相關(guān)申請

本申請要求2016年1月19日提交的美國臨時申請序列號62/280,577和2016年5月12日提交的美國臨時申請序列號62/335,523的權(quán)益，所述申請全文出于所有的意圖和目的以引用的方式并入本文。

本公開內(nèi)容涉及電流模式3態(tài)升-降壓pwm控制架構(gòu)。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)的缺陷仍然存在。本發(fā)明的目的在于解決這樣的缺陷和/或提供對現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一種電壓調(diào)節(jié)器包括：轉(zhuǎn)換器，所述轉(zhuǎn)換器包括耦合至電感器的開關(guān)電路，用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換成輸出電壓；以及調(diào)制器，所述調(diào)制器以降壓操作模式、升壓操作模式和中間升-降壓操作模式控制所述開關(guān)電路，其中在所述升-降壓操作模式期間，所述調(diào)制器在每一開關(guān)周期期間控制所述開關(guān)電路以順序地在三個不同開關(guān)狀態(tài)之間切換，所述三個開關(guān)狀態(tài)包括：第一開關(guān)狀態(tài)，所述第一開關(guān)狀態(tài)在所述電感器兩端施加所述輸入電壓；第二開關(guān)狀態(tài)，所述第二開關(guān)狀態(tài)在所述電感器兩端施加所述輸入電壓與所述輸出電壓之間的差值；以及第三開關(guān)狀態(tài)，所述第三開關(guān)狀態(tài)在所述電感器兩端施加所述輸出電壓。

一種將輸入電壓轉(zhuǎn)換成輸出電壓的方法包括：以降壓操作模式、升壓操作模式和升-降壓操作模式中的一個選定操作模式操作具有電感器的轉(zhuǎn)換器；以及針對每個開關(guān)周期，在所述升-降壓操作模式期間，操作所述轉(zhuǎn)換器以順序地在第一開關(guān)狀態(tài)、第二開關(guān)狀態(tài)與第三開關(guān)狀態(tài)之間切換，包括：在所述第一開關(guān)狀態(tài)期間，在所述電感器兩端施加所述輸入電壓；在所述第二開關(guān)狀態(tài)期間，在所述電感器兩端施加所述輸入電壓與所述輸出電壓之間的差值；并且在所述第三開關(guān)狀態(tài)期間，在所述電感器兩端施加所述輸出電壓。

一種電子裝置包括：電壓調(diào)節(jié)器，所述電壓調(diào)節(jié)器包括：轉(zhuǎn)換器，所述轉(zhuǎn)換器包括耦合至電感器的開關(guān)電路，用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換成輸出電壓；調(diào)制器，所述調(diào)制器以降壓操作模式、升壓操作模式和中間升-降壓操作模式控制所述開關(guān)電路，其中在所述升-降壓操作模式期間，所述調(diào)制器在每個開關(guān)周期期間控制所述開關(guān)電路以順序地在三個不同開關(guān)狀態(tài)之間切換，所述三個開關(guān)狀態(tài)包括：第一開關(guān)狀態(tài)，所述第一開關(guān)狀態(tài)在所述電感器兩端施加所述輸入電壓；第二開關(guān)狀態(tài)，所述第二開關(guān)狀態(tài)在所述電感器兩端施加所述輸入電壓與所述輸出電壓之間的差值；以及第三開關(guān)狀態(tài)，所述第三開關(guān)狀態(tài)在所述電感器兩端施加所述輸出電壓；以及處理器和存儲器，所述處理器和存儲器被耦合來從所述電壓調(diào)節(jié)器接收所述輸出電壓。

附圖簡述

本發(fā)明的益處、特征和優(yōu)點(diǎn)將參考以下描述以及附圖而較好地理解，在附圖中：

圖1是配置有具有電壓調(diào)節(jié)器的電力系統(tǒng)的電子裝置的簡化框圖，所述電壓調(diào)節(jié)器包括根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式實(shí)現(xiàn)的升-降壓調(diào)制器；

圖2是根據(jù)一個實(shí)施方式的圖1的電壓調(diào)節(jié)器的簡化示意圖和框圖，所述電壓調(diào)節(jié)器被配置用于降壓操作、升壓和升-降壓操作；

圖3是根據(jù)一個實(shí)施方式的升-降壓調(diào)制器的示意圖，所述升-降壓調(diào)制器可用作圖2的升-降壓調(diào)制器；

圖4是一系列時序圖，示出了當(dāng)在升-降壓操作模式期間用于圖2的升-降壓調(diào)制器內(nèi)時，根據(jù)一個實(shí)施方式的圖3的升-降壓調(diào)制器的操作；

圖5是根據(jù)另一實(shí)施方式的升-降壓調(diào)制器的示意圖，所述升-降壓調(diào)制器也可用作圖2的升-降壓調(diào)制器；

圖6是一系列時序圖，示出了當(dāng)在升-降壓操作模式期間用于圖2的升-降壓調(diào)制器內(nèi)時，根據(jù)一個實(shí)施方式的圖5的升-降壓調(diào)制器的操作；以及

圖7是時序圖，繪出根據(jù)實(shí)施方式的用于升-降壓模式的2態(tài)配置和3態(tài)配置。

詳細(xì)描述

將輸入電壓轉(zhuǎn)換成調(diào)節(jié)輸出電壓的電壓調(diào)節(jié)器在輸入電壓大于輸出電壓時以降壓模式操作，并且在輸入電壓小于輸出電壓時以升壓模式操作。當(dāng)輸入電壓可在小于輸出電壓至大于輸出電壓的范圍變化時，電壓調(diào)節(jié)器必須支持兩種模式，并且必須在所述模式之間切換。此外，許多配置支持中間升-降壓模式。升-降壓模式可為基于單一脈寬調(diào)制(pwm)信號的2態(tài)配置。在升-降壓模式期間的2態(tài)配置通常在較高電感器電流下操作，從而降低總體效率。

如本文所述的電流模式3態(tài)升-降壓脈寬調(diào)制(pwm)控制架構(gòu)在中間升-降壓操作模式期間提供高效且快速的瞬態(tài)響應(yīng)。

圖1是配置有具有電壓調(diào)節(jié)器103的電力系統(tǒng)101的電子裝置100的簡化框圖，所述電壓調(diào)節(jié)器包括根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式實(shí)現(xiàn)的升-降壓調(diào)制器217。電力系統(tǒng)101生成一或多個供應(yīng)電壓，所述供應(yīng)電壓向電子裝置100的其他系統(tǒng)裝置提供電力。在所示實(shí)施方式中，電子裝置100包括處理器107和外圍系統(tǒng)109，兩者被耦合來經(jīng)由供電總線105從電力系統(tǒng)101接收供應(yīng)電壓，所述供電總線包括電力導(dǎo)體和/或信號導(dǎo)體的任何組合。在所示實(shí)施方式中，外圍系統(tǒng)109可包括以下各項(xiàng)的任何組合：系統(tǒng)存儲器111，諸如隨機(jī)存取存儲器(ram)和/或只讀存儲器(rom)類型裝置與存儲器控制器等等的任何組合；以及輸入/輸出(i/o)系統(tǒng)113，其可包括系統(tǒng)和外圍控制器等等，諸如圖形控制器、中斷控制器、鍵盤和鼠標(biāo)控制器、系統(tǒng)存儲裝置控制器(例如，用于硬盤驅(qū)動器的控制器等等)等。所示系統(tǒng)僅是示例性的，因?yàn)樘幚砥飨到y(tǒng)和支持裝置中的許多可整合到處理器芯片上，如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。

電子裝置100可為任何類型的計算機(jī)或計算裝置，諸如計算機(jī)系統(tǒng)(例如，筆記本計算機(jī)、臺式計算機(jī)、上網(wǎng)本計算機(jī)等)、媒體平板裝置(例如，appleinc.的ipad、amazon.com,inc.的kindle等)、通信裝置(例如，蜂窩電話、智能電話等)，以及其他類型的電子裝置(例如，媒體播放機(jī)、記錄裝置等)。

圖2是根據(jù)一個實(shí)施方式的電壓調(diào)節(jié)器103的簡化示意圖和框圖，所述電壓調(diào)節(jié)器被配置用于降壓操作、升壓和升-降壓操作。輸入源201耦合在輸入節(jié)點(diǎn)202與參考源電壓節(jié)點(diǎn)之間。參考源電壓節(jié)點(diǎn)生成參考源電壓，其可具有任何正電壓電平、零電壓電平或負(fù)電壓電平。在所示實(shí)施方式中，參考源電壓是接地電壓(gnd)，但也可由如vss等等的其他名稱標(biāo)出。輸入源201在輸入節(jié)點(diǎn)202上生成輸入電壓vin并且供應(yīng)輸入電流iin。輸入源201可實(shí)現(xiàn)為ac-dc適配器和/或電池，在所示電池中也可包括電池充電器等等。具有電容ci的輸入電容器203耦合在輸入節(jié)點(diǎn)202與gnd之間。降壓功率級205耦合在輸入節(jié)點(diǎn)202與gnd之間。降壓功率級205包括第一電子開關(guān)q1和第二電子開關(guān)q2，第一電子開關(guān)q1具有耦合在輸入節(jié)點(diǎn)202與第一中間節(jié)點(diǎn)206之間的電流端子，第二電子開關(guān)q2具有耦合在節(jié)點(diǎn)206與gnd之間的電流端子。具有電感l(wèi)o的電感器207耦合在第一中間節(jié)點(diǎn)206與第二中間節(jié)點(diǎn)208之間。電感器電流il被示出為從節(jié)點(diǎn)206穿過電感器207流動至節(jié)點(diǎn)208。升壓功率級209耦合在輸出節(jié)點(diǎn)210與gnd之間，其中輸出節(jié)點(diǎn)生成輸出電壓vo。升壓功率級209包括具有第一電子開關(guān)q4和第二電子開關(guān)q3，第一電子開關(guān)q4耦合在輸出節(jié)點(diǎn)210與第二中間節(jié)點(diǎn)208之間的電流端子，第二電子開關(guān)q3具有耦合在節(jié)點(diǎn)208與gnd之間的電流端子。

具有電容co的輸出電容器211和汲取輸出負(fù)載電流io的負(fù)載213兩者都耦合在輸出節(jié)點(diǎn)210與gnd之間。負(fù)載213可表示汲取負(fù)載電流的系統(tǒng)裝置的任何組合，所述系統(tǒng)裝置諸如處理器107、系統(tǒng)存儲器111、外圍系統(tǒng)109等。輸出電壓vo通過vo感測框214提供以提供輸出電壓感測信號vs，所述輸出電壓感測信號vs被提供至誤差放大器和補(bǔ)償(eaandcomp)框215的輸入端。vo感測框214可簡單地為緩沖器或?qū)w等等，其中vs具有與vo相同的電壓電平。替代地或另外，vo感測框214可包括分壓器等等，其中vs的電壓電平以成比例的電平隨vo而變化。在任一情況中，vs將vo表示為其感測型式。誤差放大器和補(bǔ)償框215還在另一輸入端處接收參考電壓vref，并且在其輸出端處提供補(bǔ)償或控制電壓vc。vref具有指示vo的目標(biāo)電平的電壓電平，其中控制回路操作來將vs保持在約vref的電平下。vc被提供至升-降壓調(diào)制器217的輸入端，所述輸入端還接收或檢測輸入電壓vin和輸出電壓vo。升-降壓調(diào)制器217具有第一輸出端，所述第一輸出端將第一脈沖控制信號pwm_buck提供至第一驅(qū)動器(drv)219以驅(qū)動q1和q2的柵極，并且具有第二輸出端，所述第二輸出端將第二脈沖控制信號pwm_boost提供至第二驅(qū)動器221以驅(qū)動q3和q4的柵極。

驅(qū)動器219和221中的每個被配置來將對應(yīng)脈沖控制或pwm信號(pwm_buck或pwm_boost)轉(zhuǎn)換成用于接通和斷開對應(yīng)開關(guān)q1和q2或q3和q4的柵極驅(qū)動信號。例如，在降壓操作模式中，pwm_boost信號可保持為固定值以保持q4接通而q3斷開，以便電感器207的輸出端保持耦合至輸出節(jié)點(diǎn)210。在降壓操作模式期間，當(dāng)pwm_buck處于一個狀態(tài)(例如，高)時，驅(qū)動器219接通q1而斷開q2，并且當(dāng)pwm_buck處于另一或相反狀態(tài)(例如，低)時，驅(qū)動器219斷開q1而接通q2。驅(qū)動器219可配置以確保q1和q2不會同時接通。在升壓操作模式中，pwm_buck可保持為高以保持q1接通而q2斷開，并且pwm_boost在連續(xù)周期期間切換以使驅(qū)動器221以類似的方式切換q3和q4的啟動，從而實(shí)現(xiàn)升壓操作。例如，當(dāng)pwm_boost高時，q4接通而q3斷開，并且當(dāng)pwm_boost變低時，q4斷開而q3接通。驅(qū)動器221也可配置來確保q3和q4同時接通。

誤差放大器和補(bǔ)償框215基于vs(表示vo)與vref之前的差值來驅(qū)動vc。例如，誤差放大器(未示出)可具有接收vs的第一輸入端和接收vref的第二輸入端以及提供vc的輸出端。補(bǔ)償電路(諸如電阻器-電容器(rc)電路等等)可包括來提供回路補(bǔ)償，如本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員所理解。電壓調(diào)節(jié)器103被配置為如通過本文進(jìn)一步描述的升-降壓調(diào)制器217控制的滯后電流模式升-降壓pwm控制系統(tǒng)。

電子開關(guān)q1-q4各自被示出為mos或fet類型晶體管，諸如p型mos(pmos)或p型fet(pfet)晶體管、n型mos(nmos)或p型fet(pfet)晶體管，或mosfet晶體管等等。還預(yù)期了替代的電力開關(guān)裝置或電子控制開關(guān)，諸如雙極結(jié)型晶體管(bjt)等等、絕緣柵極雙極晶體管(igbt)和類似晶體管等。每個開關(guān)裝置的大小和配置被設(shè)定來執(zhí)行預(yù)期功能。開關(guān)q1-q4和電感器207共同地為轉(zhuǎn)換器225的部分，所述轉(zhuǎn)換器由升-降壓調(diào)制器217控制來將輸入電壓vin轉(zhuǎn)換成輸出電壓vo。

電壓調(diào)節(jié)器103以簡化形式示出，其中省略了與完全理解本發(fā)明無關(guān)的許多細(xì)節(jié)。此外，本公開針對中間升-降壓操作模式而非降壓模式或升壓模式中的操作。升-降壓調(diào)制器217確定操作模式并相應(yīng)地基于操作模式來產(chǎn)生pwm_buck和pwm_boost信號。如前所述，在降壓模式期間，當(dāng)vin大于vo時，pwm_boost信號可保持為高以接通q4而斷開q3，而pwm_buck振蕩以切換q1和q2的啟動。類似地，在升壓模式期間，當(dāng)vin小于vo時，pwm_buck信號可保持為高以接通q1而斷開q2，而pwm_boost振蕩以切換q3和q4的啟動。在一個實(shí)施方式中，是通過比較vin與vo確定操作模式。在一些實(shí)施方式中，雖然vo可以變化，但是vo典型地被調(diào)節(jié)至如由vref的電壓電平確定的預(yù)定目標(biāo)電壓電平。另一方面，vin可具有從低于vo至高于vo的相對寬廣范圍。當(dāng)vin和vo彼此相差較大的量時，選擇降壓或升壓操作模式中的一個。當(dāng)vin相對接近vo時，諸如當(dāng)在vo的預(yù)定百分比(例如，12％)內(nèi)時，選擇升-降壓操作模式。

常規(guī)配置使用2態(tài)升-降壓操作，其中在每個pwm周期期間，操作在兩個狀態(tài)之間切換。在第一開關(guān)狀態(tài)中，q1和q3接通，而q2和q4斷開。如電壓調(diào)節(jié)器103所示，當(dāng)q1和q3接通時，vin在節(jié)點(diǎn)206處施加于電感器207的第一端，并且gnd在節(jié)點(diǎn)208處施加于第二端。電感器電流il在第一開關(guān)狀態(tài)期間斜升。在2態(tài)升-降壓配置的第二開關(guān)狀態(tài)中，q2和q4接通，而q1和q3斷開。當(dāng)q2和q4接通時，vo在節(jié)點(diǎn)208處施加于電感器207的第二端，并且gnd在節(jié)點(diǎn)206處施加于第一端。電感器電流il在第二開關(guān)狀態(tài)期間斜降，因?yàn)樵陔姼衅?07兩端施加的電壓有效反向。換句話說，在第一狀態(tài)中施加電壓vin，并且在第二狀態(tài)中施加電壓-vo。在常規(guī)2態(tài)升-降壓配置中的每個開關(guān)周期期間，操作在這些兩個狀態(tài)之間切換。

在如本文所述的3態(tài)升-降壓操作中，針對每個開關(guān)周期，中間狀態(tài)插入在常規(guī)配置的第一開關(guān)狀態(tài)與第二開關(guān)狀態(tài)之間。3態(tài)升-降壓配置的第一開關(guān)狀態(tài)稱為開關(guān)狀態(tài)s1，其類似于常規(guī)配置的第一開關(guān)狀態(tài)，其中q1和q3接通，而q2和q4斷開，以便在電感器207兩端施加電壓vin，并且電感器電流il斜升。然而，如本文所述的3態(tài)升-降壓配置的第二開關(guān)狀態(tài)不同于常規(guī)2態(tài)升-降壓配置的第二開關(guān)狀態(tài)。在稱為開關(guān)狀態(tài)s2的第二開關(guān)狀態(tài)中，q1和q4接通，而q2和q3斷開，以便vin在節(jié)點(diǎn)206處施加于電感器207的第一端，并且vo在節(jié)點(diǎn)208處施加于電感器207的第二端。以此方式，在電感器207兩端施加電壓vin-vo，所述電壓為輸入電壓與輸出電壓之間的差值。因?yàn)関in和vo彼此相對接近或甚至是彼此大致相等，所以當(dāng)vin＝vo時，電感器電流il變平，或當(dāng)vin>vo時緩慢斜升，或當(dāng)vin<vo時緩慢斜降。3態(tài)升-降壓配置的第三狀態(tài)稱為s3，其類似于常規(guī)2態(tài)配置的第二狀態(tài)，其中q2和q4接通，而q1和q3斷開。在如本文所述的3態(tài)升-降壓配置的第三開關(guān)狀態(tài)s3中，在電感器207兩端施加電壓-vo，以使電感器電流il斜降。

本文進(jìn)一步描述了在每個開關(guān)周期期間用于在三個開關(guān)狀態(tài)s1、s2和s3之間切換的決策。與常規(guī)配置相比，3態(tài)升-降壓操作由在pwm信號的下降緣上引入受控延遲而增加中間第二狀態(tài)，以在vin(s1)狀態(tài)與-vo(s3)狀態(tài)之間強(qiáng)加中間vin-vo狀態(tài)。因?yàn)樵诿總€周期中，對于3態(tài)配置來說，電感器207連接至輸出電壓vo達(dá)較長的時間段，所以平均電感器電流要低得多并且效率得以改進(jìn)。中間開關(guān)狀態(tài)s2可為總開關(guān)周期的可編程百分比(k*ts)，其中“k”是可編程增益常數(shù)并且星號“*”表示乘法。3態(tài)控制方案確保更快瞬態(tài)響應(yīng)和電流模式穩(wěn)定性。

圖3是根據(jù)一個實(shí)施方式的升-降壓調(diào)制器300的示意圖，所述升-降壓調(diào)制器可用作升-降壓調(diào)制器217。升-降壓調(diào)制器300包括合成電流斜坡發(fā)生器301、pwm比較器303、斜坡發(fā)生器和pwm比較器305和模式比較器307。合成電流斜坡發(fā)生器301包括電流源311、開關(guān)313和315、電流吸收器(currentsink)317和具有電容cr1的斜坡電容器319。電流源311和開關(guān)313串聯(lián)耦合在源電壓(例如，vdd)與生成斜坡電壓vr1的斜坡節(jié)點(diǎn)314之間。開關(guān)315和電流吸收器317串聯(lián)耦合在斜坡節(jié)點(diǎn)314與gnd之間。斜坡電容器319耦合在斜坡節(jié)點(diǎn)314與gnd之間。

當(dāng)開關(guān)313通過信號pwm2閉合時，電流源311將電流gm*vin供應(yīng)至斜坡節(jié)點(diǎn)314以對斜坡電容器319充電。當(dāng)開關(guān)315由信號閉合時，電流吸收器317選擇性地將電流gm*vo從斜坡節(jié)點(diǎn)314拉至gnd以使斜坡電容器319放電。信號是信號pwm1的反相型式。電流gm*vin以增益因數(shù)gm與輸入電壓vin成比例，并且電流gm*vo以增益因數(shù)gm與輸出電壓vo成比例。增益因數(shù)gm是跨導(dǎo)增益因數(shù)，其中電流源311和電流吸收器317可各自由跨導(dǎo)放大器等等來實(shí)現(xiàn)。

在合成電流斜坡發(fā)生器301的操作中，當(dāng)pwm2被斷言為高以閉合開關(guān)313而被斷言為低(pwm1被斷言為高)以打開開關(guān)315時，利用電流gm*vin對電容器319充電，以使vr1與輸入電壓vin成比例地斜升。當(dāng)pwm2被斷言為低以打開開關(guān)313而被斷言為高(pwm1被斷言為低)以閉合開關(guān)315時，利用電流gm*vo使電容器319放電，以使vr1與輸出電壓vo成比例地斜降(因此，vr1隨-vo斜降)。當(dāng)pwm2和兩者被斷言為高時，vr1與vin-vo成比例地斜變。

pwm比較器303包括各自生成窗口電流iw的窗口電流源321和323、各自具有電阻rw/2(各為窗口電阻rw的一半)的窗口電阻器325和327、比較器329和331以及設(shè)置-重置(sr)鎖存器333。電流源321和323以及窗口電阻器325和327串聯(lián)耦合在源電壓(例如，vdd)與具有接收控制電壓vc的中心節(jié)點(diǎn)328的gnd之間。窗口電阻器325耦合在中心節(jié)點(diǎn)328與生成上窗口電壓vwp1的上窗口節(jié)點(diǎn)322之間，所述上窗口電壓vwp1被提供至比較器329的負(fù)輸入端(或反相輸入端)。窗口電阻器327耦合在節(jié)點(diǎn)328與生成下窗口電壓vwn1的下窗口節(jié)點(diǎn)326之間，所述下窗口電壓vwn1被提供至比較器331的正輸入端(或非反相輸入端)。由于vc基于負(fù)載條件以及其他操作條件變化，vwp1和vwn1分別遵循高于和低于vc的電壓。因?yàn)殡娮杵?25和327的電阻(rw/2)以及電流源321和323的電流(iw)大致相等，所以vwp1保持高于vc窗口電壓vw的一半或vw/2，然而vwn1保持低于vc的電壓vw/2，并且窗口電壓vw＝vwp1-vwn1。vr1被提供至比較器329的正輸入端并提供至比較器331的負(fù)輸入端。比較器329的輸出端將重置信號r提供至sr鎖存器333的重置輸入端。比較器331的輸出端將設(shè)置信號s提供至sr鎖存器333的設(shè)置輸入端。sr鎖存器333的q輸出端斷言pwm1信號。

在pwm比較器303的操作中，當(dāng)vr1降至vwn1的電壓或剛好低于vwn1的電壓時，比較器331斷言s信號以設(shè)置sr鎖存器333來斷言pwm1為高。當(dāng)vr1升至vwp1的電壓或剛好高于vwp1的電壓，比較器329斷言r信號以重置sr鎖存器333來斷言pwm1為低。如先前所指出，信號是pwm1的反相型式以用于控制開關(guān)315。

斜坡發(fā)生器和pwm比較器305包括電流源341和343、由pwm1信號控制的開關(guān)345、具有電容cr2的耦合在另一斜坡節(jié)點(diǎn)342與gnd之間的電容器347、具有電阻rw的電阻器349、比較器351和2輸入布爾邏輯或門353。斜坡節(jié)點(diǎn)342被提供至比較器351的負(fù)輸入端。斜坡發(fā)生器和pwm比較器305也可包括緩沖器355和反相器357。在一個實(shí)施方式中，電容cr2與cr1相同，或cr1＝cr2。電流源343的輸出端耦合至電阻器349的一端，而其另一端耦合至gnd。電流源343生成流過電阻器349的電流gm*vin*k，所述電阻器生成被提供至比較器351的正輸入端的電壓vwp2。因此，電壓vwp2以增益系數(shù)gm*k與輸入電壓vin成比例。當(dāng)開關(guān)345打開時，電流源341生成電流gm*vin，所述電流gm*vin被提供至斜坡節(jié)點(diǎn)342以對斜坡電容器347充電。電容器347的電壓是斜坡節(jié)點(diǎn)342的電壓，所述電壓被示出為第二斜線電壓vr2。開關(guān)345耦合在節(jié)點(diǎn)342與gnd之間。當(dāng)閉合開關(guān)345時，電容器347被短接至gnd，以將vr2拉至gnd。比較器351的輸出被提供至或門353的第一輸入端，所述或門在其另一輸入端接收pmw1并在其輸出端提供pwm2信號。

在斜坡發(fā)生器和pwm比較器305的操作中，當(dāng)由pwm比較器303斷言pwm1為高時，pwm2信號也由或門353斷言為高。此外，開關(guān)345閉合以將vr2拉至低于vwp2，使得比較器351斷言其輸出高。當(dāng)pwm1降低時，pwm2保持為高，因?yàn)楸容^器351的輸出仍是高的。此外，當(dāng)pwm1降低時，開關(guān)345打開，以便電容器347由電流源341以與輸入電壓vin成比例的速率充電。當(dāng)vr2升至vwp2或剛好高于vwp2時，比較器351斷言其輸出為低，以便或門353將pwm2拉低。當(dāng)pwm1接著升高時，pwm2也由或門353拉高，并且以此方式在連續(xù)周期中重復(fù)操作。緩沖器355在其輸入端處接收pwm2，并且在其輸出端處提供pwm_buck，以使pwm_buck信號可為pwm2的緩沖型式。替代地，pwm2可直接用作pwm_buck信號。反相器357在其輸入端處接收pwm1并且在其輸出端處提供pwm_boost，使得pwm_boost是pwm1的反相型式。

模式比較器307接收輸入電壓vin和輸出電壓vo，并且確定降壓操作模式(buck)、升壓操作模式(boost)或升-降壓操作模式(buck_boost)之間的操作模式。在所示實(shí)施方式中，當(dāng)vin在vo的約12％內(nèi)時，發(fā)生在操作模式之間的轉(zhuǎn)變。vo被提供至第一增益框360的輸入端，所述第一增益框輸出比vo小約12％的電壓0.88*vo，其中0.88*vo被提供至升壓比較器362的正輸入端。升壓比較器362在其負(fù)輸入端處接收vin并且輸出邏輯信號boost。當(dāng)vin小于vo的電壓電平的約88％時，boost為高以指示升壓操作模式，但其他情況下為低。vin被提供至第二增益框364的輸入端，所述第二增益框輸出比vo大約12％的電壓0.893*vin。應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)vin比vo高約12％時，vo是vin的約89.3％(1/1.12～0.893)。值0.893*vin被提供至升壓比較器366的正輸入端，所述升壓比較器在其負(fù)輸入端處接收vo并且輸出邏輯信號buck。當(dāng)vo小于vin的電壓電平的約89.3％時，buck為高以指示降壓操作模式，但其他情況下斷言為低。boost和buck邏輯信號被提供至布爾邏輯非或門368，所述布爾邏輯非或門輸出當(dāng)斷言為高時指示升-降壓操作模式的buck_boost邏輯信號。一般來說，當(dāng)vin在vo的約12％內(nèi)時，buck和boost兩者都為低，使得buck_boost為高以指示升-降壓操作模式。如果buck或boost斷言為高，那么buck_boost為低。

圖4是一系列時序圖，示出了當(dāng)在升-降壓操作模式期間用于圖2的升-降壓調(diào)制器217內(nèi)時根據(jù)一個實(shí)施方式的升-降壓調(diào)制器300的操作。上方的時序圖繪出電壓vwp1、vwn1、vr1和vc一起對時間的圖。中間的時序圖繪出電壓vr2和vwp2一起對時間的圖。下方的時序圖繪出pwm1、pwm2和對應(yīng)pwm信號pwm_buck和pwm_boost對時間的圖。脈沖控制信號pwm1和pwm2大體限定其中升-降壓調(diào)制器300順序地在如圖所示狀態(tài)s1-s3之間轉(zhuǎn)變的開關(guān)狀態(tài)。pwm_buck和pwm_boost信號用于分別控制轉(zhuǎn)換器225的降壓功率級205和升壓功率級209的開關(guān)。pwm_buck被示出為具有與pwm2相同的狀態(tài)和狀態(tài)轉(zhuǎn)變，并且pwm_boost被示出為pwm1的反相型式。在初始時間t0，pwm1和pwm2兩者都會變高，從而發(fā)起第一開關(guān)狀態(tài)s1。在下一時間t2，pwm1變低，以使開關(guān)狀態(tài)從s1轉(zhuǎn)變至s2。當(dāng)pwm2接著在時間t2變低時，開關(guān)狀態(tài)從s2轉(zhuǎn)變至s3。當(dāng)pwm1和pwm2兩者在后續(xù)時間t3變高時，開關(guān)狀態(tài)從s3轉(zhuǎn)變回s1。操作以此方式重復(fù)。

如圖4所示，vwp1保持處于高于vc的恒定半窗口電壓下，并且wwn1保持處于低于vc的恒定半窗口電壓下。vc被示出為處于穩(wěn)定值直到響應(yīng)于負(fù)載瞬態(tài)而升高，并且隨后響應(yīng)于負(fù)載瞬態(tài)釋放而下降。vwp1和vwn1基于如圖所示窗口電壓而保持從vc位移。pwm1和pwm2兩者在時間t0斷言為高，從而發(fā)起開關(guān)狀態(tài)s1，使得并且vr1從vwn1朝vwp1升高。vr1與輸入電壓vin成比例地升高。當(dāng)vr1在時間t1達(dá)到vwp1時，pwm1被拉低以使開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)變至s2，vr1變平并與vin-vo成比例地斜變，并且在開關(guān)狀態(tài)s2期間，vr2開始從gnd朝vwp2斜變。vr1被示出為處于平坦速率下，同時與vin-vo成比例地斜變，這是在vin和vo相對接近彼此時發(fā)生，在這種情況下，應(yīng)當(dāng)理解，斜變率是基于vin與vo之間的差值。pwm2保持為高，而vr2小于vwp2。當(dāng)vr2在時間t2達(dá)到vwp2時，pwm2被拉回低，從而使開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)變至s3，并且在開關(guān)狀態(tài)s3期間，vr1與-vo成比例地斜降。因?yàn)閜wm1仍然為低，所以vr2繼續(xù)斜升。當(dāng)vr1在時間t3降至(或剛好低于)vwn1時，pwm1和pwm2兩者再次被斷言為高，從而使開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)變回s1，vr2被短接回gnd，并且在時間t3與t4之間的開關(guān)狀態(tài)s1期間，vr1開始再次從vwn1朝vwp1往回斜升。當(dāng)vr1在時間t4達(dá)到vwp1時，操作轉(zhuǎn)變至開關(guān)狀態(tài)s2，并且當(dāng)vr2在時間t5達(dá)到vwp2時，操作轉(zhuǎn)變至開關(guān)狀態(tài)s3。

在操作期間，vc響應(yīng)于負(fù)載瞬態(tài)而升高，在一定的時間段內(nèi)保持為高，并隨后響應(yīng)于負(fù)載瞬態(tài)釋放而回降。在簡化圖中，vc剛好在vr2在時間t5達(dá)到vwp2時開始升高，在這種情況下，應(yīng)當(dāng)理解，vc可在周期期間的任何異步時間開始升高。此外，當(dāng)vc升高時，vwn1和vwp1如由窗口電路控制而相應(yīng)地升高(電流源321和323以及電阻器322和327)。當(dāng)vr2在時間t5達(dá)到vwp2時，在開關(guān)狀態(tài)s3期間，pwm2降低并且vr1開始斜降，而vr2繼續(xù)升高。當(dāng)vr1在時間t6下降至vwn1(vwn1是在升高)時，pwm1和pwm2兩者升高并且操作轉(zhuǎn)變回開關(guān)狀態(tài)s1。vr1以與vin成比例的速率(不一定與vc或vwn1速率相同)升高，并且在s1期間，vr2被箝位降低至gnd。當(dāng)vr1在時間t7達(dá)到vwp1時，pwm1變低以轉(zhuǎn)變至開關(guān)狀態(tài)s2，使vr1與vin-vo成比例地斜變，并且vr2被釋放來以與vin成比例的速率斜升。當(dāng)vr2最終在時間t8達(dá)到vwp2時，pwm2被拉低以轉(zhuǎn)變至開關(guān)狀態(tài)s3，以便并且在s3期間，vr1與-vo成比例地斜降，而vr2繼續(xù)升高。在這個時間上，vc和vwn1兩者都斜降至相對低的電平。因此，vr1一直從相對高的狀態(tài)斜變至vwn1，而vr2繼續(xù)變高。當(dāng)vr1最終在時間t9下降至vwn1時，pmw1和pmw2兩者再次變高以轉(zhuǎn)變至開關(guān)狀態(tài)s1，并且在升-降壓操作模式期間，操作以此方式重復(fù)。

pwm_buck信號基本隨pwm2而變化，這意味著它們可為相同信號或pwm_buck可為pwm2的緩沖型式。pwm_boost基本隨而變化，這意味著它們可為相同信號或pwm_boost可為的緩沖型式或pwm1的反相型式。對圖4中所示的操作的一個觀察結(jié)果是當(dāng)vc降至較低時，諸如響應(yīng)于負(fù)載瞬態(tài)釋放的情況，vr1保持為相對高，而vr2斜升超過vwp2。vr2繼續(xù)斜升，而vr1斜降，以使周期不會結(jié)束，直到vr1達(dá)到vwn1。如下文進(jìn)一步所描述，可縮短延長周期的這個部分。

圖5是根據(jù)另一實(shí)施方式的升-降壓調(diào)制器500的示意圖，所述升-降壓調(diào)制器也可用作升-降壓調(diào)制器217。升-降壓調(diào)制器500實(shí)質(zhì)上類似于升-降壓調(diào)制器300，并且包括合成電流斜坡發(fā)生器301、pwm比較器303和模式比較器307，它們各自被配置來以實(shí)質(zhì)上相同的方式操作。然而，斜坡發(fā)生器和pwm比較器305由類似的斜坡發(fā)生器和pwm比較器505替換。斜坡發(fā)生器和pwm比較器505也包括以實(shí)質(zhì)上相同的方式耦合的相同部件，即，電流源341和343、由pwm1信號控制的開關(guān)345、耦合在斜坡節(jié)點(diǎn)342與gnd之間的電容器347、具有電阻rw的電阻器349、比較器351、或門353、緩沖器355和反相器357。

然而，對斜坡發(fā)生器和pwm比較器505來說，開關(guān)345不耦合至gnd并且不以gnd為基準(zhǔn)，但替代地耦合至vwn1電壓(較低窗口電壓)并以vwn1電壓為基準(zhǔn)。此外，電阻器349不耦合至gnd并且以gnd為基準(zhǔn)，但替代地耦合至vwn1電壓并且以vwn1電壓為基準(zhǔn)。以此方式，電壓vr2和vwp2不以gnd為基準(zhǔn)但替代地以vwn1為基準(zhǔn)并且因此隨控制電壓vc而變化。當(dāng)開關(guān)345閉合時，電容器347不短接至gnd而替代地拉至vwn1的電壓電平。vwp2的電壓是vwn1的電壓加上與電流源343操作的vin成比例的電壓，所述電流源供應(yīng)電流gm*vin*k穿過具有電阻rw的電阻器349。

圖6是一系列時序圖，示出了當(dāng)在升-降壓操作模式期間用于圖2的升-降壓調(diào)制器217內(nèi)時根據(jù)一個實(shí)施方式的升-降壓調(diào)制器500的操作。上方的時序圖繪出電壓vwp1、vwn1、vr1、vc、vr2和vwp2一起對時間的圖。在這種情況下，vr2和vwp2因?yàn)橄鄬τ趘wn1而偏置來用其他電壓繪出。下方的時序圖繪出pwm1、pwm2和對應(yīng)pwm信號pwm_buck和pwm_boost對時間的圖。此外，pwm_buck和pwm_boost信號用于分別控制轉(zhuǎn)換器225的降壓功率級205和升壓功率級209的開關(guān)，并且脈沖控制信號pwm1和pwm2大體限定升-降壓調(diào)制器500也順序地在如圖所示的狀態(tài)s1-s3之間轉(zhuǎn)變的開關(guān)狀態(tài)。

如圖6所示，正如圖4所示的情況一樣，vwp1保持處于高于vc的恒定半窗口電壓下，并且wwn1保持處于低于vc的恒定半窗口電壓下。vc被示出為處于穩(wěn)定值，直到在時間t5響應(yīng)于負(fù)載瞬態(tài)而升高，并且隨后響應(yīng)于在約時間t7開始的負(fù)載瞬態(tài)的釋放而下降。vwp1和vwn1基于如圖所示窗口電壓而保持從vc位移。從時間t0至?xí)r間t5，在負(fù)載瞬態(tài)施加前，操作實(shí)質(zhì)上類似于圖4所示情況，只不過vr2以vwn1為基準(zhǔn)，而非以gnd為基準(zhǔn)，并且vwp2隨vwn1(并且因此隨vc)的改變而變化。當(dāng)vr2在時間t5達(dá)到vwp2從而引起開關(guān)狀態(tài)從s2轉(zhuǎn)變至s3時，vc響應(yīng)于負(fù)載瞬態(tài)而斜升。

當(dāng)vc響應(yīng)于負(fù)載瞬態(tài)的施加而升高時，操作是類似的，只不過在開關(guān)狀態(tài)s3期間，vwp2隨vc升高，并且當(dāng)vr1在時間t6下降至vwn1時，將開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)變至s1，vr2回降至vwn1。在這個簡化實(shí)例中，vr2在vc開始升高的約相同時間達(dá)到vwp2。在這種情況下，當(dāng)在時間t6斷言pwm1和pwm2時，vr2回降至vwn1，并且隨后因?yàn)樵陂_關(guān)狀態(tài)s1期間箝位至vwn1而隨vwn1升高。當(dāng)vc在達(dá)到峰值電平之后變平時，vwn1也連同vr2一起變平，所述vr2在這時有效地箝位至vwn1。vr1繼續(xù)升高，直到它在時間t7達(dá)到vwp1，并且隨后pwm1被拉低以轉(zhuǎn)變至開關(guān)狀態(tài)s2。在簡化圖中，在約相同時間，vc、vwn1和vwp1開始響應(yīng)于瞬態(tài)的釋放而回降。然而，vr2在時間t7響應(yīng)于pwm1變低而開始斜升，而在s2期間vr1與vin-vo成比例地斜變。當(dāng)vr2在時間t8升高至高于vwp2(vwp2正在斜降)時，pwm2變低以轉(zhuǎn)變至開關(guān)狀態(tài)s3以便vr1以與-vo成比例的速率開始斜降。與圖4所示的情況比較，vr1在周期中較快斜降。vr2繼續(xù)升高而vr1斜降，直到vr1在時間t9回降至vwn1以引起向開關(guān)狀態(tài)s1的轉(zhuǎn)變，在這個時間上，vr2被拉回vwn1的電壓電平，并且pwm1和pm2被斷言為高以開始下一開關(guān)周期。操作以類似的方式重復(fù)。

圖7是時序圖，繪出用于升-降壓模式的2態(tài)配置和3態(tài)配置的電感器電流il(以安培(a)計)對輸入電壓vin(以伏特(v)計)的圖，其中k＝0.5并且vo＝12.6v。針對高于輸出電壓vo的輸入電壓vin示出降壓曲線701，其中il處于約1a，并且針對低于vo的vin示出升壓曲線703，其中il在vin降至低于vo時升高。曲線701和703被示出為當(dāng)vin＝vo＝12.6v時在點(diǎn)702處相交。理想地，操作將遵循曲線701和703而達(dá)到最小化電感器電流il。然而，調(diào)節(jié)操作被證明在vin足夠接近vo時是相當(dāng)困難的，并且當(dāng)vin和vo大致相等時，難以在降壓操作模式與升壓操作模式之間轉(zhuǎn)變。替代地，當(dāng)vin是約14.3v(1.12*vo)或更大時，隨后操作處于降壓操作模式，其中電感器電流il大體上由降壓曲線701限定，所述電感器電流il為約1a。當(dāng)輸入電壓vin為約11.1v(0.88*vo)或更小時，操作處于升壓操作模式，其中電感器電流大體上由升壓曲線703限定，所述電感器電流在升壓操作模式期間在約1.2a至2.5v(vin＝5v)的范圍變化。當(dāng)vin高于約0.88*vo或低于約1.12*vo時，則操作處于升-降壓操作模式。

2態(tài)升-降壓曲線705被示出為在升-降壓操作模式期間是可適用的，在所述升-降壓操作模式中，曲線在約1.8a(升壓模式轉(zhuǎn)變)至約2.2a(降壓模式轉(zhuǎn)變)的范圍變化。此外，3態(tài)升-降壓曲線707被示出為在升-降壓操作模式期間是可適用的，在所述升-降壓操作模式中，曲線在約1.2a(升壓模式轉(zhuǎn)變)至約1.4a(降壓模式轉(zhuǎn)變)的范圍變化。以此方式，在升-降壓操作范圍期間，3態(tài)升-降壓曲線707保持處于小于2態(tài)升-降壓曲線705約1a處。虛線709指示在針對3態(tài)配置的降壓操作模式、升-降壓操作模式和升壓操作模式的全部操作范圍內(nèi)的系統(tǒng)操作曲線，所述3態(tài)配置使用升-降壓調(diào)制器300或500作為電壓調(diào)節(jié)器103中的升-降壓調(diào)制器217以用于特定實(shí)現(xiàn)方式。以此方式，因?yàn)殡姼衅麟娏鱥l在升-降壓操作模式期間顯著地減少，所以電壓調(diào)節(jié)器103的操作效率實(shí)質(zhì)上得以提高。

本發(fā)明的益處、特征和優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)在參考以上描述以及附圖而較好地理解。提出前述描述是為了使本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員能夠在特定應(yīng)用和其要求的上下文中制造和使用提供的本發(fā)明。然而，對優(yōu)選實(shí)施方式的各種修改對本領(lǐng)域的技術(shù)人員將是顯而易見的，并且本文中定義的一般原理可適用于其他實(shí)施方式。因此，本發(fā)明不意圖限于本文所示和所述的特定實(shí)施方式，而是符合與本文公開的原理和新穎特征一致的最寬廣的范圍。盡管本發(fā)明已參考本發(fā)明的某些優(yōu)選型式相當(dāng)詳細(xì)地描述了，但是其他型式和變化是有可能的，并且可預(yù)期的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解，他們可容易地使用所公開的概念以及具體實(shí)施方式作為用于設(shè)計或修改其他結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，從而在不脫離如隨附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，提供本發(fā)明的相同目的。