CN103208862A - 切换式电容动态开关时间控制电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

切换式电容动态开关时间控制电路及其控制方法。该切换式电容动态开关时间控制电路包括第一时间产生器以及第二时间产生器；其中，第一时间产生器括有一第一电容，第一时间产生器通过第一电容的充电以决定一第一时间；第二时间产生器包括有一第二电容，第二时间产生器与第一时间产生器连接，当第一时间结束时，第二时间产生器通过第二电容的放电以决定一第二时间。

Description

切换式电容动态开关时间控制电路及其控制方法

技术领域

实施例公开关于一种切换式电容动态开关时间控制电路。

背景技术

目前电源管理芯片(Power Management IC)在便携式电子产品上的运用已经越来越广泛，从手机、个人数字助理（Personal Digital Assistant，PDA）、甚至是笔记型计算机，电源管理都是一个很大且重要的课题。在电源管理芯片中，直流/直流电压转换器是最为常见的电路。在直流/直流电压转换器的操作中，是利用上下桥的功率晶体管（Power MOS）作切换来提供稳定的输出电压，然而输出电流会因为Power MOS不断切换的关系会产生纹波(ripple)。

而控制方式针对不同的运作模式以及需求有相当多不同的方式。一般常见的控制方法有脉冲宽度调整(pulse width modulation)以及脉冲频率调整(pulse frequency modulation)两种，前者固定频率并调整脉冲的责任周期来改变控制开关信号，后者则以可能固定开启或是关闭的时间，但调整开关周期频率的方式来进行等效的责任周期改变。

对于低功耗的直流/直流电压转换器，在控制器的设计上，由于平均输出电流低所以常采用非连续导通模式(discontinuous conduction mode)操作，因此在操作上会尽量要求降低功耗，所以采用非定频的控制(PFM)取代常用的定频控制(PWM)以降低不必要的开关周期，降低整个直流/直流转换器电路上的切换损失来达到整体效率提升或是更低输入能量可用范围的目的。

直流/直流电压转换器在非连续导通模式操作时，电感电流在放电时会降至零电平并与输出或是输入切开，使输出电流不连续故称为非连续导通。而在电感电流达到零电平时，会因为电感电流纹波(inductor current ripple)的关系有可能发生电感电流逆流的情况，此时电感电流逆流的能量是由输出电容所提供的，电流路径是由输出端流到零电位(VSS)进一步会形成能量的浪费，或是由于开关时间不准确造成电流必须经过二极管导通的方式流至输出端，因此直流/直流电压转换器的转换效率就会降低。为了避免此问题的发生，在一般直流/直流电压转换器中都会加上零电流检测电路，当电感电流即将发生逆流时，会由零电流检测电路迅速通知系统电路，把会形成逆流路径上的晶体管关闭，避免逆流的发生，以维持较高的转换效率。因此准确的关闭开关就成为一个控制上最重要的部分。

而在制造准确的开关时间上，有使用零电流检测电路(zero currentdetection)，或是利用输入输出电压关系而计算出上下桥开关时间的方式。

发明内容

实施例提出一种切换式电容动态开关时间控制电路。

根据实施例的一种切换式电容动态开关时间控制电路，包括第一时间产生器以及第二时间产生器；其中，第一时间产生器括有一第一电容，第一时间产生器通过第一电容的充电以决定一第一时间；第二时间产生器包括有一第二电容，第二时间产生器与第一时间产生器连接，当第一时间结束时，第二时间产生器通过第二电容的放电以决定一第二时间。

根据实施例的一种切换式电容动态开关时间控制方法，包括有：一第一电容响应第一电流进行充电；判断该第一电容的充电状态，当该第一电容的充电电压超过一阈值时停止充电，该第一电容开始充电至停止充电的时间定义为一第一时间；产生一分压于一第二电容的一端，该第二电容响应该第二电流源产生的一第二电流进行放电；判断该第二电容的放电状态，当该第二电容的放电电压低於一阈值时停止放电，该第二电容开始放电至停止放电的时间定义为一第二时间。

以上的关于实施例的说明及以下的实施方式的说明用以示范与解释实施例的精神与原理，并且提供权利要求书更进一步的解释。

附图说明

图1为实施例所公开的切换式电容动态开关时间控制电路。

图2A、图2B、图2C为实施例所公开的切换式电容动态开关时间控制电路的操作示意图。

图3为实施例所公开的切换式电容动态开关时间控制电路的时序图。

图4为实施例所公开的校正电路。

图5为图4的实施例所公开的近似电路。

【主要元件符号说明】

10..................................    第一时间产生器

20..................................    第二时间产生器

30..................................    输入电流源

40..................................    校正电路

41..................................    控制逻辑

42..................................    控制电路

43..................................    近似电路

44                                      反相器

431................................     暂存器

432................................     暂存器

433................................     暂存器

434................................     暂存器

435................................     暂存器

436................................     多工器

437................................     D型触发器

452................................     逻辑门

453................................     逻辑门

454................................     逻辑门

455................................     逻辑门

456................................     逻辑门

457................................     逻辑门

C1..................................    第一电容

C2..................................    第二电容

C3..................................    第三电容

M1.................................     第一晶体管

M2.................................     第二晶体管

M3.................................     第三晶体管

M4.................................     第四晶体管

M5.................................     第五晶体管

M6.................................     第六晶体管

M7.................................     第七晶体管

M8.................................     第八晶体管

S1..................................    第一开关

S2..................................    第二开关

S3..................................    第三开关

S4..................................    第四开关

S5..................................    第五开关

S6..................................    第六开关

S7..................................    第七开关

Vb..................................    偏压电源

Vin.................................    电源电压

Vss................................     接地电位

VGN                                     外部电压

VC1.................................    电压

VC2.................................    分压电压

Clk.................................    时钟信号

En..................................    致能信号

Comp                                    转态信号

Lock..............................      锁定信号

具体实施方式

以下在实施方式中详细叙述实施例的详细特征以及优点，其内容足以使本领域技术人员了解实施例的技术内容并据以实施，且根据本说明书所公开的内容、权利要求书及附图，本领域技术人员可轻易地理解实施例相关的目的及优点。以下的实施例的详细说明并非用以任何观点限制与实施例相关的范围。

请参考图1，为实施例所公开的切换式电容动态开关时间控制电路，不使用先前技术中耗能的比较器与运算放大器。以下为了方便说明，将简称时间控制电路。

时间控制电路由一第一时间产生器10以及一第二时间产生器20组成。第一时间产生器10电性连接于一电源电压Vin与一接地电位Vss之间，第二时间产生器20同样电性连接于电源电压Vin与接地电位Vss之间，接地电位Vss的典型值为0伏特，电源电压Vin也有表示成Vcc，代表一高于0伏特的电位，通常为5伏特。

第一时间产生器10包括有一第一电流源、一与第一电流源连接的一第一电容C1、以及一连接于第一电流源与第一电容C1之间的一第一比较器，第一比较器决定第一电流源对第一电容C1充电的一第一时间。第二时间产生器20与第一时间产生器连接。第二时间产生器包括有一第二电流源、一连接于第二电流源与第二电容C2之间的一第二比较器、以及一与第二电容C2连接的第三电容C3，当第一时间结束时，第二电容C2通过第二电流源放电，并由第二比较器以决定第二电容C2放电的一第二时间。这边的第一比较器、第二比较器、第一电流源、第二电流源将于以下的实施例中说明。

此外，时间控制电路还包括有一输入电流源30，与该第一时间产生器10连接，其中第一时间产生器10中的第一电流源与第二时间产生器20中的第二电流源为输入电流源30的镜像电流。在实施例中，输入电流源由一第一晶体管M1、一第二晶体管M2以及一连接于第一晶体管M1与第二晶体管M2的第一开关S1组成。第一晶体管M1为一PMOS晶体管，第二晶体管M2为一NMOS晶体管。第一晶体管M1的源极连接至电源电压Vin，漏极连接至一第一开关S 1的第一端，栅极连接至一偏压电源Vb。第二晶体管M2的漏极连接至第一开关S1的第二端，源极连接至接地电位Vss，栅极与漏极连接在一起。当第一开关S1受控制而关闭时，此时将形成导通路径，第一晶体管M1与一第二晶体管M2将当成输入电流源，以利后续第一时间产生器10以及一第二时间产生器20中的电流镜电路产生镜像电流。

实施例中使用多个开关，这些开关实际上可利用晶体管或者逻辑门来实施，其开启或关闭受到逻辑电路的控制。在实施例中，如果提到开关关闭，是指该开关所在的路径形成通路，如果为开关开启，则指该开关所在的路径形成断路。

以下说明第一时间产生器10与第二时间产生器20的实施例组成与运作。

第一时间产生器10包括有第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第一电容C1、第二开关S2以及第三开关S3。第三晶体管M3为一PMOS晶体管，第四晶体管M4为一PMOS晶体管，第五晶体管M5为一NMOS晶体管，第三晶体管M3的源极与第四晶体管M4的源极都连接至电源电压Vin，两个晶体管的栅极也都连接至一偏压电源Vb。第二开关S2的第一端与第三晶体管M3的漏极连接，第二开关S2的第二端连接至第一电容C1的第一端，第一电容C1的第二端连接至接地电位Vss。第四晶体管M4的漏极连接至第五晶体管M5的漏极，第五晶体管M5的源极连接至接地电位Vss，第五晶体管M5的栅极连接至第二开关S2的第二端与第一电容C1的第一端之间。第三开关S3的第一端连接至第二开关S2的第二端与第一电容C1的第一端之间，第三开关S3的第二端连接至接地电位Vss。

在第一时间产生器10中，第三晶体管M3用来作为电流源使用，亦即前述的第一电流源。当第二开关S2受控而关闭时，第三晶体管M3会响应来自第一晶体管M1的输入电流源而产生一镜射电流，以对第一电容C1充电。而第五晶体管M5是作为前述的第一比较器的实施例，第五晶体管M5与第一电容C1搭配，以决定一第一时间，亦即当第一电容C1的充电量超过第五晶体管M5的导通的门槛电压Vth时的充电时间为第一时间。当实施例所公开的时间控制电路应用于直流/直流转换器时，第一时间为对电感进行充电时间，或者称为上桥开启时间。

第二时间产生器20包括有第六晶体管M6、第七晶体管M7以及第八晶体管M8、第二电容C2、第三电容C3、第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6以及第七开关S7。第六晶体管M6为NMOS晶体管，第七晶体管M7为PMOS晶体管，第八晶体管M8为NMOS晶体管。第七晶体管M7的栅极连接至偏压电源Vb，源极连接至电源电压Vin，漏极连接至第八晶体管M8的漏极，第八晶体管M8的源极连接至接地电位Vss。第八晶体管M8的栅极连接至第六开关S6的第一端以及第七开关S7的第一端，第七开关S7的第二端连接至接地电位Vss。第五开关S5的第二端连接至第六晶体管M6的漏极，第六晶体管M6的源极连接至接地电位Vss，栅极连接至第二晶体管M2的栅极。

第三电容C3与第四开关S4相互并联，第三电容C3的第一端连接至电源电压Vin，第四开关S4的第一端连接至电源电压Vin，第三电容C3的第二端与第四开关S4的第二端彼此连接，并连接至第五开关S5的第一端，第五开关S5的第二端连接至第二电容C2的第一端，第二电容C2的第二端连接至接地电位Vss。

在第二时间产生器20中，第六晶体管M6是作为前述的第二电流源的实施例，第八晶体管M8是作为前述第二比较器的实施例，第八晶体管M8与第二电容C2以及第三电容C3搭配，以决定一第二时间。当实施例所公开的时间控制电路应用于直流/直流转换器时，第二时间称为一电感进行放电时间，或者称为下桥开启时间。

本公开的实施例以固定电流源对电容充电或放电至晶体管的导通电压(threshold voltage)，并利用第五晶体管M5、第八晶体管M8作为比较器使用。当实施例所公开的时间控制电路应用于直流/直流转换器时，且于直流/直流转换器中的电感为充电状态时，第一电流源会对第一电容C1进行充电动作，而其充电周期(on period)的时间T_ON可由下式得到：

$T_{\mathrm{ON}}=\frac{V_{\mathrm{th}\left(M5\right)}\·C1}{I_C}---\left(1\right)$

由控制电流与电容产生充电周期的时间后，第二时间产生器中的第二电容C₂与第三电容C₃控制充电周期完成后的放电时间，而其分压电压V_C2值可由下式得到：

$V_{C2}=\frac{\mathrm{\α}}{1+\mathrm{\α}}{V}_{\mathrm{in}}\mathrm{where\α}=\frac{C_2}{C_3}---\left(2\right)$

由分压电压值，加上取样输入端电压的电压值Vin，利用定电流放电电容C₂上的电压可得到电感放电周期(off period)的时间T_OFF如下式：

$T_{\mathrm{OFF}}=\frac{(\frac{\mathrm{\α}}{1+\mathrm{\α}}\·V_{\mathrm{in}}-V_{\mathrm{th}\left(M8\right)})\·C_2}{I_c}---\left(3\right)$

综合式(1)(2)(3)以及输入输出电压，可得在非连续导通模式稳态电感充放电时间的平衡式，而调整电容分压的参数α可调整分压内容，进而依据不同的输入输出电压关系产生正确的放电时间以配合充电时间，以达到低耗损的零电流开关。

以下配合图2A至图2C以及图3说明本发明的操作过程。

信号CPout为控制本发明的电路的控制信号，当本发明应用于直流/直流转换器时，这个信号可以来自于比较器。此处可以将信号CPout视为控制信号。

在时间控制电路中，一共有第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6、以及第七开关S7，其中第二开关S2与第五开关S5会同时开启或关闭，而第三开关S3、第四开关S4以及第七开关S7会同时开启或关闭，第一开关S1的开启或关闭会与第三开关S3、第四开关S4以及第七开关S7的开启或关闭相反，亦即。当第三开关S3、第四开关S4以及第七开关S7为开启时，第一开关S1为关闭。因此在实施例中，将第一开关S1与一反相器（图中未示）连接，就可以使用相同的逻辑控制信号控制第一开关S1、第三开关S3、第四开关S4以及第七开关S7。

当第一开关S1关闭时，第三晶体管M3当作电流源使用，此时将对第一电容C1充电，由图3可以看到第一电容C1的电压V_C1逐步地上升。在这个阶段，第三开关S3、第四开关S4、以及第七开关S7为开启。而第二电容C2的电压维持在充饱的状态。当第一电容C1的电压超过第五晶体管M5的导通电压Vth时，第二开关S2即打开形成断路，此时第一电容C1的充电阶段结束，进入放电阶段。

在放电阶段，第二开关S2、第五开关S5开启，因此电流源不再对第一电容C1充电，此时第一电容C1放电。此时，第三开关S3、第四开关S4、以及第七开关S7仍然维持开启。第六开关S6关闭，使得第二电容C2可以进行放电，而当第二电容C2放电低于第八晶体管的导通电压Vth时，这个放电阶段结束，进入静态阶段（Idle period）。

在静态阶段，第二开关S2与第五开关S5开启，第三、第四以及第七开关S7关闭，第六开关S6开启，在这个阶段，第二第容C2以及第三电容C3会放电完毕。

当应用实施例所公开的时间控制电路至直流/直流转换器时，这些模拟集成电路本身可能会有元件不匹配的影响和系统电路反应所需的延迟时间。由于不同的零电流开关点会造成不一样的直流/直流转换器中电感电流放电状态，如果电感电流尚未放尽或是电感电流放电过度对于电感两端电压值产生的变动。因此可以利用此一电压变化并通过电路如：反相器，比较器或是放大器，来进行电压状态的检测。经过检测后调整第三电容C3的电容值，藉以调整分压比例，进而产生配合工艺或是延迟变异的放电时间值，以此修正工艺以及延迟的放电时间不准确，更增进系统的功耗效率。

因此在一实施例中，还包括有一组校正电路40，与第三电容C3连接，作为对于工艺变异或延迟产生的不准确电感放电时间的校正机制。校正电路用来改变第三电容的电容值，以使得输入以及工艺等非理想效应误差，可通过改变第三电容值来校正放电时间。因此，第三电容C3的电容值在一实施例中是可被调整的。

在一实施例中，校正电路40可用五位连续近似电路(successiveapproximation register)实现。图4所示的校正电路40中包括有一控制逻辑41、一控制电路42以及一近似电路43。控制逻辑41受到外部电压V_GN的控制，并输出时钟信号Clk给近似电路43。控制逻辑41同时受到一致能信号En的控制。控制电路42则响应近似电路43的输出以决定增加或降低第三电容C3的电容值。

图5所示的近似电路43为一5位连续近似电路，包括有五个暂存器431、432、433、434、435、一个多工器436以及一D型触发器437。暂存器432、433、434、43分别配置一逻辑门452、453、454、455配合运作。另外还设置逻辑门456、457。这些逻辑门都是或门。用来作为感应器的反相器44产生一转态信号Comp，这个信号表示过长或过短的零电流检测（zero currentdiction，ZCD），转态信号Comp会分别存储于暂存器431、432、433、434、435。在五位中，最高有效位（Most Significant Bit，MSB）ZA[4]设定为高电压电平（亦即逻辑1），以利开始校正程序的进行。由图中可知，反相器44所输出的转态信号Comp受到一外部电压V_LX决定。如果外部电压V_LX为低电压电平，此时转态信号Comp将变成高电压电平并输入至近似电路43中以增加第三电容C3的电容值。V_LX为低电压电平表示过短的关闭时间。反之，如果外部电压V_LX为高电压电平，此时转态信号Comp将变成低电压电平，以降低第三电容C3的电容值。V_LX为高电压电平表示过长的关闭时间。经过比较之后，目前运作中的暂存器将会触发下一个暂存器以将控制码ZA[n-1]设定成1，以利下一个比较的进行，同时接收转态信号Comp，以决定是否将输出信号ZA[n]设定成0或1。经过五次的比较后将会决定最低有效位的电平，且D型触发器437会被设定成高电压电平并且锁住。此时，近似电路43的状态将会被保持以输出正确的关闭时间。而输入自外部电路的一锁定信号Lock会将近似电路43锁定或者使近似电路43的最低有效位继续运作。

在另一实施例中，校正电路可利用爬山法(mountain climbing method)或是上下数计数器(up down counter)来实现校正电路。

本公开的实施例的切换式电容动态开关时间控制电路，其主要由一组切换式电容电路与控制逻辑构成，其可达到极低的功率消耗，不需使用放大器或是比较器电路来锁住或是判断电压信号，仅使用一颗有控制电流源的晶体管作为比较器，即可制造出平衡的上下桥的开关信号，使电感电流可以准确的放电至零电平，使直流/直流电压转换器可以高效率的操作在非连续导通模式(discontinuous conduction mode)。此外，在静态时电路完全关闭不耗能，并在开启时控制电流让电路维持在非常低的电流水平。

特别说明的是，虽然实施例所提出的时间控制电路的出发点是为了要解决直流/直流电压转换器的功率消耗以及零电流控制电路的问题，但是并非意谓本发明将只能应用于直流/直流电压转换器。只要电路中需要有充放电的控制，均可应用本发明。

Claims (16)

1.一种切换式电容动态开关时间控制电路，包括有：

第一时间产生器，包括有第一电容，该第一时间产生器通过该第一电容的充电以决定一第一时间；以及

第二时间产生器，包括有第二电容，该第二时间产生器与该第一时间产生器连接，当该第一时间结束时，该第二时间产生器通过该第二电容的放电以决定一第二时间。

2.如权利要求1所述的电路，其中该第一时间产生器还包括有第一电流源与第一比较器，该第一电容与该第一电流源连接，该第一比较器连接于该第一电流源与该第一电容之间，其中，该第一比较器决定该第一电流源对该第一电容充电的该第一时间。

3.如权利要求2所述的电路，其中该第二时间产生器还包括有第二电流源与第二比较器，该第二电容与该第二电流源连接，该第二比较器与该第二电容连接，其中当该第一时间结束时，该第二电容通过该第二电流源放电，并由该第二比较器以决定该第二电容放电的该第二时间。

4.如权利要求3所述的电路，其中还包括有第三电容，与该第二电容连接。

5.如权利要求4所述的电路，其中还包括有校正电路，与该第三电容连接，该校正电路用以改变该第三电容的电容值以校正放电时间。

6.如权利要求3所述的电路，其中还包括有输入电流源，与该第一时间产生器连接，其中该第一电流源与该第二电流源为该输入电流源的镜像电流。

7.如权利要求6所述的电路，其中该输入电流源包括第一晶体管、第二晶体管、以及第一开关，连接于该第一晶体管与该第二晶体管之间。

8.如权利要求7所述的电路，其中该第一时间产生器中的该第一电流源为一第三晶体管。

9.如权利要求8所述的电路，其中该第一时间产生器还包括有：

第二开关，连接于该第二晶体管与该第一电容之间；

第三开关，与该第一电容并联并与该第二开关串联；以及

第四晶体管，与该第三晶体管连接。

10.如权利要求9所述的电路，其中该第一比较器为第五晶体管，与该第四晶体管连接。

11.如权利要求4所述的电路，其中该第二时间产生器中的该第二电流源为一第六晶体管。

12.如权利要求11所述的电路，其中该第二时间产生器还包括有：

第四开关，与该第三电容连接；

第五开关，连接于该第二电容与该第三电容之间；

第六开关，连接于该第六晶体管与该第二电容之间；

第七开关，与该第二电容连接；以及

第七晶体管，与该第三电容以及该第二比较器连接。

13.如权利要求12所述的电路，其中该第二比较器为第八晶体管，与该第七晶体管连接。

14.一种切换式电容动态开关时间控制方法，包括有：

第一电容响应一第一电流进行充电；

判断该第一电容的充电状态，当该第一电容的充电电压超过一第一阈值时停止充电，该第一电容开始充电至停止充电的时间定义为一第一时间；

产生一分压于第二电容的一端，该第二电容响应该第二电流源产生的一第二电流进行放电；

判断该第二电容的放电状态，当该第二电容的放电电压低于一第二阈值时停止放电，该第二电容开始放电至停止放电的时间定义为一第二时间。

15.如权利要求14所述的方法，还包括有提供一输入电流的步骤，以使第一电流源响应该输入电流产生该第一电流，以及使该第二电流响应该输入电流产生该第二电流，该第一电流与该第二电流为该输入电流的镜像电流。

16.如权利要求14所述的方法，还包括有一校正步骤，用以改变与该第二电容连接的一第三电容的电容值以校正放电时间。

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