[发明专利]一种开关电容变换器及其驱动控制方法

说明书

本发明涉及一种开关电容变换器及其驱动控制方法，该变换器兼备开关电容和BUCK电路的优点，通过开关电容电路和两个电感器分别串联的方式，采用错相控制开关电容的充放电时序可实现两个电感交错输出，在输出电流和其他电路参数相同的情况下，可使电路输出纹波大大降低，提高输出电压纹波性能。同时，输出电流纹波的频率增加，提高了纹波电流频率，降低电感感量设计要求和输出滤波电容容量，从整体上改进了电路动态响应速度，适合低压大电流输出应用。

技术领域

本发明涉及开关电源，特别涉及开关电容变换器及其驱动控制方法。

背景技术

由于便携式移动通信设备日益广泛应用，为了减小便携式电子产品体积、延长设备使用时间，如何实现高效率、高降压型的直流-直流变换器，已经成为电力电子技术领域的研究重点，也是通信电源和消费类电子中的竞争热点。

常规的非隔离型降压型变换器如图1所示，由两个功率开关元件Q1、Q2，一个滤波电感L和一个输出电容Co组成的典型的降压变换器。该变换器虽然电路结构简单、控制方便，但由于变换器的电压增益只由功率开关管的占空比决定，在高降压变换场合，比如12V输入、1V输出的消费类电子电源电压调整模块中，功率开关管的占空比非常小，导致功率器件的峰值电流很大，增加了功率器件的开关损耗。而在动态调整过程中，变换器的占空比变换范围有限，限制了变换器的带宽，影响了变换器的动态特性，且功率器件的电压应力等于输入电压，难以采用低压高性能的功率器件来降低电路的导通损耗。

为了在高降压变换场合拓展变换器的占空比，国内外学者做了大量的研究工作，并取得了一系列的研究成果。一种方案是利用耦合电感的变压器效应来实现电路的高降压变换，但是为了吸收耦合电感的漏感能量，需要增加额外的有源或无源箝位电路，同时耦合电感的变压器损耗还比电感大，导致变换器效率低下问题。另一种方案是采用内置变压器的方式来拓展电路的占空比，但是该方案需要增加额外的磁芯元件，增加了变换器体积。还有一种方案是采用开关电容变换器通过开关控制电容的充电和放电，实现电压或电流变换，但是，开关电容变换器只能实现输入输出电压固定变比的变换，同时由于输入电源等器件上的电流脉动较大，得到的输出电压也存在脉动。现有技术中，为了改变输入输出电压的比值变换，同时为了得到输出稳定平滑的输出电压，采用如图2所示的开关电容变换器级联传统BUCK开关变换器的方案，工作过程中电容C_FLY和电感串联，这种方案在理想状态下，功率管Q1和功率管Q2的占空比相同，飞跨电容C_FLY的电压为1/2*Vin，加在电感L上的电压为1/2*Vin-Vout，该方案同传统的buck变换器相比，占空比是传统buck变换器的2倍，滤波电感L和输出电容C_out也减小，提高了功率密度，但是该方案一个周期的工作时序中，始终有两个开关管同时串联导通(飞跨电容C_FLY同时通过功率管Q1、功率管Q3充电或飞跨电容C_FLY同时通过功率管Q2、功率管Q4放电，电感L续流同时通过功率管Q3、功率管Q4续流)，这样会导致开关管导通损耗大，变换器效率低下问题；且在实际应用中，因驱动电路和控制电路的微小差异，功率管Q1和功率管Q2的导通时间不可能完全相同，同时各功率管的导通压降和开关特性也不会完全相同，这样会导致飞跨电容C_FLY的电压产生偏离不再是输入电压的1/2，从而引起各功率管的电压应力增加，电感电流脉动和输出电压纹波变大，同时为了稳定飞跨电容C_FLY的电压为输入电压的1/2，需要检测飞跨电容C_FLY的电压闭环控制调节，但由于飞跨电容C_FLY的电压为浮地状态，因此会出现电压检测电路复杂，检测精度也不高等问题；该方案针对大电流输出应用时和传统buck方案一样直接采用功率器件并联的方式实现，缺点是功率器件均流效果差温升差异大导致可靠性低问题，如果采用多路并联需要增加均流控制电路等导致电路系统复杂。

发明内容