TWI407675B - 電壓轉換電路和方法 - Google Patents

Description

電壓轉換電路和方法

本發明內容是有關於一種電壓轉換電路，且特別是有關於一種雙模態電壓轉換電路。

一般而言，電壓轉換電路係用以提供輸出電壓，且此輸出電壓係從直流(DC)電壓源轉換而來，並具有經過調整的電壓位準。在實際的電路應用上，轉換後的輸出電壓可高於或低於原先的直流電壓源。

電壓轉換電路可操作於脈衝頻率調變(pulse frequency modulation，PFM)模式或是脈衝寬度調變(pulse width modulation，PWM)模式。然而，當電壓轉換電路操作於脈衝頻率調變模式時，處於重負載情況下的電壓轉換電路，其所產生的輸出電壓可能會具有相當程度的漣波(ripple)電壓，使得輸出電壓的特性變差。

本發明內容之一目的是在提供一種電壓轉換電路，藉以避免其在操作於脈衝頻率調變模式以及處於重負載情況下，其所產生的輸出電壓受到漣波(ripple)電壓的影響。

本發明內容之另一目的是在提供一種將輸入電壓轉換為輸出電壓之方法，藉以改善輸出電壓的特性。

本發明內容之一技術樣態係關於一種電壓轉換電路，用以將輸入電壓轉換為輸出電壓。此電壓轉換電路包含一調變信號產生器、一比較器以及一邏輯單元。調變信號產生器係用以根據相對應輸出電壓之一迴授信號以及耦接於輸出電壓之一負載產生一脈衝寬度調變信號。比較器係用以比較迴授信號和一參考信號，以輸出一比較信號。邏輯單元係用以執行脈衝寬度調變信號和比較信號之邏輯連接動作，以產生一控制信號用以調整相對應輸入電壓之一輸入電流而調控輸出電壓。

本發明內容之另一技術樣態係關於一種電壓轉換電路，用以將輸入電壓轉換為輸出電壓。此電壓轉換電路包含一開關單元、一調變信號產生器、一比較器以及一邏輯單元。開關單元係交替地被開啟和關閉以調整相對應輸入電壓之一輸入電流而調控輸出電壓。調變信號產生器係在輸出電壓相異於一目標電壓時接收相對應輸出電壓之一迴授信號，以產生一脈衝寬度調變信號。比較器係在輸出電壓相異於目標電壓時比較迴授信號和一參考信號，以產生一比較信號。邏輯單元係用以執行脈衝寬度調變信號和比較信號之邏輯連接動作，以產生一控制信號用以交替地開啟和關閉開關單元。

本發明內容之又一技術樣態係關於一種將輸入電壓轉換為輸出電壓之方法。此方法包含：產生相對應輸出電壓之一迴授信號；根據迴授信號產生一脈衝寬度調變信號；比較迴授信號和一參考信號，以產生一比較信號；執行脈衝寬度調變信號和比較信號之邏輯連接動作，以產生一控制信號；以及藉由控制信號交替地開啟和關閉一開關單元，以調整相對應輸入電壓之一輸入電流而調控輸出電壓。

根據本發明之技術內容，應用前述電壓轉換電路以及電壓轉換方法，不僅可使輸出電壓所帶有的漣波電壓減少，更可使輸出電壓的特性更加穩定、良好。

需瞭解下列說明為提供不同的實施例以實施本發明的不同特徵。下列描述元件及配置的特定實施例以簡化本發明說明。其當然僅為例示說明，而非用以限制。此外，本發明說明可能在不同實施例重複編號及/或字母。此重複使用為簡化及清楚的目的，並非指定其在討論的不同實施例及/或結構間之關係。

第1圖係依照本發明實施例繪示一種升壓式(boost-type)電壓轉換電路的示意圖。升壓式電壓轉換電路100係藉由適當地控制輸入電流而對輸入電壓Vin進行轉換，藉以將其轉換為具有調整電壓位準的輸出電壓Vout，其中上述輸入電流係相對應於輸入電壓Vin，並流經耦接於輸入電壓Vin和輸出電壓Vout之間的電感L。

電壓轉換電路100包括開關單元(如：電源開關電晶體Q1)、調變信號產生器110、比較器120以及邏輯單元130。調變信號產生器110接收一迴授信號FB，以產生一脈衝寬度調變信號PWM，其中迴授信號FB相對應於輸出電壓Vout以及與其耦接的負載102。在一實施例中，當輸出電壓Vout與應用在其它元件之一目標電壓相異時，調變信號產生器110接收迴授信號FB，而產生脈衝寬度調變信號PWM。此外，迴授信號FB可以是經負載102由輸出電壓Vout所轉換而得之迴授電壓。

比較器120接收並比較迴授信號FB和一參考信號Vref(如：參考電壓)，以產生一比較信號CP。在一實施例中，迴授信號FB可於輸出電壓Vout與目標電壓相異時傳送至比較器120。

邏輯單元130係執行脈衝寬度調變信號PWM和比較信號CP之邏輯連接動作，以產生一控制信號CS。接著，電源開關電晶體Q1便可因此由控制信號CS交替地開啟和關閉，以調整流經電感L的輸入電流，藉以調控輸出電壓Vout。

除此之外，由調變信號產生器110所產生的脈衝寬度調變信號PWM，可隨著與輸出電壓Vout耦接的負載102之變化而改變，或是隨著相對應於負載102的迴授信號FB之變化而改變。在一實施例中，當負載102即時地變換為一相對輕載時，脈衝寬度調變信號PWM的脈衝寬度會減少；另一方面，當負載102即時地變換為一相對重載時，脈衝寬度調變信號PWM的脈衝寬度則會增加。

當負載102為相對輕載時，邏輯單元130所產生的控制信號CS，可隨著脈衝寬度調變信號PWM和比較信號CP之變化而改變，並因而大致上具有伴隨調變頻率之一固定脈衝寬度。此時，電壓轉換電路100可視為操作在脈衝頻率調變(pulse frequency modulation，PFM)模式下。

另一方面，當負載102為相對重載時，控制信號CS可具有伴隨調變脈衝寬度之一固定工作週期(duty cycle)或固定頻率。此時，電壓轉換電路100可視為操作在脈衝寬度調變(PWM)模式下。

在操作上，當負載102由相對重載改變為相對輕載時(如：裝置由主動模式切換至睡眠模式)，脈衝寬度調變信號PWM和比較信號CP會根據迴授信號FB而改變，使得控制信號CS因此改變，由具有大致固定的工作週期改變為具有大致固定的脈衝寬度，且電壓轉換電路100因此被視為操作在脈衝頻率調變(PFM)模式下。

接著，當負載102由相對輕載改變回相對重載時(如：裝置由睡眠模式切換至主動模式)，脈衝寬度調變信號PWM和比較信號CP會再度根據迴授信號FB而改變，使得控制信號CS因此改變，由具有大致固定的脈衝寬度改變為具有大致固定的工作週期，且電壓轉換電路100因此被視為操作在脈衝寬度調變(PWM)模式下。

由於在脈衝頻率調變(PFM)模式下，一般的電壓轉換電路通常會利用固定的時序信號來進行操作，因此電壓轉換電路在重載的情況下，會有輸出電壓伴隨著相當程度漣波電壓(ripple)的問題。相反地，根據本發明之實施例，上述電壓轉換電路100則是利用被視為可變動之時序信號的脈衝寬度調變信號PWM，於重載的情況下來進行操作。如此一來，電壓轉換電路100便可因此於重載的情況下，產生伴隨著較少漣波電壓的輸出電壓。

第2A圖係依照本發明實施例繪示如第1圖所示之電壓轉換電路中局部電路的示意圖。參照第1圖和第2A圖，調變信號產生器110更包括一脈衝寬度調變信號產生器210，其用以產生脈衝寬度調變信號PWM，比較器120可為一遲滯比較器，而邏輯單元130更包括一SR閂鎖器230，其具有一設定輸入端(S)、一重置輸入端(R)以及一輸出端(Q)，其中設定輸入端(S)係用以接收脈衝寬度調變信號PWM，重置輸入端(R)係用以接收比較信號CP，輸出端(Q)則是用以輸出控制信號CS。在脈衝寬度調變信號PWM和比較信號CP產生後，SR閂鎖器230會執行脈衝寬度調變信號PWM和比較信號CP兩者之邏輯連接動作，並因而產生控制信號CS，其中脈衝寬度調變信號PWM的原始脈衝信號，可能有部分會因上述的邏輯連接動作而被略過。

第2B圖係依照本發明另一實施例繪示如第1圖所示之電壓轉換電路中局部電路的示意圖。相較於第2A圖，邏輯單元130係包括一及(AND)邏輯閘232，其用以執行脈衝寬度調變信號PWM和比較信號CP兩者之及(AND)邏輯運算，以輸出控制信號CS。

再者，上述之脈衝寬度調變信號產生器210可更包括一誤差放大器(未繪示)以及另一個比較器(未繪示)，其中誤差放大器係用以偵測迴授信號FB和另一個參考電壓之間的誤差，以產生與此誤差相關的誤差信號，而脈衝寬度調變信號產生器210中的比較器，則用以比較誤差信號和一振盪信號，以產生出脈衝寬度調變信號PWM。

第3圖係依照本發明實施例繪示一種降壓式(buck-type)電壓轉換電路的示意圖。相較於第1圖所示之升壓式電壓轉換電路100，降壓式電壓轉換電路300亦包括調變信號產生器310、比較器320以及邏輯單元330，且此三者均如第1圖、第2A圖和第2B圖中所述。

第4圖係依照本發明實施例繪示一種將輸入電壓轉換為輸出電壓之方法的流程圖。同時參照第1圖和第4圖。首先，產生相對應輸出電壓Vout的迴授信號FB(步驟402)。接著，根據迴授信號FB由調變信號產生器110產生脈衝寬度調變信號PWM(步驟404)。之後，藉由比較器120比較迴授信號FB和參考信號Vref，以產生比較信號CP(步驟406)。其次，藉由邏輯單元130執行脈衝寬度調變信號PWM和比較信號CP之邏輯連接動作，以產生控制信號CS(步驟408)。然後，藉由控制信號CS交替地開啟和關閉開關單元(如：電源開關電晶體Q1)，以調整相對應輸入電壓Vin的輸入電流，進而調控輸出電壓Vout(步驟410)。

在一實施例中，上述脈衝寬度調變信號PWM係隨著與輸出電壓Vout耦接的負載102之變化而改變。具體而言，當負載102即時地變換為相對輕載時，脈衝寬度調變信號PWM的脈衝寬度會減少；另一方面，當負載102即時地變換為相對重載時，脈衝寬度調變信號PWM的脈衝寬度則會增加。

此外，當負載102為相對輕載時，控制信號CS可隨著脈衝寬度調變信號PWM和比較信號CP之變化而改變，並因而大致上具有伴隨調變頻率之一固定脈衝寬度，而被視為操作在脈衝頻率調變(PFM)模式下。另一方面，當負載102為相對重載時，控制信號CS可具有伴隨調變脈衝寬度之一固定工作週期(duty cycle)，而被視為操作在脈衝寬度調變(PWM)模式下。

再者，當負載102由相對重載切換為相對輕載時，脈衝寬度調變信號PWM和控制信號CS會根據迴授信號FB變化，使得控制信號CS由具有大致固定的工作週期改變為具有大致固定的脈衝寬度。接著，當負載102由相對輕載切換回相對重載時，脈衝寬度調變信號PWM和控制信號CS會再根據迴授信號FB變化，使得控制信號CS由具有大致固定的脈衝寬度改變回具有大致固定的工作週期。

由上述本發明之實施例可知，應用前述電壓轉換電路以及電壓轉換方法，不僅可使輸出電壓所帶有的漣波電壓減少，更可使輸出電壓的特性更加穩定、良好。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何本領域具通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．升壓式電壓轉換電路

102．．．負載

110、310．．．調變信號產生器

120、320．．．比較器

130、330．．．邏輯單元

210．．．脈衝寬度調變信號產生器

230．．．SR閂鎖器

232．．．邏輯閘

300．．．降壓式電壓轉換電路

402～410．．．步驟

第1圖係依照本發明實施例繪示一種升壓式電壓轉換電路的示意圖。

第2A圖係依照本發明實施例繪示如第1圖所示之電壓轉換電路中局部電路的示意圖。

第2B圖係依照本發明另一實施例繪示如第1圖所示之電壓轉換電路中局部電路的示意圖。

第3圖係依照本發明實施例繪示一種降壓式(buck-type)電壓轉換電路的示意圖。

第4圖係依照本發明實施例繪示一種將輸入電壓轉換為輸出電壓之方法的流程圖。

100．．．升壓式電壓轉換電路

102．．．負載

110．．．調變信號產生器

120．．．比較器

130．．．邏輯單元

Claims (19)

1. 一種電壓轉換電路，用以將輸入電壓轉換為輸出電壓，該電壓轉換電路包含：一調變信號產生器，用以根據相對應該輸出電壓之一迴授信號以及耦接於該輸出電壓之一負載產生一脈衝寬度調變信號；一比較器，用以比較該迴授信號和一參考信號，以輸出一比較信號；以及一邏輯單元，用以執行該脈衝寬度調變信號和該比較信號之邏輯連接動作，以產生一控制信號用以調整相對應該輸入電壓之一輸入電流而調控該輸出電壓，其中當該負載為一相對重載時，該邏輯單元所產生之該控制信號大致上具有一固定工作週期。
2. 如請求項1所述之電壓轉換電路，其中該調變信號產生器所產生之該脈衝寬度調變信號具有隨該負載變化而改變之脈衝寬度。
3. 如請求項1所述之電壓轉換電路，其中該邏輯單元更包含：一SR閂鎖器，具有一第一輸入端、一第二輸入端以及一輸出端，該第一輸入端係用以接收該脈衝寬度調變信號，該第二輸入端係用以接收該比較信號，該輸出端係用以輸出該控制信號。
4. 如請求項1所述之電壓轉換電路，其中該邏輯單元更包含：一及邏輯閘，用以執行該脈衝寬度調變信號和該比較信號之及邏輯運算，以輸出該控制信號。
5. 如請求項1所述之電壓轉換電路，其中該比較器係為一遲滯比較器。
6. 一種電壓轉換電路，用以將輸入電壓轉換為輸出電壓，該電壓轉換電路包含：一開關單元，交替地被開啟和關閉以調整相對應該輸入電壓之一輸入電流而調控該輸出電壓；一調變信號產生器，在該輸出電壓相異於一目標電壓時接收相對應該輸出電壓之一迴授信號，以產生一脈衝寬度調變信號；一比較器，在該輸出電壓相異於該目標電壓時接收並比較該迴授信號和一參考信號，以產生一比較信號；以及一邏輯單元，用以執行該脈衝寬度調變信號和該比較信號之邏輯連接動作，以產生一控制信號用以交替地開啟和關閉該開關單元，其中當該輸出電壓係耦接於一相對重載時，該邏輯單元所產生之該控制信號大致上具有一固定脈衝寬度。
7. 如請求項6所述之電壓轉換電路，其中該調變信號產生器所產生之該脈衝寬度調變信號隨著耦接於該輸出電壓之一負載之變化而改變。
8. 如請求項7所述之電壓轉換電路，其中當該負載由一相對重載改變為一相對輕載時，該邏輯單元所產生之該控制信號隨著該脈衝寬度調變信號之變化而改變，其中該控制信號由具有大致固定之一工作週期改變為具有大致固定之一脈衝寬度。
9. 如請求項8所述之電壓轉換電路，其中當該負載由該相對輕載改變為該相對重載時，該控制信號由具有大致固定之該脈衝寬度改變為具有大致固定之該工作週期。
10. 如請求項7所述之電壓轉換電路，其中當該負載改變為一相對輕載時，該脈衝寬度調變信號之脈衝寬度減少。
11. 如請求項7所述之電壓轉換電路，其中當該負載改變為一相對重載時，該脈衝寬度調變信號之脈衝寬度增加。
12. 如請求項6所述之電壓轉換電路，其中該輸出電壓係耦接於一相對輕載，且該邏輯單元所產生之該控制信號大致上具有一固定脈衝寬度。
13. 如請求項6所述之電壓轉換電路，其中該邏輯單元更包含：一SR閂鎖器，具有一設定輸入端、一重置輸入端以及一輸出端，該設定輸入端係用以接收該脈衝寬度調變信號，該重置輸入端係用以接收該比較信號，該輸出端係用以輸出該控制信號。
14. 如請求項6所述之電壓轉換電路，其中該邏輯單元更包含：一及邏輯閘，用以執行該脈衝寬度調變信號和該比較信號之及邏輯運算，以輸出該控制信號。
15. 一種將輸入電壓轉換為輸出電壓之方法，包含：產生相對應該輸出電壓之一迴授信號；根據該迴授信號產生一脈衝寬度調變信號；比較該迴授信號和一參考信號，以產生一比較信號；執行該脈衝寬度調變信號和該比較信號之邏輯連接動作，以產生一控制信號；以及藉由該控制信號交替地開啟和關閉一開關單元，以調整相對應該輸入電壓之一輸入電流而調控該輸出電壓；其中當耦接於該輸出電壓之一負載由一相對輕載改變為一相對重載時，該控制信號根據該負載之變化由具有大致固定之一脈衝寬度改變為具有大致固定之一工作週期。
16. 如請求項15所述之方法，其中當耦接於該輸出電壓之一負載改變時，該脈衝寬度調變信號改變。
17. 如請求項15所述之方法，其中當耦接於該輸出電壓之一負載由一相對重載改變為一相對輕載時，該控制信號根據該負載之變化由具有大致固定之一工作週期改變為具有大致固定之一脈衝寬度。
18. 如請求項15所述之方法，其中該控制信號大致上具有一固定脈衝寬度。
19. 如請求項15所述之方法，其中該控制信號大致上具有一固定工作週期。