TWI511426B - 調變方法及其調變模組與電壓轉換裝置 - Google Patents

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Description

調變方法及其調變模組與電壓轉換裝置
本發明相關於一種調變方法及其調變模組與電壓轉換裝置，尤指一種能夠錯開調變訊號的起始時間的調變方法及其調變模組與電壓轉換裝置。
電子裝置通常包含有不同的電路元件，每一電路元件所需的操作電壓可能不同。因此，在電子裝置中，需要透過直流對直流電壓轉換電路，達到電壓準位的調節(升壓或降壓)，並使之穩定在所設定的電壓數值。依不同的電源需求，可延伸出許多不同型態的直流對直流電壓轉換器，但其皆源自於降壓式轉換器(Buck/Step Down Converter)及升壓式轉換器(Boost/Step Up Converter)。顧名思義，降壓式轉換器可將輸入端的直流電壓下降至一預設電壓準位，而升壓式轉換器則可提升輸入端的直流電壓。不論降壓式轉換器或升壓式轉換器，隨著電路技術的演進，兩者皆已演變出許多變化，以適用於不同的架構，或符合不同的需求。
一般而言，電壓轉換電路會利用同一輸入電壓，產生具有不同電壓準位的輸出電壓予電子裝置中不同的電路元件。由於產生輸出電壓時，輸入電壓需要輸出可觀的電流來驅動負載，因此輸入電壓會受到擾動。當利用同一輸入電壓產生多個輸出電壓時，輸入電壓上將可能會產生大幅度的擾動，從而影響電壓轉換電路的穩定度。因此，如何降低電壓轉換電路的輸入 電壓上因同時產生多個輸出電壓所造成的擾動，已成為現今業界亟欲解決的問題。
為了解決上述的問題，本發明提供一種可根據電壓轉換裝置中用於產生輸出電壓的調變訊號，動態調整調變訊號的調變方法及其調變模組與電壓轉換裝置。
本發明揭露一種調變方法，用於一電壓轉換裝置，該調變方法包含有根據一輸入電壓及一第一輸出電壓，產生一第一調變訊號；根據該輸入電壓及一第二輸出電壓，產生一第二調變訊號；根據一時脈訊號，調整該第一調變訊號及該第二調變訊號，以使該第一調變訊號的一第一起始時間相異於該第二調變訊號的一第二起始時間；以及根據該輸入電壓、該第一調變訊號及該第二調變訊號，產生該第一輸出電壓及該第二輸出電壓。
本發明另揭露一種調變模組，用於一電壓轉換裝置，該調變模組包含有一第一調變單元，耦接於該電壓轉換裝置的一第一轉換模組，用來根據一輸入電壓及一第一輸出電壓，產生一第一調變訊號；根據一時脈訊號，調整該第一調變訊號的一第一起始時間；以及輸出該第一調變訊號至該第一轉換模組，以使該第一轉換模組根據該第一調變訊號及該輸入電壓，產生該第一輸出電壓；一第二調變單元，耦接於該電壓轉換裝置的一第二轉換模組，用來根據該輸入電壓及一第二輸出電壓，產生一第二調變訊號；根據該時脈訊號，調整該第二調變訊號的一第二起始時間，以使該第二起始時間相異於該第一起始時間；以及輸出該第二調變訊號至該第二轉換模組，以使該第二轉換模組根據該輸入電壓及該第二調變訊號，產生該第二輸出電壓；以及一時脈產生單元，耦接於該第一調變單元及該第二調變單元，用來產生該時脈 訊號。
本發明另揭露一種電壓轉換裝置，包含有一第一轉換模組，用來根據一輸入電壓及一第一調變訊號，產生一第一輸出電壓；一第二轉換模組，用來根據該輸入電壓及一第二調變訊號，產生該第二輸出電壓；以及一調變模組，包含有一第一調變單元，耦接於該第一轉換模組，用來根據該輸入電壓及該第一輸出電壓，產生該第一調變訊號；及根據一時脈訊號，調整該第一調變訊號的一第一起始時間；一第二調變單元，耦接於該電壓轉換裝置的一第二轉換模組，用來根據該輸入電壓及該第二輸出電壓，產生該第二調變訊號；及根據該時脈訊號，調整該第二調變訊號的一第二起始時間，以使該第二起始時間相異於該第一起始時間；以及一時脈產生單元，耦接於該第一調變單元及該第二調變單元，用來產生該時脈訊號。
10、30‧‧‧電壓轉換裝置
100、102‧‧‧轉換模組
104‧‧‧調變模組
106、108‧‧‧調變單元
110‧‧‧時脈產生單元
300‧‧‧相位偵測單元
50、60‧‧‧調變方法
500~510、600~614‧‧‧步驟
CLK‧‧‧時脈訊號
DIV‧‧‧除頻單元
PD‧‧‧時脈偵測器
CP‧‧‧電流泵
FIL‧‧‧濾波器
CLK_GEN‧‧‧時脈產生器
OP1、OP2‧‧‧啟動區間
REF‧‧‧參考訊號
T1、T2‧‧‧時間
TON1、TON2‧‧‧調變訊號
VIN‧‧‧輸入電壓
VOUT1、VOUT2‧‧‧輸出電壓
△V ‧‧‧參考電壓
第1圖為本發明實施例一電壓轉換裝置的示意圖。
第2圖為第1圖所示的電壓轉換裝置運作時相關訊號的示意圖。
第3圖為本發明實施例一電壓轉換裝置的示意圖。
第4圖為第3圖所示的電壓轉換裝置運作時相關訊號的示意圖。
第5圖為本發明實施例一調變方法的示意圖。
第6圖為本發明實施例另一調變方法的示意圖。
請參考第1圖，第1圖為本發明實施例一電壓轉換裝置10的示意圖。電壓轉換裝置10用來根據一輸入電壓VIN，產生輸出電壓VOUT1、VOUT2。舉例來說，電壓轉換裝置10可為一實現於恆定導通時間架構(constant on-time，COT)架構的單輸入雙輸出(single input dual outputs， SIDO)電壓轉換器(voltage regulator)，但不限於此。如第1圖所示，電壓轉換裝置10包含有轉換模組100、102及一調變模組104。轉換模組100用來根據調變訊號TON1、TON1′及輸入電壓VIN，產生輸出電壓VOUT1。其中調變訊號TON1′為調變訊號TON1的反向訊號，因此調變訊號TON1、TON1′可視為同一調變訊號。相似地，轉換模組102用來根據一調變訊號TON2、TON2′及輸入電壓VIN，產生輸出電壓VOUT2。調變模組104包含有調變單元106、108及一時脈產生單元110，用來根據輸入電壓VIN及輸出電壓VOUT1、VOUT2，產生調變訊號TON1、TON2。其中調變訊號TON1′為調變訊號TON1的反向訊號，因此調變訊號TON1、TON1′可視為同一調變訊號。舉例來說，調變模組104可為一脈衝寬度調變(Pulse-width modulation)積體電路，但不限於此。值得注意的是，調變模組104會根據時脈產生單元110所產生的時脈訊號CLK，分別調整調變訊號TON1、TON2的起始時間TS1、TS2，以使輸入電壓VIN不會同時輸出電流IIN1及電流IIN2予轉換模組100、102。據此，輸入電壓VIN上因產生輸出電壓VOUT1、VOUT2所產生的擾動可被降低，從而提升電壓轉換裝置10的穩定度。
詳細來說，在此實施例中，轉換模組100包含有電晶體MN1、MN2、電感L1與電容C1，其係根據調變訊號TON1，切換電感L1與輸入電壓VIN及地端GND間之連結，以產生輸出電壓VOUT1。相似地，轉換模組102包含有電晶體MN3、MN4、電感L2與電容C2，其係根據調變訊號TON2，切換電感L2與輸入電壓VIN及地端GND間之連結，以產生輸出電壓VOUT2。轉換模組100、102的運作原理應為本領域具通常知識者所熟知，為求簡潔，在此不贅述。調變單元106係根據輸出電壓VOUT1與輸入電壓VIN間之比例(即)，產生調變訊號TON1，而調變單元108係根據輸出電壓VOUT2與輸入電壓VIN間之比例(即)，產生調變訊號TON2。 時脈產生單元110用來產生一時脈訊號CLK至調變單元106、108。接下來，調變單元106、108根據時脈訊號CLK，分別調整調變訊號TON1、TON2的起始時間，以使調變訊號TON1的起始時間相異於調變訊號TON2的起始時間。換言之，透過根據時脈訊號CLK調整調變訊號TON1、TON2的起始時間，轉換模組100、102會於不同時間，由輸入電壓VIN開始接收電流IIN1、IIN2，從而降低輸入電壓VIN上的擾動。據此，電壓轉換裝置10的穩定度可獲得提昇。
需注意的是，根據不同需求及設計理念，時脈產生單元110實現方式未有所限。舉例來說，時脈產生單元110可為石英振盪器、鎖相迴路(phase-lock loop)電路、延遲迴路(delay-lock loop)電路等時脈產生器，且不限於此。
請參考第2圖，第2圖為第1圖所示的電壓轉換裝置10運作時相關訊號的示意圖。如第2圖所示，於時脈產生單元110產生時脈訊號CLK後，調變單元106、108根據時脈訊號CLK分別調整調變訊號TON1、TON2。在此實施例中，調變單元106係將調變訊號TON1的起始時間TS1(即調變訊號TON1的上升緣(rising edge)時間)，調整為時脈訊號CLK的一上升緣時間T1。換言之，調變訊號TON1的起始時間S1係對齊於時脈訊號CLK的上升緣時間T1。另一方面，調變單元108係將調變訊號TON2的起始時間TS2(即調變訊號TON2的上升緣時間)，調整為時脈訊號CLK的下降緣(falling edge)時間T2。也就是說，調變訊號TON2的起始時間TS2係對齊於時脈訊號CLK的下降緣時間T2。如此一來，透過錯開調變訊號TON1、TON2的起始時間，輸入電壓VIN上的擾動程度可被降低，從而提升電壓轉換裝置10的穩定度。
此外，時脈產生單元110亦可同時改變調變訊號TON1、TON2的頻率及啟動區間，以最佳化電壓轉換裝置的效能。請參考第3圖，第3圖為本發明實施例一電壓轉換裝置30的示意圖。電壓轉換裝置30類似於第1圖所示的電壓轉換裝置10，因此功能相似的訊號及元件沿用相同的符號表示。與第1圖所示的電壓轉換裝置10不同的是，電壓轉換裝置30新增一相位偵測單元300，其包含有一相位偵測器PD、一除頻器DIV、一電流泵CP以及一濾波器FIL。調變訊號TON2於輸入至相位偵測器PD前，會先經過除頻器DIV，以使調變訊號TON2的頻率乘上一比例(即調變訊號TON2的頻率被除以倍)。相位偵測器PD用來偵測調變訊號TON1及經除頻過後的調變訊號TON2間的一相位差異，以輸出對應於此相位差異的訊號至電流泵CP。電流泵CP根據對應於相位差異的訊號，產生相對應的電流(或電壓)訊號至濾波器FIL。最後，濾波器FIL將電流泵產生的電流(或電壓)訊號中高頻的成份濾除，即可產生對應於調變訊號TON1及經除頻過後的調變訊號TON2間的相位差異的一參考訊號REF，並將參考訊號REF輸出至調變單元108，以使調變單元108根據訊號REF，調整調變訊號TON2的啟動區間(on period)。舉例來說，濾波器FIL所產生的訊號REF可為一參考電壓△V 。 調變單元108可改為根據輸出電壓VOUT2與參考電壓△V 間的差值及輸入電壓VIN間之比例(即)，產生調變訊號TON2。在此狀況下，相較於第1圖所示的電壓轉換裝置10，電壓轉換裝置30產生的調變訊號TON2的啟動區間可被適當調整(如將調變訊號TON2的啟動區間調整為調變訊號TON1的啟動區間的倍)，從而進一步地降低電壓轉換裝置30產生的電磁干擾(electromagnetic interference)。
請參考第4圖，第4圖為第3圖所示的電壓轉換裝置30運作時相 關訊號的示意圖。如第4圖所示，於時脈產生單元110產生時脈訊號CLK後，調變單元106、108根據時脈訊號CLK分別調整調變訊號TON1、TON2。在此實施例中，調變單元106係將調變訊號TON1的起始時間，調整為時脈訊號CLK的一上升緣時間T1，且調變單元108係將調變訊號TON2的起始時間，調整為時脈訊號CLK的下降緣時間T2。此外，在此實施例中，由於除頻器DIV的除頻倍數為2，因此調變訊號TON2的啟動區間OP2被調整為調變訊號TON1的啟動區間OP1的一半。需注意的是，在此實施例中，由於耦接於輸出電壓VOUT1、VOUT2的負載相同，因此調變訊號TON1、TON2具有相同的閉鎖區間(off-period)。換言之，當調變訊號TON2的啟動區間OP2被調整時，調變訊號TON2的頻率亦隨之改變。據此，輸入電壓VIN上的擾動程度可被降低，且電壓轉換裝置30所散發的電磁干擾亦可被減少。
值得注意的是，上述實施例利用時脈產生單元產生的時脈訊號，錯開不同調變訊號的起始時間，以降低電壓轉換裝置的輸入電壓上的擾動程度。此外，上述實施例亦可利用相位偵測單元，適當調整調變訊號的頻率，以進一步地降低電壓轉換裝置所散發的電磁干擾。本領域具通常知識者應可據以實施合適的更動及修改。
關於電壓轉換裝置10調整調變訊號TON1、TON2的起始時間的方式，可進一步歸納出一調變方法50。請參考第5圖，需注意的是，若是有實質上相同的結果，則調變方法50並不以第5圖所示的流程圖的順序為限。調變方法50可用於一電壓轉換裝置，且包含有以下步驟：步驟500：開始。
步驟502：根據一輸入電壓及一第一輸出電壓，產生一第一調變訊號。
步驟504：根據該輸入電壓及一第二輸出電壓，產生一第二調變 訊號。
步驟506：根據一時脈訊號，調整該第一調變訊號及該第二調變訊號，以使該第一調變訊號的一第一起始時間相異於該第二調變訊號的一第二起始時間。
步驟508：分別根據該第一調變訊號及該第二調變訊號，產生該第一輸出電壓及該第二輸出電壓。
步驟510：結束。
根據調變方法50，電壓轉換裝置可錯開第一調變訊號的第一起始時間與第二調變訊號的第二起始時間，輸入電壓將不會同時起始輸出電流來產生第一輸出電壓及第二輸出電壓。據此，輸入電壓上的擾動可被降低，從而提高電壓轉換裝置的穩定度。調變方法50的詳細運作過程可參照上述，為求簡潔，在此不贅述。
此外，關於電壓轉換裝置30調整調變訊號TON1、TON2的方式，可進一步歸納出一調變方法60。請參考第6圖，需注意的是，若是有實質上相同的結果，則調變方法60並不以第6圖所示的流程圖的順序為限。調變方法60可用於一電壓轉換裝置，且包含有以下步驟：步驟600：開始。
步驟602：根據一輸入電壓及一第一輸出電壓，產生一第一調變訊號。
步驟604：根據該輸入電壓及一第二輸出電壓，產生一第二調變訊號。
步驟606：根據該第一調變訊號的一第一頻率及該第二調變訊號的一第二頻率與一比例間之一乘積，產生一參考訊號。
步驟608：根據一時脈訊號，調整該第一調變訊號及該第二調變 訊號，以使該第一調變訊號的一第一起始時間相異於該第二調變訊號的一第二起始時間。
步驟610：根據該參考訊號，調整該第二調變訊號的一開啟區間。
步驟612：分別根據該第一調變訊號及該第二調變訊號，產生該第一輸出電壓及該第二輸出電壓。
步驟614：結束。
根據調變方法60，電壓轉換裝置可錯開第一調變訊號的第一起始時間與第二調變訊號的第二起始時間，輸入電壓將不會同時起始輸出電流來產生第一輸出電壓及第二輸出電壓。據此，輸入電壓上的擾動可被降低，從而提高電壓轉換裝置的穩定度。此外，第二調變訊號的起始區間可根據不同的負載被合適地調整(如調整為第一調變訊號的一起始區間與該比例間的一乘積)，從而降低電壓轉換裝置的電磁干擾且最佳化電壓轉換裝置的效能。調變方法60的詳細運作過程可參照上述，為求簡潔，在此不贅述。
綜上所述，上述實施例所提出調變方法及其調變模組與電壓轉換裝置可透過動態調整不同調變訊號的起始時間(即錯開利用輸入電壓產生多個輸出電壓的起始時間)，降低電壓轉換裝置的輸入電壓上的擾動，從而提高電壓轉換裝置的穩定度。此外，上述實施例所提出調變方法及其調變模組與電壓轉換裝置亦可調整不同調變訊號的頻率及開啟區間，從而進一步減少電壓轉換裝置的電磁干擾。
10‧‧‧電壓轉換裝置
100、102‧‧‧轉換模組
104‧‧‧調變模組
106、108‧‧‧調變單元
110‧‧‧時脈產生單元
300‧‧‧相位偵測單元
PD‧‧‧時脈偵測器
CP‧‧‧電流泵
FIL‧‧‧濾波器
CLK_GEN‧‧‧時脈產生器
VIN‧‧‧輸入電壓
VOUT1、VOUT2‧‧‧輸出電壓

Claims (9)

  1. 一種調變方法，用於一電壓轉換裝置，該調變方法包含有：根據一輸入電壓及一第一輸出電壓，產生一第一調變訊號；根據該輸入電壓及一第二輸出電壓，產生一第二調變訊號；根據該第一調變訊號的一第一頻率及該第二調變訊號的一第二頻率與一比例間之一乘積，產生一參考訊號；根據該參考訊號，產生一時脈訊號；根據該時脈訊號，調整該第二調變訊號，以使該第一調變訊號的一第一起始時間相異於該第二調變訊號的一第二起始時間；以及根據該輸入電壓、該第一調變訊號及該第二調變訊號，產生該第一輸出電壓及該第二輸出電壓。
  2. 如請求項1所述的調變方法，另包含有：根據該參考訊號，調整該第二調變訊號的一開啟區間。
  3. 如請求項2所述的調變方法，其中根據該參考訊號，調整該第二調變訊號的該開啟區間的步驟包含有：根據該參考訊號，調整該第二調變訊號的該開啟區間為該第一調變訊號的一開啟區間與該比例的一乘積。
  4. 一種調變模組，用於一電壓轉換裝置，該調變模組包含有：一第一調變單元，耦接於該電壓轉換裝置的一第一轉換模組，用來根據一輸入電壓及一第一輸出電壓，產生一第一調變訊號；以及輸出該第一調變訊號至該第一轉換模組，以使該第一轉換模組根據該第一調變訊號及該輸入電壓，產生該第一輸出電壓；一第二調變單元，耦接於該電壓轉換裝置的一第二轉換模組，用來根據 該輸入電壓及一第二輸出電壓，產生一第二調變訊號；根據該時脈訊號，調整該第二調變訊號的一第二起始時間，以使該第二起始時間相異於該第一起始時間；以及輸出該第二調變訊號至該第二轉換模組，以使該第二轉換模組根據該輸入電壓及該第二調變訊號，產生該第二輸出電壓；一相位偵測單元，用來根據該第一調變訊號的一第一頻率及該第二調變訊號的一第二頻率與一比例間之一乘積，產生一參考訊號；以及一時脈產生單元，耦接於該第一調變單元、該第二調變單元及該相位偵測單元，用來根據該參考訊號產生產生該時脈訊號。
  5. 如請求項4所述的調變模組，其中該第二調變單元根據該參考訊號，調整該第二調變訊號的一開啟區間。
  6. 如請求項5所述的調變模組，其中該第二調變單元根據該參考訊號，調整該第二調變訊號的該開啟區間為該第一調變訊號的一開啟區間與該比例的一乘積。
  7. 一種電壓轉換裝置，包含有：一第一轉換模組，用來根據一輸入電壓及一第一調變訊號，產生一第一輸出電壓；一第二轉換模組，用來根據該輸入電壓及一第二調變訊號，產生該第二輸出電壓；以及一調變模組，包含有：一第一調變單元，耦接於該第一轉換模組，用來根據該輸入電壓及該第一輸出電壓，產生該第一調變訊號；一第二調變單元，耦接於該電壓轉換裝置的一第二轉換模組，用來 根據該輸入電壓及該第二輸出電壓，產生該第二調變訊號；及根據該時脈訊號，調整該第二調變訊號的一第二起始時間，以使該第二起始時間相異於該第一起始時間；一相位偵測單元，用來根據該第一調變訊號的一第一頻率及該第二調變訊號的一第二頻率與一比例間之一乘積，產生一參考訊號；以及一時脈產生單元，耦接於該第一調變單元該第二調變單元及該相位偵測單元，用來根據該參考訊號產生該時脈訊號。
  8. 如請求項7所述的電壓轉換裝置，其中該第二調變單元根據該參考訊號，調整該第二調變訊號的一開啟區間。
  9. 如請求項8所述的電壓轉換裝置，其中該第二調變單元根據該參考訊號，調整該第二調變訊號的該開啟區間為該第一調變訊號的一開啟區間與該比例的一乘積。
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