CN114556763A - 低噪声功率转换***和方法 - Google Patents

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Abstract

一种***，包括电流模式切换器和连接到电流模式切换器的输出端的线性放大器，该电流模式切换器用于为噪声敏感负载提供直流(DC)电压；该线性放大器用于通过耦合在电源和该线性放大器之间的至少一个功率转换设备来抽取减小的供电电压。

Description

低噪声功率转换***和方法
技术领域
本公开涉及高效率低噪声功率转换***，并且在特定实施例中，涉及用于噪声敏感负载的高效率低噪声电源。
背景技术
随着技术的发展，各种电子设备(例如移动电话、平板PC、数码相机、MP3播放器等)已经变得流行。每个电子设备需要电压基本恒定的直流电流功率，即使电子设备所抽取的电流可能在很宽的范围内变化，也可以将该电压调节在指定的范围内。当输入电压低于特定范围时，可以使用升压式转换器将输入电压转换为特定范围内的调节的电压。另一方面，当输入电压高于特定范围时，可以使用降压式转换器将输入电源的电压转换为较低电压，以满足电子电路特定的供电电压。
可能有多种转换拓扑。根据拓扑的不同，功率转换器可以分为三类，即开关功率转换器、线性稳压器、以及开关电容转换器。基于电感的开关转换器或开关电容转换器常用于高效率的电源中。这些高效率的转换器的缺点是在其输出端处可能生成开关噪声(例如纹波电流分量)。
在许多应用(例如射频(radio frequency，RF)发射器和接收器)中，对噪声的要求非常严格。因此，需要额外的努力来减小开关噪声。低压差稳压器(low drop outregulator，LDO)可用作连接在开关模式电源和噪声敏感负载之间的下游稳压器，用于减小施加到噪声敏感负载的噪声。当LDO的输出电压接近LDO的输入电压时，LDO是有效的。否则，与开关转换器相比，LDO的效率较低。将LDO的输入端和LDO的输出端设置得彼此接近存在一些设计和性能限制。
在要求高效率和低噪声的应用(例如，多输入和多输出天线)中，需要具有能够高效地转换功率并提供无噪声输出电压的功率转换***。
发明内容
通过为噪声敏感负载提供高效率低噪声的电源的本公开的优选实施例，通常可以解决或规避这些问题和其他问题，并且通常可以实现技术优势。
根据实施例，一种***包括：电流模式切换器，用于为噪声敏感负载提供直流(direct current，DC)电压；线性放大器，连接到电流模式切换器的输出端，线性放大器用于通过耦合在电源和线性放大器之间的至少一个功率转换设备来抽取减小的供电电压。
线性放大器的第一电压轨用于连接到源型功率转换器(sourcing powerconverter)的输出端。线性放大器的第二电压轨用于连接到漏型功率转换器(sinkingpower converter)的输出端，线性放大器用于减小由电流模式切换器生成的纹波电流分量，源型功率转换器和漏型功率转换器用于减小线性放大器的供电电压。
在一些实施例中，源型功率转换器是连接在电源和线性放大器的第一电压轨之间的降压功率转换器。漏型功率转换器是开关电容功率转换器，开关电容功率转换器被配置为具有连接到降压功率转换器的输出端的输入端的2：1降压式功率转换器。
在一些实施例中，源型功率转换器是连接在电源和线性放大器的第一电压轨之间的第一降压功率转换器。漏型功率转换器是具有连接到第一降压功率转换器的输出端的输入端的第二降压功率转换器。
在一些实施例中，源型功率转换器是连接在电源和线性放大器的第一电压轨之间的升压功率转换器。漏型功率转换器是具有连接到升压功率转换器的输出端的输入端的降压功率转换器。
在一些实施例中，源型功率转换器是连接在漏型功率转换器的输出端和线性放大器的第一电压轨之间的升压功率转换器。漏型功率转换器是连接在电源和线性放大器的第二电压轨之间的降压功率转换器。
在一些实施例中，源型功率转换器是连接在电源和线性放大器的第一电压轨之间的降压-升压功率转换器。漏型功率转换器是具有连接到降压-升压功率转换器的输出端的输入端的降压功率转换器。
上述电流模式切换器包括：串联连接的第一开关和第二开关；电感，连接在电流模式切换器的输出端与第一开关和第二开关的公共节点之间；脉宽调制(pulse widthmodulation，PWM)驱动器，用于生成用于第一开关和第二开关的栅极驱动信号；电流比较器，具有反相输入端和非反相输入端，反相输入端用于接收与流过电感的电流成比例的电流感应信号，非反相输入端接地。
线性放大器包括串联连接在线性放大器的第一电压轨和第二电压轨之间的第三开关和第四开关，以及用于生成用于第三开关和第四开关的栅极驱动信号的比较器。
在一些实施例中，线性放大器的第一电压轨用于通过源型功率转换器连接到电源。线性放大器的第二电压轨接地，线性放大器用于减小由电流模式切换器生成的纹波电流分量，源型功率转换器用于减小线性放大器的供电电压。
在一些实施例中，线性放大器的第一电压轨用于直接连接到电源。线性放大器的第二电压轨用于连接到漏型功率转换器的输出端，所述漏型功率转换器具有连接到电源的输入端，线性放大器用于减小由电流模式切换器生成的纹波电流分量，漏型功率转换器用于减小线性放大器的供电电压。
根据其他实施例，一种***包括：电流模式功率转换器，用于生成用于负载的电压；线性放大器，连接到电流模式功率转换器的输出端，线性放大器用于减小由电流模式功率转换器生成的纹波电流分量；轨道电压生成器，用于生成用于线性放大器的减小的供电电压。
在一些实施例中，轨道电压生成器包括：第一降压式功率转换器，连接在电源和线性放大器的第一电压轨之间，以及第二降压式功率转换器，连接在线性放大器的第一电压轨和线性放大器的第二电压轨之间。
在一些实施例中，轨道电压生成器是单电感双输出(single-inductor-dual-output，SIDO)功率转换器，该SIDO功率转换器具有连接到线性放大器的第一电压轨的第一输出端和连接到线性放大器的第二电压轨的第二输出端。
电流模式功率转换器包括并联连接的第一电流模式功率转换设备和第二电流模式功率转换设备，其中，第一电流模式功率转换设备的瞬态响应快于第二电流模式功率转换设备的瞬态响应。
第一电流模式功率转换设备用于减小由第二电流模式功率转换设备生成的纹波电流分量。线性放大器用于减小由第一电流模式功率转换设备生成的纹波电流分量。
根据其他实施例，一种方法包括：将电流模式功率转换器配置为在开关模式下工作；将线性放大器配置为减小由电流模式功率转换器生成的纹波电流分量；通过向线性放大器施加减小的供电电压来减小线性放大器的功率损耗。
该方法还包括：通过源型功率转换器将电源的输出电压转换为第一电压，并且通过漏型功率转换器将第一电压转换为第二电压，来生成减小的供电电压，其中，源型功率转换器和漏型功率转换器是降压式功率转换器。
在一些实施例中，源型功率转换器是降压功率转换器。漏型功率转换器是开关电容功率转换器。线性放大器包括连接到源型功率转换器的源型支路(sourcing leg)和连接到漏型功率转换器的漏型支路(sinking leg)。
该方法还包括：在轻负载工作模式期间，禁用漏型功率转换器、漏型支路、以及电流模式功率转换器。
本公开的实施例的优点是实现用于驱动噪声敏感负载的高效率低噪声的电源。
上文相当广泛地概述了本公开的特点和技术优势，以便更好地理解下文中本公开的具体实施方式。下文将描述本公开的其他特征和优点，这些特征和优点构成本公开的权利要求的主题。本领域技术人员应理解，所公开的概念和具体实施例可容易地用作修改或设计用于实现本公开相同目的的其他结构或工艺的基础。本领域技术人员还应认识到，这样的等效结构不偏离如所附权利要求所述的本公开的精神和范围。
附图说明
为了更全面地理解本公开及其优点，现在结合附图参考以下的描述，在附图中：
图1示出了根据本公开的各种实施例的低噪声功率转换***的框图；
图2示出了根据本公开的各种实施例的图1所示的低噪声功率转换***的第一实施方式的框图；
图3示出了根据本公开的各种实施例的图1所示的低噪声功率转换***的第二实施方式的框图；
图4示出了根据本公开的各种实施例的图2所示的线性放大器和功率转换器的框图；
图5示出了根据本公开的各种实施例的图2所示的低噪声功率转换***的第一实施方式的示意图；
图6示出了根据本公开的各种实施例的图2所示的低噪声功率转换***的第二实施方式的示意图；
图7示出了根据本公开的各种实施例的图2所示的低噪声功率转换***的第三实施方式的示意图；
图8示出了根据本公开的各种实施例的图2所示的低噪声功率转换***的第四实施方式的示意图；
图9示出了根据本公开的各种实施例的图2所示的低噪声功率转换***的第五实施方式的示意图；
图10示出了根据本公开的各种实施例的在低功率条件下工作的图4所示的低噪声功率转换***的框图；
图11示出了根据本公开的各种实施例的仅包括源型功率转换器的低噪声功率转换***的框图；
图12示出了根据本公开的各种实施例的图11所示的低噪声功率转换***的示意图；
图13示出了根据本公开的各种实施例的仅包括漏型功率转换器的低噪声功率转换***的框图；
图14示出了根据本公开的各种实施例的图13所示的低噪声功率转换***的示意图；
图15示出了根据本公开的各种实施例的另一低噪声功率转换***的框图；
图16示出了根据本公开的各种实施例的图15所示的低噪声功率转换***的示意图；
图17示出了根据本公开的各种实施例的在低功率条件下工作的图15所示的低噪声功率转换***的框图；
图18示出了根据本公开的各种实施例的另一低噪声功率转换***的框图；
图19示出了根据本公开的各种实施例的图18所示的低噪声功率转换***的示意图；
图20示出了根据本公开的各种实施例的另一低噪声功率转换***的框图；以及
图21示出了根据本公开的各种实施例的图20所示的低噪声功率转换***的示意图。
除非另有说明，否则不同图中对应的数字和符号一般指对应的部分。绘制这些图是为了清楚地示出各种实施例的相关方面，并且不必按比例绘制这些图。
具体实施方式
下面将详细讨论当前优选实施例的作出和使用。然而，应理解，本公开提供了许多可应用的发明概念，这些概念可体现在各种具体的上下文中。所讨论的具体实施例仅仅是对作出和使用本公开的具体方式的说明，并且不限制本公开的范围。
将在具体的上下文中(即高效率低噪声功率转换***中)参考优选实施例描述本公开。然而，本公开也可应用于各种功率转换***。在下文中，将参照附图详细说明各种实施例。
图1示出了根据本公开的各种实施例的低噪声功率转换***的框图。低噪声功率转换***100包括功率转换器104、线性放大器102、源型转换器101、以及漏型转换器103。如图1所示，功率转换器104的输出端连接到线性放大器102的输出端。功率转换器104和线性放大器102的公共节点是低噪声功率转换***100的输出Vo。线性放大器102由两个电压轨(即如图1所示的第一电压轨V+和第二电压轨V-)供电。源型转换器101用于建立用于线性放大器102的第一电压轨V+。漏型转换器103用于建立用于线性放大器102的第二电压轨V-。
线性放大器102连接在第一电压轨V+和第二电压轨V-之间。在一些实施例中，源型转换器101和漏型转换器103都实现为降压式功率转换器。源型转换器101用于将电源的输出电压转换为施加到第一电压轨V+的较低电压。同样，漏型转换器103用于生成高于接地电压电位的电压。漏型转换器103的输出电压被施加到第二电压轨V-。结果，第一电压轨V+和第二电压轨V-形成用于线性放大器102的减小的供电电压。在全文中，源型转换器101和漏型转换器103可统称为轨道电压生成器，轨道电压生成器用于减小线性放大器102的供电电压。
在工作中，功率转换器104用于在开关模式下工作。功率转换器104用于生成用于噪声敏感负载的dc电压。线性放大器102用于生成纹波电流分量，以消除或几乎消除由功率转换器104生成的纹波电流分量。因为消除了由功率转换器104生成的纹波电流分量，所以具有零纹波电流分量的dc电压被施加到噪声敏感负载。
在一些实施例中，线性放大器102的功率损耗与由线性放大器102生成的纹波电流分量与第一电压轨V+和第二电压轨V-之间的电压差的乘积成正比。因此，可以通过减小第一电压轨V+和第二电压轨V-之间的电压差来减小线性放大器102的功率损耗。
源型转换器101和漏型转换器103用于控制施加到线性放大器102的轨道电压。更具体地，源型转换器101和漏型转换器103用于减小第一电压轨V+和第二电压轨V-之间的电压差。换言之，源型转换器101和漏型转换器103用于减小线性放大器102的电压变化范围。由于第一电压轨V+和第二电压轨V-之间的电压差减小，因此线性放大器102的功率损耗(导通损耗和开关损耗)相应减小。
在一些实施例中，功率转换器104实现为电流模式切换器。将在下文参考图5讨论电流模式切换器的详细结构。在全文中，功率转换器104可替换地称为电流模式切换器或电流模式功率转换器。源型转换器101可以实现为降压式功率转换器，例如降压功率转换器。或者，根据不同的应用和设计需要，源型转换器101可以实现为任何合适的功率转换器，例如升压功率转换器、降压-升压转换器、线性稳压器、开关电容转换器、其任何组合等。同样，漏型转换器103可以实现为降压式功率转换器，例如降压功率转换器。或者，根据不同的应用和设计需要，漏型转换器103可以实现为任何合适的功率转换器，例如升压功率转换器、降压-升压转换器、线性稳压器、开关电容转换器、其任何组合等。
图2示出了根据本公开的各种实施例的图1所示的低噪声功率转换***的第一实施方式的框图。低噪声功率转换***200包括功率转换器104、线性放大器102、源型转换器101、以及漏型转换器103。如图2所示，源型转换器101连接在电源VIN和第一电压轨V+之间。源型转换器101用于接收参考信号VREF+。参考信号VREF+用于设置第一电压轨V+上的电压。源型转换器101将VIN转换为由参考信号VREF+确定的较低电压。
如图2所示，漏型转换器103连接在第一电压轨V+和第二电压轨V-之间。漏型转换器103用于接收参考信号VREF-。参考信号VREF-用于设置第二电压轨V+上的电压。漏型转换器103将V+转换为由参考信号VREF-确定的较低电压。
如图2所示，功率转换器104连接到电源VIN。功率转换器104将VIN转换为Vo。线性放大器102生成纹波电流分量以消除或几乎消除由功率转换器104生成的纹波电流分量。
应注意，电压轨V+和电压轨V-的设置可能会根据不同的应用和设计需要而有所不同。参考信号VREF+和参考信号VREF+可以在内部或外部生成。此外，在替代实施例中，电压轨V+和/或电压轨V-可以使用开环(open-loop)生成。换言之，参考信号VREF+和/或参考信号VREF+可能不存在。
还应注意，线性放大器102的控制电路(未示出)可以连接到电压轨V+和电压轨V-，也可以不连接到电压轨V+和电压轨V-。例如，线性放大器102的功率开关连接到电压轨V+和电压轨V-。线性放大器102的控制电路可以直接连接到VIN。应注意，第二电压轨V-用于能量回收。负负载电流流过第二电压轨V-。
图3示出了根据本公开的各种实施例的图1所示的低噪声功率转换***的第二实施方式的框图。低噪声功率转换***300类似于图2所示的低噪声功率转换***200，不同之处在于功率转换器104的输入端连接到第一电压轨V+。功率转换器104将V+转换为Vo。线性放大器102生成纹波电流分量以消除或几乎消除由功率转换器104生成的纹波电流分量。
使功率转换器104的输入端连接到第一电压轨V+的一个优点是可以通过减小施加到功率转换器104的供电电压来减小功率转换器104的功率损耗。
图4示出了根据本公开的各种实施例的图2所示的线性放大器和功率转换器的框图。线性放大器102包括源型支路402和漏型支路404。如图4所示，源型支路402和漏型支路404串联连接在第一电压轨V+和第二电压轨V-之间。源型支路402和漏型支路404的公共节点连接到功率转换器104的输出端。
比较器406用于控制源型支路402和漏型支路404的工作。如图4所示，比较器406的反相输入端连接到预定的参考VREF。比较器406的非反相输入端连接到功率转换器104的输出端。如图4所示，基于预定的参考VREF和检测到的输出电压Vo，比较器406生成分别施加到源型支路402和漏型支路404的控制信号。应注意，VREF大于VREF-且小于VREF+。
在工作中，源型支路402和漏型支路404用于生成纹波电流分量，以消除或几乎消除由功率转换器104生成的纹波分量。
功率转换器104实现为电流模式切换器。下面将参照图5描述功率转换器104的详细结构。电流传感器408用于检测从功率转换器104流出的电流。检测到的电流信号被馈入功率转换器104。基于检测到的电流信号ISENSE，功率转换器104生成输出电压Vo。电流传感器408可以实现为任何合适的电流传感器，例如感测电阻器、电流互感器等。
图5示出了根据本公开的各种实施例的图2所示的低噪声功率转换***的第一实施方式的示意图。在一些实施例中，VIN等于12V。输出电压Vo等于1.8V。第一电压轨V+等于2.4V。源型转换器101实现为降压转换器。源型转换器101用于将VIN转换为等于2.4V的输出电压，该输出电压用于为第一电压轨V+供电。
在一些实施例中，第二电压轨V-设置为1.2V。漏型转换器103实现为开关电容转换器。开关电容转换器采用开环控制。在开环的情况下，上述开关电容转换器被配置为2：1开关电容转换器。换言之，漏型转换器103的输出电压等于漏型转换器103的输入电压的一半。漏型转换器103用于将源型转换器的输出电压转换为等于1.2V的输出电压，该输出电压用于为第二电压轨V-供电。
源型转换器101实现为降压转换器。在全文中，源型转换器101可替换地称为降压转换器101。源型转换器101的工作由脉宽调制(PWM)驱动器110控制。如图5所示，源型转换器101包括第一开关Q1、第二开关Q2、电感L1、以及输出电容C1。如图5所示，第一开关Q1和第二开关Q2串联连接在电源VIN与地之间。电感L1连接在第一开关Q1和第二开关Q2的公共节点与输出电容C1的正端子之间。
在一些实施例中，如图5所示，第一开关Q1和第二开关Q2实现为n型晶体管。第一开关Q1的栅极和第二开关Q2的栅极由PWM驱动器110控制。
应注意，图5所示的降压转换器101仅仅是示例，其不应当不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代、以及修改。例如，第一开关Q1可以实现为p型晶体管。此外，降压转换器101的开关(例如，第一开关Q1)可以实现为并联连接的多个n型晶体管。
如图5所示，放大器112用于接收降压转换器101的输出电压和预定的参考VREF+。具体地，放大器112的非反相输入端用于接收预定的参考VREF+。放大器112的反相输入端用于接收输出电压V+。基于输出电压V+和预定的参考VREF+，放大器112生成控制信号，该控制信号被馈入PWM驱动器110。基于该控制信号，PWM驱动器110生成用于控制开关Q1和开关Q2的工作的两个栅极信号。使用PWM驱动器来控制降压转换器在本领域中是众所周知的，因此为了避免重复而不进一步详细讨论。
应注意，图5所示的降压转换器101的控制电路仅仅是示例，其不应当不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代、以及修改。例如，放大器112的反相输入端可以通过合适的电阻分压器连接到降压转换器101的输出端。此外，可以在放大器112的输出端添加合适的补偿网络，以改善降压转换器101的瞬态响应性能。
功率转换器104实现为电流模式切换器。电流模式切换器包括串联连接在VIN与地之间的第三开关Q3和第四开关Q4、连接在第三开关Q3和第四开关Q4的公共节点与电流模式切换器的输出端之间的电感L2、用于生成用于第三开关Q3和第四开关Q4的栅极驱动信号的PWM驱动器140。电流模式切换器还包括电流比较器142，其具有反相输入端和接地的非反相输入端，反相输入端用于接收与流过电感L2的电流成比例的电流感应信号。基于检测到的电流信号，电流比较器142生成控制信号，该控制信号被馈入PWM驱动器140。基于控制信号，PWM驱动器140生成用于控制开关Q3和Q4的工作的两个栅极信号。电流模式切换器的工作原理在本领域中是众所周知的，因此为了避免重复而不进一步详细讨论。
线性放大器102包括串联连接在第一电压轨V+和第二电压轨V-之间的第五开关Q5和第六开关Q6、以及用于生成用于第五开关Q5和第六开关Q6的栅极驱动信号的比较器406。如图5所示，比较器406的反相输入端用于接收预定的参考VREF。比较器406的非反相输入端连接到Vo。基于预定的参考VREF和检测到的输出电压，比较器406生成分别用于控制开关Q5和开关Q6的工作的两个栅极信号。更具体地，拉电流(sourcing current)通过开关Q5，灌电流(sinking current)通过开关Q6。拉电流和灌电流形成线性放大器102的纹波电流分量，用于消除或几乎消除由功率转换器104生成的纹波电流分量。
如图5所示，第五开关Q5实现为p型晶体管。第六开关Q6实现为n型晶体管。应注意，p型晶体管和n型晶体管仅仅是示例。本领域技术人员将认识到可能存在许多变化、修改、以及替代。例如，根据不同的应用和设计需要，第五开关Q5可以实现为n型晶体管。
如图5所示，漏型转换器103实现为开关电容功率转换器。在全文中，漏型转换器103可替换地称为开关电容功率转换器103。开关电容功率转换器103包括第七开关Q7、第八开关Q8、第九开关Q9、第十开关Q10、电容C4、以及输出电容C3。电容C4用作电荷泵电容。在全文中，电容C4可替换地称为电荷泵电容。
如图5所示，第七开关Q7、第八开关Q8、第九开关Q9、以及第十开关Q10串联连接在第一电压轨V+与地之间。电荷泵电容C4连接在第七开关Q7和第八开关Q8的公共节点与第九开关Q9和第十开关Q10的公共节点之间。输出电容C3连接在第八开关Q8和第九开关Q9的公共节点与地之间。
应注意，虽然图5示出了开关Q7和开关Q8实现为单个p型晶体管，但本领域技术人员将认识到可能存在许多变化、修改、以及替代。例如，根据不同的应用和设计需要，开关Q7和开关Q8可以实现为n型晶体管。此外，图5所示的开关电容功率转换器103的每个开关可以实现为并联连接的多个开关。此外，电容可以与一个开关并联连接以实现零电压开关(zerovoltage switching，ZVS)/零电流开关(zero current switching，ZCS)。
在一些实施例中，开关电容功率转换器103用于在开关模式下工作。开关电容功率转换器103的输出电压等于开关电容功率转换器103的输入电压的一半。换言之，第二电压轨V-上的电压等于第一电压轨V+上的电压的一半。
在开关模式中，开关电容功率转换器103用作电荷泵功率转换器。电荷泵功率转换器可以在两个不同的阶段工作。在开关模式的第一阶段，开关Q7和开关Q9接通，开关Q8和开关Q10关断。由于开关Q7和Q9开关接通，在V+和V-之间建立了第一导电路径。第一导电路径由开关Q7、电荷泵电容C4、以及开关Q9形成。电流通过第一导电路径从V+流向V-。在开关模式的第一阶段，电荷泵电容C4被充电，并且能量相应地被存储在电荷泵电容C4中。
在开关模式的第二阶段，开关Q7和开关Q9关断，开关Q8和开关Q10接通。由于开关Q8和开关Q10接通，建立了第二导电路径。第二导电路径由开关Q10、电荷泵电容C4、以及开关Q8形成。在开关模式的第二阶段，电流使电荷泵电容C4放电，并且存储在电荷泵电容C4中的能量相应地减少。
在开关模式中，开关电容功率转换器103用作电荷泵功率转换器，该电荷泵功率转换器是分压器。更具体地，通过控制开关Q7-开关Q10的通/断时间，开关电容功率转换器103的输出电压等于开关电容功率转换器103的输入电压的一半。
根据实施例，图5的开关(例如，开关Q1-开关Q10)可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field-effect transistor，MOSFET)器件。或者，开关元件可以是任何可控开关，例如绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolartransistor，IGBT)器件、集成门极换流晶闸管(integrated gate commutated thyristor，IGCT)器件、门极可关断晶闸管(gate turn-off thyristor，GTO)器件、可控硅(siliconcontrolled rectifier，SCR)器件、结栅场效应晶体管(junction gate field-effecttransistor，JFET)器件、MOS控制晶闸管(MOS controlled thyristor，MCT)器件等。
图6示出了根据本公开的各种实施例的图2所示的低噪声功率转换***的第二实施方式的示意图。图6所示的低噪声功率转换***类似于图5所示的低噪声功率转换***，不同之处在于漏型转换器103实现为降压转换器。降压转换器(漏型转换器103)包括串联连接在V+与地之间的开关Q7和开关Q8，以及连接在Q7和Q8的公共节点与输出电容C3之间的电感L3。
在一些实施例中，图6所示的漏型转换器103以固定的占空比(例如50％)工作。因为具有50％占空比，所以漏型转换器103的输出电压等于输入电压(V+)的一半。由于漏型转换器103的输出端连接到第二电压轨V-，并且漏型转换器103的输入端连接到第一电压轨V+，所以第二电压轨V-上的电压大约是第一电压轨V+上的电压的一半。在替代实施例中，图6所示的漏型转换器103以可调节的占空比工作。根据各种工作条件，第二电压轨V-上的电压可以动态调节，从而减小线性放大器102的功率损耗。
图7示出了根据本公开的各种实施例的图2所示的低噪声功率转换***的第三实施方式的示意图。图7所示的低噪声功率转换***类似于图6所示的低噪声功率转换***，不同之处在于源型转换器101和功率转换器104分别实现为升压转换器。
如图7所示，源型转换器101包括第一开关Q1、第二开关Q2、电感L1、以及输出电容C1。开关Q2和开关Q2串联连接在V+与地之间。电感L1连接在源型转换器101的输入端与Q1和Q2的公共节点之间。源型转换器101是升压转换器，用于通过调制施加到开关Q1的脉冲的宽度来提供高于输入电压的输出电压。升压转换器的工作原理在本领域中是众所周知的，因此不在本文中进一步详细讨论。
功率转换器104包括第三开关Q3、第四开关Q4、以及电感L2。开关Q3和开关Q4串联连接在Vo与地之间。电感L2连接在VIN与Q3和Q4的公共节点之间。功率转换器104是升压转换器，用于通过调制施加到开关Q4的脉冲的宽度来提供高于输入电压的输出电压。升压转换器的工作原理在本领域中是众所周知的，因此不在本文中进一步详细讨论。
具有图7所示的升压转换器的一个优点是低噪声功率转换***适用于升压式应用。功率转换器104能够将输入电压转换为更高的电压。线性放大器102能够消除或几乎消除由功率转换器104生成的纹波分量。
图8示出了根据本公开的各种实施例的图2所示的低噪声功率转换***的第四实施方式的示意图。图8所示的低噪声功率转换***类似于图6所示的低噪声功率转换***，不同之处在于源型转换器实现为升压转换器。
如图8所示，漏型转换器103的输入端连接到VIN。漏型转换器103(作为降压转换器)用于将VIN转换为较低电压(例如1.2V)。源型转换器101具有连接到第二电压轨V-的输入端和连接到第一电压轨V+的输出端。源型转换器101(作为升压转换器)用于将第二电压轨V-上的较低电压转换为较高电压(例如2.4V)。
在一些实施例中，图8所示的源型转换器101以固定的占空比(例如50％)工作。因为具有50％占空比，所以源型转换器101的输出电压等于输入电压的两倍。在替代实施例中，图8所示的源型转换器101以可调节的占空比工作。根据各种工作条件，第一电压轨V+上的电压可以动态调节，从而减小线性放大器102的功率损耗。此外，图8所示的漏型转换器103以可调节的占空比工作。第二电压轨V-上的电压可以动态调节，从而减小线性放大器102的功率损耗。
应注意，漏型转换器103的占空比和源型转换器101的占空比单独地或组合地可以动态调节。结果，第一电压轨V+上的电压和/或第二电压轨V-上的电压可以动态调节，从而减小线性放大器102的电压变化范围，从而减小线性放大器102的功率损耗。
图9示出了根据本公开的各种实施例的图2所示的低噪声功率转换***的第五实施方式的示意图。图9所示的低噪声功率转换***类似于图6所示的低噪声功率转换***，不同之处在于源型转换器101和功率转换器104都分别实现为降压-升压转换器。
如图9所示，源型转换器101包括开关Q11、开关Q12、开关Q13、开关Q14、以及电感L1，这些器件形成降压-升压转换器。降压-升压转换器(源型转换器101)可以在三种不同的工作模式(升压式模式、降压式模式、以及降压-升压模式)下工作。当降压-升压转换器在升压式模式下工作时，开关Q11被配置为始终接通的开关，开关Q12被配置为始终关断的开关。结果，电感L1和开关Q13、开关Q14形成升压转换器。另一方面，当降压-升压转换器在降压式模式下工作时，开关Q14被配置为始终接通的开关，开关Q13被配置为始终关断的开关。结果，开关Q11、开关Q12、以及电感L1形成降压转换器。此外，当输入电压约等于源型转换器101的输出电压时，降压-升压转换器可以在降压-升压模式下工作。在降压-升压模式下，开关Q11-开关Q14基于检测到的输入电压和输出电压信号接通和关断。降压-升压转换器的工作原理在本领域中是众所周知的，因此为了避免不必要的重复而不进一步详细讨论。
功率转换器104包括开关Q21、开关Q22、开关Q23、开关Q24、以及电感L2。开关Q21、开关Q22、开关Q23、开关Q24、电感L2、电流比较器142、以及PWM驱动器140形成电流模式降压-升压转换器。电流模式降压-升压转换器的工作原理在本领域中是众所周知的，因此为了避免不必要的重复而不进一步详细讨论。
具有图9所示的降压-升压转换器的一个优点是低噪声功率转换***适用于降压式和升压式应用。功率转换器104能够将输入电压转换为较低电压或较高电压。线性放大器102能够消除或几乎消除由功率转换器104生成的纹波分量。
图10示出了根据本公开的各种实施例的在低功率条件下工作的图4所示的低噪声功率转换***的框图。如图10所示，由电流传感器408感测从功率转换器104流出的电流。当从功率转换器104流出的电流低于特定阈值时，则认定为低功率条件。在低功率条件下，如功率转换器104的符号上的箭头所示，功率转换器104被禁用。一旦功率转换器104被禁用，功率转换器104的开关被三态化(tristated)。同样，如漏型支路404的符号上的箭头所示，线性放大器102的漏型支路404也被禁用。此外，如漏型转换器103的符号上的箭头所示，漏型转换器103也被禁用。通过禁用功率转换器104、漏型支路404、以及漏型转换器103，节省了来自功率转换器104、漏型支路404、以及漏型转换器103的功率损耗。
应注意，在功率转换器104、漏型支路404、以及漏型转换器103被禁用之后，图10所示的低噪声功率转换***变为跟随有LDO的开关转换器。源型转换器101用作开关转换器，源型支路402用作LDO。通过对源型转换器101应用合适的省电控制方案(例如脉冲跳过、突发模式、或脉冲频率调制(pulse frequency modulation，PFM)类型的控制机制)，级联连接的开关转换器和LDO可以在轻负载条件下提供相对较好的效率。此外，LDO还能够衰减噪声，以满足与Vo相连接的噪声敏感负载的要求。
还应注意，在低功率条件下，可以将第一电压轨V+上的电压调节在不同的电压电平，以进一步提高低噪声功率转换***的效率。如上所述，在低功率条件下，源型支路402用作LDO。为了提高LDO的效率，可以将第一电压轨V+上的电压设置得稍微低一点，以减小LDO上的压降。
图11示出了根据本公开的各种实施例的仅包括源型功率转换器的低噪声功率转换***的框图。图11所示的低噪声功率转换***类似于图4所示的低噪声功率转换***，不同之处在于线性放大器102的第二电压轨直接接地。
在某些应用中，如果线性放大器102的源型支路402具有明显大于漏型支路404的损耗，或者从***效率的观点来看，来自漏型支路404的损耗不显著，则如图11所示的仅包括源型转换器101是可能有利的。
在低功率条件下，图11所示的低噪声功率转换***可以与图10所示的低噪声功率转换***类似地处理。为了节省不必要的功率损耗，当低噪声功率转换***在低功率条件下工作时，可以禁用功率转换器104和漏型支路404。
图12示出了根据本公开的各种实施例的图11所示的低噪声功率转换***的示意图。图12所示的低噪声功率转换***类似于图5所示的低噪声功率转换***，不同之处在于线性放大器102的第二轨直接接地。
应注意，图6-图9所示的各种实施例适用于图12所示的低噪声功率转换***。例如，图12所示的源型转换器101可以被任何合适的功率转换器(例如升压转换器、降压-升压转换器、其任何组合等)代替。
图13示出了根据本公开的各种实施例的仅包括漏型功率转换器的低噪声功率转换***的框图。图13所示的低噪声功率转换***类似于图4所示的低噪声功率转换***，不同之处在于线性放大器102的第一电压轨直接连接到VIN。
在某些应用中，如果线性放大器102的漏型支路404具有明显大于源型支路402的损耗，或者从***效率的观点来看，来自来源型支路402的损耗不显著，则如图13所示的仅包括漏型转换器103是可能有利的。
在低功率条件下，图13所示的低噪声功率转换***可以与图10所示的低噪声功率转换***类似地处理。为了节省不必要的功率损耗，可以禁用功率转换器104、漏型转换器103、以及漏型支路404。在这种低功率条件下，图13所示的低噪声功率转换***表现为LDO。特别地，源型支路402用作LDO。
图14示出了根据本公开的各种实施例的图13所示的低噪声功率转换***的示意图。图14所示的低噪声功率转换***类似于图5所示的低噪声功率转换***，不同之处在于线性放大器的第一轨直接连接到VIN。在一些实施例中，VIN等于2.5V。Vo等于1.8V。漏型转换器103将VIN转换为约等于1.25V的电压，该电压用于为线性放大器102的第二电压轨V-供电。
应注意，图6-图9所示的各种实施例适用于图14所示的低噪声功率转换***。例如，图14所示的漏型转换器103可以被任何合适的功率转换器(例如降压转换器、升压转换器、降压-升压转换器、其任何组合等)代替。
图15示出了根据本公开的各种实施例的另一低噪声功率转换***的框图。图15所示的低噪声功率转换***类似于图5所示的低噪声功率转换***，不同之处在于线性放大器的第一轨直接连接到VIN，线性放大器的第二电压轨直接接地。
图16示出了根据本公开的各种实施例的图15所示的低噪声功率转换***的示意图。如图16所示，线性放大器102包括串联连接在VIN与地之间的开关Q5和开关Q6。图16所示的低噪声功率转换***适用于低电压应用。例如，当输入电压约为2.5V时，无需具有上述源型转换器和漏型转换器来进一步减小线性放大器102的功率损耗。
图17示出了根据本公开的各种实施例的在低功率条件下工作的图15所示的低噪声功率转换***的框图。在低功率条件下，图17所示的低噪声功率转换***可以与图10所示的低噪声功率转换***类似地处理。为了节省不必要的功率损耗，可以禁用功率转换器104和漏型支路404。在这种低功率条件下，图17所示的低噪声功率转换***表现为LDO。特别地，源型支路402用作LDO。
应注意，在低功率条件下，线性放大器102的源型支路402可以用于在旁路模式下工作，以进一步减小线性放大器102的功率损耗。在旁路模式下，源型支路402的开关停止开关，并变为始终接通的开关，从而减小源型支路402的功率损耗。
图18示出了根据本公开的各种实施例的另一低噪声功率转换***的框图。图18所示的低噪声功率转换***类似于图5所示的低噪声功率转换***，不同之处在于两个功率转换器用于生成用于噪声敏感负载的输出电压Vo。
如图18所示，第一功率转换器104和第二功率转换器106并联连接在VIN和Vo之间。在一些实施例中，第一功率转换器104是慢降压转换器，第二功率转换器106是用于将功率从VIN传递到Vo的快降压转换器。慢降压转换器104在低频下工作并且具有大电感和大功率开关，而快降压转换器106在高开关频率下工作并且具有小电感和小功率开关。这两个降压转换器的目的是使用快降压转换器来改善负载瞬态响应，并消除慢降压转换器生成的大的纹波电流，线性放大器102用于消除快降压转换器生成的小的纹波电流。可以使用任何合适的控制方案(例如嵌套电流模式控制)控制这两个降压转换器。将嵌套电流模式控制方案应用于降压转换器在本领域中是众所周知的，因此不在本文中讨论。
图19示出了根据本公开的各种实施例的图18所示的低噪声功率转换***的示意图。如图19所示，第一功率转换器104和第二功率转换器106并联连接在VIN和Vo之间。第一功率转换器104包括Q31、Q32、电感L21、PWM驱动器140、以及电流比较器142。第二功率转换器106包括Q33、Q34、电感L22、PWM驱动器160、以及电流比较器162。第一功率转换器104和第二功率转换器106都实现为降压转换器。降压转换器的工作原理已经在上文参考图5进行了描述，因此不再讨论。
应注意，图6-图9所示的各种实施例适用于图19所示的低噪声功率转换***。例如，图19所示的漏型转换器103可以被任何合适的功率转换器(例如降压转换器、升压转换器、降压-升压转换器、其任何组合等)替代。同样，图19所示的源型转换器101可以被任何合适的功率转换器(例如降压转换器、升压转换器、降压-升压转换器、其任何组合等)替代。
还应注意，第二功率转换器106有助于减小开关Q5和开关Q6的尺寸。如上所述，快降压转换器有助于减小由低降压转换器生成的纹波电流分量。线性放大器用于消除或几乎消除快降压转换器的纹波电流分量。由于快降压转换器在较高的开关频率下工作，因此快降压转换器的纹波电流分量相对较小。结果，开关Q5和开关Q5可以实现为小开关，用于消除由快降压转换器生成的纹波电流分量。
图20示出了根据本公开的各种实施例的另一低噪声功率转换***的框图。图20所示的低噪声功率转换***类似于图5所示的低噪声功率转换***，不同之处在于第一电压轨V+和第二电压轨V-上的电压由单电感双输出(SIDO)功率转换器150提供。
如图20所示，SIDO功率转换器150具有连接到VIN的输入端。SIDO功率转换器150用于接收第一参考信号VREF+和第二参考信号VREF-。第一参考信号VREF+用于设置V+的电压。第二参考信号VREF-用于设置V-的电压。如图20所示，V+是线性放大器102的第一电压轨。V-是线性放大器102的第二电压轨。
图21示出了根据本公开的各种实施例的图20所示的低噪声功率转换***的示意图。SIDO功率转换器150包括开关Q1、开关Q2、开关Q51、开关Q52、电感L1、以及输出电容C1。如图21所示，开关Q1、开关Q2、电感L1、以及输出电容C1形成降压转换器。Q51连接在降压转换器的输出端与V+之间。Q52连接在降压转换器的输出端与V-之间。SIDO控制器151用于接收参考信号VREF+和参考信号VREF-。如图21所示，基于参考信号VREF+和参考信号VREF-，SIDO控制器151生成用于控制Q1、Q2、Q51、以及Q52的栅极驱动信号。
V+是源型端子(sourcing terminal)，V-是漏型端子(sinking terminal)。流过Q51和Q52的负载电流方向相反。SIDO控制器151控制Q51的工作以调节第一电压轨V+上的电压。同样，SIDO控制器151控制Q52的工作以调节第一电压轨V-上的电压。
应注意，上述各种节电控制机制(例如，图10所示的控制机制)适用于图21所示的低噪声功率转换***。例如，在轻负载工作条件下，可以禁用开关Q52、开关Q6、以及功率转换器104，以减小功率损耗。
还应注意，根据不同的应用和设计需要，图21所示的SIDO功率转换器可以被单电感多输出(SIMO)功率转换器替代。
在图4-图21所示的实施例中，功率转换器104(电流模式切换器)的输入端连接到VIN。这种连接只是示例。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代、以及修改。例如，根据不同的应用和设计需要，功率转换器104的输入端可以连接到第一电压轨V+。
在图1-图21所示的实施例中，电流比较器142可以实现为迟滞比较器(hysteresiscomparator)。电流比较器142的迟滞有助于设置上阈值和下阈值，以消除由噪声或信号变化引起的多种转变。
虽然已经详细描述了本公开的实施例及其优点，但应理解，在不脱离由所附权利要求所定义的公开的精神和范围的情况下，可以在本文进行各种改变、替换、替代。
此外，本申请的范围不限于说明书中描述的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法、以及步骤的特定实施例。如本领域普通技术人员从本公开的公开内容中容易理解的，根据本公开，可以利用执行与本文描述的对应实施例基本相同的功能或实现基本相同的结果的目前存在的或以后将要开发的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法、或步骤。因此，所附权利要求旨在将这样的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法、或步骤包括在其范围内。因此，本说明书和附图仅视为对由所附权利要求所定义的本公开的说明，并预期覆盖落入本公开范围内的任何和所有修改、变化、组合、或等同物。

Claims (20)

1.一种***，包括：
电流模式切换器，用于为噪声敏感负载提供直流(DC)电压；以及
线性放大器，连接到所述电流模式切换器的输出端，所述线性放大器用于通过耦合在电源和所述线性放大器之间的至少一个功率转换设备来抽取减小的供电电压。
2.根据权利要求1所述的***，其中，所述线性放大器的第一电压轨用于连接到源型功率转换器的输出端，所述线性放大器的第二电压轨用于连接到漏型功率转换器的输出端，所述线性放大器用于减小由所述电流模式切换器生成的纹波电流分量，所述源型功率转换器和所述漏型功率转换器用于减小所述线性放大器的供电电压。
3.根据权利要求2所述的***，其中，所述源型功率转换器是连接在所述电源和所述线性放大器的所述第一电压轨之间的降压功率转换器，所述漏型功率转换器是开关电容功率转换器，所述开关电容功率转换器被配置为具有连接到所述降压功率转换器的输出端的输入端的2：1降压式功率转换器。
4.根据权利要求2所述的***，其中，所述源型功率转换器是连接在所述电源和所述线性放大器的所述第一电压轨之间的第一降压功率转换器，所述漏型功率转换器是具有连接到所述第一降压功率转换器的输出端的输入端的第二降压功率转换器。
5.根据权利要求2所述的***，其中，所述源型功率转换器是连接在所述电源和所述线性放大器的所述第一电压轨之间的升压功率转换器，所述漏型功率转换器是具有连接到所述升压功率转换器的输出端的输入端的降压功率转换器。
6.根据权利要求2所述的***，其中，所述源型功率转换器是连接在所述漏型功率转换器的所述输出端和所述线性放大器的所述第一电压轨之间的升压功率转换器，所述漏型功率转换器是连接在所述电源和所述线性放大器的所述第二电压轨之间的降压功率转换器。
7.根据权利要求2所述的***，其中，所述源型功率转换器是连接在所述电源和所述线性放大器的所述第一电压轨之间的降压-升压功率转换器，所述漏型功率转换器是具有连接到所述降压-升压功率转换器的输出端的输入端的降压功率转换器。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的***，其中，所述电流模式切换器包括：
串联连接的第一开关和第二开关；
电感，连接在所述电流模式切换器的所述输出端与所述第一开关和所述第二开关的公共节点之间；
脉宽调制(PWM)驱动器，用于生成用于所述第一开关和所述第二开关的栅极驱动信号；以及
电流比较器，具有反相输入端和非反相输入端，所述反相输入端用于接收与流过所述电感的电流成比例的电流感应信号，所述非反相输入端接地。
9.根据权利要求8所述的***，其中，所述线性放大器包括串联连接在所述线性放大器的所述第一电压轨和所述第二电压轨之间的第三开关和第四开关，以及用于生成用于所述第三开关和所述第四开关的栅极驱动信号的比较器。
10.根据权利要求1所述的***，其中，所述线性放大器的第一电压轨用于通过源型功率转换器连接到所述电源，所述线性放大器的第二电压轨接地，所述线性放大器用于减小由所述电流模式切换器生成的纹波电流分量，所述源型功率转换器用于减小所述线性放大器的供电电压。
11.根据权利要求1所述的***，其中，所述线性放大器的第一电压轨用于直接连接到所述电源，所述线性放大器的第二电压轨用于连接到漏型功率转换器的输出端，所述漏型功率转换器具有连接到所述电源的输入端，所述线性放大器用于减小由所述电流模式切换器生成的纹波电流分量，所述漏型功率转换器用于减小所述线性放大器的供电电压。
12.一种***，包括：
电流模式功率转换器，用于生成用于负载的电压；
线性放大器，连接到所述电流模式功率转换器的输出端，所述线性放大器用于减小由所述电流模式功率转换器生成的纹波电流分量；以及
轨道电压生成器，用于生成用于所述线性放大器的减小的供电电压。
13.根据权利要求12所述的***，其中，所述轨道电压生成器包括：
第一降压式功率转换器，连接在电源和所述线性放大器的第一电压轨之间；以及
第二降压式功率转换器，连接在所述线性放大器的所述第一电压轨和所述线性放大器的第二电压轨之间。
14.根据权利要求12所述的***，其中，所述轨道电压生成器是单电感双输出(SIDO)功率转换器，所述SIDO功率转换器具有连接到所述线性放大器的第一电压轨的第一输出端和连接到所述线性放大器的第二电压轨的第二输出端。
15.根据权利要求12-14中任一项所述的***，其中，所述电流模式功率转换器包括并联连接的第一电流模式功率转换设备和第二电流模式功率转换设备，并且其中，所述第一电流模式功率转换设备的瞬态响应快于所述第二电流模式功率转换设备的瞬态响应。
16.根据权利要求15所述的***，其中，所述第一电流模式功率转换设备用于减小由所述第二电流模式功率转换设备生成的纹波电流分量，所述线性放大器用于减小由所述第一电流模式功率转换设备生成的纹波电流分量。
17.一种方法，包括：
将电流模式功率转换器配置为在开关模式下工作；
将线性放大器配置为减小由所述电流模式功率转换器生成的纹波电流分量；以及
通过向所述线性放大器施加减小的供电电压来减小所述线性放大器的功率损耗。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：
通过源型功率转换器将电源的输出电压转换为第一电压，并且通过漏型功率转换器将所述第一电压转换为第二电压，来生成所述减小的供电电压，其中，所述源型功率转换器和所述漏型功率转换器是降压式功率转换器。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述源型功率转换器是降压功率转换器，所述漏型功率转换器是开关电容功率转换器，所述线性放大器包括连接到所述源型功率转换器的源型支路和连接到所述漏型功率转换器的漏型支路。
20.根据权利要求17-19中任一项所述的方法，还包括：
在轻负载工作模式期间，禁用所述漏型功率转换器、所述漏型支路、以及所述电流模式功率转换器。
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