脉冲频率控制电路、控制系统及其控制方法

技术领域

本公开涉及一种脉冲频率控制电路、控制系统及其控制方法，特别涉及一种降低噪声的脉冲频率控制电路、控制系统及其控制方法。

背景技术

随着科技发展，具有音频编解码器(Audio Codec)或是音频放大器(Audio Amp)电路的便携式电子装置(例如无线蓝牙耳机、手机)已广泛应用在人们的日常生活中。

当这些装置操作在省电模式下，电源供应电路通常使用脉冲频率调制(Pulsefrequency modulation，PFM)来降低整体耗电，以延长装置的待机时间。而当装置中的音频电路负载小、功率低时，可能导致噪声突波(noise spur)进入低频进而导致人耳的不悦感。

因此，如何降低噪声突波为本领域的重要课题。

发明内容

本公开内容的一实施方式涉及一种脉冲频率控制电路，包含第一比较电路、档位切换电路、斜率判定电路、第二比较电路和触发器电路。第一比较电路用以根据电源转换电路的输出电压输出第一信号。档位切换电路用以根据电源转换电路的输出电流输出档位切换信号。斜率判定电路用以输出斜率调制电压，并根据档位切换信号决定斜率调制电压具有第一斜率或第二斜率。第二比较电路用以根据斜率调制电压输出第二信号。触发器电路用以根据第一信号和第二信号输出控制信号至电源转换电路。当斜率调制电压具有第一斜率时，控制信号具有第一频率，当斜率调制电压具有第二斜率时，控制信号具有第二频率，第一频率高于第二频率。

本公开内容的一实施方式涉及一种脉冲频率控制系统，包含电源转换电路和脉冲频率控制电路。电源转换电路用以根据控制信号对负载进行充放电，以产生输出信号。脉冲频率控制电路包含第一比较电路、档位切换电路、斜率判定电路、第二比较电路和触发器电路。第一比较电路用以根据输出信号的输出电压输出第一信号。档位切换电路用以根据输出信号的输出电流输出档位切换信号。斜率判定电路用以输出斜率调制电压，并根据档位切换信号决定斜率调制电压具有第一斜率或第二斜率。第二比较电路用以根据斜率调制电压输出第二信号。触发器电路用以根据第一信号和第二信号输出控制信号至电源转换电路。

本公开内容的另一实施方式涉及一种脉冲频率控制方法，包含：脉冲频率控制电路输出控制信号；电源转换电路根据控制信号对负载进行充放电，以产生输出信号；根据输出信号判断电源转换电路连接的负载是否处于轻载，并判断控制信号的频率是否低于低频方波信号的频率；当负载处于轻载且控制信号的频率低于低频方波信号的频率时，将脉冲频率控制电路的电容阵列切换至第一电容值，以产生具有第一频率的控制信号；以及当负载未处于轻载或控制信号的频率未低于低频方波信号的频率时，将脉冲频率控制电路的电容阵列切换至第二电容值，以产生具有第二频率的控制信号，其中第一电容值小于第二电容值，第一频率高于第二频率。

附图说明

图1为根据本公开内容的实施例的一种脉冲频率控制系统的示意图。

图2为根据本公开内容的实施例的一种脉冲频率控制电路的示意图。

图3为根据本公开内容的图2实施例的一部分具体电路示意图。

图4为根据本公开内容的图3实施例的信号波形示意图。

图5为根据本公开内容的实施例的一种脉冲频率控制方法的流程图。

图6为根据本公开内容的图2实施例的另一部分具体电路示意图。

图7为根据本公开内容的图6实施例的信号波形示意图。

符号说明

900：脉冲频率控制系统

100：脉冲频率控制电路

200：电源转换电路

110、120：比较电路

130：触发器电路(flip-flop、正反器电路)

140：斜率判定电路

150：档位切换电路

BUF1、BUF2：缓冲电路

M1、M2、M3、M4：开关

Lx：电感

Cx、C0、C1、C2、C3：电容

VCC：系统高电压

CS：控制信号

PG、NG：延迟信号

Iout：输出电流

Vout：输出电压

LHZ：低频信号

ZCD：检测信号

CCOT：档位切换信号

REF1、REF2：参考信号

VC：斜率调制电压

SET：第一信号

RE：第二信号

COMP1、COMP2：比较放大器

NOR1、NOR2：或非门(NOR gate，反或闸)

IS：电流源

EN：致能信号

SW[0]～SW[3]：开关

P1～P4、T1～T6：期间

500：脉冲频率控制方法

S510、S520、S530、S540：操作

151：检测电路

FF1、FF2、FF3：触发器

AND1、AND2：与门(AND gate，及闸)

HV：高参考电压

ENL：低频致能信号

Q1、R1、QB2、R2：判别信号

具体实施方式

下文是举实施例配合附图作详细说明，但所描述的具体实施例仅用以解释本公开，并不用来限定本公开，而结构操作的描述非用以限制其执行的顺序，任何由元件重新组合的结构，所产生具有均等技术效果的装置，皆为本公开内容所涵盖的范围。

请参考图1。图1为根据本公开内容的实施例的一种脉冲频率控制系统900的示意图。如图1所示，脉冲频率控制系统900包含脉冲频率控制电路100、缓冲电路BUF1和BUF2，以及电源转换电路200。脉冲频率控制电路100通过缓冲电路BUF1和BUF2连接电源转换电路200。具体而言，脉冲频率控制电路100输出控制信号CS至缓冲电路BUF1和BUF2。缓冲电路BUF1和BUF2分别根据控制信号CS产生延迟信号PG和NG至电源转换电路200。

在部分实施例中，电源转换电路200可由降压变换器(Buck Converter)实现。如图1所示，电源转换电路200包含电感Lx、电容Cx、开关M1和M2。具体而言，开关M1的第一端连接系统高电压VCC。开关M1的控制端接收延迟信号PG。开关M1的第二端和开关M2的第一端连接电感Lx的第一端。开关M2的控制端接收延迟信号NG。开关M2的第二端接地。电感Lx的第二端连接电容Cx的第一端。电容Cx的第二端接地。

操作上，当控制信号CS为低准位时，延迟信号PG和NG亦为低准位，使开关M1导通而开关M2关断，以将系统高电压VCC提供至电感Lx、电容Cx和后端负载(图中未示)进行充电。而当控制信号CS为高准位时，延迟信号PG和NG亦为高准位，使开关M1关断而开关M2导通，以将电感Lx、电容Cx和后端负载接地进行放电。

如此一来，通过控制信号CS的准位，便能使电源转换电路200对负载进行充放电，以产生输出信号(即图1中的输出电流Iout和输出电压Vout)。此外，脉冲频率控制电路100将接收控制信号CS、延迟信号PG和NG、输出电流Iout和输出电压Vout，并根据这些信号进行反馈控制。

请参考图2。图2为根据本公开内容的实施例的一种脉冲频率控制电路100的示意图。如图2所示，脉冲频率控制电路100包含比较电路110和120、触发器电路130、斜率判定电路140，以及档位切换电路150。斜率判定电路140连接档位切换电路150和比较电路120。比较电路110和120分别连接触发器电路130。

操作上，比较电路110根据参考信号REF1和输出电压Vout输出第一信号SET。比较电路120根据参考信号REF2和斜率调制电压VC输出第二信号RE。触发器电路130根据第一信号SET和第二信号RE输出控制信号CS。斜率判定电路140根据延迟信号PG输出斜率调制电压VC，并根据档位切换信号CCOT决定斜率调制电压VC的斜率。档位切换电路150根据低频信号LHZ和检测信号ZCD输出档位切换信号。

请一并参考图3和图4。图3为根据本公开内容的图2实施例的一部分具体电路示意图。图4为根据本公开内容的图3实施例的信号波形示意图。如图3所示，比较电路110和120可分别由比较器COMP1和COMP2实现。触发器电路130可由两个或非门NOR1、NOR2组成的RS触发器所实现。

具体而言，比较器COMP1的两个输入端分别接收参考信号REF1和输出电压Vout。比较器COMP1的输出端连接RS触发器的第一输入端。举例来说，如图4中期间P1所示，当输出电压Vout小于或等于参考信号REF1时，比较器COMP1输出高准位的第一信号SET至或非门NOR1。

比较器COMP2的两个输入端分别接收参考信号REF2和斜率调制电压VC。比较器COMP2的输出端通过非门(NOT gate，反闸)连接RS触发器的第二输入端。举例来说，如图4中期间P2所示，当斜率调制电压VC大于或等于参考信号REF2时，比较器COMP2经由非门输出高准位的第二信号RE至或非门NOR2。

根据RS触发器的逻辑运算，当第一信号SET为高准位时，且RE信号为低准位时，或非门NOR2的输出端将经由非门输出低准位的控制信号CS(如图4期间T1所示)。而当第二信号RE为高准位时，或非门NOR2的输出端将经由非门输出高准位的控制信号CS(如图4期间T2所示)。

此外，在部分实施例中，如图3所示，斜率判定电路140包含电流源IS、开关M3、M4、SW[0]～SW[3]，以及电容C0～C3。具体而言，电流源IS连接于系统高电压VCC和开关M3的第一端之间。开关M3的第二端和开关M4的第一端连接输出端。开关M4的第二端接地。开关SW[0]～SW[3]的第一端连接至输出端。开关SW[0]～SW[3]的第二端分别连接电容C0～C3各自的第一端。电容C0～C3的第二端接地。

操作上，开关M3根据致能信号EN选择性地导通以使系统高电压VCC和电流源IS提供电压电流至输出端。开关M4根据延迟信号PG选择性地导通以使输出端接地。举例来说，如图4中期间T1所示，当致能信号EN位于高准位而延迟信号PG位于低准位时，开关M3导通而开关M4关断，使得输出端的斜率调制电压VC上升。而如图4中期间T2所示，当致能信号EN位于低准位而延迟信号PG位于高准位时，开关M3关断而开关M4导通，使得输出端的斜率调制电压VC变成接地电压准位。

此外，开关SW[0]～SW[3]根据档位切换信号CCOT决定何者导通何者关断，以使输出端连接电容C0～C3中相应的一或多者，使得等效电容值为最小电容值或预设电容值。例如，在部分实施例中，电容C0～C3具有不同电容值，其中电容C0的电容值最小。当档位切换信号CCOT为低准位时，只有开关SW[0]导通，使得输出端连接的等效电容为最小值，因此斜率调制电压VC上升的斜率最大，如图4中期间T1所示。当档位切换信号CCOT为高准位时，开关SW[1]～SW[3]中的一者导通，使得输出端连接的等效电容值变大，因此斜率调制电压VC上升的斜率变小，如图4中期间T3所示。

如此一来，通过档位切换信号CCOT的准位调整连接电容的等效电容值，进而影响斜率调制电压VC上升的斜率，便能调控由比较电路110、120和触发器电路130所产生的控制信号CS的频率。当等效电容值越小则斜率调制电压VC上升的斜率就越大，控制信号CS的频率便能提高，如图4中期间T1、T2所示。反之，当等效电容值越大则斜率调制电压VC上升的斜率就越小，控制信号CS的频率就会降低，如图4中期间T3、T4所示。

值得注意的是，图3示出的开关SW[0]～SW[3]和电容C0～C3仅为说明举例，不用以限制本公开。关于斜率判定电路140所包含的电容数量、电容值大小和档位设定可依实际需求进行调整和设计。例如，在其他部分实施例中，电容C0～C3的电容值可相同，不同档位可依照设定连接不同数量的电容。又例如，可根据档位切换信号CCOT设定两个以上档位。

请参考图5。图5为根据本公开内容的实施例的一种脉冲频率控制方法500的流程图。如图5所示，脉冲频率控制方法500包含操作S510～S540。

首先，在操作S510中，取低频方波，检测控制信号CS和输出信号Iout、Vout。

接着，在操作S520中，判断负载是否处于轻载且控制信号CS是否低于低频信号LHZ。由于人耳最低可听到的频率大约为20KHz，因此低频信号LHZ可设定为高于此频率的32KHz的方波信号(如图7所示)，但不以此为限。

当负载未处于轻载或控制信号CS未低于低频信号LHZ时，进行操作S530，根据档位切换信号CCOT切换为预设电容值。如此一来，当控制信号CS已处于足够高频或重载时，便能通过切换回预设电容值以确保对负载的供电充足。

当负载处于轻载且控制信号CS低于低频信号LHZ时，进行操作S540，根据档位切换信号CCOT切换为最小电容值。如此一来，当对负载的供电足够的情况下，通过切换成最小电容值便能提高输出信号的频率，以避免噪声突波随着输出信号进入音频设备而影响音频品质。

请一并参考图6和图7。图6为根据本公开内容的图2实施例的另一部分具体电路示意图。图7为根据本公开内容的图6实施例的信号波形示意图。如图6所示，档位切换电路150包含检测电路151、触发器FF1～FF3和与门AND1、AND2。

具体而言，检测电路151接收输出电流Iout，并根据输出电流Iout趋近零时输出高准位的检测信号ZCD，且根据输出电流Iout大于零时输出低准位的检测信号ZCD。

触发器FF1为RS触发器。S输入端接收延迟信号NG。R输入端连接检测电路151以接收检测信号ZCD。根据RS触发器的逻辑运算，当延迟信号NG为高准位时，Q输出端输出高准位的判别信号Q1。当检测信号ZCD为高准位时，Q输出端输出低准位的判别信号Q1。而当延迟信号NG和检测信号ZCD皆为低准位时，判别信号Q1维持原本准位。

与门AND1接收低频致能信号ENL，并连接触发器FF1的Q输出端以接收判别信号Q1。当低频致能信号ENL转为高准位后，与门AND1输出的判别信号R1的准位便随着判别信号Q1变化。

触发器FF2为D触发器。D输入端接收高参考电压HV(或系统高电压VCC)。CK时钟输入端接收控制信号CS。重置输入端连接与门AND1以接收判别信号R1。根据D触发器的逻辑运算，当判别信号R1为低准位时，QB输出端必输出高准位的判别信号QB2。当判别信号R1为高准位时，QB输出端在控制信号CS转为高准位时输出低准位的判别信号QB2。

与门AND2接收低频致能信号ENL，并连接触发器FF2以接收判别信号QB2。当低频致能信号ENL转为高准位后，与门AND2输出的判别信号R2的准位便随着判别信号QB2变化。

触发器FF3为D触发器。D输入端接收高参考电压HV(或系统高电压VCC)。CK时钟输入端接收低频信号LHZ。重置输入端连接与门AND2以接收判别信号R2。根据D触发器的逻辑运算，当判别信号R2为低准位时，QB输出端必输出高准位的档位切换信号CCOT。当判别信号R2为高准位时，QB输出端在低频信号LHZ转为高准位时输出低准位的档位切换信号CCOT。

如此一来，如图7期间T5所示，在输出电流Iout不足(重载)使得检测信号ZCD维持在低准位时，当控制信号CS由低转高时，档位切换信号CCOT便会转为高准位以切换成预设电容值来确保电源转换电路200能够充足供电给负载。此外，如图7期间T6所示，在输出电流Iout再次趋近于零使得检测信号ZCD转为高准位时，当低频信号LHZ由低转高时，档位切换信号CCOT便会转为低准位以切换成最小电容值来提高电源转换电路200的操作频率，借此避免落入低频。

综上所述，通过脉冲频率控制电路100根据控制信号CS、延迟信号PG和NG、输出电流Iout和输出电压Vout的反馈来调整控制信号CS的准位，便能控制电源转换电路200对负载进行充放电，以产生输出信号。其中，通过档位切换信号CCOT的准位控制连接电容的等效电容值，便能控制斜率调制电压VC上升的斜率，进而调控控制信号CS的频率。

虽然本公开内容已以实施方式公开如上，然其并非用以限定本公开内容，所属技术领域技术人员在不脱离本公开内容的构思和范围内，当可作各种变动与润饰，因此本公开内容的保护范围当视权利要求所界定者为准。