CN113454468A - 多电平电压检测器 - Google Patents

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Abstract

一种电压检测器(100)包括：输入(103)；电阻分压器电路(102)，其具有：电阻器(R1、R2、R3、...、RN、RN+1)，该电阻器(R1、R2、R3、...、RN、RN+1)在输入(103)和参考节点(115)之间彼此串联耦合；以及连接相邻电阻器对的N个中间节点(111、112、113、114)。电压检测器(100)具有：耦合到相应中间节点(111、112、113、114)的N个开关(S1、S2、S3、S4)；以及比较器(106)，其具有耦合到开关(S1、S2、S3、S4)的输入(108)；状态机(110)，其具有耦合到比较器(106)的输出(109)的输入，以及解码器(120)，该解码器(120)具有耦合到N个开关(S1、S2、S3、S4)的相应控制端子的N个解码器输出(121、122、123、124)。

Description

多电平电压检测器
背景技术
电压检测器电路可用于跟踪电压信号变化的各种应用。电压跟踪可用于DC到DC转换器的反馈调整或用于生成多电平信号以表示或跟踪电压信号的幅度的其他应用。从不同类型的多电平电压检测器中进行选择涉及速度、精度、尺寸和复杂性之间的权衡。一种类型的多电平电压检测器使用具有多个比较器和电阻分压器电路的闪存模数转换器(ADC)。闪存ADC设计占用大量管芯和/或电路板面积并消耗大量功率。此外，闪存ADC方法会受到所有比较器的输入偏移之间不匹配的影响，特别是对于小电压电平间隔。此外，随着比较器数量的增加，编码逻辑的复杂性和面积显著增加。尽管闪存ADC电压检测器可以在单个时钟周期内提供转换后的值，但这种形式的电压检测器会随着比较器数量的增加而受到增加寄生负载电容的影响，这限制了运行速度。另一种类型的多电平电压检测器使用逐次逼近寄存器(SAR)ADC，该ADC具有根据慢速二进制搜索算法运行的单个比较器。SAR ADC设计比闪存ADC设计消耗更少的功率和占用更少的空间。此外，SAR ADC电压转换器不会受到与闪存ADC设计相关的比较器失配问题的影响。然而，SAR ADC中使用的二进制搜索算法在每个转换器时钟周期中仅产生单个位，并且可能需要采样保持电路，这增加了功率和面积。
发明内容
在一个方面，一种电压检测器包括：具有连接相邻分压电阻器对的N个中间节点的电阻分压器电路，具有耦合到相应中间节点的N个开关的开关电路，以及具有耦合到开关的输入的比较器，以及状态机，该状态机的输入耦合到比较器的输出，以及该状态机具有解码器，该解码器具有耦合至N个开关的相应控制端子的N个解码器输出。
在一个示例中的状态机在时钟信号的每个周期中具有当前状态，该当前状态具有N个可能状态值中的一个。在一个示例中的解码器被配置为仅激活解码器输出中的一个以根据时钟信号的每个周期中的当前状态接通开关中的对应单个开关。在一个示例中，状态机被配置为响应于时钟信号和响应于比较器输出处的比较器输出信号选择性地将当前状态更新为下一状态值。在一个示例中，状态机被配置为根据具有第一状态值或第N状态值的当前状态的比较器输出信号将下一状态值设置为当前状态值或与当前状态值相邻的中间状态值。对于具有中间状态值的当前状态，状态机被配置为根据比较器输出信号将下一状态值设置为两个相邻状态值中的一个。
在一个示例中，状态机包括具有N+1个第二解码器输出的第二解码器，并且第二解码器被配置为一次仅激活第二解码器输出中的一个。第二解码器被配置为根据状态机的当前状态和下一状态在时钟信号的每个周期中激活第二解码器输出中的一个。对于具有第一状态值的当前状态和下一状态，第二解码器被配置为激活第二解码器输出中的第一输出。对于具有第N状态值的当前状态和下一状态以及具有第N状态值的下一状态值，第二解码器被配置为激活第二解码器输出中的第N+1输出。对于具有第i状态值的当前状态和具有第i+1状态值的下一状态值，第二解码器被配置为激活第二解码器输出中的第i+1输出。对于具有第i+1状态值的当前状态和具有第i状态值的下一状态值，第二解码器被配置为激活第二解码器输出中的第i输出。
在另一方面，一种方法包括根据状态机的在时钟信号的每个周期中具有N个可能的状态值中的一个的当前状态将电阻分压器电路的整数N个中间节点中的单个节点耦合到比较器的输入。该方法进一步包括响应于时钟信号和响应于比较器输出处的比较器输出信号，选择性地将当前状态的状态值更新为下一状态值，并根据当前状态的状态值和下一状态值在时钟信号的给定周期中激活N+1个解码器输出中的单个输出。在一个示例中，该方法进一步包括根据解码器输出调整功率转换器的运行条件。
在一个示例中，将当前状态的状态值更新为下一状态值包括对于具有第一状态值或第N状态值的当前状态根据比较器输出信号将下一状态值设置为当前状态值或与当前状态值相邻的中间状态值。对于具有中间状态值的当前状态，更新状态值包括根据比较器输出信号将下一状态值设置为两个相邻状态值中的一个。
在一个示例中，在时钟信号的给定周期中激活N+1个解码器输出中的单个输出包括对于具有第一状态值的当前状态和下一状态激活第一输出，以及对于具有第N状态值的当前状态和下一状态激活第二解码器输出中的第N+1输出。对于具有第i状态值的当前状态和具有第i+1状态值的下一状态值，该方法包括激活第二解码器输出中的第i+1输出，并且对于具有第i+1状态值的当前状态和具有第i状态值的下一状态值，激活第二解码器输出中的第i输出。
在又一方面，一种功率转换器包括耦合到开关节点的电感器、具有耦合到开关节点的端子和控制输入的开关、耦合到开关节点的电流传感器以及具有整数N+1个电流参考输入以及电流参考输出的电流参考电路。功率转换器进一步包括转换器比较器，该转换器比较器具有耦合到电流传感器的第一输入、耦合到电流参考电路的输出的第二输入(618)和输出，以及控制器和电压检测器。控制器具有耦合到转换器比较器的输出的输入和耦合到开关的控制输入的输出。电压检测器包括耦合到转换器输出的电压检测器输入、具有状态的状态机以及耦合到N+1个电流参考输入中的相应电流参考输入的N+1个解码器输出，该状态具有N个可能状态值。
在一个示例中，电压检测器包括电阻分压器电路、具有耦合到电阻分压器的相应中间节点的N个开关的开关电路以及第二端子和控制端子。电压检测器进一步包括比较器，该比较器具有耦合到电压参考的第一输入、耦合到开关的第二输入以及输出。状态机具有耦合到比较器的输出的输入、具有耦合到开关的相应控制端子的N个第一解码器输出的第一解码器以及具有耦合到N+1个电流参考输入中的相应电流参考输入的N+1个解码器输出的第二解码器。
在一个示例中，状态机具有在时钟信号的每个周期中具有N个可能状态值中的一个的当前状态，并且第一解码器被配置为仅激活第一解码器输出中的单个输出以根据时钟信号的每个周期中的当前状态接通开关中的对应的单个开关。第一解码器被配置为在当前状态是N个可能状态值中的第i可能状态值的时钟信号的给定周期中激活解码器输出中的第i输出，并且状态机被配置为响应于时钟信号和响应于比较器输出处的比较器输出信号，选择性地将当前状态更新到下一状态值。在一个示例中，状态机被配置为对于具有第一状态值或第N状态值的当前状态将下一状态值设置为当前状态值或设置为相邻的中间状态值，以及对于具有中间状态值的当前状态，状态机被配置为根据比较器输出信号将下一状态值设置为与当前状态值相邻的两个相邻状态值中的一个。
在一个示例中，第二解码器被配置为一次仅激活解码器输出中的单个输出。在一个示例中，对于具有第一状态值的当前状态和下一状态，第二解码器被配置为激活解码器输出中的第一输出。对于具有第N状态值的当前状态和下一状态，第二解码器被配置为激活解码器输出中的第N+1输出。对于具有第i状态值的当前状态和具有第i+1状态值的下一状态值，第二解码器被配置为激活解码器输出中的第i+1输出，并且对于具有第i+1状态值的当前状态和具有第i状态值的下一状态值，第二解码器被配置为激活解码器输出中的第i输出。
附图说明
图1是具有N状态状态机、控制电阻分压器节点与比较器的连接的N位第一解码器和N+1位第二解码器的电压检测器的示意图。
图2是N＝4的图1的状态机的示例的状态图。
图3是N＝4的图1的电压检测器的示例的状态表。
图4是图1的状态机的一个示例的示意图。
图5是调整升压功率转换器峰值电流参考的方法的流程图。
图6是具有图1的电压检测器以调整峰值电流参考的DC到DC升压功率转换器的示意图。
图7-图9是图6的功率转换器中的信号图。
具体实施方式
在附图中，相同的附图标记始终指代相同的元件，并且各种特征不一定按比例绘制。此外，术语“耦合(couple)”或“耦合(couples)”包括间接或直接的电或机械连接或其组合。例如，如果第一装置耦合到第二装置或与第二装置耦合，则该连接可以是通过直接电连接，或通过经由一个或多个中间装置和连接的间接电连接。各种电路、系统和/或部件的一个或多个操作特性在下文中在功能的上下文中描述，这些功能在某些情况下由当电路被供电和操作时各种结构的配置和/或互连产生。
最初参考图1-图4，下面用具有整数N个状态的状态机、电阻分压器电路和单个比较器来图示和描述示例多电平电压检测器100，其中N大于2。状态机具有N+1个解码器输出，其在时钟信号的每个周期中提供跟踪的电压的转换后的值或表示。与SAR ADC设计不同，电压检测器100提供快速电压跟踪而不增加过多的寄生负载电容。此外，与闪存ADC设计相比，单比较器电压检测器100提供具有较小电路面积和改进的功率效率的紧凑低复杂性解决方案，并且没有失配问题。
图1示出了具有耦合到输入103的电阻分压器电路102、开关电路104和具有相应的第一输入107和第二输入108以及输出109的单个比较器106的电压检测器100的示例。电压检测器100还包括状态机110。电阻分压器电路102具有在输入103和参考节点之间彼此串联耦合的整数N+1个电阻器R1、R2、R3、…、RN和RN+1。下面在4状态状态机110的上下文中描述示例电压检测器100，其中N＝4。在其他示例中，N是大于2的任何整数。电阻分压器电路102包括N＝4个中间节点111、112、113和114，其中中间节点111、112、113和114中的相应节点连接电阻器R1、R2、R3、...、RN和RN+1的相邻对。在本示例中，第一中间节点111连接电阻器R1和R2，第二中间节点112连接相邻的电阻器R2和R3，第三中间节点113连接电阻器R3和RN，以及第四中间节点114连接电阻器RN和RN+1。串联连接的电阻器R1、R2、R3、...、RN和RN+1彼此串联连接在输入103和参考节点115(例如，接地参考或其他参考电压节点)之间。电阻分压器电路102在相应的中间节点111、112、113和114处提供具有中间节点电压V1、V2、V3和V4的分压器电路。
开关电路104包括N个开关S1、S2、S3和S4，每个开关具有耦合到中间节点111、112、113、114中的相应一个的第一端子。开关S1、S2、S3和S4均具有耦合到比较器106的第二输入108的第二端子。开关S1、S2、S3和S4中的每一个也具有控制端子。可以使用任何合适的开关，诸如晶体管。一个示例中的电压检测器100跟踪功率转换器电路的升压转换器电压VBST，如下面结合图6进一步描述的。在一个示例中，状态机110向N+1位解码器提供表示升压转换器电压VBST相对于参考节点115的电压的幅度的输出。在所示示例中，比较器106的第一输入107连接到参考电压VB，并且比较器输出109提供具有两个可能状态或范围中的一个(例如，“1”或“0”)的比较器输出信号CMP，这取决于连接到第二比较器输入108的电压V1、V2、V3或V4是大于还是小于参考电压VB。
图1中的电阻器R1、R2、R3、...、RN和RN+1分别具有250kΩ、98kΩ、75kΩ、77kΩ和500kΩ的值，以及参考电压VB＝1.5V以跟踪在0-3.6V范围内的升压电压VBST，升压电压VBST的阈值电压与约2.0、2.3、2.6和3.0V的不同开关电路状态相关联。在其他示例中，使用其他电阻器值和参考电压值。在所示的实施方式中，电压检测器100相对于参考节点115的电压跟踪输入103处的电压VBST。在另一个示例中，恒定参考电压连接到输入103，并且电压检测器100跟踪第一比较器输入107处的电压。
与闪存ADC电压检测器方法不同，图1中的电压检测器100仅使用单个比较器106。此外，与逐次逼近寄存器转换器不同，电压检测器100不使用慢速二进制搜索算法，而是使用N＝4状态状态机110和新颖的快速搜索算法，其提供转换后的状态或解码器输出，其表征在时钟信号的每个周期中的通道电压VBST。
状态机110包括耦合到比较器106的输出109的输入。此外，状态机110具有当前状态118，当前状态118在时钟信号CLK的每个周期中具有N个可能状态值中的一个。在一个示例中，状态机110包括存储当前状态118的状态值的寄存器。状态机110还包括具有耦合到N个开关S1、S2、S3和S4的相应控制端子的N个解码器输出121、122、123和124的第一解码器120。集体的解码器输出121、122、123和124形成N位解码器输出125。第一解码器120被配置为仅激活解码器输出121、122、123或124中的单个输出以根据时钟信号CLK的每个周期中的当前状态118接通开关S1、S2、S3或S4中的对应的单个开关。
在图示的实施方式中，第一解码器120在相应的解码器输出121、122、123和124处提供具有合适电压的开关控制信号SW1、SW2、SW3和SW4，使得一次仅激活(即接通)对应的开关S1、S2、S3或S4中的一个。在一种实施方式中，开关S1、S2、S3或S4是n沟道场效应晶体管(FET)，并且第一解码器120提供处于高激活状态的开关控制信号SW1、SW2、SW3和SW4中的单个信号以接通开关S1、S2、S3或S4中的相应一个开关，而其他开关控制信号保持为低。N位第一解码器120控制电阻分压器节点111、112、113或114与比较器106的输入108的连接。
状态机110还包括具有N+1位解码器输出136的第二解码器130，N+1位解码器输出136具有5个第二解码器输出131、132、133、134和135。在一个示例中，第二解码器输出136耦合到升压转换器(例如，下面的图6)中的峰值电流选择电路，并且第二解码器130在相应的第二解码器输出131、132、133、134和135处提供相应的电流选择第二解码器输出信号CS1、CS2、CS3、CS4和CS5。在该示例中，第二解码器130提供处于高激活状态的开关控制信号CS1、CS2、CS3、CS4和CS5中的单个信号，而其他开关控制信号保持为低。电压检测器100具有被配置为或以其他方式适配为接收时钟信号CLK的时钟输入140，以及被适配为接收使能信号EN的使能输入141。
图2示出了具有N＝4个状态的图1的状态机110的状态图200。状态机110被配置为在时钟输入140处的时钟信号CLK的每个周期中用N个可能的状态值210、220、230和240中的一个来维持和选择性地更新当前状态118。可能的状态值包括第一状态值210(状态1)、N-2个中间状态值220(状态2)和230(状态3)以及最终或第N状态值240(状态4)。状态机110在时钟输入140处的时钟信号CLK的每个周期中用N＝4个可能状态值210、220、230或240中的一个来维持和更新当前状态118(图1)。
图1中的第一解码器120被配置为在时钟信号CLK的给定周期中激活解码器输出121、122、123或124中的第i输出，其中当前状态118是N个相应可能的状态值210、220、230或240中的第i状态。状态机110被配置为响应于时钟信号CLK和响应于比较器106的输出109处的比较器输出信号CMP选择性地将当前状态118更新为下一状态值210、220、230或240。
图2中的状态图200图示了状态机110的状态更新。在一个示例中的操作中，状态机110响应于使能输入141处的有效信号EN在第一状态值210(状态1)处开始。在操作中，当当前状态118具有第一状态值210或第N(例如，第4)状态值240时，状态机110被配置为响应于具有与时钟信号CLK的前一周期中的相同值的比较器输出信号将下一状态值设置为当前状态值(例如，无变化)。如图2所示，当当前状态为第一状态210且比较器输出信号CMP＝0时，状态图沿路径211转变回第一状态210(第一开关S1导通)。第一开关控制信号SW1＝1，而第二解码器提供第一解码器信号CS1＝1(有效)。否则，如果比较器输出信号CMP＝1，则转换器升压电压VBST已经转变通过第一阈值(下面进一步讨论)，并且状态机110将下一状态值设置为相邻的中间状态值220。
如本文所用，相邻状态依次相邻，因为第一状态210和第二状态220彼此相邻，第一状态210和第三状态230与第二状态220相邻，第二状态220和第四状态240与第三状态230相邻，并且第三状态230和第四状态240彼此相邻。在图2的示例中，响应于比较器输出信号CMP＝1，状态图200沿着路径212从第一状态210转变到第二状态220。这表明转换后的升压电压VBST已经转变通过第一阈值(例如，下面的图7)。状态机激活第二开关控制信号SW2＝1以在第二状态220中接通第二开关S2，并且第二解码器输出激活第二解码器输出(例如，电流选择)信号CS2＝1。
当当前状态具有中间状态值220或230中的一个时，状态机110被配置为根据比较器输出信号CMP将下一状态值设置为与当前状态值相邻的两个状态值中的一个。继续图2中的示例，当状态机110当前处于第二状态220时，下一状态值将是第一状态210或第三状态230(例如，状态机在时钟信号CLK的两个连续周期中不保持在中间状态220或230中的任何一个)。在该示例中，如果比较器输出信号CMP＝0(表明转换后的升压电压VBST尚未转变通过第二阈值)，则状态机110沿第一路径221转变以将下一状态设置为第一状态210。对于沿路径221的转变，状态机通过第一解码器120设置第一开关控制信号SW1＝1再次将第一开关S1变为导通状态。此外，在该示例中，第二解码器130通过设置第二电流选择信号CS2＝1再次激活其第二输出。以此方式，当状态机在第一状态210和第二状态220之间来回转变时，第二解码器130将电流选择信令保持在其第二状态。
继续图2的示例，当当前状态是第二状态220并且比较器输出信号CMP＝1时，状态图200沿着第二路径222从第二状态220转变到第三状态230。该比较器输出条件表明转换后的升压电压VBST已经转变通过第二阈值。作为响应，第一解码器120激活其第三开关控制信号SW3＝1以接通第三开关S3。此外，第二解码器130激活其第三输出以设置第三电流选择信号CS3＝1。
当当前状态为第三状态230时，状态机110根据比较器输出信号CMP选择性地转变至其相邻状态220或240中的一个。如果比较器输出信号CMP＝0(表明转换后的升压电压VBST没有转变通过另一个阈值)，则状态图200沿着第一路径231转变回第二状态220。在此情况下，第一解码器120再次激活其第二输出以设置第二开关控制信号SW2＝1以再次接通第二开关S2，且第二解码器130再次激活其第三输出以设置第三电流选择信号CS3＝1。相反，如果比较器输出信号CMP＝1(表明转换后的升压电压VBST已经转变到高于四阈值)，则状态图200沿着第二路径232从第三状态230转变到第四状态240。在沿着路径232的这个转变中，第一解码器120激活其第四输出124以设置第四开关控制信号SW4＝1，并且第二解码器130激活其第四输出以设置第四电流选择信号CS4＝1。
当当前状态是第四状态240时，状态机110被配置为响应于具有与时钟信号CLK的前一个周期中的相同值的比较器输出信号(CMP＝1)将下一状态值设置为当前状态值240(沿转变路径242)，或者响应于比较器输出信号CMP＝0的表明转换后的升压电压VBST已经转变到低于四阈值的变化沿着路径241转变以转变到相邻的第三状态234。在第一种情况下(CMP＝1)，第一解码器120再次激活其第四输出124以设置第四开关控制信号SW4＝1，并且第二解码器130激活其第四输出以设置第四电流选择信号CS4＝1。在后一种情况下(CMP＝0)，第一解码器120激活其第三开关控制信号SW3＝1以接通第三开关S3，并且第二解码器130激活其第三输出以设置第三电流选择信号CS3＝1。
如图2的示例状态图200所示，第二解码器130被配置为根据当前状态118的状态值和下一状态值在时钟信号CLK的给定周期中激活第二解码器输出131、132、133、134或135中的一个。对于具有第一状态值210的当前状态118和具有第一状态值210的下一状态值，第二解码器130被配置为激活解码器输出131，并且对于具有第N状态值240的当前状态118和具有第N状态值240的下一状态值，第二解码器130被配置为激活第二解码器输出135中的第N+1输出。对于具有第i状态值210、220、230的当前状态118和具有第i+1状态值220、230、240的下一状态值，第二解码器130被配置为激活第二解码器输出132、133、134、135中的第i+1输出。此外，对于具有第i+1状态值210、220、230的当前状态118和具有第i状态值220、230、240的下一状态值，第二解码器130被配置为激活第二解码器输出132、133、134、135中的第i输出。在所有情况下，第二解码器130被配置为一次仅激活第二解码器输出131、132、133、134、135中的单个输出。
图3示出了图1的电压检测器100中的状态机110的状态表，其进一步说明了图2的状态图200中所示的操作。状态表300包括第一行，其中转换后的升压电压VBST小于对应于第二解码器130的N+1个状态(例如，5个不同的电流选择状态)的第一状态301的第一阈值TH1＝2.0V。第二电流选择状态302包括表300的两行，它们对应于状态机110的第一状态210和第二状态220之间的来回转变。第二电流选择状态302对应于第一阈值TH1和第二阈值TH2＝2.3V之间的转换后的升压电压信号VBST(例如，2.0＜VBST＜2.3)。第三电流选择状态303包括表300的随后两行，它们对应于在第二状态220和第三状态230之间来回转变的状态机110。图3中的第三电流选择状态303包括表300的两行，它们对应于在第二状态220和第三状态230之间来回转变的状态机110。第三电流选择状态303对应于第二阈值TH2与第三阈值TH3＝2.6V之间的转换后的升压电压信号VBST(例如，2.3＜VBST＜2.6)。
第四电流选择状态304包括表300的两行，它们对应于在第三状态230和第四状态240之间来回转变的状态机110。第四电流选择状态304对应于第三阈值TH3和第四阈值TH4＝3.0V之间的转换后的升压电压信号VBST(例如，2.6＜VBST＜3.0)。第五电流选择状态305包括表300的最后一行，其对应于保持在第四状态240中的状态机110，在第四状态240中，VBST保持高于第四阈值TH4(例如VBST>3.0V)。
状态表300包括显示转换后的升压电压信号VBST的电压范围的第一列311、指示状态机110的对应状态的第二列312以及显示对应的第一解码器有效输出信号(例如，开关控制信号)的第三列313。第四列314示出了比较器输出信号CMP的对应作用值(例如，LOW(低)对应于如上所述的“0”状态，而HIGH(高)对应于“1”状态)。第五列315示出了第二解码器130的有效输出信号(例如，有效电流选择信号)，并且第六列316指示作为下面结合图6讨论的示例升压转换器中的第二解码器输出的结果而选择的对应峰值电流值。
图4示出了图1的状态机110的一种示例电路实施方式。状态机110包括一个寄存器或一组D触发器401、402、403和404，它们存储和维持作为相应的状态输出信号STD1、STD0、ST0和ST1的状态118。触发器401-404具有耦合到状态机110的时钟输入140的时钟输入，以及与状态机110的使能输入141耦合的清除输入。比较器输出109耦合到由2输入“与”门411、412、413、415和416以及3输入“或”门414和417形成的逻辑电路。逻辑电路411-417的“或”门414和417根据比较器输出信号CMP以及当前和下一状态信号ST0和ST1向触发器403和404的相应数据输入提供数据输入信号。第一解码器120从当前状态118接收状态输出信号STD1、STD0、ST0和ST1，并在第一解码器输出121、122、123和124处分别提供开关控制信号SW1、SW2、SW3和SW4。第一解码器120还向第二解码器130提供反向开关信号SWD1、SWD2、SWD3和SWD4。
第二解码器130接收状态输出信号STD1、STD0、ST0和ST1，以及反相开关信号SWD1、SWD2、SWD3和SWD4，并在相应的第二解码器输出131、132、133、134和135处生成电流选择信号CS1、CS2、CS3、CS4和CS5。第二解码器130包括“与”门420、“与非”门421、422、423、424、425、426、427、428和429以及如图4所示互连的另一个“与”门430。“与非”门420、423、426、429和430具有耦合到各自提供相应第二解码器输出131、132、133、134和135的输出。第一解码器120包括第一电路，第一电路具有反相器441和442以及双输入“或非”门443和“与”门444、445和446，它们根据状态输出信号ST0和ST1在相应的第一解码器输出121、122、123和124处生成开关控制信号SW1、SW2、SW3和SW4。第一解码器120的第二电路包括反相器451和452、双输入“或非”门453和“与”门454、455和456，它们根据状态输出信号STD0和STD1在相应的第一解码器输出121、122、123和124处生成开关控制信号SW1、SW2、SW3和SW4。
电压检测器100通过N+1电平第二解码器输出136实现快速电压跟踪，其允许从5个不同峰值电流值中进行峰值电流选择以在一个应用中调整功率转换器电路，如下面结合图6进一步描述。电压检测器100在单个时钟信号周期内提供快速转换或跟踪，并且使用较少的功率和电路板/管芯面积，而没有比较器偏移不匹配效应。在一种可能的应用中，VB是参考电压，而VBST是用于检测的变化输入电压。在另一个可能的应用中，VBST是固定的参考电压，而VB是用于检测的变化输入电压。在另一个可能的应用中，VBST和VB都是变化的电压，而电压检测器100转换VB/VBST的电压比值。与逐次逼近寄存器电压检测器的二进制搜索方法相比，状态机110的低复杂度快速跟踪搜索算法便于使用单个比较器106进行快速操作，而无需任何采样和保持电路。
还参考图5，图5描述了用于调整功率转换器的峰值电流参考的方法500。方法500包括在502处根据状态机110的当前状态118将电阻分压器电路102的整数N个中间节点111、112、113、114中的单个节点耦合到比较器106的输入108。在以上示例中，在一种实施方式中的当前状态118在时钟信号CLK的每个周期中具有N个可能的状态值210、220、230、240中的一个。
在504处，方法500继续以响应于时钟信号CLK和比较器输出信号CMP选择性地将当前状态118的状态值更新为下一状态值。在一个示例中，状态值用于生成开关控制信号SW1-SW4，以将电阻分压器电路中间节点中的一个与图1中的比较器106连接起来。在一个示例中，504处的状态更新包括，如果当前状态118具有第一状态值210或第N状态值240，则根据比较器输出信号CMP将下一状态值设置为当前状态值或设置为相邻的中间状态值；并且如果当前状态118具有中间状态值220或230中的一个，则根据比较器输出信号CMP将下一状态值设置为相邻的两个状态值中的一个。
方法500在506处继续，根据当前和下一状态值在时钟信号CLK的给定周期中激活N+1个第二解码器输出中的单个输出(例如，131、132、133、134或135)。在一个示例中，506处的解码器输出激活包括：对于具有第一状态值210的当前状态118和具有第一状态值210的下一状态值，激活第二解码器输出中的第一输出(例如，输出131)，并且对于具有第N状态值240的当前状态118和下一状态，激活第二解码器输出中的第N+1输出(135)。在该示例中，在506处的解码器输出激活还包括：对于具有第i状态值的当前状态118和具有第i+1状态值的下一状态值，激活第二解码器输出中的第i+1输出，并且对于具有第i+1状态值的当前状态118和具有第i状态值的下一状态值，激活第二解码器输出中的第i输出。在一种实施方式中，方法500在508处继续，根据第二解码器130的激活的输出131、132、133、134或135调整功率转换器的运行条件(例如，峰值电感器电流IPEAK)。在另一实施方式中，第二解码器输出用于另一目的。
图6示出了具有图1的快速跟踪电压检测器100以调整峰值电流参考的示例迟滞升压DC到DC功率转换器600。在一种实施方式中，升压转换器600被配置为提供范围从0到3.6V的经调节的DC电压VBST，并且参考电压VB是1.5V。在图示的实施方式中，提供给电压检测器时钟输入140的时钟信号CLK是或源自低侧开关关断信号TOFF以允许电压检测器100在迟滞升压型功率转换器600的稳定周期期间自主调整电感器峰值电流。升压功率转换器600包括转换器输入601，其适于连接到输入源(例如，电池，未示出)以接收DC输入电压信号VBAT。功率转换器600进一步包括具有电感L的电感器602。电感器602耦合在输入601和具有开关节点电压VSW的开关节点604之间。功率转换器600还包括传送升高的输出电压信号VBST的输出。转换器输出连接到电压反馈回路中的电压检测器输入103，该电压反馈回路选择性地调整电感器602的峰值电流。二极管606具有连接到开关节点604的阳极和连接到转换器输出的阴极。具有电容C的输出电容器608连接在转换器输出和参考节点之间。在另一实施方式中，二极管606被晶体管或其他开关(未示出)替代。
功率转换器600包括具有耦合到开关节点604的第一端子(例如，漏极)、连接到参考节点的第二端子(例如，源极)以及控制输入611(例如，栅极端子)的开关610(例如，n沟道FET)。开关610根据栅极控制信号进行操作以控制开关节点604到参考节点的连接，并因此控制通过电感器602的电流IIND。开关610在图6中的示例的升压转换器配置中用作低侧开关。在其他配置中，开关610被配置为不同转换器拓扑，诸如降压转换器、降压-升压转换器、cuk转换器、反激转换器等中的低侧或高侧开关。在一个示例中，功率转换器600是DC-DC转换器。在其他示例中，功率转换器是AC-DC转换器。
图6的升压功率转换器600还包括耦合到开关节点604以在开关610导通时感测电感器电流的电流传感器612。在一个示例中，电流传感器612是或包括耦合到开关610的感测FET，例如，具有1000或更大的尺寸比。比较器614包括连接到电流传感器612的输出的第一(例如，非反相或“+”)输入616。比较器614还包括反相(例如，“-”)输入618和提供电流限制信号CUR_LIM的输出619。比较器614的反相输入618耦合到峰值电流参考电路620的输出。电流参考电路620具有分别耦合到电压检测器100的N+1个第二解码器输出131-135的N+1个电流参考输入。在该配置中，电压检测器100的第二解码器输出136选择由比较器614使用的电流参考电路620的电流参考信号。比较器614将来自电流传感器612的电流反馈信号与来自电流参考电路622的所选参考电流进行比较，以在比较器输出619处生成电流限制信号CUR_LIM。
功率转换器600还包括控制器622，其包括耦合到转换器比较器614的输出619的输入和耦合以通过驱动器电路626向开关610的控制输入611提供开关控制信号SC的输出624。在一个示例中，第二比较器630包括耦合到中间节点的第一(例如，非反相)输入632，该中间节点连接在开关节点604和参考节点之间彼此连接的电阻器634和636。第二比较器630的第二输入(例如，反相)连接到第二中间节点，该第二中间节点连接在转换器输出和参考节点之间彼此串联连接的电阻器640和642。比较器630具有输出639，其提供开关以关断到控制器622的第二输入的信号TOFF。在一个示例中，第二比较器630作为关于电感器电流IIND的过零检测器进行操作，以使关断信号TOFF关断转换器开关610。第三比较器644具有耦合以接收电压参考信号VREF的第一输入646(例如，非反相)和耦合到第二比较器630的第二输入638的第二输入648。第三比较器644具有输出649，其例如响应于升压转换器输出电压VBST超过由参考电压VREF设置的目标或设定点值而向控制器622的第三输入提供高输出信号BST_HI。
还参考图7-图9，控制器622响应于来自第一比较器614的电流限制信号CUR_LIM，在升压功率转换器600的每个开关控制周期上激活开关控制信号SC以接通开关610，并且响应于来自第二比较器630的关断信号TOFF的上升沿而关断开关610。图7示出了具有第一曲线702的曲线图700，第一曲线702示出了在功率转换器600的操作期间作为时间的函数的升压转换器输出电压VBST。曲线704示出了关断信号TOFF，并且曲线706示出了电感器电流IIND。在时间T1处，随着电压检测器100在第一电流选择状态301中进行操作，关断信号(曲线704)经历由第二比较器630引起的上升转变，并且控制器622关断转换器开关610。作为响应，电感器电流(曲线706)上升并且转换器输出电压VBST下降。控制器622在时间T2处再次接通转换器开关610，从而致使电感器电流曲线7062减小而输出电压曲线702增大。该开关操作在时间T3和T4处继续，之后上升的输出电压曲线702超过第一阈值TH1。这使得电压检测器100的状态机110断言第二电流选择解码器输出132(电流选择信号CS2＝1)，并且电压检测器100在第二电流选择状态302中操作。这增加了提供给第一比较器614的反相输入618的电流参考电路622的输出。在时间T5处，控制器622再次关断转换器开关610，并且开关操作在T7、T8、T9、T10和T11处通过第一比较器614监测高于第二阈值的转变(图7中未示出)继续。
图8示出了功率转换器600中的各种信号的曲线图800是时间的函数，其中转换器600具有变化的输出电压VBST并且电压检测器100的状态机110作为时间的函数转变通过五个电流选择状态301、302、303、304和305。在一个示例中，电压检测器100的状态机110使用具有固定频率的时钟源来操作。曲线图800包括示出转换器输出电压VBST的第一曲线802，以及示出由图1中的第一解码器120提供的相应开关控制信号SW1、SW2、SW3和SW4的曲线804、806、808和810。曲线图800还包括曲线812、814、816、818和820，其示出了由第二解码器130提供的相应电流选择信号CS1、CS2、CS3、CS4和CS5。曲线图800在第一电流选择状态301中从T0到T1开始，其中SW1和CS2是有效的(分别对应曲线804和812)。
在图8中的时间T1处，VBST超过第一阈值TH1，状态机110将第二解码器132转变为第二电流选择状态302，并且第一解码器120在其第一状态和第二状态之间来回切换(交替激活SW1和SW2)。在该示例中，在时间T2处，VBST超过第二阈值TH2，并且第二解码器130转变到第一解码器120交替地激活SW2和SW3的第三电流选择状态303。在T3处，转换器输出电压VBST超过第三阈值TH3，这使得第二解码器130此后操作在第四电流选择状态304中操作，并且第一解码器120交替激活SW3和SW4。在该示例中的T4处，转换器输出电压VBST超过第四阈值TH4，并且状态机110使解码器130和120在第四开关控制信号SW4被激活的情况下在第五电流选择状态305中操作。
曲线图800进一步图示了用于稳定降低VBST的操作，其中VBST在T5处下降到低于第四阈值TH4，从而导致第二解码器130再次在第四电流选择状态304中操作，并且第一解码器120交替地激活SW3和SW4。在T6处，VBST下降到低于第三阈值TH3。作为响应，第二解码器130转变到第三电流选择状态303，并且第一解码器120交替地激活SW2和SW3。在T7处，转换器输出电压VBST下降到低于第二阈值TH2，从而导致第二解码器130转变到第二电流选择状态302，并且第一解码器120交替激活SW1和SW2。在T8处，转换器输出电压下降到低于第一阈值TH1，这使得第二解码器130转变到第一电流选择状态301，并且第一解码器120激活第一开关控制信号SW1。
图9示出了针对增加的输出电压VBST的信号和功率转换器600的曲线图900。在该示例中，升压转换器低侧关断信号TOFF用作电压检测器100的状态机110的时钟信号CLK。这允许电压检测器100自主操作而不需要单独的时钟源。曲线图900包括在电流选择状态301、302、303、304和3054中逐渐增加VBST的随时间推移的操作，如曲线902所示。曲线904示出电感器电流IIND，而曲线906示出状态机110中的时钟信号(例如，TOFF或CLK)。图9中的曲线908、910、912和914示出了由第一解码器120提供的相应开关控制信号SW1、SW2、SW3和SW4。在该示例中，升压转换器输出电压VBST(曲线902)在时间T1处转变为高于第一阈值TH1，并且在时间T2处转变为高于第二阈值TH2。随着每个阈值转变，与来自图6中的电流传感器612的电流反馈信号相比，电压检测器100的第二解码器输出136从参考电流电路624中选择逐渐升高的参考电流。在图9中的T3处，VBST超过第三阈值TH3，并且此后在时间T4处超过第四阈值TH4。
在权利要求的范围内，在所描述的示例中的修改是可能的，并且其他实施方式也是可能的。

Claims (20)

1.一种电压检测器，包括：
输入；
电阻分压器电路，所述电阻分压器电路具有在所述输入和参考节点之间彼此串联耦合的电阻器和整数N个中间节点，所述中间节点中的相应中间节点连接相邻的电阻器对，N大于2；
具有N个开关的开关电路，所述开关中的相应开关具有耦合到所述中间节点中的相应中间节点的第一端子、第二端子和控制端子；
比较器，所述比较器具有耦合到参考电压的第一输入、耦合到所述开关的所述第二端子的第二输入以及输出；以及
状态机，所述状态机具有：耦合到所述比较器的所述输出的输入，以及解码器，所述解码器具有耦合到所述N个开关的相应控制端子的N个解码器输出。
2.根据权利要求1所述的电压检测器，所述状态机进一步包括具有N+1个第二解码器输出的第二解码器。
3.根据权利要求2所述的电压检测器，
进一步包括时钟输入，所述状态机在所述时钟输入处的时钟信号的每个周期中具有当前状态，所述当前状态具有N个可能状态值中的一个；
其中，所述解码器被配置为仅激活所述解码器输出中的单个输出以根据所述时钟信号的每个周期中的所述当前状态接通所述开关中的对应单个开关。
4.根据权利要求3所述的电压检测器，其中：
所述N个可能状态值包括第一状态值、第N状态值和N-2个中间状态值；
所述解码器被配置为在所述当前状态是所述N个可能状态值中的第i状态值的所述时钟信号的给定周期中激活所述解码器输出中的第i输出；
所述状态机被配置为响应于所述时钟信号和响应于所述比较器所述输出处的比较器输出信号选择性地将所述当前状态更新为下一状态值；
对于具有所述第一状态值或所述第N状态值的所述当前状态，所述状态机被配置为根据所述比较器输出信号将所述下一状态值设置为所述当前状态值或设置为与所述当前状态值相邻的中间状态值；以及
对于具有所述中间状态值中的一个的所述当前状态，所述状态机被配置为根据所述比较器输出信号将所述下一状态值设置为与所述当前状态值相邻的两个所述状态值中的一个。
5.根据权利要求4所述的电压检测器，其中：
所述第二解码器被配置为根据所述当前状态的状态值和所述下一状态值在所述时钟信号的给定周期内激活所述第二解码器输出中的一个；
对于具有所述第一状态值的所述当前状态和具有所述第一状态值的所述下一状态值，所述第二解码器被配置为激活所述第二解码器输出中的第一输出；
对于具有所述第N状态值的所述当前状态和具有所述第N状态值的所述下一状态值，所述第二解码器被配置为激活所述第二解码器输出中的第N+1输出；
对于具有第i状态值的所述当前状态和具有所述第i+1状态值的所述下一状态值，所述第二解码器被配置为激活所述第二解码器输出中的第i+1输出；以及
对于具有所述第i+1状态值的所述当前状态和具有所述第i状态值的所述下一状态值，所述第二解码器被配置为激活所述第二解码器输出中的第i输出。
6.根据权利要求3所述的电压检测器，其中：
所述N个可能状态值包括第一状态值、第N状态值和N-2个中间状态值；
所述状态机被配置为响应于所述时钟信号和响应于所述比较器的所述输出处的比较器输出信号选择性地将所述当前状态更新为下一状态值；
所述第二解码器被配置为根据所述当前状态的状态值和所述下一状态值在所述时钟信号的给定周期内激活所述第二解码器输出中的一个；
对于具有所述第一状态值的所述当前状态和具有所述第一状态值的所述下一状态值，所述第二解码器被配置为激活所述第二解码器输出中的第一输出；
对于具有所述第N状态值的所述当前状态和具有所述第N状态值的所述下一状态值，所述第二解码器被配置为激活所述第二解码器输出中的第N+1输出；
对于具有第i状态值的所述当前状态和具有所述第i+1状态值的所述下一状态值，所述第二解码器被配置为激活所述第二解码器输出中的第i+1输出；以及
对于具有所述第i+1状态值的所述当前状态和具有所述第i状态值的所述下一状态值，所述第二解码器被配置为激活所述第二解码器输出中的第i输出。
7.根据权利要求2所述的电压检测器，其中，所述第二解码器被配置为一次仅激活所述第二解码器输出中的单个输出。
8.根据权利要求1所述的电压检测器，
进一步包括时钟输入，所述状态机在所述时钟输入处的时钟信号的每个周期中具有当前状态，所述当前状态具有N个可能状态值中的一个；
其中，所述解码器被配置为仅激活所述解码器输出中的单个输出以根据所述时钟信号的每个周期中的所述当前状态接通所述开关中的对应单个开关。
9.根据权利要求8所述的电压检测器，其中：
所述N个可能状态值包括第一状态值、第N状态值和N-2个中间状态值；
所述解码器被配置为在所述当前状态是所述N个可能状态值中的第i状态值的所述时钟信号的给定周期中激活所述解码器输出中的第i输出；
所述状态机被配置为响应于所述时钟信号和响应于所述比较器的所述输出处的比较器输出信号选择性地将所述当前状态更新为下一状态值；
对于具有所述第一状态值或所述第N状态值的所述当前状态，所述状态机被配置为根据所述比较器输出信号将所述下一状态值设置为所述当前状态值或设置为与所述当前状态值相邻的中间状态值；以及
对于具有所述中间状态值中的一个的所述当前状态，所述状态机被配置为根据所述比较器输出信号将所述下一状态值设置为与所述当前状态值相邻的两个所述状态值中的一个。
10.一种方法，包括：
根据状态机的当前状态，将电阻分压器电路的整数N个中间节点中的单个中间节点耦合到比较器的输入，所述当前状态在时钟信号的每个周期中具有N个可能的状态值中的一个；
响应于所述时钟信号和响应于所述比较器的输出处的比较器输出信号，选择性地将所述当前状态的所述状态值更新为下一状态值；以及
根据所述当前状态的所述状态值和所述下一状态值，在所述时钟信号的给定周期内激活N+1个解码器输出中的单个输出。
11.根据权利要求10所述的方法，其中：
所述N个可能的状态值包括第一状态值、第N状态值和N-2个中间状态值；以及
选择性地将所述当前状态的所述状态值更新为所述下一状态值包括：
对于具有所述第一状态值或所述第N状态值的所述当前状态，根据所述比较器输出信号将所述下一状态值设置为所述当前状态值或设置为与所述当前状态值相邻的中间状态值，以及
对于具有所述中间状态值中的一个的所述当前状态，根据所述比较器输出信号将所述下一状态值设置为与所述当前状态值相邻的两个所述状态值中的一个。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，在所述时钟信号的给定周期内激活N+1个解码器输出中的所述单个输出包括：
对于具有所述第一状态值的所述当前状态和具有所述第一状态值的所述下一状态值，激活所述第二解码器输出中的第一输出；
对于具有所述第N状态值的所述当前状态和具有所述第N状态值的所述下一状态值，激活所述第二解码器输出中的第N+1输出；
对于具有第i状态值的所述当前状态和具有第i+1状态值的所述下一状态值，激活所述第二解码器输出中的第i+1输出；以及
对于具有所述第i+1状态值的所述当前状态和具有所述第i状态值的所述下一状态值，激活所述第二解码器输出中的第i输出。
13.根据权利要求10所述的方法，进一步包括根据所述解码器输出调整功率转换器的运行条件。
14.一种功率转换器，包括：
转换器输入；
转换器输出；
耦合到开关节点的电感器；
开关，其端子耦合到所述开关节点和控制输入；
耦合到所述开关节点的电流传感器；
具有整数N+1个电流参考输入以及电流参考输出的电流参考电路，N大于2；
转换器比较器，所述转换器比较器具有耦合到所述电流传感器的第一输入、耦合到所述电流参考电路的所述输出的第二输入(618)以及输出；
控制器，所述控制器具有耦合到所述转换器比较器的所述输出的输入和耦合到所述开关的所述控制输入的输出；以及
电压检测器，所述电压检测器具有耦合到所述转换器输出的电压检测器输入，具有状态的状态机，以及耦合到所述N+1个电流参考输入中的相应一个电流参考输入的N+1个解码器输出，所述状态具有N个可能状态值。
15.根据权利要求14所述的功率转换器，其中，所述电压检测器包括：
电阻分压器电路，所述电阻分压器电路具有在所述电压检测器输入和参考节点之间彼此串联耦合的电阻器和整数N个中间节点，所述中间节点中的相应中间节点连接相邻的电阻器对；
具有N个开关的开关电路，所述开关中的相应开关具有耦合到所述中间节点中的相应中间节点的第一端子、第二端子和控制端；以及
比较器，所述比较器具有耦合到参考电压的第一输入、耦合到所述开关的所述第二端子的第二输入以及输出；
所述状态机，所述状态机具有：耦合到所述比较器的所述输出的输入、具有耦合到所述N个开关的相应控制端子的N个第一解码器输出的第一解码器以及具有耦合到所述N+1个电流参考输入中的相应电流参考输入的所述N+1个解码器输出的第二解码器。
16.根据权利要求15所述的功率转换器，其中：
所述电压检测器进一步包括时钟输入，所述状态机具有在所述时钟输入处的时钟信号的每个周期中具有所述当前状态，所述当前状态具有N个可能状态值中的一个；以及
所述第一解码器被配置为根据所述时钟信号的每个周期中的所述当前状态仅激活所述第一解码器输出中的单个输出以接通所述开关中的对应单个开关。
17.根据权利要求16所述的功率转换器，其中：
所述N个可能状态值包括第一状态值、第N状态值和N-2个中间状态值；
所述第一解码器被配置为在所述当前状态是所述N个可能状态值中的第i状态值的所述时钟信号的给定周期中激活所述解码器输出中的第i输出；
所述状态机被配置为响应于所述时钟信号和响应于所述比较器的所述输出处的比较器输出信号选择性地将所述当前状态更新为下一状态值；
对于具有所述第一状态值或所述第N状态值的所述当前状态，所述状态机被配置为根据所述比较器输出信号将所述下一状态值设置为所述当前状态值或设置为与所述当前状态值相邻的中间状态值；以及
对于具有所述中间状态值中的一个的所述当前状态，所述状态机被配置为根据所述比较器输出信号将所述下一状态值设置为与所述当前状态值相邻的两个所述状态值中的一个。
18.根据权利要求17所述的功率转换器，其中：
所述第二解码器被配置为根据所述当前状态的状态值和所述下一状态值在所述时钟信号的给定周期内激活所述解码器输出中的一个；
对于具有所述第一状态值的所述当前状态和具有所述第一状态值的所述下一状态值，所述第二解码器被配置为激活所述解码器输出中的第一输出；
对于具有所述第N状态值的所述当前状态和具有所述第N状态值的所述下一状态值，所述第二解码器被配置为激活所述解码器输出中的第N+1输出；
对于具有第i状态值的所述当前状态和具有所述第i+1状态值的所述下一状态值，所述第二解码器被配置为激活所述解码器输出中的第i+1输出；以及
对于具有所述第i+1状态值的所述当前状态和具有所述第i状态值的所述下一状态值，所述第二解码器被配置为激活所述解码器输出中的第i输出。
19.根据权利要求16所述的功率转换器，其中：
所述N个可能状态值包括第一状态值、第N状态值和N-2个中间状态值；
所述状态机被配置为响应于所述时钟信号和响应于所述比较器的所述输出处的比较器输出信号选择性地将所述当前状态更新为下一状态值；
所述第二解码器被配置为根据所述当前状态的状态值和所述下一状态值在所述时钟信号的给定周期内激活所述解码器输出中的一个；
对于具有所述第一状态值的所述当前状态和具有所述第一状态值的所述下一状态值，所述第二解码器被配置为激活所述解码器输出中的第一输出；
对于具有所述第N状态值的所述当前状态和具有所述第N状态值的所述下一状态值，所述第二解码器被配置为激活所述解码器输出中的第N+1输出；
对于具有第i状态值的所述当前状态和具有所述第i+1状态值的所述下一状态值，所述第二解码器被配置为激活所述解码器输出中的第i+1输出；以及
对于具有所述第i+1状态值的所述当前状态和具有所述第i状态值的所述下一状态值，所述第二解码器被配置为激活所述解码器输出中的第i输出。
20.根据权利要求15所述的功率转换器，其中，所述第二解码器被配置为一次仅激活所述解码器输出中的单个输出。
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