CN102468754A - 电流模式控制电源转换器的控制电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流模式控制电源转换器的控制电路及方法，该电路包括：反馈电路，检测输出电压产生反馈信号；补偿电路，连接反馈电路，放大反馈信号与参考电压的差值产生第一信号；电流感测增益电路，检测电感上的电感电流产生第二信号；锯齿波产生器，提供锯齿波信号，根据与输入电压相关的信号及与输出电压相关的信号其中至少一个决定锯齿波信号的峰值或谷值；调变器，连接补偿电路、电流感测增益电路及锯齿波产生器，根据第一信号、第二信号及锯齿波信号产生第三信号；驱动器，连接比较器，根据第三信号产生控制信号切换功率开关。在不同的输入电压及输出电压条件下，皆可以使用同一个电感，且补偿电路参数不需改变，同时能避免该输出电压出现次谐波。

Description

电流模式控制电源转换器的控制电路及方法

技术领域

本发明系有关一种电源转换器，特别是关于一种电流模式控制电源转换器。

背景技术

电流模式控制电源转换器的输入电压及输出电压转换比会影响控制电路之输出责任周期，当此责任周期大于50％以上时，电源转换器可能会有次谐波(sub-harmonic)的情形，这将造成电源转换器严重不稳定，进而影响负载的动作不正常，所以目前的电流模式控制电源转换器都会增加一个锯齿波信号来避免次谐波的现象发生。

图1系现有的电流模式控制降压式电源转换器，其包括降压式切换式调节器10用以将输入电压Vin转换为输出电压Vo，以及控制电路12提供控制信号Sq1及Sq2驱动降压式切换式调节器10。控制电路12包括电流感测增益电路16检测降压式切换式调节器10中电感L上的电感电流IL产生信号CS；锯齿波产生器20提供锯齿波信号Vramp以改善次谐波现象；反馈电路26具有二串联电阻Rd1及Rd2用以分压输出电压Vo产生反馈信号Vfb；补偿电路24放大反馈信号Vfb及参考电压Vref1之间的差值产生信号Vcomp；调变器17根据信号CS、锯齿波信号Vramp及信号Vcomp产生信号Sc；以及驱动器14根据信号Sc产生控制信号Sq1及Sq2。其中，调变器17包括加法器18将信号CS与锯齿波信号Vramp相加产生信号CS’，以及比较器22比较信号CS’及Vcomp产生信号Sc。然而，现在的电源转换器的输入电压及输出电压的范围都相当的大，如果要使用固定的锯齿波信号Vramp来避免次谐波现象，则使用者或设计者必须根据不同的输入电压及输出电压之条件来变更电感L，因为如果没有变更原来的电感L，则在某个输入电压及输出电压之条件下，仍会发生次谐波现象，这对于使用者或设计者来说非常的不方便。此外，随着电感L的变更，整个系统回路的补偿设计也要同时变更，否则将影响整个系统的稳定度。

为了符合不同输出电压Vo的应用，现有的电流模式控制电源转换器皆会提供元件参数建议表(recommended component selection)，以供使用者按照其所使用的条件去选择适当的元件参数，进而使系统电路能够在此条件下获得稳定的输出电源特性，以符合该负载的使用。由于在不同的输入电压及输出电压条件下，电感L与补偿参数都要改变，因此现有的电流模式控制电源转换器的参数建议表都较为复杂。

发明内容

本发明的目的之一，在于提出一种电流模式控制电源转换器的控制电路及方法。

本发明的目的之一，在于提出一种根据与输入电压相关的信号及与输出电压相关的信号其中至少一个动态调整锯齿波信号的控制电路及方法。

根据本发明，一种电流模式控制电源转换器的控制电路包括：反馈电路检测该电源转换器的输出电压产生反馈信号；补偿电路放大该反馈信号与一参考电压的差值产生第一信号；电流感测增益电路检测通过该电源转换器上电感的电感电流产生第二信号；锯齿波产生器，用以提供一锯齿波信号，并根据与该输入电压相关的信号及与该输出电压相关的信号其中至少一个决定该锯齿波信号的峰值或谷值；调变器根据该第一信号、第二信号及锯齿波信号产生第三信号；以及驱动器根据该第三信号产生控制信号切换至少一功率开关以使该电源转换器将输入电压转换为该输出电压。

同时，本发明还提供了一种电流模式控制电源转换器的控制方法，电源转换器包含切换式调节器根据控制信号将输入电压转换为输出电压，切换式调节器具有一电感以及至少一功率开关连接电感，该控制方法包括下列步骤：(A)检测所述的输出电压产生反馈信号；(B)放大所述的反馈信号与一参考电压的差值产生第一信号；(C)检测所述的电感上的电感电流产生第二信号；(D)提供一锯齿波信号，其中所述的锯齿波信号的峰值或谷值由与所述的输入电压相关的信号及与所述的输出电压相关的信号其中至少一个决定；(E)根据所述的第一信号、第二信号及锯齿波信号产生第三信号；以及(F)根据所述的第三信号产生所述的控制信号切换所述的至少一功率开关。

由于锯齿波信号随着该输入电压或输出电压或输入及输出电压而改变，故在不同的输入及输出电压条件下，该电源转换器皆可获得良好的稳定度，而且该电感及补偿电路皆不需变更设计。

附图说明

图1为已知的电流模式控制降压式电源转换器；

图2为应用本发明控制电路的电流模式控制降压式电源转换器；

图3为图2中锯齿波产生器的第一实施例；

图4为图2中锯齿波产生器的第二实施例；

图5为图2中锯齿波产生器的第三实施例；

图6为以相节点PN上的电压取代图3中输入电压Vin的实施例；

图7为以相节点PN上的电压取代图5中输入电压Vin的实施例；

图8为应用本发明控制电路的电流模式控制升压式电源转换器；

图9为图8中锯齿波产生器的实施例；

图10为以相节点PN上的电压取代图9中输入电压Vin的实施例；

图11为应用本发明控制电路的电流模式控制升降压式电源转换器；

图12为电流模式控制降压式电源转换器；

图13为以图12电路模拟已知方法及本发明方法所得到的暂态响应；

图14为图12电路应用已知方法时的元件参数建议表；以及

图15为根据本发明而简化的元件参数建议表。

主要元件符号说明：

10降压式切换式调节器

12控制电路

14驱动器

16电流感测增益电路

17调变器

18加法器

20锯齿波产生器

22比较器

24补偿电路

26反馈电路

30降压式切换式调节器

32控制电路

34振荡器

36锯齿波产生器

40分压器

42电压控制电流源

44分压器

46电压控制电压源

50升压式切换式调节器

52升降压式切换式调节器

60输出电压Vo的波形

62输出电压Vo的波形

具体实施方式

图2系应用本发明控制电路的电流模式控制降压式电源转换器，其包括降压式切换式调节器30用以将输入电压Vin转换为输出电压Vo，以及控制电路32提供控制信号Sq1及Sq2驱动切换式调节器30。切换式调节器30包括功率开关Q1连接在输入端Vin及相节点PN之间，受控于控制信号Sq1；功率开关Q2连接在相节点PN及地端GND之间，受控于控制信号Sq2；电感L连接在相节点PN及输出端Vo之间；以及电容Cout连接在输出端Vo及地端GND之间。控制电路32与图1的控制电路12同样具有驱动器14、电流感测增益电路16、调变器17、补偿电路24以及反馈电路26，此外，控制电路32还包括振荡器34提供时钟CLK以及锯齿波产生器36提供锯齿波信号Vramp，其中锯齿波产生器36根据时钟CLK控制锯齿波产生器36的频率宽度，并且根据与输入电压Vin相关的信号及与输出电压Vo相关的信号其中至少一个决定锯齿波信号Vramp的峰值或谷值是否要增减。由于锯齿波信号Vramp系随与输入电压Vin相关的信号及与输出电压Vo相关的信号其中至少一个而动态调整，因此在不同的输入电压及输出电压的情况下，不用改变电感L之参数也可以使输出电压Vo稳定，避免出现次谐波现象。

图3系图2中锯齿波产生器36的第一实施例，其包括分压器40、电压控制电流源42、开关Q3及电容Cramp。开关Q3与电容Cramp并联，时钟CLK控制开关Q3的切换以使电容Cramp充放电产生锯齿波信号Vramp。分压器40分压输入电压Vin产生信号Va。电压控制电流源42具有正输入接收参考电压Vref2以及负输入接收信号Va，电压控制电流源42根据参考电压Vref2及信号Va之间的差值决定对电容Cramp充电的充电电流I1大小，进而决定锯齿波信号Vramp的峰值，其中参考电压Vref2必须大于信号Va。当输入电压Vin越小时，参考电压Vref2及信号Va之间的差值越大，所以充电电流I1也越大，因此锯齿波信号Vramp的峰值也越大。

图4系图2中锯齿波产生器36的第二实施例，其与图3的电路同样包括分压器40、电压控制电流源42、开关Q3及电容Cramp，但是分压器40系分压输出电压Vo产生信号Va，而且电压控制电流源42的正输入接收信号Va，而其负输入则连接地端GND，电压控制电流源42根据信号Va及接地电位GND之间的差值决定充电电流I1。当输出电压Vo越小时，信号Va也越小，因此信号Va与接地电位GND之间的差值也越小，所以充电电流I1也越小，锯齿波信号Vramp的峰值因而越小。

图5系图2中锯齿波产生器36的第三实施例，其除了与图3的电路同样具有分压器40、电压控制电流源42、开关Q3及电容Cramp之外，还包括分压器44及电压控制电压源46。在此实施例中，分压器40分压输入电压Vin产生信号Va，分压器44分压输出电压Vo产生信号Vb，电压控制电压源46具有正输入及负输入分别接收信号Va及Vb，并根据信号Va及Vb之间的差值产生信号Vc，由于输入电压Vin大于输出电压Vo，因此信号Va必须大于信号Vb。电压控制电流源42的正输入及负输入分别接收参考电压Vref2及信号Vc，电压控制电流源42根据参考电压Vref2及信号Vc之间的差值决定充电电流I1。当输入电压Vin与输出电压Vo越接近时，功率开关Q1的责任周期增加，信号Va及Vb之间的差值越小，这使得信号Vc变小，因此参考电压Vref2与信号Vc之间的差值增加，进而增加锯齿波信号Vramp的峰值。

图3至图5的电路中的输入电压Vin及输出电压Vo也可以分别用其他与输入电压Vin相关的信号及与输出电压Vo相关的信号取代，例如相节点PN上的电压及反馈信号Vfb。图6系以相节点PN上的电压取代图3中输入电压Vin的实施例，其中分压器40系分压与输入电压Vin相关的相节点PN上的电压产生信号Va。当输入电压Vin越小时，相节点PN上的电压也越小，因此参考电压Vref2与信号Va之间的差值将越大，因而使充电电流I1上升以提高锯齿波信号Vramp的峰值。

图7系以相节点PN上的电压取代图5中输入电压Vin的实施例，其中分压器40系分压相节点PN上的电压产生信号Va。当输入电压Vin与输出电压Vo越接近时，信号Va及Vb之间的差值越小，这使得信号Vc变小，因此参考电压Vref2与信号Vc之间的差值增加使得锯齿波信号Vramp的峰值增加。

图8系应用本发明控制电路的电流模式控制升压式电源转换器，其包括升压式切换式调节器50用以将输入电压Vin转换为输出电压Vo，以及控制电路32提供控制信号Sq1及Sq2驱动切换式调节器50。升压式切换式调节器50包括电感L连接在输入端Vin及相节点PN之间；功率开关Q1连接在相节点PN及地端GND之间，受控于控制信号Sq1；功率开关Q2连接在相节点PN及输出端Vo之间，受控于控制信号Sq2；以及电容Cout连接在输出端Vo及地端GND之间。图8中的控制电路32与图2的控制电路相同。

图9系图8中锯齿波产生器36的实施例，其与图5的电路同样包括分压器40及44、电压控制电流源42、电压控制电压源46、开关Q3及电容Cramp，但是分压器40分压输出电压Vo产生信号Va，分压器44分压输入电压Vin产生信号Vb，电压控制电流源42的正输入接收来自电压控制电压源46的信号Vc，而电压控制电流源42的负输入连接地端GND，其中信号Va必须大于信号Vb。由于图8的电路系升压式电源转换器，因此输入电压Vin小于输出电压Vo，当输入电压Vin越小时，功率开关Q1的责任周期大，而信号Va及Vb之间的差值也越大，因此信号Vc与接地电位GND之间的差值也越大，进而使充电电流I1上升以增加锯齿波信号Vramp的峰值。

图9的电路中的输入电压Vin及输出电压Vo也可以分别用其他与输入电压Vin相关的信号及与输出电压Vo相关的信号取代。图10系以相节点PN上的电压取代图9中输入电压Vin的实施例，其中分压器44系分压相节点PN上的电压产生信号Vb。随着输入电压Vin的下降，相节点PN上的电压将跟着下降，因此信号Va与Vb之间的差值增加以使信号Vc上升，进而使充电电流I1上升以增加锯齿波信号Vramp的峰值。

图3、图4及图6所示的锯齿波产生器36的电路也可以应用在图8的电流模式控制升压式电源转换器。

图11系应用本发明控制电路的电流模式控制升降压式电源转换器，其包括升降压式切换式调节器52用以将输入电压Vin转换为输出电压Vo，以及控制电路32提供控制信号Sq1及Sq2驱动升降压切换式调节器52。升降压式切换式调节器52包括功率开关Q1连接在输入端Vin及相节点PN之间，受控于控制信号Sq1；电感L连接在相节点PN及地端GND之间；功率开关Q2连接在相节点PN及输出端Vo之间，受控于控制信号Sq2；以及电容Cout连接在输出端Vo及地端GND之间。图11中的控制电路32与图2的控制电路相同。图3、图4及图6所示的锯齿波产生器36的电路同样可以应用在图11的电流模式控制升降压式电源转换器。

在前述的锯齿波产生器的实施例中，虽然都只有教示调整锯齿波信号Vramp峰值，但锯齿波信号Vramp的峰值及谷值的设定都是相当成熟的技术，因此本领域的技术人员可以轻易的根据这些实施例设计出调整锯齿波信号Vramp的谷值的锯齿波产生器。

当应用本发明的电流模式控制电源转换器开始启动或软启动时，锯齿波信号Vramp的峰值或谷值大小可以先由输入电压的相关信号决定，等电路完成启动后，锯齿波信号Vramp的峰值或谷值可以维持由输入电压的相关信号决定，也可以改为由输出电压的相关信号，或是由输出电压的相关信号及输入电压相关信号来决定。

图12是以一款电源IC为基础设计的电流模式控制降压式电源转换器，假设输入电压Vin为13V而输出电压Vo为12V，负载电流Io在0.1A～2A之间变化，切换频率为380kHz，电感L为15uH，电容Cout为22uF，电阻Rc为10kΩ，电容Cc为1.5nF，电阻Rd1为88.7kΩ，电阻Rd2为10kΩ，其中电阻Rc及电容Cc为补偿电路24的补偿参数。图13系图12的电路根据已知方法及本发明的方法所得到的暂态响应，其中波形60系根据本发明的方法所得到的输出电压Vo，波形62系根据已知方法所得到的输出电压Vo。图14为该款电源IC的元件参数建议表，由于本实验中所用的电感L、电阻Rc及电容Cc的参数与该元件参数建议表中输出电压Vo为12V时的参数不同，因此，若图12的锯齿波产生器如已知方法提供固定的锯齿波信号Vramp，则输出电压Vo将因次谐波现象而不稳定，如图13的波形62所示。而当图12的锯齿波产生器根据本发明的方法动态调整锯齿波信号Vramp的峰值或谷值时，可避免次谐波现象而使输出电压Vo稳定，如图13的波形60所示。

应用本发明的电流模式控制降压式电源转换器在使用同一颗电感L的情况下，即使输入电压Vin及输出电压Vo的条件改变，输出电压Vo仍然可以稳定，避免次谐波现象的发生。由于电感L不用变更，因此补偿电路24中的参数Rc及Cc也不用变更，因此可以提供使用者一个更为简便的元件参数建议表，如图15虚框所示。由于在不同的输入电压及输出电压的情况下，电感L以及补偿参数Rc及Cc的值都维持不变，故可以避免原本所提供之补偿器的参数有使系统产生不稳定之风险。此外，因为在不同的输入电压及输出电压的情况下，可以选用同一颗参数之电感L，因此整个电路设计变得更简单，应用也相当方便。在图14及15的元件参数建议表中，电阻Rd1的改变是因为内部的参考电压Vref1被设计为固定值，所以当输出电压Vo改变时，电阻Rd1也要跟着改变。

以上对于本发明之较佳实施例所作的叙述系为阐明之目的，而无意限定本发明精确地为所揭露的形式，基于以上的教导或从本发明的实施例学习而作修改或变化是可能的，实施例系为解说本发明的原理以及让熟习该项技术者以各种实施例利用本发明在实际应用上而选择及叙述，本发明的技术思想企图由本发明权利要求范围及其均等来决定。

Claims (11)

1.一种电流模式控制电源转换器的控制电路，所述的电源转换器包含切换式调节器根据控制信号将输入电压转换为输出电压，所述的切换式调节器具有一电感以及至少一功率开关连接所述的电感，其特征在于，所述的控制电路包括：

反馈电路，检测所述的输出电压产生反馈信号；

补偿电路，连接所述的反馈电路，放大所述的反馈信号与一参考电压的差值产生第一信号；

电流感测增益电路，检测所述的电感上的电感电流产生第二信号；

锯齿波产生器，用以提供锯齿波信号，并根据与所述的输入电压相关的信号及与所述的输出电压相关的信号其中至少一个决定所述的锯齿波信号的峰值或谷值；

调变器，连接所述的补偿电路、电流感测增益电路及锯齿波产生器，根据所述的第一信号、第二信号及锯齿波信号产生第三信号；以及

驱动器，连接所述的比较器，根据所述的第三信号产生所述的控制信号切换所述的至少一功率开关。

2.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述的补偿电路的补偿参数及所述的电感不随所述的输入电压或输出电压的变化而改变。

3.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述的锯齿波产生器包括：

电容，用以提供所述的锯齿波信号；

开关，与所述的电容并联，受控于一时钟；

分压器，用以分压与所述的输入电压相关的信号产生第四信号；以及

电压控制电流源，连接所述的电容及分压器，根据所述的第四信号与一第二参考电压的差值决定对所述的电容充电的充电电流，以决定所述的锯齿波信号的峰值。

4.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述的锯齿波产生器包括：

电容，用以提供所述的锯齿波信号；

开关，与所述的电容并联，受控于一时钟；

分压器，用以分压与所述的输出电压相关的信号产生第四信号；以及

电压控制电流源，连接所述的电容及分压器，根据所述的第四信号与一第二参考电压的差值决定对所述的电容充电的充电电流，以决定所述的锯齿波信号的峰值。

5.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述的锯齿波产生器包括：

电容，用以提供所述的锯齿波信号；

开关，与所述的电容并联，受控于一时钟；

第一分压器，用以分压与所述的输入电压相关的信号产生第四信号；

第二分压器，用以分压与所述的输出电压相关的信号产生第五信号；

电压控制电压源，连接所述的第一及第二分压器，根据所述的第四及第五信号之间的差值决定一第六信号；以及

电压控制电流源，连接所述的电容及电压控制电压源，根据所述的第六信号与一第二参考电压的差值决定对所述的电容充电的充电电流，以决定所述的锯齿波信号的峰值。

6.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述的调变器包括：

加法器，结合所述的第二信号及锯齿波信号产生第四信号；以及

比较器，比较所述的第一信号及第四信号产生所述的第三信号。

7.一种电流模式控制电源转换器的控制方法，所述的电源转换器包含切换式调节器根据控制信号将输入电压转换为输出电压，所述的切换式调节器具有一电感以及至少一功率开关连接所述的电感，其特征在于，所述的控制方法包括下列步骤：

(A)检测所述的输出电压产生反馈信号；

(B)放大所述的反馈信号与一参考电压的差值产生第一信号；

(C)检测所述的电感上的电感电流产生第二信号；

(D)提供一锯齿波信号，其中所述的锯齿波信号的峰值或谷值由与所述的输入电压相关的信号及与所述的输出电压相关的信号其中至少一个决定；

(E)根据所述的第一信号、第二信号及锯齿波信号产生第三信号；以及

(F)根据所述的第三信号产生所述的控制信号切换所述的至少一功率开关。

8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述的步骤(D)包括：

控制电容的充放电以产生所述的锯齿波信号；

分压与所述的输入电压相关的信号产生第四信号；以及

根据所述的第四信号与一第二参考电压的差值决定对所述的电容充电的充电电流，以决定所述的锯齿波信号的峰值。

9.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述的步骤(D)包括：

控制电容的充放电以产生所述的锯齿波信号；

分压与所述的输出电压相关的信号产生第四信号；以及

根据所述的第四信号与一第二参考电压的差值决定对所述的电容充电的充电电流，以决定所述的锯齿波信号的峰值。

10.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述的步骤(D)包括：

控制电容的充放电以产生所述的锯齿波信号；

分压与所述的输入电压相关的信号产生第四信号；

分压与所述的输出电压相关的信号产生第五信号；

根据所述的第四及第五信号之间的差值决定一第六信号；以及

根据所述的第六信号与一第二参考电压的差值决定对所述的电容充电的充电电流，以决定所述的锯齿波信号的峰值。

11.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述的步骤E包括：

结合所述的第二信号及锯齿波信号产生第四信号；以及

比较所述的第一信号及第四信号产生所述的第三信号。

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