CN102857093B - 电压转换器与电压转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电压转换器及电压转换方法。所述电压转换器具有接收参考输入电压的一个输入端以及分别输出多个调节过的输出电压的N个输出端。电压转换器包含直流-直流电源供应区块与(N+1)个开关，直流-直流电源供应区块具有输入端点以及输出端点，(N+1)个开关包含N个主要输出开关与一个辅助开关，其中每一开关均具有第一端以及第二端，N个主要输出开关的多个第一端耦接至输出端点，N个主要输出开关的多个第二端分别耦接至N个输出端，以及N为正整数。在一个预定时段中，(N+1)个开关交替地导通。以上所述的电压转换器及电压转换方法可适当地调节输出电压，从而能够解决交互调节的问题。

Description

电压转换器与电压转换方法

技术领域

本发明有关于产生调节过的输出电压(regulated output voltage)，且特别有关于一种辅助开关(auxiliary switch)设置于其中的电压转换器(voltage converter)与相关的电压转换方法。

背景技术

直流-直流切换式转换器(DC-DC switching converter)为许多电源管理系统中一个不可缺少的必要组件，由于所有的设计者均努力要降低电路尺寸，因此电压转换器的设计便无法违反此趋势，设计者因而不断探索缩小芯片内(on-chip)电路实施与芯片外(off-chip)电路实施的尺寸的方法，而在所有可能的方案中，单电感多输出(single-inductor multiple-output,SIMO)转换器便普遍地被采用。由于仅有一个电感被用来调节一个以上的输出电压，此电路便可避免传统电压转换器类型所发生的问题（例如使用太多体积庞大的功率装置(其包括电感、电容与控制芯片)），从而使得大规模制造的成本可明显地大幅降低。对于直流-直流转换器而言，单电感多输出的设计便成为最适合且最具有成本效益的解决方案。

针对基于降压型电压转换器拓朴(bulk topology)的单电感多输出转换器的许多控制机制已被提出。举例来说，这些控制机制可包含电压模式(voltage mode)的控制机制、电流模式(current mode)的控制机制、非连续导通模式(discontinuousconduction mode,DCM)的控制机制以及虚拟(pseudo)连续导通模式(continuousconduction mode,CCM)的控制机制，然而，由于任何一个转换器输出上的负载变化(load transient)都会影响到其他转换器输出的电压调节(voltage regulation)，从而导致不想要的现象产生，这对于直流-直流转换器的设计者而言仍然是一个极大的挑战。从转换效率的观点来看，连续导通模式的控制机制是比较有吸引力的，且针对单电感多输出转换器的一些基于连续导通模式的解决方案已经被提出。然而，基于连续导通模式的解决方案总是会遭遇到单电感多输出转换器的不同的调节过的输出电压之间的交互调节(cross regulation)问题。

发明内容

有鉴于此，特提供以下技术方案：

本发明的实施方式提供一种电压转换器，其具有接收参考输入电压的一个输入端以及分别输出多个调节过的输出电压的N个输出端。所述电压转换器包含直流-直流电源供应区块以及(N+1)个开关，直流-直流电源供应区块具有输入端点以及输出端点，该(N+1)个开关包含N个主要输出开关以及一个辅助开关，其中N个主要输出开关与辅助开关中的每一开关均具有第一端以及第二端，N个主要输出开关的多个第一端耦接至输出端点，N个主要输出开关的多个第二端分别耦接至N个输出端，且N为正整数。此外，在一个预定时段中，(N+1)个开关交替地导通。

本发明的实施方式另提供一种电压转换方法，包含以下步骤：提供电压转换器以接收参考输入电压并输出N个调节过的输出电压，其中电压转换器具有N个输出操作阶段以及一个辅助操作阶段，N个输出操作阶段分别提供N个调节过的输出电压，辅助操作阶段不提供调节过的输出电压，且N为正整数；以及在一个预定时段中，交替地启用N个输出操作阶段与辅助操作阶段。

以上所述的电压转换器及电压转换方法，可适当地调节电压转换器的输出端所提供予负载装置的输出电压，从而能够解决交互调节的问题。

附图说明

图1为本发明的广义的电压转换器的实施例的方块图。

图2为本发明的直流-直流电源供应区块、主要输出开关以及辅助开关的第一实施范例的示意图。

图3为本发明的电压转换器所包含的多个开关的导通次序示意图。

图4为本发明的电压转换器在第1个操作阶段下的硬件状态的示意图。

图5为本发明的电压转换器在第(N-1)个操作阶段下的硬件状态的示意图。

图6为本发明的电压转换器在第(N+1)个操作阶段下的硬件状态的示意图。

图7为本发明的直流-直流电源供应区块、主要输出开关以及辅助开关的第二实施范例的示意图。

图8为本发明的直流-直流电源供应区块、主要输出开关以及辅助开关的第三实施范例的示意图。

图9为图1所示的开关控制电路所采用的内部环路控制电路的示意图。

图10为图1所示的开关控制电路所采用的外部环路控制电路的示意图。

图11为通过复用器的使用来将电感电流提供予图9所示的内部环路控制电路与图10所示的外部环路控制电路的示意图。

具体实施方式

在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的元件。所属技术领域的技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求项中所提及的「包含」为一开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。此外，「耦接」一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接于第二装置，则代表第一装置可直接电气连接于第二装置，或透过其他装置或连接手段间接地电气连接至第二装置。

本发明的主要概念在于增加一个辅助开关至电压转换器(例如单电感多输出转换器)，如此一来，由电压转换器的输出端所提供予负载装置的输出电压便可透过在一个预定时段中会交替地(alternately)导通的个别的主要输出开关(mainoutput switch)的可控制的(controllable)非重迭工作周期(non-overlapped duty cycle)而被适当地调节，换句话说，由于辅助开关(其并未用来控制输出电压)可允许主要输出开关(其用来控制输出电压)的工作周期得以受到妥善的控制，从而交互调节的问题便得以解决。进一步的细节将在下面描述详述。

图1为本发明的广义的电压转换器(voltage converter)的实施例的方块图。示范性的电压转换器100具有输入端IN以及多个输出端OUT_1、OUT_2、…、OUT_N。举例来说(但并非本发明的限制)，电压转换器100是操作在连续导通模式。输入端IN可耦接至用以提供参考输入电压V_I的电压源(voltage source)(图未示)，此外，输出端OUT_1～OUT_N分别耦接至多个负载装置(图未示)以分别输出多个调节过的输出电压V_O_1、V_O_2、…、V_O_N(其用来作为该多个负载装置所需的供应电压)。如图1所示，电压转换器100包含（但不局限于）直流-直流电源供应区块(DC-DC power supply block)102、多个输出开关(其包括主要输出开关(main output switch)104_1、104_2、…、104_N以及一个辅助开关(auxiliaryswitch)104_N+1)以及开关控制电路106。直流-直流电源供应区块102具有输入端点N_IN以及输出端点N_OUT，并包含电感112与开关模块114。对于电感112来说，其用来透过耦接至输入端IN的输入端点N_IN来储存能量，并透过输出端点N_OUT来释放所储存的能量，而对于开关模块11来说，其耦接至电感112，并且用来在一个预定时段中在至少第一连接组态(interconnectionconfiguration)与第二连接组态之间交替地切换。

包含N个主要输出开关104_1~104_N与一个辅助开关104_N+1的(N+1)个开关中的每一开关均具有第一端N1以及第二端N2，其中所有的(N+1)个开关104_1~104_N+1的第一端N1会耦接至前端的直流-直流电源供应区块102的输出端点N_OUT，以及N个主要输出开关104_1~104_N的第二端N2则分别耦接至N个输出端点OUT_1~OUT_N。请注意，上述N的数值为正整数。

开关控制电路106是用来控制开关模块114与(N+1)个开关104_1~104_N+1，其中在开关模块114交替地在第一连接组态与第二连接组态进行切换的预定时段之中，(N+1)个开关104_1~104_N+1会交替地导通。请注意，电压转换器100仅具有N个输出端OUT_1~OUT_N，以及所使用的开关(例如104_1~104_N+1)的个数则是N+1，简单来说，由于使用单一电感112并产生多个调节过的输出电压V_O_1~V_O_N，因此电压转换器100的操作等同于单电感多输出转换器。

通过辅助开关104_N+1的使用，主要输出开关104_1~104_N的非重迭工作周期便可由开关控制电路106来直接控制，因而解决传统单电感多输出转换器所遭遇到的交互调节问题。更进一步来说，对于传统单电感多输出转换器而言，最后一个输出开关(其控制并传递最后一个调节过的输出电压)的工作周期是由1减去其他的输出开关（其在最后一个开关导通之前控制并传递调节过的输出电压）的可控制的工作周期的总和来直接设定，换句话说，最后一个输出开关的工作周期是在决定出其他输出开关的工作周期之后才被动地决定，因此，其他输出电压的电压调节将会影响最后一个输出电压的电压调节，因而造成最后一个输出电压可能无法被适当地调整至相对应负载装置所需的目标电压值。然而，对于本发明所揭示的示范性的单电感多输出转换器（即电压转换器100）来说，用以控制并传递调节过的输出电压V_O_1~V_O_N的主要输出开关104_1~104_N的所有工作周期均被妥善地控制，如此一来，输出电压V_O_1~V_O_N中的每一输出电压将被适当地调节，来达到相对应负载装置所需的目标电压值。

请参阅图2，其为本发明的直流-直流电源供应区块102、主要输出开关104_1～104_N以及辅助开关104_N+1的第一实施范例的示意图。如图2所示，电压转换器200是基于图1所示的架构，明确地说，图1所示的直流-直流电源供应区块102是由直流-直流电源供应区块202来加以实施，图1所示的包含主要输出开关104_1～104_N与辅助开关104_N+1的(N+1)个开关是分别由多个主动开关(active switch)PW_1、PW_2、…、PW_N+1来加以实施，举例来说，主动开关PW_1～PW_N+1可以是晶体管。在本实施范例中，直流-直流电源供应区块202包含电感L与开关模块214，其中开关模块214包含第一开关PW_P与第二开关PW_N，以及第一开关PW_P与第二开关PW_N中的每一开关是由主动开关(例如晶体管)来加以实施。电感L耦接于输出端点N_OUT，第一开关PW_P耦接于输入端点N_IN与电感L之间，以及第二开关PW_N耦接于信号接地端(signalground)与电感L之间。

举例来说(但并非本发明的限制)，电压转换器200可以是电压转换芯片，其具有多个接脚分别作为输入端IN与输出端OUT_1～OUT_N。如图2所示，输入电容(input capacitor)C_IN耦接于输入端IN，以及多个输出电容(outputcapacitor)C_OUT_1、C_OUT_2、…、C_OUT_N分别耦接至输出端OUT_1～OUT_N，此外，由电阻R_OUT_1、R_OUT_2、…、R_OUT_N所代表的多个负载装置分别耦接至输出端OUT_1～OUT_N。在本实施范例中，直流-直流电源供应区块202具有降压型电压转换器拓朴，所以，当开关模块214具有第一连接组态时，第一开关PW_P会导通(switched on)且第二开关PW_N并不会导通(switched off)，以及当开关模块214具有第二连接组态时，第二开关PW_N会导通且第一开关PW_P并不会导通。由于本领域技术人员可轻易地了解降压型电压转换器拓朴的操作原理，因此，为简洁起见，进一步的说明便在此省略。

在第一开关PW_P与第二开关PW_N会交替地导通的预定时段中，输出开关PW_1～PW_N+1也会交替地导通，更明确地说，输出开关PW_1～PW_N+1会逐一地依次导通，所以，在预定时段中，在主要输出开关PW_1～PW_N已经交替地导通之后，辅助开关PW_N+1才会导通。请参阅图3，其为电压转换器200所包含的多个开关的导通次序示意图。如图3所示，第一开关PW_P会被给予工作周期D，第二开关PW_N会被给予工作周期(1-D)，主要输出开关PW_1～PW_N会分别被给予工作周期D₁、D₂、D₃、…、D_N-1、D_N，以及辅助开关PW_N+1会被给予工作周期D_N+1。请注意，辅助开关PW_N+1的工作周期D_N+1是根据主要输出开关PW_1～PW_N的工作周期D₁～D_N来直接设定，在本实施例中，工作周期D_N+1可通过以下的方程式来设定：

$D_{N+1}=1-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{D}_i---\left(1\right)$

因此，工作周期D_N+1的设定会取决于分配予主要输出开关PW_1～PW_N的工作周期D₁～D_N的设定，其中主要输出开关PW_1～PW_N会在辅助开关PW_N+1导通之前便交替地导通。换句话说，工作周期D₁～D_N会被适当地调整而使得调节过的输出电压V_O_1～V_O_N分别符合个别负载装置(例如R_OUT_1～R_OUT_N)所需的目标电压值，然而，由于辅助开关PW_N+1是耦接于电压转换器200的输入端IN与直流-直流电源供应区块102的输出端点N_OUT之间，且不是用拉爱控制提供予负载装置的输出电压，因此，工作周期D_N+1的设定便会跟输出电压的调节毫不相关。在后续的说明中，将会解释工作周期D_N+1是由于流经电感L的电感电流IL受到第一开关PW_P的工作周期D与第二开关PW_N的工作周期(1-D)的调整所产生的改变而被动地进行调整。再者，请注意，图3仅是用来说明本发明的一个实施例，而在本发明的另一实施例中，开关PW_1～PW_N+1的导通周期D₁*T、D₂*T、…、D_N+1*T的总和也可以比预定时段T还短，或者是工作周期D₁～D_N+1的总和可小于1。

为了清楚说明本发明的技术特征，电压转换器200在不同操作阶段(phase)下的硬件状态示范性地显示于图4、图5与图6之中。在图3所示的时间点t1时，电压转换器200处于第1个操作阶段，因而所有的(N+1)个开关(除了主要输出开关PW_1以外)均不导通，第一开关PW_P会导通，以及第二开关PW_N不导通，因此，如图4所示，电感电流IL会传递至由电阻R_OUT_1所代表的负载装置，从而使得调节过的输出电压V_O_1达到目标电压值。在图3所示的时间点t2时，电压转换器200会处于第(N-1)个操作阶段，因而所有的(N+1)个开关(除了主要输出开关PW_N-1以外)均不导通，第一开关PW_P不会导通，以及第二开关PW_N会导通，因此，如图5所示，电感电流IL会传递至由电阻R_OUT_N-1所代表的负载装置，从而使得调节过的输出电压V_O_N-1达到目标电压值。在图3所示的时间点t3时，电压转换器200会处于额外的操作阶段(即，第(N+1)个操作阶段)，因而所有的(N+1)个开关(除了辅助开关PW_N+1以外)均不导通，第一开关PW_P不导通，以及第二开关PW_N会导通，因此，如图6所示，电感电流IL会透过反馈路径(feedback path)而传递至用来提供参考输入电压V_I的电压源(图未示)。由图6可知，当辅助开关PW_N+1导通时，电感L的电感电流IL会反馈至电压转换器200的输入端，换句话说，当辅助开关PW_N+1导通时，电感L的电感电流IL并不会注入至电压转换器200的任何一个输出端。

在上述图2所示的实施范例中，图1所示的辅助开关104_N+1是由主动开关(即晶体管)来加以实施，然而，此仅作为范例说明之用。请参阅图7，其为本发明的直流-直流电源供应区块102、主要输出开关104_1～104_N以及辅助开关104_N+1的第二实施范例的示意图。电压转换器700的架构类似于电压转换器200的架构，而主要的不同之处在于：辅助开关PW_N+1现在是由被动开关(passive switch)来加以实施，举例来说，被动开关可以是二极管(diode)。请参阅图8，其为本发明的直流-直流电源供应区块102、主要输出开关104_1～104_N以及辅助开关104_N+1的第三实施范例的示意图。电压转换器800的架构类似于电压转换器200/700的架构，而主要的不同之处在于：辅助开关PW_N+1现在是由主动开关(例如晶体管)与被动开关(例如二极管)的组合来加以实施。请注意，这些设计上的变化同样可达到在输入端IN与输出端点N_OUT之间建立放电路径/反馈路径来作为缓冲器(buffer)的目的。

请注意，主要输出开关PW_1～PW_N分别由多个晶体管(也称为传输晶体管(pass transistor))来加以实施，而这些晶体管是由内部环路控制(inner loopcontrol)机制来决定多少功率将会于预定时段T中传递至负载装置，然而，对于第一开关PW_P与第二开关PW_N来说，这两个开关是由外部环路控制(external loopcontrol)机制来决定在预定时段T中流经电感L的平均电感电流(average inductorcurrent)。图1所示的开关控制电路106所采用的内部环路控制机制与外部环路控制机制的操作细节将于下面说明。

请参阅图9，其为图1所示的开关控制电路106所采用的内部环路控制电路的示意图。请注意，内部环路控制电路900可用以控制图2、图7与图8所示的主要输出开关PW_1～PW_N的工作周期。内部环路控制电路900包含(但不仅限于)多个监控模块(monitoring module)902_1～902_N、控制逻辑电路(controllogic)904以及缩放单元(scaling unit)906，其中监控模块902_1～902_N中的每一监控模块具有相同的硬件组态与操作原理。监控模块902_1～902_N会分别接收调节过的输出电压V_O_1-V_O_N，接着分别产生多个侦测结果S_1、S_2、...、S_N。由于监控模块902_1～902_N具有相同的硬件组态与操作原理，因此为了更加清楚及简洁地说明本发明的技术特征，以下仅详述监控模块902_1的运作。监控模块902_1包含(但不仅限于)由多个电阻R1、R2所构成的分压电路(voltagedivider)912、具有补偿网络(compensation network)915的误差放大器(erroramplifier)914、比较器(comparator)916、电容C以及重置开关(reset switch)SW。反馈电压VFB_1会由分压电路912根据调节过的输出电压VO_1来产生，并接着馈入至误差放大器915。然后，控制电压V_C_1会根据反馈电压VFB_1与参考电压VREF之间的差值(difference)来产生，其中电阻R1与电阻R2的电阻值以及参考电压VREF的电压电平应该要根据调节过的输出电压V_O_1的目标电压值来适当地设定。内部环路控制机制采用电荷控制原理(charge control theorem)，控制电压V_C_1为误差放大器的输出，并取决于耦接至输出端OUT_1的负载装置的负载状况。透过正确的平均电感电流的供给，内部环路控制本身便会保证输出端OUT_1所要求的功率会在传输晶体管(即主要输出开关PW_1)处于导通状态之下进行传递。重置开关SW是用来在导通时对电容C进行重置。请注意，重置开关SW的开/关状态(导/不导通状态)相反于传输晶体管(即主要输出开关PW_1)的开/关状态(导/不导通状态)，即，当主要输出开关PW_1导通时，重置开关SW则不导通，因而允许缩放单元906所产生的缩放过的电感电流(scaledinductor current)K*IL来对电容C进行充电。请注意，缩放系数(scaling factor)K小于1。电容C在主要输出开关PW_1处于导通状态的时段中所储存的电荷量会等于K*I_L*D₁*T，其中I_L为平均电感电流。控制电压V_C_1会指示出多少功率是通过传输晶体管(即主要输出开关PW_1)而传递至输出端OUT_1。在稳态(steadystate)时，控制电压V_C_1与平均电感电流I_L之间的关系可表示如下：

$V_C\_1=\frac{I_L*K*D_1*T}{C}---\left(2\right)$

通过比较实际的控制电压V_C_1与预期的控制电压(K*I_L*D₁*T)/C而得到的比较结果可作为传递至控制逻辑电路904的侦测结果S_1。接着，控制逻辑电路904会透过参考侦测结果S_1来增加、降低或维持目前的工作周期D₁，举例来说，当侦测结果S_1指示出实际的控制电压V_C_1高于预期的控制电压(K*I_L*D₁*T)/C时，这表示调节过的输出电压V_O_1低于目标电压值，控制逻辑电路904因而会增加目前的工作周期D₁；当侦测结果S_1指示出实际的控制电压V_C_1低于预期的控制电压(K*I_L*D₁*T)/C时，这表示调节过的输出电压V_O_1高于目标电压值，控制逻辑电路904因而会降低目前的工作周期D₁；以及当侦测结果S_1指示出实际的控制电压V_C_1等于预期的控制电压(K*I_L*D₁*T)/C时，这表示调节过的输出电压V_O_1等于目标电压值，控制逻辑电路904便会维持目前的工作周期D₁不变。

对于监控模块902_1～902_N来说，控制电压V_C_2～V_C_N与平均电感电流I_L之间的关系可用以下的方程式来加以表示：

$\begin{array}{c}{V}_C\_2=\frac{I_L*K*D_2*T}{C}\\ \·\\ \·\\ \·\\ V_C\_N=\frac{I_L*K*D_N*T}{C}\end{array}---\left(3\right)$

由所采用的辅助开关PW_N+1而导入的额外的操作阶段会保证先前的操作阶段均会具有足够的余裕(margin)来适当地调节输出端OUT_1～OUT_N上的输出电压，此外，即便任何一个转换器输出上的负载变化会影响其他转换器输出的电压调节，主要输出开关PW_1～PW_N的所有工作周期D₁～D_N仍然可以妥善地受到控制。简单来说，透过用来提供额外的操作阶段且作为缓冲器使用的辅助开关PW_N+1的协助，控制逻辑电路904便被允许来直接地调整工作周期D₁～D_N，因而使得调节过的输出电压V_O_1～V_O_N可正确地调整至个别的目标电压值。由于所有的输出电压现在允许被适当且正确地调节，因此便可以避免交互调节所造成的不想要的效应。

外部环路控制可确保来自不同负载装置的平均电流要求(average currentrequest)均可在稳态之下被满足。请参阅图10，其为图1所示的开关控制电路106所采用的外部环路控制电路的示意图。请注意，外部环路控制电路1000可用来控制图2、图7与图8所示的第一开关PW_P与第二开关PW_N的工作周期。外部环路控制电路1000包含（但不仅限于）上述的缩放单元906与控制逻辑电路904、多个结合单元(combining unit)1002、1004、误差放大器1006、比较器1008、多个电压-电流(voltage-to-current,V2I)转换单元1010_1、1010_2、…、1010_N、1010_N+1以及电阻R。误差放大器1006是用来比较工作周期D_N+1与预定工作周期D_REF，并相对应地产生比较结果(即误差放大器输出)来作为额外控制电压V_C_N+1，明确地说，误差放大器1006会依据具有工作周期D_N+1的辅助开关的控制信号与具有预定工作周期D_REF(例如10%)的参考振荡信号来产生控制电压V_C_N+1。

请注意，监控模块901_1～902_N所产生的控制电压V_C_1～V_C_N也会分别传送至电压-电流转换单元1010_1～1010_N。结合单元1004会结合缩放过的电感电流IL*K与分别对应至控制电压V_C_1～V_C_N+1的多个电流，接着，结合单元1004所产生的结合后的电流会透过电阻R而转换为控制电压V_C。在稳态之下，控制电压V_C_1～V_C_N+1与平均电感电流I_L之间的关系可由以下的方程式来加以表示：

$\frac{1}{N+1}*\underset{i=1}{\overset{N+1}{\mathrm{\Σ}}}{V}_C\_i*\frac{1}{R}=\frac{1}{N+1}*[I_L*K*T*\frac{1}{C}*\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{D}_i+V_C\_N+1]*\frac{1}{R}=K*I_L---\left(4\right)$

通过适当设计电阻R的电阻值与电容C的电容值，稳态下的控制电压V_C_N+1将会满足方程式(4)，举例来说，电阻R的电阻值与电容C的电容值可根据以下的方程式来设定：

$R*C=\frac{1}{N+1}*T---\left(5\right)$

由上可知，控制电压V_C_N+1在稳态之下可表示如下：

$V_C\_1=I_L*K*(1-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{D}_i)*T*\frac{1}{C}=I_L*K*D_{N+1}*T*\frac{1}{C}---\left(6\right)$

这表示控制电压V_C_N+1的大小会正比于(proportional to)流经辅助开关PW_N+1并接着注入电压源所耦接的输入端的电感电流。电荷控制原理在此仍然被遵循。请注意，上述控制电压V_C_N+1与平均电感电流I_L之间的关系在稳态之下是正确的，而非在瞬时响应(transient response)之下。假如负载变化发生在任何一个输出端，则透过主要输出开关PW_1～PW_N所传递的电荷量可被独立地(independently)决定，而对于辅助开关PW_N+1来说，所导入的额外的操作阶段主要是将电感电流反馈至输入端，因此，对于本发明所揭示的示范性的电压转换器的任何一个输出电压而言，将不会有交互调节的问题。

平均电感电流I_L是第一开关PW_P的工作周期D的函数，因此，在上述的控制机制中，总共会有(N+1)个变量(即主要输出开关PW_1～PW_N的工作周期D₁～D_N以及第一开关PW_P的工作周期D)，此外，由上述之方程式(2)与方程式(3)可得知，总共会有N个方程式使用于内部环路控制机制之中，以及由上述方程式(4)可得知，会有一个方程式使用于外部环路控制机制之中。由于变量的个数等于方程式的个数，因此仅会存在一个稳态的解(steady-state solution)，故开关控制电路106所采用的控制机制会是稳定的。

如图10所示，结合单元1002透过结合斜坡信号(ramp signal)S_RAMP与电感电流IL来产生参考信号S_REF，接着，比较器1008通过比较控制电压V_C与参考信号S_REF来产生侦测结果S。举例来说，当侦测结果S指示出控制电压V_C高于参考信号S_REF的电压电平时，这表示平均电感电流I_L可能太小，因此，通过参照侦测结果S，控制逻辑电路904便会增加第一开关PW_P的工作周期D并相对应地降低第二开关PW_N的工作周期(1-D)；当侦测结果S指示出控制电压V_C低于参考信号S_REF的电压电平时，这表示平均电感电流I_L可能太大，因此，通过参照侦测结果S，控制逻辑电路904便会降低第一开关PW_P的工作周期D并相对应地增加第二开关PW_N的工作周期(1-D)；以及当侦测结果S指示出控制电压V_C等于参考信号S_REF的电压电平时，这表示平均电感电流I_L满足需求，因此，通过参照侦测结果S，控制逻辑电路904便不需要改变第一开关PW_P的工作周期D与第二开关PW_N的工作周期(1-D)的目前设定。

举例来说(但并非本发明的限制)，预定工作周期D_REF可由特定百分比数值P(例如P=10%)来加以设定。在一个实施例中，非重迭工作周期D₁～D_N的总和理想上是等于1减去P(例如1-P=90%)。假若辅助开关PW_N+1的目前的工作周期D_N+1小于预定工作周期D_REF，这表示平均电感电流I_L应该要被增加以调降非重迭工作周期D₁～D_N的目前的总和，因此，控制电压V_C_N+1将使得控制电压V_C被调升，然而，假如辅助开关PW_N+1的目前的工作周期D_N+1大于预定工作周期D_REF，这表示平均电感电流I_L应该要被降低以调升非重迭工作周期D₁～D_N的目前的总和，因此，控制电压V_C_N+1将使得控制电压V_C被调降。

如图9与图10所示，无论是内部环路控制电路900或外部环路控制电路1000，均需要电感电流IL，由于第一开关PW_P与第二开关PW_N会交替地导通(即第一开关PW_P与第二开关PW_N并不会同时导通)，复用器(multiplexer)便可被使用来适当地将电感电流提供予具有上述内部环路控制机制与外部环路控制机制的开关控制电路106。请参阅图11，其为通过复用器的使用来将电感电流提供予图9所示内部环路控制电路900与图10所示外部环路控制电路1000的示意图。如图所示，复用器1102具有第一输入端点N11、第二输入端点N12以及输出端点N13。当第一开关PW_P导通时，复用器1102便用来根据第二输入端点N12所接收到的输入电流来输出电感电流IL。当第二开关PW_N导通时，复用器1102便用来根据第一输入端点N11所接收到的输入电流来输出电感电流IL。请注意，缓冲器1104与缓冲器1106可用来调整馈入至复用器1102的电流强度，然而，基于实际上的设计考虑，缓冲器1104与缓冲器1106可以是非必要的（optional）的组件。

在上述实施范例中，图1所示的电压转换器100中的直流-直流电源供应区块102可采用降压型电压转换器拓朴来加以实现，然而，此仅作为范例说明之用，而非用来作为本发明的限制，举例来说，在一个设计变化中，本发明的相同概念也可应用于升压型电压转换器(boost converter)，即直流-直流电源供应区块102可采用升压型电压转换器拓朴(boost topology)来加以实现。再者，于另一设计变化中，辅助开关104_N+1的第二端N2可被耦接至内部虚设负载(internaldummy load)，而非耦接至电压转换器200的输入端IN，同样可达到在预定时段中导入一个额外操作阶段以允许主要输出开关的工作周期可被妥善地控制的目的。

依据本发明的实施例，电压转换方法可简单地归纳如下。电压转换方法包含：提供电压转换器以接收参考输入电压以及仅输出N个调节过的输出电压，其中电压转换器包含直流-直流电源供应区块并具有N个输出操作阶段。直流-直流电源供应区块具有输入端点以及输出端点，且直流-直流电源供应区块包含电感以及开关模块，其中电感用来透过耦接至输入端的输入端点来储存能量并透过输出端点来释放所储存的能量；开关模块耦接至电感并用来在一个预定时段中交替地在至少第一连接组态与第二连接组态之间进行切换。开关模块具有第一开关以及第二开关，当开关模块具有第一连接组态时，第一开关会导通且第二开关不导通；当开关模块具有第二连接组态时，第二开关会导通且第一开关不导通。N个输出操作阶段中的每一输出操作阶段由一个输出端点来提供一个调节过的输出电压，其中N为正整数。电压转换方法另包含：提供辅助操作阶段(其并未提供任何调节过的输出电压)，并在预定时段中交替地启用该N个输出操作阶段与该辅助操作阶段。请注意，电压转换方法可透过辅助开关来实施该辅助操作阶段，其中该辅助开关可由晶体管与二极管中的至少一个来加以实施，及/或该直流-直流电源供应区块可采用降压型电压转换器拓朴来加以实施。

在一个实施范例中，电压转换方法可另包含：辅助操作阶段中，将电感电流反馈至该电压转换器的输入端。举例来说，在该辅助操作阶段中，直流-直流电源供应区块的输出端点耦接至输入端。在另一实施范例中，在辅助操作阶段中，电感的电感电流并没有注入至电压转换器的任何一个输出端。

此外，电压转换方法可另包含：依据由N个调节过的输出电压所得到的多个控制电压，来控制N个输出操作阶段的非重迭工作周期；依据N个主要输出操作阶段的工作周期，来直接设定辅助操作阶段的工作周期；及/或透过比较辅助操作阶段的工作周期与预定工作周期并相对应地产生比较结果，以及依据N个调节过的输出电压、比较结果以及电感的电感电流，来控制开关模块中的第一开在预定时段中的工作周期。

由于本领域的技术人员在阅读上述针对电压转换器的说明书段落之后应可轻易地了解电压转换方法中每一步骤的操作细节，因此，为简洁起见，进一步的说明便在此省略。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (21)

1.一种电压转换器，具有接收参考输入电压的一个输入端以及分别输出多个调节过的输出电压的N个输出端，该电压转换器包含：

直流-直流电源供应区块，具有输入端点以及输出端点；以及

(N+1)个开关，包含N个主要输出开关以及一个辅助开关，其中该N个主要输出开关与该辅助开关中的每一开关均具有第一端以及第二端，该(N+1)个开关的多个第一端耦接至该输出端点，该N个主要输出开关的多个第二端分别耦接至该N个输出端，以及N为正整数；

其中在一个预定时段中，该(N+1)个开关交替地导通，其中在该N个主要开关导通时段分别提供N个输出操作阶段，以及该辅助开关在交替地导通该N个主要输出开关之后才导通，该辅助开关导通时段提供辅助操作阶段，使得N个主要输出开关在该N个输出操作阶段所分别输出的电压符合负载装置所需的目标电压值。

2.如权利要求1所述的电压转换器，其特征在于：该辅助开关的第二端耦接至该输入端。

3.如权利要求1所述的电压转换器，其特征在于：当该辅助开关导通时，该直流-直流电源供应区块的电感电流会反馈至该输入端。

4.如权利要求1所述的电压转换器，其特征在于：当该辅助开关导通时，该直流-直流电源供应区块的电感电流并不会注入至该N个输出端中的任何一个输出端。

5.如权利要求1所述的电压转换器，其特征在于：该N个主要输出开关在该预定时段中分别具有多个非重迭工作周期中的一个，以及该电压转换器另包含开关控制电路，用来依据由该N个输出端上的该多个调节过的输出电压所得到的多个控制电压，来控制该N个主要输出开关的该多个非重迭工作周期。

6.如权利要求1所述的电压转换器，其特征在于：该(N+1)个输出开关在该预定时段中分别具有多个非重迭工作周期中的一个，以及该电压转换器另包含开关控制电路，用来依据该N个主要输出开关所分别具有的多个工作周期来直接设定该辅助开关的工作周期。

7.如权利要求1所述的电压转换器，其特征在于：该电压转换器另包含开关控制电路，以及在该预定时段中，该开关控制电路会在交替地导通该N个主要输出开关之后才导通该辅助开关。

8.如权利要求1所述的电压转换器，其特征在于：该直流-直流电源供应区块包含：

电感，用以透过耦接至该输入端的该输入端点来储存能量，并透过该输出端点来释放所储存的能量；以及

开关模块，耦接于该电感，用以在该预定时段中交替地在至少第一连接组态与第二连接组态之间进行切换。

9.如权利要求8所述的电压转换器，其特征在于：该开关模块包含第一开关以及第二开关；当该开关模块具有该第一连接组态时，该第一开关会导通且该第二开关不导通；当该开关模块具有该第二连接组态时，该第二开关会导通且该第一开关不导通；以及该电压转换器另包含开关控制电路，用来依据该N个输出端上的该多个调节过的输出电压、该辅助开关的工作周期以及该电感的电感电流，来控制该第一开关在该预定时段中的工作周期。

10.如权利要求9所述的电压转换器，其特征在于：该开关控制电路比较该辅助开关的该工作周期与预定工作周期并相对应地产生比较结果，以及依据该N个输出端上的该多个调节过的输出电压、该比较结果以及该电感的该电感电流，来控制该第一开关在该预定时段中的该工作周期。

11.如权利要求8所述的电压转换器，其特征在于：该电感耦接至该输出端点，该第一开关耦接于该输入端点与该电感之间，以及该第二开关耦接于信号接地端与该电感之间。

12.如权利要求1所述的电压转换器，其特征在于：该辅助开关包含晶体管与二极管中的至少一个。

13.如权利要求1所述的电压转换器，其特征在于：该直流-直流电源供应区块具有降压型电压转换器拓朴。

14.一种电压转换方法，包含：

提供电压转换器以接收参考输入电压并输出N个调节过的输出电压，其中该电压转换器具有N个输出操作阶段以及一个辅助操作阶段，该N个输出操作阶段分别提供该N个调节过的输出电压，该辅助操作阶段不提供调节过的输出电压，且N为正整数；以及

在一个预定时段中，交替地启用该N个输出操作阶段与该辅助操作阶段，其中该辅助操作阶段在交替地启用该N个主要输出操作阶段之后才启用，并且该辅助操作阶段使得该电压转换器在该N个输出操作阶段所分别输出的电压符合负载装置所需的目标电压值。

15.如权利要求14所述的电压转换方法，其特征在于：在该辅助操作阶段中，该电压转换器的电感电流会反馈至该电压转换器的输入端。

16.如权利要求14所述的电压转换方法，其特征在于：在该辅助操作阶段中，该电压转换器的电感电流不会对该N个调节过的输出电压具有任何贡献。

17.如权利要求14所述的电压转换方法，其特征在于：该N个输出操作阶段在该预定时段中分别具有多个非重迭工作周期中的一个，以及该电压转换方法另包含：

依据由该N个调节过的输出电压所得到的多个控制电压，来控制该N个输出操作阶段所具有的该多个非重迭工作周期。

18.如权利要求14所述的电压转换方法，其特征在于：该N个输出操作阶段与该辅助操作阶段在该预定时段中分别具有多个非重迭工作周期中的一个，以及该电压转换方法另包含：

依据该N个输出操作阶段所具有的多个工作周期，来直接设定该辅助操作阶段的工作周期。

19.如权利要求14所述的电压转换方法，其特征在于：该电压转换器包含开关模块，其具有第一开关以及第二开关；当该开关模块具有第一连接组态时，该第一开关会导通且该第二开关不导通；当该开关模块具有第二连接组态时，该第二开关会导通且该第一开关不导通；以及该电压转换方法另包含：

依据该N个调节过的输出电压、该辅助操作阶段的工作周期以及该电压转换器的电感电流，来控制该第一开关在该预定时段中的工作周期。

20.如权利要求19所述的电压转换方法，其特征在于：控制该第一开关在该预定时段中的该工作周期的步骤包含：

比较该辅助操作阶段的该工作周期与预定工作周期，并相对应地产生比较结果；以及

依据该N个调节过的输出电压、该比较结果以及该电压转换器的该电感电流，来控制该第一开关在该预定时段中的该工作周期。

21.如权利要求14所述的电压转换方法，其特征在于：提供该电压转换器之步骤包含：

采用降压型电压转换器拓朴来实施该电压转换器。