CN102457186A - 电流模式切换式电源供应器及其控制电路与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种电流模式切换式电源供应器及其控制电路与控制方法，该电源供应器包含一功率级，受一驱动电路所输出的驱动电压所驱动，切换至少一个功率晶体管以将输入电压转换为输出电压。本发明根据一与输出电压相关的回授讯号，产生一误差讯号，并根据该误差讯号调整该驱动电路的操作电压。

Description

电流模式切换式电源供应器及其控制电路与控制方法

技术领域

本发明涉及一种电流模式切换式电源供应器及其控制电路与控制方法，特别是指一种根据与输出电压相关的回授讯号，以调整驱动电路操作电压的电流模式切换式电源供应器及其控制电路与控制方法。

背景技术

图1为现有技术的电压模式切换式电源供应器的示意图，如图所示，PWM控制器11输出脉宽调变(pulse width modulation，PWM)PWM讯号，通过驱动电路15控制功率级12中至少一个功率晶体管，以将输入电压Vin转换为输出电压Vout，其中驱动电路15输出的驱动讯号的高位准由供应给驱动电路15的操作电压Vd所决定。回授电路13产生与输出电压Vout相关的回授讯号并将此回授讯号输入PWM控制器11，以产生PWM讯号。功率级12可为同步或异步的降压型、升压型、反压型、或升降压型功率转换电路，如图2A-2J所示。

当负载电路处于轻载状况，亦即其所需要的电流量较低时，若仍以正常方式切换功率晶体管，将会造成较大的功率耗损(包括切换损失与传导损失)，因此现有技术提出一种动态调整功率晶体管栅极驱动电压的方法，以减少功率耗损。详言之，该现有技术方法侦测输出电流Iout而产生一输出电流侦测讯号，并将此输出电流侦测讯号输入PWM控制器11，当输出电流Iout较低表示负载电路处于轻载状况时，PWM控制器11调降驱动电路15的操作电压Vd，使功率级12中的功率晶体管根据输出端负载的需求适当地操作，而减少功率耗损。

上述侦测输出电流以调降驱动电路15的操作电压Vd的现有技术，可参照美国专利案第7,265,601号、第7,345,463号、以及第7,615,940号。

但是，当切换式电源供应器具有多相功率级与对应的多个PWM控制器时，因有多路输出电流之故，要取得输出电流侦测讯号就变得非常复杂，在此需求下，往往造成电路的面积变大，处理讯号的程序也变得复杂。

有鉴于此，本发明即针对上述现有技术的不足，提出一种根据与输出电压相关的回授讯号，调整驱动电路操作电压，使得功率晶体管的操作最佳化的电流模式切换式电源供应器及其控制电路与控制方法。

发明内容

本发明目的之一在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种电流模式切换式电源供应器。

本发明的另一目的在于，提出一种电流模式切换式电源供应器的控制电路。

本发明的又一目的在于，提出一种电流模式切换式电源供应器的控制方法。

为达上述目的，就其中一个观点言，本发明提供了一种电流模式切换式电源供应器，包含：驱动电路，其接收一PWM讯号而产生一驱动讯号，该驱动电路根据一操作电压而决定该驱动讯号的高位准；功率级，根据该驱动讯号，切换至少一个功率晶体管以将输入电压转换为输出电压，并根据功率级中一电感电流，产生电流模式讯号；回授电路，根据该输出电压产生一回授讯号；误差讯号产生电路，根据该回授讯号产生一误差讯号；以及PWM控制器，根据该误差讯号与该电流模式讯号以产生该PWM讯号，并根据该误差讯号而调整该操作电压。

就另一个观点言，本发明提供了一种切换式电源供应器控制电路，其产生一PWM讯号，通过一驱动电路切换一功率级中至少一个功率晶体管，以将输入电压转换为输出电压，其中该驱动电路根据一操作电压而决定该驱动电路输出的驱动讯号的高位准，且该功率级根据功率级中一电感电流，所述切换式电源供应器控制电路包含：误差讯号产生电路，根据该输出电压相关的一回授讯号产生一误差讯号；以及PWM控制器，根据该误差讯号与该电流模式讯号而产生上述PWM讯号，并根据该误差讯号而调整上述操作电压。

上述切换式电源供应器或切换式电源供应器控制电路中，该PWM控制器可包括：PWM讯号产生器，与误差讯号产生电路耦接，根据该误差讯号与该电流模式讯号产生该PWM讯号；以及驱动电压调整电路，与误差讯号产生电路耦接，根据该误差讯号而产生该操作电压。

驱动电压调整电路中可包括一个能输出两种以上不同电压的电路，例如选择电路、可改变参考电压的线性稳压电路、或可改变倍数的可变倍数电荷泵。

上述电流模式切换式电源供应器可为多相电流模式切换式电源供应器。

就再另一个观点言，本发明提供了一种电流模式切换式电源供应器控制方法，该切换式电源供应器根据一PWM讯号，通过一驱动电路切换一功率级中至少一个功率晶体管，以将输入电压转换为输出电压，并根据该输出电压产生一回授讯号，其中该驱动电路根据一操作电压而决定该驱动电路输出的驱动讯号的高位准，且该功率级根据功率级中一电感电流，产生电流模式讯号，该切换式电源供应器控制方法包含：根据该回授讯号产生一误差讯号；根据该误差讯号与该电流模式讯号以产生该PWM讯号；以及根据该误差讯号调整该操作电压。

上述电流模式切换式电源供应器控制方法中，该根据该误差讯号调整该操作电压的步骤可包括：将该误差讯号与一参考电压相比较；以及根据该比较器的比较结果，决定该操作电压、或决定一线性稳压电路的参考电压、或决定一可变倍数电荷泵的倍数。

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显示现有技术的切换式电源供应器示意图；

图2A-2J标出同步或异步的降压型、升压型、反压型、或升降压型转换电路；

图3显示本发明基本架构的一个实施例；

图4显示本发明的另一个实施例；

图4A显示本发明的另一个实施例；

图5显示本发明的一个更具体实施例；

图6与图7显示驱动电压调整电路112的另两个实施例；

图8显示本发明应用于多相切换式电源供应器的实施例。

图中符号说明

11     PWM控制器

111    PWM讯号产生器

1111   比较器

112    驱动电压调整电路

1121   比较器

1122   选择电路

1123   误差放大器

1124   晶体管

1125        可变倍数电荷泵

12          功率级

121         上桥功率晶体管

122         下桥功率晶体管

13          回授电路

14          误差讯号产生电路

141         误差放大器

15          驱动电路

151         上桥驱动闸

152         下桥驱动闸

Iout        输出电流

L           电感

R1～R7      电阻

V1，V2      电压讯号

Vin         输入电压

Vd          操作电压

Vout        输出电压

Vref1，Vref2参考电压

具体实施方式

请参阅图3，显示一种电流模式切换式电源供应器的架构，亦是本发明的一个实施例。与电压模式切换式电源供应器不同的是，电流模式切换式电源供应器直接侦测功率级12中的电感电流变化，产生电流模式讯号输入PWM控制器11；PWM控制器11将误差讯号COMP与电流模式讯号相比较而产生PWM讯号。在电流模式的架构中，因将误差讯号COMP与电流模式讯号相比较而产生PWM讯号，亦即误差讯号COMP必须位于与电流模式讯号相匹配的位准范围内，换言之，误差讯号COMP的位准带有相关于电感电流的信息，而电感电流的信息即相关于输出电流的信息。本发明认知此点，因此提出：可自误差讯号COMP来取得相关于输出电流的信息，如此即可不必直接自输出端取得与输出电流相关的回授讯号，而可简化电路。

图3电路的操作详述如下。如图所示，PWM控制器11输出PWM讯号，通过驱动电路15控制功率级12中至少一个功率晶体管，以将输入电压Vin转换为输出电压Vout，其中驱动电路15输出的驱动讯号的高位准由其操作电压Vd所决定。回授电路13产生与输出电压Vout相关的回授讯号并将此回授讯号输入误差讯号产生电路14，以产生误差讯号COMP，其中误差讯号产生电路14的参数经适当设计以使误差讯号COMP的位准与电流模式讯号相匹配。PWM控制器11接收误差讯号COMP，以及由功率级12所产生的电流模式讯号，以产生PWM讯号以及电压调整讯号。功率级12可为但不限于同步或异步的降压型、升压型、反压型、或升降压型功率转换电路，如图2A-2J所示。

本发明与现有技术不同的是，电流模式切换式电源供应器中，PWM控制器11接收误差讯号产生电路14所产生的误差讯号COMP，并根据此误差讯号COMP而调整驱动电路15的操作电压Vd。与现有技术相较，本发明不需要侦测输出电流Iout，因此电路较为简单，特别是当切换式电源供应器具有多相功率级与对应的多个PWM控制器时，本发明因不需要侦测多路输出电流，更显优越。之所以可由误差讯号COMP的变化来反映输出电流Iout的变化，容后再予详细说明。

图4显示本发明架构的一个较具体实施例。如图所示，PWM控制器11包含PWM讯号产生器111，与误差讯号产生电路14耦接，根据该误差讯号COMP而产生PWM讯号，传送给驱动电路15；驱动电压调整电路112，与误差讯号产生电路14耦接，根据该误差讯号COMP而动态调整操作电压Vd。在本实施例中，驱动电压调整电路112接收输入电压Vin而转换产生操作电压Vd，其中输入电压Vin与操作电压Vd间的转换比率由误差讯号COMP决定。

请参照图4A，以电流模式降压型转换电路来说明误差讯号COMP的变化如何反映输出电流Iout的变化，不过本发明亦适用于升压型、反压型、或升降压型功率转换电路。如图所示，上桥功率晶体管121、下桥功率晶体管122、以及电感L构成降压转换电路的功率级12。电流模式的特点是，电路自功率级12侦测电感电流，产生电流模式讯号。此电流模式讯号经电阻R5转换为电压讯号后，输入PWM控制器11。另一方面，电路由回授电路13产生回授讯号，回授电路13包含两串接电阻R1与R2；R1的一端与输出电压Vout耦接，R2的一端耦接至接地电位，回授讯号撷取自电阻R2上的分压。误差讯号产生电路14包含误差放大器141、电阻R3与R4，自回授电路13接收回授讯号，并将回授讯号与参考讯号Vref1比较，以产生误差讯号COMP；其中，电阻R3与R4、及参考讯号Vref1的值经过适当设定，以使误差讯号COMP位于恰当的位准。

请继续参照图4A，PWM控制器11包含PWM讯号产生器111与驱动电压调整电路112。PWM讯号产生器111包含比较器1111。电流模式讯号与一补偿斜坡讯号相加后，输入比较器1111，与误差讯号COMP相比较，以产生PWM讯号。与电压模式不同，由于误差讯号COMP需与电流模式讯号(加上补偿斜坡讯号)相比较来决定PWM讯号的脉宽，因此在电流模式中，误差讯号COMP的位准范围必须与电流模式讯号的范围相匹配，亦即误差讯号COMP的位准带有相关于输出电流的信息。换言之，可由误差讯号COMP的变化来反映输出电流Iout的变化。

图5显示本发明电流模式切换式电源供应器的更具体实施例，其中举例显示驱动电压调整电路112的电路结构；本实施例同样以降压型转换电路为例。回授电路13、误差讯号产生电路14、PWM讯号产生器111的细节与图4A相同，不赘予重复说明。

如图所示，PWM控制器11包含PWM讯号产生器111与驱动电压调整电路112。驱动电压调整电路112包含比较器1121、选择电路1122、误差放大器1123、晶体管1124、和电阻R3及R4，其中误差放大器1123、晶体管1124、电阻R3与R4构成线性稳压电路，产生操作电压Vd输出给驱动电路15。驱动电压调整电路112中，比较器1121接收由误差讯号产生电路14所产生的误差讯号COMP，并比较误差讯号COMP与参考讯号Vref2；选择电路1122根据比较器1121的比较结果，选择将电压讯号V1或V2输入误差放大器1123，作为参考电压。误差放大器1123根据电阻R4上的跨压与参考电压V1或V2的比较结果，控制晶体管1124的控制端，而在线性稳压电路的输出节点产生不同的操作电压Vd。此操作电压Vd被供应给驱动电路15中的上桥驱动闸151与下桥驱动闸152，以分别驱动上桥功率晶体管121与下桥功率晶体管122。如功率级12中的功率晶体管数目不同(例如异步降压型功率转换电路仅具一个功率晶体管)，则驱动电路15中的驱动闸数目自亦宜对应而有所改变。

以上实施例是以误差讯号COMP来决定线性稳压电路的参考电压，并以线性稳压电路的输出来作为操作电压Vd，且线性稳压电路的稳压输入电压为Vin。但当然，线性稳压电路的稳压输入电压不必须为Vin，而可为任何电压；事实上，驱动电压调整电路112仅需能够供应两种不同的电压作为操作电压Vd，并可根据输入电流侦测讯号来切换操作电压Vd，即可。举例而言，驱动电压调整电路112可如图6所示，包含比较器1121与选择电路1122，其中选择电路1122根据比较器1121的输出，而决定以电压讯号V1或V2作为操作电压Vd。再举例而言，驱动电压调整电路112可如图7所示，包含比较器1121与可变倍数电荷泵1125，其中选择电路1122根据比较器1121的输出，而决定可变倍数电荷泵1125的倍数(电荷泵输出电压与电荷泵输入电压的转换比率，不必须大于1也不必须为整数)，并以可变倍数电荷泵1125的输出来作为操作电压Vd。本领域技术人员，当可在本发明所揭示的精神下，思及驱动电压调整电路112的其它变化方式，均应包含在本发明的范围之内。

图8显示本发明应用于多相切换式电源供应器的一个实施例。如图所示，电源供应器包含多个PWM控制器11与多个对应的功率级12。在此实施例中，将误差讯号产生电路14所产生的误差讯号COMP分别输入各PWM控制器11即可。相较于需要多组输出电流侦测电路的现有技术，应用本发明可简化电路设计的复杂度且可节省电路的面积。

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，在所示各实施例电路中，可插入不影响讯号主要意义的元件，如其它开关等；又例如误差放大器或比较器的输入端正负可以互换，仅需对应修正电路的讯号处理方式即可。凡此种种，皆可根据本发明的教示类推而得，因此，本发明的范围应涵盖上述及其它所有等效变化。

Claims (15)

1.一种电流模式切换式电源供应器，其特征在于，包含：

驱动电路，其接收一PWM讯号而产生一驱动讯号，该驱动电路根据一操作电压而决定该驱动讯号的高位准；

功率级，根据该驱动讯号，切换至少一个功率晶体管以将输入电压转换为输出电压，并根据功率级中一电感电流，产生电流模式讯号；

回授电路，根据该输出电压产生一回授讯号；

误差讯号产生电路，根据该回授讯号产生一误差讯号；以及

PWM控制器，根据该误差讯号与该电流模式讯号以产生该PWM讯号，并根据该误差讯号而调整该操作电压。

2.如权利要求1所述的电流模式切换式电源供应器，其中，该PWM控制器包括：

PWM讯号产生器，与误差讯号产生电路耦接，根据该误差讯号与该电流模式讯号产生该PWM讯号；以及

驱动电压调整电路，与误差讯号产生电路耦接，根据该误差讯号而调整该操作电压。

3.如权利要求2所述的电流模式切换式电源供应器，其中，该驱动电压调整电路包含：

比较器，将该误差讯号与一参考电压相比较；以及

选择电路，根据该比较器的比较结果，决定驱动电压调整电路所产生的操作电压。

4.如权利要求2所述的电流模式切换式电源供应器，其中，该驱动电压调整电路包含：

比较器，将该误差讯号与第一参考电压相比较；

线性稳压电路，其接收一稳压输入电压，并根据第二参考电压，而转换该稳压输入电压产生该操作电压；以及

选择电路，根据该比较器的比较结果，决定该第二参考电压。

5.如权利要求2所述的电流模式切换式电源供应器，其中，该驱动电压调整电路包含：

比较器，将该误差讯号与一参考电压相比较；以及

可变倍数电荷泵电路，其接收一电荷泵输入电压并产生一电荷泵输出电压，其中该电荷泵输出电压与电荷泵输入电压的比率根据该比较器的比较结果而决定。

6.如权利要求1所述的电流模式切换式电源供应器，其中，该切换式电源供应器为多相切换式电源供应器，包含多个驱动电路、多个功率级、及多个PWM控制器。

7.一种电流模式切换式电源供应器控制电路，其产生一PWM讯号，通过一驱动电路切换一功率级中至少一个功率晶体管，以将输入电压转换为输出电压，其中该驱动电路根据一操作电压而决定该驱动电路输出的驱动讯号的高位准，且该功率级根据功率级中一电感电流，产生电流模式讯号，其特征在于，所述切换式电源供应器控制电路包含：

误差讯号产生电路，根据该输出电压相关的一回授讯号产生一误差讯号；以及

PWM控制器，根据该误差讯号与该电流模式讯号而产生上述PWM讯号，并根据该误差讯号而调整上述操作电压。

8.如权利要求7所述的电流模式切换式电源供应器控制电路，其中，该PWM控制器包含：

PWM讯号产生器，与误差讯号产生电路耦接，根据该误差讯号与该电流模式讯号产生该PWM讯号；

驱动电压调整电路，与误差讯号产生电路耦接，根据该误差讯号而产生该操作电压。

9.如权利要求8所述的电流模式切换式电源供应器控制电路，其中，该驱动电压调整电路包含：

比较器，将该误差讯号与一参考电压相比较；以及

选择电路，根据该比较器的比较结果，决定驱动电压调整电路所产生的操作电压。

10.如权利要求8所述的电流模式切换式电源供应器控制电路，其中，该驱动电压调整电路包含：

比较器，将该误差讯号与第一参考电压相比较；

线性稳压电路，其接收一稳压输入电压，并根据第二参考电压，而转换该稳压输入电压产生该操作电压；以及

选择电路，根据该比较器的比较结果，决定该第二参考电压。

11.如权利要求8所述的电流模式切换式电源供应器控制电路，其中，该驱动电压调整电路包含：

比较器，将该误差讯号与一参考电压相比较；以及

可变倍数电荷泵电路，其接收一电荷泵输入电压并产生一电荷泵输出电压，其中该电荷泵输出电压与电荷泵输入电压的比率根据该比较器的比较结果而决定。

12.一种电流模式切换式电源供应器控制方法，该电流模式切换式电源供应器根据一PWM讯号，通过一驱动电路切换一功率级中至少一个功率晶体管，以将输入电压转换为输出电压，并根据该输出电压产生一回授讯号，其中该驱动电路根据一操作电压而决定该驱动电路输出的驱动讯号的高位准，且该功率级根据功率级中一电感电流，产生电流模式讯号，其特征在于，该切换式电源供应器控制方法包含：

根据该回授讯号产生一误差讯号；

根据该误差讯号与该电流模式讯号以产生该PWM讯号；以及

根据该误差讯号调整该操作电压。

13.如权利要求12所述的电流模式切换式电源供应器控制方法，其中，该根据该误差讯号调整该操作电压的步骤包括：

将该误差讯号与一参考电压相比较；以及

根据该比较结果，选择该操作电压。

14.如权利要求12所述的电流模式切换式电源供应器控制方法，其中，该根据该误差讯号调整该操作电压的步骤包括：

提供一线性稳压电路，其接收一稳压输入电压，并根据第一参考电压，而转换该稳压输入电压产生该操作电压；以及

将该误差讯号与第二参考电压相比较，以决定该第一参考电压。

15.如权利要求12所述的电流模式切换式电源供应器控制方法，其中，该根据该误差讯号调整该操作电压的步骤包括：

提供一可变倍数电荷泵电路，其接收一电荷泵输入电压并产生一电荷泵输出电压；以及

将该误差讯号与一参考电压相比较，以决定该电荷泵输出电压与电荷泵输入电压的比率。

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