TWI389433B - 切換模式電力轉換器及使用動態負載偵測及追蹤之方法 - Google Patents

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Description

切換模式電力轉換器及使用動態負載偵測及追蹤之方法
本發明之實施例主要有關於電力供應器之領域,且詳言之,負載適應性電力轉換器之模式過渡方式。
DC/DC電壓調節器(VR)或切換模式電力轉換器/反向器(如脈寬調變的電力轉換器)之電力損耗可包括三個成分,包括,例如,切換損耗、傳導損耗及閘極驅動器損耗。一般而言,為了減少總電力損耗,切換損耗及閘極驅動器損耗在較低切換頻率較低。然而,漣波電壓/電流可隨切換頻率減少而增加。針對特定應用,可根據負載需求與構件寄生來做取捨。在輕負載的情況中,例如於不連續傳導模式(DCM)中,可利用較低切換頻率(固定或可變),因切換損耗可能佔主要部分,而傳導損耗可能相對較小。在中等或重負載的情況中,例如於連續傳導模式(CCM)中,可施加固定且較高切換頻率,由於傳導損耗,包括漣波電壓/電流,隨負載電流增加之緣故。
各種技術可利用DCM及CCM兩者來增進整體效率。在模式跳換技術中,DC-DC降壓式VR例如係在高負載需求下當電感器電流不低於零時於CCM(連續傳導模式)以同步模式操作,且當電感器電流開始接近零安培點時在DCM(不連續傳導模式)以不同步模式操作,以主要減少傳導損耗。在脈衝略過或可變切換頻率技術中,當負載變小時,降低VR切換頻率,以主要減少切換損耗,且可使用滯後控制或可變頻率PWM控制加以實施。
這兩種技術皆特別在輕負載時增進效率。模式跳換及脈衝略過技術兩者的一個問題在於在CCM與DCM模式間過渡期間輸出電壓漣波會增加,其在一些應用中會超過負載所需之最大供應電壓偏離,並增加等效串聯電阻(ESR)電力損耗。
【發明內容及實施方式】
下列詳細說明參照附圖。相同參考符號可用於不同圖中以識別相同或類似元件。在下列說明中,為了說明而非限制,提出特定細節,如特定結構、架構、介面、技術等等,以提供所主張之發明的各種態樣之詳盡的了解。然而,對於熟悉此項技藝人士而言很明顯地,在獲得本揭露之優點後,可在其他例子中實行所主張之發明的各種態樣,而不背離這些特定細節。在某些情形中,省略眾所週知之裝置、電路及方法的說明,以不非必要地混淆本發明之說明。
參照第1圖,負載適應性電力轉換器100包括切換模式電力轉換器110,其具有輸入120及輸出130。例如,切換模式電力轉換器110可組態成在第一負載位準之連續傳導模式及第二負載位準之不連續傳導模式之間過渡,其中第二負載位準低於第一負載位準。控制電路140可連接至切換模式電力轉換器110。例如,控制電路140可組態成依照維持切換模式電力轉換器110之輸出130與參考電壓間之低電壓偏離,在連續傳導模式與不連續傳導模式間的過渡期間調整切換模式電力轉換器110之切換頻率。例如,切換模式電力轉換器110可為脈寬調變(PWM)電力轉換器。調整切換模式電力轉換器之切換頻率以維持低漣波雜訊及/或電壓偏離可稱為脈衝滑動(Pulse-Sliding;PSL)技術。因此,控制電路140可稱為具有PSL的控制電路140。
例如,在本發明之一些實施例中,控制電路140可組態成在連續傳導模式與不連續傳導模式間的過渡期間,將切換模式電力轉換器110的切換頻率增加到高於連續傳導模式期間之穩態切換頻率(例如以減少漣波雜訊)。切換頻率之增加可為顯著(如至少約百分之五)或甚至實質的(如至少約百分之二十五)。在一些實施例中,控制電路140可進一步組態成在CCM與DCM間的過渡區期間在增加切換模式電力轉換器110的切換頻率後,減少電力轉換器110的切換頻率,反之亦然。例如,控制電路140可組態成以逐階方式、線性方式、非線性方式、逐段方式或甚至連續調整的方式來調整電力轉換器110的切換頻率。這可藉由當負載電流在CCM與DCM之點附近時,例如追蹤輸出漣波而將其維持在某範圍內來進行。
參照第2圖,電子系統200包括負載電路210(如包括處理器)及連接至負載電路210的電力供應單元220。電力供應單元220包括具有PSL之切換模式電力轉換器。例如,根據本發明之一些實施例,電力供應單元220包括具有輸入及輸出的切換模式電力轉換器,其中切換模式電力轉換器係組態成在第一負載位準之連續傳導模式及第二負載位準之不連續傳導模式之間過渡,其中第二負載位準低於第一負載位準。電力供應單元220可進一步包括連接至切換模式電力轉換器之控制電路,其中控制電路係組態成依照維持相較於參考電壓之低電壓偏離,在連續傳導模式與不連續傳導模式間的過渡期間調整切換模式電力轉換器之切換頻率。有利地,可在輕負載維持高效率,同時將電壓漣波或偏離保持在特定範圍內。例如,切換模式電力轉換器可為PWM電力轉換器。
例如,系統200可為個人數位助理(PDA)、手機、可攜式娛樂裝置(如MP3播放器或視訊播放器)或以電池或其他能量有限來源供電之其他行動或手持裝置。系統200亦可為桌上型電腦或機上盒,例如,個人電腦(PC)、包括AC/DC電力轉換器之娛樂PC。系統200亦可為利用DC/DC電壓調節器之任何運算、通訊或其他電子系統。
在系統200的一些實施例中,電力供應單元220的控制電路可組態成在連續傳導模式與不連續傳導模式間的過渡期間,將切換模式電力轉換器的切換頻率增加到高於連續傳導模式期間之穩態切換頻率(例如以減少漣波雜訊)。切換頻率之增加可為顯著(如至少約百分之五)或甚至實質的(如至少約百分之二十五)。在系統200的一些實施例中,電力供應單元220的控制電路可進一步組態成在增加切換模式電力轉換器的切換頻率後,減少電力轉換器的切換頻率。例如,控制電路可組態成以逐階方式或其他適當的方式(如實質連續調整的方式)來調整切換模式電力轉換器的切換頻率。
不限於操作原理,本發明之一些實施例可涉及一種控制方式,其可致能負載適應性電力轉換器或DC/DC電壓調節器之操作模式間的有效及有效率之過渡。為了節省電力,可根據性能需求在轉換器設計中施加不同操作模式或條件。然而,即使在每一操作模式下經常能良好地管理靜態特性,但在某些應用中,模式間之過渡期間漣波雜訊及其關連的電力損耗仍舊是一個問題。
根據本發明之一些實施例,控制電路組態成管理連續傳導模式(CCM)及不連續傳導模式(DCM)間的模式過渡。例如,控制電路可引進具有非線性可變頻率之第三操作模式(如過渡模式),或在CCM與DCM的過渡期間實質上增加/減少PWM轉換器之切換頻率,同時減少或最小化電力損耗及顯著的漣波雜訊及/或其他過衝效應。例如,控制電路可在CCM與DCM模式的過渡期間調整切換頻率,以減少電力損耗同時維持低漣波。例如,在一些實施例中,這係藉由於過渡模式將切換頻率增加到高於CCM模式中的穩態切換頻率,然後減少它來達成,而非在模式過渡僅慢慢地增加或減少切換頻率。
DCM操作期間之漣波的特性可能與CCM操作期間之漣波非常不一樣,且在CCM-DCM過渡區,漣波之特性亦不同且非線性。發明人之分析顯示若PWM轉換器之切換頻率緩慢地(如線性或逐階緩慢之方式)增加至CCM操作模式之穩態切換頻率,漣波雜訊之大小在DCM-CCM過渡期間要高許多。同樣地,發明人之分析顯示若PWM轉換器之切換頻率緩慢地(如線性或逐階緩慢之方式)減少至DCM操作模式之減少的切換頻率,漣波雜訊之大小在DCM-CCM過渡期間要高許多。在這兩種情況中,漣波雜訊所造成之電力損耗在過渡期間會很大。
參照第3圖,範例PSL技術之一非限制性範例實施例包括PWM電路300及控制電路350。PWM電路300包括PWM產生器310,其提供兩信號SLi 及SHi ,這兩信號為同步互補PWM控制信號。PWM補償器320接收輸出電壓V0 及參考電壓VREF 並提供調變誤差信號VE 給PWM產生器310。在一些實施例中,調變誤差信號VE 可為輸出電壓Vo 及參考電壓VREF 間之差異。增益電路330接收誤差信號VE ,且提供PWM補償誤差信號(β.VE )給電壓控制振盪器(VCO)340。VCO 340之輸出係餽送回PWM產生器310作為同步信號(Synch)。
由PWM產生器310所產生的信號SLi 及SHi 將控制CCM及DCM模式兩者中的VR切換頻率。PWM產生器頻率係由VCO 340之輸入電壓所供應的同步信號Synch所控制,該同步信號決定切換頻率。VCO 340之輸入電壓係由與PWM補償誤差信號(β.VE )成正比的電壓信號所控制。注意到β.VE 與工作週期成正比,其在CCM-DCM過渡區從大的值開始,並在VR更深入DCM模式時迅速降低。此特性會在過渡模式中迫使較高切換頻率,且在深入DCM模式中迫使較低切換頻率,提供增進的輕負載效率,同時維持低穩態漣波及良好動態性能。VCO輸入電壓亦由受控於β.VE 以外的其他信號,如負載電流與電壓漣波信號,以達成所需要的PSL。
PWM電路300亦可提供輸出至控制電路350,其動態調整或調變電力轉換器110之尖峰電感器電流的限制。產生此一輸出的電路之一範例為定標電路345,其產生與調變誤差信號VE 成正比的輸出(δ.VE )。將參照第4A及4B圖於後詳述定標電路345的操作。來自電路300以調整或調變尖峰電感器電流之限制的其他可能的輸出可包括與負載電流IL 有關的值及/或來自系統電力管理電路之控制信號。將參照第5A及5B圖於下詳述後者的一範例。
再次參照第3圖,控制電路350提供兩信號SLF 及SHF ,其為驅動電力轉換器,例如分別為降壓轉換器VR低側與高側切換器之PWM控制信號。感測電感器電流iL (t)以偵測電感器電流何時會低於零,此時比較器Comp #1會到輸出高並重置閂鎖器SR1,藉由迫使SLF變成零而迫使DCM模式。閂鎖器SR1藉由或(OR)閘於下一個切換週期而重新設立。閂鎖器SR2產生高側切換控制信號SHF 。閂鎖器SR2係由SHi 設立並由及(AND)閘輸出重置,若Comp #2輸出為高且閂鎖器SR3已設立,則該AND閘輸出會變高。
若電感器電流峰值在DCM模式中超過動態臨限值(如誤差電壓VE 的函數、負載電流IL 的函數或來自系統電力管理電路之控制信號),第二比較器Comp #2輸出會變高。僅當CMP1輸出變高時,閂鎖器SR3為設立,這意指電流模式為DCM。因此,動態尖峰電流限制僅會在DCM模式中有效,以維持特定輸出電壓漣波,同時,相較於相關申請案中所揭露之靜態電感器電流限制,亦增加電力轉換器110的效率。
第4A圖為產生尖峰電流限制信號作為調變誤差電壓VE 之函數的一電路之區塊圖。第4A圖中所示的電路包括PWM電路300的那些部分(亦即PWM補償器320及定標電路345)及產生尖峰電流限制信號之控制電路350(亦即Comp #2)。如前述,PWM補償器320產生調變誤差電壓VE 。定標電路345產生為誤差電壓VE 之函數的輸出(如成正比的值(δ.VE ),但也可為VE 的其他函數)。此成正比的值(δ.VE )係輸入至Comp #2作為臨限值,依此Comp #2限制電感器電流iL (t)。
第4B圖為對應至第4A圖之限制電路的電感器電流iL (t)。虛線410顯示隨著增加的調變誤差電壓VE 及增加的負載電流兩者增加之變化尖峰電感器電流限制(或臨限值),雖負載電流IL 可能具有非針對誤差電壓VE 之δ的比例常數。依照此方式,動態尖峰電流限制410可維持特定輸出電壓漣波,同時亦因限制之動態本質(隨負載改變)而增加電力轉換器110之效率。
第5A圖為根據來自平台電力管理引擎之資訊產生尖峰電流限制信號之另一電路的區塊圖。此種引擎(未圖示)可管理其中存在轉換器110之整個平台的電力。比較第5A圖及第4A圖,補償器320及電路345可由電力管理器(PM)電力狀態資訊模組510及介面電路520取代,以提供電感器電流臨限值給Comp #2。模組510可從平台PW提供電力狀態資訊。在一些實施例中,此種資訊可為對應至較高電力使用狀態之離散組的值或階級。
介面電路520可從模組510將此電力狀態資訊轉譯成Comp #2的電感器電流限制。此種電感器電流臨限值或限制可在一些實施例中由PM用來針對特定應用或一組應用最佳化轉換器110的效率。
第5B圖為對應至第5A圖之電路的電感器電流iL (t)的圖。虛線530顯示根據來自模組510的不同電力狀態資訊之可變尖峰電感器電流限制(或臨限值)。在第一時間,電力狀態指示電流限制為較小;在稍後的時間,電流限制可為較大。最後,在最後一段時期中,其中存在轉換器110之平台的電力狀態允許電感器電流對Comp #2具有較高的限制或臨限值。依照此方式,動態尖峰電流限制510可維持特定輸出電壓漣波,同時亦增加因限制之動態本質(隨不同電力狀態改變)而增加電力轉換器110的效率。
回到第3圖,每次閂鎖器SR1被SLi 或被AND閘輸出設立時,閂鎖器SR3會被重置。這是因為每當閂鎖器SR2在DCM模式中重置而迫使SHF 變低且防止電感器尖峰電流超過限制時,應設立閂鎖器SR1以提供電感器電流一條路徑。
在DCM-CCM過渡區中,VE 值會增加,且因此切換頻率會增加。這是因為CMP2會比PWM補償器320命令地更早關閉/重置SHF ,以限制電感器尖峰電流,這會造成工作週期比充電輸出電容器及維持輸出電壓所需的更小,且因而迫使PWM補償器320/控制器350增加VE 以供應較大的工作週期。
有利地,PWM電路300及控制電路350實施提供非線性可變切換頻率之PSL技術,其可增進在較輕負載之VR效率,同時在較輕負載維持低穩態漣波,而無需添加較大的輸出電容。
另外有利地,使用調變誤差信號VE 或與負載電流相關之資訊來動態調整尖峰電感器電流之臨限值。與其中在整個負載操作中尖峰電感器電流之參考值預設成固定的值的相關應用相比,在此之動態方式提供減少如漣波電壓之靜態電壓偏離,同時達成甚至更高電力轉換效率的方法。熟悉此項技藝人士可理解到第3圖描繪適合之控制電路的一範例。在得到本說明書的好處後,熟悉此項技藝人士可輕易地建構出其他電路以實施PSL技術。適合的PSL技術可用恰當編程之離散電路及/或數位電路加以實施。
第6圖提供第3至5A圖之操作的流程圖600。操作一開始為PWM電路300及控制電路350分別測量或提供調變誤差電壓VE 及電感器電流iL (t)。接著,電路350中的Comp #1可判斷iL (t)是否小於零[動作610]。若否,控制電路350可進入CCM模式,具有恆定或與誤差電壓VE 成正比的切換頻率[動作620]。若電感器電流iL (t)小於零,控制電路350可進入DCM模式,具有與誤差電壓VE 成正比的切換頻率[動作630]。
若電感器電流iL (t)大於與誤差電壓VE 或負載電流IL 成正比的值(或如與第5A及5B圖關連說明之根據平台的電力狀態的值)[動作640],控制電路350可進入尖峰限制模式[動作650]。在此一模式中,Comp #2會關閉高側切換器SR #2並啟通低側切換器SR #1。誤差電壓VE 應會因此動作而增加,提供頻率增加以限制電力轉換器110中之尖峰電感器電流iL (t)。
第7圖比較在第6圖之操作模式下之電力轉換器110的電力效率曲線710及不動態限制尖峰電感器電流之另一電力轉換器之對應的曲線720。如所見,從如上述的動態電感器電流限制方式而生之曲線710針對大於約0.1A之大多數輸出電流Io較有效率。
除了上述的動態電感器電流限制方式外,可使用另一種方式來控制暫態事件期間的輸出電壓偏離,尤其係具有高至低負載暫態之事件。雖然此為額外的技術,可獨立運用它,而無需有上述動態限制。此第二技術進一步增進電力效率,同時維持可接受的暫態性能。
當負載從較高值改變成較低值,轉換器110的操作頻率(如PWM頻率)與負載一起降低,這導致大過衝或輸出電壓偏離,因為轉換補償迴路之速度或頻寬(BW)減少的緣故。在此之方式可藉由使用輸出電容器的電流信號iC (t)或在負載暫態瞬時的電流波尖電流來實質移除此大過衝或偏離。可立即偵測或藉由微分輸出電壓恢復電容器電流iC (t)之此迅速改變。
由於與使用傳統方法之電壓感測相比,電容器的電流信號iC (t)本質上快許多,可藉由在負載暫態期間禁能可變頻率操作來大幅增進轉換器110的暫態響應。轉換器110的操作頻率可接著設定成等於CCM模式中使用的標稱值或特定應用所希望的任何其他值。此方法會造成在負載暫態期間較低的電壓偏離及較佳的電力轉換性能特性。
第8A圖為電力轉換器110之區塊圖,以於負載暫態期間調整調變器頻率。雖轉換器110未明白地顯示第3圖的所有構件(如控制電路350),其仍可包括它們。除了典型現有的構件外,如PWM產生器、切換器、電感器L及輸出電容器C,第8A圖的轉換器110可包括微分器810、比較器820及VCO 830。VCO 830正常上可依據來自補償器的調變誤差電壓Ve 提供可變頻率信號至PWM產生器。
當由微分器810所決定之輸出電壓vC (t)的變率超過對應於電容器電流iC (t)之最大可允許改變的VIC_MAX 時,比較器820可輸出控制信號V1 至VCO 830。此控制信號V1 可禁能VCO 830因其誤差電壓Ve 輸入造成的可變頻率操作(如頻率降低)。VCO 830可接著以內定的「暫態」頻率操作,如用於CCM模式中的標稱值或限制在轉換器110之輸出的電壓過衝之任何其他適當的調變頻率(如較高的頻率)。雖第8A圖中所示的比較器820可在有過衝的存在下控制VCO 830,可添加另一比較器(未圖示)以在大下越(undershoot)的存在下類似地執行。
第8B圖為另一電力轉換器110的區塊圖,以於負載暫態期間調整調變器頻率。與第8A圖之以測量為基礎之調整相比,第8B圖之電路可依據來自PM引擎(模組840)的資訊禁能誤差電壓Ve ,該資訊係由介面電路850適當地轉譯成適合的控制輸入。在此種實施例中,PM資訊亦,因為已知的PM對於應用之改變或一些其他事件,能夠當負載暫態發生時控制PWM產生器之切換頻率。
第9圖提供第8A及8B圖之操作的流程圖。雖顯示流程圖600之部分作為參考,在圖的右手邊以動作910至930描繪由第8A及8B圖中的電路所執行之暫態補償部分。在動作910中,可判斷瞬間電容電流∣iC (t)∣是否超過預定的電流臨限值ICMAX 。此判斷可藉由測量瞬間電流,或如第8A圖中藉由微分輸出電壓而發生。若電容器電流小於臨限值,在動作920中VCO 830依據誤差電壓Ve 繼續正常可變頻率操作。
應注意到在一些實施例中,如第8B圖中所示者,動作910中的判斷可依據電力管理(PM)資訊,而非瞬間電流。在此種實施例中,若未超過臨限值,在動作920中繼續正常操作。
若依照選定標準在動作910中偵測到暫態事件,在動作930中禁能具有可變頻率之VCO 830的正常操作。VCO 830接著可以固定切換頻率操作,如CCM模式中所用的標稱值或特定應用所希望之任何其他頻率值。在一些實施例中,VCO 830可在動作930中以除了誤差電壓Ve 外的系統變數之函數f(x)的頻率操作。在一些實施例中,VCO 830可在動作930中以正常由誤差電壓Ve 所產生之頻率的倒置或相反函數的頻率操作。
上述方法及/或系統可有利地達成電力轉換效率增進及可變頻率操作,同時使用可變經調變尖峰電感器電流追蹤(根據誤差電壓Ve 、負載電流及/或PM資訊)將靜態漣波偏離保持為低並受控制。上述方法及/或系統亦可有利地藉由依據輸出電容器的電流與電壓來在暫態期間禁能可變頻率操作或在另一方向中調整頻率,而將動態漣波偏離保持為低並受控制。
前述一或更多實施例的說明提供闡明及描述,但非意圖為窮舉性或限制本發明之範疇至所揭露的精確形式。有鑑於上述教示可做出變更與修改,或可從本發明之各種實施例的實行獲得變更與修改。
在本申請案之說明中所用的元件、動作或指令不應視為本發明之絕對必要或不可缺,除非另有所指。並且,如此所用,冠詞「一」意圖包括一或更多物件。可對所主張之本發明做出各種的變更與修改而不實質背離本發明的精神與範疇。所有此種變更與修改意圖包括在此揭露的範圍內且由下列申請專利範圍所保護。
100...負載適應性電力轉換器
110...切換模式電力轉換器
120...輸入
130...輸出
140...控制電路
200...電子系統
210...負載電路
220...電力供應單元
300...PWM電路
350...控制電路
330...增益電路
320...PWM補償器
340...電壓控制振盪器(VCO)
345...定標電路
510...電力管理器(PM)電力狀態資訊模組
520...介面電路
810...微分器
820...比較器
830...VCO
840...PM引擎
附圖,其包括在說明書中且為說明書之一部分,描繪與本發明之原理一致的一或更多實施例,連同說明,闡明此些實施例。圖非絕對按比例繪製,更確切地,係將重點放在描繪本發明之原理。在圖中,
第1圖為負載適應性電力轉換器之區塊圖;
第2圖為包括負載適應性電力轉換器之系統的區塊圖;
第3圖為根據本發明之一些實施例的PWM電路及控制電路的區塊圖;
第4A圖為產生尖峰電流限制信號之一電路的區塊圖;
第4B圖為對應第4A圖之電路的電感器電流之圖;
第5A圖為產生尖峰電流限制信號之另一電路的區塊圖;
第5B圖為對應第5A圖之電路的電感器電流之圖;
第6圖提供第3至5圖之操作的流程圖;
第7圖比較在第6圖之操作模式下之電力轉換器的電力效率曲線與不動態限制尖峰電感器電流之電力轉換器之電力效率曲線;
第8A圖為電力轉換器之區塊圖,以在負載暫態期間調整調變器頻率;
第8B圖為另一電力轉換器區塊圖,以在負載暫態期間調整調變器頻率;以及
第9圖提供第8A圖之操作的流程圖。
100...負載適應性電力轉換器
110...切換模式電力轉換器
120...輸入
130...輸出
140...控制電路

Claims (20)

  1. 一種切換模式電力轉換器,包含:調變電路,以依據該電力轉換器的誤差電壓來動態控制該電力轉換器的可變切換頻率;以及控制電路,連接至該調變電路,並配置成當該電力轉換器的該切換頻率改變時,動態限制該電力轉換器中的電感器電流,對於該電感器電流之可變限制係依據該電力轉換器的該誤差電壓、該電力轉換器之負載電流或來自其中存在該電力轉換器的系統之電力管理器的資訊。
  2. 如申請專利範圍第1項之轉換器,其中該調變電路包括:補償器,以從該轉換器之輸出電壓及參考電壓產生該誤差電壓;以及電壓控制振盪器,以依據該誤差電壓提供輸出頻率。
  3. 如申請專利範圍第2項之轉換器,其中該調變電路進一步包括:脈寬調變產生器,以依據來自該補償器的該誤差電壓及來自該電壓控制振盪器的該輸出頻率產生該可變切換頻率。
  4. 如申請專利範圍第1項之轉換器,其中該控制電路配置成當該轉換器在非連續傳導模式中操作時動態限制該電感器電流。
  5. 如申請專利範圍第1項之轉換器,其中對於該電感器電流之該可變限制係完全依據與該電力轉換器之該誤差電壓成正比的值。
  6. 如申請專利範圍第1項之轉換器,其中對於該電感器電流之該可變限制係完全依據與該電力轉換器之該負載電流成正比的值。
  7. 如申請專利範圍第1項之轉換器,進一步包含:暫態偵測器,以依據輸出電容器的電流或該輸出電容器的電壓來偵測負載暫態;以及禁能電路,以控制該調變電路,以當該暫態偵測器偵測到該負載暫態時,禁能該可變切換頻率。
  8. 如申請專利範圍第7項之轉換器,其中該禁能電路在該暫態偵測器偵測到該負載暫態時令該調變電路輸出一恆定切換頻率。
  9. 一種切換模式電力轉換器,包含:調變電路,以依據該電力轉換器的輸出電壓來動態控制該電力轉換器的可變切換頻率;暫態偵測器,以依據輸出電容器的電流或該輸出電容器的電壓來偵測負載暫態;以及禁能電路,以控制該調變電路,以當該暫態偵測器偵測到該負載暫態時,禁能該可變切換頻率。
  10. 如申請專利範圍第9項之轉換器,其中該禁能電路在該暫態偵測器偵測到該負載暫態時令該調變電路輸出一固定切換頻率。
  11. 如申請專利範圍第9項之轉換器,其中當該輸出電容器之瞬間電流超過電流臨限值時或當該輸出電容器之該電壓的變率超過電壓率臨限值時,該暫態偵測器偵測到該負載暫態。
  12. 如申請專利範圍第9項之轉換器,其中該調變電路包括:補償器,以從該轉換器之輸出電壓及參考電壓產生誤差電壓;電壓控制振盪器,以依據該誤差電壓提供輸出頻率;以及脈寬調變產生器,以依據來自該補償器的該誤差電壓及來自該電壓控制振盪器的該輸出頻率產生該可變切換頻率。
  13. 如申請專利範圍第12項之轉換器,其中該禁能電路控制該電壓控制振盪器,以禁能該可變切換頻率。
  14. 如申請專利範圍第9項之轉換器,進一步包含:控制電路,連接至該調變電路,並配置成當該電力轉換器的該可變切換頻率改變時,動態限制該電力轉換器中的電感器電流。
  15. 如申請專利範圍第14項之轉換器,其中對於該電感器電流之限制係依據該電力轉換器的該輸出電壓或該電力轉換器之負載電流。
  16. 如申請專利範圍第14項之轉換器,其中對於該電感器電流之限制係依據來自其中存在該電力轉換器的系統 之電力管理器的資訊。
  17. 一種使用動態負載偵測及追蹤之方法,包含:檢查切換模式電力轉換器之輸出電容器中大電流的存在;若未偵測到該輸出電容器中之該大電流,在從非連續傳導模式過渡到連續傳導模式期間,依據該電力轉換器的輸出電壓與參考電壓間之差,調整該切換模式電力轉換器的切換頻率;以及若偵測到該輸出電容器中之該大電流,將該切換模式電力轉換器的切換頻率設定成相對高的頻率值。
  18. 如申請專利範圍第17項之方法,其中該檢查包括將該輸出電容器之電壓的導數與一固定臨限值相比。
  19. 如申請專利範圍第17項之方法,進一步包含:依據該電力轉換器的可變參數,動態限制該電力轉換器中之電感器電流。
  20. 如申請專利範圍第19項之方法,其中動態限制係依據該電力轉換器的負載電流來限制該電力轉換器中之電感器電流。
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Families Citing this family (38)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8760141B2 (en) * 2008-01-04 2014-06-24 The Hong Kong University Of Science And Technology Frequency-hopping pulse-width modulator for switching regulators
US8232788B2 (en) * 2009-06-22 2012-07-31 Seagate Technology Llc Quasi-continuous voltage regulator and controller
US8410768B2 (en) * 2010-01-19 2013-04-02 Delta Electronics, Inc. Switch-mode power supply having reduced audible noise
US8503193B2 (en) * 2010-08-26 2013-08-06 Astec International Limited Open loop DC to DC converters with enable/disable circuits
US8692530B2 (en) 2010-11-30 2014-04-08 Microchip Technology Incorporated Efficiency-optimizing, calibrated sensorless power/energy conversion in a switch-mode power supply
US8456147B2 (en) * 2010-12-03 2013-06-04 Microchip Technology Incorporated User-configurable, efficiency-optimizing, calibrated sensorless power/energy conversion switch-mode power supply with a serial communications interface
US8957651B2 (en) 2010-12-06 2015-02-17 Microchip Technology Incorporated User-configurable, efficiency-optimizing, power/energy conversion switch-mode power supply with a serial communications interface
KR20120069349A (ko) * 2010-12-20 2012-06-28 삼성전자주식회사 스위칭 손실을 줄이는 직류-직류 전압 변환기, 상기 직류-직류 전압 변환기를 포함하는 무선전력 수신 장치
US8970068B2 (en) * 2011-02-10 2015-03-03 Draker, Inc. Pseudo-random bit sequence generation for maximum power point tracking in photovoltaic arrays
US8975885B2 (en) * 2011-02-18 2015-03-10 Intersil Americas Inc. System and method for improving regulation accuracy of switch mode regulator during DCM
JP5320424B2 (ja) * 2011-03-24 2013-10-23 株式会社東芝 Dc−dc変換器制御装置およびdc−dc変換器
JP5355617B2 (ja) 2011-04-25 2013-11-27 三菱電機株式会社 電源装置
DE102011100005A1 (de) * 2011-04-29 2012-10-31 Tridonic Gmbh & Co. Kg Verfahren und Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur
US9099919B2 (en) * 2011-05-09 2015-08-04 The Hong Kong University Of Science And Technology Single-inductor-multiple-output regulator with synchronized current mode hysteretic control
US9035642B2 (en) 2011-06-30 2015-05-19 Semiconductor Components Industries, Llc Circuits for detecting AC- or DC-coupled loads
US9219411B2 (en) 2011-09-13 2015-12-22 Intel Deutschland Gmbh DC/DC converter, method for providing an output voltage on the basis of an input voltage and computer program
US8786377B2 (en) * 2011-11-21 2014-07-22 Intersil Americas LLC System and method of maintaining gain linearity of variable frequency modulator
CN104620483B (zh) * 2012-05-31 2017-05-31 松下电器产业株式会社 电力转换电路的控制装置
US9276470B2 (en) * 2012-08-31 2016-03-01 Maxim Integrated Products, Inc. Multiphase switching converters operating over wide load ranges
CN102904439B (zh) * 2012-10-13 2016-01-06 华南理工大学 一种dc-dc变换器的混合控制方法
US9698597B1 (en) * 2012-11-14 2017-07-04 Atmel Corporation Adjustable power and system efficiency maximizing scheme using micro-controllers
EP2733838A2 (en) * 2012-11-19 2014-05-21 ST-Ericsson SA Load transient asynchronous boost for pulse width modulation modulator
US9722490B2 (en) * 2013-09-05 2017-08-01 Intersil Americas LLC Smooth transition of a power supply from a first mode, such as a pulse-frequency-modulation (PFM) mode, to a second mode, such as a pulse-width-modulation (PWM) mode
US9667264B2 (en) * 2014-06-13 2017-05-30 Linear Technology Corporation Transition timing control for switching DC/DC converter
EP3010131B1 (en) 2014-10-15 2019-09-04 Dialog Semiconductor (UK) Ltd Clocked pulse frequency modulation buck DC-to-DC converter
JP2016149903A (ja) * 2015-02-13 2016-08-18 トヨタ自動車株式会社 昇圧制御装置
US10027225B2 (en) 2015-03-12 2018-07-17 Qualcomm Incorporated Switched mode power supply having a staircase current limit
CN105207481B (zh) * 2015-09-23 2018-05-25 深圳市华星光电技术有限公司 一种环路补偿电路及开关电源电路
US10033279B2 (en) 2016-04-19 2018-07-24 Mediatek Singapore Pte. Ltd. DC-DC voltage converter and associated control method capable of dynamically adjusting upper boundary of inductor current
US10186961B2 (en) 2016-09-26 2019-01-22 Maxim Integrated Products, Inc. System and method for output voltage overshoot suppression
US10218279B2 (en) * 2016-10-26 2019-02-26 Texas Instruments Incorporated Methods and circuitry for operating switching power supplies based on switching frequency comparison
FR3075511A1 (fr) * 2017-12-18 2019-06-21 Stmicroelectronics (Grenoble 2) Sas Alimentation a decoupage et son procede de commande
US11018581B2 (en) * 2018-03-29 2021-05-25 Avago Technologies International Sales Pte. Limited Methods and devices for operating converters
KR102611341B1 (ko) 2018-10-29 2023-12-08 삼성전자주식회사 토글 신호의 듀티 타이밍을 검출하는 듀티 타이밍 검출기, 듀티 타이밍 검출기를 포함하는 장치, 그리고 토글 신호를 수신하는 장치의 동작 방법
US10602578B1 (en) * 2019-06-03 2020-03-24 Astec International Limited Horticulture facilities with centralized power supplies for powering LED luminaires via power transfer switches
US10938304B2 (en) * 2019-06-20 2021-03-02 Intel Corporation Voltage- and current-based control of direct current (DC)-DC converter
TWI716068B (zh) 2019-08-14 2021-01-11 群光電能科技股份有限公司 電源裝置及其控制方法
US20230378871A1 (en) * 2022-05-19 2023-11-23 Globalfoundries U.S. Inc. Dc-dc converter control circuit

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100387895B1 (ko) 1995-02-28 2003-12-18 가부시키가이샤디비이 직류-직류변환기
US5949226A (en) 1995-04-10 1999-09-07 Kabushiki Kaisha Toyoda Jidoshokki Seisakush DC/DC converter with reduced power consumpton and improved efficiency
US5729448A (en) 1996-10-31 1998-03-17 Hewlett-Packard Company Low cost highly manufacturable DC-to-DC power converter
US5905370A (en) * 1997-05-06 1999-05-18 Fairchild Semiconductor Corporation Programmable step down DC-DC converter controller
US6055168A (en) 1998-03-04 2000-04-25 National Semiconductor Corporation Capacitor DC-DC converter with PFM and gain hopping
US6016052A (en) 1998-04-03 2000-01-18 Cts Corporation Pulse frequency modulation drive circuit for piezoelectric transformer
IT1317125B1 (it) * 2000-03-07 2003-05-27 St Microelectronics Srl Circuito di controllo a frequenza costante per un regolatore ditensione di switching di tipo isteretico
US6396252B1 (en) * 2000-12-14 2002-05-28 National Semiconductor Corporation Switching DC-to-DC converter with discontinuous pulse skipping and continuous operating modes without external sense resistor
US6366070B1 (en) * 2001-07-12 2002-04-02 Analog Devices, Inc. Switching voltage regulator with dual modulation control scheme
EP1367703A1 (en) * 2002-05-31 2003-12-03 STMicroelectronics S.r.l. Method of regulation of the supply voltage of a load and relative voltage regulator
US7102339B1 (en) 2003-01-21 2006-09-05 Microsemi, Inc. Method and apparatus to switch operating modes in a PFM converter
US7372238B1 (en) * 2004-04-29 2008-05-13 National Semiconductor Corporation Apparatus and method for step-down switching voltage regulation
US7245113B2 (en) * 2004-05-21 2007-07-17 Intersil Corporation High light load efficiency synchronous buck regulator with pulse skipping control
US7109688B1 (en) * 2004-11-05 2006-09-19 National Semiconductor Corporation Apparatus and method for monotonic start up of a synchronous switching regulator
US7221130B2 (en) 2005-01-05 2007-05-22 Fyrestorm, Inc. Switching power converter employing pulse frequency modulation control
US7432695B2 (en) * 2005-04-18 2008-10-07 Linear Technology Corporation Adaptive power control for hysteretic regulators
US20070063681A1 (en) * 2005-09-16 2007-03-22 Amazion Electronics, Inc. Direct mode pulse width modulation for DC to DC converters
US7368897B2 (en) * 2005-10-07 2008-05-06 Intel Corporation Load adaptive power converter
JP4661524B2 (ja) * 2005-10-26 2011-03-30 Tdk株式会社 Dc−dcコンバータとその制御方法
TWI330775B (en) * 2007-01-23 2010-09-21 Richtek Technology Corp Quick response switching regulator and control method thereof

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