TWI439025B - 可減少升降壓式轉換器之切換損失的控制電路及相關的切換式穩壓器 - Google Patents

Description

可減少升降壓式轉換器之切換損失的控制電路及相關的 切換式穩壓器

本發明有關升降壓式轉換器的技術，尤指一種可減少升降壓式轉換器之切換損失的控制電路及相關的切換式穩壓器。

在一般的升降壓式轉換器(buck-boost converter)中，會利用切換式穩壓器在升壓模式(boost mode)、降壓模式(buck mode)、以及升降壓模式(buck-boost mode)三者間流輪切換操作，以將輸入電壓轉換成所需的輸出電壓。

習知的切換式穩壓器包含有四個功率開關。當切換式穩壓器操作在升壓模式時，切換式穩壓器中只有兩個功率開關會輪流導通。當切換式穩壓器操作在降壓模式時，則變成是另兩個功率開關會輪流導通。

當輸入電壓與輸出電壓相近時，習知的切換式穩壓器則會操作在升降壓模式。在升降壓模式中，切換式穩壓器中的四個功率開關都會被交替地導通和截止，使得電路的切換損失(switching loss)增加，因而降低了升降壓式轉換器的能量轉換效率。

有鑑於此，如何降低使用切換式穩壓器的升降壓式轉換器的切換損失，以改善升降壓式轉換器的能量轉換效率，實為業界有待解決的問題。

本說明書提供了一種控制電路，用於控制一升降壓式轉換器中的一切換式穩壓器。該切換式穩壓器包含有一第一開關、一第二開關、一第三開關、和一第四開關。該控制電路包含有：一誤差偵測器，用於產生對應於該切換式穩壓器的一輸出電壓的一誤差信號；一三角波產生器，用於產生一三角波信號；一比較器，耦接於該誤差偵測器和該三角波產生器，用於比較該誤差信號與該三角波信號，以產生一比較信號；一振盪器，用於依據該切換式穩壓器的一輸入電壓產生一振盪信號；以及一控制信號產生器，耦接於該比較器和該振盪器，用於依據該比較信號、該振盪信號、以及一時脈信號來控制該第一、該第二、該第三、和該第四開關的運作，以將該切換式穩壓器設置成只會在一升壓模式和一降壓模式間切換，而不會操作於一升降壓模式。

上述控制電路的優點之一，是可避免切換式穩壓器進入升降壓模式，以使切換式穩壓器中最多只會有兩個開關同時在進行切換，進而有效減少升降壓式轉換器的切換損失，以改善升降壓式轉換器的能量轉換效率。

本說明書另提供了一種用於一升降壓式轉換器的切換式穩壓器的實施例，其包含有：一第一開關，其第一端用於耦接一輸入電壓，且該第一開關的第二端用於耦接一外部電感；一第二開關，其第一端耦接於該第一開關的第二端；一第三開關，其第一端用於 耦接該外部電感；一第四開關，其第一端耦接於該第三開關的第一端，且該第四開關的第二端用於提供一輸出電壓；一誤差偵測器，用於產生對應於該輸出電壓的一誤差信號；一三角波產生器，用於產生一三角波信號；一比較器，耦接於該誤差偵測器和該三角波產生器，用於比較該誤差信號與該三角波信號，以產生一比較信號；一振盪器，用於依據該輸入電壓產生一振盪信號；以及一控制信號產生器，耦接於該比較器和該振盪器，用於依據該比較信號、該振盪信號、以及一時脈信號來控制該第一、該第二、該第三、和該第四開關的運作，以將該切換式穩壓器設置成只會在一升壓模式和一降壓模式間切換，而不會操作於一升降壓模式。

上述切換式穩壓器的優點之一，是只會操作在降壓模式和升壓模式的其中之一，而不會操作在升降壓模式，故可有效減少切換損失，以改善升降壓式轉換器的能量轉換效率。

100‧‧‧升降壓式轉換器

110‧‧‧切換式穩壓器

111、112、113、114‧‧‧開關

120‧‧‧控制電路

121‧‧‧誤差偵測器

122‧‧‧三角波產生器

123‧‧‧比較器

124‧‧‧振盪器

125‧‧‧控制信號產生器

130‧‧‧電感

140‧‧‧電容

150‧‧‧回授電路

210‧‧‧電流感測器

220‧‧‧斜坡電流產生器

252‧‧‧視窗信號產生器

254‧‧‧邏輯電路

圖1為本發明之升降壓式轉換器的一實施例簡化後的功能方塊圖。

圖2是圖1中的控制電路的一實施例簡化後的功能方塊圖。

圖3是圖1中的控制電路於切換式穩壓器的輸入電壓高於輸出電壓時的一運作實施例簡化後的時序圖。

圖4是圖1中的控制電路於切換式穩壓器的輸入電壓低於輸出電壓時的一運作實施例簡化後的時序圖。

以下將配合相關圖式來說明本發明之實施例。在這些圖式中，相同的標號表示相同或類似的元件或流程步驟。

在說明書及後續的請求項當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，同樣的元件可能會用不同的名詞來稱呼。本說明書及後續的請求項並不以名稱的差異來做為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來做為區分的基準。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於…」。另外，「耦接」一詞在此包含任何直接及間接的連接手段。因此，若文中描述一第一元件耦接於一第二元件，則代表該第一元件可直接(包含透過電性連接或無線傳輸、光學傳輸等信號連接方式)連接於該第二元件，或透過其他元件或連接手段間接地電性或信號連接至該第二元件。

在此所使用的「及/或」的描述方式，包含所列舉的其中之一或多個項目的任意組合。另外，除非本說明書中有特別指明，否則任何單數格的用語都同時包含複數格的涵義。

圖1為本發明一實施例的升降壓式轉換器100簡化後的功能方塊圖。升降壓式轉換器100包含有切換式穩壓器110、控制電路120、電感130、電容140、以及回授電路150。切換式穩壓器110用於耦接輸入電壓Vin與電感130，以將輸入電壓Vin轉換成供後級電路使用的輸出電壓Vout。電容140耦接於切換式穩壓器110的輸出端，用於降低輸出電壓Vout中的雜訊。回授電路150耦接於輸出電壓Vout，用於產生與輸出電壓Vout大小相對應的回授信號FB。實作上，回授電路150可以是簡單的分壓電阻，也可以用其他的電 路架構實現。

當控制電路120耦接於切換式穩壓器110時，控制電路120可依據輸入電壓Vin和回授信號FB產生第一控制信號CS1和第二控制信號CS2，以控制切換式穩壓器110的運作。

如圖1所示，切換式穩壓器110包含有第一開關111、第二開關112、第三開關113、和第四開關114。開關111的第一端用於耦接輸入電壓Vin，且開關111的第二端用於耦接電感130。開關112的第一端耦接於開關111的第二端，且開關112的第二端耦接於固定電位(例如接地端)。開關113的第一端用於耦接電感130，且開關113的第二端耦接於固定電位(例如接地端)。開關114的第一端耦接於開關113的第一端，且開關114的第二端用於提供輸出電壓Vout。

在本實施例中，控制電路120包含有誤差偵測器121、三角波產生器(ramp signal generator)122、比較器123、振盪器124、及控制信號產生器125。誤差偵測器121用於產生對應於切換式穩壓器110的輸出電壓Vout的誤差信號EA。例如，誤差偵測器121可依據回授信號FB來產生誤差信號EA。三角波產生器122用於產生三角波信號RAMP。比較器123的兩輸入端分別耦接於誤差偵測器121和三角波產生器122。比較器123用於比較誤差信號EA和三角波信號RAMP，以產生比較信號CMP。振盪器124用於依據切換式穩壓器110的輸入電壓Vin產生振盪信號OSC，以使振盪信號OSC的負載比(duty ratio)與輸入電壓Vin的大小呈正相關。例如，當輸入電壓Vin降低時，振盪器124可將振盪信號OSC的負載比減小；而當輸入電壓Vin升高時，振盪器124可將振盪信號OSC的負載比加大 。控制信號產生器125耦接於比較器123、振盪器124、以及時脈信號CLK，用於依據比較信號CMP、振盪信號OSC、以及時脈信號CLK來產生控制信號CS1和CS2，來控制開關111~114的運作，以將切換式穩壓器110設置成只會在升壓模式或降壓模式中進行操作，而不會操作於升降壓模式。

在本說明書中，「升壓模式」指的是切換式穩壓器110在開關113和開關114被輪流導通、但開關111被維持在導通狀態、且開關112被維持在截止狀態的時段中的運作。「降壓模式」指的是切換式穩壓器110在開關111和開關112被輪流導通、但開關113被維持在截止狀態、且開關114被維持在導通狀態的時段中的運作。「升降壓模式」指的是切換式穩壓器110在開關111~114都會被交替地導通和截止的時段中的運作。

依據電路設計的需要而定，也可以在控制信號產生器125與切換式穩壓器110間設置適當的驅動電路。

實作上，電感130可以設置於切換式穩壓器110的外部，也可以整合在切換式穩壓器110中。另外，控制電路120和切換式穩壓器110兩者可以分別設置在不同的電路晶片中。或者，也可以將控制電路120整合在切換式穩壓器110中，並以單一電路晶片的形式來實現。

以下將搭配圖2到圖4來進一步說明控制電路120的實施與運作方式。

圖2為圖1中的控制電路120的一實施例簡化後的功能方塊圖。一般而言，升降壓式轉換器100中通常會設置有電流感測器210，用 於產生與切換式穩壓器110的輸入電壓Vin大小相對應的感測信號Is。因此，在圖2的實施例中，控制電路120的三角波產生器122可利用斜坡電流產生器(ramp current generator)220來產生斜坡電流Ir，並將斜坡電流Ir與感測信號Is疊加以形成三角波信號RAMP。

在圖2的實施例中，控制信號產生器125包含有視窗信號產生器252和邏輯電路254。視窗信號產生器252耦接於比較器123的輸出端和時脈信號CLK，用於依據比較信號CMP和時脈信號CLK產生視窗信號WS。邏輯電路254耦接於振盪器124和視窗信號產生器252，用於依據振盪信號OSC和視窗信號WS來產生控制信號CS1和CS2，以控制開關111~114的運作。

在本實施例中，控制信號CS1用於控制開關111和開關112的運作，而控制信號CS2則用於控制開關113和開關114的運作，其中開關111的控制邏輯與開關112相反，而開關113的控制邏輯則是與開關114相反。

當切換式穩壓器110的輸入電壓Vin高於所需的輸出電壓Vout時，控制電路120會將切換式穩壓器110設置成主要操作在降壓模式。當切換式穩壓器110的輸入電壓Vin低於所需的輸出電壓Vout時，控制電路120則會將切換式穩壓器110設置成主要操作在升壓模式。

圖3為圖2中的控制電路120於切換式穩壓器110的輸入電壓Vin高於所需的輸出電壓Vout時的一運作實施例簡化後的時序圖。如圖3所示，比較器123會將誤差信號EA以及三角波信號RAMP進行比較 ，以產生比較信號CMP。

控制信號產生器125中的視窗信號產生器252會於時脈信號CLK的第一邊緣觸發時，切換視窗信號WS的邏輯準位，並於比較信號CMP的第二邊緣觸發時，切換視窗信號WS的邏輯準位。例如，在圖3的實施例中，視窗信號產生器252會於時脈信號CLK的上升緣觸發時，將視窗信號WS切換至高邏輯準位，並於比較信號CMP的下降緣觸發時，將視窗信號WS切換至低邏輯準位。

當切換式穩壓器110的輸入電壓Vin高於所需的輸出電壓Vout時，控制信號產生器125中的邏輯電路254會利用控制信號CS1輪流導通開關111和開關112，並同時將控制信號CS2維持在固定電位(例如圖3中繪示的低電位)，以使開關113維持在截止狀態，並使開關114維持在導通狀態。

例如，在圖3的實施例中，當振盪信號OSC和視窗信號WS的邏輯準位相同時，邏輯電路254會將控制信號CS1設置成一第一電位(例如圖3中繪示的高電位)，以導通開關111並同時截止開關112。當振盪信號OSC和視窗信號WS的邏輯準位相異時，邏輯電路254則會將控制信號CS1切換至一第二電位(例如圖3中繪示的低電位)，以導通開關112並同時截止開關111。隨著振盪信號OSC和視窗信號WS的邏輯準位變動，邏輯電路254產生的控制信號CS1會在高電位與低電位間交替地切換，以使開關111和開關112輪流導通。

在前述的運作過程中，除了因電路元件(例如開關111~114)的非理想性導致電路切換延遲的些許時間外，切換式穩壓器110主要會操作在降壓模式。

圖4為圖2中的控制電路120於切換式穩壓器110的輸入電壓Vin低於所需的輸出電壓Vout時的一運作實施例簡化後的時序圖。

控制信號產生器125中的視窗信號產生器252同樣會於時脈信號CLK的第一邊緣觸發時，切換視窗信號WS的邏輯準位，並於比較信號CMP的第二邊緣觸發時，切換視窗信號WS的邏輯準位。例如，在圖4的實施例中，視窗信號產生器252會於時脈信號CLK的上升緣觸發時，將視窗信號WS切換至高邏輯準位，並於比較信號CMP的下降緣觸發時，將視窗信號WS切換至低邏輯準位。

當切換式穩壓器110的輸入電壓Vin低於所需的輸出電壓Vout時，控制信號產生器125中的邏輯電路254會利用控制信號CS2輪流導通開關113和開關114，並同時將控制信號CS1維持在固定電位(例如圖4中繪示的高電位)，以使開關111維持在導通狀態，並使開關112維持在截止狀態。

例如，在圖4的實施例中，當振盪信號OSC和視窗信號WS的邏輯準位相異時，邏輯電路254會於將控制信號CS2設置成一第三電位(例如圖4中繪示的高電位)，以導通開關113並同時截止開關114。當振盪信號OSC和視窗信號WS的邏輯準位相同時，邏輯電路254則會將控制信號CS2切換至一第四電位(例如圖4中繪示的低電位)，以導通開關114並同時截止開關113。隨著振盪信號OSC和視窗信號WS的邏輯準位變動，邏輯電路254產生的控制信號CS2會在高電位與低電位間交替地切換，以使開關113和開關114輪流導通。

由前述圖3和圖4的時序圖說明可知，當切換式穩壓器110的輸入電壓Vin高於所需的輸出電壓Vout時，控制電路120會持續截止開 關113並同時持續導通開關114，而不交替切換開關113和114。反之，當切換式穩壓器110的輸入電壓Vin低於所需的輸出電壓Vout時，控制電路120會持續導通開關111並同時持續截止開關112，而不交替切換開關111和112。

在前述的運作過程中，除了因電路元件(例如開關111~114)的非理想性導致電路切換延遲的些許時間外，切換式穩壓器110主要會操作在升壓模式。

由於在控制電路120中只利用單一比較器123對比較誤差信號EA和三角波信號RAMP進行比較，以產生控制信號產生器125所需的比較信號CMP，因此，當切換式穩壓器110的輸入電壓Vin接近所需的輸出電壓Vout時，控制信號產生器125也只會進行前述圖3或圖4所描述的運作，而將切換式穩壓器110設置成操作在降壓模式和升壓模式的其中之一。亦即，當切換式穩壓器110的輸入電壓Vin高於所需的輸出電壓Vout時，即使輸入電壓Vin很接近輸出電壓Vout，控制電路120也只會將切換式穩壓器110設置成主要操作在降壓模式。反之，當切換式穩壓器110的輸入電壓Vin低於所需的輸出電壓Vout時，即使輸入電壓Vin很接近輸出電壓Vout，控制電路120也只會將切換式穩壓器110設置成主要操作在升壓模式。因此，在前揭的控制電路120的控制下，切換式穩壓器110只會在升壓模式和降壓模式兩者間進行切換，而不會操作於升降壓模式。如此一來，便能有效減少升降壓式轉換器100的切換損失，以改善升降壓式轉換器100的能量轉換效率。

在前揭控制電路120的控制下，升降壓式轉換器100於輸入電壓Vin與輸出電壓Vout相近時的電感電流斜率，也會比傳統的升降 壓式轉換器更平順。這有助於降低切換式穩壓器110的導通損失(conduction loss)，並進一步提高升降壓式轉換器100的能量轉換效率。

此外，前揭控制電路120利用單一比較器123來比較誤差信號EA和三角波信號RAMP的架構，也有助於精簡所需的電路面積。

在前述的實施例中，三角波產生器122產生的三角波信號RAMP是以電流形式的信號實現，但這只是為了方便說明所舉的一種實施例，而非侷限三角波產生器122的實際實施方式。例如，也可以將三角波產生器122設計成用來產生電壓形式的三角波信號。實作上，三角波產生器122可以依據切換式穩壓器110的輸入電壓Vin來產生三角波信號，也可以改成依據切換式穩壓器110的輸出電壓Vout來產生三角波信號。或者，三角波產生器122也可以獨立產生三角波信號，而不以輸入電壓Vin和輸出電壓Vout做為參考依據。

另外，在前述的各實施例中，切換式穩壓器110中有部分開關的控制信號是以高態有效(active high)的形式表示，而其他開關的控制信號則是以低態有效(active low)的形式表示，但這只是為了方便舉例說明，並非侷限這些開關的控制信號的實際實施方式。

另外，在前揭的控制電路120中，振盪器124隨著輸入電壓Vin改變振盪信號OSC的負載比，使得振盪信號OSC的負載比與輸入電壓Vin的大小呈正相關的做法，可以提高控制電路120對於輸入電壓Vin變化的響應速度。但這只是一實施例，而非侷限振盪器124的 實際實施方式。例如，在某些實施例中，也可以將振盪器124改設計成用來產生具有固定負載比的振盪信號，以降低電路的複雜度。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明請求項所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100‧‧‧升降壓式轉換器

110‧‧‧切換式穩壓器

111、112、113、114‧‧‧開關

120‧‧‧控制電路

121‧‧‧誤差偵測器

122‧‧‧三角波產生器

123‧‧‧比較器

124‧‧‧振盪器

125‧‧‧控制信號產生器

130‧‧‧電感

140‧‧‧電容

150‧‧‧回授電路

Claims (18)

1. 一種控制電路，用於控制一升降壓式轉換器中的一切換式穩壓器，其中該切換式穩壓器包含有一第一開關、一第二開關、一第三開關、和一第四開關，該控制電路包含有：一誤差偵測器，用於產生對應於該切換式穩壓器的一輸出電壓的一誤差信號；一三角波產生器，用於產生一三角波信號；一比較器，耦接於該誤差偵測器和該三角波產生器，用於比較該誤差信號與該三角波信號，以產生一比較信號；一振盪器，用於產生一振盪信號；以及一控制信號產生器，耦接於該比較器和該振盪器，用於依據該比較信號、該振盪信號、以及一時脈信號來控制該第一、該第二、該第三、和該第四開關的運作，以將該切換式穩壓器設置成只會在一升壓模式和一降壓模式間切換，而不會操作於一升降壓模式。
2. 如請求項1所述的控制電路，其中該控制信號產生器包含有：一視窗信號產生器，耦接於該比較器，用於依據該比較信號和該時脈信號產生一視窗信號；以及一邏輯電路，耦接於該振盪器和該視窗信號產生器，用於依據該振盪信號和該視窗信號產生多個控制信號，以控制該第一、該第二、該第三、和該第四開關的運作。
3. 如請求項2所述的控制電路，其中該視窗信號產生器會於該時脈信 號的一第一邊緣觸發時，切換該視窗信號的邏輯準位，並於該比較信號的一第二邊緣觸發時，切換該視窗信號的邏輯準位。
4. 如請求項3所述的控制電路，其中該視窗信號產生器會於該時脈信號的上升緣觸發時，將該視窗信號切換至一第一邏輯準位，並於該比較信號的下降緣觸發時，將該視窗信號切換至一第二邏輯準位。
5. 如請求項2所述的控制電路，其中若該控制信號產生器將該切換式穩壓器設置成操作在該降壓模式，則該邏輯電路會於該振盪信號和該視窗信號的邏輯準位相同時，將用來控制該第一開關和該第二開關的一第一控制信號設置成一第一電位，並於該振盪信號和該視窗信號的邏輯準位相異時，將該第一控制信號切換至一第二電位。
6. 如請求項5所述的控制電路，其中若該控制信號產生器將該切換式穩壓器設置成操作在該升壓模式，則該邏輯電路會於該振盪信號和該視窗信號的邏輯準位相異時，將用來控制該第三開關和該第四開關的一第二控制信號設置成一第三電位，並於該振盪信號和該視窗信號的邏輯準位相同時，將該第二控制信號切換至一第四電位。
7. 如請求項2所述的控制電路，其中該三角波產生器包含有：一斜坡電流產生器，用於產生一斜坡電流；其中該斜坡電流會與大小和一輸入電壓相對應的一感測信號疊加形成該三角波信號。
8. 如請求項1所述的控制電路，其中該三角波產生器包含有：一斜坡電流產生器，用於產生一斜坡電流；其中該斜坡電流會與大小和一輸入電壓相對應的一感測信號疊加 形成該三角波信號。
9. 如請求項1所述的控制電路，其中該振盪器會依據一輸入電壓產生該振盪信號，以使該振盪信號的負載比與該輸入電壓的大小呈正相關。
10. 一種用於一升降壓式轉換器的切換式穩壓器，其包含有：一第一開關，其第一端用於耦接一輸入電壓，且該第一開關的第二端用於耦接一外部電感；一第二開關，其第一端耦接於該第一開關的第二端；一第三開關，其第一端用於耦接該外部電感；一第四開關，其第一端耦接於該第三開關的第一端，且該第四開關的第二端用於提供一輸出電壓；一誤差偵測器，用於產生對應於該輸出電壓的一誤差信號；一三角波產生器，用於產生一三角波信號；一比較器，耦接於該誤差偵測器和該三角波產生器，用於比較該誤差信號與該三角波信號，以產生一比較信號；一振盪器，用於產生一振盪信號；以及一控制信號產生器，耦接於該比較器和該振盪器，用於依據該比較信號、該振盪信號、以及一時脈信號來控制該第一、該第二、該第三、和該第四開關的運作，以將該切換式穩壓器設置成只會在一升壓模式和一降壓模式間切換，而不會操作於一升降壓模式。
11. 如請求項10所述的切換式穩壓器，其中該控制信號產生器包含有：一視窗信號產生器，耦接於該比較器，用於依據該比較信號和該時脈信號產生一視窗信號；以及 一邏輯電路，耦接於該振盪器和該視窗信號產生器，用於依據該振盪信號和該視窗信號產生多個控制信號，以控制該第一、該第二、該第三、和該第四開關的運作。
12. 如請求項11所述的切換式穩壓器，其中該視窗信號產生器會於該時脈信號的一第一邊緣觸發時，切換該視窗信號的邏輯準位，並於該比較信號的一第二邊緣觸發時，切換該視窗信號的邏輯準位。
13. 如請求項12所述的切換式穩壓器，其中該視窗信號產生器會於該時脈信號的上升緣觸發時，將該視窗信號切換至一第一邏輯準位，並於該比較信號的下降緣觸發時，將該視窗信號切換至一第二邏輯準位。
14. 如請求項11所述的切換式穩壓器，其中若該控制信號產生器將該切換式穩壓器設置成操作在該降壓模式，則該邏輯電路會於該振盪信號和該視窗信號的邏輯準位相同時，將用來控制該第一開關和該第二開關的一第一控制信號設置成一第一電位，並於該振盪信號和該視窗信號的邏輯準位相異時，將該第一控制信號切換至一第二電位。
15. 如請求項14所述的切換式穩壓器，其中若該控制信號產生器將該切換式穩壓器設置成操作在該升壓模式，則該邏輯電路會於該振盪信號和該視窗信號的邏輯準位相異時，將用來控制該第三開關和該第四開關的一第二控制信號設置成一第三電位，並於該振盪信號和該視窗信號的邏輯準位相同時，將該第二控制信號切換至一第四電位。
16. 如請求項11所述的切換式穩壓器，其中該三角波產生器包含有：一斜坡電流產生器，用於產生一斜坡電流； 其中該斜坡電流會與大小和該輸入電壓相對應的一感測信號疊加形成該三角波信號。
17. 如請求項10所述的切換式穩壓器，其中該三角波產生器包含有：一斜坡電流產生器，用於產生一斜坡電流；其中該斜坡電流會與大小和該輸入電壓相對應的一感測信號疊加形成該三角波信號。
18. 如請求項10所述的切換式穩壓器，其中該振盪器會依據該輸入電壓產生該振盪信號，以使該振盪信號的負載比與該輸入電壓的大小呈正相關。