專利名稱：動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換的電源變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及DC/DC電源控制器，更特別涉及用于綜合電源管理系統(tǒng)的可調(diào)的單獨(dú)電容的-或電容的/電感的電源變換器。
背景技術(shù)：
電子技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)能以低成本和高效率構(gòu)造便攜式電子設(shè)備。因此，便攜式電子設(shè)備的應(yīng)用正如其產(chǎn)品數(shù)目和類型一樣不斷增加。例如寬頻譜便攜式電子設(shè)備包括尋呼機(jī)、蜂窩電話，音樂(lè)游戲機(jī)、計(jì)算器、膝上型計(jì)算機(jī)和個(gè)人數(shù)字助理以及其它。
便攜式電子設(shè)備中的電子設(shè)備通常需要直流(DC)電源。通常，使用一個(gè)或多個(gè)電池作為能源以便為提供此DC電源。理論上，諸如標(biāo)準(zhǔn)形狀的的AAA、AA、A、CD和棱形的(prismatic)9v的消費(fèi)電池將完美地與便攜式電子設(shè)備的能量需求相配。諸如堿性和鋰電化電池的電化學(xué)成分的改進(jìn)已經(jīng)滿足了具有增加的貯藏壽命、增加的存儲(chǔ)電荷和高峰容量電池的有限度需求。即使具有這些改變，但仍存在多個(gè)不足之處。
例如，許多便攜式設(shè)備包括集成電路，具有最小電壓電平以便操作。諸如電化學(xué)電池的伏打電池的輸出電壓電平通常下降到該電池的使用壽命以下。通常，絕大部分的電池使用壽命在電池的輸出電壓下降到設(shè)備的最小電壓電平之后出現(xiàn)。在有些情況下，浪費(fèi)的使用壽命達(dá)80％之多。
此外，往往來(lái)自電池的電壓和電流不適合用于直接向便攜式電子設(shè)備的電子設(shè)備供電。例如，根據(jù)電池決定的電壓電平可能不同于電子學(xué)意義上設(shè)備所需的電壓電平。此外，電子設(shè)備的某些部分可能比其他部分操作在不同的電壓電平上，從而需要不同的能源電壓電平。更進(jìn)一步，電池常常不能很快地響應(yīng)設(shè)備在電流要求方面的急劇波動(dòng)。


圖1表示一個(gè)便攜式電子設(shè)備10的典型方案，包括能源12(諸如一個(gè)或多個(gè)電池)、和負(fù)載器件14(諸如需要電源的內(nèi)部電子設(shè)備)。插入在能源12和負(fù)載器件之間的是電源16，可以執(zhí)行多種功能。例如，被描述為與電源16整體部分的電源變換器20從向該電源提供必要的電源轉(zhuǎn)換以便使適合于該負(fù)載器件14。
就所需的能量變換類型而言，電源變換器20可以″提升″(即加速)或″降低″電壓。也就是說(shuō)，變換器20可以在一對(duì)輸入端24、25上將來(lái)自能源12的輸入電壓Vs增減到在一對(duì)輸出端子26、27上配備在負(fù)載器件14的輸出電壓Vo。電源變換器20能夠同時(shí)存儲(chǔ)適量的能量以滿足在能源12不能提供時(shí)負(fù)載需要的簡(jiǎn)短的峰值或增加。
電源變換器20也可以調(diào)整輸出電壓Vo，以保持接近于期望的輸出電壓電平和降低可能引起有害噪音或引起負(fù)載器件14不希望的性能的急劇波動(dòng)。這種波動(dòng)可能由于負(fù)荷的需求變動(dòng)、來(lái)自外部電磁源的感應(yīng)噪聲、能源12的特性和/或來(lái)自電源16中的其他組件的噪音而出現(xiàn)。
按照慣例，由于電源變換器20的適當(dāng)尺寸和成本被用于便攜式設(shè)備中。然而，單獨(dú)電容的充電泵或電感的/電容開(kāi)關(guān)電源變換器20通常依賴充電和放電狀態(tài)之間的振動(dòng)轉(zhuǎn)換以便將電源從諸如電化學(xué)伏打電池12的能源傳送到負(fù)載器件14。每個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換招致極大能量消耗，降低了該伏打電池的貯存壽命。
此外，雖然這種電源變換器20通常適用于便攜式的，但其仍然不利地影響該便攜式設(shè)備的尺寸、重量和成本。
此外，電源變換器通常不能作為有效類型的電化學(xué)伏打電池12(例如鋰、堿性的)的廣泛組合之最佳選擇。從而，這種電源變換器20通常只能在認(rèn)為效率降低或提高來(lái)自未調(diào)整的方式的電池12的電壓時(shí)來(lái)穩(wěn)壓。
因此，對(duì)于為便攜式電子設(shè)備更高效地提供有效的、調(diào)整的輸出電壓的電源轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，存在極大的需求。
發(fā)明概述本發(fā)明通過(guò)提供動(dòng)態(tài)控制電感DC/DC電源變換器的裝置和方法來(lái)克服上述和先有技術(shù)的其他不足之處，有效地按負(fù)載器件需求量從一個(gè)能源處轉(zhuǎn)換電能。
本發(fā)明通過(guò)提供具有內(nèi)置的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換的電容設(shè)備的電池來(lái)滿足這些和其他需求。更特別是，使用有效的轉(zhuǎn)換方案動(dòng)態(tài)地根據(jù)電負(fù)載來(lái)提供電源轉(zhuǎn)換器以便調(diào)整電池的正極和負(fù)極端子之間的輸出電壓(Vo)，電源變換器和轉(zhuǎn)換方法最佳結(jié)合在電池容器之內(nèi)。此外，電源變換器將適合于多種電池類型。
在我們以前的某些發(fā)明中，展示了在電池組尤其是標(biāo)準(zhǔn)尺寸的消耗電池容器之內(nèi)引入電子線路以提供多種優(yōu)點(diǎn)，諸如調(diào)整輸出電壓。具體地說(shuō)，以下待審和擁有的普通申請(qǐng)全部在1998 4月2日提交美國(guó)系列號(hào)09/054,192，由Vladimir Gartstein和Dragan D.Nebrigic提交的題目為具有內(nèi)置控制器以延伸電池運(yùn)行時(shí)間的原電池(PRIMARY BATTERY)；美國(guó)系列號(hào)09/054,191，由Vladimir Gartstein和Dragan D.Nebrigic提交的題目為具有內(nèi)置控制器以延伸電池服務(wù)運(yùn)行時(shí)間的原電池(PRIMARY BATTERY)；美國(guó)系列號(hào)09/054,087，由Vladimir Gartstein和Dragan D.Nebrigic提交的題目為具有內(nèi)置控制器電池；和美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)系列號(hào)60/080,427，由Dragan D.Nebrigic和Vladimir Gartstein提交的題目為具有內(nèi)置控制器以延伸電池服務(wù)運(yùn)行時(shí)間的電池。所有上述申請(qǐng)?jiān)诖撕喜⒁云湔w作參考。
在我們的另一個(gè)發(fā)明中，我們展示合并電子線路的附加優(yōu)點(diǎn)，諸如提供該電池的充電狀態(tài)增強(qiáng)指示。具體地說(shuō)，以下待審和擁有的普通申請(qǐng)全部在1999 4月23日提交美國(guó)系列號(hào)09/298,804，由draganD.Nebrigic和Vladimir Gartstein提交的題目為具有內(nèi)置指示符的電池，其中上述的申請(qǐng)?jiān)诖撕喜⒁宰魅鎱⒖?。還討論了有益地增加電池輸出電壓的電感-電容電源變換器。
由于我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)基于充電泵的單獨(dú)的電容電源變換器對(duì)于需要增大電池輸出電壓的應(yīng)用具有多種可取的屬性，尤其對(duì)于提供電池組尺寸和能量需要的如下所述版本。
此外，在一個(gè)說(shuō)明性版本中，電源變換器使用一個(gè)負(fù)載電容器接收來(lái)自飛點(diǎn)電容(fly capacitor)的電荷傳送。更特別是，該飛點(diǎn)電容動(dòng)態(tài)地進(jìn)行轉(zhuǎn)換以便調(diào)節(jié)負(fù)載電容器上的可變負(fù)載從而有效地轉(zhuǎn)移電荷。具體地說(shuō)，電源變換器包含含有控制飛點(diǎn)電容的開(kāi)關(guān)矩陣的一個(gè)充電泵，其中該飛點(diǎn)電容和該電池的伏打電池并聯(lián)被轉(zhuǎn)到電充電模式。此后，開(kāi)關(guān)矩陣轉(zhuǎn)到放電模式，其中飛點(diǎn)電容的電勢(shì)還與伏打電池串聯(lián)放置。該組合通過(guò)負(fù)載電容器電耦合以對(duì)負(fù)載電容器之內(nèi)的飛點(diǎn)電容中的存儲(chǔ)電荷放電。
作為另一方面，為了增加負(fù)載電容器的輸出電流容量，通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣控制器動(dòng)態(tài)地執(zhí)行飛點(diǎn)電容的轉(zhuǎn)換，而不僅僅是不考慮電負(fù)載而振動(dòng)開(kāi)關(guān)矩陣的狀態(tài)。動(dòng)態(tài)控制考慮了電池低功率需求周期期間的能量保存。
另一個(gè)方面是通過(guò)將比較器合并在開(kāi)關(guān)矩陣控制器之內(nèi)來(lái)動(dòng)態(tài)地控制開(kāi)關(guān)矩陣。在某些版本中，還對(duì)比較器提供了一個(gè)電壓基準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償以便在比較輸出電壓與預(yù)定門限值時(shí)使用。
在另外一個(gè)方面，提供一個(gè)內(nèi)部電源以便向該電源變換器偏置，尤其對(duì)于具有相對(duì)低標(biāo)稱電壓的伏打電池來(lái)說(shuō)。
為了獲得低功耗和在小容量的某些電池之內(nèi)操作，電源變換器大量地被作為專用集成電路(ASIC)進(jìn)行制造。此外，場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)被描述為具有峰值電池電流的能力仍提供低功耗。
更特別是，連同其它優(yōu)勢(shì)一道，我們發(fā)現(xiàn)按照電池組負(fù)載的需要?jiǎng)討B(tài)地控制電源轉(zhuǎn)換器提供附加峰值容量和/或增加的功率系數(shù)。此外，這種動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換有助于導(dǎo)致其本身大范圍的伏打電池(例如電化學(xué)電池諸如鋰，鋅酸、堿等；電機(jī)械電池，太陽(yáng)能電池；等等)。
按照本發(fā)明的另一方面，電感電容DC/DC電源變換器的動(dòng)態(tài)控制通過(guò)輸出端子感知負(fù)載電容器的適當(dāng)?shù)某潆姞顟B(tài)并停止電感元件、同步整流機(jī)和轉(zhuǎn)換的脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換控制，以便通過(guò)電源變換器降低功耗。
在以下討論中本發(fā)明的這些和其他優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見(jiàn)。
附圖簡(jiǎn)要描述并入說(shuō)明書(shū)組成部分的附圖解釋本發(fā)明的實(shí)施例，連同以上給出的總體描述和如下實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的原理。
圖1是電源與電源轉(zhuǎn)換器合并的一個(gè)便攜式電子設(shè)備的頂層方框圖。
圖2是在伏打電池和電池端子之間插入電源轉(zhuǎn)換器的電池電路方框圖。
圖3是包括由專用集成電路(ASIC)和輸出電容器和飛點(diǎn)電容組成的電源變換器的電池電路框圖。
圖4是用于圖3的非反相的開(kāi)關(guān)矩陣、飛點(diǎn)電容和輸出電容的一個(gè)電路圖。
圖4A是用于圖3的反相開(kāi)關(guān)矩陣、飛點(diǎn)電容和輸出電容的一個(gè)電路圖。
圖5與源電壓(Vs)和飛點(diǎn)電容的容量(CF)有關(guān)的飛點(diǎn)電容中的存儲(chǔ)電荷的三維圖。
圖6A和6B是表示與高效電容的頻率有關(guān)的復(fù)數(shù)阻抗圖表，具體地說(shuō)是Maxwell作為模型Ultra PC223出售的8 F ultra-電容。
圖7是用于表明圖4開(kāi)關(guān)矩陣控制器方法的第一比較器的說(shuō)明性電路的一個(gè)電路圖。
圖8是表示在輸出電容器充電需要的時(shí)間間隔期間，通過(guò)圖7的第一比較器響應(yīng)在該輸出電容器感知的圖表輸出電壓產(chǎn)生的圖4之開(kāi)關(guān)矩陣的轉(zhuǎn)換信號(hào)電壓圖表。
圖9是圖8電壓圖表的更長(zhǎng)時(shí)段以表示電源變換器的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。
圖10是用于開(kāi)關(guān)矩陣控制器的電路圖，該開(kāi)關(guān)矩陣控制器利用由分壓器偏置預(yù)定門限值的一個(gè)比較器。
圖10A是圖10的開(kāi)關(guān)矩陣控制器超時(shí)時(shí)的典型電壓圖表，表示當(dāng)輸出電壓在預(yù)定門限值附近改變時(shí)在開(kāi)關(guān)矩陣的開(kāi)關(guān)命令中的一個(gè)希望的滯后。
圖11是用于圖10的開(kāi)關(guān)矩陣控制器的第二比較器的電路框圖。
圖11A是用于圖11的第二比較器滯后判定放大器之后的第一對(duì)差動(dòng)放大器。
圖11B是用于圖11的第二比較器滯后判定放大器之后的第二對(duì)差動(dòng)放大器。
圖11C是用于圖11的第二比較器的一個(gè)自偏壓放大器。
圖11D是用于圖11的第二比較器的一對(duì)倒相器。
圖12A-12D是代表圖11、11A 1ID所示的第二比較器的電壓圖表，具體地說(shuō)圖12A包括第一差動(dòng)放大器、滯后判定放大器對(duì)，圖12B包括第二差動(dòng)放大器、滯后判定放大器對(duì)，圖12C包括一個(gè)自偏壓放大器、和圖12D包含一對(duì)倒相器。
圖13是用于輸出電容器的初充電周期的圖12B 12D的電壓圖表。
圖14是用于圖10的開(kāi)關(guān)矩陣控制器的第三比較器比較器的電路框圖。
圖14A是具有圖14比較器的內(nèi)置滯后的一對(duì)差動(dòng)放大器。
圖14B是用于圖12的比較器的高增益軌至軌(high gain rail torail)的施密特觸發(fā)器。
圖14C是用于圖14比較器的三各倒相器以便使開(kāi)關(guān)點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)(square)。
圖15A是對(duì)于圖14、14A-C的電路結(jié)合圖15B所示的開(kāi)關(guān)矩陣狀態(tài)的電流吸入(drawn)。
圖16是用于圖3的專用集成電路(ASIC)的單一級(jí)升壓鏈內(nèi)部電源的一個(gè)電路圖，圖16A描述該電路的時(shí)鐘信號(hào)的適當(dāng)序列。
圖17是用于圖3的專用集成電路電路(ASIC)的多級(jí)升壓鏈內(nèi)部電源的一個(gè)電路圖，圖17A描述該電路的時(shí)鐘信號(hào)的適當(dāng)序列。
圖18是圖17的多級(jí)升壓鏈內(nèi)部電源的每個(gè)級(jí)超時(shí)的電壓圖表。
圖19A是用于反向電源變換器的一個(gè)輸出級(jí)的頂層示意圖。
圖19B是用于升壓電源變換器的一個(gè)輸出級(jí)的頂層示意圖。
圖20是用于圖19B的升壓電源變換器起止控制器的一個(gè)電路版本。
圖21是用于圖20起止控制器的一個(gè)定時(shí)圖。
發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明電源變換器的動(dòng)態(tài)控制參考圖2，電池28的電路框圖包括電源變換器30，插入在伏打電池36的輸入端32、34和該電池28的正極輸出端38和負(fù)級(jí)輸出端40之間。該電源變換器30包含一個(gè)開(kāi)關(guān)電容設(shè)備42，跨越在正極和負(fù)輸出端38、40之間，開(kāi)關(guān)電容模式被一個(gè)開(kāi)關(guān)矩陣44進(jìn)行轉(zhuǎn)換。開(kāi)關(guān)矩陣44受來(lái)自開(kāi)關(guān)矩陣控制器46的信號(hào)S的控制，開(kāi)關(guān)矩陣控制器46產(chǎn)生該信號(hào)S以響應(yīng)從開(kāi)關(guān)矩陣44接收的一個(gè)度量M。
圖3是表示本發(fā)明另一方面的圖2之電池28的電路框圖。例如，電源變換器30可以以跨越端子38、40的輸出電容器COUT和飛點(diǎn)電容CFLy的形式使用開(kāi)關(guān)電容設(shè)備42。該輸出電容器COUT和飛點(diǎn)電容CFLy通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣44的相應(yīng)部分進(jìn)行電耦合。電源變換器30的一部分可以包括合并為開(kāi)關(guān)矩陣44和開(kāi)關(guān)矩陣控制器46的一個(gè)專用集成電路(ASIC)48。對(duì)于某些應(yīng)用具有相對(duì)低標(biāo)稱源電壓Vs的伏打電池14的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，ASIC 48可以進(jìn)一步包括電壓基準(zhǔn)50，最好有優(yōu)良的穩(wěn)定性并功率消耗非常低，從而提供基準(zhǔn)電壓(VREF)信號(hào)給開(kāi)關(guān)矩陣控制器46。由于某些電壓基準(zhǔn)50可以隨半導(dǎo)體溫度函數(shù)的變化而變化，則還可以包括對(duì)電壓基準(zhǔn)50的溫度補(bǔ)償52，諸如一個(gè)成比例的絕對(duì)溫度電路。伏打電池14比如鋰電化學(xué)電池具有可以利用的固有帶隙電壓基準(zhǔn)。正如以下將更詳細(xì)表示的，ASIC 48可以進(jìn)一步包括一個(gè)內(nèi)部電源56，它允許ASIC48的其他部分在源電壓Vs的相對(duì)低電壓電平下進(jìn)行有效的操作。單獨(dú)電容電源變換器(充電泵)圖4是用于圖3的非反相的開(kāi)關(guān)矩陣44、飛點(diǎn)電容CFLV和電容COUT的電路圖，并描述一個(gè)簡(jiǎn)化的倍壓器。在充電模式的第一個(gè)半周期期間，開(kāi)關(guān)信號(hào)S1命令開(kāi)關(guān)Q1和開(kāi)關(guān)Q3關(guān)閉，開(kāi)關(guān)信號(hào)S2命令開(kāi)關(guān)Q2和開(kāi)關(guān)Q4關(guān)閉，電容CFLy充電到Vs。在充電模式的下半個(gè)周期期間，開(kāi)關(guān)信號(hào)S1命令開(kāi)關(guān)Q1和開(kāi)關(guān)Q3開(kāi)啟，開(kāi)關(guān)信號(hào)S2命令開(kāi)關(guān)Q2和開(kāi)關(guān)Q4關(guān)閉，電容CFLy電平向上移動(dòng)至Vs伏特。這連接飛點(diǎn)電容CFLy到輸出電容器COUT，從而允許根據(jù)需要將能量送給輸出端。由于開(kāi)關(guān)Q1-Q4具有消耗來(lái)自COUT電荷的阻抗，實(shí)際電壓比2×Vs稍低。
開(kāi)關(guān)電容42的功率系數(shù)受三個(gè)因素的影響ASIC 48中的內(nèi)部損失、電容CFLy、COUT的損耗和在電荷在電容CFLy、COUT之間轉(zhuǎn)移期間的轉(zhuǎn)換損耗。
功率損耗總數(shù)是P損耗＝P內(nèi)部損耗+P泵電容損耗+P轉(zhuǎn)換損耗其中(1)內(nèi)部損失與IC的內(nèi)部功能諸如驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)等等有關(guān)。(這些損耗受工作條件諸如輸入電壓、溫度和頻率的影響)；(2)開(kāi)關(guān)損耗的出現(xiàn)是由于IC中MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通阻抗影響；和(3)充電泵電容損耗的出現(xiàn)是由于飛點(diǎn)電容和負(fù)載電容器的等效串聯(lián)電阻(ESR)所致。
這些損耗和輸出電阻之間的關(guān)系如下P泵電容損耗+P開(kāi)關(guān)損耗＝io2X ROUTROUT≌(1/(fOSC×CFLY))+2RSWITCHES+4ESRCFLY+ESRCOUT其中fosc是振蕩器頻率。第一項(xiàng)ROUT是理想開(kāi)關(guān)電容電源變換器30的有效電阻。
當(dāng)輸出電流io增加時(shí)，電池28的輸出電壓Vo減少。電壓降VDROOP等于電池28提取的輸出電流io乘電池的輸出電阻ROUT，如同下述VDROOP＝io×ROUTVo＝2×Vs-VDROOP在電荷從飛點(diǎn)電容CFLV到負(fù)載電容器Cout期間轉(zhuǎn)移存在電壓差時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)換損耗。
能量損耗總數(shù)是PCONVERSION＝[(CFLY/2)×(4V2S-V2O)+(COUT/2)×(2VO×VRIPPLE-V2RIPPLE)]×fOSC，其中VRIPPLE是受輸出電容器Cout和負(fù)荷電流io確定的峰峰輸出電壓脈動(dòng)。
為維持最低輸出電阻ROUT，應(yīng)該使用具有低ESR的電容CFLV、Cout。充電泵輸出電阻ROUT是飛點(diǎn)電容CFLV的ESR和負(fù)載電容器Cout和內(nèi)部開(kāi)關(guān)電阻的函數(shù)，如以下等式所示。負(fù)載電容器Cout減到最小的ESR最小化了阻抗ROUT的總數(shù)。使用較大的回描電容器CFLV降低了輸出阻抗并提高了效率。在這一點(diǎn)上，飛點(diǎn)電容CFLV的容量增加具有微不足道的效果，因?yàn)檩敵鲭娮鑂OUT變成受該內(nèi)部開(kāi)關(guān)阻抗和容量支配。但是當(dāng)空間受約束正如大多數(shù)電池那樣，為了小電容尺寸起見(jiàn)有必要換成一個(gè)可達(dá)到的低輸出電阻ROUT。
大約10uF或更高的飛點(diǎn)電容CFLV電容值足以提供額定負(fù)荷電流。在此容量范圍之內(nèi)的表面安裝陶瓷電容器由于其小尺寸、低成本和低等效串聯(lián)電阻(ESR)適合于飛點(diǎn)電容CFLV的多種應(yīng)用。為確保在整個(gè)溫度范圍的正確操作，可以有利地使用具有XTR(或等效物)低溫度系數(shù)電介質(zhì)的陶瓷電容器。輸出電容器Cout的輸出電容值的增加降低了輸出脈動(dòng)電壓VRIPPLE。其ESR的減少降低了輸出電阻ROUTROUT和波動(dòng)VRIPPLE。輸出電容器Cout的輸出電容值的增加降低了輸出脈動(dòng)電壓。其ESR的減少降低了輸出電阻和波動(dòng)。更小的電容值能被使用于輕負(fù)荷。
以下等式為計(jì)算峰峰值波動(dòng)VRIPPLE＝iO/(fOSC×COUT)+2×iO×ESRCOUT輸出電容器Cout存儲(chǔ)來(lái)自飛點(diǎn)電容CFL的電荷轉(zhuǎn)移并供給充電/放電循環(huán)間的導(dǎo)線。優(yōu)良的通則是使輸出電容Cout至少大于飛點(diǎn)電容容量的十倍。
在起止模式，電源變換器30僅當(dāng)需要時(shí)轉(zhuǎn)換以便保持輸出電壓在期望值。而在輕負(fù)載和超過(guò)下閾輸出電壓的電壓情況下，開(kāi)關(guān)矩陣44完全關(guān)閉。在電源變換器30具有高效電容情況下此模式是可支配的，因?yàn)檩^大電容值可作為二次電池。在此模式，波動(dòng)VRIPPLE大概取決于兩個(gè)參數(shù)電荷在CFLV和Cout的電容值間和Cout的ESR之間轉(zhuǎn)移。
高效電容是這些類型的電容具有相對(duì)低的充電漏泄，例如雙層電解電容器(例如被稱為超super電容、ultra電容和電力電容器的電容)；偽電容。
ESR波動(dòng)作用在輸出電容器Cout充電時(shí)出現(xiàn)。充電電流對(duì)當(dāng)?shù)腅SR輸出電容器Cout充電時(shí)降低的輸出電容器Cout產(chǎn)生負(fù)電壓脈沖。在平衡狀態(tài)中，當(dāng)飛點(diǎn)電容CFLV上的電壓接近輸出電容器Cout上的電壓時(shí)，沒(méi)有充電電流流過(guò)。此效果在高效電容情況下更被斷定。當(dāng)電荷流向輸出電容器Cout時(shí)由于電荷在電容CFLV、Cout之間轉(zhuǎn)移，則波動(dòng)作用產(chǎn)生一個(gè)脈沖。加上這兩項(xiàng)沒(méi)有解決峰-峰波動(dòng)，因?yàn)槠浞逯挡煌瑫r(shí)出現(xiàn)。最好使用主要項(xiàng)。用于Cout的ESR導(dǎo)致的脈動(dòng)成分之表達(dá)式是VRIPPLE(ESR)＝8×[(VS-2VO2)/fOSC]×[ESRCOUT/(RO2×CFLY)]用于主要由電荷轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的脈動(dòng)成分的表達(dá)式是VRIPPLE(ESR)＝2×[(VS-2VO2)/fOSC]×[1/(ROUT×(CFLY+COUT))]其中Cout是開(kāi)路環(huán)路輸出阻抗。如果輸出電容器Cout的ESR非常小，當(dāng)使用陶瓷電容器時(shí)是可能的，則VRIPPLE(傳送)占優(yōu)勢(shì)。如果ESR相對(duì)大，就象低成本鉭電容，則VRIPPLE波動(dòng)占優(yōu)勢(shì)。
當(dāng)充電泵電源變換器30繼續(xù)工作時(shí)連續(xù)模式是恒定頻率模式。用于占優(yōu)勢(shì)波動(dòng)的表達(dá)式因此是VRIPPLE＝iO/(fOSC×COUT)+2×iO×ESRCOUT在一個(gè)高效電容情況下，輸出電壓是準(zhǔn)線性的因此波動(dòng)幾乎是一個(gè)不相關(guān)的參數(shù)。在起動(dòng)模式，開(kāi)關(guān)Q1和Q2可以有利地預(yù)置到″on″狀態(tài)以便提供起始電荷到輸出電容器Cout從而防止ASIC 48的寄生鎖定，特別是對(duì)于具有大約1.2V大約1.5V標(biāo)稱電壓的電伏打電池。開(kāi)關(guān)矩陣控制器46由內(nèi)部電源(未示出)加載之后并且飛點(diǎn)電容CFLy被充電之后，接著執(zhí)行正常操作。
圖4A是反相開(kāi)關(guān)矩陣44″、圖4的飛點(diǎn)電容CFLy和電容Cout的電路圖，說(shuō)明電容性的電源變換器30的動(dòng)態(tài)交換優(yōu)點(diǎn)以便獲得一個(gè)反相輸出。在圖4A所示的后者中，不是向上調(diào)整正極端子38的正壓電勢(shì)，而是通過(guò)有選擇地轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SW0和SW1來(lái)降低負(fù)極端子40的負(fù)壓電勢(shì)。
圖5是與源電壓Vs和飛點(diǎn)電容CFLy的容量有關(guān)的飛點(diǎn)電容CFLy中存儲(chǔ)電荷的三維圖。
圖6A和6B是表示與ultra-電容的頻率有關(guān)的典型復(fù)數(shù)阻抗圖表，具體地說(shuō)是Maxwell作為模型Ultra PC223出售的8 F ultra-電容，以說(shuō)明其有益的低阻抗。
圖7是用于表明圖4開(kāi)關(guān)矩陣控制器46方法的第一比較器的示意性電路的一個(gè)電路圖。
當(dāng)如下所示地用于動(dòng)態(tài)地轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)矩陣44時(shí)提供這樣一種比較器53的能力。簡(jiǎn)而言之，只有在閉合環(huán)路方法需要時(shí)，而不是根據(jù)開(kāi)環(huán)振蕩器方法，應(yīng)該有利地開(kāi)關(guān)飛點(diǎn)電容CFLy開(kāi)關(guān)。基本思想是當(dāng)輸出電容器COUT達(dá)到某一預(yù)定門限值電壓(V1)時(shí)將飛點(diǎn)電容CFLY轉(zhuǎn)換到放電模式。在這一點(diǎn)上，飛點(diǎn)電容CFly將為輸出電容器COUT充電。當(dāng)輸出電容器COUT達(dá)到某一電壓(V2)時(shí)，飛點(diǎn)電容CFly斷開(kāi)并回到伏打電池36以便被充電。此時(shí)關(guān)鍵是僅根據(jù)這些電壓進(jìn)行開(kāi)關(guān)。
比較器53使用M1/M2作為此開(kāi)關(guān)的測(cè)量點(diǎn)。重要的是到注意這僅是根據(jù)理想模型的說(shuō)明性表述。普通的比較器53用來(lái)論證動(dòng)態(tài)交換矩陣控制器46的一般操作。
圖8是在輸出電容器COUT充電需要的時(shí)間間隔期間的一個(gè)電壓圖表。假定這些零件參數(shù)按如下選擇R2＝6kΩ；R3＝1kΩ；R4＝6kΩ；R5＝1kΩ；R6＝100kΩ；R7＝RS＝Rg＝10k；R10＝R11＝25kΩ；C3＝10pF；C4＝C5＝1pF。描述的是圖4的開(kāi)關(guān)矩陣44開(kāi)關(guān)Q1和Q3的開(kāi)關(guān)信號(hào)SI的電壓圖表，此信號(hào)SI是通過(guò)圖7的第一比較器53產(chǎn)生的。而且繪制的是在輸出電容器COUT感知的輸出電壓Vo并回到第一比較器53作為測(cè)量信號(hào)M2。顯然來(lái)自圖8比較器53之操作的一個(gè)方面是開(kāi)關(guān)速率是怎樣根據(jù)電池28的加載改變的。
圖9是圖8電壓圖表的更長(zhǎng)時(shí)段以表示電源變換器30的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，從而加強(qiáng)比較器53對(duì)負(fù)荷需要量之動(dòng)態(tài)操作。
圖10是用于開(kāi)關(guān)矩陣控制器46的電路圖，該開(kāi)關(guān)矩陣控制器利用由分壓器54偏置預(yù)定門限值的一個(gè)比較器。
圖10A是圖10的開(kāi)關(guān)矩陣控制器超時(shí)時(shí)的典型電壓圖表，表示當(dāng)輸出電壓在預(yù)定門限值附近改變時(shí)在開(kāi)關(guān)矩陣的開(kāi)關(guān)命令中的一個(gè)希望的滯后。假定圖10的零件參數(shù)按如下選定R22＝1MΩ；R23＝40kΩ；R24＝10MΩ；R27＝1MΩ；R28＝200kΩ；C21＝22pF。
圖11是用于圖10的開(kāi)關(guān)矩陣控制器46的第二比較器53的電路框圖。具體地說(shuō)，差動(dòng)放大器55、差動(dòng)放大器56、判定放大器57、滯后判定放大器58自偏壓放大器59、倒相器60和倒相器61被描述為串聯(lián)聯(lián)接。
圖11A是用于圖11的第二比較器48的滯后判定放大器56之后的第一對(duì)差動(dòng)放大器55。
圖11B是用于圖11的第二比較器48的滯后判定放大器58之后的第二對(duì)差動(dòng)放大器57。
圖11C是用于圖11的第二比較器48的自偏壓放大器59。
圖11D是用于的圖11的第二比較器48的一對(duì)倒相器60、61。
圖12A-12D示出代表圖11、11A-D所示的第二比較器48′的電壓圖表，具體地說(shuō)圖12A包括第一差動(dòng)放大器、滯后判定放大器65對(duì)，圖12B包括第二差動(dòng)放大器66、滯后判定放大器67，圖12c包括自偏置放大器68，和圖12D包含一對(duì)換流器69，70。
圖13是用于輸出電容器COUT的初充電周期的圖12B和12D的電壓圖表。
圖14是用于圖10的開(kāi)關(guān)矩陣控制器46的第三比較器48的電路框圖。特別是，具有內(nèi)置滯后的第一和第二差動(dòng)放大器72、73、高增益rail to rail 74和第一、第二和第三倒相器75、76和77。
圖14A是用于圖14比較器48″的具有內(nèi)置滯后72、73的一對(duì)差動(dòng)放大器。
圖14B是用于圖14的比較器48″的高增益軌至軌(high gain railto rail)施密特觸發(fā)器74a。
圖14C是用于圖14的比較器48″的三個(gè)倒相器75、76、77以便對(duì)準(zhǔn)開(kāi)關(guān)點(diǎn)。
圖15A是表示圖15B所示的對(duì)于圖14、14A-C的比較器48″的電流吸入(drawn)連同開(kāi)關(guān)矩陣狀態(tài)。
圖16是用于圖2的專用集成電路電路(ASIC)48的單一級(jí)升壓鏈內(nèi)部電源56a的一個(gè)電路圖，圖16A描述該電路的時(shí)鐘信號(hào)的適當(dāng)序列。
圖17是用于圖2的專用集成電路電路(ASIC)48的多級(jí)升壓鏈內(nèi)部電源56b的一個(gè)電路圖，圖17A描述該電路的時(shí)鐘信號(hào)的適當(dāng)序列。多級(jí)升壓鏈內(nèi)部電源56b由兩個(gè)單級(jí)升壓鏈內(nèi)部電源56a’、56a″的串聯(lián)組合形成。
圖18是圖17的多級(jí)升壓鏈內(nèi)部電源56b的每個(gè)級(jí)56a’、56a″超時(shí)的電壓圖表。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該意識(shí)到這種公開(kāi)的益處，雖然電容性的開(kāi)關(guān)矩陣44示出具有一個(gè)負(fù)載電容器COUT和一個(gè)飛點(diǎn)電容CFLY，但可以采用兩個(gè)以上的電容以便獲得期望的電容。此外，雖然示出一電容性的充電泵26但可以采用多級(jí)充電泵以便進(jìn)一步調(diào)整電池28的端子38，40處的電壓電勢(shì)(Vo)。另外，具有內(nèi)置動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)電容電源變換器30的28可以包括一個(gè)或多個(gè)伏打電池36。此外，雖然電源變換器30被示意性地作為有益地合并到電池28中，但按照本發(fā)明各方面的各種版本可以是分離部件和/或應(yīng)用其他類型的能源12此外，雖然顯示一個(gè)比較器53提供有益動(dòng)態(tài)交換控制的閉環(huán)控制功能，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將承認(rèn)可以以執(zhí)行某種比較形式的閉環(huán)方案來(lái)代替，或者堅(jiān)固地調(diào)整或者不調(diào)節(jié)電壓門限。例如這允許消去振蕩器開(kāi)環(huán)控制功能。
電感-電容電源變換器的PWM控制參考圖19A，描述了用于電源變換器82a的反向功率輸出級(jí)80a的頂層的示意圖，作為降壓電源變換器的一個(gè)例子，提供小于輸入電壓Vs的一個(gè)輸出電壓Vo。反向輸出級(jí)80a在輸入端24、25耦合到能源12和在輸出端子26、27耦合到負(fù)載器件14以便從能源12向負(fù)載器件14傳遞能量。電源12提供輸入電壓Vs和輸入電流is。負(fù)載器件14接收電流i0和輸出電壓Vo。
反向輸出級(jí)80a包括開(kāi)關(guān)MS、整流元件MR、電感元件諸如電感L和電容元件諸如CouT。CouT使其正極端子84耦合到正輸出端子26，使負(fù)極端子86耦合到負(fù)輸出端子27，還耦合到形成接地參考點(diǎn)的負(fù)輸入端25。負(fù)載電容器CouT因此被充電為輸出電壓Vo。電感L使其正極端88耦合到具有反饋電壓VF的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。反饋電壓VF與通過(guò)電感L的電壓VF有關(guān)。電感L使其負(fù)端90耦合到正輸出端子26。
作為同步整流器配置的MOSFET實(shí)施的整流元件MR使其正極端子(源極)92耦合到反饋電壓節(jié)點(diǎn)VF并使其負(fù)極端子(漏極)94耦合到負(fù)輸入和輸出端子25，27。整流元件MR響應(yīng)控制信號(hào)S1而關(guān)閉。整流元件MR的MOSFET具有反向?qū)娏鞯囊粋€(gè)溝道，從而通過(guò)使源極和漏極與MOSFET開(kāi)關(guān)MS反向比較而類似于一個(gè)二極管工作。開(kāi)關(guān)MS使其正極端(漏極)96耦合到正極輸入端24并使其負(fù)極端(源極)98耦合到反饋電壓節(jié)點(diǎn)Vt。開(kāi)關(guān)MS響應(yīng)接通控制信號(hào)S2而關(guān)閉。
在放電狀態(tài)期間，控制信號(hào)S1接通以便關(guān)閉整流元件MR使得它導(dǎo)通并且控制信號(hào)S2斷開(kāi)以便開(kāi)啟開(kāi)關(guān)MS，從而允許電感L放電給負(fù)載電容器CouT。在充電狀態(tài)期間，控制信號(hào)S1斷開(kāi)以便開(kāi)啟整流元件或使得其不導(dǎo)通MR并且控制信號(hào)S2接通以便關(guān)閉開(kāi)關(guān)MS，從而允許此電感被來(lái)自于電源12的輸入電流供給能量。
參考圖19B，用于電源變換器82b的一個(gè)升壓功率輸出級(jí)80b說(shuō)明相對(duì)于此輸入電壓Vs來(lái)說(shuō)適用于增加(升壓)輸出電壓Vo的一個(gè)配置。負(fù)載電容器CouT使其正極端子84耦合到正輸出端子26，使負(fù)極端子86耦合到負(fù)輸出端子27，還耦合到形成地面參照物的25。負(fù)載電容器CouT因此被充電為輸出電壓Vo。電感L使其負(fù)極端90耦合到具有反饋電壓VF的節(jié)點(diǎn)并且使其正極端88耦合到正極輸入端24。電感電壓VL被定義在輸入端24和反饋電壓節(jié)點(diǎn)Vs之間。電感電壓VL因此等于反饋電壓VF減去輸入電壓Vs。
整流元件MR使其負(fù)極端94耦合到節(jié)點(diǎn)VL，負(fù)載電容器CouT的正極端子84還耦合到正輸出26。整流元件MR使其正極端92耦合到反饋電壓節(jié)點(diǎn)Vp。MOSFET開(kāi)關(guān)MS使其正極端(漏極)96耦合到反饋電壓節(jié)點(diǎn)VF并且使其負(fù)極端(源極)98耦合到負(fù)輸入和輸出端子25，27。
在放電狀態(tài)期間，MOSFET開(kāi)關(guān)MS響應(yīng)關(guān)閉控制信號(hào)S2而開(kāi)啟并且整流元件MR響應(yīng)接通控制信號(hào)S1而關(guān)閉，從而將電源12和電感L到負(fù)載電容CL。因此，輸入電壓VL和電感電壓VL被加入以便提高給予該引線電容CL，的輸出電壓Vo。在充電狀態(tài)期間，MOSFET開(kāi)關(guān)MS響應(yīng)接通控制信號(hào)S2而關(guān)閉，從而通過(guò)電源12耦合電感L。整流元件MR響應(yīng)斷開(kāi)控制信號(hào)S1而開(kāi)啟，從而斷開(kāi)負(fù)載電容CouT與電源12和電感L。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，圖19A的反向功率輸出級(jí)80a和圖19B的升壓功率輸出級(jí)80b兩個(gè)都有利地效率高并以低輸入電壓(例如小于一伏特)可操作，這是要由利用能夠低門限(例如低于一伏特)控制的MOSFET晶體管開(kāi)關(guān)在0.35微米雙salieide工藝中制造的(兩種金屬，兩種polysalicide)集成電路設(shè)備實(shí)現(xiàn)的，在以下待審和普通擁有的申請(qǐng)中加以描述，這些申請(qǐng)文件全部在2000三月22日由Ying Xu等人提交，美國(guó)系列號(hào)為09/532,761，題目為″不對(duì)稱輕摻雜耗盡MOSFET′(LateralAsymmetric Lightly Doped Drain MOSFET′)。(PG案例No.7992)，在此合并以作參考。與具有低門限控制不同，該公開(kāi)的MOSFET設(shè)備具有低通導(dǎo)電阻，直接提高了用于本發(fā)明的功率輸出級(jí)80a和80b的效率。
參考圖20，起止電源變換器82b使用起止控制器100來(lái)可開(kāi)關(guān)地控制圖1913的功率輸出80b。通已知的電源變換器，包括電感電源變換器，即使當(dāng)負(fù)載設(shè)備14要求很低時(shí)也不斷振蕩，使電源變換器無(wú)效振蕩。因此，當(dāng)對(duì)引線電容Cout充分充電時(shí)起止控制器100有利地停止脈寬調(diào)制(PWM)輸出的振蕩。
具體地說(shuō)，升壓功率輸出級(jí)80b如圖19B所述，除了通過(guò)輸入端2425耦合的附加C1之外，附加電容C1用來(lái)增強(qiáng)輸入電壓Vs的穩(wěn)定性。
起止控制器100通過(guò)在放電狀態(tài)期間關(guān)閉整流元件MR和在充電狀態(tài)期間開(kāi)啟整流元件有選擇地產(chǎn)生控制信號(hào)S1，和在放電狀態(tài)期間開(kāi)啟開(kāi)關(guān)MS和在充電狀態(tài)期間關(guān)閉MS來(lái)有選擇地產(chǎn)生控制信號(hào)S2，來(lái)響應(yīng)脈寬調(diào)制(PWM)輸入信號(hào)。起止控制器100感知根據(jù)來(lái)自電壓基準(zhǔn)104的基準(zhǔn)電壓VREF與輸出電壓Vo的比較所示的低要求以便滯后地停止振蕩控制信號(hào)使得輸出級(jí)80b保持在放電狀態(tài)。起止控制器100包括一個(gè)滯后比較器106，響應(yīng)基準(zhǔn)電壓VREF、輸出電壓Vo和反饋電壓VF以便產(chǎn)生一個(gè)工作循環(huán)信號(hào)，并滯后的響應(yīng)輸出電壓Vo與基準(zhǔn)電壓VREF以便產(chǎn)生一個(gè)停止信號(hào)。調(diào)制器108產(chǎn)生具有來(lái)自固定頻率振蕩器110的預(yù)定頻率的一個(gè)振蕩信號(hào)。SR觸發(fā)器112被設(shè)定循環(huán)工作信號(hào)設(shè)定并被信號(hào)復(fù)位以便產(chǎn)生確定充電狀態(tài)和放電狀態(tài)的一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)。多路器114響應(yīng)此開(kāi)關(guān)信號(hào)以便產(chǎn)生控制信號(hào)S1和S2。多路器114具有一個(gè)預(yù)定狀態(tài)開(kāi)關(guān)延遲以便調(diào)節(jié)功率輸出級(jí)80h的交叉?zhèn)鲗?dǎo)。多路器114還通過(guò)斷開(kāi)控制信號(hào)S2開(kāi)啟開(kāi)關(guān)MS和通過(guò)接通控制信號(hào)SI關(guān)閉整流元件MIL來(lái)響應(yīng)停止信號(hào)以便停止振蕩直至需要更多的能量。
此外，啟動(dòng)電路116當(dāng)在功率輸出級(jí)80b放電時(shí)偏置此起止控制器100，而且為此CL提供起始電荷。
參考圖21，以定時(shí)圖表示起止電源變換器82a的操作。在許多應(yīng)用諸如由電化學(xué)伏打電池組成的電源14中源電壓Vs傾向于超時(shí)衰減，最后低于電源類12的標(biāo)稱電壓VNoM。
輸出電壓Vo起初低于兩個(gè)電壓門限VOFF和Vo。開(kāi)關(guān)在充電和放電間的工作循環(huán)是一個(gè)預(yù)定值，考慮了該元件的電容和電感值和期望輸出電壓Fo，此工作循環(huán)響應(yīng)源電壓的下降以便維持輸出電壓Vo。開(kāi)關(guān)工作循環(huán)的操作繼續(xù)進(jìn)行直至輸出電壓Vo大于電壓門限Vow為止，因此滯后比較器70發(fā)送信號(hào)給多路器114以便停止輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)S1和S2，從而開(kāi)啟整流元件MR和開(kāi)關(guān)MS。負(fù)載器件14從輸出電容器Cout汲取儲(chǔ)存能量，使輸出電壓I1o下降I1o直至下降到低于電壓門限VoFF。然而，當(dāng)輸出電壓Vo降低到電壓門限VON以下時(shí)，在發(fā)送信號(hào)給多路器114之前，比較器70滯后時(shí)間B響應(yīng)以便重新開(kāi)始轉(zhuǎn)換信號(hào)S1和S2。
本發(fā)明在其更寬方面不局限于示出描述的細(xì)節(jié)、典型和方法以及說(shuō)明的例子。從而，從此細(xì)節(jié)中可以形成一些變更，而不脫離申請(qǐng)人一般發(fā)明概念的精神和范疇。
權(quán)利要求
1.一種電池包含一個(gè)伏打電池，包括正極電極和負(fù)極電極，該電池存儲(chǔ)電荷，結(jié)果形成跨接正負(fù)電極的電極電壓；一個(gè)外殼，充分地包圍該伏打電池，該外殼包括正極端子和負(fù)極端子；其特征在于動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換的電容充電泵，電插入在這些電極和端子之間，該充電泵被外殼充分包圍，最好其中該動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換的電容充電泵包括一個(gè)集成電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池，其中電容充電泵包括一個(gè)輸出電容器，通過(guò)正負(fù)端子電耦合和其中該電容充電泵包括一個(gè)飛點(diǎn)電容，通過(guò)電極交替地電耦合以便在充電模式充電，和在于伏打電池的附加串聯(lián)組合中在放電模式為輸出電容器放電，最好其中電容和輸出電容器之一是高效電容。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的任何一個(gè)電池，其中該充電泵進(jìn)一步包括一個(gè)開(kāi)關(guān)矩陣，在充電模式和放電模式之間電開(kāi)關(guān)地耦合飛點(diǎn)電容、輸出電容器和伏打電池；和一個(gè)開(kāi)關(guān)矩陣控制器，可操作地耦合到該開(kāi)關(guān)矩陣以便支配充電放電模式之間的轉(zhuǎn)換，最好其中該開(kāi)關(guān)矩陣控制器包括一個(gè)比較器，響應(yīng)降到預(yù)定門限值之下的輸出電壓以便命令開(kāi)關(guān)矩陣到放電模式和響應(yīng)高于預(yù)定門限值的輸出電壓以便命令開(kāi)關(guān)矩陣到充電模式，更優(yōu)選地其中比較器包括滯后電路以便防止當(dāng)輸出電壓接近預(yù)定門限值時(shí)迅速振蕩，和/或比較器包括含有一個(gè)放大器和滯后設(shè)備的輸出級(jí)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的任何一個(gè)電池，進(jìn)一步包括以下一個(gè)或多個(gè)(a)一個(gè)內(nèi)部電源，電耦合到伏打電池電壓電源，內(nèi)部電源電偏置開(kāi)關(guān)矩陣控制器；和(b)一個(gè)電壓基準(zhǔn)電路，提供電壓基準(zhǔn)給開(kāi)關(guān)矩陣控制器，最好包括用于該電壓基準(zhǔn)電路的一個(gè)溫度補(bǔ)償電路。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的任何一個(gè)電池，其中該開(kāi)關(guān)矩陣包含第一開(kāi)關(guān)，電開(kāi)關(guān)地耦合正電極到飛點(diǎn)電容的第一端；第二開(kāi)關(guān)，電開(kāi)關(guān)地耦合飛點(diǎn)電容的第一端到該電池的正極端子；第三開(kāi)關(guān)，電開(kāi)關(guān)地耦合負(fù)極到飛點(diǎn)電容的第二端；和第四開(kāi)關(guān)，電開(kāi)關(guān)地耦合飛點(diǎn)電容的第二端到正電極，最好其中第一開(kāi)關(guān)、第二開(kāi)關(guān)、第三開(kāi)關(guān)和第四開(kāi)關(guān)分別由場(chǎng)效應(yīng)集成電路組成，其中第一和第三開(kāi)關(guān)閉合，第二和第四開(kāi)關(guān)打開(kāi)以便影響充電模式和反之影響放電模式，更好地其中開(kāi)關(guān)矩陣進(jìn)一步包括一個(gè)初始條件，這個(gè)條件是該電源變換器的一部分不工作。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的任何一個(gè)電池，其中該伏打電池包含選取的鋰電化學(xué)電池和堿電化學(xué)電池之一。
7.配置為調(diào)整電池正負(fù)端子的輸出電壓的功率管理電路，該電池進(jìn)一步包括具有正和負(fù)電極的一個(gè)伏打電池、一個(gè)飛點(diǎn)電容和通過(guò)端子電耦合的負(fù)載電容器，該電源管理電路包含一個(gè)開(kāi)關(guān)矩陣，在充電模式和放電模式電可開(kāi)關(guān)，其中該開(kāi)關(guān)矩陣在充電模式包含被配置為通過(guò)伏打電池的電極電耦合該飛點(diǎn)電容，和其中該開(kāi)關(guān)矩陣放電模式包含被配置為通過(guò)該伏打電池和該飛點(diǎn)電容串聯(lián)組合的負(fù)載電容器進(jìn)行電耦合；和一個(gè)開(kāi)關(guān)矩陣控制器，可操作地耦合到該開(kāi)關(guān)矩陣以便選取充電放電模式。
8.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電源管理電路，其中該開(kāi)關(guān)矩陣包含以下之一一個(gè)非反相的開(kāi)關(guān)電容設(shè)備、一個(gè)反向開(kāi)關(guān)電容設(shè)備和一個(gè)電感電源變換器。
9.電源變換器，具有用于耦合到一個(gè)電源的輸入端子和用于耦合到負(fù)載器件的輸出端子，電源變換器包含一個(gè)輸出級(jí)，用于有選擇地耦合該輸入端子到該輸出端子以便從電源向負(fù)載器件傳遞能量；一個(gè)起止控制器，可操作地耦合到輸出級(jí)，用于脈寬調(diào)制控制所述選擇的輸入和輸出端子的耦合；該輸出級(jí)包含耦合到輸入端子的電感元件，輸出端子的電容元件，閉合地響應(yīng)第一狀態(tài)和打開(kāi)地響應(yīng)第二狀態(tài)的一個(gè)整流元件，和響應(yīng)來(lái)自控制器的控制信號(hào)S2的開(kāi)關(guān)，整流元件和該開(kāi)關(guān)可操作地對(duì)所述電感和電容元件耦合，使在第一狀態(tài)期間電感元件耦合到電容元件以便從中將能量放電到元件之內(nèi)和使該電感元件在第二狀態(tài)期間被供給能量；起止控制器，滯后地響應(yīng)來(lái)自輸出級(jí)的輸入信號(hào)，該輸入信號(hào)表示充電的電容元件斷開(kāi)對(duì)輸入和輸出端子的耦合。
全文摘要
有效地轉(zhuǎn)換DC/DC電源轉(zhuǎn)換器以便當(dāng)負(fù)載設(shè)備要求時(shí)通過(guò)負(fù)載電容產(chǎn)生預(yù)定輸出電壓。特別是,在所需的充電和放電狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換容性和/或感性元件以維持輸出電壓。對(duì)于單獨(dú)容性電源轉(zhuǎn)換器或充電泵來(lái)說(shuō),輸出電壓與基準(zhǔn)電壓的比較有效地轉(zhuǎn)換了充電和放電狀態(tài)之間的一個(gè)飛點(diǎn)電容。而且,當(dāng)獲得預(yù)定的輸出電壓時(shí),通過(guò)滯后比較輸出電壓與停止脈沖寬度調(diào)制(PWM)的預(yù)定門限,根據(jù)帶有同步整流器和開(kāi)關(guān)的一個(gè)感性元件的轉(zhuǎn)換以便對(duì)負(fù)載電容充電的電源轉(zhuǎn)換器被制作得更加高效。闡述的電源轉(zhuǎn)換器適于集成電路實(shí)現(xiàn)并且可與電池的其他元件組合以便產(chǎn)生更有效的電池,獲得更長(zhǎng)的電池壽命和穩(wěn)定的輸出電壓。
文檔編號(hào)H01M10/48GK1371543SQ00812029
公開(kāi)日2002年9月25日 申請(qǐng)日期2000年6月23日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月25日
發(fā)明者D·D·尼布里吉克, V·加特斯坦 申請(qǐng)人:伊利諾伊大學(xué)評(píng)議會(huì)