一種自舉電壓充電電路和電壓轉換電路的制作方法

一種自舉電壓充電電路和電壓轉換電路的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種自舉電壓充電電路，用于電壓轉換電路，其中所述電壓轉換電路包括高側開關和低側開關以及用于為所述高側開關提供自舉電壓的自舉電容，所述電壓轉換電路基于輸入電壓，通過所述高側開關和所述低側開關的導通和關斷切換提供輸出電壓，所述自舉電壓充電電路包括：第一充電模塊、第一比較模塊、升壓電路和第二充電模塊。
【專利說明】一種自舉電壓充電電路和電壓轉換電路

【技術領域】
[0001] 本發明的實施例涉及電壓轉換電路，尤其涉及電壓轉換電路中的自舉電壓的充 電。

【背景技術】
[0002] 功率變換器，例如開關型電壓轉換器，已經被廣泛應用于各種工業電子設備及消 費電子設備中。以降壓型直流電壓轉換器為例，由于其具有較高的轉換效率、較大的帶寬并 且易于實現穩定性補償，而經常被應用于需要將相對較高的直流輸入電壓轉換為相對較低 的直流輸出電壓的場合。圖1示出了一種典型的降壓型直流電壓轉換電路100的簡化示意 圖。簡言之，降壓型直流電壓轉換電路100通過輸入端IN接收輸入電壓VIN (輸入電壓VIN 可以由電容CIN提供，也可以由外接電源提供），并通過控制電路101控制高側開關MH (圖 1中示意為M0SFET)和低側開關ML (圖1中示意為M0SFET)的導通與關斷，以實現將輸入 電壓VIN轉換為合適的輸出電壓V0在其輸出端OUT輸出的目的。其中，高側開關MH(圖1 中示意為M0SFET)和低側開關ML串聯耦接在輸入端IN和參考地GND之間，并且高側開關 MH和低側開關ML的耦接點SW(即開關端SW)通過感性儲能元件L0耦接至輸出端0UT，容 性儲能元件C0耦接在輸出端OUT與參考地GND之間以平滑輸出電壓V0。
[0003] 高側開關MH可以包括N溝道功率開關器件，例如N溝道FET、N溝道DM0S等以節 約芯片面積、降低電壓轉換電路100的尺寸并改善電壓轉換電路100的工作性能。在這種 情況下，為了使高側開關MH能夠很好地導通（MH的導通電阻很小），高側開關MH的控制端 (例如FET/DM0S的柵端）與其耦接SW節點的一端（例如FET/DM0S的源端）之間的電壓差 應該足夠大，至少大于高側開關MH的導通閾值電壓。然而，若高側開關MH導通，SW節點的 電壓可以是輸入電壓VIN，這時，需要為高側開關MH的控制端提供高于SW節點的電壓，即高 于輸入電壓VIN，的電壓才能使高側開關MH充分導通。
[0004] 為了在降壓型直流電壓轉換電路100中獲得高于輸入電壓VIN的電壓，通常降壓 型直流電壓轉換電路100還包括自舉充電電路102,用于為自舉電容CB充電，進而以SW節 點的電壓為參考電勢產生自舉電壓VBS，該自舉電壓VBS可以用于提升/增強由控制電路 101為高側開關MH的控制端提供的控制信號DRH的驅動能力，從而很好地控制高側開關MH 的導通和關斷。圖1中將自舉充電電路102示意為用以產生自舉供電電壓VB的第一參考 源REG1和第一二極管D1，其中第一二極管D1的陽極耦接第一參考源REG1，第一二極管D1 的陰極耦接自舉電容CB的第一端，自舉電容CB的第二端耦接開關端SW，自舉電容CB第一 端和第二端之間的電壓即為自舉電壓VBS。自舉充電電路102的工作原理是本領域的普通 技術人員所熟知的，即，當高側開關MH關斷時，低側開關ML導通，自舉供電電壓VB通過第 一二極管D1為自舉電容CB充電，使得自舉電容CB第一端和第二端之間具有自舉電壓VBS ; 當高側開關MH導通時，低側開關ML關斷，電壓轉換電路100中的輸入電壓VIN被傳輸至開 關端SW，即自舉電容第二端的電壓變為VIN，則此時自舉電容CB第一端的電壓被抬升為輸 入電壓VIN疊加上自舉電壓VBS，從而實現了在降壓型直流電壓轉換電路100中獲得高于輸 入電壓VIN的電壓的目的。自舉電容CB第一端的電壓被抬升為輸入電壓VIN疊加上自舉 電壓VBS后，二極管D1反向偏置而被關斷，從而可以保護提供自舉供電電壓的電源不受相 對較高的輸入電壓VIN的損壞。
[0005] 可見，自舉充電電路102通過在低側開關ML導通時將自舉電容CB第二端的電壓 拉低至參考地，而獲得為自舉電容CB充電的機會，以提供自舉電壓VBS。然而在某些工作 狀態下，可能由于自舉電容CB上的電荷不足而又不能及時被充電到足夠的水平，而導致自 舉充電電路102提供的自舉電壓VBS下降，不足以使高側開關MH正常導通和關斷，那么電 壓轉換電路100也因此不能正常工作。例如：若電壓轉換電路100工作在負載較輕或者空 載的情況下，則控制電路101會降低高側開關MH和低側開關ML的導通時間和/或者切換 頻率以提高轉換效率，這樣可能由于低側開關ML的導通時間很短或者高側開關MH和低側 開關ML在較長時間內沒有進行導通和關斷切換而無法使自舉電容CB及時充電。另外，若 電壓轉換電路100的輸出電壓V0接近輸入電壓VIN，則可能需要高側開關MH以很高、甚至 100%的占空比工作（即，高側開關MH的導通時間可能占整個切換周期的相當大的比例、甚 至是滿周期），那么低側開關ML的導通時間就非常短、甚至沒有導通機會，而使自舉電容CB 無法及時充電。這樣要等到輸出電壓V0降低后，自舉電容CB才有機會被充電以使自舉電 壓VBS恢復，這會引起輸出電壓V0出現波動尖峰。例如，若輸入電壓VIN為6V，輸出電壓 V0為3. 3V，而自舉電壓VBS至少為3V才足夠讓高側開關MH正常導通與關斷。這種情況 下，如果電壓轉換電路100的輸出電流較小或者為零（即，電壓轉換電路100工作在負載較 輕或者空載的情況下），自舉電壓VBS必然會降至低于2. 7V，而使高側開關MH無法正常導 通。那么，電壓轉換電路100需要等到輸出電壓V0降低至小于3V后，才有機會使自舉電容 CB充電以讓自舉電壓VBS恢復至3V。然后電壓轉換電路100正常工作使輸出電壓V0回到 3. 3V的期望值。每次輸出電壓V0由低于3V恢復至3. 3V的過程中都會出現較大的波動尖 峰，這不僅對電壓轉換電路100不利更有可能損害負載，因而是不希望出現的。


【發明內容】

[0006] 針對現有技術中的一個或多個問題，本發明的實施例提供一種自舉電壓充電電 路、電壓轉換電路及其控制方法。
[0007] 在本發明的一個方面，提出了一種自舉電壓充電電路，用于電壓轉換電路，其中所 述電壓轉換電路包括高側開關和低側開關以及用于為所述高側開關提供自舉電壓的自舉 電容，所述電壓轉換電路基于輸入電壓，通過所述高側開關和所述低側開關的導通和關斷 切換提供輸出電壓，所述自舉電壓充電電路包括：第一充電模塊，具有輸入端和輸出端，其 輸入端用于接收所述輸入電壓，其輸出端耦接至所述自舉電容的第一端；第一比較模塊，具 有第一比較輸入端、第二比較輸入端，其第一比較輸入端接收所述輸入電壓，其第二比較輸 入端接收所述輸出電壓，所述第一比較模塊將所述輸入電壓與所述輸出電壓之差與比較閾 值進行比較并在所述第一比較模塊輸出端提供電壓比較信號；升壓電路，具有輸入端與輸 出端，其輸入端用于接收所述輸入電壓或所述輸出電壓，其輸出端提供第一高壓信號；第二 充電模塊，具有輸入端、輸出端和控制端，其輸入端接收所述第一高壓信號，其輸出端耦接 至所述自舉電容的第一端，其控制端接收所述電壓比較信號，當所述輸入電壓與所述輸出 電壓之差小于所述比較閾值時，所述第二充電模塊對所述自舉電容充電。
[0008] 在本發明的另一方面，提出了一種電壓轉換電路，包括：通路開關，耦接于輸入端 與輸出端之間，其中所述輸出端用于提供輸出電壓；電感，耦接于所述輸出端與開關端之 間；高側開關，耦接于所述開關端與存儲端之間；存儲電容，耦接于所述存儲端與接地端之 間，用于提供存儲電壓；低側開關，耦接于所述開關端與所述接地端之間；自舉電容，具有 第一端與第二端，其第二端耦接至所述開關端，用于為所述高側開關提供自舉電壓；第一 充電模塊，具有輸入端和輸出端，其輸入端用于接收所述存儲電壓，其輸出端耦接至所述自 舉電容的第一端；第一比較模塊，具有第一比較輸入端、第二比較輸入端，其第一比較輸入 端接收所述存儲電壓，其第二比較輸入端接收所述輸出電壓，所述第一比較模塊將所述存 儲電壓與所述輸出電壓之差與比較閾值進行比較并在所述第一比較模塊輸出端提供電壓 比較信號；升壓電路，具有輸入端與輸出端，其輸入端用于接收所述存儲電壓或所述輸出電 壓，其輸出端提供第一高壓信號；第二充電模塊，具有輸入端、輸出端和控制端，其輸入端接 收所述第一高壓信號，其輸出端耦接至所述自舉電容的第一端，其控制端接收所述電壓比 較信號，當所述輸入電壓與所述輸出電壓之差小于所述比較閾值時，所述第二充電模塊對 所述自舉電容充電。
[0009] 在本發明的另一方面，提出了一種自舉電壓充電電路，用于電壓轉換電路，其中所 述電壓轉換電路包括高側開關和低側開關以及用于為所述高側開關提供自舉電壓的自舉 電容，所述電壓轉換電路基于輸入電壓，通過所述高側開關和所述低側開關的導通和關斷 切換提供輸出電壓，所述自舉電壓充電電路包括：第一充電模塊，具有輸入端和輸出端，其 輸入端用于接收所述輸入電壓，其輸出端耦接至所述自舉電容的第一端；第一比較模塊，具 有第一比較輸入端、第二比較輸入端和比較輸出端，其第一比較輸入端和第二比較輸入端 分別耦接至所述自舉電容兩端，所述第一比較模塊將所述自舉電壓與比較閾值進行比較并 在所述第一比較模塊輸出端提供電壓比較信號；升壓電路，具有輸入端與輸出端，其輸入端 用于接收所述輸入電壓或所述輸出電壓，其輸出端提供第一高壓信號；以及第二充電模塊， 具有輸入端、輸出端和控制端，其輸入端接收所述第一高壓信號，其輸出端耦接至所述自舉 電容的第一端，其控制端接收所述電壓比較信號，當所述自舉電壓小于所述比較閾值時，所 述第二充電模塊對所述自舉電容充電。
[0010] 利用上述方案，根據本發明實施例的自舉電壓充電電路和電壓轉換電路的優勢至 少在于：由于第一充電模塊電源是來自于輸入電壓（或者存儲電壓），隨著輸入電壓降低， 自舉電容上的自舉電壓也在不停的降低，而經過升壓電路的升壓后第一信號時高于輸入電 壓的，即第二充電模塊的引入，可以將自舉電壓升高至更高電壓；其次，隨著輸入電壓和輸 出電壓愈來愈接近，低側開關導通時間越來越小，第一充電模塊對自舉電容充電時間愈來 愈小，第二充電模塊的可以在高端功率管導通時為自舉電容充電時間，可以使得自舉電容 上充滿電量，避免使用大的自舉電容。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 下面的附圖有助于更好地理解接下來對本發明不同實施例的描述。這些附圖并非 按照實際的特征、尺寸及比例繪制，而是示意性地示出了本發明一些實施方式的主要特征。 這些附圖和實施方式以非限制性、非窮舉性的方式提供了本發明的一些實施例。為簡明起 見，不同附圖中具有相同功能的相同或類似的組件或結構采用相同的附圖標記。
[0012] 圖1示出了一種典型的降壓型直流電壓轉換電路100的簡化示意圖；
[0013] 圖2示出了根據本發明一個實施例的電壓轉換電路200的電路架構示意圖；
[0014] 圖3不出了根據本發明一個實施例的第一充電模塊202、第一比較模塊204和第二 充電模塊205電路示意圖；
[0015] 圖4不出了根據本發明一個實施例的第一充電模塊402和第二充電模塊405電路 示意圖；
[0016] 圖5示出了根據本發明一個實施例的第一邏輯電路L0G1的主要工作波形示意 圖；
[0017] 圖6示出了根據本發明一個實施例的電壓轉換電路600的電路架構示意圖；以及
[0018] 圖7示出了根據本發明一個實施例的電壓轉換電路600在降壓工作模式下的主要 工作波形示意圖。

【具體實施方式】
[0019] 下面將詳細說明本發明的一些實施例。在接下來的說明中，一些具體的細節，例如 實施例中的具體電路結構和這些電路元件的具體參數，都用于對本發明的實施例提供更好 的理解。本【技術領域】的技術人員可以理解，即使在缺少一些細節或者其他方法、元件、材料 等結合的情況下，本發明的實施例也可以被實現。
[0020] 在本發明的說明書中，提及"一個實施例"時均意指在該實施例中描述的具體特 征、結構或者參數、步驟等至少包含在根據本發明的一個實施例中。因而，在本發明的說明 書中，若采用了諸如"根據本發明的一個實施例"、"在一個實施例中"等用語并不用于特指 在同一個實施例中，若采用了諸如"在另外的實施例中"、"根據本發明的不同實施例"、"根 據本發明另外的實施例"等用語，也并不用于特指提及的特征只能包含在特定的不同的實 施例中。本領域的技術人員應該理解，在本發明說明書的一個或者多個實施例中公開的 各具體特征、結構或者參數、步驟等可以以任何合適的方式組合。另外，在本發明的說明 書及權利要求中，"耦接"一詞意指通過電氣或者非電氣的方式實現直接或者間接的連接。 "一個"并不用于特指單個，而是可以包括復數形式。"在……中"可以包括"在……中"和 "在……上"的含義。除非特別明確指出，"或"可以包括"或"、"和"及"或/和"的含義，并 不用于特指只能選擇幾個并列特征中的一個，而是意指可以選擇其中的一個或幾個或其中 某幾個特征的組合。除非特別明確指出，"基于"一詞不具有排它性，而是意指除了基于明確 描述的特征之外，還可以基于其它未明確描述的特征。"電路"意指至少將一個或者多個有 源或無源的元件耦接在一起以提供特定功能的結構。"信號"至少可以指包括電流、電壓、電 荷、溫度、數據、壓力或者其它類型的信號。若"晶體管"的實施例可以包括"場效應晶體管" 或者"雙極結型晶體管"，則"柵極/柵區"、"源極/源區"、"漏極/漏區"分別可以包括"基 極/基區"、"發射極/發射區"、"集電極/集電區"，反之亦然。本領域的技術人員應該理解， 以上羅列的對本發明中描述用語的解釋僅僅是示例性的，并不用于對各用語進行絕對的限 定。
[0021] 圖2示出了根據本發明一個實施例的電壓轉換電路200的電路架構示意圖。該電 壓轉換電路200包括：輸入端IN，用于接收輸入電壓VIN ;輸出端0UT，用于提供輸出電壓V0 或輸出電流10 ;高側開關MH和低側開關ML，串聯耦接于輸入端IN和參考地GND之間，并且 高側開關ΜΗ和低側開關ML的耦接點形成開關端SW ;輸出濾波電路201，包括電感L0和輸 出電容C0,耦接于開關端SW和輸出端OUT之間，用于將開關端SW處的切換電壓VSW轉化為 輸出電壓V0。自舉電容CB，具有第一端和第二端，其第二端耦接在開關端SW，自舉電容CB 兩端之間電壓差稱為自舉電壓VBS。電壓轉換電路200還包括第一充電模塊202、升壓電路 203、第一比較模塊204、第二充電模塊205和驅動電路206。圖3示出了根據本發明一個實 施例的第一充電模塊202、第一比較模塊204和第二充電模塊205電路不意圖。
[0022] 第一充電模塊202,具有輸入端和輸出端，其輸入端用于接收輸入電壓VIN，其輸 出端耦接至自舉電容CB的第一端用于為自舉電容CB充電。根據本發明的一個實施例，如 圖3所示，第一充電模塊202包括第一參考源REG1 (電壓源或者電流源）和第一二極管D1， 低側開關ML導通時，第一參考源REG1通過第一二極管D1對自舉電容CB充電；高側開關MH 導通時，第一二極管D1阻止自舉電容CB對第一參考源REG1的反向充電。一般而言，第一 參考源REG1可以是提供5V左右電壓的電壓源。
[0023] 升壓電路203，具有輸入端與輸出端，其輸入端用于接收輸入電壓VIN或輸出電壓 V0UT，其輸出端提供一高于其輸入端電壓的第一高壓信號VUP。升壓電路輸入端可以f禹接至 輸入信號VIN，也可以耦接至輸出信號V0UT，根據輸入端的電壓在輸出端提供電壓更高的 第一高壓信號VUP。根據本發明的一個實施例，升壓電路203可以使用集成電荷泵實現，例 如2倍電荷泵，從而在其輸出端得到高于輸入端電壓的第一高壓信號（例如2倍輸入端電 壓）。在其他實施例中，升壓電路203可以采用其他升壓電路例如3倍或者多倍電荷泵。
[0024] 第一比較模塊204,具有第一比較輸入端、第二比較輸入端和比較輸出端，其中第 一比較輸入端用于接收輸入電壓VIN，第二比較輸入端用于接收輸出電壓V0,第一比較模 塊204用于將輸入電VIN與輸出電壓V0之差VI0與比較閾值VTH進行比較并在第其輸出 端提供電壓比較信號VC0M。根據本發明的一個實施例，如圖3所示，第一比較模塊204包 括第一減法器SUB1和第一比較器C0M1，其中第一減法器SUB1配置為將輸入電壓VIN與輸 出電壓V0求差并提供差值信號VDIF，第一比較器C0M1將二者之差（差值信號VDIF)與比 較閾值VTH(比較閾值VTH可以由第三比較輸入端提供）進行比較，輸出端提供電壓比較信 號VC0M。輸入電壓VIN與輸出電壓V0之差VI0大于比較閾值VTH時，比較信號VC0M具有 第一狀態（例如低電平）；輸入電VIN與輸出電壓V0之差VI0小于比較閾值VTH時，比較 信號VC0M具有第二狀態（例如高電平）。在另外一個實施例中，第一比較模塊204可以由 遲滯比較器實現，例如具有0. IV遲滯的遲滯比較器：在輸入電壓VIN降低或者輸出電壓V0 升高過程中，輸入電壓VIN與輸出電壓V0之差VI0大于0. IV (比較閾值VTH)時，比較信號 VC0M具有第一狀態；輸入電壓VIN與輸出電壓V0之差VI0小于0. IV，比較信號VC0M具有 第二狀態。比較閾值可以設置為2V、IV或者更小，甚者0V。
[0025] 第二充電模塊205,具有輸入端、輸出端和控制端，其輸入端通過接收第一高壓信 號VUP，輸出端耦接至自舉電容CB的第一端，控制端用于接收電壓比較信號VC0M，當輸入電 壓VIN與輸出電壓V0之差VI0小于比較閾值VTH時（即比較信號VC0M具有第二狀態），第 二充電模塊205為自舉電容CB充電。
[0026] 在一個實施例中，輸入電壓VIN可以由輸入電容CIN提供（例如外接電壓源對輸 入電容CIN充電后即被去除），隨著開關變換器不停的將輸入電容CIN上的能量轉移至輸 出電容C0,輸入電壓VIN會不停的降低。第一比較模塊204將輸入電VIN與輸出電壓V0 之差VIO與比較閾值VTH進行比較，當輸入電VIN與輸出電壓VO之差VIO由大于比較閾值 VTH降低至小于比較閾值VTH，比較信號VC0M會由第一狀態翻轉為第二狀態。當比較信號 VC0M是第一狀態時，第一充電模塊202在低側開關ML導通時為自舉電容CB充電，第二充 電模塊205不使能（不對自舉電容CB充電）；當比較信號VC0M是第二狀態時，第二充電模 塊205為自舉電容CB充電。根據本發明的一個實施例，第二充電模塊205包括第二參考源 REG2和第二二極管D2。比較信號VC0M具有第一狀態，第二參考源REG2不使能，第二參考 源REG2輸出端浮空（不提供電壓或者電流）或者提供較低的電壓（低于第一參考源REG1 提供的電壓例如0V)或者電流，第二二極管D2阻值自舉電容CB對第二參考源REG2的反向 充電；比較信號VC0M具有第二狀態，第二參考源提供較高的電壓（高于輸出電壓電壓值，例 如V0+5)或者電流。第二充電模塊205可以在低側開關ML導通時為自舉電容CB充電，也 可以在高端功率管MH導通時為自舉電容CB充電。特別地，在一個實施例中，第二充電模塊 205被配置為僅在高端功率管MH導通時為自舉電容CB充電，以避免在低側開關ML導通時 或者導通關斷切換時，自舉電容CB可能會從第二充電模塊205汲取較大電流，而過大電流 可能會導致自舉電路工作狀態發生變化。第二參考源REG2可以輸出2倍輸入電壓，例如當 輸入電壓VIN降低至3V時，第二參考源REG2可以輸出接近6V的電壓。
[0027] 驅動電路206具有輸入端、輸出端、第一電源端和第二電源端，其中其輸入端用以 接收高端邏輯信號LH、其輸出端端用以提供高端驅動信號DH、其第一電源端和第二電源端 分別耦接至自舉電容CB兩端以汲取能量（自舉電壓VBS)。驅動電路206基于該自舉電壓 VBS為高側開關MH提供增強的導通與關斷驅動信號DH，并基于該自舉電壓VBS通過控制高 側開關MH的導通和關斷切換，低側開關ML在低端驅動信號DL的控制下。
[0028] 在一個實施例中，輸入電壓VIN可以由輸入電容CIN提供（隨著開關變換器不停 的將輸入電容CIN上的能量轉移至輸出電容C0,隨著VIN電壓進一步降低，高側開關MH保 持完全導通，第一充電模塊202將無法繼續為自舉電容CB充電，第二充電模塊205持續為 自舉電容CB充電，以避免VBS過低導致高側開關MH被關斷。
[0029] 在一個實施例中，第一比較模塊204的第一比較輸入端和第二比較輸入端分別耦 接至自舉電容CB的兩端，將自舉電壓VBS與比較閾值VTH進行比較并在所述第一比較模塊 輸出端提供電壓比較信號VC0M。自舉電壓VBS由大于比較閾值VTH降低至小于比較閾值 VTH，比較信號VC0M會由第一狀態翻轉為第二狀態。當比較信號VC0M是第一狀態時，第一 充電模塊202在低側開關ML導通時為自舉電容CB充電，第二充電模塊205不使能（不對 自舉電容CB充電）；當比較信號VC0M是第二狀態時，第二充電模塊205為自舉電容CB充 電。
[0030] 相比圖1所示的現有技術，圖2所示的電壓轉換電路200優勢至少在于：由于第一 充電模塊202電源是來自于輸入電壓VIN，隨著輸入電壓VIN降低，自舉電容CB上的電壓 VBS也在不停的降低，而經過升壓電路的升壓后第一信號時高于輸入電壓VIN的，即第二充 電模塊的引入，可以將VBS升高至更高電壓；其次，隨著輸入電壓VIN和輸出電壓V0UT愈 來愈接近，占空比越來越大，低側開關ML導通時間越來越小，第一充電模塊201對自舉電容 CB充電時間愈來愈小，第二充電模塊205的可以在高端功率管導通時為自舉電容CB充電時 間，可以使得自舉電容上充滿電量，避免使用大電容。
[0031] 圖4不出了根據本發明一個實施例的第一充電模塊402和第二充電模塊405電路 不意圖，第一充電模塊402和第二充電模塊405可直接用于電壓轉換電路200以替換第一 充電模塊202和第二充電模塊205。
[0032] 第一充電模塊402包括第一晶體管Ml、第一二極管D1、第一電阻R1、第二晶體管 M2、第二電阻R2和第一放大器EA1。其中，第一晶體管Ml，具有第一端、第二端和控制端，其 第一端耦接至或者配置為第一充電模塊402的輸入端以接收輸入電壓VIN ;第一二極管D1， 具有陰極和陽極，其陽極耦接至第一晶體管Ml的第二端，其陰極耦接至或者配置為第一充 電模塊402的輸出端；第一電阻R1，具有第一端和第二端，其第一端耦接至第一充電模塊的 輸出端；第二晶體管M2,具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至第一電阻R1的第二 端，其控制端耦接至電壓轉換電路200的開關端SW ;第二電阻R2,具有第一端和第二端，其 第一端耦接至第二晶體管M2的第二端，其第二端耦接至地電勢GND ;以及第一放大器EA1， 具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其第一輸入端接收第一參考信號VREF1，其第二輸 入端耦接至第二電阻R2的第一端，其輸出端耦接至第一晶體管Ml的控制端。
[0033] 第二充電模塊405包括第三晶體管M3、第二二極管D2、第一開關S1、第一邏輯電路 L0G1和第二放大器EA2。其中，第三晶體管M3，具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接 至或者配置為第二充電模塊405的輸入端以接收第一高壓信號VUP ;第二二極管D2，具有陰 極和陽極，其陽極耦接至第三晶體管M3的第二端，其陰極耦接至或者配置為第二充電模塊 405的輸出端；第一邏輯電路L0G1，基于電壓比較信號VC0M和高端驅動信號LH產生開關控 制信號VEN ;第一放大器EA1，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其第一輸入端接收第 二參考信號VREF2,其輸出端耦接至第三晶體管M3的控制端；第一開關S1，具有第一端、第 二端和第三端，其第一端耦接至第二電阻R2的第二端，其第二端耦接至耦接至接地端，第 三端耦接至第一放大器EA1的第二端，在開關控制信號VEN作用下，第一開關S1選擇性地 將第三端耦接至其第一端或者其第二端。
[0034] 根據本發明的一個實施例，當開關變換器200工作在PWM模式下時（高側開關MH 和低側開關ML具有切換動作），當低側開關ML導通且高側開關MH截止時，開關端SW被下 拉至GND電壓，第二晶體管M2導通，第一電阻R1、第二晶體管ML、第二電阻R2采樣第一電 容第一端的電壓值并提供反饋信號給第一放大器EA1，第一晶體管Ml在第一放大器EA1的 控制下對自舉電容CB充電。當低側開關ML截止且高側開關MH導通時，開關端SW被上拉 至VIN電壓，自舉電容第一端的電壓被舉高到VIN+VBS。此時，第一二極管D1可以阻止自舉 電容通過第一晶體管對VIN放電，第二晶體管M2可以避免電阻R2第一端電壓過高導致損 害其他晶體管例如第一誤差放大器EA1的輸入級晶體管。
[0035] 圖5示出第一邏輯電路L0G1的工作波形圖，輸入電VIN與輸出電壓V0之差VI0高 于比較閾值VTH時，比較信號VC0M為第一狀態信號，第二誤差放大器EA2的負端被開關S1 下拉至地電勢，第二誤差放大器EA2輸出高電平，第三晶體管M3截止，即第二充電模塊405 不對自舉電容CB充電。當輸入電壓VIN持續降低或者輸出電壓V0持續升高，輸入電VIN 與輸出電壓V0之差VI0小于比較閾值VTH時，比較信號VC0M會由第一狀態反轉為第二狀 態。比較信號VC0M會由第一狀態反轉為第二狀態后，當低側開關ML導通且高側開關MH截 止時，由于第二誤差放大器EA2的負端被開關S1下拉至地電勢，第二誤差放大器EA2輸出 高電平，第三晶體管M3截止，即第二充電模塊405不對自舉電容CB充電；當低側開關ML截 止且高側開關MH導通時，第二誤差放大器EA2的負端被耦接至第一電阻R1的第一端，第三 晶體管M3在第二誤差放大器EA2的控制下對自舉電容CB充電，由于第二晶體管的控制端 耦接至開關端SW，第二晶體管M2將作為有源電阻增大第一電阻R1的阻值，進而提高第二充 電模塊205的對自舉電容CB的充電能力。在部分實施例中，邏輯電路還可以將開關控制信 號VEN的脈寬壓縮，以第二充電模塊405僅在高側開關MH導通時對自舉電容CB充電。在 其他的實施例中，第一邏輯電路LOG1還可以基于電壓比較信號VCOM產生不同的開關控制 信號VEN，從而使得第二充電模塊405可以在不同的時間區間為自舉電容CB充電。
[0036] 圖6示出了根據本發明一個實施例的電壓轉換電路600的電路架構示意圖。該 電壓轉換電路600包括：輸入端IN，用于接收外接電壓VEX(外接電壓即輸入電壓，為區別 圖2中的輸入電壓VIN，將此處電壓命名為外接電壓VEX);輸出端0UT，用于提供輸出電壓 V0 ;通路開關MP，耦接于輸入端IN與輸出端OUT之間；電感L0,耦接于輸出端OUT與開關 端SW之間；高側開關MH，耦接于開關端SW與存儲端ST0R(對應圖2中的輸入端IN)之間； 存儲電容CS，耦接于存儲端ST0R與接地端之間，用于提供存儲電壓VS (對應圖2中的輸入 電壓VIN);低側開關，耦接于開關端SW與接地端之間；自舉電容CB，具有第一端與第二端， 其第二端耦接至開關端SW，用于為高側開關MH提供自舉電壓CBS ;第一充電模塊202，具有 輸入端和輸出端，其輸入端用于接收存儲電壓VS，其輸出端耦接至自舉電容CB的第一端； 第一比較模塊203,具有第一比較輸入端、第二比較輸入端，其第一比較輸入端接收存儲電 壓VS，其第二比較輸入端接收輸出電壓V0,第一比較模塊將存儲電壓VS與輸出電壓V0之 差VS0與比較閾值VTH進行比較并在第一比較模塊203輸出端提供電壓比較信號VC0M ;升 壓電路204，具有輸入端與輸出端，其輸入端用于接收存儲電壓VS或輸出電壓V0，其輸出端 提供第一高壓信號VUP ;第二充電模塊205,具有輸入端、輸出端和控制端，其輸入端接收第 一高壓信號VUP，其輸出端耦接至自舉電容CB的第一端，其控制端接收電壓比較信號VC0M， 當存儲電壓VS與輸出電壓V0之差VS0小于比較閾值VTH時，第二充電模塊205對自舉電 容CB充電。
[0037] 電壓轉換器200及其等同替換、工作原理、過程，圖3?5所示的各實施例及其等 同替換、工作原理、過程同樣適用于電壓轉換電路600。
[0038] 根據本發明的一個實施例，電壓轉換電路600具有升壓工作模式和降壓工作模 式。
[0039] 在升壓工作模式下，在控制信號DP控制通路開關MP導通，外接電源VEX通過通路 開關MP對輸出電容C0充電，從而為負載提供輸出電壓V0或者輸出電流10。此時，高側開 關MH和低側開關ML組成了一個"升壓型直流電壓轉換電路"：在開關周期的前半個周期， 低側開關ML導通且高側開關MH截止，輸出電壓V0通過電感L0和低側開關ML對地放電， 電感L0上電流增大；在開關周期的后半個周期，低側開關ML截止，高側開關MH導通，電感 L0通過高側開關MH對存儲電容CS充電。存儲電容CS的存儲電壓VS可以遠高于輸出電壓 V0,從而使得存儲電容CS可以存儲更多能量。在另外一個實施例中，在升壓工作模式下，高 側開關MH保持關閉，電壓轉換電路600通過高側開關MH的寄生襯底二極管對存儲電容CB 充電以簡化高側開關MH的控制電路的設計難度。
[0040] 當外界激勵源被去除或者不能提供足夠的能量給輸出電容C0(例如導通開關MP 關閉、外界激勵源能量過低等）時，電壓轉換電路600工作于降壓模式下，其工作過程類似 于前文所述的"降壓型直流電壓轉換電路"，存儲電容CS將自身電量轉移至輸出電容C0。圖 7示出了根據本發明一個實施例的電壓轉換電路600的在降壓模式下的工作波形圖。隨著 開關變換器不停的將輸入電容CIN上的能量轉移至輸出電容CO,存儲電壓VS會不停的降 低。第一比較模塊204將存儲電壓VS與輸出電壓VO之差VSO與比較閾值VTH進行比較， 當存儲電壓VS與輸出電壓VO之差VSO由大于比較閾值VTH降低至小于比較閾值VTH (例 如IV)，比較信號VCOM會由第一狀態翻轉為第二狀態。在一個實施例中，當比較信號VCOM 是第一狀態時，第一充電模塊201在低側開關ML導通時（DL為高）為自舉電容CB充電，第 二充電模塊205不使能（不對自舉電容CB充電）；當比較信號VCOM是第二狀態時，第二充 電模塊205為自舉電容CB充電。圖7中，CHAG1和CHAG2的高電平表示第二充電模塊205 正在對自舉電容CB充電。第二充電模塊205可以在低側開關ML導通時為自舉電容CB充 電，也可以在高端功率管MH導通（DH為高）時為自舉電容CB充電。特別地，在一個實施例 中，第二充電模塊205被配置為僅在高端功率管MH導通時為自舉電容CB充電（其中圖7 所示的曲線CHAG2表示在高端功率管MH導通后延遲10微秒再對自舉電容CB充電），以避 免在低側開關ML導通時或者導通關斷切換時，自舉電容CB可能會從第二充電模塊205汲 取較大電流，而過大電流可能會導致自舉電路工作狀態發生變化。
[0041] 根據隨著存儲電壓VS電壓進一步降低，高側開關MH保持完全導通，低側開關ML 保持截止，壓轉換電路600工作于線性模式下，第一充電模塊202將無法繼續為自舉電容CB 充電，第二充電模塊205持續為自舉電容CB充電，以避免VBS過低導致高側開關ΜΗ被關斷， 例如在圖7中，由于自舉電容CB被第二充電模塊205補充了更多電量，高側開關ΜΗ在輸出 電壓V0降低至V2時才會被關閉（截止）；如果不使用第二充電模塊205,高側開關ΜΗ在輸 出電壓V0降低至VI時就會被關閉。
[0042] 雖然本說明書中以降壓型電壓轉換電路為例對根據本發明各實施例的自舉電壓 充電電路、包含該自舉電壓充電電路的電壓轉換電路及其控制方法進行了示意與描述，但 這并不意味著對本發明的限定，本領域的技術人員應該理解這里給出的結構及原理也可以 適用于具有其它拓撲結構的電壓轉換電路，例如降壓-升壓型電壓轉換電路等等。
[0043] 因此，上述本發明的說明書和實施方式僅僅以示例性的方式對本發明實施例的自 舉電壓充電電路、包含該自舉電壓充電電路的電壓轉換電路及其控制方法進行了說明，并 不用于限定本發明的范圍。對于公開的實施例進行變化和修改都是可能的，其他可行的選 擇性實施例和對實施例中元件的等同變化可以被本【技術領域】的普通技術人員所了解。本發 明所公開的實施例的其他變化和修改并不超出本發明的精神和保護范圍。
【權利要求】
1. 一種自舉電壓充電電路，用于電壓轉換電路，其中所述電壓轉換電路包括高側開關 和低側開關以及用于為所述高側開關提供自舉電壓的自舉電容，所述電壓轉換電路基于輸 入電壓，通過所述高側開關和所述低側開關的導通和關斷切換提供輸出電壓，所述自舉電 壓充電電路包括： 第一充電模塊，具有輸入端和輸出端，其輸入端用于接收所述輸入電壓，其輸出端f禹接 至所述自舉電容的第一端； 第一比較模塊，具有第一比較輸入端、第二比較輸入端和比較輸出端，其第一比較輸入 端接收所述輸入電壓，其第二比較輸入端接收所述輸出電壓，所述第一比較模塊將所述輸 入電壓與所述輸出電壓之差與比較閾值進行比較并在所述第一比較模塊輸出端提供電壓 比較信號； 升壓電路，具有輸入端與輸出端，其輸入端用于接收所述輸入電壓或所述輸出電壓，其 輸出端提供第一高壓信號；以及 第二充電模塊，具有輸入端、輸出端和控制端，其輸入端接收所述第一高壓信號，其輸 出端耦接至所述自舉電容的第一端，其控制端接收所述電壓比較信號，當所述輸入電壓與 所述輸出電壓之差小于所述比較閾值時，所述第二充電模塊對所述自舉電容充電。
2. 根據權利要求1的自舉電壓充電電路，其特征在于，所述第一充電模塊包括第一參 考源和第一二極管；所述低側開關導通時，所述第一參考源通過所述第一二極管對所述自 舉電容充電；所述高側開關導通時，所述第一二極管阻止所述自舉電容對所述第一參考源 反向充電。
3. 根據權利要求1的自舉電壓充電電路，其特征在于，所述升壓電路包括集成兩倍電 荷泵。
4. 根據權利要求1的自舉電壓充電電路，其特征在于，所述第一比較模塊包括第一減 法器和第一第一比較器，其中所述減法器配置為將所述輸入電壓與所述輸出電壓求差并輸 出差值信號，所述第一比較器將所述差值信號與所述比較閾值進行比較。
5. 根據權利要求1的自舉電壓充電電路，其特征在于， 所述輸入電壓與所述輸出電壓之差小于所述比較閾值時，所述電壓比較信號具有第一 邏輯狀態；所述輸入電壓與所述輸出電壓之差大于所述比較閾值時，所述電壓比較信號具 有第二邏輯狀態； 若所述電壓比較信號具有第一邏輯狀態，所述第一充電模塊在所述低側開關導通時為 所述自舉電容充電；若所述電壓比較信號具有第二邏輯狀態，所述第二充電模塊在所述高 側開關導通時為所述自舉電容充電。
6. 根據權利要求1的自舉電壓充電電路，其特征在于，所述第二充電模塊包括第二參 考源和第二二極管，若所述電壓比較信號具有第一邏輯狀態，所述第二二極管阻止自舉電 容對第二參考源反向充電；若所述電壓比較信號具有第二邏輯狀態且所述高側開關導通， 所述第二二極管阻止所述自舉電容對所述第二參考源反向充電。
7. 根據權利要求1的自舉電壓充電電路，其特征在于，所述第一充電模塊包括， 第一晶體管，具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至或者配置為所述第一充電 模塊的輸入端； 第一二極管，具有陰極和陽極，其陽極耦接至所述第一晶體管的第二端，其陰極耦接至 或者配置為所述第一充電模塊的輸出端； 第一電阻，具有第一端和第二端，其第一端耦接至所述一充電模塊的輸出端； 第二晶體管，具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至所述第一電阻的第二端， 其控制端耦接至所述高側開關和所述低側開關的公共端； 第二電阻，具有第一端和第二端，其第一端耦接至所述第二晶體管的第二端，其第二端 耦接至接地端；以及 第一放大器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其第一輸入端接收第一參考信 號，其第二輸入端耦接至所述第二電阻的第一端，其輸出端耦接至所述第一晶體管的控制 端。
8. 根據權利要求7的自舉電壓充電電路，其特征在于，所述第二充電模塊包括， 第三晶體管，具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至或者配置為所述第二充電 模塊的輸入端以接收所述第一高壓信號； 第二二極管，具有陰極和陽極，其陽極耦接至所述第三晶體管的第二端，其陰極耦接至 或者配置為所述第二充電模塊的輸出端； 第一邏輯電路，基于所述電壓比較信號產生開關控制信號； 第二放大器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其第一輸入端接收第二參考信 號，其輸出端耦接至所述第三晶體管的控制端；以及 第一開關，具有第一端、第二端和第三端，其第一端耦接至所述第二電阻的第一端，其 第二端耦接至所述接地端，其第三端耦接至所述第一放大器的第二端，在所述開關控制信 號作用下，所述第一開關選擇性地將其第三端耦接至其第一端或者其第二端。
9. 根據權利要求8的自舉電壓充電電路，其特征在于，所述第一邏輯電路基于所述電 壓比較信號和用于驅動所述高側開關的高端驅動信號產生所述開關控制信號。
10. -種電壓轉換電路，包括 通路開關，耦接于輸入端與輸出端之間，其中所述輸出端用于提供輸出電壓； 電感，耦接于所述輸出端與開關端之間； 高側開關，耦接于所述開關端與存儲端之間； 存儲電容，耦接于所述存儲端與接地端之間，用于提供存儲電壓； 低側開關，耦接于所述開關端與所述接地端之間； 自舉電容，具有第一端與第二端，其第二端耦接至所述開關端，用于為所述高側開關提 供自舉電壓； 第一充電模塊，具有輸入端和輸出端，其輸入端用于接收所述存儲電壓，其輸出端耦接 至所述自舉電容的第一端； 第一比較模塊，具有第一比較輸入端、第二比較輸入端和比較輸出端，其第一比較輸入 端接收所述存儲電壓，其第二比較輸入端接收所述輸出電壓，所述第一比較模塊將所述存 儲電壓與所述輸出電壓之差與比較閾值進行比較并在所述第一比較模塊輸出端提供電壓 比較信號； 升壓電路，具有輸入端與輸出端，其輸入端用于接收所述存儲電壓或所述輸出電壓，其 輸出端提供第一高壓信號；以及 第二充電模塊，具有輸入端、輸出端和控制端，其輸入端接收所述第一高壓信號，其輸 出端耦接至所述自舉電容的第一端，其控制端接收所述電壓比較信號，當所述存儲電壓與 所述輸出電壓之差小于所述比較閾值時，所述第二充電模塊對所述自舉電容充電。
11. 根據權利要求10的電壓轉換電路，其特征在于，所述電壓轉換電路具有升壓工作 模式和降壓工作模式。
12. 根據權利要求11的電壓轉換電路，其特征在于，在所述升壓工作模式下，所述通路 開關導通，通過所述低側開關的導通與關斷，所述電壓轉換電路對所述存儲電容充電；在所 述降壓工作模式下，通過所述高側開關和低側開關的導通與關斷，所述存儲電容對所述輸 出電容充電。
13. 根據權利要求12的電壓轉換電路，其特征在于，在所述升壓工作模式下，所述高側 開關保持關閉，所述電壓轉換電路通過所述高側開關的寄生襯底二極管對所述存儲電容充 電。
14. 根據權利要求11的電壓轉換電路，其特征在于，所述電壓轉換電路還具有線性工 作模式，在線性工作模式下，所述高側開關保持導通，所述低側開關保持關閉。
15. 根據權利要求10的電壓轉換電路，其特征在于， 所述存儲電壓與所述輸出電壓之差小于所述比較閾值時，所述電壓比較信號具有第一 邏輯狀態；所述存儲電壓與所述輸出電壓之差大于所述比較閾值時，所述電壓比較信號具 有第二邏輯狀態； 若所述電壓比較信號具有第一邏輯狀態，所述第一充電模塊在所述低側開關導通時為 所述自舉電容充電；若所述電壓比較信號具有第二邏輯狀態，所述第二充電模塊在所述高 側開關導通時為所述自舉電容充電。
16. 根據權利要求10的自舉電壓充電電路，其特征在于，所述第二充電模塊包括第二 參考源和第二二極管，若所述電壓比較信號具有第一邏輯狀態，所述第二二極管阻止自舉 電容對第二參考源反向充電；若所述電壓比較信號具有第二邏輯狀態且所述高側開關導 通，所述第二二極管阻止所述自舉電容對所述第二參考源反向充電。
17. 根據權利要求10的電壓轉換電路，其特征在于，所述第一充電模塊包括， 第一晶體管，具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至或者配置為所述第一充電 模塊的輸入端； 第一二極管，具有陰極和陽極，其陽極耦接至所述第一晶體管的第二端，其陰極耦接至 或者配置為所述第一充電模塊的輸出端； 第一電阻，具有第一端和第二端，其第一端耦接至所述一充電模塊的輸出端； 第二晶體管，具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至所述第一電阻的第二端， 其控制端耦接至所述高側開關和所述低側開關的公共端； 第二電阻，具有第一端和第二端，其第一端耦接至所述第二晶體管的第二端，其第二端 耦接至接地端；以及 第一放大器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其第一輸入端接收第一參考信 號，其第二輸入端耦接至所述第二電阻的第一端，其輸出端耦接至所述第一晶體管的控制 端。
18. 根據權利要求17的電壓轉換電路，其特征在于，所述第二充電模塊包括， 第三晶體管，具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至或者配置為所述第二充電 模塊的輸入端以接收所述第一高壓信號； 第二二極管，具有陰極和陽極，其陽極耦接至所述第三晶體管的第二端，其陰極耦接至 或者配置為所述第二充電模塊的輸出端； 第一邏輯電路，基于所述電壓比較信號產生開關控制信號； 第二放大器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其第一輸入端接收第二參考信 號，其輸出端耦接至所述第三晶體管的控制端；以及 第一開關，具有第一端、第二端和第三端，其第一端耦接至所述第二電阻的第一端，其 第二端耦接至所述接地端，其第三端耦接至所述第一放大器的第二端，在所述開關控制信 號作用下，所述第一開關選擇性地將其第三端耦接至其第一端或者其第二端。
19. 根據權利要求18的電壓轉換電路，其特征在于，所述第一邏輯電路基于所述電壓 比較信號和用于驅動所述高側開關的高端驅動信號產生所述開關控制信號。
20. -種自舉電壓充電電路，用于電壓轉換電路，其中所述電壓轉換電路包括高側開關 和低側開關以及用于為所述高側開關提供自舉電壓的自舉電容，所述電壓轉換電路基于輸 入電壓，通過所述高側開關和所述低側開關的導通和關斷切換提供輸出電壓，所述自舉電 壓充電電路包括： 第一充電模塊，具有輸入端和輸出端，其輸入端用于接收所述輸入電壓，其輸出端f禹接 至所述自舉電容的第一端； 第一比較模塊，具有第一比較輸入端、第二比較輸入端和比較輸出端，其第一比較輸入 端和第二比較輸入端分別耦接至所述自舉電容兩端，所述第一比較模塊將所述自舉電壓與 比較閾值進行比較并在所述第一比較模塊輸出端提供電壓比較信號； 升壓電路，具有輸入端與輸出端，其輸入端用于接收所述輸入電壓或所述輸出電壓，其 輸出端提供第一高壓信號；以及 第二充電模塊，具有輸入端、輸出端和控制端，其輸入端接收所述第一高壓信號，其輸 出端耦接至所述自舉電容的第一端，其控制端接收所述電壓比較信號，當所述自舉電壓小 于所述比較閾值時，所述第二充電模塊對所述自舉電容充電。
21. 根據權利要求20的自舉電壓充電電路，其特征在于， 所述輸入電壓與所述輸出電壓之差小于所述比較閾值時，所述電壓比較信號具有第一 邏輯狀態；所述輸入電壓與所述輸出電壓之差大于所述比較閾值時，所述電壓比較信號具 有第二邏輯狀態； 若所述電壓比較信號具有第一邏輯狀態，所述第一充電模塊在所述低側開關導通時為 所述自舉電容充電；若所述電壓比較信號具有第二邏輯狀態，所述第二充電模塊在所述高 側開關導通時為所述自舉電容充電。
【文檔編號】H02M3/157GK104218803SQ201410429063
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月27日 優先權日:2014年8月27日
【發明者】修利平, 李伊珂 申請人:成都芯源系統有限公司