CN114050618A - 开关电容转换器模式转换控制方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种开关电容转换器模式转换控制方法和装置。该方法包括：配置开关电容转换器以在第一固定PWM模式下运行，其中，在所述第一固定PWM模式中，所述开关电容转换器被配置为对耦合到所述开关电容转换器的输入端的电池充电；配置所述开关电容转换器以在第二固定PWM模式下运行，其中，在所述第二固定PWM模式中，所述开关电容转换器被配置为对所述电池放电；以及配置所述开关电容转换器以在跳跃模式下运行，其中，所述开关电容转换器基于所述开关电容转换器的输出电压与多个预定电压阈值之间的比较而在不同模式之间自动转换。

Description

开关电容转换器模式转换控制方法
技术领域
本发明涉及一种电池充电装置和控制方法，并且在特定实施例中，涉及一种开关电容转换器模式转换控制装置和方法。
背景技术
随着技术的进一步发展，诸如移动电话、平板PC、数码相机、MP3播放器和/或类似物的各种电子设备已经变得流行。每个便携式设备可以采用多个可再充电电池单元。多个可再充电电池单元可以串联或并联连接，以形成用于存储电能的可再充电电池组。
采用电池充电器来恢复电池的能量。电池充电器被控制以向电池提供电压(例如，恒压充电模式)和电流(例如，恒流充电模式)，从而恢复电池的能量。
可以有多种适合于对电池充电的功率转换拓扑。根据拓扑结构的不同，功率转换拓扑可分为三类，即开关功率转换器、线性稳压器和开关电容功率转换器。与其它拓扑结构相比，开关电容转换器不太复杂，因为开关电容转换器由多个开关和飞跨电容形成。因此，开关电容转换器可以为电池充电提供紧凑且高效的电源。
在双芯电池应用中，采用双向电荷泵(例如，双相开关电容转换器)作为用于对双芯电池充电的充电器。开关充电器和双向电荷泵耦合在ac/dc适配器和双芯电池之间。当存在ac/dc适配器且双芯电池未完全充电时，双向电荷泵以1：2充电模式工作。当不存在ac/dc适配器或ac/dc适配器存在但停止对双芯电池充电时，双向电荷泵以2：1放电模式工作，用于为系统负载供电。
在1：2充电模式中，为了稳定地对电池充电，双向电荷泵被配置为在固定脉宽调制(PWM)模式下运行。在2∶1放电模式中，在轻负载运行条件下双向电荷泵被配置为在跳跃模式下运行，以实现更好的转换效率并延长电池寿命。在2∶1放电模式中，当系统负载较重时，双向电荷泵可以离开跳跃模式并进入固定PWM模式，以减小输出端纹波。
如上所述，双向电荷泵能够在包括1∶2充电模式和2∶1放电模式的两种不同模式下运行。2∶1放电模式还包括跳跃模式和固定PWM模式。期望将双向电荷泵配置为在不同运行模式之间具有无缝转换。本发明解决了这一需要。
发明内容
通过本公开的优选实施例，这些和其它问题通常被解决或规避，并且通常实现了技术优点，本公开的优选实施例提供了开关电容转换器模式转换控制装置和方法。
根据一个实施例，一种方法包括：配置开关电容转换器以在第一固定PWM模式下运行，其中，在第一固定PWM模式中，开关电容转换器被配置为对耦合到开关电容转换器的输入端的电池充电；配置开关电容转换器以在第二固定PWM模式下运行，其中，在第二固定PWM模式中，开关电容转换器被配置为对电池放电；以及配置开关电容转换器以在跳跃模式下运行，其中，开关电容转换器基于开关电容转换器的输出电压与多个预定电压阈值之间的比较而在不同模式之间自动转换。
根据另一实施例，一种方法包括：将开关电容功率转换器的输入端耦合到电池，并且将开关电容功率转换器的输出端耦合到系统负载和充电器；配置开关电容转换器以在1∶2固定PWM模式下运行，以对电池充电；配置开关电容转换器以在2∶1固定PWM模式下运行，以对电池放电；以及配置开关电容转换器以在轻负载运行条件下在2∶1跳跃模式下运行，其中，开关电容转换器基于开关电容转换器的输出电压与多个预定电压阈值之间的比较而在不同模式之间自动转换。
根据又一实施例，一种控制器包括：第一比较器，其被配置为将开关电容功率转换器的输出电压与第一固定PWM模式阈值电压进行比较，其中，第一固定PWM模式阈值电压大于开关电容功率转换器的输入电压的一半；第二比较器，其被配置为将开关电容功率转换器的输出电压与跳跃模式阈值电压进行比较；第三比较器，其被配置为将开关电容功率转换器的输出电压与用于启动跳跃模式的阈值电压进行比较；第四比较器，其被配置为将开关电容功率转换器的输出电压与第二固定PWM模式阈值电压进行比较，其中，第二固定PWM模式阈值电压小于开关电容功率转换器的输入电压的一半；和第五比较器，其被配置为将流经开关电容功率转换器的电流与预定灌电流进行比较，以确定开关电容功率转换器是否在轻负载运行条件下进入跳跃模式。
前面已经相当广泛地概述了本公开的特征和技术优点，以便可以更好地理解下面的公开的详细描述。本公开的附加特征和优点将在下文中描述，其形成本公开的权利要求的主题。本领域技术人员应当理解，所公开的概念和具体实施例可以容易地用作修改或设计用于实现与本公开相同目的的其他结构或过程的基础。本领域技术人员还应当认识到，这种等效结构不脱离所附权利要求中所述的本发明的精神和范围。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优点，现在结合附图参考以下描述，其中：
图1示出了根据本公开的各种实施例的电池充电系统的示意图；
图2示出了根据本公开的各种实施例的用于驱动图1所示的双相开关电容功率转换器的开关的控制器；
图3示出了根据本公开的各种实施例的图2所示的模式转换控制单元的示意图；
图4-图5示出了根据本公开的各种实施例的控制在不同运行模式下运行的双相开关电容功率转换器的时序图；
图6示出了根据本公开的各种实施例的用于控制图1所示的双相开关电容功率转换器的模式转换的状态机；和
图7示出了根据本公开的各种实施例的控制图1所示的电池充电系统的流程图。
除非另有说明，否则不同附图中的相应数字和符号通常指的是相应的部件。附图被绘制以清楚地示出各种实施例的相关方面，并且不一定按比例绘制。
具体实施方式
下面详细讨论当前优选实施例的制造和使用。但是，应理解，本公开提供了很多适用的发明概念，其可实现在各种特定背景中。所论述的特定实施例仅说明制作和使用本公开的特定方式，且不限制本公开的范围。
本公开将在特定背景下关于优选实施例进行描述，即开关电容转换器模式转换控制装置和方法。然而，本公开还可以应用于各种功率转换器。在下文中，将参照附图详细解释各种实施例。
图1示出了根据本公开的各种实施例的电池充电系统的示意图。电池充电系统包括双相开关电容功率转换器100和电源管理集成电路(PMIC)102。如图1所示，双相开关电容功率转换器100的输入端连接到电池。双相开关电容功率转换器100和电池耦合到的输入电压总线表示为VIN。
在一些实施例中，电池可以被实现为多芯电池。在本公开中，电池是如图1所示的双芯电池。
双相开关电容功率转换器100的输出端连接到输出电压总线Vo。输出电容Co连接在Vo和地之间。输出电压总线Vo通过开关S1连接到PMIC 102的开关充电器。在一些实施例中，S1是电源开关。如图1所示，PMIC 102的开关充电器的输出端和系统负载VSYS也连接在一起。PMIC 102的开关充电器可以实现为任何合适的充电器，例如降压开关充电器。降压开关充电器的输入端可以耦合到诸如ac/dc适配器的电源。降压开关充电器的输出端通过S1连接到Vo。当ac/dc适配器连接到电池充电系统时，PMIC 102(例如，降压开关充电器)被配置为通过双相开关电容功率转换器100提供用于对电池充电的电力。
双相开关电容功率转换器100包括两个支路。第一支路包括串联连接在输入电压总线VIN和地之间的第一开关Q1、第二开关Q2、第三开关Q3和第四开关Q4。第一飞跨电容CF1连接在Q1和Q2的公共节点与Q3和Q4的公共节点之间。第二支路包括串联连接在输入电压总线VIN和地之间的第五开关Q5、第六开关Q6、第七开关Q7和第八开关Q8。第二飞跨电容CF2连接在Q5和Q6的公共节点与Q7和Q8的公共节点之间。如图1所示，Q2和Q3的公共节点连接到输出电压总线Vo。Q6和Q7的公共节点也连接到输出电压总线Vo。在整个描述中，双相开关电容功率转换器100可以替代地称为开关电容转换器。
在运行中，第一支路的运行原理类似于第二支路的运行原理，除了第一支路(例如，Q1)的驱动信号和第二支路(例如，Q5)的驱动信号彼此相位相差180度。为简单起见，下面仅详细描述第一支路的运行原理。
在运行中，开关电容转换器100的第一支路被配置为以两个不同的相位运行。在第一相位期间，开关Q1和Q3接通，开关Q2和Q4断开。由于开关Q1和Q3接通，因此在VIN和Vo之间建立第一导电路径。第一导电路径由开关Q1、第一飞跨电容CF1和开关Q3形成。电流通过第一导电路径从VIN流到Vo。在第一相位期间，第一飞跨电容CF1被充电，并且能量相应地存储在第一飞跨电容CF1中。
在第二相位期间，开关Q1和Q3断开，开关Q2和Q4接通。由于开关Q2和Q4被接通，因此建立了第二导电路径。第二导电路径由开关Q4、第一飞跨电容CF1和开关Q2形成。在第二相位期间，电流使第一飞跨电容CF1放电，并且存储在第一飞跨电容CF1中的能量相应地减少。
上述运行原理基于2：1固定PWM模式。1∶2固定PWM模式的两个相位类似于2∶1固定PWM模式的两个相位，因此在此不再讨论以避免重复。
根据一个实施例，图1的开关(例如，开关Q1-Q8)可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件、双极结型晶体管(BJT)器件、超级结型晶体管(SJT)器件、绝缘栅双极晶体管(IGBT)器件和/或基于氮化镓(GaN)的功率器件等。
应当注意，虽然图1示出开关Q1-Q8被实现为单个n型晶体管，但是本领域技术人员将认识到可以有许多变化、修改和替换。例如，根据不同的应用和设计需要，开关Q1-Q8中的至少一些可以实现为p型晶体管。此外，图1中所示的每个开关可以被实现为并联连接的多个开关。此外，电容可以与一个开关并联连接，以实现零电压开关(ZVS)/零电流开关(ZCS)。
控制器(未示出，但在图2中示出)被配置为产生用于开关Q1-Q8的栅极驱动信号。此外，控制器被配置为检测多个运行参数，包括输入电压总线VIN上的输入电压、输出电压总线Vo上的输出电压、流过第一支路的电流和流过第二支路的电流。基于检测到的运行参数，控制器能够确定开关电容转换器100的运行模式。
开关电容转换器100的运行模式包括1∶2固定PWM模式、2∶1固定PWM模式和2∶1跳跃模式。开关电容转换器100用作双向电荷泵。当电源连接到输出电压总线Vo时，开关电容转换器100将Vo上的电压转换为更高的电压。特别地，输出电压(Vo上的电压)是输入电压(VIN上的电压)的两倍。在该配置下，开关电容转换器100在1∶2固定PWM模式下运行。在本公开中，当电源(例如，ac/dc适配器)通过PMIC 102连接到Vo时，开关电容转换器100被配置为在1∶2固定PWM模式下运行以对电池充电。
另一方面，当电池用作电源时，开关电容转换器100将VIN上的电压转换为较低的电压。特别地，输出电压(Vo上的电压)等于输入电压的一半(VIN/2)。在该配置下，开关电容转换器100以2∶1固定PWM模式运行。在本公开中，当电源(例如，ac/dc适配器)未连接到电池充电系统时，开关电容转换器100被配置为在2∶1固定PWM模式下运行，以向系统负载供电。
此外，开关电容转换器100可以在2∶1跳跃模式下运行以减少开关损耗。在2∶1固定PWM模式中，开关电容转换器100可以在固定开关频率(例如，500KHz)下运行。为了减少轻负载运行条件下的开关损耗，控制器可以跳过不需要的开关时钟脉冲，同时调节输出电压。例如，在跳跃模式中，当输出电压下降到低于预定阈值时，启动新的周期。作为跳过不需要的开关时钟脉冲的结果，跳过模式的开关频率低于固定开关频率。
应注意，图1中所示的电池充电系统仅出于说明目的而提供，且仅作为可包含于电池充电系统中的功能性的示例而提供。本领域普通技术人员将认识到，电池充电系统可以包括其它必要的部件。例如，为了保护电池，隔离开关(未示出)可以连接在电池和为电池充电供电的电源(例如，直接充电适配器)之间。隔离开关由两个背靠背连接的开关组成。隔离开关能够提供反向阻断能力，以将电池与电源隔离。
在运行中，开关电容转换器100被配置为在第一固定PWM模式下运行。第一固定PWM模式是1：2固定PWM模式。在第一固定PWM模式中，开关电容转换器100被配置为对耦合到VIN的电池充电。
在运行中，开关电容转换器100被配置为在第二固定PWM模式下运行。第二固定PWM模式是2∶1固定PWM模式。在第二固定PWM模式中，开关电容转换器100被配置为对电池放电。
在运行中，开关电容转换器100被配置为在跳跃模式下运行。跳跃模式是2：1跳跃模式。特别地，开关电容转换器100在轻负载运行条件下在2∶1跳跃模式下运行。
在运行中，开关电容转换器100能够基于开关电容转换器的输出电压与多个预定电压阈值之间的比较而在不同模式之间自动转换。开关电容转换器100的详细运行原理将在下面参照图2-图6进行讨论。
图2示出了根据本公开的各种实施例的用于驱动图1所示的双相开关电容功率转换器的开关的控制器。控制器包括开关电容控制单元202和模式转换控制单元204。模式转换控制单元204是模式转换控制装置。模式转换控制单元204被配置以检测多个运行参数，包括流经开关电容转换器100的第一支路的电流ICH1、流经开关电容转换器100的第二支路的电流ICH2、输出电压Vo以及输入电压VIN。基于检测到的运行参数，模式转换控制单元204产生馈送到开关电容控制单元202的模式转换命令。基于模式转换命令，开关电容控制单元202相应地改变开关电容转换器的运行模式。下面将参照图3讨论模式转换控制单元204的详细结构和运行原理。
开关电容控制单元202包括多个栅极驱动器，所述多个栅极驱动器被配置为产生用于驱动开关电容功率转换器的多个栅极驱动信号。第一栅极驱动器被配置为产生施加到Q1的栅极的第一栅极驱动信号。第二栅极驱动器被配置为产生施加到Q2的栅极的第二栅极驱动信号。第三栅极驱动器被配置为产生施加到Q3的栅极的第三栅极驱动信号。第四栅极驱动器被配置为产生施加到Q4的栅极的第四栅极驱动信号。第五栅极驱动器被配置为产生施加到Q5的栅极的第五栅极驱动信号。第六栅极驱动器被配置为产生施加到Q6的栅极的第六栅极驱动信号。第七栅极驱动器被配置为产生施加到Q7的栅极的第七栅极驱动信号。第八栅极驱动器被配置为产生施加到Q8的栅极的第八栅极驱动信号。
控制器还可以包括预定的电流阱。该电流阱提供施加到输出电压总线Vo的灌电流。换句话说，该电流阱起到虚拟负载的作用。在一些实施例中，电流阱为约50mA。为了减少不必要的功率损耗，该电流阱在每一毫秒中被启用大约20微秒。应当注意，在先前示例中使用的数字(50mA和20微秒)纯粹是出于演示目的而选择的，并不旨在将本公开的各种实施例限制为任何特定的数字。
图3示出了根据本公开的各种实施例的图2所示的模式转换控制单元的示意图。模式转换控制单元204包括求和单元302、积分器304和多个比较器312、314、316、318和306。
第一比较器312被配置为将开关电容转换器的输出电压VO与CCM_H进行比较。在一些实施例中，CCM_H是第一固定PWM模式阈值电压。一旦Vo超过CCM_H，第一比较器312就产生配置开关电容转换器进入1∶2固定PWM模式的命令。
第二比较器314被配置为将开关电容转换器的输出电压Vo与DCM_H进行比较。在一些实施例中，DCM_H是跳跃模式阈值电压。一旦Vo超过DCM_H，第二比较器314就产生配置开关电容转换器离开2∶1固定PWM模式并进入2∶1跳跃模式的命令。
第三比较器316被配置为将开关电容转换器的输出电压Vo与DCM_L进行比较。在一些实施例中，DCM_L是用于在跳跃模式中启动新周期的阈值电压。一旦Vo下降到低于DCM_L，第三比较器316就产生在跳跃模式中启动新周期的命令。
第四比较器318被配置为将开关电容转换器的输出电压Vo与CCM_L进行比较。在一些实施例中，CCM_L是第二固定PWM模式阈值电压。第二固定PWM模式阈值电压低于第一固定PWM模式阈值电压。一旦Vo下降到低于CCM_L，第四比较器318就产生配置开关电容转换器离开2∶1跳跃模式并进入2∶1固定PWM模式的命令。
第一支路的电流ICH1和第二支路的电流ICH2在求和单元302中相加在一起。求和单元302产生的结果表示流过开关电容转换器100的电流。如图3所示，求和单元302的结果被馈送到积分器304中。积分器304用于从电流信号(ICH1和ICH2)中滤除不需要的噪声信号，并提供适当的延迟，使得开关电容转换器100能够可靠地进入跳跃模式。
第五比较器306被配置为将流经开关电容转换器的电流与FWD_DET进行比较。在一些实施例中，FWD_DET是用于在轻负载运行条件下进入跳跃模式的阈值。如上文关于图2所述，虚拟负载(例如，50mA)产生流过开关电容转换器100的电流。通过将流过开关电容转换器100的电流与FWD_DET进行比较，第五比较器306能够确定外部电源是否可用。更具体地，当检测到的电流等于虚拟负载的电流时，外部电源不可用。响应于该系统配置，控制器将开关电容转换器100配置为离开1∶2固定PWM模式并进入2∶1跳跃模式。
应当注意，图3中所示的示意图仅仅是一个示例，其不应当不适当地限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到许多变化、替换和修改。例如，可以直接将Vo与VIN的一半(VIN/2)进行比较。将Vo和VIN/2之间的差与四个阈值进行比较。第一阈值等于CCM_H和VIN/2之间的差。第一阈值用于确定开关电容转换器是否进入固定PWM模式。第二阈值等于DCM_H和VIN/2之间的差。第二阈值用于确定开关电容转换器是否进入跳跃模式。第三阈值等于DCM_L和VIN/2之间的差。第三阈值用于在跳跃模式中启动新周期。第四阈值等于CCM_L和VIN/2之间的差。第四阈值用于确定开关电容转换器是否进入固定PWM模式。
具有图3所示的模式转换控制单元204的一个有利特征是，开关电容转换器100能够在不同的运行模式之间自动转换。在传统的电池充电系统中，采用应用处理器来监视系统运行参数。基于检测到的参数，应用处理器发送适当的控制信号以控制开关电容转换器的运行模式。传统电池充电系统的控制配置增加了控制系统的复杂性。此外，由于通信延迟，来自应用处理器的控制信号不够快。慢速响应可以引起从跳跃模式到固定PWM模式的慢速模式转换。在本公开中，在控制器内产生模式转换控制信号。模式转换命令直接施加于栅极驱动器。模式转换可以在控制器内自动执行。这种控制配置可以简化系统控制设计，以便在不同运行模式之间具有无缝转换，从而提高模式转换可靠性。
图4-图5示出了根据本公开的各种实施例的控制在不同运行模式下运行的双相开关电容功率转换器的时序图。图4-图5的水平轴表示时间间隔。在图4-图5中可以有五条虚线。第一虚线表示第一电压阈值CCM_H。在一些实施例中，CCM_H是第一固定PWM模式电压阈值。第二虚线表示输入电压的一半(VIN/2)。第三虚线表示第二电压阈值DCM_H。在一些实施例中，DCM_H是跳跃模式电压阈值。第四虚线表示第三电压阈值DCM_L。在一些实施例中，DCM_L是用于在跳跃模式中启动新周期的电压阈值。第五虚线表示第四电压阈值CCM_L。在一些实施例中，CCM_L是第二固定PWM模式电压阈值。
如图4所示，第一电压阈值CCM_H高于VIN/2。第二电压阈值DCM_H低于VIN/2。第三电压阈值DCM_L低于第二电压阈值DCM_H。第四电压阈值CCM_L低于第三电压阈值DCM_L。需要注意的是，这四个阈值不是固定的。这四个阈值的值可以与输入电压VIN成比例地变化。
在第一持续时间T1中，开关电容功率转换器在2∶1跳跃模式下运行。响应于负载增加，输出电压Vo下降。一旦Vo下降到低于第四电压阈值CCM_L，开关电容转换器100就被配置为离开2∶1跳跃模式并进入2∶1固定PWM模式。
在第二持续时间T2中，开关电容转换器在2∶1固定PWM模式下运行。当ac/dc适配器被插入时，PMIC 102开始为Vo供电。响应于该系统配置变化，Vo在T2结束时以线性方式增加，如图4所示。
在第三持续时间T3中，一旦Vo超过第一电压阈值CCM_H，则控制器将开关电容转换器100配置为离开2∶1固定PWM模式并进入1∶2固定PWM模式。在1∶2固定PWM模式中，开关电容转换器100被配置为对电池充电。
在T3结束时，PMIC 102停止为Vo供电。输出电压Vo相应地下降，如图4所示。
在第四持续时间T4中，输出电压Vo保持在VIN/2。如上所述，大约50mA的电流阱被应用到开关电容转换器100的输出端。控制器能够检测从开关电容转换器的输入端流到输出端的电流。在检测到该电流等于预定值(例如，50mA)时，控制器将开关电容转换器100配置为离开1∶2固定PWM模式，并在T4结束时进入跳跃模式。在跳跃模式中，由于Vo高于DCM_H，因此控制器立即停止切换。
在第五时间段T5中，在控制器停止切换之后，输出电压Vo下降。一旦输出电压Vo达到DCM_L，新的周期开始，如图5所示。
在第六持续时间T6中，开关电容转换器在2∶1跳跃模式下运行。在T6结束时，ac/dc适配器被插入，并且PMIC 102开始为Vo供电。响应于该系统配置改变，Vo在T6结束时和T7开始时以线性方式增加。一旦Vo超过CCM_H，控制器就将开关电容转换器100配置为离开2∶1跳跃模式并进入1∶2固定PWM模式。
在第七持续时间T7中，开关电容转换器100在1∶2固定PWM模式下运行以对电池充电。在第八持续时间T8中，电池几乎充满。从PMIC 102流到电池的电流减少。响应于减小的电流，Vo和VIN/2之间的电压差变得更小，如图5所示。需要注意的是，在电池完全充电之前，充电电流仍然从Vo流向VIN。
在T8结束时，电池充满电。在第九持续时间T9中，开关电容转换器100的输出电压Vo保持在VIN/2。如上所述，大约50mA的电流阱被应用到开关电容转换器的输出端。控制器能够检测从开关电容转换器的输入端流到输出端的电流，该电流等于来自电流阱的电流。在检测到该电流时，控制器将开关电容转换器100配置为离开1∶2固定PWM模式，并在第十持续时间T10开始时进入跳跃模式。在跳跃模式中，由于Vo高于DCM_H，因此控制器立即停止切换。在T10中，一旦Vo下降到DCM_L，控制器就启动新的周期以对Vo充电。
图6示出了根据本公开的各种实施例的用于控制图1所示的双相开关电容功率转换器的模式转换的状态机。状态机包括三个状态，即1∶2固定PWM状态602、2∶1固定PWM状态604和2∶1跳跃状态606。1∶2固定PWM状态602对应于1∶2固定PWM模式。2∶1固定PWM状态604对应于2∶1固定PWM模式。2∶1跳跃状态606对应于2∶1跳跃模式。
如这里所使用的，指定状态机被应用于可以处于多个状态(例如，状态602、604和606)之一的机器，机器一次处于一个状态，具有在条件的触发事件时从一个状态改变(例如，转换)到另一个状态的能力。因此，这样的状态机可以由其状态和用于在两个状态之间转换的触发条件来定义。根据图6所示的状态机，导致从一个状态到另一个状态的转换的事件由从图6所示的旧状态开始指向新状态的箭头来指示。
图6中所示的状态机允许在1∶2固定PWM状态602与2∶1固定PWM状态604之间、在2∶1固定PWM状态604与2∶1跳跃状态606之间以及在2∶1跳跃状态606与1∶2固定PWM状态602之间的状态转换。
根据开关电容功率转换器的输入电压和输出电压，控制器(未示出但在图2中示出)可以确定开关电容功率转换器100的运行模式。如果开关电容功率转换器100准备好用于1∶2固定PWM模式，则控制器产生“1∶2固定PWM”的命令。同样，如果开关电容功率转换器100准备好用于2∶1固定PWM模式，则控制器产生“2∶1固定PWM”的命令。此外，如果开关电容功率转换器100准备好用于2∶1跳跃模式，则控制器产生“2∶1跳跃”的命令。
在从1∶2固定PWM状态602到2∶1固定PWM状态604的模式转换中，如果满足以下条件，则触发从状态602到状态604的转换：Vo小于图5-图6中所示的预定阈值CCM_L。预定阈值CCM_L是预定电压。在一些实施例中，预定电压(CCM_L)可以响应于不同的输入电压而变化。在从2∶1固定PWM状态604到1∶2固定PWM状态602的模式转换中，如果满足以下条件，则触发从状态604到状态602的转换：Vo大于图5-图6中所示的预定阈值CCM_H。预定阈值CCM_H是预定电压。在一些实施例中，预定电压(CCM_H)可以响应于不同的输入电压而变化。
在从2∶1固定PWM状态604到2∶1跳跃状态606的模式转换中，如果满足以下条件，则触发从状态604到状态606的转换：Vo大于图5-图6中所示的预定阈值DCM_H。预定阈值DCM_H是预定电压。在一些实施例中，预定电压(DCM_H)可以响应于不同的输入电压而变化。在从2∶1跳跃状态606到2∶1固定PWM状态604的模式转换中，如果满足以下条件，则触发从状态606到状态604的转换：Vo小于图5-图6中所示的预定阈值CCM_L。
在从2∶1跳跃状态606到1∶2固定PWM状态602的模式转换中，如果满足以下条件，则触发从状态606到状态602的转换：Vo大于图5-图6中所示的预定阈值CCM_H。在从1∶2固定PWM状态602到跳跃状态606的模式转换中，如果满足以下条件，则触发从状态602到状态606的转换：控制器检测从开关电容转换器的输入端流到输出端的电流。电流等于预定的电流吸收器(例如，50mA)。
图7示出了根据本公开的各种实施例的控制图1所示的电池充电系统的流程图。图7所示的流程图仅仅是一个示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到许多变化、替换和修改。例如，可以添加、移除、替换、重新布置和重复图7中所示的各种步骤。
回到图1，开关电容功率转换器是双相开关电容转换器。双相开关电容转换器的输入端耦合到诸如双单元电池的电池。双相开关电容转换器的输出端耦合到PMIC以及系统负载。
在步骤702，开关电容转换器被配置为在第一固定PWM模式下运行。在第一固定PWM模式中，开关电容转换器被配置为对耦合到开关电容转换器的输入端的电池充电。
在步骤704，开关电容转换器被配置为在第二固定PWM模式下运行。在第二固定PWM模式中，开关电容转换器被配置为对电池放电。
在步骤706，开关电容转换器被配置为在跳跃模式下运行。开关电容转换器基于所述开关电容转换器的输出电压与多个预定电压阈值之间的比较而在不同模式之间自动转换。
返回参考图6(从状态606到状态604)，方法还包括：在开关电容转换器的输出电压下降到低于第四电压阈值之后，配置开关电容转换器以离开跳跃模式并进入第二固定PWM模式。第二固定PWM模式是2∶1固定PWM模式，并且跳跃模式是2∶1跳跃模式。
返回参考图6(从状态604到状态602)，方法还包括：在开关电容转换器的输出电压超过第一电压阈值之后，配置开关电容转换器以离开第二固定PWM模式并进入第一固定PWM模式。第一固定PWM模式是1：2固定PWM模式，第二固定PWM模式是2：1固定PWM模式。
返回参考图6(从状态606到状态602)，方法还包括：在开关电容转换器的输出电压超过第一电压阈值之后，配置开关电容转换器以离开跳跃模式并进入第一固定PWM模式。第一固定PWM模式是1：2固定PWM模式，而跳跃模式是2：1跳跃模式。
返回参考图6(从状态602到状态604)，方法还包括：在开关电容转换器的输出电压下降到低于第四电压阈值之后，配置开关电容转换器以离开第一固定PWM模式并进入第二固定PWM模式。第一固定PWM模式是1：2固定PWM模式，第二固定PWM模式是2：1固定PWM模式。
返回参考图6(从状态604到状态606)，方法还包括：在开关电容转换器的输出电压超过第二电压阈值之后，配置开关电容转换器以离开第二固定PWM模式并进入跳跃模式。第二固定PWM模式是2∶1固定PWM模式，并且跳跃模式是2∶1跳跃模式。
返回参考图6(从状态602到状态606)，方法还包括：在开关电容转换器的输出电压保持在输入电压的一半并且流过开关电容转换器的电流等于预定灌电流之后，配置开关电容转换器以离开第一固定PWM模式并进入跳跃模式。第一固定PWM模式是1：2固定PWM模式，而跳跃模式是2：1跳跃模式。
返回参照图4的T1和T2，方法还包括：响应于负载电流增加，通过将开关电容转换器的输出电压与第一固定PWM模式电压阈值进行比较，配置开关电容转换器以离开2∶1跳跃模式并进入2∶1固定PWM模式。第一固定PWM模式电压阈值小于开关电容转换器的输入电压的一半。
返回参照图4的T2和T3，方法还包括：在充电器开始为开关电容转换器的输出端供电之后，通过将开关电容转换器的输出电压与第二固定PWM模式电压阈值进行比较，配置开关电容转换器以离开2∶1固定PWM模式并进入1∶2固定PWM模式。第二固定PWM模式电压阈值大于开关电容转换器的输入电压的一半。
再参考图4的T4和T5，方法还包括：在充电器停止为开关电容转换器的输出端供电并且开关电容转换器的输出电压保持在开关电容转换器输入电压的一半之后，在检测到流经开关电容转换器的电流等于预定灌电流时，配置开关电容转换器以离开1∶2固定PWM模式并进入2∶1跳跃模式。
返回参照图5的T6、T7和T8，方法还包括：在充电器开始为开关电容转换器的输出端供电之后，通过将开关电容转换器的输出电压与第二固定PWM模式电压阈值进行比较，配置开关电容转换器以离开2∶1跳跃模式并进入1∶2固定PWM模式。第二固定PWM模式电压阈值大于开关电容转换器的输入电压的一半。
返回参照图5的T9和T10，方法还包括：在电池已经被完全充电并且开关电容转换器的输出电压保持在开关电容转换器的输入电压的一半之后，在检测到流经开关电容转换器的电流等于预定灌电流时，配置开关电容转换器以离开1∶2固定PWM模式并进入2∶1跳跃模式。
尽管已经详细描述了本公开的实施例及其优点，但是应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，可以在此进行各种改变、替换和变更。
此外，本申请的范围不限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例。如本领域普通技术人员从本公开的公开中容易理解，根据本公开，可以利用目前存在的或以后开发的执行与本文所述的相应实施例基本相同的功能或实现与本文所述的相应实施例基本相同的结果的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这样的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤包括在其范围内。

Claims (20)

1.一种方法，包括：
配置开关电容转换器以在第一固定PWM模式下运行，其中，在所述第一固定PWM模式中，所述开关电容转换器被配置为对耦合到所述开关电容转换器的输入端的电池充电；
配置所述开关电容转换器以在第二固定PWM模式下运行，其中，在所述第二固定PWM模式中，所述开关电容转换器被配置为对所述电池放电；以及
配置所述开关电容转换器以在跳跃模式下运行，其中，所述开关电容转换器基于所述开关电容转换器的输出电压与多个预定电压阈值之间的比较而在不同模式之间自动转换。
2.如权利要求1所述的方法，其中：
所述第一固定PWM模式是1∶2固定PWM模式；
所述第二固定PWM模式是2∶1固定PWM模式；和
所述跳跃模式是2：1跳跃模式。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述开关电容转换器包括：
第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，所述第一开关、第二开关、第三开关和第四开关串联连接在所述开关电容转换器的所述输入端与地之间；
第一飞跨电容，所述第一飞跨电容连接在所述第一开关和所述第二开关的公共节点与所述第三开关和所述第四开关的公共节点之间；
第五开关、第六开关、第七开关和第八开关，所述第五开关、第六开关、第七开关和第八开关串联连接在所述开关电容转换器的所述输入端与地之间；和
第二飞跨电容，所述第二飞跨电容连接在所述第五开关和所述第六开关的公共节点与所述第七开关和所述第八开关的公共节点之间，并且其中，所述第二开关和所述第三开关的所述公共节点连接到所述第六开关和所述第七开关的共同节点，并且还连接到所述开关电容转换器的输出端。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述多个预定电压阈值包括：
第一电压阈值，所述第一电压阈值高于所述开关电容转换器的输入电压的一半；
第二电压阈值，所述第二电压阈值低于所述开关电容转换器的所述输入电压的一半；
第三电压阈值，所述第三电压阈值低于所述第二电压阈值；和
第四电压阈值，所述第四电压阈值低于所述第三电压阈值。
5.如权利要求4所述的方法，进一步包括：
在所述开关电容转换器的所述输出电压下降到低于所述第四电压阈值之后，配置所述开关电容转换器以离开所述跳跃模式并进入所述第二固定PWM模式，其中，所述第二固定PWM模式是2∶1固定PWM模式，并且所述跳跃模式是2∶1跳跃模式。
6.如权利要求4所述的方法，进一步包括：
在所述开关电容转换器的所述输出电压超过所述第一电压阈值之后，配置所述开关电容转换器以离开所述第二固定PWM模式并进入所述第一固定PWM模式，其中，所述第一固定PWM模式是1∶2固定PWM模式，并且所述第二固定PWM模式是2∶1固定PWM模式。
7.如权利要求4所述的方法，进一步包括：
在所述开关电容转换器的所述输出电压超过所述第一电压阈值之后，配置所述开关电容转换器以离开所述跳跃模式并进入所述第一固定PWM模式，其中，所述第一固定PWM模式是1∶2固定PWM模式，并且所述跳跃模式是2∶1跳跃模式。
8.如权利要求4所述的方法，进一步包括：
在所述开关电容转换器的所述输出电压下降到低于所述第四电压阈值之后，配置所述开关电容转换器以离开所述第一固定PWM模式并进入所述第二固定PWM模式，其中，所述第一固定PWM模式是1∶2固定PWM模式，并且所述第二固定PWM模式是2∶1固定PWM模式。
9.如权利要求4所述的方法，进一步包括：
在所述开关电容转换器的所述输出电压超过所述第二电压阈值之后，配置所述开关电容转换器以离开所述第二固定PWM模式并进入所述跳跃模式，其中，所述第二固定PWM模式是2∶1固定PWM模式，并且所述跳跃模式是2∶1跳跃模式。
10.如权利要求4所述的方法，进一步包括：
在所述开关电容转换器的所述输出电压停留在所述输入电压的一半且流经所述开关电容转换器的电流等于预定灌电流之后，配置所述开关电容转换器以离开所述第一固定PWM模式并进入所述跳跃模式，其中，所述第一固定PWM模式为1∶2固定PWM模式且所述跳跃模式为2∶1跳跃模式。
11.一种方法，包括：
将开关电容功率转换器的输入端耦合到电池，并且将所述开关电容功率转换器的输出端耦合到系统负载和充电器；
配置所述开关电容转换器以在1∶2固定PWM模式下运行，以对所述电池充电；
配置所述开关电容转换器以在2∶1固定PWM模式下运行，以对所述电池放电；以及
配置所述开关电容转换器以在轻负载运行条件下在2∶1跳跃模式下运行，其中，所述开关电容转换器基于所述开关电容转换器的输出电压与多个预定电压阈值之间的比较而在不同模式之间自动转换。
12.如权利要求11所述的方法，进一步包括：
响应于负载电流增加，通过将所述开关电容转换器的所述输出电压与第一固定PWM模式电压阈值进行比较，配置所述开关电容转换器以离开所述2∶1跳跃模式并进入所述2∶1固定PWM模式，其中，所述第一固定PWM模式电压阈值小于所述开关电容转换器的输入电压的一半。
13.如权利要求11所述的方法，进一步包括：
在所述充电器开始向所述开关电容转换器的所述输出端供电之后，通过将所述开关电容转换器的所述输出电压与第二固定PWM模式电压阈值进行比较，配置所述开关电容转换器以离开所述2∶1固定PWM模式并进入所述1∶2固定PWM模式，其中，所述第二固定PWM模式电压阈值大于所述开关电容转换器的输入电压的一半。
14.如权利要求11所述的方法，进一步包括：
在所述充电器停止向所述开关电容转换器的所述输出端供电并且所述开关电容转换器的所述输出电压保持在所述开关电容转换器的输入电压的一半之后，在检测到流经所述开关电容转换器的电流等于预定灌电流时，配置所述开关电容转换器以离开所述1∶2固定PWM模式并进入所述2∶1跳跃模式。
15.如权利要求11所述的方法，进一步包括：
在所述充电器开始向所述开关电容转换器的所述输出端供电之后，通过将所述开关电容转换器的所述输出电压与第二固定PWM模式电压阈值进行比较，配置所述开关电容转换器以离开所述2∶1跳跃模式并进入所述1∶2固定PWM模式，其中，所述第二固定PWM模式电压阈值大于所述开关电容转换器的输入电压的一半。
16.如权利要求11所述的方法，进一步包括：
在所述电池已被完全充电且所述开关电容转换器的所述输出电压保持在所述开关电容转换器的输入电压的一半之后，在检测到流经所述开关电容转换器的电流等于预定灌电流时，配置所述开关电容转换器以离开所述1∶2固定PWM模式并进入所述2∶1跳跃模式。
17.一种控制器，包括：
第一比较器，所述第一比较器被配置为将开关电容功率转换器的输出电压与第一固定PWM模式阈值电压进行比较，其中，所述第一固定PWM模式阈值电压大于所述开关电容功率转换器的输入电压的一半；
第二比较器，所述第二比较器被配置为将所述开关电容功率转换器的所述输出电压与跳跃模式阈值电压进行比较；
第三比较器，所述第三比较器被配置为将所述开关电容功率转换器的所述输出电压与用于启动跳跃模式的阈值电压进行比较；
第四比较器，所述第四比较器被配置为将开关电容功率转换器的所述输出电压与第二固定PWM模式阈值电压进行比较，其中，所述第二固定PWM模式阈值电压小于所述开关电容功率转换器的输入电压的一半；和
第五比较器，所述第五比较器被配置为将流经所述开关电容功率转换器的电流与预定灌电流进行比较，以确定所述开关电容功率转换器是否在轻负载运行条件下进入所述跳跃模式。
18.如权利要求17所述的控制器，进一步包括：
多个栅极驱动器，所述多个栅极驱动器被配置为产生用于驱动所述开关电容功率转换器的多个栅极驱动信号，其中，所述第一比较器、所述第二比较器、所述第三比较器、所述第四比较器和所述第五比较器的输出结果被用于确定所述开关电容功率转换器的运行模式。
19.如权利要求17所述的控制器，其中，所述开关电容转换器包括：
第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，所述第一开关、第二开关、第三开关和第四开关串联连接在所述开关电容转换器的输入端与地之间；
第一飞跨电容，所述第一飞跨电容连接在所述第一开关和所述第二开关的公共节点与所述第三开关和所述第四开关的公共节点之间；
第五开关、第六开关、第七开关和第八开关，所述第五开关、第六开关、第七开关和第八开关串联连接在所述开关电容转换器的所述输入端与地之间；和
第二飞跨电容，所述第二飞跨电容连接在所述第五开关和所述第六开关的公共节点与所述第七开关和所述第八开关的公共节点之间，并且其中，所述第二开关和所述第三开关的所述公共节点连接到所述第六开关和所述第七开关的共同节点，并且还连接到所述开关电容转换器的输出端。
20.如权利要求17所述的控制器，其中：
在所述开关电容功率转换器的所述输出电压超过所述第一固定PWM模式阈值电压之后，所述开关电容功率转换器被配置为在1∶2固定PWM模式下运行；
在所述开关电容功率转换器的所述输出电压下降到低于所述第二固定PWM模式阈值电压之后，所述开关电容功率转换器被配置为在2∶1固定PWM模式下运行；和
在找到所述轻负载运行条件之后，所述开关电容功率转换器被配置为在2∶1跳跃模式下运行。
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