TW201738681A - 用於直流-直流電源調節的穩壓器 - Google Patents

用於直流-直流電源調節的穩壓器 Download PDF

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Abstract

本發明公開了用於輸出電壓和負載電流的直流-直流電源調節的穩壓器，該穩壓器可包括：控制器和後端電路。該控制器通過當驅動信號為開狀態時，對連接節點進行充電，以及當該驅動信號為關狀態時，停止對該連接節點充電，來控制該穩壓器的輸出電壓和負載電流；該後端電路耦接於該控制器，用於在第一模式和第二模式之間進行切換，以通過不同的機制控制該驅動信號的轉換；其中，當模式切換標準滿足時，該後端電路從該第二模式切換為該第一模式；其中，該模式切換標準依賴對該輸出電壓的測量。

Description

用於直流-直流電源調節的穩壓器
本發明涉及電源調節技術領域，尤其涉及用於直流-直流電源調節的穩壓器。
用於直流-直流電源調節的穩壓器，例如，降壓穩壓器（轉換器），可將直流電源的未經調節的電源轉換為可用於負載的調節後的電壓和電流，因此，穩壓器成為當代電子器件的必備元件，該電子器件例如為智慧電路、行動電話、平板電腦、筆記型電腦、可擕式電腦、數位照相機、數位攝像機、手持遊戲機、可穿戴裝置（眼鏡、腕帶、手錶、臂環、耳機等）等。
本發明公開了用於直流-直流電源調節的穩壓器，可不需要穩壓器升高輸出電壓來區別不同的模式。
本發明提供的其中一種用於直流-直流電源調節的穩壓器，包括：控制器，當驅動信號為開狀態時，對連接節點進行充電，以及當該驅動信號為關狀態時，停止對該連接節點充電，以控制該穩壓器的輸出電壓和負載電流；耦接於該控制器的後端電路，用於在第一模式和第二模式之間進行切換，以通過不同的機制控制該驅動信號的轉換；其中，當模式切換標準滿足時，該後端電路從該第二模式切換為該第一模式；其中，該模式切換標準依賴對該輸出電壓的測量。在該種穩壓器中，後端電路的模式切換標準依賴對輸出電壓的回饋測量，由此，本發明的穩壓器不需要升高輸出電壓來區別不同模式。
本發明提供的另一種用於直流-直流電源調節的穩壓器，包括：控制器，當驅動信號為開狀態時，對連接節點進行充電，以及當該驅動信號為關狀態時，停止對該連接節點充電，以控制該穩壓器的輸出電壓和負載電流；耦接於該控制器的後端電路，用於在第一模式和第二模式之間進行切換，以通過不同的機制控制該驅動信號的轉換；在該第一模式，該後端電路使用時鐘作為觸發信號，且當控制電壓與斜坡信號交叉時，控制該驅動信號從該開狀態轉換為該關狀態，其中，當該觸發信號從關狀態轉換為開狀態時，該斜坡信號開始上升；該後端電路從該第二模式切換至該第一模式，包括：在開始該第一模式之前，運行在預測模式；在該預測模式，通過在該第二模式下相同的機制控制該驅動信號的轉換，並當該驅動信號從該關狀態轉換為該開狀態，使用該驅動信號作為該用於觸發該斜坡信號開始上升的觸發信號，以及當該驅動信號從該開狀態轉換為該關狀態，記錄該斜坡信號到達的電壓為端電壓；當該預測模式結束後，將該控制電壓設置為該端電壓以開始該第一模式。在該種穩壓器中，後端電路420通過第二至第一模式切換標準滿足時，在開始第一模式之前，先運行在預測模式的方式來從第二模式切換為第一模式。由此可實現平滑的模式切換，避免習知技術中輸出電壓會遭遇較大下降的缺陷。
在說明書及申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。本領域技術人員應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及申請專利範圍當中所提及的“包含”及“包括”為一開放式的用語，故應解釋成“包含但不限定於”。“大體上”是指在可接受的誤差範圍內，本領域技術人員能夠在一定誤差範圍內解決該技術問題，基本達到該技術效果。此外，“耦接”一詞在此包含任何直接及間接的電性連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電性連接於該第二裝置，或通過其它裝置或連接手段間接地電性連接至該第二裝置。以下該為實施本發明的較佳方式，目的在於說明本發明的精神而非用以限定本發明的保護範圍，本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為准。
請參考第1圖示出的習知技術的穩壓器100。穩壓器100向耦接於節點np1和接地節點G之間的負載110提供調節後的輸出電壓Vop和負載電流iLD0。穩壓器100包括控制器102、誤差放大器104、電阻器R0、電容器C0、斜坡比較器106、斜坡電路108以及鉗位元電路112。誤差放大器104包括耦接于恒定參考電壓Vref0的正輸入端（在第1圖中標記為“+”），耦接於電壓Vop的回饋測量的負輸入端（在第1圖中標記為“-”），以及耦接於節點nc0的輸出端。電阻器R0和電容器C0串聯連接在節點nc0和G之間。鉗位元電路112耦接於節點nc0。比較器106耦接於節點nc0、斜坡電路108與控制器102之間。
當驅動信號sw0為開狀態（open），控制器102通過對節點np0充電來控制電壓Vop和電流iLD0，且當驅動信號sw0為關狀態（off），控制器102停止對節點np0充電。為協助控制器102，在節點np0和np1之間耦接電感器L，以及在節點np1和G之間耦接電容器C。當控制器通過轉發未調節的電源Vi至節點np0來對節點np0進行充電，電源Vi提供的能量對電感器L進行充電，電壓Vop向上波動（ripple upward）。當控制器通過停止轉發該未調節的電源Vi至節點np0來停止對節點np0充電，提供至電感器L上的能量對負載110放電，電壓Vop向下波動（ripple downward）。
穩壓器100可工作在脈衝寬度調製模式來控制該驅動信號sw0在開和關狀態之間轉換。在參考第1圖的同時，請參考第2圖示出的穩壓器100的脈衝寬度調製操作。在脈衝寬度調製模式下，誤差放大器104根據參考電壓Vref0和輸出電壓Vop之間的差值驅動節點nc0，由此在節點nc0處產生控制電壓Vc0。斜坡電路108產生鋸齒形斜坡信號Vramp0，並控制該斜坡信號Vramp0在時鐘clk的每一個上升沿形成斜坡（例如，以給定的斜率線性升高），其中，時鐘clk為恒定的週期T0。比較器106比較控制電壓Vc0是否與斜坡信號Vramp0交叉，並當該控制電壓Vc0與斜坡信號Vramp0交叉時，控制該驅動信號sw0發生轉換。鉗位元電路112鉗住控制電壓Vc0。
對於負載的改變，脈衝寬度調製模式回應較慢，如第2圖所示，要求負載電流iLD0在時間點ta1-ta2之間快速地上升。但是，由於在該需求產生時穩壓器100已經停止充電並且在時鐘clk的下一上升沿到來（在時間點ta3）之前也不會重新開始充電，穩壓器100不能立即回應該上升需求。因此，輸出電壓Vop產生較大的電壓降落Vdip。除脈衝寬度調製模式之外，也可使用脈衝頻率調製模式控制驅動信號sw0的轉換。所不同的是，脈衝寬度調製模式以固定的時間間隔（也即，時鐘clk的週期T0）週期地充電，而脈衝頻率調製模式以變化的時間間隔不週期地充電。
當模式切換標準滿足時，穩壓器100從脈衝頻率調製模式切換為脈衝寬度調製模式。根據習知技術，當輸出電壓Vop的回饋測量指示輸出電壓Vop下降至低於給定的電壓Vref1，滿足模式切換標準。穩壓器100因此包括比較器120用於比較輸出電壓Vop是否小於電壓門限值Vref1。換言之，穩壓器100的模式切換標準依賴對輸出電壓Vop的測量。
在參考第1圖的同時，請參考第3a圖示出的當穩壓器100運行在脈衝寬度調製模式和脈衝頻率調製模式下的輸出電壓Vop的波形。如第3a圖所示，在時間點tb1之前，穩壓器100運行在脈衝頻率調製模式，在時間點tb1滿足模式切換標準，因此穩壓器100切換為運行在脈衝寬度調製模式。在該兩種模式的任一個中，對穩壓器100進行充放電使得電壓Vop向上波動或者向下波動。但是，當穩壓器100調節電壓Vop追蹤目標電壓VOSEL，穩壓器100需要將電壓Vop升高為比目標電壓VOSEL高出額外的電壓Vpfm以便運行在脈衝頻率調製模式。原因在於，穩壓器100的模式切換標準依賴電壓Vop，如果在脈衝頻率調製模式下穩壓器100沒有將電壓Vop升高為比目標電壓VOSEL高出電壓Vpfm，即使在負載的需求並未發生改變，但電壓Vop由於放電向下波動，因此穩壓器100將迅速切換回脈衝寬度調製模式，這樣的結果將使穩壓器100不能在脈衝頻率調製模式停留合理和足夠長的時間。
換言之，由於穩壓器100的模式切換標準依賴電壓Vop，因此要求電壓Vop在脈衝寬度調製模式和脈衝頻率調製模式下能顯著區分。為獲得差別，在脈衝頻率模式下，穩壓器100需要將電壓Vop升高電壓Vpfm，且穩壓器100因此進一步包括比較器130（第1圖）用於通過比較電壓Vop與電壓Vref2+VhysH 和Vref2+VhysL來檢測電壓Vop是否適當地被升高了。但是，將電壓Vop升高電壓Vpfm也會抑制邊緣（suppress margin），由此產生遲滯現象並容納雜訊和變化。例如，如第3a圖所示，電壓Vop可變化的上邊緣為VOSEL+VH，在脈衝頻率模式將電壓Vop升高電壓Vpfm將使電壓Vop接近該上邊緣。因此，穩壓器100的性能減弱。
在參考第1圖的同時，請參考第3b圖通過輸出電壓Vop、控制電壓Vc0、斜坡信號Vramp0、負載電流iLD0以及模式標誌信號FLAG0等的波形示出的穩壓器100的模式切換操作，其中，在脈衝寬度調製模式下，模式標誌信號FLAG0為高電平；在脈衝頻率調製模式下，模式標誌信號FLAG0為低電平。如第3b圖所示，在時間點te1之前，穩壓器100運行在脈衝寬度調製模式；在脈衝寬度調製模式，斜坡信號Vramp0週期地上升和下降，且由於負載電流iLDO未改變，因此控制電壓Vc0穩定在電壓值Vc_PWM。在時間點te1，由於需要更低的負載電流iLDO，輸出電壓Vop增加；作為回應，穩壓器100切換至脈衝頻率調製模式並控制斜坡信號Vramp0停止上升，而控制電壓Vc0會由於輸出電壓Vop的增加而下降。從時間點te2開始，鉗位元電路112將控制電壓Vc0鉗制在電壓值Vclamp。
在時間點te3，要求負載電流iLDO增加，由此使輸出電壓Vop迅速下降；作為回應，穩壓器100在時間點te4切換為脈衝寬度調製模式，並控制斜坡信號Vramp0恢復為週期地上升。在喚醒設置時間之後（一個時間間隔），在時間點te5，鉗位元電路112釋放對控制電壓Vc0的鉗制，誤差放大器104根據電壓Vref0和下降後的輸出電壓Vop之間放大後的差值開始對電容器C0進行充電，因此控制信號Vc0開始增加。
為穩定脈衝寬度調製模式的操作，期望控制電壓Vc0在時間點te5之後回到電壓Vc_PWM。但是，如第3b圖所示，控制電壓Vc0在脈衝頻率調製模式下的一個先前值Vclamp與其在脈衝寬度調製模式下的期望值Vc_PWM之間存在較大的電壓間隙Vc0_error。由於電容器C0的電容量太大而不能容忍波動，為填充該電壓間隙Vc0_error，誤差放大器104必須花費較長的充電時間來對電容器C0進行充電。
請參考第4圖，其根據本發明的一個實施例示出穩壓器400，其對輸出電壓Vout和耦接於節點n1和接地節點G之間的負載410的負載電流iLoad執行混合模式電源調節。作為舉例，負載410可為處理器、中央處理單元（Central Processing Unit，CPU）、圖形處理單元（Graphic Processing Unit，GPU）、隨機訪問記憶體模組、非易失性記憶體模組、以及無線通訊模組（例如，數據機、射頻收發器、發射機、接收機等）中任一種。穩壓器400包括控制器402和後端電路420。
當驅動信號sw處於開狀態，控制器402對連接節點n0進行充電，當驅動信號sw為關狀態，控制器402對連接節點n0進行放電，由此實現對輸出電壓Vout和負載電流iLoad的控制。為配合控制器402，節點n0和n1之間耦接電感器L，節點n1和G之間耦接電容器C。控制器402轉發未調節的直流電源Vi至節點n0以對節點n0進行充電，因此電壓Vi提供的能量被充入至電感器L和負載410。控制器402停止將電源Vi轉發至節點n0以停止對節點n0充電，因此充入至電感器L的能量被放電至負載410。
後端電路420耦接於控制器402，用於在第一模式和第二模式之間進行切換以根據不同機制控制驅動信號sw的轉換。根據本發明的一個實施例，該第一模式可使用週期充電機制；也即，在該第一模式下，後端電路420週期地控制驅動信號sw從關狀態轉換為開狀態。另一方面，第二模式可能採用一種動態地充電機制；例如，在該第二模式下，後端電路420根據電壓Vout控制驅動信號sw動態地，而非週期地從關狀態切換為開狀態。
當第二至第一模式切換標準滿足時，後端電路420從該第二模式切換至該第一模式。根據本發明，第二至第一模式切換標準用於反映負載是否過重，第二至第一模式切換標準是否滿足依賴對輸出電壓Vout的測量。當第一至第二模式切換標準滿足時，後端電路420從該第一模式切換為該第二模式。根據本發明，第一至第二模式切換標準用於反映負載是否過輕，換言之，根據本發明的實施例，週期進行充電的第一模式和動態充電的第二模式分別用於較重的負載和較輕的負載；當要求負載410變大（重），後端電路420從該第二模式切換為該第一模式，當要求負載變小（輕），後端電路420從該第一模式切換為該第二模式。
在參考第4圖的同時，請參考第5圖根據本發明的一個實施例示出的穩壓器400的操作。在第5圖的實施例中，當負載電流iLoad大於高電流門限值iTH_H時，第二至第一模式切換標準滿足。如第5圖所示，從時間點tc0開始，穩壓器400將運行在該第二模式；在時間點tc1，負載410所需的電流iLoad增加為大於門限值iTH_H，此時模式切換標準滿足，由此穩壓器400切換為運行在該第一模式。
在一個實施例中，當負載電流小於低電流門限值iTH_L時，穩壓器400的後端電路420從該第一模式切換為該第二模式。在一個實施例中，高電流門限值iTH_H大於低電流門限值iTH_L。如第5圖所示，在時間點tc2，負載410所需的電流iLoad下降為低於門限值iTH_L，由此穩壓器400從該第一模式切換為該第二模式。
通過使模式切換標準依賴對電壓Vout的回饋測量，穩壓器400不需要升高電壓Vout來區分不同的模式。如第5圖所示，穩壓器400允許電壓Vout在該第一模式和該第二模式下均可在可接受的邊界範圍內升至比目標電壓VOSEL高和低。相反，如第3a圖所示，當負載的需求未發生變化時，為了停留在脈衝頻率調製模式，穩壓器100需要升高電壓Vout以防止電壓Vout向下波動至低於電壓VOSEL。本發明的穩壓器400可避免穩壓器100的缺陷。
根據本發明，模式切換標準並不限於負載電流iLoad，也可使用其他參考。在一個實施例中，當關狀態的持續時間小於時間門限值ToffTH1，第二至第一模式切換標準滿足。當運行在該第二模式，當負載410的需求增加，後端電路420可控制驅動信號sw更頻繁地從關狀態切換為開狀態，因此驅動信號停留在關狀態的時間Toff被縮短。換言之，時間Toff是否小於時間門限值ToffTH1可反映負載是否過重，以及反映後端電路420是否需要從該第二模式切換為該第一模式。相似地，當關狀態的持續時間大於第二時間門限值ToffTH2，後端電路420可從該第一模式切換為該第二模式。當運行在該第一模式，當負載410的需求降低，後端電路420可控制驅動信號sw更久地停留在該關狀態。換言之，時間Toff是否大於時間門限值ToffTH2可反映負載是否過輕，以及反映後端電路420是否需要從該第一模式切換為該第二模式。
在一個實施例中，當開狀態的持續時間小於第三時間門限值TonTH，後端電路420可從該第一模式切換為該第二模式。當運行在該第一模式，當負載410的需求下降，後端電路420可控制驅動信號sw停留在開狀態的時間變短，也即，縮短信號sw停留在開狀態的時間Ton。因此，時間Ton是否小於第三時間門限值TonTH可反映負載是否過輕，以及反映後端電路420是否需要從該第一模式切換為該第二模式。時間門限值TonTH1、TonTH2、以及TonTH可不同。
在一個實施例中，當驅動信號sw從關狀態轉換為開狀態的頻率f_on大於頻率門限值f_TH，第二至第一模式切換標準滿足。當運行在該第二模式，當負載410的需求增加，後端電路420可控制驅動信號sw更頻繁地從該關狀態切換為開狀態，因此，頻率f_on是否大於頻率門限值f_TH可反映負載是否過重，以及反映穩壓器400是否需要切換至該第一模式切換。
在一個實施例中，當節點n0處的電流iL與電流電平i0交叉（例如，零電流）的次數超過預定的次數NzxTH，後端電路420從該第一模式切換為該第二模式。當處於該第一模式，負載電流iLoad的需求下降，流經電感器L的電流iL下降，並最終在電流電平i0周圍波動。因此，當電流iL與電流電平i0交叉的次數Nzx超過預定的次數NzxTH，認為負載需求足以低到穩壓器400切換至該第二模式。
在參考第4圖的同時，請參考第6圖根據本發明的一個實施例示出的穩壓器400的操作，其中，當穩壓器400運行在該第一模式，模式標誌信號FLAG為高電平，當穩壓器400未運行在該第一模式，模式標誌信號FLAG為低電平。在第6圖所示的實施例中，在時間點td1之前，穩壓器400運行在該第二模式；在時間點td1，負載410要求的電流iLoad增加至高於電流門限值iTH_H，由此滿足第二至第一模式切換標準，因此，穩壓器400從該第二模式切換為該第一模式。在時間點td2，電流iLoad開始下降，因此電流iL也下降。在時間點td3，電流iL與電流電平i0交叉的次數大於NzxTH，由此滿足第一至第二模式切換標準，因此，穩壓器400從該第一模式切換為該第二模式。
用於使穩壓器400從該第二模式切換至該第一模式的第二至第一模式切換標準和用於使穩壓器400從該第一模式切換至該第二模式的第一至第二模式切換標準可使用相同或不同的參考。例如，在一個實施例中，用於從該第二模式切換為該第一模式的第二至第一模式切換標準可為iLoad＞iTH_H，而用於從該第一模式切換為該第二模式的第一至第二模式切換標準可為iLoad＞iTH_L。在不同的實施例中，用於從該第二模式切換為該第一模式的第二至第一模式切換標準可為Toff＜ToffTH1，而用於從該第一模式切換為該第二模式的第一至第二模式切換標準可為iLoad＜iTH_L。
如前所述，根據本發明的一個實施例，週期地充電的該第一模式和動態地充電的該第二模式分別用於較重和較輕的負載。這樣的設置有利於完全地使用週期地充電和動態地充電的優點，以及阻止它們的缺點。請參考第7圖根據本發明的一個實施例示出的電子裝置700。當今的電子裝置，例如電子裝置700，需要複數個穩壓器rglt[1] -rglt[N]分別用於調節複數個模組（當作負載）Md[1] -Md[N]的電壓Vout[1] - Vout[N]和電流iLoad[1] -iLoad[N]，該複數個模組包括CPU、GPU、RAM、數據機等。作為舉例，穩壓器rglt[1] -rglt[N]可集成在電源管理積體電路（Power Management Integrated Circuit，PMIC）中。類似於第4圖中的穩壓器400，每一個穩壓器rglt[n]（n=1，2，3，…，N）包括控制器ctrl[n]和後端電路bck[n]。當驅動信號sw[n]為開狀態，控制器ctrl[n]對連接節點a[n]充電，當驅動信號sw[n]為關狀態，控制器ctrl[n]停止對連接節點a[n]充電。模組Md[n]通過節點b[n]處的電感器L[n]耦接於控制器ctrl[n]。後端電路bck[n]用於在週期地充電的第一模式和第二模式之間進行切換以通過不同的機制控制驅動信號sw[n]的轉換。根據本發明，當恒定頻率的觸發器的時鐘ck[n]在時鐘ck[n]的每一個上升沿從關狀態轉換為開狀態時，通過控制驅動信號sw[n]從關狀態轉換為開狀態，每一個穩壓器rglt[n]運行在週期地進行充電的該第一模式。
當模組Md[1] -Md[N]全運行在普通模式，將從穩壓器rglt[1] -rglt[N]抽取大量電流，且模組Md[1] -Md[N]對干擾（雜訊）感知靈敏。通過運行在該第一模式（基於適當交錯的時鐘ck[1] -ck[N]週期地進行充電）來為普通模式下的重負載服務，穩壓器rglt[1] -rglt[N]避免了不可預計和不可控的干擾，該不可預計和不可控的干擾包括動態充電（不規則地充電）引起的不確定性。
在參考第7圖的同時，請參考第8圖根據本發明的一個實施例示出的用於觸發穩壓器rglt[1] -rglt[8]的週期充電的時鐘ck[1] -ck[8]。如第8圖所示，時鐘ck[1] -ck[8]可根據具有恒定週期Tcm的通用時鐘ck_cm產生。在第8圖中，時鐘ck[1] -ck[4]為一組具有相同的週期（6*Tcm）和不同相位的時鐘，時鐘ck[p]（p=1，2，…，4）的每一個上升沿跟隨時鐘ck_cm的第6*i+p個上升沿，其中，i為整數。例如，時鐘ck[1]在時鐘ck_cm的第一個週期e1的上升沿和第7個週期e7的上升沿上升；時鐘ck[2]在時鐘ck_cm的第二個週期e2的上升沿和第8個週期e8的上升沿上升；時鐘ck[3]在時鐘ck_cm的第三個週期e3的上升沿和第9個週期e9的上升沿上升；時鐘ck[4]在時鐘ck_cm的第四個週期e4的上升沿和第10個週期e10的上升沿上升。時鐘ck[6] -ck[8]為另一組具有相同的週期（9*Tcm）和不同相位的時鐘，ck[p]（p=6，7，8）的每一個上升沿跟隨時鐘ck_cm的第9*i+2*(5-p)個下降沿，其中，i為整數。例如，時鐘ck[6]在時鐘ck_cm的第二個週期e2的下升沿和第11個週期e11的下降沿上升；時鐘ck[7]在時鐘ck_cm的第四個週期e4的下升沿和第13個週期e13的下降沿上升；時鐘ck[8]在時鐘ck_cm的第六個週期e6的下升沿和第15個週期e15的下降沿上升。
當通過時鐘ck[1] -ck[8]觸發充電，由於時鐘ck[1] -ck[8]的週期和相位規則，因此充電引起的干擾可預計，並可通過設置時鐘ck[1] -ck[8]具有不同的相位（交錯的上升沿）來控制和管理。
與普通模式相反，模組Md[1] -Md[N]運行在節能模式（閒置（idle）、暫停（suspension）、低功率（low-power）、備用（standby））以減少功率消耗，來自穩壓器rglt[1] -rglt[N]和模組Md[1] -Md[N]的漏極洩漏電流被期望在需要的時候快速地恢復到普通模式。通過運行在動態進行充電的第二模式，有助於為輕負載服務並快速回應，穩壓器rglt[1] -rglt[N]阻止模組Md[1] -Md[N]從節能模式切換為普通模式的延遲，該延遲包括週期地充電的較長的回應時間。
如第4圖所示，後端電路420可包括誤差放大器404、預測器412、斜坡比較器406以及斜坡電路408。誤差放大器404包括耦接于恒定參考電壓Vref的正輸入端（在第4圖中，標記為“+”），耦接於電壓Vout的回饋測量的負輸入端（在第4圖中標記為“-”），以及耦接於控制節點nc的輸出端，根據參考電壓Vref和輸出電壓Vout之間的差值驅動該控制節點nc。預測器412耦接於節點nc，電阻器R1、第一電容器C1和第二電容器C2。斜坡比較器406耦接於節點nc，斜坡電路408和控制器402。斜坡電路408耦接於斜坡比較器406和控制器402。
在週期進行充電的該第一模式，當節點nc處的控制電壓Vc與斜坡信號Vramp相交叉時（當觸發信號S1從關狀態轉換為開狀態，該斜坡信號開始上升），後端電路420使驅動信號sw從開狀態切換為關狀態。為了在該第一模式下週期進行充電，後端電路420使用具有恒定頻率的時鐘ck作為觸發信號S1。後續將進一步介紹第一模式的操作。在該第一模式下，預測器412通過電阻器R1將第一電容器C1導通至節點nc，並停止將第二電容器C2導通至節點nc，因此，誤差放大器404通過節點nc處串聯的電阻器R1和電容器C1產生控制電壓Vc；當觸發信號S1從關狀態轉換為開狀態，斜坡電路408控制斜坡信號Vramp開始上升，且斜坡比較器406比較控制電壓Vc是否與斜坡信號Vramp相交，並當控制信號Vc與斜坡信號Vramp相交時控制驅動信號sw從開模式轉換為關模式。第9a圖示出該第一模式下的操作，具體的，當控制電壓Vc大於斜坡信號Vramp時，斜坡比較器406控制驅動信號sw從關模式轉換為開模式，以及當控制電壓Vc小於斜坡信號Vramp時，控制驅動信號sw從開模式轉換為關模式。
在動態進行充電的第二模式，預測器412通過電阻器R1將第二電容器C2導通至節點nc，並停止將第一電容器C1導通至節點nc，因此，誤差放大器404通過節點nc處串聯的電阻器R1和電容器C2產生控制電壓Vc；當控制電壓Vc趕上第二斜坡信號Vramp2，後端電路420使驅動信號sw從關模式轉換為開模式。第9b圖示出第二模式下的操作。在第二模式的一個實施例中，後端電路420控制驅動信號sw以固定的時間停留在開模式，然後轉換回關模式。在第二模式下，斜坡電路408控制斜坡信號Vramp不上升，由此減少不必要的功率損耗。第一模式下的斜坡信號Vramp（第9a圖）可為重複地斜坡上升驟然下降的鋸齒波。第二模式下的斜坡信號Vramp（第9b圖）可為重複地斜坡下降驟然上升的鋸齒波。
在第一模式和第二模式下，控制信號Vc分別為不同的值。如第3b圖所示，當在第一模式和第二模式之間切換，需要時間來填充控制電壓Vc的不同值的差，這可能使輸出電壓Vout遭遇較大的下降。為了實現平滑模式切換，本發明的後端電路420通過第二至第一模式切換標準滿足時，在開始第一模式之前，先運行在預測模式的方式來從第二模式切換為第一模式。
在該預測模式，後端電路420採用第二模式相同的機制控制驅動信號sw的轉換，並當驅動信號sw從關狀態轉換為開狀態，進一步使用驅動信號sw作為觸發信號S1來觸發斜坡信號Vramp開始上升，以及當驅動信號sw從開狀態轉換為關狀態時，記錄斜坡信號Vramp達到的端電壓Ve。端電壓Ve用於在該第一模式下預測電壓Vc的值。當退出該預測模式，後端電路420將控制電壓Vc的初始值設置為該端電壓Ve來開始該第一模式，由此抑制切換模式給輸出電壓帶來的波動。當開始該第一模式，後端電路420恢復使用時鐘ck作為觸發信號S1。
後續將介紹該預測模式的操作。類似於該第二模式，在該預測模式，預測器412通過電阻器R1將第二電容器C2導通至節點nc，並停止將第一電容器C1導通至節點nc，因此，誤差放大器404通過節點nc處串聯的電阻器R1和電容器C2產生控制電壓Vc，且當控制電壓Vc趕上第二斜坡信號Vramp2時，後端電路420使驅動信號sw從關狀態轉換為開狀態。另一方面，與該第二模式中斜坡電路408需要停止斜坡信號Vramp的上升所不同的是，在該預測模式，當觸發信號S1（當前為驅動信號sw）從關狀態轉換為開狀態，斜坡電路408控制斜坡信號Vramp開始上升。在該預測模式，當驅動信號sw為開狀態，預測器412進一步對第一電容器C1進行充電，以記錄該端電壓Ve。因此，當開始該第一模式時，預測器412將第一電容器C1導通至節點nc1，以將控制電壓Vc設置為端電壓Ve，並停止將第二電容器C2導通至控制節點nc。
在參考第4圖的同時，請參考第1圖0示出的該預測模式的操作。在該預測模式，後端電路420使用驅動信號sw作為觸發信號S1用於反覆運算地觸發斜坡信號Vramp上升預測的週期數，且在每一個該預測週期內，當驅動信號sw從開狀態轉換為關狀態時，更新端電壓Ve。如第10圖所示，在時間點tk1，當驅動信號sw從關狀態轉換為開狀態，預測週期pc（1）開始；在時間點tk2，驅動信號sw從開狀態轉換為關狀態，斜坡信號Vramp到達作為端電壓Ve的電壓Ve（1）。為了將電壓Ve（1）記錄為端電壓Ve，預測器412在時間點tk1-tk2將第一電容器C1充電至Ve（1）。在時間點tk3，當驅動信號sw反覆運算地從關狀態轉換為開狀態，預測週期pc（1）結束，接下來的預測週期pc（2）開始；在時間點tk4，驅動信號sw從開狀態轉換為關狀態，斜坡信號Vramp到達電壓Ve（2）。為了將端電壓Ve更新為預測週期pc（2）的電壓Ve（2），預測器412在驅動信號sw在預測週期pc（1）處於關狀態的時間點tk2-tk3對第一電容器C1放電，以重置端電壓Ve，並在確定信號sw在預測週期pc（2）處於開狀態的時間點tk3-tk4對第一電容器C1充電，以將端電壓Ve更新為電壓Ve（2）。在時間點tk5，當驅動信號sw反覆運算地從關狀態轉換為開狀態，預測週期pc（2）後續的一個新的預測週期開始。
換言之，在預測週期pc（k），當驅動信號sw為開狀態，預測器412對第一電容器C1充電，以便將端信號Ve更新為驅動信號sw從開狀態轉換為關狀態時斜坡信號Vramp到達的電壓Ve（k）。此外，在預測週期pc（k），當驅動信號sw1為關狀態，預測器412對第一電容器C1進行放電，以為後續預測週期pc（k+1）的後續更新重置端電壓Ve。在該預測模式的結束預測週期pc（K），預測器412將第一電容器C1充電為驅動信號sw從開狀態轉換為關狀態時斜坡信號Vramp到達的電壓Ve（K），並保持端電壓V為電壓Ve（K）來開始該第一模式。該預測模式可持續預定時間或預定個數的預測週期。
在參考第4圖的同時，請參考第11圖示出的穩壓器400的模式切換操作，在本實施例中，通過輸出電壓Vout、控制電壓Vc、斜坡信號Vramp、負載電流iLD0和模式標誌信號FLAG的波形描述穩壓器400的模式切換。其中，當在該第一模式，該標誌信號FLAG為高電平，當不再該第一模式，該標誌信號FLAG為低電平。如第11圖所示，在時間點t1之前，穩壓器400運行在該第一模式；在該第一模式，斜坡信號Vramp週期地上升和下降；且由於負載電流iLoad未變化，控制電壓Vc仍穩定在電壓值Vc1。在時間點t1，負載電流iLoad的需求減小，因此輕負載使第一至第二模式切換標準滿足。作為回應，穩壓器400切換至該第二模式，斜坡信號Vramp受控停止上升，增加的輸出電壓Vop使控制電壓Vc開始下降，並設定穩定在電壓值Vc2。在時間點t2，負載電流iLoad的需求增加。在時間點t3，第二至第一模式切換標準滿足；作為回應，穩壓器400運行在該預測模式用以為該第一模式做準備。
如第11圖所示，在該預測模式，後端電路420繼續運行在該第二模式以便根據第二斜坡信號Vramp2和電容器C2上產生的控制電壓Vc之間的比較結果控制驅動信號sw，用於該第一模式的斜坡信號Vramp根據驅動信號sw的驅動恢復斜坡週期（第4圖），由此，在電容器C1上產生端電壓Ve。相較於該第二模式的電壓值Vc2，端電壓Ve將更接近該第一模式的電壓值Vc1。在時間點t4，後端電路420通過將電容器C1導通至節點nc，將電容器C2從節點nc隔離開，以結束該預測模式並開始該第一模式。因此，將控制電壓Vc設置為電壓Ve以更快地接近該第一模式的預期的電壓電平Vc1，由於模式切換導致的輸出電壓Vout的波動有效降低。
在參考第4圖的同時，請參考12第圖根據本發明的一個實施例示出的穩壓器400的模式切換。第12圖示例性地示出輸出電壓Vout、電流iLoad和iL、斜坡信號Vramp和Vramp2、電容器C1和電容器C2分別持有的電壓Vc1和Vc2的波形。如第12圖所示，在時間點tn1之前，穩壓器400運行在該第二模式。在該第二模式，由於預測器412將電容器C2導通至節點nc，控制信號Vc等於電容器C2持有的電壓Vc2，且驅動信號sw根據控制電壓Vc和第二斜坡信號Vramp2的比較結果轉換（例如，第9b圖）。另一方面，在該第二模式，預測器412不將電容器C1導通至節點nc，斜坡信號Vramp不會由於觸發而上升，電容器C1持有的電壓Vc1保持為平。
在時間點tn1，由於電流iLoad的需求上升，第二至第一模式切換標準滿足，因此穩壓器400切換為該預測模式。在該預測模式，由於預測器412仍將電容器C2導通至節點nc，故控制電壓Vc仍等於電容器C2持有的電壓Vc2，此外，驅動信號sw根據控制電壓Vc和第二斜坡信號Vramp2的比較結果轉換（例如，第9b圖）。另一方面，在該預測模式，預測器412不將電容器C1導通至節點nc，但是通過驅動信號sw觸發斜坡信號Vramp開始升高，且預測器412通過電容器C1的端電壓Vc1記錄端電壓Ve的值（例如，第1圖0）。
在時間點tn2，該預測模式結束且該第一模式開始。在該第一模式，由於預測器412將電容器C1導通至節點nc，控制信號Vc等於電容器C1持有的電壓Vc1，且驅動信號sw根據控制電壓Vc和斜坡信號Vramp的比較結果轉換（例如，第9a圖）。另一方面，在該第一模式，預測器412不將電容器C2導通至節點nc，斜坡信號Vramp2不會由於觸發而上升，仍保持為平。
請參考第13圖，其示出本發明的包括預測模式和不包括預測模式的模式切換的性能差異。如第1 3圖所示，如果沒有採用本發明的預測模式，在時間點tq1切換為該第一模式時，輸出電壓Vout遭受巨大的不期望的波動。相反，具有本發明的預測模式時，輸出電壓Vout的波動有效地被抑制和減弱。
總之，本發明的直流-直流穩壓器使用混合模式（例如，週期充電和動態充電），該混合模式包括有利的模式切換標準和有利的模式切換操作（例如，通過中間的過渡預測模式切換模式），因此，本發明很好地利用了各種模式的優點，並避免了各種模式的缺點，並可在模式之間實現平滑地切換。
本發明該描述的裝置和技術的各部分可獨立使用，或合併使用，或以本發明前面並未描述的其他方式使用，因此，本發明不限於前面所描述的或附圖所示出的組件的應用或排布。例如，一個實施例中描述的部件也可與其他實施例描述的部件以任何方式進行組合。
申請專利範圍書中用以修飾元件的“第一”、“第二”等序數詞的使用本身未暗示任何優先權、優先次序、各元件之間的先後次序、或所執行方法的時間次序，而僅用作標識來區分具有相同名稱（具有不同序數詞）的不同元件。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視申請專利範圍所界定者為准。
100，400，rglt[1] - rglt[N]‧‧‧穩壓器
102，402，ctrl[1] -ctrl[N]‧‧‧控制器
104，404‧‧‧誤差放大器
106，406‧‧‧斜坡比較器
108，408‧‧‧斜坡電路
110，410，Md[1] -Md[N]‧‧‧負載
112‧‧‧鉗位元電路
412‧‧‧預測器
120，130‧‧‧比較器
420，bck[1] -bck[N]‧‧‧後端電路
700‧‧‧電子裝置
Vref‧‧‧參考電壓
Vop‧‧‧比較電壓
Vref2+VhysH，Vref2+VhysL，Vref1，Vref0‧‧‧電壓
R1，R0‧‧‧電阻器
nc，n0，n1，nc0，np0，np1，a[1] -a[N]，b[1] -b[N]‧‧‧節點
C1，C2，C，C0‧‧‧電容器
G‧‧‧接地節點
Vc，Vc0‧‧‧控制電壓
Vc1，Vc2‧‧‧控制電壓Vc的電壓值
sw，sw0，sw[1] -sw[N]‧‧‧驅動信號
Vramp，Vramp0，Vramp2‧‧‧斜坡信號
Ve‧‧‧端電壓
Ve(1)-Ve(K)‧‧‧端電壓的電壓
S1‧‧‧觸發信號
ck，clk，ck[1] -ck[N]，ck_cm‧‧‧時鐘
e1-e15，Tcm‧‧‧時鐘ck_cm的週期
Vi‧‧‧直流電源
iL，iL0，iL[1] -iL[N]‧‧‧電流
L，L[1] -L[N]‧‧‧電感器
Vop，Vout，Vout[1] -Vout[N]‧‧‧輸出電壓
iLoad，iLD0，iLoad[1] - iLoad[N]‧‧‧負載電流
Ton‧‧‧驅動信號停留在開狀態的時間
Toff‧‧‧驅動信號停留在關狀態的時間
T0‧‧‧時鐘clk的週期
Vdip，Vdroop‧‧‧電壓降落
ta0，ta1，ta2，ta3，tb1，te1，te2，te3，te4，te5，tc0，tc1，tc2，td1，td2，td3，tk1，tk2，tk3，tk4，tk5，t1，t2，t3，t4，tn1，tn2，tq1‧‧‧時間點
Vpfm，VH‧‧‧電壓
VOSEL‧‧‧目標電壓
Vclamp‧‧‧控制電壓Vc0在脈衝頻率調製模式下的一個先前值
Vc_PWM‧‧‧控制電壓Vc0在脈衝頻率調製模式下的期望值
Vc_error‧‧‧電壓間隙
iTH_H‧‧‧高電流門限值
iTH_L‧‧‧低電流門限值
FLAG0，FLAG‧‧‧模式標誌信號
i0‧‧‧電流電平
pc[1] -pc[K]‧‧‧預測週期。
第1圖示出習知技術的穩壓器100。 第2圖示出穩壓器100的脈衝寬度調製操作。 第3a圖示出當穩壓器100運行在脈衝寬度調製模式和 脈衝頻率調製模式下的輸出電壓Vop的波形。 第3b圖通過輸出電壓Vop、控制電壓Vc0、斜坡信號 Vramp0、負載電流iLD0以及模式標誌信號FLAG0等的波 形示出穩壓器100的模式切換操作。 第4圖根據本發明的一個實施例示出穩壓器400。 第5圖根據本發明的一個實施例示出穩壓器400的操 作。 第6圖根據本發明的一個實施例示出穩壓器400的操 作。 第7圖根據本發明的一個實施例示出電子裝置700。 第8圖根據本發明的一個實施例示出用於觸發穩壓器 rglt[1]-rglt[8]的週期充電的時鐘ck[1] -ck[8]。 第9a圖示出該第一模式下的操作。 第9b圖示出第二模式下的操作。 第10圖示出預測模式的操作。 第11圖示出的穩壓器400的模式切換操作，在本實 施例中，通過輸出電壓Vout、控制電壓Vc、斜坡信號 Vramp、負載電流iLD0和模式標誌信號FLAG的波形描述 穩壓器400的模式切換。 第12圖根據本發明的一個實施例示出穩壓器400的模式切換，第12圖示例性地示出輸出電壓Vout、電流iLoad和iL、斜坡信號Vramp和Vramp2、電容器C1和電容器C2分別持有的電壓Vc1和Vc2的波形。 第13圖示出本發明的包括預測模式和不包括預測模式的模式切換的性能差異。
400‧‧‧穩壓器
402‧‧‧控制器
404‧‧‧誤差放大器
406‧‧‧斜坡比較器
408‧‧‧斜坡電路
410‧‧‧負載
412‧‧‧預測器
420‧‧‧後端電路
Vout‧‧‧輸出電壓
Vref‧‧‧參考電壓
R1‧‧‧電阻器
nc，n0，n1‧‧‧節點
C1，C2，C‧‧‧電容器
G‧‧‧接地節點
Vc‧‧‧控制電壓
sw‧‧‧驅動信號
Vramp‧‧‧斜坡信號
S1‧‧‧觸發信號
ck‧‧‧時鐘
Vi‧‧‧直流電源
iL‧‧‧電流
iLoad‧‧‧負載電流
L‧‧‧電感器

Claims (20)

  1. 一種用於直流-直流電源調節的穩壓器，包括： 控制器，當驅動信號為開狀態時，對連接節點進行充電，以及當該驅動信號為關狀態時，停止對該連接節點充電，以控制該穩壓器的輸出電壓和負載電流； 耦接於該控制器的後端電路，用於在第一模式和第二模式之間進行切換，以通過不同的機制控制該驅動信號的轉換； 其中，當模式切換標準滿足時，該後端電路從該第二模式切換為該第一模式； 其中，該模式切換標準依賴對該輸出電壓的測量。
  2. 如申請專利範圍第1項的穩壓器，當該負載電流大於高電流門限值時，該模式切換標準滿足。
  3. 如申請專利範圍第2項的穩壓器， 當該負載電流小於低電流門限值時，該後端電路從該第一模式切換至該第二模式； 其中，該高電流門限值大於該低電流門限值。
  4. 如申請專利範圍第1項的穩壓器，當該關狀態持續的時間小於時間門限值時，該模式切換標準滿足。
  5. 如申請專利範圍第1項的穩壓器，當該關狀態持續的時間大於第二時間門限值時，該後端電路從該第一模式切換至該第二模式。
  6. 如申請專利範圍第1項的穩壓器，當該開狀態持續的時間小於第三時間門限值時，該後端電路從該第一模式切換至該第二模式。
  7. 如申請專利範圍第1項的穩壓器，當該負載電流小於低電流門限值時，該後端電路從該第一模式切換至該第二模式。
  8. 如申請專利範圍第1項的穩壓器，當該驅動信號從該關狀態轉換至該開狀態的頻率大於頻率門限值時，該模式切換標準滿足。
  9. 如申請專利範圍第1項的穩壓器，當該連接節點處的電流與跨越一個電流電平的次數超過預定次數時，該後端電路從該第一模式切換至該第二模式。
  10. 如申請專利範圍第1項的穩壓器， 在該第一模式，當具有恒定頻率的時鐘觸發時，該後端電路控制該驅動信號從該關狀態轉換為該開狀態。
  11. 如申請專利範圍第1項的穩壓器， 在該第一模式，當控制電壓與斜坡電壓交叉時，該後端電路使該驅動信號從該開狀態轉換為該關狀態； 其中，該斜坡信號在觸發信號從關狀態轉換為開狀態時，開始上升； 該後端電路從該第二模式切換為該第一模式，包括： 當該模式切換標準滿足，在開始該第一模式之前，運行在預測模式； 在該預測模式，通過在該第二模式下相同的機制控制該驅動信號的轉換，並當該驅動信號從該開狀態轉換為該關狀態，使用該驅動信號作為該用於觸發該斜坡信號開始上升的觸發信號，以及當該驅動信號從該開狀態轉換為該關狀態，記錄該斜坡信號到達的電壓為端電壓； 當該預測模式結束後，將該控制電壓設置為該端電壓以開始該第一模式。
  12. 如申請專利範圍第11項的穩壓器，該後端電路從該第二模式切換為該第一模式還包括： 當開始該第一模式，使用具有恒定頻率的時鐘作為該觸發信號。
  13. 如申請專利範圍第11項的穩壓器，該控制電壓為控制節點的電壓，該後端電路包括： 誤差放大器，耦接於該控制節點，用於根據參考電壓和該輸出電壓之間的差值驅動該控制節點； 預測器，耦接於該控制節點、第一電容器以及第二電容器； 其中，在該第二模式和該預測模式，該預測器將該第二電容器導通至該控制節點，停止將該第一電容器導通至該控制節點；在該預測模式，該預測器對該第一電容器進行充電，以便記錄該端電壓；當開始該第一模式，該預測器將該第一電容器導通至該控制節點，停止將該第二電容器導通至該控制節點。
  14. 如申請專利範圍第13項的穩壓器， 在該預測模式，該後端電路使用該驅動信號作為該觸發信號在預設次數的預測週期內反覆運算地觸發該斜坡信號開始上升，且在每一個該預測週期更新該端電壓。
  15. 如申請專利範圍第14項的穩壓器，在每一個該預測週期，當該驅動信號為開狀態，該預測器對該第一電容器進行充電，以更新該端電壓。
  16. 如申請專利範圍第15項的穩壓器，在該複數個預測週期中的其中一個預測週期，當該驅動信號為關狀態，該預測器對該第一電容器進行放電。
  17. 如申請專利範圍第13項的穩壓器，該後端電路還包括： 耦接於該控制節點的斜坡比較器； 耦接於該斜坡比較器的斜坡電路； 在該第一模式，該斜坡比較器比較該控制電壓是否與該斜坡先後交叉； 在該第一模式和該預測模式，當該觸發信號從該關狀態轉換為該開狀態，該斜坡電路控制該斜坡信號開始上升； 在該第二模式，該斜坡電路控制該斜坡信號不上升。
  18. 一種用於直流-直流電源調節的穩壓器，包括： 控制器，當驅動信號為開狀態時，對連接節點進行充電，以及當該驅動信號為關狀態時，停止對該連接節點充電，以控制該穩壓器的輸出電壓和負載電流； 耦接於該控制器的後端電路，用於在第一模式和第二模式之間進行切換，以通過不同的機制控制該驅動信號的轉換； 在該第一模式，該後端電路使用時鐘作為觸發信號，且當控制電壓與斜坡信號交叉時，控制該驅動信號從該開狀態轉換為該關狀態，其中，當該觸發信號從關狀態轉換為開狀態時，該斜坡信號開始上升； 該後端電路從該第二模式切換至該第一模式，包括： 在開始該第一模式之前，運行在預測模式； 在該預測模式，通過在該第二模式下相同的機制控制該驅動信號的轉換，並當該驅動信號從該關狀態轉換為該開狀態，使用該驅動信號作為該用於觸發該斜坡信號開始上升的觸發信號，以及當該驅動信號從該開狀態轉換為該關狀態，記錄該斜坡信號到達的電壓為端電壓； 當該預測模式結束後，將該控制電壓設置為該端電壓以開始該第一模式。
  19. 如申請專利範圍第18項的穩壓器， 在該預測模式，該後端電路使用該驅動信號作為該觸發信號在預設次數的預測週期內反覆運算地觸發該斜坡信號開始上升，且在每一個該預測週期更新該端電壓。
  20. 如申請專利範圍第18項的穩壓器，該控制電壓為控制節點的電壓，該後端電路包括： 預測器，耦接於該控制節點、第一電容器以及第二電容器； 在該第二模式和該預測模式，該預測器將該第二電容器導通至該控制節點，停止將該第一電容器導通至該控制節點；在該預測模式，當該驅動信號為開狀態，該預測器對該第一電容器進行充電，以便記錄該端電壓；當開始該第一模式，該預測器將該第一電容器導通至該控制節點，停止將該第二電容器導通至該控制節點。
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