用于非反相降压-升压转换器的高效pfm开关控制的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电功率转换器，并且特别地，涉及降压-升压转换器。
【背景技术】
[0002]降压-升压转换器可以用作针对具有特定的电流和/或电压要求的负载的驱动器。降压-升压转换器可以提供大于、小于、或等于输入电压的输出电压。非反相降压-升压转换器可以被用来提供具有与输入电压相同极性的输出电压。非反相降压-升压转换器可以使用四个围绕单个公共电感器相连的开关，其中开关控制降压-升压转换器操作在降压模式(即，输出电压低于输入电压)或者升压模式(即，输出电压高于输入电压)。
[0003]一种非反相降压-升压转换器可以受到控制以操作在脉冲频率调制(PFM)模式，典型地，当所要求的负载电流相对低的时候。转换器可以在电感器中积累能量，而转换器可以继而以脉冲或电流能量包从电感器向转换器的输出放电。转换器可以向转换器的输出放电一列或一串多个能量包(也称为脉冲串)，在输出电压下降到低于触发阈值时开始并一旦输出电压已上升到足够的阈值时结束。转换器可以具有耦合到该输出处的输出电容器，所述输出电容器将电荷存储在输出处。
[0004]在输出电压由于输出处的负载从输出电容器汲取电荷而降低时，转换器可以接着保持非活动。输出电压可以越过触发阈值而降低，并促使转换器重新开始对一列电感器能量包放电。因此，转换器围绕两个阈值而交替改变其输出电压，较低的触发阈值和较高的触发阈值。转换器可能经历纹波电压和超过电压阈值的过冲。任何转换器还生成输入和输出之间的一些能量损失。转换器的效率可以被定义为其输出能量与其输入能量之比。对于操作在PFM模式下的非反相降压-升压转换器，能量损失通常是更多由于开关和动态损耗(由于开关的栅极电容和转换过程中开关两端的V*I功率耗散)，而不是欧姆损耗。
【发明内容】
[0005]一般来说，本公开的各种实施例针对一种非反相降压-升压转换器，其具有高效的脉冲频率调制(PFM)的开关控制。在本公开的各个实施例中，高效PFM开关控制可以控制降压-升压转换器的开关，以限制纹波电压和电压阈值过冲，并减少开关操作中的能量损耗，以及其它优点。在本公开的各个实施例中，高效PFM开关控制可以针对效率专门优化升压模式和/或降压模式，并且可以基于各种因素，诸如电感器充电阶段期间或输入电压和输出电压之间的比较，来选择一个或另一个优化模式。
[0006]一个实施例涉及一种用于控制降压-升压转换器的设备，其中，所述降压-升压转换器包括电感器和电压输出。该设备被配置为对电压输出处的输出电压与低基准电压和高基准电压进行比较。该设备进一步被配置为对电感器处的电流与低阈值电流和高阈值电流进行比较。该设备进一步被配置为，响应于电压输出处的输出电压低于基准电压时，对电感器充电。该设备进一步被配置为，响应于电感器处的电流达到高阈值电流，将电感器耦合到电压输出，以从电感器向电压输出传递电荷。该设备进一步被配置为，响应于电感器处的电流达到低阈值电流或者输出电压达到高基准电压，停止从电感器向电压输出传递电荷。
[0007]另一个实施例涉及一种用于控制降压-升压转换器的方法，其中，降压-升压转换器包括电感器和电压输出。所述方法包括:对电压输出处的输出电压与低基准电压和高基准电压进行比较。该方法还包括对电感器处的电流与低阈值电流和高阈值电流进行比较。该方法还包括，响应于电压输出处的输出电压低于低基准电压，对电感器充电。该方法还包括，响应于电感器处的电流达到高阈值电流，将电感器耦合到电压输出，以从电感器向电压输出传递电荷。该方法还包括，响应于电感器处的电流达到低阈值电流或者输出电压达到高基准电压，停止从电感器向电压输出传递电荷。
[0008]另一个实施例涉及一种用于控制降压-升压转换器的集成电路，其中，所述降压-升压转换器包括电感器和电压输出。集成电路被配置为对电压输出处的输出电压与低基准电压和高基准电压进行比较。集成电路进一步配置为对电感器处的电流与低阈值电流和高阈值电流进行比较。集成电路进一步被配置为，响应于电压输出处的输出电压低于低基准电压时，对电感器充电。集成电路进一步被配置为，响应于电感器处的电流达到高阈值电流，将电感器耦合到电压输出，以从电感器向电压输出传递电荷。集成电路进一步被配置为，响应于电感器处的电流达到低阈值电流或者输出电压达到高基准电压，停止从电感器向电压输出传递电荷。
[0009]本发明的一个或多个实施例的细节在附图和下述说明书中进行阐述。其他特征、目的、以及本发明的优点将从说明书和附图以及权利要求书而变得明显。
【附图说明】
[0010]图1为示出根据本公开示例的具有开关控制的降压-升压转换器的框图，所述开关控制可以通过高效脉冲频率调制(PFM)模式来控制降压-升压转换器。
[0011 ] 图2示出根据本公开示例的针对降压-升压转换器可以产生并传送至电压输出的能量包的三个不同示例的电流随时间变化的曲线。
[0012]图3为示出根据本公开示例的具有开关控制的降压-升压转换器的框图，所述开关控制可以通过具有多个过冲保护措施的高效PFM模式来控制降压-升压转换器。
[0013]图4为示出根据本公开示例的以限制电压过冲并提高升压模式的效率以及其他优点的方式来操作降压-升压转换器的方法的流程图。
[0014]图5为根据本公开的另一个示例示出具有开关控制的降压-升压转换器的框图，所述开关控制可以通过具有多个过冲保护措施、高效受时间控制的开关、以及对于升压和降压模式的特定放电阶段的高效PFM模式来控制降压-升压转换器。
[0015]图6为示出根据本公开示例的以限制电压过冲并使得能够进行对于升压和降压模式特定的放电阶段、基于高效受时间控制的开关提高升压和降压模式两者的效率、以及其他优点的方式来操作降压-升压转换器的方法的流程图。
[0016]图7为根据本公开的另一个示例示出具有开关控制的降压-升压转换器的框图，所述开关控制可以通过具有多个过冲保护措施、高效受时间控制的开关、以及对于升压和降压模式的特定放电阶段的高效PFM模式来控制降压-升压转换器。
[0017]图8为示出根据本公开示例的以限制电压过冲并使得能够进行对于升压和降压模式的特定放电阶段、基于高效受时间控制的开关而提高升压和降压模式两者的效率、以及其他优点的方式来操作降压-升压转换器的方法的流程图。
[0018]图9为示出根据本公开示例的以限制电压过冲并提高效率以及其他优点的方式来操作降压-升压转换器的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0019]图1为示出根据本公开示例的具有开关控制的降压-升压转换器100的框图，所述开关控制可以通过高效PFM模式来控制降压-升压转换器100。降压-升压转换器100以在跨电感器110两端应用不同电路连接的方式包括电压输入120、电压输出134、输出电容器130、电感器110、以及耦合到电感器110的开关122、124、126、和128。电压输入120可以是结构元件，其导通或产生到降压-升压转换器100的输入电压，并且电压输出134可以是结构元件，其传导由降压-升压转换器100产生的输出电压使其对于负载可用。在该说明性示例中，降压-升压转换器100还包括开关控制140，其耦合到开关122、124、126、和128。如下面进一步描述的，根据各种示例性示例，开关控制140可以通过高效PFM模式以在降压模式和/或升压模式中控制降压-升压转换器100。例如，开关控制140可以包含逻辑电路、硬件、和/或一个或多个处理器，以控制开关122、124、126和128的状态，以高效地操作降压-升压转换器100，也就是说，其具有通过电压输入120所供应的能量和电压输出134处向给负载提供的能量之间的相对低的能量损耗。开关控制140可以包含逻辑电路、硬件和/或一个或多个处理器，以控制开关122、124、126和128的状态，以操作降压-升压转换器100来限制诸如电压过冲的能量损失的模式。开关控制140内部的处理器、硬件和/或逻辑可以执行一个或多个与本公开中所描述的技术相一致的算法。例如，开关控制140可以包含指示变量的输入，所述变量举例来说，诸如电感器电流(电感器110处的电流)、输入电压(电压输入120处的电压)、和/或输出电压(电压输出134处的电压)。下面进一步参照各种示例来说明开关控制140，以及降压-升压转换器100在开关控制140的控制下的各种操作模式的各个方面。
[0020]图2示出根据本公开示例的针对降压-升压转换器100可以产生并传送至电压输出134的能量包的三个不同示例的电流随时间变化的曲线。电流例如可以通过电流传感器在电感器110处测得(例如，耦合到电感器110并且几乎没有与电感器110的物理和欧姆隔离)。每个传送到电压输出134的能量可以包括一个或多个能量包，每一个在名义上都与脉冲频率调制的形式相同。在图2所示的三个示例中的每一个，能量包的初始部分是由电流上升波形202所定义的，随着来自电压输入120的输入电压最初对抗电感器110的电感而上升。图2中所描绘的三个能量包示例之间的差异通过电流下降波形204、206、以及208所限定，如对于可以由开关122、124、126、128的操作连同电压输出134处的输出电压是大于还是小于电压输入120处的输入电压一起来定义的电流下降的三个不同的选项。
[0021]包含在每个包内部的能量与如图2所示的由电流上升202和电流下降波形204、206,208中的一个所包围的面积成比例。也就是说，曲线图200的面积代表电流随时间的积分，并从而定义了电荷，并且由降压-升压转换器100在电压输出134处提供的能量是该电荷与电压输出134处的输出电压的乘积(即，能量为电压乘以电流再随时间的积分)。
[0022]电流下降波形204是曲线图200的三个选项中最快速的电流下降，并且，连同电流上升波形202，形成于三个选项中的曲线图200的最小面积，表示每个包或每个脉冲