电压调节器电流负载感测的制作方法

本发明大体上涉及功率调节，且更特定来说，涉及DC-DC开关转换器中的负载电流感测。

DC-DC开关转换器通常将经调节功率提供到操作电路，例如半导体装置中的集成电路。这些集成电路通常需要在操作期间供给在特定参数内的功率。供给此功率可面临许多复杂性。举例来说，包含集成电路的半导体芯片可具有在相同或不同时间需要功率的不同部分，不同部分可能需要在不同参数内的功率，且一些部分可在不同时间利用不同功率量。使问题复杂化的是，一些装置可由具有相对小容量的电池供电，而装置本身至少在各种时间可能需要大功率量。

在许多情况中，获知提供到负载的电流的量值在调整转换器操作中可能是有用的，或可用于其它目的，例如，热管理目的。不幸地，确定负载电流可能并非经常是直接的，特定来说，如果期望以不需要复杂模拟电路及/或可过度地从转换器汲取功率的电路元件的方式来这样做。

技术实现要素：

根据本发明的方面的一些实施例提供一种DC-DC转换器，其包括：串联耦合的高侧开关及低侧开关，其中输出电感器的第一端耦合到所述高侧开关与所述低侧开关之间的节点，且所述输出电感器的第二端为负载提供经调节输出，其中输出电容器耦合到所述输出电感器的所述第二端，且旁通开关耦合所述输出电感器的所述第一端及第二端；脉冲宽度调制(PWM)信号产生器，其经配置以产生具有工作循环的PWM信号；第一比较器，其经配置以确定所述经调节输出的电压是否大于第一经预定义电压；第二比较器，其经配置以确定所述经调节输出的电压是否小于第二经预定义电压；逻辑电路，其用于基于至少所述PWM信号控制所述高侧开关、所述低侧开关及所述旁通开关；第一平均电路，其经配置以确定所述第一比较器的所述输出的在时间上的第一平均值；第二平均电路，其经配置以确定所述第二比较器的所述输出在时间上的第二平均值；第一评估电路，其经配置以基于所述第一比较器的所述输出在时间上的所述第一平均值确定负载电流的第一指示；及第二评估电路，其经配置以基于所述第二比较器的所述输出在时间上的所述第二平均值确定负载电流的第二指示。根据本发明的方面的一些实施例提供一种对确定来自DC-DC转换器的负载电流有用的方法，其包括：确定第一信号的第一数字平均值，其指示所述DC-DC转换器的输出电压是否超过第一经预定义电压；确定第二信号的第二数字平均值，其指示所述DC-DC转换器的所述输出电压是否小于第二经预定义电压；如果所述转换器正以脉冲频率调制(PFM)模式操作，那么使用所述第一数字平均值确定负载电流的第一指示；且如果所述DC-DC转换器正以脉冲宽度调制模式操作，那么使用所述第二数字平均值确定负载电流的第二指示。根据本发明的方面的一些实施例提供一种在DC-DC转换器的操作中有用的方法，其包括：确定所述DC-DC转换器的输出电压是否小于经预定义欠电压阈值；如果确定了所述DC-DC转换器的所述输出电压小于所述经预定义欠电压阈值，那么设置短路警报信号；确定大于所述DC-DC转换器的所期望输出电压加容差电压的所述DC-DC转换器的所述输出电压的平均值是否大于经预定义值；及如果大于所述DC-DC转换器的所述所期望输出电压加所述容差电压的所述DC-DC转换器的所述输出电压的所述平均值大于所述经预定义值，那么设置过电流警报信号。

一旦检阅了本发明，就更充分地理解本发明的这些及其它方面。

附图说明

图1是根据本发明的方面的经调节DC-DC转换器的半示意性半框图。

图2提供指示根据本发明的方面的处于操作中的DC-DC转换器的状态的一系列图表。

图3提供展示根据本发明的方面的CMPBP及CMPADJ信号关于负载电流的经模拟平均值的图表。

图4是根据本发明的方面的用于确定来自DC-DC转换器的负载电流的过程的流程图。

图5是在由DC-DC转换器提供过电流保护或为DC-DC转换器提供过电流保护中有用的过程的流程图。

具体实施方式

图1是根据本发明的方面的经调节DC-DC转换器的半示意性半框图。所述DC-DC转换器包含电路，在各种实施例中是数字电路，其用于确定供应到负载的负载电流的指示。负载电流的所述指示可在许多方面中有用，包含在DC-DC转换器的操作中，在确定是否存在过电流情况中，及在允许经改进热管理中。在各种实施例中，所述电路包含用于确定所述DC-DC转换器的输出电压是高于/或是低于电压的经预定义范围、用于确定此类发生的平均值、及用于基于此类发生的平均值确定负载电流的指示的电路。

如图1中所说明，所述转换器包含高侧开关113a、低侧开关113b、旁通开关120、输出电感器115、输出电容器117、逻辑电路121(其用于控制高侧、低侧及旁通开关)、第一比较器123、第二比较器124、第三比较器137、第一脉冲宽度调制(PWM)产生器125a、第二PWM产生器125b、第一数字平均块141a、第二数字平均块141b、第一数字功能块143a及第二数字功能块143b。

图1的DC-DC转换器操作高侧、低侧及旁通开关，以便调节施加到负载119的电压。在这样做时，转换器根据PWM信号操作高侧及低侧开关。在图1的实施例中，展示多个PWM产生器，但在许多实施例中，可仅使用单个PWM产生器。在具有多个PWM产生器的实施例中，可例如基于转换器的输出电压是否低于预定量值(例如，如由第一比较器123所指示)选择由第一PWM产生器125a或第二PWM产生器125b产生的PWM信号。所述PWM产生器及图1的DC-DC转换器的其它方面更详细地论述于与其一起在同一日期申请的标题为“具有数字控制及参考PWM产生器的DC-DC转换器(DC-DC Converter Having Digital Control and Reference PWM Generators)”的第14/732,505号美国专利申请案中，所述美国专利申请案的揭示内容出于所有目的以引用方式并入本文中。所述转换器还根据由第二比较器124提供的指示转换器的输出电压是否高于预定量值的输出操作旁通开关(在许多实施例中同样是任选的)。

比较器中的每一者的输出还分别被提供到第一数字平均块141a及第二数字平均块141b。数字平均值分别被提供到第一数字功能块143a及第二数字功能块143b，其确定负载电流的指示。

参考图1，高侧开关113a及低侧开关113b串联耦合于第一电压源与第二电压源之间。第一电压源处于比第二电压源更高的电压，其中高侧开关将第一电压源耦合到低侧开关，且低侧开关将第二电压源耦合到高侧开关。高侧及低侧开关可例如由金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)晶体管形成，其中p沟道MOS晶体管形成高侧开关且n沟道MOS晶体管形成低侧开关。在操作中，高侧开关是作用的，或低侧开关是作用的，或两个开关都非是作用的。出于说明性目的，高侧及低侧开关还展示由开关提供的电阻(R_DSON)。

输出电感器115具有耦合到高侧开关113a与低侧开关113b之间的节点且还耦合到旁通开关120的第一端的一个端。输出电感器的另一端耦合到输出电容器117、旁通开关120的第二端及负载119，其中负载电流I_Load穿过负载。耦合输出电感器的另一端、输出电容器及负载的节点通常可被视为DC-DC转换器的输出。出于说明性目的，输出电感器115的另一端还展示由输出电感器及相关联电路路径提供的电阻(R_DCR)，例如，寄生效应。

第一比较器123、第二比较器124及第三比较器122通常具有耦合到输出节点的第一输入，其第二输入耦合到参考电压，且比较器经配置以确定哪一输入更大。关于第一比较器123，参考电压例如可为DC-DC转换器的所期望输出电压减容差电压。第一比较器因此确定DC-DC转换器的输出电压是小于还是大于所期望输出电压减容差电压。关于第二比较器124，参考电压可为DC-DC转换器的所期望输出电压加容差电压。第二比较器因此确定DC-DC转换器的输出电压是大于还是小于所期望输出电压加容差电压。关于第三比较器137，参考电压可为DC-DC转换器的最小操作电压。第三比较器因此确定DC-DC转换器的输出电压是否下降到低于最小操作电压。低于最小操作电压的操作通常指示短路，且第三比较器的输出可被提供到短路警报以防止装置在指示短路情况的条件下操作。

逻辑电路121可接收来自第一及第二比较器的输出信号以及由第一及第二PWM产生器产生的信号以控制高侧、低侧及旁通开关的状态。逻辑电路121通常通过产生用于控制高侧、低侧及旁通开关的控制信号来控制那些开关的状态。参考图1，逻辑电路121包含多路复用器127，其接收PWM及PWM_adj信号，且基于第一比较器123的输出CMP_ADJ选择其中一者以供使用。

如图1中所展示，锁存器129存储由第二比较器124产生的信号。锁存器在多路复用器的输出(其指示转换器开关的工作循环的结束)转变到高态时存储信号。锁存器的输出(其可称为CMP_BP)被提供到旁通开关的栅极(OR门131)，且在穿过反相器135之后被提供到AND门133。OR门还接收多路复用器的输出，且将输出提供到高侧开关的栅极。高侧开关(在其门输入为低时是作用的)因此在多路复用器的输出及锁存器的输出两者都为低时是作用的。AND门还接收多路复用器的输出，且将输出提供到低侧开关的栅极。低侧开关(在其门输入为高时是作用的)因此在经反相锁存输出为高且多路复用器的输出为高时是作用的。

如图1中进一步展示，第一数字平均块141a接收锁存器129的输出(CMP_BP)。在各种实施例中，第一数字平均块通过记录一定时间周期内的输出CMP_BP来监测输出CMP_BP，且基于经记录CMP_BP的值产生输出CMP_BP的数字平均值(其可称为<CMP_BP>)。在各种实施例中，第一数字逻辑块143a从第一数字平均块接收数字平均值<CMP_BP>，且基于数字平均值<CMP_BP>确定并输出第一数字负载电流。数字平均值<CMP_BP>可被视为负载电流、转换器输入电压、DC-DC转换器的所期望输出电压、输出电感器的电感值及DC-DC转换器的开关频率的周期的函数。在一些实施例中，基于DC-DC转换器拓扑确定<CMP_BP>与负载电流的相关。在一些实施例中，<CMP_BP>与负载电流的相关是基于DC-DC转换器操作在各种负载条件下的模拟及/或测量来确定。在一些实施例中，且如稍后关于图3所论述，<CMP_BP>可被视为在其中转换器以脉冲频率调制模式操作的负载电流范围内通过一阶方程与负载电流相关，所述一阶方程例如形式为<CMP_BP>＝mI_Load+b。

类似地，第二数字平均块141b接收第一比较器123的输出(CMP_ADJ)。在各种实施例中，第二数字平均块通过记录一定时间周期内的输出CMP_ADJ监测输出CMP_ADJ，且基于经记录的输出CMP_ADJ的值产生输出CMP_ADJ的数字平均值(其可称为<CMP_ADJ>)。在各种实施例中，第二数字逻辑块143b从第二数字平均块接收数字平均值<CMP_ADJ>且基于数字平均值<CMP_ADJ>确定并输出第二数字负载电流。数字平均值<CMP_ADJ>可被视为第二数字负载电流、偏置电压、电压偏移及DC-DC转换器的(例如，开关及输出电感器的)寄生电阻的函数。如由图3所指示，在一些实施例中，<CMP_ADJ>可被视为在其中转换器以脉冲宽度调制模式操作的负载电流范围内通过一阶方程与负载电流相关，所述一阶方程例如形式为<CMP_ADJ>＝mI_Load+b。

图2提供指示例如处于操作中的DC-DC转换器(例如，图1的DC-DC转换器)的状态的一系列图表。图表中的每一者沿着其x轴具有共同时间帧。第一图表211展示经调节转换器输出电压，且第二图表213展示电感器电流及负载电流两者。第三图表215展示CMP_BP信号的状态，其指示其中旁通开关是作用的过电压情况，且第四图表215展示CMP_ADJ的状态，其指示欠电压情况。

在第一时间周期期间，直到时间t₁，负载汲取了很少电流，且输出电压周期性地过冲所期望输出电压。因此，CMP_BP信号周期性地变高，其中转换器旁通开关变成是作用的且中断高侧及低侧开关的操作。在此情况中，转换器有效地正以脉冲频率调制(PFM)模式操作，如电感器电流的第一分解图中展示。

在时间t₁处，负载开始汲取稍微更大电流量，输出电压稍微下降，且CMP_BP信号通常不再变高。一般来说，输出电压不会下降到足以引起CMP_ADJ信号变高，所以转换器使用来自PWM产生器的信号操作高侧及低侧开关，所述信号与来自PWM_adj产生器的信号相比具有减小的工作循环。

在时间t₂处，负载开始汲取更大电流量。输出电压的波动会引起CMP_ADJ信号在高态与低态之间交替，从而导致高侧及低侧开关使用来自PWM产生器的信号及来自PWM_adj产生器的信号交替操作。

在时间t₃处，负载开始汲取甚至更大电流量，大到足以使得转换器不将输出电压维持在调节限制中。在此情况中，CMP_ADJ信号变高且保持高，且高侧及低侧开关仅根据来自PWM_adj产生器的信号操作。

如图2中所说明，在轻负载情况中(其中负载电流通常为低)，CMP_BP信号周期性地变高且DC-DC转换器有效地以PFM模式操作。此外，随着负载增加，CMP_BP信号较不频繁地变高。还如图2中所说明，在更重负载情况中(其中负载电流通常更高)，CMP_ADJ信号不时地变高，且随着负载电流增加而逐渐变高。

图3提供展示针对特定操作拓扑(例如图1的实施例的操作拓扑)CMP_BP及CMP_ADJ信号关于负载电流的经模拟平均值的图表。对于图1的拓扑，PWM产生器可被视为使用所期望转换器输出电压加偏置电压vbias的输入电压来确定PWM工作循环，且PWM_adj产生器可被视为使用所期望转换器输出电压加偏置电压vbias加调整电压vac的输入电压来确定PWM_adj工作循环。如图3中所展示，CMP_BP信号313的经模拟平均值通常在较低负载电流的第一区域r1中线性地减小，且在此之后在更高负载电流的第二区域r2中维持最小值。相反地，CMP_ADJ信号311的经模拟平均值在处于较低负载电流的第一区域r1中处于最小值之后在更高负载电流的第二区域r2中大体上线性地增加。

第一区域r1可被视为重叠及/或对应于其中转换器正以PFM模式操作的时间周期，因为CMP_BP周期性地变高，如由CMP_BP的经模拟平均值的非最小值所指示。类似地，第二区域r2可被视为重叠及/或对应于其中转换器正以PWM模式操作的时间周期，因为CMP_BP信号通常不变高。

从图3可见，由一个一阶方程描述的第一线317很大程度上对应于CMP_BP关于负载电流的经模拟数字平均值，且由另一一阶方程描述的第二线315很大程度上对应于CMP_ADJ关于负载电流的经模拟数字平均值。因此，据信，CMP_BP的数字平均值可用于确定在转换器正以PFM模式操作时的负载电流的指示，且CMP_ADJ的数字平均值可用于确定在转换器正以PWM模式操作时的负载电流的指示。

图4是用于确定来自DC-DC转换器的负载电流的过程的流程图。在一些实施例中，所述过程由DC-DC转换器的电路及/或与DC-DC转换器相关联的电路执行，例如图1的装置的电路。在一些实施例中，所述过程由数字电路执行。在一些实施例中，所述过程由通过程序指令配置的处理器电路执行。

在框411中，所述过程评估或确定第一信号的第一数字平均值，其指示DC-DC转换器的输出电压是否超过第一经预定义电压，及评估或确定第二信号的第二数字平均值，其指示DC-DC转换器的输出电压是否低于第二经预定义电压。在一些实施例中，使用滑动窗或移动窗在时间上确定数字平均值。在一些实施例中，第一经预定义电压是转换器的所期望输出电压加偏移或容差电压。在一些实施例中，第二经预定义电压是转换器的所期望输出电压减偏移或容差电压。在一些实施例中，取决于例如DC-DC转换器的操作模式仅执行一个评估。

在框413中，所述过程确定DC-DC转换器是否正以PFM模式操作。在一些实施例中，所述过程基于外部信号确定DC-DC转换器正以PFM模式操作。在一些实施例中，如果第一数字平均值大于第二数字平均值，那么所述过程确定DC-DC转换器正以PFM模式操作。在一些实施例中，如果第一信号已提供其指示，例如，比第二信号更近地已变高，那么所述过程确定DC-DC转换器正以PFM模式操作。

如果DC-DC转换器正以PFM模式操作，那么过程继续到框415且使用第一数字平均值确定负载电流的指示。在一些实施例中，过程使用第一数字平均值基于负载电流与第一数字平均值之间的预定关系确定负载电流。在一些实施例中，预定关系是基于涉及负载电流及第一数字平均值的一阶方程。在此之后过程返回。

如果DC-DC转换器并非正以PFM模式操作，那么过程继续到框417，尽管在一些实施例中，过程可绕开框417的操作且直接继续到框419。另外，应理解，过程也可替代地将框413到415的操作顺序与框417到419的操作顺序调换，其中在一些实施例中，并未执行框413的操作。

在框417中，过程确定DC-DC转换器是否正以PWM模式中操作。在一些实施例中，过程基于外部信号确定DC-DC转换器正以PWM模式操作。在一些实施例中，如果第二数字平均值大于第一数字平均值，那么过程确定DC-DC转换器正以PWM模式操作。在一些实施例中，如果第二信号已提供其指示，例如比第一信号更近地变高，那么过程确定DC-DC转换器正以PFM模式操作。

如果DC-DC转换器正以PWM模式操作，过程继续到框419且使用第二数字平均值确定负载电流的指示。在一些实施例中，过程使用第二数字平均值基于负载电流与第二数字平均值之间预定关系确定负载电流。在一些实施例中，预定关系是基于涉及负载电流及第二数字平均值的一阶方程。在此之后，过程返回。

在一些实施例中，DC-DC转换器或其它电路(例如DC-DC转换器与其相关联的芯片上系统(SOC)的处理电路)监测第二数字平均值或<CMP_ADJ>以随着时间的变化确定所提供的负载是否大于所期望负载电流。可能不期望随着时间的变化供给大于所期望负载电流，例如，因为，此可导致额外热负载或具有其它不利影响。在一些实施例中，将第二数字平均值与电压阈值相比较，所述比较在被执行时指示随着时间变化的负载电流的额外供给。在此类情况中，例如使用图1中未说明的逻辑或其它电路的DC-DC转换器可减少图1的高侧开关的操作程度。

图5是在由DC-DC转换器提供过电流保护或为DC-DC转换器提供过电流保护中有用的过程的流程图。在一些实施例中，过程由DC-DC转换器的电路及/或与DC-DC转换器相关联的电路执行，例如图1的装置的电路。在一些实施例中，过程由数字电路执行。在一些实施例中，过程由通过程序指令配置的处理器电路执行。

在框511中，过程确定DC-DC转换器的输出电压是否小于欠电压阈值UV_thr。在一些实施例中，过程通过将输出电压及UV_thr两者提供到比较器(例如，图1的实施例的比较器122)来确定输出电压是否小于UV_thr。在一些实施例中，电压UV_thr是指示输出电压处于或接近接地电势的电压。在一些实施例中，电压UV_thr是小于预期在DC-DC转换器的操作期间观测到的任何操作电压电平的经预定义电压电平。在一些实施例中，UV_thr是指示DC-DC转换器输出或负载的短路的经预定义电压电平。

如果DC-DC转换器的输出电压小于欠电压阈值UV_thr，那么过程转到框513。在框513中，过程设置短路警报。在各种实施例中，短路警报可被提供到DC-DC转换器的芯片上系统(SOC)处理器及/或控制电路。在一些实施例中，SOC及/或控制电路可发出命令或设置信号，使得DC-DC转换器停止操作，在一些实施例中，其可为操作的暂时停止。

如果DC-DC转换器的输出电压不小于欠电压阈值UV_thr，那么过程继续到框515。在框515中，过程确定大于DC-DC转换器的所期望输出电压加容差电压b)的DC-DC转换器的输出电压的a)平均值是否大于c)经预定义值。在一些实施例中，大于DC-DC转换器的所期望输出电压加容差电压的DC-DC转换器的输出电压的平均值是例如关于图1所论述的信号<CMP_ADJ>。换句话来说，在一些实施例中，在框515中，过程确定<CMP_ADJ>是否大于V_thr，其中V_thr是经预定义值。在一些实施例中，框515的比较指示欠电压情况已发生了太长的延长时间，使得已从DC-DC转换器汲取额外电流太长时间。在一定时间周期内汲取过量额外电流可例如导致装置操作的热相关问题。

如果<CMP_ADJ>大于Vthr，那么过程转到框517。在框517中，过程设置过电流警报。在一些实施例中，过电流警报可被提供到DC-DC转换器的芯片上系统(SOC)处理器及/或控制电路。在一些实施例中，SOC及/或控制电路可发出命令或设置信号，使得DC-DC转换器停止操作，在一些实施例中，其可为操作的暂时停止。

否则，过程转到框519且提供正常DC-DC转换器操作。

在此之后，过程返回。

在一些实施例中，图1的电路还可用于确定或校准高侧开关及电感器的寄生电容的值以及电感器的电感值。举例来说，在一些拓扑中，<CMP_BP>是寄生电阻而非电感器电感的函数，而<CMP_ADJ>是电感器电感而非寄生电阻的函数。在此类情况中，可以校准模式暂时测量到负载的电流，例如，通过将已知值的电阻暂时切换到负载电流路径中，及测量负载电流来获得负载电流及接着使用<CMP_BP>及<CMP_ADJ>确定寄生电阻及电感器电感。在一些实施例中，第一及第二数字功能块可包含用于执行此处理的电路。

尽管已关于各种实施例论述了本发明，但应认识到，本发明包括由本发明支持的新型及非显而易见的权利要求书。