TW441157B - Dynamic set point switching - Google Patents

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Description

441 15 7 五、發明說明（1) 發明領域 本發明與直流至直流穩壓器有關β 背景 i 為了延長電池的壽命以及降低功率的消耗’可播式裝置 中之微處理器通常擁有好幾種用電模式，譬如，終止^脈 模式與主動模式。當微處器之執行單元在動作時，微處器 是處於主動的模式；當執行單元休息時，微處理器處於終 止時脈模式。為保持電力，微處理器在處於終止時脈模式 時所汲取的電流會較處於主動模式時來得少β 直流至直流電壓轉換器為微處理器提供出一個調節的電 壓。圖1是一連接至微處理器之降壓切換直流至直流電壓 轉換器的功能圖，其中該微處理器被理想化為電流 102。微處理依其之處於終止時鐘椟式或是處ς主動 Μ式，而有不同的汲取電流卜電壓之調節處在節點"〇， 右忽略線m上的壓降，此點即為微處理器1〇2之核心電 ^U壓源m為控制器106提供出〜個穩定的參考 電壓，V。。回扠路徑1 〇 8取樣出節點丨丨〇處之電壓。 控制器106以互補的方式切換FETs(場欵電晶體）ι丨2與 114的開與關，藉以對電感116供能或消能。fet ιι2與 應避免同時打開。控制器〗〇 6將FET i丨4崎閉，工1 開’以提高節點lio之電壓；將FET 112關閉，11 開，之電厘。電容器118幫助節點ιιο之電 壓平順。电阻120代表的是電容器118及其 阻。電容器118及其引線之寄生電感，在圖中並未顯示/ > 4 41 t S 7 ________ 五、發明說明（2) 只要微處理器1 Ο 2並非處於正在變更模式的狀態，我們就 可藉由適當地切換FET 1 12與1 14，將節點1 1 0處之電壓調 節成一個大致固定的值。 圖2a是微處理器1 02變更模式時，電流I轉變的理想情 況，圖2b則是電流轉變所導致的節點1 0 0電壓VCQre的變化情 形。以圖2a為例，時間h，模式由終止時脈變更為主動， 電流I因而增加；時間t2，模式由主動變更為終止時脈， 電流I因而降低。假設Vr是VCDre的希望值（Vr也稱之為設定 點）。當時間t,電流I突然增加時，流經電感器1 1 6之電流 並不能立即隨之增加，這將使得微處理器1 1 2所需的額外 電流是由電容器11 8來供應《此額外的電流增加了電阻1 2 〇 與電容11 8之壓降’這導致節點1 〇 〇電壓Veijre的突然降低。 為了要將VCC)re重新帶_回至vr，控制電路1 〇 6會將F ET 11 2維 持在打開，FET 11 4維持在關閉狀態s然後，流經電感} j 6 的電流將會漸增（以正的時變率漸增），而將\抑帶至\。 此段動作示於圖2b之時間ti相類似的，當微處理哭丨〇2於 時間％由主動模式變更為終止時脈模式時，電流丨是突然 地降低。再一次地，因為流經電感器〗丨6之電流靼法立 地隨之下降，所以電容器11 8必須吃下此額外的電济’這 導致了八Dre在時間t2之突然增加，將F ET j丨2保 FET 1 1 4保持在打開 =在關閉’ 2b之時間t2。 將V⑽帶回至。此奴動作示於圖 , ^ z之變更模式，節點i 1 0之電壓m么户甘 最大〔或稱為峰值）带 ％從將會在某 兮值）电壓vp與某最小電壓\之間變動
第5頁 441 15 7 案號 88107764 五、發明說明（3) 曰 修正 單起見，我們假設壓差I vp — 丨與1 並以△表之。注意，圖2 b中電壓之總 _i|vr I是相同的，
VP -V, ，是等於2 A。 △的值依變更模式時電流之時變率、3蜜;;阻1 2 0與電容1 1 8 (以及並未明確顯示於圖中之寄生電感）的值、電感116的 值以及控制器1 0 6回應核心電壓改變之回應速度而定。當 用電模式沒有改變時，較大的電感1 1 6與電容1 1 8可使核心 電壓的穩態連波降低，但會使△值增加。為了使運作正 常，vp與1必須位在某個操作範圍〔vlQW，vhlgh ]之内。 明顯地，我們可以找出電壓漣波，反應時間以及Δ值三 者之間的效能折衷點。不過，一旦作出折衷之後，我們希 望能夠盡可能地將總電壓擺動保持在最小。這在低電壓應 用時是特別地重要，但此時設定點之值不應低到讓νπ掉 到之下。 發明目的與功效 本發 長電池儀.提 !調 ，調藝:雜電 —Μ Μ η 之總電 耗。
明之一個目的是提供一直流至直流電壓轉換器以延 壽命以及減少功率消耗，在本發明的一個實施例 供了 一個包含電感、控制器和一取樣及保持I路之 節器，其中控制器依據設定點藉由對電感|| 節負載之電壓，而取樣及保持電路在流經I''電感f 流增加時，耦合至控制器來降低設定點。因此，具 定點之實施例可實現出較先前電壓轉換器技藝為小 壓搖擺以及較先前電壓轉換器技藝為低之功率消
O:\58\58322.ptc 第6頁 2001.03. 13.006 441 1 5 7 案號 88107764 f' 'Ί \ Η 二.丄ί，'.* 修正 五、發明說明（^g 圖式之簡要說明 圖1是直流至直流電壓轉換器先前技藝的功能圖β 圖2是先前技藝之直流至直流電壓轉換器在微處理器變 更用電模式時，其核心電壓的變動情況。 圖3是一供示範用之可動態變更設定點、具有取樣及保 持電路之直流至直流電壓轉換器的電路圖。 圖4是該示範用之直流至直流電壓轉換器在微處理器變 更用電模式時，其核心電壓的變動情況D 圖5是取樣及保持電路之示範電路圖。 較佳具體實施例之說明
O:\5S\58322.ptc 第6a頁 2001.03.13. 007 44115 7 五、發明說明（4) 圖3是具體貫施之電路圖，其中功能方塊106提供出圖1 | 中之控制器1 〇 6之功能，功能方塊丨〇 4則是提供出圖t中之 I j電壓源1 〇 4的功能；在應用時，圖3中之電路組件與圖1有 ： |相同數字標記者’是互相對應的電路組件。VDC是降壓過之j I直流電壓，Vref則可小於\(：。圖3中之電壓源1〇4是由齊納 j |二極體348與電阻3 50所組成，在節點342處提供出一個穩: |定的電壓V0。圖3中之兩個標為ν。。^的線）〇8，即為回授路 i 徑》 ΐ 我們首先說明圖3之控制器1 〇 6。為說明之方便，我們將 非反相輸入端30 2的電壓註記為ν+，反相輸入端304的電壓 註記為V_ ;並且暫時先不管FET 306與308。具拉上電阻 ' | 314之比較器310、由FET 312與拉上電阻316構成之反相電 路、反相驅動器318.以及驅動器320，這四個組件之組合控 制了 F E T 11 2與1 1 4之互補式切換。當L v _時，f E T 11 2打，丨 | 開，FET 114 關閉；當V+<V_ 時，則FET 112 關閉，FET 114 j I打開。電阻3 22與電容324連同電阻3 1 4，共同滯緩了比較 I !器3 1 0之觸發點當V DC大到超過齊納二極體3 2 8之齊納崩潰電| I壓時，齊納二極體328串接電阻330的這個組合，會將FET | | 326的閘極偏壓至某個大於〇之電壓Vb。此偏壓使得FET ! | 326具有將反相驅動器318的輸出位準平移的功能，如此，| I方可在反相驅動器31 8的輸出從高位準（VDC)轉移至低位準 I (地電位）時，保護FET 1 12的閘極電壓不致於較Vb + Vt還低 I | (Vt?cFET 326的臨界電壓）。此位準平移功能使FET丨12的| 閘極電壓得以保持在〔Vb + Vt，VDC〕這個範圍之内，如
441 15 7 五、發明說明（5) ·~~~ --；
此，FET 1 12的閘源不致崩潰α I 不過，若是vDC小於齊納崩潰電壓，那麼不伴有電容336 j j之電阻33 0會將FET 326的閘極保持在地電位。而如果ρΕτ | | 3 26的閘極被維持在地電位’那麼當驅動器318的輪出轉移j j至低位準時，FET Π2的閘極電壓是不會被帶到低於^ |
|的。是故，如果VDC夠小，那麼FET 11 2的閘極電壓可能會i I低到無法將FET Π 2全部打開。不過，若在FET 32δ之閘極 |與驅動器320間加上電容336，則如果驅動器320的輸出由 高位準（此例中’是Vref)轉移至地電位，ρ Ε Τ 3 2 6的閘電壓 將暫時地被帶到地電位之下（大約是一Vref )，而當驅動器 3 1 8的輸出轉移至地電位時，F Ε Τ 1 1 2的閘極電壓就可以被. 帶至低電位，以4保FET 11 2之全開。注意，若是v夠 I 小，亦即，未超過齊納二極體328之齊納崩潰電壓，我們 | |是不需要FET326的位準平移功用的。 | FET 30 6與30 8可使FET 11 2與1 14不致於同時打開。譬 如，當V. > V ，FET 11 2打開’節點332成為高位準，FET !
I 3 08被打開，如此，驅動器3 2 0的輸入被拉至低位準，FET 丨
1 I | 1丨4關閉。當Vt轉移低於V-時* FET 112關閉，節點332將因| i電感〗1 6的下落磁場而被帶至低位準。此使得F Ε T 3 0 8關 | |閉，驅動器3 2 0的輸入得以回升至高位準’ F Ε Τ 1 1 4得以打| I開。此例中，FET 11 2切換至關閉狀態後，FET 11 4才會打| 開。同樣地，FET 1 1 2也必須等到FET 11 4切換至關閉狀態| 後1才會打開。 電容3 3 7為系統提供出軟啟動的能力。電容3 3 9將高頻信
44115 7 _案號 88107764 ‘月, 修正 曰 修正 .五、發明說明α) 號分量導流至地，以避免不必要的振盪β電容3 3 5也對避 免不必要的振盪有幫助。注意，由於FET 114的本體二極 體是由其本體接上其源極所形成，所以縱使FET 114尚未 完全打開，節點332的電位也不致於低於地電位太多。 取樣及保持電路3 40提供出一儲存於電容器3 44上之回授 電壓Vf，其在FET 346打開時，是電阻3 3 8上電流量的指 標。FET 346連接至FET 114，一旦它打開，FET 114就打 開，反之亦然。被FET 346取樣出之電阻338上之電流量大 約就是微處理器102之電流I »由於電容344之時間常數之 故’ Vf是為I平均值的指標。當電流I增加，回授電壓降 低（其大小是增加的），藉以指示出微處理器1 〇 2之由終止 時脈模式變更至主動模式。 控制器1 〇 6對電感1 1 6供能與消能，以便可大致維持V+ = V_ » V+、V-與V。、Vf、Vc〇re，在v+ =v_時，呈下列的關係： ^t+r^o
L 352 ， 353 ， 354 的阻 其中！'1，1*2’]：3’1'4分別代表電阻351 值。 core 從上面的式子可以看出，當Vf降低時，調節核心電壓V 也就降低。從囷3可知，當FET 114打開時，Vf的值大約 就等於跨在電阻338上的壓降，其值大約是： V/ ='<I >R, 其中R是電阻3 3 8的阻值，是在FET 114打開，fet 112 關閉的期間’電流I的平均值（不一定要是算術平均值）。
O:\58\58322.ptc 第9頁 2001.04.10.010 4 4115 7 案號 88107764 修正 90. i. i ί j 年 月 "^丨「丨 ^-― T.. , ----.·, 五、發明說明（8) 故，當微處理器102由終止時脈模式變更至主動模式，<1> 增加時，將會導致vf與vc。re的降低《核心電壓vCQre將會停留 在此低位準，直到微處理器1 02由主動模式變更至終止時 脈模式為止。是故，圖3令該直流至直流電壓轉換器之設 定點（即核心電壓的調節電壓值）是動態的β 圖4具體實施例之設定點的動態情形。圖4a與圖2a相 似。不過，圖4 b可看出，該核心電壓的調節值是為 core 其中 </>K R+r^
V⑴或^⑴ <I>SC*FET 114打開，微處理器1〇2處於終止時脈模式時I 的平均值；<I>a則是FET 114打開，微處理器102處於主動 模式時I的平均值。 圊4b描繪出當圖4a中之電流有轉移變動時，核心電壓的 情況。 適當地選擇阻值1^ ’ r2，r3，r4與R，我們可以 △，圖2 b之總電壓遊逸| ' _ 丨可以遠小於2 △。 另外’比較圖4b與圖2b可以看出，如果vct)re < Vr，那麼 將V(ne5>re與V(2)c(ire的值選擇為可使VC()„的峰值與最小值 (再一次地’我們註記為Vp與^)落在微處理器102的操作範 圍[’ vhigh]之内。另外，只要丨v⑴c。” _v(2)cnre丨小於2
2001.04.10.011 第10頁 O:\58\58322.ptc 441 15 7 i五'發，⑻ j I圖3貫施例中之微處理器1 Ο 2在處於主動狀態時，其功率的| 消耗將較圖1與2之先前技藝為低。是故，具動態設定點之 實施例可實現出較先前電壓轉換器技藝為小之總電壓搖擺 以及較先前電壓轉換器技藝為低之功率消耗。 圖3中功能方塊圖1 〇 6之電路是示範用的。任何一個能將 | F Ε Τ 1 1 2與1 1 4予以互補地開與關的電路，都是可以使用 的。事實上’沒有必要一定要避免^丁 112與114同時打 開’只不過在這種情況下會浪費電力。另外，F £ τ 11 2可 j以是如圖所示之pMOSFET(p型金氧半場效電晶體），也可是 nMOSFET^我們可以用雙载子電晶體來取代FET，或以任何 受控切換裝置來執行對電感的供能與消能β 電阻338不是一定要如圖3所示的連接至地。譬如，圖3 中之取樣及保持電路340可以用圖5之取樣及保持電路34〇 來取代，為簡單起見，圖5我們只複製了圖3中一小部份的 i電路。另外，我們可以用轉阻裝置來取代電阻3 3 8以提供 |出電流I之指標信號。我們也可以在電感π 6的附近使用感i !測益以提供出有關電感磁場的指標信號。 j | 從以上的討論清楚地可知，只要不偏離下述之本發明的| I專利範園，前面所描述的具體實施例是可以作各式樣的 |修改的$
第11頁
ί 4 4115 7 「90： 3:U _案號88107764 丨，',fi年+片/夕士 修正 五、發明說明（10) j + 元件符號說明 病 先前技藝 102 電 流 104 電 壓 源 1 06 控 制 _ · 108 回 授 路 徑 110 ΛΛ- 即 點 112 場 效 電 晶 體 114 場 效 電 晶 體 116 電 感 118 電 容 器 120 電 阻 本發明 104 電 壓 源 1 06 控 制 器 108 回 授 路 徑 112 場 效 電 晶 體 114 場 效 電 晶 體 116 電 感 302 非 反 相 輸 入 端 304 反 相 輸 入 端 306 場 效 電 晶 體 308 場 效 電 晶 體 310 比 較 器 312 場 效 電 晶 體 314 拉 上 電 阻 316 拉 上 電 阻 3 18 反 向 驅 動 器 320 驅 動 器 322 電 阻 324 電 容 326 場 效 電 晶 體 328 齊 納 二 極 體 330 電 阻 332 即 點 335 電 容 337 電 容 338 電 阻 339 電 容 340 取 樣 及 保 持 電辟 1- 344 電 容 346 場 效 電 晶 體 35 1 電 阻 352 電 阻 353 電 阻 3 54 電阻
O:\58\58322.ptc 第11a頁 2001.03.13.013

Claims (1)

  1. 8107764 修正 修正 六 圍 範 利 專 請
    含 包 點 定 ’ 設 器 據 換根 轉其 壓 ， 電·，器 種感制 一電控 來 tb 厶月 肖 ,·/ 及 bb A月 供 感 電 該 對 著 藉 時 加 增 流 fra ^8, 均 平 之 感 電 該 經 及流 以在 • f t. 壓器 電制 載控 負該 之至 載接 負連 節一 調 路 電 持 保 及 fcK 榡 取 之第 點圍 定範 設利 該專 低請 降申 以如 用2 器 換 轉 壓 之 項 及 LK 稽 取 該 其 流 該 出 供 提 裏 間 區 間 時 個 數 多 或 一 在 其 • · 1. 含置 包裝 路阻 電轉 持一 保 數接 多連 或容 一電 降該 塵中 之其 上， 其示 於指 跨之 及，壓 以容電 ;電置 示之裝 指置阻 壓裝轉 電阻該 之轉是 流該中 電至間 之接區 感連間 電一時 經 個 ，該電 之申該 降其至 壓 供 容輿器 t ^ 該壓轉 夂 tM 跨 ~電 是g該 點2由 定第力 設圍電 該範指 便利是 以專間 器請區 制申間 控如時 該CO個 至 數 t9 負 多 0，與 或# 示，感 電 該 至 供 提 器 換 壓 電 該 由 間2未 區第力 間圍電 時範指 個利是 數專間 多請區 或申間 一如時 之4個 載 數 該 中 其 器 換 轉 壓 電 之 項 多 或 感 在 是 降 壓 之 上 阻 區2該 間第在 時圍跨 個範中 數利其 多專， 或請阻 一申電 之如一 載5.是 負 置 器 換 轉 壓 電 之 項 裝 阻 轉 該 中 其 該 個 數 多 或 負 與 感 電 該 至 ，供 琴提 。奐器 示i換 旨 專 4壓詞 的電塵 流之電 電頃該 之5由 感第力 電圍電 該範指 經利是 流專間 ，請區 間申間 區如時 間6個 時 數 多 或 1 該 中 其
    O:\58\5S322.ptc 第1頁 2001.03.13.016 _案號88107764 fi年^月（令日 修正_ 六、申請專利範圍 載之一或多數個時間區間。 7. 如申請專利範圍第5項之電壓轉換器，其中該一或多 數個時間區間是指電力未由該電壓轉換器提供至該電感與 負載之一或多數個時間區間。 8. 如申請專利範圍第1項之電壓轉換器，另包含： 一提升電晶體； —下拉電晶體； 其中該提升與下拉電晶體連接至該電感，當該提升電晶 體打開，下拉電晶體關閉的時候，電力供應至該電感與負 載，當該提升電晶體關閉，下拉電晶體打開的時候，電力 不供應至該電感與負載； 該下拉電晶體連接有一電阻，流經該電阻之電流是該下 拉電晶體在打開時，流經其上之電流的指示；以及 該電阻連接有一電容，跨在該電容上之壓降是在該下拉 電晶體打開時，跨在該電阻上之壓降的指示，其中該設定 點是跨在該電容上之壓降的指示° 9. 一種將電力由電源供應至微處理器之電壓轉換器，該 微處理器具主動模式與終止時脈模式，其中該微處理器處 於主動模式時所汲取的電流大於其在終止時脈模式時所汲 取的電流，該電壓轉換器包含： 一根據設定點來調節該微處理核心電壓之控制器；以及 一在該微處理器由終止時脈模式變更至主動模式時， 用以降低該設定點之電路。 1 0.如申請專利範圍第9項之電壓轉換器，另包含：
    O:\58\58322.ptc 第2頁 2001.03.13.017 441 15 7 _案號88107764_f P年彡月（今日 修正_ 六、申請專利範圍 一電感； 其中該降低設定點用之電路包含一提供出回授電壓之取 樣及保持電路，此電壓在一或多數個時間區間，是流經該 電感之平均電流的指示，其中該設定點是該回授電壓之指 示。 1 1 .如申請專利範圍第1 0項之電壓轉換器，其中該取樣 及保持電路包含： 一電阻，其中跨在該電阻上之壓降在一或多數個時間區 間’是流經該電感之電流的指不，以及 一電容，其中跨在該電容上之壓降在一或多數個時間區 間，是跨在該電阻上之壓降的指示，其中該回授電壓是跨 在該電容上之壓降的指示。 12. —種電壓轉換器，包含： 一控制器； 一電感； 一提升電晶體； 一下拉電晶體；如果第一電壓大於第二電壓，該控制器 打開該提升電晶體，關閉該下拉電晶體，如果該第一電壓 小於該第二電壓，則該控制器關閉該提升電晶體，打開該 下拉電晶體；以及 一在·一或多數個時間區間，流經該電感之平均電流有增 加時，用以降低該第一電壓之電路。 13. 如申請專利範圍第12項之電壓轉換器，其中該電路 包含：
    O:\58\58322.ptc 第3頁 2001.03.13.018 卜 44" 5 7 _案號88107764 年9月（今日 修正_ 六、申請專利範圍 一電阻，其壓降在該一或多數個時間區間，為流經該電 感之電流的指示； 一取樣電晶體；以及 一與該取樣電晶體與電阻連接之電容，若該取樣電晶體 是打開的，該電容之壓降僅為該電阻壓降之指示，該連接 至控制器之電容，於跨在其上之壓降增加時，提高該第一 電壓，於跨在該其上之壓降降低時，降低該第一電壓。 14.如申請專利範圍第13項之電壓轉換器，其中該取樣 電晶體的切換大致同步於該下拉電晶體。 1 5.如申請專利範圍第1 3項之電壓轉換器，其中該取樣 電晶體的切換大致同步於該提升電晶體。 16.—種電壓轉換器，包含： 一控制器； 一電感； 一提升電晶體； 一下拉電晶體；如果第一電壓大於第二電壓，該控制器 打開該提升電晶體，關閉該下拉電晶體，如果第一電壓小 於第二電壓，則該控制器關閉該提升電晶體，打開該下拉 電晶體； 一電阻，其壓降在一或多數個時間區間^為流經該電感 之電流的指不， 一取樣電晶體；以及 一與該取樣電晶體與電阻連接之電容，若該取樣電晶體 是打開的，該電容之壓降僅為該電阻壓降之指示，該連接
    O:\58\58322.ptc 第4頁 2001.03.13.019 44115 7 _案號88107764_$年彡月/夕日 修正_ 六、申請專利範圍 至控制器之電容，於跨在其上之壓降增加時，提高該第一 電壓，於跨在其上之壓降降低時，降低該第一電壓。 1 7.如申請專利範圍第1 6項之電壓轉換器，其中該下拉 電晶體在該一或多數個時間區間期間，是打開的° 18, 如申請專利範圍第16項之電壓轉換器，其中該提升 電晶體在該一或多數個時間區間期間，是打開的。 19. 一種電壓轉換器，包含·_ 一控制器； 一電感； 一提升電晶體； 一具有一端子之下拉電晶體；如果第一電壓大於苐二電 壓，該控制器打開該提升電晶體，關閉該下拉電晶體，如 果該第一電壓小於該第二電壓，則該控制器關閉該提升電 晶體，打開該下拉電晶體； 一電阻，其第一端子連接至地，第二端子連接至下拉電 晶體之該端子； 一取樣電晶體，具有一與該電阻之第二端子連接之端 子，以及一第二端子；當該下拉電晶體打開時，該取樣電 晶體保持在打開狀態；以及 一電容，其第一端子連接至地，第二端子連接至該取樣 電晶體之第二端子；該連接至控制器之電容，於跨在其上 之壓降增加時，提高該第一電壓，於跨在其上之壓降降 低時，降低該第一電壓。
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