开关稳压器和电源管理集成电路

相关申请的交叉引用

本申请要求获得于2021年10月19日在韩国知识产权局提交的第10-2021-0139386号韩国专利申请的优先权，该申请的主题内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明构思的实施例一般涉及将输入电压转换为输出电压的开关稳压器。本发明构思的实施例还涉及包括开关稳压器的电源管理集成电路(PMIC)。

背景技术

PMIC可以用于生成常规提供给电子系统、电路、组件和/或元件(在下文中一般称为“电子设备”)的一个或多个电源电压，其中，(多个)电源电压的各自电平根据电子设备的性能要求来确定。PMIC可以包括用于生成(或限定)电源电压电平的一个或多个稳压器(regulator)。

在这方面上，稳压器可以是将外部提供的输入电源信号转换为与预期电子设备(例如，包括电源开关的系统)兼容的内部的直流(DC)电源信号的电路。假设输入电源信号是DC电源信号，稳压器可以操作，例如，作为使输入DC电源信号的电平升压或降压的DC-DC转换器。在此，DC-DC转换器可以包括能够增加输入DC电源信号的电平的boost(升压)转换器(例如，一种类型的升压转换器)、能够降低DC输入电源信号的电平的buck(降压)转换器(例如，一种类型的降压转换器)和/或能够增加或降低输入DC电源信号的电平的buck-boost(降压-升压)转换器。

发明内容

本发明构思的实施例提供能够执行软开关的开关稳压器。本发明构思的实施例还提供包括能够执行软开关的开关稳压器的电源管理集成电路(PMIC)。

根据实施例，一种开关稳压器可以包括：电感器，其连接到开关节点；电源开关，其连接到开关节点，并且被配置为响应于第一控制信号而向开关节点施加第一电压和响应于第二控制信号而向开关节点施加第二电压；和控制器，其被配置为生成第一控制信号和第二控制信号，其中，第二控制信号在第一控制信号从低转变到高后的第一死区时间(deadtime)后从低转变到高，第一控制信号在第二控制信号从高转变到低后的第二死区时间后从高转变到低，以及，流过电感器的电感电流在第一死区时间期间在第一方向上流动，并且在第二死区时间期间在不同于第一方向的第二方向上流动。

根据实施例，一种用于将输入电源电压转换为输出电源电压的开关稳压器可以包括：电感器，其连接到开关节点；电源开关，其包括响应于第一控制信号而向开关节点施加输入电源电压的第一晶体管和响应于第二控制信号而向开关节点施加接地电压的第二晶体管；峰值电流传感器，其被配置为在流过电感器的电感电流达到峰值电流时提供峰值电流感应信号；零电流检测器，被配置为在电感电流为偏移电流时提供零电流感应信号；反馈控制器，其被配置为将输出电源电压和目标电压进行比较，并且提供对应的反馈信号；脉冲频率调制生成器，其被配置为基于峰值电流感应信号、零电流感应信号、反馈信号和参考电压来提供脉冲频率调制信号；和栅极驱动器，其被配置为基于脉冲频率调制信号来提供第一控制信号和第二控制信号，其中，第一晶体管和第二晶体管在电感电流达到峰值电流后的第一死区时间期间关断，第一晶体管和第二晶体管在电感电流达到偏移电流后的第二死区时间期间关断，以及，峰值电流的方向和偏移电流的方向彼此相反。

根据实施例，电源管理集成电路可以包括：开关稳压器，其被配置为将输入电源电压转换为输出电源电压。在此，开关稳压器可以包括：电感器，其连接到开关节点；电源开关，其连接到开关节点，并且被配置为响应于第一控制信号而向开关节点施加第一电压和响应于第二控制信号而向开关节点施加第二电压；和控制器，其被配置为生成第一控制信号和第二控制信号。第二控制信号可以在第一控制信号从低转变到高后的第一死区时间后从低转变到高，第一控制信号可以在第二控制信号从高转变到低后的第二死区时间后从高转变到低，以及，流过电感器的电感电流可以在第一死区时间期间在第一方向上流动，并且在第二死区时间期间在不同于第一方向的第二方向上流动。

附图说明

在考虑以下详细描述和附图后，可以理解本发明构思的各种优点、益处、特征和相关方面，其中：

图1是示出根据本发明构思的实施例的电子设备的框图；

图2是进一步示出图1的开关稳压器的一个示例(100)的框图；

图3是进一步示出图1的开关稳压器的另一示例(100a)的框图，并且图4是示出图3的开关稳压器100a的操作的时序图；

图5是进一步示出图1的开关稳压器的又一示例(100b)的框图，并且图6是示出图5的开关稳压器100b的操作的时序图；

图7是示出作为图3的开关稳压器100a和图5的开关稳压器100b的负载电流的函数的功率效率变化的曲线图；

图8是示出根据本发明构思的实施例的包括PMIC的系统20的框图；和

图9是示出根据本发明构思的实施例的具有包括PMIC的控制器1700的电子设备1000的框图。

具体实施方式

在整个书面描述和附图中，相同的附图数字和标记被用来表示相同或类似的系统、组件、电路、元素、特征和/或方法步骤。

图1是示出根据本发明构思的实施例的电子设备10的框图。参考图1，电子设备10一般可以包括中央处理单元(CPU)11、存储器12、电源管理集成电路(PMIC)13、用户接口14、存储设备15和通信设备16。

在一些实施例中，电子设备10可以包括各种半导体芯片、半导体设备、半导体封装、半导体模块、半导体系统和/或片上系统(SoC)设备。作为所选择的示例，电子设备10是智能手机、平板个人计算机(PC)、移动电话、视频电话、电子书阅读器、台式个人计算机(PC)、膝上型个人计算机(PC)、上网本计算机、工作站、服务器、个人数字助理(PDA)、便携式多媒体播放器(PMP)、MP3播放器、移动医疗设备、数字电视、相机、可穿戴设备、物联网(IoT)设备、万物互联(IoE)设备、虚拟现实(VR)设备、增强现实(AR)设备、数据中心或LED驱动设备。

CPU 11可以执行电子设备10的操作所必需的各种运算/计算。例如，CPU11可以执行加载到存储器12中的软件、固件、指令序列和/或编程代码(例如，操作系统和/或运行在操作系统上的应用)。此外，CPU 11可以将这种计算/运算的结果存储在存储器12中。

因此，存储器12可以用于存储与CPU 11的操作关联的数据和编程代码。在一些实施例中，存储器12可以作为电子设备10的主存储器设备操作。替换或附加地，存储器12可以作为缓冲存储器、缓存存储器和/或工作存储器操作。

存储器12可以包括一个或多个易失性存储器(例如，静态随机存取存储器(RAM)(SRAM)或动态RAM(DRAM))和/或一个或多个非易失性存储器(例如，闪存存储器、相变RAM(PRAM)、磁阻RAM(MRAM)、电阻式RAM(ReRAM)和铁电RAM(FRAM))。存储器12可以在物理上被实现为两个或更多个存储器或存储器系统。存储器12可以被实现为能够与电子设备10和/或一个或多个内部存储器进行通信的外部存储器设备。

PMIC 13可以用于生成电子设备10操作的所必需的一个或多个电源电压和/或电流(在下文中，单独或统称为“电源电压/电流”)。这种电源电压/电流可以被不同地提供给电子设备10的组件(例如，CPU 11、存储器12、用户接口14、存储设备15和/或通信设备16)。因此，电子设备10的每个组件可以被理解为响应于由PMIC 13提供的电源电压/电流而执行一个或多个功能。在一些实施例中，PMIC 13可以被实现为电子设备10外部的电路。

PMIC 13可以包括能够限定和生成电源电压/电流的各种电路。例如，PMIC 13可以包括一个或多个参考电压生成器、一个或多个稳压器(例如，线性稳压器和/或开关稳压器)和一个或多个转换器(例如，boost转换器、buck转换器和/或boost-buck转换器)。

在图1所示的示例中，假设PMIC 13包括开关稳压器100。

在这方面上，开关稳压器100可以通过调节(或转换)输入电源信号(例如，输入电源电压VIN)来提供(或输出)输出电源信号(例如，输出电源电压VOUT)。因此，假设开关稳压器100用作DC-DC转换器。在一些实施例中，开关稳压器100可以被理解为开关模式电源(SMPS)或包括在SMPS中的电路。开关稳压器100可以使用例如电源开关、电感器和电容器中的至少一个来执行电源转换。

在一些实施例中，如由CPU 11确定和控制地，开关稳压器100可以选择性地在重负载操作模式或轻负载操作模式下操作。例如，当电子设备10的任何一个组件的操作负载(例如，某类型的操作的数量)增加时(例如，当CPU 11执行一个或多个操作时，施加在CPU 11上的计算负载增加，和/或数据被写入存储器12和/或存储设备15或从其中读取)，CPU 11可以确定开关稳压器100将在重负载操作模式下操作。在重负载工作模式下，开关稳压器100可以输出使用(例如)脉冲宽度调制模式定义的对应的输出电源电压。替换地，当电子设备10进入待机模式或CPU 11进入空闲状态时，CPU 11可确定开关稳压器100将在轻负载操作模式下操作。在轻负载操作模式下，开关稳压器100可以输出使用(例如)脉冲频率调制模式、突发模式或ON/OFF模式定义的对应的输出电源电压。

在一些实施例中，开关稳压器100可以包括连接到开关节点的电感器L，其中，电源开关的输出被连接到开关节点。在此，电源开关可以响应于第一控制信号而向开关节点施加第一电压，或响应于第二控制信号而向开关节点施加第二电压，其中，控制器可以用于生成第一控制信号和第二控制信号。第二控制信号可以在第一死区时间后从低电平(在下文中称为“低”)转变为高电平(在下文中称为“高”)。(在此，术语“死区时间(dead time)”可以指一个晶体管关断和另一晶体管导通之间的时间段，例如，第一控制信号从高转变为低的时间)。同样地，第一控制信号可以在第二死区时间(例如，第二控制信号从高转变到低的时间)后从高转变到低。作为结果，在第一死区时间在一个方向(即，第一方向)上流过电感器L的电流可以在第二死区时间内逆转并在另一方向(即，第二方向)上流过电感器L。

用户接口14可以用于在CPU 11的控制下与电子设备10的用户进行通信。例如，用户接口14可以向用户提供存储在存储器12或存储设备15中的数据。在这方面上，用户接口14可以从用户接收数据或数据处理的请求。在一些实施例中，用户接口14可以包括例如麦克风、键盘、鼠标、触摸屏、显示设备(例如，监视器)和扬声器中的至少一个。

存储设备15可以被提供作为与电子设备10相关的存储介质。存储设备15可以存储由CPU 11生成的数据(例如，需要长期存储的数据)、将由CPU 11操作的文件、以及各种软件、固件、编程代码和可执行指令。存储设备15可以用作与电子设备10相关的辅助存储器设备。在一些实施例中，存储设备15可以被不同地实现为存储卡(例如，MMC、eMMC、SD、microSD等)。替换或附加地，存储设备15可以包括非易失性存储器，诸如NAND闪存存储器、NOR闪存存储器、PRAM、MRAM、ReRAM或FRAM。在一些实施例中，电子设备10可以包括两个或更多个存储设备15。在一些实施例中，存储设备15可以在电子设备10的外部。

通信设备16可以用于使用一个或多个有线和/或无线通信协议来与电子设备10的外部的各种设备进行通信。例如，在CPU 11的控制下，通信设备16可以从外部设备接收数据，和/或将从存储器12或存储设备15检索的数据传输到外部设备。

图2是在一个示例中进一步示出图1的开关稳压器100的框图。参考图1和图2，开关稳压器100可以包括电源开关101、控制电源开关101的控制器110、电感器L、电阻器DCR和输出电容器Cout。为了清楚起见，图2还指示寄生电容器Cpar和开关节点NSW。输入电源电压VIN可以被施加(或提供)到开关稳压器100的输入端IN，并且可以在开关稳压器100的输出端OUT处提供(显性的(apparent))输出电源电压VOUT。

在下文中，假设开关稳压器100在脉冲频率调制(PFM)模式下操作。然而，开关稳压器100可以在一个或多个额外模式下操作，诸如脉冲宽度调制(PWM)模式。此外，还假设开关稳压器100包括各种DC-DC转换器，诸如boost转换器、buck转换器和/或boost-buck转换器。

电源开关101可以在控制器110的控制下被切换(例如，导通或关断)。随着电源开关101被切换，可以响应于输入电源电压VIN而拉高或拉低开关节点NSW处的显性电压。如此，从开关节点NSW流过电感器L的电感电流IL的大小可以被调节。

寄生电容器Cpar可以被理解为连接在开关节点NSW和地之间。寄生电容器Cpar还可以被理解为与开关节点NSW、电源开关101和/或与开关节点NSW和电源开关101相关的元件和特征关联的模型化(或数学推导)的电容。因此，随着开关节点NSW处的显性电压被拉高，电荷可以被存储在寄生电容器Cpar中。

随着开关节点NSW的电压被拉高，流向电感器L的电感电流IL会增加。电感电流IL可以通过电阻器DCR向输出电容器Cout供应电荷。电阻器DCR可以被理解为与电感器L关联的模型化DC电阻。

输出电源电压VOUT的电平可以根据由输出电容器Cout存储的电荷量而变化。

在此，输出电源电压VOUT可以与输入电源电压VIN、参考电压VREF和开关节点NSW处的显性电压一起被反馈给控制器110。作为响应，控制器110可以生成控制电源开关101的开关的控制信号。例如，控制器110可以检测(或监测)电感电流IL，将输出电源电压VOUT和参考电压VREF进行比较，并且生成与输入电源电压VIN相关的电源开关101的开关控制信号。因此，电源开关101可以响应于由控制器110生成的开关控制信号而切换，从而调节输出电源电压VOUT的电平。

在一些实施例中，开关稳压器100可以是同步开关稳压器，但是本发明构思的范围不限于此。

图3是进一步示出图1的开关稳压器100的另一示例(100a)的框图。参考图1、2和3，图2的开关稳压器100可以被替换地实现为图3的开关稳压器100a。

图3的开关稳压器100a可以包括控制器110a、电源开关101、电感器L和输出电容器Cout。负载设备LOAD可以连接到开关稳压器100a的输出端OUT。

控制器110a可以包括PFM生成器111a、栅极驱动器112、反相器112-1和112-2、电感电流检测器113a和反馈控制器114。PFM生成器111a可以响应于参考电压VREF、电流感应信号CS和反馈信号FB，生成控制栅极驱动器112的信号PFMa。在一些实施例中，PFM生成器111a可以包括将参考电压VREF和反馈信号FB进行比较的比较器。PFM生成器111a可以从电感电流检测器113a接收电流感应信号CS。PFM生成器111a可以从反馈控制器114接收反馈信号FB。PFM生成器111a可以响应于电流感应信号CS、反馈信号FB、以及参考电压VREF和反馈信号FB之间的比较，使用PFM技术生成信号PFMa。PFM生成器111a可以将所生成的信号PFMa施加到栅极驱动器112。

在一些实施例中，每个单位时间的信号PFMa中的脉冲数量(例如，信号PFMa的频率)可以由PFM生成器111a调整。例如，为了增加负载电流ILOAD，PFM生成器111a可以增加信号PFMa的频率。因此，电源开关101可以更迅速地导通/关断(或在单位时间内更频繁地导通/关断，从而增加PFMa信号的频率)。如此，输出电源电压VOUT可以增加，并且负载电流ILOAD的大小也可以增加。

栅极驱动器112可以生成响应于由PFM生成器111a输出的信号PFMa而切换电源开关101的控制信号。栅极驱动器112可以响应于从PFM生成器111a输出的信号PFMa，生成控制信号。例如，基于信号PFMa，栅极驱动器112可以生成通过反相器112-1施加到晶体管M1的栅极的第一控制信号和通过反相器112-2施加到晶体管M2的栅极的第二控制信号。第一控制信号为高的时间段、第二控制信号为高的时间段、以及电源开关101的死区时间可以由栅极驱动器112响应于信号PFMa而控制。在一些实施例中，栅极驱动器112还可以包括控制电源开关101的死区时间的时间段的控制器(例如，微控制器)。

栅极驱动器112可以通过反相器112-1和112-2将控制信号分别应用于电源开关101的晶体管M1和M2的栅极。因此，由栅极驱动器112生成的控制信号可以由反相器112-1和112-2反相，并且此后，分别作为控制信号PDRV和NDRV提供给晶体管M1和M2的栅极。

电感电流检测器113a可以检测电感电流IL的大小。电感电流检测器113a可以将电感电流IL的大小与峰值电流的大小(例如，图4的峰值电流Ipeak)进行比较。替换地，电感电流检测器113a可以将电感电流IL的大小与最小电流的大小进行比较。峰值电流的大小和最小电流的大小可以被事先确定。如果电感电流IL的大小大于或等于峰值电流的大小，或者如果电感电流IL的大小小于或等于最小电流的大小，则电感电流检测器113a可以向PFM生成器111a输出电流感应信号CS。例如，如果电感电流IL的大小大于或等于峰值电流的大小，则电流感应信号CS可以具有指示该第一关系的第一电平。然而，如果电感电流IL的大小小于或等于最小电流的大小，则电流感应信号CS可以具有不同于第一电平的指示该第二关系的第二电平。

反馈控制器114可以感应输出电源电压VOUT。也就是说，反馈控制器114可以根据确定输出电源电压VOUT大于或小于目标电压，输出反馈信号FB。例如，如果输出电源电压VOUT小于目标电压，则反馈控制器114可以向PFM生成器111a输出指示输出电源电压VOUT的电平增加的反馈信号FB。然而，如果输出电源电压VOUT大于目标电压，则反馈控制器114可以向PFM生成器111a输出指示输出电源电压VOUT的电平降低的反馈信号FB。

电源开关101可以包括晶体管M1和M2。在此，晶体管M1可以被实现为P沟道金属氧化物半导体(PMOS)晶体管，并且晶体管M2可以被实现为N沟道金属氧化物半导体(NMOS)晶体管。寄生二极管Dpar1和Dpar2可以是分别与晶体管M1和M2的寄生二极管(例如，体二极管)的建模对应的元件。

晶体管M1可以包括接收输入电源电压VIN的第一端(例如，源极)、接收控制信号PDRV的栅极和连接到开关节点NSW的第二端(例如，漏极)。寄生二极管Dpar1可以连接在晶体管M1的第一端和第二端之间。晶体管M2可以包括连接到开关节点NSW的第一端(例如，漏极)、接收控制信号NDRV的栅极和接收被施加的接地电压的第二端(例如，源极)。寄生二极管Dpar2可以连接在晶体管M2的第一端和第二端之间。

晶体管M1可以响应于低控制信号PDRV而导通。在这种情况下，输入电源电压VIN可以通过晶体管M1传输到开关节点NSW，因此，开关电压VSW可以增加。晶体管M1可以响应于高控制信号PDRV而关断。

晶体管M2可以响应于高控制信号NDRV而导通。在这种情况下，开关节点NSW的开关电压VSW可以朝向接地电压降低。晶体管M2可以响应于低控制信号NDRV而关断。在这种情况下，开关节点NSW可以与接收接地电压的晶体管M2的第二端电性断开。

负载设备LOAD可以连接到开关稳压器100a的输出端OUT，从而使负载电流ILOAD响应于输出电源电压VOUT的电平而从开关稳压器100a的输出端OUT流过负载设备LOAD。然而，随着负载电流ILOAD流动，输出电源电压VOUT的大小可能随时间降低，并且开关稳压器100a可以感应到输出电源电压VOUT的降低，并将输出电源电压VOUT调整到目标电压。在此，目标电压可以根据负载设备LOAD的特定操作特点和要求来定义。

图4是示出图3的开关稳压器100a的操作的时序图。电感电流IL、开关电压VSW、控制信号PDRV和控制信号NDRV的变化取决于开关稳压器100a的操作。

图4的各种信号波形假设使用类似于参考图1、2和3描述的开关稳压器的开关稳压器。在此，为了说明的目的，电感电流IL的脉冲波形被假设为包括两个三角脉冲。

在时间t0，电感电流IL的大小被假设为约0。由于晶体管M1响应于低控制信号PDRV的电平而导通，开关电压VSW的大小可能与输入电源电压VIN的大小基本上相同。也就是说，开关电压VSW的大小可以近似于输入电源电压VIN的大小。(在此，进一步假设寄生电容器Cpar在时间t0前已经被输入电源电压VIN充分充电)。在时间t0后，流过电感器L的电感电流IL可以响应于开关电压VSW而增加。

在时间t1，电感电流IL的大小可以与峰值电流Ipeak相同。电感电流检测器113a可以检测电感电流IL的大小，并且可以向PFM生成器111a输出指示电感电流IL的大小与峰值电流Ipeak相同(或近似)的电流感应信号CS。PFM生成器111a可以生成用于关断电源开关101的信号PFMa，并且可以将所生成的信号PFMa施加到栅极驱动器112。由栅极驱动器112提供给晶体管M1的栅极的控制信号PDRV可以响应于信号PFMa而从低转变到高。

晶体管M1可以响应于高控制信号PDRV而关断。在时间t1后，电感电流IL和开关电压VSW可以响应于连接到开关稳压器100a的输出端OUT的负载设备LOAD的功耗而降低。也就是说，负载设备LOAD的功耗可以将开关电压VSW降低到低于接地电压的电平。例如，当负载设备LOAD产生功耗时，与寄生电容器Cpar关联的电荷可以被释放。然后，由于正电感电流IL(即，通过电感器L和电阻器DCR从开关节点NSW流到输出端OUT的电流)晶体管M2的寄生二极管Dpar2可以而导通。如此，开关电压VSW可以以和与晶体管M2关联的寄生二极管Dpar2的阈值电压一样多的程度下降低于接地电压。

在时间t2，由栅极驱动器112提供给晶体管M2的栅极的控制信号NDRV可以从低转变到高。例如，栅极驱动器112可以操作，使得在时间t1后的第一死区时间DT1a后，高控制信号NDRV被施加到晶体管M2的栅极。晶体管M2可以响应于高控制信号NDRV而导通，并且接地电压可以通过晶体管M2被施加到开关节点NSW。如此，开关电压VSW可以增加到接地电压，并且电感电流IL可以降低。在此，电感电流IL降低的速度可能与输出电源电压VOUT的大小成比例。

在时间t3，控制信号NDRV可以从高转变到低。电感电流检测器113a可以检测电感电流IL的大小，并且一旦电感电流IL的大小与最小电流大致上相同(例如，近似)，电感电流检测器113a就将电流感应信号CS输出到PFM生成器111a。PFM生成器111a可以生成用于关断电源开关101的信号PFMa，并且可以将所生成的信号PFMa施加到栅极驱动器112。由栅极驱动器112提供给晶体管M2的栅极的控制信号NDRV可以响应于信号PFMa而从高转变到低。

晶体管M2可以响应于低控制信号NDRV而关断，并且晶体管M2的寄生二极管Dpar2可以由于正电感电流IL而导通。如此，开关电压VSW的大小可能降低到低于接地电压。例如，开关电压VSW以和与晶体管M2关联的寄生二极管Dpar2的阈值电压一样多的程度下降低于接地电压。

在时间t4，由栅极驱动器112提供给晶体管M1的栅极的控制信号PDRV可以从高转变到低。例如，栅极驱动器112可以操作，使得在时间t3后的第二死区时间DT2a后，低控制信号PDRV被施加到晶体管M1的栅极。晶体管M1可以响应于低控制信号PDRV而导通，并且输入电源电压VIN可以通过晶体管M1被施加到开关节点NSW。因此，开关电压VSW可以增加到输入电源电压VIN，并且电感电流IL也可以增加。

在时间t5，电感电流IL的大小可以与峰值电流Ipeak大致上相同(例如，近似)。如参考时间t1描述的，由栅极驱动器112提供给晶体管M1的栅极的控制信号PDRV可以从低转变到高，并且晶体管M1可以响应于高控制信号PDRV而关断。之后，电感电流IL和开关电压VSW可以响应于连接到开关稳压器100a的输出端OUT的负载设备LOAD的功耗而降低。当负载设备LOAD产生功耗时，寄生电容器Cpar可以被放电，寄生二极管Dpar2可以被导通，并且开关电压VSW可以下降到低于接地电压。例如，开关电压VSW以和与晶体管M2关联的寄生二极管Dpar2的阈值电压一样多的程度下降低于接地电压。

在时间t6，由栅极驱动器112提供给晶体管M2的栅极的控制信号NDRV可以从低转变到高。例如，栅极驱动器112可以操作，使得在时间t5后的第三死区时间DT3a后，高控制信号NDRV被施加到晶体管M2的栅极。晶体管M2可以响应于高控制信号NDRV而导通，并且接地电压可以通过晶体管M2被施加到开关节点NSW。因此，开关电压VSW可以增加到接地电压，并且电感电流IL也可以降低。

在时间t7，由栅极驱动器112提供给晶体管M2的栅极的控制信号NDRV可以从高转变到低。例如，响应于反馈信号FB，PFM生成器111a可以确定开关稳压器100a的输出电源电压VOUT与目标电压相同(或近似)。电源开关101可以由栅极驱动器112根据确定结果来控制，并且不再保持被切换。也就是说，晶体管M1和M2可以保持关断。如此，电感电流IL可以降低到0的值，并且开关电压VSW也可以降低或收敛。图4示出开关电压VSW瞬时收敛的一个示例，但是根据负载设备LOAD的功耗，开关电压VSW或者可能会瞬时降低(例如，逐渐降低)。之后，在输出电源电压VOUT低于目标电压时，电源开关101可以再次被切换。

因此，晶体管M1和M2可以在第一死区时间DT1a(例如，从t1到t2的时间段)、第二死区时间DT2a(例如，从t3到t4的时间段)和第三死区时间DT3a(例如，从t5到t6的时间段)期间关断。如此，晶体管M1和M2可以不在相同时间导通。作为结果，接收输入电源电压VIN的晶体管M1的第一端和接收接地电压的晶体管M2的第二端将不会电性连接，这种情况有可能导致电源开关101的损坏。

在此，应当注意，在沿着图4所示的时间段的离散时刻(例如，从时间t0到时间t7)，开关稳压器100a的开关操作可能导致功率损耗。例如，作为开关稳压器100a的开关操作的结果，电源开关101的晶体管M1和晶体管M2将不同地导通/关断。每当电源开关101的晶体管M1和M2替换地导通/关断时，由于与开关节点NSW关联的寄生电容器Cpar的存在和与晶体管M2关联的寄生二极管Dpar2的存在，可能出现功率损耗。

例如，如上所述，在任何晶体管导通前，在第一死区时间DT1a、第二死区时间DT2a和/或第三死区时间DT3a期间，电源开关101的晶体管M1和M2都可以关断。在晶体管M1和M2都关断的同时，由于正电感电流IL，开关节点NSW的寄生电容器Cpar可以被放电，并且寄生二极管Dpar2可以导通。因此，由于寄生二极管Dpar2的传导，可能出现功率损耗。

此外，作为另一示例，在晶体管M1再次导通时，已放电的寄生电容器Cpar可以再次被输入电源电压VIN充电。基于输入电源电压VIN来供应给寄生电容器Cpar的损耗电流可以与开关节点NSW的开关电压VSW变成输入电源电压VIN所使用的时间段成反比。

随着第一死区时间DT1a、第二死区时间DT2a和第三死区时间DT3a的时间段增加，并且随着电源开关101的开关频率增加，由于寄生二极管Dpar2的传导而造成的功率损耗和由于寄生电容器Cpar的重新充电而造成的功率损耗可能增加。

图5是进一步示出图2的开关稳压器100的另一示例(100b)的框图。参考图1、2和5，图2的开关稳压器100可以被替换地实现为图5的开关稳压器100b。

如同图3的开关稳压器100a，图5的开关稳压器100b可以包括电源开关101、寄生电容器Cpar、电感器L、电阻器DCR和输出电容器Cout，并且负载设备LOAD可以连接到开关稳压器100b的输出端OUT。与图3的开关稳压器100a不同，图5的开关稳压器100b可以包括控制器110b而不是控制器110a。在下文中，将用一些额外细节来描述图3的开关稳压器100a和图5的开关稳压器100b之间的材料差异。

图5的控制器110b可以包括PFM生成器111b、栅极驱动器112、零电流检测器113b、反馈控制器114和峰值电流传感器115。与图3的PFM生成器111a不同，图5的PFM生成器111b可以响应于峰值电流感应信号PCS、零电流感应信号ZCS、反馈信号FB和参考电压VREF，生成控制栅极驱动器112的信号PFMb。

例如，PFM生成器111b可以从零电流检测器113b接收零电流感应信号ZCS。PFM生成器111b可以从反馈控制器114接收反馈信号FB。PFM生成器111b可以从峰值电流传感器115接收峰值电流感应信号PCS。PFM生成器111b可以将反馈信号FB和参考电压VREF进行比较。PFM生成器111b可以基于比较结果，确定是否增加电源开关101的开关频率。PFM生成器111b可以基于零电流感应信号ZCS、反馈信号FB、峰值电流感应信号PCS和比较结果，向栅极驱动器112输出PFM信号PFMb。电源开关101的开关(或开关频率)可以根据PFM信号PFMb来通过栅极驱动器112进行控制。

栅极驱动器112可以响应于从PFM生成器111b输出的信号PFMb，生成控制电源开关101的开关的第一控制信号和第二控制信号。从栅极驱动器112生成的第一控制信号和第二控制信号可以作为控制信号PRDV和NDRV，通过反相器112-1和112-2被分别提供给晶体管M1和M2的栅极。

零电流检测器113b可以检测流过电感器L的电感电流IL的大小。例如，零电流检测器113b可以根据开关节点NSW的开关电压VSW的大小来检测电感电流IL的大小。零电流检测器113b可以包括比较器113b-1和偏移控制器113b-2。

比较器113b-1可以包括连接到开关节点NSW的第一输入端、被施加接地电压的第二输入端和输出零电流感应信号ZCS的输出端。比较器113b-1可以从偏移控制器113b-2接收偏移信号OFS。比较器113b-1可以基于偏移信号OFS，将开关电压VSW和接地电压进行比较。通过将开关电压VSW和接地电压进行比较，比较器113b-1可以确定电感电流IL是否以和与偏移信号OFS对应的偏移电流(例如，图6的偏移电流Iofs)的大小一样多的程度低于“0”(例如，可以确定电感电流IL是否具有负值，并且电感电流IL的大小是否与偏移信号OFS的大小相同)。响应于电感电流IL以与偏移信号OFS的大小一样多的程度低于“0”，比较器113b-1可以输出零电流感应信号ZCS。

偏移控制器113b-2可以基于施加到晶体管M2的控制信号NDRV和零电流感应信号ZCS，向比较器113b-1提供偏移信号OFS。偏移信号OFS可以是电流信号。考虑到寄生电容器Cpar的电容、输入电源电压VIN、死区时间的持续时间等，与偏移信号OFS对应的偏移电流的大小(或在偏移信号OFS是电流信号时的偏移信号OFS的大小)可以被预先确定。在下文中，将用一些额外细节来描述确定与偏移信号OFS对应的偏移电流的大小的一种方法。

通过使用参考图3描述的方法，反馈控制器114可以基于输出电源电压VOUT的大小，将反馈信号FB输出到PFM生成器111b。

与图3的开关稳压器100a不同，图5的开关稳压器100b还可以包括峰值电流传感器115。峰值电流传感器115可以连接到电源开关101。例如，峰值电流传感器115可以连接到电源开关101的晶体管M1的第一端。峰值电流传感器115可以感应由输入端IN通过晶体管M1向开关节点NSW提供的电感电流IL的大小。峰值电流传感器115可以感应到电感电流IL的大小与峰值电流(例如，图4和6的峰值电流Ipeak)相同(或近似)。如果电感电流IL的大小与峰值电流Ipeak相同(或近似)，则峰值电流传感器115可以向PFM生成器111b输出峰值电流感应信号PCS。

图6是示出图5的开关稳压器100b的操作的时序图。电感电流IL、开关电压VSW、控制信号PDRV和控制信号NDRV的变化取决于图5的开关稳压器100b的操作。

参考图1、2、5和6，在时间t8，电感电流IL的大小可能为约0。当晶体管M1响应于低控制信号PDRV而导通时，开关电压VSW的大小可能与输入电源电压VIN的大小基本上相同。也就是说，开关电压VSW的大小可以近似于输入电源电压VIN的大小。(在此，假设寄生电容器Cpar在时间t8前已经被输入电源电压VIN充分充电)。此后，流过电感器L的电感电流IL可以响应于开关电压VSW而增加。

在时间t9，电感电流IL的大小可以与峰值电流Ipeak相同。峰值电流传感器115可以检测电感电流IL的大小，并且可以在电感电流IL的大小与峰值电流Ipeak相同(或近似)时，向PFM生成器111b输出峰值电流感应信号PCS。PFM生成器111b可以生成用于关断电源开关101的信号PFMb，并且可以将所生成的信号PFMb施加到栅极驱动器112。由栅极驱动器112提供给晶体管M1的栅极的控制信号PDRV可以响应于信号PFMb而从低转变到高。

晶体管M1可以响应于高控制信号PDRV而关断。此后，电感电流IL和开关电压VSW可以响应于连接到开关稳压器100b的输出端OUT的负载设备LOAD的功耗而降低。负载设备LOAD的功耗可能导致开关电压VSW下降到低于接地电压。

与图4所示的实施例不同，在图6所示的实施例中，控制信号NDRV可以在晶体管M2的寄生二极管Dpar2由于寄生电容器Cpar的放电而导通之前，从低转变到高。因此，图6的第一死区时间DT1b的持续时间可以根据以下等式1来确定：

Δt

在等式1中，Δt

在时间t10，由栅极驱动器112提供给晶体管M2的栅极的控制信号NDRV可以从低转变到高。例如，栅极驱动器112可以操作，使得在时间t9后的第一死区时间DT1b后，高控制信号NDRV被施加到晶体管M2的栅极。晶体管M2可以响应于高控制信号NDRV而导通，并且接地电压可以通过晶体管M2被施加到开关节点NSW。如此，开关电压VSW可以增加到接地电压，并且电感电流IL可以降低。电感电流IL下降的速度可以与输出电源电压VOUT的大小成比例。

在时间t11，控制信号NDRV可以从高转变到低。例如，零电流检测器113b可以检测到开关电压VSW与接地电压相同(或近似)。响应于检测结果，零电流检测器113b可以检测到电感电流IL具有负方向(即，由于存储在输出电容器Cout中的电荷，电感电流IL通过电阻器DCR和电感器L从输出端OUT流到开关节点NSW)，并且电感电流IL的大小与偏移电流Iofs相同(或近似)。响应于确定电感电流IL具有负方向并且同时确定电感电流IL的大小与偏移电流Iofs相同(或近似)，零电流检测器113b可以向PFM生成器111b输出零电流感应信号ZCS。PFM生成器111b可以生成用于切换电源开关101的信号PFMb，并且可以将所生成的信号PFMb应用于栅极驱动器112。从栅极驱动器112施加到晶体管M2的栅极的控制信号NDRV可以响应于信号PFMb而从高转变到低。如此，与图4所示的实施例不同，在图6所示的实施例中，控制信号NDRV可以在电感电流IL具有负方向后，从高转变到低。

晶体管M2可以响应于低控制信号NDRV而关断。与图4所示的实施例不同，在图6所示的实施例中，与晶体管M2关联的寄生二极管Dpar2可能由于负电感电流IL而不导通。与此同时，由于负电感电流IL，电荷可以在第二死区时间DT2b期间被储存在开关节点NSW的寄生电容器Cpar中。在此，图6的第二死区时间DT2b的持续时间可以根据以下等式2来确定：

Δt

在等式2中，Δt

在第二死区时间DT2b期间，电感电流IL基于存储在输出电容器Cout中的电荷来具有负方向。也就是说，电感电流IL可以响应于存储在输出电容器Cout中的能量，从输出端OUT流到开关节点NSW。因此，在第二死区时间DT2b的持续时间过长的情况下，因为晶体管M1能够导通，所以对输出电容器Cout充电所必需的时间可能变长，从而使开关稳压器100b的效率变低。相反，在第二死区时间DT2b的持续时间过短的情况下，寄生电容器Cpar可能不被充分充电。

在一些实施例中，响应于提前确定的输入电源电压VIN的大小V

在时间t12，由栅极驱动器112提供给晶体管M1的栅极的控制信号PDRV可以从高转变到低。例如，栅极驱动器112可以操作，使得在时间t11后的第二死区时间DT2b后，低控制信号PDRV被施加到晶体管M1的栅极。晶体管M1可以响应于低控制信号PDRV而导通，并且输入电源电压VIN可以通过晶体管M1被施加到开关节点NSW。

与图4所示的实施例不同，在图6所示的实施例中，寄生电容器Cpar可以在第二死区时间DT2b期间被充电，使得开关节点NSW的开关电压VSW近似于输入电源电压VIN。因此，可以避免在晶体管M1导通时由于寄生电容器Cpar的重新充电而造成的功率损耗。

在时间t13，电感电流IL的大小可以与峰值电流Ipeak相同(或近似)。和与时间t8相关的描述一致，由栅极驱动器112提供给晶体管M1的栅极的控制信号PDRV可以从低转变到高。晶体管M1可以响应于高控制信号PDRV而关断。此后，电感电流IL和开关电压VSW可以响应于连接到开关稳压器100b的输出端OUT的负载设备LOAD的功耗而降低。负载设备LOAD的功耗可能导致开关电压VSW下降到低于接地电压。

与第一死区时间DT1b的持续时间一致，第三死区时间DT3b的持续时间可以根据等式1来确定。作为结果，如在第一死区时间DT1b中，与寄生电容器Cpar关联的所有电荷可以在第三死区时间DT3b期间被释放，并且同时，可以防止晶体管M2的寄生二极管Dpar2导通。因此，可以避免由于寄生电容器Cpar而造成的功率损耗和由于寄生二极管Dpar2的传导而造成的功率损耗。

在时间t14，由栅极驱动器112提供给晶体管M2的栅极的控制信号NDRV可以从低转变到高。例如，栅极驱动器112可以操作，使得在时间t13后的第三死区时间DT3b后，高控制信号NDRV被施加到晶体管M2的栅极。晶体管M2可以响应于高控制信号NDRV而导通，并且接地电压可以通过晶体管M2被施加到开关节点NSW。如此，开关电压VSW可以增加到接地电压，并且电感电流IL可以降低。

在时间t15，由栅极驱动器112提供给晶体管M2的栅极的控制信号NDRV可以从高转变到低。例如，响应于反馈信号FB，PFM生成器111b可以确定开关稳压器100b的输出电源电压VOUT与目标电压相同(或近似)。电源开关101可以由栅极驱动器112基于确定结果来控制，以便不再被切换。例如，在时间t15后，晶体管M1和M2可以保持关断状态。如此，电感电流IL可以降低到0的值，并且开关电压VSW也可以瞬时收敛。此后，在输出电源电压VOUT低于目标电压时，电源开关101可以被再次切换。

在一些实施例中，图5的开关稳压器100b可以被理解为执行软开关。例如，在电源开关101被切换时(例如，在晶体管M1和M2导通/关断时)，开关节点NSW的寄生电容器Cpar可以被流过电感器L的电感电流IL充电/放电，而不是被基于输入电源电压VIN的电流充电/放电。

图7是示出作为图3的开关稳压器100a和图5的开关稳压器100b中的每一个的负载电流ILOAD的函数的功率效率的曲线图。在此，功率效率可以被理解为供应给开关稳压器100a和100b中的每一个的输入电源电压和由开关稳压器100a和100b中的每一个对应地提供的输出电源电压的比例。

随着负载电流ILOAD的大小增加，负载设备LOAD所需要的功率量也增加。电源开关101可以在更高频率下执行开关操作，以增加负载电流ILOAD的大小。

如上所述，在开关稳压器100a中，在电源开关101的晶体管M1和M2关断然后再次导通时，可能出现由于寄生电容器Cpar的放电和重新充电而造成的功率损耗和由于寄生二极管Dpar2的传导而造成的功率损耗。因此，如图7所示，随着负载电流ILOAD的大小增加，电源开关101的开关频率可以增加，从而导致开关稳压器100a的功率效率下降。相反，在开关稳压器100b中，因为在执行电源开关101的切换时避免由于寄生电容器Cpar的放电和重新充电而造成的功率损耗和由于寄生二极管Dpar2的传导而造成的功率损耗，所以即使负载电流ILAD的大小增加，开关稳压器100b的功率效率也不降低。

图8是示出根据本发明构思的实施例的系统20的框图。参考图8，系统20可以包括电源21和PMIC 22，以及任意数量(例如，4个)和类型的功能框(例如，23-1、23-2、23-3和23-4)。

电源21可以响应于外部提供的电压VEXT，向PMIC 22提供输入电源电压。PMIC 22可以响应于从电源21接收的输入电源电压，向功能框23-1、23-2、23-3和23-4中的每一个供应一个或多个输出电源电压。在一些实施例中，系统20可以包括电池，并且供应给电源21的外部电压VEXT可以是电池供应的电压。替换地，在一些实施例中，系统20可以从电力线供电，并且外部电压VEXT可以是从通过电力线供电生成的电压。例如，外部电压VEXT可以是电力线的电压，或者可以是通过将从电力线供应的AC电压进行整流来生成的DC电压。

PMIC 22可以包括图5的开关稳压器100b。因此，PMIC 22可以使用开关稳压器100b转换从电源21接收的输入电源电压，并且可以将转换后的电压供应给功能框23-1、23-2、23-3和23-4中的至少一个。

功能框23-1、23-2、23-3和23-4中的每一个可以响应于从PMIC 22提供的电源而操作。例如，功能框23-1、23-2、23-3和23-4之一可以是：处理数字信号的数字电路，诸如应用处理器(AP)；处理模拟信号的模拟电路，诸如放大器；或处理混合信号的电路，诸如模数转换器(ADC)。

图9是示出根据本发明构思的实施例的电子设备1000的框图。参考图9，电子设备1000可以包括图像处理单元1100、无线收发器单元1200、音频处理单元1300、电池1400、非易失性存储器设备1500、用户接口1600和控制器1700。电子设备1000可以在控制器1700的控制下操作。

图像处理单元1100可以包括镜头1110、图像传感器1120、图像处理器1130和显示单元1140。图像处理器1130可以通过镜头1110和图像传感器1120将真实图像转换成图像数据。显示单元1140可以显示由图像处理器1130生成的图像数据信号或要提供给用户的图像数据。显示单元1140可以用液晶显示器(LCD)或有机发光二极管(OLED)来实现。在以触摸屏的方式实现LCD或OLED的情况下，显示单元1140可以与用户接口1600一起操作。

无线收发器单元1200包括天线1210、收发器1220和调制器/解调器(调制解调器)1230。无线收发器单元1200可以执行无线通信功能。收发器1220可以调整要通过天线1210传输的信号的频率，或者可以放大要传输的信号；收发器1220可以调整通过天线1210接收的信号的频率，或者可以放大所接收的信号。调制解调器1230可以包括对要传输的信号进行编码和调制的传输器和对通过天线1210接收的信号进行解码和解调的接收器。

音频处理单元1300包括音频处理器1310、麦克风1320和扬声器1330。音频处理单元1300可以构成编解码器，并且编解码器可以包括数据编解码器和音频编解码器。数据编解码器可以处理分组数据，并且音频编解码器可以处理音频信号，诸如语音和多媒体文件。此外，音频处理单元1300可以执行通过音频编解码器将通过调制解调器1230接收的数字音频信号转换和再现为模拟信号的功能，或者将由麦克风1320生成的模拟音频信号转换为数字音频信号以便传输到调制解调器1230的功能。编解码器可以被单独提供，或者可以被包括在控制器1700中。

根据本发明构思的实施例，非易失性存储器设备1500可以用存储卡(例如，多媒体卡(MMC)、嵌入式MMC(eMMC)、安全数字(SD)卡或微型SD卡)等来实现。此外，控制器1700可以被提供作为驱动应用程序、操作系统等的片上系统(SoC)。控制器1700可以包括PMIC 1710。PMIC 1710可以从电池1400供应电压，并且可以转换所供应的电压的电平。PMIC 1710可以包括图6的开关稳压器100b。

根据本发明构思的实施例的开关稳压器可以包括响应于输入电源电压和接地电压而向开关节点提供开关电压的电源开关。在电源开关被切换时，至少部分地使用存储在寄生电容器中的电荷来执行切换，以防止与电源开关关联的寄生二极管导通。如此，可以提供呈现减少的开关损耗和更好的功率效率的开关稳压器。

虽然本发明构思已经参考本发明构思的实施例进行描述，但是对于本领域普通技术人员来说，在不脱离所附的权利要求书阐述的本发明构思的精神和范围的情况下，显然可以对本发明构思的实施例进行各种改变和修改。