CN105141130A - 脉宽调制控制单元、电压调节器及其控制方法 - Google Patents

脉宽调制控制单元、电压调节器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供了一种脉宽调制控制单元、电压调节器及其控制方法，该电压调节器用以将一输入电压转换成一输出电压，并包括一第一开关、一第二开关、一滤波单元、一脉宽调制控制单元以及一驱动器。第一开关根据一第一控制信号，令一第一节点的电压等于一输入电压。第二开关根据一第二控制信号，令第一节点的电压等于一接地电压。滤波单元根据第一节点的电压，产生一输出电压。当输出电压小于一参考电压时，脉宽调制控制单元根据输入电压及输出电压，产生一脉宽调制信号。驱动器根据脉宽调制信号，产生第一及第二控制信号。

Description

脉宽调制控制单元、电压调节器及其控制方法
技术领域
本发明实施例涉及一种电压调节器，特别是涉及一种具有脉宽调制信号的电压调节器。
背景技术
一般的操作系统需要许多不同的电源，用以驱动不同的电路。在目前的技术中，通常利用一电压调节器(voltageregulator)转换一输入电压，用以产生一相对应的输出电压。电压调节器大致包括升压调节器及降压调节器。对于升压调节器而言，输出电压大于输入电压。对于降压调节器而言，输出电压小于输入电压。然而，不论是哪种调节器，为了稳定输出电压，调节器具有相当的功率损耗。
发明内容
本发明实施例提供一种脉宽调制控制单元，包括一比较单元、一定电流源、一储能模块、一第一比较器、一第二比较器、一逻辑门以及一整合器。比较单元比较一输出电压与一参考电压，并根据比较结果控制一第一节点的电压。定电流源接收一输入电压，并耦接第一节点。储能模块耦接第一节点，并接收一接地电压。第一比较器比较输出电压及第一节点的电压，用以产生一开启信号。第二比较器比较第一节点的电压及输入电压，用以产生一输出信号。逻辑门根据开启信号及输出信号，产生一关闭信号。当开启信号及输出信号均为一第一电平时，逻辑门令关闭信号为一第二电平。第一电平低于第二电平。整合器整合开启信号及关闭信号，用以产生一脉宽调制信号。
本发明实施例另提供一种电压调节器，用以将一输入电压转换成一输出电压，并包括一第一开关、一第二开关、一滤波单元、一脉宽调制控制单元以及一驱动器。第一开关根据一第一控制信号，令一第一节点的电压等于输入电压。第二开关根据一第二控制信号，令第一节点的电压等于一接地电压。滤波单元根据第一节点的电压，产生输出电压。脉宽调制控制单元包括一比较单元、一定电流源、一储能模块、一第一比较器、一第二比较器、一逻辑门以及一整合器。比较单元比较一输出电压与一参考电压，并根据比较结果控制一第二节点的电压。定电流源接收一输入电压，并耦接第二节点。储能模块耦接第二节点，并接收一接地电压。第一比较器比较输出电压及第二节点的电压，用以产生一开启信号。第二比较器比较第二节点的电压及输入电压，用以产生一输出信号。逻辑门根据开启信号及输出信号，产生一关闭信号。当开启信号及输出信号均为一第一电平时，逻辑门令关闭信号为一第二电平。第一电平低于第二电平。整合器整合开启信号及关闭信号，用以产生一脉宽调制信号。驱动器根据脉宽调制信号，产生第一及第二控制信号。
本发明实施例更提供一种控制方法，包括利用一输出级电路将一输入电压转换成一输出电压；比较输出电压与一参考电压，用以产生一比较结果，并依据比较结果来控制一第一节点的电压；根据第一节点的电压，产生一开启信号以及一关闭信号；整合开启信号及关闭信号，用以产生一脉宽调制信号；以及解码脉宽调制信号，用以产生第一及第二控制信号予输出级电路。
为让本发明的特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：
附图说明
图1为本发明实施例的电压调节器的示意图。
图2为本发明实施例的脉宽调制控制单元的示意图。
图3为本发明实施例的电压调节器的波形示意图。
图4为本发明实施例的控制方法的流程示意图。
图中符号说明：
100：电压调节器；
VIN：输入电压；
VOUT：输出电压；
102、104、224：开关；
106：滤波单元；
108：脉宽调制控制单元；
110：驱动器；
SC1、SC2：控制信号；
112、216：节点；
GND：接地电压；
L：电感；
C1～C3：电容；
SPWM：脉宽调制信号；
VCC、VDD：操作电压；
200：开启/关闭时间产生器；
IL：电流；
202：整合器；
204：比较单元；
206：定电流源；
208：储能模块；
210、212、218：比较器；
214：逻辑门；
VREF：参考电压；
220：重置模块；
Comp：比较结果；
222：逻辑电路；
Ton：开启信号；
T：输出信号；
Toff：关闭信号；
P300、P304、P308、P312、P316：期间；
T302、T306、T310、T314：时间点；
S410、S420、S430、S440、S450、S460：步骤。
具体实施方式
图1为本发明实施例的电压调节器的示意图。电压调节器100将一输入电压VIN转换成一输出电压VOUT。在本实施例中，电压调节器100包括开关102、104、一滤波单元106、一脉宽调制控制单元108以及一驱动器110。在其它实施例中，电压调节器100所产生的输出电压VOUT供另一电路使用，并与该电路整合在一芯片中。
开关102根据一控制信号SC1，令一节点112的电压等于输入电压VIN。举例而言，当控制信号SC1为一高电平时，开关102导通，因此，节点112的电压等于输入电压VIN。当控制信号SC1为一低电平时，开关102不导通。此时，节点112的电压不等于输入电压VIN。
开关104根据一控制信号SC2，令节点112的电压等于一接地电压GND。举例而言，当控制信号SC2为一高电平时，开关104导通，用以使节点112的电压等于接地电压GND。当控制信号SC2为一低电平时，开关104不导通。因此，节点112的电压不等于接地电压GND。
在本实施例中，开关102及104构成一输出级电路，并均为N型晶体管，但并非用以限制本发明。在另一实施例中，开关102及104均为P型晶体管。在此例中，当控制信号SC1或SC2为低电平时，开关102或104才会导通。由于P型晶体管的控制方式为本领域人士所深知，故不再赘述。在其它实施例中，开关102及104之一为P型晶体管，而另一者为N型晶体管。
滤波单元106根据节点112的电压，产生一输出电压VOUT。在本实施例中，滤波单元106为一低通滤波器(Lowpassfilter)，并包括一电感L以及一电容C1。当开关102导通时，流经电感L的电流IL逐渐上升，并且输出电压VOUT也逐渐上升。当开关104导通时，流经电感L的电流IL逐渐下降。因此，输出电压VOUT也逐渐下降。当开关102及104不导通时，流经电感L的电流IL等于零。此时，输出电压VOUT逐渐下降。
脉宽调制控制单元108根据输入电压VIN及输出电压VOUT，产生一脉宽调制信号SPWM。稍后将通过图2说明脉宽调制控制单元108的动作原理。驱动器110根据脉宽调制信号SPWM，产生控制信号SC1及SC2。在本实施例中，驱动器110对脉宽调制信号SPWM进行解码，并根据解码结果，产生控制信号SC1及SC2。
在一可能实施例中，当输出电压VOUT小于一参考电压时，驱动器110导通开关102，用以增加电流IL以及输出电压VOUT。接着，驱动器110导通开关104，用以避免输出电压VOUT过高。此时，电流IL逐渐变少。最后，驱动器110不导通开关102及104。因此，没有电流流过电感L。
在本实施例中，脉宽调制控制单元108及驱动器110具有不同的操作电压，如VCC及VDD。另外，由于开关102为一N型晶体管，故将一电容C2耦接于驱动器110与节点112之间。由电容C2，驱动器110所产生的控制信号SC1的电压与节点112的电压之间的差异可大于开关102的临界电压，因而导通开关102。
在其它实施例中，若开关102为一P型晶体管时，则可省略电容C2。另外，电容C3耦接于输入电压VIN与接地电压GND之间，用以稳定输入电压VIN的电平。在其它实施例中，亦可省略电容C3。
图2为本发明实施例的脉宽调制控制单元的示意图。如图所示，脉宽调制控制单元108包括一开启/关闭时间产生器200以及一整合器202。开启/关闭时间产生器200包括一比较单元204、一定电流源206、一储能模块208、比较器210、212以及一逻辑门214。
比较单元204比较输出电压VOUT与一参考电压VREF，并根据比较结果控制节点216的电压。在一可能实施例中，当输出电压VOUT小于参考电压VREF时，比较单元204先令节点216的电压等于接地电压GND(例如将节点216的电平下拉至一接地端的电平)，用以释放储能模块208所储存的电荷。然后，比较单元204控制节点216为一不接地状态。此时，由于储能模块208耦接定电流源206，因此，定电流源206对储能模块208充电。此时，节点216的电压会逐渐上升。
在本实施例中，比较单元204包括一比较器218以及一重置模块220。比较器218比较输出电压VOUT及参考电压VREF，用以产生一比较结果Comp。在一可能实施例中，当输出电压VOUT大于参考电压VREF，比较结果Comp为一低电平；当输出电压VOUT小于参考电压VREF，比较结果Comp为一高电平。
重置模块220耦接于比较器218与节点216之间，用以根据比较结果Comp控制节点216的电压。当比较结果Comp为一低电平时，重置模块220控制节点216不耦接至接地端。此时，节点216的电压可能逐渐上升。
当比较结果Comp为一高电平时，重置模块220重置节点216的电压。在一可能实施例中，重置模块220先令节点216的电压等于接地电压(例如将节点216的电压下拉至一接地端的电压)，用以释放储能模块208所储存的电荷，然后重置模块220再控制节点216为一不接地状态。此时，由于定电流源206耦接储能模块208，因此，定电流源206开始对储能模块208充电。
在本实施例中，重置模块220包括一逻辑电路222以及一开关224。逻辑电路222根据比较结果Comp，控制开关224。举例而言，当比较结果Comp为一第一电平时，逻辑电路222不导通开关224。当比较结果Comp为一第二电平时，逻辑电路222先导通开关224，并在一段时间后，逻辑电路222不导通开关224。在本实施例中，开关224为一N型晶体管。在一实施例中，上述逻辑电路的功能为，在当输出电压VOUT小于参考电压VREF时，先将节点216的电压下拉至接地端的电压一段时间后，以使储能模块208储存于节点216的电荷完全放电至接地端，再控制节点216为一不接地状态。
另外，定电流源206接收输入电压VIN，并耦接节点216。储能模块208耦接节点216，并接收接地电压GND。本发明并不限定定电流源206及储能模块208的实施方式。在一可能实施例中，定电流源206由一晶体管所构成，而储能模块208为一电容。
比较器212比较输出电压VOUT及节点216的电压，用以产生一开启信号Ton。比较器210比较节点216的电压及输入电压VIN，用以产生一输出信号T。逻辑门214根据开启信号Ton及输出信号T，产生一关闭信号Toff。在本实施例中，当开启信号Ton及输出信号T均为一第一电平时，逻辑门214令关闭信号Toff为一第二电平；当开启信号Ton及输出信号T之一为一第二电平时，逻辑门214令关闭信号Toff为一第一电平。在一可能实施例中，第一电平为一低电平，而第二电平为一高电平。在本实施例中，逻辑门214为一NOR门。
整合器202整合开启信号Ton及关闭信号Toff，用以产生脉宽调制信号SPWM。图3为本发明实施例的电压调节器的波形示意图。在期间P300，输出电压VOUT并未小于参考电压VREF，因此，驱动器110不导通开关102及104。如图所示，流经电感L的电流IL等于零。
在时间点T302，输出电压VOUT小于参考电压VREF，因此，比较器218通过比较结果Comp控制重置模块220，使得重置模块220重置节点216的电压。也就是说，重置模块220中的逻辑电路222先导通开关224，在一段时间后，逻辑电路222不导通开关224。然后，由于电流源206对储能模块208充电，因此，节点216的电压会逐渐上升。当节点216的电压小于输出电压VOUT时，开启信号Ton的电平将从一第一电平(如低电平)变化至一第二电平(如高电平)。
在期间P304，节点216的电压逐渐上升，但未大于输出电压VOUT。因此，开启信号Ton的电平维持在高电平。同时，由于节点216的电压未大于输入电压VIN。因此，输出信号T为低电平。此时，由于开启信号Ton为高电平，因此，关闭信号Toff为低电平。整合器202整合开启信号Ton及关闭信号Toff，用以产生脉宽调制信号SPWM。如图所示，在期间P304，脉宽调制信号SPWM为高电平，因此，流经电感L的电流IL逐渐增加。此时，开关102导通，并且开关104不导通。
在时间点T306，节点216的电压大于输出电压VOUT，因此，开启信号Ton由第二电平变化至第一电平。
在期间P308，由于节点216的电压仍大于输出电压VOUT，故开启信号Ton保持在第一电平。此时，由于节点216的电压小于输入电压VIN，因此，输出信号T保持在第一电平。由于开启信号Ton及输出信号T均为第一电平，因此，关闭信号Toff为高电平。此时，脉宽调制信号SPWM为低电平。驱动器110根据脉宽调制信号SPWM不导通开关102，但导通开关104，故流经电感L的电流IL逐渐下降。
在时间点T310，由于节点216的电压仍大于输出电压VOUT，故开启信号Ton保持在第一电平。此时，节点216的电压大于输入电压VIN，因此，输出信号T由第一电平变化至第二电平。
在期间P312，由于节点216的电压仍大于输入电压VIN，故输出信号T保持在第二电平，此时开启信号Ton仍保持在第一电平，因此，关闭信号Toff为第一电平。整合器202整合开启信号Ton及关闭信号Toff，用以产生脉宽调制信号SPWM。驱动器110根据脉宽调制信号SPWM，不导通开关102及104。因此，流经电感L的电流等于零。
在时间点T314，输出电压VOUT小于参考电压VREF，因此，比较器218产生比较结果Comp，用以控制重置模块220，使得重置模块220重置节点216的电压。由于时间点T314与期间P316的特性与时间点T302与期间P304相同，故不再赘述。在本实施例中，期间P312大于期间P308；期间P308大于期间P304，然而不限于此。
当输出电压VOUT小于参考电压VREF时，驱动器110产生控制信号SC1，用以导通开关102并抬升输出电压VOUT。在一可能实施例中，控制信号SC1的相位等于开启信号Ton的相位。在另一可能实施例中，控制信号SC1的电平可能不等于开启信号Ton的电平。
当开关102导通，并且在电流IL通过电感L对电容C1充电至足够能量后，驱动器110产生控制信号SC2，用以导通开关104，用以避免输出电压VOUT过高。在一可能实施例中，控制信号SC2的相位等于关闭信号Toff的相位。在另一可能实施例中，控制信号SC2的电平可能不等于关闭信号Toff的电平。
最后，驱动器110不导通开关102及104，用以进入不连续模式(discontinuousmode；DCM)。在不连续模式中，流经电感L的电IL为零，因此，在此说明书中定义此操作为自然零电流(NaturalZeroCurrent；NZC)操作。
图4为本发明实施例的控制方法的流程示意图。首先，利用一输出级电路将一输入电压转换成一输出电压(步骤S410)。在一可能实施例中，输出级电路具有两开关，其串联于一输入电压与一接地电压之间。由控制两开关的导通及不导通时间，便可产生一相对应的输出电压。
接着，判断输出电压是否小于一参考电压(步骤S420)。若输出电压并未小于参考电压时，则回到步骤S420。当输出电压小于参考电压时，重置一第一节点的电压(步骤S430)。在一可能实施例中，步骤S430先令第一节点的电压等于接地电压(例如将节点216的电压下拉至一接地端的电压)，然后控制第一节点为一不接地状态。在另一可能实施例中，当第一节点的电压为不接地状态时，供电予第一节点，用以增加第一节点的电压。在另一可能实施例中，第一节点耦接一储能模块，用以储存电荷。
根据第一节点的电压，产生一开启信号以及一关闭信号(步骤S440)。在一可能实施例中，步骤S440将第一节点的电压与输出电压相比较，用以产生一开启信号。举例而言，当第一节点的电压大于输出电压时，开启信号为一低电平；当第一节点的电压小于输出电压时，开启信号为一高电平。
步骤S440亦将第一节点的电压与输入电压相比较，用以产生一输出信号。在一可能实施例中，当第一节点的电压大于输入电压时，输出信号为一高电平；当第一节点的电压小于电压时，输出信号为一低电平。
步骤S440根据开启信号及输出信号的电平状态，产生一关闭信号。举例而言，当开启信号及输出信号的至少一个为高电平时，关闭信号为一低电平；当开启信号及输出信号均为低电平时，关闭信号为一高电平。
接着，整合开启信号及关闭信号，用以产生一脉宽调制信号(步骤S450)。在本实施例中，当输出电压小于参考电压时，脉宽调制信号便具有一正脉冲，用以提升输出电压。
最后，解码脉宽调制信号，用以控制输出级电路(步骤S460)。在解码脉宽调制信号后，可取得两控制信号。在一可能实施例中，第一控制信号的相位等于开启信号的相位，第二控制信号的相位等于关闭信号的相位。在另一可能实施例中，第一控制信号的电平不等于开启信号的电平，第二控制信号的电平不等于关闭信号的电平。
通过两个控制信号控制输出级电路的两个开关，便可稳定输出电压。在一可能实施例中，在一第一期间，第一控制信号由一第一电平(如低电平)变化至一第二电平(如高电平)，并持续一第一时间。在第一时间后，第一控制信号由第二电平变化至第一电平。因此，在第一期间，输出级电路可提升输出电压。
在一第二期间，第二控制信号由第一电平变化至第二电平，并持续一第二时间。在第二时间后，第二控制信号由第二电平变化至第一电平。因此，在第二期间，输出级电路停止提升输出电压。在一可能实施例中，输出级电路逐渐减少输出电压，用以避免输出电压过高。
在一第三期间，第一及第二控制信号维持在第一电平。因此，输出级电路停止调整输出电压。在此期间，由于输出级电路停止动作，故可节省功率损耗。
除非另作定义，在此所有词汇(包含技术与科学词汇)均属本发明所属技术领域中的技术人员的一般理解。此外，除非明白表示，词汇于一般字典中的定义应解释为与其相关技术领域的文章中意义一致，而不应解释为理想状态或过分正式的语态。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求范围为准。

Claims (18)

1.一种脉宽调制控制单元，其特征在于，该脉宽调制控制单元包括：
一比较单元，比较一输出电压与一参考电压，并根据比较结果控制一第一节点的电压；
一定电流源，接收一输入电压，并耦接该第一节点；
一储能模块，耦接该第一节点，并接收一接地电压；
一第一比较器，比较该输出电压及该第一节点的电压，用以产生一开启信号；
一第二比较器，比较该第一节点的电压及该输入电压，用以产生一输出信号；
一逻辑门，根据该开启信号及该输出信号，产生一关闭信号，其中当该开启信号及该输出信号均为一第一电平时，该逻辑门令该关闭信号为一第二电平，该第一电平低于该第二电平；以及
一整合器，整合该开启信号及该关闭信号，用以产生一脉宽调制信号。
2.如权利要求1所述的脉宽调制控制单元，其特征在于，该比较单元包括：
一第三比较器，比较该输出电压及该参考电压，用以产生一比较结果；
一重置模块，耦接于该第三比较器与该第一节点之间，用以根据该比较结果重置该第一节点的电压。
3.如权利要求2所述的脉宽调制控制单元，其特征在于，当该输出电压小于该参考电压时，在一第一期间，该重置模块令该第一节点等于该接地电压；在一第二期间，该重置模块控制该第一节点为一不接地状态。
4.如权利要求3所述的脉宽调制控制单元，其特征在于，在该第一期间，该储能模块为一放电状态，在该第二期间，该定电流源对该储能模块充电。
5.如权利要求1所述的脉宽调制控制单元，其特征在于，该逻辑门为一NOR门。
6.一种电压调节器，用以将一输入电压转换成一输出电压，其特征在于，该电压调节器包括：
一第一开关，根据一第一控制信号，令一第一节点的电压等于该输入电压；
一第二开关，根据一第二控制信号，令该第一节点的电压等于一接地电压；
一滤波单元，根据该第一节点的电压，产生该输出电压；以及
一脉宽调制控制单元，包括：
一比较单元，比较该输出电压与一参考电压，并根据比较结果控制一第二节点的电压；
一第一比较器，比较该输出电压及该第二节点的电压，用以产生一开启信号；
一第二比较器，比较该第二节点的电压及该输入电压，用以产生一输出信号；
一逻辑门，根据该开启信号及该输出信号，产生一关闭信号，其中当该开启信号及该输出信号均为一第一电平时，该逻辑门令该关闭信号为一第二电平，该第一电平低于该第二电平；以及
一整合器，整合该开启信号及该关闭信号，用以产生一脉宽调制信号；以及
一驱动器，根据该脉宽调制信号，产生该第一及第二控制信号。
7.如权利要求6所述的电压调节器，其特征在于，该电压调节器还包括：
一定电流源，接收该输入电压，并耦接该第二节点；以及
一储能模块，耦接该第二节点，并接收该接地电压。
8.如权利要求7所述的电压调节器，其特征在于，该比较单元包括：
一第三比较器，比较该输出电压及该参考电压，用以产生一比较结果；
一重置模块，耦接于该第三比较器与该第二节点之间，用以根据该比较结果重置该第二节点的电压。
9.如权利要求8所述的电压调节器，其特征在于，当该输出电压小于该参考电压时，在一第一期间，该重置模块令该第二节点的电压等于该接地电压；在一第二期间，该重置模块控制该第二节点为一不接地状态。
10.如权利要求9所述的电压调节器，其特征在于，在该第一期间，该储能模块为一放电状态，在该第二期间，该定电流源对该储能模块充电。
11.如权利要求6所述的电压调节器，其特征在于，在一第一期间，该第一开关导通，用以令该第一节点的电压等于该输入电压，在一第二期间，该第二开关导通，用以令该第一节点的电压等于该接地电压，在一第三期间，该第一及第二开关不导通。
12.如权利要求11所述的电压调节器，其特征在于，该滤波单元为一低通滤波器，该低通滤波器包括一电感以及一电容，其中在该第一期间，流经该电感的电流逐渐上升；在该第二期间流经该电感的电流逐渐下降；在该第三期间，没有电流流经该电感。
13.一种控制方法，其特征在于，该控制方法包括：
利用一输出级电路将一输入电压转换成一输出电压；
比较该输出电压与一参考电压，用以产生一比较结果，再依据该比较结果来控制一第一节点的电压；
根据该第一节点的电压，产生一开启信号以及一关闭信号；
整合该开启信号及该关闭信号，用以产生一脉宽调制信号；以及
解码该脉宽调制信号，用以产生一第一控制信号以及一第二控制信号予该输出级电路。
14.如权利要求13所述的控制方法，其特征在于，当该输出电压小于该参考电压时，重置该第一节点的电压。
15.如权利要求13所述的控制方法，其特征在于，当该输出电压小于该参考电压时，在一第一期间，令该第一节点的电压等于一接地电压，在一第二期间，控制该第一节点为一不接地状态。
16.如权利要求13所述的控制方法，其特征在于，该第一控制信号的相位等于该开启信号的相位，该第二控制信号的相位等于该关闭信号的相位。
17.如权利要求16所述的控制方法，其特征在于，该第一控制信号的电平不同于该开启信号的电平，该第二控制信号的电平不同于该关闭信号的电平。
18.如权利要求16所述的控制方法，其特征在于，在一第一期间，该第一控制信号由一第一电平变化至一第二电平，并持续一第一时间，在该第一时间后，该第一控制信号由该第二电平变化至该第一电平；在一第二期间，该第二控制信号由该第一电平变化至该第二电平，并持续一第二时间，在该第二时间后，该第二控制信号由该第二电平变化至该第一电平；在一第三期间，该第一及第二控制信号维持在该第一电平。
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