TW202101909A - 應用於脈寬調變系統的自動頻率調變電路及自動頻率調變方法 - Google Patents

應用於脈寬調變系統的自動頻率調變電路及自動頻率調變方法 Download PDF

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Abstract

本發明揭露一種應用於脈寬調變系統的自動頻率調變電路及自動頻率調變方法，其係以效率統計結果作為頻率調變之參考。自動頻率調變電路包含振盪器單元、導通時間產生單元、頻率調整單元及頻率選擇單元。振盪器單元用以接收參考電流並產生時脈訊號。導通時間產生單元耦接振盪器單元，用以接收參考電壓與振盪器單元之第一電壓並產生導通時間訊號。頻率調整單元耦接導通時間產生單元，用以接收導通時間訊號與脈寬調變訊號並產生頻率調整訊號。頻率選擇單元耦接頻率調整單元，用以根據頻率調整訊號自動調整原始頻率，以產生調整後頻率。

Description

應用於脈寬調變系統的自動頻率調變電路及自動頻率調變方法
本發明係與頻率調變有關，尤其是關於一種應用於脈寬調變(Pulse-Width Modulation，PWM)系統的自動頻率調變電路及自動頻率調變方法。
請參照圖1及圖2，圖1及圖2分別繪示先前技術中之脈寬調變(PWM)訊號與脈頻調變(Pulse-Frequency Modulation，PFM)訊號的波形示意圖。
一般而言，脈寬調變(PWM)架構在一般抽載電流的效率上表現較佳，但其控制迴路較複雜，且其在輕載時之效率反而不如脈頻調變(PFM)架構；至於脈頻調變(PFM)架構雖然電路較簡單且功耗較少，但其架構的限制導致其在重載時之效率表現不佳。
因此，目前普遍的操作方式是混合使用脈寬調變(PWM)迴路與脈頻調變(PFM)迴路，透過偵測負載電流判斷負載之輕重，在重載時選用脈寬調變(PWM)迴路運作，而在輕載時則改用脈頻調變(PFM)迴路運作，藉以達到效率最大化的效果。
就脈寬調變(PWM)模式與脈頻調變(PFM)模式之間的切換而言，傳統上常見的作法是偵測脈寬調變(PWM)迴路中之誤差放大器(Error Amplifier)之輸出端電壓作為負載電流的取樣信號，當輸出端電壓低於預設的參考電壓時，即由脈寬調變(PWM)模式切換為脈頻調變(PFM)模式。
然而，在實際應用中，上述傳統的偵測方法可能會因為某些特殊情況而導致誤判。舉例而言，當應用於發光二極體驅動器(LED driver)時，若其調光(Dimming)頻率過低，則在停止模式切換的期間內會造成誤差放大器之輸出端電壓下降，導致脈寬調變(PWM)模式與脈頻調變(PFM)模式之間的切換判斷有誤而出現誤切換之現象，亟待改善。
有鑑於此，本發明提出一種應用於脈寬調變系統的自動頻率調變電路及自動頻率調變方法，以有效解決先前技術所遭遇到之上述問題。
依據本發明之一具體實施例為一種自動頻率調變電路。於此實施例中，自動頻率調變電路應用於脈寬調變系統，其係以效率統計結果作為頻率調變之參考。自動頻率調變電路包含振盪器單元、導通時間產生單元、頻率調整單元及頻率選擇單元。振盪器單元用以接收參考電流並產生時脈訊號。導通時間產生單元耦接振盪器單元，用以接收參考電壓與振盪器單元之第一電壓並產生導通時間訊號。頻率調整單元耦接導通時間產生單元，用以接收導通時間訊號與脈寬調變訊號並產生頻率調整訊號。頻率選擇單元耦接頻率調整單元，用以根據頻率調整訊號自動調整原始頻率，以產生調整後頻率。
於一實施例中，自動頻率調變電路還包含積體電路匯流排(I2C)，耦接頻率選擇單元，用以提供原始頻率至頻率選擇單元。
於一實施例中，自動頻率調變電路還包含參考電流產生單元，耦接於頻率選擇單元與振盪器單元之間，用以接收頻率選擇單元所輸出的調整後頻率並產生參考電流至振盪器單元。
於一實施例中，自動頻率調變電路還包含參考電壓產生單元，耦接於頻率選擇單元與導通時間產生單元之間，用以接收頻率選擇單元所輸出的調整後頻率並產生參考電壓至導通時間產生單元。
於一實施例中，導通時間產生單元係根據第一電壓產生第二電壓後，再根據第二電壓與參考電壓產生導通時間訊號。
於一實施例中，頻率調整單元係根據導通時間訊號與脈寬調變訊號之相位偵測結果產生頻率調整訊號。
於一實施例中，振盪器單元包含彼此串接的振盪電流源與振盪電容，且第一電壓為振盪電流源與振盪電容之間的接點電壓。
依據本發明之另一具體實施例為一種自動頻率調變方法。於此實施例中，自動頻率調變方法應用於脈寬調變系統，其係以效率統計結果作為頻率調變之參考。自動頻率調變方法包含下列步驟：(a)根據參考電流產生時脈訊號；(b)根據參考電壓與第一電壓產生導通時間訊號，其中第一電壓係與振盪器單元有關；(c)根據導通時間訊號與脈寬調變訊號產生頻率調整訊號；以及(d)根據頻率調整訊號自動調整原始頻率，以產生調整後頻率。
相較於先前技術，本發明的自動頻率調變電路及自動頻率調變方法係應用於脈寬調變(PWM)系統，其係以效率統計結果作為頻率調變之參考，不需根據負載狀態(重載或輕載)在脈寬調變(PWM)模式與脈頻調變(PFM)模式之間進行切換，而是直接根據其效率的統計結果自動判定每個工作點的新工作頻率，故可有效避免在判斷是否進行模式切換時由於某些特殊情況(例如發光二極體驅動器的調光頻率過低時)導致誤判，藉以達到效率最佳化的功效。
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。
現在將詳細參考本發明的示範性實施例，並在附圖中說明所述示範性實施例的實例。在圖式及實施方式中所使用相同或類似標號的元件/構件是用來代表相同或類似部分。
依據本發明之一具體實施例為一種自動頻率調變電路。於此實施例中，本發明之自動頻率調變電路可應用於顯示驅動電路，例如發光二極體驅動器(LED driver)，但不以此為限。由於本發明之自動頻率調變電路係應用於脈寬調變系統，其係以效率統計結果作為頻率調變之參考，不需根據負載狀態(重載或輕載)在脈寬調變(PWM)模式與脈頻調變(PFM)模式之間進行切換，因此，即使發光二極體驅動器的調光頻率過低時，亦不會造成誤切換之情事發生，藉以達到效率最佳化的功效。
請參照圖3，圖3係繪示此實施例中之自動頻率調變電路的功能方塊圖。如圖3所示，自動頻率調變電路3包含振盪器單元30、導通時間產生單元31、頻率調整單元32、頻率選擇單元33、積體電路匯流排34、參考電流產生單元35及參考電壓產生單元36。
導通時間產生單元31耦接振盪器單元30。頻率調整單元32耦接導通時間產生單元31。頻率選擇單元33耦接頻率調整單元32。積體電路匯流排34耦接頻率選擇單元33。參考電流產生單元35耦接於頻率選擇單元33與振盪器單元30之間。參考電壓產生單元36耦接於頻率選擇單元33與導通時間產生單元31之間。
振盪器單元30用以接收參考電流IREF並產生時脈訊號CLK。導通時間產生單元31用以接收參考電壓VREF與振盪器單元30之第一電壓V1並產生導通時間訊號TON。頻率調整單元32用以接收導通時間訊號TON與脈寬調變訊號PWM並產生頻率調整訊號FAD。積體電路匯流排34用以提供原始頻率F0至頻率選擇單元33。
頻率選擇單元33用以根據頻率調整訊號FAD自動調整原始頻率F0，以產生調整後頻率F1。參考電流產生單元35用以接收頻率選擇單元33所輸出的調整後頻率F1並產生參考電流IREF至振盪器單元30。參考電壓產生單元36用以接收頻率選擇單元33所輸出的調整後頻率F1並產生參考電壓VREF至導通時間產生單元31。
於實際應用中，導通時間產生單元31係根據第一電壓V1產生第二電壓V2後，再根據第二電壓V2與參考電壓VREF產生導通時間訊號TON。頻率調整單元32係根據導通時間訊號TON與脈寬調變訊號PWM之相位偵測結果(例如比較脈寬調變訊號PWM與導通時間訊號TON之寬度)產生頻率調整訊號FAD。
於此實施例中，振盪器單元30可包含彼此串接於參考電流產生單元35與接地端GND之間的振盪電流源IOC與振盪電容COC，且第一電壓V1為振盪電流源IOC與振盪電容COC之間的接點電壓。振盪器單元30還可包含比較器300，其一輸入端接收第一電壓V1且其另一輸入端根據第一開關SW1或第二開關SW2導通選擇性地接收電壓VH或VL，比較器300比較第一電壓V1與電壓VH或VL並根據比較結果輸出時脈訊號CLK。
於此實施例中，導通時間產生單元31可包含轉導放大器310、比較器312及電阻R。轉導放大器310之一輸入端接收振盪電流源IOC與振盪電容COC之間的第一電壓V1且其另一輸入端與一輸出端相連並透過電阻R耦接至接地端GND。轉導放大器310之另一輸出端輸出第二電壓V2至比較器312之一輸入端。比較器312之另一輸入端接收來自參考電壓產生單元36的參考電壓VREF。比較器312根據第二電壓V2與參考電壓VREF產生導通時間訊號TON至頻率調整單元32。
於此實施例中，頻率調整單元32可包含相位偵測器320及數位電路322。相位偵測器320分別接收當下的脈寬調變訊號PWM與來自導通時間產生單元31的導通時間訊號TON，並透過相位偵測的方式比較脈寬調變訊號PWM的工作週期(Duty)的寬度與導通時間訊號TON的寬度後將比較結果輸出至數位電路322。數位電路322根據相位偵測器320的比較結果產生頻率調整訊號FAD至頻率選擇單元33。
實際上，當相位偵測器320的比較結果為脈寬調變訊號PWM的工作週期的寬度小於導通時間訊號TON的寬度時，符合降頻條件，因此，當頻率選擇單元33接收到數位電路322的頻率調整訊號FAD時，頻率選擇單元33會開始進行降頻的動作。當相位偵測器320的比較結果為脈寬調變訊號PWM的工作週期的寬度大於導通時間訊號TON的寬度時，不符降頻條件，因此，當頻率選擇單元33接收到數位電路322的頻率調整訊號FAD時，頻率選擇單元33會維持原本的操作頻率不變。
於此實施例中，頻率選擇單元33可包含降頻電路330、反相器332、頻率多工器334、或閘336及正反器338。反相器332耦接於數位電路322與頻率多工器334之間，用以產生頻率調整訊號FAD的反相訊號至頻率多工器334。頻率多工器334分別耦接積體電路匯流排34、降頻電路330及反相器332，用以根據頻率調整訊號FAD的反相訊號選擇性地輸出積體電路匯流排34所提供的原始頻率F0或降頻電路330所提供的降頻後頻率至正反器338。正反器338分別耦接降頻電路330、頻率多工器334及或閘336，用以輸出調整後頻率F1。
需說明的是，當脈寬調變訊號PWM的工作週期的寬度大於導通時間訊號TON的寬度時，正反器338輸出的調整後頻率F1仍維持於原始頻率F0不變。當脈寬調變訊號PWM的工作週期的寬度小於導通時間訊號TON的寬度時，正反器338輸出的調整後頻率F1會低於原始頻率F0。
請參照圖4。圖4繪示在不同脈寬調變(PWM)操作頻段下之負載電流(Load current)與工作週期(Duty)之間的關係示意圖。
於此實施例中，由於影響系統的工作週期(Duty)的參數大致包含輸入電壓、輸出電壓、切換頻率、抽載電流等，因此，可將應用範圍的負載電流當作橫軸並分別擺上16個頻段的值，縱軸則為輸入電壓(VIN)與輸出電壓(VOUT)的關係式(即工作週期)，並透過MATLAB計算所有工作點效率最佳化的操作頻率，藉以分別決定適合每個工作點的最終頻率為何而得到圖4。
當使用者透過積體電路匯流排(I2C)34指定第一頻率時，系統會判斷使用者所指定的第一頻率是否符合降頻的條件。一旦上述判斷結果為是，系統就會自動將其降頻以提高效率。由於根據圖4可知每個工作點效率最高的操作頻率為何，因此透過圖4即可得知應降頻至哪一頻段。
詳細而言，系統會根據使用者所指定的第一頻率選出相對應的參考電壓VREF並透過比較器產生導通時間訊號TON。接著，系統會比較當下的脈寬調變訊號PWM的工作週期與導通時間訊號TON的寬度。若脈寬調變訊號PWM的工作週期的寬度小於導通時間訊號TON的寬度，則符合降頻的條件，開始進行降頻動作。
在每次降頻時，系統根據降頻後之頻率重新產生的導通時間訊號TON的寬度會略為縮小，縮小的速度可根據圖4來設定。系統會一直降頻，直到脈寬調變訊號的工作週期的寬度大於導通時間訊號TON的寬度為止，此時的最終頻率值即為圖4中可提供最高效率的頻率值，藉以達到效率最佳化的目標。
請參照圖5。圖5繪示操作頻率與平均效率差之間的關係示意圖。平均效率差是將開啟自動頻率調變時的效率減去未開啟自動頻率調變時的效率而得。若以從100KHz至1600KHz的16個PWM操作頻段為例，透過MATLAB計算可得到開啟自動頻率調變的效率提升結果，從圖5中之輕載至重載(例如負載1%至100%)的六條曲線可看出在輕載時不需太高的頻率，故此系統的效率在輕載且高頻時可提升最多。
依據本發明之另一具體實施例為一種應用於脈寬調變系統的自動頻率調變方法。於此實施例中，自動頻率調變方法可應用於顯示驅動電路，例如發光二極體驅動器(LED driver)，其係以效率統計結果作為頻率調變之參考，但不以此為限。
請參照圖6。圖6繪示此實施例中之自動頻率調變方法的流程圖。如圖6所示，自動頻率調變方法可包含下列步驟：
步驟S10：根據參考電流產生時脈訊號；
步驟S12：根據參考電壓與第一電壓產生導通時間訊號，其中第一電壓係與振盪器單元有關；
步驟S14：根據導通時間訊號與脈寬調變訊號產生頻率調整訊號；以及
步驟S16：根據頻率調整訊號自動調整原始頻率，以產生調整後頻率。
於實際應用中，參考電流與參考電壓均可根據調整後頻率而產生，但不以此為限。步驟S12可包含兩個子步驟：根據第一電壓產生第二電壓；以及根據第二電壓與參考電壓產生導通時間訊號，但不以此為限。
步驟S12所述第一電壓可以是振盪器單元中之彼此串接的振盪電流源與振盪電容之間的接點電壓，但不以此為限。步驟S14可根據導通時間訊號與脈寬調變訊號之相位偵測結果產生頻率調整訊號，但不以此為限。步驟S16中之原始頻率可由積體電路匯流排(I2C)所提供，但不以此為限。
接下來，將透過一實際應用情境說明本發明之自動頻率調變方法的詳細流程步驟。
如圖7所示，自動頻率調變方法可包含下列步驟：
步驟S20：提供原始頻率並將其調整為第一頻率；
步驟S21：將系統操作頻率更新為第一頻率；
步驟S22：根據第一頻率提供相對應的參考電流，以對振盪電容充電而產生第一電壓；
步驟S23：根據第一頻率提供相對應的參考電壓；
步驟S24：比較第一電壓與參考電壓，以產生時脈訊號；
步驟S25：將第一電壓轉換為第一電流，流經電阻而產生第二電壓；
步驟S26：根據時脈訊號決定脈寬調變訊號之寬度；
步驟S27：比較第二電壓與參考電壓，以產生導通時間訊號；
步驟S28：透過相位偵測比較脈寬調變訊號與導通時間訊號之寬度；
步驟S29：若步驟S28之比較結果為脈寬調變訊號之寬度大於導通時間訊號之寬度，不符合降頻條件，故仍維持第一頻率不變；
步驟S30：若步驟S28之比較結果為脈寬調變訊號之寬度小於導通時間訊號之寬度，已符合降頻條件，故執行步驟S31，將第一頻率降至第二頻率，並回到步驟S21，將操作頻率更新為第二頻率；以及
步驟S32：決定最終頻率。
相較於先前技術，本發明的自動頻率調變電路及自動頻率調變方法係應用於脈寬調變系統，其係以效率統計結果作為頻率調變之參考，不需根據負載狀態(重載或輕載)在脈寬調變(PWM)模式與脈頻調變(PFM)模式之間進行切換，而是直接根據其效率的統計結果自動判定每個工作點的新工作頻率，故可有效避免在判斷是否進行模式切換時由於某些特殊情況(例如發光二極體驅動器的調光頻率過低時)導致誤判，藉以達到效率最佳化的功效。
S10~S16:步驟 S20~S32:步驟 PWM:脈寬調變訊號 PFM:脈頻調變訊號 T1~T2:週期 D1~D2:工作週期 3:自動頻率調變電路 30:振盪器單元 31:導通時間產生單元 32:頻率調整單元 33:頻率選擇單元 34:積體電路匯流排 35:參考電流產生單元 36:參考電壓產生單元 IREF:參考電流 CLK:時脈訊號 VREF:參考電壓 V1:第一電壓 TON:導通時間訊號 FAD:頻率調整訊號 F0:原始頻率 F1:調整後頻率 V2:第二電壓 IOC:振盪電流源 COC:振盪電容 300:比較器 SW1:第一開關 SW2:第二開關 VH:電壓 VL:電壓 310:轉導放大器 312:比較器 R:電阻 GND:接地端 320:相位偵測器 322:數位電路 330:降頻電路 332:反相器 334:頻率多工器 336:或閘 338:正反器
本發明所附圖式說明如下： 圖1及圖2分別繪示先前技術中之脈寬調變訊號(PWM)訊號與脈頻調變訊號(PFM)訊號的示意圖。 圖3繪示本發明之一具體實施例中之自動頻率調變電路的功能方塊圖。 圖4繪示在不同脈寬調變(PWM)操作頻段下之負載電流與工作週期之間的關係示意圖。 圖5繪示操作頻率與平均效率差之間的關係示意圖。 圖6繪示本發明之另一具體實施例中之自動頻率調變方法的流程圖。 圖7繪示本發明之又一具體實施例中之自動頻率調變方法的流程圖。
S10~S16:步驟

Claims (14)

  1. 一種自動頻率調變電路，應用於一脈寬調變系統，其係以一效率統計結果作為頻率調變之參考，該自動頻率調變電路包含： 一振盪器單元，用以接收一參考電流並產生一時脈訊號； 一導通時間產生單元，耦接該振盪器單元，用以接收一參考電壓與該振盪器單元之一第一電壓並產生一導通時間訊號； 一頻率調整單元，耦接該導通時間產生單元，用以接收該導通時間訊號與一脈寬調變訊號並產生一頻率調整訊號；以及 一頻率選擇單元，耦接該頻率調整單元，用以根據該頻率調整訊號自動調整一原始頻率，以產生一 調整後頻率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之自動頻率調變電路，還包含一積體電路匯流排(I2C)，耦接該頻率選擇單元，用以提供該原始頻率至該頻率選擇單元。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之自動頻率調變電路，還包含一參考電流產生單元，耦接於該頻率選擇單元與該振盪器單元之間，用以接收該頻率選擇單元所輸出的該調整後頻率並產生該參考電流至該振盪器單元。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之自動頻率調變電路，還包含一參考電壓產生單元，耦接於該頻率選擇單元與該導通時間產生單元之間，用以接收該頻率選擇單元所輸出的該調整後頻率並產生該參考電壓至該導通時間產生單元。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之自動頻率調變電路，其中該導通時間產生單元係根據該第一電壓產生一第二電壓後，再根據該第二電壓與該參考電壓產生該導通時間訊號。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之自動頻率調變電路，其中該頻率調整單元係根據該導通時間訊號與該脈寬調變訊號之一相位偵測結果產生該頻率調整訊號。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之自動頻率調變電路，其中該振盪器單元包含彼此串接的一振盪電流源與一振盪電容，且該第一電壓為該振盪電流源與該振盪電容之間的接點電壓。
  8. 一種自動頻率調變方法，應用於一脈寬調變系統，其係以一效率統計結果作為頻率調變之參考，該自動頻率調變方法包含下列步驟： (a)根據一參考電流產生一時脈訊號； (b)根據一參考電壓與一第一電壓產生一導通時間訊號，其中該第一電壓係與一振盪器單元有關； (c)根據該導通時間訊號與一脈寬調變訊號產生一頻率調整訊號；以及 (d)根據該頻率調整訊號自動調整一原始頻率，以產生一調整後頻率。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之自動頻率調變方法，其中步驟(d)中之該原始頻率係由一積體電路匯流排所提供。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之自動頻率調變方法，其中該參考電流係根據該調整後頻率而產生。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之自動頻率調變方法，其中該參考電壓係根據該調整後頻率而產生。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之自動頻率調變方法，其中步驟(b)包含： (b1)根據該第一電壓產生一第二電壓；以及 (b2)根據該第二電壓與該參考電壓產生該導通時間訊號。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之自動頻率調變方法，其中步驟(c)係根據該導通時間訊號與該脈寬調變訊號之一相位偵測結果產生該頻率調整訊號。
  14. 如申請專利範圍第8項所述之自動頻率調變方法，其中步驟(b)中之該第一電壓為該振盪器單元中之彼此串接的一振盪電流源與一振盪電容之間的接點電壓。
TW109117870A 2019-06-17 2020-05-28 應用於脈寬調變系統的自動頻率調變電路及自動頻率調變方法 TW202101909A (zh)

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