TWI649951B - 快速負載暫態響應的電壓轉換器 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種快速負載暫態響應的電壓轉換器，且適用於升壓型式的電壓轉換器(例如升壓型電壓轉換器或升降壓型電壓轉換器的升壓模式)。更進一步來說，電壓轉換器根據一暫態偵測電路來判斷目前是否發生暫態(即負載由重載轉為輕載)。當電壓轉換器發生暫態時，電感電流可以快速地下降至相對應的電流值，以加速輸出電壓回到穩定的電壓值。藉此，快速負載暫態響應的電壓轉換器可以縮短負載暫態響應的時間，以避免影響負載(尤其是對敏感性負載)的性能。

Description

快速負載暫態響應的電壓轉換器
本發明提供一種電壓轉換器，且特別是關於一種快速負載暫態響應的電壓轉換器。
對於系統中的電源管理，一般常會使用電壓轉換器來提供不同準位的操作電壓。理想的電壓轉換器能提供一個穩定的輸出電壓和大範圍的輸出電流，使輸出電壓在負載瞬間變化時，仍然可以穩定在原本的電壓位準並快速地提供相對應的負載電流，因此能有效率地進行電壓轉換。
電壓轉換器具有多種型式，例如降壓型電壓轉換器(Buck Converter)、升壓型電壓轉換器(Boost Converter)與升降壓型電壓轉換器(Buck-Boost Converter)等。圖1顯示習知電壓轉換器的示意圖。如圖1所示，電壓轉換器10為用來將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout，以據此驅動一負載(以負載電容Cout來表示)。
電壓轉換器10包括一功率級電路12、一閘極驅動電路14與一決定電路16。決定電路16耦接於功率級電路12與閘極驅動電路14之間。更進一步來說，決定電路16接收一斜波訊號Vr與功率極電路12產生的關聯於輸出電壓Vout的一回授訊號Vf。而斜波訊號Vr例如為由三角波產生器產生的定頻訊號或變頻訊號，以提供降壓型電壓轉換器10運作在定頻控制或變頻控制之下。
決定電路16比較回授訊號Vf與斜坡訊號Vr以產生一比較結 果，接著再根據比較結果來決定一工作訊號Rt。而閘極驅動電路14根據輸入電壓Vin、輸出電壓Vout與工作訊號Rt對應產生多個閘極驅動訊號Tr1-Trn，以週期性地控制功率級電路12中的開關元件(未繪於圖式中)，進而對功率級電路12中的電感(未繪於圖式中)進行充電或放電，以藉此產生所需的負載電流Iout以及穩定的輸出電壓Vout。
以升降壓型電壓轉換器運作在一升壓模式(boost mode)為例作說明，圖2A-2B顯示習知升降壓型電壓轉換器的功率級電路22。如圖2A所示，功率級電路22包括具有一第一開關SW1、一第二開關SW2、一第三開關SW3、一第四開關SW4與一電感L0。電感L0之一端耦接於第一開關SW1與第二開關SW2之間，且電感L0之另一端耦接於第三開關SW3與第四開關SW4之間。第一開關SW1、第二開關SW2、第三開關SW3與第四開關SW4分別受控於閘極驅動訊號Tr1-Tr4。
如圖2A所示，當習知升降壓型電壓轉換器運作在升壓模式且對電感L0進行充電時，第一開關SW1與第三開關SW3導通，且第二開關SW2與第四開關SW4截止。此時，功率級電路22形成輸入電壓Vin到地的電感充電路徑RO1，且電感電流IL0的充電速度為Vin/L。如圖2B所示，當習知升降壓型電壓轉換器運作在升壓模式且對電感L0進行放電時，第一開關SW1與第四開關SW4導通，且第二開關SW2與第三開關SW3截止。此時，功率級電路22形成輸出電壓Vout到輸入電壓Vin的電感放電路徑RO2，且電感電流IL0的放電速度為-(Vout-Vin)/L。
然而，如圖2C所示，當負載由重載轉為輕載(即暫態發生)時，負載電流Iout快速地由高準位H1下降至低準位L1，且輸出電壓Vout逐漸上升後回到穩定的電壓準位。此時，電感電流IL0將隨著負載電流Iout而逐漸下降，然而放電速度受限於-(Vout-Vin)/L，意味放電速度與輸入(Vin)、輸出(Vout)與電感電流有關，若負載 暫態響應的時間較長。而較長時間的負載暫態響影將會對負載(尤其是對敏感性負載)的性能造成不好的影響。
本發明之目的在於提供一種快速負載暫態響應的電壓轉換器，且適用於升壓型式的電壓轉換器(例如升壓型電壓轉換器、升降壓型電壓轉換器的升壓模式或其他具有升壓型式的電壓轉換器)。更進一步來說，電壓轉換器根據一暫態偵測電路來判斷目前是否發生暫態(即負載由重載轉為輕載)。當電壓轉換器發生暫態時，電感電流可以快速地下降至相對應的電流值，以加速輸出電壓回到穩定的電壓值。藉此，快速負載暫態響應的電壓轉換器可以縮短負載暫態響應的時間，以避免影響負載(尤其是對敏感性負載)的性能。
本發明實施例提供一種快速負載暫態響應的電壓轉換器。電壓轉換器包括一輸出級電路、一閘極驅動電路、一決定電路與一暫態偵測電路。輸出級電路具有一第一開關、一第二開關、一第三開關、一第四開關與一電感。輸出級電路根據流經電感的一電感電流輸出一輸出電壓，且根據輸出電壓產生一回授電壓。電感之一端耦接於第一開關與第二開關之間，且電感之另一端耦接於第三開關與第四開關之間。閘極驅動電路耦接功率級電路，且根據一工作訊號於一升壓模式下週期性地控制第一開關、第二開關、第三開關與第四開關以對電感進行充電或放電。決定電路耦接輸出級電路與閘極驅動電路之間，且根據回授電壓與一斜坡訊號產生工作訊號。暫態偵測電路耦接閘極驅動電路，且根據一電路資訊產生一暫態觸發訊號。而電路資訊係關聯於電感電流、輸出電壓、電感放電的時間長度與電感充電的時間長度其中之一或其組合。當暫態觸發訊號代表一負載電流由一重載轉為一輕載且閘極驅動電路對電感進行放電時，閘極驅動電路導通第二開關與 第四開關，且截止第一開關與第三開關。當暫態觸發訊號代表負載電流由重載轉為輕載且閘極驅動電路對電感進行充電時，閘極驅動電路導通第一開關與第三開關，且截止第二開關與第四開關。
本發明實施例提供一種快速負載暫態響應的電壓轉換器。電壓轉換器包括一輸出級電路、一閘極驅動電路、一決定電路與一暫態偵測電路。輸出級電路具有一第一開關、一第二開關、一第三開關與一電感。輸出級電路根據流經電感的一電感電流輸出高於一輸入電壓的一輸出電壓，且根據輸出電壓產生一回授電壓。電感之一端耦接第一開關，且電感之另一端耦接於第二開關與第三開關之間。閘極驅動電路耦接功率級電路，且根據一工作訊號週期性地控制第一開關、第二開關與第三開關以對電感進行充電或放電。決定電路耦接輸出級電路與閘極驅動電路之間，且根據回授電壓與一斜坡訊號產生工作訊號。暫態偵測電路耦接閘極驅動電路，且根據一電路資訊產生一暫態觸發訊號。電路資訊關聯於電感電流、輸出電壓、電感放電的時間長度與電感充電的時間長度其中之一或其組合。當暫態觸發訊號代表一負載電流由一重載轉為一輕載且閘極驅動電路對電感進行放電時，閘極驅動電路導通第一開關與第三開關，且截止第二開關。而當暫態觸發訊號代表負載電流由重載轉為輕載且閘極驅動電路對電感進行充電時，閘極驅動電路導通第二開關，且截止第一開關與第三開關。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。
10‧‧‧電壓轉換器
12‧‧‧功率級電路
14‧‧‧閘極驅動電路
16‧‧‧決定電路
22‧‧‧功率級電路
RO1‧‧‧電感充電路徑
RO2‧‧‧電感放電路徑
L0‧‧‧電感
IL0‧‧‧電感電流
100‧‧‧升降壓型電壓轉換器
110‧‧‧輸出級電路
112‧‧‧回授補償電路
120‧‧‧閘極驅動電路
130‧‧‧決定電路
140‧‧‧暫態偵測電路
SW1‧‧‧第一開關
SW2‧‧‧第二開關
SW3‧‧‧第三開關
SW4‧‧‧第四開關
Tr1-Trn‧‧‧閘極驅動訊號
L‧‧‧電感
IL‧‧‧電感電流
RO3‧‧‧電感充電路徑
RO4‧‧‧電感放電路徑
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
Cout‧‧‧負載電容
Iout‧‧‧負載電流
Rt‧‧‧工作訊號
Vf‧‧‧回授訊號
Vr‧‧‧斜波訊號
Zdet‧‧‧暫態觸發訊號
DATA‧‧‧電路資訊
H1‧‧‧高準位
L1‧‧‧低準位
Vic‧‧‧偵測訊號
142‧‧‧比較器
Vth1‧‧‧第一臨界電壓
240‧‧‧暫態偵測電路
Id‧‧‧電流源
Sdet1‧‧‧偵測開關
DP‧‧‧偵測端點
Vdet‧‧‧偵測電壓
Sdet2‧‧‧重置開關
RST‧‧‧重置訊號
Cdet‧‧‧偵測電容
Scom‧‧‧觸發開關
COM‧‧‧觸發訊號
Vth2‧‧‧第二臨界電壓
242‧‧‧比較器
T1‧‧‧第一預定時間
T2‧‧‧第二預定時間
340‧‧‧暫態偵測電路
Vth3‧‧‧第三臨界電壓
342‧‧‧比較器
400‧‧‧升壓型電壓轉換器
410‧‧‧輸出級電路
412‧‧‧回授補償電路
420‧‧‧閘極驅動電路
430‧‧‧決定電路
440‧‧‧暫態偵測電路
RO5‧‧‧電感充電路徑
RO6‧‧‧電感放電路徑
Ttr0、Ttr、TtrA、TtrB‧‧‧時間
150‧‧‧電流感測器
圖1是習知電壓轉換器的示意圖。
圖2A是習知升降壓型電壓轉換器的輸出級電路的示意圖。
圖2B是習知升降壓型電壓轉換器的輸出級電路的示意圖。
圖2C是習知升降壓型電壓轉換器的波形圖。
圖3是本發明一實施例之升降壓型電壓轉換器的示意圖。
圖4A是本發明一實施例之暫態偵測電路的示意圖。
圖4B是本發明一實施例之暫態偵測電路的細部電路圖。
圖4C是本發明另一實施例之暫態偵測電路的細部電路圖。
圖4D是圖4C之暫態偵測電路的波形圖。
圖4E是本發明另一實施例之暫態偵測電路的細部電路圖。
圖4F是圖4E之暫態偵測電路的波形圖。
圖5A是習知電壓轉換器與本發明一實施例之電壓轉換器在非定頻運作下的比較圖。
圖5B是習知電壓轉換器與本發明另一實施例之電壓轉換器在定頻運作下的比較圖。
圖6是本發明另一實施例之升壓型電壓轉換器的示意圖。
在下文中，將藉由圖式說明本發明之各種例示實施例來詳細描述本發明。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。此外，在圖式中相同參考數字可用以表示類似的元件。
本發明實施例所提供的快速負載暫態響應的電壓轉換器，其應用於升壓型式的電壓轉換器(例如升壓型電壓轉換器或升降壓型電壓轉換器的升壓模式(boost mode))，且利用一暫態偵測電路來判斷目前是否發生暫態(即負載由重載轉為輕載)。更進一步來說，暫態偵測電路偵測電壓轉換器中關聯於電感電流、輸出電壓、電感放電的時間長度及/或電感充電的時間長度的電路資訊，以藉此判斷目前是否發生暫態。當電壓轉換器發生暫態時，電感電流可以快速地下降至相對應的電流值，以加速輸出電壓回到穩定的電壓值。藉此，快速負載暫態響應的電壓轉換器可以縮短負載暫態 響應的時間，以避免影響負載(尤其是對敏感性負載)的性能。以下將進一步介紹本發明揭露之快速負載暫態響應的電壓轉換器。
首先，請參考圖3，其顯示本發明一實施例之升降壓型電壓轉換器的示意圖。如圖3所示，升降壓型電壓轉換器100為用來將一輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout，以據此驅動一負載(以負載電容Cout來表示)。升降壓型電壓轉換器100包括一輸出級電路110、一閘極驅動電路120、一決定電路130與一暫態偵測電路140。輸出級電路110具有一第一開關SW1、一第二開關SW2、一第三開關SW3、一第四開關SW4與一電感L。電感L之一端耦接於第一開關SW1與第二開關SW2之間，且電感L之另一端耦接於第三開關SW3與第四開關SW4之間。更進一步來說，第一開關SW1之一端接收輸入電壓Vin、第一開關SW1之另一端透過第二開關SW2接地、第四開關SW4之一端透過第三開關SW3接地，且電感L透過第四開關SW4之另一端產生輸出電壓Vout。
輸出級電路110根據流經電感L的一電感電流IL產生輸出電壓Vout，且根據輸出電壓Vout產生一回授電壓Vf。在本實施例中，輸出級電路110更具有一回授補償電路112，用以產生關聯於輸出電壓Vout的回授電壓Vf。
閘極驅動電路120耦接功率級電路110。閘極驅動電路120根據一工作訊號Rt於一升壓模式下週期性地控制第一開關SW1、第二開關SW2、第三開關SW3與第四開關SW4以對電感L進行充電或放電。更進一步來說，閘極驅動電路120運作於升壓模式且根據工作訊號Rt產生對應的閘極驅動訊號Tr1、Tr2、Tr3與Tr4，以控制第一開關SW1、第二開關SW2、第三開關SW3與第四開關SW4的開啟(turned-on)與關閉(turned-off)。
舉例來說，閘極驅動電路120根據輸入電壓Vin與輸出電壓Vout判斷升降壓型電壓轉換器100運作於升壓模式。閘極驅動電路120根據閘極驅動訊號Tr1-Tr4開啟第一開關SW1與第三開關 SW3，且關閉第二開關SW2與第四開關SW4，以對電感L進行充電。閘極驅動電路320根據閘極驅動訊號Tr1-Tr4開啟第一開關SW1與第四開關SW4，且關閉第二開關SW2與第三開關SW3，以對電感L進行放電。
決定電路130耦接輸出級電路110與閘極驅動電路120之間，且根據回授電壓Vf與一斜坡訊號Vr產生工作訊號Rt。而有關決定電路130大致上與習知的決定電路16相同，故在此不再贅述。
值得注意的是，在電壓轉換器100運作於升壓模式的過程中，暫態偵測電路140將不斷地偵測電壓轉換器100是否發生暫態(即負載由重載轉為輕載)。更進一步來說，暫態偵測電路140耦接閘極驅動電路120，且根據一電路資訊DATA產生一暫態觸發訊號Zdet，以藉此判斷目前是否發生暫態。而上述電路資訊DATA係關聯於電感電流IL、輸出電壓Vout、電感L放電的時間長度與電感L充電的時間長度其中之一或其組合。
舉例來說，電路資訊DATA為一電流感測器感測電感電流L而產生的偵測訊號(關聯於電桿電流IL)。請同時參考圖4A，電壓轉換器100更包括一電流感測器150，電流感測器150耦接於輸出級電路110與暫態偵測電路140之間。電流感測器150偵測電感電流IL，以產生代表電感電流IL的一偵測訊號Vic，並將偵測訊號Vic作為圖3的電路資訊DATA。
再舉例來說，輸出級電路120將關聯於輸出電壓Vout的回授電壓Vf作為電路資訊DATA；閘極驅動電路120將控制第四開關SW4的閘極驅動訊號Tr4(關聯於電感L放電的時間長度)作為電路資訊DATA；閘極驅動電路120將控制第三開關SW3的閘極驅動訊號Tr3(關聯於電感L充電的時間長度)作為電路資訊DATA；又或者電壓轉換器100將相關的節點電流、節點電壓與節點訊號作為電路資訊DATA，本發明對此不作限制。
請同時參考圖4B，在本實施例中，暫態偵測電路140包括一 比較器142。比較器142接收電路資訊DATA(例如偵測訊號Vic或回授電壓Vf)與一第一臨界電壓Vth1。比較器142且比較電路資訊DATA與第一臨界電壓Vth1。當電路資訊DATA大於第一臨界電壓Vth1時，比較器142將產生代表負載電流Iout由重載轉為輕載的暫態觸發訊號Zdet至閘極驅動電路120(代表電壓轉換器100發生暫態)。而當電路資訊DATA小於等於第一臨界電壓Vth1時，比較器142將不產生代表負載電流Iout由重載轉為輕載的暫態觸發訊號Zdet(代表電壓轉換器100沒有發生暫態)。
在其他實施例中，如圖4C所示，閘極驅動電路120將控制第三開關SW3的驅動訊號Tr3作為電路資訊DATA。暫態偵測電路240包括一偵測開關Sdet1、一重置開關Sdet2、一觸發開關Scom與一比較器242。偵測開關Sdet受控於電路資訊DATA(本實施例為驅動訊號Tr4)以將一電流源Id對一偵測電容Cdet進行充電與放電，並於偵測開關Sdet與偵測電容Cdet之間的一偵測端點DP產生一偵測電壓Vdet。
比較器242具有一正輸入端與一負輸入端。負輸入端透過觸發開關Scom(受控於一觸發訊號COM)耦接偵測端點DP，且正輸入端接收一第二臨界電壓Vth2。比較器242比較偵測電壓Vdet與第二臨界電壓Vth2以產生暫態觸發訊號Zdet。重置開關Sdet2之一端耦接於偵測端點DP，且其另一端接地。而觸發開關Scom受控於一觸發訊號COM，且觸發訊號COM於電路資訊DATA由高準位轉為低準位時產生一脈衝訊號。重置開關Sdet2受控於一重置訊號RST，且重置訊號RST於產生脈衝訊號後產生一脈衝訊號。
請同時參考圖4D，其顯示是圖4C之暫態偵測電路的波形圖。當電路資訊DATA(本實施例為驅動訊號Tr3)維持高準位時，偵測開關Sdet1導通，觸發開關Scom與重置開關Sdet2截止，以對偵測電容Cdet充電。此時，偵測電壓Vdet將持續上升。
當電路資訊DATA(本實施例為驅動訊號Tr3)由高準位轉為低 準位時，偵測開關Sdet1截止，觸發開關Scom導通一第一預定時間T1。再來，重置開關Sdet2將於第一預定時間T1後導通一第二預定時間T2，以對偵測電容Cdet放電。此時，偵測電壓Vdet將逐漸下降，並於電路資訊DATA(本實施例為驅動訊號Tr4)轉為高準位時上升。
而在第一預定時間T1中，若偵測電壓Vdet小於第二臨界電壓Vth2時，比較器242將產生代表負載電流Iout由重載轉為輕載的暫態觸發訊號Zdet(本實施例為高準位脈衝訊號)。反之，若偵測電壓Vdet大於等於第二臨界電壓Vth2時，比較器242將不會產生代表負載電流Iout由重載轉為輕載的暫態觸發訊號Zdet(本實施例為低準位訊號)。
在其他實施例中，如圖4E所示，閘極驅動電路120將控制第四開關SW4的驅動訊號Tr4作為電路資訊DATA。暫態偵測電路340包括一偵測開關Sdet1、一重置開關Sdet2與一比較器342。偵測開關Sdet受控於電路資訊DATA(本實施例為驅動訊號Tr4)以將一電流源Id對一偵測電容Cdet進行充電與放電，並於偵測開關Sdet與偵測電容Cdet之間的一偵測端點DP產生一偵測電壓Vdet。
比較器342具有一正輸入端與一負輸入端。正輸入端耦接偵測端點DP，且負輸入端接收一第三臨界電壓Vth3。比較器242比較偵測電壓Vdet與第三臨界電壓Vth3以產生暫態觸發訊號Zdet。重置開關Sdet2之一端耦接於偵測端點DP，且其另一端接地。重置開關Sdet2受控於一重置訊號RST，且重置訊號RST與電路資訊DATA(本實施例為驅動訊號Tr4)為反向訊號。
請同時參考圖4F，其顯示是圖4E之暫態偵測電路的波形圖。當電路資訊DATA(本實施例為驅動訊號Tr4)維持高準位時，偵測開關Sdet1導通且重置開關Sdet2截止，以對偵測電容Cdet充電。此時，偵測電壓Vdet將持續上升。而當電路資訊DATA(本實施例為驅動訊號Tr3)由高準位轉為低準位時，偵測開關Sdet1截止且重 置開關Sdet2導通，以對偵測電容Cdet放電。此時，偵測電壓Vdet將持續下降，並於電路資訊DATA(本實施例為驅動訊號Tr4)轉為高準位時上升。
若偵測電壓Vdet大於第三臨界電壓Vth3時，比較器342將產生代表負載電流Iout由重載轉為輕載的暫態觸發訊號Zdet(本實施例為高準位脈衝訊號)。反之，若偵測電壓Vdet小於等於第三臨界電壓Vth3時，比較器342將不會產生代表負載電流Iout由重載轉為輕載的暫態觸發訊號Zdet(本實施例為低準位訊號)。
藉此，暫態偵測電路140、240與340可根據電路資訊DATA(即關聯於電感電流IL、輸出電壓Vout、電感L放電的時間長度與電感L充電的時間長度其中之一或其組合)來產生暫態觸發訊號Zdet至閘極驅動電路120，以告知閘極驅動電路120目前是否發生暫態。
再請回到圖3，當暫態觸發訊號Zdet代表負載電流Iout由重載轉為輕載(即電壓轉換器100發生暫態)，且閘極驅動電路120對電感L進行充電時，閘極驅動電路120將導通第一開關SW1與第三開關SW3，且截止第二開關SW2與第四開關SW4。此時，功率級電路110形成輸入電壓Vin到地的電感充電路徑RO3。
而當暫態觸發訊號Zdet代表負載電流Iout由重載轉為輕載(即電壓轉換器100發生暫態)，且閘極驅動電路120對電感L進行放電時，閘極驅動電路120將導通第二開關SW2與第四開關SW4，且截止第一開關SW1與第三開關SW3。此時，功率級電路110形成輸出電壓Vout到地的電感放電路徑RO4。
由上述可知，當電壓轉換器100發生暫態且電感L充電時，電感電流IL的充電速度如同圖2C中習知電感電流IL的充電速度。而當電壓轉換器100發生暫態且電感L放電時，電感電流IL的放電速度將會快於圖2C中習知電感電流IL的放電速度。
舉例來說，圖5A是習知電壓轉換器與本發明一實施例之電壓 轉換器在非定頻運作下的比較圖。如圖5A所示，當負載由重載轉為輕載(即暫態發生)時，負載電流Iout快速地由高準位H1下降至低準位L1。此時，習知電壓轉換器的電感電流IL0(實線部分)的充電速度為Vin/L。本實施例的電壓轉換器100的電感電流IL(虛線部分)的充電速度同樣為Vin/L。再者，習知電壓轉換器的電感電流IL0(實線部分)的放電速度為-(Vout-Vin)/L。而本實施例的電壓轉換器100的電感電流IL(虛線部分)的放電速度將為-Vout/L。
藉此，本實施例的電感電流IL的放電速度(即負載暫態響應速度)將會快於習知電感電流IL0的放電速度，使得本實施例的電感電流IL可以快速地下降至相對應的低準位L1。此外，本實施例的電感電流IL下降至低準位L1的時間Ttr將會短於習知的電感電流IL下降至低準位L1的時間Ttr0，使得本實施例的輸出電壓會更快回到穩定的電壓準位。
因此，電壓轉換器100可以減少電量△Q的耗損，並將減少的電量△Q反應在輸出電壓的暫態反應△V上。而電量△Q與暫態反應△V的計算方式如下所示：
再舉例來說，圖5B是習知電壓轉換器與本發明一實施例之電壓轉換器在定頻運作下的比較圖。如圖5B所示，當負載由重載轉為輕載(即暫態發生)時，負載電流Iout快速地由高準位H1下降至低準位L1。此時，習知電壓轉換器的電感電流IL0(實線部分)的充電速度為Vin/L。本實施例的電壓轉換器100的電感電流IL(虛線部分)的充電速度同樣為Vin/L。再者，習知電壓轉換器的電感電流IL0(實線部分)的放電速度為-(Vout-Vin)/L。而本實施例的電壓轉換器100的電感電流IL(虛線部分)的放電速度將為-Vout/L。
藉此，本實施例的電感電流IL的放電速度(即負載暫態響應速度)將會快於習知電感電流IL0的放電速度，使得本實施例的電感電流IL可以快速地下降至相對應的低準位L1。此外，本實施例的電感電流IL下降至低準位L1的時間TtrA將會短於習知的電感電流IL下降至低準位L1的時間TtrB，使得本實施例的輸出電壓會更快回到穩定的電壓準位。
因此，電壓轉換器100可以減少電量△Q=△Q1+△Q2+△Q3+△Q4+△Q5+△Q6的耗損，並將減少的電量△Q反應在輸出電壓的暫態反應△V上。而電量△Q與暫態反應△V的計算方式大致上類似圖5A的計算方式，故在此不再贅述。
接下來，請參考圖6，其顯示本發明另一實施例之升壓型電壓轉換器的示意圖。如圖6所示，升壓型電壓轉換器400為用來將一輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout，以據此驅動一負載(以負載電容Cout來表示)。升降壓型電壓轉換器400包括一輸出級電路410、一閘極驅動電路420、一決定電路430與一暫態偵測電路440。輸出級電路410具有一第一開關SW1、一第二開關SW2、一第三開關SW3與一電感L。電感L之一端耦接第一開關SW1，且電感L之另一端耦接於第二開關SW2與第三開關SW3之間。
輸出級電路410根據流經電感L的一電感電流IL輸出輸出電壓Vout，且根據輸出電壓Vout產生一回授電壓Vf。在本實施例中，輸出級電路410更具有一回授補償電路412，用以產生關聯於輸出電壓Vout的回授電壓Vf。
閘極驅動電路420耦接功率級電路410。閘極驅動電路420根據一工作訊號Rt週期性地控制第一開關SW1、第二開關SW2與第三開關SW3以對電感L進行充電或放電。更進一步來說，閘極驅動電路420根據工作訊號Rt產生對應的閘極驅動訊號Tr1、Tr2與Tr3，以控制第一開關SW1、第二開關SW2與第三開關SW3的開啟(turned-on)與關閉(turned-off)。
舉例來說，閘極驅動電路420根據閘極驅動訊號Tr1-Tr3開啟第二開關SW2，且關閉第一開關SW1與第三開關SW3，以對電感L進行充電。閘極驅動電路320根據閘極驅動訊號Tr1-Tr3開啟第一開關SW1與第三開關SW3，且關閉第二開關SW2，以對電感L進行放電。
決定電路430耦接輸出級電路410與閘極驅動電路420之間，且根據回授電壓Vf與一斜坡訊號Vr產生工作訊號Rt。而有關決定電路430大致上與習知的決定電路16相同，故在此不再贅述。
值得注意的是，暫態偵測電路440將不斷地偵測電壓轉換器400是否發生暫態(即負載由重載轉為輕載)。更進一步來說，暫態偵測電路440耦接閘極驅動電路420，且根據一電路資訊DATA產生一暫態觸發訊號Zdet，以藉此判斷目前是否發生暫態。而上述電路資訊DATA係關聯於電感電流IL、輸出電壓Vout、電感L放電的時間長度與電感L充電的時間長度其中之一或其組合。
有關暫態偵測電路440的實施方式與運作大致上可由前一實施例的暫態偵測電路140推得，故在此不再贅述。藉此，暫態偵測電路440可根據電路資訊DATA(即關聯於電感電流IL、輸出電壓Vout、電感L放電的時間長度與電感L充電的時間長度其中之一或其組合)來產生暫態觸發訊號Zdet至閘極驅動電路420，以告知閘極驅動電路420目前是否發生暫態。
再請回到圖6，當暫態觸發訊號Zdet代表負載電流Iout由重載轉為輕載(即電壓轉換器400發生暫態)，且閘極驅動電路420對電感L進行充電時，閘極驅動電路420將導通第二開關SW2，且截止第一開關SW1與第三開關SW3。此時，功率級電路110形成輸入電壓Vin到地的電感充電路徑RO5。
而當暫態觸發訊號Zdet代表負載電流Iout由重載轉為輕載(即電壓轉換器400發生暫態)，且閘極驅動電路420對電感L進行放電時，閘極驅動電路420將導通第一開關SW1與第三開關 SW3，且截止第二開關SW2。此時，功率級電路410形成輸出電壓Vout到地的電感放電路徑RO6。
藉此，當電壓轉換器400發生暫態且電感L充電時，電感電流IL的充電速度如同習知升壓型電壓轉換器的電感電流的充電速度。而當電壓轉換器400發生暫態且電感L放電時，電感電流IL的放電速度將會快於習知升壓型電壓轉換器的電感電流的放電速度。
綜上所述，本發明實施例所提供的一種快速負載暫態響應的電壓轉換器，且適用於升壓型式的電壓轉換器(例如升壓型電壓轉換器或升降壓型電壓轉換器的升壓模式)。更進一步來說，電壓轉換器根據一暫態偵測電路來判斷目前是否發生暫態(即負載由重載轉為輕載)。當電壓轉換器發生暫態時，電感電流可以快速地下降至相對應的電流值，以加速輸出電壓回到穩定的電壓值。藉此，快速負載暫態響應的電壓轉換器可以縮短負載暫態響應的時間，以避免影響負載(尤其是對敏感性負載)的性能。
以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。

Claims (14)

  1. 一種快速負載暫態響應的電壓轉換器，且該電壓轉換器包括：一輸出級電路，具有一第一開關、一第二開關、一第三開關、一第四開關與一電感，根據流經該電感的一電感電流輸出一輸出電壓，且根據該輸出電壓產生一回授電壓，其中該電感之一端耦接於該第一開關與該第二開關之間，且該電感之另一端耦接於該第三開關與該第四開關之間；一閘極驅動電路，耦接該功率級電路，根據一工作訊號於一升壓模式下週期性地控制該第一開關、該第二開關、該第三開關與該第四開關以對該電感進行充電或放電；一決定電路，耦接該輸出級電路與該閘極驅動電路之間，且根據該回授電壓與一斜坡訊號產生該工作訊號；以及一暫態偵測電路，耦接該閘極驅動電路，且根據一電路資訊產生一暫態觸發訊號，其中該電路資訊關聯於該電感電流、該輸出電壓、該電感放電的時間長度與該電感充電的時間長度其中之一或其組合；其中，當該暫態觸發訊號代表一負載電流由一重載轉為一輕載且該閘極驅動電路對該電感進行放電時，該閘極驅動電路導通該第二開關與該第四開關，且截止該第一開關與該第三開關。
  2. 如請求項1之快速負載暫態響應的電壓轉換器，其中，當該暫態觸發訊號代表該負載電流由該重載轉為該輕載且該閘極驅動電路對該電感進行充電時，該閘極驅動電路導通該第一開關與該第三開關，且截止該第二開關與該第四開關。
  3. 如請求項1之快速負載暫態響應的電壓轉換器，其中，該暫態偵測電路包括：一比較器，接收該電路資訊與一第一臨界電壓，且比較該電路 資訊與該第一臨界電壓，其中當該電路資訊大於該第一臨界電壓時，該比較器產生代表該負載電流由該重載轉為該輕載的該暫態觸發訊號。
  4. 如請求項3之快速負載暫態響應的電壓轉換器，其更包括一電流感測器，該電流感測器耦接於該輸出級電路與該暫態偵測電路之間，該電流感測器偵測該電感電流以產生代表電感電流的一偵測訊號，並將該偵測訊號作為該電路資訊。
  5. 如請求項3之快速負載暫態響應的電壓轉換器，其中，該輸出級電路將關聯於該輸出電壓的該回授電壓作為該電路資訊。
  6. 如請求項1之快速負載暫態響應的電壓轉換器，其中，該閘極驅動電路將該控制該第三開關的一驅動訊號作為該電路資訊，且該暫態偵測電路包括：一偵測開關，受控於該電路資訊以將一電流源對一偵測電容進行充電與放電，並於該偵測開關與該偵測電容之間的一偵測端點產生一偵測電壓；一比較器，具有一正輸入端與一負輸入端，該負輸入端透過一觸發開關耦接該偵測端點，該正輸入端接收一第二臨界電壓，且該比較器比較該偵測電壓與該第二臨界電壓以產生該暫態觸發訊號；以及一重置開關，其一端耦接於該偵測端點，且其另一端接地；其中，當該電路資訊維持高準位時，該偵測開關導通，該觸發開關與該重置開關截止，以對該偵測電容充電；其中，當該電路資訊由高準位轉為低準位時，該偵測開關截止，該觸發開關導通一第一預定時間，該重置開關於該第一預定時間後導通一第二預定時間以對該偵測電容放電，且當該偵測電 壓於該第一預定時間小於該第二臨界電壓時，該比較器產生代表該負載電流由該重載轉為該輕載的該暫態觸發訊號。
  7. 如請求項1之快速負載暫態響應的電壓轉換器，其中，該閘極驅動電路將該控制該第四開關的一驅動訊號作為該電路資訊，且該暫態偵測電路包括：一偵測開關，受控於該電路資訊以將一電流源對一偵測電容進行充電與放電，並於該偵測開關與該偵測電容之間的一偵測端點產生一偵測電壓；一比較器，具有一正輸入端與一負輸入端，該正輸入端耦接該偵測端點，該負輸入端接收一第三臨界電壓，且該比較器比較該偵測電壓與該第三臨界電壓以產生該暫態觸發訊號；以及一重置開關，其一端耦接於該偵測端點，且其另一端接地；其中，當該電路資訊維持高準位時，該偵測開關導通且該重置開關截止以對該偵測電容充電，且當該偵測電壓大於該第三臨界電壓時，該比較器產生代表該負載電流由該重載轉為該輕載的該暫態觸發訊號；其中，當該電路資訊由高準位轉為低準位時，該偵測開關截止且該重置開關導通以對該偵測電容放電。
  8. 一種快速負載暫態響應的電壓轉換器，且該電壓轉換器包括：一輸出級電路，具有一第一開關、一第二開關、一第三開關與一電感，根據流經該電感的一電感電流輸出高於一輸入電壓的一輸出電壓，且根據該輸出電壓產生一回授電壓，其中該電感之一端耦接該第一開關，且該電感之另一端耦接於該第二開關與該第三開關之間；一閘極驅動電路，耦接該功率級電路，根據一工作訊號週期性地控制該第一開關、該第二開關與該第三開關以對該電感進行充 電或放電；一決定電路，耦接該輸出級電路與該閘極驅動電路之間，且根據該回授電壓與一斜坡訊號產生該工作訊號；以及一暫態偵測電路，耦接該閘極驅動電路，且根據一電路資訊產生一暫態觸發訊號，其中該電路資訊關聯於該電感電流、該輸出電壓、該電感放電的時間長度與該電感充電的時間長度其中之一或其組合；其中，當該暫態觸發訊號代表一負載電流由一重載轉為一輕載且該閘極驅動電路對該電感進行放電時，該閘極驅動電路導通該第一開關與第三開關，且截止該第二開關。
  9. 如請求項8之快速負載暫態響應的電壓轉換器，其中，當該暫態觸發訊號代表該負載電流由該重載轉為該輕載且該閘極驅動電路對該電感進行充電時，該閘極驅動電路導通該第二開關，且截止該第一開關與該第三開關。
  10. 如請求項8之快速負載暫態響應的電壓轉換器，其中，該暫態偵測電路包括：一比較器，接收該電路資訊與一第一臨界電壓，且比較該電路資訊與該第一臨界電壓，其中當該電路資訊大於該第一臨界電壓時，該比較器產生代表該負載電流由該重載轉為該輕載的該暫態觸發訊號。
  11. 如請求項10之快速負載暫態響應的電壓轉換器，其更包括一電流感測器，該電流感測器耦接於該輸出級電路與該暫態偵測電路之間，該電流感測器偵測該電感電流以產生代表電感電流的一偵測訊號，並將該偵測訊號作為該電路資訊。
  12. 如請求項10之快速負載暫態響應的電壓轉換器，其中，該輸出級電路將關聯於該輸出電壓的該回授電壓作為該電路資訊。
  13. 如請求項8之快速負載暫態響應的電壓轉換器，其中，該閘極驅動電路將該控制該第二開關的一驅動訊號作為該電路資訊，且該暫態偵測電路包括：一偵測開關，受控於該電路資訊以將一電流源對一偵測電容進行充電與放電，並於該偵測開關與該偵測電容之間的一偵測端點產生一偵測電壓；一比較器，具有一正輸入端與一負輸入端，該負輸入端透過一觸發開關耦接該偵測端點，該正輸入端接收一第二臨界電壓，且該比較器比較該偵測電壓與該第二臨界電壓以產生該暫態觸發訊號；以及一重置開關，其一端耦接於該偵測端點，且其另一端接地；其中，當該電路資訊維持高準位時，該偵測開關導通，該觸發開關與該重置開關截止，以對該偵測電容充電；其中，當該電路資訊由高準位轉為低準位時，該偵測開關截止，該觸發開關導通一第一預定時間，該重置開關於該第一預定時間後導通一第二預定時間以對該偵測電容放電，且當該偵測電壓於該第一預定時間小於該第二臨界電壓時，該比較器產生代表該負載電流由該重載轉為該輕載的該暫態觸發訊號。
  14. 如請求項8之快速負載暫態響應的電壓轉換器，其中，該閘極驅動電路將該控制該第三開關的一驅動訊號作為該電路資訊，且該暫態偵測電路包括：一偵測開關，受控於該電路資訊以將一電流源對一偵測電容進行充電與放電，並於該偵測開關與該偵測電容之間的一偵測端點產生一偵測電壓； 一比較器，具有一正輸入端與一負輸入端，該正輸入端耦接該偵測端點，該負輸入端接收一第三臨界電壓，且該比較器比較該偵測電壓與該第三臨界電壓以產生該暫態觸發訊號；以及一重置開關，其一端耦接於該偵測端點，且其另一端接地；其中，當該電路資訊維持高準位時，該偵測開關導通且該重置開關截止以對該偵測電容充電，且當該偵測電壓大於該第三臨界電壓時，該比較器產生代表該負載電流由該重載轉為該輕載的該暫態觸發訊號；其中，當該電路資訊由高準位轉為低準位時，該偵測開關截止且該重置開關導通以對該偵測電容放電。
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