CN104467376A

CN104467376A - 斜波信号产生方法与其产生器、以及脉宽调制信号产生器

Info

Publication number: CN104467376A
Application number: CN201310425306.7A
Authority: CN
Inventors: 陈雅萍
Original assignee: UPI Semiconductor Corp
Current assignee: UPI Semiconductor Corp
Priority date: 2013-09-17
Filing date: 2013-09-17
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2033-09-17
Also published as: CN104467376B

Abstract

本发明提供一种斜波信号产生方法与其产生器、以及脉宽调制信号产生器。斜波信号产生方法包括下列步骤：接收误差信号，其中误差信号相关于电源转换器的输出电压；依据误差信号产生误差延迟信号；以及通过误差信号与误差延迟信号来提供斜波信号。斜波信号相较于误差信号为相位领先且反相。斜波信号用来加速电源转换器的响应速度。

Description

斜波信号产生方法与其产生器、以及脉宽调制信号产生器

技术领域

本发明是有关于一种电源转换技术，尤指一种应用于电源转换器的斜波信号产生方法与其产生器、以及脉宽调制信号产生器。

背景技术

图1为现有的电源转换器的示意图。图2为现有的电源转换器的波形示意图。请参照图1和图2。现有的电源转换器100的设计常采用固定导通时间的架构。斜波产生器140产生具有固定式三角波的斜波信号Xramp。比较器110比较误差信号Xerr与斜波信号Xramp来产生比较信号Xcm。时间控制电路120根据比较信号Xcm、输入电压Vin及输出电压Vout来产生脉宽调制信号Xpwm。脉宽调制信号Xpwm的每一周期的导通时间Ton的宽度是固定值，且导通时间Ton的宽度是与输入电压Vin和输出电压Vout有关。

在电源转换器100中，通过误差信号Xerr与斜波信号Xramp来产生比较信号Xcm。时间控制电路120通过比较信号Xcm来决定何时输出脉宽调制信号Xpwm的导通时间Ton。误差信号Xerr的振幅与反馈信号Vfb和参考电压Vref两者有关。在决定输出脉宽调制信号Xpwm的导通时间Ton的时刻，时间控制电路120开始计算并生成导通时间Ton，而且脉宽调制信号Xpwm中的每一周期的导通时间Ton是固定的。

现有的脉宽调制的操作架构虽可达到固定频率的效果，但是在电源转换器100的输出端上的电容器CL的等效串联电阻ESR与电感器L的等效串联电阻DCR皆很小时，电容器CL及电感器L因应负载瞬间变化（loadtransient）时所补偿的能量会有延迟，因此反馈信号Vfb、误差信号Xerr也会跟着延迟。原本经过补偿电路130所产生的误差信号Xerr已经不能用来收敛输出电压Vout。此外，由于斜波信号Xramp为固定放电斜率的波形，无法随着负载瞬间变化而改变其放电斜率。上述种种原因将造成电源转换器100有不稳定的振荡情形。

图3为现有的斜波产生器的电路图。请参照图1和图3。在斜波产生器140之中，电流源IRamp、N型金氧半晶体管MN1及MN2组成镜像电流源。第一钳位电压Vclamp1大于第二钳位电压Vclamp2。当误差信号Xerr大于斜波信号Xramp时，重置信号RST导通开关S1，从而将电容器Cramp的电压充电至第一钳位电压Vclamp1。再利用镜像电流源对电容器Cramp放电。电流源IRamp（放电电流）的电流值为固定。当斜波信号Xramp放电至第二钳位电压Vclamp2时，斜波信号Xramp会被嵌位在第二钳位电压Vclamp2。斜波产生器140经由上述充电、放电动作来提供具有固定波形的斜波信号Xramp，以作为与误差信号Xerr比较用的调整基准点。

图4为现有的电源转换器的另一波形示意图。请参照图1和图4。在图4中的相关波形为电源转换器100采用固定导通时间的架构，且操作在不连续导通模式（discontinuous conduction mode，简称DCM）。当输出的负载电流Iload属于极轻载时，将会降低电感电流IL的操作频率（亦即操作周期的时间将被拉长），如此将导致具有固定放电斜率的斜波信号Xramp被放电至最低钳位电压的位准。当输出电压Vout的能量不足且需要能量时，误差信号Xerr的波形往上爬升，且往上爬升的误差信号Xerr与近似水平的斜波信号Xramp之间所形成的角度θ将变小。上述角度θ与抗噪声的能力有关。当角度θ变小时，将降低电源转换器100的抗噪声能力，并且有可能产生严重的抖动（jitter）。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种斜波信号产生方法与其产生器、以及脉宽调制信号产生器，用于解决现有技术所述的问题。

本发明提供一种斜波信号产生器。斜波信号产生器应用于电源转换器。斜波信号产生器包括输入单元、延迟单元以及转换控制组件。输入单元接收误差信号。误差信号相关于电源转换器的输出电压。延迟单元耦接输入单元，且依据误差信号产生误差延迟信号。转换控制组件耦接输入单元与延迟单元，以通过误差信号与误差延迟信号来提供斜波信号。

在本发明的一实施例中，转换控制组件接收误差信号与误差延迟信号的差值，以通过差值来提供斜波信号。

在本发明的一实施例中，转换控制组件具有K倍放大系数，转换控制组件接收误差信号与误差延迟信号的差值，以通过差值乘以K倍放大系数来提供斜波信号。

在本发明的一实施例中，延迟单元包括电阻与电容器。电阻耦接输入单元与转换控制组件，电容器耦接电阻与转换控制组件。

在本发明的一实施例中，斜波信号相较于误差信号为相位领先且反相。

本发明另提供一种脉宽调制信号产生器，应用于电源转换器。脉宽调制信号产生器包括误差放大器、斜波信号产生器、比较器以及控制电路。误差放大器接收反馈信号来产生误差信号。斜波信号产生器耦接误差放大器，且接收误差信号，以产生误差延迟信号。斜波信号产生器根据误差信号、误差延迟信号及参考信号来提供斜波信号。比较器耦接误差放大器与斜波信号产生器，且根据斜波信号与误差信号产生触发信号。控制电路根据触发信号产生脉宽调制信号。

本发明另提供一种斜波信号产生方法，应用于电源转换器。斜波信号产生方法包括：接收误差信号，其中误差信号相关于电源转换器的输出电压；依据误差信号产生误差延迟信号；以及通过误差信号与误差延迟信号来提供斜波信号。

在本发明的一实施例中，通过误差信号与误差延迟信号的步骤还包括：根据误差信号与误差延迟信号的差值，以通过差值来提供斜波信号。

在本发明的一实施例中，通过差值来提供斜波信号的步骤还包括：将差值乘以K倍放大系数来提供斜波信号。

基于上述，本发明的斜波信号产生方法与其产生器、以及脉宽调制信号产生器利用误差信号与误差延迟信号来提供斜波信号。此新颖的斜波信号用来取代现有的斜波信号。斜波信号相较误差信号为相位领先且反相。在进行回路控制时，利用斜波信号与误差信号来决定导通时间的时间点，可以更快速收敛电源转换器的输出电压，以使输出电压快速回到稳定状态及改善瞬时响应。另外，本发明架构在不连续导通模式下可提供较好的抗噪声能力。

附图说明

下面的附图是本发明的说明书的一部分，其示出了本发明的示例实施例，附图与说明书的描述一起用来说明本发明的原理。

图1为现有的电源转换器的示意图；

图2为现有的电源转换器的波形示意图；

图3为现有的斜波产生器的电路图；

图4为现有的电源转换器的另一波形示意图；

图5是本发明一实施例的电源转换器的架构示意图；

图6是本发明实施例的斜波信号产生器的电路示意图；

图7是本发明实施例的斜波信号产生器的波形示意图；

图8是本发明实施例的电源转换器操作在不连续导通模式的波形示意图；

图9是本发明实施例的电源转换器与现有的电源转换器的波形比较图；

图10为本发明实施例的电源转换器的斜波信号产生方法的流程图。

附图标记说明：

10：驱动器；

20：输出级；

21：上桥开关；

22：下桥开关；

30：反馈电路；

40：脉宽调制信号产生器；

100：电源转换器；

110：比较器；

120：时间控制电路；

130：补偿电路；

140：斜波产生器；

410：误差放大器；

420：补偿电路；

430：斜波信号产生器；

431：放大器；

432：转换控制组件；

433：延迟单元；

440：比较器；

450：控制电路；

500：电源转换器；

Cdelay：电容器；

CL：电容器；

Cramp：电容器；

DCR：等效串联电阻；

ESR：等效串联电阻；

GND：接地端；

IL、IL2：电感电流；

Iload：负载电流；

IRamp：电流源；

K：放大系数；

K*δ：经放大的差值；

L：电感器；

LG：下桥开关控制信号；

RST：重置信号；

Rdelay：电阻；

MN1、MN2：N型金氧半晶体管；

S1：开关；

S1001～S1005：步骤；

Ton：导通时间；

UG：上桥开关控制信号；

Vcm：触发信号；

Vclamp1；第一钳位电压；

Vclamp2；第二钳位电压；

Verr：误差信号；

Verr_delay：误差延迟信号；

Verr_peak：波峰；

Vfb：反馈信号；

Vin：输入电压；

Vnew_ramp：斜波信号；

Vnew_ramp_peak：波峰；

Vpwm：脉宽调制信号；

Vout、Vout2：输出电压；

Vref、Vref_err：参考信号；

Xcm：比较信号；

Xerr：误差信号；

Xpwm：脉宽调制信号；

Xramp：斜波信号；

θ、θ2：角度

δ：差值。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的示范性实施例，并在附图中说明所述示范性实施例的实例。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的组件/构件是用来代表相同或类似部分。

在下述各实施例中，当组件被指为「连接」或「耦接」至另一组件时，其可为直接连接或耦接至另一组件，或可能存在介于其间的组件。术语「电路」可表示为至少一组件或多个组件，或者主动或被动地的耦接在一起的组件以提供合适功能。术语「信号」可表示为至少一电流、电压、负载、温度、数据或其它信号。斜波信号又可为类斜波信号、三角波信号或锯齿波信号，其可以为重复-下降形式的斜波或是重复-上升形式的斜波，视应用而决定。

图5是本发明一实施例的电源转换器的架构示意图。请参照图5。电源转换器500包括驱动器10、输出级20、电感器L、电容器CL、反馈电路30以及脉宽调制信号产生器40。输出级20内的上桥开关（high sideswitch）21的第一端接收输入电压Vin。下桥开关（low side switch）22耦接于上桥开关21的第二端与接地端GND之间。

在本发明的一实施例中，脉宽调制信号产生器40与驱动器10可以组成直流对直流控制器（DC-DC controller），或者脉宽调制信号产生器40亦可直接成为直流对直流控制器。另外，脉宽调制信号产生器40、驱动器10及输出级20可以组成直流对直流转换器（DC-DC converter）。此外，无论是直流对直流控制器或直流对直流转换器实施在集成电路时，脉宽调制信号产生器40中的补偿电路420可以设置在上述集成电路的外部。

脉宽调制信号产生器40包括误差放大器410、斜波信号产生器430、比较器440以及控制电路450。脉宽调制信号产生器40还可包括补偿电路420。误差放大器410接收反馈信号Vfb与参考信号Vref来产生误差信号Verr。斜波信号产生器430接收并延迟误差信号Verr，以产生误差延迟信号Verr_delay，且根据误差信号Verr与误差延迟信号Verr_delay之差值δ以及参考信号Vref_err来产生斜波信号Vnew_ramp。比较器440根据斜波信号Vnew_ramp以及误差信号Verr来产生触发信号Vcm。

反馈信号Vfb与电源转换器500的输出电压Vout2有关。在其它实施例中，反馈信号Vfb也可以直接是输出电压Vout2。控制电路450根据触发信号Vcm产生脉宽调制信号Vpwm，据以控制电源转换器500。在本发明的一实施例中，脉宽调制信号Vpwm可以是固定导通（constant on time，简称COT）信号。在其它实施例中，脉宽调制信号Vpwm可以是其它型态的信号，例如：固定截止（constant off time）信号，本发明并不以此为限。

值得一提的是，在本实施例中，斜波信号Vnew_ramp相较于误差信号Verr为相位领先且反相。

驱动器10根据脉宽调制信号Vpwm产生上桥开关控制信号UG与下桥开关控制信号LG，据以分别控制上桥开关21和下桥开关22。输出级20用以对输入电压Vin进行直流对直流的转换，从而电源转换器500可以产生输出电压Vout2并且将输出电压Vout2输出至负载。

图6是本发明实施例的斜波信号产生器的电路示意图。图7是本发明实施例的斜波信号产生器的波形示意图。请参照图5、图6和图7。斜波信号产生器430包括放大器431、转换控制组件432以及延迟单元433。延迟单元433包括电阻Rdelay与电容器Cdelay。放大器431的第一输入端接收误差信号Verr。误差信号Verr与电源转换器500的输出电压Vout2有关。电阻Rdelay的第一端耦接放大器431的第二输入端与输出端。电容器Cdelay耦接于电阻Rdelay的第二端与接地端GND之间。转换控制组件432的第一输入端耦接电阻Rdelay的第一端。转换控制组件432的第二输入端耦接电阻Rdelay的第二端。转换控制组件432的第三输入端接收参考信号Vref_err。转换控制组件432的输出端输出斜波信号Vnew_ramp。

在本实施例中，可利用放大器431、电容器Cdelay与电阻Rdelay的连接方式来产生一差值δ，δ＝Verr-Verr_delay。转换控制组件432可以为电压控制电压源（voltage control voltage source，简称VCVS）组件。转换控制组件432将其输入端所接收的差值δ乘上K倍放大系数（K的数值大于1）而放大差值。另外，若K倍放大系数的数值介于0至于1之间，则可缩小差值。转换控制组件432根据上述经放大的差值（K*δ）与参考信号Vref_err进行相加处理与反相处理，从而提供斜波信号Vnew_ramp。但，本发明并不限定斜波信号Vnew_ramp的产生方式需利用上述差值δ来产生，在其它实施例中，亦可利用电路设计以及利用误差信号Verr与误差延迟信号Verr_delay之间的不同运算方式来提供斜波信号Vnew_ramp，本发明并不以利用上述差值δ为限。

此外，反相处理与相加处理的顺序并不局限于上述实施例。在另一实施例中，转换控制组件432可根据上述经放大的差值（K*δ）先进行反相处理，再与参考信号Vref_err进行相加处理，提供斜波信号Vnew_ramp。

请注意图7中的波形相对位置，斜波信号Vnew_ramp的波峰Vnew_ramp_peak领先于误差信号Verr的波峰Verr_peak，并且斜波信号Vnew_ramp相较于误差信号Verr为反相。

图8是本发明实施例的电源转换器操作在不连续导通模式的波形示意图。请参照图8。当输出的负载电流属于极轻载时，将会降低电感电流IL的操作频率（亦即操作周期的时间将被拉长）。值得一提的是，斜波信号Vnew_ramp会随着误差信号Verr的变化而慢慢下降至小于误差信号Verr，再送出如图2的导通时间Ton的脉波。在图8中，往上爬升的误差信号Verr的波形与慢慢下降的斜波信号Vew_ramp的波形之间形成角度θ2。图8的角度θ2会大于图4的角度θ，因此在不连续导通模式下，本发明实施例的电源转换器确实地提升抗噪声的能力。

图9是本发明实施例的电源转换器与现有的电源转换器的波形比较图。请参照图9。本发明实施例通过斜波信号Vnew_ramp与误差信号Verr相比较来决定导通时间（Ton）的时间点。如图9中示出了两个圆形虚线，而位在左边圆形虚线所框出的部分用来表示负载电流Iload由低位准上升至高位准。斜波信号Vnew_ramp在瞬时时会随误差信号Verr而反应出向下坠落，以提前决定导通时间的时间点，或者反应出往上抬升以提前停止供给能量至输出电压Vout2（请参照如图5所示出的Vout2）。

在图9中，现有的斜波信号Xramp的固定三角波将被嵌位在如图3所示的第一钳位电压Vclamp1与第二钳位电压Vclamp2之间。若误差信号Xerr表示输出电压Vout（参照如图1所示出的Vout）需要能量时，误差信号Xerr的位准将大于斜波信号Xramp的位准，而斜波信号Xramp的最高波峰为第一钳位电压Vclamp1，现有的斜波产生器140将不断地送出导通时间的脉波。当误差信号Xerr往下掉且掉到低于斜波信号Xramp的位准或更低时，现有的斜波产生器140才有机会停止送出导通时间的脉波。

在图9中，本发明实施例通过斜波信号Vnew_ramp追随误差信号Verr的方式，电感电流IL2或输出电压Vout2（参照如图5所示出的Vout2）会较早达到足够能量。若采用固定式斜波信号Xramp，电感电流IL或输出电压Vout（参照如图1所示出的Vout）则较慢达到足够能量。因此相较于本发明实施例，现有方式的瞬时响应速度较慢。本发明实施例的电感电流IL2的波形相较于现有的电感电流IL的波形有较小的振荡；相同地，本发明实施例的输出电压Vout2的波形相较于现有的输出电压Vout的波形有较小的振荡。故，在进行电源转换器的回路控制时，斜波信号Vnew_ramp可达到加速收敛电源转换器500的输出电压Vout2，以加快瞬时响应速度，且可以提供比传统技术更佳的稳定度。

基于上述实施例所揭示的内容，可以汇整出一种通用的电源转换器的斜波信号产生方法。更清楚来说，图10示出为本发明实施例的电源转换器的斜波信号产生方法的流程图。请参照图5和图10，本实施例的斜波信号产生方法可以包括以下步骤。

如步骤S1001所示，接收误差信号Verr。误差信号Verr相关于电源转换器500的输出电压Vout2。

接着如步骤S1003所示，依据误差信号Verr产生误差延迟信号Verr_delay。

如步骤S1005所示，通过误差信号Verr与误差延迟信号Verr_delay来提供斜波信号Vnew_ramp。

更进一步来说，在步骤S1005中，可以根据误差信号Verr与误差延迟信号Verr_delay产生差值δ，以通过差值δ来提供斜波信号Vnew_ramp。此外，还可以将差值δ乘以K倍放大系数来提供斜波信号Vnew_ramp。另外，参照对图7的示出与说明，斜波信号Vnew_ramp相较于误差信号Verr为相位领先且反相。

综上所述，本发明的斜波信号产生方法与其产生器、以及脉宽调制信号产生器利用误差信号与误差延迟信号来提供斜波信号。此新颖的斜波信号用来取代现有的斜波信号。斜波信号相较误差信号为相位领先且反相。在进行回路控制时，利用斜波信号与误差信号来决定导通时间的时间点，可以更快速收敛电源转换器的输出电压，以使输出电压快速回到稳定状态及改善瞬时响应。另外，本发明架构在不连续导通模式下可提供较好的抗噪声能力。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种斜波信号产生器，应用于一电源转换器，其特征在于，所述斜波信号产生器包括：

一输入单元，接收一误差信号，其中所述误差信号相关于所述电源转换器的一输出电压；

一延迟单元，耦接所述输入单元，且依据所述误差信号产生一误差延迟信号；以及

一转换控制组件，耦接所述输入单元与所述延迟单元，以通过所述误差信号与所述误差延迟信号来提供一斜波信号。

2.根据权利要求1所述的斜波信号产生器，其特征在于，所述转换控制组件接收所述误差信号与所述误差延迟信号的一差值，以通过所述差值来提供所述斜波信号。

3.根据权利要求1所述的斜波信号产生器，其特征在于，所述转换控制组件具有一K倍放大系数，所述转换控制组件接收所述误差信号与所述误差延迟信号的一差值，以通过所述差值乘以所述K倍放大系数来提供所述斜波信号。

4.根据权利要求1所述的斜波信号产生器，其特征在于，所述延迟单元包括一电阻与一电容器，所述电阻耦接所述输入单元与所述转换控制组件，所述电容器耦接所述电阻与所述转换控制组件。

5.根据权利要求1所述的斜波信号产生器，其特征在于，所述斜波信号相较于所述误差信号为相位领先且反相。

6.一种脉宽调制信号产生器，应用于一电源转换器，其特征在于，所述脉宽调制信号产生器包括：

一误差放大器，接收一反馈信号来产生一误差信号；

一斜波信号产生器，耦接所述误差放大器，且接收所述误差信号，以产生一误差延迟信号，所述斜波信号产生器根据所述误差信号、所述误差延迟信号及一参考信号来提供一斜波信号；

一比较器，耦接所述误差放大器与所述斜波信号产生器，且根据所述斜波信号与所述误差信号产生一触发信号；以及

一控制电路，根据所述触发信号产生一脉宽调制信号。

7.根据权利要求6所述的脉宽调制信号产生器，其特征在于，所述斜波信号产生器包括一转换控制组件，以接收所述误差信号与所述误差延迟信号来提供所述斜波信号。

8.根据权利要求7所述的脉宽调制信号产生器，其特征在于，所述转换控制组件具有一K倍放大系数，所述转换控制组件接收所述误差信号与所述误差延迟信号的一差值，以通过所述差值乘以所述K倍放大系数来提供所述斜波信号。

9.根据权利要求7所述的脉宽调制信号产生器，其特征在于，所述斜波信号产生器还包括：

一输入单元，接收所述误差信号，其中所述误差信号相关于所述电源转换器的一输出电压；以及

一延迟单元，耦接所述输入单元，且依据所述误差信号产生所述误差延迟信号；

其中所述转换控制组件耦接所述输入单元与所述延迟单元。

10.根据权利要求9所述的脉宽调制信号产生器，其特征在于，所述延迟单元包括一电阻与一电容器，所述电阻耦接所述输入单元与所述转换控制组件，所述电容器耦接所述电阻与所述转换控制组件。

11.根据权利要求6所述的脉宽调制信号产生器，其特征在于，所述斜波信号相较于所述误差信号为相位领先且反相。

12.一种斜波信号产生方法，应用于一电源转换器，其特征在于，所述斜波信号产生方法包括：

接收一误差信号，其中所述误差信号相关于所述电源转换器的一输出电压；

依据所述误差信号产生一误差延迟信号；以及

通过所述误差信号与所述误差延迟信号来提供一斜波信号。

13.根据权利要求12所述的斜波信号产生方法，其特征在于，通过所述误差信号与所述误差延迟信号的步骤还包括：

根据所述误差信号与所述误差延迟信号的一差值，以通过所述差值来提供所述斜波信号。

14.根据权利要求13所述的斜波信号产生方法，其特征在于，通过所述差值来提供所述斜波信号的步骤还包括：

将所述差值乘以一K倍放大系数来提供所述斜波信号。

15.根据权利要求12所述的斜波信号产生方法，其特征在于，所述斜波信号相较于所述误差信号为相位领先且反相。