TW437175B - Discrete-time sampling of data for use in switching regulators - Google Patents

Description

A7 4371 75 B7 五、發明説明（1 ) 本發明係一般有關於電壓調節器，且更明確地說依有 關於用於開關式電壓調節器之控制系統。 如DC至DC變壓器之電壓調節器被使用以替電子系統 提供穩定的電壓來源•有效率的DC至DC變壓器對於如膝 上型筆記電腦與行動電話之低電力裝置的電池管理是特 別需要的•開關式電壓調節器（或簡稱「開關式調節器j ) 被習知為有效率的DC至DC變壓器之型式。一開關式調節 器藉由將輸入DC電壓轉變為高頻率電壓，並將該高頻率 輸入電壓濾波以產生輸出DC電壓而產生一输出電壓*明 確地說|開關式調節器包括一開關用於交替地將如電池之 未調節的輸入DC電壓來源耦合及鬆開耦合於如積體電路 之負載》典型上包括有感應器與電容器之輸出濾波器被耦 合於該輸入電壓來源與該負載之間以將該開關之輸出濾 波及因而提供輸出DC電壓《該開關典型地被如脈衝寬度 調變器或脈衝頻率調變器之脈衝調變器所控制，即其控制 該開關•一回饋電路產生一控制信號，其控制該脈衝調變 器之任務週期以使該輸出電壓維持於實質上為均匀之水 準。 在傳統的開關式調節器中，該回饋控制器連續地測量 該輸出電路，並使用此測量為該脈衝調變器連續地產生一 控制信號。此種連續的回饋控制器使用如電阻器、電容器 與op-amps之類比電路而操作•不幸的是·這些類比電路 為昂貴的與（或）難以製作成積體電€。明確地說，需有特 殊的技術用用以在半導體裝置內製作電阻器。此外，這些 氺紙張又及中國國家梯率（CNS > A4現格（210X2517公釐） (誚先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 ^ 4371 7 5 A7 B7 i、發明説明（2) 類比電路不容易與在同一半導體裝置內可被製作的任何 數位輸入成介面· 在一層面而言，本發明被導向於一電壓調節器•具有 一輸入接頭將被耦合於一輸入電壓來源與一輸出接頭將被 耦合於一負載=該電壓調節器包括一電力開關以可變的任 務週期交替地將一輸入接頭耦合及鬆開耦合於一輸出接頭 及一濾波器被置於該輸入接頭與輸出接頭間以在該輸出接 頭實質地提供一 DC電壓•一取樣電路恰在該開關啟閉之前 以斷續的剎那時間進行該電壓調節器之電氣特徵的測量· —回饋電路被耦合於該取樣電路*且被組配來使用該測 量> 以控制該任務週期而將該DC電壓維持於實質上為固定 的。 本發明之實施可包括下列事項。該電氣特徵可為在輸 出接頭之電壓或通過濾波器之電流。取樣電路可包括一電 容器、一第一取樣開關將電容器連接於輸出接頭、與一第 二取樣開關將電容器連接於回饋電路•使得測量在該第一 取樣開關開啟時被做成、被儲存於該電容器中作為充電、 且在該第二取樣開關關閉時被提供至回饋電路。替選的 是，該取樣電路可包括一電容器、一第一取樣開關將該電 容器之第一板連接於該電力開關之第一接頭、一第二取樣 開關將該電容器之第二板連接於該電力開關之第二接頭與 一第三取樣開關將該電容器連接於該回饋電路，使得測量 在該第一與第二取樣開關開啟時被做成、被儲存於該電容 器中作為充電、且在該第三取樣開關關閉時被提供至回饋 本紙張尺度通用中因因家榡準（CNS ) A4规格（2丨0X297公釐） i n n n n n In n .^1 In T {誚先M讀背面之注意事項再填涔本頁) 4371 75 紂：斤—部十Aii.iv-XJ.-Ji.ti/i於合竹ii卬纪 Α7 Β7 五、發明説明（3 ) 電路。該取樣電路可恰在電力開關開啟與（或）關閉前做成 該測量。該取樣電路可在該電力開關關閉時做該電氣特徵 之第二測量•該回饋電路可使用第一與第二測量之平均值 來控制任務週期*該取樣電路可包括一電容器、一第一取 樣開關將該電容器連接於輸入接頭與輸出接頭間之電氣通 路與一第二取樣開關將該電容器連接於回饋電路•該第二 取樣開關可在第一取樣開關開啟時被組配為關閉的*及該 第一取樣開關可恰在電力開關開啟與（或）關閉前被組配為 開啟的》該電力開關可被開關式開關波形驅動且該等取樣 開關可被取樣開關波形*及開關調節器可進一步包括一計 時電路以將開關式電壓波形相對於取樣電壓波形加以延 遲，例如大約為該取樣電路之固定時間延遲。該回饋電路 可產生一控制信號，且該電壓調節器可進一步包括一脈衝 調變器被連接於回饋電路，以在回應於該控制信號下設定 該任務週期β該回饋電路可包括一個以上的開關式電容器 電路被耦合於取樣電路，以將該測量轉變為充電及由該充 電產生該控制信號。該取樣電路可包括一類比至數位轉換 器（ADC)被耦合於取樣電路以將該測量轉變成一數位信 號|及一處理器被耦合於ADC以由該數位信號產生控制信 號。該電力開關可包括一第一開關將輸入接頭連接於中間 接頭與一整流器，如一第二開關將該中間接頭連接於接 地，及該輸出濾波器可被連接於中間接頭與輸出接頭間》 在另一層面中，本發明被導向於一電壓調節器，具有 一輸入接頭將被耦合於一輸入電壓來源與一輸出接頭將 本紙張尺度通用十囤國家標準（CNS ) Α4说格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意ί項再硪寫本頁) >^- 訂 ^ 4371 7 5 A7 _ __B7_ 五、發明説明（4 ) 被耦合於一負載》該電壓調節器包括一電力開關以可變的 任務週期交替地將一輸入接頭耦合及鬆開耦合於一輸出 接頭及一濾波器被置於該開關與輸出接頭間以在該輸出 接頭實質地提供一 DC電壓，一取樣電路以測量通過該輸 出濾波器之電流，及一回饋電路被連接於該取樣接頭且該 電力開關被組配來使用該測量以控制該任務週期而維持 DC電壓於實質上固定的水準。該取樣電路包括一電容器、 一第一取樣開關將該電容器之第一板連接於該電力開關之 第一接頭、一第二取樣開關將該電容器之第二板連接於該 電力開關之第二接頭與一第三取樣開關將該電容器連接於 —取樣接頚· 本發明之益處如下列所述。該電壓調節器之回饋控制 器使用斷續時間資料取樣系統以控制脈衝調變器。此一回 饋控制器可使用數位與（或）開關式電容器為基礎之電路 被實施，且可使用適合於互補氧化金屬半導體（CMOS)製作 技術之習知程序被製作。此減少該控制器內的離散（晶片 外）元件。本發明允許該回饋控制器使用類比至數位轉換 器與微處理器被實施|使得該開關之任務週期可藉由軟體 實施之法則被控制》此外•數位設計與傅統CMOS製作技 術之使用允許該電壓調節器更便宜地被構建。而且，電壓 與電流被取樣之斷績時間可被選擇以提供高精確度與最 小數量之開關雜訊。 第1圖為依照本發明之開關式調節器的方塊圖。 第2圖為第1圓之開關式調節器實施例的示意電路 本紙張尺度通州十囤國家榡牟（CNS ) A4规格（2丨0X297公釐） ---------/------1T------< (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) V 4371 7 b A7 B7 五、發明説明（5 ) 圓。 第3圓為一時間圓•顯示由第2圍之開關式調節器的 脈衝調變器來之開關電壓。 第4圓為一時間圖，顯示在第2圖之開關式調節器的 中間接頭之中間電壓。 第5圖為一時間圖，顯示在第2圖之開關式調節器的 輸出接頭之輸出電壓。 第6圓為一時間圓，顯示通過第2圓之開關式調節器 的輸出任務週期之電流。 第7圓為一時間圖，顯示驅動第2圓之開關式調節器 的取樣電路之取樣電壓。 第8圖為一示意圓，顯示由第2圖之開關式調節器的 回饋控制器來之斷續時間電流取樣器。 第9圖為一示意圖，顯示由第2圖之開關式調節器的 回饋控制器來之回饋控制信號產生器。 第1 0圓為一時間圖•顯示輸入至第2圓之開關式調 節器的脈衝調變器之斜坡電壓與控制電壓。 第11A與11B圖為示意電路圖》顯示斷續時間電壓取 樣器的替選實施例。 第12圖為回饋控制器之替選實施例的示意圖。 第13圓為回饋控制器之另一替選實施例的示意圓。 第14圓為第1圖之開關式調節器另一實施例的示意 圖。 參照第1圓，開關式調節器10被輸入接頭20耦合於 本紙張尺度i4/1]中國图家棉芈（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再續寫本s )

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7 7 A B 五、發明説明（6) (誚先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 如電池之DC輸入電壓來源12»開關式調節器10亦被輸 出接頭24耦合於如積體電路之負載開關式調節器10 在輸入接頭20與輸出接頭間作用成DC至DC轉換器。開 關式調節器10包括一開關式電路16·其作用成一電力開 關用於交替地將輸入接頭20耦合及鬆開耦合於中間接頭 22。開關式電路14包括如開關或二極體之整流器將中間 接頭22耦合於接地*開關式調節器亦包括一脈衝調變器 18用於控制開關式電路16之操作。脈衝調變器18致使 開關式電路16產生一中間電壓，在中間接頭22具有長方 形之波形。雖然脈衝調變器18與開關式電路16將在下面 被描述為一脈衝寬度調變器1本發明亦可應用於各種脈衝 頻率調變方法。 中間接頭被輸出濾波器26耦合於輸出接頭24。輸出 濾波器26將中間接頭22處之中間電壓的長方形波形轉變 為在输出接頭24之實質的DC输出電壓。雖然開關式電路 16與輸出濾波器26在下面就降壓轉變器拓樸被說明及描 述，本發明亦可應用於其他的電壓調節器拓樸 > 例如為升 壓轉變器或降壓一升壓轉變器拓樸· 輸出電壓被回饋電路28調節或維持於實質上為固定 的水準•回饋電路28包括取樣電路30·其在開關式電路 16的每一週期之際在斷續時間測量通過輸出接頭24之輸 出電壓與電流•測量後的電壓與電流被輸入至回饋控制信 號產生器32。回饋控制信號產生器32再於任務週期線路 34上產生控制電壓以控制脈衝調變器18·取樣電路30與 本紙張尺度適用中國國家標率（CNS ) A4规格（2丨OX297公嫠） A7 4371 7 5 B7 五、發明説明（7 ) 回饋控制信號產生器32可被構建完全運用數位與開關電 容器為基礎之元件。因而，大部分的開關式調節器10, 包括開關式電路16、脈衝調變器28可運用一般的CMOS 技術在單一晶片上被實施或製作》在開關式調節器10中 之每一元件，即開關式電路16、脈衝調變器18、輸出濾 波器26、取樣電路30與回饋控制信號產生器32將在下 面更詳細地被討論》 參照第2圈，開關式電路16與輸出濾波器26以降壓 轉變器拓樸被組配•明確地說•開關式電路16包括一開 關，例如為一第一電晶體具有源極被連接於輸入接頭20 與一排極被連接於中間接頭22,與一整流器，例如為一 第二電晶體42具有源極被連接於地與一排極被連接於中 間接頭22«第一電晶體可為P型MOS(PMOS)裝置，而第二 電晶體42可為N型MOS(NMOS)裝置。替選的是，第二電 晶體42可被二極體取代或補充以提供整流化作用。同 時，二個電晶體均可為NM0S裝置。第一與第二電晶體40 與42可被在開關線路48a與4 8b上之開關電壓Vs驅動。 參照第3圖，脈衝調變器產生具有長方形波形之開關 電壓Vs»開關電壓Vs具有1/Ts之頻率Fs與可變的任務 週期d，其係被回饋控制信號產生器所控制。任務週期為 每一期間Ts之百分比，開關電壓在Ts為接通的·即低的= 開關電壓之頻率Fs可在約10個千赫茲至數個百萬赫茲的 範圍內。當開關電壓Vs為低時，第一電晶體為關閉且第 二電晶體為開啟（PM0S傳導期間50)，而若開關電壓Vs為 本紙張尺度適州中國國家標率（CNS ) A4規格（210X297公釐〉 ---------X------訂------tl (对先閱讀背面之注意事項再填湾本页) 好#.邱屮呔打H*·而..ji.-T消贽合竹Ϊ.1印纪 好：;ί·_部中"^^-而：τ.消处合作杉卬鲈 ' 4371 7 5 A7 _______________ B7 五、發明説明（8 ) 高1第一電晶體為開啟且第二電晶體為關閉（NMOS傳導期 間52)。因而，在PMOS傳導期間50之際，中間接頭被耦 合於輸入接頭，而在NMOS傳導期間52之際，中間接頭被 耦合於接地。雖然未被說明，在開關線路48a與48b上的 開關電壓可被慣用的技術激發•使得PMOS與NMOS傳導期 間50與52可被空檔時間分開，以確保二種開關不會同時 開啟。 參照第4圈•在中間接頭的結果之中間電壓Vx為長 方形波形具有可變的任務週期d(中間接頭被耦合於輸入 接頭之週期的百分比）與固定的頻率Fs。 回到第2圖，中間電壓Vx被輸出濾波器26濾波以在 輸出接頭24產生輸出電壓Vout。輸出濾波器26包括感 應器44被耦合於中間接頭22與輸出接頭24間，及一電 容器46以與負載14並聯被耦合。在PM0S傳導期間之際> 電壓來源12經由第一電晶體供應能量至負載14與感應器 44。另一方面，而NMOS傳導期間之際，能量被感應器44 供應》結果之输出電壓Vout實質為DC電壓。輸出電壓 Vout之平均電壓Vo為輸入電壓Vin與任務週期d之乘 積，即Vo=dxVin。通過輸出接頭24之平均輸出電流1〇 為平均電磨Vo除以負載之有效電阻Ro，即= V〇/R〇· 不幸的是，實際的輸出電壓Vout不確實等於平均電壓 Vo。參照第6圖，輸出電壓會包括一紋波AV，其由下列的 式子求得： 本紙張尺度进州屮固阐家榇準（CNS) A4規格（210X297公釐） {誚先閲讀背面之注意事項再蛾寫本頁)

Α7 Β7 4371 7 五、發明説明（9 ) V〇* (1-d) △ V与 « 8 · Lf · C f * fs2 其中d為任務週期比值’ LfS感應器44之電感’ Cf 為電容器46之電容，及fs為開關頻率。 類似地，實際的輸出電流Iout不確實等於平均電^流 lu"參照第6圖，輸出電流丨out會為三角形波形’具有期 間Ts與尖峰至尖峰之紋波△丨’其具有與平均負載電流1〇 之最大與最小尖峰等距。尖峰至尖曄之紋波Δ1由下列的式 子求得：

Vo· (1-d) △ I -- L f · fs 其中d為任務週期，Lf為感應器44之電感，及is為開關 頻率。 就如前述所討論者，該開關式調節器包括取樣電路以 測量輸出電壓Vout與電流丨out。該取樣電路在開關式電 路之每一個週期於一個以上之斷續時間測量輸出電壓。取 樣電路亦在開關式電路之每一個週期於一個以上之斷續時 間測量輸出電流。然而，由於輸出電流無法直接測量|取 樣電路實際上可測量一電壓差，其為輸出電流之代表。不 過下面的某些描述被說成好像該電流是直接地測量的。 回饋控制信號產生器使用測量後之電壓與電流以決定 平均輸出電壓h與平均輸出電流[0。平均輸出電壓V(I與 平均輸出電流Ιο被用來控制電力開關之任務週期》其被注 意到回饋電路可使用電壓與電流測量來控制電力開關而不 會有決定平均值之中間步驟。下面的某些描述被說成好像 -12 - 本紙張尺戍適ίϋΤί國家標率（CNS ) Α4規格（2丨0X297公釐) — ---------/------1Τ------Λ (对先閲讀背面之注意事項再祕转本頁) 好：-^消於合竹=ii印t A7 4371 75 B7 五、發明説明（10 ) 是該等平均值係被計算及提供成分別的信號•雖然此就如 所注意到的並非必然是這樣的情形- 參照第4, 5與6圓，最大的输出電流lout是在PMOS 傳導期間50結束時到達，且最小的輸出電流lout是在 NM0S傳導期間52結束時到達•此外，輸出電壓Vout在PM0S 與NM0S傳導期間50與52結束時通過其平均值•因此，為 了估計平均輸出電壓V«，第一電壓測量卩1在PM0S傳導期 間50之結束處被做成，第二電壓測量在NM0S傳期間 ---——-- 52之結束處被做成，且此二個測量被，平均.·類似地，為估 ·.'______ . 計平均輸出電流Ifl，電流Ιι之第一代表性的測量Vn在 PM0S傳導期間50之結束處被做成·在該電力開關關閉時 做該電氣特徵之第二測量·•電流Π之第二代表性的測量V(2 在NM0S傳導期間52之結束處被做成，且此二個測量被平 均。因為满關雜j在電晶體被開關時會發生，若該等測量 恰在開關電壓Vs變化前被做成，其在平均電流與電壓會有 - —· — · -...... - — 最少量之開關_訊》 現在回到第2圖，一個相當簡化之電壓取樣器被顯 示。電流取樣未在第2圖外顯示地被顯示，其將參照第8 圖被解釋。取樣電路30包括二電壓取樣電容器60a與 60 b，其分別被二個電壓取樣開關62a與62b被耦合於輸出 接頭24。電壓取樣電容器60a與6 0b可被額外的取樣開關 64a與64b經由電壓取樣接頭58a與58b耦合至回饋控制 信號產生器32。該等取樣開關可被組配成使得當開關62a 與62b為開啟時 > 開關64a與64b為關閉的，反之亦然。 -13- 本紙張尺度適用t國阖家標準（CNS Μ4規格（2丨0X297公釐） ---------1------1T------Λί (請先Μ讀背面之注意事項再瑣寫本頁) ϊ 4371 7 5 Α7 Β7 五、發明説明（11 ) ---------.乂------ΪΤ 先閱讀背面之注意事項再填寫本页) 而在開關62a為關閉且開關64a為開啟時·電流由輸出接 頭24流入電壓取樣電容器6Oa。然而，當開關62a為開啟 且開關64b為關閉時·以充電為形式儲存在開關取樣電容 器60a內之輸出電壓被傳送至電壓取樣接頭58a上以提供 第一電壓測量Vi »類似地，在開關62b為關閉且開關64b 為開啟時‘電流流入電壓取樣電容器fi〇b*但當開關62b 為開啟且開關64b為關閉時，儲存在電壓取樣電容器60b 之輸出電壓被傳送至電壓取樣接頭58b上以提供第二電壓 測量V2。取樣開關62a · 62b，64a與64b在取樣控制線路 66a與66b上被取樣電壓Vsamp丨e驅動《 參照第7圖，取樣電壓波形Vsample恰在PM0S傳導期 間與NM0S傳導期間結束前於高與低狀態間切換•在控制線 路G 6a與6 6b上的取樣電壓雖未外顯地被顯示，其可被偏 置使得開關62a，62b與64a，64b不會同時開啟》 回到第2圖，取樣控制線路66a與66b之開關線路48a 與48b可被耦合至計時電路68。計時電路68將開關電壓 波形相對於取樣電壓波形Vsample加以延遲以確保取樣恰 在電晶體40與42跳動前發生而使雜訊最小•因而•電壓 取樣接頭58a提供在PM0S傳導期間結束時被測量之第一電 壓Vi >且電壓取樣接頭58b提供在NM0S傳導期間結束時 被測量之第二電壓V2。取樣電壓波形Vsample可由開關電 壓波形Vs被延遲Td，其大約等於取樣電路之固定延遲時 間，即大約為取樣電路30取得電壓與電流測量所需之時 間。延遲Τ»可為數個毫秒之程度。較佳的是，延遲Τ»大 -14- 本紙張尺度迆州中國圈家標率（CNS ) A4規格（210X297公釐） A7 B7 Λ371 7b 五、發明説明（12 於電壓與電流取樣所需之時間。 就如前述所提及者*取樣電路30亦在PMOS傳導期問 結束與NMOS傳導期間結束時測量輸出電流lout。通過輸 出接頭24之電流等於通過感應器44之感應器電流Iw然 而，感應器電流Up無法直接被測量；其必須由在電流通 過的電阻性元件上所取得的電壓測量加以推算· 取樣電路30包括一電流取樣器，其實作被顯示於第8 圓。在此實作中，電流取樣器使用第一與第二電晶體40 與42作為電阻元件用於測量感應器或輸出電流》就每一 電晶體40與42而言·取樣電路包括四個取樣開關70， 72，74與76,與一電流取樣電容器78。電流取樣電容器 78之頂板被第一電流取樣開關70耦合至該電晶體之源極 (即第一電晶體40之輸入接頭24與第二電晶體42之接 地）。類似地•電流取樣電容器78之底板被第二電流取樣 開關72連接至該電晶體之排捶（即第一與第二電晶體40 與42之中間接頭22)。電流取樣電容器78之頂板被第三 電流取樣開關74耦合於電流取樣接頭80,且電流取樣電 容器78之底板被第四電流取樣開關76被連接至一基準電 壓Vitw第一與第二開關70與72在其所連接的電晶體之 傳導期間的結束時同時開啟•而第三與第四開關74與76 在開關70與72開啟時為關閉的。啟動開關70，72，74 與76之控制信號可被計時電路68以類似於取樣開關之控 制信號的方式在計時線路82a與82b上被產生。因此•在 電流取樣器被連接之傳導期間的結束時，代表感應器電流 -15- 本紙張尺度通州中國國家樣芈（CNS > Α4規格（2IDX297公釐） ----------------訂------Λ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 4371 75 —______B7_ 五、發明説明（13 ) 之電壓被供應至電流取樣接頭80·二個電流取樣電路提 供電壓測量Vu與V!2，其分別為電流I!與12之代表-電壓與電流測量可在各種斷續時間被做成•例如•單 —的電流測量可在NMOS傳導期間的中間被做成》然而， 藉由怡在第一電晶體40與第二電晶體42的傳導期間結束 之前將電壓與電流取樣，該等所取樣之信號提供該感應器 電流與電容器電壓之平均值的最佳估計且在開關雜訊為 最小時被取得。 參照第9圖，在取樣接頭58a，58b，80a與80b上的 取樣資料V!，V2, Vn與Vh被供應至回饋控制信號產生器 32。回饋控制信號產生器使用這些信號在任務週期控制線 路34上產生一控制電壓VcDntrQi。此控制電壓被脈衝產 生器18所使用以調變開關式電路16之任務週期而在輸出 接頭以實質固定的水準維持平均電壓V〇 » 回饋控制信號產生器可依據各種法則決定Vcontrol。 例如，取樣接頭58a，58b與80a，80b可分別被連接於開 關電容器電路170a與170b*以將取樣電壓VI，V2與VII， VI2有效地組合及平均而分別產生平均值V0與VI0»平均 後的值VI0分別被放大器172b以一常數KI加以定刻度。 平均電壓VG與第一加總電路174與基準電壓Vref比較· 平均電壓VQ與與基準電壓Vref間之差被放大器172a以常 數Kv加以定刻度。此外，平均電壓V0與基準電壓Vref 間之差被積分器176積分以產生積分電壓Vint*最後，三 個輸入KVKG，KIH與Vila被第二加總電路178組合以產 -16- 本紙張尺度適用中國固家標率（CNS } Α4規格（2ΙΟΧ297公釐） ---------乂------訂------Λ ί (#先閱讀背面之注意事項再械本頁) 4371 75 A7 B7 五、發明説明（14 ) 生該控制信號Vcontrol。 參照第2圓，一個相當簡化之脈衝調變器18被顯示。 脈衝調變器18將任務週期控制線路34上之控制電壓 Vcontrol轉變為在計時線路104上之計時電壓波形》脈衝 調變器18包括一斜坡產生器1 00與一比較器102。參照 第10圖，斜坡產生器之輸出為鋸齒狀具有頻率1/Ts，最 小電壓Vmin與最大電壓Vmax。比較器比較控制電壓 Vcontrol與斜坡電麼Vramp1並在Vcontrol若大於Vramp時 在計時線路输出高電壓，且在Vc〇titrDl若大於VraBip時在 計時線路輸出低電壓。回到第2圓·計時線路上之計時電 壓波形被送至計時電路68。計時電路68可在取樣控制線 路66a與6 6b上輸出計時電壓波形取樣電壓Vsanpie。計 時電路68在開關線路48a與48b上產生一開關電壓Vs， 其以小的延遲TD由取樣電壓波形Vsaraple被偏置。因此， 取樣開關（如開關62a，62b，64a與64b)在電晶體40與 42前於開關式電路16內稍微地被觸發· 若Vcontrol增加•開關電壓Vs之任務週期D減小。 另一方面，若控制電壓Vcontrol減小，任務週期D増加》 因此*回饋電路28能在斷續時間測量輸出電壓Vaut與感 應器電流I ui，使用此資料以計算平均電壓Vo與平均電流 及使用平均電流與電壓以調變開關電壓Vs之任務週 期而確保輸出電壓維持實質為固定的。由於所有的回饋控 制器的元件可使用開關與電容器而被設計•大部分的開關 式調節器可運用慣用的CMOS技術而被製作。此外，由於 -17- 本紙張尺度適屮圏國家標率（CNS ) Α4規格（210X29?公釐） ---------J------π------Λ (誚先W讀背面之注意事項再填巧本頁) :-部屮灰irif-^u 消此合竹^印纪 -4371 7 5 A7 __^ B7 五、發明説明（15 ) 電壓與電流於斷續時間被取樣，此系統與數位計時電路之 慣用的數位設計更為相容。 參照11A圖，在另一實施例，一電壓取樣電容器60’ 被連接於基準電壓Vref而非接地。此減少在電容器上儲 存的充電數量。 參照11B圖*在另一實施例中，取樣電路3 0”以底板 取樣拓樸而被構建。電壓取樣電容器60”之底板被第一取 樣開關112被連接於輸出接頭24及被第二取樣開關114 被連接於基準電壓Vref。電壓取樣電容器60”之頂板被第 三取樣開關116連接於同一個基準電壓Vref及被第四取 樣開關118連接於電壓取樣開關58”。第一開關112與第 三開關Π6在電壓測量前的傳專期間之際為關閉的，而第 二開關114與第四開關1〖8在電壓測量前的傳導期間之際 為開啟的。底板取樣可減少被寄生電容與由該等開關來之 充電注入所造成的取樣誤差。 回饋電路28’之一可能的實作，包括取樣電路與回饋 控制信號產生器被顯示於第12圖•取樣電路28’包括電壓 取樣格130以測量輸出接頭Vout，電流取樣格132以測 量電壓Vds·此代表通過感應器之電流•及一積分器134 > 其配上電壓取樣格136以產生在測量與所要的輸出接頭 間之差的積分》由電壓取樣格130、電流取樣格132、積 分器134與斜坡產生器138來之電壓被主加總放大器140 組合。主加總放大器140之輸出被送至比較器142,其產 生該取樣電壓。回饋電路中之元件被計時信號產生器144 -18- 本紙張尺度適用中國囤家捸芈（CNS > Α4規格（210Χ29·?公釐） ----------Λ------IT------\, (誚先閲讀背面之注意事項再硪艿本頁) 4371 7 5 at ______________^__ 五、發明説明（16) 驅動，其產生如下之信號：nmos_on/phi„nmos在NM0S電晶體 為接通時為高的；當PM0S電晶髋為接通時praos_on/phi_pia〇s 為高的；當PM0S電晶髏為關閉時not„praos_on為高的；當 NM0S電晶體為接通時nra〇s_even為每隔一次為高的；以及當 NM0S電晶體為接通時nmos_odd為每隔一次為高的，但是為 nm〇s_even信號的正交·所有的這些信號就其各別的電晶體 開始切換時恰於閘驅動緩衝器前切換為低的。電壓取樣格包 括二取樣格用於在NM0S傳導期間結束時測量電壓•一取樣格 被連接於主加總放大器，而另一取樣格正在取樣•因此，主 加總放大器可使用在前一個期間取得的NM0S樣本來計算於目 前期間將被使用的任務週期。雔然該等開關被圖示為JFET 電晶體，其可被實施成NM0S與PM0S電晶體· 簡單而言，取樣電路28’依據下式計算任務週期：

f Μίϋ s KH(IS Γ HOS Ν MOS 任務测=-{Cv(V +V ) + (C V +C V ) +

OT^ ERItOt K AIMIK PH〇S PS N H 0 S

C S N PMOS NXOS C.——Σ ( V + V )} Q r q E R DO K ERKflt 其中f為取樣頻率，1p〇為斜坡產生器每一側來之電流， CV為電壓取樣電容器之電容（例如為2. 8pF)iCpii()ii為PM0S 電晶體所用之電流取樣電容器的電容（例如為4pF) · Cn«〇s 為NM0S所用之電流取樣電容器的電容（例如為8pF)，Ci 為積分器中之輸出取樣電容器的電容（例如為0.8 pF)，Cs 為取樣電容器之電容（例如為lpF)，CF為積體電容器之電 -19- 本紙張尺度適用屮阉國家梯半（CNS) Α4規格（210Χ297公釐） 、1T (讀先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

1 43T17 5 A7 ________________ 五'、發明説明（丨7) 容（例如為3. 5pF)，Vp"°s為電壓測量，其為在PMOS傳導期

DS 間之際的輸出電流的代表，V 為在PMOS傳導期間之際

ERROR 的輸出電壓測量* V N"°s為在NM0S傅導期間之際的輸出電

ERROR 壓測量，及V 為電壓測量，其為在NM0S之際的輸出電

DS 流的代表。 鉀：^部中戌极^^;^ 1.消於合竹"印？心 I— If 1— 1¾ II nn n n ^—ϋ n n I τ (誚先閲讀背面之注意事項再填寫本莨) 參照第13圖，在另一實施例中，回饋控制信號產生 器32之類比元件被微處理器120取代《明確地說，取樣 接頭5 8a，5 8b，8Qa與8flb每一個被連接於類比至數位轉 變器（ADC)122,以將取樣後之電壓或電流轉變成數位信 號，其被送至微處理器120。微處理器120可為硬體、軟 體與韌體之組合。微處理器120計算一任務週期·其被數 位至類比轉變器（DACM24轉變為控制電壓Vcontrol。微 處理器120可用程式來由取樣後之測量Vi，V2, Vii與Via 計算平均電壓VD與平均電流Vio*然後|微處理器120可 由平均電壓Vo與平均電流Vn計算新的電壓電流·例如， 該微處理器可-存由前一個週期所用之控制電壓V〇1(i並 依據預先設定的公式來計算新的控制電壓· 參照第14圔，在另一實施例中，信號控制產生器與 脈衝調變器功能被組合且被微處理器120’直接實施。微處 理器120’直接被連接至開關線路48。此微處理器可被構 建來由平均電壓Ve與平均電流In計算任務週期· -20- 本紙張尺度適/1〗中國固家標率（〇呢）戍4规格（210父297公嫠） 4371 75 A7 B7 五、發明説明（18 元件標 號對 照表 =編號 譯 名 元件編號 譯 名 10 開關式調節器 52 NMOS傳導期間 12 DC輸入電壓來源 58a 電壓取樣接頭 14 負載 58b 電壓取樣接頭 16 開關式電路 58" 電壓取樣接頭 18 脈衝調變器 60a 電壓取樣電容器 20 输入接頭 60b 電壓取樣電容器 22 中間接頭 60J 電壓取樣電容器 24 輸出接頭 6 0，’ 電壓取樣電容器 26 輸出濾波器 62a 電壓取樣開關 28 回饋電路 62b 電壓取樣開關 28* 回饋電路 64a 取樣開關 30 取樣電路 64b 取樣開關 30，， 取樣電路 66a 取樣控制線路 32 回饋控制信號產生器 66b 取樣控制線路 34 任務週期控制線路 68 計算電路 40 電晶體 70 取樣開關 42 電晶體 72 取樣開關 44 感應器 74 取樣開關 46 電容器 76 取樣開關 48a 開關線路 78 電流取樣電容器 48b 開關線路 80 電流取樣接頭 50 PMOS傳導期間 80a 取樣接頭 21- (誚先Μ讀背面之注llpm'm再填寫本頁) -在. ,ιτ 本紙張尺度i4州屮國阖家操準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 437175 A7 B7 五 '發明説明（19 ) 元件標 號對 照表 元件編號 譯 名 元件編號 譯 名 80b 取樣接頭 170a 開關電容器電路 82a 計時線路 170b 開關電容器電路 82b 計時線路 172a 放大器 100 斜坡產生器 172b 放大器 102 比較器 174 第一加總電路 104 計時線路 1 76 積分器 112 取樣開關 178 第二加總電路 114 取樣開關 116 取樣開關 118 取樣開關 120 微處理器 120, 微處理器 124 數位至類比轉變器 (DAC) 130 電壓取樣格 132 電流取樣格 134 積分器 136 電壓取樣格 138 斜坡產生器 140 主加總放大器 142 比較器 ---------在------訂 (誚先閲讀背面之注意事項再楨寫本頁} 信號產生器 -22- 本紙張尺度通用中阄國家榇準（CNS ) A4規格（210X297公釐）

Claims (1)

1. 經濟部中夬標牟局貝工消費合作杜中製 A371 7 5 AS B$ C8 -____D8 六、申請專利範圍 1. 一種電壓調節器，具有一輸入接頭將被耦合於一輸入電 壓來源與一輸出接頭將被耦合於一負載，包含： 一電力開關以可變的任務週期交替地將一輸入接頭 耦合及鬆開耦合於一輸出接頭； 一濾波器被置於該輸入接頭與輸出接頭間以在該輸 出接頭實質地提供一DC電壓； 一取樣電路以斷續的剎那時間進行該電壓調節器之 電氣特徵的測量；以及 一回饋電路被耦合於該取樣電路*該回饋電路被組 配來使用該測量|以控制該任務週期而將該DC電壓維持 於實質上為固定的。 2. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調節器，其中該電氣 特徵為在輸出接頭之電壓》 3·如申請專利範圍第2項所述之電壓調節器，其中該取樣 電路包括一電容器，一第一取樣開關將該電容器連接至 該輸出接頭，以及一第二取樣開關將該電容器連接至該 回饋電路，使得該測量在該第一取樣電路開啟時被作 成，在該電容器被儲存作為充電，以及在該第二取樣關 閉時被提供至該回饋電路。 4. 如申請專利範圍第I項所述之電壓調節器，其中該電氣 特徵為通過該濾波器之電流* 5. 如申請專利範圍第4項所述之電壓調節器，其中該取樣 電路包括一電容器、一第一取樣開關將該電容器之第一 板連接於該電力開關之第一接頭、一第二取樣開關將該 -23 — 本紙張尺度適用中囷國家標準（CNS } 規格（210X297公釐） I n I n n n ϋ ϋ I i ^ n n (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 4371 75 經濟部中央標準局貝工消費合作社印裝 A8 BB C8 D8六、申請專利範園 電容器之第二板連接於該電力開關之第二接頭與一第三 取樣開關將該電容器連接於該回饋電路，使得測量在該 第一與第二取樣開關開啟時被做成、被儲存於該電容器 中作為充電、且在該第三取樣開關關閉時被提供至回饋 電路。 6. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調節器，其中該取樣 電路恰在該電力開關關閉之前做成該測童。 7. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調節器|其中該取樣 電路恰在該電力開關關閉之後做成該測量· 8. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調節器，其中該取樣 電路在該電力開關為關閉時做成該電氣特徵之第一測 量，且在該電力開關為開啟時做成該電氣特徵之第二測 量。 9. 如申請專利範圍第8項所述之電壓調節器，其中該回饋 電路使用該等第一與第二測量之平均值來控制該任務週 期。 10. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調節器*該取樣電路 包括一電容器、一第一取樣開關將該電容器連接於輸入 接頭與輸出接頭間之電氣通路與一第二取揉開關將該電 容器連接於回饋電路。 11. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調節器，其中該第二 取樣開關在該第一取樣開關為開啟時被組配成關閉的》 12. 如申請專利範圍第11項所述之電壓調節器，其中該第 一取樣開關恰在該電力開關關閉前被耝配成開啟的》 —24 - (請先W讀背面之注^κ項再填海本頁) 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS } A4規格（210X297公釐） 4371 7 5 A8 B8 C8 D8 經濟部中央搮率局貝工消費合作社印裝 六、申請專利範圍 13·如申請專利範圍第η項所述之電壓調節器，其中該第 一取樣開關恰在該電力開關開啟前被組配成開敔的· 14. 如申請專利範圍第1 〇項所述之電壓調節器，其中該電力 開關被開關式電壓波形驅動且該等取樣開關可被取樣開 關波形驅動，及開關調節器進一步包括一計時電路以將 開關式電壓波形相對於取樣電壓波形加以延遲。 15. 如申請專利範圍第14項所述之電壓調節器，其中該開 關電壓波形相對於該取樣電壓波形以大約為該取樣電路 之時間固定延遲被延遲》 16. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調節器，其中該回饋 電路產生一控制信號，且該電壓調節器進一步包括一脈 衝調變器被連接於回饋電路|以在回應於該控制信號下 設定該任務週期· 17. 如申請專利範圍第16項所述之電壓調節器，其中該回 饋電路包括一個以上的開關式電容器電路被耦合於取樣 電路，以將該測量轉變為充電及由該充電產生該控制信 號。 18. 如申請專利範圍第16項所述之電壓調節器，其中該取 樣電路包括一類比至數位轉換器（ADC)被耦合於取樣電 路以將該測量轉變成一數位信號，及一處理器被耦合於 ADC以由該數位信號產生控制信號。 19. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調節器，其中該電力 開關包括一第一開關將輸入接頭連接於中間接頭與一整 流器，如一第二開關將該中間接頭連接於接地，及該輸 -25 - ---------^-- (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 声- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4規格（210><297公釐） 經濟部十央標率局負工消費合作社印笨 43717 5 A8 B8 C8 D8中請專利範圍 出接頭可被連捺於中間接頭與_出接頭間。 20. 如申請專利範圍第19項所述之電壓調節器，其中該整 流器為一第二開關，其將該中間接頭連接至接地。 21. —種電壓調節器，具有一輸入接頭將被耦合於一輸入電 壓來源與一輸出接頭將被耦合於一負載，包含·· 一電力開關以可變的任務週期交替地將一輸入接頭 耦合及鬆開耦合於一輸出接頭： 一濾波器被置於該開關與輸出接頭間以在該輸出接 頭實質地提供一 DC電壓； 一取樣電路以對通過該輪出濾波器之電流做成一測 量1該取樣電路包括一電容器、一第一取樣開關將該電 容器之第一板連接於該電力開關.之第一接頭、一第二取 樣開關將該電容器之第二板連接於該電力開關之第二接 頭與一第三取樣開關將該電容器連接於一取樣接頭；以 及 一回饋電賂被連接於該取樣接頭與該電力開關，該 回饋電路被組配以使用該測量來控制該任務週期以將該 DC電壓維持於實質上固定的水準。 22. —種DC-DC轉變器，具有一輸入接頭將被耦合於一輸入 電壓來源與一輸出接頭將被耦合於一負載，包含： —電力開關以可變的任務週期交替地將一輸入接頭 耦合及鬆開耦合於一輸出接頭： 一脈衝調變器被連接於該電力開關以在回應於一控 制信號下設定該任務週期； 26 本紙張尺度逍用中«8家揉準（CNS > A4规格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本瓦) ’名- Γ L 4371 7 5 A8 B8 C8 D8 夂、申請專利範圍 —濾波器被置於該電力開關與輸出接頭間以在該輸 出接頭實質地提供一DC電壓； 一第一電壓取樣電路以怡在該電力開關將該輸入接 頭耦合於輸出接頭之前的一第一斷續剎那時間於該輸出 接頭測量一第一電壓； —第二電壓取樣電路以恰在該電力開關將該輸入接 頭鬆開耦合於該輸出接頭之前的第二斷續剎那時間於該 輸出接頭測量一第二電壓： 一第一電流取樣電路以在該第一斷續剎那時間測量 通過該濾波器之一第一電流； 一第二電流取樣電路以在該第二斷續剎那時間測量 通過該滴波器之一第二電流； 一回饋電路被連接於該等取樣接頭與脈衝調變器， 該回饋電路被組配以使用該測量後之電壓與電流來產生 該控制信號及將該DC電壓維持於實質上固定的水準。 I--nil--I装-—i (請先Μ讀背面之注意事項再填寫本s ) 訂 •泉. 經濟部t央搮準局員工消費合作社印笨 -27 - _本紙張纽it财HS家標準(CNS ) A4胁（210X297公釐）