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雙向電源轉(zhuǎn)換器的制作方法

文檔序號:7353188閱讀:235來源:國知局
專利名稱:雙向電源轉(zhuǎn)換器的制作方法
雙向電源轉(zhuǎn)換器
背景技術
本發(fā)明涉及雙向電源轉(zhuǎn)換器。更具體地講,本文所述的發(fā)明涉及構(gòu)造可
用于沿兩個不同方向轉(zhuǎn)換電源的雙向電源轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)和方法。電源轉(zhuǎn)換電路可以在幾乎每種需要用電的設備中找到。電源轉(zhuǎn)換電路 的目的是通常通過特定的調(diào)理和調(diào)節(jié)電路從電源向負載傳送電力。電源轉(zhuǎn)換電路 的通常應用是將由市電提供的交流電轉(zhuǎn)換為適用于消費電子產(chǎn)品的調(diào)節(jié)直流電 壓。盡管電源轉(zhuǎn)換電路常常用作獨立系統(tǒng),但是通常它們被構(gòu)造為集成電路(IC) 并且用于不同應用中,如通信系統(tǒng)和計算系統(tǒng)。 —種類型的常用電源轉(zhuǎn)換器是直流-直流轉(zhuǎn)換器,它將一個直流電壓電 平變?yōu)榱硪粋€直流電壓電平。例如,減壓或降壓轉(zhuǎn)換器提供了一種將較高直流電 壓轉(zhuǎn)換為較低直流電壓的有效方式,這在某些電子系統(tǒng)中是需要的。例如,手提 電腦可以具有提供12V直流電的電池和需要5V直流電的處理器。降壓轉(zhuǎn)換器, 用作IC與一些外部部件,可用于以最小的能量損耗將12V電池電壓轉(zhuǎn)換為處理器 所需的5V。另一種類型的直流-直流轉(zhuǎn)換器是升壓或增壓轉(zhuǎn)換器。所述轉(zhuǎn)換器用于 增大從電源向負載供應的電壓。例如,LED可能需要3.3V直流電來發(fā)光。LED可 以由單個1.5伏電池,通過使用可以使電池電壓升高到LED所需電平的升壓轉(zhuǎn)換 器來進行供電。升壓轉(zhuǎn)換器還用于提供對熒光燈和陰極射線管供電所需的較高電 壓。在許多情況下,消費電子設備需要既使用升壓又使用降壓轉(zhuǎn)換器。便攜 式通信設備如移動電話或PDA通常是電池供電的,并且具有明亮的多色顯示屏。 當便攜式設備,例如黑莓(BlackBerry),在電池電源下工作時,用于驅(qū)動顯示屏的 電池電壓通過升壓轉(zhuǎn)換器升壓。當設備被插入墻式插座并且其電池處于充電階段 時,電池充電電路可依靠降壓轉(zhuǎn)換器來降低電壓,提供適當?shù)某潆婋妷翰⑶以龃?電流,以便對電池進行更快充電。通常PDA或其它便攜式通信設備通過使用通用的互連鏈路例如USB鏈 路進行充電。例如,黑莓可以將USB連接上提供的電力用于工作電源和對其電池進行充電。在這里,降壓轉(zhuǎn)換器用于調(diào)節(jié)供應電壓,它通常設定為略高于電池電 壓的值,以便使充電器中的功率消耗最小化并且將電流保持在USB規(guī)范內(nèi)。實現(xiàn) 這個任務的所述設備的一個例子是由Milpitas, CA的Linear Technology Corporation,即本專利申請的受讓人生產(chǎn)的LTC 4088。互連鏈路例如USB鏈路通常在兩種模式下工作。主模式或從模式。當 設備(如PDA)通過USB鏈路連接到PC上時,PC充當主機并且提供對USB鏈 路供電和管理USB鏈路的控制功能。相反地,PDA中的USB端口以從模式工作, 并且需要PC供電和管理通信,從而兩個設備可以彼此通信。不過,在許多情況下,PDA或其它移動設備中的USB鏈路不具備在主 模式下工作和驅(qū)動USB鏈路的能力。盡管移動設備可能具有必需的控制器電路以 管理USB通信,它沒有提供驅(qū)動USB鏈路所需電力的能力。這通常是由于它的電 池提供相對較低的電壓,以及移動設備沒有能力將該電壓轉(zhuǎn)換到適于驅(qū)動USB鏈 路的電平。結(jié)果,如果移動設備連接到僅能用作USB從機的設備,如記憶棒,則 移動設備不能向USB鏈路供電,阻止了設備間進行彼此通信。因此,由于上述原因,需要提供雙向電源轉(zhuǎn)換的電路和方法,它允許移 動設備和其它設備產(chǎn)生電力,適于支持多種應用。

發(fā)明內(nèi)容
提供了雙向電源轉(zhuǎn)換的電路和方法,它允許移動設備和其它設備產(chǎn)生電
力,適于支持多種工作模式。本發(fā)明的雙向電源轉(zhuǎn)換器可以在升壓和降壓設置工 作,而不是僅有單個專一轉(zhuǎn)換功能,并且使用許多相同的部件,從而減小了轉(zhuǎn)換 器大小和復雜度。在本發(fā)明的一個實施例中,提供了一種雙向電源轉(zhuǎn)換器,它在第一方向
用作降壓轉(zhuǎn)換器,而在第二方向用作升壓轉(zhuǎn)換器,并且包括電抗元件,用于在第 一方向和第二方向工作時儲存能量,多個開關元件,用于選擇性地將一個電抗元 件連接到兩個或多個電源中的一個,和模式選擇電路,用于在用作降壓轉(zhuǎn)換器時 選擇性地將雙向電源轉(zhuǎn)換器連接到第一電源,而在用作升壓轉(zhuǎn)換器時選擇性地將 雙向電源轉(zhuǎn)換器連接到第二電源,使得當雙向電源轉(zhuǎn)換器用作升壓轉(zhuǎn)換器時,雙 向電源轉(zhuǎn)換器被設置向包括功率部件的通信鏈路輸電。
在結(jié)合附圖考慮下文的詳細說明后,本發(fā)明的上述以及其它目的和優(yōu)點
將變得顯而易見,其中附圖中相似的附圖標記表示類似的部件,其中

圖1A是根據(jù)本發(fā)明的原理,雙向電源轉(zhuǎn)換器的一個實施例的總體框圖;
圖1B是圖1A所示雙向電源轉(zhuǎn)換器配置在移動設備中的示意性實施例;
圖2是根據(jù)本發(fā)明的原理,雙向電源轉(zhuǎn)換器的一個實施例的總體示意圖;
圖3是圖2所示雙向電源轉(zhuǎn)換器的更詳細示意圖;
圖4是圖2所示雙向電源轉(zhuǎn)換器的更詳細示意圖;
圖5是圖2所示雙向電源轉(zhuǎn)換器在降壓/減壓模式下工作的更詳細示意 圖;和圖6是圖2所示雙向電源轉(zhuǎn)換器在升壓/增壓模式下工作的更詳細示意圖。
具體實施例方式圖1A示出了根據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)造的雙向電源轉(zhuǎn)換器的一個實施例的總 體框圖。如圖所示,系統(tǒng)10包括雙向電源轉(zhuǎn)換器,它可以在至少兩個模式下工作。 所述模式可以包括降壓模式(即減壓)和升壓模式(即增壓)。轉(zhuǎn)換器10可以根 據(jù)輸入信號所施加的位置從一種工作模式切換到另一種工作模式。例如,當跨接 線端11和13施加電壓V1時,轉(zhuǎn)換器10可用作降壓轉(zhuǎn)換器(由上部箭頭所表示 的方向)。在這種情況下,轉(zhuǎn)換器10使電壓V1降低并且在接線端15和17處產(chǎn) 生降低的輸出電壓V2。相反地,當跨接線端15和17施加電壓V2時,轉(zhuǎn)換器IO 可用作升壓轉(zhuǎn)換器(由底部箭頭所表示的相反方向)。在這種情況下,電壓由轉(zhuǎn) 換器10升高,它在接線端11和13處產(chǎn)生增大量值的輸出電壓VI。 一般而言, 轉(zhuǎn)換器IO在任何給定時間以兩種模式中的一種工作。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中,轉(zhuǎn)換器10在降壓和升壓模式使用許多(或 所有)的相同部件(這將在下文中詳細介紹)。這是希望的,有若干個原因,包 括轉(zhuǎn)換器的大小和復雜度降低,以及消除了需要提供兩種不同的專用單向轉(zhuǎn)換器, 各自需要不同組的部件,以提供相同的功能性。另外,轉(zhuǎn)換器10的小尺寸使它理 想地用作集成電路并因此可易于配置到移動設備,例如PDA,移動電話,數(shù)碼相 機,作為獨立的轉(zhuǎn)換器,以及用于其它需要電壓轉(zhuǎn)換的便攜式可充電設備中,例如手電筒等。轉(zhuǎn)換器10的一種應用包括適用于驅(qū)動移動設備的不同內(nèi)部和/或外部應 用的電源轉(zhuǎn)換。例如,根據(jù)本發(fā)明的一個方面,轉(zhuǎn)換器10可安裝在移動設備20 上(如PDA),并用于進行兩種轉(zhuǎn)換功能。這種情況的總體說明在圖1B中示出。 一種轉(zhuǎn)換功能可能涉及被認為是"內(nèi)部"應用的應用,而另一種可能涉及被認為是 "外部"應用(盡管其它組合是可行的,如僅是內(nèi)部或外部的,多種其它轉(zhuǎn)換模式等)?!N內(nèi)部應用可以包括調(diào)節(jié)來自外部電源的電力,例如直接來自墻式插 座或通過具有功率部件的通用通信鏈路,例如USB鏈路。如圖1B所示,當連接 到外部電源23時,轉(zhuǎn)換器10可以在降壓模式下工作并且用作電壓調(diào)節(jié)器,向移 動設備20供電并且對它的電池進行充電(通過鏈路33,它可以是通信鏈路,如 USB鏈路或任何其它適合的電力管道)。當移動設備20從外部電源23斷開時, 它依靠電池來為其供電。當移動設備20在電池供電下工作時,轉(zhuǎn)換器10還可用于某些外部(或 其它內(nèi)部)應用,所述應用需要的電壓電平高于電池所能提供的電壓電平。例如, 移動設備可以連接到外部設備,例如擴音器24,它需要的電壓電平高于電池所能 提供的電壓電平。在這種情況下,轉(zhuǎn)換器10可以用作升壓轉(zhuǎn)換器,并且升高電池 電壓,以便通過電源鏈路32 (它可以是任何合適的電力管道)向外部設備提供適 當?shù)妮^高電壓電平。轉(zhuǎn)換器10的另一種外部應用可以包括使用升壓功能,以便提供驅(qū)動通 信鏈路,例如USB端口所需的電壓。例如,如上所述,移動設備20可以連接到 外部設備,它是USB從設備,如記憶棒26。在這種情況下,轉(zhuǎn)換器10可用作升 壓轉(zhuǎn)換器,并且升高來自設備20的電池電壓,以便通過USB鏈路34提供驅(qū)動記 憶棒26所需的電壓。在一些實施例中,升壓量可以可編程或可選擇為多個不同的 水平,以支持各種不同的應用。因此,移動設備20可以雙向地使用轉(zhuǎn)換器10,艮P, 調(diào)節(jié)輸入電力并在相反方向升高內(nèi)部電池電壓用于其它應用。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例,涉及USB總線的一種特定實施的示例包括 設置轉(zhuǎn)換器10以便符合USB的"即插即用(On The Go)"規(guī)范,用于驅(qū)動USB從 設備并與USB從設備通信。例如,轉(zhuǎn)換器10可以安裝在數(shù)碼相機中并且用于驅(qū) 動它的USB連接,從而它可以連接到記憶棒并且傳送數(shù)字圖象文件(未示出)。 在這種情況下,在連接到PC時通常是從設備的相機變成主設備,并且通過USB鏈路向記憶棒供電,并且管理通信。因此,在升壓模式下工作的轉(zhuǎn)換器10可以升 高相機電池電壓,使得它從相機的電池向USB鏈路的電力總線供應的電壓在大約 4.75與5.25伏特之間,額定電流極限為大約500mA。在從設備需要小于大約100 mA 的情況,較低電壓閾值可降到大約4.4伏。從上述內(nèi)容應當理解,盡管上述的電源通路可以包括傳統(tǒng)的電源電纜和 /或通信鏈路如USB鏈路,但如果需要,可以使用任何其它適合的電力管道。例如, 如果需要,可以使用其它使用主/從設置的通信鏈路,如FireWire線纜(IEEE 1394), 以太網(wǎng)(IEEE 802)等,并且轉(zhuǎn)換器10可被設置成提供適當?shù)碾妷阂则?qū)動所述鏈 路。此外,設備20中的轉(zhuǎn)換器IO可以這樣設置,使得它供電以對第二移動設備 的電池進行充電,而不是對USB鏈路供電(例如,通過通信鏈路而不是驅(qū)動通信 鏈路(例如,通過通信或供電鏈路等的PDA到PDA,或PDA到數(shù)碼相機))。此外,應當理解,盡管前述的轉(zhuǎn)換器10包括降壓和升壓轉(zhuǎn)換器,任何 其它適合的直流-直流轉(zhuǎn)換器可以類似雙向設置實施,包括但不限于,用于雙向電 源轉(zhuǎn)換的降壓、升壓、降壓-升壓、反相、反馳式、推挽式、H-橋、Cuk或SEPIC 設置。在一些實施例中,希望利用不需要變壓器的設置來構(gòu)造轉(zhuǎn)換器10 ,以減小 尺寸、重量和/或成本。轉(zhuǎn)換器10的一個可行實施總體在圖2中以轉(zhuǎn)換器100示出。如圖所示, 轉(zhuǎn)換器IOO包括接線端111、 113、 115和117,開關102和104,電感器106,和 電容器108和110。電壓源112 —般表示外部電源,如AC/DC墻式適配器或USB 主機,但也可以表示外部負載,如USB記憶棒或其它主機應用。電壓源114一般 表示內(nèi)部電源,如電池或其它儲存元件。在對電池充電時電壓源114可用作負載, 而在向外部主機應用,如前述的USB記憶棒供電時可用作電源。通常,電壓源112 或電壓源114在任何給定時間主動向轉(zhuǎn)換器100供電。兩者均在轉(zhuǎn)換器100中示 出,以提供轉(zhuǎn)換器布局的綜合視圖。在一些實施例中,降壓/升壓模式選擇由用戶輸入與電壓源112和114 狀態(tài)的組合來確定。如果用戶啟動轉(zhuǎn)換器用作降壓轉(zhuǎn)換器,(例如,通過開關(未 示出)),則如果電源112當前可用時,轉(zhuǎn)換器IOO會如此工作。當啟動降壓模 式時,電壓源114可表現(xiàn)為電池。轉(zhuǎn)換器100可被設置在兩種或三種模式設置下 工作。在兩種模式設置中,轉(zhuǎn)換器100可以在降壓和升壓模式之間切換。在三種 模式設置中,轉(zhuǎn)換器100可以在降壓和升壓模式之間切換,并且包括在不需要兩種轉(zhuǎn)換模式的任一種時的待機模式。所述實施例可以分別采用兩個或三個位置開 關,每個開關位置對應一種工作模式。如果用戶啟動轉(zhuǎn)換器IOO用作升壓轉(zhuǎn)換器,則在電壓源114可用并且電 壓源112上基本沒有電壓存在的情況下,轉(zhuǎn)換器會如此工作。這防止了轉(zhuǎn)換器IOO 試圖在已有輸入電源的情況下驅(qū)動接線端111和113。不過,在一些實施例中,某 些電壓是可允許的,例如使用升壓模式對尚未完全耗盡的電池112充電的情況。在一個實施例中,雙向轉(zhuǎn)換器100趨向于用作USB兩用設備。兩用設 備可以用作主機或用作外圍設備,并且可以供電或接收電力。用途可以通過模式 選擇電路來確定(未在圖2中示出)。在一些實施例中,可以是如前所述的用戶 可選擇開關的輸入。在其它實施例中,工作的模式可以由連接轉(zhuǎn)換器100的連接器類型來確 定(例如在設備20中)。例如,用于即插即用用途的USB纜線可以在一端具有 微型A插件,而另一端具有微型B插件。USB設備具有微型AB插口并且可與任 一插件匹配。插件通常包含ID針腳(pin),它指定轉(zhuǎn)換器100需要用作類型A 設備(電源)還是類型B設備(功率消耗器)。如果微型B插件連接到接線端111和U3,ID針腳會具有允許模式電路 選擇適當?shù)墓ぷ髂J降奶卣?例如,大于100kOhm的對地電阻)。模式選擇電路 隨后設置轉(zhuǎn)換器100為用作降壓轉(zhuǎn)換器,并且從電源112向電池114供電。不過,如果微型A插件連接到接線端111和113,模式選擇電路在ID 針腳感測到不同的特征(例如,小于IO歐姆的對地電阻)。在這種情況下,模式 電路設置轉(zhuǎn)換器100為升壓轉(zhuǎn)換器,并且向接線端111和113供電。在第一工作模式,轉(zhuǎn)換器IOO可以用作降壓轉(zhuǎn)換器,并且將由電壓源112 施加的電壓轉(zhuǎn)換為接線端115和117處的較低電平。當在降壓模式工作時,電壓 源114可以連接到轉(zhuǎn)換器100,使得它吸收和/或儲存來自電壓源112的電力,或 者,在一些實施例中,可以從轉(zhuǎn)換器100電斷開(未示出)??缃泳€端115和117 產(chǎn)生的所得到電壓可用于向移動設備供電,和可以連接到電源總線用于該目的。假設電壓源114如此連接,使得它儲存或吸收來自電壓源112的供電, 轉(zhuǎn)換器100可以如下所述工作。 一般而言,電壓源112向轉(zhuǎn)換器100提供輸入電 源,如整流的輸入電壓。開關102和104被如此控制,使得轉(zhuǎn)換器在充電和放電 階段之間交替,以便在接線端115和117提供需要的電壓。例如,當開關102閉合而開關104打開時,電壓源112連接到電感器106。這導致來自電壓源112的能 量被儲存在電感器106中(即充電階段),并且通過增大的電流穿過電感器向接 線端115和117供電。當開關102打開而開關104閉合時,儲存在電感器106上 的能量被傳送到接線端115和117的負載(即放電階段)。通過控制兩個開關的 工作周期(一個開關閉合的時間相對于兩個開關均閉合的總時間),可以調(diào)節(jié)傳 送到接線端115和117上負載的能量,以便在接線端115和117提供相對平穩(wěn)和 調(diào)節(jié)的輸出電壓。不過,轉(zhuǎn)換器100也可以反方向用作升壓轉(zhuǎn)換器。例如,假設電壓源112 現(xiàn)在表示通信鏈路(如USB鏈路)或外部負載(如揚聲器)的電壓總線,轉(zhuǎn)換器 IOO可以如下所述工作。類似于上述的降壓轉(zhuǎn)換器,開關102和104被如此控制, 使得轉(zhuǎn)換器在充電和放電階段之間交替,以提供需要的電壓。例如,當開關104 閉合而開關102打開時,接線端111和113的負載與電感器106隔離,并且來自 電壓源114的能量被儲存在電感器106上(即充電階段)。當開關104打開而開關102閉合時,儲存在電感器106中的能量被提供 至接線端111和113的負載(即放電階段)。在該切換設置下,接線端111和113 的電壓大于電壓源114的電壓。通過控制兩個開關的工作周期,可以調(diào)節(jié)傳送到 接線端111和113上負載的能量,以便在接線端111和113提供相對平穩(wěn)和調(diào)節(jié) 的輸出電壓。有若干種公知的方法,用于控制切換轉(zhuǎn)換器100的工作周期,以便提供 調(diào)節(jié)的輸出電壓,如電流模式控制或電壓模式控制。在任一種控制方法中,在每 個周期的開始主開關(降壓模式的開關102,升壓模式的開關104)為開啟,并且 輸出電壓連接到誤差放大器的反相端,而參考電壓(reference)連接到非反相端(未 示出)。在電壓模式轉(zhuǎn)換器中,誤差放大器的輸出與鋸齒斜坡(sawtoothramp) 進行比較。當斜坡電壓超過誤差放大器電壓時,對于周期的余下部分主開關關斷 而同步整流器(降壓模式的開關104,升壓模式的開關102)開啟。如果輸出電壓 小于參考電壓,則誤差放大器的輸出增大,又反過來增大工作周期并因此增大輸 出電壓。通過調(diào)節(jié)誤差放大器的輸出,主開關的工作周期可以增大或減小,以調(diào) 節(jié)輸出電壓。在電流模式控制中,誤差放大器的輸出表示需要的電感器電流,并且與通過主開關的電流進行比較。當主開關為開啟時,電感器電流上升。當電感器電 流上升到誤差放大器的輸出之上時,對于周期的余下部分主開關為關斷而同步整 流器為開啟。通過調(diào)節(jié)誤差放大器的輸出,電感器電流可以增大或減小,以調(diào)節(jié) 輸出電壓。在一些情況,鋸齒斜坡被添加至開關電流信號上,以消除公知的不穩(wěn) 定性。這些控制方法的細節(jié)可以在本領域己知的切換電源教科書中找到,如 Abraham I. Pressman的"Switching Power Supply Design (切換電源設計)"。因此,如上述可以看到,提供了一種簡單的雙向電源轉(zhuǎn)換器,它使用所 有(或幾乎所有)的相同電路部件。轉(zhuǎn)換器100可用于多種移動和其它應用。根據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)造的轉(zhuǎn)換器100的一種可行特定實施例在圖3以轉(zhuǎn)換 器200示出。轉(zhuǎn)換器200示出了轉(zhuǎn)換器IOO在降壓模式下工作,因此為了簡化起 見省略了與升壓模式工作相關的某些部件。轉(zhuǎn)換器200在許多方面與圖2所示轉(zhuǎn)換器類似,并且大體包括類似標記 的部件和功能塊,以表示類似功能和大體對應。例如,轉(zhuǎn)換器20包括電壓源212 (圖2中的電壓源112),電感器206和電容器210 (分別為圖2中的電感器106 和電容器110),電池214 (電壓源114) , PMOS晶體管202和NMOS晶體管204 (分別為圖2中的開關102和104),以及接線端211, 213, 215和217 (圖2中 的接線端111 , 113, 115和117)。轉(zhuǎn)換器200還包括控制電路205,模式電路209, 并且可以包括可選的電池充電器電路218和二極管219。在工作中,轉(zhuǎn)換器200可以通過外部信號(手動或自動)和/或內(nèi)部通 過感測接線端211、 213、 215和217的信號并選擇合適的工作模式(例如,通過 比較這些接線端的信號)設置在降壓模式工作。這可以通過模式電路209來實現(xiàn), 模式電路209可以包括比較、感測或其它用于確定適當工作模式的電路。如前所 述,實現(xiàn)的一種方式是通過感測節(jié)點250處ID針腳的狀態(tài)。轉(zhuǎn)換器200還可以通 過通路251用模式電路209感測節(jié)點211處的電壓,以便根據(jù)節(jié)點250處感測的 狀態(tài)確定電壓電平是所預期的。在一些實施例中,如果節(jié)點211處感測的電壓電 平與節(jié)點250處感測的狀態(tài)不一致,則模式選擇電路209可以將轉(zhuǎn)換器200設置 在待機狀態(tài),或者可以依靠在節(jié)點211測得的電壓作出模式選擇決定?!┻x擇降壓模式,控制電路205產(chǎn)生控制信號用于驅(qū)動PMOS開關 202和NMOS開關204,使得轉(zhuǎn)換器200在降壓模式下工作。在一些實施例中,控 制電路205可以包括控制線路,如脈沖寬度調(diào)制電路和驅(qū)動電路,適于切換PMOS開關202和NMOS開關204的開啟和關斷。因此,在工作中,控制電路205使轉(zhuǎn)換器200在充電和放電階段之間替 換,以便跨接線端215和217提供需要的調(diào)節(jié)輸出電壓。例如,當控制電路205 將PMOS開關202開啟而將NMOS開關204關斷時,電壓源212連接到電感器206。 這導致來自電壓源212的能量被儲存在電感器206中并且通過增大的電流穿過電 感器向接線端215和217供電。當控制電路205關斷PMOS開關202而開啟NMOS 開關204時,電感器206放電并且向電池214、電容器210和接線端215、 217提 供能量。在一些實施例中,轉(zhuǎn)換器200可以包括可選的電池充電電路218和二極 管219。充電電路218可用于在電壓源212向電池充電時控制電池214的充電???接線端215和217的調(diào)節(jié)電壓還可以用于驅(qū)動負載,例如與向消費電子設備供電 相關的負載。當不存在電壓源212或者當系統(tǒng)負載超過存在電壓源212時可用的 電流時,可選的二極管219從電池提供電流,以供應跨接線端215和217的系統(tǒng) 負載。通過控制兩個開關的工作周期,控制電路205調(diào)節(jié)傳送至接線端215和 217上負載的能量,以便在接線端215和217并向電池214提供相對平穩(wěn)和調(diào)節(jié)的 輸出電壓??蛇x的電池充電器218可進一步調(diào)整調(diào)節(jié)電壓,使得它也向電池214提 供基本恒定的電流和恒定的電壓,以利于充電。此外,在一些實施例中,轉(zhuǎn)換器 200可以包括感測通路203,它可用于監(jiān)控來自電壓源212的輸入電流。超出輸入 電流閾值可能導致控制電路205調(diào)節(jié)PMOS開關202的工作周期,直到輸入電流 回到閾值限制以下?,F(xiàn)參見圖4,示出了轉(zhuǎn)換器300,它是轉(zhuǎn)換器200的一種表示,在升壓 模式沿相反方向工作。因此,為了簡化起見,與降壓模式工作相關的某些部件已 略去。因為幾乎使用了所有相同的部件并執(zhí)行相同或極為相似的功能,部件的指 定標記保持相同。如同在轉(zhuǎn)換器200中,轉(zhuǎn)換器300可以通過外部信號(手動或自動地) 和/或內(nèi)部通過感測接線端211、 213、 215和217處的信號并且選擇合適的工作模 式(例如通過比較這些接線端處的信號)設置在升壓模式下工作。這可以通過模 式電路209實現(xiàn),模式電路209可以包括比較、感測或其它用于確定適當工作模 式的電路。如前所述,可以實現(xiàn)的一種方式是通過感測節(jié)點250處ID針腳的狀態(tài)。轉(zhuǎn)換器300還可以通過通路251用模式電路209感測節(jié)點211處的電壓,以便根 據(jù)在節(jié)點250處感測的狀態(tài)確定電壓電平是所預期的。在一些實施例中,如果在 節(jié)點211處感測的電壓電平與在節(jié)點250處感測的狀態(tài)不一致,則模式選擇電路 209將轉(zhuǎn)換器300設置在待機狀態(tài),或者可以依靠在節(jié)點211處測得的電壓作出模 式選擇決定?!┻x擇升壓模式,控制電路205產(chǎn)生控制信號用于驅(qū)動PMOS開關 202和NMOS開關204,使得轉(zhuǎn)換器300在升壓模式下工作。控制電路205使轉(zhuǎn)換 器300在充電和放電階段之間交替,以便跨接線端211和213提供需要的升高輸 出電壓。例如,當控制電路205關斷PMOS開關202而開啟NMOS開關204時, 接線端211和213處的負載與電感器206隔離,并且來自電池214的能量被儲存 在電感器206上。當控制電路205開啟PMOS開關202而關斷NMOS開關204,儲存在 電感器206的能量被提供給負載并且在接線端211和213產(chǎn)生升高的電壓??缃?線端2U和213的調(diào)節(jié)電壓可用于向通信鏈路,如USB鏈路進行供電,和/或還可 以用于驅(qū)動負載,如擴音器等。另外,在一些實施例中,控制電路205可利用感測通路203來監(jiān)控轉(zhuǎn)換 器300的輸出電流。超過輸出電流閾值可能導致控制電流205調(diào)節(jié)NMOS開關204 的工作周期,直到輸出電流回到閾值限制以下。例如,可以進行所述電流感測, 以確保供應的電流在由通信鏈路,如USB鏈路指定的范圍內(nèi)。另外,應當理解, 在升壓模式,電池214可以既驅(qū)動轉(zhuǎn)換器300又驅(qū)動任何相關負載,如消費電子 設備?,F(xiàn)參見圖5,示出了在降壓模式下工作的轉(zhuǎn)換器400,它是圖3所示轉(zhuǎn) 換器200的一種更詳細表示。在一些實施例中,轉(zhuǎn)換器400可以配置在集成電路 301上。轉(zhuǎn)換器400與圖3所示轉(zhuǎn)換器在許多方面是相似的,并且大體包括已類似 標記的部件和功能塊,以表示類似的功能和大體對應。例如,電路400包括電壓 源312 (圖3中的電壓源212),電感器306和電容器310 (分別為圖3中的電感 器206和電容器210),電池314(圖3中的電池214) , PMOS晶體管302和NMOS 晶體管304 (分別為圖3中的開關202, 204),控制電路305 (控制電路205), 模式電路309 (模式電路209),可選的電池充電電路318 (充電器218)和接線 端311、 313、 315和317 (圖3中的接線端211、 213、 215和217)。轉(zhuǎn)換器400還包括放大器電路320、 322和324,并且還可包括二極管330和332。在工作中,轉(zhuǎn)換器400如同轉(zhuǎn)換器200,可以通過外部信號(手動或自 動)或內(nèi)部通過感測輸入/輸出端的信號并選擇合適的工作模式設置在降壓模式下 工作。這可以通過模式電路309實現(xiàn),以確定適當?shù)墓ぷ髂J健@?,模式電?09可以感測連接到節(jié)點350的ID針腳的狀態(tài),以確 定是以降壓模式還是以升壓模式工作。假設感測到降壓模式特征(例如,在ID針 腳上大于100kOhm的對地電阻),模式選擇電路309將轉(zhuǎn)換器400設置為降壓轉(zhuǎn) 換器。在這種情況下,模式電路309連接放大器320的輸出,以通過開關352控 制電路305。在一些實施例中,當轉(zhuǎn)換器400在降壓模式下工作時,模式電路309 可以禁用或關斷放大器324。轉(zhuǎn)換器400還可以通過通路351用模式電路309感測節(jié)點311的電壓, 以根據(jù)節(jié)點350處感測的狀態(tài)確定電壓電平是所預期的。在一些實施例中,如果 在節(jié)點311處感測的電壓電平與節(jié)點350處感測的狀態(tài)不一致,則模式選擇電路 309可以將轉(zhuǎn)換器400設置在待機狀態(tài),或者可以依靠在節(jié)點311處測得的電壓作 出模式選擇決定。在USB實施例中,如果電壓源312的電壓大于4.3V和/或大于電池電壓, 如同由模式選擇線路309中的比較器所確定的,轉(zhuǎn)換器400可以自動用作降壓轉(zhuǎn) 換器并且對電池充電和向接線端315和317供電。在一些實施例中,可選的微控 制器或用戶還可以利用通路350來調(diào)節(jié)供電設置,例如對USB實施例將轉(zhuǎn)換器400 設置在例如100mA和500mA之間的模式,或者通過向模式選擇電路進行邏輯輸 入將轉(zhuǎn)換器400設置在待機(未示出)。—旦選擇降壓模式,控制電路305產(chǎn)生控制信號用于驅(qū)動PMOS晶體管 302和NMOS晶體管304,使得轉(zhuǎn)換器400在降壓模式下工作。盡管示出為PMOS 和NMOS晶體管,開關302和304可以設置為任何合適的半導體或電樞型開關, 具有任何合適的極性或設置。在開關302為PNP功率晶體管的情況,可以平行連 接肖特基(Schottky)二極管,以避免在一個或兩個方向上的晶體管飽和。此外,在 一些實施例中,控制電路305可以包括控制線路如脈沖寬度調(diào)制電路和驅(qū)動電路 適于切換PMOS晶體管302和NMOS晶體管304的開啟和關斷。在工作中,轉(zhuǎn)換器400可以在接線端311從墻式插座或其它電源接收整 流輸入電壓??刂齐娐?05與放大器320和322 —起工作并且使轉(zhuǎn)換器400在充電和放電階段之間交替,以便跨接線端315和317提供需要的調(diào)節(jié)輸出電壓。當 控制電路305將PMOS晶體管302開啟而將NMOS晶體管304關斷,電壓源312 連接到電感器306。這導致來自電壓源312的能量被儲存在電感器306上,并且通 過增大的電流穿過電感器向接線端315和317供電。當控制電路305關斷PMOS晶體管302而開啟NMOS晶體管304時, 電感器306放電并且向接線端315和317提供能量。從輸入311通過PMOS晶體 管302到電感器306的電流路徑,和從接地通過NMOS晶體管304到電感器306 的電流路徑通過最上部的虛線示出。放大器320將轉(zhuǎn)換器400的輸出電壓315與 預設的參考信號REF1進行比較。如果輸出電壓小于REF1,則放大器320會提供錯誤信號,導致控制電 路305增大PMOS晶體管302的工作周期并且向接線端315和317提供更多的電 力,直到輸出電壓基本等于REF1。如果輸出電壓大于REF1,則放大器320會提 供錯誤信號,導致控制電路305減少PMOS晶體管302的工作周期并且減少向接 線端315和317供電,直到輸出電壓基本等于REF1。在包括可選的電池充電電路318的實施例中,充電器318可進一步調(diào)節(jié) 輸出電壓,使得它也向電池電壓314之上的輸出電壓315提供基本恒定電流和恒 定電壓,以有利于充電。在這種情況下,連接到電池314的放大器320的非反相 端為輸出電壓315提供調(diào)節(jié)點。輸出電壓315的調(diào)節(jié)點一般設置為略高于電池電 壓,以允許電池充電電路318的正確工作?!愣?,放大器320會根據(jù)在兩個非反相輸入端的信號來設定調(diào)節(jié)點 (例如,會調(diào)節(jié)到兩個施加電壓的較高一個)。從輸入311到電池314的電流路 徑大體由通過充電器318的向下虛線示出。直接從電感器306流入電池的電流被 二極管330和332阻擋。適合的所述充電電路可以在LTC4088找到。在該工作模 式,跨接線端315和317的調(diào)節(jié)電壓還可用于驅(qū)動負載,例如與對消費電子設備 供電相關的負載。通過控制兩個開關的工作周期,放大器320產(chǎn)生錯誤信號,導致控制電 路305調(diào)節(jié)傳送到接線端315和317上負載的能量,在接線端315和317提供相 對平穩(wěn)和調(diào)節(jié)的輸出電壓。此外,在一些實施例中,轉(zhuǎn)換器400可以包括感測通 路303,它可用于監(jiān)控從電壓源312通過電阻器340的輸入電流(它與由REF2設 定的閾值進行比較)。超出輸入電流閾值可導致放大器322產(chǎn)生錯誤信號,導致控制電路305減小PMOS晶體管302的工作周期,直到輸入電流回到閾值限制以 下。如果由于輸入電流限制,由系統(tǒng)在接線端315提取的電流超過來自轉(zhuǎn)換器400 可用的電流,則電池會通過內(nèi)部二極管330和外部二極管來補給差值?,F(xiàn)參見圖6,示出轉(zhuǎn)換器500在升壓模式下工作,轉(zhuǎn)換器500是圖4所 示轉(zhuǎn)換器300的更詳細表示。在一些實施例中,轉(zhuǎn)換器500可以配置在集成電路 包301上。轉(zhuǎn)換器500在許多方面與圖4所示的轉(zhuǎn)換器相似,并且總體包括巳類 似標記的部件和功能塊,以表示類似的功能和大體對應。例如,電路500包括電 池314 (圖4中的電池214),電感器306和電容器310 (分別為圖4中的電感器 206和電容器210) , PMOS晶體管302和NMOS晶體管304 (分別為圖4中的開 關202和204),控制電路305 (控制電路205),模式電路309 (模式電路209) 和接線端311, 313, 315和317 (圖3中的接線端211, 213, 215和217)。轉(zhuǎn)換 器500還包括放大器電路320, 322和324,并且還可以包括二極管330和332。在工作中,如同轉(zhuǎn)換器300,轉(zhuǎn)換器500可以通過外部信號(手動或自 動)或者內(nèi)部通過感測輸入/輸出端的信號和選擇合適的工作模式設定在升壓模式 下工作。例如,模式電路309可以感測連接到節(jié)點350的ID針腳的狀態(tài),以確 定是在降壓模式還是在升壓模式工作。假設感測到升壓模式特征(例如小于10歐 姆的對地電阻),模式選擇電路309將轉(zhuǎn)換器500設置為升壓轉(zhuǎn)換器。在這種情 況下,模式電路309連接放大器324的輸出,以便通過開關352控制電路305。在 一些實施例中,當轉(zhuǎn)換器500在升壓模式工作時,模式電路309可以禁用或關斷 放大器320。轉(zhuǎn)換器500還可以通過通路351用模式電路309感測節(jié)點311的電壓, 以根據(jù)在節(jié)點350感測的狀態(tài)確定電壓電平是所預期的。在一些實施例中,如果 在節(jié)點311處感測的電壓電平與在節(jié)點350處感測的狀態(tài)不一致,模式選擇電路 309可以將轉(zhuǎn)換器500設置在待機狀態(tài),或者可以依靠在節(jié)點311測得的電壓作出 模式選擇決定。在USB實施例中,模式電路309可以將轉(zhuǎn)換器500設置為用作升壓轉(zhuǎn) 換器,以便對接線端311和313上電,前提是接線端315和317上有足夠的電池 電壓(例如,對于通常單節(jié)鋰離子電池為大于約2.8V)。這可以利用通路353結(jié) 合模式電路309中的比較器來確定。在一些實施例中,微控制器(未示出)或用戶可以通過通路350將轉(zhuǎn)換器500設置在待機模式,并對接線端311和313下電。 這在外圍設備不再需要用電時發(fā)生。如果外圍設備后來需要來自轉(zhuǎn)換器500的電 力,它可以利用會話請求協(xié)議(SRP)從微控制器/用戶請求電力。微控制器/用戶 可以隨后通過通路350再次啟動升壓轉(zhuǎn)換器。為防止在升壓模式期間在接線端311和313上出現(xiàn)外部輸入供應的意外 后驅(qū)動,模式電路309可以確定當ID針腳具有小于10歐姆(Ohm)的對地電阻時, 接線端上是否己有大于約4.3V電壓。如果所述電壓已存在,模式電路309不會啟 動轉(zhuǎn)換器。如果具有故障ID針腳的微型B插件連接到接線端311和313,這種情 況是可能的。盡管示出的是PMOS和NMOS晶體管,開關302和304可以設置為任 何合適的半導體或電樞型開關,具有任何適當?shù)臉O性或設置。在開關302為PNP 功率晶體管的情況,可以平行連接肖特基(Scho他y)二極管,以避免在一個或兩個 方向上晶體管飽和。此外,在一些實施例中,控制電路305可以包括控制線路, 如脈沖寬度調(diào)制電路和驅(qū)動電路,適于切換PMOS晶體管302和NMOS晶體管304 的開啟與關斷。在工作中,轉(zhuǎn)換器500在接線端315從電池314接收輸入電壓。控制電 路305結(jié)合放大器322和324 —起工作,并且使轉(zhuǎn)換器500在充電和放電階段之 間交替,以便跨接線端311和313提供需要的升高輸出電壓。例如,當控制電路 315將PMOS晶體管關斷而將NMOS晶體管304開啟時,接線端311和313處的 負載變?yōu)榕c電感器306隔離,并且來自電池314的能量被儲存在電感器306上(即 充電階段)。當控制電路305開啟PMOS晶體管302而關斷NMOS晶體管304時, 儲存在電感器306中的能量被供應給負載,并在接線端311和313產(chǎn)生升高的電 壓。從電池314到電感器306的電流路徑由通過二極管330和322的向上去的虛 線示出。二極管330和332理想地具有低正向電壓降,以使功率損耗降到最小。 盡管示出的是二極管,330和332可以使用MOSFET和比較器進行配置,以便更 精確接近"理想二極管"功能。所述的"理想二極管"功能在由Milpitas CA的Linear Technology Corporation (即本專利申請的受讓人)生產(chǎn)的LTC4088上得以體現(xiàn)。放大器324將轉(zhuǎn)換器500的輸出電壓與預設的參考信號REF3進行比較。 如果輸出電壓小于REF3,則放大器324會產(chǎn)生錯誤信號,導致控制電路305增大 NMOS晶體管304的工作周期,并且向接線端311和313提供更多的電力,直到輸出電壓基本等于REF3。如果輸出電壓大于REF3,則放大器324會產(chǎn)生錯誤信 號,導致控制電路305減小NMOS晶體管304的工作周期,并且減少對接線端311 和313的供電,直到輸出電壓基本等于REF3。通過控制兩個開關的工作周期,放 大器324調(diào)節(jié)傳送到接線端311和313上負載的能量,在接線端311和313提供 相對平穩(wěn)和調(diào)節(jié)的升高輸出電壓??缃泳€端311和313的調(diào)節(jié)電壓可用于向通信鏈路,如USB鏈路供電, 和/或還可以用于驅(qū)動負載,如擴音器等。從電池314到輸出端311的電流路徑由 通過二極管330和332,通過電感器306和PMOS晶體管302到輸出端311 (通過 過濾電容器308)的向上去虛線示出。在該工作模式下,由電池提供的電壓還可用 于驅(qū)動負載,例如與對接線端315的消費電子設備供電相關的負載。此外,在一些實施例中,轉(zhuǎn)換器500可以包括感測通路303和放大器322, 可用于監(jiān)控通過電阻器340的轉(zhuǎn)換器500的輸出電流(它與由REF2設定的閾值進 行比較)。超過輸出電流閾值可以導致放大器322降低NMOS晶體管304的工作 周期,直到輸出電流回到閾值限制以下。例如,可以進行所述電流感測,以確保 所供應的電流在由通信鏈路,如USB鏈路規(guī)定的范圍內(nèi)。盡管己經(jīng)通過不同電路連接至其他電路公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施例,本 領域技術人員應當理解,所述連接不必要是直接的,其他電路可以互相連接在所 示的連接電路之間,而不會背離本發(fā)明所示的精神。本領域的技術人員還應當理 解,本發(fā)明還可通過其他方式實施,而不僅限于上述具體描述的實施例。所述實 施例僅用于說明性質(zhì)而非限定性質(zhì),并且本發(fā)明只由所附權(quán)利要求書進行限定。
權(quán)利要求
1、一種雙向電源轉(zhuǎn)換器,它在第一方向用作降壓轉(zhuǎn)換器,而在第二方向用作升壓轉(zhuǎn)換器,包括一個電抗元件,用于在第一方向和第二方向工作時儲存能量;多個開關元件,用于選擇性地將一個電抗元件連接到兩個或多個電源中的一個;和模式選擇電路,用于當雙向電源轉(zhuǎn)換器用作降壓轉(zhuǎn)換器時選擇性地將雙向電源轉(zhuǎn)換器連接到第一電源,而當雙向電源轉(zhuǎn)換器用作升壓轉(zhuǎn)換器時選擇性地將雙向電源轉(zhuǎn)換器連接到第二電源,使得當雙向電源轉(zhuǎn)換器用作升壓轉(zhuǎn)換器時,雙向電源轉(zhuǎn)換器被設置向包括功率部件的通信鏈路輸電。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的雙向電源轉(zhuǎn)換器,設置在用作升壓轉(zhuǎn)換器時按照通 用串行總線即插即用規(guī)范向通信鏈路供電。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的雙向電源轉(zhuǎn)換器,設置在用作降壓轉(zhuǎn)換器時提供電 力足以操作移動設備。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的雙向電源轉(zhuǎn)換器,還包括電池充電電路。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙向電源轉(zhuǎn)換器,其中,當雙向電源轉(zhuǎn)換器用作降 壓轉(zhuǎn)換器時,電池充電電路用于調(diào)節(jié)向能量儲存設備提供的電力。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的雙向電源轉(zhuǎn)換器,還包括控制電路,連接到模式選 擇電路,所述控制電路控制多個開關,使得雙向電源轉(zhuǎn)換器在升壓或降壓模式工 作,來響應由模式選擇電路提供的模式選擇信號。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙向電源轉(zhuǎn)換器,其中控制電路控制多個開關中至 少一個開關的工作周期,以便雙向電源轉(zhuǎn)換器提供需要的調(diào)節(jié)輸出電壓。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的雙向電源轉(zhuǎn)換器,其中模式選擇電路還包括感測電路。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的雙向電源轉(zhuǎn)換器,其中感測電路包括比較電路。
10、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的雙向電源轉(zhuǎn)換器,其中第一電源是電源適配器。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向電源轉(zhuǎn)換器,其中第二電源是移動設備的電池。
12、 一種雙向DC-DC電源轉(zhuǎn)換器,它在第一方向用作降壓轉(zhuǎn)換器,而在第二 方向用作升壓轉(zhuǎn)換器,包括一個電抗元件,用于在第一方向或第二方向工作時儲存能量; 多個開關元件,用于選擇性地將一個電抗元件連接到兩個或多個電源中的一 個;和控制電路,控制多個開關,以便雙向電源轉(zhuǎn)換器在降壓模式或升壓模式工作, 使得當雙向電源轉(zhuǎn)換器用作升壓轉(zhuǎn)換器時,雙向電源轉(zhuǎn)換器被設置向包括功率部 件的通信鏈路輸電。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的雙向電源轉(zhuǎn)換器,設置在用作升壓轉(zhuǎn)換器時按照 通用串行總線即插即用規(guī)范向通信鏈路供電。
14、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的雙向電源轉(zhuǎn)換器,設置在用作降壓轉(zhuǎn)換器時提供 電力足以操作移動設備。
15、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的雙向電源轉(zhuǎn)換器,還包括電池充電電路。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的雙向電源轉(zhuǎn)換器,其中,當雙向電源轉(zhuǎn)換器用作 降壓轉(zhuǎn)換器時,電池充電電路用于調(diào)節(jié)對能量儲存設備提供的電力。
17、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的雙向電源轉(zhuǎn)換器,還包括模式選擇電路,連接到 控制電路,用于當雙向電源轉(zhuǎn)換器用作降壓轉(zhuǎn)換器時選擇性地將雙向電源轉(zhuǎn)換器 連接到第一電源,而當雙向電源轉(zhuǎn)換器用作升壓轉(zhuǎn)換器時選擇性地將雙向電源轉(zhuǎn) 換器連接到第二電源。
18、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的雙向電源轉(zhuǎn)換器,其中控制電路控制多個開關中 至少一個開關的工作周期,以便雙向電源轉(zhuǎn)換器提供需要的調(diào)節(jié)輸出電壓。
19、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的雙向電源轉(zhuǎn)換器,其中模式選擇電路還包括感測 電路。
20、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的雙向電源轉(zhuǎn)換器,其中感測電路包括比較電路。
21、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的雙向電源轉(zhuǎn)換器,其中第一電源是電源適配器。
22、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的雙向電源轉(zhuǎn)換器,其中第二電源是移動設備的電池。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于雙向電源轉(zhuǎn)換的電路和方法,它允許移動設備和其它設備產(chǎn)生適于支持多個工作模式的電源。本發(fā)明的雙向電源轉(zhuǎn)換器可以在升壓和降壓設置下工作,而不是僅具有單個專一的轉(zhuǎn)換功能,并且本發(fā)明的雙向電源轉(zhuǎn)換器可以使用許多相同的部件,從而降低了轉(zhuǎn)換器的大小和復雜度。
文檔編號H02M3/155GK101425749SQ200810172079
公開日2009年5月6日 申請日期2008年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月29日
發(fā)明者S·達斯, 威廉·沃特 申請人:凌特公司
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