CN107735932A - 具有自适应死区时间的升压调节器 - Google Patents

具有自适应死区时间的升压调节器 Download PDF

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Abstract

升压调节器选择性地以异步模式、同步模式或自适应模式来操作。在自适应模式下，升压模式调节器根据自适应死区时间来控制高压侧开关。自适应模式允许升压调节器比在异步模式下更有效地操作。

Description

具有自适应死区时间的升压调节器
相关申请
本申请要求于2015年7月8日提交的美国非临时申请No.14/794,777的优先权，该申请的内容出于所有目的通过整体引用并入本文。
技术领域
本公开涉及升压调节器，并且具体地涉及以各种操作模式操作升压调节器。
背景技术
除非在本文中另有指示，否则本部分中描述的方法不被认为是通过包括在本部分中而成为现有技术。
升压调节器是输出电压大于输入电压的DC到DC(直流)功率转换器。升压调节器也可以被称为升压转换器或(电压)升压转换器。升压调节器是一类包含至少两个半导体元件(例如，二极管和晶体管)和至少一个能量存储元件(例如，电容器、电感器、或两者组合)的开关模式电源(SMPS)。可以向升压调节器的输出添加由电容器(有时与电感器组合)制成的滤波器，以降低输出电压纹波。
升压调节器的电力可以来自任何合适的DC电源，诸如电池、太阳能电池板、整流器和DC发电机。将一个DC电压改变为不同的DC电压的过程称为DC到DC转换。升压调节器有时被称为升压转换器，因为它可以“升高”电源电压。由于功率(P＝V*I)必然守恒，所以输出电流低于输入电流。
发明内容
本公开旨在提高升压转换器的操作的效率。
在一个实施例中，一种升压调节器包括低压侧开关、高压侧开关和升压模式调节器。低压侧开关耦合到开关节点，并且高压侧开关耦合到开关节点和输出节点。升压模式调节器控制低压侧开关和高压侧开关选择性地以异步模式、同步模式和自适应模式中的一种模式来操作。
根据另一实施例，升压模式调节器根据占空比来切换低压侧开关。占空比是可调节的，并且升压模式调节器增加占空比以增加输出节点处的输出电压。
根据另一实施例，在同步模式下，升压模式调节器控制低压侧开关和高压侧开关进行操作，使得当低压侧开关不导通时高压侧开关导通，并且当低压侧开关导通时高压侧开关不导通。
根据另一实施例，在异步模式下，升压模式调节器控制高压侧开关不导通，并且升压模式调节器根据占空比来切换低压侧开关。
根据另一实施例，升压调节器具有输入电压和输出电压。在自适应模式下，升压模式调节器根据自适应死区时间来控制高压侧开关。自适应死区时间随着输入电压与输出电压之间的电压差改变而改变。在自适应模式下，当低压侧开关从导通切换到不导通时，升压模式调节器控制高压侧开关在自适应死区时间之后从不导通切换到导通。在自适应模式下，当低压侧开关从不导通切换到导通时，升压模式调节器控制高压侧开关在自适应死区时间之后从导通切换到不导通。
根据另一实施例，升压调节器包括耦合到开关节点和输入节点的电感器。根据另一实施例，升压调节器包括耦合到输入节点的电池。根据另一实施例，输出节点具有输出电压，当高压侧开关不导通时高压侧开关具有二极管压降电压，并且当高压侧开关不导通时，输出电压对应于开关节点处的开关电压减去二极管压降电压。
根据另一实施例，升压调节器耦合到输入节点，并且升压调节器还包括模拟定时器和自适应死区时间发生器电路。模拟定时器基于输入节点处的输入电压和输出节点处的输出电压来生成比较信号。自适应死区时间发生器电路接收比较信号并且生成用于控制高压侧开关的控制信号。控制信号包括取决于比较信号的自适应死区时间。
根据另一实施例，当升压调节器的输入电压与输出电压之间的电压差在阈值以下时，升压调节器控制低压侧开关和高压侧开关以异步模式操作。
根据另一实施例，当升压调节器的输入电压与输出电压之间的电压差在阈值以上时，升压调节器控制低压侧开关和高压侧开关以同步模式操作。
根据另一实施例，当升压调节器的输入电压与输出电压之间的电压差在第一阈值与第二阈值之间时，升压调节器控制低压侧开关和高压侧开关以自适应模式操作。
在另一实施例中，一种操作升压调节器的方法包括检测升压调节器的输入电压与输出电压之间的电压差。该方法还包括当电压差在第一阈值以下时，以异步模式操作升压调节器。该方法还包括当电压差在第二阈值以上时，以同步模式操作升压调节器。该方法还包括当电压差在第一阈值与第二阈值之间时，以自适应模式操作升压调节器。
根据另一实施例，该方法包括控制升压调节器的低压侧开关和高压侧开关选择性地以异步模式、同步模式和自适应模式来操作。
根据另一实施例，该方法包括根据占空比来切换升压调节器的低压侧开关。占空比是可调节的，并且升压调节器增加占空比以增加输出电压。
根据另一实施例，以同步模式操作升压调节器包括：控制低压侧开关和高压侧开关进行操作，使得当低压侧开关不导通时高压侧开关导通，并且当低压侧开关导通时高压侧开关不导通。
根据另一实施例，以异步模式操作升压调节器包括：控制高压侧开关不导通，并且根据占空比来切换低压侧开关。
根据另一实施例，以自适应模式操作升压调节器包括：基于电压差来确定自适应死区时间。自适应死区时间随着电压差改变而改变。当低压侧开关从导通切换到不导通时，以自适应模式操作升压调节器还包括：控制高压侧开关在自适应死区时间之后从不导通切换到导通。当低压侧开关从不导通切换到导通时，以自适应模式操作升压调节器还包括：控制高压侧开关在自适应死区时间之后从导通切换到不导通。
在另一实施例中，一种升压调节器包括用于检测升压调节器的输入电压与输出电压之间的电压差的装置，以及用于根据电压差来选择性地以异步模式、同步模式和自适应模式中的一种模式操作升压调节器的装置。
根据另一实施例，在同步模式下，用于选择性地操作升压调节器的装置控制低压侧开关和高压侧开关进行操作，使得当低压侧开关不导通时高压侧开关导通，并且当低压侧开关导通时高压侧开关不导通。
根据另一实施例，在异步模式下，用于选择性地操作升压调节器的装置控制高压侧开关不导通，并且用于选择性地操作升压调节器的装置根据占空比来切换低压侧开关。
根据另一实施例，在自适应模式下，用于选择性地操作升压调节器的装置基于电压差来确定自适应死区时间。自适应死区时间随着电压差改变而改变。当低压侧开关从导通切换到不导通时，用于选择性地操作升压调节器的装置控制高压侧开关在自适应死区时间之后从不导通切换到导通。当低压侧开关从不导通切换到导通时，用于选择性地操作升压调节器的装置控制高压侧开关在自适应死区时间之后从导通切换到不导通。
在另一实施例中，一种电子设备包括电池、电感器、负载和升压调节器。电池耦合到输入节点，电感器耦合到输入节点和开关节点，并且负载耦合到输出节点。升压调节器包括耦合到开关节点的低压侧开关、耦合到开关节点和输出节点的高压侧开关、以及控制低压侧开关和高压侧开关选择性地以异步模式、同步模式和自适应模式中的一种模式来操作的升压模式调节器。
根据另一实施例，升压调节器以异步模式开始，当电池的电压下降到第一阈值以下时转换到自适应模式，并且当电池的电压下降到第二阈值以下时转换到同步模式。
根据另一实施例，升压调节器以同步模式开始，当电池的电压升高到第一阈值以上时转换到自适应模式，并且当电池的电压升高到第二阈值以上时转换到异步模式。
根据另一实施例，升压调节器以异步模式开始，当负载的电压升高到第一阈值以上时转换到自适应模式，并且当负载的电压升高到第二阈值以上时转换到同步模式。
根据另一实施例，升压调节器以同步模式开始，当负载的电压下降到第一阈值以下时转换到自适应模式，并且当负载的电压下降到第二阈值以下时转换到异步模式。
根据另一实施例，在自适应模式下，升压模式调节器根据自适应死区时间来控制高压侧开关。自适应死区时间随着电池的电压减小而减小。自适应死区时间随着电池的电压增加而增加。
根据另一实施例，电池具有电池电压，并且负载具有负载电压。在自适应模式下，升压模式调节器根据自适应死区时间来控制高压侧开关。自适应死区时间随着电池电压与负载电压之间的电压差改变而改变。在自适应模式下，当低压侧开关从导通切换到不导通时，升压模式调节器控制高压侧开关在自适应死区时间之后从不导通切换到导通。在自适应模式下，当低压侧开关从不导通切换到导通时，升压模式调节器控制高压侧开关在自适应死区时间之后从导通切换到不导通。
以下详细描述和附图提供对本公开的性质和优点的更好的理解。
附图说明
关于下面的讨论并且特别是附图，要强调的是，所示出的细节表示用于说明性讨论的示例，并且被提出以提供对本公开的原理和概念方面的描述。在这方面，除了为了基本理解本公开所需要的之外，没有尝试示出其他实现细节。结合附图进行的以下讨论使得本领域技术人员明白如何实践根据本公开的实施例。在附图中：
图1是升压调节器100的图。
图2是示出在自适应模式下的自适应死区时间的图。
图3是示出自适应死区时间的示例的图。
图4A和图4B是示出在自适应模式下的由不同输入电压Vin导致的不同死区时间的图。
图5是用于高压侧开关110(参见图1)的控制信号发生器500的框图。
图6是示出控制信号发生器500(参见图5)的更多细节的电路图。
图7是升压调节器700的框图。
图8是示出升压调节器的自适应模式与异步模式之间的效率比较的图。
图9是操作升压调节器的方法900的流程图。
具体实施方式
在以下描述中，为了解释的目的，阐述了很多示例和具体细节以便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，如在权利要求书中表达的本公开内容可以单独地或与下面描述的其他特征组合地包括这些示例中的一些或全部特征，并且还可以包括本文中描述的特征和概念的修改和等价物。
参考开关(诸如晶体管)，本公开使用术语“导通”和“不导通”。导通的同义词是“接通”，而不导通的同义词是“断开”。n沟道金属氧化物半导体(NMOS)器件在其栅极为高电平时导通，在其栅极为低电平时断开。p沟道MOS(PMOS)器件在其栅极为低电平时导通，在其栅极为高电平时断开。NMOS器件的示例是n沟道场效应晶体管(NFET)，并且PMOS器件的示例是p沟道场效应晶体管(PFET)。
本公开使用术语“同步模式”、“异步模式”和“自适应模式”。简而言之，这些术语涉及升压调节器中的低压侧开关与高压侧开关之间的关系。这些术语在随后的章节中更详细地定义和描述。然而，这些术语与术语“连续模式”和术语“不连续模式”不同，并且不应当被认为与之相同。在连续模式下，穿过升压调节器中的电感器的电流不会降到零。在非连续模式下，电感器可以在整个换向周期结束之前完全放电，并且穿过电感器的电流在周期的一部分期间降为零。因此，连续模式和不连续模式涉及电流与电感器之间的关系，而不涉及低压侧开关与高压侧开关之间的关系。
图1是升压调节器100的图。升压调节器100包括输入电容器102、输出电容器104、电感器106、低压侧开关108、高压侧开关110和升压模式调节器112。还示出了输入节点120、开关节点122和输出节点124。输入节点120连接到具有输入电压Vin的源极(例如，电池)，并且输出节点124连接到具有输出电压Vout的负载。
输入电容器102减小输入节点120处的输入电压Vin的纹波，并且输出电容器104减小输出节点124处的输出电压Vout的纹波。
低压侧开关108可以是NMOS晶体管，并且高压侧开关110可以是PMOS晶体管。作为替代方案，低压侧开关108可以是PMOS晶体管。作为另一替代方案，高压侧开关110可以是NMOS晶体管。低压侧开关108和高压侧开关110也可以使用其他类型的晶体管或电路结构来制造。
高压侧开关110包括二极管结构130。二极管结构130可以是高压侧开关110的体二极管，或者可以是与高压侧开关110并联的二极管。二极管结构130允许电流当高压侧开关110断开时从开关节点122流向输出节点124。二极管结构130具有二极管压降电压(例如，0.6V)，因此输出节点124处的输出电压Vout将略小于开关节点122处的电压。因此，二极管压降电压允许输入节点120处的输入电压Vin(例如，电池电压)高于输出节点124处的输出电压Vout(例如，负载电压)。
电感器106、低压侧开关108和高压侧开关110一起操作，以执行升压。电感器106通过产生和破坏磁场来抵抗电流的变化。当低压侧开关108闭合时，电流穿过电感器10从输入节点120流6到开关节点122，并且电感器106通过生成磁场来存储一些能量。电感器106的左侧的极性是正的。当低压侧开关108断开时，电流将随着阻抗的增加而减小。先前产生的磁场将被破坏，以保持从开关节点122到输出节点124的电流。因此，极性将被反转(例如，电感器106的左侧现在将为负)。结果，两个电源串联(例如，电池和电感器106)，导致较高的电压通过高压侧开关110对输出电容器104充电。
通常，升压调节器100将电源的电压升高到用于负载的操作的期望点评。注意，升压调节器100动态地(自适应地、响应地等)操作。例如，由于电池变为放电，所以电源电压(输入电压Vin)可以随着时间而减小。由于电池重新充电，所以电源电压可以随着时间而增加。负载(输出电压Vout)可以随着负载的各种部件的接通或断开而增加或减小。例如，移动电话的负载可以根据屏幕是打开还是关闭、蜂窝无线电是打开还是关闭、无线射频是打开还是关闭等而变化。升压调节器100操作以在所有这些条件随着时间而发生时针对所有这些条件适当地升高电压。升压模式调节器112通常通过控制低压侧开关108和高压侧开关110来控制升压调节器100的操作。
升压调节器100根据需要多少升压(例如，输出电压Vout与输入电压Vin之间的差值)来以三种模式之一操作。三种模式是同步模式、异步模式和自适应模式。
同步模式
当需要更多的升压时(例如，当电池未完全充电时)使用同步模式。在同步模式下，低压侧开关108和高压侧开关110同步操作，使得在低压侧开关108不导通时高压侧开关110导通，并且在低压侧开关108导通时高压侧开关110不导通。
所提供的升压量由低压侧开关108的占空比确定。占空比表示低压侧开关108在其间接通的换向时段的分数。因此，D的范围在0(低压侧开关108从不接通)到1(低压侧开关108总是接通)之间。在断开状态期间，低压侧开关108断开，因此来自电感器106的电流从开关节点122流向输出节点124(流向负载)。占空比的等式如下：
以上等式表明，输出电压Vout总是高于输入电压Vin(当占空比从0变到1时)，并且其随着D而增加，理论上，当D接近1时为无限大。(注意，这个分析没有考虑高压侧开关110的二极管压降，并且没有考虑实际电路的物理限制)。这就是升压调节器100有时被称为升压转换器的原因。
通常，升压模式调节器112根据占空比来切换低压侧开关108和高压侧开关110。占空比是可调节的，并且升压模式调节器112增加占空比，以增加输出节点124处的输出电压Vout。升压调节器100可以用于其中电池提供输入电压Vin的设备中。当电池失去电荷并且输入电压Vin下降时，需要更多的升压，所以升压模式调节器112增加占空比。
异步模式
当需要较少的升压(或不需要升压)时(例如，当电池被完全充电时)，使用异步模式。在异步模式下，升压模式调节器112控制高压侧开关110不导通(例如，固定断开)，并且升压模式调节器112根据占空比来切换低压侧开关108。如上所述，占空比根据所需要的升压量可调节。一般来说，在异步模式下，占空比会很低，因为需要较少的升压(或不需要升压)。占空比低表示低压侧开关108仅在少数时间内导通，因为需要较少的升压。
在异步模式下(例如，在较高的电池输入电压电平处)，低压侧开关108最初导通，并且通过电感器106的电流增加(斜升)。当低压侧开关108断开时，希望电流斜坡降低到某个标称值。在很多应用中，当电池完全充电并且处于峰值输入电压Vin时，Vin与输出电压Vout之间的电压降非常小(即，随着电池电压的下降，主要需要升压)。因此，可以使用二极管结构130上的正向电压降来增加开关节点122上的电压，使得当低压侧开关108断开时，电流可以斜坡降低。然而，二极管结构130上的正向压降使效率降低高达约10-15％。下面讨论的自适应模式旨在提高这种效率。
自适应模式
当比在同步模式下需要更少的升压但是比在异步模式下需要更多的升压时，使用自适应模式。也就是说，自适应模式在同步模式与异步模式之间。在自适应模式下，升压模式调节器112根据自适应死区时间来控制高压侧开关110。自适应死区时间随着输入电压与输出电压之间的电压差改变而改变(适应、调整、响应、为动态的等)。当低压侧开关108从导通切换到不导通时，升压模式调节器112控制高压侧开关110在自适应死区时间之后从不导通切换到导通。当低压侧开关108从不导通切换到导通时，升压模式调节器112控制高压侧开关110在自适应死区时间之后从导通切换到不导通。
如上所述，升压模式调节器112控制低压侧开关108根据占空比来切换。如上所述，占空比根据期望的升压量是可调节的(响应的、自适应的、动态的、可变的等)。一般来说，在自适应模式下，占空比将会很低，类似于异步模式。
图2是示出自适应模式下的自适应死区时间的图。信号202是用于低压侧开关108(参见图1)的栅极控制信号，并且信号204是用于高压侧开关110的栅极控制信号。信号202对应于用于NMOS器件的栅极控制信号，所以高态对应于接通(导通)，而低态对应于断开(不导通)。信号204对应于用于PMOS器件的栅极控制信号，所以高态对应于断开(不导通)，低态对应于接通(导通)。
周期Ts是换向周期，周期Ton是低压侧开关108(参见图1)接通的时间，并且周期Tdead是死区时间。因此，高压侧开关110在周期Ton加上死区时间Tdead断开。占空比因此是Ton与Ts的比值。死区时间Tdead称为自适应死区时间，因为升压模式调节器112根据Vin的变化(或者更确切地说，根据Vout与Vin之间的差值的变化)来调节死区时间Tdead。例如，用于信号204的虚线示出了死区时间响应于Vin的增加而增加。
如上所述，升压调节器100(参见图1)使用自适应死区时间Tdead来控制高压侧开关110。在在图2中可见，死区时间Tdead是高压侧开关110在低压侧开关108切换到不导通(信号202)之后保持不导通(信号204)以提供在Vout以上的二极管电压使得通过电感器106的电流斜降的时间。当电池失去电荷时，Vin降低，并且升压调节器100以自适应模式操作，其中高压侧开关110保持断开最小时间以允许通过电感器106的电流斜降。随着Vin不断下降，需要二极管电压的时间也减少。因此，随着Vin减小，死区时间Tdead也减少。(或者更一般地，随着Vout与Vin之间的差值增加，死区时间Tdead减小。)
考虑升压调节器100(参见图1)的操作模式的以下示例。最初Vout与Vin之间几乎没有(或没有)差别，所以不需要升压，并且升压调节器100以异步模式操作。(事实上，由于电池具有比负载的电压(Vout)更高的电压(Vin)，所以升压调节器100可以在以异步模式操作时利用二极管结构130的二极管压降)。例如，当电池完全充电时，升压调节器100以异步模式操作(例如，高压侧开关110被固定为不导通)，其中二极管结构130在整个周期期间保持在电路中(因为二极管电压是整个周期所需要的，以减少通过电感器106的电流)。随着电池电压Vin降低，Vin与Vout之间的电压差增大。当电压差增加到第一阈值以上时，升压调节器100从异步模式转换到自适应模式。当首先从异步模式进入自适应模式时，死区时间Tdead从最大值开始，然后随着电压差的持续增加而自适应地减小。在自适应模式下，二极管电压仅在使得通过电感器106的电流斜降所需要的一段时间在电路中，但是尽快脱离电路以提高效率。当电压差增加到第二阈值以上时，每个开关周期上的死区时间Tdead达到零，并且升压调节器100转换到同步模式。
作为上述示例的变体，考虑升压调节器100(参见图1)可以以同步模式(根据Vin与Vout之间的电压差)开始，例如由于电池未完全充电。接下来，电池连接到充电设备，因此电池中的电荷开始增加，并且Vin与Vout之间的电压差开始下降。在电压差降低到第一阈值以下之后，升压调节器100从同步模式转换到自适应模式。最初，死区时间Tdead处于其最小值，但是随着电池中的电荷持续增加(并且电压差持续减小)，死区时间Tdead自适应地增加。在电压差降低到第二阈值以下之后，升压调节器100从自适应模式转换到异步模式。
图3是示出自适应死区时间的示例的图。在这个示例中，输出电压Vout固定在4.6V，二极管电压是0.6V，开关频率是1.6MHz。x轴是输入电压Vin，y轴是以ns为单位的死区时间的持续时间。线302示出了随着(适应于)变化的输入电压Vin而改变的死区时间。如以上关于图1所讨论的，死区时间用于控制高压侧开关110。注意两个阈值V1和V2。当输入电压Vin在V2(约4.79V)以上时，升压调节器100以异步模式操作，而高压侧开关110不导通。当输入电压Vin在V1(约4.22V)以下时，升压调节器100以同步模式操作；当低压侧开关108不导通时，高压侧开关110导通，而当低压侧开关108导通时，高压侧开关110不导通。当输入电压Vin在V1到V2之间时，升压调节器100以自适应模式操作。越接近V2，死区时间越高(例如，600ns)。随着输入电压Vin向V1减小，死区时间减少。类似地，随着输入电压Vin从V1向V2增加，死区时间增加。
线304示出了在没有自适应死区时间的情况下(例如，在不存在自适应模式的情况下，仅同步模式和异步模式可用)如何修改用于高压侧开关110(参见图1)的控制信号。当输入电压Vin在V2以上时，升压调节器以异步模式操作，并且高压侧开关110不导通。当输入电压Vin从V2向V1降低时，高压侧开关110仍然固定为不导通。也就是说，在没有自适应模式的情况下，升压调节器将使用V1和V2之间的异步模式。然后当输入电压Vin下降到V1以下时，升压调节器以同步模式操作。如上所述，当高压侧开关110不导通时，二极管结构130(参见图1)在电路中，因此在V1和V2之间，线304使二极管结构130比线302更频繁地进入电路，所以缺乏自适应模式的升压调节器效率较低。
图3的示例可以概括为描述输出电压Vout与输入电压Vin之间的电压差(与上述的固定输出电压Vout相反)。例如，随着负载变化，例如，负载的各种部件打开或关闭(例如，屏幕、蜂窝无线电、无线射频等)，输出电压Vout可以改变。当电压差在第一阈值以下时，升压调节器控制低压侧开关108和高压侧开关110以异步模式操作。(与图3相比，当输入电压Vin较大时，例如，当Vin在V2以上时，电压差较小)。当电压差在第二阈值以上时，升压调节器控制低压侧开关108和高压侧开关110以同步模式操作。(与图3相比，当输入电压Vin较小时，例如，当Vin在V1以下时，电压差较大。)当电压差在第一阈值到第二阈值之间时，升压调节器控制低压侧开关108和高压侧开关110以自适应模式操作。(与图3相比，当输入电压Vin在V1到V2之间时，电压差在阈值之间)。
图4A和图4B是示出在自适应模式内由不同输入电压Vin导致的不同死区时间的图。在图4B中，输入电压Vin2(462)比图4A的输入电压Vin1(412)稍高，并且相应地，图4B的死区时间Tdead2比图4A的死区时间Tdead1长。
图4A示出了四个波形：低压侧开关(NFET)控制信号402、高压侧(PFET)开关控制信号404、开关节点和输入波形406、以及电感器电流波形408。虚线示出了x轴上的时间t1、t2、t3和t4。
低压侧开关控制信号402控制低压侧开关(例如，图1中的108)。低压侧开关控制信号402具有换向周期Ts(t1至t4)。低压侧开关控制信号402在对应于低压侧开关接通(导通)的时间段Ton(t1至t2)为高。低压侧开关在换向周期Ts的其余部分(t2至t4)断开(不导通)。
高压侧开关控制信号404控制高压侧开关(例如，图1中的110)。高压侧开关控制信号404在时间段Ton加上对应于高压侧开关断开(不导通)的死区时间Tdead1(t1至t3)为高。高压侧开关在换向周期Ts的其余部分(t3至t4)接通(导通)。
开关节点和输入波形406包括开关节点波形410和输入电压Vin波形412。开关节点波形410对应于开关节点122(参见图1)处的电压，并且输入电压Vin波形412对应于输入节点120处的电压(参见图1)。输入电压Vin波形412被示出为保持在恒定的电平(并且输出电压Vout也被假定为不变)，导致如所示出的所选择的死区时间Tdead1。在t1之前，由于高压侧开关控制信号404为低(例如，图1中的高压侧开关110导通)，所以开关节点波形410处于输出电压Vout。在t1，由于低压侧开关控制信号402为高(例如，图1中的低压侧开关108导通)，所以开关节点波形410变为零。在t2，由于低压侧开关控制信号402为低并且高压侧开关控制信号404为高，所以开关节点波形410变为输出电压Vout加上二极管压降电压Vdiode。在t3，由于低压侧开关控制信号402为低并且高压侧开关控制信号404为低，所以开关节点波形410变为输出电压Vout。在t4，开关节点波形410变为零，如上面针对t1所讨论的。
电感器电流波形408示出了通过电感器(例如，图1中的106)的电流。在t1，由于低压侧开关控制信号402在t1之前为低，所以电感器电流波形408以其最小值开始。从t1到t2，由于低压侧开关控制信号402为高，所以电感器电流波形408增加。从t2到t3，由于低压侧开关控制信号402为低并且高压侧开关控制信号404为高(由于死区时间Tdead1)，所以电感器电流波形408以第一速率减小。从t3到t4，由于低压侧开关控制信号402为低并且高压侧开关控制信号404为低，所以电感器电流波形408以第二速率下降。注意，由于二极管结构130(参见图1)在死区时间Tdead1期间处于电路中，所以第一速率大于第二速率。在t4，电感器电流波形408再次处于其最小值，如上面针对t1所讨论的。
图4B示出了四个波形：低压侧开关控制信号452、高压侧开关控制信号454、开关节点和输入波形456、以及电感器电流波形458。这些波形类似于图4A中的波形，x轴上的时间t1、t2、t3和t4也是如此。主要区别在于：在图4B中，输入电压Vin2(波形462)比图4A的输入电压Vin1(波形412)稍高，并且相应地，图4B的死区时间Tdead2(t2至t3)比图4A的死区时间Tdead1(t2至t3)长。
另一区别涉及高压侧开关控制信号454。由于图4B的死区时间Tdead2比图4A的死区时间Tdead1长，所以与图4A相比，在图4B中高压侧开关控制信号454在更长的时间处于高电平。与图4A相比，在图4B中这增加了t2与t3之间的距离。
另一区别涉及开关节点和输入波形456。与图4A相比，开关节点波形450保持在输出电压Vout加上二极管压降电压Vdiode的时间更长。这导致电感器电流波形458与图4A相比以与第一速率下降(t2到t3)更长的时间，并且与图4A相比以第二速率减少(t3至t4)更短的时间。
图5是用于高压侧开关110(参见图1)的控制信号发生器500的框图。控制信号发生器500可以是升压模式调节器112(参见图1)的部件或以其他方式与其连接。控制信号发生器500接收来自输出节点124(参见图1)的输出电压信号Vout、来自输入节点120的输入电压信号Vin、以及输入控制信号502(Pgate_origin)。控制信号发生器500生成控制高压侧开关110(参见图1)的输出控制信号504(Pgate_prolong)。通常，输出控制信号504对应于输入控制信号502加上死区时间Tdead。
控制信号发生器500包括模拟定时器510和自适应死区时间发生器512。模拟定时器510基于输入电压Vin和输出电压Vout生成比较信号514。自适应死区时间发生器512接收比较信号514并且生成输出控制信号504。
图6是示出控制信号发生器500(参见图5)的更多细节的电路图。自适应死区时间发生器512可以用或门602来实现。模拟定时器510可以用两个开关SW1和SW2、电流源I0、电容器Ct、电阻器R3和R4、以及比较器604来实现。电阻器R3可以是可变电阻器。输入控制信号502'(Pgate_origin_b)是输入控制信号502(Pgate_origin)的反相信号。信号502和502'控制开关SW1和SW2。
通常，Vout与Vin之间的差值决定死区时间。死区时间与差值成反比：当差值相对较小时，死区时间相对较大，当差值相对较大时，死区时间相对较小。更具体地，由控制信号发生器500实现的自适应死区时间符合以下等式：
在该等式中，电压差不仅指代输入电压Vin与输出电压Vout之间的差值，而且还指代根据各种参数修改的差值。可以选择Ct、I0、R3和R4的参数，以使电路500实现线302(参见图3)的曲线。备选地，可以根据需要调节参数以实现计算死区时间的其他方式。
图7是升压调节器700的框图。升压调节器700类似于升压调节器100(参见图1)，其中相似的部件具有相似的附图标记(例如，低压侧开关108、高压侧开关110等)。二极管结构130(参见图1)是高压侧开关110的部件，并且未示出。通常，图7示出了组成升压模式调节器112(参见图1)的部件的更多细节。
输入节点120连接到作为电源的电池702，并且输出节点124连接到被表示为电流宿的负载704。升压调节器700可以是诸如移动电话、便携式计算机、平板计算机等电子设备的部件或与这些电子设备连接。升压调节器700包括控制信号发生器500(参见图5)和相关部件、电阻器R1和R2、时钟信号发生器710、升压控制器712、低压侧开关控制逻辑和驱动器电路714、高压侧开关控制逻辑电路716和高压侧开关驱动器电路718。
时钟信号发生器710生成用于升压控制器712的时钟信号，例如以生成用于定时换向周期、占空比、死区时间或用于开关通断的时序的时钟信号。升压控制器712接收基于输出电压Vout的反馈电压Vfb(注意，与电阻器R1和R2的连接)。升压控制器712使用反馈电压Vfb来生成用于低压侧开关控制逻辑和驱动器电路714以及高压侧开关控制逻辑电路716的控制信号，例如以控制用于切换开关108和110的占空比。低压侧开关控制逻辑和驱动器电路714控制低压侧开关108的切换。
高压侧开关控制逻辑电路716为控制信号发生器500(参见图5)生成Pgate_origin信号502。模拟定时器510接收来自输入节点120的输入电压Vin。自适应死区时间发生器512接收Pgate_origin信号502并且生成用于高压侧开关驱动器电路718的Pgate_prolong信号504。高压侧开关驱动器电路718控制高压侧开关110的切换。
图8是示出升压调节器的自适应模式与异步模式之间的效率比较的图。例如，缺乏自适应模式的升压调节器将使用异步模式，导致上面讨论的低效率(例如，关于图3)。在图8中，x轴是以伏特为单位的输入电压Vin，输出电压Vout固定在4.6V，并且y轴是以百分比表示的效率。线802示出了异步模式的效率，并且线804示出了自适应模式的效率。当输入电压Vin在约4.2V以下时，效率相同(约为94.5％)。当输入电压Vin约为4.25V时，效率差最大，自适应模式(线804)效率约为94％，并且异步模式(线802)效率约为82％。随着输入电压Vin增加，自适应模式(线804)的效率降低，当输入电压Vin在约4.7V以上(离开图的右边缘)时效率变为相等。
图9是操作升压调节器(例如，图1的升压调节器100)的方法900的流程图。升压调节器包括低压侧开关和高压侧开关(例如，图1中的108和110)。
在902处，检测升压调节器的输入电压与输出电压之间的电压差。例如，升压调节器可以使用模拟定时器(例如，图6的模拟定时器510)来检测电压差。电压差不必是直接相减，而是也可以是如上所讨论的等式。取决于检测到的电压差，方法900进行到904、906和908中的一个。例如，升压模式调节器112(参见图1)可以控制升压调节器根据904、906或908选择性地操作，例如通过控制低压侧开关和高压侧开关(例如，图1中的108和110)。
在904处，当电压差在第一阈值以下时，升压调节器以异步模式操作。例如，在图3中，当输入电压Vin在V2以上时，电压差在第一阈值以下。电压差不必是直接相减，而是也可以是如上所讨论的等式。在异步模式下，高压侧开关被控制为不导通，并且低压侧开关根据占空比被切换。
在906处，当电压差在第二阈值以上时，升压调节器以同步模式操作。例如，在图3中，当输入电压Vin在V1以下时，电压差在第二阈值以上。电压差不必是直接相减，而是也可以是如上所讨论的等式。在同步模式下，低压侧开关和高压侧开关被控制为操作以使得在低压侧开关不导通时高压侧开关导通并且当低压侧开关导通时高压侧开关不导通。
在908处，当电压差在第一阈值与第二阈值之间时，升压调节器以自适应模式操作。例如，在图3中，当输入电压Vin在V1到V2之间时，电压差在第一阈值与第二阈值之间。在自适应模式下，自适应死区时间基于电压差来确定。电压差不必是直接相减，而是也可以是如上所讨论的等式。自适应死区时间随着电压差改变而改变。当低压侧开关从导通切换到不导通时，高压侧开关被控制为在自适应死区时间之后从不导通切换到导通。当低压侧开关从不导通切换到导通时，高压侧开关被控制为在自适应死区时间之后从导通切换到不导通。
在904、906或908之后，方法900返回到902，以便连续地检测电压差并且相应地切换模式。在自适应模式下，当方法900在902与908之间循环时，死区时间根据电压差自适应地调节。
该方法可以还包括根据占空比来切换升压调节器的低压侧开关。占空比是可调节的，并且升压模式调节器增加占空比以增加输出电压。例如，升压控制器712(参见图7)感测输出电压Vout，并且相应地调节占空比。
总而言之，如上所述，与缺少自适应模式的升压调节器相比(也参见图8)，自适应模式提高了升压调节器的效率。自适应模式允许升压调节器关于高压侧开关110中的二极管结构130(参见图1)上的正向压降而更选择性地操作。另外，自适应模式平滑了同步模式与异步模式之间的转换，否则，由于开关节点122(参见图1)和输出节点124之间的突然电压变化，模式转换可能产生不希望的过冲或下冲。最后，当高压侧开关110用PMOS晶体管实现并且其体二极管用作二极管结构130时，寄生PNP双极结晶体管导通，从而向衬底中注入附加的电流，这损害了效率和可靠性；使用自适应模式改善了这一点。
以上描述示出了本公开的各种实施例以及如何实现特定实施例的各方面的示例。以上示例不应当被认为是仅有的实施例，并且被提出以说明由所附权利要求限定的特定实施例的灵活性和优点。基于以上公开内容和所附权利要求书，在不脱离如权利要求所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 (30)

1.一种升压调节器，包括：
低压侧开关，耦合到开关节点；
高压侧开关，耦合到所述开关节点和输出节点；以及
升压模式调节器，所述升压模式调节器控制所述低压侧开关和所述高压侧开关选择性地以异步模式、同步模式和自适应模式中的一种模式来操作。
2.根据权利要求1所述的升压调节器，其中所述升压模式调节器根据占空比来切换所述低压侧开关，其中所述占空比是可调节的，并且其中所述升压模式调节器增加所述占空比以增加所述输出节点处的输出电压。
3.根据权利要求1所述的升压调节器，其中在所述同步模式下，所述升压模式调节器控制所述低压侧开关和所述高压侧开关进行操作，使得当所述低压侧开关不导通时所述高压侧开关导通，并且当所述低压侧开关导通时所述高压侧开关不导通。
4.根据权利要求1所述的升压调节器，其中在所述异步模式下，所述升压模式调节器控制所述高压侧开关不导通，并且所述升压模式调节器根据占空比来切换所述低压侧开关。
5.根据权利要求1所述的升压调节器，其中所述升压调节器具有输入电压和输出电压，
其中在所述自适应模式下，所述升压模式调节器根据自适应死区时间来控制所述高压侧开关，其中所述自适应死区时间随着所述输入电压与所述输出电压之间的电压差改变而改变，
其中在所述自适应模式下，当所述低压侧开关从导通切换到不导通时，所述升压模式调节器控制所述高压侧开关在所述自适应死区时间之后从不导通切换到导通，以及
其中在所述自适应模式下，当所述低压侧开关从不导通切换到导通时，所述升压模式调节器控制所述高压侧开关在所述自适应死区时间之后从导通切换到不导通。
6.根据权利要求1所述的升压调节器，还包括：
耦合到所述开关节点和输入节点的电感器。
7.根据权利要求1所述的升压调节器，还包括：
耦合到所述开关节点和输入节点的电感器；以及
耦合到所述输入节点的电池。
8.根据权利要求1所述的升压调节器，还包括：
耦合到所述开关节点和输入节点的电感器；以及
耦合到所述输入节点的电池，
其中所述输出节点具有输出电压，其中当所述高压侧开关不导通时所述高压侧开关具有二极管压降电压，并且其中当所述高压侧开关不导通时，所述输出电压对应于所述开关节点处的开关电压减去所述二极管压降电压。
9.根据权利要求1所述的升压调节器，其中所述升压调节器耦合到输入节点，所述升压调节器还包括：
模拟定时器，所述模拟定时器基于所述输入节点处的输入电压和所述输出节点处的输出电压来生成比较信号；以及
自适应死区时间发生器电路，所述自适应死区时间发生器电路接收所述比较信号并且生成用于控制所述高压侧开关的控制信号，其中所述控制信号包括取决于所述比较信号的自适应死区时间。
10.根据权利要求1所述的升压调节器，其中当所述升压调节器的输入电压与输出电压之间的电压差在阈值以下时，所述升压调节器控制所述低压侧开关和所述高压侧开关以所述异步模式操作。
11.根据权利要求1所述的升压调节器，其中当所述升压调节器的输入电压与输出电压之间的电压差在阈值以上时，所述升压调节器控制所述低压侧开关和所述高压侧开关以所述同步模式操作。
12.根据权利要求1所述的升压调节器，其中当所述升压调节器的输入电压与输出电压之间的电压差在第一阈值与第二阈值之间时，所述升压调节器控制所述低压侧开关和所述高压侧开关以所述自适应模式操作。
13.一种操作升压调节器的方法，所述方法包括：
检测所述升压调节器的输入电压与输出电压之间的电压差；
当所述电压差在第一阈值以下时，以异步模式操作所述升压调节器；
当所述电压差在第二阈值以上时，以同步模式操作所述升压调节器；以及
当所述电压差在所述第一阈值和所述第二阈值之间时，以自适应模式操作所述升压调节器。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：
控制所述升压调节器的低压侧开关和高压侧开关选择性地以所述异步模式、所述同步模式和所述自适应模式来操作。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括：
根据占空比来切换所述升压调节器的低压侧开关，其中所述占空比是可调节的，并且其中所述升压调节器增加所述占空比以增加所述输出电压。
16.根据权利要求13所述的方法，其中以所述同步模式操作所述升压调节器包括：
控制低压侧开关和高压侧开关进行操作，使得当所述低压侧开关不导通时所述高压侧开关导通，并且当所述低压侧开关导通时所述高压侧开关不导通。
17.根据权利要求13所述的方法，其中以所述异步模式操作所述升压调节器包括：
控制高压侧开关不导通；以及
根据占空比来切换低压侧开关。
18.根据权利要求13所述的方法，其中以所述自适应模式操作所述升压调节器包括：
基于所述电压差来确定自适应死区时间，其中所述自适应死区时间随着所述电压差改变而改变；
当低压侧开关从导通切换到不导通时，控制高压侧开关在所述自适应死区时间之后从不导通切换到导通；以及
当所述低压侧开关从不导通切换到导通时，控制所述高压侧开关在所述自适应死区时间之后从导通切换到不导通。
19.一种升压调节器，包括：
用于检测所述升压调节器的输入电压与输出电压之间的电压差的装置；以及
用于根据所述电压差来选择性地以异步模式、同步模式和自适应模式中的一种模式操作所述升压调节器的装置。
20.根据权利要求19所述的升压调节器，其中在所述同步模式下，用于选择性地操作所述升压调节器的装置控制低压侧开关和高压侧开关进行操作，使得当所述低压侧开关不导通时所述高压侧开关导通，并且当所述低压侧开关导通时所述高压侧开关不导通。
21.根据权利要求19所述的升压调节器，其中在所述异步模式下，用于选择性地操作所述升压调节器的装置控制高压侧开关不导通，并且用于选择性地操作所述升压调节器的装置根据占空比来切换低压侧开关。
22.根据权利要求19所述的升压调节器，其中在所述自适应模式下，用于选择性地操作所述升压调节器的装置基于所述电压差来确定自适应死区时间，其中所述自适应死区时间随着所述电压差改变而改变，以及
当低压侧开关从导通切换到不导通时，用于选择性地操作所述升压调节器的装置控制高压侧开关在所述自适应死区时间之后从不导通切换到导通，以及
当所述低压侧开关从不导通切换到导通时，用于选择性地操作所述升压调节器的装置控制所述高压侧开关在所述自适应死区时间之后从导通切换到不导通。
23.一种电子设备，包括：
电池，耦合到输入节点；
电感器，耦合到所述输入节点和开关节点；
负载，耦合到输出节点；以及
升压调节器，包括：
低压侧开关，耦合到所述开关节点，
高压侧开关，耦合到所述开关节点和所述输出节点，
升压模式调节器，所述升压模式调节器控制所述低压侧开关和所述高压侧开关选择性地以异步模式、同步模式和自适应模式中的一种模式来操作。
24.根据权利要求23所述的电子设备，其中所述升压调节器以所述异步模式开始，当所述电池的电压下降到第一阈值以下时转换到所述自适应模式，并且当所述电池的电压下降到第二阈值以下时转换到所述同步模式。
25.根据权利要求23所述的电子设备，其中所述升压调节器以所述同步模式开始，当所述电池的电压升高到第一阈值以上时转换到所述自适应模式，并且当所述电池的电压升高到第二阈值以上时转换到所述异步模式。
26.根据权利要求23所述的电子设备，其中所述升压调节器以所述异步模式开始，当所述负载的电压升高到第一阈值以上时转换到所述自适应模式，并且当所述负载的电压升高到第二阈值以上时转换到所述同步模式。
27.根据权利要求23所述的电子设备，其中所述升压调节器以所述同步模式开始，当所述负载的电压下降到第一阈值以下时转换到所述自适应模式，并且当所述负载的电压下降到第二阈值以下时转换到所述异步模式。
28.根据权利要求23所述的电子设备，其中在所述自适应模式下，所述升压模式调节器根据自适应死区时间来控制所述高压侧开关，其中所述自适应死区时间随着所述电池的电压减小而减小。
29.根据权利要求23所述的电子设备，其中在所述自适应模式下，所述升压模式调节器根据自适应死区时间来控制所述高压侧开关，其中所述自适应死区时间随着所述电池的电压增加而增加。
30.根据权利要求23所述的电子设备，其中所述电池具有电池电压并且所述负载具有负载电压，
其中在所述自适应模式下，所述升压模式调节器根据自适应死区时间来控制所述高压侧开关，其中所述自适应死区时间随着所述电池电压与所述负载电压之间的电压差改变而改变，
其中在所述自适应模式下，当所述低压侧开关从导通切换到不导通时，所述升压模式调节器控制所述高压侧开关在所述自适应死区时间之后从不导通切换到导通，以及
其中在所述自适应模式下，当所述低压侧开关从不导通切换到导通时，所述升压模式调节器控制所述高压侧开关在所述自适应死区时间之后从导通切换到不导通。
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