TWI399926B - 適應性同步時脈移相產生電路及同步時脈移相產生方法 - Google Patents

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Description

適應性同步時脈移相產生電路及同步時脈移相產生方法
本發明係有關一種適應性同步時脈移相產生電路及同步時脈移相產生方法，特別是指一種能自動偵測電路模組數目而適應性決定相位差的同步時脈移相產生電路與方法。
請參閱第1圖，當多個切換式電路模組PWM[1]~PWM[N]接收同一來源的輸入電壓Vin時，如所有電路模組之時脈相位均相同，亦即其中之切換開關都同時導通時，將會造成較大的輸入端漣波，如第2圖所示；此情況下需要較大的輸入電容Cin，才能去除較大漣波的耦合效應。如能錯開各切換式電路模組之時脈相位，就可減輕輸入端漣波的問題，如第3圖所示。所述切換式電路模組例如為切換式電源供應電路(switching power regulator)，根據其中功率開關之切換，而分別將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vo[1]~Vo[N]；或亦可能為其他根據脈寬調變(PWM)訊號操作的電路。當多個切換式電源供應電路對同一負載節點供電時，也存在相似的問題。
先前技術如美國專利US 7259687，US 7493504，US 7504895等中，均曾探討到錯開時脈相位的方式，但這些先前技術均不能根據整體電路中所包含的電路模組數目，來自動適應性地自動決定兩電路模組間錯開的相位差。這些先前技術中，或是僅能在兩電路模組間給予固定的相位差(例如固定為90°或180°)，或是需要經過外部設定，才能決定相位差。例如，在美國專利US 7259687中，揭露如第4圖之結構，其每***一個電路模組，便需要對應地串接一個電阻R，換言之該案係以類比方式，藉由串接電阻的數目，來針對各電路模組設定其相位差。然而就電路板的觀點而言，由於不知道實際上需要插置的電路模組總數，因此不能事先決定究竟要提供多少電阻，在製造上缺乏彈性；或是電路板上不事先提供電阻，如此則需要使用者在實際應用時才串接電阻，亦造成使用者的不便。
有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種適應性同步時脈移相產生電路及同步時脈移相產生方法，其中不需要經過人為的設定，而能夠自動適應性地決定兩電路模組間的相位差。
本發明目的之一在提供一種適應性同步時脈移相產生電路。
本發明的另一目的在提供一種適應性同步時脈移相產生方法。
為達上述之目的，就其中一個觀點言，本發明提供了一種適應性同步時脈移相產生電路，其包含：電流源，其產生一電流，流經一節點而在其上產生一節點電壓；與該節點耦接的反比電壓產生電路，其根據該節點電壓而產生一反比電壓；斜坡訊號產生電路，其接收同步輸入訊號並產生斜坡訊號；比較器，將該反比電壓與斜坡訊號相比較；以及脈波產生器，其根據比較器的輸出而產生時脈訊號。
就另一個觀點言，本發明提供了一種適應性同步時脈移相產生電路，其包含：電流轉電壓電路，其與一相位設定節點耦接；以及多個電路模組，每一電路模組包括：電流源，其產生一電流流經該相位設定節點，經該電流轉電壓電路之作用而在該節點上產生一節點電壓；與該相位設定節點耦接的反比電壓產生電路，其根據該節點電壓而產生一反比電壓；斜坡訊號產生電路，其自一同步訊號輸入接腳接收同步輸入訊號並產生斜坡訊號；比較器，將該反比電壓與斜坡訊號相比較；及脈波產生器，其根據比較器的輸出而產生時脈訊號，供作為該電路模組的內部時脈訊號並自一同步訊號輸出接腳輸出作為同步輸出訊號；其中，第一電路模組之同步訊號輸入接腳接收系統時脈，其後每一電路模組接收前級電路模組之同步輸出訊號，作為自身之同步輸入訊號。
上述適應性同步時脈移相產生電路中，宜再包含至少一個旁通電阻，耦接於其中一個電路模組之同步訊號輸入接腳與同步訊號輸出接腳之間。
就再另一個觀點言，本發明提供了一種同步時脈移相產生方法，其包含：產生一電流，流經一節點而在其上產生一節點電壓；根據該節點電壓而產生一反比電壓；將該反比電壓與一斜坡訊號相比較，其中該斜坡訊號之週期由一同步輸入訊號決定；以及根據比較結果而產生時脈訊號。
上述適應性同步時脈移相產生電路與方法中，有各種方式可產生反比電壓，例如可將該節點電壓轉換為電流，通過一可變電阻，使該可變電阻之阻值與該節點電壓成反比，再產生與該可變電阻之阻值成正比的電壓。或是，透過查表(mapping table)的方法，亦可根據該節點電壓得到反比電壓。又或是，可將該節點電壓轉換為數位訊號，經數位運算裘德反比後，再轉換為類比電壓。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
請參閱第5圖，本發明中，就電路板的觀點而言，並不需要知道電路模組總數，不論插置多少電路模組，電路板上的結構仍然是相同的，而就使用者的觀點言，並不需要隨不同電路模組數目做不同的設定，因此遠比先前技術更為便利。如圖所示，本發明中，可將任意數目的切換式電路模組10[1]~10[N]連接到同一節點VPS ，此節點VPS 連接到一個電流轉電壓電路(I-to-V)20的一端，電流轉電壓電路20可將流過其上的電流I轉換為節點VPS 上的電壓。電流轉電壓電路20的最簡單形式為電阻，但亦可為其他更複雜的電路元件。各電路模組10[1]~10[N]具有相位設定接腳PS、同步訊號輸入接腳SynIN、同步訊號輸入接腳SynOUT，其中前一電路模組的同步訊號輸入接腳SynOUT電連接到後一電路模組的同步訊號輸入接腳SynIN，且所有電路模組的相位設定接腳PS都連接到節點VPS 。第一個電路模組10[1]的同步訊號輸入接腳SynIN接收系統時脈，最後一個電路模組10[N]的同步訊號輸入接腳SynOUT則並未使用到，因此在最後一個電路模組中，也可以不提供SynOUT接腳。
電路模組10的內部電路可如第6圖所示，其中包含電流源101、反比電壓產生電路102、斜坡訊號產生電路103、比較器107、脈波產生器108；斜坡訊號產生電路103的典型結構包含電流源104、電容105、開關106。
請對照第5圖、第6圖與第7圖，電流源101提供電流IPS ，經接腳PS流往第5圖之電流轉電壓電路20，因所有電路模組之接腳PS均耦接至同一節點，故I=N‧IPS ，而電壓VPS 正比於N‧IPS ；若電流轉電壓電路20為阻值r之電阻，則VPS =r‧N‧IPS 。反比電壓產生電路102根據電壓VPS 而產生與其大致成反比的電壓VIPS ，亦即VIPS 大致正比於1/VPS ，其中該反比關係不需要絕對精確；有關反比電壓產生電路102的細節，容後說明。斜坡訊號產生電路103接收同步輸入訊號SynIN並產生斜坡訊號VRAMP ，其中電流源104對電容105充電，當接收到同步輸入訊號SynIN時，開關106導通，電容105放電，因此斜坡訊號VRAMP 與同步輸入訊號SynIN的關係如第7圖所示。比較器107將電壓VIPS 與斜坡訊號VRAMP 相比較，當斜坡訊號VRAMP 向上越過電壓VIPS 時，其輸出轉態，推動脈波產生器108產生單次時脈輸出，此時脈即可作為內部時脈，且可作為本電路模組的同步輸出訊號SynOUT，自接腳SynOUT輸出，作為次一級電路模組的同步輸入訊號。
請參閱第7圖，由於VIPS 反比於VPS ，亦即VIPS 反比於N，因此可藉由適當設計峰值VPEAK ，使得當N=1時，VIPS =VPEAK 。如此，當N=2時，VIPS =(1/2)VPEAK ；當N=3時，VIPS =(1/3)VPEAK ；依此類推。而同步輸出訊號SynOUT與同步輸入訊號SynIN的相位差即等於360°×VIPS /VPEAK ，亦即360°/N。
第8圖顯示反比電壓產生電路102的其中一個實施例，電路中包含電壓轉電流電路211、誤差放大器213、電阻阻值調整電路214、電流源215、及兩可變電阻Rv1、Rv2，其中兩可變電阻Rv1、Rv2的阻值可受控於電阻阻值調整電路214的輸出而同步調整，亦即Rv1正比於Rv2，為簡化說明起見假設Rv1=Rv2；其中電阻阻值調整電路214例如可為(但不限於)上/下計數器。電壓轉電流電路211將電壓VPS 轉換為與VPS 成正比的電流I1；此電流I1流過可變電阻Rv1而產生一電壓(I1‧Rv1)，因誤差放大器213、電阻阻值調整電路214、可變電阻Rv1構成反饋迴路，電壓(I1‧Rv1)將平衡於參考電壓Vref，(I1‧Rv1)=Vref，亦即Rv1將與I1成反比。電流源215流過可變電阻Rv2產生電壓(I2‧Rv2)=VIPS ，因Rv1=Rv2，而I2為定值，故(I2‧Rv2)與Rv1成正比，而與I1成反比，換言之VIPS 與VPS 成反比。至於電壓VIPS 與峰值VPEAK 的關係，可藉由適當設計電路參數來達成。
以上實施例中的電壓轉電流電路211例如可如第9圖，其中源極追隨電路將電壓VPS 轉換為電流VPS /R1，再透過電流鏡電路複製產生電流I1，其中I1正比於VPS /R1。
第10圖顯示反比電壓產生電路102的另一個實施例，在本實施例中電壓VIPS 並不完全與電壓VPS 成反比，但仍可以達成本發明的目的。如圖所示，電路中包含多個比較器201[1]~201[N]，分別將電壓VPS 與參考電壓Vref1~VrefN相比較，其比較結果輸入一個查表電路(mapping table)202，以根據電壓VPS 而產生類似於反比的電壓VIPS ，其關係如圖中所示，當電壓VPS 位於參考電壓Vref1和Vref2之間時，電壓VIPS 等於峰值VPEAK ，無相位差；當電壓VPS 位於參考電壓Vref2和Vref3之間時，電壓VIPS 等於峰值VPEAK /2，相位差為180°；當電壓VPS 位於參考電壓Vref3和Vref4之間時，電壓VIPS 等於峰值VPEAK /3，相位差為120°；等等。有關峰值VPEAK 之資訊可自斜坡訊號產生電路103獲取。
請再參閱第11圖，在電路板上可設置任意多個插槽SLOT[1]~SLOT[N]，並暫先假設電路板上並未設置虛線中的旁通電阻Rbp。此時，使用者可根據所欲使用的電路模組數目，自第一插槽SLOT[1]起依序***即可；電路板左方僅需要固定設置一個電阻Rps(對應於第5圖中的電流轉電壓電路20)，而不需要如第4圖先前技術般，因應不同的電路模組數目而增加電阻數目。另一方面，當使用者欲減少已插置之電路模組數目時，僅需自最後一個插置的電路模組開始反序移除即可。
不過，為提供更大的便利性，電路板上尚可設置虛線中的旁通電阻Rbp。旁通電阻Rbp之作用，舉例說明之：假設使用者原已插置四個電路模組於插槽SLOT[1]~SLOT[4]，但之後因種種原因，使用者希望移除第二插槽SLOT[2]或第三插槽SLOT[3]中的特定電路模組，而非自最後一個插槽SLOT[4]起移除電路模組。在無旁通電阻Rbp的情況下，如移除中間電路模組(例如第二插槽SLOT[2]中的電路模組)，則第一插槽SLOT[1]中電路模組的同步輸出訊號SynOUT將無法傳遞至第三插槽SLOT[3]中的電路模組。但在圖示實施例中，由於設置了旁通電阻Rbp，因此即使移除了中間任何一個或兩個電路模組，前級電路模組的同步輸出訊號SynOUT仍可經由旁通電阻Rbp傳遞至仍留在電路板上的後級電路模組。這也表示，在設置旁通電阻Rbp的情況下，使用者可以將電路模組任意插置在可用的插槽中，而不必彼此緊鄰。
在設置旁通電阻Rbp的情況下，如右方圖所示，當插槽中存在電路模組10時，同步輸出訊號SynOUT由該電路模組10決定；當插槽中不存在電路模組10時，同步輸出訊號SynOUT由圖中的訊號SynIN(仍留在電路板上的前級電路模組之同步輸出訊號SynOUT)透過旁通電阻Rbp來決定。旁通電阻Rbp的阻值可經過適當設定，使得當插槽中存在電路模組10時，自旁通電阻Rbp而來的訊號不具實質影響力，不會干擾電路模組10所輸出的同步輸出訊號SynOUT。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化。例如，反比電壓還可利用其他方式產生，例如第12圖所示，將電壓VPS 經類比數位轉換後，進行數位運算求得反比，再經數位類比轉換成類比電壓VIPS 等；又如，斜坡訊號產生電路103可改為產生如第13圖所示的斜坡波形；等等。凡此種種，均應視為本發明精神內的等效變化，因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。
10,10[1]~10[N]．．．切換式電路模組(簡稱電路模組)
20．．．電流轉電壓電路
101．．．電流源
102．．．反比電壓產生電路
103．．．斜坡訊號產生電路
104．．．電流源
105．．．電容
106．．．開關
107．．．比較器
108．．．脈波產生器
201[1]~201[N]．．．比較器
202．．．查表電路
211．．．電壓轉電流電路
213．．．誤差放大路
214．．．電阻阻值調整電路
215．．．電流源
PS．．．相位設定接腳
PWM[1]~PWM[N]．．．切換式電路模組
R,R1,Rps．．．電阻
Rbp．．．旁通電阻
Rv1,Rv2．．．可變電阻
SLOT[1]~SLOT[N]．．．插槽
SynIN．．．同步訊號輸入接腳(亦指同步輸入訊號)
SynOUT．．．同步訊號輸出接腳(亦指同步輸出訊號)
第1圖示出多個切換式電路模組連接至同一輸入電壓Vin的架構。
第2圖示出第1圖中，各電路模組時脈相位相同所造成的問題。
第3圖示出各電路模組之時脈相位宜錯開。
第4圖示出一種先前技術之錯開時脈相位的方式。
第5圖示出本發明的架構。
第6圖示出電路模組10之實施例。
第7圖說明VIPS 、VRAMP 、SynIN、SynOUT等訊號之波形。
第8圖舉例示出反比電壓產生電路102的一個實施例。
第9圖舉例示出電壓轉電流電路211的一個實施例。
第10圖舉例示出反比電壓產生電路102的另一個實施例。
第11圖顯示可藉由設置旁通電阻Rbp而更增加本發明的應用彈性。
第12圖舉例示出反比電壓產生電路102的另一個實施例。
第13圖顯示斜坡訊號產生電路103可產生另一種斜坡波形而同樣可達成本發明的目的。
10．．．切換式電路模組
101．．．電流源
102．．．反比電壓產生電路
103．．．斜坡訊號產生電路
104．．．電流源
105．．．電容
106．．．開關
107．．．比較器
108．．．脈波產生器

Claims (11)

  1. 一種適應性同步時脈移相產生電路，包含：第一電流源，其產生一電流，流經一節點而在其上產生一節點電壓；與該節點耦接的反比電壓產生電路，其根據該節點電壓而產生一反比電壓；斜坡訊號產生電路，其接收同步輸入訊號並產生斜坡訊號；第一比較器，將該反比電壓與斜坡訊號相比較；以及脈波產生器，其根據第一比較器的輸出而產生時脈訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之適應性同步時脈移相產生電路，其中該時脈訊號係供作為內部時脈訊號與同步輸出訊號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之適應性同步時脈移相產生電路，其中該反比電壓產生電路包含：電壓轉電流電路，將該節點電壓轉換為電流訊號；第一可變電阻，該電流訊號流過此第一可變電阻而產生一電壓訊號；第二可變電阻，其阻值可受控與第一可變電阻同步調整；誤差放大器，將該第一可變電阻上產生之電壓訊號與一參考電壓比較；電阻阻值調整電路，根據該誤差放大器之輸出，同步調整第一與第二可變電阻之阻值；以及第二電流源，其產生電流流過該第二可變電阻，以在其上產生前述反比電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之適應性同步時脈移相產生電路，其中該反比電壓產生電路包含：多個第二比較器，將該節點電壓和多個預設的參考電壓相比較；以及查表電路，根據該多個第二比較器的輸出，決定前述反比電壓。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之適應性同步時脈移相產生電路，其中該反比電壓產生電路包含：類比數位轉換電路，將該節點電壓轉換為數位訊號；反比運算電路，接收該數位訊號並求取其反比；以及數位類比轉換電路，將該反比運算結果轉換為類比訊號。
  6. 一種適應性同步時脈移相產生電路，包含：電流轉電壓電路，其與一相位設定節點耦接；以及多個電路模組，每一電路模組包括：電流源，其產生一電流流經該相位設定節點，經該電流轉電壓電路之作用而在該節點上產生一節點電壓；與該相位設定節點耦接的反比電壓產生電路，其根據該節點電壓而產生一反比電壓；斜坡訊號產生電路，其自一同步訊號輸入接腳接收同步輸入訊號並產生斜坡訊號；比較器，將該反比電壓與斜坡訊號相比較；及脈波產生器，其根據比較器的輸出而產生時脈訊號，供作為該電路模組的內部時脈訊號並自一同步訊號輸出接腳輸出作為同步輸出訊號；其中，第一電路模組之同步訊號輸入接腳接收系統時脈，其後每一電路模組接收前級電路模組之同步輸出訊號，作為自身之同步輸入訊號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之適應性同步時脈移相產生電路，還包含：至少一個旁通電阻，耦接於其中一個電路模組之同步訊號輸入接腳與同步訊號輸出接腳之間。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之適應性同步時脈移相產生電路，其中該電流轉電壓電路為一電阻，可根據其阻值而設定該節點電壓。
  9. 一種同步時脈移相產生方法，包含：(A)　產生一電流，流經一節點而在其上產生一節點電壓；(B)　根據該節點電壓而產生一反比電壓；(C)　將該反比電壓與一斜坡訊號相比較，其中該斜坡訊號之週期由一同步輸入訊號決定；以及(D)　根據比較結果而產生時脈訊號。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之同步時脈移相產生方法，還包含：提供多個電路模組，並在每一電路模組中執行步驟(A)-(D)，其中步驟(A)所述節點為所有電路模組之共同節點。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之同步時脈移相產生方法，其中，第一電路模組之同步輸入訊號為系統時脈，其後每一電路模組接收前級電路模組所產生之時脈訊號，作為自身之同步輸入訊號。
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