CN104932594A - 涟波控制切换式稳压器以及涟波控制切换式稳压方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涟波控制切换式稳压器，包含有一切换器、一电感、一电容、一输出电压处理单元以及一控制单元。其中该切换器用来依据一控制信号来选择性地将一第一参考电压或一第二参考电压输出为一输出电压。该电感耦接于该切换器，并依据该输出电压来产生一电感输出电压。该电容耦接于该电感。该输出电压处理单元用来依据该输出电压以及该电感输出电压来输出一处理后电感输出电压。该控制单元用来至少依据该处理后电感输出电压来输出该控制信号。

Description

涟波控制切换式稳压器以及涟波控制切换式稳压方法

技术领域

本发明所揭示的实施例相关于切换式稳压器（switching regulator），尤指一种涟波控制切换式稳压器（switching regulator with ripple-based control）以及相关涟波控制切换式稳压方法。 

背景技术

涟波控制切换式稳压器特色可以即时地将跨于滤波电容的输出电压反馈，并据以判断。是否要对电感作充电或是放电，当反馈回来的输出电压小于预设的参考电压时，则会通过打开上桥的晶体管开关以及关闭下桥的晶体管开关一个固定的供电时间（on time）来对电感进行充电的动作，提高切换式稳压器的输出电压。当供电时间结束，且反馈回来的输出电压大于预设的参考电压时，则会通过关闭上桥的晶体管开关以及打开下桥的晶体管开关来对电感进行放电的动作，降低切换式稳压器的输出电压。 

然而，由于滤波电容具有寄生电感，当切换式稳压器在充电的时候，滤波电容的寄生电感会形成正跨压；反之当切换式稳压器在放电的时候，滤波电容的寄生电感会形成负跨压。因此当供电时间结束时，滤波电容的寄生电感的正跨压会瞬间转换为负跨压，将滤波电容的整体输出电压往下拉，有可能会立刻又低于预设的参考电压，造成连续触发两次供电时间（即双重脉冲），导致打入过多的能量于电感并且加剧输出电压的次谐波振荡（subharmonic oscillation）。因此，现有技术中通常直接量测电感电流而非滤波电容的电压，以避开寄生电感的影响，然直接量测电感电流的作法成本较高且量测误差较大。有鉴于此，本领域亟需一种新颖的涟波控制切换式稳压器以改善上述问题。 

发明内容

本发明的目的之一在于提出一种能够校正滤波电容的寄生电感效应的涟 波控制切换式稳压器以及相关方法，以改善次谐波振荡的问题。 

依据本发明一示范性实施例，提出一种涟波控制切换式稳压器，包含有一切换器、一电感、一电容、一输出电压处理单元以及一控制单元。其中该切换器用来依据一控制信号来选择性地将一第一参考电压或一第二参考电压输出为一输出电压。该电感耦接于该切换器，并依据该输出电压来产生一电感输出电压。该电容耦接于该电感。该输出电压处理单元用来依据该输出电压以及该电感输出电压来输出一处理后电感输出电压。该控制单元用来至少依据该处理后电感输出电压来输出该控制信号。 

依据本发明另一示范性实施例，提出一种涟波控制（ripple-based control）切换式稳压方法，用来控制一涟波控制切换式稳压器（switching regulator），其中该涟波控制切换式稳压器包含有一切换器、一电感耦接于该切换器以及一电容耦接于该电感，该涟波控制切换式稳压方法包含有：利用该切换器来依据一控制信号来选择性地将一第一参考电压或一第二参考电压输出为一输出电压；利用该电感来依据该输出电压来产生一电感输出电压；依据该输出电压以及该电感输出电压来输出一处理后电感输出电压；以及利用该控制单元来至少依据该处理后电感输出电压来输出该控制信号。 

本说明书中所揭示的实施例利用校正寄生电感效应以避免双重脉冲，同时相较于传统设计中直接量测电感电流的作法，本说明书中利用校正寄生电感效应的作法具有成本较低，而且误差较小的优点。 

附图说明

图1为本发明的涟波控制切换式稳压器的示范性实施例的示意图。 

图2为滤波电容中各元件的电压以及电流的波形图。 

图3为本发明寄生电感校正单元的示范性实施例的电路图。 

图4为本发明一特定电压增益调整单元的示范性实施例的电路图。 

图5为依据本发明涟波控制切换式稳压方法的一实施例的流程图。 

其中，附图标记说明如下： 

100  涟波控制切换式稳压器 

102  切换器 

104  电感 

106  滤波电容 

108  输出电压处理单元 

110  控制单元 

112  特定电压增益调整单元 

1022、1024  金属氧化半导体 

1082  双重脉冲检测单元 

1084  电压校正单元 

10842  寄生电感校正单元 

10844  微分器 

1102  比较器 

1104  固定导通时间单元 

1106  非重叠处理单元 

108422、1122  操作放大器 

108424  增益调整电路 

108426、1124  分压电路 

S502～S514  步骤 

具体实施方式

请参考图1，图1为本发明的涟波控制（ripple-based control）切换式稳压器（switching regulator）100的示范性实施例的示意图。涟波控制切换式稳压器100用来在不同负载的情况下提供稳定的电压，其主要功能区块以及本实施例的技术特征将详述如下。首先，一切换器102用来依据一上桥控制信号S_up以及一下桥控制信号S_down来控制串接一P型金属氧化半导体1022以及一N型金属氧化半导体1024，来将一供应电压VCC或是一接地电压GND输出为一输出电压V_s（请注意，本发明并不以Ｎ型金属氧化半导体以及P型金属氧化半导体为限，实际上任何能够提供同样功能的开关，皆属于本发明的范围）。具体来说，当上桥控制信号S_up控制切换器102中的P型金属氧化 半导体1022导通，以及下桥控制信号S_down控制切换器102中的N型金属氧化半导体1024不导通时，供应电压VCC会对耦接于切换器102的一电感104进行充电的动作；反之，当上桥控制信号S_up控制切换器102中的P型金属氧化半导体1022不导通，以及下桥控制信号S_down控制切换器102中的N型金属氧化半导体1024导通时，接地电压GND会对耦接于切换器102的电感104进行放电的动作。一般来说，涟波控制切换式稳压器100会在判断电感104的一电感输出电压V_ripple小于一特定电压V_ref时，控制切换器102对电感104进行充电一固定的供电时间（on time）T_ontime，当供电时间T_ontime结束则停止充电，且继续监控电感输出电压V_ripple是否小于特定电压V_ref，一旦电感输出电压V_ripple小于特定电压V_ref，则会再度控制切换器102对电感104进行充电供电时间T_ontime。 

涟波控制切换式稳压器100中使用一滤波电容106跨于电感输出电压V_ripple以及接地电压GND之间，滤波电容106会具有寄生电阻与寄生电感效应，因此使用一电容C、一电感L以及一电阻R来代表等效的滤波电容106。请同时参考图2，图2为滤波电容106中各元件的电压以及电流的波形图。当切换器102对电感104进行充电时（即是一时间t1到一时间t2，其中时间t1到时间t2的间隔为供电时间T_ontime；以及一时间t3到一时间t4，其中时间t3到时间t4的间隔为供电时间T_ontime），会有一电流I_ac流经滤波电容106，且电流I_ac的斜率为正值，由图2中可以得之，电容C的一跨压V_c的斜率的微分也会是正值，电阻R的一跨压V_ESR的斜率亦为正值，电感L的一跨压V_ESL则会保持固定的正值。最后将跨压V_c、跨压V_ESR以及跨压V_ESL相加则会得到电感输出电压V_ripple。反之，当切换器102对电感104进行放电时（即是一时间t2到一时间t3；以及一时间t4到一时间t5），电流I_ac的斜率为负值，由图2中可以得之，电容C的跨压V_c的斜率的微分也会是负值，电阻R的跨压V_ESR的斜率亦为负值，电感L的跨压V_ESL则会保持固定的负值。 

因此，每当上桥控制信号S_up控制切换器102中的P型金属氧化半导体1022导通并维持供电时间T_ontime，之后改由切换器102中的N型金属氧化半导体1024导通，电感输出电压V_ripple就会由于跨压V_ESL瞬间减少而跟着瞬间降低，使得电感输出电压V_ripple低于特定电压V_ref，并且立即再度触发上桥控制信号S_up控制切换器102中的P型金属氧化半导体1022导通并维持供电时间T_ontime，也就是双重脉冲（double pulse）（未绘示于图中），造成对电感104过度的充电。有鉴于此，本发明的特征即在于能够使用一输出电压处理单元108来校正电感输出电压V_ripple，也就是将电感输出电压V_ripple中寄生电感L部分（跨压V_ESL）予以消除，避免双重脉冲所带来的不良效应。 

输出电压处理单元108用来依据输出电压Vs以及电感输出电压V_ripple来输出一处理后电感输出电压V_d，输出电压处理单元108包含有一双重脉冲检测单元1082以及一电压校正单元1084。其中双重脉冲检测单元1082用来检测输出电压V_s是否含有双重脉冲并产生一检测结果S_det，例如当输出电压V_s中两脉冲发生的时间间隔小于一特定时间时，即判断输出电压V_s含有双重脉冲，双重脉冲检测单元1082的判断方法可有许多设计变化，然只要基于相同的依据或是能够产生类似的效果，都属于本发明的范围。此外，电压校正单元1084用来依据检测结果S_det、输出电压V_s以及电感输出电压V_ripple来产生该处理后电感输出电压，电压校正单元1084包含有一寄生电感校正单元10842以及一微分器10844。寄生电感校正单元10842则用来依据检测结果S_det、输出电压V_s以及电感输出电压V_ripple产生不含有寄生电感L的跨压V_ESL的一校正输出电压V_cal。请再度参考图2，由于电路设计者一般来说希望使用如电流I_ac的信息来和特定电压V_ref进行比较，但从电感输出电压V_ripple消去电感L的跨压V_ESL所得到的校正输出电压V_cal主要电容C的跨压V_c的信息（电阻R的跨压V_ESR较小可忽略），而跨压V_c需要经过微分才会和电流I_ac形成同步的变化，也就是说，在得到校正输出电压V_cal之后，需要再利用微 分器10844来对校正输出电压V_cal进行微分，并产生处理后电感输出电压V_d。 

关于寄生电感校正单元10842，请参考图3，图3为本发明寄生电感校正单元10842的示范性实施例的电路图。寄生电感校正单元10842包含有一操作放大器108422、一增益调整电路108424以及一分压电路108426。其中操作放大器108422包含有一第一输入端、一第二输入端以及一输出端，其中该第一输入端用来接收电感输出电压V_ripple，该输出端输出校正输出电压V_cal，增益调整电路108424具有一可变增益值g，用来对输出电压V_s进行一增益处理并产生一增益输出电压V_g， 

V_g=V_s*g（1） 

其中可变增益值g可依据检测结果S_det来调整。举例来说，在涟波控制切换式稳压器100上电时，当检测结果S_det显示输出电压V_s含有双重脉冲时，增益调整电路108424的增益值g由一起始增益开始增加，直到检测结果S_det显示输出电压V_s不含有双重脉冲为止。而下一次检测结果S_det又显示输出电压V_s含有双重脉冲时，增益调整电路108424的增益值g则可由当下增益值开始增加，增益调整电路108424的调整方法可有许多设计变化，然只要基于相同的依据或是能够产生类似的效果，都属于本发明的范围。应注意的是，由于输出电压V_s的波形基本上会和电感L的跨压V_ESL一致，因此再此通过输出电压V_s来消除电感输出电压V_ripple中的跨压V_ESL的部分，故可将方程式（1）改写如下： 

V_g=V_ESL*x（2） 

其中一比值x为增益输出电压V_g与电感L的跨压V_ESL的比值。 

分压电路108426包含有串接的一第一电阻R1以及一第二电阻R2，其中第一电阻R1耦接于操作放大器108422的该输出端以及操作放大器108422的该第二输入端之间，第二电阻R2耦接于操作放大器108422的该第二输入端以及增益调整电路108424之间，形成负反馈电路，操作放大器108422的 该正第二输入端的电压保持相同，因此，由以下方程式（3）可以得到： 

$V_{\mathrm{cal}}=\left(\frac{R1+R2}{R2}\right)(V_{\mathrm{ESL}}+V_c)+V_{\mathrm{ESR}}(\frac{R1+R2}{R2}-\frac{R1*x}{R2})---\left(3\right)$

如此一来，当 

$x=\frac{R1+R2}{R1}---\left(4\right)$

时，可以将校正输出电压V_cal中电感L的跨压V_ESL的部分完全消除，即 

$V_{\mathrm{cal}}=\left(\frac{R1+R2}{R2}\right)(V_{\mathrm{ESR}}+V_c)---\left(5\right)$

应注意的是，由于经过分压电路108426之后，从方程式（5）可得知，校正输出电压V_cal和电容C的跨压V_c之间大约会有的倍数关系（电阻R的跨压V_ESR较小可忽略）。因此，特定电压V_ref也应该给予一相同的修正。请参考图4，图4为本发明一特定电压增益调整单元112的示范性实施例的电路图。特定电压增益调整单元112包含有一操作放大器1122以及一分压电路1124，其中操作放大器1122包含有一第一输入端、一第二输入端以及一输出端，该第一输入端用来接收特定电压V_ref，该输出端输出一增益特定电压V_{ref_g}。分压电路1124则使用和分压电路108426相同的该第一电阻以及该第二电阻以保有相同的倍数关系。 

最后，便可利用一控制单元110来依据处理后电感输出电压V_d以及增益特定电压V_{ref_g}来输出上桥控制信号S_up以及下桥控制信号S_down。控制单元110中的设计主要用来在处理后电感输出电压V_d超过增益特定电压V_{ref_g}时将上桥控制信号S_up以及下桥控制信号S_down由逻辑0改变为逻辑1，并维持供电时间T_ontime长度，应注意的是，依据控制单元110与切换电路102之间的不同设计，两者之间的控制方法的设计变化不胜枚举，然只要基于相同的依据或是能够产生类似的效果，都属于本发明的范围。简单来说，控制单元110包含有一比较器1102、一固定导通时间单元1104以及一非重叠（non-overlap） 处理单元1106。比较器1102用来比较处理后电感输出电压V_d以及增益特定电压V_{ref_g}，并产生一比较结果S_com。固定导通时间单元1104用来依据比较结果S_com产生供电时间控制信号S_ontime。之后再利用非重叠处理单元1106在输出上桥控制信号S_up以及下桥控制信号S_down之前进行非重叠处理，以避免切换电路102中的Ｎ型金属氧化半导体1022以及P型金属氧化半导体1024发生同时导通的状况。 

图5为依据本发明涟波控制切换式稳压方法的一实施例的流程图，其中涟波控制切换式稳压方法用来控制一涟波控制切换式稳压器(switching regulator)，其中该涟波控制切换式稳压器包含有一切换器、一电感耦接于该切换器以及一电容耦接于该电感。倘若大体上可达到相同的结果，并不一定需要按照图5所示的流程中的步骤顺序来进行，且图5所示的步骤不一定要连续进行，亦即其他步骤亦可插入其中。此外，图5中的某些步骤可根据不同实施例或设计需求省略之。详细步骤如下： 

步骤S502：利用该切换器来依据一控制信号来选择性地将一第一参考电压或一第二参考电压输出为一输出电压； 

步骤S504：利用该电感来依据该输出电压来产生一电感输出电压； 

步骤S506：检测该输出电压是否含有双重脉冲并产生一检测结果； 

步骤S508：依据该检测结果、该输出电压以及该电感输出电压产生一校正输出电压； 

步骤S510：对该校正输出电压进行微分，并产生该处理后电感输出电压 

步骤S512：依据该处理后电感输出电压以及一预定电压，并产生一比较结果；以及 

步骤S514：依据该比较结果产生该控制信号。 

本领域技术人员在阅读过本说明书中稍早对于图1～图4的详细说明之后，应能清楚地明了图5的涟波控制切换式稳压方法的步骤502～步骤514， 因此为简洁起见，在此便不针对其中的细节作更进一步的说明。 

本说明书中所揭示的实施例利用校正寄生电感效应来避免双重脉冲，同时相较于传统设计中直接量测电感电流的作法，本说明书中利用校正寄生电感效应的作法具有成本较低，而且误差较小的优点。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。 

Claims (15)

1.一种涟波控制切换式稳压器，包含有：

一切换器，用来依据一控制信号来选择性地将一第一参考电压或一第二参考电压输出为一输出电压；

一电感，耦接于该切换器，并依据该输出电压来产生一电感输出电压；

一电容，耦接于该电感；

一输出电压处理单元，用来依据该输出电压以及该电感输出电压来输出一处理后电感输出电压；以及

一控制单元，用来至少依据该处理后电感输出电压来输出该控制信号。

2.如权利要求1的涟波控制切换式稳压器，其中该输出电压处理单元包含有：

一双重脉冲检测单元，用来检测该输出电压是否含有双重脉冲并产生一检测结果；以及

一电压校正单元，用来依据该检测结果、该输出电压以及该电感输出电压来产生该处理后电感输出电压。

3.如权利要求2的涟波控制切换式稳压器，其中该电压校正单元包含有：

一校正电路，用来依据该检测结果、该输出电压以及该电感输出电压产生一校正输出电压；以及

一微分器，用来对该校正输出电压进行微分，并产生该处理后电感输出电压。

4.如权利要求3的涟波控制切换式稳压器，其中该校正电路包含有：

一第一运算放大器，包含有一第一输入端、一第二输入端以及一输出端，其中该第一输入端用来接收该电感输出电压，该输出端输出该校正输出电压；

一增益调整电路，具有一增益值，用来对该输出电压进行一增益处理并于一输出端产生一增益输出电压，其中该增益值依据该检测结果来调整；以及

一第一分压电路，串接于该第一运算放大器的该输出端以及该增益调整电路的该输出端之间，用来产生一第一分压至该第一运算放大器的该第二输入端。

5.如权利要求4的涟波控制切换式稳压器，其中当该检测结果显示该输出电压含有双重脉冲时，该增益调整电路调整该增益值。

6.如权利要求4的涟波控制切换式稳压器，另包含有一特定电压增益调整单元，包含有：

一第二运算放大器，包含有一第一输入端、一第二输入端以及一输出端，其中该第二运算放大器的该第一输入端用来接收一预定电压；以及

一第二分压电路，串接于该第二运算放大器的该输出端与一第三参考电压之间，用来产生一第二分压至该第二运算放大器的该第二输入端；

其中该控制单元依据该处理后电感输出电压与该第二运算放大器的该输出端的输出电压来输出该控制信号。

7.如权利要求6的涟波控制切换式稳压器，其中该第一、第二分压电路具有相同的分压比率。

8.如权利要求6的涟波控制切换式稳压器，其中该第一参考电压为供应电压，以及该第二、第三参考电压均为接地电压。

9.如权利要求1的涟波控制切换式稳压器，其中该控制单元包含有：

一比较器，用以依据该处理后电感输出电压以及一预定电压，来产生一比较结果；以及

一控制信号产生电路，用来依据该比较结果产生该控制信号。

10.一种涟波控制切换式稳压方法，用来控制一涟波控制切换式稳压器，其中该涟波控制切换式稳压器包含有一切换器、一电感耦接于该切换器以及一电容耦接于该电感，该涟波控制切换式稳压方法包含有：

利用该切换器来依据一控制信号来选择性地将一第一参考电压或一第二参考电压输出为一输出电压；

利用该电感来依据该输出电压来产生一电感输出电压；

依据该输出电压以及该电感输出电压来输出一处理后电感输出电压；以及

利用该控制单元来至少依据该处理后电感输出电压来输出该控制信号。

11.如权利要求10的涟波控制切换式稳压方法，其中依据该输出电压以及该电感输出电压来输出该处理后电感输出电压的步骤包含有：

检测该输出电压是否含有双重脉冲并产生一检测结果；以及

依据该检测结果、该输出电压以及该电感输出电压来产生该处理后电感输出电压。

12.如权利要求11的涟波控制切换式稳压方法，其中依据该检测结果、该输出电压以及该电感输出电压来产生该处理后电感输出电压的步骤包含有：

依据该检测结果、该输出电压以及该电感输出电压产生一校正输出电压；以及

对该校正输出电压进行微分，并产生该处理后电感输出电压。

13.如权利要求12的涟波控制切换式稳压方法，其中依据该检测结果、该输出电压以及该电感输出电压产生该校正输出电压的步骤包含有：

利用一第一运算放大器进行负反馈，其中该第一运算放大器包含有一第一输入端、一第二输入端以及一输出端，其中该第一输入端用来接收该电感输出电压，该输出端输出该校正输出电压；

对该输出电压进行一增益处理并产生一增益输出电压，其中该增益处理的一增益值依据该检测结果来调整；以及

利用一第一分压电路来产生一第一分压至该第一运算放大器的该第二输入端，其中该第一分压电路串接于该第一运算放大器的该输出端以及该增益输出电压之间。

14.如权利要求13的涟波控制切换式稳压方法，其中当该检测结果显示该输出电压含有双重脉冲时，该增益处理不断调整该增益值，直到该检测结果显示该输出电压不含有双重脉冲为止。

15.如权利要求10的涟波控制切换式稳压方法，其中至少依据该处理后电感输出电压来输出该控制信号的步骤包含有：

依据该处理后电感输出电压以及一预定电压，并产生一比较结果；以及

依据该比较结果产生该控制信号。