CN107612312A

CN107612312A - 控制器及其开关电源和控制开关电源的方法

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Publication number: CN107612312A
Application number: CN201710747862.4A
Authority: CN
Inventors: 赖鹏捷; 姜剑
Original assignee: Chengdu Monolithic Power Systems Co Ltd
Current assignee: Chengdu Monolithic Power Systems Co Ltd
Priority date: 2009-04-21
Filing date: 2017-08-28
Publication date: 2018-01-19
Anticipated expiration: 2037-08-28
Also published as: CN107612312B

Abstract

公开了一种可以根据开关电源的高压结构和低压结构而来选择控制方案的开关电源。开关电源的状态至少包括充电状态和放电状态。开关电源包括模式控制模块。模式控制模块接收表征开关电源结构的模式设置信号和表征开关电源状态的状态指示信号。开关电源根据模式设置信号和状态指示信号来选择升压控制方案或降压控制方案来控制开关电源。根据本发明的开关电源，可以根据开关电源的不同结构来选择不同的控制方案，因此既可以用于高压结构又可以用于低压结构。

Description

控制器及其开关电源和控制开关电源的方法

技术领域

本发明涉及电源，更具体地，涉及开关电源。

背景技术

在传统的为下游装置提供总线电压V_BS的开关电源(switching mode powersupply，SMPS)中，如在用于为固态硬盘(solid state drive，SSD)供电的DC/DC电压转换器中，具有较高额定电压(例如，高于10V)的高压电容器常用作存储电容以在有电源提供给开关电源时存储能量且当预设条件满足时(例如当总线电压V_BS下降到释放阈值时)释放存储的能量以作备用电源。在采用高压电容器作为存储电容的开关电源结构中，通常采用升压控制方案将电源V_IN转换为高压电容器上的具有比电源V_IN更高值的电压V_STRG(例如，V_IN＝3.3V，V_STRG＝20V)，且采用降压控制方案来将高压电容器上的存储电压V_STRG降至更低的总线电压V_BS以给下游装置供电(V_STRG＝20V，V_BS＝3.3V)。

作为另一类电容，低压电容，如超结电容，由于其诸多优势，如其卓越的可靠性性能、低成本、快速充电/放电能力等等，而得到人们越来越多的关注。然而，和高压电容相比，低压电容具有更低的额定电压(例如，单节低压电容器具有几伏特的电压)，这便要求电源V_IN转换为更低的存储电压V_STRG(例如，V_IN＝12V，V_STRG＝5V)以确保电路能够安全工作。相应地，当用来给下游装置供电时，较低的存储电压V_STRG则需要转换为较高的总线电压V_BS(例如，V_STRG＝5V，V_BS＝12V)。结果，用于采用高压电容器作为存储电容结构的传统控制方案不再适用于采用低压电容器作为存储电容的低压结构。

发明内容

依据本发明实施例的一个方面，提出了一种用于开关电源的控制器。开关电源具有总线端口且开关电源在总线端口处提供总线电压。开关电源包括双向转换器。双向转换器包括存储电容和电感且双向转换器至少可以为第一结构或第二结构。开关电源的状态至少包括向存储电容中存储能量的充电状态和从存储电容中释放能量的放电状态。控制器包括模式控制模块、降压控制模块和升压控制模块。模式控制模块接收表征双向转换器结构的模式设置信号和表征开关电源状态的状态指示信号。模式控制模块根据模式设置信号和状态指示信号产生模式控制信号。降压控制模块和升压控制模块均耦接至模式控制模块。根据模式控制信号，降压控制模块被选择来控制双向转换器以向存储电容存储能量且升压控制模块被选择来控制双向转换器以从存储电容释放能量，或者升压控制模块被选择来控制双向转换器以向存储电容存储能量且降压控制模块被选择来控制双向转换器以从存储电容释放能量。

依据本发明实施例的又一个方面，提出了一种用于在总线端口提供总线电压的开关电源。开关电源的状态至少包括充电状态和放电状态。开关电源包括双向转换器、模式控制模块、降压控制模块和升压控制模块。双向转换器包括高侧开关、低侧开关、电感和存储电容。高侧开关具有第一端子和第二端子。低侧开关具有第一端子和第二端子，低侧开关的第一端子耦接至高侧开关的第二端子，低侧开关的第二端子接地。电感耦接于高侧开关的第二端子和总线端口之间。存储电容具有第一端子和第二端子，存储电容的第一端子耦接至高侧开关的第一端子，存储电容的第二端子接地。模式控制模块用于接收表征双向转换器结构的模式设置信号和表征开关电源状态的状态指示信号，模式控制模块基于模式设置信号和状态指示信号产生模式控制信号。降压控制模块和升压控制模块均耦接至模式控制模块。基于模式控制信号，在充电状态时，选择升压控制模块来控制双向转换器；在放电状态时，选择降压控制模块来控制双向转换器。

依据本发明实施例的又一个方面，提出了一种用于在总线端口提供总线电压的开关电源。开关电源的状态至少包括充电状态和放电状态。开关电源包括双向转换器、模式控制模块、降压控制模块和升压控制模块。双向转换器包括高侧开关、低侧开关、电感和存储电容。高侧开关具有第一端子和第二端子，高侧开关的第一端子耦接至总线端口。低侧开关具有第一端子和第二端子，低侧开关的第一端子耦接至高侧开关的第二端子，低侧开关的第二端子接地。电感具有第一端子和第二端子，电感的第一端子耦接至高侧开关的第二端子。存储电容具有第一端子和第二端子，存储电容的第一端子耦接至电感的第二端子，存储电容的第二端子接地。模式控制模块用于接收表征双向转换器结构的模式设置信号和表征开关电源状态的状态指示信号，模式控制模块基于模式设置信号和状态指示信号产生模式控制信号。降压控制模块和升压控制模块均耦接至模式控制模块。基于模式控制信号，在充电状态时，选择降压控制模块来控制双向转换器；在放电状态时，选择升压控制模块来控制双向转换器。

依据本发明实施例的又一个方面，提出了一种控制开关电源的方法。开关电源包括双向转换器，双向转换器至少可以为第一结构或第二结构。开关电源的状态至少包括充电状态和放电状态。该方法包括：接收表征双向转换器结构的模式设置信号；以及根据模式设置信号为放电状态选择升压控制方案以控制双向转换器且为充电状态选择降压控制方案以控制双向转换器或者为放电状态选择降压控制方案以控制双向转换器且为充电状态选择升压控制方案以控制双向转换器。

依据本发明实施例的又一个方面，提出了一种控制开关电源的方法。开关电源的状态至少包括充电状态和放电状态。该方法包括：形成具有高压结构的双向转换器；根据双向转换器的高压结构设置模式控制信号；以及当开关电源为充电状态时，选择升压控制方案来控制双向转换器；当开关电源为放电状态时，选择降压控制方案来控制双向转换器。

依据本发明实施例的又一个方面，提出了一种控制开关电源的方法。开关电源的状态至少包括充电状态和放电状态。该方法包括：形成具有低压结构的双向转换器；根据双向转换器的低压结构设置模式控制信号；以及当开关电源为充电状态时，选择降压控制方案来控制双向转换器；当开关电源为放电状态时，选择升压控制方案来控制双向转换器。

利用本发明实施例提出的开关电源，可以根据开关电源的不同结构来选择不同的控制方案，因此既可以用于高压结构又可以用于低压结构。

附图说明

图1示出依据本发明一实施例的包括具有第一结构的双向转换器的开关电源X。

图2示出依据本发明一实施例的包括具有第二结构的双向转换器的开关电源Y。

图3示出依据本发明一实施例的可以既用于图1所示开关电源X又可用于图2所示开关电源Y的控制器300。

图4示出依据本发明一实施例的既可用于图1所示开关电源X亦可用于图2所示开关电源Y的控制器400。

图5示出依据本发明另一实施例的既可用于图1所示开关电源X又可用于图2所示开关电源Y的控制器500。

图6示出依据本发明一实施例的用于控制开关电源将总线端口处的总线电压提供给下游装置的方法S10。

图7示出依据本发明一实施例的用于控制开关电源将总线端口处的总线电压提供至下游装置的方法S20。

图8示出依据本发明一实施例的用于控制开关电源将总线端口处的总线电压提供至下游装置的方法S30。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称“元件”“连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

图1示出依据本发明一实施例的包括具有第一结构的双向转换器的开关电源X。图2示出依据本发明一实施例的包括具有第二结构的双向转换器的开关电源Y。除了开关电源X的双向转换器具有第一结构而开关电源Y的双向转换器具有第二结构以外，图1所示的开关电源X和图2所示的开关电源Y具有类似的结构。因此，对于开关电源X和Y的相同部分，将参照图1所示的开关电源X进行相应描述。然而，本领域技术人员应当理解，这样的描述也适用于开关电源Y。

现在参考图1，图1所示的开关电源X包括具有总线电压V_BS的总线端口BS。开关电源X将总线端口BS的总线电压V_BS提供给下游装置104。在一个实施例中，下游装置104可以包括用于为负载供电的DC/DC转换器，如升压型转换器、降压型转换器或者多个降压型转换器等等，而负载可以包括硬盘(hard disk drive，HDD)或固态硬盘(SSD)等等。然而，本领域技术人员应当理解，在其它实施例中，下游装置也可为其它合适的装置，如反激式转换器、降压-升压式转换器等等。另外，在其它实施例中，负载也可以包括其它合适形式的负载，如其它合适的驱动装置等。

图1所示的开关电源X示例性地包括控制器和包括存储电容C的双向转换器。当存在电源V_IN时，开关电源X可以工作在充电状态，此时，控制器控制双向转换器利用电源V_IN在存储电容C中存储能量，直到存储电容C上的存储电压V_STRG达到预设的存储值。

同时，当存在电源V_IN时，开关电源X将电源V_IN耦合至总线端口BS并基于电源V_IN产生总线电压V_BS。在本文中，所述的电源V_IN与总线端口BS之间的耦合可以为直接或间接的连接。作为间接连接的一个例子，在一个实施例中，开关电源X还可以包括如图1所示的接收电源V_IN的输入端口IN以及电流限电路，该电流限电路耦合在输入端口IN与总线端口BS之间以在流向总线端口BS的输入电流高于预设电流限值时限制该输入电流。作为直接连接的一个例子，在一个实施例中，电源V_IN可以直接连接到总线端口BS，这样，总线电压V_BS等于电源V_IN。

另一方面，图1所示的开关电源X可以工作在放电状态。此时，控制器控制双向转换器将存储电容C中的能量释放至下游装置104并在预设条件形成时根据存储电压V_STRG产生总线电压V_BS。这样，通过向下游装置104提供备用电源，可以防止由于电源突然降低而造成的意外损失。

本领域技术人员应当理解，在上述描述中，开关电源X的状态示例性地包括充电状态和放电状态。然而，在其它实施例中，开关电源X还可以包括其它状态，例如，当电源V_IN足以对下游装置104供电且存储电压V_STRG已经达到预设存储值时，开关电源X还可以包括休眠状态，此时，双向转换器不再向存储电容C中存储能量也不会从存储电容C中释放能量。作为另一个例子，视开关电源的具体设计，开关电源X还可以包括预充电状态。此时，在电源V_IN的启动阶段，利用恒流对存储电容C充电直至其达到预设的预充电阈值，例如，期望的总线电压值V_BS，以避免出现输入浪涌电流。

本领域技术人员还应当理解，对开关电源X到处处于哪个状态的判定可根据开关电源X的不同设计而有所不同，其不应用于限制本发明。作为一个例子，在一个实施例中，当电源V_IN或总线电压V_BS下降至一预设阈值时，则判定开关电源X工作在放电状态。作为另一个例子，当存储电压V_STRG比预设存储值低且电源V_IN存在时，判定开关电源X工作在充电状态。

继续参考图1，图1所示的开关电源X中的具有第一结构的双向转换器包括高压结构。具体地，在高压结构中，开关电源X的双向转换器示例性地包括高侧开关M1和低侧开关M2。高侧开关M1和低侧开关M2各包括第一端子和第二端子，其中，低侧开关M2的第一端子耦合至高侧开关M1的第二端子，且低侧开关M2的第二端子耦接至第一参考地GND1(如，模拟地)。

本领域技术人员应当理解，根据不同的设计，高侧开关M1或低侧开关M2可以和控制器集成在同一芯片中，也可以外接于集成有控制器的芯片上。

继续参照图1，在高压结构中，开关电源X的双向转换器还可以包括电感L和存储电容C，电感L和存储电容C均具有第一端子和第二端子。电感L的第一端子耦接至高侧开关M1的第二端子以及低侧开关M2的第一端子，电感L的第二端子耦接至总线端口BS。存储电容C的第一端子耦接至第二参考地GND2(如，功率地)，且存储电容C的第二端子耦接至高侧开关M1的第一端子。

参照图2，如上面所描述的，除了开关电源Y的双向转换器具有第二结构以外，图2所示的开关电源Y具有和图1所示的开关电源X相似的结构。因此，接下来将对开关电源Y的双向转换器的第二结构进行描述。

如图2所示，图2所示的开关电源Y的具有第二结构的双向转换器示例性地包括低压结构。在该低压结构中，开关电源Y的双向转换器同样地包括高侧开关M1和低侧开关M2。高侧开关M1和低侧开关M2均具有第一端子和第二端子，低侧开关M2的第一端子耦接至高侧开关M1的第二端子，且低侧开关M2的第二端子耦接至第一参考地GND1(如，模拟地)。

本领域技术人员应当理解，根据不同的设计，高侧开关M1或低侧开关M2可以和控制器集成在同一芯片中，也可以外接于集成控制器的芯片上。

在低压结构中，开关电源Y的双向转换器还包括电感L和存储电容C，电感L和存储电容C均具有第一端子和第二端子，其中，电感L的第一端子耦接至高侧开关M1的第二端子和低侧开关M2的第一端子，存储电容C的第一端子耦接至第二参考地GND2(如，功率地)，且存储电容C的第二端子耦接至电感L的第二端子，高侧开关M1的第一端子耦接至(如，通过直接连接)总线端口BS。

图1和图2示出可以用来控制具有第一结构的双向转换器和具有第二结构的双向转换器的控制器。本领域技术人员应当理解，本发明中的控制器除了可以用来控制具有第一结构的双向转换器和具有第二结构的双向转换器以外，也可以用来控制具有其它结构的双向转换器。另外，在图1和图2所示电路中，双向转换器的第一结构和第二结构分别包括高压结构和低压结构，然而，本领域技术人员应当理解，该第一结构和第二结构分别表示开关电源的两种不同结构，不应当用来限制本发明，在其它实施例中，双向转换器也可以采用其它合适的结构。而且，术语“高压结构”和“低压结构”并不一定表示高压结构中的电压要高于低压结构中的电压。然而，本领域技术人员应当理解，在一个实施例中，高压结构还可以包括具有较高额定电压的高压电容以作为存储电容，而低压结构可以包括具有较低额定电压的低压电容以作为存储电容。

现在参考图1和图2，图1和图2中所示的控制器示例性地包括模式控制模块101，升压控制模块102和降压控制模块103。模式控制模块101用于接收表征双向转换器结构的模式设置信号S_MD。在一个实施例中，模式设置信号S_MD可以由用户设置，例如，当双向转换器具有第一结构时，用户可以将模式设置信号S_MD设置为第一逻辑状态，如逻辑1；而当双向转换器具有第二结构时，用户可以将模式设置信号S_MD设置为第二逻辑状态，如逻辑0。在另一实施例中，模式设置信号S_MD可以通过控制器自适应地检测双向转换器的结构来产生。

模式控制模块101接收表征开关电源X状态的状态指示信号S_SI。在一个实施例中，状态指示信号S_SI处于第一逻辑状态(如逻辑1)表示开关电源X处于充电状态，存储电容C由电源V_IN进行充电；而状态指示信号S_SI处于第二状态(如逻辑0)表示开关电源X处于放电状态，存储电容C释放能量以给下游装置104供电。基于所接收的模式设置信号S_MD和状态指示信号S_SI，模式控制模块101产生模式控制信号S_MC。

升压控制模块102和降压控制模块103均耦接至模式控制模块101。根据模式控制信号S_MC，升压控制模块102或降压控制模块103被选择来控制双向转换器在存储电容C中存储能量或让存储电容C释放能量，这种控制通过控制高侧开关M1和低侧开关M2的开关动作来实现。在一些实施例中，升压控制模块102以及降压控制模块103可以和充电状态以及放电状态任意进行组合。亦即，当升压控制模块102和降压控制模块103中任意一个被选来控制存储电容C存储能量时，另外一个被选来控制存储电容C释放能量。

在一个实施例中，当模式设置信号S_MD表示双向转换器处于如图1所示的高压结构时，若开关电源X处于充电状态，则模式控制信号S_MC选择升压控制模块102来控制双向转换器；若开关电源X处于放电状态，则模式控制信号S_MC选择降压控制模块103来控制双向转换器。当模式设置信号S_MD表示双向转换器处于如图2所示的低压结构时，若开关电源X处于充电状态，则模式控制信号S_MC选择降压控制模块103来控制双向转换器；若开关电源X处于放电状态，则模式控制信号S_MC选择升压控制模块102来控制双向转换器。

在本发明中，通过将模式设置信号S_MD设置为不同的值，可以依据双向转换器的不同结构来选择不同的控制该案。这样，根据用户的期望，本发明中的控制器可以至少用于两种双向转换器结构。例如，根据用户的期望，本发明中的控制器可以用于高压结构也可用于如采用低压电容作为存储电容的低压结构，这可以提高开关电源的可靠性且可以降低成本。

图3示出依据本发明一实施例的可以既用于图1所示开关电源X又可用于图2所示开关电源Y的控制器300。如图3所示，和图1和图2实施例中的控制器相比，图3所示的控制器300示例性地包括具有第一输入端、第二输入端和输出端的误差放大器105。误差放大器105在其第一输入端接收表征总线电压V_BS的反馈信号V_FB且在其第二输入端接收参考信号V_REF。根据反馈信号V_FB和参考信号V_REF，误差放大器105在输出端产生误差信号V_EAO。当升压控制模块102或降压控制模块103工作在放电状态时，误差信号V_EAO被提供至升压控制模块102或降压控制模块103以将总线电压V_STRG维持在期望水平。否则，当升压控制模块102或降压控制模块103工作在充电状态时，参考信号V_REF被提供至升压控制模块102或降压控制模块103以产生恒定电流为存储电容C充电从而保证存储电容C的使用寿命。

如图3所示，控制器300还包括放电开关S3和充电开关S4。放电开关S3具有第一端、第二端和控制端。放电开关S3的第一端耦接至误差放大器105的输出端，放电开关S3的第二端耦接至降压控制模块103和升压控制模块102，而放电开关S3的控制端接收状态指示信号S_SI的反相信号。充电开关S4具有第一端、第二端和控制端。充电开关S4的第一端接收参考信号V_REF，充电开关S4的第二端耦接至降压控制模块103和升压控制模块102，充电开关S4的控制端接收状态指示信号S_SI。这样，当状态指示信号S_SI设置为S_SI＝1以指示开关电源工作在充电状态时，参考信号V_REF被提供至降压控制模块103和升压控制模块102。当状态指示信号S_SI设置为S_SI＝0以指示开关电源工作在放电状态时，误差信号V_EAO被提供至降压控制模块103和升压控制模块102。

图4示出依据本发明一实施例的既可用于图1所示开关电源X亦可用于图2所示开关电源Y的控制器400。如图4所示，控制器400示例性地包括模式控制模块，该模式控制模块接收表征开关电源X和Y中双向转换器结构的模式设置信号S_MD。模式控制模块还接收表征开关电源X或Y的状态的状态指示信号S_SI。本领域技术人员应当理解，当控制器400应用于开关电源X或Y中时，模式设置信号S_MD的逻辑高状态(S_MD＝1)和逻辑低状态(S_MD＝0)分别用来表示开关电源X中双向转换器的高压结构和开关电源Y中双向转换器中的低压结构；而状态指示信号S_SI的逻辑高状态(S_SI＝1)和逻辑低状态(S_SI＝0)分别用来表示开关电源X或Y的充电状态和放电状态。模式控制模块根据模式设置信号S_MD和状态指示信号S_SI生产模式控制信号S_MC。

更具体地，图4所示的模式控制模块示例性地包括异或门XR，降压开关S1和升压开关S2。异或门XR具有第一输入端、第二输入端和输出端。异或门XR在其第一输入端接收状态指示信号S_SI，在其第二输入端接收模式设置信号S_MD，在其输出端生成模式控制信号S_MC。降压开关S1和升压开关S2均具有第一端、第二端和控制端。降压开关S1和升压开关S2分别在其控制端接收模式控制信号S_MC和模式控制信号S_MC的反相信号以选择降压控制模块或升压控制模块来控制开关电源X或Y的双向转换器，这在下文中将详细阐明。

继续参照图4，控制器400示例性地包括降压比较器CMP1，升压比较器CMP2，导通时间产生电路COT和触发器FF。降压比较器CMP1具有第一输入端(如反相输入端)、第二输入端(如同相输入端)和输出端。降压比较器CMP1的第一输入端耦接至表征流过电感L的电流的电流检测信号V_SEN。更具体地，电流检测信号V_SEN表征流过低侧开关M2的电流。降压比较器CMP1的第二输入端耦接至参考信号V_REF。降压比较器CMP1通过将其第一输入端和第二输入端接收到的信号进行比较从而在其输出端产生降压比较信号S_CMP1。降压比较器CMP1的输出端耦接至降压开关S1的第一端。

升压比较器CMP2具有第一输入端(如反相输入端)、第二输入端(如同相输入端)和输出端。升压比较器CMP2的第一输入端耦接至参考信号V_REF，升压比较器CMP2的第二输入端耦接至电流检测信号V_SEN。升压比较器CMP2通过将其第一输入端和第二输入端接收到的信号进行比较从而在其输出端产生升压比较信号S_CMP2。升压比较器CMP2的输出端耦接至升压开关S2的第一端。

触发器FF具有置位端、复位端和输出端。触发器FF的置位端耦接至降压开关S1和升压开关S2的第二端。触发器的复位端耦接至导通时间产生电路COT以接收导通时间信号TO。触发器FF基于其置位端和复位端接收到的信号在其输出端产生控制信号CTRL以控制开关电源X或Y中的双向转换器。

因此，如图所示，采用谷值电流控制的降压控制模块至少包括图4所示控制器400中的降压比较器CMP1、导通时间产生电路COT和触发器FF。而采用峰值电流控制的升压控制模块至少包括图4所示控制器400中的升压比较器CMP2、导通时间产生电路COT和触发器FF。

工作时，当控制器400用于图1所示的具有高压结构双向转换器的开关电源X中时，模式设置信号S_MD被设置为S_MD＝1。如果状态指示信号S_SI指示开关电源X工作在充电状态，即S_SI＝1，则异或门XR产生S_MC＝0以导通升压开关S2且关断降压开关S1，这继而将升压比较信号S_CMP2馈入给触发器FF。升压比较信号S_CMP2和导通时间信号TO交替工作以置位和复位触发器FF，从而开关开关电源X中的高侧开关M1和低侧开关M2。这样，对于高压结构中的充电状态来说，包括升压比较器CMP2、导通时间产生电路COT和触发器FF的升压控制模块被选择来进行电路控制。若状态指示信号S_SI指示开关电源X工作在放电状态，即S_SI＝0，则异或门XR输出S_MC＝1以将降压开关S1导通且将升压开关S2关断，这继而使得降压比较信号S_CMP1来置位触发器FF。降压比较信号S_CMP1和导通时间信号TO交替工作来置位和复位触发器FF，从而来开关开关电源X中的高侧开关M1和低侧开关M2。这样，对于高压结构中的放电状态来说，包括降压比较器CMP1、导通时间产生电路COT和触发器FF的降压控制模块被选择来进行电路控制。

当控制器400用于图2所示的具有低压结构双向转换器的开关电源Y中时，模式设置信号S_MD被设置为S_MD＝0。如果状态指示信号S_SI指示开关电源Y工作在充电状态，即S_SI＝1，则异或门XR产生S_MC＝1以导通降压开关S1且关断升压开关S2，这继而使得降压比较信号S_CMP1置位触发器FF。降压比较信号S_CMP1和导通时间信号TO交替工作以置位和复位触发器FF，从而开关开关电源Y中的高侧开关M1和低侧开关M2。这样，对于低压结构中的充电状态来说，包括降压比较器CMP1、导通时间产生电路COT和触发器FF的降压控制模块被选择来进行电路控制。若状态指示信号S_SI指示开关电源Y工作在放电状态，即S_SI＝0，则异或门XR输出S_MC＝0以将升压开关S2导通且将降压开关S1关断，这继而使得升压比较信号S_CMP2来置位触发器FF。升压比较信号S_CMP2和导通时间信号TO交替工作来置位和复位触发器FF，从而来开关开关电源Y中的高侧开关M1和低侧开关M2。这样，对于低压结构中的放电状态来说，包括升压比较器CMP2、导通时间产生电路COT和触发器FF的升压控制模块被选择来进行电路控制。

从上述关于控制器400的工作的相关描述可知，根据模式设置信号S_MD所表征的双向转换器的结构和状态指示信号S_SI所表征的开关电源的状态，本发明中的控制器400可以选择降压控制模块或升压控制模块来控制双向转换器。因此，依据本发明的控制器400给用户提供了更多选择，用户可以根据需要自行选择高压电容器或低压电容器来作为存储电容。

图5示出依据本发明另一实施例的既可用于图1所示开关电源X又可用于图2所示开关电源Y的控制器500。控制器500具有和图4所示控制器400相似的结构，所不同的是，控制器500还包括误差放大器EA，放电开关S3和充电开关S4。因此，接下来将只对控制器500与控制器400相比所不同的结构进行描述。

如图5所示，误差放大器EA具有第一输入端(如反相输入端)、第二输入端(如同相输入端)和输出端。误差放大器EA在其第一输入端处接收表征总线端口BS处的总线电压V_BS的反馈信号V_FB，且在其第二输入端处接收参考信号V_REF。误差放大器EA放大参考信号V_REF与反馈信号V_FB之间的误差且在其输出端产生误差信号V_EAO。误差放大器EA的输出端耦接至放电开关S3的第一端。而放电开关S4的第一端耦接参考信号V_REF。放电开关S3和充电开关S4的第二端耦接在一起并进一步耦接至降压比较器CMP1的第二端和升压比较器CMP2的第一端，以在开关电源X或Y处于充电状态时传递参考信号V_REF，且在开关电源X或Y处于放电状态时传递误差信号V_EAO。

工作时，在高压结构处于充电状态时，即当S_MD＝1且S_SI＝1时，充电开关S4导通而放电开关S3关断以将参考信号V_REF传递给升压比较器CMP2。在高压结构处于放电状态时，即当S_MD＝1且S_SI＝0时，放电开关S3导通而充电开关S4关断以将误差信号V_EAO传递给降压比较器CMP1。在低压结构处于充电状态时，即当S_MD＝0且S_SI＝1时，充电开关S4导通而放电开关S3关断以将参考信号V_REF传递给降压比较器CMP1。在低压结构处于放电状态时，即当S_MD＝0且S_SI＝0时，放电开关S3导通而充电开关S4关断以将误差信号V_EAO传递给升压比较器CMP2。

这样，在充电状态给存储电容C储能时，通过将参考信号V_REF传递给下游电路，可以实现恒流充电，这能够保证存储电容C的使用寿命。当在放电状态从存储电容C释放能量时，通过将误差信号V_EAO传递给下游电路，总线电压V_BS可以保持在期望水平。

图6示出依据本发明一实施例的用于控制开关电源将总线端口处的总线电压提供给下游装置的方法S10。开关电源的状态至少包括充电状态和放电状态。图6所示的方法S10示例性地包括步骤S11～S13。在步骤S11中，接收表征双向转换器结构的模式设置信号。在步骤S12中，根据模式设置信号，选择升压控制方案来控制放电状态时的双向转换器且选择降压控制方案来控制充电状态时的双向转换器，或者选择降压控制方案来控制放电状态时的双向转换器且选择升压控制方案来控制充电状态时的双向转换器。在一个实施例中，步骤S11还可以包括接收表征开关电源状态的状态指示信号，而步骤S12还包括根据模式设置信号和状态指示信号来选择升压控制方案或降压控制方案来控制双向转换器。

更具体地，在步骤S12中，当双向转换器为低压结构时，为充电状态选择降压控制方案且为放电状态选择升压控制方案；当双向转换器为高压结构时，为充电状态选择升压控制方案且为放电状态选择降压控制方案。

图7示出依据本发明一实施例的用于控制开关电源将总线端口处的总线电压提供至下游装置的方法S20。开关电源的状态至少包括充电状态和放电状态。图7所示的方法S20示例性地包括步骤S21～S23。在步骤S21中，采用高压电容器形成高压结构的双向转换器。具体地，双向转换器示例性地包括高侧开关M1、低侧开关M2、电感L和存储电容C。在步骤S21中，将低侧开关M2耦接在高侧开关M1的第二端和第一参考地之间，将高压电容耦接在高侧开关M1和第二参考地之间，且将电感L耦接在高侧开关M1的第二端和总线端口之间。

在步骤S22，根据双向转换器的高压结构，模式设置信号S_MD设置为第一逻辑状态，例如逻辑1。在步骤S23中，为充电状态选择升压控制方案来控制双向转换器且为放电状态选择降压控制方案来控制双向转换器。在一个实施例中，升压控制方案可以是峰值电流控制模式而降压控制方案可以为谷值电流控制模式。

图8示出依据本发明一实施例的用于控制开关电源将总线端口处的总线电压提供至下游装置的方法S30。开关电源的状态至少包括充电状态和放电状态。图8所示的方法S30示例性地包括步骤S31～S33。在步骤S31中，采用低压电容器形成低压结构的双向转换器。具体地，双向转换器示例性地包括高侧开关M1、低侧开关M2、电感L和存储电容C。在步骤S31中，将低侧开关M2耦接在高侧开关M1的第二端和第一参考地之间，将电感L的第一端耦接至高侧开关M1的第一端，将低压电容耦接在电感L的第二端和第二参考地之间，且将总线端口耦接至高侧开关M1的第二端。

在步骤S32，根据双向转换器的低压结构，模式设置信号S_MD设置为第二逻辑状态，例如逻辑0。在步骤S33中，为充电状态选择降压控制方案来控制双向转换器且为放电状态选择升压控制方案来控制双向转换器。在一个实施例中，升压控制方案可以是峰值电流控制模式而降压控制方案可以为谷值电流控制模式。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims

1.一种用于开关电源的控制器，其中，开关电源具有总线端口且开关电源在总线端口处提供总线电压，且其中，开关电源包括双向转换器，双向转换器包括存储电容和电感且双向转换器至少可以为第一结构或第二结构，开关电源的状态至少包括向存储电容中存储能量的充电状态和从存储电容中释放能量的放电状态，控制器包括：

模式控制模块，接收表征双向转换器结构的模式设置信号和表征开关电源状态的状态指示信号，其中，模式控制模块根据模式设置信号和状态指示信号产生模式控制信号；以及

降压控制模块和升压控制模块，均耦接至模式控制模块，其中，根据模式控制信号，降压控制模块被选择来控制双向转换器以向存储电容存储能量且升压控制模块被选择来控制双向转换器以从存储电容释放能量，或者升压控制模块被选择来控制双向转换器以向存储电容存储能量且降压控制模块被选择来控制双向转换器以从存储电容释放能量。

2.如权利要求1所述的控制器，其中，第一结构包括高压结构且第二结构包括低压结构，且其中，在低压结构中，为充电状态选择降压控制模块且为放电状态选择升压控制模块；在高压结构中，为充电状态选择升压控制模块且为放电状态选择降压控制模块。

3.如权利要求2所述的控制器，其中，双向转换器包括：

高侧开关，具有第一端子和第二端子；

低侧开关，具有第一端子和第二端子，其中，低侧开关的第一端子耦接至高侧开关的第二端子，低侧开关的第二端子接地；

电感，具有第一端子和第二端子，其中，电感的第一端子耦接至高侧开关的第二端子；以及

存储电容，具有第一端子和第二端子，其中，存储电容的第一端子接地；

其中，当电感的第二端子耦接至总线端口且存储电容的第二端子耦接至高侧开关的第一端子时，双向转换器为高压结构；当存储电容的第二端子耦接至电感的第二端子且高侧开关的第一端子耦接至总线端口时，双向转换器为低压结构。

4.如权利要求2所述的控制器，其中，当开关电源为高压结构时，存储电容包括高压电容器；当开关电源为低压结构时，存储电容包括低压电容器。

5.如权利要求2所述的控制器，其中，控制器包括：

降压比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中，降压比较器的第一输入端耦接表征流过电感的电流的电流检测信号，降压比较器的第二输入端耦接参考信号，降压比较器基于电流检测信号和参考信号产生降压比较信号；

升压比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中，升压比较器的第一输入端耦接参考信号，升压比较器的第二输入端耦接电流检测信号，升压比较器基于电流检测信号和参考信号产生升压比较信号；

导通时间产生电路，产生导通时间信号；以及

触发器，具有置位端、复位端和输出端，其中，置位端选择性地耦接于降压比较器的输出端或升压比较器的输出端以接收降压比较信号或升压比较信号，复位端耦接于导通时间产生电路以接收导通时间信号，触发器在输出端产生控制信号以控制双向转换器；

其中，降压控制模块包括降压比较器、导通时间产生电路和触发器；升压控制模块包括升压比较器、导通时间产生电路和触发器。

6.如权利要求5所述的控制器，其中，模式控制模块包括：

异或门，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中，异或门在第一输入端接收状态指示信号，在第二输入端接收模式设置信号，并基于状态指示信号和模式设置信号在输出端产生模式控制信号；

降压开关，具有第一端子、第二端子和控制端，其中，降压开关的第一端子耦接至降压比较器的输出端，降压开关的第二端子耦接至触发器的置位端，降压开关的控制端耦接至异或门的输出端以接收模式控制信号；以及

升压开关，具有第一端子、第二端子和控制端，其中，升压开关的第一端子耦接至升压比较器的输出端，升压开关的第二端子耦接至触发器的置位端，升压开关的控制端耦接至异或门的输出端以接收模式控制信号的反相信号。

7.如权利要求1至6中任意一项所述的控制器，其中，控制器还包括具有第一输入端、第二输入端和输出端的误差放大器，误差放大器在第一输入端接收表征总线电压的反馈信号，在第二输入端接收参考信号，并在输出端产生误差信号，且其中，对于放电状态，误差信号被提供至降压控制模块或升压控制模块；对于充电状态，参考信号被提供至降压控制模块或升压控制模块。

8.如权利要求7所述的控制器，其中，控制器还包括：

放电开关，具有第一端子、第二端子和控制端，其中，放电开关的第一端子耦接至误差放大器的输出端，放电开关的第二端子耦接至降压控制模块和升压控制模块，放电开关的控制端用于接收状态指示信号的反相信号；以及

充电开关，具有第一端子、第二端子和控制端，其中，充电开关的第一端子用于接收参考信号，充电开关的第二端子耦接至降压控制模块和升压控制模块，充电开关的控制端用于接收状态指示信号。

9.一种用于在总线端口提供总线电压的开关电源，其中，开关电源的状态至少包括充电状态和放电状态，开关电源包括：

双向转换器，包括：

高侧开关，具有第一端子和第二端子；

电感，耦接于高侧开关的第二端子和总线端口之间；以及

存储电容，具有第一端子和第二端子，其中，存储电容的第一端子耦接至高侧开关的第一端子，存储电容的第二端子接地；

模式控制模块，用于接收表征双向转换器结构的模式设置信号和表征开关电源状态的状态指示信号，其中，模式控制模块基于模式设置信号和状态指示信号产生模式控制信号；以及

降压控制模块和升压控制模块，均耦接至模式控制模块，其中，基于模式控制信号，在充电状态时，选择升压控制模块来控制双向转换器；在放电状态时，选择降压控制模块来控制双向转换器。

10.如权利要求9所述的开关电源，还包括：

导通时间产生电路，产生导通时间信号；以及

11.如权利要求10所述的开关电源，其中，模式控制模块包括：

12.如权利要求9至11中任意一项所述的开关电源，还包括：

误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，误差放大器在第一输入端接收表征总线电压的反馈信号，在第二输入端接收参考信号，并在输出端产生误差信号；

13.一种用于在总线端口提供总线电压的开关电源，其中，开关电源的状态至少包括充电状态和放电状态，开关电源包括：

双向转换器，包括：

高侧开关，具有第一端子和第二端子，其中，高侧开关的第一端子耦接至总线端口；

存储电容，具有第一端子和第二端子，其中，存储电容的第一端子耦接至电感的第二端子，存储电容的第二端子接地；

降压控制模块和升压控制模块，均耦接至模式控制模块，其中，基于模式控制信号，在充电状态时，选择降压控制模块来控制双向转换器；在放电状态时，选择升压控制模块来控制双向转换器。

14.如权利要求13所述的开关电源，还包括：

导通时间产生电路，产生导通时间信号；以及

15.如权利要求14所述的开关电源，其中，模式控制模块包括：

16.如权利要求13至15中任意一项所述的开关电源，还包括：

17.一种控制开关电源的方法，其中，开关电源包括双向转换器，双向转换器至少可以为第一结构或第二结构，且其中，开关电源的状态至少包括充电状态和放电状态，所述方法包括：

接收表征双向转换器结构的模式设置信号；以及

根据模式设置信号为放电状态选择升压控制方案以控制双向转换器且为充电状态选择降压控制方案以控制双向转换器或者为放电状态选择降压控制方案以控制双向转换器且为充电状态选择升压控制方案以控制双向转换器。

18.如权利要求17所述的方法，还包括：

接收表征开关电源状态的状态指示信号；以及

根据模式设置信号和状态指示信号选择升压控制方案或降压控制方案来控制双向转换器。

19.如权利要求17所述的方法，其中，第一结构包括高压结构且第二结构包括低压结构，且其中，选择的步骤包括当双向转换器为低压结构时，为充电状态选择降压控制方案以及为放电状态选择升压控制方案；当双向转换器为高压结构时，为充电状态选择升压控制方案以及为放电状态选择降压控制方案。

20.一种控制开关电源的方法，其中，开关电源的状态至少包括充电状态和放电状态，所述方法包括：

形成具有高压结构的双向转换器；

根据双向转换器的高压结构设置模式控制信号；以及

当开关电源为充电状态时，选择升压控制方案来控制双向转换器；当开关电源为放电状态时，选择降压控制方案来控制双向转换器。

21.如权利要求20所述的方法，其中，形成具有高压结构的双向转换器的步骤包括：

将低侧开关的第一端子耦接至高侧开关的第二端子且将低侧开关的第二端子接地；

将高压电容器的第一端子耦接至高侧开关的第二端子且将高压电容器的第二端子接地；以及

将电感耦接在高侧开关的第二端子和开关电源用于提供总线电压的总线端口之间。

22.一种控制开关电源的方法，其中，开关电源的状态至少包括充电状态和放电状态，所述方法包括：

形成具有低压结构的双向转换器；

根据双向转换器的低压结构设置模式控制信号；以及

当开关电源为充电状态时，选择降压控制方案来控制双向转换器；当开关电源为放电状态时，选择升压控制方案来控制双向转换器。

23.如权利要求22所述的方法，其中，形成具有低压结构的双向转换器的步骤包括：

将电感的第一端子耦接至高侧开关的第二端子；

将低压电容器的第一端子耦接至电感的第二端子且将低压电容器的第二端子接地；以及

将高侧开关的第一端子耦接至开关电源用于提供总线电压的总线端口。