TW200841565A - Device for detecting zero current applied in switching regulator and method thereof - Google Patents

Description

200841565 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種切換式調節器，特別是關於一種應 _ 用在切換式調節器中用以感測零電流的裝置及方法。 5 【先前技術】 在目前的切換式調節器中，根據電感電流的狀態可分 r 類為連續導通模式（Continuous Conduction Mode; CCM)及 不連續導通模式（Discontinuous Conduction Mode; DCM)兩 10種’圖1顯示CCM的電感電流波形，圖2顯示DCM的電 感電流波形，這兩種模式各有其優缺點及適用領域。圖3 係習知具有DCM操作的同步降壓式切換式調節器1〇〇, 其中控制電路101切換串聯在輸入電壓vin及接地GND 之間的高位側開關110及低位侧開關112,以產生電感電 I5流IL對電容c〇充電產生輸出電壓v〇ut，電阻R1及R2 ( 串聯在輸出電壓Vout及接地GND之間，用以分壓輸出電 壓Vout產生電壓VFB迴授至控制電路1〇1。在控制電路 101中’誤差放大器及補償器1〇2根據電壓VFB產生誤差 信號 VEA，脈寬調變（puise width Modulation; PWM)比較 • 20器104根據誤差信VEA產生信號PWM，邏輯及驅動器1〇6 • 根據信號PWM切換開關110及112以將輸入電壓Vin轉 換為輸出電壓Vout，零電流感測電路108感測電感電流 IL ’當電感電流IL達到零電流臨界值Ith時，零電流感測 電路108輸出信號ZCDET給邏輯及驅動器106以關閉（turn 5 200841565 off)開關110及112，防止電流逆流的情況發生。 圖4顯示圖3中切換式調節器1〇〇的電感電流仏及 相節點LX上電壓的波形，其中波形2〇〇為電感電流比， 波形202為相節點LX上的電壓。在時間u時，開關11〇 導通(turn on)而開關112關閉，電感電流比開始上升，本 領域的技術人員可得知電感電流IL的上升斜率 公式1

slope—rise=(Vin-Vout)/L W在時間t2時，開關11〇關閉而開關112導通，電感電流比 開始下降，本領域的技術人員可得知電感電流L的下降 斜率 slope_fall=Vout/L 公式 2 15 當電感電流IL低於臨界值Ith時，如時間〇所示，關閉開 關112以防相節點LX上的電壓大於零造成電感電流江逆 流，如圖4的波形2〇2所示，在時間t3至抖期間，開關 112的基底二極體(body diode)!! 4將導通，使電感電流正 仍由接地GND經相節點流向輸出端VQut，直至電感電流 IL·為零，基底二極體114才關閉。 然而，·習矣口零電流感測電路中的零電流臨界值汕在 汉物便已固定無法變更，因此，如果輸出電壓v⑽或電 感L改麦使電感電流il的下降斜率改變時，原先設定的 6 200841565 臨界值Ith可能變的不適用，例如，當電感電流IL下降斜 率過大時，電感電流IL在達到臨界值Ith後還來不及關閉 開關112，相節點LX上的電壓便變為正值造成電感電流 IL逆流，如圖5的波形204及206所示。反之，當電感電 5流1L下降斜率過小時，電感電流IL在達到臨界值Ith後， 基底一極體114導通的時間將變長，如圖6的波形208及 210所示，這將造成較大的能量消耗。 因此，一種能調整零電流臨界值的電路及方法，乃為 所冀。 10 【發明内容】 本發明的目的，在於提出一種應用在切換式調節器中

用以感測零電流的裝置及方法，其可以調節零電流臨界 值。 "L 15 20 一切換式調節器包括一高位侧開關連接在—輸入電 壓及一相節點之間，以及一低位側開關連接在該相節點及 一參考電位之間’該低位侧開關包含一基底二極體，藉由 切換該高位側及低位側開關以產生一電感電流對一 + & 充電產生一輸出電壓。根據本發明，一種應用在該切換式 調節器中用以感測零電流的裝置及方法包括—零電节^ 測電路用以感測該電感電流，在該低位側開關導通時 該電感電流低於一零電流臨界值，產生一第一户& 币化唬關閉該 低位側開關，以及一基底二極體導通時間調節器谓測，低 位側開關關閉後該基底二極體的導通時間，產生一'楚二1 第二信 7 200841565 號以供該零電流感測電路調節該零電流臨界值，若該導通 時間達到一預設值則鎖住目前的該零電流臨界值，若該導 通時間未達到該預設值則改變該零電流臨界值。 5【實施方式】 圖7係本發明的實施例，在切換式調節器300中，控 制電路301切換串聯在輸入電壓Vin及接地GND之間的 高位側開關312及低位側開關314以產生電感電流il對 電容Co充電產生輸出電壓Vout，低位侧開關314具有一 ίο 基底二極體316，電阻R1及R2串聯在輸出電壓v〇ut及 接地GND之間，用以分壓輸出電壓Vout以產生電壓vfB 迴授至控制電路301。在控制電路》01中，誤差放大器及 補償器302根據電壓VFB產生信號VEA，PWM比較器304 根據信號VEA產生信號PWM給邏輯及驅動器306以驅動 15開關312及314，零電流感測電路3〇8藉由相節點LX上 的電壓來感測電感電流IL，在電感電流IL達到零電流臨 界值Ith時，產生零電流感測信號ZCDET給邏輯及驅動器 306,基底二極體導通時間調節器310根據節點LX上的電 壓及信號ZCDET調節該臨界值Ith，以改變基底二極體316 -20 的導通時間。 . 圖8係本發明的流程圖。圖9係圖7中信號的波形圖， 其中波形500為電感電流IL，波形502為相節點lx上的 電壓，波形504為零電流感測信號ZCDET，波形506為信 號LX—RISING—DET。在梦驟40〇中，高位側開關312關 8 200841565 閉而低位側開關314導通，如時間tl所示，假設零電流感 測電路一開始的零電流臨界值一1，接著步驟402感 測電感電流IL是否小於零電流臨界值〗^^，若為否則回 到步驟400,當電感電流IL低於Ithj時，如時間t2所示， 5進入步驟404,信號ZCDET轉為高準位以關閉低位側開關 314，如圖9的波形5〇4所示，而基底二極體314將導通 以持績供應電感電流IL，跟著步驟406偵測相節點lx上 …的電壓是否大於零，此步驟可以利用零點偵測器來偵測相 節點LX上的電壓，如圖13所示，若相節點LX上的電壓 1〇不大於零則回到步驟404，若大於零則進入步驟4〇8，信 號ZCDET轉為低準位，如圖9的時間t3所示，基底二極 體316跟著關閉，接著步驟41〇，基底二極體導通時間調 節器310將判斷信號ZCDET在高準位的時間Tdj是否大 於預設的目標值Topt，如時間t2至t3，即基底二極體316 15導通的時間，若為是則進行步驟414降低零電流臨界值 、 Ith ’使其由ith—l降為ith—2，再重覆步驟400至410，若 基底二極體316導通的時間Td一2仍大於目標值Topt，如 圖9的時間t4至t5所示，就再將零電流臨界值Itll由Ith2 降為Ith—3，並重覆步驟400至410，當基底二極體316導 -通的時間等於目標值Topt時，如時間t6至t7，進行步驟 - 412將零電流臨界值Ith鎖住為Ith_3。 圖10係圖7中零電流感測電路308的實施例，其包 括N位元計數器600及比較器602，比較器602具有輸入 端604及606分別連接相節點LX及接地GND，當通過相 9 200841565 節點LX的電感電流il低於零電流臨界值ith時，比較器 6〇2輸出高準位的信號ZCDET，直至電感電流几為零時， 信號ZCDET才再轉為低準位，n位元計數器600根據來 自基底一極體導通時間調節器31〇的信號Reduce及Latch 5改變比較器602中的設定，進而調節零電流臨界值Ith。圖 11係圖10中比較器602的詳細電路，其中雙極性電晶體 616的射極為輸入端6〇4，雙極性電晶體618的射極為輸 〔 入端606，由圖7及圖9可得知，當相節點LX上的電壓 、 為（_IthxR〇n)時，信號ZCDET轉為高準位，其中Ron為開 10關314的導通阻值，再根據雙極性電晶體的特性可推得

Ith-VT[ln(l + l+2+......m)]/R〇n 公式 3 其中，VT為熱電壓，！1!為2的冪次方。從公式3可知， 15零電流臨界值Ith由電晶體616集極上的電流Ic決定，N ( 位το計數器600根據來自基底二極體導通時間調節器31〇 的信號Reduce及Latch控制開關6〇8至614以改變電流 le，進而改變零電流臨界值Ith。 圖12係圖7中零電流感測電路3〇8的第二實施例， 2〇萄比杈态702兩輸入端及708上的電壓相等時，比較 . 态702將輸出高準位的信號ZCDET，其中比較器702的輸 入端706經電壓源704連接相節點Lx，而輸入端7〇8則 接地，電壓源704提供一偏移電壓v〇ffset，同樣地，當相 節點LX上的電壓為（4thxR0n)時，信號ZCDET轉為高準 200841565 位以關閉低位侧開關314 ’同時基底二極體3i6導通以持 續供應電感電流1，直至相節點Lx上的電壓大於零時， 信號ZCDET才由高準位轉為低準位，基底二極體導通時 間調節器310根據基底二極體316導通的時間產生信號 5 Reduce及Latch至N位亓斗粉哭 t 70 4數為700以控制偏移電壓

Voffset的大小，進而改變零電流臨界值Ith。 圖13係基底二極體導通時間調節器31〇的實施例， r 信號ZCDET經一反相器連接至反或閘80ό的輸入端，零 點Υ貞測器804彳貞測相節點LX上的電壓產生信號 ίο ZCDET-RISING-DET至反或閘806的另一輸入端，反或閘 806的輸出端連接至正反器800的輸入端d，Topt係預設 的基底二極體導通時間，其經反相器802連接至正反器800 的輸入端CK，致能信號EN連接至正反器800的輸入端R 用以啟動或關閉正反器800。參照圖9，當電流IL達到臨 15 界值Ith時，如時間t2,基底二極體314導通，信號ZCDET 轉為高準位，而相節點LX上的電壓低於〇，故零點偵測 器804輸出低準位的信號ZCDET_RISING_DET，如波形 506所示，是以，反或閘806輸出高準位的信號S1給正反 器800，直至相節點LX上的電壓高於〇時，如時間t3 ’ - 20基底二極體314關閉，信號ZCDET_RISING-DET轉為高 . 準位使信號S1轉為低準位’當信號S1維持在高準位的時 間大於預設的基底二極體導通時間Το^時’產生高準位的 信號Reduce至零電流感測電路308以降低零電流臨界值 Ith，反之’當信號S1維持在南準位的日守間小於或專於預 11 200841565 設的基底二極體導通時間Topt時，產生南準位的信號 Latch至零電流感測電路308以鎖住目前的零電流臨界值 Ith。 以上對於本發明之較佳實施例所作的敘述係為闡明 5 之目的，而無意限定本發明精確地為所揭露的形式，基於 以上的教導或從本發明的實施例學習而作修改或變化是 可能的，實施例係為解說本發明的原理以及讓熟習該項技 術者以各種實施例利用本發明在實際應用上而選擇及敘 述，本發明的技術思想企圖由以下的申請專利範圍及其均 10 等來決定。 【圖式簡單說明】 圖1顯示CCM的電感電流波形； 圖2顯示DCM的電感電流波形； 15 圖3係習知具有DCM操作的同步降壓式切換式調節 為， 圖4顯示圖3中切換式調節器100的電感電流IL及 相節點LX上電壓的波形； 圖5顯示當電感電流IL下降斜率過大時，電感電流 -20 IL及相節點LX上電壓的波形； . 圖6顯示當電感電流IL下降斜率過小時，電感電流 IL及相節點LX上電壓的波形； 圖7係本發明的實施例； 圖8係本發明的流程圖； 12 200841565 圖9係圖7中信號的波形圖； 圖10係圖7中零電流感測電路308的第一實施例； 圖11係圖10中比較器602的詳細電路； 圖12係圖7中零電流感測電路308的第二實施例； 5 以及 圖13係圖7中基底二極體導通時間調節器310的實 施例。 【主要元件符號說明】 10 100 切換式調節器 101 控制電路 102 誤差放大器及補償器 104 PWM比較器 106 邏輯及驅動器 15 108 零電流感測電路 110 開關 112 開關 114 基底二極體 200 電感電流IL的波形 20 202 相節點LX上電壓的波形 204 電感電流IL的波形 206 相節點LX上電壓的波形 208 電感電流IL的波形 210 相郎點LX上電壓的波形 13 200841565 300 切換式調節器 301 控制電路 302 誤差放大器及補償器 304 PWM比較器 5 306 邏輯及驅動器 308 零電流感測電路 310 基底二極體導通時間調節器 312 開關 314 開關 10 316 基底二極體 400 高位側開關312關閉而低位側開關314導通 402 電感電流IL是否小於零電流臨界值Ith 404 信號ZCDET=1而低位側開關關閉 406 相節點LX上的電壓是否大於零 15 408 信號 ZCDET=0 410 信號ZCDET=1的時間是否大於目標值Topt 412 鎖住目前的零電流臨界值Ith 414 降低零電流臨界值Ith 500 電感電流IL的波形 -20 502 相節點LX上電壓的波形 - 504 信號ZCDET的波形 506 信號LX-RISING-DET的波形 600 N位元計數器 602 比較器 14 200841565 604 比較器602的輸入端 606 比較器602的輸入端 608 開關 610 開關 5 612 開關 ' 614 開關 616 電晶體 700 N位元計數器 702 比較器 ίο 704 電壓源 706 比較器602的輸入端 708 比較器602的輸入端 800 D型正反器 15

Claims (1)

1. 200841565 十申明專利範圍： h 一種應用在切換式調節器中用以感測零電流的裝置，該 切換式調節器包括一高位側開關連接在一輸入電壓及 一相節點之間，以及一低位側開關連接在該相節點及一 參考電位之間，該低位侧開關包含一基底二極體，藉由 切換該高位側及低位側開關以產生一電感電流對一電 容充電產生一輸出電壓，該裝置包括·· 一零電流感測電路，用以感測該電感電流，在該低位 側開關導通時，若該電感電流低於一臨界值，關 閉該低位側開關；以及 一基底二極體導通時間調節器，根據該基底二極體導 通的時間調節該臨界值。 •如凊求項1之裝置，其中該零電流感測電路包括·· 比車乂裔’藉由偵測該相節點上的電壓來感測該電感 電流’在該電感電流低於該臨界值時，產生一高 準位的第一信號以關閉該低位側開關，直至該相 節點上的電壓高於一預設值時，該第一信號轉為 低準位；以及 一计數為’根據來自該基底二極體導通時間調節器的 弟一 k號調節該臨界值。 3,如請求項2之裝置，其中該比較器包括： 一第一雙極性電晶體，其射極作連接該相節點； 一第二雙極性電晶體，與該第一雙極性電晶體共基 極’該第二雙極性電晶體的射極連接該預設值； 16 200841565 多個電流源，每_該電流源各經一開關連接該第一雙 極性電晶體的集極，該多個開關受控於該計數 裔，藉由切換該多個開關以改變該第一雙極性電 晶體集極上的電流，進而改變該臨界值。 4·如請求項2之裝置，其中該零電流感測電路更包括一電 壓源接在該相節點及比較器的輸入端之間用以提供一 偏移電壓，該計數器根據該第二信號控制該電壓源以改 變該偏移電壓，進而調節該臨界值。 10 15 ，20 5·如明求項2之裝置，其中該基底二極體導通時間調節器 包括 一零點偵測器，偵測該相節點上的電壓產生一第三信 號； θ 一邏輯電路，根據該第一及第三信號產生一第四信 號；以及 一 D型正反器，根據該第四信號判斷該基底二極體的 導通時間，在該基底二極體的導通時間大於一第 二預設值時，產生該第二信號。 ，·一種應用在切換式調節器中用以感測零電流的方法，該 切換式調節器包括一高位側開關連接在一輸入電壓及 一相節點之間，以及一低位側開關連接在該相節點及一 參考電位之間，該低位側開關包含一基底二極體，藉由 切換該高位側及低位側開關以產生一電感電流對一電 容充電產生一輸出電壓，該方法包括下列步驟： 感測該電感電流，在該低位側開關導通時，若該電感 17 200841565 電流低於一臨界值，關閉該低位侧開關；以及 偵測該低位侧開關關閉後該基底二極體的導通時 間，若該導通時間達到一預設值則維持該臨界 值，若該導通時間未達到該預設值則調節該臨界 5 值。 7·如請求項6之方法，其中該感測該電感電流的步驟包括 藉由利用一比較器偵測該相節點上的電壓來感測該電 感電流。 8·如凊求項7之方法，更包括在該電感電流低於該臨界值 1〇 日守’產生一高準位的零電流感測信號以關閉該低位側開 關’直至該相節點上的電壓高於一第二預設值時，該零 電流感測信號轉為低準位。 9·如請求項8之方法，其中該偵測該基底二極體的導通時 j的步驟包括以該零電流感測信號及該相節點上的電 15 壓來判斷該基底二極體的導通時間。 •如睛求項7之方法，其中該調節該臨界值的步驟包括提 供一偏移電壓至該比較器的輸入端以改變該臨界值。 18