CN116057498A - 针对通用串行总线电力传输控制器的控制逻辑性能优化 - Google Patents

Abstract

一种用于USB C型设备的IC控制器，包括：误差放大器(EA)，其包括耦接至降压‑升压转换器的PWM比较器的EA输出；第一跨导放大器，其用于调整EA输出处的电流，该第一跨导放大器在恒定电压模式下操作；以及第二跨导放大器，其用于调整EA输出处的电流，该第二跨导放大器在恒定电流模式下操作。第一组可编程寄存器用于存储第一组逐渐增高的跨导值。第二组可编程寄存器用于存储第二组逐渐增高的跨导值。控制逻辑用于：使第一跨导放大器在顺序地使用存储在第一组可编程寄存器中的跨导值的情况下进行操作；以及使第二跨导放大器在顺序地使用存储在第二组可编程寄存器中的跨导值的情况下进行操作。

Description

针对通用串行总线电力传输控制器的控制逻辑性能优化

相关申请

本申请是于2021年8月31日提交的美国非临时专利申请第17/463,339号的国际申请，该美国非临时专利申请要求于2020年9月2日提交的美国临时专利申请第63/073,866号和于2020年9月4日提交的美国临时专利申请第63/074,635号的权益，上述专利申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开内容涉及控制到电子设备的通用串行总线(USB)电力传输的集成电路(IC)。

背景技术

各种电子设备(例如，智能电话、平板计算机、笔记本计算机、膝上型计算机、充电器、适配器、电源组等)被配置成根据在USB电力传输(USB-PD)规范的各种版本和修订版本中定义的USB电力传输协议通过USB连接器传递电力。例如，在一些应用中，电子设备可以被配置作为电力消耗者以通过USB连接器来接收电力(例如，用于电池充电)，而在其他应用中，电子设备可以被配置作为电力提供者以向通过USB连接器连接至该电子设备的另一设备提供电力。在各种应用中，电子制造商还可能使用需要满足各种USB-PD规范要求(例如，对输出电压(Vout)单调性和稳定性的要求)的电力转换器(例如，降压-升压转换器)。

附图说明

图1是至少一个实施方式中的包括降压-升压转换器的USB控制器的示意图。

图2是根据各种实施方式的优化图1中的降压-升压转换器的性能的方法的流程图。

图3是根据各种实施方式的被编程为控制降压-升压转换器的电力控制器的框图。

图4是示出根据至少一个实施方式的效率值如何随降压-升压转换器的操作频率而变化的曲线图。

图5A是至少一些实施方式中的包括对降压-升压控制器的占空比的可选择控制的USB控制器的示意图。

图5B是根据至少一个实施方式的软启动模式下针对降压-升压转换器的开关的控制信号的时序图。

图6是根据至少一个实施方式的与降压-升压转换器的传导和切换相关联的电力损耗的曲线图。

图7是示出根据至少一个实施方式的降压-升压转换器的开关在不同操作模式期间的切换的曲线图。

图8是根据至少一个实施方式的降压-升压转换器的降压模式和升压模式两者的示例占空比波形相对于输入电压值的曲线图。

图9是根据至少一个实施方式的包括恒定电压(CV)可编程跨导放大器和恒定电流(CC)可编程跨导放大器的USB控制器中的误差放大器的简化示意图。

图10是根据一些实施方式的基于降压-升压转换器的操作模式来调整跨导放大器的跨导的方法的流程图。

图11是根据至少一个实施方式的跨导放大器的跨导相对于输入误差的曲线图。

图12是根据实施方式的在采用跨导放大器的三个不同增益值时USB控制器的输出电压的曲线图。

图13是根据至少一个实施方式的跨导提升电路系统(transconductanceboosting circuitry)1300的示意性框图。

图14是根据所公开的至少一些实施方式的基于输入误差来调整跨导放大器的跨导的方法的流程图。

具体实施方式

以下描述阐述了许多具体细节，例如具体系统、部件、方法等的示例，以便提供对本文所描述的针对USB C型控制器的控制逻辑优化的各种实施方式的良好理解。然而，对于本领域技术人员将明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践至少一些实施方式。在其他实例中，为了避免不必要地模糊本文所描述的主题，未详细描述而是以简单的框图格式呈现公知的部件、元件或方法。因此，在下文中阐述的具体细节仅是示例性的。特定实现方式可以不同于这些示例性细节，并且仍然被认为在本实施方式的精神和范围之内。

在描述中对“实施方式”、“一个实施方式”、“示例实施方式”、“一些实施方式”和“各种实施方式”的引用意指结合实施方式描述的特定特征、结构、步骤、操作或特性包括在至少一个实施方式中。此外，在说明书中各个地方出现的短语“实施方式”、“一个实施方式”、“示例实施方式”、“一些实施方式”和“各种实施方式”不一定全部指代相同的实施方式。

描述包括对附图的参照，这些附图形成具体实施方式的一部分。附图示出了根据示例性实施方式的图示。以足够详细的方式对本文中也可以被称为“示例”的这些实施方式进行描述，以使得本领域技术人员能够实践本文所描述的要求保护的主题的实施方式。在不脱离所要求保护的主题的范围和精神的情况下，可以对实施方式进行组合、可以利用其他实施方式或者可以进行结构、逻辑和电气改变。应当理解，本文所描述的实施方式并不旨在限制主题的范围，而是使本领域技术人员能够实践、制造和/或使用本主题。

本文描述了用于USB C型控制器的降压-升压转换器的各种实施方式，该USB C型控制器包括恒定电压(CV)跨导(Gm)放大器和恒定电流(CC)跨导放大器，其可以被布置成在各种电子设备中操作。这样的电子设备的示例包括但不限于个人计算机(例如，膝上型计算机、笔记本计算机等)、移动计算设备(例如，平板、平板计算机、电子阅读器设备等)、移动通信设备(例如，智能电话、移动电话、个人数字助理、消息收发设备、掌上个人电脑等)、连接和充电设备(例如，线缆、集线器、坞站、适配器、充电器等)、音频/视频/数据记录和/或播放设备(例如，摄相机、录音机、手持式扫描仪、监视器等)以及其他可以使用USB接口进行通信、电池充电和/或电力传输的类似电子设备。

如本文所使用，“USB使能”设备或系统是指包括USB连接器接口、配置有USB连接器接口或者以其他方式与USB连接器接口相关联的设备或系统。USB使能的电子设备可以符合通用串行总线(USB)规范的至少一个发行版本。这样的USB规范的示例包括但不限于USB规范修订版本2.0、USB 3.0规范、USB 3.1规范、USB 3.2规范和/或其各种补充、版本和勘误。USB规范通常限定设计和构建标准通信系统和外围设备所需的差分串行总线的特征(例如，属性、协议定义、交易类型、总线管理、编程接口等)。例如，USB使能的外围设备通过USB使能的主设备的USB端口附接至该主设备以形成USB使能的系统。USB 2.0端口包括5V的电力电压线(表示为VBUS)、数据线的差分对(表示为D+或DP以及D-或DN)以及用于电力返回的接地线(表示为GND)。USB 3.0端口也提供VBUS线、D+线、D-线和GND线以与USB 2.0向下兼容。另外，为了支持较快的差分总线(USB超高速总线)，USB 3.0端口还提供了发送器数据线的差分对(表示为SSTX+和SSTX-)、接收器数据线的差分对(表示为SSRX+和SSRX-)、用于供电的电力线(表示为DPWR)和用于电力返回的接地线(表示为DGND)。USB 3.1端口提供与USB 3.0端口相同的线以向下兼容USB 2.0和USB 3.0通信，但是通过被称为增强型超高速的一系列特征扩展了超高速总线的性能。

在USB C型规范的各种发行版本和/或版本中定义了针对被称为USB C型(本文中也称为“USB-C”)的USB连接器的较新技术。USB C型规范定义了可以支持通过在USB-PD规范的各种修订版本/版本中定义的较新的USB电力传输协议进行USB通信以及电力传输的C型插座、C型插头和C型线缆。USB C型功能和要求的示例可以包括但不限于根据USB2.0和USB3.0/USB 3.1的数据和其他通信、针对C型线缆的机电定义和性能要求、针对C型插座的机电定义和性能要求、针对C型插头的机电定义和性能要求、C型对传统线缆组件和适配器的要求、针对基于C型的设备检测和接口配置的要求、针对C型连接器的优化电力传输的要求等。根据USB C型规范，C型端口提供VBUS线、D+线、D-线、GND线、SSTX+线、SSTX-线、SSRX+线和SSRX-线等。另外，C型端口还提供用于边带功能的信号传递的边带使用(表示为SBU)线以及用于跨C型线缆的连接的发现、配置和管理的配置信道(或通信信道，表示为CC)线。C型端口可以与C型插头和/或C型插座相关联。为了便于使用，C型插头和C型插座被设计为无论插头到插座的取向如何均可以操作的可逆对。因此，被布置为标准C型插头或插座的标准USB C型连接器针对以下提供引脚：四根VBUS线、四根接地返回(GND)线、两根D+线(DP1和DP2)、两根D-线(DN1和DN2)、两根SSTX+线(SSTXP1和SSTXP2)、两根SSTX-线(SSTXN1和SSTXN2)、两根SSRX+线(SSRXP1和SSRXP2)、两根SSRX-线(SSRXN1和SSRXN2)、两根CC线(CC1和CC2)以及两根SBU线(SBU1和SBU2)等。

一些USB使能的电子设备可能符合特定修订版本和/或特定版本的USB-PD规范。USB-PD规范定义了下述标准协议，该标准协议被设计成通过USB C型端口在单根USB C型线缆上提供更灵活的电力传输以及数据通信来实现USB使能的设备的功能最大化。USB-PD规范还描述了用于管理在USB C型线缆上以直至高达100W的功率进行电力传输所必需的架构、协议、电力供应行为、参数以及线缆布线。根据USB-PD规范，与在旧USB规范(例如，诸如USB 2.0规范、USB 3.1规范、USB电池充电规范Rev.1.1/1.2等)中所允许的电流和/或电压相比，具有USB C型端口的设备(例如，诸如USB使能的设备)可以通过USB C型线缆协商较多电流以及/或者较高或较低电压。例如，USB-PD规范定义了可以在一对USB使能的设备之间协商的针对电力传输合同(PD合同)的要求。PD合同可以指定两个设备都可以接纳的电力水平和电力传递方向，并且可以根据任一设备的请求和/或响应于各种事件和条件诸如电力角色交换、数据角色交换、硬复位、电源故障等(例如，在不拔出设备的情况下)动态地重新协商。如本文所使用的，“USB-PD子系统”是指一个或更多个逻辑块以及其他模拟/数字硬件电路系统，其可以由IC控制器中的固件控制，并且被配置且可操作成执行功能并满足USB-PD规范的至少一个版本中规定的要求。IC控制器可以在USB C型设备中实现。IC控制器可以在USB设备中实现。

根据USB-PD规范的电力传输可以以几种不同类型的USB C型应用来实现。这样的C型应用的示例包括但可以不限于：下行端口(DFP)应用，其中具有USB PD子系统的IC控制器被配置成提供下行USB端口(例如，在USB使能的主设备中)；上行端口(UFP)应用，其中具有USB PD子系统的IC控制器被配置成提供上行USB端口(例如，在USB使能的外围设备或适配器中)；双角色端口(DRP)USB应用，其中具有USB PD子系统的IC控制器被配置成在同一USB端口(例如，USB Type-C端口，其被配置成作为电力提供者或电力消耗者操作，或者可以通过使用USB-PD电力角色交换在这两个角色之间动态切换)上支持DFP应用和UFP应用两者；以及有源线缆应用，其中具有USB-PD子系统的IC控制器被置入并且被配置成操作电子标记的线缆组件(EMCA)C型线缆。

根据USB-C/PD协议，USB-C/PD电源可以用于传输具有3.3V至21.5V的宽输出电压范围、1A至5A的宽电流范围以及5.0V至24V的宽输入电源电压范围的电力。由于USB-C电力传输的这种宽的电压/电流范围以及输入电压信号与输出电压信号之间的快速切换需求，可以与USB C型控制器一起或在USB C型控制器内采用降压-升压(BB)转换器，该降压-升压(BB)转换器可以被控制成向预期的输出负载提供电力。降压-升压转换器可以被理解为直流(DC)至直流(DC)转换器。

图1是根据至少一个实施方式的包括降压-升压(BB)转换器架构的USB控制器100的示意性框图。在至少一个实施方式中，USB控制器100包括降压-升压(BB)转换器101。尽管被示出为部署在USB控制器100内，但是本BB架构可以用在使用跨导放大器的其他BB应用和环境例如降压转换器、升压转换器或BB转换器中。

在各种实施方式中，BB转换器101包括电感器102、第一高侧开关104(或HS1)、第二高侧开关110(或HS2)、第一低侧开关106(或LS1)，以及第二低侧开关108(或LS2)。在一个实施方式中，如所示出的，这些开关是n型场效应晶体管(NFET)。在另一实施方式中，虽然未示出，但高侧开关是p沟道场效应晶体管(PFET)。在各种实施方式中，第一高侧开关104耦接在输入端子112与BB转换器101的电感器102的第一侧之间。高侧开关110耦接在电感器102的第二侧与输出端子114之间。第一低侧开关106耦接在电感器102的第一侧与BB转换器101的地之间。第二低侧开关108耦接在电感器的第二侧与地之间。输入端子112可以承载BB转换器101的输入电压(Vin)并且输出端子114可以承载BB转换器101的输出电压(Vout)。BB转换器101还可以包括耦接至输入端子112的输入电容器(Cin)和耦接至输出端子114的输出电容器(Cout)。

对于这种BB转换器101，可以基于输入、输出和负载电流要求来设计输入电容器(Cin)、输出电容器(Cout)和电感器102。在各种实施方式中，BB转换器101(或包括BB转换器101的更大的系统或设备)的设计寻求将最大电流限制到特定安培数和瓦特数要求。一旦已知总输出电力范围，就可以确定输入电流要求。根据输入电流要求，可以确定输入电容器和输出电容器(Cin和Cout)的电容值以及电感器102的电感值。

在各种实施方式中，USB控制器100还包括电流感测放大器(CSA)103、比较器116、误差放大器(EA)118、BB控制逻辑120、驱动器122、驱动器124和模式检测逻辑126。CSA 103可以测量降压-升压转换器101的输入电流并且可以输出指示输入电流的CSA信号105。斜率补偿电路107(其可以包括斜率补偿逻辑和斜率补偿电容器)耦接至CSA 103的输出。斜率补偿电路107可以在被启用时将偏移信号109(斜率补偿偏移)加至CSA信号105，从而生成偏移的CSA信号111。在一些情况下，偏移信号109是电流或电荷。在其他情况下，如果使用其他电路来将偏移信号109加至CSA信号105，则偏移信号109可以是电压信号。

在各种实施方式中，BB转换器101可以取决于负载状况而在恒定电压(CV)模式或恒定电流(CC)模式下工作。因此，在控制降压-升压转换器101时，通常针对EA 118使用跨导(Gm)放大器架构。Gm放大器的工作原理是传输与输入电压差成比例的输出电流。根据负载状况在CV操作模式与CC操作模式之间对EA 118功能进行划分使得能够进行更精确的闭环控制。

在至少一个实施方式中，比较器116接收CSA信号111和来自EA 118的EA信号117例如输出补偿信号。EA 118可以包括一对跨导(Gm)放大器：第一跨导放大器例如第一Gm放大器118A，其在恒定电压模式下操作，以及第二跨导放大器例如第二Gm放大器118B，其在恒定电流模式下操作。

在至少一些实施方式中，第一Gm放大器118A使用从BB转换器101的电压总线(Vbus)输出分接(tapped off)的电压在CV模式下操作。例如，第一Gm放大器118A可以基于第一正输入与第一负输入之间的差来调整EA信号117的输出电流。第一正输入可以接收例如与目标恒定电压相关的第一电压参考(Vref_cv)，并且第一负输入可以耦接至耦接在Vbus与地之间的分压器128的抽头点。抽头点提供来自Vbus的反馈恒定电压(Vfb)。可以通过从可变电流源(Ipu)拉出(source)电流或将电流灌入可变电流吸收器(current sink)(Ipd)来调整该连接至第一负输入的电压(Vfb)。这些Ipu拉电流或Ipd灌电流改变了在Vbus上的电阻分压器中流动的电流，该电流又改变了第一跨导放大器118A的输入处的反馈电压(Vfb)。Vfb电压可以有助于改变Vbus电压并从而满足在3V与21V之间的USB总线规范。

在至少一些实施方式中，第二Gm放大器118B利用从电压总线(Vbus)感测的电流在CC模式下操作。例如，第二Gm放大器118B可以基于第二正输入与第二负输入之间的差来调整EA信号117的输出电流。第二正输入可以接收例如与目标恒定电流相关的第二参考电压(Vref_cc)，并且第二负输入可以耦接至输出电流感测放大器(CSA)130。输出CSA 130耦接至沿电压总线(Vbus)串联定位的第二感测电阻器以感测Vbus的负载电流。

在这些实施方式中，USB控制器100还包括在EA 118的输出处的外部补偿电路系统138，以有助于在比较器116执行比较时对EA信号117进行整形并实现对EA信号117的缓冲，这将在下面讨论。在一些实施方式中，外部补偿电路系统138至少包括与第一电容器(Cz)串联连接的电阻器(Rz)以及并联连接的第二电容器(Cp)。EA 118的增益可以被理解为由Kf*Gm*Rz控制，例如，其中Kf是可编程常数，Gm是EA 118的跨导，以及Rz是电阻器Rz的电阻。因此，用于调整增益并从而调整闭环控制响应的幅度的两种方式为：调整可编程常数Kf或调整EA 118的Gm。

在各种实施方式中，比较器116将CSA信号111和EA信号117进行比较，并且向BB控制逻辑120提供被称为脉冲宽度调制(PWM)输出(或pwm_out)信号的控制信号119。在一个实施方式中，本文所指的EA控制环路是指至少恒定电压(CV)路径和恒定电流(CC)路径、EA118、CSA 103和比较器116，其基于输入电压(Vin)、输出电压(Vout或Vbus)和参考电压(Vref_cv和Vref_cc)来调整到BB控制逻辑120的PWM输出信号，其中参考电压(Vref_cv和Vref_cc)是可编程的。

在各种实施方式中，BB控制逻辑120接收控制信号119以及来自模式检测逻辑126的模式信号121。模式检测逻辑126可以基于输出电压(Vout)和输入电压(Vin)来确定模式以及各模式之间的转换，并且相应地输出模式信号121。在各种实施方式中，如果Vin高于Vout，则模式检测逻辑126将输出指示降压模式的模式信号121。相反，如果Vout高于Vin，则模式检测逻辑126将输出指示升压模式的模式信号121。在一些实施方式中，模式检测逻辑包括在BB控制逻辑内。

BB控制逻辑120可以使用控制信号119和模式信号121来控制降压-升压转换器101的模式。特别地，BB控制逻辑120可以向控制降压-升压转换器101的第一高侧开关104和第一低侧开关106的驱动器122发送第一控制信号133(set_buck)。BB控制逻辑120还可以向控制降压-升压转换器101的第二高侧开关110和第二低侧开关108的驱动器124发送第二控制信号135(set_boost)。

在制造实施方式中，用于实例化USB控制器100的集成芯片的单个设计方案是优选的，因为这样做有助于避免多个设计、减少对多个印刷电路板的设备及客户限定条件(qualification)，并且有助于从一个板设计到另一个板设计重用固件。因此，致力于使相同的集成电路(IC)设计用于USB控制器100的宽输入和输出电压/电流范围并且因此用于电感器102的宽电感范围。

虽然单个设计方案可能是优选的，但是单个设计方案可能导致设计复杂，并且需要在制造IC USB控制器之后但在运送至客户之前定制多个板，这涉及对工作进行调整。这些制造后定制可能涉及耗时的工作，其中一些工作必须手动进行，例如由于执行效率提高的参数手动调整以跨宽范围的输入(电压/电流)、输出(电压/电流)和负载要求工作而导致最终产品发布的延迟。此外，制造后定制还可能需要附加引脚或其他材料或部件以向客户提供基于板设计要求来改变IC行为的变通能力。

所公开的实施方式可以通过在BB控制逻辑120(或其他电力控制器)内提供可编程控制逻辑来克服针对USB控制器100的单个IC设计解决方案中的这些缺点或不足，所述可编程控制逻辑可以例如经由固件更新来更新。在一些实施方式中，USB控制器100还包括可编程只读存储器(ROM)150或为此目的而存储固件(FW)的其他可编程非易失性存储器设备。BB控制逻辑120(或用于实例化控制逻辑的其他经固件编程的微处理器、控制器、专用IC(ASIC)、处理器等)可以执行对USB控制器100操作的定制，而无需添加任何特定板可能需要的用于微调或稍微调整带宽、频率响应、增益、跨导等的部件。

图2是根据各种实施方式的优化图1中的降压-升压转换器的性能的方法200的流程图。方法200可以部分地由包括硬件(例如，处理设备、电路系统、专用逻辑、可编程逻辑、微代码、设备硬件、集成电路等)、软件(例如，在处理设备上运行或执行的指令)或其组合的处理逻辑执行。在一些实施方式中，方法200由BB控制逻辑120执行。虽然以特定的顺序或次序示出，但除非另有说明，否则可以修改处理的次序。因此，所示出的实施方式应仅被理解为示例，并且所示出的处理可以按不同的次序执行，并且一些处理可以并行执行。此外，在各种实施方式中可以省略一个或更多个处理。因此，并非每个实施方式都需要所有的处理。其他处理流也是可能的。

在至少一些实施方式中，方法200预先假定已经制造了包括USB控制器100的IC管芯。在操作220处，在工厂组装控制器板以包括USB控制器100。为简单起见，USB控制器100也可以被视为控制器板，从而假定USB控制器100已经可操作地安装至印刷电路板(PCB)或其他电路板。

在操作220处，在被定位在控制器板内之后在IC管芯上执行固件更新，以便执行定制，例如用于Gm编程、用于效率提高的自循环等，如将更详细讨论的。在操作230处，将USB控制器100和控制器板的组合运送至最终客户。

在操作240处，处理逻辑检测控制器板和USB控制器100的上电。在最终客户环境中上电后，处理逻辑可以检测输入例如电源、输出负载要求、环境温度等。

在操作250处，处理逻辑可以执行子例程以基于这些外部参数来优化上电。在一些实施方式中，可以对BB控制逻辑120执行固件更新，使得子例程基于所更新的BB控制逻辑120来启用USB控制器100的新的或更新的定制功能。

在操作260处，处理逻辑确定是否检测到USB设备至控制器板的附接。如果检测到附接，则在操作270处，处理逻辑按照所附接的USB设备的请求来传输电力。

在传输电力期间，在操作280处，处理逻辑还可以确定外部参数是否已经改变，所述外部参数诸如参照操作240所讨论的以及贯穿本公开内容所讨论的那些参数。如果没有参数发生改变，则方法200可以循环返回操作270并按照请求继续传输电力。

然而，如果一个或更多个外部参数发生改变，则在操作290处，处理逻辑执行优化USB控制器100的性能的一个或更多个操作，例如，将LS1与HS2关断或接通，改变Vddd电源电压、死区时间、HS1/LS1/HS2/LS2驱动器的驱动能力或其他修改，这将在下文中更详细地讨论。

在操作295处，处理逻辑确定USB设备是否已经被断开附接。如果没有检测到断开附接，则方法200可以循环返回操作270并按照请求继续传输电力。如果检测到到断开附接，则方法200可以循环返回操作260并监测USB设备的重新附接。

图3是根据各种实施方式的被编程以控制参照图1讨论的降压-升压转换器101的降压-升压(BB)控制逻辑320的框图。在至少一个实施方式中，BB控制逻辑320是图1中的BB控制逻辑120以及驱动器122和124。在一些实施方式中，BB控制逻辑320是电力控制器，其可以是固件编程的(或固件控制的)处理器、微处理器、ASIC、微控制器等。在至少一些实施方式中，BB控制逻辑320包括降压侧栅极驱动器322、升压侧栅极驱动器324、模式检测逻辑326、耦接在降压侧栅极驱动器322与升压侧栅极驱动器324之间的降压-升压栅极驱动器342、降压-升压控制器350以及可编程寄存器355。

在这些实施方式中，如BB控制逻辑320所指示的，降压侧栅极驱动器322可以对接通第一高侧开关104和第一低侧开关106的时序进行动态改变。类似地，如BB控制逻辑320所指示的，升压侧栅极驱动器324可以对第二高侧开关110和第二低侧开关108进行动态改变。降压-升压控制器350可以作为BB控制逻辑320内的中央逻辑进行协调或操作，其可以指导降压-升压栅极驱动器342在降压侧栅极驱动器322与升压侧栅极驱动器324之间分配降压-升压转换器101的切换时序和操作频率。

在各种实施方式中，BB控制逻辑320耦接至USB控制器100的其他部件以及电压或电流信号，并且可选地还耦接至所附接的USB设备，并且因此可以收集已经讨论并且将更详细地讨论的外部参数的值。参数之一包括由模式检测逻辑326确定降压-升压转换器101在什么模式下操作。在一些实施方式中，模式检测逻辑326与图1中的模式检测逻辑126相同。

在至少一些实施方式中，BB控制逻辑320包括可编程寄存器355或具有访问可编程寄存器355的权限。在各种实施方式中，可编程寄存器355是硬件寄存器、易失性存储器位置(例如，本地存储器诸如高速缓存的易失性存储器位置)或非易失性存储器位置(例如，片上闪存中的非易失性存储器位置)等。在这些实施方式中，可编程寄存器355可以用于存储影响USB控制器100内的降压-升压转换器的操作的特定操作参数，诸如跨导(Gm)、频率、带宽、占空比以及如下文将更详细讨论的其他这样的操作参数。

在一些实施方式中，本文中描述的操作包括：执行固件(FW)以对微处理器进行编程从而实例化BB控制逻辑320，以及将至少降压-升压转换器101的输入电压(Vin)和输出电压(Vout)提供给微处理器。例如操作模式检测逻辑326的微处理器可以使用这些Vin值和Vout值来确定降压-升压转换器101所处的操作模式。

图4是示出根据至少一个实施方式的降压-升压转换器的效率值如何随操作频率而变化的曲线图。可以将效率理解为到达所附接负载(例如，参照图2所描述的所附接USB设备)的输入电力的分数。例如，可以将效率计算为USB控制器100的(Vout*Iout)/(Vin*Iin)，其与降压-升压转换器101的输出和输入相同。如可以观察到的，效率随操作频率而变化，但是可能不能直接确定具有最大效率的频率。在一些实施方式中，在图2的操作220处，例如当在工厂组装控制器板时，确定控制器板的频率以获得最大效率。

在至少一些实施方式中，在降压-升压转换器101的给定频率范围内，并且对于所需的负载电流，BB控制逻辑320可以每隔预定时间段(例如，5秒(s)，10s、20s等)以预定分辨率(例如，20纳秒(ns)、40ns等)从最小频率到最大频率对操作频率进行扫描，以找到效率最高的最佳频率。

在一些实施方式中，BB控制逻辑320(例如，控制逻辑)检测具有最大效率的频率。在其他实施方式中，BB控制逻辑320提供数据输出，这些数据输出例如可以被理解为与图4中描绘(或绘制)的数据相关联，设计者可以根据这些数据输出来确定具有最大效率的频率。

在这些实施方式中，BB控制逻辑320可以将与最大频率相关联的频率存储在可编程寄存器355之一中，客户可以在将控制器板投入运行之后参考(并且潜在地可重新编程)该频率。更具体地，BB控制逻辑320随后可以使降压-升压转换器101以与存储在可编程寄存器355中的频率值一致的特定频率来操作。例如，BB控制逻辑320的降压-升压控制器350可以使降压-升压栅极驱动器342指导降压侧栅极驱动器322和/或升压侧栅极驱动器324根据特定频率接通和关断降压-升压转换器101的开关。然而，如参照图5A所讨论的，可以在上电时在软启动期间调整该频率。以这种方式，不需要为了硬连线特定频率而添加或更换外部部件(例如，电容器、电阻器)。

在图4的示例中，并且仅出于说明的目的，假设Vin为18V，Vout为9V，并且Iout为3安培(A)。还假设操作频率必须在100KHz与300KHz之间以例如满足电磁干扰(EMI)和/或电磁敏感性(EMS)要求。在各种实施方式中，传导损耗在较低频率下较高地出现，而切换损耗在较高频率下出现。在这些实施方式中，BB控制逻辑320可以对操作频率进行扫描，从中确定具有最大效率的频率，例如在该示例中约150KHz。然后可以(在可编程寄存器355之一中)对BB控制逻辑320进行编程以锁定该特定频率，以用于USB控制器100的未来操作。

图5A是至少一些实施方式中的包括对降压-升压控制器101的占空比的可选控制的USB控制器500的示意图。该相关实施方式示出了：栅极驱动器122或322实际上可以包括第一驱动器512A(HS1栅极驱动器)和第三驱动器512B(LS1栅极驱动器)，以分别驱动第一高侧开关104的栅极和第一低侧开关106的栅极。此外，栅极驱动器124或324实际上可以包括第二驱动器514A(HS2栅极驱动器)和第四驱动器514B(LS2栅极驱动器)，以分别驱动第二高侧开关110的栅极和第二低侧开关108的栅极。如将变得明显的，图5A的USB控制器500可以被理解为对图1的实施方式的USB控制器100的扩展。

在这些实施方式中，USB控制器500还可以包括ROM 150(图1)诸如电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、寄存器555、第一多路复用器524、第二多路复用器530、第三多路复用器526、第四多路复用器528以及耦接至BB控制逻辑120(图1)的软启动(SS)比较器540。例如，SS比较器540可以具有输出和输入，所述输出被提供给BB控制逻辑120，所述输入包括输出电压(Vout)和被设置在阈值处的参考电压(Vref2)，在所述阈值处，USB控制器500将从对降压-升压转换器101进行控制转换至对参照图1示出和详细讨论的EA控制环路进行控制。

在各种实施方式中，BB控制逻辑120还包括脉冲宽度调制(PWM)发生器517。在一个实施方式中，寄存器555是可编程寄存器355(图3)之一。ROM 150可以包括固件(FW)，所述固件可以利用BB控制逻辑120在软启动(SS)模式下致动栅极驱动器的脉冲宽度和频率的特定值(固定的或可变的)来对寄存器555进行编程。仅作为示例，脉冲宽度可以在约20纳秒(ns)到20微秒(μs)的范围内，并且频率可以在约10千赫兹(KHz)到600KHz的范围内。

在一些实施方式中，USB控制器500可以执行ROM 150外的固件，在一些实施方式中，所述固件可以适于利用脉冲宽度和频率的新值来动态地改变或重新编程寄存器555。例如，对降压-升压转换器101的脉冲宽度和频率的这种更新可以在控制器板上电时执行，例如在图2的操作240处执行。在这些实施方式中，BB控制逻辑120基于上电时的各种参数诸如输出电容(Cout)、电感器102的电感、输入电压(Vin)、输出电压(Vout)和负载电流来确定占空比和频率以控制启动时通过降压-升压转换器101的涌入电流。在一些实施方式中，USB控制器500是已经被设计成能够使用固件和/或其他软件来编程的可编程片上系统(PSOC)。

以示例的方式并且仅出于说明的目的，假设以下默认设置：Vin为12V，Vout为5V，Iout为0A，电感器102的电感为约5微亨(μH)，并且输出电容为250微法(μF)。在该特定示例中，BB控制逻辑120可以确定软启动频率应当被设置为100KHz、占空比为5％，这样给出约10毫秒(ms)的启动时间。当然，可以设想其他示例，并且可以使用该方法在每次上电期间更新软启动频率。

基于客户需求，可以以各种方式来更改软启动频率和占空比。例如，如果输入电压(Vin)低于阈值Vin(例如，默认软启动设置是利用该阈值Vin来定义的，例如为12V等)，则可以增加占空比以获得相同的启动时间。此外，如果电感器102的电感高于阈值电感(例如，默认软启动设置是利用该阈值电感来定义的，例如为5μH等)，则通过电感器102的电流斜坡将较慢，如此可以增加占空比以获得相同的启动时间。例如，对于正常操作(非软启动)模式，BB控制逻辑120可以基于启动时所需的Vout电压来更改阈值电压，在所述阈值电压处，应当对EA 118进行控制。此外，如果负载电流高于特定阈值负载电流(例如，默认软启动设置是利用该特定阈值负载电流来定义的，例如为0A、0.5A等)，则可以使最终占空比基于Vin/Vout(预期的Vout)比值并且针对启动时的该较高负载电流。因此，占空比可以以5％开始并且可以每隔预定时间段(例如，1ms、2ms等)递增一定百分比量(例如，1％、2％、3％等)，其可以是可编程的，使得降压-升压转换器101可以达到目标占空比以支持软启动期间的负载电流。此外，针对输出电容(Cout)比特定阈值电容(例如，默认软启动设置是利用该特定阈值电容来定义的，例如为250μF等)低的情况以及在空载下进行软启动的情况，可以将占空比减小以使涌入电流较低。

在各种实施方式中，BB控制逻辑120使用其PWM发生器517来产生具有脉冲宽度(PW)并且处于具有从寄存器555检索的值的频率的脉冲，其中PWM发生器517的输出被指示为“SS”以用于软启动。以这种方式并且还通过如下文将讨论的控制多路复用器，BB控制逻辑120可以通过使用所生成的具有先前在寄存器555中编程的脉冲宽度和频率的SS脉冲来驱动降压-升压转换器101的开关而在软启动期间旁路正常EA控制回路。

在一些实施方式中，第一多路复用器524包括用于接通第一驱动器512A的输出，并且由控制逻辑120例如经由ctrl_hs1信号来控制。第一多路复用器524具有可选择的输入，包括：来自误差放大器(EA)环路的第一输入(PWM_HS1)；来自BB控制逻辑120的PWM发生器517的第二输入(SS)；零值(“0”)；以及一值(“1”)。第二多路复用器530具有用于接通第二驱动器514A的输出，并且由BB控制逻辑120A例如经由ctrl_hs2信号来控制。第二多路复用器530具有可选择的输入，包括：来自EA环路的第一输入(PWM_HS2)和具有零值(“0”)的第二输入。

在一些实施方式中，第三多路复用器526具有用于接通第三驱动器512B的输出，并且由BB控制逻辑120例如经由ctrl_ls1信号来控制。第三多路复用器526具有可选择的输入，包括：来自EA环路的第一输入(PWM_LS1)和具有零值(“0”)的第二输入。第四多路复用器528具有用于接通第四驱动器514B的输出，并且由BB控制逻辑120例如经由ctrl_ls2控制信号来控制。第四多路复用器528具有可选择的输入，包括：来自EA环路的第一输入(PWM_LS2)；来自BB控制逻辑120的PWM发生器517的第二输入(SS)；零值(“0”)；以及一值(“1”)。来自EA控制环路的输入可以是例如set-buck 133和set-boost 135控制信号。

更具体地，在至少一个实施方式中，BB控制逻辑120从模式信号121(图1)中检测模式，并根据USB控制器500是在降压模式下还是在升压模式下启动来不同地控制多路复用器。在降压模式下，BB控制逻辑120可以例如通过选择第二多路复用器530的零(“0”)输入值来使第二高侧开关110在二极管模式下操作。BB控制逻辑120还可以例如通过选择第三多路复用器526的零(“0”)输入值来使第一低侧开关106在二极管模式下操作。BB控制逻辑120还可以例如通过选择第一多路复用器524的SS输入来从寄存器555中检索脉冲宽度和频率的值并使用具有所述脉冲宽度且处于所述频率的脉冲来使第一高侧开关104导通。BB控制逻辑120还可以检测降压-升压转换器的输出端子处的超过阈值的输出电压(Vout)，并且响应于该检测，将对降压-升压转换器的控制转移到对耦接至控制逻辑120的误差放大器控制环路的控制，如参照图1详细示出和讨论的。所述阈值可以来自参考电压(Vref2)，其也可以由ROM 150外的固件编程。

此外，在升压模式下，控制逻辑120可以例如通过选择第二多路复用器530和第三多路复用器526各自的零(“0”)输入值来使第二高侧开关110和第一低侧开关106在二极管模式下操作。BB控制逻辑120还可以例如通过选择第一多路复用器524和第四多路复用器528的SS输入来从寄存器555中检索脉冲宽度和频率的值并使用具有所述脉冲宽度且处于所述频率的脉冲来使第一高侧开关104和第二低测开关108导通。可替选地，在升压模式下，控制逻辑120可以例如通过选择第二多路复用器530和第三多路复用器526各自的零(“0”)输入值来使第二高侧开关110和第一低侧开关106在二极管模式下操作。BB控制逻辑120可以例如通过选择第一多路复用器524的一(“1”)输入来使第一高侧开关104始终导通。BB控制逻辑120还可以例如通过选择第四多路复用器528的SS输入来从寄存器555中检索脉冲宽度和频率的值并使用具有所述脉冲宽度且处于所述频率的脉冲来使第二低侧开关108导通。BB控制逻辑120还可以检测降压-升压转换器101的输出端子处的超过阈值(例如Vref2)的输出电压(Vout)，并且响应于该检测，将对降压-升压转换器的控制转移至对耦接至控制逻辑120的误差放大器控制环路的控制，如参照图1详细示出和讨论的。

在一些实施方式中，Vref2的值被编程(或设置)为比降压-升压转换器101的目标输出电压稍高(例如，高百分之一到百分之五)。以这种方式，USB控制器500可以避免第一高侧开关104和第二低侧开关108在EA控制环路接管时的快速(或宽)断开。例如，如果目标Vout为5伏(5V)，那么固件可以将Vref2值设置为5.1V。这使得在降压-升压转换器101向EA模式转换时脉冲宽度较窄，并且使得降压-升压转换器101能够平滑地转换到EA控制。以这种方式，在EA控制环路的控制下的输出电压可以立即稳定而不会出现电压峰值。

图5B是根据至少一个实施方式的软启动模式下针对降压-升压转换器101的开关的控制信号的时序图。例如，示出了USB控制器500的输入电压(Vin)及输出电压(Vout)各自的波形，同样也是第一高侧开关104或第二低侧开关108的波形。此外，示出了比较器540的输出的波形。

随着输入电压斜升，Vin缓慢斜升，并且在软启动时段开始时，BB控制逻辑210将具有从寄存器225检索的脉冲宽度和频率的脉冲发送至第一高侧开关104以用于降压模式。在升压模式下，当输入电压斜升时，其斜升的非常缓慢，并且在软启动时段开始时，BB控制逻辑210将具有从寄存器225检索的脉冲宽度和频率的脉冲发送至第一高侧开关104和第二低侧开关108。在软启动时段期间，输出端子114处的输出电压(Vout)缓慢斜升至对应于参考电压(Vref2)的目标电压。当比较器540由于Vout已经达到与Vref2相关联的阈值而跳变时，BB控制逻辑210可以将控制转移至EA控制环路，EA控制环路包括输入CSA 103连同斜率补偿电路107、输出CSA 130、EA 118、外部补偿电路系统138以及比较器116。

图6是根据至少一个实施方式的与降压-升压转换器101的传导和切换相关联的电力损耗的曲线图。如图所示，在正常操作(例如，非软启动)期间，随着负载电流增加超过特定阈值(在该示例中约为3A)，传导损耗开始超过降压-升压转换器101中的切换损耗。然而，当负载电流维持低时，切换损耗可以维持高于传导损耗。

因此，在至少一些实施方式中，为了减少电力损耗并从而提高效率，对于高占空比(例如，约85％的占空比或更高)，BB控制逻辑120可以禁用第一低侧开关104(LS1)或第二高侧开关110(HS2)之一，并将这些FET保持在二极体模拟模式(diode emulation mode)。例如，如果负载电流约为1A或更小，则可以执行禁用LS1开关或HS2开关。

作为示例，并且仅出于说明的目的，假定：Vin为约18V，Vout为约16V，占空比为约90％，负载电流减小至例如约1A或更小。在该操作中，传导损耗将低于切换损耗。BB控制逻辑320可以检测这些参数，并且特别是高占空比和低负载电流，并且作为响应，关断第一低侧开关104(LS1)或第二高侧开关110(HS2)之一，并且使这些FET在二极管模式下工作，这将减少切换损耗并提高效率。类似地，对于非常低的负载电流(例如，在0.1A至0.8A之间)，可以通过针对USB控制器100的IC实例化减小正电源电压Vddd继而减小HS1/LS2上的过驱动来进一步减小切换损耗。减小Vddd还将减小USB控制器100的IC实例化的正电源电流(IDD)。

图7是示出根据至少一个实施方式的降压-升压转换器的开关在不同操作模式期间的切换的曲线图。可以观察到，在降压模式下，切换在第一高侧开关(HS1)与第一低侧开关(LS1)之间进行转换。此外，在升压模式下，切换在第二高侧开关(HS2)与第二低侧开关(LS2)之间进行转换。然而，在处于BB-降压模式或BB-升压模式时，切换在HS1/LS1开关两者以及HS2/LS2开关两者之间进行转换。发生的转换越多，进行的切换越多，并且因此产生更多电磁干扰(EMI)。

因此，在至少一些实施方式中，为了减少切换期间的EMI，BB控制逻辑320可以例如使用模式检测逻辑326来检测降压-升压控制器101处于BB-降压模式还是BB-升压模式。响应于检测到降压-升压转换器101正在BB-降压模式或BB-升压模式之一下操作，控制逻辑320可以选择性地增加降压侧栅极驱动器322(用于HS1/LS1)和升压侧栅极驱动器324(用于HS2/LS2)的栅极驱动器输出电阻以例如选择性地编程转换率。

在一些实施方式中，增加栅极驱动器输出电阻的一种方式是在驱动降压-升压转换器101的开关的栅极的输出驱动器中选择性地添加或移除一个或更多个PFET或者一个或更多个NFET。对这些FET的添加或移除可以被选择成使栅极驱动器322和324的电阻选择性地增加所确定的量(例如，从2欧姆至5欧姆或10欧姆或15欧姆等，直至30欧姆)，以按照阈值对栅极驱动器322和324的输出转换率进行编程。该阈值可以基于HS1/LS1/HS2/LS2栅极电容来定义(例如，0.5V/纳秒)。通过降低栅极驱动器322和324的转换率，斜坡率被降低，以将EMI降低至一个或更多个USB协议可能要求的特定阈值EMI以下。

图8是根据至少一个实施方式的降压-升压转换器101的降压模式和升压模式两者的示例占空比波形相对于输入电压值的曲线图。如所示出的，输入电源范围可以在3.3V至24V之间广泛变化并且最高处理5A的负载电流。USB协议的一个要求是：即使经历线路和负载瞬变，也要满足输出电压目标在+/-5％内。由于切换速度快，特别是在降压模式的高占空比下，满足输出电压(Vout)的这种严格容限可以证明是具有挑战性的。

例如，当输入电源存在大的变化时，降压-升压转换器101可能经历不同的模式，例如降压模式、升压模式或降压-升压模式。如所示出的，随着输入电压(Vin)增加，降压-升压转换器101的操作可以从升压模式810转换成降压-升压模式，继而转换成降压模式814。降压模式的占空比是上部曲线，升压模式的占空比是下部曲线。占空比可以被理解为降压-升压转换器101的第一高侧开关104(HS1)或第二低侧开关108(LS2)导通的时间(Ton)与降压-升压转换器切换的时间(Tsw)之比。如图8所示，该占空比在各模式下显著变化，并且因此也在电压输出(Vout)处引起显著噪声。例如，当存在突然的负载变化(例如，至少0.15A/μs)时，降压-升压转换器101由于带宽受限而不能快速响应，这将引起输出电压噪声。

下文中公开的内容讨论如何通过例如在负载及线路瞬变期间以使得降压-升压转换器101可以满足输出电压精度要求的方式调整EA 118的跨导(Gm)来克服这些挑战。以下描述的Gm架构还可以使得能够在不同模式下使用BB控制逻辑120或320来改变Gm，以优化降压-升压转换器101的瞬态性能。

在至少一个实施方式中，如参照操作210和220(图2)所讨论的，可以在工厂为最终客户组装控制器板时进行初始Gm改变。例如，取决于Vin/Vout、恒定电流(CC)和恒定电压(CV)操作的要求或者两个开关模式(降压或升压)与四个开关(BB-降压、BB-升压)模式的要求，可以通过改变CC/CV误差放大器的跨导(Gm)来根据降压-升压转换器101的BB模式更改EA环路带宽。例如，降压模式通常具有比升压模式高的环路带宽。环路带宽是在EA反馈环路内校正输出电压(Vout)以便校正在Vout处检测到的变化所花费的时间量。如参照图1所讨论的，第一Gm放大器118A在恒定电压(CV)模式下操作，且第二Gm放大器118B在恒定电流(CC)模式下操作。

在一个示例中，仅出于说明的目的，存在降压-升压转换器101从不进入升压模式810的应用，例如，Vin在9V至18V的范围内并且Vout被固定至例如5V、9V或11V的应用，或者降压-升压转换器101仅在降压模式814下操作的应用。在这些情况下，系统设计者可以选择具有较高的环路带宽，这是因为操作主要涉及降压模式。如将讨论的，可以通过选择性地增加Gm放大器的Gm来增加环路带宽。

在至少一个实施方式中，用于通用串行总线(USB)C型设备(例如USB控制器100)的IC控制器包括耦接在IC控制器的输出(Vout)与输入(Vin)之间的误差放大器(EA)118。EA118可以包括耦接至脉冲宽度调制(PWM)比较器116的EA输出。EA 118还可以包括第一跨导放大器118A以调整EA输出处的电流，其中第一跨导放大器118A在恒定电压模式下操作。EA118还可以包括第二跨导放大器118B以调整EA输出处的电流，其中第二跨导放大器118B在恒定电流模式下操作。

在这些实施方式中，IC控制器还可以包括：(例如，可编程寄存器355的)第一组可编程寄存器，其耦接至第一跨导放大器118A以存储第一组逐渐增高的跨导值；以及(例如，可编程寄存器355的)第二组可编程寄存器，其耦接至第二跨导放大器118B以存储第二组逐渐增高的跨导值。IC控制器还可以包括可操作地耦接至EA 118的控制逻辑，该控制逻辑用于：在顺序地使用存储在第一组可编程寄存器中的至少两个可编程寄存器中的跨导(Gm)值的情况下进行操作；以及使第二跨导放大器在顺序地使用存储在第二组可编程寄存器中的至少两个可编程寄存器中的跨导(Gm)值的情况下进行操作。在一些实施方式中，该IC控制器适于仅在降压模式下操作。

在至少一些实施方式中，控制逻辑还可以识别第一组逐渐增高的跨导值中的最高可能第一值，以及第二组逐渐增高的跨导值中的最高可能第二值，在所述最高可能第一值和所述最高可能第二值处，IC控制器的输出处的输出电压(Vout)是稳定的，而IC控制器的输入处的输入电压(Vin)在一组电压上变化。控制逻辑还可以将第一跨导放大器118A设置成以最高可能第一值操作，并且将第二跨导放大器118B设置成以最高可能第二值操作。如果输出电压漂移未超出预定阈值百分比(例如，3％、4％、5％或由USB协议设置的其他百分比)，则可以认为输出电压稳定。

在一些实施方式中，第一组逐渐增高的跨导值中各跨导值之间的第一步长(step)大于第二组逐渐增高的跨导值中各跨导值之间的第二步长。此外，第一组逐渐增高的跨导值可以具有比第二组逐渐增高的跨导值更宽且更高(例如，不同)的值范围。

仅出于说明的目的，并且作为示例，假设第一Gm放大器118A的Gm可以可选地以在0.5mS与0.7mS之间的步长(例如，0.6mS)从0.6毫西门子(mS)改变为3.0mS，并且第二Gm放大器118B的Gm可以可选地以在0.1mS与0.3mS之间的步长(例如，0.2mS)从0.1mS改变为1.2mS，尽管在不同的应用和/或控制器中还设想了其他值。由于BB控制逻辑使降压-升压转换器101在EA 118的这些不同Gm值下操作，因此BB控制逻辑可以检测稳定操作并且将第一Gm放大器118A和第二Gm放大器118B各自的Gm设置为在检测到最稳定操作时正使用的Gm值。在EA118的Gm值被编程用于初始操作之后，控制器板可以被交付给最终客户。通过使BB控制逻辑能够对EA 118的跨导值执行基于固件的改变，输出电容器(Cout)可以被减小，甚至可能被减小至其通常值的一半，这减小了IC控制器的空间和成本。较快的环路带宽还有助于减小动态负载电流变化下的Vbus下冲或过冲。

图9是根据至少一个实施方式的USB控制器的误差放大器918的简化示意图，误差放大器918包括在恒定电压(CV)下操作的第一Gm放大器918A和在恒定电流(CC)下操作的第二Gm放大器918B，第一Gm放大器918A和第二Gm放大器918B各自具有可编程跨导(Gm)。在至少一些实施方式中，误差放大器918与EA 118(图1)相同。例如，在至少一些实施方式中，第一Gm放大器918A与第一Gm放大器118A(图1)相同，并且第二Gm放大器918B与第二Gm放大器118B(图1)相同。BB控制逻辑320和模式检测逻辑326已参照图3进行了讨论。误差放大器918还可以包括补偿引脚(COMP)901，补偿引脚901耦接至误差放大器输出，例如耦接至外部补偿电路系统138和EA信号117(图1)。

在至少一些实施方式中，BB控制逻辑320可以在操作期间动态地调整第一Gm放大器918A和/或第二Gm放大器918B的Gm，以在切换期间，并且特别地响应于操作模式(例如，降压模式、升压模式和降压-升压模式)之间的转换(在这些点处噪声可能恶化)，将输出电压噪声限制到特定水平。在至少一个实施方式中，BB控制逻辑320从模式检测逻辑326检测模式转换，并基于模式转换或基于当前操作模式来调整第一Gm放大器918A和第二Gm放大器918B中的一者或两者的Gm。调整这些Gm放大器的跨导(Gm)的具体方式在2021年7月21日提交的题为“Transconductance Amplifier for Buck-Boost Converter”的共同未决美国专利申请第17/381,679号中详细地公开和讨论，该美国专利申请申请通过引用整体并入本文。

由于降压-升压转换器101在不同的模式下操作，因此在各种实施方式中，USB控制器100应当使降压-升压转换器在所有模式下均稳定，这主要由降压-升压转换器101的环路增益和单位增益频率控制。升压模式通常限定降压-升压转换器101的这两个参数，因为升压模式更易于不稳定。因此，设计者可以基于升压模式来选择对降压-升压转换器101的补偿，其确定以下参数：第一Gm放大器918A的恒定电压跨导(Gm_cv)；第二Gm放大器918B的恒定电流跨导(Gm_cc)；以及外部补偿电路系统138中的电阻器Rz以及电容器Cz和Cp的值。即使降压模式和降压-升压模式可以在较高增益和较高单位增益频率下操作，这些参数也限制了这些模式下的最大可实现环路增益和单位增益频率性能。对性能的这种限制还导致输出电压变化较大。

为了克服该限制，BB控制逻辑320基于降压-升压转换器101所处的操作模式来调整降压-升压转换器101的Gm(CV跨导和CC跨导)，这是因为外部板上部件(Rz、Cz和Cp)不能在运行中被改变。参照图10更详细地讨论与针对Gm值进行这些操作更新相关联的特定操作。误差放大器918还可以包括耦接至第一跨导放大器918A的第一提升跨导放大器920A和耦接至第二跨导放大器918B的第二提升跨导放大器920B，这将参照图13更详细地讨论。

图10是根据一些实施方式的用于基于降压-升压转换器的操作模式来调整跨导放大器的跨导的方法1000的流程图。方法1000可以由包括硬件(例如，处理设备、电路系统、专用逻辑、可编程逻辑、微代码、设备硬件、集成电路等)、固件(例如，在处理设备上运行或执行的指令)或其组合的处理逻辑执行。在一些实施方式中，方法1000由BB控制逻辑120(图1)或BB控制逻辑(图3)执行。尽管以特定的顺序或次序示出，但除非另有说明，否则可以修改处理的次序。因此，所示出的实施方式应仅被理解为示例，并且所示出的处理可以按不同的次序执行，并且一些处理可以并行执行。此外，在各种实施方式中可以省略一个或更多个处理。因此，并非每个实施方式都需要所有的处理。其他处理流程也是可能的。

在操作1010处，处理逻辑确定降压-升压转换器101所处的操作模式。这可以包括例如降压模式、升压模式或降压-升压模式，如贯穿本文所讨论的。

在操作1020处，响应于确定降压-升压转换器正在升压模式下操作，处理逻辑将第一跨导放大器的第一跨导设置为第一值并且将第二跨导放大器的第二跨导设置为第二值，其中，第一值高于第二值。仅作为示例，出于说明的目的，假设在升压模式下，第一跨导(Gm_cv)可以被设置为在0.6mS至1mS之间，并且第二跨导(Gm_cc)可以被设置为在0.2mS至0.4mS之间，尽管可以设想其他范围。这些值用于说明的目的。基于电感器、电流感测放大器(CSA)的增益、所采用的外部部件来确定准确值。

在操作1030处，响应于确定降压-升压转换器正在降压模式下操作，处理逻辑将第一跨导放大器的第一跨导设置为第三值并且将第二跨导放大器的第二跨导设置为第四值，其中，第三值高于第一值、第二值和第四值。仅作为示例，出于说明的目的，假设在降压模式下，第一跨导(Gm_cv)可以被设置为在1.6mS至2mS之间，并且第二跨导(Gm_cc)可以被设置为在0.6mS至0.8mS之间，尽管可以设想其他范围。

在操作1040处，响应于确定降压-升压转换器正在降压-升压模式下操作，处理逻辑将第一跨导放大器的第一跨导设置为第五值并且将第二跨导放大器的第二跨导设置为第六值，其中，第五值高于第六值。在一些实施方式中，第五值在第一值与第三值之间，并且第六值在第二值与第四值之间。仅作为示例，出于说明的目的，假设在降压-升压模式下，第一跨导(Gm_cv)可以被设置为在1.0mS至1.4mS之间，并且第二跨导(Gm_cc)可以被设置为在0.4mS至0.6mS之间，尽管可以设想其他范围。

随着Gm的增加，降压-升压转换器101的中频带增益(Mid-band gain)增加，这增加了降压-升压转换器101的带宽，从而改善了降压-升压转换器101的性能。例如，中频带增益可以表示为：

中频带增益＝Kf*Gm(cv/cc)*(Rz)

降压-升压转换器101可以根据转换器在CV域还是CC域内操作而取CV/CC模式的Gm。通常，与CV模式相比，CC模式带宽要求更低。在一些实施方式中，可以对表示相对于误差放大器的输入误差的百分比变化的常数Kf进行调整以修改Gm值；然而，如已经讨论的，Rz的值是常数。

图11是根据至少一个实施方式的跨导放大器的跨导相对于输入误差的曲线图。另外参照图9，第一Gm放大器918A的输入误差是抽头点(V_FB)输入与CV电压参考(Vref_cv)之间的差，在图11中以示例的方式将该输入误差示出为引起第一Gm放大器918A的Gm变化。此外，第二Gm放大器918B的输入误差是输出CSA 130的输出电压(CSA_out)与CC电压基准(Vref_cc)之间的差。如果该电压差大于特定的阈值差电压，则可以使用Gm提升920A和/或920B来使对应跨导放大器的Gm与电压差成线性比例地增加。在图11的示例中，该阈值差电压被设置为在约15mV处，但是取决于设计部件值，也可以设想其他值诸如10mV、20mV等。

图12是根据实施方式的当在分别使用Gm提升920A和920B的跨导放大器918A和918B上采用三个不同增益值时USB控制器的输出电压的曲线图。如可以观察到的，在没有Gm提升的情况下，出现较大的下冲；然而，当使用增益为一(“1”)的提升时，下冲减小，当使用增益为二(“2”)的提升时，下冲减小更多，从而通过EA环路改善了受控响应。在图12的示例中，提升增益使Vout上的垂降(droop)减小约一半。

当降压-升压转换器的输入电压(Vin)变化使输出电压下冲/过冲大于电压的阈值量时，BB控制逻辑320可以增加对应Gm放大器的中频带增益。在一些实施方式中，出于说明的目的，电压的阈值量在50mV与200mV之间，例如100mV，其中下冲或过冲100mV阈值量对应于Gm放大器的输入误差变化15mV。由于增加Gm放大器的中频带增益使Gm放大器变化更快，因此成比例地增加占空比以补偿下冲/过冲。

此外，当负载变化使输出电压下冲/过冲大于电压的阈值量时，BB控制逻辑320可以增加对应Gm放大器的中频带增益。在一些实施方式中，出于说明的目的，电压的阈值量在50mV与200mV之间，例如100mV，其中下冲或过冲100mV阈值量对应于Gm放大器的输入误差变化15mV。由于增加Gm放大器的中频带增益使Gm放大器变化更快，因此成比例地增加占空比以补偿下冲/过冲。

在至少一些实施方式中，BB控制逻辑320还可以被固件编程，以通过增加Gm放大器的Gm来增加环路带宽，从而改善降压-升压转换器101的性能。Gm放大器的Gm被选择成使得在最坏情况下也满足环路稳定性。在深度升压CC模式(最坏情况)下，BB控制逻辑320可以迫使带宽保持为是右半平面(right half plane，RHP)零点的至少四(“4”)分之一小，例如，显著低于RHP零值。在这些实施方式中，BB控制逻辑320确定或检索关于RHP零点的值，该值与(Vin/Vout)^2成比例，并且其中，在升压模式下RHP与带宽(BW)之比和Vin/Vout成比例。可以通过增加放大器的Gm来增加带宽。

因此，在一些实施方式中，BB控制逻辑320可以例如通过模式检测逻辑326来进一步确定降压-升压转换器101正在升压模式下操作。BB控制逻辑320还可以对关于右半平面(RHP)零点的第五值进行确定或检索中之一，以及将(CC第二跨导放大器918B的)第二跨导设置为是第五值的至少四分之一小。

图13是根据至少一个实施方式的跨导提升电路系统1300的示意性框图，并且该跨导提升电路1300再次参照图9的误差放大器918。误差放大器918还可以包括耦接在电源电压(Vddd)与输出引脚901之间的电流源920。可以采用跨导提升技术来增加误差放大器918的Gm，从而在误差放大器918的输入误差较大时，例如当处于Imax操作域内时，增加系统带宽。在一些USB控制器中，在Vbus电压偏离阈值目标电压例如100mV(或更高)或某些其他可编程阈值目标偏差电压时，提升开始发生。这有助于改善系统的瞬态响应。

在至少一些实施方式中，第一提升跨导放大器920A将接收第一跨导放大器918A的第一正输入和第一负输入作为输入，并且向第一跨导放大器918A提供对输出电流的调整(即第一偏置电流)，所述调整与第一正输入和第一负输入之间的第一差成比例。在这些实施方式中，第二升压跨导放大器920B将接收第二跨导放大器918B的第二正输入和第二负输入作为输入，并且向第二跨导放大器918B提供对输出电流的调整(即第二偏置电流)，所述调整与第二正输入和第二负输入之间的第二差成比例。通常，Gm放大器之一的输入之间的误差越大，通过相应提升跨导放大器进行的调整就越大。

在一些实施方式中，将阈值最小电压源924A和924B分别提供给第一提升跨导放大器918A的第一正输入和第二提升跨导放大器918B的第二正输入，以提供用于电流提升的最小起点。阈值最小电压源924A和924B的值可以例如在5毫伏(mV)至20毫伏(mV)之间。在一个实施方式中，如所示出的，阈值最小电压源924A和924B的值为10mV。

如刚才所说明的，可以通过基于输入误差增加Gm放大器的偏置电流从而增加Gm来动态地增加Gm放大器的Gm。基于降压-升压转换器101正操作的域(CV/CC)和模式，BB控制逻辑320可以修改Gm变化增益以获得更好的性能，这可以由固件根据模式来设置。如参照图14将更详细地讨论的，可以基于所设置的乘数使Gm随误差线性增加。例如，增益为1可以意指：对于100mV的输入误差，Gm加倍，对应地，对于100mV的输入误差，中频带增益加倍。在所公开的实施方式中，Gm提升开始的时间点也由BB控制逻辑320控制，如固件所指示的，这取决于性能要求。

图14是根据所公开的至少一些实施方式的基于输入误差来调整跨导放大器的跨导的方法1400的流程图。方法1400可以由包括硬件(例如，处理设备、电路系统、专用逻辑、可编程逻辑、微代码、设备硬件、集成电路等)、固件(例如，在处理设备上运行或执行的指令)或其组合的处理逻辑执行。在一些实施方式中，方法1400由BB控制逻辑120(图1)或BB控制逻辑320(图3)执行。虽然以特定的顺序或次序示出，但除非另有说明，否则可以修改处理的次序。因此，所示出的实施方式应仅被理解为示例，并且所示出的处理可以按不同的次序执行，并且一些处理可以并行执行。此外，在各种实施方式中可以省略一个或更多个处理。因此，并非每个实施方式都需要所有的处理。其他处理流程也是可能的。

在操作1410处，处理逻辑确定第一跨导放大器是否具有大于阈值的第一输入误差。例如，第一跨导放大器可以是第一Gm放大器918A。

在操作1420处，响应于确定第一输入误差大于阈值，处理逻辑使第一跨导放大器的第一跨导值增加第一量，该第一量与第一输入误差超过阈值的量成线性比例。在一个实施方式中，使第一跨导放大器的第一跨导值增加包括使第一跨导放大器的第一偏置电流增加。在至少一个实施方式中，该阈值在10毫伏与20毫伏之间，例如可以是15mV。

在一些实施方式中，方法1400还包括确定降压-升压转换器101正在降压模式下操作，并且使第一跨导放大器的第一跨导值增加包括使第一偏置电流的增益增至近似三倍或四倍。例如，仅出于说明的目的，可以将增益设置为2，其中如果为四倍，则增益增加至4倍，并且在输入误差为100mV时，典型的1mS Gm可以变为4mS。这些值用于说明的目的。基于电感器、电流感测放大器(CSA)的增益、所采用的外部部件来确定准确值。

在一些实施方式中，方法1400还包括确定降压-升压转换器101正在升压模式下操作，并使第一偏置电流的增益近似加倍。例如，仅出于说明的目的，可以将增益设置为1，其中如果加倍，则增益增加至2倍，并且在输入误差为100mV时，典型的1mS Gm可以变为2mS。

在操作1430处，处理逻辑确定第二跨导放大器是否具有大于阈值的第二输入误差。例如，第二跨导放大器可以是第二Gm放大器918B。

在操作1440处，响应于确定第二输入误差大于阈值，处理逻辑使第二跨导放大器的第二跨导值增加第二量，该第二量与第二输入误差超过阈值的量成线性比例。在一个实施方式中，使第二跨导放大器的第二跨导值增加包括使第二跨导放大器的第二偏置电流增加。在至少一个实施方式中，该阈值在10毫伏与20毫伏之间，例如可以是15mV。

在一些实施方式中，方法1400还包括确定降压-升压转换器101正在降压模式下操作，并且使第二跨导放大器的第二跨导值增加包括使第二偏置电流的增益近似加倍。

在一些实施方式中，方法1400还包括确定降压-升压转换器101正在升压模式下操作，并且使第二跨导放大器的第二跨导值增加包括使第二偏置电流的增益增加约百分之五十。

本文描述的用于USB-C控制器的控制逻辑性能优化的各种实施方式可以包括各种操作。这些操作可以由硬件部件、数字硬件和/或固件以及/或者其组合来执行和/或控制。如本文所使用的，术语“耦接至”可以意指直接连接或通过一个或更多个中间部件间接连接。通过各种片上总线提供的任何信号可以与其他信号进行时分复用并且可以通过一个或更多个公共的片上总线提供。此外，电路部件或块之间的互连可以被示出为总线或示出为单个信号线。每条总线可以可替选地是一根或更多根单信号线，并且每条单信号线可以可替选地是总线。

某些实施方式可以通过存储在非暂态计算机可读介质(例如，诸如易失性存储器和/或非易失性存储器)上的固件指令来实现。这些指令可以用于对包括处理器(例如，CPU)或其等同物(例如，处理核、处理引擎、微控制器等)的一个或更多个设备进行编程和/或配置，使得在通过处理器或其等同物执行这些指令时，这些指令使设备执行所描述的用于本文描述USB-C控制器的操作。非暂态计算机可读存储介质可以包括但不限于电磁存储介质、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、可擦除可编程存储器(例如，EPROM和EEPROM)、闪存存储器或者其他现在已知或后来开发的适于存储信息的非暂态类型的介质。

尽管在本文中以特定顺序示出并描述了电路和块的操作，但是在一些实施方式中，可以改变每个电路/块的操作的顺序，使得可以以相反的顺序执行某些操作，或者使得可以至少部分地与其他操作同时和/或并行地执行某些操作。在其他实施方式中，可以以间歇和/或交替的方式执行不同操作的子操作或指令。

在前述说明书中，已经参照本发明的具体示例性实施方式描述了本发明。然而，将明显的是，在不脱离如所附权利要求书中阐述的本发明的更宽泛的精神和范围的情况下，可以在本发明中进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而不是限制性的。

Claims (20)

1.一种用于通用串行总线(USB)C型设备的集成电路(IC)控制器，所述IC控制器包括：

误差放大器(EA)，其耦接在所述IC控制器的输出与输入之间，所述EA包括：

EA输出，其耦接至降压-升压转换器的脉冲宽度调制(PWM)比较器；

第一跨导放大器，其用于调整所述EA输出处的电流，其中，所述第一跨导放大器在恒定电压模式下操作；以及

第二跨导放大器，其用于调整所述EA输出处的电流，其中，所述第二跨导放大器在恒定电流模式下操作；

第一组可编程寄存器，其耦接至所述第一跨导放大器以存储第一组逐渐增高的跨导值；

第二组可编程寄存器，其耦接至所述第二跨导放大器以存储第二组逐渐增高的跨导值；以及

控制逻辑，其可操作地耦接至所述EA，所述控制逻辑用于：

使所述第一跨导放大器在顺序地使用存储在所述第一组可编程寄存器中的至少两个可编程寄存器中的跨导值的情况下进行操作；以及

使所述第二跨导放大器在顺序地使用存储在所述第二组可编程寄存器中的至少两个可编程寄存器中的跨导值的情况下进行操作。

2.根据权利要求1所述的IC控制器，还包括所述降压-升压转换器，其中，所述降压-升压转换器仅在降压模式下操作。

3.根据权利要求1所述的IC控制器，其中，所述控制逻辑还用于：

识别所述第一组逐渐增高的跨导值中的最高可能第一值以及所述第二组逐渐增高的跨导值中的最高可能第二值，在所述最高可能第一值和所述最高可能第二值处，所述IC控制器的输出处的输出电压是稳定的，而所述IC控制器的输入处的输入电压在一组电压上变化；

将所述第一跨导放大器设置成以所述最高可能第一值操作；以及

将所述第二跨导放大器设置成以所述最高可能第二值操作。

4.根据权利要求1所述的IC控制器，其中，所述第一组逐渐增高的跨导值中各跨导值之间的第一步长大于所述第二组逐渐增高的跨导值中各跨导值之间的第二步长。

5.根据权利要求1所述的IC控制器，其中，所述第一组逐渐增高的跨导值包括与所述第二组逐渐增高的跨导值不同的值范围。

6.根据权利要求1所述的IC控制器，还包括用于存储固件的存储器设备，所述固件能够被执行以对所述第一组可编程寄存器、所述第二组可编程寄存器和所述控制逻辑进行编程。

7.一种操作通用串行总线(USB)C型控制器的方法，其中，所述USB C型控制器包括误差放大器，所述误差放大器包括耦接至降压-升压转换器的脉冲宽度调制(PWM)比较器的输出、耦接至所述降压-升压转换器的输出的输入、在恒定电压模式下操作的第一跨导放大器以及在恒定电流模式下操作的第二跨导放大器，其中，所述操作USB C型控制器的方法包括：

由可操作地耦接至所述误差放大器的控制逻辑确定所述降压-升压转换器所处的操作模式；

响应于确定所述降压-升压转换器正在升压模式下操作，由所述控制逻辑将所述第一跨导放大器的第一跨导设置为第一值并且将所述第二跨导放大器的第二跨导设置为第二值，其中，所述第一值高于所述第二值；以及

响应于确定所述降压-升压转换器正在降压模式下操作，由所述控制逻辑将所述第一跨导放大器的第一跨导设置为第三值并且将所述第二跨导放大器的第二跨导设置为第四值，其中，所述第三值高于所述第一值、所述第二值和所述第四值。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括：响应于确定所述降压-升压转换器正在降压-升压模式下操作，将所述第一跨导放大器的第一跨导设置为第五值并且将所述第二跨导放大器的第二跨导设置为第六值，其中，所述第五值高于所述第六值。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第五值在所述第一值与所述第三值之间，并且所述第六值在所述第二值与所述第四值之间。

10.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括：

确定所述降压-升压转换器正在所述升压模式下操作；

对关于右半平面(RHP)零点的第五值进行确定或检索中之一；以及

将所述第二跨导设置为是所述第五值的至少四分之一小。

11.根据权利要求7所述的方法，还包括：

执行固件以对所述USB C型控制器的微处理器进行编程，从而实例化所述控制逻辑；以及

至少向所述微处理器提供所述降压-升压转换器的输入电压和输出电压，所述控制逻辑能够利用所述输入电压和所述输出电压来确定所述降压-升压转换器所处的操作模式。

12.一种操作通用串行总线(USB)C型控制器的方法，其中，所述USB C型控制器包括误差放大器，所述误差放大器包括耦接至降压-升压转换器的脉冲宽度调制(PWM)比较器的输出、耦接至所述降压-升压转换器的输出的输入、在恒定电压模式下操作的第一跨导放大器以及在恒定电流模式下操作的第二跨导放大器，其中，所述操作USB C型控制器的方法包括：

由可操作地耦接至所述误差放大器的控制逻辑确定所述第一跨导放大器是否具有大于阈值的第一输入误差；

响应于确定所述第一输入误差大于所述阈值，由所述控制逻辑使所述第一跨导放大器的第一跨导值增加第一量，所述第一量与所述第一输入误差超过所述阈值的量成线性比例；

由所述控制逻辑确定所述第二跨导放大器是否具有大于所述阈值的第二输入误差；以及

响应于确定所述第二输入误差大于所述阈值，由所述控制逻辑使所述第二跨导放大器的第二跨导值增加第二量，所述第二量与所述第二输入误差超过所述阈值的量成线性比例。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，使所述第一跨导放大器的第一跨导值增加包括：使所述第一跨导放大器的第一偏置电流增加。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括：

确定所述降压-升压转换器正在降压模式下操作；并且

其中，使所述第一跨导放大器的第一跨导值增加包括：使所述第一偏置电流的增益增至近似三倍或四倍。

15.根据权利要求13所述的方法，还包括：

确定所述降压-升压转换器正在升压模式下操作；以及

使所述第一偏置电流的增益近似加倍。

16.根据权利要求12所述的方法，其中，使所述第二跨导放大器的第二跨导值增加包括：使所述第二跨导放大器的第二偏置电流增加。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括：

确定所述降压-升压转换器正在降压模式下操作；并且

其中，使所述第二跨导放大器的第二跨导值增加包括：使所述第二偏置电流的增益近似加倍。

18.根据权利要求16所述的方法，还包括：

确定所述降压-升压转换器正在升压模式下操作；并且

其中，使所述第二跨导放大器的第二跨导值增加包括：使所述第二偏置电流的增益增加约百分之五十。

19.根据权利要求12所述的方法，其中，所述阈值在10毫伏至20毫伏之间。

20.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括：

确定所述降压-升压转换器正在升压模式下操作：

对关于右半平面(RHP)零点的值进行确定或检索中之一；以及

将所述第二跨导值设置为是所述关于RHP零点的值的至少四分之一小。

Images