TW201014138A - DC-DC switched-mode converter with a period bifurcation control mechanism - Google Patents

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201014138 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係相關於一種切換式直流至直流轉換器，尤指一種具 有週期分叉控制機制之切換式直流至直流轉換器。 【先前技術】 電子產品中，通常僅提供少數個主要電壓源，例如12伏特 ❹（猶）、9伏特’然而系統中具有各種不同功能之積體電路 (Integrated Circuit) ’而這些積體電路又分別使用不同之電源，例 如5伏特電源、3.3雜魏，此時便冑要-祕來轉換電壓。 明參考第1圖’第1圖為先前技術之直流降壓式轉換器 之電路圖。直流降壓式轉換器1〇〇包含一輸入電壓源Μη、一屬 體101 一極體102、一電感1〇3、及-電容1〇4。輸入電愿 ❹Vm供給至電晶體1〇1之没極，電晶體⑼之源極輛接至二極力 ⑽之第一端，二_ 102之第二端雛於一接地端，電感1〇 之第端輕接至電晶體101的輪出端，電感1〇3之第二端搞接: 電容1〇4之第一端，電容104之第二端雛於接地端。當電晶」 HH導通時’輸入電壓源Vin提供能量給電感ι〇3與輸出端之美 L Π一極體1〇2反向截止’而電感1〇3上的壓降使電感10 所Γ肺ί升在儲驗態’流過鶴103上的電齡了提供負1 於雷厥机之外，同時也對電容104充電。當電晶體101截止時 輸入源Vin無法提供能量給電感⑽，電感⑽兩端電麼的 201014138 性反轉，而二極體l〇2因電感103釋能順向導通，電感i〇3與電 容104上的儲能藉由二極體102形成迴路而傳遞能量給負載，電 感電流並會下降直到電晶體1〇1再次導通。 請參考第2圖，第2圖為第1圖中控制電晶體i〇i之控制訊 號VG1及直流降壓式轉換器1〇〇之輸出電麗v〇之波形圖。當控 制訊號VG1對應至一高電壓準位時，輸出電壓v〇會逐漸提昇， ❹當控制訊號VG1對應至一低電壓準位時，輸出電壓¥〇便緩步降 低。輸出電壓Vo的平均值與輸入電壓Vin的關係可表示為： V音， 其中D等於Ton/T，亦即控制訊號VG1的責任週期（_ cyde)， 因此，只要調整控制VG1的責任比（dutyrati〇)便可產生不 同的輸出電壓Vo。 〇 請參考第3圖’第3圖為直流降壓式轉換器1〇〇之輸出電壓

Vo產生週期分叉之波形圖。當責任週期小於5〇%時，輸出電壓％ 的波形只會有-個穩態，不會出現週期分又（peri〇dbifiircati〇n) 的現象。當責任週期大於50%日夺，若輸出電麼v〇的準位在一個貴 任週期中未達到預定的電壓準位，則電晶體1〇1會持續導通直到 下-個責任週期，因此輸出電^v〇的波形可能產生第二個穩態， 第二個穩態之頻率為第一穩態的一半，稱為倍週期分又（period d〇ubIing bifiircation>當責任週期大於67%時輸出電壓％的波 形可能產生第三個穩態。輪出電麗v〇進入第二個穩態後，就很難 201014138 再回到第-個穩態，此時輸㈣壓〜_率就不符合所需，另外 輸出電壓Vo的漣波（ripple)也會變大。 【發明内容】 因此’本發明之-目的在於提供一種具有週期分又控制機制 之切換式直流至直流轉換器。 ❹ 本發鶴提供—種具魏齡讀纖狀4贿壓式轉換 器包3第一開關、—第二開關、一電感、一電容、一切換控 制電路、-責任週期偵測器、一控制訊號產生器及一控制訊號選 擇器。該第一開關雛於一第一電源端及一第一節點之間。該第 -開，接於該第-節點及―第二電源端之間。該電感柄接於該 第節點及-第二節點之間。該電容輕接於該第二節點及該第二 電源端之間。該切換控制電路雛於該第二節點，絲產生一第 -控制訊號。該責任週期偵測器麵接於該切換控制電路用來偵 測該第-控制訊號之責任週期以產生一侧訊號。該控制訊號產 生器用來產生-第二控制訊號。該控制訊號選擇器输於該切換 控制電路、該責任週期偵測器及該控制訊號產生器，用來根據該 制訊號輸出該第-控制訊號或該第二控制訊號以控制該第一開 關0 本發明另提供一種具有週期分叉控制機制之切換式直流至直 流轉換器’包含-電壓轉換電路…切換控制電路、—責任週期 201014138 偵測器、一控制訊號產生器及一控制訊號選擇器。該電壓轉換電 路用來轉換一電壓準位。該切換控制電路耦接於該電壓轉換電 路，用來產生一第一控制訊號。該責任週期偵測器耦接於該切換 控制電路，用來偵測該第一控制訊號之責任週期以產生一偵測訊 號。該控制訊號產生器用來產生一第二控制訊號。該控制訊號選 擇器耦接於該切換控制電路、該責任週期偵測器及該控制訊號產 生器，用來根據該偵測訊號輸出該第一控制訊號或該第二控制訊 〇 號以控制該電壓轉換電路。 【實施方式】 切換式直流至直流轉換器利用儲能元件暫時儲存輸入能量再 釋放該能量來將一電壓準位轉換至另一不同的電壓準位，其中儲 能元件包含電感或電容。切換式直流至直流轉換器的作用即是在 輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調節輸出電壓為所設定的 ❹ 準位’一般是利用控制開關導通的責任週期來改變平均輸出電壓 之大小。切換式直流至直流轉換器包含降壓式(step_downbuckm 換器、升壓式(step-upboost)轉換器、升降壓式(steiMi〇wn/step_up buck-boost)轉換器’其中降壓式轉換器及升壓式轉換器是基本的轉 換器的電路架構，升降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合。在 本發明之實施例中，以降壓式轉換器作說明，然而本發明亦適用 於升壓式轉換器及升降壓式轉換器。 * 請參考第4圖，第4圖為本發明之直流降壓式轉換器5〇〇之 201014138 實施例之方塊圖。直流至直流轉換器500包含一供應電源5(n、一 第一開關502、一第二開關503、一電感504、一電容505、一負 載506、一切換控制電路510、一振盪器520、一責任週期偵測器 530、一控制訊號產生器540及一控制訊號選擇器550。第一開關 502搞接於一電源端Vs及一第一節點N1之間’第二開關503搞 接於第一節點N1及一接地端GND之間，電感5〇4耦接於第一節 點N1及第二節點N2之間，電容505耦接於第二節點N2及接地 ❹端GND之間。切換控制電路510耦接於第二節點犯，用來產生 第一控制訊號S1。責任週期偵測器530耦接於切換控制電路51〇， 用來偵測第一控制訊號S1之責任週期以產生一偵測訊號Sd。控 制訊號產生器用來產生一第二控制訊號S2。控制訊號選擇器55〇 耦接於切換控制電路510、責任週期偵測器530及控制訊號產生器 540’用來根據偵測訊號Sd輸出第一控制訊號S1或第二控制訊號 S2以控制第一開關502。振盪器520用來提供切換控制電路51〇、 ⑩ 責任週期偵測器530及控制訊號產生器540操作之時脈訊號 CLK。在本實施例中’第一開關5〇2為一 PM〇s電晶體，第二開 關503為一 NMOS電晶體。然而，第二開關503也可以是一二極 體。當第一開關502導通時，第二開關503截止，當第一開關502 截止時’第二開關503導通。 明參考第5圖，第5圖為第4圖之切換控制電路51〇之電路 圖。切換控制電路510包含一第一電阻511、一第二電阻512、一 * 誤差積分器513、一比較器514及一 SR栓鎖器515。當第一開關 201014138 502導通而第二開關503截止時，電縣Vs對電感504充電並輸 出電壓至節點N2。當第一開關5〇2截止而第二開關5〇3導通時， 電感5〇4的電廢反向，對電容5〇5及負載5〇6放電。切換控制電 路18使用節點N2之輸出電壓V〇ut產生第-控制訊號S1之責任 周期’輸出電壓細藉由第一電阻511及第二電阻512產生反饋 電壓vfb。反饋電壓Vfb與—參料壓爾進行誤差積分，再將 誤差積分器513之輸出電壓Vc與一三角波電壓vramp進行比較。 ❹當電壓Vc小於二角波電壓Vram時就會觸發SR栓鎖|| 515將第 一開關502截止。

切換控制電路51〇根據直流至直流轉換器5⑻之輸出電壓 Vout產生-第-控制訊號8卜由於當第一控制訊㈣大於观 責任週期時，直流降壓轉換器5⑽之輸出電壓伽就可能產生眉 期分叉（periodbifecation)，也就是輸出電壓偏的波形可能存 ❹在於一個以上的穩態。因此，本發明之直流降壓轉換器使用 貝任週期制器530、控制訊號產生器54〇及控制訊號選擇器％( 改變控制訊號，骑直崎壓轉魅之輪出電壓v灿維射 -個穩態。責任週期偵測器53_測第一控制訊_以產生一你 測訊號Sd。當第-控制訊號S1超過聰責任週期時，責任週势 _器530輸出之偵測訊號Sd為高準位。控制訊號產生器剩 輸出-，有1設責任週期之第二控制訊號幻。控制訊號選㈣ 根據偵測訊號Sd輸出第一控制訊號S1或第二控制訊號幻。 *虽偵測訊號sd為低準位時，控制訊號選擇器55〇輸出第一控制H 11 201014138 號S1。當摘測訊號Sd為高準位時，控制訊號選擇器55〇輸出第 二控制訊號S2 β假設第二控制訊號S2為5〇%責任週期，當責任 週期偵測器530偵測到第一控制訊號S1超過1〇〇%責任週期時， 此時控制訊號選擇器550輸出的控制訊號s〇之責任週期可表示 為： = 75-/0 100%+ 100% © 請參考第6®，第6圖為第4圖之責任週期摘測器530、控制 訊號產生器540及控制訊號選擇器55〇之電路圖。責偵 器530包含-D型正反器531。賴正反器531之輸入 第一控制訊號，D型正反器531之輸入端CLK接收振盪器52〇產 生之時脈訊號，D型正反器531之輸出端Q輸出偵測訊號。控制 訊號產生器540包含一 SR栓鎖器54卜一第一緩衝器542、一電 阻543、一電晶體544、一電容545及一第二緩衝器546。SR栓鎖 〇 器541之輸入端S接收振盪器520產生之時脈訊號，第一緩衝器 542、電阻543及第二緩衝器546串聯搞接於SR栓鎖器541之輸 出端Q與SR栓鎖器541之輸入端R之間，電晶體544及電容545 並聯輕接於第二緩衝器546之輸入端A及接地端之間，sr栓鎖器 541之輸出端QN耦接於電晶體544之閘極。控制訊號產生器產生 之控制訊號之責任週期決定於電阻543及電容545之RC時間常 數。控制訊號選擇器550包含一第一傳輸閘551、一第二傳輸閘 552及一反相器553。第一傳輸閘551耦接於〇型正反器531之輸 * 入端D，用來傳輸第一控制訊號，第二傳輸閘552耦接於SR栓鎖 12 201014138 器541之輸出端q，用來傳輸第二控 够一袖& 逻制訊旒。第一傳輸閘551及 第一傳輸閘552由偵測訊號所控制，告楚 田第—傳輸閘551導通時， 第一傳輸閘552截止，當第一傳輪閘55 導通。 @ 551戴止時’帛二傳輸閘552 ❹ ❹ t參考第7圖’第7_4圖之訊號之波_。訊號啦 為減器520產生之時脈訊號，訊號S1為切換控制電路5i〇產生 之第-控制訊號，訊號A為第二緩衝器％之輸人端a之訊號， 訊號B為第二緩衝器546之輸入端B之訊號，訊號幻為控制訊 號產生器540產生之第二控制訊號，訊號如為責任獅貞測請 產生之偵測訊號，訊號so為控制訊號選擇器55σ所輸出的控舰 號。當訊號S1在二個訊號CLK的脈衝的時間内都位於高準位時， 表示訊㈣超過鹏責任聊，難钟顧卿53g輸出之 铜訊號sd拉至高準位’此時控制訊_擇器55〇峨輸出訊號 幻’因此訊號so在訊號Sd為低準位時與訊號S1為相同準位，訊 號so在訊號Sd為高準位時間内與訊號S2為相同準位。 綜上所述，本發明提出一種具有週期分又控制機制之切換式 直流至直流轉換器’在本發明實施例中以直流縣式轉換器說 明，當直流降壓式轉換器之控制訊號超過100%責任週期時，就輸 出-預料任聊讀制峨，錢降駐轉鋪不會產生 週期分叉的現象。切換式直流至直流轉換器包含一電屢轉換電 路、一切換控制電路、一責任週期偵測器、一控制訊號產生器及 13 201014138 一控制訊號選擇^。切換控制電路產生-第-控制減。責任週 期偵測器_該第—控制峨之責任週期以產生_偵測訊號。控 制訊號產生n產n控制訊號。控制減選擇^根據該侦測 祝號輸出該第-控制訊號或該第二控制訊號以控制該電壓轉換電 路。本發明翻之切換式直流至直流轉換器，包含降壓式轉換器、 升壓式轉換器及升降壓式轉換器。 〇 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範 圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。 【圖式簡單說明】 第1圖為先前技術之直流降壓式轉換器之電路圖。 第2圖為第1圖中控制電晶體之控制訊號及直流降壓式轉換器之 輸出電壓之波形圖。 第3圖為直流降壓式轉換器之輸出電壓產生週期分叉之波形圖。 ❾第4圖為本發明之直麟壓賴絲之實侧之方麵。 第5圖為第4圖之切換控制電路之電路圖。 第6圖為第4圖之責任週期偵測器、控制訊號產生器及控制訊號 選擇器之電路圖。 第7圖為第4圖之訊號之波形圖。 【主要元件符號說明】 100 直流降壓式轉換器101 電晶體 201014138

102 二極體 103 104 電容 500 直流降壓式轉換器 501 502 第一開關 503 504 電感 505 506 負載 510 511 第一電阻 512 513 誤差積分器 514 515 SR栓鎖器 520 530 責任週期偵測器 531 540 控制訊號產生器 541 542 第一緩衝器 543 544 電晶體 545 546 第二缓衝器 550 551 第一傳輸閘 552 553 反相器 電感 供應電源 第二開關 電容 切換控制電路 第二電阻 比較器 振盪器 D型正反器 SR栓鎖器 電阻 電容 控制訊號選擇器 第二傳輸閘 15

Claims (1)

1. 201014138 十、申請專利範圍： 1. -種具㈣齡又测麵之直流降觀轉鮮，包含： 一第一開關，输於-第-電源端及—第__節點之間； 一第二開關’雛於該第-節點及—第二電源端之間； 一電感，耦接於該第一節點及一第二節點之間； 電谷’接於該第二節點及該第二電源端之間； 一切換控制電路，_於該第二節點，用來產生一第— © 號； 訊 一責任週期偵測器，耦接於該切換控制電路，用來偵測該第〜 控制訊號之責任週期以產生一彳貞測訊號； 一控制訊號產生器，用來產生一第二控制訊號；及 一控制訊號選擇器，耦接於該切換控制電路、該責任週期偵測 器及該控制訊號產生器，用來根據該偵測訊號輸出該第一 控制訊號或該第二控制訊號以控制該第一開關。 2. 如請求項1所述之直流降壓式轉換器，其中該責任週期偵測器 係用來偵測該第一控制訊號之責任週期是否大於1〇〇〇/0責任週 期0 3.如請求項1所述之直流降壓式轉換器，其中該責任週期偵測器 包含： 一 D型正反器，該D型正反器之輸入端接收該第一控制訊號， 該D型正反器之輸出端產生該偵測訊號。· 201014138 《如請求们所述之錢降觀繼器，其㈣控觀號產生器 包含： 一 SR拴鎖器； 一第一緩衝器，耦接於該SR栓鎖器之正輸出端； 一電阻，耦接於該第一緩衝器之輸出端； ❹ 一電晶體，接於該電阻及—接地端之間，該電晶體之間極柄 接於該SR栓鎖器之負輸出端； 一電容，並聯耦接於該電晶體；及 -第二緩衝器’输於該電阻及該SR_器之重置輸入端之 間。 ’其中該控制訊號選擇器 5.如請求項1所述之直流降壓式轉換器 包含： 一第一傳輸閘，由用來傳輪該第-控制訊號;及 -第二傳輸閘，用來傳輸該第二控制訊號。 其中該切換控制電路包 6.如請求項1所述之直流降壓式轉換器 含： 第一電阻’搞接於該第二節點. 用來產生一反饋電壓； 與一參考電壓進行誤差積 一第二電阻，耦接於該第—電阻， 一誤差積分器，用來將該反饋電壓 分； 17 201014138 比較器，絲職誤差積分ϋ之輸出訊辆—三角 行比較，·及 SR栓鎖H ’絲根據槪湘之触訊號紅該第一 訊號。 " 7. 如請求項1所述之直流降壓式轉換器，其中當該第—開關開啟 時’該第二開關關閉，當該第一開關關閉時，該第二開關開啟。 ❹ 〇 8. 如請求項1所述之直流降壓式轉換器，其中該第一開關係為一 電晶體，該第二開關係為一二極體。 9. 一種具有週期分又控制機制之切換式直流至直流轉換器，包含·· 一電壓轉換電路，用來轉換一電壓準位； 一切換控制電路，耦接於該電壓轉換電路，用來產生一第一控 制訊號； 一責任週期偵測器，耦接於該切換控制電路，用來偵測該第一 控制訊號之責任週期以產生一偵測訊號； 一控制訊號產生器，用來產生一第二控制訊號；及 一控制訊號選擇器，耦接於該切換控制電路、該責任週期偵測 器及該控制訊號產生器’用來根據該偵測訊號輸出該第〜 控制訊號或該第二控制訊號以控制該電壓轉換電路。 10. 如請求項9所述之切換式直流至直流轉換器，其中該責住週期 18 201014138 偵測器包含： 一 D型正反器，該D型正反器之輸入端接收該第一控制訊號， 該D型正反器之輸出端產生該偵測訊號。 11.如請求項9所述之切換式直流至直流轉換器，其中該控制訊號 產生器包含： 一 SR栓鎖器； ❹ 一第一緩衝器，輕接於該SR栓鎖器之正輸出端； 一電阻，耦接於該第一緩衝器之輸出端； 一電晶體，耦接於該電阻及-接地端之間，該電晶體之閘極耦 接於該SR栓鎖器之負輸出端； 一電谷，並聯柄接於該電晶體；及 -第二緩衝器’输於該電阻及該张栓鎖器之重置輸人端之 間0 ❹a 所述之切換式直流至直流轉換器，其中該控制訊號 選擇包含： 一第-傳輸閘，由用來傳輸該第—控制訊號；及 一第二傳細’用來傳輸該第二㈣訊號。 13. 2 2 9所述之切換式直流至直流轉換器其中該切換式直 抓至直流轉換器係為降壓式(step_d〇wnbuck)轉換器。、 H.如請求項9所叙切換式錢至錢轉換器，其中該切換式直 201014138 流至直流轉換器係為升壓式(step-up boost)轉換器。 I5.如請求項9所述之切換式直流至直流轉換器，其中該切換式直 直流轉換器係為升降式(step_d〇wnystep_up bUCk_b〇〇St) 轉換器。 十一、圖式： ❹ 20