CN110323937A - 用于具有改进的性能的功率转换器的装置及相关的方法 - Google Patents

用于具有改进的性能的功率转换器的装置及相关的方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开用于具有改进的性能的功率转换器的装置及相关的方法。一种装置包括电压转换器，用于将输入电压转换为输出电压。电压转换器包括电感器。电压转换器还包括控制器，用于使用从电压转换器的输入电压导出的峰值电感器电流来控制流过电感器的电流。

Description

用于具有改进的性能的功率转换器的装置及相关的方法
技术领域
本公开总体涉及电子电路，并且更具体地，涉及用于具有改进的性能特性的功率转换器的装置，以及相关的方法。
背景技术
随着技术的进步，越来越多的电路元件已经集成到诸如集成电路(IC)的器件中。此外，越来越多的器件(诸如IC或子系统)已经集成到产品中。随着诸如物联网(IoT)的发展，这种趋势有希望继续下去。
越来越多的电路元件、器件、子系统等也导致包括这种组件的产品中消耗的功率量的对应增加。在某些应用中，诸如电池供电、移动或便携式产品，有限的功率量或能量可用。鉴于此类应用中可用的功率量或能量相对较少，减少组件或产品的功耗提供了优势或益处，例如，延长电池寿命，增加系统的“正常运行时间”或活动时间等。即使在非便携式环境中，增加的功耗总是导致更大量的生成的热量，因为电能不能100％有效地被使用。因此，减少组件或产品的功耗提供了优点或益处，例如，减少热量、减少电力成本等。
由于典型的电源或输入电压(例如，电池电压)与负载的期望电源电压之间的不匹配，通常使用电压转换器来向负载供电。更具体地，一个或更多个电压转换器用于将输入电压转换为适合于向各种负载供电的较高或较低电压。
本部分中的描述和任何对应的(一个或更多个)附图被包括作为背景信息材料。本部分中的材料不应被视为承认这些材料构成本专利申请的现有技术。
发明内容
根据示例性实施例预期各种装置和相关方法。根据一个示例性实施例，一种装置包括电压转换器，用于将输入电压转换为输出电压。电压转换器包括电感器。电压转换器还包括控制器，用于使用从电压转换器的输入电压导出的峰值电感器电流来控制流过电感器的电流。
根据另一个示例性实施例，一种IC包括以升压模式操作的电压转换器，以将输入电压转换为高于输入电压的输出电压。电压转换器包括电感器，其耦合到开关组；以及控制器，其用于使用脉冲频率调制(PFM)控制该开关组，使得峰值电感器电流基本上等于从电压转换器的输入电压导出的值。
根据另一个示例性实施例，一种操作电压转换器的方法包括从电压转换器的输入电压导出峰值电流值。该方法还包括控制电压转换器中的开关组，以将电压转换器中的电感器重复地充电到导出的峰值电流值。
附图说明
附图仅说明了示例性实施例，并且因此不应被视为限制本申请或权利要求的范围。本领域普通技术人员将理解，所公开的概念适用于其他同等有效的实施例。在附图中，在多于一个附图中使用的相同数字标记表示相同、相似或等同的功能、组件或块。
图1示出了与传统电压转换器相关的波形。
图2示出了根据一个示例性实施例的升压电压转换器。
图3示出了根据一个示例性实施例的降压-升压电压转换器。
图4示出了根据一个示例性实施例的用于包括电压转换器的IC的电路布置。
图5示出了根据另一个示例性实施例的用于包括电压转换器的IC的电路布置。
图6示出了根据另一个示例性实施例的用于包括电压转换器的IC的电路布置。
图7示出了根据另一个示例性实施例的用于包括电压转换器的IC的电路布置。
图8示出了根据一个示例性实施例的包括用于电压转换器的控制器的电路布置。
图9示出了根据另一个示例性实施例的包括用于电压转换器的控制器的电路布置。
图10示出了根据一个示例性实施例的用于包括电压转换器的IC的电路布置。
具体实施方案
所公开的概念总体涉及电子电路，并且更具体地，涉及用于具有改进的性能特性的电子功率转换器的装置，以及相关的方法。功率或电压转换器可以用在各种应用中，诸如在便携式或移动电子设备中或在从诸如电池(或超级电容器)的电源接收电力的电子设备中。
传统上已经使用各种方案来控制DC-DC转换器(例如，将来自电池的DC输入电压转换为适合于负载(诸如IC)的DC输出电压的电压转换器)。在广泛使用的方案中，响应于诸如输入电压、输出电流等的改变，控制转换器中的一个或更多个开关的波形的占空比被改变。在该方案中，在各个操作阶段中，转换器中的开关被启用导致电感器中的电流增加或减少。
DC-DC转换器中使用的另一种控制方案是脉冲频率调制(PFM)。在这种转换器中，PFM用于交替地对电感器充电并将存储在电感器中的能量传递给负载，然后等待直到负载处需要额外的能量。换句话说，电感器在每个PFM脉冲期间被充电，并且随后存储在电感器中的能量用于向负载传递电荷。
图1示出了与使用PFM的传统电压转换器相关的波形。波形60说明了转换器中的电感器中的电流脉冲。注意，在所示的示例中，脉冲具有将它们彼此分开的有限时间段。假设脉冲具有相对均匀的形状，脉冲之间的时间段可以根据负载电流而变化。
波形65示出了输出或负载电流，即转换器传递到负载的电流。响应于负载电流中的阶跃变化，电感器电流的脉冲频率增加。换句话说，假设再次呈现均匀形状的电感器电流脉冲，负载电流中的变化导致电感器电流脉冲的频率增加。
如上所述，电感器交替地充电和放电，以便向负载传递电力。随着负载电流的增加，电感器电流脉冲的频率增加，以满足负载对更大电流的需求，表示为波形65中的阶跃变化。注意，峰值电感器电流iPK随脉冲频率的改变而恒定。
峰值电感器电流影响转换器的各种特性。更具体地，转换器的操作频率与峰值电感器电流的平方成反比。因此，驱动转换器中所使用的开关所消耗的功率量取决于峰值电感器电流的值。由于相对较高的脉冲频率，太小的峰值电感器电流的值会导致相对较低的转换效率(以补偿相对较低的峰值电感器电流，这确定了传递到负载的电流量)。
峰值电感器电流还影响转换器开关中的电阻损耗。更具体地，电阻损耗与峰值电感器电流的平方成比例。因此，峰值电感器电流的过大值也导致相对低的转换效率。
此外，峰值电感器电流确定当仍在调节输出电压时，转换器可以供应的最大负载-电流。在PFM-受控转换器中，转换器可传递的最大负载电流取决于转换器拓扑或操作模式。
假设粗略地估计连续电感器电流脉冲之间的最小时间为零，对于以升压模式操作的转换器，最大负载电流iloadmax由下式给出：
其中Vin和Vout分别表示转换器的输入电压(例如，向转换器提供电力的电池的电压)和输出电压(例如，传递到负载的电压)。对于在降压模式下操作的降压-升压转换器，最大负载电流由下式给出：
因此，对于在升压模式下操作的转换器，为了提供给定的最大负载-电流，峰值电感器电流值可能必须增加相对大的量(与降压操作模式相比)，转换器的输出电压和输入电压之间的比率，即Vout/Vin。
当转换器以典型配置使用并且以升压模式操作时，输入电压(例如，来自具有随时间改变的有限内部电阻的电池)可以变化相对大的量。更具体地，如果电池完全充电或是新的，则输入电压相对较高，并且取决于电池技术(以及可能的环境因素，诸如温度)，在电池完全放电之前，输入电压下降到较低值，可能是原始电压的50％。
假设固定的峰值电感器电流，输入电压中的改变影响转换器可以传递到负载的最大-负载电流。因此，在上面的示例中，随着电池接近放电状态并且输入电压降低，最大负载-电流下降相对大的量(可能下降到1/2)。
为了避免相对大的最大负载-电流变化，可以使用峰值电感器电流的相对大的值，使得即使具有输入电压的最低值，也可以供应足够的负载电流。然而，这样做会导致额外的损失和较低的效率。作为替代，可以使用可变峰值电感器电流，其响应于负载电流而改变。当负载电流增加时，这种转换器将在转变到峰值电感器电流的较高值时表现出一些延迟。在延迟期间，输出电压将下降，因为峰值电感器电流的相对较低的值仍未改变。
在各种实施例中，预期一种使用PFM和新的控制技术的DC-DC开关-模式电压转换器，该转换器使用峰值电感器电流的期望值。更具体地，在升压模式下操作的电压转换器使用峰值电感器电流的值(iPK)，该值是从转换器的输入电压(Vin)导出或者是其的函数。因此，导出峰值电感器电流的值并将其用于控制电压转换器的开关，使得实际峰值电感器电流等于(或者在实际的物理实施方式中近似或基本等于)导出的峰值电感器电流。
图2示出了根据一个示例性实施例的用于DC-DC开关-模式升压变换器的电路布置10。在所示的实施例中，电压转换器包括电感器20、开关25、开关30、控制器85和电容器35。
开关25和30在控制器85的控制下断开和闭合。在各种实施例中，开关25和30构成晶体管。在一些实施例中，开关25和30构成金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在一些实施例中，开关25和30构成双极结型晶体管(BJT)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)。如本领域普通技术人员将理解的，预期并且可以使用其他类型的开关。
为了控制开关，控制器85向开关25和35提供电流或电压控制信号(取决于所使用的晶体管的类型)。为了给电感器充电，控制器85致使开关30闭合并且致使开关25断开。结果，电流从输入源15(所示示例中的电池)流过电感器，并且逐步建立磁场。
为了向负载(未示出，但耦合到输出节点，即标记为“Vout”的节点)传递电流，控制器85致使开关30断开，并且致使开关25闭合。结果，电流通过电感器流到负载。电流对电容器35充电。电容器35降低转换器的输出纹波-电压，并且还在PFM脉冲之间和电感器充电阶段期间向负载提供电流。
为了控制开关25和30，控制器85使用PFM。此外，如上所述，控制器85使用峰值电感器电流(iPK)的电平，该电平是由转换器的输入电压(Vin)导出，或者是转换器的输入电压(Vin)的函数。
在一些实施例中，使用由下式给出的峰值电感器电流的值：在一些实施例中，使用由上面公式给出的峰值电感器电流的近似值。例如，在一些实施例中，使用由下式给出的峰值电感器电流值：换句话说，如上所描述的，使用与转换器的输入电压的倒数(inverse)成比例的峰值电感器电流来控制电压转换器中的开关。
注意，由上述方程给出的峰值电感器电流的精确值不能用于实际的物理实施方式中。如本领域普通技术人员将理解的，原因包括工艺、电压和温度(PVT)效应或变化，组件非理想性等。特别地，所提供的公式没有考虑由于开关和电感器寄生电阻引起的损耗。当考虑这些因素时，可以使用较高电平的iPK来提供iloadmax的给定值或期望值。此外，任何残留误差都应该是正的(可用的电流比在最坏的情况下所需要的电流多)。因此，在实际的实施方式中，使用由上述方程给出的值的近似值，或者实际(在实际的物理实施方式中)峰值电感器电流稍大于由上述方程给出的峰值电感器电流值。
示例包括峰值电感器电流的值，其基本上或近似等于由上述方程给出的理想值。如上所述，与上述方程规定的值的偏差解释了实际的物理实施方式中的非理想性。在设计得很好的实施方式中，比上述公式所指示的值高15-25％的iPK值可能是足够的(以确保可用的最大负载电流总是超过要求)。更保守的实施方式仍然受益于比使用固定的iPK值所获得的更高的效率电平，同时使用(对于某些电压)比前面公式所指示的高50％的iPK值。
可以应用类似的技术来有利地控制DC-DC开关模式降压-升压转换器的操作。图3示出了根据一个示例性实施例的用于开关-模式DC-DC降压-升压电压转换器的电路布置50。在所示的实施例中，电压转换器包括电感器20、开关40、开关45、开关48、开关51、控制器85和电容器35。
开关40、45、48和51在控制器85的控制下断开和闭合。在各种实施例中，开关40、45、48和51构成晶体管。在一些实施例中，开关40、45、48和51构成MOSFET。在一些实施例中，开关40、45、48和51构成BJT。如本领域普通技术人员将理解的，预期并且可以使用其他类型的开关。
类似于上面描述的升压转换器，为了控制开关，控制器85(根据所使用的晶体管的类型)向开关40、45、48和51提供电流或电压控制信号。电容器35执行上述功能。
为了控制开关40、45、48和51，控制器85使用PFM。此外，如上所述，在降压-升压转换器的升压模式中，控制器85使用峰值电感器电流(iPK)的电平，该电平是从转换器的输入电压(Vin)导出的，或者是转换器的输入电压(Vin)的函数。因此，在各种实施例中，可以使用上面结合图2的升压转换器描述的峰值电感器电流的值。
根据各种实施例(诸如上面描述的示例性实施例)的DC-DC开关-模式电压转换器，即使在电压转换器的输入电压变化或下降时，也提供改进的转换器特性，诸如固定的额定最大负载电流。此外，根据各种实施例的电压转换器在输入电压变化时提供改进的功率转换效率。另外，根据各种实施例的电压转换器在负载电流在相对短的时间段内增加时提供改进的瞬态特性。
根据各种实施例的DC-DC开关-模式转换器可以用在各种装置中。如本领域普通技术人员将理解的，示例包括系统、子系统、块、电子电路、IC、多芯片模块(MCM)、薄膜电路、厚膜电路等。
不受限制地，图4-图7提供了IC中使用的DC-DC开关-模式转换器的示例。图4示出了根据一个示例性实施例的用于包括电压转换器80的IC 75的电路布置。在各种实施例中，电压转换器80可以构成上述图2-图3中所示的电压转换器中的一个。再次参见图4，电压转换器80包括控制器85，控制器85控制开关90组。开关90可包括多个开关，诸如开关25和30(见图1)或开关40、45、48和51(见图3)，这取决于电压转换器80的拓扑结构的选择。
再次参考图4，控制器85使用上面描述的技术控制开关90。换句话说，当电压转换器80在升压模式下操作时，控制器85使用峰值电感器电流(iPK)的电平，该电平是从电压转换器80的输入电压(Vin)导出或者是电压转换器80的输入电压(Vin)的函数。
在各种实施例中，电压转换器80产生一个或更多个输出电压。在所示的示例性实施例中，电压转换器80产生输出电压Vout。输出电压Vout被提供给一个或更多个负载。在所示的示例性实施例中，电压转换器80将输出电压Vout提供给有三个负载的组，但是，如本领域普通技术人员将理解的，根据期望可以使用不同数量的负载，诸如单个负载、两个负载或多于三个负载。
再次参考图4，该负载组包括负载100A、负载100B和负载100C。在各种实施例中，负载100A可以构成(或包括)模拟电路，负载100B可以构成数字电路，并且负载100C可以构成混合信号电路。然而，如本领域普通技术人员将理解的，可以在各种实施例中使用不同的配置和/或类型的负载。例如，在一些实施例中，可以使用负载100A，并且可以不存在负载100B-100C。作为另一个示例，在一些实施例中，可以使用负载100B，同时可以不存在负载100A和100C。作为另一个示例，在一些实施例中，可以使用负载100C，并且可以不存在负载100A-100B。作为又一个示例，在一些实施例中，可以使用负载100A和100B，而可以不存在负载100C。
如上面所描述的，根据各种实施例的电压转换器包括至少一个电感器(示为电感器20)和至少一个电容器(如电容器35所示，尽管如果输出纹波电压是可容许的，则可以省略电容器35，但是对电压转换器80不用担心稳定性，和/或一个或更多个负载包括足够的电容)。预期各种配置，并且各种配置可以用于电感器20和电容器35。
在所示的实施例中，电感器20和电容器35(如果使用的话)在IC 75外部。因此，如本领域普通技术人员将理解的，电感器20和电容器35使用IC 75的耦合机制(诸如焊盘、接合线、球栅阵列等)耦合到电压转换器80。
图5示出了根据另一个示例性实施例的用于包括电压转换器80的IC 75的电路布置。IC 75类似于上述图4中所描绘的IC，除了使用IC 75的资源实现电感器20，即，电感器20位于IC 75(例如，半导体管芯)内或IC 75的封装内，或者位于IC 75(例如，半导体管芯)和IC 75的封装二者内。
更具体地，在一些实施例中，根据期望，可以使用接合线、导体迹线、可渗透材料、共同封装的分立元件或前述的组合来实现电感器20。在其他实施例中，可以根据期望以其他方式实现电感器20。如本领域普通技术人员将理解的，电感器20的实施方式的选择取决于多种因素。这些因素包括设计规范、性能规范、电感器20的各种品质因数(例如，质量因数或Q、电流处理能力、电感值)、成本、IC或器件面积、可用技术(诸如半导体制造技术)、目标市场、目标终端用户等。
图6示出了根据另一个示例性实施例的用于包括电压转换器80的IC 75的电路布置。IC 75类似于上述图4中所描绘的IC，除了使用IC 75的资源实现电感器20和电容器35，即电感器20和电容器35位于IC 75(例如，半导体管芯)内或IC 75的封装内，或者位于IC 75(例如，半导体管芯)和IC75的封装二者内。
更具体地，在一些实施例中，可以使用接合线、导体迹线、金属或其他导体平面、电介质或可渗透材料、共同封装的分立元件或者前述的组合来实现电感器20和电容器35(如果使用的话)。在其他实施例中，可以根据期望以其他方式实现电感器20和电容器35。如本领域普通技术人员将理解的，电感器20和电容器35的实施方式的选择取决于多种因素。这些因素包括设计规范、性能规范、电感器20的各种品质因数(例如，Q、电流处理能力、电感值)、电感器35的各种品质因数(例如，Q、电压处理能力、电容值)、成本、IC或器件面积、可用技术(诸如半导体制造技术)、目标市场、目标终端用户等。
图7示出了根据另一个示例性实施例的用于包括电压转换器80的IC 75的电路布置。IC 75类似于上面描述的图4中所描绘的IC，除了使用IC 75的资源实现电容器35，即，电容器35位于IC 75(例如，半导体管芯)或IC 75的封装内，或者位于IC 75(例如，半导体管芯)内和IC75的封装二者内。
更具体地，在一些实施例中，可以使用导体迹线、金属或其他导体平面、电介质或可渗透材料、共同封装的分立元件或前述的组合来实现电容器35(如果使用的话)。在其他实施例中，可以根据期望以其他方式实现电容器35。如本领域普通技术人员将理解的，电容器35的实施方式的选择取决于多种因素。这些因素包括设计规范、性能规范、电容器35的各种品质因数(例如，Q、电压处理能力、电容值)、成本、IC或器件面积、可用技术(诸如半导体制造技术)、目标市场、目标终端用户等。
参见图4-图7，在一些实施例中，一个或更多个负载100A-100C可以在IC75外部。在一些实施例中，控制器85位于IC 75内，并且与开关90、电感器20和电容器35(其中一些可以在IC 75外部)协作，向IC 75外部的一个或更多个负载提供输出电压。在一些实施例中，可以使用控制器IC，即，控制器85位于IC 75内，但是，开关90、电感器20、电容器35和负载100A-100C在IC 75外部。
本公开的一个方面涉及控制器85的实施方式。一般而言，如本领域普通技术人员将理解的，实施控制器85的各种方式是可能的并且是可以预期的。不受限制地，图8-图9提供了一些示例。
图8是根据一个示例性实施例的包括用于电压转换器的控制器85的电路布置。在所示的实施例中，主要使用数字电路(或混合信号电路)实施控制器85。然而，如本领域普通技术人员将理解的，所示的电路布置仅仅是示例性的，并且实施控制器85的其他方式是可能的并且是被预期的。
再次参考图8，输入电压Vin被提供给模数转换器(ADC)115。ADC 115将输入电压转换为数字值，并将数字值提供给滤波器125。滤波器125将输入电压的滤波表示提供给除法器130。
寄存器120保存希望的输出电压Vout乘以期望的最大负载电流Iloadmax的表示。因为Vout和Iloadmax二者在控制器85的操作之前是已知的，在一些实施例中，可以基于例如存储在制造测试期间编程的OTP(一次性可编程)存储器中的信息来加载寄存器120，或者在控制器85的启用或操作之前，从外部器件(例如，微控制器单元(MCU))加载寄存器120。通常，计算将要加载到包含控制器85的IC上的硬件或软件中的寄存器120中的乘积将是低效的。
除法器130将其“X”输入处的值除以其“Y”输入处的值。因此，除法器130将输出电压和峰值电感器电流的乘积除以输入电压，并将结果提供给寄存器135。寄存器135，称为“iPK寄存器”，保存除法器130的输出值，即峰值电感器电流的期望值的数字表示。
电流模式数模转换器(DAC)140将寄存器135中保存的值转换为模拟信号，并将模拟信号提供给比较器145的非反相输入。电感器20和电压转换器中的开关中的一个(例如，图2-图3中的开关中的一个，通常标记为开关110)之间的节点处的电压驱动比较器145的反相输入。
开关110A是开关110的复制，在开关110接通(即导通)的那些周期期间，将比较器145的非反相输入耦合到地。换句话说，开关110A由与驱动开关110的相同控制信号驱动。比较器145的输出145A提供峰值电感器电流的实际值是否已达到峰值电感器电流的期望值的指示。在比较器145的输出145A处的信号用于驱动电压转换器中的开关(见图2-图3，以用于描绘通用电压转换器电路中的开关)。注意DAC 140、比较器145、开关110和开关110A的特定布置仅说明了一种使用所期望峰值电流的数字表示的方案，以提供已达到峰值电流的指示。如本领域普通技术人员将理解的，其他实施功能的方式是预期的并且是可能的。
在各种实施例中，ADC 115和滤波器125的操作的周期可以是固定的，或者可以基于划分(divide)电压转换器的脉冲速率。在一些应用中，负载电流在相对高的占空比下接近零(或相对较小)，使得提供负载电流的电压转换器的实际操作以相对低的占空比发生(即，负载周期性地(而不是连续地)汲取其(大部分)电流)。
通过基于在划分的脉冲速率上的ADC 115和滤波器125的操作的周期性，ADC 115的大部分操作在相对高的负载电流周期期间发生。给定提供输入电压Vin的源的典型非零内部电阻或阻抗，ADC 115和滤波器125的操作的这种布置允许在负载电流相对较高时(当输入电压已经因电流汲取而降低时)捕获输入电压的值。换句话说，当负载主动从电压转换器的输出汲取电流时，使用更典型的输入电压值。
注意，控制器85中的一些电路(诸如ADC 115)并不是一直都在使用，并且因此可以与当前的其他电路共享，诸如当在IC上实施转换器80时(见，例如，图4-图7和图10)。电路的共享可以允许更小的芯片面积和更低的成本。
图9示出了根据另一个示例性实施例的包括用于电压转换器的控制器85的电路布置。在所示的实施例中，控制器85主要使用模拟电路实施。然而，如本领域普通技术人员将理解的，所示的电路布置仅仅是示例性的，以及实施控制器85的其他方式是可能的并且是预期的。
控制器85包括两个偏置电流源：Vref/R(标记为175)，其中Vref表示参考电压，R表示电阻值；以及Vin/R(标记为180)。偏置电流源175提供电流i1和i2作为输出信号，输出信号是基于对应的电阻器两端的相应电压降产生的电流。偏置电流源180提供电流i3作为输出信号。
控制器85包括电流域乘法器，其包括BJT 190、BJT 195、BJT 200和BJT 205。本领域普通技术人员理解电流域乘法器的操作。电流域乘法器的输出由下式给出：
它被提供给运算放大器(op-amp)185的反相输入。BJT 205的发射极电压驱动op-amp 185的非反相输入。
op-amp 185的输出驱动MOSFET 210的栅极。假设op-amp 185的输入电流可忽略不计，则流入MOSFET 210的电流与BJT 205的发射极电流相同。凭借围绕op-amp 185的负反馈环路，op-amp 185驱动MOSFET 210的栅极，使得由MOSFET 210生成的输出电流是换句话说，输出电流与输入电压Vin的倒数成比例。
MOSFET 215使用可调节的缩放因子镜像在MOSFET 210中流动的电流。更具体地，MOSFET 215中的电流是在MOSFET 210中流动的电流的可调节的缩放版本。因此，MOSFET215允许编程iPK乘以Vout。总之，MOSFET 215中的输出电流是输入电压Vin的函数或者从输入电压Vin导出。可调节的缩放因子可以以多种方式实施，例如，通过改变MOSFET 215的有效宽长比(W/L)(例如，通过使用并联耦合的较小的MOSFET组并且驱动MOSFET组中的所选择的MOSFET以实现所期望的W/L比)。
图9中的电路布置还包括比较器145、开关110、复制开关110A和电感器20。这些组件类似地操作，并执行与上述图8中的对应的组件类似的功能。
如上所述，根据各种实施例的DC-DC开关模式转换器可以用在各种电路、块、子系统和/或系统中。例如，在一些实施例中，一个或更多个DC-DC开关模式转换器可以集成在MCU中。图10示出了用于这种示例性实施例的电路布置。
MCU 550包括一个或更多个DC-DC开关模式转换器80(如上面所描述的)。(一个或更多个)DC-DC开关模式转换器80向MCU 550中的一个或更多个块或电路或子系统提供电力。在一些实施例中，(一个或更多个)DC-DC开关模式转换器80可替代地或另外地向在MCU550外部的一个或更多个电路、系统、块、子系统等提供电力，例如，通过使用MCU 550的一个或更多个封装引脚或焊盘。
MCU 550包括多个块(例如，(一个或更多个)处理器565、数据转换器605、I/O电路585等)，该多个块使用链路560彼此通信。在示例性实施例中，链路560可以构成耦合机制，诸如用于通信信息(诸如数据、命令、状态信息等)的总线、导体或半导体元件(例如，迹线、器件等)组。
MCU 550可以包括耦合到一个或更多个处理器565、时钟电路575和电源管理电路或电源管理单元(PMU)580的链路560。在一些实施例中，(一个或更多个)处理器565可以包括用于提供信息处理(或数据处理或计算)功能的电路或块，诸如中央处理单元(CPU)、算术逻辑单元(ALU)等。在一些实施例中，另外地或作为替代，(一个或更多个)处理器565可以包括一个或更多个DSP。根据期望，DSP可以提供各种信号处理功能，诸如算术功能、滤波、延迟块等。
时钟电路575可以生成一个或更多个时钟信号，该信号促进或控制MCU 550中的一个或更多个块的操作的时序。时钟电路575还可以根据期望控制使用链路560的操作的时序。在一些实施例中，时钟电路575可以经由链路560向MCU 550中的其他块提供一个或更多个时钟信号。
在一些实施例中，相对于电路的一部分或电路的所有组件(诸如MCU 550中的一个或更多个块)，PMU 580可以减少装置(例如，MCU 550)的时钟速度、关闭时钟、降低功率、关闭电源、禁用(或断电或置于较低的功耗或睡眠或不活动或空闲状态中)、启用(或加电或置于较高功耗或正常或激活状态中)或前述任何组合。此外，响应于从非活动状态到活动状态的转换(包括但不限于，当(一个或更多个)处理器565从低功率或空闲或睡眠状态到正常操作状态进行转换时)，PMU 580可以开启时钟、增加时钟速率、开启电源、增加功率，或前述任何组合。
另外，在一些实施例中，PMU 580可以包括用于控制转换器80的控制功能和/或电路。在一些实施例中，PMU 580可以包括用于控制转换器80的一些控制功能和/或电路。在一些实施例中，转换器80可以包括用于控制转换器80的控制功能和/电路。类似的考虑应用于控制电路570(例如，控制电路570可以包括用于控制转换器80的控制功能和/或电路的一些或全部等)。在一些实施例中，例如，当使用如图8中所示的控制器85的实施方式时，MCU 550中的一个或更多个块或电路(诸如ADC 605A和DAC 605B)可以用作用于控制转换器80的控制器85的一部分(未明确示出)。
再次参见图10，链路560可以通过串行接口595耦合到一个或更多个电路600。通过串行接口595，耦合到链路560的一个或更多个电路或块可以与电路600通信，该一个或更多个电路或块可以位于IC550之外。如本领域普通技术人员将理解的，电路600可以使用一个或更多个串行协议(例如，SMBUS、I2C、SPI等)通信。
链路560可以通过I/O电路585耦合到一个或更多个外围设备590。通过I/O电路585，一个或更多个外围设备590可以耦合到链路560，并且因此，可以与耦合到链路560的一个或更多个块(例如，(一个或更多个)处理器565、存储器电路625等)通信。
在示例性实施例中，外围设备590可以包括各种电路、块等。示例包括I/O器件(小键盘、键盘、扬声器、显示器件、存储器件、定时器、传感器等)。注意，在一些实施例中，一些外围设备590可以在MCU 550外部。示例包括小键盘、扬声器等。
在一些实施例中，关于一些外围设备，I/O电路585可以是旁路的。在这样的实施例中，一些外围设备590在不使用I/O电路585的情况下，可以耦合到链路560并与链路560通信。在一些实施例中，这些外围设备可以在MCU 550外部，如上面所描述的。
链路560可以经由(一个或更多个)数据转换器605耦合到模拟电路620。(一个或更多个)数据转换器605可以包括一个或更多个ADC 605A和/或一个或更多个DAC 605B。
(一个或更多个)ADC 605A从模拟电路620接收(一个或更多个)模拟信号，并将(一个或更多个)模拟信号转换为数字格式，并以数字格式与耦合到链路560的一个或更多个块通信。相反，(一个或更多个)DAC 605B从耦合到链路560的一个或更多个块接收(一个或更多个)数字信号，并将(一个或更多个)数字信号转换为模拟格式，并以模拟格式与模拟电路620通信。
模拟电路620可以包括提供和/或接收模拟信号的各种各样的电路。如本领域普通技术人员将理解的，示例包括传感器、换能器等。在一些实施例中，模拟电路620可以根据期望与MCU 550外部的电路通信以形成更复杂的系统、子系统、控制块或系统、反馈系统和信息处理块。
控制电路570耦合到链路560。因此，控制电路570可以通过提供控制信息或信号来与耦合到链路560的各种块通信和/或控制耦合到链路560的各种块的操作。在一些实施例中，控制电路570还从耦合到链路560的各种块接收状态信息或信号。另外，在一些实施例中，控制电路570促进(或控制或监督)耦合到链路560的各种块之间的通信或协作。
在一些实施例中，控制电路570可以发起或响应于复位操作或信号。如本领域普通技术人员将理解的，复位操作可以致使耦合到MCU 550的链路560的一个或更多个块的复位等。例如，控制电路570可以致使PMU 580和诸如(一个或更多个)DC-DC开关模式转换器80的电路假设为已知状态(例如，提供具有期望值的一个或更多个电压)。
在示例性实施例中，控制电路570可包括各种类型和电路块。在一些实施例中，控制电路570可以包括逻辑电路、有限状态机(FSM)或执行诸如上面所描述的操作的其他电路。
通信电路640耦合到链路560并且还耦合到MCU 550外部的电路或块(未示出)。通过通信电路640，耦合到链路560的各种块(或通常是MCU 550)可以经由一个或更多个通信协议与外部电路或者块(未示出)通信。通信的示例包括USB、以太网等。在示例性实施例中，如本领域普通技术人员将理解的，取决于诸如给定应用的设计或性能规范的因素，可以使用其他通信协议。
如上所述，存储器电路625耦合到链路560。相应地，存储器电路625可以与耦合到链路560的一个或更多个块通信，诸如(一个或更多个)处理器565、控制电路570、I/O电路585等。
如本领域普通技术人员将理解的，存储器电路625针对MCU550中的各种信息或数据提供存储，诸如操作数、标志、数据、指令等。存储器电路625可根据期望支持各种协议，诸如双倍数据速率(DDR)、DDR2、DDR3、DDR4等。
在一些实施例中，由存储器电路625进行的存储器读取和/或写入操作涉及使用MCU 550中的一个或更多个块，诸如(一个或更多个)处理器565。在某些情况下，直接存储器存取(DMA)布置(未示出)允许在一些情况下的提高的存储器操作的性能。更具体地，DMA(未示出)提供用于直接在数据的源或目的地与存储器电路625之间执行存储器读取和写入操作的机制，而不是通过诸如(一个或更多个)处理器565的块。
存储器电路625可包括各种存储器电路或块。在所示实施例中，存储器电路625包括非易失性(NV)存储器635、另外或替代地，存储器电路625可以包括易失性存储器(未示出)，诸如随机存取存储器(RAM)。NV存储器635可以用于存储与MCU 550中的一个或更多个块的性能、控制或配置有关的信息。例如，NV存储器635可以存储与(一个或更多个)DC-DC开关模式转换器80有关的配置信息。
注意，在所示的示例性实施例中，电感器20和电容器35(如果使用的话)在MCU 550外部(类似于图4中所示的布置)。如本领域普通技术人员将理解的，其他实施例是可能的并且是预期的。如上面结合图5-图7所描述的，示例包括MCU，其中使用MCU 550的资源来实现电感器20和电容器35中的一个或两个。
可以以各种方式并使用各种电路元件或块实施上面所描述的并且在示例性实施例中所使用各种电路和块。例如，通常可以使用数字电路、模拟电路或混合信号电路(数字和模拟电路的混合)实施各种开关(25、30、40、45、48、51、110和、110A)、控制器85、ADC 115、滤波器125、寄存器120、除法器130、寄存器135、DAC 140、比较器145、偏置电流源175、偏置电流源180、op-amp 185和MCU 550中的各种块(见图10)。并且如本领域普通技术人员将理解的，数字电路可以根据期望包括电路元件或诸如门、数字多路复用器(MUX)、锁存器、触发器、寄存器、有限状态机(FSM)、处理器、可编程逻辑(例如，现场可编程门阵列(FPGA)或其他类型的可编程逻辑)、算术逻辑单元(ALU)、标准单元、定制单元等的块。另外，可以根据期望包括模拟电路或混合信号电路或二者，例如，功率转换器、分立器件(晶体管、电容器、电阻器、电感器、二极管等)等。并且如本领域普通技术人员将理解的，模拟电路可以包括偏置电路、解耦电路、耦合电路、电源电路、电流镜、电流源和/或电压源、滤波器、放大器、转换器、信号处理电路(例如，乘法器)、检测器、换能器、分立组件(晶体管、二极管、电阻器、电容器、电感器)、模拟MUX等。如本领域普通技术人员将理解的，用于给定实施方式的电路的选择取决于各种因素。这些因素包括设计规范、性能规范、成本、IC或器件面积、可用技术(诸如半导体制造技术)、目标市场、目标终端用户等。
参考附图，本领域普通技术人员将注意到，所示的各种块可能主要描绘概念性功能和信号流。实际的电路实施方式可能包含或可能不包含用于各种功能块的可单独识别的硬件，并且可能使用或可能不使用所示的特定电路。例如，可以根据期望将各种块的功能组合成一个电路块。此外，可以根据期望将单个块的功能实现在若干电路块中。电路实施方式的选择取决于各种因素，诸如给定实施方式的特定设计和性能规范。除了本公开中的实施例之外的其他修改和替代实施例对于本领域普通技术人员将是明显的。相应地，本公开教导了本领域技术人员根据示例性实施例实现所公开的概念的方式，并且仅被解释为说明性的。如本领域普通技术人员将理解的，在适用的情况下，附图可能会或可能不按比例绘制。
所示出和描述的特定形式和实施例仅构成示例性实施例。在不脱离本公开的范围的情况下，本领域技术人员可以对部件的形状、尺寸和布置进行各种改变。例如，本领域技术人员可以针对所说明的和所描述的元件而替换等效元件。此外，在不脱离本公开的范围的情况下，本领域技术人员可独立于其他特征的使用而使用所公开概念的某些特征。

Claims (20)

1.一种装置，其包括：
电压转换器，其用于将输入电压转换为输出电压，所述电压转换器包括：
电感器；以及
控制器，其使用从所述电压转换器的所述输入电压导出的峰值电感器电流来控制流过所述电感器的电流。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器控制所述电压转换器中的开关组，以控制流过所述电感器的电流。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述控制器使用脉冲频率调制即PFM控制所述电压转换器中的所述开关组。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述控制器通过在每个PFM脉冲期间将所述电感器充电到所述峰值电感器电流来控制流过所述电感器的电流。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，从所述电压转换器的所述输入电压导出的所述峰值电感器电流包括所述电压转换器的所述输入电压的倒数。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电压转换器包括升压电压转换器。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电压转换器包括降压-升压电压转换器。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器包括：
模数转换器即ADC，其用于将所述电压转换器的所述输入电压转换为第一数字值；
除法器，其用于将数字值除以所述第一数字值的滤波版本；
数模转换器即DAC，其用于将所述除法器的输出转换为模拟信号；以及
比较器，其经耦合以接收所述模拟信号并指示流过所述电感器的电流何时已经达到所述峰值电感器电流。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器包括：
偏置电流源对，其用于提供电流信号组；
电流域乘法器，其用于从所述电流信号组中导出输出值；
运算放大器，其耦合在反馈环路中，以提供从所述电流域乘法器的输出值导出的输出信号；以及
比较器，其经耦合以接收所述运算放大器的所述输出信号，并指示流过所述电感器的电流何时已经达到所述电流域乘法器的所述输出处的电流的预选择的倍数。
10.一种集成电路即IC，其包括：
电压转换器，其以升压模式操作，以将输入电压转换为高于所述输入电压的输出电压，所述电压转换器包括：
电感器，其耦合到开关组；以及
控制器，其用于使用脉冲频率调制即PFM控制所述开关组，使得峰值电感器电流基本上等于从所述电压转换器的所述输入电压导出的值。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，在每个PFM脉冲期间将所述电感器充电到从所述电压转换器的所述输入电压导出的值。
12.根据权利要求10所述的装置，其中，从所述电压转换器的所述输入电压导出的所述值等于所述电压转换器的所述输入电压的倒数。
13.根据权利要求10所述的装置，其中，所述电压转换器包括升压转换器或降压-升压转换器。
14.根据权利要求10所述的装置，其中，所述IC包括微控制器单元即MCU。
15.一种操作电压转换器的方法，所述方法包括：
从所述电压转换器的输入电压导出峰值电流值；以及
控制所述电压转换器中的开关组，以将所述电压转换器中的电感器重复充电到导出的峰值电流值。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，控制所述电压转换器中的所述开关组包括使用脉冲频率调制即PFM。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，控制所述电压转换器中的所述开关组以将所述电压转换器中的所述电感器重复充电到所述导出的峰值电流值包括在每个PFM脉冲期间将所述电感器充电到所述峰值电感器电流。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述导出的峰值电流值包括所述电压转换器的所述输入电压的倒数。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述电压转换器以升压模式操作。
20.根据权利要求15所述的方法，其中，所述电压转换器包括升压转换器或降压-升压转换器。
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