导言
开关电容改换器（Switched Capacitor Convert-er）仅由电容器和开关管来完成电压的改换。因为不含电感和变压器，因而能够大大缩小开关电源的体积和分量，而且易于在芯片中完成集成。
传统的开关电容改换器存在一个固有的缺陷：在电容周期性的充放电进程中会发生很大的尖峰电流。这将导致改换器的功率跟着输出电流的添加而急剧下降。因而，传统的开关电容改换器只能使用在输出电流很小的场合。其功率一般低于80%。
本文提出了一种谐振型开关电容改换器拓扑。与传统的开关电容改换器比较，该改换器的充放电电容作业在谐振状况，而且一切的开关管能够完成零电流开关，因而，谐振型开关电容改换器不存在电流尖峰问题，能够应用于输出电流较大的场合。其改换器功率也大大提高，一般在90％左右。
1、 谐振型开关电容改换器的作业原理
图1所示为传统的三倍压开关电容改换器电路。在此电路中，当S1、S2和S3轮番导通时，电容C1及C2在充放电进程中会发生很大的尖峰电流（如图3所示）。因为电路中寄生阻抗的必定存在，此电流将导致较大的能量损耗。而减小电路内部的寄生阻抗将会使电容充放电进程中发生更大的尖峰电流，因而，此办法并不能削减能量损耗。
图2所示为一谐振型开关电容改换器拓扑。经过添加一个很小的谐振电感Lr，该改换器能够消除尖峰电流问题。其作业进程如下：当S1导通，s2及s3截止时，电源Vs经过Lr和D1、D2、D3一起给电容C1及C2充电，因为电感Lr的存在，C1及C2并联后与Lr串联谐振。C1及C2上的均匀直流电压为Vs。此刻负载由电容Co供电。当S2及S3导通，S1截止时，二极管D1、D2、D3均接受反向电压而截止。电源Vs经过Lr和C1及C2串联升压后给电容Co和负载供电，因而该改换器为三倍压升压式开关电容改换器。放电进程中C1及C2串联后和Lr串联谐振。
由上面的剖析可知，谐振型开关电容改换器作业进程中，充放电电容均作业在谐振状况，其电流必定为正弦波。图3比较了两种不同的开关电容改换器电容电流的波形。明显，谐振型开关电容改换器功能更优越。
2、 数学剖析
2.1 作业进程剖析
图4给出了谐振型开关电容改换器作业进程中的典型波形。下而将每个作业周期分为4个不同的状况进行剖析。
2.1.1 状况1［to-t1］
to时刻S1注册，S2及S3现已截止。C1及C2并联后与Lr、Vs串联。此刻，C1及C2均与电感Lr串联谐振。谐振电流从to时刻由0开端上升，因而S1零电流注册。t1时刻谐振电流经过半个周期后回到零，因为二极管D1、D2、D3的存在，电流没有反向通道，谐振完毕。取C1=C2=C，此进程中的电路状况方程为
2.1.2 状况2［t1-t2］
S2及S3坚持截止。因为D1、D2、D3的存在，在t1时刻谐振电流降到零后，谐振完毕，电源中止给C1及C2充电，电感电流坚持零不变。在此期间关断S1，则S1为零电流关断。此进程中的电路状况方程为
2.1.3 状况3［t2-t3］
t2时刻S2及S3注册，S1现已截止。C1、C2、Lr、Vs四者串联向Co和负载供电。此刻C1、C2、Lr三者串联谐振。谐振电流从t2时刻由O开端上升，因而S2及S3为零电流注册。t3时刻谐振电流经过半个周期后回到零，因为二极管D4的存在，电流没有反向通道，谐振完毕。此进程中的电路状况方程为
2.1.4 状况4［t3-t4］
S1坚持截止。因为D4的存在，在t3时刻谐振电流降到零后，谐振完毕，电源中止给负载供电，电感电流坚持零不变。在此期问，关断S2及S3，则S2及S3为零电流关断。此进程中的电路状况方程为
式中：VC3为vC在t3时刻的值。
2.2 解数学方程
关于整个作业周期，由输入功率等于输出功率能够得到
3 、参数规划
3.l 规划标准
Vs=4V，Io=l A。开关频率，fs=200kHz。
3.2 导通时刻
在每个开关周期中，设S1管的导通时刻为TS1，S2及S3管的导通时刻为TS2，取TS1=2TS2。为了完成零电流开关，谐振周期要略小于开关管的导通时刻，可取
3.1.3 谐振电容挑选
谐振电容C1及C2上的纹波电压应该小于它们的直流电压。由式（10）～式（17）可知，C1及C2上的纹波电压峰峰值为
3.4 输出电容挑选
输出电容Co是一个很大的电容，它用来确保输出电压V。根本不变。Co的值能够由根本的电容纹波电压定论核算。
4、 试验成果
根据图2和上面的参数规划，研发了一台三倍压谐振型开关电容改换器。在输出电流为1 A的时，所测的波形如图5所示。
图5（c）中CH2光标指示处为40 V基准点，其他一切光标所指均为0基准点。由图5能够看出电路中的电压电流波形根本没有严峻的寄生震动。从图5（b）能够看出开关器材S1、S2及S3均为零电流开关，电容充放电进程中的电流波形是按谐振的正弦波改变。图5中各波形与理论剖析相吻合。表l给出了输出电流改变时，所测得的数据。能够看出电路输出功率在O～100 W改变时，改换器的功率在90％邻近。
5 、结语
本文介绍了一种三倍压谐振型开关电容改换器。文中剖析了该改换器的作业原理，建立了其数学模型，给出了参数规划办法，试验成果验证了理论剖析的正确性。谐振型开关电容改换器经过添加一个很小的谐振电感能够使电路中的一切开关器材完成在零电流开关，开关损耗和EMI问题大大下降，改换功率高。试验成果表明，该改换器的作业功率在90％左右。一起，电流尖峰问题也得到消除。
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