开关调节器电路和方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年09月17日提交的美国专利申请no.14/857,080的优先权，将其整体通过引用并入本文以用于所有目的。

本公开涉及电子电路、系统和装置，并且具体涉及开关调节器电路和方法。

背景技术：

开关调节器是用于向电子电路和系统提供电源电压和电流的非常有效的方法。这种调节器使用一个或多个电感器和开关来将能量存储在电流流过电感器时生成的磁场中。例如，开关用于选择性地将基准电压耦合到电感器以增加电感器中的能量或允许能量流到输出。因此，开关调节器有时被称为“开关器”、“变换器”(例如，升压变换器或降压开关器)。

图1示出了示例降压开关调节器。在降压开关调节器中，输入电压通常大于输出电压。另一方面，升压开关调节器具有小于输出电压的输入电压。存在将能量存储在电感器中并使用开关传送能量的各种开关调节器。在该示例中，恒定(或直流“dc”)输入电压vin耦合到高侧开关103的一个端子。高侧开关103的另一个端子耦合到电感器(l)101的端子和低侧开关102的端子。控制电路104将开关导通和关断以在电容器cout199上产生经调节的输出电压vout，其被提供到这里表示为负载电阻器ro的负载中。

在一些应用中，期望具有能够跨一个电压范围变化的调节的电压。例如，开关调节器的一个应用是包络追踪功率放大器。在包络追踪应用中，基于待被放大的输入信号来变化到功率放大器的电源电压，使得功率放大器接收将放大过程的效率优化的电源电压。因此，开关调节器可以接收包络追踪信号以随时间改变输出电压。

通常，包络追踪电源使用单个降压变换器，降压变换器使用慢速高压器件。因此开关频率受到限制，并且开关调节器只能提供负载电流的低频成分。负载电流的其余部分通常由高速线性放大器提供。然而，线性放大器效率非常低并且消耗大量的功率。

各种各样的应用将受益于具有快速且有效地改变输出电压的能力的开关调节器架构。

技术实现要素：

本公开涉及开关调节器电流感测电路和方法。在一个实施例中，开关调节器包括配置在输入电压与第一基准电压之间的第一开关调节器级和配置在第一基准电压与第二基准电压之间的第二开关调节器级。电感器的第一端子耦合到第一开关调节器级的输出和第二开关调节器级的输出。当输出电压被配置成高于第一基准电压时，第一开关调节器级操作以在电感器的第二端子上产生输出电压，并且当输出电压被配置成低于第一基准电压时，第二开关调节器级操作以在电感器的第二端子上产生输出电压。

以下详细描述和附图提供对本公开的本质和优点的更好理解。

附图说明

图1图示了典型的开关调节器。

图2图示了根据一个实施例的开关调节器。

图3图示了根据另一实施例的开关调节器。

图4图示了根据又一实施例的示例开关调节器。

图5图示了根据一个实施例的开关调节器的示例实施方式。

图6图示了根据另一实施例的图5的电路的波形。

具体实施方式

在以下描述中，出于解释的目的，阐述了许多示例和具体细节以便提供对本公开的透彻理解。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，如在权利要求书中表达的本公开可以包括这些示例中的一些或全部特征(单独或与下面描述的其他特征组合)并且还可以包括本文描述的特征和概念的修改和等同。

图2图示了根据一个实施例的示例开关调节器。本公开的实施例包括第一开关调节器级202和第二开关调节器级203，其被配置在不同电压之间以非常高的开关频率产生输出电压vout。例如，开关调节器级202被配置在输入电压vin与第一基准电压vref之间。第二开关调节器级203被配置在第一基准电压vref和第二基准电压(例如，地)之间。在该示例中，开关调节器串联堆叠在vin、vref和地之间。开关调节器级202的输出耦合到电感器210的第一端子。类似地，开关调节器级203的输出耦合到电感器210的第一端子。在该示例中，通过选择电路211将开关调节器级202的输出和开关调节器级203的输出耦合到电感器210，选择电路211可以基于期望的输出电压选择性地将开关调节器级输出耦合到电感器210。

有利地，当输出电压被配置成高于基准电压vref时，开关调节器级202可以操作以在电感器的第二端子上、在电容器cout299上产生输出电压vout。类似地，当输出电压被配置成低于基准电压vref时，开关调节器级203可以操作以在电感器的第二端子上产生输出电压vout。因此，例如，每个开关调节器级可以在小于输入电压vin和地之间的范围的电压范围上操作，并且可以共用电感器210以产生输出电压vout。在下面更详细描述的一个示例实施例中，开关调节器级202操作以在从vin到vin的一半的范围(例如，vin>＝vout>＝vin/2的范围)上产生vout。类似地，开关调节器级203操作以在从vin的一半到地的范围(例如，vin/2>＝vout>＝0v的范围)上产生vout。在一些实施例中，可以使用输出电压配置信号(例如，包络追踪应用中的包络追踪信号)来控制输出电压vout。在一个实施例中，当一个开关调节器级操作以在电感器的第二端子上产生输出电压vout时，另一个开关调节器级可以被去激活(例如，从电感器去耦合)。例如，当开关调节器级202操作以在电感器210的第二端子上产生输出电压vout时，那么开关级203可以被去激活。相反地，当开关调节器级203操作以在电感器210的第二端子上产生输出电压vout时，那么开关级202可以被去激活。

一些实施例的特征和优势可以包括基准生成器201以在输入电压和较低基准电压(例如，地)之间产生基准电压vref。因此，基准生成器201被配置在vin和地之间，并且在本文vref有时可以被称为中间基准电压。某些实施例可以包括基准生成器，其在开关调节器级202或203活跃且在调节输出电压vout时能够将vref维持在期望的电平。在一些情况下，可能需要基准生成器201将电流提供给开关级203以维持vref的恒定电压值。在其他情况下，基准生成器201可能需要从开关级202汲取电流以维持vref的恒定电压值。因此，在一个实施例中，基准生成器201是双向降压-升压型开关调节器。在一种操作模式中(当提供电流时)，在降压开关模式调节器中的双向工作可以基于输入电压vin产生中间基准电压vref(例如，在从vin到vref的正向模式中)。在另一操作模式中(当汲取电流时)，双向开关调节器可以从中间基准电压vref将电流提供回输入电压vin(例如，在从vref到vin的反向升压模式中)。下面更详细地描述附加细节和示例基准生成器电路。

图3图示了根据另一个实施例的开关调节器。在该示例中，开关调节器级302被配置成在输入电压vin和地之间与开关调节器级303串联。级302和级303之间的中间节点接收基准电压vref以为级302提供下电源基准电压并为级303提供上电源基准电压。由配置在输入电压vin和地之间的双向降压/升压开关调节器301产生vref。

一些实施例可以包括多个反馈控制回路以控制输出电压vout和基准电压vref。在该示例中，控制电路装置350被配置成接收电容器cout399上的输出电压vout以及基准电压vref。例如，控制电路装置350产生用于操作开关调节器级302和开关调节器级303以将输出电压vout调节在特定值的驱动信号。在一个实施例中，可以通过在控制电路装置350中接收的控制信号vctrl来调整(增加或减少)输出。例如，控制电路装置350可以包括内部比较器、运算放大器、积分器和其他电路，并且vctrl可以调整在电压反馈回路中的比较器或差分电路的输入处的基准电压。控制电路装置350可以进一步生成用于操作降压/升压开关调节器301的驱动信号以将基准电压vref调节在特定值。

在该示例中，通过选择电路311和312将开关调节器级302的输出和开关调节器级303的输出耦合到电感器310的一个端子。例如，选择电路311和选择电路312从控制电路350的一部分接收选择信号以选择性地激活一个开关调节器级(例如，通过将该级耦合到电感器端子)并且将另一个开关调节器级去激活(通过将这一级与电感器端子去耦合)。如上所述，当输出电压被配置成高于vref时，开关调节器级302可以驱动输出电压。因此，在一个实施例中，当vctrl的值指示vout大于vref时，控制电路装置350可以生成控制信号到选择电路311和选择电路312以将开关调节器级303从电感器310断开并将开关调节器302连接到电感器310。类似地，例如，当vctrl的值指示vout小于vref时，控制电路装置350可以生成控制信号到选择电路311和选择电路312以将开关调节器级302从电感器310断开并将开关调节器303连接到电感器310。

图4图示了根据又一实施例的示例开关调节器。在该示例中，电源电压vin401被耦合到串联配置的开关调节器级421和开关调节器级422以及降压-升压开关调节器级420。在该示例中，降压-升压开关调节器级包括开关s1402和开关s2403。开关s1具有耦合到输入电压vin的第一端子和耦合到开关节点sw3的第二端子。开关s2具有耦合到开关节点sw3的第一端子和耦合到第二基准电压(例如，地)的第二端子。降压-升压开关调节器包括电感器l2404，其具有耦合到开关节点sw3的第一端子以及用于产生到开关调节器级421和开关调节器级422的中间基准电压vref的第二端子。降压-升压开关调节器级还包括例如电容器c405，其具有耦合到电感器404的第二端子的第一端子和耦合到地以存储中间基准电压vref的第二端子。可以利用标准的cmos晶体管技术实施这些开关。

在该示例中，开关调节器级421包括开关s3406，其具有耦合到输入电压vin的第一端子和耦合到开关节点sw1的第二端子。开关节点sw1耦合到开关s4407的第一端子。开关s4包括耦合到基准电压vref的第二端子。开关调节器级422包括开关s5408和开关s6409。开关s4具有耦合到基准电压vref的第一端子和耦合到开关节点sw2的第二端子。开关s6具有耦合到开关节点sw2的第一端子和耦合到地的第二端子。

在该示例中，电容器cout499上的输出电压vout可以基于待实现的输出电压通过断开和闭合开关s7410和开关s8411而通过开关调节器级421和开关调节器级422来交替产生。如上所述，当输出电压被配置成大于vref时，开关调节器级421可以通过闭合开关s7而被激活以产生vout。当开关s7闭合时，开关节点sw1耦合到电感器450以驱动电感器中的电流并产生输出电压vout。在这种状态下，开关调节器级422可以通过断开开关s8以使开关节点sw2从电感器450去耦合而被去激活。备选地，当输出电压被配置成小于vref时，开关调节器级422可以通过闭合开关s8被激活以产生vout。当开关s8闭合时，开关节点sw2耦合到电感器450以驱动电感器中的电流并产生输出电压vout。在这种状态下，开关调节器级421可以通过断开开关s7以使开关节点sw1从电感器450去耦合而被去激活。

如图4中所示，开关调节器级421和开关调节器级422是降压开关调节器。在降压开关调节器中，开关调节器输入电压大于开关调节器输出电压。由控制电路490根据占空比将高侧开关(例如，s3和s5)和低侧开关(例如，s4和s6)导通和断开，其中占空比由开关调节器输出电压与开关调节器输入电压的比值给出(即d＝vo/vin)。在该示例中，开关调节器级422使用vref作为输入电压来操作。因此，当vout小于vref(并且级422活跃)时，占空比是d＝vo/vref。当高侧开关闭合且低侧开关断开时，跨电感器450施加vref-vout(vout<vref)的电压，并且电感器电流il1(即，到负载中)增加。当低侧开关闭合并且高侧开关断开时，跨电感器450施加vout-gnd的电压，并且电感器电流il1减小。类似地，开关调节器级421使用vin作为输入电压来操作，但是级421参考低侧上的vref。因此，当vout大于vref(并且级421活跃)时，占空比是d＝(vo-vref)/(vin-vref)。当高侧开关闭合且低侧开关断开时，跨电感器450施加vin-vout的电压，并且电感器电流il1增加。当低侧开关闭合且高侧开关断开时，跨电感器450施加vout-vref(vout>vref)的电压，并且电感器电流il1减小。控制电路装置490中的反馈电路可以感测输出电压和/或电感器电流以将vout保持在特定的电平，该特定的电平例如可以由输出电压配置信号vctrl来设置。

在该示例中，中间基准电压vref由降压-升压开关调节器级420、电感器404和电容器405来调节。在升压模式中，级421活跃而级422不活跃(例如，当vout>vref时)。在这种情况下，在级421中汲取的电流被升压回到输入电压vin。因此，在这种操作模式中，系统从基准电压vref汲取电流并将其提供回输入电压vin以改善整体系统的效率。

图5图示了根据一个实施例的开关调节器的示例实施方式。在该示例中，从电源501接收输入电压vin。在一个实施例中，例如可以从诸如蜂窝电话、智能电话、平板计算设备或个人健身设备的移动电子设备上的电池生成电源501。例如，这种电池的通常的值为约4v。在包括充当开关的pmos晶体管502和nmos晶体管503的开关调节器的输入处接收输入电压vin。在该示例中，晶体管502和503的漏极端子耦合在一起以形成开关节点sw3，开关节点sw3耦合至电感器l2504的一个端子。电感器504的另一端子耦合到电容器c505的一个端子以形成输出端子。控制电路装置590耦合到电感器504和电容器505的端子以感测输出端子上的电压。控制电路装置590生成信号以导通和关断晶体管502和503以产生特定的基准电压vref。vref可以被设置成vin和地之间的差的一半(即vin/2)，其被称为midrail电压。

在该示例中，第一开关调节器级包括pmos晶体管506和nmos晶体管507。pmos晶体管506的源极被耦合以接收输入电压vin，且pmos晶体管506的漏极被耦合到nmos晶体管507的漏极以形成开关节点sw1。nmos晶体管507的源极耦合到电感器504的端子以接收midrail基准电压vref。类似地，pmos晶体管508的源极被耦合以接收midrail基准电压vref，且pmos晶体管508的漏极被耦合到nmos晶体管509的漏极以形成开关节点sw2。nmos晶体管509的源极耦合到地。

在该示例中，可以通过选择电路装置将开关调节器级交替地耦合到共用的输出电感器550以在电容器cout599上产生输出电压vout，选择电路装置包括选择控制510、nmos晶体管511、pmos晶体管512、电阻器513和514、pmos晶体管515和nmos晶体管516。图5中所示的选择电路装置有时被称为“先合后断”电路(例如，因为一个连接在另一个逐渐关断之前导通)。例如，选择控制510可以接收输出电压配置信号vctrl并且可以将晶体管511和512导通和关断。

例如，如果vctrl将vout设置为大于vref且vctrl正在减小，则随着vctrl接近对应于等于vref的vout的值，选择控制510可以开始将pmos512导通并将nmos511关断。当pmos512导通时，电流流到电阻器514中并且nmos516的栅极上的电压增加，从而将nmos516导通并且将电感器550耦合到vref与地之间的开关调节器级的开关节点sw2。当nmos511关断时，通过电阻器513的电流减小，并且pmos515的栅极上的电压增加，从而关断pmos515并将电感器550从配置在vin和vref之间的开关调节器级的开关节点sw1去耦合。如本领域技术人员将理解的，上述示例选择电路是用于电平移位的机制，使得可以使用快速低电压器件来实施晶体管515和晶体管516。应当理解的是，在其他实施例中可以使用其他电平移位电路，例如包括但不限于锁存器电平移位器。

相反，如果vctrl将vout设置为低于vref且vctrl正在增加，则随着vctrl接近对应于等于vref的vout的值，选择控制510可以开始导通nmos511并关断pmos512。当nmos511导通时，电流流入电阻器513，并且pmos515的栅极上的电压减小，从而将pmos515导通并且将电感器550耦合到vin和vref之间的开关调节器级的开关节点sw1。当pmos512关断时，通过电阻器514的电流减小，并且nmos516的栅极上的电压减小，由此将nmos516关断，并且将电感器550从配置在vref和地之间的开关调节器级的开关节点sw2去耦合。

图6图示了根据另一实施例的图5的电路的波形。图6说明在包络追踪应用中如何使用该电路，其中vctrl用于控制vout的电平。如图6所示，vout(和vctrl)随时间变化，使得vout可以高于或低于vref(例如，midrail基准电压)。在该示例中，vout最初小于vref。因此，sw1从输出电感器去耦合并且sw2用于产生vout。在这种情况下，降压-升压以降压模式操作。当vout被配置成增加到高于vref时，sw2从输出电感器去耦合并且sw1用于产生vout。在这种情况下，降压-升压以升压模式操作。

如图6中所示，在一些应用(例如，包络追踪)中，开关节点sw1和sw2可以以非常高的频率操作以产生例如可以用于变化rf功率放大器的电源电压的输出电压vout。因为串联配置的开关级(例如，晶体管506-509)永远不会见到多于vin的1/2的电压，所以可以使用具有较低击穿电压的薄氧化物(例如，芯)器件来将这些晶体管设计成非常快，以在非常高的开关频率保持良好的效率。在包络追踪应用中，电路的高开关频率和3电平特性例如还可以减少带外噪声(或接收带(rxbna)噪声)并将其推到带外，消除或减少对线性ab类放大器的需求。此外，快速开关串联配置的开关调节器级的另一个优势可以包括例如由于增加的开关频率导致的电感器550的尺寸的减小。

在图6所示的示例中，vout跨vref的转变(在601和602处)可以具有一个循环的半个周期来完成转变。因此，例如，当vctrl波形切换跨过vref的转变时，先合后断电路可以在一个循环的半个周期上操作。例如，对选择电路装置的较低频率的要求可以允许晶体管511和512是具有较低导通电阻(rdson)的比用于开关晶体管506-509的较快晶体管器件的更大的器件。

类似地，基准生成器电路装置(例如，晶体管502和503)可以被设计成比更快的堆叠的开关器慢得多。因此，在一些实施例中，可以使用比用于晶体管506-509的更快更薄的氧化物器件更慢更厚的氧化物器件来设计开关调节器晶体管502和503。

以上描述说明了本公开的各种实施例以及如何实施特定实施例的各方面的示例。以上示例不应当被认为是仅有的实施例，并且被呈现是为了说明由以下权利要求限定的特定实施例的灵活性和优势。基于以上公开和以下权利要求，在不偏离由权利要求所限定的本公开的范围的情况下，可以采用其它布置、实施例、实施方式和等同。