CN103683932A - 脉宽调制模式或脉冲省略模式下的电压转换器及切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种可运作于一脉冲宽度调制(PWM)模式或一脉冲省略模式下的电压转换器。该电压转换器包含一功率级电路、一误差放大器、一比较器、一电流感测元件、一脉冲省略控制电路以及一PWM逻辑控制电路。该误差放大器用以提供一误差放大电压。该比较器用以提供一脉冲信号。该电流感测元件用以产生一感测电流信号。该脉冲省略控制电路用以接收该误差放大电压、该感测电流信号、一预设电压和一预设电流以产生一脉冲省略信号。该功率级电路中的至少一功率开关在该PWM模式下是根据该脉冲信号而动作，而在该脉冲省略模式下是根据该脉冲省略信号而动作。

Description

脉宽调制模式或脉冲省略模式下的电压转换器及切换方法

技术领域

本发明是关于一种可运作于一脉冲宽度调制模式或一脉冲省略模式下的电压转换器及其切换方法。

背景技术

直流至直流电压转换器可用以将一输入电压调节成一稳定的输出电压，藉以供应负载所需的电流。一般而言，直流至直流电压转换器根据输入电压和输出电压值的大小分为升压式电压转换器(boost converter)、降压式电压转换器(buck converter)和升降压式电压转换器(buck-boost converter)。图1绘示一典型的降压式电压转换器10的架构示意图。参照图1，该降压式电压转换器10包含一电感L、两开关SW₁和SW₂、一输出电容C_OUT及一控制电路12。该控制电路12用以提供控制两功率开关SW₁和SW₂的两驱动信号D₁和D₂，使得该些功率开关SW₁和SW₂能被交替地导通及关闭。

参照图1，该控制电路12包含一误差放大器122、一比较器124以及一脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)逻辑控制电路126。该降压式电压转换器10还包含一分压电路14，其用以检测输出电压V_OUT的变化。该分压电路14通过两串联电阻R₁和R₂将输出电压V_OUT进行分压以产生相对应的反馈电压V_FB。接着，根据一参考电压V_REF和该反馈电压V_FB之间的电压差值，该误差放大器122产生一相对应的输出电压V_C。该比较器124在比较误差放大器122传来的输出电压V_C和一锯齿波信号V_SAW后，产生一脉冲信号PWM。该脉冲信号PWM传送至该PWM逻辑控制电路126以产生相对应的驱动信号D₁和D₂。通过驱动信号D₁和D₂开启或关闭该些功率开关SW₁和SW₂而对电感L进行充电或放电，该降压式电压转换器10可产生所需要的负载电流及稳定的输出电压。

在上述直流至直流电压转换器中，于轻载(指所需要的负载电流较小)或无载时，如果仍然以相同的脉冲信号PWM控制功率开关，则会由于切换损失而有效率不佳的问题。为了解决直流至直流电压转换器轻载或无载时的效率问题，已知技术中该PWM逻辑控制电路126会另接收一脉冲省略信号SKIP。当该脉冲省略信号SKIP致能时，该电压转换器10会进入一脉冲省略模式。此时，驱动信号D₁会保持逻辑低电平，而驱动信号D₂会保持逻辑高电平，如图2所示。依此方式，可降低开关SW₁和SW₂的切换损失，从而改善电压转换器轻载或无载时的效率问题。

在已知技术中，当该误差放大器122的输出电压V_C小于一设定电压V_SET时，该脉冲省略信号SKIP会致能，使得该电压转换器由脉冲宽度调制模式进入脉冲省略模式。然而，由于该输出电压V_C会受到输入电压V_IN、输出电压V_OUT和负载电流I_LOAD的影响而产生不同的电压值，该电压转换器的模式切换转态点会差距颇大。举例而言，当输入电压V_IN=3.6V，输出电压V_OUT=3.3V时，该电压转换器可能在负载电流I_LOAD=10mA时从脉冲宽度调制模式进入至脉冲省略模式，而当输入电压V_IN=5V，输出电压V_OUT=1.2V时，该电压转换器可能在负载电流I_LOAD=300mA时从脉冲宽度调制模式进入至脉冲省略模式。

当该电压转换器从脉冲宽度调制模式进入至脉冲省略模式时，其整体效率会提高，然而，涟波电流(ripple current)会增大。较大的涟波电流在电感L和输出电容C_OUT上会造成额外的损耗。因此，有必要提出一种可运作于一脉冲宽度调制模式或一脉冲省略模式下的电压转换器及其切换方法，该电压转换器的模式切换转态点不会受到不同输入电压和不同输出电压的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种可运作于一脉冲宽度调制模式或一脉冲省略模式下的电压转换器。

为达到上述的目的，本发明的电压转换器的一实施例包含一输入端、一输出端、一功率级电路、一误差放大器、一比较器、一电流感测元件、一脉冲省略控制电路以及一脉冲宽度调制逻辑控制电路。该输入端用以接收一直流输入电压。该输出端用以提供一调节过的直流输出电压。该功率级电路耦接于该输入端和该输出端之间，该功率级电路包含至少一功率开关和一电感。该误差放大器具有接收一参考电压的一第一输入端、接收关联于该直流输出电压的一反馈电压的一第二输入端及提供一误差放大电压的一输出端。该比较器具有接收该误差放大电压的一第一输入端、接收一周期性信号的一第二输入端及提供一脉冲信号的一输出端。该电流感测元件用以感测流过该功率级电路的一电流以产生一感测电流信号。该脉冲省略控制电路用以接收该误差放大电压、该感测电流信号、一预设电压和一预设电流以产生一脉冲省略信号。该脉冲宽度调制逻辑控制电路用以根据该脉冲信号和该脉冲省略信号以控制该至少一功率开关。该至少一功率开关在该脉冲宽度调制模式下是根据该脉冲信号而动作，而在该脉冲省略模式下是根据该脉冲省略信号而动作。

本发明的另一目的是提供一种切换一电压转换器的运作模式的方法，其中该电压转换器用以接收一直流输入电压以调节产生一直流输出电压，且该电压转换器是运作于一脉冲宽度调制模式或一脉冲省略模式。

为达到上述的目的，本发明的方法的一实施例包含根据关联于该直流输出电压的一反馈电压和一参考电压以产生一误差放大电压；比较该误差放大电压和一周期性信号以产生一脉冲信号；比较该误差放大电压和一预设电压以产生一第一比较信号；感测流过该电压转换器的一电感的一电流以产生一感测电流信号；比较该感测电流信号和一预设电流以产生一第二比较信号；以及根据该第一比较信号和该第二比较信号控制该电压转换器运作于该脉冲宽度调制模式或该脉冲省略模式。

附图说明

图1绘示一典型的降压式电压转换器的架构示意图；

图2绘示该降压式电压转换器进入脉冲省略模式时的波形图；

图3显示结合本发明一实施例的一电压转换器的架构示意图；

图4显示该电流感测元件的不同设置方式；以及

图5显示结合本发明一实施例的脉冲省略控制电路的细部电路图。

[主要元件标号说明]

10降压式电压转换器            12控制电路

122误差放大器                 124比较器

126PWM逻辑控制电路            14分压电路

30电压转换器                  32功率级电路

34分压电路                    36控制电路

362误差放大器                 364比较器

366PWM逻辑控制电路            368脉冲省略控制电路

3682比较器            3684比较器

3686组合逻辑电路      38电流感测元件

C_OUT输出电容          I_LOAD负载电流

L,L₁电感              R₁,R₂,R_A,R_B电阻

SW₁,SW₂,SW_A,SW_B开关

具体实施方式

本发明在此所探讨的方向为一种可运作于一脉冲宽度调制模式或一脉冲省略模式下的电压转换器。为了能彻底地了解本发明，将在下列的描述中提出详尽的步骤及结构。显然地，本发明的施行并未限定于相关领域的技艺者所熟悉的特殊细节。另一方面，众所周知的结构或步骤并未描述于细节中，以避免造成本发明不必要的限制。本发明的较佳实施例会详细描述如下，然而除了这些详细描述之外，本发明还可以广泛地施行在其它的实施例中，且本发明的范围不受限定，其以上述的专利范围为准。

图3显示结合本发明一实施例的一电压转换器30的架构示意图。该电压转换器30用以接收一输入电压V_IN以调节产生一输出电压V_OUT。该电压转换器30在重载(指所需要的负载电流I_LOAD较大)至轻载(指所需要的负载电流I_LOAD较小)时是运作于一脉冲宽度调制模式，而该电压转换器30在轻载至无载(负载电流I_LOAD=0A)时是运作于一脉冲省略模式。

参照图3，该电压转换器30包含一功率级电路32、一输出电容C_OUT、一分压电路34、一控制电路36和一电流感测元件38。在本实施例中，该电压转换器30为一降压式电压转换器，故该功率级电路32包含一电感L₁和两功率开关SW_A及SW_B，其中该功率开关SW_A耦接于该电压转换器30的一输入端和一节点N₁之间、该功率开关SW_B耦接于该节点N₁和一接地端之间且该电感L₁耦接于该节点N₁和该电压转换器30的一输出端之间。然而，本发明不应以此为限。该电压转换器30可以为任一形式的直流至直流电压转换器，例如升压式电压转换器或升降压式电压转换器。

参照图3，该电流感测元件38用以感测流过该功率级电路32的一电流以产生一感测电流信号I_SEN。在本实施例中，该电流感测元件38感测流过该功率开关SW_A的一电流以产生该感测电流信号I_SEN。流过该功率开关SW_A的该电流在开关SW_A导通时会等于电感电流i_L。然而，本发明不应以此为限。该电流感测元件38亦可感测流过该功率开关SW_B或该电感L₁的电流以产生该感测电流信号I_SEN，如图4所示。

参照图3，该控制电路36包含一误差放大器362、一比较器364以及一PWM逻辑控制电路366。该误差放大器362具有接收一参考电压V_REF的一正相输入端、接收关联于该输出电压V_OUT的一反馈电压V_FB的一反相输入端及提供一误差放大电压V_EA的一输出端。该比较器364具有接收一周期性信号V_SAW的一正相输入端、接收该误差放大电压V_EA的一反相输入端及提供一脉冲信号PLSE的一输出端。该周期性信号为具有一固定周期的信号，例如一锯齿波信号或一三角波信号。该PWM逻辑控制电路366用以提供控制开关SW_A和SW_B的两驱动信号D_A和D_B，使得开关SW_A和SW_B能被交替地导通及关闭。

参照图3，该控制电路36还包含一脉冲省略控制电路368。该脉冲省略控制电路368用以接收该误差放大电压V_EA、该感测电流信号I_SEN、一预设电压V_SET和一预设电流I_SET以产生一脉冲省略信号PS。当该脉冲省略信号PS不致能时，该电压转换器30运作于一脉冲宽度调制模式。当该脉冲省略信号PS致能时，该电压转换器30会从该脉冲宽度调制模式进入一脉冲省略模式。

图5显示结合本发明一实施例的脉冲省略控制电路368的细部电路图。参照图5，该脉冲省略控制电路368包含比较器3682和3684以及一组合逻辑电路3686。该比较器3682具有接收该预设电压V_SET的一正相输入端、接收该误差放大电压V_EA的一反相输入端以及提供一比较信号CP₁的输出端。该比较器3684具有接收该预设电流I_SET的一正相输入端、接收该感测电流信号I_SEN的一反相输入端以及提供一比较信号CP₂的输出端。该组合逻辑电路3684在接收该些比较信号CP₂和CP₂后，产生该脉冲省略信号PS。

该电压转换器30的工作原理现配合图3至图5说明如下。参照图3，该电压转换器30中的该分压电路34是由两串联电阻R_A和R_B所组成，其用以检测输出电压V_OUT的变化。该分压电路34根据串联电阻R_A和R_B的阻值比例将输出电压V_OUT进行分压以获得该反馈电压V_FB。接着，根据该参考电压V_REF和该反馈电压V_FB之间的电压差值，该误差放大器362产生相对应的输出电压V_EA。该输出电压V_EA一般而言会受到输入电压V_IN、输出电压V_OUT和负载电流I_LOAD的影响而产生不同的电压值。

在产生输出电压V_EA后，该比较器364比较该输出电压V_EA和该锯齿波信号V_SAW以产生该脉冲信号PLSE。当该电压转换器30运作于脉冲宽度调制模式时，该PWM逻辑控制电路366会根据该脉冲信号PLSE产生两驱动信号D_A和D_B，藉以控制功率开关SW_A和SW_B的导通时间。通过开启或关闭开关SW_A和SW_B来充电或放电电感L，使得输出电压V_OUT具有稳定的电压电平。

在本实施例中，当该开关SW_A导通时会有一随时间增加的电流流过该电流感测元件38。该电流感测元件38可感测流过该开关SW_A的电流以产生该感测电流信号I_SEN。当该输出电压V_EA小于该预设电压V_SET且该感测电流信号I_SEN小于该预设电流I_SET时，该脉冲省略控制电路368会送出具有一高逻辑电平的脉冲省略信号PS至该PWM逻辑控制电路366。在接收具有高逻辑电平的脉冲省略信号PS后，该电压转换器30会进入脉冲省略模式。此时该PWM逻辑控制电路366会发出具有低逻辑电平的驱动信号D_A和具有高逻辑电平的驱动信号D_B，以降低开关SW_A和SW_B的切换频率。在本发明另一实施例中，当该电压转换器30进入脉冲省略模式时，该PWM逻辑控制电路366会省略该脉冲信号PLSE的部分脉冲，以降低开关SW_A和SW_B的切换频率。

当该负载电流I_LOAD增加时，操作在脉冲省略模式的该电压转换器30的输出电压V_OUT会下降，使得该误差放大器362的输出电压V_EA会上升。当该输出电压V_EA大于该预设电压V_SET时，该脉冲省略控制电路366会送出具有一低逻辑电平的脉冲省略信号PS至该PWM逻辑控制电路366，使得该电压转换器30进入脉冲宽度调制模式。此时该控制电路366会根据该脉冲信号PLSE产生驱动信号D_A和D_B，藉以交替地导通及关闭开关SW_A和SW_B，使该输出电压V_OUT回复额定的电压电平。

另一方面，在该电压转换器30进入脉冲省略模式时，当该感测电流信号I_SEN大于该预设电流I_SET时，该脉冲省略控制电路366亦会送出具有一低逻辑电平的脉冲省略信号PS至该控制电路366。在接收具有低逻辑电平的脉冲省略信号PS后，该电压转换器30会进入脉冲宽度调制模式。此时该控制电路366会根据该脉冲信号PLSE产生驱动信号D_A和D_B，藉以交替地导通及关闭开关SW_A和SW_B，使该输出电压V_OUT回复额定的电压电平。

在本发明一实施例中，该预设电流I_SET的值是根据流过该电压转换器30的该电感L₁的平均电流而设定。由于该电压转换器30运作于不连续导通模式(Discontinuous Conduction Mode,DCM)和连续导通模式(ContinuousConduction Mode,CCM)的边界点时，流过该电感L₁的平均电流会是峰值电流的一半，因此，在设定该预设电流I_SET时是以该电压转换器30运作于DCM和CCM的边界点时流过该电感L₁的平均电流而决定。举例而言，当该电压转换器30运作于DCM和CCM的边界点时流过该电感L₁的平均电流为100mA，则该预设电流I_SET的值会设定为200mA。因此，当流过该电感L₁的峰值电流下降至200mA时，该比较器3684会触动以输出比较信号CP₂，代表该电压转换器30由CCM模式进入DCM模式。

在上述实施例中，是以降压式电压转换器为例说明本发明的实施方式及其功效，然而本发明不应以此为限。举例而言，升压式电压转换器和升降压式电压转换器由于具有相同或近似配置的控制电路，故本发明亦可施行于其上。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而本领域技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示者，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为上述的权利要求范围所涵盖。

Claims (9)

1.一种运作于一脉冲宽度调制模式或一脉冲省略模式下的电压转换器，该电压转换器包含：

一输入端，用以接收一直流输入电压；

一输出端，用以提供一调节过的直流输出电压；

一功率级电路，耦接于该输入端和该输出端之间，该功率级电路包含至少一功率开关和一电感；

一误差放大器，具有接收一参考电压的一第一输入端、接收关联于该直流输出电压的一反馈电压的一第二输入端及提供一误差放大电压的一输出端；

一比较器，具有接收该误差放大电压的一第一输入端、接收一周期性信号的一第二输入端及提供一脉冲信号的一输出端；

一电流感测元件，用以感测流过该功率级电路的一电流以产生一感测电流信号；

一脉冲省略控制电路，用以接收该误差放大电压、该感测电流信号、一预设电压和一预设电流以产生一脉冲省略信号；以及

一脉冲宽度调制逻辑控制电路，用以根据该脉冲信号和该脉冲省略信号以控制该至少一功率开关；

其中，该至少一功率开关在该脉冲宽度调制模式下是根据该脉冲信号而动作，而在该脉冲省略模式下是根据该脉冲省略信号而动作。

2.根据权利要求1所述的电压转换器，其中该脉冲省略逻辑控制电路包含：

一第一比较器，具有接收该误差放大电压的一第一输入端、接收该预设电压的一第二输入端及提供一第一比较信号的一输出端；

一第二比较器，具有接收该感测电流信号的一第一输入端、接收该预设电流的一第二输入端及提供一第二比较信号的一输出端；以及

一组合逻辑电路，用以接收该第一比较信号和该第二比较信号以产生该脉冲省略信号。

3.根据权利要求1所述的电压转换器，其中当该误差放大电压小于该预设电压且该感测电流信号小于该预设电流时，该电压转换器由该脉冲宽度调制模式进入该脉冲省略模式。

4.根据权利要求1所述的电压转换器，其中当该误差放大电压大于该预设电压或该感测电流信号大于该预设电流时，该电压转换器由该脉冲省略模式进入该脉冲宽度调制模式。

5.根据权利要求3或4所述的电压转换器，其中该预设电流是根据流过该功率级电路的该电感的平均电流而设定。

6.一种切换一电压转换器的运作模式的方法，该电压转换器用以接收一直流输入电压以调节产生一直流输出电压，该电压转换器是运作于一脉冲宽度调制模式或一脉冲省略模式，所述方法包含：

根据关联于该直流输出电压的一反馈电压和一参考电压以产生一误差放大电压；

比较该误差放大电压和一周期性信号以产生一脉冲信号；

比较该误差放大电压和一预设电压以产生一第一比较信号；

感测流过该电压转换器的一电感的一电流以产生一感测电流信号；

比较该感测电流信号和一预设电流以产生一第二比较信号；以及

根据该第一比较信号和该第二比较信号控制该电压转换器运作于该脉冲宽度调制模式或该脉冲省略模式。

7.根据权利要求6的方法，其中当该误差放大电压小于该预设电压且该感测电流信号小于该预设电流时，该电压转换器由该脉冲宽度调制模式进入该脉冲省略模式。

8.根据权利要求6的方法，其中当该误差放大电压大于该预设电压或该感测电流信号大于该预设电流时，该电压转换器由该脉冲省略模式进入该脉冲宽度调制模式。

9.根据权利要求7或8的方法，其中该预设电流是根据流过该电压转换器的该电感的平均电流而设定。

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