CN102082510B - 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定时触发器为脉宽调变信号触发固定开启时间或固定关闭时间，电流产生器供应第一电流给所述定时触发器，以决定所述固定开启时间或固定关闭时间的宽度，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，其特征在于所述频率控制电路包括：电流检测器连接所述功率输出级，回授表示所述负载电流的直流成分大小的第二电流；以及加法器连接所述电流产生器、电流检测器及定时触发器，将所述第二电流加入所述第一电流中，以调整所述固定开启时间或固定关闭时间的宽度，因而补偿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为上桥开关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。

美国专利号6,456,050使用时序控制电路因应责任周期(dutycycle)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，在于提出一种根据负载程度补偿变频式电压调节器的操作频率的电路及方法。

本发明的又一目的，在于提出一种降低变频式电压调节器的操作频率受负载影响的电路及方法。

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定时触发器为脉宽调变信号触发固定开启时间或固定关闭时间，电流产生器供应第一电流给所述定时触发器，以决定所述固定开启时间或固定关闭时间的宽度，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，其特征在于所述频率控制电路包括：

电流检测器连接所述功率输出级，回授表示所述负载电流的直流成分大小的第二电流；以及

加法器连接所述电流产生器、电流检测器及定时触发器，将所述第二电流加入所述第一电流中，以调整所述固定开启时间或固定关闭时间的宽度，因而补偿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。

前述的电路，其中所述电流检测器包括：

直流电阻检测电路连接所述功率输出级，提取所述负载电流的直流成分大小而产生第一电压；

可变增益放大器连接所述直流电阻检测电路，将所述第一电压放大为第二电压；以及

运算转导放大器连接所述可变增益放大器，将所述第二电压转换为所述第二电流。

前述的电路，其中所述可变增益放大器包括运算放大器及两电阻配置成反相放大器。

前述的电路，其中所述电流检测器包括：

取样及维持电路连接所述定时触发器及功率输出级，以所述脉宽调变信号为取样频率，对所述功率输出级的相节点电压取样而产生第一电压；

可变增益放大器连接所述取样及维持电路，将所述第一电压放大为第二电压；以及

运算转导放大器连接所述可变增益放大器，将所述第二电压转换为所述第二电流。

前述的电路，其中所述可变增益放大器包括运算放大器及两电阻配置成反相放大器。

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为脉宽调变信号触发固定开启时间或固定关闭时间，电流产生器供应第一电流给所述定时触发器，以决定所述固定开启时间或固定关闭时间的宽度，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，其特征在于所述频率控制方法包括：

从所述功率输出级回授表示所述负载电流的直流成分大小的第二电流；以及

将所述第二电流加入所述第一电流中，以调整所述固定开启时间或固定关闭时间的宽度，因而补偿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，其中所述从所述功率输出级回授表示所述负载电流的直流成分大小的第二电流的步骤包括：

从所述功率输出级提取所述负载电流的直流成分大小而产生第一电压；

将所述第一电压放大为第二电压；以及

将所述第二电压转换为所述第二电流。

前述的方法，其中更包括调整所述第二电压对所述第一电压的增益，因而调整对所述脉宽调变信号的频率补偿。

前述的方法，其中所述从所述功率输出级回授表示所述负载电流的直流成分大小的第二电流的步骤包括：

以所述脉宽调变信号为取样频率，对所述功率输出级的相节点电压取样而产生第一电压；

将所述第一电压放大为第二电压；以及

将所述第二电压转换为所述第二电流。

前述的方法，其中更包括调整所述第二电压对所述第一电压的增益，因而调整对所述脉宽调变信号的频率补偿。

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以下优点：

1.利用负载前馈补偿变频式电压调节器的操作频率，因而减少所述电压调节器的相节点电压以及电感与电路板上的寄生电阻造成的频率误差。

2.从负载电流回授电流直接加入决定固定开启时间或固定关闭时间的电流中，因此只需要简单的电路。

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示意图；

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为本发明的实施例的示意图；

图5为图4中的电流检测器的第一实施例的示意图；

图6为图4的电压调节器的操作频率与负载电流的关系曲线图；以及

图7为图4中的电流检测器的第二实施例的示意图。

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30、直流电阻检测电路32、放大器34、可变增益放大器36、运算放大器38、运算转导放大器40、操作频率与负载电流的关系曲线42、操作频率与负载电流的关系曲线44、操作频率与负载电流的关系曲线46、取样及维持电路。

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4和图5，图4是，如图所示，所述

图4为根据本发明的实施例的示意图，其中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包括电流检测器26检测负载电流IL而回授表示负载电流IL的直流成分大小的第二电流I2，以及加法器28结合第一电流I1及第二电流I2而产生电流I1′给定时触发器16。经过第二电流I2的调整，供应定时触发器16的电流I1′与负载电流IL的大小相关，例如参照图3，定时触发器16产生的固定开启时间Ton或固定关闭时间Toff将受到调整，进而改变脉宽调变信号S2的频率。此项利用电流检测器26前馈负载电流IL的信息而补偿频率的方法称为负载前馈(loadingfeedforward)。由于第一电流I1是定值，因此第二电流I2的变化将导致电流I1′跟随变化，进而调整脉宽调变信号S2的固定开启时间Ton或固定关闭时间Toff，如此可以改善相节点电压VP以及电感L与印刷电路板上的寄生电阻造成的频率误差。

电流检测器26有许多电路可以实现，例如在图5的实施例中，直流电阻检测电路30连接功率输出级14，提取负载电流IL的直流成分大小。直流电阻检测电路30包含串联的电阻电容并联至电感L，电容Cs的跨压即表示负载电流IL的直流成分大小，此电压经放大器32放大为电压V1，再经可变增益放大器34放大为电压V2。在此实施例中，可变增益放大器34为运算放大器36及电阻R1及R2配置成的反相放大器，其产生的电压V2经运算转导放大器38转换为第二电流I2。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40所示，在未前馈负载电流IL的信息时，负载程度对操作频率的影响很大，经负载前馈补偿操作频率后，负载程度对操作频率的影响降低，如曲线42及44所示。若使用单一增益可变增益放大器34，例如图5中的R2＝R1，操作频率随负载电流IL的变化明显减缓如曲线42所示。提高可变增益放大器34的增益至两倍时，例如图5中的R2＝2R1，如曲线44所示，在很大的范围内，操作频率几乎不随负载电流IL变化。藉由调整电阻R1及R2的比值调整可变增益放大器38的增益，可对电压调节器的操作频率进行不同程度的补偿。

图7为电流检测器26的另一个实施例，可变增益放大器34和运算转导放大器38与图5的实施例相同，但是使用取样及维持电路46取样相节点电压VP产生第一电压Vsh。脉宽调变信号S2也施加到取样及维持电路46的取样频率，使其在上桥开关SW1闭路时对相节点电压VP＝VIN-IL×Ron取样。由于输入电压VIN及上桥开关SW1的导通阻值Ron可视为定值，故相节点电压VP与负载电流IL之间系负相关。因此取样及维持电路46取样相节点电压VP，可以得到与负载电流IL相关的第一电压Vsh。

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定时触发器为脉宽调变信号触发固定开启时间或固定关闭时间，电流产生器供应第一电流给所述定时触发器，以决定所述固定开启时间或固定关闭时间的宽度，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，其特征在于所述频率控制电路包括：

电流检测器连接所述功率输出级，回授表示所述负载电流的直流成分大小的第二电流；以及

加法器连接所述电流产生器、电流检测器及定时触发器，将所述第二电流加入所述第一电流中，以调整所述固定开启时间或固定关闭时间的宽度，因而补偿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，所述电流检测器包括：

直流电阻检测电路连接所述功率输出级，提取所述负载电流的直流成分大小而产生第一电压；

可变增益放大器连接所述直流电阻检测电路，将所述第一电压放大为第二电压；以及

运算转导放大器连接所述可变增益放大器，将所述第二电压转换为所述第二电流。

3.如权利要求2所述的频率控制电路，其特征在于，所述可变增益放大器包括运算放大器及两电阻配置成反相放大器。

4.如权利要求1所述的频率控制电路，其特征在于，所述电流检测器包括：

取样及维持电路连接所述定时触发器及功率输出级，以所述脉宽调变信号为取样频率，对所述功率输出级的相节点电压取样而产生第一电压；

可变增益放大器连接所述取样及维持电路，将所述第一电压放大为第二电压；以及

运算转导放大器连接所述可变增益放大器，将所述第二电压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，所述可变增益放大器包括运算放大器及两电阻配置成反相放大器。

6.一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为脉宽调变信号触发固定开启时间或固定关闭时间，电流产生器供应第一电流给所述定时触发器，以决定所述固定开启时间或固定关闭时间的宽度，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，其特征在于所述频率控制方法包括：

从所述功率输出级回授表示所述负载电流的直流成分大小的第二电流；以及

将所述第二电流加入所述第一电流中，以调整所述固定开启时间或固定关闭时间的宽度，因而补偿所述脉宽调变信号的频率。

7.如权利要求6所述的频率控制方法，其特征在于，所述从所述功率输出级回授表示所述负载电流的直流成分大小的第二电流的步骤包括：

从所述功率输出级提取所述负载电流的直流成分大小而产生第一电压；

将所述第一电压放大为第二电压；以及

将所述第二电压转换为所述第二电流。

8.如权利要求7所述的频率控制方法，其特征在于，更包括调整所述第二电压对所述第一电压的增益，因而调整对所述脉宽调变信号的频率补偿。

9.如权利要求6所述的频率控制方法，其特征在于，所述从所述功率输出级回授表示所述负载电流的直流成分大小的第二电流的步骤包括：

以所述脉宽调变信号为取样频率，对所述功率输出级的相节点电压取样而产生第一电压；

将所述第一电压放大为第二电压；以及

将所述第二电压转换为所述第二电流。

10.如权利要求9所述的频率控制方法，其特征在于，更包括调整所述第二电压对所述第一电压的增益，因而调整对所述脉宽调变信号的频率补偿。