[发明专利]一种切换式调整器及其控制方法

说明书

技术领域

本发明与电压调整器相关，尤其关于如何增进以电池供电之电子产品于休眠模式中的效率，以降低其电流消耗。

背景技术

近年来，由于电子装置的功能不断增加，其中的集成电路通常需要更大量的电力始能提供良好的效能和正确性。另一方面，为了增进电子装置的可携性，电路的实体尺寸持续下降。

用以将一电压转换为另一电压的电压调整器是可携式电子装置中的必要电路。电压调整器可将一输入供应电压转换为一特定电路需要的操作电压，或是将会变动的供应电压(例如电池电压)转换为稳定的电压。在某些情况下，上述两种功能都很重要。举例而言，典型移动电话的电池电压名义上为3.6伏特，但在放电时却会有相当大幅度的电压变化。另一方面，移动电话中的某些集成电路被设计为固定操作在1.1伏特，以降低功率消耗。无论输入电压或负载电流是否变化，电压调整器都必须要提供稳定的输出电压(例如1.1伏特)。

电压调整程序包含检测输出电压，并且根据输出电压与目标电压间的差异值调整提供至输出电路的电力。在线性调整器中，此调整持续进行。相对地，在切换式调整器中，电力的供应形式则是频率和工作周期都可能变化的不连续脉波。切换式调整器是先将来自电压源的能量脉波传递至储存元件(例如电感或电容)，随后再将能量以损耗最小的方式转换为负载所需的电压或电流。在这个转换程序中，控制及切换电路负责调节能量传递至输出端的速率。负载所得到的电量与切换电路的工作周期(也就是开启/关闭时间的比例)相关。

就现行以电池供电的装置而言，微处理器需要的电流量范围大约是两百微安培(例如在电子装置处于休眠模式时)到一安培(例如在微处理器进行高品质图像处理时)。在休眠模式中，微处理器仅需偶尔进行内务活动或回应使用者输入。由于消费者大多相当在意可携式装置的电池可用时间，增进电池可用时间对产品设计者来说至关重要。切换式调整器的效率通常在低输出电流较差，其原因在于控制及切换电路于低输出电流时较耗电，详情可参考美国第5,994,885号专利。先前技术一般是结合切换式调整器(用于所需负载电流较高时)和线性调整器(用于所需负载电流较低时)，详情可参考美国第7,880,456号和第7,990,119号专利。

线性调整器包含一主动元件，例如场效晶体管或二极晶体管。该主动元件会受到来自调整器输出端的回授信号控制，做为一可变电阻，使输出电压不受负载电流或输入供应电压的变动影响，皆保持在一预期准位。本技术领域中具有通常知识者可理解，受该主动元件构成的阻抗跨压的影响，当输入电压和输出电压间的差异增加时，线性调整器的效率会变差，详情可参考Aivaka公司发表的文章“Linear or LDO Regulators & Step-Down Switching Regulators”。

两种调整器都需要一段时间才能回应负载电流的变化，调整器的输出端因此连接有一个或多个电容，做为供应负载的短期电流需求的电荷储存器。在这样的情况下，当供应电流或负载电流发生变化，输出电压会不同于名义上的标准电压。设计者必须确保上述电压波动不致影响电子产品的正常运作。

切换式调整器的输出端可另设一个或多个电感元件来储存能量。输出电流较高时，电感元件可在连续切换脉冲间维持输出电流。若电感元件中储存的能量在脉冲之间未下降至零，称为连续模式，通常包含最大转换效率区间。当切换式调整器操作在低电流，能量脉冲的作用时间或频率可配合将能量提供至输出端的速率被降低。若电流够低，电感元件中的能量可在切换脉冲间降低至零，称为不连续模式。在能量脉冲不作用的空档，输出电压由外部电容维系。控制电路则是会维持其运作，以适时回应后续可能出现的提高电流需求，但控制电路在不连续模式中造成的固定能量损耗意味着较低的转换效率。

根据已知的不同状态的可预期负载变动和电压波动容许度，本发明为具有休眠模式的装置降低切换式调整器的控制电路的能量需求。由于根据本发明的切换式调整器在低电流状态中的效率可被提升为高于线性调整器，因此不需要线性调整器。

发明内容

本发明提供的技术提升了具有休眠模式的产品在低功率模式中的切换效率，进而降低总电流消耗，并且排除对线性调整器的需求。

藉由根据产品运作模式的变化适当调整切换式调整器的控制电路的运作，本发明提供的技术无论在低功率或高功率模式都能有效率地实现切换模式转换。