CN105580262A - 具有单个控制回路的多输出升压调节器 - Google Patents

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Abstract

一种开关调节器电路提供正向模式操作，其中在输入端口处提供的电压可以被升压或降压以在电路的输出端口处产生经调节的电压。根据本公开，开关调节器电路包括两个或更多输入端口。开关调节器电路提供反向升压操作，其中在电路的输出端口处提供的电压可以被升压以在电路的两个输入端口处产生经调节的电压。

Description

具有单个控制回路的多输出升压调节器
相关申请
本申请要求2013年09月11日提交的美国申请号14/024,383的优先权，针对所有目的以整体通过引用将其内容并入本文。
背景技术
除非本文另有指示，在该部分中描述的方法不是本申请中的权利要求的现有技术并且不因包括在该部分中而被承认是现有技术。
现代电子系统通常需要一些形式的功率转换。便携式装备(例如，智能手机、便携式计算机等)的普及已经驱动了对有效转换功率的需求和技术。被称作开关调节器(经常被简单地称作“开关器”)的DC-DC转换器尤其适于在便携式电子设备中使用，并且能够使DC电源升高电压(升压)或降低电压(降压)。
在便携式电子设备中使用的开关调节器包括一类被称作“降压-升压”开关调节器的开关调节器。在便携式电子设备中使用的该种类的降压-升压开关器通常以正向降压模式和以反向升压模式操作。在正向降压模式下，在输入端口处的电压被降压以在输出端口处产生经调节的电压。在反向升压模式下，在输出端口处的电压被升压以在输入端口产生经调节的电压。
发明内容
在一些实施例中，开关调节器电路在提供正向降压模式操作之外还提供反向升压模式操作。在反向升压模式下，电路将在电路的输出端口(例如VOUT)处的电压转换以在电路的一个或多个输入端口处产生经调节的电压。根据本公开，电路可以利用经调节的电压电平驱动多个输入端口以在输入端口处提供多个电压轨。
在一些实施例中，电路可以包括至少两个半桥电路。在反向升压模式操作期间，两个半桥电路可以被开关以将电路的输出端口处提供的电压电平升压以在电路的每个输入端口处产生经调节的输出电压。
下面的详细描述和附图提供了对本公开的性质和优点的更好理解。
附图说明
图1示出了根据本公开的开关调节器的高层次的电路图。
图2A和图2B分别图示了常规的降压转换器和升压转换器。
图3图示了根据本公开的具有附加输入端口的实施例。
图4图示了图3的备选实施例。
图5图示了图3的附加的备选实施例。
具体实施方式
在下面的描述中，为了解释的目的阐述了各种示例和具体的细节以便提供对本公开的透彻的理解。然而，对本领域技术人员将是显而易见的是：按照权利要求中表达的本公开可以包括单独在这些示例中的或者与下文描述的其他特征组合的一些或所有的特征，并且可以进一步包括本文描述的特征和构思的修改和等价物。
图1示出了根据本公开的降压-升压开关调节器(“电路”)100。本领域技术人员从以下的讨论中将会理解本文阐述的原理也可以被合并在仅升压的开关调节器(未示出)中，其中开关调节器可以以正向升压模式或者以反向升压模式操作。
在一些实施例中，在图1中图示的电路100可以包括多个输入端口。例如，在实施例中，输入端口可以包括DCIN和USBIN。USBIN端口可以被提供用于连接到兼容USB的设备。DCIN端口可以被提供用于连接到电源或一些其他外部设备。
电路100可以包括半桥电路102和半桥电路104，每一个在每个半桥电路102、104之间的中点122处被连接到电感器L。在实施例中，USBIN端口可以馈送到半桥电路102中，并且DCIN端口可以馈送到半桥电路104中。
可以从中点122获得系统输出VOUT。在一些实施例中，电路100可以包括连接到系统输出VOUT的电容器CO。电路100可以被用在便携式电子设备(未示出)中以经由系统输出VOUT向包括便携式电子设备的系统电子装置提供在输入端口USBIN或DCIN处供应的功率。在特定使用情况中，系统电子装置可以由电池BATT供电并且电池由电路100充电。
半桥电路102可以包括高侧开关QH1和低侧开关QL。半桥电路104相似地包括高侧开关QH2和低侧开关QL。在一些实施例中，诸如在例如图1中所示的，半桥电路102、半桥电路104可以共享同一低侧开关，即QL。在其他实施例中，半桥电路102、半桥电路104可以具有它们自己相应的低侧开关(未示出)。在一些实施例中，器件QL、QH1、QH2是功率FET。
电路100可以包括PWM开关电路106，PWM开关电路106可以被操作以生成脉冲宽度调制栅极驱动信号124以驱动半桥电路102，或者以生成栅极驱动信号126以驱动半桥电路104。具体地，驱动信号124、126驱动功率FETQL、QH1和QH2的栅极。PWM开关电路106可以生成内部错误信号以控制驱动信号124、126的占空比。在一些实施例中，可以从系统输出VOUT或者在DCIN端口和USBIN端口处的输入电压中提供反馈128。根据本公开，PWM开关电路106可以包括选择器电路，当以正向降压模式操作时选择器电路选择系统输出VOUT作为反馈128，并且对于反向升压模式，选择器电路可以选择在USBIN端口或者DCIN端口处的电压作为反馈。PWM开关电路106可以将所选择的反馈128与基准电压(例如，5V基准，未示出)相比较以生成内部错误信号。在一些实施例中，PWM开关电路106可以包括几个基准电压以从中选择。
根据本公开，短接开关Qs可以横跨高侧晶体管QH1的栅极和高侧晶体管QH2的栅极被连接。在一些实施例中，短接开关Qs可以是非功率开关FET。
控制器108可以生成控制信号130以控制PWM开关电路106的操作，例如，从而以正向降压模式操作或者反向升压模式操作并且选择合适的反馈128。根据本公开，控制器108可以生成控制信号132以在接通(ON)状态下或者关断(OFF)状态下操作短接开关Qs。可以根据馈送到控制器108中的控制输入生成控制信号130和控制信号132。在一些实施例中，例如，控制输入可以是能够被写入的控制寄存器(未示出)中的位。应当理解，可以以包括使用数字逻辑电路(例如，专用IC-ASIC)、固件、数字逻辑和固件的组合等等的几种方式中的任意一种实施控制器108。
现在将讨论正向降压模式操作和反向升压模式操作。电路100可以以“正向降压”模式操作，其中在USBIN或DCIN处的输入电压被降压到更低的电压电平并且在系统输出VOUT处作为经调节的电压电平被提供。
考虑，例如，在DCIN端口处提供的输入电压上的降压模式操作。短接开关QS处于关断(非导通)状态，并且PWM开关电路106被操作以产生驱动信号126来驱动高侧FETQH2和低侧FETQL(半桥104)以作为降压调节器操作。现在暂且参考图2A，该图示出了常规的降压转换器配置。在图2A中的输入电压VIN与DCIN端口处的电压相对应。驱动信号126可以包括操作功率FETQH2和QL的脉冲宽度调制脉冲使得当QL为关断时，QH2为接通，并且反之亦然。本领域技术人员将会认识到高侧FETQH2的接通-关断开关组成了在图2A中示出的常规降压转换器的开关元件(SW)。低侧FETQL起二极管元件(D)的作用，因为它在接通状态下表现为正向导通二极管并且借由器件的体二极管(参见插图，图1)在关断状态下充当阻断二极管。系统输出VOUT与图2A中的VOUT相对应。可以相似地在USBIN端口处提供的输入电压上操作电路100，以用于降压模式操作。
电路100可以以常规的“反向升压”模式操作，其中在系统输出VOUT处的电压电平作为被升压的电压并且在端口USBIN和DCIN中的一个端口处以更高的经调节的电压电平被提供。例如，在一键拷贝(OTG)操作模式下，电池BATT可以作为电源以向连接到USBIN端口的负载(例如，拇指驱动器)提供功率。
考虑在USBIN端口上的反向升压模式操作。电路100可以被操作以将在系统输出VOUT处提供的电压(例如，来自电池BATT)升压以在USBIN端口处提供经调节的输出电压。因此，PWM开关电路106可以被操作以产生驱动信号124以驱动高侧FETQH1和低侧FETQL(半桥102)以作为升压调节器操作。现在暂且参考图2B，该图示出了常规的升压转换器配置。在反向升压模式操作下，在系统输出VOUT处提供的电压(例如，来自电池BATT)与在图2B中示出的输入电压VIN相对应。驱动信号126可以包括操作功率FETQH1和QL的脉冲宽度调制脉冲，使得当QL为关断时，QH1为接通，并且反之亦然。本领域技术人员将会理解到低侧FETQL组成了在图2B中示出的常规升压转换器的开关元件(SW)。高侧FETQH1起二极管元件(D)的作用，因为它在接通状态下表现为正向导通二极管并且借由器件的体二极管(参见插图，图1)，在关断状态下充当阻断二极管。PWM开关电路106可以使用在USBIN端口处生成的输出电压作为反馈128以调节驱动信号124的占空比。在反向升压模式操作中，在USBIN端口处产生的经调节的输出电压与图2B中的VOUT相对应。
应当理解，驱动信号126可以被相似地产生以在DCIN端口上提供反向升压模式操作。具体地，低侧FETQL组成开关元件SW，并且高侧FETQH2起图2B中示出的二极管元件D的作用以在DCIN端口处产生经调节的输出电压。
在反向升压模式操作的以上描述中，假定Qs短接开关处于关断(非导通)状态。因此，仅在USBIN端口或DCIN端口处产生输出电压，取决于PWM开关电路106产生驱动信号124还是驱动信号126。然而，根据本公开，电路100可以以反向升压模式操作，其中短接开关QS处于接通状态。例如，在一些实施例中，控制器108可以在控制信号132上确立(assert)电压电平以使短接开关QS接通。
在反向升压模式期间，当短接开关QS处于接通(导通)状态时，可以理解，驱动半桥102(或104)中的任一半桥也将驱动另一半桥104(或102)。例如，如果PWM开关电路106生成驱动信号124以驱动QH1和QL(半桥102)，那么由于短接开关QS提供的QH1的栅极和QH2的栅极之间的短接，QH2也将被驱动。并且因为QL对半桥102和半桥104是公共的，所以结果是两个半桥都被驱动信号124驱动。换句话说，反向升压发生在USBIN端口和DCIN端口两者上，并且在USBIN端口和DCIN端口两者处都生成经调节的输出电压。
相似地，如果在QS短接开关接通的情况下，PWM开关电路106生成驱动信号126以驱动QH2和QL(半桥104)，那么由于短接开关QS提供的QH1的栅极和QH2的栅极之间的短接，QH1也将被驱动。并且因为QL对半桥102和半桥104是公共的，所以两个半桥都被驱动信号126驱动，结果是在DCIN端口和USBIN端口两者处都生成经调节的输出电压。
控制器108可以生成合适的控制信号130、132以控制由电路100执行的反向升压操作的性质。例如，控制输入(例如，来自控制寄存器)可以通知控制器108针对反向升压操作配置电路100以在输入端口USBIN或DCIN中的指定的一个上提供经调节的输出电压。因此，控制信号132将可以被解除确立(de-assert)关断短接开关QS，并且将生成控制信号130以控制PWM开关电路106以生成与指定的输入端口对应的驱动信号124或126。
根据本公开，控制输入可以通知控制器108使能在输入端口USBIN和DCIN两者上的反向升压操作，以在两个端口上提供经调节的输出电压。因此，控制信号132将被确立以接通短接开关QS。由于每个半桥的高侧FET的栅极通过短接开关QS短接在一起，所以PWM开关电路106可以确立驱动信号124或驱动信号126。
根据本公开，当针对两个端口使能反向升压操作时，控制输入可以指定哪个输入端口具有“优先权”。优先权端口指的是输出电压将被调节的端口(例如，USBIN或DCIN)；例如，这是通过使用在优先权端口上的输出电压作为反馈128，PWM开关电路106将使用反馈128以生成驱动信号124或126。在非优先权端口处的输出电压因此将根据在优先权端口上的电压被调节。在特定实施方式中，例如，PWM开关电路106可以包括选择器以选择在USBIN端口或DCIN端口上的电压作为与基准电压相比较的反馈128。
根据本公开，电路100的操作模式可以通过改变控制输入来动态地改变。例如，假设电路100正在操作以仅在USBIN端口上提供反向升压模式(即，经调节的输出电压仅被提供到USBIN端口)。控制输入可以被后续地改变以配置电路100以在USBIN端口和DCIN端口两者上使能反向升压；例如，这是通过控制器108确立控制信号132以接通短接开关QS。进一步地，控制输入可以标识优先权端口，以使得控制器108生成合适的控制信号130到PWM开关电路106以选择合适的反馈128；即，USBIN上的电压或者DCIN上的电压。
相反地，假设电路100正在操作以在USBIN端口和DCIN端口两者上提供反向升压模式。控制输入可以被后续地改变以配置电路100以在输入端口中的仅一个端口上使能反向升压。作为响应，控制器108可以解除确立信号132以断开短接开关QS并且确立控制信号130以控制PWM开关电路106生成驱动信号(124或126)以仅驱动与指定输入端口相对应的半桥，包括选择合适的反馈128。
在一些实施例中，电路100可以包括附加的输入端口。参考图3，电路300包括附加的输入端口DCIN1。将理解，在其他实施例中，附加输入端口的数量可以被容易地缩放以提供具有多于3个输入端口的电路300。电路300可以包括连接到DCIN1端口和中点122的半桥302。可以提供短接开关QS1和QS2以将高侧FETQH1、QH2、QH3的栅极短接。根据本公开，控制信号132可以被用来以上文讨论的方式接通QS1和QS2短接开关两者，以便利用经调节的输出电压驱动全部3个输入端口。
在一些实施例中，可以提供附加的电路装置和/或控制，从而在成对的输入端口上使能反向升压模式操作。参考图4，例如，在实施例中，控制器108可以提供控制信号432a和控制信号432b以指定使能反向升压模式操作的输入端口。例如，如果控制信号432a和控制信号432b两者都被确立，那么反向升压模式针对全部三个输入端口被使能。如果只有控制信号432a被确立，那么反向升压模式针对输入端口USBIN和输入端口DCIN被使能，而不针对DCIN1被使能。如果只有控制信号432b被确立，那么反向升压模式针对输入端口DCIN和DCIN1被使能，而不针对USBIN被使能。
参考图5，在一些实施例中，可以利用短接矩阵502代替短接开关QS1和QS2。短接矩阵502可以包括开关的阵列，该开关的阵列可以被配置成将高侧驱动信号线512、514、516中的任意两条或者全部3条线短接在一起。例如，线512和线514可以被短接在一起，使得经调节的输出电压可以被生成在USBIN端口和DCIN端口处，线512和线516可以被短接在一起，使得经调节的输出电压可以被生成在USBIN端口和DCIN1端口处等等。控制器108可以生成合适的控制信号504以控制短接矩阵502。
优点以及技术效果
相对于现有技术的调节器，根据本公开的开关调节器的优点包括芯片占地面积和芯片成本的显著降低。在以反向升压模式操作的现有技术升压调节器的输入侧处提供附加的功率轨通常需要利用使用功率FET的多个开关来“分接”一个或多个输入端口。与开关FET相比，功率FET是通常体型上较大的器件并且因此消耗显著的附加的芯片占地面积。需要将开关与彼此以及与被分接的输入端口隔离。附加的隔离电路增加常规调节器的设计的整体复杂性。
通过对比，根据本公开的开关调节器(例如，降压-升压调节器100)通过以上文解释的方式“重复使用”现有的功率FET可以避免昂贵的附加电路装置。仅仅通过增加诸如短接开关QS(图1)的小型开关FET以及在控制器108中的一些附加控制逻辑，在芯片的尺寸和复杂性上没有显著增加并且在制造成本上几乎没有增加的情况下，可以实现用于反向升压模式的附加功率轨。
以上的描述说明了本公开的各种实施例，以及可以如何实施特定实施例的方面的示例。以上的示例不应当被认为是仅有的实施例并且它们被呈现以说明如由以下的权利要求限定的特定实施例的灵活性和优点。基于以上公开和以下权利要求，在不脱离如由权利要求限定的本公开范围的情况下，可以采用其他布置、实施例、实施方式和等价物。

Claims (20)

1.一种电路，包括：
第一半桥电路，具有输入、高侧栅极驱动输入、低侧栅极驱动输入和输出；
至少一个第二半桥电路，具有输入、高侧栅极驱动输入、低侧栅极驱动输入和输出；
短接开关，连接在所述第一半桥电路的所述高侧栅极驱动输入和所述第二半桥电路的所述高侧栅极驱动输入之间，并且具有接通状态和关断状态，其中所述第一半桥电路的所述高侧栅极驱动输入和所述第二半桥电路的所述高侧栅极驱动输入被电连接，其中所述第一半桥电路的所述高侧栅极驱动输入和所述第二半桥电路的所述高侧栅极驱动输入未被电连接；
电感器，具有连接到每个半桥电路的所述输出的一端和连接到所述电路的输出的另一端；以及
开关信号生成器，连接到每个半桥电路的所述高侧栅极驱动输入和所述低侧栅极驱动输入。
2.根据权利要求1所述的电路，进一步包括控制器，所述控制器连接到所述短接开关并且具有开关控制信号以控制所述短接开关的接通-关断状态。
3.根据权利要求1所述的电路，其中所述开关信号生成器针对降压模式操作生成第一开关信号，并且所述开关信号生成器针对升压模式操作生成第二开关信号，其中所述短接开关在降压模式操作期间为关断并且所述短接开关在升压模式操作期间选择性地为接通。
4.根据权利要求3所述的电路，其中对于降压模式操作，在所述半桥电路中的一个半桥电路的所述输入处的电压电平被降压以在所述电路的所述输出处生成经调节的电压电平。
5.根据权利要求3所述的电路，其中对于升压模式操作，在所述电路的所述输出处的电压电平被升压以在所述第一半桥电路和所述第二半桥电路的两个输入处生成经调节的电压电平。
6.根据权利要求3所述的电路，其中对于升压模式操作，所述开关信号生成器使用在所述第一半桥电路的所述输入处的电压电平或者在所述第二半桥电路的所述输入处的电压电平作为反馈。
7.根据权利要求1所述的电路，其中每个半桥电路包括连接到低侧开关的高侧开关。
8.根据权利要求7所述的电路，其中每个半桥电路的每个高侧开关被连接到同一个所述低侧开关。
9.根据权利要求1所述的电路，进一步包括连接到所述电路的所述输出的电容器。
10.根据权利要求1所述的电路，其中所述电路是降压-升压开关调节器。
11.一种电路，包括：
第一输入端口和第二输入端口；
输出端口；
第一半桥电路和第二半桥电路，分别连接到所述第一输入端口和所述第二输入端口，每个半桥电路包括高侧驱动器输入和低侧驱动器输入，所述第一半桥电路和所述第二半桥电路在公共的输出处连接；
脉冲宽度调制(PWM)开关电路，被配置成提供驱动信号到所述第一半桥电路和所述第二半桥电路的所述高侧驱动器输入和所述低侧驱动器输入以在正向降压模式下或者在反向升压模式下操作所述电路；以及
电感器，在所述第一半桥电路和所述第二半桥电路的所述公共输出与所述输出端口之间连接，
所述PWM开关电路被配置成针对正向降压模式操作生成第一驱动信号，所述第一驱动信号被提供到所述半桥电路中的一个半桥电路的所述高侧驱动器输入和所述低侧驱动器输入，其中在所述半桥电路中的所述一个半桥电路的所述输入端口处的第一电压电平在所述输出端口处作为经降压的电压电平出现，
所述PWM开关电路进一步被配置成针对反向升压模式操作生成第二驱动信号，
其中所述第一半桥电路和所述第二半桥电路被配置成在基本同时在它们相应的高侧驱动器输入和低侧驱动器输入处接收所述第二驱动信号，其中在所述输出端口处提供的第二电压电平被升压以在所述第一输入端口和所述第二输入端口两者处产生经升压的电压电平。
12.根据权利要求11所述的电路，进一步包括在所述第一半桥电路和所述第二半桥电路之间连接的短接开关，并且所述短接开关可操作以将所述第一半桥电路的所述高侧驱动器输入和所述第二半桥电路的所述高侧驱动器输入选择性地电连接和断开连接，其中在所述正向降压模式操作期间，所述短接开关处于关断状态并且在所述反向升压模式操作期间，所述短接开关选择性地处于接通状态。
13.根据权利要求11所述的电路，进一步包括控制器以控制所述PWM开关电路的操作并且控制所述第二驱动信号仅驱动所述半桥电路中的一个半桥电路还是驱动两个所述半桥电路。
14.根据权利要求11所述的电路，其中所述PWM开关电路进一步被配置成在输入端口中的一个输入端口处的电压电平作为反馈并且在反向升压模式操作期间从所选择的反馈生成错误信号。
15.根据权利要求11所述的电路，进一步包括第三输入端口和连接到所述第三输入端口并且包括高侧驱动器输入和低侧驱动器输入的第三半桥电路，其中所述第一半桥电路、所述第二半桥电路和所述第三半桥电路被配置成基本同时在它们相应的高侧驱动器输入和低侧驱动器输入处接收所述第二驱动信号，其中经升压的电压电平在所述第一输入端口、所述第二输入端口和所述第三输入端口处出现。
16.一种开关调节器电路，包括：
第一输入端口和第二输入端口；
输出端口；
第一装置，用于响应于被提供到所述第一装置的驱动信号而开关在所述第一输入端口处或所述输出端口处的电压以在所述第一端口处或所述输出端口处产生经调节的电压电平；
第二装置，用于响应于被提供到所述第二装置的驱动信号而开关在所述第二输入端口处或所述输出端口处的电压以在所述第二端口处或所述输出端口处产生经调节的电压电平；以及
第三装置，用于选择性地使能要被提供到所述第一装置和所述第二装置两者或者提供到所述第一装置或所述第二装置的驱动信号，其中所述第三装置能够基本同时使能提供驱动信号到所述第一装置和所述第二装置以在所述第一输入端口和所述第二输入端口两者处生成经调节的电压电平。
17.根据权利要求16所述的电路，进一步包括第四装置，连接到所述第一装置和所述第二装置，用于生成驱动信号。
18.根据权利要求17所述的电路，其中所述第四装置被连接到所述第一输入端口和所述第二输入端口以及所述输出端口，其中在所述端口之一处的电压被用来调节所述驱动信号的占空比。
19.根据权利要求16所述的电路，其中所述第三装置在反向升压模式操作期间使能基本同时提供驱动信号到所述第一装置和所述第二装置。
20.根据权利要求16所述的电路，其中所述电路是降压-升压开关调节器。
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