CN110311558B - 固定时间升降压切换式电源电路及其控制电路及控制方法 - Google Patents

固定时间升降压切换式电源电路及其控制电路及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种固定时间升降压切换式电源电路及其控制电路及控制方法。该固定时间升降压切换式电源电路，包含：功率开关电路用以切换电感的第一端于输入电压与地之间，且切换其第二端于输出电压与地之间；以及控制电路，于斜坡信号与反馈相关信号相交时，控制进入第一状态且维持一固定时间后，当斜坡信号超过反馈相关信号，进入第二状态，或当斜坡信号不超过反馈相关信号时，进入第三状态；第一状态中，电感的第一端连接于输入电压，电感的第二端连接于输出电压；第二状态中，电感的第一端连接于地，电感的第二端连接于输出电压；第三状态中，电感的第一端连接于输入电压，电感的第二端连接于地。

Description

固定时间升降压切换式电源电路及其控制电路及控制方法
技术领域
本发明涉及一种固定时间升降压切换式电源电路，特别是指一种以一固定时间控制降压模式及/或升压模式的升降压切换式电源电路。本发明还涉及控制固定时间升降压切换式电源电路的控制电路与控制方法。
背景技术
请参阅图1A，美国专利US 6166527中公开一种控制升降压切换式电源电路的方法。升降压切换式电源电路包含电感L、四个功率开关A， B，C，D，以及控制电路20。控制电路20控制四个功率开关A，B，C，D的切换，以将输入电压Vin转换为输出电压Vout，其中输入电压Vin 可能高于或低于输出电压Vout，因此电源电路可能需要进行降压或升压转换。控制电路20中，误差放大器22将反馈信号FB(表示输出电压 Vout的信息)与参考电压Vref比较，产生误差放大信号Vea。PWM(脉宽调制)比较器24，25分别将该误差放大信号Vea与电压波形VX和VY 比较，而逻辑电路29根据PWM比较器24，25的比较结果，产生开关控制信号VA，VB，VC，VD，分别控制功率开关A，B，C，D。
误差放大信号Vea、电压波形VX和VY、开关控制信号VA，VB， VC，VD的关系如图1B所示，当误差放大信号Vea落在电压V1与V2之间时，电源电路进行纯降压转换，当误差放大信号Vea落在电压V2与 V3之间时，电源电路进行升降压转换，当误差放大信号Vea落在电压V3与V4之间时，电源电路进行纯升压转换。在纯降压转换模式时功率开关C保持断路而功率开关D保持导通，在纯升压转换模式时功率开关 A保持导通而功率开关B保持断路。在升降压转换模式时，如图所示，根据误差放大信号Vea与电压波形VX的相对关系而产生开关控制信号 VA，VB，并根据误差放大信号Vea与电压波形VY的相对关系而产生开关控制信号VC，VD，换言之电源电路进行升压(开关C，D动作)与降压(开关A，B动作)的混合操作。
上述现有技术的特征为，含有纯升压转换模式、纯降压转换模式，以及升降压转换模式，并且必需含有升降压转换区段，即V2必需小于 V3，否则会造成系统不稳定。而在升降压转换模式时，任一周期内四个开关都会切换，而造成切换损失(switching loss)，使得能量耗损增加。这两个特征的冲突为此现有技术的主要缺点。
图2A显示另一现有技术美国专利US 7176667的架构，该案中利用误差放大器22产生两组误差放大信号Vea1与Vea2，择一输入PWM比较器24与电压波形OSC比较。此外，电路中另设置一个固定脉宽产生电路 26，逻辑电路29根据PWM比较器24的输出与固定脉宽产生电路26的输出，产生开关控制信号VA，VB，VC，VD，分别控制功率开关A，B， C，D。
请参阅图2B，美国专利US 7176667中分为四个转换模式，除了纯降压转换模式M1和纯升压转换模式M4外，在两者之间另设有中介降压转换模式M2和中介升压转换模式M3，在中介降压转换模式M2中开关控制信号VA，VB跟随PWM比较器24的输出而开关控制信号VC，VD 为固定脉宽，在中介降压转换模式M3中开关控制信号VC，VD跟随 PWM比较器24的输出而开关控制信号VA，VB为固定脉宽。
上述现有技术的缺点是，四个转换模式的控制机制较为复杂，需要另设置固定脉宽产生电路26和其他电路元件，且两个中介转换模式 (M2和M3)表示电路操作在此区间的机会增加，而中介转换模式中四个功率开关都动作，增加切换损失与能量耗损。
此外，现有技术美国专利US 6166527以及US 7176667都为定频技术，受限于固定切换频率与带宽的关系，该类技术的负载变化反应都会比较慢；再者，上述的现有技术在脉宽频率调制(Pulse Frequency Modulation，PFM)的实现上需要较复杂的电路辅助，例如负载电流极小时，或是无法实现PFM，例如输入电压Vin与输出电压Vout相近时。
图3A显示另一现有技术美国专利US 2011/0156685 A1的架构，该升降压切换式电源电路包含电感L、四个功率开关A，B，C，D，以及控制电路30。控制电路30控制四个功率开关A，B，C，D的切换，以将输入电压Vin转换为输出电压Vout。控制电路30中，误差放大器32将反馈信号FB(表示输出电压Vout的信息)与参考电压Vref比较，产生误差放大信号，输入PWM比较器34。此外，电路取得与电感电流有关的信号，输入PWM比较器34中，与误差放大信号比较。PWM比较器34 的输出传送给导通时间产生电路37，以产生开关的导通时间。驱动电路39根据所产生的导通时间，产生开关驱动信号VA，VB，VC，VD，控制各功率开关A，B，C，D。此现有技术的特征在于，电路中仅需要一个PWM比较器34，因为仅需要产生一组导通时间。虽然此现有技术可以用非常简单的电路实现升降压切换式电源电路，但其缺点是，无论输入电源大于、小于，或接近输出电压时，该电路都操作于升降压转换模式下，其每个操作周期都需切换A，B，C，D四个开关，如图3B、图3C所示，由开关A，C导通(电流方向如实线)，紧接着开关B，D导通，如此周而复始，因而切换损失也会较大。
图4A-图4D显示另一现有技术美国专利US9787187的架构，该升降压切换式电源电路50以两组比较电路与固定导通/不导通时间产生器产生两组固定时间，而使升降压切换式电源电路50操作于纯升压模式与纯降压模式之间，其中，功率开关A与D的导通时间可无限制地延长。
图4A-图4D中所示的现有技术，其缺点在于，由于功率开关A与D 的导通时间可无限制地延长，因此其操作频率变化较大，可能造成噪声干扰，此外，也会使得其输出电压的涟波较大。
相较于前述图1A、图1B、图2A、图2B与图3A-图4D的现有技术，本发明的升降压切换式电源电路，具有快速的负载瞬时响应、无需斜率补偿、可同时应用在PFM操作上而无需复杂电路控制等优点；更进一步，本发明的升降压切换式电源电路能实现具有纯降压转换模式与纯升压转换模式，较佳地无需升降压转换模式或中介模式，且导通时间不会无限制地延长，因此其操作频率变化较小，不易造成干扰，此外，其输出电压的涟波也因而较小。
发明内容
就其中一个观点言，本发明提供了一种固定时间升降压切换式电源电路，包含：一功率开关电路，包括一输入开关单元以及一输出开关单元，其中该输入开关单元用以切换一电感的一第一端于一输入电压与一接地电位之间，该输出开关单元用以切换该电感的一第二端于一输出电压与该接地电位之间，其中一电感电流流经该电感；以及一控制电路，用以于一斜坡信号与一反馈相关信号相交时，控制该功率开关电路进入一第一状态且维持一固定时间后，此时当该斜坡信号超过该反馈相关信号时，进入一第二状态，或者，此时当该斜坡信号不超过于该反馈相关信号时，进入一第三状态；其中于该第一状态中，该功率开关电路切换该电感的该第一端电气连接于该输入电压，且该电感的该第二端电气连接于该输出电压；于该第二状态中，该功率开关电路切换该电感的该第一端电气连接于该接地电位，且该电感的该第二端电气连接于该输出电压；于该第三状态中，该功率开关电路切换该电感的该第一端电气连接于该输入电压，且该电感的该第二端电气连接于该接地电位；其中该反馈相关信号相关于该输出电压。
在一较佳实施例中，该斜坡信号相关于该电感电流，或模拟该电感电流。
在一较佳实施例中，该斜坡信号正比于该电感电流。
在一较佳实施例中，该反馈相关信号对应于一稳态值。
在一较佳实施例中，该斜坡信号不包括该电感电流的直流成分。
在一较佳实施例中，该控制电路包括：一比较电路，用以比较该斜坡信号与该反馈相关信号以产生一比较输出信号；一固定时间产生电路，用以根据该比较输出信号，于该斜坡信号与该反馈相关信号相交时，触发计时该固定时间；以及一逻辑驱动电路，耦接于该比较电路与该固定时间产生电路，该逻辑驱动电路用以于该固定时间控制该功率开关电路进入该第一状态且维持该固定时间，且于该固定时间结束时，根据该比较输出信号的位准而决定进入该第二状态或该第三状态。
在一较佳实施例中，该控制电路还包括一误差放大电路，用以根据一输出电压相关信号与一参考电压的差值而产生该反馈相关信号。
在一较佳实施例中，该控制电路还包括一斜坡电路，用以根据以下方式至少之一而产生该斜坡信号：(1)该斜坡电路感测该电感电流，且根据该电感电流而产生该斜坡信号；及/或(2)该斜坡电路根据该输入电压与该输出电压而仿真该电感电流以产生该斜坡信号。
在一较佳实施例中，于该第一状态与该第二状态，或该第一状态与该第三状态之间转换时，更先进入一第四状态并维持一空滞时间后才转换状态，其中于该第四状态下，该控制电路控制该功率开关电路使得该电感的该第一端或该第二端为电气浮动。
在一较佳实施例中，该输入开关单元包括：一输入上桥开关，耦接于该输入电压与该电感的该第一端之间；以及一输入下桥开关或一输入下桥二极管，耦接于该接地电位与该电感的该第一端之间；其中该控制电路控制该输入上桥开关，或控制该输入上桥开关以及该输入下桥开关，以切换该电感的该第一端于该输入电压与该接地电位之间。
在一较佳实施例中，该输出开关单元包括：一输出下桥开关，耦接于该接地电位与该电感的该第二端之间；以及一输出上桥开关或一输出上桥二极管，耦接于该输出电压与该电感的该第二端之间；其中该控制电路控制该输出下桥开关，或控制该输出下桥开关以及该输出上桥开关，以切换该电感的该第二端于该输出电压与该接地电位之间。
就另一个观点言，本发明也提供了一种用以控制一固定时间升降压切换式电源电路的控制电路，该固定时间升降压切换式电源电路包括一功率开关电路，该功率开关电路包括一输入开关单元以及一输出开关单元，其中该输入开关单元用以切换一电感的一第一端于一输入电压与一接地电位之间，该输出开关单元用以切换该电感的一第二端于一输出电压与该接地电位之间，其中一电感电流流经该电感；该控制电路用以于一斜坡信号与一反馈相关信号相交时，控制该功率开关电路进入一第一状态且维持一固定时间后，此时当该斜坡信号超过该反馈相关信号时，进入一第二状态，或者，此时当该斜坡信号不超过于该反馈相关信号时，进入一第三状态；其中于该第一状态中，该功率开关电路切换该电感的该第一端电气连接于该输入电压，且该电感的该第二端电气连接于该输出电压；于该第二状态中，该功率开关电路切换该电感的该第一端电气连接于该接地电位，且该电感的该第二端电气连接于该输出电压；于该第三状态中，该功率开关电路切换该电感的该第一端电气连接于该输入电压，且该电感的该第二端电气连接于该接地电位；其中该反馈相关信号相关于该输出电压；该控制电路包含：一比较电路，用以比较该斜坡信号与该反馈相关信号以产生一比较输出信号；一固定时间产生电路，用以根据该比较输出信号，于该斜坡信号与该反馈相关信号相交时，触发计时该固定时间；以及一逻辑驱动电路，耦接于该比较电路与该固定时间产生电路，该逻辑驱动电路用以于该固定时间控制该功率开关电路进入该第一状态且维持该固定时间，且于该固定时间结束时，根据该比较输出信号的位准而决定进入该第二状态或该第三状态。
就另一个观点言，本发明也提供了一种用以控制一固定时间升降压切换式电源电路的控制方法，该固定时间升降压切换式电源电路包括一功率开关电路，该功率开关电路包括一输入开关单元以及一输出开关单元，其中该输入开关单元用以切换一电感的一第一端于一输入电压与一接地电位之间，该输出开关单元用以切换该电感的一第二端于一输出电压与该接地电位之间，其中一电感电流流经该电感；该控制方法包含：于一斜坡信号与一反馈相关信号相交时，控制该功率开关电路进入一第一状态且维持一固定时间；于该固定时间结束的时点，判断该斜坡信号是否超过该反馈相关信号；以及于该固定时间结束的时点，当该斜坡信号超过该反馈相关信号时，进入一第二状态；或者，当该斜坡信号不超过于该反馈相关信号时，进入一第三状态；其中于该第一状态中，该功率开关电路切换该电感的该第一端电气连接于该输入电压，且该电感的该第二端电气连接于该输出电压；于该第二状态中，该功率开关电路切换该电感的该第一端电气连接于该接地电位，且该电感的该第二端电气连接于该输出电压；于该第三状态中，该功率开关电路切换该电感的该第一端电气连接于该输入电压，且该电感的该第二端电气连接于该接地电位；其中该反馈相关信号相关于该输出电压。
以下通过具体实施例详加说明，应当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所实现的功效。
附图说明
图1A显示一种现有技术的固定时间升降压切换式电源电路及其相关电路的示意图。
图1B显示对应于图1A电路的信号波形示意图。
图2A显示一种现有技术的固定时间升降压切换式电源电路及其相关电路的示意图。
图2B显示对应于图2A电路的状态转换表(state machine)。
图3A显示一种现有技术的固定时间升降压切换式电源电路及其相关电路的示意图。
图3B显示对应于图3A电路的信号波形示意图。
图3C显示对应于图3A电路的电流方向示意图。
图4A显示一种现有技术的固定时间升降压切换式电源电路及其相关电路的示意图。
图4B-图4C显示对应于图4A电路的信号波形示意图。
图4D显示对应于图4A电路的电流方向示意图。
图5显示本发明的固定时间升降压切换式电源电路的一实施例方块图。
图6A-图6B显示本发明的固定时间升降压切换式电源电路中，功率开关电路的两种具体实施例示意图。
图7显示本发明的固定时间升降压切换式电源电路中，控制电路的一具体实施例示意图。
图8A-图8C显示对应于本发明的固定时间升降压切换式电源电路的操作波形示意图。
图9显示本发明的固定时间升降压切换式电源电路中，控制电路的另一具体实施例示意图。
图10显示本发明的固定时间升降压切换式电源电路中，控制电路的又一具体实施例示意图。
图11显示本发明的固定时间升降压切换式电源电路中，控制电路的一具体实施例示意图。
图12显示本发明的固定时间升降压切换式电源电路中，控制电路的一具体实施例示意图。
具体实施方式
发明中的附图均属示意，主要意在表示各电路间的耦接关系，以及各信号波形之间的关系，至于电路、信号波形与频率则并未依照比例绘制。
图5显示本发明的固定时间升降压切换式电源电路的一实施例方块图(固定时间升降压切换式电源电路105)。固定时间升降压切换式电源电路105包含功率开关电路10以及控制电路20。
功率开关电路10包括输入开关单元11以及输出开关单元12，其中输入开关单元11用以切换电感L的第一端(例如图5中所示的LX1)于输入电压VIN与接地电位之间，输出开关单元12用以切换电感L的第二端 (例如图5中所示的LX2)于输出电压VOUT与接地电位之间。就一观点而言，功率开关电路10与电感L共同形成一升降压切换式电源电路，用以将输入电压VIN转换为输出电压VOUT，其中输入电压VIN可大于、等于或小于输出电压VOUT。
请继续参阅图5，控制电路20用以控制功率开关电路10(例如通过图5中所示的开关控制信号CTRL)操作于第一状态、第二状态或第三状态中。其中于第一状态中，功率开关电路10切换电感L的第一端电气连接于输入电压VIN，且电感L的第二端电气连接于输出电压VOUT；于第二状态中，功率开关电路10切换电感L的第一端电气连接于接地电位，且电感L的第二端电气连接于输出电压VOUT；于第三状态中，功率开关电路10切换电感L的第一端电气连接于输入电压VIN，且电感L 的第二端电气连接于接地电位。
根据本发明，控制电路20于斜坡信号VRMP与反馈相关信号VOR 相交时，控制功率开关电路10进入第一状态且维持固定时间TAD，且于固定时间TAD结束时，判断斜坡信号VRMP是否超过反馈相关信号 VOR，此时，当斜坡信号VRMP超过反馈相关信号VOR时，进入第二状态，或者，此时当斜坡信号VRMP不超过于反馈相关信号VOR，则进入第三状态。在一实施例中，斜坡信号VRMP相关于流经电感L的电感电流IL，在一实施例中，斜坡信号VRMP可为一仿真电感电流IL电气特性(例如但不限于电感电流IL的斜率、转变时点或相位等)的斜坡信号。此外，反馈相关信号VOR相关于输出电压VOUT。斜坡信号VRMP 与反馈相关信号VOR的产生方式将详述于后。此外，在其他实施例中，斜坡信号VRMP也可不相关于流经电感L的电感电流IL。
图6A-图6B显示本发明的固定时间升降压切换式电源电路106A 与106B中，功率开关电路的两种具体实施例示意图(功率开关电路10 与10’)。
如图6A所示，在一实施例中，输入开关单元11包括输入上桥开关 A以及输入下桥开关B，其中输入上桥开关A耦接于输入电压VIN与电感 L的第一端之间；输入下桥开关B则耦接于接地电位与电感L的第一端之间。本实施例中，控制电路20的开关控制信号CTRL包括开关控制信号 VA与VB，分别用以控制输入上桥开关A以及输入下桥开关B，以切换电感L的第一端于输入电压VIN与接地电位之间。
请继续参阅图6A，在一实施例中，输出开关单元12包括输出下桥开关C与输出上桥开关D，其中输出下桥开关C耦接于接地电位与电感L 的第二端之间；输出上桥开关D则耦接于输出电压VOUT与电感L的第二端之间。本实施例中，控制电路20的开关控制信号CTRL包括开关控制信号VC与VD，分别用以控制输出下桥开关C以及输出上桥开关D，以切换电感L的第二端于输出电压VOUT与接地电位之间。
图6A的实施例中，输入开关单元11或输出开关单元12为同步型切换电路，然而根据本发明，也可应用于异步型切换电路，详述如下。
如图6B所示，在一实施例中，输入开关单元11’包括输入上桥开关 A以及输入下桥二极管B’，其中输入上桥开关A耦接于输入电压VIN与电感L的第一端之间；输入下桥二极管B’则耦接于接地电位与电感L的第一端之间，具体而言，输入下桥二极管B’的电流流入端耦接于接地电位，而其电流流出端耦接于电感L的第一端。本实施例中，控制电路 20的开关控制信号CTRL包括开关控制信号VA，用以控制输入上桥开关A，以切换电感L的第一端于输入电压VIN与接地电位之间。
请继续参阅图6B，在一实施例中，输出开关单元12’包括输出下桥开关C以及输出上桥二极管D’，输出下桥开关C耦接于接地电位与电感 L的第二端之间；输出上桥二极管D’则耦接于输出电压VOUT与电感L 的第二端之间，具体而言，输出上桥二极管D’的电流流入端耦接于电感L的第二端，而其电流流出端耦接于输出电压VOUT。本实施例中，控制电路20的开关控制信号CTRL包括开关控制信号VC，用以控制输出下桥开关C，以切换电感L的第二端于输出电压VOUT与接地电位之间。
为方便叙述，前述的输入上桥开关A、输入下桥开关B、输出下桥开关C以及输出上桥开关D，于后文中可分别简称为开关A、开关B、开关C以及开关D。
请同时参阅图7与图8A-图8B，图7显示本发明的固定时间升降压切换式电源电路107中，控制电路的一具体实施例示意图(控制电路20)。图8A-8B显示对应于本发明的固定时间升降压切换式电源电路的操作波形示意图。
如图7所示，在一实施例中，控制电路20包括比较电路21、固定时间产生电路22以及逻辑驱动电路23。比较电路21用以比较前述的斜坡信号VRMP与反馈相关信号VOR以产生比较输出信号COMP。固定时间产生电路22则用以根据比较输出信号COMP，于斜坡信号VRMP与反馈相关信号VOR相交时，触发计时固定时间TAD；逻辑驱动电路23耦接于比较电路21与固定时间产生电路22，用以于固定时间TAD期间控制功率开关电路10进入第一状态且维持固定时间TAD，且于固定时间 TAD结束时，根据比较输出信号COMP的位准而决定进入第二状态或第三状态。
请同时参阅图8A，举例而言，当输入电压VIN高于输出电压VOUT 时(例如图8A中的时点t5之前)，本发明的固定时间升降压切换式电源电路操作于降压模式，当斜坡信号VRMP与反馈相关信号VOR相交时，例如图8A中于时点t2或t4，其中斜坡信号VRMP下降而与反馈相关信号VOR相交(例如图8A中于时点t2或t4产生低位准的短脉冲)，此时 (例如图8A中于时点t2或t4)，根据比较输出信号COMP触发计时固定时间TAD，例如由固定时间产生电路22产生一固定时间信号CTAD，其中固定时间信号CTAD的脉冲宽度时间长度为固定时间TAD(例如图8A 中t2-t3或t4-t5)，且在此固定时间TAD内进入第一状态，亦即开关A及 D导通，且开关B及C关断。接着，于固定时间TAD结束时(例如图8A 中于时点t3或t5)，根据比较输出信号COMP的位准而决定进入第二状态或第三状态，由于时点t3或t5时，比较输出信号COMP为高位准，因此，于时点t3或t5时，逻辑驱动电路23决定进入第二状态，亦即，如图 8A中t3-t4或t5-t6，开关B与D导通，且开关A及C关断。
另一方面，当输入电压VIN高于输出电压VOUT时(例如图8A中的时点t6之后)，本发明的固定时间升降压切换式电源电路操作于升压模式，当斜坡信号VRMP与反馈相关信号VOR相交时(例如图8A中于时点t8或t10)，其中斜坡信号VRMP上升而与反馈相关信号VOR相交(例如图8A中于时点t8或t10产生高位准的短脉冲)，此时(例如图8A中于时点t8或t10)，根据比较输出信号COMP触发计时固定时间TAD(例如图8A中t6-t7或t8-t9)，且在此固定时间TAD内进入第一状态，亦即开关A及D导通，且开关B及C关断。接着，于固定时间TAD结束时(例如图8A中于时点t7或t9)，根据比较输出信号COMP的位准而决定进入第二状态或第三状态，由于时点t7或t9时，比较输出信号COMP为低位准，因此，于时点t7或t9时，逻辑驱动电路23决定进入第三状态，亦即，如图8A中t7-t8或t9-t10，开关A及C导通，且开关B及D关断。
需说明的是，上述的“当斜坡信号VRMP超过反馈相关信号VOR”，或“当斜坡信号VRMP不超过于反馈相关信号VOR中”的“超过”，或“不超过”，在例如上述的实施例中可以分别对应于高于及低于，举例而言，于图8A中时点t2，斜坡信号VRMP超过反馈相关信号VOR，而使得比较输出信号COMP为高位准，因此逻辑驱动电路23决定进入第二状态。然而根据本发明的精神并不限于此，在其他实施例中，在不同的斜坡信号产生方式、不同的反馈相关信号VOR产生方式，或不同的逻辑驱动电路的操作组合下，得以相反的逻辑位准而决定进入第二状态或第三状态，换言之，“超过”与“不超过”，于某些实施例中，也可分别对应于“低于”与“高于”。
图9显示本发明的固定时间升降压切换式电源电路109中，控制电路的另一具体实施例示意图(控制电路20)。本实施例中，控制电路 20还包括误差放大电路24，用以根据输出电压VOUT相关信号FB与参考电压VREF的差值而产生反馈相关信号VOR。如图所示，在一实施例中，输出电压VOUT相关信号FB可以是输出电压VOUT的分压。在另一实施例中，输出电压VOUT相关信号FB也可以是输出电压VOUT本身。在一实施例中，反馈相关信号VOR可以与输出电压VOUT反向变化，换言之，当输出电压VOUT上升时，反馈相关信号VOR下降，当输出电压VOUT下降时，反馈相关信号VOR上升。
图10显示本发明的固定时间升降压切换式电源电路110中，控制电路的又一具体实施例示意图(控制电路20)。本实施例中，控制电路 20还包括斜坡电路25，用以产生斜坡信号VRMP。在一实施例中，斜坡信号VRMP正比于电感电流IL。在一实施例中，反馈相关信号VOR对应于一稳态值。具体而言，在斜坡信号VRMP正比于电感电流IL的实施例中，如前述控制电路20控制功率开关电路10进入第一状态且维持固定时间TAD后，此时当斜坡信号VRMP超过前述的稳态值时，进入第二状态，或者，此时当斜坡信号VRMP不超过前述的稳态值时，进入第三状态。就一观点而言，此处“稳态值”可视为固定时间升降压切换式电源电路在切换周期之间的相对稳态值。
举例而言，当如图8A中的t3，在固定时间TAD结束后，斜坡信号 VRMP(对应于电感电流IL)已大于一稳态值(对应于反馈相关信号 VOR)，亦即，已大于负载所需的电流，此时，电感电流IL需开始下降，因此，控制电路20控制功率开关电路10进入第二状态，亦即，如图8A中t3-t4，开关B与D导通，且开关A及C关断，使得斜坡信号VRMP (对应于电感电流IL)开始下降，直到下次斜坡信号VRMP再度与反馈相关信号VOR相交，将再次进入第一状态，且同时触发另一固定时间 TAD，如此周而复始。
另一方面，当如图8A中的t7，在固定时间TAD结束后，斜坡信号 VRMP(对应于电感电流IL)已小于一稳态值(对应于反馈相关信号 VOR)，亦即，已小于负载所需的电流，此时，电感电流IL需开始上升，因此，控制电路20控制功率开关电路10进入第三状态，亦即，如图8A中t7-t8，开关A与C导通，且开关B及D关断，使得斜坡信号VRMP (对应于电感电流IL)开始上升，直到下次斜坡信号VRMP再度与反馈相关信号VOR相交，将再次进入第一状态，且同时触发另一固定时间 TAD，如此周而复始。
此外，值得注意的是，前述斜坡信号VRMP“相关于”或“正比于”电感电流IL，在一实施例中，可指斜坡信号VRMP“相关于”或“正比于”电感电流IL的交流成分以及直流成分。而在一实施例中，斜坡信号VRMP一可仅“相关于”或“正比于”电感电流IL的交流成分，换言之，斜坡信号VRMP不包括或不相关于电感电流IL的直流成分。
图11显示本发明的固定时间升降压切换式电源电路111中，控制电路的一具体实施例示意图(控制电路20)。本实施例中，斜坡电路25 感测电感电流IL，且根据电感电流IL(例如通过图11中的电流感测信号 ISEN)而产生斜坡信号VRMP。
图12显示本发明的固定时间升降压切换式电源电路112中，控制电路的另一具体实施例示意图(控制电路20)。本实施例中，斜坡电路 25根据输入电压VIN与输出电压VOUT而仿真电感电流IL以产生斜坡信号VRMP。
在一实施例中，斜坡信号VRMP还可以是上述感测与模拟电感电流IL的组合。
请回阅图8B，根据本发明，当输入电压VIN十分接近于输出电压 VOUT时(例如但不限于相等)，如图8B所示，本发明的固定时间升降压切换式电源电路会较佳地轮流切换操作于第一状态、第二状态、第一状态与第三状态，且重复轮流上述四个状态的组合(如图8B中t0-t4， t4-t8的周期性重复)。详言之，由于当输入电压VIN十分接近于输出电压VOUT时，在第一状态下(亦即开关A及D导通，且开关B及C关断) 电感L两端的电压接近或相等，因此，电感电流IL(对应于斜坡信号 VRMP)既不上升也不下降，而根据本发明，固定时间升降压切换式电源电路无论是处于降压模式(如图8B中t0-t1)或升压模式下(如图8B 中t2-t4)，第一状态都维持相同长度的固定时间TAD，如此一来，开关A及D的导通时间不会无限延长，因此，频率不会无限制地下降，而对系统造成噪声干扰，输出电压的涟波也较小。另一方面，在此情况下，第二状态与第三状态得以仅维持最小导通时间TBD或TAC，因而在限制频率下降的同时，也使第一状态(即开关A及D导通)的占空比提高，进而提高了本发明的固定时间升降压切换式电源电路的转换效率。就另一观点而言，在一实施例中，本发明的固定时间升降压切换式电源电路都操作于降压模式或升压模式下，无需升降压模式(即于第二状态与第三状态之间切换)，也无需中介模式，因而本发明的固定时间升降压切换式电源电路具有较高的转换效率。
此外，由于本发明的固定时间升降压切换式电源电路无论是处于降压模式(如图8B中t0-t1)或升压模式下(如图8B中t2-t4)，第一状态都维持相同长度的固定时间TAD，因此，本发明也具有电路简洁，成本低廉的优点。
需说明的是，上述的状态切换原则，是指整体升降压切换式电源转换的占空比切换原则，然而于各状态之间转换时，仍可依实际需求加入例如空滞时间等状态，以避免短路电流。
请参阅图8C，图8C显示对应于本发明的固定时间升降压切换式电源电路的操作波形示意图。本实施例中，本发明的固定时间升降压切换式电源电路(例如前述的固定时间升降压切换式电源电路105或 110-112等)，其中于第一状态与第二状态之间，或于第一状态与第三状态之间转换时，更先进入第四状态并维持空滞时间Td后才转换状态，其中于第四状态下，控制电路20控制功率开关电路10使得电感L的第一端或第二端为电气浮动。举例而言，如图8C所示，于第一状态与第二状态之间转换时(例如t1或t3)，本发明的固定时间升降压切换式电源电路会先进入第四状态并维持空滞时间Td后才转换状态(例如t1-t2或 t3-t4)，具体而言，此时为降压模式，第四状态是指开关D导通且开关 A、B及C关断，亦即电感L的第一端为电气浮动。另一方面，于第一状态与第三状态之间转换时(例如t5或t7)，本发明的固定时间升降压切换式电源电路会先进入第四状态并维持空滞时间Td后才转换状态(例如t5-t6或t7-t8)，具体而言，此时为升压模式，第四状态是指开关A导通且开关B、C及D关断，亦即电感L的第二端为电气浮动。
此外，本发明由于并非以一固定频率的频率信号来操作功率开关电路的切换，因此，本发明的固定时间升降压切换式电源电路也可轻易结合不连续导通模式，在具有不连续导通模式的实施例中，于电感电流低于一电流阈值时，也可进入前述的第四状态，以提高轻载时的转换效率。
前述的“固定时间”，是指切换式电源转换电路于稳态之下，且于外在给定相同的条件与相同的设定下，前述的“固定时间”大致上为一固定的时间长度。然而，这并不代表前述的“固定时间”于外在给定不同的条件或不同的设定下，仍为一恒常不变的时间长度。在不同的应用条件下，前述的“固定时间”可适应性地调整或设定其时间长度。举例而言，在例如但不限于欲使操作频率固定的应用中，所述的“固定时间”的时间长度可根据不同的输入电压Vin或输出电压Vout 而适应性调整，再举一例，在例如但不限于欲使线电压瞬时或负载瞬时响应较佳的情况下，所述的“固定时间”的时间长度可根据不同的输出电压或输出电流而适应性调整其时间长度。又如，还可对上述可适应性调整的“固定时间”限定一最大值或最小值。换言之，于外在给定不同的条件或不同的设定下，前述的“固定时间”可为不同；所谓“固定时间”是指于外在给定相同的条件与相同的设定下大致上为固定，而非指于外在给定不同的条件或不同的设定下，仍为相同的数值。
以上已针对较佳实施例来说明本发明，但以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。所说明的各个实施例，并不限于单独应用，也可以组合应用，举例而言，两个或以上的实施例可以组合运用，而一实施例中的部分组成也可用以取代另一实施例中对应的组成部件；举其中一例，如图6B中具有“输入下桥二极管B’”的输入开关单元11’和如图6A中具有“输出上桥开关D”的输出开关单元12可以组合应用，形成另一功率开关电路的实施例。
此外，在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以想到各种等效变化以及各种组合，举例而言，以固定时间为基础的切换式电源电路，其所据以调制的信号来源与组合有许多方式，如前述图9-图12的实施例中，比较电路21比较相关于电感电流IL的斜坡信号VRMP以及经误差放大电路24的反馈相关信号VOR，而决定固定时间的触发时机以及对应的占空比，是一种常见的固定时间切换式电源电路架构，然而，本发明的精神并不限于此。例如，另一种常见的架构是，直接将输出电压VOUT或其分压FB与一参考电压相比较，以决定固定时间的触发时机以及对应的占空比，此种方式表面上虽非直接比较一斜坡信号与一反馈相关信号，然而，此种架构下，输出电压本身由于例如输出电容具有寄生电阻，因而输出电压实际上包含了电感电流相关的信号，因此，此种架构实质上也可对应于如前述“比较相关于电感电流IL的斜坡信号VRMP以及经误差放大电路24的反馈相关信号VOR”，因而，也可结合本发明的第一、第二与第三状态转换的原则，而实现本发明的功效，其余各类固定时间有关的电路架构，种类繁多，在此不一一详述，本技术领域人员应当可根据本发明的教示而推知。
再举一例，本发明所称“根据某信号进行处理或运算或产生某输出结果”，不限于根据该信号的本身，也包含于必要时，将该信号进行电压电流转换、电流电压转换、及/或比例转换等，之后根据转换后的信号进行处理或运算产生某输出结果。由此可知，在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以想到各种等效变化以及各种组合，其组合方式很多，在此不一一列举说明。因此，本发明的范围应涵盖上述及其他所有等效变化。

Claims (25)

1.一种固定时间升降压切换式电源电路，包含：
一功率开关电路，包括一输入开关单元以及一输出开关单元，其中该输入开关单元用以切换一电感的一第一端于一输入电压与一接地电位之间，该输出开关单元用以切换该电感的一第二端于一输出电压与该接地电位之间，其中一电感电流流经该电感；以及
一控制电路，用以于一斜坡信号与一反馈相关信号相交时，控制该功率开关电路进入一第一状态且维持一固定时间后，此时当该斜坡信号超过该反馈相关信号时，进入一第二状态，或者，此时当该斜坡信号不超过于该反馈相关信号时，进入一第三状态；
其中于该第一状态中，该功率开关电路切换该电感的该第一端电气连接于该输入电压，且该电感的该第二端电气连接于该输出电压；于该第二状态中，该功率开关电路切换该电感的该第一端电气连接于该接地电位，且该电感的该第二端电气连接于该输出电压；于该第三状态中，该功率开关电路切换该电感的该第一端电气连接于该输入电压，且该电感的该第二端电气连接于该接地电位；
其中该反馈相关信号相关于该输出电压。
2.如权利要求1所述的固定时间升降压切换式电源电路，其中该斜坡信号相关于该电感电流，或模拟该电感电流。
3.如权利要求2所述的固定时间升降压切换式电源电路，其中该斜坡信号正比于该电感电流。
4.如权利要求3所述的固定时间升降压切换式电源电路，其中该反馈相关信号对应于一稳态值。
5.如权利要求2所述的固定时间升降压切换式电源电路，其中该斜坡信号不包括该电感电流的直流成分。
6.如权利要求1所述的固定时间升降压切换式电源电路，其中该控制电路包括：
一比较电路，用以比较该斜坡信号与该反馈相关信号以产生一比较输出信号；
一固定时间产生电路，用以根据该比较输出信号，于该斜坡信号与该反馈相关信号相交时，触发计时该固定时间；以及
一逻辑驱动电路，耦接于该比较电路与该固定时间产生电路，该逻辑驱动电路用以于该固定时间控制该功率开关电路进入该第一状态且维持该固定时间，且于该固定时间结束时，根据该比较输出信号的位准而决定进入该第二状态或该第三状态。
7.如权利要求5所述的固定时间升降压切换式电源电路，其中该控制电路还包括一误差放大电路，用以根据一输出电压相关信号与一参考电压的差值而产生该反馈相关信号。
8.如权利要求5所述的固定时间升降压切换式电源电路，其中该控制电路还包括一斜坡电路，用以根据以下方式至少之一而产生该斜坡信号：(1)该斜坡电路感测该电感电流，且根据该电感电流而产生该斜坡信号；及/或(2)该斜坡电路根据该输入电压与该输出电压而仿真该电感电流以产生该斜坡信号。
9.如权利要求1所述的固定时间升降压切换式电源电路，其中于该第一状态与该第二状态，或该第一状态与该第三状态之间转换时，更先进入一第四状态并维持一空滞时间后才转换状态，其中于该第四状态下，该控制电路控制该功率开关电路使得该电感的该第一端或该第二端为电气浮动。
10.如权利要求1所述的固定时间升降压切换式电源电路，其中该输入开关单元包括：
一输入上桥开关，耦接于该输入电压与该电感的该第一端之间；以及
一输入下桥开关或一输入下桥二极管，耦接于该接地电位与该电感的该第一端之间；
其中该控制电路控制该输入上桥开关，或控制该输入上桥开关以及该输入下桥开关，以切换该电感的该第一端于该输入电压与该接地电位之间。
11.如权利要求1所述的固定时间升降压切换式电源电路，其中该输出开关单元包括：
一输出下桥开关，耦接于该接地电位与该电感的该第二端之间；以及
一输出上桥开关或一输出上桥二极管，耦接于该输出电压与该电感的该第二端之间；
其中该控制电路控制该输出下桥开关，或控制该输出下桥开关以及该输出上桥开关，以切换该电感的该第二端于该输出电压与该接地电位之间。
12.如权利要求1所述的固定时间升降压切换式电源电路，其中对应于该第一状态的该固定时间在该输入电压高于、低于或等于该输出电压时都具有相同长度。
13.一种用以控制一固定时间升降压切换式电源电路的控制电路，该固定时间升降压切换式电源电路包括一功率开关电路，该功率开关电路包括一输入开关单元以及一输出开关单元，其中该输入开关单元用以切换一电感的一第一端于一输入电压与一接地电位之间，该输出开关单元用以切换该电感的一第二端于一输出电压与该接地电位之间，其中一电感电流流经该电感；
该控制电路用以于一斜坡信号与一反馈相关信号相交时，控制该功率开关电路进入一第一状态且维持一固定时间后，此时当该斜坡信号超过该反馈相关信号时，进入一第二状态，或者，此时当该斜坡信号不超过于该反馈相关信号时，进入一第三状态；其中于该第一状态中，该功率开关电路切换该电感的该第一端电气连接于该输入电压，且该电感的该第二端电气连接于该输出电压；于该第二状态中，该功率开关电路切换该电感的该第一端电气连接于该接地电位，且该电感的该第二端电气连接于该输出电压；于该第三状态中，该功率开关电路切换该电感的该第一端电气连接于该输入电压，且该电感的该第二端电气连接于该接地电位；其中该反馈相关信号相关于该输出电压；该控制电路包含：
一比较电路，用以比较该斜坡信号与该反馈相关信号以产生一比较输出信号；
一固定时间产生电路，用以根据该比较输出信号，于该斜坡信号与该反馈相关信号相交时，触发计时该固定时间；以及
一逻辑驱动电路，耦接于该比较电路与该固定时间产生电路，该逻辑驱动电路用以于该固定时间控制该功率开关电路进入该第一状态且维持该固定时间，且于该固定时间结束时，根据该比较输出信号的位准而决定进入该第二状态或该第三状态。
14.如权利要求13所述的控制电路，其中该斜坡信号相关于该电感电流，或模拟该电感电流。
15.如权利要求14所述的控制电路，其中该斜坡信号正比于该电感电流。
16.如权利要求15所述的控制电路，其中该反馈相关信号对应于一稳态值。
17.如权利要求14所述的控制电路，其中该斜坡信号不包括该电感电流的直流成分。
18.如权利要求14所述的控制电路，还包含一误差放大电路，用以根据一输出电压相关信号与一参考电压的差值而产生该反馈相关信号。
19.如权利要求14所述的控制电路，还包含一斜坡电路，用以根据以下方式至少之一而产生该斜坡信号：(1)该斜坡电路感测该电感电流，且根据该电感电流而产生该斜坡信号；及/或(2)该斜坡电路根据该输入电压与该输出电压而仿真该电感电流以产生该斜坡信号。
20.如权利要求14所述的控制电路，其中于该第一状态与该第二状态，或该第一状态与该第三状态之间转换时，更先进入一第四状态并维持一空滞时间后才转换状态，其中于该第四状态下，该控制电路控制该功率开关电路使得该电感的该第一端或该第二端为电气浮动。
21.如权利要求13所述的控制电路，其中对应于该第一状态的该固定时间在该输入电压高于、低于或等于该输出电压时都具有相同长度。
22.一种用以控制一固定时间升降压切换式电源电路的控制方法，该固定时间升降压切换式电源电路包括一功率开关电路，该功率开关电路包括一输入开关单元以及一输出开关单元，其中该输入开关单元用以切换一电感的一第一端于一输入电压与一接地电位之间，该输出开关单元用以切换该电感的一第二端于一输出电压与该接地电位之间，其中一电感电流流经该电感；该控制方法包含：
于一斜坡信号与一反馈相关信号相交时，控制该功率开关电路进入一第一状态且维持一固定时间；
于该固定时间结束的时点，判断该斜坡信号是否超过该反馈相关信号；以及
于该固定时间结束的时点，当该斜坡信号超过该反馈相关信号时，进入一第二状态；或者，当该斜坡信号不超过于该反馈相关信号时，进入一第三状态；
其中于该第一状态中，该功率开关电路切换该电感的该第一端电气连接于该输入电压，且该电感的该第二端电气连接于该输出电压；于该第二状态中，该功率开关电路切换该电感的该第一端电气连接于该接地电位，且该电感的该第二端电气连接于该输出电压；于该第三状态中，该功率开关电路切换该电感的该第一端电气连接于该输入电压，且该电感的该第二端电气连接于该接地电位；
其中该反馈相关信号相关于该输出电压。
23.如权利要求22所述的控制方法，其中该斜坡信号相关于该电感电流，或模拟该电感电流。
24.如权利要求23所述的控制方法，其中该反馈相关信号对应于一稳态值。
25.如权利要求22所述的控制方法，其中对应于该第一状态的该固定时间在该输入电压高于、低于或等于该输出电压时都具有相同长度。
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