具有定时跳转控制的电压产生电路

【技术领域】

本发明关于一种电压产生电路，尤指一种具有定时跳转控制的电压产生电路，以避免多个输出之间发生交叉调节(cross-regulation)。

【背景技术】

直流转换器是一种电子电路，可将输入的直流电源电压转换为振幅大于或小于输入直流电源电压的输出直流电压。在现有的直流-直流转换器实施技术中，单电感器多输出(single inductor multiple-output，缩写为SIMO)的直流-直流转换器为经济效益非常高的一种解决方案，因其仅需一个电感器即可提供多个稳压输出。

然而，多个输出之间的交叉调节是单电感器多输出直流-直流转换器的缺陷。特别是，当两个输出电压之间的差异很大时，交叉调节可能致使输出电压逐渐偏离其目标电压电平，最终无法提供稳压输出。

为解决此问题，需要一种具有定时跳转控制的新颖的直流-直流转换器设计。

【发明内容】

本发明的一目的在于提供一种电压产生电路及相关的控制信号产生电路，以解决前述问题。

根据本发明的一实施例，一种电压产生电路包括一输入级、一控制级、一电感器以及一输出级。输入级包括多个比较器以及一多路复用器。各比较器分别接收一输入电压与一参考电压，并且根据输入电压与参考电压产生一比较结果。多路复用器耦接这些比较器，用于输出一电压控制信号，其中电压控制信号依序承载比较器的比较结果。控制级响应于电压控制信号控制一电源与一第一节点之间的一充电路径的导通状态。电感器耦接于第一节点与第二节点之间。输出级包括多个输出开关，各输出开关分别耦接至第二节点，并且分别响应于对应的一切换控制信号选择性地被导通。切换控制信号根据电压控制信号被产生，并且切换控制信号的多个上升沿与多个下降沿相互交错。

根据本发明的另一实施例，一种电压产生电路包括一输入级、一控制级、一电感器以及一输出级。输入级包括第一比较器、第二比较器以及多路复用器。第一比较器用于接收第一输入电压与第一参考电压，并且根据第一输入电压与第一参考电压产生第一比较结果。第二比较器用于接收第二输入电压与第二参考电压，并且根据第二输入电压与第二参考电压产生第二比较结果。控制级响应于电压控制信号控制一电源与一第一节点之间的一充电路径的导通状态。电感器耦接于第一节点与第二节点之间。输出级包括第一输出开关与第二输出开关。第一输出开关耦接至第二节点，并且响应于第一切换控制信号选择性地被导通。第二输出开关耦接至第二节点，并且响应于第二切换控制信号选择性地被导通。第一切换控制信号与第二切换控制信号根据电压控制信号被产生，并且第一切换控制信号的多个上升沿及多个下降沿与第二切换控制信号的多个上升沿及多个下降沿相互交错。

根据本发明的又另一实施例，一种电压产生电路包括一输入级、一控制级、一电感器以及一输出级。输入级包括一预定数量的比较器以及多路复用器。各比较器分别接收输入电压与参考电压，并且根据输入电压与参考电压产生比较结果。多路复用器耦接这些比较器，用于接收一预定数量的比较器控制信号，并且输出一电压控制信号，其中电压控制信号依序承载比较器的比较结果，并且多路复用器响应于比较器控制信号控制比较结果的输出。控制级响应于电压控制信号控制一电源与一第一节点之间的一充电路径的导通状态。电感器耦接于第一节点与第二节点之间。输出级包括一预定数量的输出开关。各输出开关分别耦接至第二节点，并且分别响应于对应的一切换控制信号选择性地被导通。切换控制信号根据电压控制信号被产生，并且被供应至第n个输出开关的切换控制信号的多个上升沿及多个下降沿与第n个比较器控制信号的多个上升沿及多个下降沿不重叠，并且其中n为小于或等于预定数量的一正整数。

【附图说明】

图1是显示根据本发明的一实施例所述的电压产生电路的电路图。

图2是显示根据本发明的一实施例所述的控制信号产生电路的电路图。

图3是显示根据本发明的一实施例所述由控制信号产生电路产生的比较器控制信号、预切换控制信号、输出电压、电压控制信号以及切换控制信号的波形图。

图4是显示根据本发明的一实施例所述的控制信号产生电路的电路图。

图5是显示根据本发明的另一实施例所述的控制信号产生电路的电路图。

图6是显示根据本发明的一实施例所述的当N＝3时比较器控制信号与预切换控制信号的波形图。

图7是显示根据本发明的又另一实施例所述的控制信号产生电路的电路图。

图8是显示根据本发明的一实施例所述的当N>3时比较器控制信号与预切换控制信号的波形图。

【符号说明】

100:电压产生电路

110:输入级

111:多路复用器

120:控制级

121,122:开关装置

130:电感器

140:输出级

200,500,700:控制信号产生电路

210,510,710:非重叠信号产生器

211,212,213,214:反相器

215:或门

216:与门

217,218:与非门

220_1,220_2,520_1,520_2,520_3,720_1,720_2,720_(N-1),720_N:正反器电路

221,222:D型正反器

CLK:频率信号

CK:频率端

CMP_1,CMP_2,CMP_N:比较器

D:输入端

N1:第一节点

N2:第二节点

OP_SW_1,OP_SW_2,OP_SW_N:输出开关

Q,

Pre_SW_Ctrl_1,Pre_SW_Ctrl_2,Pre_SW_Ctrl_3,Pre_SW_Ctrl_(N-1),Pre_SW_Ctrl_N:预切换控制信号

SW1～SW_N:开关

S_1,S_2,S_3,S_N:比较器控制信号

SW1,SW_2,SW_N:开关

SW_Ctrl_1,SW_Ctrl_2,SW_Ctrl_3,SW_Ctrl_(N-1),SW_Ctrl_N:切换控制信号

Reset:重置端

VCTRL:电压控制信号

VO_1,VO_2,VO_N:输出电压

VREF_1,VREF_2,VREF_N:参考电压

VHYS_1,VHYS_2:迟滞电压范围

【具体实施方式】

图1是显示根据本发明的一实施例所述的电压产生电路的电路图。电压产生电路100可为一单电感器多输出(SIMO)的直流-直流转换器，其可产生一预定数量(例如，图中所示的N，其中N为大于1的正整数)的稳压输出。

电压产生电路100可包括一输入级110、一控制级120、一电感器130以及一输出级140。输入级110可包括多个比较器(例如，图中所示的N个比较器CMP_1～CMP_N)以及多路复用器111。各比较器分别用于接收一输入电压与一参考电压，并且根据对应的输入电压与对应的参考电压产生一比较结果。根据本发明的一实施例，产生于输出开关OP_SW_n的一端点的对应的输出电压VO_n会被反馈至对应的比较器CMP__n的一输入端。即，比较器CMP__n的输入电压与对应的输出电压VO_n会相同。因此，在本发明的实施例中，比较器CMP_1～CMP_N的输入电压分别为对应的输出电压VO_1～VO_n。例如，比较器CMP_1用于接收输出电压VO_1与参考电压VREF_1，并且根据收输出电压VO_1与参考电压VREF_1产生一比较结果。多路复用器111耦接至比较器CMP_1～CMP_N，用于接收多个比较器控制信号S_1～S_N，并且响应于比较器控制信号S_1～S_N控制比较器CMP_1～CMP_N的比较结果的输出。

在本发明的一实施例中，比较器控制信号S_1～S_N可依序被致能(例如，信号电平被拉高或拉低)，用于导通对应的开关SW_1～SW_N。当开关SW_n响应于对应的比较器控制信号S_n被导通时，对应的比较器CMP_n的比较结果会被输出作为电压控制信号VCTRL的一部分，其中n为大于或等于预定数量N的一正整数。因此，在本发明的实施例中，由多路复用器111所输出的电压控制信号可依序承载比较器CMP_1～CMP_N的比较结果。

控制级120可包括一或多个开关装置，例如开关装置121与122。开关装置可以是，例如但不限于，晶体管、金属氧化半导体场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，缩写为MOSFET)、功率金属氧化半导体场效晶体管、或其他。控制级120响应于电压控制信号VCTRL控制一电源与一第一节点N1之间的一充电路径的导通状态。电感130耦接于第一节点N1与第二节点N2之间。

输出级140可包括多个输出开关(例如，图中所示的N个输出开关OP_SW_1～OP_SW_N)。各输出开关分别耦接至第二节点N2，并且分别响应于对应的一切换控制信号(例如，图中所示的N个切换控制信号SW_Ctrl_1～SW_Ctrl_N)选择性地被导通或不导通。例如，当输出开关OP_SW_n响应于对应的切换控制信号SW_Ctrl_n被导通时，耦接至输出开关OP_SW_n的外部电容会被连接至第二端点N2，并且当电源与第一节点N1的间的充电路径在控制级120的控制下被导通时，外部电容会被充电，并且产生于外部电容的一端点的输出电压VO_n将上升。

在传统设计中，输出开关OP_SW_1～OP_SW_N响应于切换控制信号SW_Ctrl_1～SW_Ctrl_N依序被导通。当输出开关OP_SW_n被导通时，无论此时是否需要对外部电容充电，当前被储存于电感器130的能量(此能量是基于先前充电操作被产生)都会被注入对应的外部电容。当两个输出电压(例如，VO_(n-1)与VO_n)差异很大时，由于注入外部电容的能量已超过其所需的能量，将发生交叉调节。交叉调节会造成输出电压VO_n逐渐偏离其目标电压电平，并且最终可能导致此输出端点无法提供稳压输出。

为解决此问题，在本发明的实施例中，切换控制信号SW_Ctrl_1～SW_Ctrl_N可根据电压控制信号VCTRL被产生，并且输出开关(例如，输出开关OP_SW_n)仅在电压控制信号VCTRL响应于对应的比较器(例如，比较CMP_n)的代表对应的输入电压(例如，电压VO_n)低于对应的参考电压(例如，参考电压VREF_n)的一状态的比较结果被设定为一预定电平时被导通，用于连接外部电容至第二节点N2。

为了产生具有定时跳转控制特性的切换控制信号SW_Ctrl_1～SW_Ctrl_N，电压产生电路(例如，图1所示的电压产生电路100)可还包括一控制信号产生电路。

图2是显示根据本发明的一实施例所述的控制信号产生电路的电路图。控制信号产生电路200为实施于N＝2的一范例电路。控制信号产生电路200用于产生切换控制信号SW_Ctrl_1与SW_Ctrl_2，并且可包括一非重叠信号产生器210以及多个正反器电路220_1与220_2。非重叠信号产生器210用于根据一频率信号CLK产生一比较器控制信号S_1与S_2以及预切换控制信号Pre_SW_Ctrl_1与Pre_SW_Ctrl_2。

根据本发明的一实施例，比较器控制信号的多个上升沿的一部分重叠于比较器控制信号的多个的下降沿的一部分。此外，比较器控制信号的上升沿及下降沿与预切换控制信号的上升沿及下降沿为交织或相互交错的(或，不重叠)。

图3是显示根据本发明的一实施例所述由图2所示的控制信号产生电路200产生的比较器控制信号、预切换控制信号、输出电压、电压控制信号以及切换控制信号的波形图。根据本发明的一实施例，比较器控制信号S_1的下降沿与比较器控制信号S_2的上升沿对齐，并且比较器控制信号S_2的下降沿与比较器控制信号S_1的上升沿对齐。此外，比较器控制信号S_1的上升沿与下降沿与预切换控制信号Pre_SW_Ctrl_1的上升沿与下降沿为交织或相互交错的，并且比较器控制信号S_2的上升沿与下降沿与预切换控制信号Pre_SW_Ctrl_2的上升沿与下降沿为交织或相互交错的。换言之，由本发明所提出的非重叠信号产生器(例如，210)所产生的比较器控制信号S_1的上升沿与下降沿与预切换控制信号Pre_SW_Ctrl_1的上升沿与下降沿不会重叠，并且由本发明所提出的非重叠信号产生器(例如，210)所产生的比较器控制信号S_2的上升沿与下降沿与预切换控制信号Pre_SW_Ctrl_2的上升沿与下降沿不会重叠。

因此，根据本发明的一实施例，预切换控制信号Pre_SW_Ctrl_1与Pre_SW_Ctrl_2的上升沿与下降沿为交织或相互交错的(或，不重叠)，并且比较器控制信号S_1～S_2的上升沿与下降沿与预切换控制信号Pre_SW_Ctrl_1～Pre_SW_Ctrl_2的上升沿与下降沿为交织或相互交错的(或，不重叠)。

参考回图2，正反器电路220_1用于接收电压控制信号VCTRL、比较器控制信号S_2以及预切换控制信号Pre_SW_Ctrl_1，并且根据电压控制信号VCTRL、比较器控制信号S_2以及预切换控制信号Pre_SW_Ctrl_1产生切换控制信号SW_Ctrl_1。正反器电路220_1可包括一D型正反器221。根据本发明的一实施例，电压控制信号VCTRL(或者，取决于电压控制信号VCTRL被设计的逻辑电平，也可以是如图2所示的经由一反相器产生的反相的电压控制信号VCTRL)可被供应至D型正反器221的输入端D，预切换控制信号Pre_SW_Ctrl_1可被供应至D型正反器221的频率端CK，并且比较器控制信号S_2可被供应至D型正反器221的重置端Reset。

正反器电路220_2用于接收电压控制信号VCTRL、比较器控制信号S_1以及预切换控制信号Pre_SW_Ctrl_2，并且根据电压控制信号VCTRL、比较器控制信号S_1以及预切换控制信号Pre_SW_Ctrl_2产生切换控制信号SW_Ctrl_2。正反器电路220_2可包括一D型正反器222。根据本发明的一实施例，电压控制信号VCTRL(或者，取决于电压控制信号VCTRL被设计的逻辑电平，也可以是如图2所示的经由一反相器产生的反相的电压控制信号VCTRL)可被供应至D型正反器222的输入端D，预切换控制信号Pre_SW_Ctrl_2可被供应至D型正反器222的频率端CK，并且比较器控制信号S_1可被供应至D型正反器222的重置端Reset。

在本发明的实施例中，切换控制信号SW_Ctrl_1～SW_Ctrl_N的上升沿与下降沿为交织或相互交错的(或，不重叠)。

根据本发明的一实施例，图1所示的比较器CMP_1～CMP_N可为迟滞型(hysteresis)比较器，但本发明并不限于此。迟滞型比较器可具有对应的一迟滞电压范围，例如图3所示的迟滞电压范围VHYS_1与VHYS_2。迟滞电压范围可由一上边界电压与一下边界电压所定义，并且参考电压VREF_n可被设定为上边界电压与下边界电压的平均值。迟滞电压范围可根据比较器CMP_n所需的灵敏度弹性地被设计。

参考回图3，根据本发明的一实施例，由于输出电压VO_1并未下降至低于迟滞电压范围VHYS_1的下边界电压的电压电平，在比较器控制信号S_1被致能期间(例如，当一脉冲抵达的期间，或者当比较器控制信号S_1的电压被拉高的期间)，电压控制信号VCTRL会被维持在高电平。

另一方面，由于当比较器控制信号S_2被致能期间，输出电压VO_2下降至低于迟滞电压范围VHYS_2的下边界电压的电压电平，电压控制信号VCTRL可被设定为一预定电平(例如，被拉低)，用于代表比较器CMP_2所对应的输入电压(例如，电压VO_2)低于对应的参考电压(例如，电压VREF_2)的一状态或者输入电压低于参考电压VREF_2所对应的迟滞电压范围VHYS_2的下边界电压的一状态。需注意的是，当比较器非迟滞型比较器时，电压控制信号VCTRL可被设定为前述预定电平用于代表比较器所对应的输入电压低于对应的参考电压的一状态。

取决于不同的比较器电路设计，当输出电压(或者，比较器CMP_n所对应的输入电压)上升至高于对应的参考电压VREF_n的电压电平或如图3所示到达参考电压VREF_n的迟滞电压范围的上边界电压的电压电平时，电压控制信号VCTRL可再度被拉高。

值得注意的是，在比较器控制信号S_n被致能期间(例如，一脉冲抵达的期间，或者当比较器控制信号S_n的电压被拉高的期间)，开关SW_n会响应于对应的比较器控制信号S_n被导通，并且比较器CMP_n所对应的比较结果会被输出作为电压控制信号VCTRL的一部分。控制级120接收电压控制信号VCTRL，并且响应于电压控制信号VCTRL控制电源与第一节点N1之间的充电路径的导通状态。举例而言，当电压控制信号VCTRL响应于比较器CMP_n的用于代表对应的输入电压(例如，电压VO_n)低于对应的参考电压(例如，VREF_n)或者低于对应的参考电压的迟滞电压范围VHYS_2的下边界电压的电压电平的一状态的比较结果被设定为预定电平时，电源与第一节点N1之间的充电路径会被导通，用于透过电感130与输出级对应的路径对外部电容充电，其中输出级对应的路径会通过对应的输出开关OP_SW_n响应于对应的切换控制信号SW_Ctrl_n被导通。

另一方面，当电压控制信号VCTRL未被设定为前述预定电平时，电源与第一节点N1之间的充电路径不会被导通，因此不会对外部电容充电。

图4是显示根据本发明的一实施例所述的非重叠信号产生器210的电路图。非重叠信号产生器210可包括多个反相器211～214、一或门(OR gate)215、一与门(AND gate)216与多个与非门(NAND gate)217与218，并且用于根据频率信号CLK产生比较器控制信号S_1与S_2及预切换控制信号Pre_SW_Ctrl_1与Pre_SW_Ctrl_2。

值得注意的是，如图4所示的逻辑门与电路仅为非重叠信号产生器实施于N＝2的一种范例。本领域的熟练技术人员当可根据图4所示的电路范例进行多种修改和变化，以推导出当N>＝2时非重叠信号发生器的实施电路。根据本发明的一实施例，在设计非重叠信号产生器时，须满足以下的一或多个条件：(1)当n

图5是显示根据本发明的另一实施例所述的控制信号产生电路的电路图。控制信号产生电路500为控制信号产生电路实施于N＝3的一种范例。控制信号产生电路500用于产生切换控制信号SW_Ctrl_1、SW_Ctrl_2与SW_Ctrl_3，并且包括非重叠信号产生器510与多个正反器电路520_1、520_2与520_3。非重叠信号产生器510用于根据频率信号CLK产生比较器控制信号S_1、S_2与S_3，以及预切换控制信号Pre_SW_Ctrl_1、Pre_SW_Ctrl_2与Pre_SW_Ctrl_3。图6是显示根据本发明的一实施例所述的当N＝3时比较器控制信号与预切换控制信号的波形图。

图7是显示根据本发明的又另一实施例所述的控制信号产生电路的电路图。控制信号产生电路700为控制信号产生电路实施于N>3的一种范例。控制信号产生电路700用于产生切换控制信号SW_Ctrl_1～SW_Ctrl_N，并且包括非重叠信号产生器710与多个正反器电路720_1～720_N。非重叠信号产生器710用于根据频率信号CLK产生比较器控制信号S_1～S_N以及预切换控制信号Pre_SW_Ctrl_1～Pre_SW_Ctrl_N。图8是显示根据本发明的一实施例所述的当N>3时比较器控制信号与预切换控制信号的波形图。

根据本发明的实施例，在N>＝2的实施例中，如图5与图7所示，电压控制信号VCTRL被供应至所有D型正反器的输入端D，第n个预切换控制信号Pre_SW_Ctrl_n被供应至第n个正反器电路的D型正反器的频率端CK，并且当n小于预定数量N时，第(n+1)个比较器控制信号S_(n+1)被供应至第n个正反器电路的D型正反器的重置端Reset，以及当n等于预定数量N时，第一个比较器控制信号S_1被供应至第n个正反器电路的D型正反器的重置端Reset。

根据本发明的一实施例，对于如图6与图8所示N>＝2的情况，当n小于预定数量N时，比较器控制信号S_n的下降沿与比较器控制信号S_(n+1)的上升沿可对齐，以及当n等于预定数量N时，比较器控制信号S_n的下降沿与比较器控制信号S_1的上升沿可对齐。

此外，比较器控制信号S_n的上升沿及下降沿与预切换控制信号Pre_SW_Ctrl_n的上升沿及下降沿为交错的。换言之，由本发明所提出的非重叠信号产生器(例如，210、510与710)所产生的比较器控制信号S_n的上升沿及下降沿与预切换控制信号Pre_SW_Ctrl_n的上升沿及下降沿并不重叠。

因此，根据本发明的一实施例，比较器控制信号S_1～S_N的上升沿及下降沿以及预切换控制信号Pre_SW_Ctrl_1～Pre_SW_Ctrl_N的上升沿及下降沿为相互交错的(或者，并不重叠)。

通过本发明所提出的控制信号产生电路，切换控制信号的时序可根据电压控制信号VCTRL被妥善地控制。如此一来，可达成具有定时跳转控制特性的直流-直流转换器。定时跳转控制为可解决传统交叉调节问题的有效方法。基于本发明所提出的定时跳转控制，电源与外部电容间的充电路径仅会在真正需要执行充电操作时被导通。此外，输出开关同样仅会在真正需要执行充电操作时被导通。因此，相较于无论是否真正需要充电操作，输出开关都会以分时多任务的方式依序被导通的传统设计，本发明的直流-直流转换器的功率耗损亦可明显下降。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。