CN114556761A - 具有多个操作相的多相电感式升压转换器 - Google Patents

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约翰·L·梅兰森
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Abstract

一种电池管理系统，该电池管理系统被配置为电气耦接到电池，该电池管理系统可以包括升压转换器以及耦接在电池和输出端之间的旁路开关，该升压转换器包括多个开关，所述多个开关被布置成在升压转换器的输出端从电池的源电压提供升压输出电压，其中电池管理系统可在包括旁路模式的多种模式下操作，其中源电压被旁路到输出端，并且当电池管理系统处于旁路模式时，所述多个开关中的至少一个开关被启用以增加电池和输出端之间的电导。

Description

具有多个操作相的多相电感式升压转换器
技术领域
本公开总体上涉及用于电子设备的电路，包括但不限于个人音频设备，诸如无线电话和媒体播放器，并且更具体地，涉及峰值控制升压转换器中的有限平均电流。
背景技术
个人音频设备，包括无线电话，诸如移动/蜂窝电话、无绳电话、mp3播放器和其它消费类音频设备，都在广泛使用。这种个人音频设备可以包括用于驱动一对耳机或一个或多个扬声器的电路。这种电路通常包括扬声器驱动器，该扬声器驱动器包括用于将音频输出信号驱动到耳机或扬声器的功率放大器。通常，功率转换器可被用于向功率放大器提供电源电压，以便放大被驱动到扬声器、耳机或其它换能器的信号。开关电源转换器是一种将电源从一个直流(DC)电压电平转换到另一个DC电压电平的电子电路。这种开关DC-DC转换器的示例包括但不限于升压转换器、降压转换器、降压-升压转换器、反相降压-升压转换器和其它类型的开关DC-DC转换器。因此，使用功率转换器，可以将诸如由电池提供的DC电压转换为被用于为功率放大器供电的另一种DC电压。
在许多情况下，需要调节功率转换器的输出电压，包括将输出电压调节在最小电压电平。
发明内容
根据本公开的教导，可以减少或消除与操作功率转换器的现有方法相关联的一个或多个缺点和问题。
根据本公开的实施例，一种被配置为电气耦接到电池的电池管理系统可以包括升压转换器，该升压转换器包括多个开关，该多个开关被布置成在升压转换器的输出端从电池的源电压提供升压输出电压，以及耦接在电池和输出端之间的旁路开关，其中电池管理系统可在包括旁路模式的多种模式下操作，其中源电压被旁路到输出端，并且当电池管理系统处于旁路模式时，多个开关中的至少一个开关被启用以增加电池和输出端之间的电导。
根据本公开的这些和其它实施例，用于电池供电的移动设备的电池管理电路可以包括包含电压监测电路和具有至少三个升压转换器相的多相电感式升压转换器的电池管理电路，并且该电池管理电路可以被配置为将电池供电的移动设备的电池电压与最小阈值电压进行比较，如果电池电压低于最小阈值电压，则使升压转换器能够在升压转换器的输出端从电池的源电压提供升压输出电压，并且如果电池电压高于最小阈值电压，则将电池电压旁路至升压转换器的输出端。
根据本公开的这些和其它实施例，一种方法可以包括，在电池管理系统中，该电池管理系统被配置为电气耦接到电池并且包括具有多个开关的升压转换器，该多个开关被布置为在升压转换器的输出端从电池的源电压提供升压输出电压，在包括旁路模式的多种模式中操作电池管理系统，其中源电压经由耦接在电池和输出端之间的旁路开关被旁路到输出端。该方法还可以包括当电池管理系统处于旁路模式时，启用多个开关中的至少一个开关以增加电池和输出端之间的电导。
根据本公开的这些和其它实施例，可以提供一种用于在电池供电的移动设备的电池管理电路中使用的方法，其中电池管理电路包括电压监测电路和具有至少三个升压转换器相的多相电感式升压转换器。该方法可以包括将电池供电的移动设备的电池电压与最小阈值电压进行比较，如果电池电压低于最小阈值电压，则使升压转换器能够在升压转换器的输出端从电池的源电压提供升压输出电压，并且如果电池电压高于最小阈值电压，则将电池电压旁路至升压转换器的输出端。
本公开的技术优点对于本领域技术人员而言可以从本文包括的附图、说明书和权利要求中显而易见。将至少通过权利要求中特别指出的元件、特征和组合来实现和达到实施例的目的和优点。
应当理解，前述总体描述和以下详细描述都是示例和说明性的，并不是对本公开中提出的权利要求的限制。
附图说明
通过参考以下结合附图的描述，可以获得对本实施例及其优点的更完整理解，附图中相似的附图标记表示相似的特征，并且其中：
图1示出了根据本公开的实施例的示例性便携式电子设备；
图2示出了根据本公开的实施例的便携式电子设备内部的选定组件的框图；
图3A示出了根据本公开的实施例的具有多种操作模式的示例性升压转换器的选定组件的框图，其描绘了在旁路模式下的操作；
图3B示出了根据本公开的实施例的具有多种操作模式的示例性升压转换器的选定组件的框图，其描绘了在升压活动模式下的操作；
图3C示出了根据本公开的实施例的具有多种操作模式的示例性升压转换器的选定组件的框图，其描绘了在升压非活动模式下的操作；
图4A示出了根据本公开的实施例的图3A至图3C中描绘的示例性升压转换器的电感式升压相的选定组件的框图；
图4B示出了根据本公开的实施例的用于生成图4A中所示的电感式升压相的充电开关和整流开关的开关控制信号的示例性控制信号生成电路；和
图4C示出了根据本公开的实施例的描绘图4A中所示的电感式升压相的多相升压转换器相移的示例性功率电感器电流的曲线图。
具体实施方式
图1示出了根据本公开的实施例的示例性便携式电子设备1。图1描绘了以一对耳塞式扬声器8A和8B的形式耦接到耳机3的便携式电子设备1。图1中描绘的耳机3仅是示例，并且应当理解可以与各种音频换能器连接使用便携式电子设备1，包括但不限于头戴式耳机、耳塞、入耳式耳机和外部扬声器。插头4可以提供将耳机3连接到便携式电子设备1的电端子。便携式电子设备1可以向用户提供显示器并使用触摸屏2接收用户输入，或者可替选地，标准液晶显示器(LCD)可以与被设置在便携式电子设备1的表面和/或侧面上的各种按钮、滑块和/或刻度盘组合。
图2示出了根据本公开的实施例的集成到便携式电子设备1的选定组件的框图。如图2所示，便携式电子设备1可以包括升压转换器20，升压转换器20被配置为向便携式电子设备1的多个下游组件18产生电源电压VSUPPLY。便携式电子设备1的下游组件18可以包括便携式电子设备1的任何合适的功能电路或设备，包括但不限于处理器、音频编码器/解码器、放大器、显示设备等。如图2所示，便携式电子设备1还可以包括用于对电池22再充电的充电器16。
在便携式电子设备1的一些实施例中，升压转换器20和电池充电器16可以包括电气耦接到电池22的便携式电子设备1的唯一组件，并且升压转换器20可以在电池22和便携式电子设备1的所有下游组件之间进行电气连接。然而，在便携式电子设备1的其它实施例中，一些下游组件18可以直接与电池22电气耦接。
图3A示出了根据本公开的实施例的具有多种操作模式的示例性升压转换器20的选定组件的框图，其描绘了在旁路模式下的操作。在一些实施例中，升压转换器20可被用于实施图2中所示的电源10。如图3A所示，升压转换器20可包括电池22、多个电感式升压相24、感测电容器26、感测电阻器28、旁路开关30和控制电路40。如图3A所示，每个电感式升压相24可以包括功率电感器32、充电开关34和整流开关36。
尽管图3A至图3C描绘了具有三个电感式升压相24的升压转换器20，但是升压转换器20的实施例可以具有任何合适数量的电感式升压相24。在一些实施例中，升压转换器20可以包括三个或更多个电感式升压相24。在其它实施例中，升压转换器20可以包括少于三相(例如，单相或两相)。
当由升压转换器20产生的电源电压VSUPPLY大于阈值最小电压VMIN时，升压转换器20可以在旁路模式下操作。在一些实施例中，这种阈值最小电压VMIN可以是被监测的电流(例如，通过感测电阻器28的电流)的函数。在一些实施例中，这种阈值最小电压VMIN可以根据监测到的电流的变化而变化，以便从由电源电压VSUPPLY供电的组件中提供期望的净空。控制电路40可以被配置为感测电源电压VSUPPLY并将电源电压VSUPPLY与阈值最小电压VMIN进行比较。在电源电压VSUPPLY和感测电容器26上的电压VDD_SENSE大于阈值最小电压VMIN的情况下，控制电路40可以激活(例如，使能、闭合、接通)旁路开关30和一个或多个整流开关36并且停用(例如，禁用、断开、关断)充电开关34。在这种旁路模式中，整流开关36、功率电感器32和旁路开关30的电阻可以组合以最小化电池22和电源电压VSUPPLY之间的路径的总有效电阻。
还如图3A所示，升压转换器20的每个相24可以包括电流传感器44(例如，电流传感器44A、44B和44C)，该电流传感器44被配置为感测通过其相应的充电开关34的相应的电流I1(例如，电流I1A、I1B和I1C)并感测通过其相应的整流开关36的相应的电流I2(例如，电流I2A、I2B和I2C)。控制电路40可以接收此类电流I1和I2，并且基于此类测得的电流I1和I2执行对升压转换器20的控制。例如，控制电路40可以基于电流I1和I2以及与通过功率电感器32的设定点峰值电流或谷值电流的比较来执行控制。在一些实施例中，例如控制电路40还可以实施用于控制升压转换器20的定时器，诸如确定通过功率电感器32的谷值电流发生的大致时间的定时器。
图3B示出了根据本公开的实施例的示例性升压转换器20的选定组件的框图，其描绘了在升压活动模式下的操作。当旁路模式中的电池电压VBAT不足以将电源电压VSUPPLY维持在阈值最小电压VMIN之上时，升压转换器20可以在升压活动模式下操作。在升压活动模式中，控制电路40可以停用(例如，禁用、断开、关断)旁路开关30，并且周期性地使电感式升压相24的充电开关34和整流开关36换向(如下文更详细描述)以产生在量级上大于电池电压VBAT的电源电压VSUPPLY，以便向电源电压VSUPPLY的电气节点提供编程的(或伺服的)期望电流(例如，平均电流)，同时维持电源电压VSUPPLY高于阈值最小电压VMIN。在升压活动模式下，电压VDD_SENSE可能会下降到阈值最小电压VMIN以下。此外，在升压活动模式中，升压转换器20可以作为单相升压转换器或多相升压转换器操作。
在升压活动模式中，控制电路40可以由升压转换器20通过在峰值和谷值检测操作中操作电感式升压相24来操作，如下面参考图4A至图4C更详细地描述的。可以由感测电压VDD_SENSE、电源电压VSUPPLY、功率电感器32A的电感和编程的纹波参数(例如，功率电感器32A中的目标电流纹波的配置)确定电感式升压相24的充电开关34和整流开关36的最终开关频率。当在升压活动模式中操作时，控制电路40还可以致使电感式升压相24B和24C跟随峰值和谷值操作，其中由定时器确定谷值位置，以确保设计的所有相的适当相位交错。
图3C示出了根据本公开的实施例的升压转换器20的选定组件的框图，其描绘了在升压非活动模式下的操作。当由升压转换器20产生的电源电压VSUPPLY上升到高于阈值最小电压VMIN和迟滞电压VHYST之和，并且感测电压VDD_SENSE保持低于阈值最小电压VMIN时，升压转换器20可以在升压非活动模式中操作。在升压非活动模式中，控制电路40可以停用(例如，禁用、断开、关断)旁路开关30、充电开关34和整流开关36。因此，当感测电压VDD_SENSE保持低于阈值最小电压VMIN时，控制电路40阻止升压转换器20进入旁路模式，以便不从电源电压VSUPPLY为电池22恢复供电。此外，如果电源电压VSUPPLY可以下降到阈值最小电压VMIN以下，则控制电路40可以使升压转换器20再次进入升压活动模式，以便将电源电压VSUPPLY增加到阈值最小电压VMIN和迟滞电压VHYST之和。
图4A示出了根据本公开的实施例的电感式升压相24的选定组件的框图。如图4A所示，控制电路40可以生成分别用于控制充电开关34A、34B和34C的开关控制信号NDRV1、NDRV2和NDRV3，并且可以生成分别用于控制整流开关36A、36B和36C的控制信号PDRV1、PDRV2和PDRV3。
图4B示出了用于生成图4A中所示的电感式升压相的充电开关34和整流开关36的开关控制信号NDRV1、NDRV2、NDRV3、PDRV1、PDRV2和PDRV3的示例性控制信号生成电路50。可以全部或部分地由控制电路40实施控制信号产生电路50。
图4C示出了根据本公开的实施例的示例性功率电感器电流的曲线图，其描绘了在升压活动模式中操作时电感式升压相24的多相升压转换器相移。
在操作中，当进入升压活动模式时，控制信号生成电路50可以通过用开关控制信号NDRV1激活充电开关34A来触发初级电感式升压相24A，以便对功率电感器32A充电。如图4B所示，开关控制信号NDRV1可被用于触发定时器52，该定时器52估计延迟，在该延迟之后，次级电感式升压相24B应该通过用开关控制信号NDRV2激活充电开关34B开始充电。这种延迟估计可能会在进入升压活动模式之后立即在次级电感式升压相24B的初始周期的相移中引入误差，但是在几个操作周期之后，可以获得次级电感式升压相24B(和三级电感式升压相24C)的正确定相。控制信号生成电路50的操作的关键在于它可以防止两个电感式升压相24同时充电，从而确保电流被以交错的方式从电池22拉出。控制信号生成电路50可以采用类似的方法来触发三级电感式升压相24C，其中开关控制信号NDRV2用作触发器。
一旦初级相电感器电流iL1越过设定峰值(例如，iAVG+RIPPLE/2)，控制信号生成电路50就可以停用充电开关34A并激活整流开关34B。次级电感式升压相24B和三级电感式升压相24C可以由它们的专用设定-复位逻辑54B和54C控制，非常类似于初级电感式升压相24A由其设定-复位逻辑54A控制。该操作序列可以持续直到功率转换器20退出升压活动模式为止。
为了适当地相移次级电感式升压相24B和三级电感式升压相24C以进行相交错，并且考虑功率电感器32之间的制造公差和电感式升压相24之间的潜在阻抗波动，除了初级电感式升压相24A上的峰值和谷值电流控制之外，次级电感式升压相24B和三级电感式升压相24C可各自使用基于时间的方案来确定此类电感式升压相24的谷值位置。
在本公开的实施例中，控制电路40可以测量通过感测电阻器28的电流(例如，基于感测电压VDD_SENSE和电池电压VBAT之间的差异)。在一些实施例中，感测电阻器28可以包括相对低阻抗的电阻器(例如，大约10mΩ)。在这些和其它实施例中，控制电路40可以测量通过功率电感器32的电流，与感测电阻器28相比，功率电感器32可以具有高阻抗的电阻(例如，大约100mΩ)。在这样的实施例中，当检测到较低电流电平时，控制电路40可以测量通过高阻抗路径的电流，并且当检测到较高电流电平时，控制电路40可以测量通过低阻抗路径的电流。
如本文所用，当两个或更多个元件被称为彼此“耦接”时，该术语表示这样的两个或更多个元件处于电子通信或机械通信中，如适用，无论是间接连接还是直接连接，有或没有中间元件。
本公开涵盖本领域普通技术人员将理解的对本文示例性实施例的所有改变、替换、变化、变更和修改。类似地，在适当的情况下，所附的权利要求涵盖本领域普通技术人员将理解的对本文示例性实施例的所有改变、替换、变化、变更和修改。此外，在所附权利要求中对装置或者系统或者装置或系统的组件的引用适于、被布置为、能够、被配置为、启用、可操作为或有效执行特定功能，涵盖该装置、系统或组件，无论它或该特定功能是否被激活、接通或解锁，只要该装置、系统或组件如此适配、布置、能够、配置、启用、可操作或有效的。因此，可以对本文描述的系统、装置和方法做出修改、添加或省略，而不背离本公开的范围。例如，系统和装置的组件可以被集成或分离。此外，可以由更多、更少或其它组件执行本文公开的系统和装置的操作，并且所描述的方法可以包括更多、更少或其它步骤。此外，可以以任何合适的顺序执行步骤。如本文件中所使用的，“每个”是指集合的每个成员或集合子集的每个成员。
尽管在附图中示出了示例性实施例并且在下文进行了描述，但是可以使用任何数量的技术来实施本公开的原理，无论当前是否已知。本公开不应以任何方式限制于附图中所示和上面所描述的示例性实施方式和技术。
除非另有特别说明，否则附图中描绘的物品不一定按比例绘制。
本文中引用的所有示例和条件语言旨在用于教学目的，以帮助读者理解发明人为推进本领域而贡献的本公开的内容和概念，并且被解释为不受这些具体叙述的示例和条件的限制。尽管已经详细描述了本公开的实施例，但是应当理解，可以对其做出各种改变、替换和变更，而不背离本公开的精神和范围。
尽管上面已经列举了具体的优点，但是各种实施例可以包括一些、没有或所有列举的优点。此外，在阅读了前述附图和描述之后，其它技术优势对于本领域普通技术人员而言可能变得显而易见。
为了帮助专利局和根据本申请发布的任何专利的任何读者解释本申请所附的权利要求，申请人希望注意，他们不打算任何所附权利要求或权利要求要素引用35 U.S.C.§112(f)，除非在特定权利要求中明确使用词语“手段”或“步骤”。

Claims (20)

1.一种电池管理系统，所述电池管理系统被配置为电气耦接到电池，所述电池管理系统包括：
升压转换器，所述升压转换器包括多个开关，所述多个开关被布置为在所述升压转换器的输出端从所述电池的源电压提供升压输出电压；和
耦接在所述电池和所述输出端之间的旁路开关；
其中：
所述电池管理系统可在包括旁路模式的多种模式下操作，其中所述源电压被旁路到所述输出端；并且
当所述电池管理系统处于所述旁路模式时，所述多个开关中的至少一个开关被启用以增加所述电池与所述输出端之间的电导。
2.根据权利要求1所述的电池管理系统，其中，所述升压转换器包括多个升压转换器相。
3.根据权利要求2所述的电池管理系统，其中，所述多个升压转换器相中的每个升压转换器相包括电感器、充电开关和整流开关。
4.根据权利要求3所述的电池管理系统，还包括：
低电阻路径；
具有明显高于所述低电阻路径的电阻的高电阻路径；和
测量电路，所述测量电路被配置为：
在所述电流的第一范围内测量通过所述低电阻路径的电流；并且
在量级上低于所述第一范围的电流的第二范围内测量通过所述电感器的电流。
5.根据权利要求1所述的电池管理系统，还包括：
低电阻路径；
具有明显高于所述低电阻路径的电阻的高电阻路径；和
测量电路，所述测量电路被配置为：
在所述电流的第一范围内测量通过所述低电阻路径的电流；并且
在量级上低于所述第一范围的电流的第二范围内测量通过所述高电阻路径的电流。
6.根据权利要求5所述的电池管理系统，其中，所述低电阻路径包括通过耦接在所述电池和所述旁路开关之间的感测电阻器的路径。
7.根据权利要求6所述的电池管理系统，其中，所述高电阻路径包括通过感测电阻器以及所述升压转换器的至少一个开关的路径。
8.一种用于电池供电的移动设备的电池管理电路，所述电池管理电路包括电压监测电路和具有至少三个升压转换器相的多相电感式升压转换器，并且所述电池管理电路被配置为：
将所述电池供电的移动设备的电池电压与最小阈值电压进行比较；
如果所述电池电压低于所述最小阈值电压，则使所述升压转换器能够在所述升压转换器的输出端从所述电池的源电压提供升压输出电压；以及
如果所述电池电压高于所述最小阈值电压，则将所述电池电压旁路至所述升压转换器的所述输出端。
9.根据权利要求8所述的电池管理电路，还包括测量电路，所述测量电路被配置为监测通过所述电池管理电路的电流。
10.根据权利要求9所述的电池管理电路，其中，所述最小阈值电压是被监测的电流电平的函数。
11.一种方法，包括：
在电池管理系统中，所述电池管理系统被配置为电气耦接到电池并且包括具有多个开关的升压转换器，所述多个开关被布置为在所述升压转换器的输出端从所述电池的源电压提供升压输出电压，在包括旁路模式的多个模式中操作所述电池管理系统，其中所述源电压经由耦接在所述电池和所述输出端之间的旁路开关被旁路到所述输出端；以及
当所述电池管理系统处于所述旁路模式中时，启用所述多个开关中的至少一个开关以增加所述电池与所述输出端之间的电导。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述升压转换器包括多个升压转换器相。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述多个升压转换器相中的每个升压转换器相包括电感器、充电开关和整流开关。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：
在所述电流的第一范围内测量通过所述电池管理系统的低电阻路径的电流；并且
在量级上低于所述第一范围的电流的第二范围内测量通过所述电感器的电流。
15.根据权利要求11所述的方法，还包括：
在所述电流的第一范围内测量通过所述电池管理系统的低电阻路径的电流；并且
在量级上低于所述第一范围的电流的第二范围内测量通过高电阻路径的电流，所述高电阻路径具有明显高于所述低电阻路径的电阻。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述低电阻路径包括通过耦接在所述电池和所述旁路开关之间的感测电阻器的路径。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述高电阻路径包括通过感测电阻器和所述升压转换器的至少一个开关的路径。
18.一种在用于电池供电的移动设备的电池管理电路中的方法，其中，所述电池管理电路包括电压监测电路和具有至少三个升压转换器相的多相电感式升压转换器，所述方法包括：
将所述电池供电的移动设备的电池电压与最小阈值电压进行比较；
如果所述电池电压低于所述最小阈值电压，则使所述升压转换器能够在所述升压转换器的输出端从所述电池的源电压提供升压输出电压；以及
如果所述电池电压高于所述最小阈值电压，则将所述电池电压旁路至所述升压转换器的所述输出端。
19.根据权利要求18所述的方法电路，还包括用测量电路监测通过所述电池管理电路的电流。
20.根据权利要求19所述的方法电路，其中，所述最小阈值电压是被监测的电流电平的函数。
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