一種切換式調(diào)整器及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種切換式調(diào)整器和控制方法，藉由利用已知的不同狀態(tài)的可預(yù)期負(fù)載變動(dòng)和電壓波動(dòng)容許度，本發(fā)明的技術(shù)使切換式調(diào)整器在低負(fù)載電流區(qū)間亦保有高效率，進(jìn)而減少整體電流損耗。低功率狀態(tài)的負(fù)載電流需求由切換式調(diào)整器而非線性調(diào)整器提供。模式切換由一模式相控制電路負(fù)責(zé)，藉此將各種模式中的切換操作的能量損耗最小化，并因而得以增進(jìn)電力使用效率。
【專利說(shuō)明】一種切換式調(diào)整器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明與電壓調(diào)整器相關(guān)，尤其關(guān)于如何增進(jìn)以電池供電之電子產(chǎn)品于休眠模式中的效率，以降低其電流消耗。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，由于電子裝置的功能不斷增加，其中的集成電路通常需要更大量的電力始能提供良好的效能和正確性。另一方面，為了增進(jìn)電子裝置的可攜性，電路的實(shí)體尺寸持續(xù)下降。
[0003]用以將一電壓轉(zhuǎn)換為另一電壓的電壓調(diào)整器是可攜式電子裝置中的必要電路。電壓調(diào)整器可將一輸入供應(yīng)電壓轉(zhuǎn)換為一特定電路需要的操作電壓，或是將會(huì)變動(dòng)的供應(yīng)電壓(例如電池電壓)轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電壓。在某些情況下，上述兩種功能都很重要。舉例而言，典型移動(dòng)電話的電池電壓名義上為3.6伏特，但在放電時(shí)卻會(huì)有相當(dāng)大幅度的電壓變化。另一方面，移動(dòng)電話中的某些集成電路被設(shè)計(jì)為固定操作在1.1伏特，以降低功率消耗。無(wú)論輸入電壓或負(fù)載電流是否變化，電壓調(diào)整器都必須要提供穩(wěn)定的輸出電壓(例如
1.1伏特)。
[0004]電壓調(diào)整程序包含檢測(cè)輸出電壓，并且根據(jù)輸出電壓與目標(biāo)電壓間的差異值調(diào)整提供至輸出電路的電力。在線性調(diào)整器中，此調(diào)整持續(xù)進(jìn)行。相對(duì)地，在切換式調(diào)整器中，電力的供應(yīng)形式則是頻率和工作周期都可能變化的不連續(xù)脈波。切換式調(diào)整器是先將來(lái)自電壓源的能量脈波傳遞至儲(chǔ)存元件(例如電感或電容)，隨后再將能量以損耗最小的方式轉(zhuǎn)換為負(fù)載所需的電壓或電流。在這個(gè)轉(zhuǎn)換程序中，控制及切換電路負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)能量傳遞至輸出端的速率。負(fù)載所得到的電量與切換電路的工作周期(也就是開(kāi)啟/關(guān)閉時(shí)間的比例)相關(guān)。
[0005]就現(xiàn)行以電池供電的裝置而言，微處理器需要的電流量范圍大約是兩百微安培(例如在電子裝置處于休眠模式時(shí))到一安培(例如在微處理器進(jìn)行高品質(zhì)圖像處理時(shí))。在休眠模式中，微處理器僅需偶爾進(jìn)行內(nèi)務(wù)活動(dòng)或回應(yīng)使用者輸入。由于消費(fèi)者大多相當(dāng)在意可攜式裝置的電池可用時(shí)間，增進(jìn)電池可用時(shí)間對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。切換式調(diào)整器的效率通常在低輸出電流較差，其原因在于控制及切換電路于低輸出電流時(shí)較耗電，詳情可參考美國(guó)第5，994，885號(hào)專利。先前技術(shù)一般是結(jié)合切換式調(diào)整器(用于所需負(fù)載電流較高時(shí))和線性調(diào)整器(用于所需負(fù)載電流較低時(shí))，詳情可參考美國(guó)第7，880，456號(hào)和第7，990，119號(hào)專利。
[0006]線性調(diào)整器包含一主動(dòng)元件,例如場(chǎng)效晶體管或二極晶體管。該主動(dòng)元件會(huì)受到來(lái)自調(diào)整器輸出端的回授信號(hào)控制，做為一可變電阻，使輸出電壓不受負(fù)載電流或輸入供應(yīng)電壓的變動(dòng)影響，皆保持在一預(yù)期準(zhǔn)位。本【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識(shí)者可理解，受該主動(dòng)元件構(gòu)成的阻抗跨壓的影響，當(dāng)輸入電壓和輸出電壓間的差異增加時(shí)，線性調(diào)整器的效率會(huì)變差，詳情可參考Aivaka公司發(fā)表的文章“Linear or LDO Regulators & Step-DownSwitching Regulators，，。[0007]兩種調(diào)整器都需要一段時(shí)間才能回應(yīng)負(fù)載電流的變化，調(diào)整器的輸出端因此連接有一個(gè)或多個(gè)電容，做為供應(yīng)負(fù)載的短期電流需求的電荷儲(chǔ)存器。在這樣的情況下，當(dāng)供應(yīng)電流或負(fù)載電流發(fā)生變化，輸出電壓會(huì)不同于名義上的標(biāo)準(zhǔn)電壓。設(shè)計(jì)者必須確保上述電壓波動(dòng)不致影響電子產(chǎn)品的正常運(yùn)作。
[0008]切換式調(diào)整器的輸出端可另設(shè)一個(gè)或多個(gè)電感元件來(lái)儲(chǔ)存能量。輸出電流較高時(shí)，電感元件可在連續(xù)切換脈沖間維持輸出電流。若電感元件中儲(chǔ)存的能量在脈沖之間未下降至零，稱為連續(xù)模式，通常包含最大轉(zhuǎn)換效率區(qū)間。當(dāng)切換式調(diào)整器操作在低電流，能量脈沖的作用時(shí)間或頻率可配合將能量提供至輸出端的速率被降低。若電流夠低，電感元件中的能量可在切換脈沖間降低至零，稱為不連續(xù)模式。在能量脈沖不作用的空檔，輸出電壓由外部電容維系?？刂齐娐穭t是會(huì)維持其運(yùn)作，以適時(shí)回應(yīng)后續(xù)可能出現(xiàn)的提高電流需求，但控制電路在不連續(xù)模式中造成的固定能量損耗意味著較低的轉(zhuǎn)換效率。
[0009]根據(jù)已知的不同狀態(tài)的可預(yù)期負(fù)載變動(dòng)和電壓波動(dòng)容許度，本發(fā)明為具有休眠模式的裝置降低切換式調(diào)整器的控制電路的能量需求。由于根據(jù)本發(fā)明的切換式調(diào)整器在低電流狀態(tài)中的效率可被提升為高于線性調(diào)整器，因此不需要線性調(diào)整器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明提供的技術(shù)提升了具有休眠模式的產(chǎn)品在低功率模式中的切換效率，進(jìn)而降低總電流消耗，并且排除對(duì)線性調(diào)整器的需求。
[0011]藉由根據(jù)產(chǎn)品運(yùn)作模式的變化適當(dāng)調(diào)整切換式調(diào)整器的控制電路的運(yùn)作，本發(fā)明提供的技術(shù)無(wú)論在低功率或高功率模式都能有效率地實(shí)現(xiàn)切換模式轉(zhuǎn)換。
[0012]可能存在快速變換電流需求的高功率模式利用一般的高頻率控制。在電流需求低且變化緩慢的低電流模式中，調(diào)整器輸出所需的能量脈沖頻率可較高峰電流狀況時(shí)大幅降低。此外，外部電容能將輸出電壓維持在預(yù)設(shè)電壓限制之間的時(shí)間長(zhǎng)度被大幅延長(zhǎng)，原因在于連續(xù)能量脈沖之間的電壓下降頻率根據(jù)降低后輸出電流決定，而非最大電流。此外，若低電流模式不需要敏感的模擬電路，對(duì)于低電流模式的波動(dòng)要求可變的較寬松。結(jié)合上述幾個(gè)因素，便可大幅降低控制電路操作在低電流模式中的最大頻率。藉由在低電流模式中停用高電流控制電路中不需要使用的部份，并確保此低功率控制電路設(shè)計(jì)將切換脈沖之間的靜態(tài)電流最小化，控制電路在低電流模式中的電流需求可被降低，藉此增進(jìn)效率。
[0013]在一實(shí)施例中，低功率模式中的電流脈沖的提供依據(jù)可為一頻率降低后時(shí)脈。此時(shí)脈可為產(chǎn)品中既有的信號(hào)(例如許多產(chǎn)品中用以維持實(shí)時(shí)時(shí)脈且在低功率模式中仍會(huì)持續(xù)提供的低頻率時(shí)脈信號(hào))，或是由一特定低功率振蕩器提供。在某些情況下，會(huì)需要脈沖寬度控制，例如由一單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生的固定寬度脈沖，或是在輸出電壓達(dá)到一預(yù)設(shè)上門檻值時(shí)被終止的寬度可變脈沖。若輸出電壓遠(yuǎn)高于一最小門檻值，不需要在每個(gè)時(shí)脈邊緣提供都脈沖。
[0014]在另一實(shí)施例中，低功率模式的電流脈沖依需要供應(yīng)，而非依時(shí)脈信號(hào)供應(yīng)。在此實(shí)施例中，電流脈沖的供應(yīng)與否由切換式調(diào)整器控制電路中的感應(yīng)電路決定。感應(yīng)電路被用以監(jiān)控輸出電壓，并于輸出電壓下降至低于一預(yù)設(shè)門檻值時(shí)產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)電流脈沖。
[0015]自高功率模式至低功率模式的轉(zhuǎn)換由一控制組態(tài)選擇電路控制，該電路于低功率模式中啟動(dòng)控制電路，并停用在低功率模式運(yùn)作下不需要的高頻率控制電路。該控制組態(tài)選擇電路接收對(duì)應(yīng)于模式及產(chǎn)品狀態(tài)的輸入信號(hào)，并根據(jù)此輸入信號(hào)決定控制電路的高功率或低功率運(yùn)作。
[0016]自低功率模式至高功率模式的轉(zhuǎn)換藉由重新啟動(dòng)高功率控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，以應(yīng)付高功率模式中電流的快速變化；低功率控制電路中未使用的部份被停用。完成重新啟動(dòng)后，即可進(jìn)入高功率模式。上述轉(zhuǎn)換通常發(fā)生在有輸入信號(hào)出現(xiàn)時(shí)。
[0017]當(dāng)控制電路處于低功率運(yùn)作，電流供應(yīng)量有一上限。若低功率模式中的負(fù)載電流達(dá)到或超出此限制，高功率模式可被重新啟動(dòng)。此情況可能發(fā)生在電路漏電流因溫度的上升而增加時(shí)。
[0018]在一實(shí)施例中，當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到低功率模式所定的上限，低功率模式會(huì)被切換至高功率控制模式。此負(fù)載電流的評(píng)估依據(jù)可為一特定時(shí)段中的多個(gè)切換脈沖的大小貨數(shù)量。若這些電流脈沖的振幅總和超過(guò)一預(yù)設(shè)門檻值，高功率控制模式可被啟動(dòng)。
[0019]在另一實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)感應(yīng)器被用于監(jiān)控可能會(huì)影響產(chǎn)品電路的功率消耗的物理參數(shù)，做為判斷是否應(yīng)初始化高功率模式的依據(jù)。舉例而言，一個(gè)或多個(gè)溫度感應(yīng)器可被用以監(jiān)控溫度；溫度的上升會(huì)導(dǎo)致元件漏電流增加，進(jìn)而使得負(fù)載電流上升。
[0020]關(guān)于本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與精神可以藉由以下發(fā)明詳述及附圖得到進(jìn)一步的了解。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1概略地繪示了典型的切換式調(diào)整器和線性調(diào)整器的組合。
[0022]圖2繪示了根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例中的切換式調(diào)整器。
[0023]圖3繪示了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例中兼有高功率及低功率切換模式的切換式調(diào)整器。
[0024]圖4、圖5和圖6為根據(jù)本發(fā)明的控制方法實(shí)施例的流程圖。
[0025]圖7呈現(xiàn)了先前技術(shù)的效率/負(fù)載電流關(guān)系圖。
[0026]圖8呈現(xiàn)了根據(jù)本發(fā)明的效率/負(fù)載電流關(guān)系圖。
[0027]圖9呈現(xiàn)了高功率模式控制和低功率模式控制的波動(dòng)電壓/負(fù)載電流關(guān)系圖。
[0028]主要元件符號(hào)說(shuō)明
[0029]100:調(diào)整器組合
[0030]200、300:電子裝置
[0031]110:控制電路
[0032]210,310:切換式調(diào)整器
[0033]112、212、312:脈沖控制電路
[0034]114、214、314:快速時(shí)脈
[0035]116:模式選擇單元
[0036]120、220、320:電源
[0037]130,230,330:切換元件
[0038]140、240、340:主動(dòng)元件
[0039]150、250、350:電感
[0040]160、260、360:電容
[0041]170、270、370:輸出電壓檢測(cè)點(diǎn)[0042]180,280,380:功率負(fù)載
[0043]185、285、385:微控制器
[0044]190:線性調(diào)整器
[0045]216,316:控制組態(tài)選擇單元
[0046]218,318:慢速控制單元
[0047]316A:溫度感應(yīng)器
[0048]316B:電流感應(yīng)器
[0049]410~450、510~560、610~670:流程步驟
【具體實(shí)施方式】
[0050]根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例為包含一控制電路的切換式調(diào)整器，應(yīng)用于具有休眠模式的電子產(chǎn)品(例如移動(dòng)電話)。在休眠模式中，各種活動(dòng)量都被最小化。休眠模式中的電流量低而變化緩慢，且波動(dòng)電流需求會(huì)因沒(méi)有敏感的模擬電路在運(yùn)作而減少。處理器、控制電路和主要時(shí)脈信號(hào)在休眠模式中都被停用，僅余可受中斷指令控制的喚醒(wakeup)電路保持運(yùn)作。
[0051]圖1概略地繪示了已技術(shù)中典型的切換式調(diào)整器和線性調(diào)整器的組合100，其中包含控制電路110、電源(￥111)120、切換及儲(chǔ)存元件130~160、輸出電壓(Vout)檢測(cè)點(diǎn)170，以及線性調(diào)整器190。此例中的線性調(diào)整器190為一低壓降調(diào)整器(low-dropoutregulator，LD0)。線性調(diào)整器190的輸出被供應(yīng)至負(fù)載180。負(fù)載電流(1ut)會(huì)隨負(fù)載180的運(yùn)作模式及工作而變動(dòng)。部份的負(fù)載電流系供應(yīng)至負(fù)載180中用以切換其高功率/低功率模式的微控制器185。舉例而言，微控制器185可為微控制器、狀態(tài)機(jī)，或是兩者的結(jié)合。若微控制器在休眠模式中無(wú)法執(zhí)行軟件程序，則可利用硬件狀態(tài)機(jī)來(lái)啟動(dòng)高功率模式。
[0052]在高功率模式中，負(fù)載需求可能會(huì)快速變化，脈沖控制電路112利用一快速時(shí)脈114(通常頻率為1-2兆赫)來(lái)控制切換元件130。利用高頻時(shí)脈可最小化能量?jī)?chǔ)存元件(亦即電感150與電容160)的尺寸和成本，并快速回應(yīng)負(fù)載變化，還能將供應(yīng)電壓波動(dòng)最小化。在每個(gè)時(shí)脈周期中，脈沖控制電路112透過(guò)輸出電壓檢測(cè)點(diǎn)170檢測(cè)并決定是否要輸出一切換脈沖，以及切換脈沖的作用時(shí)間長(zhǎng)度。
[0053]為了延長(zhǎng)電池使用時(shí)間，現(xiàn)行以電池供電的裝置被設(shè)計(jì)為在多數(shù)時(shí)間以低功率模式或休眠模式運(yùn)作，并且于出現(xiàn)外部輸入時(shí)始切換至高功率模式，或是在多數(shù)時(shí)間僅周期性地進(jìn)行必要內(nèi)務(wù)活動(dòng)。模式選擇單元116受微控制器185控制，在低功率及高功率模式間切換。在高功率模式中，線性調(diào)整器190被停用，而快速時(shí)脈114和脈沖控制電路112被啟動(dòng)。在低功率模式中，線性調(diào)整器190被啟動(dòng)，而快速時(shí)脈114和脈沖控制電路112被停用。由于低壓降調(diào)整器(LDO)中的被動(dòng)元件跨壓和控制/切換電路的耗電，此調(diào)整器在低功率模式中的效率低于50%。
[0054]圖2所示為根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的應(yīng)用在裝置200中的非線性切換式調(diào)整器210。非線性切換式調(diào)整器210系用以控制自電源220至功率負(fù)載280的供電。非線性切換式調(diào)整器210取代了圖1中，已知技術(shù)采用的，用于低功率模式的線性調(diào)整器190。非線性切換式調(diào)整器210 (以下簡(jiǎn)稱為切換式調(diào)整器210)包含脈沖控制單元212、快速時(shí)脈214、控制組態(tài)選擇單元216、慢速控制單元218。此外，裝置200中還有切換及儲(chǔ)存元件230-260與輸出電壓感應(yīng)點(diǎn)270?？刂平M態(tài)選擇單元216負(fù)責(zé)切換低功率和高功率模式。在低功率模式中，慢速控制單元218被啟動(dòng)以控制切換元件230，而快速時(shí)脈214及脈沖控制單元212被停用。在高功率模式中，快速時(shí)脈214和脈沖控制單元212被啟動(dòng)，而慢速控制單元218被停用。在另一實(shí)施例中，低功率電路與高功率電路可適當(dāng)共用部分元件。
[0055]微控制器285負(fù)責(zé)控制高功率模式和低功率模式之間的切換。微控制器285產(chǎn)生的控制信號(hào)被傳送至控制組態(tài)選擇單元216，以便在功率負(fù)載280進(jìn)入休眠模式后將調(diào)整器210切換至低功率模式，或是在功率負(fù)載280離開(kāi)休眠模式前將調(diào)整器210切換至高功率模式。實(shí)務(wù)上，將調(diào)整器210切換至高功率模式的時(shí)間點(diǎn)會(huì)早于功率負(fù)載280被喚醒的時(shí)間，藉此令快速時(shí)脈214提前趨于穩(wěn)定并恢復(fù)正常系統(tǒng)供電。
[0056]在低功率模式中，慢速控制單元218依一相當(dāng)?shù)偷念l率進(jìn)行不連續(xù)切換模式轉(zhuǎn)換。用以控制切換元件230的脈沖信號(hào)可由一低頻率振蕩器(例如許多系統(tǒng)用以計(jì)時(shí)的32千赫時(shí)脈產(chǎn)生器)或是一特定電路(例如低功率弛緩振蕩器)產(chǎn)生。
[0057]切換速率的降低可能會(huì)導(dǎo)致在高功率模式中不能容許的輸出電壓大波動(dòng)。然而，由于單芯片系統(tǒng)(system on chip, SoC)和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)于低功率模式中不受時(shí)脈信號(hào)驅(qū)動(dòng)，僅需維持其狀態(tài)，此大波動(dòng)在低功率模式中是可接受的。因此，盡管有波動(dòng)，只要平均輸出電壓Vout保持穩(wěn)定且輸出電壓Vout保持高于一保持電壓門檻值，調(diào)整器210便可操作在低功率模式。
[0058]慢速控制單元218透過(guò)輸出電壓感應(yīng)點(diǎn)270檢測(cè)輸出電壓Vout是否低于一預(yù)設(shè)門檻值；此預(yù)設(shè)門檻值被設(shè)定為高于上述保持電壓門檻值。當(dāng)輸出電壓Vout低于該預(yù)設(shè)門檻值，慢速控制218便控制切換元件230，使電流自電源(例如電池)220傳送至儲(chǔ)存元件250、260，進(jìn)而將輸出電壓提升為高于該預(yù)設(shè)門檻值。
[0059]電流脈沖的大小僅與其脈沖長(zhǎng)度相關(guān)。最大脈沖長(zhǎng)度受限于功率負(fù)載280能承受的波動(dòng)程度。為了配合低電流模式中的波動(dòng)需求，慢速控制單元218必須依一平均速率提供短于或等于最大脈沖長(zhǎng)度的脈沖，以符合負(fù)載電流需求。于一實(shí)施例中，上述目標(biāo)可利用依一預(yù)定低頻提供脈沖來(lái)達(dá)成；藉由略過(guò)某些脈沖，平均速率可依需要被調(diào)整。在另一實(shí)施例中，平均速率可根據(jù)在輸出電壓感應(yīng)點(diǎn)270檢測(cè)到的電壓來(lái)調(diào)整。在另一實(shí)施例中，針對(duì)在低電流模式中有嚴(yán)格波動(dòng)限制的負(fù)載，可利用較高頻率的窄電流脈沖來(lái)減少波動(dòng)。
[0060]圖3繪示了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例中兼有高功率及低功率切換模式的切換式調(diào)整器310。此調(diào)整器優(yōu)先受溫度/電流感應(yīng)結(jié)果的控制?？刂平M態(tài)選擇單元316用于切換低功率及高功率模式。在低功率模式中，慢速控制單元318被啟用以控制切換電路330，而快速時(shí)脈314和脈沖控制312被停用。在高功率模式中，快速時(shí)脈314和脈沖控制312被啟用，而慢速控制單元318被停用。
[0061]此實(shí)施例的控制組態(tài)選擇單元316包含溫度/電流感應(yīng)電路，其感應(yīng)結(jié)果的優(yōu)先程度高于來(lái)自于微控制器385的模式選擇信號(hào)。若溫度上升，由于電子兀件中的漏電流隨的上升或是外部溫度變異，低功率模式中的負(fù)載電流可能會(huì)增加。在這個(gè)情況下，溫度感應(yīng)器316A或電流感應(yīng)器316B會(huì)要求控制組態(tài)選擇單元316選擇較高功率模式，以符合上升后的電流需求。一旦電流感應(yīng)器316B和溫度感應(yīng)器316A的感應(yīng)結(jié)果回到低于切換門檻值，控制組態(tài)選擇單元316便將切換式調(diào)整器310切換回低功率模式。在另一實(shí)施例中，溫度及電流感應(yīng)可被設(shè)置于切換式調(diào)整器控制電路之外，并且直接與微控制器385相連。[0062]在高功率狀態(tài)即將發(fā)生之前，就必須切換至高功率模式?？刂平M態(tài)選擇單元316自微控制器385接收控制信號(hào)，在狀態(tài)變換發(fā)生前重新初始化高功率模式。
[0063]在另一實(shí)施例中，用于模式變換的控制信號(hào)(例如使用者輸入)可被直接傳遞至控制組態(tài)選擇單元316。控制組態(tài)選擇單元316隨后會(huì)通知微控制器385此模式變換要求，以將功率負(fù)載380切換至正確的功率狀態(tài)。
[0064]圖4為根據(jù)本發(fā)明的一控制方法實(shí)施例的流程圖。適用此控制方法的裝置具有單一高功率狀態(tài)與單一低功率狀態(tài)。在啟動(dòng)電源的步驟410中，該裝置被設(shè)定為高功率狀態(tài)，以進(jìn)行其初始程序。步驟420為選擇高功率控制模式。在步驟430中，調(diào)整器趨于穩(wěn)定、能開(kāi)始供給所需的輸出功率，也就是高功率狀態(tài)被啟動(dòng)。微控制器維持此高功率狀態(tài)，直到出現(xiàn)改變輸出功率大小的要求。
[0065]當(dāng)微控制器檢測(cè)到應(yīng)進(jìn)入低功率狀態(tài)，例如在該裝置的休眠模式開(kāi)始時(shí)，微控制器在步驟440中啟動(dòng)低功率狀態(tài)。在步驟450中，控制電路中的控制組態(tài)選擇單元選擇調(diào)整器的低功率模式。調(diào)整器維持此低功率模式，直到微控制器檢測(cè)到進(jìn)一步的狀態(tài)變換。
[0066]圖5為根據(jù)本發(fā)明的另一控制方法實(shí)施例的流程圖。此控制方法適用的裝置具有一高功率狀態(tài)與一低功率狀態(tài)，且包含電流及溫度感應(yīng)器。在啟動(dòng)電源的步驟510中，該裝置被設(shè)定為高功率狀態(tài)，以進(jìn)行其初始程序。步驟520為選擇高功率控制模式。在步驟530中，調(diào)整器趨于穩(wěn)定、能開(kāi)始供給所需的輸出功率，也就是高功率狀態(tài)被啟動(dòng)。微控制器維持此高功率狀態(tài)，直到出現(xiàn)改變輸出功率大小的要求。
[0067]當(dāng)微控制器檢測(cè)到應(yīng)進(jìn)入低功率狀態(tài)，微控制器在步驟540中啟動(dòng)低功率狀態(tài)。請(qǐng)參閱圖3，假設(shè)溫度感應(yīng)器316A和電流感應(yīng)器316B的感應(yīng)結(jié)果達(dá)到一定程度，控制組態(tài)選擇單元316在步驟550中將切換式調(diào)整器切換至低功率模式。當(dāng)微控制器在低功率狀態(tài)中，控制組態(tài)選擇單元316持續(xù)監(jiān)控溫度和電流高低是否超出一預(yù)設(shè)門檻值。控制組態(tài)選擇單元316于步驟560將調(diào)整器切換至高功率模式，以提供額外的電流。微控制器隨后可決定要保持在低功率狀態(tài)或切換至高功率狀態(tài)(如步驟530所示，將該裝置喚醒)。若微控制器于步驟540維持在低功率狀態(tài)，當(dāng)溫度和電流隨后下降至低于預(yù)設(shè)門檻值，控制組態(tài)選擇316于步驟550重新選擇低功率模式。
[0068]當(dāng)微控制器收到進(jìn)入高功率狀態(tài)的要求，在微控制器于步驟530被允許切換至高功率狀態(tài)之前，控制組態(tài)選擇單元316于步驟520將調(diào)整器切換至高功率模式。
[0069]圖6繪示了根據(jù)本發(fā)明的一控制方法實(shí)施例的簡(jiǎn)化流程圖，此控制方法適用于具有多個(gè)高功率狀態(tài)與低功率狀態(tài)的裝置。每一種功率狀態(tài)都有其最佳化模式。步驟610為啟動(dòng)電源。步驟620則是為調(diào)整器選擇一初始功率模式。一旦調(diào)整器趨于穩(wěn)定、能開(kāi)始供給所需的輸出功率，微控制器于步驟630啟動(dòng)適當(dāng)?shù)墓β薁顟B(tài)。微控制器維持選定的功率狀態(tài)，直到出現(xiàn)改變輸出功率大小的要求。
[0070]當(dāng)微控制器檢測(cè)到一功率狀態(tài)變化需求，便會(huì)決定是否需要較多或較少的功率。假設(shè)需要較多的功率，在微控制器于步驟650啟動(dòng)一新的較高功率狀態(tài)之前，調(diào)整器于步驟640被切換至新的較高功率模式。如果所需功率較少或相同，在控制組態(tài)選擇單元316于步驟670將調(diào)整器切換至新功率模式之前，微控制器于步驟660進(jìn)入新的較低功率狀態(tài)。微控制器維持新的功率狀態(tài)，直到出現(xiàn)進(jìn)一步改變的需求。如同圖5所示的實(shí)施例，若檢測(cè)到溫度或電流發(fā)生變化，可要求改變功率模式。[0071]圖7呈現(xiàn)了先前技術(shù)的效率/負(fù)載電流關(guān)系圖。由高功率模式曲線710可看出典型切換式調(diào)整器的效率/負(fù)載電流相對(duì)關(guān)系。由低功率模式曲線720可看出典型低壓降調(diào)整器(LDO)的效率/負(fù)載電流相對(duì)關(guān)系。低壓降調(diào)整器的效率不可能超過(guò)Vout/Vin的比例。自切換式調(diào)整器至低壓降調(diào)整器的切換通常發(fā)生在負(fù)載電流小于I毫安培，大約是切換式調(diào)整器的效率低于50%時(shí)。
[0072]圖8呈現(xiàn)了根據(jù)本發(fā)明的效率/負(fù)載電流關(guān)系圖。由于高功率模式控制不變，圖8與圖7中的高功率模式曲線710相同。低功率模式曲線820用以表示當(dāng)切換式調(diào)整器采用低頻率切換模式轉(zhuǎn)換時(shí)的效率/負(fù)載電流關(guān)系。自快速時(shí)脈314至慢速控制單元318的轉(zhuǎn)換可被安排為維持調(diào)整器的效率高于75%。
[0073]假設(shè)負(fù)載電流1ut為200毫安培而Vout為1.2伏特(由3.6伏特電池供應(yīng))，低功率模式控制的轉(zhuǎn)換效率為75%，電池電流為88.9安培。由圖8可看出傳統(tǒng)線性調(diào)整器或低壓降調(diào)整器在低功率模式中會(huì)自電池吸收200毫安培，且效率為33%。由此可推知，采用根據(jù)本發(fā)明的低頻率切換模式轉(zhuǎn)換達(dá)成的電池電流減量為55%。
[0074]圖9呈現(xiàn)了高功率模式控制910和低功率模式控制920的波動(dòng)電壓/負(fù)載電流關(guān)系圖。在低負(fù)載電流區(qū)域，高功率及低功率模式的波動(dòng)量很接近。當(dāng)負(fù)載電流1ut為I毫安培，在低功率模式中采用低頻切換模式轉(zhuǎn)換造成的波動(dòng)變得不可接受。在這個(gè)情況下，可藉由依較高頻率提供較小的電流轉(zhuǎn)換脈沖來(lái)減少波動(dòng)。這種做法會(huì)使控制電路310的損耗輕微上升，但較高的輸出功率表示整體效率會(huì)被提升至大約85%(當(dāng)電池電流為400毫安培)。低壓降調(diào)整器于低功率模式通常自電池吸收I毫安培，其效率為33%。因此，利用低頻率切換模式轉(zhuǎn)換可達(dá)成60%的電池電流減量。
[0075]當(dāng)負(fù)載電流高于I毫安培，高功率模式控制被回復(fù)。采用高頻率切換模式轉(zhuǎn)換可維持其效率高于75%。
[0076]藉由關(guān)閉不必要電路(例如高頻率振蕩器)，并采用低頻率切換模式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換控制電路的功率損耗被降低。這表示了低功率模式中的電壓轉(zhuǎn)換效率可接近于高功率模式中的電壓轉(zhuǎn)換效率，其代價(jià)為休眠狀態(tài)中的電路能容忍的較大電壓波動(dòng)。
[0077]藉由以上較佳具體實(shí)施例的詳述，希望能更加清楚描述本發(fā)明的特征與精神，而并非以上述所揭示的較佳具體實(shí)施例來(lái)對(duì)本發(fā)明的范疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排于本發(fā)明所欲申請(qǐng)的專利范圍的范疇內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種切換式調(diào)整器，用以控制自一電源至一功率負(fù)載間的供電，包含: 一控制組態(tài)選擇單元，回應(yīng)一控制信號(hào)而選擇一高功率模式或一低功率模式，該控制信號(hào)與該功率負(fù)載的一狀態(tài)相關(guān)； 一第一控制單元，當(dāng)該控制組態(tài)選擇單元選擇該高功率模式，該第一控制單元被啟動(dòng)；以及 一第二控制單元，當(dāng)該控制組態(tài)選擇單元選擇該低功率模式，第二控制單元被啟動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的切換式調(diào)整器，其特征在于，該低功率模式的一目標(biāo)輸出電壓被設(shè)定為與一裝置的一保持電壓相關(guān)。
3.如權(quán)利要求2所述的切換式調(diào)整器，其特征在于，當(dāng)該切換式調(diào)整器的一輸出電壓低于該目標(biāo)輸出電壓，該第二控制單元被配置用來(lái)增加一能量供應(yīng)，以維持該切換式調(diào)整器的該輸出電壓高于該保持電壓。
4.如權(quán)利要求1所述的切換式調(diào)整器，其特征在于，當(dāng)該第一控制單元被啟動(dòng)，該第一控制單元依一第一頻率輸出多個(gè)切換脈沖，當(dāng)該第二控制單元被啟動(dòng)，該第二控制單元依一第二頻率輸出多個(gè)切換脈沖，該第二頻率低于該第一頻率。
5.如權(quán)利要求4所述的切換式調(diào)整器，其特征在于，該第二控制單元依一第三頻率輸出多個(gè)切換脈沖，該第三頻率高于該第二頻率，依該第三頻率輸出的該多個(gè)切換脈沖能維持供應(yīng)至該功率負(fù)載的該輸出電壓高于該保持電壓。
6.如權(quán)利要求1所述的切換式調(diào)整器，其特征在于，該第二控制單元被設(shè)計(jì)為其功率消耗低于該第一控制單元的功率消耗。
7.如權(quán)利要求1所述的切換式調(diào)整器，其特征在于，該第二控制單元輸出的多個(gè)切換脈沖的特征被設(shè)計(jì)為與該功率負(fù)載所能容忍的一最大電壓波動(dòng)相關(guān)。
8.如權(quán)利要求1所述的切換式調(diào)整器，其特征在于，進(jìn)一步包含一個(gè)或多個(gè)感應(yīng)器，用以測(cè)量該功率負(fù)載的至少一物理特性，以決定該控制組態(tài)選擇單元啟動(dòng)該第一控制單元或該第二控制單元。
9.如權(quán)利要求8所述的切換式調(diào)整器，其特征在于，該感應(yīng)器為一電壓感應(yīng)器。
10.如權(quán)利要求8所述的切換式調(diào)整器，其特征在于，該感應(yīng)器為一溫度感應(yīng)器。
11.如權(quán)利要求8所述的切換式調(diào)整器，其特征在于，該感應(yīng)器針對(duì)該高功率模式及該低功率模式采用不同的感應(yīng)門檻值，以降低該高功率模式及該低功率模式間的一轉(zhuǎn)換頻率。
12.如權(quán)利要求8所述的切換式調(diào)整器，其特征在于，該感應(yīng)器為一電流感應(yīng)器。
13.如權(quán)利要求12所述的切換式調(diào)整器，其特征在于，該電流感應(yīng)器用以測(cè)量一特定時(shí)段中的多個(gè)切換脈沖所產(chǎn)生的一累積電流，以決定該控制組態(tài)選擇單元是否選擇另一功率模式。
14.如權(quán)利要求13所述的切換式調(diào)整器，其特征在于，該電流感應(yīng)器系根據(jù)該多個(gè)切換脈沖的數(shù)量或大小測(cè)量該累積電流。
15.如權(quán)利要求1所述的切換式調(diào)整器，其特征在于，當(dāng)該第二控制單元被啟動(dòng)，該控制組態(tài)選擇單元監(jiān)控一個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)，以檢測(cè)該功率負(fù)載即將發(fā)生的一狀態(tài)轉(zhuǎn)變，并且在該功率負(fù)載回到一高功率狀態(tài)前重新啟動(dòng)該第一控制單元。
16.—種控制方法,用于一切換式調(diào)整器，以控制自一電源至一功率負(fù)載間的供電，該方法包含: 回應(yīng)于一控制信號(hào)而選擇一高功率模式或一低功率模式，該控制信號(hào)與該功率負(fù)載的一狀態(tài)相關(guān)； 當(dāng)該高功率模式被選擇，啟動(dòng)一第一控制單元；以及 當(dāng)該低功率模式被選擇，啟動(dòng)一第二控制單元。
17.如權(quán)利要求16所述的控制方法，其特征在于，進(jìn)一步包含: 在該低功率模式下設(shè)定一目標(biāo)輸出電壓使得該目標(biāo)輸出電壓相關(guān)于一裝置的一保持電壓。
18.如權(quán)利要求17所述的控制方法，其特征在于，進(jìn)一步包含: 當(dāng)一輸出電壓低于該目標(biāo)輸出電壓，該第二控制單兀增加一能量供應(yīng)以維持該輸出電壓高于該保持電壓。
19.如權(quán)利要求16所述的控制方法，其特征在于，進(jìn)一步包含: 當(dāng)該第一控制單元被啟動(dòng)，自該第一控制單元依一第一頻率輸出多個(gè)切換脈沖；以及當(dāng)該第二控制單元被啟動(dòng)，自該第二控制單元依一第二頻率輸出多個(gè)切換脈沖，該第二頻率低于該第一頻率。
20.如權(quán)利要求16所述的控制方法，其特征在于，進(jìn)一步包含: 設(shè)計(jì)該多個(gè)切換脈沖的至少一特征使得該特征有關(guān)于該功率負(fù)載可容忍的一最大電壓波動(dòng)。
【文檔編號(hào)】H02M3/10GK103546029SQ201210448519
【公開(kāi)日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2012年11月9日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月11日
【發(fā)明者】S·喬治-凱爾索, 法藍(lán)·包德 申請(qǐng)人:開(kāi)曼晨星半導(dǎo)體公司, 晨星軟件研發(fā)(深圳)有限公司, 晨星半導(dǎo)體股份有限公司