具有有限状态机控制的多电平开关调节器电路及方法

申请号 CN201680011343.5 申请日 2016-01-28 公开(公告)号 CN107251400A 公开(公告)日 2017-10-13
申请人 高通股份有限公司; 发明人 J·勒尔德沃拉塔维;
摘要 本公开包括具有有限状态机控制的多电平 开关 调节器 电路 和方法。在一个 实施例 中,电路包括 开关调节器 和有限状态机。开关调节器包括高边和低边开关,以及至少一个电容器。有限状态机接收开关 信号 和占空比信号,以向开关生成开关 控制信号 。开关在有限状态机的控制下响应于开关信号和占空比信号的转变而被接通和关断。开关信号可以从包络 跟踪 信号中生成,并且开关调节器可以是 包络跟踪 系统的一部分。
权利要求

1.一种电路,包括:
开关调节器,包括多个高边开关、多个低边开关以及至少一个电容器,所述至少一个电容器具有耦合到所述高边开关之间的第一节点的第一端子以及耦合到所述低边开关之间的第二节点的第二端子,其中所述高边开关和所述低边开关接收开关控制信号;以及有限状态机,接收开关信号和占空比信号以生成所述开关控制信号,所述有限状态机基于所述开关信号和所述占空比信号来控制所述高边开关和所述低边开关,其中所述高边开关和所述低边开关在所述有限状态机的控制下响应于所述开关信号和所述占空比信号的转变而被接通和关断。
2.根据权利要求1所述的电路,其中当占空比大于阈值时,所述有限状态机响应于所述开关信号的改变来控制所述高边开关和所述低边开关转变通过预定的状态序列。
3.根据权利要求2所述的电路,其中所述预定的状态序列交替地将电感器耦合到电源电压以及存储在所述至少一个电容器上的所述电源电压的分数。
4.根据权利要求2所述的电路,其中所述预定的状态序列包括:
第一状态,其中所述高边开关被配置为对所述至少一个电容器充电,并且所述低边开关被配置为将所述至少一个电容器耦合到电感器;
第二状态,其中所述高边开关将所述电感器耦合到电源电压;
第三状态,其中所述高边开关被配置为将所述至少一个电容器耦合到所述电感器,并且所述低边开关被配置为对所述至少一个电容器放电;以及
第四状态,其中所述高边开关将所述电感器耦合到所述电源电压。
5.根据权利要求1所述的电路,其中当占空比小于阈值时,所述有限状态机响应于所述开关信号的改变来控制所述高边开关和所述低边开关转变通过预定的状态序列。
6.根据权利要求5所述的电路,其中所述预定的状态序列将电感器交替地耦合到存储在所述至少一个电容器上的电源电压的分数和参考电压。
7.根据权利要求5所述的电路,其中所述预定的状态序列包括:
第一状态,其中所述低边开关将电感器耦合到参考电压;
第二状态,其中所述高边开关被配置为对所述至少一个电容器充电,并且所述低边开关被配置为将所述至少一个电容器耦合到所述电感器;
第三状态,其中所述高边开关将所述电感器耦合到所述参考电压;以及
第四状态,其中所述高边开关被配置为将所述至少一个电容器耦合到所述电感器,并且所述低边开关被配置为对所述至少一个电容器放电。
8.根据权利要求1所述的电路,其中当占空比越过阈值时,所述有限状态机响应于所述开关信号的改变来控制所述高边开关和所述低边开关转变通过多个状态中的特定状态,并且其中如果所述有限状态机不处于所述特定状态中的一个特定状态,那么对应于所述占空比越过所述阈值的所述占空比信号的改变不改变所述高边开关和所述低边开关的状态。
9.根据权利要求8所述的电路,其中在所述高边开关和所述低边开关被配置处于对所述至少一个电容器充电或放电的特定状态之后,所述高边开关和所述低边开关响应于所述占空比信号的改变。
10.根据权利要求1所述的电路,其中所述高边开关包括被配置为接收电源电压的第一开关以及被配置在所述第一开关与开关节点之间的第二开关,其中所述低边开关包括耦合到所述开关节点的第三开关以及被配置在所述开关节点与参考电压之间的第四开关,其中所述至少一个电容器是具有第一端子和第二端子的单个电容器,所述第一端子被耦合到所述第一开关与所述第二开关之间的第一节点,所述第二端子被耦合到所述第三开关与所述第四开关之间的第二节点。
11.根据权利要求10所述的电路,其中当占空比大于百分之五十(50%)时,所述有限状态机控制所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关转变通过多个状态,其中
在第一状态中,所述第一开关接通,所述第二开关关断,所述第三开关接通,并且所述第四开关关断;
在所述第一状态之后的第二状态中,所述第一开关接通,所述第二开关接通,所述第三开关关断,并且所述第四开关关断;
在所述第二状态之后的第三状态中,所述第一开关关断,所述第二开关接通,所述第三开关关断,并且所述第四开关接通;并且
在所述第三状态之后的第四状态中,所述第一开关接通,所述第二开关接通,所述第三开关关断,并且所述第四开关关断。
12.根据权利要求10所述的电路,其中当占空比小于百分之五十(50%)时,所述有限状态机控制所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关转变通过多个状态,其中
在第一状态中,所述第一开关关断,所述第二开关关断,所述第三开关接通,并且所述第四开关接通;
在所述第一状态之后的第二状态中,所述第一开关关断,所述第二开关接通,所述第三开关关断,并且所述第四开关接通;
在所述第二状态之后的第三状态中,所述第一开关关断,所述第二开关关断,所述第三开关接通,并且所述第四开关接通;并且
在所述第三状态之后的第四状态中,所述第一开关接通,所述第二开关关断,所述第三开关接通,并且所述第四开关关断。
13.根据权利要求1所述的电路,其中所述高边开关包括串联地配置在电源电压与开关节点之间的第一PMOS晶体管和第二PMOS晶体管,并且其中所述低边开关包括串联地配置在所述开关节点与参考电压之间的第一NMOS晶体管和第二NMOS晶体管。
14.根据权利要求1所述的电路,其中所述开关信号由放大器生成,所述放大器接收包络跟踪输入信号并在所述开关调节器的输出上产生电压。
15.根据权利要求1所述的电路,还包括比较器,所述比较器具有耦合到所述开关调节器的输出电压的第一输入以及耦合到参考电压的第二输入。
16.一种方法,包括:
比较开关调节器的感测输出电压和电压参考以产生第一信号;
响应于控制信号,感测来自所述开关调节器的控制放大器的电流,以产生第二信号;
在有限状态机中接收所述第一信号和所述第二信号,以控制所述开关调节器的输出级中的开关的状态,
其中所述输出级包括多个开关和至少一个电容器,所述多个开关被串联地配置在电源电压与参考电压之间,所述至少一个电容器具有配置在第一开关与第二开关之间的第一端子以及配置在第三开关与第四开关之间的第二端子,并且
其中所述多个开关响应于所述第一信号和所述第二信号的改变而被接通和关断。
17.根据权利要求16所述的方法,其中感测所述电流包括确定所述电流的极性。
18.根据权利要求16所述的方法,其中当占空比大于阈值时,所述有限状态机响应于所述开关信号的改变来控制所述多个开关转变通过第一预定的状态序列,并且其中当所述占空比小于所述阈值时,所述有限状态机响应于所述开关信号的改变来控制所述多个开关转变通过第二预定的状态序列。
19.一种电路,包括:
开关调节器,包括:
第一开关,具有耦合到电源电压的第一端子;
第二开关,配置在所述第一开关与开关节点之间;
第三开关,耦合到所述开关节点;
第四开关,配置在所述第三开关与参考电压之间;
电感器,具有第二端子以及耦合到所述开关节点的第一端子;以及
电容器,具有配置在所述第一开关与所述第二开关之间的第一端子、以及配置在所述第三开关与所述第四开关之间的第二端子;
放大器,所述放大器具有接收时变电压控制信号的输入以及产生输出电压的输出,其中所述放大器的所述输出被耦合到所述电感器的所述第二端子;以及
电流感测滞环控制器,用于感测来自所述放大器的输出电流,并且据此向所述开关调节器生成开关信号。
20.根据权利要求19所述的方法,其中所述时变控制信号是包络跟踪信号或平均功率跟踪信号。

说明书全文

具有有限状态机控制的多电平开关调节器电路及方法

[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求2015年2月27日提交的美国申请No.14/634,412的优先权,其内容通过引用以其整体并入本文,以用于所有目的。

背景技术

[0003] 本公开涉及电子电路和方法,特别是涉及具有有限状态机控制的多电平开关调节器电路和方法。
[0004] 开关调节器是通过将无源元件切换到不同的电气配置中及从不同的电气配置中切换出来产生调节的电压电流的电路。图1图示了一种开关调节器拓扑结构的一个示例。在这一示例开关调节器中,开关101和102接通和关断,使得输入电压Vdd对电感器(L)103充电。当开关101闭合并且开关102断开时,能量从Vdd被提供至电感器103,以生成电感器电流IL。开关102周期性地闭合并且开关101断开,并且随着电感器中能量的耗散,电感器电流IL继续向输出“out”流动。开关101和102由开关控制电路104控制,并且每个开关的接通/关断时间可以根据多种不同应用需求而改变。开关调节器是用于提供电压和电流的非常高效的电路,但在某些应用中存在许多问题。例如,开关调节器的一个挑战是在开关接通和关断时由开关生成的噪声。这被称为开关噪声。可以通过使用较大的电感器来有效地抑制开关噪声。然而,使用较大的电感器具有降低效率的缺点,特别是如果输出上的电压在改变的话。
优化开关噪声和效率是诸如降压拓扑结构以及其他拓扑结构(例如,升压、反激、降压升压等)之类的许多现有开关调节器拓扑结构的约束。
[0005] 有时采用开关调节器的一个特定应用是在功率放大器应用中的包络跟踪中。在线性功率放大器中实现高效率是具有挑战性的,特别是在调制方案变得更加复杂并且其峰均功率比增加的无线应用中。包络跟踪(ET)是通过连续调节PA的电源电压来提升PA效率从而提高传输期间的效率的方法。
[0006] 图2示出了用于一种类型的包络跟踪系统的一个示例配置。在该示例中,输入信号Vin被提供在功率放大器(PA)203的输入处,以产生功率放大信号Vout。PA 203从线性放大器201和开关级202的配置接收电源电压Vdd和电源电流Idd。线性和开关级一起工作,以基于功率放大器输入信号Vin的包络线来调节Vdd的电平,从而提高功率放大器203的效率。在该示例中,线性放大器201接收表示例如Vin的包络线的包络跟踪信号(ET)。线性放大器201可以产生电压Vdd和电流Iamp。开关级202接收基于包络线信号的开关信号SW。在该示例中,SW是通过感测Iamp而产生的。开关级202产生电压Vdd和电流Isw。电流Iamp和Isw的总和是由PA 203汲取的电源电流Idd。开关调节器级202提升了ET的效率,但它噪声大。线性调节器级201速度更快,并且确保实现PA的峰值效率的最佳电源电压,但它(功率)有损耗。不幸的是,噪声和效率是矛盾的性能要求。包络跟踪应用有时对噪声和效率以及例如诸如带宽和输出电压动态范围的其他性能指标有非常严格的要求。发明内容
[0007] 本公开包括具有有限状态机控制的多电平开关调节器电路和方法。在一个实施例中,电路包括开关调节器和有限状态机。开关调节器包括高边和低边开关,以及至少一个电容器。有限状态机接收开关信号和占空比信号,以向开关生成开关控制信号。开关在有限状态机的控制下响应于开关信号和占空比信号的转变而接通和关断。开关信号可以从包络跟踪信号生成,并且开关调节器可以是包络跟踪系统的一部分。
[0008] 以下详细描述和附图提供了对本公开的性质和优点的更好理解。

附图说明

[0009] 图1图示了一种开关调节器拓扑结构的一个示例。
[0010] 图2示出了用于一种类型的包络跟踪系统的一个示例配置。
[0011] 图3图示了根据一个实施例的开关调节器电路。
[0012] 图4A图示了根据一个实施例的用于高占空比的电路的操作。
[0013] 图4B图示了图4A的电路的波形
[0014] 图5A图示了根据一个实施例的用于低占空比的电路的操作。
[0015] 图5B图示了图5A的电路的波形。
[0016] 图6A图示根据一个实施例的、电路从高占空比转变到低占空比的操作。
[0017] 图6B图示了图6A的电路的波形。
[0018] 图7图示了根据一个实施例的一个示例有限状态机。
[0019] 图8图示了根据一个实施例的有限状态机的第一级。
[0020] 图9图示了根据一个实施例的有限状态机的第二级。
[0021] 图10图示了根据一个实施例的方法。
[0022] 图11图示了根据一个实施例的包括电流感测滞环控制器的一个示例电路。
[0023] 图12图示了根据另一实施例的示例开关调节器反馈回路。

具体实施方式

[0024] 本公开涉及具有有限状态机控制的多电平开关调节器电路和方法。在以下描述中,为了说明的目的,阐述了许多示例和具体细节,以便提供对本公开的透彻理解。然而,对于本领域技术人员来说显而易见的是,如权利要求中所表达的本公开可以仅包括这些示例中的特征中的一些或全部,或者包括这些示例中的特征中的一些或全部与下文所描述的其他特征的组合,并且还可以包括本文所描述的特征和概念的修改和等价物。
[0025] 在本文中关于说明在开关调节器中有用的各种创新性方面和技术的特定示例来描述本公开的特征和优点。例如,特定实施例可以包括用于具有3电平降压级配置的低噪声、高效率的包络跟踪放大器的创新性滞环控制技术。一个示例可以采用全数字控制实现方式,并且因此能够利用更先进的低成本CMOS技术,在该技术中,可获得快速器件但是它们的电压容差较小。一些实施例可以在噪声和效率性能方面提供对使用常规降压级的常规包络跟踪技术的显著改进。在包络跟踪的上下文中描述了本文所公开的某些控制方案,但是本公开的特定方面可以更普遍地适用于所有其他开关调节器拓扑结构。
[0026] 包络跟踪放大器通常对噪声、效率、带宽和输出电压动态范围性能具有严格的要求。用于高电压应用的飞跨电容器3电平降压转变器可以被配置为将每个开关上的电压应减小例如电源电压的一半。多电平拓扑结构也可以如下文示例所描述的那样用于包络跟踪,因为其能够实现噪声与效率之间的有利折衷,使例如选择小部件及因此降低成本成为可能。将多电平拓扑结构应用于包络跟踪是有挑战性的,因为典型的PWM控制太慢而无法满足高带宽要求。本公开的某些实施例包括全数字控制方案,以提供例如更快的控制,并且全数字控制方案可以利用先进的CMOS技术。
[0027] 图3图示了根据一个实施例的开关调节器电路。在一个实施例中,开关调节器包括高边开关、低边开关、输出电感器和控制电路(本文中,有限状态机FSM)。该示例图示了本公开应用于包络跟踪的有利特征,但是本文所描述的特征也适用于其他开关调节器拓扑结构(例如,降压、升压、降压升压、反激等)。在该示例中,功率放大器(PA)350接收待放大的输入信号Vin,并产生功率放大器输出信号Vout,该信号在一些应用中(例如,无线发射器)可以耦合到例如天线。根据本公开的多电平开关调节器可以包括多个高边开关(例如,晶体管M2和M3)、多个低边开关(例如,晶体管M0和M1)以及至少一个电容器(C)390。在该示例中,电容器390具有耦合到高边开关(例如,M2和M3)之间的第一节点的第一端子,以及耦合到低边开关(例如,M0和M1)之间的第二节点的第二端子。高边开关和低边开关接收由有限状态机304生成的开关控制信号 和 以接通和关断开关。在该示例中,开关是MOS晶体管,并且开关控制信号通过驱动器电路310-313而被接收,其中电路310和311是非反相的,而电路312和313是反相的。
[0028] 本公开的特征和优点包括有限状态机(FSM)304,其接收开关信号(例如,ETDRV)和占空比信号(例如,D),以通过向驱动器电路提供输入而生成开关控制信号。在该示例中,FSM 304基于开关信号和占空比信号产生开关控制信号 和 以控制高边开关和低边开关。例如,占空比信号可以对应于占空比高于或低于阈值(例如,50%占空比),并且开关信号可以由放大器响应于放大器输入处的控制信号而生成,来指示来自放大器的电流的极性(例如,正的或负的)。高边开关和低边开关在有限状态机的控制下响应于开关信号和占空比信号的转变而被接通和关断。
[0029] 在各种实施例中,放大器可以是例如误差放大器或包络跟踪放大器,并且控制信号可以分别是误差信号或时变控制信号(例如,包络跟踪(ET)信号或平均功率跟踪(APT)信号)。在图3所示的示例中,放大器是接收由例如数模转换器(未示出)生成的差分包络跟踪信号(DACP/DACN)的包络跟踪放大器301。来自放大器301的电流Iamp由电流传感器302来感测,电流传感器302可以是例如电阻器或类似的电流感测方案。在一个实施例中,电流传感器302包括电流感测滞环控制器,以感测来自放大器的输出电流,并根据其向开关调节器生成开关信号。下文示出了电流感测滞环控制器的一个示例实现方式,并且该示例实现方式可以包括例如配置在滞环比较器的输入端子之间的串联电阻器。电流传感器302生成开关信号,在该示例中开关信号是ETDRV。在该示例中,ETDRV表示来自放大器301的正电流和负电流。开关信号ETDRV作为输入被提供给FSM 304。
[0030] FSM 304还可以接收占空比信号D,占空比信号D对应于开关调节器的占空比。在该示例中,输出电压VAMP与参考电压进行比较,以确定占空比并生成占空比信号D。在一个实施例中,比较器303可以用于比较输出电压和参考电压。在该示例中,比较器303是滞环比较器,并且参考电压是电源电压的一半。例如,电源端子可以接收电源电压(在这里,VBATT)。该示例电路使用包括串联电阻器306和307的电阻分压器而对VBATT下分压。缓冲器305用于生成VBATT/2,其被提供至比较器303的一个输入。比较器303的第二输入被耦合到开关调节器的输出端子,以接收开关调节器输出电压VAMP。VBATT也是在开关M3处输入到开关调节器的电源电压。占空比是开关调节器输出电压(VAMP)与开关调节器输入电压(VBATT)之比。作为一个示例,百分之五十(50%)占空比可以对应于VAMP=VBATT/2(即,VAMP/VBATT=.5)。
[0031] 有限状态机304可以基于占空比信号D和开关信号ETDRV的改变来接通和关断开关M0-M3。对于包络跟踪应用,电压VAMP是到PA 350的电源电压。
[0032] 图4A图示了根据一个实施例的用于高占空比的电路的操作。当占空比大于阈值(例如50%)时,响应于开关信号的改变,有限状态机控制高边开关和低边开关转变通过预定状态序列。在该示例中,预定状态序列将电感器L交替地耦合到电源电压和存储在电容器上的电源电压的分数(例如,VBATT/2)。下文来更详细地描述FSM中的状态序列。
[0033] 在该示例中,假设开关调节器开关初始处于如(a)所示的状态,其中M3接通,M2关断,M1接通,M0关断。在这种状态中,高边开关被配置为对电容器C充电,而低边开关被配置为将电容器耦合到电感器。具体地,在这种状态中,VBATT通过M3而被耦合到电容器C的一个端子,从而对电容器C充电。电容器C存储等于VBATT/2的电压。因此,在晶体管M1接通的情况下,电感器L的一个端子被耦合到电容器C的另一端子上的电压VBATT/2,电容器C提供电荷。在这种状态中,电感器电流IL将减小(斜降)。
[0034] 图4B图示了图4A的电路的波形。如图4B所示,在电路被配置在状态(a)中的时间段期间,电感器电流IL斜降。因此,放大器电流Iamp最初低并且斜升。在该示例中,当Iamp充分增加时,电流感测电路302的输出改变开关信号ETDRV的状态,指示Iamp已经从负极性转变到正极性(例如,在Iamp和IL的交叉零点处)。Iamp从负向正转变与ETDRV的转变之间的延迟可能是由于例如电流传感器302中的比较器中的滞环。FSM 304通过状态的改变来响应ETDRV的改变,这导致输出信号 和 从[1010](即,M3接通、M2关断、M1接通、M0关断)改变到如(b)处所示的[1100](即,M3接通、M2接通、M1关断、M0关断)。
[0035] 在这种状态中,高边开关将电感器耦合到电源电压VBATT,并且低边开关是开路的。因此,电流IL如图4B中(b)处所示的那样开始斜升,并且放大器电流Iamp(先前为正且增加)斜降。
[0036] 当Iamp充分减小时,电流感测电路302的输出改变开关信号ETDRV的状态,指示Iamp已经从正极性转变到负极性。FSM 304通过状态的另一改变来响应ETDRV的改变,这导致输出信号 和 从[1100](即,M3接通、M2接通、M1关断、M0关断)改变到如(c)处所示的[0101](即,M3关断、M2接通、M1关断、M0接通)。
[0037] 在这种状态中,低边开关被配置为对电容器C放电,并且高边开关被配置为将电容器耦合到电感器。具体地,在这种状态中,参考电压(在这里,接地(GND))通过M0而被耦合到电容器C的一个端子,从而对电容器C放电。电容器C存储等于VBATT/2的电压。因此,在晶体管M2接通的情况下,电感器L的一个端子被耦合到电容器C上的电压VBATT/2,电容器C提供电荷,并且电感器电流IL将减小(斜降)。电感器电流IL如图4B中的(c)处所示的那样斜降,并且放大器电流Iamp(先前为负且减小)斜升。
[0038] 当Iamp充分增加时,电流感测电路302的输出改变开关信号ETDRV的状态,指示Iamp已经从负极性转变到正极性。FSM 304通过状态的另一改变来响应ETDRV的改变,这导致输出信号 和 从[0101](即,M3关断、M2接通、M1关断、M0接通)改变到如(d)处所示的[1100](即,M3接通、M2接通、M1关断、M0关断)。状态(d)通过使得高边开关将电感器耦合到电源电压与状态(b)相同地操作开关,但是当ETDRV改变状态时转变回状态(a)([1010])。因此,当占空比信号不变时(例如,D=1,大于50%),响应于开关信号的改变,FSM 305可以转变通过包括如上所示的四个(4)状态的完整循环。
[0039] 图4B示出了开关节点上的电压VSW。如图4B所示,对于50%的示例占空比,VSW在电源电压VBATT与电源电压的一半VBATT/2之间切换。因此,开关M0-M3以降低的压力操作在较低的电压处。参考图3,附加的分流调节器Isrc 308和Isnk 309可以用于补充由例如充电与放电之间的不平衡引起的电流损耗。
[0040] 图5A图示了根据一个实施例的用于低占空比的电路的操作。当占空比小于阈值(诸如,50%)时,有限状态机响应于开关信号的改变,控制高边开关和低边开关转变通过预定的状态序列。在该示例中,预定的状态序列将电感器L交替地耦合到参考电压(例如,接地)和存储在电容器上的电源电压的分数(例如,VBATT/2)。下文还更详细地描述FSM中针对这一序列的状态序列。
[0041] 在该示例中,假设开关调节器开关初始处于如(a)处所示的[0011]状态,其中M3关断,M2关断,M1接通,并且M0接通。在这种状态中,低边开关被配置为将电感器耦合到接地,并且高边开关是开路的。图4B图示了图4A的电路的波形,其示出了在状态(a)期间电流IL斜降。因此,放大器电流Iamp(先前为负且减小)斜升。
[0042] 当Iamp充分增加时,电流感测电路302的输出改变开关信号ETDRV的状态,指示Iamp已经从负极性转变到正极性。FSM 304通过状态的另一改变来响应ETDRV的改变,这导致输出信号 和 从[0011](即,M3关断、M2关断、M1接通、M0接通)改变到如图5A中的(b)处所示的[0101](即,M3关断、M2接通、M1关断、M0接通)。
[0043] 在这种状态中,低边开关被配置为对电容器C放电,并且高边开关被配置为将电容器耦合到电感器。具体地,在这种状态中,接地通过M0而被耦合到电容器C的一个端子,从而对电容器C放电。电容器C存储等于VBATT/2的电压。因此,在晶体管M2接通的情况下,电感器L的一个端子被耦合到电容器C的另一端子上的电压VBATT/2,电容器C提供电荷。在这种状态中,电感器电流IL将增加(斜升)。
[0044] 如图5B所示,在电路被配置在状态(b)中的时间段期间,电感器电流IL斜升。因此,放大器电流Iamp最初为高并且斜降。在该示例中,当Iamp充分减小时,电流感测电路302的输出改变开关信号ETDRV的状态,指示Iamp已经从正极性转变到负极性。FSM 304通过状态的另一改变来响应ETDRV的改变,这导致输出信号 和 从[0101](即,M3关断、M2接通、M1关断、M0接通)改变到如图5A中的(c)处所示[0011](即,M3关断、M2关断、M1接通、M0接通)。
[0045] 图5A中的状态(c)通过使得低边开关将电感器耦合到接地来与图5A中的状态(a)相同地操作开关,但当ETDRV改变状态时转变到状态(d)([1010])。在状态(c)中,电感器电流IL减小,而Iamp增加。当Iamp充分增加时,电流感测电路302的输出改变开关信号ETDRV的状态,指示Iamp已经从负极性转变到正极性。FSM 304通过状态的另一改变来响应ETDRV的改变,这导致输出信号 和 从[0011](即,M3关断、M2关断、M1接通、M0接通)改变到如(d)处所示的[1010](即,M3接通、M2关断、M1接通、M0关断)。
[0046] 在这种状态中,高边开关被配置为对电容器C充电,并且低边开关被配置为将电容器耦合到电感器。具体地,在这种状态中,VBATT通过M3而被耦合到电容器C的一个端子,从而对电容器C充电。电容器C存储等于VBATT/2的电压。因此,在晶体管M1接通的情况下,电感器L的一个端子被耦合到电容器C上的电压VBATT/2,电容器C提供电荷,并且电感器电流IL将增加(斜升)。电感器电流IL如图5B中(d)处所示的那样斜升,并且放大器电流Iamp(先前为正且增加)斜降。
[0047] 当Iamp充分减小时,电流感测电路302的输出改变开关信号ETDRV的状态,指示Iamp已经从正极性转变到负极性。FSM 304通过状态的另一改变来响应ETDRV的改变,这导致输出信号 和 从[1010](即,M3接通、M2关断、M1接通、M0关断)改变回到状态(a)[0011](即,M3关断、M2关断、M1接通、M0接通)。因此,当占空比信号不变(例如,D=0,小于50%)时,FSM305可以响应于开关信号的改变而转变通过包括如图5A所示的四个(4)状态的完整循环。类似于图4A,VSW在电源电压的一半VBATT/2与接地之间切换。因此,开关M0-M3以较低的压力操作在较低的电压处。
[0048] 图6A图示了根据一个实施例的、电路从高占空比转变到低占空比的操作。在各种操作条件下,开关调节器的输出电压(例如,图3中的VAMP)可以改变,这进而可以改变占空比。本公开的实施例可以监测占空比并改变占空比信号(例如,图3中的D)的状态,这可以导致有限状态机中的状态转变以及开关调节器中高边开关和低边开关状态的相应改变。然而,本公开的特征和优点包括约束对占空比信号的改变作出响应的FSM状态,使得当FSM处于一个或多个特定状态中时,FSM可以通过高边和/或低边开关中相应的改变来仅响应于占空比信号的改变。
[0049] 如图6所示,当占空比越过阈值时,有限状态机响应于开关信号的改变而控制高边开关和低边开关转变通过FSM中的状态中的特定状态。然而,在FSM中并非所有状态都是响应于占空比信号的改变的,并且FSM可以将响应于占空比改变的高边和/或低边开关的改变限制到特定状态。因此,如果有限状态机不处于响应于这种改变的特定状态之一,则对应于占空比越过阈值的占空比信号的改变并不改变高边开关和低边开关的状态。
[0050] 这在图6A中图示出,图6A示出了当占空比信号例如从逻辑1转变到逻辑0时高边和低边开关的序列。由于D最初是逻辑1,所以状态的序列与图4A所示相同。然而,当D从1转变到0时,FSM不立即响应。而是,当FSM处于特定状态时,FSM可以仅从图4A中的状态序列转变到图5A中的状态序列。在该示例中,状态(a)-(b)是D=1的状态,并且转变出现在状态(c)上,状态(c)是由占空比大于和小于阈值(例如,50%)的状态序列两者共享的特定状态。例如,状态(d)对应于图5A中的D=0状态(c)。
[0051] 图6B图示了图6A电路的波形。图6B图示了在状态(c)处,系统从如图4A所示VSW在VBATT和VBATT/2之间切换的高占空比操作转变到如图5A所示VSW在VBATT/2和接地之间切换的低占空比操作。
[0052] 总体上,图6A中的序列图示了在高边开关和低边开关被配置为处于对飞跨电容器充电或放电的特定状态之后,高边开关和低边开关响应于占空比信号的改变。例如,在图6A中,状态(c)在转变到低占空比操作之前对电容器C放电。
[0053] 图7图示了根据一个实施例的示例有限状态机。在该示例中,FSM包括第一级FSM(FSM1)701和第二级FSM(FSM2)702。FSM1 701接收占空比信号D和切换信号ETDRV,并且包括下文描述的五(5)个状态。FSM2 702接收FSM1 701的输出并且包括同样在下文描述的七(7)个状态。FSM2 702生成如上文描述的那样控制高边和低边开关的接通和关断状态的开关控制信号 和
[0054] 图8图示了根据一个实施例的有限状态机的第一级。在该示图中,圆圈表示状态,而状态之间的转变由箭头表示。导致转变的输入示出在箭头上方,而输出示出在圆圈中。例如,如果FSM1处于0/00状态并且接收到01输入(即,D=0和ETDRV=1),那么FSM1转变到状态1/01并输出01。注意,当D=0时,ETDRV的输入转变被反射到输出,而D的输入转变不引起输出的改变。D的转变仅可以从状态1/01转变到D=1的状态3/11。类似地,当D=1时,ETDRV的输入转变被反射到输出,而D的输入转变不引起输出的改变。D的转变仅可以从状态2/10转变到D=0的状态0/00。因此,D=1循环与D=0循环之间的转变可以被控制,以确保在转变期间飞跨电容器的充电和放电的完整循环,例如如上文所述。FSM1可以调节输入D和ETDRV,并防止例如向FSM2的无效转变。4/00是FSM开始时的待机状态,其中当系统启用时出现从待机状态的退出。
[0055] 图9图示了根据一个实施例的有限状态机的第二级。如图9所示,FSM2可以具有用于将高边和低边开关接通和关断的多个状态。第一多个状态对应于大于阈值的占空比(例如,D=1;>50%占空比),而第二多个状态对应于小于阈值的占空比(例如,D=0;<50%占空比)。参考图4A和图9,当D=1时,高边和低边晶体管M0-M3可以按如下转变:图4A中对应于A/1010的状态(a),图4A中对应于D/1100的状态(b),图4A中对应于5//0101的状态(c),以及图
4A中对应于C/1100的状态(d),其中状态之间的转变由开关信号ETDRV的改变引起,开关信号ETDRV的改变通过FSM1传递并在图9中示出为靠近状态之间的箭头(例如,[D,ETDRV]=[11]、[10]、[11]、[10])。只要占空比信号D保持不变,FSM2就将保持在状态A/、D/、5/和C/中的一个。
[0056] 然而,当D响应于例如占空比降到小于阈值而转变到0时,FSM2可以转变通过状态3/和4/,以及状态5/和A/。然而,FSM2可能仅在由D=1循环和D=0循环两者共享的状态(例如,状态5/和A/)上转变。因此,如果在FSM2处于状态D/时D转变到0,那么在开启低占空比状态序列之前,系统将等待直到FSM2处于5/(例如,等待直到ETDRV转变)。换句话说,FSM2可以仅当FSM2处于由低占空比序列和高占空比序列共享的状态时进入不同的占空比序列。对于图5A所示的低占空比(D=0)序列,高边和低边晶体管M0-M3可以按如下转变:图5A中对应于
4/0011的状态(a),图5A中对应于5/0101的状态(b),图5A中对应于3/0011的状态(c),图5A中对应于A/1010的状态(c)。
[0057] 图10图示了根据一个实施例的方法。在1001处,开关调节器的感测输出电压可以与参考电压(诸如,电源电压的一半)进行比较,并据此,在1002处产生第一信号。第一信号可以是例如由滞环比较器生成的数字信号。在1003处,电流从开关调节器的控制放大器中被感测,并据此,在1004处产生第二信号。第二信号可以是例如由另一滞环比较器生成的数字信号,其中串联电阻器被配置在比较器的输入端子之间,以感测来自控制放大器的电流的极性。在一个实施例中,控制放大器是开关调节器中反馈回路的一部分。在另一实施例中,控制放大器是接收例如包络跟踪信号ET的包络跟踪放大器。在1005处,第一和第二信号在有限状态机中被接收。响应于第一信号和第二信号的改变,有限状态机生成开关控制信号来打开输出级中的电容器并接通多个串联配置的开关。
[0058] 图11图示了根据一个实施例的包括电流感测滞环控制器的示例电路。在该示例中,开关调节器包括:具有耦合到电源电压Vdd的第一端子的第一开关1101,配置在第一开关1101与开关节点之间的第二开关1102,耦合到开关节点的第三开关1103,以及配置在第三开关1103与参考电压(接地)之间的第四开关1004。开关调节器还包括电感器L和电容器1150,电感器L具有第二端子以及耦合到开关节点的第一端子,电容器1150具有配置在第一开关1101与第二开关1102之间的第一端子以及配置在第三开关1103与第四开关1104之间的第二端子。在该示例中,线性放大器1106接收包络跟踪信号。放大器1106可以具有接收时变电压控制信号(例如,ET信号或APT信号)的输入和产生输出电压Vamp的输出,在该示例中,输出电压Vamp是功率放大器1105的电源电压。放大器1105的输出被耦合到电感器L的第二端子。电流感测滞环控制器感测来自放大器1106的输出电流Iamp,并据此向开关调节器生成开关信号。在该示例中,电流感测滞环控制器包括电阻器1107,电阻器1107被配置为在具有滞环的比较器1108的两个输入之间与放大器输出电流Iamp串联。比较器的输出是开关信号SW,其驱动用于接通和关断开关1101-1104的开关控制电路1150。虽然其他ET和APT应用可以从多电平开关调节器的性能特性中获益,但一个示例开关控制电路1150可以包括上文所描述的有限状态机。
[0059] 图12图示了根据另一实施例的示例开关调节器反馈回路。在该示例中,开关信号从误差放大器1201和脉宽调制(PWM)比较器1202中生成。误差放大器可以接收诸如电压或电流的反馈信号fb和参考信号,并产生误差信号。误差放大器的输出可以被耦合到包括例如电阻器Rcomp和电容器Ccomp的补偿网络,并被耦合到输入PWM比较器1202。在该示例中,PWM比较器1202的另一输入接收斜坡信号“RAMP”并在输出上产生开关信号。
[0060] 以上描述说明了本公开的各种实施例以及如何可以实现特定实施例的方面的示例。上述示例不应当被认为是仅有的实施例,而是被呈现以说明由所附权利要求限定的特定实施例的灵活性和优点。基于上述公开内容和所附权利要求,可以采用其他布置、实施例、实现方式和等价物,而不脱离由权利要求限定的本公开的范围。
QQ群二维码
意见反馈