具有低电流模式的切换模式电压转换器及以低电流模式进行电压转换的方法

专利名称：具有低电流模式的切换模式电压转换器及以低电流模式进行电压转换的方法
技术领域：
本发明涉及电子电路，更具体地涉及电子电路的电压转换器。
背景技术：
无线电系统中使用的数字电子电路(例如CMOS电路)通常是由非常稳定的电源 电压来供电的。通常需要1.8V的电压。电子设备中使用的一些电池(例如锂电池)的标 称电压可能太高(例如3. 3V-4. 2V)，并且对于直接用作电源电压来说可能不够稳定。此外， 电池输出的电压随着电池放电而降低。因此，可以使用电压转换器，其从电池接收输入电压 信号，并且以期望的电压电平产生稳定的电压，该电压可以用作电子电路的电源电压。常规 的电压转换器通常包括两级，即步降(或降压)转换器和低压差(LDO)稳压电路，所述步降 (或降压)转换器将输入的电池电压转变为恰好足够向第二级提供电源电压的固定的较低 电压，而低压差(LDO)稳压电路从步降转换器接收该较低的电压并且响应于此而提供例如 1.8V的稳定的输出电压。可以使用两级来代替一级，因为降压转换器可以实现从高压到低压的高效转换， 但是降压转换器输出的电压可能具有太多的电压纹波而不能直接供应给某些CMOS电路。 LDO稳压器可以提供具有低纹波的干净输出电压。然而，直接连接到高电池电压时，LDO稳压器的效率可能很差。降压转换器的效率通常对大的负载电流被优化。随着负载电流减小，降压转换器 的效率也降低。同样，降压转换器中的漏电流在低负载电流下可能开始起作用。这是由于 降压转换器中的复杂电路造成的。现有的降压转换器电路可以工作在“脉冲频率”模式下， 该模式可以减小低输出电流时的效率降低。然而，漏电流可能仍然存在，因为维持精确输出 电压的复杂电路仍然被使能。漏电流的问题可能使某些电子设备的待机时间减少至不存在 漏电流时的一半。

发明内容
一些实施方式提供了用于主电子设备的电压转换电路，该电压转换电路包括降 压转换器电路，所述降压转换器电路具有耦接到第一节点的输入端子和耦接到第二节点的 输出端子；开关电容器电压转换器电路，所述开关电容器电压转换器电路具有耦接到第一 节点的输入端和耦接到第二节点的输出端。所述降压转换器电路可以被设置为响应于控制 信号而被选择性地使能和禁能，并且所述开关电容器电压转换器电路可以被设置为在以下 状态之间反复切换当所述降压转换器电路被禁能时，通过第一节点对电容器充电而通过 第二节点使该电容器放电；以及当所述降压转换器被使能时，停止通过第二节点使所述电 容器放电。所述电压转换电路还可以包括稳压器电路，所述稳压器电路包括耦接到第二节 点的输入端子。所述降压转换器电路可以包括耦接到控制线路的使能输入端，并且所述降压转换器电路可以被设置为响应于所述控制线路上的控制信号被选择性地使能和/或禁能。所述电容器可以为第二电容器，并且所述开关电容器电压转换器电路可以包括开 关和耦接在第二节点与地之间的第一电容器。所述开关可以被设置为可控地将第二电容器 连接到第一节点或第二节点。所述开关电容器电压转换器电路还可以包括被设置为控制所述开关的状态的开 关控制电路。所述开关控制电路可以包括比较器，其包括不倒相输入端、倒相输入端和输 出端；以及耦接到该比较器的倒相输入端的参考电压。所述不倒相输入端可以耦接到第二 节点，并且所述输出端可以耦接到所述开关的控制端子。所述电压转换电路还可以包括稳压器电路，所述稳压器电路包括耦接到第二节点 的输入端子。所述参考电压具有足以使所述稳压器以期望的电压电平产生稳定输出电压的 电压电平。在一些实施方式中，所述期望的电压电平可以为约1.8V。所述开关控制电路还可以包括连接在所述比较器的所述输出端与所述开关之间 的计时器电路。所述计时器电路可以被设置为产生输出脉冲，并且响应于来自所述比较器 的指示第二节点处的电压低于所述参考电压的输出信号，将所述输出脉冲供应到所述开关 的所述控制端子。所述计时器产生的所述输出脉冲的持续时间可以足以将第一电容器充电 至比所述参考电压高的电压。所述电压转换电路还可以包括控制器，所述控制器可以被设置为响应于主电子设 备被置于低电流模式而禁能所述降压转换器。所述控制器还可以被设置为响应于所述主电 子设备被置于高电流模式而使能所述降压转换器。所述电容器可以包括第一电容器，并且所述开关电容器电压转换器电路可以包 括第二电容器；被设置为将第二电容器的第一端子在第一节点与第二节点之间切换的第 一开关；以及被设置为将第二电容器的第二端子在第二节点与地之间切换的第二开关。所述电压转换电路还可以包括开关控制电路，所述开关控制电路耦接到第二节 点，并且被设置为响应于第二节点处的电压降到低于参考电压电平，使第一开关将第二电 容器的第一端子连接到第一节点，并将第二电容器的第二端子连接到第二节点。所述开关电容器电压转换器电路可以包括耦接到第一节点的电池；耦接到第二 节点的电感器；耦接在所述电池与所述电感器之间的开关；被设置为测量流过所述电感器 的电流的电流测量电路；以及开关控制电路，其被设置为响应于第二节点处的电压降至低 于参考电压电平，使所述开关将所述电池连接到所述电感器。根据一些实施方式的对主电子设备进行电压转换的方法包括以下步骤确定所述 主电子设备是处于高电流模式还是低电流模式；响应于所述设备处于所述高电流模式而使 能降压转换器电路；以及响应于所述设备处于所述低电流模式而禁能所述降压转换器电路。所述方法还可以包括以下步骤当所述降压转换器被使能时，以所述降压转换器 的输出电压对第一电容器充电，并以电池电压电平对第二电容器充电；而当所述降压转换 器被禁能时，使第一电容器放电。所述方法还可以包括以下步骤当所述降压转换器被禁能时，响应于第一电容器 上的电压电平降至低于参考电压电平，将第二电容器连接到第一电容器。将第二电容器连接到第一电容器的步骤可以包括将第一电容器上的电压电平与所述参考电压电平进行比较；响应于将第一电容器上的电压电平与所述参考电压电平进行 比较，生成开关控制信号；以及响应于所述开关控制信号改变开关的状态，其中所述开关可 控地将第二电容器连接到第一电容器。生成开关控制信号的步骤可以包括响应于将第一电容器上的电压电平与所述参 考电压电平进行比较，生成比较信号；以及响应于所述比较信号，生成控制脉冲。所述方法还可以包括以下步骤当所述降压转换器电路被禁能时，将第一电容器 和第二电容器并联连接，并且使第一电容器和第二电容器放电直至第一电容器和第二电容 器上的电压低于参考电压；以及响应于第一电容器和第二电容器上的电压低于所述参考电 压，将第一电容器和第二电容器串联连接到电池，并且对串联的第一电容器和第二电容器 进行充电。所述方法还可以包括以下步骤当所述降压转换器电路被使能时对电容器进行充 电；当所述降压转换器电路被禁能时使所述电容器放电，直至所述电容器上的电压低于参 考电压；以及当所述电容器上的电压低于所述参考电压时，将电池连接到电感器并通过所 述电感器对所述电容器进行充电，其中所述电感器连接到所述电容器。根据一些实施方式的电压转换器电路包括降压转换器电路，其具有耦接到第一 节点的输入端子和耦接到第二节点的输出端子，并且被设置为工作在主要模式(primary mode)和旁路模式(bypass mode)，所述降压转换器可以包括连接在电池端子输入与电感器 之间的开关，以及耦接到所述电感器并被设置为测量流过所述电感器的电流的电流测量电 路；耦接到所述电感器的电容器；以及开关控制电路，其耦接到所述电容器，并被设置为响 应于所述电容器上的电压降至低于参考电压，使所述开关将所述电池连接到所述电感器。 所述电流测量电路可以被设置为响应于所述电感器中的电流电平，使所述开关将所述电池 与所述电感器断开。根据一些实施方式的电子设备包括电池端子，其被设置为接收具有电池电压电 平的电池电压；通信模块，其被设置为响应于可能低于电池电压电平的电源电压进行工作； 以及电压转换电路，其被设置为将所述电池电压转换为所述电源电压。所述电压转换电路 包括降压转换器电路，其输入端子耦接到第一节点而输出端子耦接到第二节点；开关电 容器电压转换器电路，其输入端耦接到第一节点而输出端耦接到第二节点；以及控制器，其 被设置为响应于主电子设备被置于低电流模式而禁能所述降压转换器。


图1图示了电力管理电路。图2图示了工作在脉冲频率调制(PFM)模式或脉冲宽度调制(PWM)模式的典型降 压转换器的效率曲线。图3A、3B和3C图示了根据一些实施方式的电压转换电路。图4、5A、5B和5C是图示了根据一些实施方式的操作的流程图。图6是根据一些实施方式的主电子设备和相关联通信网络的示意性框图。
具体实施例方式下面将参照附图更全面地描述本发明的实施方式，附图中示出了本发明的实施方式。然而，本发明可以按照很多不同形式来实施，而不应被解读为限于本文所阐述的实施方 式。相反，提供这些实施方式是为了使本公开详尽而完整，并且将向本领域技术人员传达本 发明的范围。在全文中相同的标号指代相同的部件。应该理解，尽管可以在本文中使用第一、第二等措辞来描述各个部件，但是这些部 件并不受这些措辞的限制。这些措辞仅被用来将一个部件与另一部件区分开来。例如，例 如，第一部件可以被命名为第二部件，类似地，第二部件也可以被命名为第一部件，而都不 会偏离本发明的范围。这里使用的措辞“和/或”包括一项或更多项相关联列举项中的任 何和所有组合。本文使用的术语仅用于描述特定实施方式的目的，而不旨在对本发明构成限制。 除非以其他方式明确指出，否则本文使用的单数形式也旨在包括复数形式。应该进一步理 解，该说明书中使用的措辞“包括”意指存在所陈述的特征、要件、步骤、操作、部件和/或组 件，但是并不排除存在或添加一个或更多个其他特征、要件、步骤、操作、部件、组件和/或 其组成的组。除非以其他方式定义，否则这里使用的所有术语(包括技术术语和科技术语)都 具有与本发明所属领域普通技术人员普遍理解含义相同的含义。还将理解，除非在本文中 明确定义，否则术语应该被解读为具有与其在本说明书或相关技术环境下含义相一致的含 义，并且将不会在理想或者过度正式的意义下进行解释。下面参照本发明实施方式的方法、系统和计算机程序产品的流程示和/或框 图来描述本发明的一些实施方式。应该理解，所述流程示和/或框图的每个框，以及流 程示和/或框图中框的组合，可以通过计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令 可以被提供给通用计算机、专用计算机的处理器或者用于产生一机器的其他可编程数据处 理装置，从而通过计算机的处理器或者其他可编程数据处理装置执行的所述代码创建用于 实现在所述流程图和/或框图的一个或多个框中所指明功能的装置。这些计算机程序指令还可以被储存在引导计算机或其他可编程数据处理装置以 特定方式运作的计算机可用或计算机可读存储器中，从而储存在计算机可用或计算机可读 存储器中的指令产生这样的制品，所述制品包括实现在所述流程图和/或框图的一个或多 个框中所指明功能的指令。所述计算机程序指令还可以被加载在计算机或者其他可编程数据处理装置上，以 导致在所述计算机或其他可编程数据处理装置上进行一系列操作步骤来产生计算机实现 的过程，从而在所述计算机或其他可编程数据处理装置上执行的所述代码提供用于实现在 所述流程图和/或框图的一个或多个框中所指明功能/动作的步骤。应该注意，在框中注明的功能/动作可以不按在操作图示中所注明的次序发生。 例如，被示为连续的两个框可以事实上基本并发地发生，或者所述框有时可以以逆序执行， 取决于所涉及的功能性。尽管一些附图在通信路径上包括箭头来显示通信的基本方向，但 是应该理解，通信可以发生在与所描绘的箭头相反的方向。向诸如CMOS电路的电子电路提供约1. 8V的非常稳定的电源电压是合乎期望的。 无线电收发器中使用的电路可能尤其需要稳定的电压供应，因为任何扰动都可能影响接收 器的灵敏度。如上面解释的，用于电子设备(即主机设备)的常规电源电路可以包括包含降压转换器和低压差(LDO)稳压器电路的两级电路。然而，这样的构造可能在低负载电流条件 下具有不可接受的高漏电流电平。在很多应用中，事先都已知何时将需要来自电源的较大电流。例如，在蓝牙无线电 系统中，收发器可以选择性地工作在休眠模式和活动模式。主机设备可以不时地将收发器 从休眠模式中激活来接收和/或发射信息。主机设备的控制器知道收发器将在何时被激 活，由此可以预测何时将需要来自电源的较大电流。应该理解，本发明并不限于蓝牙或其他 无线电设备，而是可以用于任何工作在高电流活动模式和低电流休眠模式的系统，或者具 有工作在高电流活动模式和低电流休眠模式的组件的系统。与预期的主机设备负载电流有关的信息可以被用于使电源工作在两种模式下，一 种模式具有针对低负载电流而调整过的性能，而另一种模式具有针对高负载电流而调整过 的性能。根据一些实施方式，在低负载电流时段期间可以用作电压转换器的开关电容器电 压转换器电路与在高负载电流时段期间可以用作电压转换器的降压转换器电路被集成在 一起。该电压转换器的工作模式可以通过主机设备的控制器输出的控制信号来控制，所述 控制器中采用了所述电压转换器。图1示出了用于电子设备(例如收音机)的常规电力管理电路10。电池12将端 子电压作为输入电压供应到高效步降(st印-down)降压转换器14。对于完全充好电的电 池，电池的端子电压可以高达4. 2V。该端子电压首先被降压转换器14降低到较低的之，约 2. 2V的中间水平。降压转换器的设计是本领域公知的，在此无需详细描述。由于降压转换器的输出电压可能仍旧具有不合乎期望的高电压纹波水平，所以使 用低压差(LDO)稳压器16来进行第二次电压转换。LDO稳压器的设计是本领域公知的，在 此无需详细描述。LDO稳压器16输出到负载电路18(例如无线电收发器)的最终电压可以为稳定的 1. 8V，这是某些CMOS电路正常工作所需的。LDO稳压器16的输入和输出电流基本上相同。 然而，降压转换器14的输入和输出电流之比与其输出输入电压之比成比例。尽管降压转换器14对高负载电流具有高能效，但是效率对于低负载电流来说可 能是较低的。例如，图2示出了德州仪器(Tl)型TPS623XX降压转换器的效率曲线。对于 IO-IOOmA范围的负载电流，当芯片工作在PFM(脉冲频率调制)模式下时效率为85-90 %。 应该意识到，使降压转换器工作在PFM模式对于低负载电流情况来说是尤其重要的。如果 仅使用PWM(脉冲宽度调制)模式，则当负载电流低于50mA时效率会迅速下降。TI芯片中 的PFM模式已经对较低负载电流提供了提高的效率。然而，从图2可以看到，对于非常低的 负载电流(例如低于100 μ A)，效率可能下降30%。在一些蓝牙应用(例如头戴式耳机和手表)中，主机设备是主要工作在“嗅探” 模式的“从”设备。在该模式下，从设备仍旧锁定到主设备，不过是以非常低的占空比锁定 的。从设备仅在每1到2秒唤醒一次，以监听主传输。大多数时候，从设备处于休眠模式， 在休眠模式中仅实时时钟(例如低功耗振荡器或LP0)和某些计时器在运行。休眠电流约 为20-25 μ Α。使用100%效率和两倍于电源电压的电池电压，可以预期电池上10-12μΑ的 放电电流。相反，尽管降压转换器14工作在更高效的PFM模式下，但是可以测得50μ A的 放电电流，我们认为这是降压转换器14(包括降压转换器14中的漏电流)的有限效率的结^ ο
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图3A中图示了根据一些实施方式的电压转换器电路20A。根据一些实施方式，电 压转换器电路20可以被设置为在低电流休眠模式和高电流活动模式两者中高效地工作。 如图3A所示，电压转换器电路20A包括降压转换器14，所述降压转换器14的输入端子在 第一节点W耦接到电池Bl的供电端子。降压转换器14的输出端子在第二节点N2耦接到 LDO稳压器16的输入端子。降压转换器14包括使能输入端E。控制器30经由线路24将 “模式输入”控制信号供应到降压转换器14的使能输入端E。相应地，降压转换器14可以 通过控制器30输出的“模式输入”控制信号被使能/禁能。当降压转换器14被禁能时，降 压转换器14的输入端被置于高阻态，并且允降压转换器14的输出端悬空(float)。电感器 Ll是降压转换器的常规部件，并且通常作为单独组件来供应。第一电容器Cl耦接在LDO稳压器16在节点N2处的输入端与地之间。第二电容 器C2耦接在开关Sl与地之间。开关Sl可控地经由线路21将第二电容器C2连接到电池 Bl的供电端子，或者经由线路22在节点N2处连接到第一电容器Cl。开关Sl受到开关控制电路26的控制，所述开关控制电路26包括比较器U、计时器 T和参考电压Vref。比较器U的不倒相输入(+)经由线路22在节点N2处耦接到LDO稳压 器16的输入端子，而比较器U的倒相输入(-)耦接到参考电压Vref。比较器U的输出端耦 接到计时器T的输入端，而计时器T的输出经由控制线路23耦接到开关Sl。第一和第二电 容器C1、C2和开关控制电路26提供了如下描述那样当降压转换器14被禁能时可工作的开 关电容器电压转换器。当工作在主机设备中的应用程序请求执行一操作时，控制器30可以确定所请求 的操作会将主机设备置于高电流模式(例如活动模式)还是低电流模式(例如休眠模式)。 响应于该确定，可以决定将降压转换器14用于高电流模式还是低电流模式。如果控制器确 定主机设备正处于或将处于低电流消耗模式，则控制器在线路24上输出使降压转换器14 被关闭(即禁能)的“模式输入”信号。这可以降低和/或消除降压转换器14中的漏电流。 此外，当降压转换器14被禁能时，开关电容器电压转换器如下面描述那样被自动激活。如上面描述的，开关电容器电压转换器包括第一电容器Cl和第二电容器C2、确定 C2连接到哪个节点的开关Si、比较器U和计时器T。第二电容器C2 —般是连接到电池Bi。 因此，当降压转换器12被使能时，第二电容器C2保持以第二电容器C2两端的等于电池电 压的电压来充电。第一电容器Cl由降压转换器14的输出来充电。当降压转换器14被禁能时，第一电容器Cl两端的电压由于主机设备正在使用的 小电流而会缓慢下降。参考电压Vref输出了这样的电压，该电压恰好足够高以保持LDO的 输出端的经稳压的1. 8V输出电压。当比较器U检测到LDO的输入电压低于参考电压Vref 时，比较器输出一信号，所述信号被计时器T转换为输出脉冲。该输出脉冲的持续时间应当 为从第二电容器C2到第一电容器Cl的电荷转移的发生提供足够的时间。第一电容器Cl 上的最终电压电平取决于电池电压Bi、参考电压Vref以及C1/C2比。在图3A的实施方式 中，Cl可以远大于C2。如果输出脉冲太长，则Cl和C2将并行放电，而如果其太短，则第一 电容器Cl可能无法被充分充电。然而，输出脉冲的精确持续时间可能会改变。该输出脉冲导致开关Sl暂时将第二电容器C2经由线路22连接到第一电容器Cl。 此时，将发生电荷转移。储存在第二电容器C2中的部分电荷将流入第一电容器Cl，这将使 第一电容器Cl两端的电压升高。Cl和C2的并联组合两端的最终电压将由电容Cl和C2之比来决定，并且是该设计中的自由度。在电荷再分布完成的预定时间(即输出脉冲持续时间)后，电容器C2再次连接 到电池Bi，其将再次充电。当比较器U再次检测到节点N2处电压太低时，该过程将自己重 复。当主机设备保持在低电流模式时，重复率会自己自动调整，从而该电路可以提供主机设 备所需的实际(低)水平电流。在实际实现中，可以使用一些已经存在于LDO中的现有电 路来实现比较器U和参考电压Vref。因此，根据一些实施方式，工作在活动模式和待机模式两者中的低功率电子设备 的待机时间可以显著地延长。图4是图示了根据一些实施方式的操作的流程图。参照图3A和4，控制器30检测 /预测主电子设备(例如便携式收音机)的工作模式(框42)，所述电压转换电路20位于 所述主机设备中。即，控制器30确定主机设备正处于或者将要被置于高电流模式(例如活 动模式)还是低电流模式(例如休眠模式)。如果确定主机设备正处于或者将要被置于高 电流模式(框44)，则降压转换器14经由控制线路24上到降压转换器14的使能输入端E 的“模式输入”信号被使能(框46)。当降压转换器14被使能时，第一电容器Cl以降压转 换器14的输出电压电平被充电，而第二电容器C2以电池Bl的电压电平被充电。否则，如果确定主机设备正处于或者将要被置于低电流模式，则降压转换器14经 由控制线路24上提供到降压转换器14的使能输入端E的“模式输入”信号被禁能(框48)。 在降压转换器14被使能或禁能后，控制返回框42，控制器再次检测/预测设备的工作模式。图5A图示了当降压转换器14被禁能(即当主机设备处于低电流模式)时可以进 行的一些操作。参照图5A，当降压转换器14被禁能时，第一电容器放电到LDO稳压器16(框 50)。此外，当降压转换器14被禁能并且第一电容器Cl上的电压电平减小到低于参考电压 电平Vref时(框52)，第二电容器C2经由开关Sl连接到第一电容器Cl (框54)。储存在 第二电容器C2中的电荷转移到第一电容器Cl，由此对第一电容器Cl充电(框56)。当足 够的电荷从第一电容器转移到第二电容器时，将第二电容器连接到电池Bl (框58)。通过将第一电容器Cl上的电压电平与参考电压电平Vref进行比较并且响应于该 比较而生成开关控制信号，可以将第二电容器C2连接到第一电容器Cl。开关Sl的状态可 以响应于该开关控制信号而被改变，以可控地将第二电容器C2连接到第一电容器Cl。如上 面描述的，计时器T可以响应于所述比较而生成控制脉冲，并且该控制脉冲可以被用于控 制开关Sl的状态。图3B中图示了根据进一步的实施方式的电压转换器电路20B。电压转换器电路 20B中与图3A的电压转换器电路20A类似的部件具有相同的标号。与图3A的电压转换器电路20A相比，图3B的电压转换器电路20B包括额外的开 关S2。开关Sl和S2同时工作，均受控制线路23的控制，计时器T的输出脉冲在所述控制 线路23上输出。开关Sl和S2 —般都在位置“b”，其中第一开关Sl将第二电容器C2的一 个端子连接到节点N2，而第二开关S2将第二电容器C2的另一个端子连接到地。结果，第一 和第二电容器Cl和C2并联连接。当降压转换器14被使能时，第一和第二电容器Cl和C2 以降压转换器14的输出电压被充电。当降压转换器14被禁能时，第一和第二电容器Cl和C2都通过LDO16的小输入电流而放电。当比较器U检测到节点N2处输入到LDO的电压低于参考电压Vref时，比较器向控制线路23上输出一信号，所述信号被计时器T转换为输出脉 冲。控制线路23上的输出脉冲导致开关Sl和S2切换到位置“a”，其中第二电容器C2的一 个端子耦接到电池Bi，而另一个端子耦接到节点N2。第一和第二电容器Cl和C2随后串联 连接在电池Bll与地之间。结果，第一和第二电容器Cl和C2被电池Bl充电。如果电容Cl 和C2标称上相同，则所述两个电容均被充电至电池电压的一半。当计时器T提供的输出脉 冲结束时，开关Sl和S2回到“B”位置，并且电容器Cl和C2被置于并联状态，此时充电至 电池电压的一半。在图3B的实施方式中，电容器Cl和C2在标称上具有相同的值。结果，充电之后电 容器Cl和C2两端的电压都为电池电压的一半。如果期望其他电压比，则对图3B中所示电 流20B的修改是可能的。例如，提供设置两组每组三个电容器串联，可以获得2/3的比值。 充电后，每组两个电容器串联的三个电容组可以并联连接。图5B图示了当降压转换器14被禁能时电压转换器电路3B的操作。参照图3B和 图5B，当降压转换器14被禁能时(即当主机设备处于低电流模式时)，电容器Cl和C2的 并联组合放电到LDO稳压器16 (框60)。此外，当降压转换器14被禁能并且第一和第二电 容器Cl、C2上的电压电平减小到低于参考电压电平Vref时(框62)，第二电容器C2经由 开关S2串联到第一电容器Cl，并且经由开关Sl串联到电池(框64)。第一和第二电容器 由电池Bl来充电(框66)。当足够的电荷从电池Bl转移到第一和第二电容器Cl、C2时， 第二电容器C2并联到第一电容器Cl (框68)。图3C中图示了根据进一步的实施方式的电压转换器电路20C。电压转换器电路 20C中与图3A电压转换器电路20A类似的部件具有相同的标号。在图3C的实施方式中，降 压转换器14C可以响应于“模式输入”信号24而工作在正常模式和旁路模式。如图3C所 示，电压转换器电路20C的降压转换器14C包括开关S3、二极管D1、数据锁存器(例如置位 /复位触发器FFl)以及电流测量电路31。在控制线路23上将计时器输出脉冲提供到S/R 触发器FFl的置位输入端S。电池Bl连接到开关S3，该开关S3受触发器FFl的输出的控 制。电流测量电路31测量流过电感器Ll的电流，并且响应于测得的电流向S/R触发器FFl 的复位输入端R提供输入。图5C图示了电压转换器电路20C的操作。参照图3C和图5C，当主机设备进入低 电流模式时，降压转换器14C被置于旁路模式，在该模式下电压转换如下进行。第一电容 器Cl两端的电压由于主机设备正使用的小电流而会缓慢下降(框70)。当比较器U检测 出LDO稳压器16的输入电压低于参考电压Vref时(框72)，比较器U输出一信号，该信号 被计时器T转换为输出脉冲。该输出脉冲将通过置位输入端S来激活触发器FFl (框74)。 激活的触发器FFl将使开关S3导通，而不断线性增大的电流将开始从电池Bl通过开关S3、 电感器Ll和电流测量电路31而流入电容器Cl。Cl两端的电压将开始升高并且能量将累 积在电感器Ll的磁场中。当通过电感器Ll的电流达到了预定最大值时，电流测量电路31将通过向触发器 FFl的复位输入端R施加复位信号来使触发器FFl复位(框76)，其中所述最大值取决于开 关S3和电感器Ll的电流能力。响应于被复位，触发器FFl将使开关S3断开(即开路)， 导致电流通过二极管D1，并且电感器Ll的磁场中的能量被转换为电容器Cl中的电荷(框 78)。电容器Cl两端的电压现在是已经增大了的，并且该过程将在节点N2处的电压已经再次下降为低于参考电压Vref时自己重新开始。该过程的实际重复率可根据主机设备正在使用的电流而自动调整。这可以与常规 降压转换器的正常“PWM”工作模式形成对比，因为随后该切换频率是恒定的并且仅仅开关 S3的占空比是通过控制环路进行调整的。这也不同于常规降压转换器的低功率“PFM”工作 模式，因为随后该降压转换器将在PWM模式中工作较短的时间段，而被禁能较长的时间段。在一些实施方式中，存在于LDO稳压器16中的电路可以被采用来实现图3A、3B和 3C中的开关控制电路26中的比较器功能。例如，比较器和参考电压是LDO稳压器16中用 于将输出电压调节到稳定水平的闭环系统的一部分。用于控制输入电压与输出电压之间转 换因子的反馈信号可以被重新用作计时器T的输入。结果，可能需要非常少的额外电路和 /或功耗就能实现根据一些实施方式的电压转换器电路。图6图示了根据本发明一些实施方式的示例性主电子设备80。应该意识到，尽管 本发明的实施方式是结合无线通信终端来图示的，但是本发明可以包括有线移动和/或非 移动通信终端和其他电子设备及方法。便携式电子设备80可以被设置为与一个或更多个 其他无线终端在其间的直接无线通信接口上、通过一个或更多个蜂窝基站在另一个无线通 信接口上和/或通过无线局域网(WLAN)路由器在另一个无线通信接口上进行通信。应该 意识到，便携式电子设备80不需要是蜂窝电话，而是可以为任何包括显示屏的其他类型的 便携式电子设备，例如个人数字助理(PDA)、手持式GPS单元或任何其他类型的电子设备。如图6所示，便携式电子设备80可以是构成无线电话通信系统92的一部分的移 动无线电话。系统92包括便携式电子设备80和作为无线通信网络95的一部分的基站收 发器93。在本发明的一些实施方式中，基站收发器93包括无线收发器，该无线收发器限定 了蜂窝网络中的单个小区并使用无线链路协议(通过接口 97)与小区中的便携式电子设备 80和其他移动终端进行通信。应该理解，在本发明一些实施方式中，可以通过例如移动交换 中心和其他设备来连接很多基站收发器以限定无线通信网络。基站收发器93可以通过通 信链路99连接到例如因特网的数据通信网96。应该理解的是，通信链路99可以包括无线 通信网的元件和/或一个或更多个网关、路由器或其他通信节点。所图示实施方式中的便携式电子设备80包括便携式壳体组件81、控制器电路 83 ( “控制器”)、通信模块84、存储器85、电池86和电压转换器电路20，所述电压转换器电 路20将电池86输出的电压转换为设备80可用的电压电平。电压转换器电路20可以具有 如图3A到3C所图示的构造，和/或可以根据图4、5A、5B和/或5C的流程图进行工作。便携式电子设备80还包括用户界面82 (即人机界面)，所述用户界面82包括显示 屏82A、扬声器82B、一个或更多个输入装置82C和摄像机82D。输入装置82C可以包括例如 可以在常规无线电话中发现的键盘，该键盘可以是包括与数字相对应的键以及与一个或更 多个字符相对应的键的数字键盘。在一些实施方式中，输入装置82C可以包括例如可以使 用拇指操作的全QWERTY键盘。可以包括多于一个的输入装置82C。摄像机82D可以包括具有CXD (电荷耦合器件)、CMOS (互补M0S)或其他类型图像 传感器的数字摄像机，并且可以被设置为记录静止图像和/或移动图像并将所述图像转换 为适于显示和/或操纵的格式。显示屏82A可以是任何适当的显示屏组件。例如，显示屏82A可以是有或没有辅 助照明(例如，照明面板)的液晶显示器(LCD)。在一些情况下，便携式电子设备80可能能够播放特定质量的视频内容。例如，可以将便携式电子设备80设置为显示具有特定纵横比 (例如16 9或4 3)的视频流。因此，便携式电子设备80可能能够以一种或多种不同 显示格式来显示视频。显示屏82A可以包括被设置为检测触摸并将检测到的触摸转换为控制器83可以 处理的位置信息的触敏显示屏。用户界面82可以包括任何适当的输入装置，例如包括触摸激活或触敏装置(例 如，触摸屏)、游戏杆、键盘/键区、拨号盘、一个或多个方向键和/或定点装置(例如鼠标、 跟踪球、触摸板等)。扬声器82B响应于输入音频信号而生成声音。用户界面82还可以包 括与音频处理器耦接的麦克风，该音频处理器被设置为响应于入射到麦克风上的声音而生 成音频数据流。控制器83可以支持便携式电子设备80的各种功能，并且可以是任何市售的或定 制的微处理器。在使用中，便携式电子设备80的控制器83可以生成图像并在显示屏82A 上进行显示。然而，在一些实施方式中，可以在便携式电子设备80中设置单独的信号处理 器和/或视频芯片(未示出)，并且可以将其设置为生成图像并在显示屏82A上进行显示。 相应地，控制器83的功能可以分布在便携式电子设备80的多个芯片/装置中。存储器85被设置为存储数字信息信号和数据，例如数字多媒体文件(例如，数字 音频、图像和/或视频文件)。如这里讨论的，通信模块84被设置为通过一个或更多个无线接口向另一个远程 无线终端传送数据。通信模块84可以包括蜂窝通信模块、直接点对点连接模块和/或WLAN 模块。便携式电子设备80可以包括蜂窝通信模块来允许该设备80使用一个或更多个蜂 窝通信协议、通过网络95的基站收发器93进行通信，该一个或更多个蜂窝通信协议例如是 高级移动电话业务AMPS)、ANSI-136、全球移动通信(GSM)标准、通用分组无线业务(GPRS)、 增强型数据速率GSM演进技术(EDGE)、码分多址(CDMA)、宽带CDMA、CDMA2000和通用移动 通信系统(UMTS)。可以将蜂窝基站连接到移动电话交换局(MTSO)无线网络，该MTSO又可 以连接到PSTN和/或另一个网络。直接点对点连接模块可以包括直接RF通信模块或直接IR通信模块。直接RF通 信模块可以包括蓝牙模块。借助于蓝牙模块，便携式电子设备80可以通过直接点对点接口 经由ad-hoc网络进行通信。借助于WLAN模块，设备80可以使用通信协议、经由WLAN进行通信，该通信协议可 以包括但不限于 802. Ila,802. lib,802. lie,802. Ilg 和 / 或 802. lli。通信模块84可以包括收发器，该收发器典型地具有发射器电路和接收器电路，它 们分别经由天线(例如，向网络95、路由器或直接向另一个终端)发射出局射频信号以及 (例如，从网络95、路由器或直接从另一个终端)接收入局射频信号，例如声音和数据信号。 通信模块84可以包括短距离发射器和接收器，例如蓝牙发射器和接收器。天线可以是嵌入 式天线、收放式天线或在不脱离本发明的范围的情况下本领域技术人员已知的任何天线。 便携式电子设备80与网络95、路由器或其他终端之间传输的射频信号可以包括用于建立 并维持与另一方或目的地的通信的业务(traffic)信号和控制信号(例如，用于入局信号 的寻呼信号/消息)。射频信号也可以包括分组数据信息，例如，蜂窝数字分组数据(CDPD)信息。此外，收发器还可以包括被设置为经由红外(IR)端口向/从其他电子设备发射/接 收红外信号的IR收发器。取决于正被采用的协议要求，通信模块84可以选择性地工作在休眠模式或活动 模式。在休眠模式下，通信模块84可以从电压转换器20汲取较少的电流。控制器83可以 不时地将通信模块84从休眠模式中唤醒，以监听远程设备的发射。便携式电子设备80还可以被设置为经由有线线路或电缆与另一个终端电耦接， 以在它们之间传输数字通信信号。虽然图6例示了可以用在移动终端和/或其他电子设备中的示例性硬件/软件体 系结构，但是可以理解的是，本发明不限于这样的构造，而是旨在包括能够执行这里描述的 操作的任何构造。例如，虽然将存储器85例示为与控制器83分离，但是可以认为存储器85 或其部分是控制器83的一部分。更一般地，虽然通过图示的方式在特定方框中示出了特定 功能，但是可以对不同方框和/或其部分的功能进行组合、拆分和/或去除。而且，根据本 发明的各种实施方式，可以将图6的硬件/软件体系结构的功能实现为单处理器系统或多 处理器系统。附图和说明书中公开了本发明的典型实施方式，并且，尽管使用了特定术语，但是 它们仅是以一般化和描述性的方式使用的，而不是用于限制的目的，本发明的范围在所附 权利要求书中给出。本申请要求2008 年 3 月 13 日递交的题为 “SWITCHED M0DEV0LTAGE CONVERTER WITH LOW-CURRENT MODE”的美国临时专利申请No. 61/035，821的优先权，该美国临时专利 申请的公开内容通过引用被整体并入本文。
1权利要求
一种用于主电子设备的电压转换电路，该电压转换电路包括降压转换器电路，其具有耦接到第一节点的输入端子和耦接到第二节点的输出端子；以及开关电容器电压转换器电路，其具有耦接到第一节点的输入端和耦接到第二节点的输出端；其中，所述降压转换器电路被设置为响应于控制信号而被选择性地使能和禁能，并且其中，所述开关电容器电压转换器电路被设置为在以下状态之间反复切换当所述降压转换器电路被禁能时，通过第一节点对电容器充电而通过第二节点使该电容器放电；以及当所述降压转换器被使能时，停止通过第二节点使该电容器放电。
2.根据权利要求1所述的电压转换电路，其中，所述降压转换器电路包括耦接到控制 线路的使能输入端，并且其中，所述降压转换器电路被设置为响应于该控制线路上的控制 信号被选择性地使能和/或禁能。
3.根据权利要求1-2中任意一项所述的电压转换电路，其中，所述电容器包括第二电 容器，并且其中，所述开关电容器电压转换器电路包括耦接在第二节点与地之间的第一电 容器以及被设置为可控地将第二电容器连接到第一节点或第二节点的开关。
4.根据权利要求3所述的电压转换电路，其中，所述开关电容器电压转换器电路还包 括被设置为控制所述开关的状态的开关控制电路。
5.根据权利要求4所述的电压转换电路，其中，所述开关控制电路包括比较器，其包括不倒相输入端、倒相输入端和输出端，其中，该不倒相输入端耦接到第 二节点，并且其中，该输出端耦接到所述开关的控制端子；以及耦接到该比较器的该倒相输入端的参考电压。
6.根据权利要求5所述的电压转换电路，该电压转换电路还包括稳压器电路，该稳压 器电路包括耦接到第二节点的输入端子，其中，所述参考电压具有足以使该稳压器以期望 的电压电平产生稳定输出电压的电压电平。
7.根据权利要求5所述的电压转换电路，其中，所述开关控制电路还包括连接在所述 比较器的所述输出端与所述开关之间的计时器电路，其中，该计时器电路被设置为响应于 来自所述比较器的指示第二节点处的电压低于所述参考电压的输出信号而产生输出脉冲， 并且将所述输出脉冲供应到所述开关的所述控制端子。
8.根据权利要求7所述的电压转换电路，其中，所述计时器电路产生的所述输出脉冲 的持续时间足以将第一电容器充电至比所述参考电压高的电压。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的电压转换电路，该电压转换电路还包括控制 器，该控制器被设置为响应于主电子设备被置于低电流模式而禁能所述降压转换器，而响 应于该主电子设备被置于高电流模式而使能所述降压转换器。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的电压转换电路，其中，所述电容器包括第一电 容器，并且其中，所述开关电容器电压转换器电路包括第二电容器；被设置为将第二电容器的第一端子在第一节点与第二节点之间切换的第一开关；以及被设置为将第二电容器的第二端子在第二节点与地之间切换的第二开关。
11.根据权利要求10所述的电压转换电路，该电压转换电路还包括耦接到第二节点的开关控制电路，其被设置为响应于第二节点处的电压降到低于参考电压电平，使第一开关 将第二电容器的第一端子连接到第一节点，并将第二电容器的第二端子连接到第二节点。
12.根据权利要求1-11中任意一项所述的电压转换电路，其中，所述开关电容器电压 转换器电路包括耦接到第一节点的电池；耦接到第二节点的电感器；耦接在该电池与该电感器之间的开关；电流测量电路，其被设置为测量流过该电感器的电流；以及开关控制电路，其被设置为响应于第二节点处的电压降至低于参考电压电平，使该开 关将该电池连接到该电感器。
13.—种对主电子设备进行电压转换的方法，该方法包括以下步骤 确定该主电子设备是处于高电流模式还是低电流模式；响应于该主电子设备处于高电流模式而使能降压转换器电路；以及 响应于该主电子设备处于低电流模式而禁能该降压转换器电路。
14.根据权利要求13所述的方法，该方法还包括以下步骤当所述降压转换器被使能时，以所述降压转换器的输出电压对第一电容器充电，并以 电池电压电平对第二电容器充电；而当所述降压转换器被禁能时，使第一电容器放电。
15.根据权利要求14所述的方法，该方法还包括以下步骤当所述降压转换器被禁能时，响应于第一电容器上的电压电平降至低于参考电压电 平，将第二电容器连接到第一电容器。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，将第二电容器连接到第一电容器的步骤包括 以下处理将第一电容器上的电压电平与所述参考电压电平进行比较；响应于将第一电容器上的电压电平与所述参考电压电平进行比较，生成开关控制信 号；以及响应于该开关控制信号来改变开关的状态，其中，该开关可控地将第二电容器连接到 第一电容器。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，生成开关控制信号的步骤包括以下处理响应 于将第一电容器上的电压电平与所述参考电压电平进行比较，生成比较信号；以及响应于该比较信号来生成控制脉冲。
18.根据权利要求13-17中任意一项所述的方法，该方法还包括以下步骤当所述降压转换器电路被禁能时，将第一电容器和第二电容器并联连接，并且使第一 电容器和第二电容器放电直至第一电容器和第二电容器上的电压低于参考电压；以及响应于第一电容器和第二电容器上的电压低于该参考电压，将第一电容器和第二电容 器串联连接到电池，并且对串联的第一电容器和第二电容器进行充电。
19.根据权利要求13-18中任意一项所述的方法，该方法还包括以下步骤 当所述降压转换器电路被使能时，对电容器进行充电；当所述降压转换器电路被禁能时，使该电容器放电，直至该电容器上的电压低于参考电压；以及当该电容器上的电压低于该参考电压时，将电池连接到电感器并通过该电感器对该电 容器进行充电，其中，该电感器连接到该电容器。
20. 一种电压转换器电路，该电压转换器电路包括降压转换器电路，其具有耦接到第一节点的输入端子和耦接到第二节点的输出端子， 并且被设置为工作在主要模式和旁路模式；其中，该降压转换器电路包括连接在电池端 子输入与电感器之间的开关；以及耦接到该电感器并被设置为测量流过该电感器的电流的 电流测量电路；耦接到该电感器的电容器；以及耦接到该电容器的开关控制电路，其被设置为响应于该电容器上的电压降至低于参考 电压，使该开关将该电池连接到该电感器；其中，该电流测量电路被设置为响应于该电感器中的电流电平，使该开关将该电池与 该电感器断开。
全文摘要
一种用于主电子设备的电压转换电路包括降压转换器电路，其具有耦接到第一节点的输入端子和耦接到第二节点的输出端子；以及开关电容器电压转换器电路，其具有耦接到第一节点的输入端和耦接到第二节点的输出端。降压转换器电路可以被设置为响应于控制信号而被选择性地使能和禁能，并且开关电容器电压转换器电路可以被设置为当降压转换器电路被禁能时开始工作。
文档编号H02M3/07GK101965676SQ200880127928
公开日2011年2月2日 申请日期2008年9月12日 优先权日2008年3月12日
发明者弗朗西斯库斯·N·M·霍伊斯胡尔, 杰克布斯·哈特森, 谢普考·乌尔德利克斯 申请人:索尼爱立信移动通讯有限公司