TWI273761B - Control circuit and method of DC-DC converter - Google Patents

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Description

1273761 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種直流對直流轉換器的控制電路及 方法，特別是關於一種能隨輸出電流變化即時改變切換頻 率（frequency on-the-fly)的控制電路及方法。 【先前技術】 圖1係習知的直流對直流轉換器10,其包括一控制電 _ 路12及四個功率級14，在每一個功率級14中，電晶體 1404及1406串聯在輸入電壓Vin及接地GND之間，各功 率級14的驅動器1402根據來自控制電路12的各調節信 號PWM[1]至PWM[4]切換電晶體1404及1406,以分別產生 電流Ιο!至1〇4，電流1〇1至1〇4結合形成輸出電流1〇對電 容C充電產生輸出電壓ν〇，控制電路12偵測電流1〇1至 ί〇4及輸出電壓Vo,據以調變每一功率級14中電晶體1404 及1406的工作週期。圖2係習知的控制電路12架構，其 *中電流感測電路1236感測輸出電流1〇1至1〇4產生電流感 測信號Ix[l]至Ix[4]，加法器1234結合電流感測信號 Ix[l]至Ix[4]輸出信號Isum，經接腳ADJ通過電阻radj 產生電壓，數位電壓VID[n:0]經數位類比轉換器1202 轉換為類比電壓VIA，加法器1204結合類比電壓VIA及電 壓Vm產生參考電壓Vrefl，誤差放大器12〇6偵測輸出電 壓Vo並將其與參考電壓Vrefl比較產生誤差信號Vea，鋸 齒波產生器1210、1212、1214及1216根據振盪器1208 提供的時脈CLK分別產生鋸齒波RAMP[1]、RAMP[2]、RAMP[3] 6 ⑧ J273761 λ 及RAMP[4]，加法器1218藉由電流感測信號Ιχ[ι]平移鋸 齒波RAMP[1]的準位產生錄齒波raMP[1]’，比較器1226 比較誤差信號Vea及雜齒波RAMP[ 1 ]’產生調節信號 PWM[1]，加法器1220藉由電流感測信號Ix[2]平移鋸齒波 RAMP[2]的準位產生鋸齒波RAMP[2]，，比較器1228比較誤 差信號Vea及鋸齒波RAMP[2]，產生調節信號PWM[2]，加法 器1222藉由電流感測信號ix[3]平移鋸齒波RAMP[3]的準 位產生鋸齒波RAMP[3]，，比較器1230比較誤差信號vEA及 • 鋸齒波RAMP[3]，產生調節信號PWM[3]，加法器1224藉由 電流感測信號Ix[4]平移鋸齒波RAMP[4]的準位產生鋸齒 波RAMP[4]’，比較器1232比較誤差信號Vea及鋸齒波 RAMP[4]’產生調節信號PWM[4]。 圖3顯示習知的電流感測電路1236，其包括互導放大 器12362感測通過電阻R1的電流Ι〇ι，因此產生跨壓
Vs = I01xRl 公式 1 由於互導放大器12362的雨輸入端CSP及CSN為虛短路， 因此電阻Rxl上的跨壓等於電壓Vs，故可推得互導放大器 12362輸出的電流感測信號
Ix[l] =
Vs :i〇〗xR1 Rxl 公式2 對直流對直流轉換器來說，如何控制功率級14中電 1273761 晶體1404及1406的切換頻率是报重 換頻率時輸出電流1〇與輸出電壓v〇的波^ 1低切 20係輸出電流1〇,波形22係電壓 //圖，八中波形 麈V。，細係出電 厂載編負載時’輸出電流I。増加，而電壓;!與::: :Γ弁成t比中1關/、，因此電壓w道輪出電流ι〇的增加 鐘A s VQ則降低並轉在較低的準位，直至 =為低負私輸㈣MVQ才恢復至轉位，在此 由於切換頻率較低’因此在高負_，功率級14較不易 ，熱’所以具有較佳的效能，然而，也由於切換頻率較低易 :此在負載暫⑽間’輸出電壓vo無法立即維持在預定 :位而、低或過兩，如波形26所示，造成不好的暫態響 法开Utr切換頻率時輪出電流丨。與輸出電壓v〇的 形30係輪出電流1〇,波形32係電壓vaw，
VoUVG)。由低負载轉為36係輸出電壓V〇的平均值 壓-則隨輸出電輸出電流1〇增加，電 ^ 、 10的增加而上升，輸出電壓Vo降至 ^低^準位，直至轉為低負載才恢復至原準位，在此示 ’ $切換頻率較高，因此在負載暫態瞬間，能立即 將輸出電壓V。_在預定的準位，如波形36所示，但是 在高^載期間卻容易讓功率級14發熱，所以效能較差。 制電=方:種流變化即時改變切換頻鲍 1273761 【發明内容】 本發明的目的，在於提供—種直料錢轉換哭的々 制電路及方法，其賴輸出電流變化即時改變切換頻率Γ 在-種直流對直流轉換器中一功率級具有至少 關，-控制電路供應一調節信號切換該至少一開關以產: -輸出電魏-輸出電流，根據本發明，該控制電路包括 -誤差放大器_該輸出電壓’產生—第—信號，一頻率 決定電路供應-賴輸出電流改變頻率的第二信號，一、參 考電壓產生電路根據該第二信號產生—隨該輸出電流改 變頻率的參考電壓’以及-比較器比較該第-信號及參考 電壓產生-隨該輸出電流改變頻率的調節信號給該功率 級，進而讓該至少-開關的切換頻率隨該輸出電流 變。 本發明的控制電路及方法能讓直流對直流轉換器的 切換頻率隨輸出電流改變，以在低負载時具有較高的切換 頻率，得到良好的暫態響應，而在高負載時具有較低的切 換頻率，得到較佳的效能。 ‘ 【實施方式】 圖6係本發明的實施例，參照圖1及圖6，以圖6所 不的控制電路40替代圖1中的控制電路12，在控制電路 4 0中電流感測電路4 〇 3 6感測通過每一功率級14中的電 流1。！至1〇4產生電流感測信號丨对^至Ιχ[4]，加法器4〇34 結合電流感測信號Ix[l]至Ιχ[4]產生信號isum經電阻 FUj得到隨輸出電流1〇變化的電壓 1273761 V細=klxIsumxR湯=k2xIoxR厕公式 3 其中，kl及k2為常數。數位電壓VID[n:0]經數位類比轉 換器4002轉換為類比電壓VIA，加法器4004將類比電壓 VIA減去電壓Vad;產生參考電壓Vrefl，誤差放大器4006 偵測輸出電壓Vo,並將所偵測的結果與參考電壓Vrefl比 較產生誤差信號VEA，頻率決定電路4001包含電晶體4005 • 連接在振盪器4008及電阻Rose之間，運算放大器4003 的非反相輸入連接參考電壓Vref2，反相輸入連接電晶體 4005及電阻R0SC，輸出則連接電晶體4005的閘極，運算 放大器4003係用以將電阻Rose上的跨壓鎖在參考電壓 Vref2的電位，以產生定電流i〇sc給振盪器4008，振盪 器4008根據定電流i〇sc及電壓產生隨輸出電流1〇變 化而改變頻率的時脈CLK，鋸齒波產生器4010、4012、4014 及4016根據時脈CLK分別產生鋸齒波RAMP[1]、RAMP[2]、 鲁RAMP[3]及RAMP[4]，加法器4018藉由電流感測信號Ix[l] 平移鑛齒波RAMP[1]的準位產生鋸齒波RAMP[1]，，比較器 4026比較誤差信號Vea及鋸齒波RMp[1]，產生調節信號 PWM[1]，加法器4020藉由電流感測信號Ιχ[2]平移鋸齒波 RAMP[2]的準位產生鋸齒波RAMp[2]，，比較器4028比較誤 差信號VEA及鋸齒波RAMP[2]，產生調節信號PWM[2]，加法 器4022藉由電流感測信號ιχ[3]平移鋸齒波RAMp[3]的準 位產生錯齒波RAMP[3]，，比較器4030比較誤差信號Vea及 鑛齒波RAMP[3]，產生調節信號PWM[3]，加法器4024藉由 1273761
A
電流感測信號Ix[4]平移鋸齒波RAMP[4]的準位產生鋸齒 波RAMP[4]’，比較器4032比較誤差信號VEA及鋸齒波 RAMP[4]’產生調節信號PWM[4]。 圖7係圖6中振盪器4008的實施例，減法器50將定 電流lose減去隨輸出電流1〇變化的電流產生隨輸出 電流1〇變化的電流II，其中電流IafBxVad” B為常數， 電流鏡52鏡射電流II產生電流12及13,電流鏡54鏡射 電流12產生電流14，在電流鏡52中，電晶體Nl、N2及 N3的長寬比為η : 1 : 1，在電流鏡54中，電晶體pi及p2 的長寬比為1 ·· 1，PM0S電晶體56連接在電流14及電容 C1之間，受控於信號q，NM0S電晶體58連接在電流13及 電容ci之間，受控於信號q，比較器6〇比較電容Ci上的 時脈CLK及參考電壓V„產生信號s#，比較器62比較時脈 CLK及參考電壓vL產生信號r#。 圖8顯示圖7中時脈ακ的波形以及信號卜如及 =間的關係表，其中波形64係電壓Vh，波形66係電壓^， 二形68係時脈CLK。參考圖7及圖8，在時 ::時脈咖大於電壓心，故信2: ，高準位，根據圖8的表格所示，此時 使電、W L 而NM〇S電晶體5 8導通， 對電容C1放電，讓時脈c 。在二通 到t3期間，時脈⑽低於電壓Vh但高 在¥間t2 S#由低準位轉為古進 、監^’故仏號 為4位’而MR#維持在高準位，奸擔束 t所不，此時㈣Q將_ ，據表 m jyt μ, 31, t J 子世所以 PMOS 雷。日 …、、截止’而NM0S電晶體則持續導通，使電流^ 11 1273761 繼、，各ci放電。在時間t3到t4期間，時脈ακ低 於電壓Vh& Vl，使得信號R#由高準位轉為低準位，而信 號S#則維持原準位，根據表格此時錢Q將轉為低準位口， 因此POMS電晶體56導通，而_s電晶體58截止，電流 14開始對電容C1充電，讓時脈CLK上升。在時間t4到 ΐ5期間’時脈CLK低於電壓Vh但高於電壓vL，故信號R# 由低準位轉為高準位，而信號S#維持在高準位，根據表格 所示’此日才信號Q將維持在原來的準位，所以PM0S電晶 體56仍然導通，而NM〇s電晶體則維持截止，使電流i4 繼續對電容C1充電。 根據電容公式可以得到充電或放電時間
T^nxC^x^-yj II 公式4 因此可得時脈CLK的頻率 F =〜__ _Π_ 2T 2xnxClx(VH-VL) 公式5 又電户 Τ 1 γ ”L 1 ^IoSC-Iad】，而電流Iad尸BxVad〗，故公式5可改寫 為 ” F = - (B X V湯） 2xnxClx(VH-VL) 公式6 ⑧ 12 1273761 從公式3可知，電壓Vm與輸出電流Ιο具有正比例關係， 因此當輸出電流1〇增加時，電壓Vad:隨著增加，使得時脈 CLK的頻率F下降，反之，當輸出電流1〇減少時，電壓 Vad;隨著減少，使得時脈CLK的頻率F上升。由於調節信 號PWM[1]至PWM[4]的頻率係由時脈CLK決定，因此當時 脈CLK的頻率改變時，調節信號PWM[1]至PWM[4]的頻率 也將跟著改變，進而改變功率級14的切換頻率。 鲁圖9係應用本發明的直流對直流轉換器的輸出電流1〇 與輸出電壓Vo在暫態響應時的波形圖，其中波形70係輸 出電流1〇、波形72係電壓Vad』、波形74係輸出電壓Vo， 波形76係輸出電壓Vo的平均值Vo(AVG)。在低負載期間， 如時間tl之前及時間t2之後，輸出電流1〇在較低的準 位，根據公式6可知時脈CLK具有較高的頻率，故功率級 14的切換頻率較高。在時間tl發生負載暫態時，由低負 載轉為高負載的瞬間，由於仍具有較高的切換頻率，因此 • 在輸出電壓Vo下降後能很快地維持在預定的準位，故具 有較佳的暫態響應。在高負載期間，如時間tl至t2，輸 出電流1〇由低準位上升至高準位，根據公式6可得知時 脈CLK的頻率係隨著輸出電流1〇的上升而下降，因此功 率級14的切換頻率也跟著下降，使得電晶體1404及1406 不易發熱，因而讓轉換器得到較佳的效能。在時間t2再 次發生負載暫態時，由高負載轉為低負載後，輸出電流1〇 由高準位降至低準位，使得功率級14的切換頻率上升， 讓輸出電壓Vo在上升後能很快的維持在原準位，因而得 13 1273761 到良好的暫態響應。 圖10係頻率決定電路4001的另一實施例，其中電晶 體84連接在振盪器80及電阻R1之間，運算放大器82具 有非反相輸入連接參考電壓Vref3，反相輸入連接電晶體 84及電阻R1 ’其輸出則連接電晶體84的閘極，電流源 供應與輸出電流1〇具有比例關係的電流Ιΐ()υτ至電阻R2， 其中電流
LIOUT kxlo 公式7 在此，k係常數。由於運算放大器82將接腳〇sc的電壓鎖 在參考電壓Vref3的準位，因此根據歐姆定律可得
Vref 3 = Iosc2 X R1 + (Iose +!丽）x R2 公 其中，Iosc2係供應至振盪器80電流。根據公式7可改寫 鲁公式8為 公式9
Vref 3 = Iosc2 X R1 + (l〇sc + k X Ιο) X R2 因此可推得
Iosc2 =
Vref3 -kxR2xIorI+R2 公式10 1273761 ' '在將圖7中的電流1AD】及i〇sc以及減法器50去除後，可 得此實施例中振盪器80的電路，其中電流I〇sc2為圖7 中的電流II，故可得知時脈CLK的頻率
Iosc2 "2χηχαχ(ΥΗ-\) 公式 11
由公式10及公式11可知，當輸出電流1〇增加時，電流 Iosc2將減少，使得時脈CLK的頻率減少，而當輸出電流 1〇減少時’電流I〇sc2將增加，使得時脈CLK的頻率增加， 因此能讓轉換II在低負載時具有較高的切換頻率，以在由 低負載轉高負載及由高負載轉低負載 ^ ^ ^ ^ ^ 電壓V，得到良好的暫_應，而=，能快速穩定輸出 器具有較低的切換頻率，使功率_〜貞載的期間’轉換 較佳的效能。 力羊、及U不易發熱，以得到 【圖式簡單說明】 圖1係習知的直流對直流轉換器· 圖2係習知的控制電路； 圖3係習知的電流感測電路； 圖4係在低切換頻率時輸出雷、、☆ 波形圖； ％ 1〇與輸出電壓Vo的 圖5係在高切換頻率時輸出電、、☆ 波形圖； 與輸出電壓Vo的 圖6係本發明的實施例； 15 1273761 圖7係振盪器4008的實施例； 圖8顯示圖7中時脈CLK的波形以及信號Q、S#及R# 之間的關係表； 圖9係應用本發明的直流對直流轉換器的輸出電流1〇 與輸出電壓Vo在暫態響應時的波形圖；以及 圖10係頻率決定電路4001的另一實施例。 【主要元件符號說明】
10 直流對直流轉換器 12 控制電路 1202 數位類比轉換器 1204 加法器 1206 誤差放大器 1208 振盈器 1210 鋸齒波產生器 1212 鋸齒波產生器 1214 鋸齒波產生器 1216 鋸齒波產生器 1218 加法器 1220 加法器 1222 加法器 1224 加法器 1226 比較器 1228 比較器 1230 比較器
16 1273761 1232 比較器 1234 加法器 1236 電流感測電路 12362互導放大器 14 功率級 1402 驅動器 1404 電晶體 1406 電晶體 20 輸出電流1〇的波形 22 電壓Vaim的波形 24 輸出電壓Vo的波形 26 輸出電壓Vo的平均值Vo(AVG)的波形 30 輸出電流1〇的波形 32 電壓Vad』的波形 34 輸出電壓Vo的波形 36 輸出電壓Vo的平均值Vo(AVG)的波形 40 控制電路 4001 頻率決定電路 4002 數位類比轉換器 4004 加法器 4003 運算放大器 4005 電晶體 4006 誤差放大器 4008 振盪器 4010 鋸齒波產生器 17 1273761
4012 鋸齒波產生器 4014 鋸齒波產生器 4016 鋸齒波產生器 4018 加法器 4020 加法器 4022 加法器 4024 加法器 4026 比較器 4028 比較器 4030 比較器 4032 比較器 4034 加法器 4036 電流感測電路 50 減法器 52 電流鏡 54 電流鏡 56 PMOS電晶體 58 丽OS電晶體 60 比較器 62 比較器 64 電壓Vh的波形 66 電壓VL·的波形 68 時脈CLK的波形 70 輸出電流1〇的波形 72 電壓Vaw的波形 18 1273761 74 輸出電壓Vo的波形 76 輸出電壓Vo的平均值Vo(AVG)的波形 80 振盪器 82 運算放大器 84 電晶體 86 電流源
19

Claims (1)

1273761 十、申請專利範圍： L :種直流對直流轉換器的控制電路，該直流對直流轉換 器包含一功率級產生一輸出電壓及一輪出電流，該控制 電路包括： 一誤差放大器，偵測該輸出電壓，產生一第一信號·， 一頻率決定電路，供應一隨該輸出電流改變頻率的 第二信號； 一鋸齒波產生器，根據該第二信號產生一隨該輸出 電流改變頻率的第一鋸齒波； 一加法器，藉由該電流感測信號平移該鋸齒波的準 位產生一第二鋸齒波；以及 一比較器，比較該第一信號及第二鋸齒波產生一隨 該輸出電流改變頻率的調節信號給該功率級， 進而讓該功率級的切換頻率隨該輸出電流而改 變； 其中，該切換頻率係隨該輸出電流的增加而下降， 隨該輸出電流的減少而上升。 =明求項1之控制電路，更包括一電流感測電路感測該 輸出電流產生一電流感測信號。 3 .如請求項2之控制電路，其中該頻率決定電路包括： 振盪态，根據一定電流及一隨該輸出電流變化的 第三信號產生該第二信號； 一電阻； 一電晶體，連接在該振盪器及電阻之間；以及 一運算放大器，具有一非反相輸入連接一參考電 1273761 壓，一反相輸入連接該電晶體及電阻之間，以 及一輸出控制該電晶體，用以將該電阻上的跨 壓鎖在該參考電壓的電位，以產生該定電流。 4·=明求項3之控制電路，其中該第三信號係藉由該電流 感測信號產生。 如：求項3之控制電路，其中該振盡器包括： '成去為，將該定電流減去一根據該第三信號而產 生的第一電流，得到一隨該輸出電流變化的第 二電流，· 第一電流鏡，鏡射該第二電流，產生一第三電流 及一第四電流； 第一電流鏡，鏡射該第三電流產生一第五電流； 一電容； 第開關，連接在該第四電流與該電容之間；以 及 第一開關，連接在該第五電流與該電容之間； "中卷在該第一開關導通時，該第二開關截止，而 當該第二開關導通時，該第一開關截止，以讓 w亥第四及第五電流充放電該電容，產生該第二 、信銳。 )·如請灰q 、之控制電路，其中該頻率決定電路包括： 振盪器，根據一隨該輸出電流變化的第一電流產 生該第二信號； —電晶體，連接在該振盪器及一節點之間； 一第一 及一第二電阻，串聯在該節點及一第一參考 21 1273761 電壓之間； 電流源，供應一與该輸出電壓具有比例關係的第 二電流給該第二電阻；以及 一運算放大器，具有一非反相輸入連接一第二表考 電壓，一反相輸入連接該節點，以及_輪出押 制該電晶體，以讓該節點上的電壓等於 料電壓’以產生該第三電流。 ^二 .如請求項6之控制電路，其中該振盪器包括·· 一第一電流鏡，鏡射該第一電流，產生一第二電流 及一第三電流； ^ 一第二電流鏡，鏡射該第二電流產生一第四電流； 一電容； 一第一開關，連接在該第三電流與該電容之間；以 及 第二開關，連接在該第四電流與該電容之間； 其中，在該第一開關導通時，該第二開關截止，而 當該第二開關導通時，該第一開關截止，以讓 該第三及第四電流充放電該電容，產生該第二 信號。 8· „種直流對直流轉換器的控制方法，該直流對直流轉換 裔包含一功率級產生一輸出電壓及一輸出電流，該控制 方法包括： 偵測該輸出電壓，產生一第一信號； 供應一隨該輸出電流改變頻率的第二信號； 根據α亥第一信號產生一隨該輸出電流改變頻率的第 22 1273761 一鑛齒波； 藉由該電流感測信號平移該第一鋸齒波的準位產生 一第二鑛齒波；以及 比較該第-信號及第二㈣波產生—隨該輸出電流 改變頻率的調節信號給該功率級，進而讓該功 率級的切換頻率隨該輸出電流的增加而下降， 隨該輸出電流的減少而上升。 9·如請求項8之控财法，更包括制該輸出電流產生一 電流感測信號。 10·如請求項8之㈣方法，其中該供應—隨該輸出電 Μ改變頻率的第二信號的步驟包括·· 供應一第一電流； 供應一隨該輸出電流變化的第二電流； 藉由該第一電流減去該第二電流得到一隨該輸出電 流變化的第三電流； 鏡射β第二電流產生_第四電流及—第五電流； 鏡射該第四電流產生—第六電流；m ’ 利用該第五及第六電流對―電容充放電，以產生該 弟一信號。 11 产之控制方法，其中該供應一隨該輸出電 / 爪改k頻率的第二信號的步驟包括： 供應一隨該輸出電流變化的第一電流； ==:電，生-第二電流及一第三電流； 、兄、以第—電流產生一第四電流；以及 利用該第三及第四钱對—電容充放電，以產生該 23 ⑧ 1273761
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