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TWI805148B - 展頻切換式電源轉換電路、時脈產生電路及時脈產生方法 - Google Patents

展頻切換式電源轉換電路、時脈產生電路及時脈產生方法 Download PDF

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TWI805148B
TWI805148B TW110148542A TW110148542A TWI805148B TW I805148 B TWI805148 B TW I805148B TW 110148542 A TW110148542 A TW 110148542A TW 110148542 A TW110148542 A TW 110148542A TW I805148 B TWI805148 B TW I805148B
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許陳霖
李嘉峻
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立錡科技股份有限公司
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Publication date
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Abstract

一種展頻切換式電源轉換電路包括：功率級電路，包括一電感器及一功率開關，用以根據具有展頻的切換訊號而切換功率開關以進行電源轉換；可變頻振盪器用以根據展頻控制訊號而產生展頻時脈訊號；展頻控制電路，用以根據第一時脈訊號與第二時脈訊號產生展頻控制訊號；以及脈寬調變電路，用以基於展頻時脈訊號而根據回授訊號以產生切換訊號；其中展頻控制電路將具有週期性的第一週期波形與具有隨機性的第一隨機波形取樣與運算而產生展頻控制訊號。第一隨機波形根據第一時脈訊號而產生，第一週期波形根據第二時脈訊號而產生。

Description

展頻切換式電源轉換電路、時脈產生電路及時脈產生方法
本發明係有關一種切換式電源轉換電路，特別是指一種能夠有效提升展頻效果並擴大展頻適用頻率範圍之展頻切換式電源轉換電路。本發明也有關一種可達成展頻的時脈產生電路及時脈產生方法。
圖1A、圖1B顯示習知之展頻調變方法之調變波形圖，其中圖1A、圖1B係分別採用鋸齒波訊號及三角波訊號而對切換頻率Fsw進行展頻，其中切換頻率變動範圍為△f。圖2顯示另一習知之展頻調變方法之調變波形圖，其中圖2採用虛擬隨機(pseudo random)波形而對切換頻率Fsw進行展頻。
圖1A、圖1B及圖2的習知之展頻調變方法其缺點在於，圖1A、圖1B所顯示之週期性類比展頻調變方法僅在150kHz~30MHz的頻段展頻效果較為顯著，而圖2所顯示之跳頻展頻調變方法僅在30MHz~1GHz的頻段展頻效果較佳。換言之，兩者的展頻調變方法均無法同時適用於低頻及高頻的頻段。
有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種能夠有效提升展頻效果並擴大展頻適用頻率範圍之展頻切換式電源轉換電路、時脈產生電路及時脈產生方法。
於一觀點中，本發明提供了一種展頻切換式電源轉換電路，包含：一可變頻振盪器，用以根據一展頻控制訊號而產生具有展頻的一展頻時脈訊號，其中該展頻時脈訊號具有一基礎頻率，且於該展頻控制訊號之控制下，具有一切換頻率變動範圍；一展頻控制電路，用以根據一第一時脈訊號與一第二時脈訊號產生該展頻控制訊號；以及一脈寬調變(PWM,Pulse Width Modulation)電路，用以基於該展頻時脈訊號而根據一回授訊號產生具有展頻的一切換訊號；其中該切換訊號用以控制一功率級電路，該功率級電路包括彼此耦接的一電感器及至少一功率開關，用以根據具有展頻的該切換訊號而切換該功率開關以進行電源轉換；其中該展頻控制電路包括：一第一週期波形產生器，用以根據該第二時脈訊號產生具有週期性的一第一週期波形；一第一隨機波形產生器，用以根據該第一時脈訊號產生具有隨機性的一第一隨機波形；以及一運算單元，用以取樣該第一隨機波形與該第一週期波形，並加以運算而產生該展頻控制訊號。
於另一觀點中，本發明提供了一種時脈產生電路，用以根據一第一時脈訊號與一第二時脈訊號以產生具有展頻的一展頻時脈訊號，其中該展頻時脈訊號具有一基礎頻率，且具有一切換頻率變動範圍；該時脈產生電路包含：一可變頻振盪器，用以根據一展頻控制訊號而產生具有展頻的該展頻時脈訊號；以及一展頻控制電路，用以根據該第一時脈訊號與該第二時脈訊號產生該展頻控制訊號；其中該展頻控制電路包括：一第一週期波 形產生器，用以根據該第二時脈訊號產生具有週期性的一第一週期波形；一第一隨機波形產生器，用以根據該第一時脈訊號產生具有隨機性的一第一隨機波形；以及一運算單元，用以取樣該第一隨機波形與該第一週期波形，並加以運算而產生該展頻控制訊號。
於又一觀點中，本發明提供了一種時脈產生方法，用以根據一第一時脈訊號與一第二時脈訊號以產生具有展頻的一展頻時脈訊號，其中該展頻時脈訊號具有一基礎頻率，且具有一切換頻率變動範圍；該時脈產生方法包含：根據一展頻控制訊號而產生具有展頻的該展頻時脈訊號；以及根據該第一時脈訊號與該第二時脈訊號產生該展頻控制訊號；其中產生該展頻控制訊號的步驟包括：根據該第二時脈訊號產生具有週期性的一第一週期波形；根據該第一時脈訊號產生具有隨機性的一第一隨機波形；以及取樣該第一隨機波形與該第一週期波形，並加以運算而產生該展頻控制訊號。
於一實施例中，該第一週期波形係為一三角波、一鋸齒波或一正弦波。
於一實施例中，該第一隨機波形係為一虛擬隨機階梯波。
於一實施例中，該第一週期波形產生器包括一上下計數器或一查表電路，用以根據該第二時脈訊號而分別以計數方式或查表方式產生該第一週期波形。
於一實施例中，該第一時脈訊號為該展頻時脈訊號，而以回授方式產生該第一隨機波形，其中該第一時脈訊號與該第二時脈訊號來自不同源且彼此獨立；該運算單元包括：一取樣同步電路，用以基於該第一時脈訊號以取樣該第一週期波形而產生一取樣後週期波形，藉此使得該取樣後週期波形同步於該第一隨機波形之一取樣頻率；以及一運算子單元，用以 根據該取樣後週期波形與相關於該第一隨機波形之一訊號之和而產生該展頻控制訊號。
於一實施例中，其特徵在於以下之一：(1)其中該運算子單元用以根據該取樣後週期波形與該第一隨機波形之和而產生該展頻控制訊號；或者(2)該運算單元更包括一取樣控制電路，用以對該第一隨機波形進行降頻取樣，以產生一降頻隨機波形，其中該運算子單元用以根據該取樣後週期波形與該降頻隨機波形之和而產生該展頻控制訊號。
於一實施例中，該運算單元更包括一除頻單元，其中該運算子單元根據該取樣後週期波形與相關於該第一隨機波形之一訊號之和而產生一前展頻控制訊號，其中該除頻單元將該前展頻控制訊號降頻m倍而產生該展頻控制訊號，其中m為正整數。
於一實施例中，該運算單元更包括一控制訊號產生器，用以產生具有隨機性質的一控制切換訊號，其中該運算子單元基於該控制切換訊號以將該取樣後週期波形與相關於該第一隨機波形之一訊號隨機相加或相減，而產生一運算結果，且根據該運算結果產生該展頻控制訊號。
於一實施例中，該運算單元包括：一控制訊號產生器，用以產生一控制切換訊號，其中該控制切換訊號具有隨機性；以及一運算子單元，用以基於該控制切換訊號以將該第一週期波形與相關於該第一隨機波形之一訊號隨機相加或相減，而產生一運算結果，且根據該運算結果產生該展頻控制訊號。
於一實施例中，該展頻控制電路更包括一取樣控制電路，用以對該第一隨機波形進行降頻取樣，以產生一降頻隨機波形，其中該運算子單元用以基於該控制切換訊號以將該第一週期波形與該降頻隨機波形隨機相加或相減，而產生一運算結果，且根據該運算結果產生該展頻控制訊號。
於一實施例中，用以產生該第一隨機波形的該第一時脈訊號不同且獨立於用以產生該控制切換訊號的一時脈訊號。
本發明之優點係為本發明可藉由混合兩種不同之展頻技術而達到改善展頻效果並擴大展頻適用頻率範圍，且藉由取樣控制電路控制觸發第一隨機波形產生器更新隨機種子之時機可更進一步提升展頻效果。
底下藉由具體實施例詳加說明，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:展頻切換式電源轉換電路
11:功率級電路
12:脈寬調變(PWM)電路
13:展頻控制電路
131,731A,731B:第一週期波形產生器
132:第一隨機波形產生器
133:控制訊號產生器
134:加減法單元
135:加法單元
136:取樣控制電路
137:取樣同步電路
14:可變頻振盪器
1413,1513,1613,1713:展頻控制電路
15,1415,1515,1615,1715:時脈產生電路
438,538,638,738:運算單元
7311:計數器
7312:查表電路
BC,BC1,BC2:基本時脈訊號
CLK1,CLK2:時脈訊號
CKSYS:系統時脈
CKSW:展頻時脈訊號
CS1:控制切換訊號
SSC,SSC’:展頻控制訊號
FB:回授訊號
Fsw:切換頻率
Ff:基礎頻率
Iout:輸出電流
L:電感器
LG,UG:切換訊號
LX:切換節點
PW1,PW1’:第一週期波形
QU,QL:功率開關
RW1,RW1’:第一隨機波形
Vin:輸入電源
VLX:切換節點電壓
Vout:輸出電源
△f:切換頻率變動範圍
圖1A及圖1B係顯示習知之展頻調變方法之調變波形圖。
圖2係顯示另一習知之展頻調變方法之跳頻波形圖。
圖3係根據本發明之一實施例顯示展頻切換式電源轉換電路的電路方塊圖。
圖4係根據本發明之一實施例顯示展頻控制電路之電路方塊圖。
圖5係根據本發明之一實施例顯示展頻控制電路之電路方塊圖。
圖6係根據本發明之一實施例顯示展頻控制電路之電路方塊圖。
圖7A~圖7B係根據本發明之更具體實施例顯示第一週期波形產生器之電路方塊圖。
圖8係根據本發明之一實施例顯示第一週期波形(三角波)及第一隨機波形(虛擬隨機波形)的一實施例與所產生的展頻控制訊號之示意圖。
圖9係根據本發明之另一實施例顯示第一週期波形(鋸齒波)及第一隨機波形(虛擬隨機波形)的一實施例與所產生的展頻控制訊號之示意圖。
圖10係根據本發明之又一實施例顯示第一週期波形(正弦波)的一實施例。
圖11A係根據本發明之一實施例顯示未調變之窄頻干擾訊號之功率頻譜及經向下低頻段展頻之頻譜之間的比較。
圖11B係根據本發明之一實施例顯示未調變之窄頻干擾訊號之功率頻譜及經中心向外展頻之頻譜之間的比較。
圖12A~圖12K係顯示展頻切換式電源轉換電路之同步或非同步之降壓型、升壓型、反壓型、升降壓型、升反壓型、及返馳型功率級電路。
圖13係根據本發明之一更具體實施例顯示時脈產生電路方塊圖，以及展頻控制電路之電路方塊圖。
圖14係根據本發明之一更具體實施例顯示時脈產生電路方塊圖，以及展頻控制電路之電路方塊圖。
圖15係根據本發明之一更具體實施例顯示時脈產生電路方塊圖，以及展頻控制電路之電路方塊圖。
圖16係根據本發明之一更具體實施例顯示時脈產生電路方塊圖，以及展頻控制電路之電路方塊圖。
圖17係顯示各個展頻調變方法之時脈訊號之快速傅立葉轉換(FFT,Fast Fourier Transform)模擬結果的比較表。
本發明中的圖式均屬示意，主要意在表示各電路間之耦接關係，以及各訊號波形之間之關係，至於電路、訊號波形與頻率則並未依照比例繪製。
圖3係根據本發明之一實施例顯示展頻切換式電源轉換電路的電路方塊圖。如圖3所示，本發明之展頻切換式電源轉換電路10包括功率級電路11、脈寬調變(PWM,Pulse Width Modulation)電路12、展頻控制電路13以及可變頻振盪器14。功率級電路11包括電感器L及至少一功率開關。本實施例包括同步式切換的功率開關QU、QL。功率開關QU、QL用以分別根據切換訊號UG、LG以切換功率開關而進行電源轉換。功率開關QU耦接於輸入電源Vin與切換節點LX之間，功率開關QL耦接於切換節點LX與接地電位之間，而電感L耦接切換節點LX與輸出電源Vout之間，藉此將輸入電源Vin轉換為輸出電源Vout，換言之，本實施例的功率級電路11係配置為同步降壓型功率級電路。
需說明的是，本實施例僅用以舉例說明，而非用以限制本發明之範疇。如圖12A~圖12K所示，於其他實施例中，功率級電路11例如還可為升壓型(boost)、反壓型、升降壓型(buck-boost)、升反壓型或返馳型(flyback)功率級電路。
可變頻振盪器14用以根據一展頻控制訊號SSC產生具有展頻的一展頻時脈訊號CKSW，其中展頻時脈訊號CKSW具有一基礎頻率Ff，且於展頻控制訊號SSC之控制下，具有切換頻率變動範圍△f。在一實施例中，可變頻振盪器14可根據展頻控制訊號SSC的位準控制展頻時脈訊號CKSW的頻率，其中展頻控制訊號SSC的位準例如可為電壓位準或電流位準，換言之，可變頻振盪器例如可為電壓控制振盪器或電流控制振盪器。
展頻控制電路13用以根據第一時脈訊號CLK1與第二時脈訊號CLK2產生展頻控制訊號SSC，其細節將詳述於後。在一實施例中，展頻控制電路13及可變頻振盪器14可整合配置為時脈產生電路15，用以根據第一時脈訊號CLK1與第二時脈訊號CLK2產生展頻時脈訊號CKSW。
PWM電路12用以基於展頻時脈訊號CKSW而根據回授訊號FB產生切換訊號UG、LG。於一實施例中，回授訊號FB係相關於輸出電源Vout，如圖所示，於一實施例中，其可例如為輸出電源Vout的分壓。
由於展頻時脈訊號CKSW在展頻控制訊號SSC的控制下具有展頻之特性，因此，切換訊號UG、LG，以及功率級電路11切換所產生之具有切換性質的電壓(例如切換節點LX上的電壓VLX)與電流(例如電感電流IL或開關電流IHS,ILS)亦皆具有展頻之特性，藉此，可有效降低功率級電路11因切換而造成的電磁干擾。
圖4係根據本發明之一實施例顯示展頻控制電路之電路方塊圖(展頻控制電路413)。如圖4所示，在一實施例中，展頻控制電路413包括第一週期波形產生器131、第一隨機波形產生器132以及運算單元138，其中第一隨機波形產生器132用以根據第一時脈訊號CLK1產生具有隨機性質的第一隨機波形RW1，第一週期波形產生器131用以根據第二時脈訊號CLK2產生具有周期變化性質的第一週期波形PW1。運算單元138則用以取樣第一隨機波形RW1與第一週期波形PW1，並加以運算而產生展頻控制訊號SSC。於一實施例中，第一週期波形PW1例如為三角波(如圖8)、鋸齒波(如圖9)或正弦波(如圖10)。於一實施例中，第一隨機波形RW1例如為隨機階梯波形。於一實施例中，第一隨機波形RW1例如為虛擬隨機(pseudo random)階梯波。
圖5係根據本發明之一更具體實施例顯示展頻控制電路之電路方塊圖。本實施例中，如圖5所示，展頻控制電路513中的運算單元138包括控制訊號產生器133及加減法單元134。
於一實施例中，第一時脈訊號CLK1與第二時脈訊號CLK2為不同之時脈，分別耦接於基本時脈訊號BC1與BC2。於一實施例中，第一時脈訊號CLK1與第二時脈訊號CLK2例如分別直接連接自基本時脈訊號BC1與BC2，或經除頻後而得。於一實施例中，第一時脈訊號CLK1即為基本時脈訊號BC1，第二時脈訊號CLK2自基本時脈訊號BC2經除頻後而得。且需說明的是，用以產生第一隨機波形RW1的基本時脈訊號BC1不同且獨立於用以產生控制切換訊號CS1的基本時脈訊號(如BC2)。
於一實施例中，控制訊號產生器133用以產生控制切換訊號CS1。於一實施例中，控制訊號產生器133用以產生控制切換訊號CS1(例如根據基本時脈訊號BC2而得)。加減法單元134用以根據控制切換訊號CS1而將第一週期波形PW1與第一隨機波形RW1隨機進行相加或相減，以產生展頻控制訊號SSC。
圖6係根據本發明之一實施例顯示展頻控制電路之電路方塊圖。展頻控制電路613相似於展頻控制電路513，如圖6所示，展頻控制電路613更包括取樣控制電路136，用以對第一隨機波形RW1進行降頻取樣，例如每n個第二時脈訊號CLK2之週期取樣一次，以產生降頻隨機波形RW1’，其中n為正整數，本實施例中，加減法單元134用以根據控制切換訊號CS1而將第一週期波形PW1與降頻隨機波形RW1’隨機進行相加或相減，以產生展頻控制訊號SSC。在一實施例中，取樣週期n例如但不限於1、2、4或8，較佳例如可為8。在不同的取樣週期n之下，可獲得不同的展頻效果。本實施例 中，控制訊號產生器133、加減法單元134及取樣控制電路136例如形成對應於前述實施例中的運算單元138。
圖7A係根據本發明之一更具體實施例顯示第一週期波形產生器之電路方塊圖(第一週期波形產生器731A)。在一實施例中，第一週期波形產生器731A包括上下計數器7311，用以根據第二時脈訊號CLK2進行上下計數，而產生前述的第一週期波形PW1。
圖7B係根據本發明之一更具體實施例顯示第一週期波形產生器之電路方塊圖(第一週期波形產生器731B)。在一實施例中，第一週期波形產生器731B包括查表電路7312，用以儲存預設之週期波形，查表電路7312根據第二時脈訊號CLK2進行查表而讀取預設的週期波形，以產生前述的第一週期波形PW1。
圖8係根據本發明之一實施例顯示第一週期波形及第一隨機波形的一實施例與所產生的展頻控制訊號之示意圖。在一實施例中，如圖8所示，第一週期波形產生器所產生之第一週期波形PW1可為三角波，而第一隨機波形產生器所產生之第一隨機波形RW1可為虛擬隨機波形。第一週期波形PW1與第一隨機波形RW1，根據控制切換訊號CS1經加減法單元134隨機相加或相減後所產生之展頻控制訊號SSC如圖8所示。
值得注意的是，由圖8可看出，本實施例所產生之展頻控制訊號SSC同時具有部分三角波的特性，亦部分具有虛擬隨機波形的特性，此外，由於第一週期波形PW1與第一隨機波形RW1之相加或相減亦受到具有隨機性質的控制切換訊號CS1而決定，藉此，可使得展頻效果更佳。
需說明的是，第一週期波形PW1、第一隨機波形RW1以及展頻控制訊號SSC的位準可以是電壓、電流或是數位數值，其可用以示意對應的切換頻率。在一實施例中，第一週期波形PW1與第一隨機波形RW1的中 間值皆對應於基礎頻率Ff，展頻控制訊號SSC的中間值亦對應於基礎頻率Ff，且其中切換頻率變動範圍為△f。
圖9係根據本發明之另一實施例顯示第一週期波形及第一隨機波形的一實施例與所產生的展頻控制訊號之示意圖。在一實施例中，如圖9所示，第一週期波形產生器所產生之第一週期波形PW1可為鋸齒波，而第一隨機波形產生器所產生之第一隨機波形RW1可為虛擬隨機波形。第一週期波形PW1與第一隨機波形RW1，根據控制切換訊號CS1經加減法單元隨機相加或相減後所產生之展頻控制訊號如圖9所示。由圖9可看出，本實施例所產生之展頻控制訊號同時具有部分鋸齒波的特性，亦部分具有虛擬隨機波形的特性。
圖10係根據本發明之又一實施例顯示第一週期波形的一實施例。如圖10所示，第一週期波形產生器所產生之第一週期波形亦可為正弦波。如上所述，同理，正弦波亦可與第一隨機波形產生器所產生之虛擬隨機波形經加減法單元134隨機相加或相減，以產生展頻控制訊號SSC。
圖11A係根據本發明之一實施例顯示未調變之窄頻干擾訊號之功率頻譜及經向下低頻段展頻之頻譜之間的比較。圖11B係根據本發明之一實施例顯示未調變之窄頻干擾訊號之功率頻譜及經中心向外展頻之頻譜之間的比較。根據CISPR 25標準，電磁干擾測量在150kHz~30MHz的頻段是以9kHz頻寬解析度，在30MHz~1GHz的頻段是以120kHz頻寬解析度來進行。如本領域所熟知，週期性類比展頻(periodic analog spread spectrum)對於降低150kHz~30MHz的頻段之峰值能量具有較佳的效能。此外，基於卡爾森頻寬規則，週期性類比展頻可修改切換頻率變動範圍△f以改善抑制效果。另一方面，跳頻展頻(frequency hopping spread spectrum)技術會隨機改變頻率，因此 不會受到120kHz頻寬解析度限制的影響。故跳頻展頻技術可對於降低30MHz~1GHz的頻段之峰值能量具有較佳效能。
本發明之展頻切換式電源轉換電路將二個不同的展頻技術隨機相加或相減。本發明之展頻切換式電源轉換電路可同時保有各自的特性外，並且也同時帶來150kHz~1GHz頻段內的降低電磁干擾效能。此外，如前所述，本發明之展頻切換式電源轉換電路還可以利用取樣控制電路對第一隨機波形RW1以不同的取樣週期n進行取樣，以達到不同的電磁干擾降低效能。
圖13係根據本發明之一更具體實施例顯示時脈產生電路方塊圖，以及展頻控制電路之電路方塊圖(時脈產生電路1415，展頻控制電路1413)。在一實施例中，如圖13所示，展頻控制電路1413包括第一週期波形產生器131、第一隨機波形產生器132以及運算單元438，在一實施例中，運算單元438包括取樣同步電路137以及加法單元135。
本實施例中，第一隨機波形產生器132用以根據第一時脈訊號CLK1產生第一隨機波形RW1，本實施例中，第一時脈訊號CLK1對應耦接於展頻時脈訊號CKSW，換言之，第一時脈訊號CLK1即為展頻時脈訊號CKSW。第一週期波形產生器131用以根據第二時脈訊號CLK2(例如耦接自一系統時脈CKSYS)產生第一週期波形PW1。運算單元438則用以將第一隨機波形RW1與第一週期波形PW1加以運算而產生展頻控制訊號SSC。第一週期波形產生器131的細節可參閱圖7A~圖7B與相關之敘述。
於一實施例中，第一週期波形PW1例如為三角波(如圖8)、鋸齒波(如圖9)或正弦波(如圖10)。於一實施例中，第一隨機波形RW1例如為隨機階梯波形。於一實施例中，第一隨機波形RW1例如為虛擬隨機(pseudo random)階梯波。
值得注意的是，在一實施例中，第一時脈訊號CLK1與第二時脈訊號CLK2為來自不同源且彼此獨立之時脈訊號源，具體而言，第一時脈訊號CLK1由於耦接自展頻時脈訊號CKSW，因此其具有展頻之特性，另一方面，第二時脈訊號CLK2(系統時脈CKSYS)可為不具有展頻特性之時脈。
本實施例中，取樣同步電路137用以基於第一時脈訊號CLK1(展頻時脈訊號CKSW)以取樣第一週期波形PW1而產生取樣後週期波形PW1’，藉此使得取樣後週期波形PW1’可同步於第一隨機波形RW1之取樣頻率，接著，加法單元135用以將取樣後週期波形PW1’與第一隨機波形RW1相加，以產生展頻控制訊號SSC，可變頻振盪器14則用以根據展頻控制訊號SSC產生展頻時脈訊號CKSW。
就一觀點而言，本實施例的展頻時脈訊號CKSW回授至用以控制展頻特性的展頻控制電路1413而產生展頻控制訊號SSC，進而以回授方式控制可變頻振盪器14產生展頻時脈訊號CKSW，藉此，可使得展頻效果更佳。
圖14係根據本發明之一更具體實施例顯示時脈產生電路方塊圖，以及展頻控制電路之電路方塊圖(時脈產生電路1515，展頻控制電路1513)。本實施例相似於圖13之實施例，其中展頻控制電路1513中的運算單元538更包括取樣控制電路136，用以對第一隨機波形RW1進行降頻取樣，以產生降頻隨機波形RW1’，其操作可參閱圖6的相關敘述，本實施例中，加法單元135用以將取樣後週期波形PW1’與降頻隨機波形RW1’相加，以產生展頻控制訊號SSC。
圖15係根據本發明之一更具體實施例顯示時脈產生電路方塊圖，以及展頻控制電路之電路方塊圖(時脈產生電路1615，展頻控制電路1613)。本實施例相似於圖14之實施例，其中展頻控制電路1613中的運算單 元638更包括除頻單元139，用以將取樣後週期波形PW1’與降頻隨機波形RW1’相加所產生的展頻控制訊號SSC’，將其降頻m倍後產生展頻控制訊號SSC，進而控制可變頻振盪器14而產生展頻時脈訊號CKSW，其中m為正整數。在一實施例中，如圖15中的取樣控制電路136可省略，而直接將取樣後週期波形PW1’與第一隨機波形RW1相加而產生展頻控制訊號SSC’。
圖16係根據本發明之一更具體實施例顯示時脈產生電路方塊圖，以及展頻控制電路之電路方塊圖(時脈產生電路1715，展頻控制電路1713)。本實施例相似於圖15之實施例，其中展頻控制電路1713中的運算單元738更包括控制訊號產生器133，且以加減法單元134取代加法單元135。控制訊號產生器133用以產生控制切換訊號CS1，其中控制切換訊號CS1具有隨機性質，其產生方式可參閱圖5之實施例。本實施例中，加減法單元134用以根據控制切換訊號CS1而將取樣後週期波形PW1’與降頻隨機波形RW1’隨機進行相加或相減，以產生展頻控制訊號SSC’。本實施例中，控制訊號產生器133根據基本時脈訊號BC而產生具有隨機性質的控制切換訊號CS1。需說明的是，用以產生第一隨機波形RW1的第一時脈訊號CLK1不同且獨立於用以產生控制切換訊號CS1的時脈訊號(如BC)。
此外，在一實施例中，如圖16中的取樣控制電路136可省略，而直接將取樣後週期波形PW1’與第一隨機波形RW1相加而產生展頻控制訊號SSC’。在一實施例中，如圖16中的除頻單元139可省略，而直接將加減法單元134之運算結果做為展頻控制訊號SSC。
圖17係顯示對應於圖5、圖6而採取不同波形組合之展頻調變方法之量測結果的比較表，其中輸入電源Vin為7V，輸出電流Iout為2A，切換頻率Fsw為2.1MHz，輸出電源Vout為5.2V，切換頻率變動範圍△f為±6%。由圖17可知，本發明之展頻切換式電源轉換電路混合兩種不同之展頻技術， 例如但不限於圖17所示之三角波混合虛擬隨機波形、鋸齒波混合虛擬隨機波形、三角波混合取樣週期為8的虛擬隨機波形、鋸齒波混合取樣週期為8的虛擬隨機波形，皆可使展頻效果相較於使用單一展頻技術(例如虛擬隨機波形)更佳且可擴大展頻適用頻率範圍。
如上所述，本發明之展頻切換式電源轉換電路/展頻控制方法可藉由混合兩種不同之展頻技術而達到改善展頻效果並擴大展頻適用頻率範圍，且藉由取樣控制電路控制第一隨機波形產生器之取樣週期，可更進一步提升展頻效果。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。所說明之各個實施例，並不限於單獨應用，亦可以組合應用，舉例而言，兩個或以上之實施例可以組合運用，而一實施例中之部分組成亦可用以取代另一實施例中對應之組成部件。此外，在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化以及各種組合，舉例而言，本發明所稱「根據某訊號進行處理或運算或產生某輸出結果」，不限於根據該訊號的本身，亦包含於必要時，將該訊號進行電壓電流轉換、電流電壓轉換、及/或比例轉換等，之後根據轉換後的訊號進行處理或運算產生某輸出結果。由此可知，在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化以及各種組合，其組合方式甚多，在此不一一列舉說明。因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。
131:第一週期波形產生器
132:第一隨機波形產生器
135:加法單元
137:取樣同步電路
14:可變頻振盪器
1413:展頻控制電路
1415:時脈產生電路
438:運算單元
CLK1,CLK2:時脈訊號
CKSYS:系統時脈
CKSW:展頻時脈訊號
SSC:展頻控制訊號
PW1,PW1’:週期波形
RW1:第一隨機波形

Claims (33)

  1. 一種展頻切換式電源轉換電路，包含：一可變頻振盪器，用以根據一展頻控制訊號而產生具有展頻的一展頻時脈訊號，其中該展頻時脈訊號具有一基礎頻率，且於該展頻控制訊號之控制下，具有一切換頻率變動範圍；一展頻控制電路，用以根據一第一時脈訊號與一第二時脈訊號產生該展頻控制訊號；以及一脈寬調變(PWM,Pulse Width Modulation)電路，用以基於該展頻時脈訊號而根據一回授訊號產生具有展頻的一切換訊號；其中該切換訊號用以控制一功率級電路，該功率級電路包括彼此耦接的一電感器及至少一功率開關，用以根據具有展頻的該切換訊號而切換該功率開關，以進行電源轉換而產生一輸出電源，其中該回授訊號相關於該輸出電源；其中該展頻控制電路包括：一第一週期波形產生器，用以根據該第二時脈訊號產生具有週期性的一第一週期波形；一第一隨機波形產生器，用以根據該第一時脈訊號產生具有隨機性的一第一隨機波形；以及一運算單元，用以取樣該第一隨機波形與該第一週期波形，並加以運算而產生該展頻控制訊號。
  2. 如請求項1所述之展頻切換式電源轉換電路，其中該第一週期波形係為一三角波、一鋸齒波或一正弦波。
  3. 如請求項1所述之展頻切換式電源轉換電路，其中該第一隨機波形係為一虛擬隨機階梯波。
  4. 如請求項1所述之展頻切換式電源轉換電路，其中該第一週期波形產生器包括一上下計數器或一查表電路，用以根據該第二時脈訊號而分別以計數方式或查表方式產生該第一週期波形。
  5. 如請求項1所述之展頻切換式電源轉換電路，其中：該第一時脈訊號為該展頻時脈訊號，而以回授方式產生該第一隨機波形，其中該第一時脈訊號與該第二時脈訊號來自不同源且彼此獨立；該運算單元包括：一取樣同步電路，用以基於該第一時脈訊號以取樣該第一週期波形而產生一取樣後週期波形，藉此使得該取樣後週期波形同步於該第一隨機波形之一取樣頻率；以及一運算子單元，用以根據該取樣後週期波形與相關於該第一隨機波形之一訊號之和而產生該展頻控制訊號。
  6. 如請求項5所述之展頻切換式電源轉換電路，其特徵在於以下之一：(1)其中該運算子單元用以根據該取樣後週期波形與該第一隨機波形之和而產生該展頻控制訊號；或者(2)該運算單元更包括一取樣控制電路，用以對該第一隨機波形進行降頻取樣，以產生一降頻隨機波形，其中該運算子單元用以根據該取樣後週期波形與該降頻隨機波形之和而產生該展頻控制訊號。
  7. 如請求項5所述之展頻切換式電源轉換電路，其中該運算單元更包括一除頻單元，其中該運算子單元根據該取樣後週期波形與相關於 該第一隨機波形之該訊號之和而產生一前展頻控制訊號，其中該除頻單元將該前展頻控制訊號降頻m倍而產生該展頻控制訊號，其中m為正整數。
  8. 如請求項5所述之展頻切換式電源轉換電路，其中該運算單元更包括一控制訊號產生器，用以產生具有隨機性質的一控制切換訊號，其中該運算子單元基於該控制切換訊號以將該取樣後週期波形與相關於該第一隨機波形之該訊號隨機相加或相減，而產生一運算結果，且根據該運算結果產生該展頻控制訊號。
  9. 如請求項1所述之展頻切換式電源轉換電路，其中該運算單元包括：一控制訊號產生器，用以產生一控制切換訊號，其中該控制切換訊號具有隨機性；以及一運算子單元，用以基於該控制切換訊號以將該第一週期波形與相關於該第一隨機波形之一訊號隨機相加或相減，而產生一運算結果，且根據該運算結果產生該展頻控制訊號。
  10. 如請求項9所述之展頻切換式電源轉換電路，其中該展頻控制電路更包括一取樣控制電路，用以對該第一隨機波形進行降頻取樣，以產生一降頻隨機波形，其中該運算子單元用以基於該控制切換訊號以將該第一週期波形與該降頻隨機波形隨機相加或相減，而產生該運算結果，且根據該運算結果產生該展頻控制訊號。
  11. 如請求項9所述之展頻切換式電源轉換電路，其中用以產生該第一隨機波形的該第一時脈訊號不同且獨立於用以產生該控制切換訊號的一時脈訊號。
  12. 一種時脈產生電路，用以根據一第一時脈訊號與一第二時脈訊號以產生具有展頻的一展頻時脈訊號，其中該展頻時脈訊號具有一基礎頻率，且具有一切換頻率變動範圍；該時脈產生電路包含：一可變頻振盪器，用以根據一展頻控制訊號而產生具有展頻的該展頻時脈訊號；以及一展頻控制電路，用以根據該第一時脈訊號與該第二時脈訊號產生該展頻控制訊號；其中該展頻控制電路包括：一第一週期波形產生器，用以根據該第二時脈訊號產生具有週期性的一第一週期波形；一第一隨機波形產生器，用以根據該第一時脈訊號產生具有隨機性的一第一隨機波形；以及一運算單元，用以取樣該第一隨機波形與該第一週期波形，並加以運算而產生該展頻控制訊號。
  13. 如請求項12所述之時脈產生電路，其中該第一週期波形係為一三角波、一鋸齒波或一正弦波。
  14. 如請求項12所述之時脈產生電路，其中該第一隨機波形係為一虛擬隨機階梯波。
  15. 如請求項12所述之時脈產生電路，其中該第一週期波形產生器包括一上下計數器或一查表電路，用以根據該第二時脈訊號而分別以計數方式或查表方式產生該第一週期波形。
  16. 如請求項12所述之時脈產生電路，其中：該第一時脈訊號為該展頻時脈訊號，而以回授方式產生該第一隨機波形，其中該第一時脈訊號與該第二時脈訊號來自不同源且彼此獨立； 該運算單元包括：一取樣同步電路，用以基於該第一時脈訊號以取樣該第一週期波形而產生一取樣後週期波形，藉此使得該取樣後週期波形同步於該第一隨機波形之一取樣頻率；以及一運算子單元，用以根據該取樣後週期波形與相關於該第一隨機波形之一訊號之和而產生該展頻控制訊號。
  17. 如請求項16所述之時脈產生電路，其特徵在於以下之一：(1)其中該運算子單元用以根據該取樣後週期波形與該第一隨機波形之和而產生該展頻控制訊號；或者(2)該運算單元更包括一取樣控制電路，用以對該第一隨機波形進行降頻取樣，以產生一降頻隨機波形，其中該運算子單元用以根據該取樣後週期波形與該降頻隨機波形之和而產生該展頻控制訊號。
  18. 如請求項16所述之時脈產生電路，其中該運算單元更包括一除頻單元，其中該運算子單元根據該取樣後週期波形與相關於該第一隨機波形之該訊號之和而產生一前展頻控制訊號，其中該除頻單元將該前展頻控制訊號降頻m倍而產生該展頻控制訊號，其中m為正整數。
  19. 如請求項16所述之時脈產生電路，其中該運算單元更包括一控制訊號產生器，用以產生具有隨機性質的一控制切換訊號，其中該運算子單元基於該控制切換訊號以將該取樣後週期波形與相關於該第一隨機波形之該訊號隨機相加或相減，而產生一運算結果，且根據該運算結果產生該展頻控制訊號。
  20. 如請求項12所述之時脈產生電路，其中該運算單元包括：一控制訊號產生器，用以產生一控制切換訊號，其中該控制切換訊號具有隨機性；以及 一運算子單元，用以基於該控制切換訊號以將該第一週期波形與相關於該第一隨機波形之一訊號隨機相加或相減，而產生一運算結果，且根據該運算結果產生該展頻控制訊號。
  21. 如請求項20所述之時脈產生電路，其中該展頻控制電路更包括一取樣控制電路，用以對該第一隨機波形進行降頻取樣，以產生一降頻隨機波形，其中該運算子單元用以基於該控制切換訊號以將該第一週期波形與該降頻隨機波形隨機相加或相減，而產生該運算結果，且根據該運算結果產生該展頻控制訊號。
  22. 如請求項20所述之時脈產生電路，其中用以產生該第一隨機波形的該第一時脈訊號不同且獨立於用以產生該控制切換訊號的一時脈訊號。
  23. 一種時脈產生方法，用以根據一第一時脈訊號與一第二時脈訊號以產生具有展頻的一展頻時脈訊號，其中該展頻時脈訊號具有一基礎頻率，且具有一切換頻率變動範圍；該時脈產生方法包含：根據一展頻控制訊號而產生具有展頻的該展頻時脈訊號；以及根據該第一時脈訊號與該第二時脈訊號產生該展頻控制訊號；其中產生該展頻控制訊號的步驟包括：根據該第二時脈訊號產生具有週期性的一第一週期波形；根據該第一時脈訊號產生具有隨機性的一第一隨機波形；以及取樣該第一隨機波形與該第一週期波形，並加以運算而產生該展頻控制訊號。
  24. 如請求項23所述之時脈產生方法，其中該第一週期波形係為一三角波、一鋸齒波或一正弦波。
  25. 如請求項23所述之時脈產生方法，其中該第一隨機波形係為一虛擬隨機階梯波。
  26. 如請求項23所述之時脈產生方法，其中產生具有週期性的該第一週期波形的步驟包括：根據該第二時脈訊號而分別以計數方式或查表方式產生該第一週期波形。
  27. 如請求項23所述之時脈產生方法，其中：該第一時脈訊號為該展頻時脈訊號，而以回授方式產生該第一隨機波形，其中該第一時脈訊號與該第二時脈訊號來自不同源且彼此獨立；其中產生該展頻控制訊號的步驟包括：基於該第一時脈訊號以取樣該第一週期波形而產生一取樣後週期波形，藉此使得該取樣後週期波形同步於該第一隨機波形之一取樣頻率；以及根據該取樣後週期波形與相關於該第一隨機波形之一訊號之和而產生該展頻控制訊號。
  28. 如請求項27所述之時脈產生方法，其特徵在於以下之一：(1)根據該取樣後週期波形與該第一隨機波形之和而產生該展頻控制訊號；或者(2)對該第一隨機波形進行降頻取樣，以產生一降頻隨機波形，且根據該取樣後週期波形與該降頻隨機波形之和而產生該展頻控制訊號。
  29. 如請求項27所述之時脈產生方法，其中產生該展頻控制訊號的步驟更包括：根據該取樣後週期波形與相關於該第一隨機波形之該訊號之和而產生一前展頻控制訊號，且將該前展頻控制訊號降頻m倍而產生該展頻控制訊號，其中m為正整數。
  30. 如請求項27所述之時脈產生方法，其中產生該展頻控制訊號的步驟更包括：產生具有隨機性質的一控制切換訊號；以及基於該控制切換訊號以將該取樣後週期波形與相關於該第一隨機波形之該訊號隨機相加或相減，而產生一運算結果，且根據該運算結果產生該展頻控制訊號。
  31. 如請求項23所述之時脈產生方法，其中產生該展頻控制訊號的步驟包括：產生一控制切換訊號，其中該控制切換訊號具有隨機性；以及基於該控制切換訊號以將該第一週期波形與相關於該第一隨機波形之一訊號隨機相加或相減，而產生一運算結果，且根據該運算結果產生該展頻控制訊號。
  32. 如請求項31所述之時脈產生方法，其中產生該展頻控制訊號的步驟更包括：對該第一隨機波形進行降頻取樣，以產生一降頻隨機波形；以及基於該控制切換訊號以將該第一週期波形與該降頻隨機波形隨機相加或相減，而產生該運算結果，且根據該運算結果產生該展頻控制訊號。
  33. 如請求項31所述之時脈產生方法，其中用以產生該第一隨機波形的該第一時脈訊號不同且獨立於用以產生該控制切換訊號的一時脈訊號。
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