CN1848017A - 可调整失效时间的适应性失效时间控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调整失效时间的适应性失效时间控制器(Adaptive Dead－Time Controller)，可用于提升电源转换器在低负载下的转换效率。适应性失效时间控制器所输出的栅极驱动脉冲的周期根据电源转换器的负载情况而自动延迟一段失效时间。在高负载的情况下，失效时间极小：但在低负载的情况下，失效时间会随负载的减少而拉长。如此一来，不但能有效地控制电源转换器的输出功率，也能大大降低电源转换器本身的功率消耗，进而提升电源转换器的效率，达到节约能源与环保的要求。

Description

可调整失效时间的适应性失效时间控制器

技术领域

本发明涉及一种可调整失效时间的适应性失效时间控制器，特别是一种可用于提升电源转换器在低负载或无负载之下的转换效率的适应性失效时间控制器。

背景技术

如图1所示的电源供应器电路2中，电源转换器(power converter)8用以接收外部的输入电压Vin，并提供输出电压Vo至负载装置6，反馈控制电路10可依据输出电压Vo及电流信号CS(current sense)的电位大小而输出适当的栅极驱动脉冲Gate Pulse至电源转换器8，调整电源转换器8运作，以提供较大或较小的功率至负载装置6。例如：当负载装置6为重载时，反馈控制电路10可令电源转换器8提供较大功率的输出，以供系统的需求；当负载装置6为轻载时，反馈控制电路10可令电源转换器8提供较小功率的输出，以节省功率的消耗。其中，电源转换器8可视不同规格需求而使用如降压式转换器(buckconverter)、升压式转换器(boost converter)、返驰式转换器(flybackconverter)或顺向转换器(forward converter)等不同电路，反馈控制电路10则大多使用脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)的方式以调整电源转换器8的运作。图1所示为电流模式控制(current mode control)，其同时侦测输出电压与开关元件(未显示)上的开关电流CS作为反馈信号。当然，也可使用电压模式控制(voltage mode control)，其仅使用输出电压作为反馈的依据，其模式的选择可依使用者的需求而定。由上述中可知，反馈控制电路10如何依据负载装置6的负载状态而动态地调整电源转换器8的运作模式，将是影响电源供应器2的输出效率的重要因素。

参考图2及图3，图2为现有的反馈控制电路10的方块图，图3为现有的反馈控制电路10运作时的时序图。现有的反馈控制电路10包括控制电路及反馈补偿电路17、18。而控制电路组设有误差放大器(Error Amplifier)11、参考电压产生器12、比较器13、振荡器14、SR型触发器15、与栅极驱动器(GateDrive)16。

现有的反馈控制电路10的工作原理如下：输出电压Vo经由反馈补偿电路18而输入至误差放大器11的负端，误差放大器11将输出电压Vo与参考电压产生器12所产生的参考电压Vref进行比较，并产生误差电压Ve至反馈补偿电路17以及比较器13的负端。其中，反馈补偿电路17、18为电阻与电容所组成的电路，其目的在于稳定现有的反馈控制电路10的运作。

比较器13将误差电压Ve与开关元件(未显示，其置于电源转换器8中)所输出的开关电流CS的电压进行比较以产生重置信号Reset至SR型触发器15。另一方面，振荡器14所产生的振荡输出信号CLKOUT将周期性地使栅极驱动脉冲Gate Pulse为回复高电压电位。

当开关元件的开关电流CS的电压小于误差电压Ve时，则重置信号Reset为低电压电位，因为振荡器14的振荡输出信号CLKOUT将设定SR型触发器15的输出值为高电压电位，所以栅极驱动脉冲Gate Pulse的电压电位此时会一直维持高电位；直到开关元件的开关电流CS信号大于误差电压Ve，则重置信号Reset为高电压电位，并同时重置栅极驱动脉冲Gate Pulse为低电压电位，直到振荡输出信号CLKOUT重新设定SR型触发器15的输出值为止。借由设定-重置的循环过程所产生的栅极驱动脉冲Gate Pulse的脉冲宽度，将决定电源转换器8的输出功率。

参考图4及图5，图4为振荡器14的方块图，图5为振荡器14运作时的时序图。振荡器14包括充电电流源140、放电电流源141、切换电容142、比较器143、比较器144、SR型触发器145、反相器146、晶体管开关147、及晶体管开关148。比较器143及比较器144将对振荡信号OSC与高参考电压VH及低参考电压VL进行比较。假设振荡信号OSC高于高参考电压VH时，比较器143的输出CLK2为高电位时，SR型触发器145的输出数据信号CLK3为低电压电位，因而导通晶体管开关148，使振荡信号OSC的电压电位降低(由放电电流源141进行放电)；当振荡信号OSC低于低参考电压VL时，比较器144的输出CLKOUT为高电位时，SR型触发器145的输出数据信号CLK3为高电压电位，因而导通晶体管开关147，使振荡信号OSC的电压电位提升(由充电电流源140进行充电)。由上述中可知，振荡器14将输出固定周期的振荡输出信号CLKOUT。

然而，振荡输出信号CLKOUT的频率为固定，导致作为电源转换器8的工作频率的栅极驱动脉冲Gate Pulse的频率也为固定。固定频率的栅极驱动脉冲Gate Pulse将使得电源转换器8于轻负载或无负载时的固定切换损耗(switching losses)仍高，无法符合节省能源的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种可调整失效时间的适应性失效时间控制器，能依据负载装置的负载状态而调整电源转换器的工作频率，能降低电源转换器于轻负载下的功率消耗，大大提高转换效率。

为实现上述目的，本发明公开了一种可调整失效时间的适应性失效时间产生器，其可依据输出电压的变化而调整时钟输出信号所对应的振荡输出信号，其包括：转换电路，用以输入输出电压而输出对应控制信号；受控源，用以依据对应控制信号以输出能量；固定源，用以汲取定值能量，并将其输出；反相器，用以输入时钟输出信号以输出反相时钟输出信号；储能元件，用以存储能量及定值能量，并提供充电电压；晶体管开关，用以依据反相时钟输出信号而提供储能元件释放能量及定值能量的路径；以及比较器，用以比较充电电压以及阈值电压，并依据比较的结果而输出对应的振荡输出信号：其中，当输出电压的电压电位下降时，振荡输出信号的上升沿较时钟输出信号的上升沿延迟失效时间。

为实现上述目的，本发明公开了一种可调整失效时间的适应性失效时间产生器，其可依据输出电压的变化而调整时钟输出信号所对应的振荡输出信号，其包括：压控振荡器，用以输入输出电压而输出时钟输出信号；以及计数器，用以计数时钟输出信号，当计数超过临界数目时，则输出振荡输出信号；其中，当输出电压的电压电位下降时，振荡输出信号的上升沿较时钟输出信号的上升沿延迟失效时间。

为实现上述目的，本发明公开了一种适应性失效时间控制器，用以调整电源转换器于不同负载下所对应的工作频率，其包括：参考电压产生器，用以提供参考电压；误差放大器，用以比较输出电压及参考电压，并输出误差电压，输出电压将依负载的大小而呈正比的调整；比较器，用以比较误差电压及开关电流，并输出重置信号；振荡器，用以提供时钟输出信号；适应性失效时间产生器，用以依据输出电压的变化而调整时钟输出信号所对应的振荡输出信号，并将其输出；触发器，用以依据重置信号及振荡输出信号以调整栅极驱动器的输出，以调整栅极驱动脉冲的周期；其中，当输出电压的电压电位下降时，振荡输出信号的上升沿较时钟输出信号的上升沿延迟失效时间。

附图说明

图1为电源供应电路的示意图；

图2为现有的反馈控制电路的方块图；

图3为现有的反馈控制电路运作时的时序图；

图4为振荡器的方块图；

图5为振荡器运作时的时序图；

图6为本发明反馈控制电路的方块图；

图7为本发明反馈控制电路的另一方块图；

图8为本发明适应性失效时间控制器的方块图；

图9为本发明适应性失效时间控制器运作的时序图；

图10为误差电压、振荡输出信号、及振荡信号对应关的示意图；

图11为本发明适应性失效时间控制器的第一实施例的方块图；

图12为本发明适应性失效时间控制器的第一实施例运作的时序图；

图13为本发明适应性失效时间控制器的第二实施例的方块图；以及

图14为本发明适应性失效时间控制器的第二实施例运作的时序图。

其中，附图标记：

2-电源供应器

6-负载装置

8-电源转换器

10-反馈控制电路

11-误差放大器

12-参考电压产生器

13-比较器

14-振荡器

15-SR型触发器

16-栅极驱动器

17-反馈补偿电路

18-反馈补偿电路

20-适应性失效时间控制器

30-适应性失效时间产生器

40-适应性失效时间控制器

50-适应性失效时间控制器

140-充电电流源

141-放电电流源

142-切换电容

143-比较器

144-比较器

145-SR型触发器

146-反相器

147-晶体管开关

148-晶体管开关

301-转换电路

302-反相器

303-受控电流源

304-晶体管开关

305-切换电容

306-比较器

401-肖特基二极管

402-加法器

403-电压控制电流源

404-固定电流源

501-磁滞比较器

502-受控电流源

503-固定电流源

具体实施方式

如图6所示，由于现有的反馈控制电路10具有上述缺失，因此，本发明公开了一种可调整失效时间的适应性失效时间产生器(Adaptive Dead-TimeGenerator)30，可将其加于现有的反馈控制电路10，而形成本发明可调整失效时间的适应性失效时间控制器(Adaptive Dead-Time Controller)20，且其无须修改现有的反馈控制电路10内部其它元件。本发明适应性失效时间产生器30仅需置于振荡器14与SR型触发器15之间，即可完成本发明反馈控制电路20的设计。如图7所示的振荡器14内部电路与适应性失效时间产生器30的连接图，如此一来，当电源转换器8于轻负载或无负载时，误差电压Ve将逐渐下降，本发明适应性失效时间控制器30因而延长振荡信号OSC的周期(周期延长的大小与负载成反比)，使振荡输出信号CLKOUT的周期也延长，等同于间接延长栅极驱动脉冲Gate Pulse的脉冲宽度，以降低电源转换器8的固定切换损耗，以符合节省能源的要求。

参考图8及图9，图8为本发明适应性失效时间产生器30的方块图，图9为本发明可调整失效时间的适应性失效时间控制器20与本发明适应性失效时间产生器30运作的时序图。本发明适应性失效时间产生器30包括转换电路301、反相器302、受控电流源303、晶体管开关304、切换电容305、及比较器306。转换电路301可依据误差电压Ve的电压大小而输出对应的转换信号至受控电流源303，以调整受控电流源303所汲取的充电电流I_td(用以对切换电容305进行充电)。当然，受控电流源303也可由受控电压源所取代，转换电路301也可依据误差电压Ve的电流大小而输出对应的转换信号至受控电压源。如此一来，充电电流I_td与误差电压Ve为函数关系，此函数关系可为一次函数、二次函数、指数函数等，较佳为一次函数。其中，本发明适应性失效时间产生器30为模拟电路，可想而知地，受控电流源303与转换电路301也可由压控振荡器(VCO)所取代，并将晶体管开关304、切换电容305、及比较器306由一计数器所取代，反相器302的输出也连结至计数器，而成为数字电路的实施方式。

当该输出电压的电压电位下降时，该振荡输出信号的上升沿较该时钟输出信号的上升沿延迟该失效时间。

当误差电压Ve因为高负载而维持高电压电位时，其对应的误差电压Ve的充电电流I_td较大，可迅速地对切换电容305进行充电，使其充电电压V_td超过阈值电压V_th而输出高电位的振荡输出信号CLKOUT，并假设此充电所需的时间极短，可忽略不计，则比较器144所输出的时钟输出信号CLK1(为现有的反馈控制电路10的振荡输出信号CLKOUT)与比较器306所输出的振荡输出信号CLKOUT为相同，故本发明反馈控制电路20于高负载下的运作与现有的反馈控制电路10相同。

当误差电压Ve因为负载下降而由高电压电位降为低电压电位时，因为误差电压Ve降低，所以充电电流I_td的电流量也降低，因而延长切换电容305充电至阈值电压V_th的时间，并将此延长时间td称的为失效时间(dead-time)。待切换电容305的充电电压V_td等于/大于阈值电压V_th时，比较器306才输出高电位的振荡输出信号CLKOUT。由图10中可知，时钟输出信号CLK1的上升沿与比较器306所输出的振荡输出信号CLKOUT的上升沿，两者相差延长时间td，而时钟输出信号CLK1的下降沿与比较器306所输出的振荡输出信号CLKOUT的下降沿，两者为同步，故振荡输出信号CLKOUT仅被延迟一段延长时间td，其波形并无改变。于延长时间td的时间内，振荡信号OSC停止设定-重置的循环过程，因此振荡信号OSC所对应的栅极驱动脉冲Gate Pulse的周期也延迟一段延长时间td，因而达到低负载时降低栅极驱动脉冲Gate Pulse频率的目的。如图10所示，本发明适应性失效时间产生器30可依误差电压Ve的变化而调整振荡输出信号CLKOUT相较于时钟输出信号CLK1所被延长的延长时间td，因而调整振荡信号OSC的频率。

而数字电路的运作方式与上述模拟电路相似，当时钟输出信号CLK1为高电位时，反相器302激活计数器，此时，压控振荡器可依据误差电压Ve的大小而产生不同周期的时钟输出信号(例如：误差电压Ve的电压电位越高，时钟输出信号的周期越短)，计数器再对时钟输出信号进行计数，当计数的结果超过临界数目时，则输出振荡输出信号CLKOUT，因而提供与本发明适应性失效时间产生器30相似的功能。

如图11所示，本发明适应性失效时间控制器30的第一实施例适应性失效时间控制器40包括：肖特基二极管(schottky diode)401、加法器402、电压控制电流源403、固定电流源404、反相器302、晶体管开关304、切换电容305、及比较器306。由此可知，转换电路301及电流源303的功能由肖特基二极管401、加法器402、电压控制电流源403、及固定电流源404所实现。若将肖特基二极管401的微小压降忽略不计，肖特基二极管401将误差电压Ve抑制于最高电压Va，加法器402用以将误差电压Ve减去定值电压Vb，并以其结果控制电压控制电流源403的电流汲取量，并使结果呈函式关系。例如，电流源403的电流汲取量为加法器402的结果的K倍，其中， $K=\frac{I2-I1}{\mathrm{Va}-\mathrm{Vb}}.$ 参考图12，于高负载时，电压控制电流源403及固定电流源404汲取最大电流I2以对切换电容305进行充电，此时，振荡输出信号CLKOUT的频率为最高频率f2；当负载降至最低时，仅由固定电流源404汲取最小电流I1以对切换电容305进行充电，此时，振荡输出信号CLKOUT的频率为最低频率f1。

如图13所示，本发明适应性失效时间控制器30的第二实施例适应性失效时间控制器50包括：磁滞比较器501、受控电流源502、固定电流源503、反相器302、晶体管开关304、切换电容305、及比较器306。由此可知，转换电路301及受控电流源303的功能由磁滞比较器501、受控电流源502、固定电流源503所实现。利用磁滞比较器501的磁滞现象以降低磁滞比较器501对误差电压Ve的灵敏度以避免噪声造成的误动作，当误差电压Ve大于较大电压Vc时，磁滞比较器501的输出信号激活受控电流源502的运作；当误差电压Ve小于较小电压Vd时，磁滞比较器501的输出信号取消受控电流源502的运作，如果误差电压Ve介于较大电压Vc及较小电压Vd的磁滞区时，则放大器501的输出信号不改变。参考图14，于高负载时，受控电流源502及固定电流源503共同汲取最大电流I2以对切换电容305进行充电，此时，振荡输出信号CLKOUT的频率为最高频率f2；当负载降至最低时，仅由固定电流源503汲取最小电流I1以对切换电容305进行充电，此时，振荡输出信号CLKOUT的频率为最低频率f1。

本发明适应性失效时间控制器30可依负载装置6的重/轻负载而调整振荡信号OSC的周期(使其周期延长)，以间接调整电源转换器8的运作。因此，电源转换器8重/轻负载皆能稳定地运作，且使电源转换器8于轻负载下降低功率消耗，达到本发明的目的。

当然，本发明还可有其他多种实施例，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 (22)

1.一种可调整一失效时间的适应性失效时间产生器，其特征在于，可依据一输出电压的变化而调整一时钟输出信号所对应的一振荡输出信号，其包括：

一转换电路，用以输入所述输出电压而输出一对应控制信号；

一受控源，用以依据所述对应控制信号以输出一能量；

一固定源，用以汲取一定值能量，并将其输出；

一反相器，用以输入所述时钟输出信号以输出一反相时钟输出信号；

一储能元件，用以存储所述能量及所述定值能量，并提供一充电电压；

一晶体管开关，用以依据所述反相时钟输出信号而提供所述储能元件释放所述能量及所述定值能量的路径；以及

一比较器，用以比较所述充电电压以及一阈值电压，并依据比较的结果而输出对应的所述振荡输出信号；

其中，当所述输出电压的电压电位下降时，所述振荡输出信号的上升沿较所述时钟输出信号的上升沿延迟所述失效时间。

2.根据权利要求1所述的适应性失效时间产生器，其特征在于，所述受控源为受控电流源。

3.根据权利要求1所述的适应性失效时间产生器，其特征在于，所述受控源为受控电压源。

4.根据权利要求1所述的适应性失效时间产生器，其特征在于，所述固定源为固定电流源。

5.根据权利要求1所述的适应性失效时间产生器，其特征在于，所述储能元件为一电容。

6.根据权利要求1所述的适应性失效时间产生器，其特征在于，所述转换电路的所述输出电压与所述对应控制信号呈一次函数、二次函数、或指数函数的对应。

7.根据权利要求1所述的适应性失效时间产生器，其特征在于，所述转换电路包括一肖特基二极管及一加法器。

8.根据权利要求1所述的适应性失效时间产生器，其特征在于，所述转换电路包括一磁滞比较器。

9.根据权利要求1所述的适应性失效时间产生器，其特征在于，所述阈值电压为固定值。

10.一种可调整一失效时间的适应性失效时间产生器，其特征在于，可依据一输出电压的变化而调整一时钟输出信号所对应的一振荡输出信号，其包括：

一压控振荡器，用以输入所述输出电压而输出一时钟输出信号；以及

一计数器，用以计数所述时钟输出信号，当计数超过一临界数目时，则输出所述振荡输出信号；

其中，当所述输出电压的电压电位下降时，所述振荡输出信号的上升沿较所述时钟输出信号的上升沿延迟所述失效时间。

11.一种适应性失效时间控制器，其特征在于，用以调整一电源转换器于不同负载下所对应的工作频率，包括：

一参考电压产生器，用以提供一参考电压；

一误差放大器，用以比较一输出电压及所述参考电压，并输出一误差电压，所述输出电压将依负载的大小而呈正比的调整；

一比较器，用以比较所述误差电压及一开关电流，并输出一重置信号；

一振荡器，用以提供一时钟输出信号；

一适应性失效时间产生器，用以依据所述输出电压的变化而调整所述时钟输出信号所对应的一振荡输出信号，并将其输出；以及

一触发器，用以依据所述重置信号及所述振荡输出信号以调整一栅极驱动器的输出，以调整一栅极驱动脉冲的周期；

其中，当所述输出电压的电压电位下降时，所述振荡输出信号的上升沿较所述时钟输出信号的上升沿延迟一失效时间。

12.根据权利要求11所述的适应性失效时间控制器，其特征在于，所述反馈控制电路还包括至少一反馈补偿电路。

13.根据权利要求11所述的适应性失效时间控制器，其特征在于，所述适应性失效时间产生器包括：

一转换电路，用以输入所述输出电压而输出一对应控制信号；

一受控源，用以依据所述对应控制信号以输出一能量；

一固定源，用以汲取一定值能量，并将其输出；

一反相器，用以输入所述时钟输出信号以输出一反相时钟输出信号；

一储能元件，用以存储所述能量及所述定值能量，并提供一充电电压；

一晶体管开关，用以依据所述反相时钟输出信号而提供所述储能元件释放所述能量及所述定值能量的路径；以及

一比较器，用以比较所述充电电压以及一阈值电压，并依据比较的结果而输出对应的所述振荡输出信号；

其中，当所述输出电压的电压电位下降时，所述振荡输出信号的上升沿较所述时钟输出信号的上升沿延迟所述失效时间。

14.根据权利要求13所述的适应性失效时间控制器，其特征在于，所述受控源为电流源。

15.根据权利要求13所述的适应性失效时间控制器，其特征在于，所述受控源为电压源。

16.根据权利要求13所述的适应性失效时间产生器，其特征在于，所述固定源为固定电流源。

17.根据权利要求13所述的适应性失效时间控制器，其特征在于，所述储能元件为一电容。

18.根据权利要求13所述的适应性失效时间控制器，其特征在于，所述转换电路的所述输出电压与所述对应控制信号呈一次函数、二次函数、指数函数的对应。

19.根据权利要求13所述的适应性失效时间控制器，其特征在于，所述转换电路包括一肖特基二极管及一加法器。

20.根据权利要求13所述的适应性失效时间控制器，其特征在于，所述转换电路包括一磁滞比较器。

21.根据权利要求13所述的适应性失效时间控制器，其特征在于，所述阈值电压为固定值。

22.根据权利要求13所述的适应性失效时间控制器，其特征在于，所述适应性失效时间产生器包括：

一压控振荡器，用以输入所述输出电压而输出一时钟输出信号；以及

一计数器，用以计数所述时钟输出信号，当计数超过一临界数目时，则输出所述振荡输出信号；

其中，当所述输出电压的电压电位下降时，所述振荡输出信号的上升沿较所述时钟输出信号的上升沿延迟所述失效时间。

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