TW201414160A - 電源轉換器及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露一種電源轉換器及其操作方法。電源轉換器包括輸出級、輸入電壓偵測單元及脈寬調變單元。輸出級耦接於輸入端與接地端之間。輸入電壓偵測單元用以偵測輸入電壓。脈寬調變單元耦接輸出級及輸入電壓偵測單元，用以提供脈寬調變訊號至輸出級。脈寬調變單元根據輸入電壓與預設電壓調整脈寬調變訊號之開關導通訊號之導通時間。若輸入電壓低於預設電壓，脈寬調變單元增加開關導通訊號之導通時間且增加脈寬調變訊號之週期。

Description

電源轉換器及其操作方法
本發明與直流對直流轉換器(DC-DC converter)有關，特別是關於一種即使輸入電壓遞減但仍能轉換產生期望的輸出電壓的電源轉換器及其操作方法。
一般而言，輸入至電源轉換器的輸入電壓需要比期望的輸出電壓高出一定的程度，才能順利產生期望的輸出電壓。然而，由於輸入電壓通常會隨著時間逐漸遞減，因而導致電源轉換器所產生的輸出電壓無法達到原本期望的大小。
如圖1所示，於恆定導通時間(Constant-On-Time,COT)-脈寬調變(Pulse Width Modulation,PWM)之架構下，電源轉換器1中之比較器10將會比較回授電壓VFB(與輸出電壓相關)與參考電壓Vref之大小。一旦比較器10所得到之比較結果為回授電壓VFB低於參考電壓Vref，代表目前電源轉換器1所產生之輸出電壓VOUT明顯偏低。因此，脈寬調變單元12將會輸出具有固定導通時間(Ton)的脈寬調變訊號PWM至輸出級14，以對於輸出電容C進行充電，藉以增加輸出電壓VOUT之大小。
如圖2所示，脈寬調變訊號PWM中之每個導通時間Ton後面均會伴隨著一個關閉時間Toff，一個導通時間Ton加上一個關閉時間Toff被定義為脈寬調變訊號PWM之一個週期。剛開始(時間ta之前)由於輸入電壓VIN夠高且具有固定值，所以導通時間Ton/關閉時間Toff將會固定且重複地出現。隨著輸入電壓VIN從時間ta開始遞減，雖然脈寬調變訊號PWM的週期不會改變，但週期 內的導通時間Ton將會增加而關閉時間Toff將會減少，使得輸出電壓VOUT仍能維持在期望值而不會變小。然而，當輸入電壓VIN於時間tb遞減至一定程度(臨界電壓Vth)後，由於脈寬調變訊號PWM之週期仍維持固定，且週期內的關閉時間Toff已經無法再進一步縮小，因此，導通時間Ton將會維持固定而無法提供較充裕的充電時間，故將導致輸出電壓VOUT隨著輸入電壓VIN遞減而減少，嚴重影響電源轉換器1的電壓轉換效率。
因此，本發明提出一種電源轉換器及其操作方法，以解決先前技術所遭遇到之上述種種問題。
本發明之一範疇在於提出一種電源轉換器。於一較佳具體實施例中，電源轉換器包括輸出級、輸入電壓偵測單元及脈寬調變單元。輸出級耦接於輸入端與接地端之間。輸入電壓偵測單元，用以偵測輸入電壓。脈寬調變單元耦接輸出級及輸入電壓偵測單元，用以提供脈寬調變訊號至輸出級。脈寬調變單元根據輸入電壓與預設電壓來調整脈寬調變訊號之開關導通訊號之導通時間。若輸入電壓低於預設電壓，脈寬調變單元增加開關導通訊號之導通時間且增加脈寬調變訊號之週期。
於一實施例中，脈寬調變單元包括時間計算單元，用以計算開關導通訊號之導通時間及最小關閉時間。
於一實施例中，時間計算單元包括電流源、電容、開關及比較器，電流源與輸入電壓有關，電容耦接於電流源與接地端之間，開關之兩端分別耦接至電流源與電容之間以及接地端，比較器之兩輸入端分別耦接至電流源與電容之間以及輸出電壓。
於一實施例中，若輸入電壓維持在高於預設電壓之固定值，脈寬調變單元維持脈寬調變訊號之週期與開關導通訊號之導通時間不變。
於一實施例中，若輸入電壓降低但未低於預設電壓，脈寬調變單元維持脈寬調變訊號之週期不變且增加開關導通訊號之導通時間。
於一實施例中，若輸入電壓低於預設電壓，開關導通訊號之關閉時間已達最小關閉時間，脈寬調變單元同時增加開關導通訊號之導通時間及脈寬調變訊號之週期。
本發明之另一範疇在於提出一種電源轉換器操作方法。於一較佳具體實施例中，上述電源轉換器操作方法用以操作電源轉換器。電源轉換器包含輸出級，輸出級耦接於輸入端與接地端之間。該方法包括下列步驟：偵測輸入電壓；提供脈寬調變訊號至輸出級；根據輸入電壓與預設電壓來調整脈寬調變訊號之開關導通訊號之導通時間；若輸入電壓低於預設電壓，增加開關導通訊號之導通時間且增加脈寬調變訊號之週期。
相較於先前技術，本發明之電源轉換器及其操作方法於輸入電壓遞減至低於預設電壓值時，讓脈寬調變訊號之週期隨著輸入電壓之遞減而增加，故其開關導通訊號能提供足夠的導通時間(Ton)，以供輸出級產生符合期望的輸出電壓，有效地避免先前技術中電源轉換器之輸出電壓隨著輸入電壓之遞減而降低的缺點，以確保電源轉換器輸出電壓的穩定性。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
根據本發明之一較佳具體實施例為一種電源轉換器。實際上，本發明提出的電源轉換器應用於定頻直流-直流電源轉換器，但不以此為限。本發明亦可適用恆定導通時間(COT)直流-直流轉換器中。
請參照圖3，圖3繪示此實施例之電源轉換器的電路架構示意圖。如圖3所示，電源轉換器3包括有輸出級34、比較單元30、輸入電壓偵測單元36及脈寬調變單元32。輸出級34耦接於輸入端與接地端之間，且輸出級34耦接脈寬調變單元32與輸出電感34；輸入電壓偵測單元36耦接輸入端及脈寬調變單元32；脈寬調變單元32耦接比較單元30、輸出級34及輸入電壓偵測單元36；比較單元30耦接輸出級34及時間計算單元32、第一輸出電阻R1、及第二輸出電阻R2。脈寬調變單元32包括時間計算單元320。在本實施例中，比較單元30亦可為誤差放大器或跨導(GM)放大器。
輸出級34可包括驅動單元、上橋開關及下橋開關，驅動單元耦接脈寬調變單元32，上橋開關耦接輸入端，下橋開關耦接輸出端，上橋開關與下橋開關之間具有一相位節點，輸出電感L耦接相位節點。輸出電感L耦接於輸出級34與輸出端之間；第一輸出電阻R1及第二輸出電阻R2彼此串接於輸出電感L與輸出端之間以及接地端；比較單元30之負輸入端-耦接至第一輸出電阻R1與第二輸出電阻R2之間的接點K；輸出電容C之一端耦接至輸出端，另一端耦接至接地端。
於此實施例中，比較單元30之正輸入端+及負輸入端-分別接收參考電壓Vref及來自輸出端之回授電壓VFB，並比較回授電壓VFB與參考電壓Vref後將比較結果輸出至脈寬調變單元32。輸 入電壓偵測單元36用以自輸入端偵測輸入電壓VIN並比較輸入電壓VIN與預設電壓Vth後，提供輸入電壓VIN與預設電壓Vth之比較結果給脈寬調變單元32。當脈寬調變單元32提供脈寬調變訊號PWM至輸出級34時，脈寬調變單元32根據輸入電壓VIN與預設電壓Vth之比較結果調整脈寬調變訊號PWM中之開關導通訊號的導通時間(Ton)。
實際上，為了避免輸出端的輸出電壓VOUT隨著輸入電壓VIN一起降低，當輸入電壓VIN由原本的固定值開始降低時，脈寬調變單元32將會增加開關導通訊號的導通時間(Ton)，以使得輸出級34有較為充裕的時間去輸出較大之輸出電壓VOUT，故不致於產生先前技術中輸出電壓VOUT隨著輸入電壓VIN遞減而降低之現象。
當輸入電壓VIN降低但仍未低於預設電壓Vth時，脈寬調變單元32會增加開關導通訊號的導通時間(Ton)，由於開關導通訊號的關閉時間(Toff)還未達到其最小關閉時間，因此，開關導通訊號的關閉時間(Toff)還可隨著導通時間(Ton)之增加而減少，以維持脈寬調變訊號PWM之週期不變。
一旦輸入電壓VIN降低至低於預設電壓Vth時，脈寬調變單元32會增加開關導通訊號的導通時間(Ton)，由於此時開關導通訊號的關閉時間(Toff)已達到其最小關閉時間，無法繼續再隨著導通時間(Ton)之增加而減少，因此，脈寬調變訊號PWM之週期將會隨著開關導通訊號的導通時間(Ton)之增加而變大。
請參照圖4，圖4繪示圖3中之電源轉換器3的輸入電壓VIN、輸出電壓VOUT及脈寬調變訊號PWM之時序圖。如圖4所示，脈寬調變訊號PWM中之開關導通訊號的每個導通時間Ton後面均會伴隨著一個關閉時間Toff，一個導通時間Ton加上一個關 閉時間Toff被定義為脈寬調變訊號PWM之一個週期。剛開始(時間ta之前)由於輸入電壓VIN夠高且具有固定值，所以導通時間Ton與關閉時間Toff將會固定且重複地出現。此時，由於輸入電壓VIN並未降低，所以脈寬調變單元32並不會調整開關導通訊號的導通時間(Ton)與脈寬調變訊號PWM的週期，兩者均維持不變。
隨著輸入電壓VIN從時間ta開始遞減，脈寬調變單元32即會開始增加開關導通訊號的導通時間(Ton)，以使得輸出級34能有較為充裕的時間去輸出較大之輸出電壓VOUT。於時間ta至tb的期間內，由於輸入電壓VIN雖然降低但仍未低於預設電壓Vth，開關導通訊號的關閉時間(Toff)還未達到其最小關閉時間，因此，開關導通訊號的關閉時間(Toff)還可隨著導通時間(Ton)之增加而減少，故在開關導通訊號的導通時間(Ton)增加但關閉時間(Toff)減少之情況下，仍能維持脈寬調變訊號PWM之週期不變。
於時間tb，輸入電壓VIN已遞減至低於預設電壓Vth時，由於此時開關導通訊號的關閉時間(Toff)已達到最小關閉時間，無法再進一步縮小，因此，當脈寬調變單元32增加開關導通訊號的導通時間(Ton)時，脈寬調變訊號PWM之週期將會隨著開關導通訊號的導通時間(Ton)之增加而變大。
透過上述的操作，本發明之電源轉換器3在輸入電壓VIN遞減時，仍能動態地提供輸出級34較充裕的充電時間，使得輸出級34所輸出之輸出電壓VOUT仍能維持在原本的期望輸出電壓值，而不會隨著輸入電壓VIN遞減而減少，故本發明之電源轉換器3能夠克服先前技術之缺點，無論輸入電壓VIN之變化，均可持續提供穩定的輸出電壓VOUT。
接著，請參照圖5，圖5繪示脈寬調變單元32之時間計算單元320配合輸入電壓偵測單元36操作之示意圖。如圖5所示， 時間計算單元320包括比較器32a、電容C、開關SW1以及與輸入電壓VIN有關之電流源IVIN。輸入電壓偵測單元36包括比較器36a及電壓控制電流源Ivc。
電容C耦接於電流源IVIN與接地端之間；開關SW1之兩端分別耦接至電流源IVIN與電容C之間以及接地端；比較器32a之負輸入端-及正輸入端+分別耦接至電流源IVIN與電容C之間以及輸出電壓VOUT；比較器32a之輸出端G輸出開關導通訊號的導通時間Ton；電壓控制電流源Ivc耦接至電流源IVIN與電容C之間以及接地端；比較器36a之負輸入端-及正輸入端+分別耦接至輸入電壓VIN及預設電壓Vth；比較器36a之輸出端E耦接至電壓控制電流源Ivc。
於此實施例中，開關SW1之開啟或關閉由脈寬調變訊號PWM所控制。當脈寬調變訊號PWM處於低準位(Low level)時，開關SW1導通，使得電流源IVIN無法對電容C充電，故比較器32a之負輸入端-所接收到之電容電壓Vc為0，此時，比較器32a之輸出端G將會輸出低準位的開關導通訊號，亦即開關導通訊號開始進入關閉時間Toff。
當脈寬調變訊號PWM處於高準位(High level)時，開關SW1斷路(open)，使得電流源IVIN開始對電容充電，直至比較器32a之負輸入端-所接收到之電容電壓Vc與正輸入端+所接收到之輸出電壓VOUT一樣高，此時比較器32a之輸出端G將會輸出高準位的開關導通訊號，亦即開關導通訊號開始進入導通時間Ton，並將開關導通訊號PWM變為低準位，以停止對電容C充電。
從開關導通訊號開始處於高準位一直到開關導通訊號轉變為處於低準位為止的這一段時間，即為開關導通訊號之導通時間Ton。同理，從開關導通訊號開始處於低準位一直到開關導通訊號 轉變為處於高準位為止的這一段時間，即為開關導通訊號之關閉時間Toff。
如圖5所示，比較器36a將會比較輸入電壓VIN與預設電壓Vth，並根據輸入電壓VIN與預設電壓Vth之比較結果輸出控制訊號來控制電壓控制電流源Ivc所產生之電流大小。當比較器36a所得到之比較結果為輸入電壓VIN未低於臨界電壓Vth時，比較器36a輸出控制訊號控制電壓控制電流源Ivc所產生之電流大小為0。
當比較器36a所得到之比較結果為輸入電壓VIN低於臨界電壓Vth時，比較器36a輸出控制訊號控制電壓控制電流源Ivc開始產生電流。由於電壓控制電流源Ivc所產生之電流變大將會導致電流源IVIN所產生之電流對電容C之充電變少。這將會使得比較器32a之負輸入端-所接收到之電容電壓Vc達到與正輸入端+所接收到之輸出電壓VOUT一樣高的時間變長，使得脈寬調變訊號PWM之週期增加(如圖6A中之d1所示，d2則為先前技術)且頻率降低(如圖6B中之d3所示，d4則為先前技術)。
根據本發明之一較佳具體實施例為一種電源轉換器操作方法。於一較佳具體實施例中，該電源轉換器操作方法用以操作電源轉換器。電源轉換器包含輸出級，輸出級耦接於輸入端與接地端之間。請參照圖7，圖7繪示此實施例之電源轉換器操作方法的流程圖。
如圖7所示，首先，該方法執行步驟S10，偵測輸入電壓。實際上，該方法是從輸入端偵測輸入電壓，但不以此為限。接著，該方法將會執行步驟S12，提供脈寬調變訊號至輸出級。之後，該方法將會執行步驟S14，判斷輸入電壓是否低於預設電壓。
若步驟S14的判斷結果為是，代表輸入電壓已低於預設電 壓，該方法將會執行步驟S16，增加開關導通訊號之導通時間且增加脈寬調變訊號之週期。若步驟S14的判斷結果為否，代表輸入電壓並未低於預設電壓，該方法將會執行步驟S18，判斷輸入電壓是否降低。
若步驟S18的判斷結果為是，代表輸入電壓雖然降低但還未低於預設電壓，該方法將會執行步驟S20，增加開關導通訊號之導通時間且維持脈寬調變訊號之週期不變。若步驟S18的判斷結果為否，代表輸入電壓維持不變並未降低，該方法將會執行步驟S22，維持開關導通訊號之導通時間與脈寬調變訊號之週期不變。
相較於先前技術，本發明之電源轉換器及其操作方法於輸入電壓遞減至低於預設電壓值時不再維持固定的脈寬調變訊號週期，而是讓脈寬調變訊號之週期隨著輸入電壓之遞減而增加，故其開關導通訊號能提供足夠的導通時間(Ton)以供輸出級產生符合期望的輸出電壓，有效地避免先前技術中電源轉換器之輸出電壓隨著輸入電壓之遞減而降低的缺點，以確保電源轉換器輸出電壓的穩定性。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。
S10~S22‧‧‧流程步驟
1、3‧‧‧電源轉換器
10、30‧‧‧比較單元
12、32‧‧‧脈寬調變單元
14、34‧‧‧輸出級
36‧‧‧輸入電壓偵測單元
L‧‧‧輸出電感
C‧‧‧輸出電容
320‧‧‧時間計算單元
R1‧‧‧第一輸出電阻
R2‧‧‧第二輸出電阻
+‧‧‧正輸入端
-‧‧‧負輸入端
VIN‧‧‧輸入電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓
E、F、G‧‧‧輸出端
PWM‧‧‧脈寬調變訊號
Vref‧‧‧參考電壓
VFB‧‧‧回授電壓
t、ta、tb‧‧‧時間
v‧‧‧電壓
Ton‧‧‧導通時間
Toff‧‧‧關閉時間
Vc‧‧‧電容電壓
SW1‧‧‧開關
32a、36a‧‧‧比較器
Vth‧‧‧預設電壓
Ivc‧‧‧電壓控制電流源
IVIN‧‧‧電流源
d1~d2‧‧‧脈寬調變訊號之週期對輸入電壓之曲線
d3~d4‧‧‧脈寬調變訊號之頻率對輸入電壓之曲線
圖1繪示傳統的電源轉換器之電路架構示意圖。
圖2繪示傳統的電源轉換器之輸入電壓、輸出電壓及脈寬調 變訊號之時序圖。
圖3繪示根據本發明之一具體實施例之電源轉換器的電路架構示意圖。
圖4繪示圖3中之電源轉換器的輸入電壓、輸出電壓及脈寬調變訊號之時序圖。
圖5繪示時間計算單元配合輸入電壓偵測單元操作之示意圖。
圖6A及圖6B分別繪示當輸入電壓低於臨界電壓時，脈寬調變訊號之週期增加及頻率降低的示意圖。
圖7繪示根據本發明之另一具體實施例之電源轉換器操作方法的流程圖。
3‧‧‧電源轉換器
30‧‧‧比較單元
32‧‧‧脈寬調變單元
34‧‧‧輸出級
36‧‧‧輸入電壓偵測單元
L‧‧‧輸出電感
C‧‧‧輸出電容
320‧‧‧時間計算單元
R1‧‧‧第一輸出電阻
R2‧‧‧第二輸出電阻
+‧‧‧正輸入端
-‧‧‧負輸入端
VIN‧‧‧輸入電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓
F‧‧‧輸出端
PWM‧‧‧脈寬調變訊號
Vref‧‧‧參考電壓
VFB‧‧‧回授電壓

Claims (10)

  1. 一種電源轉換器，包括：一輸出級，耦接於一輸入端與一接地端之間；一輸入電壓偵測單元，用以偵測一輸入電壓；以及一脈寬調變單元，耦接該輸出級及該輸入電壓偵測單元，用以提供一脈寬調變訊號至該輸出級，其中該脈寬調變單元根據該輸入電壓與一預設電壓來調整該脈寬調變訊號之一開關導通訊號之一導通時間，若該輸入電壓低於該預設電壓，該脈寬調變單元增加該開關導通訊號之該導通時間且增加該脈寬調變訊號之一週期。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器，其中該脈寬調變單元包括一時間計算單元，用以計算該開關導通訊號之該導通時間及一最小關閉時間。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電源轉換器，其中該時間計算單元包括一電流源、一電容、一開關及一比較器，該電流源與該輸入電壓有關，該電容耦接於該電流源與該接地端之間，該開關之兩端分別耦接至該電流源與該電容之間以及該接地端，該比較器之兩輸入端分別耦接至該電流源與該電容之間以及一輸出電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器，其中若該輸入電壓維持在高於該預設電壓之固定值，該脈寬調變單元維持該脈寬調變訊號之該週期與該開關導通訊號之該導通時間不變。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器，其中若該輸入電壓 降低但未低於該預設電壓，該脈寬調變單元維持該脈寬調變訊號之該週期不變且增加該開關導通訊號之該導通時間。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器，其中若該輸入電壓低於該預設電壓，該開關導通訊號之一關閉時間已達一最小關閉時間，該脈寬調變單元同時增加該開關導通訊號之該導通時間及該脈寬調變訊號之該週期。
  7. 一種電源轉換器操作方法，用以操作一電源轉換器，該電源轉換器包含一輸出級，該輸出級耦接於一輸入端與一接地端之間，該電源轉換器操作方法包括下列步驟：(a)偵測一輸入電壓；(b)提供一脈寬調變訊號至該輸出級；(c)根據該輸入電壓與一預設電壓來調整該脈寬調變訊號之一開關導通訊號之一導通時間；以及(d)若該輸入電壓低於該預設電壓，增加該開關導通訊號之該導通時間且增加該脈寬調變訊號之一週期。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之電源轉換器操作方法，其中若該輸入電壓維持在高於該預設電壓之固定值，該方法更包括下列步驟：維持該脈寬調變訊號之該週期與該開關導通訊號之該導通時間不變。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之電源轉換器操作方法，其中若該輸入電壓降低但未低於該預設電壓，該方法更包括下列步驟：維持該脈寬調變訊號之該週期不變且增加該開關導通訊號之該導通時間。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之電源轉換器操作方法，其中若該輸入電壓低於該預設電壓，該開關導通訊號之一關閉時間已達一最小關閉時間，該方法更包括下列步驟：該脈寬調變單元同時增加該開關導通訊號之該導通時間及該脈寬調變訊號之該週期。
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