CN102694469A - 直流-直流电压转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例提供了一种升降压直流-直流转换器，其包括：开关电路；降压脉冲宽度调制信号生成器；升压脉冲宽度调制信号生成器；控制器，该控制器响应于分别来自降压脉冲宽度调制信号生成器和来自升压脉冲宽度调制信号生成器的降压脉冲宽度调制信号和升压脉冲宽度调制信号来控制开关电路，从而使得升降压直流-直流转换器工作于纯降压模式、降压-升压转变模式和纯升压模式之一中。本发明的实施例还提供了包括该转换器的集成电路、电源设备、电子设备以及转换方法。该升降压转换器以“无缝”的转变模式在降压模式、降压-升压转变模式、升压模式之间转换，从而使得升降压转换器、集成电路、电源设备、电子设备更为稳定和安全可靠。
Description
技术领域
本发明的实施方式涉及一种直流-直流电压转换器，更具体而言，涉及一种直流-直流(DC-DC)升降压转换器。
背景技术
在现代移动电子设备或便携式电子设备中，经常需要在设备中内置电池，例如锂电池、镍镉电池和镍氢电池等。便携式设备中的电池在使用时，电压是逐渐下降的。例如，锂电池的通常工作电压范围为4.2伏特(V)至2.7V。即，当锂电池充满电时，其提供4.2V的电压。随着移动设备逐渐消耗锂电池中存储的电量，锂电池提供的电压逐渐降至2.7V。便携式设备中的电子器件、元件或模块一般需要稳定的3.3V电压供应，因此，在便携式电子设备的使用过程中，通常需要先对电池提供的电压进行降压，随后又需要对电池提供的电压进行升压，以维持稳定的电压输出。换言之，在移动电子设备或便携式电子设备中需要一种能够降压和升压的直流-直流电压转换器。
传统的降压转换器和升压转换器由于分别只能降压和升压，因而无法充分利用电池电量。虽然也有能够升压和降压的直流转换器结构，但是由于其需要变压器隔离或采用多电感等原因，该转换器的体积和重量难以降低，通常不太适用于小型电子设备或是便携式电子设备中。
一种比较理想的方案是采用4个开关的级联式升降压拓扑结构，该拓扑结构包括4个开关和1个电感器，其中，第一开关耦合于输入电压和电感器第一端之间，第二开关耦合于电感器第一端和接地端之间，第三开关耦合于电感器的第二端和接地端之间，第四开关耦合于电感器的第二端和输出电压之间。当输入电压高于输出电压时，第三开关断开，第四开关接通，第一开关和第二开关交替接通，从而降压，当输入电压低于输出电压时，第一开关接通，第二开关断开，第三开关和第四开关交替接通从而升压。
中国专利CN 101499717B公开了一种升降压直流转换器，其通过电流模式和非线性相结合的方式进行变换，但是该转换器控制过程较为复杂，***电路元器件繁多，电路损耗较大。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种直流-直流(DC-DC)升降压转换器。以客户克服现有技术中的一个或多个缺陷。
根据本发明的一个方面，提供了一种升降压直流-直流转换器，包括：开关电路；降压脉冲宽度调制信号生成器；升压脉冲宽度调制信号生成器；控制器，所述控制器响应于分别来自所述降压脉冲宽度调制信号生成器和来自升压脉冲宽度调制信号生成器的降压脉冲宽度调制信号和升压脉冲宽度调制信号来控制所述开关电路，从而使得所述升降压直流-直流转换器工作于纯降压模式、降压-升压转变模式和纯升压模式之一中。
根据本发明的另一方面，提供了一种集成电路，包括上述的升降压直流-直流转换器。
根据本发明的又一方面，提供了一种电源设备，该电源设备包括：电池；上述的升降压直流-直流转换器，该升降压直流-直流转换器与电池耦合以接收来自电池的输入电压并且将其转换为输出电压以供输出。
根据本发明的又一方面，提供了一种便携式电子设备，包括上述的电源设备。
根据本发明的又一方面，还提供了一种升降压直流-直流转换方法，包括：提供降压脉冲宽度调制信号和升压脉冲宽度调制信号来分别控制开关电路，从而使得升降压直流-直流转换器工作于纯降压模式、降压-升压转变模式和纯升压模式之一中。
本发明的实施例所提供的升降压转换器、集成电路、电源设备、电子设备和方法使得升降压转换器以“无缝”的转变模式在降压模式、降压-升压转变模式、升压模式之间转换，从而使得升降压转换器、集成电路、电源设备、电子设备更为稳定和安全可靠。
附图说明
通过对结合附图所示出的实施方式进行详细说明，本发明的上述以及其他特征将更加明显，本发明附图中相同的标号表示相同或相似的元素。在附图中：
图1示出了根据本发明的一个实施例的直流-直流升降压切换器的示意图；
图2示出了根据本发明的一个实施例的直流-直流升降压切换器的电路示意图；
图3示出了根据本发明的另一实施例的直流-直流升降压切换器的电路示意图；
图4示出了根据本发明的又一实施例的直流-直流升降压切换器的电路示意图；
图5A示出了图4中的反馈单元的一个实例；
图5B示出了图4中的反馈单元的又一实例；
图6A示出了图4中的电流检测处理单元的一个示例；
图6B示出了图4中的电流检测处理单元的另一示例；
图7示出了根据本发明的一个具体实施例的直流-直流升降压切换器的电路示意图；
图8A至图8D示出了图7中的电路的相关信号的时序图；
图9示出了图7中的降压斜坡发生器所生成的降压斜坡信号和升压斜坡发生器所生成的升压斜坡信号的一个示例波形图；以及
图10示出了图7中的控制器包括的两个RS触发器的示例。
具体实施方式
下文将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。
现在将详细参考本发明的若干实施例，其示例示出于附图中。注意在任何可行的地方，附图中可能使用类似或者相同的附图标记，并且可能指示类似或者相同的功能性。附图仅为示例的目的描绘了本发明的实施例。本领域技术人员从下面的描述将容易理解此处示例的结构和方法的替代实施方式可以在不偏离此处描述的本发明的原理的情况下采用。
DC-DC转换器是一种接受DC输入电压并向负载提供DC输出电压的电子器件。DC-DC转换器一般被配置成基于在一些情况下与输出电压不同的未调节的DC源电压向负载提供已调节的DC输出电压或者电流(“负载电压”或者“负载电流”)。例如在许多汽车应用(其中电池提供具有近似12伏特未调节的电压的DC功率源)中，DC-DC转换器可以用来接收未调节的12伏特DC作为源电压并提供已调节的DC输出电压或者电流以驱动车辆中的各种电子电路(仪器、附件、引擎控制、照明设备、无线电/立体声等)。DC输出电压可以比来自电池的源电压更低、更高或者相同。
更一般而言，DC-DC转换器可以用来将多种DC功率源中的任何DC功率源如电池提供的未调节的电压变换成用于驱动给定负载的已适当调节的电压或者电流。在一些情况下，可以例如使用桥式整流器/滤波器电路布置通过将来自交流(AC)功率源的AC线电压进行整流和滤波来获得未调节的DC源电压。因此，在本发明的各个买施例的中DC-DC变换器的直流电压输入可以来自AC电源的经整流滤波的直流输出，本领域技术人员可以采用本领域中公知的各种交流-直流变换方法以使用合适的电路、电子器件、装置、***来获得适用于本发明各个实施例的直流输入。此外，在这类情形下，假如涉及到潜在危险电压，可以在DC-DC转换器中使用保护隔离部件(例如变压器)来保证安全操作。
参见图1，图1示出了本发明的一个实施例的DC-DC升降压转换器的示意图。图1中的DC-DC升降压转换器包括开关电路100、控制器110、降压脉冲宽度调制信号生成器121和升压脉冲宽度调制信号生成器122。控制器110响应于分别来自降压脉冲宽度调制信号生成器和来自升压脉冲宽度调制信号生成器122的降压脉冲宽度调制信号和升压脉冲宽度调制信号来控制所述开关电路，从而使得升降压直流-直流转换器工作于纯降压模式、降压-升压转变模式和纯升压模式之一中。
参见图2，图2示出了根据本发明的一个实施例的DC-DC升降压转换器的示意图。图2中的转换器包括四个开关SW1、SW2、SW3和SW4。在图2的实施例中，四个开关均为MOS晶体管，但是本发明的其他一些实施例可以使用替代的、受脉冲信号控制而接通或断开的其他一些开关元件。在图2的示例中，MOS晶体管开关SW 1、SW2、SW3和SW4的栅极均由控制器110输出的脉冲信号进行控制，SW1的源极和漏极分别耦合至DC-DC转换器的输入电压节点(在该节点上的输入电压以Vin表示)和电感器L的第一端子SWA，SW2的源极和漏极分别耦合至电感器L的第一端子SWA和接地端子GND，SW3的源极和漏极分别耦合至电感器L的第二端子SWB和接地端子GND，而SW4的源极和漏极分别耦合至输出电压节点(在该节点上的输出电压以Vout表示)和电感器L的第二端子SWB。控制器110接收来自降压脉冲宽度调制信号生成器121的降压控制信号和来自升压脉冲宽度调制信号生成器122的升压控制信号。
当Vin＞Vout时，控制器110响应于降压脉冲宽度调制信号生成器121和升压脉冲宽度调制信号生成器122的脉冲宽度调制信号来控制分别控制第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3和第四开关SW4，使得第三开关SW3保持断开，第四开关SW4保持恒通，而第一开关SW1和第二开关SW2交替接通，从而使得DC-DC转换器工作在纯降压模式(Buck Mode)下。
当Vin＜Vout时，控制器110响应于降压脉冲宽度调制信号生成器121的脉冲宽度调制信号和升压脉冲宽度调制信号生成器122的脉冲宽度调制信号来控制第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3和第四开关SW4，使得第二开关SW2保持断开，第一开关SW 1保持恒通，而第三开关SW3和第四开关SW4交替接通，从而使得DC-DC转换器工作在纯升压模式(Boost Mode)下。
当Vin＝Vout时，控制器110响应于降压脉冲宽度调制信号生成器121和升压脉冲宽度调制信号生成器122的脉冲宽度调制信号来控制分别控制第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3和第四开关SW4，从而使得DC-DC转换器工作在降压-升压转变模式中，在降压-升压转变模式期间，DC-DC转换器交替地工作于降压模式和升压模式下，直至DC-DC转换器退出该降压-升压转变模式。本领域技术人员可以理解，Vin等于Vout的情形并非仅为Vin严格等于Vout，而是也包含Vin近似等于Vout的情形，例如Vin与Vout的差值的绝对值占Vout的10％、5％、1％、0.1％等情形，这取决于实际设计应用的需要。
更具体而言，在一个优选的实施例中，通过调节降压脉冲宽度调制信号生成器121和升压脉冲宽度调制信号生成器122的脉冲宽度调制信号输出的脉冲的占空比以使得控制器110控制开关SW1、SW2、SW3和SW4的接通或断开，从而使得DC-DC转换器分别工作在纯降压模式、降压-升压模式和纯升压模式中。DC-DC转换器优先工作于纯降压模式，也即，DC-DC转换器的控制器110在转换器刚开始工作时输出与纯降压模式相同的一个或若干个“测试”信号(即，该“测试”信号在测试期间控制SW3保持断开，SW4恒通，SW1和SW2交替接通)，该“测试”信号用于测试转换器是否能够以纯降压模式工作，在“测试”期间，如果Vin＞Vout，转换器就继续以纯降压模式持续工作，而如果Vin＝Vout或者Vin＜Vout，则由于纯降压模式所需的SWA占空比大于所能提供的最大占空比，转换器自动地切换至降压-升压转变模式或者纯升压模式。更具体而言，参见图8A，在纯降压模式下，SW3保持断开，SW4保持接通，SW1和SW2交替接通，当周期开始时，开关SW1接通并且SW2断开时，SWA处出现为高的信号，此时电感器L中的电流IL上升，之后SW1断开并且SW2接通，此时SWA处的信号变为低，由于电感性质，电感器L中的电流IL仍然存在，只是由上升变为从峰值开始下降。在多个周期中，随着DC-DC转换器的输入电压下降，SWA节点的信号占空比逐渐上升，当SWA节点的信号占空比达到最大占空比时，此时Vin等于或近似等于Vout，DC-DC转换器进入降压-升压模式，也即，DC-DC转换器在降压-升压模式期间以降压模式和升压模式交替工作，电感器电流IL、SWA和SWB的类似的信号时序图如图8C和图8D所示。在一个示例的降压-升压模式中，DC-DC转换器在一个周期中以降压模式工作，而在下一个周期中以升压模式工作。当Vin＜Vout时，DC-DC转换器退出降压-升压模式，并且进入纯升压模式，在此模式下，SW1恒通，SW2保持断开，SW3和SW4交替接通。在图8B所示的示例中，由于SW1恒通，SW2恒断，因此SWA处的信号始终为高，周期开始时，SW3接通、SW4断开，因此SWB处的信号为低，电感器L中的电流IL开始上升，之后SW3断开，SW4接通，因此SWB处的信号为高，电感器L中的电流IL从峰值开始下降。在多个周期中，SWB节点处的信号占空比随着DC-DC转换器的输入电压的降低而逐渐减小。
通过上面的实施例描述了本发明的DC-DC升降压转换器的基本工作原理，由于在纯降压模式和纯升压模式之间提供了以降压和升压模式交替工作的降压-升压转变模式，因此DC-DC升降压转换器从降压模式向升压模式的转变较为平滑，从某种意义上来说，这是一种“无缝”的转变模式，使用本发明的实施例的DC-DC升降压转换器可以使得电路、电子器件、电源模块、电子设备、装置工作更为稳定和安全可靠。
参见图3，图3示出了根据本发明另一实施例的DC-DC升降压转换器的示意图。图3中的DC-DC升降压转换器包括与图2中的DC-DC升降压转换器相似的第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3、第四开关SW4、电感器L、控制器110、降压脉冲宽度调制信号生成器121和升压脉冲宽度调制信号生成器122，这些部件之间的连接、耦合方式与图2中的对应部件之间的连接、耦合方式相同，在此不再赘述。除此之外，图3中的DC-DC升降压转换器还包括电压误差放大单元130和电感电流检测处理单元140。
在一个示例中，电压误差放大单元130是误差信号放大器，其同相输入端接收参考电压Vref，而其反相输入端接收采样自DC-DC升降压转换器的输出电压端子的输出电压Vout。电压误差放大单元130将Vref和Vout之间的电压差值输出至降压脉冲宽度调制信号生成器121和升压脉冲宽度调制信号生成器122。可以理解，Vref可以是内部生成或是由外部提供的参考电压，而本领域技术人员可以采用除了误差放大器之外的其他电子元件、器件、电路、模块、装置或设备来获得指示Vout和Vref之间差值的信号，该信号可以是电流信号、电压信号、频率信号。在另一个示例中，电压误差放大单元130在将输出信号递送至降压脉冲宽度调制信号生成器121和升压脉冲宽度调制信号生成器122之前可以通过一些附加的电子元件、器件、电路、模块、装置或设备对输出信号进行处理，例如增益放大、频率补偿、信号变换等。
在一个示例中，电感电流检测处理单元140检测电感L中的电流，生成电流信号并对其处理，处理后的信号被递送至降压脉冲宽度调制信号生成器121和升压脉冲宽度调制信号生成器122。电感电流检测处理单元140可以使用本领域任何合适的方式获取电感器中的电流信号，例如可以使用耦合到电感器L的两个端子之间的RC或RCR电路的电感DCR电流检测电路来生成指示电感器L中的电流的信号，也可以使用其他一些电流传感器来检测电感器L中的电流。检测到的信号可以进行处理，例如从电流信号向电压信号的变换、增益放大、频率补偿、信号加和等等。经处理的信号被分别递送至降压脉冲宽度调制信号生成器121和升压脉冲宽度调制信号生成器122，降压脉冲宽度调制信号生成器121和升压脉冲宽度调制信号生成器122分别基于来自电压误差放大单元130和电感电流检测处理单元140的信号生成脉冲宽度调制信号。控制器110继而基于来自降压脉冲宽度调制信号生成器121和升压脉冲宽度调制信号生成器122的脉冲宽度调制信号驱动第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3、第四开关SW4，从而使得DC-DC升降压转换器工作于纯降压模式、降压-升压转变模式和纯升压模式。
参见图4，图4示出了根据本发明的又一实施例的DC-DC升降压转换器的示意图，图4中的DC-DC升降压转换器包括与图2中的DC-DC升降压转换器相似的第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3、第四开关SW4、电感器L、控制器110、降压脉冲宽度调制信号生成器121、升压脉冲宽度调制信号生成器122、电压误差放大单元130和电感电流检测处理单元140，这些部件之间的连接、耦合方式与图3中的对应部件之间的连接、耦合方式相同，在此不再赘述。除此之外，图4中的DC-DC升降压转换器还包括反馈单元150。反馈单元150在电压误差放大单元130的反相输入端和输出电压端子之间耦合，用于对DC-DC升降压转换器的输出电压Vout进行取样和/或进行处理，并且继而馈送至电压误差放大单元130的反相输入端。反馈单元150的两个示例如图5A和图5B所示。
参见图5A，图5A示出了图4中反馈单元150的一个示例。具体而言，在图5A的情形中，反馈单元150是一个分压器，该分压器150由在DC-DC升降压转换器的输出电压端和接地端GND之间串联连接的电阻器R1和R2构成，电阻器R1和R2之间的公共节点耦合至图4中的电压误差放大单元130的反相输入端。换言之，电阻器R1和R2之间的公共节点处的电压可以视为反馈电压VFB。优选地，电阻器R1和R2的电阻远大于负载阻抗。
参见图5B，图5B示出了图4中反馈单元150的一个示例，在图5B的情形中，反馈单元150包括分压器和增益放大器151，该分压器由在DC-DC升降压转换器的输出电压端和接地端GND之间串联连接的电阻器R1和R2构成，电阻器R1和R2之间的公共节点耦合至增益放大器151的输入端，而增益放大器151的输出耦合至图4中的电压误差放大单元130的反相输入端。换言之，增益放大器151输出的电压可以视为反馈电压VFR。
在图5A和图5B的情形中，电阻器仅为示例，R1和R2可以是用于对输出电压Vout进行分压采样的任何阻性器件。本领域技术人员还可以理解，图5A和图5B中示出的分压器仅为对输出电压进行采样或检测的较为简单的示例。替代地，本领域技术人员可以采用任何合适的电压传感器、电压采样电路或电压检测电路。此外，可以对检测到的输出电压信号被馈送至图4中的电压误差放大单元130的反相输入端之前，对该电压检测信号进行合适的处理，例如增益放大、频率补偿等等。
参见图6A，图6A示出了图4中的输出第一电感电流检测处理信号和第二电感电流检测处理信号给降压脉冲宽度调制信号发生器121和升压脉冲宽度调制信号发生器122的电流检测处理单元140的一个示例。图6A中的电流检测处理单元140包括电感电流检测器141、斜坡生成器142、143以及加法器144、145。电感电流检测器141检测电流IL，并且分别耦合至加法器144和145，加法器144和145的另一输入来自斜坡发生器142和143，斜坡发生器142和143分别生成降压斜坡信号和升压斜坡信号，因此，加法器144和145分别输出作为第一输出信号或第一电感电流检测处理信号降压加和信号和作为第二输出信号或第二电感电流检测处理信号的升压加和信号至降压脉冲宽度调制信号发生器121和升压脉冲宽度调制信号发生器122。电感电流检测器141可以是用于检测电感器L中流动的电流IL的任何合适的电流传感器、检测器等。例如可以使用耦合到电感器L的两个端子之间的RC或RCR电路的电感DCR电流检测电路来生成指示电感器L中的电流的信号，也可以使用其他一些电流传感器来检测电感器L中的电流。电感电流检测器141可以包括将电流信号变换成电压信号的变换电路，或者在电感电流检测器141和加法器144、145之间附加地具有一些信号变换或处理电路，例如将电流信号变换为电压信号的电路。加法器144和145可以是用于将信号进行加和的任何合适的加和电路、器件、模块、装置或设备。斜坡发生器142、143的一个示例是振荡器(OSC)。在其他一些示例中，也可以使用其他一些合适的、用于生成斜坡的电路、器件、模块、装置或设备。
参见图6B，图6B示出了图4中的电流检测处理单元140的另一示例。图6B中的示例与图6A中的示例类似，不同之处仅在于使用一个能够生成两个斜坡信号(降压斜坡信号和升压斜坡信号)的斜坡发生器1423取代图6A中的斜坡发生器142和143。因此，对于图6B中的示例不再赘述。
下面参考图7、图8A、图8B、图8C和图8D来详细描述本发明的一个具体实施例，图7示出了根据本发明的一个具体实施例的DC-DC升降压切换器的电路示意图，图8A至图8D示出了图7中的电路的相关信号的时序图。
本领域技术人员应该理解，图7中的实施例并非是本发明的限制性实施例，图7中的实施例可以与参考图2、图3、图4、图5A、图5B、图6A和图6B描述实施例中的至少一个或一些结合以构成不同于在此描述的实施例，该实施例同样能够实现本发明的目的。
参见图7，图7中的升降压DC-DC转换器包括控制器110、四个开关SW1、SW2、SW3和SW4。在图7的实施例中，四个开关均为MOS晶体管，但是本发明的其他一些实施例可以使用替代的、受脉冲信号控制而接通或断开的其他一些开关元件。在图7的实施例中，NMOS晶体管开关SW1、SW2、SW3和SW4的栅极均由控制器110输出的脉冲信号进行控制，SW1的源极和漏极分别耦合至DC-DC转换器的输入电压节点(在该节点上的输入电压以Vin表示)和电感器L的第一端子SWA，SW2的源极和漏极分别耦合至电感器L的第一端子SWA和接地端子GND，SW3的源极和漏极分别耦合至电感器L的第二端子SWB和接地端子GND，而SW4的源极和漏极分别耦合至输出电压节点(在该节点上的输出电压以Vout表示)和电感器L的第二端子SWB。
电感电流检测器141检测在电感器L中流动的电流IL，并且生成指示电流IL的电压信号，该电压信号被分别递送至降压加法器144和升压加法器145。
本实施例中的DC-DC升降压转换器还包括降压斜坡发生器142和升压斜坡发生器143。在一个优选的示例中，降压斜坡发生器142和升压斜坡发生器143分别将例如如图9所示的频率相同、幅度相同但是信号峰值大小不同的斜坡信号递送至降压加法器144和升压加法器145，在图9中可以看出，升压斜坡信号的峰值高于降压斜坡信号的峰值。在一个实施例中，升压斜坡信号和降压斜坡信号可有一定程度的重叠，如以峰峰辐值的1％、5％或10％进行重叠。
降压加法器144和升压加法器145分别将来自斜坡发生器和电感电流检测器的信号进行加和并且递送至脉冲宽度信号调制生成器的输入端。在本实施例中，脉冲宽度信号调制生成器为脉冲宽度调制(PWM)比较器1211和1221，因此上述经加和的信号被分别递送至PWM比较器1211和1221的反相输入端。
本实施例中的DC-DC升降压转换器还包括电阻器R1和R2，R1和R2在输出电压端子和接地端子之间串联耦合，从而对输出电压Vout进行分压采样。R1和R2之间的公共节点处的电压值为VFB，VFB被馈送至电压误差放大器130的反相输入端。电压误差放大器130将其同相输入端处接收的参考电压VREF与其反相输入端处接收的VFB进行误差放大，并输出电压误差比较信号至PWM比较器1211和PWM比较器1221的同相输入端。
PWM比较器1211将其接收的电压误差比较信号和降压加和信号进行比较，从而输出降压PWM信号给控制器110。PWM比较器1221将其接收的电压误差比较信号和升压加和信号进行比较，从而输出升压PWM信号给控制器110。
控制器110接收来自降压脉冲宽度调制信号生成器1211的降压控制信号和来自升压脉冲宽度调制信号生成器1221的升压控制信号。控制器110可以是由触发器、锁存器等构成的逻辑控制电路，控制器110根据降压控制信号和升压控制信号生成用于驱动开关SW 1、SW2、SW3和SW4的驱动信号，从而使得DC-DC升降压转换器在纯降压模式、降压-升压模式和升压模式之一下工作。例如，参见图10，在一个实施例中，控制器110可以包括两个RS触发器1101和1102，并通过RS触发器1101来控制SW 1和SW2的接通或断开和通过RS触发器1102来控制SW3和SW4的接通或断开。
当Vin＞Vout时，在周期开始时，PWM1置高，SW1接通，SW2断开，PWM2置低，SW3断开，SW4接通，从而电感器中的电流IL上升，电感电流信号IL被转换为电压信号后与斜坡信号进行加和形成降压加和信号，降压加和信号继而被递送至PWM比较器1211。VCoMP位于降压加和信号幅度范围内。从而PWM比较器1211根据降压加和信号和VCOMP生成PWM1信号。在PWM1信号为高的期间，控制器110保持SW1接通，SW2断开，IL持续上升。当IL上升到某一峰值时，降压加和信号大于VCOMP。PWM比较器1211输出低电平的PWM 1，控制器110根据低电平的PWM 1使得SW1断开，SW2接通。此时电感器L因为电感性质从峰值电流开始下降，而SWA也从高变为低，参见图8A。当下一个来自振荡器的周期脉冲到来时，控制器110控制SW 1接通，SW2断开，电流IL上升。以此方式，DC-DC升降压转换器在无需比较Vin和Vout的前提下自动完成一个降压周期。随着Vin的不断下降，电感器电流IL的斜率逐渐变缓，SWA的占空比逐渐变大。
当Vin逐渐下降并且达到Vin＝Vout时，DC-DC升降压转换器无缝地自动进入降压-升压转变模式。此时，SWA的占空比达到最大，SWB的占空比开始减小。降压-升压转变模式下的电感器电流IL、SWA和SWB的信号时序图如图8C和图8D所示，图8C和图8D是两种可能的降压-升压转变模式信号时序图，从图8C和图8D中可以看出，DC-DC升降压转换器是以升压、降压交替的工作模式来工作。例如参见图8C来描述降压-升压转变模式，在图8C所示的降压-升压转变模式下，电感电流信号IL被转换为电压信号后分别与降压斜坡信号和升压斜坡信号进行加和，从而形成降压加和信号和升压加和信号，降压加和信号和升压加和信号继而被分别递送至PWM比较器1211和PWM比较器1221与VCOMP进行比较以分别生成降压PWM和升压PWM，在刚进入降压-升压转变模式时，PWM1置高，PWM2置高，从而RS触发器1101使得SW1接通，SW2断开，而RS触发器1102使得SW3接通，SW4断开，这对应于SWA为高，SWB为低。在电感电流IL的上升到某一值时，升压加和信号大于VCOMP，PWM2输出低电平，从而SW3断开，SW4接通，这对应于SWB为高。此时，电感电流保持一段时间的相对稳定的水平。随后电感电流IL开始下降，此时降压加和信号在与VCOMP比较之后输出至比较器1211，此时PWM1变为低电平，从而导致SW1断开，SW2接通，SWA为低。而SWB仍保持为高。此后，电感器电流IL下降为最低，此时，加和信号在与VCOMP比较之后输出至比较器1211，而比较器1211使得PWM1为高电平，从而导致SW1接通，SW2断开，SWA为低。此时SWB仍保持为高。直到下一个循环开始。由此可见，控制器110响应于脉冲宽度调制信号比较器121和脉冲宽度调制信号比较器122的脉冲宽度调制信号来控制分别控制第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3和第四开关SW4，从而使得DC-DC转换器工作在降压-升压转变模式中，在降压-升压转变模式期间，DC-DC转换器交替地工作于降压模式和升压模式下，直至DC-DC转换器退出该降压-升压转变模式。本领域技术人员可以理解，Vin等于Vout的情形并非仅为Vin严格等于Vout，而是也包含Vin近似等于Vout的情形，例如Vin与Vout的差值的绝对值占Vout的10％、5％、1％、0.1％等情形，这取决于实际设计应用的需要。
随着Vin进一步的降低，DC-DC转换器最终退出降压-升压转变模式，并且无缝地自动进入纯升压模式。此时，Vin＜Vout，在升压周期开始时，PWM 1置低，SW1恒通，SW2恒断，而PWM2置高，从而SW3接通，SW4断开，此时SWB处的信号为低，即，电感器L的第一端SWA的电压比第二端SWB的电压高(因此此时可以将SWA处的电压视为Vin，而SWB处的电压视为接地)，因此电感电流IL上升，电感电流信号IL被转换为电压信号后与斜坡信号进行加和以形成升压加和信号，该升压加和信号继而被递送至PWM比较器1221，由于VCOMP位于升压加和信号的幅度范围内，从而PWM比较器1221根据升压加和信号和VCOMP生成PWM信号。在PWM2信号为高的期间，控制器110保持SW3接通，SW4断开，IL持续上升直到某一峰值时，升压加和信号大于VCOMP，PWM比较器1221输出低电平的PWM2，继而控制器110响应于PWM比较器1221的输出使得SW3断开，SW4接通，此时电感器L因为电感性质从峰值电流开始下降，而SWB也从高变为低，参见图8B。在IL降至最低时，PWM比较器1221的输出从高变为低，此时控制器110如上所述地响应于PWM比较器1221的输出使得SW3接通，SW4断开。以此方式，DC-DC升降压转换器在无需比较Vin和Vout的前提下自动完成一个升压周期。随着Vin的不断下降，电感器电流IL的斜率逐渐变缓，SWB的占空比逐渐降低。
本领域技术人员可以理解，上述的实施例仅为示例性而非限制性。此外，虽然以分立元件形式来描述上述实施例，本领域技术人员可以理解，上述各个实施例可以集成于单个的集成电路芯片中实现。此外，虽然以分离的模块的形式来描述上述实施例，但是本领域技术人员可以理解，上述模块可以被组合、重组、划分等，例如电压误差放大单元130和电感电流检测处理单元140可以组合为电压和电流检测单元，处理器110也可以包括两个PWM信号发生器等等。
上述实施例中的DC-DC升降压转换器可以应用于多种应用中，例如，最为通常的是应用于电源设备中，该电源设备包括电池和该DC-DC升降压转换器，该升降压直流-直流转换器与电池耦合以接收来自电池的输入电压并且将其转换为输出电压以输出给外部电子器件、模块、元件、装置和设备等。而这样的电源设备可以应用于各种电子设备中，尤其是便携式电子设备中，例如手机、MP3、MP4播放器、PDA、平板电脑，膝上型计算机、移动工作站、GPS导航仪等等。
以上通过一些示意性而非限制性的实施例来描述了本发明的一些方面，概括而言，根据本发明的第一方面，公开了一种升降压直流-直流转换器，其包括：开关电路；降压脉冲宽度调制信号生成器，输出降压脉冲宽度调制信号；升压脉冲宽度调制信号生成器，输出升压脉冲宽度调制信号；控制器，该控制器响应于降压脉冲宽度调制信号和升压脉冲宽度调制信号来控制开关电路，从而使得升降压直流-直流转换器选择工作于纯降压模式、降压-升压转变模式和纯升压模式之一中。
优选地，该开关电路包括：电感器；第一开关，该第一开关耦合于升降压直流-直流转换器的输入电压节点和电感器的第一端之间；第二开关，该第二开关耦合于电感器的第一端和接地节点之间；第三开关，该第三开关耦合于电感器的第二端和接地节点之间；以及第四开关，该第四开关耦合于电感器的第二端和升降压直流-直流转换器的电压输出节点之间。
优选地，在纯降压模式期间，第三开关保持断开，第四开关保持接通，第一开关和第二开关交替接通；在纯升压模式期间，第一开关保持接通，第二开关保持断开，第三开关和第四开关交替接通；以及在降压-升压转变模式期间，升降压直流-直流转换器交替工作于纯降压模式和纯升压模式。
优选地，升降压直流-直流转换器还包括：电压误差放大单元，该电压误差放大单元的同相输入端接收参考电压而其反相输入端接收来自输出电压节点的输出电压，并将参考电压与输出电压进行比较以输出电压误差放大信号至降压脉冲宽度调制信号生成器和升压脉冲宽度调制信号生成器；以及电感电流检测处理单元，该电感电流检测处理单元检测电感器中的电流，将检测该电流所得的信号进行处理并输出第一输出信号给降压脉冲宽度调制信号生成器和第二输出信号给升压脉冲宽度调制信号生成器。
优选地，降压脉冲宽度调制信号生成器是降压脉冲宽度调制信号比较器，该升压脉冲宽度调制信号生成器是升压脉冲宽度调制信号比较器，该降压脉冲宽度调制信号比较器的同相输入端和反相输入端分别接收所述电压误差放大信号和所述第一输出信号，升压脉冲宽度调制信号比较器的同相输入端和反相输入端分别接收所述电压误差放大信号和所述第二输出信号。
优选地，升降压直流-直流转换器还包括：反馈单元，该反馈单元耦合于电压输出节点和电压误差放大单元的反相输入端之间。
优选地，反馈单元包括分压器，该分压器具有串联连接于电压输出节点和接地节点之间的第一电阻器和第二电阻器，该第一电阻器和第二电阻器之间的节点与电压误差放大单元的反相输入端耦合。
优选地，反馈单元还包括增益放大器，该增益放大器串联耦合于分压器和电压误差放大单元的反相输入端之间。
优选地，电感电流检测处理单元包括：电感电流检测器，耦合至电感器以检测电感器中的电流并生成电压检测信号；斜坡生成器，生成第一斜坡信号和第二斜坡信号；加法器，将电压检测信号和第一斜坡信号相加，并且将电压检测信号和第二斜坡信号相加，从而生成分别输出至降压脉冲宽度调制信号生成器和升压脉冲宽度调制信号生成器的第一加和信号和第二加和信号。
优选地，斜坡生成器是振荡器，该振荡器同时输出脉冲信号给控制器。
根据本发明的另一方面，提供了一种集成电路，上述的升降压直流-直流转换器。
根据本发明的又一方面，提供了一种电源设备，包括：电池；上述的升降压直流-直流转换器，该升降压直流-直流转换器与电池耦合，接收来自电池的输入电压并且将其转换为输出电压以供输出。
根据本发明的又一方面，提供了一种便携式电子设备，包括上述的电源设备。
根据本发明的又一方面，提供了一种升降压直流-直流转换方法，包括：提供降压脉冲宽度调制信号和升压脉冲宽度调制信号来分别控制开关电路，从而使得升降压直流-直流转换器选择工作于纯降压模式、降压-升压转变模式和纯升压模式之一中。
优选地，开关电路包括：电感器；第一开关，该第一开关耦合于升降压直流-直流转换器的输入电压节点和电感器的第一端之间；第二开关，该第二开关耦合于电感器的第一端和接地节点之间；第三开关，该第三开关耦合于电感器的第二端和接地节点之间；以及第四开关，该第四开关耦合于电感器的第二端和升降压直流-直流转换器的电压输出节点之间。
优选地，该转换方法包括：在纯降压模式期间，第三开关保持断开，第四开关保持接通，第一开关和第二开关交替接通；在纯升压模式期间，第一开关保持接通，第二开关保持断开，第三开关和第四开关交替接通；以及在降压-升压转变模式期间，升降压直流-直流转换器将交替工作于纯降压模式和纯升压模式。
优选地，该转换方法包括：生成电压误差放大信号；生成第一电感电流检测处理信号和第二电感电流检测处理信号；以及基于第一电感电流处理信号和电压误差放大信号生成降压脉冲宽度调制信号，并且基于第二电感电流检测处理信号和电压误差放大信号生成升压脉冲宽度调制信号。
优选地，通过将反馈电压信号和参考电压信号进行比较生成电压误差放大信号。
优选地，通过对升降压直流-直流转换器的输出电压进行采样、分压和增益放大来生成反馈电压信号。
优选地，通过如下步骤生成第一电感电流检测处理信号和第二电感电流检测处理信号：检测电感器中的电流以生成电感器电流信号；将检测到的电感器电流信号转换成电压信号；生成第一斜坡信号和第二斜坡信号；将电压信号与第一斜坡信号进行加和生成第一电感电流检测处理信号，以及将电压信号和第二斜坡信号进行加和生成第二电感电流检测处理信号。
优选地，第一斜坡信号和第二斜坡信号是频率相同、幅度相同的三角波或锯齿波，并且第二斜坡信号的峰值高于第一斜坡信号的峰值。
应当理解，这些实施例和示例仅是示例性的，而不是限制性的。本发明的范围由所附权利要求书，而不是由之前的描述所限定，并且因此旨在使权利要求书涵盖落入权利要求书的界定或者这种界定的等同范围内的所有改变。某些手段在相互不同的从属权利要求中记载的单个事实并不指示不能有利地使用这些手段的组合。实际上，这里所描述的实施例可以体现为多种其他形式或可以被组合；进一步地，可以进行以这里所描述的实施例的形式的多种省略、替换和改变，而不偏离本公开的精神。
Claims (21)
1.一种升降压直流-直流转换器，包括：
开关电路；
降压脉冲宽度调制信号生成器，输出降压脉冲宽度调制信号；
升压脉冲宽度调制信号生成器，输出升压脉冲宽度调制信号；以及
控制器，所述控制器响应于所述降压脉冲宽度调制信号和所述升压脉冲宽度调制信号来控制所述开关电路，从而使得所述升降压直流-直流转换器选择工作于纯降压模式、降压-升压转变模式和纯升压模式之一中。
2.根据权利要求1所述的升降压直流-直流转换器，其中所述开关电路包括：
电感器；
第一开关，所述第一开关耦合于所述升降压直流-直流转换器的输入电压节点和所述电感器的第一端之间；
第二开关，所述第二开关耦合于所述电感器的第一端和接地节点之间；
第三开关，所述第三开关耦合于所述电感器的第二端和所述接地节点之间；以及
第四开关，所述第四开关耦合于所述电感器的第二端和所述升降压直流-直流转换器的电压输出节点之间。
3.根据权利要求2所述的升降压直流-直流转换器，其中：
在所述纯降压模式期间，所述第三开关保持断开，所述第四开关保持接通，所述第一开关和所述第二开关交替接通；
在所述纯升压模式期间，所述第一开关保持接通，所述第二开关保持断开，所述第三开关和所述第四开关交替接通；以及
在所述降压-升压转变模式期间，所述升降压直流-直流转换器交替工作于所述纯降压模式和所述纯升压模式。
4.根据权利要求3所述的升降压直流-直流转换器，还包括：
电压误差放大单元，所述电压误差放大单元的同相输入端接收参考电压而其反相输入端接收来自所述输出电压节点的输出电压，并将所述参考电压与所述输出电压进行比较以输出电压误差放大信号至所述降压脉冲宽度调制信号生成器和所述升压脉冲宽度调制信号生成器；以及
电感电流检测处理单元，所述电感电流检测处理单元检测所述电感器中的电流，将检测该电流所得的信号进行处理并输出第一输出信号给所述降压脉冲宽度调制信号生成器和第二输出信号给所述升压脉冲宽度调制信号生成器。
5.根据权利要求4所述的升降压直流-直流转换器，其中所述降压脉冲宽度调制信号生成器是降压脉冲宽度调制比较器，所述升压脉冲宽度调制信号生成器是升压脉冲宽度调制比较器，所述降压脉冲宽度调制比较器比较所述电压误差放大信号和所述第一输出信号，所述升压脉冲宽度调制比较器比较所述电压误差放大信号和所述第二输出信号。
6.根据权利要求4所述的升降压直流-直流转换器，还包括：
反馈单元，所述反馈单元耦合于所述电压输出节点和所述电压误差放大单元的反相输入端之间。
7.根据权利要求6所述的升降压直流-直流转换器，所述反馈单元包括分压器，所述分压器具有串联连接于所述电压输出节点和接地节点之间的第一电阻器和第二电阻器，所述第一电阻器和所述第二电阻器之间的节点与所述电压误差放大单元的反相输入端耦合。
8.根据权利要求7所述的升降压直流-直流转换器，所述反馈单元还包括增益放大器，所述增益放大器串联耦合于所述分压器和所述电压误差放大单元的反相输入端之间。
9.根据权利要求4-8中任一项所述的升降压直流-直流转换器，所述电感电流检测处理单元包括：
电感电流检测器，耦合至所述电感器以检测所述电感器中的电流并生成电压检测信号；
斜坡生成器，生成第一斜坡信号和第二斜坡信号；
第一加法器，将所述电压检测信号和所述第一斜坡信号相加，生成输出至所述降压脉冲宽度调制信号生成器的降压加和信号；以及
第二加法器，将所述电压检测信号和所述第二斜坡信号相加，生成输出至所述升压脉冲宽度调制信号生成器的升压加和信号。
10.根据权利要求9所述的升降压直流-直流转换器，其中所述斜坡生成器是振荡器，所述振荡器同时输出脉冲信号给所述控制器。
11.一种集成电路，包括根据权利要求1-10中任一项所述的升降压直流-直流转换器。
12.一种电源设备，所述电源设备包括：
电池；
根据权利要求1-11中任一项所述的升降压直流-直流转换器，所述升降压直流-直流转换器与所述电池耦合，接收来自所述电池的输入电压并且将其转换为输出电压以供输出。
13.一种便携式电子设备，包括根据权利要求12所述的电源设备。
14.一种升降压直流-直流转换方法，包括：
提供降压脉冲宽度调制信号和升压脉冲宽度调制信号来分别控制开关电路，从而使得升降压直流-直流转换器选择工作于纯降压模式、降压-升压转变模式和纯升压模式之一中。
15.根据权利要求14所述的升降压直流-直流转换方法，所述开关电路包括：
电感器；
第一开关，所述第一开关耦合于所述升降压直流-直流转换器的输入电压节点和所述电感器的第一端之间；
第二开关，所述第二开关耦合于所述电感器的第一端和接地节点之间；
第三开关，所述第三开关耦合于所述电感器的第二端和所述接地节点之间；以及
第四开关，所述第四开关耦合于所述电感器的第二端和所述升降压直流-直流转换器的电压输出节点之间。
16.根据权利要求15所述的升降压直流-直流转换方法，包括：
在所述纯降压模式期间，所述第三开关保持断开，所述第四开关保持接通，所述第一开关和所述第二开关交替接通；
在所述纯升压模式期间，所述第一开关保持接通，所述第二开关保持断开，所述第三开关和所述第四开关交替接通；以及
在所述降压-升压转变模式期间，所述升降压直流-直流转换器将交替工作于所述纯降压模式和所述纯升压模式。
17.根据权利要求16所述的升降压直流-直流转换方法，还包括：
生成电压误差放大信号；
生成第一电感电流检测处理信号和第二电感电流检测处理信号；以及
基于所述第一电感电流处理信号和所述电压误差放大信号生成所述降压脉冲宽度调制信号，并且基于所述第二电感电流检测处理信号和所述电压误差放大信号生成所述升压脉冲宽度调制信号。
18.根据权利要求17所述的升降压直流-直流转换方法，其中通过将反馈电压信号和参考电压信号进行比较生成所述电压误差放大信号。
19.根据权利要求18所述的升降压直流-直流转换方法，其中通过对所述升降压直流-直流转换器的输出电压进行采样、分压和增益放大来生成所述反馈电压信号。
20.根据权利要求17所述的升降压直流-直流转换方法，其中通过如下步骤生成所述第一电感电流检测处理信号和所述第二电感电流检测处理信号：
检测电感器中的电流以生成电感器电流信号；
将检测到的所述电感器电流信号转换成电压信号；
生成第一斜坡信号和第二斜坡信号；
将所述电压信号与所述第一斜坡信号进行加和生成所述第一电感电流检测处理信号；以及
将所述电压信号和所述第二斜坡信号进行加和生成所述第二电感电流检测处理信号。
21.根据权利要求20所述的升降压直流-直流转换方法，其中所述第一斜坡信号和所述第二斜坡信号是频率相同、幅度相同的三角波或锯齿波，并且所述第二斜坡信号的峰值高于所述第一斜坡信号的峰值。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120926 |