CN103236791A - 改善动态反应的pwm电源转换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种改善动态反应的PWM电源转换器，其特征在于包括：一输出级，根据一脉宽调变信号产生一输出电压；一误差放大器，放大所述电源转换器的输出电压及一参考电压之间的差值产生一误差信号；一锯齿波产生器，提供一具有多斜率的锯齿波信号，并根据所述误差信号决定所述锯齿波信号的斜率转折点；一比较器，根据所述误差信号及锯齿波信号决定所述脉宽调变信号的工作周期。

Description

改善动态反应的PWM电源转换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种电源转换器，具体地说，是一种改善动态反应的PWM电源转换器及其控制方法。

背景技术

在传统的脉宽调变器中，利用一个线性上升或下降的参考信号与误差信号进行比较，从而得到一脉宽调变信号，通常此参考信号是线性锯齿波信号，所述锯齿波信号的斜率及频率都是固定的。在电压模式的直流对直流电源转换器中也有锯齿波信号，图1为已知的直流对直流电源转换器10的示意图，其中误差放大器12根据输出电压Vout及参考电压Vref产生误差信号COMP，锯齿波产生器提供锯齿波信号Vramp，比较器16比较误差信号COMP及锯齿波信号Vramp产生信号PWM，驱动器18根据信号PWM切换开关SW1及SW2以将输入电压Vin转换为输出电压Vout。在电源转换器10中，锯齿波信号Vramp的频率就是电源转换器10的操作频率，锯齿波信号Vramp之斜率的倒数跟是电源转换器10的回路增益(loop gain)有关，在一般的电压模式电源转换器中，锯齿波信号Vramp的斜率是固定的，但是在某些情况下，例如负载变化，若能适时的改变锯齿波信号Vramp的斜率，便能提高回路增益，从而改善电源转换器10动态反应(transient response)，这是非线性锯齿波信号的最大功用。最常见的方法就是使用多段斜率(multi-slope)的线性锯齿波信号，以使误差信号COMP在稳态及动态时切到不同的斜率，进而改变回路增益以改善动态反应及加快反应速率。

然而，使用多段斜率的线性锯齿波信号有一个难题，就是不同斜率的转换点的位置设定，也就是回路增益转折点时的信号PWM的工作周期比(duty)。图2为一二段斜率的锯齿波信号图，所述锯齿波信号20具有斜率转折点A，假设在稳态时误差信号COMP1切到的锯齿波信号20第一段斜率中的位置C时，由于位置C离斜率转折点A较远，因此可能在负载变化过程中无法让误差信号COMP1切到锯齿波信号20的第二段斜率而使回路增益变大，因此动态时及稳态时的回路增益相同，换言之，在效果上就跟单一斜率的锯齿波信号相同，相反，当误差信号COMP2于稳态时所切到的位置是锯齿波信号20第二段斜率中的位置B时，由于锯齿波信号20第二段斜率是特意调大来得到较高的回路增益，进而改善动态反应，因此整个回路的稳定度不易调整，有可能造成无法稳定工作。由于电源转换器10的工作周期是由外部应用电路所设定，因此固定的斜率转折点无法达到原先预期的效果。

在美国专利第6,522,115号中提出一种利用感测电源转换器输出电感上的电感电流来改变锯齿波信号斜率的方法，其原理与电流模式一致，但是要把电感电流感测进来需要额外的机制，故电路较复杂且成本较高，而且其锯齿波信号的波型为凹曲线，这对于不同工作周期比应用的电压模式的补偿会造成困扰。

因此已知的电源转换器存在着上述种种不便和问题。

发明内容

本发明的目的，在于提出一种改善动态反应的PWM电源转换器及其控制方法。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种改善动态反应的PWM电源转换器，其特征在于包括：

一输出级，根据一脉宽调变信号产生一输出电压；

一误差放大器，放大所述电源转换器的输出电压及一参考电压之间的差值产生一误差信号；

一锯齿波产生器，提供一具有多斜率的锯齿波信号，并根据所述误差信号决定所述锯齿波信号的斜率转折点；

一比较器，根据所述误差信号及锯齿波信号决定所述脉宽调变信号的工作周期。

本发明的PWM电源转换器还可以采用以下的技术措施来进一步实现。

前述的PWM电源转换器，其中所述锯齿波产生器包括：

一转折点决定电路，根据所述误差信号决定所述锯齿波信号的斜率转折点；

一检测电路，检测所述锯齿波信号，在所述锯齿波信号达到所述斜率转折点时，改变所述锯齿波信号的斜率。

前述的PWM电源转换器，其中所述转折点决定电路包括：

一用以取得所述误差信号的平均数值的电路；以及

一偏压源，提供一偏压以偏移所述平均数值以得到所述斜率转折点。

前述的PWM电源转换器，其中所述检测电路包括一比较器比较所述斜率转折点及所述锯齿波信号。

前述的PWM电源转换器，其中所述锯齿波产生器更包括：

一电容；

一电流源，提供一电流对所述电容充电以产生所述锯齿波信号。

前述的PWM电源转换器，其中所述检测电路控制所述电流大小以改变所述锯齿波信号的斜率。

一种PWM电源转换器的控制方法，其特征在于包括下列步骤：

第一步骤：根据一脉宽调变信号调节一输出电压；

第二步骤：放大所述电源转换器的输出电压及一参考电压之间的差值产生一误差信号；

第三步骤：产生一具有多斜率的锯齿波信号，所述锯齿波信号的斜率转折点由所述误差信号决定；

第四步骤：根据所述误差信号及锯齿波信号决定所述脉宽调变信号的工作周期。

前述的控制方法，其中所述一具有多斜率的锯齿波信号的步骤包括：

第一步骤：取得所述误差信号的平均数值；

第二步骤：根据所述平均数值决定所述锯齿波信号的斜率转折点；

第三步骤：检测所述锯齿波信号，在所述锯齿波信号达到所述斜率转折点时，改变所述锯齿波信号的斜率。

前述的控制方法，其中所述决定所述锯齿波信号的斜率转折点的步骤包括提供一偏压偏移所述平均数值以得到所述斜率转折点。

前述的控制方法，其中所述改变所述锯齿波信号的斜率的步骤包括：

第一步骤：提供一电流对一电容充电以产生所述锯齿波信号；

第二步骤：在所述锯齿波信号达到所述斜率转折点时，改变所述电流的大小，以改变所述锯齿波信号的斜率。

采用上述技术方案后，本发明的改善动态反应的PWM电源转换器及其控制方法具有改善系统的动态反应的优点。

附图说明

图1为已知的直流对直流电源转换器示意图；

图2为一二段斜率的锯齿波信号图；

图3为本发明的实施例示意图；

图4为图3中锯齿波产生器的操作示意图；

图5为低工作周期比的电源转换器在稳态时的波形图；

图6为高工作周期比的电源转换器在稳态时的波形图；

图7为低工作周期比的电源转换器在动态时的波形图；

图8为高工作周期比的电源转换器在动态时的波形图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明作更进一步说明。

参照图1，在电源转换器10中，可以由误差信号COMP得知外部负载变化，当电源转换器10处于稳态时，输出电压Vout也将处于稳定的状态，因此误差放大器12所输出的误差信号COMP也处于稳定的数值，所以信号PWM将具有稳定的工作周期比，如果将误差信号COMP的平均数值取出，那么这个信号就可以当作锯齿波信号Vramp的斜率转折点。图3为本发明的实施例示意图。在所述PWM电源转换器30中，误差放大器32根据输出电压Vout及参考电压Vref产生误差信号COMP，锯齿波产生器40提供具有多斜率的锯齿波信号Vramp，锯齿波信号Vramp的斜率转折点随误差信号COMP的平均数值改变，比较器34比较误差信号COMP及锯齿波信号Vramp产生脉宽调变信号PWM，驱动器36根据信号PWM切换输出级38中的开关SW1及SW2以将输入电压Vin转换为输出电压Vout。

图4用以说明图3中锯齿波产生器40的操作示意图。在所述锯齿波产生器40中，电流源46及48分别提供电流I1及I2对电容C充电以产生锯齿波信号Vramp，其中电流I1等于K倍的电流I2，转折点决定电路42包括低通滤波器4202用以滤波误差信号COMP以取得误差信号COMP的平均数值COMP_LP，如图4的波形56所示，平均数值COMP_LP分别被偏压源4204及4206所提供的偏压VOSL及VOSH偏移后产生信号SWL及SWH，如图4的波形58及52所示，信号SWL及SWH系作为锯齿波信号Vramp的斜率转折点，由于误差信号COMP上面有一些噪声(noise)，如图4的波形54所示，因此加上偏压VOSH及VOSL，以避免在稳态时切入不同的斜率，检测电路44包括比较器4402比较信号SWL及锯齿波信号Vramp产生信号Sc1，比较器4404比较信号SWH及锯齿波信号Vramp产生信号Sc2，或非门4406根据信号Sc1及Sc2切换开关SW3，以改变对电容C充电的电流，进而改变锯齿波信号Vramp的斜率。

参照图4，当锯齿波信号Vramp低于信号SWL及SWH时，如波形50所示，信号SC1为高准位而信号Sc2为低准位，因此或非门4406关闭(turn off)开关SW3，故只有电流I2对电容C充电，是以，锯齿波信号Vramp的上升速度较缓，此时锯齿波信号Vramp的斜率为RAMP_S1。当锯齿波信号Vramp高于信号SWL而低于信号SWH时，信号Sc1及Sc2均为低准位，因此或非门4406打开(turn on)开关SW3，故有电流I1及I2对电容C充电，是以，锯齿波信号Vramp的上升速度较快，此时锯齿波信号Vramp的斜率为RAMP_S2。当锯齿波信号Vramp高于信号SWL及SWH时，信号SC1为低准位而信号Sc2为高准位，因此或非门4406关闭开关SW3，故又只剩电流I2对电容C充电，是以，锯齿波信号Vramp的斜率又变回RAMP_S1。如图4所示，在信号SWL及SWH之间的锯齿波信号Vramp的斜率RAMP_S2为其它范围的(K+1)倍。

当负载变化时，输出电压Vout也跟着变化，此时误差放大器32所输出的误差信号COMP也随变化，若误差信号COMP的变动超出利用平均数值COMP_LP所决定的转折点SWL及SWH时，其将切到另一段斜率以使电源转换器30的回路增益改变，进而改善动态反应。当电源转换器30的输出/输入电压比不同时，即工作周期比不同时，代表着稳态时的误差信号COMP大小不同，所以锯齿波信号Vramp的斜率转折点也将跟着变动，因此，整个系统能够稳定工作在预先设定的调变增益，这即为锯齿波信号Vramp斜率转折的最佳位置。

图5显示低工作周期比的电源转换器在稳态时的波形图，其中波形60为锯齿波信号Vramp，波形62为误差信号COMP，波形64为信号PWM。当电源转换器10的工作周期比较低时，如波形64所示，误差信号COMP的准位也较低，如波形62所示，因此锯齿波信号Vramp的斜率转折点也往下降，如波形60所示，故误差信号COMP还是切到斜率RAMP_S2。图6显示高工作周期比的电源转换器在稳态时的波形图，其中波形66为锯齿波信号Vramp，波形68为误差信号COMP，波形70为信号PWM。当电源转换器10的工作周期比较高时，如波形70所示，误差信号COMP的准位也较高，如波形68所示，因此锯齿波信号Vramp的斜率转折点也往上升，如波形66所示，故误差信号COMP还是切到斜率RAMP_S2。如图5及图6所示，在稳态时，锯齿波产生器40可以让误差信号COMP在不同的工作周期比下所切到的锯齿波信号Vramp的斜率都相同。

图7显示低工作周期比的电源转换器在动态时的波形图，所述波形72为单斜率锯齿波信号，波形74为锯齿波产生器40提供的多斜率锯齿波信号Vramp，波形76为误差信号COMP，波形78为根据多斜率锯齿波信号Vramp而得到的信号PWM，波形80为根据传统单斜率锯齿波信号而得到的信号PWM。图8显示高工作周期比的电源转换器在动态时的波形图，其中，波形82为单斜率的锯齿波信号，波形84为锯齿波产生器40提供的多斜率锯齿波信号Vramp，波形86为误差信号COMP，波形88为根据多斜率锯齿波信号Vramp而得到的信号PWM，波形90为根据传统单斜率锯齿波信号而得到的信号PWM。如图7及图8所示，不论是负载由轻载转为重载或由重载转为轻载，使用多斜率锯齿波信号Vramp而得到的信号PWM的工作周期比的变化比根据传统单斜率锯齿波信号而得到的信号PWM更快，如波形78、80、88及90所示，这表示使用锯齿波产生器40提供的多斜率锯齿波信号Vramp有较佳的动态反应。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化。因此，所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求限定。

组件符号说明

10    电源转换器

12    误差放大器

14    锯齿波产生器

16    比较器

18    驱动器

20    锯齿波信号

30    PWM电源转换器

32    误差放大器

34    比较器

36    驱动器

38    输出级

40    锯齿波产生器

42    转折点决定电路

4202    低通滤波器

4204    偏压源

4206    偏压源

44      检测电路

4402    比较器

4404    比较器

4406    或非门

46      电流源

48      电流源

50      锯齿波信号Vramp的波形

52      信号SWH的波形

54      误差信号COMP的波形

56      误差信号COMP的平均数值COMP_LP的波形

58      信号SWL的波形

60      锯齿波信号Vramp的波形

62      误差信号COMP的波形

64      信号PWM的波形

66      锯齿波信号Vramp的波形

68      误差信号COMP的波形

70      信号PWM的波形

72      单斜率锯齿波信号的波形

74      多斜率锯齿波信号Vramp的波形

76      误差信号COMP的波形

78      信号PWM的波形

80      信号PWM的波形

82      单斜率锯齿波信号的波形

84      多斜率锯齿波信号Vramp的波形

86      误差信号COMP的波形

88      信号PWM的波形

90      信号PWM的波形

Claims (3)

1.一种改善动态反应的PWM电源转换器，其特征在于包括：

一输出级，根据一脉宽调变信号产生一输出电压；

一误差放大器，放大所述电源转换器的输出电压及一参考电压之间的差值产生一误差信号；

一锯齿波产生器，提供一具有多斜率的锯齿波信号，并根据所述误差信号决定所述锯齿波信号的斜率转折点；以及

一比较器，根据所述误差信号及锯齿波信号决定所述脉宽调变信号的工作周期。

2.如权利要求1所述的PWM电源转换器，其特征在于，所述锯齿波产生器包括：

一转折点决定电路，根据所述误差信号决定所述锯齿波信号的斜率转折点；以及

一检测电路，检测所述锯齿波信号，在所述锯齿波信号达到所述斜率转折点时，改变所述锯齿波信号的斜率。

3.一种PWM电源转换器的控制方法，其特征在于包括下列步骤：

第一步骤：根据一脉宽调变信号调节一输出电压；

第二步骤：放大所述电源转换器的输出电压及一参考电压之间的差值产生一误差信号；

第三步骤：产生一具有多斜率的锯齿波信号，所述锯齿波信号的斜率转折点由所述误差信号决定；以及

第四步骤：根据所述误差信号及锯齿波信号决定所述脉宽调变信号的工作周期。

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