CN101436824B - 提供给切换式调节器的精准平均电流限制电路及方法 - Google Patents

提供给切换式调节器的精准平均电流限制电路及方法 Download PDF

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Abstract

一种提供给切换式调节器的精准平均电流限制电路和方法，所述切换式调节器藉一电感将一输入电压转换为一电感电流，其特征在于，包括：适于感测所述电感电流并相应地产生第一讯号的感测组件；适于比较所述输入电压与所述第一讯号并相应地决定过载讯号的电流过载比较器；适于将所述第一讯号滤波并相应地产生第二讯号的滤波电路；适于将所述输入电压偏移一电压并相应产生第三讯号的偏移电路；和适于根据所述第二讯号及所述第三讯号之间的差值并相应地产生补偿讯号给所述电流过载比较器的电流过载误差放大器；其中，所述电流过载比较器由所述补偿讯号相应地调整其产生所述过载讯号的条件。采用本发明的电路和方法能够精准调控电感电流平均值。

Description

提供给切换式调节器的精准平均电流限制电路及方法
技术领域
本发明是有关一种切换式调节器，特别是关于一种提供给切换式调节器的精准平均电流限制电路及方法。 
背景技术
通用序列总线(Universal Serial Bus；USB)的规范规定，USB在中止(suspend)模式下只能从上游处抽取500μA，配置模式下为500mA，而未配置模式下则是100mA，且中止模式下的消耗电流不能超过500mA。这些规范是非常重要的特性，因此，提供电流给USB的供电装置必须要能提供稳定的输出电流。 
切换式调节器(Switching Regulator)是直流对直流(DC/DC)转换器中电源转换率最高，但电源洁净度也最难掌控的一种。熟悉电源转换技术的人员熟知，切换式调节器是由一控制电路控制其功率级中开关的切换，将输入电压转换为一电感电流，对输出电容充电以产生输出电压。例如，图1显示一种固定时脉切换式调节器的电感电流的波形，当时脉周期CLK切换到低准位时，功率级被切换使得电感电流下降，直到时脉周期CLK切换到高准位，才又切换功率级使电感电流上升，并配合电流过载(Over Current；OC)电路，在电感电流达到临界值时强迫切换功率级使电感电流下降。然而，切换式调节器的电感电流与输入电压和输出电压间的关系相关，例如将切换式调节器做为充电器来说，在一开始充电时，被充电端的电压低，对充电器而言即为其输出电压低，此时输入电压与输出电压的间的差异大，电感电流大，但充电一段时间后，被充电端的电压会上升，对充电器而言即为其输出电压变高，换言的，输入电压和输出电压变得接近，使得电感电流降低。因此在输入和输出电压之间的关系不固定的情况下，即使以峰值电流 (peak current)做电流过载触发控制，切换式调节器输出的平均电感电流仍难固定。 
图2显示一种藉由上、下缘触发控制的切换式调节器的电感电流波形，电感电流上升到上缘时触发电流限制使得功率级切换，电感电流下降到下缘时，电流限制释放，电感电流再次上升，如此重复使得电感电流在一范围内变动，但仍无法精准地控制电感电流的平均值。 
因此，一种可以精准调控电感电流平均值的切换式调节器及其方法极为人们所期待。 
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种为切换式调节器提供精准平均电流限制的电路。 
本发明的另一个目的在于提供一种为切换式调节器提供精准平均电流限制的方法。 
本发明的又一个目的在于提供一种可精准调控平均电感电流的切换式调节器。 
实现上述发明的技术解决方案是： 
一种提供给切换式调节器的精准平均电流限制电路，所述切换式调节器藉一电感将一输入电压转换为一电感电流，其特征在于，包括：适于感测所述电感电流并相应地产生第一讯号的感测组件；适于比较所述输入电压与所述第一讯号并相应地决定过载讯号的电流过载比较器；适于将所述第一讯号滤波并相应地产生第二讯号的滤波电路；适于将所述输入电压偏移一电压并相应产生第三讯号的偏移电路；和适于根据所述第二讯号及所述第三讯号之间的差值并相应地产生补偿讯号给所述电流过载比较器的电流过载误差放大器；其中，所述电流过载比较器由所述补偿讯号相应地调整其产生所述过载讯号的条件；所述感测组件包括一电阻且与所述电感串联；所述感测组件包括一MOS且与所述电感串联；所述滤波电路包括一电阻电容电路；所述补偿讯号是使所述电流过载比较器的临界值改变；所述补偿讯号是改变所述电流过载比较器产生所述过载讯号的延迟时间。
采用本发明所述的精准平均电流限制电路的提供给切换式调节器的精准平均电流限制的方法，包括下列具体步骤： 
1：产生一与所述电感电流相关的第一讯号； 
2：比较所述第一讯号与所述输入电压并相应地决定一过载讯号，用来决定所述电感电流的峰值； 
3：对所述第一讯号滤波并相应地产生第二讯号； 
4：将该输入电压偏移并相应地产生第三讯号； 
5：根据所述第二及第三讯号之间的差值相应地产生一补偿讯号；和 
6：由所述补偿讯号改变触发所述过载讯号的条件；其特征在于，所述产生一与所述电感电流相关的第一讯号的步骤包括让所述电感电流一电阻性组件产生正比于所述电感电流的电压；由所述补偿讯号改变触发所述过载讯号的条件的步骤包括改所述触发所述过载讯号的延迟时间；由所述补偿讯号改变触发所述过载讯号的条件的步骤包括改变触发所述过载讯号的一临界值。 
一种精准调控电感电流的切换式调节器，其特征在于，包括：适于具有一电感，藉以将一输入电压转换为一电感电流的功率级，所述电感电流对一输出电容充电并相应地产生一输出电压；适于用以监视所述电感电流及所述输出电压并相应地切换所述功率级的控制电路；适于用来感测所述电感电流并相应地产生第一讯号的感测组件；适于用来比较所述输入电压与所述第一讯号并相应地决定一过载讯号给所述控制电路的电流过载比较器；适于对所述第一讯号滤波并相应地产生第二讯号的滤波电路；适于用偏移所述输入电压并相应地产生第三讯号的偏移电路；和适于根据所述第二及第三讯号之间的差值产生补偿讯号给所述电流过载比较器的电流过载误差放大器，以调整所述电流过载比较器产生所述过载讯号的条件；所述感测组件包括一电阻且与所述电感串联；所述感测组件包括一MOS且与所述电感串联；所述滤波电路包括一电阻电容电路；所述补偿讯号是使所述电流过载比较器的临界值改变；所述补偿讯号是改变所述电流过载比较器产生所述过载讯号的延迟时间。 
本发明的构思是藉由设置一感测组件感测切换式调节器的电感电流而产生与其相关的第一讯号，一电流过载比较器在比较该第一讯号与一输入电压而决定一过载讯号，一滤波电路对该第一讯号滤波产生一第二讯号，一偏移电路偏移该输入电压而产生一第三讯号，一电流过载误差放大器根据该第二讯号及该第三讯号的间的差值回授一补偿讯号给该电流过载比较器，使该电流过载比较器由该补偿讯号调整其产生该过载讯号的条件。 
本发明的一种提供给切换式调节器的精准平均电流限制电路及方法的重要意义在于能够精准调控电感电流平均值。 
附图说明
图1是一种已知的固定时脉切换式调节器的电感电流波形图； 
图2是一种已知的上、下缘触发控制的切换式调节器的电感电流波形图； 
图3是根据本发明的第一实施例； 
图4是示出图3中各讯号的波形； 
图5是根据本发明的第二实施例； 
图6是根据本发明降低电感电流的波形图； 
图7是根据本发明升高电感电流的波形图。 
具体实施方式
以下结合实施例及其附图对本发明作更进一步说明。 
请参阅图3，图3是本发明的第一实施例，显示一个升压(Boost)的切换式调节器，芯片20中的逻辑及驱动电路24提供驱动讯号给MOS S1，使MOS S1导通或截止，输入电压VIN被转换成电感电流IL对输出电容COUT充电以产生输出电压VOUT，电阻RF1和RF2串联组成一分压电路，提供一回授讯号给比较器28与参考电压VREF相比 较以供逻辑及驱动电路26做回授控制，OC比较器24则用来侦测是否发生电流过载。本实施例在输入电压VIN和电感L 1的间插入一感测电阻RS，以产生与电感电流IL相关的讯号VA，VA＝VIN-IL×RS。在本实施例中，当电感电流IL高时，讯号VA低，因此，OC比较器24根据讯号VA是否低于一临界值而判断是否发生电流过载，并据以提供过载讯号给逻辑及驱动电路26，以强迫MOS S1关闭，降低电感电流IL。讯号VA经电阻Rf和电容Cf滤波后，产生直流讯号VB提供给OC误差放大器22。另一方面，输入电压VIN经电压源VOFS偏移产生电压VC，VC＝VIN-VOFS，再由OC误差放大器22根据VC和VB产生补偿讯号给OC比较器24。偏移电压VOFS的大小是由电路设计者决定，例如在预设感测电阻RS为0.1Ω、电感电流IL为0.5A时，计算得出感测电阻Rs上的压差为LI×RS＝0.5A×0.1Ω＝0.05V，此一条件下的VOFS即设计为0.05V。 
OC误差放大器22根据讯号VB及VC的间的差值产生一补偿讯号给OC比较器24，以改变OC比较器24发出过载讯号的条件，藉以调整电感电流IL。 
图4显示当系统稳定时，讯号VA、VB、VC与电感电流IL、输入电压VIN之间的关系。电感L1将直流的输入电压VIN转换成电感电流IL。讯号VC为一低于输入电压VIN的直流讯号。讯号VA与电感电流IL反相关，电感电流IL大时，感测电阻RS上的压差大，使得讯号VA小，电感电流IL小时，在感测电阻RS上造成的压差也小，讯号VA大。讯号VB是从讯号VA滤波产生的，因此虽有微幅波动，但大致上而言是讯号VA的平均值。D是电流过载的讯号，在VA低于默认值时切换到高准位。由于补偿讯号是根据讯号VB和VC的间的差值产生的，藉偏移电路VOFS将VC设定为不同大小，可以改变电感电流IL的平均值的设定值。 
图5是运用本发明的第二实施例，显示一降压(Buck)的切换式调节器，本实施例的功率级的上桥MOS P1及下桥MOS S1都在芯片30中，特别是本实施例利用上桥MOS P1导通时的导通电阻作为感测电 阻。与图3的实施例相同地，OC误差放大器32根据讯号VC与VB的间的差值产生一补偿讯号给OC比较器34，使OC比较器34提供给逻辑及驱动电路36的电流过载讯号改变，藉以使逻辑及驱动电路36切换上桥MOS P1和下桥MOS S1的速度改变，因而达到调控电感电流IL的目的。 
除了图3所示的电阻RS及图5所示的上桥MOS P1，也可以使用其它电路及方法来产生讯号VA。例如，在某些实施例中，电阻电容电路跨接到电感，可以感测出电感电流。 
不同的电路也可以用来充作偏移电路。例如二极管或二极管串可以用来决定偏移电压VOFS。 
图6示出一种降低电感电流IL的方法，补偿讯号使得OC比较器触发过载讯号的临界值改变，例如将VA低于0.55V触发改成VA低于0.5V触发，则峰值电流会降低(0.05/Rs)安培，使得电感电流IL的平均值降低。 
图7则是一种提高电感电流IL的方法，补偿讯号改变过载讯号D的延迟，使得电感电流IL下降的时间延后，而产生较高的电感电流平均值，例如将过载讯号D延后10ns送出，则峰值电流上升(电感电流斜率×10ns)安培。 

Claims (16)

1.一种提供给切换式调节器的精准平均电流限制电路，所述切换式调节器藉一电感将一输入电压转换为一电感电流，其特征在于，包括：
适于感测所述电感电流并相应地产生第一讯号的感测组件；
适于比较所述输入电压与所述第一讯号并相应地决定过载讯号的电流过载比较器；
适于将所述第一讯号滤波并相应地产生第二讯号的滤波电路；
适于将所述输入电压偏移一电压并相应地产生第三讯号的偏移电路；和
适于根据所述第二讯号及所述第三讯号之间的差值并相应地产生补偿讯号给所述电流过载比较器的电流过载误差放大器；
其中，所述电流过载比较器由所述补偿讯号相应地调整其产生所述过载讯号的条件。
2.根据权利要求1所述的精准平均电流限制电路，其特征在于，所述感测组件包括一电阻且与所述电感串联。
3.根据权利要求1所述的精准平均电流限制电路，其特征在于，所述感测组件包括一MOS且与所述电感串联。
4.根据权利要求1所述的精准平均电流限制电路，其特征在于，所述滤波电路包括一电阻电容电路。
5.根据权利要求1所述的精准平均电流限制电路，其特征在于，所述补偿讯号是使所述电流过载比较器的临界值改变。
6.根据权利要求1所述的精准平均电流限制电路，其特征在于，所述补偿讯号是改变所述电流过载比较器产生所述过载讯号的延迟时间。
7.一种提供给切换式调节器的精准平均电流限制方法，所述方法采用权利要求1所述的电路，包括下列具体步骤：
第一步：产生一与所述电感电流相关的第一讯号；
第二步：比较所述第一讯号与所述输入电压并相应地决定一过载 讯号，用来决定所述电感电流的峰值；
第三步：对所述第一讯号滤波并相应地产生第二讯号；
第四步：将所述输入电压偏移并相应地产生第三讯号；
第五步：根据所述第二及第三讯号之间的差值相应地产生一补偿讯号；和
第六步：由所述补偿讯号改变触发所述过载讯号的条件。
8.根据权利要求7所述的精准平均电流限制方法，其特征在于，所述产生一与所述电感电流相关的第一讯号的步骤包括让所述电感电流流过一电阻性组件产生正比于所述电感电流的电压。
9.根据权利要求7所述的精准平均电流限制方法，其特征在于，由所述补偿讯号改变触发所述过载讯号的条件的步骤包括改变触发所述过载讯号的延迟时间。
10.根据权利要求7所述的精准平均电流限制方法，其特征在于，由所述补偿讯号改变触发所述过载讯号的条件的步骤包括改变触发所述过载讯号的一临界值。
11.一种精准调控电感电流的切换式调节器，其特征在于，包括：
适于具有一电感，藉以将一输入电压转换为一电感电流的功率级，所述电感电流对一输出电容充电并相应地产生一输出电压；
适于用以监视所述电感电流及所述输出电压并相应地切换所述功率级的控制电路；
适于用来感测所述电感电流并相应地产生第一讯号的感测组件；
适于用来比较所述输入电压与所述第一讯号并相应地决定一过载讯号给所述控制电路的电流过载比较器；
适于对所述第一讯号滤波并相应地产生第二讯号的滤波电路；
适于用偏移所述输入电压并相应地产生第三讯号的偏移电路；和
适于根据所述第二及第三讯号之间的差值产生补偿讯号给所述电流过载比较器的电流过载误差放大器，以调整所述电流过载比较器产生所述过载讯号的条件。
12.根据权利要求11所述的切换式调节器，其特征在于，所述感 测组件包括一电阻且与所述电感串联。
13.根据权利要求11所述的切换式调节器，其特征在于，所述感测组件包括一MOS且与所述电感串联。
14.根据权利要求11所述的切换式调节器，其特征在于，所述滤波电路包括一电阻电容电路。
15.根据权利要求11所述的切换式调节器，其特征在于，所述补偿讯号是使所述电流过载比较器的临界值改变。
16.根据权利要求11所述的切换式调节器，其特征在于，所述补偿讯号是改变所述电流过载比较器产生所述过载讯号的延迟时间。 
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