具有可切换静止状态的控制器的单输入多输出(SIMO)转换器
[0002] 本申请要求2018年9月26日提交的美国临时申请No.62/736,577的优先权，其通过引用结合于此。
背景技术
[0003] 电源供应器和功率转换器用于各种
电子系统中。电
力通常作为交流(AC)
信号长距离传输。AC信号根据需要被划分和计量用于每个商业或家庭
位置，并且经常被转换为直流电(DC)以用于各个电子设备或元件。现代电子系统通常采用设计成使用不同DC
电压操作的设备或元件。因此，这种系统需要不同的DC-DC转换器或支持宽范围
输出电压的DC-DC转换器。
[0004] 存在许多不同的DC-DC转换器拓扑。可用的拓扑在所使用的元件、处理的功率量、(一个或更多个)输入电压、(一个或更多个)输出电压、效率、可靠性、尺寸和/或其他特性方面不同。一个示例DC-DC转换器拓扑是单输入多输出(SIMO)转换器，其通过将单个电感器充电和选择性地放电到不同
节点来提供多个输出。在一些SIMO转换器方案中，由于使用的元件以及控制问题，可能发生低效率和输出振荡。
发明内容
[0005] 根据本公开的至少一个示例，一种系统包括电感器和耦合在电感器的第一端和电压供应节点之间的第一
开关。该系统还包括耦合在电感器的第一端和负输出供应节点之间的第二开关。该系统还包括耦合在电感器的第二端和正输出供应节点之间的第三开关。该系统还包括耦合在电感器的第二端和接地节点之间的第四开关。该系统还包括耦合到第一、第二、第三和第四开关的控制器。控制器被配置成提供电感器充电模式、正升压模式(boost mode)、负升压模式、涉及第一开关的第一静止状态(rest state)以及涉及第四开关的第二静止状态。
[0006] 根据本公开的至少一个示例，一种单输入多输出(SIMO)转换器
电路包括耦合在第一电感器节点和电压供应节点之间的第一开关。SIMO转换器电路还包括耦合在第一电感器节点和负输出供应节点之间的第二开关。SIMO转换器电路还包括耦合在第二电感器节点和正输出供应节点之间的第三开关。SIMO转换器电路还包括耦合在第二电感器节点和接地节点之间的第四开关。SIMO转换器电路还包括耦合到第一、第二、第三和第四开关的控制器。控制器被配置成在涉及第一开关的第一静止状态和涉及第四开关的第二静止状态之间切换。
[0007] 根据本公开的至少一个示例，一种设备包括耦合在第一电感器节点和电压供应节点之间的第一开关。该设备还包括耦合在第一电感器节点和负输出供应节点之间的第二开关。该设备还包括耦合在第二电感器节点和正输出供应节点之间的第三开关。该设备还包括耦合在第二电感器节点和接地节点之间的第四开关。该设备还包括耦合到第一、第二、第三和第四开关的异步状态机。异步状态机被配置成在涉及第一开关的第一静止状态和涉及第四开关的第二静止状态之间切换。
附图说明
[0008] 对于各种示例的详细描述，现在将参考附图，其中：
[0009] 图1是示出根据各种示例的系统的
框图；
[0010] 图2是示出根据各种示例的升压
迭代/反复(boost iteration)方案的一组示意图；
[0011] 图3A和图3B是示出根据各种示例的状态机方法的
流程图；以及
[0012] 图4是示出根据各种示例的单输入多输出(SIMO)转换器控制方法的流程图。
具体实施方式
[0013] 本文公开了单输入多输出(SIMO)转换器拓扑，其涉及具有可切换静止状态的控制器。在一些示例中，使用电感器、在电感器的第一端和电源供应节点之间的第一开关、在电感器的第一端和负输出供应节点之间的第二开关、耦合在电感器的第二端和正输出供应节点之间的第三开关以及耦合在电感器的第二端和接地节点之间的第四开关来形成SIMO转换器。SIMO转换器还包括耦合到第一、第二、第三和第四开关的控制器，其中控制器指示第一、第二、第三和第四开关的操作从静止状态转换到至少一次升压迭代，以及回到静止状态。在一些示例中，每次升压迭代涉及执行电感器充电模式，之后是正或负升压模式。根据需要，在转换回静止状态之前执行多次升压迭代。
[0014] 如本文所述，控制器被配置成转换到不同的静止状态或从不同的静止状态转换。在一些示例中，第一静止状态涉及第一开关，第二静止状态涉及第四开关。更具体地，对于第一静止状态，控制器被配置成闭合(close)第一开关并断开(open)第二、第三和第四开关。同时，对于第二静止状态，控制器被配置成闭合第四开关并断开第一、第二和第三开关。
通过在第一和第二静止状态之间切换，与仅使用单静止状态相比，可以提高SIMO转换器的效率。而且，与仅使用单静止状态相比，使用双静止状态操作可以减少正和/或负供应输出中的不期望的伪像。在一些示例中，控制器被配置成在单静止状态操作和双静止状态操作之间切换。为了提供更好的理解，使用如下附图描述涉及具有可切换静止状态钳位控制选项的控制器的各种SIMO转换器拓扑以及相关系统和方法。
[0015] 图1是示出根据各种示例的系统100的框图。在图1中，系统100表示消费产品、集成电路或芯片、具有集成电路和/或分立元件的印刷
电路板(PCB)和/或另一个电气设备。如图所示，系统100包括耦合到控制器104的SIMO转换器电路102。系统100还包括耦合到SIMO转换器电路102和控制器104的感测电路108。系统100还包括耦合到SIMO转换器电路102的正输出供应节点116的第一负载126。系统100还包括耦合到SIMO转换器电路102的负输出供应节点114的第二负载128。在其他示例中，第一负载126、第二负载128和/或另一个负载耦合到正输出供应节点116和负输出供应节点114两者。
[0016] 在图1的示例中，SIMO转换器电路102包括耦合在电源供应(VIN)节点112和第一电感器节点(标记为“LY”)122之间的第一开关(S1)。SIMO转换器电路102还包括耦合在第一电感器节点122和负输出供应节点114之间的第二开关(S2)。SIMO转换器电路102还包括耦合在第二电感器节点(标记为“LX”)124和正输出供应节点116之间的第三开关(S3)。SIMO转换器电路102还包括耦合在第二电感器节点124和接地节点118之间的第四开关(S4)。在一些示例中，SIMO转换器电路(诸如SIMO转换器电路102)可具有多个正轨和负轨(由开关控制的输出供应节点)。在这样的示例中，每个正轨的开关可以一起或单独被控制。类似地，每个负轨的开关可以一起或单独被控制。
[0017] 在图1中，电感器120耦合在第一电感器节点122和第二电感器节点124之间。在一些示例中，电感器120是分立元件，其通过将电感器120的相应
端子耦合到第一电感器节点122和第二电感器节点124而被添加到SIMO转换器电路102。相反，SIMO转换器电路102的其他元件可以是集成电路的一部分。在一些示例中，电感器120是集成电路的一部分。例如，片上电感器可以并排放置或放置在其他集成电路元件的顶部以形成多芯片模
块(MCM)配置。
该MCM配置可以作为单个集成电路或产品进行封装和商业化。在另一个示例中，分立电感器与包括系统100的一些元件的集成电路封装在一起以产生单个封装产品。在不同的示例性示例中，单个集成电路或多个集成电路包括针对图1中的SIMO转换器电路120、控制器102和/或感测电路108表示的元件。另外，在一些示例中，第一负载126和第二负载128是相对于SIMO转换器电路102、控制器104和感测电路108的单独的元件或电路。
[0018] 在图1的示例中，控制器104支持SIMO转换器电路102的各种模式以及可切换的静止状态。更具体地，控制器104被配置成提供电感器充电模式、正升压模式、负升压模式、涉及S1的第一静止状态和涉及S4的第二静止状态。对于电感器充电模式，控制器104被配置成闭合S1和S4并且断开S2和S3。对于正升压模式，控制器104被配置成闭合S1和S3并且断开S2和S4。对于负升压模式，控制器104被配置成闭合S2和S4并且断开S1和S3。对于第一静止状态，控制器104被配置成闭合S1并且断开S2、S3和S4。对于第二静止状态，控制器104被配置成闭合S4并且断开S1、S2和S3。
[0019] 在一些示例中，控制器104包括异步状态机106，其被配置成调整SIMO转换器电路102的S1-S4的
控制信号(CS1-CS4)以在没有
时钟信号的情况下实现本文所述的各种模式或静止状态。更具体地，在图1的示例中，控制器104接收来自感测电路108的各种
输入信号，包括与正输出供应节点116处的电压电平对应的正输出供应电压(ERP)信号、与正输出供应节点118处的电压电平对应的负输出供应电压电平(ERN)信号、正电感器
电流下限
阈值(RCTP)、负电感器电流下限阈值(RCTN)、正电感器电流下限阈值(RCTP)、电感器充电负阈值(IPKN)以及电感器充电正阈值(IPKP)。在一些示例中，控制器104还接收使能信号，诸如正输出供应使能信号(VPOS_enabled)和/或第一静止状态使能信号(S1_IDLE)。
[0020] 在一些示例中，异步状态机106执行状态机循环，其包括在第一或第二静止状态中的一个处开始。状态机循环还包括执行至少一个升压迭代，其包括电感器充电模式以及正或负升压模式。状态机循环还包括返回第一或第二静止状态中的一个。在一些示例中，控制器104和/或异步状态机包括仲裁逻辑(参见例如图2中的仲裁逻辑240)，其被配置成确定在给定的升压迭代中是使用正升压模式还是负升压模式。在一些示例中，仲裁逻辑使用来自感测电路108的感测信号来确定在给定的升压迭代中是使用正升压模式还是负升压模式。
[0021] 作为一个示例，由仲裁逻辑用于触发升压迭代的感测信号包括正输出供应电压电平(例如，ERP)和/或负输出供应电压电平(例如，ERP)。例如，如果ERP与ERN相比距离相应目标更远，则仲裁逻辑执行包括正升压模式的一次或更多次升压迭代。另一方面，如果ERN与ERP相比距离相应目标更远，则仲裁逻辑执行包括负升压模式的一次或更多次升压迭代。如果ERP和ERN二者都不在它们各自的目标上，则仲裁逻辑可以执行多次升压迭代，其包括至少一次正升压模式和至少一次负拍/降压(negative beat)模式。
[0022] 在另一个示例中，ERP是向控制器104发信号以启动正升压操作的逻辑信号。利用电压比较器产生ERP信号，该电压比较器将VPOS(VPOS节点116处的电压电平)与预定阈值(VPOS_THRESHOLD)进行比较。如果VPOSVNEG_THRESHOLD，则ERN为逻辑高。
[0023] 一旦触发了升压迭代，控制器104通过在S2和S3断开时闭合S1和S4来执行电感器充电模式。在一些示例中，电感器充电模式继续，直到IPKN和/或IPKP指示电感器电荷高于阈值。在电感器充电模式完成之后，控制器104根据仲裁结果(例如，哪个输出供应电压距离相应的目标和/或其他标准最远)转换到正升压模式或负升压模式。在正或负升压模式完成之后(如RCTN或RCTP所示)，控制器104根据到控制器104的输入信号转换到另一升压迭代或静止状态中的一个。
[0024] 在一些示例中，控制器被配置成根据从使能电路(未示出)接收的使能信号(VPOS_enabled和/或S1_IDLE)使用可用的不同静止状态，其中使能信号用于确定状态机循环是返回到第一静止状态还是第二静止状态。在一些示例中，控制器104被配置成默认地在第二静止状态(S4闭合，S1、S2、S3断开)中开始。如果当返回到静止状态的决定到期时VPOS_enabled为低(正输出供应被禁用)，则控制器104在一次或更多次升压迭代完成之后返回到第二静止状态。另一方面，如果当返回到静止状态的决定到期时VPOS_enabled为高(正输出供应被启用/使能)，则控制器104在一次或更多次升压迭代之后返回到第一静止状态(S1闭合，S2、S3、S4断开)。另外，如果S1_IDLE为高，则无论VPOS_enabled的状态如何，控制器104都不使用第一静止状态。在一些示例中，S1_IDLE用于确定控制器104是否支持双静止状态模式(例如，依据VPOS_enabled的变化在第一和第二静止状态之间切换)或单静止状态模式(例如，默认使用第二静止模式，直到S1_IDLE变为低)。
[0025] 图2是示出根据各种示例的升压迭代方案200的一组示意图。在方案200中，通过从用于SIMO转换器电路102的静止状态(未示出)转换到电感器充电模式布置210来启动升压迭代。如图2所示，电感器充电模式布置210对应于S1和S2闭合而S2和S3断开。在电感器充电模式完成之后(例如，由IPKN和/或IPKP发信号)，仲裁逻辑240确定是否将执行正升压或负升压。在一些示例中，仲裁逻辑240使用ERP、ERN和相应的目标来确定是执行正升压还是负升压。例如，如果ERP与ERN相比距离相应目标更远，则仲裁逻辑240执行包括正升压模式的一次或更多次升压迭代。另一方面，如果ERN与ERP相比距离相应目标更远，则仲裁逻辑240执行包括负升压模式的一次或更多次升压迭代。如果ERP和ERN二者都不在它们各自的目标上，则仲裁逻辑240执行多次升压迭代，其包括至少一次正升压模式和至少一次负升压模式。在另一个示例中，利用电压比较器产生ERP信号，该电压比较器将VPOS与预定阈值(VPOS_THRESHOLD)进行比较。如果ERP为逻辑高(VPOSVNEG_THRESHOLD)，则触发负升压。
[0026] 在方案200中，通过从用于SIMO转换器电路102的电感器充电模式布置210转换到用于SIMO转换器电路102的正升压布置220来执行正升压。如图所示，正升压模式布置220对应于S2和S4断开而S1和S3闭合。在正升压模式完成之后(例如，由RCTP发信号)，仲裁逻辑240确定是否需要另一升压迭代(例如，基于ERP和/或ERN)。如果是，则情景200返回到SIMO转换器电路102的电感器充电模式布置210，并且随后另一正或负升压。否则，如果不需要另一升压迭代，则完成升压迭代方案200，并且SIMO转换器电路102被置于如本文所述的第一或第二静止状态。在一些示例中，不同静止状态的使用取决于如本文所述的使能信号(例如，VPOS_enabled和/或S1_IDLE)。
[0027] 在方案200中，通过从用于SIMO转换器电路102的电感器充电模式布置210转换到用于SIMO转换器电路102的负升压布置230来执行负升压。如图所示，负升压模式布置230对应于S1和S3断开而S2和S4闭合。在负升压模式完成之后(例如，由RCTN发信号)，仲裁逻辑240确定是否需要另一升压迭代(例如，基于ERP和/或ERN)。如果是，则情景200返回到SIMO转换器电路102的电感器充电模式布置210，并且随后执行另一正或负升压。否则，如果不需要另一升压迭代，则完成升压迭代方案200并且将SIMO转换器电路102置于第一或第二静止状态。在一些示例中，不同静止状态的使用取决于如本文所述的使能信号(例如，VPOS_enabled和/或S1_IDLE)。
[0028] 在一些示例中，默认使用第二静止状态(S4闭合，而S1、S2、S3断开)。如果当返回到静止状态的决定到期时VPOS_enabled为低(正输出供应被禁用)，则在一次或更多次升压迭代完成之后使用第二静止状态。另一方面，如果当返回静止状态的决定到期时VPOS_enabled为高(正输出供应被启用/使能)，则在一次或更多次升压迭代之后使用第一静止状态(S1闭合，而S2、S3、S4断开)。此外，如果S1_IDLE为低，则无论VPOS_enabled的状态如何，都不会使用第一静止状态。在一些示例中，S1_IDLE用于确定双静止状态模式(例如，依据VPOS_enabled的变化在第一和第二静止状态之间切换)还是单静止状态模式(例如，仅使用第二静止模式直到S1_IDLE变为高)被使用。
[0029] 图3A和图3B是示出根据各种示例的状态机方法300的流程图。在一些示例中，状态机方法300由图1中的控制器104(例如，通过异步状态机106)执行。如图所示，状态机方法300包括第二静止状态342(标记为S4)。在一些示例中，第二静止状态342是状态机方法300的默认静止状态。在状态344处，确定条件A是否为真。在一些示例中，条件A给出为：
[0030] A＝S1_MIN/S4_MIN&((ERP&！ERN)|ERP&ERN&！P_CHARGE_LAST))。等式(1)在等式1中，条件A基于ERP相对于先前ERP值的变化来识别何时需要正升压迭代。如果VPOS改变使得ERP被设置为高，或者如果ERP和ERN是逻辑高并且先前的升压循环使VNEG升压，则状态机方法300通过转换到用于正升压迭代的电感器充电模式状态352而从第二静止状态342进行到正升压迭代。如果VPOS电压改变ERP或将ERP保持在逻辑0，则状态机方法300从状态344转换到状态346。在状态346，确定条件B是否为真。在一些示例中，条件B给出为：
[0031] B＝S1_MIN/S4_MIN&((ERN&！ERP)|ERP&ERN&P_CHARGE_LAST))。等式(2)[0032] 在等式2中，条件B基于ERN相对于ERN的先前值的变化来识别何时需要负升压迭代。如果VNEG改变使得ERN设置为高，或者如果ERP和ERN是逻辑高并且先前的升压循环升压了VPOS，则状态机方法300通过转换到电感器充电模式状态312(用于负升压迭代)而从第二静止状态342进行到负升压迭代。在电感器充电模式状态352处，S1和S4闭合(而S2和S3断开)以对电感器充电。在状态354处，进行S1S4 MIN确定，其中S1S4 MIN表示是否已到达电感器充电模式(S1S4闭合)中的最小时间量。例如，S1S4 MIN确定涉及使用
定时器和S1S4 MIN阈值。如果S1S4 MIN为假(尚未到达最小时间量)，则状态机方法300返回到电感器充电模式状态352。否则，如果S1S4MIN为真(已到达最小时间量)，则当IPKP到达阈值
水平(由状态356确定)并且当S1S4 MAX为真时(由状态358确定)，状态机方法300转变到正升压状态360。S1S4 MAX指示已到达电感器充电模式中的目标或最大时间量。在正升压状态360处，S1和S3闭合(而S2和S3断开)。
[0033] 在状态362处，进行S1S3 MIN确定，其中S1S3 MIN表示是否已到达正升压状态充电模式(S1S3闭合)的最小时间量。如果S1S3 MIN为假(尚未到达最小时间量)，则状态机方法300返回到正升压状态360。否则，如果S1S3MIN为真(已到达最小时间量)，则状态机器方法
300确定是否执行另一正或负升压迭代。更具体地，状态机方法300停留在正升压状态360，除非RCTP已到达下限阈值(在状态364处确定)并且S1S3 MAX为真(在状态366处确定)。S1S3 MAX指示已到达正升压状态的目标或最大时间量。如果状态364和366指示正升压模式完成，则(在状态368处)使用ERN以确定是否需要负升压迭代。如果状态368指示需要负升压迭代(例如，VNEG在量值上小于目标值)，则状态机方法300进行到电感器充电模式状态312(用于负升压迭代)。如果状态368指示不需要负升压迭代(例如，VNEG在量值上小于目标值)，则(在状态370处)分析ERP以确定是否需要另一正升压迭代。如果状态370指示需要正升压迭代(VPOS小于目标值)，则状态机方法300进行到电感器充电模式状态352(用于正升压迭代)。如果状态370指示不需要正升压迭代(VPOS小于目标值)，则状态机方法300通过在状态
372处确定条件C是否为真来选择两个静止状态中的一个。在一些示例中，条件C给出如下：
[0034] C＝VPOS_enabled(VPOS Slave FSMin SS or ACTIVE)&S1_IDLE(Rest)。等式(3)[0035] 在等式3中，条件C指示是否V_POS enabled为高并且S1_IDLE为高。如果条件C为真，则状态机方法300转换到第一静止状态302。否则，如果条件C不为真，则状态机方法300转换到第二静止状态342。在一些示例中，当条件给出为！POR_N|SOFT_RESET|STA NDBY|！CE|FAULT存在时，状态机方法300停留在第二静止状态342。此条件指示设备何时未完成上电(POR_N)、何时从主机发送软复位命令(SOFT_RESET)、设备何时处于待机状态、引脚芯片使能何时为低以及部件何时处于故障状态。总之，当SIMO转换器电路被禁用时，存在这种情况。
[0036] 当处于第一静止状态302时，状态机方法300停留在第一静止状态302，直到条件A或B为真，如状态304和306所表示的。如果条件A为真，则状态机方法300进行到电感器充电模式状态352(用于正升压迭代)。如果条件A不为真并且条件B为真，则状态机方法300进行到电感器充电模式状态312(用于负升压迭代)。
[0037] 在电感器充电模式状态312处，S1和S4闭合(而S2和S3断开)。在状态314处，进行S1S4 MIN确定。如果S1S4 MIN为假，则状态机方法300返回到电感器充电模式状态312。否则，如果S1S4 MIN为真，则当IPKN到达阈值水平时(由状态366确定)并且当S1S4 MAX为真时(由状态318确定)，状态机方法300转换到负升压状态320。在负升压状态320处，S2和S4闭合(而S1和S3断开)。
[0038] 在状态322处，进行S2S4 MIN确定。如果S2S4 MIN为假，则状态机方法300返回到负升压状态320。否则，如果S2S4 MIN为真，则状态机方法300确定是否执行另一正或负升压迭代。最具体地，状态机方法300停留在负升压状态320，除非RCTN已到达下限阈值(在状态324处确定)并且S2S4 MAX为真(在状态326处确定)。如果状态324和326指示负升压模式完成，则(在状态328处)分析ERP以确定是否需要正升压迭代。如果状态328指示需要正升压迭代(例如，VPOS小于目标值)，则状态机方法300进行到电感器充电模式状态342(用于正升压迭代)。如果状态328指示不需要正升压迭代(例如，VPOS等于或大于目标值)，则(在状态330处)分析ERN以确定是否需要另一负升压迭代。如果状态330指示需要负升压迭代(VNEG在量值上小于目标值)，则状态机方法300进行到电感器充电模式状态312(用于负升压迭代)。如果状态330指示不需要负升压迭代(例如，VNEG在量值上等于或大于目标值)，则状态机方法300通过在状态332处确定条件C是否为真来选择两个静止状态中的一个。如果条件C为真，则状态机方法300转换到第一静止状态302。否则，如果条件C不为真，则状态机方法300转换到第二静止状态342。
[0039] 图4是示出根据各种示例的SIMO转换器控制方法400的流程图。在一些示例中，方法400由控制器(例如，图1中的控制器104)或状态机(例如，图1中的异步状态机106)执行。如图所示，方法400包括第一或第二静止状态402。在框404，接收触发(例如，状态机方法300中的条件A或B、相对于目标或阈值的VNEG、相对于目标或阈值的VPOS等)。在框406处，执行至少一次升压迭代。在一些示例中，每次升压迭代包括如本文所述的电感器充电模式以及正或负升压模式。如果未接收到使能信号(例如，VPOS_enabled)(确定框408)，则方法400在框410处转换到第二静止状态。否则，如果接收到使能信号(确定框408)，则该方法在框412处转换到第一静止状态。在一些示例中，另一个使能信号(例如，S1_IDLE)确定SIMO转换器是以双静止状态模式还是单静止状态模式操作。从框410和412，该方法返回到框402。
[0040] 在整个该
说明书和
权利要求中使用了某些术语来指代特定的系统元件。如本领域技术人员将了解的，不同方可以通过不同的名称来指代一个元件。本文档不打算区分仅在名称上而不是在各自的功能或结构上不同的元件。在该公开和权利要求中，术语“包括”和“包含”以开放式的方式使用，并且因此应该被解释为“包括但不限于……”。“基于”的叙述旨在意为“至少部分地基于”。因此，如果X基于Y，则X可以是Y的函数和任何数量的其他因子的函数。
[0041] 以上讨论旨在说明本发明的原理和各种
实施例。一旦完全了解上述公开内容，许多变化和
修改对于本领域技术人员将变得明显。旨在将所附权利要求解释为包含所有这些变化和修改。
