專利名稱：Dc－dc轉(zhuǎn)換器的控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種適用于電源電路的DC-DC轉(zhuǎn)換器的控制方法，尤其是具有高效率的DC-DC轉(zhuǎn)換器的控制方法。
開關穩(wěn)壓器可以以高性能、也就是以高效率(輸出功率/輸入功率)地生成高電壓。但是，因這種電路在進行電流的開關時存在產(chǎn)生高次諧波噪聲的缺點，所以必須對電源電路采取屏蔽措施。并且因需要作為外部零件的線圈，所以存在不易小型化的缺點。
于是，為了克服這些缺點而提出了開關電容型DC-DC轉(zhuǎn)換器的方案。這種DC-DC轉(zhuǎn)換器，例如公開在電子情報通信學會雜志(C-2Vol.J81-C-2 No.7pp.600-612 1998年7月)中。
圖9、

圖10是現(xiàn)有例的開關電容型DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路圖。10是提供電源電壓Vdd的電壓源，C1、C2、C3是組成各級的電容器，11、12、13是設置在電源電壓Vdd與各電容器C1、C2、C3的一端之間的開關，21、22、23是設置在接地電壓(0V)與各電容器C1、C2、C3的另一端之間的開關。
另外，30是設置在電源電壓Vdd與第1級電容器C1的接地電壓(0V)側(cè)的一端之間的開關，31是設置在電容器C1的Vdd側(cè)一端與第2級電容器C2的接地電壓(0V)側(cè)的一端之間的開關，32是設置在電容器C2的Vdd側(cè)一端與第3級電容器C3的接地電壓(0V)側(cè)的一端之間的開關，33是設置在電容器C3的Vdd側(cè)一端與輸出端子40之間的開關。Cout是輸出電容，50是與輸出端子連接的電流負載。這樣，該開關電容型DC-DC轉(zhuǎn)換器是三級結(jié)構(gòu)，其動作如下。
如圖9所示，使開關11～13及開關21～23接通，開關30～33斷開。這樣，電容器C1～C3就并聯(lián)地連接在電源電壓Vdd與接地電壓(0V)之間，并被充電。因而，各電容器C1～C3的電壓V1～V3成為Vdd。若設輸出端子40的輸出電流為Iout時，則各電容器C1～C3的充電電流為2Iout。
其次，如圖10所示，使開關11～13及開關21～23斷開，開關30～33接通。這樣，電容器C1～C3從電源電壓Vdd與接地電壓(0V)分離，同時被相互串聯(lián)連接，并進行放電。并且，通過電容器耦合效果，電壓V1升至2Vdd，電壓V2升至3Vdd，電壓V3(＝Vout)升至4Vdd。若設輸出端子40的輸出電流為Iout時，則由電源Vdd流入電容器C1的電流為2Iout。
這樣，開關電容型DC-DC轉(zhuǎn)換器，通過供給電源電壓Vdd，在輸出端子40上得到了4Vdd這樣的高電壓。
在此，DC-DC轉(zhuǎn)換器的理論效率η定義為輸出功率/輸入功率。若設圖9與圖10所對應的開關的切換期間相同，并且當忽略開關等的所有電壓降時，輸入功率＝4×2Iout/2×Vdd＝Iout×4Vdd輸出功率＝Iout×4Vdd因此，理論效率η＝100％。
一般地，通過n級開關電容型DC-DC轉(zhuǎn)換器，可以得到(n+1)Vdd的輸出電壓。
但是，對于現(xiàn)有的開關電容型DC-DC轉(zhuǎn)換器，只能得到以Vdd為階差的升壓電壓。當把開關電容型DC-DC轉(zhuǎn)換器作為電源電路使用時，為了設定到所需的輸出電壓上，要進行通過穩(wěn)壓器降壓的電壓調(diào)整。但當DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓(n+1)Vdd與所需的輸出電壓的差距較大時，就存在電源電路的效率降低的問題。
因此，本發(fā)明通過提供一種可以產(chǎn)生比Vdd小的階差的輸出電壓、例如1.5Vdd、2.5Vdd、3.5Vdd、……的DC-DC轉(zhuǎn)換器，從而達到提高電源電路的效率的目的。
本發(fā)明的DC-DC轉(zhuǎn)換器，包括組成各級的第1電容器；用于將這些第1電容器連接到電壓源并進行充電的第1開關；設置在所述各級中、用于將電容器串聯(lián)連接到下一級電容器并進行放電的第2開關。另外，在各級中，至少有一級包括第2的多個電容器，并包括用于將第2的多個電容器串聯(lián)連接的第3開關；和用于將第2的多個電容器并聯(lián)連接的第4開關，由于在充電時是第2的多個電容器以串聯(lián)連接的狀態(tài)被充電，所以在各電容器上以所分電壓(例如，在2個電容器時為0.5Vdd)被充電。并且，由于在放電時電容器為并聯(lián)連接，所以所分電壓通過電容器耦合傳至下一級電容器。因而，可以產(chǎn)生比Vdd小的階差的輸出電壓、例如1.5Vdd、2.5Vdd、3.5Vdd、……。
另外，在切換第1開關時，通過使所述第2、第3及第4開關斷開，可以防止電流的逆向流動，并可以防止DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率降低。
圖2是表示本發(fā)明實施例1的DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路圖。
圖3是說明本發(fā)明實施例1的DC-DC轉(zhuǎn)換器的第1動作例的時序圖。
圖4是說明本發(fā)明實施例1的DC-DC轉(zhuǎn)換器的第2動作例的時序圖。
圖5是表示本發(fā)明實施例2的DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路圖。
圖6是表示本發(fā)明實施例2的DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路圖。
圖7是表示本發(fā)明實施例3的DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路圖。
圖8是表示本發(fā)明實施例3的DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路圖。
圖9是表示現(xiàn)有例的DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路圖。
圖10是表示現(xiàn)有例的DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路圖。
其中，10-電壓源；11～13-開關；21～23-開關；30～33-開關；40-輸出端子；50-電流負載；61～63-開關；71～73-開關；81～83-開關；C1～C3-電容器；C11、C12-電容器；C21、C22-電容器；Cout-輸出電容。
10是提供電源電壓Vdd的電壓源。C11、C12是通過串并聯(lián)切換開關61、62、63可以切換為串聯(lián)或并聯(lián)的電容器。當開關61接通、而開關62、63斷開時，電容器C11、C12相互串聯(lián)連接。反之，當開關61斷開、而開關62、63接通時，電容器C11、C12相互并聯(lián)連接。下面，把這種結(jié)構(gòu)的電容器C11、C12稱為串并聯(lián)電容器。
11是設置在電源電壓Vdd與電容器C11的一端之間的開關，21是設置在接地電壓(0V)與各電容器C12的一端之間的開關。
C2、C3是分別構(gòu)成第2級、第3級的電容器。12、13是設置在電源電壓Vdd與各電容器C2、C3的一端之間的開關，22、23是設置在接地電壓(0V)與各電容器C2、C3的另一端之間的開關。
所述開關11～13、21～23組成了用于將電容器C11、C12、C2、C3連接于電源電壓Vdd及接地電壓(0V)的充電開關群。
另外，30是設置在電源電壓Vdd與第1級電容器C12的接地電壓(0V)側(cè)的一端之間的開關，31是設置在電容器C11的Vdd側(cè)的一端與第2級電容器C2的接地電壓(0V)的一端之間的開關，32是設置在電容器C2的Vdd側(cè)的一端與第3級電容器C3的接地電壓(0V)側(cè)的一端之間的開關，33是設置在電容器C3的Vdd側(cè)的一端于輸出端子40之間的開關。Cout是輸出電容，50是連接在輸出端子40上的電流負載。
所述開關30～33，組成用于將電容器C11、C12、C2、C3串聯(lián)連接進行放電的放電開關群。
另外，所述開關11～13、21～23、30～33、61～63，均由MOS晶體管構(gòu)成，因而可以將DC-DC轉(zhuǎn)換器集成在IC中。
下面，結(jié)合圖1、圖2、圖3，對所述構(gòu)成的開關電容型DC-DC轉(zhuǎn)換器的第1動作例進行說明。圖3是說明DC-DC轉(zhuǎn)換器的第1動作例的時序圖。
如圖1所示，使開關11～13及開關21～23接通，開關30～33斷開。同時，使開關61接通，開關62、63斷開。
這樣，電容器C11、C12以串聯(lián)連接的狀態(tài)，連接在電源電壓Vdd與接地電壓(0V)之間并被充電。電容器C2、C3并連連接在電源電壓Vdd與接地電壓(0V)之間，并被充電。
這樣，電容器C11與C12的連接點的電壓V0為0.5Vdd，電容器C11的高電壓側(cè)的電壓V1為Vdd。也就是說，各電容器C11、C12被充電至0.5Vdd。但條件是假設各電容器C11、C12所具有的容量值相等。如果各電容器C11、C12所具有的容量值不同時，則電容器C11與C12的連接點的電壓V0就不是0.5Vdd，而成為由容量比所確定的電壓。
電容器C2、C3的電壓V2、V3都變成Vdd。若設輸出端子40的輸出電流為Iout時，則電容器C11、C12的充電電流為Iout，而電容器C2、C3的充電電流為2Iout。
其次，如圖2所示，使開關11～13及開關21～23斷開，開關30～33接通。同時，使開關61斷開，開關62、63接通。
這樣，電容器C11、C12及C2、C3從電源電壓Vdd與接地電壓(0V)分離。同時，電容器C11、C12以并連連接的狀態(tài)，與電容器C2相互串聯(lián)連接，電容器C2進一步與第3級的電容器C3相互串聯(lián)連接，并進行放電。
并且，通過電容器耦合效果，電容器C11的電源電壓Vdd側(cè)的一端的電壓V1成為1.5Vdd。這是因為在電容器C11、C12的連接點的0.5Vdd上加上電壓源10的Vdd的緣故。并且，通過相同的電容器耦合效果，電壓V2升壓至2.5Vdd，電壓V3(＝Vout)升壓至3.5Vdd。
若設輸出端子40的輸出電流為Iout時，則由電源Vdd流入電容器C11、C12中的電流分別為Iout。
下面，對開關電容型DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率進行分析。對應該圖1及圖2的開關切換期間相同，并且忽略由開關等產(chǎn)生的所有電壓降。也就是說，在圖3中，假設時間t1、t2、t3、……均相同。
輸入功率＝(3×2Iout+Iout)/2×Vdd＝Iout×3.5Vdd
輸出功率＝Iout×3.5Vdd因此，理論效率η＝100％。
若增加到n級的開關電容型DC-DC轉(zhuǎn)換器時，可以得到(n+0.5)Vdd的輸出電壓。另外，若使第1級的電容器C11、C12始終串聯(lián)連接，可以得到(n+1)Vdd的輸出電壓。也就是說，可以產(chǎn)生像1.5Vdd、2Vdd、2.5Vdd、3Vdd、3.5Vdd、……這種0.5Vdd階差的輸出電壓，而且理論效率η＝100％。
下面，結(jié)合圖1、圖2及圖4，對所述構(gòu)成的開關電容型DC-DC轉(zhuǎn)換器的第2動作例進行說明。圖4是說明開關電容型DC-DC轉(zhuǎn)換器的第2動作例的時序圖。
在所述實施例1中，雖然是使各開關的切換在同時進行，但如果開關的切換時刻錯開時，有可能會造成電流的逆向流動。例如，若使用于將電容器C11、C12、C2、C3串聯(lián)連接并進行放電的開關30保持接通狀態(tài)，而使充電用的開關11～13、21～23接通時，經(jīng)開關11～13電流將逆向流向電源電壓Vdd，造成升高的電壓的下降。這會使DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率下降。同樣，若在使充電開關11～13、21～23斷開之前，接通開關30～33時，同樣會產(chǎn)生逆流。另外，在開關61與開關62、63之間的關系中，若同時接通這些開關時，電流流向接地電壓(0V)，同樣，也造成升高的電壓的下降，而使DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率下降。
因此，為了防止這種電流的逆向流動，在切換開關11～13、21～23時，必須將其它開關30～33、開關61～63先全部斷開。
下面，結(jié)合圖1、圖2、圖4對開關的控制步驟進行說明。首先，在將所有開關斷開的狀態(tài)下，接通充電開關11～13、21～23(圖4中的①)。然后，接通開關61使電容器C11、C12串聯(lián)連接(圖4中的②)。由此，電容器C11、C12、C2、C3由來自電源電壓Vdd的電流充電。電容器C11、C12在串聯(lián)連接的狀態(tài)下被充電(圖1的狀態(tài))。
其次，斷開開關61(圖4中的③)。這樣，電容器C11、C12成為非連接狀態(tài)。然后，斷開充電開關11～13、21～23(圖4中的④)。
其次，接通開關62、63。這樣，電容器C11、C12成為并聯(lián)連接(圖4中的⑤)。其次，接通放電開關30～33(圖4中的⑥)。由此，通過電容器的耦合效果，電容器C11的電源電壓Vdd側(cè)的一端的電壓VI變成1.5Vdd。這是因為在電容器C11、C12的連接點的0.5Vdd上加上電壓源10的Vdd的緣故。并且，通過相同的電容器耦合效果，電壓V2升壓至2.5Vdd，電壓V3(＝Vout)升壓至3.5Vdd(圖2的狀態(tài))。其次，斷開放電開關30～33(圖4中的⑦)。通過重復上述步驟，能夠不造成電流逆向流動地進行升壓動作。
其次，圖5及圖6是表示實施例2的3級結(jié)構(gòu)的開關電容型DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路圖。該開關電容型DC-DC轉(zhuǎn)換器，在第2級中具有串并聯(lián)電容器C21、C22。開關71、72、73是將電容器C21、C22切換成串聯(lián)或并聯(lián)的開關。其他組成與實施例1相同。
關于該開關電容型DC-DC轉(zhuǎn)換器的動作也可以與實施例1同樣地進行理解。如圖5所示，使開關11～13及開關21～23接通，而使開關30～33斷開。同時，使開關71接通，而使開關72、73斷開。
這樣，電容器C21、C22以串聯(lián)連接的狀態(tài)，連接于電源電壓Vdd與接地電壓(0V)之間，并被充電。第1級電容器C1、第3級電容器C3并聯(lián)連接在電源電壓Vdd與接地電壓(0V)之間，并被充電。
這樣，電容器C21與C22的連接點的電壓V0變成0.5Vdd，而電容器C21的高電壓側(cè)電壓V2變成Vdd。也就是說，各電容器C21、C22被充電至0.5Vdd。但條件是假設各電容器C21、C22所具有的容量值相等。
電容器C1、C3的電壓V1、V3都變成Vdd。若設輸出端子40的輸出電流為Iout時，則電容器C21、C22的充電電流為Iout，電容器C1、C3的充電電流為2Iout。
其次，如圖6所示，使開關11～13及開關21～23斷開，而使開關30～33接通。同時，使開關71斷開，而使開關72、73接通。
這樣，電容器C21、C22及C1、C3從電源電壓Vdd與接地電壓(0V)上分離。同時，電容器C21、C22以并聯(lián)連接的狀態(tài)，與電容器C1、C3相互串聯(lián)連接，并進行放電。
并且，通過電容器的耦合效果，電容器C1的電源電壓Vdd側(cè)的一端的電壓V1變成2Vdd。第2級電壓V2變成2.5Vdd。這是因為在電容器C21、C22的連接點的0.5Vdd上加上電壓V1的緣故。并且，通過相同的電容器耦合效果，電壓V3(＝Vout)升壓至3.5Vdd。
若設輸出端子40的輸出電流為Iout時，則由電源Vdd流入電容器C1中的電流為2Iout。這就是決定效率的電流。因此，在與實施例1相同的條件下，從本實施例也可以得出輸入功率＝(3×2Iout+Iout)/2×Vdd＝Iout×3.5Vdd輸出功率＝Iout×3.5Vdd因此，理論效率η＝100％。
另外，從以上說明中可以看出，串并聯(lián)電容器無論插入到第幾級中都能得到相同的結(jié)果。另外，關于為了防止電流的逆向流動的動作時刻，與在實施例1中所說明的(參照圖4)相同。
其次，結(jié)合圖7及圖8對實施例3進行說明。實施例1及實施例2是產(chǎn)生正向的升壓電壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器，而本實施例所說明的是產(chǎn)生負向的升壓電壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器。
10是提供電源電壓Vdd的電壓源。C11、C12是通過開關81、82、83可以切換成串聯(lián)或并聯(lián)的電容器。當開關81接通，而開關82、83斷開時，電容器C11、C12相互串聯(lián)連接。反之，當開關81斷開，而開關82、83接通時，電容器C11、C12相互并聯(lián)連接。11是設置在電源電壓Vdd與電容器C11的一端之間的開關，21是設置在接地電壓(0V)與各電容器C12的一端之間的開關。
C2、C3分別是組成第2級、第3級的電容器。12、13是設置在電源電壓Vdd與各電容器C2、C3的一端之間的開關，22、23是設置在接地電壓(0V)與各電容器C2、C3的另一端之間的開關。
到此為止，與實施例1的組成相同，下面是不同的組成部分。30是設置在接地電壓(0V)與第1級電容器C12的電源電壓(Vdd)側(cè)的一端之間的開關，31是設置在電容器C11的接地電壓(0V)側(cè)的一端與第2級電容器C2的電源電壓(Vdd)的一端之間的開關，32是設置在電容器C2的接地電壓(0V)側(cè)的一端與第3級電容器的電源電壓(Vdd)側(cè)的一端之間的開關，33是設置在電容器C3的接地電壓(0V)側(cè)的一端與輸出端子40之間的開關。
另外，Cout是輸出電容，50是與輸出端子連接的電流負載，與實施例1相同。
關于該開關電容型DC-DC轉(zhuǎn)換器的動作也可以與實施例1及實施例2同樣地進行理解。如圖6所示，使開關11～13及開關21～23接通，而使開關30～33斷開。同時，使開關81接通，而使開關82、83斷開。
這樣，電容器C11、C12以串聯(lián)連接的狀態(tài)，連接于電源電壓Vdd與接地電壓(0V)之間，并被充電。第2級電容器C2、第3級電容器C3并聯(lián)連接在電源電壓Vdd與接地電壓(0V)之間，并被充電。
這樣，電容器C11與C12的連接點的電壓V0變成0.5Vdd，而電容器C12的低電壓側(cè)電壓V1變成接地電壓(0V)。也就是說，各電容器C11、C12被充電至0.5Vdd。但條件是假設各電容器C11、C12所具有的容量值相等。在此，若設輸出端子40的輸出電流為Iout時，則電容器C11、C12的充電電流為Iout，而電容器C2、C3的充電電流為2Iout。
其次，如圖8所示，使開關11～13及開關21～23斷開，而使開關30～33接通。同時，使開關81斷開，而使開關82、83接通。
這樣，電容器C11、C12及C2、C3從電源電壓Vdd與接地電壓(0V)上分離。同時，電容器C11、C12以并聯(lián)連接的狀態(tài)，與電容器C2、C3相互串聯(lián)連接，并進行放電。
并且，通過電容器的耦合效果，電容器C12的接地電壓(0V)側(cè)的端子的電壓V1變成-0.5Vdd。這是伴隨電容器C11的電源電壓Vdd側(cè)的電壓從Vdd變到0V而產(chǎn)生的。然后，第2級的電壓V2變成-1.5Vdd。這是伴隨電容器C2的電源電壓Vdd側(cè)的電壓從Vdd變到-0.5Vdd的電容器耦合效果而產(chǎn)生的。接著，第3級的電壓V3變成-2.5Vdd。這是伴隨電容器C3的電源電壓Vdd側(cè)的電壓從Vdd變到-1.5Vdd的電容器耦合效果而產(chǎn)生的。
這樣，在輸出端子40就可以得到輸出電壓Vout＝-2.5Vdd。
在與實施例1相同的條件下，從本實施例可以得出輸入功率＝(2×2Iout+Iout)/2×Vdd＝Iout×2.5Vdd輸出功率＝Iout×2.5Vdd因此，理論效率η＝100％。另外，關于為了防止電流的逆向流動的動作時刻，與在實施例1中所說明的(參照圖4)相同。
根據(jù)本發(fā)明，可以提供能夠產(chǎn)生比所供給的電源電壓Vdd小的階差的輸出電壓、例如1.5Vdd、2.5Vdd、3.5Vdd、……的DC-DC轉(zhuǎn)換器，并可以防止因電流的逆向流動而引起的效率的降低。
尤其是將DC-DC轉(zhuǎn)換器應用于電源電路時，可以大幅度提高電源電路的效率。
權(quán)利要求
1.一種DC-DC轉(zhuǎn)換器的控制方法，包括組成各級的電容器；設置在所述各級中、用于將所述電容器連接到電壓源并進行充電的第1開關；設置在所述各級中、用于將所述電容器串聯(lián)連接到下一級電容器并進行放電的第2開關；在所述各級中，至少有一級包括多個電容器；并包括用于將所述多個電容器串聯(lián)連接的第3開關；和用于將所述多個電容器并聯(lián)連接的第4開關，其特征在于，在切換所述第1開關時，使所述第2、第3及第4開關斷開。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的DC-DC轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述多個電容器分別具有相同的容量值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的DC-DC轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述第1開關、第2開關、第3開關及第4開關由MOS晶體管構(gòu)成。
4.一種DC-DC轉(zhuǎn)換器，包括組成各級的電容器；設置在所述各級中、用于將所述電容器連接到電壓源并進行充電的第1開關；設置在所述各級中、用于將所述電容器串聯(lián)連接到下一級電容器并進行放電的第2開關；在所述各級中，至少有一級包括多個電容器；并包括用于將所述多個電容器串聯(lián)連接的第3開關；和用于將所述多個電容器并聯(lián)連接的第4開關，其特征在于，包括從所述第1、第2、第3開關處于斷開的狀態(tài)開始，通過使所述第1開關接通，從而對電容器進行充電的第1步驟；通過接通所述第3開關從而串聯(lián)連接所述多個電容器的第2步驟；斷開所述第3開關的第3步驟；斷開所述第1開關的第4步驟；通過使所述第4開關接通從而使所述多個電容器并聯(lián)連接的第5步驟；通過接通所述第2開關從而使所述電容器進行放電的第6步驟；斷開所述第2開關的第7步驟；斷開所述第4開關的第8步驟，通過重復所述第1步驟～第8步驟，進行升壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的DC-DC轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述多個電容器分別具有相同的容量值。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的DC-DC轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述第1開關、第2開關、第3開關及第4開關由MOS晶體管構(gòu)成。
全文摘要
一種DC－DC轉(zhuǎn)換器的控制方法，可以產(chǎn)生比所供給的電源電壓Vdd小的階差的輸出電壓。具有接受電源電壓Vdd的三級結(jié)構(gòu)的開關電容器，例如第1級包括兩個電容器C11、C12，并設置有可以將這些電容器C11、C12切換成串聯(lián)或并聯(lián)的開關61、62、63。在充電時使開關61接通從而使電容器C11、C12串聯(lián)連接，而在放電時使開關62、63接通從而使電容器C11、C12并聯(lián)連接。這樣，可以在輸出端子40上得到3.5Vdd的升壓電壓。
文檔編號H02M3/07GK1409473SQ0213188
公開日2003年4月9日 申請日期2002年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月26日
發(fā)明者名野隆夫 申請人:三洋電機株式會社