CN109672335A - 电源转换装置、时间信号产生器与其方法 - Google Patents

电源转换装置、时间信号产生器与其方法 Download PDF

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CN109672335A CN201711143152.7A CN201711143152A CN109672335A CN 109672335 A CN109672335 A CN 109672335A CN 201711143152 A CN201711143152 A CN 201711143152A CN 109672335 A CN109672335 A CN 109672335A
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Abstract

本发明提供一种电源转换装置、时间信号产生器与其方法，所述时间信号产生器包括时间信号电路与计时电路。时间信号电路包括电流源与电流源电路，并具有第一模式与第二模式。时间信号产生器在第一模式下依据电流源提供第一导通时间信号。计时电路连接时间信号电路，并包括第一计时电路。当计时电路计时第一预设时间时，第一计时电路提供第一控制信号至电流源电路，使得时间信号产生器于第二模式下依据电流源与电流源电路提供第二导通时间信号。第二导通时间信号的宽度小于第一导通时间信号的宽度。

Description

电源转换装置、时间信号产生器与其方法
技术领域
本发明涉及一种电源转换技术，尤其涉及一种电源转换装置、时间信号产生器与其方法。
背景技术
一般而言，电源转换装置通过时间信号产生器产生多个连续的导通时间信号，以控制电源输出级中的功率开关。在轻载时，电源转换装置会从一般模式进入不连续导通模式(DCM，Discontinuous Conduction Mode)，通过拉长两相邻的导通时间信号之间的间隔时间，以降低功耗并稳定输出。当两相邻的导通时间信号之间的间隔时间过大时，时间信号产生器输出的信号频率将接近音频，进而产生噪音。为了避免噪音的产生，不连续导通模式往往具有抗噪功能。在一般模式下输出固定导通时间信号，并在不连续导通模式下输出最小导通时间信号。然而，当时间信号产生器不断地在一般模式与不连续导通模式之间切换时，时间信号产生器将一直交替地输出固定导通时间信号与最小导通时间信号，进而导致电源转换装置的输出电压产生涟波(ripple)，从而降低电源转换装置的稳定性。
发明内容
本发明提供一种电源转换装置、时间信号产生器与其方法，可避免电源转换装置的输出电压产生涟波，从而提升电源转换装置的稳定性。
本发明的时间信号产生器，包括时间信号电路与计时电路。时间信号电路包括电流源与电流源电路，并具有第一模式与第二模式。时间信号产生器在第一模式下依据电流源提供第一导通时间信号。计时电路连接时间信号电路，并包括第一计时电路。当计时电路计时第一预设时间时，第一计时电路提供第一控制信号至电流源电路，使得时间信号产生器于第二模式下依据电流源与电流源电路提供第二导通时间信号。第二导通时间信号的宽度小于第一导通时间信号的宽度。
本发明的时间信号产生方法，包括下列步骤。在第一模式下，依据电流源提供第一导通时间信号。当计时第一预设时间时，提供第一控制信号至电流源电路，并于第二模式下依据电流源与电流源电路提供第二导通时间信号。第二导通时间信号的宽度小于第一导通时间信号的宽度。
本发明实施例中的电源转换装置，包括驱动电路、电源输出级、反馈电路以及时间信号产生器。驱动电路依据时间信号产生驱动信号。电源输出级电性连接驱动电路，并受控于所述驱动信号，以致使电源转换装置将输入电压转换成输出电压。反馈电路电性连接电源输出级，并依据输出电压与参考电压产生时间控制信号。时间信号产生器电性连接反馈电路与驱动电路，并包括时间信号电路与计时电路。时间信号电路包括电流源与电流源电路，并具有第一模式与第二模式。时间信号产生器在第一模式下依据电流源提供第一导通时间信号。计时电路连接时间信号电路，并包括第一计时电路。当计时电路计时第一预设时间时，第一计时电路提供第一控制信号至电流源电路，使得时间信号产生器于第二模式下依据电流源与电流源电路提供第二导通时间信号。第二导通时间信号的宽度小于第一导通时间信号的宽度。
基于上述，本发明的时间信号产生器中的时间信号电路包括电流源与电流源电路。可在轻载模式下提供抗噪功能，使导通时间的宽度与间隔时间的长度呈反比。藉此，将可避免电源转换装置的输出电压产生涟波，从而提升电源转换装置的稳定性。
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1是依照本发明一实施例的电源转换装置的示意图；
图2是依照本发明一实施例的时间信号产生方法的流程图；
图3是用以说明图1的时间信号产生器的时序图；
图4是依照本发明一实施例的控制电压的时序图；
图5是依照本发明一实施例的导通时间信号的宽度相对于间隔时间的示意图。
附图标号说明：
10：电源转换装置
11：驱动电路
12：电源输出级
13：反馈电路
14：缓冲器
15：反相器
16～17：功率开关
18：误差放大器
19：比较器
L1：电感
C1：电容
R1、R2：电阻
C2：补偿电容
R3：补偿电阻
DR1～DR2：驱动信号
VIN：输入电压转
VO：输出电压
VR：参考电压
VFB：反馈电压
COMP：误差信号
RAMP：锯齿波信号
S11：时间控制信号
TON：导通时间信号
100：时间信号产生器
110：计时电路
111：第一计时电路
112：第二计时电路
113：电流源
114：开关
115：电容
116：充放电电路
S12：重置脉冲
VS：电源电压
VT：控制电压
V1：第一临界电压
CT1：第一控制信号
V2：第二临界电压
EN1：截止信号
120：时间信号电路
121：电流源
122：电流源电路
101：电压至电流转换器
102：电流源
103：开关
123：开关
124：电容
125：比较器
S13：反相信号
VN：充电电压
V3：第三临界电压
130：逻辑电路
131：或门
132：SR闩锁器
S210～S240、S221～S224、S241、S242：图2实施例中的各步骤
TON31：第一导通时间信号
TON32：第二导通时间信号
TON33：第三导通时间信号
TON34：最小导通时间信号
t31～t39：时间点
T1：第一预设时间
T2：第二预设时间
具体实施方式
图1是依照本发明一实施例的电源转换装置的示意图。如图1所示，电源转换装置10包括时间信号产生器100、驱动电路11、电源输出级12、由电感L1与电容C1所形成的阻抗电路、电阻R1～R2以及反馈电路13。时间信号产生器100可产生导通时间(on-time)信号TON。驱动电路11电性连接时间信号产生器100，并可响应于导通时间信号TON产生多个驱动信号DR1～DR2。电源输出级12电性连接驱动电路11，并可响应于驱动信号DR1～DR2控制流经电感L1与电容C1的电流。藉此，电源转换装置10可将输入电压转VIN换成输出电压VO。
驱动电路11包括缓冲器14与反相器15，且电源输出级12包括功率开关16～17。缓冲器14可依据导通时间信号TON产生驱动信号DR1，以控制功率开关16的导通状态。反相器15可依据导通时间信号TON产生驱动信号DR2，以控制功率开关17的导通状态。随着功率开关16～17的导通状态的改变，流经电感L1的电流将产生相应的改变，且电容C1也会产生相应的充电或是放电，从而致使输入电压VIN可转换成输出电压VO。
反馈电路13通过电阻R1～R2与阻抗电路电性连接电源输出级12，并依据输出电压VO与参考电压VR产生时间控制信号S11。反馈电路13可包括误差放大器18、比较器19、补偿电阻R3以及补偿电容C2。电阻R1与R2串联在输出电压VO与接地端之间，且电阻R1与R2可形成分压电路，以产生与输出电压VO相关的反馈电压VFB。误差放大器18可依据反馈电压VFB与参考电压VR产生误差信号COMP。比较器19会将误差信号COMP与锯齿波信号RAMP进行比较，并据以产生时间控制信号S11。
时间信号产生器100电性连接反馈电路13与驱动电路11，包括计时电路110、时间信号电路120与逻辑电路130。时间信号电路120电性连接计时电路110与逻辑电路130，且时间信号电路120包括电流源121与电流源电路122。时间信号产生器100包括第一模式与第二模式。在第一模式(例如，一般模式)下，时间信号产生器100可依据电流源121提供第一导通时间信号。在第二模式(例如，具抗噪功能的不连续导通模式)下，时间信号产生器100可依据电流源121与电流源电路122提供第二导通时间信号。
计时电路110包括第一计时电路111。当计时电路110计时第一预设时间(例如，10us)时，第一计时电路111可提供第一控制信号CT1至电流源电路122，使得时间信号产生器100于第二模式下依据电流源121与电流源电路122提供第二导通时间信号。第二导通时间信号的宽度小于第一导通时间信号的宽度。
换言之，在第一模式(例如，一般模式)下，时间信号产生器100可依据电流源121产生具有固定宽度的导通时间信号(例如，第一导通时间信号)。此外，在第二模式(例如，具抗噪功能的不连续导通模式)下，时间信号产生器100可利用电流源电路122产生具有可变宽度的导通时间信号(例如，第二导通时间信号)。如此一来，尽管时间信号产生器100不断地在第一模式(例如，一般模式)与第二模式(例如，具抗噪功能的不连续导通模式)之间切换时，依旧可以避免电源转换装置10的输出电压VO产生涟波，从而提升电源转换装置10的稳定性。
图2是依照本发明一实施例的时间信号产生方法的流程图，图3是用以说明图1的时间信号产生器的时序图，且以下将参照图1至图3进一步说明时间信号产生器100的操作。如图1所示，计时电路110更包括第二计时电路112、电流源113、开关114以及电容115。电流源113与开关114串联在电源电压VS与接地端之间。电容115与开关114相互并联。第一计时电路111与第二计时电路112可分别由一比较器所构成。在操作上，电流源113、开关114与电容115可形成充放电电路116。当开关114不导通(turn off)时，电流源113所提供的固定电流可对电容115进行充电，从而可不断地增加电容115所存储的控制电压VT的准位。第一计时电路111接收并比较控制电压VT与第一临界电压V1，且第二计时电路112接收并比较控制电压VT与第二临界电压V2。
图4是依照本发明一实施例的控制电压的时序图。如图4所示，控制电压VT从接地电压上升至第一临界电压V1的时间相等于第一预设时间T1(例如，10us)，且控制电压VT从接地电压上升至第二临界电压V2的时间相等于第二预设时间T2(例如，30us)。藉此，当控制电压VT大于第一临界电压V1时，则表示计时电路110已计时第一预设时间T1。此外，当控制电压VT大于第二临界电压V2时，则表示计时电路110已计时第二预设时间T2。换言之，第一计时电路111可用以判别计数时间是否到达第一预设时间T1，且第二计时电路112可用以判别计数时间是否到达第二预设时间T2。
时间信号电路120更包括开关123、电容124与比较器125。开关123电性连接在电流源电路122与接地端之间。电容124电性连接电流源121与开关123。比较器125接收第三临界电压V3，并电性连接电容124。在操作上，开关123受控于导通时间信号TON的反相信号S13。当开关123不导通时，时间信号电路120可利用电流源121或是同时利用电流源121与电流源电路122来对电容124进行充电，从而致使电容124所存储的充电电压VN的准位可持续上升。比较器125可接收并比较充电电压VN与第三临界电压V3，并在充电电压VN大于第三临界电压V3时产生第二控制信号CT2。当开关123导通时，时间信号电路120可将充电电压VN的准位重置为接地电压。
电流源电路122包括电压至电流转换器101、电流源102与开关103。在操作上，电压至电流转换器101可将控制电压VT转换成调整电流。电流源电路122可依据调整电流与电流源102所产生的固定电流，产生与控制电压VT成正比的可变电流。在另一实施例中，本领域技术人员也可依据设计所需选择性地移除电流源102，并可直接利用电压至电流转换器101所产生的调整电流来形成与控制电压VT成正比的可变电流。此外，电流源电路122可响应于开关103的导通与否，而决定是否输出可变电流。逻辑电路130包括或门131与SR闩锁器132。或门131电性连接第二计时电路112与反馈电路13。SR闩锁器132电性连接或门131与比较器125。SR闩锁器132用以产生导通时间信号TON。
请参照图1至图3。如步骤S210所示，在第一模式下，时间信号产生器100可依据电流源121提供第一导通时间信号TON31。举例来说，逻辑电路130可响应于时间点t31的时间控制信号S11开始输出第一导通时间信号TON31，亦即控制第一导通时间信号TON31的上升缘。于时间点t31至t32之间，计时电路110中的充放电电路116可响应于开关114的不导通而不断地增加控制电压VT的准位。另一方面，时间信号电路120可响应于开关123与开关103的不导通，而利用电流源121所提供的固定电流对电容124进行充电。
于时间点t32，充电电压VN的准位上升至第三临界电压V3，故比较器125输出第二控制信号CT2。逻辑电路130可响应于第二控制信号CT2停止输出第一导通时间信号TON31，亦即控制第一导通时间信号TON31的下降缘。换言之，在第一模式下，时间信号产生器100可依据时间控制信号S11控制第一导通时间信号TON31的上升缘，并可依据电流源121所提供的固定电流控制第一导通时间信号TON31的下降缘。
如步骤S220所示，当计时第一预设时间T1时，时间信号产生器100可提供第一控制信号CT1至电流源电路122，并于第二模式下依据电流源121与电流源电路122提供第二导通时间信号TON32。就步骤S220的细部步骤来看，如步骤S221所示，时间信号产生器100可响应于第一导通时间信号TON31的下降缘，产生于时间点t32的重置脉冲S12。如步骤S222所示，充放电电路116中的开关114可响应于重置脉冲S12而被导通，从而将控制电压VT的准位重置为接地电压。此外，当时间信号产生器100停止产生重置脉冲S12时，充放电电路116将持续增加控制电压VT的准位。换言之，充放电电路116可持续增加控制电压VT的准位，并响应于重置脉冲S12而将控制电压VT的准位重置为接地电压。
如步骤S223所示，第一计时电路111可比较控制电压VT与第一临界电压V1，以判别计数时间是否到达第一预设时间T1。如步骤S224所示，当控制电压VT大于第一临界电压V1时，则表示计时电路110已计时第一预设时间T1。此时，第一计时电路111可提供第一控制信号CT1至电流源电路122，以导通电流源电路122中的开关103。藉此，电流源电路122将可输出与控制电压VT成正比的可变电流，进而致使时间信号产生器100可依据可变电流与电流源121所提供的固定电流产生第二导通时间信号TON32，亦即可依据固定电流与可变电流来控制第二导通时间信号TON32的下降缘。
具体而言，逻辑电路130可响应于时间点t33的时间控制信号S11开始输出第二导通时间信号TON32，亦即控制第二导通时间信号TON32的上升缘。于时间点t33至t34之间，时间信号电路120可先利用电流源121所提供的固定电流对电容124进行充电。于时间点t34至t35之间，时间信号电路120可接着利用固定电流与可变电流对电容124进行充电。藉此，相较于时间点t31至t32之间的充电电压VN而言，于时间点t33至t35之间的充电电压VN将可更快速地到达第三临界电压V3，进而致使第二导通时间信号TON32的宽度小于第一导通时间信号TON31的宽度。换言之，在第二模式下，时间信号产生器100可依据时间控制信号S11控制第二导通时间信号TON32的上升缘，并可依据电流源121所提供的固定电流与电流源电路122所提供的可变电流来控制第二导通时间信号TON32的下降缘。
如步骤S230所示，在第二模式下，时间信号产生器100更可依据电流源121与电流源电路122提供第三导通时间信号TON33，第三导通时间信号TON33接续在第二导通时间信号TON32之后。换言之，在第二模式下，时间信号产生器100可依据电流源121与电流源电路122依序提供第二导通时间信号TON32与第三导通时间信号TON33。
计时电路110可响应于时间点t35的重置脉冲S12将控制电压VT的准位重置为接地电压，以开始计算第二导通时间信号TON32与第三导通时间信号TON33之间的间隔时间。逻辑电路130可响应于时间点t36的时间控制信号S11开始输出第三导通时间信号TON33，亦即控制第三导通时间信号TON33的上升缘。此外，于时间点t36至t37之间，时间信号电路120中的开关123与开关103可同导通，从而致使时间信号电路120可利用固定电流与可变电流对电容124进行充电。藉此，相较于时间点t33至t35之间的充电电压VN而言，于时间点t36至t37之间的充电电压VN可以更快速地到达第三临界电压V3，进而致使第三导通时间信号TON33的宽度小于第二导通时间信号TON32的宽度。
如步骤S240所示，当计时第二预设时间T2时，时间信号产生器100可产生截止信号EN1，并提供最小导通时间信号TON34。就步骤S240的细部步骤来看，如步骤S241所示，第二计时电路112可比较控制电压VT与第二临界电压V2，以判别计数时间是否到达第二预设时间T2。如步骤S242所示，当控制电压VT大于第二临界电压V2时，则表示计时电路110已计时第二预设时间T2。此时，第二计时电路112可产生截止信号EN1，以致使逻辑电路130可响应于截止信号EN1开始输出最小导通时间信号TON34，亦即控制最小导通时间信号TON34的上升缘。
于时间点t38至t39之间，时间信号电路120可利用固定电流与可变电流对电容124进行充电。由于在时间点t38至t39的控制电压VT大于在时间点t36至t37的控制电压VT，因此电流源电路122在时间点t38至t39产生的可变电流大于在时间点t36至t37所产生的可变电流。藉此，相较于时间点t36至t37之间的充电电压VN而言，于时间点t38至t39之间的充电电压VN可以更快速地到达第三临界电压V3，进而致使最小导通时间信号TON34的宽度可小于第三导通时间信号TON33的宽度。
图5是依照本发明一实施例的导通时间信号的宽度相对于间隔时间的示意图。如图5所示，当目前导通时间信号(例如，第二导通时间信号TON32)与先前导通时间信号(例如，第一导通时间信号TON31)之间的间隔时间大于第一预设时间T1，时间信号电路120将可进入第二模式。于第二模式下，时间信号电路120可利用电流源电路122加快充电电压VN的上升速度，以藉此降低目前导通时间信号的宽度。
就时间信号产生器100于第二模式下依序产生的两个导通时间信号(例如，第二导通时间信号TON32与第三导通时间信号TON33)而言，电流源电路122可利用与控制电压VT成正比的可变电流来调整充电电压VN的上升速度，进而致使目前导通时间信号(例如，第三导通时间信号TON33)的宽度可反比于目前导通时间信号与先前导通时间信号(例如，第三导通时间信号TON33)之间的间隔时间。换言之，在第二模式下，目前导通时间信号的宽度会随着间隔间的变长而线性地变小。
倘若在接收到先前导通时间信号之后的第二预设时间T2内，时间信号产生器100并未接收到来自反馈电路13的时间控制信号S11。此时，时间信号产生器100将利用截止信号EN1与第二控制信号CT2输出最小导通时间信号。换言之，当时间信号产生器100停止输出导通时间信号长达第二预设时间T2时，时间信号产生器100将强制地输出最小导通时间信号。
综上所述，本发明的时间信号产生器中的时间信号电路包括电流源与电流源电路。在第一模式下，时间信号产生器可依据电流源提供第一导通时间信号。在第二模式下，时间信号产生器可依据电流源与电流源电路提供第二导通时间信号，并可利用与控制电压成正比的可变电流来调整第二导通时间信号的宽度。藉此，将可避免电源转换装置的输出电压产生涟波，从而提升电源转换装置的稳定性。
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权利要求所界定的为准。

Claims (9)

1.一种时间信号产生器，其特征在于，包括：
时间信号电路，包括电流源与电流源电路，并具有第一模式与第二模式，其中所述时间信号产生器在所述第一模式下依据所述电流源提供第一导通时间信号；以及
计时电路，连接所述时间信号电路，并包括第一计时电路，其中当所述计时电路计时第一预设时间时，所述第一计时电路提供第一控制信号至所述电流源电路，使得所述时间信号产生器于所述第二模式下依据所述电流源与所述电流源电路提供第二导通时间信号，其中所述第二导通时间信号的宽度小于所述第一导通时间信号的宽度。
2.根据权利要求1所述的时间信号产生器，其特征在于，在所述第二模式下，所述时间信号产生器依据所述电流源与所述电流源电路依序提供所述第二导通时间信号与第三导通时间信号，且所述第三导通时间信号的宽度反比于所述第二导通时间信号与所述第三导通时间信号之间的间隔时间。
3.根据权利要求1所述的时间信号产生器，其特征在于，所述计时电路还包括第二计时电路，且当所述计时电路计时第二预设时间时，所述第二计时电路产生截止信号，使得所述时间信号产生器提供最小导通时间信号。
4.一种时间信号产生方法，其特征在于，包括：
在第一模式下，依据电流源提供第一导通时间信号；以及
当计时第一预设时间时，提供第一控制信号至电流源电路，并于第二模式下依据所述电流源与所述电流源电路提供第二导通时间信号，
其中所述第二导通时间信号的宽度小于所述第一导通时间信号的宽度。
5.根据权利要求4所述的时间信号产生方法，其特征在于，还包括：
当计时第二预设时间时，产生截止信号，并提供最小导通时间信号。
6.根据权利要求4所述的时间信号产生方法，其特征在于，还包括：
在所述第二模式下，依据所述电流源与所述电流源电路依序提供所述第二导通时间信号与第三导通时间信号，且所述第三导通时间信号的宽度反比于所述第二导通时间信号与所述第三导通时间信号之间的间隔时间。
7.一种电源转换装置，其特征在于，包括：
驱动电路，依据时间信号产生多个驱动信号；
电源输出级，电性连接所述驱动电路，并受控于所述多个驱动信号，以致使所述电源转换装置将输入电压转换成输出电压；
反馈电路，电性连接所述电源输出级，并依据所述输出电压与参考电压产生时间控制信号；以及
时间信号产生器，电性连接所述反馈电路与所述驱动电路，并包括：
时间信号电路，包括电流源与电流源电路，并具有第一模式与第二模式，其中所述时间信号产生器在所述第一模式下依据所述电流源提供第一导通时间信号；以及
计时电路，连接所述时间信号电路，并包括第一计时电路，其中当所述计时电路计时第一预设时间时，所述第一计时电路提供第一控制信号至所述电流源电路，使得所述时间信号产生器于所述第二模式下依据所述电流源与所述电流源电路提供第二导通时间信号，其中所述第二导通时间信号的宽度小于所述第一导通时间信号的宽度。
8.根据权利要求7所述的电源转换装置，其特征在于，在所述第二模式下，所述时间信号产生器依据所述电流源与所述电流源电路依序提供所述第二导通时间信号与第三导通时间信号，且所述第三导通时间信号的宽度反比于所述第二导通时间信号与所述第三导通时间信号之间的间隔时间。
9.根据权利要求7所述的电源转换装置，其特征在于，所述计时电路还包括第二计时电路，且当所述计时电路计时第二预设时间时，所述第二计时电路产生截止信号，使得所述时间信号产生器提供最小导通时间信号。
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