专利名称：在宽广的负载需求内高效转换电压的pfm控制电路的制作方法
技术领域：
本发明关于一种脉冲频率调制(PFM)控制电路，尤其关于一种在宽广的负载需求内高效转换电压的PFM控制电路。
现有技术为了确保电子装置能获得稳定的电压供应而实现稳定的操作，电压调节器是不可或缺的关键性元件。电压调节器可在一经过调节的输出电压下供应所需要的输出电流至负载。因此，当电子装置作为电压调节器的负载时，电子装置的操作即可避免因电压扰动而发生不稳定的现象。除了获得稳定的电压供应之外，如何延长电压供应的有效时间以达成长时间操作的目的，更是使用独立电压源例如电池等种类繁多的可携式电子装置所关切的议题。
就电压转换效率的考虑而言，线性电压调节器因被动元件的功率消耗而劣于切换式电压调节器。切换式电压调节器典型地包括一控制电路，用于控制切换电路的导通(ON)与关断(OFF)。借着适当地控制切换电路的占空比(Duty Ratio)，亦即导通时间在整个切换周期中所占的比例，可将输出电压调节至所期望的电平并供应所需要的电流至负载。目前已经有许多众所周知且广泛运用的控制电路与方法，例如脉冲宽度调制(PWM)模式、固定导通时间的PFM模式、以及固定关断时间的PFM模式等等。然而，现有的控制电路与方法仅能在有限的负载需求范围内达成高效率的电压转换。举例而言，PWM模式仅在重负载操作中效率较佳、固定导通时间的PFM模式仅在轻负载操作中效率较佳、而固定关断时间的PFM模式则在重负载操作中效率较佳。为了在重负载与轻负载操作中皆能维持高效率的电压转换，有技术文献建议依据负载需求的大小而决定选择PWM模式或PFM模式进行操作。然而，此种解决方案需要同时使用两种以上的控制电路以及特殊设计的多重模式选择电路，反而增加了电路复杂度并且提高了制造成本。
因此，期望能有一种可在宽广的负载需求内维持电压转换高效率的控制电路与方法。
发明内容有鉴于前述问题，本发明的一目的在于提供一种PFM控制电路，可在宽广的负载需求内维持电压转换高效率。
依据本发明的一方面，提供一种脉冲频率调制控制电路，用于控制一切换调节器而转换一输入电压成为一输出电压。切换调节器具有一切换电路与一电感元件。脉冲频率调制控制电路包含一电流检测电路，用于产生一电流检测信号，其代表流经电感元件的一电流；一电压检测电路，用于产生一电压检测信号，其代表输出电压；以及一脉冲产生电路，用于回应于电流检测信号与电压检测信号，产生一脉冲控制信号。脉冲控制信号具有多个切换循环，其中每一切换循环由一导通时间与一关断时间所构成。导通时间应用于使切换电路导通，而关断时间则应用于使切换电路不导通。
导通时间依据电流检测信号而调整，使得其随着电流检测信号的一最大值提高而延长。因此，在重负载操作下，有效防止切换循环的所需次数增加而改善电压转换的效率。关断时间依据电压检测信号而调整，使得其随着电压检测信号的一下降速率减缓而延长。因此，在轻负载操作下，有效防止切换循环的所需次数增加而改善电压转换的效率。
依据本发明的另一方面，提供一种脉冲频率调制控制方法，用于控制一切换调节器而转换一输入电压成为一输出电压。切换调节器具有一切换电路与一电感元件。脉冲频率调制控制方法由多个切换循环所构成。每一切换循环包含提供一导通时间，应用于使该切换电路导通，以及提供一关断时间，应用于使该切换电路不导通。在现今的切换循环中导通时间依据在前次的切换循环中流经电感元件的一电流的一最大值而动态调整。在现今的切换循环中关断时间依据在现今的切换循环中输出电压的一下降速率而动态调整。
下文中的说明与附图将使本发明的前述与其他目的、特征、与优点更明显。兹将参照附图详细说明依据本发明的较佳实施例。
图1显示依据本发明的PFM控制电路的电路方框图。
图2显示依据本发明的PFM控制方法的流程图。
图3显示依据本发明的PFM电压调节器的操作波形时序图。
图4显示依据本发明的脉冲产生电路的一例子的详细电路图。
主要元件符号说明10PFM控制电路11脉冲产生电路12电流检测电路13电压检测电路15参考导通时间设定电路16导通时间调整电路
17 参考关断时间设定电路18 关断时间调整电路19 闩锁电路20 切换调节器30 负载A 电压调节器的输出端C，C1，C2，C导通，C关断电容CP1~CP3比较器D 二极管G1，G2 传输门IL电感电流IL-1 本发明的电感电流IL-2 现有的电感电流Isen电流检测信号I导通，I关断.参考电流源Ivc电压控制的可变电流源L 电感元件N1，N2 开关OP导通导通时间操作阶段OP关断关断时间操作阶段PC 脉冲控制信号PC-1 本发明的脉冲控制信号PC-2 现有的脉冲控制信号Q 闩锁电路的输出端
R 电阻Vin输入电压Vout输出电压Vsen电压检测信号V导通，V关断，Vref参考电压SW开关晶体管具体实施方式图1显示依据本发明的PFM控制电路的电路方框图。参照图1，借着PFM控制电路10的控制，切换调节器20可将易受影响的输入电压Vin转换成稳定的输出电压Vout，并且经由输出端A提供所需要的电流至负载30。请注意虽然图1所示的切换调节器20是升压式型态，但本发明不限于此而可应用于降压式型态或者各种其他型态的切换调节器。再者，虽然图1所示的切换调节器20是使用一开关晶体管SW与一个二极管D的非同步切换电路，但本发明不限于此而可应用于使用两个开关晶体管的同步切换电路。
PFM控制电路10包括一脉冲产生电路11、一电流检测电路12、以及一电压检测电路13。脉冲产生电路11输出一脉冲控制信号PC，以控制切换调节器20的开关晶体管SW。脉冲控制信号PC由多个切换循环一个接着一个连续排列而成。每一个切换循环由一第一电平(level)状态与一第二电平状态所构成。第一电平状态应用于控制开关晶体管SW的导通，亦可简称为导通时间，而第二电平状态则应用于控制开关晶体管SW的不导通，亦可简称为关断时间。电流检测电路12检测流经电感元件L的电感电流TL，并产生一电流检测信号Isen。电压检测电路13检测切换调节器20的输出电压Vout，并产生一电压检测信号Vsen’。响应于电流检测信号Isen与电压检测信号Vsen，脉冲产生电路11动态调整脉冲控制信号PC在每一切换循环中的导通时间与关断时间，从而在宽广的负载需求内进行高效电压转换。
在一实施例中，电流检测电路12可为一串联电阻，使得电感电流IL流经其中所造成的电位差作为电流检测信号Isen。在另一实施例中，电流检测电路12可为本案申请人所获颁的美国专利第6,791,368号中揭露的电流检测电路，该文献完整并入此处作为参考。在一实施例中，电压检测电路13可为一电阻性分压电路，耦合于切换调节器20的输出端A与一地面电位间，用于提供输出电压Vout的分压，作为电压检测信号Vsen。由于电流检测电路12与电压检测电路13皆本领域的熟练技术人员所熟知的，故在此不再赘述。
脉冲产生电路11包含一参考导通时间设定电路15、一导通时间调整电路16、一参考关断时间设定电路17、一关断时间调整电路18、以及一闩锁电路19。参考导通时间设定电路15用于提供一预定的参考导通时间，作为每一切换循环中实际应用的导通时间的下限。基于电流检测电路12的电流检测信号Isen，导通时间调整电路16动态调整每一切换循环中实际应用的导通时间。具体而言，实际应用的导通时间会随着该电流检测信号Isen’的最大值提高而延长，从而改善重负载操作中的电压转换效率。参考关断时间设定电路17用于提供一预定的参考关断时间，作为每一切换循环中实际应用的关断时间的下限。基于电压检测电路13的电压检测信号Vsen，关断时间调整电路18动态调整每一切换循环中实际应用的关断时间。具体而言，实际应用的关断时间会随着该电压检测信号Vsen的下降速率减缓而延长，从而改善轻负载操作中的电压转换效率。依据实际应用的导通时间与实际应用的关断时间的触发，闩锁电路19产生脉冲控制信号PC，以控制切换调节器20的开关晶体管SW。
图2显示依据本发明的PFM控制方法的流程图。参照图2，依据本发明的PFM控制方法包含有一导通时间操作阶段OP导通与一关断时间操作阶段OP关断，两者构成一切换循环。在导通时间操作阶段OP导通中，切换调节器20的开关晶体管SW操作于导通状态而使能量从输入电压Vin供应至电感元件L储存起来，因而电感电流IL逐渐上升。在关断时间操作阶段OP关断中，切换调节器20的开关晶体管SW操作于不导通状态而使先前储存于电感元件L内的能量供应至负载30，因而电感电流IL逐渐下降。
在步骤S1中，开关晶体管SW从不导通状态转变成操作于导通状态，开始进行一新的导通时间操作阶段OP导通。在步骤S2中，检测电感电流IL以了解负载需求，并依据电流检测信号Isen所指示的负载需求而动态调整实际应用的导通时间。在步骤S3中，判断开关晶体管SW处于导通状态的时间是否已经达到实际应用的导通时间。倘若尚未达到实际应用的导通时间，则继续维持开关晶体管SW操作于导通状态(步骤S4)。一旦开关晶体管SW处于导通状态的时间达到实际应用的导通时间，则开关晶体管SW立即进入不导通状态(步骤S5)。换言之，导通时间操作阶段OP导通结束，而开始关断时间操作阶段OP关断。在步骤S6中，判断开关晶体管SW处于不导通状态的时间是否已经达到预定的参考关断时间。倘若尚未达到参考关断时间，则继续维持开关晶体管SW操作于不导通状态(步骤S7)。一旦开关晶体管SW处于不导通状态的时间达到参考关断时间，则必须更进一步判断用于代表输出电压Vout的电压检测信号Vsen是否已经降低至一预定的参考电压Verf以下(步骤S8)。倘若尚未降低至参考电压Vref以下，则继续维持开关晶体管SW操作于不导通状态(步骤S9)。一旦电压检测信号Vsen已经降低至参考电压Vref以下，则开关晶体管SW立即进入导通状态(步骤S1)。换言之，关断时间操作阶段OP关断结束，开始下一个切换循环中的导通时间操作阶段OP导通。
图3显示依据本发明的PFM电压调节器的操作波形时序图。曲线IL-1显示在重负载操作下、在中负载操作下、以及在轻负载操作下，依据本发明的电感电流的波形变化。曲线PC-1系显示在重负载操作下、在中负载操作下、以及在轻负载操作下，依据本发明的脉冲控制信号的波形变化。为了更清楚说明依据本发明的PFM电压调节器可在宽广的负载需求内进行高效的电压转换，图3更显示有现有的PFM电压调节器的操作波形时序图作为对照。曲线IL-2显示在重负载操作下、在中负载操作下、以及在轻负载操作下，现有的电感电流的波形变化。曲线PC-2系显示在重负载操作下、在中负载操作下、以及在轻负载操作下，现有的脉冲控制信号的波形变化。
在重负载操作下，电感电流IL-1的平均值必须对应地提高以满足大量的负载电流的需求。由于脉冲控制信号PC-1的实际应用的导通时间依据负载需求而调整，故在重负载操作下依据本发明的实际应用的导通时间会对应地延长，以允许电感电流IL-1在一次切换循环中即可上升至较高的值。结果，有效地防止依据本发明的脉冲控制信号PC-1的切换循环次数在重负载操作下增加。对照之下，现有的固定导通时间的PFM模式因为无法依据负载需求而调制导通时间，导致脉冲控制信号PC-2的切换循环次数过多而降低了电压转换效率。
在轻负载操作下，由于所需的负载电流较小，故输出电压Vout于关断时间内的下降速率变得较平缓。由于脉冲控制信号PC-1的实际应用的关断时间依据输出电压Vout何时下降至参考电压Vref的判断而调整，故在轻负载操作下实际应用的关断时间比参考关断时间更加延长。结果，有效地防止依据本发明的脉冲控制信号PC-1的切换循环次数在轻负载操作下增加。对照之下，现有的固定关断时间的PFM模式因为无法依据负载需求而调制关断时间，导致脉冲控制信号PC-2的切换循环次数过多而降低了电压转换效率。
图4显示依据本发明的脉冲产生电路11的一例子的详细电路图。闩锁电路19具有一输出端Q，用于供应脉冲控制信号PC。兹假设电压检测信号Vsen小于参考电压Vref，因此开始进行导通时间操作阶段OP导通。亦即，闩锁电路19的输出端Q进入高电平状态，用于导通切换调节器20的开关晶体管SW。另一方面，闩锁电路19的输出端Q的高电平状态经反相成低电平状态后，使参考导通时间设定电路15的开关N1不导通，导致参考电流源I导通开始对于电容C导通充电。与此同时，导通时间调整电路16的电压控制的可变电流源Ivc也对于电容C导通放电。在此情况下，跨于电容C导通上的电位差的上升速率受到可变电流源Ivc的影响而减缓。当可变电流源Ivc愈大时，跨于电容C导通上的电位差愈慢达到一预定的参考电压V导通。结果，比较器CP1实际上被触发的时间比仅使用参考电流源I导通充电所造成的参考导通时间来得更晚，因而达成了延长实际应用的导通时间的效果。当跨于电容C导通上的电位差达到参考电压V导通时，比较器CP1被触发以通知闩锁电路19将输出端Q的高电平状态转变成低电平状态。综上所述，闩锁电路19的输出端Q呈现高电平状态的实际应用的导通时间有效地由导通时间调整电路16依据电流检测信号Isen而动态调整。
仔细观察可知，电流检测信号Isen是一种在导通时间操作阶段OP导通中上升，但在关断时间操作阶段OP关断中却下降的变动波形。因此，在图4所示的实施例中，导通时间调整电路16利用一取样保持电路，用于取样在前次的切换循环中电流检测信号Isen的最大值，并随后保持其作为可变电流源Ivc的控制电压以动态调整在现今的切换循环中的实际应用的导通时间。具体而言，在导通时间操作阶段OP导通中，闩锁电路19的输出端Q的高电平状态使传输门G1导通且传输门G2不导通，从而利用电容C1撷取出在导通时间终止前的电流检测信号Isen的最大值。随后在同一切换循环的关断时间操作阶段OP关断中，闩锁电路19的输出端Q的低电平状态使传输门G1不导通且传输门G2导通，使得由电容C1所取样的最大值可转移至电容C2并保持于该处。等到下一次切换循环的导通时间操作阶段OP导通开始进行时，即利用电容C2所保持住的最大值控制可变电流源Ivc以动态调整实际应用的导通时间。
一旦进入关断时间操作阶段OP关断之后，闩锁电路19的输出端Q的低电平状态使切换调节器20的开关晶体管SW不导通，同时也使参考关断时间设定电路17的开关N2不导通，因此参考电流源I关断开始对于电容C关断充电。当跨于电容C关断上的电位差达到一预定的参考电压V关断时，比较器CP2被触发以通知闩锁电路19到目前为止已经过了一预定的参考关断时间。然而，单单比较器CP2被触发并无法改变闩锁电路19的输出端Q的电平状态，尚必须同时顾及关断时间调整电路18的操作。具体而言，关断时间调整电路18由一比较器CP3所实施，用于比较电压检测信号Vsen与参考电压Vref。当电压检测信号Vsen低于参考电压Vref时，比较器CP3被触发而通知闩锁电路19改变输出端Q至高电平状态。综上所述，闩锁电路19的输出端Q呈现低电平状态的实际应用的关断时间是有效地由关断时间调整电路18依据电压检测信号Vsen而动态调整。
虽然本发明业已通过较佳实施例作为例示加以说明，应了解者为本发明不限于此被揭露的实施例。相反地，本发明意欲涵盖对于本领域的熟练技术人员而言是明显的各种修改与等效替换。因此，本发明的保护范围应根据最广的诠释，以包容所有此类修改与等效替换。
权利要求
1.一种脉冲频率调制控制电路，用于控制一切换调节器而转换一输入电压成为一输出电压，该切换调节器具有一切换电路与一电感元件，该脉冲频率调制控制电路包含一电流检测电路，用于产生一电流检测信号，其代表流经该电感元件的一电流；一电压检测电路，用于产生一电压检测信号，其代表该输出电压；以及一脉冲产生电路，用于响应于该电流检测信号与该电压检测信号而产生一脉冲控制信号，该脉冲控制信号具有多个切换循环，其中每一切换循环由一导通时间与一关断时间所构成，该导通时间应用于使该切换电路导通，而该关断时间则应用于使该切换电路不导通，其中该导通时间依据该电流检测信号而被调整，使得其随着该电流检测信号的一最大值提高而延长，并且该关断时间依据该电压检测信号而被调整，使得其随着该电压检测信号的一下降速率减缓而延长。
2.根据权利要求1所述的脉冲频率调制控制电路，其中在当前的切换循环中，该导通时间依据在前次的切换循环中该电流检测信号的该最大值而被动态调整。
3.根据权利要求1所述的脉冲频率调制控制电路，其中该脉冲产生电路包含一参考导通时间设定电路，用于防止该导通时间短于一预定的参考导通时间，以及一导通时间调整电路，用于依据该电流检测信号而动态调整该导通时间。
4.根据权利要求3所述的脉冲频率调制控制电路，其中该参考导通时间设定电路包含一电流源；一电容，耦合于该电流源与一地面电位间；一开关，由该脉冲控制信号所控制，使得在该导通时间中，该开关不导通以允许该电流源对于该电容充电，并且在该关断时间中，该开关导通以允许该电容放电至该地面电位；以及一比较器，用于比较跨于该电容上的一电位差与一预定的参考电压。
5.根据权利要求4所述的脉冲频率调制控制电路，其中该导通时间调整电路包含一取样保持电路，用于取样并保持该电流检测信号的该最大值，以及一可变电流源，由该取样保持电路所保持的该电流检测信号的该最大值所控制，用于在该参考导通时间设定电路的该电流源对于该电容充电时，对于该电容放电。
6.根据权利要求5所述的脉冲频率调制控制电路，其中该取样保持电路包含一取样电容；一取样传输门，用于在该导通时间中导通，而允许该电流检测信号对于该取样电容充电；一保持电容；以及一保持传输门，用于在该关断时间中导通，而允许跨于该取样电容上的一电位差转移至该保持电容上。
7.根据权利要求3所述的脉冲频率调制控制电路，其中该脉冲产生电路还包含一参考关断时间设定电路，用于防止该关断时间短于一预定的参考关断时间，以及一关断时间调整电路，用于依据该电压检测信号而动态调整该关断时间。
8.根据权利要求7所述的脉冲频率调制控制电路，其中该参考关断时间设定电路包含一电流源；一电容，耦合于该电流源与一地面电位间；一开关，由该脉冲控制信号所控制，使得在该导通时间中，该开关导通以允许该电容放电至该地面电位，并且在该关断时间中，该开关不导通以允许该电流源对于该电容充电；以及一比较器，用于比较跨于该电容上的一电位差与一预定的参考电压。
9.根据权利要求7所述的脉冲频率调制控制电路，其中该关断时间调整电路由一比较器所实施，用于比较该电压检测信号与一预定的参考电压，而防止该关断时间在该电压检测信号降低至小于该参考电压之前结束。
10.一种脉冲频率调制控制方法，用于控制一切换调节器而转换一输入电压成为一输出电压，该切换调节器具有一切换电路与一电感元件，该脉冲频率调制控制方法由多个切换循环所构成，其中每一切换循环包含提供一导通时间，应用于使该切换电路导通，以及提供一关断时间，应用于使该切换电路不导通，其中在当前的切换循环中该导通时间依据在前次的切换循环中流经该电感元件的一电流的一最大值而被动态调整。
11.根据权利要求10所述的脉冲频率调制控制方法，其中当在该前次的切换循环中流经该电感元件的该电流的该最大值提高时，则在该当前的切换循环中该导通时间被延长。
12.根据权利要求10所述的脉冲频率调制控制方法，还包含设定一参考导通时间，用于防止该导通时间短于该参考导通时间。
13.根据权利要求10所述的脉冲频率调制控制方法，其中在该当前的切换循环中该关断时间依据在该当前的切换循环中该输出电压的一下降速率而被动态调整。
14.根据权利要求13所述的脉冲频率调制控制方法，其中当在该当前的切换循环中该输出电压的该下降速率减缓时，则在该当前的切换循环中该关断时间被延长。
15.根据权利要求10所述的脉冲频率调制控制方法，还包含设定一参考关断时间，用于防止该关断时间短于该参考关断时间。
全文摘要
脉冲频率调制控制电路产生一脉冲控制信号，用于控制一切换调节器而转换一输入电压成为一输出电压。脉冲控制信号具有多个切换循环，其中每一切换循环由一导通时间与一关断时间所构成。导通时间应用于使切换调节器的切换电路导通，而关断时间则应用于使切换电路不导通。电流检测信号代表流经切换调节器的电感元件的电流。导通时间会随着电流检测信号的最大值提高而延长。电压检测信号代表输出电压。关断时间会随着电压检测信号的下降速率减缓而延长。
文档编号G05F1/613GK1869854SQ20051007284
公开日2006年11月29日 申请日期2005年5月23日 优先权日2005年5月23日
发明者曾光男, 陈勇志, 田雅德 申请人:圆创科技股份有限公司