TWI694666B - 轉換器及其驅動及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本發明公開一種轉換器，該轉換器包括：複數個電感器，包括耦合到該輸出節點的第一電感器；以及複數個功率通道，包括第一功率通道和第二功率通道，其中：該第一功率通道包括第一電感器，該第二功率通道包括第一電感器，以及該第一功率通道具有比該第二功率通道更高的功率效率。

Description

轉換器及其驅動及控制方法
本發明涉及轉換器技術領域，尤其涉及一種轉換器及其驅動及控制方法。
轉換器(converter)可以將一個電壓電平(例如輸入電壓Vin)轉換為另一個電壓電平(例如輸出電壓Vout)。轉換器包括耦合到轉換器的輸出節點的複數個電感器。轉換效率由輸出功率與總功率的比率確定，總功率包括輸出功率和功率損耗，例如傳導損耗，開關損耗和驅動損耗。傳統的轉換器為了提高轉換效率會忽略轉換器的一些其他特性，例如瞬態響應等。
有鑑於此，本發明提供一種轉換器及其驅動及控制方法，具有較高的轉換效率並且功能更多。
根據本發明的第一方面，公開一種轉換器，該轉換器包括：複數個電感器，包括耦合到輸出節點的第一電感器；以及複數個功率通道，包括第一功率通道和第二功率通道，其中：該第一功率通道包括第一電感器，該第二功率通道包括第一電感器，以及該第一功率通道具有比該第二功率通道更高的功率效率。
根據本發明的第二方面，公開一種轉換器，該轉換器包括：第一電感器，耦合到輸出節點並具有電感值；第一功率通道，包括該第一電感器和與該第一電感器串聯連接的第二電感器，該第二電感器具有電感值；以及第二功率通道，包括該第一電感器。
根據本發明的第三個方面，公開一種驅動及控制用於轉換器的方法，該方法包括：測量轉換器的負載狀態；確定負載狀態是否大於閾值，並據此確定該負載狀態；以及基於所確定的負載狀態運行第一功率通道或第二功率通道，第一功率通道具有比第二功率通道更高的功率效率。
本發明提供的轉換器由於包括複數個功率通道，包括第一功率通道和第二功率通道，其中：該第一功率通道包括第一電感器，該第二功率通道包括第一電感器，以及該第一功率通道具有比該第二功率通道更高的功率效率。採用這種方式，可以選擇具有更高轉換效率的第一功率通道對輸入電壓進行轉換，此外本發明中還設有第二功率通道，以在需要使用時，例如無需高效率轉換時使用，使得轉換器出高效率之外還具有其他功能和特性，從而擴大轉換器的應用場景。
100、1000:轉換器
102:輸出節點
104:第一功率通道
106:第二功率通道
108:第一驅動及控制電路
110:第二驅動及控制電路
112、1120:控制迴路電路
L1、L2:電感器
VIN:輸入電壓
Vout:輸出電壓
Vref:參考電壓
A、B、C、D:電晶體
Iload:負載電流
IL、IL1、IL2:電感器電流
LX1:電晶體A和電晶體B之間連接節點的電壓
LX2:電晶體C和電晶體D之間連接節點的電壓
ICH2:經過快速功率通道的電流
1104、1106、1108、1110:驅動及控制電路
1112、1114、1116、1118:功率通道
200、500、800:方法
202、204、206、208、502、504、802、804:動作
602、606:曲線
604:瞬態事件
透過閱讀後續的詳細描述和實施例可以更全面地理解本發明，本實施例參照附圖給出，其中：第1圖是示出根據本發明一些實施例的轉換器的示意圖； 第2圖是示出根據本發明一些實施例的驅動及控制第1圖的轉換器的方法的流程圖；第3圖是示出根據本發明一些實施例，當負載電流(可以用ILoad表示)的期望轉換速率(slew rate)為3A/μs時，第1圖的轉換器和傳統轉換器之間輸出電壓(可以用Vout表示)和電感器電流(可以用IL表示)的瞬態響應(transient response)的對比時序圖；第4圖是示出根據本發明一些實施例的第1圖的轉換器和傳統轉換器之間根據負載電流(ILoad)的效率曲線的對比示意圖；第5圖是示出根據本發明一些實施例的驅動及控制第1圖的轉換器的方法的流程圖；第6圖是示出根據本發明一些實施例第1圖的轉換器的瞬態響應的時序圖；第7圖是示出根據本發明又一些實施例，當負載電流(ILoad)的期望速率為3A/μs時，第1圖的轉換器與常規轉換器之間的輸出電壓(Vout)和電感器電流(IL)的瞬態響應的對比時序圖；第8圖是示出根據本發明又一些實施例的驅動及控制第1圖的轉換器的方法的流程圖；第9A圖是示出根據本發明一些實施例的當高效功率通道作為能量源(energy source)時，第1圖的轉換器的示意圖；第9B圖是示出根據本發明一些實施例的當快速功率通道用作能量源時，第1圖的轉換器的示意圖；第10圖是示出根據本發明一些實施例，經過第1圖的轉換器的快速功率通道的電流(可以用ICH2表示)，第1圖的轉換器的輸出電壓(Vout)，第1圖的電晶體A和電晶體B之間連接節點的電壓(可以用LX1表示)，第1圖的電晶體C和電晶體D之間連接節點的電壓(可以用LX2表示)，經過第1圖的轉換器的電感 器L1的電感器電流(可以用IL1表示)，經過第1圖的轉換器的電感器L2的電感器電流(可以用IL2表示)的時序圖；第11圖是示出根據本發明一些實施例的多相轉換器的示意圖。
以下描述為本發明實施的較佳實施例。以下實施例僅用來例舉闡釋本發明的技術特徵，並非用來限制本發明的範疇。在通篇說明書及申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域技術人員應可理解，製造商可能會用不同的名詞來稱呼同樣的元件。本說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區別元件的方式，而係以元件在功能上的差異來作為區別的基準。本發明的範圍應當參考後附的申請專利範圍來確定。本發明中使用的術語“元件”、“系統”和“裝置”可以係與電腦相關的實體，其中，該電腦可以係硬體、軟體、或硬體和軟體的接合。在以下描述和申請專利範圍當中所提及的術語“包含”和“包括”為開放式用語，故應解釋成“包含，但不限定於...”的意思。此外，術語“耦接”意指間接或直接的電氣連接。因此，若文中描述一個裝置耦接至另一裝置，則代表該裝置可直接電氣連接於該另一裝置，或者透過其它裝置或連接手段間接地電氣連接至該另一裝置。
對這些實施例進行了詳細的描述係為了使本領域的技術人員能夠實施這些實施例，並且應當理解，在不脫離本發明的精神和範圍情況下，可以利用其他實施例進行機械、化學、電氣和程式上的改變。因此，以下詳細描述並非係限制性的，並且本發明的實施例的範圍僅由所附申請專利範圍限定。
下面將參考特定實施例並且參考某些附圖來描述本發明，但係本發明不限於此，並且僅由申請專利範圍限制。所描述的附圖僅係示意性的而並非限制性的。在附圖中，為了說明的目的，一些元件的尺寸可能被誇大，而不 係按比例繪製。在本發明的實踐中，尺寸和相對尺寸不對應於實際尺寸。
發明人已經認識並理解，在轉換器的高功率效率和快速瞬態響應之間的需要有取捨。傳統的轉換器透過單個功率通道經由單個電感器向負載提供電流。電感越大，效率越高，而瞬態響應越慢；電感越小，瞬態響應越快，而效率越低。通常，先前技術中透過選擇電感值以平衡轉換器的功率效率性能和瞬態響應性能。
發明人還認識並理解，在不同的負載狀態下，具有不同的電感值更好，因為這樣可以根據需要改變電感值從而獲取高效率或快速瞬態響應。轉換器功率損耗的一個因素是電感器的電阻值，電感器具有兩種類型的電阻值：AC電阻(ACR，Alternating Current Resistance，交流電阻)值和DC電阻(DCR，Direct Current Resistance，直流電阻)值。當轉換器的負載很小(即負載電流很小)時，開關元件(例如電晶體)的切換頻率會主導轉換效率，例如切換頻率高時導致開關元件的開關損耗較大，從而降低了功率效率。在這種情況下，會要求電感器具有大的電感值以儲存更多的能量，這樣就可以減少開關元件的切換頻率，降低開關損耗，從而獲得更高的轉換器效率。另一方面，當轉換器的負載很大(即負載電流很大)時，由電感器的DCR值引起的功率損耗主導功率損耗。此時，會要求電感器具有小的電感值以減小流過電感器的電感器電流的平均值，減小傳導損耗，從而獲得更高的轉換器效率。
發明人已經認識並理解，透過具有至少兩個功率通道，轉換器可以具有高效率和快速瞬態響應，轉換器可以具有不同的功率轉換效率和(瞬態)響應時間。在一些實施例中，轉換器可以具有第一功率通道和第二功率通道，兩者都包括耦合到輸出節點的第一電感器(例如下述實施例中第1圖所示的第二電感器L2)。第一功率通道可以具有比第二功率通道更高的電力轉換效率，因此可以稱為高效功率通道。高效功率通道可包括與第一電感器串聯連接的第二 電感器(例如下述實施例中第1圖所示的第一電感器L1)。第二功率通道可以具有比第一功率通道更快的瞬態響應，因此可以稱為快速功率通道。快速功率通道可以與高效功率通道共用至少第一電感器。在一些實施例中，快速功率通道可以不包括除第一電感器之外的電感器。這是因為，電感器的電流轉換速率(即(VIN-Vout)/L，其中VIN為輸入電壓，Vout為輸出電壓，L為電感器的電感值)會影響轉換器的瞬態響應。當輸入電壓Vin和輸出電壓Vout的差值相對恆定時，電感器的電感值L越大則瞬態響應慢速，電感器的電感值L越小則瞬態響應越快速。此外，本實施例中也可以使用其他儲能元件或儲能結構等代替電感器(例如第二電感器)，因此本發明中並不限於電感器的方式。
第1圖描繪了根據本發明一些實施例的轉換器100。轉換器100可以在輸出節點102處將輸入電壓VIN轉換為輸出電壓Vout以驅動負載，該負載可以耦合到輸出節點102。負載的值可以根據例如由輸出電壓Vout驅動的系統的運行(operation)模式而改變。例如，輸出電壓Vout可以驅動智慧手機，智慧手機可以在對應於重載負載狀態的啟動模式下運行，或者對應於輕負載狀態的待機模式下運行。另外第1圖種負載處還具有電容Cout，Cout一端可以連接到輸出節點102處，另一端例如可以接地。此外，第1圖中LX1為電晶體A和電晶體B之間連接節點的電壓；LX2為電晶體C和電晶體D之間連接節點的電壓。
轉換器100可以包括第一功率通道104和第二功率通道106。第一功率通道可以包括電晶體A，B，第一電感器L1和與第一電感器L1串聯的第二電感器L2。第二電感器L2可以耦合到輸出節點102。第一電感器L1可以耦合到第二電感器L2，使得第一電感器L1經由第二電感器L2耦合到輸出節點102。第二功率通道可包括電晶體C，D和第二電感器L2。電晶體C，D可以配置為類似於電晶體A，B，例如，具有相同的閘極長度和/或寬度。
第一電感器L1和第二電感器L2可以透過任何合適的方式實現，例 如，第一電感器L1和第二電感器L2可以適應積體電路(IC，integrated circuit)的可用佔用面積而設計。在一些實施例中，第一電感器L1和第二電感器L2可以形成為分離的(discrete)元件(例如為兩個獨立的電感器)。在一些實施例中，第一電感器L1和第二電感器L2可以是整合(integrated)電感器，例如晶片上螺旋電感器(on-chip spiral inductor)。在一些實施例中，第一電感器L1和第二電感器L2可以各自是單個電感器的一部分(例如一個電感器的兩個部分)。
在一些實施例中，第一電感器L1可具有比第二電感器L2更大的電感(值)。在一些實施例中，第一電感器L1的電感(值)與第二電感器L2的電感(值)的比率可以大於1且小於10，例如大於2且小於8，包括例如大於3且小於5，例如4。然而，這些僅作為解釋性的，因為在一些實施例中，第一電感器L1的電感(值)與第二電感器L2的電感(值)的比率可以在不同的範圍內。
轉換器100可包括第一驅動及控制電路108，第二驅動及控制電路110，以及控制第一驅動及控制電路108和第二驅動及控制電路110的控制迴路電路112。第一驅動及控制電路108和第二驅動及控制電路110可以分別驅動及控制第一功率通道104和第二功率通道106。在一些實施例中，第一驅動及控制電路108和第二驅動及控制電路110可以是由第一功率通道104和第二功率通道106共用的一個驅動及控制電路。
在一些實施例中，第一驅動及控制電路108可以包括用於驅動第一功率通道104的驅動電路。第一驅動及控制電路108還可以包括控制電路，該控制電路可以用程式設計指令以控制第一功率通道104，例如，以第一開關頻率在輸入電壓VIN和低電壓(例如接地)之間切換。其中轉換器100中所設的第一開關可以包括電晶體A和電晶體B，電晶體A和電晶體B可以同時斷開，也可以一個接通而另一個斷開。
在一些實施例中，第二驅動及控制電路110可以包括用於驅動第二 功率通道106的驅動電路。第二驅動及控制電路110還可以包括控制電路，該控制電路可以用程式設計指令以控制第二功率通道106，例如，以第二開關頻率在輸入電壓VIN和低電壓(例如接地)之間切換。其中轉換器100中所設的第二開關可以包括電晶體C和電晶體D，電晶體C和電晶體D可以同時斷開，也可以一個接通而另一個斷開。在一些實施例中，第二開關頻率可以小於第一開關頻率(例如如第5圖所示的方法500)。在一些實施例中，當轉換器100在穩定狀態下運行時，第二開關頻率可以與第一開關頻率相同(例如如第8圖所示的方法800)。
控制迴路電路112可以透過例如將來自輸出節點102的回饋(值)(例如輸出電壓Vout)與參考(值)(例如參考電壓Vref)進行比較來控制第一驅動及控制電路108和第二驅動及控制電路110。比較結果可以指示由轉換器100驅動的負載的大小和/或輸出節點102的瞬態事件(transient event)。例如，當輸出節點處的負載電流(或負載電壓)的需求改變時(例如由轉換器100驅動的系統的運行模式改變而引起的)，可能發生瞬態事件。在一些實施例中，控制迴路電路可以是控制電路或程式設計有用於控制第一驅動及控制電路108和第二驅動及控制電路110的指令的處理器。在一些實施例中，控制迴路電路可以是控制電路或處理器。第一驅動及控制電路108和第二驅動及控制電路110可以是驅動電路，並且均沒有控制電路；在這些場景中，控制迴路電路112可以控制第一驅動及控制電路108(沒有控制電路)和第二驅動及控制電路110(沒有控制電路)，從而控制第一功率通道104和第二功率通道106。
當第一功率通道和第二功率通道中的任何一個啟用時，轉換器100可以用作降壓轉換器。在第1圖所示示例中，轉換器100包括共用電感器L2的兩個功率通道，然而，本申請不應限於共用一個電感器的兩個功率通道。例如，為適應功率效率和瞬態響應的要求，轉換器可以包括共用一個或複數個電感器的任何合適數量的功率通道。例如，轉換器可以包括共用一個電感器的三個功 率通道，該電感器耦合到轉換器的輸出節點。此外第1圖中CH1可以代表第一通道，CH2可以代表第二通道，第一通道CH1可以包括第一驅動及控制電路108和第一開關，第二通道CH2可以包括第二驅動及控制電路110和第二開關。第一通道CH1可以還可以包括第一功率通道104，第二通道CH2還可以包括第二功率通道106。上述第一通道CH1和第二通道CH2僅是示意性說明。
第2圖是示出根據本發明一些實施例的驅動及控制轉換器100(如第1圖所示)的方法200的流程圖。方法200可以從測量(動作202)開始(例如測量負載電流或/和負載電壓)，轉換器100的負載狀態例如由控制迴路電路112確定。接著，該方法可以包括確定負載狀態是否大於閾值(動作204)。如果確定負載狀態大於閾值，則可以將負載狀態視為重載狀態。如果確定負載狀態小於閾值，則可以將負載狀態視為輕載狀態。例如可以測量負載電流，若負載電流大於閾值，則為重載，否則為輕載。當然也可以測量複雜電壓，以進行比較。在一些實施例中，閾值可以是閾值範圍，或者配置為確定負載狀態的類別(例如重載或輕載)的演算法。本實施例中，可以設置為，例如，若負載102的電流值不超過額定電流值的20%(或15%，18%，25%，50%，66%，70%，85%，90%等)則為輕載，若負載102的電流值大於額定電流值的20%(或15%，18%，25%，50%，66%，70%，85%，90%等)則為重載；或者若負載102的電壓值不超過額定電壓值的20%(或15%，18%，25%，50%，66%，70%，85%，90%等)則為輕載，若負載102的電壓值大於額定電壓值的20%(或15%，18%，25%，50%，66%，70%，85%，90%等)則為重載；或者若負載102的功率值不超過額定功率值的20%(或15%，18%，25%，50%，66%，70%，85%，90%等)則為輕載，若負載102的功率值大於等於額定功率值的20%(或15%，18%，25%，50%，66%，70%，85%，90%等)則為重載。當然也可以是例如，若負載102的電流值不超過額定電流值的20%(或15%，18%，25%，50%等)則為輕載，若負載102的電 流值大於額定電流值的60%(或70%，79%，90%等)則為重載，即閾值的範圍可以是額定電流值的20%至60%。或者是使用其他方式或數值來判定輕載和重載，本發明中並不限定輕載和重載的判斷方式，僅僅舉例說明，可以根據設計需求或實際需求來劃分輕載和重載。
方法200可以進一步包括，當確定負載狀態為重載時，在第一預設時間將運行快速功率通道(例如第二功率通道106)(動作206)。其中第一預設時間可以是大於等於給定時間的一半的時間，例如第一預設時間是給定時間的50%，或70%，或90%，或任何合適的百分比，第一預設時間可以根據需要調整。給定時間可以是一個週期或其他設定的時間，第一預設時間可以等於給定時間，也就是說在給定時間內一直運行或啟用快速功率通道。方法200可以包括，當負載狀態確定為輕載時，在第二預設時間時間將運行高效功率通道(例如第一功率通道104)(動作208)。其中第二預設時間可以是大於等於給定時間的一半的時間，例如第二預設時間是給定時間的50%，70%，或90%，或任何合適的百分比，第二預設時間可以根據需要調整。給定時間可以是一個週期或其他設定的時間，第二預設時間可以等於給定時間，也就是說在給定時間內一直運行或啟用高效功率通道。本實施例中在重載狀態期間，可以運行快速功率通道，此時可以關閉高效功率通道，或者也可以不關於高效功率通道，而是在第一預設時間內啟用高效功率通道，也就是在第一預設時間內，快速功率通道(例如第二功率通道106)與高效功率通道(例如第一功率通道104)可以同時啟用或運行；此外，此時高效功率通道的啟用或運行時間可稱為第三預設時間，第三預設時間一般會小於給定時間的一半，例如為給定時間的49%，30%或10%等，當然第三預設時間可以等於零(此時也就是在第一預設時間內禁用高效功率通道)。在輕負載狀態期間，可以運行高效功率通道，此時可以關閉快速功率通道，或者也可以不關於快速功率通道，而是在第二預設時間內啟用快速 功率通道，也就是在第二預設時間內，高效功率通道(例如第一功率通道104)與快速功率通道(例如第二功率通道106)可以同時啟用或運行；此外，此時快速功率通道的啟用或運行時間可稱為第四預設時間，第四預設時間一般會小於給定時間的一半，例如為給定時間的49%，30%或10%等，當然第四預設時間可以等於零(此時也就是在第二預設時間內禁用快速功率通道)。本實施例中第一預設時間，第二預設時間，第三預設時間，第四預設時間的時長可以根據需要設置，本發明中並不做限制。
第3圖是示出根據本發明一些實施例，當負載電流(ILoad)的期望轉換速率為3A/μs時，轉換器100(如第1圖所示)和傳統轉換器之間輸出電壓(Vout)和電感器電流(IL)的瞬態響應的對比時序圖。其中橫坐標為時間(例如微秒μs)。在第3圖所示的示例中，傳統轉換器僅具有0.47μH(微亨)的單個電感器，該單個電感器一直在啟用狀態。另一方面，本發明中，轉換器100具有0.47μH的第一電感器L1和0.22μH的第二電感器L2。轉換器100可以由方法200(如第2圖所示)控制，方法200可以測量Iload(負載電流)以確定轉換器100的負載狀態。例如，可能確定在增加Iload之前負載狀態很小(例如Iload很小)。例如當負載電流小於閾值，確定為輕載時，在這種情況下，根據前面的分析，可以啟用高效功率通道(例如第一功率通道104)，同時可以禁用快速功率通道(例如第二功率通道106)。當Iload增加時，可以確定負載狀態變大(例如Iload變大)。例如當負載電流大於閾值，確定為重載時，此時，可以啟用具有比高效功率通道具有更快速瞬態響應的快速功率通道(例如第二功率通道106)。此時，第3圖的實施例中禁用了高效功率通道(例如第一功率通道104)，因此第3圖中第一電感器L1中的電流為零。當然也可以不禁用高效功率通道(例如第一功率通道104)，例如下述第7圖的實施例。因此，通過第3圖可以看到，轉換器100可以比傳統轉換器更快地達到期望的Vout和IL，並且具有比傳統轉換器更少的過 沖(overshoot)。當然第3圖所示的示例中對於輸出電壓Vout而言，由於禁用了高效功率通道(例如第一功率通道104)，因此輸出電壓Vout是透過快速功率通道(例如第二功率通道106)來提供的。
第4圖是示出根據本發明一些實施例的轉換器100(如第1圖所示)和傳統轉換器之間根據負載電流(ILoad)的效率曲線的比較的示意圖。在第4圖所示的示例中，轉換器100和傳統轉換器的配置類似於第3圖所示的示例。第4圖示出了轉換器100在ILoad幾乎從0.01A到5A的範圍內，相比傳統轉換器，轉換效率提高約1.5%(例如在峰值效率處相比較)。
在一些實施方案中，轉化器可具有高於85%，高於88%或高於92%的峰值效率。在一些實施例中，轉換器可具有快於-25mV，快於-20mV，或快於-15mV的AC瞬態響應。
第5圖是示出根據本發明一些實施例的驅動及控制轉換器100(如第1圖所示)的方法500的流程圖。方法500可以從由例如控制迴路電路112檢測瞬態事件是否發生開始(動作502)。方法500還可以包括：當檢測到瞬態事件的發生時，與已經運行的高效功率通道(例如第一功率通道104)同步的啟用快速功率通道(例如第二功率通道106)(動作504)。本實施例為針對當負載處於輕載狀態時，負載轉到重載狀態時的示例。
第6圖是說明根據本發明一些實施例的由方法500控制的轉換器100(如第1圖所示)的瞬態響應的時序圖。第6圖中，例如上半圖中，當負載為輕載時，啟用高效功率通道，因此負載電流為高效功率通道電流。當負載變為重載時，輸出的負載電流上升，這是因為如下半圖所示，啟用了快速功率通道，而同時沒有禁用高效功率通道(也就說高效功率通道繼續啟用或運行)，因此高效功率通道電流與快速功率通道電流疊加後得到了輸出負載電流。曲線602示出輸出節點102處的輸出負載電流(負載電流的變化)，輸出負載電流可以包括 高效功率通道電流(例如流過第一功率通道104的電流)和快速功率通道電流(例如流過第二功率通道106的電流)。在所示示例中，在檢測到的瞬態事件604之前啟用高效功率通道(此時例如負載為輕載)。在檢測到瞬態事件604(例如負載增大，變為重載)時，啟用快速功率通道以支援瞬態事件(此時高效功率通道繼續啟用或運行)。如曲線606所示，流過快速功率通道的電流有助於曲線602所示的總輸出負載電流，從而應對重載狀態。
第7圖是示出根據本發明又一些實施例，當負載電流(ILoad)的期望速率為3A/μs時，轉換器100(如第1圖所示)與常規轉換器之間的輸出電壓(Vout)和電感器電流(IL)的瞬態響應的對比時序圖。其中橫坐標為時間(例如微秒μs)。第7圖與第3圖的區別在於，在負載由輕載狀態變為重載狀態之後，高效功率通道並沒有禁用，而是繼續啟用或運行(第3圖中變為重載之後，高效功率通道禁用了)，因此第7圖中第一電感器L1的電流並不為零。在所示的示例中，例如結合第1圖所示，轉換器100具有0.47μH的L1和0.22μH的L2，並且可以由方法500控制。傳統的轉換器僅具有0.47μH的單個電感器。第7圖示出了轉換器比傳統轉換器更快地達到期望的Vout和IL，並且具有比傳統轉換器更少的過沖。因此負載在由輕載狀態變為重載狀態時，高效功率通道可以不禁用，而是繼續啟用或運行。當然，當負載在由重載狀態變為輕載狀態時，快速功率通道也可以不禁用，而是繼續啟用或運行。
第8圖是示出根據本發明又一些實施例的驅動及控制轉換器100(如第1圖所示)的方法800的流程圖。方法800可以透過例如用180度相位差的訊號驅動高效功率通道和快速功率通道來交織(interleave)高效功率通道(例如第一功率通道104)和快速功率通道(例如第二功率通道106)。
在一些實施例中，如第9B圖所示，方法800可以包括當快速功率通道充當能量源，並且高效功率通道充當電流槽(current sink)時的階段I(動作 802)，此時可以將電晶體B和電晶體C接通，而電晶體A和電晶體D斷開，因此會有輸入電壓VIN輸入到快速功率通道，而沒有輸入電壓輸入到高效功率通道，並且高效功率通道此時接到低電壓(例如接地)，從而快速功率通道充當能量源，高效功率通道充當電流槽。此外經過快速功率通道的電流ICH2還經過電感器L2，輸出至負載。對於這種情況，可以是在負載由輕載變為重載時，將高效功率通道的電晶體A斷開，但是電晶體B不斷開(繼續接通)；並且接通快速功率通道的電晶體C，但是不接通電晶體D；此外第9B圖所示的示例也可以是在負載由重載變為輕載時使用。如第9A圖所示，當高效功率通道充當能量源，並且快速功率通道充當電流槽時，方法800還可以包括階段II(動作804)，此時可以將電晶體A和電晶體D接通，而電晶體B和電晶體C斷開，因此會有輸入電壓VIN輸入到高效功率通道，而沒有輸入電壓輸入到快速功率通道，並且快速功率通道此時接到低電壓(例如接地)，從而高效功率通道充當能量源，快速功率通道充當電流槽。此外經過高效功率通道的電流ICH1還經過電感器L1，輸出至快速功率通道。此外負載電流也可以輸至快速功率通道。對於這種情況，可以是在負載由重載變為輕載時，將高效功率通道的電晶體A不斷開(繼續接通)，但是電晶體B斷開；並且接通快速功率通道的電晶體D，但是不接通電晶體C；此外第9A圖所示的示例也可以是在負載由輕載變為重載時使用。
發明人已經認識並理解，透過上述第9A圖和第9B圖所示的示例，高效功率通道和快速功率通道可以一起運行，從而當由方法800控制的轉換器100(如第1圖所示)作為轉換器100的快速功率通道時(此時例如第9B圖所示的高效功率通道的電晶體B接通)，可以具有比配置有單個功率通道的傳統轉換器更高的效率。同時，由方法800控制的控制器100作為轉換器100的高效功率通道時(此時例如第9A圖所示的快速功率通道的電晶體D接通)，可以具有比配置有訊號功率通道的傳統轉換器更快的瞬態響應。
第10圖是示出根據本發明一些實施例，經過轉換器100的快速功率通道的電流(ICH2)，轉換器100的輸出電壓(Vout)，轉換器100的電感器L1兩端的電感器電壓(LX1)，轉換器100的電感器L2兩端的電感器電壓(LX2)，轉換器100的轉換器的電感器L1的電感器電流(IL1)，經過轉換器100的電感器L2的電感器電流(IL2)的時序圖。在所示的示例中，在t1期間，快速功率通道充當能量源，並且高效功率通道充當電流槽，此時可以對應第9B圖所示的示例。在t2期間，高效功率通道充當能量源，並且快速功率通道充當電流槽，此時可以對應第9A圖所示的示例。
第11圖是示出根據一些實施例的多相轉換器1100的示意圖。轉換器1100可以包括複數個功率通道1112、1114、1116和1118，用於向輸出節點1102提供輸出電壓Vout和/或輸出負載電流ILoad。複數個功率通道可以在不同的相位中運行。因此，轉換器1100可以稱為多相轉換器。儘管第11圖中示出了四個功率通道，但是應當理解，多相轉換器1100可以包括任何合適數量的功率通道，例如三個，五個或更多個。
複數個功率通道1112-1118可各自具有耦合到輸出節點1102的電感器，例如，電感器L2，L3，L4。雖然功率通道1114-1118可各自包括單個電感器，但功率通道1112可包括串聯連接的兩個電感器L1和L2。功率通道1112可以具有比功率通道1114更高的效率(例如功率通道1112包括額外的電感器或其他儲能元件，儲能結構等)，當在輸出節點1102處發生瞬態事件時，功率通道1114可以具有比功率通道1112更短的響應時間。這是因為，根據上述分析可知，由於功率通道1114中僅具有電感值較小的電感器L2，因此功率導通1114中總的電感值小於功率通道1112，由於瞬態響應受到電流轉換速率(即(VIN-Vout)/L)的影響，因此具有較小的電感值的功率通道1114的瞬態響應更快速，也即響應時間更短。在一些實施例中，功率通道1112與功率通道1114-1118相比可以具有 最高效的功率通道。在那些情況下(功率通道1112具有最高效的功率通道)，電感器L3和L4中的每一個可以具有小於電感器L1和L2的電感值之和的電感值。此外，若電感器L2的電感值小於電感器L3的電感值，和電感器L4的電感值，那麼功率通道1114在四個功率通道中則可以具有最快速的瞬態響應。
轉換器1100可以包括複數個驅動及控制電路1104、1106、1108和1110，以分別驅動及控制複數個功率通道1112、1114、1116和1118。驅動及控制電路可以包括驅動電路以驅動相應的功率通道。驅動及控制電路還可以包括控制電路，該控制電路可以用程式設計指令以控制相應的功率通道以執行方法，例如，方法200，方法500或方法800。
轉換器1100可以包括控制迴路電路1120。控制迴路電路1120可以透過例如比較來自輸出節點1102的回饋(值)(例如輸出電壓Vout)與參考(值)(例如參考電壓Vref)來控制驅動及控制電路1104-1110。比較結果可以指示由轉換器1100驅動的負載的大小和/或輸出節點1102處的瞬態事件。在一些實施例中，控制迴路電路可以是控制電路或程式設計指令有用於控制驅動及控制電路1104-1110的處理器。
本文描述的裝置和技術的各個方面可以單獨使用，組合使用，或者在前面的描述中描述的實施例中沒有特別討論的各種佈置中使用，因此在前面的描述中闡述的或在附圖中示出的组件不限於本文描述的裝置和技術應用的細節和佈置。例如，一個實施例中描述的方面可以以任何方式與其他實施例中描述的組合。
術語“大約”，“基本上”和“大約”可以用於表示在一些實施方案中在目標值的±20%之內，在一些實施方案中在目標值的±10%之內，在一些實施方案中在目標值的±5%之內，在一些實施方案中在目標值的±2%之內。
在申請專利範圍中使用諸如“第一”，“第二”，“第三”等的序數術語 來修飾申請專利範圍元素本身並不意味著一個該特徵優先於另一特徵的優先順序，或者執行方法的動作的時間順序，而是僅用作標記以將具有特定名稱的一個特徵與具有相同名稱的另一個特徵(但是用於使用序數術語)區分，以區分特徵。
此外，這裡使用的措辭和術語是出於描述的目的，而不應被視為限制。本文中“包括”，“包含”或“具有”，“含有”，“涉及”及其變化形式的使用旨在涵蓋其後列出的特徵及其等同物以及附加特徵。
儘管已經對本發明實施例及其優點進行了詳細說明，但應當理解的係，在不脫離本發明的精神以及申請專利範圍所定義的範圍內，可以對本發明進行各種改變、替換和變更。所描述的實施例在所有方面僅用於說明的目的而並非用於限制本發明。本發明的保護範圍當視所附的申請專利範圍所界定者為准。本領域技術人員皆在不脫離本發明之精神以及範圍內做些許更動與潤飾。
100‧‧‧轉換器
102‧‧‧輸出節點
104‧‧‧第一功率通道
106:第二功率通道
108:第一驅動及控制電路
110:第二驅動及控制電路
112:控制迴路電路
L1、L2:電感器
VIN:輸入電壓
Vout:輸出電壓
Vref:參考電壓
LX1:電晶體A和電晶體B之間連接節點的電壓
LX2:電晶體C和電晶體D之間連接節點的電壓
A、B、C、D:電晶體

Claims (16)

  1. 一種轉換器，該轉換器包括：複數個電感器，包括耦合到輸出節點的第一電感器；以及複數個功率通道，包括第一功率通道和第二功率通道，其中：該第一功率通道包括該第一電感器，該第二功率通道包括該第一電感器，以及該第一功率通道具有比該第二功率通道更高的功率效率；其中該第一功率通道用於第一負載狀態，該第二功率通道用於第二負載狀態，該第二負載狀態比該第一負載狀態更重載；在該第一負載狀態時，啟用該第一功率通道並禁用該第二功率通道；在該第二負載狀態時，啟用該第二功率通道並禁用該第一功率通道，並且在該第二負載狀態時該第二功率通道一直處於啟用狀態。
  2. 如申請專利範圍1所述的轉換器，其中該第二功率通道具有比該第一功率通道更快速的瞬態響應。
  3. 如申請專利範圍1所述的轉換器，其中該複數個電感器還包括位於該第一功率通道的第二電感器，該第二電感器與該第一電感器串聯連接。
  4. 如申請專利範圍1所述的轉換器，其中：該複數個功率通道包括第三功率通道，該複數個電感器包括耦合到該輸出節點的第三電感器；以及該第三功率通道包括該第三電感器。
  5. 如申請專利範圍4所述的轉換器，其中該第一功率通道具有比該第三功率通道更高的功率效率。
  6. 如申請專利範圍1所述的轉換器，還包括：複數個驅動電路，用於驅動該複數個功率通道；以及 控制迴路電路，用於控制該複數個驅動電路。
  7. 如申請專利範圍1所述的轉換器，其中該第一功率通道和該第二功率通道由180度相位差的訊號驅動。
  8. 如申請專利範圍1所述的轉換器，其中：該第一功率通道包括第一電晶體和第二電晶體，其中該第一電晶體與輸入電壓連接；該第二功率通道包括第三電晶體和第四電晶體，該第三電晶體與輸入電壓連接；該轉換器用於在發生瞬態事件時，接通第一電晶體和第四電晶體，並斷開第二電晶體和第三電晶體，或者接通第二電晶體和第三電晶體，並斷開第一電晶體和第四電晶體。
  9. 如申請專利範圍1所述的轉換器，其中：該第一功率通道在第一預設時間用於該第一負載狀態，並且該第二功率通道在第二預設時間用於該第二負載狀態。
  10. 如申請專利範圍9所述的轉換器，其中：對於該第一負載狀態，該第二功率通道關閉或啟用的時間為第三預設時間。
  11. 如申請專利範圍9所述的轉換器，其中：對於該第二負載狀態，該第一功率通道關閉或啟用的時間為第四預設時間。
  12. 一種轉換器，該轉換器包括：第一電感器，耦合到輸出節點；第一功率通道，包括該第一電感器和與該第一電感器串聯連接的第二電感器；以及第二功率通道，包括該第一電感器； 其中該第一功率通道用於第一負載狀態，該第二功率通道用於第二負載狀態，該第二負載狀態比該第一負載狀態更重載；在該第一負載狀態時，啟用該第一功率通道並禁用該第二功率通道；在該第二負載狀態時，啟用該第二功率通道並禁用該第一功率通道，並且在該第二負載狀態時該第二功率通道一直處於啟用狀態。
  13. 如申請專利範圍12所述的轉換器，還包括：第一驅動電路，用於驅動該第一功率通道；第二驅動電路，用於驅動該第二功率通道；以及控制迴路電路，用於根據參考電壓和該輸出節點的輸出電壓控制該第一驅動電路和該第二驅動電路。
  14. 如申請專利範圍13所述的轉換器，其中該控制迴路電路配置為確定該輸出節點處的負載狀態，和/或在該輸出節點處發生的瞬態事件。
  15. 如申請專利範圍12所述的轉換器，其中該第二電感器的電感值與該第一電感器的電感值的比率大於2且小於8。
  16. 一種驅動及控制轉換器的方法，該方法包括：測量轉換器的負載狀態；確定該負載狀態是否大於閾值，並據此確定該負載狀態；以及基於所確定的負載狀態運行第一功率通道或第二功率通道，該第一功率通道具有比該第二功率通道更高的功率效率；其中該第一功率通道用於第一負載狀態，該第二功率通道用於第二負載狀態，該第二負載狀態比該第一負載狀態更重載；在該第一負載狀態時，啟用該第一功率通道並禁用該第二功率通道；在該第二負載狀態時，啟用該第二功率通道並禁用該第一功率通道，並且在該第二負載狀態時該第二功率通道一直處於啟用狀態。
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