利用数字电流感测的DC/DC转换器的制作方法

背景技术：

本发明大体来说涉及调节式dc/dc电压转换器，且更特定来说涉及确定调节式dc/dc电压转换器的电感器中的电流。

调节式dc/dc电压转换器通常为操作电路(举例来说，用于各种各样的应用中的半导体装置中的集成电路)提供经调节电力。集成电路通常在操作期间需要在特定参数内的电力提供。此电力提供可面对许多复杂情况。举例来说，包含集成电路的半导体芯片可具有同时或在不同时间需要电力的不同部分，不同部分可需要在不同参数内的电力，且一些部分可在不同时间利用不同量的电力。使事情复杂化的是，一些装置可由具有相对小容量的电池供电，而所述装置本身至少在各种时间可需要大量电力。

为集成电路提供大量电力可潜在地对装置有损坏。出于此原因及其它原因，调节式电压转换器可尝试通过电压转换器的输出电感器来监测提供到负载的电流。举例来说，此可通过测量跨越与输出电感器串联的电阻元件的电压降而实现。不幸地，此监测在不断执行或甚至在规则基础上执行的情况下可导致可用电力的过度浪费。

另外，在许多情形中，操作电路的电力需要可在很大程度上变化，且在短时间帧内在很大程度上变化。在面对所要输出电力的突然改变时恰当地控制转换器操作可难以实现。此困难可在关于由转换器向负载供应的电流的信息不可用的情况下增加。再次，不幸地，为执行电流监测而对可用电力的浪费可在所要输出电力突然激增的时间期间是特别不合意的。

技术实现要素：

本发明的各方面涉及dc/dc开关转换器且涉及确定dc/dc开关转换器中的输出电感器电流。本发明的一个方面提供一种为dc/dc开关调节器确定输出电感器电流的方法，所述dc/dc开关调节器包含耦合输出电感器的各端的旁路开关及输出电容器，所述方法包括：确定其间使所述旁路开关断开的第一时间周期内所述输出电容器的第一电容器电压改变；基于所述第一电容器电压改变、所述第一时间周期及所述电容器的电容而确定第一电容器电流值；确定其间使所述旁路开关闭合的第二时间周期内所述输出电容器的第二电容器电压改变；基于所述第二电容器电压改变、所述第二时间周期及所述电容器的所述电容而确定第二电容器电流值；及将所述第一电容器电流值与所述第二电容器电流值求和以获得输出电感器电流的指示。

本发明的另一方面提供一种适用于控制开关电压调节器的方法，所述开关电压调节器具有跨越输出电感器耦合的旁路开关，其中所述旁路开关在旁路模式中闭合且在其它模式中断开，所述输出电感器的一端耦合到所述开关调节器的高侧开关与低侧开关之间的节点且另一端耦合到输出电容器，所述方法包括：确定所述输出电容器的第一电容器电流；确定针对当前时钟循环是否启用所述旁路模式；如果针对所述当前时钟循环启用所述旁路模式，那么基于所述第一电容器电流而设定输出电流值；如果针对所述当前时钟循环未启用所述旁路模式，那么基于所述第一电容器电流而设定第二电容器电流值；及基于所述输出电流值及所述第二电容器电流值而确定所述输出电感器的电感器电流。

在审阅本揭示内容后将更全面地理解本发明的这些及其它方面。

附图说明

图1是根据一实施例的调节式dc/dc开关转换器的电路图。

图2a、2b、2c图解说明图1的转换器的操作。

图3是根据本发明的各方面的包含电感器输出确定电路的调节式dc/dc开关转换器的电路图。

图4是展示根据本发明的各方面适用的模/数比较器的比较器电压配置的图表。

图5是根据本发明的各方面的适用于控制dc/dc电压转换器的过程的流程图。

具体实施方式

图1是根据实施例的调节式dc/dc转换器的电路图。参考图1，转换器包含高侧开关111、低侧开关113、旁路开关115、输出电感器117、输出电容器119及控制所述高侧开关、低侧开关及旁路开关的控制器121。举例来说，所述开关可以mosfet晶体管形成，其中p沟道mos晶体管形成高侧开关且n沟道mos晶体管形成低侧开关及旁路开关。高侧开关的第一端子连接到提供输入电压的电压源。高侧开关的第二端子连接到输出电感器的第一端子、低侧开关的第一端子及旁路开关的第一端子。低侧开关的第二端子连接到低电压源，例如，接地。输出电感器的第二端子连接到旁路开关的第二端子且连接到输出电容器的第一端子，所述输出电容器将输出电压供应到负载123的一个端子，所述负载的另一端子连接到接地。输出电压通常低于输入电压。输出电容器的第二端子连接到接地。

控制器可接收指示输出电压、输入电压、输出电感器电流的信号以及用于执行通常通过断开或闭合高侧开关、低侧开关及旁路开关而实现的调节功能的可能其它信号。控制器通常通过形成用于控制高侧开关、低侧开关及旁路开关的控制信号而控制那些开关的状态。通常，控制器经配置以依据输入及输出电压、输出电感器电流以及可能负载电流而产生控制信号。控制信号在闭合高侧开关、低侧开关及旁路开关时通常是排他地，使得在任何时间所述开关中的不超过一者被闭合而所述开关中的其它开关断开。

图2a、2b、2c图解说明图1的转换器的操作。在图2a中，高侧开关接通(闭合)，而低侧开关及旁路开关断开。因此，电流从供应输入电压的电压源流动穿过输出电感器、穿过电容器且到达负载。在图2b中，低侧开关接通，而高侧开关及旁路开关断开。因此，电流流动穿过输出电感器、穿过电容器且穿过负载到达接地。针对图2a及2b两者的情况，电感器电流具有与电容器相关联的分量及与负载相关联的分量。与电容器相关联的电流分量是电容器的电容与电容器电压相对于时间的导数的乘积，或者ic＝cdv/dt。在数字域中，此可近似为icn＝c(vn-vn-1)/t或icn(z)＝(c/t)v(1-z^-1)，其中t是样本之间的时间。

在图2c中，旁路开关接通，而高侧开关及低侧开关断开。因此，电流在由输出电感器形成的环路中流动，且电容器通过负载放电。在此状态中，负载电流排他地由电容器供应。在负载电流排他地由电容器供应的情况下，iout＝cdv/dt，其可在数字域中近似为或iout(z)＝(c/t)v(1-z^-1)，其中t是样本之间的时间。

通常，在包含图2a到2c的电路的调节式开关转换器的操作期间，在开关状态变化时负载电流应为大体恒定的。因此，电感器电流是在转换器处于如由图2a或2b指示的状态时确定的电容器电流ic与在转换器处于如由图2c指示的状态时确定的负载电流iout的和，或者il＝ic+iout。

图3是根据本发明的各方面的包含电感器输出确定电路的调节式dc/dc开关转换器的电路图。如同图1的调节式dc/dc开关转换器，转换器包含高侧开关311、低侧开关313、旁路开关315、输出电感器317、输出电容器319及控制所述高侧开关、低侧开关及旁路开关的控制器321。高侧开关与低侧开关串联耦合于第一电压源与第二电压源之间。第一电压源处于比第二电压源高的电压，其中高侧开关将第一电压源耦合到低侧开关，且低侧开关将第二电压源耦合到高侧开关。

输出电感器的一端耦合到高侧开关与低侧开关之间的节点。输出电感器的另一端耦合到输出电容器及负载323。出于说明性目的，输出电感器的另一端还展示寄生电阻325，其中所述寄生电阻(举例来说)由输出电感器及相关联电路路径提供。

如同图1的开关转换器，控制器可接收指示输出电压、输入电压、输出电感器电流的信号以及用于执行通常通过断开或闭合高侧开关、低侧开关及旁路开关而实现的调节功能的可能其它信号。控制器通常通过形成用于控制高侧开关、低侧开关及旁路开关的控制信号而控制那些开关的状态。通常，控制器经配置以依据输入及输出电压、输出电感器电流以及可能负载电流而产生控制信号。控制信号在闭合高侧开关、低侧开关及旁路开关时通常是排他地，使得在任何时间所述开关中的不超过一者被闭合而所述开关中的其它开关断开。电感器电流il通过电感器。当高侧开关或低侧开关闭合时，电感器电流提供电容器电流ic及负载电流iout。当替代地旁路开关闭合时，电感器电流循环穿过旁路开关，且负载电流iout由电容器提供，其中由电容器提供的电流在图3中展示为虚线。

模/数转换器(adc)331也耦合到输出电感器、输出电容器及负载之间的节点。adc将所述节点上的电压信号转换为数字值。由于所述节点耦合到输出电容器的输出，因此所述电压信号可被视为输出电容器电压(或简单地输出电压、经调节电压或负载电压)，且数字值可称作数字输出电容器电压。在一些实施例中，adc提供大于8位的输出。在各种实施例中，adc在对到负载的电力的电压调节期间提供跨越在输出电容器的预期或所要输出电压的2％内的范围的大于8位的有意义输出。在一些实施例中，adc包含至少10个比较器，其经配置以在对到负载的电力的电压调节期间将输出电容器电压与各自在输出电容器的预期或所要输出电压的约2％内的不同参考电压进行比较。如图4的图表中所展示，在一些实施例中，5个比较器经配置以将输出电容器电压与介于参考电压的100.25％和参考电压电平的102.25％之间的电压电平进行比较，其中另外5个比较器经配置以将输出电容器电压与介于参考电压的97.75％和99.75％之间的电压电平进行比较。

数字输出电容器电压提供到控制器，且提供到电流确定块333。电流确定块有效地确定电容器电流的指示。如此做，在大多数实施例中，电流确定块利用电容器电流与电容器电压(其与电容器的电容成比例)随时间的改变之间的关系。大体来说，针对电容器，i＝c*dv/dt，其可近似为i＝c*(vn-v(n-1))/(tn-t(n-1))。因此，在一些实施例中，电流确定块包含用于存储在第一时间取样的数字输出电容器电压的锁存器或其它存储器、用于确定所存储数字输出电容器电压与在第二时间取样的数字输出电容器电压之间的差的电路、用于将所述值除以指示第二时间与第一时间之间的差的值(或将所述值乘以所述时间差的倒数)并以指示输出电容器的电容的标量使结果按比例扩缩的电路。在一些实施例中，第一时间与第二时间之间的时间差是已知的(举例来说，已知为提供到电流确定块的时钟信号的单个时钟循环或预定数目个时钟循环)，且电流确定块可使用常数而不是确定时间差。类似地，电流确定块的操作顺序还可就所应用顺序变化，且数字输出电容器电压可针对第一取样及第二取样两者进行存储。

电容器电流的指示提供到第一锁存器335a及第二锁存器335b。通过包含从控制器接收指示高侧开关及低侧开关的所命令状态的信号的or块339，第一锁存器在高侧开关或低侧开关在作用中(闭合)时存储电容器电流的指示，如图3中示意性地展示。然而，在一些实施例中，第一锁存器可替代地在命令旁路开关断开时存储电容器电流的指示。类似地，第二锁存器在命令旁路开关闭合时存储电容器电流的指示。

在一些实施例中，控制器在其正常操作期间在由锁存器存储的电容器电流的指示为最新的充分规则基础上激活所有高侧开关、低侧开关及旁路开关。然而，在一些实施例中，控制器可在规则操作期间不总是在规则基础上激活旁路开关。因此，在一些实施例中，控制器另外经编程或经配置以在旁路开关未被激活达预定义时间周期的情况下将高侧开关及低侧开关排除在外而激活旁路开关。

存储于第一锁存器及第二锁存器中的电容器电流的指示提供到求和器337，所述求和器将那些值求和且将和提供到控制器。

在其中第一锁存器存储电容器电流的指示的情况下，由第一锁存器存储的电容器电流的指示通常为如关于图2a及2b所论述的与电容器相关联的电感器电流分量，如上文所论述。类似地，在其中第二锁存器存储电容器电流的指示的情况下，由第二锁存器存储的电容器电流的指示通常为如上文关于图2c所论述的全部负载电流。

因此，除了在旁路开关闭合时，由于负载电流加上电容器电流大体等于输出电感器电流，因此控制器接收指示输出电感器电流的值以供在操作控制器时使用。

图5是根据本发明的各方面的适用于控制dc/dc电压转换器的过程的流程图。在一些实施例中，dc/dc电压转换器包含用于将输出电感器耦合到较高或较低电压源(举例来说，vdd及接地)的高侧开关及低侧开关以及用于耦合输出电感器的各端的旁路开关。在一个实施例中，所述过程由图3的电路执行。在另一实施例中，所述过程由通过使用(举例来说)mosfet而形成的集成电路执行。在又一实施例中，所述过程由微控制器或处理器执行。用于由微控制器或处理器执行所述过程的程序指令可存储于(举例来说)例如只读存储器、快闪存储器及随机存取存储器(ram)等存储装置中。

在框511中，所述过程确定是否已在最后n个时钟循环中启用旁路模式，其中n是时钟循环的数目。举例来说，当启用旁路模式时，旁路开关接通(闭合)且输出电感器的各端耦合在一起。将输出电感器的各端耦合在一起通常致使电流在由输出电感器及经闭合旁路开关形成的环路中流动，如图2c中所展示。或者，举例来说，当停用旁路模式时，旁路开关关断(断开)，从而允许电流流动穿过输出电感器及电容器，如图2a及2b中所展示。

如果在最后n个时钟循环中旁路模式接通，那么过程进行到框515。否则，过程继续到框513。

在框513中，启用旁路模式达设定周期。在一些实施例中，所述设定周期可包含m个时钟循环，其中m是时钟循环的预定数目。所述过程接着继续到框515。

在框515中，所述过程确定电流分量，举例来说，本发明的图1中所展示的dc/dc转换器的第一电容器电流。在一些实施例中，通过将电容器的电压的时间导数乘以电容器的电容来确定第一电容器电流。在一些实施例中，通过取电容与电容器电压随时间的改变速率的乘积来确定第一电容器电流。在一些实施例中，通过确定在第一时间的电容器电压与在第二时间的电容器电压之间的差且将所述差乘以电容与第一时间和第二时间之间的差的比率来确定第一电容器电流。

在框517中，所述过程确定是否针对当前时钟循环启用旁路模式。如果启用旁路模式，那么所述过程继续到框519。否则，所述过程继续到框521。

在框519中，所述过程设定输出电流值。在一些实施例中，通过将在框515中获得的第一电容器电流存储到上文所论述的存储装置中来设定输出电流。或者，举例来说，可通过使用锁存器或触发器(展示于图5中)来存储第一电容器电流而设定输出电流。所述过程接着继续到框523。

在框521中，所述过程设定第二电容器电流值。在一些实施例中，通过将在框515中获得的第一电容器电流存储到上文所论述的存储装置中来设定第二电容器电流。或者，举例来说，可通过使用锁存器或触发器(展示于图5中)来存储第一电容器电流而设定第二电容器电流。所述过程接着继续到框523。

在框523中，所述过程通过使用设定输出电流值(框519)及设定第二电容器电流值(框521)来确定电感器电流。在一些实施例中，可通过将输出电流与第二电容器电流求和来确定电感器电流。举例来说，所述求和可由图3中所展示的加法器电路执行。另外，举例来说，所述求和可由微控制器或处理器执行。或者，所述求和可由通过使用(举例来说)mosfet而形成的加法器电路执行。所述过程此后返回。

虽然已关于各种实施例论述了本文明，但应认识到，本发明包括由本揭示内容支持的新颖且非显而易见技术方案。