TWI654813B - 控制裝置與其電源轉換電路 - Google Patents
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Abstract
一種控制裝置與其電源轉換電路。控制裝置包括第一開關、第二開關、切換電路、第一電路與第二電路。控制裝置可響應於操作電流及預設電路的操作狀態選擇性地切換至第一模式或是第二模式。在第一模式下，第一電路的輸出訊號透過切換電路傳送至第一開關的控制端，且第一電路與第一開關形成低壓差穩壓器。在第二模式下，第二電路的多個驅動訊號透過切換電路傳送至第一開關的控制端與第二開關的控制端，且第一開關、第二開關與阻抗電路形成切換式電壓轉換器。
Description
本發明是有關於一種控制裝置與其電源轉換電路，且特別是有關於一種可重組電源結構的控制裝置與其電源轉換電路。
因應系統的整合，微控制器(microcontroller)大多都會內建低壓差穩壓器(low drop-out regulator)。此外，隨著微控制器中核心邏輯(core logic)之操作電壓的降低，微控制器更設有切換式電壓轉換器(switching voltage converter)。然而，當進入睡眠狀態或是低功耗狀態時，微控制器的操作電流可能只有數個微安培(μA)或是低於一微安培。因此，在睡眠或是低功耗狀態下，倘若微控制器持續使用切換式電壓轉換器進行供電，將會引起功率消耗的增加。此外，近年來，微控制器整合射頻電路的應用也越來越多。然而，當微控制器操作射頻電路時，切換式電壓轉換器所引發的電源雜訊往往會干擾到射頻電路。
本發明提供一種控制裝置與其電源轉換電路，可選擇性地利用低壓差穩壓器或是切換式電壓轉換器進行供電，進而有助於降低功率消耗以及電源雜訊的干擾。
本發明的控制裝置，包括第一開關、第二開關、切換電路、第一電路與第二電路。第一開關與第二開關串聯在電源電壓與接地端之間。第一開關與第二開關之間的第一節點透過控制裝置的第一接腳電性連接阻抗電路。切換電路電性連接第一開關與第二開關。第一電路電性連接切換電路。當控制裝置的操作電流小於電流臨界值時，第一電路的輸出訊號透過切換電路傳送至第一開關的控制端，且第一電路與第一開關形成低壓差穩壓器。第二電路電性連接切換電路。當控制裝置的操作電流不小於電流臨界值時，第二電路的多個驅動訊號透過切換電路傳送至第一開關的控制端與第二開關的控制端，且第一開關、第二開關與阻抗電路形成切換式電壓轉換器。
本發明的控制裝置，包括第一開關、第二開關、切換電路、第一電路與第二電路。第一開關與第二開關串聯在電源電壓與接地端之間。第一開關與第二開關之間的第一節點透過控制裝置的第一接腳電性連接阻抗電路。切換電路電性連接第一開關與第二開關。第一電路與第二電路分別電性連接切換電路。當控制裝置操作預設電路時，控制裝置切換至第一模式，且當控制裝置停止操作預設電路時，控制裝置依據操作電流而切換至第一模式或是第二模式。在第一模式下，第一電路的輸出訊號透過切換電路傳送至第一開關的控制端，且第一電路與第一開關形成低壓差穩壓器。在第二模式下，第二電路的多個驅動訊號透過切換電路傳送至第一開關的控制端與第二開關的控制端，且第一開關、第二開關與阻抗電路形成切換式電壓轉換器。
本發明的控制裝置，包括第一開關、第二開關、第三開關、第一電路、第二電路與切換電路。第一開關與第二開關串聯在電源電壓與接地端之間。第一開關與第二開關之間的第一節點透過控制裝置的第一接腳電性連接至阻抗電路的第一端。第三開關的第一端電性連接第一節點，第三開關的第二端透過控制裝置的第二接腳電性連接至阻抗電路的第二端。第一電路與第二電路分別電性連接第二接腳。在第一模式下，控制裝置導通第三開關，切換電路將第一電路的輸出訊號傳送至第一開關的控制端，且第一電路與第一開關形成低壓差穩壓器。在第二模式下，控制裝置不導通第三開關，切換電路將第二電路的多個驅動訊號傳送至第一開關的控制端與第二開關的控制端，且第一開關、第二開關與阻抗電路形成切換式電壓轉換器。
本發明的電源轉換電路，包括第一開關、第二開關、放大器與切換電路。第一開關與第二開關串聯在電源電壓與接地端之間。第一開關與第二開關之間的第一節點電性連接至阻抗電路的第一端。放大器透過分壓電路電性連接至阻抗電路的第二端。切換電路電性連接第一開關、第二開關與放大器。在第一模式下，電源轉換電路不導通第二開關，切換電路將放大器的輸出端導通至第一開關的控制端，且放大器、分壓電路與第一開關形成低壓差穩壓器。在第二模式下，電源轉換電路禁能放大器，切換電路將多個驅動訊號傳送至第一開關的控制端與第二開關的控制端，且第一開關、第二開關與阻抗電路形成切換式電壓轉換器。
基於上述，本發明的控制裝置與其電源轉換電路，可選擇性地利用低壓差穩壓器或是切換式電壓轉換器進行供電，進而有助於降低功率消耗以及電源雜訊的干擾。再者，低壓差穩壓器與切換式電壓轉換器共用第一開關，進而有助於降低生產成本與硬體空間。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1是依照本發明一實施例之控制裝置的示意圖。如圖1所示，控制裝置100包括第一接腳PN11與第二接腳PN12，且控制裝置100可透過第一接腳PN11與第二接腳PN12電性連接設置在外部的阻抗電路101。此外，控制裝置100包括電源轉換電路110與控制器120，且電源轉換電路110用以供應控制器120所需的電源。舉例來說，控制器120可操作在電源轉換電路110所產生的第一操作電壓VDD1或是第二操作電壓VDD2下。
電源轉換電路110包括第一開關111、第二開關112、切換電路113、第一電路114與第二電路115。其中，第一開關111與第二開關112串聯在電源電壓VSS與接地端之間。第一開關111與第二開關112之間的第一節點ND11透過第一接腳PN11電性連接至阻抗電路101的第一端。切換電路113電性連接第一開關111、第二開關112、第一電路114與第二電路115。此外，第一電路114與第二電路115透過第二接腳PN12電性連接至阻抗電路101的第二端。其中第一開關111可為P型功率金屬氧化物半導體場效電晶體（Power PMOSFET），第二開關112可為N型功率金屬氧化物半導體場效電晶體（Power NMOSFET），但不以此為限。
更進一步來看，切換電路113包括第一傳輸閘141、第二傳輸閘142與及閘143，且第一電路114包括第一電阻151、第二電阻152與放大器153。其中，第一傳輸閘141的輸入端電性連接放大器153的輸出端，且第一傳輸閘141的輸出端電性連接第一開關111的控制端。第二傳輸閘142的輸入端電性連接第二電路115，且第二傳輸閘142的輸出端電性連接第一開關111的控制端。此外，第一傳輸閘141與第二傳輸閘142受控於控制訊號CT以及控制訊號CT的反相訊號CTB。第二電路115可為降壓驅動電路（Buck Driving Circuit），但不以此為限。
及閘143的第一輸入端電性連接第二電路115，及閘143的第二輸入端接收反相訊號CTB，且及閘143的輸出端電性連接第二開關112的控制端。第一電阻151與第二電阻152串聯在第二接腳PN12與接地端之間，以形成分壓電路。放大器153的第一輸入端電性連接第一電阻151與第二電阻152之間的第二節點ND12。換言之，放大器153可透過分壓電路電性連接至阻抗電路101的第二端。此外，放大器153的第二輸入端接收第一參考電壓VR11，放大器153的輸出端電性連接切換電路113，且放大器153的致能端接收控制訊號CT。
在操作上，控制器120可利用控制訊號CT將控制裝置100切換至第一模式或是第二模式，且控制裝置100中的電源轉換電路110可響應於不同的模式而形成不同的電源結構，例如：低壓差穩壓器與切換式電壓轉換器。其中，控制器120所產生的控制訊號CT可透過反相器130轉換成反相訊號CTB。
具體而言，電源轉換電路110可響應於具有高準位的控制訊號CT而進入第一模式。在第一模式下，控制器120可利用具有高準位的控制訊號CT來致能放大器153，並可利用具有低準位的反相訊號CTB來禁能第二電路115。此外，在第一模式下，第一傳輸閘141與第二傳輸閘142可響應於控制訊號CT與反相訊號CTB將第一開關111的控制端導通至放大器153的輸出端。及閘143可響應於具有低準位的反相訊號CTB輸出低準位訊號，進而不導通第二開關112。此時，切換電路113可將第一電路114中放大器153的輸出訊號傳送至第一開關111的控制端，且第一電路114與第一開關111可形成低壓差穩壓器。藉此，控制裝置100將可利用低壓差穩壓器將電源電壓VSS穩壓至第一操作電壓VDD1，進而致使控制器120可操作在第一操作電壓VDD1下。
另一方面，電源轉換電路110可響應於具有低準位的控制訊號CT而進入第二模式。在第二模式下，控制器120可利用具有低準位的控制訊號CT來禁能放大器153，並可利用具有高準位的反相訊號CTB來致能第二電路115，進而致使第二電路115可產生多個驅動訊號DR11~DR12。此外，在第二模式下，第一傳輸閘141與第二傳輸閘142可響應於控制訊號CT與反相訊號CTB將第一開關111的控制端導通至第二電路115，進而將驅動訊號DR11傳送至第一開關111的控制端。及閘143可響應於具有高準位的反相訊號CTB而將驅動訊號DR12傳送至第二開關112的控制端。此時，第一開關111、第二開關112與阻抗電路101將可形成切換式電壓轉換器，且切換式電壓轉換器受控於第二電路115所產生的驅動訊號DR11~DR12。
藉此，控制裝置100將可利用切換式電壓轉換器將電源電壓VSS轉換成第二操作電壓VDD2，進而致使控制器120可操作在第二操作電壓VDD2下。此外，第二電路115可依據第二參考電壓VR12與第二操作電壓VDD2來調整驅動訊號DR11~DR12。再者，阻抗電路101可例如是包括電感102與電容103，進而致使第一開關111、第二開關112與阻抗電路101可形成降壓型(buck)的切換式電壓轉換器。
換言之，在整體操作上，控制器120可利用控制訊號CT與反相訊號CTB來致能第一電路114與第二電路115之其一。此外，控制器120可利用控制訊號CT與反相訊號CTB來控制切換電路113。例如，切換電路113中的第一傳輸閘141與第二傳輸閘142可響應於控制訊號CT與反相訊號CTB，而將第一開關111的控制端導通至放大器153的輸出端或是第二電路115。藉此，電源轉換電路110將可形成不同的電源結構，例如：低壓差穩壓器與切換式電壓轉換器。此外，由於電源轉換電路110所形成的切換式電壓轉換器與低壓差穩壓器共用第一開關111，因此可有效地降低生產成本與硬體空間。
在一實施例中，控制裝置100可依據控制器120的操作電流來重組電源轉換電路110的電源結構，進而有助於降低功率消耗。舉例來說，控制器120可將操作電流與電流臨界值相互比較，並依據比較結果切換控制訊號CT的準位，進而致使控制裝置100可響應於控制訊號CT切換至第一模式或是第二模式。
具體而言，當控制器120的操作電流小於電流臨界值時，則代表控制器120處於輕負載狀態(例如，睡眠狀態或是低功耗狀態)。此時，控制器120可將電源轉換電路110切換至第一模式，以利用電源轉換電路110所形成的低壓差穩壓器來進行供電。另一方面，當控制器120的操作電流不小於電流臨界值時，則代表控制器120處於重負載狀態。此時，控制器120可將電源轉換電路110切換至第二模式，以利用電源轉換電路110所形成的切換式電壓轉換器來進行供電。
值得一提的是，圖2為低壓差穩壓器與切換式電壓轉換器在不同輸出電流下的功率轉換效率(power conversion efficiency)圖，其中曲線210為低壓差穩壓器的功率轉換效率曲線，且曲線220為切換式電壓轉換器的功率轉換效率曲線。如圖2所示，低壓差穩壓器在輕負載時具有較佳的功率轉換效率，而切換式電壓轉換器則是在重負載時具有較佳的功率轉換效率。換言之，控制裝置100可響應於控制器120的負載狀態來選取具有較佳功率轉換效率的電源結構來對控制器120進行供電，因此可有效地降低功率消耗。
除此之外，低壓差穩壓器具有良好的電源抑制比(power supply rejection ratio，簡稱PSRR)，進而可提供具有較低雜訊的第一操作電壓VDD1。因此，在另一實施例中，控制裝置100更可利用低壓差穩壓器來對控制器120中對雜訊敏感的預設電路進行供電，進而降低電源雜訊對於預設電路所造成的干擾。
具體而言，在另一實施例中，控制器120包括對雜訊敏感的預設電路121，例如：類比數位轉換器或是射頻電路。在控制器120比較操作電流與電流臨界值之前，控制器120會先判別其內部的預設電路121是否已被啟動或是致能。當控制器120中的預設電路121被致能時，亦即當控制器120操作預設電路121時，控制器120可將電源轉換電路110切換至第一模式，以利用電源轉換電路110所形成的低壓差穩壓器來進行供電。藉此，將可降低電源雜訊對於預設電路121所造成的干擾。另一方面，當控制器120中的預設電路121被禁能時，亦即當控制器120停止操作預設電路121時，控制裝置100可依據操作電流選擇性地切換至第一模式或是第二模式，從而有助於降低功率消耗。
圖3是依照本發明另一實施例之控制裝置的示意圖。相較於圖1實施例，圖3之控制裝置300更包括第三開關310。其中，第三開關310的第一端電性連接第一節點ND11，且第三開關310的第二端透過控制裝置300的第二接腳PN12電性連接至阻抗電路101的第二端。第三開關310可為N型功率金屬氧化物半導體場效電晶體（Power NMOSFET）。
在操作上，當切換至第一模式時，控制裝置300將導通第三開關310，並可利用第一電路114與第一開關111形成低壓差穩壓器。此時，導通的第三開關310將可致使阻抗電路101中電感102的兩端短路，進而致使來自第一開關111的電流可直接通過第三開關310傳送至第一電路114，而不會流經電感102。藉此，將可防止電感102對低壓差穩壓器所造成的影響，並可進一步降低電源雜訊對於預設電路121所造成的干擾。此外，當切換至第二模式時，控制裝置300不導通第三開關310，並可利用第一開關111、第二開關112與阻抗電路101形成切換式電壓轉換器。
與圖1實施例相似地，控制器120可判別其內部的預設電路121是否已被啟動或是致能。當控制器120中的預設電路121被致能時，亦即當控制器120操作預設電路121時，控制器120可將控制裝置300切換至第一模式。另一方面，當控制器120中的預設電路121被禁能時，亦即當控制器120停止操作預設電路121時，控制器120可比較操作電流與電流臨界值，並依據比較結果將控制裝置300切換至第一模式或是第二模式。至於圖3實施例中各個元件的細部配置與操作已包含在圖1與圖2實施例中，故在此不予贅述。
綜上所述，本發明之控制裝置可響應於控制器的操作電流以及控制器中預設電路的操作狀態選擇性地切換至第一模式或是第二模式，且控制裝置中的電源轉換電路可因應不同的模式形成不同的電源結構，例如：低壓差穩壓器與切換式電壓轉換器。藉此，將可有效地降低控制裝置與其電源轉換電路的功率消耗以及電源雜訊的干擾。此外，電源轉換電路所形成的切換式電壓轉換器與低壓差穩壓器共用第一開關，因此可有效地降低生產成本與硬體空間。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100、300：控制裝置 110：電源轉換電路 111：第一開關 112：第二開關 113：切換電路 114：第一電路 115：第二電路 120：控制器 121：預設電路 130：反相器 141：第一傳輸閘 142：第二傳輸閘 143：及閘 151：第一電阻 152：第二電阻 153：放大器 101：阻抗電路 102：電感 103：電容 PN11：第一接腳 PN12：第二接腳 ND11：第一節點 ND12：第二節點 VSS：電源電壓 VDD1：第一操作電壓 VDD2：第二操作電壓 CT：控制訊號 CTB：反相訊號 DR11~DR12：驅動訊號 VR11：第一參考電壓 VR12：第二參考電壓 210、220：曲線 310：第三開關
圖1是依照本發明一實施例之控制裝置的示意圖。 圖2為低壓差穩壓器與切換式電壓轉換器在不同輸出電流下的功率轉換效率(power conversion efficiency)圖。 圖3是依照本發明另一實施例之控制裝置的示意圖。
Claims (8)
- 一種控制裝置，包括：一第一開關與一第二開關，串聯在一電源電壓與一接地端之間，且該第一開關與該第二開關之間的一第一節點透過該控制裝置的一第一接腳電性連接一阻抗電路；一切換電路，電性連接該第一開關與該第二開關；一第一電路，電性連接該切換電路，其中當該控制裝置的一操作電流小於一電流臨界值時，該第一電路的一輸出訊號透過該切換電路傳送至該第一開關的控制端，且該第一電路與該第一開關形成一低壓差穩壓器；一第二電路，電性連接該切換電路，其中當該控制裝置的該操作電流不小於該電流臨界值時，該第二電路的多個驅動訊號透過該切換電路傳送至該第一開關的控制端與該第二開關的控制端，且該第一開關、該第二開關與該阻抗電路形成一切換式電壓轉換器；以及一控制器，比較該操作電流與該電流臨界值，並依據一比較結果將該控制裝置切換至一第一模式或是一第二模式，其中在該第一模式下，該控制裝置不導通該第二開關，並利用該低壓差穩壓器將該電源電壓穩壓至一第一操作電壓，且在該第二模式下，該控制裝置利用該切換式電壓轉換器將該電源電壓轉換成一第二操作電壓。
- 如申請專利範圍第1項所述的控制裝置，其中該控制器更依據該比較結果切換一控制訊號的準位，且該控制器利用該控制訊號與該控制訊號的一反相訊號來致能該第一電路與該第二電路之其一，並利用該控制訊號與該反相訊號來控制該切換電路。
- 一種控制裝置，包括：一第一開關與一第二開關，串聯在一電源電壓與一接地端之間，且該第一開關與該第二開關之間的一第一節點透過該控制裝置的一第一接腳電性連接一阻抗電路；一切換電路，電性連接該第一開關與該第二開關；一第一電路與一第二電路，分別電性連接該切換電路，其中當該控制裝置操作一預設電路時，該控制裝置切換至一第一模式，且當該控制裝置停止操作該預設電路時，該控制裝置依據一操作電流而切換至該第一模式或是一第二模式，其中在該第一模式下，該第一電路的一輸出訊號透過該切換電路傳送至該第一開關的控制端，且該第一電路與該第一開關形成一低壓差穩壓器，該控制裝置利用該低壓差穩壓器將該電源電壓穩壓至一第一操作電壓，且在該第二模式下，該第二電路的多個驅動訊號透過該切換電路傳送至該第一開關的控制端與該第二開關的控制端，且該第一開關、該第二開關與該阻抗電路形成一切換式電壓轉換器，該控制裝置利用該切換式電壓轉換器將該電源電壓轉換成一第二操作電壓。
- 如申請專利範圍第3項所述的控制裝置，其中該預設電路為一類比數位轉換器或是一射頻電路。
- 一種控制裝置，包括：一第一開關與一第二開關，串聯在一電源電壓與一接地端之間，且該第一開關與該第二開關之間的一第一節點透過該控制裝置的一第一接腳電性連接至一阻抗電路的第一端；一第三開關，其第一端電性連接該第一節點，該第三開關的第二端透過該控制裝置的一第二接腳電性連接至該阻抗電路的第二端；一第一電路與一第二電路，分別電性連接該第二接腳；以及一切換電路，其中在一第一模式下，該控制裝置導通該第三開關，該切換電路將該第一電路的一輸出訊號傳送至該第一開關的控制端，且該第一電路與該第一開關形成一低壓差穩壓器，在一第二模式下，該控制裝置不導通該第三開關，該切換電路將該第二電路的多個驅動訊號傳送至該第一開關的控制端與該第二開關的控制端，且該第一開關、該第二開關與該阻抗電路形成一切換式電壓轉換器。
- 如申請專利範圍第5項所述的控制裝置，更包括：一控制器，包括一預設電路，其中當該預設電路被致能時，該控制器將該控制裝置切換至該第一模式，且當該預設電路被禁能時，該控制器依據一操作電流將該控制裝置切換至該第一模式或是該第二模式。
- 如申請專利範圍第6項所述的控制裝置，其中該第一電路包括：一第一電阻與一第二電阻，串聯在該第二接腳與該接地端之間；以及一放大器，其第一輸入端電性連接該第一電阻與該第二電阻之間的一第二節點，該放大器的第二輸入端接收一第一參考電壓，該放大器的輸出端電性連接該切換電路，且該控制器利用一控制訊號與該控制訊號的一反相訊號來致能該放大器與該第二電路之其一。
- 一種電源轉換電路，包括：一第一開關與一第二開關，串聯在一電源電壓與一接地端之間，且該第一開關與該第二開關之間的一第一節點電性連接至一阻抗電路的第一端；一放大器，透過一分壓電路電性連接至該阻抗電路的第二端；以及一切換電路，電性連接該第一開關、該第二開關與該放大器，其中，在一第一模式下，該電源轉換電路不導通該第二開關，該切換電路將該放大器的輸出端導通至該第一開關的控制端，且該放大器、該分壓電路與該第一開關形成一低壓差穩壓器，在一第二模式下，該電源轉換電路禁能該放大器，該切換電路將多個驅動訊號傳送至該第一開關的控制端與該第二開關的控制端，且該第一開關、該第二開關與該阻抗電路形成一切換式電壓轉換器，其中該電源轉換電路適用於一控制裝置，當該控制裝置操作一預設電路時，該控制裝置將該電源轉換電路切換至該第一模式，且當該控制裝置停止操作該預設電路時，該控制裝置依據一操作電流將該電源轉換電路切換至該第一模式或是該第二模式。
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