TWI434498B

TWI434498B - 切換式轉換器與相關控制方法

Info

Publication number: TWI434498B
Application number: TW101106675A
Authority: TW
Inventors: yi kuang Chen
Original assignee: Novatek Microelectronics Corp
Priority date: 2012-03-01
Filing date: 2012-03-01
Publication date: 2014-04-11
Also published as: TW201338363A; US20130229058A1; US9024479B2

Description

切換式轉換器與相關控制方法

本發明提供一種切換式轉換器與相關控制方法，尤指一種可即時監控電感之總能量與彈性地進行能量分配之切換式轉換器與相關控制方法。

直流對直流轉換器(DC/DC Converter)主要用來調節電壓準位(升壓或降壓)，並使之穩定在所設定的電壓數值，以提供電子裝置所需的操作電壓。其中，單電感多輸出(Single Inductor Multiple Output，SIMO)切換式轉換器可透過單一電感的結構來能提供多組不同的輸出電壓，因此，非常適合應用於可攜式電子裝置或是系統晶片(System on Chip)中。請參考第1圖，第1圖為習知一單電感多輸出切換式轉換器10之示意圖。如第1圖所示，電感100可經由一輸入端IN接收一輸入電壓訊號VI來汲取能量。藉由控制電路102來控制充電開關SW0與輸出開關SW1～SW4的啟閉，可將電感100所汲取到之能量分別儲存至輸出電容CO1～CO4，以經由輸出端OUT1～OUT4提供輸出電壓訊號VO_1～VO_4至負載Load1～Load4。即單電感多輸出切換式轉換器10可分別提供輸出電壓訊號VO_1～VO_4至負載Load1～Load4。簡言之，單電感多輸出切換式轉換器10可從單一電壓源汲取能量，並將能量進行分配以輸出多組輸出電壓訊號。

單電感多輸出切換式轉換器10的運作型態主要可分為充電/放電模式與能量分配模式。其中，充電/放電模式是表示電感100之充電或放電操作。能量分配模式表示對於電感100所汲取之能量進行能量分配運作。於充電/放電模式時，電感100會進行充電或放電的操作，同時電感100之電感電流也會隨之上升或下降。於能量分配模式時，可依據應用的需求來進行各種的能量分配運作。舉例來說，應用在全降壓型(all buck)的情況下，單電感多輸出切換式轉換器10可以在電感100進行充電時就同時將能量分配出去。或者是，應用在全昇壓型(all boost)的情況下，單電感多輸出切換式轉換器10可先充電一段時間後，並於放電模式時始將能量分配出去。

由於充電/放電模式或是能量分配模式，皆需藉由控制電路102的控制，來決定充電開關SW0與輸出開關SW1～SW4的啟閉，以將電感100所汲取到能量輸出至各負載。一般來說，控制電路102會在固定的操作頻率下，藉由不同的調變方式來決定各個開關的狀態。舉例來說，常見的定頻率控制技術包含bang-bang型控制(或稱磁滯型(Hysteresis)控制)與脈波寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)控制技術。請參考第2圖，第2圖為習知使用bang-bang型控制技術之單電感多輸出切換式轉換器20之示意圖。與第1圖不同的是，單電感多輸出切換式轉換器20具有採用bang-bang型控制技術之一控制電路202。控制電路202包含電壓比例器(voltage scaler)VS1～VS4、比較器COM1～COM4及邏輯控302設置一誤差放大器EA、一脈波寬度調變器304與一電容C，以偵測最後一組輸出電壓訊號所分配到的能量，來決定充電/放電模式中電感100所需的總能量。脈波寬度調變器304依據誤差放大器EA所輸出之誤差電壓訊號Ve與一電感電壓訊號Vsen，產生一比較訊號SP_5至邏輯控制單元204。請參考第4圖，第4圖為第3圖之脈波寬度調變器304之示意圖。脈波寬度調變器304包含有一比較器COM與一加法器402。加法器402將一電感電壓訊號Vsen與一三角波訊號Va相加，以產生一斜坡訊號Vramp。比較器COM比較誤差電壓訊號Ve與斜坡訊號Vramp，並據以產生比較訊號SP_5。其中耦接於電感100兩端的飛輪開關SW_F是用來控制單電感多輸出切換式轉換器50之連續導通模式。請繼續參考第3圖與第4圖，當輸出電壓訊號VO_4所獲得的能量偏低時，誤差放大器所EA所輸出之誤差電壓訊號Ve將會被抬升，如此一來，由比較器402所輸出的比較訊號SP_5的工作週期(duty ratio)也會隨之變大。在此情況下，邏輯控制單元204會據以產生相關的控制訊號，使電感100汲取更多的能量來產生相關的輸出電壓訊號，進而達到穩壓的作用。也就是說，在控制電路302中，會將輸出電壓訊號VO_4的優先權設為最低，當其能量不足時，則藉由脈波寬度調變器304來提供相對應的比較訊號SP_5至邏輯控制單元204。邏輯控制單元204則據以延長相對應開關的導通時間，讓電感100充電的時間延長，以達到控制充電/放電模式的目的。

第3圖之單電感多輸出切換式轉換器30於能量分配模式下係制單元204。電壓比例器VS1～VS4耦接於輸出端OUT1～OUT4，以接收輸出電壓訊號VO_1～VO_4。如第2圖所示，比較器COM1依據電壓比例器VS1所輸出之訊號與一參考電壓訊號Vref，產生一比較訊號SP_1至邏輯控制單元204，同理，比較器COM2～COM4也分別比較電壓比例器VS2～VS4所輸出之訊號與參考電壓訊號Vref，以產生比較訊號SP_2～SP_4至邏輯控制單元204。邏輯控制單元204依據比較訊號SP_1～SP_4，產生充電開關控制訊號SC_0與輸出開關控制訊號SC_1～SC_4來控制充電開關SW0與輸出開關SW1～SW4的啟閉。也就是說，藉由控制充電開關SW0與輸出開關SW1～SW4的時序將可決定單電感多輸出切換式轉換器20的充電/放電以及能量分配的運作。詳細來說，控制電路202利用比較器COM1～COM4與邏輯控制單元204來判斷目前電感100上的總能量是否過高或過低(於充電/放電模式時)，並將能量分配至輸出端OUT1～OUT4，以提供輸出電壓訊號VO_1～VO_4(於能量分配模式時)。由於比較器可視為一個增益很大的放大器，所以當負載Load1～Load4有不同程度的負載變化時，都可能快速地驅使比較器COM1～COM4的狀態產生改變，如此一來，採用bang-bang型控制技術之控制電路202將會快速地反應出負載狀態。然而，當控制電路202快速地反應出負載狀態之餘，卻常會帶來誤動作、輸出級電壓漣波及電感100的電流漣波過大等問題。

請參考第3圖，第3圖為習知使用脈波寬度調變控制技術之單電感多輸出切換式轉換器30之示意圖。與第2圖不同的是，控制電路bang-bang型控制技術，而且於充電/放電模式係採用脈波寬度調變控制技術來決定充電/放電模式中電感100所需的總能量。然而，由於充電/放電模式是由優先權最低的最後一組能量決定(即輸出電壓訊號VO_4)所決定，而且優先權最低的輸出電壓訊號VO_4也只能分配到剩下的能量，因此並無法把目前的狀況即時反應給前面優先權較高的輸出級，所以電感電流反應時間將會較慢。

另一方面，請參考第5圖，第5圖為習知另一使用脈波寬度調變控制技術之單電感多輸出切換式轉換器50之示意圖。與第3圖不同的是，在每一輸出路徑上接採用脈波寬度調變控制技術，也就是說，單電感多輸出切換式轉換器50在充電/放電模式與能量分配模式下都是採用脈波寬度調變控制技術。控制電路502包含設置誤差放大器EA_1～EA_4、電容C1～C4、開關SW_P1～SW_P4、相位控制器504與脈波寬度調變器506。單電感多輸出切換式轉換器50透過相位控制器504控制開關SW_P1～SW_P4來實現時間多工的控制，以達成充電/放電控制與能量分配。但是，由於採用了時間多工的方式，若有多組輸出電壓，則在一個週期內就有多次充/放電模式，在此情況下，開關的切換次數將會增加而導致切換損耗(switching loss)上升。此外，全部採用脈波寬度調變控制技術的單電感多輸出切換式轉換器50也會限制電路的最大操作頻率與架構擴充的彈性。

簡言之，針對透過單一電感的結構來提供多組不同的輸出電壓之切換式轉換器而言，如何能夠更即時掌握電感充電時機並更機動的能量分配運作，是目前亟需解決的問題。

因此，本發明的目的之一在於提供一種切換式轉換器與相關控制方法。

依據本發明之實施例，其係揭露一種切換式轉換器，包含有一輸入端，用來接收一輸入電壓訊號；N個輸出端，用來輸出N個輸出電壓訊號，其中，N為一正整數；一電感，耦接於該輸入端，用來儲存該輸入電壓之能量；一充電開關，耦接於該電感，用來根據一充電開關控制訊號，控制該電感之充電路徑；N個輸出開關，耦接於該電感，用來根據N個輸出開關控制訊號，控制該電感和該N個輸出端之間的訊號傳送路徑；一充電/放電控制單元，耦接於該N個輸出端，用來根據一電感電流訊號與該N個輸出電壓訊號，產生一充電/放電控制訊號；一能量分配控制單元，耦接於該N個輸出端，用來根據該N個輸出電壓訊號，產生N個能量分配控制訊號，其中，一第i個能量分配控制訊號係相關於第i個輸出電壓訊號至第N個輸出電壓訊號，其中1≦i≦N，i與N為一正整數；以及一邏輯控制單元，用來根據該充電/放電控制訊號與該N個能量分配控制訊號，產生該充電開關控制訊號以控制該充電開關之啟閉，並產生該N個輸出開關控制訊號以控制該N個輸出開關之啟閉，進而使該輸入電壓之能量儲存至該電感以及使該電感所儲存之能量分配至該N個輸出端。

依據本發明之實施例，其另揭露一種控制方法，包含有提供一切換式轉換器，該切換式轉換器包含有一輸入端、N個輸出端、一電感、一充電開關與N個輸出開關，該輸入端用來接收一輸入電壓訊號，該N個輸出端用來輸出N個輸出電壓訊號，其中，N為一正整數，該電感耦接於該輸入端並用來儲存該輸入電壓之能量，該充電開關耦接於該電感並用來根據一充電開關控制訊號控制該電感之充電路徑，該N個輸出開關耦接於該電感並用來根據N個輸出開關控制訊號控制該電感和該N個輸出端之間的訊號傳送路徑；根據一電感電壓訊號與該N個輸出電壓訊號，產生一充電/放電控制訊號；根據該N個輸出電壓訊號，產生N個能量分配控制訊號，其中，一第i個能量分配控制訊號係相關於第i個輸出電壓訊號至第N個輸出電壓訊號，其中1≦i≦N，i為一正整數；以及根據該充電/放電控制訊號與該N個能量分配控制訊號，產生該充電開關控制訊號以控制該充電開關之啟閉，並產生該N個輸出開關控制訊號以控制該N個輸出開關之啟閉，進而使該輸入電壓之能量儲存至該電感以及使該電感所儲存之能量分配至該N個輸出端。

請參考參考第6圖，第6圖為本發明實施例一切換式轉換器60之示意圖。切換式轉換器60包含有一輸入端IN、一電感600、輸出端OUT1～OUT4、輸出電容CO1～CO4、充電開關SW0、輸出開關SW1～SW4、一充電/放電控制單元602、一能量分配控制單元604及一邏輯控制單元606。輸入端IN用來接收一輸入電壓訊號VI。輸出端OUT1～OUT4用來輸出輸出電壓訊號VO_1～VO_4。電感600耦接於輸入端IN，用來儲存輸入電壓VI之能量。充電開關SW0耦接於電感600，用來根據一充電開關控制訊號SC_0，控制電感600之充電路徑。輸出開關SW1～SW4分別耦接於輸出端OUT1～OUT4與電感600，用來根據輸出開關控制訊號SC_1～SC_4，控制電感600和輸出端OUT1～OUT4之間的訊號傳送路徑。輸出電容CO1～CO4用來儲存電感600之能量以提供輸出電壓訊號VO_1～VO_4至輸出端OUT1～OUT4。

充電/放電控制單元602耦接於輸出端OUT1～OUT4(未繪示於第6圖中)與邏輯控制單元606，用來根據輸出電壓訊號VO_1～VO_4與一電感電壓訊號Vsen，產生一充電/放電控制訊號SD_0至邏輯控制單元606。能量分配控制單元604耦接輸出端OUT1～OUT4(未繪示於第6圖中)與邏輯控制單元606，用來根據輸出電壓訊號VO_1～VO_4，產生能量分配控制訊號SD_1～SD_4。其中，第i個能量分配控制訊號(即能量分配控制訊號SD_i)係相關於第i個輸出電壓訊號至最後一級之輸出電壓訊號(即輸出電壓訊號VO_i～輸出電壓訊號VO_4)YO4，其中，1≦i≦4，i為一正整數。

簡言之，本發明可藉由充電/放電控制單元602來判斷電感600所儲存的能量是否充足，例如判斷所有輸出電壓訊號的總和之大小，再據以產生充電/放電控制訊號SD_0給邏輯控制單元606。另一方面，本發明可藉由能量分配控制單元604來判斷相關輸出電壓訊號的變化情況，並據以產生能量分配控制訊號SD_1～SD_4給邏輯控制單元606。也就是說，能量分配控制單元604考量到後級的輸出電壓訊號的變化，來產生相對應之能量分配控制訊號給邏輯控制單元606。舉例來說，當能量分配控制單元604於考量該如何將電感600上之能量分配至輸出端OUT2來產生輸出電壓訊號VO_2時，可透過觀測目前輸出電壓訊號VO_3與VO_4的狀況來產生相對應之能量分配控制訊號，而於能量分配模式下實現彈性的能量分配。進一步地，邏輯控制單元606將可根據充電/放電控制訊號SD_0與能量分配控制訊號SD_1～SD_4，產生充電開關控制訊號SC_0以控制充電開關SW0之啟閉，並產生輸出開關控制訊號SC_1～SC_4以控制輸出開關SW1～SW4之啟閉，進而使輸入電壓VI之能量儲存至電感600以及使電感600所儲存之能量分配至輸出端OUT1～OUT4。

請參考第7圖，第7圖為第6圖之充電/放電控制單元602與能量分配控制單元604之示意圖。如第7圖所示，充電/放電控制單元602包含有電壓比例器VS1～VS4、誤差放大器EA1～EA4、電容Csum以及脈波寬度調變器702。電壓比例器VS1～VS4分別耦接於輸出端OUT1～OUT4，用來根據輸出電壓訊號VO_1～VO_4，輸出比例電壓訊號VS_1～VS_4。誤差放大器EA1～EA4分別耦接於電壓比例器VS1～VS4，用來根據比例電壓訊號VS_1～VS_4與一參考電壓訊號Vref_1，產生誤差電壓訊號Ve_1～Ve_4。電容Csum耦接於誤差放大器EA1～EA4，用來根據誤差電壓訊號Ve_1～Ve_4，產生一總和電壓訊號Vsum。脈波寬度調變器702耦接於誤差放大器EA1～EA4與電容Csum，用來根據總和電壓訊號Vsum，產生充電/放電控制訊號SD_0。

詳細來說，充電/放電控制單元602中之每一電壓比例器會耦接於一輸出端並根據相對應之輸出電壓訊號，輸出相對應之比例電壓訊號。接著，充電/放電控制單元602中之每一誤差放大器會分別耦接於電壓比例器VS1～VS4之其中之一，並根據相對應之第一比例電壓訊號與參考電壓訊號Vref_1，產生相對應之第一誤差電壓訊號。誤差放大器EA1～EA4所產生的誤差電壓訊號Ve_1～Ve_4會向電容Csum進行充電，因此電容Csum會產生一總和電壓訊號Vsum至脈波寬度調變器702。脈波寬度調變器702再根據總和電壓訊號Vsum與電感電壓訊號Vsen，產生充電/放電控制訊號SD_0。其中，電感電壓訊號Vsen可以是電感600之一感應電壓訊號。在此情況下，針對每一組輸出電壓訊號來說，藉由各相對應的誤差放大器將可反應出各輸出端所分配到的能量，總和電壓訊號Vsum即相當於各誤差放大器的輸出訊號總和，同時也表示切換式轉換器60在充電/放電模式下所需要的總能量。因此，於充電/放電控制訊號SD_0表示總能量不足時，即相當於告知系統需要更多的能量來供應輸出電壓訊號，以達到穩壓的作用。邏輯控制單元606將會產生充電開關控制訊號SC_0來控制充電開關SW0，使得輸入電壓VI之能量可繼續儲存至電感600以增加電感600所能提供的能量，反之亦然。

簡言之，在充電/放電控制單元602的控制運作中，藉由偵測相關於各輸出電壓訊號之誤差放大器的輸出總和，以即時判斷充電/放電模式的能量是否符合需求，相較於第3圖之單電感多輸出切換式轉換器30必需等到最後一級輸出才能判斷出，本發明可即時地快速反應出所需的能量總和，適時地讓電感600蓄積更多的能量以避免能量分配模式下各輸出端所能分配到的能量發生不足的情況。

請繼續參考第7圖，能量分配控制單元604包含有電壓比例器VS5～VS8、誤差放大器EA5～EA8、電容C1～C4以及斜坡調整脈波寬度調變器RA_1～RA_4。如第7圖所示，電壓比例器VS5～VS8分別耦接於輸出端OUT1～OUT4，用來根據輸出電壓訊號VO_1～VO_4，輸出比例電壓訊號VS_5～VS_8。誤差放大器EA5～EA8分別耦接於電壓比例器VS5～VS8，用來根據比例電壓訊號VS_5～VS_8與一參考電壓訊號Vref_2，產生誤差電壓訊號Ve2_1～Ve2_4。斜坡調整脈波寬度調變器RA_1～RA_4分別耦接於誤差放大器EA5～EA8，用來根據誤差電壓訊號Ve2_1～Ve2_4，產生能量分配控制訊號SD_1～SD_4。其中，第i個能量分配控制訊號(即能量分配控制訊號SD_i)係相關於第i個輸出電壓訊號(即輸出電壓訊號VO_i)至輸出電壓訊號VO4，舉例來說，能量分配控制訊號SD_2會相關於輸出電壓訊號VO_2、VO_3與VO4。

進一步說明，請參考第8圖，第8圖為第7圖之斜坡調整脈波寬度調變器RA_1～RA_4之示意圖。如第8圖所示，斜坡調整脈波寬度調變器RA_(i)表示第i個斜坡調整脈波寬度調變器，1≦i≦N，i為一正整數。由於切換式轉換器60提供4個輸出電壓訊號，因此，此時N=4。斜坡調整脈波寬度調變器RA_(i)包含有(N-i)個誤差放大器(即誤差放大器EA(i+1)～EA(N))、電容CR(i)、比較器COM(i)。誤差放大器EA(i+1)～EA(N)分別耦接於輸出端OUT(i+1)～OUT(N)，用來根據輸出電壓訊號VO_(i+1)～VO_(N)，產生誤差電壓訊號Ve3_(i+1)～Ve3_(N)。誤差電壓訊號Ve3_(i+1)～Ve3_(N)會向電容CR(i)進行充電，以產生斜坡訊號Vra(i)來提供至比較器COM(i)。在此情況下，斜坡訊號Vra(i)會與第i+1組輸出電壓訊號至第N組輸出電壓訊號(即輸出電壓訊號VO(i+1)～VO_(N))有關。比較器COM(i)則用來根據誤差電壓訊號Ve2_(i)與斜坡訊號Vra(i)，產生能量分配控制訊號SD_(i)至邏輯控制單元606，進而透過邏輯控制單元606作出即時的穩壓調整。也就是說，第i個斜坡調整脈波寬度調變器(即斜坡調整脈波寬度調變器RA_(i))除了有第i級(即輸出端OUT(i))輸出的能量資訊，也藉由斜坡訊號Vra(i)可以獲得其後數級的能量資訊(即輸出端OUT(i+1)～OUT(N)目前所分配到的能量)。

在本發明中，每一斜坡調整脈波寬度調變器會考量到後級的輸出電壓訊號的變化，而使得斜坡訊號Vra(i)的斜率會隨著後級的輸出電壓訊的狀況而有所改變。舉例來說，在斜坡調整脈波寬度調變器RA_2中，除了考量輸出端OUT2之輸出能量資訊，也藉由斜坡訊號Vra(2)可以獲得輸出端OUT3與OUT4目前所分配到的能量。當第2級的輸出電壓訊號(即輸出電壓訊號VO_2)偏低時，充電/放電控制單元602會依據總和電壓訊號Vsum來產生充電/放電控制訊號SD_0，以通知邏輯控制單元606充電/放電模式的能量需要增加。此時，誤差電壓訊號Ve2_2也會被抬升，以通知斜坡調整脈波寬度調變器RA_2目前電感600分配到輸出端OUT2的能量偏低。在此情況下，若輸出端OUT3之輸出電壓訊號VO_3的能量也偏低時，斜坡訊號Vra(2)的斜率便會增加，如此一來透過比較器COM_2將斜坡訊號Vra(2)與誤差電壓訊號Ve2_2比較後所輸出的脈波寬度便會被限制，這相當於告知邏輯控制單元606，雖然分配到輸出端OUT2的能量已經不足了，但由於後級輸出級(即輸出端OUT3)之輸出電壓訊號VO_3也同樣有能量不足的問題，所以要限制分配到輸出端OUT2的能量的最大電量。因此，當誤差電壓訊號Ve2_2顯示輸出端OUT2目前所分配到的能量不足，而且斜坡訊號Vra(2)也顯示輸出端OUT3與OUT4目前所分配到的能量不足時，將會反應在比較器COM_2之能量分配控制訊號SD_2，在此情況下，邏輯控制單元606將會降低分配至輸出端OUT2的能量，以避免電感600所剩餘的能量會集中分配至輸出端OUT2，同時，由於電感600目前的所蓄積的能量必定不足以產生符合各輸出電壓訊號的需求，充電/放電控制單元602也會據以控制，使電感600繼續充電來蓄積更多的能量。簡言之，本發明之能量分配控制單元604能夠藉由前饋(feedforwrd)後級輸出級能量的狀況，而可於能量分配模式下具有即時反應後級能量資訊而彈性地分配能量權重的控制能力。

在第8圖中，斜坡調整脈波寬度調變器RA_(i)另包含有一重置開關SW_R，用來根據一短脈波寬度的重置控制訊號CKout，週期性地對斜坡訊號Vra(i)進行重置處理，以達到週期性的脈波寬度調變控制。也就是說，對可調斜率的斜坡訊號Vra(i)作週期性的放電，來達到定頻控制的效果。此外，斜坡調整脈波寬度調變器RA_(i)另包含有另包含有一直流電流源802用來提供一電流I至電容CR(i)，以對整體系統穩定度作補償。

請參考第9圖，第9圖為第4圖之脈波寬度調變器304與第8圖之斜坡調整脈波寬度調變器RA(i)之相關訊號波形示意圖。其中，電感電壓訊號Vsen表示電感600之感應電壓訊號，其斜率為Si。三角波訊號Va表示第4圖之三角波訊號Va，其斜率為Sa。斜坡訊號Vramp表示第4圖之斜坡訊號Vramp，其斜率為(Si+Sa)。斜坡訊號Vra(i)表示第8圖之斜坡訊號Vra(i)。重置控制訊號CKout為第8圖之重置控制訊號CKout。一般來說，由於傳統脈波寬度調變控制會根據斜坡訊號Vramp產生的方式，區分為電壓模式(voltage mode，VM)/電流模式(current mode，CM)，若斜坡訊號Vramp的產生與電感電流(Vsen)的資訊有關，則視為電流模式的脈波寬度調變控制；若斜坡訊號Vramp的產生與與電感電流的資訊完全無關，則視為電壓模式的脈波寬度調變控制。如同第4圖所示，為了系統的穩定考量，傳統的脈波寬度調變控制會利用電感電流訊號Vsen與固定斜率的三角波訊號Va相加所產生的斜坡訊號Vramp來與相對應電壓誤差訊號作比較。然而，當斜坡訊號Vramp的斜率愈大，在相同的電壓誤差訊號準位中，所得到的脈波寬度就會愈低。相較之下，在本發明中，由於斜坡訊號Vra(i)係與後級輸出級能量的狀況有關，因此，如第9圖所示，斜坡訊號Vra(i)的斜率會隨後級輸出電壓訊號的變化情況而作改變，也就是說，本發明在能量分配模式下可具有即時反應後級能量資訊而彈性地分配能量權重的控制能力。

在此要注意的是，前述的例子僅為用來說明本發明之應用，並非本發明之限制條件，本領域具通常知識者當可據以做不同之變化。舉例來說，本發明之切換式轉換器60係以具有4個輸出電壓訊號的切換式轉換器為例來作說明，但不以此為限，任何透過單一電感的結構來能提供多組不同的輸出電壓訊號之切換式轉換器皆可透過本發明之充電/放電控制單元、能量分配控制單元及邏輯控制單元之架構來實現，而相關元件可依所能提供之輸出電壓訊號的數量而作適當的變化，在此不再贅述。此外，充電/放電控制單元602與能量分配控制單元604也可共用相關的電壓比例器，舉例來說，請參考第10圖，第10圖為第7圖之充電/放電控制單元602與能量分配控制單元604之另一示意圖。能量分配控制單元604可以省略電壓比例器VS5～VS8之設置，也就是說，透過將誤差放大器EA5～EA8分別耦接至電壓比例器VS1～VS4，來接收電壓比例器VS1～VS4所輸出之比例電壓訊號VS_1～VS_4，並根據比例電壓訊號VS_1～VS_4與參考電壓訊號Vref_1，來產生誤差電壓訊號Ve2_1～Ve2_4。另一方面，第6圖之切換式轉換器60另包含一飛輪開關SW_F，耦接於電感600之兩端。同時邏輯控制單元606會產生一飛輪開關控制訊號SC_5以控制飛輪開關SW_F之啟閉，以將切換式轉換器60切換至一虛擬連續電流導通(pseudo continuous current conduction，PCCM)模式。當然，若系統不需要操作在虛擬連續電流導通，則飛輪開關SW_F以及飛輪開關控制訊號SC_5亦可省略。

關於切換式轉換器60之操作可歸納為一流程110，如第11圖所示。流程110包含有下列步驟：

步驟1100：開始。

步驟1102：根據電感電壓訊號與N個輸出電壓訊號，產生充電/放電控制訊號。

步驟1104：根據N個輸出電壓訊號，產生N個能量分配控制訊號，其中，第i個能量分配控制訊號係相關於第i個輸出電壓訊號至第N個輸出電壓訊號。

步驟1106：根據充電/放電控制訊號與N個能量分配控制訊號，產生充電開關控制訊號以控制充電開關之啟閉，並產生N個輸出開關控制訊號以控制N個輸出開關之啟閉，進而使輸入電壓之能量儲存至電感以及使電感所儲存之能量分配至N個輸出端。

步驟1108：結束。

流程110之細節可參考前述說明，在此不再贅述。

綜上所述，相較於第3圖之單電感多輸出切換式轉換器30必需等到最後一級輸出才能判斷出系統能量的狀況，本發明透過充電/放電控制單元602的運作，藉由偵測相關於各輸出電壓訊號之誤差放大器的輸出總和而能即時判斷充電/放電模式的能量是否符合需求。換言之，本發明可即時地快速反應出所需的能量總和，適時地讓電感蓄積更多的能量以避免能量分配模式下各輸出端所能分配到的能量發生不足的情況。更重要的是，本發明透過能量分配控制單元604的運作而能夠藉由前饋後級輸出級能量的狀況，以於能量分配模式下具有即時反應後級能量資訊而彈性地且機動地分配能量權重的控制能力。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10、20、30、50．．．多輸出切換式轉換器

100、600．．．電感

102、202、302、502．．．控制電路

204、606．．．邏輯控制單元

304、506、702．．．脈波寬度調變器

402．．．加法器

504．．．相位控制器

60．．．切換式轉換器

602．．．充電/放電控制單元

604．．．能量分配控制單元

606．．．邏輯控制單元

802．．．直流電流源

110．．．流程

1100～1108．．．步驟

C、C1～C4、CR(i)、Csum．．．電容

CO1～CO4．．．輸出電容

COM、COM1～COM4、COM(i)．．．比較器

EA、EA_1～EA_8、EA(i+1)～EA(N)．．．誤差放大器

I．．．電流

IN．．．輸入端

Load1～Load4．．．負載

OUT1～OUT4．．．輸出端

RA_1～RA_4、RA_(i)．．．斜坡調整脈波寬度調變器

SC_0．．．充電開關控制訊號

SC_1～SC_4．．．輸出開關控制訊號

SC_5．．．飛輪開關控制訊號

SD_0．．．充電/放電控制訊號

SD_1～SD_4．．．能量分配控制訊號

SP_1～SP_5．．．比較訊號

SW0．．．充電開關

SW1～SW4．．．輸出開關

SW_F．．．飛輪開關

SW_P1～SW_P4．．．開關

SW_R．．．重置開關

Ve、Ve_1～Ve_4、Ve2_1～Ve2_4、Ve3_(i+1)～Ve3_(N)．．．誤差電壓訊號

VI．．．輸入電壓訊號

VO_1～VO_4、VO_(i+1)～VO_(N)．．．輸出電壓訊號

Va．．．三角波訊號

Vramp、Vra(i)．．．斜坡訊號

Vref、Vref_1、Vref_2．．．參考電壓訊號

VS1～VS8．．．電壓比例器

VS_1～VS_4．．．比例電壓訊號

Vsen．．．電感電壓訊號

Vsum．．．總和電壓訊號

第1圖為習知一單電感多輸出直流轉換器之示意圖。

第2圖為習知使用bang-bang型控制技術之單電感多輸出切換式轉換器之示意圖。

第3圖為習知使用脈波寬度調變控制技術之單電感多輸出切換式轉換器之示意圖。

第4圖為第3圖之脈波寬度調變器之示意圖。

第5圖為習知另一種使用脈波寬度調變控制技術之單電感多輸出切換式轉換器之示意圖。

第6圖為本發明實施例一切換式轉換器之示意圖。

第7圖為第6圖之充電/放電控制單元與能量分配控制單元之示意圖。

第8圖為第7圖之斜坡調整脈波寬度調變器之示意圖。

第9圖為第4圖之脈波寬度調變器與第8圖之斜坡調整脈波寬度調變器之相關訊號波形示意圖。

第10圖為第7圖之充電/放電控制單元與能量分配控制單元之另一示意圖。

第11圖為本發明實施例之一流程之示意圖。