CN116261825B - 电源供给电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种将开关电容转换器(Switched Capacitor Converter)和三电平降压转换器(3‑level Buck Converter)合并而成的电源供给电路。本发明的一个方面提供了电源供给电路，其从外部充电器接收电力并向电池和/或电子装置系统提供电力，包括：转换器，根据多个晶体管的导通/截止切换工作在电荷泵模式或降压模式中选择性地工作，所述多个晶体管中的至少一部分在所述电荷泵模式和所述降压模式中均进行切换工作；以及控制器，控制所述多个晶体管的切换工作。
Description
技术领域
本发明涉及一种电源供给电路。具体而言，本发明涉及一种将开关电容转换器(Switched Capacitor Converter)和三电平降压转换器(3-level Buck Converter)合并而成的电源供给电路。
背景技术
电源供给电路在电子装置内可以用作执行电池充电或从外部充电设备接收的电压的转换等功能的电压调节器。
例如，在手机或平板电脑等移动电子装置内部通常含有被称为电力管理集成电路(PMIC)的装置，以管理电子装置内部的电力。为此，电力管理集成电路需要电压调节器来执行电池充电、从外部充电装备接收的电压的转换、电源选择等功能，本发明的电源供给电路例如在移动电子装置内用作电压调节器。
近年来，随着从外部对移动电子装置进行充电的充电器TA的多样化，正在使用由外部充电器提供的电压被固定为5V或9V等以及可在3V～11V或3V～20V范围内可变等多种充电方式。例如，USB-PD PPS(USB Power Delivery Programmable Power Supply，USB供电可编程电源)方式的外部充电器通过与电子装置的通信可将电子装置所需的电压在3V～20V范围内以20mV为单位进行调节并提供。即，电子装置根据自身的状态向外部充电器请求最佳电压，从而可以高速及高效的充电。
由于如上所述的多种充电方式，用于电压调节器的电源供给电路需要考虑到从外部充电器提供的电压可以固定为规定值或可以在各种电压范围内可变的情况来优化工作。
发明内容
技术问题
根据实施例，本发明的一个目的在于提供一种电源供给电路，在从外部充电器提供的电压可以是固定的或可以是可变的状况下可高速和高效地对电池充电或者向电子装置内部的系统提供电力。
根据实施例，本发明的一个目的在于，使用一个结构简单的电路来提供在开关电容转换器(Switched Capacitor Converter)模式(电荷泵模式)和三电平降压转换器(3-level Buck Converter)模式(降压模式)中可选择性地工作的电源供给电路，从而不仅可以针对多种外部充电方法有效地工作，而且可以减少元件数量并减小电感器的尺寸和损耗。
技术方案
本发明的一个方面提供了一种电源供给电路，从外部充电器接收电力并向电池和/或电子装置系统提供电力，包括：转换器，根据多个晶体管的导通/截止切换工作在电荷泵模式或降压模式中选择性地工作，所述多个晶体管中的至少一部分在所述电荷泵模式和所述降压模式中均进行切换工作；以及控制器，控制所述多个晶体管的切换工作。
在所述电源供给电路中，所述转换器包括：第一晶体管QCH，连接于第一节点和第二节点之间；第二晶体管QDH1，连接于第二节点和第三节点之间；第三晶体管QCL1，连接于第三节点和第四节点之间；第四晶体管QDL，连接于第四节点和第五节点之间；第五晶体管QDH2，连接于第二节点和第六节点之间；第六晶体管QCL2，连接于第六节点和第四节点之间；飞跨电容器，连接于第二节点和第四节点之间；以及电感器，连接于第六节点和第七节点之间，第一节点连接于输入电压，第三节点连接于电池电压，第五节点连接于基准电压PGND，第七节点连接于系统电压。
在所述电源供给电路中，所述转换器还包括连接于第三节点和第七节点之间的第七晶体管QBAT。
在所述电源供给电路中，所述转换器构成为：在所述电荷泵模式下，通过所述第一晶体管至第四晶体管的切换工作，以所述输入电压与所述电池电压之比实际上具有2:1的关系的方式工作，在所述降压模式下，通过所述第一晶体管、所述第四晶体管、所述第五晶体管以及所述第六晶体管的切换工作和所述电感器，所述系统电压低于所述输入电压，并且使所述输入电压VIN与所述系统电压VSYS之比可变。
在所述电源供给电路中，在所述电荷泵模式下，所述第一晶体管和所述第三晶体管实质上以0.5的占空比同时导通/截止，所述第二晶体管和所述第四晶体管实质上与所述第一晶体管相反地导通/截止。
在所述电源供给电路中，在所述电荷泵模式下，从所述第三节点向所述电池提供的电流不经过晶体管。
在所述电源供给电路中，在所述降压模式下，所述第一晶体管以第一占空比(duty)导通/截止，所述第五晶体管具有与所述第一晶体管实质上相同的占空比，并且以相移180度的形式导通/截止，所述第六晶体管与所述第五晶体管相反地导通/截止，所述第四晶体管与所述第一晶体管相反地导通/截止。
在所述电源供给电路中，所述控制器通过调节所述第一占空比来控制所述输入电压与所述系统电压之比。
在所述电源供给电路中，所述电感器的电流纹波(current ripple)频率是所述第一晶体管的切换频率的两倍。
在所述电源供给电路中，在所述电荷泵模式下，所述第五晶体管和所述第六晶体管不执行导通/截止工作。
在所述电源供给电路中，在所述电荷泵模式下，所述第五晶体管和所述第六晶体管也执行切换工作。
在所述电源供给电路中，所述第五晶体管与所述第二晶体管相同地导通/截止，所述第六晶体管与所述第三晶体管相同地导通/截止。
在所述电源供给电路中，第一节点所连接的所述输入电压是由从所述外部充电器提供的电压生成的中间总线电压。
在所述电源供给电路中，在连接所述外部充电器的节点与第一节点之间还包括输入端晶体管QRB。
在所述电源供给电路中，所述第二晶体管、所述第三晶体管以及所述第七晶体管是能够双向控制的晶体管。
技术效果
根据本发明，通过实施例，在从充电器提供的电压可以是固定的或可以是可变的状况下可高速和高效地对电池充电或者向电子装置系统提供电力。
根据本发明，通过实施例，使用一个结构简单的电路来在开关电容转换器(Switched Capacitor Converter)模式(电荷泵模式)和三电平降压转换器(3-level BuckConverter)模式(降压模式)中可选择性地工作，从而不仅可以针对多种外部充电方法有效地工作，而且可以减少元件数量并减小电感器的尺寸和损耗。
附图说明
图1示出了根据本发明一个实施例的电源供给电路。
图2至图4示例性地说明了根据图1的实施例的电源供给电路以开关电容转换器(Switched Capacitor Converter)模式工作的情况。
图5至图9示例性地说明了根据图1的实施例的电源供给电路在三电平降压转换器(3-level Buck Converter)模式下以大于0.5的占空比(duty)工作的情况。
图10至图12示例性地说明了根据图1的实施例的电源供给电路在3电平降压转换器(3-level Buck Converter)模式下以0.5的占空比(duty)工作的情况。
图13至图17示例性地说明了根据图1的实施例的电源供给电路在三电平降压转换器(3-level Buck Converter)模式下以小于0.5的占空比(duty)工作的情况。
图18和图19示例性地说明了根据图1的实施例的电源供给电路在开关电容转换器(Switched Capacitor Converter)模式下以与图4至图5不同的方式工作的情况。
具体实施方式
在下文中，将参照示例性附图详细说明本发明的一些实施例。应当注意到，在对各附图的构成要素附加附图标记时，针对相同的构成要素等即使它们表示在不同的附图中也尽可能地赋予了相同的标记。此外，在说明本发明时，若判断对相关已知构成或功能的具体说明可能会混淆本发明的主旨，则省略其详细说明。
此外，在说明本发明的构成要素时，可以使用诸如第一、第二、A、B、(a)、(b)等术语。这些术语仅用于区分该构成要素和其他构成要素，该术语不会限定构成要素的本质、次序或顺序等。当记载有某一构成要素与其他构成要素“连接”、“耦合”或“接合”时，该构成要素可以直接连接或接合于其他构成要素，但也可以理解为在各构成要素之间还可以“连接”、“耦合”或“接合”有另一构成要素。
图1示出了根据本发明一个实施例的电源供给电路。
参考图1，电源供给电路可以包括控制器110、包括多个晶体管的集成电路100、集成电路100的外围元件(电感器、电容器等)。在图1中，除了控制器110和电池10之外的元件(晶体管、缓冲器、电感器、电容器等)可以被理解为构成转换器。即，电源供给电路可以被理解为包括转换器以及控制器110，所述转换器包括多个晶体管和无源元件。电池10通常可以认为是电源供给电路的外部构成，但是根据情况可以认为电池10也包含在电源供给电路中。
电源供给电路可以从外部充电器TA接收电力并向电池和/或电子装置系统提供电力。例如，电源供给电路可用于手机或平板电脑等移动电子装置内部，以执行电池充电、从外部充电装置接收到的电压的转换、电源选择等功能。示例性地，电源供给电路在移动电子装置内可以用作电力管理集成电路PMIC内部的电压调节器或者可以用作在电力管理集成电路PMIC外部与电力管理集成电路PMIC协作的电压调节器。
电源供给电路可以通过输入端口(未图示)连接到外部的充电器TA。输入端口可以连接到电子装置外部的充电器TA来从外部充电器TA接收电力。从外部充电器TA提供的电压可以是如5V、9V等固定的电压，也可以是在3V～11V或3V～20V范围内可变的电压。例如，输入端口可以是USB A-type或USB C-type，但不限于此。
总线电容器(bus capacitor)CVBUS可以连接在总线电压端子VBUS和基准电压PGND之间。为了稳定总线电压VBUS，可以根据需要选择性地使用总线电容器CVBUS。
输入端晶体管QRB可以连接在总线电压VBUS和中间总线电压VMID之间。为了执行将总线电压VBUS向中间总线电压VMID传输的功能，可以根据需要选择性地使用输入端晶体管QRB。示例性地，输入端晶体管QRB可以执行电流调整(current regulation)功能，以用于防止在电源供给电路的工作初期或过渡状态下流动过大的电流。示例性地，当检测到VBUS端子的电流和/或电池电流并且大于或者等于设定电流时，输入端晶体管QRB可以执行对VBUS端子的电流和/或电池电流的调整功能。此外，根据实施例，当测量的电池电压VBAT变得高于设定电压时，可以通过应用输入端晶体管QRB来执行调节电池电压VBAT的功能。在该情况下，输入端晶体管QRB以在将总线电压VBUS向中间总线电压VMID传输时降低电压来传输的方式调节中间总线电压VMID，从而执行调节电池电压VBAT的功能。示例性地，输入端晶体管QRB可以执行在非正常状态下切断总线电压VBUS向中间总线电压VMID传输的功能。示例性地，在正常工作状态下，输入端晶体管QRB可以导通来将总线电压VBUS不进行任何特殊处理地向中间总线电压VMID传输。在该情况下，中间总线电压VMID可以实质上与总线电压VBUS相同。
中间总线电容器CMID可以连接在中间总线电压VMID和基准电压PGND之间。为了稳定中间总线电压VMID，可以根据需要选择性地使用中间总线电容器CMID。
电池10可以储存从外部充电器TA提供的电力，并且根据需要将储存的电力提供给电子装置的系统电压端子VSYS_PWR。示例性地，电池10可以是主要用于移动电子装置的锂离子电池，但不限于此。根据实施例，从电池10的电压感测端子S+、S-提供的信号可以通过集成电路100的电池电压检测端子BATSNSP、BATSNSN提供给控制器110。为了不受电源供给电路的工作状况的影响且精确检测电池10的电压，可以根据需要选择性地使用电池电压检测端子BATSNSP、BATSNSN。
接着，对中间总线电压VMID、电池电压VBAT以及系统电压VSYS之间的转换器电路的构成进行说明。在图1的实施例中，由于中间总线电压VMID可被视为转换器的输入电压，因此中间总线电压VMID可表示为输入电压VIN。中间总线电压VMID由从外部充电器TA提供的电压产生，当输入端晶体管QRB完全导通时，输入电压VIN与从外部充电器TA提供的总线电压VBUS实质相同。
转换器可以包括：连接在第一节点N1和第二节点N2之间的第一晶体管QCH、连接在第二节点N2和第三节点N3之间的第二晶体管QDH1、连接在第三节点N3和第四节点N4之间的第三晶体管QCL1、连接在第四节点N4和第五节点N5之间的第四晶体管QDL、连接在第二节点N2和第六节点N6之间的第五晶体管QDH2、连接在第六节点N6和第四节点N4之间的第六晶体管QCL2、连接在第二节点N2和第四节点N4之间的飞跨电容器CFLY以及连接在第六节点N6和第七节点N7之间的电感器L。根据实施例，转换器还可以包括连接在第七节点N7和第三节点N3之间的第七晶体管QBAT。
在此，第一节点N1可以连接于输入电压VIN，第三节点N3可以通过第一输出电压端子VOUT1连接于电池电压VBAT。第五节点N5可以连接于基准电压PGND，第七节点N7可以通过系统电压端子VSYS连接于系统电压VSYS。
在系统电压VSYS和基准电压PGND之间可以根据需要连接系统电压电容器CVSYS，以稳定系统电压VSYS。
在电池电压VBAT和基准电压PGND之间可以根据需要连接电池电压电容器CVBAT，以稳定电池电压VBAT。
控制器110可以执行电源供给电路的整体控制。根据实施例，控制器110可以与管理电子装置系统的电力的电力管理集成电路(未图示)通信并发送/接收用于控制电源供给电路的信息。示例性地，控制器110可以通过控制电源供给电路内部的多个晶体管的导通/截止切换工作，来对向电池电压端VBAT和系统电压端子VSYS提供的电压、电流、电力中的至少一个进行调节。为此，根据需要，控制器110可以获取对应电池10的电压、电流中的至少一个的信息。示例性地，控制器110可以通过电池电压检测端子BATSNSP、BATSNSN获取电池电压信息。示例性地，控制器110可以通过电池电流检测端子获取使用电流检测电阻或CT(current transformer，变流器)检测的电池电流信息。当外部充电器TA可以改变电压时，控制器110可以向外部充电器TA直接请求对应从外部充电器TA提供的电压的信息，或者可以通过电力管理集成电路向外部充电器TA请求。
如图1所示，电源供给电路可以包括多个缓冲器BF。为了接收由控制器110提供的用于驱动晶体管的信号并将适当的驱动信号施加到对应的晶体管，可以根据需要选择性地使用各个缓冲器BF。示例性地，缓冲器BF可用于放大施加到晶体管栅极端子的电流、放大施加到晶体管栅极端子的电压或者驱动处于浮空(floating)状态的晶体管。当控制器110可以直接驱动晶体管时，可以不使用用于驱动晶体管的缓冲器BF。
如上所述构成的电源供给电路可以在两种工作模式中根据需要选择性地工作。两种工作模式中的一种是开关电容转换器(switched capacitor converter，SCC)模式，另一种是三电平降压转换器(3-level Buck converter)模式。开关电容转换器模式可以称为“电荷泵模式”。在不会造成混淆的情况下，将三电平降压转换器模式简称为“降压模式”。
即，电源供给电路内部的转换器可以根据多个晶体管的导通/截止切换工作在电荷泵模式或降压模式中选择性地工作。此时，转换器内部的多个晶体管中的至少一部分可以被构成为在电荷泵模式和降压模式中均进行切换工作。换言之，在根据本发明实施例的电源供给电路中，可以使用一个电路进行相当于不同工作方式的电荷泵电路的工作和三电平降压电路的工作，并且可以理解为是将电荷泵电路和三电平降压电路合并为一的新电路。
转换器在电荷泵模式下以如下方式工作，通过第一晶体管QCH至第四晶体管QDL的切换工作，使得输入电压VIN与电池电压VBAT之比实质上具有2:1的关系。在电荷泵模式下，第五晶体管QDH2和第六晶体管QCL2可以根据需要选择性地工作。电荷泵模式主要在第一节点N1电压(即，输入电压VIN)与第三节点N3电压(即，电池电压VBAT)之比具有2：1的关系时使用，可高效地传输电力。
转换器在降压模式下，通过第一晶体管QCH、第四晶体管QDL、第五晶体管QDH2以及第六晶体管QCL2的切换工作和电感器L，可以使得系统电压VSYS小于输入电压VIN并且使输入电压VIN与系统电压VSYS之比可变。在降压模式下，根据需要，第二晶体管QDH1和第三晶体管QCL1可以保持截止(OFF)状态。在降压模式下，第七节点N7电压(即，系统电压VSYS)相对于第一节点N1电压(即，输入电压VIN)之比(电压转换比)可以通过第一晶体管QCH、第四晶体管QDL、第五晶体管QDH2以及第六晶体管QCL2的控制来进行调节。因此，降压模式可以在第一节点N1电压与第七节点N7电压之比不是2:1的状况，即需要多种电压转换比的状况下有效地工作。
第七晶体管QBAT在系统电压节点VSYS_PWR和电池电压节点VBAT之间可以根据需要选择性地向两个方向中的任一方向传输电流。即，第七晶体管QBAT可以从系统电压节点VSYS_PWR向电池电压节点VBAT传输电流来将电池充电，或者从电池电压节点VBAT向系统电压节点VSYS_PWR传输电流来将储存在电池10中的能量提供给系统。第七晶体管QBAT的这种工作在电荷泵模式和降压模式中的任一模式下可以根据需要选择性地执行。
下面结合附图详细说明电荷泵模式和降压模式下的具体工作。
在图1中示出了，控制器110、晶体管以及缓冲器包括在集成电路100内，并且无源元件(电容器、电感器等)配置在集成电路100的外部，但是配置在集成电路100内的元件可进行各种改变。例如，晶体管和缓冲器中的一部分可以配置在集成电路100的外部和/或无源元件中的一部分也可以配置在集成电路100内。
图2至图4示例性地说明了根据图1的实施例的电源供给电路在开关电容转换器(Switched Capacitor Converter)模式(电荷泵模式)下工作的情况。
图2示出了，在电荷泵模式下第一晶体管QCH至第四晶体管QDL的导通(ON)/截止(OFF)工作和主要波形VCP、VOUT1、VCN。VCP是第二节点N2的电压，VOUT1是第三节点N3的电压，VCN是第四节点N4的电压。
参考图2，第一晶体管QCH和第三晶体管QCL1实质上以0.5的占空比同时导通/截止，第二晶体管QDH1和第四晶体管QDL可以实质上与第一晶体管QCH相反地导通/截止。在此，占空比可以定义为导通区间相对于切换周期(导通区间和截止区间的总和)的比率。
在电荷泵模式下，第五晶体管QDH2和第六晶体管QCL2可以保持截止状态。然而，根据实施例，在电荷泵模式下，第五晶体管QDH2和第六晶体管QCL2也可以执行导通/截止切换工作，对于该部分稍后会参考图18和图19进行说明。
图3示例性地说明了第一晶体管QCH和第三晶体管QCL1在导通区间中的工作。连接于第二节点N2的CP节点通过第一晶体管QCH连接于输入电压VIN，连接于第四节点N4的CN节点通过第三晶体管QCL1连接于电池电压VBAT。因此，输入电压VIN等于飞跨电容器两端的电压VCFLY和电池电压VBAT之和。
图4示例性地说明了第二晶体管QDH1和第四晶体管QDL在导通区间中的工作。连接于第二节点N2的CP节点通过第二晶体管QDH1连接于电池电压VBAT，连接于第四节点N4的CN节点通过第四晶体管QDL连接于基准电压PGND。因此，飞跨电容器电压VCFLY和电池电压VBAT变得相等。
如上所述，飞跨电容器电压VCFLY和电池电压VBAT相等，输入电压VIN等于飞跨电容器电压VCFLY和电池电压VBAT之和，因此结果是，飞跨电容器电压VCFLY和电池电压VBAT各自为输入电压VIN的一半。因此，作为第一节点N1电压的输入电压VIN与作为第三节点N3电压的电池电压VBAT之比具有2:1的关系。
在根据本实施例的电荷泵模式中，从第三节点N3提供给电池10的电流被直接提供而不经过晶体管。即，在电荷泵模式下，对电池10进行充电的电流可以从第三节点N3不经过晶体管而提供给电池10，从而可以减少损耗并高效的工作。当电源供给电路以电荷泵模式工作时，由电感器L引起的损耗会被消除或减少，因此与应用电感器的降压模式相比可以以更高的电流和更高的效率工作。因此，在如快速充电或超快速充电这样的传输大电流或大电力的状况下会主要使用电荷泵模式，根据本实施例，在电荷泵模式下对电池进行充电时，可减少其路径上的晶体管数量，因此可以进一步提高效率。
在电荷泵模式中，从第三节点N3提供给电池电压端子VBAT的电力可以根据需要通过第七晶体管QBAT提供给系统电压节点VSYS_PWR。
图5至图9示例性地说明了根据图1的实施例的电源供给电路在三电平降压转换器(3-level Buck Converter)模式(降压模式)下以大于0.5的占空比(duty，D)工作的情况。
图5示出了在降压模式(D＞0.5)下第一晶体管QCH、第四晶体管QDL、第五晶体管QDH2以及第六晶体管QCL2的导通/截止工作和主要波形VCP、VOUT2、VCN、IL。VOUT2是第六节点N6电压，电流IL为电感器L的电流。
参考图5，第一晶体管QCH可以以可调节的占空比重复导通/截止。占空比可以定义为导通区间相对于切换周期(导通区间和截止区间之和)的比率。为了方便说明，将降压模式下的占空比定义为第一晶体管QCH的占空比。例如，第一晶体管QCH的占空比可以理解为①、②、④区间(第一晶体管QCH的导通区间)的长度之和相对于①～④区间的长度之和的比率。第五晶体管QDH2可以具有与第一晶体管QCH相同的占空比，但可以以实质上相移(phaseshift)180度的形式导通/截止。第六晶体管QCL2可以与第五晶体管QDH2实质上相反的导通/截止。第四晶体管QDL可以与第一晶体管QCH实质上相反的导通/截止。
在降压模式(D>0.5)中，第二晶体管QDH1和第三晶体管QCL1可以保持截止状态，但本实施例不限于此。
图6示例性地说明了图5的①区间，即第一晶体管QCH和第六晶体管QCL2的导通区间的工作。连接于第二节点N2的CP节点通过第一晶体管QCH连接于输入电压VIN，连接于第四节点N4的CN节点通过第六晶体管QCL2连接于第二输出电压VOUT2和电感器L的一端。电感器L的另一端连接于系统电压VSYS，可以根据需要选择性地通过第七晶体管QBAT连接于电池电压VBAT。此时，在连接有电感器L的一端的第二输出电压VOUT2上施加从输入电压VIN减去飞跨电容器电压VCFLY的电压(即Vin/2)，在电感器L的另一端施加系统电压VSYS，当占空比大于0.5时，系统电压VSYS如下所述大于输入电压VIN的一半，因此电感器电流IL减小。
图7示例性地说明了图5的②区间即第一晶体管QCH和第五晶体管QDH2的导通区间的工作。连接于第二节点N2的CP节点通过第一晶体管QCH连接于输入电压VIN，并通过第五晶体管QDH2连接于第二输出电压VOUT2和电感器L的一端。连接于第四节点N4的CN节点处于浮空状态。电感器L的另一端连接于系统电压VSYS，可以根据需要选择性地通过第七晶体管QBAT连接于电池电压VBAT。此时，在连接有电感器L的一端的第二输出电压VOUT2施加输入电压VIN，在电感器L的另一端施加系统电压VSYS，输入电压VIN高于系统电压VSYS，因此电感器电流IL增加。
图8示例性地说明了图5的③区间，即第五晶体管QDH2和第四晶体管QDL的导通区间的工作。连接于第二节点N2的CP节点通过第五晶体管QDH2连接于第二输出电压VOUT2和电感器L的一端。连接于第四节点N4的CN节点通过第四晶体管QDL连接于基准电压PGND。电感器L的另一端连接于系统电压VSYS，可以根据需要选择性地通过第七晶体管QBAT连接于电池电压VBAT。此时，在连接有电感器L的一端的第二输出电压VOUT2施加飞跨电容器电压VCFLY，在电感器L的另一端施加系统电压VSYS，系统电压VSYS高于飞跨电容器电压VCFLY(＝VIN/2)，因此电感器电流IL减小。
图9示例性地说明了图5的④区间，即第一晶体管QCH和第五晶体管QDH2的导通区间的工作。由于④区间的工作与②区间的工作类似，因此将省略具体说明。
当在降压模式下占空比大于0.5时，重复进行图5的①区间至④区间的工作，在电感器L的一端施加第二输出电压VOUT2，在另一端施加系统电压VSYS。此时，在第二输出电压VOUT2，在①区间和③区间施加输入电压VIN的一半，在②区间和④区间施加输入电压VIN。由于系统输入端的电容器通常足够大，因此可以假设系统电压VSYS在一个切换周期内不发生变化并且具有固定值。在正常状态(steady-state)下，在电感器L的一端和另一端所加电压的平均值相同，因此结果是系统电压VSYS具有高于输入电压VIN的一半且低于输入电压VIN的值。系统电压VSYS相对于输入电压VIN的比率可以通过调节①区间和③区间之和相对于切换周期的比率或②区间和④区间之和相对于切换周期的比率来控制。即，系统电压VSYS相对于输入电压VIN的比率可以通过第一晶体管QCH的占空比来调节(为了方便说明，列举第一晶体管QCH的占空比作为代表性例子，但也可以理解为根据其他晶体管的占空比进行调节)。
图10至图12示例性地说明了根据图1的实施例的电源供给电路在三电平降压转换器(3-level Buck Converter)模式(降压模式)中以0.5的占空比(duty，D)工作的情况。
图10示出了在降压模式(D＝0.5)下第一晶体管QCH、第四晶体管QDL、第五晶体管QDH2以及第六晶体管QCL2的导通/截止工作以及主要波形VCP、VOUT2、VCN、IL。
参考图10，第一晶体管QCH可以实质上以0.5的占空比重复导通/截止。第五晶体管QDH2可以具有与第一晶体管QCH相同的占空比，但可以以实质上相移(phase shift)180度的形式导通/截止。第六晶体管QCL2可以与第五晶体管QDH2实质上相反的导通/截止。第四晶体管QDL可以与第一晶体管QCH实质上相反的导通/截止。
图11示例性地说明了图10的①区间，即第一晶体管QCH和第六晶体管QCL2的导通区间的工作。连接于第二节点N2的CP节点通过第一晶体管QCH连接于输入电压VIN，连接于第四节点N4的CN节点通过第六晶体管QCL2连接于第二输出电压VOUT2和电感器L的一端。电感器L的另一端连接于系统电压VSYS，可以根据需要选择性地通过第七晶体管QBAT连接于电池电压VBAT。此时，在连接有电感器L的一端的第二输出电压VOUT2施加从输入电压VIN减去飞跨电容器电压VCFLY的电压(即，Vin/2)，在电感器L的另一端施加系统电压VSYS，当占空比为0.5时，系统电压VSYS如后所述变为输入电压VIN的一半，因此电感器电流IL不会实质上增加或减小(实际上由于占空比不会精确地成为0.5或由于寄生成分等的影响，电感器电流IL可能会略有增加或减少)。
图12示例性地说明了图10的②区间，即第五晶体管QDH2和第四晶体管QDL的导通区间的工作。连接于第二节点N2的CP节点通过第五晶体管QDH2连接于第二输出电压VOUT2和电感器L的一端。连接于第四节点N4的CN节点通过第四晶体管QDL连接于基准电压PGND。电感器L的另一端连接于系统电压VSYS，可以根据需要选择性地通过第七晶体管QBAT连接于电池电压VBAT。此时，在连接有电感器L的一端的第二输出电压VOUT2施加飞跨电容器电压VCFLY，在电感器L的另一端施加系统电压VSYS，系统电压VSYS与飞跨电容器电压VCFLY(＝VIN/2)实质上相同，因此电感器电流IL不会实质上增加或减少。
当在降压模式下占空比为0.5时，重复进行图10的①区间和②区间的工作。此时，在第二输出电压VOUT2，在①区间和②区间共同施加输入电压VIN的一半。在正常状态steady-state下，在电感器L的两端所加电压的平均值相同，因此系统电压VSYS也成为输入电压VIN的一半。
图13至图17示例性地说明了根据图1的实施例的电源供给电路在三电平降压转换器(3-level Buck Converter)模式(降压模式)下以小于0.5的占空比工作的情况。
图13示出了在降压模式(D<0.5)下第一晶体管QCH、第四晶体管QDL、第五晶体管QDH2以及第六晶体管QCL2的导通/截止工作以及主要波形VCP、VOUT2、VCN、IL。
参考图13，第一晶体管QCH可以以可调节的占空比重复导通/截止。占空比可以定义为导通区间相对于切换周期(导通区间和截止区间之和)的比率。为了方便说明，将降压模式下的占空比定义为第一晶体管QCH的占空比。例如，第一晶体管QCH的占空比可以理解为①区间(第一晶体管QCH的导通区间)的长度相对于①～④区间的长度之和的比率。第五晶体管QDH2具有与第一晶体管QCH实质上相同的占空比，但可以以相移(phase shift)180度的形式导通/截止。第六晶体管QCL2可以与第五晶体管QDH2实质上相反的导通/截止。第四晶体管QDL可以与第一晶体管QCH实质上相反的导通/截止。
在降压模式(D<0.5)中，第二晶体管QDH1和第三晶体管QCL1可以保持截止状态，但本实施例不限于此。
图14示例性地说明了图13的①区间，即第一晶体管QCH和第六晶体管QCL2的导通区间的工作。连接于第二节点N2的CP节点通过第一晶体管QCH连接于输入电压VIN，连接于第四节点N4的CN节点通过第六晶体管QCL2连接于第二输出电压VOUT2和电感器L的一端。电感器L的另一端连接于系统电压VSYS，可以根据需要选择性地通过第七晶体管QBAT连接于电池电压VBAT。此时，在连接有电感器L的一端的第二输出电压VOUT2施加从输入电压VIN减去飞跨电容器电压VCFLY的电压(即，Vin/2)，在电感器L的另一端施加系统电压VSYS，当占空比小于0.5时，系统电压VSYS如后所述小于输入电压VIN的一半，因此电感器电流IL增加。
图15示例性地说明了图13的②区间，即第六晶体管QCL2和第四晶体管QDL的导通区间的工作。连接于第二节点N2的CP节点处于浮空状态。连接于第四节点N4的CN节点通过第六晶体管QCL2连接于第二输出电压VOUT2和电感器L的一端，并且通过第四晶体管QDL连接于基准电压PGND。电感器L的另一端连接于系统电压VSYS，可以根据需要选择性地通过第七晶体管QBAT连接于电池电压VBAT。此时，连接有电感器L的一端的第二输出电压VOUT2施加基准电压PGND，并且在电感器L的另一端施加系统电压VSYS，因此电感器电流IL减小。
图16示例性地说明了图13的③区间，即第五晶体管QDH2和第四晶体管QDL的导通区间的工作。连接于第二节点N2的CP节点通过第五晶体管QDH2连接于第二输出电压VOUT2和电感器L的一端。连接于第四节点N4的CN节点通过第四晶体管QDL连接于基准电压PGND。电感器L的另一端连接于系统电压VSYS，可以根据需要选择性地通过第七晶体管QBAT连接于电池电压VBAT。此时，在连接有电感器L的一端的第二输出电压VOUT2施加飞跨电容器电压VCFLY，在电感器L的另一端施加系统电压VSYS，系统电压VSYS小于飞跨电容器电压VCFLY(＝VIN/2)，因此电感器电流IL增加。
图17示例性地说明了图13的④区间，即第六晶体管QCL2和第四晶体管QDL的导通区间的工作。由于④区间的工作与②区间的工作类似，因此省略具体说明。
当在降压模式下占空比小于0.5时，重复进行图13的①区间至④区间的工作。此时，在第二输出电压VOUT2，在①区间和③区间施加输入电压VIN的一半，在②区间和④区间施加基准电压PGND(即，0V)。在正常状态(steady-state)时，在电感器L的两端所加电压的平均值相同，因此系统电压VSYS具有低于输入电压VIN的一半的值。系统电压VSYS相对于输入电压VIN的比率(即，电压转换比)可以通过调整①区间和③区间之和相对于切换周期的比率(即，占空比)来控制。
参考图5、图10和图13，它们在以下方面相同，第一晶体管QCH以第一占空比(duty)导通/截止，第五晶体管QDH2具有与第一晶体管QCH1实质上相同的占空比，并且以相移180度的形式导通/截止，第六晶体管QCL2与第五晶体管QDH2相反地导通/截止，第四晶体管QDL与第一晶体管QCH相反地导通/截止。即，在降压模式下，第一晶体管QCH、第四晶体管QDL、第五晶体管QDH2以及第六晶体管QCL2的切换时序可以适用通用的方法，而与占空比无关，系统电压VSYS相对于输入电压VIN的比率(即，电压转换比)根据占空比，理论上可以具有0～1之间的值，并且在较宽的范围内可变。在实际执行中，占空比可以在规定范围内变化，例如在0.1～0.9的范围内。控制器可以通过调整晶体管的占空比(例如，第一占空比)来控制输入电压VIN与系统电压VSYS之比(电压转换比)。
此外，由图5和图13可知，电感器L的电流纹波(current ripple)频率可以是晶体管(例如，第一晶体管QCH)的切换频率的两倍。参考图5和图13，第一晶体管QCH的切换周期为①区间至④区间之和，但电感器L的电流纹波周期为①区间和②区间之和(或者，③区间和④区间之和)，这是第一晶体管QCH的切换周期的一半。在该情况下，由于可以减小电感器L的电感，所以可以减小电感器L的尺寸和损耗。
在根据本实施例的降压模式中，通过电感器L提供的电流可以不经过额外的晶体管提供给系统电压节点VSYS_PWR。因此，向系统供电时可以有效地使用降压模式。当在降压模式下需要对电池进行充电时，通过电感器L提供给系统电压节点VSYS_PWR的电流中的至少一部分可以通过第七晶体管QBAT提供给电池10。
如上所述，根据本实施例的电源供给电路可以使用一个结构简单的电路来在电荷泵模式和降压模式中选择性地工作，从而在从外部充电器提供的电压可以是固定的或可变的状况下能够有效地工作，不仅如此，在电荷泵模式下，对电池10进行充电的电流可以从第三节点N3提供给电池10而不经过晶体管，因此可以高效地对电池10进行充电。在降压模式下，提供给系统的电流可以从电感器L提供给系统电压节点VSYS_PWR而不经过晶体管，因此在向系统供电时可提高效率。
图18和图19示例性地说明了根据图1的实施例的电源供给电路在开关电容转换器(Switched Capacitor Converter)模式(电荷泵模式)下以与图4至图5不同的方式工作的情况。
在根据图18和图19的实施例的电荷泵模式的工作中，第一晶体管QCH至第四晶体管QDL的导通/截止工作以及主要波形VCP、VOUT1、VCN与图2中示出的情况类似，即，第一晶体管QCH和第三晶体管QCL1实质上以0.5的占空比同时导通/截止，第二晶体管QDH1和第四晶体管QDL可以实质上与第一晶体管QDL相反地导通/截止。然而，在图18和图19的实施例与图3和图4所示的方法的不同之处在于第五晶体管QDH2和第六晶体管QCL2也一起执行切换工作。具体地，第五晶体管QDH2可以与第二晶体管QDH1相同地导通/截止，第六晶体管QCL2可以与第三晶体管QCL1相同地导通/截止。
图18示例性地说明了第一晶体管QCH、第三晶体管QCL1以及第六晶体管QCL2的导通区间上的工作。连接于第二节点N2的CP节点通过第一晶体管QCH连接于输入电压VIN，连接于第四节点N4的CN节点通过第三晶体管QCL1连接于电池电压VBAT。因此，输入电压VIN等于飞跨电容器电压VCFLY和电池电压VBAT之和。此时，由于第六晶体管QCL2也处于导通状态，CN节点通过第六晶体管QCL2连接于第二输出电压VOUT2和电感器L的一端。因此，在CN节点中额外生成了能够通过电感器L向系统电压节点VSYS_PWR提供电流的路径。通过电感器L向系统电压节点VSYS_PWR提供的电流可以根据状况通过第七晶体管QBAT传输到电池10，从而用于对电池10充电。
图19示例性地说明了第二晶体管QDH1、第四晶体管QDL以及第五晶体管QDH2的导通区间的工作。连接于第二节点N2的CP节点通过第二晶体管QDH1连接于电池电压VBAT，连接于第四节点N4的CN节点通过第四晶体管QDL连接于基准电压PGND。因此，飞跨电容器电压VCFLY和电池电压VBAT变得相同。此时，由于第五晶体管QDH2也处于导通状态，因此CP节点通过第五晶体管QDH2连接于第二输出电压VOUT2和电感L的一端。因此，在CP节点中额外生成了能够通过电感器L向系统电压节点VSYS_PWR提供电流的路径。通过电感器L向系统电压节点VSYS_PWR提供的电流可以根据状况通过第七晶体管QBAT传输到电池10，从而用于对电池10充电。
在图18和图19的实施例中，在作为电池电压VBAT相对于输入电压VIN之比的电压转换比这一方面可以与图2至图4的实施例相同。然而，在图18和19的实施例中，作为从输入电压VIN提供到系统电压节点VSYS_PWR和/或电池电压节点VBAT的电流路径，通过第三节点N3提供到电池电压节点VBAT的路径和通过第六节点N6和电感器L提供到系统电压节点VSYS_PWR的路径可以一起形成。系统电压节点VSYS_PWR和电池电压节点VBAT可以根据需要通过第七晶体管QBAT向两个方向中的任一方向传输电流。即，通过第七晶体管QBAT从系统电压节点VSYS_PWR向电池电压节点VBAT传输电流来对电池10充电或者从电池电压节点VBAT向系统电压节点VSYS_PWR传输电流来将储存在电池10的能量供给到系统。如上所述，当形成多条从输入电压VIN提供到系统电压节点VSYS_PWR和/或电池电压节点VBAT的电流路径时，电流路径上的有效阻抗会降低，从而具有减少损耗并提高效率的优点。根据图18和图19的实施例的这个优点尤其是在如快速充电或超快速充电这样的处理大电流或电力的状况下更加有效。
在上述各实施例中，控制器110可以以软件实现并且在存储于计算机可读存储介质(存储器等)的状态下通过CPU等运算装置来执行其功能。根据实施例，控制器110可以如ASIC(Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路)、FPGA(FieldProgrammable Gate Array，现场可编程门阵列)等类似的硬件实现。
此外，第一晶体管QCH、第四晶体管QDL、第五晶体管QDH2以及第六晶体管QCL2可以使用能够单向控制的晶体管，并且第二晶体管QDH1、第三晶体管QCL1、第七晶体管QBAT以及输入端晶体管QRB可以使用能够双向控制的晶体管。作为能够双向控制的晶体管的例子，可以使用背栅控制MOSFET(back-gate control MOSFET)或背对背MOSFET(back-to-back MOSFET)等。
对于上述“包括”、“由…构成”或“具有”等术语，除非具有特别相反的记载，均表示可以内含相应构成要素，并不排除其他构成要素，应理解为能够进一步包括其他构成要素。除非另有定义，包括技术和科学术语在内的所有术语具有与本发明的本领域技术人员的通常理解相同含义。如词典中定义的术语这样的常用的术语应解释为与相关技术上下文的含义一致，除非本发明明确定义，否则不应以理想或过于形式化的含义进行解释。
以上说明仅是对本发明的技术思想的举例说明，本发明的本领域技术人员可以在不背离本发明的本质特征的范围内进行各种修改和变形。因此，本发明所公开的实施例并非用于限定本发明的技术思想，而是用于说明本发明的技术思想，并且本发明的技术思想的范围不受这些实施例的限定。本发明的保护范围应由所附权利要求书来解释，凡在其等同范围内的所有技术思想，均应理解为包含在本发明的权利范围内。
Claims (15)
1.一种电源供给电路，从外部充电器接收电力并向电池和/或电子装置系统提供电力，包括：
转换器，根据多个晶体管的导通/截止切换工作在电荷泵模式或降压模式中选择性地工作，所述多个晶体管中的至少一部分在所述电荷泵模式和所述降压模式中均进行切换工作；以及
控制器，控制所述多个晶体管的切换工作，
其中，所述转换器的第一输出端用于连接至所述电池，所述转换器的第二输出端用于连接至所述电子装置系统，
所述转换器包括：
第一晶体管(QCH)，连接于第一节点和第二节点之间，所述第一节点连接于输入电压；
第二晶体管(QDH1)，连接于第二节点和第三节点之间，所述第三节点为所述第一输出端；
第三晶体管(QCL1)，连接于第三节点和第四节点之间；
第四晶体管(QDL)，连接于第四节点和第五节点之间，所述第五节点连接于基准电压(PGND)；
第五晶体管(QDH2)，连接于第二节点和第六节点之间，所述第六节点为所述第二输出端；以及
第六晶体管(QCL2)，连接于第六节点和第四节点之间。
2.根据权利要求1所述的电源供给电路，所述转换器还包括：
飞跨电容器，连接于第二节点和第四节点之间；以及
电感器，连接于第六节点和第七节点之间，
所述第三节点连接于电池电压，
所述第二输出端经所述电感器连接至所述电子装置系统，第七节点连接于系统电压。
3.根据权利要求2所述的电源供给电路，
所述转换器还包括连接于第三节点和第七节点之间的第七晶体管(QBAT)。
4.根据权利要求2所述的电源供给电路，
所述转换器构成为：
在所述电荷泵模式下，通过所述第一晶体管至第四晶体管的切换工作，以所述输入电压与所述电池电压之比实际上具有2:1的关系的方式工作，
在所述降压模式下，通过所述第一晶体管、所述第四晶体管、所述第五晶体管以及所述第六晶体管的切换工作和所述电感器，所述系统电压低于所述输入电压，并且使所述输入电压与所述系统电压之比可变。
5.根据权利要求4所述的电源供给电路，
在所述电荷泵模式下，
所述第一晶体管和所述第三晶体管实质上以0.5的占空比同时导通/截止，
所述第二晶体管和所述第四晶体管实质上与所述第一晶体管相反地导通/截止。
6.根据权利要求4所述的电源供给电路，
在所述电荷泵模式下，
从所述第三节点向所述电池提供的电流不经过晶体管。
7.根据权利要求4所述的电源供给电路，
在所述降压模式下，
所述第一晶体管以第一占空比导通/截止，
所述第五晶体管具有与所述第一晶体管实质上相同的占空比，并且以相移180度的形式导通/截止，
所述第六晶体管与所述第五晶体管相反地导通/截止，
所述第四晶体管与所述第一晶体管相反地导通/截止。
8.根据权利要求7所述的电源供给电路，
所述控制器通过调节所述第一占空比来控制所述输入电压与所述系统电压之比。
9.根据权利要求7所述的电源供给电路，
所述电感器的电流纹波频率是所述第一晶体管的切换频率的两倍。
10.根据权利要求4所述的电源供给电路，
在所述电荷泵模式下，所述第五晶体管和所述第六晶体管不执行导通/截止工作。
11.根据权利要求4所述的电源供给电路，
在所述电荷泵模式下，所述第五晶体管和所述第六晶体管也执行切换工作。
12.根据权利要求11所述的电源供给电路，
所述第五晶体管与所述第二晶体管实质上相同地导通/截止，
所述第六晶体管与所述第三晶体管实质上相同地导通/截止。
13.根据权利要求1所述的电源供给电路，
第一节点所连接的所述输入电压是由从所述外部充电器提供的电压生成的中间总线电压。
14.根据权利要求1所述的电源供给电路，
在连接所述外部充电器的节点与第一节点之间还包括输入端晶体管(QRB)。
15.根据权利要求3所述的电源供给电路，
所述第二晶体管、所述第三晶体管以及所述第七晶体管是能够双向控制的晶体管。
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