多模式电源变换器的制造方法

多模式电源变换器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种多模式电源变换器，所述多模式变换器包括第一、第二、第三和第四晶体管，所述晶体管具有相应的控制端子并且被布置成四开关升降压(FSBB)配置以用于耦合至电感器。所述多模式变换器还包括第一驱动器，所述第一驱动器具有用于接收第一开关信号的输入，以及输出；第一电荷泵，所述第一电荷泵具有输出；第二驱动器，所述第二驱动器具有用于接收第二开关信号的输入，以及输出；第二电荷泵，所述第二电荷泵具有输出；以及控制电路。响应于所述多模式电源变换器的工作模式，所述控制电路交替地将所述第一驱动器的输出或所述第一电荷泵的输出耦合至所述第一晶体管的所述控制端子，并且将所述第二驱动器的所述输出或所述第二电荷泵的所述输出耦合至所述第四晶体管的所述控制端子。
【专利说明】
多模式电源变换器
[0001 ] 本申请要求2015年4月3日提交的名称为"Efficient Multi-Mode DC-DC Converter"（高效多模式DC-DC变换器）由Berengere Le Men和Stephane Ramond发明的美 国临时申请No. 62/142，823的优先权。
技术领域
[0002] 本实用新型整体涉及电源变换电路，并且更具体地讲，涉及DC-DC变换器。
【背景技术】
[0003] 低压DC-DC变换器可用于对电池供电的便携式电子设备（诸如智能电话、平板电 脑、穿戴式产品等)进行电源管理。DC-DC变换器将直流(DC)输入电压变换成不同的DC输出 电压。如果DC-DC变换器将输入电压升高，则被称作升压(boost)变换器;如果DC-DC变换器 将输入电压降低，则被称作降压(buck)变换器。如果DC-DC变换器能够在降压模式或升压模 式运行，则被称作升降压(buck-boost)变换器。
[0004] 因为便携式电子设备的电池电压可能在相对大范围内波动，所以多模式升降压 DC-DC变换器变得越来越流行。四开关升降压变换器(FSBBC)是已知最受欢迎的多模式变换 器拓扑，四开关升降压变换器用两个电源开关连接至电感器的每个端子，一个电源开关位 于每个电感器端子的高侧，还有一个电源开关位于每个电感器端子的低侧。在降压模式和 升压模式两者工作期间，一个高侧开关(HSS)都保持连续导通状态。例如，当以升压模式工 作时，电感器输入侧上的HSS连续导通。或者，当以降压模式工作时，输出侧上的HSS连续导 通。因为负载电流量很大，可能（例如)为大约数安培，所以由连续导通的HSS的电阻(Rcm)导 致的损耗降低了变换器效率，并缩短电池使用时间。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型的技术方案至少解决了现有技术的某些技术问题。
[0006] 根据本实用新型的一个方面，提供了一种多模式电源变换器(200/300)，所述多模 式电源变换器(200/300)包括:第一晶体管(222)、第二晶体管(224)、第三晶体管(262)和第 四晶体管(264)，各晶体管具有相应的控制端子并且被布置成四开关升降压(FSBB)配置以 用于耦合至电感器(240);第一驱动器(226)，所述第一驱动器(226)具有用于接收第一开关 信号的输入，以及输出；第一电荷栗（230)，所述第一电荷栗（230)具有输出；第二驱动器 (272)，所述第二驱动器(272)具有用于接收第二开关信号的输入，以及输出；第二电荷栗 (276)，所述第二电荷栗（276)具有输出；以及控制电路(228/232/274/278/280)，所述控制 电路用于响应于所述多模式电源变换器(200)的工作模式，交替地将所述第一驱动器(226) 的所述输出或所述第一电荷栗(230)的所述输出耦合至所述第一晶体管(222)的所述控制 端子，以及将所述第二驱动器(272)的所述输出或所述第二电荷栗(276)的所述输出耦合至 所述第四晶体管(262)的所述控制端子。
[0007] 根据上述多模式电源变换器的一个实施例，其中所述第一晶体管（222)和第四晶 体管（264)包括P沟道MOS晶体管并且所述第二晶体管（224)和第三晶体管（262)包括N沟道 MOS晶体管。
[0008] 根据上述多模式电源变换器的一个实施例，其中所述第一电荷栗（230)和第二电 荷栗(276)包括负电荷栗，其中所述第一晶体管（222)具有用于接收输入电压的源极，所述 第四晶体管(264)具有用于提供输出电压的源极，所述第一电荷栗(230)具有用于接收所述 输入电压的输入，并且所述第二电荷栗(276)具有用于接收所述输出电压的输入。
[0009] 根据上述多模式电源变换器的一个实施例，其中第一晶体管（322)、第二晶体管 (324)、第三晶体管(362)和第四晶体管(364)包括N沟道MOS晶体管。
[0010] 根据上述多模式电源变换器的一个实施例，其中所述第一电荷栗(330)和所述第 二电荷栗(376)包括正电荷栗。
[0011]根据上述多模式电源变换器的一个实施例，其中所述第一晶体管（322)具有用于 接收输入电压的漏极，所述第四晶体管(364)具有用于提供输出电压的漏极，所述第一电荷 栗(330)具有用于接收所述输入电压的输入，并且所述第二电荷栗(376)具有用于接收所述 输出电压的输入。
[0012] 根据上述多模式电源变换器的一个实施例，其中所述控制电路（228/232/274/ 278/280)包括:第一开关(228 )，所述第一开关(228)親合在所述第一驱动器(226)的所述输 出和所述第一晶体管(222)的所述控制端子之间并且响应于第一控制信号导通;第二开关 (232)，所述第二开关（232)耦合在所述第一电荷栗（230)的所述输出和所述第一晶体管 (222)的所述控制端子之间并且响应于第二控制信号导通;第三开关(274)，所述第三开关 (274)耦合在所述第二驱动器(272)的所述输出和所述第四晶体管(264)的所述控制端子之 间并且响应于第三控制信号导通;第四开关(278)，所述第四开关(278)耦合在所述第二电 荷栗（276)的所述输出和所述第三晶体管（264)的所述控制端子之间并且响应于第四控制 信号导通；以及控制器(280)，所述控制器(280)用于在降压模式和升降压模式之一中激活 所述第一控制信号，在升压模式中激活所述第二控制信号，在所述升压模式和所述升降压 模式之一中激活所述第三控制信号，以及在所述降压模式中激活所述第四控制信号。
[0013] 根据本实用新型的另一个方面，提供了一种多模式电源变换器(200/300)，所述多 模式电源变换器（200/300)适于耦合至具有第一端子和第二端子的电感器（240)，并且包 括:降压部分(220)，所述降压部分(220)具有第一高侧开关(222)和第一低侧开关(224)，用 于选择性地将所述电感器(240)的所述第一端子在输入电压端子和基准电压端子之间切 换;升压部分(260)，所述升压部分(260)具有第二尚侧开关(264)和第二低侧开关(262)，用 于选择性地将所述电感器(240)的所述第二端子在所述基准电压端子和输出电压端子之间 切换；以及控制器（280)，所述控制器（280)耦合至所述降压部分（220)和所述升压部分 (260)，其中在降压模式中，所述控制器(280)使所述降压部分(220)交替地驱动所述第一高 侧开关(222)和所述第一低侧开关(224)，同时使所述升压部分(260)在所述第二高侧开关 (264)的控制电极上提供第一电荷栗送电压，而在升压模式中，所述控制器(280)使所述升 压部分(260)交替地驱动所述第二高侧开关(264)和所述第二低侧开关（262)，同时使所述 降压部分(220)在所述第一高侧开关(222)的控制电极上提供第二电荷栗送电压。
[0014]根据上述多模式电源变换器的一个实施例，其中当所述输入电压端子上的所述输 入电压大于所述输出电压端子上的所述输出电压时，所述控制器(280)处于所述降压模式， 并且在所述降压模式中，所述控制器(280)还使所述升压部分(260)保持所述第二低侧开关 (262)不导通，其中当所述输入电压小于所述输出电压时，所述控制器(280)处于所述升压 模式，并且在所述升压模式中，所述控制器(280)还使所述降压部分(220)保持所述第一低 侧开关(222)不导通，其中当所述输入电压大致等于所述输出电压时所述控制器(280)处于 升降压模式，并且在所述升降压模式中，所述控制器(280)使所述降压部分(220)交替地驱 动所述第一高侧开关(222)和所述第一低侧开关(224)，并且使所述升压部分(260)使用基 于反馈信号的占空比。
[0015]根据上述多模式电源变换器的一个实施例，其中所述第一高侧开关(222)和第二 高侧开关(264)包括P沟道MOS晶体管或N沟道MOS晶体管，并且
[0016] 当包括P沟道MOS晶体管时所述第一电荷栗送电压和所述第二电荷栗送电压包括 负电压，当包括N沟道MOS晶体管时所述第一电荷栗送电压和所述第二电荷栗送电压包括正 电压。
【附图说明】
[0017] 本领域技术人员参照附图阅读本说明书，可以更好地理解本实用新型，也可以显 而易见地认识到本实用新型的多种特征和优点，在附图中：
[0018] 图1以示意图形式示出了现有技术已知的多模式变换器；
[0019] 图2以局部框图和局部示意图形式示出了根据第一实施例的多模式变换器；
[0020] 图3以局部框图和局部示意图形式示出了根据第二实施例的多模式变换器；
[0021] 图4示出了图2和图3所示多模式变换器的驱动信号序列的时序图；
[0022] 图5示出了图2和图3所示多模式变换器在不同输入电压下的电源变换效率的曲线 图。
[0023]在不同附图中使用相同的参考符号来指示相同或类似的元件。除非另有说明，否 则词语"耦合"及相关词组意味着直接连接，以及通过本领域已知的方式间接电连接;而且 除非另有说明，否则涉及直接连接的任一描述也涵盖采用适宜间接电连接形式的替代实施 方式。
【具体实施方式】
[0024]图1以示意图形式示出了现有技术已知的多模式变换器100。多模式变换器100为 FSBBC，并且包括电压源110、？通道金属氧化物半导体(105)晶体管120、阳1道冊5晶体管 130、电感器140、N通道MOS晶体管150、P通道MOS晶体管160和电容器170。
[0025]电压源110具有正端子和负端子，其中正端子用于提供直流输入电压(记为"VIN"）， 负端子接地。Vin相对接地(0.0伏)来说，可能在(例如)约2.0伏至约5.0伏范围内。一种形式 为，电压源110是在约5.0伏充满电的电池。
[0026]晶体管120具有源极、栅极和漏极，其中源极连接到电压源110的正端子，栅极用于 接收第一开关信号(记为"SWA"）。晶体管130具有漏极、栅极和源极，其中漏极连接到晶体管 120的漏极，栅极用于接收第二开关信号(记为"SW B"），源极接地。电感器140具有第一端子 和第二端子，其中第一端子连接到晶体管120和130的漏极。晶体管150具有漏极、栅极和源 极，其中漏极连接到电感器140的第二端子，栅极用于接收第三开关信号（记为"SW C"），源极 接地。晶体管160具有源极、栅极和漏极，其中源极用于提供输出电压"VQUT"，栅极用于接收 第四开关信号(记为"SWD"），漏极连接到电感器140的第二端子。
[0027] 电容器170具有第一端子和第二端子，其中第一端子连接到晶体管160的源极，第 二端子接地。晶体管120、130、150和160都是MOS功率晶体管，这些MOS功率晶体管可被制造 在单块集成电路芯片上。然而，电感器140和电容器170通常具有较高的值，故往往不将它们 与晶体管120、130、150、160制造在同一块集成电路芯片上。
[0028] 多模式变换器100能够根据Vin的大小以降压模式、升压模式或升降压模式工作。控 制器(图1未示出）控制每个MOS晶体管的开关，以将Vout调节到期望值。处于降压模式时，V IN> Vout，晶体管160导通，晶体管150不导通，控制器开启晶体管120和130，以将Vqut调节到所需 电平。处于升压模式时，V IN〈VQUT，晶体管120导通，晶体管130不导通，控制器开启晶体管150 和160,以V qut调节到所需电平。处于升降压模式时，VIN?VQUT，控制器开启晶体管120、130、 150、160,以将Vciut调节到所需电平。控制器还包含比较器，以将输入电压Vin与输出电压V out 相比较，从而确定工作模式。
[0029]晶体管120、130、150、160是大功率MOS晶体管，能够传导（例如）大约数安培的电 流。为了在负载电流较大的情况下提升变换器效率，连续导通的HSS晶体管（降压模式下的 晶体管160,升压模式下的晶体管120)的电阻(Ron)应当尽可能低。然而，栅极-源极电压较低 时Rqn会增大，导致降压模式或升压模式下的较高的传导损耗和降低的变换器效率。
[0030] 图2以局部框图和局部示意图形式示出了根据第一实施例的多模式变换器200。多 模式变换器200为FSBBC，通常包括变换器部分210和控制器280。变换器部分210通常包括降 压变换器部分220、电感器240，和升压变换器部分260。
[0031] 降压变换器部分220包括P通道MOS晶体管222、N通道MOS晶体管224、驱动器226、开 关228、电荷栗230、开关232、开关234、驱动器236和开关238。晶体管222具有源极、栅极和漏 极，其中源极用于接收输入电压V IN，栅极用于接收记为"VA"的电压。晶体管224具有漏极、栅 极和源极，其中漏极连接到晶体管222的漏极，栅极用于接收记为"V B"的电压，源极接地。驱 动器226具有输入端、输出端、正电源端子和负电源端子，其中输入端用于接收第一开关信 号SW A，正电源端子用于接收输入电压Vin，负电源端子接地。开关228具有第一端子、第二端 子和控制端子，其中第一端子连接到驱动器226的输出端，第二端子连接到晶体管222的栅 极，控制端子用于接收记为"BUCK或BB"的控制信号。电荷栗230具有输入端和输出端，其中 输入端用于接收输入电压V IN。开关232具有第一端子、第二端子和控制端子，其中第一端子 连接到电荷栗230的输出端，第二端子连接到晶体管222的栅极，控制端子用于接收记为 "BOOST"的控制信号。开关234具有第一端子、第二端子和控制端子，其中第一端子用于接收 第二控制信号SW B，控制端子用于接收控制信号"BUCK或BB"。驱动器236具有输入端、输出 端、正电源端子和负电源端子，其中输入端连接到开关234的第二端子，输出端连接到晶体 管224的栅极，正电源端子用于接收输入电压V in，负电源端子接地。开关238具有第一端子、 第二端子和控制端子，其中第一端子接地，第二端子连接到驱动器236的输入端，控制端子 用于接收控制信号BOOST。
[0032] 电感器240具有第一端子和第二端子，其中第一端子连接到晶体管222和224的漏 极。
[0033] 升压变换器部分260包括N通道MOS晶体管262、P通道MOS晶体管264、开关266、驱动 器268、开关270、驱动器272、开关274、电荷栗276、开关278。晶体管262具有漏极、栅极和源 极，其中漏极连接到电感器240的第二端子，栅极用于接收记为"VC"的电压，源极接地。晶体 管264具有源极、栅极和漏极，其中源极用于提供输出电压V QUT，栅极用于接收记为"VD"的电 压，漏极连接到晶体管262的漏极和电感器240的第二端子。开关266具有第一端子、第二端 子和控制端子，其中第一端子用于接收第三开关信号SW C，控制端子用于接收记为"BUCK或 BB"的控制信号。驱动器268具有输入端、输出端、正电源端子和负电源端子，其中输入端连 接到开关266的第二端子，输出端连接到晶体管262的栅极，正电源端子用于接收输出电压 V0UT，负电源端子接地。开关270具有第一端子、第二端子和控制端子，其中第一端子接地，第 二端子连接到驱动器268的输入端，控制端子用于接收记为"BUCK"的控制信号。驱动器272 具有输入端、输出端、正电源端子和负电源端子，其中输入端用于接收第四开关信号SW D，正 电源端子用于接收输出电压Vout，负电源端子接地。开关274具有第一端子、第二端子和控制 端子，其中第一端子连接到驱动器272的输出端，第二端子连接到晶体管264的栅极，控制端 子用于接收控制信号"BOOST或BB"。电荷栗276具有输入端和输出端，其中输入端用于接收 输出电压Vout。开关278具有第一端子、第二端子和控制端子，其中第一端子连接到电荷栗 276的输出端，第二端子连接到晶体管264的栅极，控制端子用于接收控制信号BUCK。
[0034]控制器280具有第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端、一组开关信号 输出端，以及一组控制信号输出端;其中，第一输入端用于接收时钟信号(记为"CLK"），第二 输入端用于接收输出电压Vout，第三输入端用于接收输入电压V in，第四输入端用于接收反馈 信号(记为"FB"），一组开关信号输出端用于提供开关信号SWa、SWb、SWc和SWd，一组控制信号 输出端用于提供控制信号B00ST、BUCK、BUCK或BB，以及BOOST或BB。请注意，若控制器280是 自激振荡控制器或基于纹波的控制器，则时钟信号输入端可省去。
[0035]在工作中，多模式电源变换器200以降压模式、升压模式、升降压模式这三种模式 中的一种工作。控制器280基于Vin与Vqut之间的关系，选择工作模式。处于降压模式时，Vin> Volit。晶体管264连续导通，晶体管262连续不导通，控制器280开启晶体管222和224,以基于 反馈信号FB将V qut调节到所需电平。更具体地讲，控制器280激活控制信号BUCK或BB，控制信 号BUCK或BB使开关228和234闭合，并基于开关信号SWa和SWb，分别使晶体管222和224开启。 控制器280基于反馈信号FB改变开关信号SWa和SWb的占空比，从而将V qut调节到所需电平。控 制器280还激活控制信号BUCK，使开关270闭合，从而使驱动器268的输入端接地。驱动器268 继而向晶体管262的栅极提供低电压，使晶体管262保持不导通状态。控制信号BUCK还使开 关278闭合，从而使电荷栗276的输出端连接到晶体管264的栅极。电荷栗276是负电荷栗，其 根据下列关系提供输出电压端上的电压：
[0036] Vd= (-η)*ν〇υτ [1]
[0037] 其中，电荷栗276的增益等于-η。晶体管264的栅极-源极电压(VGS)的绝对值VGSd 可用下式表示：
[0038] VGSdI =(η+1)*ν〇υτ [2]
[0039] 因此，电荷栗276向在降压模式下连续导通时的晶体管264的栅极提供增大的DC偏 置电压。这种增大的DC偏置电压使Rqn降低，从而改善较低Vqut下的效率。
[0040] 处于升压模式时，VIN〈VQUT。晶体管222连续导通，晶体管224连续不导通，控制器280 开启晶体管262和264,基于反馈信号FB将V qut调节到所需电平。更具体地讲，控制器280激活 控制信号BOOST或BB，控制信号BOOST或BB使开关266和274闭合，并基于开关信号SWg和SWd， 分别使晶体管262和264开启。控制器280基于反馈信号FB改变开关信号SWc和SWd的占空比， 从而将V qut调节到所需电平。控制器280还激活控制信号BOOST，使开关238闭合，从而使驱动 器236的输入端接地。驱动器236继而向晶体管224的栅极提供低电压，使晶体管224保持不 导通状态。控制信号BOOST还使开关232闭合，从而使电荷栗230的输出端连接到晶体管222 的栅极。电荷栗230也是负电荷栗，其根据下列关系提供输出电压端上的电压：
[0041] Va= (-n)*ViN [3]
[0042] 其中，电荷栗230的增益也等于-η。晶体管222的VGS的绝对值VGSa可用下式表示：
[0043] VGSaI =(n+l)*ViN [4]
[0044] 因此，电荷栗230向在升压模式下连续导通时的晶体管222的栅极提供增大的DC偏 置电压。这种增大的DC偏置电压使晶体管222的R qn降低，从而改善较低Vin下的效率。
[0045] 可由多种已知电荷栗电路中的任一种电路实施电荷栗230和276。可分别选择电荷 栗230和276的增益，旨在使I VGSa I和I VGSd I尽可能大，又不会导致晶体管222和264击穿，或 者晶体管222和264的栅极破裂。多模式变换器200还可包括齐纳二极管，这些齐纳二极管连 接在晶体管222和264的栅极端子与源极端子之间，起电压钳作用，以确保I VGSa I和I VGSd I永 远无法升至其相应的击穿电平。然而，使I VGSaI和I VGSd I大于齐纳二极管的击穿电压降低了 电源变换效率。
[0046] 处于升降压模式时，Vin? Vqut。控制器280使开关228、234、266、274闭合，从而动态 地向其相应晶体管222、224、262、264提供开关信号314、318、31(：、310，基于反馈信号？8将 Vout调节到所需电平。
[0047]下表1汇总了多模式电源变换器200在各种模式下的工作状态：
[0048] 表1
[0049]
[0050] 图3以局部框图和局部示意图形式示出了根据第二实施例的多模式变换器300。多 模式变换器300与图2所示的多模式变换器200类似，对应的元件用相似的符号注明。多模式 变换器300与多模式变换器200的不同之处是，在多模式变换器300中，变换器部分310的降 压部分320使用N通道MOS晶体管322替代P通道MOS晶体管222,并且变换器部分310的升压部 分360使用N通道MOS晶体管364替代P通道MOS晶体管264。为适应HSS晶体管极性的差异，降 压部分320使用正电荷栗330替代负电荷栗230,而升压部分360使用正电荷栗376替代负电 荷栗276。
[0051] 处于降压模式时，VIN>VQUT，晶体管364连续导通，晶体管262连续不导通，控制器280 开启晶体管322和224,基于反馈信号FB将Vqut调节到所需电平。更具体地讲，控制器280激活 控制信号BUCK或BB，控制信号BUCK或BB将开关228和234闭合，并基于开关信号SWa和SWb，分 别使晶体管322和224开启。控制器280基于反馈信号FB改变开关信号SWa和SWb的占空比，从 而将Vqut调节到所需电平。控制器280还激活控制信号BUCK，使开关270闭合，从而使驱动器 268的输入端接地。驱动器268继而向其输出端提供低电压，使晶体管262保持不导通状态。 控制信号BUCK还使开关278闭合，从而使电荷栗376的输出端连接到晶体管364的栅极。电荷 栗376是正电荷栗，其根据下列关系提供输出电压：
[0052] Vd= (η)*ν〇υτ [5]
[0053] 其中，电荷栗376的增益等于η。晶体管364的栅极-源极电压(VGS)的绝对值VGSd可 用下式表示：
[0054] VGSdI =(η-1)*ν〇υτ [6]
[0055] 因此，电荷栗376向在降压模式下连续截止时的晶体管364的栅极提供增大的DC偏 置电压。这种增大的DC偏置电压使晶体管364的R qn降低，从而改善较低Vqut下的效率。
[0056] 处于升压模式时，VIN〈VQUT，晶体管222连续导通，晶体管224连续不导通，控制器280 开启晶体管262和264,基于反馈信号FB将Vqut调节到所需电平。更具体地讲，控制器280激活 控制信号BOOST或BB，控制信号BOOST或BB使开关266和274闭合，并基于开关信号SWg和SWd， 分别使晶体管262和264开启。控制器280基于反馈信号FB改变开关信号SW c和SWd的占空比， 从而将Vqut调节到所需电平。控制器280还激活控制信号BOOST，使开关238闭合，从而使驱动 器236的输入端接地。驱动器236继而向其输出端提供低电压，使晶体管224保持不导通状 态。控制信号BOOST还使开关232闭合，从而使电荷栗330的输出端连接到晶体管222的栅极。 电荷栗330也是正电荷栗，其根据下列关系提供输出电压：
[0057] Va= (n)*ViN [7]
[0058] 其中，电荷栗330的增益也等于η。晶体管322的VGS的绝对值VGSa可用下式表示：
[0059] VGSaI =(n-l)*ViN [8]
[0060] 因此，电荷栗330向在升压模式下连续导通时的晶体管322的栅极提供增大的DC偏 置电压。这种增大的DC偏置电压使晶体管322的R qn降低，从而改善较低Vin下的变换器效率。
[0061] 图4示出了图2和图3所示多模式变换器的驱动信号序列的时序图400。在时序图 400中，水平轴代表时间，以合适单位诸如微秒表示，垂直轴代表各种信号的电压，以伏特表 不。时序图400包括当Vin>Vc)ut时进行降压模式操作的降压模式部分410，Vin * Vqut时进行升 降压模式操作的升降压模式部分420,以及VIN〈VQUT时进行升压模式操作的升压模式部分 430。时序图400示出了A、B、C和D开关的栅极-源极电压的绝对值，即分别为I VGSAl、I VGSb I、 VGSc I和I VGSd I，但在图4中只是标记为VGSa、VGSb、VGSc和VGSd。
[0062] 在时序图400的降压模式部分410中，IVGSaI、|VGSb|、I VGScI和|VGSd|信号分别示 为波形412、414、416和418。控制器280提供了这组双阶段信号，包括称为"BD"阶段的第一阶 段和称为"AD"阶段的第二阶段，在第一阶段中开关B和D导通，在第二阶段中开关A和D导通。 两个阶段通过虚线分开。在BD阶段，I VGSa I等于0伏，因而A晶体管不导通，而I VGSb I等于Vin， 因而B晶体管导通。在AD阶段，控制器280通过驱动I VGSaI至Vin而使A晶体管导通，并驱使 VGSb I至0伏而使B晶体管不导通，从而使驱动信号反向至A晶体管和B晶体管。C晶体管不用 于降压模式，因而控制器280驱动I VG& I连续地降至0伏而使C晶体管不导通。然而，控制器 280将D电荷栗连接至D晶体管的栅极，从而将D晶体管连续地偏置为k*V QUT的I VGSd I Λ值取 决于是使用P沟道HSS晶体管（如图2所示)还是N沟道HSS晶体管（如图3所示）。对于图2的多 模式变换器200，k = n+l，而对于多模式变换器300，k = n-l。这一升高的电压降低了 Rqn，从而 降低了通过晶体管D的IR损耗。
[0063] 在升压模式部分430中，I VGSaI、I VGSbI、I VGScI和I VGSdI信号分别示为波形432、 434、436和438。控制器280提供了这组双阶段信号，包括称为"AC"阶段的第一阶段和称为 "AD"阶段的第二阶段，在第一阶段中开关A和C导通，在第二阶段中开关A和D导通。同样，两 个阶段通过虚线分开。在AC阶段，I VGSd I等于0伏，因而D晶体管不导通，而I VGSc I等于Vqut，因 而C晶体管导通。在AD阶段，控制器280通过驱动VGSc至0伏而使C晶体管不导通，并驱动I VGSd 至Vqut而使D晶体管不导通，从而使驱动信号反向至C晶体管和D晶体管。B晶体管不用于升 压模式，因而控制器280驱动I VGSb I连续地降至0伏而使B晶体管不导通。然而，控制器280将 A电荷栗连接至A晶体管的栅极，从而将A晶体管连续地偏置为k*VIN的IVGSaI。这一升高的电 压降低了 Ron，从而降低了通过晶体管A的IR损耗。
[0064] 在升降压模式部分420中，^3」、^38|、^3^和^3^信号分别示为波形422、 424、426和428。在这一例子中，控制器280提供了这组四阶段信号，包括开关B和D导通的第 一BD阶段，开关A和D导通的第二AD阶段，开关A和C导通的第三AC阶段，以及开关A和D导通的 第四AD阶段。控制器280在所有晶体管不导通时以V cs为0伏驱动所有晶体管，在晶体管A和B 导通时以Vcs为Vin驱动晶体管A和B，在晶体管C和D导通时以Vcs为Vciut驱动晶体管C和D。在升 降压模式中多模式变换器200的开关顺序为示例性的，此外不存在控制器280使用电荷栗降 低RciN的阶段。在其他实施例中，如本文所公开的多模式变换器可省去升降压模式而只支持 降压模式和升压模式。
[0065] 对于根据特定制造过程中晶体管的击穿电压而采用的特定设计，选择变量k以实 现该设计所需的电压。因此，例如，只要k*VQUT低于击穿电压，便可使k尽可能高。为了保护 HSS不被击穿，在一些实施例中，可将齐纳二极管连接在HSS的栅极和源极之间，从而无需精 确控制所有制程变体的k。
[0066] 图5示出了曲线图500,该曲线图500示出了图2和图3所示升降压变换器在不同输 入电压下的电源变换效率。在曲线图500中，水平轴代表输出电流Iqut，以_安(mA)表不，而 垂直轴代表变换器效率，以百分比表示。在这里例子中，将V qut设定为3.3伏。
[0067] 第一组波形510代表VIN = 2.35伏时测得的电源变换效率并且包括波形512和514。 波形512代表未启用电荷栗送的电源变换效率，而波形514代表已启用电荷栗送的电源变换 效率。从波形组510可以看出，电源变换效率提高约2%至约5%。
[0068] 第二组波形520代表VIN = 2.8伏时测得的电源变换效率并且包括波形522和524。波 形522代表未启用电荷栗送的电源变换效率，而波形514代表已启用电荷栗送的电源变换效 率。从波形组520可以看出，电源变换效率提高约1 %至约3.5%。
[0069] 第二组波形530代表VIN = 3.3伏时测得的电源变换效率并且包括波形532和534。波 形532代表未启用电荷栗送的电源变换效率，而波形534代表已启用电荷栗送的电源变换效 率。从波形组530可以看出，使用电荷栗送，电源变换效率仅略有提高。
[0070] 第四组基本一致的波形540代表VIN = 4.2伏和5.5伏时的电源变换效率。波形540示 出，在这些较高电压下，电源变换效率仅略有提高。
[0071]因此，根据本实用新型所公开实施例的多模式变换器提供较高的电源变换效率， 该电源变换效率对于低Vin(在升压模式中）和低Vqut(在降压模式中）在较高负载电流下提 高。多模式变换器还可在低电压下实现较高电流输出。此外，根据本实用新型所公开实施例 的多模式变换器可得到合算的解决方案，而无需附加的外部组件，也不会造成集成电路管 芯尺寸显著增加。例如，多模式变换器200或多模式变换器300的所有元件均可组合在单个 集成电路中，电感器240除外。电荷栗可仅形成有少量电路面积，因为它们无需开关，因此在 使用时可逐渐升高其输出电压。此外，电荷栗仅需几微安即可维持用于连续导通晶体管的 栅极电压。
[0072] 上文所公开的主题被视为示例性的而非限制性的，并且所附权利要求旨在涵盖落 在权利要求真实范围内的所有此类修改、改进和其他实施例。例如在各种实施例中，仅可使 用N沟道晶体管，而在其他实施例中，可使用N沟道和P沟道晶体管两者。此外，升降压操作是 任选的，在一些实施例中可省略。在各种实施例中，输出电压控制回路可基于电压模式控 制、电流模式控制、或电压控制和电流控制的组合。另外，输入至与电感器第二端子连接的 HSS的电荷栗的电压可基于Vin而非Vqut，虽然Vqut的使用更简单。此外，图2中的电荷栗230和 276以及图3中的电荷栗330和376示出为电压倍增电荷栗。在其他实施例中，这些电荷栗可 将其相应输入电压增加或减少一定偏移量，只要所述偏移量与它们所驱动的晶体管的栅 极-源极击穿电压兼容。
[0073] 因而，本实用新型提供了一种多模式电源变换器(200/300)，所述多模式电源变换 器(200/300)包括:第一晶体管（222)、第二晶体管（224)、第三晶体管（262)和第四晶体管 (264)，所述晶体管具有相应的控制端子并且被布置成四开关升降压(FSBB)配置以用于耦 合至电感器(240);第一驱动器(226)，所述第一驱动器(226)具有用于接收第一开关信号的 输入，以及输出；第一电荷栗（230)，所述第一电荷栗(230)具有输出；第二驱动器(272)，所 述第二驱动器(272)具有用于接收第二开关信号的输入，以及输出；第二电荷栗(276)，所述 第二电荷栗(276)具有输出；以及控制电路(228/232/274/278/280)，所述控制电路用于响 应于所述多模式电源变换器(200)的工作模式，交替地将所述第一驱动器(226)的所述输出 或所述第一电荷栗(230)的所述输出耦合至所述第一晶体管(222)的所述控制端子，以及将 所述第二驱动器(272)的所述输出或所述第二电荷栗(276)的所述输出耦合至所述第四晶 体管(262)的所述控制端子。
[0074] 根据本实用新型的上述多模式电源变换器(200)的一个实施例，其中所述第一晶 体管(222)和第四晶体管(264)包含P沟道MOS晶体管并且所述第二晶体管(224)和第三晶体 管(262)包含N沟道MOS晶体管。
[0075] 根据本实用新型的上述多模式电源变换器(200)的一个实施例，其中所述第一电 荷栗(230)和第二电荷栗(276)包括负电荷栗。
[0076] 根据本实用新型的上述多模式电源变换器(200)的一个实施例，其中所述第一晶 体管(222)具有用于接收输入电压的源极，所述第四晶体管(264)具有用于提供输出电压的 源极，所述第一电荷栗（230)具有用于接收所述输入电压的输入，并且所述第二电荷栗 (276)具有用于接收所述输出电压的输入。
[0077] 根据本实用新型的上述多模式电源变换器(300)的一个实施例，其中第一晶体管 (322)、第二晶体管(324)、第三晶体管(362)和第四晶体管(364)包含N沟道MOS晶体管。
[0078] 根据本实用新型的上述多模式电源变换器(300)的一个实施例，其中所述第一电 荷栗(330)和所述第二电荷栗(376)包括正电荷栗。
[0079] 根据本实用新型的上述多模式电源变换器(300)的一个实施例，其中所述第一晶 体管(322)具有用于接收输入电压的漏极，所述第四晶体管(364)具有用于提供输出电压的 漏极，所述第一电荷栗（330)具有用于接收所述输入电压的输入，并且所述第二电荷栗 (376)具有用于接收所述输出电压的输入。
[0080] 根据本实用新型的上述多模式电源变换器(200/300)的一个实施例，其中所述控 制电路(228/232/274/278/280)包括:第一开关(228)，所述第一开关(228)耦合在所述第一 驱动器(226)的所述输出和所述第一晶体管(222)的所述控制端子之间并且响应于第一控 制信号导通;第二开关(232)，所述第二开关(232)耦合在所述第一电荷栗(230)的所述输出 和所述第一晶体管（222)的所述控制端子之间并且响应于第二控制信号导通；第三开关 (274)，所述第三开关（274)耦合在所述第二驱动器（272)的所述输出和所述第四晶体管 (264)的所述控制端子之间并且响应于第三控制信号导通;第四开关(278)，所述第四开关 (278)耦合在所述第二电荷栗(276)的所述输出和所述第三晶体管(264)的所述控制端子之 间并且响应于第四控制信号导通；以及控制器(280)，所述控制器(280)用于在降压模式和 升降压模式之一中激活所述第一控制信号，在升压模式中激活所述第二控制信号，在所述 升压模式和所述升降压模式之一中激活所述第三控制信号，以及在所述降压模式中激活所 述第四控制信号。
[0081] 本实用新型还提供了一种多模式电源变换器(200/300)，所述多模式电源变换器 (200/300)适于耦合至具有第一端子和第二端子的电感器（240)，并且包括：降压部分 (220)，所述降压部分(220)具有第一高侧开关(222)和第一低侧开关(224)，用于选择性地 将所述电感器(240)的所述第一端子在输入电压端子和基准电压端子之间切换;升压部分 (260)，所述升压部分(260)具有第二高侧开关(264)和第二低侧开关(262)，用于选择性地 将所述电感器(240)的所述第二端子在所述基准电压端子和输出电压端子之间切换；以及 控制器(280)，所述控制器(280)耦合至所述降压部分(220)和所述升压部分(260)，其中在 降压模式中，所述控制器(280)使所述降压部分(220)交替地驱动所述第一高侧开关(222) 和所述第一低侧开关(224)，同时使所述升压部分（260)在所述第二高侧开关(264)的控制 电极上提供第一电荷栗送电压，而在升压模式中，所述控制器(280)使所述升压部分(260) 交替地驱动所述第二高侧开关（264)和所述第二低侧开关（262)，同时使所述降压部分 (220)在所述第一高侧开关(222)的控制电极上提供第二电荷栗送电压。
[0082] 根据本实用新型的上述多模式电源变换器(200)的一个实施例，其中当所述输入 电压端子上的所述输入电压大于所述输出电压端子上的所述输出电压时，所述控制器 (280)处于所述降压模式，当所述输入电压小于所述输出电压时，所述控制器(280)处于所 述升压模式。
[0083]根据本实用新型的上述多模式电源变换器(200)的一个实施例，其中当所述输入 电压大致等于所述输出电压时所述控制器(280)处于升降压模式，并且在所述升降压模式 中，所述控制器(280)使所述降压部分(220)交替地驱动所述第一高侧开关(222)和所述第 一低侧开关(224)，并且使所述升压部分(260)使用基于反馈信号的占空比。
[0084]根据本实用新型的上述多模式电源变换器(200)的一个实施例，其中在所述降压 模式中，所述控制器(280)还使所述升压部分(260)保持所述第二低侧开关(262)不导通，而 在所述升压模式中，所述控制器（280)还使所述降压部分（220)保持所述第一低侧开关 (222)不导通。
[0085] 根据本实用新型的上述多模式电源变换器(200)的一个实施例，其中所述第一高 侧开关(222)和第二高侧开关(264)包含P沟道MOS晶体管，并且所述第一电荷栗送电压和所 述第二电荷栗送电压包括负电压。
[0086] 根据本实用新型的上述多模式电源变换器(200)的一个实施例，其中所述第一高 侧开关(322)和第二高侧开关(364)包含N沟道MOS晶体管，并且所述第一电荷栗送电压和所 述第二电荷栗送电压包括正电压。
[0087]本实用新型还提供了一种操作四开关升降压(FSBB)电源变换器（200)的方法，所 述方法包括:将第一晶体管(222)作为电感器(240)的第一端子的高侧开关親合，并且将第 二晶体管（224)作为所述电感器（240)的所述第一端子的低侧开关耦合；将第三晶体管 (262)作为所述电感器(240)的第二端子的低侧开关耦合，并且将第四晶体管（264)作为所 述电感器(240)的所述第二端子的高侧开关耦合;在所述第一晶体管(222)的第一端子上接 收输入电压;在所述第四晶体管（264)的第一端子上提供输出电压;在降压模式中：禁用所 述第三晶体管（262);响应于反馈信号在第一可变占空比下，驱动所述第一晶体管（222)和 所述第二晶体管(224);电荷栗送第一预定电压从而提供第一电荷栗送电压；以及使用所述 第一电荷栗送电压偏置所述第四晶体管(264)的栅极。
[0088] 根据本实用新型的上述方法的一个实施例，其中电荷栗送所述第一预定电压包括 电荷栗送所述输出电压从而提供所述第一电荷栗送电压。
[0089] 根据本实用新型的上述方法的一个实施例，其中电荷栗送所述第一预定电压包括 根据所述第四晶体管(264)的击穿电压电荷栗送所述第一预定电压。
[0090] 根据本实用新型的上述方法的一个实施例，还包括在升压模式中：禁用所述第二 晶体管（224);响应于所述反馈信号在第二可变占空比下，驱动所述第三晶体管（262)和所 述第四晶体管(264);电荷栗送第二预定电压从而提供第二电荷栗送电压；以及使用所述第 二电荷栗送电压偏置所述第一晶体管(222)的栅极。
[0091] 根据本实用新型的上述方法的一个实施例，其中电荷栗送所述第二预定电压包括 电荷栗送所述输入电压从而提供所述第二电荷栗送电压。
[0092] 根据本实用新型的上述方法的一个实施例，其中电荷栗送所述第二预定电压包括 根据所述第一晶体管(222)的击穿电压电荷栗送所述第二预定电压。
[0093] 因而，在法律允许的最大程度上，本实用新型的范围由以下权利要求书及其等价 内容所容许的最宽泛解释所确定，并且不应受到前述详细说明的约束或限制。
【主权项】
1. 一种多模式电源变换器(200/300)，其特征在于，所述多模式电源变换器(200/300) 包括： 第一晶体管（222)、第二晶体管(224)、第三晶体管(262)和第四晶体管（264)，各晶体管 具有相应的控制端子并且被布置成四开关升降压(FSBB)配置以用于耦合至电感器(240); 第一驱动器（226)，所述第一驱动器(226)具有用于接收第一开关信号的输入，以及输 出； 第一电荷栗(230)，所述第一电荷栗(230)具有输出； 第二驱动器(272)，所述第二驱动器(272)具有用于接收第二开关信号的输入，以及输 出； 第二电荷栗(276)，所述第二电荷栗(276)具有输出；以及 控制电路（228/232/274/278/280)，所述控制电路用于响应于所述多模式电源变换器 (200)的工作模式，交替地将所述第一驱动器(226)的所述输出或所述第一电荷栗（230)的 所述输出耦合至所述第一晶体管(222)的所述控制端子，以及将所述第二驱动器(272)的所 述输出或所述第二电荷栗(276)的所述输出耦合至所述第四晶体管(262)的所述控制端子。2. 根据权利要求1所述的多模式电源变换器(200)，其中所述第一晶体管（222)和第四 晶体管（264)包括P沟道MOS晶体管并且所述第二晶体管（224)和第三晶体管（262)包括N沟 道MOS晶体管。3. 根据权利要求2所述的多模式电源变换器(200 )，其中所述第一电荷栗（230)和第二 电荷栗(276)包括负电荷栗，其中所述第一晶体管(222)具有用于接收输入电压的源极，所 述第四晶体管(264)具有用于提供输出电压的源极，所述第一电荷栗(230)具有用于接收所 述输入电压的输入，并且所述第二电荷栗(276)具有用于接收所述输出电压的输入。4. 根据权利要求1所述的多模式电源变换器(300)，其中第一晶体管(322)、第二晶体管 (324)、第三晶体管(362)和第四晶体管(364)包括N沟道MOS晶体管。5. 根据权利要求4所述的多模式电源变换器(300)，其中所述第一电荷栗(330)和所述 第二电荷栗(376)包括正电荷栗。6. 根据权利要求4所述的多模式电源变换器(300)，其中所述第一晶体管(322)具有用 于接收输入电压的漏极，所述第四晶体管(364)具有用于提供输出电压的漏极，所述第一电 荷栗(330)具有用于接收所述输入电压的输入，并且所述第二电荷栗(376)具有用于接收所 述输出电压的输入。7. 根据权利要求1所述的多模式电源变换器(200/300)，其中所述控制电路(228/232/ 274/278/280)包括： 第一开关（228)，所述第一开关（228)親合在所述第一驱动器(226)的所述输出和所述 第一晶体管(222)的所述控制端子之间并且响应于第一控制信号导通； 第二开关(232)，所述第二开关(232)耦合在所述第一电荷栗(230)的所述输出和所述 第一晶体管(222)的所述控制端子之间并且响应于第二控制信号导通； 第三开关（274)，所述第三开关（274)耦合在所述第二驱动器(272)的所述输出和所述 第四晶体管(264)的所述控制端子之间并且响应于第三控制信号导通； 第四开关(278)，所述第四开关(278)耦合在所述第二电荷栗(276)的所述输出和所述 第三晶体管(264)的所述控制端子之间并且响应于第四控制信号导通；以及 控制器(280)，所述控制器(280)用于在降压模式和升降压模式之一中激活所述第一控 制信号，在升压模式中激活所述第二控制信号，在所述升压模式和所述升降压模式之一中 激活所述第三控制信号，以及在所述降压模式中激活所述第四控制信号。8. -种多模式电源变换器(200/300)，所述多模式电源变换器(200/300)适于耦合至具 有第一端子和第二端子的电感器(240 )，其特征在于，包括： 降压部分（220)，所述降压部分（220)具有第一高侧开关（222)和第一低侧开关（224)， 用于选择性地将所述电感器(240)的所述第一端子在输入电压端子和基准电压端子之间切 换； 升压部分（260)，所述升压部分（260)具有第二尚侧开关（264)和第二低侧开关（262)， 用于选择性地将所述电感器(240)的所述第二端子在所述基准电压端子和输出电压端子之 间切换；以及 控制器（280)，所述控制器（280)耦合至所述降压部分（220)和所述升压部分（260)，其 中在降压模式中，所述控制器（280)使所述降压部分(220)交替地驱动所述第一高侧开关 (222)和所述第一低侧开关(224)，同时使所述升压部分(260)在所述第二高侧开关(264)的 控制电极上提供第一电荷栗送电压，而在升压模式中，所述控制器(280)使所述升压部分 (260)交替地驱动所述第二高侧开关（264)和所述第二低侧开关(262)，同时使所述降压部 分(220)在所述第一高侧开关(222)的控制电极上提供第二电荷栗送电压。9. 根据权利要求8所述的多模式电源变换器(200)，其中当所述输入电压端子上的所述 输入电压大于所述输出电压端子上的所述输出电压时，所述控制器(280)处于所述降压模 式，并且在所述降压模式中，所述控制器(280)还使所述升压部分（260)保持所述第二低侧 开关(262)不导通， 其中当所述输入电压小于所述输出电压时，所述控制器(280)处于所述升压模式，并且 在所述升压模式中，所述控制器（280)还使所述降压部分（220)保持所述第一低侧开关 (222)不导通，并且 其中当所述输入电压大致等于所述输出电压时所述控制器(280)处于升降压模式，并 且在所述升降压模式中，所述控制器(280)使所述降压部分(220)交替地驱动所述第一高侧 开关(222)和所述第一低侧开关(224)，并且使所述升压部分(260)使用基于反馈信号的占 空比。10. 根据权利要求8所述的多模式电源变换器(200)，其中所述第一高侧开关(222)和第 二高侧开关(264)包括P沟道MOS晶体管或咐勾道MOS晶体管，并且 当包括P沟道MOS晶体管时所述第一电荷栗送电压和所述第二电荷栗送电压包括负电 压，当包括N沟道MOS晶体管时所述第一电荷栗送电压和所述第二电荷栗送电压包括正电 压。
【文档编号】H02M3/156GK205490148SQ201620270231
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月1日
【发明人】B·莱曼, S·雷蒙德
【申请人】半导体元件工业有限责任公司