CN102857097A

CN102857097A - 高效率升压转换器

Info

Publication number: CN102857097A
Application number: CN2011101923053A
Authority: CN
Inventors: 林鸿武
Original assignee: STMicroelectronics Shenzhen R&D Co Ltd
Current assignee: STMicroelectronics Shenzhen R&D Co Ltd
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2031-06-30
Also published as: CN102857097B; US20130002224A1; US9608522B2

Abstract

公开了一种升压转换器电路，可操作来执行低功率启动和维持有效的低功率操作。所述电路接收输入电源供给电压，产生输出经升压的供给电压，并包括电压调节器，升压电路，以及定时控制器。电压调节器向所述升压电路提供经调节的电压，该升压电路控制晶体管的切换以驱动输出的经调节的供给电压；以及定时控制器控制升压电路从启动模式到常规操作模式的切换。在启动模式中，经调节的电压从输入电源供给电压中产生。在常规操作模式期间，经调节的电压从输出经升压的供给电压中产生。公开的电路当所述输入电源供给电压低时执行低功率的启动，并且通过在所述输入电源供给电压下降时驱动晶体管产生输出经升压的供给电压来维持有效的低功率操作。

Description

高效率升压转换器

技术领域

本发明一般涉及升压转换器电路，以及更具体地涉及能够在电源供给下降时执行低功率启动和维持有效操作的升压转换器电路。

背景技术

升压电路通常被设计用来接收输入电压并产生比输入电压更大的输出电压。在图1中说明了这样的例示的升压电路，其中例示的升压电路100包含内部LDO调节器电路102，该内部LDO调节器电路102的电源供给节点连接于电源供给104。然而，由于在图1中例示的升压电路100的内部电路由具有电池形式的电源供给104来供电，因此该电路100尤其容易受到电源供给104的减少的影响。如此，在图1中的电路100更适合于例如具有大约3-5V电压供给的锂离子电池之类的更高电压电源供给，而不是例如那些在大约1.2V至1.5V范围内之类的低电压电源供给。

图2说明了升压电路200的另一例子，其中内部LDO调节器电路202在其电源供给节点由升压电路200产生的输出电压供电。虽然在图2中的电路200可以提供对图1中的电路100中存在的内部电路电源供给事件的解决方案，但在图2中的电路200在其启动后需要相对高的供给电压来维持操作。如此，在图2中的电路200在启动后对供给电压204的下降特别的脆弱，以及因此，对于例如来自电池的供给电压204在升压电路200的常规操作期间发生降低的应用而言，并不是一种切实可行的解决方案。

图3说明了另一升压电路300的例子，其中升压电路300的例子省略了内部调节器电路，以及替代地将其内部的升压电路302的电源供给节点直接耦合于电源供给304。图4说明了与在图3中的升压电路300的例子相似的另一升压电路400的例子，不过其中内部升压电路402电源供给节点直接耦合于升压电路400的输出电压。在图3和4说明的实施例被设计为允许各个升压电路的更简单的启动；然而，这些电路对外部干扰敏感。例如，当电源供给的内部电阻相对大(例如，0.5欧姆)时，在图3中的升压电路300在升压效率方面经历显著降低，这通常是由当电路300的输出电流增加时却东输出晶体管306的电压降低而引起的。而且，当电源供给304处的电压经历显著降低时，在图3中的升压电路300在低功率操作期间失效。当负载瞬跳出现在其输出时，图4中的升压电路400变得不稳定，导致电路400的输出发生振荡。如此，例如上文描述的以及在图1-4中说明的传统升压转换器电路不能提供低功率启动和有效的低功率操作。

发明内容

本公开提供一种升压转换器电路，可操作来获得低功率启动和维持有效的低功率操作。在一个实施例中，所述升压转换器电路包括电压调节电路，可操作来产生经调节的电压，其中所述经调节的电压在第一模式期间从输入电源供给电压中产生，以及替代地，在第二模式期间从输出电源供给电压中产生；升压电路，从所述经调节的电压中供给，并可操作来在所述第一模式和所述第二模式期间控制晶体管的切换以产生所述输出电源供给电压；以及控制电路，可操作来响应于检测到所述输出电源供给电压达到阈值电压或者检测到定义的启动时间届满其中之一，将所述电路从所述第一模式切换到所述第二模式。

本公开的另一实施例包括一种升压电路，包括电压调节器，可操作来提供经调节的电压，其中所述经调节的电压在启动模式期间从输入电源供给电压中产生，以及替代地，在常规操作模式期间从输出电源供给电压中产生；升压电路，可操作来接收所述经调节的电压，并可操作来控制晶体管的切换，所述晶体管在所述启动模式期间驱动所述输出电源供给电压达到第一电压；以及控制器电路，可操作来响应于检测到所述输出电源供给电压达到所述第一电压，将所述升压电路从所述启动模式切换到所述常规操作模式。

本公开的另一实施例包括一种用于控制升压转换器电路的操作的方法，所述方法包括：使用输入电源供给电压和输出电源供给电压来给电压调节器供电；在第一操作模式中，产生第一调节电压，其中所述第一调节电压从所述输入电源供给电压中产生；使用所述第一调节电压来控制晶体管的切换，以驱动所述输出电源供给电压达到第一阈值电压；在第二操作模式中，产生第二调节电压，其中所述第二调节电压从所述输出电源供给电压中产生；以及使用所述第二调节电压来控制晶体管的切换，以驱动所述输出电压达到第二阈值电压。

根据实施例的以下详细描述，并且结合附图来进行阅读，本公开的前述和其他特征以及有益效果进一步变得清楚明了。具体的描述和附图仅仅是对本公开的内容的说明，而不限制本发明由所附的权利要求及其等同物所限定的保护范围。

附图说明

通过并不按比例绘制的附图中的例子来说明实施例，其中同样的标号表示相似的部分，以及其中：

图1示出了在现有技术中已知的第一升压转换器电路的例子；

图2示出了在现有技术中已知的第二升压转换器电路的例子；

图3示出了在现有技术中已知的第三升压转换器电路的例子；

图4示出了在现有技术中已知的第四升压转换器电路的例子；

图5示出了公开的升压转换器电路的实施例的例子；

图6示出了由在图5中示出的公开的升压转换器电路的实施例例子中提供的定时控制器电路的实施例的例子；

图7示出了由在图5中示出的公开的升压转换器电路的实施例例子中提供的电压调节器电路的实施例的例子；

图8示出了由在图5中示出的公开的升压转换器电路的实施例例子中提供的带隙电路的实施例的例子。

具体实施方式

当前公开的内容提供了高效率的升压转换器电路。公开的升压转换器电路可操作来实现低功率启动和维持有效的低功率操作。依照当前公开的内容，低功率启动指的是，公开的升压转换器电路在升压转换器电路的电源供给相对于其设计电源电压产生显著降低的供给电压时进行启动的能力。例如，公开的升压转换器电路可以实现低电压电源供给，例如具有启动电压范围在大约1.2-1.5V和内部电阻是0.5欧姆的碱性电池。如此，公开的升压转换器电路可以在电源供给的供给电压位于大约1V的减少的电压时执行低功率启动。还应注意的是，公开的升压转换器电路的低功率操作在这里被确定为当升压转换器电路操作在常规操作模式(即，未启动)时，电源供给的供给电压比其启动电压少的持续时间。例如，如果升压转换器电路在大约1V处执行低功率启动，则低功率操作可以发生在电源供给减少到例如介于0.6V至1.0V之间同时又操作在常规操作模式。而且，当在该电路操作于常规操作模式而供给电压下降时，具有一致的峰值电压的驱动电压在控制输出电容的充电(以产生输出电压)的电源晶体管处被维持的时候，低功率操作被视为有效。需要理解的是，这里说明的电压参数意于提供一般示例，用于描述公开的升压转换器电路的操作，并不意于限制本公开的内容以及下文提供的权利要求的范围。

图5示出了公开的升压器转换器店里500的实施例的例子，其中升压器转换器电路500通常包含电压调节器502，带隙504，定时控制器506，以及用于控制升压转换器电路500的操作的内部电路510。通常，升压转换器电路500被设计为从电源供给508中接收输入电压Vin，其中，在启动模式期间，输入电压Vin用作电源供给来给内部电路510的调节器502供电，经调节的输出电压用于在开关电源晶体管M1处产生低占空比驱动信号以产生升压输出电压Vout。升压转换器电路500随后切换到常规操作模式，其中经升压的输出电压Vout(其现在比输入电压Vin更大)用作电源供给来给内部电路510的调节器502供电，经调节的输出电压用于在开关电源晶体管M1处产生脉冲宽度调制驱动信号以产生升压输出电压Vout。在启动和常规操作期间，内部电路510驱动电源晶体管M1来控制输出电容Cout的充电以产生升压输出电压Vout，其中使用由电源供给508产生的输入电压Vin来为输出电容Cout充电。

如上文所记载，升压转换器电路500操作在两个模式中：启动和常规操作。升压转换器500操作在启动模式直至a)经升压的输出电压Vout达到预定的阈值电压，或者b)定义的时间段届满。当这两个事件的其中一个发生时，升压转换器500切换到常规操作模式。在启动模式期间，输入电压Vin应用作为调节器502的电源供给来产生经调节的电压，从而给内部电路510供电，并且整个电路操作来产生并缓慢地增加该经升压的输出电压Vout。当电源供给508产生低输入电压Vin(相对于其设计输入电压)时，启动模式可以执行为低功率启动。例如，在这里公开的实施例中，电源供给508可以是具有0.5欧姆的内部电阻的1.25V的电池，其中该电池在启动期间产生大约1V的低输入电压Vin。当升压转换器500切换到常规操作模式时，经升压的输出电压Vout应用作为调节器502的电源供给来产生经调节的电压，从而给内部电路510供电，并且整个电路操作来持续增加经升压的输出电压Vout直至其达到其设计升压输出电压。当输入电压Vin低于启动输入电压(即，在启动模式期间的Vin)时，常规操作模式可以执行为低功率操作。例如，在上文讨论的实施例中，1.25V电池的输入电压Vin可以在常规操作模式期间下降至低于1V，在该点升压转换器电路执行低功率操作。

在上文公开的实施例中，公开的升压转换器电路500可操作来在电源供给508是具有内部电阻为0.5欧姆产生输入电压Vin的1.25V的电池时，执行低功率启动和维持有效的低功率操作，其中，输入电压Vin在启动(即，低功率启动)期间是大约1V，并在常规操作模式(即，低功率操作)期间降至大约0.6V。在当前的实施例中，公开的升压转换器500操作于启动模式并随后当a)经升压的输出电压Vout达到大约2V，或者b)定义的时间段届满时切换到常规操作模式。在当前的实施例中，升压转换器电路500设计成获得大约3.3V的经升压的输出电压Vout，输出电流Iout的范围在0-100mA之间。如下文所说明，当输入电压Vin是1V时，升压转换器电路500通过将输入电压Vin用作电源供给以给调节器502供电，以及在电源晶体管M1处产生低占空比驱动信号来生成经升压的输出电压Vout，从而实现低功率启动。另外，即使在输入电压Vin在常规操作模式期间下降时，升压转换器电路500在常规操作模式期间通过将经升压的输出电压Vout用作电源供给来给调节器502供电，以及在电源晶体管M1处产生脉冲宽度调制的驱动信号来生成经升压的输出电压Vout，从而维持有效的低功率操作。

提供定时控制器506来控制升压转换器电路500从启动模式切换到常规操作模式。如上文所提及，当两个事件之一发生时，定时控制器506从启动模式切换到常规操作模式。第一事件是电压相关的并涉及当经升压的输出电压Vout达到预定的阈值时，从启动模式到常规操作模式的切换。第二事件是时间相关的并涉及随着定义的时间段的届满从启动模式到常规操作模式的切换。

如图5所示，定时控制器506接收输入电压Vin和输出电压Vout，并产生逻辑输出信号TCout用于控制开关509的操作以选择升压转换器电路500的内部电路510是操作在开环还是闭环模式。当内部电路510操作在开环模式时升压转换器电路500操作在启动模式，当内部电路510操作在闭环模式时升压转换器电路500操作在常规操作模式。因此，当定时控制器506将内部电路510从开环模式切换到闭环模式时，定时控制器506将升压转换器电路500从启动模式切换到常规操作模式。

在图6中示出了定时控制器506的实施例例子，其中定时控制器506包括第一比较器602和第二比较器604。提供第一比较器602来涉及感知电压相关的模式切换事件，以及将输出参考电压Vo1与阈值Vth1比较来确定输出电压Vout是否已经达到预定义的电压(例如，2V)。如果Vo1在启动期间上升至比Vth1更大或者相等的值，则经升压的输出电压Vout已经达到预定义的电压，并且逻辑输出信号TCout触发开关509将内部电路510设置于闭环模式(即，从启动模式变换成常规操作模式)。提供第二比较器604来涉及感知时间相关的事件，并且比较输入参考电压Vi1和斜坡定时阈值电压Vth2。时间相关的事件设置启动模式将要操作的定义的时间段(设电压相关的事件并不首先发生)。定义的时间段依赖于斜坡定时阈值电压Vth2，其中斜坡的斜率可以通过调整电容606的值和/或电容器充电电流608来改变。如果斜坡电压Vth2在启动期间上升至比Vi1更大或者相等的值，则定义的时间段已经过去，并且逻辑输出信号TCout触发开关509将内部电路510设置于闭环模式(即，从启动模式变换成常规操作模式)。

回来参照图5，电压调节器502接收输入电压Vin，经升压的输出电压Vout，以及两个参考电压Vref1和Vbg，并在针对内部电路510和带隙电路504的电源供给节点产生经调节的输出电压Vreg。第一参考电压Vref1由耦合于电源供给508的分压器511产生，并且第二参考电压Vbg是由带隙电路504产生的电压。总之，当升压转换器电路500处于启动模式时经调节的输出电压Vreg从输入电压Vin产生，并且当升压转换器电路500处于常规操作模式时，经调节的输出电压Vreg从经升压的输出电压Vout产生。经调节的电压Vreg用于给带隙504和内部电路510供电，其中接收经调节的电压Vreg的内部电路包括振荡器512，误差放大器514，比较器516，以及其电源供给节点耦合来接收Vreg的逻辑和驱动器电路518。电压调节器502通过向升压转换器电路500中的电路提供恒定的，经调节的电压而对外部干扰提供免疫。由于电压调节器502向内部电路510提供恒定的电压供给，因此，当电路操作在常规模式时，具有一致的峰值电压的脉冲宽度调制驱动电压在控制输出电容Cout的充电的电源晶体管M1处维持。

在图7中示出了电压调节器502的实施例的例子，其中在图7中示出的电压调节器502是自切换的，低回动电压调节器。电压调节器507包含第一部分702和第二部分704。第一部分702接收参考电压Vref1，输入电压Vin，和经升压的输出电压Vout，以及，当激活时，使用输入电压Vin来驱动经调节的电压Vreg。第二部分704接收带隙电压Vbg和经升压的输出电压Vout以及，当激活时，使用经升压的输出电压Vout来驱动经调节的电压Vreg。

第一部分702包括接收经升压的输出电压Vout并在控制晶体管C1处产生分压Vd1的分压器706。其中控制晶体管C1控制电压调节器502的“自切换”功能。在启动模式期间，分压Vd1太低从而不能激活控制晶体管C1，并且第一部分702被激活。如此，输入电压Vin用作调节器502的电源供给，并且经调节的电压Vreg将基于参考电压Vref1来调节。

当升压转换器电路500从启动模式切换至常规操作模式时，分压Vd1足够大来激活控制晶体管C1，所述控制晶体管C1关闭第一部分702并激活第二部分704。当这发生时，经升压的输出电压Vout用作调节器502的电源供给，并且经调节的电压Vreg将基于带隙电压Vbg来调节。当第一部分702关闭时，输入电压Vin有效地隔离于内部电路510。如此，在常规操作期间，输入电压Vin的减少几乎不影响向升压转换器电路500的内部电路510提供的经调节的电压Vreg，因而使得升压转换器电路500维持有效的低功率操作。通过在启动模式期间使用输入电压Vin来驱动经调节的电压Vreg，以及在常规操作模式期间使用经升压的输出电压Vout来驱动经调节的输出电压Vreg，电压调节器502连续地向带隙504和内部电路510供给充足的，经调节的电压，因而允许在启动或常规操作期间，甚至在低功率操作期间，对升压转换器电路500的有效操作。

如上所述，带隙504从调节器502中接收经调节的电压Vreg，并产生带隙电压Vbg，其供给为电压调节器502和误差放大器514的参考电压。在图8中示出了带隙504的实施例的例子，其中在图8中示出的带隙504是两级的，低电压供给的带隙。在启动模式期间，经调节的电压Vreg由输入电压Vin驱动，并且带隙504第一级被激活并产生绝对温度补充(CTAT)电流，该电流以下文描述的方式使用以产生带隙电压Vbg。由于经调节的电压Vreg在启动期间稳定，所以带隙504的第二级变得激活并产生绝对温度比例(PTAT)电流。第一级随后结合CTAT和PTAT电流来产生能够为电压调节器502和误差放大器514提供稳定的参考电压的带隙电压Vbg。如上文所说明，带隙电压Vbg随后在常规操作期间在电压调节器502和误差放大器514中用作参考电压。

如上所述，当升压转换器电路500处于启动模式时内部电路510操作在开环模式，并且当升压转换器电路500处于常规操作模式时内部电路510操作在闭环模式。在开环模式操作期间，振荡器512接收经调节的电压Vreg(其由调节器502从输入电压Vin中供给)并驱动低占空比充电器电路520。开关509将低占空比充电器电路520的输出耦合于逻辑和驱动器电路518(耦合于过电流保护和过电压保护电路522)，因而驱动电源晶体管M1，其控制输出电容Cout的缓慢充电来产生经升压的输出电压Vout。由于经升压的输出电压Vout连续增加，其最终达到触发定时控制器506将内部电路510切换至闭环操作(或者，替代的，定时控制器506在定义的时间段届满时将内部电路510切换至闭环操作)的预定义的阈值电压(例如，2V)。

当内部电路510在闭环模式操作时，振荡器512，误差放大器514，比较器516，以及逻辑和驱动器电路518接收由调节器502从经升压的输出电压Vout供给的经调节的电压Vreg，并且继续驱动电源晶体管M1来控制输出电容Cout的充电至升压转换器电路500的设计输出电压值(例如3.3V)。具体的，误差放大器514将带隙电压Vbg和反馈电压Vfb比较以产生误差信号，其在PFM/PWM控制器524和比较器516中接收。PFM/PWM控制器524从误差放大器514接收该信号并指示升压转换器500操作在纯PWM模式还是PFM/PWM开关模式。补偿器526产生从电感器528感知的信号，其中补偿器信号结合由振荡器512驱动的斜波发生器530的输出。补偿器信号随后在比较器516与误差信号进行比较。比较器516的输出随后耦合(通过开关509)于逻辑和驱动器电路518，其使用具有一致的峰值电压的脉冲宽度调制的电压信号来驱动电源晶体管M1。如果经升压的输出电压Vout小于期望的输出电压(例如，3.3V)，则电源晶体管M1继续控制输出电容Cout的充电，直至经升压的输出电压Vout等于期望的输出电压。

Claims

1.一种电路，包括

电压调节电路，可操作来产生经调节的电压，其中所述经调节的电压在第一模式期间从输入电源供给电压中产生，以及替代地，在第二模式期间从输出电源供给电压中产生；

升压电路，从所述经调节的电压中供给，并可操作来在所述第一模式和所述第二模式期间控制晶体管的切换以产生所述输出电源供给电压；以及

控制电路，可操作来响应于检测到所述输出电源供给电压达到阈值电压或者检测到定义的启动时间届满其中之一，将所述电路从所述第一模式切换到所述第二模式。

2.根据权利要求1所述的电路，其中所述电压调节电路是低回动电压调节器，可操作于自切换配置以从由所述输入电源供给电压产生所述经调节的电压切换到由所述输出电源供给电压产生所述经调节的电压。

3.根据权利要求1所述的电路，其中所述电压调节电路和所述升压电路从带隙电路中接收参考电压。

4.根据权利要求1所述的电路，其中所述升压电路可操作在开环模式以当所述电路处于所述第一模式时驱动所述晶体管的切换，以及可操作在闭环模式以当所述电路处于所述第二模式时驱动所述晶体管的切换。

5.根据权利要求4所述的电路，其中所述晶体管的所述切换在所述开环模式期间由低占空比信号来驱动。

6.根据权利要求4所述的电路，其中所述晶体管的所述切换在所述闭环模式期间由脉冲宽度调制信号来驱动。

7.一种升压电路，包括：

电压调节器，可操作来提供经调节的电压，其中所述经调节的电压在启动模式期间从输入电源供给电压中产生，以及替代地，在常规操作模式期间从输出电源供给电压中产生；

升压电路，可操作来接收所述经调节的电压，并可操作来控制晶体管的切换，所述晶体管在所述启动模式期间驱动所述输出电源供给电压达到第一电压；以及

控制器电路，可操作来响应于检测到所述输出电源供给电压达到所述第一电压，将所述升压电路从所述启动模式切换到所述常规操作模式。

8.根据权利要求7所述的升压电路，其中所述升压电路还可操作来在所述常规操作模式期间控制所述晶体管的切换，以驱动所述输出电源供给电压达到比所述第一电压更大的第二电压。

9.根据权利要求7所述的升压电路，其中所述启动模式是低功率启动模式。

10.根据权利要求7所述的升压电路，其中所述电压调节器是低回动电压调节器，可操作在自切换配置以从由所述输入电源供给电压产生所述经调节的电压切换到由所述输出电源供给电压产生所述经调节的电压。

11.根据权利要求7所述的升压电路，其中所述升压电路可操作在开环模式以当所述升压电路处于所述启动模式时驱动所述晶体管的切换，以及可操作在闭环模式以当所述升压电路处于所述常规操作模式时驱动所述晶体管的切换。

12.根据权利要求11所述的升压电路，其中所述晶体管的所述切换在所述开环模式期间由低占空比信号来驱动。

13.根据权利要11所述的升压电路，其中所述晶体管的所述切换在所述闭环模式期间由脉冲宽度调制信号来驱动。

14.根据权利要求7所述的升压电路，其中所述控制电路响应于检测到定义的启动时间届满，将所述升压电路从所述启动模式切换到所示常规操作模式。

15.一种用于控制升压转换器电路的操作的方法，所述方法包括：

使用输入电源供给电压和输出电源供给电压来给电压调节器供电；

在第一操作模式中，产生第一调节电压，其中所述第一调节电压从所述输入电源供给电压中产生；

使用所述第一调节电压来控制晶体管的切换，以驱动所述输出电源供给电压达到第一阈值电压；

在第二操作模式中，产生第二调节电压，其中所述第二调节电压从所述输出电源供给电压中产生；以及

使用所述第二调节电压来控制晶体管的切换，以驱动所述输出电压达到第二阈值电压。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括响应于检测到所述输出电源供给电压达到所述第一阈值电压，将所述升压转换器电路从所述第一操作模式切换到所述第二操作模式。

17.根据权利要求15所述的方法，还包括响应于检测到定义的启动时间的届满，将所述升压转换器电路从所述第一操作模式切换到所示第二操作模式。

18.根据权利要求15所述的方法，还包括在开环模式中操作升压电路以当所述升压转换器电路处于所述第一操作模式时驱动所述晶体管的切换，以及在闭环模式中操作升压电路以当所述升压转换器电路处于所述第二操作模式时驱动所述晶体管的切换。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述晶体管的所述切换在所述开环模式期间由低占空比信号驱动。

20.根据权利要求18所述的方法，其中所述晶体管的所述切换在所述闭环模式期间由脉冲宽度调制信号驱动。