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CN112640281B - 数字辅助动态多模式电源电路 - Google Patents

数字辅助动态多模式电源电路 Download PDF

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CN112640281B
CN112640281B CN201980056110.0A CN201980056110A CN112640281B CN 112640281 B CN112640281 B CN 112640281B CN 201980056110 A CN201980056110 A CN 201980056110A CN 112640281 B CN112640281 B CN 112640281B
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Abstract

本公开的某些方面通常涉及用于在多模式电源电路的模式之间进行切换的方法和装置。一个示例电源电路通常包括开关模式电源(SMPS)电路；电压调节器电路，其具有耦合到SMPS电路的输出的输入，该电压调节器电路被配置为被选择性地启用；第一分压器，其选择性地耦合到SMPS电路的输出并且选择性地耦合到电压调节器电路的输出；以及第二分压器，其耦合到电压调节器电路的输出。

Description

数字辅助动态多模式电源电路
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年8月28日提交的题为“数字辅助动态多模式电源电路”的美国专利申请号16/554,082的优先权，其要求于2018年8月30日提交的题为“数字辅助动态多模式电源电路”的美国临时专利申请号62/725,033的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开的某些方面通常涉及电子电路，更具体地涉及一种多模式电源电路及其操作。
背景技术
功率管理集成电路(功率管理IC或PMIC)用于管理主机系统的功率需求。PMIC可以用于电池操作设备，诸如移动电话、平板电脑、笔记本电脑、可穿戴式设备等，以控制设备中电功率的流动和方向。PMIC可以执行设备的多种功能，诸如DC到DC转换(例如，使用电压调节器)、电池充电、功率源选择、电压缩放、功率排序等。
理想情况下，不管负载电流或输入电压的改变如何，电压调节器都提供恒定直流(DC)输出电压。电压调节器可以分为线性调节器或开关调节器。尽管线性调节器趋向于小型化和紧凑化，但许多应用仍可能受益于开关调节器效率的提高。例如，线性调节器可以由低压差(LDO)调节器实现。开关调节器可以例如通过诸如降压转换器或升压转换器之类的开关模式电源(SMPS)来实现。降压转换器(也称为减压转换器)将较高输入电压转换为较低输出电压，而升压转换器(也称为加压转换器)将较低输入电压转换为较高输出电压。
发明内容
本公开的某些方面通常涉及用于在多模式电源电路的不同操作模式之间切换的技术和装置。
本公开的某些方面提供了一种电源电路。该电源电路通常包括开关模式电源(SMPS)电路；电压调节器电路，其具有耦合到SMPS电路的输出的输入，该电压调节器电路被配置为被选择性地启用；第一分压器，其选择性地耦合到SMPS电路的输出或电压调节器电路的输入中的至少一个，并且选择性地耦合到电压调节器电路的输出；以及第二分压器，其耦合到电压调节器电路的输出。
本公开的某些方面提供了一种操作多模式电源电路的方法。该方法通常包括：在多模式电源电路中检测高输入电压事件，该多模式电源电路包括SMPS电路，其具有耦合到电压调节器电路的输入的输出；基于检测来启用电压调节器电路；将电压调节器电路的调节点暂时增加到高于电压调节器电路的输入处的输入电压；以及在延迟之后，减小电压调节器电路的调节点。
本公开的某些方面提供一种用于经由多种模式供电的装置。该装置通常包括用于经由开关调节来供电的部件；用于调节来自用于供电的部件的电压的部件；用于检测装置中的高输入电压事件的部件；用于基于检测来启用用于调节电压的部件的部件；用于将用于调节电压的部件的调节点暂时增加到高于来自用于供电的部件的电压的部件；以及用于在延迟之后，减小用于调节电压的部件的调节点的部件。
附图说明
为了可以详细理解本公开的上文所阐述的特征的方式，可以通过参考各方面来进行上文所简要概述的更具体描述，其中一些在附图中说明。然而，应当指出，附图仅图示了本公开的某些典型方面，因此不应被认为是对其范围的限制，因为该描述可以容许其他同等有效方面。
图1图示了根据本公开的某些方面的可以包括多模式电源电路的示例设备的框图。
图2是根据本公开的某些方面的示例多模式电源电路架构的框图。
图3A是根据本公开的某些方面的在电源输入电压的大噪声/纹波事件期间与示例多模式电源电路相关联的数字信号的示例时序图。
图3B是根据本公开的某些方面的在电源输入电压的高电压电平事件期间与示例多模式电源电路相关联的数字信号的示例时序图。
图4是根据本公开的某些方面的在电源输入电压的过冲期间与示例多模式电源电路相关联的各种信号的时序图。
图5是根据本公开的某些方面的在大输入电压噪声/纹波事件期间与示例多模式电源电路相关联的数字信号的时序图，其图示了消隐和冷却定时器行为。
图6是根据本公开的某些方面的用于图2的多模式电源电路架构的示例可编程调节点偏移电路系统的电路图。
图7A是根据本公开的某些方面的用于大输入电压噪声/纹波事件检测的电路系统的框图。
图7B是根据本公开的某些方面的用于高输入电压电平事件检测的电路系统的框图。
图8是根据本公开的某些方面的用于在多模式电源电路中进行电源调节的示例操作的流程图。
具体实施方式
在下文中，参考附图对本公开的各个方面进行更充分的描述。然而，本公开可以以许多不同的形式体现，并且不应被解释为限于贯穿本公开所呈现的任何特定结构或功能。相反，提供这些方面，以使本公开将是透彻和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。基于本文中的教导，本领域的技术人员应当领会，本公开的范围旨在覆盖本文中所公开的本公开的任何方面，无论是独立于本公开的任何其他方面还是与本公开的任何其他方面组合实现。例如，可以使用本文中所阐述的任何数目的方面来实现一种装置或实践一种方法。另外，本公开的范围旨在覆盖这种装置或方法，该装置或方法使用除本文所阐述的本公开的各个方面之外或以外的其他结构、功能性、或结构和功能性来实践。应当理解，本文中所公开的本公开的任何方面可以由权利要求的一个或多个要素来体现。
词语“示例性”在本文中用来意指“用作示例、实例或说明”。本文中被描述为“示例性”的任何方面不必被解释为比其他方面优选或有利。
如本文中所使用的，在动词“连接”的各种时态中，术语“与......连接”可以意指元件A直接连接到元件B或其他元件可以连接在元件A和B之间(即，元件A与元件B间接连接)。在电气部件的情况下，术语“与......连接”在本文中也可以用于意指导线、迹线或其他导电材料用于电连接元件A和B(以及其间电连接的任何组件)。
示例设备
图1图示了其中可以实现本公开的各方面的示例设备100。该设备100可以是电池操作设备，诸如蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、手持设备、无线设备、膝上型计算机、平板电脑、智能电话等。
设备100可以包括处理器104，该处理器104控制设备100的操作。处理器104还可以称为中央处理单元(CPU)。可以包括只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)两者的存储器106向处理器104提供指令和数据。存储器106的一部分还可以包括非易失性随机存取存储器(NVRAM)。处理器104通常基于存储在存储器106内的程序指令来执行逻辑运算和算术运算。
在某些方面中，设备100还可以包括外壳108，该外壳108可以包括发射器110和接收器112，以允许在设备100与远程位置之间传输并接收数据。对于某些方面，发射器110和接收器112可以组合为收发器114。一个或多个天线116可以附接或以其他方式耦合到外壳108并且电连接到收发器114。设备100还可以包括(未示出)多个发射器、多个接收器、和/或多个收发器。
设备100还可以包括信号检测器118，该信号检测器118可以用于实现检测和量化收发器114所接收的信号电平。信号检测器118可以检测诸如总能量、每个符号每个子载波的能量、以及功率谱密度等之类的这样的信号参数。设备100还可以包括用于处理数字信号的数字信号处理器(DSP)120。
设备100还可以包括电池122，该电池122用于为设备100的各个组件供电。设备100还可以包括功率管理集成电路(功率管理IC或PMIC)124，该功率管理集成电路用于管理从电池到设备100的各个组件的功率。PMIC 124可以对设备执行多种功能，诸如DC-DC转换、电池充电、功率源选择、电压缩放、功率排序等。在某些方面中，PMIC 124可以包括电池充电电路(例如，主从电池充电电路)或其他开关模式电源(SMPS)。对于某些方面，如下文所描述的，电池充电电路或其他开关模式电源可以包括多模式电源电路。设备100的各种组件可以通过总线系统126耦合在一起，该总线系统126除了数据总线之外还可以包括功率总线、控制信号总线和/或状态信号总线。
示例多模式电源电路
用于某些电子设备的电源电路(诸如智能电话、平板电脑和其他便携式设备)可以被设计为满足严格的线路瞬态性能规格。例如，显示器(例如，有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)面板)可能对电压供应轨的稳定性非常敏感，其中高于20mVpp且持续30μs至100μs的任何电压干扰都可能引起屏幕条纹行为。然而，输入电压轨(例如，(诸如PMIC 124中的)电池充电电路所输出的VPH_PWR)可能遭受大负载攻击或释放，从而引起显著下冲或过冲(例如，高达750mV)。还进一步地，在将电池充电器(也称为功率适配器)插入电气插口的情况下，VPH_PWR的DC值可能会增加到高至4.8V，其可能高于4.6V的期望转换器输出电压。
一种解决方案包括：在转换器级之后利用后调节器级，其可以放宽转换器设计规格。然而，不断启用后置调节器可能会导致效率下降(例如，下降约2％至3％)。另一解决方案当期望时需要启用后调节器(被称为正常功率模式)，并且在其他时间将后调节器保持处于旁路模式。在旁路模式(BYP)下，有效旁路后调节器，诸如通过使用闭合开关使后调节器短路。但是，从旁路模式到正常功率模式(NPM)的过渡以及反之亦然可能会引入不期望的大电压干扰。
本公开的某些方面提供了一种数字辅助动态多模式电源电路。该多模式电源电路可以提供高电源抑制比(PSRR)调节，并且可以适应高输入电压电平(例如，高VPH_PWR)事件。基于所检测的输入电源电压条件(例如，大噪声/纹波和/或高电压电平)，数字控制器可以自动启用或禁用后调节器并且调整其裕量。另外，数字控制器可以控制裕量调整的时序和/或转换速率，以实现平滑的模式过渡(例如，在BYP与NPM之间)。
图2是根据本公开的某些方面的示例多模式电源电路200的框图。该多模式电源电路200包括开关模式电源(SMPS)电路202(例如，升压转换器)，后接后调节器电路204(电压调节器电路，诸如低压差(LDO)调节器或其他线性调节器)。
SMPS电路202可以被实现为如图2所示的升压转换器。升压转换器可以包括例如输入滤波器205、电感器208、开关210、二极管设备212、以及输出滤波器214。如图2所描绘的，输入滤波器205可以由输入分流电容器206实现。输入分流电容器206可以充当旁路电容器，从而将高频信号分量分流到用于多模式电源电路200的参考电位节点(例如，电气接地207)。电感器208可以耦合在VDD_ELVDD节点(也被称为“VPH_PWR”节点)与VSW_ELVDD节点之间，开关210可以耦合在VSW_ELVDD节点与参考电位节点(被标记为“PGND_ELVDD”)之间，并且二极管设备212可以耦合在VSW_ELVDD节点与MID_ELVDD节点(也称为“VMID”节点)之间。开关210可以由晶体管211实现，诸如如所图示的n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(n-MOSFET或NMOS)、双极结型晶体管(BJT)、或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。二极管设备212可以由二极管、二极管连接的晶体管、或具有体二极管的晶体管213(诸如如所示出的p沟道MOSFET(PMOS))来实现。输出滤波器214可以是被设计为减小来自SMPS电路202的输出电压中的纹波的低通滤波器。这种低通滤波器可以由例如一个或多个分流电容器(诸如分流电容器218(被标记为“Cmid_VDISP”))来实现。节点219处的输出滤波器214的输出可以被认为是SMPS电路202的输出和/或后调节器电路204的输入。
晶体管211和213的栅极可以耦合到SMPS控制电路250并且由其控制。SMPS控制电路250可以控制用于SMPS电路202的驱动信号的占空比和开关频率。电路250还可以包括逻辑和/或电路系统，其用于调整参考电压(Vref)，用于检测所感测的信号的占空比，和/或用于检测所感测的信号的包络。
后调节器电路204可以包括晶体管224和输出滤波器226。晶体管224可以是如图2所图示的PMOS晶体管。PMOS晶体管可以具有漏极和漏极，该漏极耦合到后调节器电路204的输入节点(被标记为“LDO_IN_ELVDD”)；该源极耦合到输出滤波器226。输出滤波器226可以是被设计为减小来自后调节器电路204的输出电压(被标记为“Vreg_ELVDD”)中的纹波的低通滤波器。这种低通滤波器可以由例如一个或多个分流电容器(诸如分流电容器232(被标记为“Cout_ELVDD”))实现。
后调节器电路204可以由后调节器控制电路252控制，该后调节器控制电路252可以具有输出，该输出耦合到晶体管224的栅极。后调节器控制电路252可以包括例如误差放大器。
多模式电源电路200还可以包括一个或多个反馈元件，该一个或多个反馈元件用于调节输出电压。这些反馈元件可以包括第一反馈节点239(被标记为“LDO_IN_ELVDD”)、第二反馈节点240(被标记为“FB_ELVDD”)、第一分压器242、第二分压器246、第一反馈开关241、以及第二反馈开关245。LDO_IN_ELVDD节点可以耦合(例如，短路)到MID_ELVDD节点，如图2所示(使得第一反馈节点239与节点219相同)。
第一分压器242的第一端子可以经由第一反馈开关241选择性地耦合到第一反馈节点239，或经由第二反馈开关245选择性地耦合到第二反馈节点240。第一分压器242的第二端子可以耦合到参考电位节点(例如，电气接地207)。第一分压器242可以由两个或更多个电阻性元件243、244来实现。电阻性元件243、244之间的抽头节点251可以耦合到SMPS控制电路250。第一分压器242被配置为生成代表性电压，该代表性电压是SMPS电路202或后调节器电路204的所感测的输出电压的一部分。
第二分压器246可以耦合在第二反馈节点240与参考电位节点(例如，电气接地207)之间。第二分压器246可以由两个或更多个电阻元件247、248来实现。电阻元件247、248之间的抽头节点249可以耦合到后调节器控制电路252，以生成代表性电压，该代表性电压是后调节器电路204的所感测的输出电压的一部分。
SMPS控制电路250和后调节器控制电路252可以以通信方式耦合到数字控制电路260。数字控制电路260可以输出步进控制信号(被标记为“Step_CTL”)以控制SMPS控制电路250。数字控制电路260还可以输出后调节器旁路模式控制信号(被标记为“LDO_Bypass”)和后调节器正常功率模式控制信号(被标记为“LDO_NPM”)，以控制后调节器电路204的操作模式。数字控制电路260可以接收各种输入信号，其包括来自SMPS控制电路250的大输入电压噪声/纹波检测信号(被标记为“BST_high_psrr”)、高电源输入电压电平检测信号(被标记为“BST_vph_high”)、以及较高电源输入电压电平检测信号(被标记为“BST_vph_higher”)。此外，如图2所图示的，SMPS控制电路250可以从后调节器控制电路252接收大输入电压噪声/纹波确认信号(被标记为“high_psrr_ack”)。
后调节器电路204可以在旁路模式(BYP)、正常功率模式(NPM)或主动旁路模式(BYP与NPM之间的过渡模式)下操作。如果输入电压(例如，VPH_PWR，其在图2中还示为VDD_ELVDD)规则并且处于正常操作范围(例如，2.5V至4.5V)中，则后调节器电路204处于旁路模式，其中传导电阻相对较低(例如，小于100mΩ的p沟道金属氧化物半导体(PMOS)晶体管的导通电阻(RDS_on))。为了进入旁路模式，后调节器控制电路252可以将信号输出到晶体管224的栅极，以将晶体管224驱动到线性模式(例如，将晶体管224的栅极下拉到接地电位)。
如果VPH_PWR遭受大噪声/纹波(本文中被称为“High_PSRR调节事件”，或简称为“High_PSRR事件”)或高于多模式电源电路200的输出电压(Vreg_ELVDD)(被定义为High_VPH事件)，可以自动启用后调节器电路204进入主动旁路模式，随后不久之后进入正常功率模式(NPM)。(例如，数字控制电路260中的)主控制逻辑可以具有数字有限状态机(FSM)，并且可以用于控制后调节器模式过渡，特别是后调节器电路204置于正常功率模式。与正常功率模式相比较，后调节器电路204可以在大多数时间内保持处于旁路模式，以实现更高的效率。后调节器电路204可以移动到正常功率模式以更好处理上文所描述的两个系统事件(High_PSRR和High_VPH)。这两个事件本质上是异步的，并且可以在任何时间点发生。这些事件可以单独发生，也可以同时发生，并且可能无法预测事件持续时间。
详细情况下，数字FSM将执行步进控制、延迟控制、钳位电压和开关频率调整、以及消隐和冷却时序控制。步进控制可以包括基于不同的输入电源电压(例如，VPH_PWR)条件来将后调节器电路204(例如，LDO)的裕量从0毫伏(mV)调整到任何值。可以通过数字控制电路260中的数字步进器来充分控制裕量的转换速率。延迟控制可能需要基于输入电源电压(例如，VPH_PWR)条件来调整进入和/或退出正常功率模式的时序和延迟，以具有(多个)平稳过渡。(多个)延迟可以通过(例如，后调节器电路204中的)模拟电路系统的预热时间来确定。如下文关于图4所描述的，钳位电压和开关频率调整可以包括优化或至少调整SMPS电路202(例如，升压转换器)的行为，以使SMPS具有平滑过渡。对于消隐和冷却时序控制，数字控制电路260中的定序器可以自动判定保持处于正常功率模式还是退出到旁路模式，如下文关于图5所描述的。
图3A是根据本发明的某些方面在用于电源输入电压的大噪声/纹波事件(例如，High_PSRR事件)期间与示例多模式电源电路(例如，电路200)相关联的数字信号的示例时序图300。图3B是根据本公开的某些方面的在用于电源输入电压的高电压电平事件(例如，High_VPH事件)期间与示例多模式电源电路(例如，电路200)相关联的数字信号的示例时序图350。High_PSRR事件和High_VPH事件无关。例如，High_PSRR和High_VPH可能具有不同的裕量电压和不同的进入/退出延迟时序设置。当两个事件混合在一起(即，两个事件同时发生)时，数字控制电路260可以自动优化或至少调整设置。
在图3A的时序图300中，后调节器电路(例如，LDO)最初在旁路模式(BPM)下操作，如由FSM的状态(被标记为“ldo_state_FSM”的信号)所指示的。时序图300还示出了用于指示针对大输入电压噪声/纹波事件而触发的调节的数字信号(被标记为“d_a2d_bst_hpsrr_comp”的数字模数升压转换器高PSRR补偿信号)、用于指示针对高输入电压电平事件(被标记为“d_a2d_bst_vph_high_comp”的数字模数升压转换器高输入电压电平补偿信号)而(例如，以4.4V)触发的调节的数字信号以及用于指示针对较高输入电压电平事件(被标记为“d_a2d_bst_higher_comp”的数字模数升压转换器较高输入电压电平补偿信号)而(例如，以4.5V)触发的调节的数字信号。在图3A的场景中，未检测到高输入电压电平，因此在时序图300中所图示的整个时段内，数字信号d_a2d_bst_high_comp和d_a2d_bst_higher_comp保持逻辑低。
在时间t1处，多模式电源电路检测到大输入电压噪声/纹波事件，因此，数字信号d_a2d_bst_hpsrr_comp从逻辑低变为逻辑高以启用PSRR调节。如ldo_state_FSM信号所指示的，这使得FSM暂时进入主动旁路模式，并随后进入正常功率模式(NPM)，以接通后调节器电路。触发PSRR调节也会激活数字步进控制，如图3A中被标记为“d_d2a_bst_step_ctl”的数字数模升压转换器步进控制信号所指示的。如上文所描述的，步进控制可以包括：调整后调节器电路(例如，LDO)的裕量。使用步进控制的裕量调整可以基于所检测的输入电压噪声/纹波的类型、幅度和/或持续时间。数字控制器还可以使用步进控制来控制裕量调整的转换速率。
进入主动旁路模式(如ldo_state_FSM所指示的)与由d_d2a_bst_step_ctl所指示的第一步进调整之间可能存在延迟(被称为“步进延迟”)。数字控制器可以基于输入电源电压(例如，VPH_PWR)条件来控制该延迟，以确保模式之间的(多个)平滑过渡。该延迟可以基于模拟电路系统的预热时间。
最终，大输入电压噪声/纹波事件可能结束并且不再被多模式电源电路检测到，并因此在时间t2处，d_a2d_bst_hpsrr_comp从逻辑高变为逻辑低以禁用PSRR调节。如d_d2a_bst_step_ctl所指示的，这可能引起退出通过步进控制进行的裕量调整。对于某些方面，然后FSM可以通过禁用后调节器电路来进入旁路模式。为了避免其他方面过早地返回到旁路模式，FSM可以使退出正常功率模式延迟一时段，该时段在本文中被称为“消隐时间”(其在图3A中被标记为“NPM_EXIT_DLY”)。在这种情况下，除非在消隐时间期间检测到另一输入电压事件，否则FSM可能会在时间t3进入旁路模式。
在图3B的时序图350中，后调节器电路(例如，LDO)最初在如具有SMPS电路的特定开关频率(例如，被标记为“CLK_DIV”的开关频率状态)的ldo_state_FSM所指示的旁路模式(BPM)下操作，如数字开关频率信号(被标记为“FSW”)所指示的。在图3B的场景中，未检测到大输入电压噪声/纹波事件，所以在时序图350中所图示的整个时段内，d_a2d_bst_hpsrr_comp保持逻辑低。
在时间ta处，多模式电源电路检测到高输入电压电平事件，因此d_a2d_bst_high_comp信号从逻辑低变为逻辑高，以启用高输入电压调节。如ldo_state_FSM信号所指示的，该上升沿可能使得FSM暂时进入主动旁路模式，随后进入正常功率模式(NPM)，以激活后调节器电路。在时间tb处，多模式电源电路检测到较高的输入电压电平事件，因此，d_a2d_bst_higher_comp信号从逻辑低变为逻辑高。d_a2d_bst_higher_comp信号的上升沿触发数字步进控制，如图3B中的d_d2a_bst_step_ctl信号所指示的，以调整后调节器电路(例如，LDO)的裕量。数字控制器还可以使用步进控制来控制裕量调整的转换速率。
进入主动旁路模式(如ldo_state_FSM所指示的)与d_d2a_bst_step_ctl所指示的第一步进调整之间可能存在延迟(被称为“步进延迟”)。数字控制器可以基于输入电源电压(例如，VPH_PWR)条件来控制该延迟，以确保模式之间的(多个)平滑过渡。该延迟可以基于模拟电路系统的预热时间。
在时序图350中，d_a2d_bst_higher_comp信号的上升沿还可以触发钳位电路的启用或调整，如由数字数模升压转换器钳位源选择信号(被标记为“d_d2a_bst_clamp_src_sel”)的下降沿所指示的。在调整钳位电路之后，如FSW信号所指示的，SMPS电路的开关频率可以被调整(例如，减小)到不同的开关频率(例如，被调整到被标记为“CLK_DIV_VPH_HIGH”的开关频率状态)。触发钳位电路(如d_d2a_bst_clamp_src_sel所指示的)与FSW信号所指示的开关频率调整之间可能存在延迟(被标记为“SEL_CLK_DIV_VPH_HIGH_DLY”)。该延迟也可以由数字控制器控制。
最终，高输入电压电平可能开始减小(例如，在拔下墙壁适配器之后)。当多模式电源电路不再检测到较高的输入电压电平时，d_a2d_bst_vph_higher_comp信号在时间tc从逻辑高变为逻辑低。随着高输入电压电平继续减小，多模式电源电路可能不再检测到高输入电压电平，并且在时间td处，d_a2d_bst_vph_high_comp信号从逻辑高变为逻辑低，以禁用高输入电压调节。如d_d2a_bst_step_ctl所指示的，这可能引起退出通过步进控制进行的裕量调整。对于某些方面，FSM然后可以通过禁用后调节器电路来进入旁路模式。为了避免其他方面过早地返回到旁路模式，如上文所描述的，FSM可以使退出正常功率模式延迟消隐时间(其在图3B中被标记为“NPM_EXIT_DLY”)。与高输入电压调节相关联的消隐时间可以和与高PSRR调节相关联的消隐时间相同或不同。除非在消隐时间期间检测到另一输入电压事件，否则FSM可以在时间te进入旁路模式，如图3B中的ldo_state_FSM信号所指示的。此外，在时间te处，钳位电路可以被禁用或返回到其先前状态，如d_d2a_bst_clamp_src_sel信号的上升沿所指示的，并且开关频率可以返回到CLK_DIV状态，如图3B中的FSW信号所指示的。
图4是根据本公开的某些方面的在电源输入电压(例如，VPH_PWR)的过冲期间与示例多模式电源电路(例如，电路200)相关联的各种信号的时序图400。例如，该过冲可能通过插入墙壁适配器引起。时序图400图示了自适应开关(SW)频率调整和钳位启用。如果VPH_PWR过冲到特定电压电平(例如，4.8V)或更高，则对于SMPS拓扑中的分流晶体管(例如，晶体管211)，SMPS(例如，升压转换器)可能由于例如最小导通时间(例如，12ns，如图4所示)而无法维持调节。在这种情况下，VMID电压(其在图2中被标记为“MID_ELVDD”)也会过冲，如所示出的。借助于数字控制器(例如，数字控制电路260)，当检测到这种条件时，可以立即减小开关频率(如被标记为“SW_CLK”的开关频率时钟信号所图示的)，以具有同样较小的占空比(如图4中的Ramp信号所指示的)并且维持调节。同时，数字控制器可以启用内部钳位电路(如被标记为“Clamp_SRC_SEL”的钳位源选择信号、钳位电压信号和Vc信号所指示的)，以使模拟电路系统能够更快地恢复。同样，当VPH_PWR返回到正常电压电平时(例如，增加开关频率)，可以在退出边缘上使用类似但相反的行为。
图5是根据本公开的某些方面的在大输入电压噪声/纹波事件(在本文中也被称为High_PSRR事件)期间与示例多模式电源电路(例如，电路200)相关联的数字信号的时序图500，其图示了消隐和冷却定时器行为。当d_a2d_bst_high_psrr_comp信号被断言时，检测到High_PSRR事件。数字控制器(例如，数字控制电路260)可以将后调节器电路(例如，LDO)从旁路模式(BYP)变为正常功率模式(NPM)，可以断言指示后电压调节器电路处于NPM的数字控制器信号(被标记为“d_pbs_hpsrr_req”)，并且可以启动消隐计时器。只要消隐计时器正在运行，后调节器电路就会保留处于NPM。当消隐时间完成时，启动冷却定时器，同时仍然保留后电压调节器电路处于NPM。在冷却时间期间，如果接收到任何新事件请求(如在图5中的第一冷却时段期间所指示的)，则该请求被锁存，并且在冷却时间结束时，重新启动消隐及后续冷却时间的新循环。当在冷却循环中未接收到新请求时(如在图5中的第二冷却时段期间所指示的)，d_pbs_hpsrr_req信号被去断言，并且后调节器电路从NPM移动到BYP，如所图示的。
图6是根据本公开的某些方面的用于图2的多模式电源电路200的可编程调节点偏移电路的电路图600。如多模式电源电路200中所示出的，仅一个反馈点可以用于分别处于BYP和NPM的SMPS环路和后调节器环路。当后调节器电路具有模式过渡(例如，从BYP到NPM)时，由于两个环路的失配，所以(例如，后调节器控制电路252中的)后调节器误差放大器601的初始条件不确定。结果，后调节器的瞬态行为可能过冲或欠冲。使用电路图600，数字控制器(例如，数字控制电路260)可以迫使后调节器的调节点略高于输入，从而迫使起点呈现过冲。针对后调节器反馈，这可以通过调整后调节器中的误差放大器601的可编程参考电压603和/或闭合跨过第二分压器246中的一个电阻元件248的开关606来实现。然后，数字控制器可以在短延迟时间之后(例如，通过断开先前闭合的开关606)将调节点变回到期望点。为了使过冲最小，电流吸收器610也可以在该初始时段期间被接通或以其他方式启用以吸收额外功率。可以通过闭合与电流吸收器串联的开关608来实现电流吸收器610的这种暂时激活，其中电流吸收器610和开关608的串联组合与第二分压器246并联耦合以实现后调节器反馈。如图6所图示的。
电路图600还包括电阻元件602(被标记为“Rfb_h”)，其与开关241和第一分压器242串联。电阻元件602的电阻相当于(例如，在5％的公差内)后调节器电路中的晶体管224的导通电阻，并且当在旁路模式期间使用第一分压器242感测SMPS电路的输出电压时，可以用于补偿或至少调整晶体管224两端的电流*电阻(IR)降。
尽管Vreg_ELVDD和FB_ELVDD在图2和图6中被图示为未连接，但是这两个节点可以在用于多模式电源电路的负载电路(未示出)中短路或以其他方式耦合在一起。例如，负载电路可以位于其上设置有多模式电源电路的印刷电路板(PCB)上。
图7A是根据本公开的某些方面的用于大输入电压噪声/纹波事件检测(例如，高PSRR调节事件检测)的示例电路700的框图。如所图示的，VPH_PWR的纹波被两个差分采样保持(S/H)电路702感测到。峰值信号和谷值信号分别是VPH_PWR在某个时段内的最大电压值和最小电压值。峰值信号而谷值信号之间的采样差表示VPH_PWR的最大纹波。如果该纹波高于阈值电压(其被标记为“Vcomp”)，则会触发数字信号(例如，High_PSRR_Comp)。
图7B是根据本公开的某些方面的用于高输入电压电平事件检测(例如，高VPH_PWR事件检测)的示例电路系统750的框图。例如，充电器的负载释放可能使得VPH_PWR在10μs至100μs内过冲到5.25V。而且，在电池充电期间，VPH_PWR的DC值可能会缓慢增加到4.8V。采用两个信号来检测高VPH_PWR事件：(1)Vph_high用于预热模拟电路系统或告知数字控制器如果后调节器已经处于NPM，则保持后调节器(例如，LDO)处于NPM；以及(2)Vph_higher用于确定实际高VPH_PWR事件是否正在发生。如果VPH_PWR大于第一阈值电压(被标记为“Vref”)，则可以触发Vph_higher，而如果VPH_PWR大于第二阈值电压(其被标记为“Voffset”)，则可以触发Vph_high，该第二阈值电压比第一阈值电压低一特定量。
本文中所描述的多模式电源电路适应了高PSRR调节和VPH_PWR过冲的严格性能约束。在正常条件下，效率可能与开关模式电源电路(例如，升压转换器，其峰值效率可能高达约96％至97％)一样高。在LDO正常功率模式下，多模式电源电路的PSRR能够例如在10kHz频率下可以从20dB增强到50dB。当VPH_PWR过冲高于4.6V时，升压转换器仍可以维持调节，并且总效率可能保持高于85％。这个数字显著高于通常采用异步模式操作的现成产品(高约10％)。
本公开的某些方面提供了一种电源电路(例如，多模式电源电路200)。电源电路通常包括开关模式电源(SMPS)电路(例如，SMPS电路202)；电压调节器电路(例如，后调节器电路204)，其具有耦合到SMPS电路的输出的输入，该电压调节器电路被选择性地启用；第一分压器(例如，第一分压器242)，其选择性地耦合到SMPS电路的输出并且选择性地耦合到电压调节器电路的输出；以及第二分压器(例如，第二分压器246)，其耦合到电压调节器电路的输出。
根据某些方面，电源电路还包括开关(例如，开关606)，其与第二分压器的至少一个电阻元件(例如，电阻元件248)并联耦合。对于某些方面，电源电路还包括电流源(例如，电流吸收器610)，其选择性地与第二分压器并联耦合。
根据某些方面，SMPS电路包括升压转换器电路。
根据某些方面，电压调节器电路包括低压差(LDO)调节器电路。对于某些方面，LDO调节器电路包括晶体管(例如，晶体管224)，其具有漏极和源极，该漏极耦合到电压调节器电路的输入，该源极耦合到电压调节器电路的输出；电压参考(例如，参考电压603)；以及误差放大器(例如，误差放大器601)，其具有输出、第一输入和第二输入，该输出耦合到晶体管的栅极，该第一输入耦合到电压参考，并且该第二输入耦合到第二分压器的抽头(例如，抽头节点249)。对于某些方面，电源电路还包括逻辑(例如，后调节器控制电路252)，其被配置为通过在饱和模式下操作晶体管来禁用LDO调节器电路。对于某些方面，电源电路还包括第三开关(例如，开关241)，其耦合在SMPS电路的输出与第一分压器之间；以及第四开关(例如，开关245)，其耦合在电压调节器电路的输出与第一分压器之间。在这种情况下，电源电路还可以包括逻辑(例如，数字控制电路260和/或后调节器控制电路252)，该逻辑被配置为：(1)如果电压调节器电路被禁用，则闭合第三开关，并且断开第四开关；以及(2)如果电压调节器电路被启用，则断开第三开关，并且闭合第四开关。对于某些方面，电源电路还包括电阻元件，其耦合在SMPS电路的输出与第三开关之间。在这种情况下，电阻元件的电阻可以与晶体管的导通电阻(例如，RDS_on)相对应(例如，在5％或10％内匹配)。
本公开的某些方面提供了一种功率管理集成电路(PMIC)(例如，PMIC 124)，其包括上文所描述的电源电路的至少一部分。
本公开的某些方面提供了一种电池充电电路，其包括上文所描述的电源电路。
图8是根据本公开的某些方面的用于在多模式电源电路中进行电源调节的示例操作800的流程图。操作800可以例如由图2或图6的多模式电源电路200执行。多模式电源电路可以包括开关模式电源(SMPS)电路(例如，SMPS电路202)，其具有输出，该输出耦合到电压调节器电路(例如，后调节器电路204)的输入。
操作800可以从框802开始，在该框802处，多模式电源电路检测到高输入电压事件。在框804处，多模式电源电路可以基于框802处的检测来启用电压调节器电路。在框806处，多模式电源电路可以将电压调节器电路的调节点暂时提高到高于电压调节器电路的输入处的输入电压。在框808处，多模式电源电路可以在延迟之后减小电压调节器电路的调节点。
根据某些方面，在框806处增加电压调节器电路的调节点可以包括闭合第一开关(例如，开关606)，该第一开关与分压器(例如，第二分压器246)的至少一个电阻元件(例如，电阻元件248)并联耦合，该分压器耦合到电压调节器电路的输出(例如，Vreg_ELVDD)。在这种情况下，减小调节点可能需要断开与分压器并联耦合的第一开关。对于某些方面，在框806处增加电压调节器电路的调节点还包括：(1)启用电流吸收器(例如，电流吸收器610)，该电流吸收器耦合到电压调节器电路的输出；或(2)闭合与电流吸收器串联的第二开关(例如，开关608)，以将电流吸收器耦合到电压调节器电路的输出。
根据某些方面，增加电压调节器电路的调节点包括：调节用于电压调节器电路的参考电压(例如，参考电压603)。
根据某些方面，高输入电压事件包括用于多模式电源电路的大输入电压噪声/纹波事件。
根据某些方面，高输入电压事件包括用于多模式电源电路的高输入电压电平事件。
根据某些方面，操作800还包括：多模式电源电路检测到高输入电压事件已经结束，并且基于检测到高输入电压事件已经结束来禁用电压调节器电路。
本公开的某些方面提供一种用于经由多模式供电的装置。该装置通常包括用于经由开关调节来供电的部件(例如，SMPS，诸如SMPS电路202)，；用于调节来自用于供电的部件的电压的部件(例如，电压调节器，诸如LDO或后调节器电路204)；用于检测装置中的高输入电压事件的部件(例如，分压器242和/或分压器246)；用于基于检测来启用用于调节电压的部件的部件(例如，控制电路，诸如后调节器控制电路252和/或误差放大器601)；用于将用于调节电压的部件的调节点暂时增加到高于来自用于供电的部件的电压的部件(例如，诸如可编程参考电压603之类的可编程电压源、诸如电流吸收器610之类的电流吸收器、和/或诸如开关606之类的开关)；以及用于在延迟之后，减小用于调节电压的部件的调节点的部件(例如，诸如可编程参考电压603之类的可编程电压源、诸如电流吸收器610之类的电流吸收器、和/或诸如开关606和/或开关608之类的一个或多个开关)。
根据某些方面，该装置还包括用于划分从用于调节来自用于供电的部件的电压的部件输出的电压的部件(例如，分压器246)。对于某些方面，用于暂时增加调节点的部件可以包括用于选择性地使用于划分的部件的至少一个元件(例如，电阻元件248)短路的部件(例如，开关606)。在这种情况下，用于减小调节点的部件可以包括用于选择性地使用于划分的部件的至少一个元件短路的部件。对于某些方面，用于暂时增加用于调节电压的部件的调节点的部件还包括用于从用于调节电压的部件的输出(例如，ELVDD_Vreg)吸收电流的部件(例如，电流吸收器610和/或开关608)。
根据某些方面，用于暂时增加调节点的部件包括用于调整用于调节来自用于供电的部件的电压的部件的参考电压(例如，可编程参考电压603)的部件。
根据某些方面，高输入电压事件包括大输入电压噪声/纹波事件。
根据某些方面，高输入电压事件包括高输入电压电平事件。
根据某些方面，该装置还包括用于检测高输入电压事件已经结束的部件(例如，分压器242和/或分压器246)；以及用于基于高输入电压事件已经结束的检测来调节电压的部件(例如，控制电路，诸如后调节器控制电路252和/或误差放大器601)。
上文所描述的方法的各个操作可以通过能够执行对应功能的任何合适器件来执行。该器件可以包括各个硬件和/或软件组件和/或模块，其包括但不限于电路、专用集成电路(ASIC)、或处理器。通常，在附图中图示了操作的情况下，那些操作可以具有带有相似编号的对应的对应物器件加功能组件。
如本文中所使用的，术语“确定”涵盖广泛多种动作。例如，“确定”可以包括计算、运算、处理、推导、调查、查找(例如，在表、数据库或另一数据结构中查找)、确认等。此外，“确定”可以包括接收(例如，接收信息)、访问(例如，访问存储器中的数据)等。此外，“确定”可以包括解析、选择、挑选、建立等。
如本文中所使用的，指示项列表中的“至少一个”的短语是指那些项的任何组合，其包括单个成员在内。作为一个示例，“a、b或c中的至少一个”旨在覆盖：a、b、c、a-b、a-c、b-c和a-b-c，以及与同一元件的倍数的任何组合(例如，a-a、a-a-a、a-a-b、a-a-c、a-b-b、a-c-c、b-b、b-b-b、b-b-c、c-c、以及c-c-c或a、b和c的任何其他排序)。
本文中所公开的方法包括用于实现所描述的方法的一个或多个步骤或动作。在没有背离权利要求的范围的情况下，方法步骤和/或动作可以彼此互换。换句话说，除非指定了步骤或动作的特定次序，否则在没有背离权利要求的范围的情况下，可以修改特定步骤和/或动作的次序和/或使用。
应当理解，权利要求书不限于上文所图示的精确配置和组件。在没有背离权利要求的范围的情况下，可以对上文所描述的方法和装置的布置、操作和细节进行各种修改、改变和变化。

Claims (22)

1.一种电源电路，包括：
开关模式电源SMPS电路，包括SMPS控制电路；
电压调节器电路，具有耦合到所述SMPS电路的输出的输入，所述电压调节器电路被选择性地启用，所述电压调节器电路包括电压调节器控制电路；
第一分压器，选择性地耦合到所述SMPS电路的所述输出，并且选择性地耦合到所述电压调节器电路的输出，所述第一分压器包括连接到所述SMPS电路的所述输出的顶部端子、连接到地的底部端子和连接到所述SMPS控制电路的抽头节点；以及
第二分压器，耦合到所述电压调节器电路的所述输出，所述第二分压器包括连接到所述电压调节器电路的所述输出的顶部端子、连接到地的底部端子和连接到所述电压调节器控制电路的抽头节点；
第一开关，所述第一开关与所述第二分压器的至少一个电阻元件并联耦合；
电流源，所述电流源选择性地与所述第二分压器并联耦合；以及
第二开关，所述第二开关与所述电流源串联耦合。
2.根据权利要求1所述的电源电路，其中所述SMPS电路包括升压转换器电路。
3.根据权利要求1所述的电源电路，其中所述电压调节器电路包括低压差LDO调节器电路。
4.根据权利要求3所述的电源电路，其中所述LDO调节器电路包括：
晶体管，具有漏极和源极，所述漏极耦合到所述电压调节器电路的所述输入，所述源极耦合到所述电压调节器电路的所述输出；
电压参考；以及
误差放大器，具有输出、第一输入和第二输入，所述输出耦合到所述晶体管的栅极，所述第一输入耦合到所述电压参考，所述第二输入耦合到所述第二分压器的抽头。
5.根据权利要求4所述的电源电路，还包括逻辑，所述逻辑被配置为通过在饱和模式下操作所述晶体管来禁用所述LDO调节器电路。
6.根据权利要求4所述的电源电路，还包括：
第三开关，耦合在所述SMPS电路的所述输出与所述第一分压器之间；以及
第四开关，耦合在所述电压调节器电路的所述输出与所述第一分压器之间。
7.根据权利要求6所述的电源电路，还包括逻辑，所述逻辑被配置为：
如果所述电压调节器电路被禁用，则闭合所述第三开关并且断开所述第四开关；以及
如果所述电压调节器电路被启用，则断开所述第三开关并且闭合所述第四开关。
8.根据权利要求6所述的电源电路，还包括电阻元件，所述电阻元件耦合在所述SMPS电路的所述输出与所述第三开关之间。
9.根据权利要求8所述的电源电路，其中所述电阻元件的电阻与所述晶体管的导通电阻相对应。
10.一种功率管理集成电路PMIC，包括根据权利要求1所述的电源电路。
11.一种操作多模式电源电路的方法，包括：
在所述多模式电源电路中检测高输入电压事件，所述多模式电源电路包括开关模式电源SMPS电路，所述SMPS电路具有耦合到电压调节器电路的输入的输出；
基于所述检测来启用所述电压调节器电路；
将所述电压调节器电路的调节点暂时增加到高于所述电压调节器电路的所述输入处的输入电压，其中增加所述电压调节器电路的所述调节点包括：闭合第一开关，所述第一开关与分压器的至少一个电阻元件并联耦合，所述分压器耦合到所述电压调节器电路的输出，其中增加所述电压调节器电路的所述调节点还包括：
启用电流吸收器，所述电流吸收器耦合到所述电压调节器电路的所述输出；或
闭合与所述电流吸收器串联的第二开关，以将所述电流吸收器耦合到所述电压调节器电路的所述输出；以及
在延迟之后，减小所述电压调节器电路的所述调节点。
12.根据权利要求11所述的方法，其中减小所述调节点包括：断开所述第一开关，所述第一开关与所述分压器并联耦合。
13.根据权利要求11所述的方法，其中增加所述电压调节器电路的所述调节点包括：调节所述电压调节器电路的参考电压。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述高输入电压事件包括大输入电压噪声/纹波事件。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述高输入电压事件包括高输入电压电平事件。
16.根据权利要求11所述的方法，还包括：
检测到所述高输入电压事件已经结束；以及
基于所述检测到所述高输入电压事件已经结束来禁用所述电压调节器电路。
17.一种用于经由多模式供电的装置，包括：
用于经由开关调节来供电的部件；
用于调节来自用于供电的所述部件的电压的部件；
用于检测所述装置中的高输入电压事件的部件；
用于基于所述检测来启用用于调节所述电压的所述部件的部件；
用于将用于调节所述电压的所述部件的调节点暂时增加到高于来自用于供电的所述部件的所述电压的部件；
用于在延迟之后，减小用于调节所述电压的所述部件的所述调节点的部件；以及
用于划分从用于调节来自所述用于供电的所述部件的所述电压的所述部件输出的电压的部件，其中用于暂时增加所述调节点的所述部件包括用于选择性地使用于划分的所述部件的至少一个元件短路的部件，以及其中用于暂时增加用于调节所述电压的所述部件的所述调节点的所述部件还包括用于从用于调节所述电压的所述部件的输出吸收电流的部件。
18.根据权利要求17所述的装置，其中用于减小所述调节点的所述部件包括用于选择性地使用于划分的所述部件的所述至少一个元件短路的部件。
19.根据权利要求17所述的装置，其中用于暂时增加所述调节点的所述部件包括用于调整用于调节来自用于供电的所述部件的所述电压的所述部件的参考电压的部件。
20.根据权利要求17所述的装置，其中所述高输入电压事件包括大输入电压噪声/纹波事件。
21.根据权利要求17所述的装置，其中所述高输入电压事件包括高输入电压电平事件。
22.根据权利要求17所述的装置，还包括：
用于检测到所述高输入电压事件已经结束的部件；以及
用于基于检测到所述高输入电压事件已经结束来禁用用于调节所述电压的所述部件的部件。
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