TWI535171B

TWI535171B - 多輸出降壓式交換電容直流對直流電壓轉換器

Info

Publication number: TWI535171B
Application number: TW102113121A
Authority: TW
Inventors: 林盟智; 鄧桂椿
Original assignee: 凌陽創新科技股份有限公司
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2016-05-21
Also published as: TW201440403A

Description

多輸出降壓式交換電容直流對直流電壓轉換器

本發明係關於一種應用於積體電路內部的降壓式轉換器，更進一步來說，本發明係關於一種多輸出降壓式交換電容直流對直流電壓轉換器。

先前技術中，對於電源的降壓有以下幾種方式：

一、線性電壓調節器，請參考第1圖，第1圖為先前技術的線性電壓調節器的電路圖。此電壓調節器包括一放大器101、一參考電壓源102、兩個電阻R1、R2以及一電晶體103。此電路利用電阻R1、R2的分壓V_sense進行輸出電壓V_o感測，並且利用放大器將感測電壓V_sense與參考電壓V_ref做放大，控制電晶體103的導通性，藉此控制輸出電壓。此種線性電壓調節器的好處在於，電壓穩定，沒有漣波。然而，其缺點在於，效率過低。假設一3.3V轉1.2V的線性轉換器，其效率約等於36%，換句話說，有64%的電被此線性電壓調節器所消耗。對於積體電路來說，其效率過低，且此電路所消耗的能量將會產生熱，影響週邊電路。

二、電感式降壓轉換器，請參考第2圖，第2圖為先前技術的電感式降壓轉換器的電路圖。此電感式降壓轉換器包括一電感201、一電容202、一開關203、二極體204以及一控制器205。控制器205藉由檢測輸出電壓V_o來控制開關203的導通時間(責任週期)，據此控制輸出電壓的大小。此種電感式降壓轉換器的好處在於，效率極高，若設計得宜，此電路效率可超過90%。然而，電感式降壓轉換器的缺點在於具有電感。基於目前積體電路的技術，電感尚無法在面積有限的情況下，建立在積體電路的內部。

三、切換電容(Switching Capacitor)轉換器，請參考第3圖，第3圖為先前技術的切換電容(Switching Capactor)轉換器的電路圖。此電感式降壓轉換器包括一第一開關301、第二開關302、第三開關303、第四開關304、第一電容305、第二電容306以及一控制器307。控制器307藉由檢測輸出電壓V_o來控制第一開關301、第二開關302、第三開關303、第四開關304，進行降壓轉換。此電路適合於內建於積體電路內部，且切換電容轉換器的效率約在上述線性電壓調節器與電感式降壓轉換器之間。以此電路來說，轉換效率約為72%。

因此，為了在積體電路中實現降壓轉換，一般會採用上述第三種作法。

當積體電路內部需要一個以上的電壓，先前技術的作法有以下幾種：

一、個別針對不同電壓，配置不同切換電容轉換器，如第4圖所示，第4圖繪示為先前技術的多個電壓輸出的切換電容轉換器的電路圖。請參考第4圖，此電路包含第一切換電容轉換器401以及第二切換電容轉換器402。第一切換電容轉換器401用以輸出第一輸出電壓V_o1，第二切換電容轉換器402用以輸出第二輸出電壓V_o2。這種方式的缺點在於面積大，以及積體電路的接腳數目增加。

二、切換電容轉換器配合線性電壓調節器，此技術揭露於美國專利7,923,865號，此技術係由切換電容轉換器輸出電壓，並透過線性電壓調節器接收切換電容轉換器所輸出的電壓再度降壓，達到多組電壓輸出的效果。然而，線性電壓調節器效率不彰，且應用於產品上，尚需要有電力管理以及產品相容性的需求。單純的這種設計，並無法符合上述需求。

本發明的一目的在於提供一種多輸出降壓式交換電容直流對直流電壓轉換器，藉此，可以達成電源管理功能並且達到符合產品相容性功效。

有鑒於此，本發明提供一種多輸出降壓式交換電容直流對直流電壓轉換器，此多輸出降壓式交換電容直流對直流電壓轉換器包括一切換式電容轉換器、一回授控制電路、一第一開關/線性電壓調節器模組、一第二開關/線性電壓調節器模組、一選擇電路、以及一電源管理模組。切換式電容轉換器包括一輸入端以及一輸出端，其中，切換式電容轉換器的輸入端接收一輸入電壓，切換式電容轉換器的輸出端輸出一輸出電壓。回授控制電路包括一輸入端以及一輸出端，其中，回授控制電路的輸出端耦接該切換式電容轉換器，回授控制電路的輸入端接收一回授訊號，其中，根據回授訊號，回授控制電路控制切換式電容轉換器的輸出電壓大小。

第一開關/線性電壓調節器模組包括一輸入端、一輸出端以及一選擇端，其中，第一開關/線性電壓調節器模組的輸入端耦接切換式電容轉換器的輸出端，其中，第一開關/線性電壓調節器模組的輸出端用以輸出一主電源電壓。第二開關/線性電壓調節器模組包括一輸入端、一輸出端以及一選擇端，其中，第二開關/線性電壓調節器模組的輸入端耦接切換式電容轉換器的輸出端，其中，第二開關/線性電壓調節器模組的輸出端用以輸出一從電源電壓。

選擇電路包括一第一輸入端、一第二輸入端、一輸出端以及一選擇端，其中，選擇電路的第一輸入端耦接第一開關/線性電壓調節器模組的輸出端，選擇電路的第二輸入端耦接第二開關/線性電壓調節器模組的輸出端，選擇電路的輸出端耦接回授控制電路，根據選擇電路的選擇端所接收的訊號，選擇電路選擇第一輸入端或第二輸入端的信號作為回授訊號。電源管理模組包括一控制匯流排，其中，控制匯流排耦接第一開關/線性電壓調節器模組的選擇端、第二開關/線性電壓調節器模組的選擇端以及選擇電路的選擇端。

多輸出降壓式交換電容直流對直流電壓轉換器的操作模式包括一第一模式以及一第二模式，其中，當多輸出降壓式交換電容直流對直流電壓轉換器操作於第一模式時，主電源電壓大於從電源電壓。當多輸出降壓式交換電容直流對直流電壓轉換器操作於第二模式時，主電源電壓小於從電源電壓。當操作在第一模式時，電源管理模組控制選擇電路，選擇第一開關/線性電壓調節器模組的輸出端之電壓作為回授訊號；電源管理模組控制第一開關/線性電壓調節器模組的選擇端，將第一開關/線性電壓調節器模組設置為開關模式，使第一開關/線性電壓調節器模組的輸出端所輸出的主電源電壓實質上等於切換式電容轉換器的輸出端所輸出的輸出電壓；以及電源管理模組控制第二開關/線性電壓調節器模組的選擇端，將第二開關/線性電壓調節器模組設置為線性電壓調節器模式，用以將切換式電容轉換器的輸出端所輸出的輸出電壓降為從電源電壓。

當操作在第二模式時，電源管理模組控制選擇電路，選擇第二開關/線性電壓調節器模組的輸出端之電壓作為回授訊號；電源管理模組控制該第二開關/ 線性電壓調節器模組的選擇端，將第一開關/線性電壓調節器模組設置為線性電壓調節器模式，用以將切換式電容轉換器的輸出端所輸出的輸出電壓降為主電源電壓；以及電源管理模組控制第二開關/線性電壓調節器模組的選擇端，將第二開關/線性電壓調節器模組設置為開關模式，使第二開關/線性電壓調節器模組的輸出端所輸出的該從電源電壓實質上等於切換式電容轉換器的輸出端所輸出的輸出電壓。

依照本發明較佳實施例所述之多輸出降壓式交換電容直流對直流電壓轉換器，上述第二開關/線性電壓調節器模組包括一致能端，其中，當操作在第一模式，且進入一省電模式時，電源管理模組控制第二開關/線性電壓調節器模組的致能端，將第二開關/線性電壓調節器模組關閉，並停止供應從電源電壓。當操作在第二模式，且進入一省電模式時，電源管理模組控制第二開關/線性電壓調節器模組的致能端，將第二開關/線性電壓調節器模組關閉，並停止供應從電源電壓；電源管理模組控制選擇電路，選擇第一開關/線性電壓調節器模組的輸出端之電壓作為回授訊號，使切換式電容轉換器的輸出端所輸出的輸出電壓降低；以及電源管理模組控制第一開關/線性電壓調節器模組的選擇端，將第一開關/線性電壓調節器模組設置為開關模式，使第一開關/線性電壓調節器模組的輸出端所輸出的主電源電壓實質上等於切換式電容轉換器的輸出端所輸出的輸出電壓。

本發明之精神在於利用一降壓交換電容式直流對直流電壓轉換器和至少二組開關/線性電壓調節器模組來組成可變化輸出電壓之兩組電源。此兩組電源其一為主電源(master power source)電壓，用以提供主控制電路使用，其二從電源(slave power source)電壓，用以提供從屬電路使用。主從電源間無何者為高，何者為高低之應用限制，且從電源可被關閉以符合低靜態電流之節能要求。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

101‧‧‧放大器

102‧‧‧參考電壓源

R1、R2‧‧‧電阻

103‧‧‧電晶體

201‧‧‧電感

202‧‧‧電容

203‧‧‧開關

204‧‧‧二極體

205、307‧‧‧控制器

301‧‧‧第一開關

302‧‧‧第二開關

303‧‧‧第三開關

304‧‧‧第四開關

305‧‧‧第一電容

306‧‧‧第二電容

401‧‧‧第一切換電容轉換器

402‧‧‧第二切換電容轉換器

501‧‧‧切換式電容轉換器

502‧‧‧回授控制電路

503‧‧‧第一開關/線性電壓調節器模組

504‧‧‧第二開關/線性電壓調節器模組

505‧‧‧選擇電路

506‧‧‧電源管理模組

507‧‧‧銲墊

CI‧‧‧輸入電容

Co1‧‧‧第一輸出電容

Co2‧‧‧第二輸出電容

Cf1、Cf2‧‧‧切換式電容轉換器所使用的外接電容

601‧‧‧參考電壓源

602‧‧‧差動放大器

603‧‧‧類比選擇電路

604‧‧‧電壓調整電晶體

605‧‧‧分壓取樣電路

第1圖繪示為先前技術的線性電壓調節器的電路圖。

第2圖繪示為先前技術的電感式降壓轉換器的電路圖。

第3圖繪示為先前技術的切換電容(Switching Capacitor)轉換器的電路圖。

第4圖繪示為先前技術的多個電壓輸出的切換電容轉換器的電路圖。

第5圖繪示為本發明一較佳實施例所揭示之多輸出降壓式交換電容直流對直流電壓轉換器的電路方塊圖。

第6圖繪示為本發明一較佳實施例所揭示之多輸出降壓式交換電容直流對直流電壓轉換器的開關/線性電壓調節器模組503或504之詳細電路圖。

第5圖為本發明一較佳實施例所揭示之多輸出降壓式交換電容直流對直流電壓轉換器的電路方塊圖。請參考第5圖，此多輸出降壓式交換電容直流對直流電壓轉換器包括一切換式電容轉換器501、一回授控制電路502、一第一開關/線性電壓調節器模組503、一第二開關/線性電壓調節器模組504、一選擇電路505、以及一電源管理模組506。另外，在此電路圖中，額外標示了銲墊507、輸入電容CI、第一輸出電容Co1、第二輸出電容Co2、切換式電容轉換器所使用的外接電容Cf1、Cf2。然所屬技術領域具有通常知識者應當知道，上述幾個電容若在負載不大的情況下，是可以內建在積體電路內部的，且輸入電容CI、第一輸出電容Co1、第二輸出電容Co2在電壓穩定的情況下，係屬於非必要元件，因此，本發明不以上述元件為限。

切換式電容轉換器501的輸入端接收一輸入電壓Vin，切換式電容轉換器501的輸出端輸出一輸出電壓Vo。回授控制電路502的輸出端耦接切換式電容轉換器501，回授控制電路502的輸入端接收一回授訊號FB，回授控制電路502係根據回授訊號FB控制切換式電容轉換器501的輸出電壓Vo。第一開關/線性電壓調節器模組503用以輸出一主電源電壓Vout1。第二開關/線性電壓調節器模組503用以輸出一從電源電壓Vout2。選擇電路505則用來選擇主電源電壓Vout1或從電源電壓Vout2其中之一作為回授訊號FB。電源管理模組506則是透過其控制匯流排CBus，來控制上述第一開關/線性電壓調節器模組503、第二開關/線性電壓調節器模組504以及選擇電路505。

第一開關/線性電壓調節器模組503與第二開關/線性電壓調節器模組504具有兩種運作方式，第一種運作方式是開關(switch)模式，即第一開關/線性電壓調節器模組503與第二開關/線性電壓調節器模組504可以被當作是單純的開關；第二種運作方式是電壓調節(voltage regulation)模式，即第一開關/線性電壓調節器模組503與第二開關/線性電壓調節器模組504用來做電壓調節器(voltage regulator)，一般來說，此第二模式的電路可以用低壓差線性電壓調節器(Low Dropout Regulator，LDO Regulator)實施。

第一開關/線性電壓調節器模組503與第二開關/線性電壓調節器模組504在模式選擇上，可以藉由其選擇端SEL來做選擇控制。舉例來說，當第一開關/線性電壓調節器模組503的選擇端SEL所收到的電壓為邏輯高電壓，則第一開關/線性電壓調節器模組503進入開關模式，此時第一開關/線性電壓調節器模組503將切換式電容轉換器501所輸出的輸出電壓Vo直接導通作為主電源電壓Vout1。同樣的道理，當第一開關/線性電壓調節器模組503的選擇端SEL所收到的電壓為邏輯低電壓，則第一開關/線性電壓調節器模組503進入電壓調節模式，此時第一開關/線性電壓調節器模組503將切換式電容轉換器501所輸出的輸出電壓Vo經過其內部的低壓差線性電壓調節器(LDO Regulator)進行降壓後，輸出作為主電源電壓Vout1。

由於第二開關/線性電壓調節器模組504在操作模式上，與第一開關/線性電壓調節器模組503相同，故不予贅述。然第二開關/線性電壓調節器模組504額外多了一致能端EN。由於第二開關/線性電壓調節器模組504係用以提供從電源電壓Vout2，此從電源電壓Vout2主要是供應給可被關閉電源的功能區塊之電力，因此，當進入省電模式後，電源管理模組506可以透過其控制匯流排CBus以及致能端EN，關閉第二開關/線性電壓調節器模組504，以停止輸出從電源電壓Vout2。

為了方便說明本發明的精神，先假設此多輸出降壓式交換電容直流對直流電壓轉換器的操作模式包括第一模式與一第二模式。當多輸出降壓式交換電容直流對直流電壓轉換器操作於第一模式時，主電源電壓Vout1大於從電源電壓Vout2。當多輸出降壓式交換電容直流對直流電壓轉換器操作於第二模式時，主電源電壓Vout1小於從電源電壓Vout2。舉例而言，假設輸入電壓 Vin為3.3V，主電源電壓Vout1以及從電源電壓Vout2可為1.2V或1.5V。

假設操作模式為第一模式，主電源電壓Vout1為1.5V，從電源電壓Vout2為1.2V。電源管理模組506則是透過其控制匯流排CBus，控制選擇電路505，使主電源電壓Vout1作為回授訊號FB，因此，切換式電容轉換器501的輸出電壓Vo輸出1.5V；電源管理模組506再控制第一開關/線性電壓調節器模組503進入開關模式，使輸出電壓Vo直接導通作為主電源電壓Vout1；電源管理模組506控制第二開關/線性電壓調節器模組504進入線性電壓調節模式，將輸出電壓Vo(1.5V)降壓為1.2V以作為從電源電壓Vout2。

當此多輸出降壓式交換電容直流對直流電壓轉換器操作在第一模式，且進入省電模式時，電源管理模組506透過其控制匯流排CBus，控制第二開關/線性電壓調節器模組504的致能端，關閉第二開關/線性電壓調節器模組504，並停止從電源電壓Vout2的輸出。

接下來，假設操作模式為第二模式，主電源電壓Vout1為1.2V，從電源電壓Vout2為1.5V。電源管理模組506則是透過其控制匯流排CBus，控制選擇電路505，使從電源電壓Vout2作為回授訊號FB，因此，切換式電容轉換器501的輸出電壓Vo輸出1.5V；電源管理模組506再控制第二開關/線性電壓調節器模組504進入開關模式，使輸出電壓Vo直接導通作為從電源電壓Vout2；電源管理模組506控制第一開關/線性電壓調節器模組503進入線性電壓調節模式，將輸出電壓Vo(1.5V)降壓為1.2V以作為主電源電壓Vout1。

當此多輸出降壓式交換電容直流對直流電壓轉換器操作在第二模式，且進入省電模式時，電源管理模組506透過其控制匯流排CBus，控制選擇電路505使用主電源電壓Vout1作為回授訊號FB，以控制輸出電壓Vo轉變為1.2V；接著，電源管理模組506透過其控制匯流排CBus，控制第二開關/線性電壓調節器模組504的致能端，關閉第二開關/線性電壓調節器模組504，並停止從電源電壓Vout2的輸出；之後，電源管理模組506再控制第一開關/線性電壓調節器模組503進入開關模式，使輸出電壓Vo直接導通作為主電源電壓Vout1。

又，當此電路操作在從電源電壓Vout2等於主電源電壓Vout1的情況下，此操作可等同於第一模式，唯不同點在於，第二開關/線性電壓調節器模組504是操作在開關模式，而非線性電壓調節模式。

由上面實施例，可以看出，本發明的好處在於無論何者是1.5V或1.2V，其中一個開關/線性電壓調節器模組都可以當作開關，以減低功率消耗。另外，此多輸出降壓式交換電容直流對直流電壓轉換器還可以用於電源管理，在省電模式時，可以關閉從電源電壓Vout2，進而達到節電的效果。在應用方面，此多輸出降壓式交換電容直流對直流電壓轉換器可以應用於影像處理系統。由於影像處理系統一般來說會包括影像處理器(Image Signal Processor，ISP)以及影像感測器(Image Sensor)。又，一般高畫質影像感測器(HD Sensor)所需電壓為1.5V，全高清像感測器(FHD Sensor)所需電壓為1.2V。影像感測器在省電模式時，可以將電源關閉以延長電池壽命。而影像處理器一般來說是用微處理器實施，微處理器亦可以直接作為本案的電源管理模組506使用。

另外，若應用的產品沒有節能模式，或者從電源電壓Vout2無法關閉時，第二開關/線性電壓調節器模組504亦可以無須設計致能端，減低設計複雜度。因此，本發明不以此為限。

再者，由上面實施例的銲墊507之數目，可以看出，在此實施例僅使用6個銲墊507，換句話說，用於積體電路時，僅需6個接腳。因此，本發明應用於積體電路內部，可以減少接腳數的數目。

第6圖繪示為上述開關/線性電壓調節器模組503或504之詳細電路圖。請參考第6圖，此開關/線性電壓調節器模組包括一參考電壓源601、一差動放大器602、一類比選擇電路603、一電壓調整電晶體604以及一分壓取樣電路605。為了讓所屬技術領域具有通常知識者可以瞭解本發明，在此第6圖中，額外繪示了電源管理模組506。

電源管理模組506可以透過控制匯流排CBus控制上述開關/線性電壓調節器模組的操作模式。舉例來說，當操作在線性電壓調節模式時，電源管理模組506透過控制匯流排CBus控制類比選擇電路603，使類比選擇電路603的第二輸入端IN2與類比選擇電路603的輸出端OUT短路。之後，差動放大器602透過分壓取樣電路605的電阻R1、R2的分壓所取樣到的電壓Vsense以及參考電壓源601所產生的參考電壓Vref，進行電壓放大，以控制電壓調整電晶體604的導通程度。

當操作在開關模式時，電源管理模組506透過控制匯流排CBus控制類比選擇電路603，使類比選擇電路603的第一輸入端IN1與類比選擇電路603的輸出端OUT短路。此時，電壓調整電晶體604的閘極會直接接收到一導通電壓(由於在此例中，電壓調整電晶體604為P型金屬氧化物半導體場效應電晶體，導通電壓為低電壓Low)。因此，電壓Vo會被直接導通到輸出電壓端Vout。因此，輸出電壓Vout會實質上與電壓Vo相等。

又，由於在上述實施例中，第二開關/線性電壓調節器模組504還包括了致能(enable)與失能(disable)的功能，在此例中，電源管理模組506可透過控制匯流排CBus連接到參考電壓源601的致能端EN以及差動放大器602的致能端ENOP。因此，電源管理模組506可以透過控制匯流排CBus，直接關閉第二開關/線性電壓調節器模組504的電壓輸出。

再者，上述實施例中，雖然電壓調整電晶體604是以P型金屬氧化物半導體場效應電晶體作為舉例，然所屬技術領域具有通常知識者應當可以理解，N型金屬氧化物半導體場效應電晶體也可以取代P型金屬氧化物半導體場效應電晶體，差別在於差動放大器602的設計，另外，雙載子電晶體也可以取代上述金屬氧化物半導體場效應電晶體。換句話說，只要是具有第一端、第二端、控制端的元件，且當第一端接收到電壓，由控制端的電壓或電流可以控制第二端的電壓者，皆可以作為本案的電壓調整電晶體604。故本發明不以此為限。

綜上所述，本發明之精神在於利用一降壓交換電容式直流對直流電壓轉換器和至少二組開關/線性電壓調節器模組來組成可變化輸出電壓之兩組電源。此兩組電源其一為主電源(master power source)電壓，用以提供主控制電路使用，其二從電源(slave power source)電壓，用以提供從屬電路使用。主從電源間無何者為高，何者為高低之應用限制，且從電源可被關閉以符合低靜態電流之節能要求。

在較佳實施例之詳細說明中所提出之具體實施例僅用以方便說明本發明之技術內容，而非將本發明狹義地限制於上述實施例，在不超出本發明之精神及以下申請專利範圍之情況，所做之種種變化實施，皆屬於本發明之範圍。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。