TWI487253B - 切換式穩壓器之控制方法及控制電路 - Google Patents

切換式穩壓器之控制方法及控制電路 Download PDF

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Description

切換式穩壓器之控制方法及控制電路
本發明係指一種用於一降壓式切換式穩壓器(buck switching regulator)的控制方法及控制電路，尤指一種可於降壓式切換式穩壓器之輸入電壓下降至接近輸出電壓時，藉由調整降壓式切換式穩壓器中一脈衝寬度調變訊號的切換頻率來改變責任週期，以避免輸出電壓下降，使得降壓式切換式穩壓器於低輸入電壓下仍可提供穩定的輸出電壓，進而提升降壓式切換式穩壓器可適應的輸入電壓範圍的控制方法及控制電路。
直流至直流切換式穩壓器(DC-DC switching regulator)已廣泛應用於各種電源供應裝置中，其主要功能在於提供穩定的直流電源予各種電子元件使用。一般來說，直流至直流切換式穩壓器可根據輸出電壓及輸入電壓的不同，分為降壓式切換式穩壓器(buck switching regulator)、升壓式切換式穩壓器(boost switching regulator)及升降壓式切換式穩壓器(buck-boost switching regulator)。良好的切換式穩壓器能夠在不同環境之下(如不同輸入電壓或不同負載電流之下)維持良好的電能轉換效率，並提供穩定的輸出電壓。
降壓式切換式穩壓器為一種輸出電壓小於輸入電壓的切換式穩壓器。習知降壓式切換式穩壓器的各種控制方式已揭露於不同文獻 中，其中一種常見的控制方式係利用調整脈衝寬度調變(pulse width modulation，PWM)訊號之責任週期來進行穩壓控制。而根據責任週期控制方式，由於降壓式切換式穩壓器之輸出端及輸入端必須達到能量守恆，因此責任週期會等於降壓式切換式穩壓器之輸出電壓與輸入電壓的比，亦即，責任週期D、輸出電壓Vout 與輸入電壓Vin 會呈現以下關係式：D=Vout /Vin (1)
在理想狀況下，降壓式切換式穩壓器之輸入電壓Vin 可下降至等於輸出電壓Vout 的電位，此時責任週期D必須等於1，使得電能完全由輸入端傳送至輸出端，即電能轉換效率為百分之百。然而，實際運作時，降壓式切換式穩壓器無法達到完全理想的狀態，主要來自兩個原因：第一，功率電晶體即使做的再龐大，仍無可避免地具有壓差(drop out)；第二，控制電路在運作時，脈衝寬度調變訊號無法達到永遠開啟的狀態，其至少必須利用一小段的關閉時間作為緩衝，而部分偵測裝置可於脈衝寬度調變訊號關閉時進行過電流偵測或其它運作。因此，在輸入電壓Vin 逐漸降低的情況下，會造成脈衝寬度調變訊號的開啟時間增加，而關閉時間減少。當關閉時間已達到最小時，若輸入電壓Vin 仍繼續下降，由於降壓式切換式穩壓器無法傳送足夠的電能至輸出端，輸出電壓Vout 必須隨輸入電壓Vin 而下降，使系統維持平衡。如此一來，當輸入電壓Vin 下降至較低電位時，可能造成降壓式切換式穩壓器無法繼續輸出穩定的輸出電壓Vout 。因此，實有必要提出一種改善方法，使得輸入電壓下 降至較低電位時，降壓式切換式穩壓器仍可維持穩定的輸出電壓，進而提升降壓式切換式穩壓器可適應的輸入電壓範圍。
因此，本發明之主要目的即在於提供一種用於降壓式切換式穩壓器的控制方法及控制電路，其可於降壓式切換式穩壓器之輸入電壓下降至接近輸出電壓時，藉由調整降壓式切換式穩壓器中一脈衝寬度調變訊號的切換頻率來改變責任週期，以避免輸出電壓下降，使得降壓式切換式穩壓器於低輸入電壓下仍可提供穩定的輸出電壓，進而提升降壓式切換式穩壓器可適應的輸入電壓範圍。
本發明揭露一種控制方法，用於一降壓式切換式穩壓器之一輸入電壓下降時避免一輸出電壓下降，該控制方法包含有將該輸入電壓轉換為一充電電流；根據該充電電流及該輸出電壓，決定該降壓式切換式穩壓器之一責任週期；以及於該輸入電壓下降至一特定電壓且該降壓式切換式穩壓器中一脈衝寬度調變訊號之一關閉時間達到一最小值時，調整該脈衝寬度調變訊號之一切換頻率，進而改變該責任週期，以避免該輸出電壓下降。
本發明另揭露一種用於一降壓式切換式穩壓器之一控制電路，包含有一電壓轉電流裝置，用來將該降壓式切換式穩壓器之一輸入電壓轉換為一充電電流；一電流輸出裝置，耦接於該電壓轉電流裝置，用來輸出該充電電流；一電容，耦接於該電流輸出裝置，用來 儲存該充電電流；一切換開關，耦接於該電容，用來對該電容進行放電；一比較裝置，耦接於該電壓轉電流裝置，用來根據該充電電流及該降壓式切換式穩壓器之一輸出電壓，決定該降壓式切換式穩壓器之一責任週期；以及一責任週期調整裝置，用來於該輸入電壓下降至一特定電壓且該降壓式切換式穩壓器中一脈衝寬度調變訊號之一關閉時間達到一最小值時，調整該脈衝寬度調變訊號之一切換頻率，進而改變該責任週期，以避免該輸出電壓下降。
請參考第1圖，第1圖為一般降壓式切換式穩壓器之一控制電路10之示意圖。如第1圖所示，控制電路10係用來控制降壓式切換式穩壓器中一脈衝寬度調變訊號TON之責任週期D，其包含有一電壓轉電流裝置102、一充電電流源104、一比較裝置106、一切換開關108及一電容C1。電壓轉電流裝置102接收降壓式切換式穩壓器之一輸入電壓Vin ，用來將輸入電壓Vin 轉換為一充電電流Ichg 。充電電流源104耦接於電壓轉電流裝置102，其可於切換開關108關閉時，對電容C1進行充電。比較裝置106耦接於電壓轉電流裝置102，用來根據充電電流Ichg 及降壓式切換式穩壓器之一輸出電壓Vout ，產生脈衝寬度調變訊號TON。脈衝寬度調變訊號TON為一週期性訊號，可週期性控制降壓式切換式穩壓器之功率電晶體開啟或關閉，以滿足降壓式切換式穩壓器輸出端之負載需求。電容C1係用來儲存充電電流Ichg ，藉以達到調整與控制責任週期的功能。脈衝寬度調變訊號TON另經由一反向器110控制切換開關108導通及關 閉，以觸發切換開關108對電容C1進行放電。
詳細來說，在每一切換週期中，當脈衝寬度調變訊號TON結束責任週期時，切換開關108導通並對電容C1進行放電，直到降壓式切換式穩壓器偵測輸出電壓Vout 偏低，進而產生下一次的切換週期前，切換開關108皆為導通狀態。控制電路10接收輸入電壓Vin 之後，由電壓轉電流裝置102將其轉換為充電電流Ichg ，充電電流源104再將充電電流Ichg 輸出至電容C1，以對電容C1進行充電。於電容C1累積的電壓由比較裝置106的負輸入端接收，而比較裝置106的正輸入端接收輸出電壓Vout ，並將輸出電壓Vout 乘上一參數K之後與電容C1累積的電壓進行比較，以輸出脈衝寬度調變訊號TON。當電容C1的電壓上升至超過K*Vout 的電位時，脈衝寬度調變訊號TON由開啟轉為關閉，並經由反向器110觸發切換開關108導通，以對電容C1進行放電。直到降壓式切換式穩壓器偵測輸出電壓Vout 偏低，進而產生下一次的切換週期前，切換開關108皆為導通狀態。當降壓式切換式穩壓器系統產生新一次的切換週期時，此時切換開關108關閉，而脈衝寬度調變訊號TON再度開啟，以進行下一個切換週期。於部分實施例中，亦可將比較裝置之正輸入端接收電容C1累積的電壓，而負輸入端接收輸出電壓Vout 。如此一來，脈衝寬度調變訊號TON可直接控制切換開關108而不需反向。
如上所述，由於降壓式切換式穩壓器的輸出端及輸入端必須達到能量守恆，因此責任週期D、輸出電壓Vout 與輸入電壓Vin 會呈 現第(1)式的關係，詳細來說，可將脈衝寬度調變訊號TON之責任週期D更明確地定義為以下關係式：Vout /Vin =D=Ton /Ts (2)其中，Ton 表示脈衝寬度調變訊號TON之一開啟時間，Ts 表示脈衝寬度調變訊號TON之一切換週期的時間(即Ton /Ts 等於責任週期D)，更明確來說，Ts 可藉由另一關係式表示：Ts =Ton +Toff (3)其中，Toff 表示脈衝寬度調變訊號TON之一關閉時間，可視為開啟時間Ton 結束之後，到降壓式切換式穩壓器系統偵測輸出端能量不足而產生下一次切換週期的時間。為達到穩壓效果，當輸入電壓Vin 逐漸下降時，良好的降壓式切換式穩壓器仍必須維持固定輸出電壓Vout ，使得Vout /Vin 逐漸上升，責任週期D並隨之增加。此時，由於每一切換週期Ts 固定，開啟時間Ton 必須逐漸增加，而關閉時間Toff 必須逐漸下降。然而，由上述可知，脈衝寬度調變訊號TON於每次切換時，至少須保留一小段關閉時間Toff 作為緩衝。當輸入電壓Vin 下降至一較低值使得脈衝寬度調變訊號TON的關閉時間Toff 達到一最小值Toff_min 時，責任週期D無法再上升，使得輸出電壓Vout 必須下降，以達成上述關係式的平衡。
詳細來說，於降壓式切換式穩壓器的控制電路10中，輸出電壓Vout 、充電電流Ichg 、電容C1及開啟時間Ton 具有下列關係式(為求簡化而忽略參數K)：Ichg *Ton =C1*Vout (4)
Ton =(C1*Vout )/Ichg (5)因此，若欲避免輸出電壓Vout 下降，必須在不降低關閉時間Toff 的前提下提高開啟時間Ton ，換句話說，即透過降低切換頻率Fs 的方式來調整責任週期(即提高切換週期Ts ，切換頻率Fs 為切換週期Ts 的倒數)。更精確來說，在輸入電壓Vin 下降至接近輸出電壓Vout 時，由於脈衝寬度調變訊號TON的關閉時間Toff 已達到最小，控制電路10另須透過一責任週期調整裝置來提高開啟時間Ton ，同時提高切換週期Ts (即降低切換頻率Fs )，以提高責任週期D，進而避免輸出電壓Vout 下降。
因此，根據第(4)式及第(5)式，若欲提高開啟時間Ton ，一種最直覺的方式就是降低充電電流Ichg 。請參考第2圖，第2圖為本發明實施例一降壓式切換式穩壓器之控制電路20之示意圖。如第2圖所示，控制電路20之架構與第1圖之控制電路10類似，因此功能相似的元件或訊號以相同符號表示。控制電路20與控制電路10的主要差別在於，控制電路20另包含一責任週期調整裝置210，可用來調整降壓式切換式穩壓器的責任週期，以避免輸出電壓Vout 下降。當切換開關108的關閉時間達到最小值時，責任週期調整裝置210可增加開啟時間Ton ，同時每一切換週期Ts 的時間(即一次開啟時間Ton 加上一次關閉時間Toff )也隨之而增加，使得切換頻率Fs 降低，進而改變降壓式切換式穩壓器的責任週期，以避免輸出電壓Vout 下降。因此，脈衝寬度調變訊號TON的責任週期也會隨之而調整，來控制切換開關108增加開啟時間Ton 。
請繼續參考第2圖，責任週期調整裝置210包含一比較裝置212及一電流源214。比較裝置212的兩接收端分別接收一設定電壓Vsetup 及輸入電壓Vin 之一特定比例K3，其用途在於判斷輸入電壓Vin ，使得責任週期調整裝置210的責任週期調整(即切換頻率Fs 調整)功能於輸入電壓Vin 乘上特定比例K3低於設定電壓Vsetup 時開始運作。電流源214耦接於比較裝置212及充電電流源104，由比較裝置212的輸出端所控制。當比較裝置212判斷輸入電壓Vin 乘上特定比例K3高於設定電壓Vsetup 時，責任週期調整裝置210控制充電電流源104關閉，此時由於輸入電壓Vin 較高，降壓式切換式穩壓器可正常運作而不須調整責任週期。當比較裝置212判斷輸入電壓Vin 乘上特定比例K3低於設定電壓Vsetup 時，責任週期調整裝置210控制電流源214開始吸收充電電流源104的部分電流，使得流至輸出端的充電電流Ichg 下降，以提升開啟時間Ton 。如此一來，可避免輸入電壓Vin 下降至接近輸出電壓Vout 時，輸出電壓Vout 也隨之下降，使得降壓式切換式穩壓器在低輸入電壓Vin 下仍可提供穩定的輸出電壓Vout ，進而提升降壓式切換式穩壓器可適應的輸入電壓Vin 範圍。
值得注意的是，上述實施例僅為責任週期調整裝置所有可能的實施例之其中一種。舉例來說，另一實施例可參考第3圖，第3圖為另一降壓式切換式穩壓器之控制電路30之示意圖。如第3圖所示，控制電路30之架構與第2圖之控制電路20類似，因此功能相似的元件或訊號以相同符號表示。控制電路30與控制電路20的主 要差別在於，控制電路30之責任週期調整裝置310直接包含充電電流源104，並將充電電流源104設計為可變電流源。因此，當比較裝置312判斷輸入電壓Vin 乘上特定比例K3低於設定電壓Vsetup 時，責任週期調整裝置310利用一電流調整裝置314控制充電電流源104輸出較低的充電電流Ichg ，以提升開啟時間Ton 。如此一來，可避免輸入電壓Vin 下降至接近輸出電壓Vout 時，輸出電壓Vout 也隨之下降，使得降壓式切換式穩壓器在低輸入電壓Vin 下仍可提供穩定的輸出電壓Vout ，進而提升降壓式切換式穩壓器可適應的輸入電壓Vin 範圍。
更進一步來說，本發明之主要精神在於，降壓式切換式穩壓器可偵測輸入電壓Vin ，並於切換開關108的關閉時間Toff 達到最小時，透過提高開啟時間Ton 來調整責任週期，以避免輸出電壓Vout 隨輸入電壓Vin 的下降而下降。本領域具通常知識者當可據以修飾或變化，而不限於此。舉例來說，於各種降壓式切換式穩壓器的控制方式中，只要是透過輸入電壓及輸出電壓的偵測產生一脈衝寬度調變訊號，以提供輸出端控制訊號的控制方式，皆可藉由本發明提出的方法來調整責任週期。另一方面，責任週期調整裝置可透過任何方式來調整降壓式切換式穩壓器的責任週期，而不限於上述直接改變充電電流Ichg 的方式。
以下實施例揭露一種不藉由直接改變充電電流Ichg 來調整責任週期的方式。請參考第4圖，第4圖為另一降壓式切換式穩壓器之 控制電路40之示意圖。如第4圖所示，控制電路40之架構與第2圖之控制電路20類似，因此功能相似的元件或訊號以相同符號表示。控制電路40與控制電路20、30的主要差別在於，控制電路40之責任週期調整裝置410係藉由控制電壓轉電流裝置102來調整責任週期。如上所述，電壓轉電流裝置102係用來將輸入電壓Vin 轉換為充電電流Ichg ，因此，根據電壓轉電流裝置102的轉換，充電電流Ichg 與輸入電壓Vin 之間具有下列關係：Ichg =Vin *Gm (6)其中，Gm表示電壓轉電流裝置102之一轉換參數。將第(6)式代入第(5)式可得到：Ton =(C1*Vout )/(Vin *Gm) (7)再將第(2)式代入，化簡之後可得以下關係式：Ts =C/Gm (8)如上所述，責任週期調整裝置的運作目的即在於提高開啟時間Ton 。然而，當輸入電壓Vin 極低而接近輸出電壓Vout 時，切換開關108的關閉時間Toff 已達到最小，此時，提高開啟時間Ton 的運作等同於維持在最小關閉時間Toff 的情況下，提高切換週期Ts 。因此，根據第(8)式，藉由責任週期調整裝置410降低轉換參數Gm，可提升切換週期Ts ，並在關閉時間Toff 維持於一特定最小值Toff_min 的情況下，使開啟時間Ton 及責任週期皆同時上升。另一方面，此調整方式亦可根據第(6)式解釋為降低轉換參數Gm使得充電電流Ichg 降低，再依據上述說明推知，開啟時間Ton 因充電電流Ichg 的降低而上升。
請繼續參考第4圖，責任週期調整裝置410包含一比較裝置412及一轉換參數調整裝置414。比較裝置412的運作方式與比較裝置212、比較裝置312皆相同，可同時接收設定電壓Vsetup 及輸入電壓Vin 之特定比例K3。當比較裝置412判斷輸入電壓Vin 乘上特定比例K3高於設定電壓Vsetup 時，責任週期調整裝置410控制轉換參數調整裝置414關閉，此時由於輸入電壓Vin 較高，降壓式切換式穩壓器可正常運作而不須調整責任週期。當比較裝置412判斷輸入電壓Vin 乘上特定比例K3低於設定電壓Vsetup 時，責任週期調整裝置410控制轉換參數調整裝置414開始運作，以控制轉換參數Gm降低。此時，充電電流Ichg 亦隨之下降，開啟時間Ton 及責任週期則同時上升。如此一來，可避免輸入電壓Vin 下降至接近輸出電壓Vout 時，輸出電壓Vout 也隨之下降，使得降壓式切換式穩壓器在低輸入電壓Vin 下仍可提供穩定的輸出電壓Vout ，進而提升降壓式切換式穩壓器可適應的輸入電壓Vin 範圍。
請參考第5圖，第5圖為本發明實施例另一降壓式切換式穩壓器之控制電路50之示意圖。如第5圖所示，控制電路50之架構與第2圖之控制電路20類似，因此功能相似的元件或訊號以相同符號表示。控制電路50與控制電路20、30及40的主要差別在於，控制電路50之責任週期調整裝置510耦接於電壓轉電流裝置102及降壓式切換式穩壓器之輸入電壓源之間。換句話說，於電壓轉電流裝置102中，原先接收輸入電壓Vin 之輸入端另串接責任週期調整裝置510，使得輸入電壓Vin 先經過責任週期調整裝置510再傳送至電壓 轉電流裝置102。責任週期調整裝置510包含一比較裝置512及一可控制電壓源514。實際運作上，當比較裝置512判斷輸入電壓Vin 乘上特定比例K3高於設定電壓Vsetup 時，責任週期調整裝置510控制可控制電壓源514關閉，此時由於輸入電壓Vin 較高，降壓式切換式穩壓器可正常運作而不須調整責任週期，因此責任週期調整裝置510可直接傳送輸出電壓Vin 至電壓轉電流裝置102。當比較裝置512判斷輸入電壓Vin 乘上特定比例K3低於設定電壓Vsetup 時，責任週期調整裝置510控制可控制電壓源514開始運作，以將輸入電壓Vin 轉換為較低的電壓Vin_low 以傳送至電壓轉電流裝置102。根據第(6)式，降低輸入電壓Vin 會使得充電電流Ichg 降低，再根據上述說明推知，開啟時間Ton 會因充電電流Ichg 的降低而上升。如此一來，可避免輸入電壓Vin 下降至接近輸出電壓Vout 時，輸出電壓Vout 也隨之下降，使得降壓式切換式穩壓器在低輸入電壓Vin 下仍可提供穩定的輸出電壓Vout ，進而提升降壓式切換式穩壓器可適應的輸入電壓Vin 範圍。
請參考第6圖，第6圖為本發明實施例另一降壓式切換式穩壓器之控制電路60之示意圖。如第6圖所示，控制電路60之架構與第2圖之控制電路20類似，因此功能相似的元件或訊號以相同符號表示。控制電路60與控制電路20、30、40及50的主要差別在於，控制電路60之責任週期調整裝置610耦接於比較裝置106及降壓式切換式穩壓器之輸出端之間。換句話說，於比較裝置106中，原先接收輸出電壓Vout 之輸入端另串接責任週期調整裝置610，使得輸 出電壓Vout 先經過責任週期調整裝置610再傳送至比較裝置106。責任週期調整裝置610包含一比較裝置612及一可控制電壓源614。實際運作上，當比較裝置612判斷輸入電壓Vin 乘上特定比例K3高於設定電壓Vsetup 時，責任週期調整裝置610控制可控制電壓源614關閉，此時由於輸入電壓Vin 較高，降壓式切換式穩壓器可正常運作而不須調整責任週期，因此責任週期調整裝置610可直接傳送輸出電壓Vout 乘上參數K至比較裝置106。當比較裝置612判斷輸入電壓Vin 乘上特定比例K3低於設定電壓Vsetup 時，責任週期調整裝置610控制可控制電壓源614開始運作，以將輸出電壓Vout 乘上一較高的參數Km，轉換為較高的電壓Km*Vout 以傳送至比較裝置612。根據第(5)式，在電容C1及充電電流Ichg 不變的情況下，提高輸出電壓Vout 會使得開啟時間Ton 上升。如此一來，可避免輸入電壓Vin 下降至接近輸出電壓Vout 時，輸出電壓Vout 也隨之下降，使得降壓式切換式穩壓器在低輸入電壓Vin 下仍可提供穩定的輸出電壓Vout ，進而提升降壓式切換式穩壓器可適應的輸入電壓Vin 範圍。
關於本發明之上述各種實施例中，降壓式切換式穩壓器在低輸入電壓Vin 下仍可提供穩定的輸出電壓Vout 的效果繪示於第7A圖、第7B圖及第7C圖中。請先參考第7A圖，第7A圖為輸入電壓Vin 降低而責任週期調整裝置未運作之輸出電壓Vout 波形示意圖。如第7A圖所示，當輸入電壓Vin 高於6V時，降壓式切換式穩壓器皆可輸出穩定的輸出電壓Vout =5V。當輸入電壓Vin 下降至6V以下時， 輸出電壓Vout 開始以相似幅度隨著輸入電壓Vin 而下降，且呈現不穩定狀態。在此情況下，量測切換開關的切換頻率Fs 及切換週期Ts 可發現，於輸出電壓Vout 開始下降之前，切換頻率Fs 為516kHz，切換週期Ts 為1.94μs；於輸出電壓Vout 開始下降之後，切換頻率Fs 為513kHz，切換週期Ts 為1.95μs。因此，在責任週期調整裝置未運作的情況下，切換頻率Fs 及切換週期Ts 幾乎不變，而降壓式切換式穩壓器可於輸入電壓Vin 下降至大約6V時輸出穩定的輸出電壓Vout 。當輸入電壓Vin 低於6V時，降壓式切換式穩壓器則無法正常運作。
相較之下，請參考第7B圖，第7B圖為本發明實施例輸入電壓Vin 降低並啟動責任週期調整裝置之輸出電壓Vout 波形示意圖。如第7B圖所示，當輸入電壓Vin 高於5.4V時，降壓式切換式穩壓器皆可輸出穩定的輸出電壓Vout =5V。當輸入電壓Vin 下降至5.4V以下時，輸出電壓Vout 開始以相似幅度隨著輸入電壓Vin 而下降，且呈現不穩定狀態。在此情況下，量測切換開關的切換頻率Fs 及切換週期Ts 可發現，於輸入電壓Vin 下降至6V之前，切換頻率Fs 為511kHz，切換週期Ts 為1.96μs；於輸入電壓Vin 下降至6V之後，切換頻率Fs 為211kHz，切換週期Ts 為4.75μs。因此，在責任週期調整裝置開始運作的情況下，切換頻率Fs 及切換週期Ts 大幅改變，可推知切換週期Ts 、開啟時間Ton 及責任週期皆同時上升。當降壓式切換式穩壓器之輸入電壓Vin 下降至約5.4V時，仍可輸出穩定的輸出電壓Vout =5V。為更明確表示責任週期調整裝置所能達成的功效，在此將 不具有責任週期調整裝置的降壓式切換式穩壓器之輸出電壓Vout1 以及具有責任週期調整裝置的降壓式切換式穩壓器之輸出電壓Vout2 置於同一個波形圖比較。如第7C圖所示，輸出電壓Vout1 於輸入電壓Vin 下降至約6V時開始下降，相較之下，輸出電壓Vout2 於輸入電壓Vin 下降至約6V時仍可維持在5V，直到輸入電壓Vin 下降至約5.4V時才開始下降。如此一來，具有責任週期調整裝置的降壓式切換式穩壓器在低輸入電壓Vin 下(如5.4V~6V)仍可提供穩定的輸出電壓Vout ，進而提升降壓式切換式穩壓器可適應的輸入電壓Vin 範圍。
於習知技術中，在輸入電壓逐漸降低的情況下，會造成脈衝寬度調變訊號的開啟時間增加，而關閉時間減少。當關閉時間已達到最小時，若輸入電壓仍繼續下降，由於降壓式切換式穩壓器無法傳送足夠的電能至輸出端，輸出電壓必須隨輸入電壓而下降，使系統維持平衡。如此一來，當輸入電壓下降至較低電位時，可能造成降壓式切換式穩壓器無法繼續輸出穩定的輸出電壓。相較之下，本發明之實施例可透過責任週期調整裝置，於關閉時間已達到最小時降低脈衝寬度調變訊號的切換頻率，使得脈衝寬度調變訊號的切換週期及開啟時間同時提升，而降壓式切換式穩壓器之責任週期也隨之而上升。如此一來，降壓式切換式穩壓器在低輸入電壓下仍可提供穩定的輸出電壓，進而提升降壓式切換式穩壓器可適應的輸入電壓範圍。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10、20、30、40、50、60‧‧‧控制電路
102‧‧‧電壓轉電流裝置
104‧‧‧充電電流源
106‧‧‧比較裝置
108‧‧‧切換開關
C1‧‧‧電容
Vout ‧‧‧輸出電壓
Vin ‧‧‧輸入電壓
Ichg ‧‧‧充電電流
Vsetup ‧‧‧設定電壓
210、310、410、510、610‧‧‧責任週期調整裝置
212、312、412、512、612‧‧‧比較裝置
214‧‧‧電流源
314‧‧‧電流調整裝置
414‧‧‧轉換參數調整裝置
514、614‧‧‧可控制電壓源
第1圖為一般降壓式切換式穩壓器之一控制電路之示意圖。
第2圖為本發明實施例一降壓式切換式穩壓器之控制電路之示意圖。
第3圖為本發明實施例另一降壓式切換式穩壓器之控制電路之示意圖。
第4圖為本發明實施例另一降壓式切換式穩壓器之控制電路之示意圖。
第5圖為本發明實施例另一降壓式切換式穩壓器之控制電路之示意圖。
第6圖為本發明實施例另一降壓式切換式穩壓器之控制電路之示意圖。
第7A圖為本發明實施例輸入電壓降低而責任週期調整裝置未運作之輸出電壓波形示意圖。
第7B圖為本發明實施例輸入電壓降低並啟動責任週期調整裝置之輸出電壓波形示意圖。
第7C圖為本發明實施例不具有責任週期調整裝置的降壓式切換式穩壓器之輸出電壓以及具有責任週期調整裝置的降壓式切換式穩壓器之輸出電壓之波形比較示意圖。
20‧‧‧降壓式切換式穩壓器
102‧‧‧電壓轉電流裝置
104‧‧‧充電電流源
106‧‧‧比較裝置
108‧‧‧切換開關
C1‧‧‧電容
Vout ‧‧‧輸出電壓
Vin ‧‧‧輸入電壓
Ichg ‧‧‧充電電流
Vsetup ‧‧‧設定電壓
210‧‧‧責任週期調整裝置
212‧‧‧比較裝置
214‧‧‧電流源

Claims (20)

  1. 一種控制方法，用於一降壓式切換式穩壓器(buck switching regulator)之一輸入電壓下降時避免一輸出電壓下降，該控制方法包含有：將該輸入電壓轉換為一充電電流；根據該充電電流及該輸出電壓，決定該降壓式切換式穩壓器之一責任週期；以及於該輸入電壓下降至一特定電壓且該降壓式切換式穩壓器中一脈衝寬度調變訊號之一關閉時間達到一最小值時，調整該脈衝寬度調變訊號之一切換頻率，進而改變該責任週期，以避免該輸出電壓下降。
  2. 如請求項1所述之控制方法，其中該責任週期係該脈衝寬度調變訊號於一開啟時間及該關閉時間之間切換的過程中，該開啟時間於一切換週期的時間中所佔的比例。
  3. 如請求項2所述之控制方法，其中調整該脈衝寬度調變訊號之該切換頻率，進而改變該責任週期，以避免該輸出電壓下降之步驟包含於該脈衝寬度調變訊號的每一切換週期中，增加該脈衝寬度調變訊號的該開啟時間，使得該切換頻率降低，進而改變該責任週期，以避免該輸出電壓下降。
  4. 如請求項1所述之控制方法，其中於該輸入電壓下降至該特定 電壓且該降壓式切換式穩壓器中該脈衝寬度調變訊號之該關閉時間達到該最小值時，調整該脈衝寬度調變訊號之該切換頻率，進而改變該責任週期，以避免該輸出電壓下降之步驟包含於該輸入電壓下降至該特定電壓且該降壓式切換式穩壓器中該脈衝寬度調變訊號之該關閉時間達到該最小值時，抽取該充電電流的一部分，以降低該充電電流，藉以調整該切換頻率，進而改變該責任週期，以避免該輸出電壓下降。
  5. 如請求項1所述之控制方法，其中於該輸入電壓下降至該特定電壓且該降壓式切換式穩壓器中該脈衝寬度調變訊號之該關閉時間達到該最小值時，調整該脈衝寬度調變訊號之該切換頻率，進而改變該責任週期，以避免該輸出電壓下降之步驟包含透過一可變電流源來提供該充電電流，並於該輸入電壓下降至該特定電壓且該降壓式切換式穩壓器中該脈衝寬度調變訊號之該關閉時間達到該最小值時，調整該可變電流源，以降低該充電電流，藉以調整該切換頻率，進而改變該責任週期，以避免該輸出電壓下降。
  6. 如請求項1所述之控制方法，其中將該輸入電壓轉換為該充電電流之步驟包含將該輸入電壓乘上一特定比例，再將乘上該特定比例之後的該輸入電壓，透過一轉換參數的轉換，以產生該充電電流。
  7. 如請求項6所述之控制方法，其中於該輸入電壓下降至該特定電壓且該降壓式切換式穩壓器中該脈衝寬度調變訊號之該關閉時間達到該最小值時，調整該脈衝寬度調變訊號之該切換頻率，進而改變該責任週期，以避免該輸出電壓下降之步驟包含於該輸入電壓下降至該特定電壓且該降壓式切換式穩壓器中該脈衝寬度調變訊號之該關閉時間達到該最小值時，調整該轉換參數以降低該充電電流，藉以調整該切換頻率，進而改變該責任週期，以避免該輸出電壓下降。
  8. 如請求項6所述之控制方法，其中於該輸入電壓下降至該特定電壓且該降壓式切換式穩壓器中該脈衝寬度調變訊號之該關閉時間達到該最小值時，調整該脈衝寬度調變訊號之該切換頻率，進而改變該責任週期，以避免該輸出電壓下降之步驟包含於該輸入電壓下降至該特定電壓且該降壓式切換式穩壓器中該脈衝寬度調變訊號之該關閉時間達到該最小值時，調整該特定比例，使得較低的該輸入電壓透過該轉換參數的轉換，產生較低的該充電電流，藉以調整該切換頻率，進而改變該責任週期，以避免該輸出電壓下降。
  9. 如請求項1所述之控制方法，其中根據該充電電流及該輸出電壓，決定該降壓式切換式穩壓器之該責任週期之步驟包含將該輸出電壓乘上一特定比例，再將乘上該特定比例之後的該輸出電壓與該充電電流進行比較，以決定該責任週期。
  10. 如請求項9所述之控制方法，其中於該輸入電壓下降至該特定電壓且該降壓式切換式穩壓器中該脈衝寬度調變訊號之該關閉時間達到該最小值時，調整該脈衝寬度調變訊號之該切換頻率，進而改變該責任週期，以避免該輸出電壓下降之步驟包含於該輸入電壓下降至該特定電壓且該降壓式切換式穩壓器中該脈衝寬度調變訊號之該關閉時間達到該最小值時，調整該特定比例，使得較高的該輸出電壓與該充電電流進行比較，藉以調整該切換頻率，進而改變該責任週期，以避免該輸出電壓下降。
  11. 一種用於一降壓式切換式穩壓器(buck switching regulator)之控制電路，包含有：一電壓轉電流裝置，用來將該降壓式切換式穩壓器之一輸入電壓轉換為一充電電流；一電流輸出裝置，耦接於該電壓轉電流裝置，用來輸出該充電電流；一電容，耦接於該電流輸出裝置，用來儲存該充電電流；一切換開關，耦接於該電容，用來對該電容進行放電；一比較裝置，耦接於該電壓轉電流裝置，用來根據該充電電流及該降壓式切換式穩壓器之一輸出電壓，決定該降壓式切換式穩壓器之一責任週期；以及一責任週期調整裝置，用來於該輸入電壓下降至一特定電壓且該降壓式切換式穩壓器中一脈衝寬度調變訊號之一關閉時 間達到一最小值時，調整該脈衝寬度調變訊號之一切換頻率，進而改變該責任週期，以避免該輸出電壓下降。
  12. 如請求項11所述之控制電路，其中該責任週期係該脈衝寬度調變訊號於一開啟時間及該關閉時間之間切換的過程中，該開啟時間於一切換週期的時間中所佔的比例。
  13. 如請求項12所述之控制電路，其中該責任週期調整裝置於該脈衝寬度調變訊號的每一切換週期中，增加該脈衝寬度調變訊號的該開啟時間，使得該切換頻率降低，進而改變該責任週期，以避免該輸出電壓下降。
  14. 如請求項11所述之控制電路，其中該責任週期調整裝置耦接於該電流輸出裝置，用來於該輸入電壓下降至該特定電壓且該降壓式切換式穩壓器中該脈衝寬度調變訊號之該關閉時間達到該最小值時，抽取該電流輸出裝置所輸出的一部分電流，以降低該充電電流，藉以調整該切換頻率，進而改變該責任週期，以避免該輸出電壓下降。
  15. 如請求項11所述之控制電路，其中該電流輸出裝置包含一可變電流源，用來提供該充電電流，該責任週期調整裝置於該輸入電壓下降至該特定電壓且該降壓式切換式穩壓器中該脈衝寬度調變訊號之該關閉時間達到該最小值時，調整該可變電流源， 以降低該充電電流，藉以調整該切換頻率，進而改變該責任週期，以避免該輸出電壓下降。
  16. 如請求項11所述之控制電路，其中該電壓轉電流裝置將該輸入電壓乘上一特定比例，再將乘上該特定比例之後的該輸入電壓，透過一轉換參數的轉換，以產生該充電電流。
  17. 如請求項16所述之控制電路，其中該責任週期調整裝置耦接於該電壓轉電流裝置，用來於該輸入電壓下降至該特定電壓且該降壓式切換式穩壓器中該脈衝寬度調變訊號之該關閉時間達到該最小值時，調整該轉換參數以降低該充電電流，藉以調整該切換頻率，進而改變該責任週期，以避免該輸出電壓下降。
  18. 如請求項16所述之控制電路，其中該責任週期調整裝置耦接於該電壓轉電流裝置，用來於該輸入電壓下降至該特定電壓且該降壓式切換式穩壓器中該脈衝寬度調變訊號之該關閉時間達到該最小值時，調整該特定比例，使得較低的該輸入電壓透過該轉換參數的轉換，產生較低的該充電電流，藉以調整該切換頻率，進而改變該責任週期，以避免該輸出電壓下降。
  19. 如請求項11所述之控制電路，其中該比較裝置將該輸出電壓乘上一特定比例，再將乘上該特定比例之後的該輸出電壓與該充電電流進行比較，以決定該責任週期。
  20. 如請求項19所述之控制電路，其中該責任週期調整裝置耦接於該比較裝置，用來於該輸入電壓下降至該特定電壓且該降壓式切換式穩壓器中該脈衝寬度調變訊號之該關閉時間達到該最小值時，調整該特定比例，使得較高的該輸出電壓與該充電電流進行比較，藉以調整該切換頻率，進而改變該責任週期，以避免該輸出電壓下降。
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