CN102237786B - 减少互稳压效应的电源转换系统与电源控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是揭露一种减少互稳压效应的电源转换系统与电源控制方法以及一种减少互稳压效应的电源转换系统。其是计算复数个输出电压的各别误差讯号；调变该误差讯号，产生复数个误差调变讯号；以及依据该误差调变讯号计算峰值电压，并通过该峰值电压计算充放电周期的能量总值。通过利用电压反馈调整电路调变从输出电压反馈的误差讯号，以预先侦测输出电压能量以满足负载状态的变化，使得负载未变化端的输出电压的能量保持不变，仅有负载变化端的输出电压的能量有所变化，藉以有效减少互稳压效应，得系统输出稳态与暂态响应极佳。
Description
技术领域
本发明是关于一种电源转换系统，特别是关于一种应用于单电感多输出直流/直流转换器的减少互稳压效应的电源转换系统与电源控制方法。
背景技术
现今电源管理芯片已广泛应用于手机、PDA、笔记型电脑等可携式电子产品。在系统芯片发展的趋势下，为了减少芯片面积，将采用单电感多输出直流/直流转换器的架构。然而，此多输出架构将存有稳定度不佳与互稳压效应的问题。
传统主要为将多输出相互独立，使得输出端不被彼此负载变化所干扰，以解决互稳压效应问题。可利用连续假导通(Pseudo-CCM)电流技术，整体系统有如不连续电流模式(DCM)的状态，将使系统易于稳定。且由于具有相当于不连续电流模式的零电流，每个切换周期内具有一缓冲阶段，使得瞬间负载变化不会影响下一周期，以减少互稳压效应。然而，此方式必须在整个脉冲宽度调变(PWM)周期内加入一续流(Freewheel)阶段，由于非理想导通开关的等效电阻效应，将使大量功率会于此阶段内消耗，整体系统的导通损(Conduction Loss)将因此增加，进而影响效率转换。此外，续流阶段电感中储存的能量无法传至输出端，平均电感电流将大于输出负载的总和。且因单电感多输出模组架构的输出电感电流不连续的特性，较大的平均电感电流会造成较大的输出电压涟波，因此，需一高效能后级稳压电路对输出电压进一步处理。
另一种做法，为采取优先次序能量分配流程。然而，此方式仅仅适用于某特定的负载状态，并且其是利用比较器控制输出电压，相较于闭回路中采用误差放大器做控制，整体稳压效果不尽理想。
此外，可使用电感搭配电荷泵浦(Charge Pump)的架构。不过，此架构必须额外使用外部电容与二极管，且会有较大的输出电压涟波。并且由于负电压输出是由电荷泵浦达成，因此，负电压输出会有较差的稳压情况，实际应用上相当不理想。
有鉴于此，本发明是针对上述该些困扰与目标，同时结合电子电路技术与能量控制概念，提出一减少互稳压效应的电源转换系统与电源控制方法。
发明内容
本发明的主要目的是在提供一种减少互稳压效应的电源转换系统与电源控制方法，其是利用电压反馈调整电路调变误差讯号，以有效消除互稳压效应，达到稳定的双输出电源。
本发明的另一目的是在提供一种减少互稳压效应的电源转换系统与电源控制方法，其是利用预先侦测输出电压能量变化，反应输出端负载状态变动情况，以快速调整系统责任周期，使得系统具备良好输出稳态与暂态响应，功率转换效率极佳。
本发明的又一目的是在提供一种减少互稳压效应的电源转换系统与电源控制方法，其是可整合于各式电源管理模组，实际应用层面极为广泛。
为达到上述的目的，本发明提出的减少互稳压效应的电源转换系统，其是包括一开关电路、一电流侦测器、复数个误差放大器、一电压反馈调整电路、一峰值产生器、一比较器组与一控制电路。开关电路电性连接至少一电感，通过开关电路的开启与闭合控制电感的充放电，以输出复数个输出电压，且流经电感的电感电流将通过电流侦测器侦测，以感测电感电压。并且误差放大器接收反馈的输出电压，计算输入电压的误差讯号。电压反馈调整电路是接收与调变误差讯号，产生复数个误差调变讯号。且误差调变讯号将经由峰值产生器所接收，产生峰值电压。并且以比较器组将误差调变讯号与峰值电压及电感电压分别与电感电压比较，产生复数个电压讯号，且电压讯号经由控制电路接收，以产生复数个控制讯号用以控制开关电路，控制电感的充放电。
本发明提出的减少互稳压效应的电源控制方法，其步骤是包括，首先，依据复数个输出电压的负载状态，计算复数个输出电压的各别误差讯号。之后，调变误差讯号，计算符合负载状态的输出电压的能量，并产生复数个误差调变讯号。接着，依据误差调变讯号计算峰值电压，并通过峰值电压计算充放电周期的能量总值，使得充电周期的能量总值为系统所需的总能量，放电周期的能量总值为输出电压的能量的总合。最后，依据峰值电压充电至至少一电感，电感是将储存充电周期的能量总值。
底下通过具体实施例配合所附的图式详加说明，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为本发明电路架构的示意图；
图2为本发明电源控制的流程图；
图3为本发明电感充放电周期的波形图；
图4a为本发明负输出电压能量变化的示意图；
图4b为本发明正输出电压能量变化的示意图。
附图标记说明：
20-负输出电压能量；22-正输出电压能量；30-负输出电压能量；32-正输出电压能量；40-负输出电压能量；42-正输出电压能量；50-开关电路；52-电流侦测器；54-误差放大器；56-误差放大器；58-电压反馈调整电路；60-峰值产生器；62-比较器组；64-控制电路；641-路径决策逻辑；642-偏压调整电路；66-基体切换电路；68-斜率补偿器；70-能隙参考电路。
具体实施方式
本发明提出一种减少互稳压效应的电源转换系统与电源控制方法，其是利用反馈控制，于输出端负载状态变动时，预先侦测输出端能量的变化，使得系统能够依据负载状态调整责任周期，快速驱于稳态，以降低互稳压效应(CrossRegulation)的发生。底下则将以较佳实施例详述本发明的技术特征。
图1为本发明电路架构的示意图，如图所示，一开关电路50电性连接至少一电感L，其包含有复数个晶体管开关M1、M2与M3，透过控制晶体管开关M1、M2与M3开启或闭合控制电感L充放电，以输出正输出电压(Vop)与负输出电压(Von)。且流经电感L上的电感电流将透过一电流侦测器52进行侦测，以感测出电感L的电感电压(Vs)。
输出的正输出电压(Vop)及负输出电压(Von)将分别经由电阻(Rp1)与电阻(Rp2)以及电阻(Rn1)与电阻(Rn2)分压成为反馈电压(Vfp)与反馈电压(Vfn)反馈至误差放大器(EA)54与56，且误差放大器(EA)54与56是以参考电压(Vref)为基准，产生正输出电压误差讯号(Vep)及负输出电压误差讯号(Ven)。
正输出电压误差讯号(Vep)及负输出电压误差讯号(Ven)是经由与误差放大器(EA)54、56电性连接的一电压反馈调整电路58接收，其是将正输出电压误差讯号(Vep)、负输出电压误差讯号(Ven)相互反馈，正输出电压误差讯号(Vep)是利用反馈的负输出电压误差讯号(Ven)进行电压位准的调变，产生正输出电压误差调变讯号(Vemp)；负输出电压误差讯号(Ven)是利用反馈的正输出电压误差讯号(Vep)进行电压位准的调变，产生负输出电压误差调变讯号(Vemn)。
正输出电压误差调变讯号(Vemp)及负输出电压误差调变讯号(Vemn)再将输入至与电压反馈调整电路58电性连接的一峰值产生器60，其是利用正输出电压误差调变讯号(Vemp)与负输出电压误差调变讯号(Vemn)产生峰值电压(Vepn)。此峰值电压将为电感L的充电周期内最大的充电限制。
一比较器组(CMP)62是与电流侦测器52、电压调整电路58及峰值产生器60电性连接，且接收电感电压(Vs)、峰值电压(Vepn)与正输出电压误差调变讯号(Vemp)，并将峰值电压(Vepn)以及正输出电压误差调变讯号(Vemp)分别与电感电压(Vs)进行比较，产生复数个电压讯号(VCAB)与(VCA)，并且电压讯号(VCAB)与(VCA)将传送至一控制电路64。控制电路64包含一路径决策逻辑641与一偏压调整电路642，路径决策逻辑641是接收电压讯号(VCAB)与(VCA)以及系统时钟讯号(Vclk)，控制偏压调整电路642产生控制讯号VG1、VG2与VG3，以控制开关电路50的晶体管开关M1、M2与M3开启或闭合，以达到控制电感L的充放电。
此外，一斜率补偿器68是电性连接电流侦测器52，用以补偿电感电流变动所产生的次谐波振荡，以及产生所需的系统时钟讯号(Vclk)。且参考电压(Vref)及负输出电压(Von)分压侧的电压(Vnn)将由一能隙参考电路70产生。并且一基体切换电路66设置于开关电路50的晶体管开关M3，防止基体效应。另外，电压反馈调整电路58是可与误差放大器(EA)54及56整合。
以上为本发明的电路系统架构的详细说明，底下将对于本发明电源控制方法做进一步说明。
图2为本发明电源控制的流程图，请同实参阅图1，如图所示，首先，如步骤S10，误差放大器(EA)54与56依据输出电压(Vop)及(Von)的负载状态所反馈的反馈电压(Vfp)及(Vfn)，计算输出电压的误差讯号(Vep)及(Ven)。
之后，如步骤S12，电压反馈调整电路58调变误差讯号(Vep)及(Ven)，产生误差调变讯号(Vemp)及(Vemn)，以使得输出电压的能量与负载状态相符合。
接着，如步骤S14，峰值产生器60依据误差调变讯号(Vemp)及(Vemn)计算峰值电压(Vepn)，通过峰值电压(Vepn)计算充放电周期的能量总值，此峰值电压(Vepn)是为充电周期的最大充电限制，充电周期的能量总值将为系统所需的总能量，并且放电周期的能量总值是为输出电压的能量的总合。
最后，如步骤S16，依据峰值电压(Vepn)充电至电感L，电感L将储存充电周期的能量总值。
上述为本发明的电源控制方法的说明，底下将以能量观点，对于本发明在负载状态变动时，透过预先侦测输出电压能量变化，达到减少互稳压效应加以进一步说明。
图3为本发明电感充放电周期的波形图，并请同时参阅图1的电路架构示意图与图2的电源控制流程图，以及图4a与图4b的正负输出电压能量变化示意图，如图所示，于稳态时，输出电压的能量分别为负输出电压能量20与正输出电压能量22。在考虑未设置电压反馈调整电路58的情况下，当正输出电压(Vop)的负载状态变化，负输出电压(Von)的负载状态不变时，由于正输出电流(Iop)将突然增加，正输出电压误差讯号(Vep)是上升，连带使得峰值电压(Vepn)上升。因此，负输出电压能量20及正输出电压能量22是将增加为负输出电压能量30及正输出电压能量32。然而，由于负输出电压(Von)的负载状态并未变化，负输出电压能量20却增加成为负输出电压能量30，此时互稳压效应即发生。
故通过电压反馈调整电路58在正输出电压(Vop)负载状态变化，正输出电流(Iop)增加时，对正输出电压误差讯号(Vep)及负输出电压误差讯号(Ven)进行调变，利用相互反馈方式，拉升正输出电压误差讯号(Vep)位准，成为正输出电压误差调变讯号(Vemp)，同时降低负输出电压误差讯号(Ven)位准，成为负输出电压误差调变讯号(Vemn)。如此将能够下拉峰值电压(Vepn)，使得正输出电流(Iop)变动的瞬间，负输出电压能量40与负输出电压能量20相等，仅有正输出电压能量22增加为正输出电压能量42。因此，在同一脉冲宽度调变(PWM)周期内，负载状态未有变化的负输出电压(Von)所获得的能量并不有所变化，将不会发生输出电压变异的互稳压效应。
以上为正输出电压(Vop)负载状态变化，正输出电流(Iop)增加的状态说明。其他各种负载状态下的负载电流、反馈电压、误差调变讯号、峰值电压的变化情形是如表(1)所示。相对应的能量变化情形是可依据电压、电流变化进而推知，在此不在加以赘述。
表(1)
| 负载电流(Iop，Ion) | 反馈电压(Vfp，Vfn) | 正误差调变讯号(Vemp) | 负误差调变讯号(Vemn) | 峰值电压(Vepn) |
| Iop ↑ | Vfp ↓ | Vemp ↑↑ | Vemn ↓ | Vepn ↑ |
| Iop ↓ | Vfp ↑ | Vemp ↓↓ | Vemn ↑ | Vepn ↓ |
| Ion ↑ | Vfp ↑ | Vemp ↑ | Vemn ↑↑ | Vepn ↑↑↑ |
| Ion ↓ | Vfp ↓ | Vemp ↓ | Vemn ↓↓ | Vepn ↓↓↓ |
经由上述实施例说明可知本发明是将通过电压反馈调整电路58调变误差讯号，达到依据负载状态，预先侦测输出电压能量的目的。使得充电周期的能量为系统所需的总能量，且负载未变化的输出电压的能量将保持固定，大幅消除降低互稳压效应，系统将具有极佳输出稳态与暂态响应。此外，本发明是适用于非隔离式的升压式、降压式、升降压式电源转换电路及隔离式的顺向式、全桥式、半桥式、推挽式的电源转换电路等各式电源转换电路及电源转换电路组合。
以上所述的实施例仅是为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使熟习此项技艺的人士能够了解本发明的内容并据以实施，当不能以的限定本发明的专利范围，即大凡依本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的专利范围内。
Claims (17)
1.一种减少互稳压效应的电源转换系统，其特征在于，包括：
一开关电路，其电性连接至少一电感，控制该电感的充放电，以输出复数个输出电压；
一电流侦测器，其电性连接该电感，侦测流经该电感的电感电流，感测该电感的电感电压；
复数个误差放大器，其电性连接该开关电路，接收反馈的该输出电压，产生该输出电压的误差讯号；
一电压反馈调整电路，其电性连接该误差放大器，接收该误差讯号，并调变该误差讯号，产生复数个误差调变讯号；
一峰值产生器，其电性连接该电压反馈调整电路，接收该误差调变讯号，产生峰值电压；
一比较器组，其电性连接该电压调整电路与该峰值产生器及该电流侦测器，接收该误差调变讯号与该峰值电压及该电感电压，并将该电感电压分别与该误差调变讯号及该峰值电压比较，产生复数个电压讯号；以及
一控制电路，其电性连接该比较器组，且接收该比较器组产生的该电压讯号，产生复数个控制讯号以控制该开关电路。
2.根据权利要求1所述的减少互稳压效应的电源转换系统，其特征在于，还包括一斜率补偿器，其是与该电流侦测器电性连接，补偿该电感电流变动产生的次谐波振荡。
3.根据权利要求1所述的减少互稳压效应的电源转换系统，其特征在于，该误差放大器是以一参考电压为基准放大该误差讯号。
4.根据权利要求3所述的减少互稳压效应的电源转换系统，其特征在于，还包括一能隙参考电路产生该参考电压。
5.根据权利要求1所述的减少互稳压效应的电源转换系统，其特征在于，该控制电路更包含一路径决策逻辑与一偏压调整电路，该路径决策逻辑是接收该电压讯号，控制该偏压调整电路产生该控制讯号。
6.根据权利要求1所述的减少互稳压效应的电源转换系统，其特征在于，该开关电路包含复数个晶体管开关，该控制电路产生的该控制讯号是控制该晶体管开关开启或闭合。
7.根据权利要求1所述的减少互稳压效应的电源转换系统，其特征在于，该峰值电压为该电感的充电周期的最大充电限制。
8.根据权利要求1所述的减少互稳压效应的电源转换系统，其特征在于，该开关电路所产生的输出电压是为正电压或负电压。
9.根据权利要求1所述的减少互稳压效应的电源转换系统，其特征在于，该电压反馈调整电路是可整合于该误差放大器。
10.一种根据权利要求1所述的电源转换系统来减少互稳压效应的电源控制方法，其特征在于，包括下列步骤：
计算复数个输出电压的各别误差讯号；
调变该误差讯号，产生复数个误差调变讯号；以及
依据该误差调变讯号计算峰值电压，并通过该峰值电压计算充放电周期的能量总值。
11.根据权利要求10所述的减少互稳压效应的电源控制方法，其特征在于，在计算复数个输出电压的各别误差讯号的步骤中，将依据该输出电压的负载状态计算该误差讯号。
12.根据权利要求11所述的减少互稳压效应的电源控制方法，其特征在于，在调变该误差讯号的步骤中，通过调变该误差讯号调整该输出电压的能量以符合该负载状态。
13.根据权利要求12所述的减少互稳压效应的电源控制方法，其特征在于，在依据该误差调变讯号计算该峰值电压的步骤中，该放电周期的该能量总值是为该输出电压的该能量的总合。
14.根据权利要求10所述的减少互稳压效应的电源控制方法，其特征在于，在计算复数个输出电压的各别误差讯号的步骤中，该输出电压是为正电压或负电压。
15.根据权利要求10所述的减少互稳压效应的电源控制方法，其特征在于，该峰值电压是为该充电周期的最大充电限制。
16.根据权利要求10所述的减少互稳压效应的电源控制方法，其特征在于，该充电周期的该能量总值是为系统所需总能量。
17.根据权利要求10所述的减少互稳压效应的电源控制方法，其特征在于，更包括依据该峰值电压充电至至少一电感的步骤，该电感是将储存该充电周期的该能量总值。
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