CN107919798A - 切换式电容型直流转直流转换器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种切换式电容型直流转直流转换器及其控制方法，其包含切换式电容电路、闩锁比较器以及时脉产生模组。切换式电容电路输入端接收输入电压，信号输入端接收控制信号以进行相位的切换，藉此将输入电压转换成输出电压，并于输出端产生输出电压。闩锁比较器的第一输入端电性连接切换式电容电路的输出端，第二输入端输入参考电压，第三输入端输入时脉信号，且基于时脉信号，根据输出电压对参考电压进行比较以产生控制信号，时脉产生模组产生时脉信号以提供至闩锁比较器，且时脉产生模组根据控制信号的变化而调整时脉信号的频率。

Description

切换式电容型直流转直流转换器及其控制方法
技术领域
本发明关于一种切换式电容型直流转直流转换器及其控制方法，更精确的说，是关于一种通过根据输出电压的变化以调整时脉信号产生频率以达到省电效果的控制方法。
背景技术
低消耗功率是目前微处理器(MCU)或是其他消耗性电子产品的重要趋势，而未来应用于物联网的微处理器或是IC将为有极大部分都是于轻载电流输出范围下操作，因此轻载高效率的设计将会是切换式电容直流转直流电源转换器的设计重点之一。
发明内容
基于上述目的，本发明提供一种切换式电容型直流转直流转换器及其控制方法，其包含切换式电容电路、闩锁比较器以及时脉产生模组。切换式电容电路输入端接收输入电压，信号输入端接收控制信号以进行相位的切换，藉此将输入电压转换成输出电压，并于输出端产生输出电压。闩锁比较器的第一输入端电性连接切换式电容电路的输出端，第二输入端输入参考电压，第三输入端输入时脉信号，且基于时脉信号，根据输出电压对参考电压进行比较以产生控制信号。时脉产生模组产生时脉信号以提供至闩锁比较器，且时脉产生模组根据控制信号的变化而调整时脉信号的频率。
较佳地，控制信号包含多个脉冲，切换式电容电路于多个脉冲的发生时点进行相位的切换。
较佳地，当多个脉冲于预设时间内产生次数减少，时脉产生模组降低时脉信号的频率，当多个脉冲于预设时间内产生次数增加，时脉产生模组提高时脉信号的频率。
较佳地，当控制信号的脉冲产生后经过时脉信号的预设数量的周期中，闩锁比较器未再次产生脉冲，则时脉产生模组降低时脉信号的频率。
较佳地，当闩锁比较器在时脉信号的连续多个周期中皆产生脉冲，则时脉产生模组提高时脉信号的频率。
较佳地，时脉产生模组包含除频电路以及倍频电路，除频电路以及倍频电路用以减半或倍增时脉产生模组输出的时脉信号的频率。
较佳地，本发明的切换式电容型直流转直流转换器更包含计数器，电性连接闩锁比较器的输出端，用以计数控制信号的多个脉冲的产生次数。
基于上述目的，本发明再提供一种切换式电容型直流转直流转换器的控制方法，其包含下列步骤：设置至少一切换式电容电路，切换式电容电路的输入端接收输入电压，信号输入端接收控制信号以进行相位的切换，输入端藉此于其输出端转换产生一输出电压。设置闩锁比较器，闩锁比较器其第一输入端接收输出电压，且与切换式电容电路为电连接关系，其的第二输入端输入参考电压，其的第三输入端输入时脉信号，闩锁比较器根据输出电压以及参考电压进行比较，以产生控制信号。以及设置时脉产生模组，时脉产生模组产生该时脉信号以提供至该闩锁比较器，且该时脉产生模组根据该控制信号的变化而调整该时脉信号的频率。
较佳地，控制信号包含多个脉冲，且当多个脉冲于一时间内产生次数减少，时脉信号的频率下降，当多个脉冲于一时间内产生次数增加，时脉信号的频率上升。
较佳地，当控制信号的脉冲产生后经过时脉信号的预设数量的周期中，闩锁比较器未再次产生脉冲，则时脉产生模组降低时脉信号的频率。
附图说明
本发明的上述及其他特征及优势将通过参照附图详细说明其例示性实施例而变得更显而易知，其中：
图1是本发明的切换式电容型直流转直流转换器的方块图。
图2是本发明的切换式电容型直流转直流转换器的信号波形图。
图3是本发明的切换式电容型直流转直流转换器的实施例的方块图。
图4是本发明的切换式电容型直流转直流转换器的降低时脉信号的机制的示意图。
图5是本发明的切换式电容型直流转直流转换器的增加时脉信号的机制的示意图。
图6是本发明的切换式电容型直流转直流转换器的控制方法的流程图。
图7是本发明的切换式电容型直流转直流转换器的时脉信号减少示意图。
图8是本发明的切换式电容型直流转直流转换器的时脉信号增加示意图。
附图标号
10、60：切换式电容电路
101：输入电压
102：输出电压
SW_IN：信号输入端
SCIN：输入端
61：逻辑相位控制器
SCOUT：输出端
PH_1：第一控制端
PH_2：第二控制端
LC_INP：第一输入端
LC_INN：第二输入端
CLK_IN：第三输入端
LCOUT：输出端
COUT：输出电容
20、70：闩锁比较器
201、701：参考电压
30、80：时脉产生模组
301、801：时脉信号
302、802：控制信号
303：脉冲
82：除频电路
83：倍频电路
40：计数器
50：分压电路
501：回授电压
S601～S623：流程
T1：时间范围
具体实施方式
于此使用，词汇“与/或”包含一或多个相关条列项目的任何或所有组合。当“至少其一”的叙述前缀于一元件清单前时，修饰整个清单元件而非修饰清单中的个别元件。
请参阅图1，图中，切换式电容型直流转直流转换器包含至少一切换式电容电路10、闩锁比较器20以及时脉产生模组30。切换式电容电路10具有一输入端SCIN接收一输入电压101，一信号输入端SW_IN，其接收一控制信号302以进行相位的切换，藉此切换式电容电路10将输入电压101转换成一输出电压102并于输出端SCOUT产生输出电压102。时脉产生模组30产生时脉信号301以提供至闩锁比较器20。
闩锁比较器20具有一第一输入端，其电性连接切换式电容电路10的输出端SCOUT；一第二输入端，其输入参考电压201；一第三输入端，其输入时脉信号301，闩锁比较器20基于时脉信号301，例如在时脉信号301的升缘，根据输出电压102对参考电压201进行比较以产生控制信号302。
控制信号302较佳包含多个脉冲303，举例而言，在时脉信号301的升缘处，当闩锁比较器20判断输出电压102低于参考电压201时，闩锁比较器20输出一脉冲303至切换式电容电路10，以触发切换式电容电路10切换相位，以拉高输出电压102；如果在时脉信号301的升缘处，闩锁比较器20判断输出电压102不低于参考电压201，则闩锁比较器20不输出脉冲，如图2所示，藉此，每当输出电压102下降而低于参考电压201时，切换式电容电路10可被触发以拉高输出电压102，让输出电压102尽量维持高于参考电压201。
然而，在上述的控制机制中，时脉产生模组30仍有一定程度的功耗。因此，本发明的一特征在于时脉产生模组30会根据控制信号302的变化而调整时脉信号301的频率。例如，当脉冲303的产生次数减少时，表示输出电压102下降的速度较慢，切换式电容电路10外部连接的是一轻负载(light load)，所以时脉产生模组30降低时脉信号301的频率，藉此可降低时脉产生模组30的功耗，进而更降低切换式电容型直流转直流转换器整体的功耗。
当脉冲303的产生频率增加，代表输出电压102下降的速度变快，其表示切换式电容电路10外部连接的是一重负载(heavy load)。与轻负载相比，重负载从切换式电容型直流转直流转换器汲取更多的电流，导致输出电压102下降的速度变快。为了满足重负载的需求，时脉产生模组30可提高时脉信号301的频率，让闩锁比较器20能以较高的频率对输出电压102与参考电压201进行比较，进而让切换式电容电路10被较频繁地触发以尽可能维持输出电压102高于参考电压201。
请参阅图3，其绘示本发明的切换式电容型直流转直流转换器的实施例的方块图。在此实施例中，切换式电容型直流转直流转换器包含一切换式电容电路60、一闩锁比较器70、一时脉产生模组80、一计数器40以及一分压电路50。切换式电容电路60包含一逻辑相位控制器61、一信号输入端SW_IN、一输入端SCIN以及一输出端SCOUT。
如图3所示，本发明的切换式电容电路60的输入端SCIN接收输入电压101，信号输入端SW_IN接收一控制信号802，其后，逻辑相位控制器61的第一控制端PH_1及第二控制端PH_2，并在输出端SCOUT产生输出电压102。切换式电容电路60的输出端SCOUT电性连接输出电容COUT以及分压电路50，并产生一回授电压501。
如图3所示，闩锁比较器70(latched-comparator)包含第一输入端LC_INP、第二输入端LC_INN、第三输入端CLK_IN及输出端LCOUT。时脉产生模组80向第三输入端CLK_IN输入一稳定规律的时脉信号801根据时脉信号801的频率，闩锁比较器70周期性地对输入第一输入端LC_INP及第二输入端LC_INN的电压信号进行比较，并输出一控制信号802，而逻辑相位控制器61在接收到控制信号802时，可对应地控制切换式电容电路60在第一相位及第二相位之间切换，藉以调整上述的输出电压102，以及经由分压电路50的回授电压501。
时脉产生模组80包含一除频电路82、一倍频电路83以及一计数器40，并产生时脉信号801，而当闩锁比较器70时脉信号801的连续多个周期中皆产生脉冲303时，则时脉产生模组80提高时脉信号801的频率，时脉产生模组80乃是通过其中的除频电路82以及倍频电路83分别用以减半或倍增时脉产生模组80输出的时脉信号801的频率，计数器40电性连接闩锁比较器70的输出端，用以计数控制信号802的多个脉冲303的产生次数。
举例而言，可将一参考电压701及输出电压102分别输入第一输入端LC_INP及第二输入端LC_INN。当时脉信号801为升缘或是降缘时触发闩锁比较器70，闩锁比较器70被触发后进行第一输入端LC_INP及第二输入端LC_INN上的信号比较，并储存比较结果且锁住输出信号。当时脉信号801为低电位时闩锁比较器70将比较数据重置(reset)。当输出电压102小于参考电压701，则闩锁比较器70将控制信号302输出至逻辑相位控制器61，而可对应控制切换式电容电路60进入输出模式，使输出电压102上升。
更进一步，切换式电容电路60内包含的逻辑相位控制器61可为一非重叠(Non-overlapping)切换控制器，其根据控制信号802，对应将非重叠的第一控制信号及第二控制信号分别输入切换式电容电路60的第一控制端PH_1及第二控制端PH_2，以分别控制切换式电容电路60所包含的开关。
实施上，本发明可搭配多个切换式电容电路60以及其所包含的多个逻辑相位控制器61，以进行多相位信号的控制，而成为一多相(multi-phase)切换式电容电路。
由于实施上时脉产生模组80的消耗功率几乎正比于使用者的操作频率，因此本发明乃是利用闩锁比较器70实际触发脉冲303的产生数目以控制时脉产生模组80的时脉信号801的频率。例如当一单相(single-phase)的切换式电容电路60，若时脉产生模组80产生出的时脉信号801有M个时脉信号801是没有实际被闩锁比较器70所触发。这代表此时的输出电流并非最大值，所以可将时脉产生模组80降低其操作频率，当输出电流越小时，时脉产生模组80的频率将可下降的越多，藉此将可达到省电的目的。
现请参阅图4，图4是本发明的切换式电容型直流转直流转换器的降低时脉信号的机制的示意图。
如图4所示，举例而言，若实施上在时脉产生模组经过连续8个时脉信号801未有闩锁比较器70触发状况发生时，时脉产生模组80中的除频电路82可将时脉信号801的产生频率减半。而后，如图4所示，当时脉信号801产生频率下降后，没有被闩锁比较器70触发的时脉信号801数目为4个，小于8个，此时时脉产生模组80的产生频率将保持不变，若回授电压的再次下降的过程中未被闩锁比较器70所触发的时脉信号801又再度多于8个，则频率可再次降低。
如此一来，时脉产生模组80的时脉信号801的产生频率将可随着回授电压501而相对应的变动，因此于轻负载时时脉产生模组80的时脉信号801的产生频率将会降低，因而可以有效地节省电能。
现请参阅图5，图5是本发明的切换式电容型直流转直流转换器的增加时脉信号的机制的示意图。
如图5所示，当输出电流变大时，相应地回授电压501将会下降较快，因此时脉产生模组80的时脉信号801的产生频率也将随的增加，时脉信号801增加频率的方式也是通过闩锁比较器70触发的次数来计算，举例而言，当闩锁比较器70的脉冲303在连续2个时脉信号801期间均有被触发，则代表此时输出电流增加而输出电压下降较快，此时将经由倍频电路83将时脉信号801的频率增加。
当该控制信号302的一脉冲303产生后，经过时脉信号301的预设数量的周期中该闩锁比较器20未再次产生脉冲303，则时脉产生模组30降低时脉信号301的频率，而降低频率的过程已于上述内容说明，在此不再赘述。
现请参阅图6至图8，其分别为本发明的切换式电容型直流转直流转换器的控制方法的流程图、本发明的切换式电容型直流转直流转换器的脉冲频率减少示意图、本发明的切换式电容型直流转直流转换器的脉冲频率增加示意图。
如流程S601-S623所示，当闩锁比较器70触发脉冲303后，若连续N个时脉信号801期间皆有触发脉冲303，则时脉产生模组80上升时脉信号801的频率，例如，如图8所示，于一时间范围T1内由3个时脉信号801上升为于一时间范围T1内4个时脉信号801；若否，则时脉产生模组80保持时脉信号801的频率。
若闩锁比较器70未触发脉冲303，且经过M个时脉信号801皆未触发脉冲303，则时脉产生模组80下降时脉信号801的频率，例如，如图7所示，于一时间范围T1内由4个时脉信号801下降为于一时间范围T1内3个时脉信号801；若否，则时脉产生模组80保持时脉信号801的频率。
应注意的是，上述实施例以除频电路82以及倍频电路83来说明时脉产生模组80如何实现降低或是提高其输出的时脉信号801的频率，但是此仅为举例而非限制。本领域的技术者可使用各种已知技术来改变时脉产生模组80所输出的时脉信号801的频率，例如，时脉产生模组80可为一压控振荡器(voltage-controlled oscillator,VCO)，所以通过改变输入压控振荡器的电压来改变其输出的时脉信号801的频率；或者，时脉产生模组80可包含多个不同频率的振荡器以及开关，根据上述机制，如果判断需要降低时脉信号801的频率，则通过开关的切换操作让频率较低的振荡器来输出时脉信号801；如果判断需要提高时脉信号801的频率，则通过开关的切换操作让频率较高的振荡器来输出时脉信号801。
因此，无论用何种方式实现，只要输入闩锁比较器70的时脉信号801的频率可动态调整，皆落入本发明的所附权利要求所限定的范围之内。
综上所述，本发明的切换式电容型直流转直流转换器及其控制方法，通过切换式电容电路、闩锁比较器、时脉产生模组及其中各组件的适宜搭配，有效的控制时脉产生模组于轻负载时脉信号的频率，有效的达到省电的效果。
除此之外，当各种所绘示及讨论的元件被放置在不同的位置时，可以理解的是，各种元件的相对位置可以改变，且同时此处仍保有上述所提及的功能。可以设想到的是，各种组合、具体特征和实施例的子集合可以被进行，且此子集合仍然落入本说明书的范围之内。各种特征和所公开的实施例可以彼此结合或进行取代，而所有这些修改和改变都将落入本发明的所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种切换式电容型直流转直流转换器，其特征在于，所述切换式电容型直流转直流转换器包含：
至少一切换式电容电路，所述切换式电容电路的一输入端接收一输入电压，一信号输入端接收一控制信号以进行相位的切换，藉此所述至少一切换式电容电路将所述输入电压转换成一输出电压，所述切换式电容电路的一输出端输出所述输出电压；
一闩锁比较器，其一第一输入端电性连接所述切换式电容电路的所述输出端，所述闩锁比较器的一第二输入端输入一参考电压，其一第三输入端输入一时脉信号，所述闩锁比较器基于所述时脉信号，根据所述输出电压对所述参考电压进行比较以产生所述控制信号；以及
一时脉产生模组，所述时脉产生模组产生所述时脉信号以提供至所述闩锁比较器，且所述时脉产生模组根据所述控制信号的变化而调整所述时脉信号的频率。
2.根据权利要求1所述的切换式电容型直流转直流转换器，其特征在于，所述控制信号包含多个脉冲，所述至少一切换式电容电路于所述多个脉冲的发生时点进行相位的切换。
3.根据权利要求2所述的切换式电容型直流转直流转换器，其特征在于，当所述多个脉冲于预设时间内产生次数减少，所述时脉产生模组降低所述时脉信号的频率，当所述多个脉冲于预设时间内产生次数增加，所述时脉产生模组提高所述时脉信号的频率。
4.根据权利要求2所述的切换式电容型直流转直流转换器，其特征在于，当所述控制信号的一脉冲产生后经过所述时脉信号的预设数量的周期中，所述闩锁比较器未再次产生脉冲，则所述时脉产生模组降低所述时脉信号的频率。
5.根据权利要求2所述的切换式电容型直流转直流转换器，其特征在于，当所述闩锁比较器在所述时脉信号的连续多个周期中皆产生脉冲，则所述时脉产生模组提高所述时脉信号的频率。
6.根据权利要求1所述的切换式电容型直流转直流转换器，其特征在于，所述时脉产生模组包含一除频电路以及一倍频电路，所述除频电路以及所述倍频电路用以减半或倍增所述时脉产生模组输出的所述时脉信号的频率。
7.根据权利要求5所述的切换式电容型直流转直流转换器，所述切换式电容型直流转直流转换器更包含一计数器，电性连接所述闩锁比较器的所述输出端，用以计数所述控制信号的所述多个脉冲的产生次数。
8.一种切换式电容型直流转直流转换器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包含：
设置至少一切换式电容电路，所述切换式电容电路的一输入端接收一输入电压，一信号输入端接收一控制信号以进行相位的切换，输入端藉此于其一输出端转换产生一输出电压；
设置一闩锁比较器，其一第一输入端电性连接所述切换式电容电路的所述输出端，所述闩锁比较器的一第二输入端输入一参考电压，其的一第三输入端输入一时脉信号，所述闩锁比较器基于所述时脉信号，根据所述输出电压对所述参考电压进行比较以产生所述控制信号；以及
设置一时脉产生模组，所述时脉产生模组产生所述时脉信号以提供至所述闩锁比较器，且所述时脉产生模组根据所述控制信号的变化而调整所述时脉信号的频率。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述控制信号包含多个脉冲，且当所述多个脉冲于一时间内产生次数减少，所述时脉信号的频率下降，当所述多个脉冲于一时间内产生次数增加，所述时脉信号的频率上升。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，当所述控制信号的一脉冲产生后经过所述时脉信号的预设数量的周期中，所述闩锁比较器未再次产生脉冲，则所述时脉产生模组降低所述时脉信号的频率。
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