CN118117875A - 包括双向开关转换器的电气设备 - Google Patents

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尹启硕
孙镐成
李圣祐
许蝹炯
许晸旭
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Abstract

提供了一种电子设备。该电子设备包括：第一晶体管，被配置为将输入电压节点连接到开关节点；第二晶体管，被配置为将开关节点连接到接地节点；锁存电路，被配置为生成具有第一频率的第一信号，并基于负载电流的电平来控制第一频率；开关调制电路，被配置为生成具有第二频率的第二信号，第二频率是第一频率的1/N倍(其中N是自然数)；以及控制器，被配置为基于第二信号控制第一晶体管和第二晶体管中的每一个。

Description

包括双向开关转换器的电气设备
相关申请的交叉引用
本申请基于并要求2022年11月30日在韩国知识产权局提交的第10-2022-0165171号韩国专利申请的优先权，该申请的公开内容通过引用整体结合于此。
技术领域
本公开涉及转换器，更具体地，涉及包括双向开关转换器的电子设备。
背景技术
随着电子技术的进步，已经开发了各种电子设备。移动电子设备可以通过使用其中包括的电池设备来驱动。随着电子设备的功耗量增加，电池容量也增加，因此，基于由具有高速充电模式或正常充电模式的充电器提供的电压电平，电池可以以各种速度充电。
发明内容
一个或多个示例实施例提供了一种能够将可听频率范围内的开关频率改变为可听频率范围外的开关频率的电子设备。
根据示例实施例的一方面，一种电子设备包括：第一晶体管，被配置为将输入电压节点连接到开关节点；第二晶体管，被配置为将开关节点连接到接地节点；锁存电路，被配置为生成具有第一频率的第一信号，并基于负载电流的电平来控制第一频率；开关调制电路，被配置为生成具有第二频率的第二信号，第二频率是第一频率的1/N倍(其中N是自然数)；以及控制器，被配置为基于第二信号控制第一晶体管和第二晶体管中的每一个。
根据示例实施例的另一方面，一种电子设备包括：第一晶体管，被配置为根据第一控制信号将输入节点与开关节点连接；第二晶体管，被配置为根据第二控制信号将开关节点与接地节点连接；电感器，其与开关节点连接，并且被配置为传导电感器电流，其中电感器电流基于第一晶体管导通而增大，并且基于第二晶体管导通而减小；振荡器，被配置为基于表示参考电平和施加到输入节点的输入信号的电平之间的差的误差信号来生成第一信号；斜坡生成电路，被配置为基于第一控制信号和第二控制信号生成斜坡信号；比较器电路，被配置为基于误差信号和斜坡信号生成第二信号；锁存电路，被配置为基于第一信号和第二信号生成具有第一频率的第三信号；开关调制电路，被配置为生成具有小于第一频率的第二频率的第四信号；以及控制器，被配置为基于第四信号生成第一控制信号和第二控制信号。
根据示例实施例的另一方面，一种控制包括开关节点的双向开关转换器的方法包括：生成具有第一频率的第一信号；基于负载电流的电平控制第一频率；生成具有第二频率的第二信号；将第二频率控制为第一频率的1/N倍(其中N是2或更大的自然数)，同时第一频率在参考频率范围内；当第一频率在参考频率范围之外时，控制第二频率等于第一频率；以及基于第二信号，导通第一晶体管以对开关节点预充电，或者导通第二晶体管以对开关节点放电。
附图说明
结合附图，从以下对示例实施例的描述中，将更清楚地理解实施例，在附图中：
图1是示意性示出根据示例实施例的包括充电器集成电路的电子设备的框图；
图2是电子设备的示意图；
图3是用于描述基于负载电流的开关频率的图；
图4是根据示例实施例的电子设备的图；
图5是用于描述根据示例实施例的频率调制的图；
图6是根据示例实施例的振荡器的示意图；
图7是根据示例实施例的斜坡信号生成器的示意图；
图8是用于描述根据示例实施例的电子设备的操作方法的定时图；
图9是用于描述根据示例实施例的开关频率的图；
图10是用于描述根据示例实施例的开关调制器的图；
图11A和图11B是根据示例实施例的调制操作的定时图；
图12是根据示例实施例的频率调制操作的定时图；
图13是根据示例实施例的调制操作的定时图；和
图14是用于描述根据示例实施例的双向开关转换器的控制方法的图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述各种实施例。相同或相似的附图标记可以通篇指代相同的元件。应当理解，当一个元件或层被称为“在另一个元件或层上”、“连接到”或“耦合到”另一个元件或层时，它可以直接在另一个元件或层上、连接到或耦合到另一个元件或层，或者可以存在中间元件或层。相比之下，当一个元件被称为“直接在另一个元件或层上”、“直接连接到”或“直接耦合到”另一个元件或层时，不存在中间元件或层。电压可以被称为“1”以指示高状态(或逻辑开)，以及“0”以指示低状态(或逻辑关)。
图1是示意性示出根据示例实施例的包括充电器集成电路的电子设备10的框图。
参照图1，电子设备10可以包括充电器集成电路(IC)100和电池200。此外，电子设备10还可以包括主处理器和***设备。例如，电子设备10可以包括移动设备，诸如智能手机、平板个人计算机(PC)、便携式电话、个人数字助理(PDA)、膝上型计算机、可穿戴设备、全球定位***(GPS)、电子书终端、数字广播终端、MP3播放器或数码相机。例如，电子设备10可以是电动车辆。
电池200可以嵌入在电子设备10中。在示例实施例中，电池200可以附接到电子设备10上/从电子设备10上拆卸。电池200可以包括一个电池单元或多个电池单元。多个电池单元可以彼此串联或并联连接。当外部充电设备没有与电子设备10连接时，电池200可以向电子设备10供电。
充电器IC 100可以对电池200充电，并且可以被称为电池充电器。此外，充电器IC100可以基于由电池200提供的电压向与充电器IC 100连接的外部设备供电(例如，经由有线电力接口310或无线电力接口320)。例如，充电器IC 100可以实现为IC芯片，并且可以安装在印刷电路板(PCB)上。
充电器IC 100可以包括双向开关转换器110和控制器120。双向开关转换器110可以被实现为直流(DC)-DC转换器，并且可以降低或升高输入电压以生成输出电压。
双向开关转换器110可以工作在降压模式(可以称为降压单模式)、升压模式(可以称为升压单模式)或降压-升压模式(可以称为降压-升压组合模式)。
在降压模式中，双向开关转换器110可以通过第一开关操作来执行降压转换操作，因此，可以升高输入到其中的电压，并且可以基于升高的电压对电池200充电。
在升压模式下，双向开关转换器110可以通过第二开关操作来执行升压转换操作，因此，可以升高从电池200输入的电压，并且可以基于升高的电压向外部设备供电。
在降压-升压模式中，双向开关转换器110可以基于负载电流通过第三开关操作来执行降压转换操作或升压转换操作。在降压-升压模式中，双向开关转换器110可以对电池200充电，或者可以向外部设备供电。
控制器120可以控制双向开关转换器110的多个充电模式(例如，降压模式、升压模式和降压-升压模式)之间的模式切换，并且可以控制双向开关转换器110的开关操作，使得输出电压的电压电平等于或类似于多个充电模式中的目标电压电平。
在一些示例实施例中，充电器IC 100可以支持各种功能中的至少一种，诸如欠压锁定(under-voltage lockout，UVLO)功能、过流保护(over-current protection，OCP)功能、过压保护(over-voltage protection，OVP)功能、减少涌入电流的软启动功能、折返电流限制功能、用于短路保护的打嗝(hiccup)模式功能和过温保护(over-temperatureprotection，OTP)功能，从而在省电条件下适当地执行操作。
在示例实施例中，电子设备10可以支持有线充电和无线充电，并且可以包括用于有线充电和无线充电的有线电力接口310和无线电力接口320。在示例实施例中，有线电力接口310可以包括有线充电电路。无线电力接口320可以包括无线充电电路。
在降压模式下，充电器IC 100可以通过有线电力接口310接收第一输入电压CHGIN和/或通过无线电力接口320接收第二输入电压WCIN，并且可以基于第一输入电压CHGIN和/或第二输入电压WCIN对电池200充电。
在升压模式下，充电器IC 100可以基于电池200的电压向有线电力接口310和/或无线电力接口320供电。
在降压-升压模式中，充电器IC 100可以通过有线电力接口310接收第一输入电压CHGIN或者通过无线电力接口320接收第二输入电压WCIN，可以基于第一输入电压CHGIN或者第二输入电压WCIN对电池200充电，并且可以基于第一输入电压CHGIN或者第二输入电压WCIN向无线电力接口320或者有线电力接口310供电。替代地，充电器IC 100可以基于第一输入电压CHGIN和电池200的电压向无线电力接口320供电，或者可以基于第二输入电压WCIN和电池200的电压向有线电力接口310供电。
例如，旅行适配器(TA)(即，电源适配器)或二次电池可以与有线电力接口310电连接。TA可以将从交流(AC)110V到220V(即，家用电源或另一电力源(例如，计算机))供应的电力转换为对电池200充电所需的DC电力，并且可以将DC电力供应给电子设备10。在降压模式或降压-升压模式中，充电器IC 100可以基于从TA或二次电池接收的第一输入电压CHGIN对电池200充电，或者可以向无线电力接口320供电。
例如，移动(on the go，OTG)设备(例如，OTG USB设备等)可以与有线电力接口310连接，并且充电器IC 100可以通过有线电力接口310向OTG设备供电。此时，在升压模式下，双向开关转换器110可以基于电池200的电压向OTG设备供电，或者在降压模式下，双向开关转换器110可以基于来自无线电力接口320的第二输入电压WCIN向OTG设备供电，同时对电池200充电。
图2是描述电子设备10’的示意图。图3是描述基于负载电流的开关频率的图。
参考图2，电子设备10’可以包括双向开关转换器110’、控制器120’和电池200。在降压模式下，双向开关转换器110’可以升高从TA提供的电压VCHG以生成电压VSYS。本文中，涉及电压例如VCHG和VSYS的术语可以表示存在对应电压的节点。在降压模式下，电流ISYS可以是对应于由负载消耗的电流的模型，并且可以被称为负载电流。可以从节点VSYS向负载供电。在升压模式下，双向开关转换器110’可以升高电池200的电压VBAT以生成电压VCHG。可以从节点VCHG向OTG设备供电，并且由OTG设备消耗的电流可以被称为负载电流。
双向开关转换器110’可以包括第一晶体管111、第二晶体管112、第三晶体管113、电感器114、第四晶体管115、第一有源负载116和第二有源负载117。第三晶体管113可以在降压模式或升压模式下导通。参考图2，在降压模式中，电压可以从TA通过第三晶体管113提供给双向开关转换器110’。第三晶体管113的一端可以与节点VCHG连接，另一端可以与节点VBYP连接。
第一晶体管111可以基于控制信号VGD_HS导通，因此，可以基于电压VBYP的电平对开关节点LX预充电。第二晶体管112可以基于控制信号VGD_LS导通，因此可以对开关节点LX放电。随着开关节点LX的电平变化，在电感器114中流动的电流IIND可以变化，因此，可以确定节点VSYS的电平。
为了将节点VSYS与电池200连接或者向电池200提供电流IBAT，第四晶体管115可以导通。
控制器120’可以包括占空比控制器121、零电流检测器122、开关信号生成器123、电流传感器124、振荡器125、比较器126、斜坡信号生成器127、选择器128、降压补偿器129和升压补偿器130。
降压补偿器129可以将信号VCHG、VSYS、VBAT、ICHG和IBAT分别与不同的参考信号进行比较。降压补偿器129可以检测信号VCHG、VSYS、VBAT、ICHG和IBAT中具有与对应参考电平最大不同电平的信号，并且可以输出表示检测到的信号和对应参考电平之间的差的电压。信号可以表示电压或电流。如果电池200的充电状态为低，则信号VCHG、VSYS、VBAT、ICHG和IBAT中的至少一个可能低于对应参考信号。随着电池200被充电，信号VCHG、VSYS、VBAT、ICHG和IBAT中的至少一个与对应参考电平之间的差可以变为零或正电平。
升压补偿器130可以输出表示电压VCHG和参考电平之间的差的电压。
选择器128可基于模式信号MS选择降压补偿器129或升压补偿器130的输出。当模式信号MS指示降压模式时，选择器128可选择降压补偿器129的输出，当模式信号MS指示升压模式时，选择器128可选择升压补偿器130的输出。选择器128的输出可以是电压VERR。也就是说，电压VERR可以具有与从信号VCHG、VSYS、VBAT、ICHG和IBT中选择的一个信号与对应于所选择的信号的参考电平之间的差相对应的电平。
振荡器125可以基于电压VERR生成电压VOSC。电压VOSC可以是确定将控制信号VGD_HS转变到活动状态(例如，逻辑高电平或“1”)的定时的信号。也就是说，振荡器125可以基于电压VERR的电平生成电压VOSC，从而可以调整控制信号VGD_HS的激活定时。下面将参照图6详细描述振荡器125。
比较器126可以基于电压VERR和电压VRMP生成电压VRST。电压VRMP可以被称为斜坡信号。电压VRST可以是确定将控制信号VGD_LS转变到激活状态的定时的信号。也就是说，比较器126可以基于电压VERR和电压VRMP生成电压VRST，从而可以控制控制信号VGD_LS的激活定时。
斜坡信号生成器127可以基于电流ILSEN的电平生成电压VRMP。电压VRMP可以具有重复的斜坡波形，并且斜坡波形的每个周期的幅度可以基于电流ILSEN来确定。下面将参照图7和图8详细描述斜坡信号生成器127。
开关信号生成器123可以基于电压VOSC和VRST生成电压VDUT。详细地，当随着电压VOSC转变为激活状态而将“1”施加到设置端子S时，输出端子Q的电压VDUT可以转变为激活状态，并且当随着电压VRST转变为激活状态而将“1”施加到重置端子R时，输出端子Q的电压VDUT可以转变为非激活状态。电压VDUT可以被称为开关信号。
占空比控制器121可以基于电压VDUT和电压VZCD生成控制信号VGD_HS和VGD_LS。详细地，当开关信号VDUT转变为激活状态时，占空比控制器121可以将控制信号VGD_HS转变为激活状态，并且当开关信号VDUT转变为非激活状态时，占空比控制器121可以将控制信号VGD_LS转变为激活状态。此外，基于电压VZCD的激活定时，占空比控制器121可以将所有控制信号VGD_HS和VGD_LS转变到非激活状态。
零电流检测器122可以在电流IIND的电平变为0时激活电压VZCD。也就是说，零电流检测器122可以监测来自开关节点LX的电流IIND，因此，可以检测电流IIND的电平变为0的时间。
传感器124可以生成代表电流IIND的平均电平的电流ILSEN。斜坡信号生成器127可以基于电流ILSEN来调整电压VRMP的电平。
在降压模式中，随着负载消耗的电流ISYS的电平降低，电压VSYS的电平可以增加，并且与电压VSYS和参考电平之间的差相对应的电压VERR可以通过降压补偿器129增加。随着电压VERR增加，电压VRST达到电压VERR的时间会延迟，因此，电压VDUT的频率会降低。随着电压VDUT的频率降低，转移到节点VSYS的电压VCHG的比率可以被调整为低。因此，电压VSYS的电平会降低。
当开关频率在可听频率范围内时，由于电子设备10’的输入信号或输出信号的噪声，开关频率可能在可听频率范围内。例如，如果电子设备10’具有扬声器，则开关频率可能是扬声器输出信号的噪声。如果电子设备10’具有麦克风，则开关频率可能是麦克风的输入信号的噪声。电子设备10’可以包括第一有源负载116和第二有源负载117，并且可以控制第一有源负载116和第二有源负载117，使得开关频率不包括在该特定频带中。
第一有源负载116可以与节点VSYS连接，并且可以在降压模式下操作。详细地，第一有源负载116可以消耗电流IAL1，并且可以基于控制信号VAL1选择性地与节点VSYS连接，因此可以被激活。在降压模式中，当负载消耗的电流ISYS减小时，第一有源负载116可以被激活，使得开关频率fsw不包括在该特定频带中。
第二有源负载117可与节点VCHG连接，并且可在升压模式下操作。详细地，第二有源负载117可以消耗电流IAL2并且可以基于控制信号VAL2选择性地与节点VCHG连接。在升压模式中，当OTG设备消耗的电流减小时，第二有源负载117可以被激活，使得开关频率fsw不包括在该特定频带中。
参照图3，当负载电流ILOAD的电平在第二时段(时段2)中降低时，开关频率fsw会降低。负载电流ILOAD可以是负载在降压模式下消耗的电流ISYS，或者可以是OTG设备在升压模式下消耗的电流。
当负载电流ILOAD的电平在第一时段(时段1)中降低时，可以保持开关频率fsw的电平。详细地，当第一时段(时段1)中的负载电流ILOAD的电平降低时，因为第一有源负载116或第二有源负载117可以被激活，所以在节点VCHG或节点VSYS中消耗的电流可以保持恒定。因此，开关频率fsw可以保持在第一水平Lv1。第一水平Lv1和第二水平Lv2之间的频率可以是可听频率。当开关频率fsw是可听频率范围时，由于电子设备10’的输入信号或输出信号，用户可以听到噪声。因此，电子设备10’可以通过控制第一有源负载116或第二有源负载117来控制第一有源负载116和第二有源负载117，使得开关频率fsw不在可听频率范围内。
然而，第一有源负载116和第二有源负载117可以独立于OTG设备或负载消耗电力，因此，为了调整开关频率fsw，电力消耗会增加。
图4是描述根据示例实施例的电子设备10的图。
参考图4，与电子设备10’不同，电子设备10可以包括开关调制器131。在图4中，示出了双向开关转换器110不包括图2的第一有源负载116和第二有源负载117，但是示例实施例不限于此。
开关调制器131可以检测电压VDUT的频率，并且可以基于检测到的频率来调整(即，控制)电压VMOD的频率。基于电压VDUT的频率调整电压VMOD的频率的操作可以被称为频率调制操作。频率调制操作可以控制电压VMOD的频率低于电压VDUT的频率。例如，电压VDUT的频率可以是电压VMOD的频率的2的乘方。当电压VDUT的频率在可听频率范围内时，开关调制器131可以执行频率调制操作，因此，可以生成频率低于电压VDUT的频率的电压VMOD。电压VMOD的频率可能在可听频率范围之外。
开关调制器131可以包括频率检测器132和频率控制器133。下面将参照图10详细描述开关调制器131。
频率检测器132可以检测电压VDUT的频率。详细地，频率检测器132可以基于电压VDUT的激活时间来确定电压VDUT的频率。频率检测器132可以基于电压VDUT的频率向频率控制器133提供频率控制信号(例如，图10的VUP和VDN)，该频率控制信号表示是增加还是降低电压VMOD的频率。
频率控制器133可以基于频率控制信号生成电压VMOD。频率控制器133可相对于电压VDUT的频率来控制要设置的电压VMOD的频率的倍数。
图5是描述根据示例实施例的频率调制的图。下面将参照图4描述图5。
参照图5，电压VDUT的频率可以与负载电流ILOAD成比例地增加。在图5中，电压VDUT的频率与负载电流ILOAD成正比地增加，但是实施例不限于此。例如，电压VDUT的频率与负载电流ILOAD成指数增加。可以通过频率调制操作将电压VMOD的频率控制为小于电压VDUT的频率。频率调制操作可以表示N次(其中N是自然数)调制操作，并且在N次调制操作中，电压VMOD的频率可以对应于电压VDUT的频率的1/N。
详细地，在负载电流ILOAD从0增加的第一时段p1中，可以不执行频率调制操作。在第一时段p1中，开关调制器131可以生成具有与电压VDUT的频率相同的频率的电压VMOD。
在电压VDUT的开关频率达到第二水平Lv2的第二时段p2，可以执行2次调制操作1MOD。第一水平Lv1和第二水平Lv2之间的频率范围可以是听觉频率范围。详细地，开关调制器131可以生成具有第三水平Lv3的频率的电压VMOD。第三水平Lv3可以对应于第二水平Lv2的1/2。也就是说，电压VMOD可以被生成为具有对应于电压VDUT的频率的1/2的频率。在第二时段p2，随着负载电流ILOAD增加，电压VMOD的频率可以从第三水平Lv3增加。
在电压VMOD的开关频率达到第二水平Lv2的第三时段p3中，可以执行4次调制操作2MOD。在这点上，当电压VDUT的开关频率达到第二水平Lv2的2倍时，2次调制操作1MOD可以停止，并且可以执行4次调制操作2MOD。开关调制器131可以生成具有对应于电压VDUT的开关频率的1/4的开关频率的电压VMOD。也就是说，开关调制器131可以生成具有第三水平Lv3的开关频率的电压VMOD。
类似地，每当电压VMOD的开关频率随着负载电流ILOAD增加而达到第二水平Lv2时，4次调制操作2MOD可以停止，8次调制操作3MOD可以停止，并且可以对电压VMOD执行16次调制操作4MOD。在这点上，当正在执行4次调制操作2MOD时电压VDUT的开关频率达到第二水平Lv2的4倍时，可以停止4次调制操作2MOD，并且可以对电压VMOD执行8次调制操作3MOD。当正在执行8次调制操作3MOD时，电压VDUT的开关频率达到第二水平Lv2的8倍时，可以停止8次调制操作3MOD，并且可以对电压VMOD执行16次调制操作4MOD。在执行8次调制操作3MOD的第四时段p4中，电压VMOD的频率可以对应于电压VDUT的频率的1/8。也就是说，当电压VDUT的开关频率达到第二水平Lv2的2N倍时，可以停止2N次调制操作，并且正在执行2N+1次调制操作。在2N+1次调制操作的开始，电压VMOD的开关频率可以是第三水平(例如，第二水平Lv2的1/2)。
在执行16次调制操作4MOD的第五时段p5中，电压VMOD的频率可以对应于电压VDUT的频率的1/16。
在电压VDUT的频率大于第一水平Lv1的第六时段p6中，开关调制器131可以停止执行频率调制操作。也就是说，因为频率在可听频率范围之外，所以可能无法执行频率调制操作。
在图5中，已经描述了电压VDUT和电压VMOD中的每一个的频率随着负载电流ILOAD逐渐增加而变化，上述描述可以应用于负载电流ILOAD逐渐减小的情况。例如，在负载电流ILOAD逐渐减小的情况下，当电压VDUT的频率大于第一水平Lv1时，可能无法执行频率调制操作，并且当电压VDUT的频率达到第一水平Lv1时，可以顺序地执行16次、8次、4次和2次调制操作4MOD、3MOD、2MOD和1MOD。
图6是描述根据示例实施例的振荡器125的图。
参考图6，振荡器125可以包括锁存电路610、延迟电路620、比较器630、开关640、电容器650、非独立电流源660和独立电流源670。
独立电流源670可以基于电流IOSC对节点VSAW预充电。非独立电流源660可以基于电压VPFM和电压VERR之间的差生成电流IERROSC。电容器650的一端可以与节点VSAW连接。电容器650的电容可以被称为COSC。
比较器630可以将电压VSAW和比较电压VOSC.REF进行比较，并且可以输出比较结果作为电压VOSC。例如，当电压VSAW大于比较电压VOSC.REF时，比较器630可以输出‘1’，并且当电压VSAW小于或等于比较电压VOSC.REF时，比较器630可以输出‘0’。
锁存电路610可以通过重置端子R接收电压VOSC，并且可以通过反相输出端子输出开关控制信号SC。延迟电路620可以延迟开关控制信号SC，并且可以向设置端子S提供延迟的开关控制信号SC。例如，当通过重置端子R接收到‘1’时，可以通过反相输出端子/>输出‘1’，并且当通过设置端子S接收到‘1’时，可以通过反相输出端子/>输出‘0’。
开关640可以基于开关控制信号SC选择性地将节点VSAW与接地节点连接。例如，当开关控制信号SC为‘1’时，开关640可以将节点VSAW与接地节点连接，以对节点VSAW放电，并且当开关控制信号SC为‘0’时，开关640可以释放节点VSAW和接地节点之间的连接。
可以用通过从电流IOSC中减去电流IERROSC获得的电流对节点VSAW预充电。可以基于电压VERR的电平来调整电流IERROSC的电平，并且可以基于电流IERROSC的电平来调整节点VSAW被预充电的速度。因此，电压VOSC为‘1’的时间可以通过电流IERROSC来调整。
图7是描述根据示例实施例的斜坡信号生成器127的图。
参考图7，斜坡信号生成器127可以包括独立的电流源710、电容器720、电阻器730、开关740、反相器750和选择电路760。
独立电流源710可以基于电流IRMP对节点VRMP预充电，因此，具有电容CRMP的电容器720可以被充电。
具有电阻值R的电阻器730的电压Vr可以由电流ILSEN确定。例如，参照图8，电压VRMP的斜坡开始电平的幅度可以是电压Vr。电容器720的充电电压可以被添加到电压Vr，因此，可以生成具有斜坡波形的电压VRMP。例如，参照图8，斜坡波形的斜率可以基于电流IRMP和电容CRMP的电平来确定。
开关740可以基于开关控制信号SC选择性地将节点VRMP与节点Vr(或接地节点)连接。例如，当开关控制信号SC为‘1’时，开关740可将节点VRMP与节点Vr连接以对节点VRMP放电，且当开关控制信号SC为‘0’时，开关740可将节点VRMP从节点Vr断开。
基于模式信号MS，选择电路760可以输出控制信号VGD_HS和VGD_LS之一作为控制信号，并且反相器750可以输出反相的控制信号作为开关控制信号SC。例如，在降压模式中，选择电路760可以输出控制信号VGD_HS，并且反相器750可以将控制信号VGD_HS反相。
基于控制信号VGD_HS，节点VRMP可以选择性地与节点Vr连接，因此，控制信号VGD_HS的激活时间可以与节点VRMP的激活时间匹配。
图8是描述根据示例实施例的电子设备的操作方法的定时图。将参照图1至图7描述图8。图8可以是描述示例实施例的图，其中开关频率在图5的第六时段p6中变化。
参照图8，电流ISYS的电平会在第五时间t15降低，因此，开关周期可以从第一开关周期Tsw1增加到第二开关周期Tsw2。也就是说，开关频率可能会降低。
参照图8，因为不执行频率调制操作，所以电压VDUT的开关频率可以与电压VMOD的开关电压相同。
在第一时间t11，当电压VOSC被激活为‘1’时，电压VDUT可以被开关信号生成器123激活为‘1’。通过使用锁存电路610和延迟电路620，电压VOSC可以被激活为‘1’达一延迟时间，并且在该延迟时间过去之后，电压VOSC可以被去激活为‘0’。开关调制器131可以输出与电压VDUT相同的电压VMOD。电压VDUT可以是‘1’，因此，占空比控制器121可以将控制信号VGD_HS激活为‘1’，将控制信号VGD_LS去激活为‘0’。基于被激活为“1”的控制信号VGD_HS，第一晶体管111可以导通，因此，在电感器114中流动的电流IIND可以增加。
此外，电压VSAW可以由振荡器125从第一时间t11开始预充电直到第四时间t14。
在第二时间t12，当电压VRMP达到电压VERR时，电压VRST可以被激活为‘1’，并且电压VDUT可以被开关信号生成器123去激活为‘0’。基于开关调制器131，电压VMOD可以等于电压VDUT。电压VMOD可以是‘0’，因此，占空比控制器121可以将控制信号VGD_LS激活为‘1’，并且将控制信号VGD_HS去激活为‘0’。
基于被激活为“1”的控制信号VGD_LS，第二晶体管112可以导通，因此，在电感器114中流动的电流IIND可以减小。
在第三时间t13，在电感器114中流动的电流IIND可以是‘0’，并且电压VZCD可以被零电流检测器122激活为‘1’。占空比控制器121可以基于激活的电压VZCD将控制信号VGD_HS和VGD_LS去激活为‘0’。
在第四时间t14，随着电压VSAW达到电压VOSC.REF，电压VOSC可以被振荡器125激活为‘1’。
电压VDUT可以被电压VOSC激活，并且电压VDUT和电压VMOD可以具有相同的频率，因此，电压VMOD的开关周期Tsw1可以被解释为第一时间t11和第四时间t14之间的时间段。
参照图8，随着电流ISYS的电平降低，电压VSYS的电平可以升高，并且表示参考电压和电压VSYS之间的差的电压VERR的电平可以降低。
随着电压VERR的电平降低，图2的比较器126激活电压VRST的定时可以更早。此外，开关信号生成器123可以基于电压VRST的激活来重置电压VDUT，因此，电压VDUT转变为“0”的定时可以更早，从而可以缩短电压VDUT的激活时段。此外，随着电压VERR的电平降低，基于图6的非独立电流源660的电流IERROSC可以增加。因此，节点VSAW被预充电并达到电压VOSC.REF的时间可能增加，因此，电压VOSC的激活时段可能被延迟。也就是说，电压VMOD的开关周期Tsw2可以被解释为第五时间t15和第六时间t16之间的时间段，并且可以比开关周期Tsw1长。
因此，如图8所示，随着电压VRMP的上升斜率减小，电压VDUT的开关频率会降低，并且随着电压VDUT的激活时段缩短，提供给节点VSYS的电压VCHG的比率会降低。
图9是用于描述根据示例实施例的开关频率的图。图9的电流IIND可以是在图8的第一时间t11至第五时间t15在电感器114中流动的电流IIND。
参考图9，电流IIND可以在时间段D中增加，并且可以在时间段D’中减小。电流IIND的最高电平可以是H，电流IIND的开关周期可以是Tsw，开关频率可以是fsw。开关周期Tsw中电流IIND的平均电平可以是IAVG。
可以基于下面的等式1来计算最高电平H。
[等式1]
这里，VCHG可以表示在降压模式下施加到节点VCHG的电压，VSYS可以表示提供给负载的电压，LIND可以表示电感器114的电感。
此外，基于等式1，D和D’可以具有如下等式2所示的关系。
[等式2]
基于在电感器114中流动的电流IIND，电荷Q可以被累积到电感器114中或者从电感器114中释放，并且可以如下面的等式3中表达的那样被计算。
[等式3]
平均电平IAVG可以如下面的等式4所示来计算。
[等式4]
平均电流IAVG可以被理解为在负载中流动的电流Iout，因此，开关频率fsw可以如下面的等式5所示来计算。
[等式5]
在图9中，上面已经描述了在降压模式下计算开关频率fsw的过程，但是在升压模式下计算开关频率fsw的过程可以类似于此。也就是说，在升压模式中，电压可以被提供给电池200的节点VBAT，而不是通过节点VCHG提供，并且负载可以与节点VCHG连接，而不是与节点VSYS连接，因此，可以在升压模式中计算开关频率fsw。
图10是描述根据示例实施例的开关调制器131的图。图11A和图11B是根据示例实施例的调制操作的定时图。
参照图10，频率检测器132可以基于时钟信号VCLK和电压VDUT来检测电压VDUT的开关频率。详细地，在时钟信号VCLK的激活时间段期间，可以通过对电压VDUT的边沿进行计数来检测电压VDUT的开关频率。
基于电压VDUT的开关频率，频率检测器132可以激活模式上升信号VUP或模式下降信号VDN。当模式上升信号VUP被激活时，电压VMOD的频率可以增加到原来的2倍，而当模式下降信号VDN被激活时，电压VMOD的频率可以降低到原来的1/2。详细地，当电压VDUT的开关频率在可听频率内时，频率检测器132可以激活模式上升信号VUP或模式下降信号VDN。模式上升信号VUP和模式下降信号VDN可以被称为频率控制信号。
频率控制器133可以包括调制计数器1010、多个AND(与)电路1021至1026、多个锁存电路1031至1036、NOR(或非)电路1040、多个OR(或)电路1051和1052、反相器1060和延迟电路1070。
基于频率控制信号，调制计数器1010可以激活指示不执行调制操作的信号VMOD0、指示2次调制操作的信号VMOD1、指示4次调制操作的信号VMOD2、指示8次调制操作的信号VMOD3和指示16次调制操作的信号VMOD4。例如，在当前正在执行2次调制操作的状态下(即，信号VMOD1被激活的状态)，当接收到激活的模式上升信号VUP时，调制计数器1010可以激活指示4次调制操作的信号VMOD2，并去激活信号VMOD0、VMOD1、VMOD3和VMOD4。
参照图10，OR电路1052可以在电压VDUT保持为“1”的激活时段期间激活电压VMOD。当电压VRSTB保持为“0”时，基于反相器1060和AND电路1026，锁存电路1036的时钟信号CK可以是电压VZCD。也就是说，当电压VRSTB保持为“0”时，锁存电路1036的输出值VQ6可以在电压VZCD转变为“1”的时刻转变为“1”。锁存电路1036可以在基于延迟电路1070的延迟时间之后被重置，因此，输出值VQ6可以保持为‘1’达该延迟时间。也就是说，电压VMOD可以在电压VDUT的激活时段和电压VZCD的激活时段两者中被激活。
参照图11A，当不执行调制操作时，信号VMOD0可以被激活，信号VMOD1至VMOD4可以被去激活。OR电路1051可以从第一时间t1直到第二时间t2输出电压VDUT，因此，电压VMOD可以与电压VDUT相同。
当电压VDUT被激活时，电压VRSTB可以被NOR电路1040转变为‘0’，因此，锁存电路1031至1035中的每一个的重置操作可以停止，并且锁存电路1031至1035中的每一个的锁存操作可以被OR电路1051执行。因此，电压VQ1至VQ5可以转变为‘1’。电压VRSTB可以通过AND电路1021和NOR电路1040保持为“0”。
当电压VZCD在第二时间t2被激活为‘1’时，锁存电路1031的输出值VQ1可以转变为‘0’，因此，AND电路1021可以输出‘0’。因此，作为NOR电路1040的输出值的电压VRSTB转变为‘1’，因此，电压VQ1至VQ5可以被重置为‘0’。因为电压VRSTB是“1”，所以即使当电压VZCD转变时，锁存电路1036的时钟值也不会被反相器1060和AND电路1026改变。因此，电压VMOD可以与电压VDUT相同。
如上参考图6所述，电压VSAW可以在第三时间t3达到参考电压VOSC.REF。因此，可以重复在第一时间t1和第三时间t3之间执行的操作。在图11A中，开关周期可以是Tsw1。
参照图11B，当执行2次调制操作时，信号VMOD1可以被激活，信号VMOD0和VMOD2至VMOD4可以被去激活。OR电路1051可以从第一时间t1直到第二时间t2输出电压VDUT，因此，电压VMOD可以与电压VDUT相同。
当电压VDUT被激活时，电压VRSTB可以被NOR电路1040转变为‘0’，因此，锁存电路1031至1035中的每一个的重置操作可以停止，并且锁存电路1031至1035中的每一个的锁存操作可以被OR电路1051执行。因此，电压VQ1至VQ5可以转变为‘1’。AND电路1022和NOR电路1040可以将电压VRSTB保持为“0”。
当电压VZCD在第二时间t2被激活为‘1’时，锁存电路1031的输出值VQ1可以转变为‘0’，但是锁存电路1032至1035可以在时钟的上升沿执行锁存操作，因此，输出值VQ2至VQ5可以保持为‘1’。因此，作为NOR电路1040的输出值的电压VRSTB可以保持‘0’。因为电压VRSTB保持‘0’，所以当电压VZCD在第二时间t2被激活时，施加到锁存电路1036的时钟信号可以被反相器1060和AND电路1026激活。因此，电压VMOD可以从第二时间t2起被激活达一延迟时间。此外，当电压VMOD被激活时，可以控制第一控制信号VGD_HS和第二控制信号VGD_LS，因此，第二时间t2和第三时间t3之间的电流IIND的变化可以与第一时间t1和第二时间t2之间的电流IIND的变化相同。
当电压VZCD在第三时间t3被激活为‘1’时，锁存电路1031的输出值VQ1可以瞬间转变为‘1’，因此，输出值VQ2可以转变为‘0’，并且AND电路1022可以输出‘0’。相应地，作为NOR电路1040的输出值的电压VRSTB转变为‘1’，并且因此，电压VQ1至VQ5可以被重置为‘0’。因为电压VRSTB是“1”，所以即使当电压VZCD转变时，锁存电路1036的时钟值也不会被反相器1060和AND电路1026改变。
如上参考图6所述，电压VSAW可以在第四时间t4达到参考电压VOSC.REF。因此，可以重复在第一时间t1和第四时间t4之间执行的操作。在图11B中，开关周期可以是Tsw2。
在图11A中，电流IIND在每个周期中出现不超过一次，并且在图11B中，电流IIND在一个周期中出现两次，并且与图11A的定时图相比，累积到电感器114中的电荷和从电感器114释放的电荷可以是两倍。也就是说，在执行N次调制操作时，由在电感器114中流动的电流IIND累积到电感器114中和从电感器114释放的电荷Q’可以基于下面的等式6来计算。可以参考图9和等式3来理解等式6。
[等式6]
在N次调制操作中，平均电流IAVG’可以基于下面的等式7来计算。
[等式7]
平均电流IAVG’可以理解为在负载中流动的电流Iout’，因此，在执行N次调制操作时的开关频率fswN可以基于下面的等式8来计算。
[等式8]
也就是说，执行N次调制操作时的开关频率fswN可以是不执行调制操作时的开关频率fsw的1/N倍。因此，图11A的开关周期Tsw1可以是图11B的开关周期Tsw2的1/2倍。
没有具体描述4次、8次和16次调制操作，但是图11A和图11B的描述可以应用于此，并且在执行4次、8次和16次调制操作时电压VMOD的频率可以是电压VDUT的频率的1/4倍、1/8倍和1/16倍。
图12是根据示例实施例的频率调制操作的定时图。
参照图12，当在操作MOD0中不执行调制操作时，电压VMOD的开关周期可以是Tsw1，而在执行2次调制操作MOD1时，电压VMOD的开关周期可以是Tsw2。
如上参照图11A和图11B所述，执行调制操作时的开关周期Tsw1可以是执行2次调制操作时的开关周期Tsw2的1/2倍。
参照图12，可以基于电压VMOD和电压VZCD来控制第一控制信号VGD_HS和第二控制信号VGD_LS。第一控制信号VGD_HS和第二控制信号VGD_LS可以感应出电流IIND。通过感应电流IIND积累到电感器114中和从电感器114释放的电荷量可以改变，并且随着电荷量的改变，开关周期(对应于开关频率)可以改变。
图13是根据示例实施例的调制操作的定时图。
参照图13，当不执行调制操作时(No Mod)，电压VMOD0可以是‘1’(即，高状态)，而其他电压VMOD1至VMOD4可以是‘0’(即，低状态)。可以感应一次电流IIND(即，升压数为1)，并且电压VDUT和电压VMOD可以具有相同的波形。
在执行2次调制操作(1MOD)时，电压VMOD1可以处于高状态，而其他电压VMOD0和VMOD2至VMOD4可以处于低状态。电流IIND可以被感应两次(即，升压数是2)，并且电压VMOD可以被翻转两次。在执行2次调制操作时电压VMOD的频率可以是在执行调制操作时电压VMOD的频率的1/2倍。
在图13中，示出了高达16次的调制操作，但是示例实施例不限于此，并且可以执行诸如32次调制操作和64次调制操作的各种次数的调制操作。
图14是描述根据示例实施例的双向开关转换器的控制方法的图。
在操作S1410中，开关信号生成器123可以生成具有第一频率的电压VDUT，该第一频率与负载电流的电平成比例地增加。上面已经参照图1至图12给出了通过使用开关信号生成器123生成电压VDUT的方法的描述，因此不再重复。
当在操作S1420中第一频率在参考频率范围(Y)内时，在操作S1430中，开关调制器131可生成具有第二频率的电压VMOD，该第二频率是第一频率的1/N(其中N是2或更大的自然数)。也就是说，开关调制器131可以生成具有低于第一频率的第二频率的电压VMOD。本文中，参考频率范围可以表示听觉频率范围。上面已经参考图5、图8、图10、图11A和图11B给出了通过使用开关调制器131生成电压VMOD的方法的描述，因此不再重复。
当在操作S1420中第一频率在参考频率范围(N)之外时，在操作S1440中，开关调制器131可生成具有第二频率的电压VMOD，该第二频率具有与第一频率相同的值。
在操作S1450中，占空比控制器121可以基于电压VMOS生成第一控制信号VGD_HS和第二控制信号VGD_LS，从而可以导通或截止第一晶体管111和第二晶体管112。
虽然已经示出和描述了示例性实施例，但是应当理解，在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。

Claims (20)

1.一种电子设备，包括：
第一晶体管，被配置为将输入电压节点连接到开关节点；
第二晶体管，被配置为将开关节点连接到接地节点；
锁存电路，被配置为生成具有第一频率的第一信号，并基于负载电流的电平来控制第一频率；
开关调制电路，被配置为生成具有第二频率的第二信号，所述第二频率是所述第一频率的1/N倍，其中N是自然数；以及
控制器，被配置为基于第二信号控制第一晶体管和第二晶体管中的每一个。
2.根据权利要求1所述的电子设备，其中，所述第一频率在参考频率范围内，并且
其中，第二频率在参考频率范围之外。
3.根据权利要求1所述的电子设备，其中，基于第一频率在参考频率范围之外，N为1。
4.根据权利要求1所述的电子设备，其中，开关调制电路还被配置为基于第一频率达到参考频率范围的下水平的2K倍并且小于参考频率范围的上水平，将第二频率控制为1/(2K +1)，其中K是自然数或零。
5.根据权利要求4所述的电子设备，其中，开关调制电路还被配置为基于第一频率大于参考频率范围的上水平，将第二频率控制为第一频率的1倍。
6.根据权利要求1所述的电子设备，还包括：
电感器，与开关节点连接，并且被配置为传导电感器电流，其中电感器电流基于第一晶体管导通而增大，并且基于所述第二晶体管导通而减小；以及
零电流检测电路，被配置为在第二信号的周期期间检测电感器电流的零电平N次。
7.根据权利要求1所述的电子设备，其中，第一晶体管被配置为基于第一控制信号导通和截止，
其中，所述控制器还被配置为控制第一控制信号在第二信号的周期期间导通第一晶体管N次，并且
其中，N次之间的间隔小于第一信号的周期。
8.根据权利要求1所述的电子设备，其中，第二晶体管被配置为基于第二控制信号导通和截止，
其中，控制器还被配置为控制第二控制信号，以在第二信号的周期期间截止关断第二晶体管N次，并且
其中，N次之间的间隔小于第一信号的周期。
9.一种电子设备，包括：
第一晶体管，被配置为根据第一控制信号将输入节点与开关节点连接；
第二晶体管，被配置为根据第二控制信号将开关节点与接地节点连接；
电感器，与开关节点连接，并且被配置为传导电感器电流，其中电感器电流基于第一晶体管导通而增大，并且基于第二晶体管导通而减小；
振荡器，被配置为基于表示参考电平和施加到输入节点的输入信号的电平之间的差的误差信号来生成第一信号；
斜坡生成电路，被配置为基于第一控制信号和第二控制信号生成斜坡信号；
比较器电路，被配置为基于误差信号和斜坡信号生成第二信号；
锁存电路，被配置为基于第一信号和第二信号生成具有第一频率的第三信号；
开关调制电路，被配置为生成具有小于第一频率的第二频率的第四信号；和
控制器，被配置为基于第四信号生成第一控制信号和第二控制信号。
10.根据权利要求9所述的电子设备，其中，控制器还被配置为基于第一信号的激活来激活第一控制信号，并且基于第二信号的激活来去激活第一控制信号。
11.根据权利要求9所述的电子设备，其中，控制器还被配置为基于第二信号的激活来激活第二控制信号，并且基于电感器电流为0来去激活第二控制信号。
12.根据权利要求9所述的电子设备，其中，第一频率在参考频率范围内，并且第二频率在参考频率范围之外。
13.根据权利要求9所述的电子设备，其中，开关调制电路还被配置为基于第一频率在参考频率范围内，控制第二频率小于所述参考频率范围的下水平。
14.根据权利要求13所述的电子设备，其中，开关调制电路还被配置为基于第一频率在参考频率范围之外来控制第二频率等于第一频率。
15.根据权利要求9所述的电子设备，还包括零电流检测电路，所述零电流检测电路被配置为在第二信号的周期期间检测所述电感器电流的零电平至少两次。
16.根据权利要求9所述的电子设备，其中，控制器还被配置为控制第一控制信号和第二控制信号，以在第二信号的周期期间导通第一晶体管和第二晶体管中的每一个至少两次，并且
其中，所述至少两次之间的间隔小于第一信号的周期。
17.一种控制包括开关节点的双向开关转换器的方法，所述方法包括：
生成具有第一频率的第一信号；
基于负载电流的电平控制第一频率；
生成具有第二频率的第二信号；
当第一频率在参考频率范围内时，将第二频率控制为第一频率的1/N倍，其中N是大于或等于2的自然数；
当第一频率在参考频率范围之外时，控制第二频率等于第一频率；以及
基于第二信号，导通第一晶体管以对开关节点预充电，或者导通第二晶体管以对开关节点放电。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括基于第一频率达到参考频率范围的下水平的2K倍并且小于参考频率范围的上水平，将第二频率控制为第一频率的1/(2K+1)倍，其中K是自然数或0。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括基于所述第一频率达到参考频率范围的上水平，将第二频率控制为第一频率的1倍。
20.根据权利要求17所述的方法，还包括在第二信号的周期期间检测在与开关节点连接的电感器中流动的电流的零电平至少两次。
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