CN109494981B - 具有可控升压因子的无变压器的开关式稳压器 - Google Patents

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Abstract

具有可控升压因子的无变压器的开关式稳压器。对于无变压器的开关式稳压器，电流模式控制的升压转换器（14）基于通过开关（Mosfet1）到地的电流感测（40）操作，允许公共的控制器（12）的使用。为了避免来自级联的电荷泵（16）的反向电流，二极管（Daux）阻止电荷泵（16）的输入穿过开关（Mosfet1）到地，并且电荷泵（16）的输入本身被单独地切换（48）到地。

Description

具有可控升压因子的无变压器的开关式稳压器
背景技术
本实施例涉及DC功率转换电路。DC功率转换电路生成比电源电压高的输出电压。三种常见的DC功率转换电路包括升压（boost）转换器、变压器以及电荷泵（charge pump）。升压转换器由于在内部电感器中的寄生电阻而具有受限的倍增系数（multiplicationratio）。可以将在升压配置（“超升压（superboost）”）下的多个电感器用于限制寄生电阻。变压器具有开关频率限制。可以使用专门设计的并且因此昂贵的定制变压器来避免开关频率限制。电荷泵具有基于内部电容器中的寄生电阻的电流限制。可以使用多个并行的电容器来减少电流限制。
诸如在用于医学诊断超声成像或用于高功率汽车立体声系统的发射器电路中的一些用途依赖于作为无变压器的开关式稳压器（switching regulator）的升压转换器和电荷泵的组合。依赖于接地的感测电阻器来测量在升压转换器中的电流的、标准的基于峰电流的控制器与该组合可能不正确地操作，因为电荷泵电流破坏感测的电流。该组合限于在供给路径而不是接地回路中使用电流感测的那些不太常见并且更昂贵的电路。
发明内容
通过介绍，在下面描述的优选实施例包括用于无变压器的开关式稳压器的方法、电路以及系统。电流模式控制的升压转换器基于通过开关到地的电流感测操作，从而允许公共的控制器的使用。为避免来自级联的电荷泵的反向电流，二极管阻止电荷泵的输入穿过开关到地，并且电荷泵的输入自身被单独地切换到地。
在第一方面中，开关式稳压器系统包括控制器。升压转换器包括电感器和响应于来自控制器的控制信号的第一晶体管。第一晶体管与电感器连接，使得该电感器通过第一晶体管连接到地。电荷泵具有与升压转换器的输出相连接的输入。二极管连接在电感器和电荷泵的输入之间。连接二极管以防止来自电荷泵的电流进入第一晶体管。响应于控制信号的第二晶体管连接到电荷泵的输入。
在第二方面中，提供了一种用于无变压器的开关式稳压器的方法。对升压转换器的电感器充电。在充电期间，阻止来自电荷泵的反向电流到达具有二极管的电流感测路径。在充电期间，将电荷泵的输入连接到地，使得反向电流流向地。电荷泵的输入与地断开并且来自电感器的电流被释放到电荷泵。
在第三方面中，开关式稳压器包括电流模式控制的升压转换器和与升压转换器级联的电压倍增器（voltage multiplier）。提供单独的电流路径用于在通过开关导通（conduction）期间感测电流以将升压转换器的电感器接地并且用于电荷泵到地的输入。
本发明由以下的权利要求限定，并且在本部分中没有什么应被视为是对那些权利要求的限制。下面与优选的实施例结合讨论本发明的其他方面和优势，并且本发明的其他方面和优势可以在之后单独地或组合地要求保护。
附图说明
部件和图不一定按比例，而是将重点放在说明本发明的原理上。此外，在图中，相同的附图标记指定遍及不同视图的相应的部分。
图1是根据一个实施例的超声波形发生器的框图；
图2是无变压器的开关式稳压器系统的一个实施例的框图；
图3是无变压器的开关式稳压器的示例实施例的电路图；以及
图4是用于无变压器的开关式稳压器的方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
无变压器的开关式稳压器由于升压转换器和级联的电荷泵的组合具有可变的高升压因子。电荷泵可以是双倍器（doubler）、三倍器（tripler）或另一更高比的电路。为了允许与电流模式控制一起使用，二极管在升压转换器的主开关设备的开关导通阶段期间将电感器电流与电荷泵电流隔离，并且辅助开关设备在主开关设备的开关导通阶段期间传导电荷泵电流。二极管将回流电流引导到次级或辅助电子开关。这样，回流电流对由感测电阻器测量的电流没有贡献，引起不正确的电流测量。二极管和辅助开关设备使电感器电流和电荷泵电流分离，允许使用如在用于升压转换器的大多数集成电路控制器中所使用的开关到地连接中的电阻器的对电感器电流的准确感测。辅助开关路径中的源电阻器提供对通过电荷泵的峰充电电流的控制并且保护辅助开关设备免于超过辅助开关设备的安全操作区域。
开关式稳压器可以用在各种电路中。例如，开关式稳压器与汽车立体声系统或其他直流（DC）环境一起使用，其中期望可编程的电压设置大于电源。图1示出了将发射器中的开关式稳压器用于超声成像的一个实施例。发射器10生成诸如双极或单极方波之类的波形。波形的峰幅度在不同的时间处或对于不同的成像应用可以是不同的。可以为用于生成波形的开关电路供应直流（DC）或DC电压。开关式稳压器充当用于开关电路的电压源。控制开关式稳压器以针对给定的应用或时间提供期望的峰电压。
发射器10连接到换能器元件11。换能器元件11将电波形转换成声能。通过为多个通道和对应的元件11中的每个提供发射器10，可以在由开关式稳压器建立的期望的峰电压处提供相控阵超声扫描。
图2示出了开关式稳压器系统的一个实施例。开关式稳压器系统包括控制器12、升压转换器14、电荷泵16以及到地的单独的路径15、18。单独的路径15、18允许电流模式控制的升压转换器14与电荷泵16的级联，而与升压转换器14的电流模式的控制器12一起操作。在升压转换器14中，路径15中通过开关的电流与来自电荷泵16的反向电流的通过路径18的电流分离。在开关导通阶段期间用于电感器和电荷泵电流的这些独立的路径15、18虑及控制器12的电流模式感测。
此外，可以提供不同或更少的部件。虽然路径15、18被示出为与升压转换器14和电荷泵18分离，但是一者或两者可以集成或形成为这些其他电路中的一个或两个的部分。例如，路径15是升压转换器的部分，并且路径18与升压转换器14和/或电荷泵16中的两者或部分分离。作为另一个示例，未提供控制器12。在又一个示例中，级联附加的电荷泵。
将控制器12、升压转换器14、电荷泵16、路径15和/或路径18集成到相同的电路或芯片中。例如，专用集成电路包括升压转换器14、路径15、电荷泵16和路径18。在相同的半导体衬底上使用诸如CMOS工艺之类的相同或不同的工艺形成不同的部件。在该示例中，控制器12在单独的芯片或专用集成电路上形成。在替代的实施例中，控制器12、升压转换器14、路径15、电荷泵16和/或路径18中的每个的所有或部分由分立部件形成。
将开关式稳压器系统用于超声系统内。例如，电荷泵16的输出在电压轨上提供DC电压。脉冲发生器或开关连接换能器元件11并且将换能器元件11从电压轨断开以生成用于超声扫描的电波形。在另一个实施例中，开关式稳压器系统是汽车立体声系统的一部分，其用于控制提供给扬声器的信号的电压或峰幅度。
控制器12是集成电路。替代地，提供分立部件。来自控制器12的控制信号驱动在升压转换器14中的一个或多个开关，控制升压转换器14的操作。控制器12的栅极驱动使得升压转换器14提供电源电压的可选择的升压或放大。
控制器12是电流模式控制器。为了操作开关模式转换器（即升压转换器14），控制器12打开和闭合开关。电流模式控制器测量通过电感器的电流以确定电子开关的状态。该测量可以出现在开关的任一侧，但是如果在连接到公共“地”节点的开关侧上而不是在通向或来自电感器的路径中测量电流，则电路设计可以更简单。由电阻器执行该测量，电阻器将电流转换为电压以供控制器进一步处理。为了操作升压转换器14，测量从升压转换器14的电感器通过路径15到地的电流。控制器14包括用于感测来自开关的漏极、源极或发射极的电流的电流传感器。使用路径15中的电阻器，通过确定跨电阻器的电压来感测电流。可以使用其他电流感测。控制器12包括对于电压的输入。将该电压用作反馈以操作用于升压转换器14的控制信号。
升压转换器14和电荷泵16的级联提供开关式稳压器。图3示出了开关式稳压器的电路图的一个实施例。开关式稳压器的开关模式功率转换使用至少两个操作阶段：在电感器或电容器中存储能量的一个阶段，以及传送该能量的另一个阶段。被传送的能量提供了来自输入电源电压的电压的改变。在“充电”阶段期间，电子开关将电感器连接到电路，使得通过电感器的电流增加，从而将能量存储在电感器中。在第二个“传送”阶段期间，电子开关打开，使得通过电感器的电流必须通过输出开关（最常见的是二极管）流到输出。电感器将电压增加到足以向输出提供电流的连续流的电压。跨电感器的电压的公式是
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，其中L是电感并且
Figure DEST_PATH_IMAGE004
是电流的改变率。电压输出可以比输入电压高，因为电流的改变率仅与用于对电感器充电的电压松散地联系。下面参考图2和图3两者讨论开关式稳压器。可以使用其他电路。
开关式稳压器包括来自控制器12的用于控制信号（栅极驱动）的输入。提供用于固定的电压源（V1）的另一个输入。提供用于感测路径15中通过电阻器（RSense）的电流的输出。另一个输出（CP Out）是来自电荷泵16的选择的电压。还提供接地连接。此外，可以提供不同的或更少的输入和输出。
控制输入与在电流路径15中的开关（Mosfet1）和在电流路径18中的开关（Mosfet2）两者连接。这两个电流路径15、18是分离的，其被二极管（Daux）分离。这两个电流路径15、18响应于相同的控制信号（栅极驱动），但是可以被单独控制。
升压转换器14包括一个或多个电感器（L1）、开关（Mosfet1）、电流感测电阻器（RSense）以及任何其他的部件（例如，电阻器（RGateMain））。电感器（L1）串联在电源电压源（V1）的输入与到电荷泵16的输出之间。图3的升压转换器14包括路径15。路径15从电感器（L1）的终端（即，在升压转换器14或节点（Sw节点）的输出处）通过开关（Mosfet1）和感测电阻器（RSense）形成。可以提供其他的路径、部件和/或连接。
升压转换器14是电流模式控制的升压转换器。在充电期间由电感器（L1）输出的电流通过路径15接地。节点（Sw节点）的电感器终端在地处或接近地，其诸如是大约0.5伏特。控制器12感测并且使用跨漏极电阻器（RSense）的电流来驱动开关（Mosfet1）。基于控制信号（栅极驱动）和感测的电流反馈，升压转换器14在升压转换器14的输出上提供选择的电压。通过将电感器（L1）的输出与开关（Mosfet1）连接，当路径15断开时，开关（Mosfet1）的导通时间（on-time）控制由电感器（L1）输出到电荷泵16的电压。开启开关（Mosfet1）增加通过电感器（L1）的电流流，以便对电感器充电。该仅电感器（即，无变压器）的交换开关（switcher）拓扑允许使用标准的电流模式控制器12，从而降低了成本和复杂性。可以使用非标准控制器12。
开关（Mosfet1）被示出为MOSFET。可以使用诸如双极结型晶体管之类的其他开关。栅极连接到用于来自控制器12的控制信号的输入。源极连接到电感器（L1）的输出。漏极连接到电阻器（RSense）。可以使用诸如反转源极和漏极连接之类的其他连接。可以使用包括具有相同或独立控制的多个开关的其他布置。
开关（Mosfet1）开启或关闭到地的路径15。开关（Mosfet1）的栅极通过电阻器（RGateMain）连接到控制器12，因此开关（Mosfet1）响应于来自控制器12的控制信号（栅极驱动）。
电荷泵16是与升压转换器14级联的电压倍增器（即，升压转换器14的输出是到电荷泵16的输入）。电荷泵16在充电阶段期间（通常由输入电压和二极管的极性确定）对一个或多个电容器充电，然后在第二“传送”阶段期间将电荷传送到在串联添加（series-adding）配置中的一个或多个其他的电容器。在稳态情况中，通过电容器的电流平均到零，因此在一个阶段期间流入电荷泵的电荷在另一个阶段期间被移除。这是“回流”或反向电流，因为电流从电荷泵向后流入输入电压源。
使用二极管（D1-3）和电容器（C1-2和C8）的布置。可以使用除了所示之外的其他布置。例如，图3的电荷泵16用于高正电压（例如，15到85伏特）。对于高负电压（例如，-15到-85）伏特使用不同的布置。可以使用任何的现在已知或以后开发的电荷泵。
电容器（C1-2和C8）是用于增加或倍增来自升压转换器14的输入电压的能量存储元件。该倍数是整数量（例如，双倍器或三倍器），但是可以使用其他的乘数比（multiplierratio）（例如，非整数）。虽然可以控制升压转换器14以在不同的时间提供不同的输出电压，但是电荷泵16提供来自升压转换器14的输入电压的固定倍数。使用电荷泵的附加级别（stage）可以将电荷泵16的输出电压进一步升高到更高的值。通常，电荷泵16相对于其他DC功率转换拓扑具有降低的成本和复杂性。
电流可以在电荷泵16中的两个方向中的任一方向上流动。结果，当路径15使升压转换器14的输出（Sw节点）接地用于对电感器（L1）充电时，在电荷泵16的输入处提供反向或回流电流。在不具有单独的路径18的情况下，该反向电流将被添加到来自电感器（L1）的电流，导致对电流模式控制器12的不正确的电流感测。为了虑及对开关式稳压器中的控制器12的正确的电流感测或反馈，在从电感器（L1）到地的电流的开关（Mosfet1）的导通期间，为电感器（L1）和电荷泵16的输入提供单独的电流路径15、18。
单独的路径18包括二极管（Daux）、辅助开关（Mosfet2）以及限制电阻器（limitingresistor）（RLimit）。此外，可以提供不同或更少的部件（例如，在辅助开关（Mostfet 2）的栅极处的电阻器（RGateAux））。如在图3中所示的那样，单独的路径18可以至少部分地集成到升压转换器14的部分中或形成为升压转换器14的部分。在其他的实施例中，路径18形成为在升压转换器14与电荷泵16之间的单独部分或多个部分，或者至少部分地形成在电荷泵16中。
二极管（Daux）连接在电感器（L1）与电荷泵16的输入之间。二极管（Daux）将电流路径15、18分离。虽然开关（Mosfet1）导通并且电流从电感器（L1）流向地，但是二极管（Daux）防止来自电荷泵16的反向电流进入路径15。由于二极管（Daux）位于两个路径15、18之间并且两个路径15、18都连接到地，所以跨二极管（Daux）的电压差足够小（例如，小于0.7伏特）以防止二极管（Daux）的导通。
当路径18导通时，辅助开关（Mosfet2）排出来自电荷泵16的反向电流。辅助开关（Mosfet2）是MOSFET，但是可以使用其他的晶体管（例如，双极结）或开关。辅助开关（Mosfet2）在导通时将电荷泵16的输入与地连接。源极连接到电荷泵16的输入。漏极连接到限制电阻器（RLimit）。栅极连接到控制器12以接收控制信号（栅极驱动）。可以使用诸如反转漏极和源极之类的其他的连接。
升压转换器14的辅助开关（Mosfet2）和主开关（Mosfet1）由相同的控制信号（栅极驱动）驱动。该双重控制环提供测量升压转换器14的电流的稳定性。使用与电感器（L1）串联的二极管（Daux）和与主升压转换器14并联控制的添加的辅助开关（Mosfet2）将电荷泵电流与主升压级或升压转换器14隔离，允许电流控制的升压转换器14被独立于电荷泵16控制。当升压转换器14的主开关（Mosfet1）通过电感器（L1）排出电流时，辅助开关（Mosfet2）从电荷泵16的输入排出电流，从而分离在两个路径15、18上的电流。两个开关（Mosfet1和Mosfet2）同时开启并且关闭。在替代的实施例中，在具有或不具有不同的相对定时的情况下，不同的控制信号用于不同的开关（Mosfet1和Mosfet2）。
在开关（Mosfet1）导通以对电感器（L1）充电期间，辅助开关（Mosfet2）也导通。同时的导通防止来自电荷泵16的反向电流干扰在升压转换器14中的电流感测。两个路径15、18在相同的时间开启并且两个路径15、18在相同的时间关闭。
当路径15、18关闭（即，开关（Mosfet1和Mosfet2）不导通）时，来自电感器（L1）的电流进入电荷泵16。当路径15、18关闭时，在电感器（L1）处的升压转换器的输出电压通过电荷泵16倍增。
路径18包括电阻器（RLimit）。电阻器（RLimit）连接在辅助开关（Mosfet2）的源极或漏极（发射极）和地之间。确定电阻器（RLimit）的大小以控制通过电荷泵16的峰充电电流并且电阻器（RLimit）保护辅助开关（Mosfet2）以免超过安全操作区域（即，保护辅助开关（Mosfet2）免于崩溃或损坏）。
图4示出了用于无变压器的开关式稳压器的方法的一个实施例。通过防止级联的电荷泵的反向电流流过升压转换器的电流感测路径，可以将电流模式控制用于升压转换器。可以通过使升压转换器和电荷泵级联可与电流模式感测操作来避免变压器电路和高成本。
实现该方法以在各种电路中的任何电话中使用。例如，在超声探头中实现该方法，所述超声探头包括用于生成将施加到换能器的电子波形的集成电路。开关式稳压器允许低成本控制器的使用并且避免变压器的使用，使集成到手持式超声换能器探头中成为可能。在另一示例中，在汽车立体声系统或其他具有DC功率转换的环境中实现该方法。
该方法通过图2的开关式稳压器系统、图3的开关式稳压器电路或其他级联的升压转换器和电荷泵布置实现。此外，可以提供不同或更少的动作。
该方法以所示的顺序（从上到下或数字）执行。可以使用其他顺序。例如，因为执行动作52导致动作50的执行，所以动作50和52同时执行。作为另一个示例，在动作44的充电期间的所有时间或部分时间执行动作46和48。在又一个示例中，在包括动作44的充电期间和动作50的释放期间的各种时间处执行动作40。
在动作40中，控制器感测跨与升压转换器的主晶体管连接的电阻器的电压。升压转换器包括电感器。电感器提供将由电荷泵增加的输出电压。在操作期间，电感器基于来自电流的存储的能量的量来提供电压。为了存储，主晶体管将电感器连接到地，导致通过电感器从电压源汲取电流。将电感器偶尔或周期性地充电到期望的电平，以存储在不充电时用于将电流释放到电荷泵的能量。
在主晶体管导通以对电感器充电期间，控制器感测流过电感器的电流。通过测量跨接地路径中的电阻器的电压来感测电流，但是可以使用其他电流感测。在能量的存储期间执行控制以控制存储的能量的量。
在动作42中，控制器基于感测的电流控制晶体管。一旦通过电感器的感测的电流到达阈值水平，控制器就关闭晶体管。在给定的时段或时间后，控制器开启晶体管以再次存储能量。晶体管的栅极是受控制的。
控制两个或更多个晶体管。控制用于对电感器充电的升压转换器的主晶体管。还控制防止来自电荷泵的电流干扰动作40的感测的另一个晶体管。
控制晶体管使得两者同时开启并且两者同时关闭。相同的控制信号操作两个晶体管。可以使用具有在晶体管之间的相对延迟的其他布置。
动作44-52提供了对晶体管的控制的一个示例。可以使用其他动作在升压转换器中的电感器中的能量的存储期间将来自电荷泵的电流与升压转换器隔离。
在动作44中，对电感器充电。通过经由电感器传递来自固定的电压源的电流来将能量存储在电感器中。为了充电，将电感器连接到地。该连接通过主晶体管。通过开启主晶体管，控制器使得升压转换器的电感器被充电。
在充电期间，在动作40中感测通过电感器传递到地的电流。控制器感测电流以确定何时停止对电感器充电。
在动作46中，阻止来自电荷泵的反向电流到达动作40的感测。来自级联的电荷泵的输入的电流不指示电感器的电荷的水平，因此被阻止以避免在充电期间产生错误的电流感测。
二极管阻止来自电荷泵的反向电流。二极管被定位在（1）电感器和到地的路径与（2）到电荷泵的输入之间。
在动作48中，电荷泵输入的反向电流在充电期间连接到地。为了引起电荷，电感器的输出终端保持在诸如小于0.7伏特之类的低电压处。二极管阻止来自电荷泵的电流。为了防止胜过（overcome）二极管，二极管的另一个终端也连接到地。该连接可以通过电阻器，因此将电压设置为与电感器的输出终端相类似。将跨二极管的电压差保持在0.7伏特以下，使得二极管阻止来自用于电感器的接地路径的反向电流。替代地，反向电流流向地。
次级晶体管将电荷泵的输入连接到地。这使得电荷泵的任何反向电流遵从单独的路径而不是用于感测电感器的充电的到地的路径。
在动作50中，从升压转换器的电感器释放电流。一旦动作40的感测指示充足或期望的量的能量被存储在电感器中，就移除到地的路径。控制器控制主晶体管关闭。一旦电流不再被引导向到地的路径，就向电荷泵的输入提供电流。升压转换器输出通过主晶体管的控制而建立的水平处的电压。
在动作52中，将电荷泵的输入从到地的次级路径断开。电荷泵将输入电压倍增，从到地的路径断开输入。控制器关闭主晶体管以提供升压转换器的输出并且关闭次级晶体管以允许电荷泵倍增输出电压。
一旦被充电，控制器就控制主晶体管和次级晶体管两者关闭。在相同的时间关闭晶体管，虑及升压转换器的升压电压的输出和电荷泵的对输出升压电压的倍增。
在动作54中，开关式稳压器生成输出电压。升压转换器将电源的电压升压。升压的量由在升压转换器的一个或多个电感器中的存储的能量的量来控制。可以控制升压转换器以基于动作40的感测来改变或设置升压的量。级联的电荷泵将升压电压倍增，从而提供处于期望的水平处的输出电压。电荷泵提供固定的增加，诸如通过固定的倍数。
虽然上面已经通过参考各种实施例描述了本发明，但是应当理解：在不脱离本发明的范围的情况下，可以做出许多改变和修改。因此，意图在于前面的详细的描述被视为说明性的而不是限制性的，并且应当理解：包括所有等同物的以下的权利要求旨在限定本发明的精神和范围。

Claims (15)

1.一种开关式稳压器系统，包括：
控制器（12）；
升压转换器（14），其包括电感器（L1）和响应于来自控制器（12）的控制信号的第一晶体管（Mosfet1），第一晶体管（Mosfet1）与电感器（L1）连接，使得电感器（L1）通过第一晶体管（Mosfet1）连接到地；
电荷泵（16），其具有与升压转换器（14）的输出连接的输入；
二极管（Daux），其连接在电感器（L1）和电荷泵（16）的输入之间，连接的二极管（Daux）防止电流从电荷泵（16）进入第一晶体管（Mosfet1）；以及
响应于控制信号的第二晶体管（Mosfet2），第二晶体管（Mosfet2）连接到电荷泵（16）的输入，
其中所述二极管（Daux）和所述第二晶体管（Mosfet2）被包括在用于感测电流的单独的电流路径（18）中。
2.根据权利要求1所述的开关式稳压器系统，其中所述控制器（12）包括电流传感器以感测来自所述第一晶体管（Mosfet1）的漏极的电流，所述控制器（12）被配置为基于感测的电流来操作控制信号。
3.根据权利要求1所述的开关式稳压器系统，其中所述第一晶体管和第二晶体管（Mosfet1和Mosfet2）基于控制信号两者同时开启并且两者同时关闭。
4.根据权利要求1所述的开关式稳压器系统，其中所述第二晶体管（Mosfet2）被定位以在所述第一晶体管（Mosfet1）从所述电感器（L1）排出电流时从所述电荷泵（16）排出电流。
5.根据权利要求1所述的开关式稳压器系统，其中所述二极管（Daux）和所述第二晶体管（Mosfet2）被布置为在所述第一晶体管和第二晶体管（Mosfet1和Mosfet2）的导通期间将来自所述电感器（L1）的电流与来自所述电荷泵（16）的电流分离。
6.根据权利要求1所述的开关式稳压器系统，还包括与所述第二晶体管（Mosfet2）的源极或发射极连接的电阻器（RLimit）。
7.一种用于无变压器的开关式稳压器的方法，所述方法包括：
对升压转换器（14）的电感器（L1）充电（44）；
在充电（44）期间，利用二极管（Daux）阻止（46）来自电荷泵（16）的反向电流到达升压转换器（14）的电流感测（40）路径；
在充电（44）期间，将电荷泵（16）的输入连接（48）到地，使得反向电流流向地；
将来自电感器（L1）的电流释放（50）到电荷泵（16）；并且
在释放（50）期间，将电荷泵（16）的输入与地断开（52）。
8.根据权利要求7所述的方法，其中充电（44）包括将电感器（L1）通过第一晶体管（Mosfet1）连接（48）到地，并且其中将电荷泵（16）的输入连接（48）到地包括通过第二晶体管（Mosfet2）连接（48）。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括由控制器（12）控制（42）第一晶体管和第二晶体管（Mosfet1和Mosfet2）的栅极，使得第一晶体管和第二晶体管（Mosfet1和Mosfet2）两者在相同的时间开启和关闭。
10.一种开关式稳压器，包括：
电流模式控制的升压转换器（14）；
与升压转换器（14）级联的电压倍增器（16）；以及
单独的电流路径（15、18），其用于感测（40）导通期间通过开关（Mosfet1）的电流以使升压转换器（14）的电感器（L1）接地并且用于电荷泵（16）到地的输入。
11.根据权利要求10所述的开关式稳压器，其中升压转换器（14）包括开关（Mosfet1）和具有连接到开关（Mosfet1）的电感器（L1）的输出的电感器（L1）。
12.根据权利要求10所述的开关式稳压器，其中二极管（Daux）分离单独的电流路径（15、18）。
13.根据权利要求10所述的开关式稳压器，其中所述电流路径中的第一个电流路径（15）从电感器（L1）通过开关（Mosfet1）、通过感测电阻器（RSense）并且到地，其中所述电流路径中的第二个电流路径（18）从电压倍增器（16）的输入通过另一个开关（Mosfet2）、通过限制电阻器（RLimit）并且到地。
14.根据权利要求10所述的开关式稳压器，还包括在单独的电流路径中的一个（15）中与开关（Mosfet1）连接的并且在单独的电流路径中的另一个（18）中与另一个开关（Mosfet2）连接的控制输入，开关（Mosfet1）和另一开关（Mosfet2）两者都响应于控制输入。
15.根据权利要求10所述的开关式稳压器，其中两个独立的电流路径（15、18）在除了通过开关（Mosfet1）的导通期间以外的时间关闭，在该时间期间，电压倍增器（16）将电感器（L1）输出倍增。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10886841B1 (en) * 2018-04-16 2021-01-05 National Technology & Engineering Solutions Of Sandia, Llc Passive high-power-density grid interface device
CN110061610B (zh) * 2019-05-14 2024-04-12 无锡海斯凯尔医学技术有限公司 超声电源系统及其控制方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101647182A (zh) * 2006-12-30 2010-02-10 先进模拟科技公司 包括升压电感式开关前置调节器和电容式开关后置转换器的高效dc/dc电压转换器
CN101668370A (zh) * 2008-07-15 2010-03-10 英特赛尔美国股份有限公司 升压调节器的瞬变抑制
CN103023308A (zh) * 2011-09-26 2013-04-03 立锜科技股份有限公司 电源供应电路及具有适应性使能电荷泵的电源供应电路

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6903535B2 (en) 2002-04-16 2005-06-07 Arques Technology, Inc. Biasing system and method for low voltage DC—DC converters with built-in N-FETs
JP2006158132A (ja) * 2004-11-30 2006-06-15 Renesas Technology Corp チャージポンプ方式電源回路
US7098633B1 (en) 2005-07-15 2006-08-29 Analog Devices, Inc. Boost converter with series switch
JP4880275B2 (ja) 2005-10-03 2012-02-22 オリンパスメディカルシステムズ株式会社 静電容量型超音波振動子装置
US7782027B2 (en) * 2006-12-30 2010-08-24 Advanced Analogic Technologies, Inc. High-efficiency DC/DC voltage converter including down inductive switching pre-regulator and capacitive switching post-converter
US9529375B2 (en) * 2012-02-28 2016-12-27 Texas Instruments Deutschland Gmbh Single inductor-multiple output DC-DC converter, method for operating the same and electronic device comprising the converter

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101647182A (zh) * 2006-12-30 2010-02-10 先进模拟科技公司 包括升压电感式开关前置调节器和电容式开关后置转换器的高效dc/dc电压转换器
CN101668370A (zh) * 2008-07-15 2010-03-10 英特赛尔美国股份有限公司 升压调节器的瞬变抑制
CN103023308A (zh) * 2011-09-26 2013-04-03 立锜科技股份有限公司 电源供应电路及具有适应性使能电荷泵的电源供应电路

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