CN103023323B - 平均电感电流式电压控制方法及其可变参考电压产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种平均电感电流式电压控制方法及其使用的可变参考电压产生装置，其是于直流电转直流电转换器中增加可变参考电压的设计，此参考电压会随着电感的预设电流(平均电感电流)以及谷值电感电流而改变，故可动态调整参考电压；亦即，本发明可利用二倍预设电压与谷值电压相减，产生的参考电压即可作为控制晶体管开关切换的依据。因此，利用本发明的技术得以使平均电感电流稳定，更可提高电压调整的准确度。

Description

平均电感电流式电压控制方法及其可变参考电压产生装置
技术领域
本发明是有关一种应于用直流电转直流电转换器中的平均电感电流式电压控制技术，特别是关于一种可应用于固定截止时间直流电转直流电转换器(constant off time DC/DC converter)中，平均电感电流式电压控制方法及其使用的可变参考电压产生装置。
背景技术
在日常所用的电器用品当中或是各种产业所使用的电子设备当中，其输入电压范围都在AC 100～240伏特之间，但每一种电子产品或设备的负载状况并不相同，所需驱动电压亦有所不同，因此会根据各种应用上的需要，来将电源做调整，此即称的为电压转换器。
电压转换器依类型不同大致可分为数种，交流电转交流电(AC/AC)转换器、交流电转直流电(AC/DC)转换器、直流电转直流电(DC/DC)转换器以及直流电转交流电(DC/AC)；其中，就直流电转直流电(DC/DC)转换器而言，在许多电子电路中，常有一些电子元件需要双电源以上的电源供电，例如LCD显示器、电压比较器、运算放大器等，或是由于多组电子元件的工作电压各不相同有多组不同电位的需求，此时便需要有直流电转直流电转换器来获取想要的电压。
图1为现有降压型直流电转直流电转换器的电路简图，如图所示，在晶体管开关S导通(ON)时，输入电源Vi n会有电流流过电感L，使能量储存在电感L上；而当晶体管开关S截止(OFF)时，电感L上的感应电流会释放到电阻RL上以维持电压的输出；其中，通过反馈电路10把感应电流转换的输出电压Vo反馈到控制电路12来和参考电压做比较，而后控制晶体管开关S工作周期的大小，达到输出稳定的目的。请同时参阅图2所示，在晶体管开关S导通(ON)阶段，电感L一端连接至输入电压Vi n，另一端则连接至输出电压Vo，此时，输入电压必须高于输出电压，因此会在电感L上形成一个正向压降；在晶体管开关S截止(OFF)阶段，原本连接至输入电压Vin的电感L一端被连接到地GND，此时输出电压Vo必然为正端，因此会在电感L上形成一个负向压降。
然而，在上述架构中，是利用峰值电流模式产生的峰值电感电流去与固定的参考电压做比较来控制晶体管开关，此种仅利用峰值感应电流来调整的模式，容易产生峰值到平均的错误(peak to average error)，且因此存在较差的调整准确度。如图2中(a)所示，电感L较大时，有较高的平均感应电流，此时峰值到平均的错误较小；反之，如图2中(b)所示，电感L较小时，有较低的平均感应电流，此时峰值到平均的错误则相对变大；此平均电感电流是与感应电流值存在相当大关系，且易受到电感的影响，导致整个转换器的电压调整的准确度相当差。
有鉴于此，本发明遂提出一种具有可变参考电压的平均电感电流式电压控制方法及其使用的可变参考电压产生装置，无需任何仅通过电感电流使用来调整平均电流的回路补偿或负载电流感应，以平均电感电流控制固定截止时间DC/DC转换器操作于连续导通模式。
发明内容
本发明的主要目的是在提供一种平均电感电流式电压控制方法，其是直流电转直流电转换器中增加可变参考电压的设计，此参考电压会随着电感电流涟波的谷值电感电流改变，再搭配平均电感电流的作用，以动态调整参考电压，并以此方式取代现有利用峰值电流与独立电感值的现有技术，且无须感应高电压端(high side)的感应电流。
本发明的另一目的是在提供一种平均电感电流式电压控制方法及其使用的可变参考电压产生装置，其是使用平均电感电流作为参考电压的依据，以平均电感电流控制固定截止时间DC/DC转换器操作于连续导通模式，故不会直接受到转换器内所使用的电感的影响，更可提高电压调整的准确度。
本发明提出的平均电感电流式电压控制方法，其是可应用于直流电转直流电转换器，此方法是先将接收到外部预设的二倍参考电流转换为二倍参考电压，以及将位于转换器内的一电感产生的谷值电感电流转换为一谷值电压；然后，将此二倍参考电压与谷值电压相减，以产生一参考电压，此即作为控制转换器内的晶体管开关切换的依据。
当然，在取得参考电压之后，即可比较此参考电压与该电感的电感电压，并输出一比较结果，且当参考电压与电感电压相等时，此比较结果是为一截止讯号，可使晶体管开关截止。
再者，为了产生参考电压，本发明另外提出一种应用于直流电转直流电转换器的可变参考电压产生装置，其是包括有一取样保持谷值电感电流单及其电性连接的一参考电压产生单元；此取样保持谷值电感电流单元是接收一电感产生的谷值电感电流，并将其转换为一谷值电压，且此参考电压产生单元将接收到的外部预设的二倍参考电流转换为二倍参考电压，然后将此二倍参考电压与谷值电压相减，即可得到参考电压。当然此参考电压会随着二倍参考电压与谷值电压而动态改变。
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为现有降压型直流电转直流电转换器的电路简图；
图2为现有电感电压的波形示意图，其中(a)图表示电感L较大时，具有较高的平均感应电流，此时峰值到平均的错误较小；以及(b)图表示电感L较小时，有较低的平均感应电流，此时峰值到平均的错误则相对变大；
图3为本发明的电压控制方法的流程示意图；
图4为本发明使用的可变参考电压产生装置的电路示意图；
图5为本发明产生的参考电压直接应用于实际电路示意图。
附图标记说明：10-反馈电路；12-控制电路；20-取样保持谷值电感电流单元；21-切换开关；22-电容器；23-运算放大器；24-晶体管开关；25-电阻器；30-参考电压产生单元；31-运算放大器；32-晶体管开关；33-电流镜；34-第一电阻器；35-第二电阻器；40-比较器。
具体实施方式
本发明是创造一个可变参考电压，其是依据谷值电感电流而改变。由于电感涟波电流应该受到谷值电感电流加上峰值电感电流总和的一半所控制，此即表示峰值电感电流是等于二倍平均电感电流减掉谷值电感电流；因此，本发明定义新参考电流Iref可以设定为二倍预设的平均电感电流Iavg减掉此谷值电感电流Ivally，如下面关系式所示：
Iref＝2*Iavg-Ivally。
以电压表示，即可表示为参考电压Vref可以设定为二倍预设的平均电感电压Vavg减掉此谷值电感电压Vvally，如下面关系式所示：
Vref＝2*Vavg-Vvally。
本发明即根据上面的关系式，提出一种平均电感电流式电压控制方法及其使用的可变参考电压产生装置。首先，先详述本发明的平均电感电流式电压控制方法，其是应用于直流电转直流电转换器，在此是以固定截止时间直流电转直流电转换器为例。请参阅图3所示，首先如步骤S 10所示，接收二倍的外部预设电流，此即为原始的参考电流，亦即平均电感电流；将二倍预设电流转换为二倍预设电压。同时，如步骤S12所示，将直流电转直流电转换器中的一电感所产生的谷值电感电流亦转换为一谷值电压。然后，如步骤S14所示，将二倍预设电压与谷值电压相减，以产生一参考电压，如前述关系式所示，此即作为控制直流电转直流电转换器内的晶体管开关切换的依据。
在取得参考电压之后，接续如步骤S16所示，比较此参考电压(Vref)与电感所产生的电感电压(CS)，并输出一比较结果至直流电转直流电转换器内的晶体管开关。其中，此电感电压是与此参考电压比较，当电感电压与参考电压相等时，即表示比较结果为一截止讯号，此时截止讯号可使晶体管开关截止(OFF)；由此，平均电感电流可以稳定保持在预定值。反之，当参考电压与电感电压不相等时，即表示比较结果是为一导通讯号，使晶体管开关保持导通。
进一步来说，前述提及的二倍预设电压、谷值电压以及参考电压等皆是于一可变参考电压产生装置中产生。底下即针对可变参考电压产生装置详细说明如后。
请参阅图4所示，一可变参考电压产生装置主要包括有一取样保持谷值电感电流单元20以及一参考电压产生单元30；此取样保持谷值电感电流单元20是接收一电感产生的谷值电感电流(CS)，并将其转换为一谷值电压(Vvalley)，以提供给电性连接至取样保持谷值电感电流单元20的参考电压产生单元30，此参考电压产生单元30接收外部预设的二倍预设电流(亦即平均电感电流，2Iavg)并转换为二倍预设电压(2Vavg)，再将二倍预设电压与谷值电压相减(2Vavg-Vvalley)，以产生一参考电压(Vref)。产生的参考电压是于一比较器40中，与转换器中电感的电感电压(CS)比较，使比较器输出一比较结果；亦即参考电压与电感电压相等时，比较器40是输出一截止讯号，以控制直流电转直流电转换器内的一晶体管开关截止，当然，若参考电压与该电感电压变为不相等时，则比较器40无输出截止讯号，在此称的为导通讯号，此时使晶体管开关仍然保持导通。
在了解整体可变参考电压产生装置架构之后，接续针对取样保持谷值电感电流单元20及参考电压产生单元30的细节电路予以说明如后，但本发明的请求范围当不以此为限。续如图4所示，此取样保持谷值电感电流单元20更包括一切换开关21连接一电容器22及一运算放大器23，一晶体管开关24的栅极连接至此运算放大器23的输出端，且晶体管开关24的源汲极则分别连接至电阻器25及参考电压产生单元30；当切换开关21导通时，感应电流(CS)的谷值电感电流会流经切换开关21，并经过运算放大器23与晶体管开关24后，再利用电阻器25将其转变为谷值电压(Vvalley)提供给参考电压产生单元30。此参考电压产生单元的详细电路则包括有一运算放大器31接收二倍预设电流(2Iavg)，一晶体管开关32的栅极连接运算放大器31的输出端，此晶体管开关32的源汲极分别连接至一电流镜33及第一电阻器34，此电流镜33亦连接第二电阻器35，且于电流镜33与第二电阻器35之间更连接至取样保持谷值电感电流单元20，使二倍预设电流(2I avg)转换产生的二倍预设电压(2Vavg)可与取样保持谷值电感电流单元20产生的谷值电压(Vvalley)相减(2Vavg-Vvalley)，以输出参考电压(Vref)至比较器40。
其中，前面所有提及的晶体管开关，包含晶体管开关24、32，较佳者皆是采用薄膜晶体管(TFT)。
本发明的可变参考电压产生装置产生的参考电压直接应用于实际电路时，请参阅图5所示，在晶体管开关M0导通(ON)阶段，输入电源Vin会有电流流过电感L，使能量储存在电感L上；而当晶体管开关M0接收到上述的截止讯号时，晶体管开关M0截止(OFF)，此时电感L上的感应电流会释放到电阻R1上以稳定维持电压的输出。
综上所述，本发明是于直流电转直流电转换器中增加可变参考电压的设计，此参考电压会随着电感电流涟波的谷值电感电流改变，再搭配平均电感电流的作用，即可动态调整参考电压，以取代现有利用峰值电流与独立电感值的调整技术，且无须感应高电压端(high side)的感应电流。再者，由于本发明是使用平均电感电流作为参考电压的依据，以平均电感电流控制固定截止时间直流电转直流电转换器操作于连续导通模式，故不会直接受到转换器内所使用的电感的影响，更可有效提高电压调整的准确度。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离以下所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改，变化，或等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (15)

1.一种平均电感电流式电压控制方法，其特征在于，其是应用于直流电转直流电转换器，该电压控制方法包括下列步骤：
将接收到外部的二倍预设电流转换为二倍预设电压；其中，该二倍预设电流为二倍平均电感电流；
将一电感产生的谷值电感电流转换为一谷值电压；以及
将该二倍预设电压与该谷值电压相减，产生一参考电压，以作为控制晶体管开关切换的依据。
2.根据权利要求1所述的平均电感电流式电压控制方法，其特征在于，更包括：比较该参考电压与该电感的电感电压，并输出一比较结果。
3.根据权利要求2所述的平均电感电流式电压控制方法，其特征在于，该参考电压与该电感电压相等时，该比较结果为一截止讯号，使该晶体管开关截止。
4.根据权利要求3所述的平均电感电流式电压控制方法，其特征在于，该参考电压与该电感电压不相等时，该比较结果为一导通讯号，使该晶体管开关保持导通。
5.根据权利要求1所述的平均电感电流式电压控制方法，其特征在于，该直流电转直流电转换器为固定截止时间直流电转直流电转换器。
6.根据权利要求1所述的平均电感电流式电压控制方法，其特征在于，该二倍预设电压、该谷值电压以及该参考电压是于一可变参考电压产生装置中产生。
7.一种可变参考电压产生装置，其特征在于，应用于直流电转直流电转换器，该可变参考电压产生装置包括：
一取样保持谷值电感电流单元，其是接收一电感产生的谷值电感电流，并将其转换为一谷值电压；以及
一参考电压产生单元，电性连接该取样保持谷值电感电流单元，该参考电压产生单元接收外部预设的二倍预设电流转换为二倍预设电压，并将该二倍预设电压与该谷值电压相减，以产生一参考电压；其中，该二倍预设电流为二倍平均电感电流。
8.根据权利要求7所述的可变参考电压产生装置，其特征在于，该参考电压更利用一比较器，与该电感的电感电压比较，使该比较器输出一比较结果。
9.根据权利要求8所述的可变参考电压产生装置，其特征在于，该参考电压与该电感电压相等时，该比较器输出一截止讯号，以控制该直流电转直流电转换器内的一晶体管开关截止。
10.根据权利要求9所述的可变参考电压产生装置，其特征在于，该参考电压与该电感电压不相等时，该比较器输出为一导通讯号，使该晶体管开关保持导通。
11.根据权利要求7所述的可变参考电压产生装置，其特征在于，该直流电转直流电转换器为固定截止时间直流电转直流电转换器。
12.根据权利要求7所述的可变参考电压产生装置，其特征在于，该取样保持谷值电感电流单元更包括一切换开关连接一运算放大器及一电容器，一晶体管开关的栅极连接至该运算放大器的输出端，该晶体管开关的源汲极则分别连接至电阻器及该参考电压产生单元。
13.根据权利要求12所述的可变参考电压产生装置，其特征在于，该晶体管开关为薄膜晶体管。
14.根据权利要求7所述的可变参考电压产生装置，其特征在于，该参考电压产生单元更包括一运算放大器接收该二倍预设电流，一晶体管开关的栅极连接该运算放大器的输出端，该晶体管开关的源汲极分别连接至第一电阻器及一电流镜，该电流镜亦连接第二电阻器，且于该电流镜与该第二电阻器之间更连接至该取样保持谷值电感电流单元，使产生的该二倍预设电压与该取样保持谷值电感电流单元产生的该谷值电压相减，以输出该参考电压。
15.根据权利要求14所述的可变参考电压产生装置，其特征在于，该晶体管开关为薄膜晶体管。
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