CN207304377U - 升降压电源转换器与升降压控制器 - Google Patents

升降压电源转换器与升降压控制器 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供了一种升降压电源转换器与升降压控制器，升降压电源转换器包括电感器驱动器部分、脉宽调制部分和开关控制部分。所述电感器驱动器包括将输入选择性地耦接到电感器的第一节点的第一开关、将所述电感器的所述第一节点选择性地耦接到接地节点的第二开关、将所述电感器的第二节点选择性地耦接到所述接地节点的第三开关以及将所述电感器的所述第二节点选择性地耦接到输出的第四开关，并且脉宽调制响应于所述输出的输出电平而生成PWM控制信号。所述开关控制被配置为当所述第二开关的接通时间变得小于指定的进入值时，强制所述第三开关启动刷新脉冲，并且当所述第三开关的接通时间变得小于所述指定的进入值时，强制所述第二开关启动刷新脉冲。

Description

升降压电源转换器与升降压控制器
技术领域
本公开的方面涉及升降压电源转换器和稳压器，并且具体地讲，涉及用于升降压电源转换器的超声控制***和方法。
背景技术
现代电子装置通常需要某种形式的电源转换以供其使用。对这些电子装置的需求的增加驱动了使用采用有限容量的电源(例如，电池)运行的便携式电子装置(例如，移动电话、个人娱乐装置、膝上型计算机等) 的发展。将来自这些电源的电力调节为适合于这些便携式电子装置使用的形式这一过程通常由直流/直流(DC/DC)转换器提供。然而，由于这些便携式电源所提供的容量有限，因此这些DC/DC转换器在所有工作区间的效率至关重要。
发明内容
根据本实用新型的一个方面，提供一种升降压电源转换器，其特征在于包括：电感器驱动器，所述电感器驱动器包括将输入选择性地耦接到电感器的第一节点的第一开关、将所述电感器的所述第一节点选择性地耦接到接地节点的第二开关、将所述电感器的第二节点选择性地耦接到所述接地节点的第三开关、以及将所述电感器的所述第二节点选择性地耦接到输出的第四开关；脉宽调制器PWM，所述脉宽调制器响应于所述输出的输出电平而生成PWM控制信号；以及开关控制，所述开关控制与所述第二开关和所述第三开关通信，所述开关控制在所述第二开关的接通时间变得小于指定的进入值时，强制所述第三开关以超出指定的频率的速率生成具有指定的持续时间值的接通时间的启动刷新脉冲，并且当所述第三开关的接通时间变得小于所述指定的进入值时，强制所述第二开关以超出所述指定的频率的速率生成具有所述指定的持续时间值的接通时间的启动刷新脉冲。
根据上述升降压电源转换器的一个实施例，其特征在于当所述开关控制生成所述启动刷新脉冲时，并且当所述第二开关或所述第三开关的所述接通时间变得大于指定的退出值时，停止生成所述启动刷新脉冲。
根据上述升降压电源转换器的一个实施例，其特征在于所述指定的退出值大于所述指定的进入值。
根据上述升降压电源转换器的一个实施例，其特征在于所述指定的退出值基本上等于所述指定的进入值。
根据上述升降压电源转换器的一个实施例，其特征在于所述指定的持续时间值被选择为使得所述PWM信号的频率被维持在高于20千赫。
根据上述升降压电源转换器的一个实施例，其特征在于所述开关控制被配置为当所述第二开关的所述接通时间变得小于第一指定的值达指定的连续次数时，强制所述第三开关以超出所述指定的频率的速率生成所述启动刷新脉冲，并且当所述第三开关的所述接通时间变得小于第三指定的值达所述指定的连续次数时，强制所述第三开关以超出所述指定的频率的速率生成启动刷新脉冲。
根据上述升降压电源转换器的一个实施例，其特征在于所述开关控制包括启用以下项中至少一个的设置的电路：所述指定的进入值、所述指定的退出值、和所述指定的连续次数。
根据上述升降压电源转换器的一个实施例，其特征在于所述PWM包括双沿电流编程模式调制(DECPM)转换器。
根据上述升降压电源转换器的一个实施例，其特征在于所述指定的频率包括可听频率水平。
根据上述升降压电源转换器的一个实施例，其特征在于所述开关控制包括：AND门，其门控从所述脉宽调制器到所述电感器驱动器的PWM控制信号；OR门，其门控从所述脉宽调制器到所述电感器驱动器的PWM控制信号；定时器电路，该定时器电路耦接于所述第二开关、所述第三开关和时钟输入信号，生成所述启动刷新脉冲并控制所述AND门和所述OR门。其中所述定时器电路分别对所述第二开关和所述第三开关的指定的持续时间值计数，并确定所述第二开关和所述第三开关处于指定的持续时间值的连续次数。
根据另一个方面，提供一种升降压电源转换器，其特征在于包括：电感器驱动器，所述电感器驱动器包括将输入选择性地耦接到电感器的第一节点的第一开关、将所述电感器的所述第一节点选择性地耦接到接地节点的第二开关、将所述电感器的第二节点选择性地耦接到所述接地节点的第三开关、以及将所述电感器的所述第二节点选择性地耦接到输出的第四开关；脉宽调制器，所述脉宽调制器响应于所述输出的输出电平而生成PWM 控制信号；以及开关控制，所述开关控制用于：在所述第二开关的接通时间变得小于指定的进入值达指定的次数时，强制所述第三开关以超出指定的频率的速率生成具有指定的持续时间值的接通时间的启动刷新脉冲；以及在所述第三开关的接通时间变得小于所述指定的进入值达所述指定的次数时，强制所述第二开关以超出所述指定的频率的速率生成具有所述指定的持续时间值的接通时间的启动刷新脉冲；在所述开关控制生成所述启动刷新脉冲并且所述第二开关或所述第三开关的所述接通时间变得大于指定的退出值时，停止生成所述启动刷新脉冲。
根据上述升降压电源转换器的一个实施例，其特征在于所述开关控制包括启用以下项中至少一个的设置的电路：所述指定的进入值、所述指定的退出值、和所述指定的连续次数。
根据上述升降压电源转换器的一个实施例，其特征在于所述PWM包括双沿电流编程模式调制(DECPM)转换器。
根据上述升降压电源转换器的一个实施例，其特征在于所述开关控制包括：AND门，其门控从所述脉宽调制器到所述电感器驱动器的PWM控制信号；OR门，其门控从所述脉宽调制器到所述电感器驱动器的PWM控制信号；定时器电路，该定时器电路耦接于所述第二开关、所述第三开关和时钟输入信号，生成所述启动刷新脉冲并控制所述AND门和所述OR门。其中所述定时器电路分别对所述第二开关和所述第三开关的指定的持续时间值计数，并确定所述第二开关和所述第三开关处于指定的持续时间值的连续次数。
根据另一个方面，提供一种升降压控制器，其特征在于包括：电感器驱动器，所述电感器驱动器包括：将输入选择性地耦接到电感器的第一节点的第一开关，将所述电感器的所述第一节点选择性地耦接到接地节点的第二开关，将所述电感器的第二节点选择性地耦接到所述接地节点的第三开关，及将所述电感器的所述第二节点选择性地耦接到输出的第四开关，以及脉宽调制器PWM，所述PWM响应于所述输出的输出电平而生成 PWM控制信号；以及开关控制电路，被配置为至少控制所述第二开关和第三开关，使得当所述第二开关的接通时间变得小于指定的进入值时，强制所述第三开关以超出指定的频率的速率生成具有指定的持续时间值的接通时间的启动刷新脉冲；以及当所述第三开关的接通时间变得小于所述指定的进入值时，强制所述第二开关以超出所述指定的频率的速率生成具有所述指定的持续时间值的接通时间的启动刷新脉冲。
根据上述升降压控制器的一个实施例，其特征在于还包括将所述开关控制电路配置为响应于生成所述启动刷新脉冲时，并且当所述第二开关或所述第三开关的所述接通时间变得大于指定的退出值时，停止生成所述启动刷新脉冲。
根据上述升降压控制器的一个实施例，其特征在于所述指定的退出值大于所述指定的进入值。
根据上述升降压控制器的一个实施例，其特征在于所述指定的退出值基本上等于所述指定的进入值。
根据上述升降压控制器的一个实施例，其特征在于还包括将所述PWM 信号的频率维持在高于20千赫。
根据上述升降压控制器的一个实施例，其特征在于还包括将所述开关控制电路配置为当所述第二开关的所述接通时间变得小于第一指定的值达指定的连续次数时，强制所述第三开关以超出所述指定的频率的速率生成所述启动刷新；以及当所述第三开关的所述接通时间变得小于第三指定的值达所述指定的连续次数时，强制所述第三开关以超出所述指定的频率的速率生成启动刷新脉冲。
根据再一个方面，提供一种升降压电源转换器，包括：电感器驱动器部分、脉宽调制(PWM)部分和开关控制部分。电感器驱动器包括将输入选择性地耦接到电感器的第一节点的第一开关、将电感器的第一节点选择性地耦接到接地节点的第二开关、将电感器的第二节点选择性地耦接到接地节点的第三开关、以及将电感器的第二节点选择性地耦接到输出的第四开关，以及脉宽调制(PWM)，所述脉宽调制响应于输出的输出电平而生成 PWM控制信号。开关控制被配置为当第二开关的接通时间变得小于指定的进入值时，强制第三开关以超出指定的频率范围的速率生成具有指定的持续时间值的接通时间的启动刷新脉冲，并且当第三开关的接通时间变得小于指定的进入值时，强制第二开关以超出指定的频率范围的速率生成具有指定的持续时间值的接通时间的启动刷新脉冲。
附图说明
通过以下对本公开的技术的特定实施方案的描述，这些技术的各种特征和优点将显而易见，如附图所示。应当注意，附图未必按比例绘制；而是将重点放在示出技术概念的原理。另外，在附图中，类似的参考符号在不同的视图中可指代相同的部件。附图仅描绘本公开的典型实施方案，并且因此不应视为在范围上具有限制性。
图1A和图1B示出了根据本公开的一个实施方案的示例性升降压转换器。
图2A示出了根据本公开的一个实施方案的示例性波形图，其中示出图1A和1B的升降压转换器的各个部件从降压模式转变为启动刷新模式接着转变为升压模式时的相对状态和电压电平。
图2B示出了根据本公开的一个实施方案的另一个示例性波形图，其中示出图1A和1B的升降压转换器的各个部件从升压模式转变为启动刷新模式接着转变为降压模式时的相对状态和电压电平。
图3示出了根据本公开的一个实施方案的示例性状态图，其中示出图1A和1B的升降压转换器可以如何在其不同操作模式之间交替。
具体实施方式
本公开的实施方案提供了一种升降压控制电路，其使用被称为启动刷新模式的中间方法实现朝向和/或起源于其两种主要操作模式(例如，降压模式和升压模式)中任一种的平滑转变。所述平滑转变由开关控制来提供，该开关控制感测电感器驱动器部分的输入部分(例如，降压部分)或输出部分(例如，升压部分)中的任一个的低端开关的接通时间何时低于第一指定的值以强制其互补部分(例如，升压部分、降压部分)生成启动刷新脉冲。以此方式，当升降压控制电路由于输入电压减小或输出电压增大而接近从降压模式转变时，可强制升压部分接通，使得升降压控制电路的控制回路可减小降压部分的有效占空比。另选地，当升降压控制电路由于输入电压增大或输出电压减小而接近从升压模式转变时，可强制降压部分接通，使得升降压控制电路的控制回路可减小升压部分的有效占空比。以此方式，限制降压部分或升压部分的占空比接近饱并且因此维持对输出电压的控制以提高效率，同时避免原本可能发生的不期望的切换频率偏移，例如切换频率降低到可听范围(例如，小于20千赫)。
在许多情况下，经常需要在具有DC电压在***标称电压上下变动的电源时向电子***提供稳压电力。升降压DC/DC转换器使用单个电感器解决这一问题，但通常表现出比递降(例如，降压)或递升(例如，升压)转换器低的效率。一种解决方案是根据输入/输出电压以降压、升压或升降压模式操作该装置；然而，从一种模式转变到另一种模式常常会造成高输出纹波，这可能由于其严重性或其可出现的频率而对于一些应用来说是不可接受的。
便携式电子装置中所使用的开关式稳压器(regulator)利用通常被称为升降压开关式稳压器的一类开关式稳压器。便携式电子装置中所使用的升降压开关通常以正向降压模式和反向升压模式操作。在正向降压模式中，降低输入端口处的电压以在输出端口处产生稳定电压。在反向升压模式中，升高输出端口处的电压以在输出端口处产生稳定电压。由于输入端口和输出端口的电压变动，正向降压模式可迁移到升压模式，反之亦然。此类升降压开关式稳压器可对于电池驱动装置特别有用，其中电源(例如，电池)可在电量大于或小于便携式电子装置的标称电压额定值时向便携式电子装置提供电力。
然而，升降压转换器可能在输入电压和输出电压相对于彼此接近时遭受大纹波，这种情况可能在高电流操作期间加剧。一种常用方法是当输入电压和输出电压相对接近时强制电路进入升降压模式，其中降压部分和升压部分两者均为活动的。然而，在许多情况下，这种转变可造成经常不合需要的输出电压扰动以及功率效率降低。
电流编程模式控制(CPM)是升降压转换器所使用的一种特定类型的控制***，并且可提供与常规升降压控制***相比增强的固有过电流保护、优良的动态响应以及容易的电流共享实现。CPM控制方案包括单沿调制(例如，峰值CPM或谷值CPM)以提供占空比控制。在单沿CPM(下文称为“单CPM”)中，工作信号的仅一个边沿由该控制方案调制，并且工作信号的另一个边沿不被调制而是由固定时钟确定。换句话说，在单个开关周期期间仅更新电感器电流信息一次。因此，利用单CPM的***的带宽由于对应的取样和保持效应而限于切换频率的一半。
另一个CPM控制方案包括双沿调制，其中PWM脉冲串的两个边沿用于提供占空比控制。然而，对于CPM双沿调制(DECPM)，常常没有能够在降压模式与升压模式之间的转变期间降低纹波电压的有效方法。经常在输入电压和输出电压两者彼此接近时观察到大输出电压纹波。一种用于补救此问题的常规方法依赖于沿双斜坡波形上下变动补偿电压以创建呈降压或升压操作模式中的任一个的操作。然而，在斜坡中部附近，补偿信号具有死区，在该处转换器可由于在转变到升降压操作模式之前S2和S3开关的过多接通时间而失去调节。因而，可出现随机脉冲，这又可能造成输出电压漂移。
图1A和图1B示出了根据本公开的一个实施方案的示例性升降压转换器100，其可使用升降压转换器提供前述问题的解决方案。升降压转换器100包括脉宽调制(PWM)部分102，该脉宽调制部分用于生成PWM信号 (PWM_buck和PWM_boost)以馈送到电感器驱动器部分108的降压部分 104和升压部分106。如下文将详细描述，升降压转换器100还包括开关控制部分112，该开关控制部分被配置为当降压部分的开关(S2)接通时间变得小于指定的进入值时，强制升压部分以超出指定的频率范围的速率生成具有指定的持续时间值的开关(S3)接通时间的启动刷新脉冲，并且当升压部分的开关(S3)接通时间变得小于指定的进入值时，强制降压部分以超出指定的频率范围的速率生成具有指定的持续时间值的开关(S2)接通时间的启动刷新脉冲。此类行为可用于周期性地刷新当前未用部分(例如，降压部分或升压部分)的开关以使得可维持切换频率高于特定水平，诸如可听水平(例如，低于20千赫)，该特定水平原本会向便携式电子装置中引入不期望的噪声。
一般来讲，由开关控制部分112驱动启动刷新脉冲可在被称为启动刷新模式的操作模式期间执行。启动刷新脉冲可用于在当前使用部分正接近饱和(例如，降压部分的100％占空比或升压部分的0％占空比)时周期性地接通当前未用部分。因此，开关控制部分112可致使升降压转换器100 在输入电压(Vin)接近输出电压(Vout)时进入启动刷新模式，并且在输入电压(Vin)不再接近输出电压(Vout)时退出启动刷新模式。以此方式，将强制补偿信号(Vc)离开死区，使得可在输入电压(Vin)接近输出电压(Vout)时维持有效控制。
如图所示的特定PWM部分102是双沿电流可编程调制(DECPM)控制器，其中电流编程模式控制(CPM)方案与双沿调制(例如，前沿调制和后沿调制)一起使用。然而，可以设想的是，实现启动刷新脉冲的开关控制部分112的实施方案可使用任何类型的升降压控制器方案(例如，单沿 CPM或用于控制升降压转换器的操作的其他常规类型的升降压控制器)来实现。基于DECPM的升降压转换器可为特别有利的，因为其提供降压模式与升压模式之间的连续转变。通常不需要基于DECPM的转换器具有真正的升降压模式，其中所有开关在Vin靠近Vout时进行操作，这种状况降低了其效率。另外，基于DECPM的转换器提供使取样频率有效倍增以实现较快的回路带宽的双沿斜坡。也就是说，基于DECPM的转换器可因增大的取样频率而实现较快的瞬态响应。例如，基于DECPM的转换器可在占空比接近0.5时具有两倍于常规升降压控制器的取样频率。另外，基于 DECPM的转换器可改进输出电压对参考信号的跟踪精度。
由于基于DECPM的转换器与常规单沿CPM转换器相比具有控制的较高取样频率并且在高频率下具有较大电流回路增益这一事实，其常常作为用于高频率和宽范围DC-DC操作的优选候选者，而高频率和宽范围 DC-DC操作在便携式和车辆应用中越来越普及。用于这些转换器的稳定控制方案通常难以实现，因为***的传递函数会随着***的操作点而改变。特别要注意的是用于便携式和车辆应用的四开关升降压转换器(4SBBC)，其通常以降压或升压模式操作以通过在单个开关周期中仅切换两个开关来减少损耗。在该应用中，传递函数的改变由于在降压模式与升压模式之间存在不同的***动力学而甚至更严重。
本公开的实施方案可提供用于升降压控制器的常规控制***和技术迄今为止尚未认识到的某些优点。例如，一个优点可以是由于PWM部分 102维持有效控制而减少输出电压纹波。另外，通过确保有效调节，可将PWM切换频率维持在恒定水平。在常规的升降压控制器中，从降压模式或升压模式转变通常会引发暂时失去调节，使得PWM信号的切换频率降低到可听水平(例如，小于20千赫)，此问题在与并入了基于音频的电路的便携式电子装置一起使用时是不期望的。本公开的实施方案提供了此问题的解决方案，方法是通过确保降压部分104和升压部分106维持有效调节以使得不降低切换频率以降低或消除原本将由其与便携式电子装置一起使用引发的噪声。
电感器驱动器部分108包括将输入(Vin)选择性地耦接到电感器110 的降压部分104以及将电感器110的相对端选择性地耦接到输出(Vout)的升压部分106。降压部分104包括高端开关114和低端开关116。同样，升压部分106包括低端开关118和高端开关120。一般来讲，降压部分104被配置为交替地激励电感器以生成小于输入电压的输出电压，而升压部分106 被配置为激励电感器110以生成大于输入电压的输出电压。此类电感器驱动器部分可被称为四开关升降压转换器。这些开关包括金属氧化物半导体场效应开关(MOSFET)。然而，这些开关可为任何类型，其以所需速度和功率密度水平切换提供给电感器110的电力。
PWM部分102通常包括降压比较器124、升压比较器126、误差放大器128、电流感测放大器130和斜坡生成器132。降压比较器124和升压比较器126根据从误差放大器128接收的补偿信号(Vc)、由斜坡信号生成器 132生成的斜坡信号(ramp1和ramp2)以及从电流感测放大器130接收的电流感测信号(i_sense)生成信号。PWM信号(PWM_buck和PWM_boost) 被馈送到电感器驱动部分108，该电感器驱动部分由开关控制部分112门控。
开关控制部分112包括AND门136和OR门137，其门控从PWM 部分102到电感器驱动器部分108的PWM信号。AND门136和OR门137 由定时器电路138控制，该定时器电路根据降压部分低端开关信号(S2)、升压部分低端开关信号(S3)和时钟输入信号(DCLK)生成启动刷新脉冲。一般来讲，用于启动刷新脉冲的降压部分低端开关信号(S2)在升压部分低端开关接通时接通，而用于启动刷新脉冲的升压部分低端开关信号(S3)在降压部分低端开关接通时接通(例如，升压部分低端开关的接通时间)。以此方式，限制降压部分或升压部分的占空比不使其接近饱和(例如，接近降压部分的100％占空比或接近升压部分的0％占空比)。
定时器电路138包括用于确定降压部分低端开关116和升压部分低端开关118的指定的接通时间值以及降压部分低端开关116和升压部分低端开关118表现出那些指定的接通时间值的连续次数的电路。定时器电路 138还包括用于根据所测得的指定的接通时间值以超出指定的频率范围的速率生成启动刷新脉冲的电路。用于此用途的电路可包括任何合适类型。例如，定时器电路138可包括执行一个或多个存储器装置中所存储的指令的一个或多个处理器(例如，嵌入式控制器)。合适类型的电路的其他示例可包括一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)、一个或多个专用集成电路 (ASIC)、并入了布尔构建块(AND门、OR门、反相器门等)和有状态部件(例如，RS触发器、D触发器、JK触发器等)的一个或多个状态机元件、或它们的任何组合。定时器电路138可形成在单个单块衬底上或其可由一个或多个离散部件形成。另外，定时器电路138可作为离散部件存在或其可与一个或多个其他部件(诸如上文描述的开关控制部分112和/或 PWM部分102的一个或多个部件)集成。在一个实施例中，如图1A所示出的那样，定时器电路138经由多个AND门及反相器门构建的电路耦接并控制AND门136和OR门137。
图2A示出了根据本公开的一个实施方案的示例性波形图200，其中示出图1A和1B的升降压转换器100的各个部件从降压模式转变为启动刷新模式接着转变为升压模式时的相对状态和电压电平。如下文将详细描述，开关控制部分112可被配置为生成启动刷新脉冲202以使补偿信号(Vc) 保持在死区204之外，该死区是升降压转换器100的输入电压(Vin)接近其输出电压(Vout)的操作范围。
最初，在时间(t0)处，斜坡信号(ramp2+isense)的上升斜率致使比较器126将PWM_in_2驱动到逻辑高条件。此后，在时间(t1)处，PWM_in_1 的上升斜率致使开关(s1)接通并且开关(s2)断开以开始电感器110的充电。电感器110的充电持续进行直到时间(t2)为止，其中斜坡信号(ramp1+isense) 的上升斜率致使比较器124将PWM_in_1去激活，这继而致使开关(s1)断开并且开关(s2)接通以使得电感器110开始通过开关(s2)放电。前述过程持续进行通过时间(t3)和(t4)以经由开关(s1)和(s2)将电感器110交替地充电和放电。在时间(t0到t4)处所示的升降压转换器100的动作描述了降压操作模式。
随时间推移，输入电压(Vin)可减小或者输出电压(Vout)可增大以使得补偿信号(Vc)升高。因此，在时间(t5)处，斜坡信号(ramp1+isense)的下降斜率致使比较器124驱动PWM_in_1，这继而致使开关(s1)接通并且开关(s2) 断开。此后，在时间(t6)处，斜坡信号(ramp2+isense)的下降沿致使比较器 126将PWM_in_2去激活，这继而致使开关(S3)接通并且开关(S4)断开以使得电感器110开始通过开关(S3)来充电。这是从降压到升压模式的转变周期。接着，在时间(t7)处，斜坡信号(ramp1+isense)的上升斜率致使比较器 124将PWM_in_1去激活，这继而致使开关(S3)断开并且开关(S4)接通以使得电感器110开始通过开关(s4)来放电。然而，在时间(t6)与(t7)之间，开关 (s3)的脉宽由于死区而小于进入值，使得触发动态超声启动刷新模式。因而，在动态超声启动刷新模式下，当开关(s3)接通时，开关(s2)在时间(t8)处接通作为启动刷新脉冲202。虽然仅示出一个启动刷新脉冲202，但应当理解，开关控制部分112可以超出PWM部分102所生成的指定的频率范围的速率周期性地生成持续进行的启动刷新脉冲202，使得阻止补偿信号(Vc)进入死区204。这种操作模式可被称为启动刷新操作模式。启动刷新脉冲202 可以任何合适频率触发。在一个实施方案中，指定的频率被选择为使得在所有预期操作条件下维持PWM信号的频率高于可听频率。
随着输入电压(Vin)不断减小或输出电压(Vout)不断增大，当补偿信号(Vc)高于死区204时，开关控制部分112退出启动刷新模式。提供从启动刷新模式到降压模式或升压模式的退出转变可用于处理输入电压(Vin)已进一步增大或减小以使得补偿信号(Vc)不再处于死区204中的状况。例如，开关控制部分112可在输入电压(Vin)减小以使得补偿信号(Vc)进入死区之前使升降压转换器100从降压模式转变到启动刷新模式，并且在输入电压(Vin) 进一步减小以使得补偿信号(Vc)经过死区204时使升降压转换器100从启动刷新模式转变到升压模式，其中不允许升降压转换器100在处于死区204 中时以降压模式或升压模式进行操作。相反，开关控制部分112可在输入电压(Vin)增大以使得补偿信号(Vc)进入死区之前使升降压转换器100从升压模式转变到启动刷新模式，并且在输入电压(Vin)进一步增大以使得补偿信号(Vc)经过死区204时使升降压转换器100从启动刷新模式转变到降压模式，其中不允许升降压转换器100在处于死区中时以降压模式或升压模式进行操作。
因此，在时间(t10)处，斜坡信号(ramp2+isense)的下降斜率致使比较器126将PWM_in_2去激活，这继而致使开关(s3)接通并且开关(s4)断开以开始电感器110的充电。此后，在时间(t11)处，斜坡信号(ramp1+isense)的上升斜率致使比较器124将PWM_in_1去激活，使得升压部分低端开关 118(s3)断开并且升压部分高端开关120(s4)接通以使得可将电感器110中储存的能量馈送到输出(Vout)。前述过程持续进行通过时间(t12)和(t13)以经由升压部分低端开关118(s3)和升压部分高端开关120(s4)将电感器110交替地充电和放电。在时间(t10到t13)处所示的升降压转换器100的动作描述了升压操作模式。
图2B示出了根据本公开的一个实施方案的示例性波形图210，其中示出图1A和1B的升降压转换器100的各个部件从升压模式转变为启动刷新模式接着转变为降压模式时的相对状态和电压电平。类似于上文所示的波形图200，波形图210示出开关控制部分112可以如何被配置为生成启动刷新脉冲202以使补偿信号(Vc)保持在死区204之外，该死区是升降压转换器100的输入电压(Vin)接近其输出电压(Vout)的操作范围。
最初，在时间(t0)处，PWM_in_2信号的下降斜率致使开关 (s3＝PWM_boost)接通并且开关(s4)断开以开始电感器110的充电。电感器 110的充电持续进行直到时间(t1)为止，其中斜坡信号(ramp1+isense)的上升斜率致使比较器124将PWM_in_1信号去激活，这继而致使开关 (s3＝PWM_boost)断开并且开关(s4)接通以使得电感器110开始通过开关(s4)放电。前述过程持续进行通过时间(t2)和(t3)以经由开关(s3)和(s4)将电感器 110交替地充电和放电。在时间(t0到t3)处所示的升降压转换器100的动作描述了升压操作模式。
随时间推移，输入电压(Vin)可增大或者输出电压(Vout)可减小以使得补偿信号(Vc)降低。因此，在时间(t4)处，斜坡信号(ramp1+isense)的上升斜率致使比较器124将PWM_in_1信号去激活，这继而致使开关(s1)断开并且开关(s2)接通以使得电感器110开始通过开关(s2)来放电。然而，在时间 (t4)与(t5)之间，开关(s1)的脉宽由于死区而小于进入值，使得触发动态超声启动刷新模式。因而，在动态超声启动刷新模式下，当开关(s2)接通时，开关(s3)在时间(t6)处接通。这种操作模式可被称为启动刷新操作模式。
随着输入电压(Vin)不断增大或输出电压(Vout)不断减小，当补偿信号(Vc)低于死区204时，开关控制部分112退出启动刷新模式。因此，在时间(t8)处，斜坡信号(ramp1+i_sense)的上升斜率致使比较器124将 PWM_in_1去激活，从而致使降压部分高端开关114(s1)断开并且降压部分低端开关116(s2)接通以使得可通过降压部分低端开关116将电感器110中储存的能量接地。此后，在时间(t9)处，斜坡信号(ramp2+i_sense)的下降斜率致使比较器126将PWM_in_2驱动到逻辑低条件，使得降压部分高端开关114(s1)接通并且降压部分低端开关116(s2)断开以使得可将电感器110 中储存的能量馈送到输出(Vout)。前述过程持续进行通过时间(t8和t9)以经由降压部分高端开关114(s1)和降压部分低端开关116(s2)将电感器110 交替地充电和放电。在时间(t8到t13)处所示的升降压转换器100的动作描述了降压操作模式。
图3示出了根据本公开的一个实施方案的示例性状态图300，其中示出升降压转换器100可以如何在其不同操作模式之间交替。升降压转换器100的操作模式包括降压操作模式302、启动刷新操作模式304和升压操作模式306。根据本公开的教导内容，当降压部分低端开关116或升压部分低端开关118中的任一个接通持续低于指定的值的持续时间并且任选地达到指定的连续次数时，开关控制部分112激活启动刷新模式304。每个模式左侧所示的箭头指示可在输入电压减小或输出电压增大时发生的模式转变，诸如归因于供应输入电压的电池在其被放电时或输出电压增大时的效应。相反，每个模式右侧所示的箭头指示可在输入电压增大或输出电压减小时发生的模式转变，诸如归因于电池在其被充电时或输出电压减小时的效应。
从降压模式302或升压模式306进入启动刷新模式304以及从启动刷新模式304退出到降压模式302或升压模式306可由开关控制部分112 控制。开关控制部分112持续测量每个低端开关116和118的接通时间的持续时间，并且将所测得的接通时间持续时间与指定的最小进入值进行比较以确定是否转变到启动刷新模式304。在一个实施方案中，开关控制部分 112还可对每个低端开关的接通时间脉冲低于指定的最小进入值的连续次数进行计数。例如，开关控制部分112可操作以对任一个低端开关的接通时间的连续次数进行计数，将计数值与指定的数量进行比较，并且当已经满足指定的数量时使升降压转换器100转变到启动刷新模式304。
开关控制部分112可通过测量每个低端开关116和118的接通时间的持续时间并且将所测得的接通时间持续时间与指定的最大退出值进行比较以确定是否从启动刷新模式304转变回到降压模式302或升压模式306，从而控制退出启动刷新模式304。在一个实施方案中，最大退出值可大于最小进入值。以此方式，可形成基于时间的滞后回路以确保开关控制部分112 由于各种原因而在启动刷新模式内外进行过度循环，这些原因诸如电流感测信号(i_sense)中存在的噪声或用于控制开关控制部分112的操作的其他信号。在其他实施方案中，如果不需要或期望此特征，则最大退出值可基本上等于最小进入值。
开关控制部分112可以任何合适方式对低端开关116和118的接通时间进行计数。在具体示例中，开关控制部分112可通过对信号(s2和 s3)的接通时间进行周期性地取样来确定接通时间值，从而对接通时间进行计数。取样周期可以是小于低端开关116和118的最小指定的接通时间的任何值。例如，如果PWM信号的切换周期为标称200纳秒，则取样周期可以设置为40纳秒，使得可获得低端开关的接通时间的相对精确估计。
表1
表1示出了根据本公开的一个实施方案的示例的表，表1显示了可以如何操纵开关控制以选择用于进入启动刷新模式的指定的接通时间值、用于退出启动刷新模式的另一个指定的接通时间值以及图1A和1B的升降压转换器的低端开关的脉冲低于指定的值的连续次数的计数的一个实例性实施例。
表1示出了根据本公开的一个实施方案的示例的表，其中示出可以如何操纵开关控制部分112以选择用于进入启动刷新模式304的指定的最小接通时间值、用于退出启动刷新模式304的另一个指定的接通时间值以及低端开关116和118的脉冲低于指定的值的连续次数的计数。一般来讲，进入启动刷新模式304可被称为从降压模式302或升压模式306进入启动刷新模式304，而退出启动刷新模式可被称为从启动刷新模式304转变到降压模式302或升压模式306。
表1被布置为多列，其中包括三个可选逻辑电平402、404和406、指定的接通时间进入值408、指定的接通时间退出值410和脉冲计数值412，以及多行，其中示出可根据逻辑电平402、404和406的选定组合的设置而选择的启动刷新模式指定的接通时间进入值408、指定的接通时间退出值410和脉冲计数值412。例如，如果逻辑电平1、逻辑电平2和逻辑电平3分别被设置为“0”、“0”和“0”，则启动刷新模式指定的接通时间进入值 408可以设置为Tenter_1(例如，80纳秒)，指定的接通时间退出值410可以设置为Tenter_2(例如，160纳秒)，并且脉冲计数值412可以设置为“1”。也就是说，开关控制部分112可以设置为当低端开关116或118中任一个的接通时间具有小于Tenter_1第一值的持续时间一次时进入启动刷新模式304，并且当低端开关116或118中任一个的接通时间具有大于 Texit_1的持续时间时退出启动刷新模式304。又如，如果逻辑电平1、逻辑电平2和逻辑电平3分别被设置为“1”、“1”和“1”，则启动刷新模式指定的接通时间进入值408可以设置为Tenter_2，指定的接通时间退出值410可以设置为Texit_3(例如，240纳秒)，并且脉冲计数值412可以设置为“2”。也就是说，开关控制部分112可以设置为当低端开关116或118中任一个的接通时间具有小于Tenter_2的持续时间一次时进入启动刷新模式304，并且当低端开关116或118中任一个的接通时间具有大于Texit_3的持续时间时退出启动刷新模式304。虽然示出了特定的进入接通时间值、退出接通时间值和脉冲计数值，但应当理解，可在不脱离本公开的实质和范围的情况下使用任何所需进入接通时间值、退出接通时间值和/或脉冲计数值。例如，开关控制部分112可以设置为具有三个或更多个脉冲的脉冲计数值以触发转变到启动刷新模式304或从启动刷新模式转变。
可以任何合适方式选择逻辑电平402、404和406。在一个实施方案中，开关控制部分112可包括一个或多个熔丝，所述熔丝可被选择性地熔断以选择所需的进入值408、退出值410和脉冲计数值412。可使用其他类型的可设置机制。例如，开关控制部分112可包括一个或多个内部寄存器，所述内部寄存器可通过使用合适通信媒体与开关控制部分112通信来进行远程设置。又如，开关控制部分112可包括一个或多个外部可用的输出引脚，所述输出引脚可被拉到逻辑高或低电平以选择所需的进入值408、退出值410和脉冲计数值412。
可以看出，本实用新型还公开了一种升降压控制方法，包括：提供电感器驱动器和脉宽调制器(PWM)，所述电感器驱动器包括将输入选择性地耦接到电感器的第一节点的第一开关、将所述电感器的所述第一节点选择性地耦接到接地节点的第二开关、将所述电感器的第二节点选择性地耦接到所述接地节点的第三开关、以及将所述电感器的所述第二节点选择性地耦接到输出的第四开关，所述脉宽调制器(PWM)响应于所述输出的输出电平而生成PWM控制信号；以及当所述第二开关的接通时间变得小于指定的进入值时，强制所述第三开关以超出指定的频率的速率生成具有指定的持续时间值的接通时间的启动刷新脉冲；以及当所述第三开关的接通时间变得小于所述指定的进入值时，强制所述第二开关以超出所述指定的频率的速率生成具有所述指定的持续时间值的接通时间的启动刷新脉冲。
根据上述升降压控制方法的一个实施例，还包括当所述开关控制生成所述启动刷新脉冲时，并且当所述第二开关或所述第三开关的所述接通时间变得大于指定的退出值时，停止生成所述启动刷新脉冲。
根据上述升降压控制方法的一个实施例，其中所述指定的退出值大于所述指定的进入值。
根据上述升降压控制方法的一个实施例，其中所述指定的退出值基本上等于所述指定的进入值。
根据上述升降压控制方法的一个实施例，还包括选择所述指定的持续时间值以使得所述PWM信号的频率被维持在高于20千赫。
根据上述升降压控制方法的一个实施例，还包括：当所述第二开关的所述接通时间变得小于所述第一指定的值达指定的连续次数时，强制所述第三开关以超出所述指定的频率的速率生成所述启动刷新；以及当所述第三开关的所述接通时间变得小于第三指定的值达所述指定的连续次数时，强制所述第三开关以超出所述指定的频率的速率生成启动刷新脉冲。
根据上述升降压控制方法的一个实施例，还包括：在制造所述开关控制部分后设置以下项中至少一个：所述指定的进入值、所述指定的退出值、和所述指定的连续次数。
根据上述升降压控制方法的一个实施例，其中所述PWM包括双沿电流编程模式控制(DECPM)控制器。
据信，通过前文的描述应当理解本公开及其许多伴随优点，并且显而易见的是，可在不脱离所公开的主题或不牺牲其所有实质性优势的情况下对部件的形式、构造和布置做出各种改变。所描述的形式仅仅是说明性的，并且以下权利要求书意图涵盖并包括此类改变。
尽管已经参考各种实施方案描述了本公开，但应当理解，这些实施方案是示例性的并且本公开的范围不限于此。许多变型、修改、添加和改进都是有可能的。更一般地讲，已经在特定具体实施的上下文中描述了根据本公开的实施方案。在本公开的各种实施方案中，各种功能可以不同方式以区块的形式分开或组合，或使用不同的术语进行描述。这些和其他变型、修改、添加和改进可落在以下权利要求书中所限定的本公开的范围内。

Claims (20)

1.一种升降压电源转换器，其特征在于包括：
电感器驱动器，所述电感器驱动器包括将输入选择性地耦接到电感器的第一节点的第一开关、将所述电感器的所述第一节点选择性地耦接到接地节点的第二开关、将所述电感器的第二节点选择性地耦接到所述接地节点的第三开关、以及将所述电感器的所述第二节点选择性地耦接到输出的第四开关；
脉宽调制器PWM，所述脉宽调制器响应于所述输出的输出电平而生成PWM控制信号；以及
开关控制，所述开关控制与所述第二开关和所述第三开关通信，所述开关控制在所述第二开关的接通时间变得小于指定的进入值时，强制所述第三开关以超出指定的频率的速率生成具有指定的持续时间值的接通时间的启动刷新脉冲，并且当所述第三开关的接通时间变得小于所述指定的进入值时，强制所述第二开关以超出所述指定的频率的速率生成具有所述指定的持续时间值的接通时间的启动刷新脉冲。
2.根据权利要求1所述的升降压电源转换器，其特征在于当所述开关控制生成所述启动刷新脉冲时，并且当所述第二开关或所述第三开关的所述接通时间变得大于指定的退出值时，停止生成所述启动刷新脉冲。
3.根据权利要求2所述的升降压电源转换器，其特征在于所述指定的退出值大于所述指定的进入值。
4.根据权利要求2所述的升降压电源转换器，其特征在于所述指定的退出值基本上等于所述指定的进入值。
5.根据权利要求1所述的升降压电源转换器，其特征在于所述指定的持续时间值被选择为使得所述PWM信号的频率被维持在高于20千赫。
6.根据权利要求1所述的升降压电源转换器，其特征在于所述开关控制被配置为当所述第二开关的所述接通时间变得小于第一指定的值达指定的连续次数时，强制所述第三开关以超出所述指定的频率的速率生成所述启动刷新脉冲，并且当所述第三开关的所述接通时间变得小于第三指定的值达所述指定的连续次数时，强制所述第三开关以超出所述指定的频率的速率生成启动刷新脉冲。
7.根据权利要求6所述的升降压电源转换器，其特征在于所述开关控制包括启用以下项中至少一个的设置的电路：所述指定的进入值、所述指定的退出值、和所述指定的连续次数。
8.根据权利要求1所述的升降压电源转换器，其特征在于所述PWM包括双沿电流编程模式调制转换器。
9.根据权利要求1所述的升降压电源转换器，其特征在于所述指定的频率包括可听频率水平。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的升降压电源转换器，其特征在于所述开关控制包括：
AND门，其门控从所述脉宽调制器到所述电感器驱动器的所述PWM控制信号；
OR门，其门控从所述脉宽调制器到所述电感器驱动器的所述PWM控制信号；
定时器电路，该定时器电路耦接于所述第二开关、所述第三开关和时钟输入信号，生成所述启动刷新脉冲并控制所述AND门和所述OR门，其中所述定时器电路分别对所述第二开关和所述第三开关的指定的持续时间值计数，并确定所述第二开关和所述第三开关分别处于指定的持续时间值的连续次数。
11.一种升降压电源转换器，其特征在于包括：
电感器驱动器，所述电感器驱动器包括将输入选择性地耦接到电感器的第一节点的第一开关、将所述电感器的所述第一节点选择性地耦接到接地节点的第二开关、将所述电感器的第二节点选择性地耦接到所述接地节点的第三开关、以及将所述电感器的所述第二节点选择性地耦接到输出的第四开关；
脉宽调制器PWM，所述脉宽调制器响应于所述输出的输出电平而生成PWM控制信号；以及
开关控制，所述开关控制用于：
在所述第二开关的接通时间变得小于指定的进入值达指定的次数时，强制所述第三开关以超出指定的频率的速率生成具有指定的持续时间值的接通时间的启动刷新脉冲；以及
在所述第三开关的接通时间变得小于所述指定的进入值达所述指定的次数时，强制所述第二开关以超出所述指定的频率的速率生成具有所述指定的持续时间值的接通时间的启动刷新脉冲；
在所述开关控制生成所述启动刷新脉冲并且所述第二开关或所述第三开关的所述接通时间变得大于指定的退出值时，停止生成所述启动刷新脉冲。
12.根据权利要求11所述的升降压电源转换器，其特征在于所述开关控制包括启用以下项中至少一个的设置的电路：所述指定的进入值、所述指定的退出值、和所述指定的连续次数。
13.根据权利要求11所述的升降压电源转换器，其特征在于所述PWM包括双沿电流编程模式调制转换器。
14.根据权利要求11-13中任一项所述的升降压电源转换器，其特征在于所述开关控制包括：
AND门，其门控从所述脉宽调制器到所述电感器驱动器的所述PWM控制信号；
OR门，其门控从所述脉宽调制器到所述电感器驱动器的所述PWM控制信号；
定时器电路，该定时器电路耦接于所述第二开关、所述第三开关和时钟输入信号，生成所述启动刷新脉冲并控制所述AND门和所述OR门，其中所述定时器电路分别对所述第二开关和所述第三开关的指定的持续时间值计数，并确定所述第二开关和所述第三开关分别处于指定的持续时间值的连续次数。
15.一种升降压控制器，其特征在于包括：
电感器驱动器，所述电感器驱动器包括：
将输入选择性地耦接到电感器的第一节点的第一开关，
将所述电感器的所述第一节点选择性地耦接到接地节点的第二开关，
将所述电感器的第二节点选择性地耦接到所述接地节点的第三开关，及
将所述电感器的所述第二节点选择性地耦接到输出的第四开关，以及
脉宽调制器PWM，所述PWM响应于所述输出的输出电平而生成PWM控制信号；以及
开关控制电路，被配置为至少控制所述第二开关和第三开关，使得当所述第二开关的接通时间变得小于指定的进入值时，强制所述第三开关以超出指定的频率的速率生成具有指定的持续时间值的接通时间的启动刷新脉冲；以及当所述第三开关的接通时间变得小于所述指定的进入值时，强制所述第二开关以超出所述指定的频率的速率生成具有所述指定的持续时间值的接通时间的启动刷新脉冲。
16.根据权利要求15所述的升降压控制器，其特征在于还包括将所述开关控制电路配置为响应于生成所述启动刷新脉冲时，并且当所述第二开关或所述第三开关的所述接通时间变得大于指定的退出值时，停止生成所述启动刷新脉冲。
17.根据权利要求16所述的升降压控制器，其特征在于所述指定的退出值大于所述指定的进入值。
18.根据权利要求16所述的升降压控制器，其特征在于所述指定的退出值基本上等于所述指定的进入值。
19.根据权利要求15所述的升降压控制器，其特征在于还包括将所述PWM信号的频率维持在高于20千赫。
20.根据权利要求15所述的升降压控制器，其特征在于还包括将所述开关控制电路配置为
当所述第二开关的所述接通时间变得小于第一指定的值达指定的连续次数时，强制所述第三开关以超出所述指定的频率的速率生成所述启动刷新；以及
当所述第三开关的所述接通时间变得小于第三指定的值达所述指定的连续次数时，强制所述第三开关以超出所述指定的频率的速率生成启动刷新脉冲。
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