专利名称：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(PowerM0S)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 frequencymodulation)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。
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Cl....................................................................第一电容C2....................................................................第二电容C3....................................................................第三电容Ml..................................................................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VCl..................................................................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
具体实施例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O伏特，电源电压Vin也有表示成Vcc，代表一高于O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Cl、以及一连接于第一电流源与第一电容Cl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Cl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Ml、一第二晶体管M2以及一连接于第一晶体管Ml与第二晶体管M2的第一开关SI组成。第一晶体管Ml为一 PMOS晶体管，第二晶体管M2为一 NMOS晶体管。第一晶体管Ml的源极连接至电源电压Vin，漏极连接至一第一开关S I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SI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SI受控制而关闭时，此时将形成导通路径，第一晶体管Ml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Cl、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Cl的第一端，第一电容Cl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Cl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Cl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Ml的输入电流源而产生一镜射电流，以对第一电容Cl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Cl搭配，以决定一第一时间，亦即当第一电容Cl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Cl进行充电动作，而其充电周期(on period)的时间Tm可由下式得到:
权利要求
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。
全文摘要
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。
文档编号H02J15/00GK103208862SQ20121041806
公开日2013年7月17日 申请日期2012年10月26日 优先权日2012年1月17日
发明者陈科宏, 黄梓期, 杨耀沂 申请人:财团法人工业技术研究院