TWI482403B - 可運作於脈波寬度調變模式或脈波省略模式下的電壓轉換器及其切換方法 - Google Patents

Description

可運作於脈波寬度調變模式或脈波省略模式下的電壓轉換器及其切換方法

本發明係關於一種可運作於一脈波寬度調變模式或一脈波省略模式下的電壓轉換器及其切換方法。

直流至直流電壓轉換器可用以將一輸入電壓調節成一穩定的輸出電壓，藉以供應負載所需的電流。一般而言，直流至直流電壓轉換器根據輸入電壓和輸出電壓值的大小分為昇壓式電壓轉換器(boost converter)、降壓式電壓轉換器(buck converter)和昇降壓式電壓轉換器(buck-boost converter)。圖1繪示一典型的降壓式電壓轉換器10的架構示意圖。參照圖1，該降壓式電壓轉換器10包含一電感L、兩開關SW₁ 和SW₂ 、一輸出電容C_OUT 及一控制電路12。該控制電路12用以提供控制兩功率開關SW₁ 和SW₂ 的兩驅動信號D₁ 和D₂ ，使得該些功率開關SW₁ 和SW₂ 能被交替地導通及關閉。

參照圖1，該控制電路12包含一誤差放大器122、一比較器124以及一脈波寬度調變(Pulse Width Modulation,PWM)邏輯控制電路126。該降壓式電壓轉換器10另包含一分壓電路14，其用以偵測輸出電壓V_OUT 的變化。該分壓電路14藉由兩串聯電阻R₁ 和R₂ 將輸出電壓V_OUT 進行分壓以產生相對應的回授電壓V_FB 。接著，根據一參考電壓V_REF 和該回授電壓V_FB 之間的電壓差值，該誤差放大器122產生一相對應的輸出電壓V_C 。該比較器124在比較誤差放大器122傳 來的輸出電壓V_C 和一鋸齒波信號V_SAW 後，產生一脈波信號PWM。該脈波信號PWM傳送至該PWM邏輯控制電路126以產生相對應的驅動信號D₁ 和D₂ 。藉由驅動信號D₁ 和D₂ 開啟或關閉該些功率開關SW₁ 和SW₂ 而對電感L進行充電或放電，該降壓式電壓轉換器10可產生所需要的負載電流及穩定的輸出電壓。

在上述直流至直流電壓轉換器中，於輕載(指所需要的負載電流較小)或無載時，如果仍然以相同的脈波信號PWM控制功率開關，則會由於切換損失而有效率不佳的問題。為了解決直流至直流電壓轉換器輕載或無載時的效率問題，習知技術中該PWM邏輯控制電路126會另接收一脈波省略信號SKIP。當該脈波省略信號SKIP致能時，該電壓轉換器10會進入一脈波省略模式。此時，驅動信號D₁ 會保持邏輯低準位，而驅動信號D₂ 會保持邏輯高準位，如圖2所示。依此方式，可降低開關SW₁ 和SW₂ 的切換損失，從而改善電壓轉換器輕載或無載時的效率問題。

在習知技術中，當該誤差放大器122的輸出電壓V_C 小於一設定電壓V_SET 時，該脈波省略信號SKIP會致能，使得該電壓轉換器由脈波寬度調變模式進入脈波省略模式。然而，由於該輸出電壓V_C 會受到輸入電壓V_IN 、輸出電壓V_OUT 和負載電流I_LOAD 的影響而產生不同的電壓值，該電壓轉換器的模式切換轉態點會差距頗大。舉例而言，當輸入電壓V_IN =3.6V，輸出電壓V_OUT =3.3V時，該電壓轉換器可能在負載電流I_LOAD =10mA時從脈波寬度調變模式進入至脈波省略模式，而當輸入電壓V_IN =5V，輸出電壓V_OUT =1.2V時，該電 壓轉換器可能在負載電流I_LOAD =300mA時從脈波寬度調變模式進入至脈波省略模式。

當該電壓轉換器從脈波寬度調變模式進入至脈波省略模式時，其整體效率會提高，然而，漣波電流(ripple current)會增大。較大的漣波電流在電感L和輸出電容C_OUT 上會造成額外的損耗。因此，有必要提出一種可運作於一脈波寬度調變模式或一脈波省略模式下的電壓轉換器及其切換方法，該電壓轉換器的模式切換轉態點不會受到不同輸入電壓和不同輸出電壓的影響。

本發明之目的係提供一種可運作於一脈波寬度調變模式或一脈波省略模式下的電壓轉換器。

為達到上述之目的，本發明之電壓轉換器之一實施例包含一輸入端、一輸出端、一功率級電路、一誤差放大器、一比較器、一電流感測元件、一脈波省略控制電路以及一脈波寬度調變邏輯控制電路。該輸入端用以接收一直流輸入電壓。該輸出端用以提供一調節過的直流輸出電壓。該功率級電路耦接於該輸入端和該輸出端之間，該功率級電路包含至少一功率開關和一電感。該誤差放大器具有接收一參考電壓的一第一輸入端、接收關聯於該直流輸出電壓的一回授電壓之一第二輸入端及提供一誤差放大電壓的一輸出端。該比較器具有接收該誤差放大電壓的一第一輸入端、接收一週期性信號的一第二輸入端及提供一脈波信號的一輸出端。該電流感測元件用以感測流過該功率級電路 的一電流以產生一感測電流信號。該脈波省略控制電路用以接收該誤差放大電壓、該感測電流信號、一預設電壓和一預設電流以產生一脈波省略信號。該脈波寬度調變邏輯控制電路用以根據該脈波信號和該脈波省略信號以控制該至少一功率開關。該至少一功率開關在該脈波寬度調變模式下係根據該脈波信號而動作，而在該脈波省略模式下係根據該脈波省略信號而動作。

本發明之另一目的係提供一種切換一電壓轉換器之運作模式的方法，其中該電壓轉換器係用以接收一直流輸入電壓以調節產生一直流輸出電壓，且該電壓轉換器係運作於一脈波寬度調變模式或一脈波省略模式。為達到上述之目的，本發明之方法之一實施例包含根據關聯於該直流輸出電壓的一回授電壓和一參考電壓以產生一誤差放大電壓；比較該誤差放大電壓和一週期性信號以產生一脈波信號；比較該誤差放大電壓和一預設電壓以產生一第一比較信號；感測流過該電壓轉換器的一電感之一電流以產生一感測電流信號；比較該感測電流信號和一預設電流以產生一第二比較信號；以及根據該第一比較信號和該第二比較信號控制該電壓轉換器運作於該脈波寬度調變模式或該脈波省略模式。

本發明在此所探討的方向為一種可運作於一脈波寬度調變模式或一脈波省略模式下的電壓轉換器。為了能徹底地瞭解本發明，將在下列的描述中提出詳盡的步驟及結構 。顯然地，本發明的施行並未限定於相關領域之技藝者所熟習的特殊細節。另一方面，眾所周知的結構或步驟並未描述於細節中，以避免造成本發明不必要之限制。本發明的較佳實施例會詳細描述如下，然而除了這些詳細描述之外，本發明還可以廣泛地施行在其他的實施例中，且本發明的範圍不受限定，其以之後的專利範圍為準。

圖3顯示結合本發明一實施例之一電壓轉換器30的架構示意圖。該電壓轉換器30用以接收一輸入電壓V_IN 以調節產生一輸出電壓V_OUT 。該電壓轉換器30在重載(指所需要的負載電流I_LOAD 較大)至輕載(指所需要的負載電流I_LOAD 較小)時係運作於一脈波寬度調變模式，而該電壓轉換器30在輕載至無載(負載電流I_LOAD =0A)時係運作於一脈波省略模式。

參照圖3，該電壓轉換器30包含一功率級電路32、一輸出電容C_OUT 、一分壓電路34、一控制電路36和一電流感測元件38。在本實施例中，該電壓轉換器30為一降壓式電壓轉換器，故該功率級電路32包含一電感L₁ 和兩功率開關SW_A 及SW_B ，其中該功率開關SW_A 耦接於該電壓轉換器30的一輸入端和一節點N₁ 之間、該功率開關SW_B 耦接於該節點N₁ 和一接地端之間且該電感L₁ 耦接於該節點N₁ 和該電壓轉換器30的一輸出端之間。然而，本發明不應以此為限。該電壓轉換器30可以為任一形式之直流至直流電壓轉換器，例如昇壓式電壓轉換器或昇降壓式電壓轉換器。

參照圖3，該電流感測元件38用以感測流過該功率級電路32的一電流以產生一感測電流信號I_SEN 。在本實施例中，該電流感測元件38感測流過該功率開關SW_A 的一電流以產 生該感測電流信號I_SEN 。流過該功率開關SW_A 的該電流在開關SW_A 導通時會等於電感電流i_L 。然而，本發明不應以此為限。該電流感測元件38亦可感測流過該功率開關SW_B 或該電感L₁ 的電流以產生該感測電流信號I_SEN ，如圖4所示。

參照圖3，該控制電路36包含一誤差放大器362、一比較器364以及一PWM邏輯控制電路366。該誤差放大器362具有接收一參考電壓V_REF 的一正相輸入端、接收關聯於該輸出電壓V_OUT 的一回授電壓V_FB 之一反相輸入端及提供一誤差放大電壓V_EA 的一輸出端。該比較器364具有接收一週期性信號V_SAW 的一正相輸入端、接收該誤差放大電壓V_EA 的一反相輸入端及提供一脈波信號PLSE的一輸出端。該週期性信號為具有一固定週期的信號，例如一鋸齒波信號或一三角波信號。該PWM邏輯控制電路366用以提供控制開關SW_A 和SW_B 的兩驅動信號D_A 和D_B ，使得開關SW_A 和SW_B 能被交替地導通及關閉。

參照圖3，該控制電路36另包含一脈波省略控制電路368。該脈波省略控制電路368用以接收該誤差放大電壓V_EA 、該感測電流信號I_SEN 、一預設電壓V_SET 和一預設電流I_SET 以產生一脈波省略信號PS。當該脈波省略信號PS不致能時，該電壓轉換器30運作於一脈波寬度調變模式。當該脈波省略信號PS致能時，該電壓轉換器30會從該脈波寬度調變模式進入一脈波省略模式。

圖5顯示結合本發明一實施例之脈波省略控制電路368的細部電路圖。參照圖5，該脈波省略控制電路368包含比較器3682和3684以及一組合邏輯電路3686。該比較器3682 具有接收該預設電壓V_SET 的一正相輸入端、接收該誤差放大電壓V_EA 的一反相輸入端以及提供一比較信號CP₁ 的輸出端。該比較器3684具有接收該預設電流I_SET 的一正相輸入端、接收該感測電流信號I_SEN 的一反相輸入端以及提供一比較信號CP₂ 的輸出端。該組合邏輯電路3686在接收該些比較信號CP₁ 和CP₂ 後，產生該脈波省略信號PS。

該電壓轉換器30的工作原理現配合圖3至圖5說明如下。參照圖3，該電壓轉換器30中的該分壓電路34係由兩串聯電阻R_A 和R_B 所組成，其用以偵測輸出電壓V_OUT 的變化。該分壓電路34根據串聯電阻R_A 和R_B 的阻值比例將輸出電壓V_OUT 進行分壓以獲得該回授電壓V_FB 。接著，根據該參考電壓V_REF 和該回授電壓V_FB 之間的電壓差值，該誤差放大器362產生相對應的輸出電壓V_EA 。該輸出電壓V_EA 一般而言會受到輸入電壓V_IN 、輸出電壓V_OUT 和負載電流I_LOAD 的影響而產生不同的電壓值。

在產生輸出電壓V_EA 後，該比較器364比較該輸出電壓V_EA 和該鋸齒波信號V_SAW 以產生該脈波信號PLSE。當該電壓轉換器30運作於脈波寬度調變模式時，該PWM邏輯控制電路366會根據該脈波信號PLSE產生兩驅動信號D_A 和D_B ，藉以控制功率開關SW_A 和SW_B 的導通時間。藉由開啟或關閉開關SW_A 和SW_B 來充電或放電電感L，使得輸出電壓V_OUT 具有穩定的電壓位準。

在本實施例中，當該開關SW_A 導通時會有一隨時間增加的電流流過該電流感測元件38。該電流感測元件38可感測流過該開關SW_A 的電流以產生該感測電流信號I_SEN 。當該 輸出電壓V_EA 小於該預設電壓V_SET 且該感測電流信號I_SEN 小於該預設電流I_SET 時，該脈波省略控制電路368會送出具有一高邏輯準位的脈波省略信號PS至該PWM邏輯控制電路366。在接收具有高邏輯準位的脈波省略信號PS後，該電壓轉換器30會進入脈波省略模式。此時該PWM邏輯控制電路366會發出具有低邏輯準位的驅動信號D_A 和具有高邏輯準位的驅動信號D_B ，以降低開關SW_A 和SW_B 的切換頻率。在本發明另一實施例中，當該電壓轉換器30進入脈波省略模式時，該PWM邏輯控制電路366會省略該脈波信號PLSE的部份脈波，以降低開關SW_A 和SW_B 的切換頻率。

當該負載電流I_LOAD 增加時，操作在脈波省略模式的該電壓轉換器30的輸出電壓V_OUT 會下降，使得該誤差放大器362的輸出電壓V_EA 會上升。當該輸出電壓V_EA 大於該預設電壓V_SET 時，該脈波省略控制電路366會送出具有一低邏輯準位的脈波省略信號PS至該PWM邏輯控制電路366，使得該電壓轉換器30進入脈波寬度調變模式。此時該控制電路366會根據該脈波信號PLSE產生驅動信號D_A 和D_B ，藉以交替地導通及關閉開關SW_A 和SW_B ，使該輸出電壓V_OUT 回復額定的電壓位準。

另一方面，在該電壓轉換器30進入脈波省略模式時，當該感測電流信號I_SEN 大於該預設電流I_SET 時，該脈波省略控制電路366亦會送出具有一低邏輯準位的脈波省略信號PS至該控制電路366。在接收具有低邏輯準位的脈波省略信號PS後，該電壓轉換器30會進入脈波寬度調變模式。此時該控制電路366會根據該脈波信號PLSE產生驅動信號D_A 和 D_B ，藉以交替地導通及關閉開關SW_A 和SW_B ，使該輸出電壓V_OUT 回復額定的電壓位準。

在本發明一實施例中，該預設電流I_SET 的值係根據流過該電壓轉換器30的該電感L₁ 之平均電流而設定。由於該電壓轉換器30運作於不連續導通模式(Discontinuous Conduction Mode,DCM)和連續導通模式(Continuous Conduction Mode,CCM)的邊界點時，流過該電感L₁ 的平均電流會是峰值電流的一半，因此，在設定該預設電流I_SET 時是以該電壓轉換器30運作於DCM和CCM的邊界點時流過該電感L₁ 的平均電流而決定。舉例而言，當該電壓轉換器30運作於DCM和CCM的邊界點時流過該電感L₁ 的平均電流為100mA，則該預設電流I_SET 的值會設定為200mA。因此，當流過該電感L₁ 的峰值電流下降至200mA時，該比較器3684會觸動以輸出比較信號CP₂ ，代表該電壓轉換器30由CCM模式進入DCM模式。

在上述實施例中，係以降壓式電壓轉換器為例說明本發明的實施方式及其功效，然而本發明不應以此為限。舉例而言，昇壓式電壓轉換器和昇降壓式電壓轉換器由於具有相同或近似組態的控制電路，故本發明亦可施行於其上。

本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為隨後之申請專利範圍所涵蓋。

10‧‧‧降壓式電壓轉換器

12‧‧‧控制電路

122‧‧‧誤差放大器

124‧‧‧比較器

126‧‧‧PWM邏輯控制電路

14‧‧‧分壓電路

30‧‧‧電壓轉換器

32‧‧‧功率級電路

34‧‧‧分壓電路

36‧‧‧控制電路

362‧‧‧誤差放大器

364‧‧‧比較器

366‧‧‧PWM邏輯控制電路

368‧‧‧脈波省略控制電路

3682‧‧‧比較器

3684‧‧‧比較器

3686‧‧‧組合邏輯電路

38‧‧‧電流感測元件

C_OUT ‧‧‧輸出電容

I_LOAD ‧‧‧負載電流

L,L₁ ‧‧‧電感

R₁ ,R₂ ,R_A ,R_B ‧‧‧電阻

SW₁ ,SW₂ ,SW_A ,SW_B ‧‧‧開關

圖1繪示一典型的降壓式電壓轉換器的架構示意圖；圖2繪示該降壓式電壓轉換器進入脈波省略模式時的波形圖；圖3顯示結合本發明一實施例之一電壓轉換器的架構示意圖；圖4顯示該電流感測元件的不同設置方式；以及圖5顯示結合本發明一實施例之脈波省略控制電路的細部電路圖。

30‧‧‧電壓轉換器

32‧‧‧功率級電路

34‧‧‧分壓電路

36‧‧‧控制電路

362‧‧‧誤差放大器

364‧‧‧比較器

366‧‧‧PWM邏輯控制電路

368‧‧‧脈波省略控制電路

38‧‧‧電流感測元件

C_OUT ‧‧‧輸出電容

I_LOAD ‧‧‧負載電流

L₁ ‧‧‧電感

R_A ,R_B ‧‧‧電阻

SW_A ,SW_B ‧‧‧開關

Claims (7)

1. 一種運作於一脈波寬度調變模式或一脈波省略模式下的電壓轉換器，該電壓轉換器包含：一輸入端，用以接收一直流輸入電壓；一輸出端，用以提供一調節過的直流輸出電壓；一功率級電路，耦接於該輸入端和該輸出端之間，該功率級電路包含至少一功率開關和一電感；一誤差放大器，具有接收一參考電壓的一第一輸入端、接收關聯於該直流輸出電壓的一回授電壓之一第二輸入端及提供一誤差放大電壓的一輸出端；一比較器，具有接收該誤差放大電壓的一第一輸入端、接收一週期性信號的一第二輸入端及提供一脈波信號的一輸出端；一電流感測元件，用以感測流過該功率級電路的一電流以產生一感測電流信號；一脈波省略控制電路，用以接收該誤差放大電壓、該感測電流信號、一預設電壓和一預設電流以產生一脈波省略信號；以及一脈波寬度調變邏輯控制電路，用以根據該脈波信號和該脈波省略信號以控制該至少一功率開關；其中，該至少一功率開關在該脈波寬度調變模式下係根據該脈波信號而動作，而在該脈波省略模式下係根據該脈波省略信號而動作，和其中，當該誤差放大電壓小於該預設電壓且該感測電流信號小於該預設電流時，該電壓轉換器由該脈波寬度調 變模式進入該脈波省略模式。
2. 根據請求項1之電壓轉換器，其中該脈波省略邏輯控制電路包含：一第一比較器，具有接收該誤差放大電壓的一第一輸入端、接收該預設電壓的一第二輸入端及提供一第一比較信號的一輸出端；一第二比較器，具有接收該感測電流信號的一第一輸入端、接收該預設電流的一第二輸入端及提供一第二比較信號的一輸出端；以及一組合邏輯電路，用以接收該第一比較信號和該第二比較信號以產生該脈波省略信號。
3. 根據請求項1之電壓轉換器，其中當該誤差放大電壓大於該預設電壓或該感測電流信號大於該預設電流時，該電壓轉換器由該脈波省略模式進入該脈波寬度調變模式。
4. 根據請求項1或3之電壓轉換器，其中該預設電流係根據流過該功率級電路的該電感之平均電流而設定。
5. 一種切換一電壓轉換器之運作模式的方法，該電壓轉換器係用以接收一直流輸入電壓以調節產生一直流輸出電壓，該電壓轉換器係運作於一脈波寬度調變模式或一脈波省略模式，所述方法包含：根據關聯於該直流輸出電壓的一回授電壓和一參考電壓以產生一誤差放大電壓；比較該誤差放大電壓和一週期性信號以產生一脈波信號；比較該誤差放大電壓和一預設電壓以產生一第一比較 信號；感測流過該電壓轉換器的一電感之一電流以產生一感測電流信號；比較該感測電流信號和一預設電流以產生一第二比較信號；以及根據該第一比較信號和該第二比較信號控制該電壓轉換器運作於該脈波寬度調變模式或該脈波省略模式；其中，當該誤差放大電壓小於該預設電壓且該感測電流信號小於該預設電流時，該電壓轉換器由該脈波寬度調變模式進入該脈波省略模式。
6. 根據請求項5之方法，其中當該誤差放大電壓大於該預設電壓或該感測電流信號大於該預設電流時，該電壓轉換器由該脈波省略模式進入該脈波寬度調變模式。
7. 根據請求項5或6之方法，其中該預設電流係根據流過該電壓轉換器的該電感之平均電流而設定。