[发明专利]用于具有快速瞬态响应的两级降压升压转换器的系统和方法

说明书

本发明的各种实施例提供单相和双相电荷泵、具有快速线路和负载瞬态控制的两极DC/DC降压‑升压转换器，而不考虑负载条件。在本发明的特定实施例中，这通过使用误差放大器控制期望的输出电压来实现，该误差放大器控制多个滞后比较器。双相电荷泵结构消除了纹波电流和模式变换，并通过在两个路径之间分开总电流而增大了效率。某些实施例允许使用低电压半导体设备，这明显减少了切换损耗并进一步增大了效率。

相关专利申请的交叉引用

本申请要求由Rui Liu于2013年3月14日提交的名称为“System and Methods forTwo-Stage Buck Boost Converters with Fast Transient Response”的美国临时申请序列No.61/785,831的优先权，该临时申请通过引用被全部并入本文。

背景技术

A.技术领域

本发明涉及电源，且更具体地，涉及用于快速瞬态响应和无缝变换的升压-降压转换器的系统、设备和方法。

B.发明背景

很多现代电子消费产品需要来自能够在受到快速瞬变现象时维持严格的电压调节的经调节且准确的DC电压源的功率。DC电压常常必须由升压转换器逐渐升高或由降压转换器逐渐降低到另一DC电压。当输出电压必须能够在较低和较高的电压下操作时，DC电压通常由更复杂的降压-升压或升压-降压转换器来处理。在一些现有的应用中，具有H桥拓扑的常规降压-升压转换器用于将期望的输出电压调节到比给定输入电压高或低的值。H桥拓扑例如用在智能电话和平板电脑电池的功率管理IC中。然而，这些方案所共有的是，它们遭受大管芯尺寸、低效率、令人不满意的瞬态响应和高输出电压纹波。所需要的是系统设计者用于克服上述限制的工具。

发明内容

本发明的各种实施例提供实现期望输出电压的严格调节以及实质上等效于降压转换器的控制的快速线路和负载瞬态控制的两极DC/DC降压-升压转换器，而不考虑输入电压是高于期望输出电压还是低于期望输出电压。

在本发明的某些实施例中，降压-升压转换器使用在第一级中的降压转换器来将输入电压转换成具有等于期望输出电压大约一半的值的第一输出电压。降压转换器耦合到使降压转换器的第一输出电压加倍以实现期望的输出电压的未经调节的电荷泵。这种方法消除了现有技术设计的降压到升压或升压到降压模式转换特征。对于传统的降压-升压转换器的回路带宽的右侧为零的限制被完全消除了。

在本发明的某些实施例中，降压-升压转换器使用简单的降压转换器控制方案来将第二级的输出电压反馈到允许第一级补偿第二级的负载阻抗的第一级控制器，而第一级保持从期望的输出电压去耦。在一些实施例中，期望的输出电压由滞后比较器控制，该滞后比较器产生由误差放大器控制的滞后窗。

一个特定的实施例利用双相电荷泵结构，其中每个相以50%占空比进行切换，每个相以50%占空比进行操作，且这两个相都在驱动恒定的DC负载电流时相对于彼此异相180度操作。结果，由于缺乏电流脉冲，双相电荷泵的额外优点是，实质上没有可产生EMI噪声的纹波电流或di/dt感应振铃电压存在。替代地，只有DC负载电流流到输出。此外，因为流经每个腿的电流是使用单相电荷泵的实施例的电流的仅仅一半，效率增加。

与常规高电压MOSFET应用比较，也通过将半导体设备依尺寸制造成相对低的额定电压的能力，来对于任何给定的硅管芯面积增加了效率。这允许明显降低与在MOSFET内部的电容相关的切换电流相关损耗。在某些实施例中，电荷泵配置成在旁路模式中操作，以在当输入电压低于期望输出电压时的情况下进一步提高总效率。

在这里通常描述了本发明的某些特征和优点；然而，鉴于附图、说明书及其权利要求，在本文提出的额外的特征、优点和实施例将对本领域技术人员是明显的。因此，应理解，本发明的范围不被在该发明内容中所公开的特定实施例限制。