CN101997410A - 具有瞬时控制功能的切换式电源电路与其控制电路与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种具有瞬时控制功能的切换式电源电路与其控制电路与方法。该具有瞬时控制功能的切换式电源电路包含：一功率转换电路，其接受一输入电压，并转换产生一输出电压；反馈电路，其侦测输出电压并产生一代表输出电压的反馈讯号；与该功率转换电路的输出端耦接的输出电容；以及控制电路，其接收反馈讯号，并产生控制讯号以控制功率转换电路的转换操作，其中此控制电路包括一电压平衡电路，在输出电压过高时令输出电容放电，输出电压过低时对输出电容充电。

Description

具有瞬时控制功能的切换式电源电路与其控制电路与方法

技术领域

本发明涉及一种具有瞬时控制功能的切换式电源电路，也涉及控制切换式电源电路的控制电路与方法。

背景技术

切换式电源电路有多种型式，例如降压型(Buck Converter)、升压型(Boost Converter)、反压型(Inverter Converter)、升降压型(Buck-BoostConverter)等等。以上各电路又可分为同步与异步式，同步切换式电源电路使用两个(升降压型使用四个)功率晶体管开关，异步切换式电源电路则以二极管取代功率晶体管开关之一。以同步降压型电源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Vout萃取出的反馈讯号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Vin传送给输出端Vout。图2标出升压型电源电路2，图3标出反压型电源电路3，图4标出升降压型电源电路4，图5、6分别示出异步降压与升压切换式电源电路1’与2’。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根据反馈讯号FB，而产生开关控制讯号控制功率晶体管开关，达成输入端Vin与输出端Vout间的功率转换。

上述各种切换式电源电路的反馈控制机制，有使用电压讯号与电流讯号的两种型式(voltage mode and current mode)，但不论哪种型式，当负载端电流急剧变化时，均会造成输出端电压发生过高反应(Overshoot)和过低反应(Undershoot)，使输出产生较大的涟波，如图7所示。

有鉴于此，本发明即针对上述现有技术的不足，提出一种具有瞬时控制功能的切换式电源电路，及其控制电路与方法，以改善瞬时响应、降低电压涟波。

发明内容

本发明目的的一在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种切换式电源电路。

本发明的另一目的在于，提出一种切换式电源电路的控制电路。

本发明的另一目的在于，提出一种切换式电源电路的控制方法。

为达上述目的，就其中一个观点言，本发明提供了一种具有瞬时控制功能的切换式电源电路，包含：一功率转换电路，其接受一输入电压，并转换产生一输出电压；反馈电路，其侦测输出电压并产生一代表输出电压的反馈讯号；与该功率转换电路的输出端耦接的输出电容；以及控制电路，其接收反馈讯号，并产生控制讯号以控制功率转换电路的转换操作，其中此控制电路包括一电压平衡电路，在输出电压过高时令输出电容放电，输出电压过低时对输出电容充电。

上述切换式电源电路中，所述电压平衡电路可包括：第一比较器，将反馈讯号与第一参考讯号相比较，以决定输出电压是否过高；第二比较器，将反馈讯号与第二参考讯号相比较，以决定输出电压是否过低；第一开关，耦接于输出电容与地之间，当第一比较器判断输出电压过高时，此第一开关导通；以及第二开关，耦接于输出电容与一电压之间，当第二比较器判断输出电压过低时，此第二开关导通。

上述电压平衡电路中，宜还包括一辅助电容。

为达上述目的，就另一个观点言，本发明提供了一种切换式电源电路的控制电路，该切换式电源电路接受一输入电压，并在其输出端产生一输出电压，该输出端与一输出电容耦接，所述控制电路包含：误差放大器，其接收一代表输出电压的反馈讯号，与第一参考讯号比较；PWM产生器，根据误差放大器的输出产生PWM讯号；第一比较器，将反馈讯号与第二参考讯号相比较，以决定输出电压是否过高；第二比较器，将反馈讯号与第三参考讯号相比较，以决定输出电压是否过低；第一开关，耦接于输出电容与地之间，当第一比较器判断输出电压过高时，此第一开关导通；以及第二开关，耦接于输出电容与一电压之间，当第二比较器判断输出电压过低时，此第二开关导通。

为达上述目的，就再另一个观点言，本发明提供了一种切换式电源电路的控制方法，包含：提供一功率转换电路，其接受一输入电压，并在其输出端产生一输出电压；提供一输出电容，与该功率转换电路的输出端耦接；侦测输出电压并产生一代表输出电压的反馈讯号；根据反馈讯号产生控制讯号，以控制功率转换电路的转换操作；以及根据反馈讯号控制输出电容的充放电，在输出电压过高时令输出电容放电，输出电压过低时对输出电容充电。

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4分别示出现有技术的同步降压、升压、反压、升降压切换式电源电路；

图5与6分别显示现有技术的异步降压与升压切换式电源电路；

图7说明现有技术的问题；

图8以异步升压切换式电源电路为例说明本发明；

图9显示本发明的实施例；

图10显示本发明的另一实施例；

图11显示本发明的效果；

图12显示电压平衡电路20的部份或全部可与控制电路10一同整合成一颗集成电路120；

图13说明除辅助电容C1外，亦可设置其它储能或降压元件；

图14说明本发明的概念；

图15A-15G说明本发明可应用于各种不同型式的切换式电源电路中。

图中符号说明

1       同步降压切换式电源电路

1’     异步降压切换式电源电路

2       同步升压切换式电源电路

2’     异步升压切换式电源电路

3       同步反压切换式电源电路

4       同步升降压切换式电源电路

10      控制电路

11      误差放大器

12      PWM产生器

20      电压平衡电路

21，22  比较器

24      驱动电路

110     功率转换电路

120     控制电路

130     反馈电路

C1      辅助电容

Cout    输出电容

FB      反馈讯号

N1NMOS  晶体管

P1PMOS  晶体管

Q1，Q2  功率晶体管开关

SW1，SW2开关

VDD   电压

Vin   输入电压

Vout  输出电压

具体实施方式

请参考图8，以异步升压切换式电源电路为例来说明本发明，但请注意本发明可类推应用于其它型式的同步或异步切换式电源电路中，并不仅限于异步升压切换式电源电路。图8显示本发明的第一个实施例，其中除基本的异步升压切换式电源电路结构外，另设有一个电压平衡电路20；此电压平衡电路20可以全部或部分与控制电路10整合成一颗集成电路。电压平衡电路20的作用是，当输出电压Vout过高时释放输出电容Cout内储存的能量，输出电压Vout过低时补充输出电容Cout内储存的能量，使切换式电源电路具有瞬时控制功能，可改善瞬时响应与降低电压涟波。

电压平衡电路20有各种实施方式，请参阅图9的实施例，其基本概念如图所示，可使用比较器21，22将代表输出电压Vout的反馈讯号FB分别与参考讯号REF1和REF2比较，并根据比较结果控制开关SW1，SW2。请对照图9与图11，当反馈讯号FB高于参考讯号REF1时表示将发生overshoot，但比较器21的输出使开关SW1导通，输出电容Cout对地(或任何较输出电压Vout为低的电压节点)释放电荷，于是输出电压Vout得以降低而不致发生overshoot、或减少其变化量。相似地，当反馈讯号FB低于参考讯号REF2时表示将发生undershoot，但比较器22的输出使开关SW2导通，电压VDD对输出电容Cout充电，于是输出电压Vout得以升高而不致发生undershoot、或减少其变化量。图标电路中，比较器21，22输入端的正负极性可视开关SW1，SW2的设计而对应设定。

图9实施例中，在接近undershoot状况时电压VDD需对输出电容Cout充电，因此电压VDD需等于或高于正常情况下的输出电压Vout。图10显示另一实施例，本实施例中开关SW1，SW2分别以NMOS晶体管N1和PMOS晶体管P1来实现(仅为举例，两开关都为NMOS或都为PMOS亦可)。此外，比较器21，22的输出可直接驱动或通过驱动电路24来驱动NMOS晶体管N1和PMOS晶体管P1，以便利控制晶体管N1和晶体管P1，使之得以充分导通。与前一实施例相较，本实施例的特点在于另设置了一个辅助电容C1。

请对照图10与图11，当反馈讯号FB高于参考讯号REF1时表示将发生overshoot，但比较器21的输出使NMOS晶体管N1导通，输出电容Cout对辅助电容C1充电，于是一方面输出电压Vout得以降低，另方面辅助电容C1中也储存了能量。当反馈讯号FB低于参考讯号REF2时，表示将发生undershoot，但比较器22的输出使PMOS晶体管P1导通，此时辅助电容C1上的能量叠加至电压VDD上，辅助电容C1对输出电容Cout充电，于是输出电压Vout得以升高。由以上说明可知，借助于辅助电容C1的作用，电压VDD可以不必等于或高于正常情况下的输出电压Vout，事实上电压VDD可以为任意高于地电位的电压，仅需辅助电容C1有足够的储能容量即可。因此，可以很便利地从电路内或电路外取得合用的电压VDD。

图12举例说明，可将电压平衡电路20除辅助电容C1以外的部分与控制电路10整合成一颗集成电路120，其中误差放大器11将反馈讯号FB与参考讯号REF比较，而PWM产生器12根据误差放大器11的输出产生PWM讯号，控制功率晶体管Q2的切换。此外，也可将电压平衡电路20包括辅助电容C1在内与控制电路10一同整合成一颗集成电路。

在输出电容Cout的辅助充放电路径中，并不限于安置辅助电容C1；除辅助电容C1之外，亦可设置其它储能或降压元件，例如但不限于图13所示的电感、电阻、二极管、曾纳二极管等；或亦可设置晶体管等主动元件，提供类似于以上元件的功能。

综合以上，本发明的概念如图14所示，功率转换电路110接受输入电压Vin；反馈电路130侦测输出电压Vout并输出反馈讯号给控制电路120；控制电路120控制功率转换电路110，以将输入电压Vin转换为输出电压Vout，且控制电路120具有电压平衡功能，可对输出电容Cout充放电。其中，功率转换电路110可以为任何型式的同步或异步切换式电源电路，例如但不限于图15A-15G所示的各种电路结构。

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，各实施例图标的两直接相连的元件间，可插置不影响电路主要功能的其它元件；再如，功率晶体管开关可以为NMOSFET亦可为PMOSFET；又如，图8、10、12中，电压VDD可以来自电路的内部，等等。因此，本发明的范围应涵盖上述及其它所有等效变化。

Claims (13)

1.一种具有瞬时控制功能的切换式电源电路，其特征在于，包含：

一功率转换电路，其接受一输入电压，并转换产生一输出电压；

反馈电路，其侦测输出电压并产生一代表输出电压的反馈讯号；

与该功率转换电路的输出端耦接的输出电容；以及

控制电路，其接收反馈讯号，并产生控制讯号以控制功率转换电路的转换操作，其中此控制电路包括一电压平衡电路，在输出电压过高时令输出电容放电，输出电压过低时对输出电容充电。

2.如权利要求1所述的具有瞬时控制功能的切换式电源电路，其中，该电压平衡电路包括：

第一比较器，将反馈讯号与第一参考讯号相比较，以决定输出电压是否过高；

第二比较器，将反馈讯号与第二参考讯号相比较，以决定输出电压是否过低；

第一开关，耦接于输出电容与较输出电压为低的一电压节点之间，当第一比较器判断输出电压过高时，此第一开关导通；以及

第二开关，耦接于输出电容与一电压之间，当第二比较器判断输出电压过低时，此第二开关导通。

3.如权利要求2所述的具有瞬时控制功能的切换式电源电路，其中，该第一与第二开关耦接于一共同节点，且电压平衡电路还包括一辅助电容，耦接于输出电容与该共同节点之间。

4.如权利要求2所述的具有瞬时控制功能的切换式电源电路，其中，该第一与第二开关耦接于一共同节点，且电压平衡电路还包括以下元件之一或多者，耦接于输出电容与该共同节点之间：电感、电阻、二极管、曾纳二极管、晶体管。

5.如权利要求2所述的具有瞬时控制功能的切换式电源电路，其中，该第一与第二比较器通过一驱动电路驱动第一与第二开关。

6.一种切换式电源电路的控制电路，该切换式电源电路接受一输入电压，并在其输出端产生一输出电压，该输出端与一输出电容耦接，其特征在于，所述控制电路包含：

误差放大器，其接收一代表输出电压的反馈讯号，与第一参考讯号比较；

PWM产生器，根据误差放大器的输出产生PWM讯号；

第一比较器，将反馈讯号与第二参考讯号相比较，以决定输出电压是否过高；

第二比较器，将反馈讯号与第三参考讯号相比较，以决定输出电压是否过低；

第一开关，耦接于输出电容与较输出电压为低的一电压节点之间，当第一比较器判断输出电压过高时，此第一开关导通；以及

第二开关，耦接于输出电容与一电压之间，当第二比较器判断输出电压过低时，此第二开关导通。

7.如权利要求6所述的切换式电源电路的控制电路，其中，该第一与第二开关耦接于一共同节点，且控制电路还包括一辅助电容，耦接于输出电容与该共同节点之间。

8.如权利要求6所述的切换式电源电路的控制电路，其中，该第一与第二开关耦接于一共同节点，且控制电路还包括以下元件之一或多者，耦接于输出电容与该共同节点之间：电感、电阻、二极管、曾纳二极管、晶体管。

9.如权利要求6所述的切换式电源电路的控制电路，其中，该第一与第二比较器通过一驱动电路驱动第一与第二开关。

10.一种切换式电源电路的控制方法，其特征在于，包含：

提供一功率转换电路，其接受一输入电压，并在其输出端产生一输出电压；

提供一输出电容，与该功率转换电路的输出端耦接；

侦测输出电压并产生一代表输出电压的反馈讯号；

根据反馈讯号产生控制讯号，以控制功率转换电路的转换操作；以及

根据反馈讯号控制输出电容的充放电，在输出电压过高时令输出电容放电，输出电压过低时对输出电容充电。

11.如权利要求10所述的切换式电源电路的控制方法，其中，该根据反馈讯号控制输出电容充放电的步骤包括：

将反馈讯号与第一参考讯号相比较，以决定输出电压是否过高；

将反馈讯号与第二参考讯号相比较，以决定输出电压是否过低；

当判断输出电压过高时，使输出电容放电；以及

当判断输出电压过低时，提供一电压对输出电容充电。

12.如权利要求10所述的切换式电源电路的控制方法，其中，还包括：提供一辅助电容，其中该根据反馈讯号控制输出电容充放电的步骤中，当判断输出电压过高时，使输出电容通过该辅助电容放电，当判断输出电压过低时，提供一电压经该辅助电容对输出电容充电。

13.如权利要求10所述的切换式电源电路的控制方法，其中，该输出电容的一端接地，另一端与以下元件之一或多者耦接：电感、电阻、二极管、曾纳二极管、晶体管。

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