開關電壓轉換電路(switching voltage converting circuit)係為電壓轉換電路之一種，利用切換功率開關的方式，調節儲存在一電感性的元件(例如變壓器)上的能量以供給至輸出負載，並將一輸入電壓轉換為一輸出電壓於一輸出端，以維持固定之輸出電壓值，並提供輸出負載所需的負載電流。其優點為轉換效率高，因此能減少不必要的發熱，進而降低散熱設計上的複雜度。
然而在許多的電子應用裝置上，例如在手機中，電壓轉換電路所供應的負載電流，常常會有重載與輕載頻繁地交替出現的應用場景。這是因為目前電子應用裝置的整合度愈來愈高，功能也愈來愈複雜，但另一方面對於系統電量續航力的要求也愈來愈高，所以電子系統中的許多功能方塊，往往在其需要時快速地啟動並執行功能，並且在功能執行完畢後，又切斷其電力供應以求省電。因此在電子裝置的系統設計上，對於電力供應單元的重載/輕載頻繁切換測試，也愈來愈重要，成為評估電力供應單元表現良窳的一個重要指標。
進一步說明，目前許多開關電壓轉換電路的設計上，其操作時脈與負載電流大小有正相關的關係存在，亦即當負載電流增加，操作電流也隨之增加，而當負載電流減少，其操作電流也隨之減少。這是因為當負載電流較少，而利用輸出端的穩壓電容來維持輸出電壓時，其掉電的速度較慢，因此可以使用較低的操作時脈，而不致使輸出電壓過低，同時又可以減少切換損耗(switching loss)，有助提升其功率轉換效率，也就是能夠提升電池的續航力。然而，當操作時脈較低，而負載電流又瞬間從輕載轉為重載時，負載所需的電荷瞬間只能由輸出端的穩壓電容供應，直到下一個操作時脈的週期開始，因此輸出電壓可能造成嚴重的下衝，甚至導致電路的不正常工作。
請參考美國專利US8,259,472(以下簡稱前案472)。前案472揭露了一種開關電壓轉換電路，其操作時脈即與負載電流大小為正相關。前案472的技術方案中更包括了一最小暫態頻率，當負載電流大小由重載轉為輕載時，操作時脈亦漸漸降低。然而，在操作時脈降低的過程中，當操作時脈的頻率已經等於最小暫態頻率時，前案472所揭露之開關電壓轉換電路會將操作時脈的頻率固定在最小暫態頻率一定時間，在此期間若負載電流由輕載轉為重載，則由於操作時脈的頻率夠高，故可使輸出電壓的下衝不致於太嚴重。承前所述，在操作時脈的頻率固定在最小暫態頻率一定時間之後，若未發生負載電流由輕載轉為重載的情形，則操作時脈不再維持於最小暫態頻率，將回復原先的機制而繼續往對應於輕載的頻率變化。
然而，在前案472中，當重載與輕載頻繁地交替出現，操作時脈的頻率將維持在最小暫態頻率以上，對於功率轉換效率將造成犧牲。
鑒於以上的問題，本發明主要係提供一種在重載與輕載頻繁地交替出現時，能減緩輸出電壓的上衝以及下衝，並同時能具有良好的功率轉換效率的電壓轉換控制器、電壓轉換電路以及電壓轉換控制方法。
為了達到以上目的，本發明提供一種電壓轉換控制器，係應用於一開關電壓轉換電路，以將一輸入電壓轉換為受調節的一二次側輸出電壓。開關電壓轉換電路更包括一一次側線圈、一二次側線圈、以及一開關。一次側線圈耦接至一輸入端並接收輸入電壓。二次側線圈耦接至一二次側輸出端並輸出二次側輸出電壓，二次側輸出端上具有一輸出電流。開關耦接至一次側線圈，並且當開關為導通時，一次側線圈上產生電流，而當開關為截止時，一次側線圈上不產生電流。電壓轉換控制器產生一控制訊號，控制訊號具有可變的一控制頻率，以週期性地以一第一狀態以及一第二狀態分別控制開關為導通或截止，且控制頻率正相關於輸出電流。其中，當輸出電流由一第一電流值增加為一第二電流值，電壓轉換控制器開始一暫態反應期間，並設定控制頻率為一頻率最大值。當暫態反應期間結束，電壓轉換控制器設定控制頻率為對應於第二電流值的一目標控制頻率。
又，為了達到以上目的，本發明又提供一種電壓轉換控制器，係應用於一開關電壓轉換電路，以將一輸入電壓轉換為受調節的一二次側輸出電壓。開關電壓轉換電路更包括一一次側線圈、一二次側線圈、以及一開關。一次側線圈耦接至一輸入端並接收輸入電壓。二次側線圈耦接至一二次側輸出端並輸出二次側輸出電壓，二次側輸出端上具有一輸出電流。開關耦接至一次側線圈，並且當開關為導通時，一次側線圈上產生電流，而當開關為截止時，一次側線圈上不產生電流。二次側輸出電壓的穩態值正相關於輸出電流。其中，當輸出電流由一第一電流值增加為一第二電流值，電壓轉換控制器開始一動態反應期間，並設定二次側輸出電壓為一暫態輸出值；當動態反應期間結束，電壓轉換控制器設定二次側輸出電壓的穩態值為對應於第二電流值的一輸出電壓穩態值。
又，為了達到以上目的，本發明又提供一種開關電壓轉換電路，具有與上述揭露之電壓轉換控制器所應用之開關電壓轉換電路具有相同的電路組態以及操方式。
又，於本發明一實施例中，其中開關電壓轉換電路更包括一導線，導線之一端耦接於二次側輸出端，導線之另一端係為一導線輸出端並具有一導線輸出電壓。電壓轉換控制器更包括一導線補償單元，藉由控制二次側輸出電壓的穩態值，使導線輸出電壓的穩態值維持一固定值。其中當電壓轉換控制器處於動態反應期間時，電壓轉換控制器關閉導線補償單元之功能。
又，為了達到以上目的，本發明又提供一種電壓轉換控制方法，係應用於一開關電壓轉換電路。開關電壓轉換電路將一輸入電壓轉換為受調節的一二次側輸出電壓。電壓轉換控制器並產生一控制訊號，該控制訊號具有可變的一控制頻率，以週期性地以一第一狀態以及一第二狀態分別控制一開關為導通或截止，該控制方法包含下列步驟：首先，偵測開關電壓轉換電路的輸出電流由一第一電流值增加為一第二電流值。然後，開始一暫態反應期間，並設定控制頻率為一頻率最大值。最後，當暫態反應期間結束，設定控制頻率為對應於第二電流值的一輸出控制頻率。
又，為了達到以上目的，本發明又提供一種電壓轉換控制方法，係應用於一開關電壓轉換電路。該開關電壓轉換電路將一輸入電壓轉換為受調節的一二次側輸出電壓。控制方法包含下列步驟：首先，偵測開關電壓轉換電路的輸出電流由一第一電流值增加為一第二電流值。然後，開始一動態反應期間，設定二次側輸出電壓為一暫態輸出值。最後，當動態反應期間結束，設定二次側輸出電壓的穩態值為對應於第二電流值的一輸出電壓穩態值。
又，於本發明一實施例中，其中開關電壓轉換電路係為一次側調節(Primary-Side Regulation，PSR)之組態。
本發明的功效在於，本發明所揭露的電壓轉換控制器、電壓轉換電路以及電壓轉換控制方法，利用偵測到輸出電流發生由輕載轉為重載的暫態同時，對於操作時脈的頻率以及位於導線前端的二次側輸出電壓的準位進行設定，使得當輸出電流的重載與輕載頻繁地交替出現時，能夠減緩位於導線後端的輸出電壓的上衝以及下衝，改善輸出電壓的品質，並同時使得電壓轉換電路能具有良好的功率轉換效率。
有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作最佳實施例詳細說明如下。
在說明書及後續的申請專利範圍當中，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表第一裝置可直接電氣連接於第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至第二裝置。
第1圖為本發明所揭露之電壓轉換控制器100及其應用之開關電壓轉換電路10之電路圖。開關電壓轉換電路10將輸入電壓轉換為受調節的二次側輸出電壓。開關電壓轉換電路10更包括一次側線圈13、二次側線圈14、以及開關15。一次側線圈13耦接至輸入端11並接收輸入電壓。二次側線圈14耦接至二次側輸出端12並輸出二次側輸出電壓。二次側輸出端12上具有輸出電流。開關15耦接至一次側線圈13，並且當開關15為導通時，一次側線圈13上產生電流，而當開關15為截止時，一次側線圈13上不產生電流。電壓轉換控制器100產生一控制訊號，控制訊號具有可變的控制頻率，以週期性地以第一狀態以及第二狀態分別控制開關15為導通或截止，且控制頻率正相關於輸出電流。
其中，當輸出電流由第一電流值增加為第二電流值，電壓轉換控制器100開始一暫態反應期間，並設定控制頻率為一頻率最大值；當暫態反應期間結束，電壓轉換控制器100設定控制頻率為對應於第二電流值的目標控制頻率。
舉例說明，第1圖的電壓轉換控制器100中，可以更進一步包含電阻分壓電路105、取樣保持單元110、壓控電流源放大器120、迴路電容130、控制單元140、比較器150以及D型正反器160。開關電壓轉換電路10則更可以進一步包括三次側線圈16。一次側線圈13、二次側線圈14以及三次側線圈16之間具有耦合電感量，因此當二次側線圈14與二次側輸出端12形成電流迴路時，三次側線圈16亦有感應電流量，並且在電阻分壓電路105的分壓輸出點上形成一正比於二次側輸出電壓的暫態值的感應電壓。感應電壓經過其後的取樣保持單元110進行取樣，即可判斷目前二次側輸出電壓的暫態情形。取樣保持單元110輸出一正比於二次側輸出電壓的暫態峰值的電壓，並與參考電壓Vref比較，其差值使得壓控電流源放大器120輸出一正比於差值的電流，並利用對迴路電容130充放電而實現積分的功能。迴路電容130上的電壓以一定的速度追踪輸出電流的大小變化，當輸出電流為定值時，迴路電容130上的電壓可以代表輸出電流的大小。控制單元140即根據迴路電容130上的電壓，輸出兩個訊號，其一是電壓轉換控制器100的操作時脈，且操作時脈的控制頻率正相關於輸出電流；其二是正比於迴路電容130上的電壓的比較電壓，並輸入比較器150的負端輸入151。操作時脈連接D型正反器160的設置(set)輸入端161，用以使得D型正反器160的輸出端163輸出一第一狀態的訊號，以控制開關15的通道導通，並在感流電阻170上形成一電壓並回授至輸入比較器150的正端輸入152。正端輸入152的電壓隨著流過開關15的電流增加而上升，最後使得比較器150的輸出轉態。比較器150的輸出端153連接D型正反器160的重設(reset)輸入端162，當比較器150的輸出轉態，D型正反器160的輸出端163輸出一第二狀態的訊號，使得開關15的通道截止。輸出端163上的訊號即為前述的控制訊號。
值得注意的是，前段所述的電壓轉換控制器100係作為說明例之用，並不用以限定本發明的範圍。本領域具有通常知識者，皆可根據本發明所揭露的精神，並依照其不同的應用情況，據以實施本發明，且電壓轉換控制器100已有許多其他習用技術可供參考，故在此不另贅述其詳細操作或其他實施方式。
進一步說明，當輸出電流由第一電流值增加為第二電流值，將造成二次側輸出電壓瞬間較大的下降，並反應至感應電壓以及取樣保持單元110。當取樣保持單元110所取樣的訊號小於一設定值，即判斷輸出電流有輕載轉重載的情形發生，並通知控制單元140。此時控制單元140即開始一暫態反應期間，並設定控制頻率為一頻率最大值，使得開關電壓轉換電路10能夠以較快的反應速度提供負載所需的輸出電流，並對二次側輸出端12上的穩壓電容17充電，以期二次側輸出電壓能盡速回復為額定值。暫態反應期間的長度，在設計上係以開關電壓轉換電路10在發生暫態後對於第二電流值的輸出電流的供應能達到穩定為設計準則。暫態反應期間結束後，電壓轉換控制器100即設定控制頻率為對應於第二電流值的目標控制頻率。
第2圖為上述反應機制的相關波形圖。波形210為輸出電流，波形220為二次側輸出電壓，波形230為暫態反應期間的指示訊號，波形240則為操作時脈的控制頻率。如第2圖中所示，波形210顯示輸出電流在第一電流值以及第二電流值的輕載以及重載之間頻繁地交替。當波形210在時間t1由第一電流值增加為第二電流值時，波形220顯示二次側輸出電壓發生瞬間較大的下降，並如波形230所示啟始了暫態反應期間。此時如波形240所示，控制頻率設定為頻率最大值，開關電壓轉換電路10即能夠以較快的速度提供負載所需的輸出電流，並對二次側輸出端12上的穩壓電容17充電，因此如波形220所示，二次側輸出電壓即盡速回復為一穩定之值。接著在時間t2，如波形230所示，暫態反應期間結束。此時如波形240所示，電壓轉換控制器100即設定控制頻率為對應於第二電流值的目標控制頻率。暫態反應期間的長度約為10微秒的數量級，因此不會造成電壓轉換控制器太多額外的功耗損失，故本發明所揭露的開關電壓轉換電路10依然能維持良好的功率轉換效率。
另外，在第1圖所揭露的電壓轉換控制器100及其應用之開關電壓轉換電路10之中，當輸出電流由第一電流值增加為第二電流值，電壓轉換控制器100可以開始一動態反應期間，並設定二次側輸出電壓為暫態輸出值；當動態反應期間結束，電壓轉換控制器100則設定二次側輸出電壓的穩態值為對應於第二電流值的輸出電壓穩態值。
舉例說明，如第1圖所示，開關電壓轉換電路10更包括導線18，導線18之一端耦接於二次側輸出端12，導線18之另一端係為導線輸出端181並具有導線輸出電壓，用以對一負載19供電。電壓轉換控制器100更包括導線補償單元180，藉由控制二次側輸出電壓的穩態值，使導線輸出電壓的穩態值維持一固定值，其中當電壓轉換控制器100處於動態反應期間時，電壓轉換控制器100關閉導線補償單元180之功能。
進一步說明，如第1圖所示，導線補償單元180可以更包括補償壓控電流源185，其正輸入端與負輸入端分別耦接至壓控電流源放大器120的輸出端以及接地端，輸出電流則以汲電流(sink current)的方式耦接至電阻分壓電路105的分壓輸出點。如前所述，迴路電容130上的電壓，亦即壓控電流源放大器120的輸出端電壓，是以一定的速度追踪輸出電流的大小變化，因此當輸出電流較大，補償壓控電流源185產生較大的汲電流，因而造成二次側輸出電壓較高，以補償導線18由於較大的輸出電流而造成的較大的壓降，進而維持導線輸出電壓的穩態值在一固定值。
然而，導線補償單元180補償導線18壓降的行為，並不利於當輸出電流由重載轉為輕載時，導線輸出電壓會發生的上衝現象。進一步地說，當輸出電流為輕載時，若能將導線輸出電壓設定在一個較額定值低的準位，反而能使得當輸出電流由重載轉為輕載時，導線輸出電壓的上衝現象有較大的餘裕，而不致造成導線輸出電壓超出規格範圍。因此，在上述的說明例中，當電壓轉換控制器100處於動態反應期間時，由於預期到接下來可能發生的輸出電流由重載轉為輕載的情形，因此暫時關閉導線補償單元180之功能，此時二次側輸出電壓的穩態值被調節在原先的額定值，而導線輸出電壓則由於導線18上的壓降而處於一個較低的位準，有利於輸出電流由重載轉為輕載的發生。
值得注意的是，上述利用關閉導線補償單元180之功能用以實現本發明，係作為說明例之用，並不用以限定本發明的範圍。本領域具有通常知識者，皆可根據本發明所揭露的精神，並依照其不同的應用情況，據以實施本發明，故在此不另贅述其他實施方式。
第3圖為上述反應機制的相關波形圖。波形310為輸出電流，波形320為二次側輸出電壓，波形330為導線輸出電壓，波形340則為動態反應期間的指示訊號。如第3圖中所示，波形310顯示輸出電流在第一電流值以及第二電流值的輕載以及重載之間頻繁地交替。當波形310在時間t3由第一電流值增加為第二電流值時，波形340顯示動態反應期間啟始，因此如波形320所示，二次側輸出電壓被設定為暫態輸出值，例如關閉導線補償單元180的功能，二次側輸出電壓被維持在原本的額定值。此時如波形330所示，導線輸出電壓則由於導線18上的壓降而處於一個較低的位準。隨後在時間t4時，輸出電流由第二電流值減少為第一電流值時，如波形330所示，導線輸出電壓雖然發生上衝現象，但由於有較大的餘裕，而不致造成導線輸出電壓超出規格範圍。
另外，如第3圖中所示，由於輕載轉重載的情形不斷地發生，因此動態反應期間並未顯示其結束的時間點。然而本領域具有通常知識者，可以由上述相關說明可以直接且無歧異地得知，動態反應期間的長度可以根據不同的應用情形而進行設計，例如可以由系統分析中得知在應用上輸出電流發生輕載轉重載時，在多久時間之後會預期發生重載轉輕載的情形，而將動態反應期間設計成不少於這個時間，以改善輸出電壓上衝的情形。
值得注意的是，由第1圖所揭露的實施例可以得知，開關電壓轉換電路是為一次側調節的組態，亦即其迴授訊號完全不來自於二次側的相關端點，因此可以在有效隔離一次側、二次側之間的電性耦合的同時，節省由二次側回授一次側所需的元件，例如常用的光耦合元件，因此可以有效節省成本。然而，由於缺乏輸出側的相關訊號作為迴授控制，因此由輸出側所激發的暫態情形，例如輸出電流的變化，其暫態響應往往較不理想。也因此，本發明所揭露的電壓轉換控制器以及電壓轉換電路，尤其能有助於改善一次側調節組態的輸出電流變化所引起的暫態響應。
另外，在本發明中所揭露的，當輸出電流由輕載轉為重載，設定控制頻率為頻率最大值以改善輸出電壓下衝的情形，以及設定二次側輸出電壓為暫態輸出值以改善輸出電壓上衝的情形，是可以作為兩個獨立的技術方案來選擇其中之一以應用於同一電壓轉換電路當中，並不限定必須同時實施。本領域具有通常知識者，可以根據不同的應用情況，將上述的兩個技術方案，以各種不同的具體實施方式來搭配使用，以期在成本以及電路表現的取捨中，達到一個最佳化的設計方案。
第4圖為本發明所揭露之一電壓轉換控制方法之步驟流程圖，係應用於一開關電壓轉換電路。開關電壓轉換電路將一輸入電壓轉換為受調節的一二次側輸出電壓。電壓轉換控制電路並產生一控制訊號，控制訊號具有可變的一控制頻率，以週期性地以一第一狀態以及一第二狀態分別控制一開關為導通或截止。控制方法包含下列步驟。
如步驟S401所示，偵測開關電壓轉換電路的輸出電流由一第一電流值增加為一第二電流值。若偵測到該情況，則至步驟S403。
如步驟S403所示，開始一暫態反應期間，並設定控制頻率為一頻率最大值。
如步驟S405所示，當暫態反應期間結束，設定控制頻率為對應於第二電流值的一輸出控制頻率。
上述所揭露之電壓轉換控制方法，能夠對於開關電壓轉換電路的輸出電流由輕載轉為重載時，所造成的輸出電壓的下衝現象有很好的改善。相關說明可以參考前述關於第1圖以及第2圖合併之敘述，在此不另贅述。
第5圖為本發明所揭露之另一電壓轉換控制方法之步驟流程圖，係應用於一開關電壓轉換電路。開關電壓轉換電路將一輸入電壓轉換為受調節的一二次側輸出電壓，該控制方法包含下列步驟。
如步驟S501所示，偵測該開關電壓轉換電路的輸出電流由一第一電流值增加為一第二電流值。若偵測到該情況，則至步驟S503。
如步驟S503所示，開始一動態反應期間，設定二次側輸出電壓為一暫態輸出值。
如步驟S505所示，當動態反應期間結束，設定二次側輸出電壓的穩態值為對應於第二電流值的一輸出電壓穩態值。
上述所揭露之電壓轉換控制方法，能夠對於開關電壓轉換電路的輸出電流由重載轉為輕載時，所造成的輸出電壓的上衝現象有很好的改善。相關說明可以參考前述關於第1圖以及第3圖合併之敘述，在此不另贅述。
另外，上面所揭露的兩種電壓轉換控制方法，在同一開關電壓轉換電路並非限定只能擇一單獨實施，亦即，可以選擇同時實施在同一開關電壓轉換電路的控制上，以同時改善輸出電流的暫態所造成的輸出電壓的上衝現象以及下衝現象。本領域具有通常知識者，在充分了解本發明所揭露的精神，以及前述所有說明例的相關實施方式之後，應該可以直接地根據其不同的應用以及規格需求，實施本發明。
雖然本發明之實施例揭露如上所述，然並非用以限定本發明，任何熟習相關技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，舉凡依本發明申請範圍所述之形狀、構造、特徵及數量當可做些許之變更，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。