TWI778564B - 功率轉換器 - Google Patents

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Abstract

一種功率轉換器，其包括一切換式電容轉換電路以及電感式降壓電路。切換式電容轉換電路於一輸入端接收一輸入電壓，且進行一切換操作以將輸入電壓轉換為一中間電壓。電感式降壓電路耦接切換式電容轉換電路之一輸出端以接收中間電壓，且在一恆定導通時間下操作以根據中間電壓於一轉換輸出端產生一輸出電壓。電感式降壓電路包括一電感器。當對電感器充電之一電感電流的狀態對應一預設條件時，切換操作的一切換動作被致能，使切換式電容轉換電路由一第一導通狀態切換為一第二導通狀態。

Description

功率轉換器
本發明係有關於一種功率轉換器，特別是有關於一種採用恆定導通時間控制的混和型功率轉換器。
對於習知的降壓轉換器而言，當其電壓轉換率較大時，由於其輸出端相對於輸入端的電壓應力較大，使得難以實現較高的效率。之後，提出了混和型切換式電容轉換器，其包括第一階的切換式電容轉換器以及第二階的降壓轉換器。與習知的降壓轉換器比較起來，在較大電壓階降的情況下切換式電容轉換器具有較佳的效率。然而，混和型切換式電容轉換器需要更多的控制電路來切換切換式電容轉換器以及降壓轉換器中的開關，這導致靜態電流增加。由於轉換器的效率幾乎取決於輸出電流接近零時所消耗的靜態電流大小，因此，在輕負載或超輕負載的情況下，上述靜態電流的增加導致效率不佳。
本發明提供一種功率轉換器。此功率轉換器包括一切換式電容轉換電路以及電感式降壓電路。切換式電容轉換電路於一輸入端接收一輸入電壓，且進行一切換操作以將輸入電壓轉換為一中間電壓。電感式降壓電路耦接切換式電容轉換電路之一輸出端以接收中間電壓，且在一恆定導通時間下操作以根據中間電壓於一轉換輸出端產生一輸出電壓。電感式降壓電路包括一電感器。當對電感器充電之一電感電流的狀態對應一預設條件時，切換操作的一切換動作被致能，使切換式電容轉換電路由一第一導通狀態切換為一第二導通狀態。
為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
第1圖係表示根據本發明一實施例的功率轉換器。參閱第1圖，功率轉換器1為一混合式功率轉換器，其包括第一級的切換式電容轉換電路10以及第二級的電感式降壓電路11，且更包切換控制電路12與13。切換控制電路12產生切換信號SW10與SW11，而切換控制電路13產生切換信號SWH。切換式電容轉換電路10接收輸入電壓V IN，且接收切換信號SW10與SW11。切換式電容轉換電路10根據切換信號SW10與SW11進行一切換操作，以將輸入電壓V IN轉換為中間電壓V UNREG。電感式降壓電路11耦接切換式電容轉換電路10，以接收中間電壓V UNREG。電感式降壓電路11在一恆定導通時間（constant on-time，COT）下操作，以將中間電壓V UNREG轉換為輸出電壓V OUT。
在此實施例中，切換控制電路12接收一電流狀態信號S IL，其與對電感式降壓電路11中一電感器充電的一電感電流I L的狀態相關聯。切換控制電路12根據電流狀態信號S IL來判斷電感電流是否對應或符合一預設條件。當切換控制電路12判斷出電感電流對應或符合上述預設條件，則改變切換信號SW10與SW11的位準，以致能切換式電容轉換電路10的切換操作中的一切換動作。切換控制電路13提供一恆定時間（COT）週期，且根據恆定時間週期來產生切換信號SWH。此外，切換控制電路13還根據輸出電壓V OUT的大小來決定是否重新啟動恆定時間週期。
下文將詳細說明切換式電容轉換電路10、電感式降壓電路11、以及切換控制電路12與13的電路架構與操作。
第2圖為根據本發明一實施例的切換式電容轉換電路10與電感式降壓電路11的電路圖。參閱第2圖，切換式電容轉換電路10的輸入端T10接收輸入電壓V IN，且電感式降壓電路11串接於切換式電容轉換電路10的輸出端T11。切換式電容轉換電路10包括兩開關組以及一電容器，一開關組與電容器串接於輸入端T10與輸出端T11之間，另一開關組與電容器串接於接地端GND與輸出端T11之間。切換式電容轉換電路10的此兩開關組的狀態（導通或關斷）受控於兩個不同的切換信號，使得此兩開關組交替地導通以實現切換操作，藉以將輸入電壓V IN轉換為中間電壓V UNREG。在此實施例中，切換操作包括複數切換動作，其中，此兩開關組的每一次狀態改變對應一個切換動作。以下將以一例子來說明切換式電容轉換電路10的電路架構與操作。參閱第2圖，切換式電容轉換電路10例如包括開關101~104以及電容器100，其中，開關101與104組成一第一開關組，而開關102與103組成一第二開關組。開關101耦接於輸入端T10與節點N10之間，開關102耦接於節點N10與輸出端T11之間，開關103耦接於接地端GND與節點N11之間，開關104耦接於節點N11與輸出端T11之間。電容器100耦接於節點N10與N11之間。根據上述開關101~104與電容器100的連接架構，開關101與104形成的第一開關組與電容器100串接於輸入端T10與輸出端T11之間，開關102與103形成的第二開關組與電容器100串接於接地端GND與輸出端T11之間。第一開關組的開關101與104由相同的切換信號SW10所控制，以在導通與關斷狀態之間切換。第二開關組的開關102與103由相同的切換信號SW11所控制，以在導通與關斷狀態之間切換。在此實施例中，切換信號SW10與SW11係由切換控制電路12根據電流狀態信號S IL所產生。基於切換信號SW10與SW11的時序，開關101與104的導通期間與開關102與103的導通時間彼此不重疊。在一實施例中，切換信號SW10與SW11具有相同的頻率，但切換信號SW10與SW11的相位互為反向。如此一來，開關101與104可同時導通，開關102與103可同時導通，但開關101與104不會和開關102與103同時導通。在此實施例中，切換信號SW10與SW11的位準轉換的時機是根據電流狀態信號S IL來決定。換句話說，在切換操作中的每個切換動作被致能的時間是根據電流狀態信號S IL來決定，使得切換式電容轉換電路10由一第一導通狀態切換為一第二導通狀態。在一實施例中，切換式電容轉換電路10的第一導通狀態為第一開關組（開關101與104）或第二開關組（開關102與103）中的一組導通而另一組關斷，第二導通狀態則與第一導通狀態相反。舉例來說，切換式電容轉換電路10的第一導通狀態為第一開關組（開關101與104）導通而第二開關組（開關102與103）關斷，第二導通狀態為第一開關組（開關101與104）關斷而第二開關組（開關102與103）導通。在此例子中，假設切換式電容轉換電路10處於第一導通狀態，當一切換動作根據電流狀態信號S IL而被致能時，第一開關組（開關101與104）由導通狀態切換為關斷狀態，而第二開關組（開關102與103）由關斷狀態切換為導通狀態，即切換式電容轉換電路10切換為第二導通狀態。相反地，假設切換式電容轉換電路10處於第二導通狀態，當一切換動作根據電流狀態信號S IL而被致能時，第一開關組（開關101與104）由關斷狀態切換為導通狀態，而第二開關組（開關102與103）由導通狀態切換為關斷狀態，即切換式電容轉換電路10切換為第一導通狀態。透過對應開關101~104的狀態改變的複數切換動作，切換式電容轉換電路10執行切換操作以將輸入電壓V IN轉換為輸出端T10上的中間電壓V UNREG。
參閱第2圖，電感式降壓電路11的輸入端T12連接切換式電容轉換電路10的輸出端T11，使得電感式降壓電路11與切換式電容轉換電路10串接。電感式降壓電路11包括輸入電容器110、高側開關111、低側開關112、電感器113、以及輸出電容器114。輸入電容器110耦接於輸入端T12與接地端GND之間，且由中間電壓V UNREG充電。高側開關111耦接於輸入端T12與節點N12之間。低側開關112耦接於節點N12與接地端GND之間。電感器113耦接於節點N12與轉換輸出端T13之間。輸出電容器114耦接於轉換輸出端T13與接地端GND之間。高側開關111由切換信號SWH所控制，以在導通狀態與關斷狀態之間切換。詳細來說，每當切換信號SWH發生一致能脈波時，高側開關111導通。低側開關112的控制端接地。在此實施例中，切換信號SWH係由切換控制電路所產生。透過高側開關111的狀態切換，電感式降壓電路11根據中間電壓V UNREG於轉換輸出端T12上產生輸出電壓V OUT。
第3圖係表示根據本發明一實施例的切換控制電路12與13。為了能詳細說明切換控制電路12與13的操作，第3圖也同式顯示了高側開關111與低側開關113。在第3圖的實施例中，高側開關111係以一P型金氧半（P-type metal-oxide-semiconductor，PMOS）電晶體MP來實現，而低側開關112係以一N型金氧半（N-type metal-oxide-semiconductor，NMOS）電晶體MN來實現。PMOS電晶體MP的源極耦接輸入端T12，且其汲極耦接節點N12。NMOS電晶體MN的汲極耦接節點N12，且其源極耦接接地端GND。此外。NMOS電晶體MN的閘極作為低側開關112的控制端，參閱第3圖，NMOS電晶體MN的閘極耦接接地端GND。
參閱第3圖，切換控制電路13包括恆定導通時間（COT）控制電路30與重置電路31。COT控制電路30包括電流源300、電容器301、緩衝電路305、以及開關304。電流源300耦接功率轉換器1的操作電壓VDD與節點N30之間，且提供充電電流I CH。電容器301耦接於節點N30與接地端GND之間。緩衝電路305具有耦接節點N30以接收斜坡電壓Vramp的一輸入端以及產生切換信號SWH之一輸出端。在此實施例中，緩衝電路305係以反向器302與303來實現。反向器302的輸入端耦接節點N30。反向器303的輸入端耦接反向器302的輸出端，且其輸出端耦接PMOS電晶體MP的閘極，但本發明不受此實施例的限制。開關信號SWH產生於反向器的303的輸出端。開關304耦接於節點N30與接地端GND之間，且受控於重置信號RST。
重置電路31包括鎖存型比較器310、脈波產生器311、以及多工器312。鎖存型比較器310的正輸入端（+）接收輸出電壓V OUT，且其負輸入端（-）接收參考電壓V REF。鎖存型比較器310基於時脈信號CLK來比較輸出電壓V OUT與參考電壓V REF，且根據比較結果產生一比較結果信號S310。當輸出電壓V OUT小於參考電壓V REF時，比較結果信號S310上發生一單脈衝。脈波產生器311耦接鎖存型比較器310以接收比較結果信號S310。脈波產生器311根據比較結果信號S310產生重置信號RST。每當比較結果信號S310上發生一單脈衝時，重置信號RST亦發生一單脈衝，以導通開關304。
在此實施例中，時脈信號CLK是由多工器312所提供。參閱第3圖，多工器312的N個輸入端分別接收複數個輸入時脈信號CLK0~CLKN。多工器312根據選擇信號CLK_SEL選擇輸入時脈信號CLK0~CLKN中之一者，作為時脈信號CLK。時脈信號CLK0~CLKN具有不同的頻率。舉例來說，輸入時脈信號CLK0~CLKN的頻率依序遞減。在一實施例中，多工器312係根據流經功率轉換器1之負載的負載電流來選擇輸入時脈信號CLK0~CLKN中之一者，作為時脈信號CLK。詳細來說，選擇信號CLK_SEL的值表示流經功率轉換器1之負載的負載電流大小，且多工器312根據選擇信號CLK_SEL的值選擇輸入時脈信號CLK0~CLKN中之一者作為時脈信號CLK。
在一實施例中，輸入時脈信號CLK0~CLKN與功率轉換器1設置所在的裝置的系統時脈相關聯。舉例來說，輸入時脈信號CLK0的頻率與系統時脈的頻率相同，而系統時脈的頻率與輸入時脈信號CLK1~CLKN中之每一者的頻率之間呈一倍數關係，且系統時脈的頻率分別與輸入時脈信號CLK1~CLKN之間的倍數數值彼此不同。
以下將參閱第3與4A圖來說明切換控制電路13的操作。
參閱第3圖，當開關304根據重置信號RST而關斷時，電流源300的充電電流I CH對電容器301充電。因此，節點N30上的斜坡電壓Vramp由接地端GND的電壓位準逐漸地往上升。當斜坡電壓Vramp尚未高於反向器302的臨界電壓時，透過反向器302與303的操作，反向器303產生的切換信號SWH處於低電壓位準以導通PMOS電晶體MP。參閱第4A圖，由於PMOS電晶體MP導通，電感電流I L發生一鋒值。反應於感電流I L的鋒值，輸出電壓V OUT瞬間提升，且中間電壓V UNREG下降。一旦斜坡電壓Vramp高於反向器302的臨界電壓，透過反向器302與303的操作，反向器303產生的切換信號SWH處於高電壓位準以關斷PMOS電晶體MP，電感電流I L會流經NMOS電晶體MN的內接二極體(Body diode)。由於功率轉換器1的負載從輸出端T13汲取電流，輸出電壓V OUT瞬間提升後，則開始逐漸下降。在此實施例中，電流源300為一定電流源，以提供固定的充電電流I CH。由於定電流源300對電容器301的充電以及反向器302的臨界電壓，使得PMOS電晶體MP導通的時間維持固定。因此，電感式降壓電路11透過COT控制電路30的控制，在一恆定導通時間下操作。
在本發明實施例中，鎖存型比較器310在時脈信號CLK的下降緣發生時，比較輸出電壓V OUT與參考電壓V REF。參閱第4A圖，在輸出電壓V OUT逐漸下降的過程中，當輸出電壓V OUT大於參考電壓V REF時，比較結果信號S310處於高電壓位準。當輸出電壓V OUT逐漸下降直到低於參考電壓V REF時，比較結果信號S310由高電壓位準變為低電壓位準，即比較結果信號S310發生一下降緣。如第4A圖所示，比較結果信號S310的下降緣對齊時脈信號CLK的下降緣，且當時脈信號CLK發生一接續的上升緣時，比較結果信號S310則回到高電壓位準，即比較結果信號S310發生一上升緣。根據上述可知，一旦輸出電壓V OUT低於參考電壓V REF時，比較結果信號S310發生具有固定時間長度的一單脈衝P310，且此固定時間等於時脈信號CLK的週期的一半。
當比較結果信號S310發生一單脈衝P310時，脈波產生器311根據此脈波P310在重置信號RST上產生一單脈衝，以在該單脈衝的期間導通開關304，以重置COT控制電路31。此時，電容器301透過導通之開關304放電，因此，斜坡信號V ramp下降至接地端GND的電壓位準。隨著重置信號RST上的單脈衝消失，開關304由導通狀態切換為關斷狀態，電流源300開始以充電電流I CH對電容器301充電，且斜坡電壓Vramp開始由接地端GND的電壓位準逐漸地往上升。之後，COT控制電路30的操作則如前文所述，在此不再重複。在上述操作中，COT控制電路31連續兩次配重置的時間間隔稱為一COT週期。換句話說，每當COT控制電路31被重置，則重新啟動COT週期，且定電流源300在此開始對電容器301充電。
根據上述，一旦輸出電壓V OUT低於參考電壓V REF時，比較結果信號S310發生一單脈衝P310。反應於比較結果信號S310的一單脈衝P310，COT控制電路31被重置，電感電流I L發生一鋒值，且輸出電壓V OUT瞬間提升。輸出電壓V OUT瞬間提升後，則開始逐漸下降。直到輸出電壓V OUT再次低於參考電壓V REF，比較結果信號S310發生下一個單脈衝P310。參閱第4A圖，在電感電流I L每發生一個鋒值時，中間電壓V UNREG下降一次。因此，隨著時間，電感電流I L的鋒值越來越低，且輸出電壓V OUT提升時的最大值也越來越小。此時，COT控制電路31的COT週期越來越短，且切換式電容轉換電路10中開關111的切換越來越快，如第4B圖所示，以能維持功率轉換器1的驅動能力。然而，在一預設時間內出現多個比較結果信號S310的單脈衝P310的情況下，表示電感電流I L的鋒值過小，導致功率轉換器1的驅動能力已不足。此時，需要致能切換式電容轉換電路10的切換動作，以提高中間電壓V UNREG，藉以恢復率轉換器1的驅動能力。
在此實施例中，比較結果信號S310的電壓位準變化係反應於輸出電壓V OUT的大小，且當比較結果信號S310發生一單脈衝P310以重置控制電路31時，電感電流I L發生一鋒值。因此可知，此時的比較結果信號S310可表示電感電流I L的狀態。詳細來說，比較結果信號S310的一單脈衝P310可表示電感電流I L發生一個鋒值，因此，在一預設時間內，比較結果信號S310的單脈衝P310的數量等於電感電流I L的鋒值的數量。如此一來，比較結果信號S310可表示電感電流I L在該預設時間內發生的鋒值的數量。根據上述可得知，隨著電感電流I L的鋒值越來越低，在該預設時間內比較結果信號S310的單脈衝P310的數量變多。
在另一實施例中，開關112（以NMOS電晶體MN來實現）可改由一電感電流偵測訊號以及切換信號SWH所控制。電感電流偵測訊號係表示電感電流I L是否為零。當切換信號SWH處於低電壓位準，NMOS電晶體MN關斷，電感電流I L上升；當切換信號SWH處於高電壓位準，則NMOS電晶體MN導通，電感電流I L下降；當電感電流I L下降到零，則電感電流偵測訊號再次將NMOS電晶體MN關斷。
以下將參閱第3與4A~4B圖來說明切換控制電路13的操作。
切換控制電路12包括判斷電路32以及信號產生電路33。判斷電路32接收電流狀態信號S IL以及時脈信號CLK，且產生控制信號S32。信號產生電路33產生切換信號SW10與SW11，且根據控制信號S32決定是否改變切換信號SW10與SW11的電壓位準，以致能切換式電容轉換電路10的切換動作。根據上述，比較結果信號S310可表示電感電流I L的狀態。因此，在此實施例中，切換控制信號12的判斷電路32接收比較結果信號S310做為電流狀態信號SIL。判斷電路32計算電感電流IL在一預設時間內發生的鋒值的數量以產生一計數數值，且判斷獲得的計數數值是否大於一預設數量。在此實施例中，上述預設條件是指計數數值(表示電感電流IL在該預設時間內發生的鋒值的數量)大於該預設數量。判斷電路32根據判斷結果產生控制信號S32。在此實施例中，該預設期間為時脈信號CLK的兩個週期，且該預設數量為2。在一情況下，如第4A圖所示的情況，當判斷電路32判斷出在時脈信號CLK的兩個週期內計數獲得的計數數值未大於預設數量(例如為2)時，產生具有低電壓位準VL的控制信號S32。此時，信號產生電路33維持切換信號SW10與SW11的電壓位準而不改變。在另一情況下，如第4B圖所示的情況，當判斷電路32判斷出在時脈信號CLK的兩個週期內計數獲得的計數數值大於預設數量(例如為2)時(即電感電流IL的狀態對應預設條件)，產生具有高電壓位準VH的控制信號S32。此時，信號產生電路33則改變切換信號SW10與SW11的電壓位準以致能切換式電容轉換電路10的切換動作。
根據上述，當電感電流IL的鋒值過小時，功率轉換器1的驅動能力已不足。此時，需要致能切換式電容轉換電路10的切換動作，以提高中間電壓VUNREG，藉以恢復率轉換器1的驅動能力。因此，在一些實施例中，可根據電感電流IL大小來決定是否致切換式電容轉換電路10的切換動作。
第5圖係表示根據本發明一實施例的切換控制電路12與13參。參閱第5圖，切換控制電路13的電路架構以及操作與第3圖的實施例相同。第5圖的實施例與第3圖的實施例之間的相異之處在於，第5圖的控制切換電路12包括電流偵測器50、比較器51、以 及信號產生電路52。電流偵測器50耦接電感器113於節點N12(顯示於第2圖)，以偵測電感電流IL。詳細來說，電流偵測器50與高側開關111的PMOS電晶體MP並聯以偵測PMOS電晶體MP之汲極電壓VD與源極電壓VS，且根據偵測到的汲極電壓VD與源極電壓VS之間的汲-源電壓差來獲得電感電流IL，藉以實現電感電流IL的偵測。由於汲-源電壓差與電感電流IL相關聯，因此，汲極電壓VD與源極電壓VS可表示電感電流IL的狀態。在此實施例中，切換控制信號12係接收汲極電壓VD與源極電壓VS做為電流狀態信號SIL。電流偵測器50根據上述汲-源電壓差的大小產生一偵測電壓V50。因此，基於汲極電壓VD與源極電壓VS獲得的偵測電壓V50可表示電感電流IL的大小。比較器51耦接電流偵測器50以接收偵測電壓V50，且比較偵測電壓V50與一臨界電壓VTH。臨界電壓VTH對應電感電流IL的臨界電流值。透過比較偵測電壓V50與臨界電壓VTH，可得知電感電流IL是否小於臨界電流值。在此實施例中，預設條件是指偵測電壓V50(表示電感電流IL的大小)小於臨界電壓VTH(即電感電流IL小於臨界電流值)。比較器51根據比較結果產生控制信號S51。信號產生電路52產生切換信號SW10與SW11，且根據控制信號S51決定是否改變切換信號SW10與SW11的電壓位準，以致能切換式電容轉換電路10的切換動作。在一情況下，當比較器51比較出偵測電壓V50大於臨界電壓VTH(即電感電流IL大於臨界電流值)時，產生具有低電壓位準的控制信號S51。此時，信號產生電路52維持切換信號SW10與SW11的電壓位準而不改變。在另一情況下，當比較器51比較出偵測電壓V50小於臨界電壓VTH時，產生具有高電壓位準的控制信號S51。此時，信號產生電路52則改變切換信號SW10與SW11的電壓 位準以致能切換式電容轉換電路10的切換動作。
根據上述，本案提出的切換控制電路13係採用恆定導通時間方式來控制第二級的電感式降壓電路11，代替了傳統混和式功率轉換器的電感電流限制的方式，因此本案之切換控制電路13具有較簡單的電路設計，使得靜態電流減少。因此，在輕負載或超輕負載的情況下，由於較低的靜態電流，使得功率轉換器1的效率提高。此外，在採用恆定導通時間方式來控制電感式降壓電路11的情況下，切換控制電路12可在電感電流IL的狀態符合或對應上述預設條件中一者時，致能切換式電容轉換電路10的切換動作。在其他實施例中，切換控制電路12可在功率轉換器1由非連續電流模式(discontinuous current mode)進入至一鄰界電流模式(critical current mode)時致能切換式電容轉換電路10的切換動作。
1:功率轉換器
10:切換式電容轉換電路
11:電感式降壓電路
12、13:切換控制電路
30:恆定導通時間(COT)控制電路
31:重置電路
32:判斷電路
33:信號產生電路
50:電流偵測器
51:比較器 52:信號產生電路 100:電容器 101…104:開關 110:輸入電容器 111:高側開關 112:低側開關 113:電感器 114:輸出電容器 300:電流源 301:電容器 302、303:反向器 304:開關 305:緩衝電路 CLK:時脈信號 CLK0…CLKN:輸入時脈信號 CLK_SEL:選擇信號 GND:接地端 I L:電感電流 N10、N11、N12、N30:節點 RST:偵測信號 S310:比較結果信號 S31:控制信號 S IL:電流狀態信號 SW10、SW11:切換信號 SWH:切換信號 T10:輸入端 T11:輸出端 T12:輸入端 T13:轉換輸出端 V50:偵測電壓 Vramp:斜坡電壓 V REF:參考電壓 V IN:輸入電壓 V OUT:輸出電壓 V TH:臨界電壓 V UNREG:中間電壓
第1圖表示根據本發明一實施例的功率轉換器。 第2圖表示根據本發明一實施例的切換式電容轉換電路以及電感式降壓電路的電路圖。 第3圖表示根據本發明一實施例的功率轉換器的切換控制電路。 第4A與4B圖表示根據本發明一實施例，功率轉換器的主要信號與電壓的時序圖。 第5圖表示根據本發明另一實施例的功率轉換器的切換控制電路。
1:功率轉換器
10:切換式電容轉換電路
11:電感式降壓電路
12、13:切換控制電路
SIL:電流狀態信號
SW10、SW11:切換信號
SWH:切換信號
VIN:輸入電壓
VOUT:輸出電壓
VUNREG:中間電壓

Claims (8)

  1. 一種功率轉換器，包括：一切換式電容轉換電路，於一輸入端接收一輸入電壓，且進行一切換操作以將該輸入電壓轉換為一中間電壓；以及一電感式降壓電路，耦接該切換式電容轉換電路之一輸出端以接收該中間電壓，且在一恆定導通時間下操作以根據該中間電壓於一轉換輸出端產生一輸出電壓；其中，該電感式降壓電路包括一電感器；其中，當對該電感器充電之一電感電流在一預設時間內發生預設數量的鋒值或該電感電流小於一臨界電流值時，該切換操作的一切換動作被致能，使該切換式電容轉換電路由一第一導通狀態切換為一第二導通狀態；以及其中，該切換式電容轉換電路包括：一電容器，耦接於一第一節點與一第二節點之間；一第一開關組，與該電容器串接於該輸入端與該輸出端之間；以及一第二開關組，與該電容器串接於一接地端與該輸出端之間；其中，當該切換式電容轉換電路處於該第一導通狀態時，該第一開關組與該第二開關組中之一者導通；以及其中，當該切換式電容轉換電路處於該第二導通狀態時，該第一開關組與該第二開關組中之另一者導通。
  2. 如請求項1之功率轉換器，其中，該切換式電容轉換電路的該切換動作更可在該功率轉換器由一非連續電流模式 (discontinuous current mode)進入至一鄰界電流模式(critical current mode)時被致能。
  3. 如請求項1之功率轉換器，其中，該電感式降壓電路包括串接於該切換式電容轉換電路之該輸出端與該轉換輸出端之間的一高側開關與一電感器，且該功率轉換器更包括：一恆定導通時間控制電路，提供一恆定時間週期，且根據該恆定時間週期產生一切換信號以控制該高側開關；其中，根據該切換信號，該高側開關在該恆定時間週期中導通的時間固定。
  4. 如請求項1之功率轉換器，更包括一重置電路，用以重置該恆定導通時間控制電路，以重新啟動該恆定時間週期，其中，該重置電路包括：一鎖存型比較器，接收該輸出電壓與一參考電壓，根據一時脈信號來比較該輸出電壓與該參考電壓，且根據該輸出電壓與該參考電壓的比較結果產生一比較結果信號；其中，當該輸出電壓低於該參考電壓時，該比較結果信號發生一單脈衝，以重置該恆定導通時間控制電路。
  5. 如請求項4之功率轉換器，其中，該時脈信號的頻率根據流經該功率轉換器的一負載的一負載電流來決定。
  6. 如請求項3之功率轉換器，其中，該恆定導通時間控制電路包括：一定電流源，提供一充電電流；一電容器，具有耦接該定電流源於一第一節點的一第一端以及耦接一接地端的一第二端，其中，一斜坡電壓產生於該第一節點； 一緩衝電路，具有耦接該第一節點以接收該斜坡電壓的一輸入端以及產生一切換信號之一輸出端；其中，該高側開關受控於該切換信號；以及其中，該電感式降壓電路更包括耦接於該轉換輸出端與該接地端之間的一低側開關。
  7. 如請求項1之功率轉換器，更包括：一鎖存型比較器，接收該輸出電壓與一參考電壓，比較該輸出電壓與該參考電壓，且根據該輸出電壓與該參考電壓的比較結果產生一比較結果信號，其中，每當該輸出電壓低於該參考電壓時，該比較結果信號發生一單脈衝，以及該比較結果信號的各該單脈衝對應該電感電流的一個鋒值；以及一判斷電路，接收該比較結果信號，且根據一時脈信號計數在該預設時間內該比較結果信號上的至少一該單脈衝的數量以獲得一計數數值；其中，該判斷電路判斷該計數數值是否大於該預設數量以產生一控制信號至該切換式電容轉換電路；以及其中，當該判斷電路判斷出該計數數值大於該預設數量時，該切換式電容轉換電路的該切換動作根據該控制信號而被致能。
  8. 如請求項1之功率轉換器，更包括：一電流偵測器，偵測該電感電流以產生一偵測電壓；一比較器，接收該偵測電壓，且比較該偵測電壓與一臨界電壓，且根據該偵測電壓與該臨界電壓之比較結果產生一控制信號至該切換式電容轉換電路；其中，當該比較器判斷出該偵測電壓小於該臨界電壓時，該切換 式電容轉換電路的該切換動作根據該控制信號而被致能。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20230168700A1 (en) * 2021-11-13 2023-06-01 Texas Instruments Incorporated Hardware scheme for dynamic adjustment of dcdc converter peak current and safe ldo disable

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110169474A1 (en) * 2010-01-09 2011-07-14 Cuks, Llc Step-down switching PFC converter
US20110175591A1 (en) * 2010-01-16 2011-07-21 Cuks, Llc Step-down low ripple switching converter
US20110316508A1 (en) * 2010-06-28 2011-12-29 Kuang-Yao Cheng Digital Hybrid V2 Control for Buck Converters
TW201613240A (en) * 2014-09-24 2016-04-01 Linear Techn Inc DCR inductor current-sensing in four-switch buck-boost converters
CN106712503A (zh) * 2017-02-13 2017-05-24 华南理工大学 一种采用开关电感和开关电容的准开关升压dc‑dc变换器
WO2017195592A1 (ja) * 2016-05-10 2017-11-16 株式会社村田製作所 パワーコンバータユニット
WO2019050907A1 (en) * 2017-09-05 2019-03-14 Lion Semiconductor Inc. CIRCUITS FOR HYBRID SWITCHED CAPACITOR CONVERTER
TW201937329A (zh) * 2018-02-23 2019-09-16 台達電子工業股份有限公司 電源供應裝置及其控制方法
WO2019188029A1 (ja) * 2018-03-28 2019-10-03 株式会社村田製作所 電圧変換器
EP2997432B1 (en) * 2013-05-17 2020-01-15 Cirrus Logic, Inc. Reducing kickback current to power supply during charge pump mode transitions
CN111181384A (zh) * 2018-11-13 2020-05-19 新唐科技股份有限公司 稳压系统
TW202022526A (zh) * 2018-12-04 2020-06-16 新唐科技股份有限公司 功率轉換器

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8212541B2 (en) * 2008-05-08 2012-07-03 Massachusetts Institute Of Technology Power converter with capacitive energy transfer and fast dynamic response
US10084384B1 (en) * 2015-04-22 2018-09-25 Sridhar Kotikalapoodi Method and apparatus for switched capacitor and inductor based-switch mode power supply
TWI689161B (zh) * 2018-12-22 2020-03-21 新唐科技股份有限公司 功率轉換器
JP7342900B2 (ja) * 2021-02-26 2023-09-12 株式会社村田製作所 電圧変換器
US11594957B2 (en) * 2021-03-16 2023-02-28 Apple Inc. Dual-stage boost converter

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110169474A1 (en) * 2010-01-09 2011-07-14 Cuks, Llc Step-down switching PFC converter
US20110175591A1 (en) * 2010-01-16 2011-07-21 Cuks, Llc Step-down low ripple switching converter
US20110316508A1 (en) * 2010-06-28 2011-12-29 Kuang-Yao Cheng Digital Hybrid V2 Control for Buck Converters
EP2997432B1 (en) * 2013-05-17 2020-01-15 Cirrus Logic, Inc. Reducing kickback current to power supply during charge pump mode transitions
TW201613240A (en) * 2014-09-24 2016-04-01 Linear Techn Inc DCR inductor current-sensing in four-switch buck-boost converters
WO2017195592A1 (ja) * 2016-05-10 2017-11-16 株式会社村田製作所 パワーコンバータユニット
CN106712503A (zh) * 2017-02-13 2017-05-24 华南理工大学 一种采用开关电感和开关电容的准开关升压dc‑dc变换器
WO2019050907A1 (en) * 2017-09-05 2019-03-14 Lion Semiconductor Inc. CIRCUITS FOR HYBRID SWITCHED CAPACITOR CONVERTER
TW201937329A (zh) * 2018-02-23 2019-09-16 台達電子工業股份有限公司 電源供應裝置及其控制方法
WO2019188029A1 (ja) * 2018-03-28 2019-10-03 株式会社村田製作所 電圧変換器
CN111181384A (zh) * 2018-11-13 2020-05-19 新唐科技股份有限公司 稳压系统
TW202022526A (zh) * 2018-12-04 2020-06-16 新唐科技股份有限公司 功率轉換器

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