单功率相降压和升压转换器的制作方法

单功率相降压和升压转换器
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年12月10日提交的标题为“driver monitoring system dual boost to buck single power stage”的美国临时专利申请第63/123,559号的优先权，该申请通过引用其整体并入本文。


背景技术：

3.诸如可以在汽车或其他交通工具中实施的操作员感知(awareness)或监控系统可以包括相机和红外(ir)发光二极管(led)。ir led可以由驱动器驱动，该驱动器大约在相机捕获照片时向ir led提供电流脉冲，使得基于ir led照亮照片中捕获的环境的至少一部分。驱动器可以包括功率转换器或接收基于功率转换器的功率。


技术实现要素：

4.在一个示例中，一种装置包括第一晶体管、开关、二极管、电容器、分压器、第二晶体管、电阻器和控制器。第一晶体管具有第一晶体管漏极、第一晶体管源极和第一晶体管栅极。开关适于通过电感器将电源耦合到第一晶体管漏极。二极管具有二极管阴极和二极管阳极，二极管阴极耦合到第一晶体管漏极。电容器耦合在二极管阳极和接地之间。分压器耦合在二极管阳极和接地之间，并具有分压器输出。第二晶体管具有第二晶体管源极和第二晶体管栅极。电阻器耦合在二极管阳极和第二晶体管源极之间。控制器耦合到第一晶体管栅极、第一晶体管源极、分压器输出、二极管阳极、第二晶体管栅极和第二晶体管源极。
5.在一个示例中，一种装置包括第一晶体管、二极管、电容器、分压器、第二晶体管、电阻器和控制器。第一晶体管具有第一晶体管漏极、第一晶体管源极和第一晶体管栅极，第一晶体管漏极适于耦合到电感器。二极管具有二极管阴极和二极管阳极，二极管阴极耦合到第一晶体管漏极。电容器耦合在二极管阳极和接地之间。分压器耦合在二极管阳极和接地之间，并具有分压器输出。第二晶体管具有第二晶体管源极和第二晶体管栅极。电阻器耦合在二极管阳极和第二晶体管源极之间。控制器耦合到第一晶体管栅极、第一晶体管源极、分压器输出、二极管阳极、第二晶体管栅极和第二晶体管源极。控制器被配置为在升压操作模式下控制第一晶体管与电感器相互作用，以对从电源接收的信号的值进行升压以对电容器充电。
6.在一个示例中，一种系统包括相机、红外(ir)发光二极管(led)、耦合到ir led的驱动器，以及第一控制器。第一控制器耦合到相机和驱动器，并被配置为向相机和驱动器提供控制信号，以使驱动器在相机捕获图像时使ir led发射ir光。驱动器包括第一晶体管、二极管、电容器、分压器、第二晶体管、电阻器和第二控制器。第一晶体管具有第一晶体管漏极、第一晶体管源极和第一晶体管栅极，第一晶体管漏极适于耦合到电感器。二极管具有二极管阴极和二极管阳极，二极管阴极耦合到第一晶体管漏极。电容器耦合在二极管阳极和接地之间。分压器耦合在二极管阳极和接地之间，并具有分压器输出。第二晶体管具有第二晶体管源极和第二晶体管栅极。电阻器耦合在二极管阳极和第二晶体管源极之间。第二控
制器耦合到第一晶体管栅极、第一晶体管源极、分压器输出、二极管阳极、第二晶体管栅极和第二晶体管源极。
附图说明
7.图1是根据各种示例的系统的图示。
8.图2是根据各种示例的驱动器的电路图示。
9.图3是根据各种示例的波形的图示。
10.图4是根据各种示例的方法的流程图。
11.在附图中使用相同的附图标记(或其他特征标识符)来表示相同或相似(在功能和/或结构上)的特征。
具体实施方式
12.如上所述，操作员感知系统中的ir led可以由驱动器驱动，该驱动器大约在相机捕获照片时向ir led提供电流脉冲，使得基于ir led照亮照片中捕获的环境的至少一部分。驱动器可以用电流脉冲来驱动ir led，在ir led的正向电压为约7伏特(v)的情况下，该电流脉冲尺寸窄，诸如小于约2毫秒，但值大，诸如约5安培(a)或更大。为了降低成本以及重量，ir led可以经由导体(诸如导线)耦合到驱动器，该导体在直径或尺度(gauge)上相对窄。大值电流脉冲和窄尺度导体的组合可能导致在导体上发生的电压降也大。在一些示例中，诸如如果导体是系统的电力线，则电压降可能导致至少一些部件复位。例如，电压降可能导致驱动器复位。
13.为了减轻电压降的影响，可以对电力线提供的电压进行升压，诸如经由升压转换器。例如，升压转换器对电压进行升压并在电容器中储存电流。响应于用于点亮ir led的触发信号，降压转换器可以激活并使电容器放电，从而向ir led提供电流脉冲。然而，升压转换器和降压转换器是包括两个电感器的两功率级解决方案。这增加了解决方案的部件数量和物理占用空间尺寸，直接和间接地增加了解决方案的成本，并使解决方案变得不实用、不利或不适合于某些应用环境。
14.本说明书描述了减轻上述电压降的影响的单功率级解决方案。在至少一些示例中，单功率级包括根据电压模式控制进行操作以对电容器充电的升压模式和根据电流模式控制进行操作以对电容器放电并向负载提供电流脉冲的降压模式。在一些示例中，升压模式和降压模式各自由单独的晶体管实施。在其他示例中，使用相同的晶体管来实施升压模式和降压模式。
15.图1是根据各种示例的系统100的图示。在至少一些示例中，系统100表示驾驶员或操作员感知或监控系统，诸如在汽车或其他交通工具中。因此，在至少一些示例中，系统100在汽车的仪表组中实施。在其他示例中，尽管图1中未示出，但系统100可以在任何其他合适的位置中实施，诸如转向或控制柱、信息娱乐中心、后视镜等。如图1所示，系统100包括相机102、ir led 104、驱动器106和控制器108。控制器108可以耦合到相机102和驱动器106，驱动器106可以进而耦合到ir led 104。相机102、ir led 104、驱动器106和控制器108可以从电源110接收功率。虽然在图1中示出了单个ir led 104，但在至少一些示例中，任何数量的ir led 104或任何类型的led可以耦合到驱动器106。
16.在系统100的操作的示例中，控制器108可以被配置为向相机102和驱动器106提供控制信号。控制信号(如果是有效的(asserted))可以使相机102捕获图像，并使驱动器106向ir led 104提供电流脉冲，以使ir led 104发射ir光，照亮被包括在由相机102捕获的图像中的区域的至少一部分。在至少一些示例中，驱动器106包括用于提供电流脉冲的单个功率级(例如，包括单个电感器，或适于耦合到单个电感器)。例如，当控制信号无效(deasserted)时，驱动器106可以在升压操作模式下操作功率级，以对诸如电容器(未示出)的能量存储设备充电。响应于控制信号的有效，驱动器106可以在降压操作模式下操作功率级，以对能量存储设备进行放电，从而向ir led 104提供电流。在至少一些示例中，升压操作模式和降压操作模式可以由驱动器106的相同功率级来实施。
17.图2是根据各种示例的驱动器106的电路图示。在至少一些示例中，驱动器106包括开关202、二极管204、晶体管206、电阻器208、控制器210、晶体管212、电阻器214、二极管216、电阻器218、电阻器220、电容器222、电阻器224和晶体管226。驱动器106可适于耦合到电感器228、电容器230和负载232。在至少一些示例中，负载232包括ir led。驱动器106还可适于耦合到电源110。
18.在驱动器106的示例架构中，开关202适于耦合在电源110和节点234之间。在至少一些示例中，开关202还耦合到控制器210，使得控制器210向开关202提供控制信号以使开关202在其端子之间导通或不导通。二极管204可以具有耦合到节点234的阳极和适于耦合到接地电压电位236的阴极。驱动器106可以适于耦合到节点234和节点238之间的电感器228。晶体管206可以具有耦合到节点238的漏极、通过电阻器208耦合到接地电压电位236的源极，以及栅极端子。晶体管212可以具有耦合到节点238的漏极、通过电阻器214耦合到接地电压电位236的源极，以及栅极端子。二极管216可以耦合在节点238和节点240之间。电阻器218和电阻器220可以串联耦合在节点240和接地电压电位236之间，以便在节点240和接地电压电位236之间形成分压器。电容器222可以耦合在节点240和接地电压电位236之间。晶体管226可以具有通过电阻器224耦合到节点240的源极端子、耦合到节点242的漏极，以及栅极。在至少一些示例中，节点242是驱动器106的输出节点。因此，驱动器106可以适于耦合到节点242和节点234之间的电容器230和负载232。
19.控制器210可具有第一个输入，其被配置为接收控制信号，诸如来自控制器108的控制信号，如上所述。控制器210可以具有耦合到晶体管206的源极的第二输入、耦合到晶体管212的源极的第三输入、耦合到由电阻器218和电阻器220形成的分压器的输出的第三输入、耦合到节点240的第四输入和耦合到晶体管226的源极的第五输入。控制器210还可以具有耦合到开关202的第一输出、耦合到晶体管206的栅极的第二输出、耦合到晶体管212的栅极的第三输出和耦合到晶体管226的栅极的第四输出。
20.在驱动器106的操作的示例中，控制器210接收控制信号(pwm)。在至少一些示例中，具有有效值的pwm使驱动器106向负载232提供电流，并且具有无效值的pwm使驱动器106关闭负载232。响应于接收到具有无效值的pwm，控制器210可以控制开关202闭合，从而将节点234电耦合到电源110。进一步响应于接收到具有无效值的pwm，控制器210可以控制晶体管212和晶体管226各自为不导通(例如，“关断”)。控制器210还可以控制晶体管206以占空比接通和关断，该占空比被配置为与节点234处提供的电压相比，增加节点238处提供的信号的电压。例如，控制器210控制晶体管206以一种模式接通和关断，该模式被配置为使晶体
管206和电感器228作为升压功率转换器或升压开关转换器操作。二极管216可以将节点238处提供的电压(减去由二极管216引起的任何正向电压降)传递到节点240。节点240处提供的电压可以对电容器222充电并且被晶体管226阻止通向负载232。在至少一些示例中，控制器210通过调节节点240处提供的电压的值在恒压模式下控制晶体管206。在至少一些示例中，控制器210基于由电阻器218和电阻器220形成的分压器的输出处提供的电压来监控节点240处提供的电压。
21.响应于接收到具有有效值的pwm，控制器210可以控制开关202断开，从而将节点234与电源110电去耦合。二极管204可以钳位节点234处提供的电压，从而在电感器228中存储的电流完全放电之前控制开关202断开的情况下，防止节点234处提供的电压变为负。进一步响应于接收到具有有效值的pwm，控制器210可以控制晶体管206关断且晶体管226导通(例如，“接通”)。控制器210还可以控制晶体管212以占空比接通和关断，该占空比被配置为降低节点238处提供的信号的电压。例如，控制器210控制晶体管212以一种模式接通和关断，该模式被配置为使晶体管212和电感器228作为降压功率转换器或降压开关转换器操作。二极管216作为阻断晶体管操作，其防止电流从节点240流到节点238，使得电流可以从电容器222通过电阻器224和晶体管226流到负载232。在至少一些示例中，控制器210通过调节流过电阻器224的电流的值来在恒流模式下控制晶体管212。
22.在至少一些示例中，虽然在图2中未示出，但晶体管212和电阻器214可以从驱动器106中省略。替代地，晶体管206和电阻器208可以从驱动器106中省略，在这种情况下晶体管212和电阻器214将以如下文将关于晶体管206和电阻器208描述的大体相同的方式操作。在这样的示例中，控制器210可以基于pwm的值并且因此基于开关202是闭合还是断开来控制晶体管206连同电感器228一起既作为升压转换器又作为降压转换器操作。例如，响应于接收到具有无效值的pwm，控制器210可以控制晶体管226关断并且控制晶体管206以占空比接通和关断，该占空比被配置为与节点234处提供的电压相比增加节点238处提供的信号的电压，使得晶体管206和电感器228作为升压功率转换器或升压开关转换器操作。二极管216可以将节点238处提供的电压(减去由二极管216引起的任何正向电压降)传递到节点240。节点240处提供的电压可以对电容器222充电，并且被晶体管226阻止通向负载232。在至少一些示例中，控制器210通过调节节点240处提供的电压的值来在恒压模式下控制晶体管206。
23.响应于接收到具有有效值的pwm，控制器210可以控制晶体管206以占空比接通和关断，该占空比被配置为降低节点238处提供的信号的电压。例如，控制器210控制晶体管206以一种模式接通和关断，该模式被配置为使晶体管206和电感器228作为降压功率转换器或降压开关转换器操作。二极管216作为阻断晶体管操作，其防止电流从节点240流到节点238，使得电流可以从电容器222通过电阻器224和晶体管226流到负载232。在至少一些示例中，控制器210通过调节流过电阻器224的电流的值来在恒流模式下控制晶体管206。
24.图3是根据各种示例的信号波形的图示300。在一些示例中，图示300的至少一些波形对应于系统100和/或驱动器106中存在的信号。因此，在描述图示300时，可以参考系统100的部件和/或信号。图示300示出了电源110的电流(i
source
)，在一些示例中电源110可以是电池，具有代表电流的竖直轴线和代表时间的水平轴线。图示300还示出了负载232的电流(i
load
)，在一些示例中负载232可以包括led，诸如ir led，具有代表电流的竖直轴线和代表时间的水平轴线。图示300还示出了节点240处提供的电压(v
store
)，具有代表电压的竖直
轴线和代表时间的水平轴线。图示300还示出了电感器228的电流(i
l
)，具有代表电流的竖直轴线和代表时间的水平轴线。图示300还示出了pwm，具有代表电压的竖直轴线和代表时间的水平轴线。
25.如图示300所示，响应于pwm变无效，基于由晶体管206和电感器228形成的升压转换器的操作，以及从电源110汲取的电流，v
store
的值增加。响应于v
store
达到由升压转换器的调节点定义的阈值，晶体管206和电感器228从电源110汲取的电流停止。响应于pwm的有效，v
store
的值随着电容器222放电并且基于由晶体管212(或晶体管206)和电感器228形成的降压转换器的操作而降低。基于电容器222的放电和从电容器222流到负载232的电流，i
load
的值增加。
26.图4是根据各种示例的方法400的流程图。在一些示例中，方法400至少部分地由驱动器106来实施，诸如经由控制器210。因此，在描述方法400时，可以参考系统100的部件和/或信号。在至少一些示例中，方法400被实施为基于共享单功率级的降压和升压操作来向负载提供负载电流。
27.在操作402处，接收具有无效值的控制信号。在操作404处，响应于接收到具有无效值的控制信号，控制器根据升压操作模式控制第一晶体管操作以增加由电源(诸如电源110)提供的电压。控制器可以根据恒压模式控制方案控制第一晶体管。在至少一些示例中，电容器或其他能量存储设备可以基于增加的电压充电。
28.在操作406处，接收具有有效值的控制信号。在操作408处，响应于接收到具有有效值的控制信号，控制器根据降压操作模式控制第二晶体管操作以使充电的能量存储设备向负载放电。控制器可以根据恒流模式控制方案控制第二晶体管。在一些示例中，控制器可以替代地根据降压操作模式控制第一晶体管操作以使充电的能量存储设备向负载放电，根据恒流模式控制方案控制第一晶体管。
29.在本说明书中，术语“耦合”可以涵盖实现与本说明书一致的功能关系的连接、通信或信号路径。例如，如果设备a提供信号来控制设备b执行动作，那么：(a)在第一示例中，设备a直接耦合到设备b；或(b)在第二示例中，如果中间部件c没有实质性地改变设备a和设备b之间的功能关系，则设备a通过中间部件c间接耦合到设备b，因此设备b经由设备a提供的控制信号由设备a控制。
30.被“配置为”执行任务或功能的设备可以在制造时被制造商配置(例如，编程和/或硬连线)以执行该功能，和/或可以是在制造后由用户可配置(或可重新配置)以执行该功能和/或其他附加或替代功能。配置可以通过设备的固件和/或软件编程、通过硬件部件的构造和/或布局和设备的互连、或它们的组合。
31.本文描述为包括某些部件的电路或设备可以替代地适于耦合到那些部件以形成所描述的电路系统或设备。例如，被描述为包括一个或多个半导体元件(诸如晶体管)、一个或多个无源元件(诸如电阻器、电容器和/或电感器)和/或一个或多个源(诸如电压和/或电流源)的结构可以替代地在单个物理设备(例如，半导体管芯和/或集成电路(ic)封装)内仅包括半导体元件，并且可以适于在制造时或制造后(诸如由终端用户和/或第三方)耦合到无源元件和/或源中的至少一些以形成所描述的结构。本文描述的电路可重新配置以包括替换部件以提供至少部分类似于在部件替换之前可用的功能的功能。
32.虽然某些部件在本文中可能被描述为具有特定工艺技术，但是这些部件可以被替
换为其他工艺技术的部件。本文描述的电路可重新配置以包括替换部件以提供至少部分类似于在部件替换之前可用的功能的功能。除非另有说明，否则示出为电阻器的部件通常代表串联和/或并联耦合以提供由所示电阻器表示的阻抗量的任何一个或多个元件。例如，本文示出和描述为单个部件的电阻器或电容器可以分别替代地是多个电阻器或电容器，它们串联或并联耦合在与单个电阻器或电容器相同的两个节点之间。
33.本说明书中使用的短语“接地电压电位”包括底盘接地、大地接地、浮置接地、虚拟接地、数字接地、公共接地和/或适用于或适合于本说明书的教导的任何其他形式的接地连接。除非另有说明，数值前面的“约”、“大约”或“基本上”是指所述数值的+/-10％。
34.如本文所用，术语“端子”、“节点”、“互连”、“引脚”和“引线”可互换使用。除非有相反的具体说明，否则这些术语通常用于表示设备元件、电路元件、集成电路、设备或其他电子或半导体部件之间的互连或端子。
35.在权利要求的范围内，所描述的示例中的修改是可能的，并且其他示例也是可能的。