電壓發生器的制造方法
【專利摘要】本公開涉及一種電壓發生器，用于根據接收的目標信號提供輸出電壓，所述電壓發生器包括：諧振轉換器，配置為接收輸入電壓，諧振轉換器包括：第一開關；第二開關，與第一開關串聯連接在輸入電壓和地之間；諧振儲能電路，與第二開關相關聯；輸出電容器，耦合至諧振儲能電路，并且配置為提供輸出電壓；以及整流器，配置為允許電荷在諧振儲能電路與輸出電容器之間沿單方向流動；以及控制器，配置為接收目標信號)并且根據與輸出電壓相關的輸出值和目標信號之間的差值來設定諧振轉換器的操作參數。
【專利說明】電壓發生器
【技術領域】
[0001] 本公開涉及電壓發生器。具體地，用于根據接收的斜坡或目標信號提供輸出電壓 的電壓發生器。
【背景技術】
[0002] -些應用需要從低電壓源產生高電壓（例如，3kV)信號，例如具有2. 7V至4. 2V的 DC輸出的鋰離子電池。例如，針對移動設備應用的觸覺反饋需要從低電壓源產生高電壓。 這樣的應用也可以要求特定速率的電壓斜坡，使得產生的高電壓與期望的觸覺反饋級別有 關。
[0003] 可以使用電容性電壓倍增器來產生高電壓發生器。在這樣的電壓發生器中，使用 半橋配置產生針對倍增器的輸入電壓作為方波電壓。可以通過改變半橋的方波輸入電壓的 切換頻率來控制輸出電壓的增加速率。這種電壓發生器的缺點在于，需要大量電容級，以便 提供高轉換比率（Vout/Vin)。因此提供這樣的電壓倍增器涉及大量組件，并且占用相對大 的PCB面積。這些缺點尤其與具有低輸入電壓的電壓發生器相關。
[0004] 可以通過引入中間轉換器、將輸入電壓提高到較高電平來減少電容性電壓倍增器 中的級數。這樣的修改減少了倍增器級的數目，但是引入了附加級并且還引入了附加損耗， 這是由于當轉換比率非常高（上千的量級）時附加轉換器的效率通常下降。
【發明內容】
[0005] 根據本發明的實施例，提供了一種根據接收的目標信號提供輸出電壓的電壓發生 器，電壓發生器包括：
[0006] 諧振轉換器，配置為接收輸入電壓，諧振轉換器包括：
[0007] 第一開關；
[0008] 第二開關，與第一開關串聯連接在輸入電壓和地之間；
[0009] 諧振儲能電路，與第二開關相關聯；
[0010] 輸出電容器，耦合至諧振儲能電路，并且配置為提供輸出電壓；以及
[0011] 整流器，配置為允許電荷在諧振儲能電路與輸出電容器之間
[0012] 沿單方向流動；以及
[0013] 控制器，配置為接收目標信號，并且根據與輸出電壓相關的輸出值與接收的斜坡 信號之間的差值來設定諧振轉換器的操作參數。
[0014] 電壓發生器使用諧振拓撲結構，并因此可以占用較少空間，并且要求比等價電容 性電壓倍增器電壓發生器更少的組件。控制器可以提供使輸出電壓與目標信號（可以是斜 坡信號）指定的期望電壓一致的功能。斜坡信號可以由例如移動計算設備的觸覺反饋應用 提供。
[0015] 操作參數可以是第一開關或第二開關的狀態。設定操作參數可以包括：來回切換 第一開關和第二開關的狀態。輸出值可以是輸出電壓。
[0016] 控制器可以配置為根據與諧振儲能電路中的電流相關的值和與差值相關的值之 間的比較來設定操作參數。與諧振儲能電路中的電流相關的值可以是諧振儲能電路中的電 流。控制器可以配置為當與諧振儲能電路電流相關的值大于與差值相關的值時設定操作參 數。控制器可以配置為在正弦諧振儲能電路電流期間的特定時間點處操作第一和第二開 關，使得操作參數是操作第一和第二開關的正弦諧振儲能電路電流的相位。與差值相關的 值可以是差值的模量。備選地，與差值相關的值可以是差值。
[0017] 控制器可以配置為根據具有切換頻率的切換周期來操作第一和第二開關。操作參 數可以是切換頻率。控制器可以配置為將第一和第二開關的操作限制到切換頻率大于或等 于諧振儲能電路的諧振頻率。控制器可以配置為在輸出值大于目標信號的情況下增加切換 頻率。控制器可以配置為在輸出值小于目標信號的情況下減小切換頻率。控制器可以配置 為只有切換頻率大于或等于諧振儲能電路的諧振頻率的情況下減小切換切換頻率。
[0018] 操作參數可以是諧振轉換器的輸入電壓。電壓產生器可以包括：第一級轉換器， 配置為接收電源電壓，并且提供諧振轉換器的輸入電壓。控制器可以包括：切換控制器，配 置為根據輸出值與目標信號之間的差值來操作第一級轉換器。第一級轉換器可以是升壓轉 換器。升壓轉換器可以包括具有第一端子和第二端子的升壓電感器。第一端子可以連接至 電源電壓。升壓轉換器可以包括升壓整流器。升壓整流器可以連接至升壓電感器的第二端 子。升壓整流器可以配置為提供諧振轉換器的輸入電壓。升壓轉換器可以包括：升壓開關， 連接在升壓電感器的第二端子與地之間。切換控制器可以配置為根據輸出值與目標信號之 間的差值來操作升壓開關。
[0019] 根據本發明的另一方面，提供了一種包括電壓發生器的移動計算設備。該移動計 算設備可以是移動電話，可以具有需要觸覺反饋的觸摸屏。電壓發生器也可以適合于提供 用于驅動這種觸覺反饋的輸出電壓。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020] 現在通過示例參照附圖描述本發明的實施例，在附圖中：
[0021] 圖1示出了包括控制器的電壓發生器的框圖，該控制器配置為根據接收的目標信 號設定諧振轉換器的操作參數，以便提供期望輸出電壓；
[0022] 圖2a示出了類似于圖1的電壓發生器的框圖，其中操作參數是諧振轉換器的切換 頻率；
[0023] 圖2b示出了根據圖2a的框圖的電壓發生器的示例電路圖；
[0024] 圖2c示出了用于圖2b的電路的切換控制器的示例電路圖；
[0025] 圖3a示出了類似于圖1的另一電壓發生器的框圖，其中操作參數是諧振轉換器的 開關的狀態，并且控制器還根據諧振轉換器內的電流確定何時操作開關；
[0026] 圖3b示出了根據圖3a的框圖的電壓發生器的示例電路圖；
[0027] 圖3c示出了圖3b的電壓發生器內的信號；
[0028] 圖4a示出了類似于圖1的包括初級轉換器的另一電壓發生器的框圖，其中操作參 數是初級轉換器提供的諧振轉換器的輸入電壓；以及
[0029] 圖4b示出了根據圖4a的框圖的電壓發生器的示例電路圖。
【具體實施方式】
[0030] 圖1示出了電壓發生器100的框圖，電壓發生器100配置為接收電源電壓 (Vsupply) 106并根據接收的目標或斜坡信號110提供輸出電壓（Vout) 108。電壓發生器 100可以用于根據目標信號110所指定的期望斜坡速率來產生高電壓。可以使用這種電壓 產生器100的特定示例是在移動設備應用中提供觸覺反饋。這樣的示例可以受益于物理上 較小的電路，物理上較小的電路可以從低電壓電源提供期望波形的高電壓波形。
[0031] 電壓產生器100包括諧振轉換器102和控制器104。控制器104配置為接收目標 信號110和來自諧振轉換器102的反饋信號109。反饋信號表示諧振轉換器的輸出值，在 該示例中諧振轉換器的輸出值與輸出電壓（Vout) 108相關。控制器104然后發送控制信號 112,以根據反饋信號109和目標信號110之間的差值來設定諧振轉換器102的操作參數。
[0032] 參照圖2至4進一步描述電壓發生器的多個優選和可選特征。可以使用現貨供應 的組件來提供本文描述的電壓發生器。備選地，組件可以是定制的，以便縮減電壓發生器的 PCB占用面積。
[0033] 圖2a和2b示出了類似于圖的電壓發生器200、200a，其中，由控制器設定的操作參 數是諧振轉換器202的切換頻率212。
[0034] 圖2a示出了電壓發生器200的框圖。由控制器204施加的控制信號212表示的切 換頻率與諧振轉換器204的諧振頻率之間的任何失配導致輸出電壓（Vout) 208的較低增加 速率。這是因為諧振轉換器202在切換頻率與諧振頻率不匹配的情況下欠最優操作（在最 大化輸出電壓方面）。控制器204使用該原理以確保諧振轉換器202的輸出電壓（Vout) 208 對應于目標（斜坡）信號210指示的期望電壓。
[0035] 可以參照圖2b和2c更好地理解電壓發生器的操作，圖2b和2c示出了示例電壓 發生器200a的電路圖。電壓發生器200a包括諧振轉換器202a和控制器204a。圖2b的諧 振轉換器202a包括第一開關214、第二開關216、諧振儲能電路218、整流器220和輸出電容 器 222。
[0036] 在從電池產生高電壓的應用中可以不需要諧振轉換器202a的輸入電壓207與輸 出電壓208之間的隔離。因此對于諧振轉換器202a而言不必包括變壓器。這樣，由于節省 了變壓器的組件成本，因此可以節省空間。
[0037] 第一開關214與第二開關216串聯連接在輸入電壓（Vin)和地（GND)之間。在該 示例中，輸入電壓207可以被認為是電源電壓。可以提供第一和第二開關214、216作為晶 體管開關，例如圖2B中示出的M0SFET，在這種情況下串聯地提供相應FET開關214、216的 漏極源極導電溝道。
[0038] 諧振儲能電路218可以包括提供阻抗的組件的任何布置。在該示例中，諧振儲能 電路218包括彼此串聯設置的儲能電路電感器218a和儲能電路電容器218b。諧振儲能電 路218與第二開關216相關聯。在該示例中，諧振儲能電路218與第二開關216并聯設置。
[0039] 可以通過交替來回切換第一和第二開關214、216的狀態來在第一和第二開關 214、216之間的節點處對諧振儲能電路218施加方波電勢。如果在適當的頻率（給定儲能 電路218的阻抗的情況下）下執行開關214、216的來回切換，則每個切換動作可以向諧振 儲能電路218添加一定量的能量。對于固定的切換頻率，每個切換周期向諧振儲能電路218 添加固定量的能量。在諧振電感器218a和諧振電容器218b的連接節點處，在諧振儲能電 路218中產生交流（AC)波形。AC波形的RMS電壓與諧振儲能電路218中存儲的能量數量 成比例。
[0040] 輸出電容器222具有第一極板和第二極板。輸出電容器222的第二極板連接至地 (GND)〇
[0041] 整流器220將輸出電容器222的第一極板連接至諧振儲能電路218。在該示例中， 輸出電容器222與儲能電路電容器218b并聯耦接。整流器220由二極管提供并且配置為 允許電荷在諧振儲能電路218與輸出電容器222之間沿單方向流動，使得在切換循環的一 半期間可以將能量傳遞至輸出，但是在切換循環的另一半期間不從輸出流回到諧振儲能電 路。可以在輸出電容器222的第一極板與地（GND)之間獲得輸出申壓（Vout)208。
[0042] 整流器在諧振儲能電路218中的AC波的瞬時值大于電容器222存儲的（DC)輸出 電壓（Vout) 208時允許電荷流動。電荷流經整流器220引起輸出電壓（Vout) 208的增加。 增加速率依賴于諧振儲能電路218的特性阻抗。因此優化諧振儲能電路218的組件值，以 減少給定應用所需的控制調整量。
[0043] 控制器204配置為接收目標信號210,并根據與輸出電壓（Vout) 208相關的電壓和 目標信號210之間的差值來設定諧振轉換器202的第一和第二開關214、216的切換頻率。 該示例中的控制器204a包括切換控制器224和誤差放大器電路224。
[0044] 誤差放大器電路226包括分壓器和誤差放大器232。分壓器具有在輸出電容器 222的第一極板與地之間串聯耦接的第一電阻器228和第二電阻器230,使得輸出電壓 (Vout) 208在兩個電阻器228、230上降低。分壓器在第一電阻器228和第二電阻器230之 間的結點處提供分壓（相對于地）。分壓是表示與輸出電壓（Vout) 208有關的輸出值的反 饋信號209的示例。將反饋信號209供應給誤差放大器232的反相輸入。
[0045] 誤差放大器232還在其非反相輸入處接收目標信號（斜坡）210,并且在其輸出處 提供差信號（EA 〇ut)234。差信號（EA〇ut)234的幅度與反饋信號209和目標信號（斜坡）210 之間的差值相關。當輸出電壓（Vout)208低于所需時，差信號（EA 〇ut)234為正。當輸出信 號（Vout) 208大于所需時，差信號（EAout) 234為負。
[0046] 切換控制器224配置為接收差信號（EAout) 234,并且根據差信號（EAout) 234設定 第一和第二開關214、216的切換頻率。
[0047] 切換控制器224可以配置為僅在大于或等于諧振儲能電路218的諧振頻率的切換 頻率處操作諧振轉換器202a。由于諧振轉換器202可以產生電容性切換，因此使用低于諧 振頻率的切換頻率可以引起諧振轉換器202的無效率操作，這會由于切換損耗而降低系統 效率，并且能夠損壞FET開關214、216。防止電容性切換的已知技術以TEA1713和TEA1716 控制器來實現，并且在W02009/037613中描述。
[0048] 切換控制器224可以配置為在反饋信號209小于目標信號210 (差信號234為正） 的情況下減小切換頻率，只要切換頻率大于或等于諧振儲能電路218的諧振頻率。當切換 頻率等于諧振頻率時輸出電壓（Vout) 208為最大值。針對切換控制器224所使用的諧振頻 率的值可以是測量的值，或者在給出諧振儲能電路218中的組件的冗余的情況下可以是最 差情況（最高可能）值。典型的冗余對于電感器而言是20%，而對于高電壓電容器而言是 10%。
[0049] 切換控制器224還可以配置為在反饋信號209大于目標信號210 (差信號234 為負）的情況下增加切換頻率。遠離諧振頻率地增加切換頻率導致減小的輸出電壓 (Vout)208。備選地，可以將放大器電路226限制于在其輸出處提供正（或零）差信號 (EAout)234。
[0050] 在圖2b中示出了示例切換控制器224a。
[0051] 切換控制器224a包括振蕩器單元236,振蕩器單元236根據差信號（EAout) 234提 供具有切換頻率的方波振蕩器信號237。向來回切換第一和第二開關214、216的狀態的1 : 2分頻計數器238提供振蕩器信號237。提供緩沖器電路240以確保不能同時閉合第一和 第二開關214、216,這會導致電源電壓的電路。
[0052] 振蕩器236包括可變電流源242,電流電源242以與差信號（EAout) 234相關的電 平提供電流。向定時電容器244的第一極板提供來自電流源242的直流電。定時電容器244 的第二極板耦接至地。定時電容器244上的電勢（或定時電壓）隨著定時電容器244充電 而增加。振蕩器比較器246具有耦接至定時電容器244的第一極板的非反相輸入和耦接至 振蕩器基準電壓247(可以是固定的）的反相輸入。振蕩器比較器246的輸出在定時器電 容器244的定時電壓達到振蕩器基準電壓247時變高。經由延遲緩沖器250向短接晶體管 248的基極提供振蕩器比較器246的輸出。短接晶體管248具有將定時電容器244的第一 極板耦接至定時電容器244的第二極板的導電溝道。因此，一旦定時電容器244充電達到 振蕩器基準電壓247設定的閾值，則在延遲緩沖器250設定的延遲之后定時電容器244通 過短接晶體管248放電。因此在振蕩器比較器246處以可變電流源247提供的電流電平所 設定的定時電容器244的充電速率的頻率，來提供脈沖。
[0053] 電流源242可以由雙極晶體管來提供，雙極晶體管提供等于基極電流減去差信號 234的倍數的電流電平（Ibase-k*EAout，其中，k是常數）。定時電容器244的充電速率（因 此振蕩器/切換頻率）因此隨著負差信號234的減小而增加。即，切換頻率在反饋信號209 大于（或等于）目標信號234時而增加。增加振蕩頻率使得諧振轉換器202a進一步遠離諧 振頻率，并且因此減小輸出電壓Vout208,從而允許輸出電壓（Vout) 208趨向目標信號210。
[0054] 考慮諧振儲能電路218中組件的冗余，可以選擇基極電流和/或振蕩器基準電壓 247的值，使得最低振蕩器頻率是諧振頻率的二倍。例如，如果期望的諧振頻率是2MHz，則 當儲能電路電感器218a的冗余是20%并且儲能電路電容器218b的冗余是10%時，最差情 況（最高可能）諧振頻率可以是2. 36MHz。應當認識到，根據誤差放大器232的電壓范圍 (例如，如果誤差放大器232可以僅提供零或正輸出），不同的設置是適當的。
[0055] 1 :2分頻計數器238可以使用D型觸發器來實現，如圖2c所示。觸發器具有時鐘 輸入（CKL)、輸出（Q)、反相輸出（泛）和數據端子（D)。觸發器的時鐘輸入（CLK)接收振蕩 器236的振蕩器比較器246的輸出。計數器238的輸出（Q)經由緩沖器電路240提供給第 一開關214。反相輸出< β )經由緩沖器電路240的路徑提供給第二開關216的數據端子 (D)和柵極。緩沖器電路240的每個路徑包括與反相偏置二極管（相對于觸發器輸出）并 聯的電阻器和將路徑耦接至該路徑的相應FET開關214、216的源極的電容器。這樣，RCD 網絡用于用于實現在開關換向期間提供的延遲，以確保第一和第二開關214、216不同時閉 合。將認識到，可以提供多種其他形式的可選緩沖器電路240。
[0056] 切換控制器224a可以控制諧振轉換器202a，使得輸出電壓（Vout) 208跟隨（落 后）目標信號210所指示期望輸出電壓。最大輸出電壓（Vout) 208依賴于諧振儲能電路 218a的Q因子和諧振轉換器202a的輸入電壓207。
[0057] 圖3a和3b示出了類似于圖1的電壓發生器300、300a，其中操作參數是諧振轉換 器中開關的狀態。圖3a示出了電壓發生器300的框圖。
[0058] 電壓發生器300包括諧振轉換器302和控制器304。控制器304配置為接收目標 信號310并且提供控制信號312,以根據對諧振轉換器302的諧振儲能電路中的電流電平 加以表示的諧振儲能電路反饋信號360,設置諧振轉換器302的操作參數；接收類似于圖2a 的對應反饋信號的反饋信號309 ;以及接收目標信號310。
[0059] 控制器304配置為操作第一和第二開關314、316,以便定義切換周期，該切換周期 具有相對于諧振轉換器302的諧振儲能電路中的正弦電流的特定相位。控制器304使用切 換周期的相位作為操作參數。即，控制器304配置為根據目標信號310和與輸出電壓308 相關的反饋信號309之間的差值來修改切換頻率的相位。
[0060] 用于使諧振轉換器302換向以便最大化輸出電壓的最優實例是諧振轉換器中儲 能電路電流為零的時刻。這對應于在諧振頻率下切換諧振轉換器。改變換向相位使得切換 與儲能電路電壓360為零的時刻不一致意味著，每個切換周期向諧振儲能電路給予較少能 量。這引起輸出電壓（Vout) 308降低。
[0061] 在該示例中，控制器304不需要使用改變的諧振切換頻率來解決諧振儲能電路的 冗余。這是因為當根據諧振儲能電路中所測量的與理論值相反的電流值來控制諧振轉換器 302時，這樣的方法會自動考慮諧振組件的冗余。
[0062] 可以在已完成半電橋的初始切換周期之后，使用控制器304,這是因為需要來自先 前切換周期的測量來正確地運行。振蕩器（例如，參照圖2描述的振蕩器）可以用于產生 初始切換周期或多個周期，以便在諧振儲能電路318中建立諧振。
[0063] 參照圖3b描述了圖3a的電壓發生器300的實現方式，圖3b示出了示例電壓發生 器300a的電路圖。電壓發生器300a包括諧振轉換器302a和控制器304a。控制器304a具 有誤差放大電路326和切換控制器（控制器304a的其余組件）。
[0064] 除了對諧振儲能電路318進行修改以外，諧振轉換器302a類似于圖2b中示出的 諧振轉換器，諧振儲能電路318包括串聯耦合的采樣電容器319a和采樣電阻器319b。采樣 電容器319a和采樣電阻器319b的串聯布置與儲能電路電容器318b并聯設置。采樣電容 器319a可以具有比儲能電路電容器318b的電容量實質上低（例如，低100、1000或10,000 倍）的電容量。采樣電阻器319b上的壓降與采樣電容器319a中的電流成比例，并且被稱 作儲能電路電壓360。儲能電路電壓360因此指示諧振儲能電路318中的電流。
[0065] 儲能電路電壓360使得控制器304a能夠確定正弦諧振儲能電路電流的瞬時相位。 控制器304a可以修改諧振轉換器302a的第一和第二開關3014、316的換向定時，使得在 正弦諧振電流的特定點/相位處發生切換。應當認識到，通常，諧振周期的一個相位位置 處的開關換向會向諧振儲能電路318添加與在諧振周期的不同相位位置處的開關換向應 用不同量的延遲。這樣，開關換向的相位定時可以用于改變諧振轉換器302a的輸出電壓 (Vout)308〇
[0066] 誤差放大器電路326根據目標信號310和與輸出電壓308相關的反饋信號309,提 供差信號334。誤差放大器電路326實質上如參照圖2b所描述的，但是可以配置為將差信 號334的正值限制或箝位到等于或正好低于在采樣電阻器319b上采用的最大正儲能電路 電壓。期望這種修改確保在最高可能差信號334增加到高于儲能電路電壓的情況下切換不 停止。這樣的箝位是集成電路設計領域的技術人員公知的。在該示例中，誤差放大器電路 326可以受限于提供不具有負值的差信號（EAout) 310。
[0067] 控制器304a配置為將儲能電路電壓360與差信號334相比較。可選地控制器304a 可以配置為將儲能電路電壓360與差信號334的模量相比較。在圖3b的示例中，這樣的比 較可以通過采用第一比較路徑362和第二比較路徑364來實現。模擬反相器366設置在誤 差放大電路326和第二比較路徑364之間，使得第二比較路徑364接收反相的差信號。
[0068] 每個比較路徑362、364包括將儲能電路電壓360與差信號334相比較的比較器 362a、364a以及對比較器362a、364a的輸出進行緩沖的緩沖器362b、364b。第一比較路徑 362的比較器362a接收反相輸入處的儲能電路電壓360,以及非反相輸入處的差信號334。 第二比較路徑364的比較器364a接收非反相輸入處的儲能電路電壓360和反相輸入處的 差信號334。緩沖器362b、364b從相應比較器362a、364a接收布爾輸出，并且在低和高信號 之間的每個上升沿上產生脈沖。可以參照以下進一步詳細討論的圖3c更好地理解邏輯路 徑的輸出。
[0069] 邏輯電路368對從第一和第二比較路徑362、364接收的信號執行"或"運算，并且 向1 :2分頻計數器338提供振蕩器脈沖369。
[0070] 1 :2分頻計數器338可以使用D型觸發器來實現，D型觸發器具有時鐘輸入（CLK)、 輸出（Q)、反相輸出（泛）和數據端子（D)。觸發器的時鐘輸入（CLK)接收或門的輸出。可 以經由緩沖器電路（例如，圖2c中的緩沖器電路）的路徑向諧振轉換器302a的第一開關 314提供計數器338的輸出（Q)。可以經由緩沖器電路的路徑向諧振轉換器302a的第二開 關316的數據端子（D)和柵極提供反相輸出（0
[0071] 圖3c以圖形方式示出了可以在圖3b的電路中存在的儲能電路電壓360a、高差信 號334a和低差信號334b。儲能電路電壓360a是具有正值和負值的正弦信號。高和低差信 號334a、334b表不可以由誤差放大器電路326根據反饋信號309和目標信號310之間的差 值提供的差信號。高和低差信號334a、334b在所有情況下是正值，因為在該示例中誤差放 大器電路326受限于提供正差信號334。在水平軸上對稱地示意差信號334a、334b，以示意 以下二者：i)提供給圖3b的第一比較路徑362的差信號334 ;以及ii)提供給圖3b的第二 比較路徑364的反相差信號。
[0072] 圖3c還示出了振蕩器脈沖369a、369b，振蕩器脈沖369a、369b由切換控制器產生 并且分別與對應的正低差信號334a和高差信號334b相關，對應的正低差信號334a和高差 信號334b與儲能電路電壓360a相交。針對關聯的負差信號334a、334b產生對應振蕩器脈 沖369c、369d。應當認識到，高和低差信號334a、334b指示不同電路狀態，并且不同時提供。 在不同的時間軸上呈現對應振蕩器脈沖369a、369b以示出這一點。
[0073] 配置控制器304a的比較路徑362、364,使得當儲能電路電壓360的模量降到差信 號334以下時使開關314、316換向。例如，第一比較路徑的比較器362a在儲能電路電壓 360降到差信號334以下時提供高輸出信號。對應緩沖器362b產生從低比機器362a輸出 過渡到高比較器362a輸出的脈沖。
[0074] 圖3c說明了根據差信號334的幅度在正弦儲能電路電壓波形360a的不同相位位 置處出現振蕩器脈沖369 (引起第一和第二開關314、316換向）。S卩，在與商差信號334a相 關聯的振蕩器脈沖369a和與低差信號334b相關聯的振蕩器脈沖369b之間存在相位差。 [0075] 與低差信號334b相關聯的振蕩器脈沖369b設置在儲能電路電壓360a的零交叉 附近，而與高差信號334a相關聯的振蕩器脈沖369a設置為更遠離儲能電路電壓波形360a 的零交叉，接近儲能電路電壓波形360的最大值。當諧振儲能電路318中的電流已經降至零 之前發生開關314、316的換向時，每個全切換周期中將較少能量輸入到諧振儲能電路318 中，并且因此每單位時間較少的電荷轉移到輸出電容器。換向的相位差對切換頻率的凈效 果較小；換向相位的主要影響在于，平均儲能電路電壓改變并且因此輸出電壓改變。儲能電 路電壓波形360的幅度傾向于在差信號334較低時增加并且傾向于在差信號334較高時減 小。
[0076] 如果輸出電壓308大于期望的輸出電壓（如目標信號310所指示），則執行換向， 使得將開關操作的時刻設定為，使得它們與儲能電路電壓波形360a的零交叉不一致，從而 輸出電壓308降低。這樣，可以控制輸出電壓（Vout)308的斜坡上升速度。這種類型的控 制算法的結果是輸出電壓308可以傾向于獲得目標信號310。
[0077] 在不同信號334等于儲能電路電壓波形360a的峰值的情況下，向諧振儲能電路 318添加能量的平均速率為零。在儲能電路電壓波形360a的正半波的一半時間期間，至諧 振儲能電路的輸入電壓為Vin ;在該時間的另一半期間，至諧振儲能電路的輸入電壓為零。 因此平均電壓是Vin/2,并且關聯的能量增加等于規則切換的能量增加，但電壓是Vin/2。 然而，在儲能電路電壓波形360a的負部分期間，也存在輸入電壓，但是在正弦波的該部分 中，附加電壓抵消電流。即，在負半波期間去除了正半波期間輸入到諧振儲能電路318中的 能量，并且因此在諧振儲能電路中不存在能量增加或輸出電壓增加。
[0078] 以上參照圖2和3描述的電壓發生器的性能等級可以依賴于所需的轉換率（輸出 電壓/輸入電壓）。在較低輸入電壓（例如，1至3V)處，可以在每個切換周期內將有限量 的能量輸入到諧振儲能電路中，從而限制可能的最大輸出電壓。此外，在一些實現方式中， 諧振儲能電路中的諧振電流可以變得非常高。處理較高電流的要求可以需要諧振儲能電路 具有較高質量因子，并且也可以意味著，需要較高精度的開關換向定時和電壓感測。
[0079] 圖4a示出了電壓發生器400的框圖，其中轉換器402除了諧振轉換器402b以外 還包括第一級轉換器402a。諧振轉換器402b可以是標準諧振轉換器或本文描述的任何諧 振轉換器。應當認識到，可以控制標準諧振轉換器，使得標準諧振轉換器具有與轉換器的諧 振頻率相對應的切換頻率，從而最大化針對至諧振轉換器的給定輸入電壓的輸出電壓。
[0080] 第一級轉換器402a接收電源電壓406并且向諧振轉換器402b提供輸入電壓。電 壓發生器400可以通過向諧振轉換器402提供高于電源電壓406的輸入電壓407來解決以 上問題，因此降低了諧振轉換器402b所需的轉換比。在這樣的示例中，諧振轉換器的輸入 電壓是轉換器的可以設定的操作參數。
[0081] 諧振轉換器402b配置為接收輸入電壓（Vin) 407,并且提供輸出電壓（Vout) 408。 由于在切換周期中可以添加到諧振轉換器402b的諧振儲能電路的能量數量依賴于諧振轉 換器402b的輸入電壓407,因此主權的輸出電壓（Vout)可以通過設定諧振轉換器402b的 輸入電壓407來控制。
[0082] 電壓發生器400包括控制器404,控制器404配置為接收目標信號410并提供控制 信號412以根據與輸出電壓（Vout) 408相關的反饋信號409和目標信號410來設定第一級 轉換器402a的參數（在該示例中，切換頻率）。第一級轉換器402a的切換頻率影響第一級 轉換器402a根據電源電壓406 (Vsupply)產生的電壓（Vin) 407 (是至諧振轉換器402b的 輸入電壓）。事實上，控制器404根據反饋信號409和目標信號410之間的差值，將諧振轉 換器402b的輸入電壓407設定為操作參數。
[0083] 參照圖4b描述圖4a的電壓發生器400的實現方式，圖4b示出了示例電壓發生器 400a的電路圖。電壓發生器400a具有包括第一級轉換器402d和諧振轉換器402e在內的 轉換器402c。在該示例中，第一級轉換器402d是配置為接收電源電壓406并向諧振轉換器 402e提供輸入電壓407的升壓轉換器。應當認識到，能夠使用其他轉換器。
[0084] 諧振轉換器402e類似于圖2b的諧振轉換器，并且這里不再進一步討論這些附圖 之間的共同組件。諧振轉換器402e還包括諧振切換控制器490,諧振切換控制器可以配置 為在其諧振頻率下操作諧振轉換器402e，這是其中操作諧振轉換器402e的最有效率模式。
[0085] 第一級轉換器402d包括升壓電感器492、升壓整流器494和升壓開關496。升壓電 感器492具有第一端子和第二端子。第一端子布置為接收電源電壓406。升壓整流器494 連接至升壓電感器492的第二端子，并且配置為提供諧振轉換器402的輸入電壓407。升壓 開關496連接在升壓電感器492的第二端子與地之間。升壓開關496可以由FET提供，在 這種情況下，FET的導電溝道連接在升壓電感器492的第二端子與地之間。
[0086] 電壓發生器400a還包括控制器404a。控制器404a包括切換控制器424和誤差放 大器電路426。誤差放大器電路426類似于圖2b或3b的誤差放大器電路，并且根據輸出電 壓408與目標信號410之間的差值向切換控制器424提供差信號（EAout) 434。切換控制 器424配置為根據差信號（EAout)434設定升壓開關496的切換頻率或狀態。如本領域已 知的，升壓轉換器402d的輸出與升壓開關496的切換頻率相關。這樣，使得輸出電壓符合 目標信號410指示的的期望電壓。
[0087] 應當認識到，除了任何其他示例中示意的特征以外還可以提供關于一個示例描述 的特征，除非相反意圖明顯。
[0088] 本文使用的諸如"陡"、"快速"、"大"、"小"、"高"、"低"等術語可以根據上下文視為 大于閾值、小于閾值或在兩個閾值之間。
[0089] 本文描述的"耦接"或"連接"的任何組件能夠直接或間接耦接或連接。即，一個 或多個組件可以位于所述耦接或連接的兩個組件之間，而仍使得能夠實現所需的功能。
【權利要求】
1. 一種電壓發生器（100 ;200 ;300 ;400)，用于根據接收的目標信號（110 ;210 ;310 ; 410)提供輸出電壓（108 ;208 ;308 ;408)，所述電壓發生器（100 ;200 ;300 ;400)包括： 諧振轉換器（102 ;202 ;302 ;402)，配置為接收輸入電壓（106 ;207 ;307 ;407)，諧振轉 換器（102)包括： 第一開關（214 ;314); 第二開關（216;316)，與第一開關（214;314)串聯連接在輸入電壓（106;207;307; 407)和地（GND)之間； 諧振儲能電路（218 ;318)，與第二開關（216 ;316)相關聯； 輸出電容器（222 ;322)，耦合至諧振儲能電路（218 ;318)，并且配置為提供輸出電壓 (108 ;208 ;308 ;408);以及 整流器（220 ;320)，配置為允許電荷在諧振儲能電路（218 ;318)與輸出電容器（222 ; 322)之間沿單方向流動；以及 控制器（104 ;204 ;304 ;404)，配置為接收目標信號（110 ;210 ;310 ;410)，并且根據與 輸出電壓（108 ;208 ;308 ;408)相關的輸出值和目標信號（110 ;210 ;310 ;410)之間的差值 來設定諧振轉換器（102 ;202 ;302 ;402)的操作參數。
2. 根據權利要求1所述的電壓發生器（200 ;300)，其中，操作參數（212 ;312)是第一開 關（214 ;314)或第二開關（216 ;316)的狀態。
3. 根據權利要求2所述的電壓發生器（200 ;300)，其中，設定操作參數（212 ;312)包 括：來回切換第一開關（214 ;314)和第二開關（216 ;316)的狀態。
4. 根據權利要求1至3中任一項所述的電壓發生器（300)，其中，控制器（304)配置為 根據與諧振儲能電路（318)中的電流相關的值（360)和與所述差值（334)相關的值之間的 比較來設定操作參數（312)。
5. 根據權利要求4所述的電壓發生器（300)，其中，控制器（340)配置為當與諧振儲能 電路電流相關的值（360)大于與所述差值（334)相關的值時設定操作參數（312)。
6. 根據權利要求4或5所述的電壓發生器（300)，其中，控制器（304)配置為在正弦 諧振儲能電路電流期間的特定時間點處操作第一和第二開關（314,316)，使得操作參數 (312)是操作第一和第二開關（314, 316)時的正弦諧振儲能電路電流的相位。
7. 根據權利要求4至6中任一項所述的電壓發生器（300)，其中，與所述差值（334)相 關的值是所述差值（334)的模量。
8. 根據權利要求1至3中任一項所述的電壓發生器（200)，其中，控制器（204)配置為 根據具有切換頻率的切換周期來操作第一和第二開關（214, 216)，其中操作參數（212)是 切換頻率。
9. 根據權利要求7所述的電壓發生器（200)，其中，控制器（204)配置為將第一和第二 開關（214, 216)的操作限制到大于或等于諧振儲能電路（218)的諧振頻率的切換頻率。
10. 根據權利要求9所述的電壓發生器（200)，其中，控制器（204)配置為： 在輸出值大于目標信號（210)的情況下增加切換頻率；以及 只要切換頻率大于或等于諧振儲能電路（218)的諧振頻率，在輸出值小于目標信號 (210)的情況下減小切換頻率。
11. 根據權利要求1至3中任一項所述的電壓發生器（400 ;400a)，其中，操作參數是諧 振轉換器（402b ;402e)的輸入電壓（407)。
12. 根據權利要求11所述的電壓發生器（400 ;400a)，包括：第一級轉換器（402a; 402d)，配置為接收電源電壓（406)，并且提供諧振轉換器（402b ;402e)的輸入電壓（407)。
13. 根據權利要求12所述的電壓發生器（400a)，其中，控制器包括：切換控制器 (424)，配置為根據輸出值與目標信號（410)之間的差值來操作第一級轉換器（402d)。
14. 根據權利要求13所述的電壓發生器（400a)，其中，第一級轉換器（402d)是升壓轉 換器，所述升壓轉換器包括： 升壓電感器（492)，具有第一端子和第二端子，所述第一端子連接至電源電壓（406); 升壓整流器（494)，連接至升壓電感器（492)的第二端子，并且配置為提供諧振轉換器 (402e)的輸入電壓（407);以及 升壓開關（496)，連接在升壓電感器（492)的第二端子與地之間， 其中切換控制器（424)配置為根據輸出值與目標信號（410)之間的差值來操作升壓開 關（496)。
15. -種移動計算設備，包括前述權利要求中任一項所述的電壓發生器（100 ;200 ; 300 ;400)。
【文檔編號】H02M3/156GK104124872SQ201410177435
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年4月29日 優先權日:2013年4月29日
【發明者】弗朗斯·潘謝爾 申請人:Nxp股份有限公司