专利名称：用于开关电容器dc-dc转换器的数字斜率控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于开关电容器DC-DC转换器的数字斜率控制。
背景技术：
通过以低电压(例如3.0VU.5V等)操作各种移动或便携式电子器件内的一些系统，这些器件可以具有减少的功耗。这样的电子器件通常使用直流-直流转换器(“dc至dc转换器”或“dc-dc转换器”)，用于将来自它们的功率供应器的可用的电压“降低”到由这些系统所使用的低电压。
典型的dc-dc转换器包括开关电容器dc-dc转换器，其可以包括控制一个或多个“快速电容器”的一个或多个开关。这些开关确定快速电容器何时充电和放电以将功率供应给负载。快速电容器可以从调整的电流源进行充电，以及可以至少部分地向与负载并联耦合的输出电容器或“缓冲器”放电。
然而，开关电容器dc-dc转换器一般会遭受开关损耗。开关损耗包括由于用于操作开关的功率所引起的功率损耗。由于在许多情况中，不管负载如何，开关的操作是一致的，因此这些开关损耗可能不随着正被供应的负载电流而缩放。例如，不管负载如何，对于每个开关事件，开关可能需要相同的能量，并且相同数目的开关可能针对dc-dc转换器所供应的大范围负载电流而操作。发明内容
本发明一方面涉及一种系统，包括:
直流-直流转换器(dc-dc转换器)，其包括:
能量存储元件；以及
多个开关，其耦合到所述能量存储元件；以及
开关控制元件，布置为基于耦合到所述dc-dc转换器的输出的负载，向所述多个开关中的一个或多个开关输出电导调节信号；以及
斜率控制元件，其布置为控制电导调节信号的变化率。
本发明另一方面涉及一种系统，其包括:
直流-直流转换器(dc-dc转换器)，其包括:
能量存储元件；以及
多个开关，其耦合到所述能量存储元件，所述多个开关中的一个或多个开关包括子开关集合；以及
开关控制元件，其布置为基于耦合到所述dc-dc转换器的输出的负载，控制所述子开关集合的一个或多个的开关状态；以及
斜率控制元件，其布置为控制所述子开关集合的一个或多个的开关状态的变化率。
参照附图提出详细说明。在附图中，参考标记的最左边(多个)数字标识参考数字第一次出现的附图。在不同附图中使用相同的参考标记指示相似或相同项。图1A是示例开关电容器dc-dc转换器的示意图，其中可以实施根据本发明的技术；图1B是根据实施例的具有多个能量存储电容器和多个开关的示例开关电容器dc-dc转换器的示意图；图2A是图1B的dc-dc转换器电路的示例第一操作模式的示意图；图2B是图1B的dc-dc转换器电路的示例第二操作模式的示意图；图2C是图1B的dc-dc转换器电路的示例第三操作模式的示意图；图3A是根据实施例的使用数模转换器的开关电容器dc-dc转换器的一部分的示意图；图3B是根据实施例的使用多个子开关的开关电容器dc-dc转换器的一部分的示意图；图4是根据示例实施例用于dc-dc转换器的数字调整环的框图；图5是根据示例实施例用于dc-dc转换器的数字控制器的框图；图6是根据另一示例实施例用于dc-dc转换器的数字控制器的框图；图7A是根据实施例的使用多路复用器和模数转换器的dc-dc转换器的一部分的示意图；图7B是根据实施例的使用低通滤波器和数模转换器的dc-dc转换器的一部分的示意图；图8A是根据实施例的使用斜率控制技术的dc-dc转换器的一部分的示意图；图SB是根据另一实施例的使用斜率控制技术的dc-dc转换器的一部分的示意图；图9是示出了根据实施例的斜率控制技术的示例波形；图1OA是示出了根据实施例的控制dc-dc转换器开关的示例过程的流程图；图1OB是示出了根据另一实施例的控制dc-dc转换器开关的示例过程的流程图。
具体实施例方式概沭技术和/或器件的典型实施例提供对开关电容器dc-dc转换器的开关特性的控制。在不同实施例中，基于负载特性(例如负载电流的幅值)而修改开关特性。可以修改开关特性，从而减小、最小化或消除dc-dc转换器中的开关损耗。典型的开关电容器dc-dc转换器包括控制一个或多个能量存储电容器(又称为“快速电容器”)的一个或多个开关。在一实施例中，可以通过基于负载切入或切出单独的开关或开关组来修改开关的操作(即开关的“导通”和“关断”)。例如，可以在给定时间针对给定负载操作最小数目开关，而其他开关可以固定于打开或闭合状态。随着负载变化，可以将一个或多个开关切入或切出，以适应变化的负载，引起更多或更少的开关进行操作，而其他开关处于固定状态。
在替换实施例中，一个或多个开关可以由多个独立可操作的子开关构成。单独的子开关或子开关组可以在给定时间针对给定负载操作，而其他开关和/或子开关固定于打开或闭合状态。例如，在另一些实施例中，可以使用数字控制器选择开关和/或子开关用于操作。基于dc-dc转换器中使用的多个开关和/或子开关，可以精细地调节调整的输出电压，并可以准确地管理开关损耗。例如，所使用的更多数目的子开关可以允许对调整的输出电压更精细的调节以及对开关损耗更严格的控制。
在本公开中，讨论用于开关电容器dc-dc转换器的开关控制的不同实施例。参照附图中所示出的示例dc-dc转换器电路示意图和各种相关波形，讨论开关控制的技术和器件。所讨论的技术和器件可以应用于任何各种dc-dc转换器设计、电路和器件，并仍位于本公开的范围内。
所公开的技术和器件的优点是变化的，并且包括:1)以低电流操作准确和精确的开关控制；2)所选开关的量化、操作的开关的数目、以及开关操作控制电压；3)在低电流负载下提高的dc-dc转换器的效率；4)用于开关事件的减小的能量；5)在其他开关固定的同时选择开关的子集用于操作的能力；以及6)不需要使用开关网络外部的任何额外的调整电流源。在电流幅值设计为更低并且频率设计为更高的应用和设计中，所公开技术的优点更加明显。
在下文中使用多个示例更详细地说明实施例。虽然此处和下文中讨论了各种实施例和示例,但是通过组合独立的实施例和示例的特征和元件，其他实施例和示例也是可能的。
示例开关电容器DC-DC转换器
图1A是示出示意的dc-dc转换器电路100的示意图，其中可以采用提供开关控制(例如可编程开关、开关时序等)的技术和/或器件。应该理解的是该技术和/或器件可以实施为dc-dc转换器电路100的一部分，或作为另一系统(例如作为dc-dc转换器100的外围等)的一部分。就“降压”器件示出和描述图1A中示出的dc-dc转换器，其将输入DC电压(Vin)减少至所期望的更低输出DC电压(Vtot)。但是，该示例仅用于方便讨论。此处关于dc-dc转换器的开关控制所讨论的技术和器件不限于降压器件，而且还可以在不偏离本公开的范围的情况下应用于其他类型的dc-dc转换器(例如升压、升降压等)。虽然本公开讨论了开关电容器型dc-dc转换器，但是各种其他类型的dc-dc转换器可以采用此处所讨论的技术和/或器件。因此，全文采用一般术语“dc-dc转换器”。
如图1A所示，示例dc-dc转换器100可以设计为具有开关网络102 (例如开关Tl、T2、T3和T4)和能量存储元件(例如能量存储元件C2)。在实施例中，一个或多个开关Τ1-Τ4可以控制能量存储元件C2的充电和/或放电。一个或多个开关Τ1-Τ4可以通过根据时序方案打开和闭合而如此操作，从而允许从电压源(例如Vin)充电和向负载(示出为负载RD放电。在图1A中，为了便于讨论，示出了四个开关(Τ1、Τ2、Τ3和Τ4)。在各种实施例中，在dc-dc转换器100中还可以使用更多开关或更少开关。
负载&可以代表器件、系统等，其由dc-dc转换器100供电，并消耗电流负载。例如，负载&可以代表通信器件、微控制器等的子系统。如图1A所示，在一些实施例中，示例dc-dc转换器100可以包括负载电容器Q (即缓冲电容器)和与负载&并联的相关阻抗Rc。在这样的实施例中，能量存储元件C2还将能量放电至负载电容Q，使得额外能量可用于负载&并缓冲负载的变化。在图1A的示例中示出了 dc-dc转换器100的输出(Vqut)作为负载&两端的电压。在各种实施例中，开关T1-T4可以实施为金属氧化物半导体(MOS)器件，例如P型金属氧化物半导体(PMOS)和/或N型金属氧化物半导体(NMOS)器件或晶体管，例如经由时钟信号所控制的。在另一些实施例中，可以使用二极管、其他类型的晶体管等实施开关T1-T4。能量存储器件C2可以实施为电容器等能量存储器件。可以基于输入电压(Vin)与输出电压(Vtot)之间的比例选择在示例dc-dc转换器中所使用的能量存储元件C2的数目，从而使从输入源传输到输出负载的能量最小。在示例实施例中，对于比例2: I (VIN ^ 2XV.)，一个能量存储元件C2可以是足够的，对于比例3: 1(VIN彡3XVTOT)，可以使用两个能量存储元件C2，等等。因此，额外的能量存储元件C2可以需要额外的开关Tl-T4(例如参见图1B的网络104)。可以使用图1A的电路示意示例操作，示出了 2: I比例dc-dc转换器100的实施例。所述操作不限于所示电路，还可以应用于各种其他dc-dc转换器的电路配置。所包括的是能量存储元件C2、与C2的第一端子耦合的开关Tl和T3、以及与C2的第二端子耦合的开关T2和T4。通过打开和闭合开关，C2的第一端子可以与开关Tl连接，到输入源Vin的正极端子，或者可以与开关T3连接，到缓冲电容器CJ和Vott)的正极端子。C2的第二端子可以经由T4连接到输入源Vin的负极端子或经由T2连接到缓冲电容器Cl (和Vott)的负极端子。在实施例中，在预设数目的开关循环期间，一个或多个开关T1-T4可以编程为位于固定状态，而一个或多个其他开关位于切换(toggle)状态。如下所述，可以通过交替两种不同开关配置获得能量传输。在第一阶段中，Tl和T2闭合，T3和T4打开。能量存储元件C2串联至缓冲电容器Q。能量从源Vin流动至输出并充电C2。在第二阶段期间，T3和T4闭合，Tl和T2打`开。此时能量存储元件C2与缓冲电容器Q并联。在第一阶段期间存储在能量存储元件C2中的能量传输至缓冲电容器Q和负载K。在一实施例中，在稳态期间，能量存储元件C2和缓冲电容器Q将具有基本等于Vout的电压。因此，在第一阶段期间，当能量存储元件C2和缓冲电容器Q串联连接时，当Vin ^ 2xV0UT,发生从源Vin的能量传输。在实施例中，Vin越接近于2XVot，能量传输越有效率。为了便于讨论，假定在上述两个阶段期间具有理想过渡。但是，所述技术不限于此种情况。在一些实施例中，为了避免短路情况，在两个阶段期间可能使用额外阶段。包含额外阶段位于本公开的范围内。图1B是根据本实施例的具有包含多个能量存储元件(C2和C3)和多个开关(T1-T9)的网络104的示例开关电容器dc-dc转换器的示意图。如图1B所示，dc-dc转换器100的开关可以配置为第一开关配置，使得能量存储元件C2和C3为串联，以及可以配置为第二开关配置，使得能量存储元件C2和C3为并联。另外，dc-dc转换器100的开关还可以配置为第三开关配置，使得能量存储元件C2和C3为与输出电容器Q串联，以及还可以配置为第四开关配置，使得能量存储元件C2和C3为与输出电容器Q并联。在其他实施例中，替换的或其他配置也是可能的。
在各种实施例中，上述参照图1A所讨论的操作原理应用于图1B的dc-dc转换器100。此外，在各种实施例中，可以用图1B的电路实现至少三种操作模式。
参照图2A，下面说明第一示例操作模式。第一模式使用3: I比例(Vin彡3xV0UT)。在第一阶段中，在图2A中示意为电路配置202，开关T6、T2和Τ5闭合，而其余开关打开。能量存储元件C2和C3串联连接至缓冲电容器Q。能量从源Vin流动至输出VOT，并为C2和C3充电。在第二阶段期间，在图2A中示意为电路配置204，开关T1、T7、T9和T4闭合，而其余开关打开。现在能量存储元件C2和C3与缓冲电容器Q并联。在第一阶段期间存储在能量存储元件C2和C3中的能量传输至缓冲电容器Q。
在稳态中，能量存储元件C2和C3和缓冲电容器Q将会具有近似等于的Vtot的电压。因此，在第一阶段期间，当Vin彡3xV0UT时，实现能量从源Vin传输。Vin越接近于3xVqut，能量传输将会越有效率。
参照图2B，接下来说明第二示例操作模式。第二模式使用2: I比例(VIN ^ 2xV0UT) 0在第二模式中，仅使用一个能量存储元件，例如C2。在第一阶段中，在图2B中示意为电路配置206，开关T4和T9打开，而开关T8和T5闭合。能量存储元件C2与缓冲电容器Q串联。能量从源Vin流动至输出VTOT，并为能量存储元件C2充电。在第二阶段期间，在图2B中示意为电路配置208，开关T8和T5打开，而开关T4和T9闭合。此时能量存储元件C2与缓冲电容器Q并联。在第一阶段期间存储在能量存储元件C2中的能量传输至缓冲电容器Q。
在稳态中，能量存储元件C2和缓冲电容器Q将会具有近似等于的Vtot的电压。因此，在第一阶段期间，当Vin彡2xV0UT时，实现能量从源Vin传输。Vin越接近于2xVott，能量传输将会越有效率。
在替换实施例中，连接到第二能量存储元件C3的开关不必如图2B所示全部打开。可以选择耦合到C3的开关的特殊(固态)配置，从而使从第二模式到第一模式或第三模式的过渡更加平稳。
参照图2C，接下来说明第三示例操作模式。第三模式也使用2: I比例(Vin彡2xV0UT)，但是以“推挽”配置使用能量存储元件C2和C3。
第三模式通常等同于第二模式，但是在这种情况中，都使用能量存储元件C2和C3。在第一阶段中，在图2C中 示意为电路配置210，当C3充电时，C2放电。在第二阶段中，在图2C中示意为电路配置212，当C3放电时，C2充电。第三模式具有与第二模式相比具有成倍的电流能力。
如上所述，为了便于该讨论，假定在上述每个模式的两个阶段之间具有理想过渡。但是，所述技术不限于此种情况。在一些实施例中，为了避免短路情况，在两个阶段之间可能使用一个或多个模式中的额外阶段。在一个或多个模式中包括额外阶段位于本公开的范围内。
此外，其他操作模式也位于本公开的范围内，包括使用其他电压比例(包括:1: I比例或逐步提高比例)的模式、包括额外能量存储元件和/或开关的模式、以及包括具有相似操作的其他部件的模式。而且，具有对于该示意图来说是额外的部件的dc-dc转换器也位于本公开的范围内。
示例开关控制
在实施例中，一个或多个开关T1-T9可以类似可变电阻器起作用。例如，当一个或多个开关实现为金属氧化物半导体(mos)器件，mos器件的栅-源电压可以类似于开关的可变阻抗。当开关打开时，开关的阻抗很高(例如百万欧姆等级)。相反地，当开关闭合时，开关的阻抗(又称为“导通”阻抗(RJ)非常低。在各种实施例中，开关的Rw值确定dc-dc转换器100可以从输入源传输到输出的最大电流(参见图1A和1B)。如图1A中所示,在具有单个能量存储元件C2的实施例中,假定所有开关具有相同的Rm值，可以传输的最大电流可以表示为:Imax= (Vin-2xVout)/2/(2XRon) (I)例如，假定Vin = 3.3V，Vout = 1.5V，Ron = 0.5欧，图1A的示例dc-dc转换器所提供给负载的最大电流为150毫安。如果所需电流负载大于150mA，则不可能获得所期望输出电压vMJT = 1.5V。另一方面,对于所有低于150毫安的负载电流,可能设定输出电压Votjt =
1.5V。假定替换为所需电流负载为50毫安，如上述通过在上述两个阶段之间切换而在开环中获得的输出电压可以表示为:V0ut o1= (Vra-1loadX2X (2XRon))/2 = 1.6V (2)这产生了比所需1.5V大IOOmV的输出电压。由此，还可以使用下述调节开关阻抗的技术，用于在必要时控制输出电压。在各种实施例中，可以选择一个或多个开关T1-T9的导通电阻Rw，以及调节一个或多个开关T1-T9的阻抗。在一实施例中，基于耦合到dc-dc转换器100的输出的负载，一个或多个开关T1-T9的阻抗是可调节的。在一实施例中，至少一个开关T1-T9包括布置为调节开关阻抗的数模转换器(DAC) 302。这在图3A中示出，例如，其中开关Tl示出为实施为mos晶体管T1A。当栅-源电压(Ves)足够大时，晶体管TlA “导通”(即TlA处于导通状态)，表示开关TlA闭合。在图3A所示示例中，开关TlA在导通(on)阶段的Ves可由DAC编程，有效地调节开关TlA的阻抗。开关TlA在关断(off)阶段的Ves是低于TlAmos器件阈值的电压。回到上述示例，dc-dc转换器100具有50毫安的所需电流负载，并假设开关T2的导通电阻(RonJ为0 .5欧，可以通过在等式(2)中替代确定开关TlA的导通电阻(Ron ia):Iload — (Vin_2 X Vmjt)/2/(RQN—1A+R0N—2)求解Ron ia:，得到:Ron ia = (Vin-2X Vout-2XRon 2X Iload) / (2X Iload)Ron ia = 2.5 欧由此，在实施例中，可以使用下述等式确定实施为具有mos器件的开关的阻抗:
权利要求
1.一种系统，包括: 直流-直流转换器(dc-dc转换器)，其包括: 能量存储元件；以及 多个开关，其耦合到所述能量存储元件；以及 开关控制元件，布置为基于耦合到所述dc-dc转换器的输出的负载，向所述多个开关中的一个或多个开关输出电导调节信号；以及 斜率控制元件，其布置为控制电导调节信号的变化率。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述斜率控制元件布置为调整所述能量存储元件的充电阶段和放电阶段至少之一的变化率。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述开关控制元件包括数模转换器(DAC)，其布置为将所述电导调节信号输出至所述多个开关中的一个或多个开关。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述斜率控制元件包括多路复用器(mux)，其布置为根据时钟脉冲将斜率控制信号输出至所述开关控制元件。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述mux布置为接收表示电导值的信号以及一个或多个表示所述电导值的分数的缩放信号，并且所述mux布置为将包括所述一个或多个缩放信号和所述信号的所述斜率控制信号以幅值上升的顺序或下降的顺序输出至所述开关控制兀件。
6.根据权利要求5所述的系统，还包括一个或多个信号缩放元件，其布置为接收表示所述电导值的所述信号，并将所述一个或多个缩放信号输出至所述mux。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述斜率控制元件包括低通滤波器，其布置为接收所述电导调节信号并将平滑后的斜率控制信号输出至所述开关控制元件。
8.一种系统，其包括: 直流-直流转换器(dc-dc转换器)，其包括: 能量存储元件；以及 多个开关，其耦合到所述能量存储元件，所述多个开关中的一个或多个开关包括子开关集合；以及 开关控制元件，其布置为基于耦合到所述dc-dc转换器的输出的负载，控制所述子开关集合的一个或多个的开关状态；以及 斜率控制元件，其布置为控制所述子开关集合的一个或多个的开关状态的变化率。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述子开关集合的所述子开关具有最大电导，其基本等同于所述多个开关 的所述一个或多个开关的最大电导除以所述集合中的所述子开关数目。
10.根据权利要求8所述的系统，其中所述斜率控制元件布置为调整所述能量存储元件的充电阶段和放电阶段至少之一的变化率。
11.根据权利要求8所述的系统，其中所述开关控制元件基于在所述开关控制元件处接收到的数字字控制所述子开关集合的一个或多个的所述开关状态。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述数字字表示由所述子开关集合构成的所述多个开关的一个或多个开关的电导值。
13.根据权利要求11所述的系统，其中所述数字字表示所述子开关集合的哪些子开关处于打开态，以及所述子开关集合的哪些子开关处于闭合状态。
14.根据权利要求11所述的系统，其中所述开关控制元件布置为将所述数字字的位映射到所述子开关集合的子开关。
15.根据权利要求14所述的系统，还包括控制线，并且其中所述开关控制元件布置为经由所述控制线将所述数字字的位映射到所述子开关集合的所述子开关。
16.根据权利要求11所述的系统，其中所述斜率控制元件布置为插入延迟器，其配置为延迟所述子开关集合的一个或多个子开关的开关。
17.根据权利要求11所述的系统，还包括将所述数字字的位映射到所述子开关集合的子开关的控制线，以及其中所述斜率控制元件布置为在每个时钟循环期间在所述控制线处插入一个或多个延迟元件，从而基于所插入的延迟元件的数目延迟所述子开关的开关。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述斜率控制元件布置为在相邻控制线的集合处插入上升或下降数目的延迟元件的集合。
19.根据权利要求8所述的系统，其中所述斜率控制元件包括低通滤波器，其布置为接收表示电导值的数字字 ，以及将平滑后的斜率控制信号输出至所述开关控制元件。
全文摘要
本发明涉及用于开关电容器DC-DC转换器的数字斜率控制。器件和技术的代表性实施例使开关电容器dc-dc转换器中的开关损耗最小化。可以修改充电阶段和/或放电阶段的斜率，从而使开关电容器从充电至放电和/或从放电至充电的过渡平滑。
文档编号H02M3/07GK103151914SQ20121059587
公开日2013年6月12日 申请日期2012年10月26日 优先权日2011年10月27日
发明者W·赫林格, G·马德巴歇尔, S·马西利 申请人:英飞凌科技股份有限公司