CN102299615B - 适应性调整固定导通时间的电路与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种适应性调整固定导通时间的电路，其在正常操作状态下产生固定正常导通时间的方波讯号，控制一功率级电路将一输入电压转换为一输出电压，在输出电压发生低转高的瞬时时，则调整该导通时间较正常导通时间为长，或在高转低的瞬时时，则调整该导通时间较正常导通时间为短。本发明还提出一种适应性调整固定导通时间的电路与方法。

Description

适应性调整固定导通时间的电路与方法

技术领域

本发明涉及一种适应性调整固定导通时间的电路，以及适应性调整固定导通时间的方法，特别是指一种应用在直流转换电路改善瞬时涟波的电路与相关方法。

现有技术

一般而言，切换式电源供应电路的功率开关控制可分为调整脉宽或调整频率两类，在调整频率的架构下，控制功率开关的电路产生固定导通时间，使功率开关每次导通的时间都相同，整体电路通过改变频率，来调节输出电压的准位，使之稳定在所设定的电压数值。请参见图1，以降压型切换式电源供应电路为例，现有技术固定导通时间的切换式电源供应电路中，由一误差放大器EA比较一代表输出电压Vout的反馈讯号Vfb与一参考电压Vref，以产生误差放大讯号V1；再由一比较器Com比较该误差放大讯号V1与一代表电感电流的讯号ViL，决定其交越时点，产生比较讯号Comp，再经由一个单次脉波产生器15来产生固定导通时间的方波讯号PWM。驱动电路13依据方波讯号PWM控制功率级20的操作，以将输入电压Vin转换为输出电压Vout，供应给负载30。

此种固定导通时间的切换式电源供应电路，如需要改变输出电压时，将发生反应速度不足的问题。先请参见图2，当输出电压由高压转低压时，现有技术电路的涟波无法在预期的稳定时间(settling time)内到达规格内，而会高出规格容许的误差值一段时间；类似地，当输出电压由低压转高压时，请参见图3，现有技术电路无法在预期的稳定时间内到达规格内，而会低于规格容许的误差值一段时间。

有鉴于此，本发明即针对上述现有技术的不足，提出一种适应性调整固定导通时间的电路，与适应性调整固定导通时间的方法，以加速电路瞬时反应。

发明内容

本发明的目的之一在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种适应性调整固定导通时间的电路。

本发明的另一目的是提出一种适应性调整固定导通时间的方法。

为达上述目的，就其中一个观点言，本发明提供了一种适应性调整固定导通时间的电路，用以控制一功率级，以将一输入电压转换为一输出电压并提供一输出电流给一负载，该适应性调整固定导通时间的电路包含：一瞬时侦测电路，侦测一瞬时指示讯号，并依据该瞬时指示讯号产生一瞬时导通(TON)时间控制讯号；一导通时间(TON)产生电路，其可产生一固定的正常导通时间与一较长或较短的瞬时导通时间，该TON产生电路依据该瞬时TON控制讯号决定一方波讯号的导通时间；以及一驱动电路，依据该方波讯号，控制该功率级，其中当该瞬时指示讯号指示无瞬时发生时，该TON产生电路产生固定正常导通时间的该方波讯号；且其中当该瞬时指示讯号指示有输出电压降压的瞬时发生时，该TON产生电路产生较短瞬时导通时间的该方波讯号；或当该瞬时指示讯号指示有输出电压升压的瞬时发生时，该TON产生电路产生较长瞬时导通时间的该方波讯号。

上述适应性调整固定导通时间的电路中，该TON产生电路可包括：一斜坡讯号产生电路，其产生一斜坡讯号；以及一导通时间比较器，将该斜坡讯号与一参考讯号比较，以产生所述方波讯号，其中该斜坡讯号的斜率或峰值受控于该瞬时TON控制讯号。

前述斜坡讯号产生电路可包括一电流源，对一电容充电或放电以产生该斜坡讯号，其中该电流源的电流量受控于该瞬时TON控制讯号。

就另一个观点言，本发明提供了一种适应性调整固定导通时间的方法，用以控制一功率级，以将一输入电压转换为一输出电压并提供一输出电流给一负载，该适应性调整固定导通时间的方法包含：侦测一瞬时指示讯号，并依据该瞬时指示讯号产生一瞬时导通时间(TON)控制讯号；依据该瞬时TON控制讯号决定一方波讯号的导通时间，该方波讯号具有一固定的正常导通时间，与一较长或较短的瞬时导通时间，并；依据该方波讯号，控制该功率级，其中当该瞬时指示讯号指示无瞬时发生时，该TON产生电路产生固定正常导通时间的该方波讯号；且其中当该瞬时指示讯号指示有输出电压降压的瞬时发生时，产生较短瞬时导通时间的该方波讯号；或当该瞬时指示讯号指示有输出电压升压的瞬时发生时，产生较长瞬时导通时间的该方波讯号。

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为现有技术的固定导通时间降压切换式电源供应电路的示意图；

图2标出现有技术于输出电压降压时的瞬时直流涟波；

图3标出现有技术于输出电压升压时的瞬时直流涟波；

图4标出本发明的适应性调整固定导通时间的电路的示意电路图；

图5标出本发明于输出电压降压时的瞬时直流涟波；

图6标出本发明于输出电压升压时的瞬时直流涟波；

图7标出本发明的TON产生电路的一个实施例；

图8标出本发明的电流源CS1的一个实施例；

图9标出本发明的瞬时侦测电路的一个实施例；

图10-12标出本发明的电流源CS2的三个实施例；

图13标出电流源CS1的另一个实施例；

图14标出图4电路的更具体实施例，其中假设当负载30发出改变输出电压Vout的讯号时，亦会改变参考电压Vref；

图15标出讯号ViL、讯号V1、方波讯号PWM、与输出电压Vout在正常操作与输出电压瞬时变化(低转高)时的波形；

图16A-16F标出功率级转换电路的数个实施例；

图17标出斜坡讯号产生电路的另一个实施例。

图中符号说明

10控制电路

11瞬时侦测电路

12TON产生电路

122逻辑电路

125TON比较器

126误差放大器

127电流镜电路

13驱动电路

14反馈电路

20功率级

30负载

40取样电路

C    电容

Com，CP1，CP2比较器

Comp    比较讯号

CS1，CS2电流源

EA    误差放大器

i1，i2，iL，iset电流

L    电感

PWM    方波讯号

Q1，Q2，Q3晶体管

R1，R2，Rset电阻

REF1，REF2参考电压

SW    开关组

Tn1瞬时指示讯号

Tn2瞬时TON控制讯号

V1电压讯号

Vfb，ViL反馈讯号

Vin    输入电压

Vout    输出电压

Vref，Vref_T1参考电压

Vset    参考电压

V_T1斜坡讯号

具体实施方式

以下以应用于同步降压切换式电源供应电路为例来说明本发明的适应性调整固定导通时间的电路，但请注意本发明可类推应用于其它型式的同步或异步电源电路中，并不仅限于同步降压电源电路。

请参考图4，本发明的架构如图所示，适应性调整固定导通时间的电路10(以下简称控制电路10)控制功率级20，以将输入电压Vin转换为输出电压Vout，供应给负载30。控制电路10中包含瞬时侦测电路11、导通时间(On Time，TON)产生电路12、驱动电路13、以及反馈电路14。瞬时侦测电路11根据瞬时指示讯号Tn1而产生一瞬时导通时间(TON)控制讯号Tn2，并输入TON产生电路12。瞬时指示讯号Tn1是与输出电压Vout的变化有关的讯号，有多种方式可以取得，例如可通过直接侦测输出电压Vout而得，或在某些应用中，负载30会发出改变输出电压Vout的讯号，则瞬时指示讯号Tn1可直接或间接得自于负载30。TON产生电路12依据瞬时TON控制讯号Tn2以及自反馈电路14而来的讯号Comp，决定一方波讯号PWM的导通时间，而驱动电路13即根据此方波讯号PWM，驱动功率级20进行功率转换。

本发明中，在正常操作情况下，TON产生电路12产生一固定的正常导通时间，但在输出电压Vout变化时，在变化的瞬时期间，TON产生电路12将适应性地产生较长或较短的瞬时导通时间，直至电路稳定时，再恢复到固定的正常导通时间。具体而言，请参见图5并对照现有技术的图2，当输出电压Vout由高压转低压时，本发明将方波讯号PWM的导通时间适应性地调整成较短的瞬时导通时间，使输出电压Vout的直流涟波较小，因此可在预期的稳定时间(settling time)内到达规格内，而不似现有技术会高出规格容许的误差值一段时间。请参见图6并对照现有技术的图3，当输出电压Vout由低压转高压时，本发明将方波讯号PWM的导通时间适应性地调整成较长的瞬时导通时间，使输出电压Vout的直流涟波较大，加速到达规格内，而不似现有技术会低于规格容许的误差值一段时间。由以上对照可看出，本发明的直流电压涟波可比现有技术更快到达规格内。

TON产生电路12有各种实施方式，请参见图7为其中一个实施方式。如图所示，方波讯号PWM通过一TON比较器125比较一斜坡讯号V_T1与一参考电压Vref_T1所产生。斜坡讯号V_T1的斜率或峰值为可变，通过改变斜坡讯号V_T1的斜率或峰值，便可改变方波讯号PWM的导通时间。详言之，电流源CS1、电容C、晶体管开关Q1构成斜坡讯号产生电路，电流源CS1产生电流i1，对电容C充电，在节点T1上产生斜坡讯号V_T1，其中晶体管开关Q1的闸极受控于一逻辑电路122的输出，以调整晶体管开关Q1的导通时点，亦即斜坡讯号V_T1的频率。在较佳实施方式中，逻辑电路122宜根据讯号Comp(图4中反馈电路14的输出)来产生输出，使斜坡讯号V_T1的频率可根据对负载的输出电压与输出电流而受反馈控制。

根据本发明，改变斜坡讯号V_T1的斜率可通过调整电流源CS1的电流量来达成，而改变斜坡讯号V_T1的峰值可通过调整电容C的电容值来达成。本实施例以改变斜坡讯号V_T1的斜率为例，如图所示，电流源CS1的电流量依据瞬时TON控制讯号Tn2而改变，如此即可根据瞬时TON控制讯号Tn2来调整方波讯号PWM的导通时间。电流源CS1有多种方式可达成，举一例请参见图8，电路上方的电流镜电路将左方电流源CS2的电流i2复制至右方，假设瞬时TON控制讯号Tn2为数字讯号，则可根据瞬时TON控制讯号Tn2来决定开关组SW中应导通哪些开关，如此即可决定电流i1对电流i2的比例，亦即依据瞬时TON控制讯号Tn2来调整电流源CS1的电流量。如瞬时TON控制讯号Tn2为模拟讯号，则可将瞬时TON控制讯号Tn2转换为数字讯号，或以其它方式来使用模拟的瞬时TON控制讯号Tn2(容后详述)。

如瞬时指示讯号Tn1为数字讯号，则瞬时侦测电路11可为简单的译码电路，根据瞬时指示讯号Tn1而产生数字的瞬时TON控制讯号Tn2；如瞬时指示讯号Tn1为模拟讯号，则例如可通过模拟数字转换电路或查表电路(未示出)将瞬时指示讯号Tn1转换为瞬时TON控制讯号Tn2，或如图9所示，瞬时侦测电路11中可包括比较器CP1，CP2，将瞬时指示讯号Tn1与参考讯号REF1，REF2比较，以将瞬时侦测电路11转换为数字的瞬时TON控制讯号Tn2。图8、9中，开关组SW中开关的数目、比较器CP1，CP2的数目、以及数字讯号(瞬时TON控制讯号Tn2本身或其所转换产生的数字讯号)的位数仅是举例，并不限于图标，而可为任意数目。

根据本发明，电流源CS2的电流量也可由外部设定，如此可在电路应用上提供更大的弹性。有各种实施方式可达成此目的，例如请参阅图10为其中一个实施方式，左方的源极追随电路在晶体管Q2上产生电流iset，而电流镜电路127复制电流iset成为电流i2。当电路平衡时，误差放大器126两输入端的电压相等，亦即Vset＝iset×Rset，换言之通过设置不同阻值的电阻Rset，便可改变电流iset，进而改变电流i2；或如图11所示，通过安置不同阻值的电阻Rset，便可改变电压Vset，亦可改变电流iset与电流i2。以上电路中的晶体管不限于为MOSFET，亦可为双载子晶体管，而电阻和电流镜的位置亦可改变，如图12所示。

由图10-12可知，如瞬时TON控制讯号Tn2为模拟讯号，则可使用模拟的瞬时TON控制讯号Tn2为来作为参考电压Vset，亦同样可根据瞬时TON控制讯号Tn2来调整电流源CS1的电流量，如图13所示；当然，参考电压Vset不必须为瞬时TON控制讯号Tn2的本身，亦可为根据瞬时TON控制讯号Tn2而产生的模拟讯号。总之，适应瞬时指示讯号Tn1与瞬时TON控制讯号Tn2的不同形式，瞬时侦测电路11、与TON产生电路12中的电流源CS1可相应而为不同的设计，均可达到根据瞬时TON控制讯号Tn2来调整方波讯号PWM导通时间的目的，都应包含在本发明的范围之内。

图14显示图4电路的具体实施形式，在本实施例中，假设当负载30发出改变输出电压Vout的讯号时，亦会改变参考电压Vref，因此瞬时指示讯号Tn1可得自于参考电压Vref。当然，如先前所述，瞬时指示讯号Tn1的来源不限于此，亦可来自其它来源，例如可通过侦测输出电压Vout而得，或直接来自负载30。

请参见图15，本实施例中，讯号ViL、讯号V1、方波讯号PWM、与输出电压Vout波形如图所示。讯号ViL和讯号V1的交越点决定方波讯号PWM的导通时间始点(亦即方波讯号PWM的频率)，而TON产生电路12决定方波讯号PWM的导通时间(TON)。电路起初工作于正常操作情况下，但于输出电压Vout由低转高时，在瞬时期间内，方波讯号PWM的导通时间(TON)增长，在输出电压Vout到达所欲位准后，导通时间(TON)再回复到正常的长度。类似地，输出电压Vout由高转低时，在瞬时期间内，方波讯号PWM的导通时间(TON)则缩短，不另绘示。

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，虽然本发明在输出电压由高转低与由低转高的瞬时中，均调整导通时间，但如仅在输出电压其中一种转换的瞬时中调整导通时间、而不在另一种转换的瞬时中调整导通时间，当然亦属本发明的范围。又如，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，功率级电路20中的功率开关与斜坡产生电路中的晶体管Q1可以为NMOSFET亦可为PMOSFET；又如，本发明的功率级并不限于同步降压转换器，亦可类推于其它同步与异步的降压、升压、反压、升降压转换器，如图16A到图16F举例所示；再如，图7中的斜坡讯号产生电路是由电流源对电容充电，其亦可改变为由电流源对电容放电，如图17所示。因此，本发明的范围应涵盖上述及其它所有等效变化。

Claims (10)

1.一种适应性调整固定导通时间的电路，用以控制一功率级，以将一输入电压转换为一输出电压并提供一输出电流给一负载，其中该输出电压至少具有高压与低压的两种稳定状态并需要在该两种稳定状态之间转换，在该两种稳定状态之间转换的期间为瞬时，其特征在于，该适应性调整固定导通时间的电路包含：

一瞬时侦测电路，侦测一瞬时指示讯号，并依据该瞬时指示讯号产生一瞬时导通时间控制讯号；

一导通时间产生电路，其产生一固定的正常导通时间与一较长或较短的瞬时导通时间，该导通时间产生电路依据该瞬时导通时间控制讯号决定一方波讯号的导通时间；以及

一驱动电路，依据该方波讯号，控制该功率级，

其中当该瞬时指示讯号指示无瞬时发生时，该导通时间产生电路产生固定正常导通时间的该方波讯号；且

其中当该瞬时指示讯号指示有输出电压降压的瞬时发生时，该导通时间产生电路产生较短瞬时导通时间的该方波讯号；且当该瞬时指示讯号指示有输出电压升压的瞬时发生时，该导通时间产生电路产生较长瞬时导通时间的该方波讯号。

2.如权利要求1所述的适应性调整固定导通时间的电路，其中，该瞬时指示讯号来自于该适应性调整固定导通时间的电路的内部或来自于该负载。

3.如权利要求1所述的适应性调整固定导通时间的电路，其中，该导通时间产生电路包括：

一斜坡讯号产生电路，其产生一斜坡讯号；以及

一导通时间比较器，将该斜坡讯号与一参考讯号比较，以产生所述方波讯号，其中该斜坡讯号的斜率或峰值受控于该瞬时导通时间控制讯号。

4.如权利要求1所述的适应性调整固定导通时间的电路，其中，还包含一反馈电路，其根据该输出电压与输出电流而产生一输出讯号输入该导通时间产生电路，以决定所述方波讯号的频率，且其中该导通时间产生电路包括：

一第一电流源，其电流量受控于该瞬时导通时间控制讯号；

一电容，与该第一电流源耦接于一第一节点；

一第一晶体管，耦接于该第一电流源与电容间的节点；

一逻辑电路，接收该反馈电路输出讯号，并依据该反馈电路输出讯号，控制该第一晶体管的操作；以及

一导通时间比较器，将该第一节点电压与一第一参考电压比较，以产生所述方波讯号。

5.如权利要求4所述的适应性调整固定导通时间的电路，其中，该第一电流源包含一第二电流源与一电流复制电路，该电流复制电路将第二电流源的电流复制为第一电流源的电流，其中该电流复制电路的复制比例受控于该瞬时导通时间控制讯号。

6.如权利要求5所述的适应性调整固定导通时间的电路，其中，该第二电流源的电流由电路外部设定。

7.如权利要求4所述的适应性调整固定导通时间的电路，其中，该第一电流源包含一第二电流源与一电流复制电路，该电流复制电路将第二电流源的电流复制为第一电流源的电流，其中该第二电流源包括：

一第二晶体管，

一电阻，与该第二晶体管一端耦接于一第二节点；以及

一误差放大器，比较该第二节点电压与一第二参考电压，而产生一输出控制该第二晶体管，其中该第二参考电压为该瞬时导通时间控制讯号或根据该瞬时导通时间控制讯号而产生的模拟讯号。

8.一种适应性调整固定导通时间的方法，用以控制一功率级，以将一输入电压转换为一输出电压并提供一输出电流给一负载，其中该输出电压至少具有高压与低压的两种稳定状态并需要在该两种稳定状态之间转换，在该两种稳定状态之间转换的期间为瞬时，其特征在于，该适应性调整固定导通时间的方法包含：

侦测一瞬时指示讯号，并依据该瞬时指示讯号产生一瞬时导通时间控制讯号；

依据该瞬时导通时间控制讯号决定一方波讯号的导通时间，该方波讯号具有一固定的正常导通时间，与一较长或较短的瞬时导通时间，以及

依据该方波讯号，控制该功率级，

其中当该瞬时指示讯号指示无瞬时发生时，该导通时间产生电路产生固定正常导通时间的该方波讯号；且

其中当该瞬时指示讯号指示有输出电压降压的瞬时发生时，产生较短瞬时导通时间的该方波讯号；且当该瞬时指示讯号指示有输出电压升压的瞬时发生时，产生较长瞬时导通时间的该方波讯号。

9.如权利要求8所述的适应性调整固定导通时间的方法，其中，该依据瞬时导通时间控制讯号决定方波讯号导通时间的步骤包含：

产生一斜坡讯号；

以该瞬时导通时间控制讯号控制该斜坡讯号的斜率或峰值；以及

将该斜坡讯号与一参考讯号比较，以产生所述方波讯号。

10.如权利要求9所述的适应性调整固定导通时间的方法，其中，该产生一斜坡讯号的步骤包括以一电流源对一电容充电或放电，且该依据瞬时导通时间控制讯号控制斜坡讯号斜率或峰值的步骤包括以该瞬时导通时间控制讯号控制该电流源的电流量。

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