直流转直流DC/DC变换拓扑电路和装置的制作方法

本申请实施例涉及电路技术，尤其涉及一种直流转直流(directcurrent/directcurrent，dc/dc)变换拓扑电路和装置。

背景技术：

在开关电源中通常会通过开关变换器进行dc/dc变换，进而实现开关电源的输出电压可调。

通常的，开关变换器包括开关电感变换器和开关电容变换器。示例的，图1示出了开关电感变换器的升压(boost)拓扑结构，通过调整开关管s1的占空比，可以实现对输出电压的调节，理论上，图1所示的升压拓扑结构的输出电压与输入电压存在以下关系：输出电压＝输入电压/(1-占空比)。图2示出了开关电感变换器的降压(buck)拓扑结构，通过调整开关管s4的占空比，可以实现对输出电压的调节，理论上，图2所示的降压拓扑结构的输出电压与输入电压存在以下关系：输出电压＝占空比*输入电压。图3示出了开关电容变换器的拓扑结构，在开关电容变换器的拓扑结构中，因为开关电容变换器是通过开关管内阻来限制电容间充放电电流大小，当开关管的占空比为50％时，开关电容变换器中等效的电流有效值最小，电路损耗最小，效率最高，因此开关电容变换器的各开关管通常工作在50％的占空比，进而在图3所示的开关电容变换器的拓扑结构中，输入电压和输出电压通常是整数倍的关系，即图3所示的降压拓扑结构的输出电压与输入电压存在以下关系：输出电压＝n*输入电压，或输出电压＝输入电压/n，其中，根据开关管的不同配置，n可以为取值不同的正整数。

然而，开关电感变换器虽然可以实现灵活调压，但由于流经电感的电流较大，导致开关电感变换器的功率密度较小；开关电容变换器的功率密度虽然较高，但是输入电压和输出电压是固定的整数倍关系，不能够实现精确调压，即通常的，功率密度和灵活调压是互斥的指标，开关电感变换器和开关电容变换器都不能在高功率密度的基础上实现灵活调压。

技术实现要素：

本申请实施例提供一种dc/dc变换拓扑电路和装置，以克服通常的开关电感变换器和开关电容变换器都不能在高功率密度的基础上实现灵活调压的问题。

本申请实施例第一方面提供一种dc/dc变换拓扑电路，包括：感性储能模块和开关电容变换拓扑模块；其中，感性储能模块的一端与开关电容变换拓扑模块的电压跳动节点连接。因为本申请实施例中在开关电容变换拓扑模块的电压跳动节点接入感性储能模块，通过感性储能模块的限流作用，抑制开关电容变换拓扑模块中电容间充放电的冲击电流，使得在本申请实施例中，改变开关容变换拓扑模块中开关管的占空比时，对电路整体电流有效值的影响相对较小，因此可以在开关电容变换拓扑模块中任意改变开关管的占空比，实现输出电压的灵活调整，从而达到了在高功率密度的基础上实现灵活调压的效果。

在一种可能的设计中，变换拓扑电路为降压变换拓扑电路，感性储能模块的另一端用于连接电压输入端；开关电容变换拓扑模块的输出端用于连接电压输出端。这样，在降压的dc/dc变换场景中，可以达到灵活调压的同时保证较高效率的技术效果。

在一种可能的设计中，变换拓扑电路为升压变换拓扑电路，感性储能模块的另一端用于连接电压输出端；开关电容变换拓扑模块的输出端用于连接电压输入端。这样，在升压的dc/dc变换场景中，可以达到灵活调压的同时保证较高效率的技术效果。

在一种可能的设计中，开关电容变换拓扑模块包括：m级级联的开关电容调整单元，m为大于1的整数。本申请实施例中，通过m级级联的开关电容调整单元可以dickson结构的开关电容变换拓扑模块，利用该dickson结构的开关电容变换拓扑模块组成的dc/dc变换拓扑电路，可以达到灵活调压的同时保证较高效率的技术效果。

在一种可能的设计中，开关电容调整单元包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管和第一电容；其中，第一开关管的一端与第一电容的一端连接；第一电容的另一端分别与第二开关管的一端、第三开关管的一端连接；第二开关管的另一端与开关电容变换拓扑模块的输出端连接；第三开关管的一端接地；其中，第一开关管的一端为开关管电容变换单元的上级开关管电容变换单元连接端；第一开关管的另一端为开关管电容变换单元的下级开关管电容变换单元连接端；m级级联开关电容调整单元中，第一级开关电容调整单元中的第一开关管与第一电容的连接端为开关电容变换拓扑模块的电压跳动节点；第m级开关电容调整单元的第一开关管的另一端与开关电容变换拓扑模块的输出端连接。本申请实施例中，提供一种具体的dickson结构的开关电容变换拓扑模块的实现，利用该dickson结构的开关电容变换拓扑模块组成的dc/dc变换拓扑电路，可以达到灵活调压的同时保证较高效率的技术效果。

在一种可能的设计中，开关电容变换拓扑模块包括：第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第二电容、第三电容、第四电容和第五电容；其中，第四开关管的一端与第二电容的一端连接；第四开关管的另一端分别与第五开关管的一端、第三电容的一端连接；第五开关管的一端与第六开关管的一端连接；第六开关管的另一端分别与第七开关管的一端、第三电容的另一端、第五电容的一端连接；第七开关管的另一端分别与第八开关管的一端、第四电容的一端连接；第二电容的另一端与第四电容的另一端连接；第八开关管的另一端接地；第五电容的另一端接地；四开关管的一端与第二电容的一端的连接端为开关电容变换拓扑模块的电压跳动节点；第六开关管的另一端与第七开关管的一端的连接端为开关电容变换拓扑模块的输出端。本申请实施例中，提供一种具体的ladder结构的开关电容变换拓扑模块的实现，利用该ladder结构的开关电容变换拓扑模块组成的dc/dc变换拓扑电路，可以达到灵活调压的同时保证较高效率的技术效果。

在一种可能的设计中，电路还包括第六电容；第六电容的一端与感性储能模块的另一端连接；第六电容的另一端接地。这样，通过该与感性储能模块并联的电容，可以对感性储能模块的电压进行稳压、滤波等，可以使得感性储能模块的电压更加稳定。

在一种可能的设计中，电路还包括第七电容；第七电容的一端与开关电容变换拓扑模块的输出端连接；第七电容的另一端接地。这样，通过该与开关电容变换拓扑模块并联的电容，可以对开关电容变换拓扑模块的输出端的电压进行稳压、滤波等，可以使得开关电容变换拓扑模块的输出端的电压更加稳定。

在一种可能的设计中，感性储能模块包括电感。因为电感的成本较低，且采用电感作为感性储能模块时，dc/dc变换拓扑电路的电路构成较为简单，成本较低。

本申请实施例第二方面提供一种电子装置，包括：如上述第一方面和第一方面的各可能的dc/dc变换拓扑电路。其中，电子装置可以是供电模块，或者供电芯片。

应当理解的是，本申请实施例的第二方面与本申请实施例的第一方面的技术方案相对应，各方面及对应的可行实施方式所取得的有益效果相似，在此不再赘述。

附图说明

图1为现有的开关电感变换器的升压拓扑结构示意图；

图2为现有的开关电感变换器的降压拓扑结构示意图；

图3为现有的开关电容变换器的拓扑结构示意图；

图4为本申请实施例一的dcdc变换拓扑电路结构示意图；

图5为本申请实施例二的降压开关电容变换拓扑结构示意图；

图6为本申请实施例的一种具体降压开关电容变换拓扑结构示意图；

图7为本申请实施例的一种具体降压开关电容变换拓扑等效结构示意图；

图8为本申请实施例的另一种具体降压开关电容变换拓扑等效结构示意图；

图9为本申请实施例的另一种具体降压开关电容变换拓扑结构示意图；

图10为本申请实施例的又一种具体降压开关电容变换拓扑结构示意图；

图11为本申请实施例三的升压开关电容变换拓扑结构示意图；

图12为本申请实施例的一种具体升压开关电容变换拓扑结构示意图；

图13为本申请实施例的另一种具体升压开关电容变换拓扑结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b的情况，其中a,b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a,b,或c中的至少一项(个)，可以表示：a,b,c,a-b,a-c,b-c,或a-b-c，其中a,b,c可以是单个，也可以是多个。

另外，本申请实施例中，术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

图4为本申请实施例一的dc/dc变换拓扑电路结构示意图，如图4所示，本实施例提供的dc/dc变换拓扑电路包括：感性储能模块10和开关电容变换拓扑模块20；其中，该感性储能模块10的一端与该开关电容变换拓扑模块20的电压跳动节点200连接。

本申请实施例中，感性储能模块10可以具有感性储能器件的限流、储能作用。

在可选的实现方案中，感性储能模块10可以是一个电感，感性储能模块10也可以是由多个电感串联或并联构成的感性储能电路，或者其他的感性储能电路，本申请实施例对此不作具体限定。

本申请实施例中，感性储能模块10可以具有两个用于接入电路的端，该接入电路的两端可以不区分正负极，其中一端可以连接开关电容变换拓扑模块20的电压跳动节点200，另一端可以用于连接电压输出端或电压输入端。

本申请实施例中，开关电容变换拓扑模块20可以为任意形式的开关电容变换拓扑结构，示例的，可以是dickson结构的开关电容变换拓扑结构，也可以是ladder结构的开关电容变换拓扑结构，还可以根据具体的应用场景采用其他结构的开关电容变换拓扑结构，本申请实施例对此不作具体限定。

开关电容变换拓扑模块20的电压跳动节点200具体为：根据开关管的导通闭合，电压可以在大于0v的一定范围内跳动的节点。具体应用中，电压跳动节点的电压跳动范围与开关电容变换拓扑模块20的具体结构形式相关，在后续的实施例中将进行示例性说明，在此不进行赘述。

本申请实施例中，开关电容变换拓扑模块20可以具有两个用于接入电路的端，其中一端连接电压跳动节点200，另一端可以称为开关电容变换拓扑模块20的输出端，该开关电容变换拓扑模块20的输出端可以用于连接电压输入端或电压输出端。

本申请实施例中，在开关电容变换拓扑模块20的电压跳动节点200连接感性储能模块10，通过感性储能模块10的限流作用，抑制开关容变换拓扑模块20中电容间充放电的冲击电流，使得在本申请实施例中，改变开关容变换拓扑模块中开关管的占空比时，对电路整体电流有效值的影响相对较小，因此可以在开关电容变换拓扑模块中任意改变开关管的占空比，实现输出电压的灵活调整，从而达到了在高功率密度的基础上实现灵活调压的效果。

作为本发明实施例的一种可选实现方式，本申请实施例的dcdc变换拓扑电路既可以用于降压，构成降压开关电容变换拓扑，也可以用于升压，构成升压开关电容变换拓扑。

图5为本申请实施例二的降压开关电容变换拓扑结构示意图，如图5所示，本申请实施例中，感性储能模块10的一端连接开关电容变换拓扑模块20的电压跳动节点200，该感性储能模块10的另一端用于连接电压输入端；该开关电容变换拓扑模块20的输出端用于连接电压输出端，构成降压开关电容变换拓扑。

下面结合图6说明本申请实施例的降压开关电容变换拓扑结构的降压原理。图6为开关电容变换拓扑模块20为dickson结构的降压开关电容变换拓扑结构，如图6所示，本申请实施例中，可选的，该感性储能模块10包括电感l。

可选的，该开关电容变换拓扑模块20包括：m级级联的开关电容调整单元201，m为大于1的整数。

如图6所示的开关电容变换拓扑模块20中，包括了两级开关电容调整单元201。该两级开关电容调整单元201中与电感l连接的一级为第一级开关电容调整单元，与该第一级开关电容调整单元连接的下级开关电容调整单元为第二级开关电容调整单元。

在本申请实施例的一种可选实现方式中，该开关电容调整单元包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管和第一电容；其中，该第一开关管的一端与该第一电容的一端连接；该第一电容的另一端分别与该第二开关管的一端、该第三开关管的一端连接；该第二开关管的另一端与该开关电容变换拓扑模块的输出端连接；该第三开关管的一端接地；其中，该第一开关管的一端为该开关管电容变换单元的上级开关管电容变换单元连接端；该第一开关管的另一端为该开关管电容变换单元的下级开关管电容变换单元连接端；第一级该开关电容调整单元中的第一开关管与第一电容的连接端为该开关电容变换拓扑模块的电压跳动节点；第m级该开关电容调整单元的第一开关管的另一端与该开关电容变换拓扑模块的输出端连接。

作为本申请实施例的一种可选实现方式，开关管可以是晶体管(metaloxidesemiconductor，mos)，也可以是场效应晶体管(fieldeffecttransistor，fet)，也可以是任意形式的可控开关器件，本申请实施例对开关管的具体形式不作限定。

示例的，如图6所示，第一级开关电容调整单元中，第一开关管为s11，第二开关管为s12，第三开关管为s13，第一电容为c11。第二级开关电容调整单元中，第一开关管为s21，第二开关管为s22，第三开关管为s23，第一电容为c12。

在工作过程中，可以将s11、s13和s22作为第一组同步开关，将s21、s23和s12作为第二组同步开关。第一组同步开关的占空比为d，第二组同步开关的占空比为1-d。

在第一组同步开关开通时，第二组同步开关关闭，图6的等效电路为图7所示，c12串联在电压输入端vin与电压输出端vo之间，c11并联在c12与vo串联的支路上。

c12的电压为vo，因此，c11靠近vo一端的电压为vo+vo＝2vo，电压跳动节点的电压为2v0，电压输入端vin向电感充电。

在第二组同步开关开通时，第一组同步开关关闭，图6的等效电路为图8所示，c11串联在电压输入端vin与电压输出端vo之间，c12并联在电压输出端vo上。

因此，c12的电压为vo，c11靠近vo一端的电压为2vo，c11的电压为vo，电压跳动节点的电压为2vo+vo＝3vo，电感向外放电。

根据伏秒平衡原理可以列出公式：toff*(3vo-vin)＝ton*(vin-2vo)，其中，ton为第一组同步开关开通的开通时长(或第二组同步开关开通的关闭时长)，toff为第二组同步开关开通的开通时长(或第一组同步开关开通的关闭时长)，d为ton/(ton+toff)。进而可以得到vo＝vin/(3-d)。

具体的，伏秒平衡原理为：当开关电源电路处于稳态工作时，一个开关周期内电感的电流变化量最终为零，即开关导通时通过电感的电流增加量和开关断开时电感的电流减少量是相等的。换句话说，处于稳定工作状态的开关电路中，一个周期因开关作用被分为两段，其中开关导通时间内电感电流在增加，开关关断时间内电感电流在减少，那么在一个周期内，电流的增加量与电流的减少量是相等的。

本申请实施例中，因为占空比的取值范围为(0，1)，因此通过调整占空比d，可以实现vo在(vin/3，vin/2)之间调压，且因为电感接在高电压侧，相对于传统降压电流小，损耗小，因此效率更高。

可以理解，实际应用中，还可以根据实际的应用场景，确定具体的m值，示例的，如图9所示，示出了m为3的一种dc/dc变换拓扑电路，m大于3的dc/dc变换拓扑电路可以基于相似的原理得出，本申请实施例对此不作具体限定。

具体应用中，dickson结构的开关电容变换拓扑结构中，通常会引入变比n的概念，变比n与dickson结构的开关电容变换拓扑结构中包含的开关管的个数x有关，具体的，x＝3*n-3。

对于不同m的降压开关电容变换拓扑结构，可以根据降压开关电容变换拓扑结构所包含的开关管的个数确定变比n，该通过调整占空比d，可以实现vo在(vin/n，vin/(n-1))之间调压，且因为电感接在高电压侧，相对于传统降压电流小，损耗小，因此效率更高。

作为本申请实施例的一种可选实现方式，在电压输入端可以并联电容，通过该并联的电容对电压输入端的电压进行稳压、滤波等，可以使得电压输入端的电压更加稳定。

作为本申请实施例的一种可选实现方式，在电压输出端可以并联电容，通过该并联的电容对电压输出端的电压进行稳压、滤波等，可以使得电压输出端的电压更加稳定。

图10为开关电容变换拓扑模块20为ladder结构的降压开关电容变换拓扑结构示意图，如图10所示，本申请实施例中，可选的，该感性储能模块10包括电感l。

可选的，该开关电容变换拓扑模块包括：第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第二电容、第三电容、第四电容和第五电容；其中，该第四开关管的一端与该第二电容的一端连接；该第四开关管的另一端分别与该第五开关管的一端、该第三电容的一端连接；该第五开关管的一端与该第六开关管的一端连接；该第六开关管的另一端分别与该第七开关管的一端、该第三电容的另一端、该第五电容的一端连接；该第七开关管的另一端分别与该第八开关管的一端、该第四电容的一端连接；该第二电容的另一端与该第四电容的另一端连接；该第八开关管的另一端接地；该第五电容的另一端接地；该四开关管的一端与该第二电容的一端的连接端为该开关电容变换拓扑模块的电压跳动节点；该第六开关管的另一端与该第七开关管的一端的连接端为该开关电容变换拓扑模块的输出端。

如图10所示，第四开关管为s4，第五开关管为s5，第六开关管为s6，第七开关管为s7，第八开关管为s8，第二电容为c2，第三电容为c3，第四电容为c4，第五电容为c5。

在工作过程中，可以将开关管中从vin开始数的奇数的开关管作为一组同步开关，偶数的开关管作为一组同步开关，则对应于图10，s4、s6和s8作为第一组同步开关，将s5和s7作为第二组同步开关。第一组同步开关的占空比为1-d，第二组同步开关的占空比为d。根据图10的电路可以得到，vo＝vin/(3-d)。

具体应用中，ladder结构的开关电容变换拓扑结构中，通常也可以引入变比n的概念，变比n与ladder结构的开关电容变换拓扑结构中包含的开关管的个数x有关，具体的，x＝2*n-1。

对于不同的降压开关电容变换拓扑结构，可以根据降压开关电容变换拓扑结构所包含的开关管的个数确定变比n，该通过调整占空比d，可以实现vo在(vin/n，vin/(n-1))之间调压，且因为电感接在高电压侧，相对于传统降压电流小，损耗小，因此效率更高。

可以理解，实际应用中，ladder结构的开关电容变换拓扑结构中，开关管的个数以及适应的拓扑结构可以根据需求进行设定，本申请实施例对此不作具体限定。

图11为本申请实施例三的升压开关电容变换拓扑结构示意图，如图11所示，本申请实施例中，感性储能模块10的一端连接开关电容变换拓扑模块20的电压跳动节点200，该感性储能模块10的另一端用于连接电压输出端；该开关电容变换拓扑模块20的输出端用于连接电压输入端，构成升压开关电容变换拓扑。

在一种具体的可实现方式中，本申请实施例的dcdc变换拓扑电路可以作为插件实现，在使用中，只需要改变本申请实施例的dcdc变换拓扑电路接入电压输入端和电压输出端的方向，就可以灵活的实现升压或降压。

示例的，图12示出了本申请实施例的一种开关电容变换拓扑模块20为dickson结构的升压开关电容变换拓扑结构示意图。

图12的开关电容变换拓扑模块20为dickson结构的升压开关电容变换拓扑与图6的开关电容变换拓扑模块20为dickson结构的降压开关电容变换拓扑的区别在于，图12的感性储能模块10的另一端用于连接电压输出端；开关电容变换拓扑模块20的输出端用于连接电压输入端，在此不再赘述图12的具体连接关系。

基于图6对应的实施例相似的原理，图12中，可以得到vo＝vin*(3-d)。通过调整占空比d，可以实现vo在(2vin，3vin)之间调压，且相对于传统降压电流小，损耗小，因此效率更高。

具体应用中，dickson结构的开关电容变换拓扑结构中，通常会引入变比n的概念，变比n与dickson结构的开关电容变换拓扑结构中包含的开关管的个数x有关，具体的，x＝3*n-3。

对于不同的升压开关电容变换拓扑结构，可以根据升压开关电容变换拓扑结构所包含的开关管的个数确定变比n，该通过调整占空比d，可以实现vo在(vin*(n-1)，vin*n)之间调压，且相对于传统升压电流小，损耗小，因此效率更高。

作为本申请实施例的一种可选实现方式，在电压输入端可以并联电容，通过该并联的电容对电压输入端的电压进行稳压、滤波等，可以使得电压输入端的电压更加稳定。

作为本申请实施例的一种可选实现方式，在电压输出端可以并联电容，通过该并联的电容对电压输出端的电压进行稳压、滤波等，可以使得电压输出端的电压更加稳定。

示例的，图13示出了本申请实施例的一种开关电容变换拓扑模块20为ladder结构的升压开关电容变换拓扑结构示意图。

图13的开关电容变换拓扑模块20为ladder结构的升压开关电容变换拓扑结构与图10的开关电容变换拓扑模块20为ladder结构的降压开关电容变换拓扑结构的区别在于，图13的感性储能模块10的另一端用于连接电压输出端；开关电容变换拓扑模块20的输出端用于连接电压输入端，在此不再赘述图13的具体连接关系。

基于图10对应的实施例相似的原理，图13中，可以得到vo＝vin*(3-d)。通过调整占空比d，可以实现vo在(2vin，3vin)之间调压，且相对于传统降压电流小，损耗小，因此效率更高。

具体应用中，ladder结构的开关电容变换拓扑结构中，通常也可以引入变比n的概念，变比n与ladder结构的开关电容变换拓扑结构中包含的开关管的个数x有关，具体的，x＝2*n-1。

对于不同的升压开关电容变换拓扑结构，可以根据升压开关电容变换拓扑结构所包含的开关管的个数确定变比n，该通过调整占空比d，可以实现vo在(vin*(n-1)，vin*n)之间调压，且相对于传统升压电流小，损耗小，因此效率更高。

本申请实施例的任一dc/dc变换拓扑电路，可以应用在48v转5v、5v转1v等任意的电压变换场景中，并达到灵活调压的同时保证较高效率的技术效果。

示例性的，在上述图4至图13所示的实施例的基础上，本申请实施例还提供一种芯片，该芯片中可以集成如图4至图13的实施例中的任意一种dc/dc变换拓扑电路。

示例性的，在上述图4至图13所示的实施例的基础上，本申请实施例还提供一种供电模块，该供电模块中可以包括如图4至图13的实施例中的任意一种dc/dc变换拓扑电路。

示例性的，在上述图4至图13所示的实施例的基础上，本申请实施例还提供一种电子装置，该电子装置中可以包括如图4至图13的实施例中的任意一种dc/dc变换拓扑电路。

其中，电子装置可以包括但不限于：如手机、平板电脑、台式电脑、笔记本等终端装置、或者如开关电源等任何需要实现dc/dc变换的电子装置。

需要说明的是，本申请各实施例提到的“连接”一词可以是通过导线直接相连，也可以是通过一个或多个第三方元件相连，本实施例对此不作限制。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。