CN107438940A - 具有可重新配置的电感的开关调节器电路和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开包括具有可重新配置的电感的开关调节器电路和方法。在一个实施例中，一种电路包括：开关调节器，开关调节器接收具有开关频率的开关信号；监测开关频率的监测电路；以及在开关调节器的输出处的可重新配置的电感，其中监测电路基于开关频率在多个电感值之间改变可重新配置的电感。在包络跟踪应用中，监测包络跟踪信号频率和开关频率，以调整开关级电感。

Description

具有可重新配置的电感的开关调节器电路和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年3月31日提交的美国申请No.14/675,354的优先权，其全部内容通过引用并入本文用于所有目的。
技术领域
本公开涉及电子电路和方法，并且具体地涉及具有可重新配置的电感的开关调节器电路和方法。
背景技术
开关调节器是通过将无源元件切换到不同的电气配置中并从不同的电气配置切换出来产生经调节的电压或电流的电路。图1示出了一个开关调节器拓扑的示例。在开关调节器的该示例中，开关101和102被导通和关断，使得输入电压Vdd对电感器(L)103充电。当开关101闭合并且开关102断开时，能量从Vdd提供到电感器103，以生成电感器电流IL。开关102周期性地闭合并且开关101断开，并且随着电感器中的能量耗散，电感器电流IL继续流向输出“out”。开关101和102由开关控制电路104控制，并且每个开关的导通/关断时间可以根据各种不同应用需求而变化。开关调节器是用于提供电压和电流的非常有效的电路，但在某些应用中存在许多问题。
例如，开关调节器的一个挑战是当开关被导通和关断时，由开关生成的噪声。这被称为开关噪声。可以通过使用较大的电感器有效地抑制开关噪声。然而，使用较大的电感器具有降低效率的缺点，特别是在输出上的电压正在改变的情况下。例如，很难选择在宽带宽的范围内实现在噪声和效率性能之间的最佳权衡的单个电感器。
采用开关调节器的一个特定应用是在功率放大器应用中的包络跟踪中。在线性功率放大器中(特别是在调制方案变得更加复杂并且其功率峰值均比增加的无线应用中)实现高效率是具有挑战性的。包络跟踪(ET)是通过连续调整其电源电压以改进传输期间的效率来提高PA的效率的方法。
图2示出了一种类型的包络跟踪系统的示例配置。在该示例中，在功率放大器(PA)203的输入处提供输入信号Vin，以产生经功率放大的信号Vout。PA 203从线性放大器201和开关级202的配置接收电源电压Vdd和电源电流Idd。线性级和开关级一起工作，以基于功率放大器输入信号Vin的包络来调节Vdd的电平，以改进功率放大器203的效率。在该示例中，例如，线性放大器201接收表示Vin的包络的包络跟踪信号(ET)。线性放大器201可以产生电压Vdd和电流Iamp。开关级202接收基于包络信号的开关信号SW。在该示例中，通过感测Iamp来生成SW。开关级202产生电压Vdd和电流Isw。电流Iamp和Isw的和是由PA 203汲取的电源电流Idd。开关调节器级202提高了ET的效率，但是噪声很大。线性调节器级201具有更高的速度，并确保最佳的电源电压，以实现PA的峰值效率，但是(功率)损耗较大。不幸的是，噪音和效率是矛盾的性能要求。
包络跟踪有效地改进了RF发射机路径中的PA的效率，同时不可避免地引入了开关噪声，该开关噪声可能落入RF接收机频带中，并且因此降低接收机的灵敏度。开关噪声的频率内容有时与发射机频带分布相关，使得难以实现滤波器，以有效地消除噪声。如上所述，可以通过使用较大的电感器来有效地抑制开关噪声，但效率降低。
对于许多现有的包络跟踪系统，选择电感器来平衡噪声和效率性能。然而，电感器的特定选择不能满足宽范围的包络带宽要求。
发明内容
本公开包括具有可重新配置的电感的开关调节器电路和方法。在一个实施例中，一种电路包括：开关调节器，开关调节器接收具有开关频率的开关信号；监测开关频率的监测电路；以及在开关调节器的输出处的可重新配置的电感，其中监测电路基于开关频率在多个电感值之间改变可重新配置的电感。在包络跟踪应用中，监测包络跟踪信号频率和开关频率，以调整开关级电感。
以下详细描述和附图提供了对本公开的属性和优点的更好理解。
附图说明
图1示出了一个开关调节器拓扑的示例。
图2示出了一种类型的包络跟踪系统的示例配置。
图3A示出了根据一个实施例的开关调节器电路。
图3B示出了根据一个实施例的方法。
图4A示出了根据另一实施例的用于包络跟踪的具有可重新配置的电感的示例电路。
图4B示出了用于生成到功率放大器的包络跟踪电源的示例电路。
图5A示出了根据一个实施例的处于第一状态的示例可重新配置的电感。
图5B示出了根据一个实施例的处于第二状态的示例可重新配置的电感。
图6示出了根据一个实施例的示例估计器电路。
图7A示出了根据一个实施例的针对低于开关频率的包络跟踪信号频率的示例波形。
图7B示出了根据一个实施例的用于高频包络跟踪信号的示例波形。
图8A示出了根据一个实施例的示例性峰值/谷值检测器。
图8B示出了根据一个实施例的示例边缘检测器。
具体实施方式
本公开涉及具有可重新配置的电感的开关调节器电路和方法。在下面的描述中，为了说明的目的，阐述了许多示例和具体细节，以提供对本公开的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，如在权利要求中表示的本公开可以包括这些实施例中的一些特征或全部特征，或者这些实施例中的一些特征或全部特征与下面描述的其他特征的组合，并且还可以包括下文所描述的特征和概念的修改和等同物。
图3A示出了根据一个实施例的开关调节器电路。在一个实施例中，开关调节器包括由开关控制电路304导通和关断的第一开关301和第二开关302。开关调节器包括具有开关频率的开关信号，以用于(例如，以特定的占空比)导通和关断开关301和302。在该示例中，开关301和302是MOS晶体管。然而，应当理解，可以使用各种其他合适的开关技术。本公开的特征和优点包括监测电路305，以监测开关调节器的开关频率。电路还包括在开关调节器的输出处的可重新配置的电感303。监测电路305被耦合到可重新配置的电感303，并基于开关频率产生信号(例如，逻辑信号)，以在多个电感值之间改变可重新配置的电感303来优化系统的性能。例如，在一些实施例中，电感随着开关频率的增加而减小。在特定示例中，可重新配置的电感303可以包括多个电感器和多个开关。开关可以被断开和闭合，以改变开关调节器的输出处的电感器的配置，并改进系统的性能。例如，在一些应用中，可能希望在较低频率具有较大的电感，并且在较高频率具有较小的电感。因此，在一个实施例中，当开关频率是第一频率时，可重新配置的电感具有第一电感值，并且当开关频率是大于第一频率的第二频率时，可重新配置的电感具有小于第一电感值的第二电感值。作为另一示例，可以通过将电感器布置在不同的配置中来改变电感。例如，在第一配置中，可重新配置的电感303可以包括并联的多个电感器，并且在第二配置中，可重新配置的电感303可以包括串联的多个电感器。下面更详细地描述本公开的进一步的示例和优点。
图3B示出了根据一个实施例的方法。在310处，系统可以监测开关调节器的开关频率。在311处，基于开关频率，在多个电感值之间重新配置开关调节器的输出处的电感。在一个实施例中，重新配置电感包括在多个离散电感值之间交替地改变电感，以产生平均电感。下面更详细地描述电感器布置和控制技术的进一步示例。
图4A示出了根据另一实施例的用于包络跟踪的具有可重新配置的电感的示例电路。功率放大器450接收输入信号Vin并产生经功率放大的输出信号Vout。PA 450从线性放大器和开关调节器接收电源电压Vamp和电源电流Idd。例如，线性放大器401接收基于Vin的包络的包络跟踪信号ET，并产生电压Vamp和电流Iamp。传感器490感测Iamp，并且开关发生器402产生具有开关频率的开关信号DRV。DRV被提供给驱动电路系统403，以将开关404和405导通和关断。开关404和405之间的开关节点被耦合到可重新配置的电感器407的输入端子。可重新配置的电感器407的输出端子被耦合到线性放大器401的输出，以提供来自开关级的电流Isw。电流Isw和Iamp被组合，以提供Idd。为了说明的目的，通过假设Vdd和Idd是恒定的，可以理解线性放大器和开关级的操作。Iamp可以最初为正，进入PA 450。传感器490检测到正的Iamp电流，并且开关发生器402可以引起开关信号DRV变高。DRV高电平通过驱动器403，以导通开关404并关断开关405。因此，Vdd被施加到可重新配置的电感407的输入端子，这引起Isw增加。当Isw增加到高于Idd时，Iamp将变为负，这可以在490处被感测，并在402处被转译为DRV变低。DRV低电平关断开关404并导通开关405，引起Isw斜降。然后重复开关循环。例如，包络信号ET中的变化以及由PA 450汲取的电流的变化将导致开关信号DRV的开关频率改变。
在一个实施例中，由监测电路406接收开关信号DRV。监测电路406还可以接收关于包络信号ET的频率的信息。在该示例中，监测电路406以包络跟踪频率接收电压信号Vamp。随着包络跟踪信号频率的增加，开关信号DRV的开关频率将会增加。然而，开关级的速度和DRV的开关频率可能无法跟踪较高频率的包络跟踪信号频率，其中包络跟踪频率可能会达到或甚至超过开关信号DRV的开关频率。
有利地，在该示例中，监测电路406可以将包络跟踪信号ET的频率(例如，在Vamp处)与开关信号DRV的开关频率进行比较，并且根据该比较，改变可重新配置的电感。例如，监测电路406可以具有耦合到可重新配置的电感器407的输出，以发送信号(例如，逻辑信号)来改变开关级的输出处的电感。例如，在低ET频率，开关信号DRV的开关频率可以大于Vamp的频率。因此，在这种情况下，可能期望具有较大的电感，并且监测电路406可以发信号通知可重新配置的电感407具有较高的电感值。然而，随着Vamp的频率增加到DRV的频率，可能期望具有较低的电感值。因此，在较高的Vamp频率，监测电路406可以发信号通知可重新配置的电感407，以将电感改变成具有较低的电感值。在一些实施例中，监测电路406可以发信号通知可重新配置的电感407在多个离散电感值之间交替地改变，以产生平均电感(例如，当包络跟踪信号的频率小于开关信号的开关频率时)。因此，例如，随着包络跟踪信号的频率增加，可以减小平均电感。该方法通过下面的示例实现来说明。
示例
以下是上述技术的一个示例实现的描述。图4B示出了用于生成到功率放大器的包络跟踪电源的示例电路。在该示例中，线性放大器(LinAmp)410在差分输入DACP和DACN上接收包络跟踪信号，差分输入DACP和DACN例如可以是数模转换器的输出。LinAmp 410生成输出电压VAMP和输出电流Iamp。Iamp被感测并被提供给具有滞环的比较器411的一个输入。可以使用串联感测电阻器或例如其他电流感测技术来实现感测。因此，当Iamp为正并且具有大于第一滞环电平的幅度时，比较器输出(开关信号ETDRV)切换为高电平。当Iamp为负并且具有小于第二滞环电平的幅度时，比较器输出(开关信号ETDRV)切换为低电平。开关信号ETDRV通过反相器412和414耦合到用作高侧开关的PMOS晶体管Mp的栅极。类似地，开关信号ETDRV通过反相器412和缓冲器413耦合到用作低侧开关的NMOS晶体管Mn的栅极。高侧开关可以具有耦合到电源端子VBATT的源极端子，电源端子例如可以是电池，并且低侧开关可以具有耦合到接地的源极端子。Mp和Mn的漏极耦合在一起，以形成具有电压VSW的开关节点。开关节点被耦合到可重新配置的电感491的输入端子。可重新配置的电感491的输出端子被耦合到线性放大器410的输出和功率放大器450的电源端子。
在该示例中，监测电路是估计器电路415，估计器电路将包络跟踪信号VAMP的频率与开关信号ETDRV的开关频率进行比较，并且根据该比较，通过交替电感配置来改变可重新配置的电感491，以在开关级的输出处产生平均电感。因此，VAMP和ETDRV被耦合到估计器电路415的输入。下面示出了估计器电路的一个示例实现。
在该示例中，可重新配置的电感491包括两个电感器417和418以及三个开关430-432。电感器418具有耦合到可重新配置的电感491的输入端子的第一端子，以及耦合到开关431的端子和开关432的端子的第二端子。类似地，电感器417具有耦合到可重新配置的电感491的输出端子的第一端子，以及耦合到开关430的端子和开关431的另一端子的第二端子。如图4B所示，开关430具有耦合到可重新配置的电感491的输入的第一端子、耦合到电感器417的第二端子的第二端子以及耦合到来自估计器电路415的逻辑信号NDRV的控制端子。开关431具有耦合到电感器418的第二端子的第一端子、耦合到电感器417的第二端子的第二端子以及耦合到来自估计器电路415的逻辑信号NDRVB的控制端子。最后，开关432具有耦合到可重新配置的电感491的输出的第一端子、耦合到电感器418的第二端子的第二端子以及耦合到来自估计器电路415的逻辑信号NDRV的控制端子。
可重新配置的电感491可以如图5A和5B所示被配置。在图5A中，NDRV为高电平，并且开关510和512被闭合，以及NDRVB(NDRV bar或NDRV的反相)为低电平，并且开关511被断开。因此，在该配置中，电感器501和502是并联的。在图5B中，NDRVB为高电平，并且开关511被闭合，以及NDRV为低电平，并且开关510和512被断开。因此，在该配置中，电感器501和502串联。这仅仅是使用多个开关和多个电感器以在多个离散电感值之间改变可重新配置的电感的一个示例，是用于重新配置电感的一个示例方式。
图6示出了根据一个实施例的示例估计器电路。图6中的电路是用于将包络跟踪信号的频率与开关信号的开关频率进行比较以改变电感的一个示例机构。在该示例中，通过检测波形中的峰值和谷值来确定包含包络跟踪信号的频率的VAMP的频率。因此，由峰值/谷值检测器601接收VAMP。在该示例中，峰值/谷值检测器601生成时钟clk1，时钟clk1包括由峰值/谷值检测器601检测的每个峰值或谷值上的脉冲。开关信号ETDRV被边缘检测器602接收，以生成时钟clk2，时钟clk2包括开关信号的每个转换上的脉冲。D触发器603和604形成频率比较电路，其中触发器604生成时钟clk3，时钟clk3在clk2时转变为高电平并且在clk1时转变为低电平。因此，clk3是clk1和clk2之间的时间差的示例度量。NDRV和NDRVB由另一D触发器607生成，另一D触发器607在D输入上接收由延迟电路606延迟的clk3版本，以及在时钟输入上接收clk2(开关频率)。
图7A示出了根据一个实施例的用于低于开关频率的包络跟踪信号频率的示例波形。在该图中，可以看出，由VAMP体现的包络跟踪信号的频率低于由电感器电流IL体现的开关频率。时钟clk1对应于包络跟踪信号中的峰值和谷值，因此对应于该信号的频率。时钟clk2对应于ETDRV(开关频率)。图7A示出当包络跟踪信号的频率小于开关信号的开关频率时，NDRV/NDRVB交替(例如，导通和关断)。NDRV为正的时间以及NDRVB为正的时间，对应于可重新配置的电感处于不同状态的时间。因为NDRV和NDRVB是交替的，所以在开关调节器的输出处产生平均电感。此外，平均电感可以随包络跟踪信号的频率增加而减小。如下面更详细地描述的，图6的电路是实现这一点的一个示例机构。
在电感器配置之间切换的优点可以包括通量再循环，以在转换期间节省能量。例如，参考图5A-图5B，当电感器510和511串联(图5B，大电感状态)时，电流IL流过每个电感器。然而，当电感器被并联配置(图5A，小电感状态)时，每个电感器中的瞬时电流保持不变，并且由于每个电感器中的通量，电感器510和511均继续以产生电流IL。这导致增加的输出电流2IL。由于输入电流为IL，每个电感器中的电流将下降到IL/2。类似地，当电感器从并联被重新配置为串联时，每个电感器中的瞬时电流保持不变，并且由于每个电感器中的通量，电感器510和511均继续产生电流IL/2，这导致减小的输出电流IL/2。由于输入电流为IL，每个电感器中的电流将斜升到IL。
如上所述，clk3是clk1(包络频率)和clk2(开关频率)之间的频率差的度量。另外，参考图6，触发器607的时钟输入是clk2，其将NDRV/NDRVB设置为clk3。因此，当clk1(包络频率)远小于clk2(开关频率)时，NDRV为高电平的时间将小于NDRVB为高电平的时间，并且平均电感将较大。然而，随着clk1的频率(包络频率)朝向clk2的频率(开关频率)增加，NDRV为高电平的时间将增加，并且NDRVB为高电平的时间将会减小。因此，平均电感随着clk1的频率(开关频率)增加而减小。
图7B示出了根据一个实施例的用于高频包络跟踪信号的示例波形。在这种情况下，包络信号频率已经增加到开关频率，并且clk3在等于clk1和clk2之间的相位差的时间段内是高电平。然而，clk3现在在clk2的边缘上总是低电平。因此，clk3＝0将作为时钟信号被输入到D触发器607，并且NDRVB保持低电平，以及NDRV保持高电平。在这种情况下，可重新配置的电感保持在低电感配置中(例如，电感器417和418保持并联)。
图8A示出了根据一个实施例的示例峰值/谷值检测器。在该示例中，峰值/谷值检测器包括二阶高通滤波器810、放大器811、滞环比较器812和边缘检测器813。高通滤波器810包括AC耦合电容器C1/C1和接地的电阻器R1。放大器811是AB类电压到电流放大器，包括由晶体管M1-M8所示的共栅输入级和电流镜和电流源801和802。滞环比较器812包括缓冲器(例如，串联耦合的反相器)和反馈电阻器Rhys，以建立滞环。边缘检测器813例如包括延迟器804(例如，串联耦合的反相器)和XOR门，以产生clk1。
图8B示出了根据一个实施例的示例边缘检测器。边缘检测器850接收开关信号ETDRV，并且例如可以包括延迟器851和XOR门，以产生clk2。
上面的描述示出了本公开的各种实施例以及可以如何实现特定实施例的各方面的示例。上述示例不应被认为是仅有的实施例，并且上述示例被呈现以示出由所附权利要求限定的特定实施例的灵活性和优点。基于上述公开内容和所附权利要求，而不脱离由权利要求限定的本公开的范围的情况下，可以采用其他布置、实施例、实现和等同物。

Claims (20)

1.一种电路，包括：
开关调节器，所述开关调节器接收具有开关频率的开关信号；
监测电路，用于监测所述开关频率；以及
在所述开关调节器的输出处的可重新配置的电感，其中所述监测电路基于所述开关频率，在多个电感值之间改变所述可重新配置的电感。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述可重新配置的电感包括多个电感器和多个开关。
3.根据权利要求1所述的电路，其中当所述开关频率是第一频率时，所述可重新配置的电感具有第一电感值，并且其中当所述开关频率是大于所述第一频率的第二频率时，所述可重新配置的电感具有小于所述第一电感值的第二电感值。
4.根据权利要求1所述的电路，其中在第一配置中，所述可重新配置的电感包括并联的多个电感器，并且其中在第二配置中，所述可重新配置的电感包括串联的多个电感器。
5.根据权利要求4所述的电路，其中在所述第一配置中，所述可重新配置的电感包括并联的两个电感器，并且其中在所述第二配置中，所述可重新配置的电感包括串联的所述两个电感器。
6.根据权利要求1所述的电路，还包括：
放大器，用于接收包络跟踪信号，其中所述放大器的输出被耦合到所述开关调节器的输出，以提供电源电压；以及
开关发生器电路，用于基于所述包络跟踪信号产生所述开关信号，
其中所述监测电路将所述包络跟踪信号的频率与所述开关信号的所述开关频率进行比较，并根据比较来改变所述可重新配置的电感。
7.根据权利要求6所述的电路，其中当所述包络跟踪信号的所述频率小于所述开关信号的所述开关频率时，所述估计器电路在多个离散电感值之间交替地改变所述可重新配置的电感以产生平均电感，并且其中随着所述包络跟踪信号的所述频率增加，所述平均电感减小。
8.根据权利要求6所述的电路，其中所述估计器电路包括：
第一检测器电路，用于基于所述包络跟踪信号中的峰值与所述包络跟踪信号中的谷值之间的时间差来产生第一时钟信号；
第二检测器电路，用于基于所述开关信号的边缘来产生第二时钟信号；以及
频率比较电路，用于将所述第一时钟信号的频率与所述第二时钟信号的频率进行比较，并且根据比较来产生用于改变所述可重新配置的电感的逻辑信号。
9.一种方法，包括：
监测开关调节器的开关频率；以及
基于所述开关频率，在多个电感值之间重新配置所述开关调节器的输出处的电感。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述电感随着所述开关频率增加而减小。
11.根据权利要求9所述的方法，其中重新配置所述电感包括在多个离散电感值之间交替地改变所述电感，以产生平均电感。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述电感包括由多个开关耦合在一起的多个电感器，并且其中重新配置所述电感包括导通一个或多个开关并且关断一个或多个其他开关。
13.根据权利要求9所述的方法，其中在第一配置中，所述电感包括并联配置的多个电感器，并且其中在第二配置中，所述电感包括串联配置的多个电感器。
14.根据权利要求13所述的方法，其中在所述第一配置中，所述可重新配置的电感包括并联的两个电感器，并且其中在所述第二配置中，所述可重新配置的电感包括串联的所述两个电感器。
15.根据权利要求9所述的方法，还包括：
在放大器的输入处接收包络跟踪信号，其中所述放大器的输出被耦合到所述开关调节器的输出，以提供电源电压；
基于所述包络跟踪信号，生成所述开关信号；以及
将所述包络跟踪信号的频率与所述开关信号的所述开关频率进行比较，并根据比较来改变所述电感。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括：
检测所述包络跟踪信号中的峰值与所述包络跟踪信号中的谷值之间的时间差，以产生第一时钟信号；
检测所述开关信号的边缘，以产生第二时钟信号；以及
将所述第一时钟信号的频率与所述第二时钟信号的频率进行比较，并根据比较，产生重新配置所述电感的信号。
17.一种电路，包括：
开关调节器，所述开关调节器接收具有开关频率的开关信号；
在所述开关调节器的输出处的可重新配置的电感装置；以及
用于监测开关频率并基于所述开关频率在多个电感值之间改变所述可重新配置的电感装置的装置。
18.根据权利要求17所述的电路，其中所述电感随着所述开关频率增加而减小。
19.根据权利要求17所述的电路，还包括：
放大器，用于接收包络跟踪信号，其中所述放大器的输出被耦合到所述开关调节器的输出，以提供电源电压；以及
用于基于所述包络跟踪信号生成所述开关信号的装置；以及
用于将所述包络跟踪信号的频率与所述开关信号的所述开关频率进行比较，并且根据比较改变所述可重新配置的电感的装置。
20.根据权利要求17所述的电路，其中在第一配置中，所述可重新配置的电感装置包括并联的多个电感器，并且其中在第二配置中，所述可重新配置的电感装置包括串联的多个电感器。
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