CN102097935A - 降压式电源转换器与其方法 - Google Patents

Abstract

一种降压式电源转换器与其方法。该降压式电源转换器，包括一开关单元、一多路复用器、N个低通滤波器、一检测单元以及一控制单元。检测单元用以感测每一低通滤波器的特性参数，以产生N个感测讯号。控制单元依据这些感测讯号来判别流经一负载的电流，并依据判别结果产生一控制讯号与一路径切换讯号。开关单元用以依据一控制讯号来切换一输入电压的导通路径，以产生一初始电压。多路复用器依据路径切换讯号而将一讯号输入端导通至N个讯号输出端的其一，以致使N个低通滤波器的其中之一对初始电压进行滤波并据以产生一输出电压。

Description

降压式电源转换器与其方法

技术领域

本发明涉及一种电源转换器，特别是涉及一种降压式电源转换器。

背景技术

现今便携式电子装置的缩小化趋势持续朝向微型化的趋势发展，因此电池中的蓄电容量越来越有限。为了提升电子装置的使用时间，电源管理成为现今电子装置的发展方向之一，电源管理可需分为三种领域：电池管理、系统耗电零件的主动电源管理以及电能转换效率的提升。便携式电子装置中电子组件的电源供应，大多都是来自降压式直流转换器(Buck DC toDC converter)，也就是电子组件的电源大多都是通过高电压转换成低电压后才能使用。在能量转换的过程中，如何降低被动组件(例如：电容与电感)的能量消耗并藉此提升电源转换效率，一直是电源转换器在设计上的一重要课题。

目前直流转换器的转换效率的高低主要取决于两点：第一点是高电压转换成低电压的电压差，倘若电压差越大，能源转换效率就越差。第二点是负载电流的大小。在驱动重载(heavy load)的情况下，为了维持负载大电流的效率以及降低重载所造成的压降，电源转换器往往必须降低其内部低通滤波器的截止频率(cut-off frequency)。然而，随着截止频率的降低，低通滤波器的滤波效果往往会不佳。此时，将无法大量消除切换噪声(switchingnoise)，进而造成涟波电流(ripple current)过大。如此一来，在驱动轻载(lightload)的情况下，电源转换器将消耗过多的能源于组件上，进而降低其转换效率。

发明内容

本发明提供一种降压式电源转换器，利用多个低通滤波器提供多个滤波路径，并依据这些低通滤波器的特性参数来选择合适的滤波路径，以减少电源转换器的能源消耗。

本发明提供一种降压式电源转换方法，依据负载电流的大小来切换滤波路径，以提高电压的转换效率。

本发明提出一种降压式电源转换器，用以提供输出电压至负载，降压式电源转换器包括开关单元、多路复用器、N个低通滤波器、检测单元与控制单元，其中N为大于1的整数。开关单元用以接收输入电压，并依据控制讯号来切换输入电压的导通路径，以产生初始电压。多路复用器具有讯号输入端与N个讯号输出端，讯号输入端耦接至开关单元。N个低通滤波器中第i个低通滤波器的输入端耦接至第i个讯号输出端，且上述的低通滤波器的输出端耦接至负载，i为整数且1≤i≤N。检测单元用以感测每一个低通滤波器的特性参数，以产生N个感测讯号。控制单元依据检测单元产生的感测讯号来判别流经负载的电流，并依据判别结果产生控制讯号与路径切换讯号。其中，多路复用器依据路径切换讯号而将讯号输入端导通至第i个讯号输出端，以致使第i个低通滤波器对初始电压进行滤波并据以产生输出电压。

在本发明的一实施例中，上述的低通滤波器各自对应不同的截止频率，且第j个低通滤波器的截止频率大于第(j+1)个低通滤波器的截止频率，j为整数且1≤j≤(N-1)。

在本发明的一实施例中，上述的控制单元依据感测讯号来产生负载电流值，并将负载电流值与(N-1)个电流临界值相较。且第k个电流临界值小于第(k+1)个电流临界值，k为整数且1≤k≤(N-2)。其中，当负载电流值大于第k个电流临界值并小于第(k+1)个电流临界值时，控制单元将致使多路复用器的讯号输入端导通至第(k+1)个讯号输出端，当负载电流值小于第1个电流临界值或是大于第(N-1)个电流临界值时，控制单元将致使多路复用器的讯号输入端导通至第1个讯号输出端或是第N个讯号输出端。

本发明还提出一种降压式电源转换方法，用以提供输出电压至负载，降压式电源转换方法包括下列步骤。首先，提供N个低通率波器，并利用该N个低通滤波器来提供N个滤波路径，其中N为大于1的整数。其次，感测每一个低通滤波器的特性参数，以产生对应的N个感测讯号。依据该N个感测讯号来判别流经负载的电流，并依据判别结果来产生控制讯号与路径切换讯号。接着，依据控制讯号来切换输入电压的导通路径，以产生初始电压。最后，依据路径切换讯号而切换至第i个滤波路径，以利用第i个低通滤波器来对初始电压进行滤波，并据以产生输出电压，i为整数且1≤i≤N。

在本发明的一实施例中，上述的低通滤波器各自对应不同的截止频率，且第j个低通滤波器的截止频率大于第(j+1)个低通滤波器的截止频率，j为整数且1≤j≤(N-1)。

在本发明的一实施例中，依据感测讯号来判别流经负载的电流，并依据判别结果来产生路径切换讯号的步骤包括下列步骤。首先，提供(N-1)个电流临界值，其中第k个电流临界值小于第(k+1)个电流临界值，k为整数且1≤k≤(N-2)。接着，依据上述的感测讯号来产生负载电流值，并将负载电流值与上述的电流临界值相互比较。当负载电流值小于第1个电流临界值时，产生对应第1个滤波路径的路径切换讯号。当负载电流值大于第k个电流临界值并小于第(k+1)个电流临界值时，产生对应第(k+1)个滤波路径的路径切换讯号。当负载电流值大于第(N-1)个电流临界值时，产生对应第N个滤波路径的路径切换讯号。

基于上述，本发明提供一种降压式电源转换器，利用多个低通滤波器提供多个滤波路径，并藉由检测这些低通滤波器的特性参数来选择合适的滤波路径。藉此，降压式电源转换器将可随着负载的变动，选取具有不同截止频率的低通滤波器。如此一来，将可减少电源转换器内的能源消耗，并藉此提升电源转换器的转换效率。

为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并结合附图详细说明如下。

附图说明

图1是依照本发明一实施例的一种降压式电源转换器的示意图。

图2为依据本发明一实施例的低通滤波器的电路示意图。

图3是依照本发明一实施例的一种降压式电源转换方法的流程图。

附图符号说明

100：降压式电源转换器

101：负载

110：开关单元

120：多路复用器

130_1～130_N：低通滤波器

140：检测单元

141_1～141_N：感测单元

150：控制单元

MN1：N型晶体管

MP1：P型晶体管

S11：控制讯号

S12：路径切换讯号

SC_1～SC_N：感测讯号

Vin：输入电压

Vs：初始电压

Vout：输出电压

L：电感

C：电容

S310～S350：用以说明图3实施例的各步骤

具体实施方式

图1是依照本发明一实施例的一种降压式电源转换器100的示意图。请参照图1，以下说明降压式电源转换器100的架构与运作方式。降压式电源转换器100提供输出电压Vout至负载101，并且降压式电源转换器100包括一开关单元110、一多路复用器120、N个低通滤波器130_1～130_N、一检测单元140与一控制单元150，其中N为大于1的整数。开关单元110用以接收输入电压Vin，并依据控制单元150产生的控制讯号S11来切换输入电压Vin的导通路径，以产生初始电压Vs。多路复用器120具有一讯号输入端与N个讯号输出端，其中多路复用器120的讯号输入端耦接开关单元110，并用以接收初始电压Vs。

低通滤波器130_1～130_N与多路复用器110的N个讯号输出端一对一对应，其中第1个低通滤波器130_1的输入端耦接至多路复用器110的第1个讯号输出端，第2个低通滤波器130_2的输入端耦接至多路复用器110的第2个讯号输出端，以此类推，第i个低通滤波器130_i的输入端耦接至多路复用器110的第i个讯号输出端，i为整数且1≤i≤N。此外，低通滤波器130_1～130_N的输出端皆耦接至负载101，并用以产生输出电压Vout。

检测单元140可感测每一低通滤波器130_1～130_N的特性参数，以产生N个感测讯号SC_1～SC_N。举例来说，检测单元140包括N个感测电路141_1～141_N。其中，第1个感测电路141_1的两端耦接于低通滤波器130_1的两端，第2个感测电路141_2的两端耦接于低通滤波器130_2的两端，并依此类推，第i个感测电路141_i的两端耦接于低通滤波器130_i的两端。应用本实施例可以视其设计需求来决定感测电路141_1～140_N所感测的特性参数，于本实施例中，感测电路141_1～140_N是藉由检测低通滤波器130_1～130_N的两端的电压差，来产生感测讯号SC_1～SC_N给控制单元150。但其并非用以限定本发明，感测电路141_1～140_N亦可藉由检测低通滤波器130_1～130_N的电流，来作为产生感测讯号SC_1～SC_N的依据。

控制单元150依据感测讯号SC_1～SC_N来判别流经负载101的电流，并依据判别结果产生控制讯号S11与路径切换讯号S12。其中，多路复用器120会依据路径切换讯号S12将其讯号输入端导通至其N个讯号输出端的其一，进而使开关单元110的输出端导通至N个低通滤波器130_1～130_N的其中之一。从另一观点来看，低通滤波器130_1～130_N会各自提供一滤波路径。也就是说，多路复用器120会依据路径切换讯号S12，而将初始电压Vs输入至相对应的滤波路径中。举例来说，当多路复用器120依据路径切换讯号S12将其讯号输入端导通至第1个讯号输出端时，开关单元110的输出端将导通至低通滤波器130_1。此时，初始电压Vs将输入至低通滤波器130_1所形成的滤波路径中，且低通滤波器130_1将对初始电压Vs进行滤波并据以产生输出电压Vout。

本实施例所述的开关单元110包括P型晶体管MP1与N型晶体管MN1。P型晶体管MP1的第一端接收输入电压Vin。N型晶体管MN1的第一端耦接P型晶体管MP1的第二端，N型晶体管MN1的第二端耦接至接地端。其中，P型晶体管MP1与N型晶体管MN1受控于控制讯号S11。在实际操作上，当控制讯号S11为逻辑0时，P型晶体管MP1导通(turn on)且N型晶体管MN1不导通(turn off)，故此时的输入电压Vin将可供应至后端的低通滤波器。相对地，当控制讯号S11为逻辑1时，P型晶体管MP1不导通且N型晶体管MN1导通，故此时开关单元110的输出端将导通至接地端。换言之，开关单元110所产生的初始电压Vs，其电压波形可视为一周期性方波，包括直流成分与高频成分。其中，初始电压Vs中的高频成分可通过后端的低通滤波器进行滤除，故初始电压Vs经由后端的低通滤波器的滤波后可产生一稳定的输出电压Vout。

在本实施例中，低通滤波器130_1～130_N各自包括一电感与一电容。举例来说，图2为依据本发明一实施例的低通滤波器的电路示意图，以低通滤波器130_1为例来看，低通滤波器130_1包括一电感L与一电容C。其中电感L的第一端耦接于多路复用器120的第1个讯号输出端，电感L的第二端耦接于负载101。电容C的第一端则是耦接于电感L的第二端，且电容C的第二端耦接至接地端。于其它实施例中，低通滤波器130_1～130_N具有多种不同形式的电路实现方式，因此低通滤波器130_1～130_N不应以此为限。

低通滤波器130_1～130_N各自对应不同的截止频率，其中第1个低通滤波器130_1的截止频率大于第2个低通滤波器130_2的截止频率，而第2个低通滤波器130_2的截止频率大于第3个低通滤波器130_3的截止频率，并以此类推，第j个低通滤波器130_j的截止频率大于第(j+1)个低通滤波器130_(j+1)的截止频率，其中，j为整数且1≤j≤(N-1)。控制单元150依照检测单元140产生的感测讯号SC_1～SC_N来判别流经负载101的电流大小，并依据判别结果来切换多路复用器120。如此一来，当流经负载101的电流越大时，低通滤波器130_1～130_N中具有较低截止频率的低通滤波器将被选取。相对地，当流经负载101的电流越小，低通滤波器130_1～130_N中具有较高截止频率的低通滤波器将被选取。

为了致使本领域的技术人员能更加了解本发明，以下将针对控制单元150的判别机制做进一步的说明。在本实施例中，控制单元150依据感测讯号SC_1～SC_N来产生一负载电流值。控制单元150亦具有预设的(N-1)个电流临界值，其中第1个电流临界值小于第2个电流临界值，第2个电流临界值小于第3个电流临界值，以此类推。因此第k个电流临界值小于第(k+1)个电流临界值，k为整数且1≤k≤(N-2)。之后，控制单元150将负载电流值与(N-1)个电流临界值作比较，以确定负载电流值的大小，并据以产生对应的路径切换讯号S12，以将初始电压Vs导通至相对应的滤波路径内。

举例而言，当负载电流值大于第1个电流临界值并小于第2个电流临界值时，控制单元150传送至对应的路径切换讯号而使得多路复用器110的讯号输入端导通至第2个讯号输出端，也就是将初始电压Vs导通至第2个滤波路径内。否则，当负载电流值小于第1个电流临界值或是大于第(N-1)个电流临界值时，控制单元150将传送对应的路径切换讯号而使得多路复用器110的讯号输入端导通至第1个讯号输出端或是第N个讯号输出端，也就是将初始电压Vs导通至第1个滤波路径或第N个滤波路径内。

为清楚说明上述的实施方式在此举一实施例，假设降压式电源转换器100包含3个低通滤波器130_1、130_2与130_3，并据此提供3个滤波路径。也就是说，在此假设上述的降压式电源转换器100的N＝3，故相对来说，检测单元140包括3个感测电路141_1、141_2与141_3，并且分别用以检测低通滤波器130_1、130_2与130_3。此外，此时控制单元150的内部更具有预设的2个电流临界值Ith1与Ith2，其中电流临界值Ith1小于电流临界值Ith2。

在此，控制单元150会依据感测电路141_1、141_2与141_3所产生的感测讯号SC_1～SC_3来产生一负载电流值。之后，控制单元150将负载电流值与电流临界值Ith1与Ith2作比较。其中，当负载电流值小于电流临界值Ith1时，则表示负载101具较小的阻抗值，此时控制单元150会产生对应第1个滤波路径的路径切换讯号S12，以选取具有最高截止频率的低通滤波器130_1。

相对地，当负载电流值大于电流临界值Ith1，并小于电流临界值Ith2时，控制单元150将产生对应第2个滤波路径的路径切换讯号S12，以选取低通滤波器130_2。再者，当负载电流值大于电流临界值Ith2时，则表示负载101具有较大的阻抗值，此时控制单元150会产生对应第3个滤波路径的路径切换讯号S12，以选取具有最低截止频率的低通滤波器130_3。

从另一观点来看，图3是依照本发明一实施例的一种降压式电源转换方法的流程图。请参照图3，本实施例所述的降压式电源转换方法用以提供一输出电压至一负载，并包括下列步骤：首先，于步骤S310，利用N个低通滤波器来提供N个滤波路径，其中N为大于1的整数。接着，于步骤S320，感测每一低通滤波器的特性参数，以产生N个感测讯号。藉此，于步骤S330，将可依据N个感测讯号来判别流经负载的电流，并依据判别结果来产生一控制讯号与一路径切换讯号。之后，于步骤S340，依据控制讯号来切换一输入电压的导通路径，以产生一初始电压，并于步骤S350，依据路径切换讯号而切换至第i个滤波路径，以利用第i个低通滤波器来对初始电压进行滤波，并据以产生输出电压。至于本实施例的其它细部流程已包含在上述各实施例中，故在此不予赘述。

综上所述，本发明提供一种降压式电源转换器，利用多个低通滤波器来提供多个滤波路径，并藉由检测这些低通滤波器的特性参数来判别负载电流的大小。藉此，当负载电流的过小时，降压式电源转换器将可切换至具有较高截止频率的低通滤波器，进而减少电源转换器内的能源消耗，并藉此提高电源转换器的转换效率。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，故本发明的保护范围以本发明的权利要求为准。

Claims (9)

1.一种降压式电源转换器，用以提供一输出电压至一负载，且该降压式电源转换器包括：

一开关单元，用以接收一输入电压，并依据一控制讯号来切换该输入电压的导通路径，以产生一初始电压；

一多路复用器，具有一讯号输入端与N个讯号输出端，该讯号输入端耦接该开关单元，N为大于1的整数；

N个低通滤波器，其中第i个低通滤波器的输入端耦接至第i个讯号输出端，且该低通滤波器的输出端耦接至该负载，i为整数且1≤i≤N；

一检测单元，用以感测每一该低通滤波器的一特性参数，以产生N个感测讯号；以及

一控制单元，依据该感测讯号来判别流经该负载的电流，并依据判别结果产生该控制讯号与一路径切换讯号，

其中，该多路复用器依据该路径切换讯号而将该讯号输入端导通至第i个讯号输出端，以致使第i个低通滤波器对该初始电压进行滤波并据以产生该输出电压。

2.如权利要求1所述的降压式电源转换器，其中该开关单元包括：

一P型晶体管，其第一端用以接收该输入电压；以及

一N型晶体管，其第一端耦接该P型晶体管的第二端，且该N型晶体管的第二端耦接一接地端，其中，该P型晶体管与该N型晶体管受控于该控制讯号。

3.如权利要求1所述的降压式电源转换器，其中第i个低通滤波器包括：

一电感，其第一端耦接第i个讯号输出端，且该电感的第二端耦接该负载；以及

一电容，其第一端耦接该电感的第二端，且该电容的第二端耦接至一接地端。

4.如权利要求1所述的降压式电源转换器，其中该检测单元包括：

N个感测电路，其中第i个感测电路用以感测第i个低通滤波器的该特性参数，并据以产生第i个感测讯号。

5.如权利要求1所述的降压式电源转换器，其中该低通滤波器各自对应不同的一截止频率，且第j个低通滤波器的截止频率大于第(j+1)个低通滤波器的截止频率，j为整数且1≤j≤(N-1)。

6.如权利要求5所述的降压式电源转换器，其中该控制单元依据该感测讯号来产生一负载电流值，并将该负载电流值与(N-1)个电流临界值相较，且第k个电流临界值小于第(k+1)个电流临界值，k为整数且1≤k≤(N-2)，其中当该负载电流值大于第k个电流临界值并小于第(k+1)个电流临界值时，该控制单元将致使该多路复用器的该讯号输入端导通至第(k+1)个讯号输出端，当该负载电流值小于第1个电流临界值或是大于第(N-1)个电流临界值时，该控制单元将致使该多路复用器的该讯号输入端导通至第1个讯号输出端或是第N个讯号输出端。

7.一种降压式电源转换方法，用以提供一输出电压至一负载，且该降压式电源转换方法包括：

提供N个低通率波器，并利用该N个低通滤波器来提供N个滤波路径，其中N为大于1的整数；

感测每一该低通滤波器的一特性参数，以产生对应的N个感测讯号；

依据该N个感测讯号来判别流经该负载的电流，并依据判别结果来产生一控制讯号与一路径切换讯号；

依据该控制讯号来切换一输入电压的导通路径，以产生一初始电压；以及

依据该路径切换讯号而切换至第i个滤波路径，以利用第i个低通滤波器来对该初始电压进行滤波，并据以产生该输出电压，i为整数且1≤i≤N。

8.如权利要求7所述的降压式电源转换方法，其中该低通滤波器各自对应不同的一截止频率，且第j个低通滤波器的截止频率大于第(j+1)个低通滤波器的截止频率，j为整数且1≤j≤(N-1)。

9.如权利要求8所述的降压式电源转换方法，其中依据该感测讯号来判别流经该负载的电流，并依据判别结果来产生该路径切换讯号的步骤包括：

提供(N-1)个电流临界值，其中第k个电流临界值小于第(k+1)个电流临界值，k为整数且1≤k≤(N-2)；

依据该感测讯号来产生一负载电流值，并将该负载电流值与该电流临界值相互比较；

当该负载电流值小于第1个电流临界值时，产生对应第1个滤波路径的该路径切换讯号；

当该负载电流值大于第k个电流临界值并小于第(k+1)个电流临界值时，产生对应第(k+1)个滤波路径的该路径切换讯号；以及

当该负载电流值大于第(N-1)个电流临界值时，产生对应第N个滤波路径的该路径切换讯号。

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