CN102347689A - 多相非反相降压升压电压变换器 - Google Patents

多相非反相降压升压电压变换器 Download PDF

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Abstract

一种多相非反相降压升压变换器，具有多个降压升压调节器。每一调节器与单独的相关联，用于响应输入电压而产生经调节的输出电压。多个电流传感器各自关联于多个降压升压调节器中的一个，用于监测关联的降压升压调节器的输入电流并且为关联的相产生电流感测信号。多个降压升压模式控制电路各自与一个降压升压调节器关联，从而在降压操作模式中利用波峰电流模式控制并在升压操作模式中利用波谷电流模式控制，响应于同一误差电压和关联的电流感测信号，来控制关联的降压升压调节器。多个降压升压模式控制电路在相间提供电流平衡。电压误差电路响应于经调节的输出电压产生误差电压。

Description

多相非反相降压升压电压变换器
相关申请的交叉参考 
本申请权利要求申请号为13/160162的美国专利申请的权益，其申请日为2011年6月14日，题为MULTI-LEVEL NON-INVERTING BB VOLTAGE CONVERTER(多电平非反相BB电压变换器)(委托案号INTS-30,622)，该专利申请是申请号为12/848579的美国专利申请的部分延续，其申请日为2010年8月2日，题为NON-INVERTING BUCK BOOST VOLTAGE CONVERTER(非反相降压升压电压变换器)(委托案号INTS-29,982)。 
技术领域
本发明涉及降压升压变换器，尤其是涉及用于控制非反相降压升压变换器以在升压和降压操作模式之间提供平滑过渡的系统和方法。 
背景技术
非反相降压升压变换器能根据操作模式取得高于或低于输入电压的输出电压。随着电池供电装置越来越流行，这些类型的变换器变得更有吸引力，因为它们能利用电池的放电周期。当电池输入电压高于其输出电压时，降压升压变换器工作在降压操作模式。在降压操作模式中，变换器将输入电压减小至用于其输出所必需的电平。当电池输入电压低于输出电压时，降压升压变换器工作在升压操作模式，其中将输入电压增大至其输出所需的电平。在单纯降压和单纯升压操作模式中的控制通过导通和截止各种相关功率开关来实现。当输出电压接近于输入电压时，降压和升压操作模式之间的过渡提供各种控制竞争。在降压和升压操作模式之间过渡期间，来自控制降压升压变换器的两个竞争包括动态响应的线性瞬变的产生和输出纹波的产生，其中产生的输入电压接近于稳态作为稳态性能结果的输出电压。 
发明内容
这里公开和描述的本发明，其一方面，包括非反相降压升压变换器。降压升压变换器包括升压降压调节电路，用于响应输入电压产生经调节的输出电压。电流传感器监视降压升压调节电路的输入电流。升压降压模式控制电路响应监测到的输入电流在降压操作模式中使用深电流模式控制并在升压操作模式中使用有效电流模式控制来控制升压降压调节电路。 
附图说明
为了更加全面的理解，现在结合附图做以下详细描述，在附图中： 
图1为降压升压变换器的示意图； 
图2示出了本公开的非反相降压升压变换器的功能方框图； 
图3提供本公开的非反相降压升压变换器的更详细的方框图； 
图4示出了图3中的非反相降压升压变换器的操作的流程图； 
图5A-5C示出了当从降压操作模式变换到升压操作模式时降压升压变换器操作的波形； 
图6A-6C示出了当从升压操作模式变换到降压操作模式时降压升压变换器操作的波形； 
图7是多相非反相降压-升压变换器的功能方框图； 
图8是多相降压-升压变换器的调制器和驱动电路的方框图； 
图9是具有内在电流共享的多相非反相降压-升压变换器的更详尽的方框图； 
图10是调制器和驱动电路的示意方框图； 
图11是最大占空比检测和模式选择电路的示意图； 
图12示出运行于降压模式稳态下的两相非反相降压-升压变换器稳态的操作； 
图13示出了运行于降压模式稳态下的两相非反相降压-升压变换器稳态；以及 
图14示出了运行于升压模式稳态下的两相非反相降压-升压变换器。 
具体实施方式
现在参考附图，其中在全文中所使用的类似的参考标记用于表示类似的元 件，非反相降压升压变换器的各个视图和实施例被示出和描述，并描述了其他可能的实施例。附图不一定按照比例绘制，并且在一些实例中仅仅为了阐述的目的将附图局部夸大和/或简化。本领域的技术人员将基于可能实施例的以下示例理解多种可能的应用和变形。 
非反相降压升压变换器能实现高于或低于其输入电压的正输出电压。随着电池供电装置越来越流行，由于其能利用电池的放电周期因此这种结构变得更加具有吸引力。当电池输入电压高于其输出电压时，降压升压变换器工作在降压操作模式。在降压操作模式中，变换器将输入电压减小至用于其输出所需的电平。当电池输入电压低于输出电压时，降压升压变换器工作在升压操作模式，其中将输入电压增大至输出所需的电平。在或者单纯降压操作模式或者单纯升压操作模式中通过使一些功率开关导通或截止以执行控制是相对容易的。当输出电压接近输入电压时，在升压和降压操作模式之间的过渡中保留竞争。在升压降压操作模式之间的该过渡期间具有两个竞争以控制降压升压变换器。一个竞争涉及线性瞬变，其为动态响应。另一个竞争是输出纹波，其中所产生的输入电压接近输出电压，该输出电压是稳态性能结果。 
以下所描述的实施例包括一种机制，该机制控制非反相降压升压变换器并提供取得在模式和线性瞬变之间平滑过渡的方法，同时当输出电压接近输入电压时仍然保持最小纹波电压。在该机制中仅使用一个集成的电流传感器来代替多个传感器以降低复杂度和简化总体设计。该控制器利用循环检测在降压操作模式中利用波峰电流模式控制并且在升压操作模式中利用波谷电流控制模式。该方法提供变换器中的平滑过渡和线性瞬变。在输出电压接近于输入电压的情况下，通过监视最大占空比，降压升压变换器自动地从降压操作模式切换到升压操作模式或者从升压操作模式切换到降压操作模式。这样就简化了降压升压变换器的控制并且减少了输出电压纹波。降压操作模式和升压操作模式利用相同的集成电流传感器，这样降低了系统的复杂性并且增加了整体的可靠性。 
非反相降压升压变换器能实现高于或低于其输入电压的正输出电压。许多应用场合更倾向于渴望利用电池放电周期的、比如电池供电装置的非反相降压升压变换器。由于负载卸荷或冷启动发生的情形，电池供电电子装置和汽车经历低劣的电池电压。在这些情况下，非反相降压升压变换器是理想的选择。如果负载功率高，则需要多相降压升压变换器来降低成本并实现散热。 
现在参考附图，特别是图1，图1示出了降压升压变换器的示意图。该降压升压变换器包括输入电压节点102，输入电压VIN施加于该电压节点102。高侧降压晶体管104包括P沟道晶体管，其具有连接在节点102和节点106之间的源极/漏极路径。低侧降压晶体管108包括N沟道晶体管，其具有连接在节点106和接地点之间的漏极/源极路径。电感器110连接在节点106和节点112之间。高侧P沟道升压晶体管114具有连接在输出电压节点VOUT116和节点112之间的源极/漏极路径。低侧升压晶体管118包括N沟道晶体管，其具有连接在节点112和接地点之间的源极/漏极路径。正如本领域技术人员能很好理解的那样，高侧降压晶体管和升压晶体管也能通过N沟道晶体管来实现。进一步地，所有的开关晶体管都能通过双极型晶体管或其它合适的可控开关器件来实现。输出电容120连接在输出电压节点116和接地点之间。输出负载电阻122在节点116和接地点之间与电容120并联连接。高侧降压晶体管104、低侧降压晶体管108、高侧升压晶体管114和低侧升压晶体管118中的每一个的栅极均连接于降压升压控制电路124。降压升压控制电路124通过所使用内部控制逻辑的多个输出产生门控信号，所述内部控制逻辑响应于至少从节点116施加的输出电压VOUT。降压操作模式中的占空比被定义为D＝ton(104)/T，其中ton是开关晶体管104的导通时间，而T是变换器的开关周期。T是开关频率，fsw的倒数，(T＝1/fsw)。在升压操作期间，占空比定义为D＝ton(118)/T，即，同步高侧升压晶体管114的导通时间除以开关周期。 
现在参考图2，其示出了根据本公开的非反相降压升压变换器的功能框图。降压升压变换器电路202在输入节点204接收输入电压VIN并且在节点206提供输出电压VOUT。降压升压变换器202中的开关晶体管根据从驱动逻辑208提供的驱动控制信号被驱动。响应于从PWM控制逻辑210提供的PWM控制信号，驱动逻辑208产生开关晶体管的驱动控制信号。误差放大器和PWM控制逻辑210响应在节点206监测到的输出电压同时也响应从电流斜坡控制补偿逻辑212提供的电流控制电压VSUM来产生PWM控制信号。电流斜坡控制补偿逻辑响应由电流传感器214和模式控制逻辑216提供的降压升压变换器202中的监测电流来产生至误差放大器和PWM控制逻辑210的VSUM电压。电流传感器214测量在降压升压变换器202的输入节点204提供的输入电流。模式控制逻辑216通过监测从PWM控制逻辑210提供的PWM信号来判断降压升压变换器202 工作在降压操作模式还是升压操作模式。模式控制逻辑216另外将模式控制信号提供给驱动逻辑208以控制降压升压变换器202中的开关晶体管的操作。 
现在参考图3，其示出了本公开的非反相降压升压变换器的方框图。降压升压变换器302包括施加输入电压VIN的输入电压节点304。电流传感器306感测通过节点304的输入电压电流并且提供感测的输入电流ISNS。高侧降压晶体管308连接在电流传感器306和节点310之间。高侧降压晶体管308包括P沟道晶体管。高侧降压晶体管308连接以接收驱动信号HD_BUCK。低侧降压晶体管312包括N沟道晶体管，其具有连接在节点310和接地节点314之间的漏极/源极路径。低侧降压晶体管312连接以接收驱动控制信号LD_BUCK。电感器316连接在节点310和节点318之间。 
高侧升压晶体管320包括P沟道晶体管，其具有连接在输出电压节点VOUT322和节点318之间的源极/漏极路径。低侧升压晶体管321包括N沟道晶体管，其具有连接在节点318和节点314之间的漏极/源极路径。晶体管324的栅极连接以接收驱动控制信号LD_BOOST。高侧升压晶体管320的栅极连接以接收驱动控制信号HD_BOOST。输出电容器326连接于输出电压节点322和接地节点314之间的输出电压节点322。另外，负载328在输出电压节点322和接地节点314之间与输出电容326并联连接。 
从降压模式电流逻辑和驱动器330以及升压模式控制逻辑和驱动器332分别提供对高侧降压晶体管308、低侧降压晶体管312、高侧升压晶体管320和低侧升压晶体管324中的每一个的驱动控制信号。降压模式控制逻辑和驱动器330响应从SR锁存器334提供的PWM信号(PWM_BUCK)以及从模式控制逻辑336提供的模式控制信号来产生HD_BUCK信号到高侧降压晶体管308并产生LD_BUCK信号到低侧降压晶体管312。升压模式控制逻辑和驱动器332响应于从SR锁存器338提供的PWM控制信号(PWM_BOOST)以及来自模式控制逻辑336的模式控制信号来产生HD_BOOST驱动信号到晶体管320并产生LD_BOOST驱动信号到晶体管324。晶体管308和312是在降压操作模式中用于降压升压变换器302的功率开关。在降压操作模式中，晶体管320一直导通而晶体管324一直截止。同样，在升压操作模式中，降压模式控制逻辑和驱动器330和升压模式控制逻辑和驱动器332控制升压晶体管320和324以包括功率FET开关。在升压操作模式下，晶体管308一直导通而晶体管312截止。 
SR锁存器334响应于在SR锁存器334的S输入端提供的时钟信号和施加于SR锁存器334的R输入端的逻辑信号产生降压PWM信号到降压模式控制逻辑和驱动器330。响应于被提供给SR锁存器338的R输入端的时钟输入和被提供给SR锁存器338的S输入端的逻辑输入从SR锁存器338的Q输出端提供PWM信号PWM_Boost。 
模式控制逻辑336将MODE信号提供给降压模式控制逻辑和驱动器330和升压模式控制逻辑和驱动器332中的每一个。模式控制逻辑336分别响应从SR锁存器334和338的输出提供的PWM_BUCK和PWM_BOOST信号产生输出控制信号MODE到降压模式控制逻辑和驱动器330和升压模式控制逻辑和驱动器332中的每一个。最大占空比状态最大占空比检测电路340响应输出电压VOUT接近输入电压VIN的程度确定何时降压和升压操作模式之间存在最大占空比状态。当检测到最大占空比状态时，最大占空比检测电路340对MAX_D信号产生逻辑“高”值，它被提供给模式选择逻辑342。 
模式选择逻辑342确定降压升压变换器302需要切换到降压操作模式还是升压操作模式，并产生模式控制信号MODE以指示这种变化。为了使得从降压操作到升压操作或从升压操作到降压操作的变换切换，通过最大占空比检测电路340将最大占空比的确定引入到控制机制中。一旦检测到最大占空比状态，MAX_D信号变为逻辑“高”电平。这通常发生在输入电压VIN接近输出电压VOUT或输出中发生负载瞬变的时候。模式选择逻辑342确定降压升压变换器302的操作模式是降压模式还是升压模式。只要检测到MAX_D逻辑“高”信号则执行一种简单的控制方法，触发操作模式。通过使用多个MAX_D信号能应用更复杂的控制方法。在降压升压变换器中有且仅有两种操作模式，要么是降压要么是升压。模式选择逻辑的输出“MODE”信号像多路复用器控制信号那样工作来选择操作电路，例如，根据变换器是处于降压操作模式还是升压操作模式来选择操作电路，例如电流感测和开关驱动控制逻辑。因此，MODE控制信号选择降压模式控制逻辑驱动器330还是选择升压模式控制逻辑和驱动器332依赖于操作模式并且也选择从多路复用器344的输出提供的电流感测补偿信号。 
多路复用器344连接以接收VSUM_BUCK信号或VSUM_BOOST信号。VSUM_BUCK信号包括来自电流传感器306的感测感测电流、降压模式偏移信号以及降压斜坡补偿信号的总和，它们在加法器电路346中加在一起。 VSUM_BOOST信号在加法器电路348中由来自电流传感器306的ISNS输入电流测量、升压模式偏移信号和升压斜坡补偿信号加在一起而产生。来自电流传感器306的感测感测电流ISNS与降压模式偏移或升压模式偏移相加以确保误差放大器352操作在正确的DC偏移下。降压或升压补偿斜坡被加到所感测的电流上以避免大占空比操作中的子谐波振荡。VSUM_BUCK和VSUM_BOOST补偿信号中的每一个被提供给多路复用器344的输入。响应于多路复用器344处的MODE信号，根据降压升压变换器302工作在降压操作模式还是升压操作模式来选择VSUM_BUCK(降压模式)或者VSUM_BOOST(升压模式)，并且将所选择的信号作为输出电流补偿信号VSUM提供。 
VSUM信号从多路复用器344提供给PWM比较器350的反相输入端。PWM比较器350的非反相输入端连接以接收来自误差放大器352的电压误差信号VCOMP。误差放大器352的输出端通过串联的电容器354与电阻器356接地。误差放大器352的反相输入端通过电阻分压器监测节点322上的输出电压VOUT，所述电阻分压器由连接在节点322和节点360之间的电阻器358与连接在节点360和接地点之间的电阻器构成。误差放大器352的反相输入端连接到节点360。误差放大器352将施加在其非反相输入端的基准电压VREF与来自降压升压变换器302的输出反馈电压作比较以产生误差信号VCOMP。VCOMP信号被用于当降压升压变换器工作在降压操作模式时的波峰电流模式和当降压升压变换器操作于升压操作模式时的波谷电流模式下确定流过电感器316的电感器电流。降压操作和升压操作共享相同的电压误差信号。来自多路复用器344的输出的VSUM与电压误差信号VCOMP的比较确定功率晶体管308、312、320和324的导通/截止状态。 
PWM比较器350的输出(VCOMPOUT)作为反相器362的输入和与门364的第一输入提供。来自反相器362的反相输出被提供给或门366的第一输入。或门366的另一输入连接以接收来自最大占空比检测电路340的输出的MAX_D信号。或门366的输出提供逻辑信号到锁存器334的R输入端以允许产生降压PWM信号。与门364的另一输入端连接到反相器368的输出端。反相器368的输入端连接以接收来自最大占空比保护电路340的MAX_D信号。与门364的输出连接到另一反相器370。该反相器370的输出端提供逻辑信号到SR锁存器338的S输入端以提供升压PWM信号。 
现在参考图4，这里示出了描述图3中降压升压变换器操作的流程图。当变换器操作在步骤402开始时，变换器在步骤404在降压操作模式下开始工作并且工作在波峰电流控制操作模式。询问步骤406监测最大占空比并且如果目前没有检测到最大占空比则控制返回到步骤404。当检测到最大占空比时，变换器在步骤408进入升压操作模式并且使用波谷电流控制模式操作。询问步骤410监测最大占空比并且如果没有检测到最大占空比，则控制返回到步骤408。当检测到最大占空比时，变换器在步骤404变换回到降压操作模式。 
现在参考图5，这里描述当降压升压变换器由降压操作模式过渡到升压操作模式时与降压升压变换器302相关的各种波形。晶体管308和312构成降压操作模式中的主要功率开关。晶体管320在降压操作模式中一直是导通的并且晶体管324在降压操作模式中一直是截止的。随着输入电压VIN502下降，开关占空比因为D～Vout/Vin而增加。当输入电压VIN502下降到一确定值时，占空比达到最大阈值(最大占空比)，最大占空比检测电路340，其在一个实施例中包括数字比较器，对该条件作出响应并且设置信号MAX_D至逻辑“高”电平。同时，高侧晶体管308截止而晶体管312导通。模式选择逻辑342获知下一循环并且当时钟信号出现在SR锁存器334的输入端时，降压升压变换器302将变换到升压模式。当时钟脉冲到达时，控制信号MODE被置为逻辑“高”电平(升压)，并且降压升压变换器此时被配置成升压模式。然而，在该状态下，输入电压VIN502仍然稍高于输出电压VOUT504，由此升压操作模式可能泵送过多能量到负载中并进一步增加输出电压VOUT。因此，降压升压变换器302在升压周期后返回到降压操作模式并且保持在降压操作模式长达多于一个周期的时间，直到输出电压VOUT504下降到输入电压VIN以下为止。随着VIN502进一步下降，将具有更多的升压周期。如此，提供从降压操作模式到升压操作模式的平滑过渡。图5也示出了多路复用器344的输出、VSUM506、误差放大器VCOMP508的输出以及电感器电流510。 
现在参考图6，图中示出了降压升压变换器302从升压操作模式到降压操作模式的变换。当输入电压VIN602比输出电压VOUT604低很多时，降压升压变换器运行在单纯升压操作模式中。晶体管320和324构成升压操作模式中的主要功率开关，同时晶体管308一直是导通的并且晶体管312一直是截止的。随着输入电压VIN602增加，由于降压升压变换器302处于波谷控制操作模式，开关 占空比增加。随着输入电压VIN602增加到一定电平时，占空比达到最大阈值水平(最大占空比)，包括数字比较器的最大占空比检测电路340对该状态作出响应并且将信号MAX_D置为逻辑“高”电平。同时，高侧晶体管320截止而低侧晶体管324导通。模式选择逻辑342获知下一循环，当时钟信号出现时，变换器将变换到降压模式。当时钟信号到达时，信号“MODE”被置为逻辑“低”电平(降压模式)，并且整个降压升压变换器此时配置成降压模式。然而，在该状态下，输入电压VIN602仍然低于输出电压VOUT604。因此降压操作模式可能牵引过多能量到负载中并且输出电压VOUT604减少。因此，降压升压变换器302在降压周期之后返回到升压操作模式并且保持在升压操作模式长达一个以上周期的时间，直到输出电压604增加为止。随着输入电压VIN602进一步增加，可能具有更多降压周期。如此，提供从升压到降压的平滑过渡。 
图6的图示进一步示出了多路复用器344的输出、VSUM606、误差电压输出VCOMP608以及电感器电流610。 
当输出电压VOUT接近输入电压VIN时，降压升压变换器302从降压到升压以及从升压到降压模式地切换。这里不存在单独的降压-升压模式，只有降压模式和升压模式。控制方法通过利用降压操作模式中的波峰电流控制模式和升压操作模式中的波谷电流控制模式来确保平滑过渡。该方法的主要优点是误差信号VCOMP在模式过渡期间不具有任何猝然的变化。由于VCOMP信号是输出电压VOUT的直接函数，如果误差信号VCOMP是稳定的，则输出电压VOUT也是稳定的。正如前面所述，多路复用器的输出VSUM是输入电流ISNS、降压或升压模式偏移以及斜坡补偿信号的总和。在降压或升压操作模式中偏移的差值是基于一个整周期中最大斜坡补偿而选择的。通常偏移的差值是最大斜坡补偿电压的两倍。例如，如果斜坡补偿是1V/us并且开关频率是1MHz，则偏移的差值是1V/us*1us*2，其为2V。因此如果在降压模式中偏移是Vos，那么升压模式下的偏移为Vos+2V)。以这种方式工作的系统提供线性瞬变，其在轻载和重载条件下都是优越的。当输出电压接近输入电压时，电压纹波也是小的。控制方法是简单的，仅要求单个集成的电流传感器和逐循环检测。 
现在参考图7，这里示出了多相非反相降压-升压变换器的方框图。误差放大器702将反馈电压分压器和环路补偿提供给多相非反相降压-升压变换器。误差放大器702产生补偿信号VCOMP，该补偿信号VCOMP被提供给与多相非反相 降压-升压变换器的每一个相关联的调制器和驱动电路704中的每一个。响应来自误差放大器702的VCOMP信号以及来自关联的电流传感器708的电流信号ISNS，调制器和驱动电路704产生驱动信号至关联的降压-升压变换器706。电流传感器708监测至关联的降压-升压变换器706的输入电流以产生至关联的调节和驱动器704的ISNS电压信号。降压-升压变换器706产生由误差放大器702监测的输出电压VOUT以产生补偿电压VCOMP。 
现在参考图8，这里示出了与多相非反相降压-升压变换器的每一个相关联的调制器和驱动器电路704的方框图。PWM逻辑802产生至驱动逻辑804和模式控制逻辑806的PWM控制信号。响应由PWM逻辑802提供的PWM控制信号，驱动逻辑804产生驱动信号到关联的降压-升压变换器的开关晶体管。模式控制逻辑806通过监视来自PWM逻辑802的PWM信号来确定降压-升压变换器工作在降压操作模式还是升压操作模式。模式控制逻辑806另外提供模式控制信号到驱动逻辑804以控制降压-升压变换器中开关晶体管的操作。响应由电流传感器708(图7)提供的来自降压-升压变换器的监测电流ISNS，电流斜坡补偿电路808产生VSUM电压到PWM逻辑802。 
现在参考图9，这里提供多相非反相降压-升压变换器的更详细的方框图，该多相非反相降压-升压变换器提供在降压-升压变换器的不同相之间的固有电流分享。如前面所述，误差放大器部分702监测来自节点902上的降压-升压变换器706的多个相的组合输出的输出电压。误差放大器电路702包括电压分压器，该电压分压器由连接在节点902和节点906之间的电阻器904和连接在节点906和接地点之间的电阻器908构成。反馈电压VFB在节点906由误差放大器910的反相输入端监测。误差放大器910的非反相输入端接收基准电压VREF，用于与反馈电压VFB进行比较。误差放大器910的输出连接到节点912以提供至与多相非反相降压-升压变换器的每一个相关联的每个调制器和驱动器704的VCOMP输入。比较器914和电阻器916串联连接在节点912和接地点之间。比较器914连接在节点912和节点918之间并且电阻器916连接在节点918和接地点之间。误差放大器910包括跨导放大器，该跨导放大器产生补偿信号VCOMP，该补偿信号VCOMP被馈送给调制器和驱动电路704中的每一个。该系统仅需要一个误差放大器910。然而，多个误差放大器910能并联设置并且误差放大器的总增益将包括误差放大器中的每一个的总和。 
图9所示的系统的第二部分包括调制器和驱动器704。它们彼此连接以接收来自误差放大器910的补偿信号VCOMP和电流感测信号ISNSN，该电流感测信号ISNSN与多相变换器的特定相关联的降压-升压变换器的输入电压节点上的感测输入电流相关。变换器的每个相需要独立的调节器，因为用于每个相的时钟信号是不同的，以致于产生交织的电感电流和比单相变换器更小的输出和输入纹波。N相变换器理想地应当在相邻相之间具有360/n的相移。每个相也具有从ISNS1至ISNSn的独立的电流感测。这种架构提供固有的电流平衡机制。在降压操作模式中的波峰电流模式和升压操作模式中的波谷电流模式控制中的任一个中，将感测电流电压ISNSn与补偿信号VCOMP比较。由于VCOMP在每一调制器之间是同一信号，因此该信号平衡每一相的电流。这在多相变换器中对于降低设计复杂性并同时取得优越性能是很有利的。每个相具有其本身的最大占空比检测电路和模式选择电路。当VIN接近VOUT时，一些相能运行在降压模式而另外一些相运行在升压模式，从而导致较小的输出纹波。用于每个相的调制器和驱动电路704产生HD_BUCKn、LD_BUCKn、HD_BOOSTn和LD_BOOSTn，这些信号用于与其关联相的降压-升压变换器关联的每一个开关晶体管。 
这些分压器输出被提供给降压-升压变换器706的相关功率开关晶体管。每一降压-升压变换器706包括输入电压节点915，提供到该节点的是拟调节的输入电压。电流传感器917感测流过节点915的输入电压电流并提供感测的输入电流电压ISNSn。高侧降压晶体管919连接在电流传感器917和节点920之间。高侧降压晶体管919包括P沟道晶体管。高侧降压晶体管919连接以接收驱动信号HD_BUCKn。低侧降压晶体管922包括N沟道晶体管，该N沟道晶体管具有连接在节点920和接地节点924之间的漏极/源极路径。低侧降压晶体管922连接以接收驱动控制信号LD_BUCKn。电感器926连接在节点920和节点928之间。 
高侧升压晶体管930包括P沟道晶体管，其具有连接在输出电压节点VOUT932和节点928之间的源极/漏极路径。低侧升压晶体管934包括N沟道晶体管，该N沟道晶体管具有连接在节点928和接地节点924之间的漏极/源极路径。晶体管934的栅极连接以接收驱动控制信号HD_BOOSTn。在与多相降压-升压变换器的每个相关联的每一个降压-升压变换器中，高侧和低侧降压和升压开关晶体管以及电流传感器是相同的。每一降压-升压变换器具有连接到 节点932的输出。另外，由电阻器935构成的负载连接在节点932和接地点之间。电容器936与电阻器935并联并且连接在节点932和接地点之间。 
到高侧降压晶体管918、低侧降压晶体管922、高侧升压晶体管930和低侧升压晶体管934中的每一个的驱动控制信号由调制器和驱动电路704提供。现在参考图10，其更具体地示出了用于产生这些栅极驱动开关信号的调制器和驱动电路704的示意性方框图。降压模式控制逻辑和驱动器1002响应从SR锁存器1004提供的PWM信号(PWM_BUCK)以及从最大占空比检测和模式选择逻辑1006提供的模式控制信号产生至高侧降压晶体管918的HD_BUCKn信号并产生至低侧降压晶体管922的LD_BUCKn信号。 
升压模式控制逻辑和驱动器1008响应从SR锁存器1010提供的PWM控制信号(PWM_BOOST)以及来自最大占空比检测和模式选择逻辑1006的模式控制信号产生HD_BOOSTn驱动信号到晶体管930，并产生LD_BOOSTn驱动信号到晶体管934。晶体管918和922是降压操作模式下用于降压-升压变换器的功率开关。在降压操作模式中，晶体管930一直导通而晶体管934一直截止。同样地，在升压操作模式中，降压模式控制逻辑和驱动器1002以及升压模式控制逻辑和驱动器控制包括功率FET开关的升压晶体管320和324。在升压操作模式中，晶体管918一直导通而晶体管922一直截止。SR锁存器1004响应在SR锁存器1004的S输入端提供的时钟信号以及施加于SR锁存器1004的R输入端的逻辑信号产生PWM_BUCK信号到降压模式控制逻辑和驱动器1002。PWM信号PWM_BOOST响应在SR锁存器1010的R输入端接收的时钟输入和提供给SR锁存器1010的S输入端的逻辑输入从SR锁存器1010的Q输出端提供。 
最大占空比检测和模式选择逻辑1006提供模式信号给降压模式控制逻辑和驱动器1002以及升压模式控制逻辑和驱动器1008中的每一个。最大占空比检测和模式选择逻辑1006响应分别从SR锁存器1004和1010的输出提供的PWM_BUCK信号和PWM_BOOST信号产生输出控制信号MODE给降压模式控制逻辑和驱动器1002以及升压模式控制逻辑和驱动器1008中的每一个。最大占空比状态最大占空比检测和模式选择逻辑1006响应于接近输入电压VIN的输出电压VOUT确定何时在降压和升压操作模式之间存在最大占空比状态。当检 测到最大占空比状态时，最大占空比检测和模式选择逻辑1006对MAX_D信号产生逻辑“高”值。 
最大占空比检测和模式选择逻辑1006确定降压-升压变换器是否需要切换到降压操作模式或升压操作模式并产生模式控制信号MODE以指示这种改变。为了从降压操作平滑地切换到升压操作或从升压操作平滑地切换到降压操作，最大占空比的确定通过最大占空比检测和模式选择逻辑1006引入到控制机制中。每当检测最大占空比状态，MAX_D信号变为逻辑“高”。这通常发生在当输入电压VIN接近输出电压VOUT或当输出中发生负载瞬变的时候。最大占空比检测和模式选择逻辑1006确定降压-升压变换器的操作模式是降压或是升压。只要检测到MAX_D逻辑“高”信号则执行一种简单控制方法，触发操作模式。通过使用多个MAX_D信号能应用更复杂的控制方法。在降压-升压变换器中有且仅有两种操作模式工作，要么是降压要么是升压。 
取决于变换器是处于降压操作模式还是升压操作模式，最大占空比检测和模式选择逻辑1006的模式输出“MODE”信号就像多路复用器那样控制信号以选择可操作的电路，例如电流感测和开关驱动控制逻辑电路。因此，模式控制信号根据操作模式要么选择降压模式控制逻辑驱动器1002，要么选择升玉控制逻辑和驱动器1008，并且也选择从多路复用器1012的输出端提供的电流感测补偿信号。 
多路复用器1012被连接以输出VSUM_BUCK或VSUM_BOOST信号。 
VSUM_BUCK信号包括来自电流传感器916的感测感测电流、降压模式偏差信号和降压斜坡补偿信号的总和，这些信号在加法器电路1014中加在一起。 
VSUM_BOOST信号在加法器1016中通过将来自电流传感器916的ISNS输入电流测量信号、升压模式偏移信号和升压斜坡补偿信号加在一起而产生。来自电流传感器916的感测感测电流电压ISNS与降压模式偏移或升压模式偏移加在一起以确保误差放大器910工作在正确的DC偏移下。降压或升压补偿斜坡与所感测的电流相加以避免大占空比操作中的子谐波振荡。VSUM_BUCK和 
VSUM_BOOST补偿信号中的每一个被提供给多路复用器1012的输入端。根据降压-升压变换器工作在降压操作模式还是升压操作模式，响应多路复用器1012的模式信号来选择VSUM_BUCK(降压模式)或者VSUM_BOOST(升压模式)，并将所选择的信号作为输出电流补偿信号VSUM提供。 
VSUM信号被提供给PWM比较器1015的反相输入端。PWM比较器1015的非反相输入端连接以接收来自误差放大器910的电压误差信号VCOMP。对于多相操作模式中的单相操作模式来说，VCOMP信号以与前面描述的相同方式使用。PWM比较器1015的输出作为输入提供给反相器1017。来自反相器1017的反相输出被提供给或门1018的第一输入端和与门1020的第一输入端。或门1018的另一输入端连接以接收来自最大占空比检测和模式选择逻辑1006的输出端的MAX_D信号。与门1020的另一输入端连接以接收来自反相器1022的反相MAX_D信号。或门1018的输出端提供逻辑信号给SR锁存器1004的R输入端以允许产生降压PWM信号。与门1020的输出被提供给反相器1024。反相器1024的输出提供S输入到SR锁存器1010以帮助产生升压PWM信号。最大占空比检测和模式选择逻辑1006响应来自SR锁存器1004输出端的PWM_BUCK信号、来自SR锁存器1010的PWM_BOOST信号以及时钟输入信号产生MAX_D控制信号和模式控制信号。 
现在参考图11，图11示出了最大占空比检测和模式选择逻辑1006的操作。MAX_D信号被提供给SR锁存器1102的S输入端。时钟输入CLK被提供给SR锁存器1102的R输入端。SR锁存器1102的Q输出被提供给一对与门1104和1106中的一个输入端。与门1104在其输入端接收PWM_BUCK信号、来自反相器1108的反相模式信号输入以及SR锁存器1102的输出。同样地，与门1106在与门1106的输入端接收SR锁存器1102的输出、模式信号和来自反相器1110的PWM_BOOST信号的反相版本。与门1104的输出被提供给SR锁存器1112的S输入端。SR锁存器的R输入端接收与门1106的输出。SR锁存器1112的Q输出端提供MODE_PRE信号，该MODE_PRE信号被提供给延时锁存器1114的D输入端。延时锁存器1114的时钟输入端连接以接收CLK信号并且延时锁存器1114的Q输出提供MODE信号。 
图11的电路的基本操作如下。当VIN接近VOUT时，占空比接近100％，为了保持每个周期的切换，最大占空比信号(MAX_D)被预设。每当PWM信号(PWM_BUCK和PWM_BOOST)达到MAX_D值时，根据电流操作模式(降压或升压)设置或重置信号MODE_PRE。然而，MODE_PRE一开始不应用于调制器，而是仅在接收到下一时钟信号脉冲时变得有效，时钟的上升沿设置模式信号并且调节调制器的操作模式。每个调节器具有其本身单独的决策制定电 路。 
现在参考图12，图12示出了两相非反相降压-升压变换器，它们运行在降压模式稳态，其中VIN大于VOUT。这些波形示出了降压-升压模式运行在降压模式，其中VIN大于VOUT。电感器电流被交织以取得电流分享和小的输出纹波。每个相中的电流是平衡的。 
现在参考图13，其示出了降压操作模式下的两相非反相降压-升压变换器，在降压操作模式中，VIN接近于VOUT。电感器电流以比单纯降压模式和升压模式更复杂的方式被交织。在该操作区域中，变换器在降压模式和升压模式之间往复运作以调节输出电压。照这样，一个相能运行在降压模式下而另一相运行在升压模式。如此减少输出纹波。 
现在参考图14，图14示出了两相非反相降压-升压变换器运行在降压模式下，其中VIN小于VOUT。电感器电流被交织以取得电流分享以及小的输出纹波。每个相中的电流是平衡的。 
因此，通过并联地设置多个降压-升压功率级，能取得更多的功率。该设计实现电流平衡而不增加获得电流平衡结果所需的额外电路。另外提供一种具有小的输出纹波的模式间的平滑线性过渡。 
在本公开内容的提示下本领域技术人员可以理解，在降压操作模式和升压操作模式之间过渡时该非反相降压升压变换器可提供改善的操作。应该理解的是，这里的附图和详细说明被认为是解说性的而不是限制性的，并且不限于所公开的特定形式和示例。相反，它包括任何进一步的修改、变化、重构、代替、替换、设计选择以及对于那些本领域技术人员显而易见的实施方式，在没有脱离本发明精神和范围的前提下，如下述权利要求所定义。因此，下面的权利要求被认为是涵盖了所有这些进一步的修改、变化、重构、代替、替换、设计选择以及实施方式。 

Claims (20)

1.一种多相非反相降压升压变换器，包括：
多个降压升压调节器，每一个降压升压调节器与单独的相关联，用于响应输入电压而产生经调节的输出电压；
多个电流传感器，每一个电流传感器与多个降压升压调节器中的一个关联，用于监测关联的降压升压调节器的输入电流并且为关联的相产生电流感测信号；
多个降压升压模式控制电路，每一个降压升压模式控制电路与一个降压升压调节器关联，以响应同一误差电压和关联的电流感测信号在降压操作模式中利用波峰电流模式控制并在升压操作模式中利用波谷电流模式控制感测来控制关联的降压升压调节器，其中多个降压升压模式控制电路提供相间的电流平衡；以及
电压误差电路，用于响应于经调节的输出电压产生所述同一误差电压。
2.如权利要求1所述的多相非反相降压升压变换器，其特征在于，所述电压误差电路进一步包括误差放大器，用于响应经调节的输出电压和基准电压产生上述同一误差电压。
3.如权利要求1所述的多相非反相降压升压变换器，其特征在于，多个降压升压模式控制电路中的每一个进一步包括：
PWM控制逻辑，所述PWM控制逻辑响应最大占空比检测信号、误差电压以及电流感测信号来产生降压PWM控制信号和升压PWM控制信号；
降压模式控制和驱动电路，所述降压模式控制和驱动电路响应降压PWM控制信号和模式信号产生高侧降压开关晶体管控制信号和低侧降压开关晶体管控制信号；
升压模式控制和驱动电路，所述升压模式控制和驱动电路响应升压PWM控制信号和模式信号产生高侧升压开关晶体管控制信号和低侧升压开关晶体管控制信号；以及
模式控制逻辑，所述模式控制逻辑响应降压PWM控制信号和升压PWM控制信号来产生最大占空比检测信号和模式信号。
4.如权利要求3所述的多相非反相降压升压变换器，其特征在于，进一步包括：用于产生补偿电压的电流控制补偿电路，其中响应第一状态下的模式信号，补偿电压响应监测的输入电流、降压模式偏移信号以及降压模式斜坡补偿信号而产生，并响应第二状态下的模式信号，补偿电压响应于监测的输入电流、升压模式偏移信号以及升压模式斜坡补偿信号而产生。
5.如权利要求4所述的多相非反相降压升压变换器，其特征在于，所述电流控制补偿电路进一步包括：
第一加法器，用于将监测的输入电流、降压模式偏移信号以及降压模式斜坡补偿信号相加以产生降压补偿信号；
第二加法器，用于将监测的输入电流、升压模式偏移信号以及升压模式斜坡补偿信号相加以产生升压补偿信号；以及
多路复用器，所述多路复用器响应模式信号在降压补偿信号和升压补偿信号之间选择其一作为电压补偿信号。
6.如权利要求3所述的多相非反相降压升压变换器，其特征在于，所述模式控制逻辑进一步包括：
最大占空比检测电路，所述最大占空比检测电路响应于降压PWM控制信号和升压PWM控制信号检测最大占空比状态，并且产生最大占空比检测信号；以及
模式选择电路，所述模式选择电路响应最大占空比检测信号和时钟信号来产生指示升压操作模式和降压操作模式之一的操作的模式信号。
7.如权利要求3所述的多相非反相降压升压变换器，其特征在于，所述模式控制逻辑进一步包括：
第一控制逻辑，所述第一控制逻辑响应达到最大占空比值的降压PWM控制信号或升压PWM控制信号来设置第一值；以及
第二控制逻辑，所述第二控制逻辑响应时钟信号输出第一值作为模式信号。
8.如权利要求3所述的多相非反相降压升压变换器，其特征在于，所述降压升压调节电路进一步包括：
高侧降压开关晶体管；
低侧降压开关晶体管；
高侧升压开关晶体管；
低侧升压开关晶体管；
其中在降压操作模式中，响应高侧升压开关晶体管控制信号和低侧升压开关晶体管控制信号，高侧升压开关晶体管导通而低侧升压开关晶体管截止，并且响应高侧降压开关晶体管控制信号和低侧降压开关晶体管控制信号，高侧降压开关晶体管和低侧降压开关晶体管有选择地切换；以及
其中在升压操作模式中，响应高侧降压开关晶体管控制信号和低侧降压开关晶体管控制信号，高侧降压开关晶体管导通而低侧降压开关晶体管截止，并且响应高侧升压开关晶体管控制信号和低侧升压开关晶体管控制信号，高侧升压开关晶体管和低侧升压开关晶体管有选择地切换。
9.如权利要求3所述的多相非反相降压升压变换器，其特征在于，PWM控制逻辑进一步包括：
PWM比较器，用于将误差电压和补偿电压作比较，并响应于此产生PWM信号；
PWM控制逻辑，所述PWM控制逻辑响应所述PWM信号和最大占空比检测信号来产生第一PWM信号和第二PWM信号；
第一锁存器，所述第一锁存器响应第一PWM信号和时钟信号来产生降压PWM控制信号；
第二锁存器，所述第二锁存器响应第二PWM信号和时钟信号产生升压PWM控制信号。
10.如权利要求1所述的多相非反相降压升压变换器，其特征在于，提供给多个降压升压模式控制电路中的每一个的同一电压误差提供多个相之间的电流平衡。
11.一种用于控制多相非反相降压升压变换器的方法，包括以下步骤：
响应于多个降压升压调节器的输入电压产生经调节的输出电压，每一个降压升压调节器与单独的相关联；
监测每一个降压升压变换器的输入电流；
产生每一个降压升压变换器的电流感测信号；
响应误差电压和与降压升压变换器关联的电流感测信号，在降压操作模式中利用波峰电流模式控制并在升压操作模式中利用波谷电流模式控制感测来控制每一个降压升压变换器；
响应各降压升压变换器之间的同一误差电压和所述降压升压变换器的电流感测信号在多个降压升压变换器的每一个之间提供电流平衡。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包括响应经调节的输出电压和基准电压来产生误差电压的步骤。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，控制步骤进一步包括以下步骤：
响应最大占空比检测信号、误差电压以及补偿电压来产生降压PWM控制信号；以及
响应降压PWM控制信号和模式信号来产生高侧降压开关晶体管控制信号和低侧降压开关晶体管控制信号。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，在升压操作模式下的控制步骤中进一步包括以下步骤：
响应最大占空比检测信号、误差电压和补偿电压来产生升压PWM控制信号；
响应升压PWM控制信号和模式信号来产生高侧升压开关晶体管控制信号和低侧升压开关晶体管控制信号；以及
响应降压PWM控制信号和升压PWM控制信号来产生最大占空比检测信号和模式信号。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包括产生补偿电压的步骤，其中响应处于第一状态的模式信号，所述补偿信号包括监测的输入电流、降压模式偏移信号以及降压模式斜坡补偿信号，而响应处于第二状态的模式信号，所述补偿信号包括监测的输入电流、升压模式偏移信号以及升压模式斜坡补偿信号。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，产生补偿电压的步骤进一步包括以下步骤：
将监测的输入电流、降压模式偏移信号以及降压模式斜坡补偿信号相加以产生降压补偿信号；
将监测的输入电流、升压模式偏移信号以及升压模式斜坡补偿信号相加以产生升压补偿信号；
响应模式信号的第一状态或第二状态，在降压补偿信号和升压补偿信号之间选择其一作为电压补偿信号。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，产生最大占空比检测信号和模式信号的步骤进一步包括以下步骤：
响应降压PWM信号和升压PWM信号，检测最大占空比状态；
响应检测到的最大占空比状态，产生最大占空比检测信号；以及
响应最大占空比检测信号和时钟信号，产生指示升压操作模式和降压操作模式中的一个模式下的操作的模式信号。
18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，产生降压PWM控制信号和升压PWM控制信号的步骤进一步包括以下步骤：
将误差电压和补偿电压作比较并响应于此产生PWM信号；
响应PWM信号和最大占空比检测信号，产生第一PWM信号和第二PWM信号；
响应于第一PWM信号和时钟信号，产生降压PWM控制信号；
第二锁存器，其响应于第二PWM信号和时钟信号产生升压PWM控制信号。
19.如权利要求11所述的方法，其特征在于，控制的步骤进一步包括以下步骤：
将误差电压和补偿电压作比较并响应于此产生PWM信号；
响应PWM信号和最大占空比检测信号，产生第一PWM信号和第二PWM信号；
响应第一PWM信号和时钟信号，产生降压PWM控制信号；以及
响应第二PWM信号和时钟信号，产生升压PWM控制信号。
20.如权利要求11所述的方法，其特征在于，提供电流平衡的步骤进一步包括步骤：将与降压升压变换器的每个相关联的同一电压误差和降压升压变换器的每个相的电流感测信号作比较。
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