本公開涉及DC-DC轉(zhuǎn)換器，并且更具體地涉及高效的升壓、降壓和反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器電路系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

DC-DC轉(zhuǎn)換器將輸入DC電壓轉(zhuǎn)換為輸出DC電壓以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器包括電感器與一個(gè)或多個(gè)開關(guān)，以提供高達(dá)輸入電壓電平的輸出電壓。升壓轉(zhuǎn)換器也包括電感器與一個(gè)或多個(gè)開關(guān)，以提供超過輸入電壓的輸出電壓。降壓-升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)生低于或高于輸入電壓電平的輸出電壓。

圖10示出了具有串聯(lián)連接在輸入電壓VIN和輸出電壓VOUT之間的第一和第二(高側(cè)和低側(cè))晶體管M1和M2的感應(yīng)反相降壓-升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器1000。電感器L被連接在將晶體管M1和M2結(jié)合的中心開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW與接地連接點(diǎn)之間。輸入電容器CIN被連接在VIN與地之間，而輸出電容器COUT被連接在輸出電壓VOUT與地之間。在操作中，在沿著第一路徑1001流動(dòng)的電流的開關(guān)周期的第一部分中，第一晶體管M1接通而M2關(guān)斷；并且在沿著第二路徑1002流動(dòng)的電流的開關(guān)周期的第二部分中M2接通而M1關(guān)斷。在每個(gè)開關(guān)周期的第一部分期間，M1被接通，其將開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW連接到電源電壓VIN。因此，電感器電壓為VIN，其導(dǎo)致電感器電流上升。此外，在第一開關(guān)周期部分中，M2兩端的電壓為VIN+|VOUT|。在第二開關(guān)周期部分期間，M2接通并且M1關(guān)斷以將開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW連接到輸出電壓VOUT。在這種情況下，電感L兩端的電壓為-VOUT，其導(dǎo)致電感電流下降，并且M1兩端的電壓為VIN+|VOUT|。以這種方式，M1和M2的開關(guān)操作提供負(fù)輸出電壓VOUT，其絕對(duì)值可以大于、小于或等于輸入電壓VIN的電平。

圖10中的反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器1000中的晶體管M1和M2暴露于輸入電壓VIN和輸出電壓VOUT的量值之和。此外，轉(zhuǎn)換器1000的晶體管M1和M2的尺寸必須至少能承受開關(guān)模式中的VIN+|VOUT|，轉(zhuǎn)換器1000需要晶體管具有比標(biāo)準(zhǔn)降壓或升壓轉(zhuǎn)換器更高的額定電壓。最嚴(yán)重的情況來自當(dāng)M1和M2在飽和區(qū)域中操作并傳導(dǎo)完全電感電流同時(shí)阻斷高源-漏電壓的開關(guān)期間。增加晶體管M1和M2的阻斷電壓增加了器件尺寸，并且因此與常規(guī)降壓轉(zhuǎn)換器相比，增加了開關(guān)損耗。此外，開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW上的電壓擺動(dòng)以及因此電感器L兩端的電壓高于與常規(guī)降壓轉(zhuǎn)換器或常規(guī)升壓轉(zhuǎn)換器相關(guān)聯(lián)的電感器電壓擺動(dòng)。雖然降壓-升壓拓?fù)錇楣潭ㄝ斎腚妷篤IN提供更寬的輸出電壓范圍，但與降壓或升壓轉(zhuǎn)換器架構(gòu)相比，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器1000遭受更大的紋波電流和更高的感應(yīng)開關(guān)損耗。結(jié)果，常規(guī)的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器1000不能實(shí)現(xiàn)降壓轉(zhuǎn)換器或升壓轉(zhuǎn)換器可能的效率。

圖11示出了三電平轉(zhuǎn)換器1100，其使用連接在M1和M2之間的兩個(gè)附加晶體管M3和M4以及連接到M3和M4兩端的附加電容器節(jié)點(diǎn)CAP1和CAP2的電容器C以減小有效晶體管和電感器電壓。穩(wěn)態(tài)電容器偏置電壓是(|VO|+VI)/2，并且在第一開關(guān)周期部分期間從輸入電壓VIN中減去，其中M1和M4接通以沿著路徑1101傳導(dǎo)。在第二開關(guān)周期部分期間，M2和M3接通，電容器電壓被從輸出電壓VOUT中減去，并且與圖10的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器1000相比，開關(guān)M1-M4兩端的電壓降低。此外，開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓降低，導(dǎo)致較低的電感器電流紋波和較低的傳導(dǎo)損耗。然而，圖11的轉(zhuǎn)換器電路1100具有許多缺點(diǎn)。在每個(gè)開關(guān)周期部分中，四個(gè)晶體管中的兩個(gè)串聯(lián)連接，并且即使各個(gè)晶體管M1-M4小于在圖10的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器1000中使用的晶體管，總開關(guān)損耗也是顯著的。此外，轉(zhuǎn)換器1100包括兩個(gè)額外的晶體管M3和M4以及在每個(gè)開關(guān)周期期間必須切換的三個(gè)節(jié)點(diǎn)。此外，電容器C通常太大而不能集成在單個(gè)芯片上，因此需要兩個(gè)附加引腳來訪問CAP1和CAP2節(jié)點(diǎn)。此外，對(duì)于電容器偏置電壓不存在固有的復(fù)位狀態(tài)，并且需要額外的控制環(huán)路以避免電容器電壓失控條件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

公開的示例包括高效的集成電路和電感電容性DC-DC轉(zhuǎn)換器，其提供降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的擴(kuò)展輸出電壓范圍的優(yōu)點(diǎn)。在一個(gè)示例中，該轉(zhuǎn)換器包括具有第一和第二開關(guān)與電感器的第一轉(zhuǎn)換器級(jí)，以及包括第三和第四開關(guān)與電容器的第二轉(zhuǎn)換器級(jí)。當(dāng)輸出電壓信號(hào)低于閾值時(shí)，雙模式控制電路在第一模式中通過脈沖寬度調(diào)制第一轉(zhuǎn)換器級(jí)的開關(guān)來調(diào)節(jié)輸出電壓信號(hào)。當(dāng)輸出電壓超過閾值時(shí)，控制電路在第二模式中以第一狀態(tài)進(jìn)行操作以接通第一和第三開關(guān)，并且以第二狀態(tài)接通第四開關(guān)以將電感器與快速電容器串聯(lián)連接。第一級(jí)和第二級(jí)的雙模式操作有助于具有減少的電感器損耗和轉(zhuǎn)換器開關(guān)損耗的降壓-升壓操作，同時(shí)減少轉(zhuǎn)換器開關(guān)的阻斷電壓需求。

附圖說明

圖1是高效DC-DC轉(zhuǎn)換器中的集成電路的示意圖。

圖2是反相降壓-升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的示意圖。

圖3是圖2的DC-DC轉(zhuǎn)換器中的波形和開關(guān)控制信號(hào)的信號(hào)圖。

圖4是在針對(duì)輸入電壓超過輸出電壓的絕對(duì)值的第一操作模式的第一切換狀態(tài)中的圖2的轉(zhuǎn)換器的操作的示意圖。

圖5是在第一操作模式的第二開關(guān)狀態(tài)中的圖2的轉(zhuǎn)換器的操作的示意圖。

圖6是在針對(duì)輸入電壓低于輸出電壓的絕對(duì)值的第二操作模式的第一開關(guān)狀態(tài)中的圖2的轉(zhuǎn)換器的操作的示意圖。

圖7是在第二操作模式的第二切換狀態(tài)中的圖2的轉(zhuǎn)換器的操作的示意圖。

圖8是升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的示意圖。

圖9是降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的示意圖。

圖10是反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的示意圖。

圖11是三電平反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的示意圖。

具體實(shí)施方式

在附圖中，相同的參考標(biāo)記始終指代相同的元件，并且各種特征不一定按比例繪制。在下面的討論和權(quán)利要求中，術(shù)語“包括”、“包含”、“具有”，“含有”、“帶有”或其變體旨在以類似于術(shù)語“包括”的方式是總括性的，并因此應(yīng)當(dāng)被解釋為意味著“包括但不限于…”。此外，術(shù)語“耦合”或“耦接”和短語“與……耦合”旨在包括間接或直接電連接或其組合。例如，如果第一裝置耦合到第二裝置或與第二裝置耦合，則該連接可以通過直接電連接，或者經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)中間裝置和連接件通過間接電連接。

圖1示出接收DC輸入電壓信號(hào)并提供DC輸出電壓信號(hào)以驅(qū)動(dòng)負(fù)載(未示出)的DC-DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)或電路100。如下面進(jìn)一步討論的，轉(zhuǎn)換器電路100可以以各種不同的配置進(jìn)行操作，包括反相降壓-升壓配置，其在相對(duì)于第二I/O節(jié)點(diǎn)NB的第一I/O節(jié)點(diǎn)NA處接收輸入電壓信號(hào)VI，并且將反相的或負(fù)的輸出電壓信號(hào)VO傳遞到相對(duì)于節(jié)點(diǎn)NB的第三I/O節(jié)點(diǎn)NC，如圖2和4-7所示。在另一可能的配置中，轉(zhuǎn)換器100作為升壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行操作，其相對(duì)于節(jié)點(diǎn)NA處的恒定電壓在I/O節(jié)點(diǎn)NB處接收DC輸入信號(hào)VI，并且在節(jié)點(diǎn)NC處傳遞輸出電壓信號(hào)VO，如在下面圖8中進(jìn)一步所示。系統(tǒng)100的另一種可能的DC-DC轉(zhuǎn)換器配置是降壓轉(zhuǎn)換器，其在節(jié)點(diǎn)NC處接收輸入電壓信號(hào)VI并且在節(jié)點(diǎn)NB處傳遞輸出電壓信號(hào)VO，輸入和輸出電壓二者都相對(duì)于節(jié)點(diǎn)NA處的恒定電壓，如圖9中進(jìn)一步所示。

在一個(gè)示例中，DC-DC轉(zhuǎn)換器電路100使用如圖1所示的DC-DC驅(qū)動(dòng)器集成電路(IC)110來實(shí)現(xiàn)，其包括與I/O節(jié)點(diǎn)NA耦合的第一引腳111、與I/O節(jié)點(diǎn)NC耦合的第二引腳112、與I/O節(jié)點(diǎn)NB耦合的第三引腳113以及用于連接外部快速電容器CF的第四引腳114和第五引腳115。引腳115連接到IC 110的開關(guān)節(jié)點(diǎn)116，并且電感器L耦合在第五引腳115和I/O節(jié)點(diǎn)NB之間。在某些示例中，電容器CF可以被集成在IC 110內(nèi)。圖1的示例還包括耦合在I/O節(jié)點(diǎn)NA和NB之間的第一電容器C1以及耦合在NB和NC之間的第二電容器C2。IC 110還包括四個(gè)開關(guān)S1、S2、S3和S4。開關(guān)S1-S4可以是任何合適的一種類型或多種類型的基于半導(dǎo)體的開關(guān)，包括但不限于雙極晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。圖1的示例包括N溝道FET，但是在各種示例中可以使用P溝道FET和/或N溝道FET和P溝道FET的組合。系統(tǒng)100的各個(gè)部件分別構(gòu)成第一轉(zhuǎn)換器級(jí)101和第二轉(zhuǎn)換器級(jí)102。開關(guān)S1和S2以及電感器L形成第一轉(zhuǎn)換器級(jí)101，并且開關(guān)S3和S4以及快速電容器CF形成第二轉(zhuǎn)換器級(jí)102。在某些實(shí)施例中，電感器L被包括在集成電路110中。

第一開關(guān)S1包括與IC 110中的第一節(jié)點(diǎn)131耦合的第一端子，以及與開關(guān)節(jié)點(diǎn)116和第五引腳115耦合的第二端子。電感器L的第一端子與開關(guān)節(jié)點(diǎn)116和第五引腳115耦合。第一轉(zhuǎn)換器級(jí)101還包括第二開關(guān)S2，該第二開關(guān)S2具有與開關(guān)節(jié)點(diǎn)116耦合的第一端子以及與第二內(nèi)部節(jié)點(diǎn)132和第二引腳112耦合的第二端子。第三開關(guān)S3包括與第三引腳113和IC 110的第三內(nèi)部節(jié)點(diǎn)133耦合的第一端子，以及與通過第四引腳114與快速電容器CF耦合的第四內(nèi)部節(jié)點(diǎn)118耦合的第二端子。電容器CF的第一端子與第四節(jié)點(diǎn)118和引腳114耦合，并且CF的第二端子經(jīng)由引腳115與開關(guān)節(jié)點(diǎn)116耦合。第四開關(guān)S4包括與第四節(jié)點(diǎn)118耦合的第一端子，以及與第二節(jié)點(diǎn)132耦合的第二端子。

圖1中的IC 110還包括控制電路120?？刂齐娐?20可以是任何合適的模擬和/或數(shù)字電路系統(tǒng)，并且可以包括編程邏輯和/或可以是可編程的。控制電路120分別通過對(duì)應(yīng)的連接件121、122、123和124向開關(guān)S1、S2、S3和S4的柵極控制端子提供第一、第二、第三和第四開關(guān)控制信號(hào)SC1、SC2、SC3和SC4。在圖1的示例中，對(duì)于N溝道FET S1-S4，開關(guān)控制信號(hào)SC1-SC4是高電平有效的，以接通相應(yīng)的開關(guān)，而低信號(hào)狀態(tài)將關(guān)斷相應(yīng)的開關(guān)?？刂齐娐?20接收一個(gè)或多個(gè)反饋輸入信號(hào)(諸如在一個(gè)示例中的電壓信號(hào))，其包括來自第一節(jié)點(diǎn)131的第一反饋信號(hào)FBA、來自第三內(nèi)部節(jié)點(diǎn)133的第二反饋信號(hào)FBB以及來自第二內(nèi)部節(jié)點(diǎn)132的第三反饋信號(hào)FBC。如圖1可見，該反饋布置提供表示I/O節(jié)點(diǎn)NA處的電壓的第一反饋信號(hào)FBA、表示I/O節(jié)點(diǎn)NB處的電壓的第二反饋信號(hào)FBB以及表示第三I/O節(jié)點(diǎn)NC處的電壓的第三反饋信號(hào)FBC。

在所公開的示例中，控制電路120在第一模式和第二模式中進(jìn)行操作，其在本文中被稱為針對(duì)第一輸出電壓范圍的第一操作模式OP-MODE-1和針對(duì)第二輸出電壓范圍的第二操作模式OP-MODE-2。另外，控制電路示例120實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制，以根據(jù)設(shè)定點(diǎn)信號(hào)SP調(diào)節(jié)DC-DC轉(zhuǎn)換器電路100的輸出電壓信號(hào)VO。在某些示例中，設(shè)定點(diǎn)SP可以是內(nèi)部信號(hào)。在其它示例中，設(shè)定點(diǎn)SP由主機(jī)電路例如經(jīng)由IC 110的另一引腳(未示出)來提供。在某些應(yīng)用中，例如在驅(qū)動(dòng)OLED或其它類似負(fù)載(未示出)的背光應(yīng)用中，主機(jī)系統(tǒng)提供設(shè)定點(diǎn)信號(hào)SP作為到IC 110的控制電路120的電壓輸入，以設(shè)定諸如顯示屏背光等的驅(qū)動(dòng)負(fù)載的亮度水平。

也參考圖2-7，在圖2所示的降壓-升壓實(shí)施方式的背景中描述DC-DC轉(zhuǎn)換器電路100和IC 110的操作。在這方面，圖2和圖4-9示出了DC-DC轉(zhuǎn)換器電路100，沒有示出控制電路120，并且省略了圖1所示的IC 110的引腳和邊界，以便不會(huì)模糊圖示示例的細(xì)節(jié)。圖2和圖3-7的示例是反相降壓-升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器100，其中I/O節(jié)點(diǎn)NA并且因此第一轉(zhuǎn)換器級(jí)101的第一內(nèi)部節(jié)點(diǎn)131連接到電源電壓源(未示出)以接收DC輸入電壓信號(hào)VI。此外，在該示例中，第二I/O節(jié)點(diǎn)NB是連接到電路接地(GND)的恒定電壓節(jié)點(diǎn)，用于與結(jié)合電容器C1和C2的節(jié)點(diǎn)以及電感器L的第二端子連接。此外，在該示例中DC-DC轉(zhuǎn)換器電路100的第三I/O節(jié)點(diǎn)NC被連接以經(jīng)由第二內(nèi)部節(jié)點(diǎn)132將輸出電壓信號(hào)VO傳遞到負(fù)載(未示出)。此外，第三內(nèi)部節(jié)點(diǎn)133被連接到在I/O節(jié)點(diǎn)NB處的恒定電壓連接點(diǎn)GND。

如圖1中可見，IC 110的引腳111-115允許將一個(gè)或多個(gè)外部部件(諸如電感器L、快速電容器CF以及電容器C1和C2中的一個(gè)或兩個(gè))與電源電壓、恒定電壓節(jié)點(diǎn)(例如，電路接地)和負(fù)載連接以形成DC-DC轉(zhuǎn)換器電路100。就此而言，第一引腳111電連接到第一節(jié)點(diǎn)131以允許連接到恒定電壓節(jié)點(diǎn)GND或接收輸入電壓信號(hào)VI，并且第二引腳112電連接到第二節(jié)點(diǎn)132以允許連接來接收輸入電壓信號(hào)VI或提供輸出電壓信號(hào)VO。第三引腳113電連接到第三節(jié)點(diǎn)133以允許連接到DC-DC轉(zhuǎn)換器100的電感器L。第四引腳114電連接到第四節(jié)點(diǎn)118以允許連接到DC-DC轉(zhuǎn)換器100的電容器CF，并且第五引腳115電連接到開關(guān)節(jié)點(diǎn)116以便向DC-DC轉(zhuǎn)換器100的電感器L和電容器CF提供開關(guān)信號(hào)。

一般來說，控制電路120從第一、第二和第三節(jié)點(diǎn)131、132、133中的兩個(gè)接收第一和第二反饋信號(hào)VO和VI。例如，在圖2中，輸出和輸入反饋信號(hào)FBA和FBC與經(jīng)由反饋信號(hào)FBB表示接地基準(zhǔn)的反饋一起被提供給控制電路120。在圖8的升壓配置中，F(xiàn)BB提供輸入電壓反饋，F(xiàn)BC提供輸出電壓反饋，并且由FBA反饋信號(hào)將接地基準(zhǔn)提供給控制電路120。在圖9的降壓轉(zhuǎn)換器示例中，輸入電壓反饋由信號(hào)FBC提供，輸出電壓反饋由信號(hào)FBB提供，并且接地基準(zhǔn)由FBA信號(hào)連接到控制電路120?？刂齐娐?20比較輸出電壓|VO|的絕對(duì)值與閾值電壓VTH并且相應(yīng)地在操作模式之間自動(dòng)地切換。在圖2-7的降壓-升壓示例中，閾值電壓是輸入電壓VI。在圖8和圖9所示的電路100的其它示例配置中，閾值電壓信號(hào)電平VTH不同于輸入電壓電平VI。在一些示例中，控制電路120根據(jù)表示VO和VI的反饋信號(hào)在第一和第二操作模式OP-MODE-1、OP-MODE-2之間自動(dòng)地切換。

返回到圖2的降壓-升壓示例，控制電路120將FBC輸出電壓信號(hào)的絕對(duì)值與經(jīng)由FBA的輸入電壓信號(hào)進(jìn)行比較，以確定輸出電壓幅度(|V|)是否超過輸入電壓信號(hào)VI。在這種情況下，輸入電壓信號(hào)電平用作閾值電壓VTH。在一個(gè)示例中，控制電路120包括一個(gè)或多個(gè)比較器電路和信號(hào)調(diào)節(jié)放大器(未示出)，由此將輸出電壓信號(hào)VO的絕對(duì)電壓與輸入電壓信號(hào)VI進(jìn)行比較。在一個(gè)示例中，該比較的結(jié)果是具有指示|VO|和VI的相對(duì)量值的兩種狀態(tài)之一的比較器輸出信號(hào)。在一些示例中，控制電路120使用來自反饋信號(hào)FBA、FBB和FBC中的兩個(gè)或全部的反饋信息，并自動(dòng)設(shè)定操作模式，并且一個(gè)或多個(gè)信號(hào)也被用于閉環(huán)反饋控制，以調(diào)節(jié)由DC-DC轉(zhuǎn)換器電路100提供的輸出電壓VO以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

控制電路120在|VO|小于VTH(例如，小于VI)時(shí)在第一模式OP-MODE-1中操作以關(guān)斷第二轉(zhuǎn)換器級(jí)102的開關(guān)S3和S4，并且以交替的方式向開關(guān)S1和S2提供線路121和122上的脈沖寬度調(diào)制開關(guān)控制信號(hào)SC1和SC2，以根據(jù)設(shè)定點(diǎn)信號(hào)SP調(diào)節(jié)輸出電壓信號(hào)VO。在第二模式OP-MODE-2中，當(dāng)|VO|大于閾值VTH(例如，大于VI)時(shí)，控制電路120關(guān)斷第二開關(guān)S2(例如，將SC2設(shè)定為低)，并且向開關(guān)S1、S3和S4提供脈沖寬度調(diào)制開關(guān)控制信號(hào)SC1、SC3和SC4以根據(jù)設(shè)定點(diǎn)信號(hào)SP調(diào)節(jié)VO。此外，在圖示的示例中，控制電路120在第二模式OP-MODE-2中操作，以在交替的第一和第二狀態(tài)中向S 1、S3和S4提供開關(guān)控制信號(hào)。在第二模式OP-MODE-2的第一狀態(tài)中，控制電路120關(guān)斷S2和S4并接通S1和S3以對(duì)電容器CF充電。在第二模式OP-MODE-2的第二狀態(tài)中，控制電路120關(guān)斷S1-S3并接通S4以便將CF與電感器L串聯(lián)耦合在GND和VO之間。

控制電路120的雙模式操作有利地操作第一級(jí)101作為用于在第一模式OP-MODE-1中低于VTH的低輸出電壓的反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，在該模式期間S1和S2的阻斷電壓需求不超過VI。因此，開關(guān)S1和S2的尺寸可以適用于這種較低電壓操作，并且不會(huì)遭受過多的開關(guān)或傳導(dǎo)損耗，如圖10的轉(zhuǎn)換器1000的情況。此外，在第一模式OP-MODE-1中電感器L兩端的電壓不超過VI，并且因此電感器紋波和磁滯損耗低。為了實(shí)現(xiàn)第二模式OP-MODE-2，IC 110包括作為第二轉(zhuǎn)換器級(jí)102的一部分的兩個(gè)附加開關(guān)S3和S4。然而，在第二模式OP-MODE-2中的切換與圖11中的四開關(guān)轉(zhuǎn)換器拓?fù)?100非常不同。在第二模式中，控制電路120關(guān)斷S2并且第二轉(zhuǎn)換器級(jí)102與S1和電感器L一起操作以形成電感驅(qū)動(dòng)電容性DC-DC電荷泵轉(zhuǎn)換器。圖3示出了圖2的電感電容反相降壓-升壓配置中的示例開關(guān)控制信號(hào)和電路信號(hào)波形。圖4和圖5示出了在第一模式OP-MODE-1中的操作，并且圖6和圖7示出了在第二模式OP-MODE-2中的操作。

參考圖3-5，對(duì)于低于VI的輸出電壓|VO|，控制電路120操作第一級(jí)101作為反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。在圖3的曲線圖300中從T0到T1示出了第一模式操作。在該圖示的示例中，輸入電壓VI被示為曲線302，其是常數(shù)(例如，3.5V)。電路100根據(jù)初始處于-3.4V并且在時(shí)間T2處降低到-3.8V的設(shè)定點(diǎn)信號(hào)SP(曲線304)來操作。使用閉環(huán)反饋和脈沖寬度調(diào)制控制，控制電路120調(diào)節(jié)輸出電壓，以使得絕對(duì)值|VO|如圖3中的曲線306所示。此外，在該示例中，如曲線308所示，輸入電壓電平VI被用作閾值電壓值VTH(例如，3.5V)。因此，當(dāng)輸出電壓曲線306在T1處越過閾值曲線308時(shí)，控制電路120從第一模式OP-MODE-1轉(zhuǎn)換到第二模式OP-MODE-2。在該示例中，設(shè)定點(diǎn)值SP曲線304在T2之后保持大致恒定的-3.8V。在實(shí)踐中，設(shè)定點(diǎn)SP曲線304可以根據(jù)由控制電路120接收的任何主機(jī)系統(tǒng)設(shè)定點(diǎn)信號(hào)而變化。此外，輸入電壓VI曲線302在某些應(yīng)用中可以改變。在該示例中，控制電路120使用當(dāng)前輸入電壓值VI曲線302作為電壓閾值VTH曲線308，并且適應(yīng)輸入電壓VI和/或設(shè)定點(diǎn)SP的任何變化條件。曲線圖300和圖3還示出了在第一和第二操作模式期間由控制電路120產(chǎn)生的開關(guān)控制信號(hào)SC1(曲線311)、SC2(曲線312)、SC3(曲線313)、SC4(曲線314)。圖3中所示的在第一和第二模式中的開關(guān)控制信號(hào)SC1-SC4也由下面圖8和圖9所示的其它DC-DC轉(zhuǎn)換器配置的控制電路124提供。

在圖2-7的示例中，控制電路120根據(jù)第一反饋信號(hào)FBA(VI)和第三反饋信號(hào)FBC(VO)產(chǎn)生曲線311-314中所示的開關(guān)控制信號(hào)，以根據(jù)設(shè)定點(diǎn)信號(hào)SP曲線304調(diào)節(jié)輸出電壓VO。圖3還示出了圖2和圖4-7中的開關(guān)節(jié)點(diǎn)116處的電壓VSW(曲線316)，其表示在電感器L的第一端子處的第五引腳115處的電壓。圖3中的曲線318進(jìn)一步示出了圖2和圖4-7的第四節(jié)點(diǎn)118處的電壓VCAP，其表示電容器CF的電壓。圖3中的曲線320示出了從左到右流過圖2和圖4-7的第一轉(zhuǎn)換器級(jí)101的電感器L的電感器電流IV。如圖3中進(jìn)一步所示，控制電路120根據(jù)輸出電壓信號(hào)VO和輸入電壓信號(hào)VI在第一模式OP-MODE-1和第二模式OP-MODE-2之間自動(dòng)切換。

針對(duì)圖3-5描述從T0到T1的第一操作模式OP-MODE-1。在該模式中，控制電路120關(guān)斷S3和S4以停用第二轉(zhuǎn)換器級(jí)102，并且以交替方式對(duì)第一轉(zhuǎn)換器級(jí)101的第一開關(guān)S1和第二開關(guān)S2進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，以根據(jù)設(shè)定點(diǎn)信號(hào)SP控制輸出電壓信號(hào)VO。第一轉(zhuǎn)換器級(jí)101在該模式中操作為反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，其中第一節(jié)點(diǎn)131接收輸入電壓信號(hào)VI，第二節(jié)點(diǎn)132傳遞輸出電壓信號(hào)VO以驅(qū)動(dòng)負(fù)載，并且第三節(jié)點(diǎn)133耦合到電感器L的第二端子處的GND?？刂齐娐?20在第一模式OP-MODE-1中在一系列開關(guān)周期的第一和第二部分或階段中提供脈沖寬度調(diào)制開關(guān)控制信號(hào)SC1和SC2，所述脈沖寬度根據(jù)輸出電壓信號(hào)VO的閉環(huán)反饋控制來確定。

如圖4所示，在接通階段期間，高側(cè)開關(guān)S1接通而S2關(guān)斷，以將開關(guān)節(jié)點(diǎn)116連接到輸入電壓信號(hào)VI。這導(dǎo)致表示為圖4中的400的電流流動(dòng)路徑。在這種條件下電感器電壓為VI，導(dǎo)致如圖3中曲線320的上升部分所示的上升的電感器電流。在圖5的關(guān)斷階段期間，S1關(guān)斷并且低側(cè)整流器S2接通，以將開關(guān)節(jié)點(diǎn)116連接到輸出電壓VO。這提供了如圖5所示的電流流動(dòng)路徑500。在這種狀態(tài)下，電感器L兩端的電壓為-VO，導(dǎo)致電感器電流IL下降。在第一模式OP-MODE-1中的操作在一系列開關(guān)循環(huán)中繼續(xù)，每個(gè)開關(guān)循環(huán)包括由控制電路120以閉環(huán)方式交替致動(dòng)S1和S2以調(diào)節(jié)輸出電壓信號(hào)VO。

注意，在這種情況下S1和S2的額定電壓為VI+|VO|。然而，由于VO在第一操作模式OP-MODE-1中不處于最大電平，因此S1和S2可以有利地被設(shè)定大小以用于比圖10中的標(biāo)準(zhǔn)方法更低的開關(guān)模式最大阻斷電壓額定值。與圖10的轉(zhuǎn)換器1000相比，這進(jìn)而減少了DC-DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)100的開關(guān)損耗。此外，與圖11的轉(zhuǎn)換器1100不同，DC-DC轉(zhuǎn)換器電路100以及圖2和圖4-7的操作僅在電流路徑中連接總共兩個(gè)晶體管(而不是四個(gè))，但是電路100中的晶體管各自具有較低的額定電壓，由此與圖11的解決方案相比，總傳導(dǎo)損耗減小。

現(xiàn)在參考圖3、6和7描述第二操作模式OP-MODE-2。對(duì)于超過輸入電壓信號(hào)VI的大輸出電壓幅度VO(例如，在圖3中的T1之后)，控制電路120進(jìn)入OP-MODE-2模式。在該模式中，控制電路120將轉(zhuǎn)換器電路100操作為電感驅(qū)動(dòng)反相電荷泵轉(zhuǎn)換器。如圖3中可見，控制電路120關(guān)斷S2，并向開關(guān)S1、S3和S4提供脈沖寬度調(diào)制開關(guān)控制信號(hào)SC1、SC3和SC4，以調(diào)節(jié)第二模式OP-MODE-2中的輸出電壓信號(hào)VO。在該模式中的每個(gè)開關(guān)周期中，控制電路120實(shí)現(xiàn)分別在圖6和圖7中示出的第一狀態(tài)和第二狀態(tài)。在第二模式OP-MODE-2的第一狀態(tài)中，控制電路120接通第一轉(zhuǎn)換器級(jí)101的高側(cè)開關(guān)S1以及第二轉(zhuǎn)換器級(jí)102的開關(guān)S3。這將開關(guān)節(jié)點(diǎn)116連接到輸入電壓信號(hào)VI，并且在這種條件下電感器電壓為VI，導(dǎo)致圖3的曲線320中所示的上升的電感器電流。如圖6中所示，對(duì)于第二模式的這種狀態(tài)，電流從輸入端沿著路徑600流動(dòng)，并且沿著路徑601流過電感器L到GND。此外，接通S3將電容器節(jié)點(diǎn)118連接到地，導(dǎo)致電流沿著路徑602流動(dòng)，從而將CF充電到VI。

圖7示出了第二模式OP-MODE-2中的第二狀態(tài)或關(guān)斷階段。控制電路120將S4接通并且關(guān)斷S1-S3，以將CF與電感器L串聯(lián)耦合在輸出端和GND之間，以便電流沿著路徑700流動(dòng)。由于CF在OP-MODE-2的第一狀態(tài)中充電到VI，所以開關(guān)節(jié)點(diǎn)116上的電壓電平現(xiàn)在處于-VO+VI，如圖3中的曲線318和320所示。以此方式，電感開關(guān)節(jié)點(diǎn)116上的幅度減小到|VO|而不是如圖10的轉(zhuǎn)換器1000中那樣的VI+|VO|。因此，與圖10中的轉(zhuǎn)換器1000相比，圖2和圖4-7的轉(zhuǎn)換器100具有減小的紋波電流和較低的電感損耗。在第二操作模式OP-MODE-2中，三個(gè)晶體管(S1、S3和S4)是有效的，但是只有一個(gè)(S1或S4)在輸出傳導(dǎo)路徑中，并且因此晶體管開關(guān)和傳導(dǎo)損耗比圖11的轉(zhuǎn)換器1100更低。此外，CF執(zhí)行電壓阻斷功能，并且因此開關(guān)S1、S3和S4僅暴露于最大開關(guān)電壓|VO|。S2暴露于VI+|VO|，但是當(dāng)S2的柵源電壓VGS為零時(shí)僅處于非開關(guān)模式。由于功率MOS-FET可以在關(guān)斷模式(VGS＝0)中比在接通模式(VGS≥VT)中容忍更高的電壓，所以開關(guān)S1-S4都可以是具有較低開關(guān)模式擊穿額定值的MOS-FET，包括S2。此外，電容器CF在OP-MODE-2中的每個(gè)開關(guān)周期中被再充電到VI，因此與圖11中的轉(zhuǎn)換器1100的情況一樣，沒有電容器偏置電壓失控的問題。另外，IC 110的控制電路120根據(jù)DC-DC轉(zhuǎn)換器100的輸出電壓信號(hào)VO和輸入電壓信號(hào)VI在模式OP-MODE-1和OP-MODE-2之間自動(dòng)切換。

同樣參考圖1、圖3、圖8和圖9，DC-DC轉(zhuǎn)換器電路100可以被配置為通過將VI、GND和VO連接到電路100的不同節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)包括升壓轉(zhuǎn)換器(圖8)和降壓轉(zhuǎn)換器(圖9)的其它轉(zhuǎn)換器拓?fù)渲械倪@些相同優(yōu)點(diǎn)。IC 110因此適用于各種各樣的DC-DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。此外，這些配置還實(shí)現(xiàn)了關(guān)于降低的開關(guān)額定電壓和減小的電感器紋波電流的上述優(yōu)點(diǎn)。因此，IC 110和所公開的示例DC-DC轉(zhuǎn)換器為背光或顯示驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用或其它終端使用情況提供了更好的電路效率，特別是與圖10的常規(guī)降壓-升壓電路1000相比。

在圖8中，轉(zhuǎn)換器100操作第一轉(zhuǎn)換器級(jí)101作為升壓轉(zhuǎn)換器，其中基于輸出電壓VO的絕對(duì)值與閾值電壓VTH的比較，在第一操作模式OP-MODE-1和第二操作模式OP-MODE-2中，控制電路120提供如上面結(jié)合圖3所述的開關(guān)控制信號(hào)SC1-SC4。在圖8中的升壓轉(zhuǎn)換器的情況下，閾值電壓VTH是輸入電壓VI的兩倍。在圖8的示例中，第一節(jié)點(diǎn)131被耦合到GND，第二節(jié)點(diǎn)132被耦合以傳遞輸出電壓信號(hào)VO，第三節(jié)點(diǎn)133接收輸入電壓信號(hào)VI，并且電感器L的第二端子被耦合到第三節(jié)點(diǎn)133。在圖9的降壓轉(zhuǎn)換器示例中，閾值電壓VTH是輸入電壓VI的一半，并且第一節(jié)點(diǎn)131與GND耦合。第二節(jié)點(diǎn)132接收輸入電壓信號(hào)VI，第三節(jié)點(diǎn)133傳遞輸出電壓信號(hào)VO，并且電感器L的第二端子被耦合到第三節(jié)點(diǎn)133。

上述示例僅僅說明了本公開的各個(gè)方面的若干可能的實(shí)施例，其中在閱讀和理解本說明書和附圖之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到等同的變化和/或修改。在所描述的實(shí)施例中修改是可能的，并且在權(quán)利要求的范圍內(nèi)的其它實(shí)施例是可能的。