專利名稱：單電感多輸出轉換器的制作方法
技術領域：
本發明旨在提供多個電壓，更具體地，涉及用于從單個電壓源提供多個電源電壓 的有效電源管理方法和裝置。
背景技術：
在現代的第四代無線手持設備解決方案中，期望電源管理集成電路(PMIC :power management integrated circuit)將生成一組具有不同值的電壓以向例如包括數字核心、 輸入/輸出設備、模擬電路和功率放大級等不同單元供電。這些單元將具有不同的電壓要 求。將要求從具有代表值為2. 6V和5. 5V的端電壓的單個鋰離子電池中生成電壓。為了滿足這種需求，提供了圖1所示的所謂的H橋降壓-升壓拓撲。參考圖1，示出了電壓生成級100。電壓源(一般為電池)在線112上提供輸入電 壓。開關元件包括由開關102和103形成的降壓部104和由開關105和106形成的升壓部 109。電容器107是電容存儲元件，并且電感器108是電感存儲元件。電壓源110具有2. 5V 的示例電壓源。如果輸出電壓被要求大于2. 5V，則電源級100必須在降壓模式和升壓模式 之間切換。在升壓模式中，電壓源110(—般為電池)具有比輸出端的期望電壓低的值。在降 壓模式中，電壓源具有比在輸出端的期望電壓高的值。如圖1所示的拓撲的問題在于，針對每一個要求的電壓，必須使用單獨的電壓生 成級100。因而，必須針對每一個要求的電壓來復制圖1的整個電路。這就造成了多個降 壓-升壓電路和與之相關聯的電感器的增生。這增加了成本，占用了空間并產生了干擾。為了克服這些問題，之前已經提出了改進電源管理IC的方法。這些方法包括設 置片上(on-chip)電感器；開關電容器方案；以及多繞組變壓器。通過將電感器制作在芯片上，能夠獲得某種程度的尺寸縮小。但是，片上電感器具 有高串阻，這妨礙了它們在高電流電源中的用途。另外，多個電源將會需要可觀的IC面積。開關電容器使得不需要單電感器就能夠創建切換模式電源。這些電源總體上在低 電流時工作得非常好，但是在高電流時，所需要的電容器的值決定了芯片制作面積。如果使 用片外電容器，則片上開關和片外電容器之間的線路電感變成嚴重的問題，并且在大多數 切換電容器元件浮置時，則產生了嚴重的電磁感應(EMI)。由于需要多個開關元件，效率通 常低于基于電感器的降壓-升壓電源。現有技術的多繞組變壓器技術是變壓器耦合正激或反激式轉換器，其具有被整流 以提供一組直流電壓的多個繞組或多個抽頭。然而，這樣的方案存在多個問題。獨立地調 整每一個電源是困難的。需要纏繞專用變壓器，而不是能夠使用現成的電感器。該裝置并 不靈活如果需要改變電源電壓中的一個，則需要重新設計變壓器。本發明的目的是提供一種用于提供多個電壓電平的改進的電源管理方案。
發明內容
在本發明的一個方面，本發明提供了一種電壓生成裝置，該電壓生成裝置包括電 壓源；電感器，其中，所述電感器的第一端子以能夠開關的方式連接到所述電壓源；以及多 個電容器，所述多個電容器以能夠開關的方式連接到所述電感器的第二端子，其中，跨所述 多個電容器形成了相應的多個電壓。所述多個電容器中的每一個都可以電接地。所述多個電容器中的每一個都可以連接到第二電壓，所述第二電壓是在所述多個 電壓中選出的一個電壓。在這樣的方案中，一個電容器的所述第二電壓可以電接地。所述電感器的所述第二端子還可以以能夠開關的方式電接地。所述電感器的第一 端子還可以以能夠開關的方式電接地。所述電壓生成電路還可以包括用于控制一組開關的 控制裝置，所述一組開關提供能夠以開關方式進行控制的功能。所述控制裝置可以適于在電壓升壓周期中在所述多個電容器中任意電容器連接 到所述電感器的所述第二端子時將所述電感器的所述第二端子與所述電接地斷開連接。所述控制裝置還可以適于在電壓升壓周期中將所述電感器的所述第二端子接地 并將全部所述多個電容器與所述電感器的所述第二端子斷開連接以對所述電感器預充電。 所述控制裝置還可以適于在電壓升壓周期中將所述電感器的所述第一端子連接到所述電 壓源并將所述電感器的所述第二端子與電接地斷開連接。所述控制裝置還可以適于在電壓降壓周期中將所述電感器的所述第二端子與電 接地斷開連接。所述控制裝置還可以適于在電壓降壓周期中將所述電感器的所述第一端子 選擇性地連接到所述電壓源或電接地。所述多個電容器中的每一個都可以在周期中連接到所述電感器的所述第二端子。所述控制裝置可以適于在各個周期的開始時在降壓周期和升壓周期之間進行選 擇。所述選擇可以取決于標準。根據本發明，還提供了一種在電壓生成裝置中生成多個電壓的方法，該方法包括 以下步驟選擇性地將電壓源連接到電感器的第一端子；選擇性地將多個電容器中的一個 連接到所述電感器的第二端子，其中，跨所述多個電容器上形成相應的多個電壓。該方法還可以包括將所述多個電容器中的每一個都電接地的步驟。該方法還可以包括選擇性地將所述電感器的所述第二端子電接地的步驟。該方法還可以包括選擇性地將所述電感器的第一端子電接地的步驟。該方法還可以包括對提供以開關方式可控的功能的一組開關進行控制的步驟。該方法還可以包括將每個電容器依次連接到所述電感器的所述第二端子的步驟。該方法還可以包括以下步驟在電壓升壓周期中，在所述多個電容器中的任意電 容器連接到所述電感器的所述第二端子時，將所述電感器的所述第二端子與所述電接地斷 開連接。該方法還可以包括以下步驟在電壓升壓周期中，將所述電感器的所述第二端子接 地并將全部所述多個電容器與所述電感器的所述第二端子斷開連接以對所述電感器預充電。該方法還可以包括以下步驟在電壓升壓周期中，將所述電感器的所述第一端子 連接到所述電壓源并將所述電感器的所述第二端子與電接地斷開連接。該方法還可以包括以下步驟在電壓降壓周期中，將所述電感器的所述第二端子與電接地斷開連接。該方法還可以包括以下步驟在電壓降壓周期中，選擇性地將所述電感器的所述 第一端子連接到所述電壓源或電接地。該方法還可以包括在周期中將所述多個電容器中的每一個都連接到所述電感器 的所述第二端子的步驟。該方法還可以包括在各個周期的開始時在降壓周期和升壓周期之間進行選擇的步驟。該方法還可以包括根據標準在降壓周期和升壓周期之間進行選擇的步驟。該方法或該裝置可以包括選擇性地將多個電容器中的一個連接到所述電感器的 第二端子的步驟，該步驟包括以下步驟針對給定的電壓電平，生成表示當前輸出的電壓電 平與基準電平之間的差異的誤差信號；和將所述誤差信號與斜坡信號進行比較，其中，根據 該比較步驟來選擇性地連接針對所述電壓電平的電容器。該方法或該裝置可以包括選擇性地將多個電容器中的一個連接到所述電感器的 第二端子的步驟，該步驟包括以下步驟針對給定的電壓電平，生成表示當前輸出的電壓電 平與基準電平之間的差異的誤差信號；和將所述誤差信號與所述電感器中的當前電平進行 比較，其中，根據該比較步驟來選擇性地連接針對所述電壓電平的電容器。可以在所述比較步驟開始時連接所述電容器，并且在根據指示變化的比較步驟來 斷開與所述電容器的連接。
現在將參考附圖來描述本發明，在附圖中圖1例示了現有技術中已知的降壓-升壓轉換器；圖2例示了實現本發明的原理的降壓-升壓轉換器；圖3例示了圖2的降壓-升壓轉換器的升壓模式中的PWM周期；圖4例示了圖2的降壓-升壓轉換器的降壓模式中的PWM周期；圖5例示了圖2的降壓-升壓轉換器的用于電壓控制模式中的升壓操作的電壓控 制電路；圖6例示了圖2的降壓-升壓轉換器的用于電流/充電控制模式中的升壓操作的 電壓控制電路；以及圖7例示了優選實施方式中用于在降壓和升壓模式之間進行選擇的控制電路。
具體實施例方式現在將參考示例性實施方式以示例的方式來描述本發明。本領域的技術人員將會 理解，對實施方式的描述是為了容易理解本發明，并且本發明并不限于所述的任一個實施 方式的細節。本發明的范圍由所附的權利要求來限定。在下面的描述中，在不同的圖中使用了相同的標號，這些標號表示一幅圖中與另 一幅圖中的要素相對應的要素。參考圖2，例示了根據本發明的一種實施方式的電壓電源級。本發明提供了開關和電容器的單個總成與單個電感器的組合以從單個電壓源產生多個電源電壓。參考圖2，電源級包括包含開關102和103的降壓級104和升壓級209。升壓級包 括開關106和開關陣列201。提供了圖1中的電感器108。以ρ個電容器20 至20 來 替代圖1中的電容器107。開關陣列201在其輸入端將線116上的信號連接到ρ條輸出線 204!至204p中的一條。電容器20 至20 中的每一個都連接在輸出線201至204p與接 地之間。三個開關102、103、106以及電感器108與圖1中的常規降壓-升壓裝置中的開關 102、103、106以及電感器108相同。開關102選擇性地將電壓源(電池110)連接到電感 器的第一端子。開關103選擇性地將電感器108的第一端子接地。開關106選擇性地將電 感器108的第二端子電接地。開關陣列201替代了圖1中的開關105，如上所述。開關陣 列201被控制為輪流將電容器202i至20 中的每一個連接到線116上的電感器108的第 二端子。不管連接了電容器20 至20 中的哪一個，電感器108的電感都使得電流流動。 當開關201從電源斷開時，相關的電源電容器將使電流流入連接到各個輸出線201至204p 的各個負載中。電容器20 至20 中的任一個連接到電感器108的時間越長，則各條輸出線20+ 至204p上的各個電源電壓就上升得越高。因此，提供了在線201至204p上調整各個單獨 的電源的范圍。在實踐中，當開關陣列201被連接以對特定電容器充電時，在相關的輸出線上形 成的電壓受到監控并與基準電平進行比較。當該電壓到達基準電平(基準電平可以對應于 期望的電壓電平)時，開關陣列可以切換以對下一個電容器充電。在任一條電壓輸出線上形成輸出電壓都優選地與材料帶隙的額定版本進行比較， 并且接著可以將該輸出電壓變得非常精確并易于改變。已知以電壓模式控制或電流模式控制來使用降壓-升壓轉換器。首先根據電壓模 式控制來描述根據本發明的降壓-升壓轉換器，然后根據專門為本發明的拓撲設計的更加 先進的電流或充電控制方法來描述本發明的降壓-升壓轉換器。如上所述，該轉換器在降壓模式或升壓模式中工作。降壓模式與升壓模式之間的 邊界由以下關系來限定
權利要求
1.一種電壓生成裝置，該電壓生成裝置包括電壓源；電感器，其中所述電感器的第一端子以能夠開關的方式連接到所述電壓源；以及多個電容器，所述多個電容器以能夠開關的方式連接到所述電感器的第二端子，其中， 跨所述多個電容器形成了相應的多個電壓。
2.根據權利要求1所述的電壓生成裝置，其中，所述多個電容器中的每一個都電接地。
3.根據權利要求1所述的電壓生成裝置，其中，所述多個電容器中的每一個都連接到 第二電壓，所述第二電壓是在所述多個電壓中選出的一個電壓。
4.根據權利要求1或3所述的電壓生成裝置，其中，所述電感器的所述第二端子還以能 夠開關的方式電接地。
5.根據權利要求1到4中任一項所述的電壓生成裝置，其中，所述電感器的第一端子還 以能夠開關的方式電接地。
6.根據前述權利要求中任一項所述的電壓生成電路，該電壓生成電路還包括用于控制 一組開關的控制裝置，所述一組開關提供了以開關方式可控的功能。
7.根據前述權利要求中任一項所述的電壓生成電路，所述控制裝置適于將每個電容器 依次連接到所述電感器的所述第二端子。
8.根據權利要求7所述的電壓生成電路，其中，所述控制裝置還適于在電壓升壓周期 中在所述多個電容器中任意電容器連接到所述電感器的所述第二端子時將所述電感器的 所述第二端子與所述電接地斷開連接。
9.根據權利要求7或8所述的電壓生成電路，其中，所述控制裝置還適于在電壓升壓周 期中將所述電感器的所述第二端子接地并將全部所述多個電容器與所述電感器的所述第 二端子斷開連接以對所述電感器預充電。
10.根據權利要求6到8中任一項所述的電壓生成電路，其中，所述控制裝置還適于在 電壓升壓周期中將所述電感器的所述第一端子連接到所述電壓源并將所述電感器的所述 第二端子與電接地斷開連接。
11.根據權利要求7到10中任一項所述的電壓生成電路，其中，所述控制裝置還適于在 電壓降壓周期中將所述電感器的所述第二端子與電接地斷開連接。
12.根據權利要求11所述的電壓生成電路，其中，所述控制裝置還適于在電壓降壓周 期中將所述電感器的所述第一端子選擇性地連接到所述電壓源或電接地。
13.根據前述權利要求中任一項所述的電壓生成電路，其中，在周期中將所述多個電容 器中的每一個都連接到所述電感器的所述第二端子。
14.根據權利要求13所述的電壓生成電路，其中，所述控制裝置適于在每個周期的開 始時在降壓周期與升壓周期之間進行選擇。
15.根據權利要求14所述的電壓生成電路，其中，所述選擇取決于標準。
16.一種在電壓生成裝置中生成多個電壓的方法，該方法包括以下步驟選擇性地將電壓源連接到電感器的第一端子；選擇性地將多個電容器中的一個連接到所述電感器的第二端子，其中，跨所述多個電 容器形成相應的多個電壓。
17.根據權利要求16所述的方法，該方法還包括以下步驟將所述多個電容器中的每一個都電接地。
18.根據權利要求16或17所述的方法，該方法還包括以下步驟選擇性地將所述電感 器的所述第二端子電接地。
19.根據權利要求16到18中任一項所述的方法，該方法還包括以下步驟選擇性地將 所述電感器的所述第一端子電接地。
20.根據權利要求16到19中任一項所述的方法，該方法還包括以下步驟對一組開關 進行控制，所述一組開關提供了以開關方式可控的功能。
21.根據權利要求16到20中任一項所述的方法，該方法還包括以下步驟將每個電容 器依次連接到所述電感器的所述第二端子。
22.根據權利要求21所述的方法，該方法還包括以下步驟在電壓升壓周期中，在所述 多個電容器中的任意電容器連接到所述電感器的所述第二端子時，將所述電感器的所述第 二端子與所述電接地斷開連接。
23.根據權利要求21或22所述的方法，該方法還包括以下步驟在電壓升壓周期中， 將所述電感器的所述第二端子接地并將全部所述多個電容器與所述電感器的所述第二端 子斷開連接以對所述電感器預充電。
24.根據權利要求21到23中任一項所述的方法，該方法還包括以下步驟在電壓升壓 周期中，將所述電感器的所述第一端子連接到所述電壓源并將所述電感器的所述第二端子 與電接地斷開連接。
25.根據權利要求21到24中任一項所述的方法，該方法還包括以下步驟在電壓降壓 周期中，將所述電感器的所述第二端子與電接地斷開連接。
26.根據權利要求25所述的方法，該方法還包括以下步驟在電壓降壓周期中，選擇性 地將所述電感器的所述第一端子連接到所述電壓源或電接地。
27.根據權利要求16到沈中任一項所述的方法，該方法還包括以下步驟在周期中將 所述多個電容器中的每一個都連接到所述電感器的所述第二端子。
28.根據權利要求27所述的方法，該方法還包括以下步驟在每個周期的開始時在降 壓周期與升壓周期之間進行選擇。
29.根據權利要求觀所述的方法，該方法還包括以下步驟根據標準在降壓周期與升 壓周期之間進行選擇。
30.根據權利要求15到四中任一項所述的方法，其中，所述選擇性地將多個電容器中 的一個連接到所述電感器的第二端子的步驟包括以下步驟針對給定的電壓電平，生成表 示當前輸出的電壓電平與基準電平之間的差異的誤差信號；和將所述誤差信號與斜坡信號 進行比較，其中，根據該比較步驟來選擇性地連接針對所述電壓電平的電容器。
31.根據前述權利要求15到30中任一項所述的方法，其中，所述選擇性地將多個電容 器中的一個連接到所述電感器的第二端子的步驟包括以下步驟針對給定的電壓電平，生 成表示當前輸出的電壓電平與基準電平之間的差異的誤差信號；和將所述誤差信號與所述 電感器中的當前電平進行比較，其中，根據該比較步驟來選擇性地連接針對所述電壓電平 的電容器。
32.根據權利要求30或31所述的方法，其中，在所述比較步驟開始時連接所述電容器， 并且根據指示變化的所述比較步驟來斷開與所述電容器的連接。
全文摘要
公開了一種包括電壓生成裝置的降壓-升壓轉換器，該電壓生成裝置包括電壓源(110)；電感器(108)，其中電感器的第一端子以能夠開關的方式連接到所述電壓源；以及多個電容器(202)，所述多個電容器以能夠開關的方式連接到電感器的第二端子(116)，其中，跨該多個電容器形成了相應的多個電壓Vi。
文檔編號H02M3/158GK102084581SQ200980125242
公開日2011年6月1日 申請日期2009年5月15日 優先權日2008年5月15日
發明者馬丁·威爾遜 申請人:努吉拉有限公司