TWM492577U - 直流對直流轉換器及其電壓調整電路 - Google Patents

Description

直流對直流轉換器及其電壓調整電路

本創作與直流對直流轉換器(DC-DC Converter)有關，特別是關於一種能夠改善輸出電壓之過衝(Overshoot)現象的直流對直流轉換器及其電壓調整電路。

在電腦系統中，提供給處理器的工作電壓是由直流對直流轉換器所提供，其中直流對直流轉換器依據處理器所提供的電壓生成訊號VID來改變工作電壓的大小。

請參照圖1，圖1為習知處理器的供電示意圖。處理器11依據目前的負載來提供電壓生成訊號VID至直流對直流轉換器12中的電壓調整電路121。電壓調整電路121接收電壓生成訊號VID且依據電壓生成訊號VID來動態提供不同大小的參考電壓EAP。

上述直流對直流轉換器12包括至少一個開關元件(例如開關M1~M2)，直流對直流轉換器12依據參考電壓EAP與回授的輸出電壓Vout來將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout，其中輸出電壓Vout可作為處理器11的工作電壓。然而，在一些應用中，輸出電壓Vout成為額定值的變化速度是依據處理器11所指定的轉換速率(Slew Rate,SR)來決定。

請參照圖2，圖2為習知處理器的供電曲線示意圖。有關圖2的說明亦請一併參照圖1。通常，在開機階段或由輕載突然變成重載時，直流對直流轉換器12會控制輸出電壓Vout由一低位準拉升至額定輸出電壓。此時，直流對直流轉換器12會依據電壓生成訊號VID控制輸出電壓Vout向上爬升。然而，若處理器11所提供的轉換速率SR較快時，直流對直流轉換器12對處理器11所提供的輸出電流(亦即電感電流IL)會有多餘的 部分，如圖2中之實際輸出電流曲線REC高於理想輸出電流曲線IDC所圍成之面積(亦即電量)Q2所示，上述多餘的電量將導致圖2中之實際輸出電壓曲線REV高於理想輸出電壓曲線(額定輸出電壓)IDV而產生過衝現象，亟待克服。

有鑑於此，本創作提出一種直流對直流轉換器及其電壓調整電路，藉以解決先前技術所述及的問題。

根據本創作之一具體實施例為一種電壓調整電路。於此實施例中，電壓調整電路包括參考電壓產生單元與臨界電壓產生單元。參考電壓產生單元用以接收電壓生成訊號，並依據電壓生成訊號產生參考電壓，其中參考電壓是由第一位準升高至目標位準。臨界電壓產生單元耦接參考電壓產生單元，用以依據電壓生成訊號來產生第二位準，並提供第二位準至參考電壓產生單元。第二位準大於第一位準且小於目標位準。當參考電壓由第一位準升高至第二位準時，參考電壓產生單元使得參考電壓先由第二位準降低一預設值後再繼續升高至目標位準。

於本創作之一實施例中，參考電壓產生單元包括電壓產生單元、計數電路與處理電路。計數電路用以接收時脈訊號與電壓生成訊號，並產生電壓生成控制訊號。處理電路耦接計數電路與臨界電壓產生單元，用以依據電壓生成控制訊號、第二位準與預設值控制電壓產生單元輸出參考電壓。

根據本創作之另一具體實施例為一種直流對直流轉換器。於此實施例中，直流對直流轉換器包括輸出級、控制迴路、參考電壓產生單元與臨界電壓產生單元。控制迴路耦接輸出級。參考電壓產生單元耦接控制迴路，用以接收電壓生成訊號並依據電壓生成訊號產生參考電壓至控制迴路，使得控制迴路依據參考電壓來控制輸出級提供具有預設轉換速率的輸出電流。參考電壓是由第一位準升高至目標位準。臨界電壓產生單元耦接參考電壓產生單元，用以接收電壓生成訊號並利用電壓生成訊號來產生第二位準。第二位準大於第一位準且小於目標位準。當參考電壓由第一位準升高至第二位準時，參考電壓產生單元使得參考電壓先由第二位準降低 一預設值後再繼續升高至目標位準。

綜上所述，本創作所提供的直流對直流轉換器及其電壓調整電路係透過在參考電壓上升過程中，強制降低一預設電壓，藉以減少直流對直流轉換器輸出多餘的輸出電流，故能有效改善先前技術中當輸出電壓上升至額定電壓時由於多餘的輸出電流而導致的過衝現象。

關於本創作之優點與精神可以藉由以下的創作詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

11、30‧‧‧處理器

12、3‧‧‧直流對直流轉換器

121、31‧‧‧電壓調整電路

122、321‧‧‧比較器

123、322‧‧‧單擊電路

124、323‧‧‧驅動器

32‧‧‧控制迴路

33‧‧‧輸出級

310、7‧‧‧參考電壓產生單元

312‧‧‧臨界電壓產生單元

3101‧‧‧計數電路

3102‧‧‧處理電路

3103‧‧‧電壓產生單元

72、73‧‧‧電流源

74、78‧‧‧比較器

75‧‧‧電壓選擇電路

BG、71‧‧‧初始電壓產生電路

ISW、77‧‧‧內部開關單元

BF、76‧‧‧緩衝器

CLK‧‧‧時脈訊號

VID、VID1~VIDx‧‧‧電壓生成訊號

VID_CODE‧‧‧電壓生成控制訊號

VTUNE‧‧‧預設值

EAP‧‧‧參考電壓

Vin‧‧‧輸入電壓

Vout‧‧‧輸出電壓

SR‧‧‧轉換速率

S1、S2、M1、M2‧‧‧開關

R‧‧‧電阻

C‧‧‧電容

EA‧‧‧誤差放大器

EAP_INT‧‧‧第一位準

VX‧‧‧第二位準

EAP_TAG‧‧‧目標位準

IL‧‧‧電感電流

ESR‧‧‧輸出電阻

Cout‧‧‧輸出電容

comp‧‧‧誤差訊號

ramp‧‧‧斜波訊號

IDC‧‧‧理想輸出電流曲線

REC‧‧‧實際輸出電流曲線

IDV‧‧‧理想輸出電壓曲線

REV‧‧‧實際輸出電壓曲線

Q1~Q3‧‧‧實際輸出電流與理想輸出電流之電量差

VTUNE‧‧‧預設值

IDL‧‧‧理想電感電流曲線

REL‧‧‧實際電感電流曲線

tx‧‧‧時間

dt‧‧‧時間差

dV‧‧‧電壓差

VDD‧‧‧操作電壓

I‧‧‧電流

Ip*R‧‧‧參考電壓降低之預設值

圖1繪示習知處理器的供電示意圖。

圖2繪示習知處理器的供電曲線示意圖。

圖3繪示本創作一實施例之處理器的供電示意圖。

圖4繪示本創作之電壓調整電路產生參考電壓EAP之示意圖。

圖5繪示本創作一實施例之電壓調整電路之細部功能方塊圖。

圖6繪示本創作一實施例產生第二位準VX之示意圖。

圖7繪示本創作另一實施例之參考電壓產生單元的功能方塊圖。

現在將詳細參考本創作的示範性實施例，並在附圖中說明所述示範性實施例的實例。另外，在圖式與實施方式中所使用相同或類似標號的元件/構件是用來代表相同或類似部分。

在下述諸實施例中，當元件被指為「連接」或「耦接」至另一元件時，其可為直接連接或直接耦接另一元件，或可能存在介於其間的元件。術語「電路」或「單元」可表示為至少一元件或多個元件，或者主動地且/或被動地而耦接在一起的元件以提供合適功能。術語「訊號」可表示為至少一電流、電壓、負載、溫度、資料或其他訊號。術語「準位」可表示為一電流值或電壓值。

圖3繪示根據本創作一實施例之處理器的供電示意圖。如圖 3所示，直流對直流轉換器3包括電壓調整電路31、控制迴路32與輸出級33，其中電壓調整電路31包括參考電壓產生單元310與臨界電壓產生單元312，其中臨界電壓產生單元312耦接參考電壓產生單元310。

控制迴路32分別耦接輸出級33與電壓調整電路31。處理器30耦接直流對直流轉換器3的輸出端以及耦接直流對直流轉換器3的電壓調整電路31，其中處理器30還耦接參考電壓產生單元310與臨界電壓產生單元312，以分別提供電壓生成訊號VID及/或轉換速率訊號SR至參考電壓產生單元310與臨界電壓產生單元312，使得電壓調整電路31能夠依據電壓生成訊號VID來提供參考電壓EAP。

在本實施例中，控制迴路32還包括誤差放大器EA，其一輸入端耦接參考電壓產生單元310，以接收參考電壓EAP，誤差放大器EA的另一輸入端耦接直流對直流轉換器3的輸出端，以接收關於直流對直流轉換器3之輸出電壓Vout的回授訊號，藉此誤差放大器EA可依據參考電壓EAP與輸出電壓Vout的回授訊號來產生誤差訊號comp，使得直流對直流轉換器3能夠依據誤差訊號comp來將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout。換句話說，控制迴路32依據參考電壓EAP來控制輸出級33提供具有預設轉換速率的輸出電流(電感電流)IL至處理器30。

參考電壓產生單元310分別耦接控制迴路32、臨界電壓產生單元312與處理器30。參考電壓產生單元310接收電壓生成訊號VID並依據電壓生成訊號VID產生參考電壓EAP，以提供參考電壓EAP至控制迴路32的誤差放大器EA。臨界電壓產生單元312耦接處理器30，用以接收來自處理器30的電壓生成訊號VID，藉此臨界電壓產生單元312可依據電壓生成訊號VID來產生第二位準VX，並提供第二位準VX至參考電壓產生單元310，使得參考電壓產生單元310可利用第二位準VX來調整參考電壓EAP。關於參考電壓產生單元310與臨界電壓產生單元312的詳細說明，容後詳述。

請參照圖4，圖4繪示依據本創作之電壓調整電路產生參考電壓EAP之示意圖。關於圖4之說明亦請一併參照圖3。當參考電壓產生單元310接收到電壓生成訊號VID後，參考電壓產生單元310會依據其所 接收的電壓生成訊號VID來提供參考電壓EAP。在本實施例中，處理器30會依序地提供電壓生成訊號VID至參考電壓產生單元310，使得參考電壓產生單元310所提供的參考電壓EAP由第一位準EAP_INT上升至目標位準EAP_TAG，例如：參考電壓EAP可以由0伏特爬升至2.85伏特，但不以此為限。

在本實施例中，參考電壓產生單元310會依據電壓生成訊號VID不斷地提供愈來愈大的參考電壓EAP，直到參考電壓產生單元310所提供的參考電壓EAP實質上等於臨界電壓產生單元312所提供的第二位準VX時，如圖4所示，參考電壓產生單元310所提供的參考電壓EAP會降低一預設值VTUNE而成為中繼電壓。接著，參考電壓產生單元310所提供的參考電壓EAP再從中繼電壓繼續上升至目標位準EAP_TAG。其中，第二位準VX會大於第一位準EAP_INT且會小於目標位準EAP_TAG。

請參照圖5，圖5繪示依據本創作一實施例之電壓調整電路31之細部功能方塊圖。如圖5所示，電壓調整電路31中之參考電壓產生單元310包括計數電路3101、處理電路3102與電壓產生單元3103，其中電壓產生單元3103還包括初始電壓產生電路BG、內部開關單元ISW與緩衝器BF。計數電路3101耦接處理器30，處理電路3102分別耦接計數電路3101與電壓產生單元3103。處理電路3102還耦接臨界電壓產生單元312。電壓產生器BG耦接內部開關單元ISW。內部開關單元ISW耦接緩衝器BF。

臨界電壓產生單元312接收電壓生成訊號VID且依據電壓生成訊號VID提供第二位準VX至參考電壓產生單元310，其中第二位準VX與電壓生成訊號VID所代表的參考電壓EAP的目標位準具有一比例關係，例如：第二位準VX可以是參考電壓EAP的目標位準的80%，但不以此為限。在其他實施例中，第二位準VX亦可依據電壓生成訊號VID與至少一個公式來計算出。

在一些實施例中，電壓生成訊號VID可能因處理器103的平台規範不同而具有不同的態樣，例如：電壓生成訊號VID可以是數位訊號、串列訊號(SVID)或脈衝寬度調變訊號(PWM VID)等態樣。在圖5的實施例中，電壓生成訊號VID例如是數位訊號，藉此參考電壓產生單元310可 利用計數電路3101與處理電路3102來對電壓生成訊號VID進行轉換並控制電壓產生單元3103產生參考電壓EAP。

計數電路3101接收電壓生成訊號VID與時脈訊號CLK。藉此，計數電路3101可依據電壓生成訊號VID與時脈訊號CLK產生電壓生成控制訊號VID_CODE並輸出至處理電路3102。處理電路3102分別接收電壓生成控制訊號VID_CODE、第二位準VX及預設值VTUNE，並據以控制電壓產生單元3103中的電壓產生器BG與內部開關單元ISW產生參考電壓EAP。

在本實施例中，處理電路3102透過解析其所接收的電壓生成控制訊號VID_CODE所對應的參考電壓EAP之方式將電壓生成控制訊號VID_CODE所對應的參考電壓EAP來與第二位準VX進行比較。

若上述比較之結果為電壓生成控制訊號VID_CODE所對應的參考電壓EAP小於第二位準VX，則處理電路3102控制電壓產生單元3103中的電壓產生器BG與內部開關單元ISW提供相對應的參考電壓EAP。若上述比較之結果為電壓生成控制訊號VID_CODE所對應的參考電壓EAP實質上等於或大於第二位準VX，則處理電路3102控制電壓產生單元3103中的初始電壓產生電路BG與內部開關單元ISW提供降低一預設值VTUNE的參考電壓EAP而成為中繼電壓。接著，處理電路3102會再控制電壓產生單元3103所提供的參考電壓EAP由中繼電壓繼續往上爬升至目標位準EAP_TAG。

因此，當參考電壓EAP上升至第二位準VX時，處理電路3102會使得參考電壓EAP瞬間被往下拉預設值VTUNE。當參考電壓EAP被往下拉時，會使得直流對直流轉換器102的輸出電壓Vout瞬間從快速往上變成慢慢往上，亦即輸出電壓Vout的上升速度趨緩，此時多餘的輸出電流(電感電流)IL仍可慢慢地將輸出電壓Vout拉升至額定值。

請參照圖6，圖6繪示本創作之一實施例產生第二位準VX之示意圖。因計算第二位準VX需預先計算輸出電容充電和累積電荷的物理量值，欲使參考電壓EAP以固定轉換速率SR爬升，由及 可計算出I=SR×C。且依據公式可計算出電流下降的斜率

如圖6所示，若在時間tx提早進行放電，即可使得過充電荷與不足電荷正好抵銷，亦即區域Q3之電量=區域Q2之電量=可計算出

值得注意的是，第二位準VX的大小是依據電壓生成訊號VID計算而得，亦即第二位準VX的大小會隨著不同的電壓生成訊號VID而改變，因此第二位準VX並非具有固定值的預設位準。

請參照圖7，圖7繪示本創作另一實施例之參考電壓產生單元的功能方塊圖。如圖7所示，參考電壓產生單元7包括初始電壓產生電路71、電流源72~73、開關S1~S2、電阻R、比較器74~78、電壓選擇電路75、緩衝器76及內部開關單元77。其中，處理器30耦接內部開關單元77、初始電壓產生電路71與臨界電壓產生單元312。臨界電壓產生單元312耦接電壓選擇電路75。內部開關單元77分別耦接初始電壓產生電路71、電阻R、電流源72~73與比較器78。緩衝器76分別耦接電阻R、電流源73與比較器74。電阻R耦接於電流源72與73之間。比較器74耦接緩衝器76、電壓選擇電路75與開關S1~S2。電壓選擇電路75還耦接臨界電壓產生單元312。

初始電壓產生電路71與內部開關單元77接收來自處理器30的電壓生成訊號VID，並藉由開關S1~S2與電流源72~73的操作與緩衝器76來輸出參考電壓EAP。在圖7中，比較器74比較參考電壓EAP與第二位準VX，其中第二位準VX可透過臨界電壓產生單元312及/或電壓選擇電路75來提供。當參考電壓EAP大於第二位準VX時，比較器74會控制開關S1~S2中之至少其一來使參考電壓EAP降低一預設值。於此實施例中，假設預設值是Ip*R，因此，參考電壓EAP會降低預設值(Ip*R)至中繼電壓，接著，參考電壓EAP再由中繼電壓往上爬升至目標位準。

綜上所述，本創作所提供的直流對直流轉換器及其電壓調整 電路可預先降低輸出電流對輸出電容之充電，藉此減少直流對直流轉換器輸出多餘的輸出電流，故能有效改善先前技術中當輸出電壓上升至額定電壓時由於多餘的輸出電流而導致的過衝現象。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本創作之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本創作之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本創作所欲申請之專利範圍的範疇內。

3‧‧‧直流對直流轉換器

30‧‧‧處理器

31‧‧‧電壓調整電路

32‧‧‧控制迴路

33‧‧‧輸出級

310‧‧‧參考電壓產生單元

312‧‧‧臨界電壓產生單元

321‧‧‧比較器

322‧‧‧單擊電路

323‧‧‧驅動器

VID‧‧‧電壓生成訊號

EAP‧‧‧參考電壓

Vin‧‧‧輸入電壓

Vout‧‧‧輸出電壓

SR‧‧‧轉換速率

EA‧‧‧誤差放大器

M1~M2‧‧‧開關

R‧‧‧電阻

C‧‧‧電容

IL‧‧‧電感電流

ESR‧‧‧輸出電阻

Cout‧‧‧輸出電容

comp‧‧‧誤差訊號

ramp‧‧‧斜波訊號

Claims (4)

1. 一種電壓調整電路，包括：一參考電壓產生單元，用以接收一電壓生成訊號，並依據該電壓生成訊號產生一參考電壓，其中該參考電壓是由一第一位準升高至一目標位準；以及一臨界電壓產生單元，耦接該參考電壓產生單元，用以依據該電壓生成訊號來產生一第二位準，並提供該第二位準至該參考電壓產生單元，其中，該第二位準大於該第一位準且小於該目標位準，當該參考電壓由該第一位準升高至該第二位準時，該參考電壓產生單元使得該參考電壓先由該第二位準降低一預設值後再繼續升高至該目標位準。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調整電路，其中該參考電壓產生單元包括：一電壓產生單元；一計數電路，用以接收一時脈訊號與該電壓生成訊號，並產生一電壓生成控制訊號；以及一處理電路，耦接該計數電路與該臨界電壓產生單元，用以根據該電壓生成控制訊號、該第二位準與該預設值控制該電壓產生單元輸出該參考電壓。
3. 一種直流對直流轉換器，包括：一輸出級；一控制迴路，耦接該輸出級；一參考電壓產生單元，耦接該控制迴路，用以接收一電壓生成訊號，並依據該電壓生成訊號產生一參考電壓至該控制迴路，使得該控制迴路依據該參考電壓來控制該輸出級提供具有預設轉換速率之一輸出電 流，其中該參考電壓是由一第一位準升高至一目標位準；以及一臨界電壓產生單元，耦接該參考電壓產生單元，用以接收該電壓生成訊號，並利用該電壓生成訊號來產生一第二位準，其中該第二位準大於該第一位準且小於該目標位準，其中，當該參考電壓由該第一位準升高至該第二位準時，該參考電壓產生單元使得該參考電壓先由該第二位準降低一預設值後再繼續升高至該目標位準。
4. 如申請專利範圍第3項所述之直流對直流轉換器，其中該參考電壓產生單元包括：一電壓產生單元；一計數電路，用以接收一時脈訊號與該電壓生成訊號，並產生一電壓生成控制訊號；以及一處理電路，耦接該計數電路與該臨界電壓產生單元，用以根據該計數訊號、該第二位準與該預設值控制該電壓產生單元輸出該參考電壓。