CN112152455A - 控制电路及其升压-降压变换器及集成电路芯片 - Google Patents

控制电路及其升压-降压变换器及集成电路芯片 Download PDF

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CN112152455A CN202011045106.5A CN202011045106A CN112152455A CN 112152455 A CN112152455 A CN 112152455A CN 202011045106 A CN202011045106 A CN 202011045106A CN 112152455 A CN112152455 A CN 112152455A
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Abstract

公开了一种升压‑降压变换器及其控制电路及集成电路芯片。升压‑降压变换器包括耦接于输入端和第一节点之间的第一开关，耦接于第一节点和参考地之间的第二开关，耦接于第二节点和参考地之间的第三开关以及耦接于第二节点和输出端之间的第四开关。该控制电路可以工作在第一模式或第二模式，在第一模式时，升压‑降压变换器还包括第五开关，第五开关耦接于输入端和第一节点之间，控制电路提供控制信号以控制第五开关的导通和关断；当控制电路工作在第二模式时，升压‑降压变换器不包括所述第五开关。利用本发明提出的升压‑降压变换器，可以用于不同功率的应用需求，并且对于小功率应用来说电路集成度高，对于大功率应用来说散热性能好。

Description

控制电路及其升压-降压变换器及集成电路芯片
技术领域
本发明涉及电子电路，更具体地，本发明涉及升压-降压变换器及其控制电路及集成电路芯片。
背景技术
升压-降压变换器可以将输入电压转换为高于、低于或与输入电压接近的输出电压，这使得升压-降压变换器可应用于多种应用场合，例如，USB PD(Universal Serial BUSPower Delivery)充电器，USB电源等，这是因为USB PD充电器，USB电源等应用中，需要根据不同负载的不同需求，而提供不同的输出功率。对于有的应用，升压-降压变换器需要提供的输出功率较小，例如，小于45W，此时，客户希望电源芯片的集成度高；而对于有的应用，升压-降压变换器需要提供的输出功率较大，例如，大于45W，此时，电源芯片的散热会成为主要关注的问题。市场上现有针对上述不同应用的各种芯片，但这对于芯片厂商来说，必须提供不同的芯片来满足不同的需求，而对于客户来说，对于既定的芯片来说，其能够提供的功率是已定的，后续无法再进行扩展。
因此，本发明提出一种升压-降压变换器及其控制电路及集成电路芯片用于解决上述至少一个问题。
发明内容
依据本发明实施例的一个方面，提出了一种用于升压-降压变换器的控制电路。升压-降压变换器包括：耦接于输入端和第一节点之间的第一开关；耦接于第一节点和参考地之间的第二开关；耦接于第二节点和参考地之间的第三开关；以及耦接于第二节点和输出端之间的第四开关，其特征在于，控制电路选择性地工作在第一模式或第二模式，其中，当控制电路工作在第一模式时，升压-降压变换器还包括耦接于输入端和第一节点之间的第五开关，控制电路提供控制信号以控制第五开关的导通和关断；当控制电路工作在第二模式时，升压-降压变换器不包括所述第五开关。
依据本发明实施例的又一个方面，提出了一种升压-降压变换器。升压-降压变换器包括：耦接于输入端和第一节点之间的第一开关；耦接于第一节点和参考地之间的第二开关；耦接于第二节点和参考地之间的第三开关；耦接于第二节点和输出端之间的第四开关；以及控制电路，其中，控制电路选择性地工作在第一模式或第二模式，其中，当控制电路工作在第一模式时，升压-降压变换器还包括耦接于输入端和第一节点之间的第五开关，控制电路提供控制信号以控制第五开关的导通和关断；当控制电路工作在第二模式时，升压-降压变换器不包括所述第五开关。在本升压-降压变换器中，控制电路工作在第二模式。
依据本发明实施例的又一个方面，提出了一种升压-降压变换器。升压-降压变换器包括：耦接于输入端和第一节点之间的第一开关和第五开关；耦接于第一节点和参考地之间的第二开关；耦接于第二节点和参考地之间的第三开关；耦接于第二节点和输出端之间的第四开关；以及控制电路，其中，控制电路选择性地工作在第一模式或第二模式，其中，当控制电路工作在第一模式时，升压-降压变换器还包括耦接于输入端和第一节点之间的第五开关，控制电路提供控制信号以控制第五开关的导通和关断；当控制电路工作在第二模式时，升压-降压变换器不包括所述第五开关。在本升压-降压变换器中，控制电路工作在第一模式。
依据本发明实施例的又一个方面，提出了一种集成电路芯片，包括：输入引脚，接收输入电压，且耦接至第一开关的第一端；第一开关引脚，耦接至第一开关的第二端、第二开关的第一端；参考地引脚，耦接至第二开关的第二端和第三开关的第二端；第二开关引脚，耦接至第三开关的第一端和第四开关的第二端；输出引脚，提供输出电压，且耦接至第四开关的第一端；以及驱动引脚，其中，当输入引脚与第一开关引脚之间耦接与第一开关并联的第五开关时，驱动引脚用于提供控制信号至第五开关的控制端，当输入引脚与第一开关引脚之间未耦接第五开关时，驱动引脚浮空。
依据本发明实施例的又一个方面，提出了一种用于升压-降压变换器的控制电路，升压-降压变换器包括：耦接于输入端和第一节点之间的第一开关；耦接于第一节点和参考地之间的第二开关；耦接于第二节点和参考地之间的第三开关；以及耦接于第二节点和输出端之间的第四开关，其特征在于，升压-降压变换器还包括第五开关，其中，第五开关与第一开关并联耦接，且其中，升压-降压变换器选择性地工作在降压模式、升压模式或升降压模式，当升压-降压变换器工作在升压模式时，第五开关导通；当升压-降压变换器工作在降压模式或升降压模式时，第五开关关断。
利用本发明实施例提出的通过使控制电路工作在第一模式或第二模式，同一款芯片可满足不同的功率需求，而不必单独设计制作两款芯片以分别满足对散热性能要求高的大功率应用场合和对集成度要求高的小功率应用场合。这使得芯片的应用更加灵活，成本更低。
附图说明
图1示例性地示出依据本发明一实施例的用于升压-降压变换器100的控制电路101。
图2示例性地示出依据本发明一实施例的一种集成电路芯片200。
图3示出依据本发明一个实施例用于升压-降压变换器300的控制电路301。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称“元件”“连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
图1示例性地示出依据本发明一实施例的用于升压-降压变换器100的控制电路101。如图1所示，升压-降压变换器100包括：耦接于输入端IN和第一节点SW1之间的第一开关A；耦接于第一节点SW1和参考地PGND之间的第二开关B；耦接于第二节点SW2和参考地PGND之间的第三开关C；以及耦接于第二节点SW2和输出端OUT之间的第四开关D。如图1所示，升压-降压变换器100还进一步包括耦接于第一节点SW1和第二节点SW2之间的电感L。
升压-降压变换器100在输入端IN接收输入信号VIN，控制电路101提供控制信号HS1、LS1、LS2以及HS2以分别控制第一开关A、第二开关B、第三开关C和第四开关D的导通与关断，升压-降压变换器100通过第一开关A、第二开关B、第三开关C和第四开关D的导通与关断将输入信号VIN转换为输出信号VOUT以在输出端OUT提供。在一个实施例中，输入信号VIN和输出信号VOUT为电压信号。具体地，依据输入信号VIN和所需输出信号VOUT的大小，升压-降压变换器100可以工作在升压模式，以将输入信号VIN转换为比输入信号VIN更高的输出信号VOUT；或工作在降压模式，以将输入信号VIN转换为比输入信号VIN更低的输出信号VOUT；或工作在升降压模式，以将输入信号VIN转换为和输入信号VIN相接近的输出信号VOUT。当升压-降压变换器100工作在降压模式时，第三开关C常关断而第四开关D常导通，第一开关A和第二开关B轮流导通和关断；当升压-降压变换器100工作在升降压模式时，第一开关A、第二开关B、第三开关C和第四开关D均参与导通和关断；当升压-降压变换器100工作在升压模式时，第二开关B常关断而第一开关A常导通，第三开关C和第四开关D轮流导通和关断。在一个实施例中，占空比被定义为输出信号VOUT与输入信号VIN的比值，当占空比小于第一占空比阈值(例如90％)时，升压-降压变换器100工作在降压模式；当占空比大于第二占空比阈值(例如110％)时，升压-降压变换器100工作在升压模式；当占空比位于第一占空比阈值和第二占空比阈值之间时，升压-降压变换器100转换至升降压模式。
在图1所示实施例中，控制电路101选择性地工作在第一模式或第二模式。当控制电路101工作在第一模式时，升压-降压变换器100还包括第五开关E，第五开关E与第一开关A并联耦接，即第五开关E亦耦接于输入端IN和第一节点SW1之间，控制电路101提供控制信号DrA以控制第五开关E的导通与关断。当控制电路101工作在第二模式时，升压-降压变换器100不包括第五开关E。在一个实施例中，当控制电路101工作在第二模式时，控制电路101不会提供控制信号DrA。
在一个实施例中，升压-降压变换器100在输出端OUT提供输出电压VOUT和输出电流IOUT，以向负载提供负载所需的输出功率POUT。一种应用场合(大功率应用场合)是，根据负载的需求，有时需要升压-降压变换器100的输出功率POUT大于输出功率阈值，亦即，要求升压-降压变换器100所能提供的输出功率POUT的最大值大于输出功率阈值，则对于这样的大功率应用场合，控制电路101工作在第一模式，升压-降压变换器100包括第五开关E，控制电路101输出控制信号DrA以控制第五开关E的导通与关断。在一个实施例中，上述大功率应用场合包括下述情形中的一种或下述情形的结合：情形一：对于给定的负载，在一个时段内，升压-降压变换器100向该给定的负载所提供的输出功率POUT大于输出功率阈值，在另一个时段内，升压-降压变换器100向该给定的负载所提供的输出功率POUT小于输出功率阈值；情形二：对于一负载，升压-降压变换器100向该负载所提供的输出功率POUT大于输出功率阈值，对于另一负载，升压-降压变换器100向其所提供的输出功率POUT小于输出功率阈值。另一种应用场合(小功率应用场合)是，升压-降压变换器100所需提供的输出功率POUT总是小于输出功率阈值，亦即，升压-降压变换器100所需提供的输出功率POUT的最大值小于输出功率阈值，则对于这样的小功率应用场合，控制电路101工作在第二模式，升压-降压变换器100不包括第五开关E，控制电路101不提供对第五开关E的控制。
在一个实施例中，升压-降压变换器100应用在USB PD(Universal Serial BUSPower Delivery)供电方案中，USB PD充电器向负载提供输出功率POUT，根据负载所需输入功率的不同，USB PD充电器可以提供不同的输出功率POUT。根据USB PD协议，USB PD充电器可提供5V/3A、9V/3A、15V/3A、20V/3A、20V/5A、3.3V-21V/5A中的一种或多种。根据客户的需求，采用升压-降压变换器100的USB PD充电器可以工作在上述大功率应用场合，用于提供较大的输出功率POUT，以为所需输入功率较大的负载(如，平板电脑或快充手机)充电；也可以工作在上述小功率应用场合，用于仅提供较小的输出功率POUT，为所需输入功率较小的负载(如非快充手机)供电。
在一个实施例中，第一开关A集成在芯片内且第五开关E外接于芯片外。在又一实施例中，第二开关B、第三开关C和第四开关D集成在芯片内。这样，对于控制电路101工作在第一模式的大功率应用场合，即使输入端IN需要提供大电流，该电流不仅可通过第一开关A，还可通过第五开关E流过，由于该额外的第五开关E，使得升压-降压变换器100能够提供大功率。而且，由于第五开关E外接于芯片外部，这相对于将第一开关A和第五开关E全部集成在芯片内部的技术方案来说，可以有效提高芯片的散热性能。而对于控制电路101工作在第二模式的小功率应用场合，由于不需要外接第五开关E，而是仅利用集成在芯片内的第一开关A来进行电流的传输，这相对于将第一开关A和第五开关E全部外接在芯片外部的技术方案来说，可以有效提高芯片的集成度。可见，利用本发明提出的技术方案，通过使控制电路101工作在第一模式或第二模式，同一款芯片可满足不同的功率需求，而不必单独设计制作两款芯片以分别满足对散热性能要求高的大功率应用场合和对集成度要求高的小功率应用场合。这使得芯片的应用更加灵活，成本更低。
在进一步的实施例中，第一开关A和第五开关E的导通电阻阻值成比例，具有比例因子。控制电路101包括输入电流检测电路以检测流过第一开关A的电流，输入电流检测电路根据流过第一开关A的电流以及第一开关A和第五开关E的导通电阻阻值比例因子产生输入电流检测信号。
在一个实施例中，当控制电路101工作在第一模式时且升压-降压变换器100工作在升压模式时，第五开关E导通，而当控制电路101工作在第一模式时且升压-降压变换器100工作在降压模式或升降压模式时，第五开关E关断。这样，在升压模式时，负载所需的输出电压VOUT高于输入电压V1N，输入端IN提供较大电流，该电流流过第一开关A和第五开关E，由于该额外的第五开关E，使得升压-降压变换器100能够提供大功率。另外，由于在降压模式或升降压模式时，第五开关E保持关断，这可以有效降低第五开关E导通和关断所带来的开关损耗。本领域技术人员应当理解，在另一实施例中，当控制电路101工作在第一模式时且工作在降压模式或升降压模式时，第五开关E可以和第一开关A同步地导通和关断，这样可以利用同一信号对第一开关A和第五开关E进行控制，电路设计更加简便。
在一个实施例中，控制电路101中还包括模式设置寄存器，该模式设置寄存器具有比特位，比特位的值用于设置控制电路101工作在第一模式或第二模式。在一个实施例中，控制电路101接收模式设置信号以赋值给比特位。在一个实施例中，控制电路101被默认设置工作在第二模式，芯片厂商或客户可后续改写模式设置寄存器的比特位值，使控制电路101工作在第一模式。
图2示例性地示出依据本发明一实施例的一种集成电路芯片200。集成电路芯片200包括：输入引脚PIN，接收输入电压VIN，且耦接至第一开关A的第一端；第一开关引脚PSW1，耦接至第一开关A的第二端、第二开关B的第一端；参考地引脚PPGND，耦接至第二开关B的第二端和第三开关C的第二端；第二开关引脚PSW2，耦接至第三开关C的第一端和第四开关D的第二端；输出引脚POUT，提供输出电压VOUT，且耦接至第四开关D的第一端；以及驱动引脚PHS_G，其中，当输入引脚PIN与第一开关引脚PSW1之间耦接与第一开关A并联的第五开关E时，亦即，当输入引脚PIN和第一开关引脚PSW1之间耦接第五开关E时，驱动引脚PHS_G耦接至第五开关E的控制端，用于提供控制信号至第五开关E的控制端，当输入引脚PIN与第一开关引脚PSW1之间未耦接第五开关E时，驱动引脚PHS_G浮空，即驱动引脚PHS_G不与芯片外部元器件进行连接。
在一个实施例中，第一开关A、第二开关B、第三开关C和第四开关D集成在集成电路芯片内，第五开关E外接于集成电路芯片外。这样，对于大功率应用场合，集成电路芯片200外部耦接第五开关E而集成电路芯片200的芯片引脚HS_G提供控制信号控制第五开关E的导通与关断，即使输入端IN需要提供大电流，该电流不仅可通过第一开关A，还可通过第五开关E流过，由于该额外的第五开关E，使得升压-降压变换器100能够提供大功率。而且，由于第五开关E外接于芯片外部，这相对于将第一开关A和第五开关E全部集成在芯片内部的技术方案来说，可以有效提高芯片的散热性能。而对于小功率应用场合，由于不需要外接第五开关E，而是仅利用集成在集成电路芯片200内的第一开关A来进行电流的传输，这相对于将第一开关A和第五开关E全部外接在芯片外部的技术方案来说，可以有效提高芯片的集成度。可见，利用本发明提出的集成电路芯片，同一款芯片可满足不同的功率需求，而不必单独设计制作两款芯片以分别满足对散热性能要求高的大功率应用场合和对集成度要求高的小功率应用场合。这使得芯片的应用更加灵活，成本更低。
如图2所示，在一个实施例中，集成电路芯片200还包括12C接口引脚PSDA和PSCL，其用于接收模式设置信号以控制驱动引脚PHS_G是否提供控制信号。在一个实施例中，集成电路芯片200包括模式设置寄存器，该模式设置寄存器具有比特位，比特位的值用于设置驱动引脚PHS_G的状态，集成电路芯片200的驱动引脚PHS_G被默认设置为浮空，芯片厂商或客户可通过I2C接口引脚PSDA和PSCL接收模式设置信号，并写入集成电路芯片200中的模式设置寄存器，使驱动引脚HS_G提供控制信号以控制外接的第五开关E。本领域技术人员应当理解，在另一个实施例中，集成电路芯片200可以包括一模式设置引脚以用于接收模式设置信号以控制驱动引脚PHS_G是否提供控制信号。
在一个实施例中，集成电路芯片200包括图1所示的控制电路101和第一开关A、第二开关B、第三开关C和第四开关D，以用于升压-降压变换器100。
图3示出依据本发明一个实施例用于升压-降压变换器300的控制电路301。升压-降压变换器300包括：耦接于输入端IN和第一节点SW1之间的第一开关A；耦接于第一节点SW1和参考地PGND之间的第二开关B；耦接于第二节点SW2和参考地PGND之间的第三开关C；以及耦接于第二节点SW2和输出端OUT之间的第四开关D。升压-降压变换器300还包括第五开关E。第五开关E与第一开关A并联耦接，亦即，第五开关E耦接于输入端IN和第一节点SW1之间。如图3所示，升压-降压变换器300还进一步包括耦接于第一节点SW1和第二节点SW2之间的电感L。
升压-降压变换器300选择性地工作在降压模式、升压模式或升降压模式。对于升压-降压变换器300工作在降压模式、升压模式或升降压模式的工作原理，和图1中的升压-降压变换器100类似，此处不再累述。
当升压-降压变换器300工作在升压模式时，第五开关E导通；当升压-降压变换器300工作在降压模式或升降压模式时，第五开关E关断。这样，在升压模式时，负载所需的输出电压VOUT高于输入电压VIN，输入端IN相较于降压或升降压模式需提供更大电流，由于该额外的第五开关E，该电流共同流过第一开关A和第五开关E，使得升压-降压变换器100能够提供大功率。另外，由于在降压模式或升降压模式时，第五开关E保持关断，这可以有效降低第五开关E导通和关断所带来的开关损耗。
在一个实施例中，第一开关A集成在控制电路301所在的芯片内而第五开关E外接于控制电路301所在的芯片外部。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (14)

1.一种用于升压-降压变换器的控制电路，其中，升压-降压变换器包括：耦接于输入端和第一节点之间的第一开关；耦接于第一节点和参考地之间的第二开关；耦接于第二节点和参考地之间的第三开关；以及耦接于第二节点和输出端之间的第四开关，其特征在于，控制电路选择性地工作在第一模式或第二模式，其中，当控制电路工作在第一模式时，升压-降压变换器还包括耦接于输入端和第一节点之间的第五开关，控制电路提供控制信号以控制第五开关的导通和关断；当控制电路工作在第二模式时，升压-降压变换器不包括所述第五开关。
2.如权利要求1所述的控制电路，其中，当控制电路工作在第二模式时，控制电路不提供对第五开关的导通和关断进行控制的控制信号。
3.如权利要求1所述的控制电路，其中，升压-降压变换器在输出端提供输出功率，若输出功率最大值大于输出功率阈值，则控制电路工作在第一模式；若输出功率最大值等于或小于输出功率阈值，则控制电路工作在第二模式。
4.如权利要求1所述的控制电路，其中，第一开关集成在芯片内且第五开关外接于芯片外。
5.如权利要求1所述的控制电路，其中，升压-降压变换器选择性地工作在降压模式、升压模式或升降压模式，当控制电路工作在第一模式且升压-降压变换器工作在升压模式时，第五开关导通；当控制电路工作在第一模式且升压-降压变换器工作在降压模式或升降压模式时，第五开关关断。
6.如权利要求1所述的控制电路，其中，控制电路包括模式设置寄存器，模式设置寄存器具有比特位，比特位的值用于设置控制电路工作在第一模式或第二模式。
7.如权利要求6所述的控制电路，控制电路通过I2C接口接收模式设置信号以赋值给比特位。
8.一种升压-降压变换器，包括：
耦接于输入端和第一节点之间的第一开关；
耦接于第一节点和参考地之间的第二开关；
耦接于第二节点和参考地之间的第三开关；
耦接于第二节点和输出端之间的第四开关；以及
如权利要求1至7中任意一项所述的控制电路，其中，控制电路工作在第二模式。
9.一种升压-降压变换器，包括：
耦接于输入端和第一节点之间的第一开关和第五开关；
耦接于第一节点和参考地之间的第二开关；
耦接于第二节点和参考地之间的第三开关；
耦接于第二节点和输出端之间的第四开关；以及
如权利要求1至7中任意一项所述的控制电路，其中，控制电路工作在第一模式。
10.一种集成电路芯片，包括：
输入引脚，接收输入电压，且耦接至第一开关的第一端；
第一开关引脚，耦接至第一开关的第二端、第二开关的第一端；
参考地引脚，耦接至第二开关的第二端和第三开关的第二端；
第二开关引脚，耦接至第三开关的第一端和第四开关的第二端；
输出引脚，提供输出电压，且耦接至第四开关的第一端；以及
驱动引脚，其中，当输入引脚与第一开关引脚之间耦接与第一开关并联的第五开关时，驱动引脚用于提供控制信号至第五开关的控制端，当输入引脚与第一开关引脚之间未耦接第五开关时，驱动引脚浮空。
11.如权利要求10所述的集成电路芯片，其中，第一开关、第二开关、第三开关和第四开关集成在集成电路芯片内，第五开关外接于集成电路芯片外。
12.如权利要求10所述的集成电路芯片，还包括I2C接口引脚，接收模式设置信号以控制驱动引脚是否提供控制信号。
13.一种用于升压-降压变换器的控制电路，升压-降压变换器包括：耦接于输入端和第一节点之间的第一开关；耦接于第一节点和参考地之间的第二开关；耦接于第二节点和参考地之间的第三开关；以及耦接于第二节点和输出端之间的第四开关，其特征在于，升压-降压变换器还包括第五开关，其中，第五开关与第一开关并联耦接，且其中，升压-降压变换器选择性地工作在降压模式、升压模式或升降压模式，当升压-降压变换器工作在升压模式时，第五开关导通；当升压-降压变换器工作在降压模式或升降压模式时，第五开关关断。
14.如权利要求13所述的控制电路，其中，第一开关集成在芯片内且第五开关外接于芯片外。
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