CN105322793B - 级联升降压dc到dc转换器及控制转换器的电路和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请案涉及级联升降压DC到DC转换器及控制所述转换器的电路和方法。本发明提出级联升降压DC到DC转换系统(100)、控制器和方法，其中降压转换器级(101)在第一模式中经脉宽调制，且升压转换器级(102)在第二模式中经脉宽调制，其中所述脉宽调制在所述第一模式中使用峰值电流控制和谷值电流控制中的第一者，且在所述第二模式中使用峰值电流控制和谷值电流控制中的另一者，且操作是基于所述降压转换器级或所述升压转换器级的低侧驱动开关的接通时间在所述第一模式与所述第二模式之间切换。

Description

级联升降压DC到DC转换器及控制转换器的电路和方法
技术领域
本发明涉及DC到DC转换器的控制且更明确地说，涉及改善的级联升降压DC到DC转换器、转换器控制设备和方法。
背景技术
DC到DC转换器通过DC输入电压的转换将稳定的经调节输出电压提供到功率处理器、ASICS、存储器和其它电路。已开发各种类型和形式的DC到DC转换器，包含用于提供低于输入电压的输出电压的降压转换器，以及能够提供高于输入电压的输出电压的升压转换器。升降压转换器提供按可大于或小于输入电压的电平提供经调节输出电压的能力。一种形式的升降压转换器被称为通过在降压功率级后接续升压功率级形成的级联升降压转换器。级联升降压转换器提供更高效率且占据比经典升降压转换器拓扑小的空间，其中转换器在输入电压高于所要输出电压时于纯降压模式中操作，且在输入电压小于所要输出电压时于纯升压模式中操作。当输入电压和输出电压大致相等时，四开关升降压模式可结合以交替方式接通的H桥配置的对角开关使用，但这种经典升降压模式涉及在给定循环中切换所有四个转换器开关，且因此效率不高。
所谓“降压或升压”操作可在输入电压和输出电压彼此接近时使用，其中特定数目个“降压”循环后接续数个“升压”循环，等等，以便与传统的H桥型升降压操作相比较来说改善效率。然而，连续降压或升压循环的数目确定降压或升压操作频带或范围的宽度，且需要在切换到另一种模式之前仅在少量循环内在一种模式中操作以使频带保持为窄的且因此减少输出处的不合需要的低频AC纹波。然而，当连续降压或升压循环的数目减小时，这些模式之间的转变次数增大。此外，在将斜率补偿用于峰值电流模式控制或谷值电流模式控制时降压模式与升压模式之间的转变由于转变期间的宽PWM脉宽而引起不合需要的输出电压纹波。因此，减小“降压或升压”频带的宽度将减少不合需要的低频AC纹波，但是转变时的大脉宽可能导致输出中的过多输出纹波。例如，当脉宽调制工作循环大于50％，且误差放大器输出处于人为地高于峰值电感器电流的电平时，将斜率补偿斜坡加到峰值电流模式控制中的电流感测信号。针对峰值电流模式控制从降压模式转变到升压模式因此涉及在斜率补偿较大时的模式改变且改变到升压模式将工作循环改变为小于50％，其中斜率补偿较小。这导致转变时的过长脉宽，从而引起输出电压纹波。谷值电流控制模式操作存在相同问题。因此，存在对改善的级联升降压DC到DC转换器和控制设备的需要，通过其使得降压或升压转变是平稳的且降压或升压窗或频带是窄的。
发明内容
现概述本发明的各种方面以通过简要地指示本发明的性质和本质而促进对本发明的基本理解，其中此发明内容并不是对本发明的广泛综述，且既不希望识别本发明的特定元件，也不希望限定本发明的范围。确切地说，本发明内容的主要目的是在下文呈现的更详细描述之前以简化形式呈现本发明的一些概念。提供级联升降压DC到DC转换器、脉宽调制控制器和方法，其中降压模式采用峰值电流控制和谷值电流控制中的一者，且升压模式采用峰值电流控制和谷值电流控制中的另一者，使得在工作循环中进行降压模式与升压模式之间的转变，其中针对每一模式的斜率补偿类似，借此减轻与模式转变相关联的输出电压纹波效应。以此方式，“降压或升压”模式用于与经典升降压操作相比较来说促进效率改善，可限制使用降压或升压模式的频带或范围，且可使使用个别模式的循环数目变小从而通过在降压和升压循环内使用不同电流控制类型来控制转换器输出处的低频纹波以减轻转变期间的纹波。
在本发明的特定方面中提供级联升降压DC到DC转换器和用于级联升降压DC到DC转换器的控制电路。转换器包含第一转换器电路和第二转换器电路，其具有对应的切换节点和耦合在切换节点之间的电感器。双模式控制电路包含：切换控制电路，其操作以在第一模式中将互补的经脉宽调制的切换控制信号提供到第一转换器电路，及在第二模式中将经脉宽调制的控制信号提供到第二转换器电路；以及调制器电路，其操作以在第一模式中使用谷值电流控制和峰值电流控制中的第一者将至少一个脉宽调制控制信号提供到切换控制电路，及在第二模式中使用谷值电流控制和峰值电流控制的第二者将至少一个脉宽调制控制信号提供到切换控制电路。在特定实施例中，例如，调制器电路在第一模式中使用谷值电流控制且在第二模式中使用峰值电流控制以提供脉宽调制控制信号。模式控制电路至少部分地根据第一转换器电路和第二转换器电路中的一者的低侧开关的接通时间将模式控制信号提供到切换控制电路和调制器电路。在特定实施例中，提供模式控制信号以响应于第一转换器电路的低侧开关的接通时间小于第一阈值的确定而从第一模式改变为第二模式，及响应于第二转换器电路的低侧开关的接通时间小于第二阈值的确定而从第二模式改变为第一模式。特定实施例包含切换开关以根据模式控制信号将反相或非反相感测信号从电流感测电路提供到电流感测放大器，且在特定实施例中，第二切换电路根据模式控制信号操作以提供正或负电压误差信号以用于斜率补偿。
根据本发明的其它方面提供用于控制级联升降压DC到DC转换器的方法，其包含：在第一模式中对降压转换器级的高侧和低侧开关进行脉宽调制，在第二模式中对升压转换器级的高侧和低侧开关进行脉宽调制，及至少部分地根据低侧开关中的一者的接通时间产生模式控制信号。在特定实施例中，所述方法包括在第一模式中使用谷值电流控制和峰值电流控制中的第一者，及在第二模式中使用谷值电流控制和峰值电流控制中的第二者。此外，在特定实施方案中，所述方法涉及在第一模式中用相减斜率补偿补偿反馈信号与参考信号的比较，及在第二模式中用相加斜率补偿补偿所述比较。
附图说明
以下描述和附图详细阐述本发明的特定说明性实施方案，其指示可执行本发明的各种原理的若干种方式。然而，所说明实例并不是穷举本发明的许多可能的实施例。将在结合附图考虑时进行的以下详细描述中阐述本发明的其它目标、优势和新颖特征，其中：
图1为说明根据本发明的一或多个方面的具有双模式切换控制和调制器电路的级联升降压转换器的示意图；
图2为说明另一个级联升降压转换器实施例的示意图；
图3为说明图1和2的转换器中的切换控制电路的其它细节的示意图；
图4为说明图1和2的转换器中的模式控制电路的细节的示意图；
图5为说明图1和2的转换器中的斜率补偿电路的细节的示意图；
图6为说明图1和2的转换器中的降压、降压或升压和升压模式操作期间的各种信号的波形图；以及
图7为说明根据本发明的其它方面的用于控制级联升降压DC到DC转换器的过程的流程图。
具体实施方式
下文结合附图描述一或多个实施例或实施方案，其中贯穿全文使用相似参考数字来指相似元件，且其中各种特征未必按比例绘制。
最初参看图1和2，图1说明级联升降压DC到DC转换器100，其包含第一或降压转换器级101，其可作为降压转换器操作且与可作为升压转换器操作的第二或升压转换器级102级联。第一转换器电路101包含第一开关HD1，在本实例中，其为N通道场效晶体管(NMOS)，其经配置为耦合在接收输入电压Vin的转换器输入节点100a与第一切换节点SW1之间的高侧驱动开关。第二NMOS开关LD1作为低侧降压转换器级驱动开关操作，其中并联连接的二极管D1耦合在节点SW1与内部节点105之间。当开关HD1和LD1连接时，可分别经由来自切换控制电路104的切换控制信号HDRV1和LDRV1以互补方式交替激活及去激活开关HD1和LD1，从而作为降压转换器操作以在第一端子连接到第一切换节点SW1且第二端子连接到第二切换节点SW2的情况下提供穿过电感器L的电流IL。
在图1的实施例中，电流感测电阻器RCS连接在内部节点105与电路接地GND之间以提供表示在电感器L中流动的电流IL的感测信号，如下文进一步描述。图2展示另一个非限制性实施方案，其中内部节点105为接地GND且电流感测电路连接在切换节点SW1与SW2之间。经由信号HDRV1和LDRV1进行的互补脉宽调制在第一或降压模式中提供在节点SW2处在小于或等于输入电压Vin的电平下的对电压的控制。当HD1接通(在由高信号HDRV1激活时导电)时，第一切换节点SW1被交替地实质上切换到输入电压电平Vin，且因此支持从转换器输入节点100a处的所连接电力供应器V穿过HD1和电感器L到第二切换节点SW2的电流IL。接着在HD1关断(去激活)且LD1接通(经由高信号LDRV1激活)时接近节点105的电压切换SW1，其中二极管D1允许电流IL继续从节点105穿过电感器L。
第二转换器电路102提供与降压级101级联的降压转换器，且包含第三开关HD2(第二高驱动开关)(在这种情况下，NMOS装置)，其与第二二极管D2并联耦合在第二切换节点SW2与转换器输出节点100b之间，以及第四NMOS开关或第二低驱动开关LD2，其耦合在节点SW2与内部节点105之间。虽然转换器级开关HD1、LD1、HD2及LD2在图1和2中经展示为NMOS装置，但是在其它实施例中可使用其它合适的开关类型和形式，包含但不限于PMOS装置、双极晶体管、IGBT或类似装置或其组合，其中切换控制电路104提供合适信号HDRV1、LDRV1、HDRV2和LDRV2到LDRV2以个别地激活及去激活开关HD1、LD1、HD2、LD2。
切换控制电路104在所说明实施例中为双模式电路，且根据来自模式控制电路108的模式控制信号“模式”在第一模式“降压”或第二模式“升压”中操作。切换控制电路104的其它细节展示于图3中且下文结合图4进一步展示及描述实例模式控制电路108。如先前所论述，当模式控制信号“模式”为低时，切换控制电路104在第一或“降压”中操作以根据来自调制器电路106的脉宽调制控制信号PWM提供互补的经脉宽调制的信号HDRV1、LDRV1以便交替激活及去激活开关HD1和LD1作为降压转换器，同时提供高信号HDRV2以激活开关HD2且同时提供第二低侧驱动控制信号LDRV2以去激活开关LD2。以此方式，将转换器100的输出端子100b处的输出电压Vout调节到低于输入电压Vin的受控电平。
在模式控制信号“模式”为高的第二(升压)模式中，切换控制电路104根据控制信号PWM以互补的经脉宽调制方式提供切换控制信号HDRV2和LDRV2以交替激活及去激活开关HD2和LD2。此外，在这种模式中，切换控制电路104提供第一切换控制信号HDRV1(例如，高)以激活开关HD1，且提供第二切换控制信号LDRV1(例如，低)以去激活第二开关LD1。当HD1接通且LD1关断时，切换节点SW处的电感器L的第一端子大约处于输入电压电平Vin。当低侧驱动开关LD2被激活且HD2被去激活时，将第二切换节点SW2处的电压交替切换到大约为内部节点105的电压(例如，在此实例中接近接地)，从而将电流IL从输入节点100a传导穿过电感器L和低侧开关LD2到接地GND(例如，在图2中直接接地或在图1中通过电流感测电阻器RCS接地)，且接着当HD2被激活且LD2被去激活时，使得节点SW2大约为输出电压电平Vout。升压模式因此在输入电压Vin小于所要输出电压Vout时促进输出电压调节。
在第一模式和第二模式期间，对应级101或102的脉宽调制以闭合环路方式进行以经由来自调制器电路106的一或多个脉宽调制控制信号PWM调节输出电压Vout。虽然所说明调制器电路106提供单个输出信号PWM，但是其它实施例是可能的，其中提供多个脉宽调制控制信号，例如，将单独的PWM信号提供到第一转换器级101和第二转换器级102。如图1和2中所见，调制器106从由电阻器R1和R2形成的电阻分压器电路接收输出电压反馈信号FB，并且还从电流感测电路接收感测信号以用于在操作转换器100时进行峰值或谷值型电流模式控制。
在操作中，调制器电路106将控制信号PWM提供到切换控制电路104，其中接通时间和/或关断时间至少部分地经由用以产生误差输出的误差放大器109根据反馈信号FB与表示所要输出电压的参考信号VREF的比较来控制。来自误差放大器109的输出通过加总电路110来补偿。加总电路110通过将误差输出信号与由斜率补偿电路112根据输出电压Vout与输入电压Vin之间的差提供的斜率补偿信号加总提供经补偿的误差信号COMP。将经补偿的信号COMP提供到PWM比较器116以用于与电流感测信号CS比较。
在图1的实施例中，电流感测电路由连接于内部节点105与电路接地GND之间的感测电阻器RCS形成，以提供穿过由电阻器R3、R4和电容器C1形成的RC电路的表示流经感测电阻器RCS的电流的电压信号。在降压转换器级101于第一模式中的经脉宽调制操作期间，电感器电流IL从接地GND流经感测电阻器RCS和第一低侧开关LD1，借此跨RCS的电压表示电感器电流IL。并且，在第二模式中的升压操作期间，当第二低侧开关LD2接通时，电感器电流IL流经感测电阻器RCS，借此电感器电流由通过跨电阻器RCS的电压提供的感测信号表示。另一个非限制性电流感测电路实例展示于图2的实施例中，其中内部节点105连接到电路接地GND。在这种情况下，包含电阻器RS1和电容器CS1的RC电路连接于第一切换节点SW1与第二切换节点SW2之间，其中由电阻器R5和电容器C2形成的第二RC电路将表示在电感器L中流动的电流IL的感测信号提供到调制器电路106。
调制器电路106包含与电流感测电路耦合的第一切换电路S1，所述电流感测电路根据模式控制信号“模式”操作以将反相感测信号或非反相感测信号选择性地提供到电流感测放大器114的输入端子。放大器114根据来自第一切换电路S1的反相或非反相感测信号将表示在电感器L中流动的电感器电流IL的电流感测信号CS提供到PWM比较器116。在所说明实例中，切换电路S1根据“模式”信号在第一(降压)模式中将非反相感测信号提供到电流感测放大器114，且在第二(升压)模式中将反相感测信号提供到放大器114。
图5说明斜率补偿电路实施例的其它细节，其中斜率补偿电路放大器194的第一放大器输入和第二放大器输入经由切换电路S2接收输入电压信号和输出电压信号。放大器194将输出提供到斜坡电路196以产生提供到加总电路110的斜率补偿信号。切换电路S2根据“模式”信号操作以在第一(降压)模式中将输入电压信号选择性地耦合到非反相放大器输入及将输出电压信号选择性地耦合到放大器194的反相输入，且根据“模式”信号在第二(升压模式)中切换放大器输入信号。
如图1和2中所见，PWM比较器电路116根据经补偿的误差信号COMP与电流感测信号CS的比较提供脉宽调制比较信号PWM COMP，且调制器电路106至少部分地根据脉宽调制比较信号PWM COMP将控制信号PWM提供到切换控制电路104。在所说明实施例中，将比较信号PWM COMP作为输入提供到异或(XOR)门118，所述异或(XOR)门118具有连接到来自模式控制电路108的“模式”信号的第二输入，且门118将输出“补偿输出”提供到模式控制电路108。“补偿输出”信号经由反相器120而反相且连同来自模式控制电路108的“重置遮罩”信号一起作为输入被提供到或非门122，其中或非门122提供“重置”输出信号作为到R-S触发器122的重置(R)输入的输入。触发器124的设置(S)输入连接到时钟信号CLK，且来自触发器124的数据输出(Q)被作为输入提供到或门126。或门126的第二输入经连接以接收时钟信号CLK，且如图1和2中所展示将PWM输出提供到切换控制电路104。调制器电路106因此操作以提供接通时间或关断时间是根据反馈信号FB与参考信号VREF之间的误差来控制的PWM信号，其中斜率补偿经由斜率补偿电路112进行，且峰值或谷值型电流控制经由电流感测电路和PWM比较器116在第一模式或第二模式中进行。
此外，调制器电路106在第一模式“降压”中操作以使用第一模式和第二模式中的一者中的谷值电流控制以及第一模式和第二模式中的另一者中的峰值电流控制中的第一者提供信号PWM，借此避免或减轻在降压操作与升压操作之间的转变期间的输出电压纹波效应。如上文所论述，这允许“降压或升压”操作的频带变窄，借此促进级联升降压转换器100的低频输出电压纹波的减小。此外，如下文进一步论述，特定实施例通过由模式控制电路108至少部分地根据低侧开关LD1和LD2中的一者的接通时间TONLD1或TONLD2提供模式控制信号“模式”而促进转换器100的改善的降压或升高操作。例如，图1和2中的切换控制电路104将低侧驱动器状态信号“LD1状态”和“LD2状态”提供到所说明模式控制电路108以用于产生模式控制信号“模式”。
也参看图3，针对调制器电路106在第一(降压)模式中采用谷值电流控制及在第二(升压)模式中采用峰值电流控制的情况，说明切换控制电路实施例104的其它细节。如先前所提及，其它实施例是可能的，其中峰值电流控制是由调制器电路106在第一(降压)模式中提供且在第二(升压)模式中使用谷值电流控制。如图3中所见，切换控制电路104接收来自调制器电路106的PWM信号以及来自模式控制电路108的“模式”信号，其中第一与门130接收PWM和“模式”信号作为输入，且提供输出DRV2以用于驱动第二(升压)转换器级102。第二与门132经由反相器134接收PWM信号和反相“模式”信号以提供输出DRV1以驱动第一(降压)转换器级101。在第一模式(升压)中，“模式”信号是低的，且第一与门提供低输出DRV2，通过所述低输出DRV2，激活(接通)第二高侧开关HD2及去激活(关断)第二低侧开关LD2。
在这种第一(降压)模式中，与门132将来自调制器电路106的经脉宽调制的PWM信号作为DRV1传递到反相器136和与门138，所述与门138的输出控制驱动器140，将栅极控制信号HDRV1提供到降压转换器级101的NMOS第一高侧开关HD1。通过比较器142将这个驱动信号HDRV1与DC参考相比较，所述比较器142的输出被提供到延迟时间低到高(DT L-H)电路144，所述延迟时间低到高(DT L-H)电路144的输出连同DRV1信号一起被提供到与门146。与门146的输出控制低侧驱动器148，其将降压转换器低侧驱动信号LDRV1提供到LD1的栅极。通过比较器150将LDRV1信号与DC参考相比较，所述比较器150的输出作为输入连接到或非门152，其中第二输入如图3中所示接收来自与门146的输出。或非门152的输出作为状态信号“LD1状态”被提供到模式控制电路108，且一般具有对应于降压转换器低侧开关LD1的接通时间的信号宽度。“LD1状态”信号也被提供到延迟时间高到低(DT H-L)电路154，其提供输出到高侧驱动电路与门138的第二输入。降压转换器驱动器电路因此以互补交替方式提供开关HD1和LD1的经脉宽调制操作，其中延迟时间确保两个开关不会同时激活，且也将“LD1状态”信号提供到模式控制电路108以用于如下文进一步论述的低侧开关接通时间的评估。
图3进一步说明第二(升压)模式中的操作。“模式”信号在升压模式中为高的，因此将与门132的输出设置为低，其中降压转换器高侧开关HD1借此被激活(接通)且低侧开关LD1被去激活(关断)。此外，与门132将PWM信号作为第二或升压转换器级驱动信号DRV2传递以用于进行升压转换器级102的经脉宽调制操作。DRV2通过反相器156反相且作为输入提供到与门158，其提供信号到第二高侧驱动器160以经由信号HDRV2控制升压转换器级高侧开关HD2的栅极端子。经由比较器162将HDRV2电平与DC电压相比较，所述比较器162的输出被提供到延迟时间低到高电路164以用于将经延迟信号提供到与门166。门166也接收DRV2信号并且提供输出到低侧驱动器168以用于产生低侧驱动信号LDRV2以控制低侧开关LD2的栅极。通过比较器170将LDRV2的电平与DC参考相比较，所述比较器170的输出将升压转换器低侧驱动器状态信号“LD2状态”提供到模式控制电路108和另一个延迟时间高到低电路174，所述延迟时间高到低电路174的输出作为输入提供到与门158。来自调制器电路106的PWM信号因此提供升压转换器级102的高侧开关HD2和低侧开关LD2的互补脉宽调制控制以用于进行升压模式操作，同时HD1保持被激活且LD1被去激活。
图6说明曲线图200，其展示图1到5的转换器100的各种波形，包含在各种实施例中可从内部或外部源提供的时钟信号CLK。图6的实例展示输入曲线Vin以及输出电压曲线Vout，其中当输入电压显著高于输出电压时，转换器100最初从时间T0到T1在降压模式中操作，当输出电压Vout显著高于输入电压Vin时，从T6到T7在升压模式中操作，及根据与经脉宽调制的转换器级相关联的低侧开关接通时间在“降压或升压”模式操作中操作(例如，在图6中从T2到T3的降压操作以及从T4到T5的升压操作)。
如图6中所见，电感器电流IL具有大体三角形或斜坡波形，其中电流感测信号CS具有电压VCS，通过第一切换电路S1的操作，所述电压在降压操作期间具有负或向下斜率，且在升压操作期间具有上升或向上斜率(上述图1和2)。此外，斜率补偿VSLOPE以虚线连同VCS波形和补偿电压曲线VCOMP一起展示，其中当VSLOPE等于补偿电压信号VCOMP时，在调制器电路108中使用谷值电流控制确证“重置”脉冲信号(低到高转变)。图6进一步说明驱动信号HDRV1、LTRV1、HDRV2和LTRV2。因此，如图6中所见，转换器100在降压操作期间提供谷值控制且在升压操作期间使用峰值电流控制，其中降压模式PWM循环从CLK信号激活LD1及去激活HD1开始，且其中调制器电路106基于用于谷值电流控制的重置脉冲“重置”接通HD1及关断LD1。在升压模式期间，与此对比，通过调制器电路106实施峰值电流控制，其中在时钟信号CLK下关断HD2且接通LD2，且其中响应于斜率补偿信号的峰值达到VCOMP电压而基于“重置”脉冲的上升缘接通HD2及关断LD2。
现参看图4和7，在图4中说明模式控制电路108的实施例，其从切换控制电路104接收“LD1状态”和“LD2状态”信号，且至少部分地根据低侧开关LD1和LD2中的一者的接通时间TONLD1和TONLD2提供模式控制信号“模式”。如图4中所见，“LD2状态”信号经由电路180扩展，所述电路180的输出连同“LD1状态”信号一起作为输入提供到与门182。与门182提供输入信号到最小计时器电路184，所述最小计时器电路184的输出作为“重置遮罩”信号提供到调制器电路106的或非门122(上述图1和2)。“重置遮罩”信号也作为输入提供到单发电路186，所述单发电路186提供脉冲输出信号到与门188。来自调制器电路106的异或门118的“补偿输出”信号作为第二输入提供到模式控制电路108的与门188，且与门188的输出作为更改模式(ALT模式)信号提供到双态(T)触发器190的输入。触发器190的数据输出(Q)作为输入提供到计时D触发器192的数据(D)输入，其将“模式”信号输出提供到切换控制电路104和调制器106。
图7说明用于控制级联升降压DC到DC转换器(例如上文所说明及描述的转换器100)的过程或方法210。一般来说，方法210涉及通过以下操作控制转换器100：在第一模式中通过以交替方式对降压转换器级(例如，上述级101)的开关进行脉宽调制，及在第二模式中对升压转换器级(级102)的开关进行脉宽调制，以及根据经脉宽调制级的低侧开关的接通时间产生模式控制信号。过程210在图7中说明为以其中输入电压Vin显著高于输出电压Vout的条件(例如，图6中T0到T1)开始。在图7中的212处，在一个实例中，使用谷值电流控制及相减斜率补偿实施降压模式操作，如上述实施例中所见。在214处关于输入电压是否继续显著高于输出电压作出确定，且如果输入电压继续显著高于输出电压(214处的是)，那么过程210在212中继续进行降压模式操作。否则(214处的否)，在216处关于输入电压和输出电压是否大致相等作出确定。如果输入电压和输出电压并不是大致相等(216处的否)，那么过程继续进行到228，如下文进一步论述。
如果输入电压和输出电压彼此接近(216处的是)，那么转换器100实施“降压或升压”操作(例如，上述图6中T2到T5)，且最初在218处使用谷值电流控制和相减斜率补偿继续进行降压模式操作。在220处关于经脉宽调制的降压转换器级低侧驱动器(上述LD1)的接通时间是否小于第一阈值Tmin1作出确定。如果经脉宽调制的降压转换器级低侧驱动器(上述LD1)的接通时间不小于第一阈值Tmin1(220处的否)，那么在218处继续进行降压模式操作，且如果经脉宽调制的降压转换器级低侧驱动器(上述LD1)的接通时间小于第一阈值Tmin1(220处的是)，那么图4的模式控制电路108将操作模式改变为升压模式操作(例如，通过在上述实例中将“模式”信号设置为高)，且转换器100在222处用峰值电流控制和相加斜率补偿实施升压模式操作。在224处关于升压转换器级102的现在经脉宽调制的低侧开关LD2的接通时间是否小于第二阈值Tmin2作出确定。如果升压转换器级102的现在经脉宽调制的低侧开关LD2的接通时间不小于第二阈值Tmin2(224处的否)，那么过程在222处继续，且否则(224处的是)，在226处关于输入电压是否显著小于输出电压作出确定。如果输入电压不是显著小于输出电压(226处的否)，那么过程210在218处经由通过模式控制电路108改变“模式”信号而返回到降压模式。如果输入电压显著小于输出电压(226处的是)，那么转换器100在228处在正常升压模式中操作(在一个实例中，使用峰值电流控制和相加斜率补偿)。在230处关于输入电压是否继续显著小于输出电压作出确定，且如果输入电压继续显著小于输出电压(230处的是)，那么在228处继续进行升压模式操作。否则(230处的否)，在222处通过模式控制电路108根据经脉宽调制的低侧开关LD2或LD1的接通时间实施“降压或升压”操作继续进行升压模式操作。应注意，在特定实施例中可使用两个不同阈值Tmin1和Tmin2，且图4的模式控制电路108经由最小计时器电路184实施单个阈值，所述单个阈值被有效用作LD1和LD2两者的最小接通时间阈值以用于实施控制模式切换。
如上文所见，实施例提供级联升降压DC到DC转换器、其PWM控制器和方法，其中降压模式采用峰值电流控制和谷值电流控制中的一者，且升压模式采用峰值电流控制和谷值电流控制中的另一者。以此方式，降压模式与升压模式之间的转变是在其中斜率补偿对于每一模式来说类似的工作循环进行，借此可控制或减轻与模式转变相关联的输出电压纹波效应。此外，可(例如)使用用于模式切换的低侧装置LD1或LD2的最小接通时间来控制供使用“降压或升压”模式的频带，且因此可使使用个别模式的循环的数目变小以控制转换器输出电压Vout中的低频纹波。此外，如所提及，所说明实例在降压模式操作期间采用谷值电流控制，且在升压模式操作期间使用峰值电流控制，但是将谷值电流模式用于升压模式操作且将峰值电流模式用于降压模式操作的其它实施例是可能的。
上述实例仅说明本发明的各个方面的若干可能的实施例，其中所属领域的技术人员在阅读及理解本说明书和附图后将想起等效变更和/或修改。此外，虽然可能仅针对多个实施方案中的一者揭示本发明的特定特征，但是在对于任意给定或特定应用来说为所要的及有利的时，可将此类特征与其它实施例的一或多个其它特征组合。此外，就术语“包含(including/includes)”、“具有(having/has/with)”或其变型用于详细描述和/或权利要求书中的范围来说，此类术语既定以类似于术语“包括”的方式而为包含性的。

Claims (16)

1.一种级联升降压DC到DC转换器，其包括：
四开关级联升降压转换器电路，其包括：
第一开关，其耦合在转换器输入节点与第一切换节点之间，以及第二开关，其耦合在所述第一切换节点与内部节点之间；
第三开关，其耦合在转换器输出节点和第二切换节点之间，以及第四开关，其耦合在所述第二切换节点和所述内部节点之间；
切换控制电路，其响应于至少一个脉冲宽度控制信号而操作以根据模式控制信号在降压模式或升压模式中提供分别的切换控制信号以个别地激活及去激活所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关，包含相应的互补的经脉冲宽度调制的切换控制信号以及各自对应于升压模式操作和降压模式操作的相关联的相应的激活和去激活切换控制信号；
调制器电路，其操作以将所述至少一个脉宽调制控制信号提供到所述切换控制电路，且至少部分地根据与所述转换器输出节点的输出电压相关联的反馈信号与表示所要的输出电压的参考信号的比较控制与所述至少一个脉宽调制控制信号相关联的接通时间和关闭时间中的至少一者，
所述调制器电路在所述降压模式中操作以使用谷值电流控制和峰值电流控制中的一者提供所述至少一个脉宽调制控制信号，且在所述升压模式中操作以使用峰值电流控制和谷值电流控制中的另一者提供所述至少一个脉宽调制控制信号；以及
所述调制器电路在所述降压模式中可操作以基于所述转换器输出节点处的所述输出电压和所述转换器输入节点处的输入电压之间的差值并以斜率补偿级提供相减斜率补偿且在所述升压模式中操作以提供相加斜率补偿；以及
模式控制电路，其操作以将所述模式控制信号提供到所述切换控制电路和所述调制器电路，所述模式控制电路可操作以：
响应于所述第二开关的接通时间小于第一阈值的确定而从所述降压模式改变为所述升压模式；且
提供所述模式控制信号以响应于所述第四开关的接通时间小于第二阈值的确定而从所述升压模式改变为所述降压模式；
从而使得所述斜率补偿级在每一模式中类似。
2.根据权利要求1所述的级联升降压DC到DC转换器，其中所述第一阈值和所述第二阈值大致相等。
3.根据权利要求1所述的级联升降压DC到DC转换器，其中所述第一切换节点和所述第二切换节点可耦合到在所述级联升降压DC到DC转换器外部的电感器；且
其进一步包括电流感测电路，所述电流感测电路与所述第一切换节点、所述第二切换节点和所述内部节点中的至少一者耦合，所述电流感测电路操作以提供表示在所述电感器中流动的电感器电流的感测信号；且
其中所述调制器电路包括：
第一切换电路，其与所述电流感测电路耦合，所述第一切换电路根据所述模式控制信号操作以选择性地提供反相感测信号或非反相感测信号，
电流感测放大器，其操作以根据来自所述第一切换电路的所述反相或非反相感测信号提供表示在所述电感器中流动的电感器电流的电流感测信号，
误差放大器电路，其至少部分地根据所述反馈信号与所述参考信号的比较提供误差输出信号，
斜率补偿电路，其至少部分地根据所述输出电压与所述转换器输入节点处的输入电压之间的差提供斜率补偿信号，
加总电路，其至少部分地根据所述误差输出信号与所述斜率补偿信号的加总提供经补偿的误差信号；且
比较器电路，其包含：
第一比较器输入，其经耦合以从所述加总电路接收所述经补偿的误差信号，
第二比较器输入，其经耦合以接收所述电流感测信号，以及
比较器输出，其根据所述经补偿的误差信号与所述电流感测信号的比较提供脉宽调制比较信号；且
其中所述调制器电路操作以至少部分地根据所述脉宽调制比较信号将所述至少一个脉宽调制控制信号提供到所述切换控制电路。
4.根据权利要求3所述的级联升降压DC到DC转换器，其中所述斜率补偿电路包括：
斜率补偿电路放大器，其具有第一放大器输入和第二放大器输入以及输出；
斜坡电路，其根据所述斜率补偿电路放大器的所述输出提供所述斜率补偿信号；以及
第二切换电路，其根据所述模式控制信号操作以选择性地将表示所述输出电压的信号耦合到所述第一放大器输入和所述第二放大器输入中的一者，及选择性地将表示所述输入电压的信号耦合到所述第一放大器输入和所述第二放大器输入中的另一者。
5.根据权利要求1所述的级联升降压DC到DC转换器，其包括电流感测电路，所述电流感测电路与所述第一切换节点、所述第二切换节点和所述内部节点中的至少一者耦合，所述电流感测电路操作以提供表示在电感器中流动的电感器电流的感测信号；
其中所述调制器电路包括：
第一切换电路，其与所述电流感测电路耦合，所述第一切换电路根据所述模式控制信号操作以选择性地提供反相感测信号或非反相感测信号，
电流感测放大器，其操作以根据来自所述第一切换电路的所述反相或非反相感测信号提供表示在所述电感器中流动的电感器电流的电流感测信号，
误差放大器电路，其至少部分地根据所述反馈信号与所述参考信号的比较提供误差输出信号，
斜率补偿电路，其至少部分地根据所述输出电压与所述转换器输入节点处的输入电压之间的差提供斜率补偿信号，
加总电路，其至少部分地根据所述误差输出信号与所述斜率补偿信号的加总提供经补偿的误差信号；
比较器电路，其包含：
第一比较器输入，其经耦合以从所述加总电路接收所述经补偿的误差信号，
第二比较器输入，其经耦合以接收所述电流感测信号，以及
比较器输出，其根据所述经补偿的误差信号与所述电流感测信号的比较提供脉宽调制比较信号；
其中所述调制器电路操作以至少部分地根据所述脉宽调制比较信号将所述至少一个脉宽调制控制信号提供到所述切换控制电路。
6.根据权利要求5所述的级联升降压DC到DC转换器，其中所述斜率补偿电路包括：
斜率补偿电路放大器，其具有第一放大器输入和第二放大器输入以及输出；
斜坡电路，其根据所述斜率补偿电路放大器的所述输出提供所述斜率补偿信号；以及
第二切换电路，其根据所述模式控制信号操作以选择性地将表示所述输出电压的信号耦合到所述第一放大器输入和所述第二放大器输入中的一者，及选择性地将表示所述输入电压的信号耦合到所述第一放大器输入和所述第二放大器输入中的另一者。
7.根据权利要求1所述的级联升降压DC到DC转换器，其中所述调制器电路可操作以在所述降压模式中使用谷值电流控制提供所述至少一个脉冲宽度调制控制信号，且在所述升压模式中使用峰值电流控制以提供至少一个脉冲宽度调制控制信号。
8.一种用于控制级联四开关升降压DC到DC转换器的控制电路，所述控制电路包括：
切换控制电路，其根据模式控制信号在降压模式中操作以根据至少一个脉宽调制控制信号提供互补的经脉宽调制的第一切换控制信号和第二切换控制信号以交替激活及去激活降压转换器级的第一高侧开关和第一低侧开关以提供降压转换，同时将第三切换控制信号提供到升压转换器级的第二高侧开关以激活所述第二高侧开关，以及将第四切换控制信号提供到所述升压转换器级的第二低侧开关以去激活所述第二低侧开关，所述切换控制电路根据所述模式控制信号在升压模式中操作以根据所述至少一个脉宽调制控制信号以互补的经脉宽调制方式提供所述第三切换控制信号和所述第四切换控制信号以分别交替激活及去激活所述第二高侧开关和所述第二低侧开关，以提供升压转换，同时将所述第一切换控制信号提供到所述降压转换器级的所述第一高侧开关以激活所述第一高侧开关，以及将所述第二切换控制信号提供到所述降压转换器级的所述第一低侧开关以去激活所述第一低侧开关；
调制器电路，其操作以提供所述至少一个脉宽调制控制信号，且至少部分地根据与所述转换器的输出电压相关联的反馈信号以及表示所要的输出电压的参考信号的比较控制与所述至少一个脉宽调制控制信号相关联的接通时间和关闭时间中的至少一者；以及
所述调制器电路可操作以在所述降压模式中使用谷值电流控制和峰值电流控制中的一者提供所述至少一个脉冲宽度调制控制信号，以及在所述升压模式中使用所述峰值电流控制和谷值电流控制中的另一者提供所述至少一个脉冲宽度调制控制信号；以及
所述调制器电路可操作以基于所述转换器输出节点处的所述输出电压和所述转换器输入节点处的输入电压之间的差值并使用斜率补偿级在所述降压模式中提供相减斜率补偿且在所述升压模式中提供相加斜率补偿；以及
模式控制电路，其操作以将所述模式控制信号提供到所述切换控制电路和所述调制器电路，所述模式控制电路可操作以：
响应于所述第一低侧开关的接通时间小于第一阈值的确定而从所述降压模式改变为所述升压模式；且
提供所述模式控制信号以响应于所述第二低侧开关的接通时间小于第二阈值的确定而从所述升压模式改变为所述降压模式；
从而使得所述斜率补偿级在每一模式中类似。
9.根据权利要求8所述的用于控制级联四开关升降压DC到DC转换器的控制电路，其中所述调制器电路在所述降压模式中操作以使用谷值电流控制提供所述至少一个脉宽调制控制信号，且在所述升压模式中操作以使用峰值电流控制提供所述至少一个脉宽调制控制信号。
10.根据权利要求9所述的用于控制级联四开关升降压DC到DC转换器的控制电路，其中所述调制器电路包括：
第一切换电路，其根据所述模式控制信号操作以选择性地提供表示在所述DC到DC转换器中流动的电感器电流的反相感测信号或非反相感测信号；
电流感测放大器，其具有耦合到所述第一切换电路的输入以及操作以根据来自所述第一切换电路的所述反相或非反相感测信号提供电流感测信号的输出；
误差放大器电路，其至少部分地根据所述反馈信号与所述参考信号的比较提供误差输出信号，
斜率补偿电路，其至少部分地根据所述输出电压与所述转换器输入节点处的输入电压之间的差提供斜率补偿信号；
加总电路，其至少部分地根据所述误差输出信号与所述斜率补偿信号的加总提供经补偿的误差信号；以及
比较器电路，其包含：第一比较器输入，其经耦合以从所述加总电路接收所述经补偿的误差信号；第二比较器输入，其经耦合以接收所述电流感测信号；以及比较器输出，其根据所述经补偿的误差信号与所述电流感测信号的比较提供脉宽调制比较信号；
其中所述调制器电路操作以至少部分地根据所述脉宽调制比较信号将所述至少一个脉宽调制控制信号提供到所述切换控制电路。
11.根据权利要求8所述的用于控制级联四开关升降压DC到DC转换器的控制电路，其中所述调制器电路包括：
第一切换电路，其根据所述模式控制信号操作以选择性地提供表示在所述DC到DC转换器中流动的电感器电流的反相感测信号或非反相感测信号；
电流感测放大器，其具有耦合到所述第一切换电路的输入以及操作以根据来自所述第一切换电路的所述反相或非反相感测信号提供电流感测信号的输出；
误差放大器电路，其至少部分地根据所述反馈信号与所述参考信号的比较提供误差输出信号，
斜率补偿电路，其至少部分地根据所述输出电压与所述转换器输入节点处的输入电压之间的差提供斜率补偿信号；
加总电路，其至少部分地根据所述误差输出信号与所述斜率补偿信号的加总提供经补偿的误差信号；以及
比较器电路，其包含：第一比较器输入，其经耦合以从所述加总电路接收所述经补偿的误差信号；第二比较器输入，其经耦合以接收所述电流感测信号；以及比较器输出，其根据所述经补偿的误差信号与所述电流感测信号的比较提供脉宽调制比较信号；
其中所述调制器电路操作以至少部分地根据所述脉宽调制比较信号将所述至少一个脉宽调制控制信号提供到所述切换控制电路。
12.根据权利要求11所述的用于控制级联四开关升降压DC到DC转换器的控制电路，其中所述斜率补偿电路包括：
斜率补偿电路放大器，其具有第一放大器输入和第二放大器输入以及输出；
斜坡电路，其根据所述斜率补偿电路放大器的所述输出提供所述斜率补偿信号；以及
第二切换电路，其根据所述模式控制信号操作以选择性地将表示所述输出电压的信号耦合到所述第一放大器输入和所述第二放大器输入中的一者，及选择性地将表示所述输入电压的信号耦合到所述第一放大器输入和所述第二放大器输入中的另一者。
13.根据权利要求8所述的用于控制级联四开关升降压DC到DC转换器的控制电路，其中所述第一阈值和所述第二阈值大致相等。
14.一种控制四开关级联升降压DC到DC转换器以通过转换输入电压提供输出电压的方法，所述方法包括：
通过脉冲宽度调制第一高侧开关和第一低侧开关以互补的方式根据模式控制信号选择性地在降压模式中操作所述转换器以提供降压转换，同时接通第二高侧开关并关闭第二低侧开关；
通过脉冲宽度调制所述第二高侧开关和所述第二低侧开关以互补的方式根据所述模式控制信号选择性地在升压模式中操作所述转换器，同时接通所述第一高侧开关并关闭所述第一低侧开关；
使用谷值电流控制和峰值电流控制中的一者而在所述降压模式中操作所述转换器，以及使用峰值电流控制和谷值电流控制中的另一者在所述升压模式中操作所述转换器；
操作所述转换器以基于所述转换器输出节点处的所述输出电压和所述转换器输入节点处的输入电压之间的差值并使用斜率补偿级在所述降压模式中提供相减斜率补偿以及在所述升压模式中提供相加斜率补偿；
产生所述模式控制信号以：
响应于所述第一低侧开关的接通时间小于第一阈值的确定而从所述降压模式改变为所述升压模式；且
提供所述模式控制信号以响应于所述第二低侧开关的接通时间小于第二阈值的确定而从所述升压模式改变为所述降压模式；
从而使得所述斜率补偿级在每一模式中类似。
15.根据权利要求14所述的控制四开关级联升降压DC到DC转换器以通过转换输入电压提供输出电压的方法：
其中在所述降压模式中对所述第一高侧开关和所述第一低侧开关进行脉宽调制而用于降压转换包括至少部分地根据与所述转换器的所述输出电压相关联的反馈信号与表示所要的输出电压的参考信号的比较使用谷值电流控制控制与所述第一高侧开关相关联的接通时间和关闭时间中的至少一者；且
其中在所述升压模式中对所述第二高侧开关和所述第二低侧开关进行脉宽调制而用于升压转换包括至少部分地根据所述反馈信号与所述参考信号的所述比较使用峰值电流控制控制与升压转换器级的所述第二高侧开关相关联的接通时间和关闭时间中的至少一者。
16.根据权利要求14所述的控制四开关级联升降压DC到DC转换器以通过转换输入电压提供输出电压的方法，其中所述第一阈值和所述第二阈值大致相等。
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