CN103683914A - 电源转换器及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电源转换器及其操作方法。电源转换器包括输出级、输入电压侦测单元及脉宽调变单元。输出级耦接于输入端与接地端之间。输入电压侦测单元用以侦测输入电压。脉宽调变单元耦接输出级及输入电压侦测单元，用以提供脉宽调变信号至输出级。脉宽调变单元根据输入电压与预设电压调整脉宽调变信号的开关导通信信号的导通时间。若输入电压低于预设电压，脉宽调变单元增加开关导通信信号的导通时间且增加脉宽调变信号的周期。

Description

电源转换器及其操作方法
技术领域
本发明与直流对直流转换器(DC-DC converter)有关，特别是关于一种即使输入电压递减但仍能转换产生期望的输出电压的电源转换器及其操作方法。
背景技术
一般而言，输入至电源转换器的输入电压需要比期望的输出电压高出一定的程度，才能顺利产生期望的输出电压。然而，由于输入电压通常会随着时间逐渐递减，因而导致电源转换器所产生的输出电压无法达到原本期望的大小。
如图1所示，于恒定导通时间(Constant-On-Time, COT)-脉宽调变(Pulse Width Modulation, PWM)的架构下，电源转换器1中的比较器10将会比较回授电压VFB (与输出电压相关)与参考电压Vref的大小。一旦比较器10所得到的比较结果为回授电压VFB低于参考电压Vref，代表目前电源转换器1所产生的输出电压VOUT明显偏低。因此，脉宽调变单元12将会输出具有固定导通时间(Ton)的脉宽调变信号PWM至输出级14，以对于输出电容C进行充电，由此增加输出电压VOUT的大小。
如图2所示，脉宽调变信号PWM中的每个导通时间Ton后面均会伴随着一个关闭时间Toff，一个导通时间Ton加上一个关闭时间Toff被定义为脉宽调变信号PWM的一个周期。刚开始(时间ta之前)由于输入电压VIN够高且具有固定值，所以导通时间Ton/关闭时间Toff将会固定且重复地出现。随着输入电压VIN从时间ta开始递减，虽然脉宽调变信号PWM的周期不会改变，但周期内的导通时间Ton将会增加而关闭时间Toff将会减少，使得输出电压VOUT仍能维持在期望值而不会变小。然而，当输入电压VIN于时间tb递减至一定程度(临界电压Vth)后，由于脉宽调变信号PWM的周期仍维持固定，且周期内的关闭时间Toff已经无法再进一步缩小，因此，导通时间Ton将会维持固定而无法提供较充裕的充电时间，故将导致输出电压VOUT随着输入电压VIN递减而减少，严重影响电源转换器1的电压转换效率。
因此，本发明提出一种电源转换器及其操作方法，以解决现有技术所遭遇到的上述种种问题。
发明内容
本发明的一范畴在于提出一种电源转换器。于一较佳具体实施例中，电源转换器包括输出级、输入电压侦测单元及脉宽调变单元。输出级耦接于输入端与接地端之间。输入电压侦测单元，用以侦测输入电压。脉宽调变单元耦接输出级及输入电压侦测单元，用以提供脉宽调变信号至输出级。脉宽调变单元根据输入电压与预设电压来调整脉宽调变信号的开关导通信号的导通时间。若输入电压低于预设电压，脉宽调变单元增加开关导通信号的导通时间且增加脉宽调变信号的周期。
于一实施例中，脉宽调变单元包括时间计算单元，用以计算开关导通信号的导通时间及最小关闭时间。
于一实施例中，时间计算单元包括电流源、电容、开关及比较器，电流源与输入电压有关，电容耦接于电流源与接地端之间，开关的两端分别耦接至电流源与电容之间以及接地端，比较器的两输入端分别耦接至电流源与电容之间以及输出电压。
于一实施例中，若输入电压维持在高于预设电压的固定值，脉宽调变单元维持脉宽调变信号的周期与开关导通信号的导通时间不变。
于一实施例中，若输入电压降低但未低于预设电压，脉宽调变单元维持脉宽调变信号的周期不变且增加开关导通信号的导通时间。
于一实施例中，若输入电压低于预设电压，开关导通信号的关闭时间已达最小关闭时间，脉宽调变单元同时增加开关导通信号的导通时间及脉宽调变信号的周期。
本发明的另一范畴在于提出一种电源转换器操作方法。于一较佳具体实施例中，上述电源转换器操作方法用以操作电源转换器。电源转换器包含输出级，输出级耦接于输入端与接地端之间。上述方法包括下列步骤：侦测输入电压；提供脉宽调变信号至输出级；根据输入电压与预设电压来调整脉宽调变信号的开关导通信号的导通时间；若输入电压低于预设电压，增加开关导通信号的导通时间且增加脉宽调变信号的周期。
相较于现有技术，本发明的电源转换器及其操作方法于输入电压递减至低于预设电压值时，让脉宽调变信号的周期随着输入电压的递减而增加，故其开关导通信号能提供足够的导通时间(Ton)，以供输出级产生符合期望的输出电压，有效地避免现有技术中电源转换器的输出电压随着输入电压的递减而降低的缺点，以确保电源转换器输出电压的稳定性。
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
附图说明
图1绘示传统的电源转换器的电路架构示意图。
图2绘示传统的电源转换器的输入电压、输出电压及脉宽调变信号的时序图。
图3绘示根据本发明的一具体实施例的电源转换器的电路架构示意图。
图4绘示图3中的电源转换器的输入电压、输出电压及脉宽调变信号的时序图。
图5绘示时间计算单元配合输入电压侦测单元操作的示意图。
图6A及图6B分别绘示当输入电压低于临界电压时，脉宽调变信号的周期增加及频率降低的示意图。
图7绘示根据本发明的另一具体实施例的电源转换器操作方法的流程图。
【主要元件符号说明】
S10~S22：流程步骤
1、3：电源转换器         10、30：比较单元
12、32：脉宽调变单元     14、34：输出级
36：输入电压侦测单元     L：输出电感
C：输出电容             320：时间计算单元
R1：第一输出电阻         R2：第二输出电阻
＋：正输入端             －：负输入端
VIN：输入电压             VOUT：输出电压
E、F、G：输出端         PWM：脉宽调变信号
Vref：参考电压             VFB：回授电压
t、ta、tb：时间           v：电压
Ton：导通时间             Toff：关闭时间
Vc：电容电压             SW1：开关
32a、36a：比较器        Vth：预设电压
Ivc：电压控制电流源      IVIN：电流源
d1~d2：脉宽调变信号的周期对输入电压的曲线
d3~d4：脉宽调变信号的频率对输入电压的曲线
具体实施方式
根据本发明的一较佳具体实施例为一种电源转换器。实际上，本发明提出的电源转换器应用于定频直流-直流电源转换器，但不以此为限。本发明亦可适用恒定导通时间(COT) 直流-直流转换器中。
请参照图3，图3绘示此实施例的电源转换器的电路架构示意图。如图3所示，电源转换器3包括有输出级34、比较单元30、输入电压侦测单元36及脉宽调变单元32。输出级34耦接于输入端与接地端之间，且输出级34耦接脉宽调变单元32与输出电感34；输入电压侦测单元36耦接输入端及脉宽调变单元32；脉宽调变单元32耦接比较单元30、输出级34及输入电压侦测单元36；比较单元30耦接输出级34及时间计算单元32、第一输出电阻R1、及第二输出电阻R2。脉宽调变单元32包括时间计算单元320。在本实施例中，比较单元30亦可为误差放大器或跨导(GM)放大器。
输出级34可包括驱动单元、上桥开关及下桥开关，驱动单元耦接脉宽调变单元32，上桥开关耦接输入端，下桥开关耦接输出端，上桥开关与下桥开关之间具有一相位节点，输出电感L耦接相位节点。输出电感L耦接于输出级34与输出端之间；第一输出电阻R1及第二输出电阻R2彼此串接于输出电感L与输出端之间以及接地端；比较单元30的负输入端－耦接至第一输出电阻R1与第二输出电阻R2之间的接点K；输出电容C的一端耦接至输出端，另一端耦接至接地端。
于此实施例中，比较单元30的正输入端＋及负输入端－分别接收参考电压Vref及来自输出端的回授电压VFB，并比较回授电压VFB与参考电压Vref后将比较结果输出至脉宽调变单元32。输入电压侦测单元36用以自输入端侦测输入电压VIN并比较输入电压VIN与预设电压Vth后，提供输入电压VIN与预设电压Vth的比较结果给脉宽调变单元32。当脉宽调变单元32提供脉宽调变信号PWM至输出级34时，脉宽调变单元32根据输入电压VIN与预设电压Vth的比较结果调整脉宽调变信号PWM中的开关导通信号的导通时间(Ton)。
实际上，为了避免输出端的输出电压VOUT随着输入电压VIN一起降低，当输入电压VIN由原本的固定值开始降低时，脉宽调变单元32将会增加开关导通信号的导通时间(Ton)，以使得输出级34有较为充裕的时间去输出较大的输出电压VOUT，故不致于产生现有技术中输出电压VOUT随着输入电压VIN递减而降低的现象。
当输入电压VIN降低但仍未低于预设电压Vth时，脉宽调变单元32会增加开关导通信号的导通时间(Ton)，由于开关导通信号的关闭时间(Toff)还未达到其最小关闭时间，因此，开关导通信号的关闭时间(Toff)还可随着导通时间(Ton)的增加而减少，以维持脉宽调变信号PWM的周期不变。
一旦输入电压VIN降低至低于预设电压Vth时，脉宽调变单元32会增加开关导通信号的导通时间(Ton)，由于此时开关导通信号的关闭时间(Toff)已达到其最小关闭时间，无法继续再随着导通时间(Ton)的增加而减少，因此，脉宽调变信号PWM的周期将会随着开关导通信号的导通时间(Ton)的增加而变大。
请参照图4，图4绘示图3中的电源转换器3的输入电压VIN、输出电压VOUT及脉宽调变信号PWM的时序图。如图4所示，脉宽调变信号PWM中的开关导通信号的每个导通时间Ton后面均会伴随着一个关闭时间Toff，一个导通时间Ton加上一个关闭时间Toff被定义为脉宽调变信号PWM的一个周期。刚开始(时间ta之前)由于输入电压VIN够高且具有固定值，所以导通时间Ton与关闭时间Toff将会固定且重复地出现。此时，由于输入电压VIN并未降低，所以脉宽调变单元32并不会调整开关导通信号的导通时间(Ton)与脉宽调变信号PWM的周期，两者均维持不变。
随着输入电压VIN从时间ta开始递减，脉宽调变单元32即会开始增加开关导通信号的导通时间(Ton)，以使得输出级34能有较为充裕的时间去输出较大的输出电压VOUT。于时间ta至tb的期间内，由于输入电压VIN虽然降低但仍未低于预设电压Vth，开关导通信号的关闭时间(Toff)还未达到其最小关闭时间，因此，开关导通信号的关闭时间(Toff)还可随着导通时间(Ton)的增加而减少，故在开关导通信号的导通时间(Ton)增加但关闭时间(Toff)减少的情况下，仍能维持脉宽调变信号PWM的周期不变。
于时间tb，输入电压VIN已递减至低于预设电压Vth时，由于此时开关导通信号的关闭时间(Toff)已达到最小关闭时间，无法再进一步缩小，因此，当脉宽调变单元32增加开关导通信号的导通时间(Ton) 时，脉宽调变信号PWM的周期将会随着开关导通信号的导通时间(Ton)的增加而变大。
通过上述的操作，本发明的电源转换器3在输入电压VIN递减时，仍能动态地提供输出级34较充裕的充电时间，使得输出级34所输出的输出电压VOUT仍能维持在原本的期望输出电压值，而不会随着输入电压VIN递减而减少，故本发明的电源转换器3能够克服现有技术的缺点，无论输入电压VIN的变化，均可持续提供稳定的输出电压VOUT。
接着，请参照图5，图5绘示脉宽调变单元32的时间计算单元320配合输入电压侦测单元36操作的示意图。如图5所示，时间计算单元320包括比较器32a、电容C、开关SW1以及与输入电压VIN有关的电流源IVIN。输入电压侦测单元36包括比较器36a及电压控制电流源Ivc。
电容C耦接于电流源IVIN与接地端之间；开关SW1的两端分别耦接至电流源IVIN与电容C之间以及接地端；比较器32a的负输入端－及正输入端＋分别耦接至电流源IVIN与电容C之间以及输出电压VOUT；比较器32a的输出端G输出开关导通信号的导通时间Ton；电压控制电流源Ivc耦接至电流源IVIN与电容C之间以及接地端；比较器36a的负输入端－及正输入端＋分别耦接至输入电压VIN及预设电压Vth；比较器36a的输出端E耦接至电压控制电流源Ivc。
于此实施例中，开关SW1的开启或关闭由脉宽调变信号PWM所控制。当脉宽调变信号PWM处于低准位(Low level)时，开关SW1导通，使得电流源IVIN无法对电容C充电，故比较器32a的负输入端－所接收到的电容电压Vc为0，此时，比较器32a的输出端G将会输出低准位的开关导通信号，亦即开关导通信号开始进入关闭时间Toff。
当脉宽调变信号PWM处于高准位(High level)时，开关SW1断路(open)，使得电流源IVIN开始对电容充电，直至比较器32a的负输入端－所接收到的电容电压Vc与正输入端＋所接收到的输出电压VOUT一样高，此时比较器32a的输出端G将会输出高准位的开关导通信号，亦即开关导通信号开始进入导通时间Ton，并将开关导通信号PWM变为低准位，以停止对电容C充电。
从开关导通信号开始处于高准位一直到开关导通信号转变为处于低准位为止的这一段时间，即为开关导通信号的导通时间Ton。同理，从开关导通信号开始处于低准位一直到开关导通信号转变为处于高准位为止的这一段时间，即为开关导通信号的关闭时间Toff。
如图5所示，比较器36a将会比较输入电压VIN与预设电压Vth，并根据输入电压VIN与预设电压Vth的比较结果输出控制信号来控制电压控制电流源Ivc所产生的电流大小。当比较器36a所得到的比较结果为输入电压VIN未低于临界电压Vth时，比较器36a输出控制信号控制电压控制电流源Ivc所产生的电流大小为0。
当比较器36a所得到的比较结果为输入电压VIN低于临界电压Vth时，比较器36a输出控制信号控制电压控制电流源Ivc开始产生电流。由于电压控制电流源Ivc所产生的电流变大将会导致电流源IVIN所产生的电流对电容C的充电变少。这将会使得比较器32a的负输入端－所接收到的电容电压Vc达到与正输入端＋所接收到的输出电压VOUT一样高的时间变长，使得脉宽调变信号PWM的周期增加(如图6A中的d1所示，d2则为现有技术)且频率降低(如图6B中的d3所示，d4则为现有技术)。
根据本发明的一较佳具体实施例为一种电源转换器操作方法。于一较佳具体实施例中，上述电源转换器操作方法用以操作电源转换器。电源转换器包含输出级，输出级耦接于输入端与接地端之间。请参照图7，图7绘示此实施例的电源转换器操作方法的流程图。
如图7所示，首先，上述方法执行步骤S10，侦测输入电压。实际上，上述方法是从输入端侦测输入电压，但不以此为限。接着，上述方法将会执行步骤S12，提供脉宽调变信号至输出级。之后，上述方法将会执行步骤S14，判断输入电压是否低于预设电压。
若步骤S14的判断结果为是，代表输入电压已低于预设电压，上述方法将会执行步骤S16，增加开关导通信号的导通时间且增加脉宽调变信号的周期。若步骤S14的判断结果为否，代表输入电压并未低于预设电压，上述方法将会执行步骤S18，判断输入电压是否降低。
若步骤S18的判断结果为是，代表输入电压虽然降低但还未低于预设电压，上述方法将会执行步骤S20，增加开关导通信号的导通时间且维持脉宽调变信号的周期不变。若步骤S18的判断结果为否，代表输入电压维持不变并未降低，上述方法将会执行步骤S22，维持开关导通信号的导通时间与脉宽调变信号的周期不变。
相较于现有技术，本发明的电源转换器及其操作方法于输入电压递减至低于预设电压值时不再维持固定的脉宽调变信号周期，而是让脉宽调变信号的周期随着输入电压的递减而增加，故其开关导通信信号能提供足够的导通时间(Ton)以供输出级产生符合期望的输出电压，有效地避免现有技术中电源转换器的输出电压随着输入电压的递减而降低的缺点，以确保电源转换器输出电压的稳定性。
通过以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所公开的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。

Claims (10)

1.一种电源转换器，其特征在于，包括：
一输出级，耦接于一输入端与一接地端之间；
一输入电压侦测单元，用以侦测一输入电压；以及
一脉宽调变单元，耦接上述输出级及上述输入电压侦测单元，用以提供一脉宽调变信号至上述输出级，
其中上述脉宽调变单元根据上述输入电压与一预设电压来调整上述脉宽调变信号的一开关导通信信号的一导通时间，若上述输入电压低于上述预设电压，上述脉宽调变单元增加上述开关导通信信号的上述导通时间且增加上述脉宽调变信号的一周期。
2.如权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，上述脉宽调变单元包括一时间计算单元，用以计算上述开关导通信号的上述导通时间及一最小关闭时间。
3.如权利要求2所述的电源转换器，其特征在于，上述时间计算单元包括一电流源、一电容、一开关及一比较器，上述电流源与上述输入电压有关，上述电容耦接于上述电流源与上述接地端之间，上述开关的两端分别耦接至上述电流源与上述电容之间以及上述接地端，上述比较器的两输入端分别耦接至上述电流源与上述电容之间以及一输出电压。
4.如权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，若上述输入电压维持在高于上述预设电压的固定值，上述脉宽调变单元维持上述脉宽调变信号的上述周期与上述开关导通信号的上述导通时间不变。
5.如权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，若上述输入电压降低但未低于上述预设电压，上述脉宽调变单元维持上述脉宽调变信号的上述周期不变且增加上述开关导通信号的上述导通时间。
6.如权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，若上述输入电压低于上述预设电压，上述开关导通信号的一关闭时间已达一最小关闭时间，上述脉宽调变单元同时增加上述开关导通信号的上述导通时间及上述脉宽调变信号的上述周期。
7.一种电源转换器操作方法，用以操作一电源转换器，其特征在于，上述电源转换器包含一输出级，上述输出级耦接于一输入端与一接地端之间，上述电源转换器操作方法包括下列步骤：
(a)侦测一输入电压；
(b)提供一脉宽调变信号至上述输出级；
(c)根据上述输入电压与一预设电压来调整上述脉宽调变信号的一开关导通信号的一导通时间；以及
(d)若上述输入电压低于上述预设电压，增加上述开关导通信号的上述导通时间且增加上述脉宽调变信号的一周期。
8.如权利要求7所述的电源转换器操作方法，其特征在于，若上述输入电压维持在高于上述预设电压的固定值，上述方法还包括下列步骤：
维持上述脉宽调变信号的上述周期与上述开关导通信号的上述导通时间不变。
9.如权利要求7所述的电源转换器操作方法，其特征在于，若上述输入电压降低但未低于上述预设电压，上述方法还包括下列步骤：
维持上述脉宽调变信号的上述周期不变且增加上述开关导通信号的上述导通时间。
10.如权利要求7所述的电源转换器操作方法，其特征在于，若上述输入电压低于上述预设电压，上述开关导通信号的一关闭时间已达一最小关闭时间，上述方法还包括下列步骤：
上述脉宽调变单元同时增加上述开关导通信号的上述导通时间及上述脉宽调变信号的上述周期。
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