CN102055332B - 滞后控制降压-升压变换器 - Google Patents

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Abstract

一种装置包括用于响应于输入电压而产生经调节输出电压的降压升压变换器。该降压升压变换器包括电感器、响应于第一PWM信号的第一对开关晶体管和响应于第二PWM信号的第二对开关晶体管。误差放大器响应于经调节输出电压和基准电压产生误差电压。控制电路响应于误差电压和感测电流电压而产生第一PWM信号和第二PWM信号，该感测电流电压响应于流过电感器的感测电流。控制电路利用第一PWM信号和第二PWM信号控制第一对开关晶体管和第二对开关晶体管的切换，该第一PWM信号和第二PWM信号响应于流过电感器的感测电流和基于误差电压的多个偏移误差电压。

Description

滞后控制降压-升压变换器
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年10月15日提交的题为“滞后控制降压-升压变换器（HYSTERETIC CONTROLLED BUCK-BOOST CONVERTER）”的美国临时申请No.61/252,054的权益，该申请通过引用结合于此。
技术领域
本发明涉及降压-升压变换器，更具体地涉及一种用于滞后控制降压-升压变换器的***和方法。
背景技术
在具有宽输入电压范围的DC/DC变换器中，采用了若干种拓扑结构。这些拓扑结构包括级联降压-升压变换器、4开关降压-升压变换器、SEPIC以及Cuk变换器。与其它单开关拓扑结构相比，以增加开关元件为代价的典型4开关降压变换器（单电感器或非反相降压-升压变换器）获得了较好的性能。这些类型的变换器在诸如便携式电子设备的许多应用中变得很普遍。
典型地，基于输入电压和输出电压之间的关系，降压-升压变换器工作在三种不同的操作模式下。这些模式包括降压操作模式、升压操作模式以及降压-升压操作模式。最关键的问题是实现这些操作模式之间的平滑转换。有许多方案可实现各操作模式之间的平滑模式转换。这些方案中的大部分都能够使开关以标称切换频率在降压-升压模式下工作，而且在降压模式或升压模式下只使用两个开关。然而，这些结构使得降压-升压操作模式下的开关损耗增加。所以亟需能够将开关损耗减到最小、并且能够实现各操作模式之间的平滑转换的一些控制方式。
发明内容
如文中所公开和所描述，本发明的一个方面包括一种装置，该装置包括用于响应于输入电压产生经调节输出电压的降压-升压变换器。该降压-升压变换器包括电感器、响应于第一对PWM信号的第一对开关晶体管以及响应于第二PWM信号的第二对开关晶体管。误差放大器响应于经调节输出电压产生误差电压。控制电路响应于误差电压和感测电流电压产生第一PWM信号和第二PWM信号，该感测电流电压响应于通过电感器的感测电流。控制电路分别利用第一和第二PWM信号控制第一对开关晶体管和第二对开关晶体管的切换，该第一和第二PWM信号分别响应于通过电感器的感测电流和基于误差电压的多个偏移误差电压。
附图说明
为便于更完整地理解，参照结合附图进行的以下描述，其中：
图1是降压-升压变换器的示意图；
图2示出用于对图1的电路产生PWM控制信号的控制电路；
图3示出示出滞后控制电路的操作的流程图；
图4示出包括滞后电压模式控制电路的降压-升压变换器的详细示意图；
图5是示出降压-升压变换器在降压操作模式下的操作的时序图；
图6是示出降压-升压变换器在升压操作模式下的操作的时序图；
图7是示出降压-升压变换器在降压-升压操作模式下的操作的时序图；
图8示出了开关频率FSW和电压窗口VHW基于输入电压V输入和输出电压V输出之差而变化的方式；
图9示出了用于产生电压VHW的电路；
图10示出了响应于开关频率的变化来调节电压窗口的方式；以及
图11是用于产生PWM调制器的合成纹波电流信号I纹波的电路。
具体实施方式
现在参照附图，在附图中使用相同的附图标记表示相同部件，说明并描述了一种滞后控制降压-升压变换器的各视图和实施方式，并且描述了其它可能的实施方式。附图不一定按照比例绘制，在一些情况下，出于说明目的，附图在有些地方被放大和/或简化。基于以下可能实施例的示例，本领域技术人员将会理解许多可能的应用和变形。
对于具有宽输入电压范围的DC/DC变换器来说，可采用若干种拓扑结构，例如级联升压-降压、4开关降压-升压、SEPIC和Cuk变换器。与其它的单开关拓扑结构相比，典型的4开关降压变换器，也称为单电感器或非反相降压-升压变换器以增加开关元件为代价实现较好的性能。这些类型的变换器在诸如便携式电子设备的许多应用中变得很普遍。
典型地，基于输入电压和输出电压之间的关系，降压-升压变换器工作在三种不同的操作模式下。这些模式包括降压操作模式、升压操作模式以及降压-升压操作模式。最关键的问题是实现这些操作模式之间的平滑转换。有许多方案可实现各操作模式之间的平滑模式转换。这些方案中的大部分都能够使开关以标称切换频率在降压-升压模式下工作，而且在降压模式或升压模式下只使用两个开关。这些结构使得降压-升压操作模式下的开关损耗增加。
现在参考附图，尤其是图1，示出了4开关降压-升压变换器100的示意图。降压-升压变换器100包括施加输入电压V输入的输入电压节点102。第一开关晶体管Q1104具有连接在节点102与SWA节点106之间的漏极/源极通路。第二开关晶体管108具有连接在节点106与地之间的漏极/源极通路。驱动器110连接到晶体管104的栅极并连接用于接收第一PWM控制信号PWMA。第二反相驱动电路112连接到晶体管108的栅极并且也连接用于接收PWMA控制信号。电感器114连接在SWA节点106与SWB节点116之间。节点118提供输出电压V输出。晶体管120具有连接在节点118和SWB节点116之间的漏极/源极通路。晶体管122具有连接在节点116和地之间的漏极/源极通路。反相驱动器126连接到晶体管120的栅极。驱动器126在其输入端接收的PWMB控制信号。PWMB控制信号还被提供给其输出端连接到晶体管122的栅极的驱动器128的输入端。
降压-升压变换器100工作在降压操作模式、升压操作模式或降压-升压操作模式以对输出电压V输出进行调节。输出电压V输出可以大于、小于或者等于输入电压V输入。为了减小开关损耗，当输入电压明显不同于输出电压时，图1所示的四个开关中就只有两个开关在工作。当输入电压V输入大于输出电压V输出时，晶体管120导通，晶体管122截止，晶体管104和108以与降压DC/DC变换器相似的方式进行切换。当输入电压V输入小于输出电压V输出时，晶体管104导通，晶体管108截止，晶体管120和122以常规升压变换器的方式进行工作。当输入电压基本等于输出电压，例如，当V输入和V输出分别为46伏和48伏时，常规4开关降压-升压变换器中的开关每周期导通和截止一次。这使得开关损耗明显高于降压或升压操作模式下的开关损耗。
4开关降压-升压变换器100包括5个不同的操作模式。在充电模式下，当PWMA信号处于逻辑“1”电平且PWMB信号处于逻辑“1”电平时，SWA节点106耦合到输入电压V输入，而SWB节点116接地。这使得流过电感器114的电感器电流增大。在放电操作模式下，当PWMA信号和PWMB信号中的每一个都处于逻辑“0”电平时，SWA节点106接地，同时SWB节点116耦合到输出电压V输出。因此，在这种操作模式下电感电流连续增加。
在直通操作模式下，当PWMA信号处于逻辑“1”电平且PWMB处于逻辑“0”电平时，SWA节点106耦合到输入电压V输入，且SWB节点116耦合到输出电压V输出。因此，当输入电压大于输出电压时电感器电流增加，或当输入电压小于输出电压时电感器电流减小。
在续流操作模式下，当PWMA信号处于逻辑“0”电平且PWMB处于逻辑“1”电平时，SWA节点106和SWB节点116均接地。因此在这种状态下，电感器电流只有少许变化。最后，在关断操作模式下，当PWMA和PWMB信号中的每个都被禁用时，当电感器电流降到零时所有开关晶体管都关断以进行二极管仿真或不连续导通操作模式。
当输入电压与输出电压明显不同时，4开关降压-升压变换器中的仅两个开关工作。因此，降压-升压变换器将在充电和直通模式之间或者在放电和直通模式之间切换。根据本发明的一个实施方式，当输入电压基本接近输出电压时，降压-升压变换器利用下文将会详细描述的滞后比较器来确定操作模式。
现在参考图2，示出了利用滞后变换器以产生控制图1的降压-升压变换器100的开关晶体管的PWMA和PWMB控制信号的的控制电路的一个实现方式。图2的控制电路200实现两阈值滞后比较器，该比较器感测流过电感器114的降压-升压变换器100的输出电流以确定变换器的操作模式。降压-升压变换器100适于具有基于输入电压的切换频率，所以当其工作于降压-升压操作模式下时导致较低的切换频率。这样实现较高的总效率。
图2的控制电路变换器包括用于在节点202处接收误差放大器的输出COMP的第一输入端。误差放大器信号COMP被施加给第一加法电路204，其中误差放大器信号被叠加到偏移电压VHW以产生COMP_B1偏移电压信号。误差放大器信号也被施加到加法电路206。加法电路206将误差放大器信号与偏移电压VHW相加，以产生信号偏移电压COMP_A。COMP_B1偏移电压信号作为偏移VTW被施加到加法电路208。加法电路208将这些值相加并产生信号偏移电压COMP_A1。COMP_A偏移电压信号与偏移VTW一起被施加到加法电路210以产生信号偏移电压COMP_B。
COMP_A1偏移电压信号被施加到比较器212的反相输入端。比较器212的非反相输入端连接以接收流过电感器114的电感电流ISEN的电压表示（ISEN）。第二比较器214连接以在其非反相输入端接收COMP_A偏移电压信号，以及在其反相输入端接收ISEN信号。比较器212的输出被施加到SR锁存器216的R输入端。比较器214的输出端连接到SR锁存器216的S输入端。SR锁存器216的Q输出端提供PWMA偏移电压信号。
来自加法电路204的COMP_B1偏移电压信号被施加到比较器218的反相输入端。比较器218的非反相输入端连接以接收ISEN信号。比较器218的输出端连接到SR锁存器220的R输入端。SR锁存器220的S输入端连接到比较器222。比较器222的反相输入端连接到ISEN信号，而其非反相输入端连接以接收来自加法电路210的COMP_B偏移电压信号。SR锁存器220的输出端产生PWMB信号。
如图2所示的滞后变换器提供基于误差放大器的输出COMP而产生的两个窗口电压（COMP_B到COMP_B1；COMP_A到COMP_A1）。感测的电感器电流被转换成电压值ISEN并与窗口电压COMP_A和COMP_A1进行比较，以产生施加到图1的晶体管104和108的PWMA信号。同样，用于晶体管120和122的PWMB信号通过将转换成电压ISEN的感测电感器电流信号与窗口电压COMP_B和COMP_B1进行比较而产生。
偏移电压VHW限定了电感器电流纹波的滞后窗口电压。偏移电压VTW被选择成具有相对较小值。在一个示例中，COMP为2伏，VHW为2.2伏，VTW为2.3伏。
图2的电路示出了两阈值滞后比较器，该比较器对降压-升压变换器的输出电流进行感测以确定变换器的操作模式。因此变换器适于具有基于其输入电压的切换频率，从而当其工作于降压-升压模式下时导致较低的切换频率并且实现较高的效率。在一些应用中，不需要保持恒定的切换频率。为了提高降压-升压变换器100的工作效率，必须尽可能地保持低切换频率。当输入电压基本接近输出电压时，即降压-升压操作模式时，由于输入电压和输出电压都被施加到电感器，所以电感电流在直通模式下变化量小。因此，能够在长时间内保持于直通模式。图2所示的实现方式基于输出电压纹波需求创建了电感电流纹波窗口，因此只要电感器纹波电流维持在期望窗口之内就能够避免切换操作需求。这导致较低的切换频率。滞后变换器根据下面的协议操作，以使电感器电流保持在根据像电感器电流纹波之类的***参数所限定的期望滞后窗口之内。
当电感器电流超出期望上限窗口（COMP_B1）时，变换器切换到直通操作模式。如果电感器电流不下降，则变换器切换到放电操作模式以减小电感器电流。
当电感器电流低于期望下限窗口（COMP_A）时，变换器切换到直通操作模式。如果电感器电流不增加，则变换器切换到充电操作模式以增加电感器电流。
当误差放大器输出电压下降到较低的饱和状态时，变换器暂时进入续流操作模式，以降低负载释放期间的输出过冲电压。变换器在误差放大器退出其饱和状态时将会返回到直通操作模式。最后，对于二极管仿真操作模式而言，当电感器电流降低为零时，所有开关都关断。
现在参考图3，其示出了描述滞后变换器中的上述协议的操作流程图。在步骤302中测量电感器电流，而询问步骤304确定电感电流是大于还是小于规定的滞后窗口。如果小于期望窗口，则询问步骤306确定电感器电流当前是否为零。在步骤308中，如果电感器电流当前为零，则变换器切换到二极管仿真模式。在步骤310中，如果电感电流不为零，则变换器切换到直通操作模式。
询问步骤312确定电感电流的增加是否响应于向直通操作模式的切换。若不是，则变换器在步骤314切换到充电操作模式。如果询问步骤312确定电流已增加或者一旦变换器已切换到充电操作模式，则步骤316确定输出电压是否降低到其较低饱和状态。在步骤318，如果不是，则控制进入直通操作模式。在步骤320中，如果电压降低到较低饱和状态，则电压变换器切换到续流操作模式。
如果询问步骤304确定电流超出了期望滞后窗口，则变换器在步骤322切换到直通操作模式。询问步骤324确定电流是否响应于向直通模式的切换而下降，如果没有，则在步骤326中变换器切换到放电操作模式。如果在询问步骤324中确定有电流下降，则控制进入询问步骤316以监视输出电压下降到其较低饱和状态。
现在参考图4，示出了降压-升压变换器100的示意图，该变换器的操作由包括关于图2所描述的滞后电压模式控制的控制电路来控制。降压-升压变换器100具有施加到其输入电压节点V输入102的输入电压。晶体管104具有连接在节点102和SWA节点106之间的漏极/源极通路。晶体管108具有连接在节点106和地之间的漏极/源极通路。电感器114连接在SWA节点106和SWB节点116之间。晶体管120具有连接在输出电压节点118和SWB节点116之间的漏极/源极通路。晶体管122具有连接在SWB节点116和地之间的漏极/源极通路。电容器402连接在节点102和地之间，输出电容器404连接在节点118和地之间。
连接到分压网络408的误差放大器406在节点118处监测输出电压。分压网络408由连接在节点118和节点412之间的电阻器410构成。电阻器414连接在节点412和地之间。误差放大器406的反相输入端监测节点412处的输出电压。误差放大器406的非反相输入端连接以接收基准电压VREF。与电阻器416串联连接的电容器418连接在误差放大器406的输出端和其反相输入端之间。误差放大器406的输出COMP被施加给先前关于图2所述的滞后电压模式控制电路200的节点202。来自SR锁存器216的输出PWMA被提供到用于分别给晶体管104和108提供驱动信号的驱动电路420。来自SR锁存器220的PWMB控制信号被提供到用于分别为晶体管120和122产生驱动信号的驱动电路422。
基于输入电压V输入和输出电压V输出，降压-升压变换器包括三种操作模式，即降压操作模式、升压操作模式和降压-升压操作模式。根据所公开的内容，在不感测输入电压的情况下建立降压-升压变换器的操作模式，从而模式之间的转换自然而平滑。切换频率由电感器电流纹波和窗口电压VHW限定。因此，尤其是在降压-升压操作模式下，当输入电压接近于输出电压时，能够自动减小切换频率。这显著降低了降压-升压变换器中的开关损耗。
现在参考图5，示出了降压操作模式下降压-升压变换器的操作。在降压操作模式下，晶体管120保持“导通”而晶体管122保持“截止”，从而使SWB节点116耦合到输出电压节点118。开关晶体管104和108导通和截止，以将SWA节点106交替地耦合在输入电压和地之间。在T1时刻之前，降压-升压变换器100在直通操作模式下工作，其中PWMA控制信号处于逻辑“高”电平，且PWMB信号处于逻辑“低”电平。输入电压和输出电压分别施加到电感器114。由于输入电压高于输出电压，所以电感器电流开始增加。
在时刻T1，感测的电感器电流ISEN502达到触发直通操作模式的第一上限窗口电压COMP_B1。降压-升压变换器100已经处于直通操作模式，因此不会出现切换操作，且电感器电流ISEN将继续增加。在时刻T2，ISEN电感器电流信号达到第二上限窗口电压COMP_A1。这将使降压-升压变换器100进入到放电操作模式，该模式下PWMA控制信号和PWMB控制信号中的每一个都处于逻辑低电平。这使得晶体管104截止而晶体管108导通。电感器两端的电压等于输出电压，从而电感器电流从时刻T2到时刻T3开始减小。
在时刻T3，感测的电感器电流ISEN减小到第一下限窗口电压COMP_A以下，使得PWMA信号上升到逻辑“1”电平，从而降压-升压变换器进入到直通操作模式，在该模式下PWMA控制信号处于逻辑“高”电平而PWMB信号处于逻辑“低”电平。在直通操作模式下，晶体管108“截止”而晶体管104“导通”。由于感测的电感器电流ISEN将从T3时刻到T4时刻和T5时刻分别开始增加，所以接下来将重复上述操作过程。感测的电感器电流被控制在窗口电压COMP_A和COMP_A1之内。
现在参考图6，示出了处于升压操作模式下的降压-升压变换器的操作，其中输入电压小于输出电压。在升压操作模式下，开关晶体管104保持“导通”而开关晶体管108保持“截止”，从而将节点SWA106耦合到输入电压。开关晶体管120和122交替“导通”和“截止”，从而使SWB节点116在输出电压和地之间切换，如下所述。在时刻T1之前，降压-升压变换器100工作在充电操作模式下，其中PWMA和PWMB都处于逻辑高电平。在充电模式期间，该输入电压被施加到电感器114，且由ISEN信号602所表示的电感器电流增加。在时刻T1，感测的电感器电流ISEN602达到第一上限窗口电压COMP_B1，且PWMB信号下降到逻辑“低”电平。这使得降压-升压变换器从充电模式切换到直通模式，在该直通模式下PWMA处于逻辑“高”电平而PWMB处于逻辑“低”电平。这使得晶体管122“截止”而晶体管120“导通”。
输出电感器两端的电压等于V输入-V输出。由于输入电压低于输出电压，所以在直通模式下电感器电流将从T1时刻到T2时刻开始下降。在T2时刻，感测的电感电流ISEN602达到第一下限窗口电压COMP_A，降压-升压变换器进入到直通操作模式。在降压-升压变换器处于直通操作模式的情况下，无切换操作，由ISEN值所表示的电感器电流将从T2时刻到T3时刻连续下降。在T3时刻，感测的电感器电流ISEN602减小到第二下限窗口电压COMP_B以下，且降压-升压变换器将使PWMB信号上升到逻辑“高”电平并进入充电操作模式。在充电操作模式下，PWMA和PWMB控制信号都处于逻辑“高”电平，使得晶体管120“截止”而晶体管122“导通”，并且ISEN602开始增加。在T3时刻之后，该过程如上所述地重复。感测的电感器电流ISEN602被控制在窗口电压COMP_B和COMP_B1之内。
现在参考图7，示出了当输入电压V输入基本等于输出电压V输出时，降压-升压变换器在降压-升压操作模式下的操作。当感测的电感器电流信号ISEN702保持在由（COMP_B1，COMP_A1，COMP_A，和COMP_B）所限定的窗口电压之内时，降压-升压变换器工作在直通工作模式下，而不需要任何切换操作。当电感器电流降低到值COMP-VTW(COMP_B)以下时，节点SWB116接地，使得流过电感器114的电流增加。当电感器电流变为高于COMP+VTW(COMP_A1)时，节点SWA106接地，使得电流减小。滞后电流模式控制自动确定是否工作在降压或升压模式下。
在T1时刻之前，降压-升压变换器100工作在直通模式下，其中PWMA处于逻辑“高”电平，而PWMB处于逻辑“低”电平。在这种操作模式下输入电压和输出电压都被施加到电感器。由于输入电压非常接近于输出电压，（假设V输入稍大于V输出）电感器电流将缓慢增加。在V输出稍大于V输入的情况下，电感器电流将稍稍下降。
在T1时刻，感测的电感器电流ISEN702达到第二上限电压窗口COMP_A1并触发放电模式，其中PWMA和PWMB都处于使晶体管104和108截止的逻辑“低”电平。电感器114两端的电压为输出电压，使得电感器电流从T1时刻到T2时刻开始下降。
在T2时刻，感测的电感器电流ISEN702降低到第一下限窗口电压COMP_A以下。这将使PWMA控制信号变为逻辑“高”电平并使降压-升压变换器100进入直通操作模式，其中PWMA等于逻辑“1”，且PWMB控制信号等于逻辑“0”。这将使晶体管108“截止”，而晶体管104“导通”。在直通模式状态下，电感器114两端的电压为输入电压和输出电压之差。假设输出电压V输出稍大于输入电压V输入，电感器电流将从T2时刻到T3时刻缓慢下降。
在T3时刻，感测的电感器电流ISEN702降低到第二输出窗口电压COMP_B以下。控制电路将PWMB信号提升为逻辑“高”电平，并且降压-升压变换器将进入充电操作模式，其中PWMA处于逻辑“高”电平，PWMB处于逻辑“高”电平。这是由于晶体管120“导通”、晶体管122“截止”而引起的。在充电模式下，输入电压被施加到电感器114，从而使得电感器电流从T3时刻到T4时刻快速增加。
在T4时刻，感测的电感器电流ISEN702达到第一上限电流窗口电压COMP_B1。这使得PWMB信号变为逻辑“低”电平并使降压-升压变换器100进入直通操作模式，其中PWMA处于逻辑“高”电平，PWMB处于逻辑低电平。这使晶体管122“截止”，晶体管120“导通”。在直通操作模式下，电感器114两端的电压为输入电压和输出电压之差。假设输出电压稍小于输入电压，电感器电流将从T4时刻到T5时刻缓慢增加。当感测的电感器电流702被控制在窗口电压COMP_A1、COMP_B1、COMP_A以及COMP_B之内时将接下来重复上述过程。
从上面的描述可以看出，窗口电压确定上述滞后电流模式控制***中的实际切换频率。有几种技术来定义窗口电压。一种技术是在不同的操作模式下利用恒定窗口电压维持相同的电感器电流纹波。这种技术在输入电压接近于输出电压时能够自动降低切换频率。另一种技术是在不同的操作模式下保持切换频率基本恒定。利用这种技术，由于电感器电流纹波保持在窗口电压之内，所以基于输入电压V输入和输出电压V输出来调节窗口电压VHW。
当输入电压接近于输出电压时，在恒定切换频率（FSW）操作下电感器电流纹波可以很小。在一些应用中，在没有恒定切换频率的需求的情况下，在这种情况下优选减小切换频率。所以将两种方案相结合可以获得最佳性能。因此，当输入电压与输出电压显著不同时，使切换频率固定以便于LC滤波器设计。当输入电压较接近于输出电压时，采用恒定纹波控制以减小切换频率FSW。
在降压模式下，电感器电流纹波可以按照下面的等式来计算。
在升压操作模式下，电感器电流纹波为：
基于上面的等式，窗口电压由切换频率FSW、输出电感值LO、PWM占空比以及V输入与V输出之差确定。当FSW和LO相对恒定时，可以根据占空比和V输入与V输出之差产生窗口电压。
当输入电压接近于输出电压时，可以选择恒定窗口电压进行恒定电感器电流纹波操作，这样将动态地调节实际切换频率。例如，如图8所示，当输入电压V输入802接近于输出电压V输出804时，滞后阈值窗口VHW806减小并从点808到点810变为恒定。从点808到810，切换频率FSW从电平Fmax下降为Fmin。由于由恒定切换频率控制所产生的窗口电压比由恒定纹波控制所产生的窗口电压大，所以滞后控制的窗口电压可以是从窗口电压VHWA和VHWB中选择的最大电压，该窗口电压是由图9所示的电路所产生的。当输入电压大于输出电压时，窗口电压VHWA用于降压操作模式。当输入电压小于输出电压时窗口电压VHWB用于升压操作模式。Vmin电压源902限定了恒定纹波操作的最小窗口电压。
图9的电路更具体地包括连接在输出VHW电压节点906和Vmin电压源902之间的二极管904。二极管908连接在节点906和节点910之间。电阻器912连接在节点910和地之间。电容器914与电阻器912并联连接在节点910和地之间。电压源916与开关918串联连接在节点910和地之间。电压源等于GM×(V输出-V输入)，且开关918响应于PWMB控制信号断开和闭合。二极管920连接在节点906和节点922之间。电阻器924连接在节点922和地之间。电容器926连接在节点922和地之间。电压源928和开关930的串联连接还连接在节点922和地之间。电压源=GM×(V输入-V输出)，开关受PWMA控制信号控制。
为了避免听得到的噪声，最小切换频率应当保持大于例如25kHz。实现这一目标的一个简单方法就是当某一时刻没有切换操作时降低窗口电压。如图10所示，在T2时刻和T3时刻之间等待35微秒的时间段之后，窗口电压在T1时刻和T4时刻之间的5微秒之内逐渐减小到零。一旦触发切换操作，窗口电压就在T4时刻被重置到其初始值或者较小值，从而保证在40微秒之内完成一个切换操作。
降压-升压变换器的一个难题是以高精确度和低噪声感测电感器电流。根据一个实施例，如图11所示创建合成纹波信号来仿真电感器纹波电流。输入电压和输出电压控制两个电流源1102和1104，这两个电流源对连接在节点1108和地之间的电容器1106进行充电或放电。根据这两个PWM控制信号，PWMA施加到开关1110，而- 施加到开关1112。电阻器R1114被用于消除电压源VR1120所施加的电压信号的DC分量。流过电容器1106的电流I纹波具有与电感器电流类似的纹波波形。借助于该合成纹波信号，可以在不需要实际电感器电流信息的情况下进行滞后电流模式控制。
获知本公开益处的本领域技术人员可以理解，本滞后控制降压-升压变换器提供了一种具有较小开关损耗的改进操作。应该理解，本文的附图和具体描述应被认为是示意性的而非限制性的，并且不旨在限于所公开的特定形式和示例。相反，在不背离如所附权利要求限定的精神和范围的情况下，其包括任何进一步的修改、变形、调整、置换、替代、设计选择以及对本领域技术人员来说显而易见的实施例。因此，所附权利要求旨在被解释为涵盖了所有的这种进一步的修改、变形、调整、置换、替代、设计选择以及实施例。

Claims (17)

1.一种降压升压装置，包括：
降压升压变换器，用于响应于输入电压产生经调节输出电压，所述降压升压变换器包括电感器、响应于第一PWM信号的第一对开关晶体管以及响应于第二PWM信号的第二对开关晶体管；
误差放大器，用于响应于所述经调节输出电压产生误差电压；
控制电路，用于响应于所述误差电压产生多个窗口电压，并且用于响应于所述多个窗口电压和感测的电流电压产生所述第一PWM信号和所述第二PWM信号，所述感测的电流电压响应于流过所述电感器的感测电流；以及
其中所述控制电路利用所述第一PWM信号和所述第二PWM信号控制所述第一对开关晶体管和所述第二对开关晶体管的切换，所述第一PWM信号和第二PWM信号响应于流过所述电感器的感测电流和基于所述误差电压的多个窗口电压。
2.如权利要求1所述的降压升压装置，其特征在于，所述控制电路还包括：
加法电路，用于响应于所述误差电压和第一偏移电压及第二偏移电压产生所述多个窗口电压；以及
电压模式控制电路，用于响应于感测的电流电压与所述多个窗口电压中的每一个的比较产生所述第一PWM信号和所述第二PWM信号。
3.如权利要求2所述的降压升压装置，其特征在于，所述电压模式控制电路还包括：
多个比较器，每个所述比较器将所述感测的电流电压与所述多个窗口电压中的一个进行比较以产生电压控制信号；
第一锁存器电路，所述第一锁存器电路连接以用于接收第一对电压控制信号并响应于所述第一对电压控制信号产生所述第一PWM信号；以及
第二锁存器电路，所述第二锁存器电路连接以用于接收第二对电压控制信号并响应于所述第二对电压控制信号产生所述第二PWM信号。
4.如权利要求2所述的降压升压装置，其特征在于，在降压操作模式中，所述第一PWM信号响应于感测电流电压高于所述多个窗口电压中的第一窗口电压或低于所述多个窗口电压中的第二窗口电压而使所述第一对开关晶体管中的每一个交替导通和截止，且所述第二PWM信号使所述第二对开关晶体管中的一个保持截止并且使所述第二对开关晶体管中的另一个晶体管保持导通。
5.如权利要求2所述的降压升压装置，其特征在于，在升压操作模式中，所述第二PWM信号响应于所述感测的电流电压高于所述多个窗口电压中的第三窗口电压或低于所述多个窗口电压中的第四窗口电压而使所述第二对开关晶体管中的每一个交替导通和截止，且所述第一PWM信号使所述第一对开关晶体管中的一个保持截止并且使所述第一对开关晶体管中的另一个晶体管保持导通。
6.如权利要求2所述的降压升压装置，其特征在于，在降压升压操作模式中，所述第一PWM信号响应于所述感测的电流电压高于所述多个窗口电压中的第一窗口电压或低于所述多个窗口电压中的第二窗口电压而使所述第一对开关晶体管中的每一个交替导通和截止，同时所述第二PWM信号响应于所述感测的电流电压高于所述多个窗口电压中的第三窗口电压或低于所述多个窗口电压中的第四窗口电压而使所述第二对开关晶体管中的每一个交替导通和截止。
7.一种用于控制降压升压变换器的切换的控制电路，包括：
第一输入，用于接收响应于流经降压升压变换器的电感器的感测电流的感测电流电压；
第二输入，用于接收来自误差放大器的误差电压；
一对输出，用于提供第一PWM信号和第二PWM信号；
PWM控制电路，用于响应于所述误差电压和所述感测电流电压而产生第一PWM信号和第二PWM信号，所述感测电流电压响应于流过所述电感器的感测电流；以及
其中所述控制电路利用所述第一PWM信号和所述第二PWM信号控制第一对开关晶体管和第二对开关晶体管的切换，所述第一PWM信号和第二PWM信号响应于流过所述电感器的感测电流和基于所述误差电压的多个窗口电压。
8.如权利要求7所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括：
加法电路，用于响应于所述误差电压和第一偏移电压及第二偏移电压产生所述多个窗口电压；
滞后电压模式控制电路，用于响应于所述感测电流电压与所述多个窗口电压中的每一个的比较产生所述第一PWM信号和所述第二PWM信号。
9.如权利要求8所述的控制电路，其特征在于，所述滞后电压模式控制电路还包括：
多个比较器，所述多个比较器中的每个将所述感测电流电压与所述多个窗口电压中的一个进行比较以产生电压控制信号；
第一锁存器电路，所述第一锁存器电路连接以用于接收第一对电压控制信号并响应于所述第一对电压控制信号产生所述第一PWM信号；以及
第二锁存器电路，所述第二锁存器电路连接以用于接收第二对电压控制信号并响应于所述第二对电压控制信号产生所述第二PWM信号。
10.如权利要求8所述的控制电路，其特征在于，在降压操作模式中，所述第一PWM信号响应于所述感测电流电压高于所述多个窗口电压中的第一窗口电压或低于所述多个窗口电压中的第二窗口电压而使所述第一对开关晶体管中的每一个交替导通和截止，且所述第二PWM信号使所述第二对开关晶体管中的一个保持截止并且使所述第二对开关晶体管中的另一晶体管保持导通。
11.如权利要求8所述的控制电路，其特征在于，在升压操作模式中，所述第二PWM信号响应于所述感测电流电压高于所述多个窗口电压中的第三窗口电压或低于所述多个窗口电压中的第四窗口电压而使所述第二对开关晶体管中的每一个交替导通和截止，且所述第一PWM信号使所述第一对开关晶体管中的一个保持截止并且使所述第一对开关晶体管中的另一晶体管保持导通。
12.一种控制降压升压变换器的操作的方法，包括步骤：
响应于输入电压产生经调节输出电压；
响应于所述经调节输出电压和基准电压产生误差电压；
响应于流过电感器的感测电流和基于所述误差电压的多个窗口电压产生第一PWM信号和第二PWM信号；以及
利用所述第一PWM信号和所述第二PWM信号对第一对开关晶体管和第二对开关晶体管进行切换。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，产生所述第一PWM信号和所述第二PWM信号的步骤还包括步骤：
响应于所述误差电压和第一偏移电压以及第二偏移电压产生所述多个窗口电压；以及
将感测的电流电压与所述多个窗口电压中的每一个进行比较而产生所述第一PWM信号和所述第二PWM信号，所述感测的电流电压响应于流过所述电感器的感测电流。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括步骤：
响应于来自所述比较步骤中的第一对电压控制信号产生所述第一PWM信号；以及
响应于来自所述比较步骤中的第二对电压控制信号产生所述第二PWM信号。
15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，产生所述第一PWM信号和所述第二PWM信号的步骤还包括在降压操作模式下产生所述第一PWM信号和所述第二PWM信号的步骤，还包括步骤：
响应于感测的电流电压高于所述多个窗口电压中的第一窗口电压或低于多个窗口电压中的第二窗口电压而使所述第一对开关晶体管中的每一个交替导通和截止，所述感测的电流电压响应于流过所述电感器的感测电流；
使所述第二对开关晶体管中的一个保持截止；以及
使所述第二对开关晶体管中的另一个晶体管保持导通。
16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，产生所述第一PWM信号和所述第二PWM信号的步骤还包括在升压操作模式下产生所述第一PWM信号和所述第二PWM信号的步骤，还包括步骤：
响应于感测的电流电压高于所述多个窗口电压中的第三窗口电压或低于所述多个窗口电压中的第四窗口电压而使所述第二对开关晶体管中的每一个交替导通和截止，所述感测的电流电压响应于流过所述电感器的感测电流；
使所述第一对开关晶体管中的一个保持截止；以及
使所述第一对开关晶体管中的另一个晶体管保持导通。
17.如权利要求12所述的方法，其特征在于，产生所述第一PWM信号和所述第二PWM信号的步骤还包括在降压升压操作模式下产生所述第一PWM信号和所述第二PWM信号的步骤，还包括步骤：
响应于感测的电流电压高于所述多个窗口电压中的第一窗口电压或低于所述多个窗口电压中的第二窗口电压而使所述第一对开关晶体管中的每一个交替导通和截止，所述感测的电流电压响应于流过所述电感器的感测电流；以及
响应于所述感测电流电压高于所述多个窗口电压中的第三窗口电压或低于所述多个窗口电压中的第四窗口电压而使所述第二对开关晶体管中的每一个交替导通和截止。
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