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用于具有高效率切换的功率转换器的装置以及相关方法

阅读：27发布：2020-05-18

专利汇可以提供用于具有高效率切换的功率转换器的装置以及相关方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本申请公开了用于具有高效率切换的功率转换器的装置以及相关方法。一种装置包括电压转换器，以将输入电压转换为输出电压。电压转换器包括在第一切换阶段期间操作的第一开关组。电压转换器还包括在第二切换阶段期间操作的第二开关组。第二切换阶段的持续时间与第一切换阶段的持续时间相关。，下面是用于具有高效率切换的功率转换器的装置以及相关方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种装置，其包括：
电压转换器，以将输入电压转换为输出电压，所述电压转换器包括：
在第一切换阶段期间操作的第一开关组；以及
在第二切换阶段期间操作的第二开关组，
其中，所述第二切换阶段的持续时间与所述第一切换阶段的所述持续时间相关。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二切换阶段的所述持续时间是所述第一切换阶段的所述持续时间的一部分。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二切换阶段的所述持续时间与所述第一切换阶段的所述持续时间按比率相关。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述比率是固定的。
5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述比率是可变的。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电压转换器包括降压-升压转换器。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二切换阶段的所述持续时间是相对于所述第一切换阶段的所述持续时间设置的，以便将所述电压转换器的效率与所述电压转换器的输出电压纹波进行权衡。
8.根据权利要求1所述的装置，还包括控制器，以在所述第一切换阶段和所述第二切换阶段期间控制所述第一开关组和所述第二开关组，其中，所述控制器包括：
第一电容器，其在第一时间段期间充电；
第二电容器，其在第二时间段期间充电；以及
比较器，以比较所述第一电容器两端的电压和所述第二电容器两端的电压。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述控制器还包括：
计数器，以在所述第一时间段期间向上计数并在所述第二时间段期间向下计数；以及至少一个阈值和延迟电路，其耦合到第一开关和第二开关，以分别复位所述第一电容器两端的所述电压和所述第二电容器两端的所述电压。
10.一种集成电路即IC，其包括：
降压-升压电压转换器，以将输入电压转换为输出电压，所述降压-升压电压转换器包括：
耦合到开关组的电感器；以及
控制器，以在第一时间段内控制所述开关组中的第一开关组，并且在第二时间段内控制所述开关组中的第二开关组，其中所述第二时间段与所述第一时间段按比率相关。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述比率是固定的。
12.根据权利要求10所述的装置，其中，所述比率是可变的。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述比率是动态可变的。
14.根据权利要求10所述的装置，其中，所述IC包括微控制器单元即MCU。
15.一种操作电压转换器的方法，所述方法包括：
在第一持续时间内操作所述电压转换器中的第一开关组；以及
在第二持续时间内操作所述电压转换器中的第二开关组，
其中，所述第二持续时间从所述第一持续时间导出，以便将所述电压转换器的效率与所述电压转换器的输出电压纹波进行权衡。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第二持续时间是所述第一持续时间的一部分。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第二持续时间与所述第一持续时间按比率相关。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述电压转换器包括降压-升压转换器。
19.根据权利要求15所述的方法，还包括在第三持续时间内操作所述电压转换器中的第三开关组。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第一开关组、所述第二开关组和所述第三开关组共同包括四个开关。

说明书全文

用于具有高效率切换的功率转换器的装置以及相关方法

技术领域

[0001] 本公开总体涉及电子电路，并且更具体地，涉及用于具有改进的性能特性(诸如高效率的切换)的功率转换器的装置以及相关的方法。

背景技术

[0002] 随着技术的进步，越来越多的电路元件已经集成到诸如集成电路(IC)的器件中。此外，越来越多的器件(诸如IC或子系统)已经集成到产品中。随着诸如物联网(IoT)的发展，这种趋势有望继续下去。

[0003] 电路元件、器件、子系统等的数量的增加也导致包括这些组件的产品中消耗的功率量的相应增加。在一些应用中，诸如电池供电、移动或便携式产品，可用的功率或能量有限。鉴于此类应用中可用的功率或能量相对较少，组件或产品的功耗降低提供了优势或益处，例如，延长电池寿命，增加系统的“正常运行时间”或活动时间等。即使在非便携式环境中，增加的功率消耗总是导致更大量的生成的热量，因为电能不能100％有效地使用。因此，降低组件或产品的功耗提供了优点或益处，例如，减少的热量、降低的电力成本等。

[0004] 由于典型的电源或输入电压(例如，电池电压)与负载的期望电源电压之间的不匹配，通常使用电压转换器来向负载供电。更具体地，一个或更多个电压转换器用于将输入电压转换为适合于向各种负载供电的较高或较低电压。

[0005] 本部分中的描述和任何(一个或更多个)相应的附图被包括作为背景信息材料。本节中的材料不应被视为承认这些材料构成本专利申请的现有技术。发明内容

[0006] 根据示例性实施例，可以预期各种装置和相关方法。根据一个示例性实施例，一种装置包括电压转换器，以将输入电压转换为输出电压。电压转换器包括在第一切换阶段期间操作的第一开关组。该电压转换器还包括在第二切换阶段期间操作的第二开关组。第二切换阶段的持续时间与第一切换阶段的持续时间相关。

[0007] 根据另一个示例性实施例，IC包括降压-升压电压转换器，以将输入电压转换为输出电压。降压-升压电压转换器包括耦合到开关组的电感器。降压-升压电压转换器还包括控制器，以在第一时间段内控制该开关组中的第一开关组，并且在第二时间段内控制该开关组中的第二开关组。第二时间段与第一时间段按比率相关。

[0008] 根据另一个示例性实施例，一种操作电压转换器的方法，该电压转换器在第一持续时间内操作电压转换器中的第一开关组。该方法还包括在第二持续时间内操作在电压转换器中的第二开关组。第二持续时间从第一持续时间导出，以便将电压转换器的效率与电压转换器的输出电压纹波进行权衡(tradeoff)。

附图说明

[0009] 附图仅说明了示例性实施例，因此不应被视为限制本申请或权利要求的范围。本领域普通技术人员将了解，所公开的概念适用于其他同样地起作用的实施例。在附图中，在多于一幅图中使用的相同数字标记表示相同、相似或等同的功能、组件或块。

[0010] 图1示出了根据一个示例性实施例的包括降压-升压电压转换器的电路布置。

[0011] 图2示出了与传统降压-升压电压转换器相关联的波形。

[0012] 图3示出了根据一个示例性实施例的与降压-升压电压转换器相关联的波形。

[0013] 图4示出了根据一个示例性实施例的包括电压转换器的IC的电路布置。

[0014] 图5示出了根据另一个示例性实施例的包括电压转换器的IC的电路布置。

[0015] 图6示出了根据另一个示例性实施例的包括电压转换器的IC的电路布置。

[0016] 图7示出了根据另一个示例性实施例的包括电压转换器的IC的电路布置。

[0017] 图8示出了根据一个示例性实施例的用于控制电压转换器中的切换阶段的电路布置。

[0018] 图9示出了根据另一个示例性实施例的用于控制电压转换器中的切换阶段的电路布置。

[0019] 图10示出了与图9中的电路的操作相关联的波形。

[0020] 图11示出了根据另一个示例性实施例的用于控制电压转换器中的切换阶段的电路布置。

[0021] 图12示出了与图11中的电路的操作相关联的波形。

[0022] 图13示出了根据另一个示例性实施例的用于控制电压转换器中的切换阶段的电路布置。

[0023] 图14示出了与图13中的电路的操作相关联的波形。

[0024] 图15示出了根据一个示例性实施例的用于包括电压转换器的IC的电路布置。

具体实施方式

[0025] 所公开的概念总体涉及电子电路，并且更具体地，涉及用于具有改进的性能特性(诸如更高效率的切换)的电子功率转换器的装置以及相关的方法。电源或电压转换器可用于各种应用中，诸如便携式或移动电子设备或从诸如电池(或超级电容器)的源装置接收电力的电子设备中。

[0026] 传统上已经使用各种方案来控制DC-DC转换器(例如，将DC输入电压从电池转换为适用于负载(诸如IC)的DC输出电压的电压转换器)。例如，在广泛使用的方案中，控制转换器中的一个或更多个开关的波形的占空比响应于诸如输入电压、输出电流等的变化而改变。

[0027] 在根据各种实施例的电压转换器中，如下文所描述的，使用三相切换方案，其中第二切换阶段的持续时间是与第一切换阶段的持续时间相关的，而不是任意持续时间。在具有三个切换阶段的这种电压转换器中，第二个的定时(timing)追踪第一切换阶段的定时脉冲宽度(或与第一切换阶段的定时脉冲宽度相关，或者从第一切换阶段的定时脉冲宽度导出，或者取决于第一切换阶段的定时脉冲宽度)。

[0028] 图1示出了根据一个示例性实施例的包括DC-DC开关模式降压-升压电压转换器80的电路布置10。电压转换器80从源装置(诸如该示例中所示的电池)接收输入电压Vin。电压转换器80将输入电压Vin转换为输出电压Vout，其通常提供给负载(未示出)。

[0029] 电压转换器80可以以降压(步降)或升压(步升)操作模式操作。在降压操作模式中，电压转换器80将输入电压转换为具有比输入电压低的电压电平的输出电压。相反，在升压操作模式中，电压转换器80将输入电压转换为具有比输入电压高的电压电平的输出电压。

[0030] 在所示的实施例中，电压转换器80包括电感器(L)20、电容器35、开关40、开关45、开关48、开关51和控制器85。在控制器85的控制下，断开和闭合开关40、45、48和51。在各种实施例中，开关40、45、48和51构成晶体管。在一些实施例中，开关40、45、48和51构成MOSFET。在一些实施例中，开关40、45、48和51构成BJT或绝缘栅双极晶体管(IGBT)。如本领域普通技术人员将理解的，可以预期并且可以使用其他类型的开关。

[0031] 为了控制开关，控制器85向开关40(M1)、45(M2)、48(M3)和51(M4)提供电流或电压控制信号(取决于所使用的晶体管的类型)，类似于上文所描述的升压转换器。如下面详细描述的，控制器85使用额外的切换阶段来提供开关40、45、48和51的更高效率切换(或者更高效率地切换开关的状态，例如从导通到截止，或者反之亦然)。电容器35降低转换器的输出纹波电压，并且还在瞬变期间(或在开关40、45、48和51状态的改变期间的相对短的时段期间)向负载提供一些电流。

[0032] 通过开关40、45、48和51的开关动作，电感器20重复充电和放电。电荷被传送到负载(未示出，但耦合到输出节点，即标记为“Vout”的节点)。在此过程中，电容器35被充电。电容器35降低转换器的输出纹波电压，并且还在瞬变期间(或者在开关状态改变期间或当所有开关处于截止状态期间)向负载提供一些电流。

[0033] 在传统的降压-升压转换器中，开关40、45、48和51成对切换。换句话说，在传统降压-升压转换器的一个操作阶段中，开关40(M1)和51(M4)切换到导通状态，而开关45(M2)和48(M3)切换到截止状态。相反，在降压-升压转换器的第二操作阶段中，开关40(M1)和51(M4)切换到截止状态，而开关45(M2)和48(M3)切换到导通状态。

[0034] 图2示出了与传统降压-升压电压转换器相关联的波形。电感器电流(iL)示出了，在每个周期期间，电感器被充电至峰值电流ipeak，然后被放电以将电荷传递到负载。使用斜线区域描绘了每个循环传递到负载的电荷。标记为M1-M4的波形描绘了转换器开关的驱动波形。因此，如上所述，对于传统的转换器，开关40(M1)和51(M4)切换到导通状态，而开关45(M2)和48(M3)切换到截止状态，反之亦然。

[0035] 如下文所描述的，根据各种实施例的降压-升压电压转换器对于开关40、45、48和51使用与传统转换器不同的切换方案。更具体地，不是通过使用开关对来改变开关的状态，而是允许开关对40(M1)和51(M4)以及45(M2)和48(M3)独立地切换，在第一阶段(为电感器充电)和第三切换阶段(使电感放电以向负载传递电荷)之间添加第二切换阶段。图3示出了对应于这种切换方案的波形。

[0036] 更具体地，图3示出了根据一个示例性实施例的与降压-升压电压转换器相关联的波形，其包括三个切换阶段。对开关的引用对应于图1中的开关指定。

[0037] 再次参考图3，最顶部的波形示出了流过电感器20的电流。其余四个波形示出了开关40(M1)、45(M2)、48(M3)和51(M4)的控制波形。在各种实施例中，如本领域普通技术人员将理解的，取决于诸如所使用的开关类型的因素，控制波形可以是电压或电流波形。

[0038] 再次参考图3，在第一切换阶段期间，表示为时间段T1，开关M1和M4导通。结果，电感器20充电到表示为ipeak的峰值电流。在第一切换阶段结束时，即当电感器电流达到ipeak时，开关M4导通，而开关M1保持导通。因此第二切换阶段开始。

[0039] 在第二切换阶段期间，表示为时间段T2，开关M1导通，开关M3也是如此。第二切换阶段的定时与第一切换阶段的定时相关。换句话说，第二切换阶段的持续时间与第一切换阶段的持续时间相关。在一些实施例中，第二切换阶段的持续时间是第一切换阶段的持续时间的固定部分(fraction)(大于零且小于或等于单位元素(unity)的数字)。换句话说，第二和第一切换阶段的相应持续时间的比率是恒定的。注意，在示例性实施例中，根据需要，第二和第一切换阶段的相应持续时间的比率可以小于、等于或大于单位元素(100％)。改变比率的机制取决于用于实施控制器85所使用的电路。例如，在一些实施例中，如下面详细描述的(参见例如图8、图11和图13)，如本领域普通技术人员将理解的，使用一对电流源或电阻器以对对应的电容器充电，并且可以通过改变电流源的输出电流的比率或通过改变电阻器的电阻值来改变该比率。

[0040] 在其他实施例中，第二切换阶段的持续时间是第一切换阶段的持续时间的可变的部分。换句话说，如本领域普通技术人员将理解的，第二和第一切换阶段的相应持续时间的比率是可变的，例如，响应于转换器、负载、输入电压、输出电压、用户命令等中的条件(例如，响应于电压转换器所驻留的块、子系统或系统中的条件或变化或者将被电压转换器供电的块、子系统或系统中的条件或变化)。

[0041] 在一些实施例中，第二切换阶段的持续时间是第一切换阶段的持续时间的可变的部分，其中该比率是动态变化的。例如，在一些情况下，该比率可以在电压转换器80启动时被设置为初始值，但是可以稍后响应于一个或更多个改变而改变，例如，如上文所描述的。响应于进一步的变化，可以以动态方式再次改变该比率。

[0042] 第三切换阶段在第二切换阶段之后。在第二切换阶段结束时，开关M1截止，而开关M3保持导通。此外，开关M2导通，并且第三切换阶段开始。在第三切换阶段期间，电感器中的电荷被传递到负载。在第三切换阶段结束时，整个开关周期(即，第一、第二和第三切换阶段)重复，有可能是在一段时间之后，这取决于电压转换器是在连续传导模式中操作或者在不连续传导模式中操作。下面的表1总结了在各种切换阶段期间电压转换器80的开关的状态：

[0043]

[0044] 表1

[0045] 不管操作模式如何，如上所述，并且如下面更详细描述的，第二切换阶段的定时与第一切换阶段的定时相关。第二切换阶段的定时影响电压转换器的各种属性，诸如输出电压纹波和转换器效率之间的权衡(即，转换器如何高效率地将输入电压转换为输出电压)。

[0046] 因此，在根据各种实施例的电压转换器中，可以获得输出电压纹波和转换器效率之间的改进的权衡，其追踪或响应于系统组件或组件特性、输入-输出电压差或值等的变化。与第二切换阶段的任意定时相比，该权衡允许电压转换器的开关更高效率地切换。通过相关于第一切换阶段的定时而改变第二切换阶段的定时来获得该权衡。

[0047] 将第二切换阶段(T2)的持续时间设置为固定的相对较短的值可以导致输出电压纹波减小，但是这样做也会降低转换效率(较短的T2周期导致整体切换周期的更频繁重复，导致非理想的实际开关更大损耗)。相反，将第二切换阶段的持续时间设置为固定的相对较大的值可以导致改进的转换效率，但是以增加的输出电压纹波为代价。

[0048] 一般而言，给定应用的输出电压纹波的指标取决于各种因素，诸如与输出电压值相关的输入电压值、负载的类型、电感器20的电感等，如本领域普通技术人员将理解的。通过使第二切换阶段(T2)的持续时间追踪(或通常与第一切换阶段(T1)的持续时间相关或从其导出)第一切换阶段(T1)的持续时间，提供了转换效率和输出电压波动之间的更好的通用权衡。

[0049] 此外，如上所述，在相应切换阶段的持续时间之间的追踪允许权衡以追踪系统参数的各种变化。另外，在一些实施例中，第二和第一切换阶段的持续时间之间的比率可以是可变的，这允许实体(例如，系统中的参数，电压转换器和/或系统的用户的选择等)修改权衡以适应一个或更多个目标或期望的结果。

[0050] 根据各种实施例的DC-DC开关模式转换器可以用在各种装置中。示例包括系统、子系统、块、电子电路、IC、多芯片模块(MCM)、薄膜电路、厚膜电路等，如本领域普通技术人员将理解的。

[0051] 没有限制地，图4-图7提供了IC中使用的DC-DC开关模式转换器的示例。图4示出了根据一个示例性实施例的包括电压转换器80的IC 75的电路布置。在各种实施例中，电压转换器80可以构成图2-图3中所示的电压转换器之一，如上文所描述的。再次参见图4，电压转换器80包括控制器85，控制器85控制开关组90。开关90可包括多个开关，诸如开关25和30(参见图1)或开关40、45、48和51(参见图3)，这取决于电压转换器80的拓扑结构的选择。

[0052] 再次参考图4，控制器85使用上文描述的技术控制开关90。因此，在示例性实施例中，根据上面表1中所示的切换方案来切换开关90。

[0053] 在各种实施例中，电压转换器80产生一个或更多个输出电压。在所示的示例性实施例中，电压转换器80产生输出电压Vout。输出电压Vout被提供给一个或更多个负载。在所示的示例性实施例中，电压转换器80将输出电压Vout提供给一组的三个负载，但是，如本领域普通技术人员将理解的，根据需要，可以使用不同数量的负载，诸如单个负载、两个负载或多于三个负载。

[0054] 再次参考图4，该组负载包括负载100A、负载100B和负载100C。在各种实施例中，负载100A可以构成(或包括)模拟电路，负载100B可以构成数字电路，并且负载100C可以构成混合信号电路。然而，如本领域普通技术人员将理解的，可以在各种实施例中使用不同的配置和/或类型的负载。例如，在一些实施例中，可以使用负载100A，并且可以不存在负载100B-100C。作为另一个示例，在一些实施例中，可以使用负载100B，而可以不存在负载100A和100C。作为另一个示例，在一些实施例中，可以使用负载100C，并且可以不存在负载100A-
100B。作为又一个示例，在一些实施例中，可以使用负载100A和100B，而可以不存在负载
100C。

[0055] 如上文所描述的，根据各种实施例的电压转换器包括至少一个电感器(示为电感器20)和至少一个电容器(示为电容器35，但是如果一个或更多个负载包括足够的电容，则可以省略电容器35)。可以设想各种配置，并且各种配置对于电感器20和电容器35是可能的。

[0056] 在所示的实施例中，电感器20和电容器35(如果使用的话)在IC 75外部。因此，电感器20和电容器35使用IC 75的耦合机制耦合到电压转换器80，诸如焊盘、键合线、球栅阵列等，如本领域普通技术人员将理解的。

[0057] 图5示出了根据另一个示例性实施例的包括电压转换器80的IC 75的电路布置。IC 75类似于上面描述的图4中所描绘的IC，除了使用IC 75的资源实现电感器20，即，其驻留在IC 75(例如，半导体管芯)或IC 75的封装或者二者内。

[0058] 更具体地，在一些实施例中，根据需要，可以使用键合线、导体迹线、电介质或可渗透材料或前述的组合来实现电感器20。在其他实施例中，可以根据需要以其他方式实现电感器20。如本领域普通技术人员将理解的，电感器20的实施方式的选择取决于多种因素。这些因素包括设计指标、性能指标、电感器20的各种性能表征(例如，品质因数、或Q、电流处理能力、电感值)、成本、IC或器件面积、可用技术(诸如半导体制造技术)、目标市场、目标终端用户等。

[0059] 图6示出了根据另一个示例性实施例的包括电压转换器80的IC 75的电路布置。IC 75类似于上面描述的图4中所描绘的IC，除了使用IC 75的资源实现电感器20和电容器35，即它们驻留在IC 75(例如，半导体管芯)或IC75的封装或两者内。

[0060] 更具体地，在一些实施例中，可以使用键合线、导体迹线、金属或其他导体平面、电介质或可渗透材料或前述的组合来实现电感器20和电容器35(如果使用的话)。在其他实施例中，根据需要，可以以其他方式实现电感器20和电容器35。如本领域普通技术人员将理解的，电感器20和电容器35的实施方式的选择取决于多种因素。这些因素包括设计指标、性能指标、电感器20的各种性能表征(例如，Q、电流处理能力、电感值)、电容器35的各种性能表征(例如，Q、电压处理能力、电容值)、成本、IC或器件面积、可用技术(诸如半导体制造技术)、目标市场、目标终端用户等。

[0061] 图7示出了根据另一个示例性实施例的包括电压转换器80的IC 75的电路布置。IC 75类似于上面描述的图4中所描绘的IC，除了使用IC 75的资源实现电容器35，即，其驻留在IC 75(例如，半导体管芯)或IC 75的封装或者二者内。

[0062] 更具体地，在一些实施例中，可以使用导体迹线、金属或其他导体平面、电介质或可渗透材料或前述的组合来实现电容器35(如果使用的话)。在其他实施例中，根据需要，可以以其他方式实现电容器35。如本领域普通技术人员将理解的，电容器35的实施方式的选择取决于多种因素。这些因素包括设计指标、性能指标、电容器35的各种性能表征(例如，Q、电压处理能力、电容值)、成本、IC或器件面积、可用技术(诸如半导体制造技术)、目标市场、目标终端用户等。

[0063] 参考图4-图7，在一些实施例中，负载100A-100C中的一个或更多个可以在IC 75外部。在一些实施例中，控制器85驻留在IC 75内，并且与开关90、电感器20和电容器35协作，开关90、电感器20和电容器35中的一些可以在IC 75外部，向IC 75外部的一个或更多个负载提供输出电压。在一些实施例中，可以使用控制器IC，即，控制器85驻留在IC 75内，但是开关90、电感器20、电容器35、负载100A-100C在IC 75外部。

[0064] 本公开的一个方面涉及控制器85的实施方式。一般而言，实施控制器85的各种方式是可能的并且是可以预期的，如本领域普通技术人员将理解的。没有限制地，图8-图14提供了一些示例，但是，如本领域普通技术人员将理解的，控制电压转换器80以实施三个切换阶段的其他方式是可能的并且是可预期的。

[0065] 在一些实施例中，使用模拟组件的电路可用于控制各种切换阶段的定时，诸如第二切换阶段。图8示出了根据使用模拟电路的一个示例性实施例的用于控制第二切换阶段的定时的电路布置。

[0066] 最初，电容器154(标记为C1)在一段时间TON(表示为时间段160)内由从电流源150供应的电流I1充电。对电容器154充电生成Vramp1＝I1·TON/C1的斜坡电压(如波形164所示)。在时间段TON之后，C1停止充电并保持其端电压值以供稍后比较。然后电容器156(标记为C2)开始经由电流I2(该电流I2是由电流源152供应的)在一段时间TNTM(表示为时间段162)内充电，，该充电生成电容器156两端的电压(如波形166所示)。

[0067] 电容器154和156两端的电压分别驱动比较器158的非反相和反相输入。电容器156继续充电，直到其两端的斜坡电压Vramp2等于Vramp1，此时比较器158的输出跳变或改变状态。此时，Vramp2＝I2·TNTM/C2。因此，总体而言，TNTM＝TON·C1·I2/(C2·I1)，其中C1和C2分别表示电容器154和电容器156的电容值。

[0068] 通过选择或使用期望比率I2/I1和/或C1/C2，可以将比率TNTM/TON设置或编程或配置为期望值。在所示的示例中，电流源152是可变电流源，其允许设置比率TNTM/TON。通过使用时间段TNTM作为第二切换阶段的持续时间并且将时间段TON用作第一切换阶段的持续时间，可以使第二切换阶段的持续时间取决于第一切换阶段的持续时间(即，两个切换阶段持续时间是相关的)。标记为“结束”的比较器158的输出是可用于指示第二切换阶段的结束的信号，因此，与持续时间TON一起，可用于控制电压转换器80中的开关，如上面所描述的。

[0069] 在一些实施例中，使用数字组件的电路可用于控制各种切换阶段(诸如第二切换阶段)的定时。图9示出了根据使用数字电路的另一个示例性实施例的包括用于电压转换器的控制器的电路布置。

[0070] 图9中的电路布置使用有限状态机(FSM)180，但是根据需要可以使用其他实施方式。在TON期间，启用以频率fosc运行的相对高频数字时钟信号(表示为“HF Clk”)，并且在信号为高(具有逻辑高值)时驱动FSM 180中的计数器。在时间段TON结束时，存储对应于计数器的终端计数的数字值，其大致等于D1＝TON·fosc。

[0071] 此时，第二信号在FSM 180中变高(以指示对应于TON的计数的结束)，并且FSM 180中的另一个计数器开始运行。FSM 180中的数字比较器用于确定第二计数值何时等于第一计数值，即D2＝TNTM·fosc，时间段TNTM的在该点达到结束。如上所述，时间段TNTM和时间段TON可以分别用作第二和第一切换阶段的持续时间。

[0072] 通常，可以需要TNTM的其他值而不是TNTM＝TON，例如，TNTM可以是TON的一部分。FSM 180接收值(标记为“Prog.Ratio(程序比率)”)以在TNTM和TON之间提供可编程或可配置的比率。如本领域普通技术人员将理解的，如所期望的，可编程比率可以以多种方式实现，诸如直接将数字偏移添加到计数器值之一，或者通过数字地对一个或两个计数器进行分频。

[0073] 图10示出了与图9中的电路的操作相关联的波形。信号“时钟1”和“时钟2”表示上面所描述的两个相应计数器的时钟信号。

[0074] 在一些实施例中，混合信号电路(使用数字和模拟组件)可用于控制各种切换阶段(诸如第二切换阶段)的定时。图11示出了根据使用混合信号电路的另一个示例性实施例的包括用于电压转换器的控制器的电路布置。

[0075] 类似于图8的模拟实施方式，在图11的电路中，最初电容器154(C1)经由电流I1充电，该充电生成斜坡电压Vramp1。当Vramp1超过阈值电压Vt时，通过闭合开关200将电容器154两端的电压复位为零，计数器204向上计数，并且电容器154再次开始充电。该过程持续到时间段TON结束(已达到持续时间TON)。

[0076] 此时，电容器154停止充电，并且保持其端电压值。电容器156开始经由电流I2充电，生成电压Vramp2。当电压Vramp2超过阈值Vt时，电容器156两端的电压通过开关202复位，计数器204向下计数。当计数器204生成计数器值达到零时，观察比较器158的输出，并且当比较器158的输出跳变时，切换阶段结束。逻辑电路206使用比较器158的输出和计数器204的计数值来生成如上面所描述的“结束”信号。通过选择或使用期望比率I2/I1和/或C1/C2，可以将比率TNTM/TON设置或编程或配置为期望值。在所示的示例中，电流源152是可变电流源，其允许设置比率TNTM/TON。

[0077] 分别由阈值和延迟电路209和208控制的开关200和开关202分别复位电容器154和156两端的电压。阈值和延迟电路209和208检测何时达到上面所描述的阈值电压Vt，并分别控制开关200和202。

[0078] 图12示出了与图11中的电路的操作相关联的波形。更具体地，波形210表示开关M1的驱动信号，以及波形212表示开关M3的驱动信号(即，在所示的示例中，波形210和212的逻辑高值意味对应的开关处于导通状态，反之亦然)。波形214表示“结束”信号，而波形216和216分别表示电压Vramp1和Vramp2。波形220表示用于时钟计数器204的计数器信号(参见图
11)。向上计数和向下计数周期以及它们与TON和TNTM周期的各自关系如图12所指示。

[0079] 图13示出了根据使用混合信号电路的另一个示例性实施例的包括用于电压转换器的控制器的电路布置。通常，图13中的电路使用与图11中的电路类似的组件。然而，图13中的电路包括与图11中的电路相比的若干修改。首先，代替电流源，图13中的电路分别使用电阻器240(R1)和242(R2)实施电容器154和156的充电。电阻器240和242的使用有助于减少在使用电流源时可以导致一些错误的启动延迟。

[0080] 另外，图13中的电路使用公共阈值和延迟电路208，其防止可以由不匹配的电压阈值引起的额外误差。阈值和延迟电路分别使用开关248和246耦合到电容器154和电容器156。将阈值设置得足够低，使得分别经由电阻器240和242对电容器154和156的充电生成接近线性的电容器充电电压(分别为Vramp1和Vramp2)。可以通过设置电阻器比率R2/R1来编程或配置或设置比率TNTM/TON。在所示的实施例中，电阻器242(R2)是可变电阻器，其允许设置比率TNTM/TON。

[0081] 参见图8、图11和图13，图中所说明的每个电路包括电路(未示出)以便于电容器154和电容器156的适当充电。更具体地，电路包括机制(诸如一个或更多个开关)以便分别在TON周期结束时停止对电容器154充电，并在TNTM周期结束时停止对电容器156充电。因此，电容器154和电容器156分别不被充电超过TON和TNTM周期，并且它们在各个周期结束时的电压由比较器158使用，如上文所描述的。

[0082] 图14示出了与图13中的电路的操作相关联的波形。类似于图12，如上文所描述的，图14中的波形210表示开关M1的驱动信号，波形212表示开关M3的驱动信号(即，在所示的示例中，波形210和212的逻辑高值意味对应的开关处于导通状态，反之亦然)。波形214表示“结束”信号，而波形216和216分别表示电压Vramp1和Vramp2。波形220表示用于时钟计数器204的计数器信号(参见图13)。向上计数和向下计数周期以及它们与TON和TNTM周期的各自关系如图13所指示的。

[0083] 如上所述，根据各种实施例的DC-DC开关模式转换器可以用在各种电路、块、子系统和/或系统中。例如，在一些实施例中，一个或更多个DC-DC开关模式转换器可以集成在MCU中。图15示出了这种示例性实施例的电路布置。

[0084] MCU 550包括一个或更多个DC-DC开关模式转换器80(如上文所描述的)。(一个或更多个)DC-DC开关模式转换器80向MCU 550中的一个或更多个块或电路或子系统提供电力。在一些实施例中，(一个或更多个)DC-DC开关模式转换器80可替代地或另外地向MCU 550外部的一个或更多个电路、系统、块、子系统等提供电力，例如，通过使用MCU 550的一个或更多个封装引脚或焊盘。

[0085] MCU 550包括使用链路560彼此通信的多个块(例如，(一个或更多个)处理器565、数据转换器605、I/O电路585等)。在示例性实施例中，链路560可以构成用于传递信息(诸如数据、命令、状态信息等)的耦合机制(诸如总线、一组导体或半导体元件(例如，迹线、器件等))。

[0086] MCU 550可以包括耦合到一个或更多个处理器565、时钟电路575和电源管理电路或电源管理单元(PMU)580的链路560。在一些实施例中，(一个或更多个)处理器565可以包括用于提供信息处理(或数据处理或计算)功能的电路或块，诸如中央处理单元(CPU)、算术逻辑单元(ALU)等。在一些实施例中，另外地或可替代地，(一个或更多个)处理器565可以包括一个或更多个DSP。根据需要，DSP可以提供各种信号处理功能，诸如算术功能、滤波、延迟块等。

[0087] 时钟电路575可以生成一个或更多个时钟信号，其促进或控制MCU 550中的一个或更多个块的操作的定时。时钟电路575还可以根据需要控制使用链路560的操作的定时。在一些实施例中，时钟电路575可以经由链路560向MCU 550中的其他块提供一个或更多个时钟信号。

[0088] 在一些实施例中，PMU 580可以减少装置(例如，MCU 550)的时钟速度、关闭时钟、降低功率、关闭电源、禁用(或断电或置于较低的功耗或睡眠或不活动或者空闲状态中)、启用(或加电或置于较高的功耗或正常或活动状态中)或前述相对于部分电路或电路的所有组件的任何组合，诸如MCU 550中的一个或更多个块。此外，PMU 580可以响应于从非活动状态到活动状态的转换(包括但不限于，当(一个或更多个)处理器565从低功率或空闲或睡眠状态转换到正常操作状态时)而开启时钟、提高时钟速率、开启电源、增加功率或前述的任何组合。

[0089] 另外，在一些实施例中，PMU 580可以包括控制功能和/或控制转换器80的电路。在一些实施例中，PMU 580可以包括用于控制转换器80的一些控制功能和/或电路。在一些实施例中，转换器80可以包括控制功能和/或用于控制转换器80的电路。类似的考虑应用于控制电路570(例如，控制电路570可以包括控制功能和/或控制转换器80的电路的一些或全部等)。在一些实施例中，MCU 550中的一个或更多个块或电路，诸如ADC 605A和DAC 605B，可以用作控制器85的一部分(未明确示出)以控制转换器80，例如，当使用如图8所示的控制器85的实施方式。

[0090] 再次参见图15，链路560可以通过串行接口595耦合到一个或更多个电路600。通过串行接口595，耦合到链路560的一个或更多个电路或块可以与可以驻留在IC 550外部的电路600通信。如本领域普通技术人员将理解的，电路600可以使用一个或更多个串行协议(例如，SMBUS、I2C、SPI等)进行通信。

[0091] 链路560可以通过I/O电路585耦合到一个或更多个外围设备590。通过I/O电路585，一个或更多个外围设备590可以耦合到链路560并且因此可以与耦合到链路560的一个或更多个块通信，例如，(一个或更多个)处理器565、存储器电路625等。

[0092] 在示例性实施例中，外围设备590可以包括各种电路、块等。示例包括I/O设备(小键盘、键盘、扬声器、显示器件、存储器件、定时器、传感器等)。注意，在一些实施例中，一些外围设备590可以在MCU 550外部。示例包括小键盘、扬声器等。

[0093] 在一些实施例中，关于一些外围设备，可以绕过I/O电路585。在这样的实施例中，一些外围设备590可以耦合到链路560并与链路560通信而不使用I/O电路585。在一些实施例中，这些外围设备可以在MCU 550外部，如上面所描述的。

[0094] 链路560可以经由(一个或更多个)数据转换器605耦合到模拟电路620。(一个或更多个)数据转换器605可以包括一个或更多个ADC 605A和/或一个或更多个DAC 605B。

[0095] (一个或更多个)ADC 605A从模拟电路620接收(一个或更多个)模拟信号，并将(一个或更多个)模拟信号转换为数字格式，它们将其传送到耦合到链路560的一个或更多个块。相反，(一个或更多个)DAC 605B从耦合到链路560的一个或更多个块接收(一个或更多个)数字信号，并将(一个或更多个)数字信号转换为模拟格式，它们将其传送到模拟电路620。

[0096] 模拟电路620可以包括提供和/或接收模拟信号的各种电路。如本领域普通技术人员将理解的，示例包括传感器、换能器等。在一些实施例中，模拟电路620可以根据需要与MCU 550外部的电路通信以形成更复杂的系统、子系统、控制块或系统、反馈系统和信息处理块。

[0097] 控制电路570耦合到链路560。因此，控制电路570可以通过提供控制信息或信号来与耦合到链路560的各种块的操作通信和/或控制耦合到链路560的各种块的操作。在一些实施例中，控制电路570还从耦合到链路560的各种块接收状态信息或信号。此外，在一些实施例中，控制电路570促进(或控制或监督)耦合到链路560的各种块之间的通信或协作。

[0098] 在一些实施例中，控制电路570可以发起或响应复位操作或信号。如本领域普通技术人员将理解的，复位操作可以导致耦合到MCU 550的链路560等的一个或更多个块的复位。例如，控制电路570可以使PMU 580和诸如(一个或更多个)DC-DC开关模式转换器80的电路采取已知状态(例如，提供具有期望值的一个或更多个电压)。

[0099] 在示例性实施例中，控制电路570可包括各种类型和电路块。在一些实施例中，控制电路570可以包括逻辑电路、有限状态机(FSM)或执行操作(诸如上面所描述的操作)的其他电路。

[0100] 通信电路640耦合到链路560并且还耦合到MCU 550外部的电路或块(未示出)。通过通信电路640，耦合到链路560(或通常是MCU 550)的各种块可以经由一个或更多个通信协议与外部电路或者块(未示出)通信。通信的示例包括USB、以太网等。在示例性实施例中，可以使用其他通信协议，这取决于诸如用于给定应用的设计或性能指标之类的因素，如本领域普通技术人员将理解的。

[0101] 如上所述，存储器电路625耦合到链路560。因此，存储器电路625可以与耦合到链路560的一个或更多个块通信，诸如(一个或更多个)处理器565、控制电路570、I/O电路585等。

[0102] 如本领域普通技术人员将理解的，存储器电路625为MCU 550中的各种信息或数据(诸如操作数、标志、数据、指令等)提供存储。存储器电路625可根据需要支持各种协议，诸如双倍数据速率(DDR)、DDR2、DDR3、DDR4等。

[0103] 在一些实施例中，存储器电路625的存储器读取和/或写入操作涉及使用MCU 550中的一个或更多个块，诸如(一个或更多个)处理器565。在某些情况下，直接存储器存取(DMA)布置(未示出)允许提高的存储器操作的性能。更具体地，DMA(未示出)提供用于直接在数据的源或目的地与存储器电路625之间执行存储器读取和写入操作的机制，而不是通过诸如(一个或更多个)处理器565的块。

[0104] 存储器电路625可以包括各种存储器电路或块。在所示实施例中，存储器电路625包括非易失性(NV)存储器635。另外或可替代地，存储器电路625可以包括易失性存储器(未示出)，诸如随机存取存储器(RAM)。NV存储器635可以用于存储与MCU 550中的一个或更多个块的性能、控制或配置相关的信息。例如，NV存储器635可以存储与(一个或更多个)DC-DC开关模式转换器80相关的配置信息。

[0105] 注意，在所示的示例性实施例中，电感器20和电容器35(如果使用的话)在MCU 550外部(类似于图4中所示的布置)。如本领域普通技术人员将理解的，其他实施例是可能的并且是可预期的。如上文结合图5-7所描述的，示例包括MCU，其中使用MCU 550的资源实现电感器20和电容器35中的一个或二者。

[0106] 上面描述的并在示例性实施例中使用的各种电路和块可以以各种方式并使用各种电路元件或块来实施。例如，各种开关(40、45、48和51)、控制器85、电流源150、电流源152、比较器158、FSM 180、阈值和延迟电路208、阈值和延迟电路209、计数器以及逻辑电路
206通常可以使用数字电路、模拟电路或混合信号电路(数字和模拟电路的混合)来实施。根据需要，并且如本领域普通技术人员将理解的，数字电路可以包括电路元件或块，诸如门、数字多路复用器(MUX)、锁存器、触发器、寄存器、FSM、处理器、可编程逻辑(例如，现场可编程门阵列(FPGA)或其他类型的可编程逻辑)、算术逻辑单元(ALU)、标准单元、定制单元等。
另外，根据需要，可以包括模拟电路或混合信号电路或两者，例如，功率转换器、分立器件(晶体管、电容器、电阻器、电感器、二极管等)等。根据需要，并且如本领域普通技术人员将理解的，模拟电路可以包括偏置电路、去耦电路、耦合电路、电源电路、电流镜、电流和/或电压源、滤波器、放大器、转换器、信号处理电路(例如，乘法器)、检测器、换能器、分立元件(晶体管二极管、电阻器、电容器、电感器)、模拟MUX等。如本领域普通技术人员将理解的，用于给定实施方式的电路的选择取决于多种因素。这些因素包括设计指标、性能指标、成本、IC或器件面积、可用技术(诸如半导体制造技术)、目标市场、目标终端用户等。

[0107] 参考附图，本领域普通技术人员将注意到，所示的各种块可以主要描绘概念功能和信号流。实际的电路实施方式可以包含或可以不包含用于各种功能块的可单独识别的硬件，并且可以使用或可以不使用所示的特定电路。例如，可以根据需要将各种块的功能组合成一个电路块。此外，可以根据需要将单个块的功能在几个电路块中实现。电路实施方式的选择取决于各种因素，诸如用于给定实施方式的特定设计和性能指标。除了本公开中的实施例之外的其他修改和替换实施例对于本领域普通技术人员将是明显的。因此，根据示例性实施例，本公开教导了本领域技术人员实现所公开的概念的方式，并且本公开仅被解释为说明性的。在适用的情况下，附图可以或可以不按比例绘制，如本领域普通技术人员将理解的。

[0108] 所示出和所描述的特定形式和实施例仅构成示例性实施例。在不脱离本公开的范围的情况下，本领域技术人员可以对部件的形状、尺寸和布置进行各种改变。例如，本领域技术人员可以用等效元素代替所说明和所描述的元素。此外，在不脱离本公开的范围的情况下，本领域技术人员可独立于其他特征的使用而使用所公开构思的某些特征。

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