双向电源转换器的制作方法

专利名称：双向电源转换器的制作方法
双向电源转换器
背景技术：
本发明涉及双向电源转换器。更具体地讲，本文所述的发明涉及构造可
用于沿两个不同方向转换电源的双向电源转换器的系统和方法。电源转换电路可以在几乎每种需要用电的设备中找到。电源转换电路 的目的是通常通过特定的调理和调节电路从电源向负载传送电力。电源转换电路 的通常应用是将由市电提供的交流电转换为适用于消费电子产品的调节直流电 压。尽管电源转换电路常常用作独立系统，但是通常它们被构造为集成电路(IC) 并且用于不同应用中，如通信系统和计算系统。 —种类型的常用电源转换器是直流-直流转换器，它将一个直流电压电 平变为另一个直流电压电平。例如，减压或降压转换器提供了一种将较高直流电 压转换为较低直流电压的有效方式，这在某些电子系统中是需要的。例如，手提 电脑可以具有提供12V直流电的电池和需要5V直流电的处理器。降压转换器， 用作IC与一些外部部件，可用于以最小的能量损耗将12V电池电压转换为处理器 所需的5V。另一种类型的直流-直流转换器是升压或增压转换器。所述转换器用于 增大从电源向负载供应的电压。例如，LED可能需要3.3V直流电来发光。LED可 以由单个1.5伏电池，通过使用可以使电池电压升高到LED所需电平的升压转换 器来进行供电。升压转换器还用于提供对荧光灯和阴极射线管供电所需的较高电 压。在许多情况下，消费电子设备需要既使用升压又使用降压转换器。便携 式通信设备如移动电话或PDA通常是电池供电的，并且具有明亮的多色显示屏。 当便携式设备，例如黑莓(BlackBerry)，在电池电源下工作时，用于驱动显示屏的 电池电压通过升压转换器升压。当设备被插入墙式插座并且其电池处于充电阶段 时，电池充电电路可依靠降压转换器来降低电压，提供适当的充电电压并且增大 电流，以便对电池进行更快充电。通常PDA或其它便携式通信设备通过使用通用的互连链路例如USB链 路进行充电。例如，黑莓可以将USB连接上提供的电力用于工作电源和对其电池进行充电。在这里，降压转换器用于调节供应电压，它通常设定为略高于电池电 压的值，以便使充电器中的功率消耗最小化并且将电流保持在USB规范内。实现 这个任务的所述设备的一个例子是由Milpitas, CA的Linear Technology Corporation,即本专利申请的受让人生产的LTC 4088。互连链路例如USB链路通常在两种模式下工作。主模式或从模式。当 设备(如PDA)通过USB链路连接到PC上时，PC充当主机并且提供对USB链 路供电和管理USB链路的控制功能。相反地，PDA中的USB端口以从模式工作， 并且需要PC供电和管理通信，从而两个设备可以彼此通信。不过，在许多情况下，PDA或其它移动设备中的USB链路不具备在主 模式下工作和驱动USB链路的能力。尽管移动设备可能具有必需的控制器电路以 管理USB通信，它没有提供驱动USB链路所需电力的能力。这通常是由于它的电 池提供相对较低的电压，以及移动设备没有能力将该电压转换到适于驱动USB链 路的电平。结果，如果移动设备连接到仅能用作USB从机的设备，如记忆棒，则 移动设备不能向USB链路供电，阻止了设备间进行彼此通信。因此，由于上述原因，需要提供双向电源转换的电路和方法，它允许移 动设备和其它设备产生电力，适于支持多种应用。

发明内容
提供了双向电源转换的电路和方法，它允许移动设备和其它设备产生电
力，适于支持多种工作模式。本发明的双向电源转换器可以在升压和降压设置工 作，而不是仅有单个专一转换功能，并且使用许多相同的部件，从而减小了转换 器大小和复杂度。在本发明的一个实施例中，提供了一种双向电源转换器，它在第一方向
用作降压转换器，而在第二方向用作升压转换器，并且包括电抗元件，用于在第 一方向和第二方向工作时储存能量，多个开关元件，用于选择性地将一个电抗元 件连接到两个或多个电源中的一个，和模式选择电路，用于在用作降压转换器时 选择性地将双向电源转换器连接到第一电源，而在用作升压转换器时选择性地将 双向电源转换器连接到第二电源，使得当双向电源转换器用作升压转换器时，双 向电源转换器被设置向包括功率部件的通信链路输电。
在结合附图考虑下文的详细说明后，本发明的上述以及其它目的和优点
将变得显而易见，其中附图中相似的附图标记表示类似的部件，其中

图1A是根据本发明的原理，双向电源转换器的一个实施例的总体框图；
图1B是图1A所示双向电源转换器配置在移动设备中的示意性实施例；
图2是根据本发明的原理，双向电源转换器的一个实施例的总体示意图；
图3是图2所示双向电源转换器的更详细示意图；
图4是图2所示双向电源转换器的更详细示意图；
图5是图2所示双向电源转换器在降压/减压模式下工作的更详细示意 图；和图6是图2所示双向电源转换器在升压/增压模式下工作的更详细示意图。
具体实施例方式图1A示出了根据本发明原理构造的双向电源转换器的一个实施例的总 体框图。如图所示，系统10包括双向电源转换器，它可以在至少两个模式下工作。 所述模式可以包括降压模式(即减压)和升压模式(即增压)。转换器10可以根 据输入信号所施加的位置从一种工作模式切换到另一种工作模式。例如，当跨接 线端11和13施加电压V1时，转换器10可用作降压转换器(由上部箭头所表示 的方向)。在这种情况下，转换器10使电压V1降低并且在接线端15和17处产 生降低的输出电压V2。相反地，当跨接线端15和17施加电压V2时，转换器IO 可用作升压转换器(由底部箭头所表示的相反方向)。在这种情况下，电压由转 换器10升高，它在接线端11和13处产生增大量值的输出电压VI。 一般而言， 转换器IO在任何给定时间以两种模式中的一种工作。在本发明的优选实施例中，转换器10在降压和升压模式使用许多(或 所有)的相同部件(这将在下文中详细介绍)。这是希望的，有若干个原因，包 括转换器的大小和复杂度降低，以及消除了需要提供两种不同的专用单向转换器， 各自需要不同组的部件，以提供相同的功能性。另外，转换器10的小尺寸使它理 想地用作集成电路并因此可易于配置到移动设备，例如PDA，移动电话，数码相 机，作为独立的转换器，以及用于其它需要电压转换的便携式可充电设备中，例如手电筒等。转换器10的一种应用包括适用于驱动移动设备的不同内部和/或外部应 用的电源转换。例如，根据本发明的一个方面，转换器10可安装在移动设备20 上(如PDA)，并用于进行两种转换功能。这种情况的总体说明在图1B中示出。 一种转换功能可能涉及被认为是"内部"应用的应用，而另一种可能涉及被认为是 "外部"应用(尽管其它组合是可行的，如仅是内部或外部的，多种其它转换模式等)。—种内部应用可以包括调节来自外部电源的电力，例如直接来自墙式插 座或通过具有功率部件的通用通信链路，例如USB链路。如图1B所示，当连接 到外部电源23时，转换器10可以在降压模式下工作并且用作电压调节器，向移 动设备20供电并且对它的电池进行充电(通过链路33，它可以是通信链路，如 USB链路或任何其它适合的电力管道)。当移动设备20从外部电源23断开时， 它依靠电池来为其供电。当移动设备20在电池供电下工作时，转换器10还可用于某些外部(或 其它内部)应用，所述应用需要的电压电平高于电池所能提供的电压电平。例如， 移动设备可以连接到外部设备，例如扩音器24，它需要的电压电平高于电池所能 提供的电压电平。在这种情况下，转换器10可以用作升压转换器，并且升高电池 电压，以便通过电源链路32 (它可以是任何合适的电力管道)向外部设备提供适 当的较高电压电平。转换器10的另一种外部应用可以包括使用升压功能，以便提供驱动通 信链路，例如USB端口所需的电压。例如，如上所述，移动设备20可以连接到 外部设备，它是USB从设备，如记忆棒26。在这种情况下，转换器10可用作升 压转换器，并且升高来自设备20的电池电压，以便通过USB链路34提供驱动记 忆棒26所需的电压。在一些实施例中，升压量可以可编程或可选择为多个不同的 水平，以支持各种不同的应用。因此，移动设备20可以双向地使用转换器10，艮P， 调节输入电力并在相反方向升高内部电池电压用于其它应用。根据本发明的一个实施例，涉及USB总线的一种特定实施的示例包括 设置转换器10以便符合USB的"即插即用(On The Go)"规范，用于驱动USB从 设备并与USB从设备通信。例如，转换器10可以安装在数码相机中并且用于驱 动它的USB连接，从而它可以连接到记忆棒并且传送数字图象文件(未示出)。 在这种情况下，在连接到PC时通常是从设备的相机变成主设备，并且通过USB链路向记忆棒供电，并且管理通信。因此，在升压模式下工作的转换器10可以升 高相机电池电压，使得它从相机的电池向USB链路的电力总线供应的电压在大约 4.75与5.25伏特之间，额定电流极限为大约500mA。在从设备需要小于大约100 mA 的情况，较低电压阈值可降到大约4.4伏。从上述内容应当理解，尽管上述的电源通路可以包括传统的电源电缆和 /或通信链路如USB链路，但如果需要，可以使用任何其它适合的电力管道。例如， 如果需要，可以使用其它使用主/从设置的通信链路，如FireWire线缆(IEEE 1394)， 以太网(IEEE 802)等，并且转换器10可被设置成提供适当的电压以驱动所述链 路。此外，设备20中的转换器IO可以这样设置，使得它供电以对第二移动设备 的电池进行充电，而不是对USB链路供电(例如，通过通信链路而不是驱动通信 链路(例如，通过通信或供电链路等的PDA到PDA，或PDA到数码相机))。此外，应当理解，尽管前述的转换器10包括降压和升压转换器，任何 其它适合的直流-直流转换器可以类似双向设置实施，包括但不限于，用于双向电 源转换的降压、升压、降压-升压、反相、反驰式、推挽式、H-桥、Cuk或SEPIC 设置。在一些实施例中，希望利用不需要变压器的设置来构造转换器10 ,以减小 尺寸、重量和/或成本。转换器10的一个可行实施总体在图2中以转换器100示出。如图所示， 转换器IOO包括接线端111、 113、 115和117，开关102和104，电感器106，和 电容器108和110。电压源112 —般表示外部电源，如AC/DC墙式适配器或USB 主机，但也可以表示外部负载，如USB记忆棒或其它主机应用。电压源114一般 表示内部电源，如电池或其它储存元件。在对电池充电时电压源114可用作负载， 而在向外部主机应用，如前述的USB记忆棒供电时可用作电源。通常，电压源112 或电压源114在任何给定时间主动向转换器100供电。两者均在转换器100中示 出，以提供转换器布局的综合视图。在一些实施例中，降压/升压模式选择由用户输入与电压源112和114 状态的组合来确定。如果用户启动转换器用作降压转换器，(例如，通过开关(未 示出))，则如果电源112当前可用时，转换器IOO会如此工作。当启动降压模 式时，电压源114可表现为电池。转换器100可被设置在两种或三种模式设置下 工作。在两种模式设置中，转换器100可以在降压和升压模式之间切换。在三种 模式设置中，转换器100可以在降压和升压模式之间切换，并且包括在不需要两种转换模式的任一种时的待机模式。所述实施例可以分别采用两个或三个位置开 关，每个开关位置对应一种工作模式。如果用户启动转换器IOO用作升压转换器，则在电压源114可用并且电 压源112上基本没有电压存在的情况下，转换器会如此工作。这防止了转换器IOO 试图在已有输入电源的情况下驱动接线端111和113。不过，在一些实施例中，某 些电压是可允许的，例如使用升压模式对尚未完全耗尽的电池112充电的情况。在一个实施例中，双向转换器100趋向于用作USB两用设备。两用设 备可以用作主机或用作外围设备，并且可以供电或接收电力。用途可以通过模式 选择电路来确定(未在图2中示出)。在一些实施例中，可以是如前所述的用户 可选择开关的输入。在其它实施例中，工作的模式可以由连接转换器100的连接器类型来确 定(例如在设备20中)。例如，用于即插即用用途的USB缆线可以在一端具有 微型A插件，而另一端具有微型B插件。USB设备具有微型AB插口并且可与任 一插件匹配。插件通常包含ID针脚(pin)，它指定转换器100需要用作类型A 设备(电源)还是类型B设备(功率消耗器)。如果微型B插件连接到接线端111和U3，ID针脚会具有允许模式电路 选择适当的工作模式的特征(例如，大于100kOhm的对地电阻)。模式选择电路 随后设置转换器100为用作降压转换器，并且从电源112向电池114供电。不过，如果微型A插件连接到接线端111和113，模式选择电路在ID 针脚感测到不同的特征(例如，小于IO欧姆的对地电阻)。在这种情况下，模式 电路设置转换器100为升压转换器，并且向接线端111和113供电。在第一工作模式，转换器IOO可以用作降压转换器，并且将由电压源112 施加的电压转换为接线端115和117处的较低电平。当在降压模式工作时，电压 源114可以连接到转换器100，使得它吸收和/或储存来自电压源112的电力，或 者，在一些实施例中，可以从转换器100电断开(未示出)。跨接线端115和117 产生的所得到电压可用于向移动设备供电，和可以连接到电源总线用于该目的。假设电压源114如此连接，使得它储存或吸收来自电压源112的供电， 转换器100可以如下所述工作。 一般而言，电压源112向转换器100提供输入电 源，如整流的输入电压。开关102和104被如此控制，使得转换器在充电和放电 阶段之间交替，以便在接线端115和117提供需要的电压。例如，当开关102闭合而开关104打开时，电压源112连接到电感器106。这导致来自电压源112的能 量被储存在电感器106中(即充电阶段)，并且通过增大的电流穿过电感器向接 线端115和117供电。当开关102打开而开关104闭合时，储存在电感器106上 的能量被传送到接线端115和117的负载(即放电阶段)。通过控制两个开关的 工作周期(一个开关闭合的时间相对于两个开关均闭合的总时间)，可以调节传 送到接线端115和117上负载的能量，以便在接线端115和117提供相对平稳和 调节的输出电压。不过，转换器100也可以反方向用作升压转换器。例如，假设电压源112 现在表示通信链路(如USB链路)或外部负载(如扬声器)的电压总线，转换器 IOO可以如下所述工作。类似于上述的降压转换器，开关102和104被如此控制， 使得转换器在充电和放电阶段之间交替，以提供需要的电压。例如，当开关104 闭合而开关102打开时，接线端111和113的负载与电感器106隔离，并且来自 电压源114的能量被储存在电感器106上(即充电阶段)。当开关104打开而开关102闭合时，储存在电感器106中的能量被提供 至接线端111和113的负载(即放电阶段)。在该切换设置下，接线端111和113 的电压大于电压源114的电压。通过控制两个开关的工作周期，可以调节传送到 接线端111和113上负载的能量，以便在接线端111和113提供相对平稳和调节 的输出电压。有若干种公知的方法，用于控制切换转换器100的工作周期，以便提供 调节的输出电压，如电流模式控制或电压模式控制。在任一种控制方法中，在每 个周期的开始主开关(降压模式的开关102，升压模式的开关104)为开启，并且 输出电压连接到误差放大器的反相端，而参考电压(reference)连接到非反相端(未 示出)。在电压模式转换器中，误差放大器的输出与锯齿斜坡(sawtoothramp) 进行比较。当斜坡电压超过误差放大器电压时，对于周期的余下部分主开关关断 而同步整流器(降压模式的开关104，升压模式的开关102)开启。如果输出电压 小于参考电压，则误差放大器的输出增大，又反过来增大工作周期并因此增大输 出电压。通过调节误差放大器的输出，主开关的工作周期可以增大或减小，以调 节输出电压。在电流模式控制中，误差放大器的输出表示需要的电感器电流，并且与通过主开关的电流进行比较。当主开关为开启时，电感器电流上升。当电感器电 流上升到误差放大器的输出之上时，对于周期的余下部分主开关为关断而同步整 流器为开启。通过调节误差放大器的输出，电感器电流可以增大或减小，以调节 输出电压。在一些情况，锯齿斜坡被添加至开关电流信号上，以消除公知的不稳 定性。这些控制方法的细节可以在本领域己知的切换电源教科书中找到，如 Abraham I. Pressman的"Switching Power Supply Design (切换电源设计)"。因此，如上述可以看到，提供了一种简单的双向电源转换器，它使用所 有(或几乎所有)的相同电路部件。转换器100可用于多种移动和其它应用。根据本发明原理构造的转换器100的一种可行特定实施例在图3以转换 器200示出。转换器200示出了转换器IOO在降压模式下工作，因此为了简化起 见省略了与升压模式工作相关的某些部件。转换器200在许多方面与图2所示转换器类似，并且大体包括类似标记 的部件和功能块，以表示类似功能和大体对应。例如，转换器20包括电压源212 (图2中的电压源112)，电感器206和电容器210 (分别为图2中的电感器106 和电容器110)，电池214 (电压源114) ， PMOS晶体管202和NMOS晶体管204 (分别为图2中的开关102和104),以及接线端211， 213， 215和217 (图2中 的接线端111 ， 113， 115和117)。转换器200还包括控制电路205，模式电路209， 并且可以包括可选的电池充电器电路218和二极管219。在工作中，转换器200可以通过外部信号(手动或自动)和/或内部通 过感测接线端211、 213、 215和217的信号并选择合适的工作模式(例如，通过 比较这些接线端的信号)设置在降压模式工作。这可以通过模式电路209来实现， 模式电路209可以包括比较、感测或其它用于确定适当工作模式的电路。如前所 述，实现的一种方式是通过感测节点250处ID针脚的状态。转换器200还可以通 过通路251用模式电路209感测节点211处的电压，以便根据节点250处感测的 状态确定电压电平是所预期的。在一些实施例中，如果节点211处感测的电压电 平与节点250处感测的状态不一致，则模式选择电路209可以将转换器200设置 在待机状态，或者可以依靠在节点211测得的电压作出模式选择决定。—旦选择降压模式，控制电路205产生控制信号用于驱动PMOS开关 202和NMOS开关204，使得转换器200在降压模式下工作。在一些实施例中，控 制电路205可以包括控制线路，如脉冲宽度调制电路和驱动电路，适于切换PMOS开关202和NMOS开关204的开启和关断。因此，在工作中，控制电路205使转换器200在充电和放电阶段之间替 换，以便跨接线端215和217提供需要的调节输出电压。例如，当控制电路205 将PMOS开关202开启而将NMOS开关204关断时，电压源212连接到电感器206。 这导致来自电压源212的能量被储存在电感器206中并且通过增大的电流穿过电 感器向接线端215和217供电。当控制电路205关断PMOS开关202而开启NMOS 开关204时，电感器206放电并且向电池214、电容器210和接线端215、 217提 供能量。在一些实施例中，转换器200可以包括可选的电池充电电路218和二极 管219。充电电路218可用于在电压源212向电池充电时控制电池214的充电。跨 接线端215和217的调节电压还可以用于驱动负载，例如与向消费电子设备供电 相关的负载。当不存在电压源212或者当系统负载超过存在电压源212时可用的 电流时，可选的二极管219从电池提供电流，以供应跨接线端215和217的系统 负载。通过控制两个开关的工作周期，控制电路205调节传送至接线端215和 217上负载的能量，以便在接线端215和217并向电池214提供相对平稳和调节的 输出电压。可选的电池充电器218可进一步调整调节电压，使得它也向电池214提 供基本恒定的电流和恒定的电压，以利于充电。此外，在一些实施例中，转换器 200可以包括感测通路203，它可用于监控来自电压源212的输入电流。超出输入 电流阈值可能导致控制电路205调节PMOS开关202的工作周期，直到输入电流 回到阈值限制以下。现参见图4，示出了转换器300，它是转换器200的一种表示，在升压 模式沿相反方向工作。因此，为了简化起见，与降压模式工作相关的某些部件已 略去。因为几乎使用了所有相同的部件并执行相同或极为相似的功能，部件的指 定标记保持相同。如同在转换器200中，转换器300可以通过外部信号(手动或自动地) 和/或内部通过感测接线端211、 213、 215和217处的信号并且选择合适的工作模 式(例如通过比较这些接线端处的信号)设置在升压模式下工作。这可以通过模 式电路209实现，模式电路209可以包括比较、感测或其它用于确定适当工作模 式的电路。如前所述，可以实现的一种方式是通过感测节点250处ID针脚的状态。转换器300还可以通过通路251用模式电路209感测节点211处的电压，以便根 据在节点250处感测的状态确定电压电平是所预期的。在一些实施例中，如果在 节点211处感测的电压电平与在节点250处感测的状态不一致，则模式选择电路 209将转换器300设置在待机状态，或者可以依靠在节点211处测得的电压作出模 式选择决定。—旦选择升压模式，控制电路205产生控制信号用于驱动PMOS开关 202和NMOS开关204，使得转换器300在升压模式下工作。控制电路205使转换 器300在充电和放电阶段之间交替，以便跨接线端211和213提供需要的升高输 出电压。例如，当控制电路205关断PMOS开关202而开启NMOS开关204时， 接线端211和213处的负载与电感器206隔离，并且来自电池214的能量被储存 在电感器206上。当控制电路205开启PMOS开关202而关断NMOS开关204，储存在 电感器206的能量被提供给负载并且在接线端211和213产生升高的电压。跨接 线端2U和213的调节电压可用于向通信链路，如USB链路进行供电，和/或还可 以用于驱动负载，如扩音器等。另外，在一些实施例中，控制电路205可利用感测通路203来监控转换 器300的输出电流。超过输出电流阈值可能导致控制电流205调节NMOS开关204 的工作周期，直到输出电流回到阈值限制以下。例如，可以进行所述电流感测， 以确保供应的电流在由通信链路，如USB链路指定的范围内。另外，应当理解， 在升压模式，电池214可以既驱动转换器300又驱动任何相关负载，如消费电子 设备。现参见图5，示出了在降压模式下工作的转换器400，它是图3所示转 换器200的一种更详细表示。在一些实施例中，转换器400可以配置在集成电路 301上。转换器400与图3所示转换器在许多方面是相似的，并且大体包括已类似 标记的部件和功能块，以表示类似的功能和大体对应。例如，电路400包括电压 源312 (图3中的电压源212)，电感器306和电容器310 (分别为图3中的电感 器206和电容器210)，电池314(图3中的电池214) ， PMOS晶体管302和NMOS 晶体管304 (分别为图3中的开关202， 204)，控制电路305 (控制电路205)， 模式电路309 (模式电路209)，可选的电池充电电路318 (充电器218)和接线 端311、 313、 315和317 (图3中的接线端211、 213、 215和217)。转换器400还包括放大器电路320、 322和324，并且还可包括二极管330和332。在工作中，转换器400如同转换器200,可以通过外部信号(手动或自 动)或内部通过感测输入/输出端的信号并选择合适的工作模式设置在降压模式下 工作。这可以通过模式电路309实现，以确定适当的工作模式。例如，模式电路309可以感测连接到节点350的ID针脚的状态，以确 定是以降压模式还是以升压模式工作。假设感测到降压模式特征(例如，在ID针 脚上大于100kOhm的对地电阻)，模式选择电路309将转换器400设置为降压转 换器。在这种情况下，模式电路309连接放大器320的输出，以通过开关352控 制电路305。在一些实施例中，当转换器400在降压模式下工作时，模式电路309 可以禁用或关断放大器324。转换器400还可以通过通路351用模式电路309感测节点311的电压， 以根据节点350处感测的状态确定电压电平是所预期的。在一些实施例中，如果 在节点311处感测的电压电平与节点350处感测的状态不一致，则模式选择电路 309可以将转换器400设置在待机状态，或者可以依靠在节点311处测得的电压作 出模式选择决定。在USB实施例中，如果电压源312的电压大于4.3V和/或大于电池电压， 如同由模式选择线路309中的比较器所确定的，转换器400可以自动用作降压转 换器并且对电池充电和向接线端315和317供电。在一些实施例中，可选的微控 制器或用户还可以利用通路350来调节供电设置，例如对USB实施例将转换器400 设置在例如100mA和500mA之间的模式，或者通过向模式选择电路进行逻辑输 入将转换器400设置在待机(未示出)。—旦选择降压模式，控制电路305产生控制信号用于驱动PMOS晶体管 302和NMOS晶体管304,使得转换器400在降压模式下工作。尽管示出为PMOS 和NMOS晶体管，开关302和304可以设置为任何合适的半导体或电枢型开关， 具有任何合适的极性或设置。在开关302为PNP功率晶体管的情况，可以平行连 接肖特基(Schottky)二极管，以避免在一个或两个方向上的晶体管饱和。此外，在 一些实施例中，控制电路305可以包括控制线路如脉冲宽度调制电路和驱动电路 适于切换PMOS晶体管302和NMOS晶体管304的开启和关断。在工作中，转换器400可以在接线端311从墙式插座或其它电源接收整 流输入电压。控制电路305与放大器320和322 —起工作并且使转换器400在充电和放电阶段之间交替，以便跨接线端315和317提供需要的调节输出电压。当 控制电路305将PMOS晶体管302开启而将NMOS晶体管304关断，电压源312 连接到电感器306。这导致来自电压源312的能量被储存在电感器306上，并且通 过增大的电流穿过电感器向接线端315和317供电。当控制电路305关断PMOS晶体管302而开启NMOS晶体管304时， 电感器306放电并且向接线端315和317提供能量。从输入311通过PMOS晶体 管302到电感器306的电流路径，和从接地通过NMOS晶体管304到电感器306 的电流路径通过最上部的虚线示出。放大器320将转换器400的输出电压315与 预设的参考信号REF1进行比较。如果输出电压小于REF1，则放大器320会提供错误信号，导致控制电 路305增大PMOS晶体管302的工作周期并且向接线端315和317提供更多的电 力，直到输出电压基本等于REF1。如果输出电压大于REF1，则放大器320会提 供错误信号，导致控制电路305减少PMOS晶体管302的工作周期并且减少向接 线端315和317供电，直到输出电压基本等于REF1。在包括可选的电池充电电路318的实施例中，充电器318可进一步调节 输出电压，使得它也向电池电压314之上的输出电压315提供基本恒定电流和恒 定电压，以有利于充电。在这种情况下，连接到电池314的放大器320的非反相 端为输出电压315提供调节点。输出电压315的调节点一般设置为略高于电池电 压，以允许电池充电电路318的正确工作。—般而言，放大器320会根据在两个非反相输入端的信号来设定调节点 (例如，会调节到两个施加电压的较高一个)。从输入311到电池314的电流路 径大体由通过充电器318的向下虚线示出。直接从电感器306流入电池的电流被 二极管330和332阻挡。适合的所述充电电路可以在LTC4088找到。在该工作模 式，跨接线端315和317的调节电压还可用于驱动负载，例如与对消费电子设备 供电相关的负载。通过控制两个开关的工作周期，放大器320产生错误信号，导致控制电 路305调节传送到接线端315和317上负载的能量，在接线端315和317提供相 对平稳和调节的输出电压。此外，在一些实施例中，转换器400可以包括感测通 路303，它可用于监控从电压源312通过电阻器340的输入电流(它与由REF2设 定的阈值进行比较)。超出输入电流阈值可导致放大器322产生错误信号，导致控制电路305减小PMOS晶体管302的工作周期，直到输入电流回到阈值限制以 下。如果由于输入电流限制，由系统在接线端315提取的电流超过来自转换器400 可用的电流，则电池会通过内部二极管330和外部二极管来补给差值。现参见图6，示出转换器500在升压模式下工作，转换器500是图4所 示转换器300的更详细表示。在一些实施例中，转换器500可以配置在集成电路 包301上。转换器500在许多方面与图4所示的转换器相似，并且总体包括巳类 似标记的部件和功能块，以表示类似的功能和大体对应。例如，电路500包括电 池314 (图4中的电池214),电感器306和电容器310 (分别为图4中的电感器 206和电容器210) ， PMOS晶体管302和NMOS晶体管304 (分别为图4中的开 关202和204)，控制电路305 (控制电路205)，模式电路309 (模式电路209) 和接线端311， 313， 315和317 (图3中的接线端211， 213, 215和217)。转换 器500还包括放大器电路320， 322和324，并且还可以包括二极管330和332。在工作中，如同转换器300，转换器500可以通过外部信号(手动或自 动)或者内部通过感测输入/输出端的信号和选择合适的工作模式设定在升压模式 下工作。例如，模式电路309可以感测连接到节点350的ID针脚的状态，以确 定是在降压模式还是在升压模式工作。假设感测到升压模式特征(例如小于10欧 姆的对地电阻)，模式选择电路309将转换器500设置为升压转换器。在这种情 况下，模式电路309连接放大器324的输出，以便通过开关352控制电路305。在 一些实施例中，当转换器500在升压模式工作时，模式电路309可以禁用或关断 放大器320。转换器500还可以通过通路351用模式电路309感测节点311的电压， 以根据在节点350感测的状态确定电压电平是所预期的。在一些实施例中，如果 在节点311处感测的电压电平与在节点350处感测的状态不一致，模式选择电路 309可以将转换器500设置在待机状态，或者可以依靠在节点311测得的电压作出 模式选择决定。在USB实施例中，模式电路309可以将转换器500设置为用作升压转 换器，以便对接线端311和313上电，前提是接线端315和317上有足够的电池 电压(例如，对于通常单节锂离子电池为大于约2.8V)。这可以利用通路353结 合模式电路309中的比较器来确定。在一些实施例中，微控制器(未示出)或用户可以通过通路350将转换器500设置在待机模式，并对接线端311和313下电。 这在外围设备不再需要用电时发生。如果外围设备后来需要来自转换器500的电 力，它可以利用会话请求协议(SRP)从微控制器/用户请求电力。微控制器/用户 可以随后通过通路350再次启动升压转换器。为防止在升压模式期间在接线端311和313上出现外部输入供应的意外 后驱动，模式电路309可以确定当ID针脚具有小于10欧姆(Ohm)的对地电阻时， 接线端上是否己有大于约4.3V电压。如果所述电压已存在，模式电路309不会启 动转换器。如果具有故障ID针脚的微型B插件连接到接线端311和313，这种情 况是可能的。尽管示出的是PMOS和NMOS晶体管，开关302和304可以设置为任 何合适的半导体或电枢型开关，具有任何适当的极性或设置。在开关302为PNP 功率晶体管的情况，可以平行连接肖特基(Scho他y)二极管，以避免在一个或两个 方向上晶体管饱和。此外，在一些实施例中，控制电路305可以包括控制线路， 如脉冲宽度调制电路和驱动电路，适于切换PMOS晶体管302和NMOS晶体管304 的开启与关断。在工作中，转换器500在接线端315从电池314接收输入电压。控制电 路305结合放大器322和324 —起工作，并且使转换器500在充电和放电阶段之 间交替，以便跨接线端311和313提供需要的升高输出电压。例如，当控制电路 315将PMOS晶体管关断而将NMOS晶体管304开启时，接线端311和313处的 负载变为与电感器306隔离，并且来自电池314的能量被储存在电感器306上(即 充电阶段)。当控制电路305开启PMOS晶体管302而关断NMOS晶体管304时， 储存在电感器306中的能量被供应给负载，并在接线端311和313产生升高的电 压。从电池314到电感器306的电流路径由通过二极管330和322的向上去的虚 线示出。二极管330和332理想地具有低正向电压降，以使功率损耗降到最小。 尽管示出的是二极管，330和332可以使用MOSFET和比较器进行配置，以便更 精确接近"理想二极管"功能。所述的"理想二极管"功能在由Milpitas CA的Linear Technology Corporation (即本专利申请的受让人)生产的LTC4088上得以体现。放大器324将转换器500的输出电压与预设的参考信号REF3进行比较。 如果输出电压小于REF3，则放大器324会产生错误信号，导致控制电路305增大 NMOS晶体管304的工作周期，并且向接线端311和313提供更多的电力，直到输出电压基本等于REF3。如果输出电压大于REF3，则放大器324会产生错误信 号，导致控制电路305减小NMOS晶体管304的工作周期，并且减少对接线端311 和313的供电，直到输出电压基本等于REF3。通过控制两个开关的工作周期，放 大器324调节传送到接线端311和313上负载的能量，在接线端311和313提供 相对平稳和调节的升高输出电压。跨接线端311和313的调节电压可用于向通信链路，如USB链路供电， 和/或还可以用于驱动负载，如扩音器等。从电池314到输出端311的电流路径由 通过二极管330和332，通过电感器306和PMOS晶体管302到输出端311 (通过 过滤电容器308)的向上去虚线示出。在该工作模式下，由电池提供的电压还可用 于驱动负载，例如与对接线端315的消费电子设备供电相关的负载。此外，在一些实施例中，转换器500可以包括感测通路303和放大器322， 可用于监控通过电阻器340的转换器500的输出电流(它与由REF2设定的阈值进 行比较)。超过输出电流阈值可以导致放大器322降低NMOS晶体管304的工作 周期，直到输出电流回到阈值限制以下。例如，可以进行所述电流感测，以确保 所供应的电流在由通信链路，如USB链路规定的范围内。尽管己经通过不同电路连接至其他电路公开了本发明的优选实施例，本 领域技术人员应当理解，所述连接不必要是直接的，其他电路可以互相连接在所 示的连接电路之间，而不会背离本发明所示的精神。本领域的技术人员还应当理 解，本发明还可通过其他方式实施，而不仅限于上述具体描述的实施例。所述实 施例仅用于说明性质而非限定性质，并且本发明只由所附权利要求书进行限定。
权利要求
1、一种双向电源转换器，它在第一方向用作降压转换器，而在第二方向用作升压转换器，包括一个电抗元件，用于在第一方向和第二方向工作时储存能量；多个开关元件，用于选择性地将一个电抗元件连接到两个或多个电源中的一个；和模式选择电路，用于当双向电源转换器用作降压转换器时选择性地将双向电源转换器连接到第一电源，而当双向电源转换器用作升压转换器时选择性地将双向电源转换器连接到第二电源，使得当双向电源转换器用作升压转换器时，双向电源转换器被设置向包括功率部件的通信链路输电。
2、 根据权利要求l所述的双向电源转换器，设置在用作升压转换器时按照通 用串行总线即插即用规范向通信链路供电。
3、 根据权利要求l所述的双向电源转换器，设置在用作降压转换器时提供电 力足以操作移动设备。
4、 根据权利要求l所述的双向电源转换器，还包括电池充电电路。
5、 根据权利要求4所述的双向电源转换器，其中，当双向电源转换器用作降 压转换器时，电池充电电路用于调节向能量储存设备提供的电力。
6、 根据权利要求l所述的双向电源转换器，还包括控制电路，连接到模式选 择电路，所述控制电路控制多个开关，使得双向电源转换器在升压或降压模式工 作，来响应由模式选择电路提供的模式选择信号。
7、 根据权利要求6所述的双向电源转换器，其中控制电路控制多个开关中至 少一个开关的工作周期，以便双向电源转换器提供需要的调节输出电压。
8、 根据权利要求l所述的双向电源转换器，其中模式选择电路还包括感测电路。
9、 根据权利要求8所述的双向电源转换器，其中感测电路包括比较电路。
10、 根据权利要求l所述的双向电源转换器，其中第一电源是电源适配器。
11、 根据权利要求1所述的双向电源转换器，其中第二电源是移动设备的电池。
12、 一种双向DC-DC电源转换器，它在第一方向用作降压转换器，而在第二 方向用作升压转换器，包括一个电抗元件，用于在第一方向或第二方向工作时储存能量； 多个开关元件，用于选择性地将一个电抗元件连接到两个或多个电源中的一 个；和控制电路，控制多个开关，以便双向电源转换器在降压模式或升压模式工作， 使得当双向电源转换器用作升压转换器时，双向电源转换器被设置向包括功率部 件的通信链路输电。
13、 根据权利要求12所述的双向电源转换器，设置在用作升压转换器时按照 通用串行总线即插即用规范向通信链路供电。
14、 根据权利要求12所述的双向电源转换器，设置在用作降压转换器时提供 电力足以操作移动设备。
15、 根据权利要求12所述的双向电源转换器，还包括电池充电电路。
16、 根据权利要求15所述的双向电源转换器，其中，当双向电源转换器用作 降压转换器时，电池充电电路用于调节对能量储存设备提供的电力。
17、 根据权利要求12所述的双向电源转换器，还包括模式选择电路，连接到 控制电路，用于当双向电源转换器用作降压转换器时选择性地将双向电源转换器 连接到第一电源，而当双向电源转换器用作升压转换器时选择性地将双向电源转 换器连接到第二电源。
18、 根据权利要求17所述的双向电源转换器，其中控制电路控制多个开关中 至少一个开关的工作周期，以便双向电源转换器提供需要的调节输出电压。
19、 根据权利要求17所述的双向电源转换器，其中模式选择电路还包括感测 电路。
20、 根据权利要求19所述的双向电源转换器，其中感测电路包括比较电路。
21、 根据权利要求12所述的双向电源转换器，其中第一电源是电源适配器。
22、 根据权利要求12所述的双向电源转换器，其中第二电源是移动设备的电池。
全文摘要
本发明提供了用于双向电源转换的电路和方法，它允许移动设备和其它设备产生适于支持多个工作模式的电源。本发明的双向电源转换器可以在升压和降压设置下工作，而不是仅具有单个专一的转换功能，并且本发明的双向电源转换器可以使用许多相同的部件，从而降低了转换器的大小和复杂度。
文档编号H02M3/155GK101425749SQ200810172079
公开日2009年5月6日 申请日期2008年10月29日 优先权日2007年10月29日
发明者S·达斯, 威廉·沃特 申请人:凌特公司