TW201034388A - Buck-boost power converter and its control method, and saw-tooth wave generator applied in the same and the method thereof - Google Patents

Description

201034388 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種升降壓電源轉換器，特別是關於一 ' 種升降壓電源轉換器的鋸齒波產生器及其方法。 -5 【先前技術】 圖1顯示傳統升降壓電源轉換器10，其中功率級12 根據信號PWM1及PWM2將輸入電壓Vin轉換為輸出電 壓Vout給負載RL，電阻R1及R2分壓輸出電壓Vout產 10 生回授信號VFB，誤差放大器20放大回授信號VFB及參 考電壓Vref之間的差值產生誤差信號VEA，補償器18為 使整體系統穩定，鋸齒波產生器22提供鋸齒波信號 SAWbuck和SAWboost，比較器14及16根據誤差信號VEA 及鋸齒波信號SAWbuck和SAWboost產生信號PWM1和 15 PWM2。圖2顯示圖1中升降壓電源轉換器10操作在降壓 φ 模式時信號的波形圖，其中波形24為輸入電壓Vin，波形 26為鋸齒波信號SAWbuck，波形28為誤差信號VEA，波 形30為誤差信號VEA，波形32為信號PWM卜參照圖1 及圖2,傳統的升降壓電源轉換器10藉由負回授控制迴路 20 來調整輸入電壓Vin或負載RL變化時對輸出電壓Vout所 造成的影響，以輸入電壓Vin變化為例，當輸入電壓Vin « 由Vinl降至Vin2時，如波形24及時間tl所示，輸出電 壓Vout在回授路徑還沒反應前會因為能量不足而先下 降，由於回授信號VFB是連接在誤差放大器20的負輸入 6 201034388 端，因此誤差信VEA將由原本的準位VEA1上升至 VEA2,如波形28及30所示，又降壓鋸齒波信號SAWbuck 的振幅及週期都是固定的，如波形26所示，故信號PWM1 的責任週期（duty)將變大以使輸出電壓Vout回到原設定 • 5 值，如波形32所示。然而，由於誤差放大器需補償以滿 足電源轉換器10的穩定性，因此閉迴路及補償器18將使 誤差信號VEA無法在輸入電壓Vin改變時立即反應，以 使輸出電壓Vout回到原設定值。 因此，一種在輸入電壓改變時立即加快線性暫態響應 10 進而穩定輸出電壓的裝置，乃為所冀。 【發明内容】 本發明的目的之一，在於提出一種升降壓電源轉換器 及其控制方法，其在輸入電壓變化時能快速反應以穩定輸 15出電壓。 Φ 本發明的目的之一，在於提出一種升降壓電源轉換器 的鋸齒波產生器及其方法，其可以讓該升降壓電源轉換器 在輸入電壓變化時快速反應以穩定輸出電壓。 根據本發明，一種升降壓電源轉換器包括一功率級用 20以將一輸入電壓轉為一輸出電壓，一誤差放大器根據一與 該輸出電壓具有比例關係的回授信號及一參考電壓產生 一誤差信號，一鋸齒波產生器提供兩組固定週期的鋸齒波 信號，其中一組鋸齒波信號的峰值隨該輸入電壓改變，另 一組鋸齒波信號的谷值隨該輸入電壓改變，以及兩組比較 7 201034388 器根據該誤差信號及該兩組錄齒波信號產生兩組控制信 號用以驅㈣功率級。由於該兩祕齒波㈣的峰值或谷 值隨該輸入電壓改變，因此即使誤差信號沒有改變，也可 以使該控制信號的責任週期改變，故該升降壓電源轉換器 • 5在輸入電壓變化時能快速反應以穩定該輸出電壓。 【實施方式】 3顯科降壓電轉換《作在降壓模式時的責任 週期Dbuck與降壓鋸齒波信號SAWbuck之間的關係，其 10中波形40為降壓鋸齒波信號SAWbuck，波形42為誤差信 號VEA，VH為降壓鋸齒波信號SAWbuck的峰值，Vl為 降壓鋸齒波信號SAWbuck的谷值。根據圖3中的相似三 角形ABC及ADE可以推出升降壓電源轉換器操作在降壓 模式時的輸出/輸入比 15 ❹ Vout/Vin= Dbuck=(VEA-VL)/(VH-VL) 公式 1 由公式1可知，當輸入電壓Vin變化時，若希望輸出電壓 Vout及誤差信號VEA維持不變，可以調整降壓鋸齒波信 2〇 號SAWbuck的谷值VL及峰值VH，進而改變責任週期 Dbuck’較佳者，固定降壓鋸齒波信號SAWbuck的谷值 VL，隨輸入電壓vin調整降壓鋸齒波信號SAWbuck的峰 值VH。圖4顯示降壓鋸齒波信號SAWbuck的峰值隨輸入 電壓Vin調整的實施例，其中波形44為輸入電壓Vin，波 201034388 形46為降壓鋸齒波信號SAWbuck，波形48為誤差信號 VEA。當輸入電壓Vin由Vinl降至Vin2時，如波形44 所示，降壓鑛齒波信號SAWbuck的峰值也由VH1降至 VH2 ’如波形46所示，由於降壓鋸齒波信號SAWbuck的 • 5充電時間固定，因此在降壓鋸齒波信號SAWbuck的峰值 下降後，降壓鑛齒波信號SAWbuck的上升斜率也下降， 故能在誤差信號VEA不變的情況下，如波形48所示，使 責任週期Dbuck增加。 圖5顯示升降壓電源轉換器操作在升壓模式時的責任 10週期Dboost與升壓鋸齒波信號SAWboost之間的關係，其 中波形50為升壓鋸齒波信號SAWboost，波形52為誤差 信號VEA。根據圖5中的相似三角形ABC及ADE可以推 出升降壓電源轉換器操作在升壓模式時的輸出/輸入比 15 Vout/Vin= 1 /(1 -Dboost)=(VH-VL)/(VH-VEA) 公式 2 ❹ 由公式2可知，在輸入電壓Vin改變時，若要在輸出電壓 Vout及誤差信號VEA不變的情況下改變責任週期 Dboost ’可以藉由調整升壓鋸齒波信號SAWboost的峰值 20 及谷值來達成，較佳者，固定升壓鋸齒波信號SAWboost 的峰值VH，隨輸入電壓Vin調整鋸齒波信號SAW的谷值 VL。圖6顯示升壓鋸齒波信號SAWboost的谷值隨輸入電 壓Vin調整的實施例，其中波形54為輸入電壓Vin，波形 56為升壓鋸齒波信號SAWboost，波形58為誤差信號 201034388 VEA。當輸入電壓vh由Vinl降至Vin2時，如波形54 所示’升壓鋸齒波信號SAWboost的谷值也由VL1降至 VL2 ’如波形56所示，升壓鋸齒波信號SAWboost的谷值 下降後’由於誤差信號VEA維持不變，如波形58所示， 5故需要較長的時間才能切到誤差信號VEA，因此責任週期 Dboost 增加。 圖7顯示升降壓電源轉換器60，其包括一功率級62 _ 因應控制信號PWM1及PWM2將輸入電壓Vin轉換為輸 出電壓Vout ’電阻R1及R2分壓輸出電壓Vout產生回授 1〇信號VFB ’誤差放大器70根據回授信號VFB及參考電壓 Vref產生誤差信號VEA，補償器68補償誤差信號vea以 滿足電源轉換器60的穩定性，鋸齒波產生器72偵測輸入 電壓Vin提供兩組鋸齒波信號SAWbuck及SAWboost，其 中鋸齒波信號SAWbuck的峰值隨該輸入電壓Vin改變， I5鋸齒波信號SAWboost的谷值隨該輸入電壓Vin改變，比 ❹ 較器64及66比較誤差信號VEA及鋸齒波信號SAWbuck 及SAWboost產生控制信號PWM1和PWM2。 圖8顯示圖7中鋸齒波產生器72產生降壓鋸齒波信 號SAWbuck的實施例，其中電流源7202根據輸入電壓 2〇 Vin提供正比於輸入電壓Vin的充電電流IC1對電容C1充 電，控制電路7204包括一開關SW1與電容C1並聯，時 « 脈Clk切換開關SW1以控制電容C1的充放電，進而產生 降壓鋸齒波信號SAWbuck，限制電路7206用以固定降壓 鑛齒波信號SAWbuck的谷值，其包括一接成二極體的雙 201034388 極性接面二極體(BJT)Q1連接在電容C1及接地端GND之 間，由電阻Rfl及電容Cfl組成的低通濾波器7208用以 15 參 濾除降壓鋸齒波信號SAWbuck在時脈elk轉態時所產生 的高頻雜訊，在此實施例中，降壓鋸齒波信號SAWbuck 的谷值固定，而其峰值隨輸入電壓Vin的下降而降低。圖 9顯示圖8中信號的波形圖，其中波形8〇為輸入電壓vin， 波形82為時脈Clk’波形84為降壓鋸齒波信號SAwbuck。 參照圖8及圖9，在時間tl時，輸入電壓Vin下降，如波 形80所示，由於充電電流Icl與輪入電壓Vin具有正比例 關係，故充電電流Icl也將跟著下降，而時脈〇仪的週期 Ts及脈衝寬度都是固定的，如波形μ所示，也就是說， 電容C1的充電時間不變，因此降壓鋸齒波信號SAw^uck 的峰值將下降，如波形84所示，在時間t2時，時脈cik 打開（turn on)開關SW1 ’故電容ci開始放電，由於電晶 體Q1的基極及射極之間有一壓差Vbe，因此，降壓鑛$ 波信號SAWbuck的谷值將固定在vbe的準位。 20 圖10顯示圖7中鋸齒波產生器72產生升壓鑛齒波信 號SAWboost的實施例。圖11顯示圖1〇中信號的皮形圖 在圖10中，電流源7210根據輸入電壓Vin產生一反^比於 輸入電壓Vin的充電電流Ic2對電容C2充電，控制電路 7212包括開關SW2與電容C2並聯，具有固定週期及鱿衝 寬度的時脈Clk切換開關SW2以控制電容^2的充玫义 如圖11的波形92所示，進而產生充電電壓， 路7214用以固定充電電壓VI的谷值，其包括二個接成一 11 201034388 極體的BJTQ2及Q3串聯在電容C2及接地端GND之間， 因此充電電壓V1的最小值將被固定在2倍Vbe的準位， 由電阻Rf2及電容Cf2組成的低通濾波器7216用以遽除 充電電壓VI中的高頻雜訊以產生電壓V2,運算放大器 .5 7220將電壓v2映射至節點a，電流源7218根據輸入電壓

Vin產生反比於輸入電壓Vin的充電電流Ic3流經電阻R3 產生直流的偏移電壓Vof’節點a上的電壓V2減去偏移電 壓Vof產生升壓鋸齒波信號SAWboost。當輸入電壓vin ❹ 下降時，如波形90所示’充電電壓VI的峰值上升，故電 10壓V2的峰值上升’但是偏移電壓v〇f也將隨輸入電壓Vin 下降而上升，因此電壓V2經偏移電壓Vof下拉後可以得 到峰值固定但谷值隨輸入電壓Vin的下降而降低的升壓鋸 齒波信號SAWboost，如波形94所示。 以上對於本發明之較佳實施例所作的敘述係為 15闡明之目的’而無意限定本發明精確地為所揭露的 ❹ 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 20企圖由以下的申請專利範圍及其均等來決定。 【圖式簡單說明】 圖1顯示傳統升降壓電源轉換器； 圖2顯示圖1中信號的波形圖； 12 201034388 圖3顯示升降壓電源轉換器操作在降壓模式時的責任 週期Dbuck與降壓鋸齒波信號SAWbuck之間的關係； 圖4顯示降壓鋸齒波信號SAWbuck的峰值隨輸入電 壓Vin調整的實施例； 5 圖5顯示升降壓電源轉換器操作在升壓模式時的責任 週期Dboost與升壓据齒波信號SAWboost之間的關係； 圖6顯示升壓鋸齒波信號SAWboost的谷值隨輸入電 壓Vin調整的實施例； 1 圖7顯示升降壓電源轉換器； 1〇 圖8顯示圖7中鋸齒波產生器產生降壓鋸齒波信號實 施例； 圖9顯示圖8中信號的波形圖； 圖10顯示圖7中鋸齒波產生器產生升壓鋸齒波信號 實施例；以及 15 圖11顯示圖10中信號的波形圖。

20 主要元件符號說明】 10 升降壓電源轉換器 12 功率級 14 比較器 16 比較器 18 補償器 20 誤差放大器 22 鋸齒波產生器 13 201034388 24 輸入電壓Vin的波形 26 降壓鋸齒波信號SAWbuck的波形 28 誤差信號VEA的波形 - 30 誤差信號VEA的波形 -5 32 信號PWM1的波形 40 降壓鑛齒波信號SAWbuck的波形 42 誤差信號VEA的波形 44 輸入電壓Vin的波形 46 降壓鋸齒波信號SAWbuck的波形 10 48 誤差信號VEA的波形 50 升壓鋸齒波信號SAWboost的波形 52 誤差信號VEA的波形 54 輸入電壓Vin的波形 56 升壓鋸齒波信號SAWboost的波形 15 58 誤差信號VEA的波形 ❿ 60 升降壓電源轉換器 62 功率級 64 比較器 66 比較器 20 68 補償器 70 誤差放大器 72 鋸齒波產生器 7202 電流源 7204 控制電路 201034388 7206 限制電路 7208 低通滤波器 7210 電流源 - 7212 控制電路 • 5 7214 限制電路 7216 低通濾波器 7218 電流源 ❹ 7220 運算放大器 80 輸入電壓Vin的波形 10 82 時脈Clk的波形 84 降壓鋸齒波信號SAWbuck的波形 90 輸入電壓Vin的波形 92 時脈Clk的波形 94 升壓鋸齒波信號SAWboost的波形 15 ❿· 15

Claims (1)

1. 201034388 十、申請專利範圍： 1. 一種應用在升降壓電源轉換器中產生鋸齒波信號的方 法，該升降壓電源轉換器用以將一輸入電壓轉為一輸出 • 電壓，該方法包括下列步驟： -5 偵測該輸入電壓；以及 根據該輸入電壓變化提供一第一鋸齒波信號及一 第二鋸齒波信號，該第一鋸齒波信號的峰值隨 該輸入電壓改變，該第二鋸齒波信號的谷值隨 ^ 該輸入電壓改變。 10 2.如請求項1之方法，其中該根據該輸入電壓變化提供該 第一鋸齒波信號的步驟包括： 提供一正比於該輸入電壓的充電電流對一電容充 電以產生該第一鋸齒波信號，該第一鋸齒波信 號的峰值隨該輸入電壓的下降而降低；以及 15 固定該第一鋸齒波信號的谷值。 φ 3.如請求項2之方法，更包括低通濾波該第一鋸齒波信號 以濾除該第一鋸齒波信號上的高頻雜訊。 4.如請求項1之方法，其中該根據該輸入電壓變化提供該 第二鋸齒波信號的步驟包括： 20 提供一反比於該輸入電壓的充電電流對一電容充 電以產生一充電電壓； 固定該充電電壓的最小值； 提供一反比於該輸入電壓的偏移電壓；以及 將該充電電壓減去該偏移電壓以產生該第二鋸齒 16 201034388 波信號，該第二鋸齒波信號的峰值固定，而其 谷值隨該輸入電壓的下降而降低。 5.如請求項4之方法，更包括低通濾波該充電電壓以濾除 該充電電壓中的高頻雜訊。 5 6.如請求項1之方法，其中該第一及第二鋸齒波信號的週 期固定。 7. —種升降壓電源轉換器的鋸齒波產生器，該升降壓電源 轉換器用以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，該鋸齒波 I 產生器包括： 10 一電容； 一電流源，提供一隨該輸入電壓變化的充電電流對 該電容充電； 一控制電路，控制該電容的充放電以產生一鋸齒波 信號，該鋸齒波信號的峰值隨該輸入電壓下降 15 而減少；以及 一限制電路，用以固定該鋸齒波信號的谷值。 8. 如請求項7之鋸齒波產生器，其中該充電電流正比於該 輸入電壓。 9. 如請求項7之鋸齒波產生器，其中該控制電路包括一開 20 關與該電容並聯。 10. 如請求項9之鋸齒波產生器，其中該限制電路包括至少 一個由雙極性接面電晶體接成的二極體串聯在該電容 及一接地端之間。 11. 如請求項7之鋸齒波產生器，更包括一低通濾波器濾除 17 201034388 該鋸齒波信號的高頻雜訊。 12.如請求項7之鋸齒波產生器，其中該鋸齒波信號的週期 固定。 13.—種升降壓電源轉換器的鋸齒波產生器，該升降壓電源 轉換器用以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，該鋸齒波 產生器包括： 一電容； ❹ 一電流源，提供一隨該輸入電壓變化的充電電流對 該電容充電； 10 一控制電路，控制該電容的充放電以產生一充電電 壓，該充電電壓的峰值隨該輸入電壓改變； 一限制電路，用以固定該充電電壓的最小值； 一電壓源，提供一隨該輸入電壓改變的偏移電壓， 該充電電壓減去該偏移電壓產生一鋸齒波信 15 號，該鋸齒波信號的峰值固定而谷值則隨該輸 ❿ 入電壓下降而減少。 14. 如請求項13之鋸齒波產生器 該輸入電壓。 15. 如請求項13之鋸齒波產生器 20 該輸入電壓。 16. 如請求項13之鋸齒波產生器 開關與該電容並聯。 17. 如請求項16之鋸齒波產生器 其中該充電電流反比於 其中該偏移電壓反比於 其中該控制電路包括 其中該限制電路包括至 少一個由雙極性接面電晶體接成的二極體串聯在該電 18 201034388 容及一接地端之間。 18. 如請求項13之鋸齒波產生器，更包括一低通濾波器濾 除該充電電壓的高頻雜訊。 19. 如請求項13之鋸齒波產生器，其中該鋸齒波信號的週 期固定。 20. —種升降壓電源轉換器，包括： ❹ 10 一功率級，用以將一輸入電壓轉為一輸出電壓； 一誤差放大器，根據一與該輸出電壓具有比例關係 的回授信號及一參考電壓產生一誤差信號； 一癮齒波產生器，提供一第一鋸齒波信號及一第二 鋸齒波信號，該第一鋸齒波信號的峰值隨該輸 入電壓改變，該第二鋸齒波信號的谷值隨該輸 入電壓改變； 15 ❿ 一第一比較器，根據該誤差信號及第一鋸齒波信號 產生一第一控制信號給該功率級；以及 一第二比較器，根據該誤差信號及一第二鋸齒波信 號產生一第二控制信號給該功率級。. 21. 如請求項20之升降壓電源轉換器，其中該鋸齒波產生 器包括： 20 一電容； 一電流源，提供一正比於該輸入電壓的充電電流對 該電容充電； 一控制電路，控制該電容的充放電以產生該第一鋸 齒波信號，該第一鋸齒波信號的峰值隨該輸入 201034388 電壓的下降而降低；以及 一限制電路，用以固定該第一鋸齒波信號的谷值。 22.如請求項21之升降壓電源轉換器，其中該控制電路包 括一開關與該電容並聯。 -5 23.如請求項22之升降壓電源轉換器，其中該限制電路包 括至少一個由雙極性接面電晶體接成的二極體串聯在 該電容及一接地端之間。 24.如請求項21之升降壓電源轉換器，更包括一低通濾、波 ® 器濾除該第一鋸齒波信號的高頻雜訊。 10 25.如請求項20之升降壓電源轉換器，其中該鋸齒波產生 器包括： 一電容； 一電流源，提供一反比於該輸入電壓的充電電流對 該電容充電； 15 一控制電路，控制該電容的充放電以產生一充電電 φ 壓，該充電電壓的峰值隨該輸入電壓的下降而 上升； 一限制電路，用以固定該充電電壓的最小值；以及 一電壓源，提供一反比於該輸入電壓的偏移電壓， 20 該充電電壓減去該偏移電壓產生該第二鋸齒 波信號。 26. 如請求項25之升降壓電源轉換器，其中該控制電路包 括一開關與該電容並聯。 27. 如請求項26之升降壓電源轉換器，其中該限制電路包 20 201034388 括至少一個由雙極性接面電晶體接成的二極體串聯在 該電容及一接地端之間。 28. 如請求項25之升降壓電源轉換器，更包括一低通濾波 器濾除該充電電壓的高頻雜訊。 5 ❹ 10 15 參 20 29. 如請求項20之升降壓電源轉換器，其中該第一及第二 鋸齒波信號的週期固定。 30. —種升降壓電源轉換器的控制方法，該升降壓電源轉換 器用以一輸入電壓轉為一輸出電壓，該控制方法包括下 列步驟： 根據一與該輸出電壓具有比例關係的回授信號及 一參考電壓產生一誤差信號； 提供一第一鋸齒波信號及一第二鋸齒波信號，該第 一鋸齒波信號的峰值隨該輸入電壓改變，該第 二鋸齒波信號的谷值隨該輸入電壓改變；以及 根據該誤差信號、第一鋸齒波信號及第二鋸齒波信 號調節該輸出電壓。 31. 如請求項30之控制方法，其中該提供一第一鋸齒波信 號的步驟包括： 提供一正比於該輸入電壓的充電電流對一電容充 電以產生該第一鋸齒波信號，該第一鋸齒波信 號的峰值隨該輸入電壓的下降而降低；以及 固定該第一鋸齒波信號的谷值。 32. 如請求項31之控制方法，更包括低通濾波該第一鋸齒 波信號以濾除該第一鋸齒波信號上的高頻雜訊。 21 201034388 33.如請求項30之控制方法，其中該提供一第二鋸齒波信 號的步驟包括： 提供一反比於該輸入電壓的充電電流對一電容充 '電以產生充電電壓； -5 固定該充電電壓的最小值； 提供一反比於該輸入電壓的偏移電壓；以及 將該充電電壓減去該偏移電壓以產生該第二鋸齒 波信號，該第二鋸齒波信號的峰值固定，而其 ❹ 谷值隨該輸入電壓的下降而降低。 10 34.如請求項33之控制方法，更包括低通濾波該充電電壓 以濾除該充電電壓中的高頻雜訊。 35.如請求項30之控制方法，其中該第一及第二鋸齒波信 號的週期固定。 22