TW201729526A - 具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器及其控制電路與控制方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提出一種具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器及其控制電路與控制方法。具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器包含功率級以及控制電路。在功率級中，上橋開關與下橋開關串聯於相位節點。控制電路根據與輸出電壓相關之回授訊號、相位節點之相位節點電壓、與上橋驅動訊號及/或下橋驅動訊號，而產生上橋驅動訊號與下橋驅動訊號。控制電路包括：驅動訊號產生電路與漣波斜率補償電路。驅動訊號產生電路，根據回授訊號與漣波斜率補償訊號，產生上橋驅動訊號與下橋驅動訊號。漣波斜率補償電路與驅動訊號產生電路耦接，用以根據相位節點電壓與上橋驅動訊號及/或下橋驅動訊號，產生漣波斜率補償訊號。
Description
本發明係有關一種具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器及其控制電路與控制方法，特別是指一種根據相位節點電壓，適應性補償漣波斜率的具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器及其控制電路與控制方法。
第1A圖顯示典型的具有漣波調變定導通時間(ripple-based constant ON-time, RBCOT)之切換式電源供應器100的電路示意圖。如第1A圖所示，具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器100包含控制電路110以及功率級120。控制電路110包括比較器111、控制訊號產生電路112、以及上橋驅動電路113與下橋驅動電路114。比較器111比較回授訊號Vfb與參考訊號Vref，並根據比較結果，產生比較訊號Comp。其中，回授訊號Vfb係由串聯於輸出電壓Vout與接地電位GND 之間的電阻R1與R2中，取電阻R2上的分壓而得。控制訊號產生電路112，接收比較訊號Comp，產生控制訊號CU與CL。其中，控制訊號CU輸入上橋驅動電路113，控制訊號CL輸入下橋驅動電路114。控制訊號CL需要避免於控制訊號CU為高電位時，亦為高電位，基本上，控制訊號CU與CL互為反相訊號。控制訊號CU用以於固定導通時間(Ton)內維持高電位。上橋驅動電路113接收控制訊號CU，產生上橋驅動訊號GH，使得功率級120中，上橋開關SWH於固定導通時間(Ton)內導通。而下橋驅動電路114則根據控制訊號CL，產生下橋驅動訊號GL，使得下橋開關SWL於固定導通時間(Ton)內不導通，而於固定導通時間(Ton)結束後導通。簡言之，功率級120根據上橋驅動訊號GH與下橋驅動訊號GL，分別切換上橋開關SWH與下橋開關SWL，以將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout。並且，功率級120可為同步或非同步之降壓型、升壓型、反壓型、升降壓型、或升反壓型功率級電路，如第2A-2J圖所示。
說明漣波調變定導通時間(RBCOT)架構，請同時參閱第1A與1B圖，第1B圖舉例示出第1A圖中，各訊號的波形。上橋驅動訊號GH於低電位而下橋驅動訊號GL為高電位時，上橋開關SWH不導通，相關於輸出電壓Vout的回授訊號Vfb逐漸下降，這是因為負載電路（未示出）消耗了輸出電壓Vout使輸出電容C1放電所致，而電阻R3代表輸出電容C1的等效串聯電阻(equivalent series resistor, ESR)。參考訊號Vref為預設的電壓位準，例如第1B圖所示，為一個固定值。當回授訊號Vfb逐漸下降至參考訊號Vref時，比較器111輸出的比較訊號Comp，由高電位變為低電位，於是觸發控制訊號產生電路112產生控制訊號，使得上橋驅動訊號GH於固定導通時間Ton維持在高電位，導通上橋開關SWH，對輸出電容C1充電，進而於此固定導通時間Ton，提高輸出電壓Vout。而固定導通時間Ton結束後，上橋驅動訊號GH由高電位轉為低電位，而下橋驅動訊號GL由低電位轉為高電位，也就是上橋開關SWH不導通而下橋開關SWL導通。此時輸出電容C1放電，進而降低輸出電壓Vout，直到回授訊號Vfb逐漸下降至低於參考訊號Vref，比較器111輸出的比較訊號Comp，再由高電位變為低電位，回到上述的流程，如此周而復始地運作。
綜上所述，此種具有漣波調變定導通時間(RBCOT)之切換式電源供應器，其控制訊號的產生必須依靠輸出電壓Vout上的漣波訊號來作為觸發控制，振幅太大的漣波訊號雖然可以讓電路穩定性提升，但是卻也容易超出漣波振幅的規格限制以及影響輸出電壓Vout的準確度；振幅太小的漣波訊號雖然也許可以符合漣波振幅規格限制以及輸出電壓Vout規格的要求，但是卻容易破壞電路的穩定性造成劇跳(jitter)的情形，因此要擁有足夠小的漣波訊號振幅同時又要兼顧電路穩定性就是一項具有挑戰性的工作。
詳言之，請參閱第3A與3B圖，第3A圖顯示當輸出電容C1的ESR電阻R3相對較大時，例如輸出電容C1為電解電容時，流經電感L的電感電流IL、電阻R3跨壓的漣波訊號VR、輸出電容C1跨壓的漣波訊號VC、以及輸出電壓Vout之波形示意圖。而第3B圖則是顯示當輸出電容C1的ESR電阻R3相對較小時，例如輸出電容C1為陶瓷電容時，上述漣波訊號的波形示意圖。如第3A圖所示，當輸出電容C1的ESR電阻R3相對較大時，電阻R3跨壓的漣波訊號VR振幅相對於輸出電容C1跨壓的漣波訊號VC較大，因此疊加為輸出電壓Vout後，其相位與電感電流IL大致同步，這是因為電阻R3跨壓的漣波訊號VR與電感電流IL之間相位是相同的。相較之下，當輸出電容C1的ESR電阻R3相對較小時，如第3B圖所示，電阻漣波訊號VR振幅相對於漣波訊號VC較小，因此疊加為輸出電壓Vout後，其相位與電感電流IL差別較大，這是因為當輸出電容C1的ESR電阻R3相對較小時，漣波訊號VC主導了輸出電壓Vout的相位，漣波訊號VC產生的方式是在電感電流IL大於負載電流ILoad時對輸出電容C1充電，反之對輸出電容C1放電，結果導致輸出電壓Vout與電感電流IL之間具有相位差，產生次諧波振蕩現象，再加上輸出電壓Vout的振幅很小，此時具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器100無法運作在穩定的狀況之下。
就現今而言，漣波調變定導通時間（Ripple-Based Constant On-Time, RBCOT）之切換式電源供應器，因其電路的設計較為精簡，成本低，以及在輕載及重載時皆具有高效率之特性，被廣泛應用於行動裝置。為了因應行動裝置之要求，此技術目前主要的發展目標係以陶瓷電容來取代傳統使用之電解質電容。然而，在以陶瓷電容之應用於輸出電容之情況下，如上所述，由於輸出電容電壓之相位落後於電感電流，而導致漣波調變定導通時間(RBCOT)控制架構有次諧波振蕩現象發生之可能性。
為了消除上述次諧波振蕩現象，由前述漣波調變定導通時間(RBCOT)之控制架構，改良而衍生的外加斜坡補償之架構已被提出。該架構通過外加斜率補償方式，加強輸出電容之等效串聯電阻(ESR)上電壓訊號，從而相對降低輸出電容跨壓漣波相較於電感電流之相位延遲，以消除次諧波振蕩現象，使電路穩定。然而，傳統外加斜坡補償均設計在特定工作條件下，皆採用固定斜率之斜坡電路，當系統輸入、輸出或切換頻率發生變化時，系統暫態響應可能會變差，甚至會出現不穩定現象。為解決上述問題，自適應斜坡補償方式被廣泛的提出，如美國專利案 US8698475 B2(下稱參考文獻1)與美國專利申請案US20140266112 A1(下稱參考文獻2)。
在參考文獻1中，其所提出的斜率補償訊號發生電路，其輸入端接收控制訊號產生電路所產生之訊號，其輸出端提供電流訊號，藉由一電阻耦接至控制信號產生電路的輸入端。其中，藉由模擬電流訊號流過輸出電感之電流的下降階段，從而消除電容之相位延遲影響，使系統穩定。當系統工作情況發生變化時，藉由調節上述電阻值，使系統穩定且維持較快暫態響應。
在參考文獻2中，其所提出的應用于切換式電源供應器之斜坡補償訊號藉由系統輸出電壓訊號及上橋開關觸發信號產生。其中，上橋開關觸發訊號中包含系統切換頻率及工作週期相關資訊。利用上述資訊，藉由一數位控制電路控制電阻-電容（RC）時間常數，俾以產生自適應調節之斜率補償訊號。
從參考文獻1與2可以得知，上述自適應斜率補償機制模擬流過電感上電流大小，通過自行調節外接電阻值或利用數位電路調節電阻-電容時間常數，俾以根據當前系統工作情況調節斜率補償訊號。該二習知發明所揭露之技術手段，其控制架構複雜，需通過複雜計算以達到自適應調節效果，並無法以簡單的電路實現，其製造成本相對於典型的具有漣波調變定導通時間(RBCOT)之切換式電源供應器高。
具體言之，調節外接電阻之方式在設計積體電路時需多加一接腳，從成本角度考量，並不值得推薦。且外加電阻值需根據系統工作情況進行一系列計算以獲得，較為複雜。另外，若採用調節電阻-電容時間常數之方式，需根據數位電路計算以調節電阻-電容（RC）時間常數，硬體實現亦非易事。
有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器及其控制電路與控制方法，可在相對較低的等效串聯電阻(ESR)的情況下，其自適應斜率補償電路，可均以類比電路實現，且無需外接電阻，無需偵測輸出電壓訊號，控制架構簡單，能以較少電路實現適應性調節，並仍維持穩定操作的具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器及其控制電路與控制方法。
就其中一個觀點言，本發明提供了一種具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器，包含：一功率級，根據一上橋驅動訊號，切換其中一上橋開關，並根據一下橋驅動訊號，切換其中一下橋開關，以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，其中，該上橋開關與該下橋開關串聯於一相位節點；以及一控制電路，根據與該輸出電壓相關之一回授訊號、該相位節點之一相位節點電壓、與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，而產生該上橋驅動訊號與該下橋驅動訊號；其中，該控制電路包括：一驅動訊號產生電路，根據該回授訊號與一漣波斜率補償訊號，產生該上橋驅動訊號與該下橋驅動訊號；以及一漣波斜率補償電路，與該驅動訊號產生電路耦接，用以根據該相位節點電壓與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生該漣波斜率補償訊號。
在其中一種較佳的實施例中，該漣波斜率補償電路包括：一積分器，與該驅動訊號產生電路耦接，用以根據該相位節點電壓與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生一積分訊號；一取樣保持電路，與該積分器耦接，用以根據該積分訊號與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生一取樣保持訊號；以及一轉換電路，與該取樣保持電路及該驅動訊號產生電路耦接，用以根據該取樣保持訊號與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生該漣波斜率補償訊號。
在前述的實施例中，該積分器較佳地包括：一積分電容，與該相位節點耦接，用以根據該相位節點電壓與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生該積分訊號；以及一積分開關，與該積分電容並聯，用以根據該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號而切換，使得該積分訊號相關於該輸入電壓與該上橋開關導通時間的乘積。
在其中一種較佳的實施例中，該取樣保持電路包括：一取樣保持電容，與該積分器耦接，用以根據該積分訊號與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生該取樣保持訊號；以及一取樣保持開關，與該取樣保持電容耦接，用以根據該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號而切換，而控制取樣及保持操作，使得該取樣保持電容取樣並保持該積分器產生之積分訊號。
在其中一種較佳的實施例中，該轉換電路包括：一受控電流源電路，與該取樣保持電路耦接，用以根據該取樣保持訊號，產生一充電電流；以及一充電電路，與該受控電流源電路耦接，用以根據該充電電流與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號而充電，以產生該漣波斜率補償訊號。
就另一個觀點言，本發明提供了一種具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器之控制電路，該具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器包含一功率級，其根據一上橋驅動訊號，切換其中一上橋開關，並根據一下橋驅動訊號，切換其中一下橋開關，以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，其中，該上橋開關與該下橋開關串聯於一相位節點；該控制電路根據與該輸出電壓相關之一回授訊號、該相位節點之一相位節點電壓、與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，而產生該上橋驅動訊號與該下橋驅動訊號；該控制電路包含：一驅動訊號產生電路，根據該回授訊號與一漣波斜率補償訊號，產生該上橋驅動訊號與該下橋驅動訊號；以及一漣波斜率補償電路，與該驅動訊號產生電路耦接，用以根據該相位節點電壓與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生該漣波斜率補償訊號。
在其中一種較佳的實施例中，該漣波斜率補償電路包括：一積分器，與該驅動訊號產生電路耦接，用以根據該相位節點電壓與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生一積分訊號；一取樣保持電路，與該積分器耦接，用以根據該積分訊號與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生一取樣保持訊號；以及一轉換電路，與該取樣保持電路及該驅動訊號產生電路耦接，用以根據該取樣保持訊號與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生該漣波斜率補償訊號。
在前述的實施例中，該積分器較佳地包括：一積分電容，與該相位節點耦接，用以根據該相位節點電壓與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生該積分訊號；以及一積分開關，與該積分電容並聯，用以根據該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號而切換，使得該積分訊號相關於該輸入電壓與該上橋開關導通時間的乘積。
在其中一種較佳的實施例中，該取樣保持電路包括：一取樣保持電容，與該積分器耦接，用以根據該積分訊號與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生該取樣保持訊號；以及一取樣保持開關，與該取樣保持電容耦接，用以根據該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號而切換，而控制取樣及保持操作，使得該取樣保持電容取樣並保持該積分器產生之積分訊號。
在其中一種較佳的實施例中該轉換電路包括：一受控電流源電路，與該取樣保持電路耦接，用以根據該取樣保持訊號，產生一充電電流；以及一充電電路，與該受控電流源電路耦接，用以根據該充電電流與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號而充電，以產生該漣波斜率補償訊號。
就另一個觀點言，本發明提供了一種具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器之控制方法，包含：根據一上橋驅動訊號，切換其中一上橋開關，並根據一下橋驅動訊號，切換其中一下橋開關，以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，其中，該上橋開關與該下橋開關串聯於一相位節點；以及根據與該輸出電壓相關之一回授訊號、該相位節點之一相位節點電壓、與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，而產生該上橋驅動訊號與該下橋驅動訊號；其中，該根據與該輸出電壓相關之一回授訊號、該相位節點之一相位節點電壓、與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，而產生該上橋驅動訊號與該下橋驅動訊號之步驟，包括：根據該回授訊號與一漣波斜率補償訊號，產生該上橋驅動訊號與該下橋驅動訊號；以及根據該相位節點電壓與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生該漣波斜率補償訊號。
在其中一種較佳的實施例中，該根據該相位節點電壓與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生該漣波斜率補償訊號之步驟，包括：根據該相位節點電壓與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生一積分訊號；根據該積分訊號與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生一取樣保持訊號；以及根據該取樣保持訊號與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生該漣波斜率補償訊號。
在前述的實施例中，該根據該相位節點電壓與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生一積分訊號之步驟，較佳地包括：根據該相位節點電壓與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生該積分訊號；以及根據該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號而切換，使得該積分訊號相關於該輸入電壓與該上橋開關導通時間的乘積。
在其中一種較佳的實施例中，該根據該相位節點電壓與該積分訊號，產生一取樣保持訊號之步驟包括：根據該積分訊號與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生該取樣保持訊號；以及根據該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號而切換，而控制取樣及保持操作，使得該取樣保持電容取樣並保持該積分器產生之積分訊號。
在其中一種較佳的實施例中，該根據該取樣保持訊號與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生該漣波斜率補償訊號之步驟包括：根據該取樣保持訊號，產生一充電電流；以及根據該充電電流與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號而充電，以產生該漣波斜率補償訊號。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
本發明中的圖式均屬示意，主要意在表示各電路間之耦接關係，以及各訊號波形之間之關係，至於電路、訊號波形與頻率則並未依照比例繪製。
第4圖顯示根據本發明之具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器200的實施例。交流電壓經由整流電路整流後，產生輸入電壓Vin(未示出，此為本領域中具有通常知識者所熟知，在此不予贅述)。整流電路例如為橋式整流電路。如第4圖所示，具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器200包含控制電路210與功率級220。功率級220可為同步或非同步之降壓型、升壓型、反壓型、升降壓型、或升反壓型功率級電路，如第2A-2J圖所示。功率級220根據上橋驅動訊號GH，切換其中上橋開關SWH；功率級220並根據下橋驅動訊號SWL，切換其中下橋開關SWL，以將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout。如第4圖所示，其中，上橋開關SWH與下橋開關SWL串聯於相位節點PH。須說明的是，所謂上橋開關SWH與下橋開關SWL串聯於相位節點PH，係指上橋開關SWH與下橋開關SWL沿著單一電流路徑互相連接，而相位節點PH為上橋開關SWH與下橋開關SWL間的連接點。控制電路210根據與輸出電壓Vout相關之回授訊號Vfb、相位節點PH之相位節點電壓VPH、與上橋驅動訊號SWH及/或下橋驅動訊號SWL，而產生上橋驅動訊號GH與下橋驅動訊號GL。須說明的是，上橋驅動訊號SWH與下橋驅動訊號SWL實質上是互為反相的訊號，下橋驅動訊號SWL大致上為上橋驅動訊號SWH反相處理後產生的；使得在上橋開關SWH導通時，下橋開關SWL不導通(視需要而定，上橋開關SWH與下橋開關SWL的導通時間之間可安排兩者皆不導通的雙止時間(dead time)以避免貫穿(shoot through))，此為本領域中具有通常知識者所熟知，在此不予贅述。
控制電路210包括驅動訊號產生電路211與漣波斜率補償電路213。如圖所示，驅動訊號產生電路211根據回授訊號Vfb與漣波斜率補償訊號Vramp，產生上橋驅動訊號GH與下橋驅動訊號GL。漣波斜率補償電路213與驅動訊號產生電路211耦接，用以根據相位節點電壓VPH與上橋驅動訊號GH，產生漣波斜率補償訊號Vramp。漣波斜率補償電路213亦可以根據相位節點電壓VPH與上橋驅動訊號GH及/或下橋驅動訊號GL，產生漣波斜率補償訊號Vramp。如前所述，上橋驅動訊號SWH與下橋驅動訊號SWL實質上是互為反相的訊號，因此，漣波斜率補償電路213亦可以根據相位節點電壓VPH與上橋驅動訊號GH及/或下橋驅動訊號GL，產生漣波斜率補償訊號Vramp。須說明的是，與輸出電壓Vout相關之回授訊號Vfb不必須由分壓電路接收輸出電壓Vout產生，亦可以為輸出電壓Vout的本身。
第5A-5D圖顯示本發明具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器200中，操作時之相位節點電壓VPH、積分訊號V1、取樣保持訊號V2、與漣波斜率補償訊號Vramp的訊號波形示意圖。如圖所示，根據本發明之具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器200為具有漣波調變定導通時間(ripple-based constant ON-time, RBCOT)架構，當相關於輸出電壓Vout之回授訊號Vfb減去波斜率補償訊號Vramp之位準，逐漸下降至參考訊號Vref時，使得上橋驅動訊號GH例如由低電位改變為高電位，並於固定的導通時間Ton維持在高電位，導通上橋開關SWH，對輸出電容C1充電，進而於此固定的導通時間Ton，提高輸出電壓Vout。在此固定導通時間Ton，積分訊號V1亦隨之升高，且取樣保持訊號V2重置後也隨之升高，將於後詳述。而固定導通時間Ton結束後，上橋驅動訊號GH由高電位轉為低電位，而下橋驅動訊號GL由低電位轉為高電位，也就是上橋開關SWH不導通而下橋開關SWL導通。此時輸出電容C1放電，進而降低輸出電壓Vout，直到回授訊號Vfb減去漣波斜率補償訊號Vramp之位準，逐漸下降至低於參考訊號Vref，使得上橋驅動訊號GH例如再由低電位改變為高電位，回到上述的流程，如此周而復始地運作。本發明取得相位節點PH上的相位節點電壓VPH，並根據上橋驅動訊號GH及/或下橋驅動訊號GL的位準變換時間點，以適應性調節漣波斜率補償訊號Vramp， 進而產生上橋驅動訊號GH與下橋驅動訊號GL。
第6A-6B圖顯示本發明具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器200的一個較具體的實施例。如第6A圖所示，驅動訊號產生電路211包括比較電路2111與驅動電路2113。比較電路2111比較相關於輸出電壓Vout之回授訊號Vfb、漣波斜率補償訊號Vramp、與參考訊號Vref，並將比較結果輸入驅動電路2113。驅動電路2113根據該比較結果，產生上橋驅動訊號GH及下橋驅動訊號GL。
如第6B圖所示，漣波斜率補償電路213包括積分器2131、取樣保持電路2133、與轉換電路2135。其中，積分器2131與驅動訊號產生電路211耦接，用以根據相位節點電壓VPH與上橋驅動訊號GH及/或下橋驅動訊號GL，產生積分訊號V1；取樣保持電路2133與積分器2131耦接，用以根據上橋驅動訊號GH與積分訊號V1，產生取樣保持訊號V2；以及轉換電路2135，與取樣保持電路2133及驅動訊號產生電路211耦接，用以根據取樣保持訊號V2與上橋驅動訊號GH及/或下橋驅動訊號GL，產生漣波斜率補償訊號Vramp。
如第6B圖所示，積分器2131包括積分電容CPH、積分開關SPH、積分電阻RPH、與驅動器DPH。其中，積分電容CPH與相位節點PH耦接，用以根據相位節點電壓VPH與上橋驅動訊號GH及/或下橋驅動訊號GL，產生積分訊號V1。積分開關SPH與積分電容CPH並聯，用以根據上橋驅動訊號GH及/或下橋驅動訊號GL而切換，使得積分訊號V1相關於輸入電壓Vout與上橋開關SWH固定導通時間Ton的乘積。節點電壓VPH經過積分電阻RPH，輸入積分電容CPH；在本實施例中，積分開關SPH例如根據下橋驅動訊號GL切換，以使積分電容CPH根據下橋開關SWL不導通的時間而充電(大致上即為上橋開關SWH導通的時間而充電)，並將積分的結果，經過驅動器DPH，以輸入取樣保持電路2133。
如第6B圖所示，取樣保持電路2133包括取樣保持電容CSH、取樣保持開關SSH、與驅動器DSH。取樣保持電容CSH與積分器2131耦接，用以根據積分訊號V1與上橋驅動訊號GH及/或下橋驅動訊號GL，產生取樣保持訊號V2。取樣保持開關SSH與取樣保持電容CSH耦接，用以根據上橋驅動訊號GH及/或下橋驅動訊號GL而切換，而控制取樣及保持的操作，使得取樣保持電容CSH取樣並保持積分器2131產生之積分訊號V1。如圖所示，取樣保持電容CSH與取樣保持開關SSH耦接，其中取樣保持開關SSH根據上橋驅動訊號GH而操作，使得取樣保持電容CSH於上橋開關SWH導通的時間，取樣保持積分器2131產生之積分訊號V1，而產生取樣保持訊號V2。
如第6B圖所示，轉換電路2135包括受控電流源電路CCS與充電電路2136。其中，受控電流源電路CCS，例如但不限於如圖所示的電流控制電流源，取樣保持訊號V2與接地電位GND間的電位差，經由電阻Rr所產生之電流，經由參數Kr與一電流源，所產生之電流，由充電電路2136中的開關SWR，根據上橋驅動訊號GH而操作控制，進而對充電電路2136中的電容Cr充電，進而產生漣波斜率補償訊號Vramp。受控電流源電路CCS與取樣保持電路2133耦接，用以根據取樣保持訊號V2，產生充電電流。充電電路2136，與受控電流源電路CCS耦接，用以根據充電電流與上橋驅動訊號GH及/或下橋驅動訊號GL而充電，以產生漣波斜率補償訊號Vramp。
第7A-7C圖顯示第6A-6B圖中，操作時各訊號波形。第7A圖顯示，相關於輸出電壓Vout之回授訊號Vfb、回授訊號Vfb減漣波斜率補償訊號Vramp之結果、與參考訊號Vref之訊號波形示意圖。當回授訊號Vfb減漣波斜率補償訊號Vramp之結果下降達到參考訊號Vref時，如第7C圖所示，上橋驅動訊號GH由低位準轉變為高位準，並維持於高位準一段固定導通時間Ton。上橋驅動訊號GH再由高位準轉變為低位準後，經由漣波斜率補償電路213根據相位電壓VPH，繼續產生漣波斜率補償訊號Vramp，以使回授訊號Vfb減去漣波斜率補償訊號Vramp之位準，逐漸下降至低於參考訊號Vref，使得上橋驅動訊號GH例如再由低電位改變為高電位，回到前述的流程，如此周而復始地運作。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化。例如，各實施例中圖示直接連接的兩電路或元件間，可插置不影響主要功能的其他電路或元件，因此「耦接」應視為包括直接和間接連接。又如，電阻或分壓電路並非僅限於電阻元件，亦可以其他電路，如電晶體電路等取代。再如，比較電路之正負端可以互換，僅需對應修改相關電路或是訊號高低位準的意義即可；又再如，控制電路外部的訊號(例如但不限於回授訊號)，在取入控制電路內部進行處理或運算時，可能經過電壓電流轉換、電流電壓轉換、比例轉換等，因此，本發明所稱「根據某訊號進行處理或運算」，不限於根據該訊號的本身，亦包含於必要時，將該訊號進行上述轉換後，根據轉換後的訊號進行處理或運算。再例如，所有實施例中的變化，可以交互採用，等等。凡此種種，皆可根據本發明的教示類推而得，因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。
10‧‧‧負載電路
20‧‧‧回授電路
100, 200‧‧‧具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器
110, 210‧‧‧控制電路
111‧‧‧比較器
112‧‧‧控制訊號產生電路
113‧‧‧上橋驅動電路
114‧‧‧下橋驅動電路
120, 220‧‧‧功率級
211‧‧‧驅動訊號產生電路
213‧‧‧漣波斜率補償電路
2111‧‧‧比較電路
2113‧‧‧驅動電路
2131‧‧‧積分器
2133‧‧‧取樣保持電路
2135‧‧‧轉換電路
2136‧‧‧充電電路
C1‧‧‧輸出電容
CCS‧‧‧受控電流源電路
CL, CU‧‧‧控制訊號
Comp‧‧‧比較訊號
CPH‧‧‧積分電容
Cr‧‧‧電容
CSH‧‧‧取樣保持電容
DPH, DSH‧‧‧驅動器
GH‧‧‧上橋驅動訊號
GL‧‧‧下橋驅動訊號
GND‧‧‧接地電位
IL‧‧‧電感電流
ILoad‧‧‧負載電流
Kr‧‧‧參數
L‧‧‧電感
PH‧‧‧相位節點
R1, R2, R3, Rr‧‧‧電阻
RPH‧‧‧積分電阻
SPH‧‧‧積分開關
SWR‧‧‧開關
V1‧‧‧積分訊號
V2‧‧‧取樣保持訊號
VC, VR‧‧‧漣波訊號
Vfb‧‧‧回授訊號
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
VPH‧‧‧相位節點電壓
Vramp‧‧‧漣波斜率補償訊號
Vref‧‧‧參考訊號
SSH‧‧‧取樣保持開關
SWH‧‧‧上橋開關
SWL‧‧‧下橋開關
20‧‧‧回授電路
100, 200‧‧‧具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器
110, 210‧‧‧控制電路
111‧‧‧比較器
112‧‧‧控制訊號產生電路
113‧‧‧上橋驅動電路
114‧‧‧下橋驅動電路
120, 220‧‧‧功率級
211‧‧‧驅動訊號產生電路
213‧‧‧漣波斜率補償電路
2111‧‧‧比較電路
2113‧‧‧驅動電路
2131‧‧‧積分器
2133‧‧‧取樣保持電路
2135‧‧‧轉換電路
2136‧‧‧充電電路
C1‧‧‧輸出電容
CCS‧‧‧受控電流源電路
CL, CU‧‧‧控制訊號
Comp‧‧‧比較訊號
CPH‧‧‧積分電容
Cr‧‧‧電容
CSH‧‧‧取樣保持電容
DPH, DSH‧‧‧驅動器
GH‧‧‧上橋驅動訊號
GL‧‧‧下橋驅動訊號
GND‧‧‧接地電位
IL‧‧‧電感電流
ILoad‧‧‧負載電流
Kr‧‧‧參數
L‧‧‧電感
PH‧‧‧相位節點
R1, R2, R3, Rr‧‧‧電阻
RPH‧‧‧積分電阻
SPH‧‧‧積分開關
SWR‧‧‧開關
V1‧‧‧積分訊號
V2‧‧‧取樣保持訊號
VC, VR‧‧‧漣波訊號
Vfb‧‧‧回授訊號
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
VPH‧‧‧相位節點電壓
Vramp‧‧‧漣波斜率補償訊號
Vref‧‧‧參考訊號
SSH‧‧‧取樣保持開關
SWH‧‧‧上橋開關
SWL‧‧‧下橋開關
第1A圖顯示典型的具有漣波調變定導通時間(ripple-based constant ON-time, RBCOT)之切換式電源供應器100的電路示意圖。 第1B圖舉例示出第1A圖中各訊號的波形。 第2A-2J圖示出同步或非同步之降壓型、升壓型、反壓型、升降壓型、與升反壓型轉換電路。 第3A與3B圖分別顯示典型的具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器100中，當輸出電容C1的ESR電阻R3相對較大(電解質電容)與較小(陶瓷電容)時，各漣波訊號之波形示意圖。 第3圖顯示根據本發明之PWM訊號、SR開關控制訊號VSR、導通脈衝訊號SX、與不導通脈衝訊號SY之波形示意圖。 第4圖顯示根據本發明之具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器200的實施例。 第5A-5D圖顯示本發明具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器200中，操作時各訊號波形。 第6A-6B圖顯示本發明具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器200的一個較具體的實施例。 第7A-7C圖顯示第6A-6B圖中，操作時各訊號波形。
10‧‧‧負載電路
20‧‧‧回授電路
200‧‧‧具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器
210‧‧‧控制電路
211‧‧‧驅動訊號產生電路
213‧‧‧漣波斜率補償電路
220‧‧‧功率級
2131‧‧‧積分器
2133‧‧‧取樣保持電路
2135‧‧‧轉換電路
GH‧‧‧上橋驅動訊號
GL‧‧‧下橋驅動訊號
GND‧‧‧接地電位
IL‧‧‧電感電流
L‧‧‧電感
PH‧‧‧相位節點
V1‧‧‧積分訊號
V2‧‧‧取樣保持訊號
Vfb‧‧‧回授訊號
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
VPH‧‧‧相位節點電壓
Vramp‧‧‧漣波斜率補償訊號
SWH‧‧‧上橋開關
SWL‧‧‧下橋開關
Claims (15)
- 一種具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器，包含： 一功率級，根據一上橋驅動訊號，切換其中一上橋開關，並根據一下橋驅動訊號，切換其中一下橋開關，以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，其中，該上橋開關與該下橋開關串聯於一相位節點；以及 一控制電路，根據與該輸出電壓相關之一回授訊號、該相位節點之一相位節點電壓、與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，而產生該上橋驅動訊號與該下橋驅動訊號； 其中，該控制電路包括： 一驅動訊號產生電路，根據該回授訊號與一漣波斜率補償訊號，產生該上橋驅動訊號與該下橋驅動訊號；以及 一漣波斜率補償電路，與該驅動訊號產生電路耦接，用以根據該相位節點電壓與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生該漣波斜率補償訊號。
- 如申請專利範圍第1項所述之具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器，其中該漣波斜率補償電路包括： 一積分器，與該驅動訊號產生電路耦接，用以根據該相位節點電壓與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生一積分訊號； 一取樣保持電路，與該積分器耦接，用以根據該積分訊號與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生一取樣保持訊號；以及 一轉換電路，與該取樣保持電路及該驅動訊號產生電路耦接，用以根據該取樣保持訊號與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生該漣波斜率補償訊號。
- 如申請專利範圍第2項所述之具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器，其中該積分器包括： 一積分電容，與該相位節點耦接，用以根據該相位節點電壓與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生該積分訊號；以及 一積分開關，與該積分電容並聯，用以根據該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號而切換，使得該積分訊號相關於該輸入電壓與該上橋開關導通時間的乘積。
- 如申請專利範圍第2項所述之具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器，其中該取樣保持電路包括： 一取樣保持電容，與該積分器耦接，用以根據該積分訊號與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生該取樣保持訊號；以及 一取樣保持開關，與該取樣保持電容耦接，用以根據該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號而切換，而控制取樣及保持操作，使得該取樣保持電容取樣並保持該積分器產生之積分訊號。
- 如申請專利範圍第2項所述之具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器，其中該轉換電路包括： 一受控電流源電路，與該取樣保持電路耦接，用以根據該取樣保持訊號，產生一充電電流；以及 一充電電路，與該受控電流源電路耦接，用以根據該充電電流與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號而充電，以產生該漣波斜率補償訊號。
- 一種具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器之控制電路，該具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器包含一功率級，其根據一上橋驅動訊號，切換其中一上橋開關，並根據一下橋驅動訊號，切換其中一下橋開關，以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，其中，該上橋開關與該下橋開關串聯於一相位節點；該控制電路根據與該輸出電壓相關之一回授訊號、該相位節點之一相位節點電壓、與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，而產生該上橋驅動訊號與該下橋驅動訊號；該控制電路包含： 一驅動訊號產生電路，根據該回授訊號與一漣波斜率補償訊號，產生該上橋驅動訊號與該下橋驅動訊號；以及 一漣波斜率補償電路，與該驅動訊號產生電路耦接，用以根據該相位節點電壓與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生該漣波斜率補償訊號。
- 如申請專利範圍第6項所述之具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器之控制電路，其中該漣波斜率補償電路包括： 一積分器，與該驅動訊號產生電路耦接，用以根據該相位節點電壓與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生一積分訊號； 一取樣保持電路，與該積分器耦接，用以根據該積分訊號與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生一取樣保持訊號；以及 一轉換電路，與該取樣保持電路及該驅動訊號產生電路耦接，用以根據該取樣保持訊號與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生該漣波斜率補償訊號。
- 如申請專利範圍第7項所述之具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器之控制電路，其中該積分器包括： 一積分電容，與該相位節點耦接，用以根據該相位節點電壓與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生該積分訊號；以及 一積分開關，與該積分電容並聯，用以根據該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號而切換，使得該積分訊號相關於該輸入電壓與該上橋開關導通時間的乘積。
- 如申請專利範圍第7項所述之具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器之控制電路，其中該取樣保持電路包括： 一取樣保持電容，與該積分器耦接，用以根據該積分訊號與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生該取樣保持訊號；以及 一取樣保持開關，與該取樣保持電容耦接，用以根據該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號而切換，而控制取樣及保持操作，使得該取樣保持電容取樣並保持該積分器產生之積分訊號。
- 如申請專利範圍第7項所述之具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器之控制電路，其中該轉換電路包括： 一受控電流源電路，與該取樣保持電路耦接，用以根據該取樣保持訊號，產生一充電電流；以及 一充電電路，與該受控電流源電路耦接，用以根據該充電電流與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號而充電，以產生該漣波斜率補償訊號。
- 一種具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器之控制方法，包含： 根據一上橋驅動訊號，切換其中一上橋開關，並根據一下橋驅動訊號，切換其中一下橋開關，以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，其中，該上橋開關與該下橋開關串聯於一相位節點；以及 根據與該輸出電壓相關之一回授訊號、該相位節點之一相位節點電壓、與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，而產生該上橋驅動訊號與該下橋驅動訊號； 其中，該根據與該輸出電壓相關之一回授訊號、該相位節點之一相位節點電壓、與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，而產生該上橋驅動訊號與該下橋驅動訊號之步驟，包括： 根據該回授訊號與一漣波斜率補償訊號，產生該上橋驅動訊號與該下橋驅動訊號；以及 根據該相位節點電壓與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生該漣波斜率補償訊號。
- 如申請專利範圍第11項所述具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器之控制方法，其中該根據該相位節點電壓與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生該漣波斜率補償訊號之步驟，包括： 根據該相位節點電壓與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生一積分訊號； 根據該積分訊號與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生一取樣保持訊號；以及 根據該取樣保持訊號與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生該漣波斜率補償訊號。
- 如申請專利範圍第12項所述具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器之控制方法，其中該根據該相位節點電壓與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生一積分訊號之步驟，包括： 根據該相位節點電壓與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生該積分訊號；以及 根據該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號而切換，使得該積分訊號相關於該輸入電壓與該上橋開關導通時間的乘積。
- 如申請專利範圍第12項所述具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器之控制方法，其中該根據該相位節點電壓與該積分訊號，產生一取樣保持訊號之步驟包括： 根據該積分訊號與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生該取樣保持訊號；以及 根據該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號而切換，而控制取樣及保持操作，使得該取樣保持電容取樣並保持該積分器產生之積分訊號。
- 如申請專利範圍第12項所述具有漣波調變定導通時間之切換式電源供應器之控制方法，其中該根據該取樣保持訊號與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號，產生該漣波斜率補償訊號之步驟包括： 根據該取樣保持訊號，產生一充電電流；以及 根據該充電電流與該上橋驅動訊號及/或該下橋驅動訊號而充電，以產生該漣波斜率補償訊號。
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201662289878P | 2016-02-01 | 2016-02-01 |
Publications (2)
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