CN105075090B - 具有降压-升压过渡切换控制的降压-升压转换器 - Google Patents

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Abstract

在一个实施例中，利用单个电感器(L)、配置为非连续导通模式(DCM)的四开关(S1‑S4)降压‑升压调节器可操作一种降压‑升压调节方法。当电感器充电时间超过最长充电时间并且电感器放电时间超过最长放电时间时，经由控制器(110)的降压‑升压过渡切换控制可工作，并且包括：(a)在充电过渡周期期间，在最长充电时间结束时，如果IL小于预定峰电流IL_MAX，则闭合开关S2(使电感器的输出侧接地)而断开开关S4，引起IL增大(快速的S1S2充电电流斜坡)，直到IL达到IL_MAX，以及(b)在放电过渡周期期间，在最长充电时间结束时，如果IL大于零，断开开关S1而闭合开关S3(使电感器的输入侧接地)，引起IL增大(快速的S3S4IL放电电流斜坡)，直到IL达到零。

Description

具有降压-升压过渡切换控制的降压-升压转换器
技术领域
本申请总体涉及降压-升压切换转换器/调节器，并且更具体地涉及在降压-升压过渡期间实施切换控制。
背景技术
降压-升压切换转换器拓扑结构一般需要某一切换控制机制，以确保在降压和升压之间的过渡期间的正确操作，在该期间输入和输出电压接近并且负载电流低。
一种常见的方法是双斜坡PWM(脉冲宽度调制)。这种方法的缺点包括由于过渡的换向造成在过渡区域处的较低效率和较大的Iq(由DC偏置导致的静态电流或地电流，即电流不可用于负载)。
另一常见的方法是使用比较器确定是输入电压还是调节的输出电压较大，并且在过渡期间控制单个开关。这种方法的缺点包括由于“循环”造成的慢响应，并且如果未调节的输入电压显著地低于调节的输出电压，那么能够导致显著的电路稳定性问题。可替代的方法由US5734258说明，其描述了复杂电感器耦合布置。这种方法的缺点包括对负载电流快速变化的较慢响应，和在输入电压和输出电压几乎相等时的不可预测的操作。
另一种可替代的方法在US6275016中说明，其中切换控制通过具有来自误差比较器的输入并且使用切换历史的时钟控制的状态机来提供。这种方法的缺点是时钟计时，其需要高Iq和低负载电流处的较低效率，以及混沌效应和分谐波振荡。
发明内容
提供用于降压-升压切换控制(调节)的装置和方法，包括在降压-升压过渡期间的切换控制。降压-升压调节方法能够适合在DCM(非连续导通模式)中工作的单电感器降压-升压转换器构架。
在一个实施例中，降压-升压调节方法能够适合于降压-升压调节器，所述降压-升压调节器包括电感器，其在第一电感器节点处耦合至输入电源并在第二电感器节点处耦合至输出节点；输出电容器，其耦合至输出节点，与负载并联；并且包括切换网络，其具有开关S1、开关S2、整流部件S3和整流部件S4，开关S1耦合在输入电源和第一电感器节点之间，开关S2耦合在第二电感器节点和地之间，整流部件S3耦合在第一电感器节点和地之间并且经配置能够允许在向前方向上的向前电流并阻止在相反方向上的反向电流，整流部件S4耦合在第二电感器节点和输出节点之间并且经配置以能够允许从第二电感器节点至输出节点的向前电流并且阻止从输出节点至第二电感器节点的反向电流。
降压-升压调节方法包括控制切换网络以控制包括电感器充电和放电的电感器电流IL，从而提供三种模式的电力转换：(a)降压模式，其当输入电力大于调节的输出电力时，通过降压过渡参数提供下转换，其中降压过渡参数对应于预定的最长充电时间；(b)升压模式，其当输入电力小于调节的输出电力时，通过升压过渡参数提供上转换，其中升压过渡参数对应于预定的最长放电时间；以及(c)过渡模式，其当输入电力和调节的输出电力之间的差对应于降压-升压过渡状况时，启用过渡模式，降压-升压过渡状况由超过最长充电时间的电感器充电时间和超过最长放电时间的电感器放电时间表示。在过渡模式期间，控制切换网络以在充电过渡周期和放电过渡周期之间进行过渡。
在充电周期期间，通过如下方式控制对电感器的充电：(a)闭合开关S1而断开开关S2，其中整流部件S3经配置以阻止从输入电源至地的反向电流，并且其中整流部件S4传导向前电流，使得电感器电流IL利用S1S4A IL电流斜坡对电感器充电；(b)在最长充电时间结束时，确定IL小于预定峰电流IL_MAX；并且做出响应，(c)闭合开关S2，使第二电感器节点接地(整流部件S4阻止任何从输出节点到第二电感器节点的反向电流)，使得IL增大至在量值上大于S1S4A IL电流斜坡的S1S2IL电流斜坡，直到IL达到IL_MAX。
在放电周期期间，通过如下方式控制电感器放电：(a)闭合开关S1而断开开关S2，其中整流部件S3经配置以阻止从输入电源到地的反向电流，并且整流部件S4传导向前电流，使得电感器电流IL利用S1S4B IL电流斜坡将电感器放电；(b)在最长放电时间结束时，确定IL大于零；并且做出响应，(c)断开开关S1，其中整流部件S3经配置以将第一电感器节点连接至地(并且其中整流部件S4传导向前电流)，使得IL增大至在量值上大于S1S4A IL电流斜坡的S3S4 IL电流斜坡，直到IL达到零。
在另一个实施例中，该降压-升压调节方法能够适合于具有四晶体管切换网络的单电感器降压-升压转换器架构，该方法包括通过如下操作控制切换网络：(a)产生过零信号ZC3，其指示通过整流部件S3和第一电感器节点的电感器电流IL何时为零，(b)产生过零信号ZC4，其指示通过第二电感器节点和整流部件S4的电感器电流IL何时为零，(c)产生表示电感器电流IL的IL感测信号，(d)产生表示(基于IL)供应至负载的输出电压和调节的输出电压之间的差的电压调节误差信号；(e)基于IL感测信号和电压调节误差信号产生IL调节误差信号；以及(f)基于过零信号ZC1和ZC2和IL调节误差信号切换S1-S4，使得切换调节器供应对应于调节的输出电压的电感器电流IL。对于该实施例，能够通过如下操作产生IL调节误差信号：(a)产生表示电感器电流IL的IL感测电流，(b)产生对应于(基于IL)供应至负载的输出电压和对应于调节的输出电压的基准电压之间的差的电压调节误差电流；(c)基于IL电压调节电流信号和IL感测信号之间的差值产生IL调节电流，以及(d)相对于比较器基准，基于IL调节电流产生IL调节误差信号。在另一个实施例中，比较器基准能够对应于预定的滞后电平。
在配置成实施降压-升压调节方法的降压-升压转换器的实施例中，所述方法包括在降压-升压过渡期间控制切换，所述转换器包括：(a)切换网络，其耦合至第一和第二电感器节点和输出节点；第一和第二电感器节点经配置以耦合至电感器，而输出节点经配置以耦合至输出电容器；以及(b)切换控制器，其经配置以控制切换网络，从而控制包括电感器充电和放电的电感器电流IL。切换网络包括：(a)开关S1，其经配置以耦合至输入电源，并且耦合至第一电感器节点，(a)开关S2，其耦合在第二电感器节点和地之间，(a)整流部件S3，其耦合在第一电感器节点和地之间，并且经配置以在向前方向上传导向前电流并且在相反方向上阻止反向电流，以及(b)整流部件S4，其耦合在第二电感器节点和输出节点之间，并且经配置以将向前电流从第二电感器节点传导至输出节点，并且阻止反向电流从输出节点至第二电感器节点。
切换控制器经配置以控制切换网络，从而提供三种模式的电力转换：(a)降压模式，其当输入电力大于调节的输出电力时，通过降压过渡参数提供下转换，所述降压过渡参数对应于预定的最长充电时间；(b)升压模式，其当输入电力小于调节的输出电力时，通过升压过渡参数提供上转换，其中所述升压过渡参数对应于预定的最长放电时间；以及(c)过渡模式，其当输入电力和调节的输出电力之间的差对应于降压-升压过渡状况时，启用所述过渡模式，降压-升压过渡状况由超过最长充电时间的电感器充电时间和超过最长放电时间的电感器放电时间表示。在所述过渡模式期间，切换控制器在充电过渡周期和放电过渡周期之间过渡。
在充电周期期间，切换控制器通过如下方式控制对电感器的充电：(a)闭合开关S1而断开开关S2，其中整流部件S3经配置以阻止反向电流从输入电源至地，并且其中整流部件S4传导向前电流，使得电感器电流IL利用S1S4A IL电流斜坡对电感器充电；(b)在最长充电时间结束时，确定IL小于预定峰电流IL_MAX；并且做出响应，(c)闭合开关S2，以使第二电感器节点接地(整流部件S4阻止任何从输出节点到第二电感器节点的反向电流)，使得IL增大至在量值上大于S1S4A IL电流斜坡的S1S2 IL电流斜坡，直到IL达到IL_MAX。
在放电周期期间，切换控制器通过如下方式控制电感器放电：(a)闭合开关S1而断开开关S2，其中整流部件S3经配置以阻止反向电流从输入电源到地，并且其中整流部件S4传导向前电流，使得电感器利用S1S4B IL电流斜坡放电；(ii)在最长放电时间结束时，确定IL大于零；并且对(ii)做出响应，断开开关S1，其中整流部件S3经配置以将第一电感器节点连接至地(并且其中整流部件S4传导向前电流)，使得IL增大至在量值上大于S1S4A IL电流斜坡的S3S4 IL电流斜坡，直到IL达到零。
在另一个实施例中，该降压-升压调节方法能够适于配置有四晶体管切换网络的单电感器降压-升压转换器，其中该切换控制器包括：(a)过零比较器ZCC3和ZCC4，其经配置以提供各自的过零信号ZC3和ZC4，并且分别控制整流部件S3和S4的切换；(b)状态机，其经配置以基于过零信号ZC3和ZC4和IL调节误差信号控制开关S1和开关S2的切换；以及(c)IL调节电路，其经配置以基于如下信号提供IL调节误差信号：(i)IL感测信号，其表示电感器电流IL，以及(ii)电压调节误差信号，其表示(基于IL)供应至负载的输出电压和调节的输出电压之间的差；使得(d)切换转换器供应对应于调节的输出电压的电感器电流IL。对于该实施例，切换控制器能够包括：(a)IL感测电路，其经配置以提供表示电感器电流IL的IL感测电流；(b)VOUT感测电路，其包括(i)对应于调节的输出电压的基准电压；以及(ii)跨导放大器，其经配置以输出对应于(基于IL)供应至负载的输出电压和基准电压之间的差的电压调节误差电流；以及(c)IL调节电路，其包括(i)耦合至跨导放大器的输出端和IL感测电路的电流减节点，使得从电流减节点出来得到的IL调节电流对应于电压调节误差电流和IL感测电流之间的差；以及(ii)误差比较器，其经配置以相对于比较器基准基于IL调节电流提供IL调节误差信号。对于该实施例，比较器基准能够对应于预定的滞后电平。
附图说明
图1A和图1B图示说明示例单电感器降压-升压转换器/调节器架构，其适于与降压-升压切换控制(调节)方法一起使用，该方法包括降压-升压过渡切换控制，根据本发明：图1A图示说明单输入单输出(SISO)降压-升压转换器/调节器架构的示例实施例；以及图1B图示说明单输入多输出(SIMO)降压-升压转换器/调节器架构的示例实施例。
图2图示说明根据本发明的降压-升压过渡切换控制方法的示例实施例，包括在降压-升压过渡期间分别用于电感器充电和放电的充电过渡周期和放电过渡周期。
图3图示说明根据本发明的降压-升压调节器的示例实施例，其具有四晶体管切换网络，并且包括由状态机和过零比较器提供的切换控制，所述状态机实施降压-升压切换控制方法，包括降压-升压过渡切换控制。
图4A-图4C图示说明表示降压-升压切换控制方法的状态机实施的示例流程图，包括根据本发明的降压-升压过渡切换控制，也能够适合于诸如图1A/图1B图示说明的提供调节的输出电压AVCC、DVCC和AVSS的单电感器SISO/SIMO降压-升压调节器：图4A图示说明针对图1B图示说明的SIMO电压调节应用(AVCC、DVCC和AVSS)的示例降压-升压切换控制方法；图4B展开针对AVCC调节的调节流程，包括降压-升压过渡切换控制；以及图4C展开针对DVCC和AVSS调节的调节流程。
图5A和图5B图示说明降压-升压单电感器转换器拓扑结构的示例实施例，诸如能够与根据本发明的降压-升压过渡切换控制方法一起使用，并且其中一个或更多个开关被二极管替换：图5A是其中调节的输出电压是正的(VPOS)仅正实施例，其中二极管替换晶体管开关S3和S4；以及图5B是其中调节的输出电压能够是正(VPOS)或负(VNEG)的正/负实施例，其中二极管替换晶体管开关S4(并且包括增加的二极管S5)。
具体实施方式
根据本发明的包括降压-升压过渡切换控制的降压-升压调节(切换控制)方法能够适于在DCM(非连续导通模式)中工作的单电感器降压-升压切换转换器/调节器架构。转换器和调节器能够互换使用，尽管一般而言，调节器包括转换器电路以及合适的电感器和输出电容器(即，对于典型应用，电感器和输出电容器将不与转换器电路集成)。转换器电路包括切换网络，其耦合至电感器和关联的切换控制器，切换网络能够被集成或能够与例如实施为集成电路的切换控制器分开实施。为了简化，与图1A/图1B、图3和图5A/图5B有关的说明将图示说明的示例实施例指代为调节器。
图1A和图1B图示说明根据本发明的单电感器降压-升压调节器的示例实施例，其适于与包括降压-升压过渡切换控制的降压-升压调节方法一起使用。图1A图示说明单输入单输出(SISO)降压-升压调节器100A的示例实施例；以及图1B图示说明单输入多输出(SIMO)降压-升压调节器100B的示例实施例。
单电感器降压-升压调节器100A/100B两者均包括晶体管切换网络S1-S4和切换控制器110。SIMO调节器100B的切换网络包括与附加的已调节输出相关联的附加开关S5和S6。切换控制器根据降压-升压调节方法控制切换网络，该方法包括根据本发明的降压-升压过渡切换。
参见图1A，SISO降压-升压调节器100A的示例实施例经配置用于将由VIN表示的输入电力(例如，AVDD+18V至+36V)转换成由VOUT表示的(单个)已调节的正输出(例如，AVCC+3V至+30V)。调节器100A包括单个电感器101和输出电容器C1。电感器101耦合在电感器节点N1和N2之间，并且电容器C1耦合至输出节点N3。
切换网络S1-S4耦合至电感器节点N1/N2和输出节点N3。它包括开关S1和开关S2，开关S1经配置以耦合至输入电源/端子VIN并耦合至电感器节点N1，开关S2耦合在电感器节点N2和地之间。它还包括整流部件S3和S4，其在该示例实施例中被实施为晶体管开关，具有如下描述的合适控制。开关S3耦合在第一电感器节点和地之间，以及开关S4耦合在第二电感器节点和输出节点之间。在其中开关S3和S4能够被实施为二极管的实施例结合图5A/图5B讨论。
参见图1B，SIMO降压-升压调节器110B的示例实施例经配置用于将由VIN表示的输入电力(例如，AVDD+18V至+36V)转换成多个正的和负的已调节的输出电压，例如，在输出节点N3(输出电容器C1)处的AVCC+3V至+30V；在输出节点N4(输出电容器C4)处的DVCC+3V；以及在输出节点N5(输出电容器C5)处的AVSS-7V至-30V。
图2是根据本发明的降压-升压过渡切换控制方法的功能图示说明，如实施在针对四晶体管切换网络(例如，图1A/图1B)(S1-S4)的切换控制器中。
简单概述，针对此类四晶体管的实施例，降压-升压过渡切换方法在降压-升压过渡状况期间提供切换控制，降压-升压过渡状况由超过预定的最长充电时间的电感器充电时间和超过预定的最长放电时间的电感器放电时间表示。该方法在充电过渡周期和放电过渡周期之间过渡，从而分别控制降压-升压电感器的充电和放电。在充电周期期间，切换控制器：(a)闭合开关S1 S4而断开开关S2 S3，在最长充电时间期间，提供利用S1S4A IL电流斜坡对电感器充电的电感器电流IL，并且然后(b)在最长充电时间结束时，如果IL小于预定峰电流IL_MAX，则闭合开关S2而断开开关S4，使得IL增大至在量值上大于S1S4A IL电流斜坡的S1S2 IL电流斜坡，直到IL达到IL_MAX。在放电周期期间，切换控制器：(a)闭合开关S1S4而断开开关S2S3，并且电感器利用S1S4B IL电流斜坡放电，并且然后(b)在最长放电时间结束时，如果IL大于零，断开开关S1而闭合开关S3，使得IL增大至在量值上大于S1S4A IL电流斜坡的S3S4IL电流斜坡，直到IL达到零。
参考图2和图1A，根据本发明的降压-升压过渡切换控制方法可操作用以控制切换网络S1-S4，从而控制通过电感器101的包括电感器充电和放电的电感器电流IL，并且因此提供三种模式的电力转换：降压模式、升压模式和过渡模式。降压和升压模式是常规的：(i)降压模式在输入电力输入电力大于已调节的输出电力时，通过降压过渡参数提供下降型电力转换，其中降压过渡参数对应于预定的最长充电时间；以及(ii)升压模式在输入电力小于已调节的输出电力时，通过升压过渡参数提供上升型电力转换，其中升压过渡参数对应于预定的最长放电时间。
在输入电力和已调节的输出电力之间的差对应于由超过最长充电时间的电感器充电时间和超过最长放电时间的电感器放电时间表示的降压-升压过渡状况时，降压-升压过渡模式在降压-升压过渡状况期间操作。在过渡模式期间，切换控制器在充电过渡周期和放电过渡周期之间过渡，分别控制电感器充电和放电。
充电周期(电感器充电)具有两个阶段：(a)在S1S4A阶段期间，开关S1和S4均闭合，而开关S2/S3断开，以及(b)在S1S2阶段期间，开关S2闭合而开关S4被断开(开关S3仍断开以阻止反向电流从VIN至地)。在S1S4阶段期间，电感器电流IL坡升至S1S4A IL电流斜坡，对电感器充电。在最长充电时间结束时，切换控制器(a)确定电感器电流IL小于预定的峰电流IL_MAX，并且作为响应，(b)切换至S1S2阶段，闭合开关S2使得电感器节点N2接地，而断开开关S4以阻止任何来自输出节点N3的反向电流。电感器电流IL增大至在量值上大于S1S4A IL电流斜坡的S1S2IL电流斜坡，当IL坡升至IL_MAX时，对电感器充电，切换控制器能够过渡至放电过渡周期。
放电周期(电感器放电)具有两个阶段：(a)在S1S4B阶段期间，开关S1和S4闭合而开关S2/S3断开，以及(b)在S3S4阶段期间，开关S1被断开而开关S3被闭合(开关S4仍闭合以将向前电流传导至输出节点N3)。在S1S4阶段期间，电感器利用S1S4B IL电流斜坡放电。在最长放电时间结束时，切换控制器(a)确定电感器电流IL大于零，并且作为响应，(b)切换至S3S4阶段，断开开关S1而闭合开关S3，以将电感器节点N1接地。电感器电流IL增大至在量值上大于S1S4A IL的S3S4 IL电流斜坡，将电感器放电。当IL坡降至零时，切换控制器能够过渡至充电过渡周期。
图3图示说明单电感器降压-升压调节器300的示例实施例，该调节器经配置以实施根据本发明的包括降压-升压过渡切换控制的降压-升压调节方法。调节器300包括四晶体管切换网络S1-S4，和利用异步(非时钟控制的)状态机310实施的切换控制器以及两个过零比较器323和324。状态机控制开关S1和S2的切换并且过零比较器分别控制开关S3和S4的切换。
过零比较器(ZCC3)323监控通过开关S3和电感器节点N1的电感器电流IL。过零比较器(ZCC4)324监控通过开关S4和电感器节点N2的电感器电流IL。ZCC3提供过零信号ZC3，该信号指示通过开关S3和电感器节点N1的电感器电流IL何时为零。ZCC4提供过零信号ZC4，该信号指示通过电感器节点N2和开关S4的电感器电流IL何时为零。在放电过渡周期期间，ZCC3和ZCC4经配置以响应于各自的过零信号ZC3和ZC4切换开关S3和S4从导通到非导通。过零信号ZC3和ZC4还被提供作为状态机311的输入。可替换的实施S3S4包括(a)如关于图5A/图5B描述的二极管(整流部件)，和(b)如由状态机310(基于过零输入)控制的晶体管开关。
在可替换的实施例中，状态机310利用来自过零比较器321和323和来自IL调节网络的输入控制开关S1和S2的切换，该IL调节网络包括IL感测电路330、VOUT感测电路340和IL调节电路350。IL调节网络提供IL调节误差信号，该信号表示供应所需的已调节输出电压VOUT(即，对应于输出△V＝VOUT-VREF，其中VREF对应设定的已调节电压)所需的电感器电流IL的变化。
基于IL调节误差信号(以及过零信号ZC3和ZC4)，状态机310结合过零比较器323和324以及开关S3和S4的合作控制来控制开关S1和S2，从而提供根据本发明的包括降压-升压过渡切换控制的降压-升压调节方法的降压-升压调节。
状态机310和相关的IL调节网络(IL感测电路330、VOUT感测电路340和IL调节电路350)形成降压-升压调节器300的切换控制器的核心。IL感测电路330提供表示电感器电流IL的IL感测信号。VOUT感测电路340提供表示(基于IL)供应至负载的输出电压和已调节的输出电压之间的差(△V＝VOUT-VREF)的电压调节误差信号。IL调节电路350基于IL感测信号和电压调节误差信号提供IL调节误差信号。响应IL调节误差信号(以及控制开关S3/S4的ZC3/ZC4过零信号)，状态机300控制开关S1和S2的切换，使得切换转换器提供已调节的输出电压所需的电感器电流IL。
IL调节电路350利用误差比较器351实施，该误差比较器351基于IL感测电流和电压调节误差信号的误差比较提供IL调节误差信号，该电压调节误差信号表示相对于期望的已调节输出电压(VREF)的(在输出节点N3处的)实际VOUT。IL感测电路330提供表示电感器电流IL的IL感测电流。VOUT感测电路340实施为跨导放大器345，该跨导放大器基于(基于IL)供应至负载的实际输出电压VOUT和对应于已调节的输出电压(VREF)的基准电压346之间的差输出电压调节误差电流。
IL感测电路330和VOUT感测电路340(跨导放大器345)耦合在电流减节点355处，使得从电流减节点出来得到的IL调节电流对应于来自跨导放大器345的电压调节误差电流和来自IL感测电路330的IL感测电流之间的差。
误差比较器351基于相对于比较器基准352的IL调节电流提供IL调节误差信号。比较器基准352能够经配置以提供预定的滞后电平。
图4A-图4C图示说明表示根据本发明的包括降压-升压过渡切换控制的降压-升压切换控制方法的状态机实施的示例流程图。图4A-图4C中的说明性流程图关于图1B图示说明的SIMO降压-升压调节器100B而提供，调节器100B具有六晶体管切换网络S1-S6，流程图包括针对已调节的输出电压AVCC(S1-S4)、DVCC(S1-S4+S6)和AVSS(S1-S4+S5)的分开流程。
首先参看图1B，包括六晶体管切换网络S1-S6的示例SIMO降压-升压调节器110B经配置用于将来自输入电源VIN(例如，AVDD+18V至+36V)的输入电力转换成多个正的和负的已调节的输出电压，例如，在输出节点N3(输出电容器C1)处的AVCC(+3V至+30V)；在输出节点N4(输出电容器C4)处的DVCC(+3V)；以及在输出节点N5(输出电容器C5)处的AVSS(-7V至-30V)。图1A图示说明该降压-升压调节器的简化SISO版本，包括四晶体管切换网络S1-S4，其中仅图示说明AVCC调节。
图4A图示说明在图1B中图示说明的用于三个SIMO调节的输出电压(AVCC、DVCC和AVSS)的示例降压-升压切换控制方法，包括对相关的六晶体管切换网络的控制(但其中由图3中图示说明的过零比较器控制开关S3/S4)。图4B展开在SISO(图1A)和SIMO(图1B)实施例中图示说明，并且包括根据本发明的降压-升压过渡切换控制的AVCC调节的调节流程。图4C展开DVCC和AVSS调节的调节流程。
参见图4B，结合针对单个调节的输出(AVCC)的四晶体管切换网络S1-S4的控制，诸如在图1A中针对SISO降压-升压调节器图示说明的，描述降压-升压过渡切换控制方法的状态机实施。降压-升压过渡切换方法可工作以控制在由超过预定的最长充电时间的电感器充电时间和超过预定的最长放电时间的电感器放电时间表示的降压-升压过渡状况期间的电感器充电和放电。对具有四晶体管切换网络的SISO实施例的描述扩展到图1B中具有多个已调节的输出电压(AVCC、DVCC和AVSS)的SIMO实施例，其中对附加的开关S5和S6进行适当控制(开关S5和S6两者能够实施为二极管或如图1B中图示说明的其他整流部件)，尽管开关S5/S6不需要降压-升压过渡控制。
再参见图1A和图2中的功能性说明(在两个图中的相关附图标记是相同的)，降压-升压过渡切换方法包括充电过渡周期和放电过渡周期，每个周期具有两个阶段：(a)具有阶段/状态S1S4A和S1S2的充电周期(对电感器充电)，和(b)具有阶段/状态S1S4B和S3S4的放电周期(电感器放电)。阶段S1S2和S3S4分别使电感器节点N2和N1接地，从而分别使得(a)电感器充电电流快速增大，和(b)电感器放电电流快速增大。
充电周期包括阶段/状态S1S4A(411)和S1S2(413)，以及设定最长充电时间的相关最长计时器415。放电周期包括阶段/状态S1S4B(421)和S3S4(423)，以及设定最长放电时间的相关最长计时器415。
在充电周期期间，切换控制方法包括闭合开关S1/S4而断开开关S2/S3(S1S4A状态411)，在最长充电时间(最长计时器415)期间，利用S1S4A IL电流斜坡对电感器充电。在最长充电时间(415)结束时，如果电感器电流IL小于预定的峰电流IL-MAX，那么作为响应，开关S4被断开而开关S2闭合(S1S2状态413)，以将对应的电感器节点(N2)接地，使得电感器电流IL增大至在量值上大于S1S4A IL电流斜坡的S1S2IL电流斜坡，对电感器进行充电。当IL坡升至IL-MAX时，状态机过渡至放电过渡周期。
在放电周期期间，切换控制方法包括闭合开关S1/S4而断开开关S2/S3(S1S4B状态421)，使得在最长放电时间(最长计时器425)期间，利用S1S4B IL电流斜坡使电感器放电。在最长放电时间(425)结束时，如果电感器电流IL大于零，那么作为响应，开关S1被断开而开关S3闭合(S3S4状态423)，以将对应的电感器节点(N1)接地，使得电感器电流IL增大至在量值上大于S1S4A IL电流斜坡的S3S4IL电流斜坡，电感器进行放电。当IL坡降至零时，状态机能够过渡回充电过渡周期。
因此，对于图1A中图示说明和图2中表示的四晶体管S1-S4实施例，图4C中图示说明的状态机实施方式根据以下进行：(a)电感器充电——状态S1S4A(411)至状态S1S2(413)，以及然后(b)电感器放电——从S1S4B(421)至S3S4(423)。各自的最长计时器415和425被用于配置由超过最长充电时间(415)的电感器充电时间和超过最长放电时间(425)的电感器放电时间表示的降压-升压过渡状况。
图5A和图5B图示说明单电感器降压-升压转换器拓扑结构(诸如能够与根据本发明的降压-升压过渡切换控制方法一起使用)的示例实施例，其中切换网络的一个或更多个晶体管开关由二极管(整流部件)替换。图5A图示说明在其中已调节的输出电压是正(VPOS)的仅正实施例，其中二极管替换晶体管开关S3和S4(四开关网络)。图5B图示说明在其中已调节的输出电压能够是正的(VPOS)或负的(VNEG)的正/负实施例，其中二极管替换晶体管开关S4，以及与负的已调节的输出(AVSS)关联的附加开关S5。
再参考图1A/图1B和图3，针对诸如图5A、图1A和图3中图示说明的仅正实施例，开关S3和/或S4能够实施为由各自的过零比较器ZCC3/ZCC4控制(或以其他方式被控制作为二极管)的晶体管开关，或由二极管替换。类似地，对于诸如图5B和图1B中图示说明的正-负实施例，开关S4能够是由过零比较器ZCC4控制(或以其他方式被控制作为二极管)的晶体管开关，或由二极管替换。负输出VNEG(AVSS)的附加开关S5能够是二极管(图5A)或由切换控制网络控制为二极管的晶体管(图1B)。
因此，针对图5A中图示说明的实施例，相关的切换网络包括：(a)开关S1，其耦合至输入电源VIN并耦合至电感器节点N1，(ii)开关S2，其耦合在电感器节点N2和地之间，(iii)二极管(整流部件)S3，其耦合在电感器节点N1和地之间，并且经配置以在向前方向上传导向前电流到N1，并阻止反向方向的反向电流，和(iv)二极管(整流部件)S4，其耦合在电感器节点N2和输出节点N3之间，并经配置以将向前电流从电感器节点N2传导至输出节点N3并阻止来自输出节点的反向电流。
针对其中切换网络包括晶体管开关S1S2和二极管(整流部件)S3S4的该降压升压调节器实施例，降压-升压过渡切换控制能够实施如下。在(如由超过最长充电时间的电感器充电时间和超过最长放电时间的电感器放电时间表示的)降压-升压过渡状况期间，切换控制器在充电过渡周期和放电过渡周期之间过渡，分别对降压-升压电感器101充电和放电。
在充电周期期间，切换控制器通过如下操作控制对电感器充电：(a)闭合开关S1而断开开关S2，其中二极管(整流部件)S3被布置以阻止反向电流从输入电源到地，并且其中二极管(整流部件)S4传导向前电流，使得电感器电流IL利用S1S4A IL电流斜坡对电感器充电，(b)在最长充电时间结束时，确定IL小于预定的峰电流IL-MAX，并且作为响应，(c)闭合开关S2，以使第二电感器节点接地，其中二极管(整流部件)S4阻止任何反向电流从输出节点到第二电感器节点，使得IL增大至在量值上大于S1S4A IL电流斜坡的S1S2 IL电流斜坡，直到IL到达IL-MAX。当IL坡升至IL-MAX，切换控制器过渡至放电过渡周期。
在放电周期期间，切换控制器通过如下操作控制电感器的放电：(a)闭合开关S1而断开开关S2，其中二极管(整流部件)S3被布置以阻止反向电流从输入电源至地，使得电感器利用S1S4B IL电流斜坡放电，(b)在最长放电时间结束时，确定IL大于零，并且作为响应，(c)断开开关S1，其中二极管(整流部件)S3被布置以将第一电感器节点连接至地，使得IL增大至在量值上大于S1S4A IL电流斜坡的S3S4 IL电流斜坡。当IL坡降至零时，切换控制器能够过渡回充电周期。
本领域的技术人员将认识到在要求保护的本发明的范围内，可以对所描述的实施例进行修改，并且许多其他的实施例也是可能的。

Claims (20)

1.一种用于将来自输入电源的输入电力转变成供应至负载的已调节的输出电力的降压-升压切换转换器电路，其包括：
切换网络，其耦合至第一和第二电感器节点和输出节点；
所述第一和第二电感器节点经配置以分别耦合至电感器的第一和第二端，而所述输出节点经配置以耦合至输出电容器并且与所述负载并联；
所述切换网络包括：(i)开关S1，其经配置以耦合至所述输入电源，并且耦合至所述第一电感器节点，(ii)开关S2，其耦合在所述第二电感器节点和地之间，(iii)整流部件S3，其耦合在所述第一电感器节点和地之间，并且经配置以在向前方向上传导向前电流并且在相反方向上阻止反向电流，以及(iv)整流部件S4，其耦合在所述第二电感器节点和所述输出节点之间，并且经配置以将向前电流从所述第二电感器节点传导至所述输出节点，并且阻止反向电流从所述输出节点至所述第二电感器节点；
切换控制器，其经配置而控制所述切换网络，以控制包括电感器充电和放电的电感器电流IL，从而提供三种模式的电力转换：
降压模式，其当所述输入电力大于所述已调节的输出电力时，通过降压过渡参数提供下转换，所述降压过渡参数对应于预定的最长充电时间；
升压模式，其当所述输入电力小于所述已调节的输出电力时，通过升压过渡参数提供上转换，所述升压过渡参数对应于预定的最长放电时间；以及
过渡模式，其当所述输入电力和所述已调节的输出电力之间的差对应于由超过所述最长充电时间的电感器充电时间和超过所述最长放电时间的电感器放电时间表示的降压-升压过渡状况时启用，所述过渡模式包括在充电过渡周期和放电过渡周期之间的过渡，其中：
在所述充电周期期间，所述切换控制器通过如下方式控制对所述电感器充电：(i)闭合所述开关S1而断开所述开关S2，其中所述整流部件S3经配置以阻止反向电流从所述输入电源至地，使得电感器电流IL利用S1S4A IL电流斜坡对所述电感器充电，(ii)在所述最长充电时间结束时，确定IL小于预定峰电流IL_MAX，并且做出响应，即(iii)闭合所述开关S2，以使所述第二电感器节点接地，即整流部件S4阻止任何从所述输出节点到所述第二电感器节点的反向电流，使得IL增大至在量值上大于所述S1S4A IL电流斜坡的S1S2 IL电流斜坡，直到IL达到IL_MAX；以及
在所述放电周期期间，所述切换控制器通过如下方式控制对所述电感器放电：(i)闭合所述开关S1而断开所述开关S2，其中所述整流部件S3经配置以阻止反向电流从所述输入电源到地，使得所述电感器利用S1S4B IL电流斜坡放电，(ii)在所述最长放电时间结束时，确定IL大于零，并且做出响应，即(iii)断开所述开关S1，其中所述整流部件S3经配置以将所述第一电感器节点连接至地，使得IL增大至在量值上大于所述S1S4A IL电流斜坡的S3S4 IL电流斜坡，直到IL达到零。
2.根据权利要求1所述的切换转换器电路，其中已调节的输出电压是以下之一：(i)正的或负的，或(ii)仅是正的，并且其中：
如果所述已调节的输出电压仅是正的，那么所述整流部件S3是二极管和由所述切换控制器控制作为二极管的晶体管开关中的一个；并且
如果所述已调节的输出电压是正的或负的，那么耦合至所述整流部件S4的所述输出节点是正输出节点，并且
所述整流部件S3是由所述切换控制器控制的晶体管开关；以及
所述切换网络还包括耦合在所述第一电感器节点和负输出节点之间的二极管S5，其中所述二极管S5经配置以将向前电流从所述负输出节点传导通过所述第一电感器节点至所述电感器。
3.根据权利要求1所述的切换转换器电路，其中所述整流部件S4是二极管和由所述切换控制器控制作为二极管的晶体管开关中的一个。
4.根据权利要求1所述的切换转换器电路，其中所述整流部件S3和S4是晶体管开关，并且其中所述切换控制器包括：
过零比较器ZCC3和ZCC4，其经配置以分别提供：
(i)过零信号ZC3，其指示通过所述整流部件S3和所述第一电感器节点的所述电感器电流IL何时为零，以及
(ii)过零信号ZC4，其指示通过所述第二电感器节点和所述整流部件S4的所述电感器电流IL何时为零，以及
其中，在所述放电过渡周期期间，所述切换控制器经配置以响应于相应的过零信号ZC3和ZC4，切换所述整流部件S3和S4从导通到非导通。
5.根据权利要求4所述的切换转换器电路，其中所述切换控制器包括：
所述过零比较器ZCC3和ZCC4，其经配置以提供相应的过零信号ZC3和ZC4，并且分别控制所述整流部件S3和S4的切换；
状态机，其经配置以基于所述过零信号ZC3和ZC4和IL调节误差信号控制所述开关S1和S2的切换；以及
IL调节电路，其经配置以基于如下信号提供所述IL调节误差信号：(i)IL感测信号，其表示所述电感器电流IL，以及(ii)电压调节误差信号，其表示基于IL供应至所述负载的输出电压和所述已调节的输出电压之间的差；
使得所述切换转换器供应对应于所述已调节的输出电压的电感器电流IL。
6.根据权利要求5所述的切换转换器电路：
进一步包括IL感测电路，其经配置以提供表示所述电感器电流IL的IL感测电流；
进一步包括输出电压感测电路，其包括：
基准电压，其对应于期望的已调节的输出电压；以及
跨导放大器，其经配置以输出对应于基于IL供应至所述负载的输出电压和所述基准电压之间的差的电压调节误差电流；并且
其中所述IL调节电路包括：
电流减节点，其耦合至所述跨导放大器的输出和所述IL感测电路，使得从所述电流减节点出来得到的IL调节电流对应于所述电压调节误差电流和所述IL感测电流之间的差；以及
误差比较器，其经配置以相对于比较器基准基于所述IL调节电流提供所述IL调节误差信号。
7.根据权利要求6所述的切换转换器电路，其中所述比较器基准对应于预定的滞后电平。
8.一种用于将来自输入电源的输入电力转换成供应至负载的已调节的输出电力的降压-升压切换调节器，其包括：
输入电力端子，其经配置以耦合至所述输入电源；
电感器，其在第一电感器节点处耦合至所述输入电力端子并在第二电感器节点处耦合至输出节点；
输出电容器，其耦合至所述输出节点，并且并联耦合至所述负载；
切换网络，其耦合至所述第一和第二电感器节点和所述输出节点，并且包括(i)开关S1，其耦合在所述输入电力端子和所述第一电感器节点之间，(ii)开关S2，其耦合在所述第二电感器节点和地之间，(iii)整流部件S3，其耦合在所述第一电感器节点和地之间，并且经配置以能够在向前方向上允许向前电流并在相反方向上阻止反向电流，以及(iv)整流部件S4，其耦合在所述第二电感器节点和所述输出节点之间，并且经配置以允许向前电流从所述第二电感器节点至所述输出节点，并且阻止反向电流从所述输出节点至所述第二电感器节点；
切换控制器，其经配置以控制所述切换网络，以控制包括电感器充电和放电的电感器电流IL，从而提供三种模式的电力转换：
降压模式，其当所述输入电力大于所述已调节的输出电力时，通过降压过渡参数提供下转换，其中所述降压过渡参数对应于预定的最长充电时间；
升压模式，其当所述输入电力小于所述已调节的输出电力时，通过升压过渡参数提供上转换，其中所述升压过渡参数对应于预定的最长放电时间；以及
过渡模式，其当所述输入电力和所述已调节的输出电力之间的差对应于由超过所述最长充电时间的电感器充电时间和超过所述最长放电时间的电感器放电时间表示的降压-升压过渡状况时启用，所述过渡模式包括在充电过渡周期和放电过渡周期之间的过渡，其中：
在所述充电周期期间，所述切换控制器通过如下方式控制对所述电感器充电：(i)闭合所述开关S1而断开所述开关S2，其中所述整流部件S3经配置以阻止反向电流从所述输入电源至地，使得电感器电流IL利用S1S4A IL电流斜坡对所述电感器充电，(ii)在所述最长充电时间结束时，确定IL小于预定峰电流IL_MAX，并且做出响应，即(iii)闭合所述开关S2，以使所述第二电感器节点接地，即整流部件S4阻止任何从所述输出节点到所述第二电感器节点的反向电流，使得IL增大至在量值上大于所述S1S4A IL电流斜坡的S1S2 IL电流斜坡，直到IL达到IL_MAX；以及
在所述放电周期期间，所述切换控制器通过如下方式控制对所述电感器放电：(i)闭合所述开关S1而断开所述开关S2，其中所述整流部件S3经配置以阻止反向电流从所述输入电源到地，使得所述电感器利用S1S4B IL电流斜坡放电，(ii)在所述最长放电时间结束时，确定IL大于零，并且做出响应，即(iii)断开所述开关S1，其中所述整流部件S3经配置以将所述第一电感器节点连接至地，使得IL增大至在量值上大于所述S1S4A IL电流斜坡的S3S4 IL电流斜坡，直到IL达到零。
9.根据权利要求8所述的切换调节器，其中已调节的输出电压是以下之一：(i)正的或负的，或(ii)仅是正的；并且其中：
如果所述已调节的输出电压仅是正的，那么所述整流部件S3是二极管和由所述切换控制器控制作为二极管的晶体管开关中的一个；并且
如果所述已调节的输出电压是正的或负的，那么耦合至所述整流部件S4的所述输出节点是正输出节点，并且
所述整流部件S3是由所述切换控制器控制的晶体管开关；以及
所述切换网络还包括耦合在所述第一电感器节点和负输出节点之间的二极管S5，其中所述二极管S5经配置以将向前电流从所述负输出节点传导通过所述第一电感器节点至所述电感器。
10.根据权利要求8所述的切换调节器，其中所述整流部件S4是二极管和由所述切换控制器控制作为二极管的晶体管开关中的一个。
11.根据权利要求8所述的切换调节器，其中所述整流部件S3和S4是晶体管开关，并且其中所述切换控制器包括：
过零比较器ZCC3和ZCC4，其经配置以分别提供：
(i)过零信号ZC3，其指示通过所述整流部件S3和所述第一电感器节点的所述电感器电流IL何时为零，以及
(ii)过零信号ZC4，其指示通过所述第二电感器节点和所述整流部件S4的所述电感器电流IL何时为零，以及
其中，在所述放电过渡周期期间，所述切换控制器经配置以响应于相应过零信号ZC3和ZC4，切换所述整流部件S3和S4从导通到非导通。
12.根据权利要求11所述的切换调节器，其中所述切换控制器包括：
所述过零比较器ZCC3和ZCC4，其经配置以提供相应的过零信号ZC3和ZC4，并且分别控制所述整流部件S3和S4的切换；
状态机，其经配置以基于所述过零信号ZC3和ZC4和IL调节误差信号控制所述开关S1和所述开关S2的切换；以及
IL调节电路，其经配置以基于如下信号提供所述IL调节误差信号：(i)IL感测信号，其表示所述电感器电流IL，以及(ii)电压调节误差信号，其表示基于IL供应至所述负载的输出电压和所述已调节的输出电压之间的差；
使得所述切换转换器供应对应于所述已调节的输出电压的电感器电流IL。
13.根据权利要求12所述的切换调节器：
进一步包括IL感测电路，其经配置以提供表示所述电感器电流IL的IL感测电流；
进一步包括输出电压感测电路，其包括：
基准电压，其对应于期望的已调节的输出电压；以及
跨导放大器，其经配置以输出对应于基于IL供应至所述负载的输出电压和所述基准电压之间的差的电压调节误差电流；并且
其中所述IL调节电路包括：
电流减节点，其耦合至所述跨导放大器的输出端和所述IL感测电路，使得从所述电流减节点出来得到的IL调节电流对应于所述电压调节误差电流和所述IL感测电流之间的差；以及
误差比较器，其经配置以相对于比较器基准基于所述IL调节电流提供所述IL调节误差信号。
14.根据权利要求13所述的切换调节器，其中所述比较器基准对应于预定的滞后电平。
15.一种用于将来自输入电源的输入电力转换为供应至负载的已调节的输出电力的降压-升压调节的方法，所述方法利用降压-升压调节器可操作，所述降压-升压调节器包括电感器，其在第一电感器节点处耦合至所述输入电源并在第二电感器节点处耦合至输出节点；输出电容器，其耦合至所述输出节点，与所述负载并联；并且包括具有开关S1、开关S2、整流部件S3和整流部件S4的切换网络，所述开关S1耦合在所述输入电源和所述第一电感器节点之间，所述开关S2耦合在所述第二电感器节点和地之间，所述整流部件S3耦合在所述第一电感器节点和地之间并且经配置以在向前方向上允许向前电流并在相反方向上阻止反向电流，所述整流部件S4耦合在所述第二电感器节点和所述输出节点之间并且经配置以允许向前电流从所述第二电感器节点至所述输出节点并且阻止反向电流从所述输出节点至所述第二电感器节点，所述方法包括：
控制所述切换网络，以控制包括电感器充电和放电的电感器电流IL，从而提供三种模式的电力转换：
降压模式，其当所述输入电力大于所述已调节的输出电力时，通过降压过渡参数提供下转换，其中所述降压过渡参数对应于预定的最长充电时间；
升压模式，其当所述输入电力小于所述已调节的输出电力时，通过升压过渡参数提供上转换，其中所述升压过渡参数对应于预定的最长放电时间；以及
过渡模式，其当所述输入电力和所述已调节的输出电力之间的差对应于由超过所述最长充电时间的电感器充电时间和超过所述最长放电时间的电感器放电时间表示的降压-升压过渡状况时启用；
在所述过渡模式期间，控制所述切换网络以在充电过渡周期和放电过渡周期之间进行过渡，使得：
在所述充电周期期间，通过如下方式控制对所述电感器充电：
闭合所述开关S1而断开所述开关S2，其中所述整流部件S3经配置以阻止反向电流从所述输入电源至地，使得电感器电流IL利用S1S4A IL电流斜坡对所述电感器充电；
在所述最长充电时间结束时，确定IL小于预定峰电流IL_MAX；并且对其做出响应：
闭合所述开关S2，以使所述第二电感器节点接地，即整流部件S4阻止任何反向电流从所述输出节点到所述第二电感器节点，使得IL增大至在量值上大于所述S1S4A IL电流斜坡的S1S2 IL电流斜坡，直到IL达到IL_MAX；以及
在所述放电周期期间，通过如下方式控制所述电感器放电：
闭合所述开关S1而断开所述开关S2，其中所述整流部件S3经配置以阻止反向电流从所述输入电源到地，使得所述电感器利用S1S4B IL电流斜坡放电；
在所述最长放电时间结束时，确定IL大于零；并且对其做出响应，断开所述开关S1，其中所述整流部件S3经配置以将所述第一电感器节点连接至地，使得IL增大至在量值上大于所述S1S4A IL电流斜坡的S3S4 IL电流斜坡，直到IL达到零。
16.根据权利要求15所述的方法，其中已调节的输出电压是以下之一：(i)正的或负的，或(ii)仅是正的；并且其中：
如果所述已调节的输出电压仅是正的，那么所述整流部件S3是二极管和控制作为二极管的晶体管开关中的一个；并且
如果所述已调节的输出电压是正的或负的，那么耦合至所述整流部件S4的所述输出节点是正输出节点，并且
所述整流部件S3是晶体管开关，并且控制所述切换网络以控制电感器电流IL包括控制所述整流部件S3；并且
所述切换网络还包括耦合在所述第一电感器节点和负输出节点之间的二极管S5，其中所述二极管S5经配置以将向前电流从所述负输出节点传导通过所述第一电感器节点至所述电感器。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述整流部件S4是二极管和被控制作为二极管的晶体管开关中的一个。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述整流部件S3和S4是晶体管开关，并且其中在所述放电过渡周期期间，所述方法包括：
产生过零信号ZC3，其指示通过所述整流部件S3和所述第一电感器节点的所述电感器电流IL何时为零，以及
产生过零信号ZC3，其指示通过所述第二电感器节点和所述整流部件S4的所述电感器电流IL何时为零，以及
在所述放电过渡周期期间，响应于相应的过零信号ZC3和ZC4，切换所述整流部件S3和S4从导通到非导通。
19.根据权利要求15所述的方法，其中所述切换网络包括四个晶体管开关S1-S4，并且其中控制所述切换网络通过如下操作来实现：
产生过零信号ZC3，其指示通过所述整流部件S3和所述第一电感器节点的所述电感器电流IL何时为零，
产生过零信号ZC4，其指示通过所述第二电感器节点和所述整流部件S4的所述电感器电流IL何时为零，
产生表示电感器电流IL的IL感测信号；
产生电压调节误差信号，其表示基于IL供应至所述负载的输出电压和所述已调节的输出电压之间的差；
基于(i)所述IL感测信号和(ii)所述电压调节误差信号产生IL调节误差信号；以及
基于所述过零信号ZC1和ZC2和所述IL调节误差信号切换所述四个晶体管开关S1-S4，使得所述切换调节器供应对应于所述已调节的输出电压的电感器电流IL。
20.根据权利要求19所述的方法，其中产生所述IL调节误差信号通过以下操作实现：
产生表示电感器电流IL的IL感测电流；
产生对应于基于IL供应至所述负载的所述输出电压和所述已调节的输出电压之间的所述差的电压调节误差电流；
基于所述IL电压调节电流信号和所述IL感测电流的差，产生IL调节电流；并且
相对于比较器基准，基于所述IL调节电流产生所述IL调节误差信号。
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