TWI495234B - 可定電流輸出的切換式電源轉換電路、其電源轉換方法及具有可定電流輸出的切換式電源轉換電路之積體電路的製造方法 - Google Patents

Description

可定電流輸出的切換式電源轉換電路、其電源轉換方法及具有可定電流輸出的切換式電源轉換電路之積體電路的製造方法

本發明是關於一種切換式電源轉換器，特別是關於採用脈衝寬度調變方式、具有輸出電流監測電路、能夠根據所監測到的輸出電流量調整輸出脈衝寬度而達到穩定輸出預先設定的電流量的可定電流輸出的切換式電源轉換電路、其電源轉換方法及具有該電路之積體電路的製造方法。

第1圖是一種降壓型定電流輸出之切換式電源轉換器的電路示意圖。

參照第1圖，切換式電源轉換器10包括一高位電晶體開關M_H 、一低位電晶體開關M_L 、一控制器12、一電感14、一電容16、及一電流感測電阻18。

控制器903連接高位電晶體開關M_H 的閘極與低位電晶體開關M_L 的閘極，並且控制高位電晶體開關M_H 和低位電晶體開關M_L 的開關時序。高位電晶體開關M_H 的正極連接電源輸入PIN，而高位電晶體開關M_H 的負極連接低位電晶體開關M_L 的正極。連接低位電晶體開關M_L 的負極則連接至電源負極PGND。電感14的第一端連接高位電晶體開關M_H 的負極與低位電晶體開關M_L 的正極相連接之處，而電感14的第二端連接電流感測電阻18的第一端。電流感測電阻18的第二端則連接至電容16的正極和負載20的正極。電容16的負極和負載20的負極則連接到電源負極PGND。

其中，當電晶體開關(即，高位電晶體開關M_H 或低位電晶體 開關M_L )是使用PMOS時，正極為源極且負極為汲極。而當電晶體開關是使用NMOS時，正極為汲極且負極為源極。

在電流監測上，根據電流等於電壓除以電阻的公式，利用量測到的電流感測電阻18兩端的電位差V_R 以及已知的電流感測電阻18的電阻值來得出輸出電流量信號。再將輸出電流量信號回饋到脈衝寬度調變電路來調整輸出脈衝寬度，進而調節輸出電流I_L 的量。

然而，在切換式電源轉換器10上，由於全部輸出電流I_L 都流過電流感測電阻18，因此其消耗的能量非常大。再者，為了儘量減低電流感測電阻18的能耗，電流感測電阻18必須儘量採用低阻值的電阻元件。但阻值愈低其製造誤差精度愈難掌握，因此誤差值合格堪用的電阻元件成本相對較高。

第2圖是另一種降壓型定電流輸出之切換式電源轉換器的電路示意圖。

參照第2圖，此切換式電源轉換器10’與上述之切換式電源轉換器10的差異在於切換式電源轉換器10’省略電流感測電阻18。於此，在電流監測上，是利用電感14本身帶有一等效直流電阻的性質。

在切換式電源轉換器10’中，由濾波電阻Rf和濾波電容Cf串接成的一濾波線路19跨接在電感14兩端，藉以由此濾波線路19監測電感14兩端的電位差V_L 。根據電流等於電壓除以電阻的公式，利用量測到的電感14兩端的電位差V_L 以及已知的電感14的直流電阻值來得出輸出電流量信號。再將輸出電流量信號回饋到 脈衝寬度調變電路來調整輸出脈衝寬度，進而調節輸出電流I_L 的量。

然而，在切換式電源轉換器10’上，實用的電感14其直流電阻值相當低，並且相同規格之電感器之間的直流電阻值的差異經常高於百分之二十，導致實際安裝相同規格的電感器的每個切換式電源轉換器的成品，其分別感測到的理論輸出電流量與實際輸出電流量誤差過大。

在一實施例中，一種可定電流輸出的切換式電源轉換電路包括：一電源輸入接點、一電源輸出接點、一電源轉換電路、一電流感測電路、一採樣/保持電路、一信號產生電路、一電流誤差放大器以及一比較器。

電源轉換電路電性連接在電源輸入接點和電源輸出接點之間，並且此電源轉換電路包括一第一高位電晶體開關和一低位電晶體開關。第一高位電晶體開關和低位電晶體開關是根據一脈衝寬度調變信號而交替導通。電流感測電路用以產生對應通過第一高位電晶體開關的電流之一電流感測電壓信號。

於此，採樣/保持電路的採樣期間與第一高位電晶體開關的導通期間大致同步。在採樣期間，採樣/保持電路根據電流感測電壓信號輸出一電流監測信號。在保持期間，採樣/保持電路則輸出保持在高位準的電流監測信號。

電流誤差放大器根據電流監測信號和信號產生電路所產生之電流基準電壓信號輸出一電流誤差信號。於電源輸出接點輸出一 定電流時，比較器根據一鋸齒波信號與電流誤差信號輸出脈衝寬度調變信號。

在一些實施例中，可定電流輸出的切換式電源轉換電路可封裝成一積體電路。

在另一實施例中，一種積體電路的製造方法包括：在一積體電路上設置一電源輸入端子及一電源輸出端子；在此積體電路中設置電性連接在電源輸入端子和電源輸出端子之間的一電源轉換電路，其中電源轉換電路包括根據一脈衝寬度調變信號而交替導通的一高位電晶體開關和一低位電晶體開關；在此積體電路中設置一電流感測電路，以於高位電晶體開關導通時感測流過高位電晶體開關的電流並輸出一電流感測電壓信號；在此積體電路中設置一採樣/保持電路，以採樣電流感測電壓信號而輸出一電流監測信號並且在高位電晶體開關不導通時保持電流感測電壓信號；在此積體電路中設置一信號產生電路，以產生一電流基準電壓信號；在此積體電路中設置一電流誤差放大器，以根據電流監測信號和電流基準電壓信號輸出一電流誤差信號；以及在此積體電路中設置一比較器，以於電源輸出接點輸出一定電流時根據一鋸齒波信號與電流誤差信號輸出脈衝寬度調變信號。

在又一實施例中，一種可定電流輸出的切換式電源轉換方法包括：根據一脈衝寬度調變信號而交替導通一第一高位電晶體開關和一低位電晶體開關；感測通過第一高位電晶體開關的電流，以產生對應通過第一高位電晶體開關的電流之一電流感測電壓信號；在第一高位電晶體開關的導通期間利用一採樣/保持開關採樣 電流感測電壓信號，以根據電流感測電壓信號輸出一電流監測信號；在第一高位電晶體開關不導通期間利用採樣/保持開關保持電流感測電壓信號，以輸出保持在高位準的電流監測信號；根據電流監測信號和一電流基準電壓信號輸出一電流誤差信號；以及於電源輸出接點輸出一定電流時，根據一鋸齒波信號與電流誤差信號輸出脈衝寬度調變信號。

其中，第一高位電晶體開關是設置在一電源輸入接點和一電源輸出接點之間的一第一電流路徑上，以及低位電晶體開關是設置在電源輸入接點和一電源負極接點之間或電源輸出接點和電源負極接點之間的一第二電流路徑上。

綜上，在根據本發明之可定電流輸出的切換式電源轉換電路、其電源轉換方法及具有該電路之積體電路的製造方法中，在電流輸出路徑(即，電源轉換電路)之外，另設置了一條與電流輸出路徑平行之電流分流路徑(特別是與高位電晶體開關或高位電晶體開關平行的主動式分流電路)。電流分流路徑所流過電流與電流輸出路徑中之高位電晶體開關所流過電流相較甚小且兩者成比例。在一些實施例中，電流誤差放大器的第二輸入端連接一可由使用者設定其電壓值的電壓源(即，信號產生電路)。

在工作原理上，強制流過主動式分流電路的電流為流過電流輸出路徑中之高位電晶體開關的電流的一固定分數(即，n分之一)，因此可透過監測流過主動式分流電路的電流的量來計算出流過高位電晶體開關的輸出電流的量。並且，在同一脈衝周期中，上半周期流過高位電晶體開關的電流的平均值與下半周期流過低 位電晶體開關的電流的平均值兩者大致相等。因此，可透過監測當高位電晶體開關導通時流過主動式分流線路的電流的平均值得到整個電路(或積體電路)的平均輸出電流量。再者，電流感測電壓信號通過採樣/保持電路濾波後，輸出的電流監測信號的漣波幅度縮小並且向原電位差的平均值趨近。由於電流誤差放大器所輸出的信號的電壓升降速率較所輸入的信號的電壓升降速率為低(即，放大器的頻寬較輸入信號頻率低)的限制，並且相對於第一輸入端所接收的高頻信號(電流監測信號)又相當於一低通濾波器，使得所輸入的電流監測信號不但漣波幅度再縮小並且有效避免了次諧波震蕩。

根據本發明之可定電流輸出的切換式電源轉換電路、其電源轉換方法及具有該電路之積體電路的製造方法可應用在例如電池的充電器或發光二極體的驅動器等需要對外部負載輸出一固定電流的場合。

以下述及之「第一」、「第二」等術語，其係用以區別所指之元件，除非有特別說明，此些用語非用以排序或限定所指元件之差異性，且亦非用以限制本發明之範圍。

第3圖是根據本發明第一實施例之可定電流輸出的切換式電源轉換電路的示意圖。

參照第3圖，可定電流輸出的切換式電源轉換電路包括一電源輸入接點111、一電源輸出接點112、一電源負極接點113、一電流設定接點114、一電壓回授接點115、一電源轉換電路120、 一電流感測電路130、一採樣/保持電路140、一電流誤差放大器150、一誤差信號選擇器152、一電壓誤差放大器154、一信號產生電路160、一比較器170及一控制器180。

電源轉換電路120包括多個電晶體開關，並且此些電晶體開關分別響應高位準信號和低位準信號而導通。為清楚說明，以下分別稱之高位電晶體開關和低位電晶體開關。

應當可理解的是，圖示中之電晶體開關(如，高位電晶體開關或低位電晶體開關)雖以採用金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor；MOSFET)為例，但此非本發明之限制，其也可以採用其他類似元件，例如：絕緣閘雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor；IGBT)。

其中，當電晶體開關是使用PMOS(p-channel MOSFET)時，正極為源極、負極為汲極、且控制極為閘極。而當電晶體開關是使用NMOS(n-channel MOSFET)時，正極為汲極、負極為源極、且控制極為閘極。

在此實施例中，電源轉換電路120是布局成一降壓型切換式電源轉換電路。換言之，可定電流輸出的切換式電源轉換電路為一降壓型切換式電源轉換器電路。於此，電源轉換電路120包括一高位電晶體開關122和一低位電晶體開關124。

高位電晶體開關122的正極連接至電源輸入接點111，且高位電晶體開關122的負極與低位電晶體開關124的正極共同連接至電源輸出接點112。低位電晶體開關124的負極連接至電源負極接點113。高位電晶體開關122的控制極連接到控制器180的高位準 信號輸出端，並且低位電晶體開關124的控制極則連接到控制器180的低位信號準輸出端。控制器180的輸入端連接到比較器170的輸出端。

外部之外部電感22的第一端連接到電源輸出接點112，並且外部電感22的第二端連接到外部之負載20的第一端和外部之輸出電容24的正極。負載20的第二端和輸出電容24的負極則連接到電源負極接點113。

控制器180接收比較器170所輸出的脈衝寬度調變信號，並根據脈衝寬度調變信號輸出信號以控制高位電晶體開關122和低位電晶體開關124交替地開與關。

當高位電晶體開關122導通(打開)時，低位電晶體開關124不導通(關閉)。此時，輸出電流I_L 依序流經電源輸入接點111、高位電晶體開關122、電源輸出接點112、外部電感22、輸出電容24(以由輸出電容24對其進行濾波)、及負載20，最後回到電源負極接點113。

當高位電晶體開關122不導通(關閉)時，低位電晶體開關124導通(打開)。此時，儲存在外部電感22中的磁能轉化為輸出電流I_L ，並且轉化出的輸出電流I_L 依序流經輸出電容24(以由輸出電容24對其進行濾波)、負載20、電源負極接點113、低位電晶體開關124、及電源輸出接點112，最後回到外部電感22。

在一些實施例中，電源轉換電路120、電流感測電路130、採樣/保持電路140、電流誤差放大器150、誤差信號選擇器152、電壓誤差放大器154、信號產生電路160、比較器170及控制器180 可封裝成一積體電路100。換言之，電源轉換電路120、電流感測電路130、採樣/保持電路140、電流誤差放大器150、誤差信號選擇器152、電壓誤差放大器154、信號產生電路160、比較器170及控制器180是設置在一積體電路的內部。此時，電源輸入接點111、電源輸出接點112、電源負極接點113、電流設定接點114、電壓回授接點115為積體電路100之對外端子。即，電源輸入接點111為積體電路100用以與外部線路耦接之電源輸入正極端子，並用以接收來自外部線路的電源輸入V_IN 。電源輸出接點112為積體電路100用以與外部線路耦接之電源輸入正極端子，並用以提供電源輸出V_OUT 給外部線路。電源負極接點113為積體電路100用以與外部線路耦接之電源負極端子，並用以耦接至外部線路的參考準位(例如：接地)。電流設定接點114為積體電路100用以與外部線路耦接之電流設定端子，並用以接收來自外部線路的設定電流Iset。電壓回授接點115為積體電路100用以與外部線路耦接之電壓回授端子，並用以接收來自外部線路的回授信號V_FB 。

前述之外部元件(如，負載20、外部電感22、輸出電容24、設定電阻26等)即是設置在積體電路100的外部，並透過連接積體電路100的對外端子而電性連接積體電路100的內部線路。

電流感測電路130包括主動式分流電路131和電流感測電阻135。主動式分流電路131包括一高位電晶體開關132以及由運算放大器OP1和電晶體M1所構成的一電位平衡電路134。為了方便說明，在下文中，將高位電晶體開關122稱之為第一高位電晶 體開關122、將高位電晶體開關132稱之為第二高位電晶體開關132、並且將電位平衡電路134稱之為第一電位平衡電路134。

第二高位電晶體開關132的正極和第一高位電晶體開關122的正極共同連接到電源輸入接點111。第二高位電晶體開關132的控制極和第一高位電晶體開關122的控制極共同連接到控制器180的高位準信號輸出端。第一高位電晶體開關122的負極和第二高位電晶體開關132的負極分別與運算放大器OP1的兩個輸入端連接，並且運算放大器OP1的輸出端則連接電晶體M1的控制極。第二高位電晶體開關132的負極另連接電晶體M1的正極。

由於運算放大器OP1的兩個輸入端的電位被強制相同，因而第一高位電晶體開關122的負極的電位和第二高位電晶體開關132的負極的電位也被強制相同。又由於第一高位電晶體開關122的正極和第二高位電晶體開關132的正極相連接，因此第一高位電晶體開關122的正極的電位和第二高位電晶體開關132的正極的電位也相同。

於此，第二高位電晶體開關132的材料和製造工藝均相同於第一高位電晶體開關122，但第二高位電晶體開關132的規模為第一高位電晶體開關122的一固定分數即n分之一，因此第二高位電晶體開關132的正極到負極間的導通電阻會是第一高位電晶體開關122的正極到負極間的導通電阻的n倍。又既然第一高位電晶體開關122和第二高位電晶體開關132兩者的正極到負極間的電壓降相同，而第二高位電晶體開關132的導通電阻是第一高位電晶體開關122的導通電阻的n倍，因此流過第二高位電晶體開 關132的電流I_S 是流過第一高位電晶體開關122的電流I_M 的n分之一。

舉例來說，假設第一高位電晶體開關122的額定工作電流是2安培。以目前的半導體製造技術，可以輕易地製造出一額定工作電流是2安培的10萬分之1的第二高位電晶體開關132，如此依來，因監測電流的需求而損耗的能量變得微不足道。

應當可理解的是，第一電位平衡電路134有許多不同的設計，並不限於第3圖所示的實施例中所揭露的設計。在本發明的其他實施例中，第一電位平衡電路134可採用其他合適的設計。

主動式分流電路131的末端串連電流感測電阻135接地。換言之，電流感測電阻135的第一端連接到電晶體Ms的負極，並且電流感測電阻135的第二端連接到信號地線。

流過第二高位電晶體開關132的電流I_S 也流過電流感測電阻135，並且在電流感測電阻135的兩端形成一電位差(V_SENSE )。此電位差(V_SENSE )的值等於流過第一高位電晶體開關122的電流I_M 的n分之一乘以電流感測電阻135的電阻值(R_SENSE )，如下式1。

因此，利用此電位差(V_SENSE )能夠成比例地表示流過流過第一高位電晶體開關122的電流I_M 的值。

換言之，流過電流感測電阻135的電流量同樣是流過第一高位電晶體開關122的電流I_M 的n分之一，其平均值大致等於整個電路(或具此電路之積體電路100)的輸出電流I_L 的平均值的n 分之一。因此，電流感測電阻135的兩端的電位差的平均值大致等於電流感測電阻135的電阻值乘以整個電路(或整個積體電路100)的輸出電流I_L 的平均值的n分之一。

上述電位差(V_SENSE )的電流感測電壓信號輸入一採樣/保持電路140。

採樣/保持電路140包括一採樣/保持開關142和一低通濾波器144。低通濾波器144為電阻145和保持電容146共同構成之一電阻電容式低通濾波器。

採樣/保持開關142的第一端連接到主動式分流電路131的末端和電流感測電阻135的第一端，並接收具有上述電位差(V_SENSE )的電流感測電壓信號。採樣/保持開關142的第二端則連接到電阻145的第一端。電阻145的第二端連接到保持電容146的第一端和電流誤差放大器170的第一輸入端。保持電容146的第二端接地。

採樣/保持開關142的控制端連接到控制器180，並由控制器180輸出信號以控制採樣/保持開關142的運作(導通與否)。於此，採樣/保持開關142的導通期間(即，採樣期間)與高位電晶體開關122、132的導通期間大致同步。

在採樣期間，採樣/保持開關142根據電流感測電壓信號輸出一電流監測信號。在保持期間，採樣/保持開關142則使電流感測電壓信號保持在高位準而輸出保持在高位準的電流監測信號。電流監測信號經由低通濾波器144濾波後輸入到電流誤差放大器170的第一輸入端。

換句話說，在第一高位電晶體開關122的導通期間，通過第 一高位電晶體開關122的電流I_M 對外部電感22進行充電，並且電流感測電阻135的兩端反應外部電感22的輸出電流I_L 的上升段(即，外部電感22的充電電流)而產生電流感測電壓信號(電位差V_SENSE )。電流感測電壓信號通過具有低通濾波功能的採樣/保持電路140後，其信號漣波幅度縮小並且向原外部電感22的輸出電流I_L 的上升段(原電位差V_SENSE )的平均值趨近。濾波後的電流感測電壓信號(即，電流監測信號)再輸入到電流誤差放大器150的第一輸入端。

由於電流誤差放大器150具有輸出信號的電壓升降速率較所輸入信號的電壓升降速率為低(即，電流誤差放大器150的頻寬較輸入信號的頻率低)的限制，並且電流誤差放大器150相對於由第一輸入端所接收的高頻信號又相當於一低通濾波器，使得所輸入信號(即，電流監測信號)不但漣波幅度再進一步縮小並且有效避免了次諧波震蕩。

電流誤差放大器150的第二輸入端連接至信號產生電路160，並且接收信號產生電路160所產生的既經設定的一電流基準電壓信號。電流誤差放大器150將電流基準電壓信號和電流監測信號做誤差放大，藉以輸出一電流誤差信號到誤差信號選擇器152的第一輸入端。

在一些實施例中，信號產生電路160包括一電流電壓轉換器162和一電位平衡電路164。為清楚說明，在下文中，將電位平衡電路164稱之為第二電位平衡電路164。

第二電位平衡電路164包括一運算放大器OP2和一電晶體 M2。運算放大器OP2的第一輸入端連接至積體電路100內部產生的一基準設定電位Vset，並且運算放大器OP2的第二輸入端和電晶體M2的負極共同連接電流設定接點114。運算放大器OP2的輸出端連接至電晶體M2的控制極，而電流電壓轉換器162連接在電晶體M2的正極和電流誤差放大器150的第二輸入端之間。

第二電位平衡電路164將電流設定接點114的電位與積體電路100內部產生的基準設定電位Vset強制為相同。並且，使用者在電流設定接點114與信號地線之間連接一設定電阻26。此設定電阻26的電阻值以Rset表示。如此一來，流過電流設定接點114的電流Iset的值固定為Vset/Rset。此電流Iset藉由電流電壓轉換器162而轉換為一電壓信號，並且此電壓信號作為電流基準信號而輸入到電流誤差放大器150的第二輸入端。

電流電壓轉換器162包括一電流電壓轉換電阻163。於此，電流電壓轉換電阻163與電流感測電阻136是在同一時間同一製程下以同一批材料製造在同一積體電路100上，因此兩者的製造誤差的方向(正或負)和程度大致相同。舉例來說，在某一產品上，電流電壓轉換電阻163與電流感測電阻136的實際電阻值都比設計值高出百分之十，那麼分別通過兩電阻而產生的電流基準信號與電流監測信號也都各比理論值高出百分之十。因此，當電流基準信號與電流監測信號做誤差放大時，兩者的製造誤差就互相抵消掉了。

誤差信號選擇器152的第二輸入端連接到電壓誤差放大器154的輸出端。電壓誤差放大器154的第一輸入端電性連接到電壓 回授接點115。

在靠近負載20的正極的地方可設有一電壓探測點21，並且此電壓探測點21電性連接到電壓回授接點115。

在一些實施例中，電壓探測點21到電壓誤差放大器154的第一輸入端之間的回授路徑上可設置一回授電路190。此回授電路190用以成比例地調整來自電壓探測點21的回授電壓而輸出一電壓監測信號給電壓誤差放大器154。

在一些實施例中，回授電路190可設置在積體電路100的外部，即，連接在電壓探測點21和電壓回授接點115之間。

在一些實施例中，回授電路190亦可設置在積體電路100的內部，即，連接在電壓回授接點115和電壓誤差放大器154的第一輸入端之間。

在一些實施例中，回授電路190可為一分壓電阻電路，並且分壓電阻電路的分壓接電連接到電壓誤差放大器154的第一輸入端。

此時，回授電路190將從電壓回授接點115輸入的外部電壓回授信號成比例縮小後輸出一電壓監測信號到電壓誤差放大器154的第一輸入端。電壓誤差放大器154的第二輸入端則接受積體電路100內部產生的電壓基準信號Vref。電壓誤差放大器154將電壓基準信號Vref和電壓監測信號做誤差放大，藉以輸出一電壓誤差信號到誤差信號選擇器152的第二輸入端。

根據不同的電路設計，誤差信號選擇器152根據電壓監測信號的高低判斷外部負載20的電壓是否高於一預設電壓閥值。當負 載20的電壓低於預設電壓閥值時，誤差信號選擇器152輸出電流誤差信號到比較器170的第一輸入端。當負載20的電壓高於預設電壓閥值時，誤差信號選擇器152輸出電壓誤差信號到比較器180的第一輸入端。

比較器170的第二輸入端則接受來自一鋸齒波產生器172的鋸齒波信號。比較器170比較兩個輸入端接收到的信號大小，藉以輸出一脈衝寬度調變信號給控制器180。控制器180根據此脈衝寬度調變信號控制第一高位電晶體開關122和低位電晶體開關124的導通時間的工作週期(Duty Cycle)，以便調節整個電路的輸出電流I_L 到一預設值。

在本實施例中，誤差信號選擇器152以及誤差信號選擇器152與電壓誤差放大器154的連接方式，主要是因應應用在諸如電池的充電器等需要在定電流之輸出工作模式和定電壓之輸出工作模式之間切換的情況而設置。許多種類的充電電池都有下列要求：當充電電池的電壓低於某一數值時，充電電池最好接受定電流充電，而當充電電池的電壓達到或高於某一數值時，充電電池最好接受定電壓充電。

誤差信號選擇器152能夠根據電壓誤差放大器154所輸出的電壓誤差信號的大小判斷充電電池(即，外部負載20)的電壓低於或高於某一設定電壓值(即，預設電壓閥值)。當誤差信號選擇器152判定充電電池的電壓低於設定電壓值時，誤差信號選擇器152選擇輸出電流誤差信號給比較器170；此時，積體電路100工作在定電流之輸出模式下，並且經由電源輸出接點112輸出定 電流。當誤差信號選擇器152判定充電電池的電壓高於設定電壓值時，誤差信號選擇器152選擇輸出電壓誤差信號給比較器170；此時，積體電路100工作在定電壓輸出模式下，並且經由電源輸出接點112輸出定電壓。

換句話說，當可定電流輸出的切換式電源轉換電路(或具此電路之積體電路)應用在只需輸出定電流而無需輸出定電壓的場合時，可定電流輸出的切換式電源轉換電路(或具此電路之積體電路)可不包括電壓回授接點115(電壓回授端子)、回授電路190、電壓誤差放大器154和誤差信號選擇器152。此時，電流誤差放大器150的輸出端則連接到比較器170的第一輸出端。

第4圖是根據本發明第二實施例之可定電流輸出的切換式電源轉換電路的示意圖。

參照第4圖，在此實施例中，電源轉換電路120(即，高位電晶體開關122和低位電晶體開關124)與外部電感22之間的連接方式，以及它們各自和電源輸入接點111、電源輸出接點112及電源負極接點113的連接方式不同於第3圖所示之第一實施例的布局，但在第4圖所示之第二實施例中此部分的電路布局屬於常用的升壓型切換式電源轉換器主電路，即，可定電流輸出的切換式電源轉換電路可為一升壓型切換式電源轉換器電路。並且，升壓型切換式電源轉換器主電路是在習知技術中熟知的，且為本領域之技術人員所熟知，故於此不再贅述。

在此實施例中，電源轉換電路120是布局成一升壓型切換式電源轉換電路。於此，電源轉換電路120的低位電晶體開關124 的正極連接到電源輸入接點111，並且外部電感22連接在電源輸入V_IN 與電源輸入接點111之間。在第4圖所示之第二實施例中的其餘電路布局請參考以上對於第3圖所示之第一實施例的對應描述。

第5圖是根據本發明第三實施例之可定電流輸出的切換式電源轉換電路的示意圖。

參照第5圖，電源轉換電路120包括二高位電晶體開關122、123和二低位電晶體開關124、125。在此實施例中，電源轉換電路120與外部電感22之間的連接方式，以及它們各自和電源輸入接點111、電源輸出接點112及電源負極接點113的連接方式

電源轉換電路120(即，高位電晶體開關122和低位電晶體開關124)與外部電感22之間的連接方式，以及它們各自和電源輸入接點111、電源輸出接點112及電源負極接點113的連接方式屬於常用的升降壓兩用型切換式電源轉換器主電路，即，可定電流輸出的切換式電源轉換電路可為一升降壓兩用型切換式電源轉換器電路。並且，升降壓兩用型切換式電源轉換器主電路是在習知技術中熟知的，且為本領域之技術人員所熟知，故於此不再贅述。另外，升降壓兩用型切換式電源轉換器另需包括用於決定在升壓模式和降壓模式之間切換時機的電路及控制切換的電路，由於此部分的電路佈局是在習知技術中熟知的，且為本領域之技術人員所熟知，故於此不再贅述且在第5圖中省略繪出。

在此實施例中，電源轉換電路120是布局成一升降壓兩用型電源轉換電路。於此，高位電晶體開關122的正極與負極分別連 接至電源輸入接點111和電流輸出接點116。高位電晶體開關123的正極與負極則分別連接至電流輸入接點117和電源輸出接點112。低位電晶體開關124的正極與負極分別連接至電流輸出接點116和電源負極接點113。低位電晶體開關125的正極與負極則分別連接至電流輸入接點117和電源負極接點113。高位電晶體開關122、123的控制極連接到控制器180的高位準信號輸出端，並且低位電晶體開關124、125的控制極連接到控制器180的低位準信號輸出端。外部電感22的第一端連接至電流輸出接點116，並且外部電感22的第二端連接至電流輸入接點117。

當可定電流輸出的切換式電源轉換電路封裝成一積體電路100時，電流輸出接點116和電流輸入接點117亦為積體電路100的外部端子。即，電流輸出接點116和電流輸入接點117分別為積體電路100的電流輸出端子和電流輸入端子，並且在積體電路100外部的外部電感22則跨接在電流輸出端子和電流輸入端子之間。

在第5圖所示之第三實施例中的其餘電路布局也請參考以上對於第3圖所示之第一實施例的對應描述。

在第5圖中，為了簡化圖示，主動式分流電路131僅以一個環繞高位電晶體開關123的電流路徑的橢圓圈表示，其具體實施例電路可參考第3圖所示之第一實施例或第4圖所示之第二實施例。

當可定電流輸出的切換式電源轉換電路(或具此電路之積體電路100)工作在降壓模式時，高位電晶體開關123和採樣/保持 開關142保持常開，而低位電晶體開關125則保持常關，採樣/保持電路140持續維持採樣狀態因而接收到對應包括上升段(外部電感22的充電半周期)和下降段(外部電感22的放電半周期)之完整的輸出電流I_L 之電流感測電壓信號。

當可定電流輸出的切換式電源轉換電路(或具此電路之積體電路100)工作在升壓模式時，高位電晶體開關122保持常開，低位電晶體開關124保持常關；高位電晶體開關123和低位電晶體開關125則以高頻率交替一開一關，採樣/保持開關142的導通(打開)時間(即，採樣期間)與高位電晶體開關123的導通時間大致同步，因此採樣/保持電路140僅採樣到外部電感22放電時的電流信號，即，外部電感22的輸出電流I_L 的下降段信號。由於外部電感22的輸出電流I_L 的上升段信號的平均值與下降段信號的平均值相等，因此採樣/保持電路140所採樣到的外部電感22的輸出電流I_L 的下降段信號可以代表完整的外部電感22的輸出電流I_L 的信號，並且此信號經過電阻145和保持電容146的濾波後，輸出給後端的比較器170調節所輸出的脈衝寬度調變信號的脈寬。

在第5圖所示之第三實施例中，雖然主動式分流電路131是設置成監測高位電晶體開關123的電流，但本發明不限於此。舉例來說，在升降壓兩用型切換式電源轉換器電路的其他實施例中，主動式分流電路131也可以設置成監測高位電晶體開關122的電流。

綜上，在根據本發明之可定電流輸出的切換式電源轉換電路、其電源轉換方法及具有該電路之積體電路的製造方法中，在 電流輸出路徑(即，電源轉換電路120)之外，另設置了一條與電流輸出路徑平行之電流分流路徑(特別是與高位電晶體開關122或高位電晶體開關123平行的主動式分流電路131)。電流分流路徑所流過電流與電流輸出路徑中之高位電晶體開關所流過電流相較甚小且兩者成比例。在一些實施例中，電流誤差放大器150的第二輸入端連接一可由使用者設定其電壓值的電壓源(即，信號產生電路160)。

在工作原理上，強制流過主動式分流電路131的電流I_S 為流過電流輸出路徑中之高位電晶體開關的電流I_M 的一固定分數(即，n分之一)，因此可透過監測流過主動式分流電路131的電流I_S 的量來計算出流過高位電晶體開關的輸出電流的量。並且，在同一脈衝周期中，上半周期流過高位電晶體開關的電流I_M 的平均值與下半周期流過低位電晶體開關的電流的平均值兩者大致相等。因此，可透過監測當高位電晶體開關導通時流過主動式分流線路131的電流I_S 的平均值得到整個電路(或積體電路100)的平均輸出電流量。再者，電流感測電壓信號通過採樣/保持電路140濾波後，輸出的電流監測信號的漣波幅度縮小並且向原電位差的平均值趨近。由於電流誤差放大器所輸出的信號的電壓升降速率較所輸入的信號的電壓升降速率為低(即，放大器的頻寬較輸入信號頻率低)的限制，並且相對於第一輸入端所接收的高頻信號(電流監測信號)又相當於一低通濾波器，使得所輸入的電流監測信號不但漣波幅度再縮小並且有效避免了次諧波震蕩。

根據本發明之可定電流輸出的切換式電源轉換電路、其電源 轉換方法及具有該電路之積體電路的製造方法可應用在例如電池的充電器或發光二極體的驅動器等需要對外部負載輸出一固定電流的場合。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧切換式電源轉換器

10’‧‧‧切換式電源轉換器

12‧‧‧控制器

14‧‧‧電感

16‧‧‧電容

18‧‧‧電流感測電阻

19‧‧‧濾波線路

20‧‧‧負載

21‧‧‧電壓探測點

22‧‧‧外部電感

24‧‧‧輸出電容

26‧‧‧設定電阻

100‧‧‧積體電路

111‧‧‧電源輸入接點

112‧‧‧電源輸出接點

113‧‧‧電源負極接點

114‧‧‧電流設定接點

115‧‧‧電壓回授接點

116‧‧‧電流輸出接點

117‧‧‧電流輸入接點

120‧‧‧電源轉換電路

122‧‧‧高位電晶體開關

123‧‧‧高位電晶體開關

124‧‧‧低位電晶體開關

125‧‧‧低位電晶體開關

130‧‧‧電流感測電路

131‧‧‧主動式分流電路

132‧‧‧高位電晶體開關

134‧‧‧電位平衡電路

135‧‧‧電流感測電阻

140‧‧‧採樣/保持電路

142‧‧‧採樣/保持開關

144‧‧‧低通濾波器

145‧‧‧電阻

146‧‧‧保持電容

150‧‧‧電流誤差放大器

152‧‧‧誤差信號選擇器

154‧‧‧電壓誤差放大器

160‧‧‧信號產生電路

162‧‧‧電流電壓轉換器

163‧‧‧電流電壓轉換電阻

164‧‧‧電位平衡電路

170‧‧‧比較器

172‧‧‧鋸齒波產生器

180‧‧‧控制器

190‧‧‧回授電路

M_H ‧‧‧高位電晶體開關

M_L ‧‧‧低位電晶體開關

PIN‧‧‧電源輸入

PGND‧‧‧電源負極

V_R ‧‧‧電位差

I_L ‧‧‧輸出電流

Rf‧‧‧濾波電阻

Cf‧‧‧濾波電容

V_L ‧‧‧電位差

V_IN ‧‧‧電源輸入

V_OUT ‧‧‧電源輸出

Iset‧‧‧設定電流

V_FB ‧‧‧回授信號

OP1‧‧‧運算放大器

OP2‧‧‧運算放大器

M1‧‧‧電晶體

M2‧‧‧電晶體

I_S ‧‧‧電流

I_M ‧‧‧電流

Vset‧‧‧基準設定電位

Vref‧‧‧電壓基準信號

第1圖是一種降壓型定電流輸出之切換式電源轉換器的電路示意圖。

第2圖是另一種降壓型定電流輸出之切換式電源轉換器的電路示意圖。

第3圖是根據本發明第一實施例之可定電流輸出的切換式電源轉換電路的示意圖。

第4圖是根據本發明第二實施例之可定電流輸出的切換式電源轉換電路的示意圖。

第5圖是根據本發明第三實施例之可定電流輸出的切換式電源轉換電路的示意圖。

20‧‧‧負載

21‧‧‧電壓探測點

22‧‧‧外部電感

24‧‧‧輸出電容

26‧‧‧設定電阻

100‧‧‧積體電路

111‧‧‧電源輸入接點

112‧‧‧電源輸出接點

113‧‧‧電源負極接點

114‧‧‧電流設定接點

115‧‧‧電壓回授接點

120‧‧‧電源轉換電路

122‧‧‧高位電晶體開關

124‧‧‧低位電晶體開關

130‧‧‧電流感測電路

131‧‧‧主動式分流電路

132‧‧‧高位電晶體開關

134‧‧‧電位平衡電路

135‧‧‧電流感測電阻

140‧‧‧採樣/保持電路

142‧‧‧採樣/保持開關

144‧‧‧低通濾波器

145‧‧‧電阻

146‧‧‧保持電容

150‧‧‧電流誤差放大器

152‧‧‧誤差信號選擇器

154‧‧‧電壓誤差放大器

160‧‧‧信號產生電路

162‧‧‧電流電壓轉換器

163‧‧‧電流電壓轉換電阻

164‧‧‧電位平衡電路

170‧‧‧比較器

172‧‧‧鋸齒波產生器

180‧‧‧控制器

190‧‧‧回授電路

I_L ‧‧‧輸出電流

V_IN ‧‧‧電源輸入

V_OUT ‧‧‧電源輸出

Iset‧‧‧設定電流

V_FB ‧‧‧回授信號

OP1‧‧‧運算放大器

OP2‧‧‧運算放大器

M1‧‧‧電晶體

M2‧‧‧電晶體

I_S ‧‧‧電流

I_M ‧‧‧電流

Vset‧‧‧基準設定電位

Vref‧‧‧電壓基準信號

Claims (25)

1. 一種可定電流輸出的切換式電源轉換電路，包括：一電源輸入接點；一電源輸出接點；一電源轉換電路，電性連接在該電源輸入接點和該電源輸出接點之間，該電源轉換電路包括一第一高位電晶體開關和一低位電晶體開關，該第一高位電晶體開關和該低位電晶體開關用以根據一脈衝寬度調變信號而交替導通；一電流感測電路，用以產生對應通過該第一高位電晶體開關的電流之一電流感測電壓信號其中該電流感測電路包括：一第二高位電晶體開關，該第二高位電晶體開關的導通電阻為該第一高位電晶體開關的導通電阻的一固定倍數；一第一電位平衡電路，用以強制維持該第一高位電晶體開關的負極與該第二高位電晶體開關的負極電位相同；以及一電流感測電阻，用以接收流過該第二高位電晶體開關的電流並產生該電流感測電壓信號；一採樣/保持電路，用以在採樣期間根據該電流感測電壓信號輸出一電流監測信號，以及在保持期間輸出保持在高位準的該電流監測信號，其中該採樣/保持電路的該採樣期間與該第一高位電晶體開關的導通期間大致同步，且該採樣/保持電路包括： 一採樣/保持開關，用以接收該電流感測電壓信號並輸出該電流監測信號，該採樣/保持開關的導通期間與該第一高位電晶體開關的導通期間大致同步；以及一低通濾波器，用以對該電流監測信號進行濾波，並將濾波後的該電流監測信號輸出給該電流誤差放大器；一信號產生電路，用以產生一電流基準電壓信號；一電流誤差放大器，用以根據該電流監測信號和該電流基準電壓信號輸出一電流誤差信號；以及一比較器，用以於該電源輸出接點輸出一定電流時，根據一鋸齒波信號與該電流誤差信號輸出該脈衝寬度調變信號。
2. 如請求項1所述之可定電流輸出的切換式電源轉換電路，其中該第一電位平衡電路包括：一運算放大器，該運算放大器的兩輸入端分別連接該第一高位電晶體開關的負極和該第二高位電晶體開關的負極；以及一電晶體，該電晶體的控制極連接該運算放大器的輸出端、該電晶體的正極連接該第二高位電晶體開關的負極、以及該電晶體的負極連接該電流感測電阻。
3. 如請求項1所述之可定電流輸出的切換式電源轉換電路，其中該電源轉換電路為一降壓型切換式電源轉換電路或一升壓型切換式電源轉換電路。
4. 如請求項1所述之可定電流輸出的切換式電源轉換電路，其中該電源轉換電路為一升降壓兩用型切換式電源轉換電路。
5. 如請求項1所述之可定電流輸出的切換式電源轉換電路，其中 該第一高位電晶體開關和該低位電晶體開關為金氧半場效電晶體。
6. 如請求項1至5中之任一項所述之可定電流輸出的切換式電源轉換電路，其中該電源輸入接點及該電源輸出接點為一積體電路的對外端子，並且該電源轉換電路、該電流感測電路、該採樣/保持電路、該信號產生電路、該電流誤差放大器及比較器是設置在該積體電路的內部。
7. 如請求項1至5中之任一項所述之可定電流輸出的切換式電源轉換電路，更包括：一電壓誤差放大器，用以根據一電壓基準信號與相應於電性連接該電源輸出接點的一外部負載的電壓的一電壓監測信號輸出一電壓誤差信號；以及一誤差信號選擇器，用以根據該外部負載的該電壓輸出該電壓誤差信號或該電流誤差信號給該比較器。
8. 如請求項7所述之可定電流輸出的切換式電源轉換電路，其中該電源輸入接點及該電源輸出接點為一積體電路的對外端子，並且該電源轉換電路、該電流感測電路、該採樣/保持電路、該信號產生電路、該電流誤差放大器、比較器、該電壓誤差放大器及該誤差信號選擇器是設置在該積體電路的內部。
9. 如請求項8所述之可定電流輸出的切換式電源轉換電路，更包括：一電流設定接點，用以接收一設定電流，其中該電流設定接點為該積體電路的對外端子，且該設定電流為一固定值； 其中，該信號產生電路包括：一第二電位平衡電路，用以強制該電流設定端子的電位與一固定電位相同；以及一電流電壓轉換器，用以將該設定電流轉換為一電壓信號以作為該電流基準電壓信號。
10. 如請求項7所述之可定電流輸出的切換式電源轉換電路，更包括：一電流設定接點，用以接收一設定電流，其中該設定電流為一固定值；其中，該信號產生電路包括：一第二電位平衡電路，用以強制該電流設定端子的電位與一固定電位相同；以及一電流電壓轉換器，用以將該設定電流轉換為一電壓信號以作為該電流基準電壓信號。
11. 如請求項1至5中之任一項所述之可定電流輸出的切換式電源轉換電路，更包括：一電流設定接點，用以接收一設定電流，其中該設定電流為一固定值；其中，該電流基準信號產生電路包括：一第二電位平衡電路，用以強制該電流設定端子的電位與一固定電位相同；以及一電流電壓轉換器，用以將該設定電流轉換為一電壓信號以作為該電流基準電壓信號。
12. 如請求項11所述之可定電流輸出的切換式電源轉換電路，其中該電源輸入接點、該電源輸出接點及該電流設定接點為一積體電路的對外端子，並且該電源轉換電路、該電流感測電路、該採樣/保持電路、該信號產生電路、該電流誤差放大器及比較器是設置在該積體電路的內部。
13. 一種具有可定電流輸出的切換式電源轉換電路之積體電路的製造方法，包括：在一積體電路上設置一電源輸入端子及一電源輸出端子；在該積體電路中設置電性連接在該電源輸入端子和該電源輸出端子之間的一電源轉換電路，其中該電源轉換電路包括根據一脈衝寬度調變信號而交替導通的一高位電晶體開關和一低位電晶體開關；在該積體電路中設置一電流感測電路，以於該高位電晶體開關導通時感測流過該高位電晶體開關的電流並輸出一電流感測電壓信號；在該積體電路中設置一採樣/保持電路，以採樣該電流感測電壓信號而輸出一電流監測信號並且在該高位電晶體開關不導通時保持該電流感測電壓信號；在該積體電路中設置一信號產生電路，以產生一電流基準電壓信號；在該積體電路中設置一電流誤差放大器，以根據該電流監測信號和該電流基準電壓信號輸出一電流誤差信號；以及在該積體電路中設置一比較器，以於該電源輸出接點輸出 一定電流時根據一鋸齒波信號與該電流誤差信號輸出該脈衝寬度調變信號。
14. 如請求項13所述之積體電路的製造方法，其中該電源轉換電路是布局成一降壓型切換式電源轉換電路或一升壓型切換式電源轉換電路。
15. 如請求項13所述之積體電路的製造方法，其中該電源轉換電路是布局成一升降壓兩用型切換式電源轉換電路。
16. 如請求項13至15中之任一項所述之積體電路的製造方法，更包括：在一積體電路中設置設置一電壓誤差放大器，以根據一電壓基準信號與相應於電性連接該電源輸出接點的一外部負載的電壓的一電壓監測信號輸出一電壓誤差信號；以及在一積體電路中設置設置一誤差信號選擇器，以根據該外部負載的該電壓輸出該電壓誤差信號或該電流誤差信號給該比較器。
17. 如請求項16所述之積體電路的製造方法，更包括：在該積體電路上設置一電流設定端子，以接收從該積體電路外部流入之具有固定值的一設定電流；其中，該信號產生電路的設置步驟包括：在該積體電路上設置一電位平衡電路，以強制該電流設定端子的電位與一固定電位相同；以及在該積體電路上設置一電流電壓轉換器，以將該設定電流轉換為一電壓信號以作為該電流基準電壓信號。
18. 如請求項13至15中之任一項所述之積體電路的製造方法，更包括：在該積體電路上設置一電流設定端子，以接收從該積體電路外部流入之具有固定值的一設定電流；其中，該信號產生電路的設置步驟包括：在該積體電路上設置一電位平衡電路，以強制該電流設定端子的電位與一固定電位相同；以及在該積體電路上設置一電流電壓轉換器，以將該設定電流轉換為一電壓信號以作為該電流基準電壓信號。
19. 一種可定電流輸出的切換式電源轉換方法，包括：根據一脈衝寬度調變信號而交替導通一第一高位電晶體開關和一低位電晶體開關，其中該第一高位電晶體開關是設置在一電源輸入接點和一電源輸出接點之間的一第一電流路徑上，以及該低位電晶體開關是設置在該電源輸入接點和一電源負極接點之間或該電源輸出接點和該電源負極接點之間的一第二電流路徑上；感測通過該第一高位電晶體開關的電流，以產生對應通過該第一高位電晶體開關的該電流之一電流感測電壓信號；在該第一高位電晶體開關的導通期間利用一採樣/保持開關採樣該電流感測電壓信號，以根據該電流感測電壓信號輸出一電流監測信號；在該第一高位電晶體開關不導通期間利用該採樣/保持開關保持該電流感測電壓信號，以輸出保持在高位準的該電流監 測信號；根據該電流監測信號和一電流基準電壓信號輸出一電流誤差信號；以及於該電源輸出接點輸出一定電流時，根據一鋸齒波信號與該電流誤差信號輸出該脈衝寬度調變信號。
20. 如請求項19所述之可定電流輸出的切換式電源轉換方法，其中該感測步驟包括：利用導通電阻為該第一高位電晶體開關的導通電阻的一固定倍數之一第二高位電晶體開關產生對應通過該第一高位電晶體開關的電流的一感測電流；強制維持該第一高位電晶體開關的負極與該第二高位電晶體開關的負極電位相同；以及利用一電流感測電阻根據該感測電流產生該電流感測電壓信號。
21. 如請求項20所述之可定電流輸出的切換式電源轉換方法，更包括：在該電流誤差信號的輸出步驟之前，對該電流監測信號進行濾波。
22. 如請求項19所述之可定電流輸出的切換式電源轉換方法，更包括：在該電流誤差信號的輸出步驟之前，對該電流監測信號進行濾波。
23. 如請求項19至22中之任一項所述之可定電流輸出的切換式電 源轉換方法，更包括：根據一電壓基準信號與相應於電性連接該電源輸出接點的一外部負載的電壓的一電壓監測信號輸出一電壓誤差信號；以及根據該外部負載的該電壓輸出該電壓誤差信號或該電流誤差信號給該比較器。
24. 如請求項23所述之可定電流輸出的切換式電源轉換方法，更包括：經由一電流設定接點接收具有固定值的一設定電流；強制該電流設定接點的電位與一固定電位相同；以及將該設定電流轉換為一電壓信號以作為該電流基準電壓信號。
25. 如請求項19至22中之任一項所述之可定電流輸出的切換式電源轉換方法，更包括：經由一電流設定接點接收具有固定值的一設定電流；強制該電流設定接點的電位與一固定電位相同；以及將該設定電流轉換為一電壓信號以作為該電流基準電壓信號。