TWI536136B - 對於實施叢發模式作業之切換模式供應器之輸入電壓調節的系統及方法 - Google Patents

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Description

對於實施叢發模式作業之切換模式供應器之輸入電壓調 節的系統及方法
本發明大體上相關於電子領域，且更特定而言相關於具有叢發模式(burst mode)作業之供應器的電壓調節。
近年來，存在對於經由電壓調節器提升從電力源至負載之電力傳輸的效率的努力。電壓調節器為提供經預定且實質上固定的輸出電壓，即使使用的輸入電壓源的規格不佳的電力供應電路。再者，許多電子產品使用電壓調節器，以將輸入電壓轉換成可高於或低於輸入電壓的經調節輸出電壓。因此，電壓調節器的功能可同時為電壓轉換器與電壓穩定器。
存在兩個大的調節器分類，亦即線性調節器與切換調節器。例如，在線性調節器中，可藉由調整被動元件(例如可變電阻)以控制從電壓源至負載的連續電流，來調節輸出電壓。
另一方面，切換調節器本質上為藉由將電流切換為 開啟(ON)與關閉(OFF)來操作，以控制輸出電壓的直流對直流(DC-DC)轉換器。切換調節器可利用一或更多個切換裝置，以及電感器與電容器，以儲存能量並傳輸能量至負載。此種調節器藉由開啟與關閉切換元件，從而調節透過電感器發送的電力量(為離散電流脈衝形式)，來控制供應至負載的電壓。例如，電感器與電容器將所供應的電流脈衝轉換成實質上固定的負載電流，而使負載電壓被調節。因此，可透過基於指示輸出電壓與負載電流的回授訊號，來調整切換元件之ON-OFF工作週期，以達成對輸出電壓的調節。
對於許多應用，操作於電流模式的切換調節器是特 別被需要的。例如，電流模式切換調節器可提供良好的線暫態訊號拒斥與負載暫態訊號拒斥，並可在錯誤情況期間內(例如輸出短路)提供固有的電流限制能力。再者，一些習知的電流模式切換調節器偵測電感器電流，並將電感器電流與峰值電感器電流位準比較，以決定切換調節器適當於何時關閉主切換元件，從而消除過量電流的供應。
一種時常操作於電流模式的調節器類型，為同步切 換調節器。同步切換調節器具有主切換元件與同步切換元件，主切換元件與同步切換元件被驅動為相對彼此為異相，而以經調節電壓位準供應電流至負載。
切換調節器通常比線性調節器提供更良好的電力傳輸效率。然而，切換調節器的效率可改變且不總是為最佳的。例如，隨著負載的電力要求下降(例如調節器接近調節器的調節點)，ON脈衝寬度可變得較窄，且電力傳輸效率下降。 甚至在負載電力要求降低時，驅動電路系統消散固定的電力量，不論負載大小為何。
前述對於輕載(lighter load)的效率損失，常見於操作在強迫連續作業模式中的切換調節器。在強迫連續模式中，切換調節器對於輕載的效率損失變得較大，因為主開關不論操作條件而被週期性地開啟與關閉。因此，因為持續開啟與關閉主開關與同步開關的能量(例如為閘極電荷形式)係獨立於負載條件，這些調節器對於輕載的效率可為低落。再者，對於輕載，調節器可變得不穩定，並甚至跳過脈衝，此可產生不被期望的結果。
存在減少這些損失與效應的技術。例如，緩解強迫連續模式之輕載的低效率的一種方式，為允許調節器進入叢發模式作業。在叢發模式作業中，調節器可在負載為輕時省略切換週期，從而減少電晶體閘極電荷損失。在操作於叢發模式中時，隨著負載電流下降到預定值以下，主動切換元件(例如切換電晶體)以及可能存在的不被需要的其他調節器電路部件被保持為關閉(例如睡眠模式)。在同步切換調節器中，主切換元件與同步切換元件兩者在睡眠模式期間內可被保持為關閉。在非同步切換調節器中，主切換元件可被保持為關閉。因此，叢發模式作業可用於減少切換調節器中的切換損失，並提升對於低輸出電流位準的操作效率。
對於習知的叢發模式切換調節器，叢發模式作業一般而言回應於調節器輸出情況(例如電壓負載)而發生。例如，在輸出電壓上升超過第一預定位準時，電流控制迴圈被 中斷，從而允許調節器進入睡眠模式。睡眠模式防止額外的電力被傳輸至負載。從睡眠模式退出，發生在調節器輸出電壓降至第二預定值以下時(例如，第二預定值可高於第一預定值)。因此，對於叢發模式切換調節器，睡眠模式的進入與退出，為對於輸出電壓情況的函數。
在輸出電壓位準實質上為固定時，產生對於控制叢發模式切換調節器的困難。例如，調節器可為對電池充電。由於電池提供實質上固定且獨立於充電電流的電壓位準，故習知的調節器輸出電壓監測並不適用。再者，電力源的容量可被限制，或者可為擾動。例如，電力源可為太陽能單元(solar cell)，其中可傳輸至負載的最大電力可隨著環境情況而改變。
有鑑於上文所述，期望提供有效率地傳輸電力至負載的電路與方法，且負載的輸出電壓不隨著充電電流改變而快速變化。亦將期望提供有效率地傳輸電力至負載的電路與方法，其中對於進入與退出叢發模式作業的決策包含對於電力源輸出情況的考量。
100‧‧‧電壓調節器
110‧‧‧控制電路系統
111‧‧‧振盪器
112‧‧‧邏輯
113‧‧‧補償電路
114‧‧‧主切換器驅動器
115‧‧‧電流比較器
116‧‧‧電流放大器
117‧‧‧叢發比較器
118‧‧‧電流放大器
119‧‧‧誤差放大器
120‧‧‧主切換器
121‧‧‧同步切換器
122‧‧‧電晶體
123‧‧‧電晶體
124‧‧‧感測電阻器
125‧‧‧電感器
126‧‧‧感測電阻器
127‧‧‧輸出電容器
128‧‧‧負載電阻器
129‧‧‧驅動器
130‧‧‧電壓緩衝器
133‧‧‧箝制電路系統
134‧‧‧MODE選擇輸入接腳
202‧‧‧電力源
203‧‧‧切換調節器
204‧‧‧輸入切換器
208‧‧‧切換模式電力供應
210‧‧‧電流量測元件
212‧‧‧輸入取樣電路
214‧‧‧負載
220‧‧‧控制電路
230‧‧‧電流限制方塊
300‧‧‧切換調節器系統
301‧‧‧切換調節器
302‧‧‧太陽能面板
303‧‧‧輸入節點
304‧‧‧切換器
306‧‧‧輸入電容器
308‧‧‧切換模式電力供應
310‧‧‧感測電阻器
312‧‧‧跨電流限制電阻器
314‧‧‧電池
316‧‧‧分壓電阻器
318‧‧‧分壓電阻器
322‧‧‧放大器
324‧‧‧誤差放大器
326‧‧‧相乘器
328‧‧‧電流限制放大器
330‧‧‧電晶體
334‧‧‧電阻器
336‧‧‧電晶體
344‧‧‧遲滯比較器
346‧‧‧放大器
347‧‧‧切換器
350‧‧‧電阻器
352‧‧‧電阻器
360‧‧‧時脈
366‧‧‧DAC取樣保持電路
370‧‧‧比較器
374‧‧‧電阻器
378‧‧‧電阻器
圖式圖示說明性具體實施例。圖式未說明所有的具體實施例。可額外地(或替代地)使用其他具體實施例。可省略可為顯然或非必要的細節，以節省空間或更有效率的說明。可使用額外部件或步驟及/或不使用所有所說明的部件或步驟來實施一些具體實施例。在不同圖式中出現相同的編號時，編號代表相同或類似的部件或步驟。
第1圖為習知步降切換電壓調節器的說明性電路圖。
第2圖為與本發明之具體實施例一致的切換調節器的方塊圖。
第3圖為與本發明之具體實施例一致的切換調節器的更詳細方塊圖。
第4圖為與本發明之具體實施例一致之將電力有效率地從電力源傳輸至負載的示例性方法。
在下文的詳細說明中，由示例之方式揭示數種特定的細節，以幫助通透瞭解相關揭示內容。然而，應顯然瞭解可不使用此種細節來實施本發明。在其他實例中，已由相對高的階層說明了習知方法、程序、部件及/或電路系統，而未說明其細節，以避免不必要地遮蔽本發明的態樣。
下文討論的各種範例，相關於有效率地從電力源傳輸電力至負載。在一個態樣中，切換調節器調節電力源(可擾動)與負載(負載輸出電壓不隨著充電電流改變而快速變化)之間的電力傳輸。透過叢發模式作業在調節器的輸入提供低電力時，減少調節器中的切換損失並提升操作效率，以增強效率。
現詳細參照圖示說明於附加圖式並討論於下文中的範例。第1圖圖示說明使用固定頻率、電流模式控制架構的習知步降(降壓)切換電壓調節器。
第1圖的電壓調節器100包含控制電路系統110， 控制電路系統110併入振盪器111或任何其他能夠提供切換時序(藉由以固定頻率產生窄脈衝)給電路的適合裝置。在每一週期開始處，此振盪器脈衝傳輸通過邏輯112，邏輯112隨後指示主切換器驅動器114開啟主切換器120。邏輯112可包含脈衝寬度調變器(PWM)電路，或任何其他能夠驅動切換器驅動器114與129的適合電路，以控制主電力切換器120的工作週期(亦即切換器120開啟的時間量相較於開啟/關閉週期的時間週期)。此強迫約為VIN-VOUT之電壓跨於電感器125上。因此，通過電感器125的電流線性提升，且大量的電流被供應至電容器127與負載(由電阻器128構型)。在主切換器120為開啟時，電感器電流流動通過感測電阻器124並產生跨於感測電阻器124上的感測電壓，感測電壓相等於電感器電流與感測電阻器值的乘積。隨後，此感測電壓被由電流放大器118放大。在經放大的感測電壓提升至超過電流比較器的反相輸入上(亦即經緩衝的ITH輸入上)的電壓時，電流比較器115跳脫並通知邏輯112，使驅動器114與129各別關閉主切換器120與開啟同步切換器121。此改變跨於電感器125之上的電壓為大約-VOUT，使電感器電流降低，直到下一個振盪器脈衝再次開啟主切換器120並關閉同步切換器121。
在經緩衝ITH輸入上的電壓，控制最小峰值電感器電 流，在最小峰值電感器電流處電流比較器115關閉主切換器120。誤差放大器119(可包含差動放大器、轉導放大器或任何其他適合的放大器)藉由比較來自電阻分壓器126的回授 訊號與參考電壓VREF，來調整ITH上的電壓。ITH訊號隨後被由補償電路113穩定化，補償電路113較佳地包含電阻器與電容器，且補償電路113透過電壓緩衝器130耦接至電流比較器115的反相輸入。若大的負載步級被施加至電壓調節器100，則從調節器100汲取的負載電流提升。此造成回授電壓VFB相對於VREF的降低。誤差放大器119提升ITH電壓，直到平均電感器電流與新的負載電流匹配。相反的，若負載電流降低，則造成回授電壓VFB相對於VREF的提升。此造成誤差放大器119降低ITH電壓。因此，雖然主切換器121繼續以相同頻率(亦即在每一週期起始處)切換開啟，主切換器121的工作週期降低，且因此主切換器121隨著負載電流降低而傳導較少的電流。此程序持續直到平均電感器電流相等於新的負載電流。
第1圖的調節器准許使用者透過使用外部MODE選擇輸入接腳134，來在切換調節器的兩個作業模式之間選擇。第一作業模式為強迫連續作業，強迫連續作業減少雜訊、RF干擾以及輸出電壓漣波。在強迫連續作業中，電感器電流被允許變成負的。在主切換器120關閉時，同步切換器121開啟。同步切換器保持開啟，直到下一個振盪器脈衝觸發使主切換器開啟。第二作業模式為叢發模式，在叢發模式中主切換器120及同步切換器121對輕載間歇性地操作。此提供了比強迫連續作業好的效率，藉由減少對於輕載的電晶體閘極電荷損失。
在叢發模式作業中，電流反向比較器116被致能， 且電感器電流不被允許變成負的。電流反向比較器監測流動通過同步切換器121的電流，並在電感器電流經受電流反向情況時通知邏輯112關閉同步切換器。在第1圖之具體實施例中，電流反向情況指示電流跨過零電流位準時。然而，熟習本發明領域之技藝者將理解，本發明的範圍包含其他電流反向情況，例如指示電流即將(或已經)跨過零電流位準的電流反向情況。例如，可施加電壓偏差至比較器116的反相輸入，而使比較器116恰好在電感器或切換器電流跨過零電流臨限之前跳脫。
在叢發模式期間內，箝制電路系統(clamp circuitry) 133的電晶體122與123將經緩衝ITH電壓的最小值箝制在叢發臨限位準處，從而設定最小峰值電感器電流位準Iburst。ITH電壓隨後被叢發比較器117監測，已決定何時睡眠模式被致能以及去能。在主切換器120開啟時，電感器電流需要在主切換器120可關閉之前提升至最小峰值電感器電流位準。隨後，隨著輸出負載電流下降，峰值電感器電流降低，以保持輸出電壓為受調節。在所要求的負載電流下降到少於Iburst減去電感器漣波電流之一半的電流時，叢發臨限強迫峰值電感器電流保持相等於Iburst。因為平均電感器電流大於負載電流，誤差放大器119減少ITH電壓，直到叢發比較器117跳脫。 在叢發比較器跳脫時，睡眠模式被致能，且切換器120與121兩者(以及剩餘電路系統的預定部件)被關閉，以減少電力消耗。此時，負載電流由輸出電容器127單獨供應。在輸出電壓下降時，在ITH上的電壓提升至超過由叢發比較器117的 遲滯(hysteresis)所設定的位準，並使叢發比較器117反跳脫(untrip)。睡眠模式被除確立(de-asserted)，所有電路系統被開啟，且回復正常作業。
第1圖中電路的缺點為，在輸出電壓VOUT實質上固 定時(例如在調節器正對電池充電時)，調節器100無法決定是否/何時進入叢發模式。此係因為負載(例如電池)提供了不論調節器100的充電電流為何而實質上為固定的電壓負載。再者，調節器100無法容納受限的或擾動的VIN電力源(例如太陽能單元)。因此，在VIN輸入處的電力情況改變時，調節器無法知道何時/是否進入叢發模式，而終究造成對輸出VOUT的電力傳輸效率未最佳化。
第2圖為與本發明之具體實施例一致的切換調節器 的方塊圖。切換調節器203以經調節電壓供應輸出電流至負載214(在此範例中為電池)。切換調節器203包含耦接至電力源202的輸入節點。在一個具體實施例中，電力源202為太陽能面板。輸入切換器204被耦接於輸入節點與切換模式電力供應208之間。切換模式電力供應208被耦接至可為電池的負載214。電流量測元件210量測負載214汲取的電流。 在一個具體實施例中，電流量測元件210為感測電阻器(在下文更詳細討論)。在一個具體實施例中，切換調節器203包含經配置以控制切換器204的輸入取樣電路212。輸入切換器204經配置以隔離切換模式電力供應208與輸入節點。例如，輸入取樣電路212可開啟切換器204，而能夠決定切換調節器203輸入處的開迴路電壓(例如不受切換調節器的其他 部分擾亂)。輸入取樣電路212可關閉切換器，以提供對輸入電壓的閉迴路量測。在由開迴路量測所決定的參考電壓以及閉迴路量測之間的差異，被用以決定何時退出叢發模式作業。例如，在閉迴路量測結果在取樣之後為比參考電壓高出預定臨限時，退出開迴路電壓叢發模式作業。
在一個具體實施例中，輸入取樣電路包含數位類比 轉換器(DAC)取樣保持電路與開迴路放大器，開迴路放大器具有第一輸入與第二輸入，第一輸入耦接至DAC取樣保持電路的輸出，而第二輸入可操作地耦接至輸入節點。輸入取樣電路212可進一步包含耦接至DAC取樣保持電路的輸入的時脈。下文將清楚說明這些元件。
切換模式電力供應208可包含一或更多個輸出切換器，輸出切換器經配置以開啟/關閉至負載214的輸出電流。再者，輸出切換器可包含電感器，電感器經配置以提供輸出電流至負載214(雖然可使用切換電容拓樸來代替電感器)。將瞭解到可使用不同的拓樸，諸如升壓、降壓、降壓/降壓升壓等等。因為將能夠被在本發明領域中具有通常知識者輕易瞭解，將不詳細解釋切換調節器的作業。
切換調節器203可包含耦接於輸入節點與切換模式電力供應208之間的控制電路220。在一個具體實施例中，為了兩個目的使用控制電路220：(i)在MPPC調節期間控制切換模式電力供應208的最大電流輸出；以及(ii)在叢發模式作業期間控制切換模式電力供應208的最大電流輸出與作業。
切換調節器203可進一步包含電流限制方塊230(例 如包含電流限制放大器，電流限制放大器經配置以施加跨於電流限制電阻器上的人工電壓(討論於第3圖))以限制輸出電流(例如提供至負載214的電流)。
第3圖為與本發明之具體實施例一致的切換調節器 的更詳盡方塊圖。對於切換調節器301的輸入可為擾動源，諸如太陽能面板302。來自太陽能面板的輸入電壓被提供至一或更多個切換器304(例如NFETS 304與306)，在此範例中切換器304被集合稱為「輸入切換器」。雖然第3圖範例說圖示說明了NFET，但將瞭解可使用其他適合的切換元件類型，而不脫離本文所實施的原則。
例如，在輸入切換器304開啟時，來自太陽能面板 302的電流可傳輸通過以至切換調節器的其他部分(例如經由切換模式電力供應308)。在輸入切換器304關閉時，太陽能面板302被與切換調節器301隔絕。輸入切換器302一般而言為位於開啟模式。在一個範例中，於在輸入電壓被取樣之短暫期間內，輸入切換器302被關閉(此將於下文討論)。 因此，輸入切換器304允許調節器做成對於在輸入電壓節點303處的輸入電壓的開迴路電壓量測。
在一個具體實施例中，輸入取樣方塊包含數位類比 轉換器(DAC)取樣保持電路366、開迴路放大器370、輸入電阻器374與378以及時脈360。例如，輸入取樣方塊在輸入切換器關閉時感測輸入電壓處的電壓。此感測到的開迴路電壓代表對切換調節器301的輸入電壓，此輸入電壓不受由切換調節器301所呈現之負載(亦即，不同於負載314)的擾動 影響。接著，藉由開啟切換器，取樣輸入電壓(亦即以閉迴路量測輸入電壓)。輸入電壓在切換器開啟與關閉時的差異，提供對於切換器是否應被關閉的指示。此係於下文更詳細討論。
輸入切換器的輸出係耦接至切換模式電力供應方塊 308。如上述，支援不同的拓樸，諸如升壓、降壓、降壓/降壓升壓等等。在此範例中實施降壓拓樸。因為將能夠被在本發明領域中具有通常知識者輕易瞭解，將不詳細解釋切換調節器的作業。
在一個具體實施例中，切換模式電力供應方塊308 包含一或更多個輸出切換器，輸出切換器經配置以開啟或關閉至負載314的電流。切換器的輸出係耦接至提供電流至負載314(例如電池)的電感器。在一個範例中，基於在Sense+與Sense-節點處的輸入訊號，來決定是否要開啟或關閉輸出切換器。在一個範例中，電力供應方塊308包含內部振盪器，內部振盪器經配置以設定輸出切換器的斬波頻率(chopping frequency)。例如，使用比較器以設定輸出切換器的工作週期。工作週期為切換器開啟時間的百分比。換言之，開啟時間為工作週期乘上週期(例如，1/頻率)。
在第3圖範例中，使用了電流模式控制。因此，由 感測電阻器Rsen(310)提供對切換模式電力供應308的Sense+與Sense-節點的感測電壓。換言之，提供至電池314的電流係由感測電阻器Rsen(310)來感測，並經由sense+與sense-輸入提供至切換模式電力供應308。例如，可基於此電流輸入， 來決定何時開啟輸出切換器。可經由電阻器R4(313)設定最大調節電流，電阻器R4(313)提供了偏差電壓。此偏差電壓被提供至感測放大器(未明顯圖示，但位於切換模式電力供應308內)，感測放大器監測流動通過感測電阻器Rsen(310)的電流。在一個具體實施例中，感測放大器為轉導放大器。 例如，若跨電流限制電阻器R4(312)上產生了50mV，則切換模式電力供應308提供經調節的50mV跨於感測電阻器Rsen(310)上(若感測放大器不具有偏差)。在負載(在此範例中亦即為電池314)達到滿載容量時，通過電阻器Rsen 310的電流成為0，從而防止對電池過充電。
在一個範例中，在切換調節器301接近調節時，人 工電壓被施加為跨於電阻器R4(312)上，以限制電流量。換言之，若電池312達到滿載充電容量，則提供至負載(例如電池314)的充電量被限制。
例如，在正常作業下(例如不使用最大功率點控制 (MPPC))，最大電流係由電流限制放大器A3(328)、電晶體Q1(330)以及電阻器RIset(334)設定，而使電阻器R4(312)中的電流係基於VImax/RIset。
在第3圖範例中，電池314作為對切換調節器301 的負載。因此，電池314可被以固定的電流充電，直到跨電池314上的電壓接近充飽電壓(float voltage)。例如，在達到充飽電壓時，充電電流被減少直到電流成為0。在一個具體實施例中，透過誤差放大器A6(324)來達成此調節。例如，隨著被分壓的電池電壓接近節點Ref(324)處的預定電壓，由 電晶體Q1(330)設定並傳至R4的最大電流被減少至零。
例如，對於MPPC調節，節點303處的輸入電壓(由太陽能面板302提供)首先被從切換模式電力供應308斷開，如上文所討論。在一個具體實施例中，切換模式電力供應308在此輸入電壓取樣階段期間亦被停止(例如為了節省電力)。輸入取樣方塊隨後取樣此電壓。例如，在比較器370的正端處產生電壓，其中將輸入303處的無負載輸入電壓由電阻器R6/R7(分別為374與378)分壓來產生此電壓。比較器370正端處的此電壓提供了數位訊號，數位訊號指示來自輸入電阻分壓器(亦即374與378)的電壓是大於(亦即輸出高)或小於(亦即輸出低)DAC取樣保持電路366的輸出。數位訊號(在比較器370正端處)隨後被載入移位暫存器(未圖示)，移位暫存器設定要開啟的DAC位元。在循環通過可能的組合之後，MPPC Target節點處的電壓實質上類似於比較器370正端。例如，在MPPC目標節點處的電壓維持固定，直到開迴路電壓再次被取樣。藉由關閉輸入切換器304來產生開迴路情況。
例如，在取樣週期末端處，輸入切換器304被再次開啟，從而將輸入節點303處的電壓連接至切換模式電力供應308。節點303處的閉迴路輸入電壓經由電阻器R1與R2(分別為350與352)被與MPPC目標節點電壓比較。在一個具體實施例中，此電壓差異做為訊號而透過放大器G1(例如轉導放大器346)而被傳送，放大器G1在放大器G1輸出與電晶體Q2(336)基極處提供電壓。例如，在輸入電壓位於所 需調節點以下時，轉導放大器346輸出處的電壓降低，允許跨於電阻器334(RIset)上的電壓降低，從而降低跨於電阻器312(R4)上的電壓。因此，由切換模式電力供應308透過感測電阻器Rsen(310)提供的最大電流被減少。由於切換模式電力供應308以較低的電流操作，從輸入供應(太陽能面板302)汲取的輸入電流降低。因此，輸入節點303處的電壓提升(例如，節點303處的過量太陽能面板電流對輸入電容器306充電)。在一個具體實施例中，平衡發生於MPPC調節電壓與MPPC Target電壓匹配時。
例如，MPPC控制迴路為調節輸入電壓與發自輸入 供應之最大電力傳輸所需的期望輸入電壓之間的差異的手段。透過調整切換模式電力供應308最大輸出電流以達成調節。
在一個具體實施例中，叢發模式控制迴路超越控制(override)數個控制迴路。在一個具體實施例中，切換模式電力供應主要藉由使用電流模式控制迴路來控制。此迴路將電感器電流調整至平均值，以容納所需的調節點。例如在電力供應中，通常是電壓或電流被調節。在對於電池充電器的情況中，電壓與電流兩者皆被調節。例如，在低電池電壓時電流被調節至最大值。隨後，隨著電池接近已充電狀態，電流調節降低，且調節以電池電壓為基礎。在一個具體實施例中，對MPPC調節加入另一控制迴路。在此狀態中，切換模式電力供應208自身的電流位準調節被超越控制，而被調節於不同值處，以維持輸入電壓調節值。如上文所討論，在低 輸出電流位準處(例如透過電阻器Rsen 310)，使輸出切換器叢發是較為有效率的。例如，切換器被開啟數個週期而隨後關閉。叢發模式以較高的電流(亦即，但非為連續的)操作輸出切換器，而非以低輸出電流操作輸出切換器，而使平均電流為相同的。因此，調節器301被操作為接近最大電力點控制電壓。
在一個具體實施例中，在一開始，決定何時要進入 叢發模式。例如，此係由經由放大器A4(322)決定充電電流(例如流動通過Rsen 310的電流)來完成。例如，在電流降至預定位準以下時，放大器A4(322)提供指示電流位準為低的訊號。
在一個具體實施例中，MPPC控制迴路包含電阻器 350(R1)、電阻器352(R2)、放大器346(G1)、在切換模式電力供應308輸出處的輸出電容器、電晶體336(Q2)、電晶體330(Q1)、相乘器326與電阻器312。在一個具體實施例中，在以MPPC調節中以連續切換調節，且在輸出處偵測到低電流時，不發生任何事(亦即，系統保持在連續切換中)。例如，若輸入源(例如太陽能面板302)減弱(例如提供較少的電力至輸入節點303)，則輸出電流可使輸入電壓下降。例如，隨著輸入節點303處的電壓透過電阻器R1(350)，反映於跨電阻器R2(352)之上的「MPPC_IN電壓」降至「MPPC_BURST_OFF電壓」以下(例如MPPC_regulation-遲滯/2)，輸出切換器被關閉。應注意到，本文中使用的名詞「MPPT_BURST_OFF」代表低臨限，使得在MPPT中時， MPPT_BURST_OFF為切換模式電力供應308被去能的點。對於名詞MPPT_BURST_ON，MPPT_BURST_ON代表高臨限，在此處切換模式電力供應308被致能。雖然不需要用於對稱性，在一個具體實施例中可包含遲滯。
隨著進入叢發模式，輸出切換器被關閉。在一個具 體實施例中，最大輸出電流隨即被人工地設為高於MPPC調節所需要的電流。對於此範例，較高的最大輸出電流設定，係因為遲滯比較器A2(344)輸出已成為LOW，使切換器347(亦即在Q2基極上)將被觸發，而使得電晶體Q2(336)基極處的電壓為VIburst。然而，切換模式電力供應308為關閉，故不存在輸出電流。沒有輸出電流，輸入供應上不存在負載，且節點303處的輸入電壓上升。此電壓上升的速率，係由輸入供應302的輸出與輸入電容值Cin(306)決定。
應注意到，存在兩個「連續」模式。例如，存在切 換模式電力供應308的連續作業，此連續作業指示所有的切換器為有效的。然而，對於叢發模式的「連續」作業而言，此「連續」作業關於允許切換。
在一個具體實施例中，在我們已進入叢發模式調節 且MPPC_regulation節點達到電壓位準MPPC_BURST_ON節點(例如MPPC_regulation+遲滯/2)時，切換模式電力供應308開啟。例如，切換模式電力供應308以由VIburst節點電壓設定的固定最大電流來操作。輸出電流(例如，通過Rsen 310)可大於從輸入供應提供的電流，從而使輸入供應下降。例如，在由R1/R2所指示的輸入電壓達到MPPC_OFF時，切換模式 電力供應308再次關閉，且週期重複。輸出切換器為開啟的時間，可取決於輸入電容值Cin(306)、叢發模式電流位準以及切換模式電力供應308輸出處的情況。
接著，我們處理如何退出叢發模式。在一個具體實 施例中，若輸入供應增強，而使MPPC_regulation無法達到MPPC_BURST_OFF，則輸出切換器被操作為連續，但操作於叢發模式電流位準處。在一個具體實施例中，為了退出叢發模式作業，等待預定時間，直到輸入節點303處的電壓被取樣(例如，藉由從切換模式電力供應308斷開，如上文所討論)。例如，在取樣期間內，調節器301被重置而退出叢發模式狀態，且在取樣週期末端處調節器301被重新啟動，而不啟動叢發模式。在一個具體實施例中，若情況仍需要叢發模式(例如，輸出電流低於預定低電流臨限，且輸入電壓低於MPPC_BURST_OFF)，則隨後再重新起始叢發模式。或者，調節器301被操作在正常MPPC調節之下。
因此，在叢發模式中，調節器301可使輸入電壓循 環於MPPC_BURST_OFF與MPPC_BURST_ON之間。如上文所解釋，不需使用輸出電壓。事實上，輸出可為耦接至電池，而電池電壓不隨著時間大量改變。
在已於上文說明了對於示例性切換調節器系統300 的綜觀之後，現在考慮可連同切換調節器系統300使用的高階示例性流程討論可是有幫助的。第4圖圖示說明與本發明之具體實施例一致之從電力源有效率地傳輸電力至負載的示例性方法。
在正常(例如連續模式)作業(402)中，輸出電流(例如提供至切換調節器的負載)被調整以維持閉迴路回饋中的MPPC調節。在步驟406中，決定輸出電流(提供至切換調節器的負載)是否低於預定臨限(Iburst)。若輸出電流不低於預定臨限(Iburst)，則系統繼續進行正常(例如連續)作業(402)。例如，若電流不低於預定Iburst臨限，則此可指示負載(例如電池)仍為充電中，或者電池與電池上的負載的結合係高於達到臨限的所需。
在一個具體實施例中，在步驟406中，輸入電流(例如由輸入電壓源提供)低於預定臨限(Iburst)，而非使用輸出電流。例如，輸入電流可指示輸出電流為何。考慮到此，輸入電流(Iin)與輸出電流(Iout)之間的關係由以下的方程式1提供：
在步驟410中，在決定輸出電流係低於預定(Iburst)臨限時，決定輸入電壓(例如第3圖節點303處的電壓)是否低於第一輸入臨限位準。在一個具體實施例中，第一輸入臨限位準為MPPC調節電壓減去第一遲滯臨限電壓。MPPC調節電壓為可調整式(對每一開迴路取樣重新計算)。例如，若開迴路電壓已隨著溫度而改變，則MPPC調節電壓追蹤到此改變，並維持較佳的調節點。若輸入電壓不低於第一輸入臨限位準，則系統繼續進行正常(亦即連續)作業(402)。例如，若輸入電壓不低於第一輸入臨限位準，則此可指示電力源(例如太陽能面板)正提供足夠的電力給系統，且來自 電力源的電力被有效率地傳輸至切換調節器的負載(例如對電池充電)。
在步驟414中，在決定輸入電壓係低於第一輸入臨 限位準時，系統進入叢發模式作業。例如，正常(例如連續模式)MPPC調節作業(如連同步驟402而討論)被去能。在一個具體實施例中，MPPC調節放大器及/或切換模式電力供應(例如308)被關閉。例如，關閉這些部件節省電力，此最終提升輸入源(例如太陽能面板)與負載(例如電池)之間的電力傳輸效率。
接著在步驟418中，決定輸入電壓是否高於第二輸 入臨限位準。在一個具體實施例中，第二輸入臨限位準為MPPC調節電壓加上第二遲滯臨限電壓。在一個具體實施例中，第一遲滯電壓等於第二遲滯電壓。若輸入電壓不高於第二輸入臨限位準，則系統維持在叢發模式中，同時切換模式電力供應維持關閉。例如，若輸入電壓不高於第二輸入臨限位準，則此可指示電力源(例如太陽能面板)尚未準備好提供充足的電力以在電壓調節器301的輸入與輸出之間有效率地傳輸能源。
在步驟422中，在決定輸入電壓係高於第二輸入臨限位準時，切換模式電力供應被開啟。例如，切換模式電力供應回復進行切換，從而從輸入(例如太陽能面板)傳輸電力至輸出(例如電池)。在一個具體實施例中，平均峰值輸出電流被設定為Ix，Ix為高於預定Iburst臨限位準的電流位準。換言之，在輸入電壓高於第二輸入臨限位準時，峰值輸出電 流被設定為高於預定Iburst臨限位準。
在步驟426中，決定輸入電壓是否低於第一輸入臨 限位準。若輸入電壓不低於第一輸入臨限位準，則系統維持在叢發模式中，同時切換模式電力供應開啟(例如進行切換)。若輸入電壓低於第一輸入臨限位準，則系統返回步驟414-切換模式電力供應被關閉(例如不進行切換)的叢發模式作業。
退出叢發模式有許多方式。在一個具體實施例中， 在步驟404，以開迴路量測切換調節器301輸入處的電壓(例如，在提供從電力源至切換模式電力供應308之路徑的輸入切換器被關閉時)。例如，在完成此步驟之後，叢發模式狀態被移除，而使切換模式電力供應308返回正常作業。若切換模式電力供應308接著在低輸出電流中為靜態，且先前指示了低於BURST_OFF狀態的輸入電壓，則進入叢發模式。可週期性地查核開迴路電壓。考慮到此，叢發模式的狀態亦被週期性地查核。在一個具體實施例中，開迴路電壓量測與叢發模式查核之間可不存在鏈結。可使用個別的計時器，計時器可設定要重新評估叢發模式作業的時距。另一可能的方案可監測切換器操作於MPPC_BURST_ON臨限之上的時間量，並在所設定的時間之後重置叢發模式。
本文所討論的部件、步驟、特徵、物件、益處與優 點僅為說明性。這些部件、步驟、特徵、物件、益處與優點，以及相關的討論，全不意為以任何方式限制保護範圍。亦思量了數種其他的具體實施例。這些其他的具體實施例，包含 具有較少的、額外的及/或不同的部件、步驟、特徵、物件、益處與優點的具體實施例。這些其他的具體實施例，亦包含其中部件及/或步驟被不同地設置及/或排序的具體實施例。例如，將瞭解到第4圖中的流程僅為範例，而此方法亦可由其他順序或使用更多步驟來執行。再者，可使用雙極性電晶體(例如PNP或NPN)來代替MOS電晶體。可使用PNP代替NPN，且可使用PMOS代替NMOS。因此，意欲本發明僅由附加申請專利範圍來限制。
202‧‧‧電力源
203‧‧‧切換調節器
204‧‧‧輸入切換器
208‧‧‧切換模式電力供應
210‧‧‧電流量測元件
212‧‧‧輸入取樣電路
214‧‧‧負載
220‧‧‧控制電路
230‧‧‧電流限制方塊

Claims (25)

  1. 一種以一經調節電壓位準供應輸出電流至一負載的切換調節器，該切換調節器能夠操作於一叢發模式中，該切換調節器包含：一輸入節點；一輸出節點，該輸出節點耦接至該負載；一切換模式電力供應，該切換模式電力供應耦接至該負載；以及一控制電路，該控制電路耦接於該輸入節點與該切換模式電力供應之間，其中該控制電路經配置以基於該輸入節點處的一電壓低於一預定電壓臨限位準與下列之至少一者：(i)該輸入節點處的一電流或(ii)該輸出電流，來決定何時進入叢發模式，在該叢發模式中該切換模式電力供應的切換元件以一間歇性非週期性基礎提供輸出電流至該負載。
  2. 如請求項1所述之切換調節器，該切換調節器進一步包含一輸入切換器，該輸入切換器耦接於該輸入節點與該切換模式電力供應之間。
  3. 如請求項2所述之切換調節器，其中該輸入切換器經配置以使該切換模式電力供應與該輸入節點隔離，以取樣該輸入節點處的一開迴路電壓。
  4. 如請求項1所述之切換調節器，其中該切換模式電力供 應包含：一或更多個輸出切換器，該一或更多個輸出切換器經配置以開啟與關閉至該負載的該輸出電流；以及一電感器，該電感器經設置以提供該輸出電流至該負載。
  5. 如請求項1所述之切換調節器，其中該控制電路經配置以在一最大功率點控制(MPPC)調節期間以及在該叢發模式期間控制該切換模式電力供應的一最大電流輸出。
  6. 如請求項1所述之切換調節器，其中該切換調節器為一降壓調節器、一升壓調節器或一降壓升壓調節器之一者。
  7. 如請求項2所述之切換調節器，該切換調節器進一步包含一輸入取樣方塊，該輸入取樣方塊耦接於該輸入節點與該輸入切換器之間，其中該輸入取樣方塊經配置以在該輸入切換器開啟時以及在該輸入切換器關閉時取樣該輸入電壓。
  8. 如請求項7所述之切換調節器，其中該輸入取樣方塊包含：一數位類比轉換器(DAC)取樣保持電路；一開迴路放大器，該開迴路放大器具有一第一輸入與一第二輸入，該第一輸入耦接至該DAC取樣保持電路的一輸出，且該第二輸出可操作地耦接至該輸入節點；以及一時脈，該時脈耦接至該DAC取樣保持電路的一輸入。
  9. 如請求項1所述之切換調節器，其中該切換調節器為一電流模式同步切換調節器。
  10. 如請求項1所述之切換調節器，該切換調節器進一步包含一電流量測電路，該電流量測電路經配置以量測該輸出電流。
  11. 如請求項10所述之切換調節器，其中該電流量測電路包含一感測電阻器，該感測電阻器具有一第一節點與一第二節點，該第一節點耦接至該切換模式電力供應的一輸出，且該第二節點耦接至該負載。
  12. 如請求項11所述之切換調節器，其中該切換模式電力供應進一步包含：一第一感測節點，該第一感測節點耦接至該感測電阻器的該第一節點；以及一第二感測節點，該第二感測節點耦接至該感測電阻器的該第二節點。
  13. 如請求項12所述之切換調節器，該切換調節器進一步包含一電流限制電阻器，該電流限制電阻器耦接於該感測電阻器的該第二節點與該切換模式電力供應的該第二感測節點之間，其中該電流限制電阻器經配置以限制一輸出電流量。
  14. 如請求項13所述之切換調節器，該切換調節器進一步包含一電流限制放大器，該電流限制放大器經配置以跨於該電流限制電阻器上施加一人工電壓，以限制該輸出電流。
  15. 如請求項1所述之切換調節器，其中在該輸出節點處的一電壓由該負載實質上固定。
  16. 一種在一切換調節器中操作該切換調節器的方法，該切換調節器以一經調節電壓供應一輸出電流至一負載並能夠操作於一叢發模式中，該方法包含以下步驟：決定該輸出電流；在該輸出電流不低於一預定Iburst電流臨限值時以及在一輸入電壓不低於一預定第一輸入臨限位準時，操作於一連續模式中；決定該輸入電壓；以及在該輸入電壓低於該預定第一輸入臨限位準時，進入一叢發模式，在該叢發模式中該切換調節器的一切換模式電力供應的切換元件以一間歇性非週期性基礎提供輸出電流至該負載。
  17. 如請求項16所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：在該輸入電壓不高於一第二輸入臨限位準時，保持在叢發模式中，並關閉提供該輸出電流至該負載的該切換模式電 力供應的該等切換元件；以及在該輸入電壓高於該第二輸入臨限位準時，開啟提供該輸出電流至該負載的該切換模式電力供應的該等切換元件。
  18. 如請求項17所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：在該輸入電壓高於該第二輸入臨限位準時，將一峰值輸出電流設定為高於該預定Iburst電流臨限值。
  19. 如請求項17所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：在該輸入電壓不低於該第一輸入臨限位準時，保持在叢發模式中，且提供該輸出電流至該負載的該切換模式電力供應的該等切換元件為開啟；以及在該輸入電壓低於該第一輸入臨限位準時，返回該進入該叢發模式之步驟，並關閉提供該輸出電流至該負載的該切換模式電力供應的該等切換元件。
  20. 如請求項16所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：隔離該切換模式電力供應與該輸入電壓，並以一開迴路量測該輸入電壓；藉由移除該隔離，以一閉迴路量測該輸入電壓；以及比較該以該開迴路量測的輸入電壓以及以該閉迴路量測的輸入電壓之間的該電壓差異。
  21. 如請求項20所述之方法，其中對於該輸入電壓的該開迴 路量測與該閉迴路量測，係在預定時距處執行。
  22. 如請求項16所述之方法，其中關閉提供該輸出電流至該負載的該切換模式電力供應的該等切換元件之步驟，包含關閉一或更多個調節放大器。
  23. 如請求項17所述之方法，其中該第一輸入臨限位準為一最大功率點控制(MPPC)調節電壓減去一第一遲滯臨限電壓。
  24. 如請求項23所述之方法，其中該第二輸入臨限位準為該最大功率點控制(MPPC)調節電壓加上一第二遲滯臨限電壓。
  25. 如請求項24所述之方法，其中該第一遲滯電壓係相等於該第二遲滯電壓。
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