CN107636947A - 用于控制三电平降压转换器的电路和方法 - Google Patents

用于控制三电平降压转换器的电路和方法 Download PDF

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Abstract

一种电路，包括：用于三电平降压转换器的控制系统，该三电平降压转换器包括多个输入开关，每个输入开关接收多个不同的经脉宽调制信号中的一者，该控制系统包括：第一时钟信号和第二时钟信号，第二时钟信号是第一时钟信号的经相移版本；斜坡生成电路系统，该斜坡生成电路系统接收第一和第二时钟信号并分别从该第一和第二时钟信号产生第一和第二斜坡信号；第一比较电路，该第一比较电路接收第一斜坡信号并从该第一斜坡信号产生经脉宽调制信号中的第一经脉宽调制信号；以及第二比较电路，该第二比较电路接收第二斜坡信号并从该第二斜坡信号产生经脉宽调制信号中的第二经脉宽调制信号。

Description

用于控制三电平降压转换器的电路和方法
C·张、J·T·多伊尔、F·马默帝、A·沙雅阿拉尼
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年10月23日提交的题为“Circuits and Methods ProvidingThree-Level Signals At a Synchronous Buck Converter(在同步降压转换器处提供三电平信号的电路和方法)”的美国临时专利申请No.62/067,883的权益，其公开内容通过援引全部明确纳入于此。
技术领域
本申请涉及电压转换器，尤其涉及三电平降压转换器。
背景
当今有各种各样的电压转换器可用，一种类型是降压转换器。通常，降压转换器接收输入电压并提供步降的(stepped-down)输出电压以及步升的(stepped-up)输出电流。换言之，降压转换器通常可用于期望减小直流(DC)电压的应用中。示例应用包括处理核，其中降压转换器用于步降来自电压轨的DC电压，以使得降压转换器的输出电压对应于处理核的恰适输入电压。
一种示例常规降压转换器在降压转换器的输入处包括多个开关。这些开关由经脉宽调制的输入信号导通和关断，其中脉冲的占空比确定降压转换器的输出电压。当开关导通和关断时，它们调制DC输入电压(有时被称为VDD)并将该经调制电压提供给电感器。电感器与电容器处于通信，并且电感器的输入处电压的时变性质使电感器创建时变电流。电感器和电容器与时变电压和电流的交互产生基本上恒定的输出电压，该输出电压处于比VDD低的DC电平。
一种降压转换器是三电平降压转换器。常规三电平降压转换器享有其切换频率的有效加倍。在一个示例中，常规三电平降压转换器具有四个输入开关，每个输入开关接收两个经脉宽调制的输入信号中的一者。两个经脉宽调制的输入信号的定时以及开关的布置提供了电感器处的输入电压，该输入电压是经脉宽调制的输入信号的频率的两倍。在该常规示例中，取决于经脉宽调制信号的占空比，电感器处的输入电压可在零与VDD/2之间或者VDD/2与VDD之间变化。
三电平降压转换器在一些应用中可能是有利的，因为切换频率的有效加倍可允许对较小电感器的使用。然而，常规三电平降压转换器有时可结合常规脉宽调制控制器来使用，该常规脉宽调制控制器产生经脉宽调制信号并随后使用延迟锁相环(DLL)来产生该经脉宽调制信号的经延迟版本。在硅中实现DLL可能是复杂的且不必要的昂贵的。因此，需要更简单的方式来控制三电平降压转换器。
概览
提供了用于提供步降的电压的电路和方法。在一个示例中，脉宽调制控制器接收时钟和该时钟的经相移版本，并分别从那些时钟信号产生第一斜坡信号和第二斜坡信号。在一些实施例中，时钟的经相移版本仅是该时钟的经反相版本，以使得反相器电路可用于时钟的一个分支上。比较器接收斜坡信号和误差信号，并基于斜坡信号和误差信号的相对电压值来产生两个经脉宽调制信号。该电路可进一步包括三电平降压转换器，该三电平降压转换器接收两个经脉宽调制信号并产生与经脉宽调制信号的占空比相对应的受控输出电压。
一种示例方法实施例包括：接收和/或产生时钟信号和该时钟信号的经相移版本，并响应于此而产生第一斜坡信号和第二斜坡信号。在该示例中，斜坡信号生成电路系统接收这两个时钟，其中一个时钟用于产生第一斜坡信号，并且经相移时钟用于产生第二斜坡信号，并且第二斜坡信号因此相对于第一斜坡信号相移。两个斜坡信号随后用于产生两个经脉宽调制信号。该方法可进一步包括：响应于对降压转换器的输出电压的反馈指示而生成误差信号。该误差信号随后可用于从两个斜坡信号产生两个经脉宽调制信号。在一个示例中，比较器接收误差信号和斜坡信号，并基于误差信号和斜坡信号的相对电压电平来产生一个经脉宽调制信号。另一比较器接收误差信号和另一斜坡信号，并使用类似的技术产生另一经脉宽调制信号。
其他实施例可进一步包括具有多个三电平降压转换器和多个脉宽调制控制器的电压转换器。在一个示例中，一种电压转换器具有控制第一三电平降压转换器的第一脉宽调制控制器以及控制第二三电平降压转换器的第二脉宽调制控制器。每个降压转换器由间隔开180°的两个经脉宽调制信号来控制。控制第一降压转换器的经脉宽调制信号相对于控制第二降压转换器的经脉宽调制信号间隔开90°。
附图简述
图1解说了根据本公开的实施例的具有电压转换器的示例反馈环路，其中该反馈环路将输出电压维持在相对恒定的电平。
图2解说了根据本公开的实施例的示例三电平降压转换器。
图3解说了根据本公开的实施例的与图2的三电平降压转换器相关联的信号的示例时序图。
图4解说了根据本公开的实施例的在图2的三电平降压转换器的操作期间的示例分压器场景。
图5解说了根据一个实施例的用于与三电平降压转换器联用的示例脉宽调制控制器。
图6解说了根据一个实施例的用于产生时钟和该时钟的经相移版本的示例电路。
图7解说了根据一个实施例的描绘了从相应斜坡信号和误差信号生成两个经脉宽调制信号的示例时序图和波形图。
图8解说了根据一个实施例的具有两个脉宽调制控制器和两个降压转换器的示例两区段电压转换器。
图9解说了根据一个实施例的用于图8的系统中的信号的示例波形图。
图10解说了根据一个实施例的用于产生在图8的两个不同的脉宽调制控制器中使用的四个不同时钟的示例电路。
图11解说了根据本公开的实施例的用于图1-4的系统以实现输出电压的示例方法的流程图。
图12解说了根据一个实施例的用于图5的系统中的示例方法的流程图。
图13-15解说了根据若干个实施例的用于从时钟信号产生斜坡信号的示例电路。
详细描述
示例电路实施例
图1是解说了用于提供恒定的或几乎恒定的V输出的示例反馈环路的架构图。脉宽调制(PWM)控制器102接收参考电压(Vref)以及提供V输出的值的反馈信号120，并响应于Vref与V输出之差而输出PWM信号。PWM控制器102通过调节PWM信号的占空比来调制该PWM信号。通常，PWM信号的较大占空比增大同步降压转换器110的输出处的电压，并且PWM信号的较小占空比减小同步降压转换器110的输出处的电压。以此方式，PWM控制器102持续地调节PWM信号的占空比以保持V输出几乎恒定。在该示例实施例中，PWM信号实际上是两个PWM信号，如图3中更详细示出的。
降压转换器110接收V输入，该V输入在一些实施例中是来自半导体管芯上的电源轨的功率信号。在其他实施例中，V输入可包括来自电池或其他电压源的功率。降压转换器110中的开关根据来自PWM控制器102的控制信号而断开和闭合。降压转换器110在V输出处提供稳定的输出电压。同步降压转换器110可包括现在已知或以后开发的向电感器提供三电平信号的任何同步降压转换器。取决于PWM定时和占空比，示例三电平信号可包括例如在零与VDD/2之间或者在VDD/2与VDD之间变化的信号。
在一些示例中，降压转换器110从控制系统的角度来看是三阶系统，以使得该降压转换器110具有两个零点和一个极点或者两个零点和两个极点。由于三阶系统在一些实施例中可能不稳定，因此图1的示例包括补偿网络190。补偿网络190与反馈信号120串联放置以消去极点和零点，从而使图1的反馈环路是具有单个极点并且没有零点的一阶控制系统。补偿网络190还可被称为“类型3补偿器”。当然，各个实施例可使用任何恰适的控制系统，该控制系统可与补偿网络190相同或不同。
图2是可被用作图1的实施例中的降压转换器110的示例性同步降压转换器的解说。在图2中，V输入被示出为VDD，V输出被示出为Vout，并且电阻性负载Rload被示出在Vout与接地之间。在片上系统(SOC)实施例中，Rload可包括例如处理核、调制解调器等等。然而，各实施例的范围不限于SOC。
图2解说了四个开关112、113、114、115，这些开关是降压转换器110的输入开关。飞驰电容器(Cfly)耦合在开关112与113之间以及开关114与115之间。在该示例中，飞驰电容器Cfly具有20nF的值，并且负载电容器(Cload)也具有20nF的值。换言之，飞驰电容器Cfly和负载电容器Cload具有相同的值。处于1nF的开关电容器(CX)远小于Cfly和Cload两者。当然，图2中所提供的值仅是示例性的，因为其他实施例可使用其他值来达到相同或相似的结果。在一些实施例中，当以法拉测量时，电容器Cfly和Cload比电容器CX大至少一个数量级。本文所讨论的原理可被应用于将任何恰适的值用于电容器、电感器、电阻器、开关等等的三电平降压转换器的各种不同配置。
在一些实施例中，飞驰电容器Cfly可被制造为金属-绝缘体-金属(MIM)电容器以减少对地寄生损耗。然而，在各个实施例中可根据任何恰适的制造工艺来制作电容器Cfly。
输入开关112-115在电感器L的输入节点处提供电压(VX)，并且电压VX是三电平电压信号。如下面更详细解释的，施加于输入开关112-115的PWM信号具有VX的电压变化的一半频率。换言之，三电平降压转换器的使用提供了降压转换器的电感器处的电压频率的加倍。电感器L的电压的较高频率的优点在于可以减少电感器L的值。例如，VX的频率的加倍允许电感器L的大小被减少至四分之一。通常，电感器的值的减少允许物理上更小的电感器，这在一些情形中能够得到更低的成本和制造方便。
开关电容器CX被放置在电感器L的输入节点与接地之间以减少该节点处的波纹(ripple)。在操作中，电容器CX随着VX的值改变而充电和放电，并且其充电和放电具有抵消电感器L的输入节点处的波纹的效果。将电容器CX放置于其在电感器L与接地之间的所解说位置是违反直觉的，因为将预期电容器CX在其操作中的某些时刻期间通过将小电流传导到接地而引起电路中的一些损耗。然而，与飞驰电容器和负载电容器(Cfly和Cload)相比，电容器CX的大小恰适地非常小，以使得所传导的任何电流非常小。此外，由电容器CX存储的能量的量可与VX处的波纹的能量相同或更小，以使得电容器CX处的能量通常可以用于抵消波纹而不是将相当大的电流传导到接地。
通常，波纹是在相对重的负载情况下所经历的现象，而在相对轻的负载情况下很大程度上不存在。在一些实施例中，当负载相对重时，通过闭合开关SCX将电容器CX切换到电路中。在那些实施例中，当负载相对轻时，可断开开关SCX，从而从电路中移除电容器CX。在一个示例实施例中，PWM控制器(图1的电路102)通过感测电压跌落来确定负载正在增大，并且通过感测电压增大来确定负载正在减小，并且PWM控制器可恰适地导通或关断开关SCX。
图3是根据一个实施例的示例时序图的解说。在该示例中，电压301和302是由图1的电路102产生的PWM信号。电压301被提供给开关112和开关115。电压302被提供给开关113和114。在图3中还标记了VX和Vout。在图3中值得注意的是，电压VX是电压301和302的频率的两倍。在该示例中，电压301和302在250MHz处，而电压VX在500MHz的频率处。然而，各实施例的范围不限于输入时钟信号的任何特定频率，因为在其他实施例中可使用任何恰适的频率。还要注意，图3的时序图示出了图2的四个开关112-115中的每一者在正常操作(其中下面针对时间段T1-T5更充分地描述了操作)期间被主动地控制。
如上面提及的，三电平降压转换器110可操作用于提供电压VX作为能够在零与VDD/2之间或者在VDD/2与VDD之间变化的三电平电压。在图3的示例中，作为信号301和302的占空比的结果，电压VX在VDD/2与VDD之间变化。然而，应理解，如果信号301和302的占空比减少，则电压VX将在零与VDD/2之间变化。
此外，各个实施例提供了电压VX处的波纹的消除或减少。在图3中围绕时间T1解说了示例波纹310，并且在其他时间在电压VX处也出现类似的波纹。如上面提及的，使用开关电容器CX可减少或消除波纹，并且在该实施例中，波纹的量不是非零，而是从在图2的电路中没有电容器CX的情况下原本将有的量减少。
为了便于解释，图3进一步具有时间标记以指示时间T1-T5。在时间T1处，开关112导通，开关113导通，开关114关断，并且开关115关断。由于开关112和113导通，因此VX变为VDD，并且Cfly被充电。
在时间T2处，开关112关断，开关113导通，开关114关断，并且开关115导通。由此，电容器Cfly跨输入节点耦合到电感器L并通过开关115耦合到接地。电压VX因此被减小。
在时间T3处，开关112导通，开关113导通，开关114关断，并且开关115关断。电容器Cfly再次被充电，类似于上面针对时间T1所描述的。电压VX被增大。
在时间T4处，开关112导通，开关113关断，开关114导通，并且开关115关断。由此，电容器Cfly通过开关112并通过开关114耦合在VDD与VX之间。电容器Cfly和Cload在时间T4处充当分压器，如图4中所解说的。
在时间T5处，开关112导通，开关113导通，开关114关断，并且开关115关断。电容器Cfly借助于VDD再次被充电。从T1到T5的时间进展示出了如何操作开关112-115以对电容器Cfly充电和放电以及在电感器L的输入节点处提供电压VX。
当然，图3的时序图表示时间的快照，并且应理解，在真实世界示例中，三电平降压转换器可在包括PWM信号301和302的数千或数百万个循环的扩展时间段内进行操作。返回参照图1的反馈环路，PWM控制器102将Vout与Vref进行比较，并调节PWM信号301和302的占空比以保持Vout的电平基本上恒定。虽然图3的时序图未示出PWM信号301和302的占空比被调节，但应理解，反馈环路提供了此类功能性。
本实施例提供了单个控制法则。例如，无论Vout是高于还是低于VDD的一半，信号301和302的定时都相同(尽管占空比可能不同)。因此，图2和3中所解说的实施例在其操作范围内不在各控制法则之间交替。
图5是根据一个实施例的图1的PWM控制器102的示例配置的解说。如针对图1所提及的，PWM控制器102接收三电平降压转换器的输出电压(Vout)并且还接收参考电压(Ref)并响应于此而产生误差信号。PWM控制器102输出第一和第二PWM信号(图3的PWM脉冲301和PWM脉冲302)，取决于误差信号的值，这些PWM信号具有增大或减小的占空比。第一和第二PWM信号301和302的占空比控制三电平降压转换器的输出电压，从而使输出电压保持在基本上恒定的电平。
PWM控制器102包括斜坡生成电路510，该斜坡生成电路510接收第一时钟(CLK)和第二时钟(CLKB)，其中第一时钟和第二时钟具有相同的频率和振幅但彼此相移。在该示例中，CLKB是第二时钟信号，并且CLKB与CLK相移180°。提供第一和第二时钟的一种示例技术是向时钟CLK施加反相电路，以使得时钟CLKB是时钟CLK的经反相版本。斜坡生成电路510接收这两个时钟，并且从时钟CLK产生信号斜坡1并从时钟CLKB产生斜坡2。信号斜坡1和斜坡2因此彼此相移180°。
图6中示出了根据一个实施例的用于产生时钟CLK和CLKB的示例电路配置。在该示例中，时钟CLK由反相器610反相，以使得图6的电路的两个输出包括CLK和CLKB。
PWM控制器102接收参考信号Ref和电压输出Vout，并将这些信号馈送到误差放大器511和补偿电路512。电路511和512被配置成产生经滤波的误差信号。在该示例中，误差放大器511的输出通过补偿电路512被反馈到误差放大器511的反馈输入。结果是一误差信号，该误差信号是Vout与参考电压Ref的任何偏差的恰适指示符。例如，如果V输出稍低，则由电路511和512产生的误差信号引起PWM信号301和302的占空比相应增大，以补偿该偏差。类似地，如果V输出稍高，则误差信号引起PWM信号301和302的占空比相应减小。
PWM控制器102包括两个比较器513和514。第一比较器513接收误差信号和斜坡1。第二比较器514接收误差信号和斜坡2。比较器513、514产生第一和第二PWM信号301和302，如图7中所示。例如，斜坡1针对误差信号被示出在顶部，并且第一比较器通过以下操作来产生第一PWM信号301：当斜坡1高于误差信号时输出高电压电平，并且当斜坡1低于误差信号时产生低电压电平。由第二比较器以类似的方式来产生第二PWM信号302。在该示例中，信号301和302具有相同的占空比。
在上面描述的实施例中，由于斜坡1和斜坡2两者都具有上升斜坡部分和下降斜坡部分，因此PWM信号301和302在其前沿和其后沿两者上都被调制。由此，信号301和302的前沿或后沿都未精确地同步到时钟。仅使用下降沿斜坡或前沿斜坡(并非真正的锯齿)的其他实施例通常不都调制PWM信号的两个边沿。另外，与仅使用下降沿斜坡或前沿斜坡的实施例(其将提供1的增益)形成对比，使用斜坡1和斜坡2提供了2的增益。
上面针对图5所描述的实施例的优点在于可以从输入时钟和经反相的输入时钟(CLK和CLKB)产生PWM信号301和302两者，其中反相电路系统相对简单且不昂贵。上面描述的各实施例避免了使用延迟锁相环(DLL)从第一PWM信号产生第二PWM信号，这通常会比上面描述的解决方案更加复杂和昂贵。
各实施例的范围不限于彼此相移180°的两个时钟。图8是具有两个分开的降压转换器820和830的示例系统800的解说。在图8的示例中，第一降压转换器820是类似于转换器102的三电平降压转换器，并且其被标记为“区段1”。第二降压转换器830也是类似于转换器102的三电平降压转换器，并且其被标记为“区段2”。进一步在该示例中，降压转换器820、830两者由相应的PWM控制器810和815来控制，该PWM控制器810和815可基本上类似于图5的PWM控制器102。应理解，在其他实施例中，分开的降压转换器可由共同的PWM控制器来控制。
降压转换器820、830产生Vout1和Vout2的相应输出，并且它们的输出节点被连接，以使得它们的输出电流被相加。类似于图1的系统，降压转换器820、830将它们的电压输出反馈到PWM控制器810和815，以使得PWM控制器810和815可以调节PWM信号的占空比。
进一步在该示例中，PWM控制器810接收彼此相移180°的第一时钟和第二时钟，并且PWM控制器815也接收彼此相移180°的第一时钟和第二时钟。不过另外，第二PWM控制器815的第一和第二时钟信号相对于第一PWM控制器810的时钟信号移位90°。图9包括根据一个实施例的用于图8的系统中的示例时钟信号的解说。
信号910是输入时钟，该输入时钟具有用于产生斜坡信号的时钟的频率的两倍。信号910还被称为2X时钟。信号920和930是可被发送给斜坡生成电路(诸如图5的电路510)的时钟，并且信号920和930相对于彼此相移180°。在该示例中，信号920和930被发送给PWM控制器810。产生信号920的一种示例技术是将信号910施加于正边沿触发的触发器。随后可通过将信号920反相来产生信号930。
信号940和950是可被发送给另一斜坡生成电路(诸如图5的电路510)的时钟。在该示例中，信号940和950被发送给PWM控制器815。在一个示例中，可通过将信号910馈送到负边沿触发的触发器来产生信号940。这得到信号920与940之间的90°相移。随后可通过将信号940反相来产生信号950。
在一个示例中，信号920和930是用于产生与图3的信号301和302相对应的PWM信号的时钟。那些PWM信号随后用于控制降压转换器820的输入开关。类似地，信号940和950是用于产生与相应信号301和302相移90°的PWM信号的时钟。那些PWM信号随后用于控制降压转换器830的输入开关。
以此方式，控制器810接收时钟920(区段1相位A)和时钟930(区段1相位B)，并且控制器815接收时钟940(区段2相位A)和时钟950(区段2相位B)。图10中示出了根据一个实施例的用于产生时钟920-950的示例电路。信号910在正边沿触发的触发器1010和负边沿触发的触发器1020处被接收。触发器1010的输出是信号920，并且信号930是信号920的经反相版本。触发器1020的输出是信号940，并且信号950是信号940的经反相版本。
图8-10的各实施例示出了两个区段。然而，各实施例的范围可包括任何恰适数目的降压转换器，这些降压转换器的输出被相加，并且PWM控制器的输入时钟相对于其他PWM控制器的输入时钟移位。或者，换言之，图8中所示出的实施例可恰适地缩放以包括其输出被相加的任何数目的降压转换器。
例如，另一实施例(未示出)可包括四个区段。在此类实施例中，每个区段接收彼此相移180°的两个时钟，并且进一步，时钟信号以45°逐段展开。一个区段的时钟信号相对于另一区段的时钟信号相移，以便在Vout处提供较小的波纹。具体而言，输出电压Vout呈现为基本上稳定，尽管可能存在由控制系统产生并且与时钟的相位相对应的微小的正弦变化。如果每个区段接收相同的时钟，则每个区段的正弦变化会引起较大的波纹，而如果各区段彼此相移，则波纹可在360°的时钟循环上被平滑掉。类似地，具有八个区段的实施例(未示出)将以22.5°逐段展开时钟信号，并且具有更大数目的区段的实施例将根据该模式逐段展开其时钟。
具有多个区段的实施例可用于在输出电压Vout处提供经增大的电流。例如，在一些实施例中，每个区段可产生大约一安培的电流，而由降压转换器供电的微处理器可使用高达三或四安培。因此，可组合多个区段以使得电流被相加到期望的输出电平。
示例方法实施例
图11中解说了操作三电平降压转换器的示例方法1100的流程图。在一个示例中，由三电平降压转换器(诸如图2的降压转换器110或图8的降压转换器810、820)来执行方法1100，以将输入电压(例如，VDD)转换成在该降压转换器的电感器的输入节点处具有最小波纹的输出电压Vout。在包括反馈回路和保持在几乎恒定电压的同步降压转换器的系统(诸如图1的系统100)中执行方法1100。降压转换器由PWM信号来控制，其中PWM信号的占空比的调节使降压转换器降低或提升输出电压。
在动作1110处，降压转换器在其输入开关处接收PWM信号。图3的时序图中示出了一个示例，其中电压301和302是影响降压转换器的输出电压的PWM信号。输入开关的示例包括图2中被标识为开关112-115的晶体管。
在动作1120处，降压转换器的输入开关和飞驰电容器在该转换器的电感的输入节点处产生三电平电压。输入节点处的三电平电压的示例包括图2和3的电压VX。图3中所示的电压VX在VDD/2与VDD之间变化，但是PWM信号的占空比的减少会使电压VX在零与VDD/2之间变化。如图3中所示，电压VX具有信号301和302的频率的两倍的频率。
在动作1130处，在电感器的输入节点处施加电容，以减少三电平电压的波纹。一个示例是图2中的电容器CX。在一些实施例中，电容器CX可伴随有开关，以使得该电容器CX能够被添加到电路或者从电路移除。在一些实施例中，动作1130可包括：当负载相对重时，导通开关以包括电容器CX，并且当负载相对轻时，关断开关以移除电容器CX。用于导通和关断电容器CX的逻辑可被包括在电路的任何恰适部分中，包括在PWM控制器或其他电路中。
在动作1140处，降压转换器将输入电压转换成输出电压。一个示例输出电压在图3中被示出为Vout。
各实施例的范围不限于图11中所示的特定方法。其他实施例可添加、省略、重新安排、或修改一个或多个动作。例如，当执行动作1110-1130时，也持续地执行动作1140。此外，方法1100可以是将降压转换器的输出电压保持在几乎恒定的值处的较大反馈操作的一部分(上面针对图1更详细描述了该较大反馈操作)。
各个实施例可包括诸优点。例如，通过添加电荷共享电容器CX和开关SCX，第三电平电压(跨Cfly)VDD/2跨功率、电压和温度(PVT)更加稳定。在没有CX的情况下，除非使用复杂的VDD/2调节器(未示出)，否则第三电平电压在VDD/2处随PVT可能不稳定。这种经增大的稳定性可得到电压VX处较小的波纹。
图12中解说了操作三电平降压转换器的示例方法1200的流程图。在一个示例中，由脉宽调制信号控制器(诸如图1和5中所示的PWM控制器102以及图8中的PWM控制器810和815)来执行方法1200。在图8的示例中，控制器810和815中的每一者在一些实施例中将独立地执行方法1200，但是使用不同的时钟。
在动作1210处，PWM控制器从电压转换器接收输出电压。图5中示出了一个示例，其中Vout被接收回到控制器102中。输出电压作为反馈回路的一部分来提供，其中系统将输出电压维持在期望的电平。
在动作1220处，PWM控制器从输出电压并从参考电压生成误差信号。针对图5解说了一个示例，其中Vout和参考电压(Ref)被接收到以反馈配置来布置的放大器中以过滤误差信号。使用任何恰适技术来生成误差信号在各实施例的范围内。
进一步在动作1220处，将误差信号提供给第一比较器和第二比较器。在图5示出了一个示例，其中比较器513和514接收误差信号和相应的斜坡信号。
在动作1230处，PWM控制器接收第一时钟和第二时钟。第二时钟是第一时钟的经相移版本，诸如上面针对图5和6所描述的。经相移时钟的一个示例是经反相时钟，以使得一个实施例包括由PWM控制器接收的时钟和经反相时钟。
在一些实施例中，PWM控制器也生成时钟，以使得动作1230进一步包括生成第一和第二时钟。动作1230还包括：分别基于第一和第二时钟来产生第一和第二斜坡信号。在各个实施例中可使用从时钟产生斜坡信号的任何恰适技术。例如，图13是根据一个实施例的示例斜坡生成电路1300的解说。在节点时钟输入(clock in)处接收时钟，并且晶体管Q1和Q2形成用于对电容器C1充电的电流镜。晶体管Q3和Q4是差分对，该差分对将电流直接引导到电容器C1中或通过由晶体管Q5或Q6形成的镜像，其是放电路径。示例电流I1是锯齿波形，其可被用作图5的斜坡信号中的一个斜坡信号。应理解，类似的电路也可用于接收经相移时钟并产生对应的斜坡信号。斜坡生成电路1300由于其操作速度和简单性而可能特别适用于一些实施例，尽管其他实施例可使用不同的斜坡生成电路，诸如图14和图15中所示出的那些。
在图14中提供了用于产生斜坡信号的电路的另一示例，图14示出了根据一个实施例的斜坡生成电路1400。晶体管Q1和Q2形成电流镜。类似地，晶体管Q4和Q6形成另一电流镜。这些晶体管采取动作以对电容器C1充电和放电，其产生可被用作图5的斜坡信号中的一个斜坡信号的锯齿波形。再一次，类似的电路也可用于接收经相移时钟并产生对应的斜坡信号。
在图15中提供了用于产生斜坡信号的电路的又一示例，图15示出了根据另一实施例的斜坡生成电路1500。在斜坡生成电路1400中，每个晶体管是相同大小或者基本上相同大小，以使得充电和放电电流相等。晶体管Q1和Q2形成至电容器C1的充电电流。每当时钟周期为高，晶体管Q7就关断，这使电流停止对C1充电。同时，晶体管Q6也关断，这是对放电电流I1的分流控制。电流I1由电容器C1充电和放电，从而产生可被用作图5中的斜坡信号的锯齿波形。类似的电路可用于接收经相移时钟以产生另一斜坡信号。图13-15的每个电路将时钟信号接收到一组晶体管，从而对电容器充电和放电以产生斜坡信号。当然，其他恰适技术可用于从时钟信号产生斜坡信号。
返回到图5，应注意，斜坡信号(斜坡1和斜坡2)具有斜坡的上升部分和下降部分两者，从而遵循三角形波形。这与使用上升沿斜坡或下降沿斜坡(其遵循锯齿波形)的一些常规PWM控制器形成对比。通过使用上升和下降斜坡波形，与仅使用具有相同频率的下降沿斜坡或上升沿斜坡的实施例相比，本文所描述的各个实施例可具有两倍的增益(如在Vout处所经历的)。一些实施例可享有的一个优点在于上升和下降斜坡的中点可更容易地被标识，并且因此可允许较不复杂的电流测量。
在动作1240处，第一比较器接收第一斜坡信号，并且第二比较器接收第二斜坡信号。比较器还接收误差信号，如上面针对动作1220所提及的。
在动作1250和1260处，比较器从斜坡信号和误差信号生成相应的PWM信号。具体而言，第一比较器接收误差信号和第一斜坡信号并响应于此而产生第一PWM信号。类似地，第二比较器接收误差信号和第二斜坡信号并响应于此而产生第二PWM信号。
在图6解说了一个示例，其中比较器接收斜坡信号和误差信号两者，并生成具有基于误差信号和斜坡信号的相对电压电平的占空比的脉宽调制信号。当然，各实施例的范围不限于图6中所示的特定示例，因为可使用从斜坡信号产生PWM信号的任何恰适技术。
各实施例的范围不限于图12中所示的特定方法。其他实施例可添加、省略、重新安排、或修改一个或多个动作。例如，动作1210-1260可在数千个、或数百万个、或数十亿个时钟循环上连续地执行。此外，其他实施例可包括多个区段，诸如图8中所示出的实施例，其具有两个降压转换器和两个PWM控制器。在此类实施例中，一个PWM控制器执行动作1210-1260，而另一PWM控制器也执行动作1210-1260，尽管时钟脉冲可能在各段之间相移，如上面针对图9所解释的。
在又一示例中，一些方法实施例可包括：将图2的三电平降压转换器110作为双电平降压转换器来操作。在该实施例中，该方法包括：将开关112和113的栅极绑定在一起并将开关114和115的栅极绑定在一起。随后使用单个PWM信号来驱动开关112和113，并且使开关114和115维持闭合。该方法实施例可包括：选通时钟或者经相移时钟，以使得仅一个时钟用于生成仅一个斜坡信号。在通过Rload的电流相对小的实例中，将图2的电路作为双电平降压转换器来操作可能是恰适的。因此，当电流需求相对高时，一些实施例可将图2的降压转换器110驱动为三电平降压转换器，并且当电流需求相对低时，可改变模式以将降压转换器110驱动为双电平降压转换器。
上面所描述的用于产生PWM信号的技术和电路不限于图2的特定电路和技术。由此，虽然图2的三电平降压转换器具有开关电容器CX以减少在电感器L的输入处的波纹，但其他实施例可与不包括开关电容器的常规三电平降压转换器联用。例如，图5的PWM控制器可与现在已知或以后开发的其他三电平降压转换器架构联用。
如本领域普通技术人员至此将领会的并取决于手头的具体应用，可以在本公开的设备的材料、装置、配置和使用方法上做出许多修改、替换和变化而不会脱离本公开的精神和范围。有鉴于此，本公开的范围不应当被限定于本文所解说和描述的特定实施例(因为其仅是作为本公开的一些示例)，而应当与所附权利要求及其功能等同方案完全相当。

Claims (30)

1.一种电路，包括：
用于三电平降压转换器的控制系统，所述三电平降压转换器包括多个输入开关，所述输入开关中的每一者接收多个不同的经脉宽调制信号中的一者，所述控制系统包括：
第一时钟信号和第二时钟信号，所述第二时钟信号是所述第一时钟信号的经相移版本；
斜坡生成电路系统，所述斜坡生成电路系统接收所述第一时钟信号和所述第二时钟信号，并分别从所述第一时钟信号和所述第二时钟信号产生第一斜坡信号和第二斜坡信号；
第一比较电路，所述第一比较电路接收所述第一斜坡信号并从所述第一斜坡信号产生所述经脉宽调制信号中的第一经脉宽调制信号；以及
第二比较电路，所述第二比较电路接收所述第二斜坡信号并从所述第二斜坡信号产生所述经脉宽调制信号中的第二经脉宽调制信号。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，进一步包括：
误差电路，所述误差电路被配置成：从所述三电平降压转换器的输出电压和参考电压生成误差信号。
3.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述降压转换器包括四个输入开关，其中，所述输入开关中的包括两个输入开关的第一子集被配置成：接收所述经脉宽调制信号中的所述第一经脉宽调制信号，并且所述输入开关中的包括两个输入开关的第二子集被配置成：接收所述经脉宽调制信号中的所述第二经脉宽调制信号。
4.如权利要求3所述的电路，其特征在于，所述第二时钟信号相对于所述第一时钟信号相移180°。
5.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一斜坡信号和所述第二斜坡信号两者都包括上升斜坡部分和下降斜坡部分。
6.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述斜坡生成电路系统包括：
第一电容器，所述第一电容器被配置成由所述第一时钟信号充电；以及
第二电容器，并且所述第二电容器被配置成由所述第二时钟信号充电。
7.如权利要求1所述的电路，其特征在于，进一步包括具有反相器的电路系统，该电路系统被配置成接收所述第一时钟并被配置成生成所述第二时钟。
8.如权利要求1所述的电路，其特征在于，进一步包括用于另一三电平降压转换器的另一控制系统，其中，所述另一控制系统接收第三时钟信号和第四时钟信号，进一步其中，所述第四时钟信号是所述第三时钟信号的经相移版本，并且其中，所述第一时钟信号和所述第二时钟信号相对于所述第三时钟信号和所述第四时钟信号相移90°。
9.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述控制系统包括脉宽调制控制器，所述脉宽调制控制器被配置成接收所述三电平降压转换器的输出电压，并且被配置成响应于接收所述输出电压而改变所述第一经脉宽调制信号和所述第二经脉宽调制信号的占空比。
10.如权利要求9所述的电路，其特征在于，进一步包括：
在所述输出电压的反馈路径内的补偿网络，所述补偿网络被配置成：补偿所述三电平降压转换器的至少极点或零点以得到一阶控制系统。
11.如权利要求1所述的电路，其特征在于，进一步包括：
误差电路系统，所述误差电路系统被配置成：基于所述三电平降压转换器的输出电压和参考电压来产生误差信号，其中，所述第一比较电路被配置成：从所述误差信号和所述第一斜坡信号生成所述经脉宽调制信号中的所述第一经脉宽调制信号。
12.一种用于控制三电平降压转换器的方法，所述方法包括：
接收第一时钟和第二时钟，其中，所述第二时钟是所述第一时钟的经相移版本；
分别基于所述第一时钟和所述第二时钟来产生第一斜坡信号和第二斜坡信号；
在第一比较器处接收所述第一斜坡信号并且在第二比较器处接收所述第二斜坡信号；
在所述第一比较器处，从所述第一斜坡信号生成第一经脉宽调制信号；
在所述第二比较器处，从所述第二斜坡信号生成第二经脉宽调制信号；以及
将所述第一经脉宽调制信号输出到所述三电平降压转换器的输入开关的第一子集，并将所述第二经脉宽调制信号输出到所述三电平降压转换器的输入开关的第二子集。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括：
从所述三电平降压转换器接收输出电压到经脉宽调制信号控制器中，所述三电平降压转换器由所述经脉宽调制信号控制器所产生的所述第一经脉宽调制信号和所述第二经脉宽调制信号来控制；
从所述输出电压并从参考电压生成误差信号，并将误差信号提供给所述第一比较器和所述第二比较器；以及
其中，生成所述第一经脉宽调制信号包括：将所述误差信号与所述第一斜坡信号进行比较，并且其中，生成所述第二经脉宽调制信号包括：将所述误差信号与所述第二斜坡信号进行比较。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括：
通过将所述第一时钟反相来生成所述第二时钟。
15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述三电平降压转换器包括四个输入晶体管，所述方法进一步包括：
由包括两个输入晶体管的第一子集接收经脉宽调制控制信号中的第一经脉宽调制控制信号；
由包括两个输入晶体管的第二子集接收所述经脉宽调制控制信号中的第二经脉宽调制控制信号，其中，所述第一经脉宽调制控制信号和所述第二经脉宽调制控制信号相对于彼此相移180°。
16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括：
产生第三经脉宽调制信号和第四经脉宽调制信号以控制另一三电平降压转换器，其中，所述第三经脉宽调制信号和所述第四经脉宽调制信号相对于所述第一经脉宽调制信号和所述第二经脉宽调制信号相移90°。
17.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一斜坡信号和所述第二斜坡信号包括上升斜坡信号和下降斜坡信号。
18.一种电压调节电路，包括：
三电平降压转换器，所述三电平降压转换器具有四个输入开关，所述四个输入开关的第一子集被配置成接收第一经脉宽调制信号，所述四个输入开关的第二子集被配置成接收第二经脉宽调制信号；
经脉宽调制信号控制器，所述经脉宽调制信号控制器与所述三电平降压转换器处于通信并且被配置成提供所述第一经脉宽调制信号和所述第二经脉宽调制信号，所述经脉宽调制信号控制器包括：
误差电路，所述误差电路被配置成接收所述三电平降压转换器的输出电压和参考信号,并且被配置成输出误差信号；
斜坡生成电路，所述斜坡生成电路被配置成：接收第一时钟和第二时钟，所述第二时钟是所述第一时钟的经相移版本，所述斜坡生成电路被配置成：分别从所述第一时钟和所述第二时钟生成第一斜坡信号和第二斜坡信号；
第一比较器，所述第一比较器被配置成：接收所述误差信号和所述第一斜坡信号并响应于此而输出所述第一经脉宽调制信号；以及
第二比较器，所述第二比较器被配置成：接收所述误差信号和所述第二斜坡信号并响应于此而输出所述第二经脉宽调制信号。
19.如权利要求18所述的电压调节电路，其特征在于，所述电压调节电路是片上系统的一部分并且被配置成对处理核供电。
20.如权利要求18所述的电压调节电路，其特征在于，所述第二时钟信号相对于所述第一时钟信号相移180°。
21.如权利要求18所述的电压调节电路，其特征在于，所述第一斜坡信号和所述第二斜坡信号两者都包括上升斜坡部分和下降斜坡部分。
22.如权利要求18所述的电压调节电路，其特征在于，进一步包括反相器电路系统，所述反相器电路系统被配置成从所述第一时钟生成所述第二时钟。
23.如权利要求18所述的电压调节电路，其特征在于，进一步包括：
被配置成控制另一三电平降压转换器的另一经脉宽调制信号控制器，其中，所述另一经脉宽调制信号控制器被配置成：生成用于所述另一三电平降压转换器的第三时钟和第四时钟，进一步其中，所述第三时钟和所述第四时钟相对于所述第一时钟和所述第二时钟相移90°。
24.一种电路，包括：
三电平降压转换器；以及
被配置成控制所述三电平降压转换器的经脉宽调制信号控制器，所述经脉宽调制信号控制器包括：
用于从第一时钟信号产生第一斜坡信号并从第二时钟信号产生第二斜坡信号的装置，其中，所述第二时钟信号是所述第一时钟信号的经相移版本；
用于从所述第一斜坡信号生成所述第一经脉宽调制信号的装置；以及
用于从所述第二斜坡信号生成所述第二经脉宽调制信号的装置；
其中，用于生成所述第一经脉宽调制信号的装置和用于生成所述第二经脉宽调制信号的装置被配置成：响应于所述三电平降压转换器的电压输出的电平，生成所述第一经脉宽调制信号和所述第二经脉宽调制信号。
25.如权利要求24所述的电路，其特征在于，所述经脉宽调制信号控制器进一步包括：
用于从所述三电平降压转换器的所述电压输出和参考电压生成误差信号的装置；
其中，用于生成所述第一经脉宽调制信号的装置和用于生成所述第二经脉宽调制信号的装置被配置成：响应于所述误差信号，分别生成所述第一经脉宽调制信号和所述第二经脉宽调制信号。
26.如权利要求24所述的电路，其特征在于，所述降压转换器包括四个输入开关，其中，所述输入开关中的包括两个输入开关的第一子集被配置成：接收所述经脉宽调制信号中的所述第一经脉宽调制信号，并且所述输入开关中的包括两个输入开关的第二子集被配置成：接收所述经脉宽调制信号中的所述第二经脉宽调制信号。
27.如权利要求24所述的经脉宽调制信号控制器，其特征在于，所述第二时钟信号相对于所述第一时钟信号相移180°。
28.如权利要求24所述的经脉宽调制信号控制器，其特征在于，所述第一斜坡信号和所述第二斜坡信号两者都包括上升斜坡部分和下降斜坡部分。
29.如权利要求24所述的经脉宽调制信号控制器，其特征在于，进一步包括：用于将所述第一时钟反相以生成所述第二时钟的装置。
30.如权利要求24所述的经脉宽调制信号控制器，其特征在于，所述三电平降压转换器是片上系统的一部分并且被配置成对处理核供电。
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