CN102082509B - 用于变频式电压调节器的频率控制电路及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于变频式电压调节器的频率控制电路，所述电压调节器包含第一定时触发器产生脉宽调变信号，电流产生器供应第一电流以决定固定开启时间或固定关闭时间，以及功率输出级接受所述脉宽调变信号操作而产生负载电流，所述功率输出级包含受所述脉宽调变信号切换的功率开关连接相节点，其特征在于所述频率控制电路包括：补偿器连接所述相节点，将相节点电压的脉冲宽度与所述固定开启时间或固定关闭时间之间的差值转换为第二电流；以及加法器连接所述电流产生器、第一定时触发器及补偿器，结合所述第一电流及所述第二电流给所述第一定时触发器，以决定所述脉宽调变信号的开启时间或关闭时间，因而控制所述脉宽调变信号的频率。

Description

用于变频式电压调节器的频率控制电路及方法

技术领域

本发明涉及一种变频式电压调节器，具体地说，是一种用于变频式电压调节器的频率控制电路及方法。

背景技术

脉宽调变电压调节器如果使用非定频系统架构，例如固定开启时间控制或固定关闭时间控制，其频率可能因为在不同的负载下偏移原来的设计而引发新的问题。例如在印刷电路板上的两个通道原本试图操作在100KHz以上差距的频率，却因为在某种负载下导致两者的频率相当接近，进而产生音频的现象。图1为固定开启时间及固定关闭时间脉宽调变的基本架构，图2为其波形图。参照图1及图2，比较器10比较输出电压Vout及参考电压Vref1而产生比较信号S1，脉宽调变信号产生器12根据比较信号S1产生脉宽调变信号S2驱动功率输出级14，将输入电压VIN转换为输出电压Vout。在脉宽调变信号产生器12中，定时触发器16触发固定开启时间Ton或固定关闭时间Toff，其宽度由电流产生器18提供电流I1设定。图3为用于固定开启时间脉宽调变的定时触发器16，其中比较信号S1控制开关SW3，因而控制电容C1的充电时间点，比较器22比较电容电压VC1及参考电压Vref2而产生脉宽调变信号S2。在比较信号S1触发正反器20切断开关SW3后，电容电压VC1因电流I1对电容C1充电而以固定速率从零上升，当电容电压VC1上升到参考电压Vref2的大小时，脉宽调变信号S2结束开启时间。因为电流I1是定值，所以脉宽调变信号S2具有固定宽度的开启时间。在图1所示的系统中，在不同的负载下，其频率误差的来源有三：

(1)相节点电压VP(＝VIN-IL×Ron)随负载电流IL变化，其中Ron为功率开关SW1的导通电阻值；

(2)电感L及印刷电路板上的寄生电阻RL所造成的压降(IL×RL)；

(3)在重载时因为失效时间(deadtime)较小而造成相节点电压VP的脉宽变小，因而造成频率加快。

参照图1及图4，为了避免功率开关SW1和SW2同时开启，系统通常在开启功率开关SW1以前插入预设的失效时间。在重载时，责任周期很大(duty cycle)，失效时间造成功率开关SW1的实际开启时间缩短，亦即相节点电压VP的脉宽变小，导致电压调节器提高其操作频率。

美国专利号6,456,050使用时序控制电路因应责任周期产生时序信号进行固定关闭时间控制，但只有在输出/入电压比小于0.5时才有不错的频率补偿效果。美国专利号6,774,611使用锁相回路控制脉宽调变信号的责任周期，虽然准确地控制频率，但是电路很复杂。

因此已知的频率控制电路及方法存在着上述种种不便和问题。

发明内容

本发明的目的，在于提出一种用于变频式电压调节器的频率控制电路及方法。

本发明的另一目的，在于提出一种根据相节点电压的脉宽补偿变频式电压调节器的操作频率的电路及方法。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种用于变频式电压调节器的频率控制电路，所述电压调节器包含第一定时触发器产生脉宽调变信号，电流产生器供应第一电流以决定固定开启时间或固定关闭时间，以及功率输出级接受所述脉宽调变信号操作而产生负载电流，所述功率输出级包含受所述脉宽调变信号切换的功率开关连接相节点，其特征在于所述频率控制电路包括：

补偿器连接所述相节点，将相节点电压的脉冲宽度与所述固定开启时间或固定关闭时间之间的差值转换为第二电流；以及

加法器连接所述电流产生器、第一定时触发器及补偿器，结合所述第一电流及所述第二电流给所述第一定时触发器，以决定所述脉宽调变信号的开启时间或关闭时间，因而控制所述脉宽调变信号的频率。

本发明的用于变频式电压调节器的频率控制电路还可以采用以下的技术措施来进一步实现。

前述的频率控制电路，其中所述补偿器包括：

第二定时触发器产生参考信号，其具有所述固定开启时间或固定关闭时间；

相检测器连接所述相节点，检测所述相节点电压而产生检测信号；以及

脉冲比较器连接所述第二定时触发器及相检测器，比较所述检测信号及参考信号而产生所述第二电流。

前述的频率控制电路，其中所述脉冲比较器包括：

第一低通滤波器连接所述第二定时触发器，提取所述参考信号的平均值；

第二低通滤波器连接所述相检测器，提取所述检测信号的平均值；以及

运算转导放大器连接所述第一及第二低通滤波器，将所述参考信号的平均值及所述检测信号的平均值之间的差值转换为所述第二电流。

前述的频率控制电路，其中所述脉冲比较器还包括：

第一脉宽电压转换器连接所述第二定时触发器，从所述参考信号提取所述固定开启时间或固定关闭时间，据以产生第一电压；

第二脉宽电压转换器连接所述相检测器，从所述检测信号提取所述相节点电压的脉冲宽度，据以产生第二电压；以及

运算转导放大器连接所述第一及第二脉宽电压转换器，将所述第一及第二电压之间的差值转换为所述第二电流。

前述的频率控制电路，其中所述第一脉宽电压转换器包括：

电流源；

电容；以及

开关连接在所述电流源及电容之间，因应所述参考信号而切换，使得所述电流源对所述电容充电而产生所述第一电压。

前述的频率控制电路，其中所述第二脉宽电压转换器包括：

电流源；

电容；以及

开关连接在所述电流源及电容之间，因应所述检测信号切换，使得所述电流源对所述电容充电而产生所述第二电压。

一种用于变频式电压调节器的频率控制方法，所述电压调节器包含定时触发器产生脉宽调变信号，电流产生器供应第一电流以决定固定开启时间或固定关闭时间，以及功率输出级接受所述脉宽调变信号操作而产生负载电流，所述功率输出级包含受所述脉宽调变信号切换的功率开关连接相节点，其特征在于所述频率控制方法包括：

将相节点电压的脉冲宽度与所述固定开启时间或固定关闭时间之间的差值转换为第二电流；以及

结合所述第一电流及所述第二电流给所述定时触发器，以决定所述脉宽调变信号的开启时间或关闭时间，因而控制所述脉宽调变信号的频率。

前述的频率控制方法，其中所述将相节点电压的脉冲宽度与所述固定开启时间或固定关闭时间之间的差值转换为第二电流的步骤包括：

产生具有所述固定开启时间或固定关闭时间的参考信号；

检测所述相节点电压而产生检测信号；以及

比较所述检测信号及参考信号而产生所述第二电流。

前述的频率控制方法，其中比较所述检测信号及参考信号而产生所述第二电流的步骤包括：

提取所述参考信号的平均值；

提取所述检测信号的平均值；以及

将所述参考信号的平均值及所述检测信号的平均值之间的差值转换为所述第二电流。

前述的频率控制方法，其中比较所述检测信号及参考信号而产生所述第二电流的步骤包括：

从所述参考信号提取所述固定开启时间或固定关闭时间，据以产生第一电压；

从所述检测信号提取所述相节点电压的脉冲宽度，据以产生第二电压；以及

将所述第一及第二电压之间的差值转换为所述第二电流。

采用上述技术方案后，本发明的用于变频式电压调节器的频率控

制电路及方法具有藉由检测相节点电压的脉冲宽度来补偿电压

调节器的操作频率，可以减少失效时间造成的频率误差的优点。

附图说明

图1为已知的固定开启时间及固定关闭时间脉宽调变电压调节器的基本架构图；

图2为图1的波形图；

图3为用于固定开启时间脉宽调变的定时触发器的示意图；

图4为图1的波形图；

图5为本发明的实施例的示意图；

图6为图5的电压调节器的操作频率与负载电流的关系曲线图；

图7为图5中的脉冲比较器的第一实施例的示意图；

图8为图7的波形图；

图9为图5中的脉冲比较器的第二实施例的示意图；

图10为图9中的脉宽电压转换器的实施例的示意图；以及

图11为图10的波形图。

图中，10、比较器 12、脉宽调变信号产生器 14、功率输出级 16、定时触发器 18、电流产生器 20、正反器 22、比较器 24、频率控制电路 26、电流检测器 28、加法器 48、定时触发器 50、相检测器 52、脉冲比较器 54、操作频率与负载电流的关系曲线 56、操作频率与负载电流的关系曲线 58、低通滤波器 60、低通滤波器 62、运算转导放大器 64、脉宽电压转换器 66、脉宽电压转换器。

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5，图5为根据本发明的实施例的示意图。如图所示，所述脉宽调变信号产生器12除了定时触发器16及电流产生器18以外，还包括频率控制电路24将提供给定时触发器16的第一电流I1调整为I1’，以补偿脉宽调变信号S2的频率。频率控制电路24包括补偿器26产生第二电流I2，以及加法器28将第二电流I2加入第一电流I1中而产生电流I1’。在补偿器26中，定时触发器48像图1的定时触发器16一样，根据比较信号S1触发固定开启时间Ton或固定关闭时间Toff，其宽度由电流产生器18提供电流I1设定。换言之，定时触发器48产生的参考信号on1含有第一电流I1决定的固定开启时间Ton或固定关闭时间Toff。补偿器26另包括相检测器50检测相节点电压VP而产生检测信号Phd，其使用逆电流检测(reversecurrent detection)取得功率开关SW1真正的开启时间或关闭时间。脉冲比较器52比较参考信号on1与检测信号Phd，取出由电流I1决定的固定开启时间Ton或固定关闭时间Toff与相节点电压VP的脉冲宽度之间的差值，据以产生第二电流I2。换言之，第二电流I2反应相节点电压VP的脉冲宽度误差，藉其调整脉宽调变信号S2的开启时间Ton或关闭时间Toff，减少失效时间造成的频率误差。在固定开启时间脉宽调变中，若参考信号on1提供的固定开启时间Ton大于检测信号Phd的脉冲宽度，则第二电流I2为正值，因此电流I1’大于第一电流I1，进而缩短脉宽调变信号S2的开启时间Ton，降低脉宽调变信号S2的频率。

图6为图5的电压调节器的操作频率与负载电流IL的关系曲线，如曲线54所示，已知的变频式电压调节器其负载程度对操作频率的影响很大，经本发明的频率补偿后，负载程度对操作频率的影响降低，如曲线56所示。

脉冲比较器52有许多电路可以实现，例如参照图7的实施例及图8的波形图，参考信号on1经低通滤波器58取出其平均值on1_a，检测信号Phd经低通滤波器60取出其平均值Phd_a，二者之间的差值电压经运算转导放大器62转换为第二电流I2。

图9为脉冲比较器52的另一个实施例，使用脉宽电压转换器64及66分别将参考信号on1及检测信号Phd的脉冲宽度转换为电压on1_a及Phd_a，二者之间的差值电压经运算转导放大器62转换为第二电流I2。

图10为图9的脉宽电压转换器64及66的实施例。脉宽电压转换器64包括电容C2、电流源Ix以及开关SW4连接在电流源Ix及电容C2之间，参考信号on1控制开关SW4。脉宽电压转换器66包括电容C3、电流源Ix以及开关SW5连接在电流源Ix及电容C3之间，检测信号Phd控制开关SW5。图11是图10的波形图，在参考信号on1的开启时间Ton期间，开关SW4闭合，电流源Ix对电容C2充电，因此电压on1_p以固定速率上升，当参考信号on1的开启时间Ton结束，开关SW4切断。在检测信号Phd的开启时间Ton期间，开关SW5闭合，电流源Ix对电容C3充电，当检测信号Phd的开启时间Ton结束，开关SW5切断。

图10的电路会让C2及C3的电压不断累积升高，应所述不会像图11的波形reset。

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 (10)

1.一种用于变频式电压调节器的频率控制电路，所述电压调节器包含第一定时触发器产生脉宽调变信号，电流产生器供应第一电流以决定固定开启时间或固定关闭时间，以及功率输出级接受所述脉宽调变信号操作而产生负载电流，所述功率输出级包含受所述脉宽调变信号切换的功率开关连接相节点，其特征在于所述频率控制电路包括：

补偿器连接所述相节点，将相节点电压的脉冲宽度与所述固定开启时间或固定关闭时间之间的差值转换为第二电流；以及

加法器连接所述电流产生器、第一定时触发器及补偿器，结合所述第一电流及所述第二电流给所述第一定时触发器，以决定所述脉宽调变信号的开启时间或关闭时间，因而控制所述脉宽调变信号的频率。

2.如权利要求1所述的频率控制电路，其特征在于，所述补偿器包括：

第二定时触发器产生参考信号，其具有所述固定开启时间或固定关闭时间；

相检测器连接所述相节点，检测所述相节点电压而产生检测信号；以及

脉冲比较器连接所述第二定时触发器及相检测器，比较所述检测信号及参考信号而产生所述第二电流。

3.如权利要求2所述的频率控制电路，其特征在于，所述脉冲比较器包括：

第一低通滤波器连接所述第二定时触发器，提取所述参考信号的平均值；

第二低通滤波器连接所述相检测器，提取所述检测信号的平均值；以及

运算转导放大器连接所述第一及第二低通滤波器，将所述参考信号的平均值及所述检测信号的平均值之间的差值转换为所述第二电流。

4.如权利要求2所述的频率控制电路，其特征在于，所述脉冲比较器还包括：

第一脉宽电压转换器连接所述第二定时触发器，从所述参考信号提取所述固定开启时间或固定关闭时间，据以产生第一电压；

第二脉宽电压转换器连接所述相检测器，从所述检测信号提取所述相节点电压的脉冲宽度，据以产生第二电压；以及

运算转导放大器连接所述第一及第二脉宽电压转换器，将所述第一及第二电压之间的差值转换为所述第二电流。

5.如权利要求4所述的频率控制电路，其特征在于，所述第一脉宽电压转换器包括：

电流源；

电容；以及

开关连接在所述电流源及电容之间，因应所述参考信号而切换，使得所述电流源对所述电容充电而产生所述第一电压。

6.如权利要求4所述的频率控制电路，其特征在于，所述第二脉宽电压转换器包括：

电流源；

电容；以及

开关连接在所述电流源及电容之间，因应所述检测信号切换，使得所述电流源对所述电容充电而产生所述第二电压。

7.一种用于变频式电压调节器的频率控制方法，所述电压调节器包含定时触发器产生脉宽调变信号，电流产生器供应第一电流以决定固定开启时间或固定关闭时间，以及功率输出级接受所述脉宽调变信号操作而产生负载电流，所述功率输出级包含受所述脉宽调变信号切换的功率开关连接相节点，其特征在于所述频率控制方法包括：

将相节点电压的脉冲宽度与所述固定开启时间或固定关闭时间之间的差值转换为第二电流；以及

结合所述第一电流及所述第二电流给所述定时触发器，以决定所述脉宽调变信号的开启时间或关闭时间，因而控制所述脉宽调变信号的频率。

8.如权利要求7所述的频率控制方法，其特征在于，所述将相节点电压的脉冲宽度与所述固定开启时间或固定关闭时间之间的差值转换为第二电流的步骤包括：

产生具有所述固定开启时间或固定关闭时间的参考信号；

检测所述相节点电压而产生检测信号；以及

比较所述检测信号及参考信号而产生所述第二电流。

9.如权利要求8所述的频率控制方法，其特征在于，比较所述检测信号及参考信号而产生所述第二电流的步骤包括：

提取所述参考信号的平均值；

提取所述检测信号的平均值；以及

将所述参考信号的平均值及所述检测信号的平均值之间的差值转换为所述第二电流。

10.如权利要求8所述的频率控制方法，其特征在于，比较所述检测信号及参考信号而产生所述第二电流的步骤包括：

从所述参考信号提取所述固定开启时间或固定关闭时间，据以产生第一电压；

从所述检测信号提取所述相节点电压的脉冲宽度，据以产生第二电压；以及

将所述第一及第二电压之间的差值转换为所述第二电流。