TWI518472B - 用於使用感測電容器以間接測量輸出電流的固定導通時間及固定截斷時間(cot)之交換式穩壓器及其相關方法 - Google Patents

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Description

用於使用感測電容器以間接測量輸出電流的固定導通時間及固定截斷時間(COT)之交換式穩壓器及其相關方法
本揭示內容通常係關於交換式穩壓器。更具體來說，本揭示內容係關於對固定導通時間和固定截斷時間交換式穩壓器使用一感測電容器。
許多系統係使用交換式穩壓器以產生一經穩壓電壓而由該等系統中的其它構件所使用。例如：一降壓穩壓器或步降穩壓器係產生低於其之輸入電壓V IN 的一輸出電壓V OUT 。一升壓穩壓器或步進穩壓器係產生高於其之輸入電壓V IN 的一輸出電壓V OUT 。
一些交換式穩壓器係使用固定導通時間和固定截斷時間(COT)來控制。使用習用COT技術，一個或更多開關在各個交換週期期間係被打開或關閉有一段固定時間數額，其中該等開關被用來產生該輸出電壓V OUT 。COT控制技術係取決於諸如一快速響應時間和一簡易設計之實施方式而能提供各種誘利因素。
然而，依上述方式操作之交換式穩壓器係係能遭受各整問題。例如：一些習用COT穩壓器係包含具有一高等效串聯電阻值之一輸出電容器，或與一低ESR輸出串聯耦接之一電阻器。儘管該些方式能提供良好的暫態響應，然而卻允許較大的輸出電壓漣波發生。
另外習用COT的穩壓器係使用經耦接跨於該穩壓器中之一電感器的一RC網路。儘管此方式能降低輸出電壓漣波，卻增加尺寸且降低該穩壓器的暫態響應。
另外習用COT的穩壓器係將一電阻器置放為與該穩壓器中之一二極體串聯，而非與該輸出電容器串聯。在此方式中，該COT穩壓器係能測量由穩壓器所產生之輸出電流。然而，此方式可能在高輸出電流上遭受多重脈動效應，需要電路元件將輸出電流之直流(DC)成份移除，且需要使用到一回饋電容器。
本揭示係有關於用於固定導通時間和及固定截斷時間之交換式穩壓器的感測電容器之使用。
第一方面，一種方法包括使用一固定導通時間或固定截斷時間(COT)交換式穩壓器來產生一輸出電壓。該COT交換式穩壓器係包含一開關和一輸出電容器。該方法亦包括感測流過一感測電容器之一第一電流，其中該第一電流係與流過該輸出電容器之一第二電流成比例。該方法進一步包括基於該感測的第一電流來控制該開關。
第二方面，一種設備包括一固定導通時間或固定截斷時間(COT)交換式穩壓器，其係經組態以產生一輸出電壓。該COT交換式穩壓器係包含一開關和一輸出電容器。該設備亦包括一感測電容器，其係經組態以接收一第一電流，該第一電流係與流過該輸出電容器之一第二電流成比例。該設備進一步包括一控制電路，其係經組態以感測該第一電流且基於感測的第一電流來控制該開關。
第三方面，一種電路包括一轉阻放大器，其係經組態以被耦接至一感測電容器。該轉阻放大器係經組態以基於流過該感測電容器之一第一電流來產生一回授電壓，該第一電流係與流過一固定導通時間或固定截斷時間(COT)交換式穩壓器之一輸出電容器之一第二電流成比例。該電路亦包括一結合器，其係經組態以結合該回授電壓和該COT交換式穩壓器所產生之一輸出電壓來產生一結合電壓。該電路進一步包括一分壓器，其係經組態以產生該結合電壓之一縮放版本，以及一比較器，其係經組態以將該結合電壓之縮放版本和一參考電壓進行比較。此外，該電路包括一控制和驅動器單元，其係經組態以基於該比較器之一輸出來產生一驅動訊號，以用於控制該COT交換式穩壓器中的一開關。
下文所討論之圖1至4和在本專利文件中用來敘述本發明原理之各種實施例中僅作為例示性，而不應以任何方式被解讀成限制本發明範疇。熟習本項技術人士將理解：本發明原理係可以任何類型的合適配置中或系統來實施。
圖1係例示依據本揭示內容中一固定導通時間或固定截斷時間(COT)交換式穩壓器100的一示範性圖。在此實例中，該COT交換式穩壓器100係代表用以接收一輸入電壓V IN 且產生一輸出電壓V OUT 之一降壓轉換器，該輸出電壓V OUT 係小於該輸入電壓V IN 。該COT交換式穩壓器100在此實施例中係僅作為例示。該COT交換式穩壓器100之其它實施例係能被使用而不悖離本揭示內容的範疇。
如圖1所示，該COT交換式穩壓器100係包含或被耦接至一輸入電壓源102，該輸入電壓源102係提供該輸入電壓V IN 。該輸入電壓源102係代表諸如一電池之用以提供一輸入電壓的任何合適結構。
該輸入電壓源102係被耦接至一開關104，該開關104係控制該輸入電壓V IN 到該COT交換式穩壓器100中其它構件的應用。例如：該開關104係能被閉合(使之具傳導性)以將該該輸入電壓源102耦接至該COT交換式穩壓器100之其它構件。該開關104係亦能被斷開(使之大致上或完全不具傳導性)以將該該輸入電壓源102阻隔於該COT交換式穩壓器100之其它構件。該開關104係代表諸如一功率電晶體之任何合適切換裝置。
該開關104係被耦接至一二極體106和一電感器108。該二極體106係代表用於大致上限制電流向一個方向流動的任何合適結構。注意到：該二極體106係能被用以允許雙向電流電動之一開關所取代。該電感器108係包含具有任何合適電感值之任何合適電感性結構。一輸出電容器110係被耦接至該電感器108。該輸出電容器110係包含具有任何合適電容值之任何合適電容性結構。一負載係能接收且使用由該COT交換式穩壓器100所產生之輸出電壓V OUT 。該負載在此實例中係由可具有任何合適數值之一電阻值112所代表。
如圖1中所示，一感測電容器114和一轉阻放大器116係被耦接並聯跨於該輸出電容器110和該負載。該感測電容器114通常係接收一感測電流I SEN ，該感測電流I SEN 係與流過該輸出電容器110之一輸出電流I C 成比例。該感測電流I SEN 係能代表該輸出電流I C 之一經較小縮放版本。該轉阻放大器116係將該感測電流I SEN 轉換成對應的一回授電壓V FB 且可能地將該回授電壓V FB 予以放大。該感測電容器114係包含具有任何合適電容值之任何電容性結構。該轉阻放大器116係包含用於將一電流轉換成一對應電壓之任何合適結構。在一些實施例中，該輸出電容器110之電容值係遠大於該感測電容器114之電容值有一因子N，且該轉阻放大器116係提供為N之某一倍數(分數或整數)的一增益。同樣在一些實施例中，此等電容器110和114係能具有大致上相同的溫度係數。
由該轉阻放大器116所產生之回授電壓V FB 係被提供至一結合器118。該結合器118係將該回授電壓V FB 與該輸出電壓V OUT 結合以產生一結合電壓V CMB 。該結合電壓V CMB 係能被提供至一分壓器119，該分壓器119係能縮放該結合電壓V CMB 。該分壓器119之輸出係能藉由一比較器120而與一參考電壓V REF (諸如1.2伏特)進行比較。該比較器120係基於前述比較而產生一輸出訊號。該結合器118係包含用於結合訊號之任何合適結構。該分壓器119係包含用於縮放一電壓之任何合適結構，諸如一電阻性分壓器。該比較器120係包含用於比較訊號之任何合適結構。該參考電壓V REF 係能藉由諸如一能隙電壓產生器之任何合適來源所提供。
由該比較器120所產生之輸出訊號係被提供至一COT控制器和驅動器單元122。該COT控制器和驅動器單元122係產生用於控制該開關104之操作的一驅動訊號。例如：該COT控制器和驅動器單元122係能產生一驅動訊號，以在多個交換循環中各者期間將該開關104打開或關閉有一段固定時間數額。該COT控制器和驅動器單元122係包含用於控制一COT交換式穩壓器中一個或更多開關之任何合適結構，諸如一單擊計時器。一單擊計時器係代表經啟動時將一訊號確立於某一位準而經過一段具體時間數額的一電路。該單擊計時器係能例如不論該結合電壓V CMB 何時超過該參考電壓V REF 而予以觸發。該單擊計時器係能就每一交換循環而被觸發一次，其中該交換循環係指稱連續觸發之間的時間週期(儘管其它合適事件可以被用來定義該交換循環)。
在特定實施例中，構件116到112係能被實施在諸如一單積體電路(IC)晶片之一積體控制電路124中。在該些實施例中，該積體控制電路124係能包含輸入/輸出腳位或可以被耦接至諸如該感測電容器114和該電感器108之外部構件的其它結構。然而注意到，該等構件116到112係能以任何其它合適方式所實施。
在圖1之COT交換式穩壓器100中，流過該感測電容器114之感測電流I SEN 係經過測量或使用，而非流過該輸出電容器110之輸出電流I C 。因此，使用該感測電容器114有助於避免對該輸出電流I C 直接測量的需求。因為流過該感測電容器114之感測電流I SEN 可能缺少一DC成分，所以如此亦能排除用以濾除DC成分之電路元件的需求。如此亦可降低或最小化穩壓器對大型輸出電流的靈敏度。
再者，因為使用該轉阻放大器116而非一標準電阻值，所以該穩壓器100係可降低或排除多個脈動效應。進一步，該穩壓器100甚至能在使用一低ESR的輸出電容器110時而沒有與一電阻器串聯耦接下係具有穩定操作。如此，陶瓷或其它類型之輸出電容器係能被使用以降低或最小化該輸出電壓V OUT 的漣波，而能增加該穩壓器100的效率。此外，此方式係能降低該穩壓器100中所需外部構件的數目。
該些優勢係能有所經歷，同時仍然取得與COT交換式穩壓器100相關聯之常規優勢。例如：該COT交換式穩壓器100仍然能具有一快速的暫態響應、良好的穩態響應、一簡易設計、和固定導通/截斷時間。
儘管圖1例示一COT交換式穩壓器100之一個實例，各種改變係可對圖1進行。例如：圖1中所示之功能性劃分係僅作為說明。圖1中之各種構件係能被組合、進一步被細分、或被省略，且額外構件係能依據特定需求而加入。作為一特定實例，儘管圖1所示為一降壓轉換器，然而該穩壓器100係能實施諸如一升壓轉換器、一升降壓轉換器、一SEPIC轉換器、或一飛馳轉換器之其它交換式轉換器。
圖2和3係例示依據本揭示內容與圖1之COT交換式轉換器相關聯的示範性波形圖。特別是，圖2所例示一波形202係用以代表流過該COT交換式轉換器中該電感器108之一模擬的電感器電流。同樣，波形204係代表該COT交換式轉換器之一模擬的輸出電壓V OUT 。
如圖2中所示，該輸出電壓V OUT 係遭受非常少量的一輸出電壓漣波，在此實例中大約為5毫伏。一習用的COT交換式轉換器(使用具有50歐姆之一電阻值的一高ESR輸出電容器)係具有一較大的輸出電壓漣波(諸如32毫伏)。再者，如圖2中所示，該COT交換式轉換器100係維持一非常快速的負載響應。如此係說明該COT交換式轉換器100能維持一快速的響應時間，同時顯著地降低輸出電壓漣波。
圖3係例示與該COT交換式轉換器100之輸出電容器110和感測電容器114中的模擬電流相關聯之波形302到304。在此實例中，該波形302係代表流過該輸出電容器110之一模擬的電流I C ，而該波形304則代表流過該感測電容器114之一模擬的電流I SEN 。
如圖3中所示，流過該感測電容器114之電流I SEN 通常係追尋流過該輸出電容器110之電流I C 。然而，流過該感測電容器114之電流I SEN 係顯著小於流過該輸出電容器110之電流I C 。在此模擬中，假定該輸出電容器110之電容值相對該感測電容器114之電容值的比例係1000：1。此意謂該輸出電流I C 相對該感測電流I SEN 的比例同樣是1000：1。如此係允許該COT交換式轉換器100感測該輸出電流I C ，而不會在高輸出電流上產生多個脈動效應。再者，流過該感測電容器114之電流I SEN 係可缺少DC成分，如此可以不需額外構件將DC成分移除自該感測電流I SEN 。
儘管圖2和3例示與圖1之COT交換式轉換器100相關聯的波形實例，各種改變係可對圖2和3進行。例如：該些波形係代表該COT交換式轉換器100之一特定實施方式的模擬操作。該COT交換式轉換器100之其它實施方式係能變化自本文所示的一模擬操作。
圖4係例示依據本揭示內容中用於在一COT交換式穩壓器中使用一感測電容器的一示範性方法400。為易於說明，該方法400係針對圖1之COT交換式穩壓器作出敘述。該方法400係能搭配任何其它合適的穩壓器來使用，諸如一升壓轉換器、一升降壓轉換器、一SEPIC轉換器、或一飛馳轉換器。
如圖4中所示，在步驟402處，一輸出電壓係使用一交換式穩壓器予以產生。前述係能包含例如藉由操作該COT交換式穩壓器之開關104來產生該輸出電壓V OUT 。該輸出電壓V OUT 之產生係造成該輸出電容器110之一電流I C 。
在步驟404處，流過一感測電容器之一電流係被轉換且放大。前述係能包含例如由該轉阻放大器116將流過該感測電容器114之一電流I SEN 予以轉換且放大，以產生一回授電壓V FB 。流過該感測電容器114之電流I SEN 係能作為該輸出電容器110之一電流I C 的一縮放複製。
在步驟406處，該輸出電壓係與該回授電壓結合。例如：前述係可包含將該回授電壓V FB 與該輸出電壓V OUT 結合以產生一結合電壓V CMB 。在步驟408處，該結合電壓V CMB 係與一參考電壓進行比較。例如：前述係可包含以該分壓器119縮放該結合電壓V CMB ，且該比較器120將縮放的結合電壓V CMB 與該參考電壓V REF 進行比較。
在步驟410處，用於將該COT穩壓器中之一個或更多開關打開或關閉的一訊號係被產生，且在步驟412處，該COT穩壓器中之一個或更多開關係被打開或關閉。例如：前述係可包含該COT控制器和驅動器單元122中一單擊計時器將所提供至該開關104之一驅動訊號中的一脈衝予以觸發。該脈衝係能基於在步驟408過程中進行的比較來觸發，且該脈衝係能將該(等)開關打開或關閉有一固定時間數哦。於此時點上，該方法400係重複進行，其中在步驟402處所產生之輸出訊號係(至少部分)基於將被打開或關閉的開關404。
儘管圖4例示用於在一COT交換式穩壓器中使用一感測電容器的一示範性方法400，然而各種改變係可對圖4進行。例如：儘管顯示有一連串步驟，然而圖4中之各種步驟係可係可重疊、並行發生、或以一不同順序發生。
提及業已在本專利文件中所使用之某些文字或語句的定義可能是有利的。此詞彙「耦接」及其衍伸詞係指稱兩個或更多構件之間的任何直接或間接通訊，不論該等構件彼此是否實際接觸與否。此等詞彙「包含」和「包括」及其等衍伸詞係意謂不具限制性地列入。此詞彙「或」係廣泛的，意謂及/或。此等詞彙「與…相關聯」和「與之相關聯」及其等衍伸詞係可意謂包含、包含於…內、互連於、含蓋、含蓋於…內、連接至或連接於、耦接至或耦接於、可傳送於、合作於、交錯、並置、鄰近於、結合至或結合於、具有、具有…之一特性、或類似性質。
儘管本揭示內容業已敘述某些實施例和其大致相關聯的方法，然而該些實施例和方法之變化和排列係將為熟習該項技術領域的人士所熟知的。據此，上述示範性實施例之敘述並未定義或侷限本發明。其它改變、取代或變化係亦可行，而不悖離如後述申請專利範圍所定義之本發明精神和範疇。
100．．．固定導通時間或固定截斷時間(COT)交換式穩壓器
102．．．輸入電壓源
104．．．開關
106．．．二極體
108．．．電感器
110‧‧‧輸出電容器
112‧‧‧電阻值
114‧‧‧感測電容器
116‧‧‧轉阻放大器
118‧‧‧結合器
119‧‧‧分壓器
120‧‧‧比較器
122‧‧‧COT控制器和驅動器單元
124‧‧‧積體控制電路
202‧‧‧電感器108中的模擬電流波形
204‧‧‧模擬輸出電壓波形V OUT
302‧‧‧輸出電容器110中的模擬電流波形
304‧‧‧感測電容器114中的模擬電流波形
400‧‧‧用於在一COT交換式穩壓器中使用一感測電容器之方法
402-412‧‧‧步驟
業已參考前述說明且配合隨附圖式，而就本揭示內容和其特性有一更完整理解，其中：
圖1係例示依據本揭示內容中一固定導通時間和固定截斷時間(COT)交換式穩壓器的一示範性圖；
圖2和3係例示依據本揭示內容中與該COT交換式穩壓器相關聯之示範性波形圖；及
圖4係例示依據本揭示內容中用於在一COT交換式穩壓器中使用一感測電容器的一示範性方法。
100．．．固定導通時間或固定截斷時間(COT)交換式穩壓器
102．．．輸入電壓源
104．．．開關
106．．．二極體
108．．．電感器
110．．．輸出電容器
112．．．電阻值
114．．．感測電容器
116．．．轉阻放大器
118．．．結合器
119．．．分壓器
120．．．比較器
122．．．COT控制器和驅動器單元
124．．．積體控制電路

Claims (17)

  1. 一種用於使用感測電容器以間接測量輸出電流之方法，其係包括：使用一固定導通時間或固定截斷時間(COT)交換式穩壓器來產生一輸出電壓，該COT交換式穩壓器係包含一開關和一輸出電容器；感測流過一感測電容器之一第一電流，該第一電流係與流過該輸出電容器之一第二電流成比例；以及基於該感測的第一電流來控制該開關，其中基於該感測的第一電流來控制該開關係包括：使用該感測的第一電流來產生一回授電壓；結合該回授電壓和該輸出電壓以產生一結合電壓；及基於該結合電壓來控制該開關，並且其中基於該結合電壓來控制該開關係包括：將該結合電壓之一縮放版本和一參考電壓作比較；及基於前述比較來觸發一單擊計時器以產生用於該開關之一驅動訊號中的一脈衝。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中：該輸出電容器之一電容值係大於該感測電容器之一電容值有一因數N；及該第二電流係大於該第一電流有該因數N。
  3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中產生該回授電壓 係包括使用具有一基於N之增益的一轉阻放大器。
  4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該感測電容器和該轉阻放大器係被耦接並聯跨於該輸出電容器。
  5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該COT交換式穩壓器係包含用以接收一輸入電壓之一降壓轉換器，該輸出電壓係小於該輸入電壓。
  6. 一種用於使用感測電容器以間接測量輸出電流之設備，其係包括：一固定導通時間或固定截斷時間(COT)交換式穩壓器，其係經組態以產生一輸出電壓，該COT交換式穩壓器係包含一開關和一輸出電容器；一感測電容器，其係經組態以接收一第一電流，該第一電流係與流過該輸出電容器之一第二電流成比例；以及一控制電路，其係經組態以感測該第一電流且基於感測的第一電流來控制該開關，其中該控制電路係包括：一轉阻放大器，其係經組態以基於該感測的第一電流來產生一回授電壓；一結合器，其係經組態以結合該回授電壓和該輸出電壓來產生一結合電壓；一分壓器，其係經組態以產生該結合電壓之一縮放版本；一比較器，其係經組態以將該結合電壓之縮放版本和一參考電壓進行比較；及 一控制和驅動器單元，其係經組態以基於該比較器之一輸出來控制該開關。
  7. 如申請專利範圍第6項之設備，其中該控制和驅動器單元係包括一單擊計時器，該單擊計時器係經組態以基於該比較器之該輸出產生用於該開關之一驅動訊號中的一脈衝。
  8. 如申請專利範圍第6項之設備，其中該輸出電容器之一電容值係大於該感測電容器之一電容值有一因數N。
  9. 如申請專利範圍第8項之設備，其中該轉阻放大器係具有一基於N之增益。
  10. 如申請專利範圍第6項之設備，其中該感測電容器和該轉阻放大器係被耦接並聯跨於該輸出電容器。
  11. 如申請專利範圍第6項之設備，其中該輸出電容器係包括一陶瓷式電容器。
  12. 如申請專利範圍第6項之設備，其中該輸出電容器和該感測電容器係具有大致上相同的溫度係數。
  13. 如申請專利範圍第6項之設備，其係進一步包括：一電感器，該電感器在一側上係被耦接至該開關而在另一側上則被耦接至該輸出和感測電容器。
  14. 一種用於使用感測電容器以間接測量輸出電流之電路，其係包括：一轉阻放大器，其係經組態以被耦接至一感測電容器，該轉阻放大器係經組態以基於流過該感測電容器之一第一電流來產生一回授電壓，該第一電流係與流過一固定 導通時間或固定截斷時間(COT)交換式穩壓器之一輸出電容器之一第二電流成比例；一結合器，其係經組態以結合該回授電壓和該COT交換式穩壓器所產生之一輸出電壓來產生一結合電壓；一分壓器，其係經組態以產生該結合電壓之一縮放版本；一比較器，其係經組態以將該結合電壓之縮放版本和一參考電壓進行比較；以及一控制和驅動器單元，其係經組態以基於該比較器之一輸出來產生一驅動訊號，以用於控制該COT交換式穩壓器中的一開關。
  15. 如申請專利範圍第14項之電路，其中該控制和驅動器單元係包括一單擊計時器，該單擊計時器係經組態以基於該比較器之該輸出來產生一該驅動訊號中的一脈衝。
  16. 如申請專利範圍第14項之電路，其中：該輸出電容器之一電容值係大於該感測電容器之一電容值有一因數N；並且該轉阻放大器係具有一基於N之增益。
  17. 如申請專利範圍第14項之電路，其中該轉阻放大器係經組態以被串聯耦接於該感測電容器，且被並聯耦接於該輸出電容器。
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