CN117914139A - 电源转换器以及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种电源转换器以及其控制方法，妥善应付回授的打线问题。在一控制信号操作下，一驱动电路耦接一输入电压至一储能元件，驱动该储能元件提供降压的一输出电压。该输出电压经一回授电路转换为一电压回授，与一参考电压输入一误差放大器，以生成一放大误差。一控制信号产生器是根据该放大误差产生该控制信号操作该驱动电路。所述电源转换器特别具有一比较器，使能于该输出电压达稳态前的一缓冲启动阶段，将该放大误差与一临界值比较，判别出超出该临界值的该放大误差，使该输入电压不再耦接该储能元件。

Description

电源转换器以及其控制方法
技术领域
本发明是关于电源转换器，特别是关于降压转换的电源转换器。
背景技术
降压的电源转换器(buck converter)是将较高的输入电压转换为较低的输出电压，供电给低操作电压的负载。电源转换器的输出电压若不在适当准位，可能损毁所驱动的负载。例如，电路打线可能出现错误、或损耗，导致输出电压的回授路径断路。电源转换器可能因为这样错误的回授控制，不断供应能量推升输出电压，毁坏应当低电压操作的负载。或者，电源转换器的输出端可能被错误打线接地，导致电源转换器不停获取能量而损毁。
发明内容
本发明提出一种降压的电源转换器，妥善应付断路回授路径、以及接地输出端。
根据本发明一种实施方式所实现的一电源转换器将一输入电压降压转换为一输出电压，包括：一储能元件；一驱动电路；一回授电路；一误差放大器；一控制信号产生器；以及一第一比较器。在一控制信号操作下，该驱动电路耦接该输入电压至该储能元件，驱动该储能元件提供该输出电压。该回授电路耦接该输出电压，以产生一电压回授。该误差放大器接收该电压回授、与一参考电压，以生成一放大误差。该控制信号产生器根据该放大误差产生该控制信号操作该驱动电路。该第一比较器使能于该输出电压达稳态前的一缓冲启动阶段，将该放大误差与一临界值比较，判别出超出该临界值的该放大误差，使该输入电压不再耦接该储能元件。
如此一来，电源转换器正式运作驱动负载前，其中断路回授路径、或接地输出端…等线路问题会被及时发现。
一种实施方式中，该控制信号产生器包括：一脉冲宽度调变信号产生器；以及一第二比较器。该脉冲宽度调变信号产生器产生一脉冲宽度调变信号，用于产生该控制信号操作该驱动电路。第二比较器，将该放大误差与该电源转换器的一电流回授比较，提供一比较结果给该脉冲宽度调变信号产生器，调整该脉冲宽度调变信号的工作周期。一种实施方式中，该电源转换器更包括一电流传感器、以及一斜率补偿器。该电流传感器感测该输入电压耦接该储能元件所产生的一电流。该斜率补偿器补偿该电流传感器感测到的该电流的变化斜率，以产生该电流回授给该第二比较器。在如此架构下，该临界值可以是基于一直流电压、一斜率电压、一电流感测电压、以及一容错量而设定。该直流电压为相应该误差放大器的输出区间的一直流偏移。该斜率电压相依于该斜率补偿器。该电流感测电压相依于该电流传感器。一种实施方式中，该临界值更相应该输入电压以及该输出电压的多种转比、以及多种负载状况而设定。
一种实施方式中，电源转换器是在该第一比较器持续一预设时间长度检测到该放大误差超出该临界值时，切换为不再耦接该输入电压至该储能元件。
本发明更揭露一种电源转换器控制方法，用以操控将一输入电压降压转换为一输出电压的一电源转换器，包括：于该输出电压达稳态前的一缓冲启动阶段，监控该电源转换器中一误差放大器所生成的一放大误差，其中，该电源转换器是以一回授电路基于该输出电压产生一电压回授，联合一参考电压输入该误差放大器，使该误差放大器生成该放大误差，用于生成一控制信号操作该电源转换器的一驱动电路耦接该输入电压至一储能元件，驱动该储能元件提供该输出电压；且将监控得的该放大误差与一临界值比较，判别出超出该临界值的该放大误差，使该输入电压不再耦接该储能元件。
下文特举实施例，并配合所附图示，详细说明本发明内容。
附图说明
图1图解根据本发明一种实施方式实现的一电源转换器100；
图2根据另一种实施方式图解一电源转换器200；
图3为流程图，根据本发明一种实施方式说明一种电源转换器控制方法，以下搭配图1电源转换器100进行说明；以及
图4为波形图，左半部为没有电路问题的正常电源转换器运作，右半部为有电路问题的缺陷电源转换器运作。
附图标号
100、200:电源转换器
102:驱动电路
104:回授电路
106:控制信号产生器
108:脉冲宽度调变信号产生器
110:电流传感器
112:斜率补偿器
114:S-R闩锁
116:时钟
118:逻辑门
120:比较器comp1的输出端信号
comp1、comp2:放大器
CS:控制信号
D:比较器comp2的输出端/比较结果
EA:误差放大器
FB_I:电流回授
L:储能元件/电感
M1、M2:晶体管
R1、R2:电阻
S302…S312:步骤
S、R、Q、:S-R闩锁的输入端、或输出端
TP:比较器comp1的使能区间
TSS:缓冲启动阶段
VI:临界值
VIN:输入电压
VEA:放大误差
VFB:电压回授
VOUT:输出电压
VREF:参考电压
Σ:求和
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
以下叙述列举本发明的多种实施例。以下叙述介绍本发明的基本概念，且并非意图限制本发明内容。实际发明范围应依照权利要求的范围界定。
图1图解根据本发明一种实施方式实现的一电源转换器100，乃降压转换器(buckconverter)，将一输入电压VIN降压转换为一输出电压VOUT。电源转换器100包括一储能元件L、一驱动电路(power driver)102、一回授电路104、一误差放大器EA、以及一控制信号产生器106，特别是更具有一比较器comp1。
在一控制信号CS操作下，驱动电路102耦接该输入电压VIN至该储能元件L，驱动该储能元件L提供该输出电压VOUT。回授电路104转换该输出电压VOUT为一电压回授VFB；图示是以两电阻R1、R2分压实现该回授电路104。误差放大器EA接收该电压回授VFB、与一参考电压VREF，以生成一放大误差VEA。该放大误差VEA用于供该控制信号产生器106据以产生该控制信号CS，操作该驱动电路102。
然而，电路打线可能出现错误、或损耗，导致输出电压VOUT的回授路径断路。如此一来，电压回授VFB经电阻R2错误下拉为地端电位。误差放大器EA持续检测到电压回授VFB、与参考电压VREF之间的大误差，不停止地对误差放大器EA的输出端负载充电，导致该放大误差VEA不停扩大，无法如理想状态稳定在定值。在不停爬升的放大误差VEA驱动下，控制信号产生器106产生的该控制信号CS会操作该驱动电路102继续将输入电压VIN耦接该储能元件L，输出电压VOUT因而过度提升，损毁电源转换器100耦接的低操作电压负载。
或者，电源转换器100的输出端(VOUT)可能被错误打线接地。此状况下，电压回授VFB也是错误为地端电位。该放大误差VEA不停扩大，控制信号产生器106产生的控制信号CS会操作该驱动电路102持续将输入电压VIN耦接该储能元件L。电源转换器100可能因不停地获取能量而损毁。
本发明以比较器comp1检测以上电路缺陷。不论是输出电压VOUT的回授路径断路、或输出端(VOUT)的错误打线接地，都能准确地被比较器comp1检测出。
比较器comp1使能于该输出电压VOUT达稳态前的一缓冲启动阶段(soft-startstage)，将该放大误差VEA与一临界值VI比较，判别出超出该临界值VI的该放大误差VEA，使该输入电压VIN不再耦接该储能元件L。倘若发生的是输出电压VOUT的回授路径断路，断开该输入电压VIN与该储能元件L的连接可以避免输出电压VOUT伤害理应低操作电压的负载。倘若发生的是输出端(VOUT)遭错误打线接地，断开该输入电压VIN与该储能元件L的连接可以避免该电源转换器100因为不停地获取能量而损毁。
一种实施方式是在比较器comp1持续一预设时间长度都检测到该放大误差超VEA超出该临界值VI后，才令该电源转换器100切换为不再耦接该输入电压VIN至该储能元件L；避免误触如此保护机制。
图1更举例该控制信号产生器106细节。该控制信号产生器106包括一脉冲宽度调变信号产生器108、以及一比较器comp2。脉冲宽度调变信号产生器108产生一脉冲宽度调变(PWM)信号，用以产生该控制信号CS操作该驱动电路102。比较器comp2将该放大误差VEA与该电源转换器100的一电流回授FB_I比较，提供一比较结果D给该脉冲宽度调变信号产生器108，调整该脉冲宽度调变信号的工作周期(duty cycle)，继而产生适当的控制信号CS。一种实施方式中，比较器comp1一旦检测到电路缺陷(VEA持续超过VI一预设时间长度)，该脉冲宽度调变信号即停止其PWM振荡，工作周期为零。控制信号CS因而也不再耦接输入电压VIN至储能元件L。
此段落介绍电流回授FB_I的一种取得方式。如图所示，电源传感器100更包括一电流传感器110、以及一斜率补偿器112。电流传感器110感测该输入电压VIN耦接该储能元件L所产生的一电流。斜率补偿器112补偿该电流传感器110感测到的该电流的变化斜率，以产生该电流回授FB_I给该比较器comp2。
图1如此电路结构下，比较器comp1所接收的临界值VI可有以下设计。该临界值VI可基于一直流电压VDC、一斜率电压VSlope、一电流感测电压VSns、以及一容错量Vtol而设定。该直流电压VDC为相应该误差放大器EA的输出区间的一直流偏移。该斜率电压VSlope与该斜率补偿器112的电路特性相关。该电流感测电压VSns与该电流传感器110的电路特性相关。
例如，理想状态下，放大误差VEA如下：
VEA＝VDC+VSlope+VSns
一种实施方式即令VI如下：
VI＝VDC+VSlope+VSns+Vtol
一种实施方式中，该临界值VI更相应该输入电压VOUT以及该输出电压VI的多种转比(VOUT/VI)、以及电源转换器100多种负载状况而设定。例如，容错量Vtol可设定为足以应付多种转比(VOUT/VI)、以及多种负载状况。
以下更详述图1其它电路细节。
该误差放大器EA是以一正端输入‘+’接收该参考电压VREF，且是以一负端输入‘-’接收该电压回授VFB。比较器comp1是以一正端输入‘+’接收该放大误差VEA，且是以一负端输入‘-’接收该临界值VI。比较器comp2是以一正端输入‘+’接收该电流回授FB_I，且是以一负端输入‘-’接收该放大误差VEA。该脉冲宽度调变信号产生器108包括一S-R闩锁114，具有一S输入端接收一时钟116，一R输入端耦接该比较器comp2的一输出端(D)。该S-R闩锁114将产生一脉冲宽度调变信号，反应再其Q输出端、以及输出端上。图1是以该S-R闩锁114的/>输出端取得该控制信号CS。该驱动电路102包括一P型场效晶体管M1、以及一N型场效晶体管M2。P型场效晶体管M1具有一栅极耦接该S-R闩锁114的该/>输出端，以根据反应在该控制信号CS上的该脉冲宽度调变信号耦接该输入电压VIN至该储能元件L。N型场效晶体管M2具有一栅极耦接该S-R闩锁114的该/>输出端，以根据该反应在该控制信号CS上的该脉冲宽度调变信号耦接与该输入电压VIN断开的该储能元件L至一接地端。
特别是，该脉冲宽度调变信号产生器108更包括一逻辑门118(如，与门，进行AND运算)。该时钟116与该比较器comp1的一输出端信号120经该逻辑门118运算后，用于控制该S-R闩锁114的该S输入端。如此一来，一旦比较器comp1检测到该放大误差VEA超出该临界值VI，该控制信号CS即切换成恒断开该输入电压VIN与该储能元件L。
另有一种实施方式，比较器cmop1的判断结果120是传递给电子系统的控制中心(例如，电子设备的控制器)，由电子系统的控制中心下令该脉冲宽度调变信号产生器108停止打出PWM信号，使该输入电压VIN恒断开该储能元件L。
以上检测放大误差VEA的技巧可使用在各种变形的电源转换器。
图2根据另一种实施方式图解一电源转换器200。实现驱动电路的晶体管包括两个N型场效晶体管M1以及M2，其所参照的控制信号CS取自S-R闩锁114的该输出端、以及该/>输出端。如图所示，N型场效晶体管M1的栅极耦接该S-R闩锁114的该Q输出端。N型场效晶体管M2的栅极耦接该S-R闩锁114的该/>输出端。电源转换器200驱动设计稍微不同于电源转换器100，但同样可由比较器comp1准确检测出输出电压VOUT的回授路径断路、或输出端(VOUT)的错误打线接地。
另外，储能元件L可有其他变形，可为其他储能元件或电路取代。
图3为流程图，根据本发明一种实施方式说明一种电源转换器控制方法，以下搭配图1电源转换器100进行说明。
步骤S302，安装有该电源转换器100的电子系统开机。接着，电子系统进入一缓冲启动阶段(soft-start stage)。步骤S304，比较器comp1使能，监控该放大误差VEA。一种实施方式可限制该比较器comp1的使能区间为固定的时间长度。步骤S306，使能的比较器comp1将判断出该放大误差VEA是否持续超过该临界值VI一预设时间长度(也可以不计时预设时间长度的评断放大误差VEA)。若比较器comp1在其使能区间中，都没有检测到该放大误差VEA的异常，流程进入步骤S308，除能该比较器comp1；电源转换器100被判定为不存在电路缺陷，输出电压VOUT的回授路径没有断路、且输出端(VOUT)也没有发现错误的打线接地。接着，待输出电压VOUT稳态，电子系统结束其缓冲启动阶段(soft-start stage)。流程进行步骤S310，电子系统允许该电源转换器100正常驱动其负载。
倘若步骤S306显示比较器comp1确实检测到该放大误差VEA的异常，流程进行步骤S312，输入电压VIN不再耦接该储能元件L(停止PWM信号)，以应付输出电压VOUT的回授路径断路、或输出端(VOUT)的错误打线接地。
图4为波形图，左半部为没有电路问题的正常电源转换器运作，右半部为有电路问题的缺陷电源转换器运作。开机后的缓冲启动阶段(soft-start stage)TSS，本发明为比较器comp1设计一段使能区间Tp。左半部图示显示电路没有缺陷时，放大误差VEA在不同负载(400mA、200mA、100mA、或空载)下都会达稳态，不会持续爬升。该临界值VI可以是多种负载的稳态状况，再抓一个容错量。如右半部波形所示，缺陷电路会导致该使能区间Tp内该放大误差VEA爬升超过该临界值VI。本发明即停止打出脉冲宽度调变信号PWM生成该控制信号CS。输入电压VIN不再耦接该储能元件L。输出电压VOUT限制在安全区间。
总之，凡是在降压的电源转换器的误差放大器EA的输出端，进行放大误差VEA监控的技术，皆属于本发明欲保护范围。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许更动与润饰，因此本发明的保护范围当视前附的权利要求范围所界定者为准。

Claims (20)

1.一种电源转换器，其特征在于，将一输入电压降压转换为一输出电压，包括：
一储能元件；
一驱动电路，在一控制信号操作下，耦接该输入电压至该储能元件，驱动该储能元件提供该输出电压；
一回授电路，耦接该输出电压，以产生一电压回授；
一误差放大器，接收该电压回授、与一参考电压，以生成一放大误差；
一控制信号产生器，根据该放大误差产生该控制信号操作该驱动电路；以及
一第一比较器，使能于该输出电压达稳态前的一缓冲启动阶段，将该放大误差与一临界值比较，判别出超出该临界值的该放大误差，使该输入电压不再耦接该储能元件。
2.如权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，该控制信号产生器包括：
一脉冲宽度调变信号产生器，产生一脉冲宽度调变信号，用以形成该控制信号操作该驱动电路；以及
一第二比较器，将该放大误差与该电源转换器的一电流回授比较，提供一比较结果给该脉冲宽度调变信号产生器，调整该脉冲宽度调变信号的工作周期。
3.如权利要求2所述的电源转换器，其特征在于，更包括：
一电流传感器，感测该输入电压耦接该储能元件所产生的一电流；以及
一斜率补偿器，补偿该电流传感器感测到的该电流的变化斜率，以产生该电流回授给该第二比较器。
4.如权利要求3所述的电源转换器，其特征在于：
该临界值基于一直流电压、一斜率电压、一电流感测电压、以及一容错量而设定；
该直流电压为相应该误差放大器的输出区间的一直流偏移；
该斜率电压相依于该斜率补偿器；且
该电流感测电压相依于该电流传感器。
5.如权利要求4所述的电源转换器，其特征在于：
该临界值更相应该输入电压以及该输出电压的多种转比、以及多种负载状况而设定。
6.如权利要求3所述的电源转换器，其特征在于：
该储能元件包括一电感；
该驱动电路包括一第一晶体管、以及一第二晶体管；
该第一晶体管系根据该脉冲宽度调变信号耦接该输入电压至该电感；且
该第二晶体管系根据该脉冲宽度调变信号耦接与该输入电压断开的该电感至一接地端。
7.如权利要求6所述的电源转换器，其特征在于：
该脉冲宽度调变信号产生器包括一S-R闩锁，具有一S输入端接收一时钟，一R输入端耦接该第二比较器的一输出端；且
该S-R闩锁具有一Q输出端、以及一输出端，且是以该Q输出端、以及该/>输出端中至少一者耦接该第一晶体管与该第二晶体管，使该第一晶体管、以及该第二晶体管根据该脉冲宽度调变信号操作。
8.如权利要求7所述的电源转换器，其特征在于：
该误差放大器是以一正端输入接收该参考电压，且是以一负端输入接收该电压回授。
9.如权利要求8所述的电源转换器，其特征在于：
该第一比较器是以一正端输入接收该放大误差，且是以一负端输入接收该临界值。
10.如权利要求9所述的电源转换器，其特征在于：
该第二比较器是以一正端输入接收该电流回授，且是以一负端输入接收该放大误差。
11.如权利要求10所述的电源转换器，其特征在于：
该第一晶体管为一P型场效晶体管，具有一栅极耦接该S-R闩锁的该输出端；且
该第二晶体管为一N型场效晶体管，具有一栅极耦接该S-R闩锁的该输出端。
12.如权利要求10所述的电源转换器，其特征在于：
该第一晶体管为一N型场效晶体管，具有一栅极耦接该S-R闩锁的该Q输出端；且
该第二晶体管为一N型场效晶体管，具有一栅极耦接该S-R闩锁的该输出端。
13.如权利要求10所述的电源转换器，其特征在于：
该脉冲宽度调变信号产生器更包括一逻辑门；且
该时钟与该第一比较器的一输出端信号经该逻辑门运算后，用于控制该S-R闩锁的该S输入端。
14.如权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，是在该第一比较器持续一预设时间长度检测到该放大误差超出该临界值时，切换为不再耦接该输入电压至该储能元件。
15.一种电源转换器控制方法，其特征在于，用以操控将一输入电压降压转换为一输出电压的一电源转换器，包括：
于该输出电压达稳态前的一缓冲启动阶段，监控该电源转换器中一误差放大器所生成的一放大误差，其中，该电源转换器是以一回授电路基于该输出电压产生一电压回授，联合一参考电压输入该误差放大器，使该误差放大器生成该放大误差，用于生成一控制信号操作该电源转换器的一驱动电路耦接该输入电压至一储能元件，驱动该储能元件提供该输出电压；且
将监控得的该放大误差与一临界值比较，判别出超出该临界值的该放大误差，使该输入电压不再耦接该储能元件。
16.如权利要求15所述的电源转换器控制方法，其特征在于：
该控制信号系基于一脉冲宽度调变信号而产生；
该放大误差更与该电源转换器的一电流回授比较，以调整该脉冲宽度调变信号的工作周期。
17.如权利要求16所述的电源转换器控制方法，其特征在于，更包括：
提供一电流传感器，感测该输入电压耦接该储能元件所产生的一电流；以及
提供一斜率补偿器，补偿该电流传感器感测到的该电流的变化斜率，以产生该电流回授。
18.如权利要求17所述的电源转换器控制方法，其特征在于：
该临界值基于一直流电压、一斜率电压、一电流感测电压、以及一容错量而设定；
该直流电压为相应该误差放大器的输出区间的一直流偏移；
该斜率电压相依于该斜率补偿器；且
该电流感测电压相依于该电流传感器。
19.如权利要求18所述的电源转换器控制方法，其特征在于：
该临界值更相应该输入电压以及该输出电压的多种转比、以及多种负载状况而设定。
20.如权利要求15所述的电源转换器控制方法，其特征在于，是在持续一预设时间长度检测到该放大误差超出该临界值时，切换为不再耦接该输入电压至该储能元件。
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