CN101073195A - 将电压转换成多个输出电压的电压转换器及操作该电压转换器的方法 - Google Patents

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CN101073195A CNA2005800420971A CN200580042097A CN101073195A CN 101073195 A CN101073195 A CN 101073195A CN A2005800420971 A CNA2005800420971 A CN A2005800420971A CN 200580042097 A CN200580042097 A CN 200580042097A CN 101073195 A CN101073195 A CN 101073195A
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Abstract

一种用于将一电压转换成多个输出电压的电压转换器，包括：第一开关电路(S0)，它与电感能量存储元件(L)相连，用于允许和中断通过电感能量存储元件(L)的电流；至少两个第二开关电路(S1)，用于对在电感能量存储元件(L)中存储的能量进行可控制地释放，每个第二开关电路(S1)在其相应的输入端与电感能量存储元件(L)彼此并联，并且每个第二开关电路(S1)包含寄生元件；控制电压选择装置，用于向开关电路(S1)的寄生元件选择性地提供控制电压，使得在第二开关电路(S1)断开时，抑制通过各个开关电路(S1)的寄生元件的电流。适宜地控制本体电压，可抑制寄生元件(如二极管)的不利影响。

Description

将电压转换成多个输出电压的电压转换器及操作该电压转换器的方法
技术领域
本发明涉及一种将一电压转换成多个输出电压的电压转换器。
本发明还涉及一种包含上述电压转换器的功率管理单元。
本发明还涉及一种包含前述功率管理单元的移动设备。
本发明还涉及一种操作前述电压转换器的方法。
背景技术
本发明可以用于比如电源或移动设备，如移动电话、个人数字系统(PDA)或膝上型电脑等。具有多个输出电压的电压转换器通常用于从DC-输入电压源获得多个DC输出电压。这些输出电压可以具有比DC-输入电压更高的电压电平。电压转换器通称DC/DC电压转换器或开关模式电源(SMPS)。所谓DC/DC转换器对于本领域通常为公知的。电压转换器包括诸如电感之类的能量存储装置，以存储从DC-输入电压源获得的能量。这种能量随后用于产生多个输出电压。所述能量存储装置周期性地充能和放能，并通过数字控制开关设备控制从能量存储装置到电压转换器输出的能量。
然而，这种开关电路通常包括在大多数技术中作为开关元件的晶体管。由于它们结构的原因，这种晶体管包含寄生元件，如寄生二级管，将产生明显的开关损耗，并且对于稳定的输出电压的调节产生不利的影响。
发明内容
于是，本发明的目的在于提供一种本文第一段所定义类型的电压转换器、一种本文第二段所定义类型的功率管理单元、一种本文第三段所定义类型的具有功率管理单元的移动设备、以及一种操作所定义类型的电压转换器的方法；这当中解决了上述缺点。
为实现以上规定的目的，提供一种具有本发明特征的电压转换器，如下定义本发明电压转换器的特征，即：
将一电压转换成多个输出电压的电压转换器，包括：第一开关电路，它与电感能量存储元件相连，用于允许以及中断通过电感能量存储元件的电流；至少两个第二开关电路，用于对电感能量存储元件中存储的能量进行可控地释放，每个第二开关电路在其相应的输入端与电感能量存储元件彼此并联，并且每个第二开关电路包含寄生元件；控制电压选择装置，用于向开关电路的寄生元件选择性地提供控制电压，使得当第二开关电路断开时，抑制通过各个开关电路的寄生元件的电流。
为实现上面定义的目的，提供一种具有本发明特征的功率管理单元，如下定义本发明功率管理单元的特征，即：
带电压转换器的功率管理单元，包括前述权利要求1至4任一项的电压转换器。
为实现上面定义的目的，提供一种具有本发明特征的移动设备，如下定义本发明的移动设备的特征，即：
移动设备，包括权利要求5所述的功率管理单元。
为实现以上定义的目的，提供一种操作具有本发明特征的电压转换器的方法，如下定义操作本发明电压转换器方法的特征，即：
操作权利要求1所述将输入电压转换为多个输出电压之电压转换器的方法，它包括以下步骤：
通过第一开关电路在电感能量存储元件中存储能量；
通过第二开关电路选择性地释放电感能量存储元件中存储的能量，以产生多个输出电压，每个第二开关电路在其相应的输入端一侧与电感能量存储元件彼此并联，并且每个第二开关电路包含寄生元件；向第二开关电路的寄生元件选择性地提供控制电压，使得在第二开关电路断开时，抑制通过各开关电路的寄生元件的电流。
按照本发明的特征，可以提供如下优点：提供一种包含如寄生二极管类寄生元件的电压转换器，可以被适当地控制，使得可以减小开关损耗，并且避免经调节的输出电压的不利影响。按照本发明的功率管理单元的特征，提供如下优点：使用本发明的电压转换器，将能提供紧凑并且可靠的功率管理单元，可以将所述功率管理单元用在需要具有特定电源的各种消费电子产品中，如移动电话、电子摄像机或膝上型电脑等。
本发明移动设备的特征可提供如下优点：使用本发明的电压转换器，这种设备能够接续可靠且紧凑的功率管理单元。
最后，操作本发明电压转换器的方法提供的优点在于能有效地控制本发明电压转换器内部的寄生元件。
权利要求2和权利要求8所述的措施分别提供以下优点：可以通过数字控制信号来控制所述电压转换器，以提供经调节的(即反馈受控的)输出电压。
权利要求3和权利要求9所述的措施分别提供以下优点：即使在不使用电压转换器全部输出电压的情况下，也可以确保对于通过未选定开关电路的寄生元件的电流的抑制。
权利要求4所述的措施提供以下优点：可以将所述电压转换器实现为适于集成到移动设备的紧凑尺寸。
通过以下参照各示例实施例的描述，将使上述定义的本发明各方面和其它方面都是显而易见的。
附图说明
以下将参考实施例的示例更加详细地描述本发明，但是本发明不局限于所述实施例的示例。
图1以方框图的形式示出本发明一种实施例的电压转换器；
图2示出本发明电压转换器的开关序列期间，处于不同状态的电压转换器的一个转换支路；
图3示出贯穿与图2状态有关的状态的数字控制信号的计时图。
具体实施方式
图1示出电压转换器，即所称DC/DC转换器的总图，用于本发明实施例的将输入电压转换为多个输出电压。
所述DC/DC转换器包括第一开关电路S0，它与比如依次与电源VDD相连之线圈类的电感能量存储元件L相连。多个第二开关电路S1，它们在电感能量存储元件L的电路点LX处与第一开关电路S0并联。
每个第二开关电路S1提供输出电压，这些输出电压彼此不同。可以在与每个第二开关电路S1的输出端相连的电容器C处获得输出电压。
所述DC/DC转换器还包括确定电路DET，该电路具有多个输入端，分别用于DC/DC转换器的每个输出电压、DC/DC转换器的输入电压VDD，该电路还具有提供电压VMAX的输出端。所述确定电路确定各开关电路S1中最高的可适用电压和输入电压VDD，并且将其作为电压VMAX提供于输出端。
所述DC/DC转换器还包括数字控制DC，它从第一和第二开关电路SO、S1接收数字控制信号/向第一和第二开关电路S0、S1提供数字控制信号，以选择性地操作这些开关电路S0和S1。此外，所述数字控制DC从每个第二开关电路S1接收数字信号，表示与该第二开关电路S1相关联的输出电压已经降到基准电压Vref以下。在接收数字信号PUMPn时，就像后面将要解释的那样，数字控制经由控制信号SELECTn、PMOSonn和NMOSonn执行开关序列，以增加在从其中接收PUMPn信号的相应开关电路处的电压。
第一开关电路S0包含与二极管并联的NMOS晶体管。
每个第二开关电路S1包含PMOS晶体管、电平移动器LS、选择电路和比较器。比较器将基准电压和与该第二开关电路S1相关联的输出电压进行比较，而且，比较器的输出端向数字控制DC提供数字控制信号PUMP。电平移动器LS具有输入端和输出端，所述输入端从数字控制DC接收数字控制信号PMOSon，而所述输出端与PMOS晶体管的栅极相连。选择电路与PMOS晶体管的背栅相连，用于控制PMOS晶体管的体电压。选择电路从数字控制接收数字信号SELECTn，并给出针对PMOS晶体管的体电压的控制电压。利用这一控制电压，可以对寄生二极管进行反偏，使得可以没有电流通过PMOS晶体管而流入本体(bulk)中。选择电路可以在由电压确定电路DET提供的电压VMAX和与所述输出电压VCCi相关联的第二开关电路S1的输出电压之间进行选择。
按照一种实施例，在使用DC/DC转换器的全部输出电压的情况下，可以省略电压确定电路DET。在这种情况下，预先知道DC/DC转换器的最高可适用电压，并因此而不需要进行确定。然而，如果不是使用由DC/DC转换器提供的全部输出电压，没有确定DC/DC转换器中可适用的最高输出电压，则由此而必须通过确定电路DET来确定。为了确定DC/DC转换器的全部输出电压的最高输出电压输出，许多方法在该技术中都是公知的，因此未予描述。
当数字控制DC收到相应开关电路S1的PUMP信号的转换，表示与该开关电路S1相关联的输出电压已经降落到基准电压Vref以下，因而必须增加时，数字控制通过重复执行开关序列，以升高输出电压，每次仅控制一个支路。为了几乎同时地控制全部并联的第二开关电路S1，数字控制DC和开关电路可按多重模式工作。
在执行针对一个具体输出电压的开关序列期间，比如寄生二极管类的寄生元件必须被保持为反偏，以抑制处于晶体管的截止状态中的PMOS晶体管的体中的电流，否则，所述晶体管将减小进入当前执行开关序列的DC/DC转换器的电流，并且增大开关损耗。这种开关损耗将导致DC/DC转换器电流增加的热量，并且将缩短DC/DC转换器的寿命。
为此，带有选择电路和确定电路DET的控制电压选择装置提供适宜的控制电压，将所述控制电压施加给每个PMOS晶体管的背栅，以对寄生二极管进行反偏。因为全部第二开关电路S1并联，所以，它们具有所加给的相同电压，并因此必须将DC/DC转换器中可用的最高电压施加到PMOS晶体管的背栅，使所述PMOS晶体管截止，以确保对寄生二极管进行反偏。另一方面，已经经由选择信号选择来执行开关序列，用于增加相应输出电压的第二开关电路S1需要包括寄生二极管，以便防止由于如果第一开关电路S0断开时线圈处电压的快速上升所导致的过量电流对电路元件的损坏。
然而，在一种实施例中，其中使用DC/DC转换器的全部输出电压，控制电压选择装置将只包括选择电路，因为预先知道最高可适用的输出电压。比如，若DC/DC转换器具有3个输出电压3伏、5伏、5伏和3伏的电源电压，VMAX是15伏，并且被施加到没有由数字控制DC选择用于开关序列的每一个第二开关电路S1。
这意味着由控制电压选择电路按照以下方式控制寄生二极管：将没有选择用于开关序列的支路中的全部寄生二极管进行反偏。只有当前执行开关序列的第二开关电路S1具有没有反偏的寄生二极管，使得寄生二极管能够限制断开第一开关电路S0时的电流增加，并且从而能够保护DC/DC转换器的电路元件免于破坏。
有如前面描述的图1中的全部部件，可以将其结合在一个单独的IC芯片封装中，以提供紧凑的尺寸。这种紧凑尺寸的DC/DC转换器易于用于比如handy(汉迪)、电子摄像机、膝上型电脑等之类的移动设备的功率管理单元中。事实上，几乎每种个消费电子设备都可以配置这样的功率管理单元。
接下来，将参考图2和图3说明DC/DC转换器的工作情况。
图2只示出本发明一种实施例DC/DC转换器的一个支路，由数字控制DC控制，以执行开关序列，将一输入电压VDD转换为输出电压VCC。在图2中，仅将第一开关电路S0示意性地表示为“S0开关”，并将第二开关电路S1示意性地表示为“S1开关”。
在状态1，S0开关接通，而S1开关断开，使电感能量存储元件，即线圈存储能量。如果数字控制DC确定S1开关的PUMP信号的转换表示与该开关相关联的输出电压已经降到基准电压Vref以下，则数字控制DC通过向与已确定的PUMP信号相关联的各个S1开关发送数字控制信号NMOSon、PMOSon和SELECT，而开始开关序列。
表1是表示按照各个PMOS晶体管的背栅电压，数字控制信号PMOSon和SELECT，和各开关S1的PMOS的栅极电压，以及本体电压的逻辑电平的真值表。
表1
  PMOSon   SELECT   POMS(开关S1)的栅极电压   本体电压
    低     低     VMAX     VMAX
    高     低     0     VMAX
    低     高     VCCx     VCCx
    高     高     0     VCCx
正如从上表中可以看出的，只要SELECT为低，就将VMAX施加给本体上，以使寄生二极管反偏。因为VMAX是DC/DC转换器的最大电压，可与当前执行开关序列的S1开关的输出电压无关地使寄生二极管反偏。
在状态1开始开关序列，用以升高与已经降落到基准电压Vref以下的输出电压相关联的DC/DC转换器的特定支路的输出电压，其中已经将能量存储在线圈中特定的时间T1。
在状态2，正如从图2可以看出的，数字控制DC发送SELECT高和NMOSon低信号。这意味着：S0开关打开，并且结点LX中的电压迅速地上升。同时寄生二极管不再反偏，因为代替VMAX将VCC施加给PMOS晶体管的背栅上。结点LX中的电压增加直到达到寄生二级管的正向电压为止，并且经由寄生二极管的电流限制了LX中的电压上升，并且保护电路元件免于由于过量电压导致的损坏。这可以在图3中的状态2中看出，如由LX电压信号的尖端所示。这意味着：停止将能量存储到线圈中，并且在该装填期间全部开关是断开的。
在状态2，因为PMOSon信号已经从低转变为高，将S1开关接通，这意味着将来自线圈的能量释放到连接到VCC上的输出电容器。在特定的时间T3之后，通过PMOSon信号从高到低的转变从而断开S1开关，停止从线圈到电容器的能量释放。因此，在这一状态期间，全部开关是断开的，这意味着已经再次产生了VCC和LX之间的通道，以便将回扫钳制到输出LX，直到线圈上的电流变成0为止。这再次通过限制LX的输出电压增加的寄生二极管来实现。
接下来，在状态5中，在经过了特定的时间T2之后，SELECT信号从高转变为低，这意味着将VMAX施加给PMOS晶体管(S1开关)的背栅，并再次使寄生二极管反偏，并且将线圈的输出电压隔离。
如果数字控制确定PUMP信号仍然表示相应的S1开关的低输出电压，则再次重复所述开关序列。
当选定S1开关时(SELECTn为高)，执行图3的计时图。同一时间内，只有全部并联的S1开关中的一个S1开关可以为高，其他的开关可以是任意地低。当与处于状态1相比较没有选定S1开关时，即断开S1时，通过向体施加VMAX来对寄生二极管进行反偏。
因此，通过适宜地选择控制本体电压，使得在开关序列期间，如果他们的晶体管是截止的，则使寄生二极管反偏，并且如果各个PMOS晶体管是导通的则使其不反偏或者正向偏置，可以抑制寄生二极管的不利影响。按照这种方式，可以提供可靠和紧凑的DC/DC转换器，可以将所述DC/DC转换器用在用于诸如移动电话、电子摄像机、膝上型电脑等移动设备的功率管理单元中。
应能理解，各权利要求中的参考符号仅用于说明性的目的，而不应该将其解释为限制所保护方法的范围。

Claims (9)

1.一种电压转换器，用于将一电压转换成多个输出电压，包括：
第一开关电路(S0)，与电感能量存储元件(L)相连，用于允许和中断通过电感能量存储元件(L)的电流；
至少两个第二开关电路(S1)，用于对在电感能量存储元件(L)中存储的能量进行可控制的释放，每个第二开关电路(S1)在其相应的输入端与电感能量存储元件(L)彼此并联，并且每个第二开关电路(S1)包含寄生元件；
控制电压选择装置，用于向开关电路(S1)的寄生元件选择性地提供控制电压，使得当第二开关电路(S1)断开时，抑制通过各个开关电路(S1)的寄生元件的电流。
2.根据权利要求1所述的电压转换器，其中，还包括：
数字控制DC，用于使用数字控制信号(PMOSonn、SELECTn)选择性地操作第一和第二开关电路(S0，S1)，其中，所述每个第二开关电路(S1)包括：
电平移动器LS，所述电平移动器(LS)响应于数字控制信号(PMOSonn)；
与控制电压选择装置相关联的选择电路，所述选择电路响应于另一数字控制信号(SELECTn)，用以选择性地提供控制电压；
POMS晶体管，所述PMOS晶体管包括与电平移动器(LS)相连的栅极，和与选择电路相连的背栅；以及
比较装置，配置用于提供数字输出信号(PUMPn)，表示输出电压(VCCn)已经降到基准电压(Vref)以下。
3.根据权利要求1或2所述的电压转换器，其中，所述控制电压选择装置包括电压确定电路(DET)，所述确定电路适于确定电压转换器中的最高可用电压(VMAX)，并且还适于提供已确定的最高可用电压(VMAX)作为控制电压。
4.根据权利要求1所述的电压转换器，其中，将全部元件结合到一个单独的IC芯片封装中。
5.一种包括电压转换器的功率管理单元，所述电压转换器为权利要求1至4任一项的电压转换器。
6.一种移动设备，包含权利要求5的功率管理单元。
7.一种操作权利要求1的用于将一个输入电压转换为多个输出电压的电压转换器的方法，包括以下步骤：
通过第一开关电路(S0)在电感能量存储元件(L)中存储能量；
通过第二开关电路(S1)对在电感能量存储元件(L)中存储的能量进行选择性地释放，以产生多个输出电压，每个第二开关电路(S1)在其相应的输入端一侧与电感能量存储元件(L)彼此并联，并且每个第二开关电路(S1)包含寄生元件；
向第二开关电路(S1)的寄生元件选择性地提供控制电压，使得在第二开关电路(S1)断开时，抑制通过各个开关电路(S1)的寄生元件的电流。
8.根据权利要求7的方法，其中，还包括：
在所述存储步骤之前，检测第二开关电路(S1)的一个输出电压是否已经降到相关联的基准电压(Vref)以下；
接通第一开关电路(S0)，使电流能够向电感能量存储元件(L)充入能量；
选择与测得的输出电压(VCCn)相关联的第二开关电路(S1)；
将测得的输出电压(VCCn)施加给选定的第二开关电路(S1)；
断开第一开关电路(S0)；
接通选定的第二开关电路(S1)，用于释放电感能量存储元件(L)中存储的能量；
断开选定的第二开关电路(S1)；
解除选择第二开关电路(S1)；
只要测得的输出电压低于相关联的基准电压(Vref)，即重复上述每一步。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中：
确定并且提供电压转换器中的最高可用电压(VMAX)作为控制电压。
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