TW201611495A - 電源轉換器的控制電路及相關方法 - Google Patents

電源轉換器的控制電路及相關方法 Download PDF

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Abstract

本發明提出一種電源轉換器的控制電路及相關方法。控制電路包含：具有第一輸入端與第二輸入端的比較電路，設置成依據第一輸入端與第二輸入端接收到的信號產生比較信號，其中，第一輸入端用於耦接參考信號，且第二輸入端用於耦接反饋信號；週期信號產生電路，設置成產生週期信號，並施加週期信號至比較電路的第一輸入端或第二輸入端；以及控制信號產生電路，設置成依據比較信號來控制功率開關的導通時間。

Description

電源轉換器的控制電路及相關方法 【0001】
本發明有關電源轉換器(power converter)，尤指一種可提升電源轉換器的輸出信號穩定度的控制電路及相關方法。
 【0002】
在傳統的電源轉換器中，會利用反饋電路來產生與電源轉換器的一輸出信號的大小相對應的一反饋信號。電源轉換器的控制電路中的比較電路會比較該反饋信號與一參考信號以產生一比較信號，而控制電路中的控制信號產生電路則會依據該比較信號來產生控制功率開關運作所需的控制信號，例如，PWM信號。
【0003】
然而，在電源轉換器的輸出電容上的等效串聯電阻較小、或是反饋電路的分壓比例較小的應用中，反饋電路所產生的反饋信號就會變得很小。在此情況下，倘若電源轉換器中有雜訊出現，比較電路的運作就容易發生錯誤，導致比較信號出現抖動(jitter)的情況，進而造成電源轉換器的輸出信號不穩定的問題。
 【0004】
有鑑於此，如何有效避免比較電路輸出的比較信號出現抖動的情況，以提升電源轉換器的輸出信號的穩定度，實為業界有待解決的問題。
【0005】
本說明書提供一種電源轉換器的控制電路的實施例。該電源轉換器包含一電感、一第一功率開關、以及一反饋電路，其中，該第一功率開關之操作用以控制該電感的儲能與釋能，以將一輸入信號轉換為一輸出信號，而該反饋電路用於產生與該輸出信號的大小相對應的一反饋信號。該控制電路包含：一比較電路，具有一第一輸入端與一第二輸入端，設置成依據該第一輸入端與該第二輸入端接收到的信號產生一比較信號，其中，該第一輸入端用於耦接一參考信號，且該第二輸入端用於耦接該反饋信號；一週期信號產生電路，耦接於該比較電路，設置成產生一週期信號，並施加該週期信號至該比較電路的該第一輸入端或該第二輸入端；以及一控制信號產生電路，耦接於該比較電路，設置成依據該比較信號來控制該第一功率開關的導通時間。
【0006】
本說明書另提供一種控制一電源轉換器中的一第一功率開關的方法的實施例。該電源轉換器包含一電感、該第一功率開關、以及一反饋電路，其中，該第一功率開關之操作用以控制該電感的儲能與釋能，以將一輸入信號轉換為一輸出信號，而該反饋電路用於產生與該輸出信號的大小相對應的一反饋信號。該方法包含：提供一比較電路，其中，該比較電路的一第一輸入端耦接於一參考信號，且該比較電路的一第二輸入端耦接於該反饋信號；產生一週期信號；施加該週期信號至該比較電路的該第一輸入端或該第二輸入端；利用該比較電路依據該第一輸入端與該第二輸入端接收到的信號產生一比較信號；以及依據該比較信號來控制該第一功率開關的導通時間。
【0007】
上述實施例的優點之一，是藉由將信號大小被箝制住的該週期信號施加至該比較電路的該第一輸入端或該第二輸入端的方式，可有效避免該比較電路輸出的比較信號出現抖動的情況，藉此可提升電源轉換器的輸出信號的穩定度。
【0008】
本發明的其他優點將藉由以下的說明和圖式進行更詳細的解說。
 【0049】
100、300、400、500‧‧‧電源轉換器
【0050】
110、310‧‧‧控制電路
【0051】
111‧‧‧比較電路
【0052】
113‧‧‧週期信號產生電路
【0053】
115‧‧‧控制信號產生電路
【0054】
120‧‧‧電感
【0055】
130‧‧‧第一功率開關
【0056】
140‧‧‧第二功率開關
【0057】
152‧‧‧等效串聯電阻
【0058】
154‧‧‧輸出電容
【0059】
160‧‧‧反饋電路
【0060】
161‧‧‧反饋節點
【0061】
163‧‧‧第一分壓電阻
【0062】
165‧‧‧第二分壓電阻
【0063】
170‧‧‧負載
【0064】
201‧‧‧內部節點
【0065】
210‧‧‧電容
【0066】
220‧‧‧電流源
【0067】
240‧‧‧上限箝制電路
【0068】
250‧‧‧下限箝制電路
【0009】
圖1為本發明一實施例的電源轉換器簡化後的功能方塊圖。
【0010】
圖2為圖1中的週期信號產生電路的一實施例簡化後的功能方塊圖。
【0011】
圖3為本發明另一實施例的電源轉換器簡化後的功能方塊圖。
【0012】
圖4與圖5為本發明不同實施例的電源轉換器簡化後的功能方塊圖。
 【0013】
以下將配合相關圖式來說明本發明的實施例。在圖式中，相同的標號表示相同或類似的元件或方法流程。
【0014】
圖1為本發明一實施例的電源轉換器100簡化後的功能方塊圖。電源轉換器100包含一控制電路110、一電感120、一或多個功率開關、一等效串聯電阻152、一輸出電容154、以及一反饋電路160。在圖1的實施例中，電源轉換器100包含一第一功率開關130和一第二功率開關140，亦即，電源轉換器100是同步式架構的降壓型電源轉換器(buck power converter)。
【0015】
如圖1所示，第一功率開關130耦接於電感120的一第一端與一輸入信號VIN之間。第二功率開關140耦接於電感120的第一端與一固定電位端(例如，接地端)之間。等效串聯電阻152與輸出電容154耦接於電感120的一第二端與負載170之間。反饋電路160用於產生與電源轉換器100的一輸出信號VOUT的大小相對應的一反饋信號VFB。第一功率開關130與第二功率開關140之操作用以控制電感120的儲能與釋能，以將輸入信號VIN轉換為輸出信號VOUT。
【0016】
例如，本實施例中的反饋電路160包含一反饋節點161、一第一分壓電阻163、以及一第二分壓電阻165。第一分壓電阻163耦接於電感120的第二端與反饋節點161之間，第二分壓電阻165耦接於反饋節點161與一固定電位端(例如，接地端)之間。輸出信號VOUT經由第一分壓電阻163與第二分壓電阻165的分壓後，會在反饋節點161形成大小與輸出信號VOUT呈一預定比例關係的反饋信號VFB。
【0017】
如圖1所示，本實施例中的控制電路110包含一比較電路(comparing circuit)111、一週期信號產生電路(periodic signal generating circuit)113、以及一控制信號產生電路(control signal generating circuit)115。
【0018】
在控制電路110中，比較電路111具有一第一輸入端與一第二輸入端，其中，第一輸入端用於耦接一參考信號VREF，且第二輸入端用於耦接反饋信號VFB。比較電路111設置成依據第一輸入端與第二輸入端接收到的信號產生一比較信號CMP。在本實施例中，比較電路111的第一輸入端是正輸入端(+)，而第二輸入端則是負輸入端(-)。
【0019】
週期信號產生電路113耦接於比較電路111，設置成產生上限值被箝制在一第一預定值的一週期信號RAMP，並施加週期信號RAMP至比較電路111的第二輸入端，以使比較電路111的第一輸入端所接收到的信號為參考信號VREF，而比較電路111的第二輸入端所接收到的信號VFR成為反饋信號VFB減去週期信號RAMP的結果。
【0020】
控制信號產生電路115耦接於比較電路111，設置成依據比較信號CMP來控制第一功率開關130及第二功率開關140的導通時間。
【0021】
請參考圖2，其所繪示為圖1中的週期信號產生電路113的一實施例簡化後的功能方塊圖。在圖2的實施例中，週期信號產生電路113包含一內部節點(internal node)201、一電容210、一電流源220、一開關電路230、一上限箝制電路(upper limit clamping circuit)240、以及一下限箝制電路(lower limit clamping circuit)250。
【0022】
電容210耦接於內部節點201與一固定電位端(例如，接地端)之間。電流源220耦接於內部節點201，設置成產生並輸出與第一功率開關130的一導通頻率高低成正比的一充電電流ICH至內部節點201，以對電容210充電，使得內部節點201提供一第一內部信號VR1。開關電路230耦接於內部節點201與一固定電位端(例如，接地端)之間，並與電容210並聯。開關電路230受控於控制信號產生電路115，且控制信號產生電路115會於導通(turn on)第一功率開關130時，先導通開關電路230一小段時間接著便關閉(turn off)開關電路230，以使第一內部信號VR1的大小先降至零再逐漸提升。上限箝制電路240耦接於內部節點201，設置成將第一內部信號VR1的上限值箝制在第一預定值，以產生一第二內部信號VR2。下限箝制電路250耦接於上限箝制電路240，設置成將第二內部信號VR2的一下限值箝制在小於第一預定值的一第二預定值，以形成週期信號RAMP。
【0023】
實作上，前述週期信號RAMP的波形可以是三角波、弦波、或其他各種適當的波形。
【0024】
請注意，週期信號產生電路113是利用上限箝制電路240與下限箝制電路250兩者的共同搭配，將週期信號RAMP的大小侷限在前述的第一預定值與第二預定值之間，而非依據流經電感120的電感電流IL大小來調整週期信號RAMP的斜率。因此，週期信號產生電路113無需利用任何偵測電路(未繪示)來偵測流經電感120的電感電流IL的大小，也不會在流經電感120的電感電流IL為零時將週期信號RAMP的斜率設為0。
【0025】
在運作時，控制信號產生電路115可依據比較信號CMP產生第一控制信號CS1與第二控制信號CS2，以分別控制第一功率開關130與第二功率開關140的導通時間。當控制信號產生電路115利用第一控制信號CS1導通第一功率開關130時，會利用第二控制信號CS2關閉(turn off)第二功率開關140。實作上，還可視需要而在控制信號產生電路115與第一功率開關130及第二功率開關140之間設置適當的驅動電路(未繪示)。
【0026】
如前所述，控制信號產生電路115會在導通第一功率開關130時先導通開關電路230一小段時間接著便關閉開關電路230。實作上，依據開關電路230的實施方式而定，控制信號產生電路115可產生與第一控制信號CS1的一邊緣對齊的觸發信號來做為一開關控制信號TR，以控制開關電路230的運作，藉此使週期信號RAMP的時序與第一控制信號CS1對齊。例如，在第一控制信號CS1是高態有效(active high)信號的實施例中，控制信號產生電路115可產生與第一控制信號CS1的上升緣對齊的觸發信號來做為開關控制信號TR，而在第一控制信號CS1是低態有效(active low)信號的實施例中，控制信號產生電路115則可產生與第一控制信號CS1的下降緣對齊的觸發信號來做為開關控制信號TR。
【0027】
當流經電感120的電感電流IL為零時，控制信號產生電路115會利用第二控制信號CS2關閉第二功率開關140，但由於週期信號產生電路113只是利用上限箝制電路240將週期信號RAMP的上限箝制在前述的第一預定值，而不會將週期信號RAMP的斜率設為0，故可有效降低比較電路111輸出的比較信號CMP出現抖動的情況，藉此可提升電源轉換器100的輸出信號VOUT的穩定度。
【0028】
另外，週期信號產生電路113利用下限箝制電路250將週期信號RAMP的下限箝制在前述的第二預定值的方式，還可改善電源轉換器100的迴路響應，以避免因週期信號產生電路113的設置而降低了電源轉換器100的迴路響應速度。
【0029】
前述電源轉換器100中的不同功能方塊可分別用不同的電路來實現，也可整合在一單一電路晶片中。例如，控制電路110中的所有功能方塊可以整合在一單一控制電路晶片(controller IC)中，也可以進一步將第一功率開關130與第二功率開關140的至少其中之一整合到控制電路110中，以形成一單一轉換電路晶片(controller IC)。在實作上，還可以將反饋電路160一併整合到控制電路110中。
【0030】
圖3為本發明另一實施例的電源轉換器300簡化後的功能方塊圖。電源轉換器300與前述的電源轉換器100的架構類似，因此，有關電源轉換器100中的電感120、第一功率開關130、第二功率開關140、等效串聯電阻152、輸出電容154、以及反饋電路160的連接關係、實施方式與運作方式的相關說明，亦適用於電源轉換器300中的對應元件。電源轉換器300與電源轉換器100的主要差異，在於電源轉換器300的控制電路310中的元件連接關係，與前述的控制電路110略有不同。
【0031】
電源轉換器300中的控制電路310同樣包含前述的比較電路111、週期信號產生電路113、以及控制信號產生電路115，但控制電路310中的週期信號產生電路113會將產生的週期信號RAMP施加至比較電路111的第一輸入端，以使比較電路111的第一輸入端所接收到的信號VRR成為參考信號VREF加上週期信號RAMP的結果，而比較電路111的第二輸入端所接收到的信號為反饋信號VFB。
【0032】
有關前述控制電路110中的比較電路111、週期信號產生電路113、以及控制信號產生電路115的實施方式、運作方式、及相關優點的說明，亦適用於控制電路310中的對應元件，為簡潔起見，在此不重複敘述。
【0033】
與前述實施例相同，當流經電感120的電感電流IL為零時，控制信號產生電路115會利用第二控制信號CS2關閉第二功率開關140，但由於週期信號產生電路113只是利用上限箝制電路240將週期信號RAMP的上限箝制在前述的第一預定值，而不會將週期信號RAMP的斜率設為0，故可有效降低比較電路111輸出的比較信號CMP出現抖動的情況，藉此可提升電源轉換器300的輸出信號VOUT的穩定度。
【0034】
另外，週期信號產生電路113利用下限箝制電路250將週期信號RAMP的下限箝制在前述的第二預定值的方式，還可改善電源轉換器300的迴路響應，以避免因週期信號產生電路113的設置而降低了電源轉換器300的迴路響應速度。
【0035】
同樣地，前述電源轉換器300中的不同功能方塊可分別用不同的電路來實現，也可整合在一單一電路晶片中。例如，控制電路310中的所有功能方塊可以整合在一單一控制電路晶片中，也可以進一步將第一功率開關130與第二功率開關140的至少其中之一整合到控制電路310中，以形成一單一轉換電路晶片。在實作上，還可以將反饋電路160一併整合到控制電路310中。
【0036】
在前述圖2的實施例中，週期信號產生電路113是利用上限箝制電路240與下限箝制電路250兩者的共同搭配，將週期信號RAMP的大小侷限在前述的第一預定值與第二預定值之間，但這只是一實施例，而非侷限週期信號產生電路113的實際實施方式。實作上，在某些實施例中，亦可將週期信號產生電路113中的下限箝制電路250省略，而只利用上限箝制電路240將週期信號RAMP的上限箝制在前述的第一預定值，以精簡週期信號產生電路113的電路架構。在此情況下，可直接將上限箝制電路240產生的第二內部信號VR2作為週期信號RAMP。
【0037】
另外，在某些實施例中，亦可將前述的電源轉換器100或300中的第二功率開關140改用一二極體裝置來取代。亦即，前述的控制電路110和310也可應用在「非同步式」架構的電源轉換器中。在此情況下，控制電路110或310可以不需要輸出第二控制信號CS2，故可省略對應的信號接腳。
【0038】
在前面的說明中，控制電路110和310是應用在降壓型電源轉換器中，但這只是為了方便舉例說明，而非侷限控制電路110和310的實際應用方式。在實際應用上，亦可將本說明書提出的控制電路110或310應用在升壓型電源轉換器中。
【0039】
例如，圖4為本發明另一實施例的電源轉換器400簡化後的功能方塊圖。電源轉換器400包含控制電路110、電感120、第一功率開關130、第二功率開關140、等效串聯電阻152、輸出電容154、以及反饋電路160。亦即，電源轉換器400是同步式架構的升壓型電源轉換器(boost power converter)。
【0040】
在圖4的實施例中，電感120的第一端耦接於輸入信號VIN。第一功率開關130耦接於電感120的第二端與一固定電位端(例如，接地端)之間。第二功率開關140耦接於電感120的第二端與負載170之間。等效串聯電阻152與輸出電容154耦接於電感120的第二端與負載170之間。反饋電路160用於產生與電源轉換器400的輸出信號VOUT的大小相對應的反饋信號VFB。第一功率開關130與第二功率開關140之操作用以控制電感120的儲能與釋能，以將輸入信號VIN轉換為輸出信號VOUT。
【0041】
電源轉換器400中的控制電路110的架構與前述圖1中的控制電路110相同，因此，有關前述圖1中的控制電路110的實施方式與運作方式的相關說明，亦適用於圖4的實施例。
【0042】
又例如，圖5為本發明另一實施例的電源轉換器500簡化後的功能方塊圖。電源轉換器500包含控制電路310、電感120、第一功率開關130、第二功率開關140、等效串聯電阻152、輸出電容154、以及反饋電路160。亦即，電源轉換器500同樣是同步式架構的升壓型電源轉換器。
【0043】
電源轉換器500的架構與圖4中的電源轉換器400很類似，因此，有關電源轉換器400中的電感120、第一功率開關130、第二功率開關140、等效串聯電阻152、輸出電容154、以及反饋電路160的連接關係、實施方式與運作方式的相關說明，亦適用於電源轉換器500中的對應元件。
【0044】
電源轉換器500中的控制電路310的架構與前述圖3中的控制電路310相同，因此，有關前述圖3中的控制電路310的實施方式與運作方式的相關說明，亦適用於圖5的實施例。
【0045】
另外，在某些實施例中，亦可將前述的電源轉換器400或500中的第二功率開關140改用一二極體裝置來取代。亦即，前述的控制電路110和310也可應用在「非同步式」架構的升壓型電源轉換器中。在此情況下，控制電路110或310可以不需要輸出第二控制信號CS2，故可省略對應的信號接腳。
【0046】
在說明書及申請專利範圍中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。然而，所屬技術領域中具有通常知識者應可理解，同樣的元件可能會用不同的名詞來稱呼。說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異做為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來做為區分的基準。在說明書及申請專利範圍所提及的「包含」為開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。另外，「耦接」在此包含任何直接及間接的連接手段。因此，若文中描述第一元件耦接於第二元件，則代表第一元件可通過電性連接或無線傳輸、光學傳輸等信號連接方式而直接地連接於第二元件，或者通過其他元件或連接手段間接地電性或信號連接至該第二元件。
【0047】
在此所使用的「及/或」的描述方式，包含所列舉的其中之一或多個項目的任意組合。另外，除非說明書中特別指明，否則任何單數格的用語都同時包含複數格的涵義。
【0048】
以上僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明請求項所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。
100‧‧‧電源轉換器
110‧‧‧控制電路
111‧‧‧比較電路
113‧‧‧週期信號產生電路
115‧‧‧控制信號產生電路
120‧‧‧電感
130‧‧‧第一功率開關
140‧‧‧第二功率開關
152‧‧‧等效串聯電阻
154‧‧‧輸出電容
160‧‧‧反饋電路
161‧‧‧反饋節點
163‧‧‧第一分壓電阻
165‧‧‧第二分壓電阻
170‧‧‧負載

Claims (8)

  1. 【第1項】
    一種電源轉換器的控制電路，該電源轉換器包含一電感、一第一功率開關、以及一反饋電路，其中，該第一功率開關之操作用以控制該電感的儲能與釋能，以將一輸入信號轉換為一輸出信號，而該反饋電路用於產生與該輸出信號的大小相對應的一反饋信號，該控制電路包含：
    一比較電路，具有一第一輸入端與一第二輸入端，設置成依據該第一輸入端與該第二輸入端接收到的信號產生一比較信號，其中，該第一輸入端用於耦接一參考信號，且該第二輸入端用於耦接該反饋信號；
    一週期信號產生電路，耦接於該比較電路，設置成產生一週期信號，並施加該週期信號至該比較電路的該第一輸入端或該第二輸入端；以及
    一控制信號產生電路，耦接於該比較電路，設置成依據該比較信號來控制該第一功率開關的導通時間。
  2. 【第2項】
    如請求項1的控制電路，其中，該週期信號產生電路還設置成將該週期信號的上限值箝制在一第一預定值。
  3. 【第3項】
    如請求項2的控制電路，其中，該週期信號產生電路包含：
    一內部節點；
    一電容，耦接於該內部節點與一固定電位端之間；
    一電流源，耦接於該內部節點，設置成產生並輸出與該第一功率開關的一導通頻率高低成正比的一充電電流至該內部節點，以對該電容充電，使得該內部節點提供一第一內部信號；
    一開關電路，耦接於該內部節點與一固定電位端之間，並與該電容並聯，其中，該開關電路受控於該控制信號產生電路，且該控制信號產生電路會於導通該第一功率開關時導通該開關電路，以將該第一內部信號的大小降至零；
    一上限箝制電路，耦接於該內部節點，設置成將該第一內部信號的該上限值箝制在該第一預定值，以產生一第二內部信號；以及
    一下限箝制電路，耦接於該上限箝制電路，設置成將該第二內部信號的一下限值箝制在小於該第一預定值的一第二預定值，以形成該週期信號。
  4. 【第4項】
    如請求項2的控制電路，其中，該週期信號產生電路包含：
    一內部節點；
    一電容，耦接於該內部節點與一固定電位端之間；
    一電流源，耦接於該內部節點，設置成產生並輸出與該第一功率開關的一導通頻率高低成正比的一充電電流至該內部節點，以對該電容充電，使得該內部節點提供一第一內部信號；
    一開關電路，耦接於該內部節點與一固定電位端之間，並與該電容並聯，其中，該開關電路受控於該控制信號產生電路，且該控制信號產生電路會於導通該第一功率開關時導通該開關電路，以將該第一內部信號的大小降至零；以及
    一上限箝制電路，耦接於該內部節點，設置成將該第一內部信號的該上限值箝制在該第一預定值，以形成該週期信號。
  5. 【第5項】
    一種控制一電源轉換器中的一第一功率開關的方法，該電源轉換器包含一電感、該第一功率開關、以及一反饋電路，其中，該第一功率開關之操作用以控制該電感的儲能與釋能，以將一輸入信號轉換為一輸出信號，而該反饋電路用於產生與該輸出信號的大小相對應的一反饋信號，該方法包含：
    提供一比較電路，其中，該比較電路的一第一輸入端耦接於一參考信號，且該比較電路的一第二輸入端耦接於該反饋信號；
    產生一週期信號；
    施加該週期信號至該比較電路的該第一輸入端或該第二輸入端；
    利用該比較電路依據該第一輸入端與該第二輸入端接收到的信號產生一比較信號；以及
    依據該比較信號來控制該第一功率開關的導通時間。
  6. 【第6項】
    如請求項5的方法，其中，產生該週期信號的流程包含將該週期信號的上限值箝制在一第一預定值。
  7. 【第7項】
    如請求項6的方法，其中，產生該週期信號的流程包含：
    提供耦接於一內部節點與一固定電位端之間的一電容；
    產生並輸出與該第一功率開關的一導通頻率高低成正比的一充電電流至該內部節點，以對該電容充電，使得該內部節點提供一第一內部信號；
    於導通該第一功率開關時將該第一內部信號的大小降至零；
    將該第一內部信號的該上限值箝制在該第一預定值，以產生一第二內部信號；以及
    將該第二內部信號的一下限值箝制在小於該第一預定值的一第二預定值，以形成該週期信號。
  8. 【第8項】
    如請求項6的方法，其中，產生該週期信號的流程包含：
    提供耦接於一內部節點與一固定電位端之間的一電容；
    產生並輸出與該第一功率開關的一導通頻率高低成正比的一充電電流至該內部節點，以對該電容充電，使得該內部節點提供一第一內部信號；
    於導通該第一功率開關時將該第一內部信號的大小降至零；以及
    將該第一內部信號的該上限值箝制在該第一預定值，以形成該週期信號。
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