TWI291801B - High efficiency buck converter - Google Patents

Description

,1291801

Vgi :省能訊號 Vrefi :參考電壓 VSAW :鋸齒波訊號 VG2 :辅助控制訊號 Vref2 :參考電壓 八、本案若有化學式時’請揭示最能顯示發明特徵的化風 九、發明說明： 【發明名稱】：高效率降壓轉換器 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於降壓轉換器、切換式調整器、以及功率轉換器。 【先前技術】 降壓轉換器(Buck Converters)普遍應用於電腦 '通訊以及消費性產品中， 以將-高輸入電壓準位(如12V)轉換為一較低電壓輸出(如33ν、25ν°、σΐ8^ 〇說.·等）。其中PWM(脈波寬度調變)切換係域_換之主要技術，此外 同步整流技術係用以改良降壓轉換器於重載條件下的效率。 ，一 第-圖係繪示1知之降壓轉·。—_ 2G係耦接至該降_換器之— 輸入電壓V,N。經由該開關20的動作將令該輸入電壓Vin之功率透過一電感： 3〇轉換為-輸出電壓V。。由電阻器51與52所構成之—分壓器係雛於該= 電屋V〇與-接地參考端之間。該分壓器並提供一正比於該輸出電壓％的訊號 4 1129^1801 給一控制電路10，依據該訊號vFB，該控制電路1〇輸出一切換訊號， 以控制該_2G的導職止以達到賴之目的。—二極體22軸接 關20與該祕參考端間，μ提電感器洲於開關2()截止叙—電流循产 路徑。 ^表 第二圖缘示-具有同步整流功能之習知降壓轉換器，—開關25係作為— 同步整流器，用以減少因第-圖中該二極體22之壓降所造成的功率損失。其中 第-圖中之該二極體22係可由第二圖中之—開關25之—寄生二極體23餅加 的簫特基二極體取代之。-切換減〜2轉輯位準係與該切換訊號‘反向， 用以導通/截止開關25。 第二A圖至第三〇圖係繪示該降壓轉換器之同步整流動作。參照第三A圖， 當該開關2〇導通，該關25截止時，該輸人電壓ViN將供應—餘k透過該電 感器30流向-輸出電容4G，藉以產生該輸出MVq。該降壓轉換⑽輸出係由 該輸出電容40兩端提供，同時，能量會被儲存於電感器3〇與電容器4〇之中。 如第二B圖繪示，當該開關20與該開關25截止時，該電感器30中所儲存 的旎篁將會透過開關25的寄生二極體23陸續供應至該降壓轉換器的輸出。隨 後，如第二C圖所示，該開關25便導通以減低該寄生二極體23的功率損失。於 下個切換週期再次導通該開關2〇以前，會先截止該開關25以避免發生跨導現象 (cross conduction)造成之短路。雖然同步整流動作能夠於重載條件下改善該降壓 轉換器的效率，不過卻無法克服在輕載條件下低效率的問題，該問題係由該輸出 电谷40的逆向放電現象所造成。如第四圖所示，在輕載條件下，該電感器3〇中 所儲存的能量在下次切換週期開始前便將被完全釋放。因此該電容器4〇中所儲 存的能量將透過電感器30與開關25逆向釋放。 5 11291801 ;莖载條件下，該降屋轉換器的主要功率損失與該切換訊號S領的切 =30 ㈣以及該觸20與25的切換 t 另—項主要功率損失則仙該控制電路⑺的功率消耗所 造成。刀、獅τ__換辭，其等式如下： T=1/F=(Ton+Toff) 八中TON〃 toff刀別為切換訊號—的一導通時間(⑽㈣與一截止時間㈣ time) 〇 *乙長該切換週期T可降低功率損失。然而，為縮小電感器與電容器的體積， 必須魏使其運作於極短的切換週期之中。為避免電感器發生飽和， 隶大㈣間亦必須受到限制。因此，在輕載條件下，延長截止啸睛可以延 長該切換補T。_，在輕載甚至域條件下，可糊物換獅了的延長而 減低該降壓轉換器的功率消耗。 【發明内容】 器，用以於重、輕載條件 本毛月的目的係提供—種具有省電構件的降壓轉換 下兼具南效率。 以 該 回授 本發明提供-姆壓轉’其包含_切換裝置、步整流婦裝置、 及一回授電路。該切換裝置侧於控制傳送至該降壓轉換器之輸出端的功率。 同步整流讀裝置係提侧步紐_。翻㈣路係依據貞雜件產生一 訊號。為節省輕載條件下的功率以增進該降壓轉換器的效率，—第—電路係依據 該回授訊號以產生H訊號與—省電訊號。

Mm 4 ㊉A雜參考軸授訊號與該 產生-主切換滅以及—副切換訊號分馳繼切換裝置與該同步整流 該省電訊 切換裝置。魅城減的—截止時間(Gfftime)係隨著貞載下降而延長 Ί291801 號係於該主切換訊號的截止期間截止該同步整流切換裝置與該降壓轉換器的部份 控制電路以於輕載條件下達到省電目的。 為降低音頻雜訊，在該主切換訊號的一切換頻率落入音頻帶以前，該主切換 訊號與該切換裝置便會停用。當負載增加，且該主切換訊號的該切換頻率超過音 頻帶，藉由該回授訊號使得該主切換訊號係為啟用。 【實施方式】 參考第六圖，其繪示根據本發明實施例一降壓轉換器的一控制電路1〇的方塊 圖。其係包含一偏壓電路60、一回授電路80、一第一電路9〇與一第二電路7〇。該 偏壓電路60係供應該降壓轉換器中各電路的偏壓電流ι〇·.Ιν· •。一由電阻器幻與幻 所構成的分壓器係係耦接於該降壓轉換器的一輸出端與一接地參考端之間用以產 生一訊號VFB給該回授電路80，該訊號Vfb係與該降壓轉換器的一輸出電壓成比 例。該回授電路80依據該訊號Vfb產生一回授訊號VB，用以表示負載條件。該第一 電路90產生一振盈訊號PLS、一鋸齒波訊號ν_、一省電訊號％以及一輔助控制 訊號VG2 〇 參考第二圖與第六圖，該第二電路7〇依據該回授訊號^^與該振盪訊號pLs 產生一主切換訊號SW1與一副切換訊號8^，以便控制一切換裝置2〇與一同步整流 切換裝置25。該城裝置2〇係输至—輸人輕Vin，用以控制傳送域降壓轉換 器之輸出端的功率。該主娜訊號Swi的一截止時間Tgff係隨著負載的降低而增 加。在該主切換訊f虎Swi的該截止時間t〇ff_，該省電訊號I係可用來截止該 降壓轉換H巾的部份電路，肋在滅下達到省制目的。齡切換職^在其 切換頻率落人音頻帶之前將會伽，⑽級生音讎訊。當貞載增加，且令該 7 ;I291801 主切換訊號SW1的切換頻率高於音頻帶，該回授訊號Vb會使該主切換訊號s谓再次 啟用。-旦該主切換訊號SW1的該截因負载下降而延長時，該輔助控制 訊號K更可將該副切換訊號SW2停用，用以截止切換裝置25。所以，如第五細與 第紐圖所分麟示，本發明之降壓轉換器於重載條件下的操作如同一具有同步整 流功能的降_換器，而於輕載條件下的操作則如同_f知的降轉換器，以便 改善該降壓轉換器的效率。 第七圖為根據本發明之該控概路1G_賴電觸的—健實施例。該偏 壓電路6G產生偏壓電流Ϊ❶··In··。—能隙參考電壓電路11G會產生一參考電壓丫匪 與-參考Μν_。該參考電壓Vrefi仙接至—第_電壓對電流轉換器，該第一 電壓對電流轉換器係由-運算放大細、一電阻器113與一電晶體114構成。該第 -電壓對電流轉換ϋ依據該參考電歡麵以產生„定電流Im。—由電晶舰5、 116、117、118、119所構成的-第一電流鏡電路係依據該定電流^產生偏壓電流 V ·ΙΝ· ·。該偏壓電流V ·Ιν••係分別提供電源給該降壓轉換器中的各個電路。如 第七圖所緣示，開關124、123分別用來啟用與停用偏壓電流祕^，以達成省電 目的。開關124、123的導通或截止則係受控於該省電訊號&。因此，該省電訊號 Vgi會截止該降壓轉換器中在輕载下未運作的電路。 第八圖係為根據本發明較佳實施例之該第二電路70的示意圖。該第二電路7〇 包含-正反器78 ’該正反器78之一輸入端D係由一供應電壓％所提供，該正反器 78之-時脈輸入係由一來自反相器71所輸出的一反相紐訊號/pLs所提供。一及 的輸入端係祕至正反器78的一輸出、該反相振藍訊號/pLS、以及該省電訊 號VG1。該及閘79的-輸出係連接至一輸出緩衝電路用以產生該主切換訊號—。 該輸出缓衝電路係由及閘14()、145以及反相器13〇、135所構成，用以避免切換裝 置20與25發携導現象。依_振盪訊降緣以啟魏线換訊號^。 丨1291801 啟用該振盪訊號PLS與該省電訊號Vgi可停用該主切換訊號^。一反或問％的一 輸入係耦接至該及閘79的該輸出。該副切換訊號8劍係經由該反_76與該輸出 緩衝電路而產生。所以，該_換減—_位與魅切換訊號―相反。該反 或閘76的另-輸人係由該輔助控制訊號％供應。因此，當啟關助控制訊號％ 以節省電源時，便會截止該副切換訊號Sw2。 復參考第八圖，一比較器72的一負輸入係由該鋸齒波訊號所供應。該 比較器72的-正輸人則由該回授訊號％所供應，用以達成回授迴路控制。該比較 器72的-輸出餘接至—及閘73的—輸人。該及閘73的—輸出則祕至該正反器 78的重置輸入。该及閘73的另一輸入係耦接至一保護電路乃的一輸出。該保護 電路75包含過電壓、過電流與過溫度保護功㉟，用以保護該降壓轉換器及與其相 連的電路。a此，藉由魏護電路75與該回授峨Vb便可停止該主切換訊號^ 發生作用。-偏壓電流In+2與該偏壓電流Wi分別提供電源給該保護電路％與該比 車乂器72在輕載條件下，偏壓電流^和㈣均會被停用，以截止保護電路乃與比 較器72，用以降低功率消耗以達省電之目的。 第九圖為根據本發雜佳實施例之該㈣電路職該回授電綱示意圖。該 回授電路8〇包含-轉導(trans-c〇nductance)誤差放大器价，其正輸入係由該參考電 壓VreF1供應，其負輸入則由信號％供應。—電阻器82與一電容器於係轉接至該 誤差放大H81的-輸出以作為頻率補償用。_準位位移電晶體85_極會被連接 至該轉導誤差放大魏的該輸出；其雜係連接至由-電阻器86與-電阻器87組 成之一衰減器，用以產生回授訊號Vb。偏壓電流^與^^3係供應電源給該轉導誤差 时1在幸工載條件下，該偏壓電流In+3係為停用，用以節省誤差放大器奶的功 率消耗。 9 1291801

第十圖為根據本發明較佳實施例之該控制電路10的該第一電路90示意圖。該 第一電路90包含一調變器100、一振盪電路與一省電電路，該調變器1〇〇其係由該 回授訊號VB所供應，並依據該回授訊號VB來產生一放電電流ID、一輕載訊號vD與 一辅助控制訊號VG2。該振盪電路包含一充電電流源150、一放電電流源160、一充 電開關153、一放電開關154、一電容器155與一振盪控制電路，用以產生該振盈訊 號PLS與該鋸齒波訊號VSAW。該省電電路係由一反及閘167所實施，其兩輸入係由 該振盪訊號PLS與該輕載訊號VD分別供應，用以產生該省電訊號VG1。該放電電流 源係由電晶體151與152組成之第一電流鏡所實施，該放電電流ID係透過該第一電流 鏡電路耦接至該振盪控制電路。該充電開關153係耦接於該充電電流源150與該電 容器155之間。該放電開關154係連接於該電容器155與該放電電流源的輸出之間。 該振盪控制電路包含一具有高臨界電壓VH的比較器161、一具有低臨界電壓vL的比 較器162、一反及閘163、一反及閘164與一反相器165。該比較器162與163均連接 至該電容器155。該比較器161與162的輸出會係連接至由該反及閘163與164所組成 的閂鎖電路，用以產生振盪訊號PLS。該放電開關154係由該振盪訊號PLS所控制 其導通或截止，該放電開關153係透過該反相器165由該振盪器訊號PLS所控制。藉 由交替切換該充電開關153與該放電開關154，便可產生振盪。 當負載降低，該放電電流Id便會減少，而振盪訊號PLS的啟用時間則會隨之 增加。一旦負載低於臨界值，輕載訊號VD便啟用。當該輕載訊號VD與該振盪訊號 PLS啟用時，便會產生該省電訊號VG1。該充電電流源之一充電電流ιΑ與該電容器 155之電容值係決定該主切換訊號8^的最大導通時間TON。該放電電流10與該電容 器155係決定該主切換訊號SW1的一截止時間TOFF。該充電電流IA係為一定值電流， 而該放電電流ID則會隨著負載的變化而改變。 第十一圖為根據本發明較佳實施例之該調變器100示意圖。該調變器1〇〇包 10 1291801 含一運算放大器182，該運算放大器182係由該回授訊號vB供應。一運算放大 器181係由該參考電壓VREF1供應。一電晶體185與一電阻器183結合運算放大 器181與182組成一第二電壓對電流轉換器，用以產生一電流Ii85。一旦該回授 訊號vB低於該參考電壓vREF2，該電流Il8S便會隨著該回授訊號Vb的減少而增 加。由電晶體186與187所組成的一第二電流鏡電路係接收該電流Ii85，用以產 生一電流Ii87。一定偏壓電流I!係供應至由電晶體188、189、19〇與196所組成 的一第三電流鏡電路，用以分別產生一電流Il89、一電流j携與一電流Ii96。該電 曰曰體187之一>及極係與該電晶體189之一；；：及極相連接。由電晶體191、192、193、 194與195所組成的一第四電流鏡電路係接收該電流Ii89與該電流j撕的一差值 電流，用以產生一電流im、一電流Im、一電流Ii94與一電流夏挪。該電晶體192 之一汲極係與該電晶體190之一汲極相連接。該電晶體193之一汲極係與該電晶 體196之一汲極相連接。一反相緩衝器2〇7的一輸入係耦接至該電晶體193的該 汲極。該反相緩衝器207的一輸出會產生輔助控制訊號Vg2。一開關2〇1的一第 -端係祕至該電晶體194用以接收-電流Im。該開關2()1的一第二端係減 至-緩衝器2G5的-輸人。該電流1192與該電流—的差異電流會被供應至緩衝 器205的輸入。-開關202係耦接至-電流以產生該放電電流1〇。該緩衝 器205的一輸出係控制該開關201與2〇2的導通或截止。一反相器2〇6係耦接至 該緩衝H 205的該輸出，用以產生該輕載訊號％。該輕載訊號％的臨界準位係 為可調以躲消除音_訊。織魏流11}佩定齡切換簡Sw的切換頻 率。當該主切換船虎Swl的切換頻率落入音頻帶時，該開關2〇2便會截止，以便 停用該放電電流113與該切換訊號Swi，用以消除音頻雜訊。當負载增加，該回授 訊號VB便會導通該開關2〇2以便再次啟用該放電電流Id，而使該主切換訊號^ 的切換頻率高於音頻帶。 第十二圖為根據本發明的主切換訊號Swi的波形圖。其中Swi(f)表示重載條 11 1291801 件下的主切換訊號，而SW1(L)表示輕載條件下的主切換訊號。當該振盪訊號pLS 被啟用時，該主切換訊號會被停用以提供可程式的戴止時間toff。該主切 換訊號SW1的最大導通時間TON係為固定，以防止磁性元件發生飽和。 以上所述均僅為本發明之實施例，其目的並非限定本發明之申請專利範圍； 熟習本技藝的人士將會明白，凡在未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改 變或修飾均應包含在下文申請專利範圍的範疇内。

【圓式簡單說明】 在此所附之圖表是用來清楚描述本發明，並引用與包含詳細規袼的一部份， 以下的圖表描繪出本發明的實施例，並配合詳細說明部分，用以解釋本發明的原 理。 第一圖係繪示一習知的降壓轉換器。 第一圖係繪示一具有同步整流功能的習知降壓轉換器。 第三A圖至第三；〇圖係!會示第二圖之該習知降壓轉換器的同步整流運作。 • 細圖係繪示輕載條件下第二圖之該習知降婦換器之-反向放電現象。 第五A圖係繪示一高效率降壓轉換器於重載條件下之運作。 第五B圖係繪示該高效率降壓轉換器於輕載條件下之運作。 第六圖係纟t示本伽實細之降雜換器的—控制電路方塊圖。 第七圖係繪示根據本發明實施例之該控制電路的一偏壓電路。 第八圖係繪示本發明實施例之該控制電路的一第二電路。 第九圖係繪示本發明實施例之該控制電路的一回授電路。 第十圖係繪示本發明實施例之該控制電路的一第一電路。 第十一圖係繪示本發明實施例之該第一電路的一調變器示意圖。 12 129 〜1801 第十二圖係繪示本發明的切換訊號的波形圖。 【主要元件符號說明】

10 :控制電路 20 :開關 22 :二極體 23 :寄生二極體 25 :開關 30 :電感器 40 :電容器 51 :電阻器 52 :電阻器 60 :偏壓電路 70 :第二電路 71 :反向器 72 :比較器 73 :及閘 75 :保護電路 76 :反或閘 78 :正反器 79 :及閘 80 :回授電路 81 :誤差放大器 82 :電阻器 83 :電容器 85 :電晶體 86 :電阻器 87 :電阻器 90 :第一電路 100 :調變器 110 :能隙參考電壓電路 112 :運算放大器 113 :電阻器 114〜119 :電晶體 123 :開關 124 :開關 130 :反向器 135 :反向器 140 :及閘 145 :及閘 150 :充電電流源 151 :電晶體 152 :電晶體 153 :開關 154 :開關 13 1291801

155 :電容 161 :比較器 163 :反及閘 165 :反向器 181 :運算放大器 183 :電阻器 201 :開關 205 :缓衝器 207 :反相缓衝器 I〇、Ii、In、Ιν+ι、Ϊν+2、 Ια :充電電流 PLS :振盪訊號 S\V2 :副切換訊號 T〇M :導通時間

Vcc :供應電壓

Vfb :訊號 vG2:輔助控制訊號

Vo :輸出電壓

VrefI :參考電壓 160 :放電電流源 162 :比較器 164 :反及閘 167 :反及閘 182 :運算放大器 185〜196 :電晶體 202 :開關 206 :反相器 :偏壓電流

Id :放電電流 Swi :主切換訊號 T〇FF :截止時間 VB :回授訊號 VD :輕載訊號 VG1 :省能訊號 Vin :輸入電壓 VsAW :据齒波訊號 vREF2 :參考電壓 14

Claims (1)

1291801 、申請專利範圍： 1· 一 ，具有省電構件之降壓轉換器，包含 器的一輸入端，用於控制功率傳送至該降壓 切換裳置，輕接至該降壓轉換 轉換器的—輪出端； 置用於進行同步整流； •輔助切換裝置，係連接至該切換I 〜 用於因應負載條件來產生一 回授訊號； 一第 回授電路，输《降壓轉換it的該輸出Ζ -第-^路依據該賴峨以產生—振盪喊與-省電訊號；以及 換訊號與該振盪職來產生—主切換訊號以及一副切 會隨著自計I 伽場錢；其巾齡切換喊_止時間 路及該切魏置崎長’且該錢峨_載條件下截止騎壓轉換器的部份電 月1J該主切換峨係為停用，以便消除音頻雜訊。 如申明專利範圍第1項之該降壓轉換器，其中該第一電路包含： …概益’輕接該回授訊號，且依據該回授訊號產生一放電電流與一輕载訊 號； 振靈電路’包含-充電電流源、一放電電流源、一充電開關、一放電開關、 -電容器與-振盡控制電路，用以產生該振盡訊號；以及 一省電電路，雛至該振盪織與該域訊號，用以產生該省電訊號，其中 該放電電齡隨著貞载下降而下降，該振盪職的啟用時間會依據該放電電流的 下降而L長其中旦負载低於一臨界值，該輕載訊號便會被啟用，當該輕載訊 號與該振盪訊號均被啟用時將啟用該省電訊號。 15 1291801 4·如申請專利範圍第1項之該降壓轉換器，其中當該振盪訊號被啟用時，該主切換 訊號便會截止且其截止時間會隨著負載變化而變化，該主切換訊號的最大導通時 間係為定值，以避免磁性元件發生飽和。 5·如申請專利範圍第3項之該降壓轉換器，其中該調變器包括： 一第一運算放大器，耦接至該回授訊號； 一第二運算放大器，耦接至一參考電壓；

一電壓對電流轉換器，係由一電晶體與一電阻器結合該第一運算放大器與該 第二運算放大器所構成，該電壓對電流轉換器係產生一第一電流，當該回授訊號 低於該參考電壓時’該第一電流便會隨著該回授訊號下降而升高； 一第一電流鏡，係接收該第一電流，用以產生一第二電流； 一定電流源； 一第一電流鏡，耦接至該定電流源，用以產生一第三電流與一第四電流，其 中該第一電流鏡與該第二電流鏡分別透過該第二電流與該第三電流相耦接； ★ -第二電流鏡’係接收該第二電流與該第三電流的—差值電流，用以產生一 第五電机、-第六電流與-第七電流，其巾該第一電流鏡與該第三電流鏡分別透 過該第五電流與該第四電流相耦接； 一第關，具有-第-端與—第二端，該第—開關的該第—端係由該第六 電流供應； 一第二開關’具有-第-端與—第二端，該第二開關的該第—端係由該第七 電流供應’而該第二酬的該第二端係產生該放電電流； 緩衝魏’具有_輸人端與_輪_，該缓賊路的該輸人端係由該第五 =流與該第四電流的-差值電流所供應，該緩衝電路的該輸人端更連接至該第一 I關的該第二端’該緩衝電路的該輸__以導通/截止該第-開關與該第二開 電二緩衝 6· —種具有省能構件之一切換式穩壓器，包含： 16 1291801 一切換裝置，输至該切換式穩壓器的—輸人端，用以控制功率傳送至該切 換式調整器的一輸出端； -回授電路，_至該切換式穩壓器_輸出端，餅產生1授訊號； 一第一電路，依據該回授訊號以產生一振盪訊號；以及 第-電路’依據該回授訊號與該振盈訊號來產生一切換訊號用以控繼切 換裝置；Λ中該切換訊號的切換頻率會隨著該回授訊號的變化而變化，而該切換 訊號的截止_會隨著負載下降而延長，但該切換滅的最大導 定 值，以避免磁性元件發生飽和^ '' 7.如申請專繼Μ6項之胸賦麵^，射在购換峨的該城頻率落入 音頻帶以前，該切換訊號會停用，以便消除音頻雜訊。 8·如申請專利範圍第6項之該切換式麵器，其中該第—電路包含·· -調變器，織該回授訊號，且依據該回授訊號來產生—放電電流以及 -振盪電路’包含-充電電流源、—放電電流源、—充電_、—放電 1容器與-《㈣電路’賴產生贿盪訊號，其中該放電電流會隨著負載 下降而下降，其中該減訊號的朗_會隨著該放電電流的下降而延長。、 專利範圍第6項之該切換式麵器，其中當雜盈訊號啟_，該切換m 说便會截止且該切換訊截止時間會隨著負載變麵變化。 換" 10· —種省電控制構件，使用於電源轉換器，包含： 一回授電路，其係耦接至該電源轉換器 生-回授訊號； 的輸㈣’用於依據負載變化以產 依據該回授訊號，於輕栽條件下產生-省電訊號;以及 換器的負載；其中該省電訊號會截止功率傳送 制力革傳适至該電源轉 寻达且關閉該電源轉換器的部份電路。 11.如申請專利範圍第之該省電控制構件，其中該第—電路包括： 17 •1291801

一調變器，接收該回授訊號用於產生一輕載訊號； 一振盪電路，包含一充電電流源、該放電電流源、一充電開關、一放電開關、 一電容器與一振盪控制電路，用以產生該振盪訊號；以及 一省電電路，接收該振盪訊號與該輕載訊號，用以產生該省電訊號，其中一 旦負載低於一臨界值，該輕載訊號便會被啟用，當該輕載訊號與該振盪訊號均被 啟用便會產生該省電訊號。 18