CN102754321B - 持续可变切换的电容器dc-dc电压转换器 - Google Patents

Abstract

在两个或多个模式之间切换电压转换器以产生与参考电压匹配的输出电压，该参考电压可以是在与模式对应的离散电平之间的中间电平。输出电压与参考电压比较以确定是否要调整模式。

Description

持续可变切换的电容器DC-DC电压转换器

背景技术

将一个DC电压转换到另一个的一种类型的设备公知为DC到DC转换器（或者DC-DC转换器）。DC-DC转换器通常被包括在诸如移动电话、膝上型计算机等的电池操作的设备中，其中设备的各个子系统需要几个离散的电压电平。在一些类型的设备中，比如在以多个不同模式操作的移动电话中，尤其希望为某些元件、比如功率放大器提供处于对操作模式最有效的电平的电源电压，而不是浪费功率并因而过早地耗尽电池。在这样的设备中，希望采用可以产生更大数量的离散电压电平的DC-DC转换器。

已知几种类型的DC-DC转换器，包括切换模式的DC-DC转换器和采用脉冲宽度调制（PWM）的DC-DC转换器。切换模式的DC-DC转换器通过将输入的能量立即存储在电感器或者电容器中并然后将该能量释放到在不同电压处的输出来将一个DC电压电平转换为另一个。因此切换电路持续地在两个状态或者阶段之间切换：其中电感器或者电容器的网络正充电的第一状态以及其中网络正在放电的第二状态。切换电路可以配置为产生作为电池电压的固定比例、比如三分之一、一般、三分之二等的输出电压，其中模式选择信号被提供为切换电路的输入以控制要采用哪个比例。可以通过使用模式选择信号操纵网络中的开关来选择电感器或者电容器的不同配置。

切换模式的DC-DC转换器可以产生的离散输出电压的数量与电感器或者电容器的数量有关。在诸如移动电话的可携式、手持设备中，希望最小化尺寸和重量。具有大量电感器或者电容器的DC-DC转换器不利于最小化移动电话的尺寸和重量。基于PWM的DC-DC转换器可以产生比切换模式的DC-DC转换器更大数量的离散电压而不用采用更多的电感器、电容器或者其他元件。但是，基于PWM的DC-DC转换器可以产生可能不利地影响移动电话或者其他频率敏感设备的操作的大波谱的伪输出信号。具有大的电容或者电感的滤波器可以被包括在基于PWM的DC-DC转换器中以最小化这些伪信号，但是由于与以上相同的原因，不希望大的滤波器电容器或者电感器。

发明内容

本发明的实施例涉及通过在两个或多个可选模式之间切换来切换电压转换器，该电压转换器可以产生不仅是多个离散电压电平中的任意一个而且也是在离散电压之间的中间值的输出信号，每个模式对应于离散电压电平之一。在示例实施例中，电压转换器可以包括具有多个模式配置的开关矩阵、比较器逻辑以及控制逻辑。每个模式配置对应于多个输出信号电压之一。响应于模式控制信号可选择模式配置。比较器逻辑实现为比较输出信号与参考信号并产生方向比较信号。控制逻辑实现为响应于该方向比较信号而产生模式控制信号。在示例实施例中，电压转换方法可以包括使用具有多个模式配置的开关矩阵，响应于模式控制信号而选择模式配置。每个模式配置对应于多个输出信号电压之一。比较输出信号与参考信号以产生方向比较信号。该方向比较信号用于产生模式控制信号。

在示例实施例中，电压转换器是切换的电容器电压转换器，具有两个或多个电容器、开关矩阵、比较器逻辑和控制逻辑。参考信号被输入到该比较器逻辑，该比较器逻辑还接收输出信号作为反馈。每个模式配置由具有在电压电势和输出节点之间彼此互连的多个电容器的电容器电路定义。即，在每个模式中，在不同的配置中，开关矩阵互连电容器。每个模式配置具有其中电容器电路充电的第一阶段配置和其中电容器电路放电的第二阶段配置。响应于时钟信号，开关矩阵在所选模式配置的这两个阶段配置之间切换。作为此切换的结果，电压转换器产生具有与所选模式配置对应的电压的输出信号。通过在这两个模式之间交替切换，在其中参考信号电压位于与那些模式对应的离散电压电平中的两个之间的情况下，电压转换器可以产生具有与参考信号电压对应的电平的输出电压。

在一个示例实施例中，比较器逻辑比较输出信号与参考信号，并产生指示该输出信号和参考信号中的哪个更大的方向比较信号。该比较信号因此指示控制逻辑要致使输出信号电压增加还是降低以匹配参考信号。

在一个示例实施例中，响应于该方向比较信号指示该参考信号大于该输出信号，该控制逻辑产生模式控制信号以选择与大于该参考信号的输出信号电压对应的模式配置，并且响应于该方向比较信号指示该输出信号大于该参考信号，该控制逻辑产生该模式控制信号以选择与小于该参考信号的输出信号电压对应的模式配置。即，控制逻辑使用来自比较器逻辑的包括该方向比较信号的一个或多个信号来选择模式。如果该方向比较信号指示参考信号大于输出信号，则该控制逻辑可以将模式切换到与大于该参考信号的该输出信号对应的模式。以此方式改变模式致使输出信号电压增加。但是，如果方向比较信号指示输出信号大于参考信号，则控制逻辑可以将模式切换到与小于该参考信号的该输出信号对应的模式。以此方式改变模式致使输出信号电压降低。

在一个示例实施例中，该开关矩阵具有三个模式配置。该三个模式配置可以包括对应于基准参考电压的三分之一的输出信号电压的第一模式配置、对应于基准参考电压的一半的输出信号电压第二模式配置以及对应于基准参考电压的三分之二的输出信号电压的第三模式配置。

在一个示例实施例中，该比较器逻辑包括多个比较器以及产生多个参考电压电平并将所选的参考电压电平提供给每个比较器的第一输入的电压电平生成器电路，每个电压电平对应于该多个输出信号电压之一。每个比较器的第二输入耦合到该输出信号，每个比较器提供相应的比较信号。

在一个示例实施例中，该比较器逻辑包括三个比较器。第一比较器比较输出信号与具有基准参考电压的第一比例的电压的第一参考电压信号，并产生第一比较信号。该第一比较信号指示该输出信号电压是否超过该基准参考电压的第一比例。第二比较器比较输出信号与具有比基准参考电压的第一比例大的、基准参考电压的第二比例的电压的第二参考电压信号，并产生第二比较信号。该第二比较信号指示该输出信号电压是否超过该基准参考电压的第二比例。第三比较器比较输出信号与具有比基准参考电压的第二比例大的、基准参考电压的第三比例的电压的第三参考电压，并产生第三比较信号。第三比较信号指示该输出信号电压是否超过该基准参考电压的第三比例。

在一个示例实施例中，该三个模式配置包括与基准参考电压的第一比例的输出信号电压对应的第一模式配置、与参考电压的第二比例的输出信号电压对应的第二模式配置以及与参考电压的第三比例的输出信号电压对应的第三模式配置。

在一个示例实施例中，该控制逻辑包括响应于该第一、第二和第三比较信号的组合的组合逻辑。

在一个示例实施例中，如果第一比较信号指示输出信号电压未超过基准参考电压的第一比例并且方向比较信号指示参考信号大于输出信号，则组合逻辑产生模式控制信号以选择与基准参考电压的第一比例的输出信号电压对应的模式配置。

在一个示例实施例中，如果第一比较信号指示输出信号电压超过基准参考电压的第一比例，第二比较信号指示输出电压未超过基准参考电压的第二比例，并且方向比较信号指示参考信号小于输出信号，则组合逻辑产生模式控制信号以选择与基准参考电压的第一比例的输出信号电压对应的模式配置。

在一个示例实施例中，如果第一比较信号指示输出信号电压超过基准参考电压的第一比例，第二比较信号指示输出电压未超过基准参考电压的第二比例，并且方向比较信号指示参考信号大于输出信号，则组合逻辑产生模式控制信号以选择与基准参考电压的第二比例的输出信号电压对应的模式配置。

在一个示例实施例中，如果第二比较信号指示输出电压超过基准参考电压的第二比例，第三比较信号指示输出电压未超过基准参考电压的第三比例，并且方向比较信号指示参考信号小于输出信号，则组合逻辑产生模式控制信号以选择与基准参考电压的第二比例的输出信号电压对应的模式配置。

在一个示例实施例中，如果第二比较信号指示输出电压超过基准参考电压的第二比例，第三比较信号指示输出电压未超过基准参考电压的第三比例，并且方向比较信号指示参考信号大于输出信号，则组合逻辑产生模式控制信号以选择与基准参考电压的第三比例的输出信号电压对应的模式配置。

在一个示例实施例中，如果第三比较信号指示输出电压超过基准参考电压的第三比例并且方向比较信号指示参考信号小于输出信号，则组合逻辑产生模式控制信号以选择与基准参考电压的第三比例的输出信号电压对应的模式配置。

在查阅以下附图和详细描述后，本发明的其他系统、方法、特征和优点将是或者将变得对本领域技术人员而言显而易见。

附图说明

参考以下附图可以更好地理解本发明。附图中的组件不是一定按比例，而是重点放在清晰地例示本发明的原理。此外，在附图中，不同视图通篇中相同的参考标记指代相应的部分。

图1是根据本发明的示例实施例的电压转换器的框图。

图2A是例示在第一模式配置的第一阶段配置中的图1所示的开关矩阵的电路图。

图2B是例示在第一模式配置的第二阶段配置中的开关矩阵的类似于图2A的电路图。

图3A是例示在第二模式配置的第一阶段配置中的图1所示的开关矩阵的电路图。

图3B是例示在第二模式配置的第二阶段配置中的开关矩阵的类似于图2A的电路图。

图4A是例示图1所示的开关矩阵的、例示在第二模式配置的变型的第一阶段配置中的开关矩阵的电路图。

图4B是例示在第二模式配置的变型的第二阶段配置中的开关矩阵的类似于图3B的电路图。

图5A是例示在第三模式配置的第一阶段配置中的图1所示的开关矩阵的电路图。

图5B是例示在第三模式配置的第二阶段配置中的开关矩阵的类似于图2A的电路图。

图6是图1所示的比较器电路的电路图。

图7是例示图1所示的模式选择逻辑的组合逻辑的表。

图8是例示图1所示的开关控制逻辑的电路图。

图9是例示图1的电压转换器的操作的示例实例的定时图。

图10是例示图1的第一转换器的操作的示例方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，在本发明的例示性的或者示例的实施例中，电压转换器10包括两个电容器12和14、开关矩阵16、比较器电路18以及控制逻辑20。参考电压信号（V-REF）被提供给电压转换器10作为控制输入。按以下所述的方式，电压转换器10产生对英语或者跟踪参考电压信号的输出电压信号（V_OUT）。电压转换器10还包括时钟信号生成器电路22以及可以通过使能信号激活的相关联的振荡器24。使能信号在以下所述的操作期间保持有效（active）。

开关矩阵16可以假定以下所述的几个模式配置之一，其中电容器12和14在不同的配置中互连。在每个模式配置中，开关矩阵16可以假定其中由互连的电容器12和14定义的电容器电路正在充电的第一阶段配置或者其组合由互连的电容器12和14定义的电容器电路正在放电的第二阶段配置。开关矩阵16在输出节点26处提供电容器电路的输出。在操作中，开关矩阵16响应于时钟信号在第一和第二阶段配置中交替地切换。诸如电容器28的滤波器电路可以连接到输出节点26以过滤输出电压信号。

如以下进一步详述的，比较器电路18比较输出电压信号与参考电压信号，并且作为响应，产生多个比较信号30。控制逻辑20包括模式选择逻辑32和开关控制逻辑34。模式选择逻辑32接收比较信号30，并且作为响应，产生模式选择信号36。开关控制逻辑34接收模式选择信号36，并且作为响应，产生开关控制信号38。

如图2A、2B、3A、3B、4A、4B、5A和5B中所示，在电压电势（即电池电压或者地）和输出节点26之间，开关矩阵16可以在几个不同的配置中互连电容器12和14。开关矩阵16包括九个开关40、42、44、46、48、50、52、54和56，它们由上述的开关控制信号38（S1-S9）控制。尽管以可控制的单极单掷（SPST）形式在图2-5中示意性示出开关40-56，但是它们可以包括任意适当的切换设备，比如场效应晶体管（FET）。例如，开关40和50的每个可以包括P型FET（PFET），开关46和56的每个可以包括N型FET（NFET），并且开关42、44、48、52和54的每个可以包括PFET和NFET的并联组合。每个FET的控制端子（例如栅极）可以接收开关控制信号（S1-S9）之一。

尽管在示例实施例中开关矩阵16包括九个开关，它们可以如所示布置在其他实施例中，但是开关矩阵可以包括以任意其他适当的方式布置的任意其他数量的开关。类似地，尽管示例实施例包括两个电容器12和14，其中开关矩阵16可以如下所述互连，但是其他实施例可以包括多于两个电容器，并且开关矩阵可以按任何其他适当的方式互连它们。

如图2A-B中所示，在第一配置中，开关矩阵16可以在图2A中所示的第一阶段配置或者图2B中所示的第二阶段配置中互连电容器12和14。此第一配置在此可以称为“1/3模式”，因为在此模式中的操作意图得到具有标定或者平均是电池电压（V_BATT）的大约三分之一的电压电平的在输出节点26处的输出电压信号（V_OUT）。

如图2A所示，在1/3模式的第一阶段配置中，开关40、48、44、50和54是打开的，并且开关42、46、52和56是闭合的。开关42和46的闭合状态的组合将电容器12耦合在地电压电势（0伏）和输出节点26之间。开关52和56的闭合状态的组合将电容器14耦合在地电势和输出节点26之间（即与电容器12并联）。因此，在1/3模式的第一阶段配置中，由彼此并联的电容器12和14定义的电容器电路相对于输出节点26放电。

如图2B中所示，在1/3模式的第二阶段配置中，开关42、44、46、50、52和56打开，并且开关40、48和54闭合。开关40、48和54的闭合状态的组合将电容器12和14串联地耦合在诸如由电池提供的基准参考电压（V_BATT）的正电压电势和输出节点26之间。因此，在1/3模式的第二阶段配置中，由彼此串联的电容器12和14定义的电容器电路关于输出节点26充电。

如图3A-B中所示，在第二配置中，开关矩阵16可以在图3A所示的第一阶段配置中或者图3B所示的第二阶段配置中互连电容器12和14。此第二配置在此可以称为“1/2A模式”，因为在此模式中的操作意图得到具有标定或者平均大约是电池电压（V_BATT）的一半的电压电平的在输出节点26处的输出电压信号（V_OUT）。而且，如下所述，存在1/2A模式的变型，称为1/2B模式。

如图3A中所示，在1/2A模式的第一阶段配置中，开关40、44、48、50和54打开，并且开关42、46、52和56闭合。开关42和46的闭合状态的组合将电容器12耦合在地和输出节点26之间。开关52和56的闭合状态的组合类似地将电容器14耦合在地和输出节点26之间（即与电容器12并联）。因此，在1/2A模式的第一阶段配置中，由并联的电容器12和14定义的电容器电路相对于输出节点26放电。

如图3B所示，在1/2A模式的第二阶段配置中，开关42、46、48、52和56打开，并且开关40、44、50和54闭合。开关40和44的闭合状态的组合将电容器12耦合在电池电压和输出节点26之间。开关50和54的闭合状态的组合类似地将电容器14耦合在电池电压和输出节点26之间（即与电容器12并联）。因此，在1/2A模式的第二阶段配置中，由彼此并联的电容器12和14定义的电容器电路相对于输出节点26充电。

第二阶段配置的1/2B模式变型示出在图4A-B中。第二模式配置包括1/2A模式和1/2B模式或者子模式以最小化在从一个模式切换到另一模式期间改变状态的开关的数量，如下所述。尽管这些子模式被包括在示例实施例中，但是在其他实施例中，无需包括这样的子模式。

如图4A所示，在1/2B模式的第一阶段配置中，开关42、46、48、52和56打开，并且开关40、44、50和54闭合。开关40和44的闭合状态的组合将电容器12耦合在电池电压和输出节点26之间。开关50和54的闭合状态的组合类似地将电容器14耦合在电池电压和输出节点26之间（即与电容器12并联）。因此，在1/2B模式的第二阶段配置中，由并联的电容器12和14定义的电容器电路相对于输出节点26充电。

如图4B所示，在1/2B模式的第二阶段配置中，开关40、44、48、50和54打开，并且开关42、46、52和56闭合。开关42和46的闭合状态的组合将电容器12耦合在地和输出节点26之间，开关52和56的闭合状态的组合类似地将电容器14耦合在地和输出节点26之间（即与电容器12并联）。因此，在1/2B模式的第二阶段配置中，由彼此并联的电容器12和14定义的电容器电路相对于输出节点26放电。

如图5A-B中所例示，在第三配置中，开关矩阵16可以在图3A所示的第一阶段配置中或者图3B所示的第二阶段配置中互连电容器12和14。此第三配置在此可以称为“2/3A模式”，因为在此模式中的操作意图得到具有标定大约是电池电压的三分之二的电压电平的在输出节点26处的输出电压信号。

如图5A中所示，在2/3模式的第一阶段配置中，开关42、46、488、52和56打开，并且开关40、44、50和54闭合。开关40和44的闭合状态的组合将电容器12耦合在电池电压和输出节点26之间。开关50和54的闭合状态的组合类似地将电容器14耦合在电池电压和输出节点26之间（即与电容器12并联）。因此在2/3模式的第一阶段配置中，由彼此并联的电容器12和4定义的电容器电路相对于输出节点26充电。

如图5B所示，在2/3模式的第二阶段配置中，开关40、44、46、50、52和54打开，并且开关42、48和56闭合。开关42、48和56的闭合状态的组合将电容器12和14串联耦合在地和输出节点26之间。因此，在2/3模式的第二阶段配置中，由彼此串联的电容器12和14定义的电容器电路相对于输出节点26放电。

如图6所示，比较器电路18包括四个比较器58、60、62和64以及包含四个电阻器66、68、70和72的电压电平生成器。电阻器66-72彼此串联连接在电池电压和地之间。选择电阻器66-72的值以便在比较器60的第一输入（例如反相输入）处的节点74处的电压是2/3（V_BATT），在比较器62的第一输入处的节点76处的电压是1/2（V_BATT），并且在比较器64的第一输入处的节点78处的电压是1/3（V_BATT）。比较器60、62和64的每个的第二输入（非反相输入）连接到输出电压信号（V_OUT）。因此，比较器60的输出（V_23）为高指示输出电压超过（即在幅度上大于）2/3（V_BATT）；比较器62的输出（V_12）为高指示该输出电压超过1/2（V_BATT）；并且比较器64的输出（V_13）为高指示该输出电压超过1/3（V_BATT）。比较器58的一个输入（例如反相输入）类似地连接到输出电压信号。但是，比较器58的另一输入（例如非反相输入）连接到参考电压信号（V_REF）。因此，比较器58的输出（V_UD）为高指示参考电压超过输出电压。相反，比较器58的输出为低指示输出电压超过参考电压。比较器58的输出（V_UD）用作方向比较信号，向控制逻辑20（图1）指示控制逻辑20应该致使输出电压信号在“向上”或“向下”的哪个方向上改变。

在示例实施例中，控制逻辑20（图1）的模式选择逻辑32可以包括确定控制逻辑20要致使开关矩阵16切换到的模式以便致使输出电压信号在由该方向比较信号指示的方向上改变的组合逻辑。模式选择逻辑32接收包括比较器58-64的输出的比较信号30。比较信号30可以被提供为对于组合逻辑的输入。可以按任意适当的形式、比如逻辑门的网络（未示出）来提供组合逻辑。为了清楚的目的，在此以图7所示的表80的形式表示组合逻辑。不过，本领域技术人员能够容易地将表80的逻辑提供为逻辑门的网络或者任何其他适当的形式。模式选择逻辑32响应于比较信号30和组合逻辑而输出模式选择信号36（图1）。

表80指示控制逻辑20响应于比较器58-64的输出（分别是V_UD、V_23、V_12和V_13）的组合而要致使开关矩阵16切换到的“下一模式”。表80中指示的模式是以上所述的模式：1/3模式、1/2A模式、1/2B模式以及2/3模式。表80还指示是否“保持”当前模式，即维持当前模式作为下一模式。具体地，所有比较器58-64的输出为低指示当前模式要保持在1模式（的第二阶段配置）。在所有其他情况下，表80指示模式将切换。如下所述，模式可以在每隔一个时钟周期时从当前模式切换到下一模式。应该注意，在此对“切换”或“改变”模式或者对提供模式控制信号的指代意图包含在如下的其范围内：不仅仅意味改变到不同的模式，而且还在其间可能发生模式切换的时间时维持相同的模式，即在其中当前模式和下一模式两者相同的情况下，从当前模式切换或者改变到“下一”模式。而且注意，在示例实施例中，表80省略了其中所有比较器58-64的输出都是高的情况，因为此组合将指示控制逻辑20要致使输出电压信号接近电池电压，这可能是不希望的。不过，在其他实施例中，可以提供这样的输出和相关联的另外的模式。

尽管为了清楚的目的而未示出，但是模式选择逻辑32（图1）可以不仅包括在表80中反映的逻辑而且包括对输入中的一些或所有、即下一模式编码的编码逻辑，并以编码的形式提供模式选择信号36。该编码逻辑可以按例如3-位的字的形式（MODE[2:0]）对输出编码。例如，下一模式输出“1/3”可以被编码为“001”；下一模式输出“1/2A”可以被编码为“010”；下一模式输出“1/2B”可以被编码为“011”；并且下一模式输出“2/3”可以被编码为“100”。由于提供这样的编码逻辑当然在本领域技术人员的能力之内，所以未在此进一步详细示出或描述。

如图8所示，开关控制逻辑34可以接收模式选择信号36以及“保持”信号，该模式选择信号36可以是上述的3-位字（MODE[2:0]）的编码形式。注意，MODE[2:0]字和“保持”信号一起指示控制逻辑20要切换到的下一模式。“保持”信号可以被锁存到控制逻辑34中的触发器82中。MODE[2]位可以被锁存到控制逻辑34中的触发器84中。MODE[1]位可以被锁存到控制逻辑34中的触发器86中。MODE[0]位可以被锁存到控制逻辑34中的触发器88。触发器82-88可以被触发，即可以致使其每隔一个时钟信号（CLOCK）的周期时锁存它们的输入。另一触发器90可以将时钟信号划分为二并将划分的时钟信号提供给触发器82-88的时钟输入。

开关控制逻辑34还包括耦合到触发器82-88的输出的解码器逻辑92。解码器逻辑92将锁存的MODE[2:0]字和“保持”信号解码为控制上述开关矩阵16的开关40-56的各个开关控制信号38（S1-S9）。注意，尽管模式选择信号36指示“下一”模式，但是锁存的MODE[2:0]字和“保持”信号指示“当前”模式。解码器逻辑92响应于当前模式和时钟信号而产生开关控制信号38（S1-S9）。

解码器逻辑92的操作反应在图2-5的电路图中。注意，对于每个模式配置，图2-5中的开关40-56在每个时钟周期的一半期间假定第一阶段配置，并且在每个时钟周期的另一半期间假定第二阶段配置。响应于指示1/3模式的锁存的MODE[2:0]字或者“001”，解码器逻辑92产生开关控制信号38（S1-S9）以在每个时钟周期的第一半期间将开关40-56设置到图2A所示的状态并且在每个时钟周期的第二半期间将它们设置到图2B所示的状态。响应于指示1/2A模式的锁存的MODE[2:0]字或者“010”，解码器逻辑92产生开关控制信号38（S1-S9）以在每个时钟周期的第一半期间将开关40-56设置到图3A所示的状态并在每个时钟周期的第二半期间将它们设置到图3B所示的状态。响应于指示1/2B模式的锁存的MODE[2:0]字或者“011”，解码器逻辑92产生开关控制信号38（S1-S9）以在每个时钟周期的第一半期间将开关40-56设置到图4A所示的状态并在每个时钟周期的第二半期间将它们设置到图4B所示的状态。响应于指示2/3模式的锁存的MODE[2:0]字或者“100”，解码器逻辑92产生开关控制信号38（S1-S9）以在每个时钟周期的第一半期间将开关40-56设置到图5A所示的状态并在每个时钟周期的第二半期间将它们设置到图5B所示的状态。响应于指示“保持”模式的锁存的“保持”信号，解码器逻辑92产生开关控制信号38（S1-S9）以在下一时钟周期的每半期间将开关40-56维持在其先前的模式配置。

示例实施例中的电压转换器的操作的例子示出在图9中。尽管为了清楚的目的而未示出，但是输出电压（V_OUT）开始处于0伏或者地（GND）的初始电平。在所示的例子中，输入了参考电压（V_REF）。首先，即在时间点94之前，V_REF具有在电池电压的一半（1/2（V_BATT））的电平和电池电压的三分之二（2/3（V_BATT））之间的电压。首先，比较信号30（V_UD、V_13、V_12和V23）的状态的组合对应于1/3模式，因为V_OUT小于电池电压的三分之一（1/3（V_BATT））。因此，模式选择信号36（图1）指示下一模式是1/3模式。在1/3模式中，电容器电路的操作致使V_OUT开始朝向1/3（V_BATT）的电平上升。应该注意，图9中所示的时钟信号（CLOCK）的频率意图仅是示例性的并且在其他实施例中可以更高。由于为了清楚的目的示出图9中所示的时钟信号为具有相对低的频率，与电容器电路的充电和放电对应的V_OUT中的小的变化在其每半个时钟周期被开关矩阵16切换时在图9中不明显。

在时间点94，V_OUT达到1/3（V_BATT）的电平。作为响应，比较信号（V_UD、V_13、V_12和V23）的状态的组合改变为对应于1/2A模式，因为V_OUT超过1/3（V_BATT）但是小于1/2（V_BATT）。注意，当前模式或者解码器逻辑92（图8）的输出每隔一个时钟周期改变，并且锁存下一模式的值。在1/2A模式中，电容器电路的操作致使V_OUT继续朝向1/2V_BATT的电平升高。

在此例子中在时间点96，V_OUT达到1/2（V_BATT）的电平。作为响应，比较信号30（V_UD、V_13、V_12和V23）的状态的组合改变为对应于2/3模式，因为V_OUT超过1/2（V_BATT）但是小于2/3（V_BATT）。在2/3模式中，电容器电路的操作致使V_OUT继续朝向2/3V_BATT的电平升高。但是，在时间点98，V_OUT达到V_REF。作为响应，比较信号30（V_UD、V_13、V_12和V23）的状态的组合改变为对应于1/2B模式。在1/2B模式中，电容器电路的操作致使V_OUT朝向1/2（V_BATT）的电平下降。但是在时间点100，V_OUT再次穿过V_REF。作为响应，比较信号30（V_UD、V_13、V_12和V23）的状态的组合改变为对应于2/3模式，并且在时间点103，V_OUT再次开始朝向2/3（V_BATT）的电平升高。因此，一旦V_OUT达到V_REF，V_OUT就交替地在其朝向2/3模式配置升高时穿过V_REF以及在其朝向1/2B模式配置下降时穿过V_REF。在时间点98和102之间，平均来说，V_OUT维持在近似等于V_REF的电压。可以通过在电压转换器10的输出处包括滤波器电路、比如电容器28（图1）来最小化V_OUT从V_REF的变化或者偏差。

在图9所示的例子中，在时间点104，V_REF改变到在1/3（V_BATT）和1/2（V_BATT）之间的新电平。作为响应，比较信号30（V_UD、V_13、V_12和V23）的状态的组合改变为对应于1/3模式。在1/3模式中，电容器电路的操作致使V_OUT开始朝向1/3（V_BATT）的电平下降。但是，在时间点106，V_OUT达到V_REF。作为响应，比较信号30（V_UD、V_13、V_12和V23）的状态的组合改变为对应于1/2A模式。在1/2A模式中，电容器电路的操作致使V_OUT朝向1/2（V_BATT）的电平升高。但是，在时间点108，V_OUT再次达到V_REF。作为响应，比较信号30（V_UD、V_13、V_12和V23）的状态的组合改变为对应于1/3模式，并且V_OUT再次开始朝向1/3（V_BATT）的电平下降。因此，一旦V_OUT达到V_REF电平，V_OUT就交替地在其朝向1/2模式配置升高时穿过V_REF以及在其朝向1/3模式配置下降时穿过V_REF。近似在时间点106之后，平均来说，V_OUT维持在近似等于新的V_REF的电压处。

如图10所示，以上关于图9所示的例子描述的方法可以概括或总结如下。如块110和112所指示，在上述模式配置（即1/3模式、1/2A模式、1/2B模式和2/3模式）的任意一个中，开关矩阵16（图1）持续地在该模式的第一阶段配置和第二阶段配置之间切换电容器电路。此阶段切换响应于时钟信号而发生，第一阶段配置发生在每个时钟周期的一半期间，第二阶段配置发生在每个时钟周期的另一半期间。此阶段切换与模式切换并行地发生。如块114和116所指示，比较器电路18（图1）比较输出电压信号（V_OUT）与参考信号（V_REF）并产生比较信号30。比较信号包括指示输出电压信号和参考电压信号中的哪个在幅度上比另一个更大的检测比较信号。如果V_OUT小于V_REF，则控制逻辑20将模式切换到与较高的输出电压对应的模式，如块118所指示。如果V_OUT大于V_REF，则控制逻辑20将模式切换到与较低输出电压对应的模式，如块120所指示。在示例实施例中，主要存在具有相对于电池电压固定的电平的三个模式：1/3模式，其中朝向作为电池电压的三分之一的电压电平驱动V_OUT；1/2模式，其中朝向作为电池电压的一半的电压电平驱动V_OUT；以及2/3模式，其中朝向作为电池电压的三分之二的电压电平驱动V_OUT。通过在这些模式中的两个之间切换，控制逻辑20可以致使V_OUT在其中V_REF位于与这两个模式对应的电压之间的情况下采取近似等于V_REF的平均值。尽管在示例实施例中存在三个模式，但是在其他实施例中可以存在更多或更少的模式。类似地，尽管在示例实施例中不存在其中朝向电池电压驱动V_OUT的模式，但是在其他实施例中可以包括这样的模式。

尽管已经描述的本发明的各个实施例，但是对本领域技术人员将显然的是，在本发明的范围内的许多更多的实施例和实现方式是可能的。因而，除了以下权利要求之外，本发明不受限制。

Claims (23)

1.一种电压转换器，包括：

开关矩阵，具有多个模式配置，每个模式配置对应于输出信号的多个输出信号电压之一，响应于模式控制信号可选择模式配置；

电容器电路，包括电容器，所述开关矩阵配置为在所述多个模式配置的不同模式配置中在电压电势和输入节点之间不同地互联所述电容器；

比较器电路，实现为比较输出信号与参考信号并产生方向比较信号，所述比较器电路还包括多个比较器，每个比较器具有配置为接收与所述多个比较器中的其他比较器不同的电压的第一输入，所述多个比较器中的第一比较器比较输出信号与具有基准参考电压的第一比例的电压的第一参考电压信号，并产生第一比较信号，所述多个比较器中的第二比较器比较输出信号与具有比基准参考电压的第一比例大的、基准参考电压的第二比例的电压的第二参考电压信号，并产生第二比较信号；以及

控制逻辑，实现为响应于该方向比较信号和所述多个比较器中的一个或多个而产生模式控制信号，如果第一比较信号指示输出信号电压超过基准参考电压的第一比例，第二比较信号指示输出电压未超过基准参考电压的第二比例，并且方向比较信号指示参考信号小于输出信号，则控制逻辑产生模式控制信号以选择与基准参考电压的第一比例的输出信号电压对应的模式配置。

2.如权利要求1的电压转换器，其中每个模式配置具有其中电容器电路被充电的第一阶段配置和其中电容器电路放电的第二阶段配置。

3.如权利要求2的电压转换器，其中该开关矩阵响应于时钟信号在所选模式配置的该第一阶段配置和该第二阶段配置之间切换以产生具有对应于所选模式配置的输出信号电压的在该输出节点处的输出信号。

4.如权利要求1的电压转换器，其中该比较器电路还包括产生多个参考电压电平并将所选的参考电压电平提供给每个比较器的对应的第一输入的电压电平生成器电路，每个比较器的第二输入配置为接收该输出信号，每个比较器提供相应的比较信号。

5.如权利要求4的电压转换器，其中：该多个比较器包括三个比较器。

6.如权利要求5的电压转换器，其中所述多个比较器中的第三比较器比较输出信号与具有比基准参考电压的第二比例大的、基准参考电压的第三比例的电压的第三参考电压，并产生第三比较信号；并且第三比较信号指示该输出信号电压是否超过该基准参考电压的第三比例。

7.如权利要求5的电压转换器，其中该开关矩阵具有三个模式配置，该三个模式配置包括与基准参考电压的第一比例的输出信号电压对应的第一模式配置、与参考电压的第二比例的输出信号电压对应的第二模式配置以及与参考电压的第三比例的输出信号电压对应的第三模式配置。

8.如权利要求7的电压转换器，其中该第一比例是三分之一，该第二比例是一半，并且第三比例是三分之二。

9.如权利要求7的电压转换器，其中：

如果第一比较信号指示输出信号电压未超过基准参考电压的第一比例并且方向比较信号指示参考信号大于输出信号，则控制逻辑产生模式控制信号以选择与基准参考电压的第一比例的输出信号电压对应的模式配置。

10.如权利要求9的电压转换器，其中如果第一比较信号指示输出信号电压超过基准参考电压的第一比例，第二比较信号指示输出电压未超过基准参考电压的第二比例，并且方向比较信号指示参考信号大于输出信号，则控制逻辑产生模式控制信号以选择与基准参考电压的第二比例的输出信号电压对应的模式配置。

11.如权利要求10的电压转换器，其中如果第二比较信号指示输出电压超过基准参考电压的第二比例，第三比较信号指示输出电压未超过基准参考电压的第三比例，并且方向比较信号指示参考信号小于输出信号，则控制逻辑产生模式控制信号以选择与基准参考电压的第二比例的输出信号电压对应的模式配置。

12.如权利要求11的电压转换器，其中如果第二比较信号指示输出电压超过基准参考电压的第二比例，第三比较信号指示输出电压未超过基准参考电压的第三比例，并且方向比较信号指示参考信号大于输出信号，则控制逻辑产生模式控制信号以选择与基准参考电压的第三比例的输出信号电压对应的模式配置。

13.如权利要求12的电压转换器，其中如果第三比较信号指示输出电压超过基准参考电压的第三比例并且方向比较信号指示参考信号小于输出信号，则控制逻辑产生模式控制信号以选择与基准参考电压的第三比例的输出信号电压对应的模式配置。

14.一种电压转换器中的电压转换的方法，包括：

使用具有多个模式配置的开关矩阵，响应于模式控制信号而选择模式配置，每个模式配置对应于多个输出信号电压之一，所述选择包括将在电压电势和输入节点之间互联的电容器电路的多个电容器配置为与所选择的模式对应的配置；

比较输出信号与参考信号，并产生方向比较信号；

将多个不同参考电压电平的每一个与输出信号进行比较，包括比较输出信号与具有基准参考电压的三分之一的电压的第一参考信号，并产生指示输出信号电压是否超过基准参考电压的三分之一的第一比较信号，以及比较输出信号与具有基准参考电压的一半的电压的第二参考电压信号，并产生指示输出信号电压是否超过基准参考电压的一半的第二比较信号；以及

响应于该方向比较信号，产生该模式控制信号，如果第一比较信号指示输出信号电压超过基准参考电压的三分之一，第二比较信号指示输出电压未超过基准参考电压的一半，并且方向比较信号指示参考信号小于输出信号，则产生模式控制信号以选择与基准参考电压的三分之一的输出信号电压对应的模式配置。

15.如权利要求14的方法，其中每个模式配置具有其中电容器电路被充电的第一阶段配置和其中电容器电路放电的第二阶段配置，并且选择模式配置包括响应于时钟信号在所选模式配置的该第一阶段配置和该第二阶段配置之间切换，以产生具有与所选模式配置对应的输出信号电压的在输出节点处的输出信号。

16.如权利要求14的方法，其中开关矩阵具有三个模式配置。

17.如权利要求16的方法，其中：

三个模式配置包括对应于基准参考电压的三分之一的输出信号电压的第一模式配置、对应于基准参考电压的一半的输出信号电压第二模式配置以及对应于基准参考电压的三分之二的输出信号电压的第三模式配置。

18.如权利要求17的方法，其中将多个不同参考电压电平的每一个与输出信号进行比较包括比较输出信号与具有基准参考电压的三分之二电压的第一参考信号，并产生指示输出信号电压是否超过基准参考电压的三分之二的第三比较信号。

19.如权利要求18的方法，其中：

如果第一比较信号指示输出信号电压未超过基准参考电压的三分之一并且方向比较信号指示参考信号大于输出信号，则控制逻辑产生模式控制信号以选择与基准参考电压的三分之一的输出信号电压对应的模式配置。

20.如权利要求19的方法，其中如果第一比较信号指示输出信号电压超过基准参考电压的三分之一，第二比较信号指示输出电压未超过基准参考电压的一半，并且方向比较信号指示参考信号大于输出信号，则控制逻辑产生模式控制信号以选择与基准参考电压的一半的输出信号电压对应的模式配置。

21.如权利要求20的方法，其中如果第二比较信号指示输出电压超过基准参考电压的一半，第三比较信号指示输出电压未超过基准参考电压的三分之二，并且方向比较信号指示参考信号小于输出信号，则控制逻辑产生模式控制信号以选择与基准参考电压的一半的输出信号电压对应的模式配置。

22.如权利要求21的方法，其中如果第二比较信号指示输出电压超过基准参考电压的一半，第三比较信号指示输出电压未超过基准参考电压的三分之二，并且方向比较信号指示参考信号大于输出信号，则控制逻辑产生模式控制信号以选择与基准参考电压的三分之二的输出信号电压对应的模式配置。

23.如权利要求22的方法，其中如果第三比较信号指示输出电压超过基准参考电压的三分之二，并且方向比较信号指示参考信号小于输出信号，则控制逻辑产生模式控制信号以选择与基准参考电压的三分之二的输出信号电压对应的模式配置。