CN108964456B - 直流对直流控制器、直流对直流电源转换器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种直流对直流控制器、直流对直流电源转换器及其控制方法。控制器耦接上桥开关与下桥开关且包括时间产生单元、电压识别改变判断电路及时间控制电路。时间产生单元提供时间信号。电压识别改变判断电路反应电压识别信号由高变低的改变提供判断信号。时间控制电路耦接时间产生单元与及电压识别改变判断电路，并依据时间信号与判断信号提供控制信号。当电压识别信号由高变低时，时间控制电路依据判断信号与时间信号关闭上桥开关第一预设时间，且在第一预设时间内，时间控制电路下桥开关多次导通第二预设时间与多次关闭第三预设时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制器，尤其涉及一种直流对直流控制器、直流对直流电源转换器及其控制方法。
背景技术
图1A为传统直流对直流降压电源转换器的示意图。在典型的降压电源转换器10中，误差放大电路16根据输出电压Vout1(或与输出电压Vout1相关的回授电压)与参考电压VRef产生误差信号EA。时间产生单元14根据误差信号EA产生时间信号STX1，驱动器15对应时间信号STX1产生上桥控制信号UG1及下桥控制信号LG1至输出级11，以调整输出电压Vout1。
图1B为传统输出级的波形示意图，当中央处理器(CPU)的电压识别码(VoltageIdentification，VID)改变时，与之相关的参考电压VRef也会随之改变。当电压识别码由高变低时，现有的回授控制方式会持续关闭(turn-off)上桥开关Q1并导通(turn-on)下桥开关Q2，电流经由下桥开关Q2泄除以使输出电压Vout1降低，直到输出电压Vout1等于参考电压VRef为止。但是，持续导通下桥开关Q2会于输出电感L1上产生大的负电流(未显示于图1B)，且会导致输出电压Vout1欠冲(undershoot)使得输出不稳定，过大的负电流甚至会烧毁输出电感L1。
发明内容
本发明提供一种直流对直流输出级控制器、直流对直流电源转换器及其控制方法，可降低欠冲以稳定输出。
本发明的直流对直流控制器，耦接上桥开关与下桥开关且包括时间产生单元、电压识别改变判断电路及时间控制电路。时间产生单元提供时间信号。电压识别改变判断电路反应电压识别信号由高变低的改变提供判断信号。时间控制电路耦接时间产生单元及电压识别改变判断电路，且依据时间信号与判断信号提供控制信号。当电压识别信号由高变低时，时间控制电路依据判断信号与时间信号关闭上桥开关第一预设时间，且在第一预设时间内，时间控制电路多次导通下桥开关第二预设时间与多次关闭第三预设时间，第二预设时间大于第三预设时间。
本发明的直流对直流电源转换器，包括上桥开关、下桥开关、时间产生单元、电压识别改变判断电路及时间控制电路。时间产生单元提供时间信号。电压识别改变判断电路反应电压识别信号由高变低的改变提供判断信号。时间控制电路耦接时间产生单元及电压识别改变判断电路，且依据时间信号与判断信号提供控制信号。当电压识别信号由高变低时，时间控制电路依据判断信号与时间信号关闭上桥开关第一预设时间，且在第一预设时间内，时间控制电路控制下桥开关多次导通第二预设时间与多次关闭第三预设时间，第二预设时间大于第三预设时间。
本发明的直流对直流电源转换器的控制方法，用以控制一上桥开关与一下桥开关，控制方法包括下列步骤。判断电压识别是否由高变低。关闭上桥开关第一预设时间。在第一预设时间内，多次导通下桥开关第二预设时间与多次关闭第三预设时间。第二预设时间大于该第三预设时间。
基于上述，本发明实施例的直流对直流控制器、直流对直流电源转换器及其控制方法，当电压识别信号由高变低时，会关闭上桥开关第一预设时间，且在第一预设时间内，控制下桥开关多次导通第二预设时间与多次关闭第三预设时间，第二预设时间大于第三预设时间。藉此，可降低输出电压欠冲，进而避免输出电压不稳定。另一方面，也可避免过大的负电流烧毁输出电感。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1A为传统直流对直流降压电源转换器的系统示意图；
图1B为传统直流对直流降压电源转换器的波形示意图；
图2A为依据本发明的一实施例的直流对直流电源转换器的系统示意图；
图2B为依据本发明的一实施例的直流对直流电源转换器的输出级的波形示意图；
图3A为依据本发明的一实施例的时间控制电路的电路示意图；
图3B为依据本发明的一实施例的时间控制电路的驱动波形示意图；
图4A为依据本发明的另一实施例的直流对直流电源转换器的系统示意图；
图4B为依据本发明的另一实施例的时间控制电路的电路示意图；
图4C为依据本发明的另一实施例的时间控制电路的驱动波形示意图；
图5为依据本发明的一实施例的电压识别改变判断电路的判断方式示意图；
图6为依据本发明的另一实施例的电压识别改变判断电路的判断方式示意图；
图7为依据本发明的一实施例的直流对直流电源转换器的控制方法的流程图。
附图标号说明：
10、20、30：直流对直流电源转换器
11、21：输出级
14、210：时间产生单元
16、23：误差放大电路
200、300：直流对直流控制器
220、220a、220b：电压识别改变判断电路
230、230a、330、330a：时间控制电路
231、231a：计时电路
233、233a、31：驱动器
600：电流检测电路
AND1、AND2：及闸
BF1、BF2、BF3：缓冲器
C1、C2：电容
CMP1、CMP2、CMP3：比较器
EA、EA2：误差信号
EN：致能端
GND：接地端
IL：电感电流
L1、L2：输出电感
LG1、LG2：下桥控制信号
NAND1：反及闸
NOR1：反或闸
PH：相位节点
Pout：控制信号
Q1：上桥开关
Q2：下桥开关
R1、R2：电阻
RT：计时结果
S11～S14、Q、S21：输出信号
SDX：判断信号
SR1：SR正反器
STX1、STX：时间信号
SVID：电压识别信号
T1：第一预设时间
T2：第二预设时间
T3：第三预设时间
TM1、TM2：计时器
TO：输出端
TP1：时间点
UG1、UG2：上桥控制信号
VCS：电流感测电压
Vin：输入电压
Vout1、Vout2：输出电压
VPH：相位电压
VRef：参考电压
S710、S720、S730：步骤
具体实施方式
图2A为依据本发明的一实施例的直流对直流电源转换器的系统示意图。在本实施例中，直流对直流电源转换器20包括输出级21、误差放大电路23、直流对直流控制器200、输出电感L2及输出电容C1。
输出级21包括上桥开关Q1(在此以晶体管为例)及下桥开关Q2(在此以晶体管为例)，分别受控于上桥控制信号UG2及下桥控制信号LG2。上桥开关Q1与下桥开关Q2之间具有相位节点PH。
输出电感L2耦接于输出级21与输出端TO之间，在直流对直流电源转换器操作期间，相位节点PH与输出电感L2之间存在电感电流IL，误差放大电路23接收输出电压Vout2及电压识别信号SVID，以提供误差信号EA2至时间产生单元210。
直流对直流控制器200包括时间产生单元210、电压识别改变判断电路220及时间控制电路230。时间产生单元210依据误差信号EA2提供时间信号STX。电压识别改变判断电路220判断电压识别信号SVID的电压准位是否由高变低，并且反应电压识别信号SVID由高变低的改变而提供判断信号SDX。时间控制电路230耦接时间产生单元210及电压识别改变判断电路220，以接收时间信号STX及判断信号SDX，并且依据时间信号STX与判断信号SDX提供控制信号(例如包括上桥控制信号UG2及下桥控制信号LG2)，以控制上桥开关Q1及下桥开关Q2。
在本实施例中，时间控制电路230包括计时电路231及驱动器233。计时电路231接收判断信号SDX及时间信号STX，以提供计时结果RT至驱动器233。驱动器233依据时间信号STX及计时结果RT提供上桥控制信号UG2及下桥控制信号LG2。
在本发明实施例中，时间信号STX可以是导通时间(on-time)信号或关闭时间(off-time)信号，但本发明实施例不以此为限。电压识别改变判断电路220通过观察电感电流IL是否为负值，来判断电压识别信号SVID的电压准位是否由高变低，并且对应地提供判断信号SDX。
图2B为依据本发明的一实施例的直流对直流电源转换器的波形示意图。请参照图2A及图2B，当电压识别信号SVID由高变低时，时间控制电路230禁能上桥控制信号UG2持续第一预设时间T1，亦即上桥开关Q1关闭第一预设时间T1。接着，在第一预设时间T1内，时间控制电路230会控制下桥开关Q2多次导通第二预设时间T2与多次关闭第三预设时间T3。
进一步来说，当时间信号STX表示上桥开关Q1为关闭时，亦即上桥控制信号UG2为禁能，驱动器233会先依据计时电路231提供的计时结果RT致能下桥控制信号LG2(亦即导通下桥开关Q2)。当计时电路231计时到达第二预设时间T2时，计时电路231会通过计时结果RT通知驱动器233，以控制驱动器233禁能下桥控制信号LG2(亦即关闭下桥开关Q2)。接着，计时电路231重新计时，并且当计时电路231计时到达第三预设时间T3时，计时电路231同样会通过计时结果RT通知驱动器233，以控制驱动器233致能下桥控制信号LG2(亦即导通下桥开关Q2)。
依据上述，当上桥开关Q1与下桥开关Q2同时关闭时，此时相位节点PH的负电流会经由上桥开关晶体管Q1的体二极管(body diode)泄除。并且，在经过第三预设时间T3后，下桥控制信号LG2再度致能，以使下桥开关Q2再度导通，再继续使输出电压Vout2泄压。
在本实施例中，第一预设时间T1大于下桥开关Q2的原始导通期间POC，并且第二预设时间T2大于第三预设时间T3。。举例来说，假设正常状态下固定导通时间(COT)是操作在300k赫兹(Hz)，则下桥开关Q2的单一个原始导通期间大约在3-4(us)之间，因此第一预设时间T1会大于下桥开关Q2的一个原始导通期间，第二预设时间T2可设定为大于4微秒，例如为8微秒。而第三预设时间T3的设定可视电路设计而定，并且远小于第二预设时间T2，在此例如为1微秒。
当输出电压Vout2等于电压识别信号SVID时(如时间点TP1所示)，亦即输出电压Vout2由暂态期间到达稳定时间，此时上桥控制信号UG2改变为周期性致能，以使上桥开关Q1为周期性导通。当时间信号STX表示上桥开关Q1为导通时，时间控制电路230可重置计数结果，以避免下桥开关Q2的非常态性关闭动作影响输出电压Vout2。
依据上述，当电压识别信号SVID向下改变时，下桥开关Q2导通固定时间(例如8us)后关闭一小段时间(例如1us)。通过下桥开关Q2的导通让输出电压Vout2泄压，并且让下桥开关Q2关闭一小段时间，以使电感L1的电流不致下拉太多。此时上桥开关Q1仍维持关闭的状态，直到输出电压Vout2等于电压识别信号SVID。
在本发明实施例中，电压识别改变状态判断电路220可依据输出级21中的相位节点PH上的相位电压VPH判断相位节点PH是否产生负电流；或者，电压识别改变判断电路220可检测输出电感L1上的电流以判断相位节点PH上是否产生负电流。
图3A为依据本发明的一实施例的时间控制电路的电路示意图。请参照图2A及图3A，在本实施例中，时间控制电路230a包括计时电路231a及驱动器233a。计时电路231a包括计时器TM1及TM2，驱动器233a包括缓冲器BF1及BF2。
计时电路231a接收时间信号STX与判断信号SDX，并耦接缓冲器BF2。缓冲器BF1分别耦接时间产生单元210与输出级21，以接收时间信号STX提供上桥控制信号UG2。缓冲器BF2分别耦接计时电路231a及输出级21，以提供下桥控制信号LG2。
图3B为依据本发明的一实施例的时间控制电路的驱动波形示意图。请参照图2A、图3A及图3B，当电压识别信号SVID由高转低时，时间信号STX反应电压识别信号SVID变为低电压准位，此时上桥控制信号UG2为禁能，使得上桥开关Q1关闭(不导通)。
此时，因为时间信号STX被反或闸NOR1反相，导致下桥控制信号LG2会被致能，进而下桥开关Q2会导通。同时，时间信号STX通过及闸AND2触发计时器TM1开始计时第二预设时间T2。
当计时器TM1计时达第二预设时间T2且时间信号STX仍未变化时，计时器TM1会送出触发脉波至SR正反器SR1，以使SR正反器SR1的输出信号Q为高电压准位。若此时电感电流IL为负使得判断信号SDX为高电压准位，通过及闸AND1与反或闸NOR1作用导致下桥控制信号LG2被禁能，使得下桥开关Q2关闭。于此同时，SR正反器触发计时器TM2开始计时第三预设时间T3。
当计时器TM2计时达第三预设时间T3时，计时器TM2会送出触发脉波重置SR正反器SR1，以使SR正反器SR1的输出信号Q为低电压准位，通过及闸AND1与反或闸NOR1致使下桥控制信号LG2被致能，进而下桥开关Q2导通。同时计时器TM1重置并重新计时第二预设时间T2。
图4A为依据本发明的另一实施例的直流对直流电源转换器的系统示意图。请参照图2A及图4A，直流对直流电源转换器30大致相同于直流对直流电源转换器20，其不同之处在于直流对直流电源控制器300不包括驱动器31，时间控制电路330提供控制信号Pout至驱动器31，驱动器31分别耦接上桥开关Q1及下桥开关Q2，且根据控制信号Pout提供上桥控制信号UG2及下桥控制信号LG2以控制上桥开关Q1及下桥开关Q2。相同或相似元件使用相同或相似标号。
图4B为依据本发明的另一实施例的时间控制电路的电路示意图。请参照图3A及图4B，时间控制电路330a大致相同于时间控制电路230a，其不同之处在于时间控制电路230a还包括驱动器233a，并且计时电路中的逻辑闸因输出信号种类不同而有不同的设计，相同或相似元件使用相同或相似标号。
在本实施例中，缓冲器BF3接收时间信号STX以提供控制信号Pout，并有致能端EN耦接至反或闸NOR1。根据反或闸NOR1送出的信号，缓冲器BF3产生的控制信号Pout会有致能、禁能及第三态三种状态，第三态为高电压准位及低电压准位之间的电压准位。
图4C为依据本发明的另一实施例的时间控制电路的驱动波形示意图。请参照图4A、图4B及图4C，当电压识别信号SVID由高转低时，时间产生单元210反应电压识别信号SVID而将时间信号STX为低电压准位，此时控制信号Pout同步为低电压准位，使得上桥开关Q1关闭(不导通)，而下桥开关Q2导通。
同时，时间信号STX亦通过及闸AND2触发计时器TM1开始计时第二预设时间T2。当计时器TM1计时达第二预设时间T2且时间信号STX仍未变化时，计时器TM1会送出触发脉波至SR正反器SR1，以通过SR正反器SR1触发计时器TM2开始计时第三预设时间T3。
当计时器TM2计时达第三预设时间T3时，计时器TM2会送出触发脉波重置SR正反器SR1及计时器TM1，以重新计时第二预设时间T2。在第三预设时间T3中，若此时相位点PH的电感电流IL为负，或输出电感L2的电感电流IL为负值，判断信号SDX会为高电压准位，以致控制信号Pout会为第三态。此时，驱动器31会反应于控制信号Pout的第三态而同时禁能上桥控制信号UG2及下桥控制信号LG2，以同时关闭上桥开关Q1及下桥开关Q2。
图5为依据本发明的一实施例的电压识别改变判断电路的判断方式示意图。请参照图2A及图5，在本实施例中，电压识别改变判断电路220a包括比较器CMP2，接收相位电压VPH与接地电压(即接地端GND的电压)以产生判断信号SDX，而电压识别改变判断电路220a可依据判断信号SDX判断相位节点PH的电感电流IL是否为负值。亦即，电压识别改变判断电路220a依据相位节点PH的电压值判断流经相位节点PH的电感电流IL是否为负值。
图6为依据本发明的另一实施例的电压识别改变判断电路的判断方式示意图。请参照图2A及图5，在本实施例中，直流对直流电源转换器(如20、30)更包括电阻R1、R2及电容C2，与输出电感L2形成电流检测电路600，电流检测电路600耦接相位节点PH，并于电容C2两端对应检测结果产生电流感测电压VCS。电压识别改变判断电路220b接收电流感测电压VCS，用以判断流经相位节点PH及电感L2的电感电流IL是否为负值。
在本实施例中，电压识别改变判断电路220b包括比较器CMP3，接收电流感测电压VCS以产生判断信号SDX，以依据电流感测电压VCS的电压值判断流经相位节点PH及电感L2的电感电流IL是否为负值。
图7为依据本发明的一实施例的直流对直流电源转换器的控制方法的流程图。请参照图7，在本实施例中，直流对直流电源转换器的控制方法包括下列步骤。在步骤S710中，会判断电压识别是否由高变低。当电压识别由高变低时，步骤S710的判断结果为“是”，则执行步骤S720；当电压识别未由高变低时，步骤S710的判断结果为“否”，则回到步骤S710。
在步骤S720中，会关闭上桥开关关第一预设时间。接着，在步骤S730中，在第一预设时间内，多次导通下桥开关第二预设时间与多次关闭第三预设时间，第二预设时间大于第三预设时间。上述步骤S710、S720、S730的顺序为用以说明，本发明实施例不以此为限。并且，步骤S710、S720、S730的细节可参照图2A、图2B、图3A、图3B、图4A至图4C、图5、图6实施例所示，在此则不再赘述。
综上所述，本发明实施例的直流对直流控制器、直流对直流电源转换器及其控制方法，当电压识别信号由高变低时，会控制上桥开关关闭第一预设时间，且在第一预设时间内，控制下桥开关多次导通第二预设时间与多次关闭第三预设时间，第二预设时间大于第三预设时间。藉此，可避免电感电流会经由下桥开关流泄下拉太多造成输出电压欠充，进而避免输出不稳定。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定的为准。
Claims (10)
1.一种直流对直流控制器，耦接上桥开关与下桥开关，其特征在于，所述直流对直流控制器包括：
时间产生单元，提供时间信号；
电压识别改变判断电路，反应电压识别信号由高变低的改变提供判断信号；以及
时间控制电路，耦接所述时间产生单元与所述电压识别改变判断电路，且依据所述时间信号与所述判断信号提供控制信号；
其中，当所述电压识别信号由高变低且检测到负电流时，所述时间控制电路依据所述判断信号与所述时间信号关闭所述上桥开关一第一预设时间，且在所述第一预设时间内，所述时间控制电路控制所述下桥开关多次导通一第二预设时间与多次关闭一第三预设时间，
其中，所述第二预设时间大于所述第三预设时间。
2.根据权利要求1所述的直流对直流控制器，其特征在于，所述控制信号为具有三个电压准位的信号，在所述第三预设时间时，所述控制信号为第三态。
3.根据权利要求1所述的直流对直流控制器，其特征在于，所述第一预设时间大于所述下桥开关的原始导通期间。
4.根据权利要求1所述的直流对直流控制器，其特征在于，所述电压识别改变判断电路接收所述上桥开关与所述下桥开关间的相位节点上的电压值，以判断所述相位节点的电流是否为负值。
5.根据权利要求1所述的直流对直流控制器，其特征在于，还包括电流检测电路，耦接所述上桥开关及所述下桥开关间的相位节点，并且提供检测结果给所述电压识别改变判断电路，以判断所述相位节点的电流是否为负值。
6.根据权利要求1所述的直流对直流控制器，其特征在于，所述时间控制电路包括第一计数器以计数所述第二预设时间，第二计数器以计数所述第三预设时间。
7.一种直流对直流电源转换器，其特征在于，包括：
上桥开关及下桥开关；
时间产生单元，提供时间信号；
电压识别改变判断电路，反应电压识别信号由高变低的改变而提供判断信号；以及
时间控制电路，耦接所述时间产生单元与所述电压识别改变判断电路；
其中，当所述电压识别信号由高变低且检测到负电流时，时间控制电路依据所述判断信号与所述时间信号控制所述上桥开关关闭一第一预设时间，且在所述第一预设时间内，所述时间控制电路控制所述下桥开关多次导通一第二预设时间与多次关闭一第三预设时间，
其中，所述第二预设时间大于所述第三预设时间。
8.一种直流对直流电源转换器的控制方法，用以控制上桥开关与下桥开关，其特征在于，所述方法包括：
由电压识别改变判断电路判断电压识别信号是否由高变低及是否有负电流，以提供判断信号；
由时间控制电路根据时间信号和所述判断信号向所述上桥开关和所述下桥开关提供控制信号；
关闭所述上桥开关一第一预设时间；
在所述第一预设时间内，多次导通所述下桥开关一第二预设时间与多次关闭一第三预设时间，
其中，所述第二预设时间大于所述第三预设时间。
9.根据权利要求8所述的直流对直流电源转换器的控制方法，其特征在于，所述第一预设时间大于所述下桥开关的原始导通期间。
10.根据权利要求8所述的直流对直流电源转换器的控制方法，其特征在于，根据所述上桥开关与所述下桥开关间的电感电流判断所述电压识别信号是否由高变低。
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