CN116015056A - 具快速响应机制的降压转换器及其操作方法 - Google Patents

具快速响应机制的降压转换器及其操作方法 Download PDF

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Abstract

一种降压转换器包含快速响应电路，补偿器耦接于输出端，交错逻辑电路耦接于补偿器，多个脉宽调制信号产生器，多个或门耦接于对应的脉宽调制信号产生器，多个功率级耦接于对应的或门，多个电感及输出电容。每一脉宽调制信号产生器耦接于交错逻辑电路、输出端及输入端。快速响应电路包含电压下垂传感器耦接于输出端，负载频率传感器耦接于输出端，快速响应信号产生器耦接于电压下垂传感器，最大快速响应信号产生器耦接于电压下垂传感器及负载频率传感器，与门耦接于快速响应信号产生器、最大快速响应信号产生器及多个或门。

Description

具快速响应机制的降压转换器及其操作方法
技术领域
本发明是关于一种降压转换器，特别是指一种具快速响应机制的降压转换器及其操作方法。
背景技术
在应用于微处理器核心电压控制的现代电压调节系统中，多相控制是一种普遍的控制方法，其符合高功率密度及高电流扭转率(slew rate)的要求。然而，习知的多相控制方法仍不足以应付现代电压调节器规范中所制订的超高负载瞬时，特别是在负载施加瞬时(load application transient)期间的规范要求。因此，一种被称为快速响应(quickresponse)的开回路控制机制(open-loop control mechanism)被发明出来，以克服下冲(undershoot)的问题。在负载施加瞬时期间，快速响应机制将会立即开启所有相的高位侧开关，以全力供应重负载电流需求，且输出电压下垂(droop)能够因而受控进入正确的负载线规范(load line specification)。即使如此，快速响应机制仍然有些缺点，例如，不精准的快速响应开启和关闭可能导致非预期的震荡(ringback)或输出电压持续上升造成电路过载。
为了更清楚说明，图9示意了先前技术之具有快速响应电路的降压转换器900。降压转换器900包含多个对应各相位的脉宽调制信号产生器Ton1～TonN，多个或门OR1～ORN耦接于对应的脉宽调制信号产生器Ton1～TonN，多个功率级PS1～PSN耦接于对应的或门OR1～ORN，多个电感L1～LN耦接于对应的功率级PS1～PSN及输出端OUT之间，输出电容Co，负载Lo耦接于输出端OUT及接地端GND之间。快速响应信号电路910耦接于输出端OUT及或门OR1～ORN之间。每一功率级，例如功率级PS1，包含缓冲器903耦接于或门OR1，反向器904耦接于或门OR1，第一晶体管901及第二晶体管902。第一晶体管901包含第一端，用以接收输入电压Vin，第二端耦接于电感L1，及控制端耦接于缓冲器903。第二晶体管902包含第一端耦接于第一晶体管901的第二端及电感L1，第二端耦接于接地端GND，及控制端耦接于反向器904。快速响应信号电路910根据输出电压Vo产生快速响应信号QR。各相位的脉宽调制信号产生器Ton1～TonN根据输入电压Vin及输出电压Vo输出脉宽调制产生信号PM1～PMN。或门OR1～ORN根据脉宽调制产生信号PM1～PMN及快速响应信号QR产生各相位的脉宽调制信号PWM1～PWMN。脉宽调制信号PWM1～PWMN推动功率级PS1～PSN提供输出电压Vo以及负载电流ILo。
图10为图9之降压转换器的操作信号时序图。在时间t1，当负载Lo的电能需求提高，负载电流ILo会上升至高电流，使输出电压Vo开始下降至小于阈值(threshold)。此时，快速响应信号电路910可产生快速响应信号QR，QR信号与脉宽调制产生信号PM1～PMN经过或门产生脉宽调制信号PWM1～PWMN，用于推动功率级PS1～PSN提供输出电压Vo以及负载电流ILo。详细而言，快速响应信号QR的前缘可导通第一晶体管901并截止第二晶体管902，第一晶体管901的第一端提供负载电流ILo至负载Lo。第一晶体管901导通后，电感L1～LN开始充电，总电感电流Isum上升。同时，部分电流流至输出电容Co使其充电，另一部分流至负载Lo，为提供负载Lo电能。在快速响应信号QR拉至低电平后，第一晶体管901截止且第二晶体管902导通，电感L开始放电，总电感电流Isum下降。输出电容Co开始放电至负载Lo，使负载电流ILo维持在高电流。在时间t2，负载电流ILo降至低电流，使输出电压Vo开始上升，而总电感电流Isum持续下降。在时间t3，负载电流ILo再度上升至高电流，使输出电压Vo下降至小于阈值(threshold)。此时，快速响应信号QR再度产生并推动功率级PS1～PSN提供输出电压Vo以及负载电流ILo，其余的运作过程同时间t1。在时间t4，负载电流ILo再降至低电流，输出电压Vo开始上升，其余的运作过程同时间t2。在时间t5至t6之间，整个电路运作过程再度重复。然而，时间t3至t6的负载频率高于时间t1至t2的负载频率，总电感电流Isum以及输出电压Vo在降回原来的电平之前就会再被拉高。总电感电流Isum以及输出电压Vo会随着时间愈来愈被拉高，最后造成电压过载的情况。
发明内容
一种降压转换器，包含快速响应电路、补偿器、交错逻辑电路、多个脉宽调制信号产生器、多个或门、多个功率级、多个电感及输出电容。补偿器耦接于输出端。交错逻辑电路耦接于补偿器。多个功率级耦接于对应的多个或门。每一脉宽调制信号产生器分别耦接于交错逻辑电路、输出端及输入端。每一或门分别耦接于对应的脉宽调制信号产生器。每一电感耦接于对应的功率级及输出端之间。输出电容耦接于输出端及接地端之间。快速响应电路包含电压下垂传感器、负载频率传感器、快速响应信号产生器、最大快速响应信号产生器、与门。电压下垂传感器耦接于输出端。负载频率传感器耦接于输出端。快速响应信号产生器耦接于电压下垂传感器。最大快速响应信号产生器耦接于电压下垂传感器、负载频率传感器输出端及输入端。与门耦接于快速响应信号产生器、最大快速响应信号产生器及多个或门。电压下垂传感器用以根据输出电压的电压下垂产生触发信号。负载频率传感器用以根据负载的频率输出负载频率信号，快速响应信号产生器用以根据触发信号产生起始快速响应信号。最大快速响应信号产生器用以根据输入电压、触发信号、负载频率信号及输出电压产生最大快速响应信号。与门用以根据起始快速响应信号及最大快速响应信号产生快速响应信号。补偿器用以根据输出电压及参考电压产生补偿信号。交错逻辑电路用以根据补偿信号产生交错信号，每一脉宽调制信号产生器用以根据交错信号、输出电压及输入电压产生脉宽调制产生信号。每一或门用以根据快速响应信号及对应的脉宽调制产生信号产生脉宽调制信号。多个功率级用以根据多个脉宽调制信号产生输出电压。
一种降压转换器的操作方法。降压转换器包含快速响应电路、补偿器、交错逻辑电路、多个脉宽调制信号产生器、多个或门、多个功率级、多个电感及输出电容。补偿器耦接于输出端。交错逻辑电路耦接于补偿器。每一脉宽调制信号产生器分别耦接于交错逻辑电路、输出端及输入端。每一或门分别耦接于对应的脉宽调制信号产生器。多个功率级耦接于对应的多个或门。每一电感耦接于对应的功率级及输出端之间。输出电容耦接于该输出端及接地端之间。快速响应电路包含电压下垂传感器、负载频率传感器、快速响应信号产生器、最大快速响应信号产生器、与门。电压下垂传感器耦接于输出端。负载频率传感器耦接于输出端。快速响应信号产生器耦接于电压下垂传感器。最大快速响应信号产生器耦接于电压下垂传感器、负载频率传感器、输出端及输入端。与门耦接于快速响应信号产生器、最大快速响应信号产生器及多个或门。操作方法包含电压下垂传感器根据输出电压的电压下垂产生触发信号，负载频率传感器根据负载的频率输出负载频率信号，快速响应信号产生器根据触发信号产生起始快速响应信号，最大快速响应信号产生器根据输入电压、触发信号、负载频率信号及输出电压产生最大快速响应信号，与门根据起始快速响应信号及最大快速响应信号产生快速响应信号，补偿器根据输出电压及参考电压产生补偿信号，交错逻辑电路根据补偿信号产生交错信号，多个脉宽调制信号产生器中每一脉宽调制信号产生器根据交错信号、输出电压及输入电压产生脉宽调制产生信号，多个或门中每一或门根据快速响应信号及对应的脉宽调制产生信号产生脉宽调制信号，及多个功率级根据多个脉宽调制信号产生输出电压。
一种最大快速响应信号产生器，包含电流源、电容、开关、比较器及触发器。电容耦接于电流源及接地端之间。开关包含第一端耦接于电流源及电容，第二端耦接于接地端，及控制端。比较器包含正输入端耦接于电流源、电容及开关的第一端，负输入端及输出端。触发器包含输入端，时序端，输出端，反输出端耦接于开关的控制端，重置端耦接于比较器的输出端。电流源用以根据输入电压及负载频率信号产生电流。比较器用以根据正输入端接收之响应电压及负输入端接收之输出电压于比较器之输出端输出重置信号。触发器用以根据输入端接收之固定电压，时序端接收之触发信号，及重置端接收之重置信号于触发器的输出端输出最大快速响应信号。
一种最大快速响应信号产生器的操作方法。最大快速响应信号产生器包含电流源、电容、开关、比较器及触发器。电容耦接于电流源及接地端之间。开关包含第一端耦接于电流源及电容，第二端耦接于接地端，及控制端。比较器包含正输入端耦接于电流源、电容及开关的第一端，负输入端及输出端。触发器包含输入端，时序端，输出端，反输出端耦接于开关的控制端，重置端耦接于比较器的输出端。操作方法包含电流源根据输入电压及负载频率信号产生电流，比较器根据正输入端接收之响应电压及负输入端接收之输出电压于比较器之输出端输出重置信号，触发器根据输入端接收之固定电压，时序端接收之触发信号，及重置端接收之重置信号于触发器的输出端输出最大快速响应信号。
附图说明
图1为本发明实施例之降压转换器的示意图。
图2为图1之最大快速响应信号产生器的示意图。
图3图3为图2之最大快速响应信号产生器的操作信号时序图。
图4为图1之降压转换器的操作信号时序图。
图5为图1之降压转换器的另一操作信号时序图。
图6为图1之降压转换器的另一操作信号时序图。
图7为图1之降压转换器的操作方法的流程图。
图8为图2之最大快速响应信号产生器的操作方法的流程图。
图9为先前技术之具有快速响应电路的降压转换器的示意图。
图10为图9之降压转换器的操作信号时序图。
具体实施方式
图1为本发明实施例之降压转换器(buck converter)100的示意图。降压转换器100是一种会降低电压的直流-直流转换器，输出端OUT的电压会比输入端IN的输入电压Vin要低。降压转换器100可包含快速响应电路10、补偿器20、交错逻辑电路30、多个脉宽调制信号产生器Ton1～TonN、多个或门OR1～ORN、多个功率级PS1～PSN、多个电感L1～LN、输出电容Co及负载Lo。补偿器20耦接于输出端OUT。交错逻辑电路30耦接于补偿器20。脉宽调制信号产生器Ton1～TonN耦接于交错逻辑电路30、输入端IN及输出端OUT。或门OR1～ORN耦接于对应的脉宽调制信号产生器Ton1～TonN。功率级PS1～PSN耦接于对应的或门OR1～ORN。电感L1～LN耦接于对应的功率级PS1～PSN及输出端OUT之间。输出电容Co耦接于输出端OUT及接地端GND之间。负载Lo耦接于输出端OUT及接地端GND之间。其中每一脉宽调制信号产生器以及功率级对应一相位，例如脉宽调制信号产生器Ton1及功率级PS1对应第一相位，脉宽调制信号产生器Ton2及功率级PS2，对应第二相位，依此类推。
快速响应电路10包含电压下垂传感器12、负载频率传感器14、快速响应信号产生器16、最大快速响应信号产生器18、与门AND。电压下垂传感器12耦接于输出端OUT。负载频率传感器14耦接于输出端OUT。快速响应信号产生器16耦接于电压下垂传感器12。最大快速响应信号产生器18耦接于电压下垂传感器12、负载频率传感器14、输入端IN及输出端OUT。与门AND耦接于快速响应信号产生器16、最大快速响应信号产生器18及或门OR1～ORN。
电压下垂传感器12用以根据输出电压Vo的电压下垂产生触发信号Vsen。负载频率传感器14用以根据负载Lo的频率输出负载频率信号Fs。快速响应信号产生器16用以根据触发信号Vsen产生起始快速响应信号QRi。最大快速响应信号产生器18用以根据输入电压Vin、触发信号Vsen、负载频率信号Fs及输出电压Vo产生最大快速响应信号QRmax。与门AND用以根据起始快速响应信号QRi及最大快速响应信号QRmax产生快速响应信号QR。补偿器30用以根据输出电压Vo及参考电压Vref产生补偿信号Vcomp。交错逻辑电路30用以根据补偿信号Vcomp产生交错信号Vint。脉宽调制信号产生器Ton1～TonN用以根据交错信号Vint、输出电压Vo及输入电压Vin产生脉宽调制产生信号PM1～PMN。或门OR1～ORN用以根据快速响应信号QR及对应的脉宽调制产生信号PM1～PMN产生脉宽调制信号PWM1～PWMN。功率级PS1～PSN用以根据脉宽调制信号PWM1～PWMN产生输出电压Vo及提供负载电流ILo至负载Lo，同时在电感L1～LN产生总电感电流Isum。脉宽调制产生信号PM1～PMN以及脉宽调制信号PWM1～PWMN分别对应第一相位至第N相位。
举例而言，降压转换器100的负载Lo的频率范围可介于300Hz至1MHz之间，输入电压Vin可介于6V至24V，输出电压Vo可介于0.2V至3.05V，快速响应信号QR可为5V，负载电流ILo可介于50A至300A之间。
图2为图1之最大快速响应信号产生器18的示意图。最大快速响应信号产生器18包含电流源181、电容C、开关S、比较器182及触发器SR。电容C耦接于电流源181及接地端GND之间。开关S包含第一端耦接于电流源181及电容C，第二端耦接于接地端GND，及控制端。比较器182包含正输入端耦接于电流源181、电容C及开关S的第一端，负输入端耦接于输出端OUT。触发器SR包含输入端D，重置端R耦接于比较器182的输出端，时序端CK，输出端Q，及反输出端Qb耦接于开关S的控制端。电流源181用以根据输入电压Vin及负载频率信号Fs产生响应电流Iqr。比较器182用以根据正输入端接收之响应电压Vqr及负输入端接收之输出电压Vo产生重置信号Vrst。触发器SR用以根据输入端D接收之固定电压VHD，时序端CK接收之触发信号Vsen，及重置端R接收之重置信号Vrst于输出端Q输出最大快速响应信号QRmax。电流源181可用任何半导体电流镜(current mirror)实现，开关S可用场效晶体管(field-effect transistor)实现。
图3图3为图2之最大快速响应信号产生器18的操作信号时序图。以下说明最大快速响应信号产生器18产生最大快速响应信号QRmax的过程。在时间t1，触发信号Vsen拉至高电平，使触发器SR的输出端Q所输出的最大快速响应信号QRmax也拉至高电平。响应电流Iqr开始对电容C充电，响应电压Vqr开始上升。在时间t2，当响应电压Vqr上升至超过输出电压Vo的电平，比较器182会将重置信号Vrst拉至高电平。高电平的重置信号Vrst会将触发器SR的输出端Q所输出的最大快速响应信号QRmax拉至低电平，并将反输出端Qb所输出的信号拉至高电平。反输出端Qb的高电平信号将开关S打开，引导响应电流Iqr流至接地端GND，将响应电压Vqr拉至低电平，重置信号Vrst也会回到低电平。因电路反应时间皆在纳秒级数，所以重置信号Vrst呈现脉冲波。
在时间t3，触发信号Vsen再度拉至高电平，整个电路运作过程重复，依此类推。整个电路运作过程可依据需要一直重复。最大快速响应信号QRmax的开启时间皆为响应电压Vqr由低电平上升至输出电压Vo的电平所需的时间。需注意的是，输出电压Vo的振幅比响应电压Vqr小很多，因此在图中输出电压Vo的电平看起来是固定的。
此外，电流源181可根据负载频率信号Fs以及输入电压Vin调整响应电流Iqr。固定电压VHD可为直流电压，例如5V，并可用以使触发器SR输出的最大快速响应信号QRmax的高电平等于固定电压VHD。而最大快速响应信号QRmax的宽度可由以下公式表示：
Figure BDA0003475301400000071
其中QRmax为最大快速响应信号宽度，C为电容值，Vo为输出电压，Vin为输入电压，Rs为电流源181之电阻值，Fs为负载频率。
最大快速响应信号QRmax的宽度为降压转换器100所能承受最大的脉宽调制信号宽度。脉宽调制信号超过此宽度会使输出电压Vo持续上升而造成电压过载(overvoltage)的情况。最大快速响应信号产生器18的应用可避免电压过载情况。
图4为图1之降压转换器100的操作信号时序图。以下说明快速响应电路10产生快速响应信号QR及其应用于降压转换器100提供输出电压Vo和负载电流ILo的过程。在时间t1，负载电流ILo上升至高电流，使输出电压Vo开始下降至小于阈值(threshold)。此时，电压下垂传感器12可产生触发信号Vsen，并将触发信号Vsen传送至快速响应信号产生器16以及最大快速响应信号产生器18以分别产生起始快速响应信号QRi及最大快速响应信号QRmax。快速响应信号产生器16可根据触发信号Vsen的斜率调整起始快速响应信号QRi的宽度。起始快速响应信号QRi及最大快速响应信号QRmax会输入与门AND。与门AND对最大快速响应信号QRmax及起始快速响应信号QRi进行及逻辑运算产生快速响应信号QR。快速响应信号QR及脉宽调制产生信号PM1～PMN会分别输入对应的或门OR1～ORN。或门OR1～ORN会将快速响应信号QR及对应的脉宽调制产生信号PM1～PMN进行或逻辑运算产生脉宽调制信号PWM1～PWMN。脉宽调制信号PWM1～PWMN同时推动功率级PS1～PSN产生输出电压Vo，并且电感L1～LN产生的总电感电流Isum开始上升。同时，总电感电流Isum的部分电流流至输出电容Co为输出电容Co充电，并且另一部分电流成为流至负载Lo的负载电流ILo，提供负载Lo所需的电能。功率级PS1～PSN的运作方式为本技术领域中具有通常知识者所习知，在此不赘述。
在时间t1和时间t2之间，一开始由快速响应信号QR信号快速提供电能使总电感电流Isum能迅速拉高，之后因输出电压Vo仍小于阈值，补偿器20输出补偿信号Vcomp使交错逻辑电路30产生交错信号Vint，推动脉宽调制信号产生器Ton1～TonN以交错的方式产生脉宽调制产生信号PM1～PMN，脉宽调制产生信号PM1～PMN即为脉宽调制信号PWM1～PWMN。脉宽调制信号PWM1～PWMN推动功率级PS1～PSN持续提供部分负载电流ILo。同时，输出电容Co放电以提供另一部分的负载电流ILo。
在时间t2，负载电流ILo降至低电流，输出电压Vo开始回升，电感L1～LN开始放电，总电感电流Isum开始下降至低电流，直到时间t3，负载电流ILo再度提高。在时间t3至t4的电路运作过程重复时间t1至t2。
在时间t5至t6，负载频率提高，此时，快速响应信号QR即为脉宽调制信号PWM1～PWMN，脉宽调制信号PWM1～PWMN同时推动功率级PS1～PSN产生输出电压Vo并提供负载电流ILo。由于快速响应信号QR所产生之脉宽调制信号PWM1～PWMN已经提供足够电能，因此补偿器20不需要再输出补偿信号Vcomp来使脉宽调制信号产生器Ton1～TonN另外输出脉宽调制产生信号PM1～PMN来推动功率级PS1～PSN提供额外的电流。在快速响应信号QR拉至低电平后，电感L1～LN即开始放电，总电感电流Isum即开始下降。之后，负载电流ILo降至低电流，使输出电压Vo开始上升，而总电感电流Isum持续下降，直到时间t7，负载电流ILo再度提高。时间t7至t8以及其后的运作周期虽然频率可不同，但电路运作过程基本上重复时间t5至t6，依此类推。因本发明之快速响应电路10可以控制快速响应信号QR的宽度，总电感电流Isum可在降回原来的电平之后才会再被拉高，所以不会造成额外的能量累积，输出电压Vo就不会随着时间而愈来愈被拉高，如此即可避免电压过载的情况。
图5为图1之降压转换器100的另一操作信号时序图。图5示意了总电感电流Isum以及快速响应信号QR以辅助说明如何导出最大快速响应信号QRmax的宽度。说明如下：
电感L1～LN在一周期中充电的总电能为：
Figure BDA0003475301400000091
电感L1～LN在一周期中电感放电的总电能为：
Figure BDA0003475301400000092
根据能量守恒定律，在一周期中电感L1～LN充电的总电能等于电感L1～LN放电的总电能：
Figure BDA0003475301400000093
因此降压转换器100所能承受最大的脉宽调制信号宽度可由下列算式导出：
Figure BDA0003475301400000101
Figure BDA0003475301400000102
Figure BDA0003475301400000103
Figure BDA0003475301400000104
Figure BDA0003475301400000105
其中QRmax为最大快速响应信号的宽度，Vo为输出电压，Vin为输入电压，Fs为负载频率，Ts为负载周期，N为相数，L为电感的感值。由公式可见，最大快速响应信号的宽度可根据输入电压Vin，输出电压Vo，以及负载频率决定。
图6为图1之降压转换器100的另一操作信号时序图。最大快速响应信号QRmax的高电平时间皆为响应电压Vqr由低电平上升至输出电压Vo所需的时间。在周期T1，起始快速响应信号QRi的宽度小于最大快速响应信号QRmax的宽度，因此快速响应电路10输出的快速响应信号QR为起始快速响应信号QRi。在周期T2，起始快速响应信号QRi的宽度大于最大快速响应信号QRmax的宽度，因此快速响应电路10输出的快速响应信号QR为最大快速响应信号QRmax。在周期T3，负载频率提高，最大快速响应信号产生器18因为负载频率上升而将最大快速响应信号QRmax的宽度下调，因此快速响应电路10输出的快速响应信号QR为最大快速响应信号QRmax，以避免降压转换器100发生电路过载。在周期T4，负载频率降低，最大快速响应信号产生器18因为负载频率下降而将最大快速响应信号QRmax的宽度上调，因此快速响应电路10输出的快速响应信号QR为起始快速响应信号QRi。藉此方法可根据负载频率及时调整快速响应信号QR的宽度以避免电压过载，并达到最好的能源效率。
图7为图1之降压转换器100的操作方法700的流程图。方法700包含以下步骤：
S702：电压下垂传感器12根据输出电压Vo的电压下垂产生触发信号Vsen；
S704：负载频率传感器14根据负载Lo的频率输出负载频率信号Fs；
S706：快速响应信号产生器16根据触发信号Vsen产生起始快速响应信号QRi；
S708：最大快速响应信号产生器18根据输入电压Vin、触发信号Vsen、负载频率信号Fs及输出电压Vo产生最大快速响应信号QRmax；
S710：与门AND根据起始快速响应信号QRi及最大快速响应信号QRmax产生快速响应信号QR；
S712：补偿器20根据输出电压Vo及参考电压Vref产生补偿信号Vcomp；
S714：交错逻辑电路30根据补偿信号Vcomp产生交错信号Vint；
S716：脉宽调制信号产生器Ton1～TonN根据交错信号Vint、输出电压Vo及输入电压Vin产生对应的脉宽调制产生信号PM1～PMN；
S718：或门OR1～ORN根据快速响应信号QR及对应的脉宽调制产生信号PM1～PMN产生对应的脉宽调制信号PWM1～PWMN；及
S720：功率级PS1～PSN根据脉宽调制信号PWM1～PWMN产生输出电压Vo。
降压转换器100的操作方法700的详细说明可于见于前面段落，在此不赘述。
图8为图2之最大快速响应信号产生器18的操作方法800的流程图。方法800包含以下步骤：
S802：电流源181根据输入电压Vin及负载频率信号Fs产生响应电流Iqr；
S804：比较器182根据正输入端接收之响应电压Vqr及负输入端接收之输出电压Vo输出重置信号Vrst；及
S806：触发器SR根据输入端D接收之固定电压VHD，时序端CK接收之触发信号Vsen，及重置端R接收之重置信号Vrst于触发器SR的输出端Q输出最大快速响应信号QRmax。
最大快速响应信号产生器18的操作方法800的详细说明可于见于前面段落，在此不赘述。
综上所述，本发明之具快速响应电路的降压转换器可有效避免一般快速响应电路在负载施加瞬时期间可能产生的电压过载问题，总电感电流可在降回原来的电平之后才会再被拉高，因此不会产生额外的能量累积。输出电压就不会随着时间而愈来愈被拉高，如此即可避免电压过载的情况，并提升了降压转换器的能源效率。
以上所述仅为本发明之较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做之均等变化与修饰，皆应属本发明之涵盖范围。
【符号说明】
100,900: 降压转换器
10,910: 快速响应电路
12: 电压下垂传感器
14: 负载频率传感器
16: 快速响应信号产生器
18: 最大快速响应信号产生器
20: 补偿器
30: 交错逻辑电路
901,902: 晶体管
903: 缓冲器
904: 反向器
Ton1～TonN: 脉宽调制信号产生器
OR1～ORN: 或门
PS1～PSN: 功率级
L1～LN: 电感
AND: 与门
Vo: 输出电压
Vin: 输入电压
Vsen: 触发信号
Lo: 负载
Co: 输出电容
Fs: 负载频率信号
ILo: 负载电流
Isum: 总电感电流
QRi: 起始快速响应信号
QRmax: 最大快速响应信号
QR: 快速响应信号
Vref: 参考电压
Vcomp: 补偿信号
Vint: 交错信号
PM1～PMN: 脉宽调制产生信号
PWM1～PWMN: 脉宽调制信号
OUT: 输出端
IN: 输入端
181: 电流源
182: 比较器
C: 电容
S: 开关
SR: 触发器
GND: 接地端
D: 输入端
R: 重置端
CK: 时序端
Q: 输出端
Qb: 反输出端
Iqr: 响应电流
Vqr: 响应电压
t1～t8: 时间
T1～T4: 周期
700,800: 方法
S702～S720,
S802～S806: 步骤。

Claims (20)

1.一种降压转换器，包含：
一快速响应电路，包含：
一电压下垂传感器(voltage droop sensor)，耦接于一输出端，用以检测一输出电压的电压下垂(voltage droop)并据以产生一触发信号；
一负载频率传感器(load frequency sensor)，耦接于该输出端，用以检测一负载的一频率，并据以输出一负载频率信号；
一快速响应信号产生器，耦接于该电压下垂传感器，用以根据该触发信号产生一起始快速响应信号；
一最大快速响应信号产生器，耦接于该电压下垂传感器、该负载频率传感器、该输出端及一输入端，用以根据一输入电压、该触发信号、该负载频率信号及该输出电压产生一最大快速响应信号；及
一与门，耦接于该快速响应信号产生器及该最大快速响应信号产生器，用以根据该起始快速响应信号及该最大快速响应信号产生一快速响应信号；
一补偿器(compensator)，耦接于该输出端，用以根据该输出电压及一参考电压产生一补偿信号；
一交错逻辑电路(interleaving logic)，耦接于该补偿器，用以根据该补偿信号产生一交错信号；
多个脉宽调制信号产生器，其中每一脉宽调制信号产生器分别耦接该交错逻辑电路、该输入端及该输出端，用以根据该交错信号、该输出电压及该输入电压产生一脉宽调制产生信号；
多个或门，其中每一或门耦接于该快速响应电路的该与门以及一对应的脉宽调制信号产生器，该每一或门用以根据该快速响应信号及对应的一脉宽调制产生信号产生一脉宽调制信号；
多个功率级(power stage)，其中每一功率级耦接于一对应的或门，用以根据对应的脉宽调制信号产生该输出电压；
多个电感，其中每一电感耦接于一对应的功率级及该输出端之间；及
一输出电容，耦接于该输出端及一接地端之间。
2.如权利要求1所述的降压转换器，其中该起始快速响应信号、该最大快速响应信号、该快速响应信号、该脉宽调制产生信号及该多个或门产生之多个脉宽调制信号实质上为方波信号。
3.如权利要求1所述的降压转换器，其中该多个脉宽调制信号产生器系以交错的方式产生多个脉宽调制产生信号。
4.如权利要求1所述的降压转换器，其中该快速响应信号产生器另用以根据该触发信号的一斜率调整该起始快速响应信号的一宽度。
5.如权利要求1所述的降压转换器，其中该最大快速响应信号产生器另用以根据该输入电压、该输出电压及该负载频率信号调整该最大快速响应信号的一宽度。
6.如权利要求1所述的降压转换器，其中该与门对该最大快速响应信号及该起始快速响应信号进行及逻辑运算以产生该快速响应信号。
7.如权利要求1所述的降压转换器，其中该每一或门对该快速响应信号及对应的该脉宽调制产生信号进行或逻辑运算以产生该脉宽调制信号。
8.如权利要求1所述的降压转换器，其中当该输出电压下降至小于该参考电压时，该补偿器产生该补偿信号。
9.如权利要求1所述的降压转换器，其中该最大快速响应信号产生器包含：
一电流源，用以根据该输入电压及该负载频率信号产生一电流；
一电容，耦接于该电流源及该接地端之间；
一开关，包含：
一第一端，耦接于该电流源及该电容；
一第二端，耦接于该接地端；及
一控制端；
一比较器，用以根据该响应电压及该输出电压产生一重置信号，该比较器包含：
一正输入端，耦接于该电流源、该电容及该开关的该第一端，用以接收该响应电压；
一负输入端，用以接收该输出电压；及
一输出端，用以输出该重置信号；及
一触发器，用以根据一固定电压、该触发信号及该重置信号产生该最大快速响应信号，包含：
一输入端，用以接收该固定电压；
一重置端，耦接于该比较器的该输出端，用以接收该重置信号；
一时序端，用以接收该触发信号；
一输出端，用以输出该最大快速响应信号；及
一反输出端，耦接于该开关的该控制端。
10.一种降压转换器的操作方法，该降压转换器包含一快速响应电路、一补偿器、一交错逻辑电路、多个脉宽调制信号产生器、多个或门、多个功率级、多个电感及一输出电容，该补偿器耦接于一输出端，该交错逻辑电路耦接于该补偿器，每一脉宽调制信号产生器分别耦接于该交错逻辑电路及一输入端及该输出端，每一或门分别耦接于一对应的脉宽调制信号产生器，多个功率级耦接于对应的该多个或门，每一电感耦接于一对应的功率级及该输出端之间，该输出电容耦接于该输出端及一接地端之间，该快速响应电路包含一电压下垂传感器、一负载频率传感器、一快速响应信号产生器、一最大快速响应信号产生器、一与门，该电压下垂传感器耦接于该输出端，该负载频率传感器耦接于该输出端，该快速响应信号产生器耦接于该电压下垂传感器、该最大快速响应信号产生器耦接于该电压下垂传感器、该负载频率传感器、该输出端及该输入端、该与门耦接于该快速响应信号产生器、该最大快速响应信号产生器及该多个或门，该方法包含：
该电压下垂传感器根据一输出电压的电压下垂产生一触发信号；
该负载频率传感器根据该负载的一频率输出一负载频率信号；
该快速响应信号产生器根据该触发信号产生一起始快速响应信号；
该最大快速响应信号产生器根据一输入电压、该触发信号、该负载频率信号及该输出电压产生一最大快速响应信号；
该与门根据该起始快速响应信号及该最大快速响应信号产生一快速响应信号；
该补偿器根据该输出电压及一参考电压产生一补偿信号；
该交错逻辑电路根据该补偿信号产生一交错信号；
该多个脉宽调制信号产生器中每一脉宽调制信号产生器根据该交错信号、该输出电压及该输入电压产生一脉宽调制产生信号；
该多个或门中每一或门根据该快速响应信号及对应的一脉宽调制产生信号产生一脉宽调制信号；及
该多个功率级根据多个脉宽调制信号产生该输出电压。
11.如权利要求10所述的方法，其中该起始快速响应信号、该最大快速响应信号、该快速响应信号、该脉宽调制产生信号及脉宽调制信号实质上为方波信号。
12.如权利要求10所述的方法，其中该快速响应信号产生器根据该触发信号产生该起始快速响应信号，包含：
该快速响应信号产生器根据该触发信号的一斜率调整该起始快速响应信号的一宽度。
13.如权利要求10所述的方法，另包含该多个脉宽调制信号产生器以交错的方式产生多个脉宽调制产生信号。
14.如权利要求10所述的方法，其中该最大快速响应信号产生器根据该输入电压、该触发信号、该负载频率信号及该输出电压产生该最大快速响应信号，包含：
该最大快速响应信号产生器根据该输入电压、该触发信号、该负载频率信号及该输出电压调整该最大快速响应信号的一宽度。
15.如权利要求10所述的方法，其中该与门根据该起始快速响应信号及该最大快速响应信号产生该快速响应信号，包含：
该与门对该最大快速响应信号及该起始快速响应信号进行及逻辑运算以产生该快速响应信号。
16.如权利要求10所述的方法，其中该多个或门中该每一或门根据该快速响应信号及对应的该脉宽调制产生信号产生该脉宽调制信号，包含：
该每一或门对该快速响应信号及对应的该脉宽调制产生信号进行或逻辑运算以产生该脉宽调制信号。
17.如权利要求10所述的方法，其中该补偿器接收该输出电压及一参考电压并据以产生一补偿信号，包含：
当该输出电压下降至小于该参考电压时，该补偿器产生该补偿信号。
18.如权利要求10所述的方法，其中该最大快速响应信号产生器根据该输入电压、该触发信号、该负载频率信号及该输出电压产生该最大快速响应信号包含：
该最大快速响应信号产生器包含一电流源、一电容、一开关、一比较器及一触发器，该电容耦接于该电流源及一接地端之间，该开关包含一第一端耦接于该电流源及该电容，一第二端耦接于该接地端，及一控制端，该比较器包含一正输入端耦接于该电流源、该电容及该开关的该第一端，一负输入端及一输出端，该触发器包含一输入端，一重置端耦接于该比较器的该输出端，一时序端，一输出端及一反输出端耦接于该开关的该控制端，该方法包含：
该电流源根据该输入电压及该负载频率信号产生一电流；
该比较器根据该正输入端接收之一响应电压及该负输入端接收之该输出电压于该比较器之该输出端输出一重置信号；及
该触发器根据该输入端接收之一固定电压，该时序端接收之该触发信号，及该重置端接收之该重置信号于该触发器的该输出端输出该最大快速响应信号。
19.一种最大快速响应信号产生器，包含：
一电流源，用以根据一输入电压及一负载频率信号产生一响应电流；
一电容，耦接于该电流源及一接地端之间；
一开关，包含：
一第一端，耦接于该电流源及该电容；
一第二端，耦接于该接地端；及
一控制端；
一比较器，用以根据一响应电压及一输出电压产生一重置信号，该比较器包含：
一正输入端，耦接于该电流源、该电容及该开关的该第一端，用以接收该响应电压；
一负输入端，用以接收该输出电压；及
一输出端，用以输出该重置信号；及
一触发器，用以根据一固定电压、一触发信号及该重置信号产生一最大快速响应信号，包含：
一输入端，用以接收该固定电压；
一重置端，耦接于该比较器的该输出端，用以接收该重置信号；
一时序端，用以接收该触发信号；
一输出端，用以输出该最大快速响应信号；及
一反输出端，耦接于该开关的该控制端。
20.一种最大快速响应信号产生器的操作方法，该最大快速响应信号产生器包含一电流源、一电容、一开关、一比较器及一触发器，该电容耦接于该电流源及一接地端之间，该开关包含一第一端耦接于该电流源及该电容，一第二端耦接于该接地端，及一控制端，该比较器包含一正输入端耦接于该电流源、该电容及该开关的该第一端，一负输入端及一输出端，该触发器包含一输入端，一重置端耦接于该比较器的该输出端，一时序端，一输出端及一反输出端耦接于该开关的该控制端，该方法包含：
该电流源根据一输入电压及一负载频率信号产生一响应电流；
该比较器根据该正输入端接收之一响应电压及该负输入端接收之一输出电压于该比较器之该输出端输出一重置信号；及
该触发器根据该输入端接收之一固定电压，该时序端接收之一触发信号，及该重置端接收之该重置信号于该触发器的该输出端输出一最大快速响应信号。
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