用于共享电感器调节器的控制系统和方法

专利名称：用于共享电感器调节器的控制系统和方法
用于共享电感器调节器的控制系统和方法相关申请的交叉引用本申请要求2011年12月I日提交的美国临时专利申请S/N61/565，700的权益，该申请的全部内容出于所有意图和目的通过引用结合于此。附图简述参考以下描述以及附图将能更好地理解本发明的益处、特征以及优点，在附图中:

图1是根据本发明实施例实现的配置有包括共享电感器调节器的供电系统的电子设备的简化框图；图2是根据本发明的一个实施例实现的包括共享电感器的图1的共享电感器调节器的简化示意图和框图；图3是示出了根据第一操作模式(模式I)的图2的调节器的操作的曲线图，该第一操作模式在图2的外部电源具有超过足以同时调整输出电压和充电电流的功率时是有效的；图4是示出了根据第二操作模式(模式2)的图2的调节器的操作的曲线图，该第二操作模式在所述外部电源不具有足以同时调整输出电压和充电电流的功率时是有效的；图5是示出了根据第三操作模式(模式3)的图2的调节器的操作的曲线图，该第三操作模式在所述外部电源不具有足以调整输出电压的功率时是有效的；图6是示出了根据第四操作模式(模式4)的图2的调节器的操作的曲线图，该第四操作模式在图2的外部电源不存在、断开或不起作用时是有效的；图7是示出了根据第五操作模式(模式5)的图2的调节器的操作的曲线图，该第五操作模式是在输出电流相对于充电电流较小时的低输出负载期间使用的特殊模式；图8是根据一个实施例的图2的低块(low block)的示例性实施例的示意图；图9是根据另一实施例实现的调节器的简化示意图和框图，在该实施例中电荷存储设备是电容器。图10是根据一个实施例的图2的补偿块的简化示意图；以及图11是根据一个实施例的图2的控制器的简化示意框图。
具体实施例方式给出以下描述以使本领域普通技术人员能在特定应用及其需求的背景下实施和利用所提供的本发明。然而，优选实施例的多种修改对本领域普通技术人员将会很明显，而且可将本文所限定的一般原理应用于其它实施例。因此，本发明不旨在受限于本文中示出和描述的特定实施例，而应被给予与本文中公开的原理和新颖特征一致的最广范围。传统的开关模式电压调节器可包括多个电感器，诸如每输出至少一个电感器。在一个传统配置中，提供一个电感器以从外部源给电池充电，以及提供另一电感器以调节通向负载的电池功率。附加的电感器占据大量的空间而且增加大多数应用的成本。
本文所描述的共享电感器调节器体系结构将两个或更多个电压调节器与单个电感器集成，使得节约空间和降低成本。控制器执行外部电源(例如，AC适配器)和输入处的电荷存储设备(例如，可再充电池)之间以及电荷存储设备和输出之间的电感器的时间复用功能。电荷存储设备可以是电容器或电池，其中电荷存储设备可根据外部电源的存在和状态被配置为输入或输出。以附加开关为代价，除去了至少一个电感器。在一个实施例中，拓扑结构是固有的升降压型并且可一般处理输入电压(VIN)、电池电压(VBAT)和输出电压(VO)的几乎所有可行组合。开关和电感器中的每一个的尺寸都适合于任何给定配置的充电需求。电荷存储设备可以是电容器，其中的开关被控制以实现双输出电压:一个是正电压，另一个是负电压。本公开描述了用于电池的控制操作，其中如果电荷存储设备是电容器，则修改其控制方案。在一个实施例中，外部电源提供大约5伏特(V)的输入电压VIN，电池电压VBAT的范围在3到4.2V之间，以及输出电压VO被升压至20-30V。外部电源可在一电压范围内工作，诸如提供标称电压电平至最小电源电平。在一个实施例中，例如，外部电源提供5V的标称电压并且具有大约4.5V的最小电压电平。共享电感器调节器检测电源电压是否降低至最小电源电平以及何时降低至最小电源电平，然后操作以调整输入以保持最小电源电平。图1是根据本发明实施例实现的配置有包括共享电感器调节器103的供电系统101的电子设备100的简化框图。供电系统101产生一个或多个供电电压，该一个或多个供电电压为电子设备100的其他系统设备提供功率。在所不实施例中，电子设备100包括处理器107和外围系统109，处理器107和外围系统109都经由总线105耦合以接收来自供电系统101的供电电压，总线105包括功率和/或信号导体的任何组合。在所示实施例中，夕卜围系统109可包括系统存储器111 (例如，包括RAM和ROM类型设备和存储器控制器等等的任何组合)和输入/输出(I/o)系统113的任何组合,该输入/输出系统113可包括诸如图形控制器、中断控制器、键盘和鼠标控制器、系统存储设备控制器(例如，用于硬盘驱动器的控制器等等)等等之类的系统控制器等。所示系统仅是示例性的，因为如本领域普通技术人员所理解，许多处理器系统和支持设备可被集成在处理器芯片上。电子设备100可以是任何类型的计算机或计算设备，诸如计算机系统(例如，笔记本计算机、台式计算机、上网本等等)、多媒体平板设备(例如，苹果公司生产的ipad、亚马逊公司生产的Kindle等等)、通信设备(例如，蜂窝电话、智能电话等等)、其他类型的电子设备(例如，媒体播放器、记录设备等等)。供电系统101可被配置为包括电池(可再充或非可再充)和/或可配置为与交流电流(AC)适配器等一起工作。图2是根据本发明的一个实施例实现的包括共享电感器L的调节器103的简化示意图和框图。外部电源201在源节点202提供DC(直流)输入电压VIN。外部电源201可以是任何类型，例如，将AC电压转换为DC输入电压VIN的AC适配器。开关203具有耦合在输入节点202和输入节点204之间的开关端子，而且开关203由信号E控制。另一开关205具有耦合在输入节点204和参考或公共节点COMM之间的开关端子，而且开关205由信号EPP控制。值得注意的是，COMM —般表示一个或多个参考节点，包括一个或多个接地电平或节点，诸如信号接地、功率接地、机壳接地等或任何其他适合的参考电压电平。为了说明清楚，COMM是以简化形式示出作为单个参考节点。电感器L耦合在输入节点204和中间节点206之间，以及另一开关207具有耦合在节点206和COMM之间的开关端子，且开关207由信号D控制。另一开关209具有耦合在节点206和输出节点208之间的开关端子，而且开关209由信号DPP控制。输出节点208产生经调整的输出电压VO。具有电容C的输出电容器211耦合在输出节点208和COMM之间，以及负载213也耦合在输出节点208和COMM之间。负载213可表示耦合至总线105的诸设备中的任一设备，诸如处理器107和/或外围系统109的任何一个或多个设备。开关215具有耦合在节点204和充电节点210之间的开关端子，而且开关215由信号EP控制。电池217被示为其正极端子耦合至节点210以及其负极端子耦合至C0MM。在该实施例中，耦合至充电节点210的电荷存储设备是电池217，使得节点210产生电池电压VBAT0另一开关219具有耦合在节点206和充电节点210之间的开关端子，而且开关219由信号DP控制。电流传感器221被提供用于感测流经电感器L的电流IL和用于提供指示电流IL的电压V_IL (例如，成比例的电压信号等等)。电流传感器221表示可被用于感测或以其它方式获得或确定用于提供V_IL的IL的电流电平的任何类型的电流感测系统。另一电流传感器223 (或电流感测系统)被提供用于感测流经电池217的充电电流IC和用于提供指示电流IC的电压V_IC(例如，成比例的电压信号等等)。电流传感器221和223各表示电流感测系统，每个电流感测系统可以由本领域普通技术人员所理解的多种不同方式中的任何一种实现。每个开关203、205、207、209、215和219被显示为由相应控制信号(例如，分别为E、EPP、D、DPP、EP和DP)控制的单极单掷(SPST)开关。在一个实施例中，每个开关在其相应的控制信号被断言为低时断开，且在其相应的控制信号被断言为高时接通。每个控制开关可被实现为电子开关，诸如任何合适类型的晶体管，例如，金属氧化物半导体(MOS)晶体管、场效应晶体管(FET)、M0SFET、双极结型晶体管(BJT)以及类似物、绝缘栅双极晶体管(IGBT)以及类似物，等等。进一步示出调节器103包括补偿块225，补偿块225包括用于提供补偿信号的补偿逻辑和/或电路系统。如图所示，补偿块225接收输入电压VIN、输出电压VO以及指示电池充电电流IC的电压V_IC。输出电压可表示为诸如由分压器电路等等(未示出)提供的反馈电压VFB。补偿块225输出指示相对于VIN的所需电平的误差的相应的补偿信号VIN_COMP、指示相对于充电电流IC的所需电平的误差的IC_C0MP，以及指示相对于VO的所需电平的误差的V0_C0MP。虽然示为单个块，但补偿块225可分布为多个补偿电路系统。每个补偿信号可由本领域普通技术人员所理解的误差放大电路(图10)等等生成。VIN_C0MP和IC_C0MP信号被提供给低块227的相应输入端，低块227在其输出处提供低补偿信号L0_C0MP。L0_C0MP是VIN_C0MP和IC_C0MP信号中较低的那一个，或表示VIN_C0MP和IC_C0MP信号中较低的一个。例如，具有最低电压电平的补偿信号VIN_C0MP和IC_C0MP被提供作为L0_C0MP电压信号。低块227可以诸如比较器电路之类的任何合适的方式实现，或者甚至实现为简单的二极管电路(图8)，在该二极管电路中L0_C0MP被拉至IC_C0MP和VIN_C0MP中较低电压电平的那一个。如本文进一步所描述的，较低电压补偿信号被用于控制多个操作模式中的每一个的切换。L0_C0MP,V0_C0MP,V_IL和时钟信号CLK被提供给控制器229的相应输入端，所述控制器229产生并分别输出开关控制信号E、EPP、EP、D和DPP至开关203、205、215、207、209和219的控制输入。控制器229根据新颖的调节器和控制方案实现，所述控制方案能够为电池217提供经调整的充电电流以及用于利用唯一的电感器L调整来自外部电源201 (例如，AC适配器)的输出电压VO。该控制方案还允许电池217根据外部电源201的存在和状态从充电平滑转换到为负载213供电。控制方案进一步使得VIN能够如本文将进一步所描述的从外部电源201 (如果有的话)到最小电源电平的调整。在从外部电源201对输出供电转换到电池217对输出供电的期间，控制器229调整外部输入电压以保证最优(例如，最大)功率提取。如本文进一步所描述的，有至少两个根据操作条件的主操作模式和四个如本文所描述的主操作模式。本文所描述的控制方案的至少一个优点是实现了各个操作模式之间的平滑操作转换。称为脉冲频率调制(PFM)模式的附加操作模式可根据提供给控制器229的另一输入的PFM_M0DE输入信号的断言来实现。PFM模式在负载电流ILD和充电电流相比相对小时的较低功率模式期间是有利的。在这种情况下，输出电压VO通常被调整以保持最小输出电压电平V0_MIN，以及电池充电电流被调整至所需电平。最小输出电压参考值V0_MIN_REF被提供给控制器229的另一输入以将VO调整在V0_MIN。在一个实施例中，控制方案是电流-模式控制。至少有三个控制参数被用于确定开关条件:上电流阈值、下电流阈值和时钟跳变。该控制方案试图在上阈值和下阈值内调整电感器电流IL，并根据时钟信号开始/结束每个开关周期。可能存在由像VO电压调节循环、输入电压/电流调节循环和电池充电电流调节循环的不同调节循环确定的若干上/下电流阈值。控制方案基于操作条件分别确定用于上/下阈值的合适的循环输出。上电流阈值可通过很像传统电流-模式控制的VO补偿来控制。下电流阈值可由IC_C0MP补偿和VIN_C0MP中的较低者控制。IC_C0MP补偿以此种方式控制:当IC低于充电电流设置点(例如，CHG_REF，图10)时，IC_C0MP的电压增大。输入电压补偿以此种方式控制:当VIN低于对应于最大功率点(MPP)设置点的最小电源电平(例如，VIN_MIN，图10)时，VIN_C0MP的电压降低。当外部输入电压VIN大于VIN_MIN时，VIN_C0MP增大且IC_C0MP控制下电流阈值。当外部输入电压低于由VIN_MIN确定的MPP设置点时，VIN_C0MP降低并且VIN_C0MP控制下电流阈值。本文描述的是如何将这种类型的控制连同上文描述的体系结构用于升压输出的示例。图3是示出了根据第一操作模式(模式I)的调节器103的操作的曲线图，该第一操作模式在外部电源201具有超过足以调整输出电压VOUT和充电电流的功率时是有效的，在这种情况下VIN处于VIN_MIN或超过VIN_MIN。在这种情况中，输出电压VO和电池充电电流IC都被调节。该图绘制了 V_IL(表示电感器电流IL)和控制信号D、DPP、DP、EP、E和EPP相对于时间的曲线。时钟信号CLK的有效边沿发生在示为CLK1、CLK2、CLK3、CLK4等等的规则间隔。每个有效的CLK边沿根据配置可以是上升或下降边沿。V_IL —般在由L0_COMP设置的低电平和由V0_C0MP设置的高电平之间切换。L0_C0MP和V0_C0MP显示为非变化水平电平，应当理解在实际操作条件下，这些信号可随时间变化。在模式1，当VO太低时，V0_C0MP增大，以及当IC太低时，IC_C0MP增大。在模式1，E保持高，从而接通开关203，使得充电节点202短接至输入节点204，以使得VIN被提供至电感器L的输入端。EP和EPP都保持低，使得开关215和205都保持断开。由于IC_C0MP低于VIN_C0MP，因此L0_C0MP由IC_C0MP控制，使得IC_C0MP控制IL的下电流阈值。电感器波形(由V_IL图示)指示时钟脉冲之间的开关周期如何在输出开关207(由D控制)、219(由DP控制)以及209 (由DPP控制)之间分割。在CLK1，D走高以接通低侧输出开关207，并且电流IL斜升直到V_IL在t0时刻达到或超过由V0_C0MP定义的上阈值。在t0时刻，D被拉低以断开开关207，以及DPP被拉高以接通输出开关209，以使得电流IL斜降。当V_IL在tl时刻达到下阈值IC_C0MP时，DPP被拉低以断开开关209，以及DP被拉高以在tl时刻接通充电开关219。DP保持高以保持开关219接通直到CLK的下一个跳变(示为CLK2)。操作在随后的时钟周期期间以基本上类似的方式重复。值得注意的是，电流IL在这期间可以根据VIN和VBAT的相对电压斜升或斜降。以下图形示出了示例性波形，其中电池电压VBAT低于外部输入电压VIN。在模式1，外部电源201具有足够的功率以提供目标充电电流以对电池217充电并调整输出电压V0UT，以使得VIN保持在VIN_MIN或大于VIN_MIN。因此，IC_C0MP控制IL的下电流阈值以调节电池充电电流。图4是示出了根据第二操作模式(模式2)的调节器103的操作的曲线图，该第二操作模式在外部电源201不具有足以调节输出电压和充电电流的功率时是有效的。在这种情况下，VIN降低至VIN_MIN并被调节在MPP设置点，VO被调节且电池217接收未被负载213吸收的任何过剩能量。此外，绘制了 V_IL(表示电感器电流IL)和控制信号D、DPP、DP、EP、E和EPP相对于时间的曲线。时钟信号CLK在示为CLK1、CLK2、CLK3、CLK4等的规则间隔处因有效边沿而升高。V_IL —般在由L0_C0MP设置的低电平和由V0_C0MP设置的高电平之间切换。L0_C0MP和V0_C0MP显示为非变化的水平电平，应当理解在实际操作条件下，这些信号可随时间变化。在模式2，通过输入电压调节循环从外部电源201获得最大功率。当VO过低时，V0_C0MP增大。当VIN过低时，VIN_C0MP降低。IC_C0MP和VIN_C0MP中的较少者控制下阈值。在模式2，由V_IL图示的电流波形和开关周期类似于模式I的电流波形和开关周期。D、DPP和DP以与模式I中类似的方式切换，EP和EPP都保持低以使得开关215和205都保持断开，以及E保持高以使得开关203保持接通。模式2相对于模式I的主要不同在于，在模式2中，下电流阈值L0_C0MP由VIN_C0MP而不是IC_C0MP (模式I)控制。在模式2中，充电电流正好在目标充电电流电平或低于目标充电电流电平，使得IC_C0MP升高，且外部电源201已达到MPP (外部电源201的最大输出功率)。因此，VIN降低到VIN_MIN或低于VIN_MIN，使得VIN_C0MP下降至低于IC_C0MP并控制V_IL的下电流阈值。图5是示出了根据第三操作模式(模式3)的调节器103的操作的曲线图，该第三操作模式在外部电源201不具有足以调节输出电压VOUT的功率时是有效的。在这种情况下，VIN被调节至MPP设置点，VO被调节以及电池217被用于提供附加功率(例如，放电至负载213)。此外，绘制了 V_IL(表示电感器电流IL)和控制信号D、DPP、DP、EP、E和EPP相对于时间的曲线。时钟信号CLK在示为CLK1、CLK2、CLK3、CLK4等的规则间隔处因有效边沿而升高。V_IL —般在由L0_C0MP设置的低电平和由V0_C0MP设置的高电平之间切换。L0_COMP和V0_C0MP显示为非变化水平电平，应当理解在实际操作条件下，这些信号可随时间变化。在模式3，通过输入电压调节循环从外部电源201获得最大功率。当VO过低时，V0_COMP增大。当VIN过低时，VIN_C0MP降低。外部电源210和电池217共享输入周期。从反相IL波形和VIN_C0MP得出输入开关条件。在模式3中，VIN_C0MP足够低(低于IC_C0MP)以使得L0_C0MP由VIN_C0MP支配，以及使得V_IL在每个时钟周期中在CLK的断言之前不下降至VIN_COMP电平。在这种情况下，EPP保持低以使得开关205保持断开，以及DP也保持低以使得开关219也保持断开。在CLKl和CLK2之间的时钟周期期间，在t0时刻，EP降低以断开开关215，以及E升高，从而接通开关203以将VIN耦合至电感器L，且IL以更高速率上升。D为高以使得开关207为接通，以及DPP为低以使得开关209为断开。在第一时钟周期期间的后续时刻tl，V_IL达到V0_C0MP，以使得D下降从而断开开关207，以及DPP上升从而接通开关209。电感器电流IL反相以使得V_IL从时刻tl到CLK2处的下一时钟边沿的斜降。当下一时钟边沿达到CLK2，V_IL还没有达到VIN_C0MP。D被拉高以恢复接通低侧输出开关207，以及DPP被拉回低以断开开关209。在这种情况下，代替耦合VIN，EP被拉高以接通开关215以使得电池电压VBAT耦合至电感器L的输入侧。由于通过电池217供电，IL以较低速率增大。虚线301示出的反相电流波形是当EP为高时303所示的V_IL (或IL)的反相版本。换句话说，反相电流波形301是303所示的V_IL的镜像版本(相对于水平面)。在一个实施例中，V_IL在每个时钟跳变取样，以及反相电流波形在周期的剩余时间从该取样偏置。当反相电流波形301在时刻t3与下阈值VIN_C0MP相交，EP被拉低以断开开关215以及E被拉高以接通开关203，使得VIN再次耦合至电感器L。IL以较快的速率上升直到其达到V0_C0MP，如前文所描述。值得注意的是，输入侧开关独立于输出侧开关。在CLK的每个周期以该相同的方式重复操作。在模式3，外部电源201在其MPP设置点，且VIN被调整至VIN_MIN外部电源201不具有足够的用于负载213的功率，使得开关219保持断开(DP低)且电池217不被充电。替代地，开关215与开关203复用，使得电池217可以向负载213提供附加电源。图6是示出了根据第四操作模式(模式4)的调节器103的操作的曲线图，该第四操作模式在外部电源201不存在、断开或不起作用时是有效的。在这种情况下，VO被调节而且电池217被用于提供仅有功率(例如，向负载213放电)。此外，绘制了 V_IL(表示电感器电流IL)和控制信号D、DPP、DP、EP、E和EPP相对于时间的曲线。时钟信号CLK在示为CLK1、CLK2、CLK3、CLK4等的规则间隔处升高。V_IL —般如CLK和上阈值电平V0_C0MP所控制那样切换。V0_C0MP再次被示为非变化信号，但应当理解，在实际操作条件下，它是随时间变化的。在模式4中，当VO过低时，V0_C0MP增大。电池217被用于向负载输入功率。
在模式4中，由于外部电源201是不可用的，VIN下降至O，而且VIN_C0MP如此低，以致V_IL或其反相版本(反相电流波形301)都不与下阈值L0_C0MP相交。在这种情况下，E、EPP和DP保持低使得开关203、205和219保持断开。EP保持高以接通开关215使得来自电池217的VBAT在整个时钟周期保持耦合至电感器L的输入侧。输出侧开关207和209按照电流模式控制升压操作。具体而言，在每个有效时钟边沿D被拉高以及DPP被拉低，使得开关207接通以及开关209断开。在此期间，IL升高。iV_IL在所示的时刻t0达到V0_C0MP，D被拉低以断开开关207以及DPP被拉高以接通开关209，然后IL下降。在CLK的下一有效边沿，D被拉高而且DPP被拉低以重复循环。图7是示出了根据第五操作模式(模式5)的调节器103的操作的曲线图，该第五操作模式是在输出电流相对于充电电流较小时的低输出负载期间使用的特殊模式。在这种情况下，PFM_M0DE信号被断言为高，VO通过PFM模式被调节，且取决于IC_C0MP或VIN_C0MP中哪一个较低而被用来控制L0_C0MP，电池电流IC或输入电压VIN被调节至MPP。此外，绘制了 V_IL(表示电感器电流IL)和控制信号D、DPP、DP、EP、E和EPP相对于时间的曲线。时钟信号CLK在示为CLK1-CLK6的规则间隔处因有效边沿升高。V_IL 一般如CLK和下阈值电平LO_COMP(IC_COMP和VIN_COMP中的较低值)控制那样切换。在低负载条件期间，VO最后降低至如V0_MIN所示的下阈值电平。另外，绘制出相对于V0_MIN的VO的曲线，以说明当VO下降至或低于V0_MIN时的操作。在模式5，降压操作被用于对电池217充电，直到VO降到最低电平以下，在这种情况下，执行一个时钟周期的升压周期，然后操作返回至降压模式。在模式5 (PFM模式)，控制器229以电流模式操作调节器控制降压以对电池217充电和周期性地向输出提供脉冲电流。在降压操作期间，D、DPP和EP为低(使得开关207、209和215断开)以及DP为高以接通开关219。EPP在每个CLK上升边沿升高以接通低侧输入开关205，然后IL斜降。iV_IL达到下阈值L0_C0MP (如在第一时钟周期期间的t0和第二时钟周期期间的tl处所示)，EPP被拉低从而接通开关205，以及E被拉高从而接通输入开关203，然后IL斜升直到下一有效时钟边沿。然而，在CLK3，V0已下降到V0_MIN以下，以及调节器103提供一个升压周期。在CLK3开始的升压周期期间，E保持高使得VIN保持耦合至电感器L，DP被拉低以断开开关219，以及DPP被拉高以接通开关209。这提供了将VO拉高至高于V0_MIN同时IL (和此V_IL)下降的输出脉冲。值得注意的是，输出脉冲的导通时间(DPP为高的持续时间)可以是固定持续时间或是自适应控制的，以将脉冲频率保持在所需带宽或频率范围内。而后，DPP被拉低以断开开关209，以及D被拉高以在时刻t3接通开关207，同时DP保持为低，从而保持开关219在剩余周期内断开。操作在CLK4返回降压操作，其中D被拉低以及DP被拉回高。以这种方式重复操作，其中降压模式保持默认模式直到VO在升压周期下降至低于V0_MIN。图8是根据一个实施例的低块227的示例性实施例的示意图。源电压电平V+通过电阻器R耦合至L0_C0MP，L0_C0MP进一步耦合至一对二极管Dl和D2的阳极。IC_C0MP被提供给第一二极管(例如，Dl)的阴极，以及VIN_C0MP被提供给另一二极管(例如，D2)的阴极。因此，L0_C0MP比 IC_C0MP和VIN_C0MP中的较低的那个电压电平高一个二极管电压降。二极管电压降差额是可以忽略的或可通过与IC_C0MP和VIN_C0MP相关联的补偿电路(例如，积分)来补偿。图9是根据另一实施例实现的的调节器901的简化示意性框图。调节器901基本类似于调节器103，其中的相似元件采用相同的附图标记。在调节器901中，电容器903代替电池217作为电荷存储设备。电流传感器223感测流向电容器903的电流IC并断言电SV_IC。充电节点210产生电容器电压VCAP而不是VBAT。图10是根据一个实施例的的补偿块225的简化示意图。补偿块225包括用于产生 V0_C0MP、IC_C0MP 和 VIN_C0MP 的三个误差放大器 1001、1003 和 1005，V0_C0MP、IC_C0MP和VIN_C0MP分别用于调节输出电压V0、充电电流￥_1(:和输入电压VIN。阻抗Zl、Z2、Z3、Z4、Z5和Z6中的每一个一般表示用于环路补偿的诸如电阻器、电容器和电感器之类的无源电子设备中的任何一个或组合。输出电压VO或表示的反馈值VFB通过Zl被提供给误差放大器1001的反相输入，误差放大器1001在其非反相输入端接收V0_REF。Z2耦合在误差放大器1001的反相输入和输出之间，且误差放大器1001的输出处提供V0_C0MP。V0_REF表示在正常操作期间用于调节VO的目标电压电平。因此，当VO低于V0_REF时，V0_C0MP升高以请求VO增加，且当VO升高高于V0_REF时，V0_C0MP降低。*V_IC所表示的充电电流电平通过Z3提供至误差放大器1003的反相输入，误差放大器1003在其非反相输入接收CHG_REF。CHG_REF表示用于对电荷存储设备充电(例如，用于对电池217充电)所需的充电电流电平。Z4耦合在误差放大器1003的反相输入和输出之间，且误差放大器1003的输出处提供IC_C0MP。因此，当V_IC低于CHG_REF时，IC_COMP升高以请求充电电流增加，且当V_IC升高至高于CHG_REF时，IC_C0MP降低。输入电压VIN被提供至误差放大器1005的非反相输入，且VIN_MIN通过Z5被提供至误差放大器1005的反相输入。VIN_MIN表示VIN所需的最小电平以及外部电源201的MPP。Z6 f禹合在误差放大器1005的反相输入与输出之间，且误差放大器1005的输出处提供VIN_C0MP。因此，当VIN低于VIN_MIN时，VIN_C0MP降低，以试图控制回路来请求输入电压VIN升高。当VIN高于VIN_MIN时，VIN_C0MP升高。图11是根据一个实施例的控制器229的简化示意框图。控制器229的示意框图是简化的，不过大致示出了根据示例性实施例的共享电感器调节器103的控制方法的功能。V_IL被提供给比较器1101的非反相输入，且被提供给另一比较器1103的反相输入。V0_C0MP被提供给比较器1101的反相输入，且L0_C0MP被提供给比较器1103的非反相输入。比较器1101的输出提供信号R1，该信号Rl被提供给D型锁存器1105的重置(R)输入，该D型锁存器1105在其D输入处接收逻辑“1”，且在其时钟(CK)输入接收时钟信号CLK。锁存器1105在其Q输出处提供信号D'至反相器1107的输入。反相器1107的输出耦合至另一 D型锁存器1109的时钟输入，该D型锁存器1109在其D输入处接收逻辑“1”，并在其Q输出提供信号DPPi。比较器1103的输出提供信号R2，该信号R2被提供给2输入逻辑或门1111的一个输入，且被提供给另一 D型锁存器1115的时钟输入。或门1111在其另一输入处接收CLK，且其输出被提供给脉冲块1113的输入。脉冲块1113的输出被提供给锁存器1109的重置输入。CLK被提供给另一脉冲块1117的输入，另一脉冲块1117的输出提供时钟脉冲信号CP至锁存器1115的重置输入。锁存器1115的输出提供信号DP'。CP被提供给取样和反相块1125的一个输入，且被提供给另一锁存器1129的时钟输入。V_IL被提供给另一输入，且信号R3被提供给取样和反相块1125的重置输入。取样和反相块1125的输出提供反相的V_IL信号(示为V_IL_INV)至另一比较器1127的反相输入，另一比较器1127在其非反相输入处接收L0_C0MP并在其输出处提供R3信号。锁存器1129在其D输入处接收逻辑“1”，且在其Q输出处提供信号EP'。EP'被提供给反相器1131的输入，反相器1131在其输出处提供信号E'。另一锁存器1123在其D输入处接收逻辑“ I ”，在其时钟输入处接收R2信号，在其重置输入处接收CP，且在其输出处提供信号R4。另一 2-输入逻辑或门1130在其诸输入处接收R3和R4，且具有耦合至锁存器1129的重置输入的输出。D'、DP'、DPP'、E'和 EP'信号以及 PFM_M0DE 和 V0_MIN_REF 信号被提供给 PFM模式复用器(MUX) 1133的相应输入，PFM模式复用器(MUX) 1133在相应输出处提供D、DP、DPP、E、EP以及EPP信号。在不处于PFM模式的正常操作期间，PFM_M0DE被求非为低，且D'、DP'、DPP'、E'和EP'信号分别作为D、DP、DPP、E和EP信号由PFM模式MUX 1133传递，且EPP被保持为低(对于模式1-4)。当PFM_M0DE被断言为高时，PFM模式MUX 1133内的逻辑电路系统(未示出)根据图7所示的PFM模式改变操作，且VO_MIN_REF被用来检测何时VO降低至低于V0_MIN。PFM操作模式已在图7中示出，不再进一步描述。现在参照图3-6的模式操作图大致描述如图11所示的控制器229的操作。假定PFM_M0DE被求非为低，使得D、DP、DPP、E和EP信号与D'、DP'、DPP'、E'和EP'信号分别相同，且EPP保持低。脉冲块1113和1117以基本相同的方式操作。脉冲块的输出通常为低，且保持低直到在其输入处检测到上升沿。当脉冲块的输入变高时，它暂时将其输出以脉冲方式驱动为高达足够持续时间，以重置锁存器或以其它方式被另一电路系统或逻辑检测，如本文中进一步描述那样。在替代配置中，CLK可被配置成在每一周期期间被脉冲驱动为高，在此情况下，可去除脉冲块。在CLK的每个上升沿时，D(D')就被锁存器1105断言为高。当V_IL达到V0_COMP时，比较器1101断言Rl，这将重置锁存器1105，从而将D拉回低。当D变低时，锁存器1109将DPP (DPP')拉高。如果V_IL在CLK的下一上升沿之前降低至L0_C0MP (模式I和2)，则R2被比较器1103断言为高，这将经由或门1111和脉冲块1113重置锁存器1109，而将DPP拉回低。此外，当R2变高时，锁存器1115将DP(DP')拉高。当CLK接着变高时，脉冲块1117重置锁存器1115以将DP拉回低。如果V_IL在CLK接着被断言为高之前或同时达到L0_C0MP，则DP不被断言，或被断言非常短的持续时间。对于模式I和2，操作在连续的时钟周期期间以此方式重复。取样和反相块1125在被重置之后或在CP未被断言为高的时候保持V_IL_INV，使得R3通常被比较器1127保持为低。R2为锁存器1123提供时钟，使得R4变高，从而表明V_IL已经在当前时钟周期期间的一些点处与L0_C0MP相交。如果R4在时钟边沿处为高(模式I和2)，则EP(EP')立即被重置为低。如果R4在时钟边沿处为低(模式3和4)，则EP (EP')被断言为高，直到V_IL_INV和L0_C0MP的相交使R3变高而将EP (EP')重置回低。取样和反相块1125通过对V_IL取样并使V_IL_INV开始于此偏压点而对CP脉冲作出响应。取样和反相块1125然后以镜像方式使V_IL反相，使得V_IL_INV以与之前描述的波形301所示的V_IL相同的速率和相反方向斜变。当V_IL_INV达到L0_C0MP时，比较器断言R3为高，并重置锁存器1129以将EP拉低和将E拉高。R3还重置取样和反相块1125，以用于下一周期。对于R2未被断言时的模式3的连续时钟周期，操作以此方式重复。当外部电源201被去除或未被提供时，VIN变低至零，且L0_C0MP被拉至非常低。V_IL_INV在连续时钟周期期间未达到L0_C0MP，使得在模式4期间EP保持高同时E保持低。虽然已参考本发明的某些优选版本相当详细地描述了本发明，但可构想其它可能的版本和变型。本领域普通技术人员应当理解的是，他们能容易地利用所公开的概念和特定实施例作为基础来设计或修改其它结构以实现本发明的相同目的，这不背离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种用于共享电感器调节器的控制系统，所述共享电感器调节器包括耦合在输入节点与中间节点之间的电感器、耦合在所述中间节点与参考节点之间的第一开关、耦合在所述中间节点与输出节点之间的第二开关、耦合在所述中间节点与充电节点之间的第三开关、以及耦合在所述充电节点与所述参考节点之间的电荷存储设备，所述控制系统包括: 补偿系统，所述补偿系统基于由所述输入节点接收的源电压提供输入补偿电压、基于所述输出节点上产生的输出电压提供输出补偿电压、以及基于流过所述电荷存储设备的充电电流提供充电补偿电压； 感测系统，所述感测系统接收指示流过所述电感器的电感器电流的感测电压；以及 控制器，所述控制器可操作用于基于所述感测电压、所述输入补偿电压、所述输出补偿电压以及所述充电补偿电压来控制所述第一、第二和第三开关，以将所述输出电压调节至预定电压电平、当所述输入补偿电压指示所述源电压高于最小源电平时将所述充电电流调节至预定电流电平、以及当所述源电压被提供给所述输入节点时将所述源电压保持在至少所述最小源电平。
2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于: 所述补偿系统包括: 第一放大器，当所述充电电流低于所述预定电流电平时，所述第一放大器增大所述充电补偿电压；以及 第二放大器，当所述源电压低于所述预定电压电平时，所述第二放大器减小所述输入补偿电压；以及 其中所述控制器包括:` 低块，所述低块接收所述输入补偿电压和所述充电补偿电压，且基于所述输入补偿电压和所述充电补偿电压中较低的那一个来提供低补偿电压； 第一比较器，所述第一比较器将所述感测电压与所述输出补偿电压作比较；以及 第二比较器，所述第二比较器将所述感测电压与所述低补偿电压作比较。
3.如权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述控制器与时钟信号的时钟边沿一致地接通所述第一开关且断开所述第三开关，其中当所述感测电压达到所述输出补偿电压时，所述控制器断开所述第一开关并接通所述第二开关，且当所述感测电压达到所述低补偿电压时，所述控制器断开所述第二开关并接通所述第三开关。
4.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述共享电感器调节器还包括接收所述源电压的源节点、耦合在所述源节点与所述输入节点之间的第四开关、以及耦合在所述充电节点与所述输入节点之间的第五开关，所述控制系统还包括: 反相系统，所述反相系统采样所述感测电压，且当所述感测电压在时钟信号的有效边沿断言时未达到所述输入补偿电压时，所述反相系统提供相对于感测电压样本的反相样本电压；以及 其中所述控制器还操作用于:在当所述感测电压在时钟信号的有效边沿断言时未达到所述输入补偿电压时，断开所述第四开关并接通所述第五开关；且当所述反相感测电压达到所述输入补偿电压时接通所述第四开关并断开所述第五开关。
5.如权利要求4所述的控制系统，其特征在于，当所述输入补偿电压指示所述源电压低于最小源阈值时，所述控制器保持所述第四开关断开并保持所述第五开关接通，其中所述最小源阈值小于所述最小源电平。
6.如权利要求4所述的控制系统，其特征在于，当所述反相感测电压在到所述时钟信号的下一有效边沿时为止未达到所述输入补偿电压时，所述控制器保持所述第四开关断开并保持所述第五开关接通。
7.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述共享电感器调节器还包括接收所述源电压的源节点、耦合在所述源节点与所述输入节点之间的第四开关、以及耦合在所述输入节点与所述参考节点之间的第五开关，其中: 当提供低功率模式信号且当所述输出电压高于最小输出电平时，所述控制器操作用于:断开所述第一和第二开关并接通所述第三开关；在时钟信号的有效边沿断言时断开所述第四开关并接通所述第五开关；以及当所述感测电压达到所述输入补偿电压和所述充电补偿电压中最小的那一个时，接通所述第四开关并断开所述第五开关；以及 其中当提供低功率模式信号且当所述输出电压在所述时钟信号的周期期间低于所述最小输出电平时，所述控制器还操作用于:在所述时钟周期期间保持所述第四开关接通和所述第三和第五开关断开、在所述时钟周期的初始部分期间接通所述第二开关、以及在所述时钟周期的剩余部分断开所述第二开关并接通所述第一开关。
8.如权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述时钟周期的初始部分包括固定持续时间。
9.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述电荷存储设备包括可再充电电池。
10.一种操作共享电感器调节器的方法，其特征在于，所述调节器包括耦合在输入节点与中间节点之间的电感器、稱合在充电节点与参考节点之间的电荷存储设备、以及多个开关，所述多个开关包括耦合在所述中间节点与所述参考节点之间的第一开关、耦合在所述中间节点与输出节点之间的第二开关、以及耦合在所述中间节点与充电节点之间的第三开关，所述方法包括: 产生多个补偿信号，包括基于由所述输入节点接收的源电压的输入补偿信号、基于所述输出节点上产生的输出电压的输出补偿信号、以及基于流过所述电荷存储设备的充电电流的充电补偿信号； 感测流过所述电感器的电流，并提供电流感测信号；以及 基于所述电流感测信号和所述多个补偿信号来控制所述多个开关，以将所述输出电压调节至预定电压电平、当所述源电压高于最小源电平时将所述充电电流调节至预定电流电平，并当所述源电压被提供给所述输入节点时将所述源电压保持在至少所述最小源电平。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括: 使用所述输出补偿信号作为所述电流感测信号的上阈值； 所述产生多个补偿信号还包括: 当所述充电电流低于最小充电电平时，增大所述充电补偿信号；以及 当所述源电压低于所述最小源电平时，减小所述输入补偿信号； 确定所述输入补偿信号与所述充电补偿信号中较低的那一个，并提供低补偿信号；以及 使用所述低补偿信号作为所述电流感测信号的下阈值。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述控制所述多个开关包括:在时钟信号的有效边沿时，接通所述第一开关并断开所述第三开关； 当所述电流感测信号达到所述输出补偿信号时，断开所述第一开关并接通所述第二开关；以及 当所述电流感测信号达到所述低补偿信号时，断开所述第二开关并接通所述第三开关。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述调节器还包括用于接收所提供的所述源电压的源节点，其中所述多个开关包括耦合在所述输入节点与所述源节点之间的第四开关以及耦合在所述输入节点与所述充电节点之间的第五开关，且所述方法还包括: 当提供所述源电压时，接通所述第四开关； 当在开始新的时钟周期的时钟信号的下一有效边沿时所述感测信号未达到所述低补偿信号时，检测附加模式； 当检测到所述附加模式时，断开所述第二开关并在所述新的时钟周期中保持所述第三开关断开； 当检测到所述附加模式时，断开所述第四开关并接通所述第五开关； 在所述时钟信号的所述下一有效边沿提供从所述电流感测信号的值开始的反相感测信号；以及 当所述反相感测信号达到所述低补偿信号时，接通所述第四开关并断开所述第五开关。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，当在检测到所述附加模式时所述反相感测信号未达到所述低补偿信号时，保持所述第四开关断开并保持所述第五开关接通。
15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述调节器还包括用于接收所提供的所述源电压的源节点，其中所述多个开关包括耦合在所述输入节点与所述源节点之间的第四开关以及耦合在所述输入节点与所述参考节点之间的第五开关，且所述方法还包括: 接收指示低功率模式的低功率模式信号； 在所述低功率模式期间且当所述输出电压高于最小输出电平时，断开所述第一和第二开关并接通所述第三开关、在时钟信号的有效边沿断言时断开所述第四开关并接通所述第五开关、以及当所述电流感测信号达到所述低补偿信号时接通所述第四开关并断开所述第五开关；以及 在所述低功率模式期间且当所述输出电压在所述时钟信号的周期期间低于所述最小输出电平时，在所述时钟周期期间保持所述第四开关接通和所述第三和第五开关断开、在所述时钟周期的初始部分期间接通所述第二开关、以及在所述时钟周期的剩余部分断开所述第二开关并接通所述第一开关。
16.—种电子设备,包括: 供电系统，包括: 耦合在输入节点与中间节点之间的电感器； 耦合在所述中间节点和参考节点之间的第一开关、耦合在所述中间节点和输出节点之间的第二开关、以及耦合在所述中间节点和充电节点之间的第三开关； 用于耦合在所述充电节点与所述参考节点之间的电荷存储设备； 补偿系统，所述补偿系统基于由所述输入节点接收的源电压提供输入补偿电压、基于所述输出节点上产生的输出电压提供输出补偿电压、以及基于流过所述电荷存储设备的充电电流提供充电补偿电压； 感测系统，所述感测系统提供指示流过所述电感器的电感器电流的感测电压；以及控制器，所述控制器可操作用于基于所述感测电压、所述输入补偿电压、所述输出补偿电压以及所述充电补偿电压来控制所述第一、第二和第三开关，以将所述输出电压调节至预定电压电平、当所述输入补偿电压指示所述源电压高于最小源电平时将所述充电电流调节至预定电流电平、以及当所述源电压被提供给所述输入节点时将所述源电压保持在至少所述最小源电平。
17.如权利要求16所述的电子设备，其特征在于，还包括耦合至所述输出节点的负载，其中所述负载包括处理器和存储器。
18.如权利要求16所述的电子设备，其特征在于: 所述补偿系统包括: 第一放大器，当所述充电电流低于所述预定电流电平时，所述第一放大器增大所述充电补偿电压；以及 第二放大器，当所述源电压低于所述预定电压电平时，所述第二放大器减小所述输入补偿电压； 其中所述控制器包括: 低块，所述低块接收所述输入补偿电压和所述充电补偿电压，且基于所述输入补偿电压和所述充电补偿电压中较低的那一个来提供低补偿电压； 第一比较器，所述第一比较器将所述感测电压与所述输出补偿电压作比较； 第二比较器，所述第二比较器将所述感测电压与所述低补偿电压作比较；以及控制逻辑，所述控制逻辑与时钟信号的有效边沿一致地接通所述第一开关并断开所述第三开关，其中当所述感测电压达到所述输出补偿电压时，所述控制器断开所述第一开关并接通所述第二开关，且当所述感测电压达到所述低补偿电压时，所述控制器断开所述第二开关并接通所述第三开关。
19.如权利要求18所述的电子设备，其特征在于，还包括: 源节点，所述源节点接收所述源电压； 第四开关，所述第四开关耦合在所述源节点与所述输入节点之间； 第五开关，所述第五开关耦合在所述充电节点与所述输入节点之间； 反相系统，所述反相系统采样所述感测电压，且当所述感测电压在所述时钟信号的有效边沿断言时未达到所述低补偿电压时，所述反相系统提供相对于感测电压样本的反相样本电压；以及 其中所述控制逻辑还操作用于:当所述感测电压未达到所述低补偿电压时保持所述第三开关断开；当所述感测电压在所述时钟信号的所述有效边沿的所述断言时未达到所述低补偿电压时，断开所述第四开关并接通所述第五开关；以及当所述反相感测电压达到所述输入补偿电压时，接通所述第四开关并断开所述第五开关。
20.如权利要求19所述的电子设备，其特征在于，当所述反相感测电压在到所述时钟信号的下一有效边沿时为止未达到所述低补偿电压时，所述控制逻辑保持所述第四开关断开并保持所述第五开关接通。
全文摘要
一种用于共享电感器调节器的控制系统和方法。该调节器包括电感器和多个开关，多个开关用于将电感器选择性地耦合至输出、参考和充电节点。充电节点可耦合至电池。可包括输入开关以将电感器选择性地耦合至源节点。控制器控制诸开关以调节输出电压、充电电流以及所提供的源电压。电感器电流被感测并用来调节输出电压、用来调节充电电流或输入电压。当外部源提供足够功率时，充电电流被调节。当源达到最大功率设置点时，输入电压被保持于最小电平。当源提供不足功率时，电池被用来增加功率或提供仅有的功率。
文档编号H02J7/00GK103138325SQ201210235579
公开日2013年6月5日 申请日期2012年6月28日 优先权日2011年12月1日
发明者A·D·格斯灵, 裘卫红, Z·穆萨维 申请人:英特赛尔美国有限公司