CN107707116A - 直流对直流电源转换器电路及使用其控制输出电压的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种直流对直流电源转换器电路及使用其控制输出电压的方法，其中直流对直流电源转换器电路包含切换式电容电路，经配置以在一第一阶段以及一第二阶段之间切换，并在输出端产生一输出电压；误差放大器，将输出电压及参考电压的差值放大并输出一误差放大信号；闩锁比较器及切换控制器，闩锁比较器对应频率参考信号将输出电压与误差放大信号比较，并对应输出一比较信号，而切换式电容电路接收该比较信号，并根据比较信号而在该第一阶段以及该第二阶段之间切换。通过设置误差放大器调整输出电压及参考电压之间的比较基准，可精准的控制参考电压在预定范围内。

Description

直流对直流电源转换器电路及使用其控制输出电压的方法
技术领域
本发明关于一种具有切换式电容的直流对直流电源转换器电路及使用其控制输出电压的方法，更精确的说，关于一种通过设置误差放大器调整针对输出电压及参考电压之间的比较基准的具有切换式电容电路的直流对直流电源转换器电路及使用其控制输出电压的方法。
背景技术
近年来手持装置及未来物联网(IoT)的蓬勃发展，电子产品一直朝向体积小型化演进。微控制器(MCU)或是相关系统芯片(SoC,System on Chip)IC都需要相关电源IC来提供电压源。目前提供高效率的电源IC大多都是以基于电感的直流对直流电源转换器为主，但是此类的电源IC都需要一个体积很大的电感来储存能量。
随着工艺技术的进步，以及后级电路所需的功率不断降低，切换式电容电源转换器(SCPC,switched-capacitor power converter)可以只使用电容就做到相当高的效率，并且可以直接和MCU做在同一个IC上。SCPC不需使用大体积的外部电感元件，使得整体体积缩小，并且降低电子产品的硬件所需要的材料成本。然而，此类电源转换器在控制输出电压的位准时难以精准达成稳定精准范围，因此难以满足有精准输出电压需求的电路架构。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种直流对直流电源转换器电路，其包含切换式电容电路、误差放大器及闩锁比较器。切换式电容电路连接于输入端及输出端之间，其接收输入端的输入电压，该切换式电容电路经配置以在一第一阶段以及一第二阶段之间切换，并在输出端产生输出电压。误差放大器的第一输入端接收输出电压，其第二输入端输入参考电压，以将输出电压及参考电压的差值放大并输出误差放大信号。闩锁比较器的第一输入端接收输出电压，其第二输入端接收误差放大信号，其第三输入端接收频率参考信号，闩锁比较器对应频率参考信号将输出电压与误差放大信号比较，并对应输出比较信号。切换式电容电路接收比较信号，并根据该比较信号而在第一阶段以及第二阶段之间切换。
较佳者，切换式电容电路可更包含一非重叠切换控制器，其根据比较信号对应输出非重叠的一第一控制信号及一第二控制信号，以分别控制切换式电容电路在第一阶段及第二阶段之间切换。
较佳者，切换式电容电路可包含多个电容、对应于第一控制信号切换的多个第一开关，以及对应于第二控制信号切换的多个第二开关。
较佳者，频率参考信号可为由一振荡器输出的一脉冲信号。
较佳者，切换式电容电路的数目可为多个，分别连接于输入端及输出端之间，多个切换式电容电路分别接收输入端的输入电压，并接收比较信号以分别在第一阶段及第二阶段之间切换，以调整输出电压。
根据本发明的另一目的，在于提供一种直流对直流电源转换器控制输出电压的方法，其包含下列步骤：配置切换式电容电路以接收输入端的输入电压，并在输出端产生输出电压；以误差放大器的第一输入端接收输出电压，并以其第二输入端接收参考电压，以将输出电压及参考电压的差值放大并输出误差放大信号；以闩锁比较器第一输入端接收输出电压，并以其第二输入端接收误差放大信号，更以其第三输入端接收频率参考信号；以闩锁比较器对应频率参考信号将输出电压与误差放大信号比较，并对应输出比较信号；根据比较信号而控制切换式电容电路在第一阶段以及第二阶段之间切换。
较佳者，切换式电容电路可更包含一非重叠切换控制器，经配置以根据比较信号对应输出非重叠的第一控制信号及第二控制信号，以分别控制切换式电容电路在第一阶段及第二阶段之间切换。
较佳者，切换式电容电路可包含多个电容、对应于第一控制信号切换的多个第一开关，以及对应于第二控制信号切换的多个第二开关。
较佳者，输入频率参考信号的步骤中进一步可包含以振荡器输出的一脉冲信号输入。
较佳者，控制输出电压的方法可进一步包含：配置多个切换式电容电路分别接收输入端的输入电压；配置各该多个切换式电容电路的一切换控制器对应比较信号，以控制多个切换式电容电路分别在第一阶段及第二阶段之间切换，以调整输出电压。
综上所述，通过本发明的直流对直流电源转换器电路及使用其控制输出电压的方法，可通过设置误差放大器调整针对输出电压及参考电压之间的比较基准，以精准控制输出电压的平均值至预定位准。此外，由于误差放大器输出的误差放大信号可自动调整，因此无论负载电阻如何改变，输入电压的变动都不再影响输出电压的平均电压。采用误差放大器的同时，并不会影响其余脉冲频率调变架构的控制特性。
附图说明
本发明的上述及其他特征及优势将通过参照附图详细说明其例示性实施例而变得更显而易知，其中：
图1为本发明的直流对直流电源转换器电路的电路布局图。
图2A及图2B分别为根据本发明的切换式电容电路的第一实施例及第二实施例的电路布局图。
图3为根据本发明的误差放大器的实施例的电路布局图。
图4A及图4B，分别为本发明的直流对直流电源转换器电路的范例及脉冲输出电压、参考电压及误差放大信号对时间作图。
图5为根据本发明的直流对直流电源转换器电路控制输出电压的方法的流程图。
附图标号：
SC：切换式电容电路
EA：误差放大器
LCOMP：闩锁比较器
SWC：切换控制器
IN、SCIN：输入端
OUT、SCOUT、LCOUT、EAOUT：输出端
Rload：负载电阻
COUT：输出电容
PH_1：第一控制端
PH_2：第二控制端
VIN：输入电压
VOUT：输出电压
OSC：振荡器
CLK：脉冲信号
S1：第一开关
S2：第二开关
C1、C2、C3：电容
LC_INP、EA_INP：正输入端
LC_INN、EA_INN：负输入端
CLK_IN：脉冲信号输入端
COMP_OUT：比较信号
VREF：参考电压
GM：GM型的转导放大器
R1：电阻
S501～S505：步骤
具体实施方式
为便于了解本发明的特征、内容与优点及其所能达成的功效，兹将本发明配合附图，并以实施例的表达形式详细说明如下，而其中所使用的图式，其主旨仅为示意及辅助说明书之用，未必为本发明实施后的真实比例与精准配置，故不应就所附的图式的比例与配置关系解读、局限本发明于实际实施上的权利范围。
请参考图1，其为本发明的直流对直流电源转换器电路的电路布局图。如图所示，本发明的直流对直流电源转换器电路包含一切换式电容电路SC、一误差放大器EA、一闩锁比较器LCOMP。切换式电容电路SC具有一切换控制器SWC、一输入端SCIN及一输出端SCOUT。输入端SCIN接收输入电压VIN，并且可通过切换控制器SWC的第一控制端PH_1及第二控制端PH_2的控制信号，以在第一阶段(first phase)及第二阶段(second phase)之间切换，并在输出端SCOUT产生输出电压VOUT。切换式电容电路SC的输出端SCOUT电连接负载电阻Rload以及输出电容COUT。
需要说明的是，切换式电容电路SC因为电容比例及架构上的限制使得其输入输出的转压比例(conversion ratio)为固定值，但在电路实际运作时输入电压是会变动的。当切换式电容电路SC应用于微控制器(MCU)时，微控制器在待机状态时会降低其输入电压以进一步降低其消耗能量，因此，切换式电容电路SC的输出电压VOUT必须随之变动。此时，需要一个机制能够时刻将输出电压VOUT稳定在预定电压范围。本发明使用的方法为脉冲频率调变(PFM,pulse frequency modulation)模式，此模式需要设置闩锁比较器(latched-comparator)LCOMP及切换控制器SWC，并同时采用输出脉冲信号CLK的振荡器OSC。
请先参考图2A及图2B，分别为根据本发明的切换式电容电路的第一实施例及第二实施例的电路布局图。如图2A所示，切换式电容电路包含切换控制器SWC、多个第一开关S1、多个第二开关S2以及电容C1。其中，多个第一开关S1各可具有连接至切换控制器SWC的第一控制端PH_1的控制端，多个第二开关S2各可具有连接至切换控制器SWC的第二控制端PH_2的控制端，当多个第一开关S1导通且多个第二开关S2切断时，切换式电容电路将会接收输入电压VIN，并进入第一阶段对电容C1充电。当多个第一开关S1切断且多个第二开关S2导通时，切换式电容电路将会停止接收输入电压VIN，并进入第二阶段，由电容C1输出上述输出电压VOUT。
实施上，输出电压VOUT的大小可根据第一阶段的时间以及电容的数量进行调整。如图2B所示，切换式电容电路可进一步包含有多个电容C1及C2，并分别接收输入电压VIN。
请复参考图1，闩锁比较器(latched-comparator)LCOMP包含正输入端LC_INP、负输入端LC_INN、脉冲信号输入端CLK_IN及输出端LCOUT。振荡器OSC用以向脉冲信号输入端CLK_IN输入一稳定规律的脉冲信号CLK。根据脉冲信号CLK的频率，闩锁比较器LCOMP周期性地对输入正输入端LC_INP及负输入端LC_INN的电压信号进行比较，并输出一比较信号COMP_OUT，而切换控制器SWC在接收到比较信号COMP_OUT时，可对应地控制切换式电容电路SC在第一阶段及第二阶段之间切换，藉以调整上述输出电压VOUT。
举例而言，可将一参考电压VREF及输出电压VOUT分别输入正输入端LC_INP及负输入端LC_INN。当脉冲信号CLK为升缘或是降缘时触发闩锁比较器LCOMP，闩锁比较器LCOMP被触发后进行正输入端LC_INP及负输入端LC_INN上的信号比较，并储存比较结果且锁住输出信号。当脉冲信号CLK为低电位时闩锁比较器LCOMP将比较数据重置(reset)。当输出电压VOUT小于参考电压VREF，则闩锁比较器LCOMP将比较信号COMP_OUT输出至切换控制器SWC，而可对应控制切换式电容电路SC进入输出模式，使输出电压VOUT上升。然而，此种调整输出电压VOUT的方式所产生的纹波(ripple)电压将会使输出电压VOUT的平均值大于参考电压，且纹波(ripple)电压会随着输入电压VIN的不同而改变。因此，若是对于输出电压VOUT有精准的需求，上述架构将会有使用上的困难。
为此，本发明进一步采用一误差放大器EA，其包含一正输入端EA_INP、一负输入端EA_INN及一输出端EAOUT。如图所示，正输入端EA_INP接收输出电压VOUT，并且于负输入端EA_INN输入一参考电压VREF，误差放大器EA可将输出电压VOUT及参考电压VREF之间的差值放大，并向闩锁比较器LCOMP的负输入端LC_INN输出一误差放大信号。
通过上述架构，当输出电压VOUT小于参考电压VREF时，误差放大器EA将输出电压VOUT及参考电压VREF之间的差值放大，并向闩锁比较器LCOMP的负输入端LC_INN输出误差放大信号。而根据脉冲信号CLK的频率，闩锁比较器LCOMP周期性地将误差放大信号EA_OUT与输出电压VOUT进一步比较，并将比较信号COMP_OUT输入切换控制器SWC的输入端SW_IN，切换控制器SWC根据比较信号COMP_OUT，通过第二控制端PH_2控制切换式电容电路SC进入第二阶段，以使输出电压VOUT上升。此时，由于误差放大器EA输出的误差放大信号EA_OUT可自动调整，因此在负载电阻Rload或是输入电压VIN发生变化时，本发明的切换式电容电路的输出电压VOUT的平均电压都不会受到大幅影响。
其中，误差放大器EA的示例可参考图3，其为根据本发明的误差放大器的实施例的电路布局图。如图所示，误差放大器EA可包含GM型的转导放大器GM，并搭配上补偿电路如电阻R1及电容C3即可实现，本实施例仅为举例，并不限于本实施例所采用的架构。
根据本发明的较佳实施例，切换式电容电路内包含的切换控制器SWC可为一非重叠(Non-overlapping)切换控制器，其根据比较信号COMP_OUT，对应将非重叠的第一控制信号及第二控制信号分别输入切换式电容电路SC的第一控制端PH_1及第二控制端PH_2，以分别控制切换式电容电路SC所包含的开关。
请参考图4A及图4B，分别为本发明的具有切换式电容的直流对直流电源转换器电路的范例及脉冲输出电压、参考电压及误差放大信号对时间作图。图4A示出参考电压VREF、输出电压VOUT及误差放大信号EA_OUT的电压对时间作图。
如图所示，虽然本发明的具有切换式电容的直流对直流电源转换器电路中输出电压VOUT仍呈现锯齿波形，而且锯齿波形的振幅约为120mv；但是通过使用误差放大器EA产生能随着输出电压VOUT自动调整的误差放大信号EA_OUT，能使闩锁比较器LCOMP的比较基准能下降(例如图4A所示，下降至约530mV)，因此输出电压VOUT能维持在参考电压VREF的附近，而使得输出电压VOUT的平均值为约0.6V，即是参考电压VREF。所以根据本实施例，先前技术中输出电压VOUT的平均值大于参考电压的问题便可有效解决。
进一步，图4B示出脉冲信号CLK、比较信号SC pulse trigger、参考电压VREF、输出电压VOUT、误差放大信号EA_OUT的电压对时间作图。如图所示，脉冲信号CLK为一连续的周期方波，误差放大器EA将输出电压VOUT及参考电压VREF比较，并且将差值放大后输出误差放大信号EA_OUT。
此时，闩锁比较器LCOMP对应于脉冲信号CLK，将输入正输入端LC_INP的参考电压及输入负输入端LC_INN的误差放大电压信号EA_OUT进行比较，并输出比较信号SC pulsetrigger，以使切换式电容电路SC进入第二阶段，而使输出电压VOUT上升，进而可维持在约等于参考电压VREF的输出电压VOUT的平均值。并且如图所示，采用误差放大器EA并不会影响其余PFM架构的控制特性。
虽然前述实施例中仅示出单一切换式电容电路SC，然而，本发明的直流对直流转换器电路，可进一步包含多个切换式电容电路SC，并且并联于输入端IN及输出端OUT之间，多个切换式电容电路SC可分别接收输入端IN的输入电压VIN。
切换控制器SWC可对应比较信号COMP_OUT，以控制切换式电容电路SC的多个开关分别在第一阶段及第二阶段之间切换，以调整输出电压VOUT，亦即，本发明的架构亦可直接应用于多相(multiphase)架构上，以降低输出纹波(Ripple)电压，亦可省去输出电容COUT，让系统电源电路更容易嵌入微控制器(MCU)中。
请参考图5，其为根据本发明的直流对直流电源转换器电路控制输出电压的方法的流程图。为了清楚起见，将省略前述实施例中的重复描述。具体而言，本发明的使用具有切换式电容的直流对直流电源转换器电路控制输出电压的方法包含以下步骤：
步骤S501：配置一切换式电容电路以接收输入端的输入电压，且切换式电容电路受控制而在第一阶段及第二阶段之间切换，并在其输出端产生输出电压。
步骤S502：配置一误差放大器，以其第一输入端接收上述输出电压，并以其第二输入端接收参考电压，以将上述输出电压及参考电压的差值放大并输出误差放大信号。
步骤S503：配置闩锁比较器，其第一输入端接收输出电压，并以其第二输入端接收上述误差放大信号，更以其第三输入端接收频率参考信号。
步骤S504：根据频率参考信号的频率，以闩锁比较器比较上述输出电压与误差放大信号，并对应输出比较信号。
步骤S505：由切换式电容电路的切换控制器接收上述比较信号，并根据此比较信号控制切换式电容电路在第一阶段及第二阶段之间切换，以调整输出电压。
在上述实施例中，与先前技术相比，本发明的直流对直流电源转换器电路及使用其控制输出电压的方法可通过设置误差放大器调整针对输出电压及参考电压之间的比较基准，以精准控制输出电压的平均值至预定位准。
此外，由于误差放大器输出的误差放大信号可自动调整，因此无论负载电阻如何改变，输入电压的变动都不再明显地影响输出电压的平均电压。采用误差放大器的同时，并不会影响其余脉冲频率调变架构的控制特性。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种直流对直流电源转换器电路，其特征在于，其包含：
一切换式电容电路，连接于一输入端及一输出端之间，其接收该输入端的一输入电压，该切换式电容电路经配置以在一第一阶段以及一第二阶段之间切换，并在该输出端产生一输出电压；
一误差放大器，其一第一输入端接收该输出电压，其一第二输入端输入一参考电压，以将该输出电压及该参考电压的差值放大并输出一误差放大信号；以及
一闩锁比较器，其一第一输入端接收该输出电压，其一第二输入端接收该误差放大信号，其一第三输入端接收一频率参考信号，该闩锁比较器对应该频率参考信号将该输出电压与该误差放大信号比较，并对应输出一比较信号，而该切换式电容电路接收该比较信号，并根据该比较信号而在该第一阶段以及该第二阶段之间切换。
2.如权利要求1所述的直流对直流电源转换器电路，其特征在于，该切换式电容电路更包含一非重叠切换控制器，其根据该比较信号对应输出非重叠的一第一控制信号及一第二控制信号，以分别控制该切换式电容电路在该第一阶段及该第二阶段之间切换。
3.如权利要求2所述的直流对直流电源转换器电路，其特征在于，该切换式电容电路包含多个电容、对应于该第一控制信号切换的多个第一开关，以及对应于该第二控制信号切换的多个第二开关。
4.如权利要求1所述的直流对直流电源转换器电路，其特征在于，该频率参考信号为由一振荡器输出的一脉冲信号。
5.如权利要求1所述的直流对直流电源转换器电路，其特征在于，更包含多个切换式电容电路，并联于该输入端及该输出端之间，该多个切换式电容电路分别接收该输入端的该输入电压，并分别根据该比较信号在该第一阶段及该第二阶段之间切换，以调整该输出电压。
6.一种直流对直流电源转换器控制输出电压的方法，其特征在于，其包含下列步骤：
配置一切换式电容电路以接收一输入端的一输入电压，并在一输出端产生一输出电压；
以一误差放大器的一第一输入端接收该输出电压，并以其一第二输入端接收一参考电压，以将该输出电压及该参考电压的差值放大并输出一误差放大信号；
以一闩锁比较器的一第一输入端接收该输出电压，并以其一第二输入端接收该误差放大信号，更以其一第三输入端接收一频率参考信号；以及
以该闩锁比较器对应该频率参考信号将该输出电压与该误差放大信号比较，并对应输出一比较信号；
根据该比较信号而控制该切换式电容电路在一第一阶段以及一第二阶段之间切换。
7.如权利要求6所述的直流对直流电源转换器控制输出电压的方法，其特征在于，该切换式电容电路更包含一非重叠切换控制器，经配置以根据该比较信号对应输出非重叠的一第一控制信号及一第二控制信号，以分别控制该切换式电容电路在一第一阶段及一第二阶段之间切换。
8.如权利要求7所述的直流对直流电源转换器控制输出电压的方法，其特征在于，该切换式电容电路包含多个电容、对应于该第一控制信号切换的多个第一开关，以及对应于该第二控制信号切换的多个第二开关。
9.如权利要求7所述的直流对直流电源转换器控制输出电压的方法，其特征在于，输入该频率参考信号的步骤中进一步包含以一振荡器输出的一脉冲信号输入。
10.如权利要求6所述的直流对直流电源转换器控制输出电压的方法，其特征在于，更包含：
配置并联的多个切换式电容电路分别接收该输入端的该输入电压；
配置各该多个切换式电容电路的一切换控制器对应该比较信号以控制该多个切换式电容电路分别在该第一阶段及该第二阶段之间切换，以调整该输出电压。
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