具有自动多模式转换功能的开关调节器制造技术

公开一种具有自动多模式转换功能的开关调节器。涉及一种开关电源，该开关电源在高于、低于或等于输出电压的输入电压下运行，该开关电源包括：功率级电路，包括四个开关，该功率级电路用于将输入电压转换成输出电压；时钟与斜坡信号产生器，用于产生至少两个时钟信号以及一个斜坡信号；占空比产生器，用于产生至少两个开关控制信号，以控制功率级电路中的四个开关中的至少两个开关，从而保证输出电压与基准电压基本处于预定关系，其中根据电路的运行模式来产生所述开关控制信号；和模式检测器，用于基于时钟和开关控制信号来检测电路的运行模式。本发明专利技术的开关调节器具有高效降压和升压转换器两者的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体上涉及开关电源，特别地，涉及在输入电压下运行的高效自动开关调节器，其中所述输入电压可以高于、低于或等于输出电压。
技术介绍
由于开关电源(SMPS)效率较高，所以被广泛用于对ASIC，DRAM和其它电子设备进行供电。对SMPS拓扑结构的选择需要考虑输入和输出电压之间的关系。在某些应用领域中，输入电压可能会高于、低于或等于输出电压。一种实例为诸如数码相机的便携式设备，这种设备使用单体锂离子电池来对3.3V母线供电，其中当电池充满电时电池电压约为4.2V，而紧接在相机停止工作之前，电池电压将会下降到约2.7V。尽管电池大小和重量会受到限制，但是在整个操作期间都需要较高效率，以使得电池使用寿命最大化。这种应用就要求SMPS在高于、低于或等于输出电压的输入电压下都能够高效自动运行。如果输入电压保持高于输出电压，则仅可以使用降压转换器。另一方面，如果输入电压一直保持低于输出电压，则仅可以使用升压转换器。公知的升/降压转换器可以在高于、低于或等于输出电压的输入电压下自动运行，但是这种转换器不能够在很宽的输入电压范围内均保证具有较高的效率。只有当输入电压和输出电压相接近时升/降压转换器才能够具有理想的效率，而当输入电压高于输出电压时该升/降压转换器的效率远低于降压转换器的效率，当输入电压低于输出电压时该升/降压转换器的效率远低于升压转换器的效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够自动适应输入电压的具有自动多模式转换功能的开关调节器及受控开关电源和控制方法。根据本专利技术的一方面，提供一种开关电源，其中所述开关电源在高于，低于，或者等于输出电压的输入电压下运行，该开关电源包括功率级电路，包括四个开关S1，S2，S3和S4，该功率级电路用于将输入电压Vin转换成输出电压Vout；时钟与斜坡信号产生器，用于产生至少两个时钟信号CLK1和CLK2以及一个斜坡信号RAMP；占空比产生器，用于产生至少两个开关控制信号D1和D2，以控制功率级电路中的四个开关中的至少两个开关，从而保证输出电压与基准电压Vref基本处于预定关系，其中根据电路的运行模式来产生所述开关控制信号；和模式检测器，用于基于时钟和开关控制信号来检测电路的运行模式。如上所述的开关电源，其中S1与输入电压端相连接；S2与输出电压端相连接；在S1和S2之间连接电感元件；S3在地和S1与电感元件的连接点之间相连接；S4在地和S2与电感元件的连接点之间相连接；第一开关驱动器使用D1来控制S1和S3；以及第二开关驱动器使用D2来控制S2和S4。如上所述的开关电源，其中开关控制信号和相应的开关状态包括当D1为高时，S1导通而S3关断；当D1为低时，S1关断而S3导通；当D2为高时，S4导通而S2关断；和当D2为低时，S4关断而S2导通。如上所述的开关电源，其中当Vin比Vout高时，电路运行模式为(1)“降压”模式；当Vin比Vout低时，电路运行模式为(2)“升压”模式；或者当Vin与Vout相近时，电路运行模式为(3)“降压-升压”模式，其中如果在CLK2时刻D1为低，则电路处于“降压”模式；否则，电路处于“降压-升压”或者“升压”模式，而如果在CLK1时刻D2为高，则电路处于“升压”模式；否则，电路处于“降压”模式或者“降压-升压”模式。如上所述的开关电源，其中当电路进入“升压”模式时，根据BST信号，通过将直流偏移Vos＝Db*Vp添加到RAMP信号上，可以将RAMP信号平缓地延伸，其中Db是CLK1和CLK2之间的相位差，Vp是RAMP信号的幅值，并且其中在“升压”模式中RAMP信号比在“降压”模式中和“降压-升压”模式中具有更高的直流电平。如上所述的开关电源，其中由所述时钟与斜坡信号产生器产生的两个时钟信号是异相的，且RAMP信号是锯齿状信号，以及使用时钟信号的相位差来计算直流偏移并将所述直流偏移添加到RAMP信号上。如上所述的开关电源，其中所述占空比产生器产生两个开关控制信号，其中每个控制信号控制两个开关，并基于以下参数产生所述控制信号时钟信号；所述模式检测器的指示信号；和输出电压的函数，其中所述函数通过以下方式获得将输出电压的测量值与基准电压之间的差值放大；和在脉冲宽度调制比较器中将所得到的放大结果与RAMP信号或者与RAMP信号和功率级电路的电流测量值之和进行比较，由此得到的比较结果是所需的输出电压的函数。如上所述的开关电源，其中所述功率级电路中仅有两个开关被有源控制，并且其中在输入电压端和地之间连接输入电容元件，在输出电压端和地之间连接输出电容元件。根据本专利技术的另一方面，提供一种受控开关电源，其中所述受控开关电源在高于，低于或等于输出电压的输入电压下运行，该受控开关电源包括用于将输入电压Vin转换为输出电压Vout的电压转换装置，该装置还包括四个开关S1，S2，S3，S4；用于产生两个时钟信号CLK1和CLK2以及一个斜坡信号RAMP的装置；用于产生两个开关控制信号D1和D2以控制四个开关中的至少两个开关来使Vout保持在预定值的装置；和用于检测运行模式以及用于产生两个模式指示信号即降压信号“BUCK”和升压信号“BST”的装置。如上所述的受控开关电源，其中在所述电压转换装置中仅有两个开关被有源控制。如上所述的受控开关电源，其中使用升压信号BST来产生CLK1，CLK2和RAMP信号；使用Vout，降压信号BUCK，升压信号BST，CLK1，CLK2和RAMP信号来产生D1和D2信号；使用D1，D2，CLK1和CLK2信号来产生BUCK和BST信号；和使用D1和D2信号来控制四个开关S1，S2，S3和S4中的至少两个开关。如上所述的受控开关电源，其中在电流模式控制中，除了Vout，BUCK，BST，CLK1，CLK2和RAMP信号之外，还使用经过S1的电流测量值来产生D1和D2信号。根据本专利技术的另一方面，提供一种开关电源的控制方法，其中所述开关电源在高于、低于或等于输出电压的输入电压下运行，该方法包括如下步骤有源控制四个可控开关S1，S2，S3和S4中的至少两个开关，来将输入电压Vin转换成输出电压Vout；产生两个时钟信号CLK1和CLK2以及一个斜坡信号RAMP；产生至少两个开关控制信号D1和D2，以保证输出电压Vout与基准电压Vref基本处于预定关系；和检测运行模式并且产生两个模式指示信号即降压信号“BUCK”和升压信号“BST”来指示输入电压和输出电压的关系。如上所述的方法，还包括如下步骤使用升压信号BST来产生时钟和斜坡信号；使用降压信号BUCK和升压信号BST以及时钟，斜坡与输出电压信号来产生开关控制信号D1和D2；使用开关控制信号和时钟信号来产生BUCK和BST指示信号；和使用开关控制信号D1和D2来控制四个可控开关S1，S2，S3和S4中的至少两个开关。如上所述的方法，还包括将S1连接到输入电压端；将S2连接到输出电压端；在S1和S2之间连接电感元件；将S3连接在地和S1与电感元件的连接点之间；将S4连接在地和S2与电感元件的连接点之间；由接收开关控制信号D1的第一开关驱动器控制S1和S3；和由接收开关控制信号D2的第二开关驱动器控制S2和S4。如上所述的方法，其中开关控制信号将产生如下的相应开关状态当D1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开关电源，该开关电源在高于，低于，或者等于输出电压的输入电压下运行，该开关电源包括：　　　　功率级电路，包括四个开关Ｓ↓［１］，Ｓ↓［２］，Ｓ↓［３］和Ｓ↓［４］，该功率级电路用于将输入电压Ｖ↓［ｉｎ］转换成输出电压Ｖ↓［ｏｕｔ］；　　　　时钟与斜坡信号产生器，用于产生至少两个时钟信号ＣＬＫ↓［１］和ＣＬＫ↓［２］以及一个斜坡信号ＲＡＭＰ；　　　　占空比产生器，用于产生至少两个开关控制信号Ｄ↓［１］和Ｄ↓［２］，以控制功率级电路中的四个开关中的至少两个开关，从而保证输出电压与基准电压Ｖ↓［ｒｅｆ］基本处于预定关系，其中根据电路的运行模式来产生所述开关控制信号；和　　　　模式检测器，用于基于时钟和开关控制信号来检测电路的运行模式。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：徐鹏，
申请(专利权)人：美国芯源系统股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]