專利名稱：?jiǎn)坞姼卸噍敵鲛D(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明旨在提供多個(gè)電壓，更具體地，涉及用于從單個(gè)電壓源提供多個(gè)電源電壓 的有效電源管理方法和裝置。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代的第四代無線手持設(shè)備解決方案中，期望電源管理集成電路(PMIC :power management integrated circuit)將生成一組具有不同值的電壓以向例如包括數(shù)字核心、 輸入/輸出設(shè)備、模擬電路和功率放大級(jí)等不同單元供電。這些單元將具有不同的電壓要 求。將要求從具有代表值為2. 6V和5. 5V的端電壓的單個(gè)鋰離子電池中生成電壓。為了滿足這種需求，提供了圖1所示的所謂的H橋降壓-升壓拓?fù)?。參考圖1，示出了電壓生成級(jí)100。電壓源(一般為電池)在線112上提供輸入電 壓。開關(guān)元件包括由開關(guān)102和103形成的降壓部104和由開關(guān)105和106形成的升壓部 109。電容器107是電容存儲(chǔ)元件，并且電感器108是電感存儲(chǔ)元件。電壓源110具有2. 5V 的示例電壓源。如果輸出電壓被要求大于2. 5V，則電源級(jí)100必須在降壓模式和升壓模式 之間切換。在升壓模式中，電壓源110(—般為電池)具有比輸出端的期望電壓低的值。在降 壓模式中，電壓源具有比在輸出端的期望電壓高的值。如圖1所示的拓?fù)涞膯栴}在于，針對(duì)每一個(gè)要求的電壓，必須使用單獨(dú)的電壓生 成級(jí)100。因而，必須針對(duì)每一個(gè)要求的電壓來復(fù)制圖1的整個(gè)電路。這就造成了多個(gè)降 壓-升壓電路和與之相關(guān)聯(lián)的電感器的增生。這增加了成本，占用了空間并產(chǎn)生了干擾。為了克服這些問題，之前已經(jīng)提出了改進(jìn)電源管理IC的方法。這些方法包括設(shè) 置片上(on-chip)電感器；開關(guān)電容器方案；以及多繞組變壓器。通過將電感器制作在芯片上，能夠獲得某種程度的尺寸縮小。但是，片上電感器具 有高串阻，這妨礙了它們?cè)诟唠娏麟娫粗械挠猛?。另外，多個(gè)電源將會(huì)需要可觀的IC面積。開關(guān)電容器使得不需要單電感器就能夠創(chuàng)建切換模式電源。這些電源總體上在低 電流時(shí)工作得非常好，但是在高電流時(shí)，所需要的電容器的值決定了芯片制作面積。如果使 用片外電容器，則片上開關(guān)和片外電容器之間的線路電感變成嚴(yán)重的問題，并且在大多數(shù) 切換電容器元件浮置時(shí)，則產(chǎn)生了嚴(yán)重的電磁感應(yīng)(EMI)。由于需要多個(gè)開關(guān)元件，效率通 常低于基于電感器的降壓-升壓電源?，F(xiàn)有技術(shù)的多繞組變壓器技術(shù)是變壓器耦合正激或反激式轉(zhuǎn)換器，其具有被整流 以提供一組直流電壓的多個(gè)繞組或多個(gè)抽頭。然而，這樣的方案存在多個(gè)問題。獨(dú)立地調(diào) 整每一個(gè)電源是困難的。需要纏繞專用變壓器，而不是能夠使用現(xiàn)成的電感器。該裝置并 不靈活如果需要改變電源電壓中的一個(gè)，則需要重新設(shè)計(jì)變壓器。本發(fā)明的目的是提供一種用于提供多個(gè)電壓電平的改進(jìn)的電源管理方案。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種電壓生成裝置，該電壓生成裝置包括電 壓源；電感器，其中，所述電感器的第一端子以能夠開關(guān)的方式連接到所述電壓源；以及多 個(gè)電容器，所述多個(gè)電容器以能夠開關(guān)的方式連接到所述電感器的第二端子，其中，跨所述 多個(gè)電容器形成了相應(yīng)的多個(gè)電壓。所述多個(gè)電容器中的每一個(gè)都可以電接地。所述多個(gè)電容器中的每一個(gè)都可以連接到第二電壓，所述第二電壓是在所述多個(gè) 電壓中選出的一個(gè)電壓。在這樣的方案中，一個(gè)電容器的所述第二電壓可以電接地。所述電感器的所述第二端子還可以以能夠開關(guān)的方式電接地。所述電感器的第一 端子還可以以能夠開關(guān)的方式電接地。所述電壓生成電路還可以包括用于控制一組開關(guān)的 控制裝置，所述一組開關(guān)提供能夠以開關(guān)方式進(jìn)行控制的功能。所述控制裝置可以適于在電壓升壓周期中在所述多個(gè)電容器中任意電容器連接 到所述電感器的所述第二端子時(shí)將所述電感器的所述第二端子與所述電接地?cái)嚅_連接。所述控制裝置還可以適于在電壓升壓周期中將所述電感器的所述第二端子接地 并將全部所述多個(gè)電容器與所述電感器的所述第二端子斷開連接以對(duì)所述電感器預(yù)充電。 所述控制裝置還可以適于在電壓升壓周期中將所述電感器的所述第一端子連接到所述電 壓源并將所述電感器的所述第二端子與電接地?cái)嚅_連接。所述控制裝置還可以適于在電壓降壓周期中將所述電感器的所述第二端子與電 接地?cái)嚅_連接。所述控制裝置還可以適于在電壓降壓周期中將所述電感器的所述第一端子 選擇性地連接到所述電壓源或電接地。所述多個(gè)電容器中的每一個(gè)都可以在周期中連接到所述電感器的所述第二端子。所述控制裝置可以適于在各個(gè)周期的開始時(shí)在降壓周期和升壓周期之間進(jìn)行選 擇。所述選擇可以取決于標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)本發(fā)明，還提供了一種在電壓生成裝置中生成多個(gè)電壓的方法，該方法包括 以下步驟選擇性地將電壓源連接到電感器的第一端子；選擇性地將多個(gè)電容器中的一個(gè) 連接到所述電感器的第二端子，其中，跨所述多個(gè)電容器上形成相應(yīng)的多個(gè)電壓。該方法還可以包括將所述多個(gè)電容器中的每一個(gè)都電接地的步驟。該方法還可以包括選擇性地將所述電感器的所述第二端子電接地的步驟。該方法還可以包括選擇性地將所述電感器的第一端子電接地的步驟。該方法還可以包括對(duì)提供以開關(guān)方式可控的功能的一組開關(guān)進(jìn)行控制的步驟。該方法還可以包括將每個(gè)電容器依次連接到所述電感器的所述第二端子的步驟。該方法還可以包括以下步驟在電壓升壓周期中，在所述多個(gè)電容器中的任意電 容器連接到所述電感器的所述第二端子時(shí)，將所述電感器的所述第二端子與所述電接地?cái)?開連接。該方法還可以包括以下步驟在電壓升壓周期中，將所述電感器的所述第二端子接 地并將全部所述多個(gè)電容器與所述電感器的所述第二端子斷開連接以對(duì)所述電感器預(yù)充電。該方法還可以包括以下步驟在電壓升壓周期中，將所述電感器的所述第一端子 連接到所述電壓源并將所述電感器的所述第二端子與電接地?cái)嚅_連接。該方法還可以包括以下步驟在電壓降壓周期中，將所述電感器的所述第二端子與電接地?cái)嚅_連接。該方法還可以包括以下步驟在電壓降壓周期中，選擇性地將所述電感器的所述 第一端子連接到所述電壓源或電接地。該方法還可以包括在周期中將所述多個(gè)電容器中的每一個(gè)都連接到所述電感器 的所述第二端子的步驟。該方法還可以包括在各個(gè)周期的開始時(shí)在降壓周期和升壓周期之間進(jìn)行選擇的步驟。該方法還可以包括根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)在降壓周期和升壓周期之間進(jìn)行選擇的步驟。該方法或該裝置可以包括選擇性地將多個(gè)電容器中的一個(gè)連接到所述電感器的 第二端子的步驟，該步驟包括以下步驟針對(duì)給定的電壓電平，生成表示當(dāng)前輸出的電壓電 平與基準(zhǔn)電平之間的差異的誤差信號(hào)；和將所述誤差信號(hào)與斜坡信號(hào)進(jìn)行比較，其中，根據(jù) 該比較步驟來選擇性地連接針對(duì)所述電壓電平的電容器。該方法或該裝置可以包括選擇性地將多個(gè)電容器中的一個(gè)連接到所述電感器的 第二端子的步驟，該步驟包括以下步驟針對(duì)給定的電壓電平，生成表示當(dāng)前輸出的電壓電 平與基準(zhǔn)電平之間的差異的誤差信號(hào)；和將所述誤差信號(hào)與所述電感器中的當(dāng)前電平進(jìn)行 比較，其中，根據(jù)該比較步驟來選擇性地連接針對(duì)所述電壓電平的電容器?？梢栽谒霰容^步驟開始時(shí)連接所述電容器，并且在根據(jù)指示變化的比較步驟來 斷開與所述電容器的連接。


現(xiàn)在將參考附圖來描述本發(fā)明，在附圖中圖1例示了現(xiàn)有技術(shù)中已知的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器；圖2例示了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的原理的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器；圖3例示了圖2的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的升壓模式中的PWM周期；圖4例示了圖2的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的降壓模式中的PWM周期；圖5例示了圖2的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的用于電壓控制模式中的升壓操作的電壓控 制電路；圖6例示了圖2的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的用于電流/充電控制模式中的升壓操作的 電壓控制電路；以及圖7例示了優(yōu)選實(shí)施方式中用于在降壓和升壓模式之間進(jìn)行選擇的控制電路。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將參考示例性實(shí)施方式以示例的方式來描述本發(fā)明。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì) 理解，對(duì)實(shí)施方式的描述是為了容易理解本發(fā)明，并且本發(fā)明并不限于所述的任一個(gè)實(shí)施 方式的細(xì)節(jié)。本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求來限定。在下面的描述中，在不同的圖中使用了相同的標(biāo)號(hào)，這些標(biāo)號(hào)表示一幅圖中與另 一幅圖中的要素相對(duì)應(yīng)的要素。參考圖2，例示了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的電壓電源級(jí)。本發(fā)明提供了開關(guān)和電容器的單個(gè)總成與單個(gè)電感器的組合以從單個(gè)電壓源產(chǎn)生多個(gè)電源電壓。參考圖2，電源級(jí)包括包含開關(guān)102和103的降壓級(jí)104和升壓級(jí)209。升壓級(jí)包 括開關(guān)106和開關(guān)陣列201。提供了圖1中的電感器108。以ρ個(gè)電容器20 至20 來 替代圖1中的電容器107。開關(guān)陣列201在其輸入端將線116上的信號(hào)連接到ρ條輸出線 204!至204p中的一條。電容器20 至20 中的每一個(gè)都連接在輸出線201至204p與接 地之間。三個(gè)開關(guān)102、103、106以及電感器108與圖1中的常規(guī)降壓-升壓裝置中的開關(guān) 102、103、106以及電感器108相同。開關(guān)102選擇性地將電壓源(電池110)連接到電感 器的第一端子。開關(guān)103選擇性地將電感器108的第一端子接地。開關(guān)106選擇性地將電 感器108的第二端子電接地。開關(guān)陣列201替代了圖1中的開關(guān)105，如上所述。開關(guān)陣 列201被控制為輪流將電容器202i至20 中的每一個(gè)連接到線116上的電感器108的第 二端子。不管連接了電容器20 至20 中的哪一個(gè)，電感器108的電感都使得電流流動(dòng)。 當(dāng)開關(guān)201從電源斷開時(shí)，相關(guān)的電源電容器將使電流流入連接到各個(gè)輸出線201至204p 的各個(gè)負(fù)載中。電容器20 至20 中的任一個(gè)連接到電感器108的時(shí)間越長(zhǎng)，則各條輸出線20+ 至204p上的各個(gè)電源電壓就上升得越高。因此，提供了在線201至204p上調(diào)整各個(gè)單獨(dú) 的電源的范圍。在實(shí)踐中，當(dāng)開關(guān)陣列201被連接以對(duì)特定電容器充電時(shí)，在相關(guān)的輸出線上形 成的電壓受到監(jiān)控并與基準(zhǔn)電平進(jìn)行比較。當(dāng)該電壓到達(dá)基準(zhǔn)電平(基準(zhǔn)電平可以對(duì)應(yīng)于 期望的電壓電平)時(shí)，開關(guān)陣列可以切換以對(duì)下一個(gè)電容器充電。在任一條電壓輸出線上形成輸出電壓都優(yōu)選地與材料帶隙的額定版本進(jìn)行比較， 并且接著可以將該輸出電壓變得非常精確并易于改變。已知以電壓模式控制或電流模式控制來使用降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。首先根據(jù)電壓模 式控制來描述根據(jù)本發(fā)明的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，然后根據(jù)專門為本發(fā)明的拓?fù)湓O(shè)計(jì)的更加 先進(jìn)的電流或充電控制方法來描述本發(fā)明的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。如上所述，該轉(zhuǎn)換器在降壓模式或升壓模式中工作。降壓模式與升壓模式之間的 邊界由以下關(guān)系來限定
權(quán)利要求
1.一種電壓生成裝置，該電壓生成裝置包括電壓源；電感器，其中所述電感器的第一端子以能夠開關(guān)的方式連接到所述電壓源；以及多個(gè)電容器，所述多個(gè)電容器以能夠開關(guān)的方式連接到所述電感器的第二端子，其中， 跨所述多個(gè)電容器形成了相應(yīng)的多個(gè)電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓生成裝置，其中，所述多個(gè)電容器中的每一個(gè)都電接地。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓生成裝置，其中，所述多個(gè)電容器中的每一個(gè)都連接到 第二電壓，所述第二電壓是在所述多個(gè)電壓中選出的一個(gè)電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的電壓生成裝置，其中，所述電感器的所述第二端子還以能 夠開關(guān)的方式電接地。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)所述的電壓生成裝置，其中，所述電感器的第一端子還 以能夠開關(guān)的方式電接地。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電壓生成電路，該電壓生成電路還包括用于控制 一組開關(guān)的控制裝置，所述一組開關(guān)提供了以開關(guān)方式可控的功能。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電壓生成電路，所述控制裝置適于將每個(gè)電容器 依次連接到所述電感器的所述第二端子。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電壓生成電路，其中，所述控制裝置還適于在電壓升壓周期 中在所述多個(gè)電容器中任意電容器連接到所述電感器的所述第二端子時(shí)將所述電感器的 所述第二端子與所述電接地?cái)嚅_連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的電壓生成電路，其中，所述控制裝置還適于在電壓升壓周 期中將所述電感器的所述第二端子接地并將全部所述多個(gè)電容器與所述電感器的所述第 二端子斷開連接以對(duì)所述電感器預(yù)充電。
10.根據(jù)權(quán)利要求6到8中任一項(xiàng)所述的電壓生成電路，其中，所述控制裝置還適于在 電壓升壓周期中將所述電感器的所述第一端子連接到所述電壓源并將所述電感器的所述 第二端子與電接地?cái)嚅_連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求7到10中任一項(xiàng)所述的電壓生成電路，其中，所述控制裝置還適于在 電壓降壓周期中將所述電感器的所述第二端子與電接地?cái)嚅_連接。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電壓生成電路，其中，所述控制裝置還適于在電壓降壓周 期中將所述電感器的所述第一端子選擇性地連接到所述電壓源或電接地。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電壓生成電路，其中，在周期中將所述多個(gè)電容 器中的每一個(gè)都連接到所述電感器的所述第二端子。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電壓生成電路，其中，所述控制裝置適于在每個(gè)周期的開 始時(shí)在降壓周期與升壓周期之間進(jìn)行選擇。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電壓生成電路，其中，所述選擇取決于標(biāo)準(zhǔn)。
16.一種在電壓生成裝置中生成多個(gè)電壓的方法，該方法包括以下步驟選擇性地將電壓源連接到電感器的第一端子；選擇性地將多個(gè)電容器中的一個(gè)連接到所述電感器的第二端子，其中，跨所述多個(gè)電 容器形成相應(yīng)的多個(gè)電壓。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，該方法還包括以下步驟將所述多個(gè)電容器中的每一個(gè)都電接地。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的方法，該方法還包括以下步驟選擇性地將所述電感 器的所述第二端子電接地。
19.根據(jù)權(quán)利要求16到18中任一項(xiàng)所述的方法，該方法還包括以下步驟選擇性地將 所述電感器的所述第一端子電接地。
20.根據(jù)權(quán)利要求16到19中任一項(xiàng)所述的方法，該方法還包括以下步驟對(duì)一組開關(guān) 進(jìn)行控制，所述一組開關(guān)提供了以開關(guān)方式可控的功能。
21.根據(jù)權(quán)利要求16到20中任一項(xiàng)所述的方法，該方法還包括以下步驟將每個(gè)電容 器依次連接到所述電感器的所述第二端子。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，該方法還包括以下步驟在電壓升壓周期中，在所述 多個(gè)電容器中的任意電容器連接到所述電感器的所述第二端子時(shí)，將所述電感器的所述第 二端子與所述電接地?cái)嚅_連接。
23.根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的方法，該方法還包括以下步驟在電壓升壓周期中， 將所述電感器的所述第二端子接地并將全部所述多個(gè)電容器與所述電感器的所述第二端 子斷開連接以對(duì)所述電感器預(yù)充電。
24.根據(jù)權(quán)利要求21到23中任一項(xiàng)所述的方法，該方法還包括以下步驟在電壓升壓 周期中，將所述電感器的所述第一端子連接到所述電壓源并將所述電感器的所述第二端子 與電接地?cái)嚅_連接。
25.根據(jù)權(quán)利要求21到24中任一項(xiàng)所述的方法，該方法還包括以下步驟在電壓降壓 周期中，將所述電感器的所述第二端子與電接地?cái)嚅_連接。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，該方法還包括以下步驟在電壓降壓周期中，選擇性 地將所述電感器的所述第一端子連接到所述電壓源或電接地。
27.根據(jù)權(quán)利要求16到沈中任一項(xiàng)所述的方法，該方法還包括以下步驟在周期中將 所述多個(gè)電容器中的每一個(gè)都連接到所述電感器的所述第二端子。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，該方法還包括以下步驟在每個(gè)周期的開始時(shí)在降 壓周期與升壓周期之間進(jìn)行選擇。
29.根據(jù)權(quán)利要求觀所述的方法，該方法還包括以下步驟根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)在降壓周期與升 壓周期之間進(jìn)行選擇。
30.根據(jù)權(quán)利要求15到四中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述選擇性地將多個(gè)電容器中 的一個(gè)連接到所述電感器的第二端子的步驟包括以下步驟針對(duì)給定的電壓電平，生成表 示當(dāng)前輸出的電壓電平與基準(zhǔn)電平之間的差異的誤差信號(hào)；和將所述誤差信號(hào)與斜坡信號(hào) 進(jìn)行比較，其中，根據(jù)該比較步驟來選擇性地連接針對(duì)所述電壓電平的電容器。
31.根據(jù)前述權(quán)利要求15到30中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述選擇性地將多個(gè)電容 器中的一個(gè)連接到所述電感器的第二端子的步驟包括以下步驟針對(duì)給定的電壓電平，生 成表示當(dāng)前輸出的電壓電平與基準(zhǔn)電平之間的差異的誤差信號(hào)；和將所述誤差信號(hào)與所述 電感器中的當(dāng)前電平進(jìn)行比較，其中，根據(jù)該比較步驟來選擇性地連接針對(duì)所述電壓電平 的電容器。
32.根據(jù)權(quán)利要求30或31所述的方法，其中，在所述比較步驟開始時(shí)連接所述電容器， 并且根據(jù)指示變化的所述比較步驟來斷開與所述電容器的連接。
全文摘要
公開了一種包括電壓生成裝置的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，該電壓生成裝置包括電壓源(110)；電感器(108)，其中電感器的第一端子以能夠開關(guān)的方式連接到所述電壓源；以及多個(gè)電容器(202)，所述多個(gè)電容器以能夠開關(guān)的方式連接到電感器的第二端子(116)，其中，跨該多個(gè)電容器形成了相應(yīng)的多個(gè)電壓Vi。
文檔編號(hào)H02M3/158GK102084581SQ200980125242
公開日2011年6月1日 申請(qǐng)日期2009年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月15日
發(fā)明者馬丁·威爾遜 申請(qǐng)人:努吉拉有限公司