CN102055306B

CN102055306B - 升降压电源转换器的锯齿波产生器及其方法

Info

Publication number: CN102055306B
Application number: CN200910212080.6A
Authority: CN
Inventors: 陈科宏; 黄柄境; 何心欣
Original assignee: Richtek Technology Corp
Current assignee: Richtek Technology Corp
Priority date: 2009-11-03
Filing date: 2009-11-03
Publication date: 2015-02-11
Anticipated expiration: 2029-11-03
Also published as: CN102055306A

Abstract

一种应用在升降压电源转换器中产生锯齿波信号的方法，所述升降压电源转换器用以将一输入电压转为一输出电压，其特征在于所述方法包括下列步骤：第一步骤：检测所述输入电压；第二步骤：根据所述输入电压变化提供一第一锯齿波信号及一第二锯齿波信号，所述第一锯齿波信号的峰值随所述输入电压改变，所述第二锯齿波信号的谷值随所述输入电压改变。本发明的升降压电源转换器的锯齿波产生器及其方法具有在输入电压变化时能快速反应以稳定所述输出电压的优点。

Description

升降压电源转换器的锯齿波产生器及其方法

技术领域

本发明涉及一种电源转换器，具体地说，是一种升降压电源转换器的锯齿波产生器及其方法。

背景技术

图1显示传统升降压电源转换器10，其中功率级12根据信号PWM1及PWM2将输入电压Vin转换为输出电压Vout给负载RL，电阻R1及R2分压输出电压Vout产生回授信号VFB，误差放大器20放大回授信号VFB及参考电压Vref之间的差值产生误差信号VEA，补偿器18为使整体系统稳定，锯齿波产生器22提供锯齿波信号SAWbuck和SAWboost，比较器14及16根据误差信号VEA及锯齿波信号SAWbuck和SAWboost产生信号PWM1和PWM2。图2显示图1中升降压电源转换器10操作在降压模式时信号的波形图，其中波形24为输入电压Vin，波形26为锯齿波信号SAWbuck，波形28为误差信号VEA，波形30为误差信号VEA，波形32为信号PWM1。参照图1及图2，传统的升降压电源转换器10藉由负回授控制回路来调整输入电压Vin或负载RL变化时对输出电压Vout所造成的影响，以输入电压Vin变化为例，当输入电压Vin由Vin1降至Vin2时，如波形24及时间t1所示，输出电压Vout在回授路径还没反应前会因为能量不足而先下降，由于回授信号VFB是连接在误差放大器20的负输入端，因此误差信VEA将由原本的准位VEA1上升至VEA2，如波形28及30所示，又降压锯齿波信号SAWbuck的振幅及周期都是固定的，如波形26所示，故信号PWM1的责任周期(duty)将变大以使输出电压Vout回到原设定值，如波形32所示。然而，由于误差放大器需补偿以满足电源转换器10的稳定性，因此闭回路及补偿器18将使误差信号VEA无法在输入电压Vin改变时立即反应，以使输出电压Vout回到原设定值。

因此已知的升降压电源转换器存在着上述种种不便和问题。

发明内容

本发明的目的，在于提出一种在输入电压变化时能快速反应以稳定输出电压的升降压电源转换器及其控制方法。

本发明的另一目的，在于提出一种在输入电压变化时快速反应以稳定输出电压的升降压电源转换器的锯齿波产生器及其方法。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种应用在升降压电源转换器中产生锯齿波信号的方法，所述升降压电源转换器用以将一输入电压转为一输出电压，其特征在于所述方法包括下列步骤：

第一步骤：检测所述输入电压；

第二步骤：根据所述输入电压变化提供一第一锯齿波信号及一第二锯齿波信号，所述第一锯齿波信号的峰值随所述输入电压改变，所述第二锯齿波信号的谷值随所述输入电压改变。

本发明的应用在升降压电源转换器中产生锯齿波信号的方法还可以采用以下的技术措施来进一步实现。

前述的方法，其中所述根据所述输入电压变化提供所述第一锯齿波信号的步骤包括下列步骤：

第一步骤：提供一正比于所述输入电压的充电电流对一电容充电以产生所述第一锯齿波信号，所述第一锯齿波信号的峰值随所述输入电压的下降而降低；

第二步骤：固定所述第一锯齿波信号的谷值。

前述的方法，其中更包括低通滤波所述第一锯齿波信号以滤除所述第一锯齿波信号上的高频噪声。

前述的方法，其中所述根据所述输入电压变化提供所述第二锯齿波信号的步骤包括下列步骤：

第一步骤：提供一反比于所述输入电压的充电电流对一电容充电以产生一充电电压；

第二步骤：固定所述充电电压的最小值；

第三步骤：提供一反比于所述输入电压的偏移电压；

第四步骤：将所述充电电压减去所述偏移电压以产生所述第二锯齿波信号，所述第二锯齿波信号的峰值固定，而其谷值随所述输入电压的下降而降低。

前述的方法，其中更包括低通滤波所述充电电压以滤除所述充电电压中的高频噪声。

前述的方法，其中所述第一及第二锯齿波信号的周期固定。

一种升降压电源转换器的锯齿波产生器，所述升降压电源转换器用以将一输入电压转换为一输出电压，其特征在于，所述锯齿波产生器包括：

一电容；

一电流源，提供一随所述输入电压变化的充电电流对所述电容充电；

一控制电路，控制所述电容的充放电以产生一锯齿波信号，所述锯齿波信号的峰值随所述输入电压下降而减少；以及

一限制电路，用以固定所述锯齿波信号的谷值。

前述的锯齿波产生器，其中所述充电电流正比于所述输入电压。

前述的锯齿波产生器，其中所述控制电路包括一开关与所述电容并联。

前述的锯齿波产生器，其中所述限制电路包括至少一个由双极性接面晶体管接成的二极管串联在所述电容及一接地端之间。

前述的锯齿波产生器，其中更包括一低通滤波器滤除所述锯齿波信号的高频噪声。

前述的锯齿波产生器，其中所述锯齿波信号的周期固定。

一电容；

一控制电路，控制所述电容的充放电以产生一充电电压，所述充电电压的峰值随所述输入电压改变；

一限制电路，用以固定所述充电电压的最小值；

一电压源，提供一随所述输入电压改变的偏移电压，所述充电电压减去所述偏移电压产生一锯齿波信号，所述锯齿波信号的峰值固定而谷值则随所述输入电压下降而减少。

前述的锯齿波产生器，其中所述充电电流反比于所述输入电压。

前述的锯齿波产生器，其中所述偏移电压反比于所述输入电压。

前述的锯齿波产生器，其中更包括一低通滤波器滤除所述充电电压的高频噪声。

前述的锯齿波产生器，其中所述锯齿波信号的周期固定。

一种升降压电源转换器，其特征在于，包括：

一功率级，用以将一输入电压转为一输出电压；

一误差放大器，根据一与所述输出电压具有比例关系的回授信号及一参考电压产生一误差信号；

一锯齿波产生器，提供一第一锯齿波信号及一第二锯齿波信号，所述第一锯齿波信号的峰值随所述输入电压改变，所述第二锯齿波信号的谷值随所述输入电压改变；

一第一比较器，根据所述误差信号及第一锯齿波信号产生一第一控制信号给所述功率级；

一第二比较器，根据所述误差信号及一第二锯齿波信号产生一第二控制信号给所述功率级。

前述的升降压电源转换器，其中所述锯齿波产生器包括：

一电容；

一电流源，提供一正比于所述输入电压的充电电流对所述电容充电；

一控制电路，控制所述电容的充放电以产生所述第一锯齿波信号，所述第一锯齿波信号的峰值随所述输入电压的下降而降低；

一限制电路，用以固定所述第一锯齿波信号的谷值。

前述的升降压电源转换器，其中所述控制电路包括一开关与所述电容并联。

前述的升降压电源转换器，其中所述限制电路包括至少一个由双极性接面晶体管接成的二极管串联在所述电容及一接地端之间。

前述的升降压电源转换器，其中更包括一低通滤波器滤除所述第一锯齿波信号的高频噪声。

前述的升降压电源转换器，其中所述锯齿波产生器包括：

一电容；

一电流源，提供一反比于所述输入电压的充电电流对所述电容充电；

一控制电路，控制所述电容的充放电以产生一充电电压，所述充电电压的峰值随所述输入电压的下降而上升；

一限制电路，用以固定所述充电电压的最小值；

一电压源，提供一反比于所述输入电压的偏移电压，所述充电电压减去所述偏移电压产生所述第二锯齿波信号。

前述的升降压电源转换器，其中更包括一低通滤波器滤除所述充电电压的高频噪声。

前述的升降压电源转换器，其中所述第一及第二锯齿波信号的周期固定。

一种升降压电源转换器的控制方法，所述升降压电源转换器用以一输入电压转为一输出电压，其特征在于所述控制方法包括下列步骤：

第一步骤：根据一与所述输出电压具有比例关系的回授信号及一参考电压产生一误差信号；

第二步骤：提供一第一锯齿波信号及一第二锯齿波信号，所述第一锯齿波信号的峰值随所述输入电压改变，所述第二锯齿波信号的谷值随所述输入电压改变；

第三步骤：根据所述误差信号、第一锯齿波信号及第二锯齿波信号调节所述输出电压。

前述的控制方法，其中所述提供一第一锯齿波信号的步骤包括下列步骤：

第二步骤：固定所述第一锯齿波信号的谷值。

前述的控制方法，其中更包括低通滤波所述第一锯齿波信号以滤除所述第一锯齿波信号上的高频噪声。

前述的控制方法，其中所述提供一第二锯齿波信号的步骤包括下列步骤：

第一步骤：提供一反比于所述输入电压的充电电流对一电容充电以产生充电电压；

第二步骤：固定所述充电电压的最小值；

第三步骤：提供一反比于所述输入电压的偏移电压；以及

前述的控制方法，其中更包括低通滤波所述充电电压以滤除所述充电电压中的高频噪声。

前述的控制方法，其中所述第一及第二锯齿波信号的周期固定。

采用上述技术方案后，本发明的升降压电源转换器的锯齿波产生器及其方法具有在输入电压变化时能快速反应以稳定所述输出电压的优点。

附图说明

图1显示传统升降压电源转换器的示意图；

图2显示图1中信号的波形图；

图3显示升降压电源转换器操作在降压模式时的责任周期Dbuck与降压锯齿波信号SAWbuck之间的关系示意图；

图4显示降压锯齿波信号SAWbuck的峰值随输入电压Vin调整的实施例示意图；

图5显示升降压电源转换器操作在升压模式时的责任周期Dboost与升压锯齿波信号SAWboost之间的关系示意图；

图6显示升压锯齿波信号SAWboost的谷值随输入电压Vin调整的实施例示意图；

图7显示升降压电源转换器示意图；

图8显示图7中锯齿波产生器产生降压锯齿波信号实施例示意图；

图9显示图8中信号的波形图；

图10显示图7中锯齿波产生器产生升压锯齿波信号实施例示意图；

图11显示图10中信号的波形图。

图中，10、升降压电源转换器 12、功率级 14、比较器 16、比较器 18、补偿器 20、误差放大器 22、锯齿波产生器 24、输入电压Vin的波形 26、降压锯齿波信号SAWbuck的波形 28、误差信号VEA的波形 30、误差信号VEA的波形 32、信号PWM1的波形40、降压锯齿波信号SAWbuck的波形 42、误差信号VEA的波形 44、输入电压Vin的波形 46、降压锯齿波信号SAWbuck的波形 48、误差信号VEA的波形 50、升压锯齿波信号SAWboost的波形 52、误差信号VEA的波形 54、输入电压Vin的波形 56、升压锯齿波信号SAWboost的波形 58、误差信号VEA的波形 60、升降压电源转换器62、功率级 64、比较器 66、比较器 68、补偿器 70、误差放大器 72、锯齿波产生器7202、电流源 7204、控制电路 7206、限制电路 7208、低通滤波器 7210、电流源 7212、控制电路 7214、限制电路 7216、低通滤波器 7218、电流源 7220、运算放大器 80、输入电压Vin的波形 82、频率Clk的波形 84、降压锯齿波信号SAWbuck的波形 90、输入电压Vin的波形 92、频率Clk的波形 94、升压锯齿波信号SAWboost的波形。

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。

现请参阅图3，图3显示升降压电源转换器操作在降压模式时的责任周期Dbuck与降压锯齿波信号SAWbuck之间的关系，如图所示，所述波形40为降压锯齿波信号SAWbuck，波形42为误差信号VEA，VH为降压锯齿波信号SAWbuck的峰值，VL为降压锯齿波信号SAWbuck的谷值。根据图3中的相似三角形ABC及ADE可以推出升降压电源转换器操作在降压模式时的输出/输入比

Vout/Vin＝Dbuck＝(VEA-VL)/(VH-VL) 公式1

由公式1可知，当输入电压Vin变化时，若希望输出电压Vout及误差信号VEA维持不变，可以调整降压锯齿波信号SAWbuck的谷值VL及峰值VH，进而改变责任周期Dbuck，优选固定降压锯齿波信号SAWbuck的谷值VL，随输入电压Vin调整降压锯齿波信号SAWbuck的峰值VH。图4显示降压锯齿波信号SAWbuck的峰值随输入电压Vin调整的实施例，其中波形44为输入电压Vin，波形46为降压锯齿波信号SAWbuck，波形48为误差信号VEA。当输入电压Vin由Vin1降至Vin2时，如波形44所示，降压锯齿波信号SAWbuck的峰值也由VH1降至VH2，如波形46所示，由于降压锯齿波信号SAWbuck的充电时间固定，因此在降压锯齿波信号SAWbuck的峰值下降后，降压锯齿波信号SAWbuck的上升斜率也下降，故能在误差信号VEA不变的情况下，如波形48所示，使责任周期Dbuck增加。

图5显示升降压电源转换器操作在升压模式时的责任周期Dboost与升压锯齿波信号SAWboost之间的关系，其中波形50为升压锯齿波信号SAWboost，波形52为误差信号VEA。根据图5中的相似三角形ABC及ADE可以推出升降压电源转换器操作在升压模式时的输出/输入比

Vout/Vin＝1/(1-Dboost)＝(VH-VL)/(VH-VEA) 公式2

由公式2可知，在输入电压Vin改变时，若要在输出电压Vout及误差信号VEA不变的情况下改变责任周期Dboost，可以藉由调整升压锯齿波信号SAWboost的峰值及谷值来达成，优选固定升压锯齿波信号SAWboost的峰值VH，随输入电压Vin调整锯齿波信号SAW的谷值VL。图6显示升压锯齿波信号SAWboost的谷值随输入电压Vin调整的实施例，其中波形54为输入电压Vin，波形56为升压锯齿波信号SAWboost，波形58为误差信号VEA。当输入电压Vin由Vin1降至Vin2时，如波形54所示，升压锯齿波信号SAWboost的谷值也由VL1降至VL2，如波形56所示，升压锯齿波信号SAWboost的谷值下降后，由于误差信号VEA维持不变，如波形58所示，故需要较长的时间才能切到误差信号VEA，因此责任周期Dboost增加。

图7显示升降压电源转换器60，其包括一功率级62因应控制信号PWM1及PWM2将输入电压Vin转换为输出电压Vout，电阻R1及R2分压输出电压Vout产生回授信号VFB，误差放大器70根据回授信号VFB及参考电压Vref产生误差信号VEA，补偿器68补偿误差信号VEA以满足电源转换器60的稳定性，锯齿波产生器72检测输入电压Vin提供两组锯齿波信号SAWbuck及SAWboost，其中锯齿波信号SAWbuck的峰值随所述输入电压Vin改变，锯齿波信号SAWboost的谷值随所述输入电压Vin改变，比较器64及66比较误差信号VEA及锯齿波信号SAWbuck及SAWboost产生控制信号PWM1和PWM2。

图8显示图7中锯齿波产生器72产生降压锯齿波信号SAWbuck的实施例，其中电流源7202根据输入电压Vin提供正比于输入电压Vin的充电电流Ic1对电容C1充电，控制电路7204包括一开关SW1与电容C1并联，频率Clk切换开关SW1以控制电容C1的充放电，进而产生降压锯齿波信号SAWbuck，限制电路7206用以固定降压锯齿波信号SAWbuck的谷值，其包括一接成二极管的双极性接面二极管(BJT)Q1连接在电容C1及接地端GND之间，由电阻Rf1及电容Cf1组成的低通滤波器7208用以滤除降压锯齿波信号SAWbuck在频率Clk转态时所产生的高频噪声，在此实施例中，降压锯齿波信号SAWbuck的谷值固定，而其峰值随输入电压Vin的下降而降低。图9显示图8中信号的波形图，其中波形80为输入电压Vin，波形82为频率Clk，波形84为降压锯齿波信号SAWbuck。参照图8及图9，在时间t1时，输入电压Vin下降，如波形80所示，由于充电电流Ic1与输入电压Vin具有正比例关系，故充电电流Ic1也将跟着下降，而频率Clk的周期Ts及脉冲宽度都是固定的，如波形82所示，也就是说，电容C1的充电时间不变，因此降压锯齿波信号SAWbuck的峰值将下降，如波形84所示，在时间t2时，频率Clk打开(turn on)开关SW1，故电容C1开始放电，由于晶体管Q1的基极及射极之间有一压差Vbe，因此，降压锯齿波信号SAWbuck的谷值将固定在Vbe的准位。

图10显示图7中锯齿波产生器72产生升压锯齿波信号SAWboost的实施例。图11显示图10中信号的波形图。在图10中，电流源7210根据输入电压Vin产生一反比于输入电压Vin的充电电流Ic2对电容C2充电，控制电路7212包括开关SW2与电容C2并联，具有固定周期及脉冲宽度的频率Clk切换开关SW2以控制电容C2的充放电，如图11的波形92所示，进而产生充电电压V1，限制电路7214用以固定充电电压V1的谷值，其包括二个接成二极管的BJT Q2及Q3串联在电容C2及接地端GND之间，因此充电电压V1的最小值将被固定在2倍Vbe的准位，由电阻Rf2及电容Cf2组成的低通滤波器7216用以滤除充电电压V1中的高频噪声以产生电压V2，运算放大器7220将电压V2映像至节点a，电流源7218根据输入电压Vin产生反比于输入电压Vin的充电电流Ic3流经电阻R3产生直流的偏移电压Vof，节点a上的电压V2减去偏移电压Vof产生升压锯齿波信号SAWboost。当输入电压Vin下降时，如波形90所示，充电电压V1的峰值上升，故电压V2的峰值上升，但是偏移电压Vof也将随输入电压Vin下降而上升，因此电压V2经偏移电压Vof下拉后可以得到峰值固定但谷值随输入电压Vin的下降而降低的升压锯齿波信号SAWboost，如波形94所示。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化。因此，所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求限定。

Claims

1.一种应用在升降压电源转换器中产生锯齿波信号的方法，所述升降压电源转换器用以将一输入电压转为一输出电压，其特征在于所述方法包括下列步骤：

第一步骤：检测所述输入电压；

第二步骤：根据所述输入电压变化提供一第一锯齿波信号及一第二锯齿波信号，所述第一锯齿波信号的峰值随所述输入电压改变，所述第二锯齿波信号的谷值随所述输入电压改变；

其中，所述根据所述输入电压变化提供所述第二锯齿波信号的步骤包括下列步骤：

步骤A：提供一反比于所述输入电压的第一充电电流对一第一电容充电以产生一充电电压；

步骤B：固定所述充电电压的最小值；

步骤C：提供一反比于所述输入电压的偏移电压；

步骤D：将所述充电电压减去所述偏移电压以产生所述第二锯齿波信号，所述第二锯齿波信号的峰值固定，而其谷值随所述输入电压的下降而降低。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述输入电压变化提供所述第一锯齿波信号的步骤包括下列步骤：

步骤E：提供一正比于所述输入电压的第二充电电流对一第二电容充电以产生所述第一锯齿波信号，所述第一锯齿波信号的峰值随所述输入电压的下降而降低；

步骤F：固定所述第一锯齿波信号的谷值。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，更包括低通滤波所述第一锯齿波信号以滤除所述第一锯齿波信号上的高频噪声。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，更包括低通滤波所述充电电压以滤除所述充电电压中的高频噪声。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一及第二锯齿波信号的周期固定。

6.一种升降压电源转换器的锯齿波产生器，所述升降压电源转换器用以将一输入电压转换为一输出电压，其特征在于，所述锯齿波产生器包括：

一电容；

一限制电路，用以固定所述充电电压的最小值；

7.如权利要求6所述的锯齿波产生器，其特征在于，所述充电电流反比于所述输入电压。

8.如权利要求6所述的锯齿波产生器，其特征在于，所述偏移电压反比于所述输入电压。

9.如权利要求6所述的锯齿波产生器，其特征在于，所述控制电路包括一开关与所述电容并联。

10.如权利要求6所述的锯齿波产生器，其特征在于，所述限制电路包括至少一个由双极性接面晶体管接成的二极管串联在所述电容及一接地端之间。

11.如权利要求6所述的锯齿波产生器，其特征在于，更包括一低通滤波器滤除所述充电电压的高频噪声。

12.如权利要求6所述的锯齿波产生器，其特征在于，所述锯齿波信号的周期固定。

13.一种升降压电源转换器，其特征在于，包括：

一功率级，用以将一输入电压转为一输出电压；

一第二比较器，根据所述误差信号及一第二锯齿波信号产生一第二控制信号给所述功率级；

其中，所述锯齿波产生器包括：

一电容；

一限制电路，用以固定所述充电电压的最小值；

14.如权利要求13所述的升降压电源转换器，其特征在于，所述控制电路包括一开关与所述电容并联。

15.如权利要求13所述的升降压电源转换器，其特征在于，所述限制电路包括至少一个由双极性接面晶体管接成的二极管串联在所述电容及一接地端之间。

16.如权利要求13所述的升降压电源转换器，其特征在于，更包括一低通滤波器滤除所述充电电压的高频噪声。

17.如权利要求13所述的升降压电源转换器，其特征在于，所述第一及第二锯齿波信号的周期固定。

18.一种升降压电源转换器的控制方法，所述升降压电源转换器用以一输入电压转为一输出电压，其特征在于所述控制方法包括下列步骤：

第三步骤：根据所述误差信号、第一锯齿波信号及第二锯齿波信号调节所述输出电压；

其中，所述提供一第二锯齿波信号的步骤包括下列步骤：

步骤A：提供一反比于所述输入电压的第一充电电流对一第一电容充电以产生充电电压；

步骤B：固定所述充电电压的最小值；

步骤C：提供一反比于所述输入电压的偏移电压；以及

19.如权利要求18所述的控制方法，其特征在于，所述提供一第一锯齿波信号的步骤包括下列步骤：

步骤F：固定所述第一锯齿波信号的谷值。

20.如权利要求19所述的控制方法，其特征在于，更包括低通滤波所述第一锯齿波信号以滤除所述第一锯齿波信号上的高频噪声。

21.如权利要求18所述的控制方法，其特征在于，更包括低通滤波所述充电电压以滤除所述充电电压中的高频噪声。

22.如权利要求18所述的控制方法，其特征在于，所述第一及第二锯齿波信号的周期固定。