種可變電容器兼容。可選地而非限制性地，DC-DC轉換器上的可變電容器可以配置為使得輸出電壓或輸入電壓上的變化可以直接改變電容。在這樣的實施例中，不需要額外的控制電路。電容性DC-DC轉換器可以配置為使得輸出電壓獨立於輸入電壓的變化而可變；可選地而非限制性地，電容性DC-DC轉換器可以配置為使得輸出電壓獨立於輸入電壓的變化而恆定。在本發明的實施例中，電荷泵電容器陣列可包含多個電荷泵電容器。這提供了更大程度的設計自由，並允許使用較小的可變電容器，因此更容易設計到一個單一基片上。
有利地，可以將緩衝電容器跨接在輸出上。這樣的緩衝或平滑電容器可以用於減少輸出電壓上的紋波，從而確保電容性轉換器能夠提供被特別平滑調節的電壓輸出。可以在同一基片上提供至少一個電荷泵電容器和多個開關。在這樣的實施例中， 至少一個電荷泵電容器可以是半導體變容二極體，因為這些類型的可變電容器特別適合採用標準CMOS或BiCMOS工藝集成。在其他替代實施例中，非限制性地，在分離的基片上提供所述至少一個電荷泵電容器和所述多個開關，並且將所述至少一個電荷泵電容器和所述多個開關集成到同一封裝內。在這樣的實施例中，特別方便的是，所述至少一個電荷泵電容可以是鐵性(ferroic)電容器。根據本發明的另外一個方面，提供了一種控制電容性DC-DC轉換器的方法，所述電容性DC-DC轉換器包含輸入，用於接收輸入電壓；輸出，用於提供輸出電壓；可重配置電荷泵電容器陣列，包含至少一個電荷泵可變電容器和用於重配置所述可重配置電荷泵電容器陣列的多個開關；所述方法包含改變所述至少一個電荷泵可變電容器中的至少一個， 從而使得獨立於輸入電壓的變化來控制輸出電壓。所述方法優選地包括偏置所述至少一個可變電容器中的至少一個的步驟。所述方法可進一步包括感測輸出電壓和依賴於輸出電壓對所述至少一個可變電容器中的至少一個進行偏置的步驟。對所述至少一個可變電容器中的至少一個進行偏置的步驟進一步可以有益地包含調節由電容性DC-DC轉換器汲取的最大輸入電流。所述方法因此提供了增強程度的調節保護，而無需額外的電路，並且因此只有少許或沒有額外的成本或設計開銷。電容性DC-DC轉換器可以根據泵周期工作，從而所述至少一個可變電容器中的所述至少一個與泵周期同步地被偏置。因此，可以確保對於瞬態電壓的快速響應。參考下文描述的實施例，本發明的這些和其他方面將是顯而易見的，參考下文描述的實施例對本發明的這些和其他方面加以闡述。


參考附圖，只以示例的方式描述本發明的實施例，其中圖1是根據現有技術的電容性DC-DC轉換器的示意性電路圖；圖2是根據本發明的第一實施例的電容性DC-DC轉換器的示意性電路圖；圖3是根據本發明的另一實施例的電容性DC-DC轉換器的示意性電路圖；圖4(a)_(d)描述了多種可變電容器的電容/電壓響應；圖5圖示了合適的可變電容器的自調節能力；圖6描述了用於可變電容器的偏置電路；圖7描述了用於形成DC-DC轉換器的一部分的可變電容器的控制環路；和圖8(a)和8(b)描述了集成到封裝內的可變電容器的兩種實現方式。應當指出，這些附圖是示意性的，並未按比例示出。出於畫圖清晰和便利的目的， 這些圖中的部分的相對尺寸和比例在尺寸上被放大或縮小了。在修正的和不同的實施例中，相同的參考符號一般用來指相應的或類似的特徵。
具體實施例方式圖1描述了根據現有技術的電容性DC-DC轉換器的簡單示意性電路圖。在輸入 100、101上施加電壓Vin，並且負載電阻&通過輸出111、和110的電壓汲取電流。通過開關跨接在輸入100、101上的是電荷泵電容器Cl。開關Sl將電容器Cl的第一電極131連接到輸入的高側101，並且開關S2將電容器Cl的第二電極132連接到輸入的低側100。開關S4和S3分別將電荷泵電容器Cl的第一電極131和第二電極132連接到電壓輸出的高側111。第二電容器C2連接在輸出的高側111和低側110之間。在電容性轉換器的操作中，在第一階段，控制單元(未示出)將所有奇數編號開關設置為它們的導通狀態，即閉合狀態。也就是說，通過使開關Sl和S3與電容器Cl和C2串聯連接，Cl和C2的串聯連接被充電到輸入電壓Vin。在DC-DC轉換器的隨後的第二操作階段，控制單元打開奇數編號開關，並且閉合偶數編號開關S2和S4。因此，在第二操作階段，通過打開所有奇數編號開關和閉合所有偶數編號開關，控制單元在DC-DC轉換器的輸出處，提供了並聯的電容器Cl和C2與負載電阻&的並聯連接。因此，輸入與輸出電壓的比率為2 1。不論電容器Cl和C2是否具有類似尺寸， 都是如此。從一個方面考慮，電容器Cl和C2都對電荷泵功能有所貢獻。然而，從第二方面考慮，因為電容器C2直接跨接在輸出負載上，電容器C2充當緩衝電容器或平滑電容器。因此， 當從第二方面考慮時，圖1的電路圖可以被認為是具有單個電荷泵電容器的電荷泵電容性轉換器。圖2描述了根據本發明的第一實施例的DC-DC電容性轉換器。所述轉換器類似於圖1中圖示的轉換器，因此相應的組件用相應的參考數字表示。然而，在這個轉換器中， 用可變電荷泵電容器C21代替電荷泵電容器Cl，可變電荷泵電容器C21具有分別到231和 232的頂電極和底電極。類似地，用可變電容器C22代替電容器C2。210示出了經過S4控制開關Sl的控制單元；其操作類似於以上參考圖1描述的開關。但是，控制單元210不同於參考圖1描述的開關，因為它還響應於來自控制環路230的輸出。控制環路響應於輸出 +Vout，並且特別地響應於輸出的高側111，因此，圖2中將控制環路230圖示為具有連接到 +Vout的輸入。除了控制控制單元210之外，控制環路230也提供了到偏置電路220的控制輸出。偏置電路220對於偏置可變電容器C21是有效的，這在下面會更詳細的描述。另外， 偏置單元220對於偏置第二電容器C22是有效的，這在下文中會詳細描述。在這個實施例中，第二電容器C22是第二可變電容器；然而，在另外的實施例中， 第二電容器也可以是固定值電容器C2。在本申請全文中，詞語「電荷泵電容器陣列，，用於包括單一電荷泵電容器，和多個電荷泵電容器。因此，圖2的布置可以認為是包含緩衝電容器C22以及具有單一電荷泵電容器C21的電荷泵電容器陣列。圖3的示意性電路圖中圖示了本發明的第二實施例。該實施例的布局總體上類似於以上參考圖2描述的布局；然而，這個實施例與圖2中描述的實施例不同，因為此實施例包括另一電荷泵電容器C23。作為結果，存在更多的控制開關，並且偏置電路或偏置控制 320控制兩個或三個電容器，而不是前述實施例中的一個或兩個電容器。控制開關的布置在細節上不同於前述實施例中的布置，因為開關S4和S3不是將輸出的高側111分別連接到電容器Cl的第一和第二電極，而是連接相應的電極到另一電荷泵可變電容器C23的第一電極。另一電荷泵可變電容器C23的第二電極經由開關S5連接到輸入和輸出的共同低側100和110。另一電荷泵可變電容器C23的第一和第二電極分別經由開關S7和S6連接到輸出的高側111。在此實施例中，所有的電荷泵電容器和緩衝電容器都是可變電容器。然而，對於技術人員來說是顯而易見的是，假如至少一個電荷泵電容器是可變電容器，則本發明可等同地延伸到一個或多個電容器均是固定值電容器的情況，根據本發明，在電容性DC-DC轉換器中使用的一個或多個可變電容器可以是幾種不同類型中的任意一種例如，在CMOS或BiCMOS工藝中，可變電容器可以是與控制環路、電流或電壓傳感器和其它電子元件集成在同一裸片上的變容二極體。可選地，它們可以是鐵性電容器。術語「鐵性」在本申請中具有本領域技術人員熟知的廣泛含義。也就是說，該術語用於包括在操作環境下，物理上既不是鐵電相也不是反鐵電相，但在相圖中的其它位置具有鐵電相或反鐵電相的材料。進一步，它也用於包括具有依賴於電壓的大於80的介電常數的所有材料，無論它們是否是嚴格的鐵性材料。例如從美國專利US-A-5889^8中已知鐵電電容器可以和有源電子元件一起集成以代替固定值電容器；然而，在本發明的實施例中， 鐵電電容器被用作可調電容器或可變電容器。圖4描述了電容對偏置電壓的示例性依賴關係，即可以用於本發明的實施例以獲益的幾種可變電容器技術的C(V)響應。圖4(a)描述了變容二極體或PIN 二極體的典型的 C(V)響應。電容與電壓具有次線性反比關係。也就是說，電容隨著升高的電壓而減小，但電容減小的速率也隨升高的電壓而降低。當(正)電壓趨向零時，電容趨向一個非常高的值， 並且電容隨升高的電壓而單調下降，但是不會下降到零。圖4(b)描述了鐵電電容器的典型 C(V)響應。通常的響應與變容二極體的響應具有相同的形狀；然而，對於鐵電電容器來說， 在低電壓處的電容有所不同，因為它變得平坦，從而在零電壓下電容是有效平坦的。圖4 (c) 描述了反鐵電電容器的典型響應。在高電壓處，形狀與鐵電電容器的相同然而，這種類型的電容器的響應在非零正電壓處具有峰值在較小的正電壓處電容下降，但是下降的速率隨降低的電壓而降低，從而在零電壓處電容幾乎是平坦的。最後，在圖4(d)處描述了 MOS 變容二極體的C(V)響應。本質上，MOS變容二極體具有與變容二極體或PIN 二極體與固定值電容器的串聯連接相似的響應。對於較大和中等的負電壓，電容具有較小的值；在較小負電壓處電容急劇上升，並且最終平坦到一個針對正電壓的較高的常數值。如下文中詳細討論，這些電容器類型中的一些可以用於本發明的實施例，而無需額外的或單獨的控制環路。依賴於開關的配置，泵電容器上的電壓與負載上的電壓具有固定比率。因此，輸出電壓或輸入電壓的變化會直接改變電容。若當電容器上的電壓降低時電容增大，則與固定值電容器的情況相比，有更多的電荷會被泵入負載。輸出電壓對於很陡的C(V)曲線可自調節，如圖5中的虛曲線(a)所示，其在低正偏置處具有平坦響應，並且在電壓Vr處急劇降低到零。不需要沒有額外的控制電路電容器已經幫助穩定了輸出電壓。在可變電容器具有針對偏置控制電壓的單獨連接的實施例中，如下面詳細描述的，可以將偏置電壓抽頭連接到輸入或輸出電壓。在偏置電壓抽頭連接到輸入電壓的情況下如果Vin增加，C減小，導致轉換器的更高的輸出電阻這將導致Vout的下降，抵消由於Vin增加造成的增加。相反，對於偏置電壓抽頭連接到輸出電壓的情況如果輸出電壓增加，C減小，從而輸出阻抗增加，導致Vout降低，抵消了最初的增加。除了在虛曲線5(a)中所示的理想化響應之外，圖5在曲線5(b)中描述了對於部分自調節電容器的良好的折衷C (V)曲線。電壓依賴性支持在AVr的範圍內(即電容隨增加的電壓而單調急劇下降的電壓範圍內)的調節環路。可以以幾種方式獲得這種曲線特別地，可以通過優化鐵電或反鐵電電容器的性能獲得這種曲線，或通過組合鐵電和反鐵電電容器獲得這種曲線，或通過優化半導體變容二極體或在氧化層具有良好受控電荷的MOS 變容二極體的摻雜分布來獲得這種曲線。在一些應用中，能夠將輸出電壓設置為任意值是有利的。因此，對於這些應用而言，單調下降部分的斜率不能變得無限陡，但理想上跨過由開關陣列決定的電壓範圍。通過調節電容器的響應使得在泵電容器上的電壓的變化範圍內具有最大的陡度，可以實現比使用固定值電容器更快且更準確的對輸出電壓的調節。對於這種調節的一個選擇是，以一種本領域的技術人員熟知的方式修改變容二極體的摻雜分布。另一種選擇是使用鐵電或反鐵電材料或它們的組合。通過優化材料和介電層的厚度，可根據應用來調節矯頑磁場和C(V) 響應。以上描述的實施例包括偏置電路以控制可變電容器上的偏置。參見例如圖2中的偏置電路220和圖3中的偏置電路320。偏置電路提供獨立於輸入或輸出電壓的對泵電容的控制。因此對於技術人員來說顯而易見的是，本發明可延伸到沒有偏置電路或偏置控制的實施例。在這樣的實施例中，泵電容依賴於輸入或輸出電壓中的至少一個。因此，這些實施例不是優選的，因為它們提供了對DC-DC轉換器的較低水平的獨立控制。然而，對於一些應用來說，它們可能是有利的，因為它們需要更少的組件和簡化的控制。由於對於本發明的實施例而言，泵電容器(或多個泵電容器)上的平均DC電壓可以改變是有利的，從一個角度來說，電容器上一直存在偏置電壓。在2端可變或可調電容器的最簡單的情況下，可以通過電容上的電壓簡單地提供偏置。然而，在優選實施例中，採用了更複雜的偏置可調諧電容器的方法。圖6示出了該方法。圖6描述了可變電容器C61。 與可變電容器器C61串聯連接的是第二電容器C62。該第二電容器C62可以是固定的DC阻擋電容器或另一可變電容器。可變電容器C61的第一電極連接到接線端61，C61的第二電極連接到第二電容器C62的第一電極和公共節點，並且第二電容器C62的第二電極連接到接線端62。偏置電阻Rb也連接到該公共節點，偏置電阻Rb還連接到偏置電壓Vb。根據該偏置方案，前述實施例中示為單個電容器(例如C21)的可變電容器被替換為電容對C61和C62。因此例如在圖3所示的實施例中，接線端61和62分別連接到開關 Sl 禾口 S2。第二電容器C62和偏置電阻Rb引入了大概隨1/(ω. Rb. C61)變化的損耗，因此優選偏置電阻Rb的較大值。然而，這導致了用於改變偏置的較長的時間常數，其中時間常數根據Rb. (C61+C62)而縮放。因此，提供低損耗偏置可以導致偏置電路的慢響應。為了緩解該問題，在本發明的實施例中採用如圖7所示的偏置電路，該偏置電路與控制環路集成在一起。圖7描述了對圖6進行修正後的偏置電路，其中通過開關S71將偏置端可開關地連接到偏置電壓發生器740。偏置電壓發生器740和開關S71均在控制環路730的控制之下。控制環路730通過傳感器750感測輸出的高側111處的負載電壓。傳感器750可以是一個簡單的電壓抽頭。當輸出電壓(或者是輸出電流，在將電流用作基本控制的示例中) 偏離所需值太多時，例如在負載電阻的快速瞬變之後，控制環路可以閉合S71並且將泵電容器組合C61/C62的值快速調整到維持期望的輸出電壓或電流所需要的值。在操作中，將泵電容器周期性地連接到不同的電壓電平，例如輸出電壓和電源電壓，如上述參考圖2所述。電容值由電容器自身的接線端之間的電壓控制。因為在典型配置中，通過偏置電阻對電荷泵電容器充電的時間常數大於開關周期的時長，因此相對於泵電容器的接線端61和62處的平均電壓施加偏置電壓。在實施例中，將控制器配置為考慮到這一點；然而，作為在其它實施例中的非限制性備選實施例，偏置電壓的施加是簡單的， 並且方便地通過開關S71與開關周期同步。在這些實施例中，僅在當泵電容器連接到熟知的或明確定義的電位時(例如當接線端61或62連接到地或電源電壓時)施加偏置電壓。 在這些實施例中，可以根據要將偏置施加到周期的哪一部分，更自由地選擇偏置發生器所需要的控制電壓範圍。因為圖6和圖7中示出的偏置電路能夠控制電荷泵可變電容器上的電壓，它們也能用於調節被轉換器汲取的最大輸入電流。於是，這也能用於限制損耗或設置轉換器的充電速率。因此，有利地，通過利用這些偏置電路的本發明的實施例提供了改進的電路調節或保護，而無需附加電路。因為根據本發明的電容性DC-DC轉換器不依靠體積大的磁元件或其它電感性元件，本發明的實施例特別適合於但不限於集成在較小的或微型化的器件上。如上所述，在實施例中，可變電容器可以是變容二極體或MOS變容二極體，其特別適合或可以集成在同一裸片上作為控制環路、電流或電壓傳感器或其它電子元件。進一步，鐵電電容器可以與有源電子元件相集成，以替代同一裸片上的固定值電容器。詞語「裸片」和「基片」在本文中可交替使用。對於特定的應用，使用專用基片以允許特定材料優化(例如，高溫和低製造成本) 仍然是很有吸引力的。系統級封裝技術允許對於有源(開關、控制)和無源元件結合兩個基片，並且本發明延伸到根據系統級封裝技術製造的電容性DC-DC轉換器。圖8(a)和8(b)中示出了這些技術的非限制性示例，其特別適合於利用鐵電或反鐵電可變電容器作為電荷泵電容器的本發明的實施例。基片801包含泵電容器810，以及其他不易集成到邏輯電路中的可能的組件，如靜電放電(ESD)保護裝置或高質量電阻器。非限制性地，電容器810可以是平面形式或溝槽形式的鐵性電容器或變容二極體。第二，通常，基片802通過膠水或底層填料830連接到第一基片801。在圖8 (a)中通過引線鍵合820 提供第一基片801和第二基片802之間的電連接，在圖8 (b)中通過凸塊鍵合821提供第一基片801和第二基片802之間的電連接。基片801可以是雙面的，並且包括過孔804，和/ 或凸塊連接803。從備選觀點看出，通過應用Thevenin定理，上述實施例可以看做能夠控制輸出電流，而不是直接控制輸出電壓為了針對輸出電壓Vout的特定給定值控制輸出電流lout， 需要選擇M和Rcp的適當值(其中M是轉換器的電壓倍增因子，從而Vout = M*Vin，並且 Rcp是電容性轉換器的輸出阻抗)。有效地，無論控制被認為是直接控制Vout還是以一定的外部施加Vout控制lout，都通過改變電荷泵電容器來改變轉換器的阻抗。
因此，通過閱讀本公開文件，顯而易見的是，電荷泵電容性DC-DC轉換器被公開， 其包括可重配置電荷泵電容陣列。DC-DC轉換器被配置為通過使用形成可重配置陣列的至少一個電荷泵電容器中的至少一個作為可變電容器，在其輸入電壓和其輸出電壓之間提供連續可變比率。在實施例中，所述一個或多個可變電容器可以是鐵電電容器，反鐵電電容器，或其它鐵性電容器。DC-DC轉換器可以提供偏置電路給電容器或多個電容器，並且可以進一步包括控制環路。備選地，電容器可以提供一定程度的自控制。通過閱讀本公開文件，其它變化或修改對於技術人員來說是顯而易見的。這樣的變化或修改可以包括在DC-DC轉換器領域已知的等價的和其它特徵和用於代替或補充這裡已經描述的特徵的等價的和其它特徵。雖然附加的權利要求涉及特徵的特定組合，但是應當理解，本發明的公開範圍也包括任何新穎的特徵或這裡明示或暗示地公開的特徵的任何新穎的組合或任何它們的推廣，無論它是否涉及與任何權利要求當前所要求的同樣的發明，以及無論它是否與本發明解決任何或所有同樣的技術問題。單獨實施例的上下文中描述的特徵也可以以組合的形式在單一實施例中提供。相反，為了簡要起見而在單一實施例的上下文中描述的各種特徵，也可以被單獨提供或以任何合適的子組合的形式提供。因此申請人希望注意，在本申請或源自本申請的任意進一步申請的審查期間，可以撰寫新的權利要求以包含這些特徵和/或這些特徵的組合。 出於完整性起見，應陳述的是，詞語「包含」並不排除其他元件或步驟，單個處理器或其它單元可以執行在權利要求中敘述的幾種裝置的功能，並且權利要求中的參考符號不應解釋為對權利要求範疇的限制。
權利要求
1.一種電容性DC-DC轉換器，包含輸入，用於以輸入電壓接收電流，輸出，用於以輸出電壓提供電流，電荷泵電容器陣列，在DC-DC轉換器內是可重配置的，且包含至少一個電荷泵電容器，多個開關，用於重配置可重配置的電荷泵電容器陣列，其特徵在於電容性DC-DC轉換器配置為通過使用所述至少一個電荷泵電容器中的至少一個作為可變電容器，提供輸入電壓和輸出電壓之間的連續可變比率。
2.根據權利要求1所述的電容性DC-DC轉換器，其中可變電容器被配置為使得當所述可變電容器上的電壓在預定的電壓範圍內增加時，所述可變電容器的電容下降。
3.根據權利要求1或2所述的電容性DC-DC轉換器，進一步包含用於對可變電容器進行偏置的偏置電路。
4.根據權利要求3所述的電容性DC-DC轉換器，其中偏置電路包含與可變電容器串聯的另一電容器，可變電容器與另一電容器之間的節點通過偏置電阻器連接到偏置電壓。
5.根據權利要求1到4中的任何一個所述的電容性DC-DC轉換器，進一步包含用於控制可變電容器的控制環路。
6.根據權利要求5所述的電容性DC-DC轉換器，其中控制環路包括用於感測輸出電壓的傳感器件和用於控制偏置電路的控制器件。
7.根據權利要求5或6所述的電容性DC-DC轉換器，配置為使得輸出電壓獨立於輸入電壓的變化而可變。
8.根據權利要求5或6所述的電容性DC-DC轉換器，配置為使得輸出電壓獨立於輸入電壓的變化而恆定。
9.根據前述任意權利要求所述的電容性DC-DC轉換器，其中電荷泵電容器陣列包含多個電荷泵電容器。
10.根據前述任意權利要求所述的電容性DC-DC轉換器，進一步包含跨接在輸出上的緩衝電容器。
11.根據前述任意權利要求所述的電容性DC-DC轉換器，其中在同一基片上提供所述至少一個電荷泵電容器和所述多個開關。
12.根據權利要求11所述的電容性DC-DC轉換器，其中所述至少一個電荷泵電容器是半導體變容二極體。
13.根據權利要求1到10中的任何一個所述的電容性DC-DC轉換器，其中在分離的基片上提供所述至少一個電荷泵電容器和所述多個開關，並且將所述至少一個電荷泵電容器和所述多個開關集成到同一封裝內。
14.根據權利要求13所述的電容性DC-DC轉換器，其中所述至少一個電荷泵電容器是鐵性電容器。
15.一種控制電容性DC-DC轉換器的方法，所述電容性DC-DC轉換器包含輸入，用於接收輸入電壓，輸出，用於提供輸出電壓，可重配置的電荷泵電容器陣列，包含至少一個電荷泵可變電容器和用於重配置所述可重配置的電荷泵電容器陣列的多個開關，所述方法包含改變所述至少一個電荷泵可變電容器中的至少一個，從而使得獨立於輸入電壓的變化來控制輸出電壓。
16.根據權利要求15所述的方法，包括對所述至少一個可變電容器中的至少一個進行偏置的步驟。
17.根據權利要求15或16所述的方法，包括感測輸出電壓和依賴於輸出電壓對所述至少一個可變電容器中的至少一個進行偏置的步驟。
18.根據權利要求15到17中的任何一個所述的方法，其中對所述至少一個可變電容器中的至少一個進行偏置的步驟進一步包含調節由電容性DC-DC轉換器汲取的最大輸入電流。
19.根據權利要求15到18中的任何一個所述的方法，其中電容性DC-DC轉換器根據泵周期來工作，並且所述至少一個可變電容器中的所述至少一個與泵周期同步地被偏置。
全文摘要
本發明公開了一種電荷泵電容性DC-DC轉換器(200)，其包括可重配置電荷泵電容器陣列。DC-DC轉換器配置為通過使用形成可重配置陣列的至少一個電荷泵電容器(C21，C22)中的至少一個作為可變電容器，提供其輸入電壓(Vin)和其輸出電壓(Vout)之間的連續可變比率。在實施例中，一個或多個可變電容器(C21，C22)可以是鐵電電容器、反鐵電電容器或其它鐵性電容器。DC-DC轉換器(200)可以提供偏置電路給電容器或多個電容器，並且可以進一步提供控制環路(220，230)。可選地，電容器可以提供一定程度的自控制。
文檔編號H02M3/07GK102210089SQ200980144744
公開日2011年10月5日 申請日期2009年10月28日 優先權日2008年11月10日
發明者亨德裡克·約翰內斯·伯格維德, 克勞斯·雷曼, 威廉·弗雷德裡克·亞德裡亞內斯·貝什林, 帕維爾·諾沃塞羅夫 申請人:Nxp股份有限公司