多阶切换转换器电路及多阶切换转换方法与流程

本发明涉及一种多阶切换转换器电路及多阶切换转换方法，特别涉及一种具有波谷电流模式控制的多阶切换转换器电路及多阶切换转换方法。

背景技术：

1、请参照图1，图1显示2005年ieee应用电力电子会议和博览会“射频功率放大器包络追踪用的三阶降压转换器”(three-level buck converter for envelope tracking inrf power amplifiers)的现有技术三阶降压转换器10。该三阶降压转换器10用以将输入电压v1转换为输出电压v2。此三阶降压转换器10适用以追踪应用，如射频功率放大器中的包络追踪。图1中所示的三阶降压转换器10突出了三阶降压转换器的好处，如对元件的低电压压力和相比传统两阶降压转换器的较低纹波电流。

2、美国专利9,866,113显示了一种现有技术的直流-直流转换器。该现有技术的直流-直流转换器揭示了一种运行于峰值电流模式控制并且具有电压感测电路以调节占空比时序来平衡飞驰电容器电压vcfly的三阶降压转换器，用以将输入电压vin转换为输出电压vout。

3、2016年6月15-17日的ieee超大规模集成电路研讨会上显示了一种现有技术的3阶降压转换器。

4、传统的三阶降压转换器，如2005年ieee应用电力电子会议和博览会、美国专利9,866,113以及2016年ieee超大规模集成电路研讨会所揭示的那些，相较于传统的两阶降压转换器，具有降低的电压压力和较低的纹波电流。然而，这些设计需要额外的感测电路来感测飞驰电容器的电压，以及额外的补偿控制回路来平衡飞驰电容器的电压，这增加了复杂性和可能的低效率。

5、有鉴于此，本发明即针对上述现有技术的不足，本发明提出了一种具有波谷电流模式控制的多阶切换转换器电路和多阶切换转换方法。

技术实现思路

1、于一观点中，本发明提供了一种多阶切换转换器电路，用以将第一电压转换为第二电压或将第二电压转换为第一电压，包含：一功率级电路，该功率级电路耦接于第一电压和第二电压之间，包括多个功率开关用以切换飞驰电容器和电感；以及一转换控制电路，用以产生第一控制信号以周期性地操作多个功率开关的第一部分，和产生第二控制信号以周期性地操作多个功率开关的第二部分；其中通过波谷电流模式控制，转换控制电路产生第一斜坡信号以决定第一控制信号的第一占空比，并产生第二斜坡信号以决定第二控制信号的第二占空比，从而使连接至电感一端的切换节点在k个位准中的两个之间切换，使得第一电压或第二电压被调节至预设目标位准，并且跨于飞驰电容器上的飞驰电容器电压被调节并平衡在第一电压的(k-1)分之一；其中k是大于或等于3的整数，k个位准包括第一电压、接地电位和至少一第一电压的分压。

2、于另一观点中，本发明提供了一种多阶切换转换方法，用以将第一电压转换为第二电压或将第二电压转换为第一电压，该多阶切换转换方法包含：通过耦接于该第一电压和该第二电压之间的一功率级电路的多个功率开关，切换一飞驰电容器和一电感；产生第一控制信号以周期性地操作功率级电路的多个功率开关的第一部分，以及产生第二控制信号以周期性地操作功率级电路的多个功率开关的第二部分；通过波谷电流模式控制，产生第一斜坡信号以决定第一控制信号的第一占空比，并产生第二斜坡信号以决定第二控制信号的第二占空比，从而使连接至电感一端的切换节点在k个位准中的两个之间切换，使得第一电压或第二电压被调节至预设目标位准，并且飞驰电容器的电压在飞驰电容器上得到调节和平衡在第一电压的(k-1)分之一；其中k是大于或等于3的整数，k个位准包括第一电压、接地电位和至少一第一电压的分压。

3、在一种实施例中，第一占空比根据第一斜坡信号、电流感测信号和反馈相关信号决定，其中第一控制信号的脉冲的起始时间点决定电流感测信号的第一波谷，从而实现波谷电流模式控制；其中第二占空比根据第二斜坡信号、电流感测信号和反馈相关信号决定，其中第二控制信号的脉冲的起始时间点决定电流感测信号的第二波谷，从而实现波谷电流模式控制；其中第一控制信号的脉冲具有第一占空比，其中第二控制信号的脉冲具有第二占空比，其中电流感测信号与流经电感的电感电流正相关，反馈相关信号与第二电压或第一电压相关的反馈信号相关。

4、在一种实施例中，第一信号组包括第一斜坡信号、电流感测信号和反馈相关信号，第一信号组的第一和第二个被叠加后与第三个比较，以决定第一控制信号的脉冲的起始时间点，并且第一控制信号的脉冲的结束时间点由第一时钟信号触发，其中第一信号组的第一个、第二个和第三个彼此不同；其中第二信号组包括第二斜坡信号、电流感测信号和反馈相关信号，第二信号组的第一和第二个被叠加后与第三个比较，以决定第二控制信号的脉冲的起始时间点，并且第二控制信号的脉冲的结束时间点由第二时钟信号触发，其中第二信号组的第一个、第二个和第三个彼此不同。

5、在一种实施例中，第一信号组的第一个、第二个和第三个分别对应于反馈相关信号、第一斜坡信号和电流感测信号；其中第二斜坡信号、电流感测信号和反馈相关信号的第一个、第二个和第三个分别对应于反馈相关信号、第二斜坡信号和电流感测信号。

6、在一种实施例中，第一斜坡信号由第一时钟信号同步，并且第二斜坡信号由第二时钟信号同步。

7、在一种实施例中，第一时钟信号和第二时钟信号具有相同的固定频率。

8、在一实施例中，第一斜坡信号与第二斜坡信号之间的相位偏移为360度除以(k-1)度。

9、在一实施例中，通过波谷电流模式控制，第一控制信号的脉冲的导通期间与飞驰电容器电压成反比，第二控制信号的脉冲的导通期间与飞驰电容器电压成正比，从而飞驰电容器电压达到平衡。

10、在一实施例中，电流感测信号是通过与该电感耦合的一直流阻抗(dcr)电流感测电路获得的。

11、在一实施例中，多个功率开关的第一部分包括第一开关和第二开关，第二部分包括第三开关和第四开关；其中该第一开关连接于该第一电压与该飞驰电容器的一第一端之间，该第二开关连接于该飞驰电容器的一第二端与该接地电位之间，该第三开关连接于该飞驰电容器的该第一端与该切换节点之间，该第四开关连接于该飞驰电容器的该第二端与该切换节点之间；其中该第一控制信号操作该第一开关，且该第一控制信号的反相信号操作该第二开关，该第二控制信号操作该第三开关，该第二控制信号的反相信号操作该第四开关；其中k为3，k个位准包括该第一电压、该接地电位和该第一电压的一半。

12、在一实施例中，转换控制电路不根据该电压感测信号产生该第一控制信号和该第二控制信号，而该电压感测信号是通过感测该飞驰电容器电压产生的。

13、于另一观点中，本发明提供了一种多阶切换转换器电路，用以将第一电压转换为第二电压或将第二电压转换为第一电压，该多阶切换转换器电路包括：第一功率级电路，耦接于第一电压和第二电压之间，包括多个第一功率开关，用以切换第一飞驰电容器和第一电感；第二功率级电路，耦接于第一电压和第二电压之间，包括多个第二功率开关，用以切换第二飞驰电容器和第二电感；以及一转换控制电路，用以产生第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号，其中第一控制信号用以操作第一功率开关的第一部分，第二控制信号用以操作第一功率开关的第二部分，第三控制信号用以操作第二功率开关的第一部分，第四控制信号用以操作第二功率开关的第二部分；其中通过第一波谷电流模式控制，转换控制电路产生第一斜坡信号以决定第一控制信号的第一占空比，并产生第二斜坡信号以决定第二控制信号的第二占空比，从而使第一切换节点连接至第一电感的一端在k个位准中的两个之间切换，使得第一电压或第二电压被调节至预设目标位准，并且第一飞驰电容器的电压在第一飞驰电容器上得到调节和平衡在第一电压的(k-1)分之一；其中通过第二波谷电流模式控制，转换控制电路产生第三斜坡信号以决定第三控制信号的第三占空比，并产生第四斜坡信号以决定第四控制信号的第四占空比，从而使第二切换节点连接至第二电感的一端在p个位准中的两个之间切换，使得第一电压或第二电压被调节至预设目标位准，并且第二飞驰电容器的电压在第二飞驰电容器上得到调节和平衡在第一电压的(p-1)分之一；其中k和p都是大于或等于3的整数，k个位准包括第一电压、接地电位和至少一第一电压的分压，p个位准包括第一电压、接地电位和至少一第一电压的分压。

14、在一实施例中，第一占空比根据第一斜坡信号、第一电流感测信号和反馈相关信号决定，其中第一控制信号的脉冲的起始时间点决定第一电流感测信号的第一波谷，从而实现第一波谷电流模式控制；其中第二占空比根据第二斜坡信号、第一电流感测信号和反馈相关信号决定，其中第二控制信号的脉冲的起始时间点决定第一电流感测信号的第二波谷，从而实现第一波谷电流模式控制；其中第三占空比根据第三斜坡信号、第二电流感测信号和反馈相关信号决定，其中第三控制信号的脉冲的起始时间点决定第二电流感测信号的第三波谷，从而实现第二波谷电流模式控制；其中第四占空比根据第四斜坡信号、第二电流感测信号和反馈相关信号决定，其中第四控制信号的脉冲的起始时间点决定第二电流感测信号的第四波谷，从而实现第二波谷电流模式控制；其中第一控制信号的脉冲具有第一占空比，其中第二控制信号的脉冲具有第二占空比，其中第一电流感测信号与流经第一电感的电感电流正相关，反馈相关信号与第二电压或第一电压相关的反馈信号相关，其中第三控制信号的脉冲具有第三占空比，其中第四控制信号的脉冲具有第四占空比，其中第二电流感测信号与流经第二电感的电感电流正相关。

15、在一实施例中，第一信号组包括第一斜坡信号、第一电流感测信号和反馈相关信号，第一信号组的第一个和第二个被叠加后与第三个比较，以决定第一控制信号的脉冲的起始时间点，并且第一控制信号的脉冲的结束时间点由第一时钟信号触发，其中第一信号组的第一个、第二个和第三个彼此不同；其中第二信号组包括第二斜坡信号、第一电流感测信号和反馈相关信号，第二信号组的第一和第二个被叠加后与第三个比较，以决定第二控制信号的脉冲的起始时间点，并且第二控制信号的脉冲的结束时间点由第二时钟信号触发，其中第二信号组的第一、第二个和第三个彼此不同；其中第三信号组包括第三斜坡信号、第二电流感测信号和反馈相关信号，第三信号组的第一和第二个被叠加后与第三个比较，以决定第三控制信号的脉冲的起始时间点，并且第三控制信号的脉冲的结束时间点由第三时钟信号触发，其中第三信号组的第一、第二个和第三个彼此不同；其中第四信号组包括第四斜坡信号、第二电流感测信号和反馈相关信号，第四信号组的第一和第二个被叠加后与第三个比较，以决定第四控制信号的脉冲的起始时间点，并且第四控制信号的脉冲的结束时间点由第四时钟信号触发，其中第四信号组的第一、第二个和第三个彼此不同。

16、在一实施例中，第一信号组的第一个、第二个和第三个分别对应于反馈相关信号、第一斜坡信号和第一电流感测信号；其中第二信号组的第一、第二个和第三个分别对应于反馈相关信号、第二斜坡信号和第一电流感测信号；其中第三信号组的第一个、第二个和第三个分别对应于反馈相关信号、第三斜坡信号和第二电流感测信号；其中第四信号组的第一、第二个和第三个分别对应于反馈相关信号、第四斜坡信号和第二电流感测信号。

17、在一实施例中，第一斜坡信号由第一时钟信号同步，第二斜坡信号由第二时钟信号同步；其中第三斜坡信号和第四斜坡信号分别由第三时钟信号和第四时钟信号同步。

18、在一实施例中，第一时钟信号、第二时钟信号、第三时钟信号和第四时钟信号具有相同的固定频率。

19、在一实施例中，第一斜坡信号与第二斜坡信号之间的相位偏移为360度除以(k-1)度；第三斜坡信号与第四斜坡信号之间的相位偏移为360度除以(p-1)度。

20、在一实施例中，通过第一波谷电流模式控制，第一控制信号的脉冲的导通期间与第一飞驰电容器电压成反比，并且第二控制信号的脉冲的导通期间与第一飞驰电容器电压成正比，从而使第一飞驰电容器电压达到平衡；通过第二波谷电流模式控制，第三控制信号的脉冲的导通期间与第二飞驰电容器电压成反比，并且第四控制信号的脉冲的导通期间与第二飞驰电容器电压成正比，从而使第二飞驰电容器电压达到平衡。

21、在一实施例中，第一电流感测信号是通过将第一直流阻抗(dcr)电流感测电路与第一电感耦合获得的；并且/或者第二电流感测信号是通过将第二直流阻抗(dcr)电流感测电路与第二电感耦合获得的。

22、在一实施例中，第一功率开关的第一部分包括第一开关和第二开关，第二部分包括第三开关和第四开关；其中第一开关耦接于第一电压和第一飞驰电容器的第一端，第二开关耦接于第一飞驰电容器的第二端和接地电位，第三开关耦接于第一飞驰电容器的第一端和切换节点，第四开关耦接于第一飞驰电容器的第二端和切换节点；其中第一控制信号操作第一开关，第一控制信号的反相信号操作第二开关，第二控制信号操作第三开关，第二控制信号的反相信号操作第四开关；其中k为3，k个位准包括第一电压、接地电位和第一电压的一半。

23、本发明的优点至少包括：

24、1.无需额外的飞驰电容器电压感测电路；

25、2.无需额外的飞驰电容器电压平衡补偿控制回路；

26、3.控制回路和补偿器设计简单；

27、4.飞驰电容器电压自动平衡；

28、5.快速瞬态响应；及

29、6.相较于峰值电流模式控制，最小导通时间更短。

30、以下通过具体实施例详加说明，以更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所实现的效果。

技术特征：

1.一种多阶切换转换器电路，用以将一第一电压转换为一第二电压或将该第二电压转换为该第一电压，该多阶切换转换器电路包含：

2.如权利要求1所述的多阶切换转换器电路，其中，该第一占空比根据该第一斜坡信号、一电流感测信号和一反馈相关信号所决定，该第一控制信号的脉冲的起始时间点决定该电流感测信号的一第一波谷，从而实现该波谷电流模式控制；

3.如权利要求2所述的多阶切换转换器电路，其中，一第一信号组包括该第一斜坡信号、该电流感测信号和该反馈相关信号，该第一信号组的第一个和第二个被叠加后与第三个比较，以决定该第一控制信号的脉冲的起始时间点，并且该第一控制信号的脉冲的结束时间点由一第一时钟信号触发，其中该第一信号组的第一个、第二个和第三个彼此不同；

4.如权利要求3所述的多阶切换转换器电路，其中，该第一信号组的第一个、第二个和第三个分别对应于该反馈相关信号、该第一斜坡信号和该电流感测信号；

5.如权利要求3所述的多阶切换转换器电路，其中，该第一斜坡信号由该第一时钟信号同步，而该第二斜坡信号由该第二时钟信号同步。

6.如权利要求5所述的多阶切换转换器电路，其中，该第一时钟信号和该第二时钟信号具有相同的一固定频率。

7.如权利要求6所述的多阶切换转换器电路，其中，该第一斜坡信号和该第二斜坡信号之间的相位偏移为360度除以(k-1)度。

8.如权利要求2所述的多阶切换转换器电路，其中，通过该波谷电流模式控制，使该第一控制信号的脉冲的导通期间与该飞驰电容器电压成反比，并使该第二控制信号的脉冲的导通期间与该飞驰电容器电压成正比，从而使该飞驰电容器电压得到平衡。

9.如权利要求1所述的多阶切换转换器电路，其中，该电流感测信号是通过与该电感耦合的一直流阻抗电流感测电路获得的。

10.如权利要求9所述的多阶切换转换器电路，其中，该多个功率开关的该第一部分包括一第一开关和一第二开关，该多个功率开关的该第二部分包括一第三开关和一第四开关；

11.如权利要求1所述的多阶切换转换器电路，其中，该转换控制电路不根据该电压感测信号产生该第一控制信号和该第二控制信号，而该电压感测信号是通过感测该飞驰电容器电压产生的。

12.一种多阶切换转换方法，用以将一第一电压转换为一第二电压或将该第二电压转换为该第一电压，该多阶切换转换方法包含以下步骤：

13.如权利要求12所述的多阶切换转换方法，其中，该第一占空比根据该第一斜坡信号、一电流感测信号和一反馈相关信号决定，该第一控制信号的脉冲的起始时间点决定该电流感测信号的一第一波谷，从而实现该波谷电流模式控制；

14.如权利要求13所述的多阶切换转换方法，其中，一第一信号组包括该第一斜坡信号、该电流感测信号和该反馈相关信号，该第一信号组的第一个和第二个被叠加后与第三个比较，以决定该第一控制信号的脉冲的起始时间点，并且该第一控制信号的脉冲的结束时间点由一第一时钟信号触发，其中该第一信号组的第一个、第二个和第三个彼此不同；

15.如权利要求14所述的多阶切换转换方法，其中，该第一信号组的第一、第二个和第三个分别对应于该反馈相关信号、该第一斜坡信号和该电流感测信号；

16.如权利要求14所述的多阶切换转换方法，其中，该第一斜坡信号由该第一时钟信号同步，而该第二斜坡信号由该第二时钟信号同步。

17.如权利要求16所述的多阶切换转换方法，其中，该第一时钟信号和该第二时钟信号具有相同的一固定频率。

18.如权利要求17所述的多阶切换转换方法，其中，该第一斜坡信号和该第二斜坡信号之间的相位偏移为360度除以(k-1)度。

19.如权利要求13所述的多阶切换转换方法，其中，通过波谷电流模式控制，使该第一控制信号的脉冲的导通期间与该飞驰电容器电压成反比，并使该第二控制信号的脉冲的导通期间与该飞驰电容器电压成正比，从而使该飞驰电容器电压得到平衡。

20.如权利要求12所述的多阶切换转换方法，其中，该第一控制信号和该第二控制信号不是根据该电压感测信号产生的，而该电压感测信号是通过感测该飞驰电容器电压产生的。

21.一种多阶切换转换器电路，用以将一第一电压转换为一第二电压或将该第二电压转换为该第一电压，该多阶切换转换器电路包含：

22.如权利要求21所述的多阶切换转换器电路，其中，该第一占空比根据该第一斜坡信号、一第一电流感测信号和一反馈相关信号所决定，该第一控制信号的脉冲的起始时间点决定该第一电流感测信号的一第一波谷，从而实现该第一波谷电流模式控制；

23.如权利要求22所述的多阶切换转换器电路，其中，一第一信号组包括该第一斜坡信号、该第一电流感测信号和该反馈相关信号，该第一信号组的第一个和第二个被叠加后与第三个比较，以决定该第一控制信号的脉冲的起始时间点，并且该第一控制信号的脉冲的结束时间点由一第一时钟信号触发，其中该第一信号组的第一、个第二个和第三个彼此不同；

24.如权利要求23所述的多阶切换转换器电路，其中，该第一信号组的第一个、第二个和第三个分别对应于该反馈相关信号、该第一斜坡信号和该第一电流感测信号；

25.如权利要求23所述的多阶切换转换器电路，其中，该第一斜坡信号由该第一时钟信号同步，该第二斜坡信号由该第二时钟信号同步；

26.如权利要求25所述的多阶切换转换器电路，其中，该第一时钟信号、该第二时钟信号、该第三时钟信号和该第四时钟信号具有相同的一固定频率。

27.如权利要求23所述的多阶切换转换器电路，其中，该第一斜坡信号和该第二斜坡信号之间的相位偏移为360度除以(k-1)度；并且/或者

28.如权利要求22所述的多阶切换转换器电路，其中，通过该第一波谷电流模式控制，使该第一控制信号的脉冲的导通期间与该第一飞驰电容器电压成反比，并使该第二控制信号的脉冲的导通期间与该第一飞驰电容器电压成正比，从而使该第一飞驰电容器电压得到平衡；

29.如权利要求21所述的多阶切换转换器电路，其中，该第一电流感测信号是通过与该第一电感耦合的一第一直流阻抗电流感测电路获得的；并且/或者

30.如权利要求29所述的多阶切换转换器电路，其中，该第一功率开关的该第一部分包括一第一开关和一第二开关，该第一功率开关的该第二部分包括一第三开关和一第四开关；

技术总结
一种多阶切换转换器电路及多阶切换转换方法。该多阶切换转换器电路，用以将第一电压转换为第二电压或将第二电压转换为第一电压，包括：功率级电路以及转换控制电路。通过波谷电流模式控制，转换控制电路产生第一斜坡信号以决定第一控制信号的第一占空比，并产生第二斜坡信号以决定第二控制信号的第二占空比，从而使一与电感一端相连的切换节点在k个电压位准中的两个之间切换，使得第一电压或第二电压被调节到一预设的目标位准，并且一飞驰电容器上的飞驰电容器电压被调节并平衡在第一电压的(k‑1)分之一处。

技术研发人员：刘国基,杨大勇
受保护的技术使用者：立锜科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5