CN104953836A - 升压转换器电路与升压转换器电路控制方法 - Google Patents

Abstract

一种与升压转换器电路控制方法。该升压转换器控制方法用以控制一升压转换器，其中升压转换器根据一输入电压产生一输出电压，升压转换器包括一电感、耦接于电感与一接地点之间的一第一晶体管、耦接在电感与一输出端之间的一第二晶体管、以及耦接至第二晶体管与输出端的一电容。此升压转换器控制方法包括：在一第一时间区间持续导通第二晶体管，用以充电电容；在一第二时间区间根据一第一切换频率轮流导通第一晶体管与第二晶体管；以及在一第三时间区间根据一第二切换频率轮流导通第一晶体管与第二晶体管，其中该第一切换频率小于该第二切换频率。

Description

升压转换器电路与升压转换器电路控制方法

技术领域

本发明涉及一种控制电路，特别涉及一种适用于升压转换器的控制电路与对应的控制方法。

背景技术

电子装置通常包含多个元件，各元件分别需要不同的操作电压。因此，对于电子装置而言，直流-直流电压转换器为不可缺少的装置，用以调整并且稳定电压电平。多种不同的直流-直流电压转换器基于不同的功率需求被开发出来，包括降压转换器(buck converter)及升压转换器(booster converter)。降压转换器可将输入的直流电压降低至一预设电压电平，而升压转换器可将输入的直流电压提高。随着电路技术的演进，降压转换器及升压转换器也对应地被调整，以应用于不同的系统架构及符合不同的系统需求。

一般而言，升压转换器可运作于脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，缩写为PWM)模式与脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation，缩写为PFM)模式。然而，PWM模式与PFM模式各有优劣。举例而言，若升压转换器在电子装置系统开机时直接运作在PWM模式，则会发生电感电流过大的问题。

有鉴于此，需要一种适用于升压转换器的控制电路与对应的控制方法，可有效避免升压转换器在开机过程中产生电感电流过大的问题，以保护电子装置系统内的电子元件不会因为过大的电流而造成损伤。

发明内容

本发明公开一种升压转换器电路，包括一升压转换器与一控制电路。升压转换器用以根据一输入电压在一输出端产生一输出电压。升压转换器包括一电感、一第一晶体管以及一第二晶体管。第一晶体管耦接在电感与一接地点之间，用以根据一第一控制信号切换其导通状态。第二晶体管耦接在电感与输出端之间，用以根据一第二控制信号切换其导通状态。控制电路耦接至升压转换器，用以根据一时钟信号产生第一控制信号与第二控制信号。控制电路控制第一晶体管与第二晶体管在一既定时间区间根据一第一切换频率轮流被导通，并且其中第一切换频率小于时钟信号的一频率。

本发明更公开一种升压转换器控制方法，用以控制一升压转换器，其中升压转换器根据一输入电压产生一输出电压，升压转换器包括一电感、耦接在电感与一接地点之间的一第一晶体管、耦接在电感与一输出端之间的一第二晶体管、以及耦接至第二晶体管与输出端的一电容。此升压转换器控制方法包括：在一第一时间区间持续导通第二晶体管，用以充电电容；在一第二时间区间根据一第一切换频率轮流导通第一晶体管与第二晶体管；以及在一第三时间区间根据一第二切换频率轮流导通第一晶体管与第二晶体管，其中该第一切换频率小于该第二切换频率。

附图说明

图1是显示根据本发明的一实施例所述的升压转换器电路。

图2是显示一种升压转换器开机波形示意图。

图3是显示另一种升压转换器开机波形示意图。

图4是显示根据本发明的一实施例所述的控制电路方块图。

图5是显示根据本发明的另一实施例所述的控制电路方块图。

图6是显示根据本发明的一实施例所述的逻辑控制单元电路图。

图7是显示根据本发明的一实施例所述的信号波形图。

图8是显示根据本发明的一实施例所述的控制信号波形图。

图9是显示根据本发明的一实施例所述的升压转换器控制方法流程图。

图10是显示根据本发明的一实施例所述的升压转换器开机波形示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出优选实施例，并配合附图，作详细说明。

图1是显示根据本发明的一实施例所述的升压转换器电路。升压转换器电路100可包括一升压转换器110与一控制电路120。升压转换器110用以根据一输入电压VIN在一输出端产生一输出电压VOUT。升压转换器110包括电感L、耦接在电感L与接地点之间的晶体管LG、耦接在电感L与输出端之间的晶体管UG、以及耦接至晶体管UG与输出端的电容C。控制电路120耦接至升压转换器110，用以根据一时钟信号CLK产生控制信号Ctrl_1与Ctrl_2，其中晶体管LG接收控制信号Ctrl_1，用以根据控制信号Ctrl_1切换其导通状态，晶体管UG接收控制信号Ctrl_2，用以根据控制信号Ctrl_2切换其导通状态。

一般而言，升压转换器可运作在脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，缩写为PWM)模式与脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation，缩写为PFM)模式。

图2是显示一种升压转换器开机波形示意图。如图所示，在既定时间区间T1～T3内，升压转换器运作在PFM模式，而在时间点T3之后，升压转换器改为运作在PWM模式。其中时间点T1可被设定为输出电压VOUT自小于输入电压VIN被提升至大于输入电压VIN的切换时间点，而时间点T3可以被设定为自时间点T1后等待一段既定时间，或是被设定为输出电压VOUT可稳定地被产生的时间点。

在PFM模式下，晶体管LG与UG轮流被导通。当电感电流IL斜率为正时，晶体管LG被导通，直到电感电流IL持续增加到达过电流(Over Current)电平OC时，改为让晶体管UG被导通。当晶体管UG被导通时，电感电流IL的斜率由正转为负。待输出电压VOUT稳定地大于输入电压VIN一段时间后，即，在时间点T3之后，升压转换器改为运作在PWM模式。

图3是显示另一种升压转换器开机波形示意图。图3所示的情境为升压转换器所耦接的负载R为重载的情境，而图2所示的情境为升压转换器所耦接的负载R为轻载的情境。由图2与图3中可看出，当升压转换器所耦接的负载R为轻载时，在既定时间区间T1～T3内，电感电流IL会大于流经负载R的平均电流IOUT。然而，此一过大的电感电流IL对于负载R或电路内的其他电子元件会成为涌入电流(Inrush Current)。瞬间涌入电流将会导致电子元件的寿命减损。因此，本发明提供一种适用于升压转换器的控制电路与对应的控制方法，可有效避免升压转换器在开机过程中产生过大的电感电流的问题，以保护电子装置系统内的电子元件不会因为过大的电流而造成损伤。

根据本发明的一实施例，控制电路120可控制晶体管LG与UG在既定时间区间T1～T3内根据一较低的切换频率轮流被导通，并且可在晶体管LG被导通一短暂期间后，立即切换为导通晶体管UG，用以有效减少在开机过程中所产生的电感电流IL，以解决上述电感电流过大的问题。

图4是显示根据本发明的一实施例所述的控制电路方块图。根据本发明的一实施例，控制电路420可包括多个比较器，例如比较器421、422与423、一时钟产生电路424、一逻辑控制单元425、一触发器426、一时序控制电路427以及一多工器428。比较器421用以比较一分压与一参考电压VREF的大小，以产生一比较信号EAO，其中此分压为根据输出电压VOUT所产生的反馈电压VFB。比较器422进一步比较一参考信号RAMP与比较信号EAO的大小，以产生主输出信号MAINOUT。比较器423比较输入电压VIN与输出电压VOUT的大小，以产生一启动信号VOK。

时钟产生电路424用以提供时钟信号CLK。逻辑控制单元425接收时钟信号CLK、启动信号VOK以及主输出信号MAINOUT，并根据时钟信号CLK、启动信号VOK以及主输出信号MAINOUT产生一设置信号SET与一重置信号RST。触发器426耦接至逻辑控制单元425，用以根据设置信号SET与重置信号RST输出一控制信号Ctrl_3。时序控制电路427耦接至触发器426，用以控制信号Ctrl_3产生控制信号Ctrl_1与Ctrl_4。多工器428用以根据启动信号VOK选择性输出控制信号Ctrl_4与比较信号EAO的其中一个作为控制信号Ctrl_2。

图5是显示根据本发明的另一实施例所述的控制电路方块图。控制电路520可包括多个比较器，例如比较器421、422与423、一时钟产生电路424、一逻辑控制单元525以及一多工器528。控制电路520的大部分元件与控制电路420相同，因此，相关的介绍可参考至图4的说明，并在此不再赘述。

在此实施例中，逻辑控制单元525直接输出设置信号SET作为控制信号Ctrl_1。多工器528根据启动信号VOK选择性输出重置信号RST与比较信号EAO的其中一个作为控制信号Ctrl_2。

图6是显示根据本发明的一实施例所述的逻辑控制单元电路图。根据本发明的一实施，逻辑控制单元625可包括用以根据时钟信号CLK产生设置信号SET的电路子单元610以及用以根据主输出信号MAINOUT产生重置信号RST的电路子单元620。电路子单元610可包括一分频电路611、一多工器612以及一选择控制电路613。分频电路611用以接收时钟信号CLK，并且对时钟信号CLK执行分频操作以产生一或多个分频信号D2、D4…DN，其中N为一正整数。多工器612用以接收时钟信号CLK与该一或多个分频信号D2、D4…DN，并且根据一控制信号Count选择性输出时钟信号与该一或多个分频信号的其中一个作为设置信号SET。选择控制电路613用以根据系统所需的控制逻辑产生控制信号Count。

在本发明的一实施例中，选择控制电路613可包括一计数器，用以根据计数器的计数结果产生控制信号Count。举例而言，当计数器计数到第一数值时，选择控制电路613输出的控制信号Count具有对应的第一电平，以控制多工器612输出具有时钟信号的1/4频率的分频信号D4。当计数器计数到第二数值时，选择控制电路613输出的控制信号Count具有对应的第二电平，以控制多工器612输出具有时钟信号的1/2频率的分频信号D2。

电路子单元620可包括一单击电路621与一或逻辑门622。单击电路621用以根据一启动信号VOK产生一单击信号VOK_1SH。举例而言，单击电路621可在检测到启动信号VOK的一上升沿(或下降沿)，并等待一极短暂期间后，产生单击信号VOK_1SH。或逻辑门622接收单击信号VOK_1SH与主输出信号MAINOUT，用以输出单击信号VOK_1SH与主输出信号MAINOUT的一或逻辑运算结果作为重置信号RST。

图7是显示根据本发明的一实施例所述的信号波形图。如图所示，当输出电压VOUT由小于输入电压VIN被提升至大于输入电压VIN时，启动信号VOK由低电压电平转为高电压电平。单击电路621在检测到启动信号VOK的一上升沿(或，接收到启动信号VOK的高电压电平)后的一极短暂期间内产生单击信号VOK_1SH，其中单击信号VOK_1SH具有一脉冲。

根据本发明的一实施例，由于设置信号SET为时钟信号CLK的分频结果，因此设置信号SET的一频率小于时钟信号CLK的一频率。此外，由于重置信号RST为单击信号VOK_1SH与主输出信号MAINOUT的一或逻辑运算结果，因此重置信号RST的第一个脉冲系根据单击信号VOK_1SH的脉冲所产生，而重置信号RST的其余脉冲系根据主输出信号MAINOUT的脉冲所产生。控制信号Ctrl_3为触发器426根据设置信号SET与重置信号RST所产生，其中触发器426的输出逻辑为:当设置信号SET具有高电压电平而重置信号RST具有低电压电平时，控制信号Ctrl_3具有高电压电平，当设置信号SET具有低电压电平而重置信号RST具有高电压电平时，控制信号Ctrl_3具有低电压电平，当设置信号SET与重置信号RST均具有低电压电平时，控制信号Ctrl_3维持原本的电压电平，至于设置信号SET与重置信号RST均具有高电压电平为不被允许的状态。

图8是显示根据本发明的一实施例所述的控制信号波形图。根据本发明的一实施例，时序控制电路427系用以根据控制信号Ctrl_3产生控制信号Ctrl_1与Ctrl_4，其中时序控制电路427会错开控制信号Ctrl_1与Ctrl_4的上升沿与下降沿，用产生不重叠的控制信号，使得晶体管LG与UG不会同时被导通。如图8所示，控制信号Ctrl_1与Ctrl_4的上升沿与下降沿具有时间间隔Td，其中时序控制电路427系用以控制此时间间隔Td不为0。

图9是显示根据本发明的一实施例所述的升压转换器控制方法流程图。图10是显示根据本发明的一实施例所述的升压转换器开机波形示意图。结合图9与图10，以下将针对本发明所提出的升压转换器控制方法作更详细的说明。

首先，控制电路在一第一时间区间持续导通升压转换器的晶体管UG，用以充电电容C(步骤S902)。参考至图10，时间点T1可被设定为输出电压VOUT自小于输入电压VIN被提升至大于输入电压VIN的切换时间点。因此，所述的第一时间区间为时间点0～T1的时间区间。换句话说，在第一时间区间内，输出电压VOUT小于输入电压VIN。

根据本发明的一实施例，当输出电压VOUT小于输入电压VIN时，经由比较反馈电压VFB与参考电压VREF的大小而产生的比较信号EAO可具有一既定数值。同样地，当输出电压VOUT小于输入电压VIN时，经由比较输入电压VIN与输出电压VOUT的大小而产生的动信号VOK可具有另一既定数值。此时，多工器428/528可根据启动信号VOK的数值选择将比较信号EAO输出作为控制信号Ctrl_2，以控制晶体管UG持续被导通。

接着，控制电路在一第二时间区间根据第一切换频率轮流导通晶体管LG与UG(步骤S904)。参考至图10，所述的第二时间区间为时间点T1～T3的时间区间。在第二时间区间内，输出电压VOUT大于输入电压VIN。值得注意的是，在本发明的一实施例中，步骤S904可还包括:当输出电压VOUT自小于输入电压VIN被提升至大于输入电压VIN时，关闭晶体管UG并且导通晶体管LG；以及在晶体管LG被导通一短暂期间后，如图10所示，在时间点T2立即关闭晶体管LG并改为导通晶体管UG。根据本发明的一实施例，在晶体管LG被导通一短暂期间后，立即切换为导通晶体管UG的控制可藉由单击电路621的辅助完成，并且在第二时间区间开始后快速导通晶体管UG可有效减少在开机过程中所产生的电感电流IL。值得注意的是，在本发明的实施例中，此既定的短暂期间短于第一切换频率所对应的第一切换周期并且短于第二切换频率所对应的第二切换周期。

最后，控制电路在一第三时间区间根据第二切换频率轮流导通晶体管LG与UG(步骤S906)。参考至图10，所述的第三时间区间为时间点T3之后的时间区间。在第三时间区间内，输出电压VOUT大于输入电压VIN，并且可稳定地被输出。根据本发明的一实施例，第一切换频率小于第二切换频率。此外，根据本发明的一实施例第二切换频率可以是时钟信号的频率。换句话说，在既定时间区间T1～T3，晶体管LG与UG系根据一较低的切换频率轮流被导通，而在时间点T3之后，升压转换器可恢复运作为标准的PWM模式，使得晶体管LG与UG可根据正常的切换频率，例如，根据时钟信号，轮流被导通。

综上所述，在本发明的实施例中，控制电路120可先于时间区间0～T1持续导通升压转换器的晶体管UG，接着在时间点T1关闭晶体管UG并导通晶体管LG，待晶体管LG被导通一短暂期间后，在时间点T2关闭晶体管LG并导通晶体管UG，接着在时间区间T2～T3根据一较低的切换频率轮流导通晶体管LG与UG。待输出电压VOUT可稳定地被输出后，再根据一正常切换频率轮流导通晶体管LG与UG，此时升压转换器可运作为标准的PWM模式。藉此控制方法，开机过程中所产生的电感电流IL可有效地被降低。如图10所示，在时间区间T1～T3的电感电流IL小于流经负载R的平均电流IOUT。如此一来，可解决上述电感电流过大的问题。

权利要求书中用以修饰元件的“第一”、“第二”、“第三”等序数词的使用本身未暗示任何优先权、优先次序、各元件之间的先后次序、或方法所执行的步骤的次序，而仅用作标识来区分具有相同名称(具有不同序数词)的不同元件。

虽然本发明已以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附权利要求书界定范围为准。

Claims (13)

1.一种升压转换器电路，包括：

升压转换器，用以根据输入电压在输出端产生输出电压，其中该升压转换器包括：

电感；

第一晶体管，耦接在该电感与接地点之间，用以根据第一控制信号切换其导通状态；以及

第二晶体管，耦接在该电感与该输出端之间，用以根据第二控制信号切换其导通状态；以及

控制电路，耦接至该升压转换器，用以根据时钟信号产生该第一控制信号与该第二控制信号，

其中该控制电路控制该第一晶体管与该第二晶体管在既定时间区间根据第一切换频率轮流被导通，

并且其中该第一切换频率小于该时钟信号的频率。

2.如权利要求1所述的升压转换器电路，其中该控制电路包括：

逻辑控制单元，用以根据该时钟信号与主输出信号产生设置信号与重置信号。

3.如权利要求2所述的升压转换器电路，其中该逻辑控制单元输出该设置信号作为该第一控制信号，并且其中该控制电路还包括：

第一多工器，用以根据启动信号选择性输出该重置信号与比较信号的其中一个作为该第二控制信号。

4.如权利要求2所述的升压转换器电路，其中该控制电路还包括：

触发器，耦接至该逻辑控制单元，用以根据该设置信号与该重置信号输出第三控制信号；

时序控制电路，耦接至该触发器，用以根据该第三控制信号产生该第一控制信号与第四控制信号；以及

第一多工器，用以根据启动信号选择性输出该第四控制信号与比较信号的其中一个作为该第二控制信号。

5.如权利要求2所述的升压转换器电路，其中该逻辑控制单元包括：

第一电路子单元，用以根据该时钟信号产生该设置信号，其中该第一电路子单元包括：

分频电路，用以接收该时钟信号，并且对该时钟信号执行分频操作以产生一或多个分频信号；以及

第二多工器，用以接收该时钟信号与该一或多个分频信号，并且选择性输出该时钟信号与该一或多个分频信号的其中一个作为该设置信号。

6.如权利要求2所述的升压转换器电路，其中该逻辑控制单元还包括：

第二电路子单元，用以根据该主输出信号产生该重置信号，其中该第二电路子单元包括：

单击电路，用以根据启动信号产生单击信号；以及

或逻辑门，接收该单击信号与该主输出信号，用以输出该单击信号与该主输出信号的一或逻辑运算结果作为该重置信号。

7.如权利要求1所述的升压转换器电路，其中该升压转换器还包括电容，耦接至该输出端，其中当该输出电压小于该输入电压时，该第二晶体管持续被导通，用以充电该电容。

8.如权利要求1所述的升压转换器电路，其中当该输出电压由小于该输入电压被提升至大于该输入电压时，该第二晶体管被关闭并且该第一晶体管被导通。

9.如权利要求8所述的升压转换器电路，其中在该第一晶体管被导通既定期间后，该第一晶体管被关闭并且该第二晶体管被导通，并且该既定期间短于该时钟信号的周期。

10.如权利要求8所述的升压转换器电路，其中当该输出电压大于该输入电压后，在该既定时间区间内，该第一晶体管与该第二晶体管根据该第一切换频率轮流被导通，以及在该既定时间区间后，该第一晶体管与该第二晶体管根据第二切换频率轮流被导通，并且其中该第一切换频率小于该第二切换频率。

11.一种升压转换器控制方法，用以控制升压转换器，其中该升压转换器根据输入电压产生输出电压，该升压转换器包括电感、耦接在该电感与接地点之间的第一晶体管、耦接在该电感与输出端之间的第二晶体管、以及耦接至该第二晶体管与该输出端的电容，该方法包括：

在第一时间区间持续导通该第二晶体管，用以充电该电容；

在第二时间区间根据第一切换频率轮流导通该第一晶体管与该第二晶体管；以及

在第三时间区间根据第二切换频率轮流导通该第一晶体管与该第二晶体管，

其中该第一切换频率小于该第二切换频率。

12.如权利要求11所述的方法，其中在该第一时间区间，该输出电压小于该输入电压，并且在该第二时间区间与该第三时间区间，该输出电压大于该输入电压。

13.如权利要求11所述的方法，其中在该第二时间区间根据该第一切换频率轮流导通该第一晶体管与该第二晶体管的该步骤还包括：

当该输出电压自小于该输入电压被提升至大于该输入电压时，关闭该第二晶体管并且导通该第一晶体管；以及

在导通该第一晶体管一既定期间后，关闭该第一晶体管并且导通该第二晶体管，

其中该既定期间短于该第一切换频率所对应的第一切换周期并且短于该第二切换频率所对应的第二切换周期。