在非连续导通模式下使用耦合电感器的多相DC‑DC转换器的方法以及装置与流程

本申请要求享有于2015年10月5日提交的美国临时申请No.62/237,318的权益。该申请以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

本公开内容总体上涉及一种开关电源，并且更具体而言，涉及在非连续导通模式下使用耦合电感器来提高多相开关转换器的轻负载功率效率。

背景技术：

这里提供的背景技术描述是出于概括地呈现本公开内容的背景的目的。当前发明人的工作，至本背景技术部分中所描述的程度，以及在提交时可能未被称为现有技术的本说明书的方面，既不明确地也不暗示承认作为相对于本公开内容的现有技术。

多相耦合电感器DC-DC转换器在输出功率需求为高时在连续导通模式(CCM)下进行操作，而在输出功率需求为低时在非连续导通模式(DCM)下进行操作。输送高电流的大多数DC-DC转换器在CCM下进行操作，其中DC-DC转换器的高侧开关和低侧开关交替地接通和关断，并且DC-DC转换器的耦合电感器中的电流连续地上升和下降。CCM使得DC-DC转换器能够以高效率来输送高电流。

在DCM下，DC-DC转换器仅在需要时向负载输送能量。当需要能量时，高侧开关被接通一定量的时间。在高侧开关被关断后，低侧开关被接通。当电感器电流下降到零时，低侧开关被关断。当不需要能量时，DC-DC转换器的开关停止切换并保持关断直到需要能量为止。当开关被关断时，电感器电流保持为零；并且当开关两者都关断时，输出滤波电容器维持电流。因此，在DCM下，开关损耗和AC电流相关的损耗随着负载电流的降低而减小，并且DC-DC转换器即使在轻负载时也维持高效率。

技术实现要素：

多相DC-DC转换器，包括：包括耦合在一起的第一电感器和第二电感器的耦合电感器；包括连接到第一电感器的第一高侧开关和第一低侧开关的第一相；包括连接到第二电感器的第二高侧开关和第二低侧开关的第二相；以及驱动第一高侧开关和第二高侧开关以及第一低侧开关和第二低侧开关以在非连续导通模式下操作DC-DC转换器的控制器。贯穿本公开内容，第一相和第二相仅用作示例，并且本公开内容的教导适用于包括多于两相的多相转换器。类似地，虽然所描述的示例包括以正输出电流操作的降压(步降)转换器，但本公开内容的教导同样适用于具有负输出电流或高侧体二极管导通的降压转换器，并且适用于升压转换器、升降压转换器以及耦合电感器可适用的其它拓扑结构。响应于第一高侧开关被接通并且第二低侧开关被关断，控制器基于第二低侧开关的体二极管是否导通，来判断第一电感器与第二电感器之间的耦合是强还是弱。还可以基于当第一相高侧开关被接通并且第二相低侧开关被接通时第二相低侧开关中的电感器电流为正极性或负极性来检测强耦合或弱耦合。控制器取决于耦合是强还是弱来执行以下功能：如果耦合为强，如果第一相的高侧开关被接通并且第二相的低侧开关被关断，则接通第二相的低侧开关；如果第二相的低侧开关被接通，则保持其接通。如果耦合为弱，如果第一相的高侧开关被接通并且第二相的低侧开关被关断，则不接通第二相的低侧开关；如果第一相的高侧开关被接通并且第二相的低侧开关被接通，则保持第二相的低侧开关被接通。该操作扩展到相之间的耦合是一个问题的以下公开的所有情况。

在另一特征中，多相DC-DC转换器包括：包括耦合在一起的第一电感器和第二电感器的耦合电感器；包括连接到第一电感器的第一高侧开关和第一低侧开关的第一相；以及包括连接到第二电感器的第二高侧开关和第二低侧开关的第二相。第三开关连接在第一高侧开关与第一低侧开关之间，其中，第三开关和第一低侧开关的体二极管背对背连接。第四开关连接在第二高侧开关与第二低侧开关之间，其中，第四开关和第二低侧开关的体二极管背对背连接。控制器驱动第一高侧开关和第二高侧开关以及第一低侧开关和第二低侧开关，以在非连续导通模式下操作DC-DC转换器。控制器仅响应于第一高侧开关被接通而接通第四开关，并且仅响应于第二高侧开关被接通而接通第三开关，其中，第一低侧开关和第二低侧开关的体二极管未导通。此外，控制器可检测第一相与第二相之间的耦合是强还是弱，并且如果耦合为弱，则可在每相中添加总是接通的第三开关，从而在弱耦合的情况下节省切换功率。

在另一特征中，多相DC-DC转换器包括：包括耦合在一起的第一电感器和第二电感器的耦合电感器；包括连接到第一电感器的第一高侧开关和第一低侧开关的第一相；以及包括连接到第二电感器的第二高侧开关和第二低侧开关的第二相。第三开关跨接第二低侧开关的体端子和漏极端子。第四开关跨接第二低侧开关的体端子和源极端子。控制器驱动第一高侧开关和第二高侧开关以及第一低侧开关和第二低侧开关，以在非连续导通模式下操作DC-DC转换器。控制器响应于第一高侧开关被接通并且第二高侧开关和第二低侧开关的结点处的电压具有第一极性而接通第四开关。控制器响应于第一高侧开关被接通并且第二高侧开关和第二低侧开关的结点处的电压具有与第一极性相反的第二极性而接通第三开关。第二低侧开关的体二极管未导通。此外，控制器可以检测第一相与第二相之间的耦合是强还是弱，并且如果耦合为弱，则可以在每相中添加总是关断的第三开关和总是接通的第四开关，以在弱耦合的情况下节省切换功率。

在另一特征中，多相DC-DC转换器包括：包括耦合在一起的第一电感器和第二电感器的耦合电感器；包括连接到第一电感器的第一高侧开关和第一低侧开关的第一相，其中，第一低侧开关包括串联连接的第一多个开关；以及包括连接到第二电感器的第二高侧开关和第二低侧开关的第二相，其中，第二低侧开关包括串联连接的第二多个开关。控制器驱动第一高侧开关和第二高侧开关以及第一低侧开关和第二低侧开关，以在非连续导通模式下操作DC-DC转换器。第一低侧开关和第二低侧开关的体二极管未导通。此外，控制器可以检测第一相与第二相之间的耦合是强还是弱，并且如果耦合为弱，则控制器保持第二多个开关总是接通，以在弱耦合的情况下节省切换功率。

在另一特征中，多相DC-DC转换器包括：包括耦合在一起的第一电感器和第二电感器的耦合电感器；包括连接到第一电感器的第一高侧开关和第一低侧开关的第一相；以及包括连接到第二电感器的第二高侧开关和第二低侧开关的第二相。第三开关跨接第二低侧开关的体端子和源极端子。第四开关跨接第二低侧开关的体端子和电压源。控制器驱动第一高侧开关和第二高侧开关以及第一低侧开关和第二低侧开关，以在非连续导通模式下操作DC-DC转换器。控制器响应于第一高侧开关被接通而关断第三开关并且接通第四开关。第二低侧开关的体二极管未导通。此外，控制器可以检测第一相与第二相之间的耦合是强还是弱，并且如果耦合为弱，则在每相中可以添加总是接通的第三开关和总是关断的第四开关，以在弱耦合的情况下节省切换功率。

在另一特征中，多相DC-DC转换器包括：包括耦合在一起的第一电感器和第二电感器的耦合电感器；以及未耦合到第一电感器和第二电感器的第三电感器。DC-DC转换器的第一相和第二相分别连接到第一电感器和第二电感器。DC-DC转换器的第三相连接到第三电感器。控制器响应于在连续导通模式下操作DC-DC转换器而选择第一相和第二相，并且响应于在非连续导通模式下操作DC-DC转换器而选择第三相。

在另一特征中，多相DC-DC转换器包括：包括第一电感器和多个电感器的耦合电感器，其中，第一电感器耦合到多个电感器中的每一个电感器。DC-DC转换器的第一相和多个相分别连接到第一电感器和多个电感器。控制器响应于在非连续导通模式下操作DC-DC转换器而选择第一相，并且响应于在连续导通模式下操作DC-DC转换器而选择第一相和多个相中的一个或多个。

在另一特征中，多相DC-DC转换器包括：包括多个电感器的耦合电感器，每个电感器耦合到两个相邻电感器或者耦合到其余电感器。DC-DC转换器的多个相分别连接到多个电感器。控制器在连续导通模式和非连续导通模式下操作DC-DC转换器。当DC-DC转换器在非连续导通模式下操作时，多个相中的开关的体二极管未导通。

在另一特征中，多相DC-DC转换器包括：包括耦合在一起的第一电感器和第二电感器的耦合电感器；包括连接到第一电感器的第一高侧开关和第一低侧开关的第一相；以及包括连接到第二电感器的第二高侧开关和第二低侧开关的第二相。控制器驱动第一高侧开关和第二高侧开关以及第一低侧开关和第二低侧开关，以操作多相DC-DC转换器。响应于在非连续导通模式下操作多相DC-DC转换器，并且响应于第一高侧开关被接通，控制器通过以下方式来防止第二低侧开关的体二极管导通：使电流绕过第二低侧开关体二极管；阻止电流流经第二低侧开关体二极管；或者增大第二低侧开关体二极管导通的阈值。

在其它特征中，取决于第一电感器与第二电感器之间的耦合的强度，控制器防止第二低侧开关体二极管导通。控制器响应于第一高侧开关被接通并且第二低侧开关被关断，基于第二低侧开关的体二极管在未被防止导通的情况下是否导通，来判断第一电感器与第二电感器之间的耦合是强还是弱。当耦合为强时，响应于第一高侧开关被接通，控制器防止第二低侧开关体二极管导通。当耦合为弱时，响应于第一高侧开关被接通，控制器不防止第二低侧开关体二极管导通。

在其它特征中，控制器基于以下各项来判断第一电感器与第二电感器之间的耦合是强还是弱：流经耦合电感器的第一电感器和第二电感器中的一个或多个电感器的电流；或流经第一高侧开关和第二高侧开关和/或第一低侧开关和第二低侧开关中的一个或多个开关的电流；或在第一节点和第二节点中的一个或多个节点处的电压，其中，在第一节点处第一电感器连接到第一高侧开关和第一低侧开关，在第二节点处第二电感器连接到第二高侧开关和第二低侧开关。

在其它特征中，控制器基于当第一高侧开关被接通并且当第二低侧开关被关断时第二低侧开关的体二极管未导通，来确定第一电感器与第二电感器之间的耦合为弱。控制器基于当第一高侧开关被接通并且当第二低侧开关被关断时第二低侧开关的体二极管导通，来确定第一导体与第二导体之间的耦合为强。

在其它特征中，控制器基于当第一高侧开关被接通并且第二低侧开关被关断时节点处的电压未被第二低侧开关的体二极管钳位，来确定第一电感器与第二电感器之间的耦合为弱，在该节点处第二电感器连接到第二高侧开关和第二低侧开关。控制器基于当第一高侧开关被接通并且第二低侧开关被关断时该节点处的电压被第二低侧开关的体二极管钳位，来确定第一电感器与第二电感器之间的耦合为强。

在其它特征中，当耦合为强时，响应于第一高侧开关被接通，控制器接通第二低侧开关，以防止第二低侧开关的体二极管导通。当耦合为弱时，响应于第一高侧开关被接通，控制器不接通第二低侧开关，以防止负电流流经第二低侧开关。

在另外的特征中，多相DC-DC转换器还包括连接在第一高侧开关与第一低侧开关之间的第五开关。第五开关和第一低侧开关的体二极管背对背连接。多相DC-DC转换器还包括连接在第二高侧开关与第二低侧开关之间的第六开关。第六开关和第二低侧开关的体二极管背对背连接。控制器通过响应于第一高侧开关被接通而关断第六开关并且通过响应于第二高侧开关被接通而关断第五开关，来降低第一低侧开关和第二低侧开关的体二极管导通的趋势，从而第一低侧开关和第二低侧开关的体二极管未导通。

在其它特征中，响应于控制器在连续导通模式下操作多相DC-DC转换器，控制器接通第五开关和第六开关。

在其它特征中，第一相和第二相中的每相包括电平移位器，其将来自控制器的第一控制信号从第一电源轨转换到第二电源轨并且输出第二控制信号以驱动第五开关或第六开关，该第二电源轨包括低于切换节点电压的电压。第一低侧开关和第二低侧开关的体二极管未导通，而不管第一电感器与第二电感器之间的耦合的强度。

在其它特征中，响应于控制器在跳跃模式(Skip mode)下操作多相DC-DC转换器，驱动第一高侧开关的第三控制信号和第一控制信号具有相反的极性，其中，在跳跃模式下当第一高侧开关被接通时第二低侧开关被接通并且第一相和第二相的电感器电流不重叠。

在另外的特征中，多相DC-DC转换器还包括跨接第二低侧开关的体端子和漏极端子的第五开关以及跨接第二低侧开关的体端子和源极端子的第六开关。控制器通过以下方式来降低第二低侧开关的体二极管导通的趋势：响应于第一高侧开关被接通并且具第二高侧开关和第二低侧开关的节点处的电压具有第一极性而接通第六开关，以及通过响应于第一高侧开关被接通并且第二高侧开关和第二低侧开关的节点处的电压具有与第一极性相反的第二极性而接通第五开关。第二低侧开关的体二极管未导通。

在其它特征中，第一相和第二相中的每相包括电平移位器，其将来自控制器的第一控制信号从第一电源轨转换到第二电源轨并且输出第二控制信号以驱动第一低侧开关或第二低侧开关，该第二电源轨具有低于切换节点电压的电压。第一低侧开关和第二低侧开关的体二极管未导通，而不管第一电感器与第二电感器之间的耦合的强度。

在其它特征中，响应于控制器在连续导通模式下操作多相DC-DC转换器，控制器关断第五开关并且接通第六开关。

在其它特征中，响应于控制器在跳跃模式下操作多相DC-DC转换器，基于第二高侧开关和第二低侧开关的节点处的电压，来接通或关断第五开关和第六开关，在该跳跃模式下当第一高侧开关被接通时第二低侧开关被接通。

在另外的特征中，第一低侧开关包括串联连接的第一多个开关，并且第二低侧开关包括串联连接的第二多个开关。控制器通过控制第一多个开关和第二多个开关来降低第一低侧开关和第二低侧开关的体二极管导通的趋势。第一低侧开关和第二低侧开关的体二极管未导通。

在其它特征中，第一多个开关和第二多个开关降低了第一低侧开关和第二低侧开关的体二极管导通的趋势，并且防止第一低侧开关和第二低侧开关的体二极管导通。

在其它特征中，如果大于1的整数N表示在各第一多个开关和第二多个开关中的开关的数量，则第一高侧开关和第二高侧开关连接到第一低侧开关和第二低侧开关的节点处的电压为第一多个开关和第二多个开关中的开关的体二极管的正向压降的负N倍，以防止第一低侧开关和第二低侧开关的体二极管导通。

在其它特征中，第一相和第二相中的每相包括多个电平移位器，其将来自控制器的控制信号从第一电源轨转换到第二电源轨并且输出多个控制信号以驱动第一多个开关和第二多个开关，该第二电源轨包括低于切换节点电压的电压。第一低侧开关和第二低侧开关的体二极管未导通，而不管第一电感器与第二电感器之间的耦合的强度。

在另外的特征中，多相DC-DC转换器还包括跨接第二低侧开关的体端子和源极端子的第五开关以及跨接第二低侧开关的体端子和电压源的第六开关。控制器通过响应于第一高侧开关被接通而关断第五开关并且接通第六开关来降低第二低侧开关的体二极管导通的趋势。第二低侧开关的体二极管未导通。

在其它特征中，电压源供给与用于开关的掺杂剂的类型相同的极性的电压。

在其它特征中，在第一相和第二相中的每相中，响应于使用N型掺杂剂的开关，电压源供给比切换节点处的最低电压更负的负电压，以防止第一低侧开关和第二低侧开关的体二极管导通。

在其它特征中，第一相和第二相中的每相包括电平移位器，其将来自控制器的第一控制信号从第一电源轨转换到第二电源轨并且输出第二控制信号以驱动第一低侧开关或第二低侧开关，该第二电源轨包括低于切换节点电压的电压。第一低侧开关和第二低侧开关的体二极管未导通，而不管第一电感器与第二电感器之间的耦合的强度。

在其它特征中，响应于控制器在连续导通模式下操作多相DC-DC转换器，控制器接通第五开关并且关断第六开关。

在其它特征中，响应于控制器在跳跃模式下操作多相DC-DC转换器，控制器关断第五开关并且接通第六开关，在该跳跃模式下当第一高侧开关被接通时第二低侧开关被接通。

在另外的特征中，耦合电感器的电感矩阵确保体二极管两端的耦合电压小于体二极管的正向压降。

在另外的特征中，在第二低侧开关两端的电压大于体二极管的正向压降的情况下，控制器阻止电流流经体二极管。

在另一特征中，多相DC-DC转换器，包括：包括耦合在一起的第一电感器和第二电感器的耦合电感器；包括连接到第一电感器的第一高侧开关和第一低侧开关的第一相；以及包括连接到第二电感器的第二高侧开关和第二低侧开关的第二相。控制器驱动第一高侧开关和第二高侧开关以及第一低侧开关和第二低侧开关，以在非连续导通模式下操作多相DC-DC转换器。控制器响应于第一高侧开关被接通并且第二低侧开关被关断，基于如果第二低侧开关的体二极管在未被防止导通的情况下是否导通，来判断第一电感器与第二电感器之间的耦合为强或弱。当耦合为强时，控制器响应于第一高侧开关被接通而防止第二低侧开关体二极管导通。当耦合为弱时，控制器响应于第一高侧开关被接通而不防止第二低侧开关体二极管导通。

在其它特征中，控制器基于流经耦合电感器的第一电感器和第二电感器中的一个或多个电感器的电流或者流经第一高侧开关和第二高侧开关和/或第一低侧开关和第二低侧开关中的一个或多个开关的电流，或者基于在第一节点和第二节点中的一个或多个节点处的电压来判断第一电感器与第二电感器之间的耦合为强或弱，在该第一节点处第一电感器连接到第一高侧开关和第一低侧开关，在该第二节点处第二电感器连接到第二高侧开关和第二低侧开关。

在其它特征中，控制器基于当第一高侧开关被接通并且当第二低侧开关被关断时第二低侧开关的体二极管未导通，来确定第一电感器与第二电感器之间的耦合为弱。控制器基于当第一高侧开关被接通并且当第二低侧开关被关断时第二低侧开关的体二极管导通，来确定第一电感器与第二电感器之间的耦合为强。

在其它特征中，控制器基于当第一高侧开关被接通并且当第二低侧开关被关断时第二电感器连接到第二高侧开关和第二低侧开关的节点处的电压没有被第二低侧开关的体二极管箝位，来确定第一电感器与第二电感器之间的耦合为弱。控制器基于当第一高侧开关被接通并且当第二低侧开关被关断时该节点处的电压被第二低侧开关的体二极管所箝位，来确定第一电感器与第二电感器之间的耦合为强。

在其它特征中，当耦合为强时，控制器响应于第一高侧开关被接通而接通第二低侧开关，以防止第二低侧开关的体二极管导通，并且当耦合为弱时，响应于第一高侧开关被接通而不接通第二低侧开关，以防止负电流流经第二低侧开关的体二极管。

在另一特征中，多相DC-DC转换器，包括：包括耦合在一起的第一电感器和第二电感器的耦合电感器；包括连接到第一电感器的第一高侧开关和第一低侧开关的第一相；以及包括连接到第二电感器的第二高侧开关和第二低侧开关的第二相。多相DC-DC转换器还包括：连接在第一高侧开关与第一低侧开关之间的第三开关，其中，第三开关和第一低侧开关的体二极管背对背连接；以及连接在第二高侧开关与第二低侧开关之间的第四开关，其中，第四开关和第二低侧开关的体二极管背对背连接。控制器驱动第一高侧开关和第二高侧开关以及第一低侧开关和第二低侧开关，以操作多相DC-DC转换器。响应于控制器在非连续导通模式下操作多相DC-DC转换器，控制器响应于第一高侧开关被接通而仅接通第四开关，并且响应于第二高侧开关被接通而仅接通第三开关。第一低侧开关和第二低侧开关的体二极管未导通。

在其它特征中，第一相和第二相中的每相包括电平移位器，其将来自控制器的第一控制信号从第一电源轨转换到第二电源轨并且输出第二控制信号以驱动第三开关或第四开关，该第二电源轨具有低于切换节点电压的电压。第一低侧开关和第二低侧开关的体二极管未导通，而不管第一电感器与第二电感器之间的耦合的强度。

在其它特征中，响应于控制器在连续导通模式下操作多相DC-DC转换器，控制器接通第三开关和第四开关。

在其它特征中，响应于控制器在跳跃模式下操作多相DC-DC转换器，驱动第一高侧开关的第三控制信号和第一控制信号具有相反的极性，其中，在该跳跃模式下当第一高侧开关被接通时第二低侧开关被接通并且第一相和第二相的电感器电流不重叠。

在另一特征中，多相DC-DC转换器包括：包括耦合在一起的第一电感器和第二电感器的耦合电感器；包括连接到第一电感器的第一高侧开关和第一低侧开关的第一相；以及包括连接到第二电感器的第二高侧开关和第二低侧开关的第二相。多相DC-DC转换器还包括跨接第二低侧开关的体端子和漏极端子的第三开关以及跨接第二低侧开关的体端子和源极端子的第四开关。控制器驱动第一高侧开关和第二高侧开关以及第一低侧开关和第二低侧开关，以操作多相DC-DC转换器。响应于控制器在非连续导通模式下操作多相DC-DC转换器，控制器响应于第一高侧开关被接通并且第二高侧开关和第二低侧开关的结点处的电压具有第一极性而接通第四开关，并且响应于第一高侧开关被接通并且第二高侧开关和第二低侧开关的结点处的电压具有与第一极性相反的第二极性而接通第三开关。第二低侧开关的体二极管未导通。

在其它特征中，第一相和第二相中的每相包括电平移位器，其将来自控制器的第一控制信号从第一电源轨转换到第二电源轨并且输出第二控制信号以驱动第一低侧开关或第二低侧开关，该第二电源轨具有低于切换节点电压的电压。第一低侧开关和第二低侧开关的体二极管未导通，而不管第一电感器与第二电感器之间的耦合的强度。

在其它特征中，响应于控制器在连续导通模式下操作多相DC-DC转换器，控制器关断第三开关并且接通第四开关。

在其它特征中，响应于控制器在跳跃模式下操作多相DC-DC转换器，基于第二高侧开关和第二低侧开关的结点处的电压来接通或关断第三开关和第四开关，在该跳跃模式下当第一高侧开关被接通时第二低侧开关被接通。

在另一特征中，多相DC-DC转换器，包括：包括耦合在一起的第一电感器和第二电感器的耦合电感器；包括连接到第一电感器的第一高侧开关和第一低侧开关的第一相，其中，第一低侧开关包括串联连接的第一多个开关；以及包括连接到第二电感器的第二高侧开关和第二低侧开关的第二相，其中，第二低侧开关包括串联连接的第二多个开关。控制器驱动第一高侧开关和第二高侧开关以及第一低侧开关和第二低侧开关，以在非连续导通模式下操作多相DC-DC转换器。第一低侧开关和第二低侧开关的体二极管未导通。

在其它特征中，第一多个开关和第二多个开关降低第一低侧开关和第二低侧开关的体二极管导通的趋势，并且防止第一低侧开关和第二低侧开关的体二极管导通。

在其它特征中，如果大于1的整数N表示各第一多个开关和第二多个开关中的开关的数量，则在第一高侧开关和第二高侧开关连接到第一低侧开关和第二低侧开关的节点处的电压为第一多个开关和第二多个开关中的开关的体二极管的正向压降的负N倍，以防止第一低侧开关和第二低侧开关的体二极管导通。

在其它特征中，第一相和第二相中的每相包括多个电平移位器，其将来自控制器的控制信号从第一电源轨转换到第二电源轨并且输出多个控制信号以驱动第一多个开关和第二多个开关，该第二电源轨包括低于切换节点电压的电的。第一低侧开关和第二低侧开关的体二极管未导通，而不管第一电感器与第二电感器之间的耦合的强度。

在另一特征中，多相DC-DC转换器，包括：包括耦合在一起的第一电感器和第二电感器的耦合电感器；包括连接到第一电感器的第一高侧开关和第一低侧开关的第一相；以及包括连接到第二电感器的第二高侧开关和第二低侧开关的第二相。多相DC-DC转换器还包括跨接第二低侧开关的体端子和源极端子的第三开关以及跨接第二低侧开关的体端子和电压源的第四开关。控制器驱动第一高侧开关和第二高侧开关以及第一低侧开关和第二低侧开关，以操作多相DC-DC转换器。响应于控制器在非连续导通模式下操作多相DC-DC转换器，控制器驱动第一高侧开关和第二高侧开关以及第一低侧开关和第二低侧开关以在非连续导通模式下操作多相DC-DC转换器，并且响应于第一高侧开关被接通而关断第三开关并且接通第四开关。第二低侧开关的体二极管未导通。

在其它特征中，电压源供给与用于开关的掺杂剂的类型相同的极性的电压。

在其它特征中，在第一相和第二相中的每相中，响应于使用N型掺杂剂的开关，电压源供给比切换节点处的最低电压更负的负电压，以防止第一低侧开关和第二低侧开关的体二极管导通。

在其它特征中，第一相和第二相中的每相包括电平移位器，其将来自控制器的第一控制信号从第一电源轨转换到第二电源轨并且输出第二控制信号以驱动第一低侧开关或第二低侧开关，该第二电源轨包括低于切换节点电压的电压。第一低侧开关和第二低侧开关的体二极管未导通，而不管无论第一电感器与第二电感器之间的耦合的强度。

在其它特征中，响应于控制器在连续导通模式下操作多相DC-DC转换器，控制器接通第三开关并且关断第四开关。

在其它特征中，响应于控制器在跳跃模式下操作多相DC-DC转换器，控制器关断第三开关并且接通第四开关，在该跳跃模式下当第一高侧开关被接通时第二低侧开关被接通。

根据具体实施方式、权利要求和附图，本公开内容的其它应用领域将变得显而易见。具体实施方式和具体示例仅旨在用于说明的目的，而并非旨在限制本公开内容的范围。

附图说明

根据具体实施方式和附图将可以更充分地理解本公开内容，在附图中：

图1是两相耦合电感器DC-DC转换器的示意图；

图2是示出了图1的两相耦合电感器DC-DC转换器在非连续导通模式(DCM)下的操作的时序图；

图3-5示出了在DCM下轻负载时操作图1的两相耦合电感器DC-DC转换器的不同方式；

图6是两相耦合电感器DC-DC转换器的示意图，该两相耦合电感器DC-DC转换器检测耦合电感器的耦合强度并且当耦合在DCM下弱时绕过低侧开关的体二极管；

图7是示出了图6的两相耦合电感器DC-DC转换器在DCM下的操作的时序图；

图8是当耦合电感器的耦合强度在DCM下弱时，阻止体二极管电流流动的两相耦合电感器DC-DC转换器的示意图；

图9是示出了图8的两相耦合电感器DC-DC转换器在DCM下的操作的时序图；

图10是使用包括背对背串联连接开关的低侧开关来防止在DCM下的体二极管导通的两相耦合电感器DC-DC转换器的示意图；

图11是示出了图10的两相耦合电感器DC-DC转换器在DCM下的操作的时序图；

图12是通过切换低侧开关的体端子连接(bulk connection)来防止在DCM下的体二极管导通的两相耦合电感器DC-DC转换器的示意图；

图13是示出了图12的两相耦合电感器DC-DC转换器在DCM下的操作的时序图；

图14是使用包括多个串联连接开关的低侧开关来防止在DCM下的体二极管导通的两相耦合电感器DC-DC转换器的示意图；

图15是通过将低侧开关的体端子偏置至较负的电压来防止在DCM选的体二极管导通的两相耦合电感器DC-DC转换器的示意图；

图16是示出了图15的两相耦合电感器DC-DC转换器在DCM下的操作的时序图；

图17是使用经改型的耦合电感器拓扑和/或连接来防止在DCM下的体二极管导通的两相耦合电感器DC-DC转换器的示意图；

图18是示出了图17的两相耦合电感器DC-DC转换器在DCM下的操作的时序图；

图19和图20示出了可以用在图17的两相耦合电感器DC-DC转换器中的经改型的耦合电感器拓扑和/或连接的示例；

图21示出了通过检测强或弱耦合来防止在DCM下以轻负载操作的耦合电感器DC-DC转换器的低侧开关的体二极管导通的方法的流程图；

图22示出了通过使用包括背对背串联连接的开关的低侧开关，来防止在DCM下以轻负载操作的耦合电感器DC-DC转换器的低侧开关的体二极管导通的方法的流程图；

图23示出了通过切换低侧开关的体端子连接，来防止在DCM下以轻负载操作的耦合电感器DC-DC转换器的低侧开关的体二极管导通的方法的流程图；

图24示出了通过使用包括多个串联连接的开关的低侧开关，来防止在DCM下以轻负载操作的耦合电感器DC-DC转换器的低侧开关的体二极管导通的方法的流程图；以及

图25示出了通过使用电压源来偏置低侧开关的体端子，来防止在DCM下以轻负载操作的耦合电感器DC-DC转换器的低侧开关的体二极管导通的方法的流程图。

在附图中，可以重复使用附图标记来指示类似和/或相同的元件。

具体实施方式

图1示出了两相耦合电感器DC-DC转换器100的示例。转换器100的每相包括高侧(HS)开关和低侧(LS)开关。两相连接到耦合电感器，耦合电感器包括耦合在一起的两个电感器L1和L2。耦合电感器具有磁化电感Lm。电感器L1和L2中的每一个具有相对应的漏电感Lk。耦合电感器连接到负载。滤波电容器连接在负载两端。控制器102生成脉冲宽度调制(PWM)脉冲，以驱动如图2中所示的两相的HS和LS开关。控制器102如下基于功率需求在CCM或DCM下操作转换器100。

在CCM下，控制器102监测电容器处的输出电压Vout。控制器102生成PWM脉冲以交替地接通第一高侧开关HS1或第二高侧开关HS2，其形成流经耦合电感器的相关联的绕组L1或L2的电流。随着电流的形成，磁耦合产生流经耦合电感器的未被驱动的绕组L2或L1的电流，并且相关联的低侧开关LS2或LS1被接通，以使得流经耦合电感器的绕组L1和L2两者的电流可对电容器进行充电。

在周期的该部分的最后，高侧开关HS1或HS2被关断，并且相关联的低侧开关LS1或LS2被接通，以使得低侧开关LS1和LS2两者被接通。流经耦合电感器的绕组L1和L2的电流减小并可能相反。随着电流减小，控制器102可接通高侧开关HS2或HS1中不同的一个高侧开关同时关断相对应的低侧开关LS2或LS1。这形成了流经耦合电感器的相关联的绕组L2或L1的电流。随着电流形成，磁耦合产生流经耦合电感器的当前未被驱动的绕组L1或L2的电流，并且相关联的低侧开关LS1或LS2被接通，以使得流经耦合电感器的绕组L1和L2两者的电流可对电容器进行充电。当转换器100在CCM下操作时，该周期重复。

每个低侧开关LS1和LS2具有体二极管。为了在低操作电压下的高效率，以避免体二极管中的功率耗散，低侧开关LS1和LS2被接通。通过改变每个高侧开关HS1和HS2保持接通的持续时间来控制输出电压Vout，以维持适当的输出电压。可使用电压模式控制、电流模式控制或任何其它控制方法来控制输出电压Vout。

在DCM操作下，控制器102监测输出电压Vout。当Vout下降到阈值Vth以下时，开始能量输送脉冲。在第一能量输送脉冲期间，高侧开关HS1被接通，并且用于电感性耦合的相对相的低侧开关LS2接通。随着在与高侧开关HS1相关联的绕组L1中的电流的形成，在与低侧开关LS2相关联的绕组L2中感应出类似的电流。在高侧开关HS1已经接通脉冲宽度Tpw之后，高侧开关HS1关断，并且相对应的低侧开关LS1接通。在流经耦合电感器的绕组L1和L2的电流衰减到零之后，低侧开关LS1和LS2关断。随着控制器102对Vout进行监测，该周期重复。

贯穿本公开内容，在DCM下，术语耦合电感器的电感器之间的强耦合和弱耦合用于表示如下含义。在DCM下，当第一相的高侧开关被接通并且第二相的低侧开关被关断时，如果低侧开关的体二极管导通则耦合电感器的电感器之间的耦合是强的，而如果低侧开关的体二极管未导通，则是弱的。

图3-5示出了在DCM下以轻负载操作转换器100的不同方式。在图3中，在DCM下，低侧开关LS2的体二极管被简单地允许导通。当高侧开关HS1接通时，低侧开关LS2保持关断。在强耦合的情况下(高Lm/Lk比率和低转换器占空比)，相2的切换节点LX2处的电压可小于低侧开关LS2的体二极管的正向压降。因此，低侧开关LS2的体二极管将导通并生成额外的体二极管导通损耗，这可使转换器效率降低5-20％。

在图4中，在DCM下，当高侧开关HS1接通时，低侧开关LS2也接通；并且当高侧开关HS2接通时，低侧开关LS1也接通。当高侧开关HS1接通并且低侧开关LS2也接通时，对于强耦合，流经相2的电感器电流IL2将具有正斜率(如箭头所示的方向)；并且对于弱耦合，流经相2的电感器电流IL2将具有负斜率(与箭头所指示的方向相反)，这降低了转换器效率。当高侧开关HS2接通并且低侧开关LS1也接通时，将获得类似的结果。

在图5中，在DCM下，并联地接通和关断相。对于每相，等效电感等于漏电感，漏电感是低的。如果开关的接通时间保持与在CCM下是相同的，则由于低漏电感，DCM下的峰值电感器电流将非常高，这增加了纹波并降低了效率。如果在DCM下接通时间减少，则由于在每个周期中将输送少量的能量，切换频率将会很高。

本公开内容消除了在DCM下操作的DC-DC转换器的耦合相中的低侧开关的体二极管的不期望的导通或者低侧开关的不期望的导通，从而提高了效率。具体地，在一个实施方式中，通过检测强耦合或弱耦合，本公开内容在强耦合下通过接通低侧开关来消除体二极管导通，并且在弱耦合下通过关断低侧开关来消除负的体二极管电流，这将在下面进行详细解释。

本公开内容提出了三类解决方案以防止低侧开关的体二极管的导通：在需要时使电流绕过低侧开关的体二极管以减少导通损耗；阻止电流流经低侧开关的体二极管；以及将低侧开关的体二极管两端的电压限制至小于体二极管的正向压降。亦即，对于具有在轻负载下(即，在DCM下)操作的耦合电感器的多相开关DC-DC转换器，当第一相的高侧开关被接通时，第二相的低侧开关的体二极管被适应性地绕过(如果需要)、由特定设计阻止或通过减小体二极管两端的正向电压来防止导通。

尽管本公开内容仅仅将两相DC-DC转换器用作示例，但是本公开内容的教导可以扩展到包括多于两相的DC-DC转换器。此外，贯穿本公开内容，虽然仅作为示例描述了关于当相1被接通时如何控制相2的操作，但是当相2被接通时也可以被类似地控制相1。此外，虽然仅仅作为示例示出了NMOS开关，但是可以替代地使用PMOS(或任何其它适当的开关)，其中在下面示出和描述的电压和电流的极性和方向以及信号的逻辑电平可以相应地相反。此外，尽管所提出的解决方案将注意力集中于DCM和轻负载操作，但是本文所公开的控制器和转换器被设计为并且实际上可以在轻负载、中负载和重负载条件下在CCM和DCM下进行操作。

图6示出了控制转换器100的控制器104。控制器104检测耦合电感器的电感器之间的耦合是强还是弱，并且取决于耦合电感器的耦合强度来绕过低侧开关的体二极管。控制器104可以以多种方式来检测耦合电感器的耦合强度。例如，控制器104可以通过感测流经耦合电感器的电感器L1和/或L2的电流IL1和IL2；通过感测转换器100的相的切换节点LX1和/或LX2处的电压等等来检测耦合电感器的耦合强度。

例如，如果当低侧开关LS2关断并且高侧开关HS1接通时低侧开关LS2的体二极管未导通，则控制器104确定耦合为弱。替代地，如果当低侧开关LS2关断并且高侧开关HS1接通时相2的切换节点LX2处的电压为正(对于NMOS开关，或者对于PMOS开关为负)，则控制器104确定耦合为弱。

相反，如果当低侧开关LS2关断并且高侧开关HS1接通时低侧开关LS2的体二极管导通；或者，如果当低侧开关LS2关断并且高侧开关HS1接通时相2的切换节点LX2处的电压为负(对于NMOS开关，或者对于PMOS开关为正)，则控制器104确定耦合为强。强耦合与弱耦合之间的阈值有可能未被精确地选择在如果不阻止低侧体二极管的话低侧体二极管将导通的边界处。

在DCM下，当高侧开关HS1接通时，控制器104基于耦合电感器的耦合强度来控制低侧开关LS2，如下：如果耦合为强，控制器104接通低侧开关LS2以防止体二极管导通，并且如果耦合为弱，则控制器104不接通低侧开关LS2，以防止负电流流经体二极管。因此，当耦合电感器的耦合强度为强和弱时，通过接通和关断低侧开关LS2，消除了在DCM下轻负载时流经低侧开关LS2的体二极管的任何电流。图7示出虽然图1的控制器102在耦合为弱时接通低侧开关LS2，但是图6的控制器104在耦合为弱时未接通低侧开关LS2，而是在耦合为弱时绕过低侧开关LS2的体二极管。

在图1中，对于2个耦合的相，当相1的高侧开关HS1接通时，相2保持在高阻抗(HS2和LS2两者关断)。如果两相之间的耦合为强，则耦合相(相2)的切换节点电压LX2将为负并且足以正向偏置相2的低侧开关LS2的体二极管，并且正电流将流经相2的漏电感器，引起额外的功率损耗。为了减少由于体二极管导通而导致的损耗，当HS1接通时，控制器102接通低侧开关LS2。然而，如果耦合为弱，当HS1接通时低侧开关LS2的接通则可能生成流经低侧开关LS2的体二极管的负电流。

相比之下，在图6中，当相1的高侧开关HS1接通时，仅在耦合为强时控制器104才接通相2的低侧开关LS2。如果耦合为弱，则当相1的高侧开关HS1接通时，控制器104不接通相2的低侧开关LS2。分别在耦合电感器的耦合强度为强和弱时，接通和关断低侧开关LS2消除了在DCM下轻负载时流经低侧开关LS2的体二极管的任何电流。

在低占空比应用中，在DC-DC转换器的整个Vin/Vout操作范围内，相之间的耦合足够强；并且在跳跃模式下，当相1的高侧开关HS1接通时，相2的低侧开关LS2总是接通。因此，如果相之间的耦合为强，则控制器104在相1的高侧开关HS1接通时接通相2的低侧开关LS2。

然而，在手持电力应用中，在Vin/Vout范围内，相之间的耦合可以为强也可以为弱。如果耦合为强，则当相1的高侧开关HS1接通时，控制器104接通相2的低侧开关LS2。如果耦合为弱，则当相1的高侧开关HS1接通时，控制器104不接通相2的低侧开关LS2。

用于绕过体二极管的另一种方法包括仅在CCM下使用耦合电感器。一旦转换器进入DCM，控制器将禁用具有耦合电感器的所有相。只有具有非耦合电感器的相用于DCM。控制器在CCM模式下可启用或禁用非耦合相。

图8示出了DC-DC转换器200和控制器202的示例，其中使用不同的阻止技术来防止DCM下的体二极管导通(如图9中所示)。使用这些阻止技术，即使当转换器202的低侧开关LS2两端的电压大于体二极管正向电压时，低侧开关LS2的体二极管也不会接通。如下面将参考图10-16进行详细解释的，可使用以下技术在DCM下防止低侧开关的体二极管导通，这增加了低侧开关的体二极管导通阈值：使用包括背对背串联连接的开关的低侧开关，切换低侧开关的体端子连接，使用包括多个串联连接的开关的低侧开关，或者将低侧开关的体端子偏置到较负的电压(如果使用NMOS开关，或者如果使用PMOS开关的话则偏置到较大的正电压)。

使用这些技术，当耦合为强时，相2的切换节点电压LX2可以为负，并且二极管正向电压可以低于地电位(GND)。当耦合为弱时，体二极管以如下所述方式自动地被阻止导通。因此，不需要控制逻辑或电路来判断耦合是弱还是强。

图10示出了DC-DC转换器200-1和控制器202-1的示例，其中使用包括背对背串联连接的开关的低侧开关来在DCM下防止体二极管导通。例如，在每相中，低侧开关包括第一和第二背对背串联连接的开关，其中第一开关连接到切换节点(LX1或LX2)并且连接到第二开关，并且第二开关连接到第一开关和地，如图所示。如图11所示，控制器202-1生成驱动相1和2中的开关的控制信号HS1、LS1b、LS1、HS2、LS2b和LS2。

每相包括电平移位器(level shifter)和驱动器以及低电压选择器，如图所示其连接到每相的低侧开关的第一开关。这些部件的操作将使用相2作为示例在下面进行描述(并且在图11中示出)。当相2接通并且相1关断时，针对相1获得类似的解释。可以使用具有类似功能的其它部件或逻辑来代替这些部件，以防止体二极管导通，如下所述。

在相2中，电平移位器和驱动器通过将信号LS2b(来自控制器202-1)从VDD-GND电源轨(supply rail)转换到VDD-PL2电源轨来驱动低侧开关的第一开关。PL2等于切换节点电压LX2或GND中的较低者。低电压选择器自动地将电平移位器和驱动器输出的PL2连接到切换节点电压LX2或GND中的较低者，如图所示。低侧开关的第二开关由来自控制器202-1的信号LS2驱动，如图11所示。

在CCM和非跳跃DCM操作中，信号LS2b总是为高(低侧级联开关保持接通)。在其中每相的电感器电流不重叠(overlap)(例如，在图11中，在IL1零交叉处LS1关断之后HS2接通)的轻负载跳跃模式操作中，仅在HS1为高时LS2b为低。因此，不同于图6，不需要控制逻辑或电路来判断耦合是弱还是强，并且无论耦合强度如何，都防止体二极管导通。

图12示出了DC-DC转换器200-2和控制器202-2的示例，其中通过切换低侧开关的体端子连接来防止DCM下体二极管导通。在每相中用于切换低侧开关的体端子连接的结构布置是相同的；因此，仅描述了用于切换相2的低侧开关的体端子连接的结构布置。

在相2中，如图所示，低侧开关LS2包括连接到低侧开关的体端子和漏极(和切换节点LX2)的第一开关S2a；以及连接到低侧开关的体端子和源极(即，连接到地)的第二开关S2b。如图13所示，控制器202-2生成驱动相1和相2中的开关的控制信号HS1、LS1、BS1a、BS1b、HS2、LS2、BS2a和BS2b。

除了用于切换低侧开关的体端子连接的开关之外，如图所示，每相还包括连接到每相的低侧开关的低电压选择器和电平移位器和驱动器。这些部件的操作将以相2为示例在下面进行描述(并且在图13中示出)。当相2接通并且相1关断时，针对相1获得类似的解释。可以使用具有类似功能的其它部件或逻辑来代替这些部件，以防止体二极管导通，如下所述。

在相2中，电平移位器和驱动器通过将信号LS2(来自控制器202-2)从VDD-GND电源轨转换到VDD-PL2电源轨来驱动低侧开关。PL2等于切换节点电压LX2或GND中的较低者。低电压选择器将电平移位器和驱动器输出的PL2自动地连接到切换节点电压LX2或GND中的较低者，如图所示。如图13所示，控制器202-2生成体端子切换控制信号BS2a和BS2b，以操作开关S2a和S2b。

在CCM和非跳跃DCM操作中，BS2a为低，BS2b为高，S2a关断，并且S2b导通(体端子和源极短接在一起)。在跳跃模式操作中，当HS1为高时，BS2a和BS2b的状态由切换节点LX2处的电压电平来确定。如果LX2＞＝0、BS2a为低、BS2b为高、并且S2b导通，将体端子和源极短接在一起。如果LX2＜0、BS2a为高、BS2b为低、并且S2a导通，将体端子和漏极短接在一起。因此，不同于图6，不需要控制逻辑或电路来确定耦合是弱还是强，并且无论耦合强度如何，都防止体二极管导通。

图14示出了DC-DC转换器200-3和控制器202-3的示例，其中使用包括多个串联连接的开关的低侧开关来在DCM下防止体二极管导通。例如，每相中的低侧开关包括至少第一和第二串联连接的开关，其中第一开关连接到切换节点(LX1或LX2)并且连接到第二开关，并且第二开关连接到第一开关和地，如图所示。控制器202-3生成驱动相1和相2中的开关的控制信号HS1、LS1、HS2和LS2。

如图所示，在每相中，第一电平移位器和驱动器连接到低侧开关的第一开关；第二电平移位器和驱动器连接到低侧开关的第二开关；等等。第一电平移位器和驱动器的输入、第二电平移位器和驱动器等的输入被连在一起，并且由来自控制器202-3的切换信号LS1或LS2驱动，如图所示。

在低侧开关中使用多个串联连接的开关增加了低侧开关中体二极管导通的阈值电压，并防止低侧开关中的体二极管导通。例如，切换节点电压LX2可以是低侧开关中的串联连接的开关的体二极管的正向压降的负N倍，其中N是大于1的整数并表示在低侧开关中串联连接的开关的数量。因此，不同于图6，不需要控制逻辑或电路来判断耦合是弱还是强，并且无论耦合强度如何，都防止体二极管导通。

图15示出了DC-DC转换器200-4和控制器202-4的示例，其中通过将低侧开关的体端子偏置到较负的电压(如果使用NMOS开关，或者如果使用PMOS开关，则偏置到较正的电压)来防止DCM下体二极管导通。用于偏置低侧开关的体端子的结构布置在每相中是相同的；因此，仅描述了用于偏置相2的低侧开关的体端子的结构布置。

在相2中，低侧开关LS2包括连接到低侧开关的体端子和源极(即，连接到地)的第一开关S2a，如图所示；以及连接到低侧开关的体端子和负电压源(如果使用NMOS开关；或如果使用PMOS开关，则连接到正电压源)的第二开关S2b。如图16所示，控制器202-4生成驱动相1和相2中的开关的控制信号HS1、LS1、BS1a、BS1b、HS2、LS2、BS2a和BS2b。

除了用于偏置低侧开关的体端子的开关之外，如图所示，每相还包括连接到每相的低侧开关的低电压选择器和电平移位器和驱动器。这些部件的操作将以相2为示例在下面进行描述(并且在图16中示出)。当相2接通并且相1关断时，针对相1获得类似的解释。可以使用具有类似功能的其它部件或逻辑来代替这些部件，以防止体二极管导通，如下所述。

在相2中，电平移位器和驱动器通过将信号LS2(来自控制器202-4)从VDD-GND电源轨转换到VDD-PL2电源轨来驱动低侧开关。PL2等于切换节点电压LX2或GND中的较低者。低电压选择器将电平移位器和驱动器输出的PL2自动地连接到切换节点电压LX2或GND中的较低者，如图所示。控制器202-4生成控制信号BS2a和BS2b以操作开关S2a和S2b，如图16所示。

当使用NMOS开关时，Vneg是由DC-DC转换器200-4生成的负电压，其比切换节点LX2处可以达到的最低电压更负。因此，当低侧开关的体端子通过S2b连接到Vneg时，低侧开关的体二极管两者无法导通。

在CCM和非跳跃DCM操作中，BS2a为高，BS2b为低，S2a接通，并且S2b关断(即，低侧开关的体端子和源极短接在一起)。在跳跃模式操作中，当HS1为高时，BS2a为低，BS2b为高，S2a关断，并且S2b接通(即，低侧开关的体端子连接到负偏置电压Vneg)。因此，不同于图6，不需要控制逻辑或电路来判断耦合是弱还是强，并且无论耦合强度如何，都防止体二极管导通。

在切换节点处防止负电压(如果使用NMOS开关，或者如果使用PMOS开关则防止正电压)以防止体二极管导通的另一种方法涉及调节相之间的耦合。耦合电感器可以被设计为在DCM下在有源相之间具有较多的互耦合。耦合电感器可以被设计为将低侧开关的体二极管两端的耦合电压减小至小于体二极管的正向压降，以防止体二极管导通。

图17和图18示出了DC-DC转换器300和控制器302的示例，其中使用经改型的耦合电感器拓扑和/或连接来在DCM下防止体二极管导通。下面参考图19和图20，示出和描述了经改型的耦合电感器拓扑和/或连接的示例。经改型的耦合电感器拓扑和/或连接用于防止关断的低侧开关两端的电压大于关断的低侧开关的体二极管的正向压降。

图19和图20示出了经改型的耦合电感器拓扑和/或连接的示例。这些经改型的耦合电感器拓扑和/或连接可以防止DCM下的体二极管导通。经改型的耦合电感器拓扑和/连接可提供不同类型的耦合。例如，该不同类型的耦合可以包括相的选择性耦合、耦合因子(弱/强)的调节、多相耦合(耦合两个或更多个相)以及相的非对称耦合。经改型的耦合电感器拓扑和/或连接以及不同类型的耦合将在下面进行描述。

在设计耦合电感器的过程中，可以向某些相添加更多的耦合相；或者对于某些相可以改变磁化电感和漏电感；并且这些相可以仅在跳跃模式期间使用。这些专门设计的相的切换节点电压将不会变为低于低侧开关体二极管的正向压降的负值(对于NMOS开关，或者对于PMOS开关不会变为高于其的正值)，并且低侧开关体二极管将不会导通。

在一些实施方式中，耦合电感器(或者与非耦合电感器一起的耦合电感器)可在CCM下使用，而非耦合电感器仅可以在DCM下使用。对于具有耦合电感器的相可以实施相屏蔽。例如，包括在CCM下选择耦合电感器(或者与非耦合电感器一起的耦合电感器)、仅在DCM下选择非耦合电感器以及相位屏蔽的这些操作可以由控制器302来执行，如图18所示。

在N相转换器(其中，N＞3)中，耦合电感器可以被设计为具有非对称的耦合结构。例如，在相邻耦合的情况下，每一相耦合到相邻的两相。为了防止轻负载时体二极管导通，可以将相A设计为耦合到所有其它相，并且在轻负载操作期间仅使用相A。在相A与其它相之间具有较多的互耦合的情况下，当相A的高侧开关被接通时，可以大大减小其它相的低侧开关两端的电压，以防止低侧开关体二极管的导通。

耦合电感器可以被设计为具有特定的磁化电感(Lm)和漏电感(Lk)值。针对转换器的所设计的Vin/Vout操作范围可以选择磁化电感(Lm)和漏电感(Lk)值，以确保低侧开关的体二极管两端的耦合电压不会高至足以使体二极管导通。

电感可以以被称为电感矩阵的矩阵的形式(使用线性代数)来表示，其捕获每个绕组与每个其它绕组相关的耦合的细节，并且是在存在多于两个绕组或者在耦合在相之间不相同时适用的更一般的情况。磁化电感和漏电感通常用于描述用于两相应用的耦合电感器。为了充分地描述N相耦合电感器结构，通常使用电感矩阵。对于N＝2，矩阵等效于磁化电感和漏电感形式。

下面示出了电感矩阵的一个示例。

L-矩阵定义(根据降压转换器拓扑来定义，以便于后续讨论)：

对于N＝2这与磁化电感(L_M)和漏电感(L_K)相关如下：

L₁₁＝L₂₂＝L_M+L_K

L₂₁＝L₁₂＝-L_M

对于N＝2，以下过程可以确保耦合在体二极管两端的电压小于体二极管的正向压降：

首先，对这个方程组求解以得到V_LX2

第二，选择L_M和L_K，以使得VLX2不会接通体二极管：

V_LX2＞-|V_diode|

对于普遍的N相，遵循相同的过程。首先，对方程组求解以得到V_LX，i，其中i是处于不由高侧或低侧开关驱动的相集合中。例如，假设相1被驱动，而相2-N不被驱动。

第二，选择L_ik，其中i＝[1至N]并且k＝[1至N]，以使得对于i＝[2至N]的V_LX，V_LX，i不小于体二极管电压。对于被驱动的相的任何组合都可以遵循该过程。被驱动的相的数量不必为1。

在N相转换器(N＞2)中，耦合电感器可被设计为具有耦合在一起的更多的相，例如相邻耦合(每相耦合到相邻两相)或互耦合(每相耦合到所有其它相)，这可以降低低侧开关两端的耦合电压并且防止低侧开关的体二极管导通。此外，在转换器中添加更多的相并将相耦合在一起可以进一步降低低侧开关两端的耦合电压并且防止低侧开关的体二极管在轻负载时导通。

图21示出了通过检测强耦合或弱耦合来防止在DCM下以轻负载操作的耦合电感器DC-DC转换器的低侧开关的体二极管导通的方法400。在402处，控制判断转换器是否在DCM下进行操作。在404处，如果转换器在DCM下进行操作，则控制检测耦合电感器的电感器之间的耦合是强还是弱。在408处，如果耦合为强，则如果第一相的高侧开关被接通并且第二相的低侧开关被关断，则接通第二相的低侧开关；如果第二相的低侧开关被接通，则保持其接通。在410处，如果耦合为弱，则如果第一相的高侧开关被接通并且第二相的低侧开关被关断，则不接通第二相的低侧开关；如果第一相的高侧开关被接通并且第二相的低侧开关被接通，则保持第二相的低侧开关被接通。

图22示出了通过使用包括背对背串联连接的开关的低侧开关来防止在DCM下以轻负载操作的耦合电感器DC-DC转换器的低侧开关的体二极管导通的方法450。在452处，转换器的每一相中的低侧开关包括背对背串联连接的第一开关和第二开关。在454处，第一开关连接到相的切换节点，并且第二开关连接到地。在456处，控制使用第一信号驱动第一开关，并且使用第二信号控制第二开关。

在458处，控制将第一信号从转换器的电源电平转换到较低功率电平(例如，从VDD-GND电源轨转换到VDD-PL2电源轨，其中，PL2等于切换节点电压或GND中的较低者)。此外，控制将电平移位器输出(PL2)自动地连接到切换节点电压或GND中的较低者。在460处，在CCM和非跳跃DCM操作中，控制保持第一信号总是高。在462处，在轻负载跳跃模式操作中，为了防止低侧开关体二极管导通，控制仅在耦合相的高侧开关被接通时才将第一信号保持为低。

图23示出了通过切换低侧开关的体端子连接来防止在DCM下以轻负载操作的耦合电感器DC-DC转换器的低侧开关的体二极管导通的方法500。在502处，在每相中，第一开关跨接低侧开关的漏极和体端子，并且第二开关跨接低侧开关的体端子和源极。在504处，控制使用第一信号驱动第一开关，并且使用第二信号驱动第二开关。

在506处，控制将低侧切换信号(例如，LS2)从转换器的电源电平转换到较低功率电平(例如，从VDD-GND电源轨转换到VDD-PL2电源轨，其中，PL2等于切换节点电压或GND中的较低者)。此外，控制将电平移位器输出(PL2)自动地连接到切换节点电压或GND中的较低者。

在508处，在CCM和非跳跃DCM操作中，控制关断第一开关并且接通第二开关以使低侧开关的体端子和源极短接。在510处，在轻负载跳跃模式操作中，当第一相的高侧开关被接通时，为了防止第二相的低侧开关体二极管导通，控制取决于切换节点电压来如下对与第二相的低侧开关相关联的第一开关和第二开关进行操作：如果第二相中的切换节点电压大于等于0，则控制关断第一开关并且接通第二开关以短接第二相中的低侧开关的体端子和源极；并且如果第二相中的切换节点电压小于0，则控制接通第一开关并且关断第二开关以短接第二相中的低侧开关的体端子和漏极。

图24示出了使用包括多个串联连接的开关的低侧开关来防止在DCM下在使用耦合电感器的转换器中在轻负载时低侧开关的体二极管导通的方法550。在552处，在每相中，多个串联连接的开关(例如，与第二开关串联连接的第一开关)被布置为低侧开关。在554处，控制使用LS切换信号来驱动多个串联连接的开关(例如，第一开关和第二开关)。在556处，每相中的切换节点电压可以是低侧开关中串联连接的开关的体二极管的正向压降的负N倍，这增大了低侧开关中体二极管导通的阈值电压，并且防止低侧开关中的体二极管导通。

图25示出了通过将低侧开关的体端子偏置到较负的电压(如果使用NMOS开关，或者如果使用PMOS开关则偏置到较正的电压)来防止在DCM下以轻负载操作的耦合电感器DC-DC转换器的低侧开关的体二极管导通的方法600。在602处，在转换器的每相中，第一开关跨接低侧开关的体端子和源极，并且第二开关跨接低侧开关的体端子和电压源。电压源取决于转换器的开关是NMOS还是PMOS而提供负电压或正电压。

在604处，控制使用第一信号驱动第一开关，并且使用第二信号驱动第二开关。在606处，控制将低侧切换信号(例如，LS2)从转换器的电源电平转换到较低功率电平(例如，从VDD-GND电源轨转换到VDD-PL2电源轨，其中，PL2等于切换节点电压或GND中的较低者)。此外，控制将电平移位器输出(PL2)自动地连接到切换节点电压或GND中的较低者。

在608处，在CCM和非跳跃DCM操作中，控制接通第一开关并且关断第二开关，以使低侧开关的体端子和源极短接。在610处，在轻负载跳跃模式操作中，当第一相的高侧开关被接通时，为了防止第二相中的低侧开关体二极管接通，控制关断第一开关并且接通第二开关以将低侧开关的体端子连接到第二相中的电压源。

参考低侧开关体二极管描述的本公开内容的教导也可以适用于高侧开关体二极管。此外，虽然在一些应用中，所描述的转换器可以在其中高侧体二极管从未导通的电压范围内操作，但是存在高侧体二极管接通的其它应用。本公开内容的教导也同样适用于每相具有多于2个开关的多电平转换器。

前面的描述本质上仅仅是说明性的，并且绝非旨在限制本公开内容、其应用或用途。本公开内容的宽泛教导可以以各种形式实现。因此，尽管本公开内容包括特定示例，但是本公开内容的真实范围不应当被如此限制，因为根据对附图、说明书和所附权利要求的研究，其它变型将变得显而易见。应当理解，在不改变本公开内容的原理的情况下，可以以不同的顺序(或同时)执行方法内的一个或多个步骤。此外，虽然每个实施例在上面被描述为具有某些特征，但是关于本公开内容的任何实施例描述的这些特征中的任何一个或多个特征可以在任何其它实施例中实现和/或与任何其它实施例的特征组合，即使该组合没有被明确描述。换言之，所描述的实施例不是相互排斥的，并且一个或多个实施例与彼此的置换依然在本公开内容的范围内。

元件之间(例如，在模块、电路元件、半导体层等之间)的空间和功能关系使用各种术语来描述，包括“连接”、“接合”、“耦合”、“相邻”、“靠近”、“在...顶部”、“在...上方”、“在...下方”和“设置”。除非明确地描述为“直接”，否则当在上述公开内容中描述第一元件与第二元件之间的关系时，该关系可以是其中在第一元件与第二元件之间不存在其它中间元件的直接关系，但也可以是其中在第一元件与第二元件之间存在(在空间上或功能上)一个或多个中间元件的间接关系。如本文所使用的，短语A、B和C中的至少一个应当使用非排他性逻辑或被解释为表示逻辑(A或B或C)，并且不应被解释为表示“至少一个A，至少一个B，和至少一个C”。

在本申请中，包括以下定义，术语“模块”或术语“控制器”可以利用术语“电路”来代替。术语“模块”或术语“控制器”可以指代以下各项、可以是以下各项的部分、或者可以包括以下各项：专用集成电路(ASIC)；数字、模拟或混合的模拟/数字离散电路；数字、模拟或混合的模拟/数字集成电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列(FPGA)；执行代码的处理器电路(共享、专用或组)；存储由处理器电路执行的代码的存储器电路(共享、专用或组)；提供所述功能的其它适当的硬件部件；或者以上中的一些或全部的组合，例如在片上系统中。

如上所使用的，术语代码可以包括软件、固件和/或微代码，并且可以指代程序、例程、函数、类、数据结构和/或对象。术语共享处理器电路包含执行来自多个模块的一些或全部代码的单个处理器电路。术语群组处理器电路包含处理器电路，其与另外的处理器电路组合而执行来自一个或多个模块的一些或所有代码。关于多个处理器电路，其包括在离散管芯上的多个处理器电路、单个管芯上的多个处理器电路、单个处理器电路的多核、单个处理器电路的多个线程或上述的组合。术语共享存储器电路包含存储来自多个模块的一些或所有代码的单个存储器电路。术语群组存储器电路包含与另外的存储器组合而存储来自一个或多个模块的一些或全部代码的存储器电路。

术语存储器电路是术语计算机可读介质的子集。如本文所使用的，术语计算机可读介质不包含通过介质(例如，在载波上)传播的暂时性电信号或电磁信号；术语计算机可读介质因此可以被认为是有形的和非暂时性的。非暂时性有形计算机可读介质的非限制性示例是非易失性存储器电路(例如，闪存存储器电路、可擦除可编程只读存储器电路、或掩模式只读存储器电路)、易失性存储器电路(例如，静态随机存取存储器电路或动态随机存取存储器电路)、磁存储介质(例如，模拟或数字磁带或硬盘驱动器)和光学存储介质(例如，CD、DVD或蓝光光盘)。

在本申请中描述的装置和方法可以部分地或完全由通过配置通用计算机来执行在计算机程序中具体化的一个或多个特定功能而创建的专用计算机来实现。上述功能块、流程部件和其它元件用作软件规范，其可以通过熟练的技术人员或程序员的例行工作被翻译成计算机程序。

计算机程序包括存储在至少一个非暂时性的有形计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序还可以包括或依赖于所存储的数据。计算机程序可以包含与专用计算机的硬件交互的基本输入/输出系统(BIOS)、与专用计算机的特定设备交互的设备驱动程序、一个或多个操作系统、用户应用程序、后台服务、背景应用程序等。

权利要求中所叙述的元件都并非旨在为35U.S.C.§112(f)的含义内的功能模块元件，除非该元件明确地使用短语“用于...的模块”或在方法权利要求的情况下使用短语“用于...的操作”或“用于...的步骤”来进行叙述。