CN202652067U

CN202652067U - 升压转换器

Info

Publication number: CN202652067U
Application number: CN2012200459451U
Authority: CN
Inventors: 蒂莫西·艾伦·迪伊薇特; 诺伯特·詹姆斯·海普芬吉尔
Original assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Current assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Priority date: 2011-02-11
Filing date: 2012-02-13
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2022-02-13
Also published as: US8754616B2; CN102684486A; US20120206124A1

Abstract

本实用新型涉及升压转换器。本文讨论了用于将输入电压电平转换为可以与输入电压电平不同的输出电压电平的装置。在一个示例中，转换器可以包括第一开关，其被配置为将感应器连接到负载；第二开关，其被配置为在感应器中启动电流；第三开关，其连接到电流源；以及控制器，其被配置为当输出电压远低于电源电压时，将第一开关连接到第三开关以形成电流镜，使用第一开关在感应器与负载之间传导电流，并且使用电流源控制所传导的电流。

Description

升压转换器

技术领域

本文涉及转换器，更具体地说，涉及升压转换器。

背景技术

电子设备可以使用功率管理系统来转换、整流和传送用于系统的各个子部件的功率。例如，升压转换器可以提供可以具有比供应给该升压转换器的电源电压高的电压的输出功率。升压转换器可以向若干电子子部件提供功率，这些电子子部件包括但不限于移动电子设备、音频集成电路和升压型D类集成电路的部件。

实用新型内容

本文总体涉及将输入电压电平转换为可以与输入电压电平不同的输出电压电平，更具体地说，涉及更高效地在电压之间进行转换的操作模式。在一个示例中，一种升压转换器可以包括：第一开关，其被配置为将感应器连接到负载；第二开关，其被配置为在所述感应器中启动电流；第三开关，其被连接到电流源；以及控制器，其被配置为：当所述转换器被禁用时，将所述第一开关和所述第二开关切换到断开状态以将所述负载与电源电压隔离；当所述电源电压接近于期望负载电压时，将所述第一开关切换到闭合状态并且将所述第二开关切换到断开状态；以及当输出电压远低于所述电源电压时，将所述第一开关连接到所述第三开关以形成电流镜，使用所述第一开关在所述感应器与所述负载之间传导电流，并且使用所述电流源控制所传导的电流。

该部分旨在提供对本专利申请的主题的概括，并非旨在提供对本实用新型的排他性或穷尽性解释。包含具体实施方式是为了提供与本专利申请有关的其它信息。

附图说明

在附图(其不一定按比例绘制)中，相似的数字可以描述不同的视图中的类似部件。具有不同字母后缀的相似数字可以表示类似部件的不同例子。附图以举例而非限制的方式大体示出了本文中讨论的各个实施例。

图1大体示出了示例性同步整流升压转换器(SRBC)系统100；

图2A和图2B大体示出了断电、隔离或关闭操作模式下的同步升压整流器系统的示例；

图3A和图3B大体示出了启动操作模式下的同步升压整流器系统的示例；

图4A和图4B大体示出了被配置为在直通(pass-thru)操作模式下操作的同步升压整流器系统的示例；

图5大体示出了用于示例性同步升压整流器系统的示例性开关控制波形；并且

图6大体示出了操作同步整流的升压转换器的示例性方法600。

具体实施方式

本发明人已认识到的，除了其它情况之外，一种功率管理系统，其可以以高效的方式在宽范围的输入电源电压和输出负载上提供动态控制的功率。在某些示例中，功率管理系统可以包括同步整流的升压转换器(SRBC)，其在启动期间使用电流源模式来控制电池浪涌电流。在正常操作期间，SRBC可以根据负载要求向转换器输出端提供输入电池电压或加强调节(stepped up regulated)的电压。在一个示例中，SRBC可以包括可以从电源接收电源电压的感应器。第一开关可以在负载与感应器之间传导电流，第二开关可以在感应器中启动电流。在某些示例中，SRBC可以提供四种不同的操作模式，与之相对地，典型的升压转换器中提供两种操作模式。

在一个示例中，在关闭模式或断电模式下，SRBC可以将输入电池电压与转换器输出端隔离开来，从而允许转换器输出端保持在参考电势，例如，0V，故而在输入电压施加于转换器时不从电池中汲取电流。

在一个示例中，在启动模式期间，SRBC可以被配置为电流源。作为电流源，SRBC可以在将来自电池的浪涌电流限制为预定义的值的同时将输出电容器充电到输入电池电压。

在一个示例中，在功率负载低的情况下，SRBC可以通过开启SRBC的同步整流器部分(例如，PMOS同步整流器)以将输入电池电压直接传送到转换器输出端从而消除与SRBC的输出级相关联的开关损耗，来提供高效率。

在一个示例中，在功率负载较高的情况下，SRBC可以通过使同步整流器的功率设备的体二极管中的传导损耗最小化，来维持高效率。

图1大体示出了SRBC系统100，其包括感应器101、第一功率开关102、第二功率开关103、功率管理控制器104、启动晶体管105、启动电流源106、转换器输出端116、输出电容器117以及多个模式控制开关109、110、111。

通常，第一功率开关102和第二功率开关103可以控制感应器101的电流以将具有电压V_IN的输入电源功率转换为具有电压V_OUT的输出电源功率。开关控制器112可以控制第一功率开关102和第二功率开关103来转换功率。在一个示例中，第一功率开关102可以包括诸如PMOS晶体管之类的PMOS器件。在一个示例中，第二功率开关103可以包括诸如NMOS晶体管之类的NMOS器件。在某些示例中，开关控制器112可以向第一功率开关102和第二功率开关103的栅极提供控制信号，以将具有电压V_IN的输入电源功率转换为具有电压V_OUT的输出电源功率。

模式控制器113可以提供控制SRBC系统100在SRBC系统100的一般操作之外的各个时间间隔期间的操作的信号114。模式控制器113可提供的模式的示例包括：当SRBC系统100被禁用时的隔离模式、当SRBC系统被首次启用并且输出电源电压V_OUT远低于输入电源电压V_IN时的启动模式，以及当输入电源电压V_IN处于与期望输出电源电压V_OUT大约相同的电平时的直通模式。

在启动期间，输出电源功率电压V_OUT可以从接近地电势处开始，然后增加到高于V_IN。电平移位电路115可以监控输入电源功率电压V_IN与输出电源电压V_OUT之间的差，并且使针对第一功率开关102的控制信号的电平移位，使得第一功率开关102通过输出电源功率电压V_OUT的全电压增加来一致地操作。

在一个示例中，第一功率开关102和第二功率开关103可以包括金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)。在某些示例中，第一功率开关102可以是p型MOSFET，第二功率开关103可以是n型MOSFET。应当理解的是，在不偏离本主题的范围的情况下，也可以使用其它类型的功率开关来形成同步整流的升压转换器。

图2A和图2B大体示出了断电、隔离或关闭操作模式下的同步升压整流器系统200的示例，例如，图1的示例。与图1的示例相比，图2A未示出电路器件中包括功率管理控制器在内的一个或多个电路器件以及用于模式开关的控制信号。图2B通过不显示模式开关209、210进一步简化了同步升压整流器系统200。

同步升压整流器系统200可以包括感应器201、第一功率开关202、第二功率开关203、转换器输出端216、输出电容器217以及多个模式控制开关209、210。在一个示例中，同步升压整流器系统200可以在输入电池电压施加于系统200(例如，在输入节点V_IN处)的情况下被关闭。开关控制器(未示出)可以控制第一功率开关202和第二功率开关203的栅极，使得开关“关断”。与“接通”的开关的开关接头之间的相对较低的阻抗相比，“断开”的开关的特征在于，开关接头之间具有相对较高的阻抗。第一模式开关209可以被闭合以将第一晶体管功率开关202的衬底(bulk)连接到感应器201。第二模式开关210可以被断开以将转换器输出端216与第一晶体管功率开关202的衬底隔离。在隔离模式下，可以延长诸如电池之类的受限电源的有效寿命，这是因为转换器输出端216可以维持在0V，从而不从转换器输入电压V_IN中汲取电流。在一个示例中，可以通过感应器201将第一晶体管功率开关202的衬底与输入电源电压V_IN相连接，以防止输入电源功率到转换器输出端217的体二极管导通。

图3A和图3B大体示出了启动操作模式下的同步升压整流器系统300的示例。与图1的示例相比，图3A未示出电路器件中包括功率管理控制器在内的一个或多个电路器件以及用于模式开关的控制信号。图3B通过不显示模式开关309、310、311进一步简化了同步升压整流器系统300。

同步升压整流器系统300可以包括感应器301、第一功率开关302、第二功率开关303、启动晶体管305、启动电流源306、转换器输出端316、输出电容器317以及多个模式控制开关309、310、311。在启动模式的示例中，第一功率开关302可以被配置为电流源，第二功率开关303可以处于“关断”状态。在一个示例中，第一模式开关309可以将第一功率开关302的衬底连接到感应器301，第二模式开关310可以将该衬底与转换器输出端316隔离。在一个示例中，第一功率开关302可以包括PMOS晶体管，第三模式开关311可以将启动晶体管305与第一功率开关302相连接以形成电流镜。

在启动操作模式期间，第一功率开关302的电流源配置在限制来自诸如电池之类的输入电源的浪涌电流的同时可以允许输出电压V_OUT充电到输入电压V_IN。限制浪涌电流可以将电源在启动期间的电压降最小化。在一个示例中，启动电流源306可以设置浪涌电流限制。在一个示例中，启动电流源306可以是可编程的。在一个示例中，可以在启动模式的至少一部分期间，通过感应器将第一功率开关302的衬底连接到V_IN，以防止到转换器输出端316的体二极管导通。在某些示例中，集成电路芯片可以包括第一功率开关302、第二功率开关303、启动晶体管305、启动电流源306以及控制器。在某些示例中，集成电路芯片还可以包括模式控制开关309、310、311。在一个示例中，模式控制开关309、310、311可以包括诸如MOS晶体管开关之类的晶体管开关。

图4A和图4B大体示出了被配置为在直通操作模式下操作的同步升压整流器系统400的示例。与图1的示例相比，图4A未示出电路器件中包括功率管理控制器在内的一个或多个电路器件以及用于模式开关的控制信号。图4B通过不显示模式开关409、410进一步简化了同步升压整流器系统400。同步升压整流器系统400可以包括感应器401、第一功率开关402、第二功率开关403、转换器输出端416、输出电容器417以及多个模式控制开关409、410。

在某些示例中，可以在输入电源电压V_IN处于或接近于转换器400的期望输出电压V_OUT时使用直通操作模式。在一个示例中，第一模式开关409和第二模式开关410可以与第一功率晶体管的衬底连接和断开。在某些示例中，在直通操作模式期间，第一功率开关402的衬底可以连接到输出电压V_OUT。通过使第一功率开关“接通”并且第二功率开关“关断”，可以通过感应器401将诸如电池电压之类的电源电压直接传送到转换器输出端416。在轻负载的情况下，直通模式可以通过消除功率开关的开关损耗来提供非常高的效率。例如，如果V_OUT已被充电到V_IN，则第一功率开关402和第二功率开关403的这种配置可以提供电池与负载之间的高效的功率传输方法。

图5大体示出了用于同步升压整流器系统的示例性开关控制波形。在一个示例中，同步升压整流器系统可以包括第一功率开关和第二功率开关，可以利用在设备的两次开启之间(between the turn on of the device)的非重叠时间以交替的方式切换第一功率开关和第二功率开关。例如，以非重叠的方式交替地切换第一开关和第二开关可以包括：在将第二开关切换到闭合状态之前，将第一开关切换到断开状态。在一个示例中，以非重叠的方式交替地切换第一开关和第二开关可以包括：在将第二开关切换到断开状态之前，将第一开关切换到闭合状态。

图5所示的波形示出了用于第一功率开关(例如，图4的系统400的PMOS功率开关402)的控制信号501的示例以及用于第二功率开关(例如，图4的系统400的NMOS功率开关403)的控制信号502的示例。在一个示例中，可以利用在每个开关的两次转换之间(between a transition of each switch)的非重叠时间以交替的方式切换同步升压整流器系统的第一功率开关和第二功率开关，以防止直通(shoot-through)电流。在一个示例中，可以将输出电压V_OUT升压到高于同步升压整流器系统的电源电压V_IN的调节电压。在一些示例中，在转换器系统的同步整流操作模式期间，可以将诸如PMOS晶体管之类的第一功率开关的衬底与输出电压V_OUT相连接，以防止体二极管导通。

图6大体示出了操作同步整流的升压转换器的示例性方法600。在一个示例中，同步整流的升压转换器可以包括连接到感应器的第一功率开关和第二功率开关。控制器可以切换第一功率开关和第二功率开关，以将来自电源的能量存储在感应器中并且然后将该能量传送到转换器输出端。该能量可以向负载提供功率并且调节期望输出电压。

在一个示例中，在601处，可以在转换器启动期间使用第一转换器功率开关来形成电流镜。电流镜可以包括第三启动晶体管和电流源。在602处，在启动期间，可以限制电源与负载之间的电流。在启动期间，输出电压可以远不同于电源电压，使得当电源连接到负载时，电源与负载之间具有相当大的电流量可以流动。与在没有启动限制的情况下处理转换器的启动条件所需的部件相比，限制启动电流可以允许使用更小、更便宜的部件来制造转换器。

在603处，当电源电压处于或接近于期望负载电压时，可以将电源连接到负载。在一个示例中，通过感应器将电源连接到负载可以减小转换器损耗，这是因为在直通模式期间，转换器功率开关未被切换。在604处，方法600可以包括以非重叠的方式交替地切换第一开关和第二开关，以将电源电压升压到期望输出电压。在605处，方法600可以包括当转换器被禁用时将电源电压与转换器输出端隔离。在一个示例中，可以将连接在转换器输出端与感应器之间的第一转换器功率晶体管的衬底连接到感应器，以防止电源电荷到转换器输出端的体二极管导通。

补充注释

在示例1中，转换器可以包括：感应器，其被配置为从电源接收电源电压，第一开关，其被配置为在负载与感应器之间传导电流，以及第二开关，其被配置为在感应器中启动电流。操作转换器的方法可以包括：当电源电压处于或接近于期望负载电压时，使用第一开关将电源连接到负载，当输出电压远低于电源电压时，使用第一开关和第三开关形成电流镜，以及使用第一开关和连接到第三开关的电流源来限制电源与负载之间的电流，以及当转换器被禁用时，使用第一开关来将负载与感应器隔离。

在示例2中，示例1的将电源连接到负载可选地包括：将第一金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)切换到闭合状态，并且将第二MOSFET切换到断开状态。

在示例3中，示例1至2中任一个或多个的将第一MOSFET切换到闭合状态可选地包括：将第一MOSFET的衬底连接到负载。

在示例4中，示例1至3中任一个或多个的使用第一开关和第三开关形成电流镜可选地包括：将第一MOSFET的衬底连接到感应器以防止到负载的体二极管导通。

在示例5中，示例1至4中任一个或多个的使用第一开关将负载与感应器隔离可选地包括：使用第一MOSFET将负载与感应器隔离。

在示例6中，示例1至5中任一个或多个的使用第一MOSFET将负载与感应器隔离可选地包括：将第一MOSFET的衬底连接到电源以防止到负载的体二极管导通。

在示例7中，示例1至6中任一个或多个的方法可选地包括：当转换器被启用并且期望负载电压远高于电源电压时，交替地切换第一开关和第二开关以提供期望负载电压。

在示例8中，示例1至7中任一个或多个的交替地切换第一开关和第二开关可选地包括：在将第二开关切换到闭合状态之前，将第一开关切换到断开状态。

在示例9中，示例1至8中任一个或多个的交替地切换第一开关和第二开关可选地包括：在将第一开关切换到闭合状态之前，将第二开关切换到断开状态。

在示例10中，示例1至9中任一个或多个的交替地切换可选地包括：将第一开关的衬底连接到负载以防止体二极管导通。

在示例11中，转换器可以包括：第一开关，其被配置为将感应器连接到负载，第二开关，其被配置为在感应器中启动电流，第三开关，其被连接到电流源，以及控制器。该控制器可以被配置为：当所述转换器被禁用时，将第一开关和第二开关切换到断开状态以将所述负载与电源电压隔离；当电源电压接近于期望负载电压时，将第一开关切换到闭合状态并且将第二开关切换到断开状态；以及当输出电压远低于所述电源电压时，将第一开关连接到第三开关以形成电流镜，使用第一开关在感应器与负载之间传导电流，并且使用电流源控制所所传导的电流。

在示例12中，示例1至11中任一个或多个的第一开关可选地包括：第一MOSFET，示例1至11中任一个或多个的第二开关可选地包括第二MOSFET，示例1至11中任一个或多个的第三开关可选地包括第三MOSFET。

在示例13中，当转换器被启用并且期望负载电压远高于电源电压时，示例1至12中任一个或多个的控制器可选地被配置为交替地切换第一开关和第二开关以提供期望负载电压。

在示例14中，当转换器被启用并且期望负载电压远高于电源电压时，示例1至13中任一个或多个的控制器可选地被配置为在第一开关处于断开状态之后将第二开关切换到闭合状态。

在示例15中，当转换器被启用并且期望负载电压远高于电源电压时，示例1至14中任一个或多个的控制器可选地被配置为在第二开关处于断开状态之后将第一开关切换到闭合状态。

在示例16中，当转换器被启用并且期望负载电压远高于电源电压时，示例1至15中任一个或多个的控制器可选地被配置为将第一开关的衬底连接到负载以防止体二极管导通。

在示例17中，集成电路芯片可以可选地包括示例1至16中任一个或多个的第一开关、第二开关、第三开关以及控制器。

在示例18中，示例1至17中任一个或多个的转换器可选地包括感应器。

上述详细说明书参照了附图，附图也是所述详细说明书的一部分。附图以图解的方式显示了可应用本实用新型的具体实施例。这些实施例在本实用新型中被称作“示例”。本实用新型所涉及的所有出版物、专利及专利文件全部作为本实用新型的参考内容，尽管它们是分别加以参考的。如果本实用新型与参考文件之间存在用途差异，则将参考文件的用途视作本实用新型的用途的补充，若两者之间存在不可调和的差异，则以本实用新型的用途为准。

在本实用新型中，与专利文件通常使用的一样，术语“一”或“某一”表示包括一个或多个，但其他情况或在使用“至少一个”或“一个或多个”时应除外。在本实用新型中，除非另外指明，否则使用术语“或”指无排他性的或者，使得“A或B”包括：“A但不是B”、“B但不是A”以及“A和B”。在所附权利要求中，术语“包含”和“在其中”等同于各个术语“包括”和“其中”的通俗英语。同样，在下面的权利要求中，术语“包含”和“包括”是开放性的，即，系统、装置、物品或步骤包括除了权利要求中这种术语之后所列出的那些元件以外的部件的，依然视为落在该条权利要求的范围之内。而且，在下面的权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅仅用作标签，并非对对象有数量要求。

上述说明的作用在于解说而非限制。例如，尽管已结合PNP器件描述了以上示例，但一个或多个示例可应用于NPN器件。在其它示例中，上述示例(或示例的一个或多个方面)可结合使用。可以在理解上述说明书的基础上，利用现有技术的某种常规技术来执行其他实施例。遵照37C.F.R.§1.72(b)的规定提供摘要，允许读者快速确定本技术公开的性质。提交本摘要时要理解的是该摘要不用于解释或限制权利要求的范围或意义。同样，在上面的具体实施方式中，各种特征可归类成将本公开合理化。这不应理解成未要求的公开特征对任何权利要求必不可少。相反，本实用新型的主题可在于的特征少于特定公开的实施例的所有特征。因此，下面的权利要求据此并入具体实施方式中，每个权利要求均作为一个单独的实施例。应参看所附的权利要求，以及这些权利要求所享有的等同物的所有范围，来确定本实用新型的范围。

Claims

1.一种升压转换器，其特征在于，包括：

第一开关，其被配置为将感应器连接到负载；

第二开关，其被配置为在所述感应器中启动电流；

第三开关，其被连接到电流源；以及

控制器，其被配置为：

当所述转换器被禁用时，将所述第一开关和所述第二开关切换到断开状态以将所述负载与电源电压隔离；

当所述电源电压接近于期望负载电压时，将所述第一开关切换到闭合状态并且将所述第二开关切换到断开状态；以及

当输出电压远低于所述电源电压时，将所述第一开关连接到所述第三开关以形成电流镜，使用所述第一开关在所述感应器与所述负载之间传导电流，并且使用所述电流源控制所传导的电流。

2.根据权利要求1所述的升压转换器，其中，所述第一开关包括第一MOSFET；

所述第二开关包括第二MOSFET；并且

所述第三开关包括第三MOSFET。

3.根据权利要求2所述的升压转换器，其中，当所述转换器被启用并且所述期望负载电压远高于所述电源电压时，所述控制器被配置为交替地切换所述第一开关和所述第二开关以提供所述期望负载电压。

4.根据权利要求3所述的升压转换器，其中，当所述转换器被启用并且所述期望负载电压远高于所述电源电压时，所述控制器被配置为在所述第一开关处于断开状态之后将所述第二开关切换到闭合状态。

5.根据权利要求3所述的升压转换器，其中，当所述转换器被启用并且所述期望负载电压远高于所述电源电压时，所述控制器被配置为在所述第二开关处于断开状态之后将所述第一开关切换到闭合状态。

6.根据权利要求3所述的升压转换器，其中，当所述转换器被启用并且所述期望负载电压远高于所述电源电压时，所述控制器被配置为将所述第一开关的衬底连接到所述负载以防止体二极管导通。

7.根据权利要求1所述的升压转换器，其中，所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关以及所述控制器包括在集成电路芯片中。