滞后电流模式降压升压控制架构的制作方法
【技术领域】
[0001] 相关申请案的交互参照
[0002] 此申请案是主张2014年10月10日申请的美国临时申请案序号62/062, 463的权 益，所述美国临时申请案为了所有的意图及目的，因此以其整体被纳入作为参考。
[0003] 本申请案涉及电压调节器，特别是关于具有滞后电流模式降压升压控制架构的电 压调节器。
【背景技术】
[0004] 将一输入电压转换成为一经调节的输出电压的电压调节器在所述输入电压大于 所述输出电压时是运作在降压模式中，并且在所述输入电压小于所述输出电压时是运作在 升压模式中。当所述输入电压范围从小于所述输出电压到大于所述输出电压时，所述电压 调节器必须支持两种模式，而且必须切换在所述模式之间。再者，当所述输入与输出电压是 彼此够接近时，一降压升压模式可加以支持。已知的电压调节器在降压与升压模式之间是 有着重大的模式转变的调节问题。传统的方法是使用固定的频率系统并且加入修补程序 (patch)以帮助平滑化所述模式转变，这样通常会增加复杂度并且可能牺牲系统的速度、线 性以及瞬时响应。滞后的（hysteretic)电流模式控制架构是在降压及升压模式中提供最 快速的瞬时响应而且并不需要斜率补偿，但是其在接近所述降压升压边界处，也即当所述 输入电压与输出电压彼此接近时，也有着重大的调节挑战。
【发明内容】
[0005] 本发明提供一种电子装置。所述电子装置包括一滞后的电流模式降压升压电压调 节器。
[0006] 所述滞后的电流模式降压升压电压调节器包括：一降压升压电压转换器，其用于 如同通过一开关器所控制地转换一输入电压成为一输出电压，所述开关器在一升压调节模 式中是将所述降压升压电压转换器切换在第一及第二切换状态之间，并且在一降压调节模 式中是将所述降压升压电压转换器切换在第三及第四切换状态之间；
[0007] -主要的窗电路，其包括一发展出高于一调节控制电压的一第一较高的电压的第 一电压源、一发展出低于所述调节控制电压的一第一较低的电压的第二电压源，其中在所 述第一较高的电压与第一较低的电压之间的一差值形成一窗电压；
[0008] -主要的斜波电路，其提供一相对于所述调节控制电压的主要的斜波电压，其中 所述主要的斜波电压在所述第一切换状态中是以一成比例于所述输入电压的速率斜波上 升，在所述第三切换状态中是以一成比例于所述输出电压的速率斜波下降，并且在所述第 二及第四切换状态中是成比例于在所述输入电压与输出电压之间的一差值来斜波变化；
[0009] 其中在所述降压升压调节模式期间，所述开关器在所述主要的斜波电压到达所述 第一较高的电压时是从所述第一切换状态转变至所述第二切换状态，响应于一第一时序指 示以从所述第二切换状态转变至所述第三切换状态，在所述主要的斜波电压到达所述第一 较低的电压时从所述第三切换状态转变至所述第四切换状态，以及响应于一第二时序指示 以从所述第四切换状态转变至所述第一切换状态；以及
[0010] -时序电路，其提供所述第一及第二时序指示至所述开关器，以确保所述第二及 第四切换状态具有大致相同的持续时间。
[0011] 本发明提供一种利用滞后的电流模式控制以转换一输入电压成为一输出电压的 方法。所述方法包括：在所述输入电压小于所述输出电压时的一升压调节模式中，将一降压 升压电压转换器切换在第一及第二切换状态之间，并且在所述输入电压大于所述输出电压 时的一降压调节模式中，将所述降压升压电压转换器切换在第三及第四切换状态之间；
[0012] 提供一窗电压，其包含高于一调节控制电压的一第一较高的电压以及低于所述调 节控制电压的一第一较低的电压；
[0013] 发展出一主要的斜波信号，其复制通过所述降压升压电压转换器的一输出电感器 的电流，其中所述主要的斜波电压在所述第一切换状态中是以一成比例于所述输入电压的 速率斜波上升，在所述第三切换状态中是以一成比例于所述输出电压的速率斜波下降，并 且在所述第二及第四切换状态中是成比例于在所述输入电压与输出电压之间的一差值来 斜波变化；
[0014] 在所述输入电压是在所述输出电压的一默认的边界内的一降压升压调节模式期 间，在所述主要的斜波电压到达所述第一较高的电压时从所述第一切换状态转变至所述第 二切换状态，响应于一第一时序指示以从所述第二切换状态转变至所述第三切换状态，在 所述主要的斜波电压到达所述第一较低的电压时从所述第三切换状态转变至所述第四切 换状态，以及响应于一第二时序指示以从所述第四切换状态转变至所述第一切换状态；以 及
[0015] 提供所述第一及第二时序指示，以确保所述第二及第四切换状态在所述降压升压 调节模式期间具有大致相同的持续时间。
【附图说明】
[0016] 本发明的益处、特点及优点在相关于以下的说明以及所附的图式下将会变得更佳 的予以了解，其中：
[0017] 图1为一种被配置有一电源系统的电子装置的简化的方块图，所述电源系统是包 含一根据本发明的一实施例所实施的电压调节器；
[0018] 图2为根据本发明的一实施例的图1的电压调节器的简化的电路及方块图；
[0019] 图3为描绘根据本发明的一实施例的多个操作或是调节模式以及图2的降压升压 (buck-boost)充电器控制器的对应的切换状态S0 - S3的表格的图，以用于将图1的电压调 节器的操作控制在降压或是升压调节模式中，并且用于调节或者是维持所述输出电压的一 电压位准；
[0020] 图4为根据本发明的一实施例的一电流模式控制调变器的简化电路图，其可被纳 入在图2的降压升压充电器控制器之内；
[0021] 图5为描绘根据本发明的一实施例的用于一斜波（ramp)电压VR1的一所要的波 形的时序图；以及
[0022] 图6-图14为图4的调变器的九个不同的配置的时序图，以用于在降压、升压以及 降压升压调节模式期间产生在图5中所示的斜波电压VR1的所要的波形。
[0023] 附图标记说明：
[0024] 100-电子装置；101-电源系统；103-电压调节器；105-供应总线；107-处理器； 109-外围系统；111-系统内存；113-输入/输出（I/O)系统；201-转接器；202-转接器 节点；203-感测电阻器；204-输入节点；205-输入电容器；206-第一中间的节点；207-降 压切换级；208-第二中间的节点；209-输出电感器；210-输出节点；211-升压切换级； 212-节点；213-输出电容器；214-电池端子；215-系统负载；217-第二电流感测电阻器； 219-可再充电的电池；221-降压升压充电器控制器；223-降压升压电压转换器；400-电 流模式控制调变器；401-电流源；402-斜波节点；403-开关；404-SPST开关；405-电流 源；406-频率控制器；407-斜波电容器；408-调节模式控制器；409-电阻器；411-比较器； 413-第二比较器；415-开关器；417-误差放大器；419-电压源；421-电压源；425-第三 比较器；428-主要的斜波电路；430-额外的斜波电路；431-电流源；432-斜波节点；433、 434-SPST开关；435-电流源；437-斜波电容器；44U443-比较器；445、447-SPST开关； 449-电压源；450-额外的斜波电路；451-电压源；452-斜波节点；453-SPST开关；455、 456-电流源；457-斜波电容器；46U463-比较器；465、467-SPST开关；469、471-电压源； 473-比较器；601-起始VR2以从VWPP斜波下降；603-将VR3起始为从VWNN的一向上斜波； 605-再次起始从VWNN的向上斜波VR3 ;607_起始从VWPP的向下斜波VR2 ;C1、C2、C3、C4、 C5、C6、C7、C8-控制信号；Cl、CO、CR1、CR2、CR3-电容；CTRL1 - CTRL10-控制信号；GND-接 地；FSS-稳定状态的频率位准；FSW-切换频率；II、12、13、14、II、10-电流；ISYS-系统电 流；L0-电感；Q1-第一晶体管；Q2-第二晶体管；Q3-第二晶体管；Q4-第一晶体管；Q5-晶体 管；016、026、036、046、056-输出（闸极控制信号）观-斜波电阻；1?1、1?2-电阻 ；30-第一 切换状态；S1-第二切换状态；S2-第三切换状态；S3-第四切换状态； 续时间；TSW-目标的持续时间；tl - tl2-时间；VAD-转接器电压；VBAT-电池电压；VC-补 偿（控制）电压；VDD-电源电压；VIN-输入电压；VN1-较低的电压；VN2、VN3-偏移电压； V0FSN、V0FSP偏移；V0UT-输出电压；VP1-较高的电压；VP2、VP3-偏移电压；VR1-主要的斜 波信号；VR2-第二斜波信号；VR3-第三斜波电压；VREF-参考（偏压）电压；VWIN-窗电压； VWN-负窗电压；VWNN-较低的窗外电压；VWP-正窗电压；VWPP-较尚的窗外电压。
【具体实施方式】
[0025] 如同在此所述的一种滞后的电流模式降压升压控制架构是改善在降压、降压升 压、以及升压调节模式之间的模式转变，并且进一步改善负载瞬时响应。
[0026] 图1是一种被配置有一电源系统101的电子装置100的简化的方块图，所述电源 系统101是包含根据本发明的一实施例所实施的一电压调节器103。所述电源系统101是 发展出一或多个供应电压，其提供电源至所述电子装置100的其它系统装置。在所举例说 明的实施例中，所述电子装置100是包含一处理器107以及一外围系统109,其都耦接以经 由一供应总线105而从所述电源系统101接收供应电压，所述供应总线105是包含电源和 /或信号导体的任意组合。在所举例说明的实施例中，所述外围系统109可包含一系统内 存111，例如是随机存取内存（RAM)和/或只读存储器（ROM)类型的装置以及内存控制器与 类似者的任意组合；以及一输入/输出（I/O)系统113,其可包含系统及外围控制器与类似 者，例如是绘图控制器、中断控制器、键盘及鼠标控制器、系统储存装置控制器（例如，用于 硬盘机的控制器与类似者）、等等的任意组合。所举例说明的系统只是范例而已，因为如同 熟悉此项技术者所理解的，所述处理器系统以及支持装置中的许多个可被整合到所述处理 器芯片上。
[0027] 所述电子装置100可以是任意类型的计算机或计算装置，例如是一计算机系统 (例如，笔记本电脑、桌面计算机、小笔电、等等）、一媒体平板计算机装置（例如，苹果公司 的iPad、亚马逊公司的Kindle、等等）、一通讯装置（例如，移动电话、智能型手机、等等）、 以及其它类型的电子装置（例如，媒体播放器、记录装置、等等）。所述电子装置100可以利 用一电池来运作，所述电池可以是或者可以不是可拆卸的，并且可以是或者可以不是可再 充电的。在许多此种配置中，所述电池是可再充电的（例如，图2的可再充电的电池 219)， 并且一个别的交流（AC)转接器（adpater)被设置（例如，图2的转接器201)以提供电源 至所述电子装置100和/或再充电所述电池。
[0028] 图2是根据本发明的一实施例的电压调节器103的简化的电路及方块图。一转接 器（adapter) 201是被耦接在一转接器节点202与一参考节点（其被展示为接地或GND)之 间，因而所述转接器节点202在连接至所述电子装置100时发展出一转接器电压VAD。一 具有电阻RS1的感测电阻器203是被耦接在节点202与一发展出一输入电压VIN的输入节 点204之间。一具有电容CI的输入电容器205是被耦接在所述输入节点204与GND之间。 一降压切换级207是被耦接在所述输入节点204与GND之间。所述降压切换级207是包含 一第一晶体管Q1，其具有耦接在所述输入节点204与一第一中间的节点206之间的电流端 子、以及一第二晶体管Q2,其具有耦接在节点206与GND之间的电流端子。一具有电感L0 的输出电感器209是被耦接在所述第一中间的节点206与一第二中间的节点208之间。一 升压切换级211是被耦接在一发展出一输出电压V0UT的输出节点210与GND之间。所述 升压切换级211是包含一第一晶体管Q4,其具有耦接在所述输出节点210与所述第二中间 的节点208之间的电流端子、以及一第二晶体管Q3,其具有耦接在节点208与GND之间的电 流端子。所述降压及升压切换级207及211是全体地构成一降压升压切换级。
[0029] -具有电容C0的输出电容器213以及一汲取系统电流ISYS (或是负载电流）的 系统负载215都是耦接在所述输出节点210与GND之间。所述系统负载215是代表汲取负 载电流的系统装置，例如是所述处理器107、系统内存111、外围系统109、等等的任意组合。 一具有电阻RS2的第二电流感测电阻器217是被耦接在所述输出节点210与一节点212之 间，所述节点212是耦接至一晶体管Q5的一电流端子。Q5的另一电流端子是耦接至一发展 出一电池电压VBAT的电池端子214,所述电池端子214是进一步耦接至一可再充电的电池 219的一正端子。所述可再充电的电池219是具有一耦接至GND的负端子。一降压升压充 电器控制器221是被设置以用于如同在此进一步叙述的控制操作。
[0030] 所述晶体管Ql - Q5分别被展示为M0S或FET类型的晶体管，例如是一 P型 MOS (PM0S)或 P 型 FET (PFET)晶体管、一 N 型 MOS (NM0S)或 P 型 FET (PFET)晶体管、或是一 M0SFET晶体管或类似者。替代的功率开关装置或是电子控制开关被思及，例如是双载子接 面晶体管（BJT)与类似者、绝缘闸极双载子晶体管（IGBT)与类似者、等等。每一个晶体管 装置是被制作尺寸及配置以执行所要的功能。
[0031] 所述降压升压充电器控制器221是具有耦接至节点202及204的输入以用于感测 横跨所述感测电阻器203的电压，具有另一耦接至所述输入节点204的输入以用于感测所 述输入电压VIN，具有耦接至节点210及212的输入以用于感测横跨所述感测电阻器217的 电压，具有一耦接至所述输出节点210的输入以用于感测所述输出电压VOUT，并且具有分 别耦接至晶体管Ql、Q2、Q3、Q4及Q5的控制端子（例如，闸极端子）的输出Q1G、Q2G、Q3G、 Q4G及Q5G。所述降压升压充电器控制器221是经由横跨所述感测电阻器203的电压来感 测转接器电流（由所述转接器201提供的），并且经由横跨所述感测电阻器217的电压来感 测通过所述电池219的电池电流（充电或是放电电流）。所述降压升压充电器控制器221 是通过分别经由所述Q1G - Q4G信号来控制所述晶体管Ql - Q4,以控制如同在此所述的降 压及升压操作。所述降压升压充电器控制器221是借着经由所述Q5G信号来控制所述晶体 管Q5,以控制电池的充电/放电。所述降压升压充电器控制器221是被配置为一电池充电 系统或类似者，以用于侦测所述转接器201及电池219,用于充电和/或放电所述电池219， 并且用于控制用以提供所述系统电流ISYS至所述负载的电力来源。
[0032] 所述降压升压充电器控制器221是根据用于控制所述晶体管Ql - Q4的开关的脉 冲宽度调变（PWM)来操作。然而，如同在此进一步所述的，所述系统的切换状态是依据所述 调节模式以及所述输入与输出电压的相对的电压位准而定。在正常的降压或是升压配置 中，一具有两个状态的单一 PWM信号可被用来控制切换操作。然而，所述降压升压充电器控 制器221是操作在四个切换状态中，以用于控制在个别的降压、升压以及降压升压调节模 式中的切换，因而PWM操作是如同在此进一步所叙述地利用四个个别的切换状态S0、S1、S2 及S3来加以界定。
[0033] 如同在此进一步叙述的，所述电压调节器103是被配置为一种滞后的电流模式降 压升压控制系统。尽管所述电压调节器103是被配置为一电池充电系统，但是任意类型的 其中采用一电压调节器的配置或系统也被思及。所述电压调节器103的降压切换级207、升 压切换级211 (全体为降压升压切换级）以及输出电感器209是全体构成一降压升压电压 转换器223,其是在所述降压升压充电器控制器221的控制下，将所述输入电压VIN转换成 为所述经调节的输出电压V0UT。在一实施例中，所述电压调节器103是被配置以调节例如 是输入电压VIN、输出电压V0UT、输入电流（例如是通过所述转接器201所侦测到的）、通 过所述电池219的电池电流、等等的多个参数的任一个。尽管并未进一步叙述，但是所述电 压调节器103可被配置以切换在多个参数之间，以根据操作及系统状况来一次控制一个参 数。
[0034] 图3是描绘根据本发明的一实施例的降压升压充电器控制器221的多个切换状态 S0 - S3的表格的图，以用于将所述电压调节器103的操作控制在所述降压、降压升压以及 升压调节模式的每一个中，并且用于调节或者是维持V0UT的一电压位准。特定晶体管的启 动状态是依据所述切换状态而定，并且在所述切换状态之间的转变是依据所述特定的调节 模式而定。在所举例说明的实施例中，每一个闸极控制信号QXG是被拉高以导通一对应的 晶体管QX，并且被拉低以关断所述晶体管，其中〃X〃是所述晶体管1 - 4的任一个。例如， Q1G是被拉高以导通Q1，并且被拉低以关断Q1。
[0035] 一第一切换状态S0 (升压开启）是发生在Q1及Q3被导通（Q1G及Q3G是高的）并 且Q2及Q4被关断（Q2G及Q4G是低的）时。在状态S0中，所述输出电感器209的一端是 耦接至VIN并且另一端是耦接至GND，因而所述电感器电压是VIN。一第二切换状态S1 (升 压关闭）是发生在Q1及Q4被导通并且Q2及Q3被关断（Q3G被拉低并且Q4G被拉高）时。 在状态S1中，所述输出电感器209的一端是耦接至VIN并且另一端是耦接至VOUT，因而所 述电感器电压是VIN - VOUT。一第三切换状态（降压关闭）是发生在Q2及Q4被导通并且 Q1及Q3被关断时。在状态S2中，所述输出电感器209的一端是耦接至GND并且另一端是 耦接至VOUT，因而所述电感器电压是-VOUT。一第四切换状态（降压开启）是发生在晶体 管Q1及Q4被导通并且Q2及Q3被关断时。在状态S3中，所述输出电感器209的一端是耦 接至VIN并且另一端是耦接至VOUT，因而所述电感器电压是VIN - VOUT。
[0036] 在所述升压调节模式中，Q1是导通的并且Q2是关断的，并且操作是通过切换在Q3 及Q4之间来加以控制。在所述降压调节模式中，Q3是关断的并且Q4是导通的，并且操作 是通过切换在Q1及Q2之间来加以控制。在所述降压升压调节模式中，如同在此进一步叙 述的，操作是切换在多达所有的切换状态S0 - S3之间。所述切换状态S0 - S3是大致控制 分别用于控制所述晶体管Ql - Q4的启动状态的闸极驱动信号Q1G - Q4G。
[0037] 图4是根据本发明的一实施例的一电流模式控制调变器400的简化的电路图。所 述调变器400是包含组合的控制信号，所述组合的控制信号可以在所述降压升压充电器控 制器221中被使用于产生用于控制所述电压调节器103的操作的闸极控制信号Q1G - Q4G。 所述调变器400包含一用于发展出一主要的斜波信号VR1的主要的斜波电路428。所述调 变器400可以进一步包含一时序电路，所述时序电路是被用来确保TS1及TS3的持续时间 是大致相等的。在一实施例中，所述时序电路是包含如同在此进一步叙述的额外的斜波电 路430和/或450。
[0038] 所述斜波电路428是包含一提供一电流II的电流源401，所述电流源401是被耦 接在一电源电压（被展示为VDD)与一开关403的一切换的端子之间。所述开关403是被展 示为一单极单投（SPST)类型的开关，使得其另一切换的端子耦接至一发展出所述斜波电 压VR1的斜波节点402。另一 SPST开关404是使得一切换的端子耦接至所述斜波节点402， 并且其另一切换的端子是耦接至另一电流源405。所述电流源405发展出一电流10,并且 被耦接在所述开关404与GND之间。通过所述电流源401所发展出的电流II是成比例于 一互导增益GM乘上所述输入电压VIN、或是II GM*VIN，并且通过所述电流源405所发展 出的电流10是成比例于所述互导增益GM乘上所述输出电压V0UT、或是10 GM*V0UT。如 图所示，当开关403闭合时，所述电流源401是提供电流II至所述斜波节点402,并且当开 关404闭合时，所述电流源405是从所述斜波节点402汲取或是吸收电流。在此描述的成 比例的关系是欲表示一额外的增益因子可被纳入，尽管所述增益因子可能是"Γ或〃_1〃。 例如，所述电流Π 可以替代地被表示为10 = K*GM*V0UT。
[0039] -具有互导增益GM的互导放大器或类似者（未显示）可被用来实施所述电流源 401及405的每一个。例如，一接收VIN的第一互导放大器可以实施所述电流源401，并且 另一接收V0UT的互导放大器可以实施所述电流源405。所述开关403及404可以用任何适 当的方式来加以实施，例如是至少一电子开关晶体管（例如，FET或是M0