CN101841226A - 改善瞬时变化反应的电源供应电路、及其控制电路与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种改善瞬时变化反应的电源供应电路、及其控制电路与方法，该改善瞬时变化反应的电源供应电路包含：功率级电路，包含至少一个功率晶体管开关，通过该功率晶体管开关的切换，而将输入电压转换为输出电压；误差放大器，将与输出电压有关的反馈讯号与一参考讯号相比较，产生误差放大讯号；输入电压瞬间变化萃取电路，其萃取输入电压瞬间变化并产生与该瞬间变化量有关的讯号；以及脉宽调变(PWM)比较器，其至少根据一锯齿波讯号、该误差放大讯号、及该与瞬间变化量有关的讯号，而产生脉宽调变讯号，以控制功率级电路中的该功率晶体管开关。

Description

改善瞬时变化反应的电源供应电路、及其控制电路与方法
技术领域
本发明涉及一种改善瞬时变化反应的电源供应电路、及其控制电路与方法。
背景技术
电源供应电路有多种型式，例如降压型(Buck Converter)、升压型(Boost Converter)、反压型(Inverter Converter)、升降压型(Buck-BoostConverter)、及返驰型(Fly Back Converter)等等。首先以降压型电源供应电路为例来加以说明，其电路结构大致如图1所示，降压型电源供应电路1包含有两个功率晶体管开关Q1、Q2，受控制电路10所控制；控制电路10根据从输出端萃取出的反馈电压讯号FB，产生开关控制讯号控制晶体管Q1、Q2的开与关，以将电能从输入端IN传送给输出端OUT。图2标出升压型电源供应电路2，图3标出反压型电源供应电路3，图4标出升降压型电源供应电路4，图5标出返驰型电源供应电路5，以上电路虽然电路架构和功率晶体管开关数目有所不同，但均是由控制电路10根据反馈电压讯号FB，而产生开关控制讯号控制功率晶体管开关。(返驰型电源供应电路5通过光耦合电路19取得反馈电压讯号FB，其细节已为本技术领域人士所熟知，不予赘述。)
上述各种现有技术中，其控制电路10的内部结构大致如图6，其中由误差放大器(EA)12将反馈电压讯号FB与参考电压Vref比较后产生误差放大讯号VEA，并由PWM比较器14将此误差放大讯号VEA与锯齿波讯号比较后，产生脉宽调变讯号，再经过驱动电路16产生足够的驱动电压准位，以驱动功率晶体管开关Q的栅极。
上述现有技术的缺点是，当输入电压例如因供电不稳或其它原因发生瞬时变化时，整体电路的反应时间不够迅速；此瞬时变化必须先反应在输出电压上，再反馈经过误差放大器EA 12、PWM比较器14等的延迟后，才反应至功率晶体管开关Q，且功率晶体管开关Q需要经过多个切换周期后，才能将输出电压平衡至所要的准位。
美国专利第2007/0013354号案中提出一种预测终点的作法，如图7所示，其在降压型电源供应电路中，当参考电压Vref改变时，直接将参考电压Vref加至误差放大器EA 12的输出，以提前快速反应，加速电路平衡时间。该案并非针对解决输入电压瞬时变化的问题，其目的主要是在参考电压Vref为可变的电路架构下，针对解决参考电压Vref变化时的电路反应效率问题，其作法并不能适用在参考电压Vref不可变的架构下，且该案直接叠加参考电压Vref的作法仅能运用于降压型电源供应电路，而不能运用于升压型、反压型等其它型式的电源供应电路中。
有鉴于此，本发明即针对上述现有技术的不足，提出一种可改善瞬时变化反应效率的电源供应电路与方法。
发明内容
本发明目的之一在于提出一种改善瞬时变化反应的电源供应电路。
本发明的又一目的在于提出一种电源供应电路的控制电路。
本发明的再一目的在于提出一种改善电源供应电路瞬时变化反应的方法。
为达上述目的，就其中一个观点言，本发明提供了一种改善瞬时变化反应的电源供应电路，包含：功率级电路，包含至少一个功率晶体管开关，通过该功率晶体管开关的切换，而将输入电压转换为输出电压；误差放大器，将与输出电压有关的第一反馈讯号与一参考讯号相比较，产生误差放大讯号；输入电压瞬间变化萃取电路，其萃取输入电压瞬间变化并产生与该瞬间变化量有关的讯号；脉宽调变(PWM)比较器，其至少根据一锯齿波讯号、该误差放大讯号、及该与瞬间变化量有关的讯号，而产生PWM讯号，以控制功率级电路中的该功率晶体管开关。
该电源供应电路可更包含输出电压反馈电路，产生与输出电压有关的第二反馈讯号，且该PWM比较器根据所述锯齿波讯号、误差放大讯号、与瞬间变化量有关的讯号、及该第二反馈讯号而产生所述PWM讯号。
就另一个观点言，本发明提供了一种电源供应电路的控制电路，该电源供应电路包括至少一个功率晶体管开关，通过该功率晶体管开关的切换，而将输入电压转换为输出电压，所述控制电路包含：误差放大器，将与输出电压有关的第一反馈讯号与一参考讯号相比较，产生误差放大讯号；输入电压瞬间变化萃取电路，其萃取输入电压瞬间变化并产生与该瞬间变化量有关的讯号；脉宽调变(PWM)比较器，其至少根据一锯齿波讯号、该误差放大讯号、及该与瞬间变化量有关的讯号，而产生PWM讯号，以控制该电源供应电路中的功率晶体管开关。
在其中一种实施例中，该电源供应电路及该控制电路中的输入电压瞬间变化萃取电路包括：第一分压电路，其包括串联的第一电阻与第二电阻，及与第一电阻并联的第一电容，该第一电阻的一端与输入电压电连接，另一端与该第二电阻的一端电连接，该第二电阻的另一端接地；第二分压电路，其包括串联的第三电阻与第四电阻，及与第四电阻并联的第二电容，该第三电阻的一端与输入电压电连接，另一端与该第四电阻的一端电连接，该第四电阻的另一端接地；以及运算放大器，其输入端分别与第一电阻和第二电阻的连接节点、及第三电阻和第四电阻的连接节点电连接。
就又另一个观点言，本发明提供了一种改善电源供应电路瞬时变化反应的方法，该电源供应电路包括一功率级电路，此功率级电路包含至少一个功率晶体管开关，通过该功率晶体管开关的切换，而将输入电压转换为输出电压，所述方法包含：将与输出电压有关的第一反馈讯号与一参考讯号相比较，产生误差放大讯号；萃取输入电压瞬间变化并产生与该瞬间变化量有关的讯号；取得一锯齿波讯号；至少根据该锯齿波讯号、该误差放大讯号、及该与瞬间变化量有关的讯号，而产生脉宽调变(PWM)讯号；以及根据该PWM讯号控制功率级电路中的该功率晶体管开关。
上述方法中，该萃取输入电压瞬间变化的步骤较佳包括：保持输入电压前一瞬间的第一分压值；取得输入电压目前瞬间的第二分压值；以及取得第一分压值和第二分压值的差值。且该第一分压值和第二分压值的差值可乘以一比例倍数后再输出。
本发明可运用于降压、升压、反压、升降压、及返驰型电源供应电路中。
下面通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。
附图说明
图1至图5分别示出现有技术的降压型、升压型、反压型、升降压型、及返驰型电源供应电路；
图6标出图1至图5电源供应电路中的控制电路的内部电路图；
图7标出美国专利第2007/0013354号案所提出的电路架构；
图8标出本发明的第一个实施例；
图9A-9G标出功率级28的数个实施例；
图10说明输入电压瞬间变化时，PWM讯号如何快速反应；
图11标出输入电压瞬间变化萃取电路21的一个实施例；
图12和图13标出本发明的两个实施例。
图中符号说明
1降压型电源供应电路
2升压型电源供应电路
3反压型电源供应电路
4升降压型电源供应电路
5返驰型电源供应电路
10控制电路
12误差放大器
14脉宽调变(PWM)比较器
16驱动电路
19光耦合电路
20控制电路
21输入电压瞬间变化萃取电路
23加法器
25运算放大器
28功率级
29输出电压反馈电路
C1，C2电容
IN输入电压
OUT 输出电压
Q，Q 1，Q2功率晶体管
R1-R4电阻
具体实施方式
请参考图8，其中显示本发明的第一个实施例。本发明中，通过输入电压瞬间变化萃取电路(ΔV·K)21取得输入电压IN的瞬间变化值ΔV，并转换为其适当比例(K倍，K可为任何正负实数，其绝对值可大于、等于或小于1)后，直接叠加至误差放大器EA 22的输出端，以快速反应输入电压的变化。
详言之，如图8所示，本实施例的改善瞬时变化反应的电源供应电路中包含误差放大器(EA)12、脉宽调变比较器14、驱动电路16、输入电压瞬间变化萃取电路21、功率级28，其中除功率级28以外的电路构成控制电路20。功率级28通过其内部功率晶体管开关的切换，而将输入电压IN转换为输出电压OUT；其例如可为(但不限于)图9A-9G中所显示的任何形式。当输入电压IN无变化时，输入电压瞬间变化萃取电路21的输出为零，误差放大器12的输出VEA直接传送至脉宽调变比较器14的正输入端，与锯齿波讯号相比较，以产生PWM讯号，并通过驱动电路16驱动功率级28中的功率晶体管开关。另一方面，当输入电压发生变化时，输入电压瞬间变化萃取电路21即取得输入电压IN的瞬间变化值ΔV，并转换为K倍，以配合反馈讯号FB、参考讯号Vref和输出电压OUT之间的关系，此转换后的电压(ΔV·K)与误差放大讯号VEA相加后，在脉宽调变比较器14中与锯齿波讯号相比较，以产生PWM讯号。图中显示(ΔV·K)与VEA的相加通过加法器23来达成，此加法器23不必须包含任何电路元件，其最简单形式可仅为一个节点。
以上所述根据输入电压瞬间变化的反应操作，举例而言请参阅图10，假设功率级28为升压转换，且脉宽调变比较器14的输出讯号原为PWM-1，当输入电压IN瞬间下降时，因输入电压瞬间变化萃取电路21迅速产生(ΔV·K)的输出并叠加至误差放大讯号VEA之上，因此脉宽调变比较器14将以VEA+(ΔV·K)与锯齿波讯号相比较，其输出讯号将迅速改变为PWM-2，以利功率级28加速进行升压转换。当输入电压IN平衡后，(ΔV·K)即趋于零，而误差放大讯号VEA也将平衡于新的准位，如图中虚线所示。
输入电压瞬间变化萃取电路21有各种实施方式，举一例请参见图11，其中由电阻R1、R2和电阻R3、R4所构成的分压电路分别对输入电压IN取分压，且电阻R1和电阻R4分别与电容C1和C2并联。当输入电压发生瞬间变化时，电容C2上的跨压将保持为其前一瞬间的电压，但由于电容C1的耦合效应，电阻R2上的跨压将迅速反应为其目前瞬间的电压，两者间的差值即为输入电压IN变化量ΔV的比例值，而该比例值可经由运算放大器OP 25运算产生适当的倍率后予以输出。
根据本案发明人的实验，当输入电压IN发生约50微秒的瞬间变化时，图6现有技术约需60微秒才能反应到达平衡状态，但本发明在约10微秒左右即可以提前反应到达平衡状态。
图12显示本发明的另一个实施例。本实施例与图8实施例的差别在于，图8实施例为开回路控制，而本实施例为闭回路控制。如图所示，输出电压反馈电路29取得与输出电压OUT有关的讯号，并反馈与锯齿波讯号相加，再将其结果输入脉宽调变比较器14的负输入端。输出电压反馈电路29例如可用电阻分压电路来达成。图13显示本发明的另一个实施例，本实施例与图12实施例的差别在于，输出电压反馈电路29的输出是与误差放大讯号VEA相加。以上图12和图13实施例都可达成闭回路控制的目的，至于其它电路细节则与图8相似，不与赘述。当然，图12和图13实施例中，欲取得适当的结果，输出电压反馈电路29的输出必须取正确的正负号再与其它讯号相加(或相减)。
以上已针对较佳实施例来说明本发明，只是以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以思及各种等效变化。例如，各比较器、误差放大器、运算放大器的输入端正负可以互换，仅需对应修正后级电路的讯号处理方式即可。又如，在所示直接连接的两电路单元间，可以插入不影响主要功能的电路。再如，本发明也可适用于参考电压Vref为可变的电路架构。以上种种，及其它各种等效变化，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (20)

1.一种改善瞬时变化反应的电源供应电路，其特征在于，包含：
功率级电路，包含至少一个功率晶体管开关，通过该功率晶体管开关的切换，而将输入电压转换为输出电压；
误差放大器，将与输出电压有关的第一反馈讯号与一参考讯号相比较，产生误差放大讯号；
输入电压瞬间变化萃取电路，其萃取输入电压瞬间变化并产生与该瞬间变化量有关的讯号；以及
脉宽调变比较器，其至少根据一锯齿波讯号、该误差放大讯号、及该与瞬间变化量有关的讯号，而产生脉宽调变讯号，以控制功率级电路中的该功率晶体管开关。
2.如权利要求1所述的改善瞬时变化反应的电源供应电路，其中，该输入电压瞬间变化萃取电路包括：
第一分压电路，其包括串联的第一电阻与第二电阻，及与第一电阻并联的第一电容，该第一电阻的一端与输入电压电连接，另一端与该第二电阻的一端电连接，该第二电阻的另一端接地；
第二分压电路，其包括串联的第三电阻与第四电阻，及与第四电阻并联的第二电容，该第三电阻的一端与输入电压电连接，另一端与该第四电阻的一端电连接，该第四电阻的另一端接地；以及
运算放大器，其输入端分别与第一电阻和第二电阻的连接节点、及第三电阻和第四电阻的连接节点电连接。
3.如权利要求1所述的改善瞬时变化反应的电源供应电路，其中，该与瞬间变化量有关的讯号为该输入电压瞬间变化量的比例值。
4.如权利要求1所述的改善瞬时变化反应的电源供应电路，其中，该功率级进行为以下电压转换之一：降压、升压、反压、升降压、及返驰电压转换。
5.如权利要求1所述的改善瞬时变化反应的电源供应电路，其中，还包含输出电压反馈电路，产生与输出电压有关的第二反馈讯号，且该脉宽调变比较器根据所述锯齿波讯号、误差放大讯号、与瞬间变化量有关的讯号、及该第二反馈讯号而产生所述脉宽调变讯号。
6.如权利要求5所述的改善瞬时变化反应的电源供应电路，其中，该第二反馈讯号与该锯齿波讯号相加后输入该脉宽调变比较器。
7.如权利要求5所述的改善瞬时变化反应的电源供应电路，其中，该第二反馈讯号与误差放大讯号及该与瞬间变化量有关的讯号之和相加后输入该脉宽调变比较器。
8.如权利要求1所述的改善瞬时变化反应的电源供应电路，其中，还包含一驱动电路，接收该脉宽调变讯号，并产生对应的电压准位驱动所述功率晶体管开关。
9.一种改善电源供应电路瞬时变化反应的方法，该电源供应电路包括一功率级电路，此功率级电路包含至少一个功率晶体管开关，通过该功率晶体管开关的切换，而将输入电压转换为输出电压，其特征在于，所述方法包含：
将与输出电压有关的第一反馈讯号与一参考讯号相比较，产生误差放大讯号；
萃取输入电压瞬间变化并产生与该瞬间变化量有关的讯号；
取得一锯齿波讯号；
至少根据该锯齿波讯号、该误差放大讯号、及该与瞬间变化量有关的讯号，而产生脉宽调变讯号；以及
根据该脉宽调变讯号控制功率级电路中的该功率晶体管开关。
10.如权利要求9所述的改善电源供应电路瞬时变化反应的方法，其中，该萃取输入电压瞬间变化的步骤包括：
保持输入电压前一瞬间的第一分压值；
取得输入电压目前瞬间的第二分压值；以及
取得第一分压值和第二分压值的差值。
11.如权利要求10所述的改善电源供应电路瞬时变化反应的方法，其中，该萃取输入电压瞬间变化的步骤还包括：将该第一分压值和第二分压值的差值乘以一比例倍数后输出。
12.如权利要求9所述的改善电源供应电路瞬时变化反应的方法，其中，该功率级进行为以下电压转换之一：降压、升压、反压、升降压、及返驰电压转换。
13.如权利要求9所述的改善电源供应电路瞬时变化反应的方法，其中，还包含：产生与输出电压有关的第二反馈讯号，且该产生脉宽调变讯号的步骤是根据所述锯齿波讯号、误差放大讯号、与瞬间变化量有关的讯号、及该第二反馈讯号而产生所述脉宽调变讯号。
14.一种电源供应电路的控制电路，该电源供应电路包括至少一个功率晶体管开关，通过该功率晶体管开关的切换，而将输入电压转换为输出电压，其特征在于，所述控制电路包含：
误差放大器，将与输出电压有关的第一反馈讯号与一参考讯号相比较，产生误差放大讯号；
输入电压瞬间变化萃取电路，其萃取输入电压瞬间变化并产生与该瞬间变化量有关的讯号；以及
脉宽调变比较器，其至少根据一锯齿波讯号、该误差放大讯号、及该与瞬间变化量有关的讯号，而产生脉宽调变讯号，以控制该电源供应电路中的功率晶体管开关。
15.如权利要求14所述的电源供应电路的控制电路，其中，该输入电压瞬间变化萃取电路包括：
第一分压电路，其包括串联的第一电阻与第二电阻，及与第一电阻并联的第一电容，该第一电阻的一端与输入电压电连接，另一端与该第二电阻的一端电连接，该第二电阻的另一端接地；
第二分压电路，其包括串联的第三电阻与第四电阻，及与第四电阻并联的第二电容，该第三电阻的一端与输入电压电连接，另一端与该第四电阻的一端电连接，该第四电阻的另一端接地；以及
运算放大器，其输入端分别与第一电阻和第二电阻的连接节点、及第三电阻和第四电阻的连接节点电连接。
16.如权利要求14所述的电源供应电路的控制电路，其中，该与瞬间变化量有关的讯号为该输入电压瞬间变化量的比例值。
17.如权利要求14所述的电源供应电路的控制电路，其中，该功率级进行为以下电压转换之一：降压、升压、反压、升降压、及返驰电压转换。
18.如权利要求14所述的电源供应电路的控制电路，其中，此控制电路更取得与输出电压有关的第二反馈讯号，并将该第二反馈讯号与该锯齿波讯号相加后输入该脉宽调变比较器。
19.如权利要求14所述的电源供应电路的控制电路，其中，此控制电路更取得与输出电压有关的第二反馈讯号，并将该第二反馈讯号与与误差放大讯号及该与瞬间变化量有关的讯号的和相加后输入该脉宽调变比较器。
20.如权利要求1所述的电源供应电路的控制电路，其中，还包含一驱动电路，接收该脉宽调变讯号，并产生对应的电压准位驱动所述功率晶体管开关。
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