CN110865227A - 降压模式谷值电流感测复制线性化 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了降压模式谷值电流感测复制线性化。用于DC/DC升压转换器(100)的电流测量线性化电路(105)包括背栅感测晶体管(Mbg,sense)和背栅复位晶体管(Mbg，复位)。背栅感测晶体管具有耦合到高侧功率晶体管(MP0)的第一体接触(BG_MP0)的第一端子(漏极)和耦合到谷值电流检测电路110中的第一复制晶体管(MP1)的第二体接触(BG_MP1)的第二端子(源极)。背栅复位晶体管具有耦合到最大参考电压(Vmax)的第一端子(源极)和耦合到第二体接触的第二端子(漏极)，该最大参考电压等于输入电压(Vin)和输出电压(Vout)中的较大者。

Description

降压模式谷值电流感测复制线性化
35 U.S.C.§119(e)&37 C.F.R.§1.78的优先权
该非临时申请基于以下在先美国临时专利申请要求优先权：(i) “Down-ModeValley-Current-Sense Replica Linearization(降压模式谷值电流感 测复制线性化)”，以Stefan Dietrich和Joerg Kirchner的名义，2018年8月23 日提交的，申请号：62/723,803，其全部通过参考并入本文。
技术领域
所公开的实施例总体上涉及电源电路领域。更具体地，并且不作为任何 限制，本公开涉及降压模式谷值电流感测复制线性化。
发明内容
所公开的实施例提供了用于在降压模式(down-mode)操作中的谷值电流 控制的升压转换器的电流测量线性化电路。在降压模式期间，电流测量线性 化电路将复制晶体管(replica transistor)的背栅与开关节点和感测节点之间的 电容耦合隔离，并允许复位复制电压。电流测量线性化电路可以在降压模式 下提供更高的电流感测精度，这可以将升压模式增加到降压模式线路转换性 能。
在一个方面，公开了用于DC/DC升压转换器的电流测量线性化电路的实 施例。电流测量线性化电路包括背栅感测晶体管，其具有耦合到高侧功率晶 体管(high-sidepower transistor)的第一体接触的第一端子和耦合到谷值电流 感测电路中的第一复制晶体管的第二体接触的第二端子电路；以及背栅复位 晶体管，其具有耦合到最大参考电压的第一端子和耦合到第二体接触的第二 端子，该最大参考电压等于输入电压和输出电压中的较大者。
在另一方面，公开了在集成电路(IC)芯片上实施的DC/DC升压转换器 的一个实施例。DC/DC升压转换器包括：低侧功率晶体管(low-side power transistor)，其与第一引脚和第二引脚之间的高侧功率晶体管串联耦合，低侧 功率晶体管和高侧功率晶体管之间的开关节点耦合到第三引脚；背栅断开晶 体管，其耦合在高侧功率晶体管的第一体接触和第二引脚之间；谷值电流感 测电路，其包括第一复制晶体管和第二复制晶体管，第一复制晶体管与开关 节点和较低轨(lower rail)之间的第一电流吸收器串联耦合，第一复制晶体管 和第一电流吸收器之间的节点经耦合以向比较器的反相输入端提供复制电 压，第二复制晶体管与最大参考电压和较低轨之间的第二电流吸收器串联耦 合，第二复制晶体管和第二电流吸收器之间的节点经耦合以在比较器的非反 相输入上提供比较电压；以及电流测量线性化电路，其包括背栅感测晶体管 和背栅复位晶体管，背栅感测晶体管耦合在第一体接触和第一复制晶体管的 第二体接触之间，背栅复位晶体管耦合在第二体接触和最大参考电压之间。
在另一方面，公开了一种操作DC/DC升压转换器的方法的一个实施例。 该方法包括提供在集成电路芯片中实施的DC/DC升压转换器，该DC/DC升 压转换器包括作为P型金属氧化物硅(PMOS)晶体管的高侧功率晶体管， DC/DC升压转换器经耦合以利用谷值电流控制来提供输出电压；将第一引脚 耦合到接地平面；将第二引脚耦合到输出电容器和负载；以及通过电感器将 第三引脚耦合到输入电压，从而将电感器耦合到高侧功率晶体管和第一复制 晶体管；其中DC/DC升压转换器在升压模式期间经耦合以将高侧功率晶体管 的第一体接触和第一复制晶体管的第二体接触连接在一起并且在降压模式期 间进一步经耦合在低侧功率晶体管截止时，将第一体接触和第二体接触连接 在一起，并且在降压模式期间在低侧功率晶体管导通时，断开第一体接触和 第二体接触，并且将第二体接触耦合到最大参考电压，该最大参考电压等于 输入电压和输出电压中较大的一个。
附图说明
在附图中，通过示例而非限制的方式说明了本公开的实施例，在附图中， 相同的附图标记表示类似的元件。应当注意，本公开中对“一”或“一个” 实施例的不同参考不一定是指相同实施例，并且这种参考可以表示至少一个。 此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，提出本领域技术人员的 知识是结合其他实施例实现这种特征、结构或特性，无论是或未明确描述。 如本文所使用的，术语“耦合”意为表示间接或直接电连接，除非限定为“可 通信地耦合”，其可以包括无线连接。因此，如果第一设备耦合到第二设备， 则该连接可以通过直接电连接，或通过经由其他设备和连接的间接电连接。
附图并入说明书中并形成说明书的一部分，以说明本公开的一个或更多 个示例性实施例。从结合所附权利要求并参考附图的以下详细描述，将理解 本公开的各种优点和特征，其中：
图1描绘了根据本公开的一个实施例的DC/DC升压转换器的示例；
图2A描绘了根据本公开的一个实施例的在升压模式期间图1的DC/DC 升压转换器上的各种电压和电流值；
图2B描绘了根据本公开的一个实施例的在降压模式期间图1的DC/DC 升压转换器上的各种电压和电流值；
图3描绘了根据本公开的一个实施例的操作在IC芯片上实施的DC/DC 升压转换器的方法的流程图；
图3A提供了图3中操作在IC芯片上实施的DC/DC升压转换器的方法的 进一步阐明和继续；
图4描绘了根据现有技术的具有谷值电流感测的示例DC/DC升压转换 器；
图5A描绘了在升压模式期间图4的DC/DC升压转换器上的各个电压和 电流值；以及
图5B描绘了在降压模式期间，图4的DC/DC升压转换器上的各个电压 和电流值，以及本公开所解决的潜在问题。
具体实施方式
现在将参考附图详细描述本发明的特定实施例。在本发明实施例的以下 详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的更透彻的理解。然而， 对于本领域普通技术人员明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践 本发明。在其他情况下，没有详细描述众所周知的特征以避免使描述不必要 地复杂化。
以非常大的占空比操作的现代升压转换器可以支持两种操作模式。当输 出电压Vout大于输入电压Vin时，在稳态操作期间发生升压模式(Boost-mode) 操作。降压模式(Down-mode)操作的发生频率较低，但在启动期间或输出 电压Vout小于输入电压Vin的特殊稳态应用中使用。
图4描绘了具有位于接地节点402和输出节点404之间的低侧功率晶体 管MN0和高侧功率晶体管MP0的DC/DC升压转换器400，低侧功率晶体管 MN0是N型金属氧化物硅(NMOS)晶体管，与高侧功率晶体管MP0串联 耦合，高侧功率晶体管MP0为P型金属氧化物硅(PMOS)晶体管。接地节 点402耦合到较低轨，例如接地平面，并且输出节点404经耦合以提供输出电压Vout。输入电压Vin耦合到电感器L，电感器L还耦合到位于低侧功率 晶体管MN0和高侧功率晶体管MP0之间的开关节点SW。电容器C通常是 外部电容器，电阻器Rload表示DC/DC升压转换器400上的负载。
还示出了背栅断开晶体管Mbg，其耦合在高侧功率晶体管MP0的背栅(也 称为体接触)和提供输出电压Vout的输出节点404之间。背栅断开晶体管 Mbg的体接触也耦合到高侧功率晶体管MP0的体接触。电路410被设计为测 量通过高侧功率晶体管MP0的谷值电流，并且包括第一复制晶体管MP1、第 二复制晶体管MP2、比较器412、吸收误差放大器控制电流Ictrl的第一电流 吸收器CS1以及吸收恒定的参考电流Iccm的第二电流吸收器CS2。第一复制 晶体管MP1在开关节点SW和较低轨之间与第一电流吸收器CS1串联耦合， 其中从第一复制晶体管MP1和第一电流吸收器CS1之间的点获取的复制电压 N1被提供给比较器412的非反相输入。类似地，第二复制晶体管MP2在最 大参考电压Vmax和较低轨之间与第二电流吸收器CS2串联耦合，从第二复 制晶体管MP2和第二电流吸收器CS2之间的点获取的比较电压N2被提供给 比较器412的非反相输入。
第一复制晶体管MP1是高侧功率晶体管MP0的小得多的版本。在一个实 施例中，高侧功率晶体管MP0是非常大的开关，并且第一复制晶体管MP1 是其的一万分之一，因此第一复制晶体管MP1的栅极两端的电阻是高侧功率 晶体管MP0的一万倍。控制第一电流吸收器CS1，使得电流I乘以高功率晶 体管MP0的漏/源导通电阻Rds,on等于电流乘以复制晶体管MP1的漏/源导通 电阻，即，
IMP0×Rds,on,MP0＝lMP1×Rds,on,MP1 方程1
该关系设置复制电压N1的值，该值可用于确定通过高侧功率晶体管MP0的 电流。
当DC/DC升压转换器400在升压模式下操作时，低侧功率晶体管MN0 和高侧功率晶体管MP0以相反的相位导通和截止，其占空比基于输入电压Vin 和输出电压Vout而确定。当实施谷值电流控制时，电路410感测高侧晶体管 电流并将高侧晶体管电流与参考电流进行比较。一旦感测的谷值电流等于参 考电流，则高侧功率晶体管MP0截止，低侧功率晶体管MN0导通。低侧功 率晶体管MN0保持导通，直到时钟信号(例如，在恒定频率系统中)或定时器(例如，在恒定导通时间系统中)提供触发以再次使低侧截止和高侧导通。
在升压模式期间，低侧功率晶体管MN0和高侧功率晶体管MP0在导通 时以线性模式驱动以用作开关。然而，当DC/DC升压转换器400在降压模式 下操作时，高侧功率晶体管MP0在导通时不能以线性模式操作，因为输出电 压Vout小于输入电压Vin。这意味着在放电阶段，即当高侧功率晶体管MP0 导通时，电感器L两端的电压仍为正，并且电感器电流增加。
为了允许在降压模式下的电感器电流调节，高侧功率晶体管MP0被置于 特殊操作模式，其中高侧功率晶体管MP0的栅极连接到输入电压Vin并且体 接触BG_PMOS是从输出节点404断开，因此与输出电压Vout断开。从输出 节点404断开体接触BG_PMOS是必要的，以避免背栅电流流动。因为输出 电压Vout不是降压模式下存在的最高电位，所以在开关节点SW处连接输入 电压Vin将导致背栅电流流过高侧功率晶体管MP0，使得高侧功率晶体管MP0不再提供隔离。背栅断开晶体管Mbg截止以将高侧功率晶体管MP0的体接触 BG_PMOS+与输出电压Vout断开。
为了在降压模式下将体接触BG_PMOS与输出电压Vout断开，背栅断开 晶体管Mbg的栅极连结到输入电压Vin。当体接触BG_PMOS与输出节点404 断开并且高侧功率晶体管MP0的栅极连接到输入电压Vin时，高侧功率晶体 管MP0用作无源二极管而不是开关。
当电流从开关节点SW流到输出节点404时，开关节点电压Vsw将增加 到高于输入电压Vin的VThigh-side的值，其中VThigh-side是高侧功率晶体 管MP0的阈值电压，此时高侧功率晶体管MP0开始传导电流。为了在输出电 压Vout大于输入电压Vin的升压模式和输出电压Vout小于输入电压Vin的降 压模式之间进行没有干扰地无缝过渡，需要一个能处理这两种模式的电流感 测电路。
电路410是在升压模式和降压模式下操作的典型的基于复制晶体管的谷 值电流控制感测电路。当高侧功率晶体管MP0两端的电流从开关节点SW流 到输出节点404时，电流生成与各自的漏极/源极导通电阻Rds,on乘以负载电 流成比例的电压降。利用连接到开关节点SW的第一复制开关MP1和误差放 大器控制电流Ictrl，第一复制晶体管MP1两端的电压降与高侧功率晶体管 MP0两端的电压降除以复制因子相匹配，并产生复制电压N1。一旦复制电压 N1的值下降到低于比较电压N2，则高侧功率晶体管MP0两端的电流下降到 低于所需的谷值电流，并且比较器412在谷值电流比较信号VAL_COMP上提 供高值，其导通低侧功率晶体管MN0。
为了能够感测负谷值电流，第二复制晶体管MP2用于生成与恒定参考电 流Iccm组合的偏移电压。第二复制晶体管MP2耦合到最大参考电压Vmax， 该最大参考电压Vmax是输出电压Vout和输入电压Vin的较高电压。在升压 模式下，最大参考电压Vmax等于输出电压Vout，而在下降模式下，最大参 考电压Vmax等于输入电压Vin。第二复制晶体管MP2的恒定参考电流Iccm 和漏极/源极导通电阻Rds,on生成比较电压N2，其通常被设置为与高侧功率晶体管MP0两端的零负载电流匹配。如果误差放大器控制电流Ictrl大于恒定 参考电流Iccm，则DC/DC升压转换器400调节到高侧功率晶体管MP0两端 的正谷值电流。对于小于恒定参考电流Iccm的误差放大器控制电流Ictrl， DC/DC升压转换器400调节到负谷值电流，并且如果误差放大器控制电流Ictrl 等于恒定参考电流Iccm，则DC/DC升压转换器400调节到零谷值电流。然而 在升压模式下，比较电压N2近似等于输出电压Vout，在降压模式下，比较电 压N2近似等于输入电压Vin，因为最大参考电压Vmax等于输入电压Vin， 其在降压模式下大于输出电压Vout。
第一复制晶体管MP1保持与高侧功率晶体管MP0相同的操作模式。相应 地，当高侧功率晶体管MP0处于升压模式时，第一复制晶体管MP1也处于升 压模式，并且当高侧功率晶体管MP0处于降压模式时，第一复制晶体管MP1 处于降压模式。结果，在降压模式操作下，第一复制晶体管MP1的体接触也 需要与输出电压Vout断开。如图4所示，第一复制晶体管MP1的体接触耦合 到高侧功率晶体管MP0的漏极和体接触二者。
图5A描绘了示出了在升压模式期间DC/DC升压转换器400的电压和电 流值多个曲线图，而图5B描绘了在降压模式期间具有相同电压和电流值的曲 线图，并且示出了在现有技术解决方案的降压模式操作期间与断开和高阻抗 体接触BG_PMOS相关的问题。曲线图500A描绘了升压模式操作期间开关节 点SW上的电压波形、体接触BG_PMOS、复制电压N1和比较电压N2。在 相同时间段期间，曲线图500B描绘了第一复制晶体管MP1两端的等于零的背栅电流IBG_MP1，并且曲线图500C描绘了高侧功率晶体管MP0和低侧功 率晶体管MN0中的每个导通的时间，导通高侧功率晶体管MP0的时钟/定时 器信号505，以及导通低侧功率晶体管MN0的谷值电流比较信号VAL_COMP 510。
当处于升压模式的高侧功率晶体管MP0在时间段TA期间导通时，曲线 图500A说明了对于高侧功率晶体管MP0两端的正负载电流，开关节点SW 上的电压大于输出电压Vout。体接触BG_PMOS连接到输出电压Vout，输出 电压Vout是电路中的最高电位，因此与最大参考电压Vmax相同。比较电压 N2是恒定的且小于输出电压Vout。复制电压N1在时间段TA中的电流测量 阶段期间下降。一旦复制电压N1等于比较电压N2，就在谷值电流比较信号 VAL_COMP 510上提供高值(曲线图500C)，其在时间段TB导通低侧功率 晶体管MN0。复制电压N1(曲线图500A)在时间段TB中被重置为约低侧 功率晶体管MN0的导通阶段期间的输出电压Vout的值，使得不会发生谷值 电流比较信号VAL_COMP 510的错误触发。在低侧功率晶体管MN0(用于恒 定时间导通转换器)或转换器时钟(用于固定频率转换器)的一定导通时间 之后，时钟/定时器信号505上的高值(曲线图500C)再次导致低侧功率晶体 管MN0截止，高侧功率晶体管MP0导通。在升压模式期间，第一复制晶体 管MP1上的背栅电流IBG_MP1(曲线图500B)保持为零。
当转换器处于降压模式时，如图5B所示，高侧功率晶体管MP0的栅极 连接到输入电压Vin，体接触BG_PMOS与输出电压Vout断开并因此浮置， 并且高侧功率晶体管MP0表现为无源二极管。然而，与第一复制晶体管MP1 共享断开的体接触BG_PMOS可能导致在降压模式期间电流感测的若干问题。 在低侧功率晶体管MN0截止之后的时间段TC期间(曲线图500F)，开关节 点SW上的电压上升到大约输入电压Vin，然后缓慢下降(曲线图500D)。体 接触BG_PMOS上的电压上升到等于输入电压Vin加上阈值电压VTbg的值， 其中VTbg是DC/DC升压转换器400的背栅断开晶体管Mbg的阈值电压。比 较电压N2具有小于输入电压Vin的恒定值并且复制电压N1初始设置为等于 开关节点SW上的电压的值，但是比开关节点SW更快地降低，直到复制电 压N1等于比较电压N2并触发谷值电流比较信号VAL_COMP 510的导通。
当在时间段TD中使能低侧功率晶体管MN0时，开关节点SW被拉至接 地，如曲线图500D所示，并且体接触BG_PMOS被拉至Vout-VTbg的值。由 于高侧功率晶体管MP0和第一复制晶体管MP1二者都连接到开关节点SW， 高阻抗体接触BG_PMOS遭受由开关节点SW引入的电容耦合。当低侧功率 晶体管MN0导通时，复制电压N1通常被复位到高于比较电压N2的电位， 如用于升压模式的曲线图500A所示。通过将第一复制晶体管MP1连接到最 大参考电压Vmax来执行该复位，其未在图4中具体示出，且其完成以防止 比较器412触发错误谷值电流比较信号VAL_COMP。然而，当体接触 BG_PMOS等于(Vout-VTbg)时，复制电压N1朝向背栅断开晶体管Mbg， 以非零静态背栅电流IBG_MP1跨越第一复制晶体管MP1的背栅放电(曲线 图500E)，然而，比较电压N2在输入电压Vin附近保持恒定，输入电压Vin 是降压模式期间的最大参考电压Vmax的值。将复制电压N1寄生放电到远低 于比较电压N2的值，其在降压模式下近似等于输入电压Vin，该寄生放电具 有若干缺点。一旦低侧功率晶体管MN0被禁用，比较器412就用于测量谷值 电流。因为复制电压N1已经寄生放电，所以比较器可以触发谷值电流比较信 号VAL_COMP 510上的错误高值(曲线图500F)，并且转换器控制可以生成 毛刺，其会再次导通低侧功率晶体管MN0。在最坏的情况下，这可能导致更 高频率的操作而不能保持稳定的操作。第二个缺点是第一复制晶体管MP1两 端的静态背栅电流IBG,MP1。
一旦在时间段TD结束时禁用低侧功率晶体管MN0，开关节点SW上的 电压浮置到值(Vin+VThigh-side)，使得高侧功率晶体管MP0开始作为无源 二极管导通。当开关节点SW增加时，体接触BG_PMOS上的电压也增加到 值(Vin+VTbg)，直到背栅断开晶体管Mbg正向偏置。体接触BG_PMOS 上的电位现在再次是最高电位，使得第一复制晶体管MP1两端的背栅电流 IBG,MP1停止，允许复制电压N1上升到正常值。
在研究了DC/DC升压转换器400中可能发生的问题之后，现在转向图1， 其提供了解决方案。图1描绘根据本发明的实施例的在集成电路芯片101中 实施的DC/DC升压转换器100的示例。在DC/DC升压转换器100中，低侧 功率晶体管MN0与第一引脚P1和第二引脚P2之间的高侧功率晶体管MP0 串联耦合。位于低侧功率晶体管MN0和高侧功率晶体管MP0之间的开关节 点SW耦合到第三引脚P3。在DC/DC升压转换器100的操作期间，第一引脚 P1耦合到较低轨，较低轨可以是接地平面；第二引脚P2耦合到电容器C的 第一节点和耦合到电阻器Rload的负载；第三引脚P3通过电感器L耦合到输 入电压。因为各种体接触之间的连接与本公开相关，所以个别的体接触分别 由它们各自的晶体管参考如下：高侧功率晶体管MP0具有第一体接触 BG_MP0，第一复制晶体管MP1具有第二体接触BG_MP1，并且背栅断开晶 体管Mbg具有第三体接触BG_Mbg。背栅断开晶体管Mbg耦合在第一体接触 BG_MP0和第二引脚之间，以便根据需要将第一体接触BG_MP0与输出电压Vout解耦。将第三体接触BG_Mbg耦合到第一体接触BG_MP0。
谷值电流感测电路110包括与开关节点SW和较低轨之间的第一电流吸 收器CS1串联耦合的第一复制晶体管MP1。第一电流吸收器CS1通过误差放 大器控制电流Ictrl。复制电压N1获取第一复制晶体管MP1和第一电流吸收 器CS1之间的点，并提供给比较器112的反相输入。第二复制晶体管MP2与 在最大参考电压Vmax和较低轨之间的第二电流吸收器CS2串联耦合。其中， 最大参考电压Vmax等于输入电压Vin和输出电压Vout中的较高值。比较电压N2获取第二复制晶体管MP2和第二电流吸收器CS2之间的点，并提供给 比较器112的非反相输入。比较器112提供谷值电流比较信号VAL_COMP， 该信号可用于启动低侧功率晶体管MN0的导通，也可以用于在高侧功率晶体 管MP0作为开关操作时，启动高侧功率晶体管MP0的截止。
已经将新的电流测量线性化电路105添加到DC/DC升压转换器100并且 包括两个新的晶体管。背栅感测晶体管Mbg,sense具有耦合到第一体接触 BG_MP0和第三体接触BG_Mbg的第一端子以及耦合到第二体接触BG_MP1 的第二端子。背栅感测晶体管Mbg,sense能够将第二体接触BG_MP1与第一 体接触BG_MP0和第三体接触BG_Mbg隔离。背栅复位晶体管Mbg,reset耦 合在最大参考电压Vmax和第二体接触BG_MP1之间。
当低侧功率晶体管MN0激活时，控制背栅感测晶体管Mbg,sense和背栅 复位晶体管Mbg,reset以将第一体接触BG_MP0和第三体接触BG-Mbg与第 二体接触BG_MP1分离。然而在降压模式期间，当低侧功率晶体管MN0被 使能时，第一体接触BG_MP0仍然浮置到(Vout-VTbg)并且当低侧功率晶体 管MN0被禁用时，第一体接触BG_MP0仍然浮置到(Vin+VTbg)，当低侧 功率晶体管MN0未激活时，第二体接触BG_MP1仅连结到第一体接触 BG_MP0，并且当低侧功率晶体管MN0激活时，第二体接触BG_MP0连结到 最大参考电压Vmax。
在低侧功率晶体管MN0的导通阶段期间，当第一体接触BG_MP0下降 到(Vout-VTbg)时，背栅复位晶体管Mbg,reset也导通以将第二体接触 BG_MP1连接到最大参考电压Vmax。在此相同时段，背栅感测晶体管Mbg, sense截止。将第二体接触BG_MP1连结到最大参考电压Vmax避免了复制电 压N1朝向第一体接触BG_MP0的任何放电，因为最大参考电压Vmax大于 复制电压N1并且第一复制晶体管MP1的体二极管不是正向偏置的。该特征 改进了图5B中所示的现有技术的采样方法，其中可能发生复制电压N1的寄 生放电。
当低侧功率晶体管MN0截止并且第一体接触BG_MP0浮置到(Vin+ VTbg)时，背栅感测晶体管Mbg,sense导通以将第二体接触BG_MP1连接到 第一体接触BG_MP0，以使高侧功率晶体管MP0和对应的复制晶体管MP1 具有相同的体电位。在电流调节阶段期间的该体连接使能准确电流调节并且 在高侧功率晶体管MP0和复制晶体管MP1之间不会失配。在此时段期间，背 栅复位晶体管Mbg,reset截止。
与DC/DC升压转换器100相关联的波形在图2A和图2B中示出，曲线 图200A、200B和200C描绘了升压模式期间的波形，曲线图200D、200E和 200F描绘了降压模式期间的波形。在升压模式期间，第一体接触BG_MP0连 接到输出电压Vout并且导通背栅感测晶体管Mbg,sense。这意味着，如曲线 图200A所示，第二体接触BG_MP1上的电压等于第一体接触BG_MP0上的 电压，使得操作与图5A中的相同。可以看出，在第一复制晶体管MP1两端 没有背栅电流IBG,MP1，如曲线图200B所示，并且时钟/定时器信号205和 谷值电流比较信号VAL_COMP210二者都与图5A类似地操作，如曲线图 200C所示。
然而，在降压模式下，背栅感测晶体管Mbg,sense用于仅在低侧功率晶 体管MN0截止的第一时间段T1期间将第二体接触BG-MP1耦合到第一体接 触BG_MP0。在低侧功率晶体管MN0导通的第二时间段T2期间，背栅复位 晶体管Mbg,reset导通并将第二体接触BG-MP1耦合到最大参考电压Vmax。 因此，背栅感测晶体管Mbg,sense和背栅复位晶体管Mbg,reset的切换在第二 体接触BG_MP1上生成更新的电压，其被分成两部分并由低侧功率晶体管MN0的开关周期控制。
第一体接触BG_MP0与第二体接触BG_MP1的连接对于使用复制电压 N1和比较电压N2的准确谷值电流感测是至关重要的。在电感器放电阶段中 的电流感测时段期间，例如，第一时间段T1和第三时间段T3，第一复制晶 体管MP1必须匹配高侧功率晶体管MP0，如曲线图200D所示，因为第一体 接触BG_MP0和第二体接触BG_MP1中的任何差异会在升压模式和降降模式 之间的转换期间产生静态误差并降低性能。
当在第二时间段T2中使能低侧功率晶体管MN0时，第一体接触BG_MP0 等于(Vout-VTbg)，并且导通背栅复位晶体管Mbg,reset以将第二体接触 BG_MP1耦合到最大参考电压Vmax。第二体接触BG_MP1上的所得电压防 止第一复制晶体管MP1和背栅断开晶体管Mbg两端寄生放电，并且意味着复 制电压N1不下降到低于比较电压N2的电位。相对于比较电压N2定义的复 制电压N1的复位避免了谷值电流比较器的错误触发，如曲线图200F所示， 并且还避免了从复制电压N1朝向背栅断开晶体管Mbg流过第一复制晶体管 MP1和背栅感测晶体管Mbg,sense的静态电流，如曲线图200E所示。一旦低 侧功率晶体管MN0截止，开关节点SW增加并且由于电容耦合，第一体接触 BG_MP0处的电压增加到(Vin+VTbg)。因为(Vin+VTbg)是依赖于工艺 和温度的，所以第二体接触BG_MP1需要跟随第一体接触BG_MP0，这是通 过背栅感测晶体管Mbg,sense耦合来实现的。
图3描绘了操作在集成电路芯片中实施的DC/DC升压转换器的方法300 的流程图。方法300开始于提供305在集成电路芯片中实施的DC/DC升压转 换器。DC/DC升压转换器包括高侧功率晶体管，该高侧功率晶体管是PMOS 晶体管并且经耦合以利用谷值电流控制来提供输出电压。该方法继续将第一 引脚耦合310到接地平面；将第二引脚耦合315到输出电容器和负载；通过 电感器将第三引脚耦合320到输入电压，其中由此电感器耦合到高侧功率晶 体管和第一复制晶体管。在升压模式期间，DC/DC升压转换器经耦合以将高 侧功率晶体管的第一体接触和第一复制晶体管的第二体接触连接在一起，并 且在低侧功率晶体管截止的降压模式期间进一步耦合，以将第一体接触和第 二体接触连接在一起。在低侧功率晶体管导通的降压模式期间，DC/DC升压 转换器经耦合以使第一体接触和第二体接触去耦，并将第二体接触耦合到与 DC/DC转换器的输入电压和输出电压的最大值相等的最大参考电压。
图3A提供了元件305的进一步阐明和继续，其提供DC/DC升压转换器 还包括提供325耦合在高侧功率晶体管和第二引脚之间的背栅断开晶体管、 耦合在背栅断开晶体管的体接触和第一复制晶体管的体接触之间的背栅感测 晶体管以及耦合在第一复位晶体管的背栅和最大参考电压之间的背栅复位晶 体管。
申请人已经公开了一种DC/DC升压转换器，其包含电流测量线性化电路， 以在升压转换器处于降压模式并且低侧晶体管激活的时间段期间将高侧功率 晶体管的第一体接触与复制晶体管的第二体接触隔离。当第二体接触与第一 体接触隔离时，第二体接触耦合到最大参考电压Vmax，其是输入电压Vin和 输出电压Vout中的较大者。电流测量线性化电路可以防止可能干扰升压转换 器的稳定操作的复制晶体管两端的背栅电流。申请人还公开了一种操作 DC/DC升压转换器的方法。可以实现降压模式中的更高电流感测精度，这可以增加升压模式和降压模式之间的转换性能。
尽管已经详细示出和描述了各种实施例，但是权利要求不限于任何特定 实施例或示例。以上详细描述均不应理解为暗示任何特定组件、元件、步骤、 动作或功能是必要的，使得它必须包括在权利要求的范围内。除非明确说明， 否则对单数元素的引用并非意为表示“一个且仅一个”，而是“一个或更多个”。 本领域普通技术人员已知的上述实施例的元件的所有结构和功能等同物通过 引用明确地并入本文，并且意为由本权利要求书涵盖。相应地，本领域技术 人员将认识到，可以在以下所附权利要求的精神和范围内以各种修改和变更 来实践本文描述的示例性实施例。

Claims (19)

1.一种用于DC/DC升压转换器的电流测量线性化电路，所述电流测量线性化电路包括：
背栅感测晶体管，其具有耦合到高侧功率晶体管的第一体接触的第一端子和耦合到谷值电流感测电路中的第一复制晶体管的第二体接触的第二端子；和
背栅复位晶体管，其具有耦合到最大参考电压的第一端子和耦合到所述第二体接触的第二端子，所述最大参考电压等于输入电压和输出电压中的较大者。
2.根据权利要求1所述的电流测量线性化电路，其中在下降模式期间，所述背栅感测晶体管经耦合以在所述低侧功率晶体管导通时截止并且在所述低侧功率晶体管截止时导通。
3.根据权利要求2所述的电流测量线性化电路，其中在所述降压模式期间，所述背栅复位晶体管经耦合以在所述低侧功率晶体管导通时导通并且在所述低侧功率晶体管截止时截止。
4.根据权利要求3所述的电流测量线性化电路，其中在升压模式期间，所述背栅感测晶体管经耦合以导通，并且所述背栅复位晶体管经耦合以截止。
5.根据权利要求4所述的电流测量线性化电路，其中所述背栅感测晶体管的所述第一端子还耦合到背栅断开晶体管的第三体接触。
6.根据权利要求5所述的电流测量线性化电路，其中所述背栅感测晶体管和背栅复位晶体管是P型金属氧化物硅晶体管即PMOS晶体管。
7.一种在集成电路芯片即IC芯片上实施的DC/DC升压转换器，所述DC/DC升压转换器包括：
低侧功率晶体管，其与第一引脚和第二引脚之间的高侧功率晶体管串联耦合，所述低侧功率晶体管和所述高侧功率晶体管之间的开关节点耦合到第三引脚；
背栅断开晶体管，其耦合在所述高侧功率晶体管的第一体接触和所述第二引脚之间；
谷值电流感测电路，其包括第一复制晶体管和第二复制晶体管，所述第一复制晶体管与所述开关节点和较低轨之间的第一电流吸收器串联耦合，所述第一复制晶体管和所述第一电流吸收器之间的节点经耦合以将复制电压提供到比较器的反相输入端，所述第二复制晶体管与最大参考电压和所述较低轨之间的第二电流吸收器串联耦合，所述第二复制晶体管和所述第二电流吸收器之间的节点经耦合以提供所述比较器的非反相输入上的比较电压；和
电流测量线性化电路，其包括耦合在所述第一复制晶体管的所述第一体接触和第二体接触之间的背栅感测晶体管和耦合在所述第二体接触和最大参考电压之间的背栅复位晶体管。
8.根据权利要求7所述的DC/DC升压转换器，其中在降压模式期间，所述背栅感测晶体管经耦合以在所述低侧功率晶体管导通时截止并且在所述低侧功率晶体管截止时导通。
9.根据权利要求8所述的DC/DC升压转换器，其中在所述降压模式期间，所述背栅复位晶体管经耦合以在所述低侧功率晶体管导通时导通并且在所述低侧功率晶体管截止时截止。
10.根据权利要求9所述的DC/DC升压转换器，其中在升压模式期间，所述背栅感测晶体管经耦合以导通，并且所述背栅复位晶体管经耦合以截止。
11.根据权利要求10所述的DC/DC升压转换器，其中所述背栅感测晶体管的第一端子还耦合到背栅断开晶体管的第三体接触。
12.根据权利要求11所述的DC/DC升压转换器，其中所述背栅断开晶体管的所述第三体接触耦合到所述高侧功率晶体管的所述第一体接触。
13.根据权利要求12所述的DC/DC升压转换器，其中所述比较器的输出经耦合以启动所述低侧功率晶体管的导通。
14.根据权利要求13所述的DC/DC升压转换器，其中所述比较器的输出还经耦合以启动所述高侧功率晶体管的截止。
15.根据权利要求12所述的DC/DC升压转换器，其中所述最大参考电压在升压模式期间等于输出电压，并且在降压模式期间等于输入电压。
16.根据权利要求12所述的DC/DC升压转换器，其中所述高侧功率晶体管、所述背栅断开晶体管、所述第一复制晶体管、所述第二复制晶体管、所述背栅感测晶体管和所述背栅复位晶体管每个都是P型金属氧化物硅晶体管。
17.一种操作DC/DC升压转换器的方法，所述方法包括：
提供在集成电路芯片中实施的所述DC/DC升压转换器，所述DC/DC升压转换器包括作为P型金属氧化物硅晶体管即PMOS晶体管的高侧功率晶体管，所述DC/DC升压转换器经耦合以利用谷值电流控制来提供输出电压；
将第一引脚耦合到接地平面；
将第二引脚耦合到输出电容器和负载；和
通过电感器将第三引脚耦合到输入电压，从而将所述电感器耦合到所述高侧功率晶体管和第一复制晶体管；
其中所述DC/DC升压转换器在升压模式期间经耦合以将所述高侧功率晶体管的第一体接触和所述第一复制晶体管的第二体接触连接在一起并且进一步经耦合以在降压模式期间当所述低侧功率晶体管截止时，将所述第一体接触和所述第二体接触连接在一起，并且在所述降压模式期间当所述低侧功率晶体管导通时，断开所述第一体接触和所述第二体接触，并且将所述第二体接触耦合到最大参考电压，所述最大参考电压等于输入电压和输出电压中较大的一个。
18.根据权利要求17所述的方法，其中提供所述DC/DC升压转换器还包括提供耦合在所述高侧功率晶体管和所述第二引脚之间的背栅断开晶体管。
19.根据权利要求18所述的方法，其中提供所述DC/DC升压转换器还包括提供背栅复位晶体管和背栅感测晶体管，所述背栅复位晶体管耦合在所述第二体接触和所述最大参考电压之间，所述背栅感测晶体管具有所述第一端子和第二端子，所述第一端子耦合到所述第一体接触和所述背栅断开晶体管的第三体接触，所述第二端子耦合到所述第二体接触。
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