TWI326978B - - Google Patents

Description

1326978 九、發明說明： 【發明所屬之技術領威】 本發明係有關一種電流模式控制轉換器，特別是關於 一種固定頻率電流模式控制轉換器及其方法。 【先前技術】 在電流模式控制轉換器中，一般係藉由切換串聯在輸 入電壓及接地電位之間的高位側及低位側開關，以產生— 輸出電流對電容充電，得到一輸出電壓，為了降低該電容 的等效串聯電阻對負載暫態的影響，所以都設計有電壓衰 變（voltage droop)的功能。為了清楚說明電壓衰變的優點， 第一圖顯示了不具電壓衰變功能以及具有電壓衰變功能 的電流模式控制轉換器在負载暫態時的輸出電壓波形，其 中波形削為不具電壓衰變功能的電流模式控制轉換器^ ^出電壓波形，波形1G2為具有電壓衰變功能的轉換器的 ::電壓波形’乂麵為轉換器所能供應的最大電壓，Vmin =轉換^能供應的最小電壓，在負載由輕載轉為重載 ι如日’帛T1所7F ’不具電壓衰變 f在遽降M後再回復至原準位，如波形ΠΜ所示，而 2電壓衰變功能的轉換器的輸出電壓在遽降Μ後則維 :在低準位’如波形106所示，直至負載再由重載轉為輕 如日:間Τ2所不，此時不具電壓衰變功能的轉換器的 j電壓將先遽升Μ後再回復至原準位如波形1〇8所 不，而具有·衰變功能的轉換器的輸出電壓將由低準位 1326978 回復至原準位，如波形110所示。由第一圖可看出，在負 載暫態期間，即時間T1至T2，不具電壓衰變功能的轉換 器可以容許電容的等效串聯電阻所造成的影響為 △VC，ESR1，而具電壓衰變功能的轉換器可以容許電容的等 效串聯電阻所造成的影響為△VC，ESR2，由於AVc^sin小於 △ Vc，ESR2 ’因此不具電麼哀變功能的轉換器必須比具有電 壓衰變功能的轉換器使用更多的電容來降低等效串聯電 阻對負載暫態的影響，故具有電壓衰變功能的轉換器較具 成本優勢。 此外，在習知的電流模式控制轉換器中，為了能夠快 速響應負載暫態，一般使用磁滯(hysteresis)控制等變頻方 式，然而此種變頻方式在操作上比固定頻率的控制方法更 麻煩。而在多相轉換器中，為了使每一相所輸出的電流平 衡，必須先將各相的電流加總後再平均，因而需要額外的 電路來進行加總及平均的運算，造成複雜度及成本提高。 因此，一種具有電壓衰變功能、能達成快速響應且不 需額外電路達成電流平衡的固定頻率電流模式控制轉換 器及方法，乃為所冀。 【發明内容】 本發明的目的之一，在於提出一種具有電壓衰變功能 的固定頻率電流模式控制轉換器及方法。 本發明的目的之一，另在於提出一種可以達成快速響 應的固定頻率電流模式控制轉換器及方法。 1326978 本發明的目的之一，又在於提出一種能自動平衡各相 電感電流的固定頻率電流模式控制轉換器及方法。 根據本發明，一種單相固定頻率電流模式控制轉換器 及方法包括一輸出級產生一電感電流及一輸出電壓，一電 流感測電路感測該電感電流產生一第一及第二電流感測 信號，一第一參考電壓產生器根據該第一電流感測信號產 生一隨該電感電流變化的第一參考電壓，一誤差放大器根 據該參考電壓及輸出電壓產生一誤差信號至一第一^ 匕較 器，一鋸齒波產生器根據該第二電流感測信號產生一隨該 電感電流變化的鋸齒波，該第一比較器比較該誤差信號及 鋸齒波產生一比較信號，一時脈產生器供應一固定頻率的 時脈，以及一驅動電路根據該時脈及比較信號驅動該輸出 級。較佳者，該電流感測電路包括一互導放大器感測該電 感電"》•產生一第二流感測信號，一取樣及維持電路對該第 二電流感測信號進行取樣及維持，產生該第一電流感測信 號’以及-取樣電路對該第三電流感測信號進行取樣，產 生該第二電流感測信號。為了達到快速響應，-第二參考 電壓產生器根據該第三電流感測信號產生___隨該電感電 流變化的第二參考電壓，—第二比較器比較該第二參考電 壓及誤差信號’在該第二參考電壓大於該誤差信號時，強 迫該固定頻率時脈產生器供應該時脈。 根據本發明，-種多相固定頻率電流模式控制轉換器 及方法包括多個輸纽，每—該輸出級產生_電感電流， 該多個輸出級的輸出連接在—起，以產生__輸出電壓，多 1326978 個電流感測電路，每一該電流感測電路感測各自對應的該 電感電流，產生一第一電流感測信號及一第二電流感測信 號’一參考電壓產生器根據該多個第一電流感測信號產生 一隨該多個電感電流變化的參考電壓，一誤差放大器根據 該輸出電壓及參考電壓產生一誤差信號，多個鋸齒波產生 器’每一該鋸齒波產生器根據相對應的該第二電流感測信 號產生一隨相對應電感電流變化的鋸齒波，多個比較器， 每一該比較器比較該誤差信號及相對應的鋸齒波產生一 比較信號’一固定頻率時脈產生器供應多個固定頻率的時 脈’多個邏輯電路，每一該邏輯電路根據相對應的該時脈 及比較信號產生一驅動信號，藉以驅動相對應的該輸出 級。 【實施方式】 第二圖係根據本發明的單相固定頻率電流模式控制 轉換器200，其中輸出級201包括串聯在輸入電壓Vin及 接地電位GND之間的高位側電晶體202及低位側電晶體 204 ’藉由切換電晶體202及204導通一電感電流IL通過 電感L對電容Co充電，產生輸出電壓Vout，電流感測電 路205具有互導放大器206，其兩輸入端分別連接與電感 L串聯的感測電阻RS的兩端，藉以感測通過感測電阻RS 的電感電流IL，據以產生電流感測信號Is，取樣及維持電 路208以及取樣電路210分別對電流感測信號Is進行取樣 及維持以及取樣，輸出電流感測信號Ish及Iss，由電阻 1326978 R1及電壓源VI所組成的參考電壓產生器根據電流感測信 號Ish產生隨電感電流IL變化的參考電壓Vrefi ,斜率補 償（slope compensation)電路216連接在參考電壓Vrefl與 時脈產生器220之間，用以增加轉換器2〇〇的穩定性，誤 差放大器212接收參考電壓VreH及電壓vfB藉以產生一 誤差信號EA’其中電壓VFB與輸出電壓v〇ut具有一比例 關係，電阻R4作為鋸齒波產生器，其轉換電流感測信號 Iss成為隨電感電流IL變化的鑛齒波Vramp，比較器214 比較誤差彳§號EA及鑛齒波Vramp，輸出一比較信號sci 至正反器222的重置端R，同時正反器222的設定端s接 收由時脈產生器220所提供的固定頻率時脈CLK ,藉由比 較信號Scl及時脈CLK，正反器222輸出驅動信號Sf切 換電晶體202及204。為了達成快速響應，由電阻R5及電 壓源V2所組成的參考電壓產生器根據電流感測信號“產 生隨電感電流IL變化的參考電壓Vref2至另一比較器 218 ’與誤差信號EA比較，當負載由輕載轉為重載時，參 考電壓Vref2將大於誤差信號EA，此時比較器218將強迫 時脈產生器220輸出時脈CLK以導通電晶體2〇2。此外， 本發明的轉換器亦不需頻率補償電路來穩定電路，故能進 一步提高反應速度。 第二圖係根據第二圖轉換器2〇〇所得的模擬圖，其中 波形224為輸出電壓v〇ut的波形，波形226為電感電流 IL的波形。由於誤差放大器212的參考電壓Vrefl及比較 器214的鋸齒波Vramp均隨電感電流扎改變，因此在負 1326978 載由輕載轉重載時，輸出電壓Vout將隨著電感電流IL的 上升而下降，並維持在下降後的準位，直至負載由重載轉 為輕載時，才再回復至原準位，如波形224中的228至230 所示。 第四圖係根據本發明的兩相固定頻率電流模式控制 轉換器300，其中輸出級302包含電晶體306及308串聯 在輸入電壓Vin及接地電位GND之間，驅動器318切換 電晶體306及308產生電感電流IL1，輸出級304包含電 晶體310及312串聯在輸入電壓Vin及接地電位GND之 間，驅動器320切換電晶體310及312產生電感電流IL2， 電感電流IL1及IL2分別通過電感L1及L2對電容Co充 電，產生輸出電壓Vout，電流感測電路314及316分別感 測與電感L1及L2串聯的感測電阻Rsl及Rs2，產生電流 感測信號Ishl、Issl、Ish2及Iss2，由電阻R4及電壓源 VI所組成的參考電壓產生器根據電流感測信號Ishl及 Ish2產生隨電感電流IL1及IL2變化的參考電壓Vref，誤 差放大器336根據輸出電壓Vout及參考電電壓Vref輸出 一誤差信號EA，作為鋸齒波產生器的電阻R2及R3分別 接收電流感測信號Iss 1及Iss2，以產生鑛齒波Vramp 1及 Vramp2，比較器330及332分別將誤差信號EA與各自對 應的鑛齒波Vramp 1及Vramp2進行比較，產生比較信號 Scl及Sc2,正反器326的重置端R連接比較信號Scl，而 設定端S連接由時脈產生器334所供應的固定頻率時脈 CLK1，其根據比較信號Scl及時脈CLK1產生驅動信號 1326978

Sfl ’為避免驅動信號Sfl發生雙脈波，或閘322連接驅動 k號SH及時脈CLK1，輸出驅動信號Sfl，至驅動器318， 以切換電晶體306及308 ’另一正反器328的設定端S連 接時脈產生器334所供應的固定頻率時脈CLK2，而其重 置端R連接比較信號Sc2 ’藉以產生驅動信號sf2，同樣 地，為避免驅動信號Sf2發生雙脈波，或閘324接收時脈 CLK2及驅動信號Sf2，產生驅動信號Sf2,至驅動器320 以切換電晶體310及312。其中電流感測電路314及316 的架構如第二圖中的電流感測電路205。 在轉換器300中’由於僅使用一誤差放大器336，而 且電流感測信號Ishl及Ish2均連接至由電阻R4及電壓源 VI所組成的參考電壓產生器，以產生參考電壓Vref至誤 差放大器336,因此在電阻R2等於電阻R3時，轉換器300 不需額外的電路便能使電感電流IL1及IL2自動達到平 衡，換言之，若不希望電感電流IL1及IL2平衡時，可以 藉由調整電阻R2及R3的大小來改變電感電流IL1及IL2 的值。同樣地，由於參考電壓Vref及鑛齒波Vrampl及 Vramp2均隨電感電流IL1及IL2變化，故當負载338由輕 載轉為重載時，轉換器300能達成電壓衰變的功能。為了 達成快速響應，可如第二圖的轉換器200 —樣增加一參考 電壓產生器供應一隨電感電流IL1及IL2變化的參考電 壓，再以一比較器比較該參考電壓及誤差信號EA，在該 參考電壓大於誤差信號EA時，強迫時脈產生器334供應 時脈CLK1及CLK2。 1326978 第五圖、第六圖及第七圖係第四圖中兩相固定頻率電 流模式控制轉換器300的模擬圖，其中第六圖及第七圖為 第五圖的局部放大圖，在第五圖至第七圖中，波形400係 輸出電壓Vout的波形，波形402係電感電流IL1的波形， 波形404係電感電流IL2的波形。由第五圖及第七圖中可 看出，在時間0.6ms時，亦即600us，轉換器300的負載 338由輕載轉為重載，而輸出電壓Vout在下降後便維持在 下降後的準位，如波形400所示，即轉換器300具有電壓 衰變的功能。再從第六圖可看出，在時間點600us，負載 338由輕載轉為重載後，轉換器300在時間點603.7us左 右便產生反應使電感電流IL1及IL2上升，如波形402及 404所示，達成快速響應的目的。 以上對於本發明之較佳實施例所作的敘述係為闡明 之目的，而無意限定本發明精確地為所揭露的形式，基於 以上的教導或從本發明的實施例學習而作修改或變化是 可能的，實施例係為解說本發明的原理以及讓熟習該項技 術者以各種實施例利用本發明在實際應用上而選擇及敘 述，本發明的技術思想企圖由以下的申請專利範圍及其均 等來決定。 【圖式簡單說明】 對於熟習本技藝之人士而言，從以下所作的詳細敘述 配合伴隨的圖式，本發明將能夠更清楚地被瞭解，其上述 及其他目的及優點將會變得更明顯，其中： 12 1326978 第一圖顯示了不具電壓衰變功能以及具有電壓衰變 功能的電流模式控制轉換器在負載暫態時的輸出電壓波 形； ’ 第二圖係根據本發明的單相固定頻率電流模式控制 轉換器； ' ^ 第一圖係根據第一圖單相固定頻率電流模式控制轉 換器所得的模擬圖； 第四圖係根據本發明的兩相固定頻率電流模式控制 轉換器； 第五圖係第四圖中兩相固定頻率電流模式控制轉換 器的輸出電壓v〇m以及電感電流IL1及IL2的模擬圖；、 第六圖係第四圖中的波形的局部放大圖；以及 第七圖係為第四圖中的波形的局部放大器。 【主要元件符號說明】 100 為不具電壓衰變功能的電流模式控制轉換 器的輸出電壓波形 102 為具有電壓衰變功能的電流模式控制轉換器 的輸出電壓波形 104 波形100在負載由輕载轉重載時的波形 106 波形102在負載由輕載轉重載時的波形 108 波形100在負載由重載轉輕載時的波形 110 波形102在負載由重载轉輕載時的波形 200 單相固定頻率電流模式控制轉換器 13 1326978 201 輸出級 202 電晶體 204 電晶體 205 電流感測電路 206 互導放大器 208 取樣及維持電路 210 取樣電路 212 誤差放大器 214 比較器 216 斜率補償電路 218 比較器 220 時脈產生器 222 正反器 224 輸出電壓Vout的波形 226 電感電流IL的波形 228 波形224在負載由輕載轉重載時的波形 230 波形224在負載由重載轉輕載時的波形 300 兩相固定頻率電流模式控制轉換器 302 輸出級 304 輸出級 306 電晶體 308 電晶體 310 電晶體 312 電晶體 1326978 314 316 318 320 322 324 326 328 330 332 334 336 338 400 402 電流感測電路 電流感測電路 驅動器 驅動器 或閘 或閘 正反器 正反器 比較器 比較器 時脈產生器 誤差放大器 負载 輸出電壓Vout的波形 電感電流IL1的波形 電感電流IL2的波形 404

Claims (1)

1. 、申請專利範圍： h —種固定頻率電流模式控制轉換器，包括·· 一輸出級’產生一電感電流及一輸出電壓； 一誤差放大器，根據一隨該電感電流變化的參考 電壓及該輸出電壓產生一誤差信號； 一比較器，比較該誤差信號及一隨該電感電流變 化的鋸齒波產生一比較信號； —時脈產生器’供應一固定頻率的時脈；以及 一驅動電路’根據該時脈及比較信號驅動該輸出 級。 2.如申請專利範圍第1項之轉換器，更包括： 一電流感測電路，感測該電感電流產生一第一電 流感測信號及一第二電流感測信號； 一參考電壓產生器，根據該第一電流感測信號產 生該參考電壓；以及 一鋸齒波產生器，根據該第二電流感測信號產生 該雜齒波。 •如申請專利範圍第2項之轉換器，其中該電流感測 電路包括 一互導放大器’感測該電感電流產生一第三電流 感測信號； 一取樣及維持電路，取樣及維持該第三電流感測 信號’產生該第一電流感測信號；以及 一取樣電路’取樣該第三電流感測信號，產生該 1326978 第二電流感測信號。 4. 如申請專利範圍第3項之轉換器，更包括： —第二參考電壓產生器’根據該第三電流感測信 號產生一隨該電感電流變化的第二參考電 壓；以及 一第二比較器，比較該第二參考電壓及誤差信 號’在該第二參考電壓大於該誤差信號時， .強迫該固定頻率時脈產生器供應該時脈。 5. 如申請專利範圍第1項之轉換器，更包括一斜率補 φ 償電路連接在該參考電壓及時脈產生器之間，用以 增加該轉換器的穩定性。 6. 如申請專利範圍第1項之轉換器，其中該驅動電路 包括一正反器。 7· —種固定頻率電流模式控制轉換器的控制方法’該 轉換器包括一輸出級產生一電感電流及一輸出電 壓’該方法包括下列步驟： 根據一隨該電感電流變化的參考電壓及該輸出電 孀 壓產生一誤差信號； 比較該誤差信號及一隨該電感電流變化的鋸齒波 產生一比較信號； 供應一固定頻率的時脈；以及 根據該時脈及比較信號驅動該輸出級。 8·如申請專利範圍第7項之方法，更包括： &測該電感電流產生—第—電流感測信號及一第 17 1326978 二電流感測信號； 根據該第一電流感測信號產生該參考電壓；以及 根據該第二電流感測信號產生該鑛齒波。 9. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該產生一第一 · 電流感測信號及一第二電流感測信號的步驟包括： · 感測該電感電流產生一第三電流感測信號； 取樣及維持該第三電流感測信號，產生該第一電 流感測信號；以及 取樣該第三電流感測信號，產生該第二電流感測 _ 信號。 10. 如申請專利範圍第9項之方法，更包括下列步驟： 根據該第三電流感測信號產生一隨該電感電流變 化的第二參考電壓；以及 比較該第二參考電壓及誤差信號，在該第二參考 電壓大於該誤差彳§ s虎時，強迫該固定頻率時 脈產生器供應該時脈。 U·—種固定頻率電流模式控制轉換器’包括： φ 多個輸出級，每一該輸出級提供一電感電流，該 多個輸出級的輸出連接在一起，以產生一輸 出電壓； 一誤差放大器，根據該輸出電壓及一隨該多個電 感電流變化的參考電壓產生一誤差信號； 多個比較器’每-該比較器比較該誤差信號及一 隨相對應電感電流變化的鋸齒波，產生—比 18 較信號； 一固定頻率時脈產生器，供應多個固定頻率的時 脈；以及 多個邏輯電路，每一該邏輯電路根據相對應的該 時脈及比較信號產生一驅動信號，藉以驅動 相對應的該輸出級。 12.如申請專利範圍第u項之轉換器更包括： 多個電流感測電路，每一該電流感測電路感測各 自對應的該電感電流，產生一第一電流感測 信號及一第二電流感測信號； 一參考電壓產生器’根據該多個第一電流感測信 號產生該參考電壓；以及 多個鑛齒波產生器，每一該鋸齒波產生器根據相 對應的該第二電流感測信號，產生該鋸齒波。 13·如申請專利範圍第12項之轉換器，其中每一該電流 感測電路包括 一互導放大器，感測該電感電流產生一第三電流 感測信號； 一取樣及維持電路，取樣及維持該第三電流感測 信號’產生該第一電流感測信號；以及 一取樣電路，取樣該第三電流感測信號，產生該 第二電流感測信號。 14.如申請專利範圍第11項之轉換器，其中每一該邏輯 電路包括： 一正反器，具有一設定端連接該相對應的時脈， 以及一重置端連接相對應的比較信號，據以 產生一第二驅動信號；以及 一或閘’連接相對應的該時脈及第二驅動信號產 生該第一驅動信號。 b·如申請專利範圍第u項之轉換器，更包括： 一參考電壓產生器，產生一隨該多個電感電流變 化的第二參考電壓；以及 第一比較器’比較該第二參考電壓及誤差信 號，在該第二參考電壓大於該誤差信號時， 強迫該固定頻率時脈產生器供應該時脈。 16·種固定頻率電流模式控制轉換器的控制方法，該 轉換器包含多個輸出級，每一該輸出級提供一電感 電流，該多個輸出級的輸出連接在一起，以產生一 輸出電壓，該方法包括下列步驟： 比較該輸出電壓及一隨該多個電感電流變化的參 考電壓產生一誤差信號； 產生多個隨相對應電感電流變化的鋸齒波； 比較該誤差信號及每一該鑛齒波，產生多個比較 信號； 供應多個固定頻率的時脈；以及 根據相對應的該時脈及比較信號產生一驅動信 號，藉以驅動相對應的該輸出級。 17.如申請專利範圍第μ項之方法，更包括： 20 感測該多個電感電流，產生多個第—電流感測信 號及多個第二電流感測信號； 根據該多個第一電流感測信號產生該參考電壓. 以及 ’ 根據該多個第二電流感測信號產生該多 波。 18·如申請專利範圍第17項之方法’其中該產生多個第 一電流感測信號及多個第二電流感測信號的步驟包 括： 感測每一該電感t流產生多個第三冑流感測信 號； 取樣及維持每一該第三電流感測信號，產生該多 個第一電流感測信號；以及 取樣每一該第三電流感測信號，產生該多個第二 電流感測信號。 19.如申請專利範圍第16項之方法，其中產生一驅動信 號的步驟包括： ° 根據相對應的該時脈及比較信號產生一第二驅動 信號；以及 藉由相對應的該時脈及第二驅動信號產生該第— 驅動信號。 20·如申請專利範圍第16項之方法，更包括下列步驟： 根據該多個電流感測彳§说產生一隨該多個電感電 流變化的第二參考電壓；以及 21 1326978 比較該第二參考電壓及誤差信號，在該第二參考 電壓大於該誤差信號時，強迫供應該時脈。

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