具有自动模式切换的PFM电源管理系统的制作方法

本申请涉及电压转换器，并且更具体地涉及在电压转换器使用的各种模式之间的切换。

相关技术的描述

电压转换器将来自诸如电池的电压源的电压转换为电子电路所使用的电压。例如，手提电话利用电压转换器将电池提供的电压转换为手提电话电路所利用的电压。从一个电压转换到另一个电压的转换过程利用功率，并且期望实现更高的电压转换效率以延长电池寿命。

技术实现要素：

在一个实施例中，一种方法包括至少部分地，根据脉冲频率调制(pfm)电压转换器的输入电压和所述pfm电压转换器产生的输出电压之间的电压差来确定所述pfm电压转换器的所需操作模式，和产生所述所需操作模式的指示。该方法还包括如果当前操作模式与所述所需操作模式不同，自动切换到所述pfm转换器的所述所需操作模式。

在另一实施例中，脉冲频率调制(pfm)电压转换器包括模式逻辑，用于，至少部分地，根据所述pfm电压转换器的所述输入电压和所述pfm电压转换器提供的所述输出电压确定所述pfm电压转换器的所需操作模式。所述pfm电压转换器被配置为切换到所述所需操作模式以响应不同于所述所需操作模式的当前操作模式。

在另一实施例中，脉冲频率调制(pfm)电压转换器包括模式控制器，用于评估所述pfm电压转换器的输出电压和所述pfm电压转换器的输入电压，以基于所述输入电压和所述输出电压的一个或多个转换阈值电压来选择操作模式。电压比较器将参考电压与所述输出电压进行比较，并提供电压比较器输出。选择器电路耦合到模式控制器，并将电压比较器输出提供给切换-低压差(ldo)控制器以响应于所述模式控制器选择ldo操作模式，并将所述电压比较器输出提供给降压-升压控制器以响应于所述模式控制器选择降压操作模式、升压操作模式或降压-升压操作模式。

附图说明

通过参考附图，可以更好地理解本发明，并且本发明的众多目的、特征和优点对于本领域技术人员而言是显而易见的。

图1所示为根据本发明实施例的电压转换器件的示意图。

图2所示为转换阈值的实施例，其用于根据输入和输出电压函数来确定适当的模式(降压、降压-升压或升压)。

图3所示为实施例中的模式控制器的高级操作流程图，其中操作模式可以是降压、降压-升压或升压。

图4所示为转换阈值的实施例，其用于根据输入和输出电压来确定适当的模式(降压或切换-ldo)。

图5所示为实施例中的模式控制器的高级操作流程图，其中操作模式可以是降压或切换-ldo。

在不同附图中使用相同的附图标记表示相似或相同的项目。

具体实施方式

电压转换器监视正在产生的输出电压并调整电压转换器的操作以将输出电压维持在目标电压电平。这需要比较器将输出电压与目标电压进行比较，并提供比较指示。

图1所示为利用电池作为电压源vin101的电压转换器100的实施例。在一个实施例中，电压转换器100是脉冲频率调制(pfm)电压转换器，其包括以降压模式、升压模式或降压-升压模式操作的降压-升压转换器103。模式控制器107比较输出电压109和输入电压101，并确定电压转换器的所需操作模式，如本文进一步描述的。每种类型的电源转换器(降压、升压、降压-升压和ldo)都具有最佳的输入和输出电压范围，转换器可以高效准确地工作。电压比较器111将输出电压vout109与对应于pfm电压转换器目标电压的参考电压119进行比较，并且每当输出电压下降到其目标电压以下时生效反馈信号。电压比较器的实施例在2018年2月22日提交，申请号15/902,798，名称为“lowpowerswitched-capacitorcomparator”中描述，该申请通过引用结合于此。在一个实施例中，当保证输出电压低于输入电压时，电压转换器以降压模式或以使用切换ldo转换器105的低压降(ldo)模式操作。选择器电路115基于模式控制器107的输出选择电压比较器111的输出的目的地为降压-升压转换器103或ldo转换器105。需要注意的是，电压转换器100在所有模式(降压、降压-升压、升压、ldo)中使用相同的电压比较器111。如果不同的模式用不同的比较器，在模式自动切换时，由于比较器偏移将难以准确地控制输出电压。

在升压模式中，晶体管m1导通，晶体管m2截止，并且晶体管m3和晶体管m4根据标准升压操作切换。在降压模式下，m3导通，m4截止，m1和m2按照标准降压操作切换。在降压-升压模式下，四个开关按此顺序使用：m1和m4导通；m1和m3导通；然后m2和m3导通。在切换ldo操作中，仅使用开关m5。每当ldo从电压比较器111接收到指示输出电压低于目标电压的反馈信号时，ldo控制器117输出固定宽度和固定电流幅度的单个脉冲。这导致ldo为每个脉冲的输出提供已知的固定电荷，从而在切换ldo模式下实现精确的库仑计数。

模式控制器107响应于每个降压-升压或ldo脉冲来评估vin和vout。例如，模式控制器将vin和vout之间的差值与编程阈值进行比较，以确定系统操作的最佳或优选模式。可以使用内置滞后来避免在阈值附近连续切换模式。模式控制器只需要对每个电流脉冲进行一次比较，因此对系统效率的影响可以忽略不计，包括在轻载时。模式控制器可以在降压、降压-升压、升压和ldo转换器的脉冲之间基本上断电以节省功率。

当输入和/或输出电压改变时，可以动态地改变操作模式。在大多数实际的电池供电系统中，电池电压随时间而变化。降压-升压转换器和切换ldo均与电压比较器在相同的pfm反馈环路中工作，从而允许模式之间的无缝转换。如果需要更多电荷以将输出电压维持在目标电压，则提供给输出的电流脉冲的频率增加。如果需要较少的电荷来将输出电压维持在目标电压，则可以降低电流脉冲的频率。

由于降压-升压转换器103和切换ldo转换器105都在pfm系统中产生每脉冲的固定电荷，因此跨模式维持库仑计数。库仑计数可以提供电池提供了多少电荷的指示，因此可以用于确定剩余电池寿命。由于降压、升压和降压-升压转换器都提供固定大小的脉冲，因此脉冲数可用于确定从电池传输的电荷。类似地，在切换ldo模式中，转换器提供固定大小的脉冲。传统的非切换ldo不具备维持库仑计数的能力。

在一个实施例中，如果输入电压可以高于或低于输出电压，则全降压-升压转换器103用于允许电压转换器以降压、升压或降压-升压模式操作以尝试和优化效率。在使用全降压-升压转换器的同时，ldo转换器105可以完全断电。当使用全降压-升压转换器时，模式控制器107确定降压-升压转换器的操作模式(降压模式、升压模式或降压-升压模式)。图2所示为与pfm电压转换器的各种操作模式相关联的输入和输出电压的示例。如图2所示，当输入电压充分高于区域201中的输出电压时，pfm电压转换器以降压模式操作。当输出电压和输入电压如区域203中所示更靠近在一起时，pfm电压转换器以降压-升压模式操作。当输出电压大于输入电压时，如区域205所示，pfm电压转换器以升压模式操作。该系统配置为根据输出电压和输入电压在降压、升压和降压-升压模式之间自动切换。也就是说，系统在模式之间自动切换。图2所示为阈值输出电压和输入电压(线207和线209)的示例，其用于针对输入电压和输出电压的各种值确定适当的降压-升压操作模式。滞后可以用于确保当电压关系接近线207或线209所示的转变阈值时，切换不会过于频繁地发生。可以根据特定应用的需要来编程阈值。

模式控制器107包括模拟和/或数字逻辑，以基于输入和输出电压确定适当的模式。例如，模式控制器可以使用模拟比较器108和附加的模拟和/或数字逻辑110。数字逻辑可以利用状态机、编程的微控制器或控制逻辑的任何适当组合。比较操作可以使用模拟比较器108或将输入和输出电压转换为数字值并进行数字比较。模式控制器107基于例如图2中所示的输入电压和输出电压以及转换阈值的值来确定何时切换到不同模式。模式控制器107通过信号线116将所需模式提供给降压-升压控制器104，降压-升压控制器104又控制适合于所需模式的晶体管m1-m4。此外，降压-升压控制器接收来自电压比较器111的输入，以指示输出电压何时低于目标电压，该目标电压用于调节脉冲频率以维持目标输出电压。虽然未示出，但是也可以向降压-升压控制器104提供其他指示(高电压或低电压)。模式控制器107的输出选择开关115的设置。

图3所示为实施例中的模式控制器107的高级操作流程图，其中电压转换器可以操作在降压模式、降压-升压模式或升压模式。在301中，模式控制器等待来自降压-升压控制逻辑的脉冲激活信号121(参见图1)，以表示降压-升压转换器提供的脉冲有效。在一个实施例中，脉冲激活信号121在脉冲持续时间内被明确肯定。脉冲激活信号121从低功率状态唤醒模式控制器的一部分。模式控制器的模拟部分，例如比较器108，响应于脉冲激活信号121被明确肯定而导通，并且在脉冲激活信号121被明确肯定时保持导通。这允许在比较器输出的采样之前在模拟电路上有一些稳定时间。当脉冲激活信号无效时，转换作为数字电路110的时钟，以锁存由比较器108提供的输入电压和输出电压之间的电压差，并确定适当的操作模式。

在更一般的意义上，模式比较器可以其他方式实现。只要模式比较器仅在每个脉冲结束期间或之后消耗功率，那么模式比较器对系统效率的影响可以忽略不计。在另一个实施例中，模拟数字转换器(adc)监视输入和输出电压，并利用脉冲信号的开始、脉冲信号的结束或脉冲期间的一些其他信号来为adc提供时钟。数字电压值可用于确定适当的操作模式。主要想法是，如果脉冲之间的时间增加(当输出电流非常低时)，模式比较事件之间的时间也应该增加，这样系统不会通过不断运行模式比较器来浪费功率。

在303中，模式控制器评估输出电压和输入电压以确定所需操作模式。评估可以包括比较两个电压以确定电压差。如上所述，这可以使用模拟电路和数字电路的组合来完成。然后可以使用电压差来确定305中的所需操作模式。图2中描绘的所需操作模式201、203或205的选择基于输入和输出电压之间的电压差，以及207和209处所示的阈值电压。在307中，模式控制器确定是否需要改变操作模式。也就是说，控制逻辑确定所需操作模式是否与当前操作模式相同。例如，所需操作模式可以是降压模式，并且当前操作模式是降压模式。如果所需和当前的操作模式相同，则模式控制器不采取动作并且在309中返回到低功率状态以等待301中的下一个脉冲激活信号。如果需要模式切换，例如当电池老化并且电池供应的电压下降时从降压模式到降压-升压模式，模式控制器进入状态311并且通过信号线116向降压-升压控制器104发信号通知新模式。然后，模式控制器通过，例如去除模拟和数字电路的主要部分的电源，而在309中进入低功率状态，并等待301中的下一个脉冲激活指示。为了延长电池寿命，本文描述的电压转换器的实施例试图保持零静态电流以延长电池寿命。注意，虽然图3将模式控制功能描述为模式控制器的一部分并且与降压-升压控制器分离，但是其他实施例可以组合用于降压-升压控制器和模式控制器的控制功能。

当保证输入电压始终超过输出电压时，至少在电池寿命结束之前，系统配置为在降压和ldo模式之间自动切换。在那种情况下，降压-升压控制器104可以被布线(或以其他方式配置)以仅在降压模式下操作，并且电压转换器在降压模式和切换ldo模式之间自动切换。模式控制器107确定何时在切换ldo模式和降压模式之间转换。在其他实施例中，ldo转换器可以不是切换ldo转换器而是传统的ldo转换器。因此，当在ldo模式下操作时，可以切换或不切换ldo转换器。当然，当在降压和ldo模式之间切换时，利用传统的ldo将阻止库仑计数的继续。

图4所示为转换阈值的实施例，以确定何时以降压模式操作以及何时使用ldo模式作为输入和输出电压的函数。如图4所示，当输入电压充分高于区域401中的输出电压时，pfm电压转换器100以降压模式操作。当输出电压和输入电压如区域403中所示更靠近时，电压转换器以ldo模式操作。该系统根据输出电压和输入电压在降压和ldo模式之间自动切换。例如，在图4的示例中，线405所示为转换阈值。滞后可以用于确保当电压关系接近线405时，切换不会过于频繁地发生。可以根据特定应用的需要来编程阈值405。需要注意的是，模式控制器107包含逻辑以基于输入和输出电压确定适当的模式，并通过信号线116将该信息传送到降压-升压控制器104。当处于切换ldo模式时，模式控制器107控制开关115以将电压比较器111的输出提供给切换ldo控制器117。切换ldo控制器117控制晶体管m5以响应来自电压比较器111的生效信号而产生固定脉冲，指示输出电压低于对应于参考电压119的目标输出电压。

一些实施例包括防止转换器从降压模式转换到ldo模式，直到系统检测到降压转换器难以提供所需输出电流的附加特征。在pfm模式下，脉冲通常在电压转换器达到编程的峰值电流时结束。计时器123(参见图1)计数到当前脉冲的最大允许接通时间。在一个实施例中，如果降压转换器具有三个连续脉冲，其中它在达到编程的峰值电流之前达到最大允许接通时间，则表明降压转换器难以提供所需的输出电流并且ldo模式是合适的。由于降压转换器通常具有比ldo转换器更好的效率，因此即使在达到模式控制器转换阈值电压之后，只要降压转换器仍能够提供所需的负载，最好保持降压模式。由于诸如无线电传输的短暂高功率操作，电池电压可能暂时下降，并且在操作完成时恢复。如果可能，保持降压模式，尽可能提供更高效的转换器操作。

图5所示为实施例中的模式控制器107的高级操作流程图，当电压转换器100可以仅操作在降压模式或切换ldo模式。在501中，模式控制器等待来自降压-升压控制器或切换ldo控制器的脉冲有效的指示121(参见图1)。在一个实施例中，比较器108响应于脉冲激活信号在降压或ldo脉冲期间比较输入和输出电压，并且逻辑110响应脉冲激活信号的无效以对电压差进行采样。因此，信号线121可以包括来自控制器104和控制器117的脉冲激活指示。脉冲激活指示可用于将模式控制器的一部分从低功率状态唤醒。在503中，模式控制器评估输出电压和输入电压，并提供评估指示。评估可以包括使用模拟电路、数字电路或模拟电路与数字电路组合的比较操作。输入和输出电压之间的电压差以及采样的输入和输出电压处的转换阈值电压的值确定505中的所需操作模式(图4中的401或403)。转换阈值电压在图4中的405处示出。在507中，模式控制器基于所需操作模式是否与当前操作模式相同来确定是否需要改变操作模式。例如，所需操作模式可以是降压模式，并且当前操作模式是降压模式。如果所需模式和当前模式相同，则模式控制器不需要动作并且在509中返回到低功率状态，并且等待501中的下一个脉冲激活指示。如果需要切换模式，例如当电池老化并且电池供应的电压下降时从降压模式到切换ldo模式，模式控制器进入状态511并进一步确定降压转换器是否尽力提供所需的输出电流。如果该脉冲是第三个或其他适当数量的脉冲，其中降压转换器在达到编程的峰值电流之前达到允许的最大导通时间，从而指示降压转换器正在挣扎，则模式控制器通过更新开关115的开关设置将模式切换为515中的切换ldo模式，并且通过信号线116更新降压转换器，电压转换器现在以ldo模式操作。这要求降压控制器104追踪在该条件下已发生三个连续脉冲。信号线121可以包括控制信号，以指示具有该条件的连续脉冲已经发生。在一些实施例中，省略步骤511。附加信号线(图1中未示出)可用于通知切换ldo控制器，切换ldo转换器现在是有效的。然后，模式控制器通过，例如去除电路主要部分的电源，而在509中进入低功率状态，并等待301中的下一个脉冲激活指示。

一旦转换器处于ldo模式，切换ldo转换器响应于电压比较器111的输出产生固定宽度和固定电流的脉冲。ldo控制器根据尽可能强烈的需求导通m5，以提供编程的固定电流。输出电流等于(vin-vout)/m5的电阻值。随着输入和输出电压越来越接近，m5的电阻需要非常低才能保持所需的电流。如果输入电压非常接近输出电压或低于目标输出电压，则ldo控制器117检测到该低电池状态并切换到ldo旁路模式。例如，由于由电池供电的电路的需求的突然增加或由于老化，电池电压可能下降。ldo反馈环路检测每个脉冲期间m5的导通强度。如果三个连续脉冲需要比m5栅极电压的设定阈值更强地导通m5，则ldo转换器进入ldo旁路模式。当然，其他实施例可以使用更多或更少的连续脉冲来确定是否进入ldo旁路模式。在ldo旁路模式下，开关(m5)强烈打开并保持导通状态。进入和退出ldo旁路模式的过渡是自动的，并且是基于输出电压和输入电压。如果电压比较器确定输出电压恢复到高于目标电压的电平，则ldo转换器退出ldo旁路模式。

因此，已经描述涉及在电压转换器模式之间自动切换的改进电压转换器的各个方面。这里阐述的本发明的描述是说明性的，并不意图限制如所附权利要求中阐述的本发明的范围。在不脱离所附权利要求中阐述的本发明的范围的情况下，可以基于这里阐述的描述做出本文公开的实施例的其他变型和修改。