用于利用飞跨电容器电压监测器的多电平转换器的PFM控制器的制作方法

用于利用飞跨电容器电压监测器的多电平转换器的pfm控制器


背景技术：
1.技术领域
1.本申请涉及多电平电源转换器，并且更具体地涉及具有经调节的输出电压的多电平电源转换器。
2.2.现有技术
3.用于膝上型计算机和相关设备(诸如平板电脑)的典型计算电源使用锂离子(li-ion)电池的组合，该组合通常是以成串联的两个电池单元的组布置的，产生大约10伏(v)的最大电压。此类相对高的电源电压不适用于调制解调器集成电路，因此移动个人计算机(pc)通常包括降压转换器以将电池电源电压从串联连接的电池调节至内部电源电压诸如1v，以用于为设备内的集成电路供电。
4.单级多相降压转换器将需要高电压部件来从此类相对高的电池电源电压逐步降低至相对低的内部电源电压。使用此类高电压部件需要大量管芯空间以实现合适的漏极到源极电阻，并且还导致电源开关的更高栅极驱动损耗和电压-电流重叠开关损耗。因此，单级多相降压转换器在其中输出电压基本上从例如约10v逐步降低至1v的应用中不是非常有效。
5.为了提高效率，已使用了具有多级的多电平降压转换器。第一级包括降压开关电容器(电荷泵)级，其将来自电池的输入电压转换成中间电荷泵输出电压。第二级将中间电荷泵输出电压转换成经调节的内部电源电压。但是此类多级电源转换器在低输出负载和/或较高升压输出下的效率存在问题。
6.此外，由于具有非线性转换功能的多电平降压转换器的增加的调节复杂度而引起控制问题，因此该多电平降压转换器中需要附加开关。此外，在高占空比下，这些类型的转换器的适当回路补偿也存在问题。此外，许多已知的多电平降压转换器需要被单独地配置为具有不同的功能操作模式以覆盖指定的输入电压和输出电压，这是因为在系统操作期间缺乏有效的机制以在宽电压范围内检测和调节多电平降压转换器。


技术实现要素：

7.本发明公开了一种交错式降压-升压转换器。所述交错式降压-升压转换器包括输入电压端子、输出滤波器、主开关级、从开关级和控制器。所述输入电压端子被配置为从电压源提供输入电压，并且所述输出滤波器包括具有输入端子的电感器和用于输出电压的输出电容器。所述主开关级包括第一飞跨电容器，并且所述从开关级包括第二飞跨电容器。所述控制器被配置为在升压操作模式期间将所述主开关级配置到主磁化开关状态，在所述主磁化开关状态中，所述输入端子响应于所述输出电压小于第一阈值电压而被充电到所述输入电压的第一倍数。所述控制器被进一步配置为将所述从开关级配置到从去磁化开关状态，在所述从去磁化开关状态中，所述输入端子响应于所述第一飞跨电容器的第一飞跨电
容器电压小于第二阈值电压而被充电到所述输入电压的第二倍数。所述输入电压的所述第二倍数小于所述输入电压的所述第一倍数。
8.在操作的示例中，impfm电源转换器执行包括以下步骤的方法：利用飞跨电容器监测器监测飞跨电容器的飞跨电容器电压，将所述飞跨电容器电压与所述第一飞跨电容器基准电压进行比较，以及如果所述飞跨电容器电压小于所述第一飞跨电容器基准电压则切换mldc转换器的操作状态。
9.本发明还公开了用于控制impfm电源转换器的控制系统。所述控制系统包括飞跨电容器监测器和电压电平控制器。所述飞跨电容器监测器被配置为比较所述飞跨电容器的飞跨电容器电压，并且在所述飞跨电容器电压小于第一飞跨电容器基准电压的情况下切换mldc转换器的操作状态。
10.对于本领域的技术人员而言，在查看以下附图和具体实施方式后，本发明的其他设备、装置、系统、方法、特征和优点将会或将变得显而易见。旨在使所有此类附加设备、装置、系统、方法、特征和优点均包括在本说明书内，均在本发明的范围内，并且受所附权利要求的保护。
附图说明
11.通过参考以下附图可更好地理解本发明。附图中的部件未必按比例绘制，而是将重点放在示出本发明的原理上。在附图中，相似的附图标号在不同的视图中表示对应的部件。
12.图1是根据本公开的交错式多电平脉冲频率调制(impfm)电源转换器的具体实施的示例的系统框图。
13.图2a是根据本公开的将由图1所示的impfm电源转换器利用的基准电压的操作波形的示例的曲线图。
14.图2b是根据本公开的用于图1所示的impfm电源转换器的输出调节的所选择电压范围的操作波形的示例的曲线图。
15.图3是根据本公开的充当3电平(3-level)pfm降压-升压转换器的3电平impfm电源转换器的具体实施的示例的系统框图。
16.图4是根据本公开的由图1所示的impfm电源转换器执行的方法的具体实施的示例的流程图。
具体实施方式
17.本发明公开了交错式降压-升压转换器。所述交错式降压-升压转换器包括输入电压端子、输出滤波器、主开关级、从开关级和控制器。所述输入电压端子被配置为从电压源提供输入电压，并且所述输出滤波器包括具有输入端子的电感器和用于输出电压的输出电容器。所述主开关级包括第一飞跨电容器，并且所述从开关级包括第二飞跨电容器。所述控制器被配置为在升压操作模式期间将所述主开关级配置到主磁化开关状态，在所述主磁化开关状态中，所述输入端子响应于所述输出电压小于第一阈值电压而被充电到所述输入电压的第一倍数。所述控制器被进一步配置为将所述从开关级配置到从去磁化开关状态，在所述从去磁化开关状态中，所述输入端子响应于所述第一飞跨电容器的第一飞跨电容器电
压小于第二阈值电压而被充电到所述输入电压的第二倍数。所述输入电压的所述第二倍数小于所述输入电压的所述第一倍数。
18.在所述示例中，所述控制器可被进一步配置为在降压操作模式期间将所述从开关级配置到从磁化开关状态，在所述从磁化开关状态中，所述输入端子响应于所述输出电压小于第三阈值电压而被充电到所述输入电压。此外，所述控制器可被进一步配置为将所述主开关级配置到主去磁化开关状态，在所述主去磁化开关状态中，所述输入端子响应于所述第二飞跨电容器的第二飞跨电容器电压小于第四阈值电压而对地放电。
19.在所述示例中，所述交错式降压-升压转换器被示出为交错式多电平脉冲频率调制(impfm)电源转换器，并且所述主开关级和所述从开关级被示出为交错式多电平电源模块(impm)，其中所述主开关级被示出为第一impm，并且所述从开关级被示出为第二impm。所述impm还被示出为多电平dc-dc mldc转换器(mldc转换器)的一部分。
20.具体地，转到图1，示出了根据本公开的impfm电源转换器100的具体实施的示例的系统框图。impfm电源转换器100包括mldc转换器102和电压电平控制器104。mldc转换器102包括多个(n个)开关级(即，impm)，每个开关级具有其自身的飞跨电容器110。为了清楚说明，mldcs 102中仅示出了第一飞跨电容器cf
1 110-1和第n飞跨电容器cf
n
110-n。一般来讲，电压电平控制器104监测飞跨电容器电压，其中如果飞跨电容器电压中所选择的一者小于第一飞跨电容器基准电压，则电压电平控制器104切换mldc转换器102的操作模式。电压电平控制器104还包括电压数模转换器(vdac)106。
21.impfm 100还包括脉冲频率调制(pfm)控制器108、从cf1监测器112-1到第n个cf
n
监测器112-n布置的多个飞跨电容器监测器、模拟多路复用器(amux)114和电平指示控制器116。此外，每个飞跨电容器具有对应的飞跨电容器电压。例如，cf
1 110-1具有第一飞跨电容器电压v
cf_1
118，并且cf
n 110-n具有飞跨电容器电压v
cf_n 120。
22.在该示例中，cf1监测器112-1与cf
1 110-1进行信号通信，该cf1110-1将cf1监测器112-1电连接到cf
1 110-1的顶板和底板两者。cf
n
监测器112-n与cf
n 110-n进行信号通信，该cf
n
监测器112-n将cf
n
监测器112-n电连接到cf
n 110-n的顶板和底板两者。类似地，多个飞跨电容器监测器中的其他飞跨电容器监测器(未示出)还单独地电连接到对应飞跨电容器的顶板和底板。
23.每个飞跨电容器监测器测量对应飞跨电容器的对应飞跨电容器电压，并将所测量的对应飞跨电容器电压输出到amux 114。amux 114是在多个接收的模拟输入信号(即，所测量的对应飞跨电容器电压)之间进行选择并将选择的所测量的飞跨电容器电压(v
cf_dv
)122转发到电压电平控制器104的多路复用器。amux 114基于由电平指示控制器116产生的选择信号124来选择v
cf_dv 122。该电平指示控制器116还产生操作信号的电压范围(v-范围)126，以驱动mldc转换器102的操作的电压范围。
24.此外，在该示例中，mldc转换器102在lxo输出节点132处与输入电压源(v
in
)128和输出滤波器130进行信号通信。输出滤波器130产生输出电压(v
out
)134并且包括输出电感器136和输出电容器138，并且与汲取负载电流(i
l
)140的负载进行信号通信。一般来讲，v
out
134是lxo输出节点132处的开关节点电压(v
lxo 139)的滤波版本。
25.此外，电压电平控制器104包括第一比较器142和第二比较器144。比较器142被配置为将飞跨电容器电压v
cf_dv 122与基准飞跨电容器电压(v
cf_ref_1
)146进行比较，并且作为
响应来产生输出到pfm控制器108的飞跨电容器比较信号(comp)148。pfm控制器108然后向mldc转换器102发送控制信号150以控制并潜在地切换mldc转换器102的操作状态。第二比较器144被配置为将输出电压v
out 134与基准输出电压(v
ref
)152进行比较，并且作为响应来产生也输出到pfm控制器108的输出比较信号(v
u_n
)154。
26.电压电平控制器104可包括vdac 106或与vdac 106进行信号通信。例如，vdac 106可与第一阈值检测器142和任选的第二阈值检测器144进行信号通信。vdac 106被配置为接收控制代码156，并且作为响应来产生飞跨电容器基准电压v
cf_ref_1 146并输出基准电压v
ref 152。
27.在该示例中，控制系统158是pfm控制回路，该pfm控制回路利用基于定时的方法，该方法利用递减飞跨电容器电压(即，当被amux 114选择为v
cf_dv 122时，v
cf_1 118至v
cf_n 120)来限定用于开关电容器(即，c
1 138)的放电相位或用于l
1 136的磁化相位的第一切换间隔，并且使得能够通过包括lc滤波部分(即，l
1 136和c
1 138)的输出滤波器130对mldc转换器102的输出进行波谷检测来完成整个pfm控制回路操作周期。该pfm控制回路基于定时的方法限定了由电平指示控制器116用于执行电平指示过程的控制方案，该电平指示过程用于impfm电源转换器100在可用电压范围内的稳健输出调节。这允许impfm电源转换器100能够在v
in 128与输出功率v
out 134的比率可变化的宽功率范围内配置。通过利用这种方法，impfm电源转换器100的接通时间由飞跨电容器调节(即，comp 148)控制，而关断时间由外回路输出电压调节(即，v
u_n
154)调节。这样，可在impfm电源转换器100的宽工作条件范围下保持飞跨电容器调节。具体地，该pfm控制回路基于定时的方法可应用于impfm电源转换器100的更高操作电压电平。
28.此外，在该示例中，电平指示控制器116可另选地经由施加到amux114的选择信号124选择不同的飞跨电容器电压，v-范围126由电平指示控制器116基于v
ref 152确定，v
ref 152可由vdac 106利用控制代码156来确定，并且v
in 128检测器(未示出)可与vdac 106和控制代码156组合以产生包括v
in 128变化的电平指示方法。此外，如果飞跨电容器在变化周期和放电周期之间的电压差保持尽可能小，则impfm电源转换器100的效率可保持在大约最大值。
29.作为操作的示例，mldc转换器102由pfm控制器108基于两个比较器(即，第一阈值检测器142和任选的第二阈值检测器144)的检测结果来控制，这两个比较器分别产生指示mldc转换器102输出的欠电压状况(即，lxo节点132处的v
lxo 139)的comp 148和指示磁化(即，飞跨电容器的放电)周期期间递减的飞跨电容器电压的v
u_n 154。
30.当放电的飞跨电容器(例如，c
f1 110-1)呈现比预定义阈值v
cf_ref_1
146更低的电压(例如，v
cf_1 118)时，第一阈值检测器切换并终止磁化周期。因此，mldc转换器102的操作被切换到去磁化周期中。当v
out 134降至基准电压v
ref 152以下时，任选的第二阈值检测器144(其充当欠电压比较器)切换其逻辑状态，并且继而pfm控制器108内的pfm控制逻辑启动针对新磁化周期的新操作周期。
31.在该示例中，impfm电源转换器100被示出为具有与多个飞跨电容器监测器(即，cf1监测器112-1至cf
n
监测器112-n)进行信号通信的多个飞跨电容器(即，cf
1 110-1至cf
n 110-n)的交错式方案。因此，在该交错式方案中，控制系统158可监测多个飞跨电容器。如前所述，电平指示控制器116指定用于输出调节的有源电压范围(即，v-范围126)，并且还选择
(即，选择信号124)amux 114以将对应所检测的飞跨电容器电压(即，v
cf_dv 122)连接到磁化周期的第一阈值检测器142。
32.在图2a中，示出了根据本公开的由impfm电源转换器100利用的基准电压的操作波形200的示例的曲线图。曲线图轴线是基准电压(即，v
ref
152)与时间202。在该示例中，v
ref 152可在第一基准电压(v
ref_1
)204和第二基准电压(v
ref_2
)206之间变化。
33.转到图2b，示出了根据本公开的用于impfm电源转换器100的输出调节的所选择电压范围的操作波形208的示例的曲线图。曲线图轴线是电压(即，v
lxo 139)与时间202。在该示例中，电平指示控制器116利用电平指示技术，其中vdac 106的控制代码156用于指定用于输出调节的两个连续电压电平之间的电压范围。在该示例中，在lxo 132输出节点处，这两个连续电压电平被示出为用于v
ref_1 204的v
k 210和v
k-1 212以及第一平均输出电压(v
out_1
)214。此外，在lxo 132输出节点处，两个其他连续电压电平也被示出为用于v
ref_2 206的v
k-2 216和v
k-3 218以及第二平均输出电压(v
out_2
)220。
34.在该示例中，v
k 210大于v
ref_1 204，并且v
ref_1 204大于v
k-1 212。此外，v
k-2 216大于v
ref_2 206，并且v
ref_2 206大于v
k-3 218。根据附图，应当理解，在点222和224处电路(即，impm)正在磁化，并且在点226和228处该电路正在去磁化。每当基准电压(即，v
ref_1 204或v
ref_2 206)被更新时，新的电压电平将被分配给impm下一个电压调节周期。在该示例中，指定电平的最高(或最低)电压将是用于磁化(或去磁化)周期的lxo电压(即，v
lxo 139)。
35.图3是根据本公开的充当3电平pfm降压-升压转换器的3电平impfm电源转换器300的具体实施的示例的系统框图。在该示例中，3电平impfm电源转换器300的mldc转换器102包括第一impm 302和第二impm 304，其中第一impm 302可充当
″
主
″
impm，并且第二impm 304可充当
″
从
″
impm。第一impm 302包括第一开关(s1)306、第二开关(s2)308、第三开关(s3)310、第四开关(s4)312、第五开关(s5)314和cf
1 110-1。第二impm 304包括第一从开关(s
1s
)316、第二开关(s
2s
)318、第三开关(s
3s
)320、第四开关(s
4s
)322、第五开关(s
5s
)324和第二飞跨电容器(cf2)110-2。mldc转换器102还包括第六开关(s
t
)，该第六开关具有在cf
1 110-1和cf
2 110-2之间通过的转换电压(v
t
)。
36.类似于相对于图1所述的示例，在该示例中，v
cf_1
监测器112-1监测cf
1 110-1的v
cf_1 118并且第二飞跨电容器监测器(v
cf_2
监测器)监测cf2110-2的第二飞跨电容器电压(v
cf_2
)326。pfm控制器108产生开关控制信号328，该开关控制信号控制第一impm 302和第二impm 304中开关的操作。具体地，pfm控制器108可产生控制s
1 306的第一控制信号(s
s1
)330、控制s
2 308的第二控制信号(s
s2
)332、控制s
3 310的第三控制信号(s
s3
)334、控制s
4 312的第四控制信号(未示出)、控制s
5 314的第五控制信号(未示出)、控制s
1s 316的第六控制信号(未示出)、控制s
2s 318的第七控制信号(未示出)、控制s
3s 320的第八控制信号(未示出)、以及控制s
4s 322的第九控制信号(s
s4s
)336。
37.在该示例中，两个飞跨电容器电压监测器v
cf_1
监测器112-1和v
cf_2
监测器112-2被引入并复用到电压电平控制器104内的比较器(例如，第一阈值检测器142)，以用于v
cf_dv 122和v
cf_ref_1 146的差值比较。在该示例中，将仅针对其对应飞跨电容器的递减电压来监测支持磁化周期的对应impm。
38.当针对新v
out 134更新vdac 106控制代码156时，两个电压电平被指定为指定用于输出调节的电压范围(即，v-范围126)。表1示出了由所公开的电平指示方法限定的3电平
impfm电源转换器300的配置。
[0039][0040]
表1
[0041]
在该表中，m等于impfm电源转换器的电平数量，并且d等于占空比。在表2中，示出了用于3电平impfm电源转换器300的pfm控制逻辑的真值表。pfm控制逻辑在输出调节的两个可能的电压范围内控制电源开关控件。如表2所示，当vout 134介于v
in 118的两倍和v
in 118之间时，监测cf
1 110-1，并且针对在v
in 118和0v之间的输出范围内的pfm操作来监测cf
2 110-2。
[0042][0043]
表2
[0044]
转到图4，示出了根据本公开的由impfm电源转换器100执行的方法400的具体实施的示例的流程图。
[0045]
方法400开始于利用飞跨电容器监测器来监测402mldc转换器102的impm的飞跨电容器的飞跨电容器电压。然后，方法400将该飞跨电容器电压与第一飞跨电容器基准电压进行比较404，并且如果该飞跨电容器电压小于第一飞跨电容器基准电压则切换406mldc转换器102的操作状态。然后方法400结束。
[0046]
应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可改变本公开的各个方面或细节。这并非穷举性的，并且不将受权利要求书保护的公开内容限制为所公开的精确形式。此外，前述具体实施方式仅用于说明的目的，而非用于限制的目的。根据以上具体实施方式，修改和变型是可能的，或者可以从实施本公开中获得。权利要求及其等同内容限定了本公开的范围。此外，虽然已经以特定于结构特征和/或方法操作的语言描述了这些技术，但是应当理解，所附权利要求不一定限于所描述的特征或操作。相反，这些特征和动作被描述为此类技术的示例性具体实施。
[0047]
就本文使用的术语
″
包括
″
、
″
包含
″
、
″
具有
″
、
″
含有
″
及其变体而言，此类术语旨在以类似于术语
″
包括
″
作为开放过渡字词的方式包含在内，而不排除任何附加的或其他的要
素。此外，除非另外特别说明，否则在上下文内理解条件语言诸如
″
能
″
、
″
能够
″
、
″
可能
″
或
″
可以
″
以呈现某些示例包括某些特征、元件和/或步骤，而其他示例不包括某些特征、元件和/或步骤。因此，此类条件语言通常不旨在暗示某些特征、元件和/或步骤以任何方式为一个或多个示例所需，或者一个或多个示例必须包括用于在有或没有用户输入或提示的情况下决定某些特征、元件和/或步骤是否包括在任何特定示例中或者是否将在任何特定示例中执行的逻辑。除非另外特别说明，否则连接语言诸如短语
″
x、y或z中的至少一者
″
应当理解为呈现的项目、术语等可以是x、y或z中的任一者或它们的组合。
[0048]
在具体实施的一些另选示例中，框中标注的一个或多个功能可以不按照附图中标注的顺序发生。例如，在一些情况下，连续示出的两个框可基本上同时执行，或者这两个框有时可以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。另外，除了流程图或框图中所示的框之外，还可以添加其他框。此外，示例性过程的操作在各个框中示出并参考这些框进行概述。这些过程被示出为框的逻辑流，其中每个块可表示可在硬件、软件或它们的组合中实现的一个或多个操作。在软件的上下文中，操作表示存储在一个或多个计算机可读介质上的计算机可执行指令，当由一个或多个处理单元执行时，该计算机可执行指令使得一个或多个处理单元能够执行所引用的操作。一般来讲，计算机可执行指令包括执行特定功能或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、模块、部件、数据结构等。对操作进行描述的顺序不旨在被理解为限制，并且任何数量的所描述的操作可以任何顺序执行、以任何顺序组合、细分成多个子操作以及/或者被并行执行以实现所描述的过程。所描述的过程可由与一个或多个设备(诸如一个或多个内部或外部cpu或gpu)和/或一个或多个硬件逻辑(诸如fpga、dsp或其他类型的加速器)相关联的资源执行。
[0049]
上述所有方法和过程可在由一个或多个通用计算机或处理器执行的软件代码模块中体现并经由这些软件代码模块完全自动化。这些代码模块可存储在任何类型的计算机可读存储介质或其他计算机存储设备中。另选地，一些或所有方法可在专用计算机硬件中体现。