關(guān)于開(kāi)關(guān)電容電路設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí) - 全文

本文將列舉出了關(guān)于設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電容電路過(guò)程中的3種情況，一個(gè)是恒壓源Vo給電容C充電的問(wèn)題，第二個(gè)是電壓為Vo的電容如何給一個(gè)電壓為V1的電容充電問(wèn)題等。本文將會(huì)進(jìn)行詳細(xì)的解說(shuō)。

偶然點(diǎn)到這個(gè)問(wèn)題，這是一個(gè)很有意思的現(xiàn)象，恰好我最近就在學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電容電路（switched capacitor converter），愿意和大家探討學(xué)習(xí)一下。

首先我們看第一種情況：一個(gè)恒壓源Vo給電容C充電

可以看到電壓源損失的能量是CVo^2， 而電容C上獲得的能量是0.5CVo^2，那么一半的能量在充電過(guò)程中損失了。如果我們假設(shè)開(kāi)關(guān)是理想的，Ron=0，那么loss是那里產(chǎn)生的呢？有答案認(rèn)為是電磁輻射發(fā)散出去的。我們知道，如果開(kāi)關(guān)是理想的，在接通開(kāi)關(guān)的一瞬間，開(kāi)關(guān)上流過(guò)的電流是無(wú)窮大的，一個(gè)無(wú)窮大的電流流過(guò)Ron=0的開(kāi)關(guān)，產(chǎn)生的loss其實(shí)是一個(gè)取極限的結(jié)果：。不管怎樣，我們知道了一個(gè)恒壓源Vo給電容C充電要有0.5CVo^2的loss.

第二種情況：一個(gè)電壓為Vo的電容給一個(gè)電壓為V1的電容充電（Vo》V1），兩者電容值都是C，我們?nèi)匀患僭O(shè)開(kāi)關(guān)是理想的，Ron=0.

可以看到V0電容損失的能量是CVo（Vo-V1）， 而V1電容上獲得的能量是0.5C（Vo^2-V1^2），充電過(guò)程中損失的loss是0.5*C（V0-V1）^2，所以，我們可以看到電壓不同的電容之間充電也會(huì)有l(wèi)oss的。

那么有些不死心的朋友要問(wèn)了：有沒(méi)有情況下給電容充電是無(wú)損（lossless）的呢？答案是有的，我們來(lái)看第三種情況：一個(gè)電流源I給電容充電，把電容的電壓從V1提升到V0.

可以看到電流源I損失的能量等于電容上得到的能量等于0.5C（Vo^2-V1^2），充電過(guò)程是無(wú)損的！

以上就是開(kāi)關(guān)電容電路（switched capacitor converter）的loss雛形，那么我們?yōu)槭裁匆M(fèi)盡心思搞這個(gè)有l(wèi)oss的switched capacitor converter呢？這是因?yàn)樵趯?shí)際生活中，好電容易得，但好電感難求！尤其是在集成電路（integrated circuit）領(lǐng)域，magnetics（比如電感、變壓器）是很難集成到芯片里面的，如果我們只用電容和transistor搭建一個(gè)converter，功率密度（power density）會(huì)極大提高！1k-2k W/inch3 的converter也是有可能做出來(lái)的！

舉一個(gè)例子，我們來(lái)看一個(gè)最經(jīng)典結(jié)構(gòu)： 2-1 ladder switched capacitor converter。其中g(shù)ate signal：Q1與Q3同時(shí)開(kāi)啟與關(guān)閉，Q2與Q4同時(shí)開(kāi)啟與關(guān)閉。g1與g2，g3與g3是half bridge，也就是兩對(duì)complementary開(kāi)關(guān)的管子。Marek和Dragan在1995年一篇TPE ［1］ 上提出任何switched capacitor converter都可以建模成一個(gè)DC變壓器和一個(gè)輸出電阻Ro，DC變壓器的變壓比M代表了converter的conversion ratio，輸出電阻Ro代表了Converter的Loss。這里存在一個(gè)所謂的“Fast Switching Limit”和“Slow Switching Limit”問(wèn)題了。這是什么意思呢？就是說(shuō)SC converter在不同頻率下代表Loss的Ro是不同的！那么如何求出M和RFSL（Fast Switching Limit Rout）和RSSL（slow Switching Limit Rout）成了我們關(guān)心的問(wèn)題。

Mike.Seeman大神在他MS thesis ［2］ 里面詳細(xì)闡述了這個(gè)問(wèn)題，他用的是charge flow analysis，意思就是求出每個(gè)情況下通過(guò)各個(gè)elements的charge，然后進(jìn)行M和loss Ro的計(jì)算。具體細(xì)節(jié)我就不贅述了，我自己瞎逼推導(dǎo)了一下，大家隨便看看。

Conversion Ratio M：

Slow Switching Limit：

Fast Switching Limit：

最終，我們把Switched Capacitor Converter進(jìn)行了簡(jiǎn)單的建模：

值得注意的是，Loss Ro的計(jì)算只考慮的conduction loss，而且是用平均電流代替了RMS電流來(lái)計(jì)算loss，沒(méi)有考慮switching loss和gating loss，所以這只是一個(gè)很粗糙的模型，只是讓我們直觀感受一下converter loss與開(kāi)關(guān)頻率frequency的關(guān)系。我們其實(shí)希望SC converter工作在FSL范圍內(nèi)，這樣的loss比SSL內(nèi)小，但是我們又不希望頻率過(guò)高，這樣會(huì)帶來(lái)其他switching loss和gating loss的損失。

SC Converter的好處例如high power density，利于集成等優(yōu)點(diǎn)說(shuō)了很多，但是缺點(diǎn)也是不容忽視的：比如conversion ratio固定，不能regulate output voltage；transient current很大。那么我們有沒(méi)有辦法解決這個(gè)問(wèn)題呢？答案是有的，解決的手段就是用hybrid/resonant switched capacitor converter（還記得在第三幅圖中電流源I給電容充電是無(wú)損的那個(gè)例子嗎？）。在topology方面，我們?cè)赟C converter的輸出或輸入端串聯(lián)一個(gè)傳統(tǒng)的buck或者boost converter，或者在tank里面引入resonant電感，來(lái)實(shí)現(xiàn)soft charge和regulation。在control方面我們可以有frequency and/or phase shift control。具體細(xì)節(jié)這里就不再贅述了。

PS. 比起前面花里胡哨的charge flow analysis來(lái)分析Loss，Sarah和Jason Stauth大神在COMPEL 2016上提出了switched capacitor和 Hybrid/Resonant Switched-Capacitor Converters的Ro的通式 Ro（fs） ，對(duì) Ro（fs）取fs-》0和fs-》inf 兩端極限就可以得到“Fast Switching Limit”和“Slow Switching Limit”的Ro了?？芍^重劍無(wú)鋒，大巧不工，這篇文章獲得了2016 COMPEL最佳文章之一。