TWI459692B - Switch power supply with energy efficiency orientation - Google Patents

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Description

具有能量效率取向的切換式電源供應器
本發明係有關於一種切換式電源供應器，特別是一種具有能量效率取向的切換式電源供應器。
近年來，直流對直流轉換器為應用最廣泛的電源供應器之一，而現今常用的直流對直流轉換器又可以因為調節電壓的特性而分為降壓型(Buck)、升壓型(Boost)、以及降升壓型(Buck-Boost)等三種特性架構。而此三種架構所衍生出來的電路又有低壓降線性穩壓器(Low-Dropout Linear Regulator)、切換式電源供應器(Switching Mode Power Supply)、切換電容式電源供應器(Switching Capacitor Power Supply)等三大類電路架構。
其中，低壓降線性穩壓器轉換效率較差，且只能做為降壓型使用，在轉換電壓應用上相較另兩種類別較為受限；而切換式電源轉換器與切換電容式電源供應器則依據選用的拓樸可以兼具降壓與升壓，抑或是輸出電壓極性相反的操作特性。相較於前述的線性穩壓器，切換式電源供應器被廣泛認為具有高效率、寬負載應用範圍以及可調節輸出電壓之特性，因此在產品應用上被廣泛的使用。
在許多電子產品實際應用中，因應不同的使用範疇會有不同的模式可供切換，例如正常模式、效能模式或睡眠模式等，而這些模式之間的切換會令直流對直流轉換器造成不同負載電流的抽載情形。轉換器設計即是針對負載端使用需求或根據運作模式的不同來提供所對應的負載電流值，並被要求在極寬廣的負載電流範圍內仍須維持高的轉換效率，以及在負載情形或輸入端能量有所改變時能立即做反應並調整回適當的電壓。
然而，轉換器在不同負載情況下之轉換效率，與後端負載狀況有關，例如在重負載情況(Heavy Load)下，正比於轉換器導通電流(Conduction Current)的切換損失(Conduction Loss)為主要的能量損耗來源；而在輕負載情形(Light Load)下，切換損失(Switching Loss)則佔有主要的成分且與轉換器切換頻率息息相關。因此，為了提升轉換器在寬負載範圍的轉換效率，結合脈衝寬度調變(Pulse-Width Modulation，PWM)以及脈衝頻率調變(Pulse Frequency Modulation，PFM)的控制模式轉換技術(Control Mode Hopping)即被廣泛的討論與使用。
第1圖係為傳統的Mode Hopping技術之電源系統方塊圖，其係利用控制模式偵測單元2與控制模式選擇單元3來隨時偵測功率級開關4之負載情形，並回饋至轉換器的模式選擇電路1來切換適當的控制模式，並透過功率電晶體緩衝單元5來驅動功率級開關4。然而此方法需要演算法以及控制器來切換不同的控制電路區塊(脈衝寬度調變11及脈衝頻率調變12)，因此付出了設計上的困難以及硬體實現的複雜度。
除此之外，此種Mode Hopping技術於不同模式切換之間造成的延遲，也會造成額外的能量損耗以及電壓變異的可能性。有鑑於此，如何使用單一的控制電路區塊且不需額外的模式切換電路來驅使轉換器的功率開關具有最適當的切換行為係為熟習此項技術領域者亟需解決的問題之一。
本發明之主要目的係在提供一種具有能量效率取向的切換式電源供應器，其無須額外的控制模式偵測與切換電路即可以實現電源供應器改變切換頻率以及責任周期的行為。
本發明之另一目的係在提供一種具有能量效率取向的切換式電源供應器，其僅需使用單一控制電路，即可針對電源供應器之負載狀態主動改變行為來獲得最適當的控制模式。
本發明之再一目的係在提供一種具有能量效率取向的切換式電源供應器，其係同時改變責任週期與切換頻率來達到電源供應器對負載變化的快速響應，並提高在輕負載下的轉換效率，並且在寬負載範圍內能維持小的輸出電壓鏈波。
為達到上述之目的，本發明係有關於一種具有能量效率取向的切換式電源供應器，包括有：一雙向轉換器，其具有一能量輸入端與一負載端；以及一連接於雙向轉換器之能量輸入端與負載端之間的能量取向脈波產生器。此一能量取向脈波產生器係用以輸出一控制上述之能量輸入端所提供之能量大小的閘極電壓訊號。此一能量取向脈波產生器係接收一時脈訊號，當時脈訊號為高準位時，能量取向脈波產生器係根據雙向轉換器之負載端而輸出對應之閘極電壓訊號。
根據本發明之一實施例，其中當時脈訊號為高準位，且雙向轉換器之負載端為重負載時，能量取向脈波產生器係輸出低準位之閘極電壓訊號，並持續維持較高的切換頻率來及時提供負載端所需能量。
當時脈訊號為高準位，雙向轉換器之負載端為輕負載且先前供給之能量仍足夠提供給予負載端時，能量取向脈波產生器係輸出高準位之閘極電壓訊號，使等效切換頻率降低，以減少雙向轉換器之切換損失。
根據本發明之一實施例，其中當雙向轉換器之負載端由輕負載變化至重負載時，能量取向脈波產生器係增加閘極電壓訊號之切換頻率，以補充能量的不足。
當雙向轉換器之負載端由重負載變化至輕負載時，能量取向脈波產生器係減少閘極電壓訊號之切換頻率，以停止能量的補充。
底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
本發明係提出一個新型的以能量效率取向之切換式電源供應器設計，其核心控制電路-能量取向脈波產生器(Energy Based Pulsed Generator，EBPG)可適用於各類型的切換式電源供應器系統中。
此一能量取向脈波產生器之行為是根據後端系統能量的供給需求與電壓變異情形，提供具有合適責任周期與頻率的脈波來切換功率開關，可以在廣負載輸出範圍令轉換器實現低鏈波、高效率且快速響應的特性。
請參考第2圖，其係為根據本發明實施例具有能量效率取向的切換式電源供應器之示意圖，此種切換式電源供應器包含有一雙向轉換器100，雙向轉換器100具有一能量輸入端VIN 與一負載端Vout ；一能量取向脈波產生器(EBPG)200係連接於雙向轉換器100之能量輸入端VIN 與負載端Vout 之間，並用以輸出一閘極電壓訊號VG 。
根據本發明之實施例，雙向轉換器100包含有兩主動開關MP、MN，閘極電壓訊號VG 在經過功率電晶體緩衝單元5的緩衝後係分為兩個訊號VG_P 、VG_N ，其各自用以驅動主動開關MP、MN，並藉由切換主動開關MP、MN來控制雙向轉換器100之能量輸入端VIN 所能提供之能量大小。在一實施例中，上述之主動開關MP、MN，例如可以為一金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)。
如第2圖所示，能量取向脈波產生器200係接收一時脈訊號CLK及一比較輸出訊號Vc 而輸出閘極電壓訊號VG 。其中，時脈訊號CLK係由一時脈斜波產生器(Clock and Ramp Generator)300所輸出。當時脈訊號CLK為高準位時，本發明所揭示之能量取向脈波產生器200係根據雙向轉換器之負載端Vout 之能量需求，而輸出對應之閘極電壓訊號VG 。
詳細而言，本發明係使用單一的控制電路區塊(意即能量取向脈波產生器200)根據負載端Vout 的能量需求來提供功率開關MP、MN合適的責任周期大小與切換頻率，其波形示意圖如第3A圖及第3B圖所示。
首先，本發明藉由選擇一較高頻的頻率作為系統操作的切換頻率(Switching Frequency)，此頻率通常被外在的被動元件選擇而決定。如第3A圖所示，當負載電流ILoad 逐漸由重負載變化至輕負載狀態時(例如：ILoad1 → ILoad2 → ILoad3 → ILoad4 )，其控制電路會將轉換器的功率開關之責任周期(Duty)依序的減少，如方程式(1)所示。
而當功率開關的責任周期隨著負載狀態持續減少，即代表著轉換器系統流向功率級的導通電流也隨之減少，因此導通損失在此負載變化下相較於切換損失會顯得不明顯，同時也代表著此時功率開關不需要在每周期都導通來提供能量，如此一來，本發明設計能量取向脈波產生器200根據負載能量需求來適時的導通功率開關MP、MN；若前一次提供的能量足夠供應給負載電路，則本發明使功率開關MP、MN始終維持關閉狀態來減少切換損失進而提升效率。
直到轉換器提供的能量不足以供應給負載電路時，如第3B圖所示，則能量取向脈波產生器200會再次導通功率開關MP，以提供一峰值電流給負載電路之能量需求。此時，功率開關MP的導通時間(TON )與峰值電流(IL_Peak )關係如方程式(2)所表示。
同時根據方程式(2)可以得知轉換器在不同負載電流需求下，功率開關等效的切換頻率，因此若負載電流越小則轉換器的切換頻率也會越低，能有效減少了每次切換功率開關造成的切換損失，因此可以提升轉換器在輕負載下的效率。
相反的，若負載電路的能量需求逐漸增加(例如：ILoad4 → ILoad3 → ILoad2 → ILoad1 )，能量取向脈波產生器200會隨之增加功率開關MP的切換頻率來提供負載電路所需的能量，直到回到原先系統設定的高頻切換頻率後，能量取向脈波產生器200將會進而增加功率開關導通的責任周期來提供更多的能量需求。
換句話說，當雙向轉換器100之負載端Vout 由輕負載變化至重負載時，能量取向脈波產生器200係增加閘極電壓訊號VG 之切換頻率，以補充負載所需能量的不足。
反之，若是雙向轉換器100之負載端Vout 由重負載變化為輕負載時，能量取向脈波產生器200係降低閘極電壓訊號VG 之切換頻率，以關閉功率開關來停止能量的補充，直到負載端能量需要再次提供能量為止。
值得注意的是，當雙向轉換器100之負載端Vout 產生急遽地負載變化時，例如：由輕負載急遽地切換至重負載(參第3A圖)。在此情況之下，本實施例係將閘極電壓訊號VG 拉到數個週期的關閉狀態(以第3A圖為例，則有兩個週期的關閉時間)，藉此使得功率開關MP被導通，以期在短時間內達到負載端能量瞬間補充之目的。
至於，當雙向轉換器100之負載端Vout 由重負載急遽地切換至輕負載時(參第3B圖)。在此情況之下，本實施例係將功率開關MP、MN維持在關閉狀態(例如關閉數個週期)，以藉此將能量維持在負載端，並降低轉換器之切換損失，進而提升效率。
第4圖係為根據本發明實施例之能量取向脈波產生器之詳細電路示意圖。根據本發明之實施例，本發明所揭示之能量取向脈波產生器200內包含一NAND邏輯閘201、一AND邏輯閘202、以及一SR正反器203。
其中，NAND邏輯閘201之二輸入端各自接收時脈訊號CLK與比較輸出訊號Vc ；AND邏輯閘202之一輸入端接收時脈訊號CLK，另一輸入端連接上述之NAND邏輯閘201之輸出端；SR正反器203之一輸入端連接AND邏輯閘202之輸出端，另一輸入端接收比較輸出訊號Vc ，SR正反器203之輸出端輸出閘極電壓訊號VG 。
一般而言，時脈訊號CLK係用來開啟閘極電壓訊號VG 每責任周期的開始，而比較輸出訊號VC 則是用來決定每責任周期的結束時間。在此，本實施例設計此責任周期與脈波寬度調變器具有優先權判斷之功能，意即使用比較器產生的輸出訊號VC 優先權大於時脈訊號CLK，如此一來，本發明所揭示之能量取向脈波產生器200即能具有責任周期與脈波寬度的同時調變機制，且不需要付出多餘的電路代價。
在本實施例中，如第2圖所示，比較輸出訊號VC 係由一遲滯比較器(hysteretic comparator)400所輸出，此一遲滯比較器400之正、負輸入端係各自接收一感應電流電壓Vccs 與一誤差放大訊號Vea 。
其中，誤差放大訊號Vea 係經由一誤差放大比較器500接收雙向轉換器100之負載端Vout 所回授之能量VFB 與一參考電壓VREF 相比後所輸出。感應電流電壓Vccs 係經由一感測電流電路(current sensing circuit)600偵測開關MP之電流大小後，經一電壓電流轉換器(V-I converter)700轉換後所輸出。
因此，根據本發明之實施例，誤差放大訊號Vea 係對應於雙向轉換器100之負載端Vout 之能量需求大小；而感應電流電壓Vccs 則對應於雙向轉換器100之能量輸入端VIN 所提供之能量大小。
由於比較輸出訊號VC 係由遲滯比較器400接收上述二訊號相比較後所輸出，因此，如第5圖所示，當時脈訊號CLK為高準位，且雙向轉換器100之能量輸入端VIN 所提供之能量係多於負載端Vout 之能量需求(意即雙向轉換器之負載端為輕負載)時，比較輸出訊號VC 係為高準位。此時，能量取向脈波產生器200係輸出高準位之閘極電壓訊號VG 。
相反地，當時脈訊號CLK為高準位，而雙向轉換器100之能量輸入端VIN 所提供之能量係少於負載端Vout 之能量需求(意即雙向轉換器之負載端為重負載)時，比較輸出訊號VC 係為低準位。此時，能量取向脈波產生器200係輸出低準位之閘極電壓訊號VG 。
由於此種調節方式是使用單一控制電路根據負載狀況與電壓變異來調節輸出能量，不僅不需要額外的模式偵測與轉換電路，更可以立即對負載端的變化實現調變的功能，達到快速響應的優點。
表一係為本發明所採用能量取向脈波產生器所實現之電路效能模擬結果與先前技術的比較表，可看出所提出的電路在維持一樣的功率效率之前提下，可擁有較佳的切換暫態響應。
因此，綜上所述，本發明揭露之具有能量效率取向的切換式電源供應器，係為使用單一且簡單的控制電路完成責任週期以及切換頻率的自動調變，並且不需使用額外的感測與切換電路來實現控制模式的轉換，因此可減少電路與控制機制的複雜度。
其次，由於此種電源供應器具有同時改變責任週期以及切換頻率之特性，因此對於負載的變化能立即反應，能達到快速穩壓的效果。
應用本發明所揭示之具有能量效率取向的切換式電源供應器，能針對電子產品的能量需求以及電壓變異等情形自動調整最適當的控制機制，藉此獲得高效率且快速穩定的控制行為，也就是責任周期與切換頻率的自我調節機制。因此，此種具有能量效率取向的切換式電源供應器在許多電子產品以及SOC模組中相當實用，可供國內各大系統廠商作為極具競爭力之新產品開發技術、而具有技術授權可能性。
以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。
VIN ．．．能量輸入端
Vout ．．．負載端
VG ．．．閘極電壓訊號
MN．．．主動開關
MP．．．主動開關
CLK．．．時脈訊號
Vc ．．．比較輸出訊號
Vccs ．．．感應電流電壓
Vea ．．．誤差放大訊號
VREF ．．．參考電壓
ILoad ．．．負載電流
1．．．模式選擇電路
2．．．控制模式偵測單元
3．．．控制模式選擇單元
4．．．功率級開關
5．．．功率電晶體緩衝單元
11．．．脈衝寬度調變
12．．．脈衝頻率調變
100．．．雙向轉換器
200．．．能量取向脈波產生器
201．．．NAND邏輯閘
202．．．AND邏輯閘
203．．．SR正反器
300．．．時脈斜波產生器
400．．．遲滯比較器
500．．．誤差放大比較器
600．．．感測電流電路
700．．．電壓電流轉換器
700’．．．電壓電流轉換器
第1圖係為習知技術之電源系統方塊圖
第2圖係為根據本發明實施例具有能量效率取向的切換式電源供應器之示意圖。
第3A圖係為根據本發明實施例之具有能量效率取向的切換式電源供應器由重負載變化至輕負載時之電壓電流波形示意圖。
第3B圖係為根據本發明實施例之具有能量效率取向的切換式電源供應器由輕負載變化至重負載時之電壓電流波形示意圖。
第4圖係為根據本發明實施例之能量取向脈波產生器之詳細電路示意圖。
第5圖係為根據本發明實施例之具有能量效率取向的切換式電源供應器，其各節點之時序波形示意圖。
100．．．雙向轉換器
200．．．能量取向脈波產生器
300．．．時脈斜波產生器
400．．．遲滯比較器
500．．．誤差放大比較器
600．．．感測電流電路
700．．．電壓電流轉換器
700’．．．電壓電流轉換器

Claims (11)

  1. 一種具有能量效率取向的切換式電源供應器，包括：一雙向轉換器，其具有一能量輸入端與一負載端；以及一能量取向脈波產生器，其係連接於該雙向轉換器之該能量輸入端與該負載端之間，並用以輸出一控制該能量輸入端所提供之能量大小的閘極電壓訊號，該能量取向脈波產生器係接收一時脈訊號，當該時脈訊號為高準位時，該能量取向脈波產生器係根據該雙向轉換器之該負載端而輸出對應之該閘極電壓訊號，其中當該雙向轉換器之該負載端由輕負載變化至重負載時，該能量取向脈波產生器係控制該閘極電壓訊號維持低準位連續複數個週期，以快速增加該閘極電壓訊號之責任週期，並補充能量的不足，直到該能量補充至該重負載所需才提高該閘極電壓訊號之切換頻率至一固定頻率運作；當該雙向轉換器之該負載端由重負載變化至輕負載時，該能量取向脈波產生器係減少該閘極電壓訊號之切換頻率，以停止能量的補充。
  2. 如請求項1所述之具有能量效率取向的切換式電源供應器，其中當該時脈訊號為高準位，且該雙向轉換器之該負載端為重負載時，該能量取向脈波產生器係輸出低準位之該閘極電壓訊號，當該時脈訊號為高準位，且該雙向轉換器之該負載端為輕負載且先前補充能量仍足夠時，該能量取向脈波產生器係輸出高準位之該閘極電壓訊號。
  3. 如請求項2所述之具有能量效率取向的切換式電源供應器，其中該能量取向脈波產生器更包括：一NAND邏輯閘，該NAND邏輯閘之二輸入端各自接收該時脈訊號與一比較輸出訊號；一AND邏輯閘，該AND邏輯閘之一輸入端接收該時脈訊號，該AND邏輯閘之另一輸入端連接該NAND邏輯閘之輸出端；以及 一SR正反器，該SR正反器之一輸入端連接該AND邏輯閘之輸出端，該SR正反器之另一輸入端接收該比較輸出訊號，該SR正反器之輸出端輸出該閘極電壓訊號。
  4. 如請求項3所述之具有能量效率取向的切換式電源供應器，其中該比較輸出訊號係由一遲滯比較器所輸出，該遲滯比較器之正、負輸入端係各自接收一感應電流電壓與一誤差放大訊號，且該感應電流電壓與該誤差放大訊號係各自對應該雙向轉換器之該能量輸入端所提供之能量大小以及該雙向轉換器之該負載端之能量需求大小。
  5. 如請求項4所述之具有能量效率取向的切換式電源供應器，其中當該比較輸出訊號為高準位時，該雙向轉換器之該負載端係為輕負載。
  6. 如請求項4所述之具有能量效率取向的切換式電源供應器，其中當該比較輸出訊號為低準位時，該雙向轉換器之該負載端係為重負載。
  7. 如請求項1所述之具有能量效率取向的切換式電源供應器，其中該雙向轉換器更包括至少一主動開關，該閘極電壓訊號係用以驅動該至少一主動開關，以控制該雙向轉換器之該能量輸入端所能提供之能量大小。
  8. 如請求項7所述之具有能量效率取向的切換式電源供應器，其中該至少一主動開關係為一金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)。
  9. 如請求項1所述之具有能量效率取向的切換式電源供應器，其中該時脈訊號係由一時脈斜波產生器所輸出。
  10. 如請求項2所述之具有能量效率取向的切換式電源供應器，其中當該雙向轉換器之該負載端由輕負載急遽地切換至重負載時，該閘極電壓訊號係產生數個週期的關閉狀態，以將能量在短時間內補充至該負載端。
  11. 如請求項2所述之具有能量效率取向的切換式電源供應器，其中當該雙向轉換器之該負載端由重負載急遽地切換至輕負載時，該雙向轉換器之主動開關係維持在關閉狀態，以將能量維持在該負載端，降低轉換器之切換損失。
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