CN109983685A - 高效升压转换器 - Google Patents

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Abstract

根据本公开的实施例，系统可包括串联耦接在一起的升压转换器和功率转换器的串联组合，使得串联组合将串联组合的输入电压提升到大于输入电压的输出电压，从而使得由串联组合提供的电压提升大于仅由升压转换器提供的电压提升。该系统还可包括放大器，其中放大器的输入端耦接到升压转换器和功率转换器的串联组合的输出端。

Description

高效升压转换器
相关申请
本公开要求提交于2016年10月20日的美国临时专利申请No.62/410,657的优先权，上述申请全文以引用方式并入本文。
技术领域
本公开大体上涉及用于音频设备的电路，所述音频设备包括但不限于个人音频设备(诸如无线电话和媒体播放器)，并且更具体地涉及能够在强制连续导通模式下操作以便实现低功率操作的功率转换器。
背景技术
个人音频装置，包括诸如移动/蜂窝电话的无线电话、无绳电话、mp3播放器和其他消费音频装置，被广泛使用。此类个人音频设备可包括用于驱动一对头戴式耳机或一个或多个扬声器的电路。此类电路常常包括扬声器驱动器，扬声器驱动器包括用于将音频输出信号驱动到头戴式耳机或扬声器的功率放大器。通常，可用一功率转换器向功率放大器提供电源电压，以便放大被驱动到扬声器、头戴式耳机或其它换能器的信号。开关功率转换器为一种电子电路，其将功率源从一个直流(DC)电压电平转换为另一个DC电压电平。此类开关DC-DC转换器的示例包括但不限于升压转换器、降压转换器、降压-升压转换器、反向降压-升压转换器以及其它类型的开关DC-DC转换器。因此，通过使用功率转换器，DC电压(诸如由电池提供的DC电压)可被转换为用于对功率放大器供电的另一DC电压。
电池供电系统可使用升压转换器为音频放大器产生大于电池电压的电源。例如，在电池供电音频系统中使用升压转换器的动机为：通过在音频放大器的输出端处允许比通过直接从电池对放大器供电可实现的更大的信号摆幅，来产生更高的声压级。然而，由于提供此类升压所需的电感器的物理尺寸可使得实现具有单级的升压转换器成为不具吸引力的选择，因此在便携式电子产品应用中使用升压转换器来实现升压电压可能有问题。
发明内容
根据本公开的教导，可减少或消除与现有升压方法相关联的一个或多个缺点和问题。
根据本公开的实施例，一系统可包括串联耦接在一起的升压转换器和功率转换器的串联组合，使得串联组合将串联组合的输入电压提升到大于输入电压的输出电压，从而使得由串联组合提供的电压提升大于仅由升压转换器提供的电压提升。该系统还可包括放大器，其中放大器的输入端耦接到升压转换器和功率转换器的串联组合的输出端。
根据本公开的这些和其它实施例，一方法可包括将升压转换器和功率转换器的串联组合串联耦接在一起，使得串联组合将串联组合的输入电压提升到大于输入电压的输出电压，从而使得由串联组合提供的电压提升大于仅由升压转换器提供的电压提升。该方法还可包括将放大器的输入端耦接到升压转换器和功率转换器的串联组合的输出端。
通过本文包括的附图、描述和权利要求书，本公开的技术优点对于本领域技术人员而言是显而易见的。实施例的目的和优点将至少通过在权利要求书中特别指出的元件、特征和组合来实现并获取。
应当理解，先前的一般性描述和以下的详细描述均为示例和解释性的，并且不限制在本公开中阐述的权利要求书。
附图说明
通过参考以下结合附图的描述，可获得对本实施例及其优点的更完整的理解，在附图中，类似的附图标记表示类似的特征，并且其中：
图1示出了根据本公开的实施例的示例性个人音频设备；
图2示出了根据本公开的实施例的个人音频设备的示例性音频集成电路的选定部件的框图；
图3示出了根据本公开的实施例的可用于实施图2中所示的电源的示例性子系统的选定部件的框图；
图4示出了根据本公开的实施例的可用于实施图2中所示的电源的示例性子系统的选定部件的框图，其中图3的功率转换器被实施为电荷泵；
图5示出了根据本公开的实施例的可用于实施图2中所示的电源的另一示例性子系统的选定部件的框图，其中采用旁路开关来选择性地旁路升压转换器和功率转换器的操作；
图6示出了根据本公开的实施例的可用于实施图2中所示的电源的另一示例性子系统的选定部件的框图，其中采用旁路开关来选择性地旁路升压转换器和与升压转换器串联耦接的第二升压转换器的操作；
图7示出了根据本公开的实施例的可用于实施图2中所示的电源的另一示例性子系统的选定部件的框图；
图8示出了根据本公开的实施例的可用于实施图2中所示的电源的另一示例性子系统的选定部件的框图；
图9示出了根据本公开的实施例的可用于实施图2中所示的电源的另一示例性子系统的选定部件的框图；
图10示出了根据本公开的实施例的可用于实施图2中所示的电源的另一示例性子系统的选定部件的框图；
图11示出了根据本公开的实施例的可用于实施图2中所示的电源的另一示例性子系统的选定部件的框图；以及
图12示出了根据本公开的实施例的可用于实施图2中所示的电源的另一示例性子系统的选定部件的框图。
具体实施方式
图1示出了根据本公开的实施例的示例性个人音频设备1。图1描绘了具有扬声器7的个人音频设备1。扬声器7仅为示例，并且应当理解，个人音频设备1可与各种音频换能器(包括磁线圈扬声器、压电扬声器等)结合使用。除此之外或者作为另一种选择，个人音频设备1可以一对耳塞式扬声器8A和8B的形式耦接到耳机3。图1中描绘的耳机3仅为示例，并且应当理解，个人音频设备1可与各种音频换能器(包括但不限于头戴式耳机、耳塞、入耳式耳机和外部扬声器)结合使用。插头4可提供耳机3到个人音频设备1的电端子的连接。个人音频设备1可向用户提供显示器，并且使用触摸屏2接收用户输入，或者另选地，标准液晶显示器(LCD)可与设置在个人音频设备1的正面和/或侧面上的各种按钮、滑块和/或拨盘组合。另外如图1所示，个人音频设备1可包括音频集成电路(IC)9，其用于产生模拟音频信号以便传输到扬声器7、耳机3和/或另一个音频换能器。
图2示出了根据本公开的实施例的个人音频设备的示例性音频IC 9的选定部件的框图。如图2所示，微控制器核18可将数字音频输入信号DIG_IN提供到数模转换器(DAC)14，该DAC 14可将数字音频输入信号转换为模拟信号VIN。DAC 14可将模拟信号VIN提供到放大器16，放大器16可放大或衰减音频输入信号VIN以提供差分音频输出信号VOUT，该差分音频输出信号VOUT可对扬声器、头戴式耳机换能器、线路电平信号输出和/或其它合适的输出进行操作。在一些实施例中，DAC 14可为放大器16的集成部件。电源10可提供放大器16的电源轨输入。在一些实施例中，电源10可包括开关模式功率转换器，如下面更详细的描述。尽管图1和图2考虑了音频IC 9位于个人音频设备中，但是本文描述的系统和方法还可应用于除个人音频设备之外的电气和电子系统和设备，包括应用于计算设备中的比个人音频设备大的音频系统、汽车、建筑物或其它结构。
图3示出了根据本公开的实施例的可用于实施图2中所示的电源10的示例性子系统10A的选定部件的框图。如图3所示，子系统10A可包括电池22、升压转换器24、与升压转换器24串联耦接的功率转换器26、耦接在升压转换器24与功率转换器26之间的电容器34以及耦接在功率转换器36的输出端子之间的电容器36。尽管子系统10A被示出为具有电容器34和电容器36，但是在一些实施例中，电容器34和电容器36中的一个或两个可被替换为被配置成储存电荷的相应储能设备。
如图3所示，升压转换器24可包括电感器28、开关30和开关32。在一些实施例中，开关30和开关32中的一个或两个可实施为场效应晶体管(FET)。在升压转换器24的开关周期的第一阶段中，合适的控制器可使开关30激活(例如，闭合、导通、使能)并使开关32停用(例如，打开、关断、禁用)。因此，在此第一阶段(阶段A)期间，开关节点(在图3中标记为“SW”)可短路到地电位，使得电池22的电压VBAT施加在电感器28的端子上。结果，流过电感器28的电感器电流IL可在第一阶段期间增加。在升压转换器24的开关周期的第二阶段中，合适的控制器可使开关30停用并使开关32激活。结果，由于电感器28放电到电容器34，使得在此第二阶段期间，电感器电流IL可减小，从而将中间电压VINT升高到高于电池电压VBAT的电压。为了控制开关30和开关32，合适的控制器可将一个或多个脉冲宽度调制控制信号输出到开关30和开关32，以控制它们各自的占空比。在操作中，开关30和开关32的占空比(例如，第一阶段的持续时间)可确定中间电压VINT相对于电池电压VBAT的大小。因此，对于期望的中间电压VINT(例如，其可基于期望的电源电压VSUPPLY)，合适的控制器可实施反馈控制回路以实现期望的中间电压VINT和/或期望的电源电压VSUPPLY。
此外，在操作中，功率转换器26可将电源电压VSUPPLY输出为高于中间电压VINT的电压。为了进一步将中间电压VINT提升到电源电压VSUPPLY，功率转换器26可包括电荷泵(例如，如图4所示)、另一个升压转换器(例如，如图6所示)或任何其它合适的功率转换器。因此，由功率转换器26提供的额外的升压可允许较小的设备在升压转换器24内使用，从而最小化电路尺寸。
图4示出了根据本公开的实施例的可用于实施图3的子系统10A的示例性子系统10B的选定部件的框图，其中图3的功率转换器26被实施为包括电荷泵的功率转换器26B。如图4所示，为了实施电荷泵，功率转换器26B可包括多个开关44、46、48和50以及泵送电容(flyback capacitor)52，如图4所示布置。因此，在一些实施例中，功率转换器26B可实施电荷泵倍增器，其使中间电压VINT加倍以产生电源电压VSUPPLY。因为电荷泵在本领域中是熟知的，所以本文没有详细阐述功率转换器26B的操作。
因此，电容器34的存在可提供升压转换器24与功率转换器26B之间的隔离，以允许升压转换器24和功率转换器26B的工作阶段彼此独立地优化。另外，电容器34可提供可供功率转换器26B或其它后续功率转换器使用的能量储存器，而不增大从电源汲取的峰值功率。因此，子系统10A和子系统10B可为电路或系统设计者提供一定的自由度来交换电容器的电感器，以便减小升压电路的物理尺寸。
在一些实施例中，类似于子系统10A的子系统可包括开关或其它部件，以使能对子系统的特定部分的旁路。例如，图5示出了可用于实施图3的子系统10A的示例性子系统10C的选定部件的框图，其中旁路开关37C可耦接在升压转换器24的开关节点SW与功率转换器26的输出端之间，因此当开关37C被使能时允许旁路升压转换器24和功率转换器26的操作，从而使得电源电压VSUPPLY等于电池电压VBAT。作为另一示例，图6示出了示例性子系统10D的选定部件的框图，示例性子系统10D在许多材料方面与图5的子系统10C类似，不同的是功率转换器26被实施为具有包括电感器38以及开关40和开关42的第二升压转换器的功率转换器26D，并且旁路开关37D耦接在升压转换器24的开关节点SW与功率转换器26D的输出端之间。
作为另一示例，图7示出了可用于实施图3的子系统10A的示例性子系统10E的选定部件的框图，其中旁路开关37E可耦接在电池22与功率转换器26的输出端之间，因此当开关37E被使能时允许旁路升压转换器24和功率转换器26的操作，使得电源电压VSUPPLY等于电池电压VBAT。
作为又一示例，图8示出了可用于实施图3的子系统10A的示例性子系统10F的选定部件的框图，其中旁路开关37F可耦接在电容器34与功率转换器26的输出端之间，因此当开关37F被使能时允许旁路功率转换器26的操作，使得电源电压VSUPPLY等于中间电压VINT。
作为又一示例，图9示出了可用于实施图3的子系统10A的示例性子系统10G的选定部件的框图，其中旁路开关37G可耦接在电池22与电容器34之间，因此当开关37G被使能时允许旁路升压转换器24的操作，使得电源电压VSUPPLY等于电池电压VBAT的两倍，假设功率转换器26作为电荷泵倍增器操作。
在一些实施例中，可存在多个旁路开关，从而允许在多个旁路模式下的操作。例如，在包括旁路开关37F和旁路开关37G两者的实施例中，下表中阐述的旁路模式可操作，以便使得放大器16能够作为G类或H类放大器操作(假设功率转换器26作为电荷泵倍增器操作)：
另外，可使用与本文描述的系统和方法类似的系统和方法来实施具有单个升压转换器24的子系统的分布式架构，该升压转换器24后面串联地耦接有多个并联的功率转换器26，其中每个功率转换器26向相应的放大器16供电。
此外，尽管前述设想了升压转换器24“后面接有”功率转换器26，使得功率转换器26接收升压转换器24的输出并对其进行操作，但是在一些实施例中，功率转换器26可“后面接有”升压转换器24，使得功率转换器26接收电池电压VBAT并对其进行操作，并且升压转换器24接收功率转换器26的输出并对其进行操作，如图10的示例性子系统10H所示。
在一些应用中，系统设计者可自由地移除中间电容器34，以便集成升压转换器24和功率转换器26的操作。例如，图11示出了可用于实施图3的子系统10A的示例性子系统10I的选定部件的框图，其中升压转换器24I和功率转换器26I可以集成并且串联地耦接，而无需电容器34在升压转换器24I和功率转换器26I中间。类似地，图12示出了可用于实施图3的子系统10A的示例性子系统10J的选定部件的框图，其中功率转换器26J和升压转换器24J可集成并且串联地耦接，而无需电容器34在功率转换器26J和升压转换器24J中间。此类方法的优点可包括更少的开关和外部电容器。缺点可包括增加阶段控制的复杂性以及升压转换器和功率转换器都在充电时来自电池22的更高峰值电流。
有利的是，如本文所述的升压转换器和功率转换器的串联组合可实现在电子系统中提供足够水平的升压所需的升压电感器的尺寸的减小。例如，在电荷泵倍增器用作功率转换器的情况下，升压电感器的尺寸可为使用单级升压转换器实现相同电压提升水平时所需尺寸的一半。
如本文所使用的，如果适用的话，当两个或更多个元件被称为彼此“耦接”时，此类术语表示此类两个或更多个元件是电子连通或机械连通的，无论是间接连接还是直接连接、有或没有中间元件。
本公开涵盖本领域普通技术人员将理解的对本文的示例性实施例的所有改变、替换、变动、变更和修改。类似地，在适当的情况下，所附权利要求书涵盖本领域普通技术人员将理解的对本文的示例性实施例的所有改变、替换、变动、变更和修改。此外，在所附权利要求书中提到的装置或系统或者装置或系统的部件被适配成、被布置成、有能力以、被配置成、被使能以、可操作或操作以执行特定功能涵盖了该装置、系统或部件(无论是其自身还是该特定功能)被激活、导通或解锁，只要该装置、系统或部件被如此适配、布置、有能力、配置、使能、可操作或操作。
本文所述的所有示例和条件性语言旨在用于教学对象，以帮助读者理解本发明和发明人为提升本领域而贡献的概念，并且被解释为不限于此类具体叙述的示例和条件。尽管已经详细描述了本发明的实施例，但是应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可对其做出各种改变、替换和变更。

Claims (18)

1.一种系统，包括：
串联耦接在一起的升压转换器和功率转换器的串联组合，使得所述串联组合将所述串联组合的输入电压提升到大于所述输入电压的输出电压，从而使得由所述串联组合提供的电压提升大于仅由所述升压转换器提供的电压提升；以及
放大器，其中所述放大器的输入端耦接到所述升压转换器和所述功率转换器的所述串联组合的输出端。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述放大器的所述输入端为用于向所述放大器提供电能的所述放大器的电源输入端。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述功率转换器包括电荷泵。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述功率转换器包括第二升压转换器。
5.根据权利要求1所述的系统，进一步包括旁路开关，所述旁路开关被配置成基于所述升压转换器和所述功率转换器的所述串联组合的期望输出电压来选择性地旁路在使用中的所述功率转换器。
6.根据权利要求1所述的系统，进一步包括旁路开关，所述旁路开关被配置成基于所述升压转换器和所述功率转换器的所述串联组合的期望输出电压来选择性地旁路在使用中的所述升压转换器和所述功率转换器。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述旁路开关在被使能时旁路在使用中的所述升压转换器的电感器和开关。
8.根据权利要求6所述的系统，其中所述旁路开关在被使能时旁路在使用中的所述升压转换器的开关，保留在使用中的所述升压转换器的电感器继续工作。
9.根据权利要求1所述的系统，进一步包括储能设备，所述储能设备耦接在所述升压转换器与所述功率转换器之间，并且被配置成接收来自所述升压转换器和所述功率转换器中的一个的电能，并将所述电能输送到所述升压转换器和所述功率转换器中的另一个。
10.一种方法，包括：
将升压转换器和功率转换器的串联组合串联耦接在一起，使得所述串联组合将所述串联组合的输入电压提升到大于所述输入电压的输出电压，从而使得由所述串联组合提供的电压提升大于仅由所述升压转换器提供的电压提升；以及
将放大器的输入端耦接到所述升压转换器和所述功率转换器的所述串联组合的输出端。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述放大器的所述输入端为用于向所述放大器提供电能的所述放大器的电源输入端。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述功率转换器包括电荷泵。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述功率转换器包括第二升压转换器。
14.根据权利要求10所述的方法，进一步包括将旁路开关耦接到所述升压转换器和所述功率转换器，使得所述旁路开关可用于基于所述升压转换器和所述功率转换器的所述串联组合的期望输出电压来选择性地旁路在使用中的所述功率转换器。
15.根据权利要求10所述的方法，进一步包括将旁路开关耦接到所述升压转换器和所述功率转换器，使得所述旁路开关可用于基于所述升压转换器和所述功率转换器的所述串联组合的期望输出电压来选择性地旁路在使用中的所述升压转换器和所述功率转换器。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述旁路开关在被使能时旁路在使用中的所述升压转换器的电感器和开关。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述旁路开关在被使能时旁路在使用中的所述升压转换器的开关，保留在使用中的所述升压转换器的电感器继续工作。
18.根据权利要求10所述的方法，进一步包括将储能设备耦接在所述升压转换器与所述功率转换器之间，使得所述储能设备被配置成接收来自所述升压转换器和所述功率转换器中的一个的电能，并将所述电能输送到所述升压转换器和所述功率转换器中的另一个。
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