CN106899209A - 高效电感电容dc‑dc转换器 - Google Patents

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Abstract

公开的示例包括高效集成电路(110)和电感电容性DC‑DC转换器(100)，该电感电容性DC‑DC转换器(100)具有包括第一和第二开关(S1，S2)及电感器(L)的第一转换器级(101)以及包括第三和第四开关(S3，S4)及快速电容器(CF)的第二转换器级(102)。当输出电压信号(VO)低于阈值(VTH)时，双模式控制电路(120)在第一模式(OP‑MODE‑1)中通过脉冲宽度调制第一转换器级(101)的开关来调节输出电压信号(VO)。当输出电压超过阈值(VTH)时，控制电路(120)在第二模式中以第一状态操作以闭合第一和第三开关(S1，S3)，并且以第二状态操作以闭合第四开关(S4)，从而将电感器(L)与快速电容器(CF)串联连接。第一级和第二级(101，102)的双模式操作有助于使降压‑升压操作具有减少的电感器损耗和转换器开关损耗，并且集成电路可以用于升压、降压或其它配置。

Description

高效电感电容DC-DC转换器
技术领域
本公开涉及DC-DC转换器，并且更具体地涉及高效的升压、降压和反相降压-升压转换器电路系统。
背景技术
DC-DC转换器将输入DC电压转换为输出DC电压以驱动负载。降压型DC-DC转换器包括电感器与一个或多个开关，以提供高达输入电压电平的输出电压。升压转换器也包括电感器与一个或多个开关，以提供超过输入电压的输出电压。降压-升压DC-DC转换器可以产生低于或高于输入电压电平的输出电压。
图10示出了具有串联连接在输入电压VIN和输出电压VOUT之间的第一和第二(高侧和低侧)晶体管M1和M2的感应反相降压-升压DC-DC转换器1000。电感器L被连接在将晶体管M1和M2结合的中心开关节点SW与接地连接点之间。输入电容器CIN被连接在VIN与地之间，而输出电容器COUT被连接在输出电压VOUT与地之间。在操作中，在沿着第一路径1001流动的电流的开关周期的第一部分中，第一晶体管M1接通而M2关断；并且在沿着第二路径1002流动的电流的开关周期的第二部分中M2接通而M1关断。在每个开关周期的第一部分期间，M1被接通，其将开关节点SW连接到电源电压VIN。因此，电感器电压为VIN，其导致电感器电流上升。此外，在第一开关周期部分中，M2两端的电压为VIN+|VOUT|。在第二开关周期部分期间，M2接通并且M1关断以将开关节点SW连接到输出电压VOUT。在这种情况下，电感L两端的电压为-VOUT，其导致电感电流下降，并且M1两端的电压为VIN+|VOUT|。以这种方式，M1和M2的开关操作提供负输出电压VOUT，其绝对值可以大于、小于或等于输入电压VIN的电平。
图10中的反相降压-升压转换器1000中的晶体管M1和M2暴露于输入电压VIN和输出电压VOUT的量值之和。此外，转换器1000的晶体管M1和M2的尺寸必须至少能承受开关模式中的VIN+|VOUT|，转换器1000需要晶体管具有比标准降压或升压转换器更高的额定电压。最严重的情况来自当M1和M2在饱和区域中操作并传导完全电感电流同时阻断高源-漏电压的开关期间。增加晶体管M1和M2的阻断电压增加了器件尺寸，并且因此与常规降压转换器相比，增加了开关损耗。此外，开关节点SW上的电压摆动以及因此电感器L两端的电压高于与常规降压转换器或常规升压转换器相关联的电感器电压摆动。虽然降压-升压拓扑为固定输入电压VIN提供更宽的输出电压范围，但与降压或升压转换器架构相比，降压-升压转换器1000遭受更大的纹波电流和更高的感应开关损耗。结果，常规的降压-升压转换器1000不能实现降压转换器或升压转换器可能的效率。
图11示出了三电平转换器1100，其使用连接在M1和M2之间的两个附加晶体管M3和M4以及连接到M3和M4两端的附加电容器节点CAP1和CAP2的电容器C以减小有效晶体管和电感器电压。稳态电容器偏置电压是(|VO|+VI)/2，并且在第一开关周期部分期间从输入电压VIN中减去，其中M1和M4接通以沿着路径1101传导。在第二开关周期部分期间，M2和M3接通，电容器电压被从输出电压VOUT中减去，并且与图10的降压-升压转换器1000相比，开关M1-M4两端的电压降低。此外，开关节点电压降低，导致较低的电感器电流纹波和较低的传导损耗。然而，图11的转换器电路1100具有许多缺点。在每个开关周期部分中，四个晶体管中的两个串联连接，并且即使各个晶体管M1-M4小于在图10的降压-升压转换器1000中使用的晶体管，总开关损耗也是显著的。此外，转换器1100包括两个额外的晶体管M3和M4以及在每个开关周期期间必须切换的三个节点。此外，电容器C通常太大而不能集成在单个芯片上，因此需要两个附加引脚来访问CAP1和CAP2节点。此外，对于电容器偏置电压不存在固有的复位状态，并且需要额外的控制环路以避免电容器电压失控条件。
发明内容
公开的示例包括高效的集成电路和电感电容性DC-DC转换器，其提供降压-升压转换器的扩展输出电压范围的优点。在一个示例中，该转换器包括具有第一和第二开关与电感器的第一转换器级，以及包括第三和第四开关与电容器的第二转换器级。当输出电压信号低于阈值时，双模式控制电路在第一模式中通过脉冲宽度调制第一转换器级的开关来调节输出电压信号。当输出电压超过阈值时，控制电路在第二模式中以第一状态进行操作以接通第一和第三开关，并且以第二状态接通第四开关以将电感器与快速电容器串联连接。第一级和第二级的双模式操作有助于具有减少的电感器损耗和转换器开关损耗的降压-升压操作，同时减少转换器开关的阻断电压需求。
附图说明
图1是高效DC-DC转换器中的集成电路的示意图。
图2是反相降压-升压DC-DC转换器的示意图。
图3是图2的DC-DC转换器中的波形和开关控制信号的信号图。
图4是在针对输入电压超过输出电压的绝对值的第一操作模式的第一切换状态中的图2的转换器的操作的示意图。
图5是在第一操作模式的第二开关状态中的图2的转换器的操作的示意图。
图6是在针对输入电压低于输出电压的绝对值的第二操作模式的第一开关状态中的图2的转换器的操作的示意图。
图7是在第二操作模式的第二切换状态中的图2的转换器的操作的示意图。
图8是升压DC-DC转换器的示意图。
图9是降压DC-DC转换器的示意图。
图10是反相降压-升压转换器的示意图。
图11是三电平反相降压-升压转换器的示意图。
具体实施方式
在附图中，相同的参考标记始终指代相同的元件，并且各种特征不一定按比例绘制。在下面的讨论和权利要求中，术语“包括”、“包含”、“具有”，“含有”、“带有”或其变体旨在以类似于术语“包括”的方式是总括性的，并因此应当被解释为意味着“包括但不限于…”。此外，术语“耦合”或“耦接”和短语“与……耦合”旨在包括间接或直接电连接或其组合。例如，如果第一装置耦合到第二装置或与第二装置耦合，则该连接可以通过直接电连接，或者经由一个或多个中间装置和连接件通过间接电连接。
图1示出接收DC输入电压信号并提供DC输出电压信号以驱动负载(未示出)的DC-DC转换器系统或电路100。如下面进一步讨论的，转换器电路100可以以各种不同的配置进行操作，包括反相降压-升压配置，其在相对于第二I/O节点NB的第一I/O节点NA处接收输入电压信号VI，并且将反相的或负的输出电压信号VO传递到相对于节点NB的第三I/O节点NC，如图2和4-7所示。在另一可能的配置中，转换器100作为升压转换器进行操作，其相对于节点NA处的恒定电压在I/O节点NB处接收DC输入信号VI，并且在节点NC处传递输出电压信号VO，如在下面图8中进一步所示。系统100的另一种可能的DC-DC转换器配置是降压转换器，其在节点NC处接收输入电压信号VI并且在节点NB处传递输出电压信号VO，输入和输出电压二者都相对于节点NA处的恒定电压，如图9中进一步所示。
在一个示例中，DC-DC转换器电路100使用如图1所示的DC-DC驱动器集成电路(IC)110来实现，其包括与I/O节点NA耦合的第一引脚111、与I/O节点NC耦合的第二引脚112、与I/O节点NB耦合的第三引脚113以及用于连接外部快速电容器CF的第四引脚114和第五引脚115。引脚115连接到IC 110的开关节点116，并且电感器L耦合在第五引脚115和I/O节点NB之间。在某些示例中，电容器CF可以被集成在IC 110内。图1的示例还包括耦合在I/O节点NA和NB之间的第一电容器C1以及耦合在NB和NC之间的第二电容器C2。IC 110还包括四个开关S1、S2、S3和S4。开关S1-S4可以是任何合适的一种类型或多种类型的基于半导体的开关，包括但不限于双极晶体管、场效应晶体管(FET)。图1的示例包括N沟道FET，但是在各种示例中可以使用P沟道FET和/或N沟道FET和P沟道FET的组合。系统100的各个部件分别构成第一转换器级101和第二转换器级102。开关S1和S2以及电感器L形成第一转换器级101，并且开关S3和S4以及快速电容器CF形成第二转换器级102。在某些实施例中，电感器L被包括在集成电路110中。
第一开关S1包括与IC 110中的第一节点131耦合的第一端子，以及与开关节点116和第五引脚115耦合的第二端子。电感器L的第一端子与开关节点116和第五引脚115耦合。第一转换器级101还包括第二开关S2，该第二开关S2具有与开关节点116耦合的第一端子以及与第二内部节点132和第二引脚112耦合的第二端子。第三开关S3包括与第三引脚113和IC 110的第三内部节点133耦合的第一端子，以及与通过第四引脚114与快速电容器CF耦合的第四内部节点118耦合的第二端子。电容器CF的第一端子与第四节点118和引脚114耦合，并且CF的第二端子经由引脚115与开关节点116耦合。第四开关S4包括与第四节点118耦合的第一端子，以及与第二节点132耦合的第二端子。
图1中的IC 110还包括控制电路120。控制电路120可以是任何合适的模拟和/或数字电路系统，并且可以包括编程逻辑和/或可以是可编程的。控制电路120分别通过对应的连接件121、122、123和124向开关S1、S2、S3和S4的栅极控制端子提供第一、第二、第三和第四开关控制信号SC1、SC2、SC3和SC4。在图1的示例中，对于N沟道FET S1-S4，开关控制信号SC1-SC4是高电平有效的，以接通相应的开关，而低信号状态将关断相应的开关。控制电路120接收一个或多个反馈输入信号(诸如在一个示例中的电压信号)，其包括来自第一节点131的第一反馈信号FBA、来自第三内部节点133的第二反馈信号FBB以及来自第二内部节点132的第三反馈信号FBC。如图1可见，该反馈布置提供表示I/O节点NA处的电压的第一反馈信号FBA、表示I/O节点NB处的电压的第二反馈信号FBB以及表示第三I/O节点NC处的电压的第三反馈信号FBC。
在所公开的示例中，控制电路120在第一模式和第二模式中进行操作，其在本文中被称为针对第一输出电压范围的第一操作模式OP-MODE-1和针对第二输出电压范围的第二操作模式OP-MODE-2。另外，控制电路示例120实现闭环反馈控制，以根据设定点信号SP调节DC-DC转换器电路100的输出电压信号VO。在某些示例中，设定点SP可以是内部信号。在其它示例中，设定点SP由主机电路例如经由IC 110的另一引脚(未示出)来提供。在某些应用中，例如在驱动OLED或其它类似负载(未示出)的背光应用中，主机系统提供设定点信号SP作为到IC 110的控制电路120的电压输入，以设定诸如显示屏背光等的驱动负载的亮度水平。
也参考图2-7，在图2所示的降压-升压实施方式的背景中描述DC-DC转换器电路100和IC 110的操作。在这方面，图2和图4-9示出了DC-DC转换器电路100，没有示出控制电路120，并且省略了图1所示的IC 110的引脚和边界，以便不会模糊图示示例的细节。图2和图3-7的示例是反相降压-升压DC-DC转换器100，其中I/O节点NA并且因此第一转换器级101的第一内部节点131连接到电源电压源(未示出)以接收DC输入电压信号VI。此外，在该示例中，第二I/O节点NB是连接到电路接地(GND)的恒定电压节点，用于与结合电容器C1和C2的节点以及电感器L的第二端子连接。此外，在该示例中DC-DC转换器电路100的第三I/O节点NC被连接以经由第二内部节点132将输出电压信号VO传递到负载(未示出)。此外，第三内部节点133被连接到在I/O节点NB处的恒定电压连接点GND。
如图1中可见，IC 110的引脚111-115允许将一个或多个外部部件(诸如电感器L、快速电容器CF以及电容器C1和C2中的一个或两个)与电源电压、恒定电压节点(例如，电路接地)和负载连接以形成DC-DC转换器电路100。就此而言，第一引脚111电连接到第一节点131以允许连接到恒定电压节点GND或接收输入电压信号VI，并且第二引脚112电连接到第二节点132以允许连接来接收输入电压信号VI或提供输出电压信号VO。第三引脚113电连接到第三节点133以允许连接到DC-DC转换器100的电感器L。第四引脚114电连接到第四节点118以允许连接到DC-DC转换器100的电容器CF，并且第五引脚115电连接到开关节点116以便向DC-DC转换器100的电感器L和电容器CF提供开关信号。
一般来说，控制电路120从第一、第二和第三节点131、132、133中的两个接收第一和第二反馈信号VO和VI。例如，在图2中，输出和输入反馈信号FBA和FBC与经由反馈信号FBB表示接地基准的反馈一起被提供给控制电路120。在图8的升压配置中，FBB提供输入电压反馈，FBC提供输出电压反馈，并且由FBA反馈信号将接地基准提供给控制电路120。在图9的降压转换器示例中，输入电压反馈由信号FBC提供，输出电压反馈由信号FBB提供，并且接地基准由FBA信号连接到控制电路120。控制电路120比较输出电压|VO|的绝对值与阈值电压VTH并且相应地在操作模式之间自动地切换。在图2-7的降压-升压示例中，阈值电压是输入电压VI。在图8和图9所示的电路100的其它示例配置中，阈值电压信号电平VTH不同于输入电压电平VI。在一些示例中，控制电路120根据表示VO和VI的反馈信号在第一和第二操作模式OP-MODE-1、OP-MODE-2之间自动地切换。
返回到图2的降压-升压示例，控制电路120将FBC输出电压信号的绝对值与经由FBA的输入电压信号进行比较，以确定输出电压幅度(|V|)是否超过输入电压信号VI。在这种情况下，输入电压信号电平用作阈值电压VTH。在一个示例中，控制电路120包括一个或多个比较器电路和信号调节放大器(未示出)，由此将输出电压信号VO的绝对电压与输入电压信号VI进行比较。在一个示例中，该比较的结果是具有指示|VO|和VI的相对量值的两种状态之一的比较器输出信号。在一些示例中，控制电路120使用来自反馈信号FBA、FBB和FBC中的两个或全部的反馈信息，并自动设定操作模式，并且一个或多个信号也被用于闭环反馈控制，以调节由DC-DC转换器电路100提供的输出电压VO以驱动负载。
控制电路120在|VO|小于VTH(例如，小于VI)时在第一模式OP-MODE-1中操作以关断第二转换器级102的开关S3和S4，并且以交替的方式向开关S1和S2提供线路121和122上的脉冲宽度调制开关控制信号SC1和SC2，以根据设定点信号SP调节输出电压信号VO。在第二模式OP-MODE-2中，当|VO|大于阈值VTH(例如，大于VI)时，控制电路120关断第二开关S2(例如，将SC2设定为低)，并且向开关S1、S3和S4提供脉冲宽度调制开关控制信号SC1、SC3和SC4以根据设定点信号SP调节VO。此外，在图示的示例中，控制电路120在第二模式OP-MODE-2中操作，以在交替的第一和第二状态中向S 1、S3和S4提供开关控制信号。在第二模式OP-MODE-2的第一状态中，控制电路120关断S2和S4并接通S1和S3以对电容器CF充电。在第二模式OP-MODE-2的第二状态中，控制电路120关断S1-S3并接通S4以便将CF与电感器L串联耦合在GND和VO之间。
控制电路120的双模式操作有利地操作第一级101作为用于在第一模式OP-MODE-1中低于VTH的低输出电压的反相降压-升压转换器，在该模式期间S1和S2的阻断电压需求不超过VI。因此，开关S1和S2的尺寸可以适用于这种较低电压操作，并且不会遭受过多的开关或传导损耗，如图10的转换器1000的情况。此外，在第一模式OP-MODE-1中电感器L两端的电压不超过VI，并且因此电感器纹波和磁滞损耗低。为了实现第二模式OP-MODE-2，IC 110包括作为第二转换器级102的一部分的两个附加开关S3和S4。然而，在第二模式OP-MODE-2中的切换与图11中的四开关转换器拓扑1100非常不同。在第二模式中，控制电路120关断S2并且第二转换器级102与S1和电感器L一起操作以形成电感驱动电容性DC-DC电荷泵转换器。图3示出了图2的电感电容反相降压-升压配置中的示例开关控制信号和电路信号波形。图4和图5示出了在第一模式OP-MODE-1中的操作，并且图6和图7示出了在第二模式OP-MODE-2中的操作。
参考图3-5，对于低于VI的输出电压|VO|，控制电路120操作第一级101作为反相降压-升压转换器。在图3的曲线图300中从T0到T1示出了第一模式操作。在该图示的示例中，输入电压VI被示为曲线302，其是常数(例如，3.5V)。电路100根据初始处于-3.4V并且在时间T2处降低到-3.8V的设定点信号SP(曲线304)来操作。使用闭环反馈和脉冲宽度调制控制，控制电路120调节输出电压，以使得绝对值|VO|如图3中的曲线306所示。此外，在该示例中，如曲线308所示，输入电压电平VI被用作阈值电压值VTH(例如，3.5V)。因此，当输出电压曲线306在T1处越过阈值曲线308时，控制电路120从第一模式OP-MODE-1转换到第二模式OP-MODE-2。在该示例中，设定点值SP曲线304在T2之后保持大致恒定的-3.8V。在实践中，设定点SP曲线304可以根据由控制电路120接收的任何主机系统设定点信号而变化。此外，输入电压VI曲线302在某些应用中可以改变。在该示例中，控制电路120使用当前输入电压值VI曲线302作为电压阈值VTH曲线308，并且适应输入电压VI和/或设定点SP的任何变化条件。曲线图300和图3还示出了在第一和第二操作模式期间由控制电路120产生的开关控制信号SC1(曲线311)、SC2(曲线312)、SC3(曲线313)、SC4(曲线314)。图3中所示的在第一和第二模式中的开关控制信号SC1-SC4也由下面图8和图9所示的其它DC-DC转换器配置的控制电路124提供。
在图2-7的示例中，控制电路120根据第一反馈信号FBA(VI)和第三反馈信号FBC(VO)产生曲线311-314中所示的开关控制信号，以根据设定点信号SP曲线304调节输出电压VO。图3还示出了图2和图4-7中的开关节点116处的电压VSW(曲线316)，其表示在电感器L的第一端子处的第五引脚115处的电压。图3中的曲线318进一步示出了图2和图4-7的第四节点118处的电压VCAP，其表示电容器CF的电压。图3中的曲线320示出了从左到右流过图2和图4-7的第一转换器级101的电感器L的电感器电流IV。如图3中进一步所示，控制电路120根据输出电压信号VO和输入电压信号VI在第一模式OP-MODE-1和第二模式OP-MODE-2之间自动切换。
针对图3-5描述从T0到T1的第一操作模式OP-MODE-1。在该模式中，控制电路120关断S3和S4以停用第二转换器级102，并且以交替方式对第一转换器级101的第一开关S1和第二开关S2进行脉冲宽度调制，以根据设定点信号SP控制输出电压信号VO。第一转换器级101在该模式中操作为反相降压-升压转换器，其中第一节点131接收输入电压信号VI，第二节点132传递输出电压信号VO以驱动负载，并且第三节点133耦合到电感器L的第二端子处的GND。控制电路120在第一模式OP-MODE-1中在一系列开关周期的第一和第二部分或阶段中提供脉冲宽度调制开关控制信号SC1和SC2，所述脉冲宽度根据输出电压信号VO的闭环反馈控制来确定。
如图4所示，在接通阶段期间，高侧开关S1接通而S2关断，以将开关节点116连接到输入电压信号VI。这导致表示为图4中的400的电流流动路径。在这种条件下电感器电压为VI，导致如图3中曲线320的上升部分所示的上升的电感器电流。在图5的关断阶段期间，S1关断并且低侧整流器S2接通，以将开关节点116连接到输出电压VO。这提供了如图5所示的电流流动路径500。在这种状态下，电感器L两端的电压为-VO，导致电感器电流IL下降。在第一模式OP-MODE-1中的操作在一系列开关循环中继续，每个开关循环包括由控制电路120以闭环方式交替致动S1和S2以调节输出电压信号VO。
注意，在这种情况下S1和S2的额定电压为VI+|VO|。然而，由于VO在第一操作模式OP-MODE-1中不处于最大电平，因此S1和S2可以有利地被设定大小以用于比图10中的标准方法更低的开关模式最大阻断电压额定值。与图10的转换器1000相比，这进而减少了DC-DC转换器系统100的开关损耗。此外，与图11的转换器1100不同，DC-DC转换器电路100以及图2和图4-7的操作仅在电流路径中连接总共两个晶体管(而不是四个)，但是电路100中的晶体管各自具有较低的额定电压，由此与图11的解决方案相比，总传导损耗减小。
现在参考图3、6和7描述第二操作模式OP-MODE-2。对于超过输入电压信号VI的大输出电压幅度VO(例如，在图3中的T1之后)，控制电路120进入OP-MODE-2模式。在该模式中，控制电路120将转换器电路100操作为电感驱动反相电荷泵转换器。如图3中可见，控制电路120关断S2，并向开关S1、S3和S4提供脉冲宽度调制开关控制信号SC1、SC3和SC4，以调节第二模式OP-MODE-2中的输出电压信号VO。在该模式中的每个开关周期中，控制电路120实现分别在图6和图7中示出的第一状态和第二状态。在第二模式OP-MODE-2的第一状态中，控制电路120接通第一转换器级101的高侧开关S1以及第二转换器级102的开关S3。这将开关节点116连接到输入电压信号VI，并且在这种条件下电感器电压为VI，导致图3的曲线320中所示的上升的电感器电流。如图6中所示，对于第二模式的这种状态，电流从输入端沿着路径600流动，并且沿着路径601流过电感器L到GND。此外，接通S3将电容器节点118连接到地，导致电流沿着路径602流动，从而将CF充电到VI。
图7示出了第二模式OP-MODE-2中的第二状态或关断阶段。控制电路120将S4接通并且关断S1-S3，以将CF与电感器L串联耦合在输出端和GND之间，以便电流沿着路径700流动。由于CF在OP-MODE-2的第一状态中充电到VI，所以开关节点116上的电压电平现在处于-VO+VI，如图3中的曲线318和320所示。以此方式，电感开关节点116上的幅度减小到|VO|而不是如图10的转换器1000中那样的VI+|VO|。因此，与图10中的转换器1000相比，图2和图4-7的转换器100具有减小的纹波电流和较低的电感损耗。在第二操作模式OP-MODE-2中，三个晶体管(S1、S3和S4)是有效的，但是只有一个(S1或S4)在输出传导路径中，并且因此晶体管开关和传导损耗比图11的转换器1100更低。此外，CF执行电压阻断功能，并且因此开关S1、S3和S4仅暴露于最大开关电压|VO|。S2暴露于VI+|VO|，但是当S2的栅源电压VGS为零时仅处于非开关模式。由于功率MOS-FET可以在关断模式(VGS＝0)中比在接通模式(VGS≥VT)中容忍更高的电压，所以开关S1-S4都可以是具有较低开关模式击穿额定值的MOS-FET，包括S2。此外，电容器CF在OP-MODE-2中的每个开关周期中被再充电到VI，因此与图11中的转换器1100的情况一样，没有电容器偏置电压失控的问题。另外，IC 110的控制电路120根据DC-DC转换器100的输出电压信号VO和输入电压信号VI在模式OP-MODE-1和OP-MODE-2之间自动切换。
同样参考图1、图3、图8和图9，DC-DC转换器电路100可以被配置为通过将VI、GND和VO连接到电路100的不同节点来实现包括升压转换器(图8)和降压转换器(图9)的其它转换器拓扑中的这些相同优点。IC 110因此适用于各种各样的DC-DC转换器应用。此外，这些配置还实现了关于降低的开关额定电压和减小的电感器纹波电流的上述优点。因此，IC 110和所公开的示例DC-DC转换器为背光或显示驱动器应用或其它终端使用情况提供了更好的电路效率，特别是与图10的常规降压-升压电路1000相比。
在图8中，转换器100操作第一转换器级101作为升压转换器，其中基于输出电压VO的绝对值与阈值电压VTH的比较，在第一操作模式OP-MODE-1和第二操作模式OP-MODE-2中，控制电路120提供如上面结合图3所述的开关控制信号SC1-SC4。在图8中的升压转换器的情况下，阈值电压VTH是输入电压VI的两倍。在图8的示例中，第一节点131被耦合到GND，第二节点132被耦合以传递输出电压信号VO，第三节点133接收输入电压信号VI，并且电感器L的第二端子被耦合到第三节点133。在图9的降压转换器示例中，阈值电压VTH是输入电压VI的一半，并且第一节点131与GND耦合。第二节点132接收输入电压信号VI，第三节点133传递输出电压信号VO，并且电感器L的第二端子被耦合到第三节点133。
上述示例仅仅说明了本公开的各个方面的若干可能的实施例，其中在阅读和理解本说明书和附图之后，本领域技术人员将想到等同的变化和/或修改。在所描述的实施例中修改是可能的，并且在权利要求的范围内的其它实施例是可能的。

Claims (24)

1.一种提供DC输出电压信号的DC-DC转换器电路，其包括：
第一转换器级，其包括：
第一开关，其包括与第一节点耦合的第一端子和与开关节点耦合的第二端子，
电感器，其包括与所述开关节点耦合的第一端子并包括第二端子，以及
第二开关，其包括与所述开关节点耦合的第一端子和与第二节点耦合的第二端子；
第二转换器级，其包括：
第三开关，其包括与第三节点耦合的第一端子和与第四节点耦合的第二端子，
电容器，其包括与所述第四节点耦合的第一端子和与所述开关节点耦合的第二端子，以及
第四开关，其包括与所述第四节点耦合的第一端子和与所述第二节点耦合的第二端子；以及
控制电路，其在所述输出电压信号的绝对值小于阈值时在第一模式中进行操作以关断所述第二转换器级的所述第三开关和所述第四开关，并且以交替方式向所述第一转换器级的所述第一开关和所述第二开关提供脉冲宽度调制的开关控制信号，以根据设定点信号调节所述输出电压信号；
所述控制电路在所述输出电压信号的所述绝对值大于所述阈值时在第二模式中进行操作以关断所述第二开关，并且向所述第一开关、所述第三开关和所述第四开关提供脉冲宽度调制的开关控制信号，以根据所述设定点信号调节所述输出电压信号。
2.根据权利要求1所述的DC-DC转换器电路，
其中所述控制电路在所述第二模式中进行操作以在交替的第一状态和第二状态中向所述第一开关、所述第三开关和所述第四开关提供脉冲宽度调制开关控制信号；
其中在所述第二模式的所述第一状态中，所述控制电路关断所述第二开关和所述第四开关并接通所述第一开关和所述第三开关以对所述电容器充电；以及
其中在所述第二模式的所述第二状态中，所述控制电路关断所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关并接通所述第四开关以使所述电容器和所述电感器彼此串联耦合在恒定电压节点和输出节点之间。
3.根据权利要求2所述的DC-DC转换器电路，其中所述第一转换器级作为反相降压-升压转换器进行操作，所述第一节点被耦合以接收输入电压信号，所述第二节点被耦合以传递所述输出电压信号，所述第三节点被耦合到所述恒定电压节点，并且所述电感器的所述第二端子被耦合到所述第三节点。
4.根据权利要求3所述的DC-DC转换器电路，其中所述阈值是所述输入电压信号；其中当所述输出电压信号的所述绝对值小于所述输入电压信号时，所述控制电路在所述第一模式中进行操作；其中当所述输出电压信号的所述绝对值大于所述输入电压信号时，所述控制电路在所述第二模式中进行操作；并且其中所述控制电路进行操作以根据所述输出电压信号和所述输入电压信号在所述第一模式和所述第二模式之间自动切换。
5.根据权利要求2所述的DC-DC转换器电路，其中所述第一转换器级作为升压转换器进行操作，所述第一节点被耦合到所述恒定电压节点，所述第二节点被耦合以传递所述输出电压信号，所述第三节点被耦合以接收所述输入电压信号，并且所述电感器的所述第二端子被耦合到所述第三节点。
6.根据权利要求2所述的DC-DC转换器电路，其中所述第一转换器级作为降压转换器进行操作，所述第一节点被耦合到所述恒定电压节点，所述第二节点被耦合以接收所述输入电压信号，所述第三节点被耦合以传递所述输出电压信号，并且所述电感器的所述第二端子被耦合到所述第三节点。
7.根据权利要求2所述的DC-DC转换器电路，其中所述控制电路进行操作以比较所述输出电压信号与所述输入电压信号，并且根据所述输出电压信号和所述输入电压在所述第一模式和所述第二模式之间自动切换。
8.根据权利要求1所述的DC-DC转换器电路，其中所述第一转换器级作为反相降压-升压转换器进行操作，所述第一节点被耦合以接收输入电压信号，所述第二节点被耦合以传递所述输出电压信号，所述第三节点被耦合到所述恒定电压节点，并且所述电感器的所述第二端子被耦合到所述第三节点。
9.根据权利要求8所述的DC-DC转换器电路，其中所述阈值是所述输入电压信号；其中当所述输出电压信号的所述绝对值小于所述输入电压信号时，所述控制电路在所述第一模式中进行操作；其中当所述输出电压信号的所述绝对值大于所述输入电压信号时，所述控制电路在所述第二模式中进行操作；并且其中所述控制电路进行操作以根据所述输出电压信号和所述输入电压信号在所述第一模式和所述第二模式之间自动切换。
10.根据权利要求1所述的DC-DC转换器电路，其中所述第一转换器级作为升压转换器进行操作，所述第一节点被耦合到所述恒定电压节点，所述第二节点被耦合以传递所述输出电压信号，所述第三节点被耦合以接收输入电压信号，并且所述电感器的所述第二端子被耦合到所述第三节点。
11.根据权利要求1所述的DC-DC转换器电路，其中所述第一转换器级作为降压转换器进行操作，所述第一节点被耦合到所述恒定电压节点，所述第二节点被耦合以接收输入电压信号，所述第三节点被耦合以传递所述输出电压信号，并且所述电感器的所述第二端子被耦合到所述第三节点。
12.根据权利要求1所述的DC-DC转换器电路，其中所述控制电路进行操作以比较所述输出电压信号与输入电压信号，并且根据所述输出电压信号和所述输入电压在所述第一模式和所述第二模式之间自动切换。
13.根据权利要求1所述的DC-DC转换器电路，其包括耦合在所述第一节点和所述电感器的所述第二端子之间的第一电容器，以及耦合在所述第二节点和所述电感器的所述第二端子之间的第二电容器。
14.一种用于控制DC-DC转换器的输出电压信号的集成电路即IC，其包括：
第一开关，其包括与第一节点耦合的第一端子和与开关节点耦合的第二端子；
第二开关，其包括与所述开关节点耦合的第一端子和与第二节点耦合的第二端子；
第三开关，其包括与第三节点耦合的第一端子和与第四节点耦合的第二端子；
第四开关，其包括与所述第四节点耦合的第一端子和与所述第二节点耦合的第二端子；以及
控制电路，其在第一模式中进行操作以关断所述第三开关和所述第四开关，并且以交替方式向所述第一开关和所述第二开关提供脉冲宽度调制开关控制信号，以根据设定点信号调节所述输出电压信号；
所述控制电路在第二模式中进行操作以关断所述第二开关，并且向所述第一开关、所述第三开关和所述第四开关提供脉冲宽度调制开关控制信号，以根据所述设定点信号调节所述输出电压信号。
15.根据权利要求14所述的IC，
其中所述控制电路在所述第二模式中进行操作以便以交替的第一状态和第二状态向所述第一开关、所述第三开关和所述第四开关提供脉冲宽度调制开关控制信号；
其中在所述第二模式的所述第一状态中，所述控制电路关断所述第二开关和所述第四开关并接通所述第一开关和所述第三开关；以及
其中在所述第二模式的所述第二状态中，所述控制电路关断所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关并接通所述第四开关。
16.根据权利要求15所述的IC，其包括：
第一引脚，其电连接到所述第一节点以允许连接到恒定电压节点或接收所述输入电压信号；
第二引脚，其电连接到所述第二节点以允许连接来接收所述输入电压信号或提供所述输出电压信号；
第三引脚，其电连接到所述第三节点以允许连接到所述DC-DC转换器的电感器；
第四引脚，其电连接到所述第四节点以允许连接到所述DC-DC转换器的电容器；以及
第五引脚，其电连接到所述开关节点以向所述DC-DC转换器的所述电感器和所述电容器提供开关信号。
17.根据权利要求16所述的IC，其中所述控制电路在所述第二模式的所述第二状态中进行操作以关断所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关并且接通所述第四开关，以将所述电容器和所述电感器彼此串联耦合在恒定电压节点和输出节点之间。
18.根据权利要求14所述的IC，其中所述控制电路进行操作以根据所述DC-DC转换器的输出电压信号和所述DC-DC转换器的输入电压信号在所述第一模式和所述第二模式之间自动切换。
19.根据权利要求14所述的IC，其包括：
第一引脚，其电连接到所述第一节点以允许连接到恒定电压节点或接收所述输入电压信号；
第二引脚，其电连接到所述第二节点以允许连接来接收所述输入电压信号或提供所述输出电压信号；
第三引脚，其电连接到所述第三节点以允许连接到所述DC-DC转换器的电感器；
第四引脚，其电连接到所述第四节点以允许连接到所述DC-DC转换器的电容器；以及
第五引脚，其电连接到所述开关节点以向所述DC-DC转换器的所述电感器和所述电容器提供开关信号。
20.一种用于控制DC-DC转换器的集成电路即IC，其包括：
第一开关，其耦合在第一节点和开关节点之间；
第二开关，其耦合在所述开关节点和第二节点之间；
第三开关，其耦合在第三节点和第四节点之间；
第四开关，其耦合在所述第四节点和所述第二节点之间；以及
控制电路，其进行操作以从所述第一节点、所述第二节点和第三节点中的两个接收第一反馈信号和第二反馈信号，所述控制电路在第一模式中进行操作以关断所述第三开关和所述第四开关并且以交替方式向所述第一开关和所述第二开关提供脉冲宽度调制开关控制信号，以根据设定点信号调节输出电压信号；
所述控制电路在第二模式中进行操作以关断所述第二开关并且向所述第一开关、所述第三开关和所述第四开关提供脉冲宽度调制开关控制信号，以根据所述设定点信号调节所述输出电压信号；以及
所述控制电路进行操作以根据所述第一反馈信号和所述第二反馈信号在所述第一模式和所述第二模式之间自动切换。
21.根据权利要求20所述的IC，
其中所述控制电路在所述第二模式中进行操作以便以交替的第一状态和第二状态向所述第一开关、所述第三开关和所述第四开关提供脉冲宽度调制开关控制信号；
其中在所述第二模式的所述第一状态中，所述控制电路关断所述第二开关和所述第四开关并接通所述第一开关和所述第三开关；以及
其中在所述第二模式的所述第二状态中所述控制电路关断所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关并接通所述第四开关。
22.根据权利要求21所述的IC，其包括：
第一引脚，其电连接到所述第一节点以允许连接到恒定电压节点或接收所述输入电压信号；
第二引脚，其电连接到所述第二节点以允许连接来接收所述输入电压信号或提供所述输出电压信号；
第三引脚，其电连接到所述第三节点以允许连接到所述DC-DC转换器的电感器；
第四引脚，其电连接到所述第四节点以允许连接到所述DC-DC转换器的电容器；以及
第五引脚，其电连接到所述开关节点以向所述DC-DC转换器的所述电感器和所述电容器提供开关信号。
23.根据权利要求22所述的IC，其中所述控制电路在所述第二模式的所述第二状态中进行操作以关断所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关并且接通所述第四开关，以将所述电容器和所述电感器彼此串联耦合在恒定电压节点和输出节点之间。
24.根据权利要求20所述的IC，其中所述控制电路进行操作以根据所述DC-DC转换器的输出电压信号和所述DC-DC转换器的输入电压信号在所述第一模式和所述第二模式之间自动切换。
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