TW201324116A

TW201324116A - 用於共享電感器調整器之控制系統及方法

Info

Publication number: TW201324116A
Application number: TW101120391A
Authority: TW
Inventors: Andrew Goessling; wei-hong Qiu; Zaki Moussaoui
Original assignee: Intersil Americas LLC
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2012-06-07
Publication date: 2013-06-16
Also published as: US20130141070A1; CN103138325A

Abstract

一種用於一共享電感器的調節器之控制系統及方法。該調節器係包含一電感器以及多個開關，以選擇性地將該電感器耦接到輸出節點、參考節點以及充電節點。該充電節點可耦接至一電池。一輸入開關可被納入以選擇性地將該電感器耦接到一電源節點。一控制器係控制該等開關以調節輸出電壓、充電電流、以及當有提供時的一電源電壓。該電感器電流係被感測且被用來調節該輸出電壓，並且調節該充電電流或是該輸入電壓。當一外部電源提供足夠的電力時，該充電電流係被調節。當該電源到達一最大的功率設定點時，該輸入電壓係被維持在一最小的位準。當該電源提供不足的電力時，該電池係被用來增加電力或是提供唯一的電力。

Description

用於共享電感器調整器之控制系統及方法

【相關申請案之交互參照】

此申請案係主張2011年12月1日申請的美國專利臨時申請案序號61/565,700的權益，該申請案係為了所有意圖及目的而藉此以其整體納入作為參考。

本發明係有關於控制系統，特別是用於共享電感器的調節器之控制系統。

一習知的交換式電壓調節器可包含多個電感器，例如，每個輸出包含至少一電感器。在一習知的配置中，一電感器係被設置以從一外部電源充電一電池，並且另一電感器係被設置以調節傳送到負載的電池電力。這些習知的交換式電壓調節器包含二或多個電感器。然而，對於大部分應用而言，電感器會佔用大量的空間並且增加成本。想要以有效且經濟的方式共享電感器以節省空間及成本並不容易。

本文係展示並描述一種用於一共享電感器的調節器之控制系統及方法。該調節器係包含一電感器以及多個開關，以選擇性地將該電感器耦接到輸出節點、參考節點以及充電節點。該充電節點可耦接至一電池。一輸入開關可被納入以選擇性地將該電感器耦接到一電源節點。一控制器係控制該等開關以調節輸出電壓、充電電流、以及當有提供時的一電源電壓。該電感器電流係被感測且被用來調節該輸出電壓，並且調節該充電電流或是該輸入電壓。當一外部電源提供足夠的電力時，該充電電流係被調節。當該電源到達一最大的功率設定點時，該輸入電壓係被維持在一最小的位準。當該電源提供不足的電力時，該電池係被用來增加電力或是提供唯一的電力。

根據一實施例之共享電感器的調節器係包含一補償系統、一感測系統及一控制器。該共享電感器的調節器係包含一耦接在一輸入節點與一中間節點之間的電感器、一耦接在該中間節點與一參考節點之間的第一開關、一耦接在該中間節點與一輸出節點之間的第二開關、一耦接在該中間節點與一充電節點之間的第三開關、以及一耦接在該充電節點與該參考節點之間的電荷儲存裝置。該補償系統係根據一當被該輸入節點接收時的電源電壓以提供一輸入補償電壓，根據一在該輸出節點上發展出的輸出電壓以提供一輸出補償電壓，並且根據一通過該電荷儲存裝置的充電電流以提供一充電補償電壓。該感測系統係接收一指出通過該電感器的電感器電流的感測電壓。該控制器係操作以根據該感測電壓、該輸入補償電壓、該輸出補償電壓以及該充電補償電壓來控制該第一、第二及第三開關，以調節該輸出電壓至一預設的電壓位準、當該輸入補償電壓指出該電源電壓是高於一最小電源位準時，調節該充電電流至一預設的電流位準、並且當該電源電壓被提供至該輸入節點時，維持該電源電壓至少在該最小電源位準。

根據一實施例之操作一共享電感器的調節器之方法係包括發展、感測及控制。該發展包括發展出複數個補償信號，該等補償信號包含一根據一當被該輸入節點接收時的電源電壓之輸入補償信號、一根據一在該輸出節點上發展出的輸出電壓之輸出補償信號、以及一根據一流過該電荷儲存裝置的充電電流之充電補償信號。該感測包括感測通過該電感器的電流並且提供一電流感測信號。該控制包括根據該電流感測信號以及該複數個補償信號來控制該複數個開關，以調節該輸出電壓至一預設的電壓位準、以在該電源電壓高於一最小電源位準時調節該充電電流至一預設的電流位準、並且在該電源電壓被提供至該輸入節點時，維持該電源電壓至少在該最小電源位準。

根據一實施例之電子設備係包括一電源系統，其係包括一耦接在一輸入節點與一中間節點之間的電感器、至少三個開關、一電荷儲存裝置、一補償系統、一感測系統及一控制器。該第一開關係耦接在該中間節點與一參考節點之間，該第二開關係耦接在該中間節點與一輸出節點之間，以及該第三開關係耦接在該中間節點與一充電節點之間。該電荷儲存裝置係用於耦接在該充電節點與該參考節點之間。該補償系統係提供一根據一當被該輸入節點接收時的電源電壓之輸入補償電壓、提供一根據一在該輸出節點上發展出的輸出電壓之輸出補償電壓並提供一根據一通過該電荷儲存裝置的充電電流之充電補償電壓。該控制器係操作以根據該感測電壓、該輸入補償電壓、該輸出補償電壓、以及該充電補償電壓來控制該第一、第二及第三開關，以調節該輸出電壓至一預設的電壓位準、當該輸入補償電壓指出該電源電壓高於一最小電源位準時，調節該充電電流至一預設的電流位準、以及當該電源電壓被提供至該輸入節點時，維持該電源電壓至少在該最小電源位準。

以下的說明係被提出以使得具有此項技術的通常知識者能夠製造及利用如同在一特定的應用以及其需求的背景中所提出的本發明。然而，各種對於較佳實施例的修改對熟習此項技術者而言將會是明顯的，並且在此界定的一般性原理可以應用到其它實施例。因此，本發明並不欲受限於在此所示及敘述的特定實施例，而是欲被授予和在此揭露的原理及新穎特點一致的最寬範疇。

一習知的交換式電壓調節器可包含多個電感器，例如，每個輸出包含至少一電感器。在一習知的配置中，一電感器係被設置以從一外部電源充電一電池，並且另一電感器係被設置以調節傳送到負載的電池電力。對於大部分應用而言，額外的電感器會佔用大量的空間並且增加成本。

如同在此所述的一種共享電感器的調節器架構係整合兩個或多個電壓調節器與單一電感器，此係導致空間節省及成本降低。一控制器係執行該電感器在一外部電源(例如，AC適配器(adapter))與在輸入處的一電荷儲存裝置(例如，可再充電的電池)之間、以及在該電荷儲存裝置與輸出之間的時間多工的功能。該電荷儲存裝置可以是一電容器或是一電池，其中該電荷儲存裝置可以被配置為一輸入或是一輸出，此係依據一外部電源的存在及狀態而定。在花費額外的開關之代價下，至少一電感器係被省略。在一實施例中，該拓撲固有是升降壓的，並且一般可處理輸入電壓(VIN)、電池電壓(VBAT)以及輸出電壓(VO)的幾乎任何實際可行的組合。該等開關以及該電感器的尺寸係分別按照用於任何給定的配置之充電電流需求來製作的。該電荷儲存裝置可以是一電容器，其中該等開關係被控制以達成雙輸出電壓：一個為正，且另一個為負。本揭露內容係針對一電池來描述控制動作，其中若該電荷儲存裝置是一電容器，則該控制方法係被修改。

在一實施例中，外部電源係提供在大約5伏特(V)的輸入電壓VIN，電池電壓VBAT的範圍是在3到4.2V之間，並且輸出電壓VO係被升壓至20-30V。該外部電源可運作在一電壓範圍內，例如，提供一低到一最小電源位準的標稱電壓位準。在一實施例中，例如，該外部電源係提供5V的標稱電壓，並且具有大約4.5V的最小電壓位準。該共享電感器的調節器係偵測到若當該電源電壓下降至該最小電源位準時，則操作以調節該輸入來維持該最小電源位準。

圖1是一被配置以一電源系統101的電子設備100之簡化的方塊圖，該電源系統101包含一根據本發明的一實施例實施的共享電感器的調節器103。該電源系統101係發展出一或多個供應電壓，該些供應電壓係提供電力給該電子設備100的其它系統裝置。在舉例說明的實施例中，該電子設備100係包含一處理器107以及一週邊系統109，兩者係耦接以從該電源系統101經由一匯流排105來接收供應電壓，該匯流排105係包含電源及/或信號導體的任意組合。在該舉例說明的實施例中，該週邊系統109可包含一系統記憶體111(例如，包含RAM及ROM類型的元件以及記憶體控制器與類似者的任意組合)、以及一輸入/輸出(I/O)系統113的任意組合，該I/O系統113可包含系統控制器與類似者，例如，繪圖控制器、中斷控制器、鍵盤及滑鼠控制器、系統儲存裝置控制器(例如，用於硬碟機的控制器與類似者)、等等。該舉例說明的系統只是範例的，因為如同熟習此項技術者所理解的，該等處理器系統及支援裝置中的許多個都可被整合到處理器晶片上。

該電子設備100可以是任意類型的電腦或計算裝置，例如，電腦系統(例如，筆記型電腦、桌上型電腦、小筆電電腦、等等)、媒體平板裝置(例如，蘋果公司生產的iPad、亞馬遜公司生產的Kindle、等等)、通訊裝置(例如，行動電話、智慧手機、等等)、以及其它類型的電子設備(例如，媒體播放器、記錄裝置、等等)。該電源系統101可被配置以包含一電池(可再充電或是非可再充電的)且/或可被配置以利用一交流(AC)適配器或類似者來運作。

圖2是根據本發明的一實施例實施且包含一共享電感器L的調節器103之簡化的概要及方塊圖。一外部電源201係在一電源節點202上提供一DC(直流)輸入電壓VIN。該外部電源201可以是具有任意類型，例如，一轉換AC電壓成為該DC輸入電壓VIN的AC適配器。一開關203係具有耦接在輸入節點202以及一輸入節點204之間的切換的端子，並且是藉由一信號E來加以控制。另一開關205係具有耦接在輸入節點204以及一參考或共同節點COMM之間的切換的端子，並且是藉由一信號EPP來加以控制。應注意的是，COMM一般係代表一或多個參考節點，其包含一或多個接地位準或節點，例如，信號接地、電力接地、機殼接地、等等、或是任何其它適當的參考電壓位準。為了清楚描繪，COMM係以簡化的型式被展示為單一參考節點。該電感器L係被耦接在輸入節點204以及一中間節點206之間，並且另一開關207係使得其切換的端子耦接在節點206與COMM之間，並且藉由一信號D來加以控制。另一開關209係使得其切換的端子耦接在節點206與一輸出節點208之間，並且藉由一信號DPP來加以控制。該輸出節點208係發展出一經調節的輸出電壓VO。一具有電容C的輸出電容器211係耦接在該輸出節點208與COMM之間，並且一負載213亦耦接在輸出節點208與COMM之間。該負載213可以代表耦接至該匯流排105的裝置之任一個，例如，處理器107及/或週邊系統109的裝置中之任意一或多個。

一開關215係使得其切換的端子耦接在節點204與一充電節點210之間，並且藉由一信號EP來加以控制。一電池217係被展示為使得其正端子耦接至節點210並且使得其負端子耦接至COMM。在此實施例中，耦接至該充電節點210的電荷儲存裝置是該電池217，因而節點210係發展出電池電壓VBAT。另一開關219係使得其切換的端子耦接在節點206與該充電節點210之間，並且藉由一信號DP來加以控制。一電流感測器221係被設置用於感測通過該電感器L的電流IL，並且用於提供一指出該電流IL的電壓V_IL(例如，成比例的電壓信號或類似者)。該電流感測器221係代表可被利用於感測或者導出或是決定IL的電流位準以用於提供V_IL之任意類型的電流感測系統。另一電流感測器223(或電流感測系統)係被設置以用於感測一通過該電池217的充電電流IC，並且用於提供一指出該充電電流IC的電壓V_IC(例如，成比例的電壓信號或類似者)。該電流感測器221及223各代表分別可用如同該項技術中具有通常技能者所理解的許多不同方式中的任何一種來實施之電流感測系統。

該等開關203、205、207、209、215及219的每一個係被展示為單極單投(SPST)開關，每個開關係藉由一分別例如是E、EPP、D、DPP、EP及DP之對應的控制信號來加以控制。在一實施例中，每個開關係在其對應的控制信號被發出為低的時候被斷開，並且在該對應的控制信號被發出為高的時候被閉合。該些控制開關的每一個可被實施為一電子開關，例如，任何適當類型的電晶體，例如：金屬氧化物半導體(MOS)電晶體、場效電晶體(FET)、MOSFET、雙載子接面電晶體(BJT)與類似者、絕緣閘極雙載子電晶體(IGBT)與類似者、等等。

該調節器103進一步被展示為包含一補償區塊225，該補償區塊225係包含用於提供補償信號的補償邏輯及/或電路。如圖所示，該補償區塊225係接收該輸入電壓VIN、輸出電壓VO以及指出該電池充電電流IC的電壓V_IC。該輸出電壓可被表示為一回授電壓VFB，例如，其係由一分壓器電路或類似者(未顯示)所提供。該補償區塊225係輸出對應的補償信號VIN_COMP(其指出一相對於所要的VIN位準的誤差)、IC_COMP(其指出一相對於所要的充電電流IC位準的誤差)、以及VO_COMP(其指出一相對於所要的VO位準的誤差)。儘管被展示為單一區塊，但是該補償區塊225可被分散成多個補償電路。如同熟習此項技術者所理解的，每個補償信號可藉由一誤差放大器電路或類似者(圖10)來加以產生。

該VIN_COMP及IC_COMP信號係被提供至一低區塊227的個別的輸入，此係在其輸出處提供一低補償信號LO_COMP。LO_COMP是該VIN_COMP及IC_COMP信號中之較低者、或者代表該較低者。例如，具有最低電壓位準的補償信號VIN_COMP及IC_COMP係被提供作為該LO_COMP電壓信號。該低區塊227可用任何適當的方式來加以實施，例如，一比較器電路或類似者、或甚至是簡單如一個二極體電路(圖8)，其中LO_COMP係被拉到IC_COMP及VIN_COMP中之較低的電壓位準。如同在此進一步所述，該較低的電壓補償信號係被使用於控制多個操作模式的每一個的切換。

LO_COMP、VO_COMP、V_IL以及一時脈信號CLK係被提供至一控制器229的個別的輸入，該控制器229係分別發展且輸出該些開關控制信號E、EPP、EP、D、DPP及DP至該等開關203、205、215、207、209及219的控制輸入。該控制器229係根據一種新穎的調節器及控制設計來加以實施，該控制器229能夠提供該電池217一經調節的充電電流，並且僅利用該唯一的電感器L以從該外部電源201(例如，AC適配器)來調節該輸出電壓VO。該控制設計亦容許該電池217能夠根據該外部電源201的存在及狀態，平順地從充電轉變成提供電力至該負載213。如同在此進一步敘述的，該控制設計進一步致能VIN從該外部電源201(若有提供的話)調節至一最小電源位準。在此種從外部電源201供電給輸出轉變到從電池217供電給輸出的期間，該控制器229係調節該外部的輸入電壓以確保最佳的(例如，最大的)功率汲取。

如同在此進一步敘述的，至少有兩個依據操作狀況而定的主要操作模式以及四個如在此所述的主要操作模式。在此敘述的控制設計之至少一優點是達成在個別的操作模式之間平順的操作轉變。一被稱為脈波頻率調變(PFM)模式之額外的操作模式可在一被提供至該控制器229的另一輸入的PFM_MODE輸入信號的發出之後被實施。該PFM模式在該負載電流ILD相較於充電電流是相對小的一較低功率模式期間是有利的。在此例中，該輸出電壓VO係大致被調節以維持一最小的輸出電壓位準VO_MIN，並且電池的充電電流係被調節至一所要的位準。一最小的輸出電壓參考值VO_MIN_REF係被提供至該控制器229的另一輸入以將VO調節在VO_MIN。

在一實施例中，該控制設計是一種電流模式的控制。至少有三個控制參數被用來決定切換的狀況：一高電流臨界值、一低電流臨界值以及一時脈轉變。該控制設計係嘗試調節該電感器電流IL在該高及低的臨界值之內，並且根據該時脈信號來開始/結束每個切換週期。可以存在有數個高/低電流臨界值，其係藉由不同的調節迴路來加以決定，像是該VO電壓調節迴路、該輸入電壓/電流調節迴路以及該電池的充電電流調節迴路。該控制設計係根據該操作狀況來分別對於該高/低臨界值決定適當的迴路輸出。

該高電流臨界值可藉由該VO補償來加以控制，很像是傳統的電流模式的控制。該低電流臨界值可藉由該IC_COMP補償及VIN_COMP的較低者來加以控制。該IC_COMP補償係以當IC是低於一充電電流設定點(例如，CHG_REF，圖10)時，IC_COMP的電壓增高的此種方式來加以控制。該輸入電壓補償係以當VIN是低於對應於一最大的功率點(MPP)設定點之一最小電源位準(例如，VIN_MIN，圖10)時，VIN_COMP的電壓降低的此種方式來加以控制。當該外部的輸入電壓VIN是高於VIN_MIN時，VIN_COMP係增高，並且IC_COMP係控制該低電流臨界值。當該外部的輸入電壓是低於由VIN_MIN決定的MPP設定點時，VIN_COMP係降低，並且VIN_COMP係控制該低電流臨界值。在此的說明是，此種類型的控制是如何可和先前所述的架構一起被利用於一升壓輸出的一個例子。

圖3是描繪根據一第一操作模式(模式1)的調節器103的動作之圖表圖解，該第一操作模式係操作於外部電源201具有綽綽有餘的電力以調節輸出電壓VOUT及該充電電流時，在此情形中，VIN是在VIN_MIN、或是高於VIN_MIN。在此例中，該輸出電壓VO以及電池的充電電流IC兩者都被調節。該圖係相對於時間描繪V_IL(代表電感器電流IL)以及控制信號D、DPP、DP、EP、E及EPP。該時脈信號CLK的操作邊緣係以規則的間隔出現，其被展示為CLK1、CLK2、CLK3、CLK4、等等。每個操作的CLK邊緣可以是一上升或是下降邊緣，此係依據配置而定。V_IL一般是在一由LO_COMP設定的低位準以及一由VO_COMP設定的高位準之間切換。LO_COMP及VO_COMP係被展示為非變化的水平位準，但其中所了解的是，在一實際的操作狀況中，這些信號可能隨著時間而變化。在模式1中，當VO太低時，VO_COMP係增高，並且當IC太低時，IC_COMP係增高。

在模式1中，E係維持為高的，此係閉合開關203，使得該充電節點202短路到該輸入節點204，因而VIN被提供至該電感器L的一輸入端。EP及EPP兩者保持為低的，使得開關215及205兩者保持為斷開的。LO_COMP係被IC_COMP所控制，因為LO_COMP是低於VIN_COMP，因而IC_COMP係控制IL的低電流臨界值。該電感器波形(由V_IL所描繪)係決定在時脈脈波之間的切換期間是如何在該等輸出開關207(被D所控制)、219(被DP所控制)及209(被DPP所控制)之間劃分。在CLK1，D變為高的以導通低側的輸出開關207，並且該電流IL斜波上升，直到V_IL在時間t0到達或者是超出VO_COMP所界定的高臨界值為止。在t0，D係被拉低以斷開開關207，並且DPP係被拉高以導通該輸出開關209，因而該電流IL斜波下降。當V_IL在時間t1到達該低臨界值IC_COMP時，DPP係被拉低以關斷開關209，並且DP係在時間t1被拉高以導通該充電開關219。DP係維持為高的，以保持開關219導通，直到被展示為CLK2的CLK之下一個轉變為止。在後續的時脈週期期間係以實質類似的方式重複動作。應注意的是，該電流IL在此期間可以根據VIN及VBAT的相對電壓而斜波上升或下降。以下的圖式係描繪其中該電池電壓VBAT是低於該外部的輸入電壓VIN之範例的波形。

在模式1中，該外部電源201係具有足夠的電力以提供目標充電電流來充電該電池217，並且調節該輸出電壓VOUT，因而VIN係維持在VIN_MIN或是高於VIN_MIN。因此，IC_COMP係控制IL的低電流臨界值以調節該電池的充電電流。

圖4是描繪根據一第二操作模式(模式2)的調節器103的動作之圖表圖解，該第二操作模式係操作於該外部電源201並不具有足夠的電力以調節該輸出電壓及充電電流時。在此例中，VIN係降低至VIN_MIN並且被調節在該MPP設定點，VO係被調節，並且該電池217係接收任何未被該負載213吸收的多出的能量。同樣地，V_IL(代表電感器電流IL)以及該些控制信號D、DPP、DP、EP、E及EPP係相對於時間來加以繪製。該時脈信號CLK係在被展示為CLK1、CLK2、CLK3、CLK4、等等之規則的間隔，為了操作邊緣而變為高的。V_IL係大致切換在一由LO_COMP所設定的低位準以及一由VO_COMP所設定的高位準之間。LO_COMP及VO_COMP係被展示為非變化的水平位準，其中所了解的是，在一實際的操作狀況中，這些信號可隨著時間而變化。在模式2中，最大的功率係藉由一輸入電壓調節迴路而從該外部電源201來加以獲得。當VO太低時，VO_COMP係增高。當VIN太低時，VIN_COMP係降低。IC_COMP及VIN_COMP中之較小者係控制該低臨界值。

在模式2中，由V_IL所描繪的電流波形以及該些切換期間係類似於模式1。D、DPP及DP係以類似模式1的方式切換，EP及EPP兩者保持為低的，使得開關215及205兩者保持為斷開的，並且E維持為高的，使得開關203維持為閉合的。模式2相對於模式1的主要差異是該低電流臨界值LO_COMP在模式2中係被VIN_COMP控制，而不是被IC_COMP控制(模式1)。在模式2中，該充電電流係剛好在該目標充電電流位準、或是低於該目標充電電流位準，因而IC_COMP係上升，並且該外部電源201已經到達該MPP(外部電源201的最大輸出功率)。因此，VIN係降低到VIN_MIN或是低於VIN_MIN，使得VIN_COMP變為低於IC_COMP並且控制用於V_IL的低電流臨界值。

圖5是描繪根據一第三操作模式(模式3)的調節器103的動作之圖表圖解，該第三操作模式係操作於該外部電源201並不具有足夠的電力以調節該輸出電壓VOUT時。在此例中，VIN係被調節至該MPP設定點，VO係被調節，並且該電池217係被用來提供額外的電力(例如，放電到該負載213)。同樣地，V_IL(代表電感器電流IL)以及該些控制信號D、DPP、DP、EP、E及EPP係相對於時間來加以繪製。該時脈信號CLK係在被展示為CLK1、CLK2、CLK3、CLK4、等等之規則的間隔，為了操作邊緣而變為高的。V_IL係大致切換在一由LO_COMP所設定的低位準以及一由VO_COMP所設定的高位準之間。LO_COMP及VO_COMP係被展示為非變化的水平位準，其中所了解的是，在一實際的操作狀況中，這些信號可隨著時間而變化。在模式3中，最大的功率係藉由一輸入電壓調節迴路而從該外部電源201來加以獲得。當VO太低時，VO_COMP係增高。當VIN太低時，VIN_COMP係降低。該外部電源201以及該電池217共享輸入期間。該輸入切換的狀況係從反相的IL波形及VIN_COMP導出。

在模式3中，VIN_COMP是足夠低(低於IC_COMP)以使得LO_COMP係由VIN_COMP所決定，並且在每個時脈週期中，V_IL在CLK的發出之前並不下降到VIN_COMP的位準。在此例中，EPP係維持為低的，使得開關205係維持為斷開的，並且DP亦維持為低的，使得開關219亦維持為斷開的。在CLK1及CLK2之間的時脈週期期間，在一時間t0，EP變為低的以斷開開關215，並且E變為高的，其係閉合開關203以將VIN耦接至該電感器L，並且IL係以一較高的速率上升。D是高的，因而開關207係閉合的，並且DPP是低的，因而開關209係斷開的。在該第一時脈週期期間之後續的時間t1，V_IL係到達VO_COMP，因而D變為低的，其係斷開開關207，並且DPP變為高的，其係閉合開關209。該電感器電流IL係反轉，因而V_IL從時間t1到位於CLK2的下一個時脈邊緣為斜波下降的。

當到達位於CLK2的下一個時脈邊緣時，V_IL尚未到達VIN_COMP。D係被拉高，以使得該低側的輸出開關207回到導通，並且DPP係被拉回到低的，以斷開開關209。在此例中，其並不是耦接VIN，而是EP被拉高以閉合開關215，因而該電池電壓VBAT係耦接至該電感器L的輸入側。IL係以一較低的速率增加，因為其係由該電池217所供應的。一藉由虛線301所示的反相的電流波形是在EP是高的時候，在303所示的V_IL(或IL)的一反相的版本。換言之，該反相的電流波形301是在303所示的V_IL的一鏡像的版本(相對於水平)。在一實施例中，V_IL係在每個時脈轉變處被取樣，並且對於該週期的剩餘部份，該反相的電流波形係從此樣本來加以偏壓。當該反相的電流波形301在時間t3交叉該低臨界值VIN_COMP時，EP係被拉低以斷開開關215，並且E係被拉高以閉合開關203，因而VIN再次耦接至該電感器L。如先前所述，IL係以一較快的速率上升，直到其到達VO_COMP為止。應注意的是，該輸入側的切換係和該輸出側的切換無關的。對於每個CLK週期都以此相同的方式重複動作。

在模式3中，該外部電源201係在其MPP設定點，並且VIN係被調節至VIN_MIN。該外部電源201並不具有足夠用於該負載213的電力，因而開關219係維持斷開的(DP為低的)，並且該電池217並未被充電。而是，開關215係和開關203被多路複用(multiplexed)，因而該電池217可以提供額外的電力至該負載213。

圖6是描繪根據一第四操作模式(模式4)的調節器103的動作之圖表圖解，該第四操作模式係操作於該外部電源201不存在、斷連或者是未動作時。在此例中，VO係被調節，並且該電池217係被用來提供唯一的電力(例如，放電到該負載213)。同樣地，V_IL(代表電感器電流IL)以及該些控制信號D、DPP、DP、EP、E及EPP係相對於時間來加以繪製。該時脈信號CLK係在被展示為CLK1、CLK2、CLK3、CLK4、等等之規則的間隔變為高的。V_IL係大致如同由CLK及高臨界值位準VO_COMP所控制地切換。VO_COMP同樣被展示為一非變化的信號，其中所了解的是，在一實際的操作狀況中，其係隨著時間而改變。在模式4中，當VO太低時，VO_COMP係增高。該電池217係被使用於輸入電力至該負載。

在模式4中，由於該外部電源201是不可利用的，因此VIN變低到零，並且VIN_COMP是低到使得V_IL或其反相的版本(反相的電流波形301)都沒有和該低臨界值LO_COMP交叉。在此例中，E、EPP及DP都保持為低的，因而開關203、205及219係保持為斷開的。EP係維持為高的，以閉合開關215，因而來自該電池217的VBAT在整個時脈週期都維持耦接至該電感器L的輸入側。該輸出側的開關207及209係被操作為一電流模式控制的升壓。尤其，在每個操作時脈邊緣，D係被拉高並且DPP係被拉低，因而開關207係閉合並且開關209係斷開。在此期間，IL係上升。如在時間t0所示，當V_IL到達VO_COMP時，D係被拉低以斷開開關207，並且DPP係被拉高以閉合開關209且IL下降。在CLK的下一個操作邊緣，D係被拉高並且DPP係被拉低，以重複該週期。

圖7是描繪根據一第五操作模式(模式5)的調節器103的動作之圖表圖解，該第五操作模式是一個在該輸出電流相對於該充電電流是小的低輸出負載的期間被使用的特殊模式。在此例中，該PFM_MODE信號係被發出為高的，VO係經由PFM模式而被調節，並且依據IC_COMP或VIN_COMP中是何者較低，該電池電流IC或輸入電壓VIN係被調節至MPP以用於控制LO_COMP。同樣地，V_IL(代表電感器電流IL)，並且該些控制信號D、DPP、DP、EP、E及EPP係相對於時間來加以繪製。該時脈信號CLK係在被展示為CLK1-CLK6之規則的間隔，為了操作邊緣而變為高的。V_IL係大致如同由CLK及低臨界值位準LO_COMP(IC_COMP及VIN_COMP中之較低者)所控制地切換。在一低負載狀況期間，VO最終下降到其被展示為VO_MIN的低臨界值位準。亦被繪出的是VO相對於VO_MIN，以描繪當VO下降到VO_MIN或是低於VO_MIN時的動作。在模式5中，降壓動作係被用來充電該電池217，直到VO下降到低於一最小的位準為止，在此情形中，一升壓週期係被執行一個時脈週期，接著動作係回到降壓模式。

在模式5(PFM模式)中，該控制器229係將該調節器操作為一電流模式的控制降壓，以充電該電池217並且週期性地提供一電流脈波至該輸出。在降壓動作期間，D、DPP及EP是低的(因而開關207、209及215係斷開的)，並且DP是高的以閉合開關219。EPP在每個上升CLK邊緣變為高的，以導通低側的輸入開關205，並且IL係斜波下降。當V_IL到達該低臨界值LO_COMP時(如在第一時脈週期期間的t0以及在第二時脈週期期間的t1所示)，EPP係被拉低，其係斷開開關205，並且E係被拉高，其係導通該輸入開關203，並且IL斜波上升，直到下一個操作時脈邊緣為止。然而，在CLK3，VO已經下降到低於VO_MIN，並且該調節器103係提供一升壓週期。在該開始於CLK3的升壓週期期間，E係維持為高的，因而VIN係維持耦接至該電感器L，DP係被拉低以斷開開關219，，並且DPP係被拉高以閉合開關209。此係提供一將VO拉高到超過VO_MIN的輸出脈波，同時IL(及此V_IL)係下降。

應注意的是，該輸出脈波的導通時間(DPP是高的持續期間)可以是一固定的持續期間或者是被適應性控制，以保持該脈波頻率在一所要的頻帶或是頻率範圍內。DPP接著在時間t3被拉低以斷開開關209，並且D係被拉高以閉合開關207，同時DP係維持為低的，此係保持開關219在該週期的剩餘部分為斷開的。動作係在CLK4回到降壓動作，其中D係被拉低並且DP係被拉回到高的。動作係以此種方式重複，其中降壓模式係維持該預設的模式，直到VO為了一升壓週期而下降到低於VO_MIN為止。

圖8是根據一實施例的低區塊227的一範例實施例之概要圖。一電源電壓位準V+係透過一電阻器R而耦接至LO_COMP，該LO_COMP係進一步耦接至一對二極體D1及D2的陽極。IC_COMP係被提供至一例如是D1的第一二極體的陰極，並且VIN_COMP係被提供至例如是D2的另一二極體的陰極。因此，LO_COMP係比IC_COMP及VIN_COMP中之較低的電壓位準高一個二極體的壓降。該二極體電壓降的差異是可忽略的、或者是藉由和IC_COMP及VIN_COMP相關的補償電路(例如，積分)來加以補償。

圖9是根據另一實施例實施的一調節器901之簡化的概要及方塊圖。調節器901係實質類似於調節器103，其中類似的構件係採用相同的元件符號。在該調節器901中，該電池217係被一電容器903取代成為該電荷儲存裝置。該電流感測器223係感測流到該電容器903的電流IC並且發出一電壓V_IC。該充電節點210係發展出一電容器電壓VCAP，而不是VBAT。

圖10是根據一實施例的補償區塊225之簡化的概要圖。該補償區塊225係包含三個誤差放大器1001、1003及1005，其係用於發展出分別用於調節該輸出電壓VO、充電電流V_IC以及輸入電壓VIN的VO_COMP、IC_COMP以及VIN_COMP。阻抗Z1、Z2、Z3、Z4、Z5及Z6(Z1-Z6)分別大致代表例如是電阻器、電容器及電感器的被動電氣元件中之任一者或是組合，以用於迴路補償。該輸出電壓VO或是一代表性的回授值VFB係透過Z1而被提供至該誤差放大器1001之反相的輸入，該誤差放大器1001係在其非反相的輸入處接收VO_REF。Z2係被耦接在該誤差放大器1001之反相的輸入與輸出之間，並且VO_COMP係在該誤差放大器1001的輸出處被提供。VO_REF係代表一目標電壓位準，以用於在正常的動作期間調節VO。因此，當VO低於VO_REF時，VO_COMP係上升以請求增高VO，並且當VO上升到超過VO_REF時，VO_COMP係降低。

由V_IC指出的充電電流位準係透過Z3被提供至該誤差放大器1003之反相的輸入，該誤差放大器1003係在其非反相的輸入處接收CHG_REF。CHG_REF係代表一所要的充電電流位準，以用於充電該電荷儲存裝置(例如，用於充電該電池217)。Z4係被耦接在該誤差放大器1003之反相的輸入與輸出之間，並且IC_COMP係在該誤差放大器1003的輸出處被提供。因此，當V_IC低於CHG_REF時，IC_COMP係上升以請求增高充電電流，並且當V_IC上升到超過CHG_REF時，IC_COMP係降低。

該輸入電壓VIN係被提供至該誤差放大器1005之非反相的輸入，並且VIN_MIN係透過Z5被提供至該誤差放大器1005之反相的輸入。VIN_MIN係代表VIN所要之最小的位準，且亦代表該外部電源201的MPP。Z6係被耦接在該誤差放大器1005之反相的輸入與輸出之間，並且VIN_COMP係在該誤差放大器1005的輸出處被提供。因此，當VIN低於VIN_MIN時，VIN_COMP係降低以嘗試控制該迴路來請求增高該輸入電壓VIN。當VIN高於VIN_MIN時，VIN_COMP係增高。

圖11是根據一實施例的控制器229之簡化的概要及方塊圖。該控制器229之概要及方塊圖雖然是簡化的，但仍然大致描繪根據一範例實施例的共享電感器的調節器103的控制方法之功能。

V_IL係被提供至一比較器1101之非反相的輸入並且被提供至另一比較器1103之反相的輸入。VO_COMP係被提供至該比較器1101之反相的輸入，並且LO_COMP係被提供至該比較器1103之非反相的輸入。該比較器1101的輸出係提供一信號R1，該信號R1係被提供至一D型閂鎖1105的重置(R)輸入，該D型閂鎖1105係在其D輸入處接收一邏輯“1”並且在其時脈(CK)輸入處接收該時脈信號CLK。該閂鎖1105係在其Q輸出處提供一信號D'至一反相器1107的輸入。該反相器1107的輸出係耦接至另一D型閂鎖1109的時脈輸入，該D型閂鎖1109係在其D輸入處接收一邏輯“1”並且在其Q輸出處提供一信號DPP'。

該比較器1103的輸出係提供一信號R2，該信號R2係被提供至一個2輸入的邏輯或閘1111的一輸入並且被提供至另一D型閂鎖1115的時脈輸入。該或閘1111係在其另一輸入處接收CLK並且使得其輸出被提供至一脈波區塊1113的輸入。該脈波區塊1113的輸出係被提供至該閂鎖1109的重置輸入。CLK係被提供至另一脈波區塊1117的輸入，該脈波區塊1117係使得其輸出提供一時脈脈波信號CP至該閂鎖1115的重置輸入。該閂鎖1115的輸出係提供一信號DP'。

CP係被提供至一取樣及反相區塊1125的一輸入並且被提供至另一閂鎖1129的時脈輸入。V_IL係被提供至該取樣及反相區塊1125的另一輸入，並且一信號R3係被提供至該取樣及反相區塊1125的一重置輸入。該取樣及反相區塊1125的輸出係提供一反相的V_IL信號(被展示為V_IL_INV)至另一比較器1127之反相的輸入，該比較器1127係在其非反相的輸入處接收LO_COMP並且在其輸出處提供該R3信號。該閂鎖1129係在其D輸入處接收一邏輯“1”並且在其Q輸出處提供一信號EP'。EP'係被提供至一反相器1131的輸入，該反相器1131係在其輸出處提供一信號E'。另一閂鎖1123係在其D輸入處接收一邏輯“1”、在其時脈輸入處接收該R2信號、在其重置輸入處接收CP、並且在其輸出處提供一信號R4。另一個2輸入的邏輯或閘1130係在其輸入處接收R3及R4，並且具有一耦接至該閂鎖1129的重置輸入之輸出。

該D'、DP'、DPP'、E'及EP'信號以及該PFM_MODE及VO_MIN_REF信號係被提供至一PFM模式多工器(MUX)1133之個別的輸入，該PFM模式MUX 1133係在對應的輸出處提供該D、DP、DPP、E、EP及EPP信號。在不處於該PFM模式的正常動作期間，PFM_MODE係無效而為低的，並且該D'、DP'、DPP'、E'及EP'信號係分別藉由通過該PFM模式MUX 1133而為該D、DP、DPP、E及EP信號，並且EPP係被保持為低的(用於模式1-4)。當PFM_MODE被發出為高的，則該PFM模式MUX 1133內之邏輯電路(未被展示)係根據圖7中所示的PFM模式來改變動作，並且VO_MIN_REF係被用來偵測VO何時下降到低於VO_MIN。該PFM操作模式係在圖7中被展示，因而不進一步加以敘述。

如同在圖11中所示的控制器229之動作現在將參考圖3-6的模式動作圖解來大致加以敘述。假設PFM_MODE是無效而為低的，因而該D、DP、DPP、E及EP信號係分別和該D'、DP'、DPP'、E'及EP'信號為相同的，並且EPP係維持為低的。該等脈波區塊1113及1117係以實質相同的方式運作。該脈波區塊的輸出是正常為低的，並且維持為低的，直到在其輸入處偵測到一上升邊緣為止。當一脈波區塊的輸入變為高的時候，其短暫地使其輸出提供高脈波一段充分的持續期間，以重置一閂鎖或者是如同在此進一步敘述的藉由其它電路或邏輯來加以偵測。在一替代的配置中，該CLK可被配置以在每個週期期間提供高脈波，在此情形中，該等脈波區塊可被移除。

D(D')係在CLK的每個上升邊緣之際被閂鎖1105發出為高的。當V_IL到達VO_COMP時，該比較器1101係發出R1，此係重置該閂鎖1105，而將D拉回低的。當D變為低的時候，閂鎖1109將DPP(DPP')拉高。若V_IL在CLK的下一個上升邊緣之前下降到LO_COMP(模式1及2)，則R2係被該比較器1103發出為高的，其係經由或閘1111及脈波區塊1113來重置該閂鎖1109，以將DPP拉回低的。同樣當R2變為高的時候，閂鎖1115係將DP(DP')拉高。當CLK接著變為高的時候，該脈波區塊1117係重置閂鎖1115，以將DP拉回低的。若V_IL剛好在CLK接著被發出為高的之前或是大約同時到達LO_COMP，則DP並不被發出、或者是被發出一段非常短的持續期間。對於模式1及2，在連續的時脈週期期間係以此種方式重複動作。

該取樣及反相區塊1125係在被重置之後、或是當CP未被發出為高的時候保持V_IL_INV，因而R3正常是被該比較器1127保持為低的。R2提供時脈給閂鎖1123，因而R4變為高的，此係指出V_IL已經在目前的時脈週期期間的某個點交叉LO_COMP。若R4在時脈邊緣處是高的(模式1及2)，則EP(EP')立即被重置為低的。若R4在時脈邊緣處是低的(模式3及4)，則EP(EP')係被發出為高的，直到V_IL_INV及LO_COMP的交叉點係使得R3變為高的為止，此係重置EP(EP')回到低的。該取樣及反相區塊1125係藉由取樣V_IL並且在此偏壓電壓點起始V_IL_INV來響應於該CP脈波。該取樣及反相區塊1125接著以鏡像的方式反相V_IL，因而如同由先前敘述的波形301所描繪的，V_IL_INV係以和V_IL相同的速率、但以相反的方向作斜波變化。當V_IL_INV到達LO_COMP時，該比較器係發出R3為高的以重置該閂鎖1129，以將EP拉低並且將E拉高。R3亦在下一個週期重置該取樣及反相區塊1125。當R2未被發出時，對於模式3的連續時脈週期以此種方式重複動作。

當該外部電源201被移除或是未被提供時，則VIN變低到零，並且LO_COMP被拉到非常低。V_IL_INV在連續的時脈週期期間並未到達LO_COMP，因而在模式4期間，EP係維持為高的，而E係維持為低的。

儘管本發明已經參考其某些較佳的版本而以相當詳細的程度加以敘述，但是其它版本及變化是可能的且被思及。熟習此項技術者應該體認到其可以輕易地利用揭露的概念及特定的實施例作為用於設計或修改其它結構的基礎，以用於實現和本發明相同的目的，而不脫離如以下的申請專利範圍所界定的本發明的精神與範疇。

100．．．電子設備

101．．．電源系統

103．．．共享電感器的調節器

105．．．匯流排

107．．．處理器

109．．．週邊系統

111．．．系統記憶體

113．．．輸入/輸出(I/O)系統

201．．．外部電源

202．．．節點

203．．．輸入開關

204．．．輸入節點

205．．．輸入開關

206．．．中間節點

207．．．開關

208．．．輸出節點

209．．．開關

210．．．充電節點

211．．．輸出電容器

213．．．負載

215．．．開關

217．．．電池

219．．．開關

221．．．電流感測器

223．．．電流感測器

225．．．補償區塊

227．．．低區塊

229．．．控制器

301．．．反相的電流波形

303．．．V_IL(IL)

901．．．調節器

903．．．電容器

1001、1003、1005．．．誤差放大器

1101、1103．．．比較器

1105．．．D型閂鎖

1107．．．反相器

1109．．．D型閂鎖

1111．．．邏輯或閘

1113．．．脈波區塊

1115．．．D型閂鎖

1117．．．脈波區塊

1123．．．閂鎖

1125．．．取樣及反相區塊

1127．．．比較器

1129．．．閂鎖

1130．．．邏輯或閘

1131．．．反相器

1133．．．PFM模式多工器(MUX)

本發明的益處、特點及優點在相關於以上的說明及所附的圖式後，將會變得更能夠理解，其中：圖1是一被配置以一電源系統的電子設備之簡化的方塊圖，該電源系統包含一根據本發明的一實施例實施的共享電感器的調節器；圖2是根據本發明的一實施例實施且包含一共享電感器的圖1的共享電感器的調節器之簡化的概要及方塊圖；圖3是描繪根據一第一操作模式(模式1)的圖2的調節器的動作之圖表圖解，該第一操作模式係操作於圖2的外部電源具有綽綽有餘的電力以調節輸出電壓及充電電流時；圖4是描繪根據一第二操作模式(模式2)的圖2的調節器的動作之圖表圖解，該第二操作模式係操作於該外部電源並不具有足夠的電力以調節輸出電壓及充電電流時；圖5是描繪根據一第三操作模式(模式3)的圖2的調節器的動作之圖表圖解，該第三操作模式係操作於該外部電源並不具有足夠的電力以調節輸出電壓時；圖6是描繪根據一第四操作模式(模式4)的圖2的調節器的動作之圖表圖解，該第四操作模式係操作於圖2的外部電源不存在、斷連或者是未動作時；圖7是描繪根據一第五操作模式(模式5)的圖2的調節器的動作之圖表圖解，該第五操作模式是一在該輸出電流相對於該充電電流是小的低輸出負載的期間被使用的特殊模式；圖8是根據一實施例的圖2的低區塊的一範例實施例之概要圖；圖9是根據另一實施例實施的一調節器之簡化的概要及方塊圖，其中該電荷儲存裝置是一電容器；圖10是根據一實施例的圖2的補償區塊之簡化的概要圖；以及圖11是根據一實施例的圖2的控制器之簡化的概要及方塊圖。