[发明专利]切换式转换器与相关控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种切换式转换器与相关控制方法，尤其涉及一种可实时监控电感的总能量与弹性地进行能量分配的切换式转换器与相关控制方法。

背景技术

直流对直流转换器(DC/DC Converter)主要用来调节电压准位(升压或降压)，并使其稳定在所设定的电压数值，以提供电子装置所需的操作电压。其中，单电感多输出(Single Inductor Multiple Output，SIMO)切换式转换器可通过单一电感的结构来能提供多组不同的输出电压，因此，非常适合应用于可移动式电子装置或是系统单芯片(System on Chip)中。请参考图1，图1为公知一单电感多输出切换式转换器10的示意图。如图1所示，电感100可经由一输入端IN接收一输入电压信号VI来汲取能量。通过控制电路102来控制充电开关SW0与输出开关SW1～SW4的启闭，可将电感100所汲取到的能量分别储存至输出电容CO1～CO4，以经由输出端OUT1～OUT4提供输出电压信号VO_1～VO_4至负载Load1～Load4。即单电感多输出切换式转换器10可分别提供输出电压信号VO_1～VO_4至负载Load1～Load4。简言之，单电感多输出切换式转换器10可从单一电压源汲取能量，并将能量进行分配以输出多组输出电压信号。

单电感多输出切换式转换器10的运作型态主要可分为充电/放电模式与能量分配模式。其中，充电/放电模式是表示电感100的充电或放电操作。能量分配模式表示对于电感100所汲取的能量进行能量分配运作。于充电/放电模式时，电感100会进行充电或放电的操作，同时电感100的电感电流也会随之上升或下降。于能量分配模式时，可依据应用的需求来进行各种的能量分配运作。举例来说，应用在全降压型(all buck)的情况下，单电感多输出切换式转换器10可以在电感100进行充电时就同时将能量分配出去。或者是，应用在全升压型(all boost)的情况下，单电感多输出切换式转换器10可先充电一段时间后，并于放电模式时始将能量分配出去。

由于充电/放电模式或是能量分配模式，都需通过控制电路102的控制，来决定充电开关SW0与输出开关SW1～SW4的启闭，以将电感100所汲取到能量输出至各负载。一般来说，控制电路102会在固定的操作频率下，通过不同的调变方式来决定各个开关的状态。举例来说，常见的定频率控制技术包括bang-bang型控制(或称迟滞型(Hysteresis)控制)与脉波宽度调变(Pulse Width Modulation，PWM)控制技术。请参考图2，图2为公知使用bang-bang型控制技术的单电感多输出切换式转换器20的示意图。与图1不同的是，单电感多输出切换式转换器20具有采用bang-bang型控制技术的一控制电路202。控制电路202包括电压比例器(voltage scaler)VS1～VS4、比较器COM1～COM4及逻辑控制单元204。电压比例器VS1～VS4耦接于输出端OUT1～OUT4，以接收输出电压信号VO_1～VO_4。如图2所示，比较器COM1依据电压比例器VS1所输出的信号与一参考电压信号Vref，产生一比较信号SP_1至逻辑控制单元204，同理，比较器COM2～COM4也分别比较电压比例器VS2～VS4所输出的信号与参考电压信号Vref，以产生比较信号SP_2～SP_4至逻辑控制单元204。逻辑控制单元204依据比较信号SP_1～SP_4，产生充电开关控制信号SC_0与输出开关控制信号SC_1～SC_4来控制充电开关SW0与输出开关SW1～SW4的启闭。也就是说，通过控制充电开关SW0与输出开关SW1～SW4的时序将可决定单电感多输出切换式转换器20的充电/放电以及能量分配的运作。详细来说，控制电路202利用比较器COM1～COM4与逻辑控制单元204来判断目前电感100上的总能量是否过高或过低(在充电/放电模式时)，并将能量分配至输出端OUT1～OUT4，以提供输出电压信号VO_1～VO_4(在能量分配模式时)。由于比较器可视为一个增益很大的放大器，所以当负载Load1～Load4有不同程度的负载变化时，都可能快速地驱使比较器COM1～COM4的状态产生改变，如此一来，采用bang-bang型控制技术的控制电路202将会快速地反应出负载状态。然而，当控制电路202快速地反应出负载状态之余，却常会带来误动作、输出级电压涟波及电感100的电流涟波过大等问题。