CN106169867A - 电压转换器 - Google Patents

Abstract

一种电压转换器。提供了方法和设备，其中基于第一和第二开关两个开关断开的时间来执行操作模式的改变。

Description

电压转换器

技术领域

本申请涉及改变包括开关的设备的操作模式。

背景技术

转换器为用于将输入量转换为输出量的设备。用于转换器的示例包括电流转换器和电压转换器。电压转换器可以例如为将输入电压转换为输出电压的DC/DC-转换器。用于这样的电压转换器的示例包括降压型转换器、升压型转换器、或者降压型升压型转换器。这样的电压转换器例如用在开关模式电源(SMPS)中，其用于生成稳定的输出电压以给进一步的设备提供电力。

为了优化效率，例如为降压型转换器的这样的转换器具有两个操作模式，根据该两个操作模式，例如高侧开关和低侧开关的开关可以被操作。在某些应用中，操作的第一模式称作脉冲频率调制模式(PFM)，并且第二模式称作脉冲宽度调制(PWM)模式。例如，在某些应用中，PFM模式可以是在例如相对低的负载效率方面是有利的，而PWM模式可以更适于相对高的负载。存在如何在模式之间改变的各种方法，例如时如何检测何时由于负载改变、应该执行操作模式之间的改变。但是，传统的方法可能遭遇各种缺点。

发明内容

根据本公开的实施方式，提供了一种设备，包括：第一开关，所述第一开关的第一负载端子与第一电压输入耦合，并且所述第一开关的第二负载端子与输出节点耦合；第二开关，所述第二开关的第一负载端子与所述输出节点耦合，并且所述第二开关的第二负载端子与第二电压输入耦合，以及控制器，所述控制器与所述第一开关的控制输入和所述第二开关的控制输入耦合，其中所述控制器适于在操作的第一模式或操作的第二模式中选择性地控制所述第一开关和所述第二开关，所述控制器适于基于其中所述第一开关和所述第二开关都断开的时间来从所述操作的第二模式改变到所述操作的第一模式。

可选地，在该设备中，所述控制器适于基于其中所述第一开关和所述第二开关都断开的所述时间与其中所述第一开关或所述第二开关中的至少一个开关闭合的时间之间的比例来从所述第二模式改变到所述第一模式。

可选地，在该设备中，所述操作的第一模式为脉冲宽度调制模式，并且所述操作的第二模式为脉冲频率调制模式。

可选地，在该设备中，所述控制器适于确定在其期间所述第一开关和所述第二开关都断开的时间是否超过阈值时间，并且适于在所述阈值时间已经被超过预定次数时切换到所述操作的第一模式。

可选地，在该设备中，所述控制器进一步适于基于在其期间所述第一开关和所述第二开关中的至少一个开关闭合的时间来确定所述阈值时间。

可选地，在该设备中，时钟信号从其中所述第一开关和所述第二开关都断开的阶段的起始一直到达到所述阈值时间是活跃的，并且对于所述阶段的剩余时间是不活跃的。

可选地，在该设备中，所述设备适于数字地测量所述时间。

可选地，在该设备中，所述控制器包括在其中所述第一开关或所述第二开关中的至少一个开关闭合的阶段或其中所述第一开关和所述第二开关都断开的阶段中的至少一个阶段期间对时钟脉冲进行计数的计数器。

可选地，在该设备中，所述设备包括至少部分模拟的电路以测量所述时间。

可选地，在该设备中，所述控制器包括状态机。

根据本公开的实施方式，提供了一种控制器，所述控制器适于控制电压转换器的高侧开关和低侧开关，所述控制器包括状态机，所述状态机包括：第一状态，在所述第一状态中所述高侧开关被控制为闭合、所述低侧开关被控制为断开、时钟信号有效并且充电时间变量基于所述时钟信号增加，第二状态，在所述第二状态中所述高侧开关被控制为断开、所述低侧开关被控制为闭合、所述时钟信号有效并且所述充电时间变量基于所述时钟信号增加，其中所述状态机适于在脉冲频率调制模式中在通过所述高侧开关的电流达到上电流限值时从所述第一状态转变到所述第二状态，其中所述状态机适于在所述脉冲频率调制模式中在通过所述低侧开关的电流达到低电流限值时从所述第二状态转变到第三状态。所述第三状态，在所述第三状态中所述高侧开关被控制为断开、所述低侧开关被控制为断开、所述时钟信号有效、阈值时间变量基于所述充电时间变量被初始化、并且所述阈值时间变量基于所述时钟信号减少，其中所述状态机适于在输出电压达到低电压限值之前所述阈值时间变量达到0时从所述第三状态转变到第四状态，其中所述状态机适于在所述阈值时间变量达到0之前所述输出电压达到所述低电压限值时从所述第三状态转变到所述第一状态并且增加计数器变量，所述第四状态，在所述第四状态中所述高侧开关和所述低侧开关都被控制为断开、并且所述时钟信号被去激活，其中所述状态机适于在所述输出电压达到所述低电压水平时从所述第四状态转变到所述第一状态，其中所述控制器适于在所述计数器达到预定阈值时离开所述脉冲频率操作模式。

可选地，在该控制器中，所述状态机能够操作在脉冲宽度调制模式中，其中在所述脉冲宽度调制模式中，所述状态机适于基于脉冲宽度调制控制信号来在所述第一状态与所述第二状态之间转变。

可选地，在该控制器中，所述状态机适于在所述充电时间变量达到预定阈值充电时间时从所述第一状态转变到所述第二状态。

根据本公开的实施方式，提供了一种方法，包括：在操作的第一模式或操作的第二模式中选择性地控制第一开关和第二开关，以及基于其中所述第一开关和所述第二开关都断开的时间与其中所述第一开关或所述第二开关中的至少一个开关闭合的时间之间的时间比来从所述操作的第二模式改变到所述操作的第一模式。

可选地，在该方法中，所述操作的第一模式为脉冲宽度调制模式，并且所述操作的第二模式为脉冲频率调制模式。

可选地，在该方法中，进一步包括确定在其期间所述第一开关和所述第二开关断开的时间是否超过阈值时间，并且在所述阈值时间已经被超过预定次数时改变到所述操作的第一模式。

可选地，在该方法中，进一步包括基于在其期间所述第一开关和所述第二开关中的至少一个开关闭合的时间来确定所述预定阈值时间。

可选地，在该方法中，确定所述预定阈值时间包括缩放在其期间所述第一开关和所述第二开关中的至少一个开关闭合的时间。

可选地，在该方法中，进一步包括从其中所述第一开关和所述第二开关都断开的阶段的起始一直到达到所述预定阈值时间激活时钟信号，并且对于所述阶段的剩余时间去激活所述时钟信号。

可选地，在该方法中，进一步包括在其中所述第一开关或所述第二开关中的至少一个开关闭合的阶段或其中所述第一开关和所述第二开关都断开的阶段中的至少一个阶段期间对时钟脉冲进行计数。

附图说明

图1为图示根据实施例的开关模式电源设备的框图。

图2为图示降压型转换器的示图。

图3为图示可应用于某些实施例的控制概念的示图。

图4图示了某些实施例的示例信号。

图5图示了某些实施例的另外的示例信号。

图6为根据实施例的转换器的框图。

图7为根据实施例的状态机的框图。

图8为图示输出电流与定时之间的示例关系的示图。

图9为图示根据实施例的方法的流程图。

图10为图示根据实施例的用于确定阈值时间的电路的电路图。

图11图示了用于图10的实施例的示例信号。

具体实施方式

在下面，将参照所附附图来描述各种实施例。应该注意此后描述和在附图中示出的实施例仅仅通过示例的方式来提供并且不被解释为限制性的。例如，虽然实施例可以描述为包括多个特征或元素，在其他实施例中，所描述的特征或元素中的某些可以被省略和/或由可选的特征或元素来替代。在又一实施例中，可以提供附加的或可选的附加特征或元素。

来自不同实施例的特征可以组合以形成另外的实施例，除非提及的其它情况。

在附图中示出或此后描述的实施例中，所描述的元素之间的连接或耦合可以为直接连接或耦合，即没有中间元素的连接或耦合，或者间接连接或耦合，即，具有一个或多个中间元素的连接或耦合，只要例如发送一定种类的信息或一定种类的信号的连接或耦合的一般目的和/或功能基本上被保留。连接或耦合可以为基于有线的连接或耦合或无线连接或耦合，除非提及的其它情况。

如将在以下更具体地进一步解释的，某些实施例包括例如为高侧开关和低侧开关的开关。为了易化引用，开关可以描述为具有控制端子、第一负载端子以及第二负载端子。当开关闭合时，电流可以在第一负载端子与第二负载端子之间流动。当开关断开时，开关基本上在第一与第二负载端子之间不导电(除了如为泄漏电流等的可能发生的不期望的效果)。开关的断开和闭合可以经由控制端子来控制。这样的开关可以例如使用如为场效应晶体管、双极晶体管、或者为如为绝缘栅双极晶体管(IGBT)的其混合来实现。在这一情况，晶体管的基极端子或栅极端子可以用作开关的控制端子，以及收集器和发射器端子或源极和漏极端子可以用作开关的负载端子。

在某些实施例中，可以在如为降压型转换器的电压转换器中提供开关，并且可以控制高侧开关和低侧开关以将输入电压转换为输出电压。在实施例中，操作可以在例如为脉冲频率调制(PFM)模式和脉冲宽度调制(PWM)模式的两个模式之间改变。例如，PFM模式可以在对应于相对低的输出功率的相对低的负载处使用，并且PWM模式可以在对应于更高的输出功能的相对更高的负载处使用。例如，PFM模式可以到达更好的效率，因为不需要如在PWM模式中地一直有切换，而是在PFM模式中，切换可以仅仅在需要切换以保持比期望的阈值更高的输出电压时执行。但是，在更高的负载处，使用这样的方法，可能发生输出压降，使得在某些应用中期望切换到PWM模式。

各种实施例在PFM模式中监测切换的频率和/或定时，即，开关的操作，并且基于监测来改变到PWM模式。例如，在某些实施例中，例如为三态模式的高侧开关和低侧开关都断开的时间可以被测量和与阈值时间比较。如果所测量的时间小于阈值时间，可以发起模式改变。

应该知晓在PFM模式或PWM模式中操作转换器可以以现有技术中传统上知晓的任意方式来完成，使得操作模式自身在这里不将以每个细节来描述。替代地，本申请关注用于确定何时在操作模式之间(例如从PFM模式到PWM模式)的改变应该被执行的特定技术。

如上所提及的电压转换器可以例如在开关模式电源(SMPS)中使用，其将用作下面的解释中的示例环境。但是，这里所描述的技术可以总体上可应用于其中具体而言为电压转换器的转换器选择性地操作在操作的第一模式或操作的第二模式中的情况。

现在转到图，在图1中图示了根据实施例的SMPS设备10。所阐述的实施例中的SMPS设备10接收输入电压Vin并且输出在某些实施例中可以比Vin更小的输出电压Vout。在其他实施例中，Vin与Vout之间的其它关系可以适用。

SMPS设备10包括例如为高侧开关和低侧开关的开关设备13，以形成如将在以下进一步解释的降压型转换器，该开关设备13被操作以将输入电压Vin转换成输出电压Vout。开关设备13由控制器11来控制。控制器11可以选择性地在例如为PFM模式和PWM模式的至少两个不同的操作模式中操作开关设备13。进而，SMPS设备10包括时间测量块12。时间测量块12在实施例中测量开关设备13的操作模式中的定时。基于测量，控制器11可以决定在操作模式之间改变。例如，时间测量块12可以包括计数器以执行数字时间测量。在某些实施例中，时间测量块12可以测量开关设备13在三态模式中的时间。控制器11可以接着基于所测量的三态时间与阈值时间的比较来做出是否改变模式的判决。在某些实施例中，时间测量可以仅仅执行直到阈值时间，并且如果三态模式没有结束，例如将不执行模式改变。在某些实施例中，时间测量可以指示开关设备10的负载电流。在某些实施例中，例如可以做出是否从PFM模式切换到PWM模式的判决。在其他实施例中，可以采用其它技术。用于时间测量的示例将在以下进一步讨论。

在某些实施例中，控制器11可以接收输出电压Vout以实现调节回路，其将Vout调节到期望值。在这样的实施例中有可能将Vout调节到期望值。

图1中所图示的块中的一个或多个块可以实现在相同的电路中并且可以使用硬件、软件、固件或其组合来实现。

在图2中，示出具有降压型转换器的开关模式电源(SMPS)设备20的框图以图示适用于某些实施例的开关设备和电压转换的可能的实现。图2的SMPS设备20包括还被称作高侧开关的第一开关23，以及还被称作低侧开关的第二开关24。SMPS设备20包括用以接收输入电压Vin的电压输入端子26，用以耦合到接地(gnd)的接地端子28，用以接收输出电压Vout的反馈端子29和用以接收例如参考信号或时钟参考的参考端子21。进而，SMPS设备20包括开关输出端子27。高侧开关23的第一负载端子与端子26耦合，第一开关23的第二负载端子与节点25耦合，开关24的第一负载端子还与节点25耦合，从而耦合开关23的第二负载端子与第二开关24的第一负载端子，并且第二开关24的第二负载端子与接地端子28耦合。节点25进一步与开关输出27耦合。第一开关23和第二开关24的控制输入由控制器22来控制。控制器22经由端子29来接收输出信号，因而实现图2的实现方式中的控制回路。

输出电容器212经由电感器210耦合在开关端子27与接地端子28之间。通过闭合开关23，例如电感器210可以被充电，并且通过闭合开关24，电感器210可以被放电。来自电感器210的电流被馈送到输出电容器212。在其它类型的转换器中，例如升压型转换器，输出电容器可以通过闭合相应的开关来直接充电和放电。除了所示的元素之外，可以提供一个或多个负载以接收图2中图示的SMPS设备20的负载电流。

此外，输入电容器211耦合在电压输入端子26与接地端子28之间。输入电容器211可以例如代表输入电压源。输入电容器211可以例如代表输入电压源。输入电压Vin在某些实施例中可以为可变的。例如，在某些汽车应用中，提供在车辆内的电池电源可以具有宽的操作范围，例如8V与20V之间。响应于其的SMPS设备20可以提供在期望的范围内的输出电压Vout。控制器22可以在例如为PFM模式或PWM模式的至少两个不同的操作模式中操作开关23、24。

SMPS设备20的各种组件可以例如集成在共同的芯片中。

在图3中，示意性地图示了用于在PWM模式与PFM模式之间切换的控制方案。

块30在PWM操作模式期间是活跃的，并且，在要求的输出功率和/或耦合到转换器的负载减少的情况中，块30可以请求到例如为PFM模式的低功率模式的改变。块30可以以任意传统的方式来实现并且将不进一步讨论。块30可以输出信号Low_power_mode_request以请求模式改变。

块31在PFM模式中可以是活跃的并且可以使用这里公开的技术来实现。块31接收输出电压Vout并且可以在比较器37中将这一输出电压与期望值比较。基于比较结果，PFM脉冲生成器38按照脉冲频率调制方案控制如为图2的开关23、24的开关，以将输出电压调整到期望值。脉冲计数器39可以执行时间测量，可以例如对在三态情形期间的预定数量的数字时钟脉冲计数，例如其中图2的开关23、24都断开的情形。其他实施例可以使用用于时间测量的其他技术。如果三态状态在计数结束之前过期(例如当开关23、24中的一个开关闭合时)，输出电流估计器310可以判定例如由于高负载而带来的需要的输出电流如此高使得到例如为PWM模式的高功率模式的改变应该执行。在这一情况中，信号High_power_mode_request可以被输出。总体上，在实施例中，通过如为图3脉冲计数器39的计数器，如将在以下进一步解释的，三态时间的减少可以被检测到，并且取决于该减少，可以发出高功能模式请求。在某些实施例中，基于计数器，输出电流估计Iout可以估计输出电流，并且可以基于所估计的电流来判决模式的改变。

在图3的方案中，信号Low_power_mode_request和High_power_mode_request可以由逻辑32接收，该逻辑32可以协调操作模式之间的改变。

在图4中，图示了PFM模式中如为图2中示出的转换器的转换器的操作的信号。应该注意到图4中示出的信号仅仅用作阐述目的，并且取决于实现方式和负载，信号可以具有不同的形状和/或不同的定时。图4示出了其中PFM模式足以支持负载的示例。

曲线40图示了例如如在图2中图示的降压型转换器的输出电压Vout的输出电压Vout。LVL图示了在应用中输出电压Vout不应该下降到其之下的低电压水平阈值。曲线41图示了线圈电流，例如图2的通过电感器210的电流。UCL图示了上电流限值，并且LCL图示了下电流限值。曲线42图示了例如在脉冲频率调制控制中使用的和/或用于时间测量的时钟信号，如将在以下讨论的。

如能够在曲线40中看见的，输出电压Vout例如由于图2的电容器212的放电而下降，直到Vout下降到LVL以下。在这一阶段期间，开关在三态中，例如图2的开关23、24断开。当Vout下降到LVL以下时，高侧开关(例如，图2中的开关23)在记为图4中的HS的阶段闭合。这对电感器(例如，图2的电感器210)充电，并且电感器电流对输出电容器(例如，电容器212)充电，导致Vout的增加。这一状态维持，直到线圈电流达到上电流限值UCL。当线圈电流(曲线41)达到上电流限值时，高侧开关(例如图2的开关23)断开，并且低侧开关(例如图2的开关24)闭合。这一状态在记为图4中的LS的阶段期间维持。这对电感器(例如，电感器210)放电，并且还被称作线圈电流的电感器电流馈送到输出电容器(例如图2的电容器212)。这一状态持续，直到线圈电流达到低电流限值LCL。此后，开关切换到三态，例如高侧开关和低侧开关都断开。阶段HS和LS的持续时间记为图4中的充电时间T_chg。在三态阶段中，电压再次下降，直到达到周期再次开始的低电压水平。三态的持续时间记为图4中的T_tristate。

在图4中，如将在稍后更具体地解释的，在三态期间在每个阶段LS之后，时钟信号42在一定时间保持活跃，记为Td15。稍后将解释关于在某些实施例中如何可以确定Td15的细节。在具有相对低的负载的图4的情况中，三态持续时间T_tristate更长于Td15。

接下来，参照图5，将解释具有高负载的示例情况。

如为图4所解释的，图5中示出的信号仅仅用作阐述目的，并且取决于实现、应用和其它环境，实际信号可以改变。

曲线50图示了输出电压，类似于图4的曲线40。曲线51图示了线圈电流，类似于图4的曲线41。名称三态、HS、LS、UCL、LCL以及LVL对应于已经在图4中使用的名称。

曲线55图示了操作模式，其首先为PFM模式并且然后改变到PWM模式，如以下将更具体地解释的。

图5的示图的最左边的三态阶段类似于图4中图示的三态阶段。然后，例如由于负载增加，如为图2的电容器212的输出电容器更快地放电，导致输出电压Vout更快地下降到低电压水平LVL。这进而导致三态阶段的缩短。如在图5中所图示的，具体而言，三态阶段可以变得比时间Td15更短。

例如，回过去参见图4，三态阶段可以结束，而同时如为图4的时钟信号42的时钟信号仍然活跃。当三态阶段短于Td15时，在某些实施例中，计数器增加，如由曲线53所图示的。当计数器达到阈值时(例如，在图5的图示中的值3，尽管其它值是可能的)，如由曲线54所图示的，执行到PWM模式的改变。如将在下面解释的，时间Td15可以对应于输出电流阈值，并且当三态阶段变得比Td15更短时，这可以指示输出电流超过阈值，如所图示得，这可以触发到PWM模式的改变。

在某些实施例中，如由52所图示的阈值的使用可以防止当例如仅仅发生单个负载溢出时在模式之间来回改变，其将仅仅将计数器增加1。换而言之，在某些实施例中适当地设定阈值52可以防止操作模式之间的振荡。

图5中图示的高负载状态的检测可以例如在用于开关的控制回路内实现，例如在图2的控制器22或者图1的控制器11中以及图3的块31中。进一步的实现可能性将在以下进一步更具体地解释。在其他实施例中，关于计数器值或计数器值超过阈值的指示可以发送到某一中央控制实例，该中央控制实例可以然后做出改变模式的最终判定。换而言之，在这样的实施例中，例如为ECU的中央控制实例接收例如基于计数器值超过阈值模式应该被改变的信息。在某些实施例中，除了模式应该被改变的这一指示，控制实例可以考虑其它因素，例如有关设备中的负载的开和关的知识(例如，在汽车应用中，如为电子控制单元(ECU)的中央控制器可以知晓车辆的哪个组件在给定时刻开，或者很快将开或关，这可以被附加地考虑)。

接下来，将具体描述根据某些实施例的如何选择合适的时间Td15的可能性。

如例如在图4中图示的，充电时间T_chg等于：

T_chg＝t(HS_ON)+t(LS_ON) (1)

其中t(HSON)为在其期间高侧开关闭合的时间(在图4和5中标记为HS的时间)以及t(LSON)为其中低侧开关闭合的时间(例如，在图4和5中标记为LS)。

使用为例如如在图4和5中图示的线圈电流的峰值的上电流限值UCL，输出电容器可以以以下来充电：

$T_{chg}\left(\frac{UCL}{2}-Iout\right)---\left(2\right)$

并且以以下来放电

T_tristateIout (3)

其中T_tristate为三态阶段的持续时间并且Iout为负载电流。

平衡根据(2)的充电和根据(3)的放电，得到下面的等式：

$T_{tristate}=T_{chg}\left(\frac{UCL}{2\·Iout}\right)=k\·T_{chg}---\left(4\right),$

即，

$k=\frac{UCL}{2\·Iout}-1---\left(5\right)$

等式(4)还可以写成：

$\frac{Iout}{\frac{UCL}{2}}=\frac{T_{chg}}{T_{chg}+T_{tristate}}=\frac{1}{1+\frac{T_{tristate}}{T_{chg}}}---\left(6\right)$

因此，基于等式(6)，负载电流Iout与三态时间T_tristate与充电时间T_chg之间的比例之间存在关系。

等式(6)的关系在图8的曲线80中描绘。因此，为了阐述目的而转回图4和5的示例，使用时钟信号42，可以对充电阶段的持续时间计数，并且基于此，对应于阈值时间Td15的计数数目可以被确定。Td15的每个值对应于阈值三态时间与由相应的脉冲数给出的充电时间的某一比例。基于等式(6)，这进而对应于阈值负载电流。为了给出示例，在等式(4)中设置k为0.5将意味着时间Td15具有比充电时间T_chg多的一半时钟信号42的周期。例如，k＝0.5对应于以下的阈值负载电流：

$Iout=\frac{UCL}{2}\·\frac{1}{1+\frac{0.5T_{chg}}{T_{chg}}}=\frac{UCL}{2}\·\frac{1}{1.5}=\frac{UCL}{3}---\left(7\right)$

进而，从等式(6)中，同样明显的，当三态阶段变得更小(即，T_tristate变得更小)时，这对应于更大的负载电流。因此，当如图5中图示地、T_tristate变得比Td15更小时，这意味着负载电流Iout超过由相应的时间Td15/比例k选择的阈值电流。如在图5中图示以及以上解释的，当这样的事件指示负载电流Iout超过阈值电流发生预定次数(对应于图5中的阈值52)时，系统可以直接切换到PWM模式或者可以给予对应的信息给某一中央控制单元，该中央控制单元然后可以判定操作模式的改变。

在某些实施例中，为了允许不同的负载电流阈值，充电时间T_chg可以由不同的因子k来缩放，在某些实施例中其可以数字地编程。在等式(7)的示例中，比例因子将为0.5。换而言之，T_chg的缩放版本对应于Td15。因此，在这样的实施例中，缩放因子定义具体的负载电流阈值。

应该注意到在某些实施例中，当上电流限值UCL改变时，得到不同的阈值。进而，应该注意到在使用以上所述的技术的某些实施例中，阈值基本上独立于输入电压。因此，在某些实施例中，这里公开的技术可以适于其中输入电压Vin可以变化的应用。例如在某些汽车应用中，输入电压可以在例如为从6-20V的宽范围中变化。

应该注意到在使用以上所述的技术的某些实施例中，确定是否改变到PWM模式独立于如为电容器和电感器(例如，图2的电感器210和电容器211、212)的外部组件的组件值。在其中阈值基本上独立于如为电感器210的电感器的电感的实施例中，这里公开的技术可以适于其中这样的电感可以变化的应用。此外，应该注意到在使用以上所述的技术的某些实施例中，阈值(例如，对应于阈值时间的阈值电流)基本上独立于输出电压。因此，在某些实施例中，这里所公开的技术可以适于其中输出电压可以变化的应用，例如负载应用的某点。

在某些实施例中，如为图2的电感器210的电感器在高侧开关闭合的时间期间(阶段HS)根据以下来充电：

$IL=\frac{Vin-Vout}{L}t---\left(8\right)$

在等式(8)中，IL为电感器电流，并且t为时间。在某些实施例中，还可以考虑例如为当高侧开关闭合时的高侧开关的电阻的路径中的电阻损耗以及电感器中的等价的串联电阻。在实施例中，当Vin接近Vout时，如能够在等式(8)中看见的，上升将变得非常慢，其具有线圈电流IL可能达不到UCL的后果。在某些情况中，这可以导致过压。在某些实施例中，当HS阶段的时间超过阈值时，可以检测到超时，并且在检测到超时之后，可以发起模式改变或其它测量。

在图6中图示了根据进一步的实施例的设备，其可以实现如上所讨论的技术，例如如上参照图4和5讨论的。图6图示了包括控制回路的降压型转换器设备。图6的设备包括高侧开关65和低侧开关67。高侧开关65和低侧开关67可以选择性地操作在PFM模式中或在PWM模式中。电感器69和输出电容器610耦合到高侧开关65与低侧开关67之间的节点。在图6的示例实施例中，高侧开关65和低侧开关67使用晶体管来实现。负载由负载电阻器611来代表，其可以代表由输出电压Vout供应的任意负载。

66代表测量通过开关65的电流并且将其与上电流限值UCL比较的第一比较器。68代表测量通过第二开关67的电流并且将其与下电流限值LCL比较的第二比较器。

输出电压Vout反馈到模数转换器(ADC)60。ADC 60将输出电压转换成数字值并且将其与例如为目标电压的参考值比较，以基于比较来输出误差值。进而，将输出电压Vout馈送到比较器612，其中将其与在613处供应的低电压限值LVL比较。比较的结果输出为LVL_o。

将由模数转换器60输出的误差信号馈送到PID控制器61(比例积分微分)，尽管在其他实施例中还可以使用其它类型的控制器。PID控制器61响应于误差信号而输出指示占空比的占空比信号，例如用于HS/LS阶段的占空比。将占空比信号馈送到数字脉冲宽度调制计数器62，其输出脉冲宽度调制信息信号pwm。信号pwm提供给驱动器逻辑63。驱动器逻辑63还接收信号LVL_o和指示线圈电流分别何时达到上电流限值或下电流限值的信号UCL、LCL。响应于这些信号，驱动器逻辑63输出分别指示开关65、67的期望状态的信号hs_ctrl和ls_ctrl。模拟驱动64然后响应于数字控制信号hs_ctrl和ls_ctrl而控制开关65、67。

在某些实施例中，驱动器逻辑63可以实现为有限状态机(FSM)，尽管还可能是其它逻辑实现。用于适当的有限状态机的实现的示例在图7中图示。图7图示了适当的状态机的仅仅一个示例实现方式，并且在其他实施例中，可以使用其它实现例如具有不同数量的状态的实现。为了更好地阐述，图7将参照图4和5的示例信号来解释。这不被解释为限制。在图7的实施例中，在重置之后，状态机在无效状态70中。当状态机接着被激活时，在操作期间，其在四个状态71-74中的一个状态中活跃。采用图4和5的信号作为说明性示例，状态71和72属于充电阶段(分别地，HS和LS)，以及状态73和74属于三态状态。

具体而言，在状态71中，信号hs_ctrl为有效(on)，并且ls_ctrl为无效(off)，指示例如在图6的实施例中，高侧开关65闭合并且低侧开关67断开。这例如对应于图4和5中的阶段HS。进而，在图7中的示例中，时钟信号(例如，图4的时钟信号42)为有效。

在其中图7的状态机保持在状态71中的时钟信号的每个时钟周期中，充电时间变量Tchg增加1。这如将看见地，用作测量以时钟信号(如，例如，图4的时钟信号42)为单位的充电时间T_chg。

在各种情形之下，图7的状态机可以做出从状态71转变到状态72。情形在以上图7中所示的各种箭头中所提及的。第一情形为变量pfm.mode为0，其在这一示例中指示状态机操作在脉冲宽度调制(PWM)模式中并且变量pwm＝0。变量pwm在这一情况中指示脉冲宽度调制操作的脉冲。

进而，在指示操作在PFM模式中的pfm.mode＝1的情况中，当UCL＝1时(例如，对应于图4或5中的达到上电流限值)或当已经达到用于充电时间变量T_chg的某一预定上阈值T_chg_upper_threshold时系统转变到状态72。在某些实施例中，使用用于充电时间的这样的上阈值可以避免过压，如上在等式(8)的解释中所述的。在其他实施例中，这一上阈值可以省略。

在状态72中，hs_ctrl为无效并且ls_ctrl为有效。因此，如为开关67的低侧开关闭合，并且如为图6的开关65的高侧开关断开，对应于例如图4和5的阶段LS。进而，时钟信号clk继续为有效，并且充电时间变量T_chg继续增加以测量总的充电时间持续时间T_chg。

在脉冲宽度调制操作模式(pfm.mode＝0)中，当pwm成为1时状态机返回状态71。换而言之，在PWM模式中控制信号pwm在0与1之间改变，引起状态71与72之间的改变，以交替地闭合高侧开关和低侧开关。在PFM模式(pfm.mode＝1)中，当LCL＝1时状态机转变到状态73，指示线圈电流达到低电流限值。在状态73中，hs_ctrl和ls_ctrl都为无效，即，高侧开关和低侧开关都断开，对应于三态。

在状态73中时钟信号clk继续为有效。在这一方面中，状态73可以对应于图4和5中的持续时间Td15，其中时钟信号仍然为有效。变量Td15在状态73的肯定(assertion)处初始化成k·Tchg，Tchg为状态71和72中Tchg的增量的结束值。如之前参照等式(1)至(7)所解释的，k的每个值对应于三态时间与充电时间之间的一定的阈值比例，并且因此对应于阈值输出电流。

应该注意到在某些实施例中，低侧开关可以实现成包括二极管。在这样的实施例中，值LCL可以以耦合到开关节点(如图2中的27)的比较器来生成。当此开关节点处的电压超过例如为0V的阈值时，这样的实施例中的LVL可以设置成1。

然后，在状态73中，随着如为时钟信号42的时钟信号的每个周期，Td15减1。进而，在状态73中，在Td15的初始化之后，Tchg重置成0。

当Td15达到对应于时间Td15的期满的0时，计数器(其可以对应于图5的计数器53)被设置成0，并且状态机转变到状态74。在状态74中，仍然hs_ctrl和ls_ctrl无效，并且时钟信号clk无效。为了给出示例，这对应于在图4和5中的Td15的期满之后的三态阶段。当在状态74中电压达到低电压水平LVL(LVL＝1)时，状态机再次转变到状态71，并且上述周期重新开始。

当LVL＝1时，即，输出电压达到低电压水平，而Td15还没有达到0，状态机直接从状态73转变到状态71，以及变量计数器(例如，图5中的计数器53)加1。如已经在以上所解释的，具体而言关于图5，当变量计数器达到预定限值(图5的示例中的3)时，系统可以转变到PWM模式(对应于设置pfm.mode成0)。

在图9，图示了根据实施例的方法。当图9的方法图示为一系列的动作或事件时，在附图中描述或示出的这样的动作或事件的顺序不被解释为限制。例如，动作或事件可以以与所示的不同的顺序来执行，和/或可以彼此并行地执行，例如在电路的不同部件中。在其他实施例中，所表示动作或事件中的某些动作或事件可以省略，或者可以给出附加的动作或事件。图9的方法可以例如使用以上讨论的设备和技术中的一个或多个设备和技术来实现，但是不限于此。

在图9中的90处，方法包括在PFM模式中操作开关模式电源。

在91处，方法包括评估三态时间是否短于阈值时间。为了给出示例，阈值时间可以对应于以上解释的时间Td15。在这不是情况的情况中(91处，“否”)，方法在90处继续。

如果三态时间短于阈值时间(在91处，“是”)，在92处，所述方法包括增加计数器。在93处，所述方法包括评估计数器是否超过阈值，例如图5中图示的阈值。如果并非该情况(93处，“否”)，该方法在90处继续。如果计数器超过阈值(93处，“是”)，在94处，对PWM模式中的操作做出改变。在其他实施例中，可以实现其他方法。

在上述实施例中的某些实施例中，阈值时间Td15基于例如为图4的信号42的数字时钟信号来测量。在其他实施例中，其它技术可以用于生成和确定阈值时间。

图10图示了用于这样的备选实施例的示例，以及图11通过示例方式图示了对应于图10的实施例的信号。但是，图11的信号仅仅用作示例，并且取决于图10的实施例的实现方式，信号可以变化。特别地，图10和11图示了至少部分模拟的时间生成。在图10中，在充电时间Tcharge期间，例如在如上所述的阶段HS和LS期间，信号T_charge闭合开关104并且断开开关105，以及在例如为三态期间的充电时间之外断开开关104并且闭合开关105。当开关104闭合时，电流源100以电流Ibias对电容器101充电。当开关105闭合时，电流源103以电流1/k·Ibias对电容器101放电，k为如在等式(4)中定义的并且如上所解释的。用于放电时间Td15的信号通过比较电容器101处的电压与例如为接地的参考的比较器102来生成。比较器102的输出信号在例如为三态期间的充电时间外由逻辑门106来输出。

图11图示了对应的信号。图11的曲线110和111对应图4的曲线40和41，并且因此将不再解释。曲线112图示了图10中的信号delay_pfm，即，电容器101处的电压。曲线113图示了由比较器102输出的信号delay_cmp。曲线114图示了由逻辑门106输出的信号Td15。因此，在所示的示例中，信号Td15可以例如为在时间Td15期间为逻辑1以及其它情况下为逻辑0。在图10的实施例与如图7中所示的状态机的状态机一起使用的情况中，例如状态73中Td15的初始化和Td15的减少可以省略并且基本上由图10的模拟电路来替换。

上述实施例仅仅用作示例，并且不被解释为限制。实施例可以使用软件、硬件、固件或其组合来实现。例如，图6的实施例的数字部分可以使用运行在如通用处理器或专用处理器的处理器上的软件来实现，或者可以使用例如专用集成电路(ASIC)、和/或场可编程门阵列(FPGA)来在硬件中编程。虽然已经通过参见其他实施例来描述某些实施例，以提供更清楚的理解，这不被解释为指示相应的实施例可以仅仅结合彼此来使用。替代地，所描述的实施例可以独立于彼此地使用。此外，虽然如为降压型转换器的具体类型的转换器已经用于阐述，这里公开的技术还可以应用于如为升压型转换器的其它类型的转换器。还可以采用其它技术。

Claims (20)

1.一种设备，包括：

第一开关，所述第一开关的第一负载端子与第一电压输入耦合，并且所述第一开关的第二负载端子与输出节点耦合；

第二开关，所述第二开关的第一负载端子与所述输出节点耦合，并且所述第二开关的第二负载端子与第二电压输入耦合，以及

控制器，所述控制器与所述第一开关的控制输入和所述第二开关的控制输入耦合，其中所述控制器适于在操作的第一模式或操作的第二模式中选择性地控制所述第一开关和所述第二开关，所述控制器适于基于其中所述第一开关和所述第二开关都断开的时间来从所述操作的第二模式改变到所述操作的第一模式。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器适于基于其中所述第一开关和所述第二开关都断开的所述时间与其中所述第一开关或所述第二开关中的至少一个开关闭合的时间之间的比例来从所述第二模式改变到所述第一模式。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述操作的第一模式为脉冲宽度调制模式，并且所述操作的第二模式为脉冲频率调制模式。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器适于确定在其期间所述第一开关和所述第二开关都断开的时间是否超过阈值时间，并且适于在所述阈值时间已经被超过预定次数时切换到所述操作的第一模式。

5.根据权利要求4所述的设备，其中所述控制器进一步适于基于在其期间所述第一开关和所述第二开关中的至少一个开关闭合的时间来确定所述阈值时间。

6.根据权利要求4所述的设备，其中时钟信号从其中所述第一开关和所述第二开关都断开的阶段的起始一直到达到所述阈值时间是活跃的，并且对于所述阶段的剩余时间是不活跃的。

7.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备适于数字地测量所述时间。

8.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器包括在其中所述第一开关或所述第二开关中的至少一个开关闭合的阶段或其中所述第一开关和所述第二开关都断开的阶段中的至少一个阶段期间对时钟脉冲进行计数的计数器。

9.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备包括至少部分模拟的电路以测量所述时间。

10.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器包括状态机。

11.一种控制器，所述控制器适于控制电压转换器的高侧开关和低侧开关，所述控制器包括状态机，所述状态机包括：

第一状态，在所述第一状态中所述高侧开关被控制为闭合、所述低侧开关被控制为断开、时钟信号有效并且充电时间变量基于所述时钟信号增加，

第二状态，在所述第二状态中所述高侧开关被控制为断开、所述低侧开关被控制为闭合、所述时钟信号有效并且所述充电时间变量基于所述时钟信号增加，其中所述状态机适于在脉冲频率调制模式中在通过所述高侧开关的电流达到上电流限值时从所述第一状态转变到所述第二状态，其中所述状态机适于在所述脉冲频率调制模式中在通过所述低侧开关的电流达到低电流限值时从所述第二状态转变到第三状态，

所述第三状态，在所述第三状态中所述高侧开关被控制为断开、所述低侧开关被控制为断开、所述时钟信号有效、阈值时间变量基于所述充电时间变量被初始化、并且所述阈值时间变量基于所述时钟信号减少，其中所述状态机适于在输出电压达到低电压限值之前所述阈值时间变量达到0时从所述第三状态转变到第四状态，其中所述状态机适于在所述阈值时间变量达到0之前所述输出电压达到所述低电压限值时从所述第三状态转变到所述第一状态并且增加计数器变量，

所述第四状态，在所述第四状态中所述高侧开关和所述低侧开关都被控制为断开、并且所述时钟信号被去激活，其中所述状态机适于在所述输出电压达到所述低电压水平时从所述第四状态转变到所述第一状态，

其中所述控制器适于在所述计数器达到预定阈值时离开所述脉冲频率操作模式。

12.根据权利要求11所述的控制器，其中所述状态机能够操作在脉冲宽度调制模式中，其中在所述脉冲宽度调制模式中，所述状态机适于基于脉冲宽度调制控制信号来在所述第一状态与所述第二状态之间转变。

13.根据权利要求11所述的控制器，其中所述状态机适于在所述充电时间变量达到预定阈值充电时间时从所述第一状态转变到所述第二状态。

14.一种方法，包括：

在操作的第一模式或操作的第二模式中选择性地控制第一开关和第二开关，以及

基于其中所述第一开关和所述第二开关都断开的时间与其中所述第一开关或所述第二开关中的至少一个开关闭合的时间之间的时间比来从所述操作的第二模式改变到所述操作的第一模式。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述操作的第一模式为脉冲宽度调制模式，并且所述操作的第二模式为脉冲频率调制模式。

16.根据权利要求14所述的方法，进一步包括确定在其期间所述第一开关和所述第二开关断开的时间是否超过阈值时间，并且在所述阈值时间已经被超过预定次数时改变到所述操作的第一模式。

17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括基于在其期间所述第一开关和所述第二开关中的至少一个开关闭合的时间来确定所述预定阈值时间。

18.根据权利要求17所述的方法，其中确定所述预定阈值时间包括缩放在其期间所述第一开关和所述第二开关中的至少一个开关闭合的时间。

19.根据权利要求16所述的方法，进一步包括从其中所述第一开关和所述第二开关都断开的阶段的起始一直到达到所述预定阈值时间激活时钟信号，并且对于所述阶段的剩余时间去激活所述时钟信号。

20.根据权利要求14所述的方法，进一步包括在其中所述第一开关或所述第二开关中的至少一个开关闭合的阶段或其中所述第一开关和所述第二开关都断开的阶段中的至少一个阶段期间对时钟脉冲进行计数。