CN103975524B - 异步开关模式电源 - Google Patents

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Abstract

公开了一种异步开关模式电源，包括：减法器，其用于从参考信号减去所述开关模式电源的输出；滤波器，其用于对经减法处理后的输出进行滤波；量化器，其用于根据积分减法输出产生多个量化器输出；以及电源切换级，其用于根据所述量化器输出连接多个电源电压中的一个到所述开关模式电源的所述输出。

Description

异步开关模式电源
技术领域
本发明涉及异步开关模式电源，且尤其涉及包含输出反馈回输入的闭环布置的这种布置。本发明尤其不排他地涉及包含这种异步开关模式电源的包络跟踪电源。
背景技术
开关模式电源在本领域中是已知的。在开关模式电源中，已知提供闭路控制回路，其中代表选择的电源电压的输出被反馈回输入，在那里它与参考信号进行比较。控制回路然后用于校正输出处的信号和参考(或目标)信号之间的任意误差。
在已知现有技术布置中，提供同步操作。这种已知现有技术布置提供同步控制，其中开关模式电压典型地是多级、多相位电压转换器。使用时钟信号的不同相位以尤其用于产生比使用单个时钟相位所能够实现的更精细的相位/幅度分辨率。
本发明的目的是提供一种改进开关模式电源。
发明内容
根据本发明，提供一种异步开关模式电源，包括：减法器，其用于从参考信号减去所述开关模式电源的输出；滤波器，其用于对经减法处理后的输出进行滤波；量化器，其用于根据积分减法输出产生多个量化器输出；以及电源切换级，其用于根据所述量化器输出连接多个电源电压中的一个到所述开关模式电源的所述输出。
所述量化器可以包括多个比较器，每个比较器设置有从所述比较器的输出到所述比较器的输入的反馈回路。
所述开关模式电源还可以包括多个组合器，所述组合器用于组合每个相应比较器的输出与基于所述积分输出的信号以向相应比较器中的每一个提供输入。
所述开关模式电源还可以包括多个参考信号，且还可以包括多个其它组合器，所述多个其它组合器每一个均布置为组合相应参考信号与所述积分输出，以提供用于接收相应比较器中的每一个比较器的输出且产生用于相应比较器的输入的组合器的积分输出信号的表达。
所述多个参考信号可以根据输出切换级中的多个电源电压信号而产生。
输出切换级可以接收所述多个量化器输出，且根据所述多个量化器输出而连接多个电源电压中的一个到所述开关模式电源的所述输出。
所述多个量化器输出可以通过输出切换级中的电源电压的数目确定。
积分器可以包括环路滤波器。
包络跟踪电源可以包括所定义的开关模式电源。
所述开关模式电源还可以包括布置为组合所述积分输出和输入参考信号的组合器，该组合器的组合输出提供到所述量化器的输入。
所述开关模式电源还可以包括连接为接收输入参考信号的延迟级，其中，所述组合器布置为组合所述延迟级的输出与代表所述输出开关模式电源的反馈信号。
所述延迟级的延迟可以对应于输出切换级的延迟。
所述开关模式电源还可以包括另外的切换级，所述另外的切换级用于接收所述多个量化器输出且用于连接代表电源电压的多个信号中的一个信号到输入减法器。所述另外的切换级的切换器件可以小于输出级的切换器件。所述信号可以是电流信号。
所述开关模式电源还可以包括从输出切换级的输出到输入组合器的反馈路径，其中，所述输入组合器组合输入参考信号、来自所述另外的切换级的反馈信号和来自所述输出切换级的所述输出的反馈信号。
包络跟踪电源可以包括所定义的开关模式电源。
该包络跟踪电源还可以包括用于产生将与所述开关模式电源的所述输出组合的误差信号的误差校正路径。
所述电源切换级可以包括多个转换开关级，每个转换开关级调适为根据所述量化器输出将多个开关模式电源中的一个切换到所述转换开关级的输出，且还包括用于组合转换开关级输出的组合器。
任意前述权利要求的开关模式电源或包络跟踪电源，其中，所述量化器布置为产生m个量化器输出，且所述电源切换级包括m个切换级，每个切换级布置为根据所述量化器输出连接n个电源电压中的一个到所述开关模式电源的输出，且还包括用于组合每个切换级的输出以产生开关模式电源输出的组合器。
本发明还提供一种开关模式电源，包括：n个电源级；m(n-1)级量化器，其布置为提供m(n-1)个量化器输出；m个切换级，每个切换级布置为根据所述m(n-1)个量化器输出而选择所述n个电源级中的一个以连接到切换级输出；以及组合器，其用于组合来自所述m个切换级中的每一个的所述n个电源级的选择级以产生输出电源级。
所述输出电源级可以从作为干线电压级的多个电源级和多个干线间电源电压级选择，控制器调适为通过连接至少两个切换级到所述n个电源电压级的不同电源电压级而选择干线间级。
如果所述切换级的多个开关位置提供给定的干线间电源级，则所述控制器可以调适为选择与在先前的干线间电源电压选择时的切换组合不同的切换组合。
所述至少两个切换级可以连接到相邻电源电压级。
所述控制器可以调适为：针对干线间电源级的选择，确定电流是否超过阈值，且根据确定结果维持转换开关状态。
所述组合器可以包括m个电感器，每个电感器具有连接到所述m个切换级的相应一个切换级的输出的第一端子，且每个电感器具有连接到所述开关模式电源的输出端子的第二端子。
根据一个电感器中的电流超过阈值，所述切换级到不同电源电压级的连接可以改变，从而反转电流的方向。
本发明还提供一种用于异步开关模式电源的方法，该方法包括以下步骤：从参考信号减去所述开关模式电源的输出；对经减法处理后的输出进行滤波；根据积分减法输出产生多个量化器输出；以及根据所述量化器输出连接多个电源电压中的一个到所述开关模式电源的所述输出。
量化器可以包括多个比较器，每个比较器设置有从所述比较器的输出到所述比较器的输入的反馈回路。
所述方法还可以包括多个组合器，所述组合器用于组合每个相应比较器的输出与基于所述积分输出的信号以向相应比较器中的每一个提供输入。
所述方法还可以包括多个参考信号，且还可以包括多个其它组合器，所述多个其它组合器每一个均组合相应参考信号与所述积分输出，以提供用于接收相应比较器中的每一个比较器的输出且产生用于相应比较器的输入的组合器的积分输出信号的表达。
所述方法还可以包括根据输出切换级中的多个电源电压信号而产生所述多个参考信号。
所述方法还可以包括：在输出切换级，接收所述多个量化器输出，且根据所述多个量化器输出而连接多个电源电压中的一个到所述开关模式电源的所述输出。
所述方法可以包括通过输出切换级中的电源电压的数目确定所述多个量化器输出。
积分器可以包括环路滤波器。
包络跟踪电源中的方法可以包括所定义的方法。
所述方法还可以包括布置为组合所述积分输出和输入参考信号的组合器，该组合器的组合输出提供到量化器的输入。
所述方法还可以包括连接为接收输入参考信号的延迟级，所述方法包括组合所述延迟级的输出与代表所述输出开关模式电源的反馈信号。
所述延迟级的延迟可以对应于输出切换级的延迟。
所述方法还可以包括另外的切换级，所述方法包括接收所述多个量化器输出且连接代表电源电压的多个信号中的一个信号到输入减法器。
所述另外的切换级的切换器件可以小于输出级的切换器件。
所述信号可以是电流信号。
所述方法还可以包括提供从输出切换级的输出到输入组合器的反馈路径，其中，所述输入组合器组合输入参考信号、来自所述另外的切换级的反馈信号和来自所述输出切换级的所述输出的反馈信号。
包络跟踪电源中的方法可以包括所定义的开关模式电源。
所述方法还可以包括用于产生将与所述开关模式电源的所述输出组合的误差信号的误差校正路径。
开关模式电源或包络跟踪电源中的方法，其中，所述电源切换级可以包括多个转换开关级，每个转换开关级根据所述量化器输出将多个开关模式电源中的一个切换到所述转换开关级的输出，且还包括组合转换开关级输出。
所述量化器可以产生m个量化器输出，且所述电源切换级包括m个切换级，每个切换级根据所述量化器输出连接n个电源电压中的一个到所述开关模式电源的输出，且还包括组合每个切换级的输出以产生开关模式电源输出。
本发明还提供一种控制开关模式电源的方法，该方法可以包括以下步骤：提供n个电源级；布置m(n-1)级量化器，以提供m(n-1)个量化器输出；布置m个切换级，每个切换级根据所述m(n-1)个量化器输出而选择所述n个电源级中的一个以连接到切换级输出；以及组合来自所述m个切换级中的每一个的所述n个电源级的选择级以产生输出电源级。
一般地，电源电压的数目优选地是n；切换级或输出电感器的数目是m；量化器输出的数目是m(n-1)；可能的输出电压级的数目是m(n-1)+1；且干线间电源电压输出级的数目是(m(n-1)+1)-n。
所述输出电源级可以包括n个电源电压干线级和干线间电源电压级选择，所述方法包括通过连接至少两个切换级到所述电源电压级的不同电源电压级而选择干线间级。
如果所述切换级的多个开关位置提供给定的干线间电源级，则可以选择与在先前的干线间电源电压选择时的切换组合不同的切换组合。
所述至少两个切换级可以连接到相邻电源电压级。
所述方法可以包括：针对干线间电源级的选择，确定电流是否超过阈值，且根据确定结果维持转换开关状态。
所述组合器可以包括m个电感器，每个电感器具有连接到所述m个切换级的相应一个切换级的输出的第一端子，且每个电感器具有连接到所述开关模式电源的输出端子的第二端子。
根据一个电感器中的电流超过阈值，所述切换级到不同电源电压级的连接可以改变，从而反转电流的方向。
附图说明
现在将参考附图通过举例的方式描述本发明，附图中：
图1说明根据本发明的一个实施方式的异步开关模式电源的架构；
图2说明对如图1说明的本发明的异步开关模式电源的另一修改；
图3说明根据本发明对如图1说明的开关模式电源的另一修改；
图4说明根据跟发明对如图1说明的开关模式电源的又一修改；
图5说明根据本发明的一个实施方式的异步开关模式电源中的改进；
图6与图5的布置一同使用，说明根据本发明的一个实施方式的异步开关模式电源的改进输出级；
图7说明在一个实施方式中与图6的输出级一同使用的控制器；以及
图8说明根据本发明的实施方式利用异步开关模式电源的功率放大器的包络跟踪电源的实现方式。
具体实施方式
现在将参考指定示例和实施方式描述本发明。本领域技术人员将意识到，本发明不限于此处给出的指定实施方式的细节。另外，此处描述的各个实施方式并不相互排他。此处描述的实施方式可以独立或以任意组合实施。
参考图1，例示了如参考数字2所表示的根据本发明的优选实施方式的异步开关模式电源。异步开关模式电源2包括输入级4、量化器6和电源开关8。在信号线路10上接收作为输入的参考信号，且在输出线路12上产生作为输出的电源电压。
在优选实现方式中，输入级包含减法器18和积分器20。减法器18在线路10上接收参考信号输入，且经由反馈线路16接收在线路12上的输出信号的反馈。减法器18从线路10上的输入参考信号减去线路16上的反馈信号，且在其输出产生代表其间差异的误差信号。线路12上的输出信号旨在是线路10上的输入参考信号的高功率复制，且减法器18的输出处的任意误差信号代表与输入参考信号相比复制信号中的误差。减法器18的输出被提供作为到积分器20的输入，该积分器在线路14上产生积分或平均误差信号。
量化器6在优选实施方式中示出，且接收在线路14上的积分信号作为输入，且产生在线路281至283上的三个控制信号作为输出。一般地，开关模式电源是基于n个可能的电源电压中的一个产生输出电源电压的n级电源。在此处描述的示例中，描述了4级开关模式电源，即其中n等于4。对于n级开关模式电源，需要量化器产生n-1个输出控制信号以控制n级之间的切换。量化器6因而产生在线路281至283上的三个输出控制信号，但是一般地可以被认为产生n-1个输出控制信号。
量化器6有效地包含三个相同的电路，用于产生用于4级开关模式电源的三个控制信号中的每一个。更一般地，量化器将包含用于n个输出电压的n-1个相同电路。在图1中，与其它电路的元件相对应的三个电路的每个元件通过后缀为1至3的相同参考数字指示。因而，在描述量化器6的实现方式的以下段落中，应当理解，每个参考数字的提及实际上是三个电路中的每一个电路的该元件的提及。
线路14上的积分信号在到在相应各个线路211至213上的多个减法器221至223的输入被提供。线路211至213上的输入因此是到量化器6的三个电路中的每一个电路的输入。
每个减法器221至223从参考数字241至243指示的相应参考电压源VREF1至VREF3接收输入作为第二输入。参考电压VREF1至VREF3从提供为到电源开关8的电源电压的一组输出电压(V1至V3)得出。参考电压以升序提供，电压VREF1是最低电压，且参考电压VREF3是最高参考电压。
如本领域所已知，参考电压被设置为提供用于每个量化器级的过渡点。例如，4个电源电压V1、V2、V3和V4可以对应于电压级0V、1V、2V、3V。参考电压VREF1例如设置在0V至1V之间的某处，所以随着输入信号从0V过渡到1V，线路28上的输出从状态0变化为状态1。在一个示例中，例如VREF1＝0.5V；VREF2＝1.5V；且VREF3＝2.5V。
减法器221至223中的每一个从线路14上的公共积分误差信号减去相关参考电压。
每个减法器221至223的输出作为第一输入被提供到相应加法器231至233。相应加法器231至233的输出作为相应输入被提供到相应比较器261至263。比较器261至263的输出被反馈且作为第二输入被提供到相应加法器231至233。相应比较器261至263的输出另外地形成量化器6的在线路281至283上的输出控制信号。
围绕比较器261至263的反馈回路提供围绕该比较器的滞后。比较器261至263必须具有滞后以具有明确定义的开关状态。
进一步参考图1，来自量化器6的在信号线路281至283上的输出提供到电源开关8的输入。
电源开关8包括解码器30和切换级34。解码器30接收在线路281至283上的控制信号，且如本领域所已知，解码所述信号以将线路32上的控制信号提供到切换级34。切换级34包括连接到输出线路12的开关33，同样如本领域所已知，该开关33依赖于线路32上的控制信号切换以将电源电压V1至V3中的一个连接到输出线路12。如本领域所已知，切换级34的开关实际上实施为晶体管。切换级34的开关是用于切换电源电压的电源开关，且因此是物理大器件。作为到减法器18的输入，线路12上的所选择的电源电压在线路16上的反馈路径上提供到输入级4。
积分器20是用于图1的闭环布置的环路滤波器的示例实现方式。积分器20还提供求和效果，以提供用于图1的开关模式电源的德尔塔(Δ)拓扑(delta topology)。环路滤波器用作斜坡发生器。因而，环路滤波器20与具有提供滞后的反馈的比较器261至263组合，提供自时钟布置。
通过比较器261至263附近的反馈与环路滤波器20和线路10上的输入波形本身的组合的提供的滞后定义了开关模式电源2的带宽和切换速率。
整体上，量化器6将在输入线路14上提供的模拟信号转换成在线路281至283上的一系列数字信号，如果输入信号在温标上超过阈值(或过渡点)，这些数字信号中每一个被设置为高。
围绕比较器261至263的滞后反馈提供用作内部时钟的振荡条件。整体反馈回路中的积分器20提供用于量化器的斜坡。
经由反馈线路16从输出12到输入级路4的闭环反馈的设置提供了图1的开关模式电源2的希格玛(∑)拓扑(sigma topology)。
希格玛拓扑和德尔塔拓扑均在图1的开关模式电源中提供，图1是用于开关模式电源的异步德尔塔-希格玛(∑-Δ)控制器的实现方式。
用于异步操作的图1的布置在量化器中使用从同步操作已知的适于进一步调适的某些技术和某些功能性。然而，不提供外部时钟信号，且因而布置是异步的。异步操作通过围绕比较器261至263的反馈连接的设置和示例性地实施为积分器20的环路滤波器的设置来实现。
因而图1的布置示出用于异步开关模式电源的完整德尔塔-希格玛电源调制器回路。积分器20与围绕比较器261至263的反馈的滞后范围以及由线路16上的反馈提供的回路延迟一起设置回路带宽。
图1的异步开关模式电源可以在另外的实施方式中进一步改进。现在描述的另外的实施方式不限于图1的异步开关模式电源的指定实现方式。下面的改进可以实施在任意异步开关模式电源中，且并不限于与图1的详细布置组合地实施。然而，它们可以有利地与如图1所示的异步开关模式电源的实现方式组合地实施。在使用相似参考数字的图中，每个图中指示的元件指示相应的元件。
参考图2，说明了对图1的开关模式电源2的输入级4的改进。如图2所示，另外的组合级36被包括在输入级4中。积分器20的输出向组合级36提供第一输入。线路10上的参考输入信号向组合级36提供第二输入。组合级36的输出在到量化器6的输入处提供在线路14上的信号。否者，图1的输入级4未经修改。
图2的改进提供在高带宽改进的精确跟踪。输入参考信号被直接前向反馈到量化器输入。对于高频，量化器6的行为就好像它是没有反馈的开环量化器。在低频，线路16上的反馈提供闭环操作。因而，在低频操作中，德尔塔-希格玛功能操作，通过组合输入参考信号和反馈输出信号允许量化级之间的插值。因而，通过直接向量化器的输入前向反馈参考信号获得改进。
在图3中说明对于图1的开关模式电源的另一修改。同样，改进涉及输入级4。如图3所示，与图2的布置相比，输入级4被进一步修改以包括延迟块38。应当理解，尽管图3的改进与图2的改进组合地输出，可以在不实施与图2相关联的改进的条件下获得图3的改进。
进一步参考图3，在减法器18的输入处提供延迟块38，使得线路10上的参考输入信号在被提供到减法器18的输入之前通过延迟块38延迟。在其它方面，与图2的输入级4相比，输入级未经修改。延迟块38的实现方式有利于开关模式电源的跟踪精确度。延迟块38的延迟优选地计算为等于切换级34引入的延迟。这导致应用于减法器18输入的输入参考信号与线路16上的反馈信号时间对准，从而在减法器18的输出提供改进的误差信号。
参考图4，例示了对于图1的异步开关模式电源的又一优选改进。在图4的布置中，根据如图1所示的布置实施输入级4。然而，应当理解，输入级4可以根据图2或图3中示出的改进中的任意一个实施，且在无图2的改进的条件下根据图3的改进实施。
由于器件大小，电源开关8向反馈系统添加明显延迟。图4的布置克服这种延迟的缺点。这通过跟踪用于从电源开关级8的输入或量化器6的输出而不是电源开关级8的输出向输入级4提供反馈的输出信号实现，且因而避免了电源开关的延迟。
参考图4，在该实施方式中，提供包括相关解码器44和转换开关42的附加切换级40。解码器44接收在量化器6的线路281至284上的输出作为输入。在备选布置中，可以不提供解码器44，且切换级40可以从线路32上的解码器30的输出接收控制信号。切换级40的输出在线路52上提供到减法器50，该减法器50代替了图1的输入级4的减法器18。减法器50代替减法器18以提供另一示例性修改中的附加组的输入。如下面进一步描述，除了线路10上的输入参考信号和线路52上的来自切换级40的反馈信号，图4的输入级4的减法器50可选地接收第三组输入。
线路281至283上的量化器6的输出(或线路32上的解码器30输出)同时操作输出电源开关8的切换级34和可以被认为包含局部低电源开关的切换级40。
在优选实施方式中，切换级40包含一组电流开关43，其切换从输入电压得出的开关电流到如电压源V1'至V4'指示的主开关。切换级40的局部开关43的输出则变成电源开关8的相应主开关33的输出的复制。切换级40是切换级34的低功率和小规模复制。
因而，切换级40包括一般通过开关43指示的多个开关，该多个开关对应于一般通过开关33指示的切换级8的多个开关。然而，因为可以使用比电源切换级8明显更小的物理器件实施切换级40，与电源开关8导致的延迟相比，切换级40导致的延迟明显减小。因而，通过提供来自切换级34的输入(或量化器6的输出)而不是切换级34的输出的反馈回路，在仍提供希望的反馈信息的同时，控制回路的延迟明显减小。
另一可选改进可以包括在图4的布置中，其包含电流检测器46和通过反馈线路48提供到减法器50的附加反馈回路。如图4所示，电流检测器46连接为接收输出线路12上的信号，且反馈路径48连接电流检测器的输出到减法器50的可选第三输入。因而，电流检测器46提供的反馈与来自切换级40的反馈52的减法一起从线路10上的输入参考信号减去。
电流检测器46和反馈路径48提供围绕开关模式电源的第二反馈回路。这校正了流经电源开关8的切换器件的电流引入的任意误差。
电流检测器46提供的校正回路测量实际上可以是从电源开关级8的输出得出的任意参数，且例如可以用于在从信号线路12接收输入的校正放大器中去除偏移电流。
在又一修改中，在任意实施方式中，量化器6可以被修改以使得参考信号241至243是动态的，以跟踪电源开关级8中转换开关输入级中的变化，使得量化级并不是被固定，它们将跟踪相关电源中的变化。电源中的变化例如可以是不良调节电源的结果。
另外，上面描述的各个实施方式还可以通过使用单极环路滤波器代替积分器20修改。这种单极环路滤波器将仍提供积分器20的求和或希格玛操作。如上所述，积分器是这种滤波器的复制。
在同步脉冲宽度调制(PWM)控制器中，可以通过使用多级转换开关来增加系统的分辨率。时钟信号的不同相位可以被使用，使得分辨率增加。例如，在双相位系统中，分辨率可以翻倍。这允许可以选择输出电压的电压范围翻倍。
在不存在时钟信号的异步系统中，不可能使用时钟信号的不同相位来增加分辨率。在根据本发明的一个实施方式中，提供一种用于增加异步系统的分辨率的技术，使得同步系统中多相位时钟的用户实现的有效分辨率增益在异步系统中被赶超。
为了实现这种更大的分辨率，在该实施方式中，图1的量化器6中的级数目增加。以这种方式，可以增加系统的分辨率，实际上，级数目对应于同步系统中增加后的相位数目。
一般地，根据所述实施方式，量化级的数目n增加m倍从n+1个电源电压提供增加数目的mn+1个输出电压。在实施方式中，这通过提供m个转换开关级实现，该转换开关级均在n+1个电源电压之间切换。用于说明性示例的目的，n＝3且m＝2。
参考图5，例示了对于图1的量化器6的修改，调适为根据该布置提供增加数目的量化器输出级。在所述指定示例中，与图1相比，量化器级的数目翻倍为6，且因此在线路281至286上产生指示为Q1至Q6的6个量化器输出。
如上面参考图1所讨论，图5的量化器6包含多个、在所述示例中为6个相同的量化器电路。每个从线路14上的积分器或环路滤波器接收公共输入信号，且产生相应多个量化器输出信号中的一个。
使用图1的布置，图5的每个量化器级设置有可以指示为VREF1至VREF6的相应参考电压。尽管与图1的布置相比，量化器级的数目增加(翻倍)，电源电压的数目保持相同。因而，在图1中，每个量化器提供位于两个独立电源电压之间的过渡点，而在图5的布置中，每对量化器均具有位于两个相邻电源电压之间的过渡点。这些过渡点指示用于一对量化器级中的每个量化器级的参考电压。
因而，用于VREF1和VREF2的参考电压或过渡级必须位于0至1V伏特之间；用于VREF3和VREF4的参考电压必须位于1和2伏特之间，且用于VREF5和VREF6的参考电压必须位于电压级2伏特和3伏特之间。
另外，在每对量化器级内，过渡级必须不同地设置，使得量化器输出从一个状态向另一个状态过渡的点不同，否则附加量化器的设置将没有效果。
根据优选实施方式，用于每个量化器级的参考电压设置如下：
VREF1＝0.25V
VREF2＝0.75V
VREF3＝1.25V
VREF4＝1.75V
VREF5＝2.25V
VREF6＝2.75V
因而从上文可以看出，对于每对量化器级，存在响应于增加或减小输入信号直到从一个电压级过渡到相邻电压级的过渡点的过渡。
为了使得系统的分辨率翻倍，在维持相同数目的电源电压的同时，每个量化器级被翻倍或复制。
本领域技术人员应当意识到，参考图5描述的实施方式的原理可以进一步扩展。应当理解，图1的每个量化器级被图5中的两个量化器级代替。这可以扩展，使得图1的每个量化器级被备选布置中的三个或更多量化器级代替。在三个量化器级代替图1的一个量化器级的情况中，例如，用于三个量化器级组内每个量化器级的参考电压被适当地设置，使得用于每个量化器级的过渡级不同。例如，量化器过渡级可以设置为使得用于与电源电压级0伏特和1伏特之间的过渡相关的三个量化器级的最低组的参考电压是0.25V、0.5V和0.75V。
表1例示来自图5的量化器6的量化器输出Q1至Q6，例示了每个量化器输出的状态输出级，以及用于所述示例中每组量化器输出的输出切换级的所旨输出电压。
Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 输出电压
0 0 0 0 0 0 0V
1 0 0 0 0 0 0.5V
1 1 0 0 0 0 1V
1 1 1 0 0 0 1.5V
1 1 1 1 0 0 2V
1 1 1 1 1 0 2.5V
1 1 1 1 1 1 3V
表1
在使用图1的量化器6的所述示例中，输出切换级被控制为允许输出在电压级V1至V4之间切换，用于示例目的，V1至V4可以被认为是电压级0V、1V、2V和3V。
在图6中例示了根据本发明的优选实施方式用于在图5的量化器的控制下操作的输出级控制器和输出切换级。
如图6所示，控制器202接收量化器输出信号Q1至Q6作为输入。控制器202分别在信号线路204和206上产生开关控制信号SW1和SW2。开关控制信号控制输出切换级209的相应开关208和210。每个开关208和210被控制为切换4个电源电压V1至V4(例如对应于电压级0V至3V)中的一个到相应电感器212和214的第一端子。相应电感器212和214的第二端子在输出线路216上组合，在该输出线路216上形成输出电压。
根据描述的实施方式，在电源开关8的输出级中，存在与图1的布置相同数目的电源电压，但是具有一半大小几何尺寸的两个电源开关级被引入以代替图1的单个开关级。每两个量化器状态(来自于前面一个量化器状态)然后在两个开关每一级映射到两个状态。这允许输出电压在电压级0V、0.5V、1V、1.5V、2V、2.5V和3V之间切换。
参考表2，例示了针对每组开关位置通过输出转换开关级产生的输出电压。
表2
在表2中可以看出，当输出电压对应于干线电压(rail voltage)(即0V、1V、2V或3V)时，相应开关均切换以连接到该干线电压，且因而总是处于相同的状态。当输出电压对应于中干线电压(mid-rail voltage)(即0.5V、1.5V或2.5V)时，相应开关可以切换到两个可能组合中的一个，其中一个开关连接到该对干线电压的较低干线电压，且另一开关连接到该对干线电压的较高干线电压。
一般地，根据本发明的方面的这种调适将n级量化器转换成mn级量化器。在所述示例中，m＝2。量化器因而产生mn个输出以控制m个输出切换级以允许从n+1个电源电压产生mm+1个输出信号。因而，输出电压的分辨率增加而不增加电源电压的数目。
从上文应当理解，这可以进一步扩展以进一步增加分辨率。在所述示例中，提供两个输出切换级，但是本发明可以扩展到三个或更多的输出切换级。因而，在上述附加示例中，其中在提供4个电源电压的示例中，图1的每个单个量化器级使用三个量化器级代替，提供三个输出切换级以允许输出电压被切换以产生10个可能的输出电压中的一个。
提升两个量化级意味着两个开关恰好同时改变状态。
提升一个量化级需要一个转换开关的状态的改变。
量化器输出Q1至Q6作为输入提供到控制器202，该控制器202在线路204和206产生开关控制信号SW1和SW2。表3例示了量化器输出的状态到控制器202中的开关状态的映射，有效地组合了表1和表2。
表3
从表3可以看出，转换开关状态的两个组合可以用于产生尤其是0.5V、1.5V和2.5V的某些输出电压。在优选布置中，这可以用于平衡电感器212和214中的电流以克服潜在问题。
当开关208和210使用连接到一对相邻干线级的较高电压的一个开关和连接到较低电压的一个开关配置时，电感器212和214的结合处的输出电压导致它是两个电压之间的中点。实际上，这是为在输出线路216上产生中干线电压所需的条件。然而，如果该条件被连续地维持，不贡献于输出的电压级之间的电流将增加，直到它被开关晶体管电阻和电感器电阻限制。
为了避免该问题，控制器202可以配置成在导致相同输出电压的状态的两个组合之间交替开关。作为这种控制的结果，电感器之间的差电流以梯形方式振荡而不是连续增加，因而避免了该问题。
因而，在优选实施方式中，控制器被调适为使得，如果量化器输出指示要求开关分别连接到相邻对的干线电压的较高和较低电压大于某一预定阈值时间段的时间段的输出电压，则当确定时间段达到阈值时，开关状态通过控制器反转。例如，如果SW1＝1且SW2＝2，且达到阈值时间限制，则开关改变，使得SW1＝2且SW2＝1。
在优选布置中，当高带宽信号被输出时，转换开关输出在每次出现到半干线电压的切换条件时交替。换句话说，当控制器确定半干线输出电压被设置使得一个开关被设置为较高电压且另一个被设置为相邻较低电压时，控制器确定在连接半干线电压的先前时间中哪个开关连接到较高电压，且这一次将它连接到较低电压或反之亦然。
这可以通过示例理解。假设输出电压按照电压1V、1.5V、2V、2.5V排序。当检测到1V的条件时，控制器设置SW1＝1且SW2＝1。当确定1.5V的条件时，控制器决定设置SW1＝1且SW2＝2。当确定2V的条件时，控制器设置SW1＝2且SW2＝2。当确定2.5V的条件时，控制器验证在最后一次确定中干线电压条件时什么开关条件被设置。在这种情况中，检测到1.5V，且设置开关SW1＝1且SW2＝2。依赖于该验证，控制器反转开关到高/低压的连接，且设置SW1＝3且SW＝2，而非SW1＝2且SW2＝3。这样，转换开关在交替的转换开关状态之间轨道循环(trajectory loop)。
因而，控制器202优选地调适为包括存储器220，用于存储当前中干线条件中开关的先前状态，以用于确定下一中干线条件中开关的状态。
如上所述，与前一中间输出电压处的极性相比，开关208和210的相对极性因而在每个中间输出电压翻转，且因此，两个开关之间的不同电压的极性在每个中间电压输出翻转。这具有明显的优点：实现了电感器电流平衡，而无需在不实施这种翻转时所需的上述任意额外开关过渡。
因而，上面讨论的确保开关不维持其中一个连接高且另一个连接低的状态明显时间的一般目的可以通过每次进入中干线电压开关条件时翻转连接而解决。
可能出现另一问题。该问题可以通过示例理解。当数字信号被处理时，任意中间状态中的时间长度是不定的，这可能导致电感器非平衡电流的“随机游动”。
为了约束这种电流，可以提供额外的校正回路。该校正回路具有比较器，使得一旦平衡电流的输出超过阈值，则上面描述的转换开关状态切换优选地失效，且转换开关状态中的一个被强迫为永久地高于另一个。优选地，如果从转换开关SW1流动到转换开关SW2的电流过剩，则转换开关SW1被禁止变得高于转换开关SW2，直到电流下降到阈值以下。其结果是减小电流的新电流轨道。
图7说明结合这种修改的控制器202的示例实现方式。控制器202包括平衡检测器220，用于检测在电感器212和214中的每一个中流动的电流且比较它们。平衡检测器220在输入线路226上接收指示为Isw1的代表开关208的输出电流的信号；且在输入线路228上接收指示为Isw2的代表开关210的输出电流的信号。电流Isw1和Isw2是相应电感器212和214中的电流。平衡检测器是在输出信号线路230上具有(Isw1-Isw2)的输出的类似减法器功能。
一对比较器222和224均接收线路230上平衡检测器220的输出作为一个输入。相应比较器222和224均在线路232和234上接收正断电级参考或阈值信号ERROR(误差)+以及负断电级参考或阈值信号ERROR(误差)-作为相应附加输入。断电级参考信号被标记为误差信号，因为它们指示正或负方向任意一个中的误差条件，代表相应方向中的阈值，在该阈值以上，确定出现误差。
如果线路236和238上的比较器输出中的任意一个都不设置为高，则控制器202正常操作，且上面描述的翻转操作优选地执行。
如果线路236上的比较器222的输出被设置为高，则开关210被强迫连接到电压对中较高一个，且如果线路238上的比较器224被设置为高，则开关208被强迫连接到电压对中较高一个。如果比较器222和224中的任意一个通过图7的电路设置为高，则相关条件维持，直到电流回到(比较器输出复位检测的)范围内，且正常操作恢复。
因而，当电流超过正方向中的断电级参考信号ERROR+时，开关被强迫增加负方向中的电流，且当电流超过负方向中的断电级参考信号ERROR-时，开关被强迫增加正方向中的电流。当过度条件中的任意一个都未被检测时，如上面所讨论，转换开关状态允许根据优选实施方式切换。
诸如图7中直接测量电感器中的电流的平衡块的一个备选是在信号线路204和206上接收数字转换开关控制信号sw1和sw2、减去它们且然后积分它们的“虚拟平衡块”。该输出然后用于驱动比较器222和224而不是平衡块220的输出。这将比诸如图7的平衡块布置更简单地实现，但不是相当精确。
参考图8，现在描述如此处所述的异步开关模式电源的示例实现方式。在示例实现方式中，异步开关模式电源被用在用于RF功率放大器的包络跟踪电源中。
参考图8，例示了图1的异步开关模式电源2。异步开关模式电源可以根据上面描述的实施方式中的任意一个组合地或单独地实施。
参考数字68指示RF放大器，其在线路70上接收将被放大的RF输入信号，且在线路73上产生放大的RF输出信号。包络检测器66在线路70上接收RF输入信号，且在线路10上产生包含RF输入信号的包络复制的参考信号。线路10上的参考信号被附加地作为第一输入提供到减法器64，该减法器64向误差校正放大器62提供输出。误差校正放大器62的输出形成到组合器60的第一输入。组合器60的第二输入通过来自异步开关模式电源2的线路12上的输出信号提供。线路72上的组合器60的输出提供用于RF放大器68的电源电压，且连接到其电源端子。另外，线路72上的组合器60的输出提供到减法器64的第二输入。减法器64因而从线路10上的参考信号减去线路72上的输出信号，从而向误差放大器提供指示输出信号和输入参考之间的误差的输入。这与线路12上的开关模式电源的输出组合以校正其中的误差。误差放大器62用作与相对缓慢或低频开关模式电源2并行的快速或高频误差校正路径，以在线路72上提供改进的包络跟踪电源信号，这改进了用于RF放大器的功率放大级的整体效率。
此处通过参考各个示例和非限制性实施方式描述了本发明。本领域技术人员应当意识到，可以对所述示例做出其它修改，且所述示例可以以各种方式组合，而不偏离所附权利要求限定的本发明的范围。

Claims (38)

1.一种异步开关模式电源，该异步开关模式电源包括：
减法器，其用于从参考信号减去所述开关模式电源的输出；
积分器，其用于对经减法处理后的输出进行积分以获得积分输出；
量化器，其用于根据所述积分输出产生多个量化器输出；以及
电源切换级，其用于根据所述量化器输出将多个电源电压中的一个连接到所述开关模式电源的所述输出。
2.根据权利要求1所述的开关模式电源，其中，所述量化器包括多个比较器，每个比较器设置有从所述比较器的输出到所述比较器的输入的反馈回路。
3.根据权利要求2所述的开关模式电源，所述开关模式电源还包括多个组合器，所述多个组合器用于组合每个相应比较器的输出与基于所述积分输出的信号以向相应比较器中的每一个提供输入。
4.根据权利要求3所述的开关模式电源，所述开关模式电源还包括多个参考信号和多个其它组合器，所述多个其它组合器每一个均布置为组合相应参考信号与所述积分输出，以提供用于接收相应比较器中的每一个比较器的输出且产生用于相应比较器的输入的组合器的积分输出的表达。
5.根据权利要求4所述的开关模式电源，其中，所述多个参考信号根据所述电源切换级中的所述多个电源电压而产生。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的开关模式电源，其中，所述电源切换级接收所述多个量化器输出，且根据所述多个量化器输出而将所述多个电源电压中的一个连接到所述开关模式电源的所述输出。
7.根据权利要求1所述的开关模式电源，其中，所述多个量化器输出通过所述电源切换级中的电源电压的数目确定。
8.根据权利要求1所述的开关模式电源，其中，所述积分器包括环路滤波器。
9.根据权利要求1所述的开关模式电源，所述开关模式电源还包括布置为组合所述积分输出和所述参考信号的组合器，该组合器的组合输出提供到所述量化器的输入。
10.根据权利要求1所述的开关模式电源，所述开关模式电源还包括连接为接收所述参考信号的延迟级，并且组合器布置为组合所述延迟级的输出与代表所述开关模式电源的输出的反馈信号。
11.根据权利要求10所述的开关模式电源，其中，所述延迟级的延迟对应于所述电源切换级的延迟。
12.根据权利要求1所述的开关模式电源，所述开关模式电源还包括另外的切换级，所述另外的切换级用于接收所述多个量化器输出且用于将代表电源电压的多个信号中的一个信号连接到所述减法器。
13.根据权利要求12所述的开关模式电源，其中，所述另外的切换级的切换器件小于所述电源切换级的切换器件。
14.根据权利要求12或13所述的开关模式电源，其中，所述多个信号是电流信号。
15.根据权利要求12所述的开关模式电源，所述开关模式电源还包括从所述电源切换级的输出到所述减法器的反馈路径，其中，所述减法器组合所述参考信号、来自所述另外的切换级的反馈信号和来自所述电源切换级的所述输出的反馈信号。
16.一种包络跟踪电源，该包络跟踪电源包括根据权利要求1至15中任一项所述的开关模式电源。
17.根据权利要求16所述的包络跟踪电源，该包络跟踪电源还包括用于产生将与所述开关模式电源的所述输出组合的误差信号的误差校正路径。
18.根据权利要求16所述的包络跟踪电源，其中，所述电源切换级包括多个转换开关级，每个转换开关级调适为根据所述量化器输出将多个开关模式电源中的一个切换到所述转换开关级的输出，且所述电源切换级还包括用于组合转换开关级输出的组合器。
19.根据权利要求16所述的包络跟踪电源，其中，所述量化器被设置为产生m个量化器输出，且所述电源切换级包括m个切换级，每个切换级被设置为根据所述量化器输出将n个电源电压中的一个连接到所述开关模式电源的输出，且所述电源切换级还包括用于组合每个切换级的输出以产生所述开关模式电源的输出的组合器。
20.一种用于异步开关模式电源的方法，该方法包括以下步骤：
从参考信号减去所述开关模式电源的输出；
对经减法处理后的输出进行积分以获得积分输出；
通过量化器根据所述积分输出产生多个量化器输出；以及
通过电源切换级根据所述量化器输出将多个电源电压中的一个连接到所述开关模式电源的所述输出。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述量化器包括多个比较器，每个比较器设置有从所述比较器的输出到所述比较器的输入的反馈回路。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述开关模式电源还包括多个组合器，所述组合器用于组合每个相应比较器的输出与基于所述积分输出的信号以向相应比较器中的每一个提供输入。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述开关模式电源还包括多个参考信号、输出级、多个比较器、和多个其它组合器，并且其中，所述方法还包括以下步骤：
通过所述多个其它组合器组合相应参考信号与所述积分输出，以提供用于接收相应比较器中的每一个比较器的输出且产生用于相应比较器的输入的组合器的积分输出的表达。
24.根据权利要求23所述的方法，所述方法还包括根据所述电源切换级中的所述多个电源电压而产生所述多个参考信号。
25.根据权利要求20至24中任一项所述的方法，所述方法还包括：在所述电源切换级，接收所述多个量化器输出，且根据所述多个量化器输出而将多个电源电压中的一个连接到所述开关模式电源的所述输出。
26.根据权利要求20所述的方法，所述方法包括通过所述电源切换级中的电源电压的数目确定所述多个量化器输出。
27.根据权利要求20所述的方法，其中，对经减法处理后的输出进行积分的步骤通过环路滤波器来执行。
28.根据权利要求20所述的方法，所述方法还包括被设置为组合所述积分输出和输入参考信号的组合器，该组合器的组合输出提供到量化器的输入。
29.根据权利要求20所述的方法，所述方法还包括连接为接收输入参考信号的延迟级，所述方法包括组合所述延迟级的输出与代表所述开关模式电源的输出的反馈信号。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述延迟级的延迟对应于所述电源切换级的延迟。
31.根据权利要求20所述的方法，所述方法还包括另外的切换级，所述方法包括接收所述多个量化器输出且将代表电源电压的多个信号中的一个信号连接到减法器，所述减法器被配置为执行从参考信号减去所述开关模式电源的输出的所述步骤。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述另外的切换级的切换器件小于所述电源切换级的切换器件。
33.根据权利要求31或32所述的方法，其中，所述多个信号是电流信号。
34.根据权利要求31所述的方法，所述方法还包括提供从所述电源切换级的输出到所述减法器的反馈路径，其中，所述减法器组合输入参考信号、来自所述另外的切换级的反馈信号和来自所述电源切换级的所述输出的反馈信号。
35.一种在包络跟踪电源中的方法，所述方法包括根据权利要求20至34中任一项所述的用于异步开关模式电源的方法。
36.根据权利要求35所述的方法，所述方法还包括用于产生将与所述开关模式电源的所述输出组合的误差信号的误差校正路径。
37.根据权利要求35所述的方法，其中，所述开关模式电源的所述电源切换级包括多个转换开关级，每个转换开关级根据所述量化器输出将所述多个电源电压中的一个切换到所述转换开关级的输出，且所述方法还包括组合转换开关级输出。
38.根据权利要求35所述的方法，其中，所述量化器产生m个量化器输出，且所述开关模式电源的所述电源切换级包括m个切换级，每个切换级根据所述量化器输出将n个电源电压中的一个连接到所述开关模式电源的输出，且还包括组合每个切换级的输出以产生所述开关模式电源的所述输出。
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