TWI484737B - 用以控制切換式電壓調整器的控制電路 - Google Patents

用以控制切換式電壓調整器的控制電路 Download PDF

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Description

用以控制切換式電壓調整器的控制電路
本發明有關切換式電壓調整器，尤指一種用以控制切換式電壓調整器的控制電路。
電壓調整器(voltage regulator)是電子裝置中常會使用到的元件。一般的電源供應器(power supply)常會透過電壓調整器將輸入電壓轉換成穩定的輸出電壓，以供後端的負載電路使用。
常見的電壓調整器大致可分為線性電壓調整器(linear voltage regulator)與切換式電壓調整器(switching voltage regulator)兩種。相較於線性電壓調整器，雖然切換式電壓調整器的運作較為複雜，但它可以達成較好的能源利用率，且它不需使用大體積的散熱器。故理論上而言，對於使用電池供電的電子裝置而言，切換式電壓調整器應是比線性電壓調整器更佳的設計選擇。
一般而言，良好的切換式電壓調整器須具備穩定的輸出電壓漣波(ripple)，換句話說，即使切換式電壓調整器的輸入電壓及/或輸出電壓有變化時，輸出電壓的振幅仍應大致保持固定。然而，在一些習知的設計方式下，切換式電壓調整器中電感的電流漣波 的振幅將會是輸入電壓及/或輸出電壓的函數，故在切換式電壓調整器的輸入電壓及/或輸出電壓有變化時，輸出電壓的振幅也會因而變化，此種情形可能會不利於切換式電壓調整器後端的負載電路的運作。
有鑑於此，如何增進切換式電壓調整器的輸出電壓漣波的穩定度，實為業界有待解決的問題。
本說明書提供了一種用以控制切換式電壓調整器的控制電路的實施例，包含有：充電單元、放電單元、及比較器。充電單元耦接於電容、用來產生與切換式電壓調整器的輸入電壓及輸出電壓相關的充電電流以充電電容。放電單元耦接於電容，用來放電電容。比較器耦接於電容及切換式電壓調整器，用來比較參考電壓與電容的電壓，並據以控制切換式電壓調整器。
本說明書還提供了一種用以控制切換式電壓調整器的控制電路的實施例，包含有：電流產生電路、充電單元、放電單元、及比較器。電流產生電路依據切換式電壓調整器的輸入電壓及輸出電壓產生基準電流。充電單元耦接於電流產生電路及電容、用來依據基準電流產生充電電流以充電電容。放電單元耦接於電容，用來放電電容。比較器耦接於電容及切換式電壓調整器、用來比較參考電壓與電容的電壓，並據以控制切換式電壓調整器。
本說明書另提供了一種用以控制切換式電壓調整器的控制電路的實施例，包含有：充電單元、放電單元、及控制單元。充電單元耦接於電容，用來產生與切換式電壓調整器的輸入電壓及輸出電 壓相關的充電電流以充電電容。放電單元耦接於電容，用來產生與輸出電壓相關的放電電流以放電電容。控制單元耦接於充電單元、放電單元、電容、以及切換式電壓調整器，用來依據電容的電壓來控制充電單元、放電單元、及切換式電壓調整器。
若將上述實施例搭配切換式電壓調整器使用，則切換式電壓調整器會有較穩定的電感電流漣波及輸出電壓漣波，而更有利於切換式電壓調整器後端的負載電路的運作。
80、400‧‧‧控制電路
90、272‧‧‧反向器
100‧‧‧切換式電壓調整器
210、220、230、290、420、440‧‧‧電流產生器
292‧‧‧運算放大器
240‧‧‧電壓產生器
250、260、320、460‧‧‧充放電電路
270‧‧‧取樣保持電路
280、362、364、380、492、494‧‧‧比較器
330、470‧‧‧充電單元
350、480‧‧‧放電單元
360、490‧‧‧控制單元
366、496‧‧‧SR閂鎖器
C10、C25、C26、C27、C32、C46‧‧‧電容
IS25、IS26、IS33、IS47、I48‧‧‧電流源
L10‧‧‧電感
R21、R22、R29、R42、R44‧‧‧電阻
S10、S11、S25、S26、S27、S33、S35、S47、S48‧‧‧開關
圖1為一切換式電壓調整器的電路圖。
圖2及圖3為本發明的控制電路的第一實施例電路圖。
圖4為本發明的控制電路的第二實施例電路圖。
以下將配合相關圖式來說明本發明的實施例。在這些圖式中，相同的標號表示相同或類似的元件。
在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，同樣的元件可能會用不同的名詞來稱呼。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的基準。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於…」。另外，「耦接」一詞在此包含任何直接及間接的連接手段。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(包含透過電性連接或無線傳輸、光學傳輸等訊號連接 方式)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或訊號連接至該第二裝置。
圖1為一切換式電壓調整器的電路圖。切換式電壓調整器100包含有電感L10、電容C10、及開關S10及S11。藉由重複切換開關S10及S11，切換式電壓調整器100可將輸入電壓VIN轉換為輸出電壓VOUT，並將輸出電壓VOUT提供給後端的負載電路使用。
控制電路80負責產生用以切換開關S10的控制訊號CS。由於開關S11所使用的控制訊號CSB實質上反向於控制訊號CS，故圖1所示的系統架構另包含有反向器90，用來依據訊號CS產生訊號CSB。
圖2及圖3為本發明的控制電路的第一實施例電路圖。本實施例的控制電路包含有電流產生電路(由圖2的電流產生器210及220、及橫跨圖2及圖3的電流產生器230所組成)、及圖3的充放電電路320、控制單元360、及比較器380。此控制電路用來產生控制訊號CS以控制一切換式電壓調整器使用輸入電壓VIN來產生輸出電壓VOUT。為方便說明，以下以圖1的切換式電壓調整器100作為受控制的切換式電壓調整器的例子。
如前所述，電流產生電路包含圖2的電流產生器210及220、及橫跨圖2及圖3的電流產生器230。電流產生電路可接收輸入電壓VIN及輸出電壓VOUT，並依據此二電壓來產生基準電流I29。而電流產生電路可使得基準電流I29實質上正比於輸出電壓VOUT、實質上正比於輸入及輸出電壓的差(VIN-VOUT)、並實質上反比於輸入電壓VIN。
電流產生器210包含有電阻R21，用來產生實質上正比於輸入電壓 VIN的基準電流I21。電流產生器220包含有電阻R22，用來產生實質上正比於輸入及輸出電壓的差(VIN-VOUT)的基準電流I22。電流產生器230耦接於電流產生器210及電流產生器220，用來依據基準電流I21及I22、及輸出電壓VOUT產生前述的基準電流I29，而電流產生器230可使得基準電流I29實質上正比於輸出電壓VOUT、實質上正比於基準電流I22、並實質上反比於基準電流I21。
電流產生器230包含有圖2的電壓產生器240及圖3的電流產生器290，此二者透過同時繪示在圖2及圖3中的節點N29相互耦接。電壓產生器240耦接於電流產生器210及電流產生器220，用來依據基準電流I21、基準電流I22、及輸出電壓VOUT產生基準電壓VC27，而電壓產生器240可使得基準電壓VC27實質上正比於輸出電壓VOUT、實質上正比於基準電流I22、並實質上反比於基準電流I21。電流產生器290包含有運算放大器292及電阻R29，用來產生實質上正比於基準電壓VC27的基準電流I29。
電壓產生器240包含有充放電電路250及260、電容C25及C26、取樣保持電路270、及比較器280。充放電電路250耦接於電流產生器210及電容C25，此單元包含有電流源IS25及開關S25。電流源IS25用來依據基準電流I21產生充電電流I25以充電電容C25，舉例來說，電流源IS25可透過電流鏡(current mirror)的架構複製基準電流I21以產生充電電流I25(電流放大倍率可為1或其他倍率)。當電容C25的電壓低於輸出電壓VOUT時，比較器280會關閉開關S25，此時電流源IS25產生充電電流I25以充電電容C25；當電容C25受充電升壓達輸出電壓VOUT或更高後，比較器280會開啟開關S25開關S25以短路並放電電容C25。
充放電電路260耦接於電流產生器220及電容C26，此單元包含有電流源IS26及開關S26。電流源IS26用來依據基準電流I22產生充電電流I26以充電電容C26，舉例來說，電流源IS26可透過電流鏡的架構複製基準電流I22以產生充電電流I26(電流放大倍率可為1或其他倍率)。充放電電路260實質上同步於充放電電路250進行運作，當電容C25的電壓低於輸出電壓VOUT時，比較器280會關閉開關S26，此時電流源IS26產生充電電流I26以充電電容C26；當電容C25受充電升壓達輸出電壓VOUT或更高後，比較器280會開啟開關S26以短路並放電電容C26。
取樣保持電路270耦接於電容C26並包含有開關S27、電容C27、及反向器272。取樣保持電路270可取樣並保持電容C26放電前瞬間的電壓以產生基準電壓VC27，並透過節點N29將基準電壓VC27提供給圖3的電流產生器290。圖2的比較器280耦接於充放電電路250及260、取樣保持電路270、及電容C25，比較器280可比較電容C25的電壓與輸出電壓VOUT以據以控制開關S25、S26、及S27。
請參閱圖3。充放電電路320耦接於電流產生器230及電容C32，其包含充電單元330及放電單元350。充電單元330由開關S33及電流源IS33所構成，電流源IS33用來依據基準電流I29產生充電電流I33以充電電容C32，舉例來說，電流源IS33可透過電流鏡的架構複製基準電流I29以產生充電電流I33(電流放大倍率可為1或其他倍率)。放電單元350由開關S35構成，用來瞬間放電電容C32。
控制單元360包含有比較器362及364、及SR閂鎖器(SR latch)366，用來依據電容C32的電壓VC32來控制開關S33及S35。當電容C32受放電以至於電容電壓VC32下降至參考電壓V2或更低後，SR閂鎖 器366會開啟開關S33並關閉開關S35，此時，電流源IS33將產生充電電流I33以充電電容C32。當電容C32受充電以至於電容電壓VC32上升至參考電壓V1或更高後，SR閂鎖器366會關閉開關S33並開啟開關S35，此時開關S35會將電容電壓VC32瞬間放電至參考電壓V2或更低。理想上而言，電壓VC32將會以鋸齒波形式振盪於參考電壓V1與V2之間，當電容C32受充電時，電容電壓VC32上升的斜率會實質上正比於輸出電壓VOUT、實質上正比於輸入及輸出電壓的差(VIN-VOUT)、並實質上反比於輸入電壓VIN；當電容C32受放電時，電容電壓VC32會瞬間自參考電壓V1下降至參考電壓V2。
比較器380可比較電容電壓VC32與參考電壓VCOM以產生用以控制切換式電壓調整器的控制訊號CS。由於充放電電路320特殊的充放電行為，若使用圖3的控制訊號CS來控制一切換式電壓調整器(例如圖1的切換式電壓調整器100)，則切換式電壓調整器中電感(例如圖1的電感L10)的電感電流對時間的微分應不為輸入電壓VIN及輸出電壓VOUT的函數。如此一來，電感L10的電流漣波及輸出電壓VOUT的電壓漣波皆會有較穩定的漣波振幅。此一特點將更有利於切換式電壓調整器100後端的負載電路的運作。
圖4為本發明的控制電路的第二實施例電路圖。此控制電路400用來產生控制訊號CS及CSB以控制一切換式電壓調整器。為方便說明，以下以圖1的切換式電壓調整器100作為受控制的切換式電壓調整器的例子。而由於本實施例的控制電路400同時會產生訊號CS及它的反向訊號CSB，若使用圖4的控制電路400來控制圖1的切換式電壓調整器100，則可直接將圖4所示的訊號CS及訊號CSB分別耦接至圖1的開關S10及開關S11的控制端、並省略圖1的反向器 90。
控制電路400包含電流產生器420及440、充放電電路460、及控制單元490。電流產生器420包含有電阻R42，用來產生實質上正比於輸入及輸出電壓的差(VIN-VOUT)的基準電流I42。電流產生器440包含有電阻R44，用來產生實質上正比於輸出電壓VOUT的基準電流I44。
充放電電路460耦接於電流產生器420及440及電容C46，用來充放電電容C46。充放電電路460包含充電單元470及放電單元480。充電單元470由開關S47及電流源IS47所構成，電流源IS47用來依據基準電流I42產生充電電流I47以充電電容C46，舉例來說，電流源IS47可透過電流鏡的架構複製基準電流I42以產生充電電流I47(電流放大倍率可為1或其他倍率)。放電單元480由開關S48及電流源IS48所構成，電流源IS48用來依據基準電流I44產生放電電流I48以放電電容C46，舉例來說，電流源IS48可透過電流鏡的架構複製基準電流I44以產生放電電流I48。而電流源IS47及IS48的電流放大倍率的比值實質上等於電阻R42及電阻R44的電阻值的比值。舉例來說，若R42為R44的三倍，則電流源IS47的電流放大倍率應為電流源IS48的電流放大倍率的三倍。
控制單元490包含有比較器492及494、及SR閂鎖器496，用來依據電容C46的電壓VC46來產生控制訊號CS及CSB，以切換開關S47及S48及控制電路400後端的切換式電壓調整器。當電容C46受放電以至於電容電壓VC46下降至參考電壓V2或更低後，SR閂鎖器496會開啟開關S47並關閉開關S48，此時，電流源IS47將產生充電電流I47以充電電容C46。當電容C46受充電以至於電容電壓VC46上 升至參考電壓V1或更高後，SR閂鎖器496會關閉開關S47並開啟開關S48，此時電流源IS48將產生放電電流I48以放電電容C46。理想上而言，電壓VC46將會以鋸齒波形式振盪於參考電壓V1與V2之間，當電容C46受充電時，電容電壓VC46的上升斜率會實質上正比於輸入及輸出電壓的差(VIN-VOUT)；當電容C46受放電時，電容電壓VC46的下降斜率(不考慮負號)會實質上正比於輸出電壓VOUT。
由於充放電電路460特殊的充放電行為，若使用圖4的控制訊號CS及CSB來控制一切換式電壓調整器(例如圖1的切換式電壓調整器100)，則切換式電壓調整器中電感(例如圖1的電感L10)的電感電流對時間的微分應不為輸入電壓VIN及輸出電壓VOUT的函數。如此一來，電感L10的電流漣波及輸出電壓VOUT的電壓漣波皆會有較穩定的漣波振幅。此一特點將更有利於切換式電壓調整器100後端的負載電路的運作。
除了前述的特點以外，相較於某些習知的控制電路，本發明各實施例的控制電路可以讓切換式電壓調整器保有良好的負載暫態響應(load transient response)。此外，相較於某些習知的控制電路，本發明各實施例的控制電路可以讓切換式電壓調整器有更好的雜訊抗擾性(noise immunity)，而良好的雜訊抗擾性將可降低切換式電壓調整器的輸出電壓不理想的顫動(jitter)。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。
150‧‧‧控制電路
400‧‧‧控制電路
420、440‧‧‧電流產生器
460‧‧‧充放電電路
470‧‧‧充電單元
480‧‧‧放電單元
490‧‧‧控制單元
492、494‧‧‧比較器
496‧‧‧SR閂鎖器
C46‧‧‧電容
IS47、IS48‧‧‧電流源
R42、R44‧‧‧電阻
S47、S48‧‧‧開關

Claims (11)

  1. 一種用以控制一切換式電壓調整器的控制電路，包含有：一充電單元，用以產生與該切換式電壓調整器的輸入電壓及輸出電壓相關的一充電電流以充電一電容；一放電單元，用以放電該電容；以及一比較器，用以比較一參考電壓與該電容的電壓，並據以控制該切換式電壓調整器；其中該充電電流實質上正比於該輸出電壓、實質上正比於該輸入電壓與該輸出電壓的差、且實質上反比於該輸入電壓。
  2. 一種用以控制一切換式電壓調整器的控制電路，包含有：一充電單元，用以產生與該切換式電壓調整器的輸入電壓及輸出電壓相關的一充電電流以充電一電容；一放電單元，用以放電該電容；一比較器，用以比較一參考電壓與該電容的電壓，並據以控制該切換式電壓調整器；以及一電流產生電路，耦接於該充電單元，用以產生實質上正比於該輸出電壓、實質上正比於該輸入電壓與該輸出電壓的差、且實質上反比於該輸入電壓的一基準電流；其中該充電單元會依據該基準電流來產生該充電電流。
  3. 如請求項2所述的控制電路，其中該電流產生電路包含有：一第一電流產生器，用以產生實質上正比於該輸入電壓的一第一基準電流； 一第二電流產生器，用以產生實質上正比於該輸入電壓與該輸出電壓的差的一第二基準電流；以及一第三電流產生器，耦接於該第一電流產生器及該第二電流產生器，用以產生實質上正比於該輸出電壓、實質上正比於該第二基準電流，且實質上反比於該第一基準電流的該基準電流。
  4. 如請求項3所述的控制電路，其中該第三電流產生器包含有：一電壓產生器，耦接於該第一電流產生器及該第二電流產生器，用以產生實質上正比於該輸出電壓、實質上正比於該第二基準電流，且實質上反比於該第一基準電流的一基準電壓；以及一第四電流產生器，耦接於該電壓產生器，用以產生實質上正比於該基準電壓的該基準電流。
  5. 如請求項4所述的控制電路，其中該電壓產生器包含有：一第一充放電電路，耦接於該第一電流產生器，用以於一第一電容的電壓低於該輸出電壓時，依據該第一基準電流產生一第一充電電流以充電該第一電容，以及於該第一電容的電壓升達該輸出電壓後，放電該第一電容；一第二充放電電路，耦接於該第二電流產生器，用以於該第一電容的電壓低於該輸出電壓時，依據該第二基準電流產生一第二充電電流以充電一第二電容，以及於該第一電容的電壓升達該輸出電壓後，放電該第二電容；以及一取樣保持電路，用以取樣保持該第二電容放電前的電壓以產生該基準電壓。
  6. 一種用以控制一切換式電壓調整器的控制電路，包含有：一電流產生電路，用以依據該切換式電壓調整器的輸入電壓及輸出電壓產生一基準電流； 一充電單元，用以依據該基準電流產生一充電電流以充電一電容；一放電單元，用以放電該電容；以及一比較器，用以比較一參考電壓與該電容的電壓，並據以控制該切換式電壓調整器；其中該基準電流實質上正比於該輸出電壓、實質上正比於該輸入電壓與該輸出電壓的差、且實質上反比於該輸入電壓。
  7. 一種用以控制一切換式電壓調整器的控制電路，包含有：一電流產生電路，用以依據該切換式電壓調整器的輸入電壓及輸出電壓產生一基準電流；一充電單元，用以依據該基準電流產生一充電電流以充電一電容；一放電單元，用以放電該電容；以及一比較器，用以比較一參考電壓與該電容的電壓，並據以控制該切換式電壓調整器；其中該電流產生電路包含有：一第一電流產生器，用以產生實質上正比於該輸入電壓的一第一基準電流；一第二電流產生器，用以產生實質上正比於該輸入電壓與該輸出電壓的差的一第二基準電流；以及一第三電流產生器，耦接於該第一電流產生器及該第二電流產生器，用以產生實質上正比於該輸出電壓、實質上正比於該第二基準電流，且實質上反比於該第一基準電流的該基準電流。
  8. 如請求項7所述的控制電路，其中該第三電流產生器包含有：一電壓產生器，耦接於該第一電流產生器及該第二電流產生器， 用以產生實質上正比於該輸出電壓、實質上正比於該第二基準電流，且實質上反比於該第一基準電流的一基準電壓；以及一第四電流產生器，耦接於該電壓產生器，用以產生實質上正比於該基準電壓的該基準電流。
  9. 如請求項8所述的控制電路，其中該電壓產生器包含有：一第一充放電電路，耦接於該第一電流產生器，用以於一第一電容的電壓低於該輸出電壓時，依據該第一基準電流產生一第一充電電流以充電該第一電容，並於該第一電容的電壓升達該輸出電壓後放電該第一電容；一第二充放電電路，耦接於該第二電流產生器，用以於該第一電容的電壓低於該輸出電壓時，依據該第二基準電流產生一第二充電電流以充電一第二電容，並於該第一電容的電壓升達該輸出電壓後放電該第二電容；以及一取樣保持電路，用以取樣且保持該第二電容放電前的電壓以產生該基準電壓。
  10. 一種用以控制一切換式電壓調整器的控制電路，包含有：一充電單元，用以產生與該切換式電壓調整器的輸入電壓及輸出電壓相關的一充電電流以充電一電容；一放電單元，用以產生與該輸出電壓相關的一放電電流以放電該電容；以及一控制單元，用以依據該電容的電壓來控制該充電單元、該放電單元、及該切換式電壓調整器；其中該充電電流實質上正比於該輸入電壓與該輸出電壓的差，且該放電電流實質上正比於該輸出電壓。
  11. 一種用以控制一切換式電壓調整器的控制電路，包含有： 一充電單元，用以產生與該切換式電壓調整器的輸入電壓及輸出電壓相關的一充電電流以充電一電容；一放電單元，用以產生與該輸出電壓相關的一放電電流以放電該電容；一控制單元，用以依據該電容的電壓來控制該充電單元、該放電單元、及該切換式電壓調整器；一第一電流產生器，耦接於該充電單元，用以產生實質上正比於該輸入電壓與該輸出電壓的差的一第一基準電流；以及一第二電流產生器，耦接於該放電單元，用以產生實質上正比於該輸出電壓的一第二基準電流；其中該充電單元會依據該第一基準電流來產生該充電電流，而該放電單元會依據該第二基準電流來產生該放電電流。
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