專利名稱：在寬廣的負載需求內高效轉換電壓的pfm控制電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明關于一種脈沖頻率調制(PFM)控制電路，尤其關于一種在寬廣的負載需求內高效轉換電壓的PFM控制電路。
現有技術為了確保電子裝置能獲得穩(wěn)定的電壓供應而實現穩(wěn)定的操作，電壓調節(jié)器是不可或缺的關鍵性元件。電壓調節(jié)器可在一經過調節(jié)的輸出電壓下供應所需要的輸出電流至負載。因此，當電子裝置作為電壓調節(jié)器的負載時，電子裝置的操作即可避免因電壓擾動而發(fā)生不穩(wěn)定的現象。除了獲得穩(wěn)定的電壓供應之外，如何延長電壓供應的有效時間以達成長時間操作的目的，更是使用獨立電壓源例如電池等種類繁多的可攜式電子裝置所關切的議題。
就電壓轉換效率的考慮而言，線性電壓調節(jié)器因被動元件的功率消耗而劣于切換式電壓調節(jié)器。切換式電壓調節(jié)器典型地包括一控制電路，用于控制切換電路的導通(ON)與關斷(OFF)。借著適當地控制切換電路的占空比(Duty Ratio)，亦即導通時間在整個切換周期中所占的比例，可將輸出電壓調節(jié)至所期望的電平并供應所需要的電流至負載。目前已經有許多眾所周知且廣泛運用的控制電路與方法，例如脈沖寬度調制(PWM)模式、固定導通時間的PFM模式、以及固定關斷時間的PFM模式等等。然而，現有的控制電路與方法僅能在有限的負載需求范圍內達成高效率的電壓轉換。舉例而言，PWM模式僅在重負載操作中效率較佳、固定導通時間的PFM模式僅在輕負載操作中效率較佳、而固定關斷時間的PFM模式則在重負載操作中效率較佳。為了在重負載與輕負載操作中皆能維持高效率的電壓轉換，有技術文獻建議依據負載需求的大小而決定選擇PWM模式或PFM模式進行操作。然而，此種解決方案需要同時使用兩種以上的控制電路以及特殊設計的多重模式選擇電路，反而增加了電路復雜度并且提高了制造成本。
因此，期望能有一種可在寬廣的負載需求內維持電壓轉換高效率的控制電路與方法。

發(fā)明內容有鑒于前述問題，本發(fā)明的一目的在于提供一種PFM控制電路，可在寬廣的負載需求內維持電壓轉換高效率。
依據本發(fā)明的一方面，提供一種脈沖頻率調制控制電路，用于控制一切換調節(jié)器而轉換一輸入電壓成為一輸出電壓。切換調節(jié)器具有一切換電路與一電感元件。脈沖頻率調制控制電路包含一電流檢測電路，用于產生一電流檢測信號，其代表流經電感元件的一電流；一電壓檢測電路，用于產生一電壓檢測信號，其代表輸出電壓；以及一脈沖產生電路，用于回應于電流檢測信號與電壓檢測信號，產生一脈沖控制信號。脈沖控制信號具有多個切換循環(huán)，其中每一切換循環(huán)由一導通時間與一關斷時間所構成。導通時間應用于使切換電路導通，而關斷時間則應用于使切換電路不導通。
導通時間依據電流檢測信號而調整，使得其隨著電流檢測信號的一最大值提高而延長。因此，在重負載操作下，有效防止切換循環(huán)的所需次數增加而改善電壓轉換的效率。關斷時間依據電壓檢測信號而調整，使得其隨著電壓檢測信號的一下降速率減緩而延長。因此，在輕負載操作下，有效防止切換循環(huán)的所需次數增加而改善電壓轉換的效率。
依據本發(fā)明的另一方面，提供一種脈沖頻率調制控制方法，用于控制一切換調節(jié)器而轉換一輸入電壓成為一輸出電壓。切換調節(jié)器具有一切換電路與一電感元件。脈沖頻率調制控制方法由多個切換循環(huán)所構成。每一切換循環(huán)包含提供一導通時間，應用于使該切換電路導通，以及提供一關斷時間，應用于使該切換電路不導通。在現今的切換循環(huán)中導通時間依據在前次的切換循環(huán)中流經電感元件的一電流的一最大值而動態(tài)調整。在現今的切換循環(huán)中關斷時間依據在現今的切換循環(huán)中輸出電壓的一下降速率而動態(tài)調整。
下文中的說明與附圖將使本發(fā)明的前述與其他目的、特征、與優(yōu)點更明顯。茲將參照附圖詳細說明依據本發(fā)明的較佳實施例。

圖1顯示依據本發(fā)明的PFM控制電路的電路方框圖。
圖2顯示依據本發(fā)明的PFM控制方法的流程圖。
圖3顯示依據本發(fā)明的PFM電壓調節(jié)器的操作波形時序圖。
圖4顯示依據本發(fā)明的脈沖產生電路的一例子的詳細電路圖。
主要元件符號說明10PFM控制電路11脈沖產生電路12電流檢測電路13電壓檢測電路15參考導通時間設定電路16導通時間調整電路
17 參考關斷時間設定電路18 關斷時間調整電路19 閂鎖電路20 切換調節(jié)器30 負載A 電壓調節(jié)器的輸出端C，C1，C2，C導通，C關斷電容CP1~CP3比較器D 二極管G1，G2 傳輸門IL電感電流IL-1 本發(fā)明的電感電流IL-2 現有的電感電流Isen電流檢測信號I導通，I關斷.參考電流源Ivc電壓控制的可變電流源L 電感元件N1，N2 開關OP導通導通時間操作階段OP關斷關斷時間操作階段PC 脈沖控制信號PC-1 本發(fā)明的脈沖控制信號PC-2 現有的脈沖控制信號Q 閂鎖電路的輸出端
R 電阻Vin輸入電壓Vout輸出電壓Vsen電壓檢測信號V導通，V關斷，Vref參考電壓SW開關晶體管具體實施方式圖1顯示依據本發(fā)明的PFM控制電路的電路方框圖。參照圖1，借著PFM控制電路10的控制，切換調節(jié)器20可將易受影響的輸入電壓Vin轉換成穩(wěn)定的輸出電壓Vout，并且經由輸出端A提供所需要的電流至負載30。請注意雖然圖1所示的切換調節(jié)器20是升壓式型態(tài)，但本發(fā)明不限于此而可應用于降壓式型態(tài)或者各種其他型態(tài)的切換調節(jié)器。再者，雖然圖1所示的切換調節(jié)器20是使用一開關晶體管SW與一個二極管D的非同步切換電路，但本發(fā)明不限于此而可應用于使用兩個開關晶體管的同步切換電路。
PFM控制電路10包括一脈沖產生電路11、一電流檢測電路12、以及一電壓檢測電路13。脈沖產生電路11輸出一脈沖控制信號PC，以控制切換調節(jié)器20的開關晶體管SW。脈沖控制信號PC由多個切換循環(huán)一個接著一個連續(xù)排列而成。每一個切換循環(huán)由一第一電平(level)狀態(tài)與一第二電平狀態(tài)所構成。第一電平狀態(tài)應用于控制開關晶體管SW的導通，亦可簡稱為導通時間，而第二電平狀態(tài)則應用于控制開關晶體管SW的不導通，亦可簡稱為關斷時間。電流檢測電路12檢測流經電感元件L的電感電流TL，并產生一電流檢測信號Isen。電壓檢測電路13檢測切換調節(jié)器20的輸出電壓Vout，并產生一電壓檢測信號Vsen’。響應于電流檢測信號Isen與電壓檢測信號Vsen，脈沖產生電路11動態(tài)調整脈沖控制信號PC在每一切換循環(huán)中的導通時間與關斷時間，從而在寬廣的負載需求內進行高效電壓轉換。
在一實施例中，電流檢測電路12可為一串聯(lián)電阻，使得電感電流IL流經其中所造成的電位差作為電流檢測信號Isen。在另一實施例中，電流檢測電路12可為本案申請人所獲頒的美國專利第6,791,368號中揭露的電流檢測電路，該文獻完整并入此處作為參考。在一實施例中，電壓檢測電路13可為一電阻性分壓電路，耦合于切換調節(jié)器20的輸出端A與一地面電位間，用于提供輸出電壓Vout的分壓，作為電壓檢測信號Vsen。由于電流檢測電路12與電壓檢測電路13皆本領域的熟練技術人員所熟知的，故在此不再贅述。
脈沖產生電路11包含一參考導通時間設定電路15、一導通時間調整電路16、一參考關斷時間設定電路17、一關斷時間調整電路18、以及一閂鎖電路19。參考導通時間設定電路15用于提供一預定的參考導通時間，作為每一切換循環(huán)中實際應用的導通時間的下限?；陔娏鳈z測電路12的電流檢測信號Isen，導通時間調整電路16動態(tài)調整每一切換循環(huán)中實際應用的導通時間。具體而言，實際應用的導通時間會隨著該電流檢測信號Isen’的最大值提高而延長，從而改善重負載操作中的電壓轉換效率。參考關斷時間設定電路17用于提供一預定的參考關斷時間，作為每一切換循環(huán)中實際應用的關斷時間的下限?；陔妷簷z測電路13的電壓檢測信號Vsen，關斷時間調整電路18動態(tài)調整每一切換循環(huán)中實際應用的關斷時間。具體而言，實際應用的關斷時間會隨著該電壓檢測信號Vsen的下降速率減緩而延長，從而改善輕負載操作中的電壓轉換效率。依據實際應用的導通時間與實際應用的關斷時間的觸發(fā)，閂鎖電路19產生脈沖控制信號PC，以控制切換調節(jié)器20的開關晶體管SW。
圖2顯示依據本發(fā)明的PFM控制方法的流程圖。參照圖2，依據本發(fā)明的PFM控制方法包含有一導通時間操作階段OP導通與一關斷時間操作階段OP關斷，兩者構成一切換循環(huán)。在導通時間操作階段OP導通中，切換調節(jié)器20的開關晶體管SW操作于導通狀態(tài)而使能量從輸入電壓Vin供應至電感元件L儲存起來，因而電感電流IL逐漸上升。在關斷時間操作階段OP關斷中，切換調節(jié)器20的開關晶體管SW操作于不導通狀態(tài)而使先前儲存于電感元件L內的能量供應至負載30，因而電感電流IL逐漸下降。
在步驟S1中，開關晶體管SW從不導通狀態(tài)轉變成操作于導通狀態(tài)，開始進行一新的導通時間操作階段OP導通。在步驟S2中，檢測電感電流IL以了解負載需求，并依據電流檢測信號Isen所指示的負載需求而動態(tài)調整實際應用的導通時間。在步驟S3中，判斷開關晶體管SW處于導通狀態(tài)的時間是否已經達到實際應用的導通時間。倘若尚未達到實際應用的導通時間，則繼續(xù)維持開關晶體管SW操作于導通狀態(tài)(步驟S4)。一旦開關晶體管SW處于導通狀態(tài)的時間達到實際應用的導通時間，則開關晶體管SW立即進入不導通狀態(tài)(步驟S5)。換言之，導通時間操作階段OP導通結束，而開始關斷時間操作階段OP關斷。在步驟S6中，判斷開關晶體管SW處于不導通狀態(tài)的時間是否已經達到預定的參考關斷時間。倘若尚未達到參考關斷時間，則繼續(xù)維持開關晶體管SW操作于不導通狀態(tài)(步驟S7)。一旦開關晶體管SW處于不導通狀態(tài)的時間達到參考關斷時間，則必須更進一步判斷用于代表輸出電壓Vout的電壓檢測信號Vsen是否已經降低至一預定的參考電壓Verf以下(步驟S8)。倘若尚未降低至參考電壓Vref以下，則繼續(xù)維持開關晶體管SW操作于不導通狀態(tài)(步驟S9)。一旦電壓檢測信號Vsen已經降低至參考電壓Vref以下，則開關晶體管SW立即進入導通狀態(tài)(步驟S1)。換言之，關斷時間操作階段OP關斷結束，開始下一個切換循環(huán)中的導通時間操作階段OP導通。
圖3顯示依據本發(fā)明的PFM電壓調節(jié)器的操作波形時序圖。曲線IL-1顯示在重負載操作下、在中負載操作下、以及在輕負載操作下，依據本發(fā)明的電感電流的波形變化。曲線PC-1系顯示在重負載操作下、在中負載操作下、以及在輕負載操作下，依據本發(fā)明的脈沖控制信號的波形變化。為了更清楚說明依據本發(fā)明的PFM電壓調節(jié)器可在寬廣的負載需求內進行高效的電壓轉換，圖3更顯示有現有的PFM電壓調節(jié)器的操作波形時序圖作為對照。曲線IL-2顯示在重負載操作下、在中負載操作下、以及在輕負載操作下，現有的電感電流的波形變化。曲線PC-2系顯示在重負載操作下、在中負載操作下、以及在輕負載操作下，現有的脈沖控制信號的波形變化。
在重負載操作下，電感電流IL-1的平均值必須對應地提高以滿足大量的負載電流的需求。由于脈沖控制信號PC-1的實際應用的導通時間依據負載需求而調整，故在重負載操作下依據本發(fā)明的實際應用的導通時間會對應地延長，以允許電感電流IL-1在一次切換循環(huán)中即可上升至較高的值。結果，有效地防止依據本發(fā)明的脈沖控制信號PC-1的切換循環(huán)次數在重負載操作下增加。對照之下，現有的固定導通時間的PFM模式因為無法依據負載需求而調制導通時間，導致脈沖控制信號PC-2的切換循環(huán)次數過多而降低了電壓轉換效率。
在輕負載操作下，由于所需的負載電流較小，故輸出電壓Vout于關斷時間內的下降速率變得較平緩。由于脈沖控制信號PC-1的實際應用的關斷時間依據輸出電壓Vout何時下降至參考電壓Vref的判斷而調整，故在輕負載操作下實際應用的關斷時間比參考關斷時間更加延長。結果，有效地防止依據本發(fā)明的脈沖控制信號PC-1的切換循環(huán)次數在輕負載操作下增加。對照之下，現有的固定關斷時間的PFM模式因為無法依據負載需求而調制關斷時間，導致脈沖控制信號PC-2的切換循環(huán)次數過多而降低了電壓轉換效率。
圖4顯示依據本發(fā)明的脈沖產生電路11的一例子的詳細電路圖。閂鎖電路19具有一輸出端Q，用于供應脈沖控制信號PC。茲假設電壓檢測信號Vsen小于參考電壓Vref，因此開始進行導通時間操作階段OP導通。亦即，閂鎖電路19的輸出端Q進入高電平狀態(tài)，用于導通切換調節(jié)器20的開關晶體管SW。另一方面，閂鎖電路19的輸出端Q的高電平狀態(tài)經反相成低電平狀態(tài)后，使參考導通時間設定電路15的開關N1不導通，導致參考電流源I導通開始對于電容C導通充電。與此同時，導通時間調整電路16的電壓控制的可變電流源Ivc也對于電容C導通放電。在此情況下，跨于電容C導通上的電位差的上升速率受到可變電流源Ivc的影響而減緩。當可變電流源Ivc愈大時，跨于電容C導通上的電位差愈慢達到一預定的參考電壓V導通。結果，比較器CP1實際上被觸發(fā)的時間比僅使用參考電流源I導通充電所造成的參考導通時間來得更晚，因而達成了延長實際應用的導通時間的效果。當跨于電容C導通上的電位差達到參考電壓V導通時，比較器CP1被觸發(fā)以通知閂鎖電路19將輸出端Q的高電平狀態(tài)轉變成低電平狀態(tài)。綜上所述，閂鎖電路19的輸出端Q呈現高電平狀態(tài)的實際應用的導通時間有效地由導通時間調整電路16依據電流檢測信號Isen而動態(tài)調整。
仔細觀察可知，電流檢測信號Isen是一種在導通時間操作階段OP導通中上升，但在關斷時間操作階段OP關斷中卻下降的變動波形。因此，在圖4所示的實施例中，導通時間調整電路16利用一取樣保持電路，用于取樣在前次的切換循環(huán)中電流檢測信號Isen的最大值，并隨后保持其作為可變電流源Ivc的控制電壓以動態(tài)調整在現今的切換循環(huán)中的實際應用的導通時間。具體而言，在導通時間操作階段OP導通中，閂鎖電路19的輸出端Q的高電平狀態(tài)使傳輸門G1導通且傳輸門G2不導通，從而利用電容C1擷取出在導通時間終止前的電流檢測信號Isen的最大值。隨后在同一切換循環(huán)的關斷時間操作階段OP關斷中，閂鎖電路19的輸出端Q的低電平狀態(tài)使傳輸門G1不導通且傳輸門G2導通，使得由電容C1所取樣的最大值可轉移至電容C2并保持于該處。等到下一次切換循環(huán)的導通時間操作階段OP導通開始進行時，即利用電容C2所保持住的最大值控制可變電流源Ivc以動態(tài)調整實際應用的導通時間。
一旦進入關斷時間操作階段OP關斷之后，閂鎖電路19的輸出端Q的低電平狀態(tài)使切換調節(jié)器20的開關晶體管SW不導通，同時也使參考關斷時間設定電路17的開關N2不導通，因此參考電流源I關斷開始對于電容C關斷充電。當跨于電容C關斷上的電位差達到一預定的參考電壓V關斷時，比較器CP2被觸發(fā)以通知閂鎖電路19到目前為止已經過了一預定的參考關斷時間。然而，單單比較器CP2被觸發(fā)并無法改變閂鎖電路19的輸出端Q的電平狀態(tài)，尚必須同時顧及關斷時間調整電路18的操作。具體而言，關斷時間調整電路18由一比較器CP3所實施，用于比較電壓檢測信號Vsen與參考電壓Vref。當電壓檢測信號Vsen低于參考電壓Vref時，比較器CP3被觸發(fā)而通知閂鎖電路19改變輸出端Q至高電平狀態(tài)。綜上所述，閂鎖電路19的輸出端Q呈現低電平狀態(tài)的實際應用的關斷時間是有效地由關斷時間調整電路18依據電壓檢測信號Vsen而動態(tài)調整。
雖然本發(fā)明業(yè)已通過較佳實施例作為例示加以說明，應了解者為本發(fā)明不限于此被揭露的實施例。相反地，本發(fā)明意欲涵蓋對于本領域的熟練技術人員而言是明顯的各種修改與等效替換。因此，本發(fā)明的保護范圍應根據最廣的詮釋，以包容所有此類修改與等效替換。
權利要求
1.一種脈沖頻率調制控制電路，用于控制一切換調節(jié)器而轉換一輸入電壓成為一輸出電壓，該切換調節(jié)器具有一切換電路與一電感元件，該脈沖頻率調制控制電路包含一電流檢測電路，用于產生一電流檢測信號，其代表流經該電感元件的一電流；一電壓檢測電路，用于產生一電壓檢測信號，其代表該輸出電壓；以及一脈沖產生電路，用于響應于該電流檢測信號與該電壓檢測信號而產生一脈沖控制信號，該脈沖控制信號具有多個切換循環(huán)，其中每一切換循環(huán)由一導通時間與一關斷時間所構成，該導通時間應用于使該切換電路導通，而該關斷時間則應用于使該切換電路不導通，其中該導通時間依據該電流檢測信號而被調整，使得其隨著該電流檢測信號的一最大值提高而延長，并且該關斷時間依據該電壓檢測信號而被調整，使得其隨著該電壓檢測信號的一下降速率減緩而延長。
2.根據權利要求1所述的脈沖頻率調制控制電路，其中在當前的切換循環(huán)中，該導通時間依據在前次的切換循環(huán)中該電流檢測信號的該最大值而被動態(tài)調整。
3.根據權利要求1所述的脈沖頻率調制控制電路，其中該脈沖產生電路包含一參考導通時間設定電路，用于防止該導通時間短于一預定的參考導通時間，以及一導通時間調整電路，用于依據該電流檢測信號而動態(tài)調整該導通時間。
4.根據權利要求3所述的脈沖頻率調制控制電路，其中該參考導通時間設定電路包含一電流源；一電容，耦合于該電流源與一地面電位間；一開關，由該脈沖控制信號所控制，使得在該導通時間中，該開關不導通以允許該電流源對于該電容充電，并且在該關斷時間中，該開關導通以允許該電容放電至該地面電位；以及一比較器，用于比較跨于該電容上的一電位差與一預定的參考電壓。
5.根據權利要求4所述的脈沖頻率調制控制電路，其中該導通時間調整電路包含一取樣保持電路，用于取樣并保持該電流檢測信號的該最大值，以及一可變電流源，由該取樣保持電路所保持的該電流檢測信號的該最大值所控制，用于在該參考導通時間設定電路的該電流源對于該電容充電時，對于該電容放電。
6.根據權利要求5所述的脈沖頻率調制控制電路，其中該取樣保持電路包含一取樣電容；一取樣傳輸門，用于在該導通時間中導通，而允許該電流檢測信號對于該取樣電容充電；一保持電容；以及一保持傳輸門，用于在該關斷時間中導通，而允許跨于該取樣電容上的一電位差轉移至該保持電容上。
7.根據權利要求3所述的脈沖頻率調制控制電路，其中該脈沖產生電路還包含一參考關斷時間設定電路，用于防止該關斷時間短于一預定的參考關斷時間，以及一關斷時間調整電路，用于依據該電壓檢測信號而動態(tài)調整該關斷時間。
8.根據權利要求7所述的脈沖頻率調制控制電路，其中該參考關斷時間設定電路包含一電流源；一電容，耦合于該電流源與一地面電位間；一開關，由該脈沖控制信號所控制，使得在該導通時間中，該開關導通以允許該電容放電至該地面電位，并且在該關斷時間中，該開關不導通以允許該電流源對于該電容充電；以及一比較器，用于比較跨于該電容上的一電位差與一預定的參考電壓。
9.根據權利要求7所述的脈沖頻率調制控制電路，其中該關斷時間調整電路由一比較器所實施，用于比較該電壓檢測信號與一預定的參考電壓，而防止該關斷時間在該電壓檢測信號降低至小于該參考電壓之前結束。
10.一種脈沖頻率調制控制方法，用于控制一切換調節(jié)器而轉換一輸入電壓成為一輸出電壓，該切換調節(jié)器具有一切換電路與一電感元件，該脈沖頻率調制控制方法由多個切換循環(huán)所構成，其中每一切換循環(huán)包含提供一導通時間，應用于使該切換電路導通，以及提供一關斷時間，應用于使該切換電路不導通，其中在當前的切換循環(huán)中該導通時間依據在前次的切換循環(huán)中流經該電感元件的一電流的一最大值而被動態(tài)調整。
11.根據權利要求10所述的脈沖頻率調制控制方法，其中當在該前次的切換循環(huán)中流經該電感元件的該電流的該最大值提高時，則在該當前的切換循環(huán)中該導通時間被延長。
12.根據權利要求10所述的脈沖頻率調制控制方法，還包含設定一參考導通時間，用于防止該導通時間短于該參考導通時間。
13.根據權利要求10所述的脈沖頻率調制控制方法，其中在該當前的切換循環(huán)中該關斷時間依據在該當前的切換循環(huán)中該輸出電壓的一下降速率而被動態(tài)調整。
14.根據權利要求13所述的脈沖頻率調制控制方法，其中當在該當前的切換循環(huán)中該輸出電壓的該下降速率減緩時，則在該當前的切換循環(huán)中該關斷時間被延長。
15.根據權利要求10所述的脈沖頻率調制控制方法，還包含設定一參考關斷時間，用于防止該關斷時間短于該參考關斷時間。
全文摘要
脈沖頻率調制控制電路產生一脈沖控制信號，用于控制一切換調節(jié)器而轉換一輸入電壓成為一輸出電壓。脈沖控制信號具有多個切換循環(huán)，其中每一切換循環(huán)由一導通時間與一關斷時間所構成。導通時間應用于使切換調節(jié)器的切換電路導通，而關斷時間則應用于使切換電路不導通。電流檢測信號代表流經切換調節(jié)器的電感元件的電流。導通時間會隨著電流檢測信號的最大值提高而延長。電壓檢測信號代表輸出電壓。關斷時間會隨著電壓檢測信號的下降速率減緩而延長。
文檔編號G05F1/613GK1869854SQ20051007284
公開日2006年11月29日 申請日期2005年5月23日 優(yōu)先權日2005年5月23日
發(fā)明者曾光男, 陳勇志, 田雅德 申請人:圓創(chuàng)科技股份有限公司