CN104218803A - 一种自举电压充电电路和电压转换电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自举电压充电电路，用于电压转换电路，其中所述电压转换电路包括高侧开关和低侧开关以及用于为所述高侧开关提供自举电压的自举电容，所述电压转换电路基于输入电压，通过所述高侧开关和所述低侧开关的导通和关断切换提供输出电压，所述自举电压充电电路包括：第一充电模块、第一比较模块、升压电路和第二充电模块。

Description

一种自举电压充电电路和电压转换电路
技术领域
本发明的实施例涉及电压转换电路，尤其涉及电压转换电路中的自举电压的充电。
背景技术
功率变换器，例如开关型电压转换器，已经被广泛应用于各种工业电子设备及消费电子设备中。以降压型直流电压转换器为例，由于其具有较高的转换效率、较大的带宽并且易于实现稳定性补偿，而经常被应用于需要将相对较高的直流输入电压转换为相对较低的直流输出电压的场合。图1示出了一种典型的降压型直流电压转换电路100的简化示意图。简言之，降压型直流电压转换电路100通过输入端IN接收输入电压VIN(输入电压VIN可以由电容CIN提供，也可以由外接电源提供)，并通过控制电路101控制高侧开关MH(图1中示意为MOSFET)和低侧开关ML(图1中示意为MOSFET)的导通与关断，以实现将输入电压VIN转换为合适的输出电压VO在其输出端OUT输出的目的。其中，高侧开关MH(图1中示意为MOSFET)和低侧开关ML串联耦接在输入端IN和参考地GND之间，并且高侧开关MH和低侧开关ML的耦接点SW(即开关端SW)通过感性储能元件LO耦接至输出端OUT，容性储能元件CO耦接在输出端OUT与参考地GND之间以平滑输出电压VO。
高侧开关MH可以包括N沟道功率开关器件，例如N沟道FET、N沟道DMOS等以节约芯片面积、降低电压转换电路100的尺寸并改善电压转换电路100的工作性能。在这种情况下，为了使高侧开关MH能够很好地导通(MH的导通电阻很小)，高侧开关MH的控制端(例如FET/DMOS的栅端)与其耦接SW节点的一端(例如FET/DMOS的源端)之间的电压差应该足够大，至少大于高侧开关MH的导通阈值电压。然而，若高侧开关MH导通，SW节点的电压可以是输入电压VIN，这时，需要为高侧开关MH的控制端提供高于SW节点的电压，即高于输入电压VIN，的电压才能使高侧开关MH充分导通。
为了在降压型直流电压转换电路100中获得高于输入电压VIN的电压，通常降压型直流电压转换电路100还包括自举充电电路102，用于为自举电容CB充电，进而以SW节点的电压为参考电势产生自举电压VBS，该自举电压VBS可以用于提升/增强由控制电路101为高侧开关MH的控制端提供的控制信号DRH的驱动能力，从而很好地控制高侧开关MH的导通和关断。图1中将自举充电电路102示意为用以产生自举供电电压VB的第一参考源REG1和第一二极管D1，其中第一二极管D1的阳极耦接第一参考源REG1，第一二极管D1的阴极耦接自举电容CB的第一端，自举电容CB的第二端耦接开关端SW，自举电容CB第一端和第二端之间的电压即为自举电压VBS。自举充电电路102的工作原理是本领域的普通技术人员所熟知的，即，当高侧开关MH关断时，低侧开关ML导通，自举供电电压VB通过第一二极管D1为自举电容CB充电，使得自举电容CB第一端和第二端之间具有自举电压VBS；当高侧开关MH导通时，低侧开关ML关断，电压转换电路100中的输入电压VIN被传输至开关端SW，即自举电容第二端的电压变为VIN，则此时自举电容CB第一端的电压被抬升为输入电压VIN叠加上自举电压VBS，从而实现了在降压型直流电压转换电路100中获得高于输入电压VIN的电压的目的。自举电容CB第一端的电压被抬升为输入电压VIN叠加上自举电压VBS后，二极管D1反向偏置而被关断，从而可以保护提供自举供电电压的电源不受相对较高的输入电压VIN的损坏。
可见，自举充电电路102通过在低侧开关ML导通时将自举电容CB第二端的电压拉低至参考地，而获得为自举电容CB充电的机会，以提供自举电压VBS。然而在某些工作状态下，可能由于自举电容CB上的电荷不足而又不能及时被充电到足够的水平，而导致自举充电电路102提供的自举电压VBS下降，不足以使高侧开关MH正常导通和关断，那么电压转换电路100也因此不能正常工作。例如：若电压转换电路100工作在负载较轻或者空载的情况下，则控制电路101会降低高侧开关MH和低侧开关ML的导通时间和/或者切换频率以提高转换效率，这样可能由于低侧开关ML的导通时间很短或者高侧开关MH和低侧开关ML在较长时间内没有进行导通和关断切换而无法使自举电容CB及时充电。另外，若电压转换电路100的输出电压VO接近输入电压VIN，则可能需要高侧开关MH以很高、甚至100％的占空比工作(即，高侧开关MH的导通时间可能占整个切换周期的相当大的比例、甚至是满周期)，那么低侧开关ML的导通时间就非常短、甚至没有导通机会，而使自举电容CB无法及时充电。这样要等到输出电压VO降低后，自举电容CB才有机会被充电以使自举电压VBS恢复，这会引起输出电压VO出现波动尖峰。例如，若输入电压VIN为6V，输出电压VO为3.3V，而自举电压VBS至少为3V才足够让高侧开关MH正常导通与关断。这种情况下，如果电压转换电路100的输出电流较小或者为零(即，电压转换电路100工作在负载较轻或者空载的情况下)，自举电压VBS必然会降至低于2.7V，而使高侧开关MH无法正常导通。那么，电压转换电路100需要等到输出电压VO降低至小于3V后，才有机会使自举电容CB充电以让自举电压VBS恢复至3V。然后电压转换电路100正常工作使输出电压VO回到3.3V的期望值。每次输出电压VO由低于3V恢复至3.3V的过程中都会出现较大的波动尖峰，这不仅对电压转换电路100不利更有可能损害负载，因而是不希望出现的。
发明内容
针对现有技术中的一个或多个问题，本发明的实施例提供一种自举电压充电电路、电压转换电路及其控制方法。
在本发明的一个方面，提出了一种自举电压充电电路，用于电压转换电路，其中所述电压转换电路包括高侧开关和低侧开关以及用于为所述高侧开关提供自举电压的自举电容，所述电压转换电路基于输入电压，通过所述高侧开关和所述低侧开关的导通和关断切换提供输出电压，所述自举电压充电电路包括：第一充电模块，具有输入端和输出端，其输入端用于接收所述输入电压，其输出端耦接至所述自举电容的第一端；第一比较模块，具有第一比较输入端、第二比较输入端，其第一比较输入端接收所述输入电压，其第二比较输入端接收所述输出电压，所述第一比较模块将所述输入电压与所述输出电压之差与比较阈值进行比较并在所述第一比较模块输出端提供电压比较信号；升压电路，具有输入端与输出端，其输入端用于接收所述输入电压或所述输出电压，其输出端提供第一高压信号；第二充电模块，具有输入端、输出端和控制端，其输入端接收所述第一高压信号，其输出端耦接至所述自举电容的第一端，其控制端接收所述电压比较信号，当所述输入电压与所述输出电压之差小于所述比较阈值时，所述第二充电模块对所述自举电容充电。
在本发明的另一方面，提出了一种电压转换电路，包括：通路开关，耦接于输入端与输出端之间，其中所述输出端用于提供输出电压；电感，耦接于所述输出端与开关端之间；高侧开关，耦接于所述开关端与存储端之间；存储电容，耦接于所述存储端与接地端之间，用于提供存储电压；低侧开关，耦接于所述开关端与所述接地端之间；自举电容，具有第一端与第二端，其第二端耦接至所述开关端，用于为所述高侧开关提供自举电压；第一充电模块，具有输入端和输出端，其输入端用于接收所述存储电压，其输出端耦接至所述自举电容的第一端；第一比较模块，具有第一比较输入端、第二比较输入端，其第一比较输入端接收所述存储电压，其第二比较输入端接收所述输出电压，所述第一比较模块将所述存储电压与所述输出电压之差与比较阈值进行比较并在所述第一比较模块输出端提供电压比较信号；升压电路，具有输入端与输出端，其输入端用于接收所述存储电压或所述输出电压，其输出端提供第一高压信号；第二充电模块，具有输入端、输出端和控制端，其输入端接收所述第一高压信号，其输出端耦接至所述自举电容的第一端，其控制端接收所述电压比较信号，当所述输入电压与所述输出电压之差小于所述比较阈值时，所述第二充电模块对所述自举电容充电。
在本发明的另一方面，提出了一种自举电压充电电路，用于电压转换电路，其中所述电压转换电路包括高侧开关和低侧开关以及用于为所述高侧开关提供自举电压的自举电容，所述电压转换电路基于输入电压，通过所述高侧开关和所述低侧开关的导通和关断切换提供输出电压，所述自举电压充电电路包括：第一充电模块，具有输入端和输出端，其输入端用于接收所述输入电压，其输出端耦接至所述自举电容的第一端；第一比较模块，具有第一比较输入端、第二比较输入端和比较输出端，其第一比较输入端和第二比较输入端分别耦接至所述自举电容两端，所述第一比较模块将所述自举电压与比较阈值进行比较并在所述第一比较模块输出端提供电压比较信号；升压电路，具有输入端与输出端，其输入端用于接收所述输入电压或所述输出电压，其输出端提供第一高压信号；以及第二充电模块，具有输入端、输出端和控制端，其输入端接收所述第一高压信号，其输出端耦接至所述自举电容的第一端，其控制端接收所述电压比较信号，当所述自举电压小于所述比较阈值时，所述第二充电模块对所述自举电容充电。
利用上述方案，根据本发明实施例的自举电压充电电路和电压转换电路的优势至少在于：由于第一充电模块电源是来自于输入电压(或者存储电压)，随着输入电压降低，自举电容上的自举电压也在不停的降低，而经过升压电路的升压后第一信号时高于输入电压的，即第二充电模块的引入，可以将自举电压升高至更高电压；其次，随着输入电压和输出电压愈来愈接近，低侧开关导通时间越来越小，第一充电模块对自举电容充电时间愈来愈小，第二充电模块的可以在高端功率管导通时为自举电容充电时间，可以使得自举电容上充满电量，避免使用大的自举电容。
附图说明
下面的附图有助于更好地理解接下来对本发明不同实施例的描述。这些附图并非按照实际的特征、尺寸及比例绘制，而是示意性地示出了本发明一些实施方式的主要特征。这些附图和实施方式以非限制性、非穷举性的方式提供了本发明的一些实施例。为简明起见，不同附图中具有相同功能的相同或类似的组件或结构采用相同的附图标记。
图1示出了一种典型的降压型直流电压转换电路100的简化示意图；
图2示出了根据本发明一个实施例的电压转换电路200的电路架构示意图；
图3示出了根据本发明一个实施例的第一充电模块202、第一比较模块204和第二充电模块205电路示意图；
图4示出了根据本发明一个实施例的第一充电模块402和第二充电模块405电路示意图；
图5示出了根据本发明一个实施例的第一逻辑电路LOG1的主要工作波形示意图；
图6示出了根据本发明一个实施例的电压转换电路600的电路架构示意图；以及
图7示出了根据本发明一个实施例的电压转换电路600在降压工作模式下的主要工作波形示意图。
具体实施方式
下面将详细说明本发明的一些实施例。在接下来的说明中，一些具体的细节，例如实施例中的具体电路结构和这些电路元件的具体参数，都用于对本发明的实施例提供更好的理解。本技术领域的技术人员可以理解，即使在缺少一些细节或者其他方法、元件、材料等结合的情况下，本发明的实施例也可以被实现。
在本发明的说明书中，提及“一个实施例”时均意指在该实施例中描述的具体特征、结构或者参数、步骤等至少包含在根据本发明的一个实施例中。因而，在本发明的说明书中，若采用了诸如“根据本发明的一个实施例”、“在一个实施例中”等用语并不用于特指在同一个实施例中，若采用了诸如“在另外的实施例中”、“根据本发明的不同实施例”、“根据本发明另外的实施例”等用语，也并不用于特指提及的特征只能包含在特定的不同的实施例中。本领域的技术人员应该理解，在本发明说明书的一个或者多个实施例中公开的各具体特征、结构或者参数、步骤等可以以任何合适的方式组合。另外，在本发明的说明书及权利要求中，“耦接”一词意指通过电气或者非电气的方式实现直接或者间接的连接。“一个”并不用于特指单个，而是可以包括复数形式。“在……中”可以包括“在……中”和“在……上”的含义。除非特别明确指出，“或”可以包括“或”、“和”及“或/和”的含义，并不用于特指只能选择几个并列特征中的一个，而是意指可以选择其中的一个或几个或其中某几个特征的组合。除非特别明确指出，“基于”一词不具有排它性，而是意指除了基于明确描述的特征之外，还可以基于其它未明确描述的特征。“电路”意指至少将一个或者多个有源或无源的元件耦接在一起以提供特定功能的结构。“信号”至少可以指包括电流、电压、电荷、温度、数据、压力或者其它类型的信号。若“晶体管”的实施例可以包括“场效应晶体管”或者“双极结型晶体管”，则“栅极/栅区”、“源极/源区”、“漏极/漏区”分别可以包括“基极/基区”、“发射极/发射区”、“集电极/集电区”，反之亦然。本领域的技术人员应该理解，以上罗列的对本发明中描述用语的解释仅仅是示例性的，并不用于对各用语进行绝对的限定。
图2示出了根据本发明一个实施例的电压转换电路200的电路架构示意图。该电压转换电路200包括：输入端IN，用于接收输入电压VIN；输出端OUT，用于提供输出电压VO或输出电流IO；高侧开关MH和低侧开关ML，串联耦接于输入端IN和参考地GND之间，并且高侧开关MH和低侧开关ML的耦接点形成开关端SW；输出滤波电路201，包括电感LO和输出电容CO，耦接于开关端SW和输出端OUT之间，用于将开关端SW处的切换电压VSW转化为输出电压VO。自举电容CB，具有第一端和第二端，其第二端耦接在开关端SW，自举电容CB两端之间电压差称为自举电压VBS。电压转换电路200还包括第一充电模块202、升压电路203、第一比较模块204、第二充电模块205和驱动电路206。图3示出了根据本发明一个实施例的第一充电模块202、第一比较模块204和第二充电模块205电路示意图。
第一充电模块202，具有输入端和输出端，其输入端用于接收输入电压VIN，其输出端耦接至自举电容CB的第一端用于为自举电容CB充电。根据本发明的一个实施例，如图3所示，第一充电模块202包括第一参考源REG1(电压源或者电流源)和第一二极管D1，低侧开关ML导通时，第一参考源REG1通过第一二极管D1对自举电容CB充电；高侧开关MH导通时，第一二极管D1阻止自举电容CB对第一参考源REG1的反向充电。一般而言，第一参考源REG1可以是提供5V左右电压的电压源。
升压电路203，具有输入端与输出端，其输入端用于接收输入电压VIN或输出电压VOUT，其输出端提供一高于其输入端电压的第一高压信号VUP。升压电路输入端可以耦接至输入信号VIN，也可以耦接至输出信号VOUT，根据输入端的电压在输出端提供电压更高的第一高压信号VUP。根据本发明的一个实施例，升压电路203可以使用集成电荷泵实现，例如2倍电荷泵，从而在其输出端得到高于输入端电压的第一高压信号(例如2倍输入端电压)。在其他实施例中，升压电路203可以采用其他升压电路例如3倍或者多倍电荷泵。
第一比较模块204，具有第一比较输入端、第二比较输入端和比较输出端，其中第一比较输入端用于接收输入电压VIN，第二比较输入端用于接收输出电压VO，第一比较模块204用于将输入电VIN与输出电压VO之差VIO与比较阈值VTH进行比较并在第其输出端提供电压比较信号VCOM。根据本发明的一个实施例，如图3所示，第一比较模块204包括第一减法器SUB1和第一比较器COM1，其中第一减法器SUB1配置为将输入电压VIN与输出电压VO求差并提供差值信号VDIF，第一比较器COM1将二者之差(差值信号VDIF)与比较阈值VTH(比较阈值VTH可以由第三比较输入端提供)进行比较，输出端提供电压比较信号VCOM。输入电压VIN与输出电压VO之差VIO大于比较阈值VTH时，比较信号VCOM具有第一状态(例如低电平)；输入电VIN与输出电压VO之差VIO小于比较阈值VTH时，比较信号VCOM具有第二状态(例如高电平)。在另外一个实施例中，第一比较模块204可以由迟滞比较器实现，例如具有0.1V迟滞的迟滞比较器：在输入电压VIN降低或者输出电压VO升高过程中，输入电压VIN与输出电压VO之差VIO大于0.1V(比较阈值VTH)时，比较信号VCOM具有第一状态；输入电压VIN与输出电压VO之差VIO小于0.1V，比较信号VCOM具有第二状态。比较阈值可以设置为2V、1V或者更小，甚者0V。
第二充电模块205，具有输入端、输出端和控制端，其输入端通过接收第一高压信号VUP，输出端耦接至自举电容CB的第一端，控制端用于接收电压比较信号VCOM，当输入电压VIN与输出电压VO之差VIO小于比较阈值VTH时(即比较信号VCOM具有第二状态)，第二充电模块205为自举电容CB充电。
在一个实施例中，输入电压VIN可以由输入电容CIN提供(例如外接电压源对输入电容CIN充电后即被去除)，随着开关变换器不停的将输入电容CIN上的能量转移至输出电容CO，输入电压VIN会不停的降低。第一比较模块204将输入电VIN与输出电压VO之差VIO与比较阈值VTH进行比较，当输入电VIN与输出电压VO之差VIO由大于比较阈值VTH降低至小于比较阈值VTH，比较信号VCOM会由第一状态翻转为第二状态。当比较信号VCOM是第一状态时，第一充电模块202在低侧开关ML导通时为自举电容CB充电，第二充电模块205不使能(不对自举电容CB充电)；当比较信号VCOM是第二状态时，第二充电模块205为自举电容CB充电。根据本发明的一个实施例，第二充电模块205包括第二参考源REG2和第二二极管D2。比较信号VCOM具有第一状态，第二参考源REG2不使能，第二参考源REG2输出端浮空(不提供电压或者电流)或者提供较低的电压(低于第一参考源REG1提供的电压例如0V)或者电流，第二二极管D2阻值自举电容CB对第二参考源REG2的反向充电；比较信号VCOM具有第二状态，第二参考源提供较高的电压(高于输出电压电压值，例如VO+5)或者电流。第二充电模块205可以在低侧开关ML导通时为自举电容CB充电，也可以在高端功率管MH导通时为自举电容CB充电。特别地，在一个实施例中，第二充电模块205被配置为仅在高端功率管MH导通时为自举电容CB充电，以避免在低侧开关ML导通时或者导通关断切换时，自举电容CB可能会从第二充电模块205汲取较大电流，而过大电流可能会导致自举电路工作状态发生变化。第二参考源REG2可以输出2倍输入电压，例如当输入电压VIN降低至3V时，第二参考源REG2可以输出接近6V的电压。
驱动电路206具有输入端、输出端、第一电源端和第二电源端，其中其输入端用以接收高端逻辑信号LH、其输出端端用以提供高端驱动信号DH、其第一电源端和第二电源端分别耦接至自举电容CB两端以汲取能量(自举电压VBS)。驱动电路206基于该自举电压VBS为高侧开关MH提供增强的导通与关断驱动信号DH，并基于该自举电压VBS通过控制高侧开关MH的导通和关断切换，低侧开关ML在低端驱动信号DL的控制下。
在一个实施例中，输入电压VIN可以由输入电容CIN提供(随着开关变换器不停的将输入电容CIN上的能量转移至输出电容CO，随着VIN电压进一步降低，高侧开关MH保持完全导通，第一充电模块202将无法继续为自举电容CB充电，第二充电模块205持续为自举电容CB充电，以避免VBS过低导致高侧开关MH被关断。
在一个实施例中，第一比较模块204的第一比较输入端和第二比较输入端分别耦接至自举电容CB的两端，将自举电压VBS与比较阈值VTH进行比较并在所述第一比较模块输出端提供电压比较信号VCOM。自举电压VBS由大于比较阈值VTH降低至小于比较阈值VTH，比较信号VCOM会由第一状态翻转为第二状态。当比较信号VCOM是第一状态时，第一充电模块202在低侧开关ML导通时为自举电容CB充电，第二充电模块205不使能(不对自举电容CB充电)；当比较信号VCOM是第二状态时，第二充电模块205为自举电容CB充电。
相比图1所示的现有技术，图2所示的电压转换电路200优势至少在于：由于第一充电模块202电源是来自于输入电压VIN，随着输入电压VIN降低，自举电容CB上的电压VBS也在不停的降低，而经过升压电路的升压后第一信号时高于输入电压VIN的，即第二充电模块的引入，可以将VBS升高至更高电压；其次，随着输入电压VIN和输出电压VOUT愈来愈接近，占空比越来越大，低侧开关ML导通时间越来越小，第一充电模块201对自举电容CB充电时间愈来愈小，第二充电模块205的可以在高端功率管导通时为自举电容CB充电时间，可以使得自举电容上充满电量，避免使用大电容。
图4示出了根据本发明一个实施例的第一充电模块402和第二充电模块405电路示意图，第一充电模块402和第二充电模块405可直接用于电压转换电路200以替换第一充电模块202和第二充电模块205。
第一充电模块402包括第一晶体管M1、第一二极管D1、第一电阻R1、第二晶体管M2、第二电阻R2和第一放大器EA1。其中，第一晶体管M1，具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至或者配置为第一充电模块402的输入端以接收输入电压VIN；第一二极管D1，具有阴极和阳极，其阳极耦接至第一晶体管M1的第二端，其阴极耦接至或者配置为第一充电模块402的输出端；第一电阻R1，具有第一端和第二端，其第一端耦接至第一充电模块的输出端；第二晶体管M2，具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至第一电阻R1的第二端，其控制端耦接至电压转换电路200的开关端SW；第二电阻R2，具有第一端和第二端，其第一端耦接至第二晶体管M2的第二端，其第二端耦接至地电势GND；以及第一放大器EA1，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端接收第一参考信号VREF1，其第二输入端耦接至第二电阻R2的第一端，其输出端耦接至第一晶体管M1的控制端。
第二充电模块405包括第三晶体管M3、第二二极管D2、第一开关S1、第一逻辑电路LOG1和第二放大器EA2。其中，第三晶体管M3，具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至或者配置为第二充电模块405的输入端以接收第一高压信号VUP；第二二极管D2，具有阴极和阳极，其阳极耦接至第三晶体管M3的第二端，其阴极耦接至或者配置为第二充电模块405的输出端；第一逻辑电路LOG1，基于电压比较信号VCOM和高端驱动信号LH产生开关控制信号VEN；第一放大器EA1，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端接收第二参考信号VREF2，其输出端耦接至第三晶体管M3的控制端；第一开关S1，具有第一端、第二端和第三端，其第一端耦接至第二电阻R2的第二端，其第二端耦接至耦接至接地端，第三端耦接至第一放大器EA1的第二端，在开关控制信号VEN作用下，第一开关S1选择性地将第三端耦接至其第一端或者其第二端。
根据本发明的一个实施例，当开关变换器200工作在PWM模式下时(高侧开关MH和低侧开关ML具有切换动作)，当低侧开关ML导通且高侧开关MH截止时，开关端SW被下拉至GND电压，第二晶体管M2导通，第一电阻R1、第二晶体管ML、第二电阻R2采样第一电容第一端的电压值并提供反馈信号给第一放大器EA1，第一晶体管M1在第一放大器EA1的控制下对自举电容CB充电。当低侧开关ML截止且高侧开关MH导通时，开关端SW被上拉至VIN电压，自举电容第一端的电压被举高到VIN+VBS。此时，第一二极管D1可以阻止自举电容通过第一晶体管对VIN放电，第二晶体管M2可以避免电阻R2第一端电压过高导致损害其他晶体管例如第一误差放大器EA1的输入级晶体管。
图5示出第一逻辑电路LOG1的工作波形图，输入电VIN与输出电压VO之差VIO高于比较阈值VTH时，比较信号VCOM为第一状态信号，第二误差放大器EA2的负端被开关S1下拉至地电势，第二误差放大器EA2输出高电平，第三晶体管M3截止，即第二充电模块405不对自举电容CB充电。当输入电压VIN持续降低或者输出电压VO持续升高，输入电VIN与输出电压VO之差VIO小于比较阈值VTH时，比较信号VCOM会由第一状态反转为第二状态。比较信号VCOM会由第一状态反转为第二状态后，当低侧开关ML导通且高侧开关MH截止时，由于第二误差放大器EA2的负端被开关S1下拉至地电势，第二误差放大器EA2输出高电平，第三晶体管M3截止，即第二充电模块405不对自举电容CB充电；当低侧开关ML截止且高侧开关MH导通时，第二误差放大器EA2的负端被耦接至第一电阻R1的第一端，第三晶体管M3在第二误差放大器EA2的控制下对自举电容CB充电，由于第二晶体管的控制端耦接至开关端SW，第二晶体管M2将作为有源电阻增大第一电阻R1的阻值，进而提高第二充电模块205的对自举电容CB的充电能力。在部分实施例中，逻辑电路还可以将开关控制信号VEN的脉宽压缩，以第二充电模块405仅在高侧开关MH导通时对自举电容CB充电。在其他的实施例中，第一逻辑电路LOG1还可以基于电压比较信号VCOM产生不同的开关控制信号VEN，从而使得第二充电模块405可以在不同的时间区间为自举电容CB充电。
图6示出了根据本发明一个实施例的电压转换电路600的电路架构示意图。该电压转换电路600包括：输入端IN，用于接收外接电压VEX(外接电压即输入电压，为区别图2中的输入电压VIN，将此处电压命名为外接电压VEX)；输出端OUT，用于提供输出电压VO；通路开关MP，耦接于输入端IN与输出端OUT之间；电感LO，耦接于输出端OUT与开关端SW之间；高侧开关MH，耦接于开关端SW与存储端STOR(对应图2中的输入端IN)之间；存储电容CS，耦接于存储端STOR与接地端之间，用于提供存储电压VS(对应图2中的输入电压VIN)；低侧开关，耦接于开关端SW与接地端之间；自举电容CB，具有第一端与第二端，其第二端耦接至开关端SW，用于为高侧开关MH提供自举电压CBS；第一充电模块202，具有输入端和输出端，其输入端用于接收存储电压VS，其输出端耦接至自举电容CB的第一端；第一比较模块203，具有第一比较输入端、第二比较输入端，其第一比较输入端接收存储电压VS，其第二比较输入端接收输出电压VO，第一比较模块将存储电压VS与输出电压VO之差VSO与比较阈值VTH进行比较并在第一比较模块203输出端提供电压比较信号VCOM；升压电路204，具有输入端与输出端，其输入端用于接收存储电压VS或输出电压VO，其输出端提供第一高压信号VUP；第二充电模块205，具有输入端、输出端和控制端，其输入端接收第一高压信号VUP，其输出端耦接至自举电容CB的第一端，其控制端接收电压比较信号VCOM，当存储电压VS与输出电压VO之差VSO小于比较阈值VTH时，第二充电模块205对自举电容CB充电。
电压转换器200及其等同替换、工作原理、过程，图3～5所示的各实施例及其等同替换、工作原理、过程同样适用于电压转换电路600。
根据本发明的一个实施例，电压转换电路600具有升压工作模式和降压工作模式。
在升压工作模式下，在控制信号DP控制通路开关MP导通，外接电源VEX通过通路开关MP对输出电容CO充电，从而为负载提供输出电压VO或者输出电流IO。此时，高侧开关MH和低侧开关ML组成了一个“升压型直流电压转换电路”：在开关周期的前半个周期，低侧开关ML导通且高侧开关MH截止，输出电压VO通过电感LO和低侧开关ML对地放电，电感LO上电流增大；在开关周期的后半个周期，低侧开关ML截止，高侧开关MH导通，电感LO通过高侧开关MH对存储电容CS充电。存储电容CS的存储电压VS可以远高于输出电压VO，从而使得存储电容CS可以存储更多能量。在另外一个实施例中，在升压工作模式下，高侧开关MH保持关闭，电压转换电路600通过高侧开关MH的寄生衬底二极管对存储电容CB充电以简化高侧开关MH的控制电路的设计难度。
当外界激励源被去除或者不能提供足够的能量给输出电容CO(例如导通开关MP关闭、外界激励源能量过低等)时，电压转换电路600工作于降压模式下，其工作过程类似于前文所述的“降压型直流电压转换电路”，存储电容CS将自身电量转移至输出电容CO。图7示出了根据本发明一个实施例的电压转换电路600的在降压模式下的工作波形图。随着开关变换器不停的将输入电容CIN上的能量转移至输出电容CO，存储电压VS会不停的降低。第一比较模块204将存储电压VS与输出电压VO之差VSO与比较阈值VTH进行比较，当存储电压VS与输出电压VO之差VSO由大于比较阈值VTH降低至小于比较阈值VTH(例如1V)，比较信号VCOM会由第一状态翻转为第二状态。在一个实施例中，当比较信号VCOM是第一状态时，第一充电模块201在低侧开关ML导通时(DL为高)为自举电容CB充电，第二充电模块205不使能(不对自举电容CB充电)；当比较信号VCOM是第二状态时，第二充电模块205为自举电容CB充电。图7中，CHAG1和CHAG2的高电平表示第二充电模块205正在对自举电容CB充电。第二充电模块205可以在低侧开关ML导通时为自举电容CB充电，也可以在高端功率管MH导通(DH为高)时为自举电容CB充电。特别地，在一个实施例中，第二充电模块205被配置为仅在高端功率管MH导通时为自举电容CB充电(其中图7所示的曲线CHAG2表示在高端功率管MH导通后延迟10微秒再对自举电容CB充电)，以避免在低侧开关ML导通时或者导通关断切换时，自举电容CB可能会从第二充电模块205汲取较大电流，而过大电流可能会导致自举电路工作状态发生变化。
根据随着存储电压VS电压进一步降低，高侧开关MH保持完全导通，低侧开关ML保持截止，压转换电路600工作于线性模式下，第一充电模块202将无法继续为自举电容CB充电，第二充电模块205持续为自举电容CB充电，以避免VBS过低导致高侧开关MH被关断，例如在图7中，由于自举电容CB被第二充电模块205补充了更多电量，高侧开关MH在输出电压VO降低至V2时才会被关闭(截止)；如果不使用第二充电模块205，高侧开关MH在输出电压VO降低至V1时就会被关闭。
虽然本说明书中以降压型电压转换电路为例对根据本发明各实施例的自举电压充电电路、包含该自举电压充电电路的电压转换电路及其控制方法进行了示意与描述，但这并不意味着对本发明的限定，本领域的技术人员应该理解这里给出的结构及原理也可以适用于具有其它拓扑结构的电压转换电路，例如降压-升压型电压转换电路等等。
因此，上述本发明的说明书和实施方式仅仅以示例性的方式对本发明实施例的自举电压充电电路、包含该自举电压充电电路的电压转换电路及其控制方法进行了说明，并不用于限定本发明的范围。对于公开的实施例进行变化和修改都是可能的，其他可行的选择性实施例和对实施例中元件的等同变化可以被本技术领域的普通技术人员所了解。本发明所公开的实施例的其他变化和修改并不超出本发明的精神和保护范围。

Claims (21)

1.一种自举电压充电电路，用于电压转换电路，其中所述电压转换电路包括高侧开关和低侧开关以及用于为所述高侧开关提供自举电压的自举电容，所述电压转换电路基于输入电压，通过所述高侧开关和所述低侧开关的导通和关断切换提供输出电压，所述自举电压充电电路包括：
第一充电模块，具有输入端和输出端，其输入端用于接收所述输入电压，其输出端耦接至所述自举电容的第一端；
第一比较模块，具有第一比较输入端、第二比较输入端和比较输出端，其第一比较输入端接收所述输入电压，其第二比较输入端接收所述输出电压，所述第一比较模块将所述输入电压与所述输出电压之差与比较阈值进行比较并在所述第一比较模块输出端提供电压比较信号；
升压电路，具有输入端与输出端，其输入端用于接收所述输入电压或所述输出电压，其输出端提供第一高压信号；以及
第二充电模块，具有输入端、输出端和控制端，其输入端接收所述第一高压信号，其输出端耦接至所述自举电容的第一端，其控制端接收所述电压比较信号，当所述输入电压与所述输出电压之差小于所述比较阈值时，所述第二充电模块对所述自举电容充电。
2.根据权利要求1的自举电压充电电路，其特征在于，所述第一充电模块包括第一参考源和第一二极管；所述低侧开关导通时，所述第一参考源通过所述第一二极管对所述自举电容充电；所述高侧开关导通时，所述第一二极管阻止所述自举电容对所述第一参考源反向充电。
3.根据权利要求1的自举电压充电电路，其特征在于，所述升压电路包括集成两倍电荷泵。
4.根据权利要求1的自举电压充电电路，其特征在于，所述第一比较模块包括第一减法器和第一第一比较器，其中所述减法器配置为将所述输入电压与所述输出电压求差并输出差值信号，所述第一比较器将所述差值信号与所述比较阈值进行比较。
5.根据权利要求1的自举电压充电电路，其特征在于，
所述输入电压与所述输出电压之差小于所述比较阈值时，所述电压比较信号具有第一逻辑状态；所述输入电压与所述输出电压之差大于所述比较阈值时，所述电压比较信号具有第二逻辑状态；
若所述电压比较信号具有第一逻辑状态，所述第一充电模块在所述低侧开关导通时为所述自举电容充电；若所述电压比较信号具有第二逻辑状态，所述第二充电模块在所述高侧开关导通时为所述自举电容充电。
6.根据权利要求1的自举电压充电电路，其特征在于，所述第二充电模块包括第二参考源和第二二极管，若所述电压比较信号具有第一逻辑状态，所述第二二极管阻止自举电容对第二参考源反向充电；若所述电压比较信号具有第二逻辑状态且所述高侧开关导通，所述第二二极管阻止所述自举电容对所述第二参考源反向充电。
7.根据权利要求1的自举电压充电电路，其特征在于，所述第一充电模块包括，
第一晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至或者配置为所述第一充电模块的输入端；
第一二极管，具有阴极和阳极，其阳极耦接至所述第一晶体管的第二端，其阴极耦接至或者配置为所述第一充电模块的输出端；
第一电阻，具有第一端和第二端，其第一端耦接至所述一充电模块的输出端；
第二晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至所述第一电阻的第二端，其控制端耦接至所述高侧开关和所述低侧开关的公共端；
第二电阻，具有第一端和第二端，其第一端耦接至所述第二晶体管的第二端，其第二端耦接至接地端；以及
第一放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端接收第一参考信号，其第二输入端耦接至所述第二电阻的第一端，其输出端耦接至所述第一晶体管的控制端。
8.根据权利要求7的自举电压充电电路，其特征在于，所述第二充电模块包括，
第三晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至或者配置为所述第二充电模块的输入端以接收所述第一高压信号；
第二二极管，具有阴极和阳极，其阳极耦接至所述第三晶体管的第二端，其阴极耦接至或者配置为所述第二充电模块的输出端；
第一逻辑电路，基于所述电压比较信号产生开关控制信号；
第二放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端接收第二参考信号，其输出端耦接至所述第三晶体管的控制端；以及
第一开关，具有第一端、第二端和第三端，其第一端耦接至所述第二电阻的第一端，其第二端耦接至所述接地端，其第三端耦接至所述第一放大器的第二端，在所述开关控制信号作用下，所述第一开关选择性地将其第三端耦接至其第一端或者其第二端。
9.根据权利要求8的自举电压充电电路，其特征在于，所述第一逻辑电路基于所述电压比较信号和用于驱动所述高侧开关的高端驱动信号产生所述开关控制信号。
10.一种电压转换电路，包括
通路开关，耦接于输入端与输出端之间，其中所述输出端用于提供输出电压；
电感，耦接于所述输出端与开关端之间；
高侧开关，耦接于所述开关端与存储端之间；
存储电容，耦接于所述存储端与接地端之间，用于提供存储电压；
低侧开关，耦接于所述开关端与所述接地端之间；
自举电容，具有第一端与第二端，其第二端耦接至所述开关端，用于为所述高侧开关提供自举电压；
第一充电模块，具有输入端和输出端，其输入端用于接收所述存储电压，其输出端耦接至所述自举电容的第一端；
第一比较模块，具有第一比较输入端、第二比较输入端和比较输出端，其第一比较输入端接收所述存储电压，其第二比较输入端接收所述输出电压，所述第一比较模块将所述存储电压与所述输出电压之差与比较阈值进行比较并在所述第一比较模块输出端提供电压比较信号；
升压电路，具有输入端与输出端，其输入端用于接收所述存储电压或所述输出电压，其输出端提供第一高压信号；以及
第二充电模块，具有输入端、输出端和控制端，其输入端接收所述第一高压信号，其输出端耦接至所述自举电容的第一端，其控制端接收所述电压比较信号，当所述存储电压与所述输出电压之差小于所述比较阈值时，所述第二充电模块对所述自举电容充电。
11.根据权利要求10的电压转换电路，其特征在于，所述电压转换电路具有升压工作模式和降压工作模式。
12.根据权利要求11的电压转换电路，其特征在于，在所述升压工作模式下，所述通路开关导通，通过所述低侧开关的导通与关断，所述电压转换电路对所述存储电容充电；在所述降压工作模式下，通过所述高侧开关和低侧开关的导通与关断，所述存储电容对所述输出电容充电。
13.根据权利要求12的电压转换电路，其特征在于，在所述升压工作模式下，所述高侧开关保持关闭，所述电压转换电路通过所述高侧开关的寄生衬底二极管对所述存储电容充电。
14.根据权利要求11的电压转换电路，其特征在于，所述电压转换电路还具有线性工作模式，在线性工作模式下，所述高侧开关保持导通，所述低侧开关保持关闭。
15.根据权利要求10的电压转换电路，其特征在于，
所述存储电压与所述输出电压之差小于所述比较阈值时，所述电压比较信号具有第一逻辑状态；所述存储电压与所述输出电压之差大于所述比较阈值时，所述电压比较信号具有第二逻辑状态；
若所述电压比较信号具有第一逻辑状态，所述第一充电模块在所述低侧开关导通时为所述自举电容充电；若所述电压比较信号具有第二逻辑状态，所述第二充电模块在所述高侧开关导通时为所述自举电容充电。
16.根据权利要求10的自举电压充电电路，其特征在于，所述第二充电模块包括第二参考源和第二二极管，若所述电压比较信号具有第一逻辑状态，所述第二二极管阻止自举电容对第二参考源反向充电；若所述电压比较信号具有第二逻辑状态且所述高侧开关导通，所述第二二极管阻止所述自举电容对所述第二参考源反向充电。
17.根据权利要求10的电压转换电路，其特征在于，所述第一充电模块包括，
第一晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至或者配置为所述第一充电模块的输入端；
第一二极管，具有阴极和阳极，其阳极耦接至所述第一晶体管的第二端，其阴极耦接至或者配置为所述第一充电模块的输出端；
第一电阻，具有第一端和第二端，其第一端耦接至所述一充电模块的输出端；
第二晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至所述第一电阻的第二端，其控制端耦接至所述高侧开关和所述低侧开关的公共端；
第二电阻，具有第一端和第二端，其第一端耦接至所述第二晶体管的第二端，其第二端耦接至接地端；以及
第一放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端接收第一参考信号，其第二输入端耦接至所述第二电阻的第一端，其输出端耦接至所述第一晶体管的控制端。
18.根据权利要求17的电压转换电路，其特征在于，所述第二充电模块包括，
第三晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至或者配置为所述第二充电模块的输入端以接收所述第一高压信号；
第二二极管，具有阴极和阳极，其阳极耦接至所述第三晶体管的第二端，其阴极耦接至或者配置为所述第二充电模块的输出端；
第一逻辑电路，基于所述电压比较信号产生开关控制信号；
第二放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端接收第二参考信号，其输出端耦接至所述第三晶体管的控制端；以及
第一开关，具有第一端、第二端和第三端，其第一端耦接至所述第二电阻的第一端，其第二端耦接至所述接地端，其第三端耦接至所述第一放大器的第二端，在所述开关控制信号作用下，所述第一开关选择性地将其第三端耦接至其第一端或者其第二端。
19.根据权利要求18的电压转换电路，其特征在于，所述第一逻辑电路基于所述电压比较信号和用于驱动所述高侧开关的高端驱动信号产生所述开关控制信号。
20.一种自举电压充电电路，用于电压转换电路，其中所述电压转换电路包括高侧开关和低侧开关以及用于为所述高侧开关提供自举电压的自举电容，所述电压转换电路基于输入电压，通过所述高侧开关和所述低侧开关的导通和关断切换提供输出电压，所述自举电压充电电路包括：
第一充电模块，具有输入端和输出端，其输入端用于接收所述输入电压，其输出端耦接至所述自举电容的第一端；
第一比较模块，具有第一比较输入端、第二比较输入端和比较输出端，其第一比较输入端和第二比较输入端分别耦接至所述自举电容两端，所述第一比较模块将所述自举电压与比较阈值进行比较并在所述第一比较模块输出端提供电压比较信号；
升压电路，具有输入端与输出端，其输入端用于接收所述输入电压或所述输出电压，其输出端提供第一高压信号；以及
第二充电模块，具有输入端、输出端和控制端，其输入端接收所述第一高压信号，其输出端耦接至所述自举电容的第一端，其控制端接收所述电压比较信号，当所述自举电压小于所述比较阈值时，所述第二充电模块对所述自举电容充电。
21.根据权利要求20的自举电压充电电路，其特征在于，
所述输入电压与所述输出电压之差小于所述比较阈值时，所述电压比较信号具有第一逻辑状态；所述输入电压与所述输出电压之差大于所述比较阈值时，所述电压比较信号具有第二逻辑状态；
若所述电压比较信号具有第一逻辑状态，所述第一充电模块在所述低侧开关导通时为所述自举电容充电；若所述电压比较信号具有第二逻辑状态，所述第二充电模块在所述高侧开关导通时为所述自举电容充电。
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