CN101743526A - 使用斜率补偿的电流模式升压转换器 - Google Patents

使用斜率补偿的电流模式升压转换器 Download PDF

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Abstract

一种升压转换器电路，包括：电源；电感器，耦合到电源以从电源接收电流；二极管，耦合为从所述电感器接收电流，并耦合为向所述负载提供电流作为输出；电感器开关，耦合到电感器和二极管之间的节点，用于选择性地至少从二极管切换来自电感器的电流；以及斜坡电路。该斜坡电路耦合到电感器和二极管之间的节点，并被配置为经由采样开关选择性地对电感器和二极管之间的节点的电压进行采样，并使用采样信号产生稳定斜坡以稳定输出。

Description

使用斜率补偿的电流模式升压转换器
技术领域
本技术涉及用于数字集成电路器件的信号时序。
背景技术
多种电子设备要求具有适于它们的特定需要的特定电压的电源。例如，插座的电压不能直接向诸如计算机、数字时钟以及电话的设备供电。插座提供AC，而设备和负载要求DC。一个选择是使用AC到DC转换电路以转换AC电压来向DC负载供电。可选择地，可以使用来自诸如一个或更多个电池的DC电源的电力。
经常需要将一个DC电压改变为不同的DC电压(例如，DC到DC转换)。升压转换器是一种DC到DC转换器电路，其通过产生大于源电压的输出电压来工作。升压转换器经常用来将来自一个或更多个电池的电压增加到足够向耦合的电子设备供电的要求的电压水平。
电子设备市场的竞争条件将升压转换器电路的成本效率和性能效率置于优先位置。例如，期望升压转换器电路具有高效率，这就要求电路具有低损耗。还期望电路具有良好的工作特性(例如，稳定性、低寄生损耗等)。另外，期望升压转换器电路部件具有低管脚数。低管脚数方便升压转换器电路的封装，方便它们合并到其它各种电子设备(例如，降低成本，降低部件大小等)。本发明的各实施例提供上述要求的新颖的解决方案。
发明内容
本技术的实施例通过低针脚数器件提供升压转换器电路功能。本发明的实施例具有高工作效率和良好的工作特性。
一个实施例实现为升压转换器电路，包括：电源；电感器，耦合到电源以从电源接收电流；二极管，耦合为从所述电感器接收电流，并耦合为向负载提供电流作为输出；电感器开关，耦合到电感器和二极管之间的节点，用于选择性地切换电感器电流，以接收从电源到电感器的电流或向负载输出该电感器电流；以及斜坡电路。该斜坡电路耦合到电感器和二极管之间的节点，并被配置为经由采样开关选择性地对电感器和二极管之间的节点的电压进行采样，并使用采样信号产生稳定斜坡以稳定所述输出。
在一个实施例中，升压转换器电路被封装为集成电路器件(例如，具有5个或更少的针脚的芯片)。在一个实施例中，集成电路器件不提供用于输出电压的针脚。在一个实施例中，稳定斜坡被配置为确保大于0.5的占空比的稳定性。在一个实施例中，稳定斜坡以将电感器的接收电流斜坡增加附加斜坡为基础，该附加斜坡即取决于输出电压水平的稳定斜坡。
在一个实施例中，斜坡电路被配置为在电感器开关断开并且电压稳定时选择性地对电感器和二极管之间的节点的电压进行采样。稳定斜坡取决于作为输出电压水平的采样信号。在一个实施例中，采样电路还包括第一延迟部件、第二延迟部件以及逻辑门(例如，3输入与门)。第一延迟部件被耦合以接收驱动输入，所述驱动输入也被耦合以控制电感器开关。第一延迟部件产生第一延迟信号，该第一延迟信号被第二延迟电路使用以产生第二延迟信号。逻辑门接收驱动信号、第一延迟信号和第二延迟信号，以产生采样开关控制信号以控制采样开关。
这样，本发明的实施例提供一种具有高效率和优良的工作特性(例如，稳定性、低寄生损耗等)并具有低针脚数(例如，不存在用于采样输出电压的针脚)的升压转换器电路。
附图说明
包含于本说明书并成为本说明书一部分的附图与说明书一起示出本发明的实施例，用于解释本发明的原理。
图1示出根据本发明一个实施例的新颖的升压转换器电路的示意图。
图2示出根据本发明一个实施例的没有稳定斜坡的情况下的电流斜坡的图。
图3示出根据本发明一个实施例的加上稳定斜坡的电流斜坡的图。
图4示出描绘根据本发明一个实施例的斜坡电路的内部部件的图。
图5示出例示根据本发明一个实施例的斜坡电路的操作的时序图。
具体实施方式
现在将详细描述本发明的优选实施例，在附图中例示了所述实施例的例子。虽然将结合优选实施例描述本发明，但应理解不旨在在将本发明限制于这些实施例。相反地，本发明意在覆盖可以包括在由所附权利要求书限定的发明的实质和范围内的替换、变型以及等同物。此外，在对本发明的实施例的详细描述中，阐述了各种具体细节以提供对本发明的充分理解。然而，本领域技术人员将认识到本发明可不采用这些具体细节而实现。在其它情况下，没有详细描述公知的方法、过程、部件以及电路以避免不必要地使本发明实施例的各个方面不明显。
图1示出根据本发明一个实施例的新颖的升压转换器电路100的示意图。如图1所示，升压转换器电路100包括斜坡电路105、电源110、电感器120、二极管130、电感器开关140、负载150、控制电路160以及分压器170。
图1实施例示出提供本发明的功能的升压转换器电路的部件。如图1所示，升压转换器电路100包括耦合到电感器120以将电流从电源110传输到电感器120的电源110(例如Vin)。二极管130耦合到电感器120以从电感器120接收电流并向所耦合的负载150提供电流作为输出(例如Vout)。电感器开关140耦合到电感器120和二极管130之间的节点以便选择性地开关电感电流，以接收从电源110到电感器120的电流，或将电感器120的电流输出到负载150。斜坡电路105也耦合到电感器120和二极管130之间的节点，并配置为选择性地对电感器120和二极管130之间的节点的电压进行采样，并使用所采样的电压来产生稳定斜坡。该稳定斜坡用来稳定由二极管130向负载150提供的输出电压Vout。
升压转换器电路100通过将来自电源110的DC电压改变为向负载150提供的更高的DC电压Vout进行工作(例如，DC到DC转换)。升压转换器电路100工作于两个不同状态，由电感器开关140确定。在“接通”状态，电感器开关140闭合，导致电感器电流(例如，从电源110经由电感器120流动的电流)增加。在“断开”状态，电感器开关140断开，且向电感器电流提供的唯一的路径是经由二极管130，且流到负载150。这造成将接通状态期间积累的能量传递到负载150。由控制电路160控制电感器开关140(例如MOSFET晶体管等)的接通/断开状态。
因此，通过电感器开关140的占空比控制由电路100提供的升压的量(例如，由电源110提供的输入电压与来自二极管130的输出电压之间的比)。一般来说，占空比越高，与输入电压相比输出电压越高。
斜坡电路105提供稳定电路100的操作的稳定斜坡。一般来说，高占空比可能存在这样的问题：高占空比能够导致控制电感器开关140的占空比的控制电路160的反馈机制不稳定。控制电路160监视在电感器开关140中流动的电流(例如，当电感器开关140闭合时)。控制电路接收反馈信号、Vin以及电感器电流作为输入。控制电路产生控制电感器开关140的驱动信号“DRV”。控制电路160将电感器电流斜坡与取决于Vout电压水平的稳定斜坡相加，并与反馈机制170(例如反馈电压水平)相比较。该比较经由DRV信号确定何时闭合电感器开关140以及占空比是多少。例如，在大多数实现中，在没有稳定性的情况下，在高于0.5的占空比下反馈机制固有地不稳定。
在一个实施例中，将升压转换器电路100封装为集成电路器件(例如，具有5个或更少针脚的芯片)。在一个实施例中，集成电路器件不提供用于输出电压的针脚。
图2示出根据本发明一个实施例的不存在稳定斜坡的电流斜坡的图200。控制信号201由控制电路160内部产生，并用于设定输出电压水平(例如Vout)。随着电流斜坡202上升，电感器开关占空比由来自电流感测电路、具有与电感器开关电流成比例的水平的斜坡达到由控制信号201确定的阈值的时刻确定。因为偏差一个周期接着一个周期地增长，所以如果|dI1|＞|dI0|，将产生不稳定。这使得对于大于0.5的占空比，由控制电路160实现的反馈环固有地不稳定。
图3示出根据本发明一个实施例的加上稳定斜坡的电流斜坡的图300。由斜坡电路105产生的稳定斜坡延伸对任何D(例如，电感器开关占空比)的稳定性的范围。稳定斜坡被加到电流斜坡202上，并以将电感器的接收电流斜坡增加附加斜坡为基础，该附加斜坡即取决于输出电压水平的所述稳定斜坡。在本实施例中，稳定斜坡301能够被加到电流斜坡202上，且各斜坡的和在新的点触发。利用最优化的稳定斜坡301，电路100对任何D(例如，电感器开关占空比)是稳定的。
图4示出描绘根据本发明一个实施例的斜坡电路105的内部部件的图。如图4所示，斜坡电路105包括第一和第二延迟元件401-402，第一和第二反相器403-404，三输入逻辑门405(例如与门)、采样开关406以及采样电容器407。
在一个实施例中，斜坡电路100被配置为当电感器开关140断开并且节点电压稳定时选择性地对电感器120和二极管130之间的节点电压进行采样。该节点被称为“LX”，与利用Vout电压水平(例如，将要求专用的Vout针脚)相比，可以对节点LX进行采样并用来产生稳定斜坡。在一个实施例中，该属性使得能够从半导体器件封装中消除任何专用Vout针脚。应注意：LX位于二极管正向电压(例如0.3V等)到Vout之内，该属性帮助其代替Vout使用。
图4的实施例使用控制电感器开关140的接通/断开状态的DRV信号。如图所示，反相器403-404和延迟元件401-402创建与门405的输入。与门405的输出控制采样开关406(例如MOSFET晶体管等)，由此将LX电压采样并存储到电容器407上。
图5示出例示根据本发明一个实施例的斜坡电路110的操作的时序图500。如图5所示，并且如上所述，DRV信号提供用于斜坡电路110的基本时序。
图5示出根据本发明一个实施例的两个操作模式501和502。在模式501中，基于电感器开关控制(例如DRV)的时序对LX针脚进行采样。锁存信号被称为“LAT”。在一个实施例中，其包括具有大约十分之一纳秒的宽度的脉冲。在从DRV取假值起的延迟1之后发生“LAT”信号的取真值(assertion)。在从“LAT”取真值起的延迟2之后，或当新的周期开始时(例如，当DRV取真值时)，发生“LAT”信号的取假值。采样数据通过采样电容器407存储。
在模式502中，基于外部提供的时钟信号“OSC”的时序对LX针脚进行了采样。当OSC信号变为低并且不存在DRV信号时，锁存信号“LAT”在每个周期的最后5-10％时段期间产生。在从“OSC”取假值起的延迟1之后发生“LAT”的取真值。在从“LAT”取真值起的延迟2之后发生“LAT”的取假值。采样数据通过采样电容器407存储。
在一个实施例中，斜坡电路还包括：第一延迟部件、第二延迟部件以及逻辑门(例如3输入与门)。第一延迟部件被耦合以接收驱动输入，其也被耦合以控制电感器开关。第一延迟部件产生第一延迟信号，所述第一延迟信号被第二延迟部件使用以产生第二延迟信号。逻辑门接收驱动信号、第一延迟信号以及第二延迟信号以产生采样开关控制信号以控制采样开关。
这样，本发明的实施例提供一种具有高效率以及良好操作特性(例如稳定性、低寄生损耗等)并具有低针脚数(例如，不存在用于输出电压的针脚)的升压转换器电路。
为了说明和描述的目的给出了本发明的具体实施例的上述描述。不旨在穷举或将本发明限制于公开的具体形式，明显地，在上述教导下很多变型和改变是可能的。为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，选择和描述了实施例，以由此使得本领域技术人员能够最好地利用本发明，并想到适用于特别应用的具有各种变型的各种实施例。本发明的范围由这里所附的权利要求书和其等同物限定。
总之，本说明书至少公开使用斜率补偿的电流模式升压转换器。
更详细地，本说明书公开一种升压转换器电路，包括：电源；电感器，耦合到电源以从电源接收电流；二极管，耦合为从所述电感器接收电流，并耦合为向负载提供电流作为输出；电感器开关，耦合到电感器和二极管之间的节点，用于选择性地切换电感器电流，以接收从电源到电感器的电流或向负载输出该电感器电流；以及斜坡电路。该斜坡电路耦合到电感器和二极管之间的节点，并被配置为经由采样开关选择性地对电感器和二极管之间的节点的电压进行采样，并使用采样信号产生稳定斜坡以稳定所述输出。
构思
作为简单的概要，本说明书公开至少以下广义的构思。
构思1.一种升压转换器电路，包括：
电源；
电感器，耦合到电源以从电源接收电流；
二极管，耦合为从所述电感器接收电流，并耦合为向负载提供电流作为输出；
电感器开关，耦合到电感器和二极管之间的节点，用于选择性地切换电感器电流，以接收从电源到电感器的电流或向负载输出该电感器电流；以及
斜坡电路，耦合到电感器和二极管之间的节点，其中，斜坡电路被配置为经由采样开关选择性地对电感器和二极管之间的节点的电压进行采样，并使用采样信号产生稳定斜坡以稳定所述输出。
构思2.构思1的升压转换器电路，其中，升压转换器电路被封装为集成电路器件。
构思3.构思1的升压转换器电路，其中，集成电路器件不提供用于输出电压的针脚。
构思4.构思1的升压转换器电路，其中，稳定斜坡被配置为确保对于大于0.5的占空比的稳定性。
构思5.构思1的升压转换器电路，其中，稳定斜坡取决于输出电压水平，并通过加上该稳定斜坡，所述稳定斜坡被相加以增加电感器的接收电流斜坡。
构思6.构思1的升压转换器电路，其中，斜坡电路被配置为当电感器开关断开并且电压稳定时选择性地对电感器和二极管之间的节点的电压进行采样，其中节点的电压基本上相似于输出电压水平。
构思7.构思6的升压转换器电路，其中，斜坡电路还包括：
第一延迟部件；
第二延迟部件；以及
逻辑门，其中第一延迟部件被耦合以接收驱动输入，驱动输入被耦合以控制电感器开关、产生第一延迟信号的第一延迟部件以及接收第一延迟信号并产生第二延迟信号的第二延迟部件，且该逻辑门接收驱动信号、第一延迟信号和第二延迟信号，以产生采样开关控制信号来控制采样开关。
构思8.构思7的升压转换器电路，其中，斜坡电路还包括：
采样开关，耦合以接收电感器和二极管之间的节点，并耦合到采样电容器；以及
采样电容器，耦合到采样开关以接收并存储电感器和二极管之间的节点的电压。
构思9.一种升压转换器集成电路器件，包括：
电源输入，用于接收电源；
电感器，耦合到电源输入以从电源接收电流；
二极管，耦合以从电感器接收电流，并耦合以向耦合到集成电路器件的负载提供电流作为输出；
电感器开关，耦合到电感器和二极管之间的节点，用于选择性地切换电感器的电流以接收从电源到电感器的电流，或向负载输出该电感器的电流；以及
斜坡电路，耦合到电感器和二极管之间的节点，其中斜坡电路被配置为经由采样开关选择性地对电感器和二极管之间的电压进行，并使用采样信号产生稳定斜坡以稳定输出，并且，其中当电感器开关断开并且电压稳定时对电感器和二极管之间的节点的电压进行采样。
构思10.构思9的升压转换器集成电路，其中，集成电路器件的封装不提供用于输出电压的针脚。
构思11.构思9的升压转换器集成电路，其中，稳定斜坡被配置为确保对于大于0.5的占空比的稳定性。
构思12.构思9的升压转换器集成电路，其中，稳定斜坡取决于输出电压水平，并以通过加上稳定斜坡来增加电感器的接收电流斜坡为基础。
构思13.构思12的升压转换器集成电路，其中，斜坡电路还包括：
第一延迟部件；
第二延迟部件；以及
逻辑门，其中第一延迟部件被耦合以接收驱动输入，驱动输入被耦合以控制电感器开关、产生第一延迟信号的第一延迟部件以及接收第一延迟信号并产生第二延迟信号的第二延迟部件，并且逻辑门接收驱动信号、第一延迟信号以及第二延迟信号，以产生采样开关控制信号以控制采样开关。
构思14.构思13的升压转换器集成电路，其中，斜坡电路还包括：
采样电容器，耦合到采样开关以接收和存储电感器和二极管之间的节点的电压。
构思15.一种用于产生升压转换器电路的稳定斜坡的方法，包括：
在耦合到电源的电感器从电源接收电流；
在耦合到电感器的二极管从电感器接收电流；
从二极管向耦合到二极管的负载输出电流作为输出电压；
利用耦合到电感器和二极管之间的节点的电感器开关选择性地切换电感器电流，或者接收从电源到电感器的电流，或者向负载输出电感器电流；以及
经由斜坡电路的采样开关选择性地对电感器和二极管之间的节点的电压进行采样，斜坡电路经由采样开关耦合到电感器和二极管之间的节点，其中斜坡电路被配置为使用采样信号产生稳定斜坡以稳定输出电压。
构思16.构思15的方法，其中，升压转换器电路作为集成电路器件封装。
构思17.构思15的方法，其中，集成电路器件不提供用于输出电压的针脚。
构思18.构思15的方法，其中，稳定斜坡被配置为确保对于大于0.5的占空比的稳定性。
构思19.构思15的方法，其中，稳定斜坡以将电感器的接收电流斜坡增加附加斜坡为基础，该附加斜坡即取决于输出电压水平的所述稳定斜坡。
构思20.构思15的方法，其中，斜坡电路被配置为当电感器开关断开并且电压稳定时选择性地对电感器和二极管之间的节点的电压进行采样，其中采样信号水平相似于输出电压水平。

Claims (20)

1.一种升压转换器电路，包括：
电源；
电感器，耦合到电源以从电源接收电流；
二极管，耦合为从所述电感器接收电流，并耦合为向负载提供电流作为输出；
电感器开关，耦合到所述电感器和所述二极管之间的节点，用于选择性地切换电感器电流，以接收从电源到电感器的电流或向负载输出所述电感器电流；以及
斜坡电路，耦合到所述电感器和所述二极管之间的节点，其中，所述斜坡电路被配置为经由采样开关选择性地对电感器和二极管之间的节点的电压进行采样，并使用采样信号产生稳定斜坡以稳定所述输出。
2.根据权利要求1所述的升压转换器电路，其中，所述升压转换器电路被封装为集成电路器件。
3.根据权利要求1所述的升压转换器电路，其中，所述集成电路器件不提供用于输出电压的针脚。
4.根据权利要求1所述的升压转换器电路，其中，所述稳定斜坡被配置为确保对于大于0.5的占空比的稳定性。
5.根据权利要求1所述的升压转换器电路，其中，所述稳定斜坡取决于输出电压水平，并通过加上所述稳定斜坡，所述稳定斜坡被相加以增加电感器的接收电流斜坡。
6.根据权利要求1所述的升压转换器电路，其中，所述斜坡电路被配置为当电感器开关断开并且电压稳定时选择性地对电感器和二极管之间的节点的电压进行采样，其中所述节点的电压基本上相似于所述输出电压水平。
7.根据权利要求6所述的升压转换器电路，其中，所述斜坡电路还包括：
第一延迟部件；
第二延迟部件；以及
逻辑门，其中所述第一延迟部件被耦合以接收驱动输入，所述驱动输入被耦合以控制所述电感器开关、产生第一延迟信号的所述第一延迟部件以及接收所述第一延迟信号并产生第二延迟信号的所述第二延迟部件，且所述逻辑门接收驱动信号、所述第一延迟信号和所述第二延迟信号，以产生采样开关控制信号来控制所述采样开关。
8.根据权利要求7所述的升压转换器电路，其中，所述斜坡电路还包括：
采样开关，耦合以接收所述电感器和所述二极管之间的节点，并耦合到采样电容器；以及
采样电容器，耦合到所述采样开关以接收并存储所述电感器和所述二极管之间的节点的电压。
9.一种升压转换器集成电路器件，包括：
电源输入，用于接收电源；
电感器，耦合到电源输入以从所述电源接收电流；
二极管，耦合为从所述电感器接收电流，并耦合为向耦合到所述集成电路器件的负载提供电流作为输出；
电感器开关，耦合到所述电感器和所述二极管之间的节点，用于选择性地切换所述电感器电流以接收从所述电源到所述电感器的电流，或向所述负载输出所述电感器电流；以及
斜坡电路，耦合到所述电感器和所述二极管之间的所述节点，其中所述斜坡电路被配置为经由采样开关选择性地对所述电感器和所述二极管之间的电压进行，并使用采样信号产生稳定斜坡以稳定所述输出，并且，其中当所述电感器开关断开并且电压稳定时对所述电感器和所述二极管之间的节点的电压进行采样。
10.根据权利要求9所述的升压转换器集成电路，其中，所述集成电路器件的封装不提供用于输出电压的针脚。
11.根据权利要求9所述的升压转换器集成电路，其中，所述稳定斜坡被配置为确保对于大于0.5的占空比的稳定性。
12.根据权利要求9所述的升压转换器集成电路，其中，所述稳定斜坡取决于输出电压水平，并以通过加上所述稳定斜坡来增加所述电感器的接收电流斜坡为基础。
13.根据权利要求12所述的升压转换器集成电路，其中，所述斜坡电路还包括：
第一延迟部件；
第二延迟部件；以及
逻辑门，其中所述第一延迟部件被耦合以接收驱动输入，所述驱动输入被耦合以控制所述电感器开关、产生第一延迟信号的所述第一延迟部件以及接收所述第一延迟信号并产生第二延迟信号的所述第二延迟部件，并且所述逻辑门接收驱动信号、所述第一延迟信号以及所述第二延迟信号，以产生采样开关控制信号以控制所述采样开关。
14.根据权利要求13所述的升压转换器集成电路，其中，所述斜坡电路还包括：
采样电容器，耦合到所述采样开关以接收和存储所述电感器和所述二极管之间的节点的电压。
15.一种用于产生用于升压转换器电路的稳定斜坡的方法，包括：
在耦合到电源的电感器从所述电源接收电流；
在耦合到所述电感器的二极管从所述电感器接收电流；
从所述二极管向耦合到所述二极管的负载输出电流作为输出电压；
利用耦合到所述电感器和所述二极管之间的节点的电感器开关选择性地切换所述电感器电流，以接收从所述电源到所述电感器的电流，或者向所述负载输出所述电感器的电流；以及
经由斜坡电路的采样开关选择性地对所述电感器和所述二极管之间的节点的电压进行采样，所述斜坡电路经由所述采样开关耦合到所述电感器和所述二极管之间的节点，其中所述斜坡电路被配置为使用采样信号产生所述稳定斜坡以稳定所述输出电压。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述升压转换器电路被封装为集成电路器件。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述集成电路器件不提供用于所述输出电压的针脚。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述稳定斜坡被配置为确保对于大于0.5的占空比的稳定性。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述稳定斜坡以将所述电感器的接收电流斜坡增加附加斜坡为基础，该附加斜坡即取决于所述输出电压的水平的所述稳定斜坡。
20.根据权利要求15所述的方法，其中，所述斜坡电路被配置为当所述电感器开关断开并且电压稳定时选择性地对所述电感器和所述二极管之间的节点的电压进行采样，其中采样信号水平相似于所述输出电压水平。
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