CN111464013A - 直流/直流变压器及其操作方法 - Google Patents

直流/直流变压器及其操作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种直流/直流变压器，其包括：一功率级，将一直流输入电压转换为一直流输出电压，该功率级具有一电感；一过冲侦测电路，用以侦测，当该直流/直流变压器由一重负载状态切换至一轻负载状态时，是否该直流输出电压具有一过冲；以及一主控制回圈，耦接至该功率级与该过冲侦测电路，当该过冲侦测电路决定该直流输出电压具有该过冲时，该主控制回圈使得该直流/直流变压器额外停留于一强迫连续导通模式以让该电感对该直流输出电压放电，之后，该主控制回圈使得该直流/直流变压器从该强迫连续导通模式进入一不连续导通模式。

Description

直流/直流变压器及其操作方法
技术领域
本发明是有关于一种直流/直流变压器及其操作方法。
背景技术
在传统上，直流/直流变压器(DC/DC converter)可操作于连续导通模式(continuous conduction mode，CCM)或不连续导通模式(discontinuous conductionmode，DCM)，取决于负载情况。在CCM下，直流/直流变压器处于重负载，电感的储能电流与释能电流是连续的，且电感的能量不会释放完。相反地，在DCM下，直流/直流变压器处于轻负载，电感的储能电流与释能电流是不连续的，且电感的能量会释放完。
图1显示习知直流/直流变压器的输出电压波形图与电感电流波形图。当在短时间内由重负载切换至轻负载时，电感电流会突然下降(从高电感电流变成0)且直流/直流变压器的输出电压会有过冲(overshoot)。直流/直流变压器的功率级的功率开关全被关闭。在此时，输出电压的过冲将只通过负载来放电，故而放电速度将会非常慢。
发明内容
根据本发明一实施例，提出一种直流/直流变压器包括：一功率级，将一直流输入电压转换为一直流输出电压，该功率级具有一电感；一过冲侦测电路，用以侦测，当该直流/直流变压器由一重负载状态切换至一轻负载状态时，是否该直流输出电压具有一过冲；以及一主控制回圈，耦接至该功率级与该过冲侦测电路，当该过冲侦测电路决定该直流输出电压具有该过冲时，该主控制回圈使得该直流/直流变压器额外停留于一强迫连续导通模式以让该电感对该直流输出电压放电，之后，该主控制回圈使得该直流/直流变压器从该强迫连续导通模式进入一不连续导通模式。
根据本发明一实施例，提出一种直流/直流变压器的操作方法，包括：利用一功率级将一直流输入电压转换为一直流输出电压，该功率级具有一电感；当该直流/直流变压器由一重负载状态切换至一轻负载状态时，侦测是否该直流输出电压具有一过冲；当侦测到该直流输出电压具有该过冲时，控制该直流/直流变压器额外停留于一强迫连续导通模式以让该电感对该直流输出电压放电；以及控制该直流/直流变压器从该强迫连续导通模式进入一不连续导通模式。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1显示习知直流/直流变压器的输出电压波形图与电感电流波形图。
图2绘示依照本发明一示范性实施例的直流/直流变压器的功能方块图。
图3显示依照本发明一示范性实施例的直流/直流变压器的输出电压与电感电流波形图与电感电流波形图，以及习知直流/直流变压器的输出电压波形图与电感电流波形图。
具体实施方式
本说明书的技术用语参照本技术领域的习惯用语，如本说明书对部分用语有加以说明或定义，该部分用语的解释是以本说明书的说明或定义为准。本说明书的各个实施例分别具有一或多个技术特征。在可能实施的前提下，本技术领域技术人员可选择性地实施任一实施例中部分或全部的技术特征，或者选择性地将这些实施例中部分或全部的技术特征加以组合。
图2绘示依照本发明一示范性实施例的直流/直流变压器的功能方块图。如图2所示，依照本发明示范性实施例的直流/直流变压器200可将直流输入电压Vin转换为直流输出电压Vout。直流/直流变压器200包括：误差放大器(error amplifier，EA)210、电压比较器220、脉冲宽度调变(pulse width modulation，PWM)逻辑230、过冲侦测电路240、计时器250、功率级(power stage)260、零电流检测电路(zero current detector,ZCD)270、时序控制器(timing controller)280、反馈网络(feedback network)290、补偿电路(包括电阻R1、电容C1)与去耦合电容Cin与Cout。
误差放大器210比较参考电压Vref与由反馈网络290所送出的一反馈电压(该反馈电压有关于直流输出电压Vout)。误差放大器210的输出信号(亦可称为误差比较结果)输入至电压比较器220。误差放大器210的架构在此可不特别限定。
电压比较器220耦接至误差放大器210。电压比较器220比较误差放大器210的输出信号与由时序控制器280所输出的信号。电压比较器220的输出信号输入至脉冲宽度调变逻辑230。电压比较器220的架构在此可不特别限定。
脉冲宽度调变逻辑230耦接至电压比较器220。脉冲宽度调变逻辑230根据电压比较器220的输出信号与零电流检测电路270的输出信号而控制功率级260。电压比较器220耦接于脉冲宽度调变逻辑230与误差放大器210之间。脉冲宽度调变逻辑230更可以根据计时器250(或者说，根据过冲侦测电路240的过冲事件侦测结果)的计时期间而控制零电流检测电路270为失能或致能。电压比较器220的输出信号与零电流检测电路270的输出信号而控制功率级260。脉冲宽度调变逻辑230的架构在此可不特别限定。
过冲侦测电路240耦接至误差放大器210。过冲侦测电路240侦测是否发生过冲事件(或者说，是否直流输出电压Vout具有过冲)，其细节将于底下说明。当过冲侦测电路240侦测到发生过冲事件时，过冲侦测电路240输出触发信号至计时器250，以让计时器250开始计时。过冲侦测电路240的架构在此可不特别限定。
计时器250耦接至过冲侦测电路240。回应于过冲侦测电路240所输出的触发信号，计时器250在计时期间内计时。此外，于计时开始时，计时器250输出第一控制信号至脉冲宽度调变逻辑230，回应于此第一控制信号，脉冲宽度调变逻辑230使得零电流检测电路270从致能状态变成失能状态；以及于计时结束时，计时器250输出第二控制信号至脉冲宽度调变逻辑230，回应于此第二控制信号，脉冲宽度调变逻辑230使得零电流检测电路270由失能状态变成致能状态。亦即，在计时器250的计时期间内，零电流检测电路270为失能。计时器250的架构在此可不特别限定。
功率级260耦接至脉冲宽度调变逻辑230。功率级260受控于脉冲宽度调变逻辑230所输出的控制信号而进行电压转换，以将直流输入电压Vin转换成直流输出电压Vout。功率级260的架构在此可不特别限定。例如，功率级260的架构可以是升压式(boost)功率级、降压式(buck)功率级、逆变式(inverting)功率级或者是降压-升压式(buck-boost)功率级。此外，于图2所示，功率级260包括电感L，电感L的耦接方式依照功率级260架构而有所不同。电感L上有电感电流IL流经。
零电流检测电路270耦接至脉冲宽度调变逻辑230与功率级260。如所知般，在轻载模式下，如果电感电流IL倒灌(亦即变成负电感电流)，则将会额外消耗功率，故而，利用零电流检测电路以避免电感电流IL倒灌。此外，零电流检测电路270亦可受控于脉冲宽度调变逻辑230，以在计时器250的计时期间内，零电流检测电路270为失能。零电流检测电路270的架构在此可不特别限定。
时序控制器280耦接至电压比较器220与功率级260。时序控制器280通常产生斜坡信号(ramp signal)，该斜坡信号由一定频率时脉所控制，且时序控制器280也将该斜坡信号相加于一电流信号(代表由功率级260所感测的电感电流)。时序控制器280的架构在此可不特别限定。
反馈网络290耦接至误差放大器210。反馈网络290可将直流输出电压Vout反馈至误差放大器210。反馈网络290的架构在此可不特别限定。
电阻R1与电容C1构成补偿电路。电阻R1的两端分别耦接至误差放大器210的输出端与电容C1的一端。电容C1的两端分别耦接至电阻R1的一端与接地端。在底下，将电阻R1的正端定义为耦接至误差放大器210的输出端，而电阻R1的负端定义为耦接至电容C1的一端。
去耦合电容Cin用以对直流输入电压Vin去除功率级切换无用信息(由功率级260的切换所造成)。去耦合电容Cin耦合于直流输入电压Vin与接地端之间。
去耦合电容Cout用以对直流输出电压Vout去除功率级切换无用信息(由功率级260的切换所造成)。去耦合电容Cout耦合于直流输出电压Vout与接地端之间。
在本案实施例中，亦可将反馈网络290、电阻R1、电容C1、电压比较器220、误差放大器210与脉冲宽度调变逻辑230合称为主控制回圈。主控制回圈可以产生主回圈控制信号，以让直流/直流变压器200选择性操作于CCM或DCM之一。
图3显示依照本发明一示范性实施例的直流/直流变压器的输出电压与电感电流波形图与电感电流波形图，以及习知直流/直流变压器的输出电压波形图与电感电流波形图。请同时参考图2与图3。
在本案示范性实施例中，直流/直流变压器200操作于一般的CCM(重负载)与一般DCM(轻负载)下的操作于此可以不特别限定。底下将说明在本案示范性实施例中，当由重负载(于时序T1)转态至轻负载时，直流/直流变压器200如何快速降低直流输出电压Vout的过冲。
当由重负载切换至轻负载时，直流/直流变压器200的直流输出电压Vout将会出现过冲。当直流输出电压Vout出现过冲时，误差放大器210的输出端的汲取电流将会变大，或者是，由于误差放大器210的输出端的汲取电流变大，电阻R1的跨压将由正电压变为负电压。
故而，在本案示范性实施例中，过冲侦测电路240可以侦测误差放大器210的输出端的汲取电流是否大于电流门槛值，以决定是否发生过冲事件(此过冲事件代表由重负载切换至轻负载)。如果过冲侦测电路240侦测到误差放大器210的输出端的汲取电流大于电流门槛值，则过冲侦测电路240决定发生过冲事件，反之亦然。
或者是，过冲侦测电路240可以侦测电阻R1的跨压是否由正电压转为负电压且电阻R1的跨压低于电压门槛值(例如0V)，以决定是否发生过冲事件。如果过冲侦测电路240侦测到电阻R1的跨压由正电压转为负电压且电阻R1的跨压低于电压门槛值，则过冲侦测电路240决定发生过冲事件。
在本案一实施例中，过冲事件可包括下列任一者：(1)误差放大器210的输出端的汲取电流大于电流门槛值；或者(2)电阻R1的跨压由正电压转为负电压且电阻R1的跨压低于电压门槛值。
当过冲侦测电路240决定发生过冲事件时，过冲侦测电路240可以输出触发信号至计时器250。
当计时器250接收到过冲侦测电路240所输出的触发信号(代表发生过冲事件)时，计时器250可开始计时(计时时间在此可不特别限定)，并输出第一控制信号至脉冲宽度调变逻辑230，以及回应于由计时器250所输出的第一控制信号，脉冲宽度调变逻辑230将零电流检测电路270由致能状态变为失能状态。当零电流检测电路270被失能时，电感L的瞬间平均电感电流IL可以允许为负电流，以加速直流输出电压Vout的降低(亦即加速直流输出电压Vout的过冲的降低)。在本案示范性实施例中，将零电流检测电路270处失能的这段时间亦称为直流/直流变压器200处于强迫CCM(force CCM)。这是因为，在习知技术中，当由重负载切换为轻负载时，直流/直流变压器200将由CCM进入DCM。但在本案示范性实施例中，则强迫直流/直流变压器200额外停留于CCM(图3的时序T1至时序T2之间)。
于计时器250结束计时之后(亦即图3的时序T2)，计时器250输出第二控制信号至脉冲宽度调变逻辑230，以及回应于由计时器250所输出的第二控制信号，脉冲宽度调变逻辑230将零电流检测电路270由失能状态变为致能状态。当零电流检测电路270由失能状态变为致能状态后，由于零电流检测电路270的操作，避免电感L的瞬间平均电感电流IL持续为负电流，亦即，电感L的瞬间平均电感电流IL将由负电流回复至0。之后，直流/直流变压器200进入一般的DCM。由图3可以看出，在时序T2时，直流输出电压Vout的过冲已几乎完全消失。
故而，由上述描述可知，在本案示范性实施例中，由于强迫直流/直流变压器200额外停留于CCM(图3的时序T1至时序T2之间)，通过电感L与负载来放电直流输出电压Vout，以加速过冲的消失。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (11)

1.一种直流/直流变压器，其特征在于，包括：
一功率级，将一直流输入电压转换为一直流输出电压，该功率级具有一电感；
一过冲侦测电路，用以侦测，当该直流/直流变压器由一重负载状态切换至一轻负载状态时，是否该直流输出电压具有一过冲；以及
一主控制回圈，耦接至该功率级与该过冲侦测电路，当该过冲侦测电路决定该直流输出电压具有该过冲时，该主控制回圈使得该直流/直流变压器额外停留于一强迫连续导通模式以让该电感对该直流输出电压放电，之后，该主控制回圈使得该直流/直流变压器从该强迫连续导通模式进入一不连续导通模式。
2.如权利要求1所述的直流/直流变压器，其特征在于，更包括：
一计时器，耦接至该主控制回圈与该过冲侦测电路，
其中，当该过冲侦测电路决定该直流输出电压具有该过冲时，回应于该过冲侦测电路所输出的一触发信号，该计时器计时一计时期间，于该计时期间内，该主控制回圈使得该直流/直流变压器额外停留于该强迫连续导通模式以让该电感对该直流输出电压放电；以及
于该计时期间结束时，该主控制回圈使得该直流/直流变压器从该强迫连续导通模式进入该不连续导通模式。
3.如权利要求2所述的直流/直流变压器，其特征在于，该主控制回圈包括：
一反馈网络，耦接至该直流/直流变压器的一输出端，以将该直流输出电压反馈成一反馈电压，该反馈电压有关于该直流输出电压；
一误差放大器，耦接至该反馈网络，该误差放大器比较一参考电压与该反馈网络所送出的该反馈电压；
一电阻，具有：一正端，耦接至该误差放大器的一输出端，以及一负端；
一电容，耦接于该电阻的该负端与一接地端之间；
一电压比较器，耦接至该误差放大器，用以比较该误差放大器的一输出信号与一斜坡信号；以及
一脉冲宽度调变逻辑，耦接至该电压比较器与该计时器。
4.如权利要求3所述的直流/直流变压器，其特征在于，该过冲侦测电路侦测该误差放大器的该输出端的一汲取电流是否大于一电流门槛值，以决定是否该直流输出电压具有该过冲。
5.如权利要求3所述的直流/直流变压器，其特征在于，该过冲侦测电路侦测该电阻的一跨压是否由正电压转为负电压且该电阻的该跨压是否低于一电压门槛值，以决定是否该直流输出电压具有该过冲。
6.如权利要求5所述的直流/直流变压器，其特征在于，更包括：一零电流检测电路，耦接至该脉冲宽度调变逻辑与该功率级，该零电流检测电路受控于该脉冲宽度调变逻辑，以在该计时期间内，该零电流检测电路为失能，以允许该电感的一瞬间电感电流为一负电流而使得该电感对该直流输出电压放电。
7.一种直流/直流变压器的操作方法，其特征在于，包括：
利用一功率级将一直流输入电压转换为一直流输出电压，该功率级具有一电感；
当该直流/直流变压器由一重负载状态切换至一轻负载状态时，侦测是否该直流输出电压具有一过冲；
当侦测到该直流输出电压具有该过冲时，控制该直流/直流变压器额外停留于一强迫连续导通模式以让该电感对该直流输出电压放电；以及
控制该直流/直流变压器从该强迫连续导通模式进入一不连续导通模式。
8.如权利要求7所述的直流/直流变压器的操作方法，其特征在于，更包括：
当侦测到该直流输出电压具有该过冲时，计时一计时期间，于该计时期间内，使得该直流/直流变压器额外停留于该强迫连续导通模式以让该电感对该直流输出电压放电；以及
于该计时期间结束时，使得该直流/直流变压器从该强迫连续导通模式进入该不连续导通模式。
9.如权利要求8所述的直流/直流变压器的操作方法，其特征在于，侦测该直流/直流变压器的一误差放大器的一输出端的一汲取电流是否大于一电流门槛值，以决定是否该直流输出电压具有该过冲。
10.如权利要求8所述的直流/直流变压器的操作方法，其特征在于，该直流/直流变压器更包括：一电阻，具有：一正端，耦接至该误差放大器的该输出端，以及一负端；以及一电容，耦接于该电阻的该负端与一接地端之间，
该直流/直流变压器的该操作方法更包括：
侦测该电阻的一跨压是否由正电压转为负电压且该电阻的该跨压是否低于一电压门槛值，以决定是否该直流输出电压具有该过冲。
11.如权利要求10所述的直流/直流变压器的操作方法，其特征在于，更包括：在该计时期间内，失能该直流/直流变压器的一零电流检测电路，以允许该电感的一瞬间电感电流为一负电流而使得该电感对该直流输出电压放电。
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