CN103186155A - 具有位准转换功能的数字控制器及其位准转换电路 - Google Patents

Abstract

本发明一种具有位准转换功能之数字控制器及其位准转换电路，主要是令一数字控制器具有一位准转换电路，该位准转换电路主要是在一交直流分离回路和一直流准位回路之间设有一直流分流回路，该交直流分离回路及直流准位回路分别和一交流回路控制器及一直流回路控制器构成回授结构，该交直流分离回路又分别与电源供应器的输出端及一交流检出电路连接；该直流准位回路产生一直流分流电流，藉以使交直流分离回路的直流电流流向直流分流回路，其交流电流则由交流检出电路检出，并提供给数字控制器内所设的模拟数字转换器，以执行稳压。

Description

具有位准转换功能的数字控制器及其位准转换电路

技术领域

本发明为一种数字控制器，尤指一种具有位准转换功能的数字控制器以及可在半导体制程中整合至该数字控制器的位准转换电路。

背景技术

一种既有的电源供应器如图5所示，其包括一直流对直流转换单元21及一数字控制器22；其中，该直流对直流转换单元21具有一电源输入端及一电源输出端，该电源输出端通过一位准转换电路23与数字控制器22的输入端连接；

该数字控制器22包括一模拟数字转换器221、一数字补偿器222及一数字脉宽调变器223；该模拟数字转换器221的输入端和位准转换电路23的输出端连接，该数字脉宽调变器223的输出端则用以控制直流对直流转换单元21中各功率晶体管的通断与导通周期。

前述电源供应器较常见的输出电压为12V或5V，而控制输出电压的数字控制器22采取数字化控制，其感测直流对直流转换单元21的输出电压(Vout)后必须经由模拟数字转换器221转换为数字形式后再进行补偿控制，而该模拟数字转换器221允许的最高电压为3.3V，故必须要通过准位转换电路23将该直流对直流转换单元21的输出电压(Vout)降压，才能使该模拟数字转换器221工作于正常范围。

前述的位准转换电路23包含有：

一差动放大器231，具有一正相输入端、一反相输入端及一输出端，该正相输入端连接上述直流对直流转换单元70的电源输出端；

一参考电压产生单元232，主要由分压电阻与一稽纳二极管所组成，以提供一参考电压给差动放大器231的反相输入端；

一保护电路233，设于差动放大器231的输出端上，主要由一二极管234及一电容235组成，二极管234与电容235共接的节点与差动放大器231的输出端连接，二极管234的另端连接一直流电源(3.3V)，电容235另端连接接地；前述二极管234及电容235防止差动放大器231的输出电压过载及失真。

由上述结构可知，既有的位准转换电路23由参考电压产生单元232产生一个准位电压，作为差动放大器231降低电源供应器输出电压的讯号准位；其中为了不让该数字控制器22因为输入讯号过大而导致过载损坏，故于该差动放大器231的输出端连接一保护电路233，其利用二极管234提供过载保护；此外，为了让该数字控制器22的输入讯号能够更加完整，故利用电容235以防止该差动放大器231的输出讯号失真。

由上述说明可知，前述位准转换电路虽然可将电源供应器的输出电压降低位准后提供给数字控制器以执行稳压，然而前述位准转换电路由多数组件安装在电路板上预设线路所构成，其占用体积大，造成电源供应器的功率密度无法进一步提高；再者，组成位准转换电路的各个组件均具有一定公差范围，所以组成之后必需要经常微调，才能使既有的位准转换电路正常工作，亦为另一显著不便处。

发明内容

有鉴于上述既有的位准转换电路由于多数组件安装在电路板上预设线路而占用较大体积，因而无法提高功率密度且各组成组件均具有一定公差范围，所以组成之后存在必需要经常微调的困扰；故本发明主要目的提供一种数字控制器的位准转换电路，用以减少前述位准转换电路本身的面积。

欲达上述目的所使用的主要技术手段令前述位准转换电路包含有：

一直流准位回路，主要由一准位电阻串接一第一晶体管所构成，该第一晶体管具有一控制流经回路电流大小的控制端；

一直流回路控制器，具有一输入端及一输出端，其输出端连接于前述第一晶体管的控制端，而输入端与第一晶体管和该准位电阻之间的串接节点连接，藉此构成回授使该直流回路控制器产生一个与流经第一晶体管的电流相对应的电压；

一交直流分离回路，主要由一交直流输入电阻串接一第三晶体管所构成，该第三晶体管具有一控制流经回路电流大小的控制端；

一交流回路控制器，具有一输入端及一输出端，其输出端连接于前述第三晶体管的控制端，而输入端与第三晶体管和该交直流输入电阻之间的串接节点作连接；并藉此电路回授的结构使该交流回路控制器产生一个与流经该第三晶体管的电流相对应的电压；

一直流分流回路，包括一第二晶体管，该第二晶体管与交直流分离回路的第三晶体管相互并联，且第二晶体管的控制端亦与直流回路控制器的输出端连接，并同时与该第一晶体管的控制端相互连接；其中第一、第二晶体管的规格特性相同；及

一交流检出电路，主要由一第四晶体管、一电流镜电路及一交流输出电阻所组成，该电流镜电路具有一输入端与一输出端，其输入端与第四晶体管串联，其输出端则与交流出输出电阻串联；其中该第四晶体管与前述第三晶体管的控制端同时与交流回路控制器的输出端连接，且该第四晶体管的规格特性与第三晶体管相同。

由上述结构可知，本发明的位准转换电路利用该直流准位回路产生一个固定的直流电流，并且以该直流回路控制器的回授结构产生一个与直流电流对应的直流偏压，使得该直流分流回路产生一个同直流电流的直流分流电流；又由于该直流分流回路与该交直流分离回路并联；进而使输入至该交直流分离回路中的交直流电流讯号其直流成分流入该直流分流回路中；再者，由于该交流回路控制器的回授结构产生一个与交流电流对应的交流偏压，并连接至该交流检出电路，故该交流检出电路可得出该交直流电流讯号其交流成分。

再者，由上述说明可知，本发明的位准转换电路主要由晶体管或由晶体管所组成的回路控制器所构成，故相当容易在半导体制程中完成，进而可进一步整合于数字控制器中。

此外，本发明又一目的提供一种具有位准转换功能的数字控制器，而欲达上述目的所使用的主要技术手段令该数字控制器包含有：

一前述的位准转换电路；

一模拟数字转换器，包含有一输入端及输出端；其输入端与该位准转换电路的输出端连接；

一数字脉宽调变器，包含有一输入端及输出端；其输入端通过一数字补偿器连接至该模拟数字转换器的输出端。

由此结构可知，且由于本发明的数字控制器将位准转换电路整合其中，故多数组件不需安装在电路板上，可大幅减少其占用体积，进而可提高电源供应器的功率密度。

综合以上说明可知，由于本发明具有位准转换功能的数字控制器及其位准转换电路均于半导体制程中完成，故可将所有的材料、规格均统一设计，进而可避免公差范围的产生，而不需要经常微调。

附图说明

图1：本发明位准转换电路的电路图。

图2：电源供应器的输出电压讯号与本发明位准转换电路所检出的交流电压讯号的关系曲线图。

图3：电源供应器的输出电压与本发明位准转换电路所检出的电压的波形图。

图4：本发明另一较佳实施例的电路图。

图5：既有的电源供应器的电路图。

主要组件符号说明

11直流准位回路        12直流回路控制器

13交直流分离回路      14交流回路控制器

15直流分流回路        16交流检出电路

160电流镜电路         17第一开关电路

18第二开关电路        21直流对直流转换单元

22数字控制器          221模拟数字转换器

222数字补偿器         223数字脉宽调变器

23准转换电路          231差动放大器

232参考电压产生单元   233保护电路

234二极管             235电容

具体实施方式

本发明提供一种数字控制器，尤指一种具有位准转换功能的数字控制器以及可在半导体制程中整合至该数字控制器的位准转换电路。请参阅图1所示，本发明的位准转换电路包含有一直流准位回路11、一直流回路控制器12、一交直流分离回路13、一交流回路控制器14、一直流分流回路15、一交流检出电路16；其中：

前述直流准位回路11包含有：

一准位电阻(R_DC)，其一端连接于一固定电压源端(VDD)；及

一第一晶体管(M1)，串接于该准位电阻(R_DC)的另一端以及共同接地端(GND)，并包含有一个控制端(闸极)，用以控制流经两端之间的直流电流(IDC)。

前述直流回路控制器12于本实施例中由一第一运算放大器(OPA1)所构成，其正相输入端连接于该准位电阻(R_DC)与第一晶体管(M1)串联的一端而构成负回授，其反相输入端则连接于一个固定电压源(BVR)，并且该输出端连接于该第一晶体管(M1)的控制端；此第一运算放大器(OPA1)通过与上述组件构成负回授，进而于输出端产生一与流经该第一晶体管(M1)两端间的直流电流(IDC)相互对应的直流偏压。

前述交直流分离回路13包含有：

一交直流输入电阻(R_ACDC)，其一端连接电源供应器的输出端，以接收电源供应器的输出电压(Vout)；

一第三晶体管(M3)，串接于该交直流输入电阻(R_ACDC)的另一端与共同接地端(GND)，并包含有一个控制端(闸极)，用以控制流经两端的交流电流(iac)。

前述交流回路控制器14于本实施例中由一第二运算放大器(OPA2)构成，其正相输入端连接于该交直流输入电阻(R_ACDC)与第三晶体管(M3)串联的一端以构成负回授，而反相输入端则连接于一个固定电压源(BVR)，并且该输出端连接于该第三晶体管(M3)的控制端；此第二运算放大器(OPA2)通过与上述组件所构成负回授，进而于输出端产生一与流经该第三晶体管(M3)的交流电流(iac)相互对应的交流偏压。

前述直流分流回路15包括一第二晶体管(M2)，与交直流分离回路13的第三晶体管(M3)相互并联，该第二晶体管(M2)具有一个控制端(闸极)，该控制端同第一晶体管(M1)的控制端连接于上述第一运算放大器(OPA1)上的输出端，并由于第二晶体管(M2)的制造参数与第一晶体管(M1)的相同，故当该第一运算放大器(OPA1)输出端上的直流偏压同时输入于两者间的控制端时，流经该第二晶体管(M2)的直流映像电流(IDC’)与流经该第一晶体管(M1)两端间的直流电流(IDC)则必为相同；此外由于该第二晶体管(M2)与第三晶体管(M3)并联的缘故，使得原先流经该第三晶体管(M3)的交直流电流(iAC+DC)需分一部份电流至该第二晶体管(M2)，此电流即为上述的直流映像电流(IDC’)，此时流经该第三晶体管(M3)电流便仅剩下交流电流(iac)；

前述交流检出电路16包含有一第四晶体管(M4)、一电流镜电路160及一交流出输出电阻(R_AC)。

该第四晶体管(M4)具有一控制端(闸极)，其控制端连接于同第三晶体管(M3)的控制端连接于第二运算放大器(OPA2)上的输出端，并且由于两者间的制造参数相同，故当该第二运算放大器(OPA2)输出端上的交流偏压同时送至第三、第四晶体管(M3，M4)的控制端时，流经该第四晶体管(M4)的交流映像电流(iac’)与流经该第三晶体管(M3)的交流电流(iac)则必为相同；

该电流镜电路160具有一输入端及一输出端，其输入端连接于该第四晶体管(M4)；于本实施例中，该电流镜电路160为叠接组态；其中该叠接组态的电流镜电路160包含有：

一第五晶体管(M5)，其源极连接于一固定电压源端(VDD)，其闸极则作为一控制端；

一第六晶体管(M6)，其源极串接于该第五晶体管(M5)的汲极，而其汲极串接于该第四晶体管(M4)的汲极，其闸极则作为一修正控制端，而连接一个修正电压(Vb)；

一第七晶体管(M7)，其源极连接于一固定电压源端(VDD)，其闸极作为一控制端，该控制端与该第六、第四晶体管(M6、M4)的汲极和第五晶体管(M5)的闸极连接，以构成一个基本叠接电流镜结构；及

一第八晶体管(M8)，其源极串接于该第七晶体管(M7)的汲极；其闸极作为一控制端，该控制端同第六晶体管(M6)的修正控制端连结一个修正电压(Vb)；

该交流出输出电阻(R_AC)串接于前述电流镜电路160的输出端与共同接地端(GND)；用以将交流映像电流(iAC’)转换为交流电压讯号(vlc)，以供电源供应器的数字控制器使用。

由上述结构可知，本发明利用该直流准位回路11产生一个固定的直流电流(IDC)，其中该直流电流(IDC)可由准位电阻(R_DC)调整的；并且由于该直流准位回路内的第一晶体管(M1)与该直流回路控制器12的第一运算放大器(OPA1)组成一负回授的结构，故该第一运算放大器(OPA1)便藉此产生一个与直流电流(IDC)对应的直流偏压，该直流偏压令该直流分流回路15产生一个同直流电流的直流分流电流。

并且，本发明的交直流分离回路13的输入端接收电源供应器的输出电压(Vout)，并藉此产生一与之对应的交直流电流(iAC+DC)，其中该交直流电流(iAC+DC)大小可由交直流输入电阻(R_ACDC)调整之；又由于该直流分流回路15与该交直流分离回路13并联，进而使该交直流电流(iAC+DC)讯号的直流成分(IDC’)流入该直流分流回路15中，使得该交直流分离回路13取得交直流电流(iAC+DC)中的脉动交流部份(iac)。

再者，该交直流分离回路13利用其第三晶体管(M3)与交流回路控制器14所组成一负回授的结构，令该交流回路控制器14因此产生一个与交流电流(iac)对应的交流偏压，该交流偏压并送至该交流检出电路16，由交流检出电路16转换为一交流电压(vlc)，以供数字控制器使用。

此外，上述的准位电阻(R_DC)、交直流输入电阻(R_ACDC)及交流出输出电阻(R_AC)于本发明中除了可使用独立组件以外加的方式构成之外，尚可在半导体制程中利用晶体管的结构实现，进而可将上述的电阻一并整合在一芯片内。

请合并参照图2及图3所示，为电源供应器的输出电压讯号(Vout)与该本发明位准转换电路上的交流出输出电阻(R_AC)所检出的交流电压(vlc)的关系曲线图与波形图；于本实施例中该输出电压讯号(Vout)的直流成分为12.2伏特，而其交流成分保持在10.7～13.7伏特之间，故本发明此实施例便将原先电源供应器输出直流位准为12.2伏特的电压讯号(Vout)降至1.5伏特，并且输出至交流检出电阻(R_AC)上，使其交流电压保持在0.75～2.25伏特之间，以避免超过额定的3.3伏特。

又请参阅图4所示，此为本发明另一较佳实施例，其基本架构与前一实施例大致相同，并且本发明再进一步包含有一第一开关电路17及一第二开关电路18，其中：

该第一开关电路17分别与前述交直流分离回路13、直流准位回路11、直流分流回路15及交流检出电路16连接，且控制其回路通断；该第一开关电路17包含有：

四晶体管开关(M11、M12、M13、M14)，其中，三晶体管开关(M11、M12、M13)分别串联于该直流准位回路11、该直流分流回路15及该交直流分离回路13上，另一晶体管开关(M14)则串接于交流检出电路16的输入端上，于本实施例中，各晶体管开关(M11、M12、M13、M14)由金氧半场效晶体管所构成，其分别具有一控制导通与否的控制端(闸极)；

一第一开关晶体管(M9)，由金氧半场效晶体管构成，具有一汲极、一源极及一闸极，其源极连接于一直流电源(VDD)，其汲极分别和前述各晶体管开关(M11、M12、M13、M14)的控制端连接，其汲极和接地端之间串接一电阻，本实施例中，该电阻由闸极、汲极共接的金氧半场效晶体管(M10)所构成；该第一开关晶体管(M9)的闸极构成一控制端，并由一第一外部控制电压(Vbias1)所控制。

利用前述第一开关电路17，可由位准转换电路的外部控制其工作与否。

该第二开关电路18连接于该第六晶体管(M6)及该第八晶体管(M8)的修正控制端(闸极)；并包含有：

一第二开关晶体管(M15)，由金氧半场效晶体管构成，具有一汲极、一源极及一闸极，其源极连接于一接地端，其汲极分别和前述该第六晶体管(M6)及该第八晶体管(M8)的修正控制端连接，其汲极和直流电源(VDD)之间串接一电阻，本实施例中，该电阻由闸极、汲极共接的金氧半场效晶体管(M16)所构成；该第二开关晶体管(M15)的闸极构成一控制端，并由一第二外部控制电压(Vbias2)所控制；其中该第二开关晶体管(M15)汲极上的电压即为上述电流镜电路的修正电压(Vb)。

由上述结构可知，该第一开关电路17作为本发明直流成分效除功能的控制电路，若令该第一开关晶体管(M9)不为导通，则各晶体管开关(M11、M12、M13、M14)亦会跟着截止，故可进一步控制本发明直流成分效除功能的起启动与否；另外，该第二开关电路18作为本发明交流成分映像功能的控制电路，若令该第二开关晶体管(M15)不为导通，则叠接组态的电流镜电路160上的第六晶体管(M6)及第八晶体管(M8)亦会跟着截止，故可进一步控制本发明交流成分映像功能的起启动与否。

另外，于本实施例中，上述所有的晶体管为场效晶体管。

此外，本发明可将前述位准转换电路整合至一数字控制器中，因而该数字控制器将包含有：

一前述的位准转换电路；

一模拟数字转换器，包含有一输入端及输出端；其输入端与该位准转换电路的输出端连接；

一数字脉宽调变器，包含有一输入端及输出端；其输入端通过一数字补偿器连接至该模拟数字转换器的输出端；

前述数字脉宽调变器的输出端将连接并控制一直流对直流转换单元中各功率晶体管的通断与导通周期。

综合上述说明，由于本发明的位准转换电路大多数都采用晶体管或由晶体管所组成的回路控制器，故相当容易在半导体制程中完成，进而可进一步整合于数字控制器中，藉以构成本发明具有位准转换功能的数字控制器；再者，由于本发明整合成一芯片，故多数组件不需安装在电路板上，而可以减少其占用体积，进而可提高电源供应器的功率密度；又由于本发明于半导体制程中，可将所有的材料、规格均统一设计，所以也就能避免公差范围的产生，而不需要经常微调。

以上所述仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种位准转换电路，其特征在于，包含有：

一直流准位回路，主要由一准位电阻串接一第一晶体管所构成，该第一晶体管具有一控制流经回路电流大小的控制端；

一直流回路控制器，具有一输入端及一输出端，其输出端连接于前述第一晶体管的控制端，而输入端与第一晶体管和该准位电阻之间的串接节点连接，藉此构成回授使该直流回路控制器产生一个与流经第一晶体管的电流相对应的电压；

一交直流分离回路，主要由一交直流输入电阻串接一第三晶体管所构成，该第三晶体管具有一控制流经回路电流大小的控制端；

一交流回路控制器，具有一输入端及一输出端，其输出端连接于前述第三晶体管的控制端，而输入端与第三晶体管和该交直流输入电阻之间的串接节点作连接；并藉此电路回授的结构使该交流回路控制器产生一个与流经该第三晶体管的电流相对应的电压；

一直流分流回路，包括一第二晶体管，该第二晶体管与交直流分离回路的第三晶体管相互并联，且第二晶体管的控制端亦与直流回路控制器的输出端连接，并同时与该第一晶体管的控制端相互连接；其中第一、第二晶体管的规格特性相同；及

一交流检出电路，主要由一第四晶体管、一电流镜电路及一交流输出电阻所组成，该电流镜电路具有一输入端与一输出端，其输入端与第四晶体管串联，其输出端则与交流出输出电阻串联；其中该第四晶体管与前述第三晶体管的控制端同时与交流回路控制器的输出端连接，且该第四晶体管的规格特性与第三晶体管相同。

2.如权利要求1所述的位准转换电路，其特征在于，进一步包含有一第一开关电路，其中该第一开关电路分别与前述交直流分离回路、直流准位回路、直流分流回路及交流检出电路连接，且控制其回路通断；并包含有：

四晶体管开关，其中三晶体管开关分别串联于该直流准位回路、该直流分流回路及该交直流分离回路上，另一晶体管开关则串接于交流检出电路的输入端上，其分别具有一控制导通与否的控制端；

一第一开关晶体管，具有一汲极、一源极及一闸极，其源极连接于一直流电源，其汲极分别和前述各晶体管开关的控制端连接，其汲极和接地端之间串接一电阻；该第一开关晶体管的闸极构成一控制端，并由一第一外部控制电压所控制。

3.如权利要求1或2所述的位准转换电路，其特征在于，该电流镜电路为叠接组态；其中，该叠接组态的电流镜电路进一步包含有：

一第五晶体管，其源极连接于一固定电压源端，其闸极则作为一控制端；

一第六晶体管，其源极串接于该第五晶体管的汲极，而其汲极串接于该第四晶体管的汲极，其闸极则作为一修正控制端，而连接一个修正电压；

一第七晶体管，其源极连接于一固定电压源端，其闸极作为一控制端，该控制端与该第六、第四晶体管的汲极和第五晶体管的闸极连接，以构成一个基本叠接电流镜结构；及

一第八晶体管，其源极串接于该第七晶体管的汲极；其闸极作为一控制端，该控制端同第六晶体管的修正控制端连结一个修正电压。

4.如权利要求3所述的位准转换电路，其特征在于，进一步包含有第二开关电路，其包含有：

一第二开关晶体管，具有一汲极、一源极及一闸极，其源极连接于一接地端，其汲极分别和前述该第六晶体管及该第八晶体管的修正控制端连接，其汲极和直流电源之间串接一电阻；该第二开关晶体管的闸极构成一控制端，并由一第二外部控制电压所控制；其中该第二开关晶体管汲极上的电压即为上述电流镜电路的修正电压。

5.如权利要求1所述的位准转换电路，其特征在于，上述的准位电阻、交直流输入电阻及交流出输出电阻在半导体制程中利用晶体管的结构实现。

6.如权利要求1或5所述的位准转换电路，其特征在于，该直流准位回路、交直流分离回路、直流分流回路及交流检出电路中的晶体管由场效晶体管构成；且该直流回路控制器及该交流回路控制器由场效晶体管构成。

7.如权利要求4所述的位准转换电路，其特征在于，上述的准位电阻、交直流输入电阻及交流出输出电阻在半导体制程中利用晶体管的结构实现。

8.如权利要求4所述的位准转换电路，其特征在于，该直流准位回路、交直流分离回路、直流分流回路及交流检出电路中的晶体管由场效晶体管构成；且该直流回路控制器及该交流回路控制器由场效晶体管构成。

9.一种具有位准转换功能的数字控制器，其特征在于，包含有：

一位准转换电路，如权利要求1至8中任一所述的位准转换电路；

一模拟数字转换器，包含有一输入端及输出端；其输入端与该位准转换电路的输出端连接；及

一数字脉宽调变器，包含有一输入端及输出端；其输入端通过一数字补偿器连接至该模拟数字转换器的输出端。

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