[发明专利]电感电容DC-DC转换器

说明书

公开的示例包括高效集成电路(110)和电感电容性DC‑DC转换器(100)，该电感电容性DC‑DC转换器(100)具有包括第一和第二开关(S1，S2)及电感器(L)的第一转换器级(101)以及包括第三和第四开关(S3，S4)及快速电容器(CF)的第二转换器级(102)。当输出电压信号(VO)低于阈值(VTH)时，双模式控制电路(120)在第一模式(OP‑MODE‑1)中通过脉冲宽度调制第一转换器级(101)的开关来调节输出电压信号(VO)。当输出电压超过阈值(VTH)时，控制电路(120)在第二模式中以第一状态操作以闭合第一和第三开关(S1，S3)，并且以第二状态操作以闭合第四开关(S4)，从而将电感器(L)与快速电容器(CF)串联连接。第一级和第二级(101，102)的双模式操作有助于使降压‑升压操作具有减少的电感器损耗和转换器开关损耗，并且集成电路可以用于升压、降压或其它配置。

技术领域

本公开涉及DC-DC转换器，并且更具体地涉及高效的升压、降压和反相降压-升压转换器电路系统。

背景技术

DC-DC转换器将输入DC电压转换为输出DC电压以驱动负载。降压型DC-DC转换器包括电感器与一个或多个开关，以提供高达输入电压电平的输出电压。升压转换器也包括电感器与一个或多个开关，以提供超过输入电压的输出电压。降压-升压DC-DC转换器可以产生低于或高于输入电压电平的输出电压。

图10示出了具有串联连接在输入电压VIN和输出电压VOUT之间的第一和第二(高侧和低侧)晶体管M1和M2的感应反相降压-升压DC-DC转换器1000。电感器L被连接在将晶体管M1和M2结合的中心开关节点SW与接地连接点之间。输入电容器CIN被连接在VIN与地之间，而输出电容器COUT被连接在输出电压VOUT与地之间。在操作中，在沿着第一路径1001流动的电流的开关周期的第一部分中，第一晶体管M1接通而M2关断；并且在沿着第二路径1002流动的电流的开关周期的第二部分中M2接通而M1关断。在每个开关周期的第一部分期间，M1被接通，其将开关节点SW连接到电源电压VIN。因此，电感器电压为VIN，其导致电感器电流上升。此外，在第一开关周期部分中，M2两端的电压为VIN+|VOUT|。在第二开关周期部分期间，M2接通并且M1关断以将开关节点SW连接到输出电压VOUT。在这种情况下，电感L两端的电压为-VOUT，其导致电感电流下降，并且M1两端的电压为VIN+|VOUT|。以这种方式，M1和M2的开关操作提供负输出电压VOUT，其绝对值可以大于、小于或等于输入电压VIN的电平。

图10中的反相降压-升压转换器1000中的晶体管M1和M2暴露于输入电压VIN和输出电压VOUT的量值之和。此外，转换器1000的晶体管M1和M2的尺寸必须至少能承受开关模式中的VIN+|VOUT|，转换器1000需要晶体管具有比标准降压或升压转换器更高的额定电压。最严重的情况来自当M1和M2在饱和区域中操作并传导完全电感电流同时阻断高源-漏电压的开关期间。增加晶体管M1和M2的阻断电压增加了器件尺寸，并且因此与常规降压转换器相比，增加了开关损耗。此外，开关节点SW上的电压摆动以及因此电感器L两端的电压高于与常规降压转换器或常规升压转换器相关联的电感器电压摆动。虽然降压-升压拓扑为固定输入电压VIN提供更宽的输出电压范围，但与降压或升压转换器架构相比，降压-升压转换器1000遭受更大的纹波电流和更高的感应开关损耗。结果，常规的降压-升压转换器1000不能实现降压转换器或升压转换器可能的效率。