TWI236582B - Load-dependent variable frequency voltage regulator - Google Patents

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Description

1236582 (1) 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明一般係有關電壓調節器，且更明確言之，係有 關依賴負載之可變頻率脈波寬度調變電壓調節器。 【先前技術】 電子裝置組成件，諸如處理器及其他積體電路普通需 要電源，自此拉出電力來操作積體電路。電源理想上提供 恆定電壓，且能提供電流，足以供應電力給各裝置，此供 應而不導致供應之電壓下降。提供恆定電壓至需要變化程 度之電流一負載之工作普通由稱爲電壓調節器之電子電路 執行。電壓調節器普通設計反應負載情況之改變，以確保 供應足夠之電力至電路，俾所供應之電力信號之電壓保持 於或非常接近所需之位準。 普通供應較欲由調節器本身所供應之電壓爲高之電壓 於電壓調節器，俾電壓調節器之工作在使用提供大電壓之 一電源，並產生具有恆定較低電壓之一電源。其一例爲一 個人電腦’具有處理器運轉於3 · 3伏。電源及電壓調節器 一起操作’以變換由一壁插口電力接頭所提供之丨2 〇伏交 流爲約恆定電壓之3 · 3伏直流信號，此用作處理器之電力 〇 設計電壓調節器之一方法在改變所供應之高電壓信號 爲脈波寬度調變信號，此饋送給一能量儲存過濾器，俾結 果輸出信號電壓取決於脈波寬度調變電路之高電壓脈波之 -4 - (2) 1236582 寬度。脈波愈寬，愈大之能量及電力轉移至能量儲存過濾 電路，並產生愈大之能量及電力。由於電壓調節器上之負 載改變，且由於改變之負載需要改變之電流，且因而，由 電壓調節器提供改變之電力，故亦可改變脈波之寬度，以 改變由電壓調節電路提供之在某電壓位準上之電力。當負 載改變，以拉出更多電流，且故此拉出更多電力時，脈波 之寬度需增加，以提供更多電力於能量儲存過濾器，且故 此在較高電流位準上維持所需之電壓。諸如此等電路普通 故此監視拉出之電流及電壓位準，並依之調整由脈波寬度 調變電路所產生之脈波之寬度。 由脈波寬度調變電路所產生之脈波之頻率由考慮若干 因素決定，包含電壓調節電路之效率及體積。選擇太低之 頻率導致組成件體積較大，並產生顯著之紋波，或輸出信 號中之電壓變化，而選擇太高之頻率則導致整個效率降低 ，此由電壓調節電路中之各電子組成件之電子狀態中之結 果大量變化所造成之損失所引起。 故此，需要一種電壓調節電路提供最小紋波及高效率 ，能在廣大變化之負載情況上提供恆定之電壓。 【發明內容及實施方式】 在以下本發明之實施例之詳細說明中，參考附圖，此 構成說明之一部份，且其中以圖解方式顯示可實施本發明 之特定實施例。充分詳細說明此等實施例，俾精於本藝之 人士能實施本發明，且應明瞭可使用其他實施例，且可作 -5- (3) 1236582 邏輯，機械，電，及其他改變，而不脫離本發明之精神及 範圍。故此，應不視以下詳細說明有限制意味，且本發明 之第圍僅由後附之申請專利部份界定。 本發明在各種實施例中提供一脈波寬度調變電壓調節 電路，具有一控制電路，此可操作，以反應改變電流負載 情況而變化電壓調節電路之脈波寬度調變頻率。當負載電 流增加時，控制電路可操作，以降低脈波寬度調變電路之 脈波調變頻率，及當負載電流增加時，增加脈波寬度調變 電路之脈波調變頻率，提高施加變化之負載情況中之電壓 調節器之效率。 圖1顯示與本發明之實施例一致之脈波寬度調變電壓 調節電路之方塊圖。一輸入電壓101在電壓上較之所需之 輸出電壓爲大，並供應至功率級電路1 02。脈波寬度調變 控制電路1 03提供可變脈波寬度之一信號於功率級電路 1 02，功率級電路然後施加此於其輸出功率信號上，如顯 示於1 04。來自功率級電路1 02之此脈波寬度調變功率信 號饋送至輸出電路1 05，在此，信號經過濾，以產生具有 所需調節之電壓位準之相當恆定電壓之輸出信號1 06。 一些實施例中之輸出電路1 〇 5包含電抗性組成件，諸 如電容器及電感器，並用以過濾或整形脈波寬度調變信號 1 〇4爲一恆定電壓信號1 〇 6，在功率或能量降低最小。一 實例輸出電路包含一電容性過濾器，其中，電容器儲存脈· 波寬度調變信號1 〇4之能量，並提供相當恆定之電壓輸出 信號1 0 6。 -6 - (4) 1236582
監視並提供輸出信號1 06之電壓及電流至脈波寬度調 變電路1 〇 3，在一些實施例，此爲一處理器或其他數位邏 輯，由時鐘1 〇 7所提供之基準時脈信號操作。控制電路監 視輸出電壓，並變化其提供至功率級電路1 02之脈波之脈 波寬度，俾輸出信號1 04經過濾時在1 06處形成所需之輸 出電壓。本發明之脈波寬度調變控制電路1 03另監視自輸 出電壓信號1 06拉出之電流，並反應而變化其所產生並提 供至功率級電路1 〇 2之脈波信號之頻率。在本發明之一些 實施例，自時鐘1 (Π，自供應電壓信號1 〇 6拉出之感測電 流，及應用數學邏輯或查閱表獲得脈波寬度頻率。 變化脈波信號1 04之頻率，俾在低負載上，脈波列之 頻率較高，在輸出電壓信號1 〇 6中產生最小紋波，並減小 輸出電路1 05之實體大小及過濾需求。較高之脈波寬度調 變頻率亦容許較快之控制電路反應輸出電壓信號1 0 6中之 暫態或變化，產生較穩定及所需之輸出電壓信號1 〇 6，具 有較小紋波。但如電流負載增加，電壓調節電路內之電容 及切換及傳導損失導致效率降低’致電壓調節器消耗大量 之功率。 故此，在高負載電流位準’脈波寬度調變功率信號 ]04之頻率降低，導致降低切換及其他損失。此轉而導致 整個電壓調節電路更有效’且在自供應之電壓輸入信號 1 〇 1產生輸出電壓信號1 0 6中，功率消耗較少。 在使用查閱表之本發明之一實施例中’指定構成查閱 表之登記數及登記値’以確保維持_出信號調節之所需程 -7- (5) 1236582 度。在另一例中，此包含維持輸出電壓信號1 ο 6中之紋波 電流於最大容許之紋波電流位準以下。雖脈波寬度調變控 制電路之頻率依查閱表隨負載電流變化而變化’但輸出信 號1 0 6之電壓在所有頻率上由變化提供至功率級之脈波寬 度調變信號之責任週期維持。 本發明之一實施例之初始計算顯示由固定輸入及輸出 電壓位準但變化輸出電流，變化脈波寬度調變頻率於 2 00kHz及1 MHz之間導致電壓調節效率並不下降至80% 以下，同時操作於1 MHz之固定頻率調節電路呈現接近 70%之效率，且在一典型處理器電壓調節應用中在最大電 流上可導致約 4 0瓦之消耗。此顯示本發明之可變頻率脈 波寬度調變電壓調節器可導致降低之功率消耗及提高電壓 調節效率。 圖2爲與本發明之實施例一致之脈波寬度調變電壓調 S口電路之操作方法之流程圖。在本發明之一實施例中，流 程圖所示之方法在一處理器中實施，而在其他實施例，此 在連合邏輯或經由其他電路實施。 在2 0 1，監視可變頻率脈波寬度調變電壓調節電路之 輸出電壓信號，俾可決定拉出之電流。在202，使用在 2 0 1中讀出之拉出電流及一查閱表，以決定所偵得之特定 電流所需之脈波寬度調變電路頻率。在2 03，決定電壓調 節電路之現操作頻率是否爲在2 0 2在查閱表中所發現之所 諸之頻率’且如所需之頻率及現頻率不相同，則在2 〇 4改 (6) 1236582 變脈波寬度調變電路之操作頻率於所需之頻率。然後程序 重覆回至2 0 1，俾重覆或繼續監視電壓調節電路之電流輸 出，並繼續改變操作頻率至結果所需之頻率。 在本發明之一些實施例，改變單元202，俾不使用查 閱表，而是使用一邏輯法，此最大化電壓調節電路之效率 ，同時提供所需之紋波及暫態反應特性。此一邏輯法經由 處理器或其他數位邏輯電路應用於一些實施例，但經由其 他電路，諸如類比過濾器實施於其他實施例。在使用查閱 表之一些實施例，根據電壓調節電路之所需之反應性，選 擇構成查閱表之登記數及登記値，以改變拉出之電流。 本發明之可變頻率脈波寬度調變電壓調節器在一些實 施例可爲電子電路組件，諸如電源或電腦印刷電路母板之 一部份。雖普通電腦具有電源，此具有若干電壓調節器提 供具有不同電流容量之各種輸出電壓，有時在母板或其他 電子電路組件上需含有另外電壓調節或降低。例如，具有 處理器運轉於1 · 6伏或3 · 3伏之一電腦中，常由操作於密 切接近處理器且僅供電給處理器之電壓調節器提供電源信 號’俾處理器接收良好調節及與其他電路分開之隔離之電 壓供應信號。由於改善效率及其他有利特性，故此，需要 裝有可變頻率脈波寬度調變電壓調節器之母板，母板晶片 組，處理器模組，及其他電路組件，且此等在本發明之範 圍內。 此處所示之例顯示與本發明一致之可變頻率脈波寬度 調變電壓調節電路可提高效率及降低功率消耗。雖已在此 -9- (7) 1236582 顯示及說明特定實施例，但精於本藝之人士顯然明瞭計算 能達成同樣目的之任何安排可取代所示之特定實施例。本 申請書思在函盖本發明之任何修改及改變。本發明僅由申 請專利部份及其相等者之整個範圍限制。 【圖式簡單說明】
圖1顯示與本發明之一實施例一致之脈波寬度調變電 壓調節電路之方塊圖。 圖2爲與本發明之一實施例一致之脈波寬度調變電壓 調節電路之操作方法之 流程圖。 主要元件對照表 101 輸 入 電 壓 1 02 功 率 級 電 路 1 03 脈 波 寬 度 調 變電路 104 輸 出 功 率 信 號 1 05 輸 出 電 路 1 06 m 出 信 號 1 07 時 鐘 -10-

Claims (1)

  1. P ----- q i >94·^°!β 拾、申請專利範圍 ^件2 :第92 1 35600號專利申請案 中文申請專利範圍替換本 民國94年4月8曰修正 1· 一種脈波寬度調變電壓調節器，包含： 一脈波寬度調變電路；及 一控制電路，控制電路可操作，當負載電流增加時， 降低脈波寬度調變電路之脈波調變頻率，及當負載電流減 少時，增加脈波寬度調變電路之脈波調變頻率。 2·如申請專利範圍第1項所述之脈波寬度調變電壓 調節器，其中，控制電路使用一查閱表，以決定各種負載 電流位準之脈波寬度調變電路頻率。 3 .如申請專利範圍第1項所述之脈波寬度調變電壓 調節器，其中，控制電路包含一處理器。 4.如申請專利範圍第1項所述之脈波寬度調變電壓 調節器，其中，控制電路另可操作，以反應一電壓調節電 路輸出電壓之變化，改變脈波寬度調變電路之責任週期。 5 .如申請專利範圍第1項所述之脈波寬度調變電壓 調節器，其中，控制電路可操作，以限制最低脈波寬度調 變電路頻率於最低頻率。 6. 如申請專利範圍第5項所述之脈波寬度調變電壓 調節器，其中，最低頻率約爲150kHz。 7. 如申請專利範圍第1項所述之脈波寬度調變電壓 調節器，其中，控制電路另可操作，以限制最高脈波寬度 1236582 調變電路頻率於最大頻率。 8. 如申請專利範圍第7項所述之脈波寬度調變電壓 調節器，其中，脈波寬度調變電路在無電流負載中操作於 最大頻率上。 9. 一種調節脈波寬度調變電壓調節電路之操作之方 法，包含： 當負載電流增加時，降低脈波寬度調變電路之脈波調 變頻率；及 當負載電流降低時，增加脈波寬度調變電路之脈波調 變頻率。 1 〇.如申請專利範圍第9項所述之方法，其中，使用 一查閱表，以決定各種負載電流位準之脈波寬度調變電路 頻率。 11.如申請專利範圍第1〇項所述之方法，其中，經 由控制電路執行脈波寬度調變電壓調節電路之操作。 1 2.如申請專利範圍第1 1項所述之方法，其中，控 制電路包含一處理器。 1 3 .如申請專利範圍第9項所述之方法，另包含反應 電壓調節電路輸出電壓之變化，改變脈波寬度調變電路之 責任週期。 14.如申請專利範圍第9項所述之方法，另包含限制 最低脈波寬度調變電路頻率於最低頻率。 1 5.如申請專利範圍第1 4項所述之方法，其中，最 低頻率約爲1 50kHz。 -2- 1236582 :〇 S 1 6 ·如申請專利範圍第9項所述之方法，另包含限制 最高脈波寬度調變電路頻率於最大頻率。 17·如申請專利範圍第16項所述之方法，其中，脈 波寬度調變電路在無電流負載中操作於最大頻率上。 1 8 . —種電子電路組件，電子電路組件包含一電壓調 節模組，電壓調節模組包含： 一脈波寬度調變電路；及 一控制電路，控制電路可操作，當負載電流增加時， 降低脈波寬度調變電路之脈波調變頻率，及當負載電流減 小時，增加脈波寬度調變電路之脈波調變頻率。 1 9.如申請專利範圍第1 8項所述之電子電路組件， 其中，控制電路包含一處理器。 2(K如申請專利範圍第1 8項所述之電子電路組件， 其中，控制電路另可操作，於反應電壓調節電路輸出電壓 之變化，改變脈波寬度調變電路之責任週期。 2 1 . —種電腦系統，該電腦系統包含一處理器及一電 壓調節模組，電壓調節模組包含： 一脈波寬度調變電路；及 一控制電路，控制電路可操作，當負載電流增加時， 降低脈波寬度調變電路之脈波調變頻率，及當負載電流減 小時，增加脈波寬度調變電路之脈波調變頻率。 22 .如申請專利範圍第2 1項所述之電腦系統，其中 ，控制電路包含一處理器。 23 .如申請專利範圍第2 1項所述之電腦系統，其中
    ，控制電路另可操作，於反應電壓調節電路輸出電壓之變 化，改變脈波寬度調變電路之責任週期。
    -4-
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