DC-DC转换器电路和对应的操作方法技术

本公开涉及DC

【技术实现步骤摘要】
DC
‑
DC转换器电路和对应的操作方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2022年4月15日提交的意大利专利申请号102022000007685的优先权，其内容在法律可允许的最大范围内通过引用并入本文。


[0003]本说明书涉及基于时间的开关电容器(SC)或混合DC
‑
DC转换器。

技术介绍

[0004]在本说明书中，各种文献将通过在方括号(例如，[X])之间再现在详细说明末尾处出现的参考文献列表中标识文献的编号而被引用。这些参考文献中的每个参考文献都通过引用并入本文。
[0005]用于电子转换器的基于时间的控制技术依赖于从用于控制转换器的操作的一个或多个控制信号中的时间事件之间的时间偏移(或延迟)可推断的信息。例如，此类时间事件可以是一个或多个数字(例如，二进制)信号的边沿，例如上升沿、下降沿或两者。与常规的基于电压的控制技术相比，基于时间的控制技术的优势包括减少的硅面积占用和较低的控制电路装置的功耗。随着转换器开关频率的增加和/或技术节点缩放减小，这些优势变得更加相关。特别是关于开关频率，转换器开关频率越高，控制环路带宽越高，并且因此在常规的基于电压的控制架构的情况下，被包含在控制器中的模拟误差放大器的增益带宽积(GBWP)必须越大。大带宽意味着基于电压的控制器的设计复杂且功耗大。关于技术节点缩放，模拟信号受到缩放的(例如，降低的)电源并且受到设计复杂度的限制，而CMOS信号(例如，在正电源轨V
DD
与参考或接地电源轨V
gnd
之间切换的信号)利用技术收缩(shrinking)。
[0006]在此上下文中，文献[1]、[2]和[3]公开了包括基于时间的控制器的高频CMOS降压转换器。
[0007]图1是例示了常规降压转换器10的电路图。降压转换器10包括半桥开关电路，该半桥开关电路布置在被配置为接收输入电压V
in
的输入节点100与被配置为提供接地电压V
gnd
(例如，0V)的接地节点102之间。半桥电路包括布置在输入节点100与在其处产生电压V
X
的切换节点104之间的高侧开关HS，以及布置在切换节点104与接地节点102之间的低侧开关LS。开关HS和LS可以包括(例如，由以下组成)晶体管(例如，功率晶体管)，诸如金属氧化物半导体(MOS)晶体管，可选地是n沟道MOS晶体管。降压转换器10被配置为耦合到电感器L(例如，外部电感器)，电感器L具有耦合到切换节点104的第一端子以及耦合到在其处产生输出电压V
out
的输出节点106的第二端子。电容器C
O
(例如，外部电容器)可以耦合在输出节点106与接地节点102之间以操作转换器10(例如，以稳定输出电压V
out
)。
[0008]如图1中所例示的常规降压转换器10在大转换比率的情况下可能具有两个主要限制。具体地，对于高输入电压V
in
值，功率开关HS和LS必须具有高额定电压，并且通常高额定电压的MOS晶体管的导电性较差，并且比低额定电压的MOS晶体管更大。另外，大输入电压V
in
值和低输出电压V
out
值意味着电感L上的高电压降，这可能导致电感L中的大电流纹波，从而
也产生大输出电压纹波。
[0009]在图2中例示了可以被用来减轻常规转换器的上面提及的限制的已知电路布置，图2是例示了三级(简称3L)混合降压转换器20的电路图。常规上，术语“三级”转换器是指开关电容转换器(例如，包括四个功率晶体管和飞跨电容器(flying capacitor))，其中切换节点可以在三个不同的电压电平(例如，V
in
、V
in
/2和V
gnd
)之间切换，并且术语“混合转换器”是指与电感器一起操作的开关电容转换器，它允许调节输出电压V
out
(而常规的开关电容转换器具有固定的转换比率)。
[0010]如图2中所例示的，三级混合降压转换器20包括四开关的开关电路，该开关电路布置在被配置为接收输入电压V
in
的输入节点200与被配置为提供接地电压V
gnd
(例如0V)的接地节点202之间。开关电路包括布置在输入节点200与高侧中间节点203之间的第一高侧开关M1、布置在高侧中间节点203与在其处产生电压V
X
的切换节点204之间的第二高侧开关M2、布置在切换节点204与低侧中间节点205之间的第一低侧开关M3、以及布置在低侧中间节点205与接地节点202之间的第二低侧开关M4。M1、M2、M3和M4可以包括(例如，由以下组成)晶体管，诸如MOS(功率)晶体管，可选地是n沟道MOS晶体管。降压转换器20还包括布置在中间高侧节点203和中间低侧节点205之间的电容器C
f
(其可以是集成电容器或外部电容器，例如，取决于转换器尺寸和/或速度并因此取决于应用)，也称为飞跨电容器。电容器C
f
两端(即节点203和205之间)的电压降在本文中被指示为V
f
。降压转换器20被配置为耦合到电感器L(例如，外部电感器)，电感器L具有耦合到切换节点204的第一端子以及耦合到在其处产生输出电压V
out
的输出节点206的第二端子。电容器C
O
(例如，外部电容器)可以耦合在输出节点206与接地节点202之间以操作转换器20(例如，以稳定输出电压V
out
)。
[0011]三级降压变换器20的操作原理参考图3A至图3D进行解释，图3A至图3D是例示了在稳定状态下操作的降压变换器20的不同操作相位的电路图。具体地，在图3A至图3D中所图示的灰色组件旨在指示在每个操作相位期间不导通(例如，关断)的开关。
[0012]如图3A中所例示的，在转换器20的第一操作相位(具有持续时间T
φ1
的相位φ1)期间，开关M1和M3闭合(例如，导通、接通)，并且开关M2和M4断开(例如，不导通、关断)。电流从输入节点200经过开关M1、节点203、电容C
f
、节点205、开关M3、节点204、电感L流向输出节点206。在第一相位期间，在切换节点204处的电压V
X
等于V
X
＝V
in
‑
V
f
＝V
in
/2。在第一相位期间，电容器C
f
因此耦合在输入节点200与切换节点204(即，电感器L)之间，并且电容器C
f
被充电。
[0013]如图3B中所例示的，在转换器20的第二操作相位(具有持续时间T
φ2
的相位φ2)期间，开关M3和M4闭合并且开关M1和M2断开。电流从接地节点202经过开关M4、节点205、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种DC
‑
DC转换电路，包括：切换级，被布置在被配置为接收输入电压的输入节点和被配置为提供接地电压的接地节点之间，所述切换级包括：切换节点，选择性地耦合到所述输入节点以及耦合到所述接地节点，其中所述切换节点被配置为耦合到电感器以用于在所述DC
‑
DC转换器电路的输出节点处产生输出电压；以及电容器，具有选择性地耦合到所述输入节点和耦合到所述切换节点的第一端子、以及选择性地耦合到所述切换节点以及耦合到所述接地节点的第二端子；基于时间的反馈电路，包括第一压控振荡器，所述基于时间的反馈电路被配置为产生具有取决于所述输出电压的频率的第一时钟信号；第二压控振荡器，被配置为产生具有取决于参考电压的频率的第二时钟信号；逻辑电路，被配置为根据所述第一时钟信号和所述第二时钟信号来产生一个或多个控制信号，所述一个或多个控制信号用于控制所述切换级在以下各项之间的切换操作：第一操作相位，其中所述电容器连接在所述输入节点与所述切换节点之间；第二操作相位，其中所述电容器的所述第一端子和所述第二端子中的一个端子是浮置的，并且所述切换节点连接到所述输入节点和所述接地节点中的一个节点；第三操作相位，所述电容器连接在所述切换节点与所述接地节点之间；以及第四操作相位，其中所述电容器的所述第一端子和所述第二端子中的所述一个端子是浮置的，并且所述切换节点连接到所述输入节点和所述接地节点中的所述一个节点；以及电压平衡电路，所述电压平衡电路被配置为感测所述电容器两端的电压，将感测电压与目标电压进行比较，并产生指示所述感测电压与所述目标电压之间的差的平衡信号；其中所述第一压控振荡器和所述第二压控振荡器中的至少一个压控振荡器被配置为，根据所述平衡信号来分别改变所述第一时钟信号的占空比或所述第二时钟信号的占空比，使得：当所述平衡信号指示所述感测电压低于所述目标电压时，增加所述第一操作相位的持续时间，以及当所述平衡信号指示所述感测电压高于所述目标电压时，增加所述第三操作相位的持续时间。2.根据权利要求1所述的DC
‑
DC转换电路，其中所述切换级包括：第一高侧开关，被布置在所述输入节点与高侧中间节点之间；第二高侧开关，被布置在所述高侧中间节点与所述切换节点之间；第一低侧开关，被布置在所述切换节点与低侧中间节点之间；以及第二低侧开关，被布置在所述低侧中间节点与所述接地节点之间；并且其中所述电容器的所述第一端子耦合到所述高侧中间节点，并且所述电容器的所述第二端子耦合到所述低侧中间节点。3.根据权利要求1所述的DC
‑
DC转换器电路，还包括分压器电路，所述分压器电路耦合到所述DC
‑
DC转换器电路的所述输出节点，并且被配置为根据所述输出电压来产生反馈电压，并且其中所述第一压控振荡器被配置为产生具有取决于所述反馈电压的频率的所述第一时钟信号。
4.根据权利要求1所述的DC
‑
DC转换器电路，其中所述第一压控振荡器被配置为产生具有取决于所述输出电压的频率的中间时钟信号，并且其中被配置为产生所述第一时钟信号的所述基于时间的反馈电路还包括：第一延迟元件，被配置为根据指示所述输出电压的第一信号来延迟所述中间时钟信号；以及第二延迟元件，被配置为根据指示所述输出电压的时间微分的第二信号来延迟所述中间时钟信号。5.根据权利要求1所述的DC
‑
DC转换器电路，其中所述逻辑电路被配置为产生所述一个或多个控制信号，使得所述切换级：响应于在所述第二时钟信号中检测到的上升沿而切换到所述第一操作相位；响应于在所述第一时钟信号中检测到的上升沿而切换到所述第二操作相位；响应于在所述第二时钟信号中检测到的下降沿而切换到所述第三操作相位；以及响应于在所述第一时钟信号中检测到的下降沿而切换到所述第四操作相位。6.根据权利要求1所述的DC
‑
DC转换器电路，其中所述逻辑电路被配置为产生所述一个或多个控制信号，使得所述切换级：响应于所述第一时钟信号被解除断言和所述第二时钟信号被断言而切换到所述第一操作相位；响应于所述第一时钟信号被断言和所述第二时钟信号被断言而切换到所述第二操作相位；响应于所述第一时钟信号被断言和所述第二时钟信号被解除断言而切换到所述第三操作相位；以及响应于所述第一时钟信号被解除断言和所述第二时钟信号被解除断言而切换到所述第四操作相位。7.根据权利要求1所述的DC
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DC转换器电路，其中所述目标电压等于所述输入电压的一半。8.根据权利要求1所述的DC
‑
DC转换器电路，其中所述电压平衡电路包括：跨导放大器电路，具有被配置为接收在所述电容器两端感测到的所述电压的第一输入和被配置为接收所述目标电压的第二输入；以及另一电容器，具有耦合到所述跨导放大器的输出的第一端子以被所述另一电容器的第一端子充电和放电，其中在所述另一电容器的第一端子处产生所述平衡信号。9.根据权利要求1所述的DC
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DC转换电路，其中所述第一压控振荡器包括：振荡器电路，被配置为产生具有取决于所述输出电压的频率的振荡信号；延迟电路，被配置为产生所述振荡信号的延迟副本，其中所述延...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：