TWI496405B - A single inductance multi-stage output conversion device that increases the load range - Google Patents

A single inductance multi-stage output conversion device that increases the load range Download PDF

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TWI496405B TW102124204A TW102124204A TWI496405B TW I496405 B TWI496405 B TW I496405B TW 102124204 A TW102124204 A TW 102124204A TW 102124204 A TW102124204 A TW 102124204A TW I496405 B TWI496405 B TW I496405B
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Description

可提高負載範圍之單電感多段輸出轉換裝置
本發明係有關一種電源管理轉換輸出裝置，特別是有關一種單電感多段輸出電源管理轉換裝置。
近年，隨著IC製程技術的成熟與精進，晶片的面積縮小的幅度愈來愈大，而內部的功能卻愈來愈多，造成了各種產品的體積日漸縮小，由於各項產品的體積縮小，舉凡行動電話、掌上型電腦、數位影音播放器、電腦等電子產品開始朝向輕薄短小的目標邁進，形成可攜帶式電子產品的概念。
對於使用者而言，使用者關注的不僅是產品體積的縮小，同時也希望功能愈齊全、性能愈強大、可使用時間愈長愈好，為了因應這些需求，產品內部的功能電路種類不斷增加，而不同功能的電路可能就需要不同的驅動電壓，相對於這些多組不同的驅動電壓，由於外部的供應電源僅能提供一種固定的電壓準位，此時就必須藉由電源管理裝置內部的直流轉換器來提供多組不同的電壓輸出。
此外，在實際的產品應用中，因為內部電路區塊負責不同功能，因此對電壓、負載電流的要求也不盡相同，對於一個好的電源管理裝置來說，不僅要能提供多組不一樣的電壓位準，而每一個輸出還必須提供足夠大的電流負載範圍來因應不同需求的操作，由此可知，要如何讓可攜帶式電子產品上的電池擁有最大的壽命和效率最佳的使用，以達到產品的有最佳的表現以增加相對的競爭力，是個極重要的課題。
再者，一個好的電源管理裝置內部可包含多組不同的電壓轉換器，當電源管理裝置內部以多組切換式轉換器組成時，由於切換式轉換器上的功率電晶體與電感所佔的面積相當大，因此在成本的考慮上將是一大缺點，為了改善在面積上的消耗，單電感多段輸出架構，近年來是一個熱門的解決方法。
單電感多段輸出架構，有別於以往的直流對直流轉換器，可以減少使用電感元件，用來節省成本和提升產品的競爭力。藉由減少電感的使用，最明顯的效果是可以減小印刷積體電路板的面積，進而達到可攜式產品微型化的最終目標。
同時，在現今積體電路整合的趨勢之下，對於電源管理裝置而言，必須要從一個電源輸入，提供不同大小的輸出電壓以供應不同裝置、不同電路來做使用。因此藉由單電感多段輸出架構的使用，僅需要單一個電源管理裝置，用最少的外部電感或電容儲能元件，就能達到最佳的電源轉換，以求提供多個穩定的輸出電壓和所需要的輸出電流，並對於電池做最有效率的使用。
由於，單電感多段輸出架構是一種僅使用一個電感元件，並產生多組不同電壓供應於可攜式產品內部的各功能區塊使用。雖然單電感多段輸出直流對直流轉換器得以減少晶片面積的消耗，但由於具有多組輸出電壓，將造成各輸出彼此會有相互穩壓效應。相互穩壓效應尤其在各輸出負載電流條件不同時益發明顯，也在轉換器不同輸出之間的負載差距越大時此效應越顯得嚴重甚至會影響轉換器的穩壓效果。
依據現有的單電感多段輸出架構綜觀而論，需面對的問題如下：
(1)輸出數目若增加會造成相互穩壓的干擾源數目增多，如此對穩壓效果 的維持更增加難度。
(2)單電感多段輸出型的負載範圍若希望提高，必須在輕載狀況中以及重載情形下都必須擁有穩定的輸出，但往往受限於轉換器架構上相互穩壓的效應，使得在重載發生時無法以連續導通模式來操作，因此影響到重載電流的輸出大小被限制，造成電流範圍無法增加之故。
(3)單電感多段輸出架構為了降低相互穩壓故操作方式會造成輸出電壓漣波值較大。
此外，在單電感單輸出架構中，由於輸出電壓只有一個，因此在一個切換週期中，控制電路所需要調節的輸出只有一個。而在單電感多段輸出架構中，由於輸出電壓具有二個或二個以上，因此在一個切換週期中，控制電路所需要調節的輸出至少有兩個，如此一來，造成的影響如下：
(1)當輸出電壓的數目增加時，每個輸出在一個週期中所分配到的時間不夠，使得任何一個輸出電壓對電感充電與放電的時間被壓縮。
(2)當某一輸出的負載發生改變時，其充放電時間必定調整，調整後的電感放電時的電流終值會影響到下一個輸出電壓。
(3)電源提供給電感的能量不足以分配給每一個輸出。
以上均說明了當單電感多輸出的轉換器有一端輸出負載發生變化時，控制電路必須針對該輸出做工作週期的調整，但在調整過程中卻可能影響到其他不需調整的輸出電壓，造成其他輸出電壓變異而不穩定，由於電壓變異的原因來自於另一個輸出發生變化，因此將此問題稱為相互穩壓問題。嚴重的相互穩壓將導致輸出電壓無法穩定。
由第1a圖~第1d圖舉例說明，假設第1a圖係為習知之單電感多輸出之電感充放電電流示意圖，第1b圖則係為習知之單電感雙輸出 之重輕載充放電電流示意圖，第1c圖則係為習知之單電感雙輸出之固定時間充放電電流示意圖，第1d圖則係為習知之單電感雙輸出之連續與不連續導通臨界時電感充放電電流示意圖，第1e圖則係為習知之單電感雙輸出之能量保存模式之電感充放電電流示意圖。此外，第1a圖中之上圖及下圖各代表雙輸出及四輸出電感充放電電流示意圖，而第1a圖~第1e圖中的IL 係為電感電流，大寫T為切換週期，小寫t則為時間。
續前文，由第1a圖中可以發現當二個電壓輸出電壓Vout1 、Vout2 的數量增加至四個電壓輸出電壓Vout1 、Vout2 、Vout3 、Vout4 時，在不改變週期時間的情況之下，對任何一個電壓輸出電壓Vout1 、Vout2 、Vout3 、Vout4 其所能有的充電與放電時間已經縮小(如週期T/2→週期T/4)，使得電感電流IL 能儲存或釋放能量的時間被侷限得越短，這意謂著當多輸出的任何一個電壓輸出電壓Vout1 、Vout2 、Vout3 、Vout4 操作在相較於上一狀態更重載情況時，可能會因為週期時間改變而被侷限的充電時間過短，造成輸出值不準確，或是反過來說放電時間過短，造成尚未達到電感電流穩態條件：伏特-秒平衡，就已經進入另一個輸出電壓的操作，而造成另一輸出電壓的錯誤。
以上所敘述的情境更可由第1b圖做解釋，以單電感雙輸出為例，可以發現當第一個電壓輸出電壓Vout1 由輕載情況進入重載情況時，在每一個電壓輸出電壓Vout1 、Vout2 所分配到電感充放能量時間固定的前提下(如週期T/2)，因為第一個電壓輸出電壓Vout1 的能量需求增加，在電感電流IL 充放能量時間固定的前提下(如週期T/2)，電感充電時間需要被拉長，則同樣的電感電流IL 放電時間卻會被縮短，造成尚未達到電感電流穩態條件：時就開始進行第二個電壓輸出Vout2 的調節動作，明顯的干擾到第 二個電壓輸出電壓Vout2 的電感電流IL 起始值。
同樣的情況也會發生於不同的電感能量充放模式上，如第1c圖的模式中，此類操作有別於第1a圖及第1b圖，其中第1c圖對電感電流IL 充電的時間為固定，但是在剩餘的週期內將逐次對不同輸出負載進行放電動作，因此不管在任何情形下，其電感電流IL 在前半週期所充電得到的能量為一固定值，在後半週期再依序將這些能量分配給各個輸出電壓Vout1 、Vout2 ，因此當某一輸出電壓Vout1 的負載有所變化時，將會直接的影響到另一輸出電壓Vout2 所獲得的能量，造成電壓變異的可能，且在第1c圖可以觀察而得若Vout1 輸出的需求增加，將會得到更多的電感電流IL 能量釋放時間，然而卻同時壓縮到Vout2 的調節。
另一方面，參考第1d圖，可以簡單的證明超過連續導通模式與不連續導通模式臨界時輸出負載變化時對另一輸出電壓的影響。當轉換器於穩態時，則平均電流如式1~式3：
其中V IN 為輸入電壓，L 為電感，，，V OA 、V OB 為個別的雙端輸出電壓，為負載電流Io1 的操作相位時間，為負載電流Io2 的操作相位時間。由I OA 與I OB 的關係式可以得知當若輸出電流I OA (或I OB )上升使得(或)超過時，則另一輸出電流將受到干擾。
藉由上述各種電感電流波形圖，可以了解電感電流IL 對各輸 出之間的具有連續性關係時，相互穩壓問題會出現，這意謂著若電感電流對各輸出之間的具有不連續性關係時，將比較不具有相互穩壓的問題。
接續，參考第1e圖，在現有技術當中可針對功率級儲能元件先儲存能量後完後再依序釋放能量的方式，而在能量保存模式(Energy-Conservation Mode，ECM)當中則可用於儲能分為二階段儲能，第一階段儲能所得的電荷量將用來供給第一個輸出電壓Vout1 ，而第二階段所得的電荷量則是交由另一輸出電壓Vout2 來使用，由於各自所需的電荷量被各自分配，因此可以確保電荷量足夠，不會因有輸出電壓Vout1 需要大電荷而發生搶奪另一輸出電壓Vout2 的情形，所以可以大幅的降低相互穩壓效應的情形發生。由於第一階段的能量會被保存起來，直到另一輸出完成後再使用，如第1e圖所示，ΦA & ΦB 可視為功率級針對輸出電壓Vout1 及輸出電壓Vout2 儲能的時間區間，而ΦC & ΦD 則針對輸出電壓Vout1 及輸出電壓Vout2 的釋能動作。
能量保存模式雖可針對不同輸出電壓各自儲能與釋能的關係與順序能使各輸出端的可允許負載範圍較不受相互穩壓關係的限制，但其實在功率級儲能與釋能的先後順序上仍然與各輸出的負載狀況息息相關，能量保存模式的儲能動作比較適合從最輕載的輸出端先做調節然後在依序到為重載的輸出端，然而一旦已排定的調節順序固定，若各輸出的負載狀況的大小順序改變，仍將會造成相互穩壓的問題產生。
有鑑於此，本發明係針對上述之問題，本發明提出一種可提高負載範圍之單電感多段輸出轉換裝置，藉此得以解決以上所述之缺失。
本發明之主要目的，係在提供一種可提高負載範圍之單電感多段輸出轉換裝置，於能量保存模式下，利用電流感測電路取得即時電流， 藉此可針對不同輸出的負載狀態之瞬息變化實現控制信號的順序最佳排列方式與切換，破排以往調節順序固定造成的相互穩壓問題。
本發明之又一目的，係在提供一種可提高負載範圍之單電感多段輸出轉換裝置，其係一種可用於解決能量保存模式所造成降低負載變化時造成的各輸出相互穩壓效應，進而能夠有效提升各輸出的負載範圍，當各輸出負載之間有劇烈變化時，可用於增進暫態響應速度，更達到快速穩壓的效果。
為達上述之目的，本發明揭示一種可提高負載範圍之單電感多段輸出轉換裝置電性連接輸入電壓，且輸入電壓具有直流電壓源及接地端以輸出直流電流，單電感多段輸出轉換裝置可對應輸出複數輸出電壓至複數負載，單電感多段輸出轉換裝置包含有功率級轉換器及控制級電路，功率級轉換器包括第一開關電性連接直流電壓源，以接收直流電流，第二開關電性連接第一開關及接地端之間，以接收直流電流，且第一開關及第二開關與直流電壓源構成電氣迴路，電感電性連接第一開關及第二開關之間，直流電壓源可選擇性由第一開關或第二開關輸入直流電流至電感上，使電感輸出即時電流，或由第二開關以釋放電感電流，且第二開關可將電感電流釋放至接地端，複數輸出控制電路各具有第三開關，每一第三開關串聯電感，以接收即時電流，藉此輸出控制電路可選擇性由第三開關轉輸出一輸出電壓，且至對應之負載取得反饋電壓訊號，控制級電路電性連接功率級轉換器，以對應接收複數反饋電壓訊號，並根據參考電壓，輸出複數控制信號，再根據責任週期演算法將複數控制信號對應轉換成複數順序控制訊號，藉由複數順序控制訊號選擇性控制每一輸出電壓之能量。
底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，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。
10‧‧‧可提高負載範圍之單電感多段輸出轉換裝置
12‧‧‧直流電壓
14‧‧‧接地端
16‧‧‧負載
18‧‧‧功率級轉換器
20‧‧‧控制級電路
222、224‧‧‧輸出控制電路
24、26‧‧‧等效可變負載
28‧‧‧反饋電路
30‧‧‧反饋電路
32、322、324‧‧‧誤差比較器
34、342、344、346、348‧‧‧遲滯比較器
36‧‧‧電流感測電路
38‧‧‧負載偵測電路
40‧‧‧調節順序切換電路
42‧‧‧邏輯控制電路
44‧‧‧停滯時間緩衝電路
C1 ‧‧‧電容元件
C2 ‧‧‧電容元件
E1 、E2 ‧‧‧能量
Irt ‧‧‧即時電流
Io1 、Io2 ‧‧‧負載電流
IL ‧‧‧電感電流
L ‧‧‧電感
P1 、P2 、P3 、P4 ‧‧‧控制信號
P1 '、P2 '、P3 '、P4 '‧‧‧順序控制訊號
Rf1 ‧‧‧第一電阻
Rf2 ‧‧‧第二電阻
Rf1 '‧‧‧第一電阻
Rf2 '‧‧‧第二電阻
S1 ‧‧‧第一開關
S2 ‧‧‧第二開關
S3 、S3 '‧‧‧第三開關
T‧‧‧切換週期
t‧‧‧時間
V IN ‧‧‧輸入電壓
Vin ‧‧‧電壓源
V OA 、V OB ‧‧‧輸出電壓
Vout1 、Vout2 、Vout3 、Vout4 ‧‧‧輸出電壓
Vfb1 、Vfb2 ‧‧‧反饋電壓訊號
VRef1 、VRef2 ‧‧‧參考電壓
Veo1+ 、Veo1- 、Veo2+ 、Veo2- ‧‧‧誤差訊號
Isen ‧‧‧感測電流
Via1 、Vib1 、Via2 、Vib2 ‧‧‧內部輸入電壓
‧‧‧負載電流Io1 的操作相位時間
‧‧‧負載電流Io2 的操作相位時間
‧‧‧負載電流Io1 的操作相位時間
‧‧‧負載電流Io2 的操作相位時間
第1a圖係為習知之單電感多輸出之電感充放電電流示意圖。
第1b圖則係為習知之單電感雙輸出之重輕載充放電電流示意圖。
第1c圖則係為習知之單電感雙輸出之固定時間充放電電流示意圖。
第1d圖則係為習知之單電感雙輸出之連續與不連續導通臨界時電感充放電電流示意圖。
第1e圖則係為習知之單電感雙輸出之能量保存模式之電感充放電電流示意圖。
第2圖係為單一電感多段輸出直流對直流轉換器示意圖。
第3圖係為本發明之開關及順序控制訊號時序圖。
第4a圖係為本發明之能量保存模式切換模式之電感電流示意圖。
第4b圖係為可提高負載範圍之單電感多段輸出轉換裝置之能量調節電路示意圖。
第5a圖係為本發明之第一案例電感電流對負載控制順序未變化波形圖。
第5b圖係為本發明之第一案例電感電流對負載控制順序變化波形圖。
第5c圖係為本發明之第二案例電感電流對負載控制順序未變化波形圖。
第5d圖係為本發明之第二案例電感電流對負載控制順序變化波形圖。
第5e圖係為本發明之控制順序改變示意圖。
第6a圖係為本發明之負載電流IO2 重載切換至輕載之電感電流對負載控制順序未變化示意圖。
第6b圖係為本發明之負載電流IO2 重載切換至輕載之電感電流對負載控制順序變化示意圖。
第6c圖係為本發明之負載電流IO2 輕載切換至重載之電感電流對負載控制順序未變化示意圖。
第6d圖係為本發明之負載電流IO2 輕載切換至重載之電感電流對負載控制順序變化示意圖。
本發明所欲提出的構想即是針對習知之能量保存模式調節順序不佳造成相互穩壓的問題，以提出創新的做法來做相對應改善。
本發明在此列舉一實施例，參閱第2圖，藉此說明本發明之可提高負載範圍之單電感多段輸出轉換裝置電路圖。如圖所示，本發明之一種可提高負載範圍之單電感多段輸出轉換裝置10，電性連接輸入電壓Vin ，且輸入電壓Vin 具有直流電壓源12及接地端14以輸出直流電流，單電感多段輸出轉換裝置10可對應輸出複數輸出電壓Vout1 、Vout2 至複數等效可變負載24、26，且單電感多段輸出轉換裝置10包含有功率級轉換器18及控制級電路20。
如前所述，功率級轉換器18包含有第一開關S1 電性連接直流電壓源12，以接收直流電流，第二開關S2 電性連接第一開關S1 及接地端14之間，以接收直流電流，且第一開關S1 及第二開關S2 與直流電壓源Vin 構成電氣迴路。電感L 電性連接第一開關S1 及第二開關S2 之間，直流電壓源12可選擇性由第一開關S1 輸入直流電流至電感L 上，使電感L 輸出即時電流Irt ，或由第二開關S2 以釋放電感電流IL ，且第二開關S2 可將電感電流 IL 釋放至接地端14；複數輸出控制電路，例如是輸出控制電路222及輸出控制電路224各具有第三開關S3、 S3 '，且每一第三開關S3 或S3 '皆可串聯電感L ，以接收即時電流Irt ，藉此複數輸出控制電路222及輸出控制電路224可各自選擇性由第三開關S3 或S3 '分自轉輸出複數輸出電壓Vout1 、Vout2 。
此外，且每一輸出電壓Vout1 、Vout2 之節點上可至對應的等效可變負載24、26取得反饋電壓訊號Vfb1 、Vfb2 ，控制級電路20電性連接功率級轉換器18，以對應接收複數反饋電壓訊號Vfb1 、Vfb2 ，並根據參考電壓VRef1 、VRef2 輸出複數控制信號P1 、P2 、P3 、P4 ，控制信號P1 、P2 、P3 、P4 即可控制輸出電壓Vout1 、Vout2 之電量，隨後，再次根據責任週期演算法將複數控制信號P1 、P2 、P3 、P4 對應轉換成複數順序控制訊號P1 '、P2 '、P3 '、P4 '，藉此，可由複數順序控制訊號P1 '、P2 '、P3 '、P4 '選擇性控制輸出電壓Vout1 、Vout2 能量之調節順序與責任週期。
如前所述之可提高負載範圍之單電感多段輸出轉換裝置10，電容元件C1 電性連接第二開關S2 及第三開關S3 之間並聯等效可變負載24以選擇性儲存負載電流Io1 並緩衝輸出電壓Vout1 之能量，電容元件C2 並聯等效可變負載26，以選擇性儲存負載電流Io2 並緩衝輸出電壓Vout2 之能量。
此外，如前述之輸出控制電路222包含有反饋電路28，輸出控制電路224包含有反饋電路30。其中，反饋電路28並聯電容元件C1 ，反饋電路30並聯電容元件C2 ，此外，反饋電路28具有第一電阻Rf1 及第二電阻Rf2 ，反饋電路30具有第一電阻Rf1 '及第二電阻Rf2 '，且第二電阻Rf2 串接第一電阻Rf1 ，且第二電阻Rf2 '串接第一電阻Rf1 '。
反饋電路28可由第一電阻Rf1 與第二電阻Rf2 之間輸出反饋電壓訊號Vfb1 ，反饋電路30則可由第一電阻Rf1 '與第二電阻Rf2 '之間輸出反饋電壓訊號Vfb2 。最後，輸出控制電路222可選擇性由電容元件C1 及第一電阻 Rf1 之間輸出一輸出電壓Vout1 ，輸出控制電路224則可選擇性由電容元件C2 及第一電阻Rf1 '之間輸出一輸出電壓Vout2 。
接續，如前所述之控制級電路20包含有複數誤差比較器32，例如是誤差比較器322及誤差比較器324，誤差比較器322電性連接第一電阻Rf1 與第二電阻Rf2 之間，以接收反饋電壓訊號Vfb1 ，誤差比較器324電性連接第一電阻Rf1 '與第二電阻Rf2 '之間以接收反饋電壓訊號Vfb2 ，藉此，誤差比較器322可根據參考電壓VRef1 以判斷反饋電壓訊號Vfb1 ，以輸出二誤差訊號Veo1+ 、Veo1- ，誤差比較器324可根據參考電壓VRef2 以判斷反饋電壓訊號Vfb2 ，以輸出二誤差訊號Veo2+ 、Veo2- 。
此外，控制級電路20亦包含有遲滯比較器34，例如是遲滯比較器342、遲滯比較器344、遲滯比較器346及遲滯比較器348，遲滯比較器342電性連接誤差比較器322，以對應接收誤差訊號Veo1+ ，遲滯比較器342可根據內部輸入電壓Via1 判斷誤差訊號Veo1+ ，以便輸出控制訊號P1 ，遲滯比較器344電性連接誤差比較器322，以對應接收誤差訊號Veo1- ，遲滯比較器344可根據內部輸入電壓Vib1 判斷誤差訊號Veo1- ，以便輸出控制訊號P3 ，遲滯比較器346電性連接誤差比較器324，以對應接收誤差訊號Veo2+ ，遲滯比較器346可根據內部輸入電壓Via2 判斷誤差訊號Veo2+ ，以便輸出控制訊號P2 ，遲滯比較器348電性連接誤差比較器324，以對應接收誤差訊號Veo2- ，遲滯比較器348可根據內部輸入電壓Vib2 判斷誤差訊號Veo2- ，以便輸出控制訊號P4 。
電流感測電路36電性連接電感L ，根據即時電流Irt 以等比例方式輸出感測電流Isen ，例如可使用電流感測電阻串聯電感L 兩端，或在功率級功率開關實現以等比例縮小之電晶體與功率開關並聯，再以電流鏡方式等比例感測與電感電流IL 呈一固定比例之感測電流ISEN ，再根據感測電 流Isen 判斷輸出電壓Vout1 、Vout2 之能量，負載偵測電路38電性連接電流感測電路36及遲滯比較器342、344、346、348，以接收感測電流Isen 及複數控制訊號P1 、P2 、P3 、P4 ，並輸出複數內部直流電壓源Via1 、Vib1 、Via2 、Vib2 ，調節順序切換電路40電性連接負載偵測電路38，以輸出訊號Isen_sc 判斷是否改變順序控制，再藉由順序控制訊號P1 '、P2 '、P3 '、P4 '輸入至邏輯控制電路42與停滯時間緩衝器44來改變第一開關S1 、第二開關S2 及第三開關S3 之調節順序，因此，負載判斷電路38能夠負責判斷輸出電壓Vout1 、Vout2 之能量大小，調節順序切換電路40則可進行負責調節順序來因應等效可變負載24、26變化以控制輸出電壓Vout1 、Vout2 之能量調節順序。邏輯控制電路42電性連接負載偵測電路38、第一開關S1 、第二開關S2 及第三開關S3 ，再根據責任週期演算法，以調節複數控制訊號P1 、P2 、P3 、P4 ，藉此接收並判斷是否改變複數順序控制訊號P1 '、P2 '、P3 '、P4 '，進而控制第三開關S3 所對應之輸出電壓Vout1 或Vout2 之能量。
且如前所述之控制級電路20可包含有停滯時間緩衝電路44電性連接邏輯控制電路42，接收複數控制訊號P1 、P2 、P3 、P4 及複數順序控制訊號P1 '、P2 '、P3 '、P4 '，用以避免第一開關S1 、第二開關S2 及第三開關S3 同時導通。
此外，如前所述之可提高負載範圍之單電感多段輸出轉換裝置，其中功率級轉換器18係為直流轉直流轉換器，第一開關S1 、第二開關S2 及第三開關S3 係為功率級開關，且功率級轉換器18係為同步降壓型功率級轉換器、同步或非同步降壓、升壓、反壓、升降壓型功率級轉換器。
再者，本發明為力求說明書明確且充分揭露，因此在本發明之實施例當中利用僅以二輸出控制電路22並僅提及等效可變負載24、26、輸出電壓Vout1 、Vout2 及負載電流Io1 、Io2 的方式做為舉例說明，以求使該發明 所屬技術領域中具有通常知識者，能瞭解其內容，並可據以實現；然而，本發明當然並不以此為限，當本發明前揭之實施例若是應用於更多等效可變負載24、26數量時，則可對應使用更多的輸出控制電路22，且等效可變負載24、26對應於輸出電壓Vout1 、Vout2 及負載電流Io1 、Io2 相同數量，同時再對應搭配誤差比較器32以及遲滯比較器34所須之對等數量，即可對應取得對應數量之控制訊號P及順序控制訊號P'。
此外，又如前所述之可提高負載範圍之單電感多段輸出轉換裝置10，其中第一開關S1 及第三開關S3 之狀態為開啟且第二開關S2 為關閉時，則形成第一傳輸路徑，當第二開關S2 及第三開關S3 之狀態為開啟時，且第一開關S1 之狀態為關閉時，則形成第二傳輸路徑。
惟當本發明使用二輸出控制電路，例如是輸出控制電路222及輸出控制電路224各具有第三開關S3、 S3 '，此時功率級轉換器18之充放電一共會有四種能量傳輸路徑，其中當第一開關S1 與第三開關S3 為開啟且第二開關S2 與第三開關S3 '為關閉時，則形成第一傳輸路徑，當第二開關S2 與第三開關S3 為開啟且第一開關S1 與第三開關S3 '為關閉時，則形成第二傳輸路徑，當第一開關S1 與第三開關S3 '為開啟且第二開關S2 與第三開關S3 為關閉時，則形成第三傳輸路徑，以及當第二開關S2 與第三開關S3 '為開啟且第一開關S1 與第三開關S3 為關閉時，則形成第四傳輸路徑。
接續，參閱第3圖，藉此說明本發明開關及順序控制訊號時序圖，承前所述，當本發明依據第一傳輸路徑、第三傳輸路徑、第四傳輸路徑及第二傳輸路徑將可得到如同第3圖由上至下分別為誤差訊號Veo1+ /Veo1- /Veo2+ /Veo2- ，順序控制訊號P1 '/P2 '/P3 '/P4 '、第一開關S1 、第二開關S2 、第三開關S3 /S3 '、即時電流Irt 及輸出電壓Vout1 /Vout2 充放電時序關係。
如同第2圖及第3圖所示，當電流感測電路36取得即時電 流Irt 時，誤差比較器32可分自輸出誤差訊號Veo1+ 、Veo1- 、Veo2+ 、Veo2- ，遲滯比較器34則分自接收誤差訊號Veo1+ 、Veo1- 、Veo2+ 、Veo2- ，再由內部直流電壓源Via1 、Vib1 、Via2 、Vib2 轉輸出控制信號P1 、P2 、P3 、P4 ，邏輯控制電路42即可控制第三開關S3 之輸出電壓Vout1 、Vout2 之能量調節順序。
如第3圖所示，第一開關S1 開啟、第三開關S3 開啟及第二開關S2 關閉時，輸出電壓Vout1 開始充電，當取得誤差訊號Veo1+ 則可觸發順序控制訊號P1 '以開啟第三開關S3 '，並關閉第三開關S3 ，接著，輸出電壓Vout2 開始充電，當取得誤差訊號Veo1- 可觸發順序控制訊號P3 '，進而開啟第二開關S2 ，並關閉第一開關S1 ，接著，輸出電壓Vout2 開始放電，當取得誤差訊號Veo2+ 可觸發順序控制訊號P2 '，則開啟第三開關S3 並關閉第三開關S3 '，接著，輸出電壓Vout1 開始放電，當取得誤差訊號Veo2- 可觸發順序控制訊號P4 '，則開始下一控制循環。
綜上所述，本發明之可提高負載範圍之單電感多段輸出轉換裝置10，其係一種可用於解決能量保存模式所造成降低負載變化時造成的各輸出相互穩壓效應，進而能夠有效提升各輸出的負載範圍；且當各輸出負載之間有劇烈變化時，可用於增進暫態響應速度，更達到快速穩壓的效果。
此外，本發明於前所揭示之說明，僅是對於本發明之技術內容提出概略說明，關於本發明所欲解決之能量保存模式所造成降低負載變化時造成的各輸出相互穩壓效應，以進而能夠有效提升各輸出的負載範圍，其細部結構元件及具體實施例中之元件結構及操作方式，將會於下文中搭配隨附的圖式再作更細部說明。
同如前揭所述，由於習知之能量保存模式同時操作在接近或相同負載狀態下時，例如同時操作重載或同時操作在輕載對各種不同控制 模式的相互穩壓影響都較小，原因在於輸出電壓Vout1 、Vout2 的能量需求都接近；反之最差的情形來自於負載電流Io1 、Io2 ，需求不同且能量需求差異性大，例如其一為輕載電流及另一個為重載電流的情形，在這樣的控制模式下都會造成最嚴重的相互穩壓影響情況。
為解決習知之能量保存模式相互穩壓影響情況，本發明之可提高負載範圍之單電感多段輸出轉換裝置10，在此提出一種可針對能量保存模式(ECM)再搭配輸出負載偵測與控制順序切換技術，藉由此切換技術減少等效可變負載24、26間的相互拉扯與影響之情形，因此能降低於等效可變負載24、26變化時造成的相互穩壓效應，能有效提升等效可變負載24、26輸出範圍，並且在等效可變負載24、26之間若有有劇烈變化時，藉由此切換技術亦能即時切換相對應的控制順序增進暫態響應速度，達到快速穩壓的效果。
關於上述之技術內容其相關細部說明可參閱第4a圖及第4b圖，藉此說明本發明之能量保存模式切換模式之電感電流示意圖及可提高負載範圍之單電感多段輸出轉換裝置之能量調節電路示意圖，參閱同時復閱第2圖，如圖所示，本發明之可提高負載範圍之單電感多段輸出轉換裝置10，其輸出電壓Vout1 、Vout2 對應負載電流Io1 、Io2 ，能量E1 、E2 則各自代表輸出電壓Vout1 、Vout2 的負載需求情況，且各自與負載電流Io1 、Io2 為正比關係。
本發明之可提高負載範圍之單電感多段輸出轉換裝置10，主要是為求得等效可變負載24、26所對應之負載電流Io1 、Io2 需求狀況以及大小關係，並針對負載電流Io1 、Io2 做取值比較，接著藉由此判斷機制來決定各個輸出等效可變負載24、26各自具有之能量E1 、E2 大小排序，藉此來改變可提高負載範圍之單電感多段輸出轉換裝置10對各輸出電壓Vout1 、Vout2 的調節順序來獲得最適當的能量E1 、E2 分配情形。
由第4a圖當中可清楚看出，本發明是在每一切換週期內，藉由負載偵測電路38即時偵測輸出電壓Vout1 、Vout2 的能量需求，因此將可各自求得能量E1 、E2 ，再經由遲滯比較器342、344、346、348相互比較如電壓準位差距之差異性，可得到相互之間能量E1 、E2 需求的大小，隨即，再藉由調節順序切換電路40進行選擇是否要輸出切換調節順序之訊號，其順序控制訊號P1 '、P2 '、P3 '、P4 '可作為邏輯控制電路42及停滯時間緩衝電路44的判斷機制。
如上所述，本發明之判斷機制主要是令可提高負載範圍之單電感多段輸出轉換裝置10，單純做出不同等效可變負載24、26之間的需求情況作出最適當偵測以及調整順序切換機制，讓順序控制訊號P1 '、P2 '、P3 '、P4 '在調節順序上能夠依據輸出電壓Vout1 、Vout2 能量E1 、E2 需求較小的一方開始做調節動作，然後依序輪到能量E1 、E2 需求較大的一方，最後在進行調節能量E1 、E2 需求最大的輸出電壓Vout1 、Vout2 。
而由於能量保存模式的能量調節特性一開始是從電感電流IL 初始狀態下開始依序儲能，而通常越後順序進行儲能的輸出電壓Vout1 、Vout2 其等效的電感電流IL 準位也已較高，因此相較之下較易得到越大的能量儲能(如第4a圖：能量E2 大於能量E1 )，與本發明構想由能量需求較低的一方開始調節，並將負載偵測與控制順序切換技術將會自動切換當下等效可變負載24、26狀態下的最佳輸出電壓Vout1 、Vout2 調節順序重新排列，使能量需求較小的一方開始做調節動作，然後依序輪到能量需求較大的一方來避免相互穩壓情形的影響與發生。
如前所述，可以得知對於習知之能量保存模式來說，當先調節的輸出電壓Vout1 或Vout2 其輸出負載電流Io1 或Io2 其中之一為重載，且後調節輸出電壓Vout1 或Vout2 其輸出負載電流Io1 或Io2 為輕載時，將會使後調節一 方輸出電壓Vout11 或Vout2 的負載電流Io1 或Io2 平均值上升，而造成輸出電壓Vout1 、Vout2 不準確，因此限制了負載電流Io1 或Io2 的輸出大小，更使得各負載電流Io1 或Io2 差距無法擴大，造成負載電流Io1 或Io2 的範圍變小，這對於輸出轉換裝置在應用上將是一大限制。
然而，依據本發明所揭示之切換技術將能得到下列之功效：1：降低等效可變負載24、26變化時造成的各輸出相互穩壓效應，能有效提升各輸出的等效可變負載24、26範圍。2：在各輸出等效可變負載24、26有劇烈變化時增進暫態響應速度，達到快速穩壓的效果。對於此兩特點及其功效於下文當中與配合圖式將再做更詳細說明。
參閱第5a圖~第5e圖，依序說明本發明之第一案例電感電流對負載控制順序未變化波形圖、第一案例電感電流對負載控制順序變化波形圖、第二案例電感電流對負載控制順序未變化波形圖、第二案例電感電流對負載控制順序變化波形圖及控制順序改變示意圖。參閱同時復閱第2圖、第4a圖及第4b圖，如前第1點所述，本發明之可提高負載範圍之單電感多段輸出轉換裝置10，其能量需求變換如第4a圖所示，負載偵測電路38及調節順序切換電路40，其對於負載偵測與控制順序切換技術的行為可粗略區分為下列兩種情況：
(1)不需調整輸出順序：如第5a圖及第5b圖所示，當輸出電壓Vout1 相較於輸出電壓Vout2 係為能量需求較小的一方，並由調節順序切換電路40先進行調節輸出電壓Vout1 ，再依序調節輸出電壓Vout2 ，當輸出電壓Vout1 輸出負載電流Io1 維持不變，而輸出電壓Vout2 輸出負載電流Io2 上升時，由於此時的調節順序為最佳的順序，負載判斷電路38無需進行順序切換之動作，只要藉由調整工作週期即可滿足輸出電壓Vout1 、Vout2 所需要的平均電流值。
(2)需要調整輸出順序：如第5c圖及第5d圖所示，輸出電壓Vout1 相較於輸出電壓Vout2 係為能量需求較小的一方，因此調節順序切換電路40先進行調節輸出電壓Vout1 再依序進行調節輸出電壓Vout2 ，當輸出電壓Vout2 輸出負載電流Io2 維持不變，而輸出電壓Vout1 輸出負載電流Io1 上升時，發現舊有的調節順序藉由調整輸出電壓Vout1 工作週期已不足以滿足所需要負載要求，且輸出電壓Vout1 工作週期增加過於劇烈，嚴重的情況將會壓縮到輸出電壓Vout2 的工作週期，造成負載電流Io2 電流被大幅的拉高而可能造成電壓位準錯誤。
由於，負載偵測電路38可用來判斷輸出電壓Vout1 、Vout2 能量大小，調節順序切換電路40則可決定是否進行切換，因此，透過負載偵測電路38調節順序切換電路40各依據其負載偵測與控制順序切換技術，即可進行判斷輸出電壓Vout1 相較於輸出電壓Vout2 是屬於能量需求較大的一方，因此，調節順序切換電路40進行切換調節順序，由誤差比較器32、遲滯比較器34及邏輯控制電路42依據責任週期演算法針對原先的輸出電壓Vout1 先進行調節，隨後再邏輯控制電路依誤差比較器32所取得的誤差訊號Veo1+ 、Veo1- 、Veo2+ 、Veo2- 及遲滯比較器34所取得的控制信號P1 、P2 、P3 、P4 ，依序為輸出電壓Vout2 的順序轉換為輸出電壓Vout2 先進行調節。同時，再依序為輸出電壓Vout1 ，而由於輸出電壓Vout1 的調節順序被往後挪移，越後順序進行儲能的輸出電壓Vout1 其等效的電感電流IL 準位也已較高，因此，容易得到越大的能量儲能即可以滿足輸出電壓Vout1 輸出負載電流Io1 上升的變化情形，並且輸出電壓Vout2 也不易受到輸出電壓Vout1 的影響。
本發明於此再更進一步說明，由第5a圖~第5d圖當中可以發現在第一案例與第二案例的情況中，輸出順序對負載電流Io1 、Io2 的影響。舉例來說，在第二案例的情況中，由後調節輸出電壓Vout2 所輸出的負載電流 Io2 維持固定的負載需求，然而因為當先調節的一方輸出電壓Vout1 所輸出之負載電流Io1 因負載需求增加，會使負載電流Io2 受到負載電流Io1 的影響加劇。
而為了解決這問題，本發明利用負載偵測電路38可用來判斷輸出電壓Vout1 、Vout2 能量大小，調節順序切換電路40決定是否進行切換，邏輯控制電路42、誤差比較器32及遲滯比較器34利用責任週期演算法對輸出電壓Vout1 、Vout2 自動調整輸出順序，例如第5c圖中的第二案例將輸出順序改變如第5d圖，那麼負載電流Io2 受到負載電流Io1 的變化影響將可以降低，此輸出順序範例示意如圖5(e)所示。
同時，又在第5d圖第二案例情形中，在同樣負載電流的條件下，當有做輸出順序切換做充電順序改變的動作時，可以明顯的看出負載電流Io2 受到的影響較沒有做順序改變前的小，而對於負載電流Io1 來說，由於受到負載電流Io2 變為先調節的一方使得電感電流IL 已預先儲能的關係，使得後續輪到負載電流Io1 調節時期電感平均電流準位已被拉高，但因為負載電流Io1 此時負載需求已較重必須操作在重載輸出，因此受到影響將不會太嚴重。此外，由第5d圖的第二案例情形可以得到另一種假設情況，當輸出電壓Vout1 、Vout2 都操作在重載情形時，此時負載電流Io1 會上升且帶動負載電流Io2 也上升，但因為此時負載電流Io2 一樣負載需求較重必須操作在重載情形，因此負載電流Io1 對負載電流Io2 的影響並不嚴重，相反的還有助於負載電流Io2 在重載的調節情形，以減少責任週期的變化。
接下來本發明於此將對於前述第2點再做更詳細說明，參閱第6a圖~第6d圖，依序說明本發明之負載電流IO2 重載切換至輕載之電感電流對負載控制順序未變化示意圖、負載電流IO2 重載切換至輕載之電感電流對負載控制順序變化示意圖、負載電流IO2 輕載切換至重載之電感電流對負載控制順序未變化示意圖、負載電流IO2 輕載切換至重載之電感電流對負 載控制順序變化示意圖，參閱同時復閱第2圖。如圖所示，本發明提出之負載偵測與控制順序切換技術除了能即時偵測等效可變負載24、26狀態來取得最佳的單電感多輸出可提高負載範圍之單電感多段輸出轉換裝置10的調整順序之外，在各自等效可變負載24、26端發生變化時使用此切換技術更能同時達到快速暫態響應的效果降低可提高負載範圍之單電感多段輸出轉換裝置10在暫態變化時的電壓變異情形，舉例說明如第6a圖~第6d圖所示。
假設在第6a圖~第6d圖，預設在初始狀態下，輸出電壓Vout1 相較於輸出電壓Vout2 為能量需求較小的一方，而輸出電壓Vout1 先進行調節再依序為輸出電壓Vout2 ，則負載電流Io1 為先調節的一方輸出電壓Vout1 ，負載電流Io2 為後調節一方的輸出電壓Vout2 。若此時輸出電壓Vout2 由能量需求較大的一方轉換成能量需求較小的一方，由於預設初始狀態輸出電壓Vout2 為後調節一方的輸出電壓端，因此其初始電感電流IL 準位將會受到前一切換週期輸出電壓Vout1 的影響，亦即電感電流IL 已被拉升至一個較高的能量值後才開始輸出電壓Vout2 的調節動作，然而此時輸出電壓Vout2 的負載需求由重載轉為輕載，係為背道而馳的現象，如此一來，較高的初始電感電流IL 準位將會與輸出電壓Vout2 的負載需求需要減少的要求互相抵制，造成暫態能量的拉鋸，影響到能量調節的速度，也就是有較差的暫態響應。
對照之下，若使用本發明之可提高負載範圍之單電感多段輸出轉換裝置10，其負載偵測與控制順序切換技術在輸出電壓Vout2 由能量需求較大的一方轉換成能量需求較小的一方時，將會進行已偵測到順序需要切換之情形，邏輯控制電路42將會進行由輸出電壓Vout1 先進行調節，再依序為輸出電壓Vout2 切換為輸出電壓Vout2 先進行調節，再依序為輸出電壓Vout1 的動作，如此一來輸出電壓Vout2 即可以調節於電感電流IL 較低的能量準位， 只要適當的調整責任周期來供給所需能量即可，沒有了原先的能量初始狀態競爭問題即可以快速的改變各輸出電壓Vout1 、Vout2 之等效可變負載24、26能量的需求，達到快速響應，穩定電壓的輸出規格，同理，也可以在第6a圖~第6d圖求得相反的驗證。
綜上所述，依據本發明之可提高負載範圍之單電感多段輸出轉換裝置10，其負載偵測與控制順序切換技術所帶來的優勢可以簡單的驗證說明。本發明在能量保存模式下，利用電流感測電路取得即時電流，藉此可針對不同輸出的負載狀態之瞬息變化實現控制信號的順序最佳排列方式與切換，破排以往調節順序固定造成的相互穩壓問題，也因此等特性能有效解決不同輸出相互負載互相牽制的侷限，也能在其中一負載有劇烈的變化時能快速反應調節，搭配此技術之轉換器設計可以減少以往控制方式的相互輸出負載間的拉扯情形，因此能更進一步加大各負載間的負載能量輸出範圍，也可容忍相互之間大負載電流差異變化的情形，並同時保持準確穩定的輸出電壓、降低相互穩壓現象的干擾。
雖然，本發明前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內所為之更動與潤飾，均屬於本發明專利範圍之主張。關於本發明所界定之專利範圍請參考所附之請求項。
10‧‧‧可提高負載範圍之單電感多段輸出轉換裝置
12‧‧‧直流電壓源
14‧‧‧接地端
18‧‧‧功率級轉換器
20‧‧‧控制級電路
222、224‧‧‧輸出控制電路
24、26‧‧‧等效可變負載
28‧‧‧反饋電路
30‧‧‧反饋電路
32、322、324‧‧‧誤差比較器
34、342、344、346、348‧‧‧遲滯比較器
36‧‧‧電流感測電路
38‧‧‧負載偵測電路
40‧‧‧調節順序切換電路
42‧‧‧邏輯控制電路
44‧‧‧停滯時間緩衝電路
C1 ‧‧‧電容元件
C2 ‧‧‧電容元件
Irt ‧‧‧即時電流
Io1 、Io2 ‧‧‧負載電流
IL ‧‧‧電感電流
L ‧‧‧電感
P1 、P2 、P3 、P4 ‧‧‧控制信號
P1 '、P2 '、P3 '、P4 '‧‧‧順序控制訊號
Rf1 ‧‧‧第一電阻
Rf2 ‧‧‧第二電阻
Rf1 '‧‧‧第一電阻
Rf2 '‧‧‧第二電阻
S1 ‧‧‧第一開關
S2 ‧‧‧第二開關
S3 、S3 '‧‧‧第三開關
T‧‧‧切換週期
Vin ‧‧‧輸入電壓
Vout1 、Vout2 ‧‧‧輸出電壓
Vfb1 、Vfb2 ‧‧‧反饋電壓訊號
VRef1 、VRef2 ‧‧‧參考電壓
Veo1+ 、Veo1- 、Veo2+ 、Veo2- ‧‧‧誤差訊號
Isen ‧‧‧感測電流
Via1 、Vib1 、Via2 、Vib2 ‧‧‧內部輸入電壓

Claims (7)

  1. 一種可提高負載範圍之單電感多段輸出轉換裝置，電性連接一輸入電壓，該輸入電壓具有一直流電壓源及一接地端以輸出一直流電流，該單電感多段輸出轉換裝置可對應輸出複數輸出電壓至複數負載，且該單電感多段輸出轉換裝置至少包括：一功率級轉換器，包括：一第一開關，電性連接該直流電壓源，以接收該直流電流；一第二開關，電性連接該第一開關及該接地端之間，以接收該直流電流，且該第一開關及該第二開關與該直流電壓源構成電氣迴路；一電感，電性連接該第一開關及該第二開關之間，該直流電壓源可選擇性由該第一開關或該第二開關輸入該直流電流至該電感上，使該電感輸出一即時電流，或由該第二開關以釋放一電感電流，且該第二開關可將該電感電流釋放至該接地端；及複數輸出控制電路，各具有一第三開關，每一該第三開關串聯該電感，以接收該即時電流，藉此該輸出控制電路可選擇性由該第三開關轉輸出該輸出電壓，且至對應之該負載取得一反饋電壓訊號；以及一控制級電路，電性連接該功率級轉換器，以對應接收該等反饋電壓訊號，並根據一參考電壓，輸出複數控制信號，再根據一責任週期演算法將該等控制信號對應轉換成複數順序控制訊號，藉由該等順序控制訊號選擇性控制每一該輸出電壓之能量調節順序；該控制級電路更包括：複數誤差比較器，其係分別電性連接該些輸出控制電路，以分別接收該些反饋電壓訊號，且每一該誤差比較器根據該參考電壓以判斷該反饋電壓訊號，藉此輸出二誤差訊號；複數遲滯比較器，每二該遲滯比較器電性連接每一該誤差比較 器，以接收該等誤差訊號，每一該遲滯比較器可根據一內部輸入電壓判斷該誤差訊號，以輸出該控制訊號；一電流感測電路，電性連接該電感，根據該即時電流以等比例方式輸出一感測電流，再根據該感測電流判斷該輸出電壓之能量；一負載偵測電路，電性連接該電流感測電路及該等遲滯比較器，以接收該感測電流及該等控制訊號，輸出該等內部輸入電壓，負載判斷電路以負責判斷該輸出電壓之能量大小；一調節順序切換電路，電性連接該負載偵測電路，接收該等控制訊號，且根據該責任週期演算法以對應實現下一週期之該等順序控制訊號；以及一邏輯控制電路，電性連接該負載偵測電路、該第一開關、該第二開關及該第三開關，再根據該責任週期演算法，以調節該等控制訊號，藉此接收並判斷是否改變該等順序控制訊號，進而控制該第三開關之該輸出電壓之能量。
  2. 如請求項1所述之可提高負載範圍之單電感多段輸出轉換裝置，其中每一該輸出電壓皆具有一負載電流，且每一該輸出控制電路更包括：一電容元件，電性連接該第二開關及該第三開關之間，以選擇性儲存該負載電流及緩衝該輸出電壓之能量。
  3. 如請求項2所述之可提高負載範圍之單電感多段輸出轉換裝置，其中每一該輸出控制電路更包括：一反饋電路，並聯該電容元件，該反饋電路具有一第一電阻及一第二電阻，且該第二電阻串接該第一電阻，該第一電阻與該第二電阻之間連接該誤差比較器，該反饋電路可由該第一電阻與該第二電阻之間輸出該反饋電壓訊號，並選擇性由該電容元件及該第一電阻之間輸出該輸出電壓。
  4. 如請求項1所述之可提高負載範圍之單電感多段輸出轉換裝置，其中該控制級電路更包括：一停滯時間緩衝電路，電性連接該邏輯控制電路，接收該等控制訊號及該等順序控制訊號，可避免該第一開關、該第二開關及該第三開關同時導通。
  5. 如請求項1所述之可提高負載範圍之單電感多段輸出轉換裝置，其中該第一開關及該第三開關之狀態為開啟且第二開關為關閉時，則形成一第一傳輸路徑，當該第二開關及該第三開關之狀態為開啟時，且第一開關之狀態為關閉時，則形成一第二傳輸路徑。
  6. 如請求項1所述之可提高負載範圍之單電感多段輸出轉換裝置，其中該功率級轉換器係為直流轉直流轉換器，該第一開關、該第二開關及該第三開關係為功率級開關。
  7. 如請求項1所述之可提高負載範圍之單電感多段輸出轉換裝置，其中該功率級轉換器係為同步降壓型功率級轉換器、同步或非同步降壓、升壓、反壓、升降壓型功率級轉換器。
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