具有自动模式切换的PFM电源管理系统技术方案

脉冲频率调制(PFM)电压转换器根据输入和输出电压在降压、降压‑升压和升压模式之间自动切换。当已知电池电压总是高于输出电压的系统配置中，电压转换器还可以在降压模式和低压差(LDO)模式之间自动切换。

【技术实现步骤摘要】
具有自动模式切换的PFM电源管理系统
本申请涉及电压转换器，并且更具体地涉及在电压转换器使用的各种模式之间的切换。相关技术的描述电压转换器将来自诸如电池的电压源的电压转换为电子电路所使用的电压。例如，手提电话利用电压转换器将电池提供的电压转换为手提电话电路所利用的电压。从一个电压转换到另一个电压的转换过程利用功率，并且期望实现更高的电压转换效率以延长电池寿命。
技术实现思路
在一个实施例中，一种方法包括至少部分地，根据脉冲频率调制(PFM)电压转换器的输入电压和所述PFM电压转换器产生的输出电压之间的电压差来确定所述PFM电压转换器的所需操作模式，和产生所述所需操作模式的指示。该方法还包括如果当前操作模式与所述所需操作模式不同，自动切换到所述PFM转换器的所述所需操作模式。在另一实施例中，脉冲频率调制(PFM)电压转换器包括模式逻辑，用于，至少部分地，根据所述PFM电压转换器的所述输入电压和所述PFM电压转换器提供的所述输出电压确定所述PFM电压转换器的所需操作模式。所述PFM电压转换器被配置为切换到所述所需操作模式以响应不同于所述所需操作模式的当前操作模式。在另一实施例中，脉冲频率调制(PFM)电压转换器包括模式控制器，用于评估所述PFM电压转换器的输出电压和所述PFM电压转换器的输入电压，以基于所述输入电压和所述输出电压的一个或多个转换阈值电压来选择操作模式。电压比较器将参考电压与所述输出电压进行比较，并提供电压比较器输出。选择器电路耦合到模式控制器，并将电压比较器输出提供给切换-低压差(LDO)控制器以响应于所述模式控制器选择LDO操作模式，并将所述电压比较器输出提供给降压-升压控制器以响应于所述模式控制器选择降压操作模式、升压操作模式或降压-升压操作模式。附图说明通过参考附图，可以更好地理解本专利技术，并且本专利技术的众多目的、特征和优点对于本领域技术人员而言是显而易见的。图1所示为根据本专利技术实施例的电压转换器件的示意图。图2所示为转换阈值的实施例，其用于根据输入和输出电压函数来确定适当的模式(降压、降压-升压或升压)。图3所示为实施例中的模式控制器的高级操作流程图，其中操作模式可以是降压、降压-升压或升压。图4所示为转换阈值的实施例，其用于根据输入和输出电压来确定适当的模式(降压或切换-LDO)。图5所示为实施例中的模式控制器的高级操作流程图，其中操作模式可以是降压或切换-LDO。在不同附图中使用相同的附图标记表示相似或相同的项目。具体实施方式电压转换器监视正在产生的输出电压并调整电压转换器的操作以将输出电压维持在目标电压电平。这需要比较器将输出电压与目标电压进行比较，并提供比较指示。图1所示为利用电池作为电压源Vin101的电压转换器100的实施例。在一个实施例中，电压转换器100是脉冲频率调制(PFM)电压转换器，其包括以降压模式、升压模式或降压-升压模式操作的降压-升压转换器103。模式控制器107比较输出电压109和输入电压101，并确定电压转换器的所需操作模式，如本文进一步描述的。每种类型的电源转换器(降压、升压、降压-升压和LDO)都具有最佳的输入和输出电压范围，转换器可以高效准确地工作。电压比较器111将输出电压Vout109与对应于PFM电压转换器目标电压的参考电压119进行比较，并且每当输出电压下降到其目标电压以下时生效反馈信号。电压比较器的实施例在2018年2月22日提交，申请号15/902,798，名称为“LowPowerSwitched-CapacitorComparator”中描述，该申请通过引用结合于此。在一个实施例中，当保证输出电压低于输入电压时，电压转换器以降压模式或以使用切换LDO转换器105的低压降(LDO)模式操作。选择器电路115基于模式控制器107的输出选择电压比较器111的输出的目的地为降压-升压转换器103或LDO转换器105。需要注意的是，电压转换器100在所有模式(降压、降压-升压、升压、LDO)中使用相同的电压比较器111。如果不同的模式用不同的比较器，在模式自动切换时，由于比较器偏移将难以准确地控制输出电压。在升压模式中，晶体管M1导通，晶体管M2截止，并且晶体管M3和晶体管M4根据标准升压操作切换。在降压模式下，M3导通，M4截止，M1和M2按照标准降压操作切换。在降压-升压模式下，四个开关按此顺序使用：M1和M4导通；M1和M3导通；然后M2和M3导通。在切换LDO操作中，仅使用开关M5。每当LDO从电压比较器111接收到指示输出电压低于目标电压的反馈信号时，LDO控制器117输出固定宽度和固定电流幅度的单个脉冲。这导致LDO为每个脉冲的输出提供已知的固定电荷，从而在切换LDO模式下实现精确的库仑计数。模式控制器107响应于每个降压-升压或LDO脉冲来评估Vin和Vout。例如，模式控制器将Vin和Vout之间的差值与编程阈值进行比较，以确定系统操作的最佳或优选模式。可以使用内置滞后来避免在阈值附近连续切换模式。模式控制器只需要对每个电流脉冲进行一次比较，因此对系统效率的影响可以忽略不计，包括在轻载时。模式控制器可以在降压、降压-升压、升压和LDO转换器的脉冲之间基本上断电以节省功率。当输入和/或输出电压改变时，可以动态地改变操作模式。在大多数实际的电池供电系统中，电池电压随时间而变化。降压-升压转换器和切换LDO均与电压比较器在相同的PFM反馈环路中工作，从而允许模式之间的无缝转换。如果需要更多电荷以将输出电压维持在目标电压，则提供给输出的电流脉冲的频率增加。如果需要较少的电荷来将输出电压维持在目标电压，则可以降低电流脉冲的频率。由于降压-升压转换器103和切换LDO转换器105都在PFM系统中产生每脉冲的固定电荷，因此跨模式维持库仑计数。库仑计数可以提供电池提供了多少电荷的指示，因此可以用于确定剩余电池寿命。由于降压、升压和降压-升压转换器都提供固定大小的脉冲，因此脉冲数可用于确定从电池传输的电荷。类似地，在切换LDO模式中，转换器提供固定大小的脉冲。传统的非切换LDO不具备维持库仑计数的能力。在一个实施例中，如果输入电压可以高于或低于输出电压，则全降压-升压转换器103用于允许电压转换器以降压、升压或降压-升压模式操作以尝试和优化效率。在使用全降压-升压转换器的同时，LDO转换器105可以完全断电。当使用全降压-升压转换器时，模式控制器107确定降压-升压转换器的操作模式(降压模式、升压模式或降压-升压模式)。图2所示为与PFM电压转换器的各种操作模式相关联的输入和输出电压的示例。如图2所示，当输入电压充分高于区域201中的输出电压时，PFM电压转换器以降压模式操作。当输出电压和输入电压如区域203中所示更靠近在一起时，PFM电压转换器以降压-升压模式操作。当输出电压大于输入电压时，如区域205所示，PFM电压转换器以升压模式操作。该系统配置为根据输出电压和输入电压在降压、升压和降压-升压模式之间自动切换。也就是说，系统在模式之间自动切换。图2所示为阈值输出电压和输入电压(线207和线209)的示例，其用于针对输入电压和输出电压的各种值确定适当的降压-升压操作模式。滞后可以用于确保当电压关系接近线207或线209所示的转变本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种方法，包括：至少部分地，根据脉冲频率调制(PFM)电压转换器的输入电压和所述PFM电压转换器产生的输出电压之间的电压差来确定所述PFM电压转换器的所需操作模式；产生所述所需操作模式的指示；以及响应于与所述所需操作模式不同的当前操作模式，自动切换到所述PFM转换器的所述所需操作模式。

【技术特征摘要】
2018.04.23 US 15/959,5351.一种方法，包括：至少部分地，根据脉冲频率调制(PFM)电压转换器的输入电压和所述PFM电压转换器产生的输出电压之间的电压差来确定所述PFM电压转换器的所需操作模式；产生所述所需操作模式的指示；以及响应于与所述所需操作模式不同的当前操作模式，自动切换到所述PFM转换器的所述所需操作模式。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述当前操作模式是降压模式、升压模式和降压-升压模式中的一种模式，并且所述所需操作模式是所述降压模式、所述升压模式和所述降压-升压模式中的另一种模式。3.根据权利要求1所述的方法，还包括：其中，所述当前操作模式是降压模式和低压差(LDO)模式中的一种模式，并且所述所需操作模式是降压模式和LDO模式中的另一个。4.根据权利要求3所述的方法，还包括：在所述LDO模式下使用切换LDO转换器；以及保持所述降压模式和所述LDO模式的库仑计数。5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述从降压模式转换到所述LDO操作模式还需要确定所述电压转换器在所述降压模式下难以提供所需的输出电流。6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述确定所述电压转换器难以提供所述所需的输出电流包括：检测多个连续脉冲，其中在达到编程峰值电流之前达到最大允许导通时间。7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，还包括：对于所述PFM电压转换器的每个电流脉冲仅确定一次所述电压差。8.根据权利要求7所述的方法，还包括响应于指示所述电流脉冲的脉冲激活信号来确定所述电压差。9.根据权利要求7所述的方法，还包括操作电路，在连续的所述电流脉冲之间的一段时间内确定在低功率状态的所述所需操作模式。10.一种脉冲频率调制(PFM)电压转换器，包括：模式控制器，其用于，至少部分地，根据所述PFM电压转换器的输入...

【专利技术属性】
技术研发人员：杰弗里·L·商塔格，尉达志，迈克尔·D·马利根，扎卡里·A·考夫曼，乔斯林·托里斯托里斯，
申请(专利权)人：硅谷实验室公司，
类型：发明
国别省市：美国,US