TW201419719A - 應用於電源轉換器之電流控制電路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一種應用於電源轉換器之電流控制電路，其係由一轉換電路、分壓電路、電流取樣電路、誤差放大器、調變比較器、驅動器所組成，藉由電流取樣電路取樣轉換電路內流經電感器之電流，以產生一電流感測訊號並將其做增益處理，再藉由誤差放大器將分壓電路取得的回授電壓與一參考電壓比較，並將其結果與電流感測訊號增益處理後之結果一同輸入調變比較器比較進而輸出驅動訊號以控制其輸出的責任週期比，藉此能抑制突波電流的產生。因此，藉由本發明可避免因為產生過大的驅動訊號造成的突波電流，藉此達到良好的反應速度與較佳的系統穩定性。

Description

應用於電源轉換器之電流控制電路及其控制方法
本發明係關於一種電流控制電路及其控制方法，特別是有關於一種應用於電源轉換器之電流控制電路及其控制方法，藉由電流取樣電路取樣流經轉換電路內之電感器的電感電流，進而控制其輸出責任週期比，藉此抑制突波電流的產生，以使本發明具有良好的反應速度並能夠達到較佳的系統穩定性。
由於科技不斷進步，電子產品日益普及，電源轉換器對於這些電子產品有著舉足輕重的地位，電源轉換器主要是轉換電源以提供電子產品所需的電壓，常見應用於電腦、顯示器及DVD錄放影機等電子產品中。
圖1係為習知電源轉換器示意圖，其控制電路100包括：一轉換單元101、一分壓電路102、一誤差放大器103、一比較器104、一補償電路105及一驅動器106。當一輸入電壓V i 經由轉換單元101進行轉換後會產生一輸出電壓V o 至一電容器C，其中轉換單元101包含一電感器、一二極體、一電晶體開關。操作時，當電晶體開關於導通狀態時，二極體會呈現逆向偏壓，來自輸入電壓V i 的電能會儲存於電感器內。當電晶體開關於截止狀態時，因電感器無法再儲存電能，故電感器會釋放所儲存之電能至電容器C。
而輸出電壓V o 會再經由串聯於分壓電路102中的電阻R 1 與電阻R 2 分壓後產生之一回授電壓V FB ，送至誤差放大器103與參考電壓V ref 比較並產生一誤差訊號E o 輸入至比較器104，然而此時容易受到負載變化的影響造成電路的不穩定，因此會再透過補償電路105來解決電路穩定性的問題。同時間會將轉換單元101內之電感電流與一斜波訊號V ramp 加權以產生一輸出訊號V sum 。隨後，比較器104將比較誤差訊號E o 與輸出訊號V sum 而產生一驅動訊號S'，之後再透過驅動器106驅動電晶體開關SW動作。
然而，傳統的電源轉換器易產生突波電流(Inrush current)，容易造成電路故障，且會使得整體效率降低，故設計一個能解決突波電流以及提昇系統效率的電源轉換器是必要的。
因此，本發明提出一種應用於電源轉換器之電流控制電路及其控制方法，藉由電流取樣電路取樣流經轉換電路內之電感器的電感電流，進而控制其輸出責任週期，藉此抑制突波電流的產生，以使本發明具有良好的反應速度並能夠達到較佳的系統穩定性。
為了解決上述問題，本發明之一主要目的在於提供一種應用於電源轉換器之電流控制電路，藉由電流取樣電路取樣流經轉換電路內之電感器的電感電流，再透過增益因子將取樣到的電感電流改變其大小，並輸入至調變比較器與鋸齒波產生器產生的斜波訊號進行比較，進而輸出驅動訊號用以控制其輸出責任週期比，藉此抑制突波電流的產生，使其具有良好的反應速度並達到較佳的系統穩定性。
本發明又一主要目的在於提供一種應用於電源轉換器之電流控制方法，藉由應用於電源轉換器之電流控制方法，透過取樣轉換電路內之電感器電流進而控制其輸出責任週期比，藉此抑制突波電流的產生，並達到較佳的系統穩定性。
依據上述之各項目的，本發明提供一種應用於電源轉換器之電流控制電路，包括：一轉換電路，其係具有至少一電感器或至少一開關裝置組合而成，用以接收一輸入電壓，並轉換產生一輸出電壓至一電容器；一分壓電路，電性連接於電容器，並根據經由該轉換電路轉換產生的輸出電壓用以產生一回授電壓；一電流取樣電路，電性連接於轉換電路，係用以取樣流經該電感器上的電感電流值，經內部運算後產生一電流感測訊號；一第一增益電路，其係將電流感測訊號乘上一第一增益調整參數，以產生一第一訊號；一誤差放大器，其一端接收一參考電壓，而其另一端電性連接於 回授電壓，係藉由比較參考電壓與回授電壓以產生一誤差訊號；一第二增益電路，其係將誤差訊號乘上一第二增益調整參數，以產生一第二訊號；一加法器，其係將第一訊號、第二訊號與回授電壓加權以產生一第三訊號；一鋸齒波產生器，係用以提供一斜波訊號；一調變比較器，係比較第三訊號及斜波訊號以產生一驅動訊號；以及一驅動器，其一端接收驅動訊號，而其另一端電性連接耦合於轉換電路內之開關裝置，係用以產生一工作週期責任比，以控制開關裝置；其中，電流取樣電路包含：一電流感測單元，其係用以取樣流經電感器上的電感電流值；一記憶單元，其係用以記憶前次流經電感器上的電感電流值或過去流經電感器上的電感電流平均值；以及一差動放大器，其係以本次流經電感器上的電感電流值作為一輸入，以記憶單元之輸出作為另一輸入，而輸出此等輸入間之差。
本發明提供一種電流控制電路之電流控制方法，適用於一電源轉換器上，其中電流控制電路具有一轉換電路、一分壓電路、一電流取樣電路、一誤差放大器、一調變比較器、及一與調變比較器電性連接的驅動器，而電流控制方法包含以下步驟：利用轉換電路接收一輸入電壓，並轉換產生一輸出電壓；使得分壓電路根據經由轉換電路轉換輸出的輸出電壓以產生一回授電壓；利用誤差放大器比較回授電壓與一參考電壓以產生一誤差訊號；藉由電流取樣電路援引流經耦合於轉換電路內之一電感器上的電感電流值，並利用一差動放大器計算本次流經電感器上的電感電流值與前次流經電感器上的電感電流值或過去流經電感器上的電感電流平均值間之差而輸出一電流感測訊號；將誤差訊號與電流感測訊號分別乘上一增益調整參數，並將其各別增益調整後之輸出結果與回授電壓加權，得一輸出訊號；將輸出訊號與利用一鋸齒波產生器所提供之一斜波訊號輸入至調變比較器作比較；以及根據調變比較器所產生之一驅動訊號輸入予驅動器，用以產生一工作週期責任比，以控制耦合於轉換電路內之開關裝置。
經由本發明所提供之應用於電源轉換器之電流控制電路及其控制方 法，藉由直接對升壓電路內之電感器上的電流進行取樣，並經由控制電路輸出的工作週期責任比來控制升壓週期，藉此抑制突衝電流的產生，使其具有良好的反應速度並達到較佳的系統穩定性。
由於本發明主要係揭露一種應用於電源轉換器之電流控制電路及其控制方法，依據控制電路內之轉換電路在取得輸入電壓後轉換產生一輸出電壓，再將輸出電壓經由分壓電路以取得一回授電壓，同時透過電流取樣電路取樣轉換電路內之電感電流以產生一電流感測訊號，並且將分壓電路取得的回授電壓與一參考電壓比較，將其結果與電流感測訊號作增益處理後之結果以及鋸齒波產生器產生的斜波訊號加總後，一同輸入至調變比較器比較進而輸出一驅動訊號以控制其輸出的工作週期責任比，藉此能抑制突波電流的產生。其中，電流控制電路的基本原理與功能，已為相關技術領域具有通常知識者所能明瞭，故以下文中之說明，僅針對與本發明應用於電源轉換器之電流控制電路及其控制方法其特徵處進行詳細說明。此外，於下述內文中之圖式，亦並未依據實際之相關尺寸完整繪製，其作用僅在表達與本發明特徵有關之示意圖。
首先，請參閱圖2，係為本發明之電流控制電路架構圖。如圖2所示，電流控制電路200，包括：轉換電路201，其係具有至少一個電感器或至少一個開關裝置組合而成，用以接收一個輸入電壓V i ，並轉換產生一個輸出電壓V o 至一個電容器C，其中轉換電路201進一步包含一個二極體，可依據內部之電感器或二極體或開關裝置的組合不同產生不同功能類型之轉換電路，因此其轉換電路201可為一升壓型(Boost)轉換電路、一降壓型(Buck)轉換電路、一升降壓兩用型(Boost-Buck)轉換電路或其他類型之轉換電路(例如：邱克轉換電路)；一個分壓電路202，電性連接於電容器C，並根據經由轉換電路轉換產生的輸出電壓V o 用以產生一個回授電壓BV o(其中B=V o * R 2 /R 1 +R 2)，而分壓電路202包含一個第一電阻R 1 ，電性連接於輸出 電壓V o 以及一個第二電阻R 2 ，連接於第一電阻R 1 與接地端之間，且第一電阻R 1 與第二電阻R 2 的接點，亦電性連接於誤差放大器203，其中回授電壓BV o 係取自一個連接於第一電阻R 1 與第二電阻R 2 的接點；一個電流取樣電路204，電性連接於轉換電路201，係透過一個電流感測單元(未顯示於圖2)取樣流經電感器上的電感電流值，經內部運算後產生一個電流感測訊號I sen ，其電流感測單元可藉由一串聯電阻器、一電阻電容濾波器、一感測電阻器、一導通電阻器或一感測電晶體取樣流經電感器上的電感電流值；而電流取樣電路204進一步包含一記憶單元(未顯示於圖2)，其係用以記憶前次流經電感器上的電感電流值或過去流經電感器上的電感電流平均值；以及，一差動放大器(未顯示於圖2)，其係以本次流經電感器上的電感電流值作為一輸入，以記憶單元之輸出作為另一輸入，並輸出此等輸入間之差，其輸出之差即為電流感測訊號I sen 。而電流取樣電路204可選自一類比數位轉換器、一取樣與維持電路、一積分器、一電阻電容濾波器等其中之一或其中之組合；一個第一增益電路205，其係將電流感測訊號I sen 乘上一第一增益調整參數(K p1 )，並產生一個第一訊號V out1 (V out1 =K p1 *I sen ，其中*係代表相乘)；一個誤差放大器203，其一端接收一個參考電壓V ref ，而其另一端電性連接於回授電壓BV o ，係藉由比較參考電壓V ref 與回授電壓BV o 以產生一個誤差訊號X a ；一個第二增益電路206，其係將誤差訊號Xa乘上一個第二增益調整參數(K p2 )，並產生一個第二訊號V out2 (V out2 =K p2 *X a ，其中*係代表相乘)；一個加法器207，其係將第一訊號V out1 、第二訊號V out2 與回授電壓BV o 加權以產生一個第三訊號V out3 (V out3 =K p1 *I sen +K p2 *X a +BV o ，其中*係代表相乘)；一個鋸齒波產生器208，係用以提供一個斜波訊號V ramp ，其中經由電流取樣電路204取樣之電感器上的電感電流值，經內部運算後產生的電流感測訊號I sen 容易造成次諧波震盪(sub-harmonic)，因此加入斜波訊號V ramp 目的在解決所產生的次諧波震盪(sub-harmonic)問題；一個調變比較器209，係比較第三訊號V out3 及斜波訊號V ramp 以產生一個驅動訊號S_DR；以及一個 驅動器210，其一端接收驅動訊號S_DR，而其另一端電性連接耦合於轉換電路內之開關裝置，係用以產生一個工作週期責任比(duty cycle)，以控制開關裝置，其中開關裝置係為一MOS電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOS)、BJT電晶體(Bipolar Junction Transistor，BJT)、IGBT電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)或其他形式之電晶體，皆以閘極接收其驅動訊號S_DR。
再接著，請一併參考圖2及圖3，其中，圖3係為本發明之電流控制電路波形圖。當電流控制電路200中的開關裝置SW於導通狀態時，來自輸入電壓V i 的電能會儲存於電感器內，使得流經電感器上的電感電流會增加，再經由電流取樣電路204取樣流經電感器上的電感電流值，並經電流取樣電路204內部之差動放大器將本次流經該電感器上的電感電流值與記憶單元內之前次流經該電感器上的電感電流值或過去流經該電感器上的電感電流平均值計算其差值並輸出，其輸出的差值即為電流感測訊號I sen ；之後，將其電流感測訊號I sen 乘上一第一增益調整參數(K p1 )，並產生第一訊號V out1 ，此時的第一增益調整參數(K p1 )係為一小於0的增益值，因此所產生的V out1 的值亦會小於0(如圖3中的V out1 示意圖)，在此要說明的是，雖然本實施例之第一增益調整參數(K p1 )為一小於0的增益值，但第一增益調整參數(K p1 )並不限為一小於0的增益值，因此所產生的V out1 的值亦不限為小於0的值。而後輸出電壓V o 會再經由串聯於分壓電路202中的一第一電阻R1與一第二電阻電阻R2分壓後產生一回授電壓BV o(其中B=V o * R 2 /R 1 +R 2)，傳送至一誤差放大器203與一參考電壓V ref 比較並產生一誤差訊號X a ，而後將誤差訊號X a 乘上一第二增益調整參數(K p2 )，並產生一第二訊號V out2 ，此時的第二增益調整參數(K p2 )係為一大於0但小於1的增益值，因此所產生的V out2 的值雖大於0但會小1(如圖3中的V out2 示意圖)，在此要說明的是，雖然本實施例之第二增益調整參數(K p2 )為一大於0但小於1的增益值，但第二增益調整參數(K p2 )並不限為一大於0但小於1的增益值，因此所產生 的V out2 的值亦不限為大於0但小於1的值。接著，於得到第一訊號V out1 與第二訊號V out2 後再透過加法器207將其與回授電壓BV o 加權，以產生一第三訊號V out3 (如圖3中的V out3 示意圖)。最後，再藉由一調變比較器209比較第三訊號V out3 及一鋸齒波產生器208所提供的一斜波訊號V ramp 以產生一驅動訊號S_DR，並傳送至一驅動器210用以產生一工作週期責任比以控制耦合於轉換電路內之開關裝置的導通或截止。
再接著，請參閱圖4，係為本發明之第一實施例之電流控制電路架構圖。如圖4所示，電流控制電路200，包括：一升壓型(Boost)轉換電路2011，係由一個電感器L、一個二極體D、一個開關裝置SW組合而成，係用以接收一個輸入電壓V i ，並轉換並產生一個輸出電壓V o 至一個電容器C；一個分壓電路202，電性連接於電容器C，並根據經由轉換電路轉換產生的輸出電壓V o 用以產生一個回授電壓BV o(其中B=V o * R 2 /R 1 +R 2)，而分壓電路202包含一個第一電阻R 1 ，電性連接於輸出電壓V o 以及一個第二電阻R 2 ，連接於第一電阻R 1 與接地端之間，且第一電阻R 1 與第二電阻R 2 的接點，亦電性連接於誤差放大器203，其中回授電壓BV o 係取自一個連接於第一電阻R 1 與第二電阻R 2 的接點；一個電流取樣電路204，係透過一個電流感測單元(未顯示於圖4)取樣流經電感器上的電感電流值，經內部運算後產生一個電流感測訊號I sen ，其電流感測單元可藉由一串聯電阻器、一電阻電容濾波器、一感測電阻器、一導通電阻器或一感測電晶體取樣流經電感器上的電感電流值；而電流取樣電路204進一步包含一記憶單元(未顯示於圖4)，其係用以記憶前次流經電感器上的電感電流值或過去流經電感器上的電感電流平均值；以及，一差動放大器(未顯示於圖4)，其係以本次流經電感器上的電感電流值作為一輸入，以記憶單元之輸出作為另一輸入，並輸出此等輸入間之差，其輸出之差即為電流感測訊號I sen 。而電流取樣電路204可選自一類比數位轉換器、一取樣與維持電路、一積分器、一電阻電容濾波器等其中之一或其中之組合；一個第一增益電路205，其係將電流感測訊號 I sen 乘上一第一增益調整參數(K p1 )，並產生一個第一訊號V out1 (V out1 =K p1 *I sen ，其中*係代表相乘)；一個誤差放大器203，其一端接收一個參考電壓V ref ，而其另一端電性連接於回授電壓BV o ，係藉由比較參考電壓V ref 與回授電壓BV o 以產生一個誤差訊號X a ；一個第二增益電路206，其係將誤差訊號Xa乘上一個第二增益調整參數(K p2 )，並產生一個第二訊號V out2 (V out2 =K p2 *X a ，其中*係代表相乘)；一個加法器207，其係將第一訊號V out1 、第二訊號V out2 與回授電壓BV o 加權以產生一個第三訊號V out3 (V out3 =K p1 *I sen +K p2 *X a +BV o ，其中*係代表相乘)；一個鋸齒波產生器208，係用以提供一個斜波訊號V ramp ，其中經由電流取樣電路204取樣之電感器上的電感電流值，經內部運算後產生的電流感測訊號I sen 容易造成次諧波震盪(sub-harmonic)，因此加入斜波訊號V ramp 目的在解決所產生的次諧波震盪(sub-harmonic)問題；一個調變比較器209，係比較第三訊號V out3 及斜波訊號V ramp 以產生一個驅動訊號S_DR；以及一個驅動器210，其一端接收驅動訊號S_DR，而其另一端電性連接耦合於轉換電路內之開關裝置SW，係用以產生一個工作週期責任比(duty cycle)，以控制開關裝置SW，其中開關裝置SW係為一MOS電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOS)、BJT電晶體(Bipolar Junction Transistor，BJT)、IGBT電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)或其他形式之電晶體，並以閘極接收其驅動訊號S_DR。
當電流控制電路200中的開關裝置SW於導通狀態時，此時二極體D會呈逆向偏壓，來自輸入電壓V i 的電能會儲存於電感器L內，使得流經電感器L上的電感電流會增加，再經由電流取樣電路204取樣流經電感器上的電感電流值，並經電流取樣電路204內部之差動放大器將本次流經電感器上的電感電流值與記憶單元內之前次流經電感器上的電感電流值或過去流經電感器上的電感電流平均值計算其差值並輸出，其輸出的差值即為電流感測訊號I sen ；之後，將其電流感測訊號I sen 乘上一第一增益調整參數 (K p1 )，並產生第一訊號V out1 ，而後輸出電壓V o 會再經由串聯於分壓電路202中的一第一電阻R1與一第二電阻電阻R2分壓後產生一回授電壓BV o(其中B=V o * R 2 /R 1 +R 2)，傳送至一誤差放大器203與一參考電壓V ref 比較並產生一誤差訊號X a ，而後將誤差訊號X a 乘上一第二增益調整參數(K p2 )，並產生一第二訊號V out2 ；接著，於得到第一訊號V out1 與第二訊號V out2 後再透過加法器207將其與回授電壓BV o 加權，以產生一第三訊號V out3 。最後，再藉由一調變比較器209比較第三訊號V out3 及一鋸齒波產生器208所提供的一斜波訊號V ramp 以產生一驅動訊號S_DR，並傳送至一驅動器210用以產生一工作週期責任比以控制耦合於轉換電路內之開關裝置SW的導通或截止；在此要說明的是，雖然本實施例之升壓型(Boost)轉換電路係由一個電感器L、一個二極體D、一個開關裝置SW組合而成，但並非僅限於此種組合方式，可依據實際需求利用電感器L或二極體D或開關裝置SW組合成不同的升壓型(Boost)轉換電路。
再接著，請參閱圖5，係為本發明之第二實施例之電流控制電路架構圖。如圖5所示，電流控制電路200，包括：一降壓型(Buck)轉換電路2012，係由一個電感器L、一第一開關裝置SW1、一第二開關裝置SW2組合而成，係用以接收一個輸入電壓V i ，並轉換並產生一個輸出電壓V o 至一個電容器C；一個分壓電路202，電性連接於電容器C，並根據經由轉換電路轉換產生的輸出電壓V o 用以產生一個回授電壓BV o(其中B=V o * R 2 /R 1 +R 2)，而分壓電路202包含一個第一電阻R 1 ，電性連接於輸出電壓V o 以及一個第二電阻R 2 ，連接於第一電阻R 1 與接地端之間，且第一電阻R 1 與第二電阻R 2 的接點，亦電性連接於誤差放大器203，其中回授電壓BV o 係取自一個連接於第一電阻R 1 與第二電阻R 2 的接點；一個電流取樣電路204，係透過一個電流感測單元(未顯示於圖5)取樣流經電感器上的電感電流值，經內部運算後產生一個電流感測訊號I sen ，其電流感測單元可藉由一串聯電阻器、一電阻電容濾波器、一感測電阻器、一導通電阻器或一感測電晶體取樣流經電感器 上的電感電流值；而電流取樣電路204進一步包含一記憶單元(未顯示於圖5)，其係用以記憶前次流經電感器上的電感電流值或過去流經電感器上的電感電流平均值；以及，一差動放大器(未顯示於圖5)，其係以本次流經電感器上的電感電流值作為一輸入，以記憶單元之輸出作為另一輸入，並輸出此等輸入間之差，其輸出之差即為電流感測訊號I sen 。而電流取樣電路504可選自一類比數位轉換器、一取樣與維持電路、一積分器、一電阻電容濾波器等其中之一或其中之組合；一個第一增益電路205，其係將電流感測訊號I sen 乘上一第一增益調整參數(K p1 )，並產生一個第一訊號V out1 (V out1 =K p1 *I sen ，其中*係代表相乘)；一個誤差放大器203，其一端接收一個參考電壓V ref ，而其另一端電性連接於回授電壓BV o ，係藉由比較參考電壓V ref 與回授電壓BV o 以產生一個誤差訊號X a ；一個第二增益電路206，其係將誤差訊號Xa乘上一個第二增益調整參數(K p2 )，並產生一個第二訊號V out2 (V out2 =K p2 *X a ，其中*係代表相乘)；一個加法器207，其係將第一訊號V out1 、第二訊號V out2 與回授電壓BV o 加權以產生一個第三訊號V out3 (V out3 =K p1 *I sen +K p2 *X a +BV o ，其中*係代表相乘)；一個鋸齒波產生器208，係用以提供一個斜波訊號V ramp ，其中經由電流取樣電路204取樣之電感器上的電感電流值，經內部運算後產生的電流感測訊號I sen 容易造成次諧波震盪(sub-harmonic)，因此加入斜波訊號V ramp 目的在解決所產生的次諧波震盪(sub-harmonic)問題；一個調變比較器209，係比較第三訊號V out3 及斜波訊號V ramp 以產生一個驅動訊號S_DR；以及一個驅動器210，其一端接收驅動訊號S_DR，而其另一端電性連接耦合於轉換電路內之開關裝置SW，係用以產生一個工作週期責任比(duty cycle)，以控制開關裝置SW，其中開關裝置SW係為一MOS電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOS)、BJT電晶體(Bipolar Junction Transistor，BJT)、IGBT電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)或其他形式之電晶體，並以閘極接收其驅動訊號S_DR。
當電流控制電路200中的開關裝置SW於導通狀態時，流經電感器L上的電感電流會增加，再經由電流取樣電路204取樣流經電感器上的電感電流值，並經電流取樣電路204內部之差動放大器將本次流經電感器上的電感電流值與記憶單元內之前次流經電感器上的電感電流值或過去流經電感器上的電感電流平均值計算其差值並輸出，其輸出的差值即為電流感測訊號I sen ；之後，將其電流感測訊號I sen 乘上一第一增益調整參數(K p1 )，並產生第一訊號V out1 ，而後輸出電壓V o 會再經由串聯於分壓電路202中的一第一電阻R1與一第二電阻電阻R2分壓後產生一回授電壓BV o(其中B=V o * R 2 /R 1 +R 2)，傳送至一誤差放大器203與一參考電壓V ref 比較並產生一誤差訊號X a ，而後將誤差訊號X a 乘上一第二增益調整參數(K p2 )，並產生一第二訊號V out2 ；接著，於得到第一訊號V out1 與第二訊號V out2 後再透過加法器207將其與回授電壓BV o 加權，以產生一第三訊號V out3 。最後，再藉由一調變比較器209比較第三訊號V out3 及一鋸齒波產生器208所提供的一斜波訊號V ramp 以產生一驅動訊號S_DR，並傳送至一驅動器210用以產生一工作週期責任比以控制耦合於轉換電路內之開關裝置SW的導通或截止；在此要說明的是，雖然本實施例之降壓型(Buck)轉換電路係由一個電感器L、一第一開關裝置SW1、一第二開關裝置SW2組合而成，但並非僅限於此種組合方式，可依據實際需求利用電感器L或二極體D或開關裝置SW組合成不同的降壓型(Buck)轉換電路。
請繼續參閱圖6，係為本發明之電流取樣電路示意圖。電流取樣電路204包含：一電流感測單元2401，其係用以取樣流經轉換電路內之電感器上的電感電流值，其電流感測單元2401可藉由一串聯電阻器、一電阻電容濾波器、一感測電阻器、一導通電阻器或一感測電晶體取樣流經電感器上的電感電流值；一記憶單元2402，其係用以記憶前次流經電感器上的電感電流值或過去流經電感器上的電感電流平均值；以及一差動放大器2403，其係以本次流經電感器上的電感電流值作為一輸入，以記憶單元2402之輸 出作為另一輸入，而輸出此等輸入間之差。當電晶體開關(SW)導通時，來自輸入電壓V i 的電流將順向流經電感器L，使得流經電感器L的上的電感電流會增加，此時透過一電流感測單元取樣流經該電感器上的電感電流值，再經由電流取樣電路204內部之一差動放大器2403將本次流經電感器上的電感電流值與一記憶單元2402內之前次流經電感器上的電感電流值或過去流經電感器上的電感電流平均值計算其差值並輸出以作為後續增益之處理，其輸出的差值即為電流感測訊號I sen ，而本發明之電流取樣電路可選自一類比數位轉換器、一取樣與維持電路、一積分器、一電阻電容濾波器等其中之一或其中之組合。
請接著參考圖7，係為本發明之電流感測單元取樣電感電流值示意圖。依據上面說明所述，當電流控制電路中的開關裝置SW於導通狀態時，流經電感器L上的電感電流會增加，再經由電流取樣電路取樣流經電感器上的電感電流值，其中電流取樣電路係透過一個電流感測單元取樣流經電感器上的電感電流值，經內部運算後產生一個電流感測訊號I sen ，其中電流感測單元可藉由一串聯電阻器(R L )、一電阻電容濾波器(R C 、C C )、一感測電阻器(R sense )、一導通電阻器(R ds )或一感測電晶體(sense FET)取樣流經電感器上的電感電流值；如圖7所示，首先第一種方式可藉由一串聯電阻器(R L )直接與電感器L做串聯，透過量測串聯電阻器(R L )兩端之端點3與端點4的值以取得流經電感器上的電感電流值；第二種方式可藉由一電阻電容濾波器(R C 、C C )透過量測其中之電容器(C C )兩端之端點2與端點5的值取得流經電感器上的電感電流值；第三種方式可藉由外加一感測電阻器(R sense )透過量測端點7的值以取得流經電感器上的電感電流值；第四種方式可藉由一導通電阻器(R ds(on) )於電晶體開關導通時透過量測端點1的值以取得流經電感器上的電感電流值；第五種方式可藉由外加一感測電晶體(sense FET)透過量測端點6的值以取得流經電感器上的電感電流值。
請繼續接著參考圖8，係為本發明之利用取樣與維持電路取樣電流示意 圖。依據上面說明所述，本實施例係利用取樣與維持電路以取樣電感電流，如圖8所示，其電流取樣電路204包含：一電流感測單元2401，係用以取樣流經電感器L之電感電流值，其電流感測單元2401可藉由一串聯電阻器(R L )、一電阻電容濾波器(R C 、C C )、一導通電阻器(R ds )或一感測電晶體(sense FET)取樣流經電感器上的電感電流值；之後，再透過一記憶單元2402，用以記憶前次流經電感器L上的電感電流值或過去流經電感器L上的電感電流平均值，其中記憶單元2402係為一取樣與維持電路，包括：一儲存能量的元件(C2)和一控制信號進出的開關(S)，最後藉由一差動放大器2403將本次流經電感器L上的電感電流值以及記憶單元所輸出之電感電流值計算其之間差，以轉換輸出一電流感測訊號I sen 。當電流流經電感器L之後，會透過電流取樣電路204內之一電流感測單元取樣之，再藉由一取樣與維持電路內部之一儲存能量的元件(C2)和一控制信號進出的開關(S)以記憶其電感電流值，當其取樣與維持電路之控制信號進出的開關(S)導通時，儲存能量的元件(C2)會記憶在控制信號進出的開關(S)即將關閉前流經電感器L上的電感電流值，再藉由差動放大器將本次流經電感器L上的電感電流值以及上述記憶單元所輸出之電感電流值計算其之間差，而轉換輸出一電流感測訊號I sen ，作為後續增益之處理。
請繼續參閱圖9，係為本發明之利用積分器取樣電流示意圖。依據上面說明所述，當電晶體開關(SW)導通時，來自輸入電壓V i 的電流將順向流經電感器L，使得流經電感器L上的電感電流會增加，此時透過一電流感測單元取樣流經該電感器上的電感電流值，再經由電流取樣電路204內部之差動放大器將本次流經電感器上的電感電流值與記憶單元內之前次流經電感器上的電感電流值或過去流經電感器上的電感電流平均值計算其差值並輸出以作為後續增益之處理，其輸出的差值即為電流感測訊號I sen ，而本發明之電流電流取樣電路可選自一類比數位轉換器、一取樣與維持電路、一積分器、一電阻電容濾波器等其中之一或其中之組合，本實施例係利用積分 器以取樣電感電流，如圖9所示，其電流取樣電路204包含：一電流感測單元2401，係用以取樣流經電感器L之電感電流值，其電流感測單元2401可藉由一串聯電阻器(R L )、一電阻電容濾波器(R C 、C C )、一導通電阻器(R ds )或一感測電晶體(sense FET)取樣流經電感器上的電感電流值；之後，再透過一記憶單元2402，用以記憶前次流經電感器L上的電感電流值或過去流經電感器L上的電感電流平均值，其中記憶單元2402係為一積分器，包括：一運算放大器(OP)，其正輸入端與電流感測單元連接，其負輸入端連接一二極體D，當二極體D執行順向偏壓或反向偏壓時會對連接於運算放大器(OP)負輸入端之一電容器C1充放電，當二極體D呈反向偏壓時，會轉換儲存在電容器C1內的電能，而其儲存在電容器C1內的電能係為電感電流值，之後藉由差動放大器2403將本次流經電感器L上的電感電流值以及上述儲存在電容器C1內的電感電流值計算其之間差，而轉換輸出一電流感測訊號I sen 作為後續增益之處理。
接著，請繼續參閱圖10，係為本發明之利用取樣與維持電路及電阻電容濾波電路取樣電流示意圖。依據上面說明所述，當電晶體開關(SW)導通時，來自輸入電壓V i 的電流將順向流經電感器L，使得流經電感器L上的電感電流會增加，此時透過一電流感測單元取樣流經該電感器上的電感電流值，再經由電流取樣電路204內部之一差動放大器將本次流經電感器上的電感電流值與一記憶單元內之前次流經電感器上的電感電流值或過去流經電感器上的電感電流平均值計算其差值並輸出以作為後續增益之處理，其輸出的差值即為電流感測訊號I sen ，本發明之電流取樣電路可選自一類比數位轉換器、一取樣與維持電路、一積分器、一電阻電容濾波器等其中之一或其中之組合，本實施例係利用取樣與維持電路與電阻電容濾波器以取樣電感電流，如圖10所示，其電流取樣電路204包含：一電流感測單元2401，係用以取樣流經電感器L之電感電流值，其電流感測單元2401可藉由一串聯電阻器(R L )、一電阻電容濾波器(R C 、C C )、一導通電阻器(R ds )或一 感測電晶體(sense FET)取樣流經電感器上的電感電流值；之後，再透過一記憶單元2402，用以記憶前次流經電感器L上的電感電流值或過去流經電感器L上的電感電流平均值，其中記憶單元2402係為取樣與維持電路與電阻電容濾波器組成，係利用一儲存能量的元件(C2)與一電阻器組成一電阻電容濾波器，再藉由取樣與維持電路之控制信號進出的開關(S)以記憶其電感電流值，最後藉由一差動放大器2403將本次流經電感器L上的電感電流值以及記憶單元所輸出之電感電流值計算其之間差，以轉換輸出一電流感測訊號I sen 。當電流流經電感器L之後，會透過一電流感測單元取樣之，再流經自取樣與維持電路及電阻電容濾波器，於取樣與維持電路之控制信號進出的開關(S)導通時，藉由一電阻電容濾波器記憶在控制信號進出的開關(S)即將關閉前流經電感器L上的電感電流值，再藉由差動放大器2403將本次流經電感器L上的電感電流值以及上述記憶單元所輸出之電感電流值計算其之間差，而轉換輸出一電流感測訊號I sen 作為後續增益之處理。
最後，請參閱圖11，係為本發明之電流控制方法流程圖。如圖11所示，其電流控制方法適用於一電源轉換器上，其中電流控制電路具有一轉換電路、一分壓電路、一電流取樣電路、一誤差放大器、一調變比較器、及一與調變比較器電性連接的驅動器，其電流控制方法係包含以下步驟：
步驟1100：利用轉換電路接收一輸入電壓，並轉換產生一輸出電壓；其係用以接收一輸入電壓V i ，並轉換產生一輸出電壓V o ，其中轉換電路包含一電感器L、一開關裝置SW與一二極體D，接著進入步驟1101。
步驟1101：提供一分壓電路，根據該輸出電壓產生一回授電壓；利用轉換電路轉換輸出的輸出電壓V o 以產生一回授電壓BV o(其中B=V o * R 2 /R 1 +R 2)，而分壓電路包含一第一電阻R 1 以及一第二電阻R 2 ，其中回授電壓BV o 係取自一連接於第一電阻R 1 與第二電阻R 2 的接點，接著進入步驟1102。
步驟1102：根據回授電壓與一參考電壓之間的差值產生一誤差訊號；利用誤差放大器，一端接收一參考電壓V ref ，而其另一端電性連接於回授電 壓BV o ，藉由比較參考電壓V ref 與回授電壓BV o 以產生一誤差訊號X a ，接著進入步驟1103。
步驟1103：藉由一電流取樣電路以產生一電流感測訊號；其係用以援引流經耦合於該轉換電路內之一電感器上的電感電流值，並利用電流取樣電路內部之一差動放大器計算本次流經電感器上的電感電流值與一記憶單元內前次流經電感器上的電感電流值或過去流經電感器上的電感電流平均值間之差而輸出一電流感測訊號，其中轉換電路可選自一類比數位轉換器、一取樣與維持電路、一積分器、一電阻電容濾波器等其中之一或其中之組合，接著進入步驟1104。
步驟1104：將電流感測訊號乘上一第一增益調整參數以產生一第一訊號；用以將電流感測訊號I sen 乘上一第一增益調整參數(K p1 )，產生一第一訊號V out1 (V out1 =K p1 *I sen ，其中*係代表相乘)，接著進入步驟1105。
步驟1105：將誤差訊號乘上一第二增益調整參數以產生一第二訊號；用以將誤差訊號X a 乘上一第二增益調整參數(K p2 )，並產生一第二訊號V out2 (V out2 =K p2 *X a ，其中*係代表相乘)，接著進入步驟1106。
步驟1106：將第一訊號、第二訊號與回授電壓加權以產生一第三訊號；利用一加法器將第一訊號(V out1 =K p1 *I sen )、第二訊號(V out2 =K p2 *X a)與回授電壓BV o 加權以產生一第三訊號V out3 =K p1 *I sen +K p2 *X a +BV o ，接著進入步驟1107。
步驟1107：比較第三訊號及一斜波訊號以決定一驅動訊號；利用一調變比較器比較第三訊號V out3 (V out3 =K p1 *I sen +K p2 *X a +BV o)及一鋸齒波產生器所提供之一斜波訊號V ramp 作比較，最後進入步驟1108。
步驟1108：輸入予一驅動器用以控制耦合於轉換電路內之開關裝置其工作週期責任比；其驅動器一端接收調變比較器所產生之一驅動訊號S_DR，而其另一端耦合於轉換電路內開關裝置SW，係用以產生一工作週期責任比(duty cycle)，以控制開關裝置SW，其中開關裝置SW係為一MOS電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOS)、BJT電晶 體(Bipolar Junction Transistor，BJT)、IGBT電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)或其他形式之電晶體，以閘極接收其驅動訊號S_DR。
雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。
200‧‧‧電流控制電路
201‧‧‧轉換電路
202‧‧‧分壓電路
203‧‧‧誤差放大器
204‧‧‧電流取樣電路
205‧‧‧第一增益電路
206‧‧‧第二增益電路
207‧‧‧加法器
208‧‧‧鋸齒波產生器
209‧‧‧調變比較器
210‧‧‧驅動器
V i ‧‧‧輸入電壓
V o ‧‧‧輸出電壓
L‧‧‧電感器
SW‧‧‧開關裝置
D‧‧‧二極體
C、C1‧‧‧電容器
R 1 ‧‧‧第一電阻
R 2 ‧‧‧第二電阻
BV o ‧‧‧回授電壓
I sen ‧‧‧電流感測訊號
K p1 ‧‧‧第一增益調整參數
2011‧‧‧升壓電路
2012‧‧‧降壓電路
2401‧‧‧電流感測單元
2402‧‧‧記憶單元
2403‧‧‧差動放大器
V ramp ‧‧‧斜波訊號
S_DR‧‧‧驅動訊號
R L ‧‧‧串聯電阻器
R ds ‧‧‧導通電阻器
R sense ‧‧‧感測電阻器
S‧‧‧控制信號進出的開關
1100、1101、1102、1103、1104、1105、1106、1107、1108‧‧‧步驟
V out1 ‧‧‧第一訊號
V ref ‧‧‧參考電壓
K p2 ‧‧‧第二增益調整參數
X a ‧‧‧誤差訊號
V out2 ‧‧‧第二訊號
V out3 ‧‧‧第三訊號
v sum ‧‧‧輸出訊號
R C 、C C ‧‧‧電阻電容濾波器
sense FET‧‧‧感測電晶體
C2‧‧‧儲存能量的元件
圖1 係為習知電源轉換器示意圖；圖2 係為本發明之電流控制電路架構圖；圖3 係為本發明之電流控制電路波形圖；圖4 係為本發明之第一實施例之電流控制電路架構圖；圖5 係為本發明之第二實施例之電流控制電路架構圖；圖6 係為本發明之電流取樣電路示意圖；圖7 係為本發明之電流感測單元取樣電感電流值示意圖；圖8 係為本發明之利用取樣與維持電路取樣電流示意圖；圖9 係為本發明之利用積分器取樣電流示意圖；圖10 係為本發明之利用取樣與維持電路及電阻電容濾波電路取樣電流示意圖；圖11 係為本發明之電流控制方法流程圖。
200‧‧‧電流控制電路
201‧‧‧轉換電路
202‧‧‧分壓電路
203‧‧‧誤差放大器
205‧‧‧第一增益電路
207‧‧‧加法器
209‧‧‧調變比較器
R 1 ‧‧‧第一電阻
BV o ‧‧‧回授電壓
X a ‧‧‧誤差訊號
S_DR‧‧‧驅動訊號
K p1 ‧‧‧第一增益調整參數
V out1 ‧‧‧第一訊號
V out3 ‧‧‧第三訊號
V i ‧‧‧輸入電壓
V o ‧‧‧輸出電壓
C‧‧‧電容器
204‧‧‧電流取樣電路
206‧‧‧第二增益電路
208‧‧‧鋸齒波產生器
210‧‧‧驅動器
R 2 ‧‧‧第二電阻
V ref ‧‧‧參考電壓
V ramp ‧‧‧斜波訊號
I sen ‧‧‧電流感測訊號
K p2 ‧‧‧第二增益調整參數
V out2 ‧‧‧第二訊號

Claims (19)

  1. 一種應用於電源轉換器之電流控制電路(200)，包括：一轉換電路(201)，其係具有至少一電感器或至少一開關裝置組合而成，用以接收一輸入電壓並轉換產生一輸出電壓至一電容器；一分壓電路(202)，電性連接於該電容器，並根據經由該轉換電路轉換產生的該輸出電壓用以產生一回授電壓；一電流取樣電路(204)，電性連接於該轉換電路，係用以取樣流經該轉換電路內該電感器上的電感電流值，並經內部運算後產生一電流感測訊號；一第一增益電路(205)，其係將該電流感測訊號乘上一第一增益調整參數，以產生一第一訊號；一誤差放大器(203)，其一端接收一參考電壓，而其另一端電性連接於該回授電壓，係藉由比較該參考電壓與該回授電壓以產生一誤差訊號；一第二增益電路(206)，其係將該誤差訊號乘上一第二增益調整參數，以產生一第二訊號；一加法器(207)，其係將該第一訊號、該第二訊號與該回授電壓加權以產生一第三訊號；一鋸齒波產生器(208)，係用以提供一斜波訊號；一調變比較器(209)，係比較該第三訊號及該斜波訊號以產生一驅動訊號；以及一驅動器(210)，其一端接收該驅動訊號，而其另一端電性連接耦合於該轉換電路內之該開關裝置，係用以產生一工作週期責任比，以控制該開關裝置；其中，該電流取樣電路(204)包含：一電流感測單元，其係用以取樣流經該電感器上的電感電流值；一記憶單元，其係用以記憶前次流經該電感器上的電感電流值或過去流 經該電感器上的電感電流平均值；以及一差動放大器，其係以本次流經該電感器上的電感電流值作為一輸入，以該記憶單元之輸出作為另一輸入，而輸出此等輸入間之差。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述之應用於電源轉換器之電流控制電路，其中該轉換電路進一步包含一二極體。
  3. 根據申請專利範圍第1項或第2項所述之應用於電源轉換器之電流控制電路，其中該轉換電路係為一升壓型(Boost)轉換電路、一降壓型(Buck)轉換電路、一升降壓兩用型(Boost-Buck)轉換電路或其他類型之轉換電路。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述之應用於電源轉換器之電流控制電路，其中該開關裝置係選自於MOS電晶體、BJT電晶體、IGBT電晶體或其他形式之電晶體。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述之應用於電源轉換器之電流控制電路，其中該電流取樣電路係選自於一類比數位轉換器、一取樣與維持電路、一積分器、一電阻電容濾波器等其中之一或其中之組合。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述之應用於電源轉換器之電流控制電路，其中該電流感測單元係藉由一串聯電阻器取樣流經該電感器上的電感電流值。
  7. 根據申請專利範圍第1項所述之應用於電源轉換器之電流控制電路，其中該電流感測單元係藉由一電阻電容濾波器取樣流經該電感器上的電感電流值。
  8. 根據申請專利範圍第1項所述之應用於電源轉換器之電流控制電路，其中該電流感測單元係藉由一感測電阻器取樣流經該電感器上的電感電流值。
  9. 根據申請專利範圍第1項所述之應用於電源轉換器之電流控制電路，其中該電流感測單元係藉由一導通電阻器取樣流經該電感器上的電感電 流值。
  10. 根據申請專利範圍第1項所述之應用於電源轉換器之電流控制電路，其中該電流感測單元係藉由一感測電晶體取樣流經該電感器上的電感電流值。
  11. 根據申請專利範圍第1項所述之應用於電源轉換器之電流控制電路，其中該分壓電路包括：一第一電阻，電性連接於該輸出電壓；以及一第二電阻，連接於該第一電阻與該接地端之間；其中該第一電阻與該第二電阻的接點，亦電性連接於該誤差放大器。
  12. 根據申請專利範圍第11項所述之應用於電源轉換器之電流控制電路，其中該回授電壓係取自連接該第一電阻與該第二電阻的接點。
  13. 一種電流控制電路之電流控制方法，適用於一電源轉換器上，其中該電流控制電路具有一轉換電路、一分壓電路、一電流取樣電路、一誤差放大器、一調變比較器、及一與該調變比較器電性連接的驅動器，而該電流控制方法包含以下步驟：利用該轉換電路接收一輸入電壓，並轉換產生一輸出電壓；使得該分壓電路根據經由該轉換電路轉換輸出的該輸出電壓以產生一回授電壓；利用該誤差放大器計算該回授電壓與一參考電壓間之差以產生一誤差訊號；藉由一電流取樣電路援引流經耦合於該轉換電路內之一電感器上的電感電流值，並利用一差動放大器計算本次流經該電感器上的電感電流值與前次流經該電感器上的電感電流值或過去流經該電感器上的電感電流平均值間之差而輸出一電流感測訊號；將該誤差訊號與該電流感測訊號分別乘上一增益調整參數，並將其各別增益調整後之輸出結果與該回授電壓加權，得一輸出訊號； 將該輸出訊號與利用一鋸齒波產生器所提供之一斜波訊號輸入至調變比較器作比較；以及根據該調變比較器所產生之一驅動訊號輸入予該驅動器，用以產生一工作週期責任比，以控制耦合於該轉換電路內之該開關裝置。
  14. 根據申請專利範圍第13項所述之應用於電源轉換器之電流控制方法，其中該轉換電路係具有至少一電感器、至少一二極體或至少一開關裝置組合而成。
  15. 根據申請專利範圍第13項所述之應用於電源轉換器之電流控制方法，其中該轉換電路係為一升壓型(Boost)轉換電路、一降壓型(Buck)轉換電路、一升降壓兩用型(Boost-Buck)轉換電路或其他類型之轉換電路。
  16. 根據申請專利範圍第13項所述之電流控制方法，其中該開關裝置係選自於MOS電晶體、BJT電晶體、IGBT電晶體或其他形式之電晶體。
  17. 根據申請專利範圍第13項所述之電流控制方法，其中該分壓電路包括：一第一電阻，電性連接於該輸出電壓；以及一第二電阻，連接於該第一電阻與該接地端之間；其中該第一電阻與該第二電阻的接點，亦電性連接於該誤差放大器。
  18. 根據申請專利範圍第17項所述之電流控制方法，其中該回授電壓係取自連接該第一電阻與該第二電阻的接點。
  19. 根據申請專利範圍第13項所述之電流控制方法，其中該電流取樣電路係選自於一類比數位轉換器、一取樣與維持電路、一積分器、一電阻電容濾波器等其中之一或其中之組合。
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