TWI362817B - Dc/dc converters and related methods - Google Patents

Description

1362817 案號096144935 100年6月24日 修正頁 九、發明說明 年月曰修正替換頁|

'm- Q. 24-J 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種直流轉換控制器（dc/dc converter)，更特別關於一種可在不連續電流模式 (discontinuous current m9de ’ DCM)和連續電节模气 (continuous current mode ， CCM)平順切換的系統與方法 【先前技術】 控制器可將輸入直流電壓轉換為較高或較低 的輸出直流電壓。傳統的直流轉乂-或較低 調變以及脈_相變兩健制方式。成脈衝寬度 輸出電壓至-輕負載時，則直产 右直幽奐控制器 辟雷、Ί ★ 轉換控制器可處於一不連 、，貝電抓杈式，或稱脈衝頻率 modulation，PFM)模式，以 PU se _職叮 佯持連續且不A赍 且机轉換電路中的電感電流 保符U不騎，以減少其功 轉換控制器輪出電壓至一重負載相反地’若直流 於一連續雷& π 負載盼，直流轉換控制器可處 於連.、，電矣模式，或稱脈衝寬 modulation，pWM)模式。 KP Wldth 傳統技術上’脈衝頻率調變訊號的脈寬(dutv”"可八 為兩類。第一類是胱椒相皇q4 氏1((111砂）〇又。十可刀 變·訊柄脈寬固定較脈衝寬 度a文訊就為是（例如脈衝頻率調

度調變訊號的脈寬的13G。/) °柄脈I為脈衝I 弟一頬是利用電感電流的峰 調變訊號的脈寬，例如當電感電流上升 至既疋值日伐關掉脈衝。然而，這兩種方式在不連續電 0975-A41243TWF1 5 1362817 lot l 流模式和連續電流模式下的輸出電壓會有很大的變異。舉 例而言，若直流轉換電路的電感值很小或是輸入電壓變化 很大時，在傳統的方法以這兩種模式切換，輸出電壓的漣 波(ripple)將會有很大的差異變化，或者是因為模式誤判而 在兩種模式之間不斷切換。 因此，本領域需要一種技術，可讓直流轉換控制器在 不連續電流模式和連續電流模式之間切換極為平順。 ^ 【發明内容】 本發明提供一種直流轉換控制系統，用以接收一輸入 電壓以產生一輸出電壓，其中上述輸入電壓和上述輸出電 壓皆為直流。上述直流轉換控制系統包括一脈衝寬度調變 器、一脈衝頻率調變器、一第一開關裝置、以及一直流轉 換電路。上述脈衝寬度調變器根據上述輸入電壓以及上述 輸出電壓，產生具一可變工作週期之一脈衝寬度調變訊 號。上述脈衝頻率調變器根據上述輸入電壓以及上述輸出 鲁 電壓，產生具一可變時脈頻率之一脈衝頻率調變訊號。上 述第一開關裝置耦接至一輸入電壓和一接地電壓之間，根 據上述脈衝寬度調變訊號以及上述脈衝頻率調變訊號其中 - 之一者，切換上述輸入電壓以及上述接地電壓以產生一驅 . 動訊號。上述直流轉換電路耦接至上述第一開關裝置，用 以接收上述驅動訊號以產生上述輸出電壓。 本發明亦提供一種直流轉換控制方法，用於一直流轉 換控制電路，將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，其中上述 輸入電壓和上述輸出電壓皆為直流。此方法包括偵測上述 0975-A41243TWF1 6 1¾ / =入電壓以及上述輸出電壓 輪出電壓’產生且一 述輸入電壓以及上述 號。根據" 週期之一脈衝寬度調變气 時脈電壓以及上述輸出電壓，產生具:Ϊ: 率之脈衝頻率調變訊號。接收上、,f晰論办 變 '#“乂及上述脈衝頻率調變訊號其中之二見度調變 以產生一驄叙知咕 心、肀之一者至一開關裝¥ 以輪屮p 輸人上述驅動簡至—纽轉換f 以輸出上述輸出電壓。 且冰轉換電路 【實施方式】 收?直一輸直:，實_ ^ 在不連續電a ρ ^ 直机輪出電壓V〇uT，並可 換控制写1(^式和連績電流模式之間平順切換。直流轉 ι〇:= 衝頻率調變器102、脈衝寬度調變t 包壓偵測器106和108、多工吳丨，Λ 文益 直流轉換電路1U、以及控制; 和⑽分別用以偵測輸入電壓、和輸出電H貞測盗、1〇6 別根據偵測結果輸出第叫貞測訊號 ζΤ ’並分 頻率調變器】02和脈衝寬度調變哭= f至脈衝 ^可根據卜制訊號與第二_訊號，亦即根據= /、和輸出電| V〇UT輸出可變脈衝頻率的脈衝訊 (脈衝頻率調變訊號綱。相似地，脈衝寬度調變器‘ 可根據輸入電壓VIN和輸出電壓¥贿輸出可變脈衝寬 脈衝訊號(脈衝寬度調變訊號PWM)。切換裝置11〇可^一 多工器，減至脈衝頻率調變器搬和脈衝寬度調變^ 104’用以根據控制單it 116輸出的控制訊號，選擇輸出二 0975-A41243TWF1 衝頻率調變訊號PFM或是脈衝寬度調變訊號pwM。開關 裝置112耦接於輸入電壓VlN與接地電壓之間，用以接收 切換裝置11〇的輸出而切換輸入電壓Vin以及接地電壓以 輪出一驅動訊號。開關裝置112包含緩衝器12〇、反向器 124、以及電晶體126和128。電晶體126和128皆為N型 金氧半場效電晶體。驅動訊號的產生方式舉例而言，當開 關裝置112接收的訊號為高電位時，電晶體126為導通而 電晶體128為不導通’此時開關裝置112的輸出為輸入電 壓V1N。反之，當開關裝置112接收的訊號為低電位時， 電晶體126為不導通而電晶體128為導通，此時開關裝置 112的輸出為接地電壓。直流轉換電路114耦接至開關裝 置112，接收開關裝置112輸出的驅動訊號而產生輸出電 壓vOUT。直流轉換電路114包括電感13〇、電阻132、以 及電容134,為-降壓電路(buckcircuit)，可根據接收到的 驅動訊號將輪入電壓VlN轉換為電位較低的輸出電壓 V0UT。輸出電壓¥〇1}7可提供至一負載作為供應電壓，例如 積體電路晶片等。 控制單元116可感測流經電感130的電感電流圪，電 感電流IL在電壓轉換的過程中的波形呈現三角波。在連續 % bit权式中^電感電流II的波谷連續產生交越點（zero crossing p〇int)(亦即波谷的電流值低於零值）超過一既定次 數，或疋低於零值超過一既定時間時，控制單元丨16便判 定系統進入不連續電流模式，並輸出控制訊號至切換裝置 no以讓脈衝頻率調變訊號PFM輸出至切換裝置112。相 0975-A41243TWF1 1362817 ___ ♦ Ζι曰，細ί 對地，在不連續電流模式中’若電感電流II的波谷遠離交 越點超過-既定次數，或是高於零值超過一既定時間時， 控制單兀116便判定系統進入連續電流模式，輸出控制訊 號至切換裝置no以讓脈衝寬度調變訊號pwM輸出至切 換裝置112。 脈衝見度調變器104包括三角波產生器14〇、誤差放 大器丨42、補償電路144、以及比較器146。誤差放大器142 • 接收來自輸出電壓V〇ut的回授電壓，並與一參考電壓ν· 作比較後輸出一鉍差訊號Vc〇mp。回授電壓可由輸出電壓 V〇UT經由電阻148和150取得其分壓作為回授電壓。誤差 訊就V_J經由補償電路144調整輸出波形後輸出至比 較斋146。三角波產生器14〇根據輪入電壓ΑΝ與輸出電壓 v〇UT輸出三角波訊號乂丨。比較器146比較三角波訊號¥1 與誤差訊號Vcomp後輸出脈衝寬度調變訊號pwM。舉例而 :，當三角波訊號V1的電位低於誤差訊號V，時，比較 • 11丄46輸出高電位’反之則輸出低電位，在比較器146輸 出高電位的這段期間便是脈衝寬度調變訊號pwM的脈寬。 二角波產生器140產生原理如第2圖。三角波產生器 〗40包括電流源202和206、開關裝置2〇4、以及電容2⑽。 電流源206為控制電流源，其根據輪入電壓VlN乘以一增 1值G1而產生電流l。開關裝置2〇4耦接至電流源 和206，用以切換電流源202和2〇6連接至電容208。三角 波產生器140產生的三角波訊號V1如第4圖所示。在三 角波訊號vi的上升時期，開關裝置2〇4切換至電流源 0975-A41243TWF1 9 1362817

202，電谷208以電流源202進行充電；反之，在三角波訊 號VI的下降時期，開關裝置204切換至電流源206，電容 208以電流源206的電流I,進行放電，因此三角波訊號vi 的下降斜率為電流L除以電容2〇8的電容值。在此實施例 中，三角波訊號V1之振幅VR3為輸入電壓VIN除以一整 ，- 數倍（VR3=VIN/A)，而三角波訊號V1小於補償電壓Vc， 之振幅Vx為輸出電壓ν〇υτ除以上述整數倍 (Vx=VOUT/A)。在三角波訊號vi小於誤差訊號Vc〇mp的時 期，比較器146會輸出高電位，因此在第4圖中脈衝寬度 調變訊號PWM的脈寬便等於三角波訊號V1小於誤差訊號 Vcomp的時間。 脈衝頻率調變器102的工作原理如第3圖所示。脈衝 頻率調變器102包括電流源3〇2、開關裝置3〇4、電容3〇6、 以及比較器308。電流源302為控制電流源，其根據輸入 電壓Vw乘以一增益值&而產生電流“。開關裝置3〇4耦 φ 接至電流源302及地電源之間，用以切換電流源202和接 地電源連接至電容306。比較器308將三角波訊號V2與電 壓Vx比較後輸出脈衝頻率調變訊號pFM。電壓νχ為輸出 V謝除以一整數倍（Vx=Vou丁/A)，其等於三角波 Vi*於補償電m Vc〇mp的振幅。電容3〇6產生的三角^ 訊號V2如第4圖所示。在三角波訊號V2的上升時期，開 關裝置304連接電流源3〇2與電容惠襄，電容撕3〇6 以電流12進行充電’故三角波訊號¥2的上升斜率為電 12除以電容306的電容值。此外，由於此時的三角波訊號 0975-A41243TWF1 V2小於電壓νχ，故比較器308輸出高電位。若三角波訊 號V2上升至電壓γχ時，比較器308改輸出低電位，開關 裝置304切換至地電源使電容208迅速放電至接地電壓， 並持續一段最小截止時間（min off-time)。此最小截止時間 可用來導通第1圖的電晶體128 ’並偵測流過電晶體ι28 的電流是否過大而需要過流保護。在第2圖與第3圖中， 電流L可為電流12的k倍’電容208的電容值可為電容3〇6 的k倍，因此三角波訊號V2的上升斜率等於三角波訊號 VI的下降斜率。值得注意的是’由第4圖可知’脈衝頻率 調變訊號PFM與脈衝寬度調變訊號PW1V[的脈寬幾乎 100°/。相等。此外，脈衝頻率調變訊號PFM的脈寬亦可透 上述實施例方式而精準控制脈衝頻率調變訊號PFM的脈 寬為脈衝寬度調變訊號PWM的脈寬的一倍數。舉例而言， 利用控制電容的充放電時間，改變電流大小，或是改變電 容的電容值，而控制脈衝頻率調變訊號PFM的脈寬為脈衝 寬度調變訊號PWM的脈寬的90%、110%、或其它倍數。 第5圖為本發明之一直流轉換控制方法實施例，用於 一直流轉換控制電路，可將一輸入電壓(VIN)轉換為一輸出 電壓（V0UT)，其中輸入電壓和輸出電壓皆為直流電壓。此 方法一開始先偵測輸入電壓和輸出電壓（步驟S502)，接著 再根據輸入電壓與輸出電壓分別產生一脈衝寬度調變訊號 和一脈衝頻率調變訊號（步驟S504和S506)’其中脈衝寬度 調變訊號和脈衝頻率調變訊號具有相同的脈寬。接下來接 收脈衝寬度調變訊號和脈衝頻率調變訊號其中之一者至_ 0975-A41243TWF1 1362817 • 年月日修正替涣頁j . 49a-· 6. 2 4-* _ 開關裝置以產生一驅動訊號（步驟S508)，最後再輸入驅動 訊號至一直流轉換電路以產生輸出電壓（步驟S510)。 在步驟S504中，脈衝寬度調變訊號的產生可先根據輸 入電壓與輸出電壓產生一三角波訊號。此三角波訊號可透 - 過對一電容實施充放電而產生，其振幅VR3為輸入電壓除 -- 以一整數倍（VIN/A)。電容利用根據輸入電壓產生之一電 流進行放電，並利用另一電流源進行充電，因此三角波訊 號之下降斜率等於此電流除以上述電容之一電容值。此三 ® 角波訊號再與一誤差訊號比較後可產生脈衝寬度調變訊 號，其中誤差訊號為輸出電壓經電阻分壓回授後與一參考 電壓比較而產生的。 在步驟S506中，脈衝頻率調變訊號的產生可先根據輸 入電壓與輸出電壓產生一三角波訊號，再比較此三角波訊 號以及一電壓Vx以產生脈衝頻率調變訊號。電壓Vx為輸 出電壓除以上述整數倍（V0UT/A)。此三角波訊號可透過對 一電容實施充放電而產生，其振幅亦為電壓Vx。電容利用 ^ 根據輸入電壓產生之一電流進行充電，並利用地電源進行 放電，因此三角波訊號之上升斜率等於此電流除以上述電 容之一電容值。 ' 在步驟S508中，當上述降壓電路之一電感產生之一輸 • 出電流之一波谷小於零（或稱交越點）連續超過一既定次數 時，便接收脈衝頻率調變訊號至開關裝置；反之，則接收 脈衝寬度調變訊號至開關裝置。 第6圖和第7圖為直流轉換控制器100之實現模擬圖 0975-A41243TWF1 12 1362817 -ion β· 2i 形，其中輸入電壓Vin為12伏特，輸出電壓V〇ut為5伏 特。第6圖為三角波訊號VI與補償訊號Vcomp之波形圖， 第7圖為電感電流1^與輸出電壓V〇ut之波形圖。此糸統 一開始設定成連續電流模式（CCM)，隨著時間前進，電感 - 電流IL的波谷連續穿過交越點超過一既定次數，因此系統 - 切換為不連續電流模式（DCM)，電感電流IL的波形因而提 高。在電感電流未穿過交越點超過一既定次數後，系統 再度切換為連續電流模式。由圖可知，直流轉換控制器100 ® 一共經歷過兩個連續電流模式以及兩個不連續電流模式。 值得注意的是’輸出電壓V〇UT在連繽電流模式與不連續電 流模式的切換期間極為平順5亦即輸出電壓V〇ut的連波不 會因模式的改變而有所變化。 雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用 以限定本發明，任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發明 之精神和範圍内，當可做些許更動與潤飾，因此本發明 _ 之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 第1圖為本發明之一直流轉換控制器實施例，可在不 連續電流核式和連續電流核式之間平順切換， 第2圖表示三角波產生器140生成三角波訊號VI的產 生原理； 第3圖表示脈衝頻率調變器102生成脈衝頻率調變訊 號PFM的產生原理； 第4圖為第1圖實施例之訊號波形示意圖； 0975-A41243TWF1 13 1362817 年月

第5圖為本發明之一直流轉換控制方法實施例； 第6圖和第7圖為直流轉換控制器100之實現模擬圖 形。 【主要元件符號說明】

100〜 直流轉換控制器 102〜 脈衝頻率調變器 104〜 脈衝寬度調變器 106、 108〜電壓偵測器 110〜 切換裝置 112〜 •開關裝置 114〜 •直流轉換電路 116〜 控制單元 120〜 緩衝器 124〜 反向器 126、 128〜電晶體 130〜 •電感 132〜 •電阻 134〜 電容 140〜 •三角波產生器 142〜 誤差放大器 144〜 •補償電路 146、 308〜比較器 202 ' 208、 206、302〜電流源 306〜電容 204 ' 304〜切換裝置 0975-A41243TWF1 14

Claims (1)

1352817 案號096144935 100年8月5日 修正本___A 1日„ 十、申請專利範圍： 1. 一種直流轉換控制系統，用以接收一輸入電壓以產 生一輸出電壓，包括： 一脈衝寬度調變器，根據上述輸入電壓以及上述輸出 電壓，產生具一可變工作週期之一脈衝寬度調變訊號； 一脈衝頻率調變器，根據上述輸入電壓以及上述輸出 電壓，產生具一可變時脈頻率之一脈衝頻率調變訊號； 一第一開關裝置，耦接至上述輸入電壓和一接地電壓 之間，根據上述脈衝寬度調變訊號以及上述脈衝頻率調變 訊號其中之一者，以產生一驅動訊號；以及 一直流轉換電路，耦接至上述第一開關裝置，並根據 上述驅動訊號以產生上述輸出電壓， 其中當上述直流轉換電路之一電感產生之一輸出電流 小於零連續超過一既定次數時，提供上述脈衝頻率調變訊 號至上述第一開關裝置輸出；反之，則提供上述脈衝寬度 調變訊號至上述第一開關裝置。 2. 如申請專利範圍第1項所述之直流轉換控制系統， 更包括一切換裝置，用以輸出上述脈衝寬度調變訊號以及 上述脈衝頻率調變訊號其中之一者至上述第一開關裝置。 3. 如申請專利範圍第1項所述之直流轉換控制系統， 更包括： 一第一電壓偵測器，用以偵測上述輸入電壓，並根據 偵測結果產生一第一偵測信號，並輸出至上述脈衝寬度調 變器以及上述脈衝頻率調變器；以及 0975-A41243TWF1 15 1362817 一第二電壓偵測器，用以偵測上述輸出電壓，並根據 偵測結果產生一第二偵測信號，並輸出至上述脈衝寬度調 變器以及上述脈衝頻率調變器。 4. 如申請專利範圍第1項所述之直流轉換控制系統， 其中上述脈衝寬度調變器更包括： 一三角波產生器，用以根據上述輸入電壓以及上述輸 出電壓產生一三角波訊號，其中上述三角波訊號之一振幅 為上述輸入電壓除以一整數倍； 一誤差放大器，用以比較上述輸出電壓回授之一回授 電壓以及一參考電壓以產生一誤差訊號；以及 一比較器，用以比較上述誤差訊號以及上述三角波訊 號以產生上述脈衝寬度調變訊號。 5. 如申請專利範圍第4項所述之直流轉換控制系統， 其中上述三角波產生器更包括： 一電容； 一第一電流源，用以對上述電容充電； 一第二電流源，用以根據上述輸入電壓以產生一電 流，使上述電容以上述電流放電；以及 一第二開關裝置，耦接至上述第一電流源以及一第二 電流源，用以切換上述第一和第二電流源連接至上述電容。 6. 如申請專利範圍第5項所述之直流轉換控制系統， 其中上述三角波訊號之一下降斜率為上述電流除以上述電 容之一電容值。 7. 如申請專利範圍第1項所述之直流轉換控制系統， 0975-A41243TWF1 16 1362817 年月曰修正替換頁丨 3f)f) 8. Ο-g-1 其中上述脈衝頻率調變器更包括： 一電容； 一電.流源，用以根據上述輸入電壓以產生一電流，使 上述電容以上述電流充電； • 一第二開關裝置，耦接至上述電流源以及一地電源， '' 用以切換上述電流源以及上述接地電壓連接至上述電容， 使上述電容以上述電流充電或是對上述地電源放電以產生 一三角波訊號，其中上述三角波訊號之一振幅等於上述輸 出電壓除以一整數倍；以及 一比較器，用以比較上述三角波訊號和上述輸出電壓 除以上述整數倍以輸出上述脈衝頻率調變訊號。 8. 如申請專利範圍第7項所述之直流轉換控制系統， 其中上述三角波訊號之一上升斜率等於上述電流除以上述 電容之一電容值。 9. 如申請專利範圍第1項所述之直流轉換控制系統， φ 其中上述脈衝頻率調變訊號與上述脈衝寬度調變訊號具有 相同脈寬。 10. —種直流轉換控制方法，用於一直流轉換控制電 路，將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，包括： 偵測上述輸入電壓以及上述輸出電壓； 根據上述輸入電壓以及上述輸出電壓，產生具一可變 工作週期之一脈衝寬度調變訊號； 根據上述輸入電壓以及上述輸出電壓，產生具一可變 時脈頻率之一脈衝頻率調變訊號； 0975-A41243TWF1 17 1362817 年月日修正替涣i S' 〇-jj- 〇接收上述脈衝寬度調變訊號以及上述脈衝頻率調變訊 唬其中之一者至一開關裝置以產生一驅動訊號；以及 輸入上述驅動訊號至一直流轉換電路以輸出上述輸出 電壓， 其中當上述直流轉換電路之一電感產生之一輸出電流 小於零連續超過一既定次數時，提供上述脈衝頻率調變訊 唬至上述開關裝置輸出；反之，則提供上述脈衝寬度調變 籲 訊號至上述開關裝置。 又 11-如申請專利範圍第10項所述之直流轉換控制方 法，其中產生上述脈衝寬度調變訊號更包括： 根據上述輸入電壓以及上述輸出電壓產生一三角波訊 號 /、中上述二角波§孔號之一振幅為上述輸入電壓除以一 整數倍； 比較上述輪出電壓之一回授電壓以及一參考電壓以產 生一誤差訊號；以及 鲁 比較上述铁差訊號以及上述二角波訊號以產生上述脈 衝見度調變訊號。 12. 如申請專利範圍第u項所述之直流轉換控制方 • 法’其中產生上述三角波訊號更包括： 根據上述輪入電壓以產生一電流； 利用上述電流對一電容進行放電，並利用一電流源對 上述電容進行充電以產生上述三角波訊號。 13. 如申請專利範圍第12項所述之直流轉換控制方 法’其中上述三角波訊號之一下降斜率等於上述電流除以 0975-A41243TWF1 18 1362817 年月日修正替換頁I m.一8. 0 5-» 上述電容之一電容值。 14.如申請專利範圍第10項所述之直流轉換控制方 法，其中產生上述脈衝頻率調變訊號更包括： 根據上述輸入電壓以及上述輸出電壓產生一三角波訊 號，其中上述三角波訊號之一振幅為上述輸出電壓除以一 整數倍；以及 比較上述三角波訊號以及上述輸出電壓除以上述整數 倍以產生上述脈衝頻率調變訊號。 ^ 15.如申請專利範圍第14項所述之直流轉換控制方 法，其中產生上述三角波訊號更包括： 接收上述輸入電壓以產生一電流；以及 利用上述電流對一電容進行充電，並利用一地電源使 上述電容進行放電以產生上述三角波訊號。 16. 如申請專利範圍第15項所述之直流轉換控制方 法，其中上述三角波訊號之一上升斜率等於上述電流除以 φ 上述電容之一電容值。 17. 如申請專利範圍第10項所述之直流轉換控制方 法，其中當上述直流轉換電路之一電感產生之一輸出電流 .小於零連續超過一既定次數時，接收上述脈衝頻率調變訊 號以產生上述驅動訊號；反之，則接收上述脈衝寬度調變 訊號以產生上述驅動訊號。 18. 如申請專利範圍第10項所述之直流轉換控制方 法，其中上述脈衝頻率調變訊號與上述脈衝寬度調變訊號 具有相同脈寬。 0975-A41243TWF1 19 1362817 案號096]44935 ]00年6月24日 Λ修f纖丨 Ο 31 .50 > OL- rsf—:1 S. --.^1 - ou 92、 S Λ Λ s 3 obHOOZH, f § v\- 0Ϊ1—I I \ W 'n A Ρ-ί β I呷凹I ·% 厂. 寸0ί S 齋 Mfft'餐

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