TWI405391B - 直流－直流轉換系統及其模式切換方法 - Google Patents

直流－直流轉換系統及其模式切換方法 Download PDF

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Description

直流-直流轉換系統及其模式切換方法
本發明涉及直流-直流轉換器(DC-DC converter)的領域，更具體地，是關於至少一種直流-直流轉換系統及其模式切換方法。
直流-直流轉換器通常用於為電子裝置(如個人電腦、手持裝置及類似裝置)提供直流電源，並可廣泛應用於從既定的直流輸入電壓源導出(deriving)所需直流輸出電壓的多種配置。例如，降壓式(英文稱為「buck mode」或「step-down」)直流-直流轉換器經常用於提供穩壓直流輸出電壓(regulated DC output voltage)，輸出的電壓值小於直流電壓源的電壓值。典型的降壓式直流-直流轉換器包含一個或多個電源切換器、耦接於直流輸入電壓端與參考電源端(如接地端)之間的電流路徑，並具有透過輸出電感(inductor)耦接於輸出電壓節點的通用節點(common node)或相位節點(phase node)，其中，輸出電壓節點耦接於儲存電容與加電(powered)負載/裝置。藉由可控制性地切換電源切換器導通(on)與斷開(off)，輸出電感的上游(upstream)端交替(alternately)地耦接於直流輸入電壓端與參考電壓端之間。透過輸出電感在輸出節點處產生了交替上升 (ramped-up)和下降(ramped-down)的輸出電流，從而產生降壓式的直流輸出電壓傳遞至負載。其中，直流-直流轉換器可配置為電壓式轉換器或電流式轉換器。
除上述電壓式與電流式直流-直流轉換器之外，直流-直流轉換器還包括另外一類，通常稱為恒定導通時間(constant on-time)直流-直流轉換器或脈波頻率調變(Pulse-Frequency Modulated，PFM)直流-直流轉換器。此類轉換器通常用於負載電流需求相對較小的應用情形中，例如，筆記本電腦操作中的「睡眠(sleep)」模式或「靜音(quiescent)」模式。PFM轉換器包含具有電壓比較器的控制迴路，該控制迴路的輸出端用於為單擊(one-shot)產生觸發信號，從而為具有相對較窄脈波寬度的切換信號設置一恒定導通時間，其中，恒定導通時間可決定電源切換的切換次數。切換信號因其具有相對較窄的脈波寬度，而為PFM模式轉換器提供可在極短時間間隔內啟動(turn on)電源切換的能力，剛好滿足負載的低電流需求，從而節省電源並延長電池(battery)使用壽命。該運作模式通常被稱為非連續傳導模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM)，這是因為對於每個切換信號(或稱為切換脈波)，允許傳遞通過感應器的電流接近零，並且當發生該情形時斷開(open)電源切換器。
有鑑於此，本發明提供至少一種直流-直流轉換系統及其模式切換方法。
本發明提供一種直流-直流轉換系統，包含至少一個直流-直流轉換器，該至少一個直流-直流轉換器運作在PWM模式或PFM模式中，其中，該直流-直流轉換系統包含：狀態機，用於控制該PWM模式與該PFM模式之間的切換，該狀態機決定由該至少一個直流-直流轉換器所提供的電感電流是否在一選擇數目的時脈週期內持續達到一第一特定值，來決定是否在該PWM模式與該PFM模式之間發生切換；以及脈波產生電路，耦接於該狀態機，當在該PWM模式與該PFM模式之間發生切換時，該脈波產生電路用於提供適當的切換週期，其中，該脈波產生電路在該PWM模式與該PFM模式之間進行共享，且該脈波產生電路運作於主時脈(master clock)。
本發明另提供一種直流-直流轉換系統的模式切換方法，該直流-直流轉換系統包含至少一個直流-直流轉換器，該至少一個直流-直流轉換器運作在PWM模式或PFM模式中，其中，該直流-直流轉換系統的模式切換方法包含：藉由決定由該至少一個直流-直流轉換器所提供的電感電流是否滿足在一選擇數目的時脈週期內持續達到第一特定值，來決定是否在該PWM模式與該PFM模式之間發生切換，從而控制該PWM模式與該PFM模式之間的切換；以及提供脈波產生電路，用於 在該PWM模式與該PFM模式之間發生切換時提供適當的切換週期，其中，該脈波產生電路在該PWM模式與該PFM模式之間進行共享，且該脈波產生電路運作於主時脈。
本發明另提供一種直流-直流轉換系統，包含至少一個直流-直流轉換器，該至少一個直流-直流轉換器運作在PWM模式或PFM模式中，其中，該直流-直流轉換系統包含：狀態機，用於控制該PWM模式與該PFM模式之間的切換，在PWM模式中，該狀態機決定由該至少一個直流-直流轉換器所提供的電感電流是否在一選擇數目的時脈週期內持續未跨越零值並，若該狀態機檢測到在該選擇數目的時脈週期內該電感電流未跨越零值，則實現在該PWM模式與該PFM模式之間的切換；以及脈波產生電路，耦接於該狀態機，當在該PWM模式與該PFM模式之間發生切換時，該脈波產生電路用於提供適當的切換週期。
本發明所提供的至少一種直流-直流轉換系統及其模式切換方法，其優點之一在於可兼容PFM與PWM兩種模式，從而節省了硬體體積並加強了系統在模式之間的平穩切換。
以下係根據多個圖式對本發明的較佳實施例進行詳細描述，本領域習知技藝者閱讀後應可明確了解本發明的目的。
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組件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個組件。本說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分組件的方式，而是以組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」為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。「大致」是指在可接受的誤差範圍內，所屬領域中具有通常知識者能夠在一定誤差範圍內解決所述技術問題，基本達到所述技術效果。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，或透過其他裝置或連接手段間接地電性連接至該第二裝置。說明書後續描述為實施本發明的較佳實施方式，然該描述乃以說明本發明的一般原則為目的，並非用以限定本發明的範圍。本發明的保護範圍當視所附的申請專利範圍所界定者為準。
本發明提供可在PFM模式與PWM模式之間進行共享的單一脈波產生器，可節省硬體體積並使系統在模式之間平穩切換的加強變為可能。
在使用切換感應元件的直流-直流轉換器中，通常使用兩種運作模式，依賴負載電流的條件來最大化轉換效率。脈波寬 度調變(Pulse Width Modulation，PWM)模式適用於強電流的傳遞，而PFM模式則適用於弱負載電流。在PWM模式中，切換週期是固定的而工作週期(duty cycle)(或稱為占空比、通電時間百分比、導通週期)是可調整的；在PFM模式中，占空比是固定的而脈波之間的週期是可調整的。在這些模式的實施中，定義PWM模式中占空比的電路與定義PFM模式中脈波寬度的電路通常是相互獨立的。在本發明中，這兩個變量可從相同電路中獲取。
第1圖為PFM模式與PWM模式的自動模式切換(Automated Mode Switch，AMS)的整體描述示意圖。如第1圖所示的AMS 2包含AMS狀態機4，AMS狀態機4用於為PWM模式與PFM模式之間的切換提供控制。AMS狀態機4耦接於脈波產生電路6。脈波產生電路6在PWM模式與PFM模式之間進行共享(例如，AMS 2可使用單一脈波產生電路6服務於PWM模式與PFM模式)。此外，AMS狀態機4接收作為輸入的負載電流(或稱電感電流)iL、系統重置信號system_reset，並與脈波產生電路6共享時脈信號PWMCLK。在電源啟動期間，狀態機4使用系統重置信號system_reset來重置狀態機4的狀態變量及內容。另外，狀態機4使用負載電流iL來決定何時發生切換(下文將詳細介紹)。此外，脈波產生電路6也接收來自混合信號(mixed-signal)直流-直流降壓式轉換器的輸入 信號(如第1圖所示的信號PWMthresh)，其中，該轉換器既可運作在PWM模式也可運作在PFM模式中。
根據本發明一實施例的直流-直流轉換系統，包含至少一個直流-直流轉換器，該至少一個直流-直流轉換器運作在PWM模式或PFM模式中，其中，該直流-直流轉換系統包含如第1圖所示的狀態機4與脈波產生電路6。狀態機4用於控制PWM模式與PFM模式之間的切換，狀態機4決定由直流-直流轉換器所提供的電感電流iL是否在選擇數目的時脈週期Tclk(如第1圖所示的時脈信號PWMCLK的週期)內持續達到第一特定值iLthresh，來決定是否在PWM模式與PFM模式之間發生切換。脈波產生電路6耦接於該狀態機4，當在PWM模式與PFM模式之間發生切換時，脈波產生電路6用於提供適當的切換週期TCLK，其中，脈波產生電路6在PWM模式與PFM模式之間進行共享，且脈波產生電路6運作於主時脈(如第1圖所示的時脈信號PWMCLK)。
當切換至PFM模式時，導通時間(on-time)與總的切換週期TCLK的比例需要接近PWM模式中的占空比。因為在PWM模式中，上述條件藉由迴路滿足了感應器的伏秒(volt-second)與電容電荷之間的平衡，可確保平穩轉換。脈波產生電路6包含第一多工元件(multiplexing element)12，用於接收作為輸入的信號PWMthresh。同樣，輸入信號PWMthresh也被提供至低通 濾波器LPF用以將輸出信號提供至x2放大器。x2放大器將其輸入信號乘以2以產生輸出信號PFMthresh。當當前模式為PWM模式時，AMS狀態機4將模式信號mode經由非閘(not gate)16提供至低通濾波器LPF以啟動低通濾波器LPF，否則，則凍結該狀態。第一多工元件12接收作為輸入的模式信號mode，並根據模式信號mode輸出信號PWMthresh與信號PFMthresh中的一個。模式信號mode可識別當前有效模式為PFM模式還是PWM模式。數位至類比轉換器(Digital Analog Converter，DAC)14接收第一多工元件12的輸出信號並輸出門檻電壓Vthresh以作為輸入信號提供至比較器8。
第二多工元件10接收作為輸入的信號PWMCLK與信號PFMtrigger。同樣，第二多工元件10接收作為輸入的模式信號mode並輸出信號PWMCLK與信號PFMtrigger中的一個，其中，模式信號mode由AMS狀態機4所提供。依賴由斜波重置信號ramp_reset所提供的數值，NMOS切換器sw斷開(open)或閉合(closed)。NMOS切換器sw斷開或閉合可允許電容C充電或放電，以產生斜波電壓Vramp。斜波電壓Vramp定義為跨越電容C的電壓。同樣，斜波電壓Vramp作為輸入信號被提供至比較器8。比較器8提供輸出信號Vctrl以用於PWM模式與PFM模式之間的切換。請注意，如第1圖所示的NMOS切換器sw僅為本發明的一個實施例，本發明並不以此為限，任何可實現切換功能的裝置皆落入本發明的範圍。
在該設計中，PFM模式與主時脈(如第1圖所示的時脈信號PWMCLK)同步，並可具有兩個時脈週期Tclk的最小切換週期TCLK。因此，在PWM模式期間，為保持占空比，PFM脈波的導通時間可設計為占空比的兩倍。該設計可經由使用低通濾波器LPF對占空比取數位平均來實現，使用x2放大器將占空比的數位平均乘以2，並使用計算結果來定義PFM期間的導通時間與總的切換週期TCLK。在PFM模式中，濾波電路(如第1圖所示的低通濾波器LPF)被設置為凍結狀態。
脈波產生電路6配置於類比域，運作在主時脈PWMCLK。脈波產生電路6可在PWM模式與PFM模式之間進行共享，從而節省了硬體體積並使系統在模式之間平穩切換的加強變為可能。
在PWM模式中，斜波電壓Vramp在每個時脈週期進行重置，並經由將斜波電壓Vramp與門檻電壓Vthresh進行比較來定義占空比。在PFM模式期間，斜波電壓Vramp由觸發信號PFMtrigger重置，且脈波寬度經由將斜波電壓Vramp與門檻電壓Vthresh進行比較來定義。
根據本發明的一個實施例，AMS狀態機4決定由直流-直流轉換器所提供的電感電流iL是否於選擇數目的時脈週期Tclk 內持續達到第一特定值，來決定是否在PWM模式與PFM模式之間發生切換。
在PWM模式期間，AMS狀態機4用於使用輪詢(polling)方法來監測負載電流iL並檢測負載電流iL是否在單個時脈週期達到第一特定值ithresh，其中，該輪詢方法可週期性喚醒(wake up)電流比較器18(每NPOLL個時脈週期Tclk)。在此以第一特定值ithresh設置為零為例進行說明。若負載電流iL在單個時脈週期Tclk跨越零點，則狀態機4檢測在此條件下的每個時脈週期Tclk。若驗證在連續NLOW個連續時脈週期Tclk內負載電流iL皆跨越零點，則假設負載電流iL過弱，且直流-直流轉換器由PWM模式切換至PFM模式。若在任意時間零交越(zero-crossing)條件未被驗證，則狀態機4返回週期性輪詢模式。在PFM模式中，AMS狀態機4決定電感電流iL何時大於零值，並檢測電感電流iL在NHIGH個連續時脈週期內是否均大於零值，若檢測到在NHIGH個連續時脈週期內電感電流iL均大於零值，則AMS狀態機4啟動由PFM模式向PWM模式的切換。其中，NPOLL、NLOW、NHIGH的值是可選擇的。請注意，電流比較器18將第一特定值ithresh的值與負載電流iL的值進行比較，第一特定值ithresh可視實際需求而設定，本實施例中第一特定值ithresh為零。
根據本發明的另一實施例，在PFM模式期間，每當NMOS切換器sw導通時，AMS狀態機4監測電流比較器18。零交越意味著直流-直流轉換器應保持在PFM模式中。若未檢測到零交越，則狀態機4檢測該條件發生的連續時脈週期Tclk的數目。當NHIGH個連續時脈週期Tclk後，狀態機4將直流-直流轉換器切換至PWM模式。其中，NHIGH的值是可選擇的。
儘管PFM模式運作係基於同步狀態機，然而其接口信號中有一個運作在非同步狀態：只要NMOS電源切換器sw導通，則啟動零交越電流比較器18，電源切換迅速失能(disabled)，不再等待時脈邊緣。在此情形下，允許NMOS裝置(如第1圖所示的NMOS切換器sw)繼續導通會浪費電力資源。
第2A-2B圖為根據本發明一實施例的每個模式所產生的波形示意圖。在PWM模式中，作為門檻電壓的信號PWMthresh通常由誤差放大器和補償電路來產生，其中，補償電路決定最佳占空比。在PFM模式中，作為門檻電壓的信號PFMthresh可設置為一常數值，但可由PWM模式期間先前所用的數值導出。
第3圖為根據本發明一實施例的模式切換的操作方法示意圖。在該實施例中，負載電流iL慢慢減小(ramp down)直至為零，以觸發系統由PWM模式向PFM模式的操作；然後負載電流iL逐漸升高(ramp up)，以觸發系統切換回PWM模式。為清 楚說明起見，在本實施例中，N POLL =128，N LOW =8以及N HIGH =8，然本發明並不以此為限，請注意，這些數值可進行程式化處理，亦可視實際需求進行選擇性調整。
為驗證上述方法的有效性，此處亦包含一性能模擬(behavioral simulation)。該模擬使用如第3圖所示的負載電流iL的輪廓；該性能模型包含來自切換與控制迴路的電阻性與電容性電力損失。第4圖為從此次模擬中獲取的效率曲線示意圖，即AMS性能模擬的效率曲線示意圖。
在PWM模式期間，伴隨負載電流iL逐漸減小至零，轉換系統效率達到最大並在0.8ms左右開始衰減(dropping)；此後不久，轉換器運作模式自動切換，且一旦系統切換至PFM模式，由圖中可見系統效率得到改善；伴隨負載電流iL的增大，效率曲線在1.25ms左右再次輕微衰減，且轉換系統切換回PWM模式。請注意，0ms至0.2ms為轉換系統加電啟動的時間，與此次分析無關。
第5圖為由PWM模式至PFM模式的轉換期間的模擬輸出電壓VOUT的示意圖。如上所述，轉換系統在PFM期間運行最快時使用大致兩個時脈週期Tclk，這可從第5圖中的第一個PFM週期中看出。由第5圖中可見，由於如第1圖所示的脈波產生電路6所確保的緣故，輸出電壓VOUT只顯示了多個微小的變化。
本發明需要PFM模式中的狀態機的時脈信號與PWM模式中的時脈信號相同。PFM模式中的切換頻率依賴於負載電流與電池電壓，且藉由同步運行，切換頻率可進行有效量化(quantized)。儘管這種做法可能劣於最佳狀態，然而電源傳遞效率上的效應可以忽略不計，從而簡化了模式之間的切換(handover)及特性的簡便應用，如閉鎖(lock-out)次數與最小切換率的實施。
本發明可使用較長的輪詢週期來取代在每個時脈週期監測零交越電流比較器。本發明提供脈波產生電路以產生PFM導通時間計算，從而滿足PWM模式與PFM模式之間進行切換所需的計算。本發明消除了對基於固定預設的導通時間計算的需求，不依賴於PWM操作。本發明考慮到了感應器與電容的狀態變化在PWM模式與PFM模式期間可具有不同的平衡的因素，而該因素會導致模式轉換期間的電壓波動。脈波產生電路允許PWM模式與PFM模式共享相同的占空比與導通時間產生器。同樣，脈波產生電路配置於類比域，且運作於單一主時脈。
上述實施例僅用來例舉本發明的實施樣態，以及闡釋本發明的技術特徵，並非用來限制本發明的範疇。任何習知技藝者可依據本發明的精神輕易完成的改變或均等性的安排均屬於本發明所主張的範圍，本發明的權利範圍應以申請專利範圍為準。
2‧‧‧AMS
4‧‧‧AMS狀態機
6‧‧‧脈波產生電路
8、18‧‧‧電流比較器
10、12‧‧‧多工元件
14‧‧‧DAC
16‧‧‧非閘
sw‧‧‧NMOS切換器
第1圖為PFM模式與PWM模式的自動模式切換的整體描述示意圖。
第2A-2B圖為根據本發明一實施例的每個模式所產生的波形示意圖。
第3圖為根據本發明一實施例的模式切換的操作方法示意圖。
第4圖為AMS性能模擬的效率曲線示意圖。
第5圖為由PWM模式至PFM模式的轉換期間的模擬輸出電壓示意圖。
2‧‧‧AMS
4‧‧‧AMS狀態機
6‧‧‧脈波產生電路
8、18‧‧‧電流比較器
10、12‧‧‧多工元件
14‧‧‧DAC
16‧‧‧非閘
sw‧‧‧NMOS切換器

Claims (11)

  1. 一種直流-直流轉換系統，包含至少一個直流-直流轉換器，該至少一個直流-直流轉換器運作在一PWM模式或一PFM模式中，其中，該直流-直流轉換系統包含：一狀態機，用於控制該PWM模式與該PFM模式之間的切換，該狀態機決定由該至少一個直流-直流轉換器所提供的一電感電流是否在一選擇數目的時脈週期內持續達到一第一特定值，來決定是否在該PWM模式與該PFM模式之間發生切換；以及一脈波產生電路，耦接於該狀態機，其中，該脈波產生電路包含：一低通濾波器與一放大器，用於將該PWM模式的該脈波寬度作為輸入來計算該PFM模式的該脈波寬度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的直流-直流轉換系統，其中，該狀態機輪詢一電流比較器以檢測該電感電流。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的直流-直流轉換系統，其中，在該PWM模式中，該狀態機決定該電感電流何時跨越零值，並檢測該電感電流在該選擇數目的時脈週期內是否持續相同，以啟動由該PWM模式向該PFM模式的切換。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的直流-直流轉換系統，其中，在該PFM模式中，該狀態機決定該電感電流何時大於零 值，並檢測該電感電流在該選擇數目的時脈週期內是否均大於零值，以啟動由該PFM模式向該PWM模式的切換。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的直流-直流轉換系統，其中，該脈波產生電路運作在類比域。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的直流-直流轉換系統，其中，該脈波產生電路與該狀態機共享該主時脈。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的直流-直流轉換系統，其中，該低通濾波器接收來自該狀態機的一模式信號，該模式信號定義該狀態機的當前運作模式。
  8. 一種直流-直流轉換系統的模式切換方法，該直流-直流轉換系統包含至少一個直流-直流轉換器，該至少一個直流-直流轉換器運作在一PWM模式或一PFM模式中，其中，該直流-直流轉換系統的模式切換方法包含：藉由決定一電感電流是否在一選擇數目的時脈週期內持續達到一第一特定值，來決定是否在該PWM模式與該PFM模式之間發生切換，從而控制該PWM模式與該PFM模式之間的切換；以及提供一脈波產生電路，其中，該脈波產生電路包含：一低通濾波器與一放大器，用於將該PWM模式的該脈波寬度作為輸入來計算該PFM模式的該脈波寬度。
  9. 一種直流-直流轉換系統，包含至少一個直流-直流轉換器，該至少一個直流-直流轉換器運作在一PWM模式或一PFM模式中，其中，該直流-直流轉換系統包含：一狀態機，用於控制該PWM模式與該PFM模式之間的切換，在PWM模式中，該狀態機決定由該至少一個直流-直流轉換器所提供的一電感電流是否於一選擇數目的時脈週期內持續地未跨越零值，若該狀態機檢測到在該選擇數目的時脈週期內該電感電流未跨越零值，則實現在該PWM模式與該PFM模式之間的切換；以及一脈波產生電路，耦接於該狀態機，其中，該脈波產生電路包含：一低通濾波器與一放大器，用於將該PWM模式的該脈波寬度作為輸入來計算該PFM模式的該脈波寬度。
  10. 一種直流-直流轉換系統，包含至少一個直流-直流轉換器，該至少一個直流-直流轉換器運作在一PWM模式或一PFM模式中，其中，該直流-直流轉換系統包含：一狀態機，用於控制該PWM模式與該PFM模式之間的切換，該狀態機決定由該至少一個直流-直流轉換器所提供的一電感電流是否在一選擇數目的時脈週期內持續達到一第一特定值，來決定是否在該PWM模式與該PFM模式之間發生切換；以及一脈波產生電路，耦接於該狀態機，用於根據該PWM模 式的脈波寬度來確定該PFM模式的開始脈波寬度；其中，為了該PFM模式開始時的占空比與該PWM模式的占空比相同，該PFM模式的該開始脈波寬度係PWM模式的該脈波寬度的2倍。
  11. 一種直流-直流轉換系統的模式切換方法，該直流-直流轉換系統包含至少一個直流-直流轉換器，該至少一個直流-直流轉換器運作在一PWM模式或一PFM模式中，其中，該直流-直流轉換系統的模式切換方法包含：藉由決定一電感電流是否在一選擇數目的時脈週期內持續達到一第一特定值，來決定是否在該PWM模式與該PFM模式之間發生切換，從而控制該PWM模式與該PFM模式之間的切換；以及提供一脈波產生電路，其中，該脈波產生電路用於根據該PWM模式的脈波寬度來確定該PFM模式的開始脈波寬度；為了該PFM模式開始時的占空比與該PWM模式的占空比相同，該PFM模式的該開始脈波寬度係PWM模式的該脈波寬度的2倍。
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