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TWI901119B - 多階切換轉換電路及多階切換轉換方法 - Google Patents

多階切換轉換電路及多階切換轉換方法

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Publication number
TWI901119B
TWI901119B TW113117489A TW113117489A TWI901119B TW I901119 B TWI901119 B TW I901119B TW 113117489 A TW113117489 A TW 113117489A TW 113117489 A TW113117489 A TW 113117489A TW I901119 B TWI901119 B TW I901119B
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control signal
switch
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Inventor
劉國基
楊大勇
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立錡科技股份有限公司
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Abstract

一種多階切換轉換器電路，用以將第一電壓轉換為第二電壓或將第二電壓轉換為第一電壓，包括：功率級電路以及轉換控制電路。藉由波谷電流模式控制，轉換控制電路產生第一斜坡訊號以決定第一控制訊號的第一占空比，並產生第二斜坡訊號以決定第二控制訊號的第二占空比，從而使一與電感一端相連的切換節點在k個電壓位準中的兩個之間切換，使得第一電壓或第二電壓被調節到一預設的目標位準，並且一飛馳電容器上的飛馳電容器電壓被調節並平衡在第一電壓的(k-1)分之一處。

Description

多階切換轉換電路及多階切換轉換方法
本發明係有關於一種多階切換轉換器電路及多階切換轉換方法，特別是指一種具有波谷電流模式控制的多階切換轉換器電路及多階切換轉換方法。
請參照圖1，圖1顯示2005年IEEE應用電力電子會議和博覽會「射頻功率放大器包絡追蹤用的三階降壓轉換器」(Three-level Buck Converter for Envelope Tracking in RF Power Amplifiers)的先前技術三階降壓轉換器10。該三階降壓轉換器10用以將輸入電壓V1轉換為輸出電壓V2。此三階降壓轉換器10適用以追蹤應用，如射頻功率放大器中的包絡追蹤。圖1中所示的三階降壓轉換器10突出了三階降壓轉換器的好處，如對元件的低電壓壓力和相比傳統兩階降壓轉換器的較低紋波電流。
美國專利9,866,113顯示了一種現有技術的直流-直流轉換器。該現有技術的直流-直流轉換器揭示了一種運行於峰值電流模式控制並且具有電壓感測電路以調節占空比時序來平衡飛馳電容器電壓VCFLY的三階降壓轉換器，用以將輸入電壓VIN轉換為輸出電壓VOUT。
2016年6月15-17日的IEEE超大規模積體電路研討會上顯示了一種現有技術的3階降壓轉換器。
傳統的三階降壓轉換器，如2005年IEEE應用電力電子會議和博覽會、美國專利9,866,113以及2016年IEEE超大規模積體電路研討會所揭示的那些，相較於傳統的兩階降壓轉換器，具有降低的電壓壓力和較低的紋波電流。然而，這些設計需要額外的感測電路來感測飛馳電容器的電壓，以及額外的補償控制迴路來平衡飛馳電容器的電壓，這增加了複雜性和可能的低效率。
有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，本發明提出了一種具有波谷電流模式控制的多階切換轉換器電路和多階切換轉換方法。
於一觀點中，本發明提供了一種多階切換轉換器電路，用以將第一電壓轉換為第二電壓或將第二電壓轉換為第一電壓，包含：一功率級電路，該功率級電路耦接於第一電壓和第二電壓之間，包括複數功率開關用以切換飛馳電容器和電感；以及一轉換控制電路，用以產生第一控制訊號以週期性地操作複數功率開關的第一部分，和產生第二控制訊號以週期性地操作複數功率開關的第二部分；其中藉由波谷電流模式控制，轉換控制電路產生第一斜坡訊號以決定第一控制訊號的第一占空比，並產生第二斜坡訊號以決定第二控制訊號的第二占空比，從而使連接至電感一端的切換節點在k個位準中的兩個之間切換，使得第一電壓或第二電壓被調節至預設目標位準，並且跨於飛馳電容器上的飛馳電 容器電壓被調節並平衡在第一電壓的(k-1)分之一；其中k是大於或等於3的整數，k個位準包括第一電壓、接地電位和至少一第一電壓的分壓。
於另一觀點中，本發明提供了一種多階切換轉換方法，用以將第一電壓轉換為第二電壓或將第二電壓轉換為第一電壓，該多階切換轉換方法包含：藉由耦接於該第一電壓和該第二電壓之間的一功率級電路的複數功率開關，切換一飛馳電容器和一電感；產生第一控制訊號以週期性地操作功率級電路的複數功率開關的第一部分，以及產生第二控制訊號以週期性地操作功率級電路的複數功率開關的第二部分；藉由波谷電流模式控制，產生第一斜坡訊號以決定第一控制訊號的第一占空比，並產生第二斜坡訊號以決定第二控制訊號的第二占空比，從而使連接至電感一端的切換節點在k個位準中的兩個之間切換，使得第一電壓或第二電壓被調節至預設目標位準，並且飛馳電容器的電壓在飛馳電容器上得到調節和平衡在第一電壓的(k-1)分之一；其中k是大於或等於3的整數，k個位準包括第一電壓、接地電位和至少一第一電壓的分壓。
在一種實施例中，第一占空比根據第一斜坡訊號、電流感測訊號和回授相關訊號決定，其中第一控制訊號的脈衝的起始時間點決定電流感測訊號的第一波谷，從而達成波谷電流模式控制；其中第二占空比根據第二斜坡訊號、電流感測訊號和回授相關訊號決定，其中第二控制訊號的脈衝的起始時間點決定電流感測訊號的第二波谷，從而達成波谷電流模式控制；其中第一控制訊號的脈衝具有第一占空比，其中第二控制訊號的脈衝具有第二占空比，其中電流感測訊號與流經電感的電感電流正相關，回授相關訊號與第二電壓或第一電壓相關的回授訊號相關。
在一種實施例中，第一訊號組包括第一斜坡訊號、電流感測訊號和回授相關訊號，第一訊號組的第一個訊號和第二個訊號被疊加後與第三個訊號比較，以決定第一控制訊號的脈衝的起始時間點，並且第一控制訊號的脈衝的結束時間點由第一時脈訊號觸發，其中第一訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號彼此不同；其中第二訊號組包括第二斜坡訊號、電流感測訊號和回授相關訊號，第二訊號組的第一個訊號和第二個訊號被疊加後與第三個訊號比較，以決定第二控制訊號的脈衝的起始時間點，並且第二控制訊號的脈衝的結束時間點由第二時脈訊號觸發，其中第二訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號彼此不同。
在一種實施例中，第一訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號分別對應於回授相關訊號、第一斜坡訊號和電流感測訊號；其中第二斜坡訊號、電流感測訊號和回授相關訊號的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號分別對應於回授相關訊號、第二斜坡訊號和電流感測訊號。
在一種實施例中，第一斜坡訊號由第一時脈訊號同步，並且第二斜坡訊號由第二時脈訊號同步。
在一種實施例中，第一時脈訊號和第二時脈訊號具有相同的固定頻率。
在一實施例中，第一斜坡訊號與第二斜坡訊號之間的相位偏移為360度除以(k-1)度。
在一實施例中，藉由波谷電流模式控制，第一控制訊號的脈衝的導通期間與飛馳電容器電壓成反比，第二控制訊號的脈衝的導通期間與飛馳電容器電壓成正比，從而飛馳電容器電壓達到平衡。
在一實施例中，電流感測訊號是藉由與該電感耦合的一直流阻抗(DCR)電流感測電路獲得的。
在一實施例中，複數功率開關的第一部分包括第一開關和第二開關，第二部分包括第三開關和第四開關；其中該第一開關連接於該第一電壓與該飛馳電容器的一第一端之間，該第二開關連接於該飛馳電容器的一第二端與該接地電位之間，該第三開關連接於該飛馳電容器的該第一端與該切換節點之間，該第四開關連接於該飛馳電容器的該第二端與該切換節點之間；其中該第一控制訊號操作該第一開關，且該第一控制訊號的反相訊號操作該第二開關，該第二控制訊號操作該第三開關，該第二控制訊號的反相訊號操作該第四開關；其中k為3，k個位準包括該第一電壓、該接地電位和該第一電壓的一半。
在一實施例中，轉換控制電路不根據該電壓感測訊號產生該第一控制訊號和該第二控制訊號，而該電壓感測訊號是藉由感測該飛馳電容器電壓產生的。
於另一觀點中，本發明提供了一種多階切換轉換器電路，用以將第一電壓轉換為第二電壓或將第二電壓轉換為第一電壓，該多階切換轉換器電路包括：第一功率級電路，耦接於第一電壓和第二電壓之間，包括複數第一功率開關，用以切換第一飛馳電容器和第一電感；第二功率級電路，耦接於第一電壓和第二電壓之間，包括複數第二功率開關，用以切換第二飛馳電容器和第二電感；以及一轉換控制電路，用以產生第一控制訊號、第二控制訊號、第三控制訊號和第四控制訊號，其中第一控制訊號用以操作複數第一功率開關的第一部分，第二控制訊號用以操作複數第一功率開關的第二部分，第三控制訊號用以操作複數第二功率開關的第一部分，第四控制訊號用以操作複數第二功率開關的第 二部分；其中藉由第一波谷電流模式控制，轉換控制電路產生第一斜坡訊號以決定第一控制訊號的第一占空比，並產生第二斜坡訊號以決定第二控制訊號的第二占空比，從而使第一切換節點連接至第一電感的一端在k個位準中的兩個之間切換，使得第一電壓或第二電壓被調節至預設目標位準，並且第一飛馳電容器的電壓在第一飛馳電容器上得到調節和平衡在第一電壓的(k-1)分之一；其中藉由第二波谷電流模式控制，轉換控制電路產生第三斜坡訊號以決定第三控制訊號的第三占空比，並產生第四斜坡訊號以決定第四控制訊號的第四占空比，從而使第二切換節點連接至第二電感的一端在p個位準中的兩個之間切換，使得第一電壓或第二電壓被調節至預設目標位準，並且第二飛馳電容器的電壓在第二飛馳電容器上得到調節和平衡在第一電壓的(p-1)分之一；其中k和p都是大於或等於3的整數，k個位準包括第一電壓、接地電位和至少一第一電壓的分壓，p個位準包括第一電壓、接地電位和至少一第一電壓的分壓。
在一實施例中，第一占空比根據第一斜坡訊號、第一電流感測訊號和回授相關訊號決定，其中第一控制訊號的脈衝的起始時間點決定第一電流感測訊號的第一波谷，從而達成第一波谷電流模式控制；其中第二占空比根據第二斜坡訊號、第一電流感測訊號和回授相關訊號決定，其中第二控制訊號的脈衝的起始時間點決定第一電流感測訊號的第二波谷，從而達成第一波谷電流模式控制；其中第三占空比根據第三斜坡訊號、第二電流感測訊號和回授相關訊號決定，其中第三控制訊號的脈衝的起始時間點決定第二電流感測訊號的第三波谷，從而達成第二波谷電流模式控制；其中第四占空比根據第四斜坡訊號、第二電流感測訊號和回授相關訊號決定，其中第四控制訊號的脈衝的起始時間點決定第二電流感測訊號的第四波谷，從而達成第二波谷電流模式控制；其中 第一控制訊號的脈衝具有第一占空比，其中第二控制訊號的脈衝具有第二占空比，其中第一電流感測訊號與流經第一電感的電感電流正相關，回授相關訊號與第二電壓或第一電壓相關的回授訊號相關，其中第三控制訊號的脈衝具有第三占空比，其中第四控制訊號的脈衝具有第四占空比，其中第二電流感測訊號與流經第二電感的電感電流正相關。
在一實施例中，第一訊號組包括第一斜坡訊號、第一電流感測訊號和回授相關訊號，第一訊號組的第一個訊號和第二個訊號被疊加後與第三個訊號比較，以決定第一控制訊號的脈衝的起始時間點，並且第一控制訊號的脈衝的結束時間點由第一時脈訊號觸發，其中第一訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號彼此不同；其中第二訊號組包括第二斜坡訊號、第一電流感測訊號和回授相關訊號，第二訊號組的第一個訊號和第二個訊號被疊加後與第三個訊號比較，以決定第二控制訊號的脈衝的起始時間點，並且第二控制訊號的脈衝的結束時間點由第二時脈訊號觸發，其中第二訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號彼此不同；其中第三訊號組包括第三斜坡訊號、第二電流感測訊號和回授相關訊號，第三訊號組的第一個訊號和第二個訊號被疊加後與第三個訊號比較，以決定第三控制訊號的脈衝的起始時間點，並且第三控制訊號的脈衝的結束時間點由第三時脈訊號觸發，其中第三訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號彼此不同；其中第四訊號組包括第四斜坡訊號、第二電流感測訊號和回授相關訊號，第四訊號組的第一個訊號和第二個訊號被疊加後與第三個訊號比較，以決定第四控制訊號的脈衝的起始時間點，並且第四控制訊號的脈衝的結束時間點由第四時 脈訊號觸發，其中第四訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號彼此不同。
在一實施例中，第一訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號分別對應於回授相關訊號、第一斜坡訊號和第一電流感測訊號；其中第二訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號分別對應於回授相關訊號、第二斜坡訊號和第一電流感測訊號；其中第三訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號分別對應於回授相關訊號、第三斜坡訊號和第二電流感測訊號；其中第四訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號分別對應於回授相關訊號、第四斜坡訊號和第二電流感測訊號。
在一實施例中，第一斜坡訊號由第一時脈訊號同步，第二斜坡訊號由第二時脈訊號同步；其中第三斜坡訊號和第四斜坡訊號分別由第三時脈訊號和第四時脈訊號同步。
在一實施例中，第一時脈訊號、第二時脈訊號、第三時脈訊號和第四時脈訊號具有相同的固定頻率。
在一實施例中，第一斜坡訊號與第二斜坡訊號之間的相位偏移為360度除以(k-1)度；第三斜坡訊號與第四斜坡訊號之間的相位偏移為360度除以(p-1)度。
在一實施例中，藉由第一波谷電流模式控制，第一控制訊號的脈衝的導通期間與第一飛馳電容器電壓成反比，並且第二控制訊號的脈衝的導通期間與第一飛馳電容器電壓成正比，從而使第一飛馳電容器電壓達到平衡；藉由第二波谷電流模式控制，第三控制訊號的脈衝的導通期間與第二飛馳電容器電壓成反比，並且第四控制訊號的脈衝的導 通期間與第二飛馳電容器電壓成正比，從而使第二飛馳電容器電壓達到平衡。
在一實施例中，第一電流感測訊號是藉由將第一直流阻抗(DCR)電流感測電路與第一電感耦合獲得的；並且/或者第二電流感測訊號是藉由將第二直流阻抗(DCR)電流感測電路與第二電感耦合獲得的。
在一實施例中，複數第一功率開關的第一部分包括第一開關和第二開關，第二部分包括第三開關和第四開關；其中第一開關耦接於第一電壓和第一飛馳電容器的第一端，第二開關耦接於第一飛馳電容器的第二端和接地電位，第三開關耦接於第一飛馳電容器的第一端和切換節點，第四開關耦接於第一飛馳電容器的第二端和切換節點；其中第一控制訊號操作第一開關，第一控制訊號的反相訊號操作第二開關，第二控制訊號操作第三開關，第二控制訊號的反相訊號操作第四開關；其中k為3，k個位準包括第一電壓、接地電位和第一電壓的一半。
本發明的優點至少包括：1.無需額外的飛馳電容器電壓感測電路；2.無需額外的飛馳電容器電壓平衡補償控制迴路；3.控制迴路和補償器設計簡單；4.飛馳電容器電壓自動平衡；5.快速瞬態響應；及6.相較於峰值電流模式控制，最小導通時間更短。
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。
10:三階降壓轉換器
20,30:多階切換轉換器電路
110:放大器
210:功率級電路
220,320:轉換控制電路
AE1,AE2,AE3,AE4:加法器
Ccp:電容
C:飛馳電容器
clk1:第一時脈訊號
clk2:第二時脈訊號
CMP1,CMP2,CMP3,CMP4,CMP5,CMP6:比較器
Co:輸出電容
Cx:感測電容
DV1,DV2:電壓分壓器
FLT1:濾波器
FF1,FF2,FF3,FF4:閂鎖電路
I2:輸出電流
iL,iL1,iL2:電感電流
L:電感器
L1X:第一切換節點
L2X:第二切換節點
LX:切換節點
PWM1:第一脈寬調變訊號
PWM2:第二脈寬調變訊號
Q11:第一開關
Q12:第二開關
Q21:第三開關
Q22:第四開關
Q31:第五開關
Q32:第六開關
Q41:第七開關
Q42:第八開關
Ramp1:第一斜坡訊號
Ramp2:第二斜坡訊號
Rd1,Rd2,Rcp:電阻
Rx:感測電阻
S1:第一控制訊號
S2:第二控制訊號
S3:第三控制訊號
S4:第四控制訊號
S11,S12,S21,S22,S31,S32,S41,S42:控制訊號
t0,t1,t2,t3,t4:時間點
Tsw:週期
V1:第一電壓
V2:第二電壓
VC,VCFLY:飛馳電容器電壓
Vcomp:回授相關訊號
ViL:電流感測訊號
ViL1:第一電流感測訊號
Vdv,Vdv1,Vdv2:分壓
Vref,Vref1,Vre12:參考電壓
Vcomp:回授相關訊號
Vcx:感測電容
Vramp1:第一斜坡訊號
Vramp2:第二斜坡訊號
Vramp3:第三斜坡訊號
Vramp4:第四斜坡訊號
Vsp1:第一疊加訊號
Vsp2:第二疊加訊號
Vsp3:第三疊加訊號
Vsp4:第四疊加訊號
Vx:切換節點電壓
XC1,XC3:第一端
XC2,XC4:第二端
圖1顯示一種先前技術的三階降壓轉換器。
圖2顯示根據本發明的一種多階切換轉換器電路之一實施例方塊圖。
圖3顯示根據本發明的一種多階切換轉換器電路的轉換控制電路之一實施例具體實施例示意圖。
圖4顯示根據本發明的一種多階切換轉換器電路的訊號波形示意圖。
圖5顯示根據本發明的一種多階切換轉換器電路的訊號波形示意圖。
圖6顯示根據本發明的一種多階切換轉換器電路的訊號波形示意圖。
圖7顯示根據本發明的一種多階切換轉換器電路的訊號波形示意圖。
圖8顯示根據本發明的多階切換轉換器電路之一實施例示意圖。
圖9顯示了根據本發明實施例的多階切換轉換器電路的轉換控制電路示意圖。
圖10顯示了根據本發明實施例的多階切換轉換器電路的示意圖。
圖11顯示了根據本發明實施例的直流阻抗(DCR)電流感測電路的示意圖。
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。
請參照圖2，圖2顯示了根據本發明實施例的多階切換轉換器電路的示意圖。如圖2所示，一多階切換轉換器電路20用以將第一電壓V1轉換為第二電壓V2或將第二電壓V2轉換為第一電壓V1。多階切換轉換器電路20包括一功率級電路210和一轉換控制電路220。
功率級電路210耦接於第一電壓V1和第二電壓V2之間，包括複數功率開關(Q11,Q12,Q21和Q22)用以切換飛馳電容器C和電感L。轉換控制電路220用以產生第一控制訊號S1以操作複數功率開關(Q11,Q12,Q21和Q22)的第一部分，和第二控制訊號S2以操作複數功率開關的第二部分。具體來說，在此實施例中，“第一部分”是指第一開關Q11和第二開關Q12，“第二部分”是指第三開關Q21和第四開關Q22。
需說明的是，在此實施例中，第一控制訊號S1用以產生一控制訊號S11以操作第一開關Q11；並產生一控制訊號S12以操作第二開關Q12。其中控制訊號S11直接對應於第一控制訊號S1；而控制訊號S12是第一控制訊號S1的反相訊號，也就是說，控制訊號S11和S12都是從第一控制訊號S1產生的，第一開關Q11和第二開關Q12(複數功率開關的第一部分)根據第一控制訊號S1操作。
需說明的是，第二控制訊號S2用以產生一控制訊號S21以操作第三開關Q21；並產生一控制訊號S22以操作第四開關Q22。其中控制訊號S21直接對應於第二控制訊號S2；而控制訊號S22是第二控制訊號S2的反相訊號，也就是說，控制訊號S21和S22都是從第二控制訊號S2產生的，第三開關Q21和第四開關Q22(複數功率開關的第二部分)根據第二控制訊號S2操作。輸出電容Co在一般電路設計中，通常會連接在輸出端與接地電位之間，主要有以下的作用：穩定輸出電壓、濾波作用、提高響應速度、保護電路、改善功率因數和減少輻射干擾等，為本領域中具有通常知識者所熟知，在此不予贅述。
圖3顯示了根據本發明實施例的多階切換轉換器電路20的轉換控制電路220的示意圖。如圖3所示，轉換控制電路220包括一電壓分壓器DV1、一比較器CMP1、一濾波器FLT1、加法器AE1和AE2、比較器CMP2和CMP3，以及閂鎖電路FF1和FF2。在一實例中，多階切換轉換器電路20用以將第一電壓V1轉換為第二電壓V2。電壓分壓器DV1包括串聯連接的電阻Rd1和Rd2，用以從第二電壓V2導出分壓Vdv。比較器CMP1將分壓Vdv與參考電壓Vref比較，以產生回授相關訊號Vcomp。在一實施例中，使用濾波器FLT1對回授相關訊號Vcomp進行濾波。加法器AE1將回授相關訊號Vcomp與第一斜坡訊號Vramp1疊加以產生第一疊加訊號Vsp1。加法器AE2將回授相關訊號Vcomp與第二斜坡訊號Vramp2疊加以產生第二疊加訊號Vsp2。比較器CMP2將第一疊加訊號Vsp1與電流感測訊號ViL比較，以產生第一脈寬調變訊號PWM1。比較器CMP3將第二疊加訊號Vsp2與電流感測訊號ViL比較，以產生第二脈寬調變訊號 PWM2。使用濾波器FLT1例如但不限於如圖3所示，包括串聯的電阻Rcp與電容Cccp於比較器CMP1的輸出端與接地電位之間。
需說明的是，疊加和比較回授相關訊號Vcomp、斜坡訊號和電流感測訊號的關係可以改變，以產生脈寬調變訊號。具體來說，在另一實施例中，加法器AE1將電流感測訊號ViL與第一斜坡訊號Vramp1疊加以產生第一疊加訊號Vsp1。加法器AE2將電流感測訊號ViL與第二斜坡訊號Vramp2疊加以產生第二疊加訊號Vsp2。比較器CMP2將第一疊加訊號Vsp1與回授相關訊號Vcomp比較，以產生第一脈寬調變訊號PWM1。比較器CMP3將第二疊加訊號Vsp2與回授相關訊號Vcomp比較，以產生第二脈寬調變訊號PWM2。在進一步的另一實施例中，加法器AE1將電流感測訊號ViL與回授相關訊號Vcomp疊加以產生第一疊加訊號Vsp1。加法器AE2將電流感測訊號ViL與回授相關訊號Vcomp疊加以產生第二疊加訊號Vsp2。比較器CMP2將第一疊加訊號Vsp1與第一斜坡訊號Vramp1比較，以產生第一脈寬調變訊號PWM1。比較器CMP3將第二疊加訊號Vsp2與第二斜坡訊號Vramp2比較，以產生第二脈寬調變訊號PWM2。
閂鎖電路FF1接收第一脈寬調變訊號PWM1和第一時脈訊號clk1，以產生控制訊號S11和控制訊號S12，其中控制訊號S11直接對應於第一控制訊號S1，而控制訊號S12是第一控制訊號S1的反相訊號。閂鎖電路FF2接收第二脈寬調變訊號PWM2和第二時脈訊號clk2，以產生控制訊號S21和控制訊號S22，其中控制訊號S21直接對應於第二控制訊號S2，而控制訊號S22是第二控制訊號S2的反相訊號。
參照圖2和圖3，藉由波谷電流模式控制，轉換控制電路220產生第一斜坡訊號Vramp1來決定第一控制訊號S1的第一占空比，並產生第二斜坡訊號Vramp2來決定第二控制訊號S2的第二占空比，從而使與電感L的一端連接的切換節點LX在k個位準中的兩個之間切換，使得第一電壓V1或第二電壓V2被調節至一預設目標位準，並且飛馳電容器C上的飛馳電容器電壓VC在(k-1)分之一的第一電壓V1處得到調節和平衡，其中k是一大於或等於3的整數，k個位準包括第一電壓V1、接地電位以及至少一第一電壓V1的分壓。
在一實施例中，第一占空比是根據第一斜坡訊號Vramp1、電流感測訊號ViL和回授相關訊號Vcomp來決定的，其中第一控制訊號S1的脈衝的起始時間點決定電流感測訊號ViL的第一波谷，從而達成波谷電流模式控制。第二占空比是根據第二斜坡訊號Vramp2、電流感測訊號ViL和回授相關訊號Vcomp來決定的，其中第二控制訊號S2的脈衝的起始時間點決定電流感測訊號ViL的第二波谷，從而達成波谷電流模式控制。第一控制訊號S1的脈衝具有第一占空比，而第二控制訊號S2的脈衝具有第二占空比，其中電流感測訊號ViL與流經電感L的電感電流iL正相關，回授相關訊號Vcomp與當第一電壓V1轉換為第二電壓V2時相關的回授訊號或當第二電壓V2轉換為第一電壓V1時相關的回授訊號相關。
上述涉及回授相關訊號Vcomp、斜坡訊號和電流感測訊號的疊加和比較關係的組合，也可以從下述的描述角度理解，用以產生上述兩個脈寬調變訊號。在一實施例中，第一訊號組包括第一斜坡訊號Vramp1、電流感測訊號ViL和回授相關訊號Vcomp，第一訊號組的第一個訊號和第二個訊號疊加後與第三個訊號比較，以決定第一控制訊號S1 的脈衝的起始時間點，並且第一控制訊號S1的脈衝的結束時間點由第一時脈訊號clk1觸發，其中第一訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號彼此不同。
在一實施例中，第二訊號組包括第二斜坡訊號Vramp2、電流感測訊號ViL和回授相關訊號Vcomp，第二訊號組的第一個訊號和第二個訊號疊加後與第三個訊號比較，以決定第二控制訊號S2的脈衝的起始時間點，並且第二控制訊號S2的脈衝的結束時間點由第二時脈訊號clk2觸發，其中第二訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號彼此不同。
在一實施例中，第一訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號分別對應於回授相關訊號Vcomp、第一斜坡訊號Vramp1和電流感測訊號ViL。
在一實施例中，第二訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號分別對應於回授相關訊號Vcomp、第二斜坡訊號Vramp2和電流感測訊號ViL。
在一實施例中，第一斜坡訊號Vramp1由第一時脈訊號clk1同步，第二斜坡訊號Vramp2由第二時脈訊號clk2同步。
在一實施例中，第一時脈訊號clk1和第二時脈訊號clk2具有相同的固定頻率。
在一實施例中，第一斜坡訊號Vramp1和第二斜坡訊號Vramp2之間的相位偏移為360度除以(k-1)度。
在一實施例中，藉由波谷電流模式控制，第一控制訊號S1的脈衝導通期間與飛馳電容器電壓VC成反比，第二控制訊號S2的脈衝 導通期間與飛馳電容器電壓VC成正比，因此，在正常操作的穩定狀態下，飛馳電容器電壓VC達到平衡。
在一實施例中，電流感測訊號ViL是藉由將直流阻抗(DCR)電流感測電路與電感L耦合來獲得的。
在一實施例中，複數功率開關的第一部分包括第一開關Q11和第二開關Q12，第二部分包括第三開關Q21和第四開關Q22；其中第一開關Q11耦接於第一電壓V1和飛馳電容器C的第一端XC1，第二開關Q12耦接於飛馳電容器C的第二端XC2和接地電位，第三開關Q21耦接於飛馳電容器C的第一端XC1和切換節點LX，第四開關Q22耦接於飛馳電容器C的第二端XC2和切換節點LX；其中第一控制訊號S1操作第一開關Q11，第一控制訊號S1的反相訊號操作第二開關Q12，第二控制訊號S2操作第三開關Q21和第二控制訊號S2的反相訊號操作第四開關Q22；其中k為3，k個位準包括第一電壓V1、接地電位和第一電壓V1的一半。
根據本發明的一實施例，在正常操作的穩定狀態下，多階切換轉換器電路20可選地不包括用以感測飛馳電容器C上的飛馳電容器電壓VC的電路，也不根據感測到的飛馳電容器電壓VC調節和平衡飛馳電容器C在第一電壓V1的(k-1)分之一。另外，根據本發明，多階切換轉換器電路20藉由波谷電流模式控制與第一斜坡訊號Ramp1和第二斜坡訊號Ramp2調節和平衡飛馳電容器C，因此不需要額外的平衡或校準迴路，如先前技術中所用以根據飛馳電容器電壓VC的感測訊號來平衡或校準飛馳電容器電壓VC的迴路。
從另一角度來看，轉換控制電路220產生第一控制訊號S1和第二控制訊號S2，不是根據電壓感測訊號，其中該電壓感測訊號是藉由感測飛馳電容器電壓VC產生的。
圖4顯示了根據本發明實施例的多階切換轉換器電路的訊號波形。如圖4所示，第一時脈訊號clk1和第二時脈訊號clk2是時脈訊號。在此實施例中，第一時脈訊號clk1和第二時脈訊號clk2之間的相位差為180度。參考圖3和圖4，轉換控制電路220根據第一時脈訊號clk1和第二時脈訊號clk2分別產生第一斜坡訊號Vramp1和第二斜坡訊號Vramp2。例如，一電容器被一恆定電流充電，并且由第一時脈訊號clk1週期性地放電，從而產生第一斜坡訊號Vramp1。同樣地，第二斜坡訊號Ramp2也以類似方式產生。第一疊加訊號Vsp1等於第一斜坡訊號Vramp1加上回授相關訊號Vcomp；第二疊加訊號Vsp2等於第二斜坡訊號Vramp2加上回授相關訊號Vcomp。
繼續參考圖3和圖4，在此實施例中，從時間點t0到t1，第一開關Q11是關斷的，第二開關Q12是導通的，第三開關Q21是關斷的，第四開關Q22是導通的，導致電流感測訊號ViL下降(即電感電流iL減少)。在同一時期，第一疊加訊號Vsp1(包括第一斜坡訊號Vramp1和回授相關訊號Vcomp)上升，第二疊加訊號Vsp2(包括第二斜坡訊號Vramp2和回授相關訊號Vcomp)也在上升。在時間點t1，第一疊加訊號Vsp1與電流感測訊號ViL交叉，觸發控制訊號S11的上升邊緣(相當於控制訊號S12的下降邊緣)。因此，第一開關Q11被打開，而第二開關Q12被關斷。結果，在時間點t1，切換節點LX的電壓(切換節點電壓Vx)從接地電位轉變為等於第一電壓V1減去飛馳電容器電壓VC的電壓位準。
在時間點t1，切換節點LX的電壓(切換節點電壓Vx)轉變使電流感測訊號ViL開始增加，而第一疊加訊號Vsp1和第二疊加訊號Vsp2繼續上升。在時間點t2，第一時脈訊號clk1的一脈衝觸發控制訊號 S11的下降邊緣(相當於控制訊號S12的上升邊緣)。因此，第一開關Q11被關斷，第二開關Q12被導通，第三開關Q21被關斷，第四開關Q22被導通，並且第一斜坡訊號Vramp1被重置(意味著第一疊加訊號Vsp1與回授相關訊號Vcomp對齊)。因此，在時間點t2，切換節點LX的電壓(切換節點電壓Vx)從先前的等於第一電壓V1減去飛馳電容器電壓VC的電壓位準回到接地電位。
在時間點t2，切換節點LX的電壓(切換節點電壓Vx)轉變使電流感測訊號ViL開始下降，而第二疊加訊號Vsp2和第一疊加訊號Vsp1繼續上升。在時間點t3，第二疊加訊號Vsp2與電流感測訊號ViL交叉，觸發控制訊號S21的上升邊緣(相當於控制訊號S22的下降邊緣)。因此，第三開關Q21被打開，而第四開關Q22被關斷。結果，在時間點t3，切換節點LX的切換節點電壓Vx從接地電位回到飛馳電容器電壓VC。需說明的是，在此實施例中，飛馳電容器電壓VC等於第一電壓V1減去飛馳電容器電壓VC，即第一電壓V1等於兩倍的飛馳電容器電壓VC。
在時間點t3，切換節點LX的電壓(切換節點電壓Vx)轉變使電流感測訊號ViL開始增加。從時間點t3開始，第一疊加訊號Vsp1和第二疊加訊號Vsp2繼續上升。在時間點t4，第二時脈訊號clk2的一脈衝觸發控制訊號S21的下降邊緣(相當於控制訊號S22的上升邊緣)。因此，第三開關Q21關斷，第四開關Q22導通，並且第二斜坡訊號Vramp2被重置(意味著第二疊加訊號Vsp2與回授相關訊號Vcomp對齊)。因此，在時間點t4，切換節點LX的切換節點電壓Vx從飛馳電容器電壓VC轉變為接地電位。從時間點t0至t4為一個週期Tsw。
圖5顯示了根據本發明實施例的多階切換轉換器電路的訊號波形。圖5顯示的訊號波形與圖4顯示的訊號波形類似。圖4與圖5的 區別在於，圖5中第一控制訊號S1的第一占空比(等於控制訊號S11的占空比)和第二控制訊號S2的第二占空比(等於控制訊號S21的占空比)均大於50%，而圖4顯示的相應占空比小於50%。
圖6顯示了根據本發明實施例的多階切換轉換器電路的訊號波形。例如，考慮第一電壓V1設定為48V，輸出負載設定為2歐姆，而第二電壓V2根據參考電壓Vref的設定在0V至40V之間上下變化，輸出電流I2和電感電流iL會隨第二電壓V2的變化而改變。多階切換轉換器電路20能夠在第一控制訊號S1和第二控制訊號S2的占空比小於50%和大於50%的條件下正常運作。飛馳電容器電壓VC可以藉由波谷電流模式控制自動平衡至第一電壓的一半(即V1/2)。
圖7顯示了根據本發明實施例的多階切換轉換器電路的訊號波形。例如，考慮參考電壓Vref設定為20V，輸出負載設定為1歐姆，當第一電壓V1在20V至80V之間上下變化時，第二電壓V2可以調節至20V。電感電流iL的平均值等於輸出電流I2，而電感電流iL的紋波隨第一電壓V1的變化而變化。多階切換轉換器電路20也能夠在第一控制訊號S1和第二控制訊號S2的占空比小於50%和大於50%的條件下正常運作。飛馳電容器電壓VC可以藉由波谷電流模式控制自動平衡至第一電壓V1的一半。
圖8顯示了根據本發明實施例的多階切換轉換器電路的示意圖。如圖8所示，一多階切換轉換器電路30用以能將第一電壓V1轉換為第二電壓V2或將第二電壓V2轉換為第一電壓V1。多階切換轉換器電路30包括第一功率級電路311，第二功率級電路312和轉換控制電路320。
第一功率級電路311耦接於第一電壓V1和第二電壓V2之間，包括複數第一功率開關(Q11,Q12,Q21,Q22)用以切換第一飛馳電容器C1和第一電感L1。第二功率級電路312耦接於第一電壓V1和第二電壓V2之間，包括複數第二功率開關(Q31,Q32,Q41,Q42)用以切換第二飛馳電容器C2和第二電感L2。
轉換控制電路320用以產生第一控制訊號S1用以操作第一功率級電路中的第一部分功率開關，第二控制訊號S2用以操作第一功率級電路中的第二部分功率開關，第三控制訊號S3用以操作第二功率級電路中的第一部分功率開關，第四控制訊號S4用以操作第二功率級電路中的第二部分功率開關。具體來說，在此實施例中，“第一部分的第一功率開關”指的是第一開關Q11和第二開關Q12，“第二部分的第一功率開關”指的是第三開關Q21和第四開關Q22，而“第一部分的第二功率開關”指的是第五開關Q31和第六開關Q32，“第二部分的第二功率開關”指的是第七開關Q41和第八開關Q42。需說明的是，在此實施例中，第一控制訊號S1用以產生一控制訊號S11用以操作第一開關Q11和一控制訊號S12用以操作第二開關Q12，其中控制訊號S11直接對應於第一控制訊號S1而控制訊號S12是第一控制訊號S1的反相訊號；第二控制訊號S2用以產生一控制訊號S21用以操作第三開關Q21和一控制訊號S22用以操作第四開關Q22，其中控制訊號S21直接對應於第二控制訊號S2而控制訊號S22是第二控制訊號S2的反相訊號；第三控制訊號S3用以產生一控制訊號S31用以操作第五開關Q31和一控制訊號S32用以操作第六開關Q32，其中控制訊號S31直接對應於第三控制訊號S3而控制訊號S32是 第三控制訊號S3的反相訊號；第四控制訊號S4用以產生一控制訊號S41用以操作第七開關Q41和一控制訊號S42用以操作第八開關Q42，其中控制訊號S41直接對應於第四控制訊號S4而控制訊號S42是第四控制訊號S4的反相訊號。
圖9顯示了根據本發明實施例的多階切換轉換器電路30的轉換控制電路320的示意圖。如圖9所示，轉換控制電路320包括電壓分壓器DV1和DV2、比較器CMP1、CMP2、CMP3、CMP4、CMP5和CMP6、濾波器FLT1和FLT2、加法器AE1、AE2、AE3和AE4，以及閂鎖電路FF1、FF2、FF3和FF4。在一實例中，多階切換轉換器電路30用以將第一電壓V1轉換為第二電壓V2。電壓分壓器DV1包括串聯連接的電阻Rd1和Rd2，以從第二電壓V2導出分壓Vdv1。比較器CMP1將分壓Vdv1與參考電壓Vref1比較，以產生回授相關訊號Vcomp。在一實施例中，使用濾波器FLT1對回授相關訊號Vcomp進行濾波。加法器AE1將回授相關訊號Vcomp與第一斜坡訊號Vramp1疊加以產生第一疊加訊號Vsp1。加法器AE2將回授相關訊號Vcomp與第二斜坡訊號Vramp2疊加以產生第二疊加訊號Vsp2。比較器CMP2將第一疊加訊號Vsp1與第一電流感測訊號ViL1比較，以產生第一脈寬調變訊號PWM1。比較器CMP3將第二疊加訊號Vsp2與第一電流感測訊號ViL1比較，以產生第二脈寬調變訊號PWM2。
需說明的是，疊加和比較回授相關訊號Vcomp、斜坡訊號和電流感測訊號的關係可以改變以產生相同的脈寬調變訊號。具體來說，在另一實施例中，加法器AE1將第一電流感測訊號ViL1與第一斜坡訊號Vramp1疊加以產生第一疊加訊號Vsp1。加法器AE2將第二電流感測 訊號ViL2與第二斜坡訊號Vramp2疊加以產生第二疊加訊號Vsp2。比較器CMP2將第一疊加訊號Vsp1與回授相關訊號Vcomp比較，以產生第一脈寬調變訊號PWM1。比較器CMP3將第二疊加訊號Vsp2與回授相關訊號Vcomp比較，以產生第二脈寬調變訊號PWM2。在進一步的另一實施例中，加法器AE1將第一電流感測訊號ViL1與回授相關訊號Vcomp疊加以產生第一疊加訊號Vsp1。加法器AE2將第二電流感測訊號ViL2與回授相關訊號Vcomp疊加以產生第二疊加訊號Vsp2。比較器CMP2將第一疊加訊號Vsp1與第一斜坡訊號Vramp1比較，以產生第一脈寬調變訊號PWM1。比較器CMP3將第二疊加訊號Vsp2與第二斜坡訊號Vramp2比較，以產生第二脈寬調變訊號PWM2。
閂鎖電路FF1接收第一脈寬調變訊號PWM1和第一時脈訊號clk1，以產生控制訊號S11和控制訊號S12，其中控制訊號S11直接對應於第一控制訊號S1，而控制訊號S12是第一控制訊號S1的反相訊號。閂鎖電路FF2接收第二脈寬調變訊號PWM2和第二時脈訊號clk2，以產生控制訊號S21和控制訊號S22，其中控制訊號S21直接對應於第二控制訊號S2，而控制訊號S22是第二控制訊號S2的反相訊號。
電壓分壓器DV2包括串聯連接的電阻Rd3和Rd4，用以從第二電壓V2導出分壓Vdv2。比較器CMP4將分壓Vdv2與參考電壓Vref2比較，以產生回授相關訊號Vcomp，其中濾波器FLT2用以過濾回授相關訊號Vcomp。加法器AE3將回授相關訊號Vcomp與第三斜坡訊號Vramp3疊加以產生第三疊加訊號Vsp3。加法器AE4將回授相關訊號Vcomp與第四斜坡訊號Vramp4疊加以產生第四疊加訊號Vsp4。比較器CMP5將第三疊加訊號Vsp3與第二電流感測訊號ViL2比較，以產生第三脈寬調變訊號 PWM3。比較器CMP6將第四疊加訊號Vsp4與第二電流感測訊號ViL2比較，以產生第四脈寬調變訊號PWM4。
閂鎖電路FF3接收第三脈寬調變訊號PWM3和第三時脈訊號clk3，以產生控制訊號S31和控制訊號S32，其中控制訊號S31直接對應於第三控制訊號S3，而控制訊號S32是第三控制訊號S3的反相訊號。閂鎖電路FF4接收第四脈寬調變訊號PWM4和第四時脈訊號clk4，以產生控制訊號S41和控制訊號S42，其中控制訊號S41直接對應於第四控制訊號S4，而控制訊號S42是第四控制訊號S4的反相訊號。
參照圖8和圖9，藉由第一波谷電流模式控制，轉換控制電路320產生第一斜坡訊號Vramp1來決定第一控制訊號S1的第一占空比，並產生第二斜坡訊號Vramp2來決定第二控制訊號S2的第二占空比，從而使與第一電感L1的一端連接的第一切換節點L1X在k個位準中的兩個之間切換，使得第一電壓V1或第二電壓V2被調節至預設目標位準，並且第一飛馳電容器C1上的飛馳電容器電壓VC1在第一電壓V1的(k-1)分之一處得到調節和平衡，其中k是大於或等於3的整數，k個位準包括第一電壓V1、接地電位以及至少一第一電壓V1的分壓。
繼續參照圖8和圖9，藉由第二波谷電流模式控制，轉換控制電路320產生第三斜坡訊號Vramp3來決定第三控制訊號S3的第三占空比，並產生第四斜坡訊號Vramp4來決定第四控制訊號S4的第四占空比，從而使與第二電感L2的一端連接的第二切換節點L2X在p個位準中的兩個之間切換，使得第一電壓V1或第二電壓V2被調節至預設目標位準，並且第二飛馳電容器C2上的飛馳電容器電壓VC2在第一電壓的(p-1)分之 一處得到調節和平衡，其中p是大於或等於3的整數，p個位準包括第一電壓V1、接地電位以及至少一第一電壓V1的分壓。
在一實施例中，第一占空比是根據第一斜坡訊號Vramp1、第一電流感測訊號ViL1和回授相關訊號Vcomp來決定的，其中第一控制訊號S1的脈衝的起始時間點決定第一電流感測訊號ViL1的第一波谷，從而達成第一波谷電流模式控制。第二占空比是根據第二斜坡訊號Vramp2、第一電流感測訊號ViL1和回授相關訊號Vcomp來決定的，其中第二控制訊號S2的脈衝的起始時間點決定第一電流感測訊號ViL1的第二波谷，從而達成第一波谷電流模式控制。第三占空比是根據第三斜坡訊號Vramp3、第二電流感測訊號ViL2和回授相關訊號Vcomp來決定的，其中第三控制訊號S3的脈衝的起始時間點決定第二電流感測訊號ViL2的第三波谷，從而達成第二波谷電流模式控制。第四占空比是根據第四斜坡訊號Vramp4、第二電流感測訊號ViL2和回授相關訊號Vcomp來決定的，其中第四控制訊號S4的脈衝的起始時間點決定第二電流感測訊號ViL2的第四波谷，從而達成第二波谷電流模式控制。
第一控制訊號S1的脈衝具有第一占空比，其中第二控制訊號S2的脈衝具有第二占空比，其中第一電流感測訊號ViL1與流經第一電感L1的電感電流iL1正相關。當第一電壓V1被轉換為第二電壓V2時，回授相關訊號Vcomp與第二電壓V2相關；或者當第二電壓V2被轉換為第一電壓V1時，回授相關訊號Vcomp與第一電壓V1相關。
第三控制訊號S3的脈衝具有第三占空比，而第四控制訊號S4的脈衝具有第四占空比，其中第二電流感測訊號ViL2與流經第二電感L2的電感電流iL2正相關。
之前提到的回授相關訊號Vcomp、斜坡訊號以及電流感測訊號之間的疊加與比較關係也可以從以下描述的角度來理解，以產生上述兩個PWM訊號：在一實施例中，第一訊號組包括第一斜坡訊號Vramp1、第一電流感測訊號ViL1和回授相關訊號Vcomp，其中第一訊號組的第一個訊號和第二個訊號疊加後與第三個訊號比較，以決定第一控制訊號S1的脈衝的起始時間點，並且第一控制訊號S1的脈衝的結束時間點由第一時脈訊號clk1觸發，其中第一訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號彼此不同。
在一實施例中，第二訊號組包括第二斜坡訊號Vramp2、第一電流感測訊號ViL1和回授相關訊號Vcomp，其中第二訊號組的第一個訊號和第二個訊號疊加後與第三個訊號比較，以決定第二控制訊號S2的脈衝的起始時間點，並且第二控制訊號S2的脈衝的結束時間點由第二時脈訊號clk2觸發，其中第二訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號彼此不同。
在一實施例中，第三訊號組包括第三斜坡訊號Vramp3、第二電流感測訊號ViL2和回授相關訊號Vcomp，其中第三訊號組的第一個訊號和第二個訊號疊加後與第三個訊號比較，以決定第三控制訊號S3的脈衝的起始時間點，並且第三控制訊號S3的脈衝的結束時間點由第三時脈訊號clk3觸發，其中第三訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號彼此不同。
在一實施例中，第四訊號組包括第四斜坡訊號Vramp4、第二電流感測訊號ViL2和回授相關訊號Vcomp。其中第四訊號組的第一個訊號和第二個訊號疊加後與第三個訊號比較，以決定第四控制訊號S4的脈衝的起始時間點，並且第四控制訊號S4的脈衝的結束時間點由第四 時脈訊號clk4觸發，其中第四訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號彼此不同。
在一實施例中，第一訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號分別對應於回授相關訊號Vcomp、第一斜坡訊號Vramp1和第一電流感測訊號ViL1。
在一實施例中，第二訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號分別對應於回授相關訊號Vcomp、第二斜坡訊號Vramp2和第一電流感測訊號ViL1。
在一實施例中，第三訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號分別對應於回授相關訊號Vcomp、第三斜坡訊號Vramp3和第二電流感測訊號ViL2。
在一實施例中，第四訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號分別對應於回授相關訊號Vcomp、第四斜坡訊號Vramp4和第二電流感測訊號ViL2。
在一實施例中，第一斜坡訊號Vramp1由第一時脈訊號clk1同步，而第二斜坡訊號Vramp2由第二時脈訊號clk2同步。
在一實施例中，第三斜坡訊號Vramp3和第四斜坡訊號Vramp4分別由第三時脈訊號clk3和第四時脈訊號clk4同步。
在一實施例中，第一時脈訊號clk1、第二時脈訊號clk2、第三時脈訊號clk3和第四時脈訊號clk4具有相同的固定頻率。
在一實施例中，第一斜坡訊號Vramp1與第二斜坡訊號Vramp2之間的相位偏移為360度除以(k-1)度；及/或第三斜坡訊號Vramp3與第四斜坡訊號Vramp4之間的相位偏移為360度除以(p-1)度。
在一實施例中，藉由第一波谷電流模式控制，第一控制訊號S1的脈衝導通期間與第一飛馳電容器電壓VC1成反比，並且第二控制訊號S2的脈衝導通期間與第一飛馳電容器電壓VC1成正比，從而在正常操作的穩定狀態下平衡第一飛馳電容器電壓VC1。
在一實施例中，藉由第二波谷電流模式控制，第三控制訊號S3的脈衝導通期間與第二飛馳電容器電壓VC2成反比，並且第四控制訊號S4的脈衝導通期間與第二飛馳電容器電壓VC2成正比，從而在正常操作的穩定狀態下平衡第二飛馳電容器電壓VC2。
在一實施例中，第一電流感測訊號ViL1是藉由將直流阻抗(DCR)電流感測電路耦合至第一電感L1來獲得的；及/或第二電流感測訊號ViL2是藉由將第二直流阻抗(DCR)電流感測電路耦合至第二電感L2來獲得的。
在一實施例中，第一功率級電路中的第一部分功率開關包括第一開關Q11和第二開關Q12，而第一功率級電路中的第二部分功率開關包括第三開關Q21和第四開關Q22；其中第一開關Q11連接於第一電壓V1和第一飛馳電容器C1的第一端XC1之間，第二開關Q12連接於第一飛馳電容器C1的第二端XC2和接地電位之間，第三開關Q21連接於第一飛馳電容器C1的第一端XC1和第一切換節點L1X之間，第四開關Q22連接於第一飛馳電容器C1的第二端XC2和第一切換節點L1X之間；其中第一控制訊號S1操作第一開關Q11，第一控制訊號S1的反相訊號操作第二開關Q12，第二控制訊號S2操作第三開關Q21和第二控制訊號S2的反相訊號操作第四開關Q22；其中k為3，k個位準包括第一電壓V1、接地電位和第一電壓V1的一半。
在一實施例中，第二功率級電路中的第一部分功率開關包括第五開關Q31和第六開關Q32，而第二功率級電路中的第二部分功率開關包括第七開關Q41和第八開關Q42；其中第五開關Q31連接於第一電壓V1和第二飛馳電容器C2的第一端XC3之間，第六開關Q32連接於第二飛馳電容器C2的第二端XC4和接地電位之間，第七開關Q41連接於第二飛馳電容器C2的第一端XC3和第二切換節點L2X之間，第八開關Q42連接於第二飛馳電容器C2的第二端XC4和第二切換節點L2X之間；其中第三控制訊號S3操作第五開關Q31，第三控制訊號S3的反相訊號操作第六開關Q32，第四控制訊號S4操作第七開關Q41和第四控制訊號S4的反相訊號操作第八開關Q42；其中p為3，p級位準包括第一電壓V1、接地電位和第一電壓V1的一半。
從另一角度看，轉換控制電路320並不根據第一電壓感測訊號產生第一控制訊號S1和第二控制訊號S2，其中第一電壓感測訊號是藉由感測第一飛馳電容器電壓VC1來產生的。
在一實施例中，轉換控制電路320不根據第二電壓感測訊號產生第三控制訊號S3和第四控制訊號S4，其中第二電壓感測訊號是藉由感測第二飛馳電容器電壓VC2來產生的。
圖10顯示了根據本發明實施例的另一多階切換轉換器電路的示意圖。圖10所示的多階切換轉換器電路40類似於圖8所示的多階切換轉換器電路30。多階切換轉換器電路40與多階切換轉換器電路30不同之處在於，在多階切換轉換器電路40中，第一功率級電路411和第二功率級電路412共享第一電感L1。
圖11顯示了根據本發明實施例的直流阻抗(DCR)電流感測電路的示意圖。如圖11所示，一DCR電流感測電路與電感L相連。一感測電阻Rx和一感測電容Cx串聯連接並與電感L相連。電感電流iL可以藉由放大器110從感測電容Vcx的電壓中感測出來，例如當電感L的時間常數與感測電阻Rx和感測電容Cx的時間常數相匹配時。
DCR電流感測方法的優點是減少了電流感測電阻的功率損耗。然而，在圖2和圖3中的感測電流訊號(ViL)並不限於DCR電流感測方法。感測電流訊號可以藉由與電感串聯的實體電流感測電阻、一電流感測變壓器、霍爾效應感測裝置、飛馳電容器或其中一開關來產生。
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最廣的權利範圍。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。
20:多階切換轉換器電路
210:功率級電路
220:轉換控制電路
C:飛馳電容器
Co:輸出電容
I2:輸出電流
iL:電感電流
L:電感器
LX:切換節點
Q11:第一開關
Q12:第二開關
Q21:第三開關
Q22:第四開關
S1:第一控制訊號
S2:第二控制訊號
S11,S12,S21,S22:控制訊號
V1:第一電壓
V2:第二電壓
VC:飛馳電容器電壓
Vcomp:回授相關訊號
ViL:電流感測訊號
Vx:切換節點電壓
XC1:第一端

Claims (30)

  1. 一種多階切換轉換器電路，用以將一第一電壓轉換為一第二電壓或將該第二電壓轉換為該第一電壓，該多階切換轉換器電路包含：一功率級電路，耦接於該第一電壓和該第二電壓之間，包括複數功率開關，用以切換一飛馳電容器和一電感；以及一轉換控制電路，用以產生一第一控制訊號，以週期性地操作該複數功率開關的一第一部分，並產生一第二控制訊號，以週期性地操作該複數功率開關的一第二部分；其中，透過一波谷電流模式控制，該轉換控制電路產生一第一斜坡訊號以決定該第一控制訊號的一第一占空比，並產生一第二斜坡訊號以決定該第二控制訊號的一第二占空比，從而將連接至該電感之一端的一切換節點在k個位準中的兩個之間切換，使得該第一電壓或該第二電壓被調節至一預設目標位準，且跨於該飛馳電容器上的一飛馳電容器電壓被調節並平衡在該第一電壓的(k-1)分之一；其中，k為大於或等於3的整數，該k個位準包括該第一電壓、一接地電位和至少一該第一電壓的分壓。
  2. 如請求項1所述之多階切換轉換器電路，其中該第一占空比根據該第一斜坡訊號、一電流感測訊號和一回授相關訊號所決定，該第一控制訊號的脈衝的起始時間點決定該電流感測訊號的一第一波谷，從而達成該波谷電流模式控制；其中該第二占空比根據該第二斜坡訊號、該電流感測訊號和該回授相關訊號所決定，該第二控制訊號的脈衝的起始時間點決定該電流感測訊號的一第二波谷，從而達成該波谷電流模式控制；其中該第一控制訊號的脈衝具有該第一占空比，該第二控制訊號的脈衝具有該第二占空比，該電流感測訊號與流經該電感的一電感電流正相關，該回授相關訊號與該第二電壓或該第一電壓相關的一回授訊號相關。
  3. 如請求項2所述之多階切換轉換器電路，其中一第一訊號組包括該第一斜坡訊號、該電流感測訊號和該回授相關訊號，該第一訊號組的第一個訊號和第二個訊號被疊加後與第三個訊號比較，以決定該第一控制訊號的脈衝的起始時間點，並且該第一控制訊號的脈衝的結束時間點由一第一時脈訊號觸發，其中該第一訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號彼此不同；其中一第二訊號組包括該第二斜坡訊號、該電流感測訊號和該回授相關訊號，該第二訊號組的第一個訊號和第二個訊號被疊加後與第三個訊號比較，以決定該第二控制訊號的脈衝的起始時間點，並且該第二控制訊號的脈衝的結束時間點由一第二時脈訊號觸發，其中該第二訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號彼此不同。
  4. 如請求項3所述之多階切換轉換器電路，其中該第一訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號分別對應於該回授相關訊號、該第一斜坡訊號和該電流感測訊號；其中該第二訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號分別對應於該回授相關訊號、該第二斜坡訊號和該電流感測訊號。
  5. 如請求項3所述之多階切換轉換器電路，其中該第一斜坡訊號由該第一時脈訊號同步，而該第二斜坡訊號由該第二時脈訊號同步。
  6. 如請求項5所述之多階切換轉換器電路，其中該第一時脈訊號和該第二時脈訊號具有相同的一固定頻率。
  7. 如請求項6所述之多階切換轉換器電路，其中該第一斜坡訊號和該第二斜坡訊號之間的相位偏移為360度除以(k-1)度。
  8. 如請求項2所述之多階切換轉換器電路，其中藉由該波谷電流模式控制，使該第一控制訊號的脈衝的導通期間與該飛馳電容器電壓成反比，並使該第二控制訊號的脈衝的導通期間與該飛馳電容器電壓成正比，從而使該飛馳電容器電壓得到平衡。
  9. 如請求項2所述之多階切換轉換器電路，其中該電流感測訊號是藉由與該電感耦合的一直流阻抗(DCR)電流感測電路獲得的。
  10. 如請求項9所述之多階切換轉換器電路，其中該複數功率開關的該第一部分包括一第一開關和一第二開關，該複數功率開關的該第二部分包括一第三開關和一第四開關；其中該第一開關連接於該第一電壓與該飛馳電容器的一第一端之間，該第二開關連接於該飛馳電容器的一第二端與該接地電位之間，該第三開關連接於該飛馳電容器的該第一端與該切換節點之間，該第四開關連接於該飛馳電容器的該第二端與該切換節點之間；其中該第一控制訊號操作該第一開關，且該第一控制訊號的反相訊號操作該第二開關，該第二控制訊號操作該第三開關，該第二控制訊號的反相訊號操作該第四開關；其中k為3，k個位準包括該第一電壓、該接地電位和該第一電壓的一半。
  11. 如請求項1所述之多階切換轉換器電路，其中該轉換控制電路不根據一電壓感測訊號產生該第一控制訊號和該第二控制訊號，而該電壓感測訊號是藉由感測該飛馳電容器電壓產生的。
  12. 一種多階切換轉換方法，用以將一第一電壓轉換為一第二電壓或將該第二電壓轉換為該第一電壓，該多階切換轉換方法包含以下步驟：藉由耦接於該第一電壓和該第二電壓之間的一功率級電路的複數功率開關，切換一飛馳電容器和一電感；產生一第一控制訊號，週期性地操作該功率級電路的該複數功率開關的一第一部分，以及產生一第二控制訊號，週期性地操作該功率級電路的該複數功率開關的一第二部分；藉由一波谷電流模式控制，產生一第一斜坡訊號以決定該第一控制訊號的一第一占空比，並產生一第二斜坡訊號以決定該第二控制訊號的一第二占空比，從而使連接至該電感一端的一切換節點在k個位準中的兩個之間切換，使得該第一電壓或該第二電壓被調節至一預設目標位準，並且該飛馳電容器的電壓得到調節和平衡在第一電壓的(k-1)分之一；其中k為大於或等於3的整數，k個位準包括該第一電壓、一接地電位和至少一第一電壓的分壓。
  13. 如請求項12所述之多階切換轉換方法，其中該第一占空比根據該第一斜坡訊號、一電流感測訊號和一回授相關訊號決定，該第一控制訊號的脈衝的起始時間點決定該電流感測訊號的一第一波谷，從而達成該波谷電流模式控制；其中該第二占空比根據該第二斜坡訊號、該電流感測訊號和該回授相關訊號決定，該第二控制訊號的脈衝的起始時間點決定該電流感測訊號的一第二波谷，從而達成該波谷電流模式控制；其中該第一控制訊號的脈衝具有該第一占空比，該第二控制訊號的脈衝具有該第二占空比，該電流感測訊號與流經該電感的一電感電流正相關，該回授相關訊號與該第二電壓或該第一電壓相關的一回授訊號相關。
  14. 如請求項13所述之多階切換轉換方法，其中一第一訊號組包括該第一斜坡訊號、該電流感測訊號和該回授相關訊號，該第一訊號組的第一個訊號和第二個訊號被疊加後與第三個訊號比較，以決定該第一控制訊號的脈衝的起始時間點，並且該第一控制訊號的脈衝的結束時間點由一第一時脈訊號觸發，其中該第一訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號彼此不同；其中一第二訊號組包括該第二斜坡訊號、該電流感測訊號和該回授相關訊號，該第二訊號組的第一個訊號和第二個訊號被疊加後與第三個訊號比較，以決定該第二控制訊號的脈衝的起始時間點，並且該第二控制訊號的脈衝的結束時間點由一第二時脈訊號觸發，其中該第二訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號彼此不同。
  15. 如請求項14所述之多階切換轉換方法，其中該第一訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號分別對應於該回授相關訊號、該第一斜坡訊號和該電流感測訊號；其中該第二訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號分別對應於該回授相關訊號、該第二斜坡訊號和該電流感測訊號。
  16. 如請求項14所述之多階切換轉換方法，其中該第一斜坡訊號由該第一時脈訊號同步，而該第二斜坡訊號由該第二時脈訊號同步。
  17. 如請求項16所述之多階切換轉換方法，其中該第一時脈訊號和該第二時脈訊號具有相同的一固定頻率。
  18. 如請求項17所述之多階切換轉換方法，其中該第一斜坡訊號和該第二斜坡訊號之間的相位偏移為360度除以(k-1)度。
  19. 如請求項13所述之多階切換轉換方法，其中藉由波谷電流模式控制，使該第一控制訊號的脈衝的導通期間與該飛馳電容器電壓成反比，餅使該第二控制訊號的脈衝的導通期間與該飛馳電容器電壓成正比，從而使該飛馳電容器電壓得到平衡。
  20. 如請求項12所述之多階切換轉換方法，其中該第一控制訊號和該第二控制訊號不是根據一電壓感測訊號產生的，而該電壓感測訊號是藉由感測該飛馳電容器電壓產生的。
  21. 一種多階切換轉換器電路，用以將一第一電壓轉換為一第二電壓或將該第二電壓轉換為該第一電壓，該多階切換轉換器電路包含：一第一功率級電路，耦接於該第一電壓和該第二電壓之間，包括複數第一功率開關，用以切換一第一飛馳電容器和一第一電感；一第二功率級電路，耦接於該第一電壓和該第二電壓之間，包括複數第二功率開關，用以切換一第二飛馳電容器和一第二電感；以及一轉換控制電路，用以產生一第一控制訊號、一第二控制訊號、一第三控制訊號和一第四控制訊號，其中該第一控制訊號用以週期性地操作該複數第一功率開關的一第一部分，該第二控制訊號用以週期性地操作該複數第一功率開關的一第二部分，該第三控制訊號用以週期性地操作該複數第二功率開關的一第一部分，該第四控制訊號用以週期性地操作該複數第二功率開關的一第二部分；其中透過一第一波谷電流模式控制，該轉換控制電路產生一第一斜坡訊號以決定該第一控制訊號的一第一占空比，並產生一第二斜坡訊號以決定該第二控制訊號的一第二占空比，從而使連接至該第一電感一端的一第一切換節點在k個位準中的兩個之間切換，使得該第一電壓或該第二電壓被調節至一預設目標位準，並且跨於該第一飛馳電容器上的一第一飛馳電容器電壓被調節並平衡在該第一電壓的(k-1)分之一；其中透過一第二波谷電流模式控制，該轉換控制電路產生一第三斜坡訊號以決定該第三控制訊號的一第三占空比，並產生一第四斜坡訊號以決定該第四控制訊號的一第四占空比，從而使連接至該第二電感一端的一第二切換節點在p個位準中的兩個之間切換，使得該第一電壓或該第二電壓被調節至該預設目標位準，並且跨於該第二飛馳電容器的一第二飛馳電容器電壓被調節並平衡在該第一電壓的(p-1)分之一；其中k和p均為大於或等於3的整數，k個位準包括該第一電壓、一接地電位和至少一第一電壓的分壓，p個位準包括該第一電壓、該接地電位和至少一第一電壓的分壓。
  22. 如請求項21所述之多階切換轉換器電路，其中該第一占空比根據該第一斜坡訊號、一第一電流感測訊號和一回授相關訊號所決定，該第一控制訊號的脈衝的起始時間點決定該第一電流感測訊號的一第一波谷，從而達成該第一波谷電流模式控制；其中該第二占空比根據該第二斜坡訊號、該第一電流感測訊號和該回授相關訊號所決定，該第二控制訊號的脈衝的起始時間點決定該第一電流感測訊號的一第二波谷，從而達成該第一波谷電流模式控制；其中該第三占空比根據該第三斜坡訊號、該第二電流感測訊號和該回授相關訊號決定，該第三控制訊號的脈衝的起始時間點決定該第二電流感測訊號的一第三波谷，從而達成該第二波谷電流模式控制；其中該第四占空比根據該第四斜坡訊號、該第二電流感測訊號和該回授相關訊號決定，該第四控制訊號的脈衝的起始時間點決定該第二電流感測訊號的一第四波谷，從而達成該第二波谷電流模式控制；其中該第一控制訊號的脈衝具有該第一占空比，該第二控制訊號的脈衝具有該第二占空比，該第一電流感測訊號與流經該第一電感的一電感電流正相關，該回授相關訊號與該第二電壓或該第一電壓相關的一回授訊號相關；其中該第三控制訊號的脈衝具有該第三占空比，該第四控制訊號的脈衝具有該第四占空比，該第二電流感測訊號與流經該第二電感的一電感電流正相關。
  23. 如請求項22所述之多階切換轉換器電路，其中一第一訊號組包括該第一斜坡訊號、該第一電流感測訊號和該回授相關訊號，該第一訊號組的第一個訊號和第二個訊號被疊加後與第三個訊號比較，以決定該第一控制訊號的脈衝的起始時間點，並且該第一控制訊號的脈衝的結束時間點由一第一時脈訊號觸發，其中該第一訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號彼此不同；其中該第二訊號組包括該第二斜坡訊號、該第一電流感測訊號和該回授相關訊號，該第二訊號組的第一個訊號和第二個訊號被疊加後與第三個訊號比較，以決定該第二控制訊號的脈衝的起始時間點，並且該第二控制訊號的脈衝的結束時間點由一第二時脈訊號觸發，其中該第二訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號彼此不同；其中該第三訊號組包括該第三斜坡訊號、該第二電流感測訊號和該回授相關訊號，該第三訊號組的第一個訊號和第二個訊號被疊加後與第三個訊號比較，以決定該第三控制訊號的脈衝的起始時間點，並且該第三控制訊號的脈衝的結束時間點由一第三時脈訊號觸發，其中該第三訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號彼此不同；其中該第四訊號組包括該第四斜坡訊號、該第二電流感測訊號和該回授相關訊號，該第四訊號組的第一個訊號和第二個訊號被疊加後與第三個訊號比較，以決定該第四控制訊號的脈衝的起始時間點，並且該第四控制訊號的脈衝的結束時間點由一第四時脈訊號觸發，其中該第四訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號彼此不同。
  24. 如請求項23所述之多階切換轉換器電路，其中該第一訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號分別對應於該回授相關訊號、該第一斜坡訊號和該第一電流感測訊號；其中該第二訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號分別對應於該回授相關訊號、該第二斜坡訊號和該第一電流感測訊號；其中該第三訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號分別對應於該回授相關訊號、該第三斜坡訊號和該第二電流感測訊號；其中該第四訊號組的第一個訊號、第二個訊號和第三個訊號分別對應於該回授相關訊號、該第四斜坡訊號和該第二電流感測訊號。
  25. 如請求項23所述之多階切換轉換器電路，其中該第一斜坡訊號由該第一時脈訊號同步，該第二斜坡訊號由該第二時脈訊號同步；其中該第三斜坡訊號和該第四斜坡訊號分別由該第三時脈訊號和該第四時脈訊號同步。
  26. 如請求項25所述之多階切換轉換器電路，其中該第一時脈訊號、該第二時脈訊號、該第三時脈訊號和該第四時脈訊號具有相同的一固定頻率。
  27. 如請求項23所述之多階切換轉換器電路，其中該第一斜坡訊號和該第二斜坡訊號之間的相位偏移為360度除以(k-1)度；並且/或者其中該第三斜坡訊號和該第四斜坡訊號之間的相位偏移為360度除以(p-1)度。
  28. 如請求項22所述之多階切換轉換器電路，其中藉由該第一波谷電流模式控制，使該第一控制訊號的脈衝的導通期間與該第一飛馳電容器電壓成反比，並使該第二控制訊號的脈衝的導通期間與該第一飛馳電容器電壓成正比，從而使該第一飛馳電容器電壓得到平衡；其中藉由該第二波谷電流模式控制，使該第三控制訊號的脈衝的導通期間與該第二飛馳電容器電壓成反比，並使該第四控制訊號的脈衝的導通期間與該第二飛馳電容器電壓成正比，從而使該第二飛馳電容器電壓得到平衡。
  29. 如請求項21所述之多階切換轉換器電路，其中該第一電流感測訊號是藉由與該第一電感耦合的一第一直流阻抗(DCR)電流感測電路獲得的；並且/或者其中該第二電流感測訊號是藉由與該第二電感耦合的一第二直流阻抗(DCR)電流感測電路獲得的。
  30. 如請求項29所述之多階切換轉換器電路，其中該複數第一功率開關的該第一部分包括一第一開關和一第二開關，該複數第一功率開關的該第二部分包括一第三開關和一第四開關；其中該第一開關連接於該第一電壓和該第一飛馳電容器的一第一端之間，該第二開關連接於該第一飛馳電容器的一第二端與該接地電位之間，該第三開關連接於該第一飛馳電容器的該第一端與該第一切換節點之間，該第四開關連接於該第一飛馳電容器的該第二端與該第一切換節點之間；其中該第一控制訊號操作該第一開關，且該第一控制訊號的反相訊號操作該第二開關，該第二控制訊號操作該第三開關，該第二控制訊號的反相訊號操作該第四開關；其中k為3，k個位準包括該第一電壓、該接地電位和該第一電壓的一半；其中該複數第二功率開關的該第一部分包括一第五開關和一第六開關，該複數第二功率開關的該第二部分包括一第七開關和一第八開關；其中該第五開關連接於該第一電壓和該第二飛馳電容器的一第一端之間，該第六開關連接於該第二飛馳電容器的一第二端與該接地電位之間，該第七開關連接於該第二飛馳電容器的該第一端與該第二切換節點之間，該第八開關連接於該第二飛馳電容器的該第二端與該第二切換節點之間；其中該第三控制訊號操作該第五開關，該第三控制訊號的反相訊號操作該第六開關，該第四控制訊號操作該第七開關，該第四控制訊號的反相訊號操作該第八開關；其中p為3，p個位準包括該第一電壓、該接地電位和該第一電壓的一半。
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