本發(fā)明涉及集成電子裝置。

背景技術(shù)：

在汽車、工業(yè)及客戶平臺(tái)中對(duì)集成電子裝置的不斷增加的需求需要更成熟功率轉(zhuǎn)換與分配設(shè)計(jì)。這些電子裝置通常包含嵌入式處理器、存儲(chǔ)器及從一個(gè)電池電源操作的其它電子組件。dc/dc電壓轉(zhuǎn)換器用于將不同電壓供應(yīng)到不同電子組件。這些dc/dc轉(zhuǎn)換器取決于輸出負(fù)載需要而在連續(xù)及非連續(xù)傳導(dǎo)模式中操作。

dc/dc轉(zhuǎn)換器通常在輕負(fù)載條件下進(jìn)入非連續(xù)模式以改進(jìn)效率。然而，dc/dc轉(zhuǎn)換器可具有在于非連續(xù)模式中操作時(shí)使其效率降級(jí)的操作異常。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一種dc/dc電壓轉(zhuǎn)換器包含用于接收dc電壓的轉(zhuǎn)換器輸入。第一開關(guān)耦合于所述輸入與第一節(jié)點(diǎn)之間。第二開關(guān)耦合于所述第一節(jié)點(diǎn)與接地之間。電感器耦合于所述第一節(jié)點(diǎn)與轉(zhuǎn)換器輸出之間。電容器耦合于所述轉(zhuǎn)換器輸出與接地之間。輸出電壓合成器耦合到所述轉(zhuǎn)換器輸入及所述轉(zhuǎn)換器輸出以對(duì)所述第一節(jié)點(diǎn)處的電壓進(jìn)行合成且響應(yīng)于所述轉(zhuǎn)換器輸入及所述轉(zhuǎn)換器輸出處的電壓而為所述第一開關(guān)及所述第二開關(guān)中的至少一者產(chǎn)生控制信號(hào)。

附圖說明

圖1是dc/dc轉(zhuǎn)換器的示意圖。

圖2是展示穿過圖1的電感器l1的電流隨圖1的晶體管q1及q2的狀態(tài)而變的曲線圖。

圖3是dc/dc轉(zhuǎn)換器的實(shí)例性輸出電壓合成器的示意圖。

圖4a是來自圖3的輸出電壓合成器的經(jīng)合成輸出電壓與來自圖1的dc/dc轉(zhuǎn)換器的輸出電壓的曲線圖。

圖4b是來自圖3的輸出電壓合成器的經(jīng)合成輸出電壓與來自圖1的dc/dc轉(zhuǎn)換器的輸出電壓的曲線圖。

圖5是輸出電壓合成器的另一實(shí)例的示意圖。

圖6是其中包含有輸出電壓合成器的dc/dc轉(zhuǎn)換器的框圖。

圖7是描述用于操作dc/dc轉(zhuǎn)換器的方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

圖1是dc/dc轉(zhuǎn)換器100的示意圖。轉(zhuǎn)換器100包含稱為晶體管q1的高側(cè)開關(guān)及稱為晶體管q2的低側(cè)開關(guān)。在圖1的實(shí)例中，晶體管q1是p溝道晶體管且晶體管q2是n溝道晶體管。晶體管q1的源極耦合到輸入102。在轉(zhuǎn)換器100的操作期間，輸入102在輸入電壓vin下操作，輸入電壓vin是待由轉(zhuǎn)換器100轉(zhuǎn)換為另一dc電壓的dc電壓。晶體管q1的漏極耦合到節(jié)點(diǎn)n1。晶體管q2的漏極耦合到節(jié)點(diǎn)n1且晶體管q2的源極耦合到接地節(jié)點(diǎn)。所述接地節(jié)點(diǎn)可在接地電位或者不同于或低于輸入電壓vin的電位下操作。

電感器l1的第一端子耦合到節(jié)點(diǎn)n1。電感器l1的第二端子耦合到電容器cout。電感器l1與電容器cout的結(jié)是輸出104或轉(zhuǎn)換器100的在輸出電壓vout下操作的輸出節(jié)點(diǎn)。電壓vout是由轉(zhuǎn)換器100產(chǎn)生的dc電壓。

晶體管q1及q2的柵極耦合到柵極控制器110，柵極控制器110產(chǎn)生用以將晶體管q1及q2關(guān)斷及接通的柵極電壓。因此，柵極控制器110充當(dāng)用以控制晶體管q1及q2的開關(guān)功能的開關(guān)控制器。轉(zhuǎn)換器100在輸入102處接收輸入電壓vin。柵極控制器110將晶體管q1及q2關(guān)斷及接通，使得一個(gè)晶體管接通同時(shí)另一晶體管關(guān)斷。關(guān)斷與接通周期控制流動(dòng)穿過電感器l1的電流il。所述電流il產(chǎn)生跨越電容器cout的電壓，所述電壓是轉(zhuǎn)換器100的輸出電壓vout。在非連續(xù)操作模式中，晶體管q1及晶體管q2兩者同時(shí)關(guān)斷達(dá)一周期。

圖2是展示穿過電感器l1的電流il隨時(shí)間而變的曲線圖。電流il的波形200響應(yīng)于晶體管q1及q2的開關(guān)而是基本上三角形的。當(dāng)晶體管q1接通時(shí)，晶體管q2關(guān)斷，且當(dāng)晶體管q1關(guān)斷時(shí)，晶體管q2接通，如由三角形波形202所展示。在三角形波形之間的周期(標(biāo)示為tno)期間，晶體管q1及q2兩者均關(guān)斷。柵極控制器110確定晶體管q1及q2的接通及關(guān)斷時(shí)間以獲得正確輸出電壓vout。在稱為接通時(shí)間ton的周期期間，晶體管q1接通且晶體管q2關(guān)斷，因此電感器電流il增加。在稱為關(guān)斷時(shí)間toff的周期期間，晶體管q1關(guān)斷且晶體管q2接通，因此電流il減小。如由圖2的波形200展示的轉(zhuǎn)換器100的操作處于非連續(xù)模式(dcm)中，這是因?yàn)榇嬖诰w管q1及晶體管q2兩者均不接通的周期tno。波形200的周期稱為dcm操作周期，且倒數(shù)是dcm操作頻率。

當(dāng)非常輕負(fù)載耦合到輸出104時(shí)，轉(zhuǎn)換器100的dcm操作維持轉(zhuǎn)換器100的效率。在dcm中，電感器l1中的電流il不應(yīng)反流，這是因?yàn)樗龇戳魇罐D(zhuǎn)換器100的效率降級(jí)。在較高負(fù)載下，電阻性損耗是轉(zhuǎn)換器100中的效率損耗的主要貢獻(xiàn)因素。在輕負(fù)載下，在使用dcm的情況下，開關(guān)及電流反流是效率損耗的主要貢獻(xiàn)因素。dcm中的電流反流對(duì)效率降級(jí)具有雙重影響。首先，電流反流因?qū)㈦娙萜鱟out放電而使效率降級(jí)，且其次，其增加晶體管q1及q2的開關(guān)頻率，這貢獻(xiàn)于開關(guān)損耗。舉例來說，轉(zhuǎn)換器100可能在dcm期間使用脈沖頻率調(diào)制(pfm)，因此如果電感器電流il反流，那么晶體管q1及q2的開關(guān)頻率將增加。因此，需要在電感器電流il達(dá)到零時(shí)將晶體管q2切斷以最大化在dcm操作期間的輕負(fù)載效率。

許多常規(guī)技術(shù)已經(jīng)采用來防止電感器電流il反流。一些技術(shù)包含二極管，所述二極管用以在電感器l1的“斷電階段”期間在電感器電流il原本會(huì)反流時(shí)使電感器電流il換向。電感器電流il的反流由于二極管的整流特性而不會(huì)發(fā)生。當(dāng)負(fù)載電流(其為輸出電流)減小到電感器電流il將反流的點(diǎn)時(shí)，二極管變?yōu)楦咦杩?，且轉(zhuǎn)換器100進(jìn)入其中轉(zhuǎn)換器100的操作頻率與負(fù)載電流的進(jìn)一步減小成比例地線性減小的dcm或“脈沖跳躍模式”。關(guān)于整流二極管的問題中的一者是其在正向電流流動(dòng)穿過所述二極管時(shí)引起實(shí)質(zhì)損耗。

在其它實(shí)施方案中，通過檢測電感器電流的反流且關(guān)斷晶體管q2而減小所述反流。此類轉(zhuǎn)換器具有檢測電感器電流il的反流且接著關(guān)斷晶體管q2的快速過零比較器(未展示)。過零比較器的技術(shù)在高頻率轉(zhuǎn)換器下由于在檢測電流反流時(shí)的比較器延遲而不能充分地起作用。更具體來說，所述比較器在檢測電流反流時(shí)不夠快，這會(huì)導(dǎo)致實(shí)質(zhì)損耗及低效。在較高電流轉(zhuǎn)換器及較高操作頻率轉(zhuǎn)換器的工業(yè)趨勢(shì)下，進(jìn)入dcm由于此電流反流問題而陷入瓶頸。

本文中所描述的電路及方法預(yù)測而非檢測電感器電流il。更具體來說，所述電路及方法對(duì)來自接通/關(guān)斷定時(shí)器的輸出電壓進(jìn)行合成以通過依賴于電感器的伏秒(volt*second)平衡而預(yù)測零電感器電流il。如應(yīng)用于轉(zhuǎn)換器100，接通時(shí)間ton與輸入電壓vin和輸出電壓vout之間的差的倒數(shù)成比例。關(guān)斷時(shí)間toff與輸出電壓vout的倒數(shù)成比例。本文中所描述的合成器對(duì)轉(zhuǎn)換器100進(jìn)行合成且估計(jì)零電感器電流il以控制晶體管q1及q2的狀態(tài)。接通時(shí)間ton針對(duì)給定vin、vout是固定的，且關(guān)斷時(shí)間toff是可控制的以針對(duì)給定vin及vout在閉合環(huán)路中產(chǎn)生所需關(guān)斷時(shí)間toff。在接通時(shí)間ton期間，合成器以與輸入電壓vin和輸出電壓vout之間的差成比例的電流將電容器充電。在關(guān)斷時(shí)間toff期間，合成器以與輸出電壓vout成比例的電流將同一電容器放電。

接通時(shí)間ton及關(guān)斷時(shí)間toff用于對(duì)輸出電壓vout進(jìn)行合成。將經(jīng)合成輸出電壓vsyn與由轉(zhuǎn)換器100產(chǎn)生的實(shí)際輸出電壓vout進(jìn)行比較，且在控制環(huán)路中通過調(diào)整控制晶體管q2的關(guān)斷時(shí)間toff的關(guān)斷時(shí)間toff而使兩個(gè)電壓vsyn與vout之間的差抵消或均衡。類似方法可應(yīng)用于其它轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，例如升壓轉(zhuǎn)換器、恒定接通時(shí)間轉(zhuǎn)換器及恒定關(guān)斷時(shí)間轉(zhuǎn)換器。

圖3是采用上文所描述的電壓轉(zhuǎn)換技術(shù)的輸出電壓合成器300的實(shí)例的示意圖。合成器300包含分別為圖1的晶體管q1及q2的相同或基本上類似大小的復(fù)制品的晶體管q3及晶體管q4。晶體管q3及q4用作開關(guān)且可由其它開關(guān)組件替代。晶體管q3的源極耦合于輸入302與節(jié)點(diǎn)n3之間。輸入302耦合到節(jié)點(diǎn)或類似物，所述節(jié)點(diǎn)或類似物耦合到圖1的輸入電壓vin。因此，晶體管q3的源極處于vin電壓電位。晶體管q4的漏極耦合到節(jié)點(diǎn)n3且晶體管q4的源極耦合到接地。所述接地是不同于輸入電壓vin的操作電位的電位且可為與晶體管q2的源極耦合到的電位相同的電位。

電阻器rsyn耦合于節(jié)點(diǎn)n3與節(jié)點(diǎn)n4之間。電阻器rsyn對(duì)通過圖1的轉(zhuǎn)換器100汲取的電流進(jìn)行合成，如下文所描述。電容器csyn耦合于節(jié)點(diǎn)n4與接地之間。節(jié)點(diǎn)n4處的電壓電位是經(jīng)合成輸出電壓vsyn。積分跨導(dǎo)級(jí)310具有耦合到節(jié)點(diǎn)n4的第一輸入及耦合到轉(zhuǎn)換器100的輸出104的第二輸入。因此，所述第二輸入處于轉(zhuǎn)換器100的輸出電壓vout的電位?？鐚?dǎo)級(jí)310的輸出耦合到開關(guān)sw1，其中開關(guān)sw1在圖2的tno周期期間斷開?？鐚?dǎo)級(jí)310的輸出在本文中描述為電壓；然而，跨導(dǎo)級(jí)310可產(chǎn)生除電壓之外的信號(hào)。開關(guān)sw1的另一側(cè)耦合到節(jié)點(diǎn)n5。電容器c2及toff控制器312兩者耦合到節(jié)點(diǎn)n5。處理器314耦合到晶體管q3及q4的柵極且控制開關(guān)sw1的狀態(tài)。

rsyn的值經(jīng)選擇使得穿過電阻器rsyn的電流具有與圖1的電感器電流il相同的形式。電阻器rsyn及電容器csyn形成用于在節(jié)點(diǎn)n3處產(chǎn)生的輸入波形的低通濾波器。rsyn與csyn的低通濾波器的時(shí)間常數(shù)的選擇提供伏秒平衡調(diào)節(jié)環(huán)路的速度與準(zhǔn)確性之間的折衷。如果所述時(shí)間常數(shù)較小，那么調(diào)節(jié)環(huán)路較快速地穩(wěn)定但將具有較多不準(zhǔn)確性。如果所述時(shí)間常數(shù)較大，那么調(diào)節(jié)環(huán)路將花費(fèi)較長時(shí)間來穩(wěn)定但將具有較少不準(zhǔn)確性。在一些實(shí)例中，所述時(shí)間常數(shù)經(jīng)選擇為晶體管q3及q4的開關(guān)頻率的1/10以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)環(huán)路的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定速度之間的平衡。

對(duì)圖1的電感器電流il進(jìn)行合成的充電及放電電流成長為跨越電阻器rsyn的電壓。在此情形中，充電電流與輸入電壓vin和節(jié)點(diǎn)n4處的輸出電壓vsyn之間的差成比例。放電電流與節(jié)點(diǎn)n4處的經(jīng)合成輸出電壓vsyn成比例。電壓vsyn通過電阻器rsyn與電容器csyn的低通濾波器被濾波，這復(fù)制降壓轉(zhuǎn)換器(例如圖1的轉(zhuǎn)換器100)的輸出。通過跨導(dǎo)級(jí)310將經(jīng)合成輸出電壓vsyn與轉(zhuǎn)換器100的實(shí)際輸出電壓vout進(jìn)行比較。開關(guān)sw1閉合以將電容器c2充電到由跨導(dǎo)級(jí)310輸出的電壓且斷開以保持用于輸入到toff控制器312的電壓。

toff控制器312產(chǎn)生控制轉(zhuǎn)換器100及合成器300兩者中的關(guān)斷時(shí)間toff的信號(hào)。舉例來說，由toff控制器312產(chǎn)生的信號(hào)由處理器314及柵極控制器110處理以設(shè)定關(guān)斷時(shí)間toff。如圖3中可見，由toff控制器312產(chǎn)生的信號(hào)閉合合成器300中的反饋環(huán)路。總之，接通時(shí)間ton始終由處理器314控制。關(guān)斷時(shí)間toff在dcm中由toff控制器312調(diào)節(jié)及控制且在ccm中由處理器314控制。在ccm中，轉(zhuǎn)換器100具有高得多的損耗(例如功率級(jí)損耗)，因此實(shí)際關(guān)斷時(shí)間toff小于理論關(guān)斷時(shí)間toff。因此，處理器314在ccm中對(duì)toff控制器312進(jìn)行重寫。

圖4a及4b是由圖3的合成器300產(chǎn)生的經(jīng)合成輸出電壓vsyn及由圖1的轉(zhuǎn)換器100產(chǎn)生的輸出電壓vout的實(shí)例的曲線圖。如果圖2的關(guān)斷時(shí)間toff太長，那么經(jīng)合成輸出電壓vsyn將低于實(shí)際輸出電壓vout，如圖4a中所展示。由跨導(dǎo)級(jí)310產(chǎn)生的校正電壓變低以減少關(guān)斷時(shí)間toff。如果關(guān)斷時(shí)間toff太短，那么經(jīng)合成輸出電壓vsyn將高于實(shí)際輸出電壓vout，如圖4b中所展示。跨導(dǎo)級(jí)310的輸出增加以增加關(guān)斷時(shí)間toff。在穩(wěn)定狀態(tài)中，關(guān)斷時(shí)間toff將安穩(wěn)下來達(dá)到所需關(guān)斷時(shí)間toff。

合成器300將額外極點(diǎn)放置于轉(zhuǎn)換器100的控制環(huán)路中。所述控制環(huán)路包含跨導(dǎo)級(jí)310及柵極控制器110。合成器300實(shí)施起來較簡單，因此所述極點(diǎn)可在合成器300的操作期間在周圍工作或被避免。由于電阻器rsyn是以dcm操作頻率有效地開關(guān)，因此所引入的極點(diǎn)與所述操作頻率直接成比例地變化。其類似于開關(guān)式電阻器濾波器。因此，與跨導(dǎo)級(jí)310的跨導(dǎo)及電容器c2相關(guān)聯(lián)的補(bǔ)償極點(diǎn)還需要在頻率上與dcm操作頻率成比例地變化。

圖5是克服上文所描述極點(diǎn)問題的輸出電壓合成器500的另一實(shí)例。合成器500與圖3的合成器300相同或類似，惟添加了開關(guān)sw2及電容器c2的位置除外。在圖5的實(shí)例中，開關(guān)sw1及sw2的狀態(tài)由處理器314控制。上文所描述問題通過在經(jīng)合成輸出電壓vsyn的產(chǎn)生時(shí)間期間使跨導(dǎo)級(jí)310到電容器c2中的輸出換向而得以克服。電壓vsyn在此時(shí)間期間由電容器c2保持。因此，非主導(dǎo)極點(diǎn)及其補(bǔ)償主導(dǎo)極點(diǎn)彼此跟蹤，從而確保跨寬dcm操作頻率范圍的恒定相位裕量。

圖6是包含電壓合成器602的dc/dc轉(zhuǎn)換器600的框圖。轉(zhuǎn)換器600基本上類似于圖1的轉(zhuǎn)換器100，另添加了合成器602。電壓合成器602可為上文所描述的合成器中的任一者。柵極控制器610主要以與圖1的柵極控制器110控制晶體管q1及q2的接通時(shí)間及關(guān)斷時(shí)間相同的方式控制兩個(gè)晶體管q5及q6的接通時(shí)間及關(guān)斷時(shí)間。晶體管q5及q6的接通時(shí)間及關(guān)斷時(shí)間確定穿過電感器l2及輸出電容器cout的電流il。

輸入電壓vin及輸出電壓vout耦合到合成器602，如圖3、5及6中所展示。電壓vin及vout輸入到合成器602以產(chǎn)生toff信號(hào)，toff信號(hào)輸出到柵極控制器610以控制接通時(shí)間ton及/或關(guān)斷時(shí)間toff。合成器602防止或減小電流il反流穿過電感器l2的可能性，這改進(jìn)轉(zhuǎn)換器600的效率。在一些實(shí)例中，合成器602及柵極控制器610是單個(gè)處理器。

圖7是描述用于操作基于本文中所描述的合成器的dc/dc轉(zhuǎn)換器的方法的流程圖700。在步驟702中，通過產(chǎn)生穿過電阻器及電容器的電流而對(duì)穿過電感器的電流進(jìn)行合成。在步驟704中，將跨越電容器的電壓與轉(zhuǎn)換器的輸出電壓進(jìn)行比較。在步驟706中，響應(yīng)于經(jīng)合成電壓與輸出電壓的比較而設(shè)定其中傳導(dǎo)電流穿過電感器的周期。

雖然本文中已詳細(xì)描述了輸出電壓合成器及用于對(duì)輸出電壓進(jìn)行合成的方法的一些實(shí)例，但應(yīng)理解，可另外以各種方式體現(xiàn)及采用發(fā)明性概念，且所附權(quán)利要求書打算被視為包含此類變化形式(惟受現(xiàn)有技術(shù)限制除外)。