用于降压-升压转换器的耐高压、高速反向电流检测和保护
1.相关申请
2.本技术要求享有于2020年9月2日提交的美国临时专利申请no.63/073,580和于2020年9月3日提交的美国临时专利申请no.63/074,075的权益，其全部内容通过引用并入本文中。
技术领域
3.本公开内容控制至电子设备的通用串行总线(usb)电力输送的集成电路(ic)。
背景技术：4.各种电子设备(例如，智能电话、平板电脑、笔记本计算机、膝上型计算机、充电器、适配器、移动电源等)被配置为根据在usb电力输送(usb-pd)规范的各种版本和修订版中定义的usb电力输送协议通过usb连接器传输电力。例如，在一些应用中，电子设备可以被配置为电力消耗方以通过usb连接器接收电力(例如，用于电池充电)，而在其他应用中，电子设备可以被配置为电力提供方以向通过usb连接器连接到其的另一设备提供电力。在各种应用中，电子制造商也可以使用需要满足各种usb-pd规范要求(例如，对输出电压(vout)单调性和稳定性的要求)的功率转换器(例如，降压-升压转换器)。
附图说明
5.图1是至少一个实施例中的降压-升压转换器的示意图。
6.图2是根据至少一个实施例的包括降压-升压转换器架构的usb控制器的示意性框图。
7.图3a是根据至少一个实施例的降压模式下的降压-升压转换器的电感器电流分布。
8.图3b是根据至少一个实施例的升压模式下的降压-升压转换器中的电感器电流分布。
9.图4a是根据至少一个实施例的过零检测(zcd)比较器电路的示意图。
10.图4b是根据替代实施例的zcd比较器电路的示意图。
11.图5a是根据至少一个实施例的反向电流检测(rcd)比较器电路的示意图。
12.图5b是根据替代实施例的rcd比较器电路的示意图。
13.图6a是根据至少一个实施例的示例性电感器输出波形的曲线图，其示出触发和调整具有较高电流斜率的rcd比较器的跳变点的需要。
14.图6b是示出根据至少一个实施例的图6a的跳变点的逻辑生成的变化使得第一高侧开关在接近电流过零处关断的曲线图。
15.图7a是根据至少一个实施例的示例性电感器输出波形的曲线图，其示出触发和调整具有较低电流斜率的rcd比较器的跳变点的需要。
16.图7b是示出根据至少一个实施例的图7a的跳变点的逻辑生成的变化使得第一高
侧开关在接近电流过零处关断的曲线图。
17.图8是根据至少一些公开的实施例的调整降压-升压比较器电路的跳变点的方法的流程图。
具体实施方式
18.以下描述阐述了诸如特定系统、部件、方法等的示例的许多具体细节，以便提供对如本文所描述的usb type-c控制器的耐高压、高速反向电流检测和保护的各种实施例的良好理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施至少一些实施例。在其他实例中，没有详细描述或以简单的框图格式呈现公知的部件、元件或方法，以避免不必要地使本文描述的主题难以理解。因此，下文阐述的具体细节仅是示例性的。特定的实施方式可以不同于这些示例性细节，并且仍然被认为在本实施例的精神和范围内。
19.在说明书中提交“实施例”、“一个实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”和“各种实施例”意味着结合(一个或多个)实施例描述的特定特征、结构、步骤、操作或特性被包括在至少一个实施例中。此外，在说明书中各处出现的短语“实施例”、“一个实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”和“各种实施例”不一定都指相同的(一个或多个)实施例。
20.说明书包括对附图的参考，附图形成具体实施方式的一部分。附图示出了根据示例性实施例的图示。对这些实施例(其在本文中也可以被称为“示例”)足够详细的描述以使得本领域技术人员能够实施本文描述的所要求保护的主题的实施例。可以组合实施例，可以利用其他实施例，或者可以在不脱离所要求保护的主题的范围和精神的情况下作出结构、逻辑和电气改变。应当理解，本文所述的实施例不是旨在限制主题的范围，而是使本领域技术人员能够实施、制造和/或使用本主题。
21.本文描述了用于具有zcd和rcd比较器电路的usb type-c控制器的降压-升压转换器的各种实施例，该控制器可以被设置为在各种电子设备中操作。这样的电子设备的示例包括但不限于个人计算机(例如，膝上型计算机、笔记本计算机等)、移动计算设备(例如，平板、平板电脑、电子阅读器设备等)、移动通信设备(例如，智能电话、蜂窝电话、个人数字助理、消息收发设备、袖珍pc等)、连接和充电设备(例如，电缆、集线器、扩充口、适配器、充电器等)、音频/视频/数据记录和/或回放设备(例如，相机、录音机、手持式扫描仪、监视器等)、以及可以使用usb接口进行通信、电池充电和/或电力输送的其他类似的电子设备。
22.如在本文中所使用的，“支持usb的”设备或系统是指包括usb连接器接口、配置有usb连接器接口或以其他方式与usb连接器接口相关联的设备或系统。一种支持usb的电子设备可以符合通用串行总线(usb)规范的至少一个版本。这样的usb规范的示例包括但不限于usb规范修订版2.0、usb 3.0规范、usb 3.1规范、usb 3.2规范和/或其各种补充、版本和勘误表。usb规范通常定义设计和构建标准通信系统和外围设备所需的差分串行总线的特性(例如，属性、协议定义、事务类型、总线管理、编程接口等)。例如，支持usb的外围设备通过主机设备的usb端口附接到支持usb的主机设备以形成支持usb的系统。usb 2.0端口包括5v的电源电压线(表示为vbus)、差分数据线对(表示为d+或dp、以及d-或dn)、以及用于电力返回的接地线(表示为gnd)。usb 3.0端口也提供vbus、d+、d-和gnd线，用于与usb 2.0的向后兼容。此外，为了支持更快的差分总线(usb超高速总线)，usb 3.0端口还提供差分发送器
数据线对(表示为sstx+和sstx-)、差分接收器数据线对(表示为ssrx+和ssrx-)、用于电源的电源线(表示为dpwr)、以及用于电力返回的接地线(表示为dgnd)。usb 3.1端口提供与usb 3.0端口相同的线路，用于与usb 2.0和usb 3.0通信的向后兼容，但是通过被称为增强超高速的特征集合扩展超高速总线的性能。
23.在usb type-c规范的各种发行版和/或版本中定义了一种用于usb连接器的更新技术，被称为usb type-c(在本文中也被称为“usb-c”)。usb type-c规范定义了type-c插座、type-c插头和type-c电缆，它们可以支持usb通信以及通过在usb-pd规范的各种修订版/版本中定义的较新usb电力输送协议的电力输送。usb type-c功能和要求的示例可以包括但不限于根据usb 2.0和usb 3.0/3.1的数据和其他通信、type-c电缆的机电定义和性能要求、type-c插座的机电定义和性能要求、type-c插头的机电定义和性能要求、type-c到传统电缆组件和适配器的要求、基于type-c的设备检测和接口配置的要求、type-c连接器的优化电力输送的要求等。根据usb type-c规范，type-c端口提供vbus、d+、d-、gnd、sstx+、sstx-、ssrx+和ssrx-线等。此外，type-c端口还提供用于边带功能性的信令的边带使用(表示为sbu)线和用于发现、配置和管理跨type-c电缆的连接的配置信道(或通信信道，表示为cc)线。type-c端口可以与type-c插头和/或type-c插座相关联。为了易于使用，type-c插头和type-c插座被设计为可逆对，其操作与插头到插座的取向无关。因此，作为标准type-c插头或插座设置的标准usb type-c连接器提供了用于四条vbus线、四条接地回路(gnd)线、两条d+线(dp1和dp2)、两条d-线(dn1和dn2)、两条sstx+线(sstxp1和sstxp2)、两条ssttx-线(sstxn1和sstxn2)、两条ssrx+线(ssxp1和ssr xp2)、两条ssrx-线(ssrxn1和ssrxn2)、两条cc线(cc1和cc2)以及两条sbu线(sbu1和sbu2)等的引脚。
24.一些支持usb的电子设备可以符合usb-pd规范的特定修订版和/或版本。usb-pd规范定义了一种标准协议，该标准协议被设计为通过提供更灵活的电力输送以及经由usb type-c端口通过单个usb type-c电缆的数据通信来实现支持usb的设备的最大功能。usb-pd规范还描述了用于管理在高达100w功率下通过usb type-c电缆的电力输送所必需的架构、协议、电源行为、参数和电缆布线。根据usb-pd规范，具有usb type-c端口的设备(例如，支持usb的设备)可以协商在usb type-c电缆上与较老的usb规范(例如，usb 2.0规范、usb 3.1规范、usb电池充电规范修订版1.1/1.2等)中所允许的相比更大的电流和/或更高或更低的电压。例如，usb-pd规范定义了对可以在一对支持usb的设备之间协商的电力输送协议(pd协议)的要求。可以规定可以由两个设备都适应的功率电平和功率传送的方向，并且可以在任一设备请求时和/或响应于各种事件和条件(例如，电力角色交换、数据角色交换、硬复位、电源故障等)而动态地对pd协议进行重新协商(例如，无需设备拔出插头)。如在本文中所使用的，“usb-pd子系统”是指一个或多个逻辑块和其他模拟/数字硬件电路，其可以由ic控制器中的固件控制，并且被配置和可操作用于执行功能并满足usb-pd规范的至少一个版本中规定的要求。ic控制器可以在usb type-c设备中实现。ic控制器可以在usb设备中实现。
25.根据usb-pd规范的电力输送可以在几种不同类型的usb type-c应用中实现。这种类型的type-c应用的示例包括但不限于：下行端口(dfp)应用，其中具有usb-pd子系统的ic控制器被配置为提供下行usb端口(例如，在支持usb的主机设备中)；上行端口(ufp)应用，其中具有usb-pd子系统的ic控制器被配置为提供上行usb端口(例如，在支持usb的外围设
备或适配器中)；双重用途端口(drp)usb应用，其中具有usb-pd子系统的ic控制器被配置为在同一usb端口(例如，usb type-c端口，其被配置为作为电力提供方或电力消耗方操作或者可以通过使用usb-pd电力角色交换在这两个角色之间动态地交替)上支持dfp和ufp应用两者；以及有源电缆应用，其中具有usb-pd子系统的ic控制器被设置到电子标记的电缆组件(emca)type-c电缆中，并被配置为操作该电子标记的电缆组件(emca)type-c电缆。
26.usb-c/pd电源可以用于按照usb-c/pd协议以3.3v到21.5v的宽输出电压范围、1a到5a的宽电流范围和5.0v到24v的宽输入电源电压范围来输送电力。由于usb-c电力输送的这种宽电压/电流范围以及输入和输出电压信号之间的快速切换要求，降压-升压(bb)转换器可以与usb type-c控制器一起使用或在usb type-c控制器内使用，可以控制该转换器以向期望的输出负载提供电力。
27.图1是至少一个实施例中的降压-升压(bb)转换器100的示意图。bb转换器100包括电感器102、第一高侧开关104(或hs1)、第二高侧开关110(或hs2)、第一低侧开关106(或ls1)和第二低侧开关108(或ls2)。在一个实施例中，这些开关是n型场效应晶体管(nfet)，如图所示。在另一实施例中，尽管未示出，高侧开关是p沟道场效应晶体管(pfet)。
28.在各种实施例中，第一高侧开关104耦合在输入端子112和bb转换器100的电感器102的第一侧(或输入)之间。第二高侧开关110耦合在电感器102的第二侧(或输出)和输出端子114之间。第一低侧开关106耦合在电感器102的输入和bb转换器100的接地之间。第二低侧开关108耦合在电感器102的输出和接地之间。输入端子112可以承载bb转换器100的输入电压(vin)，并且输出端子可以承载bb转换器的输出电压(vout)。bb转换器100还可以包括耦合到输入端子112的输入电容器(cin)和耦合到输出端子114的输出电容器(cout)。在一些实施例中，降压-升压转换器100能够在降压-升压转换器100的电感器102的输入和输出处具有20伏或更大的电压摆幅。
29.对于这种bb转换器100，可以基于输入、输出和负载电流要求来设计输入电容器(cin)、输出电容器(cout)和电感器102。在各种实施例中，bb转换器100(或包括bb转换器100的更大的系统或设备)的设计试图将最大电流限制到特定安培数和瓦数要求。一旦总输出功率范围已知，就可以确定输入电流要求。根据输入电流要求，可以确定输入和输出电容器(cin和cout)的电容值以及电感器102的电感值。
30.图2是在至少一个实施例中耦合到降压-升压转换器100的usb控制器200的框图。usb控制器200包括电流感测放大器(csa)202、斜率补偿电路204、比较器206、误差放大器(ea)208、bb控制逻辑210、栅极驱动器降压转换器212、栅极驱动器升压转换器214和模式检测逻辑216。csa 202可以测量降压-升压转换器100的输入电流，并且可以输出指示输入电流的csa信号201。可以包括斜率补偿逻辑和斜率补偿电容器的斜率补偿电路204耦合到csa 202的输出。当被启用时，斜率补偿电路204可以将偏移信号203(斜率补偿偏移)添加到csa信号201，从而生成偏移csa信号205。在一些情况下，偏移信号203是电流或电荷。在其他情况下，如果使用其他电路将偏移信号203添加到csa信号201，则偏移信号203可以是电压信号。
31.在各种实施例中，比较器206接收偏移csa信号205以及来自ea 208的ea信号207。ea 208将输出端子114处的输出电压(vout)与参考电压进行比较，以生成ea信号207。比较器206将偏置csa信号205与ea信号207进行比较，并向bb控制逻辑210提供控制信号209，其
被称为脉宽调制(pwm)输出信号(pw_out)。bb控制逻辑210接收控制信号209和来自模式检测逻辑216的模式信号211。模式检测逻辑216可以基于vout和vin确定模式以及模式之间的转换，并相应地输出模式信号211。bb控制逻辑210使用控制信号209和模式信号211来控制降压-升压转换器100的模式。特别地，bb控制逻辑210可以向控制降压-升压转换器100的第一高侧开关104和第一低侧开关106的栅极驱动器降压转换器212发送第一控制信号213。bb控制逻辑还可以向控制降压-升压转换器100的第二高侧开关110和第二低侧开关108的栅极驱动器升压转换器214发送第二控制信号215。
32.在至少一个实施例中，模式检测逻辑216接收并测量vout(在输出端子114处)和vin(在输入端子112处)，并且确定vin是否达到或超过与vin接近vout相关联的第一阈值，例如在从bb-升压模式到bb-降压模式的模式转换中。在至少一个实施例中，模式检测逻辑216确定vout是否达到或超过与vout接近vin相关联的第二阈值，例如在从bb-降压模式到bb-升压模式的模式转换中。或者，模式检测逻辑216可以基于vout和vin确定降压-升压转换器100是处于升压模式还是处于降压模式。
33.如本文所述，usb-c/pd电源可以用于在输入电源范围为5.0v至24v的情况下以3.3v-21.5v的宽输出电压范围输送电力，并且usb pd规范要求usb-c/pd电源在线路(vin)瞬变期间满足+/-5％内的输出电压(vout)，并且在从一个电压转换到另一个电压期间维持vout单调性。每当vin或vout有大的变化时，功率转换器就经历不同的模式，如降压模式、bb-降压模式、bb-升压模式或升压模式，并且占空比(ton/tsw)将在这些模式转换期间被瞬时改变，否则其将导致vout上的大的下冲/过冲而不满足usb-pd规范要求。例如，从bb-升压到bb-降压的模式转换，占空比应从15％变到85％。
34.在一些实施例中，当直流(dc)-dc转换器在不连续导通模式(dcm)模式下工作时，电感器电流可能变为负，例如，电感器电流可能在相反方向上从vout流到vin或流到地，这可能导致效率损失。为了确保没有负电感器电流流动(例如，通过电感器102)，可以采用反向电流保护，如将解释的。
35.在降压模式中，根据各种实施例，当第一低侧开关106导通时，负电感器电流可以从vout流到地。因此，栅极驱动器降压转换器212可以包括过零检测(zcd)比较器222，其检测通过第一低侧开关106的电流何时变为零，并且响应于检测到流过第一低侧开关106的零电流而关断第一低侧开关106。零电流检测可以由zcd比较器222感测包括接地节点和到电感器102的输入(sw1)的输入来执行。当输入(或sw1节点)处的电压高于接地电压时，可以执行感测，并且因此当检测到零电流条件时，电流反向流过第一低侧开关106。
36.在升压模式中，根据各种实施例，当第二高侧开关110导通时，负电感器电流可以从vout流到vin或地。因此，栅极驱动器升压转换器214可以包括反向电流检测(rcd)比较器224，其检测通过第二高侧开关110的电流何时变为零，并且响应于检测到流过第二高侧开关110的零电流而关断第二高侧开关110。反向电流检测可以由rcd比较器224感测包括输出电压(vout)和电感器102的输出(sw2)的输入来执行。当输出(或sw2节点)处的电压低于vout时，可以执行感测，并且因此电流反向流过第二高侧开关110。
37.在各个实施例中，由于开关电阻约处于5毫欧(mω)的量级，因此zcd比较器222和rcd比较器224将检测约1mv的电压差。此外，负电感器斜率电流可以非常高(7a/μs)，因此这些zcd比较器222和rcd比较器224还可以在大约5-20纳秒(ns)之间的时间范围内检测电流。
在一个实施例中，用于检测的时间范围是10ns。
38.至电感器102的输入(或sw1节点)可以从0切换到24v(vin的最大工作电压)，而电感器102的输出(或sw2节点)可以从0切换到22v(vout的最大工作电压)，因此zcd比较器222和rcd比较器224也是兼容高电压的。在不同的应用中可以设想其他电压开关范围。此外，当检测到零电流时，sw1共模电压对于zcd为0v，而sw2共模电压对于rcd可以在大约3.3v到22v之间变化(vout的工作电压范围)。
39.图3a是根据至少一个实施例的降压模式下的降压-升压转换器100的电感器电流分布。该电流分布以波形交替，该波形包括由vin-vout除以降压-升压转换器100的电感器102的电感值(l)所定义的正斜率。当第一高侧开关104和第二高侧开关110导通时，出现该第一正斜率区。该电流分布接着转换到-vout相对于电感值的负电流斜率直到达到零电流值为止，例如，当usb控制器200转换到导通第一低侧开关106且关断第一高侧开关104(同时第二高侧开关110保持导通)时。在降压-升压转换器100的电感器电流达到零之后，其中当zcd比较器222检测到零电流时第一低侧开关106关断，电流保持为零，直到当第一侧开关切换时循环回到正斜率电流并重复电流分布的波形为止。
40.图3b是根据至少一个实施例的升压模式下的降压-升压转换器中的电感器电流分布。该电流分布以波形交替，该波形包括由vin除以降压-升压转换器100的电感器102的电感值(l)所定义的正斜率。当第一高侧开关104和第二低侧开关108导通时，出现该第一正斜率区域。该电流分布接着转换到(vin-vout)/l的负电流斜率直到达到零电流值为止，例如，当usb控制器200转换到导通第二高侧开关110且关断第二低侧开关108时。在降压-升压转换器100的电感器电流达到零之后，其中当rcd比较器224检测到零电流时第二高侧开关110关断，电流保持为零，直到当第二侧开关切换时循环回到正斜率电流并重复电流分布的波形为止。
41.图4a是根据至少一个实施例的过零检测(zcd)比较器电路400a的示意图。在一些实施例中，zcd比较器222(图2)实现为zcd比较器电路400a。在至少一个实施例中，zcd比较器电路400a包括耦合到降压-升压转换器100的接地的负输入(inn)、耦合到降压-升压转换器100的电感器102的输入(sw1)的正输入(inp)、以及耦合到降压-升压转换器100的第一低侧开关106的栅极的输出(“out”)。例如，当降压-升压转换器100在降压模式下工作时，可以响应于检测到流过第一低侧开关106的零电流而断言输出处的值。
42.在该至少一个实施例中，zcd比较器电路400a还包括耦合到负输入的第一电阻器(r2)和耦合到正输入的第二电阻器(r2)。在一些实施例中，第一电阻器具有与第二电阻器基本上相同的电阻。在一些实施例中，第一电阻器和第二电阻器是可变电阻器，其是可调整的以调整和/或设置检测阈值，如将更详细地讨论的。
43.在该至少一个实施例中，zcd比较器电路400a还包括耦合到第一电阻器的第一漏极扩展n型晶体管(denfet)(n7)和耦合到第二电阻器的第二denfet(n8)，其中第一和第二denfet的栅极耦合到电源电压(vddd)。本文公开的denfet可以向比较器电路的其他电路提供高压容限和高压保护。zcd比较器电路400a还可以包括运算放大器401，其包括：通过第三电阻器(r0)耦合到接地的第二正输入、接收(或耦合到)带隙电压基准(vbg)的第二负输入，以及第二输出。在各种实施例中，带隙电压基准由有时在集成电路中采用的与温度无关的电压基准电路生成。这种电路产生固定电压，而与电源电压变化、温度变化或来自设备的电
路负载无关，并且因此提供精确的电压基准。zcd比较器电路400a还可以包括多级放大器403，其耦合在运算放大器401的第二输出、第一和第二denfet以及输出之间。
44.在至少一个实施例中，zcd比较器电路400a还包括p型金属氧化物半导体(pmos)晶体管(p1)，其具有耦合到第二输出的栅极、耦合到电源电压(vddd)的源极、以及耦合到多级放大器403的第一级410的漏极。zcd比较器电路400a还可以包括第三电阻器(r0)和第二pmos晶体管(p0)，该第二pmos晶体管包括耦合到电源电压的源极、耦合到第三电阻器(r0)的漏极、以及耦合到第二输出的栅极。在一些实施例中，本文所讨论的pmos晶体管是pfet。
45.在至少一个实施例中，zcd比较器电路400a还包括耦合到负输入的第三denfet(n9)和耦合到正输入的第四denfet(n10)。zcd比较器电路400a还包括耦合在第二输出(以及p0和p1 pmos晶体管的栅极)与第三和第四denfet(n9和n10)之间的电流镜乘法器405。电流镜乘法器405可以包括一组pmos晶体管(例如，p2、p3和更多)，其可选择以调整运算放大器401的第二输出处的基准电流。该基准电流(iref)可以理解为vbg/r0。因此，电流镜乘法器405可以被编程(例如，经由选择pmos晶体管组中的一个或多个pmos晶体管)以对负输入(inn)或正输入(inp)进行微调，这在提供阈值电压/电流值的精度的同时提高了zcd比较器电路400a的速度。
46.在至少一个实施例中，电流镜乘法器405包括第一pmos晶体管(p2)，其包括耦合到电源电压(vddd)的源极、耦合到第三denfet(n9)的漏极，以及耦合到运算放大器401的第二输出的栅极。电流镜乘法器405还可以包括第二pmos晶体管(p3)，其包括耦合到电源电压(vddd)的源极、耦合到第四denfet(n10)的漏极、以及耦合到第二输出的栅极。
47.仅作为示例，假设所生成的电流i0＝vbg/r0流经p1(具有w/l的大小)、p2(具有k1*w/l的大小)以及p3(具有k2*w/l的大小)，其中常数k1和k2是电流镜乘法器405的可编程乘数。当将iref＝k1*i0的微小电流注入到第一负输入(inn)时，bb控制逻辑210可以根据需要设置k1并将k2设置为零(“0”)。类似地，为了将iref＝k2*i0的微小电流注入第一正输入(inp)，控制逻辑210可以根据需要设置k2并且将k1设置为零(“0”)。
48.在至少一个实施例中，多级放大器403包括耦合到第二输出的第一级放大器410、耦合到第一级放大器410的第二级放大器420a，以及耦合在第二级放大器420a与输出(“out”)之间的输出级430。在至少一个实施例中，第一级放大器410包括耦合到第一denfet(n7)的第一路径。该第一路径可以包括串联的第四电阻器(r1)和第一n型金属氧化物半导体(nmos)晶体管(n1)，其中第一nmos晶体管(n1)的栅极耦合到第一nmos晶体管(n1)的漏极。第一级放大器410还可以包括耦合到第二denfet(n8)的第二路径。第二路径可以包括串联的第五电阻器(也是r1)和第二nmos晶体管(n2)，其中第一和第二nmos晶体管的栅极连接。第四电阻器和第五电阻器(都表示为r1)可以具有基本相同的电阻。在一些实施例中，使用r1将第一级放大器410的输出电压摆幅保持限制在第二级放大器420a的输入共模电压附近，以改善第一级放大器410的响应时间。在一些实施例中，本文所讨论的nmos晶体管是nfet。
49.因此，zcd比较器电路400a的阈值电压(vth)可以被写为r2(k1*iref-k2*iref)。当用代替iref时，vth可以被写为因为电阻器r0、r1和r2是具有基本相同的温度系数的类似类型的片上电阻器，所以r2和r0的温度变化将彼此抵消，并且
可以理解为与温度变化无关。
50.在至少一个实施例中，第二级放大器420a包括第三路径，其包括串联的第一pmos晶体管(p4)和第三nmos晶体管(n3)，其中第一pmos晶体管(p4)具有耦合到电源电压(vddd)的源极、耦合到第三nmos晶体管的漏极的漏极、以及耦合到漏极的栅极。第三nmos晶体管(n3)可以具有耦合到第二denfet(n8)的源极和耦合到第一和第二nmos晶体管(n1和n2)的栅极的栅极。第二级放大器420a还可以包括第四路径，其包括串联的第二pmos晶体管(p5)和第四nmos晶体管(n4)，其中第二pmos晶体管具有耦合到电源电压的源极、耦合到第四nmos晶体管(n4)的漏极的漏极、以及耦合到第一pmos晶体管(p4)的栅极的栅极。第四nmos晶体管(n4)可以包括耦合到第一denfet的源极和耦合到第二nmos晶体管的漏极的栅极。第二级放大器420a可以包括第五nmos晶体管(n5)，其具有耦合到电源电压的漏极、耦合到第二pmos晶体管(p5)和第四nmos晶体管(n4)的漏极的源极以及耦合到第一pmos晶体管(p4)的漏极的栅极。
51.在至少一个实施例中，多级放大器403的输出级430包括与第六nmos晶体管(n6)串联耦合的第三pmos晶体管(p6)，其中第三pmos晶体管(p6)具有耦合到电源电压(vddd)的源极、耦合到第六nmos晶体管(n6)的漏极且耦合到输出缓冲器432的漏极，该输出缓冲器继而耦合到输出(“out”)。此外，在该实施例中，第六nmos晶体管(n6)具有耦合到电流源435的源极，该电流源耦合到接地，其中第三pmos晶体管(p6)和第六nmos晶体管的栅极耦合到第二级放大器420a。可以使用nmos源极跟随器(n5)将第二级放大器420a的输出电压摆幅箝位在电流不足型反相器(current starved inverter)的第三pmos晶体管(p6)的vthp(p型mos阈值电压)附近以提高速度。
52.图4b是根据替代实施例的zcd比较器电路400b的示意图。zcd比较器电路400b与zcd比较器电路400a基本相同，除了与第二级放大器420a相比第二级放大器420b中的变化。在该实施例中，第三nmos晶体管(n3)和第四nmos晶体管(n4)的源极改为接合且耦合到恒定电流偏置425，以便在n3和n4的源极处提供引脚泄漏电流减小。
53.图5a是根据至少一个实施例的反向电流检测(rcd)比较器电路500a的示意图。在一些实施例中，rcd比较器224(图2)实现为rcd比较器电路500a。在至少一个实施例中，rcd比较器电路500a包括耦合到降压-升压转换器100的电感器的输出的负输入(inn)、耦合到降压-升压转换器100的电压总线(vbus)输出的正输入(inp)、以及耦合到降压-升压转换器的第二高侧开关110的栅极的输出(“out”)。在实施例中，当降压-升压转换器100在升压模式下工作时，响应于检测到流过第二高侧开关110的零电流而断言输出处的值。
54.在至少一个实施例中，rcd比较器电路500a还包括耦合到负输入(inn)的第一电阻器(r2)和耦合到正输入(inp)的第二电阻器(r2)。在一些实施例中，第一电阻器具有与第二电阻器基本上相同的电阻。在一些实施例中，第一电阻器和第二电阻器是可变电阻器，其是可调整的以设置检测阈值电流。
55.在至少一个实施例中，rcd比较器电路500a还包括耦合到第一电阻器的第一漏极扩展p型晶体管(depfet)(p7)和耦合到第二电阻器的第二depfet(p8)，其中第一和第二depfet的栅极耦合在一起。rcd比较器电路500a还可以包括运算放大器501，其包括通过第三电阻器(r0)耦合到接地的第二正输入、接收(或耦合到)带隙电压基准(vbg)的第二负输
入、以及第二输出。在各种实施例中，带隙电压基准由有时在集成电路中采用的与温度无关的电压基准电路生成。这种电路产生固定电压，而与电源电压变化、温度变化或来自设备的电路负载无关，并且因此提供精确的电压基准。rcd比较器电路500a还可以包括多级放大器503，其耦合在运算放大器501的第二输出、第一和第二depfet(p7和p8)以及输出(“out”)之间。
56.在各种实施例中，rcd比较器电路500a的基准电流(iref)可以由来自输入(inn或inp)之一的vbg/r0确定，以根据通过第二高侧开关110的电流方向来设置检测阈值电压。由此，能够将检测阈值电压确定为vbg*r2/r0。
57.在至少一个实施例中，rcd比较器电路500a还包括p型金属氧化物半导体(pmos)晶体管(p1)，其具有耦合到第二输出的栅极、耦合到电源电压(vddd)的源极、以及耦合到电流镜的漏极。在至少一个实施例中，rcd比较器电路500a还包括第三电阻器(r0)和第二pmos晶体管(p0)，该第二pmos晶体管包括耦合到电源电压(vddd)的源极、耦合到第三电阻器(r0)的漏极、以及耦合到第二输出的栅极。
58.在至少一个实施例中，rcd比较器电路500a还包括各自具有耦合到电源电压(vddd)的栅极的一组漏极扩展n型晶体管(denfet)502。在一些实施例中，该组denfet502包括：第一denfet(n8)，其漏极例如通过电阻器(r3)耦合到正输入(inp)；第二denfet(n9)，其漏极耦合到第一电阻器(r2)；第三denfet(n10)，其漏极耦合到第二电阻器(r2)；第四denfet(n11)，其漏极耦合到多级放大器503的第一级放大器510。本文公开的deffet和denfet可以向比较器电路的其他电路提供高压容限和高压保护。
59.在至少一个实施例中，rcd比较器电路500a还包括一组n型金属氧化物半导体(nmos)晶体管504，其具有耦合在一起的栅极且各自包括耦合到接地的源极。在一些实施例中，该组nmos晶体管504包括第一nmos晶体管(n0)，其具有耦合到pmos晶体管(p1)的漏极并且耦合到第一nmos晶体管(n0)的栅极的漏极，pmos晶体管(p1)具有耦合到电源电压的源极和耦合到第二输出的栅极。该组nmos晶体管504还可以包括第二nmos晶体管(n1)，其具有耦合到第一denfet(n8)的源极的漏极和耦合到第一nmos晶体管(n0)的栅极的栅极。该组nmos晶体管504还可以包括漏极耦合到第二denfet(n9)的源极的第三nmos晶体管(n2)、漏极耦合到第三denfet(n10)的源极的第四nmos晶体管(n3)、以及漏极耦合到第四denfet(n11)的源极的第五nmos晶体管(n4)。
60.在一些实施例中，第三和第四nmos晶体管(n2和n3)是电流镜乘法器505，其还包括可选择以调整运算放大器的第二输出处的基准电流的一组nmos晶体管(未全部示出)。通过使用电流镜乘法器505，对电阻器网络的需要较少，从而使rcd比较器电路500a更快。此外，通过选择性地选择nmos晶体管组中的一个或多个nmos晶体管(例如，n2、n3和更多)来调整从电流镜乘法器505注入的电流。
61.在至少一个实施例中，多级放大器503的第一级放大器510包括耦合到第一depfet(p7)的第一路径。该第一路径可以包括串联的第一高压p型场效应晶体管(pfet)(p2)和第四电阻器(r1)。第一级放大器510还可以包括耦合到第二depfet(p8)的第二路径。该第二路径可以包括串联的第二高压pfet(p3)和第五电阻器(r1)。第二高压pfet(p3)的漏极可以耦合到第二高压pfet(p3)的栅极。在至少一个实施例中，第一和第二高压pfet(p2和p3)在一组高压pfet 512之中，该组高压pfet将电流镜像到多级放大器503的第二级放大器520a中。
此外，在至少一个实施例中，第四电阻器和第五电阻器具有基本相同的电阻，并且第一和第二高压pfet(p2和p3)的栅极连接。在各种实施例中，使用r1将第一级放大器510的输出电压摆幅保持限制在第二级放大器520a的输入共模电压附近，以改进第一级放大器510的响应时间。
62.因此，rcd比较电路500a的阈值电压(vth)可以被写为r2(k1*iref-k2*iref)。当用代替iref时，vth可以被写为因为电阻器r0、r1和r2是具有基本相同的温度系数的类似类型的片上电阻器，所以r2和r0的温度变化将彼此抵消，并且可以理解为与温度变化无关。
63.在至少一个实施例中，多级放大器503的第二级放大器520a包括第三高压pfet(p4)，其具有耦合到第一depfet(p7)的源极和耦合到第一和第二高压pfet(p2和p3)的栅极的栅极。第二级放大器520a还可以包括第四高压pfet(p5)，其具有耦合到第二depfet(p8)的源极和耦合到第一高压pfet(p2)的漏极的栅极。第二级放大器520a包括耦合到第三高压pfet(p4)的第三depfet(p9)、耦合到第四高压pfet(p5)的第四depfet(p10)，其中第三和第四depfet(p9和p10)的栅极耦合在一起。第二级放大器520a还可以包括具有耦合到第三depfet(p9)的源极的第一pmos晶体管(p11)、具有耦合到第四depfet(p10)的源极的第二pmos晶体管(p12)，其中第一和第二pmos晶体管的栅极耦合到电源电压(vddd)，并且第一和第二pmos晶体管的漏极耦合到接地。第二级放大器520a还可以包括第三pmos晶体管(p6)，其具有耦合到第二pmos晶体管(p12)的源极的源极、耦合到接地的漏极、以及耦合到第一pmos晶体管(p11)的源极的栅极。
64.在至少一个实施例中，rcd比较器电路500a还包括多级放大器503的输出级530。在一些实施例中，输出级530包括第一n型金属氧化物半导体(nmos)晶体管(n5)，其具有耦合到第三pmos晶体管(p6)的栅极的漏极、耦合到第一nmos晶体管(n5)的漏极的栅极、以及耦合到接地的源极。输出级530还可以包括第二nmos晶体管(n6)，其具有耦合到第三pmos晶体管(p6)的源极的漏极、耦合到第一nmos晶体管(n5)的栅极的栅极、以及耦合到接地的源极。输出级530还可以包括第三nmos晶体管(n7)，其具有通过恒定电流偏置525耦合到电源电压(vddd)的漏极、耦合到第二nmos晶体管(n6)的漏极的栅极、以及耦合到接地的源极。输出级530还可以包括耦合在第三nmos晶体管的漏极与输出之间的输出反相缓冲器532。
65.在一些实施例中，使用第三pmos晶体管(p6)作为源极跟随器将第二级放大器520a的输出摆幅箝位在电流不足型反相器(由第一pmos晶体管p11和第二pmos晶体管p12以及第一nmos晶体管n5和第二nmos晶体管n6组成)的nmos n7的vthn附近，以提高速度。更具体而言，假设通过第二nmos晶体管(n6)的叠加电流(stack current)具有两个电流分量i1和i2。当比较器输入条件使得第三nmos晶体管(n7)的栅极应为低时，关断n7。在这种情况下，i1＞i2，p6的源极等于零(“0”)，并且p6的栅极电压为n5的～vgs，因此p7也被关断。然而，当比较器输入条件使得n7的栅极应为高时，导通n7。在这种情况下，i1＜i2，n7的栅极电压将试图变高，从而导通n7。一旦n7的栅极变得高于p6的导通阈值电压，p6导通，并且额外的电流(i2-i1)流经p6。此时，n7的栅极电压箝位到(n5的vgs+p6的vsg)。以这种方式，第二级放大器520a的输出(n7的栅极)被限制为低电压摆幅，这有助于快速对该节点进行充电/放电且
提高rcd比较器电路500a的速度/响应时间。
66.图5b是根据替代实施例的rcd比较器电路500b的示意图。rcd比较器电路500b与rcd比较器电路500a基本相同，除了与第二级放大器520a相比第二级放大器520b中的变化。在该实施例中，第三和第四高压pfet(p4和p5)的源极改为接合且耦合到恒定电流偏置525，以在p4和p5的源极处提供管脚泄漏电流减小。
67.降压-升压转换器(例如，bb转换器100)被设计为在脉冲跳跃模式(psm)或强制连续导通模式(fccm)下工作。psm是一种不连续导通模式(dcm)，其中通过降压-升压转换器100的电流在每个周期达到零(“0”)。此外，fccm是一种连续导通模式(ccm)，其中电流是连续的，但在每个周期变为负(可能明显为负)。在bb转换器100的基于psm和基于fccm的操作中的每一个中，在保护电路方面存在某些挑战。
68.更具体而言，在fccm中，允许来自vout的负电流或反向电流，并且因此，可以将电路添加到bb转换器100以针对大的负电流进行保护，从而避免反向方向上的电感器饱和。这通常包括添加用于在输出(vout)处进行双向电流感测的电路，例如，以输出侧双向感测csa的形式。如果以硬件实施，那么这种双向电流感测增加usb控制器200(或并入有bb控制器的其他设备)的设计的复杂性以及额外管芯面积。
69.此外，在psm中，要避免从vout到vin(或接地)的反向电流，因此需要zcd比较器222(用于低侧)或rcd比较器224(用于高侧)中的至少一个来保护usb控制器200免受反向电流的影响。通常，rcd比较器224和zcd比较器222的阈值电压保持朝向电流曲线的正侧，以补偿外部fet的感测和关断中的延迟。例如，可能需要由rcd比较器224或zcd比较器222感测大约1-2mv的电压，从而需要准确的反向电流检测，这导致在能够分别关断第二高侧开关110或第一低侧开关106方面的延迟。对于usb控制器200的宽范围的输入/输出电压，通过电感器102的电流的斜率几乎变化25倍(例如，(vin-vout)/l＝15v/l到(vin-vout)/l＝0.6v/l)，从而导致开关将在反向电流检测阈值附近关断的电流的较大变化。
70.电流的这种大的变化对vin或vout范围内的效率产生负面影响，并且导致效率峰值仅在dcm操作的特定vin或vout组合处。例如，效率是作为由于宽范围的电感器电流斜率而导致的对于宽范围的vin或vout值的提前切断(二极管导通)或延迟切断(反向电流)的结果的损失。提供零电流检测的偏移可在角落上且随温度而变化，并且因此硬件设计必须被设计为覆盖使典型的基于硅的设计的效率恶化的最坏情况偏移。为了提高效率，rcd比较器224和zcd比较器222将需要小于1mv的精确度，并且表现出小于50ns的延迟，这同样显著地增加了硬件设计复杂性和要实现的管芯面积。
71.为了解决硬件设计中的这些缺陷，bb控制逻辑210可以适于实现zcd控制器222和rcd比较器224的功能的可编程控制，而无需添加另外的硬件。例如，可以将至少三个编程电平施加到这些比较器。首先，以至少0.6mv的分辨率启用每个比较器中的阈值参考电压的编程范围(例如，在-14mv和+14mv之间)。其次，以分辨率的相应加倍(例如，1.2mv)启用其中阈值参考电压的范围可以加倍(例如，-28mv到+28mv)的编程。尽管使用+/-14mv和+/-28mv作为示例，但是可以设想额外的电压范围。第三，基于操作模式来启用和/或禁用zcd比较器222(在ls1处)或rcd比较器224(在hs2处)。
72.bb控制逻辑210可以包括可由usb控制器200中的固件编程(或配置)的硬件，以便实现本文描述的功能。例如，bb控制逻辑210的硬件可以包括合成(或数字)逻辑、读寄存器、
乘法器、与门、或门等。bb控制逻辑210内的硬件的编程可以更新，例如在制造之后和/或根据客户设置的操作模式。
73.在各种实施例中，当bb转换器100在psm下工作时，bb控制逻辑210可以感测vin和vout电压，获知电感器102的电感和模式信息，bb控制逻辑210可以根据该信息计算通过电感器102的电流的斜率并调整zcd和/或rcd跳变点。调整这些跳变点可以使得由zcd比较器222关断第一低侧开关106(或ls1)并且由rcd比较器224关断第二高侧开关110(或hs2)能够非常接近电感器电流的过零，以便在无需硬件的附加设计复杂性的情况下提高效率。图6a-6b(通过电感器102的较高电流斜率)和7a-7b(通过电感器102的较低电流斜率)示出了关于实际电感器输出电流波形的一些示例，特别强调了rcd比较器224的操作。
74.图6a是根据至少一个实施例的示例性电感器输出波形的曲线图，其示出触发和调整具有较高电流斜率的rcd比较器的跳变点的需要。参考图6a的曲线图，仅出于解释的目的，假设vin是6v，vout是21v，电感器102的电感(l)是3μh，电感器电流的斜率(di/dt)是15a/3μs或5a/μs，第二高侧开关110的电阻是5mω，rcd比较器224的感测阈值电压是1.5mv，并且rcd比较器224的感测延迟是100ns。默认地，当实际fet(例如，第二高侧开关110)在-1mv处关断时，将发生误差，其对应于200ma的反向电流。
75.图6b是示出根据至少一个实施例的图6a的跳变点的逻辑生成的变化使得第一高侧开关在接近过零电流处关断的曲线图。由于bb控制逻辑210具有vin、vout和电感的信息，bb控制逻辑210可以计算斜率且动态地将rcd比较器224的跳变点从1.5mv改变+2个点(每个点为0.6mv)至2.7mv。随着该跳变点的改变，(第二高侧开关110的)fet以0.2mv的小误差非常接近过零处关断，该误差对应于40ma的电流。
76.图7a是根据至少一个实施例的示例性电感器输出波形的曲线图，其示出触发和调整具有较低电流斜率的rcd比较器的跳变点的需要。参考图7a的曲线图，仅出于解释的目的，假设vin是6v，vout是6.6v，电感器102的电感(l)是3μh，电感器电流的斜率(di/dt)是0.6a/3μs或0.2a/μs，第二高侧开关110的电阻是5mω，rcd比较器224的感测阈值电压是1.5mv，并且rcd比较器224的感测延迟是100ns。默认地，当实际fet(例如，第二高侧开关110)在1.4mv处关断时，将发生误差，其对应于280ma的电流，比图6a的示例显著更大的电流。
77.图7b是示出根据至少一个实施例的图7a的跳变点的逻辑生成的变化使得第一高侧开关在接近过零电流处关断的曲线图。由于bb控制逻辑210具有vin、vout和电感的信息，bb控制逻辑210可以计算斜率并动态地将rcd比较器224的跳变点从1.5mv改变-2个点(每个点为0.6mv)至0.3mv。随着该跳变点的改变，(第二高侧开关110的)fet以0.2mv的小误差非常接近过零处关断，该误差对应于40ma的电流。在至少一些实施例中，图7a-7b的曲线图中的示例类似地应用于zcd比较器电路222，以便使zcd阈值非常接近零电流，从而提高效率。
78.在各种实施例中，当bb转换器100在fccm下工作时，bb控制逻辑210可以使用第二高侧开关110上的rcd比较器224来避免反向电流。利用rcd比较器224的可设置的粗略跳变点，bb控制逻辑210可以使用rcd比较器224来检测和在期望的阈值(例如，-5a，-7a等)处切断反向电流而不影响正常操作。对于双开关模式(例如，仅降压或仅升压)，可以使用相同管芯而不改变设计，因为可以例如经由bb控制逻辑210的固件配置针对zcd比较器222或rcd比较器224独立地启用本文中所描述的跳变点调整方案。因此，例如，在仅降压模式下，其中第
二高侧开关110被旁路(并且第二低侧开关108不存在)，bb控制逻辑210可以使用zcd比较器222来检测并在期望的阈值(例如，-5a，-7a等)处切断反向电流而不影响正常操作。此外，在仅升压模式下，其中第一高侧开关104被旁路并且第一低侧开关106不存在，bb控制逻辑210可以使用rcd比较器224来检测并在期望的阈值(例如，-5a，-7a等)处切断反向电流而不影响正常操作。用户可以基于应用将固件设置为这两种模式中的一种，并且固件然后可以相应地对bb控制器210的硬件进行编程。例如，通过执行固件更新，也能够在稍后的时间切换模式。
79.图8是根据至少一些公开的实施例的调整降压-升压比较器电路的跳变点的方法800的流程图。方法800可以由处理逻辑执行，该处理逻辑可以包括硬件(例如，处理设备、电路、专用逻辑、可编程逻辑、微代码、设备的硬件、集成电路等)、软件(例如，在处理设备上运行或执行的指令)或其组合。在一些实施例中，方法800由图2的bb控制逻辑210执行。尽管以特定次序或顺序示出，但是除非另有说明，否则可以修改过程的顺序。因此，所示实施例应当仅被理解为示例，并且所示过程可以以不同的顺序执行，并且一些过程可以并行执行。另外，在各种实施例中可以省略一个或多个过程。因此，在每个实施例中并非需要所有的过程。其他过程流程也是可能的。
80.在操作810处，处理逻辑获取降压-升压转换器相关的信息(或仅降压转换器相关的信息或仅升压转换器相关的信息)。例如，处理逻辑可以感测vin和/或vout电压，获取(例如，作为存储在只读存储器、闪存等中的配置信息)电感器102的电感、与当前操作模式相关的模式信息、以及如参考图6a-6b和7a-7b所讨论的其他信息。
81.在操作820处，处理逻辑基于降压-升压(或仅降压或仅升压)转换器相关的信息计算电感器电流的斜率。
82.在操作830处，处理逻辑基于所计算的斜率来近似电感器电流的过零电流的延迟。
83.在操作840处，处理逻辑将一个或多个bb转换器比较器(例如，zcd比较器222或rcd比较器224)的一个或多个跳变点调整到过零电流的阈值误差值内。虽然图6a-6b和7a-7b中的阈值误差值是0.2mv，但是可以设想不同的低误差值(例如，0.1mv、0.3mv、0.4mv)。
84.在操作850处，处理逻辑使用一个或多个经调整的跳变点以特定bb模式操作降压-升压转换器100。
85.在操作860处，处理逻辑可选地确定是否检测到获取的降压-升压转换器相关(或仅降压或仅升压)信息的变化，例如超过被认为“检测到”的阈值。例如，这个检测到的变化可以包括但不限于vin的变化超过可编程的预定阈值、vout的变化超过可编程的预定阈值或操作模式的变化、环境温度的变化超过可编程的预定阈值或管芯温度的变化超过可编程的预定阈值。降压-升压相关信息值的这些变化需要进一步校准bb转换器比较器。因此，如果在操作860处未检测到信息值的变化，则方法800循环回到操作850并且继续以先前调整的(一个或多个)跳变点操作。否则，如果在操作860处检测到信息值的变化，则处理逻辑可以循环回到方法800的开始，例如在操作810处，以确定新调整的跳变点，以便在bb转换器100的继续操作期间使用。
86.本文描述的用于usb-c控制器的降压-升压转换器的耐高压、高速反向电流检测和保护的各种实施例可以包括各种操作。这些操作可以由硬件部件、数字硬件和/或固件和/或其组合执行和/或控制。如在本文中所使用的，术语“耦合到”可以表示直接连接或通过一
个或多个中间部件间接连接。在各种管芯上总线上提供的任何信号可以与其他信号时分复用，并且通过一个或多个公共管芯上总线提供。另外，电路部件或块之间的互连可以被示为总线或单信号线。每个总线可以可替换地是一个或多个单信号线，并且每个单信号线可以可替换地是总线。
87.某些实施例可以由存储在非暂时性计算机可读介质(例如，易失性存储器和/或非易失性存储器)上的固件指令来实现。这些指令可以用于编程和/或配置包括处理器(例如，cpu)或其等同物(例如，处理内核、处理引擎、微控制器等)的一个或多个设备，使得当由处理器或其等同物执行时，指令使得设备执行本文描述的usb-c模式转换架构的所述操作。非暂时性计算机可读存储介质可以包括但不限于电磁存储介质、只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、可擦除可编程存储器(例如，eprom和eeprom)、闪存或适合于存储信息的另一现在已知或以后开发的非暂时性类型的介质。
88.尽管以特定次序示出和描述了本文中的电路和块的操作，但在一些实施例中，可以改变每个电路/块的操作的次序，使得可以按相反顺序执行某些操作，或使得可以至少部分地与其他操作同时和/或并行执行某些操作。在其他实施例中，可以以间歇和/或交替的方式执行不同操作的指令或子操作。
89.在前述说明书中，已经参考本发明的特定示例性实施例描述了本发明。然而，显而易见的是，可以在不偏离所附权利要求中所阐述的本发明的较宽的精神和范围的情况下对其进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应被视为是说明性的而不是限制性的。