TWI568155B - 用於升降壓轉換器和調控器的高效ｐｆｍ控制的系統和方法 - Google Patents

用於升降壓轉換器和調控器的高效ｐｆｍ控制的系統和方法 Download PDF

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Description

用於升降壓轉換器和調控器的高效PFM控制的系統和方法
本發明係有關於升降壓轉換器，特別是關於一種限制四開關切換狀況之升降壓轉換器。
在一升降壓轉換器之內，其包含一升壓模式之運作，其中輸出電壓高於輸入之模式。在升壓模式之中，轉換器使用脈衝頻率調變(PFM)以控制轉換器內之開關電晶體的動作。在傳統型升降壓轉換器之內，其升壓模式PFM效率極低。此大致係由於升降壓轉換器中之四個開關電晶體各自均在大致同一時間切換而造成的一個四開關切換狀況所導致。若干用以限制一運作於PFM模式之升降壓轉換器中之四開關切換狀況之產生的方法將大幅地增進該轉換器之效率。
本發明，在其一特色之中，包含一直流/直流轉換器，該直流/直流轉換器包含一輸入接頭，用以自一輸入電壓源接收一輸入電壓，該輸入電壓源配置於一輸入電壓位準。一輸出接頭提供位於一輸出電壓位準之一輸出電壓通往一連接至該輸出接頭之負載，該輸出電壓位準不同於該輸入電壓位準。一電荷儲存元件透過該輸入接頭在其一輸入側自該輸入電壓源接收並儲存電荷，並將至少一部分之儲存電荷自其一輸出側轉移至該負載。一控制系統，在至少三個再現階段之中控制該電荷儲存元件之電荷儲存以及電荷 轉移，以針對該輸出電壓位準得到一個預定之位準。該三個階段包含用以自一輸入接頭將電荷儲存於該電荷儲存元件中之一電荷儲存基點、用以將僅只一部分儲存電荷自該電荷儲存元件轉移至該負載之一第一電荷轉移階段、以及將大致所有電荷轉移至該負載之一電荷轉移階段。
以下參見圖式，說明書各處之類似參考編號均用以表示類似之構件，其中例示並描述用於升降壓轉換器之高效率PFM(脈衝頻率調變)系統及方法之各種視圖及實施例，並說明其他可能的實施例。圖面不必然按比例繪製，且在某些實例之中，圖式在某些地方被誇大及/或簡化，此僅係基於例示之目的。相關技術之一般熟習者根據以下可能實施例之舉例，將能領略許多可能的應用及變異。
以下參見圖1，其在一高階例示脈衝頻率調變(PFM)升降壓直流/直流轉換器之一示意圖。該直流/直流轉換器包含一切換電橋101，可用以自一標示為VIN之電壓輸入節點116轉移電荷，以將電荷轉移至一電荷儲存元件115，且之後將此電荷轉移至一負載，該負載被组構成標示為Co之一並聯電容器130及標示為Ro之電阻器132，該並聯電容器及電阻器配置於一標示為VOUT的電壓輸出節點122與一位於一節點103的參考電壓之間，該參考電壓基本上係配置於接地處。電橋101係由一PFM升降壓控制器105控制，其動作係依據一脈衝頻率調變(PFM)運作模式。此PFM運作被分成二個動作，一個用以對電荷儲存元件115進行充 電，一個用以將儲存其中的電荷轉移至負載。該PFM運作變化上述二動作之比例，將說明於下。一個輸入自一時脈器107之時脈提供該PFM運作之時間基礎。
電橋101係一H型電橋。此係由具有一電荷儲存元件115配置於其間之二節點122和126構成。一第一開關106連接於輸入節點116與一節點122之間。一第二開關108連接於節點122與參考節點103之間。此二開關106及108，如將說明於下者，基本上係使用於一升降壓轉換器之降壓側。該H型電橋的另一側包含一連接於輸出電壓節點128與位於電荷儲存元件115另一側的節點126之間的第一開關110，以及一連接於節點122與參考節點103之間的第二開關112。開關110及112基本上係使用於一升降壓轉換器之升壓部分。然而，該H型電橋組態允許電荷被轉移入電荷儲存元件115以及接著自電荷儲存元件115進入輸出節點128之方式的多樣性，此將進一步詳細說明於後。
以下參見圖1A，其例示H型電橋101之實施方式之更詳細示意圖。在此組態之中，開關106以一p通道電晶體組構而成，開關108以一n通道電晶體組構而成，開關110以一p通道電晶體組構而成，而開關112係以一n通道電晶體組構而成。控制電晶體106和108之閘極的信號分別是BUCK_HS及BUCK_LS信號。情況類似地，控制電晶體110和112之閘極的信號分別是PFM Boost-d及PFM Boost信號。在本說明書之中，就構件106、108、110及112而言，"開關"一詞可以與"電晶體"交換使用於相同構件。電荷 儲存元件115包含一電感器114連接於節點122與126之間。
以下參見圖2A，其例示一個輸入電壓與一目標VOUT電壓之函數關係的升降壓模式關係圖。此VOUT電壓被例示為一虛線。當輸入電壓小於VOUT_TARGET-dV1之時，此直流/直流轉換器運作於升壓模式。當VIN介於VOUT_TARGET+dV2與VOUT_TARGET-dV1電壓之間時，此直流/直流轉換器擇一運作於降壓或升壓模式其中之一。若VIN大於VOUT_TARGET+dV2，則此直流/直流轉換器運作於降壓模式。當運作於升降壓模式之時，此通常被稱為一"轉變"階段。
該直流/直流轉換器之運作係利用脈衝頻率調變(PFM)，其有時候被稱為脈衝頻率模式。此使用一固定時脈頻率，其中電荷儲存元件115或電感器114被持續充電一段時間長度TON，接著進入一轉移動作一段時間長度TOFF。藉由改變TON與TOFF之間的比例，可以改變轉移至負載的電荷總量，如圖2B所例示。舉例而言，在升壓模式之中，電晶體106被關合，而電晶體110及112被切換以進行儲存及轉移動作，如同將於下之進一步詳述。針對電感器在升壓模式中之充電，意即儲存電荷於其中，藉由關合電晶體112並斷開電晶體110而關合電晶體106，節點126被下拉至接地。此係圖2B之中標示為TON之階段。在TON時段終了時，電晶體112被斷開而電晶體110被關合，轉移電荷至輸出節點128，此被標示為TOFF時段，其延伸至下一個時脈信號發生緣。藉由改變TON及TOFF二時段之 持續時間之比例，可以改變轉移至負載的電荷總量。此在以下有關升壓模式的控制器105之運作中進一步詳細說明。
升壓模式之運作將在下圖之中說明。基本上，所揭示實施例的升壓模式之中將存在三個狀態。其將有一第一充電階段以將電荷儲存於電感器114之中，其後跟隨一第二轉移狀態，自電感器114將電荷局部地轉移至電阻器132，以及一第三轉移狀態，將電感器114中之電荷完全轉移至負載。
參見圖3A，其例示開關之一示意圖以一簡化之示意圖例示。基於簡明之目的，電晶體106被標示成S1，電晶體108被標示成S2，電晶體110被標示成S3而電晶體112被標示成S4，圖中僅以記號S1、S2、S3及S4例示之。在第一狀態之中，標示為狀態[1]，其例示充電動作。在此動作之中，S1被關合，S2被斷開，使得節點116之電壓VIN連接至節點122，而節點122連接至電感器114的一側。電感器114之另一側被連接至節點126，而節點126透過開關S4連接至參考電壓，其中開關S3係斷開的。此將使得電感器電流能夠呈斜坡形式上升。圖3B例示此動作。處於第一狀態之圖3A的開關組態起始於一時脈信號緣301。其以波形IS4例示通過開關S4之電流，顯示該電流呈斜坡形式上升至一個位於一電流限制之時點303。此係儲存於電感器114中之電流能夠升達之一特定電流數值。一旦其偵測到電流係位於該位準，開關S4將被斷開，電感器114中例示於標示為IL的波形之電流進行充電動作。
以下參見圖4A及4B，其例示處於狀態[2]之開關之一簡化示意圖以及相關的時序圖。當電感器電流已然抵達該特定電流限制之時，如上所述，狀態被從狀態[1]切換至狀態[2]，其中在時點303處，開關S4被斷開而開關S3被關合。此使得節點126被連接至輸出節點128以及電阻器132。此類型之動作有時被稱為"振鈴電感器"動作，其中跨電感器114之電壓被逆轉，因為通過之電流無法瞬間改變。因此，位於電感器連接至節點126之一側上之電壓將高於節點122上之電壓。如此將致使電流在連接至節點128時流入節點128，從而升高其電壓。如此將造成一電荷轉移發生，直到位於下一個時脈信號緣305處之時脈周期終了為止。介於時點303與時脈信號緣305之間的動作將導致電感器電流IL之減少，電感器電流IL表示電荷之轉移至負載。然而，該動作僅是使得儲存於電感器之中的一部分能量將被轉移，因此，電感器電流將不會降低至一零電流水準。此標示於時點307處。同樣地，其可以看出，當開關S3關合之時，通過開關S3的電流將開始升至峰值電流位準，此處電感器電流係配置於時點309處，以表示電流通過開關S3而通往節點128。通過開關S3之電流係來自電感器114的電流和源於VIN的電流之結合。此電流將使得電感器電流變化至時點307，此時PFM周期將變換至下一個狀態。位於此時點307的電流並非一零位準。
在此狀態[2]之中，電壓VIN經由電感器114被連接至負載。因此，電流之流動將來自電感器114(被儲存之能量)， 且同時亦來自源於VIN之節點122。當VIN大約等於VOUT之時，跨電感器114之電壓將大約是零，但電流將仍然從VIN流出。
以下參見圖5A及5B，其例示第三狀態，狀態[3]，之開關之一簡化示意圖以及相關的時序圖。在此狀態之中，狀態[2]的轉移動作將在下一個時脈信號緣305產生之前，提早結束於時點311處。例示於圖5A中之狀態開始於時點311。在此時點處，一事件被偵測到，諸如抵達電壓限制，意即目標電壓。此將導致開關S1斷開而開關S2關合。當此發生之時，從電感器114到節點128的能量轉移速率將增加，從而增加通往負載的能量轉移速率以及來自電感器114的電流IL之速率。其原因在某種程度上係由於無額外之電流源於VIN。當電流IL在時點313處由電流感測器119判定為抵達一個零值時，此時開關S2及開關S3將被斷開，此表示直流/直流轉換器係處於目標電壓且無額外之能量需要被轉移至輸出負載。此可以藉由通過S3之電流看出，其從通過電感器之峰值電流下降至零電流。
以下參見圖6，其例示在一實施例中之動作之一時序圖，其中狀態[1]及狀態[2]依序前後接連通過。狀態[1]係充電周期，且由TON代表，表示S1關合且S4關合，而狀態[2]係由TOFF例示，表示S1導通，S4切斷而S3導通。在此例示之中，電感器114中之電流在動作開始時從未被完全放電。其參照圖4B之時序圖說明先前產生之狀態，其中在時點307處，電感器114未被完全放電，故據此而言， 當時脈信號緣305發生時，能量被留在電感器114之中。此在下一個充電周期的初始處或下一個狀態的開始處造成一個電流位準。因此，在時點601處，先前狀態[2]終了處之電流將位於一個大於零之位準。在此時點上，在一時脈信號緣603處，開關S1被關合且開關S3被斷開，而位於時脈信號緣603處通過開關S4之電流已高，但其並非位於峰值位準，電感器114之特定電流限制ILIMIT的位準。因此，在此狀態期間，額外之電荷將被轉移至電感器114。當通過電感器114的電流抵達ILIMIT時，開關S3將關合而開關S4將斷開。ILIMIT之電流位準被設定於一個夠高之位準，以確保對於預期之負載位準將有充足之能量儲存於電感器114之中。因此，當在一電流限制信號緣605處抵達該電流位準之時，通過電感器114以及通過開關S1之電流將在時點606處抵達ILIMIT，且當開關S4斷開之時，此將是最初在狀態[2]時通過開關S4之電流位準。電流將被轉移至負載且能量將自電感器114耗竭，且由於電感器114在連接至負載的節點126之側處具有一個在初始時高於輸入電壓的電壓，故負載上的電壓將上升超過VIN而能量將轉移入其中，因而降低電感器中之能量並減少通過電感器之電流。此從電感器114到負載的能量轉移動作將進行直到下一個時脈緣，時脈信號緣607，為止。在時脈信號緣607處，就始於狀態[1]的下一個PFM周期而言，開關S4被關合且開關S3被斷開。
取決於負載數值以及轉移至負載的電流，自電感器114 移除之能量總額將使得自電感器114耗除電流之斜率較大或較小，此係一個負載數值和介於VIN與VOUT間之電壓的函數。因此，在下一個時脈信號緣607處，電流位準可以低於時點601處。在此例示之中，電感器電流波形上之一時點609處，電感器電流於時點609處之位準低於時點601之電流。此將導致電感器114需要更多時間以在一時點611處回充至電流ILIMIT，此增加時間TON。由於時間TON增加，時間TOFF必須減少，使得自電感器至負載之能量轉移所允許之時間較少。因此，由於時脈之周期長度係固定的，故介於TON與TOFF之間的時間將動態地改變。其應理解，由於此係一升壓動作且節點122在狀態[1]的轉移狀態期間經由開關S1連接至VIN，故電流係自電感器114及VIN二者轉移。因此，當抵達升壓與降壓動作之間的轉變而電壓VIN與VOUT大致相等時，從開始到TOFF結束的電流減少將微不足道。此例示於圖7之中。
參照圖7，其例示介於時點701之間的一個時脈周期，其中開關S4在先前狀態中之一初始電流處係關合的。取決於電流之位準，時間TON之長度將改變直到電流在一時點703處抵達ILIMIT為止。此將起始轉移動作的下一個狀態，狀態[2]。此時間相對於TON之長度取決於時點701處之電流位準。該電流位準愈低，則TON之時間長度愈長而TOFF之時間長度愈短。TOFF期間，轉移速率係一個負載及介於VIN與VOUT之間的電壓函數。因此可以看出以點線繪出之轉移斜率，意即能量自電感器轉移之速率，例示該斜率可 以是從平坦(若電壓大致相等的話)到一陡峭之斜率。然而可以看出，電感器電流並未降至零交越且電感器114只有一部分能量自其轉移，使得在下一個狀態[1]之中，在一時點705處，通過電感器114的電流並不是零。其可以看出，藉由並未來到零交越，其將不需要斷開S3，且開關S1禁止電流自負載流入電感器114，因此其將有較小之輸出漣波以及較少之切換，因為開關S2並未關合以完全轉移電荷。如以下參照圖5A及5B之說明，在TOFF期間的某一時點，開關S2關合且開關S1斷開以增加能量自電感器釋放之速率，由於電流不再是由VIN供應，故一旦在零交越處完全放電，所有開關S1、S2、S3及S4均斷開至三態節點122及126。
進一步參照圖7，其可以看出，固定之時脈將在時脈信號緣之間提供一個TSW之時脈周期。峰值電流位準和TSW之選擇係使得，對於所有的負載水準及VIN、VOUT和VOUT-TARGET(或VLIMIT)之電壓位準，電流IL將不降至一零電流位準。因此，排除使用一個固定的TON，TON有所變化且TON/TOFF之比例亦有所變化以在TOFF期間持續轉移電荷，而不需要終結電感器通往負載之連接，直到目標電壓達成為止。此係有關一切換動作，其中開關S3係一接通或斷路開關(make or break switch)，與一個將在接近零電流時逆向偏壓的二極體不同。
以下參見圖8，其例示升降壓轉換器之升壓動作之細節，例示一H型電橋101以及相關升壓控制電路104，關聯一升壓PFM(脈衝頻率調變)控制機制之一第一實施例，其使 用一狀態[2]之過渡階段(pass through phase)，介於狀態[1]與狀態[3]的充電及放電階段之間，以避免升壓動作期間的一個四開關切換狀況。一個四開關切換狀況發生於一升降壓轉換器中的四個開關電晶體各自在一邏輯高狀態或者一邏輯低位準狀態之間的切換均在時間上的同一周期中。若僅只使用狀態[1]及狀態[3]，則此發生於升降壓轉換器自充電階段至放電階段或者自放電階段至充電階段的轉變處。充電階段發生於當通過升降壓轉換器之電感器114的電感器電流增加之時，而放電階段則發生於當通過升降壓轉換器之電感器電流朝一零交越位準降低之時。藉由在升壓PFM動作期間於狀態[1]與狀態[3]之間引入一個"過渡"階段之轉移動作，PFM升壓模式運作在狀態[1]之中使用一充電階段，其後跟隨一狀態[2]中之過渡階段，以將儲存於電感器114中的能量局部地轉移至負載，而後在充電動作中的某一時點納入一狀態[3]之放電階段，以使電感器114完全放電。該過渡階段之動作藉由導通電晶體106及110將VIN連接至節點122並將節點126連接至輸出節點128，且使得電感器電流IL能夠自VIN流至VOUT，如大體而言於805所例示，以及電流自電感器114之流動。當該過渡階段存在之時，時間上並無任何時點發生四開關切換狀況。此將升降壓轉換器之效率在升壓PFM模式運作中提升15%。
以下參見圖式，特別是圖8，其例示依據升壓模式中一實施例運作之一升降壓轉換器之H型電橋102以及相關控制電路104。控制電路104利用一電阻器分壓電路監測節點 128處之輸出電壓，該電阻器分壓電路包含一電阻器134連接於節點128與節點136之間以及一電阻器138連接於節點136與接地端之間。節點136提供回授電壓VFB通往一電壓比較器140之一非反相輸入端。電壓比較器140之非反相輸入端接收一參考電壓VREF。電壓比較器140之輸出產生一電壓限制信號，提供至一或閘(OR gate)142之一第一輸入端。
或閘142之另一輸入端經連接以接收一來自一電壓比較器144之輸出端之電流限制信號。電壓比較器144在其非反相輸入端接收來自電流感測器118之ISNS電壓信號，且在其非反相輸入端接收來自比較器140之VLIMIT電壓限制信號。或閘142之輸出端連接至SR鎖存器148之R輸入端。或閘142之輸出端將根據分別來自比較器140及144之輸出端的電壓限制信號或電流限制信號二者之一變成一邏輯"高"位準時產生一邏輯"高"數值。該電壓限制信號在回授電壓VFB超過參考電壓VREF時變成一邏輯"高"位準。該電流限制信號在來自電流感測器118之ISNS信號超過ViLIMIT電壓時變成一邏輯"高"位準。
比較器140之輸出亦提供至一緩衝器150做為一輸入。緩衝器150之輸出連接至一及閘822之一輸入端並且提供BUCK_LS信號，其做為一控制信號而被提供至電晶體108之閘極。緩衝器150之輸出連接至一緩衝器152之輸入端，而在其輸出端提供BUCK_HS信號。此BUCK_HS信號做為一控制信號被施加至電晶體106之閘極。
除了在其R輸入端接收或閘142的輸出之外，SR鎖存器148亦在其S輸入端接收一時脈信號(CLK)。根據該CLK信號以或閘142之輸出，SR鎖存器148自其Q輸出端發出PFM_BOOST。該PFM_BOOST信號被提供至一或閘146之一輸入端以產生一PFM_BOOST-d信號。該PFM_BOOST-d信號被提供至電晶體112之閘極，同時電晶體110之閘極連接至PFM_BOOST-d信號，而BUCK_HS以及BUCK_LS信號則分別被提供至電晶體106及108之閘極。
為了實施狀態[3]，其中電感器114連接於節點103與節點128之間，開關108導通且開關106切斷而開關110導通且開關112切斷，所提供一比較器820之反相輸入端連接至一參考電壓，該參考電壓指示出通過電感器114之電流已被放電至一零值之位準，如同電流感測器119所指示。此被標示為Vzerolimit。比較器820之非反相輸入端連接至電流感測器119之輸出。當指示電流位於零值以上時，該輸出提供一邏輯"高"信號，而當電流降至一個位於零值處或零值以下之數值時，則提供一邏輯"低"信號。比較器820之輸出被標示為VZ且連接至及閘822之另一輸入端，及閘822具有一輸入端連接至緩衝器150之輸出，及閘822之輸出提供BUCK_LS輸出。當電流被判定為在零值以下之時，及閘822之輸出係低位準並關閉電晶體108。同樣地，比較器820之輸出被連接至另一輸入及閘822之一個輸入端，此輸入端係一反相輸入端，此該一個輸入端連接至或閘146之輸出端，或閘146接收來自及閘822輸出以驅動電晶體 110之閘極之PFM_BOOST信號。因此，當比較器820之輸出變成低位準之時，VZ信號輸入至及閘822之反相輸入端且將使得輸出變成高位準而關閉電晶體110。由於或閘142之輸出因為電壓限制條件而係高位準，故此將對電感器114造成一個三態狀況。
以下參見圖9，其例示處於升降壓PFM運作之升壓模式之圖8中的升降壓轉換器及相關控制電路之動作。基於簡明目的，節點122將擇一被拉至節點116之電壓或節點103之參考電壓，且當位於節點116之電壓位準時，稱為位於一邏輯"高"位準，而當位於節點103之電壓位準時，稱為位於一邏輯"低"位準。節點122處之信號將被標示為SW1。類似地，節點126處之信號將被上拉至輸出節點128之電壓位準或是下拉至節點103之電壓位準。節點126之標示將係SW2，且當位準係位於節點128的位準時，其將被稱為配置於一邏輯"高"位準，而當位於節點103的電壓位準時，其將被稱為配置於一邏輯"低"位準。節點122和126二者之位準均將被表示成位於該二個狀態或位準的其中之一，應理解：該等狀態實際上係節點103之參考電壓、各個節點之輸入電壓位準或輸出電壓位準的不同電壓位準。並且，當所有的開關均切斷時，節點122及126上的電壓將"浮接"於一三態位準，有時被稱為一三態狀況。
在時間T1處，根據時脈信號，在SR鎖存器148的輸入端處進入一邏輯"高"位準，而SR鎖存器148輸出端處之PFM_BOOST信號自一邏輯"低"位準變成一邏輯"高"位準。 開關108及110被切斷，而開關106及112被導通。此使得切換節點(SW1)122進入一邏輯"高"位準，而切換節點(SW2)126進入一邏輯"低"位準。此將致使電感器電流IL開始從時間T1增加到時間T2。在時間T2處，根據電流限制信號變成一邏輯"高"位準，PFM_BOOST信號將從一邏輯"高"位準變成一邏輯"低"位準。此使得切換節點SW2(節點126)變成一邏輯"高"位準，而切換節點SW1(節點122)維持於一邏輯"高"位準，此時開關110導通而開關112切斷。電感器電流IL從時間T2減少至時間T3。在時間T3處，根據下一時脈信號，PFM_BOOST信號自一邏輯"低"位準變成一邏輯"高"位準以關閉電晶體110並導通電晶體112，在電感器電流抵達零交越位準之前結束電荷轉移動作，從而使電感器電流處於一非零位準。此使得切換節點SW2 126進入一邏輯"低"位準，而切換節點SW1 122保持"高"位準。電感器電流接著於一後續的電感器充電動作中從時間T3到時間T4自非零位準增加。
在時間T4處，一電流限制信號使得PFM_BOOST信號從一邏輯"高"位準變成一邏輯"低"位準，導通電晶體110並關閉電晶體112，結束充電階段並起始下一個電荷轉移階段。此使得切換節點SW2 126進入一邏輯"高"位準，而切換節點SW1 122保持"高"位準。電感器電流IL在一電荷轉移動作期間從時間T4減少至時間T5。在時間T5處，根據另一上升時脈信號緣，PFM_BOOST信號自一邏輯"高"位準變成一邏輯"低"位準，藉由關閉電晶體110及導通電晶體112 將切換節點SW2驅動至一邏輯"低"位準，同時切換節點SW1在一非零電感器電流位準處維持於一邏輯"高"位準。電感器電流從時間T5到時間T6自非零位準增加。根據時間T6處之另一電流限制信號，PFM_BOOST信號將從一邏輯"高"位準變成一邏輯"低"位準，終結電感器的電荷儲存動作。此再次藉由導通電晶體110及關閉電晶體112以將切換節點SW2驅動成"高"位準。電感器電流接著從時間T6減少到時間T7，T7在下一個時脈信號緣之前發生。
在時間T7處，電壓限制信號自一邏輯"低"位準變成一邏輯"高"位準，使得PFM_BOOST信號在下一個時脈信號緣發生之前變成一邏輯"高"位準。此將切換節點SW1 122驅動成"低"位準，此時電壓限制信號變成"高"位準，或者切換節點SW2 126維持"高"位準，其關閉電晶體106且導通電晶體108。電感器電流接著從時間T7減少至時間T8。因此，圖1電路內的升降壓PFM模式動作包含處於一第一模式動作之充電階段202及處於一第三模式動作之放電階段204。然而，此等充電階段202及放電階段204被處於一第二模式動作之過渡階段206隔開，以排除四開關切換狀況。應可看出，對於整個PFM時段內的開關節點SW1 122及開關節點SW2 126切換信號，其並未產生四開關切換狀況。
圖8的實施方式致能過渡階段，直到在SR鎖存器148之輸入端接收到下一個時脈信號並且電感器電流IL小於PFM峰值電流限制或者電壓限制抵達一個高於一目標數值1.5%的位準為止。若時脈信號緣發生且電感器電流小於 PFM峰值電流限制，則過渡階段之後將跟隨一個充電階段，如時間T3及時間T5處所例示。若於一過渡階段期間抵達電壓限制，則一放電階段被致能以將電感器電流放電至零而完成PFM動作，如時間T7所例示。
以下參見圖10，其例示圖8及圖9所揭示實施例之動作的狀態圖。在此實施例中，如前所述，充電動作依序經過狀態[1]及狀態[2]，直到抵達代表目標電壓的電壓限制為止，此時電感器114之能量在一處於狀態[3]的放電動作中被完全轉移。因此，升壓動作起始於一位於區塊1001之狀態[1]，且沿一路徑1003繼續進行至位於區塊1005之狀態[2]。直到抵達電壓限制為止，狀態[2]經由一路徑1007返回位於區塊1001的狀態[1]。此將繼續直到輸出電壓VOUT抵達位於VLIMIT之目標電壓。此狀態圖將接著從位於一區塊1015之狀態[2]進入位於一區塊1011之狀態[3]。一旦IL被判定等於零，於一零交越處，該狀態圖將沿路徑1013流至位於區塊1015之表示狀態[4]的第四狀態。此狀態係休眠狀態，其中所有的開關均被斷開且系統將被維持於此狀態中，直到電壓VOUT降到目標或預定電壓以下為止，此時狀態圖將沿著一路徑1017回到位於區塊1001之狀態[1]。
圖10之狀態圖例示於圖11的時序圖中。在此圖中可看出，狀態依序通過狀態[1]及狀態[2]，直到電壓限制VLIMIT發生於一區塊1001為止。在此時點，狀態圖循一路徑1003從狀態[2]變成狀態[3]。此將增加放電速率至一時點905，此時電感器電流之零交越被偵測到而將在之後進入狀 態[4]。此將在下一個時脈信號緣之前發生。然而應理解，若電壓限制之發生夠接近時脈信號緣，則零交越可能在下一個時脈信號緣之前並未發生，但是由於已經抵達VLIMIT，故此將被蓋過且開關S1將被維持斷開而開關S2將維持關合，直到零交越發生為止，此時系統將轉移至狀態[4]。
以下參見圖12，其例示升壓模式中具有改良PFM動作之一升降壓轉換器及控制電路之一替代性實施例。升降壓轉換器302包含四個開關電晶體306、308、310和312及一電感器314。輸入電壓VIN施加於一輸入電壓節點316處。一電流感測器318監測經由輸入電壓節點316施加之輸入電流並產生一個包含一關聯該輸入電流之電壓的信號ISNS，且一電流感測器319監測透過電晶體310通往電壓節點328之輸出電流並產生一個包含一關聯該輸出電流之電壓的信號ISNS。電晶體306之源極/汲極路徑連接於節點320與節點322之間。一電晶體308之汲極/源極路徑連接於節點322與一參考節點317之間，參考節點317連接至一諸如接地之參考電壓。電感器314連接於節點322與節點326之間。電晶體310之源極/汲極路徑連接於輸出電壓節點VOUT 328與節點326之間。電晶體312之汲極/源極路徑連接於節點326與節點317之間。一電容器330連接於節點328與節點317之間，且一電阻器332與電容器330並聯於節點328與節點317之間。電晶體310與312之閘極連接以自控制電路304分別接收信號PFM_BOOST-d和 PFM_BOOST。
控制電路304利用一電阻器分壓電路監測節點328處之輸出電壓，該電阻器分壓電路包含一電阻器334連接於節點328與節點336之間及一電阻器338連接於節點336與接地端之間。節點336提供回授電壓VFB通往一電壓比較器340之一非反相輸入端。電壓比較器340之非反相輸入端接收一參考電壓VREF。電壓比較器340之輸出產生一電壓限制信號，其被提供至一或閘342之一第一輸入端。
或閘342之另一輸入端連接以接收一來自一電壓比較器344之輸出端之電流限制信號ViLIMIT。電壓比較器344在其非反相輸入端接收來自電流感測器318之ISNS電壓信號，且在其非反相輸入端接收來自比較器340之VLIMIT電壓限制信號。或閘342之輸出端連接至SR鎖存器348之R輸入端。或閘342之輸出端將根據分別來自比較器340及344之輸出端的電壓限制信號或電流限制信號二者之一變成一邏輯"高"位準而產生一邏輯"高"數值。該電壓限制信號在回授電壓VFB超過參考電壓VREF時變成一邏輯"高"位準。該電流限制信號在來自電流感測器318之ISNS信號超過ViLIMIT電壓時變成一邏輯"高"位準。
除了在其R輸入端接收或閘342的輸出之外，SR鎖存器348亦在其S輸入端接收一時脈信號(CLK)。根據該CLK信號以或閘342之輸出，SR鎖存器348連接至一或閘1226之一輸入端，而或閘1226之輸出端發出PFM_BOOST信號。鎖存器348之輸出亦連接至一緩衝器346之輸入端以 產生一PFM_BOOST-d信號。該SR鎖存器348之Q輸出被輸入至一固定上升信號緣延遲計時器350之輸入端。該固定上升信號緣延遲計時器350將一延遲加入PFM_BOOST信號並被輸入至一及閘1224之一輸入端以在其輸出端提供BUCK_LS信號，其被提供至電晶體308之閘極。延遲計時器350之輸出亦提供至一緩衝器352做為一輸入。緩衝器352之輸出提供BUCK_HS信號。PFM_BOOST-d和PFM_Boost信號分別被提供至電晶體310及312之閘極，而BUCK_HS信號被提供至電晶體306之閘極。
控制電路304在充電階段之後插入一過渡階段，其將持續一段"固定"的時間，其後跟隨放電階段。雖然未剔除四開關切換狀況，如圖9之實施方式所達成，但此方法大幅地降低四開關切換狀況之數目，此增進了升降壓轉換器的整體效率。
進一步參見圖12，當通過電感器314之電流係位於狀態[3]之一零值時必須關閉電晶體308和電晶體310。一比較器1220具有連接至一限制電壓Vzerolimit之反相輸入端以連接至電流感測器119輸出端之非反相輸入端。當電感器電流被判定為到達零限制數值以下時，比較器1220之輸出將變成低位準。比較器1220之輸出被標示為VZ，其連接至及閘1224的另一個輸入端。當VZ變成低位準時，及閘1224之輸出將變成低位準，從而關閉電晶體308。類似地，或閘1226具有一個連接至比較器1220之輸出端的反相輸入VZ。因此，當VZ下降至低位準時，或閘1226之輸出將是 高位準，此將關閉電晶體310，P通道電晶體。因此，當零電流限制被超過且電壓限制已被超過時，比較器1220之輸出係低位準且比較器340之輸出係高位準將對所有的開關造成一三態狀況。此外，電壓限制被超過將同時亦將SR鎖存器348維持於一低輸出狀況，使得一上升時脈信號緣將不對其執行一重置動作。
以下參見圖13，其例示圖12中的升降壓轉換器及相關控制電路之動作，其在每一個充電階段之後包含一固定之過渡階段。根據時間T1處之一時脈信號緣，PFM_BOOST及PFM_BOOST-d信號自一邏輯"低"位準變成一邏輯"高"位準，使得開關310切斷而電晶體開關312導通。此導致切換節點SW1(節點322)處之電壓在開關306導通而開關308切斷時變成一邏輯"高"位準，且切換節點SW2(節點326)處之電壓由於電晶體310關閉且電晶體312導通而變成一邏輯"低"位準。電感器電流IL開始從時間T1增加至時間T2。在時間T2處，由於來自電壓比較器344輸出端之電流限制信號之一邏輯"高"位準，切換節點SW2(節點326)處之電壓在開關310導通而開關312切斷時從一邏輯"低"位準變成一邏輯"高"位準。此起始一個從時間T2到時間T3的過渡時段，此時電感器電流IL降低而電荷被轉移至負載。從時間T2到時間T3的時段長度係由固定上升信號緣延遲計時器350所建立的固定導通時間。在固定導通時間於時間T3處逾時之後，PFM_BOOST信號自一邏輯"高"位準變成一邏輯"低"位準，使得位於節點SW1(節點322)處之電壓在電晶體 306關閉而電晶體308導通時自邏輯"高"位準變成邏輯"低"位準。電感器電流IL從時間T3到時間T4經歷一放電階段，直到一零交越發生為止。
在時間T4處，根據一上升時脈信號緣，PFM_BOOST信號自一邏輯"低"位準變成一邏輯"高"位準，致使開關308及310關閉而開關306及312導通。此使得切換節點SW1(節點322)處之電壓自一邏輯"低"位準變成一邏輯"高"位準，且切換節點SW2(節點326)處之電壓自一邏輯"高"位準變成一邏輯"低"位準。此造成一個四開關切換狀況。電感器電流從時間T4至時間T5進入另一個充電階段。在時間T5處，PFM_BOOST信號自一邏輯"高"位準變成一邏輯"低"位準，使得位於SW2(節點326)處之電壓在電晶體310導通而電晶體312關閉時自一邏輯"低"位準變成一邏輯"高"位準。此起始從時間T5到時間T6之過渡階段，電感器電流IL將減少。
該過渡階段係針對從時間T5至時間T6之一段固定導通時間，基於固定上升信號緣延遲計時器350之輸出。在從時間T5到時間T6的固定導通時間之後，節點SW1處之電壓將由於開關306切斷且開關308導通而從一邏輯"高"位準變成一邏輯"低"位準，開始時間T6至時間T7處之放電階段之起始。在時間T7處，另一個上升時脈信號緣使得PFM_BOOST信號從一邏輯"低"位準變成一邏輯"高"位準，使得電晶體310及312關閉，而切換節點SW1(節點322)處之電壓自一邏輯"低"位準變成一邏輯"高"位準，同時切換節點SW2(節點326)處之電壓從一邏輯"高"位準變成一邏 輯"低"位準。此起始下一個充電時段且一個四開關切換狀況發生於時間T7處。
圖12之電路包含處於一第一模式動作的數個充電階段402及處於一第三模式動作的數個放電階段404，各自被處於第二模式動作之一固定長度之過渡階段408分隔。應可就切換信號而言，在開關電晶體的切換周期之中，數目縮減之四開關切換狀況發生於時點410處。此增進了升降壓轉換器之電路之運作效率，雖然並未如圖8所述為優。
以下參見圖14，其例示一描繪圖12及圖13及其中所揭示實施例之動作的狀態圖。圖14中之狀態圖起始於位於一狀態區塊1401之狀態[1]，接著沿一路徑1405進入區塊1403的狀態[2]。然而，如前所述，在一特定的時間延遲之後，狀態將自狀態[2]沿一路徑1407改變成位於一區塊1406之狀態[3]。在下一個時脈周期處，狀態將自狀態[3]沿一路徑1409改變成位於區塊1401的狀態[4]。狀態將持續在路徑1405、1407及1409之上游移，直到抵達一電壓限制為止。在此時點，狀態將維持於區塊1406處之狀態[3]，直到通往電感器之電流等於一零值，意即交越零為止。在此時點處，狀態將自位於1406處之狀態[3]改變，其中開關S2被關合且S1被斷開且S3被關合而S4被斷開直到發生為止。在此時點，狀態圖將沿一路徑1413改變成位於一區塊1411處之狀態[4]。系統將保持於此狀態中，直到電壓下降到VLIMIT目標數值以下為止，此時狀態將沿一路徑1415改變成位於區塊1401的狀態[1]。
圖14狀態圖之時序流程圖例示於圖15中。在此動作中可看出狀態[2]維持一段特定之時間長度TD。因此，時脈信號緣起始狀態[1]，且電感器電流IL之值等於電流限制值ILIMIT，使得其自狀態[1]改變成狀態[2]。在固定延遲的終了處，系統改變成狀態[3]。在電壓尚未抵達電壓限制VLIMIT的運作期間，下一個充電周期將發生於下一個時脈周期，意即將再次進入狀態[1]。此係一個沿著路徑1405、1407以及1409之流程。然而，一旦抵達VLIMIT，則狀態[3]被迫使維持目前之狀態，直到對電感器充電之電流降低至一零值為止，即使下一個時脈信號緣於此期間內發生亦然。系統模式接著於一時點1501處進入狀態[4]。
以下參見圖16，其例示一降壓動作之上層方塊圖。如前所述，升降壓控制器105包含升壓動作和降壓動作之二動作。因此，將存在一關聯升壓動作的控制部分，意即前述有關升壓動作控制的升壓控制器104。亦將配具一降壓控制器1602，可操作用以控制降壓動作。在降壓動作中，控制H型電橋101使得該H型電橋101之降壓側被控制以依據一降壓動作將S1及S2交替地切換至關合或斷開之位置，而開關S4將被維持斷開且開關S3維持關合於H型電橋101的升壓側。就一標準的降壓動作而言，其藉由將電感器114之降壓側透過開關S1連接至VIN而使電感器114充電。一旦充電，藉由斷開開關S1及關合開關S2及將電感器114之降壓側連接至參考電壓或接地端而轉移電荷。充電動作將電感器電流增加至特定之電流限制，並且接著 切換至一放電或電荷轉移動作以將電感器電流降低至一零值。此依據一PFM動作進行。
進一步參照圖16A，其例示降壓控制器1602之動作之一時序圖。時脈電路107提供一固定頻率，其中一時脈信號緣將起始一PFM充電動作以關合開關S1以斷開開關S2，開關S4保持斷開而開關S3保持關合。此充電動作將持續直到一時點1610為止，該時點抵達一最大電流限制。此將切換動作至一放電或轉移模式，其中能量自電感器114轉移至負載。此轉移將持續直到通過電感器之電流等於零為止，其係由降壓控制器1602利用電流感測器119感測通過電晶體310之電流而判定。在此時點處，時點1612，開關S1-S4將被設置於一三態模式且所有開關將均被斷開。在下一個時脈信號緣1614處，下一個充電動作將發生。此將持續直到判定已抵達一電壓限制為止，此係由一電壓限制信號1616所指示。在此時點，所發生者係開關將被維持於三態模式且下一個時脈信號緣將不起始另一個充電動作。若電壓限制信號1616在通過電感器114之電流已降低至一零值之前發生，則該三態模式將被延遲直到其發生為止，之後所有開關將均被置於三態模式。
進一步參照圖16，注意其提供一具遲滯性(hysteresis)之比較器1618以比較輸入及輸出電壓。此決定升壓模式是否已移至降壓或升壓轉變區域，如以上參照圖2A所述。該遲滯將允許做出輸入電壓是否小於輸出電壓dV1或者大於VOUT一個dV2之數值的判定。若是如此，則升壓模式將切 換至降壓模式或者降壓模式將切換至升壓模式。升壓模式將被維持直到輸入電壓大於輸出電壓dV2為止，而降壓模式將保持於降壓模式直到dV1減少到輸出電壓以下為止。
依據本揭示實施例之電壓調控器以及相關電路均可以被實施成各種不同類型之電子裝置及系統，諸如電腦、行動電話、個人數位助理、以及工業系統及裝置。更具體而言，一些應用包含但未限於CPU電源調控器、晶片穩壓器、負載點電源調控器以及記憶體穩壓器。圖17係一電子/電氣系統或功能裝置1702之一功能方塊圖。此功能裝置1702係一個需要位於一特定及設定電壓處之調控電壓之裝置，此係由裝置1702之運作參數所界定。基於例示性目的，裝置1702包含特定之運作區塊，諸如一CPU 1712、一記憶體1716、一時脈或時序電路1714，其共同運作以提供一整合式應用特定裝置。此可以是完全實施於一積體電路上之矽電路或者可以是由離散元件構成。其提供一資料匯流排1722以允許裝置1702內介於組件之間的通信。
為了提供電力給該裝置，一外部電壓VIN被輸入至一升降壓調控器1701，運作於一降壓模式或一低漣波PFM升壓模式。輸入電壓可以運作於一個較該裝置之運作電壓大得多的範圍之上，使得調控器1701必須容許從運作電壓以下之電壓值到運作電壓以上之電壓值的電壓範圍。運作電壓被標示為VOUT且被例示為供電予CPU 1712以及時脈1714。其亦被例示為供電予一USB驅動器1718，其介接一外部USR裝置1704。就此運作而言，來自調控器1701之 電力被用以供給外部USB裝置1704電力。此外，尚有其他的外部裝置可以介接至裝置1702，諸如輸入裝置1706，像是一鍵盤及掃描器等等，以及輸出裝置1708，諸如一LCD顯示器。此外，可以容許快閃碟、硬碟機、DVD、等等形式之外部儲存器1710。其透過資料匯流排1722彼此介接。提供一I/O 1720以做為介於裝置1702上之組件與輸入及輸出裝置之間的介面而提供各種驅動器等等。所有的外部裝置均可以介接USB驅動器1718，只要其係可透過USB連接之裝置。調控器1701使用上述之PFM升壓電路以達成一改良之效率以及較低之漣波。
受益於本揭示之熟習相關技術者應能了解，用於升降壓轉換器高效率PWM控制之本系統及方法提供一其運作更具效率性之升降壓轉換器。其應理解，本說明書中之圖式及詳細說明應以例示性質視之，而非限定性的，且並非用以限制於所揭示之特定形式及實例。反之，其涵蓋任何進一步之修改、變更、重新排列、置換、替代、設計選擇、以及對於相關技術之一般熟習者顯而易見之實施例，而未脫離本發明之精神和範疇，如以下之申請專利範圍所界定。因此，以下之申請專利範圍應被解讀成包含所有此等進一步之修改、變更、重新排列、置換、替代、設計選擇、以及實施例。
101‧‧‧切換電橋
103‧‧‧節點
104‧‧‧升壓控制電路
105‧‧‧PFM升降壓控制器
106‧‧‧開關電晶體
107‧‧‧時脈
108‧‧‧開關電晶體
110‧‧‧開關電晶體
112‧‧‧開關電晶體
114‧‧‧電感器
115‧‧‧電荷儲存元件
116‧‧‧節點
118‧‧‧電流感測器
119‧‧‧電流感測器
122‧‧‧節點
126‧‧‧節點
128‧‧‧輸出電壓節點
130‧‧‧並聯電容器
132‧‧‧電阻器
134‧‧‧電阻器
136‧‧‧節點
138‧‧‧電阻器
140‧‧‧電壓比較器
142‧‧‧或閘
144‧‧‧電壓比較器
146‧‧‧或閘
148‧‧‧SR鎖存器
150‧‧‧緩衝器
152‧‧‧緩衝器
202‧‧‧充電階段
204‧‧‧放電階段
206‧‧‧階段
301‧‧‧時脈信號緣
302‧‧‧升降壓轉換器
303‧‧‧時點
304‧‧‧控制電路
305‧‧‧時脈信號緣
306‧‧‧開關電晶體
307‧‧‧時點
308‧‧‧開關電晶體
309‧‧‧時點
310‧‧‧開關電晶體
311‧‧‧時點
312‧‧‧開關電晶體
313‧‧‧時點
314‧‧‧電感器
316‧‧‧輸入電壓節點
317‧‧‧參考節點
318‧‧‧電流感測器
319‧‧‧電流感測器
320‧‧‧節點
322‧‧‧節點
326‧‧‧節點
328‧‧‧電壓節點
330‧‧‧電容器
332‧‧‧電阻器
334‧‧‧電阻器
336‧‧‧節點
338‧‧‧電阻器
340‧‧‧電壓比較器
342‧‧‧或閘
344‧‧‧電壓比較器
348‧‧‧SR鎖存器
350‧‧‧計時器
352‧‧‧緩衝器
402‧‧‧充電階段
404‧‧‧放電階段
408‧‧‧過渡階段
410‧‧‧時點
601‧‧‧時點
603‧‧‧時脈信號緣
605‧‧‧電流限制信號緣
606‧‧‧時點
607‧‧‧時脈信號緣
609‧‧‧時點
611‧‧‧時點
701‧‧‧時點
703‧‧‧時點
705‧‧‧時點
820‧‧‧比較器
822‧‧‧及閘
905‧‧‧時點
1001‧‧‧區塊
1003‧‧‧路徑
1005‧‧‧區塊
1007‧‧‧路徑
1011‧‧‧區塊
1013‧‧‧路徑
1015‧‧‧區塊
1017‧‧‧路徑
1220‧‧‧比較器
1222‧‧‧節點
1224‧‧‧及閘
1226‧‧‧或閘
1401‧‧‧狀態區塊
1403‧‧‧區塊
1405‧‧‧路徑
1406‧‧‧區塊
1407‧‧‧路徑
1409‧‧‧路徑
1411‧‧‧區塊
1413‧‧‧路徑
1415‧‧‧路徑
1501‧‧‧時點
1602‧‧‧降壓控制器
1610‧‧‧時點
1612‧‧‧時點
1614‧‧‧時脈信號緣
1616‧‧‧電壓限制信號
1618‧‧‧比較器
1701‧‧‧升降壓調控器
1702‧‧‧功能裝置
1704‧‧‧USB裝置
1706‧‧‧輸入裝置
1708‧‧‧輸出裝置
1710‧‧‧外部儲存器
1712‧‧‧CPU
1714‧‧‧時序電路/時脈
1716‧‧‧記憶體
1718‧‧‧USB驅動器
1720‧‧‧I/O
1722‧‧‧資料匯流排
基於一更加完整之理解，說明係配合附錄之圖式進行，其中： 圖1例示一PFM升降壓直流/直流轉換器之一頂層視圖；圖1A例示H型電橋開關之一詳細示意圖；圖2藉由表示成輸入電壓之函數例示升降壓轉換器不同運作模式之示意圖；圖3A及3B例示升壓模式之開關動作之一狀態，包括開關狀態以及相關之時序圖；圖4A及4B例示升壓模式之開關動作之一第二狀態，包括開關狀態以及相關之時序圖；圖5A及5B例示升壓模式之開關動作之一第三狀態，包括開關狀態以及相關之時序圖；圖6利用一PFM動作中之第一及第二狀態例示提升電壓之一時序圖；圖7例示圖6中之PFM動作之一單一周期之電感器電流；圖8例示具有一改良升壓PFM控制機制之升降壓轉換器及相關控制電路之升壓動作之一第一實施例；圖9例示與圖8之升降壓轉換器之動作相關之波形；圖10例示圖8及圖9之實施例之一狀態圖；圖11例示圖10狀態圖之時序圖；圖12例示具有一改良升降壓PFM控制機制之升降壓轉換器及相關控制電路之升壓動作之一替代性實施例；圖13例示與圖12之升降壓轉換器之相關動作之波形；圖14例示圖12及圖13之實施例之一狀態圖； 圖15例示圖14狀態圖之一時序圖；圖16及16A例示轉換器之降壓側之動作；以及圖17例示一電子/電氣系統，該系統包含電子/電氣電路，該電路包含依據一實施例之切換電路。
101‧‧‧切換電橋
103‧‧‧節點
104‧‧‧升壓控制電路
106‧‧‧開關電晶體
108‧‧‧開關電晶體
110‧‧‧開關電晶體
112‧‧‧開關電晶體
114‧‧‧電感器
116‧‧‧節點
118‧‧‧電流感測器
119‧‧‧電流感測器
122‧‧‧節點
126‧‧‧節點
128‧‧‧輸出電壓節點
130‧‧‧並聯電容器
132‧‧‧電阻器
134‧‧‧電阻器
136‧‧‧節點
138‧‧‧電阻器
140‧‧‧電壓比較器
142‧‧‧或閘
144‧‧‧電壓比較器
146‧‧‧或閘
148‧‧‧SR鎖存器
150‧‧‧緩衝器
152‧‧‧緩衝器
820‧‧‧比較器
822‧‧‧及閘

Claims (24)

  1. 一種直流-直流轉換器，包含：一輸入接頭，用以自一配置於一輸入電壓位準之輸入電壓源接收一輸入電壓；一輸出接頭，用以將位於一輸出電壓位準之一輸出電壓提供到被連接至該輸出接頭之一負載，該輸出電壓位準不同於該輸入電壓位準；一能量儲存元件，用以在其一輸入側透過該輸入接頭自該輸入電壓源接收並儲存能量，並自其一輸出側將至少一部分之儲存能量轉移至該負載；以及一控制系統，以至少三個再現階段控制該能量儲存元件之能量儲存及能量轉移，以針對該輸出電壓位準得到一預定位準，該三個階段包含用以將來自該輸入接頭的能量儲存於該能量儲存元件中之一能量儲存階段、用以將僅一部分儲存能量自該能量儲存元件轉移至該負載之一第一能量轉移階段、以及將大致所有能量轉移至該負載之一第二能量轉移階段，該控制系統用於響應該輸出電壓的一量值等於或超過該輸出電壓之該預定位準的一量值，以起始該第二能量轉移階段。
  2. 申請專利範圍第1項之直流-直流轉換器，其中該能量儲存元件包含一電感器。
  3. 申請專利範圍第1項之直流-直流轉換器，另包含一具有一固定頻率之時脈電路，且其中該能量儲存階段與該第一能量轉移階段受該控制系統控制以發生於一單一時脈 周期中，而該第一能量轉移階段之終了處發生於該時脈周期之結束處。
  4. 申請專利範圍第3項之直流-直流轉換器，其中該控制系統用於響應該輸出電壓的與該時脈無關之一狀況，以起始該第二能量轉移階段。
  5. 申請專利範圍第4項之直流-直流轉換器，另包含用於判定該狀況存在的一比較器，以響應該輸出電壓的量值等於或超過該輸出電壓之該預定位準。
  6. 申請專利範圍第3項之直流-直流轉換器，其中該能量儲存階段儲存能量於該能量儲存元件之中，直到一特定量之能量儲存於其中為止，使得抵達該特定量之能量的時間長度以該能量轉移階段開始時儲存於其中之初始能量總量之函數的形式變化，且該第一能量轉移階段之時間長度將相應地改變。
  7. 申請專利範圍第6項之直流-直流轉換器，其中該能量儲存元件包含一電感器，且該特定量之能量係由該能量儲存階段中之對該電感器進行充電期間通過該電感器之電流之一電流限制所界定。
  8. 申請專利範圍第1項之直流-直流轉換器，其中該輸出電壓之該預定位準高於該輸入電壓，以提供一升壓直流-直流轉換動作。
  9. 申請專利範圍第1項之直流-直流轉換器，其中該能量儲存元件包含一電感器且該控制系統包含：一切換電橋，具有第一及第二切換節點，各自連接至 該電感器之對立側，具有一组第一及第二輸入開關，以藉由該第一輸入開關將該第一切換節點連接至該輸入接頭且藉由該第二輸入開關將該第一切換節點連接至一參考電壓，以及一组第一及第二輸出開關，以藉由該第一輸出開關將該第二切換節點連接至該輸出接頭且藉由該第二輸出開關將該第二切換節點連接至一參考電壓；以及一開關控制器，控制該等第一及第二輸入開關與該等第一及第二輸出開關，以將該電感器連接於該輸入接頭與該參考電壓之間，且在該第一能量轉移階段將該電感器連接於該輸入接頭與該輸出接頭之間，而在該第二荷轉移階段將該電感器連接於該參考電壓與該輸出接頭之間。
  10. 一種直流-直流轉換器，包含：一輸入接頭，用以自一配置於一輸入電壓位準之輸入電壓源接收一輸入電壓；一輸出接頭，用以將位於一輸出電壓位準之一輸出電壓提供到被連接至該輸出接頭之一負載，該輸出電壓位準不同於該輸入電壓位準；一能量儲存元件，用以在其一輸入側透過該輸入接頭自該輸入電壓源接收並儲存能量，並自其一輸出側將至少一部分之儲存能量轉移至該負載；一控制系統，以至少三個再現階段控制該能量儲存元件之能量儲存及能量轉移，以針對該輸出電壓位準得到一預定位準，該三個階段包含用以將來自該輸入接頭的能量儲存於該能量儲存元件中之一能量儲存階段、用以將僅一 部分儲存能量自該能量儲存元件轉移至該負載之一第一能量轉移階段、以及將大致所有能量轉移至該負載之一第二能量轉移階段；以及一時脈電路，其具有一固定頻率，其中該能量儲存階段與該第一能量轉移階段受到該控制系統控制以發生於一單一時脈周期中，而該第一能量儲存階段之終了處發生於該時脈周期之結束處；其中該控制系統在循序的時脈周期期間使該能量儲存階段之動作排序為後隨該第一能量轉移階段，直到一外部狀況發生為止，使得在一先行時脈周期之終了處，將有一非零能量位準於該能量儲存元件中，且一目前周期之能量儲存階段將自該非零能量位準對該能量儲存元件進行充電，直到該外部狀況之發生為止。
  11. 一種升降壓直流-直流轉換器，包含：一輸入接頭，連接至一運作於一輸入電壓位準之輸入電壓源；一輸出接頭，連接至一負載；一參考節點，配置於一參考電壓位準；一升降壓轉換電路，包含：一電感器，一降壓切換部分，用以將能量轉移至該電感器，且之後在一電壓降壓轉換動作中將能量轉移至位於該輸出接頭上之該負載，以及一升壓切換部分，用以將能量轉移至該電感器， 且之後在一電壓升壓轉換動作之中將能量轉移至位於該輸出接頭上之該負載；以及一升降壓控制器，用以控制至少該升壓切換部分以運作於一脈衝頻率調變(PFM)升壓模式的動作之中，該升降壓控制器包含：一時脈，運作於一固定頻率，以及一相位控制器，控制第一及第二輸出開關以運作於一起始於該時脈之一信號緣之一充電階段之中，以連接該電感器於該輸入接頭與該參考電壓節點之間，而將該電感器充電至一特定能量位準，且之後運作於一第一能量轉移階段以連接該電感器於該輸入接頭與該輸出接頭之間，而自該電感器及該輸入接頭將能量轉移至該輸出接頭，直到下一個時脈信號緣發生為止，其中該電感器將位於一非零之儲存能量位準。
  12. 申請專利範圍第11項之升降壓直流-直流轉換器，其中該升降壓控制器包含一比較器，用以對位於該輸出接頭之電壓位準與一預定之參考電壓進行比較，且當位於該輸出接頭之該電壓位準等於或超過該參考電壓時，該相位控制器於一第二能量轉移階段操控該升壓切換部分和該降壓切換部分，以連接該電感器於該參考節點與該輸出接頭之間，而將大致所有儲存於該電感器中之能量轉移至該輸出接頭，以將其中之能量降低至一大致為零之數值。
  13. 申請專利範圍第12項之升降壓直流-直流轉換器，其中該升降壓控制器控制該升壓切換部分和該降壓切換部 分，以在該第二能量轉移階段終了時，切斷該電感器與該等輸入及輸出接頭和該參考節點之連接。
  14. 申請專利範圍第11項之升降壓直流-直流轉換器，其中該升降壓控制器控制該降壓切換部分以運作於一PFM降壓模式的動作之中。
  15. 申請專利範圍第14項之升降壓直流-直流轉換器，另包含一模式比較器，以比較位於該等輸入及輸出接頭上之電壓位準，並在該二個電壓位於一特定電壓內時，於降壓與升壓模式的動作之間切換。
  16. 申請專利範圍第11項之升降壓直流-直流轉換器，其中該升降壓控制器另包含一電流限制偵測器，用以偵測流入該電感器之電流，並在該充電階段測到一特定電感器電流時，將階段自該充電階段改變成該第一能量轉移階段。
  17. 一種升壓調控器，包含：一電感器；一充電電路，用以自一輸入電壓源將該電感器充電至一特定電流位準；一能量轉移電路，用以將能量自該電感器及電壓源轉移至一負載；一時脈，用以針對一電荷/轉移動作界定一固定之再現周期；以及一控制器，用以控制該充電電路以在一特定周期之開始處將該電感器自一初始電流位準充電至該特定電流位準，其後跟隨對該能量轉移電路之控制，以在該周期之剩 餘部分將能量轉移成小於一零電感器電流位準，而響應橫跨該負載的一輸出電壓的一量值等於或超過針對該輸出電壓之一預定位準的一量值。
  18. 一種用於控制降壓/升壓調控器之運作的方法，該方法包含：根據一接收於一輸入節點上之輸入電壓和複數個控制信號，而產生一經過調控之輸出電壓於一輸出節點上；監測該經過調控之輸出電壓；以及根據該輸出電壓產生複數個控制信號，其中該複數個控制信號包含一第一操作模式，控制該降壓/升壓調控器之一充電階段，以由該輸入節點上之該輸入電壓對一能量儲存元件進行充電、一第二操作模式，控制該降壓/升壓調控器之一過渡階段，以將儲存之能量自該能量儲存元件轉移至該輸出節點並將能量自該輸入節點轉移至該輸出節點、以及一第三操作模式，控制該降壓/升壓調控器之一放電階段，以經由至少一個經關合開關的一傳導路徑而將該能量儲存元件中儲存之能量完全轉移至該輸出節點，該傳導路徑的一傳導性根據該等控制信號中的一者；其中該複數個控制信號控制該降壓/升壓調控器以排除一四開關切換狀況之發生。
  19. 申請專利範圍第18項之方法，另包含：根據該降壓/升壓調控器之一輸入電壓以及該複數個控制信號而產生該經過調控之輸出電壓；以及於該等第一、第二或第三操作模式的其中之一，依據 該複數個控制信號操控該降壓/升壓調控器。
  20. 申請專利範圍第19項之方法，其中該操控步驟另包含：控制該降壓/升壓調控器中之複數個開關電晶體，以根據一時脈信號及一電流限制信號致能該第一操作模式中之一充電階段，而將一電感器充電至對應於該電流限制信號之電流；以及控制該降壓/升壓調控器中之該複數個開關電晶體，以根據該時脈信號及該電流限制信號致能該第二操作模式中之一過渡階段，而將儲存於該電感器中之能量轉移至該輸出節點並自該輸入節點將電流轉移至該輸出節點，使得該電感器中之儲存能量僅只部分被轉移至該輸出節點。
  21. 申請專利範圍第20項之方法，其中該操控步驟另包含控制該複數個開關電晶體，以根據一電壓限制信號致能該第三操作模式中之一放電階段，而將儲存於該電感器中之能量完全轉移至該輸出端，而無能量自該輸入節點被轉移至該輸出節點。
  22. 一種用於控制降壓/升壓調控器之運作的方法，該方法包含：根據一接收於一輸入節點上之輸入電壓和複數個控制信號，而產生一經過調控之輸出電壓於一輸出節點上；監測該經過調控之輸出電壓；根據該輸出電壓產生複數個控制信號，其中該複數個控制信號包含一第一操作模式，控制該降壓/升壓調控器之 一充電階段，以由該輸入節點上之該輸入電壓對一能量儲存元件進行充電、一第二操作模式，控制該降壓/升壓調控器之一過渡階段，以將儲存之能量自該能量儲存元件轉移至該輸出節點並將能量自該輸入節點轉移至該輸出節點、以及一第三操作模式，控制該降壓/升壓調控器之一放電階段，以經由至少一個經關合開關而將該能量儲存元件中儲存之能量完全轉移至該輸出節點；其中該複數個控制信號控制該降壓/升壓調控器以排除一四開關切換狀況之發生；產生一電壓限制信號，指示該經過調控之輸出電壓何時超過一參考電壓；產生一電流限制信號，指示通往該能量儲存元件之一輸入電流在該降壓/升壓電壓調控器的該充電階段期間何時超過一特定電流限制之參考信號；產生複數個控制信號之一第一部分以控制複數個開關電晶體中之一對升壓開關電晶體，其根據該電壓限制參考信號、該電流限制信號及一時脈信號，而將該能量儲存元件之一側在關聯於該降壓/升壓調控器的該充電階段切換至一參考電壓，並且在關聯於該降壓/升壓調控器的該過渡階段及該放電階段切換至該輸出節點；以及產生複數個控制信號之一第二部分以控制關聯於該降壓/升壓調控器之該複數個開關電晶體之一對降壓開關電晶體，其根據該電壓限制信號以將該能量儲存元件之另一側在該放電階段連接至該參考電壓、或在該過渡階段連接至 該輸入節點。
  23. 一種用於控制調控器之運作的系統，包含：一降壓/升壓電壓調控器，用以根據於一輸入節點上接收之一輸入電壓以及驅動控制信號而產生一經過調控之輸出電壓於一輸出節點，該降壓/升壓電壓調控器包含複數個開關電晶體；控制電路，用以監測該經過調控之輸出電壓並產生據以響應之複數個驅動控制信號，其中該控制電路控制該複數個開關電晶體之動作以致能處於一第一操作模式之一充電階段，而自該輸入節點儲存能量於一電感器之中、處於一第二操作模式之一過渡階段，以將儲存於該電感器中之能量的僅一部分轉移至該輸出節點並自該輸入節點將能量轉移至該輸出節點、以及處於一第三操作模式之一放電階段，其中該電感器中之能量經由該等開關電晶體之至少一個作用者而被完全轉移至該輸出節點，以排除一四開關切換狀況之發生；以及一負載，耦接至該降壓/升壓電壓調控器之該輸出節點。
  24. 申請專利範圍第23項之系統，其中該負載係選擇自一個由一處理器、一記憶體、一輸入裝置、一輸出裝置以及一儲存裝置構成之群組。
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