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TWI685186B - 電壓調節系統 - Google Patents

電壓調節系統 Download PDF

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TWI685186B
TWI685186B TW108110174A TW108110174A TWI685186B TW I685186 B TWI685186 B TW I685186B TW 108110174 A TW108110174 A TW 108110174A TW 108110174 A TW108110174 A TW 108110174A TW I685186 B TWI685186 B TW I685186B
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楊偉
李東
金寧
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大陸商北京集創北方科技股份有限公司
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Abstract

一種電壓調節系統，具有：一直流-直流轉換器，係用以依一回授信號產生一切換信號以將一輸入電壓轉換成一第一輸出電壓，且該回授信號係依該第一輸出電壓之一可調分壓比例而產生；以及一電壓調節單元，係用以將該第一輸出電壓轉成一第二輸出電壓；其中，該直流-直流轉換器具有一負載電流狀態檢測單元，用以依一電感電流在一預定期間內的過零次數是否超過一預定次數決定一負載電流狀態，若是，則設定該負載電流狀態為輕載以將該可調分壓比例設為一第一比例，若否，則設定該負載電流狀態為非輕載以將該可調分壓比例設為一第二比例。

Description

電壓調節系統
本發明係關於電壓調節電路，具體涉及一種可自我調整壓差以提高整體轉換效率的電源系統。
在實際的供電應用中，經常需要在一DC-DC(direct current-direct current；直流-直流)轉換器後級聯一個或多個LDO(low dropout；低調節壓差)線性穩壓器，或者在一DC-DC轉換器後級聯一個或多個電荷泵。請參照圖1a-d，其中，圖1-a繪示由一 DC-DC轉換器10級聯一LDO線性穩壓器11所組成之一電源管理系統；圖1-b繪示由一 DC-DC轉換器10級聯一電荷泵12所組成之一電源管理系統；圖1-c繪示由一 DC-DC轉換器10級聯一LDO線性穩壓器11和一電荷泵12所組成之一電源管理系統；以及圖1-d 繪示由一 DC-DC轉換器10級聯多個LDO線性穩壓器11和多個電荷泵12所組成之一電源管理系統；其中，LDO線性穩壓器11和電荷泵12的輸入電壓均須比輸出電壓高出一預定的調節壓差(headroom 或dropout)才能正常工作。
如圖1-a所示，DC-DC轉換器10係用以將一輸入電壓V in轉成一第一輸出電壓V reg，而LDO線性穩壓器11則是用以將第一輸出電壓V reg轉成一第二輸出電壓V ldo，其中V reg須比V ldo高出一預定的調節壓差；如圖1-b所示，DC-DC轉換器10係用以將一輸入電壓V in轉成一第一輸出電壓V reg，而電荷泵12則是用以將第一輸出電壓V reg轉成一第二輸出電壓V cp，其中V reg須比V cp高出一預定的調節壓差；如圖1-c所示，DC-DC轉換器10係用以將一輸入電壓V in轉成一第一輸出電壓V reg，LDO線性穩壓器11是用以將第一輸出電壓V reg轉成一第二輸出電壓V ldo，且電荷泵12是用以將第一輸出電壓V reg轉成一第三輸出電壓V cp，其中V reg須比V ldo高出一預定的第一調節壓差且須比V cp高出一預定的第二調節壓差；以及如圖1-d所示，DC-DC轉換器10係用以將一輸入電壓V in轉成一第一輸出電壓V reg，各LDO線性穩壓器11是用以將第一輸出電壓V reg轉成一第二輸出電壓V ldoi，i為介於1到n之正整數，且各電荷泵12是用以將第一輸出電壓V reg轉成一第三輸出電壓V cpi，i為介於1到n之正整數，其中V reg須比各V ldoi高出一預定的第一調節壓差且須比各V cpi高出一預定的第二調節壓差，也就是說，V reg須足夠高以確保各LDO線性穩壓器11及各電荷泵12均能正常工作。
另外，在一電壓調節系統中，所述的調節壓差一般會根據最大負載條件決定，且所述的調節壓差在決定後，在整個工作期間就不會再改變。另外，一電壓調節系統的複合效率等於一DC-DC轉換器的效率乘以一LDO線性穩壓器或者一電荷泵的效率, 而LDO線性穩壓器和電荷泵的理想最大效率η是與所述調節壓差直接相關，該理想最大效率η可表示如下式：
Figure 02_image001
，其中，V ldo為一LDO線性穩壓器的輸出電壓，V dropout為該LDO線性穩壓器的調節壓差。
由上述可知，調節壓差V dropout越大/越小，理想最大效率η就越低/越高。
也就是說，習知技術是根據實際應用中的最大負載要求設定調節壓差V dropout，且一旦調節壓差V dropout確定後，其在整個工作期間即保持不變。請參照圖2，其繪示一習知電壓調節系統在各種負載電流I load下皆以一固定的調節壓差V dp將V reg轉成V ldoi和V cpi的關係曲線圖。然而，由於該習知電壓調節系統在輕載時只需較小的調節壓差V dp即可正常操作，因此，該習知電壓調節系統的固定調節壓差V dp的做法在輕載時會產生較差的電壓轉換效率。
為解決上述的問題，本領域亟需一種新穎的電壓調節系統。
本發明之一目的在於提出一種電壓調節系統，其可根據負載的大小適時地調整調節壓差(dropout)的大小，以優化系統中之LDO及/或電荷泵在輕載時的效率，從而提高整個系統在輕載時的整體複合效率。
本發明之另一目的在於提出一種電壓調節系統，其可在輕載時調高系統中之直流-直流轉換器的電壓回授係數以調降直流-直流轉換器的輸出電壓，從而降低調節壓差(dropout)以優化系統中之LDO及/或電荷泵在輕載時的效率，俾以提高整個系統在輕載時的整體複合效率。
為達成上述目的，一種電壓調節系統乃被提出，其具有：
一直流-直流轉換器，具有一切換式電源轉換單元及一回授網路，該切換式電源轉換單元係用以依一回授信號產生一切換信號以將一輸入電壓轉換成一第一輸出電壓，該回授網路係用以依一可調分壓比例對該第一輸出電壓進行一分壓操作以產生該回授信號；以及
一電壓調節單元，其係用以將該第一輸出電壓轉成一第二輸出電壓，該第二輸出電壓低於該第一輸出電壓；
其中，該切換式電源轉換單元具有一負載電流狀態檢測單元，用以依一電感電流在一預定期間內的過零次數是否超過一預定次數決定一負載電流狀態，若是，則設定該負載電流狀態為輕載以將該可調分壓比例設為一第一比例，若否，則設定該負載電流狀態為非輕載以將該可調分壓比例設為一第二比例，該第二比例小於該第一比例。
在一實施例中，該電壓調節單元係一LDO電壓調節單元或一電荷泵。
在一實施例中，該回授網路係一電阻式串聯電路。
在一實施例中，該預定期間包含複數個切換週期。
在一實施例中，當該負載電流狀態為所述輕載時，該切換式電源轉換單元係操作在一脈衝頻率調變模式，以及，當該負載電流狀態為所述非輕載時，該切換式電源轉換單元係操作在一脈衝寬度調變模式。
為達成上述目的，本發明進一步提出一種電壓調節系統，其具有：
一直流-直流轉換器，具有一切換式電源轉換單元及一回授網路，該切換式電源轉換單元係用以依一回授信號產生一切換信號以將一輸入電壓轉換成一第一輸出電壓，該回授網路係用以依一可調分壓比例對該第一輸出電壓進行一分壓操作以產生該回授信號；以及
複數個電壓調節單元，各係用以將該第一輸出電壓轉成一第二輸出電壓，該第二輸出電壓低於該第一輸出電壓；
其中，該切換式電源轉換單元具有一負載電流狀態檢測單元，用以依一電感電流在一預定期間內的過零次數是否超過一預定次數決定一負載電流狀態，若是，則設定該負載電流狀態為輕載以將該可調分壓比例設為一第一比例，若否，則設定該負載電流狀態為非輕載以將該可調分壓比例設為一第二比例，該第二比例小於該第一比例。
在一實施例中，所述電壓調節單元係一LDO電壓調節單元或一電荷泵。
在一實施例中，該回授網路係一電阻式串聯電路。
在一實施例中，該預定期間包含複數個切換週期。
在一實施例中，當該負載電流狀態為所述輕載時，該切換式電源轉換單元係操作在一脈衝頻率調變模式，以及，當該負載電流狀態為所述非輕載時，該切換式電源轉換單元係操作在一脈衝寬度調變模式。
為使  貴審查委員能進一步瞭解本發明之結構、特徵、目的、與其優點，茲附以圖式及較佳具體實施例之詳細說明如後。
請參照圖3，其繪示本發明之電壓調節系統之一實施例方塊圖。如圖3所示，該電壓調節系統具有一直流-直流轉換器100及一電壓調節單元110，其中，直流-直流轉換器100具有一切換式電源轉換單元101及一回授網路102。
切換式電源轉換單元101係用以依一回授信號FB產生一切換信號以將一輸入電壓V IN轉換成一第一輸出電壓V REG，回授網路102係用以依一可調分壓比例對第一輸出電壓V REG進行一分壓操作以產生該回授信號FB。
電壓調節單元110，可為一LDO電壓調節單元或一電荷泵，係用以將第一輸出電壓V REG轉成一第二輸出電壓V OUT，第二輸出電壓V OUT低於第一輸出電壓V REG，且第一輸出電壓V REG和第二輸出電壓V OUT的壓差須大於一預定的調節壓差。
請參照圖4，其繪示圖3之電壓調節系統之切換式電源轉換單元101之一實施例方塊圖。如圖4所示，切換式電源轉換單元101具有一切換信號產生單元101a、一電能傳輸單元101b及一負載電流狀態檢測單元101c，其中，切換信號產生單元101a係用以依回授信號FB產生一切換信號SW以驅動電能傳輸單元101b，從而將電能由電能傳輸單元101b的輸入端傳至電能傳輸單元101b的輸出端；負載電流狀態檢測單元101c係依一電感電流的感測信號S LI判斷該電感電流在一預定期間內(也就是說，在所述切換信號的預定數目個切換週期內)的過零次數是否超過一預定次數，以決定一負載電流信號S LD的狀態，若是，則設定該負載電流信號S LD為輕載狀態以將該可調分壓比例設為一第一比例，若否，則設定該負載電流信號S LD為非輕載狀態以將該可調分壓比例設為一第二比例，其中該第二比例小於該第一比例。另外，負載電流信號S LD可為一數位信號或一類比信號。
請參照圖5a，其繪示圖3之電壓調節系統之回授網路102之一實施例方塊圖。如圖5a所示，回授網路102具有呈串聯組態之一第一電阻102a、一可變電阻102b及一第二電阻102c，其中，可變電阻102b係依該負載電流信號SLD的控制決定電阻值：當該負載電流信號SLD呈現所述輕載狀態時，可變電阻102b會呈現一較低電阻值以將該可調分壓比例設為該第一比例；當該負載電流信號SLD呈現所述非輕載狀態時，可變電阻102b會呈現一較高電阻值以將該可調分壓比例設為該第二比例。
請參照圖5b，其繪示圖3之電壓調節系統之回授網路102之另一實施例方塊圖。如圖5b所示，回授網路102具有呈串聯組態之一第一電阻102d、一第二電阻102e及一第三電阻102f，該負載電流信號S LD會從回授網路102抽出一電流I SEN，其中，當該負載電流信號S LD呈現所述輕載狀態時，電流I SEN會呈現一較低電流值以將該可調分壓比例設為該第一比例；當該負載電流信號S LD呈現所述非輕載狀態時，電流I SEN會呈現一較高電流值以將該可調分壓比例設為該第二比例。
另外，當該負載電流信號S LD呈現所述輕載時，切換式電源轉換單元101可操作在一脈衝頻率調變模式；以及，當該負載電流信號S LD呈現所述非輕載時，切換式電源轉換單元101可操作在一脈衝寬度調變模式。
另外，請參照圖6，其繪示本發明之電壓調節系統之另一實施例方塊圖。如圖6所示，該電壓調節系統具有一直流-直流轉換器100及n個電壓調節單元110，n為大於1的整數。由於直流-直流轉換器100及電壓調節單元110的技術手段及原理已於上述說明，故在此不擬贅述。
請參照圖7，其繪示圖6之電壓調節系統之調節壓差和負載電流之關係圖。如圖7所示，在輕載區的調節壓差V dp1小於在非輕載區的調節壓差V dp2。
如此，上述係已完整且清楚地說明本發明之電壓調節系統之技術原理及手段，且經由上述可得知本發明具有下列優點：
本發明之電壓調節系統可根據負載的大小適時地調整調節壓差(dropout)的大小，以優化系統中之LDO及/或電荷泵在輕載時的效率，從而提高整個系統在輕載時的整體複合效率。
本發明之電壓調節系統可在輕載時調高系統中之直流-直流轉換器的電壓回授係數以調降直流-直流轉換器的輸出電壓，從而降低調節壓差(dropout)以優化系統中之LDO及/或電荷泵在輕載時的效率，俾以提高整個系統在輕載時的整體複合效率。
必須加以強調的是，前述本案所揭示者乃為較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本案之專利權範疇。
綜上所陳，本案無論目的、手段與功效，皆顯示其迥異於習知技術，且其首先發明合於實用，確實符合發明之專利要件，懇請  貴審查委員明察，並早日賜予專利俾嘉惠社會，是為至禱。
＜本發明＞
100‧‧‧直流-直流轉換器
101‧‧‧切換式電源轉換單元
101a‧‧‧切換信號產生單元
101b‧‧‧電能傳輸單元
101c‧‧‧負載電流狀態檢測單元
102‧‧‧回授網路
102a‧‧‧第一電阻
102b‧‧‧可變電阻
102c‧‧‧第二電阻
102d‧‧‧第一電阻
102e‧‧‧第二電阻
102f‧‧‧第三電阻
110‧‧‧電壓調節單元
＜習知＞
10‧‧‧DC-DC轉換器
11‧‧‧LDO線性穩壓器
12‧‧‧電荷泵
圖1-a繪示由一 DC-DC轉換器級聯一LDO線性穩壓器所組成之一電源管理系統； 圖1-b繪示由一 DC-DC轉換器級聯一電荷泵所組成之一電源管理系統； 圖1-c繪示由一 DC-DC轉換器級聯一LDO線性穩壓器和一電荷泵所組成之一電源管理系統； 圖1-d 繪示由一 DC-DC轉換器級聯多個LDO線性穩壓器和多個電荷泵所組成之一電源管理系統； 圖2繪示一習知電壓調節系統在各種負載電流下皆以一固定的調節壓差將一第一輸出電壓轉成一第二輸出電壓的關係曲線圖； 圖3繪示本發明之電壓調節系統之一實施例方塊圖； 圖4繪示圖3之電壓調節系統之切換式電源轉換單元之一實施例方塊圖； 圖5a繪示圖3之電壓調節系統之回授網路之一實施例方塊圖； 圖5b繪示圖3之電壓調節系統之回授網路之另一實施例方塊圖； 圖6繪示本發明之電壓調節系統之另一實施例方塊圖； 圖7繪示圖6之電壓調節系統之調節壓差和負載電流之關係圖。
100‧‧‧直流-直流轉換器
101‧‧‧切換式電源轉換單元
102‧‧‧回授網路
110‧‧‧電壓調節單元

Claims (9)

  1. 一種電壓調節系統，其具有：一直流-直流轉換器，具有一切換式電源轉換單元及一回授網路，該切換式電源轉換單元係用以依一回授信號產生一切換信號以將一輸入電壓轉換成一第一輸出電壓，該回授網路係用以依一可調分壓比例對該第一輸出電壓進行一分壓操作以產生該回授信號；以及一電壓調節單元，其係用以將該第一輸出電壓轉成一第二輸出電壓，該第二輸出電壓低於該第一輸出電壓；其中，該切換式電源轉換單元具有一負載電流狀態檢測單元，用以依一電感電流在一預定期間內的過零次數是否超過一預定次數決定一負載電流狀態，若是，則設定該負載電流狀態為輕載以將該可調分壓比例設為一第一比例，若否，則設定該負載電流狀態為非輕載以將該可調分壓比例設為一第二比例，該第二比例小於該第一比例；且該預定期間包含複數個切換週期。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調節系統，其中，該電壓調節單元係一LDO電壓調節單元或一電荷泵。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調節系統，其中，該回授網路係一電阻式串聯電路。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調節系統，其中，當該負載電流狀態為所述輕載時，該切換式電源轉換單元係操作在一脈衝頻率調變模式，以及，當該負載電流狀態為所述非輕載時，該切換式電源轉換單元係操作在一脈衝寬度調變模式。
  5. 一種電壓調節系統，其具有：一直流-直流轉換器，具有一切換式電源轉換單元及一回授網路，該切換式電源轉換單元係用以依一回授信號產生一切換信號以將一輸入電壓轉換成一第一輸出電壓，該回授網路係用以依一可調分壓比例對該第一輸出電壓進行一分壓操作以產生該回授信號；以及複數個電壓調節單元，各係用以將該第一輸出電壓轉成一第二輸出電壓， 該第二輸出電壓低於該第一輸出電壓；其中，該切換式電源轉換單元具有一負載電流狀態檢測單元，用以依一電感電流在一預定期間內的過零次數是否超過一預定次數決定一負載電流狀態，若是，則設定該負載電流狀態為輕載以將該可調分壓比例設為一第一比例，若否，則設定該負載電流狀態為非輕載以將該可調分壓比例設為一第二比例，該第二比例小於該第一比例。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之電壓調節系統，其中，所述電壓調節單元係一LDO電壓調節單元或一電荷泵。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之電壓調節系統，其中，該回授網路係一電阻式串聯電路。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之電壓調節系統，其中，該預定期間包含複數個切換週期。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之電壓調節系統，其中，當該負載電流狀態為所述輕載時，該切換式電源轉換單元係操作在一脈衝頻率調變模式，以及，當該負載電流狀態為所述非輕載時，該切換式電源轉換單元係操作在一脈衝寬度調變模式。
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