CN103390996B - 一种控制电路及相关的切换式稳压器 - Google Patents

Abstract

本专利提出一种控制电路，用于控制升降压式转换器中的切换式稳压器，其中该切换式稳压器包含有第一至第四开关。控制电路包含有：误差侦测器，用于产生对应于切换式稳压器的输出电压的误差信号；三角波产生器，用于产生三角波信号；比较器，用于比较误差信号与三角波信号，以产生比较信号；振荡器，用于产生振荡信号；以及控制信号产生器，用于依据比较信号、振荡信号、以及时脉信号来控制第一至第四开关的运作，以将该切换式稳压器设置成只会在升压模式和降压模式间切换，而不会操作于升降压模式。前述控制电路可避免切换式稳压器进入升降压模式，使切换式稳压器中最多只会有两个开关同时在进行切换，进而有效减少升降压式转换器的切换损失。

Description

一种控制电路及相关的切换式稳压器

技术领域

本发明有关升降压式转换器的技术，尤指一种可减少升降压式转换器之切换损失的控制电路及相关的切换式稳压器。

背景技术

在一般的升降压式转换器(buck-boost converter)中，会利用切换式稳压器在升压模式(boost mode)、降压模式(buck mode)、以及升降压模式(buck-boost mode)三者间流轮切换操作，以将输入电压转换成所需的输出电压。

现有的切换式稳压器包含有四个功率开关。当切换式稳压器操作在升压模式时，切换式稳压器中只有两个功率开关会轮流导通。当切换式稳压器操作在降压模式时，则变成是另两个功率开关会轮流导通。

当输入电压与输出电压相近时，现有的切换式稳压器则会操作在升降压模式。在升降压模式中，切换式稳压器中的四个功率开关都会被交替地导通和截止，使得电路的切换损失(switching loss)增加，因而降低了升降压式转换器的能量转换效率。

发明内容

有鉴于此，如何降低使用切换式稳压器的升降压式转换器的切换损失，以改善升降压式转换器的能量转换效率，实为业界有待解决的问题。

本说明书提供了一种控制电路，用于控制一升降压式转换器中的一切换式稳压器。该切换式稳压器包含有一第一开关、一第二开关、一第三开关、和一第四开关。该控制电路包含有：一误差侦测器，用于产生对应于该切换式稳压器的一输出电压的一误差信号；一三角波产生器，用于产生一三角波信号；一比较器，耦接于该误差侦测器和该三角波产生器，用于比较该误差信号与该三角波信号，以产生一比较信号；一振荡器，用于依据该切换式稳压器的一输入电压产生一振荡信号；以及一控制信号产生器，耦接于该比较器和该振荡器，用于依据该比较信号、该振荡信号、以及一时脉信号来控制该第一、该第二、该第三、和该第四开关的运作，以将该切换式稳压器设置成只会在一升压模式和一降压模式间切换，而不会操作于一升降压模式。

上述控制电路的优点之一，是可避免切换式稳压器进入升降压模式，以使切换式稳压器中最多只会有两个开关同时在进行切换，进而有效减少升降压式转换器的切换损失，以改善升降压式转换器的能量转换效率。

本说明书另提供了一种用于一升降压式转换器的切换式稳压器的实施例，其包含有：一第一开关，其第一端用于耦接一输入电压，且该第一开关的第二端用于耦接一外部电感；一第二开关，其第一端耦接于该第一开关的第二端；一第三开关，其第一端用于耦接该外部电感；一第四开关，其第一端耦接于该第三开关的第一端，且该第四开关的第二端用于提供一输出电压；一误差侦测器，用于产生对应于该输出电压的一误差信号；一三角波产生器，用于产生一三角波信号；一比较器，耦接于该误差侦测器和该三角波产生器，用于比较该误差信号与该三角波信号，以产生一比较信号；一振荡器，用于依据该输入电压产生一振荡信号；以及一控制信号产生器，耦接于该比较器和该振荡器，用于依据该比较信号、该振荡信号、以及一时脉信号来控制该第一、该第二、该第三、和该第四开关的运作，以将该切换式稳压器设置成只会在一升压模式和一降压模式间切换，而不会操作于一升降压模式。

上述切换式稳压器的优点之一，是只会操作在降压模式和升压模式的其中之一，而不会操作在升降压模式，故可有效减少切换损失，以改善升降压式转换器的能量转换效率。

附图说明

图1为本发明之升降压式转换器的一实施例简化后的功能方块图。

图2是图1中的控制电路的一实施例简化后的功能方块图。

图3是图1中的控制电路于切换式稳压器的输入电压高于输出电压时的一运作实施例简化后的时序图。

图4是图1中的控制电路于切换式稳压器的输入电压低于输出电压时的一运作实施例简化后的时序图。

具体实施方式

以下将配合相关图式来说明本发明之实施例。在这些图式中，相同的标号表示相同或类似的元件或流程步骤。

在说明书及后续的权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的元件。所属技术领域的技术人员应可理解，同样的元件可能会用不同的名词来称呼。本说明书及后续的权利要求并不以名称的差异来做为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来做为区分的基准。在通篇说明书及后续的权利要求当中所提及的「包含」为一开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于…」。另外，「耦接」一词在此包含任何直接及间接的连接手段。因此，若文中描述一第一元件耦接于一第二元件，则代表该第一元件可直接（包含通过电性连接或无线传输、光学传输等信号连接方式）连接于该第二元件，或通过其它元件或连接手段间接地电性或信号连接至该第二元件。

在此所使用的「及/或」的描述方式，包含所列举的其中之一或多个项目的任意组合。另外，除非本说明书中有特别指明，否则任何单数格的用语都同时包含复数格的涵义。

图1为本发明一实施例的升降压式转换器100简化后的功能方块图。升降压式转换器100包含有切换式稳压器110、控制电路120、电感130、电容140、以及反馈电路150。切换式稳压器110用于耦接输入电压Vin与电感130，以将输入电压Vin转换成供后级电路使用的输出电压Vout。电容140耦接于切换式稳压器110的输出端，用于降低输出电压Vout中的噪声。反馈电路150耦接于输出电压Vout，用于产生与输出电压Vout大小相对应的反馈信号FB。实作上，反馈电路150可以是简单的分压电阻，也可以用其它的电路架构实现。

当控制电路120耦接于切换式稳压器110时，控制电路120可依据输入电压Vin和反馈信号FB产生第一控制信号CS1和第二控制信号CS2，以控制切换式稳压器110的运作。

如图1所示，切换式稳压器110包含有第一开关111、第二开关112、第三开关113、和第四开关114。开关111的第一端用于耦接输入电压Vin，且开关111的第二端用于耦接电感130。开关112的第一端耦接于开关111的第二端，且开关112的第二端耦接于固定电位(例如接地端)。开关113的第一端用于耦接电感130，且开关113的第二端耦接于固定电位(例如接地端)。开关114的第一端耦接于开关113的第一端，且开关114的第二端用于提供输出电压Vout。

在本实施例中，控制电路120包含有误差侦测器121、三角波产生器(rampsignal generator)122、比较器123、振荡器124、及控制信号产生器125。误差侦测器121用于产生对应于切换式稳压器110的输出电压Vout的误差信号EA。例如，误差侦测器121可依据反馈信号FB来产生误差信号EA。三角波产生器122用于产生三角波信号RAMP。比较器123的两输入端分别耦接于误差侦测器121和三角波产生器122。比较器123用于比较误差信号EA和三角波信号RAMP，以产生比较信号CMP。振荡器124用于依据切换式稳压器110的输入电压Vin产生振荡信号OSC，以使振荡信号OSC的负载比(duty ratio)与输入电压Vin的大小呈正相关。例如，当输入电压Vin降低时，振荡器124可将振荡信号OSC的负载比减小；而当输入电压Vin升高时，振荡器124可将振荡信号OSC的负载比加大。控制信号产生器125耦接于比较器123、振荡器124、以及时脉信号CLK，用于依据比较信号CMP、振荡信号OSC、以及时脉信号CLK来产生控制信号CS1和CS2，来控制开关111～114的运作，以将切换式稳压器110设置成只会在升压模式或降压模式中进行操作，而不会操作于升降压模式。

在本说明书中，「升压模式」指的是切换式稳压器110在开关113和开关114被轮流导通、但开关111被维持在导通状态、且开关112被维持在截止状态的时段中的运作。「降压模式」指的是切换式稳压器110在开关111和开关112被轮流导通、但开关113被维持在截止状态、且开关114被维持在导通状态的时段中的运作。「升降压模式」指的是切换式稳压器110在开关111～114都会被交替地导通和截止的时段中的运作。

依据电路设计的需要而定，也可以在控制信号产生器125与切换式稳压器110间设置适当的驱动电路。

实作上，电感130可以设置于切换式稳压器110的外部，也可以整合在切换式稳压器110中。另外，控制电路120和切换式稳压器110两者可以分别设置在不同的电路芯片中。或者，也可以将控制电路120整合在切换式稳压器110中，并以单一电路芯片的形式来实现。

以下将搭配图2到图4来进一步说明控制电路120的实施与运作方式。

图2为图1中的控制电路120的一实施例简化后的功能方块图。一般而言，升降压式转换器100中通常会设置有电流感测器210，用于产生与切换式稳压器110的输入电压Vin大小相对应的感测信号Is。因此，在图2的实施例中，控制电路120的三角波产生器122可利用斜坡电流产生器(ramp currentgenerator)220来产生斜坡电流Ir，并将斜坡电流Ir与感测信号Is迭加以形成三角波信号RAMP。

在图2的实施例中，控制信号产生器125包含有视窗信号产生器252和逻辑电路254。视窗信号产生器252耦接于比较器123的输出端和时脉信号CLK，用于依据比较信号CMP和时脉信号CLK产生视窗信号WS。逻辑电路254耦接于振荡器124和视窗信号产生器252，用于依据振荡信号OSC和视窗信号WS来产生控制信号CS1和CS2，以控制开关111～114的运作。

在本实施例中，控制信号CS1用于控制开关111和开关112的运作，而控制信号CS2则用于控制开关113和开关114的运作，其中开关111的控制逻辑与开关112相反，而开关113的控制逻辑则是与开关114相反。

当切换式稳压器110的输入电压Vin高于所需的输出电压Vout时，控制电路120会将切换式稳压器110设置成主要操作在降压模式。当切换式稳压器110的输入电压Vin低于所需的输出电压Vout时，控制电路120则会将切换式稳压器110设置成主要操作在升压模式。

图3为图2中的控制电路120于切换式稳压器110的输入电压Vin高于所需的输出电压Vout时的一运作实施例简化后的时序图。如图3所示，比较器123会将误差信号EA以及三角波信号RAMP进行比较，以产生比较信号CMP。

控制信号产生器125中的视窗信号产生器252会于时脉信号CLK的第一边缘触发时，切换视窗信号WS的逻辑电平，并于比较信号CMP的第二边缘触发时，切换视窗信号WS的逻辑电平。例如，在图3的实施例中，视窗信号产生器252会于时脉信号CLK的上升缘触发时，将视窗信号WS切换至高逻辑电平，并于比较信号CMP的下降缘触发时，将视窗信号WS切换至低逻辑电平。

当切换式稳压器110的输入电压Vin高于所需的输出电压Vout时，控制信号产生器125中的逻辑电路254会利用控制信号CS1轮流导通开关111和开关112，并同时将控制信号CS2维持在固定电位(例如图3中绘示的低电位)，以使开关113维持在截止状态，并使开关114维持在导通状态。

例如，在图3的实施例中，当振荡信号OSC和视窗信号WS的逻辑电平相同时，逻辑电路254会将控制信号CS1设置成一第一电位(例如图3中绘示的高电位)，以导通开关111并同时截止开关112。当振荡信号OSC和视窗信号WS的逻辑电平相异时，逻辑电路254则会将控制信号CS1切换至一第二电位(例如图3中绘示的低电位)，以导通开关112并同时截止开关111。随着振荡信号OSC和视窗信号WS的逻辑电平变动，逻辑电路254产生的控制信号CS1会在高电位与低电位间交替地切换，以使开关111和开关112轮流导通。

在前述的运作过程中，除了因电路元件(例如开关111～114)的非理想性导致电路切换延迟的些许时间外，切换式稳压器110主要会操作在降压模式。

图4为图2中的控制电路120于切换式稳压器110的输入电压Vin低于所需的输出电压Vout时的一运作实施例简化后的时序图。

控制信号产生器125中的视窗信号产生器252同样会于时脉信号CLK的第一边缘触发时，切换视窗信号WS的逻辑电平，并于比较信号CMP的第二边缘触发时，切换视窗信号WS的逻辑电平。例如，在图4的实施例中，视窗信号产生器252会于时脉信号CLK的上升缘触发时，将视窗信号WS切换至高逻辑电平，并于比较信号CMP的下降缘触发时，将视窗信号WS切换至低逻辑电平。

当切换式稳压器110的输入电压Vin低于所需的输出电压Vout时，控制信号产生器125中的逻辑电路254会利用控制信号CS2轮流导通开关113和开关114，并同时将控制信号CS1维持在固定电位(例如图4中绘示的高电位)，以使开关111维持在导通状态，并使开关112维持在截止状态。

例如，在图4的实施例中，当振荡信号OSC和视窗信号WS的逻辑电平相异时，逻辑电路254会于将控制信号CS2设置成一第三电位(例如图4中绘示的高电位)，以导通开关113并同时截止开关114。当振荡信号OSC和视窗信号WS的逻辑电平相同时，逻辑电路254则会将控制信号CS2切换至一第四电位(例如图4中绘示的低电位)，以导通开关114并同时截止开关113。随着振荡信号OSC和视窗信号WS的逻辑电平变动，逻辑电路254产生的控制信号CS2会在高电位与低电位间交替地切换，以使开关113和开关114轮流导通。

由前述图3和图4的时序图说明可知，当切换式稳压器110的输入电压Vin高于所需的输出电压Vout时，控制电路120会持续截止开关113并同时持续导通开关114，而不交替切换开关113和114。反之，当切换式稳压器110的输入电压Vin低于所需的输出电压Vout时，控制电路120会持续导通开关111并同时持续截止开关112，而不交替切换开关111和112。

在前述的运作过程中，除了因电路元件(例如开关111～114)的非理想性导致电路切换延迟的些许时间外，切换式稳压器110主要会操作在升压模式。

由于在控制电路120中只利用单一比较器123对比较误差信号EA和三角波信号RAMP进行比较，以产生控制信号产生器125所需的比较信号CMP，因此，当切换式稳压器110的输入电压Vin接近所需的输出电压Vout时，控制信号产生器125也只会进行前述图3或图4所描述的运作，而将切换式稳压器110设置成操作在降压模式和升压模式的其中之一。亦即，当切换式稳压器110的输入电压Vin高于所需的输出电压Vout时，即使输入电压Vin很接近输出电压Vout，控制电路120也只会将切换式稳压器110设置成主要操作在降压模式。反之，当切换式稳压器110的输入电压Vin低于所需的输出电压Vout时，即使输入电压Vin很接近输出电压Vout，控制电路120也只会将切换式稳压器110设置成主要操作在升压模式。因此，在前述的控制电路120的控制下，切换式稳压器110只会在升压模式和降压模式两者间进行切换，而不会操作于升降压模式。如此一来，便能有效减少升降压式转换器100的切换损失，以改善升降压式转换器100的能量转换效率。

在前述控制电路120的控制下，升降压式转换器100于输入电压Vin与输出电压Vout相近时的电感电流斜率，也会比传统的升降压式转换器更平顺。这有助于降低切换式稳压器110的导通损失(conduction loss)，并进一步提高升降压式转换器100的能量转换效率。

此外，前述控制电路120利用单一比较器123来比较误差信号EA和三角波信号RAMP的架构，也有助于精简所需的电路面积。

在前述的实施例中，三角波产生器122产生的三角波信号RAMP是以电流形式的信号实现，但这只是为了方便说明所举的一种实施例，而非局限三角波产生器122的实际实施方式。例如，也可以将三角波产生器122设计成用来产生电压形式的三角波信号。实作上，三角波产生器122可以依据切换式稳压器110的输入电压Vin来产生三角波信号，也可以改成依据切换式稳压器110的输出电压Vout来产生三角波信号。或者，三角波产生器122也可以独立产生三角波信号，而不以输入电压Vin和输出电压Vout做为参考依据。

另外，在前述的各实施例中，切换式稳压器110中有部分开关的控制信号是以高态有效(active high)的形式表示，而其它开关的控制信号则是以低态有效(active low)的形式表示，但这只是为了方便举例说明，并非局限这些开关的控制信号的实际实施方式。

另外，在前述的控制电路120中，振荡器124随着输入电压Vin改变振荡信号OSC的负载比，使得振荡信号OSC的负载比与输入电压Vin的大小呈正相关的做法，可以提高控制电路120对于输入电压Vin变化的响应速度。但这只是一实施例，而非局限振荡器124的实际实施方式。例如，在某些实施例中，也可以将振荡器124改设计成用来产生具有固定负载比的振荡信号，以降低电路的复杂度。

以上所述仅为本发明之较佳实施例，凡依本发明权利要求所做之均等变化与修饰，皆应属本发明之涵盖范围。

Claims (16)

1.一种控制电路，用于控制一升降压式转换器中的一切换式稳压器，其中该切换式稳压器包含有一第一开关、一第二开关、一第三开关、和一第四开关，该控制电路包含有：

一误差侦测器，用于产生对应于该切换式稳压器的一输出电压的一误差信号；

一三角波产生器，用于产生一三角波信号；

一比较器，耦接于该误差侦测器和该三角波产生器，用于比较该误差信号与该三角波信号，以产生一比较信号；

一振荡器，用于产生一振荡信号；以及

一控制信号产生器，耦接于该比较器和该振荡器，用于依据该比较信号、该振荡信号、以及一时脉信号来控制该第一、该第二、该第三、和该第四开关的运作，以将该切换式稳压器设置成只会在一升压模式和一降压模式间切换，而不会操作于一升降压模式；

其中该振荡器会依据一输入电压产生该振荡信号，以使该振荡信号的负载比与该输入电压的大小呈正相关。

2.如权利要求1所述的控制电路，其中该控制信号产生器包含有：

一视窗信号产生器，耦接于该比较器，用于依据该比较信号和该时脉信号产生一视窗信号；以及

一逻辑电路，耦接于该振荡器和该视窗信号产生器，用于依据该振荡信号和该视窗信号产生多个控制信号，以控制该第一、该第二、该第三、和该第四开关的运作。

3.如权利要求2所述的控制电路，其中该视窗信号产生器会于该时脉信号的一第一边缘触发时，切换该视窗信号的逻辑电平，并于该比较信号的一第二边缘触发时，切换该视窗信号的逻辑电平。

4.如权利要求3所述的控制电路，其中该视窗信号产生器会于该时脉信号的上升缘触发时，将该视窗信号切换至一第一逻辑电平，并于该比较信号的下降缘触发时，将该视窗信号切换至一第二逻辑电平。

5.如权利要求2所述的控制电路，其中若该控制信号产生器将该切换式稳压器设置成操作在该降压模式，则该逻辑电路会于该振荡信号和该视窗信号的逻辑电平相同时，将用来控制该第一开关和该第二开关的一第一控制信号设置成一第一电位，并于该振荡信号和该视窗信号的逻辑电平相异时，将该第一控制信号切换至一第二电位。

6.如权利要求5所述的控制电路，其中若该控制信号产生器将该切换式稳压器设置成操作在该升压模式，则该逻辑电路会于该振荡信号和该视窗信号的逻辑电平相异时，将用来控制该第三开关和该第四开关的一第二控制信号设置成一第三电位，并于该振荡信号和该视窗信号的逻辑电平相同时，将该第二控制信号切换至一第四电位。

7.如权利要求2所述的控制电路，其中该三角波产生器包含有：

一斜坡电流产生器，用于产生一斜坡电流；

其中该斜坡电流会与大小和一输入电压相对应的一感测信号迭加形成该三角波信号。

8.如权利要求1所述的控制电路，其中该三角波产生器包含有：

一斜坡电流产生器，用于产生一斜坡电流；

其中该斜坡电流会与大小和一输入电压相对应的一感测信号迭加形成该三角波信号。

9.一种用于一升降压式转换器的切换式稳压器，其包含有：

一第一开关，其第一端用于耦接一输入电压，且该第一开关的第二端用于耦接一外部电感；

一第二开关，其第一端耦接于该第一开关的第二端；

一第三开关，其第一端用于耦接该外部电感；

一第四开关，其第一端耦接于该第三开关的第一端，且该第四开关的第二端用于提供一输出电压；

一误差侦测器，用于产生对应于该输出电压的一误差信号；

一三角波产生器，用于产生一三角波信号；

一比较器，耦接于该误差侦测器和该三角波产生器，用于比较该误差信号与该三角波信号，以产生一比较信号；

一振荡器，用于产生一振荡信号；以及

一控制信号产生器，耦接于该比较器和该振荡器，用于依据该比较信号、该振荡信号、以及一时脉信号来控制该第一、该第二、该第三、和该第四开关的运作，以将该切换式稳压器设置成只会在一升压模式和一降压模式间切换，而不会操作于一升降压模式；

其中该振荡器会依据该输入电压产生该振荡信号，以使该振荡信号的负载比与该输入电压的大小呈正相关。

10.如权利要求9所述的切换式稳压器，其中该控制信号产生器包含有：

一视窗信号产生器，耦接于该比较器，用于依据该比较信号和该时脉信号产生一视窗信号；以及

一逻辑电路，耦接于该振荡器和该视窗信号产生器，用于依据该振荡信号和该视窗信号产生多个控制信号，以控制该第一、该第二、该第三、和该第四开关的运作。

11.如权利要求10所述的切换式稳压器，其中该视窗信号产生器会于该时脉信号的一第一边缘触发时，切换该视窗信号的逻辑电平，并于该比较信号的一第二边缘触发时，切换该视窗信号的逻辑电平。

12.如权利要求11所述的切换式稳压器，其中该视窗信号产生器会于该时脉信号的上升缘触发时，将该视窗信号切换至一第一逻辑电平，并于该比较信号的下降缘触发时，将该视窗信号切换至一第二逻辑电平。

13.如权利要求10所述的切换式稳压器，其中若该控制信号产生器将该切换式稳压器设置成操作在该降压模式，则该逻辑电路会于该振荡信号和该视窗信号的逻辑电平相同时，将用来控制该第一开关和该第二开关的一第一控制信号设置成一第一电位，并于该振荡信号和该视窗信号的逻辑电平相异时，将该第一控制信号切换至一第二电位。

14.如权利要求13所述的切换式稳压器，其中若该控制信号产生器将该切换式稳压器设置成操作在该升压模式，则该逻辑电路会于该振荡信号和该视窗信号的逻辑电平相异时，将用来控制该第三开关和该第四开关的一第二控制信号设置成一第三电位，并于该振荡信号和该视窗信号的逻辑电平相同时，将该第二控制信号切换至一第四电位。

15.如权利要求10所述的切换式稳压器，其中该三角波产生器包含有：

一斜坡电流产生器，用于产生一斜坡电流；

其中该斜坡电流会与大小和该输入电压相对应的一感测信号迭加形成该三角波信号。

16.如权利要求9所述的切换式稳压器，其中该三角波产生器包含有：

一斜坡电流产生器，用于产生一斜坡电流；

其中该斜坡电流会与大小和该输入电压相对应的一感测信号迭加形成该三角波信号。