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TWI876785B - 具循環電流的混合型切換式轉換電路 - Google Patents

具循環電流的混合型切換式轉換電路 Download PDF

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TWI876785B
TWI876785B TW112149787A TW112149787A TWI876785B TW I876785 B TWI876785 B TW I876785B TW 112149787 A TW112149787 A TW 112149787A TW 112149787 A TW112149787 A TW 112149787A TW I876785 B TWI876785 B TW I876785B
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尤俊仁
楊智仁
余道承
鍾政緯
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立錡科技股份有限公司
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Abstract

一種切換式轉換電路包括：功率級電路，包括複數功率開關，複數功率開關包括環流開關，環流開關並聯耦接於電感器，電感器與環流開關於環流開關導通時形成環流回路；及電流感測電路，用以產生電流感測訊號；功率開關用以切換一切換節點上的切換節點電壓，藉此轉換輸入電源以產生輸出電源；於每一切換週期中的環流期間內，環流開關根據電流感測訊號控制為導通，藉此切換節點電壓導通於輸出電壓，於穩態時，電感電流以直流電流位準於環流回路中循環流通，直流電流位準低於電感電流的峰值。

Description

具循環電流的混合型切換式轉換電路
本發明係有關一種切換式轉換電路，特定而言係有關於具循環電流的混合型切換式轉換電路。
圖1顯示習知之切換式轉換電路的電路示意圖。如圖1所示，習知之切換式轉換電路101包括複數功率開關S1~S3、S6~S7。複數功率開關S1~S3、S6~S7用以根據操作訊號VS1~VS3、VS6~VS7切換電感器L1，藉此轉換輸入電壓VIN以產生輸出電壓VOUT。電感器L1耦接於切換節點LX與輸出電壓VOUT之間。複數功率開關S1~S3、S6~S7包括上橋開關S3、S6、接地開關S2、下橋開關S7及泵壓開關S1。上橋開關S6耦接於電容器C1的一端Nc1與切換節點LX之間，上橋開關S3耦接於電容器C1的一端Nc1與輸入電壓VIN之間，而接地開關S2耦接於電容器C1的另一端Nc2與接地電位之間。下橋開關S7耦接於切換節點LX與接地電位之間，而泵壓開關S1耦接於電容器C1的另一端Nc2與輸入電壓VIN之間。複數功率開關S1~S3、S6~S7更用以切換電容器C1，其中電容器C1的一端Nc1耦接於切換節點LX。上述習知之切換式轉換電路101補償器設計困難，且輸出漣波大、效率低。
有鑑於此，本發明提出一種具循環電流的混合型切換式轉換電路。
於一觀點中，本發明提供了一種切換式轉換電路，用以轉換一輸入電源產生一輸出電源，該輸入電源包括一輸入電壓，該輸出電源包括一輸出電壓，該切換式轉換電路包括：一回授補償電路，用以根據相關於該輸出電源的一回授訊號與一參考訊號之差值，產生一回授補償訊號；一調變電路，用以根據該回授補償訊號與具有一切換週期的一斜坡訊號產生一調變訊號；一功率級電路，包括複數功率開關，該複數功率開關用以根據該調變訊號切換一電感器，藉此轉換該輸入電源以產生該輸出電源，其中該電感器耦接於一切換節點與該輸出電源之間，其中該複數功率開關包括一環流開關，其中該環流開關並聯耦接於該電感器，其中該電感器與該環流開關於該環流開關導通時形成一環流回路；一電流感測電路，用以產生一電流感測訊號，其中該電流感測訊號相關於流經該電感器的一電感電流；以及一控制與驅動電路，用以根據該調變訊號及該電流感測訊號產生一驅動訊號，用以控制該複數功率開關之切換；其中於一降壓(step-down)模式中，該複數功率開關用以切換該切換節點，使得該切換節點上的一切換節點電壓於該輸入電壓與一接地電位之間切換，藉此轉換該輸入電源以產生該輸出電源，該輸入電壓高於或等於該輸出電壓；其中於該降壓模式中，於每一切換週期中的一環流期間內，該環流開關控制為導通，藉此該切換節點電壓導通於該輸出電壓，其中於穩態時，該電感電流以一直流電流位準於該環流回路中循環流通(circulate)，其中該直流電流位準低於該電感電流的一峰值。
於一實施例中，該複數功率開關更用以切換一電容器，其中該電容器的一端耦接於該切換節點；其中於一升壓(step-up)模式中，該複數功率開關用以切換該電容器與該電感器，使得該切換節點電壓於一增壓電壓(pumped voltage)與該輸入電壓之間切換，藉此轉換該輸入電源以產生該輸出電源，其中該增壓電壓高於該輸入電壓，且該增壓電壓相關於該輸入電壓與該電容器上的一電容跨壓，其中該輸出電壓介於該增壓電壓與該輸入電壓之間；其中於該升壓模式中，於每一該切換週期中的該環流期間內，該環流開關控制為導通，藉此該切換節點電壓導通於該輸出電壓，該電感電流以該直流電流位準於該環流回路中循環流通，其中於穩態時，該直流電流位準低於該電感電流的一峰值。
於一實施例中，於一升降壓模式中，該複數功率開關更用以切換該電容器與該電感器，使得該切換節點電壓於該增壓電壓、該輸入電壓與該接地電位之間切換，藉此轉換該輸入電源以產生該輸出電源，其中該輸出電壓高於、低於或等於該輸入電壓。
於一實施例中，該斜坡訊號根據具有該切換週期的一時脈訊號而產生，其中該切換週期為一固定週期，進而使得該調變訊號具有該固定週期。
於一實施例中，該調變電路用以比較該回授補償訊號與具有該固定週期的該斜坡訊號以決定該調變訊號的一占空比，藉此調節該輸出電源的一電氣特性至一目標值。
於一實施例中，該切換式轉換電路更包括一取樣維持電路；其中於該降壓模式中，該取樣維持電路用以於該電感器開始去磁後經一預設延遲時間之時點取樣維持該電流感測訊號，以取得一降壓電流取樣位準，其中於當個該切換週期中，當該電流感測訊號下降到達該降壓電流 取樣位準時，起始當個該切換週期中對應的該環流期間且導通該環流開關；及/或其中於該升壓模式中，該取樣維持電路用以於該電感器開始去磁後經一預設延遲時間之時點取樣維持該電流感測訊號，以取得一升壓電流取樣位準，其中於當個該切換週期中，當該電流感測訊號下降到達該升壓電流取樣位準時，起始當個該切換週期中對應的該環流期間且導通該環流開關。
於一實施例中，於該降壓模式或該升壓模式中，於對應的該環流期間，該電感器與該環流開關於該環流開關導通時形成該環流回路，使得該電感器與一輸出電容器所產生的雙極點(double pole)得以至少部分往單極點(single pole)特性退化(degenerate)，進而提高該切換式轉換電路的穩定度與頻寬。
於一實施例中，該複數功率開關更包括：一上橋開關，耦接於該輸入電源與該切換節點之間；一接地開關，耦接於該電容器的另一端與該接地電位之間；一下橋開關，耦接於該切換節點與該電容器的該另一端之間，或者耦接於該切換節點與該接地電位之間；以及一泵壓開關，耦接於該電容器的該另一端與該輸入電源之間。
於一實施例中，於一旁通模式中，該上橋開關恆導通，以藉由該電感器將該輸入電源與該輸出電源旁通。
於一實施例中，該環流期間之時間長度相關於該切換式轉換電路的穩定度，及/或相關於該切換式轉換電路的電源轉換效率。
於一實施例中，於下橋開關耦接於該切換節點與該電容器的該另一端之間的情況下，該下橋開關與該接地開關分別為具有相同耐壓之電晶體。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
10,10B:功率級電路
101,102A,102B,108:切換式轉換電路
109,110:部分控制與驅動電路
20:回授補償電路
30,30’:轉換控制電路
31,310:調變電路
31’:比較器
32:電流感測電路
33:控制與驅動電路
33’:邏輯驅動電路
35:環流比較器
36:取樣維持電路
37:固定時間產生電路
38:斜坡訊號產生電路
39:狀態控制電路
C1:電容器
CLK:時脈訊號
Co:輸出電容器
CPC:環流比較結果
CPO:比較結果
Csh:取樣維持電容
DT:延遲時間
EAO:回授補償訊號
GND:接地電位
IL:電感電流
IOUT:輸出電流
L1:電感器
LX:切換節點
Nc,Nc2:另一端
Nc1:一端
S1:泵壓開關/功率開關
S2:接地開關/功率開關
S3,S6:上橋開關/功率開關
S4,S4’,S7:下橋開關/功率開關
S5:環流開關/功率開關
SCOT:固定時間訊號
Sdrv:驅動訊號
SIL:電流感測訊號
SIL_dcd:降壓電流取樣位準
SIL_dcu:升壓電流取樣位準
Spw:調變訊號
Ssh:取樣維持開關
ST1~ST10:狀態
T:切換週期
T1:第一切換週期
T2:第二切換週期
t0~t6:時點
Tpw:脈寬
Trig:觸發訊號
VC1:電容跨壓
Vfb:回授訊號
VIN:輸入電壓
VLX:切換節點電壓
VOUT:輸出電壓
VRAMP,VRAMP’,VRAMP”:斜坡訊號
Vref:參考訊號
VS1~VS7,VS4’:操作訊號
Vsh:取樣維持控制訊號
圖1顯示習知之切換式轉換電路的電路示意圖。
圖2A係根據本發明之一實施例顯示切換式轉換電路的電路示意圖。
圖2B係根據本發明之另一實施例顯示切換式轉換電路的電路示意圖。
圖3A係根據本發明之一實施例顯示切換式轉換電路之轉換控制電路之電路示意圖。
圖3B係根據本發明之另一實施例顯示切換式轉換電路之轉換控制電路之電路示意圖。
圖3C係根據本發明之又一實施例顯示切換式轉換電路之轉換控制電路之電路示意圖。
圖4係根據本發明之一實施例顯示切換式轉換電路之用於環流開關之部分控制與驅動電路之電路示意圖。
圖5係根據本發明之另一實施例顯示切換式轉換電路之用於環流開關之部分控制與驅動電路之電路示意圖。
圖6A~圖6C、圖7A~圖7C、圖8A~圖8C、圖9係根據本發明之實施例顯示切換式轉換電路之電路示意圖及操作示意圖。
圖10A~圖10C、圖11A~圖11C、圖12A~圖12C、圖13係根據本發明之實施例顯示切換式轉換電路之電路示意圖及操作示意圖。
圖14A、圖14B及圖14C係根據本發明之一實施例顯示切換式轉換電路之相關訊號之訊號波形示意圖。
圖15係根據本發明之一實施例顯示本發明與習知技藝於單位增益頻寬及相位餘裕之比較圖。
本發明中的圖式均屬示意，主要意在表示各電路間之耦接關係，以及各訊號波形之間之關係，至於電路、訊號波形與頻率則並未依照比例繪製。
圖2A係根據本發明之一實施例顯示切換式轉換電路的電路示意圖。如圖2A所示，本發明之切換式轉換電路102A用以轉換輸入電源產生輸出電源。輸入電源包括輸入電壓VIN，而輸出電源包括輸出電壓VOUT。切換式轉換電路102A包括功率級電路10。於一實施例中，功率級電路10包括複數功率開關S1~S5。請同時參照圖2A及圖3A，複數功率開關S1~S5受到根據調變訊號Spw所產生的驅動訊號Sdry之控制，以切換電感器L1，藉此轉換輸入電源以產生輸出電源，前述調變訊號Spw與驅動訊號Sdry之細節將詳述於後。再請參照圖2A，電感器L1耦接於切換節點LX與輸出電源之間。複數功率開關S1~S5包括環流開關S5。環流開關S5並聯耦接於電感器L1，其中電感器L1與環流開關S5於環流開關S5導通時形成環流回路。複數功率開關S1~S5更包括上橋開關S3、接地開關S2、下橋開關S4及泵壓開關S1。如圖2A所示，複數功率開關S1~S5更用以切換電容器C1，其中電容器C1的一端耦接於切換節點LX。上橋開關S3耦接於輸入電源與切換節點LX之間，而接地開關S2耦接於電容器C1的另一端Nc與接地電位 之間。下橋開關S4耦接於切換節點LX與電容器C1的另一端Nc之間，而泵壓開關S1耦接於電容器C1的另一端Nc與輸入電源之間。
圖2B係根據本發明之另一實施例顯示切換式轉換電路的電路示意圖。本實施例與圖2A之實施例之差異在於，本實施例的功率級電路10B之下橋開關S4’耦接於切換節點LX與接地電位之間。
值得注意的是，根據本發明，前述具有環流期間的功率級電路10或10B可搭配多種模式之轉換控制電路，以下為數種非限制性的實施例。
圖3A係根據本發明之一實施例顯示切換式轉換電路之轉換控制電路之電路示意圖。本實施例之功率級電路10係採用圖2A之功率級電路。本實施例之轉換控制電路係控制功率級電路10操作於電壓模式(voltage mode)。如圖3A所示，本發明之切換式轉換電路108更包括轉換控制電路30。轉換控制電路30包括回授補償電路20、調變電路31、電流感測電路32及控制與驅動電路33。回授補償電路20用以根據相關於輸出電源的回授訊號Vfb與參考訊號Vref之差值，產生回授補償訊號EAO。調變電路31用以根據例如比較回授補償訊號EAO與具有一切換週期的斜坡訊號VRAMP產生調變訊號Spw。電流感測電路32用以產生電流感測訊號SIL，其中電流感測訊號SIL相關於流經電感器L1的電感電流IL，在以下的實施例中，電流感測訊號SIL係正相關於流經電感器L1的電感電流IL，但不以此限制本發明的最大範圍。控制與驅動電路33用以根據調變訊號Spw、時脈訊號CLK及電流感測訊號SIL產生驅動訊號Sdrv，用以控制複數功率開關S1~S5之切換。如圖3A所示，驅動訊號Sdry包括操作訊號VS1~VS5。
圖3B係根據本發明之另一實施例顯示切換式轉換電路之轉換控制電路之電路示意圖。本實施例之轉換控制電路30係控制功率級電路 10操作於電流模式(current mode)。本實施例與圖3A相似，其差異在於，本實施例之斜坡訊號VRAMP’為斜坡訊號VRAMP與電流感測訊號SIL之疊加。
圖3C係根據本發明之又一實施例顯示切換式轉換電路之轉換控制電路之電路示意圖。本實施例之轉換控制電路30’係控制功率級電路10操作於固定導通時間模式(constant ON-time mode)。本實施例與圖3A之實施例相似，其差異在於，本實施例之轉換控制電路30’更包括固定時間產生電路37、斜坡訊號產生電路38及狀態控制電路39。於本實施例中，調變電路310包括比較器31’、固定時間產生電路37及狀態控制電路39。斜坡訊號產生電路38用以根據輸入電壓VIN及輸出電壓VOUT產生斜坡訊號VRAMP”。比較器31’用以比較回授補償訊號EAO與斜坡訊號VRAMP”，以產生比較結果CPO。固定時間產生電路37用以根據比較結果CPO產生固定時間訊號SCOT。狀態控制電路39用以根據比較結果CPO及固定時間訊號SCOT產生具有固定導通時間的調變訊號Spw。
圖4係根據本發明之一實施例顯示切換式轉換電路之用於環流開關之部分控制與驅動電路之電路示意圖。如圖4所示，本發明之用於環流開關S5之部分控制與驅動電路109包括邏輯驅動電路33’、環流比較器35及取樣維持電路(S/H)36。取樣維持電路(S/H)36根據電流感測訊號SIL及取樣維持控制訊號Vsh產生降壓電流取樣位準SIL_dcd(於降壓模式時，下同)或升壓電流取樣位準SIL_dcu(於升壓模式時，下同)。環流比較器35比較電流感測訊號SIL及降壓電流取樣位準SIL_dcd或升壓電流取樣位準SIL_dcu以產生環流比較結果CPC。邏輯驅動電路33’根據環流比較結果CPC產生操作訊號VS5。
圖5係根據本發明之一具體實施例顯示切換式轉換電路之用於環流開關之部分控制與驅動電路之電路示意圖。本實施例中，取樣維持電路36包括取樣維持開關Ssh及取樣維持電容Csh。取樣維持開關Ssh根據取樣維持控制訊號Vsh進行切換，以於取樣維持控制訊號Vsh轉為禁能的時點，取樣相關於電流感測訊號SIL之訊號，而於取樣維持電容Csh上維持如前述的降壓電流取樣位準SIL_dcd或升壓電流取樣位準SIL_dcu。
圖6A~圖6C、圖7A~圖7C、圖8A~圖8C、圖9係根據本發明之實施例顯示切換式轉換電路之電路示意圖及操作示意圖，其中圖6A~圖6C對應於升壓模式(step-up)，圖7A~圖7C對應於降壓模式(step-down)，圖8A~圖8C對應於升降壓模式，圖9則對應於旁通模式。請同時參照圖6A及圖14A所示，於狀態ST1中，接地開關S2、上橋開關S3、下橋開關S4、環流開關S5切換為不導通，而泵壓開關S1根據操作訊號VS1切換為導通，使得電容器C1與電感器L1串聯連接於輸入電壓VIN與輸出電壓VOUT之間。值得注意的是，在對應於圖2A的實施例中，下橋開關S4例如在圖6A的狀態ST1中，係與接地開關S2串聯承受2*VIN的電壓應力，具體而言，下橋開關S4與接地開關S2係分別僅承受輸入電壓VIN的電壓應力，而無需單獨承受2*VIN的電壓應力，因此可採用較低壓的製程，例如下橋開關S4與接地開關S2可分別為具有相同耐壓的電晶體，因而可節省電路成本與尺寸。
請同時參照圖6B及圖14A所示，於狀態ST2中，泵壓開關S1、下橋開關S4、環流開關S5切換為不導通，而接地開關S2、上橋開關S3根據操作訊號VS2、VS3切換為導通，使得電容器C1電連接於輸入電壓VIN與接地電位之間，且使得切換節點LX耦接至輸入電壓VIN。
具體而言，如圖6A、6B及圖14A所示，於升壓(step-up)模式中，複數功率開關S1~S5用以切換電容器C1與電感器L1，於狀態ST2時以 輸入電壓VIN對電容器C1充電，同時切換節點電壓VLX電連接於輸入電壓VIN，且於狀態ST1時，將電容器C1的另一端Nc電連接至輸入電壓VIN，藉此將電容器C1上的電容跨壓VC1疊加於輸入電壓VIN，進而使得切換節點電壓VLX為一增壓電壓，換言之，複數功率開關S1~S5藉由上述操作使得切換節點電壓VLX於增壓電壓(pumped voltage)與輸入電壓VIN之間切換，藉此轉換輸入電源以產生輸出電源。其中增壓電壓高於輸入電壓VIN。由於在穩態下，電容器C1上的電容跨壓VC1為輸入電壓VIN之位準，因此增壓電壓係等於輸入電壓VIN之2倍。就一觀點而言，於升壓模式下，切換電容式部分藉由泵壓(charge pump)而達成升壓(step-up)之功效，而切換電感式轉換部分雖為降壓操作，然輸出電壓VOUT可高於輸入電壓VIN，因此就輸入電壓VIN轉換為輸出電壓VOUT的電壓轉換而言，仍可達成升壓之功效。
請同時參照圖6C及圖14A，於狀態ST3中，泵壓開關S1、接地開關S2、上橋開關S3、下橋開關S4切換為不導通，而環流開關S5根據操作訊號VS5切換為導通，使得電感電流IL於環流開關S5與電感器L1所形成之環流回路中循環流通。如圖6C之狀態ST3所示，於升壓模式中，於每一切換週期中的環流期間內，環流開關S5控制為導通，藉此切換節點電壓VLX導通於輸出電壓VOUT，電感電流IL以一直流電流位準於環流回路中循環流通。關於環流期間與直流電流位準的細節將詳述於後。
就一觀點而言，根據本發明，於升壓模式中，複數功率開關S1~S5更控制功率級電路切換於狀態ST1、ST2與ST3之間，使得切換節點電壓VLX於增壓電壓(pumped voltage)、輸入電壓VIN與輸出電壓VOUT之間切換，藉此轉換輸入電源以產生輸出電源。
請同時參照圖7A及圖14B所示，於狀態ST4中，泵壓開關S1、接地開關S2、下橋開關S4、環流開關S5切換為不導通，而上橋開關S3根據操作訊號VS3切換為導通，使得切換節點LX電連接於輸入電壓VIN。請同時參照圖7B及圖14B所示，於狀態ST5中，泵壓開關S1、上橋開關S3、環流開關S5切換為不導通，而接地開關S2、下橋開關S4根據操作訊號VS2、VS4切換為導通，使得切換節點LX電連接於接地電位。換言之，如圖7A及7B之狀態ST4及ST5所示，於降壓(step-down)模式中，複數功率開關S1~S5用以切換切換節點LX，使得切換節點LX上的切換節點電壓VLX於輸入電壓VIN與接地電位之間切換，藉此轉換輸入電源以產生輸出電源。於此實施例中，輸入電壓VIN高於或等於輸出電壓VOUT。
請同時參照圖7C及圖14B所示，於狀態ST3中，泵壓開關S1、接地開關S2、上橋開關S3、下橋開關S4切換為不導通，而環流開關S5根據操作訊號VS5切換為導通，使得電感電流IL於環流開關S5與電感器L1所形成之環流回路中循環流通。如圖7C之狀態ST3所示，於降壓模式中，於每一切換週期中的環流期間內，環流開關S5控制為導通，藉此切換節點電壓VLX導通於輸出電壓VOUT。如圖14B所示，於穩態時，電感電流IL以一直流電流位準於環流回路中循環流通(circulate)，關於環流期間與直流電流位準的細節將詳述於後。
就一觀點而言，根據本發明，於降壓模式中，複數功率開關S1~S5更控制功率級電路切換於狀態ST4、ST5與ST3之間，使得切換節點電壓VLX於輸入電壓VIN、接地電位與輸出電壓VOUT之間切換，藉此轉換輸入電源以產生輸出電源。
值得說明的是，根據本發明，於降壓模式或升壓模式中，在對應的環流期間，電感器L1與環流開關S5於環流開關S5導通時形成環流 回路，使得電感器L1與輸出電容器Co所產生的雙極點(double pole)得以至少部分往單極點(single pole)特性退化(degenerate)，進而提高切換式轉換電路108的穩定度與頻寬。
請參閱圖8A、8B及8C，如狀態ST1、ST2及ST5所示，於升降壓模式中，複數功率開關S1~S5更用以切換電容器C1與電感器L1，使得切換節點電壓VLX於增壓電壓、輸入電壓VIN與接地電位之間切換，藉此轉換輸入電源以產生輸出電源。於此實施例中，輸出電壓VOUT可高於、低於或等於輸入電壓VIN。於升降壓模式中，亦可如圖7C所示操作於狀態ST3中，亦即可於每一切換週期中的環流期間內，環流開關S5控制為導通，藉此切換節點電壓VLX導通於輸出電壓VOUT。
如圖9所示，於旁通模式中，上橋開關S3恆導通，以藉由電感器L1將輸入電源與輸出電源旁通。
圖10A~圖10C、圖11A~圖11C、圖12A~圖12C、圖13係根據本發明之實施例顯示切換式轉換電路之電路示意圖及操作示意圖。本實施例與圖6A~圖6C、圖7A~圖7C、圖8A~圖8C、圖9對應相似，其主要差異在於，本數個實施例之下橋開關S4’耦接於切換節點LX與接地電位之間。其中狀態ST6、ST7與ST8分別對應於前述的狀態ST1、ST2與ST3，狀態ST9與ST10則分別對應於前述的狀態ST4與ST5。由於本數個實施例之下橋開關S4’係耦接於切換節點LX與接地電位之間，因此，當切換節點LX需要在電連接於接地電位時(如狀態ST10)，下橋開關S4’受控制為導通，而接地開關S2則受控制為不導通。其餘狀態可類推，在此不予贅述。
圖14A、圖14B及圖14C係根據本發明之一實施例顯示切換式轉換電路之相關訊號之訊號波形示意圖。操作訊號VS1~VS5、切換節點電壓VLX、電流感測訊號SIL、觸發訊號Trig及取樣維持控制訊號Vsh係顯 示於圖14A及14B中。時脈訊號CLK、斜坡訊號VRAMP、回授補償訊號EAO、驅動訊號Sdrv或調變訊號Spw係顯示於圖14C中。
圖14A係對應於升壓模式，本實施例中，輸出電壓VOUT介於增壓電壓(2*VIN)與輸入電壓VIN之間，輸出電壓之精確位準根據各狀態的占空比決定。請同時參照圖14A及圖5、圖6A至圖6C，於升壓模式中，在每個切換週期(如第一切換週期T1)中，取樣維持電路36用以於電感器L1開始去磁時點(如時點t1)後經一預設延遲時間DT之時點(如時點t2)取樣維持電流感測訊號SIL，以取得對應於第一切換週期T1的升壓電流取樣位準SIL_dcu。於次一個切換週期(如第二切換週期T2)中，當電流感測訊號SIL下降到達前一切換週期(第一切換週期T1)所取樣維持的升壓電流取樣位準SIL_dcu時(時點t5)，致能操作訊號VS5以起始第二切換週期T2中對應的環流期間(時點t5至時點t6)且導通環流開關S5。類似地，於第二切換週期T2中，觸發取樣維持電路36於電感器L1開始去磁時點(如時點t4)後經一預設延遲時間DT之時點(如時點t5)再次取樣維持電流感測訊號SIL，以取得對應於第二切換週期T2的升壓電流取樣位準SIL_dcu，用以於下一個切換週期判斷進入環流期間的時機。需說明的是，於穩態時，取樣維持時點會與環流期間之起始時點重疊(如本實施例中的時點t2或t5)，而於例如有負載變化造成的暫態時，取樣維持時點與環流期間之起始時點即可能不會重疊。就一觀點而言，預設延遲時間DT之時間長度決定了穩態下環流期間之時間長度。
圖14B係對應於降壓模式，本實施例中，輸出電壓VOUT介於輸入電壓VIN與接地電位之間，輸出電壓之精確位準根據各狀態的占空比決定。請同時參照圖14B及圖5、圖7A至圖7C，於降壓模式中，在每個切換週期(如第一切換週期T1)中，取樣維持電路36用以於電感器L1開始去 磁(時點t1)後經一預設延遲時間DT之時點t2取樣維持電流感測訊號SIL，以取得對應於第一切換週期T1的降壓電流取樣位準SIL_dcd。次一個切換週期(如第二切換週期T2)中，當電流感測訊號SIL下降到達前一切換週期(第一切換週期T1)所取樣維持的降壓電流取樣位準SIL_dcd時(時點t5)，致能操作訊號VS5以起始第二切換週期T2中對應的環流期間(時點t5至時點t6)且導通環流開關S5。類似地，於第二切換週期T2中，觸發取樣維持電路36於電感器L1開始去磁時點(如時點t4)後經一預設延遲時間DT之時點(如時點t5)再次取樣維持電流感測訊號SIL，以取得對應於第二切換週期T2的降壓電流取樣位準SIL_dcd，用以於下一個切換週期判斷進入環流期間的時機。
如圖14A與圖14B所示，於前述的升壓模式或降壓模式中，觸發訊號Trig係對應於電流感測訊號SIL從上升轉為下降之時點t1所觸發，其例如可同步於由迴路所決定的操作訊號VS2之上升緣，觸發訊號Trig則用以致能取樣維持控制訊號Vsh。於一實施例中，取樣維持控制訊號Vsh的致能時段(亦即延遲時間DT)之時間長度可由使用者依據例如迴路穩定度與功率耗損的需求而設定。
需說明的是，上述圖14A與圖14B的實施例中，電流感測訊號SIL係正相關於電感電流IL，電流感測訊號SIL從上升轉為下降之時點例如即對應於電感電流IL之峰值發生時點，而升壓電流取樣位準SIL_dcu與降壓電流取樣位準SIL_dcd則分別對應於升壓模式與降壓模式下，電感電流IL於環流期間內之直流電流位準，因此，在上述圖14A與圖14B的實施例中，於穩態時，所述的直流電流位準低於電感電流IL的峰值。
圖14C係顯示對應於電壓模式之訊號波形示意圖。如圖14C所示，斜坡訊號VRAMP根據具有切換週期T的時脈訊號CLK而產生，其中切換週期T為固定週期，進而使得調變訊號Spw具有固定週期。請同時參考 圖3A及14C，於電壓模式中，調變電路31用以比較回授補償訊號EAO與具有固定週期的斜坡訊號VRAMP以決定調變訊號Spw的占空比，藉此調節輸出電源的電氣特性例如輸出電壓VOUT或輸出電流IOUT至目標值。於一實施例中，占空比等於調變訊號Spw之脈寬Tpw除以切換週期T之值，在一實施例中，脈寬Tpw用以決定例如對應於圖14A的時點t0至時點t1期間。
圖15係根據本發明之一實施例顯示本發明與習知技藝於單位增益頻寬及相位餘裕之比較圖。由圖15可知，本發明之具有環流之電壓模式於單位增益頻寬及相位餘裕上相較於不具環流之電壓模式或不具環流之電流模式均具有較佳的表現。
綜上所述，本發明之切換式轉換電路可達到相對於傳統架構元件補償器設計容易，可降低晶粒尺寸，可降低整體積體電路成本，且於動態電壓調節(DVS)及暫態響應上比傳統轉換器更快，輸出漣波較小，效率更高，降低因等效串聯電感(equivalent series inductance,ESL)所產生之安全工作區(SOA)問題，比起傳統四個開關之升降壓(four-switch buck-boost,FSBB)轉換器架構，SOA耐受性更大。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。所說明之各個實施例，並不限於單獨應用，亦可以組合應用，舉例而言，兩個或以上之實施例可以組合運用，而一實施例中之部分組成亦可用以取代另一實施例中對應之組成部件。此外，在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化以及各種組合，舉例而言，本發明所稱「根據某訊號進行處理或運算或產生某輸出結果」，不限於根據該訊號的本身，亦包含於必要時，將該訊號進行電壓電流轉換、電流電壓轉換、及/或比例轉換等，之後根據轉換後的訊號進行處理或運算產生某輸 出結果。由此可知，在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化以及各種組合，其組合方式甚多，在此不一一列舉說明。因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。
C1:電容器
Co:輸出電容器
IL:電感電流
L1:電感器
LX:切換節點
Nc:另一端
S1:泵壓開關/功率開關
S2:接地開關/功率開關
S3:上橋開關/功率開關
S4:下橋開關/功率開關
S5:環流開關/功率開關
ST3:狀態
VC1:電容跨壓
VIN:輸入電壓
VLX:切換節點電壓
VOUT:輸出電壓
VS1~VS5:操作訊號

Claims (11)

  1. 一種切換式轉換電路，用以轉換一輸入電源產生一輸出電源，該輸入電源包括一輸入電壓，該輸出電源包括一輸出電壓，該切換式轉換電路包含： 一回授補償電路，用以根據相關於該輸出電源的一回授訊號與一參考訊號之差值，產生一回授補償訊號； 一調變電路，用以根據該回授補償訊號與具有一切換週期的一斜坡訊號產生一調變訊號； 一功率級電路，包括複數功率開關，該複數功率開關用以根據該調變訊號切換一電感器，藉此轉換該輸入電源以產生該輸出電源，其中該電感器耦接於一切換節點與該輸出電源之間，其中該複數功率開關包括一環流開關，其中該環流開關並聯耦接於該電感器，其中該電感器與該環流開關於該環流開關導通時形成一環流回路； 一電流感測電路，用以產生一電流感測訊號，其中該電流感測訊號相關於流經該電感器的一電感電流；以及 一控制與驅動電路，用以根據該調變訊號、一時脈訊號及該電流感測訊號產生一驅動訊號，用以控制該複數功率開關之切換； 其中於一降壓(step-down)模式中，該複數功率開關用以切換該切換節點，使得該切換節點上的一切換節點電壓於該輸入電壓與一接地電位之間切換，藉此轉換該輸入電源以產生該輸出電源，該輸入電壓高於或等於該輸出電壓； 其中於該降壓模式中，於每一切換週期中的一環流期間內，該環流開關控制為導通，藉此該切換節點電壓導通於該輸出電壓，其中於穩態時，該電感電流以一直流電流位準於該環流回路中循環流通(circulate)，其中該直流電流位準低於該電感電流的一峰值。
  2. 如請求項1所述之切換式轉換電路，其中該複數功率開關更用以切換一電容器，其中該電容器的一端耦接於該切換節點； 其中於一升壓(step-up)模式中，該複數功率開關用以切換該電容器與該電感器，使得該切換節點電壓於一增壓電壓(pumped voltage)與該輸入電壓之間切換，藉此轉換該輸入電源以產生該輸出電源，其中該增壓電壓高於該輸入電壓，且該增壓電壓相關於該輸入電壓與該電容器上的一電容跨壓，其中該輸出電壓介於該增壓電壓與該輸入電壓之間； 其中於該升壓模式中，於每一該切換週期中的該環流期間內，該環流開關控制為導通，藉此該切換節點電壓導通於該輸出電壓，該電感電流以該直流電流位準於該環流回路中循環流通，其中於穩態時，該直流電流位準低於該電感電流的一峰值。
  3. 如請求項2所述之切換式轉換電路，其中於一升降壓模式中，該複數功率開關更用以切換該電容器與該電感器，使得該切換節點電壓於該增壓電壓、該輸入電壓與該接地電位之間切換，藉此轉換該輸入電源以產生該輸出電源，其中該輸出電壓高於、低於或等於該輸入電壓。
  4. 如請求項1所述之切換式轉換電路，其中該斜坡訊號根據具有該切換週期的一時脈訊號而產生，其中該切換週期為一固定週期，進而使得該調變訊號具有該固定週期。
  5. 如請求項4所述之切換式轉換電路，其中該調變電路用以比較該回授補償訊號與具有該固定週期的該斜坡訊號以決定該調變訊號的一占空比，藉此調節該輸出電源的一電氣特性至一目標值。
  6. 如請求項2所述之切換式轉換電路，更包含一取樣維持電路； 其中於該降壓模式中，該取樣維持電路用以於該電感器開始去磁後經一預設延遲時間之時點取樣維持該電流感測訊號，以取得一降壓電流取樣位準，其中於當個該切換週期中，當該電流感測訊號下降到達該降壓電流取樣位準時，起始當個該切換週期中對應的該環流期間且導通該環流開關；及/或 其中於該升壓模式中，該取樣維持電路用以於該電感器開始去磁後經該預設延遲時間之時點取樣維持該電流感測訊號，以取得一升壓電流取樣位準，其中於當個該切換週期中，當該電流感測訊號下降到達該升壓電流取樣位準時，起始當個該切換週期中對應的該環流期間且導通該環流開關。
  7. 如請求項2所述之切換式轉換電路，其中於該降壓模式或該升壓模式中，於對應的該環流期間，該電感器與該環流開關於該環流開關導通時形成該環流回路，使得該電感器與一輸出電容器所產生的雙極點(double pole)得以至少部分往單極點(single pole)特性退化(degenerate)，進而提高該切換式轉換電路的穩定度與頻寬。
  8. 如請求項2所述之切換式轉換電路，其中該複數功率開關更包括： 一上橋開關，耦接於該輸入電源與該切換節點之間； 一接地開關，耦接於該電容器的另一端與該接地電位之間； 一下橋開關，耦接於該切換節點與該電容器的該另一端之間，或者耦接於該切換節點與該接地電位之間；以及 一泵壓開關，耦接於該電容器的該另一端與該輸入電源之間。
  9. 如請求項8所述之切換式轉換電路，其中於一旁通模式中，該上橋開關恆導通，以藉由該電感器將該輸入電源與該輸出電源旁通。
  10. 如請求項1所述之切換式轉換電路，其中該環流期間之時間長度相關於該切換式轉換電路的穩定度，及/或相關於該切換式轉換電路的電源轉換效率。
  11. 如請求項8所述之切換式轉換電路，其中於該下橋開關耦接於該切換節點與該電容器的該另一端之間的情況下，該下橋開關與該接地開關分別為具有相同耐壓之電晶體。
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