CN111610815A - 电压转换装置 - Google Patents

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Abstract

一种电压转换装置包括比较电路、补偿信号产生器以及电压转换器。比较电路依据输出电压、输入电压以及补偿回授信号以产生比较结果。补偿信号产生器在工作周期中的使能期间中的第一时间区间提供维持等于参考电压的补偿信号，并在使能期间中的第二时间区间使补偿信号为斜坡信号，补偿信号产生器并依据回授信号以及补偿信号以产生补偿回授信号。电压转换器依据比较结果以产生控制信号，依据控制信号以通过电感来执行电压转换动作，并产生输出电压。回授信号依据电感上的电流来产生。

Description

电压转换装置
技术领域
本发明是有关于一种电压转换装置，且特别是有关于一种电流模式的电压转换装置。
背景技术
在现今的技术领域中，电流模式的直接转直流的电压转换器已被广泛的应用。电流模式电压转换器具有较佳的动态性能、高精度，并具有瞬时大增益带宽以及限流保护的功效。
现有的电流模式电压转换器可通过为斜坡信号的补偿信号，以确保其电路回路的稳定性。现有技术中，可利用单一斜率的斜坡信号或多段式分段线性的斜坡信号来做为补偿信号。
在以单一斜率的斜坡信号来做为补偿信号时，在当功率晶体管的导通时间相对高时，会产生峰值电流限制的问题。其原因在于，因为补偿信号的电压值是线性增加的，在当晶体管的导通时间相对高的条件下，做为比较基准的比较电压的电压值对应增加，并使电感上的电流峰值受到限制。
在以多段式分段线性的斜坡信号来做为补偿信号时，多段的斜坡信号分别对应不同的设定责任周期。在晶体管切换的责任周期(duty cycle)位于两设定责任周期的边缘时，则可能产生频率抖动的现象。
发明内容
本发明提供一种电压转换装置，可改善峰值电流限制，以及避免误转换频率时所产生的斜坡电压抖动现象。
本发明的电压转换装置包括比较电路、补偿信号产生器以及电压转换器。比较电路依据输出电压以及输入电压以产生误差信号，比较误差信号以及补偿回授信号(compensated feedback signal)以产生比较结果。补偿信号产生器在工作周期中的使能期间(enable period)中的第一时间区间提供维持等于参考电压的补偿信号，并在使能期间中的第二时间区间使补偿信号为斜坡信号(slope signal)，补偿信号产生器并依据回授信号(feedback signal)以及补偿信号以产生补偿回授信号。电压转换器具有一电感，依据比较结果以产生控制信号，依据控制信号以提供驱动信号，并通过电感以依据驱动信号来执行电压转换动作，并产生输出电压。其中，回授信号依据电感上的电流来产生。
基于上述，本发明的补偿信号产生器提供的补偿信号，在工作周期中的第一时间区间中维持等于参考电压，并在工作周期中的第二时间区间中为一斜坡信号。如此一来，补偿信号在工作周期中不至于因上升时间过长，而产生峰值电流限制的状况，并且，补偿信号在第二时间区间中，所提供的斜坡信号可具有相对大的斜率，以避免因转换频率时所产生的电压抖动现象。
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，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1绘示本发明一实施例的电压转换装置的示意图；
图2绘示本发明实施例的电压转换装置的波形图；
图3以及图4绘示本发明实施例的电压转换装置对应不同责任周期的控制信号所产生的补偿信号的示意图；
图5绘示本发明另一实施例的电压转换装置的示意图；
图6绘示本发明实施例的补偿信号产生器的实施方式的示意图；
图7绘示本发明实施例的补偿信号决定电路的另一实施方式的示意图。
符号说明
100、500：电压转换装置
110、510：比较电路
120、520：补偿信号产生器
130、530：电压转换器
531：控制信号产生器
532：驱动器
600：补偿信号产生器
610：工作周期决定电路
620：补偿信号决定电路
VIN：输入电压
VOUT：输出电压
DCIN：参考电压
FB：电压
VSP、VSP1～VSP3：补偿信号
ADD1：电压运算器
SC：回授信号
CSC：补偿回授信号
L1：电感
CMP1：比较结果
LX：驱动信号
TON、TONB：控制信号
EN：使能期间
SS：设定信号
TOP：工作周期
T1、T2：时间区间
VR：参考接地电压
SP1：斜坡信号
D1～D3：责任周期
V(IL)：电压
VISENS1～VISENS3：比较边界
Vcomp1～Vcomp3：比较电压
EA1：误差放大器
OP1：比较器
ES：误差信号
GND：参考接地端
R3：电阻
C1～C4：电容
EN_DC-DC：信号
BUF1、BUF2：缓冲器
TA1、TA2、TB1、TB2、TB3：晶体管
CS1～CS3：电流源
OP2、OP3：运算放大器
VRAMP1：第一电压
VRAMP2：第三电压
621、700：前级电路
622：输出级电路
VST：启动信号
IV1：反向器
具体实施方式
请参照图1，图1绘示本发明一实施例的电压转换装置的示意图。电压转换装置100包括比较电路110、补偿信号产生器120以及电压转换器130。比较电路110依据电压转换装置100的输出电压VOUT以及参考电压DCIN以产生误差信号，并通过比较误差信号以及补偿回授信号CSC以产生比较结果CMP1。在本发明实施例中，电压转换装置100可依据输出电压VOUT来产生电压FB。在本发明其他实施例中，电压转换装置100可针对输出电压VOUT进行分压，并依据所产生的分压电压以获得电压FB。比较电路110则可依据计算电压FB以及参考电压DCIN的差值来产生误差电压。
补偿信号产生器120耦接至电压转换器130以及比较电路110。补偿信号产生器120产生补偿信号VSP，并接收回授信号SC。补偿信号产生器120并可通过电压运算器ADD1使回授信号SC与补偿信号VSP相加以产生补偿回授信号CSC。其中，补偿信号产生器120可在一工作周期中的使能期间中的一第一时间区间提供维持等于一参考接地电压的补偿信号VSP，并在工作周期中的使能期间中的第二时间区间使补偿信号VSP为一斜坡信号。其中，第二时间区间接续在第一时间区间后，且上述的回授信号SC可通过侦测电压转换器130中的电感L1上的电流来产生。
电压转换器130耦接至补偿信号产生器120以及比较电路110。电压转换器130接收比较结果CMP1，依据比较结果CMP1产生控制信号，并依据控制信号以提供驱动信号LX来驱动电感L1，并据以进行电压转换动作。在本实施例中，电压转换器130可执行降压式电压转换动作，并通过转换输入电压VIN以产生输出电压VOUT。
电压转换器130可周期性的产生控制信号，并在工作周期的使能期间提供驱动信号LX以驱动电感L1。在此请同步参照图1以及图2，其中图2绘示本发明实施例的电压转换装置的波形图。
在图2中，控制信号TON在使能期间EN提供正电压脉波，电压转换器130并依据控制信号TON的正电压脉波以产生驱动信号LX来驱动电感L1。设定信号SS则用以控制工作周期TOP的时间长短。控制信号TON具有责任周期(Duty cycle)，其中，控制信号TON的责任周期可依据输入电压VIN以及输出电压VOUT的比值来决定。并且，使能期间EN的长度与控制信号TON的责任周期成正比。请注意，在本实施例中，补偿信号产生器120在使能期间EN中的第一时间区间T1中产生维持等于参考接地电压VR的补偿信号VSP，并在使能期间EN中，第一时间区间T1后的第二时间区间T2使补偿信号VSP为斜坡信号SP1。
值得注意的，本发明实施例中的补偿信号VSP在第一时间区间T1中维持等于参考接地电压VR。补偿信号VSP在第二时间区间T2方以斜坡信号SP1的形式上升。如此一来，补偿信号VSP的电压值可以不会在整个使能期间EN持续上升，可防止峰值电流限制的状况发生。并且，通过使补偿信号VSP在第二时间区间T2快速的上升，也可提升比较电路110所产生的比较结果CMP1的稳定度，避免发生斜坡电压抖动现象。
以下请同时参照图1、图3以及图4，图3以及图4绘示本发明实施例的电压转换装置对应不同责任周期的控制信号所产生的补偿信号的示意图。在图3中，电压转换装置100中的补偿信号产生器120可分别对应不同的控制信号TON的责任周期D1～D3以产生补偿信号VSP1、VSP2以及VSP3。其中，责任周期D1<责任周期D2<责任周期D3。
在图4中，电压转换装置100对应不同责任周期D1～D3，分别在补偿信号VSP1、VSP2以及VSP3所提供的斜坡信号SP1～SP3，可使比较电路110在比较动作时，在分别具有足够大的比较边界VISENS1～VISENS3所需要的比较电压Vcomp1～Vcomp3相对于电压V(IL)是很小的，其中电压V(IL)为依据电感L1上的最大限流IL所产生的电压。因此，电压转换装置100可避免产生峰值电流限制的状况。
请参照图5，图5绘示本发明另一实施例的电压转换装置的示意图。电压转换装置500包括比较电路510、补偿信号产生器520以及电压转换器530。比较电路510包括误差放大器EA1以及比较器OP1。误差放大器EA1以及比较器OP1可皆由运算放大器来建构。误差放大器EA1接收参考电压DCIN以及电压FB，并通过计算参考电压DCIN以及电压FB的差值来产生误差信号ES。电阻R1、R2可形成的一分压电路。电压FB可以为分压电路针对输出电压VOUT进行分压所产生的分压电压。附带一提，误差放大器EA1的输出端与参考接地端GND间可串接由电阻R3以及电容C1所形成的电阻电容电路，并作为误差信号ES的稳压电路。
比较器OP1接收误差信号ES以及由补偿信号产生器520所提供的补偿回授信号CSC。比较器OP1依据比较补偿回授信号CSC以及误差信号ES来产生比较结果。在另一方面，比较器OP1可依据信号EN_DC-DC而被启动。
电压转换器530包括控制信号产生器531、驱动器532以及电感L1。控制信号产生器531接收比较器OP1所产生的比较结果，并依据比较结果产生控制信号TON以及TONB，其中控制信号TON以及TONB可以互为反向信号。在本实施例中，控制信号产生器531包括缓冲器BUF1以及BUF2，依据信号EN_DC-DC而被启动，并分别产生控制信号TON以及TONB。
驱动器532包括晶体管TA1以及TA2。晶体管TA1以及TA2相互串接在输入电压VIN以及参考接地端GND间，并耦接至电感L1。晶体管TA1以及TA2分别依据控制信号TON以及TONB以交错的被导通及被断开，藉以提供驱动信号至电感L1，并藉以针对输入电压VIN进行电压转换动作以产生输出电压VOUT。
在本实施例中，电压转换装置500另包括电容C2。电容C2耦接在电压转换装置500的输出端以及参考接地端GND间，电容C2用以做为稳压电容。
在本实施例中，补偿信号产生器520包括为电压加法器的电压运算器ADD1。补偿信号产生器520接收依据电感L1上的电流所产生的回授信号SC，产生补偿信号VSP，并通过电压运算器ADD1使回授信号SC与补偿信号VSP相加以产生补偿回授信号CSC。补偿信号产生器520并提供补偿回授信号CSC至比较器OP1。
关于补偿信号产生器520的实施细节，请参照图6绘示的本发明实施例的补偿信号产生器的实施方式的示意图。
在图6中，补偿信号产生器600包括工作周期决定电路610以及补偿信号决定电路620。工作周期决定电路610依据输入电压VIN以及输出电压VOUT以产生设定信号SS，其中设定信号SS用以设定电压转换装置的工作周期。在本实施例中，工作周期决定电路610包括电流源CS1、电容C3、由运算放大器OP2建构的比较器以及由晶体管TB1建构的重置开关。电流源CS1可依据输入电压VIN以及一阻抗值R来产生充电电流，其中充电电流＝A×(VIN/R)，A为大于0的实数。运算放大器OP2的正输入端耦接至电流源CS1以接收第一电压VRAMP1，运算放大器OP2的负输入端接收第二电压，其中第二电压可依据输入电压VIN所产生，并可以等于B×VIN，B为大于0的实数。电容C3串接在运算放大器OP2的正输入端与参考接地端GND间，晶体管TB1同样串接在运算放大器OP2的正输入端与参考接地端GND间，并受控于设定信号SS。运算放大器OP2的输出端则产生设定信号SS。
关于工作周期决定电路610的操作方面，在初始状态下，晶体管TB1依据高电压的设定信号SS导通时，电容C3可进行放电，此时第一电压VRAMP1可等于参考接地电压。对第一电压VRAMP1的电压值，运算放大器OP2使设定信号SS为低电压，并使晶体管TB1依据低电压的设定信号SS被断开。在此同时，电流源CS1所提供的充电电流可对电容C3充电，并产生为斜坡电压的第一电压VRAMP1。在当第一电压VRAMP1上升至大于第二电压时，运算放大器OP2重新使设定信号SS为高电压。通过周期性的产生高电压及低电压的设定信号SS，设定信号SS的相邻二高电压脉波可定义出电压转换装置的一个工作周期。
在另一方面，补偿信号决定电路620依据输入电压VIN以及输出电压VOUT以计算出电压差值，依据输入电压VIN以及电压差值以切分出第一时间区间以及第二时间区间，在第一时间区间提供维持等于参考接地电压的补偿信号VSP，并在第二时间区间使补偿信号VSP为斜坡信号。补偿信号决定电路620包括前级电路621以及输出级电路622。前级电路621依据输出电压VOUT以及输入电压VIN以计算出电压差值，依据输入电压VIN以及电压差值以切分出第一时间区间以及第二时间区间。输出级电路622耦接前级电路621，在第一时间区间提供维持等于参考接地电压的补偿信号VSP，并在第二时间区间使补偿信号为斜坡信号。
在本实施例中，前级电路621包括电流源CS2、电容C4以及由运算放大器OP2建构的比较器。电流源CS2提供充电电流。电流源CS2所提供的充电电流的电流值可以与电流源CS1所提供的充电电流的电流值相同。运算放大器OP3的正输入端耦接至电流源CS2以接收第三电压VRAMP2，运算放大器OP3的负输入端接收第四电压，其中第四电压可依据输入电压VIN以及输出电压VOUT所产生，并可以等于B×VOUT-A×(VIN/R)×R，R为调整比例。电容C4串接在运算放大器OP3的正输入端与参考接地端GND间，晶体管TB2同样串接在运算放大器OP3的正输入端与参考接地端GND间，并受控于设定信号SS。运算放大器OP3的负向输出端产生启动信号VST。
上述的A、B、阻抗值R以及调整比例R可以由设计者自行设定，没有一定的限制。
输出级电路622包括电流源CS3、由晶体管TB3建构的重置开关以及电容C5。电流源CS3提供充电电流。晶体管TB3串接在电流源CS3以及参考接地端GND间，并受控于启动信号VST，电容C5与晶体管TB3并联耦接。此外，晶体管TB3与电流源CS3的耦接端点产生补偿信号VSP。在当晶体管TB3依据启动信号VST被导通时，输出级电路622可产生维持等于参考接地电压的补偿信号VSP。在当晶体管TB3依据启动信号VST被断开时，输出级电路622可产生为斜坡信号的补偿信号VSP。其中，补偿信号VSP的斜率可依据电流源CS3所产生的充电电流的电流值大小相关联。
关于动作细节，在初始状态下，晶体管TB2依据设定信号SS导通。电容C4通过导通的晶体管TB2进行放电，并产生等于参考接地电压的第三电压VRAMP2。此时，运算放大器OP3的负向输出端依据第三电压VRAMP2以及大于第三电压VRAMP2的第四电压来产生高电压的启动信号VST。在当设定信号SS为低电压时，晶体管TB2被断开，电流源CS2提供充电电流以针对电容C4充电，并产生为斜坡电压的第三电压VRAMP2。在当第四电压持续大于第三电压VRAMP2的第一时间区间，晶体管TB3持续导通，并使输出级电路622可产生维持等于参考接地电压的补偿信号VSP。在当第四电压不大于第三电压VRAMP2的第二时间区间，晶体管TB3被断开，并使输出级电路622可产生斜坡信号的补偿信号VSP。
在图6的实施方式中，当A与B设定为相同时，工作周期可以依据阻抗值R以及电容C3的电容值来决定。另外，通过比较第三电压VRAMP2的上升速度及/或与第四电压的电压值，可以设定使能期间的时间长短。在本实施例中，通过改变调整比例 R，可以调整使能期间的时间长短，亦即调整控制信号责任周期。以调整比例R等于0为范例，A×(VIN/R)＝C4×(B×VOUT)/dT，控制信号的使能期间等于Ttotal×(VOUT/VIN)，其中Ttotal等于工作周期。
以下请参照图7，图7绘示本发明实施例的补偿信号决定电路的另一实施方式的示意图。其中，补偿信号决定电路中的前级电路700，与前级电路621不相同的，运算放大器OP3的正向输出端可通过耦接反向器IV1，并通过反向器IV1来产生启动信号VST。
综上所述，本发明的电压转换装置通过补偿信号产生器以在工作周期中的使能期间中的第一时间区间提供维持等于一参考接地电压的补偿信号，并在使能期间中的第二时间区间使该补偿信号为斜坡信号。如此一来，可避免产生峰值电流限制的状况，并且，可避免因转换频率时所产生的电压抖动现象。
虽然本发明已以实施例揭露如上，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，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种电压转换装置，其特征在于，包括：
一比较电路，依据一输出电压以及一参考电压以产生一误差信号，比较所述误差信号以及一补偿回授信号以产生一比较结果；
一补偿信号产生器，在一工作周期中的一使能期间中的一第一时间区间提供维持等于一参考接地电压的一补偿信号，并在所述使能期间中的一第二时间区间使所述补偿信号为一斜坡信号，所述补偿信号产生器并依据一回授信号以及所述补偿信号以产生所述补偿回授信号；以及
一电压转换器，具有一电感，依据所述比较结果以产生一控制信号，依据所述控制信号以提供一驱动信号，并通过所述电感以依据所述驱动信号来执行一电压转换动作，转换一输入电压以产生所述输出电压，
其中，所述回授信号依据所述电感上的电流来产生。
2.如权利要求1所述的电压转换装置，其特征在于，所述控制信号的责任周期等于所述输出电压与所述输入电压的比值，所述使能期间的长度与所述控制信号的责任周期成正比。
3.如权利要求1所述的电压转换装置，其特征在于，所述补偿信号产生器使所述补偿信号与所述回授信号相加以产生所述补偿回授信号。
4.如权利要求1所述的电压转换装置，其特征在于，所述补偿信号产生器包括：
一工作周期决定电路，依据所述输入电压以及所述输出电压以设定所述工作周期；
一补偿信号决定电路，依据所述输出电压以及所述输入电压以计算出一电压差值，依据所述输入电压以及所述电压差值以切分出所述第一时间区间以及所述第二时间区间，在所述第一时间区间提供维持等于所述参考接地电压的所述补偿信号，并在所述第二时间区间使所述补偿信号为所述斜坡信号；以及
一电压运算器，耦接所述补偿信号决定电路，使所述补偿信号以及所述回授信号进行算术运算以产生所述补偿回授信号。
5.如权利要求4所述的电压转换装置，其特征在于，所述工作周期决定电路包括：
一第一电流源，依据所述输入电压以及一阻抗值以产生一第一充电电流；
一第一电容，接收所述第一充电电流以产生一第一电压，其中所述第一电压为斜坡电压；
一第一比较器，接收所述第一电压以及依据所述输入电压所产生的一第二电压，比较所述第一电压以及所述第二电压以产生一设定信号；以及
一第一重置开关，与所述第一电容并联耦接，接收所述设定信号，并依据所述设定信号对所述第一电容执行放电动作。
6.如权利要求5所述的电压转换装置，其特征在于，所述补偿信号决定电路包括：
一前级电路，依据所述输出电压以及所述输入电压以计算出所述电压差值，依据所述输入电压以及所述电压差值以切分出所述第一时间区间以及所述第二时间区间；以及
一输出级电路，耦接所述前级电路，在所述第一时间区间提供维持等于所述参考接地电压的所述补偿信号，并在所述第二时间区间使所述补偿信号为所述斜坡信号。
7.如权利要求6所述的电压转换装置，其特征在于，所述前级电路包括：
一第二电流源，产生一第二充电电流，其中所述第二充电电流的电流值等于所述第一充电电流的电流值；
一第二电容，接收所述第二充电电流以产生一第三电压，其中所述第三电压为斜坡电压；
一第二比较器，接收所述第三电压以及依据所述输入电压及所述输出电压所产生的一第四电压，比较所述第三电压以及所述第四电压以产生一启动信号；以及
一第二重置开关，与所述第二电容并联耦接，接收所述设定信号，并依据所述设定信号对所述第二电容执行放电动作。
8.如权利要求7所述的电压转换装置，其特征在于，所述输出级电路包括：
一第三电流源，产生一第三充电电流；
一第三重置开关，耦接在所述第三电流源以及一参考接地端间，受控于所述启动信号以在所述第一时间区间以提供所述参考接地电压来产生所述补偿信号；以及
一第三电容，耦接至所述第三电流源，在所述第二时间区间接收所述第三充电电流以进行充电，并藉以产生所述斜坡信号。
9.如权利要求8所述的电压转换装置，其特征在于，所述第三重置开关为一晶体管，所述晶体管的第一端耦接至所述第三电流源，所述晶体管的第二端耦接至所述参考接地端以接收所述参考接地电压，所述晶体管的控制端接收所述启动信号；
其中所述第二比较器为一运算放大器，所述运算放大器的正输入端接收所述第三电压，所述运算放大器的负输入端接收所述第四电压，所述运算放大器的反向输出端产生所述启动信号。
10.如权利要求7所述的电压转换装置，其特征在于，所述第二比较器包括：
一运算放大器，所述运算放大器的正输入端接收所述第三电压，所述运算放大器的负输入端接收所述第四电压；以及
一反向器，输入端耦接至所述运算放大器的正向输出端，所述反向器的输出端产生所述启动信号。
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