TWI377772B - Control circuit and method for a buck-boost power converter - Google Patents

Description

六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有I卜種升降壓錢源轉換器，特別是關於一 種升降壓式電源轉換器的控制電路及方法。 【先前技術】 降壓式電源轉換器係操作如圖i所示的降壓式功率級 H)，而將輸人電壓Vln降壓成為輸出電壓v。供應負賴W。 升壓式電源轉換器係操作如圖2所示的升壓式功率級i2，而 將輸入電壓Yin升壓成為輸出紐VG供應貞⑽^。由於 電池無法-直提供敎的健，目此，⑽為輸入電源

Vm的纽’例如可攜輕置，無法使崎壓式電源轉換器 或升壓式電源轉換器提供穩定的電壓。 由於電池的電壓會隨著電能的消耗而下降，因此，以電 池作為輸人電賴紐需要祕在降觀及升壓式之間切換 的電源轉換器。升降壓式電源轉換器係操作如圖3所示的升 降壓式功率級14，而將輸人電壓Vin降壓或升壓成為輸出電 壓V。供應負載Ri〇ad。然而’聰升降壓式電源轉換器的輸 出電壓Vo係負電壓’不適合某些細，目此有了如圖4所 示的升降壓式功率級16 ’其能齡輸人龍Vin降壓或升壓 成為正電壓的輸出電壓V6。目前已有許多操作升降壓式功率 級16的控制電路及方法提出，例如美國專利號6 166,527及 7,518,346，然而他們仍無法滿足使用者的需求。 因此，一種新的升降壓式電源轉換器的控制電路及方 1377772 法，乃為所冀。 【發明内容】 本發明的目的’在於提出一種升降壓式電源轉換器的控 制電路及方法。 根據本發明，一種升降壓式電源轉換器的控制電路包括 回授電路偵側該升降壓式電源轉換器的輸出電壓而產生回授 k號，誤差放大器放大該回授信號與參考電壓之間的差值而 產生誤差信號，波形產生器提供二鋸齒波信號，頻率控制器 根據該誤差信號產生振盪信號，時脈產生器根據該振盪信號 產生時脈信號給該波形產生器，以控制該二鋸齒波信號的頻 率，脈寬调變比較器根據該誤差信號及該二鑛齒波信號產生 二脈寬調變信號，閘極驅動器根據該二脈寬調變信號產生控 制科用以操作升降壓式功率級而將輸人電祕換為該輸出 電壓。 根據本發明’-種升降壓式電源轉換器的控制方法包括 偵側該升降壓式電源轉換器的輸出電壓而產生回授信 ，該賴賴與參考電壓之咖差值岐纽差信號，根據 "亥誤差4號產生振制^，根據該振i信號產生二鑛齒波信 號根據D亥誤差仏號及該二鑛齒波信號產生二脈寬調變信 號’以及根據該二脈寬調變信號產生控制信號用以操作升降 壓式功率級而將輸入電壓轉換為該輸出電壓。 遠誤差城用來控制該二軸波信號的鮮，在輕載時 將該頻率降低’因而減少該升降壓式功率級的切換損失，提 5 高該升降壓式電源轉換器的效能。 【實施方式] 圖5係本發明的實施例’升降壓式電源轉換器18包括控 制電路20提供信號8卜S2、S3及S4分別驅動升降壓式： 率級16的功率開關Q卜Q2、Q3及Q4，以將輪入電壓Vin 降壓或升壓成為輸出電壓Vo。在控制電路20中，回授電路 22偵測輸出電壓v〇而產生與輸出電壓v〇相關的回授信號 VFB、誤差放大器24放大回授信號WB及參考電壓 之間的差值而產生誤差信號Vc、波形產生器26提供鋸齒波 信號Vrampl及Vramp2、脈寬調變比較器28根據誤差信號 Vc及鑛齒波信號Vrampl及Vramp2產生脈寬調變信號 PWM1及PWM2、閘極驅動器30根據脈寬調變信號pWM1 及PWM2產生信號si、S2、S3及S4、頻率控制器32根據 誤差信號Vc產生振盪信號sf、以及時脈產生器34根據振盪 信號Sf產生時脈CLK給波形產生器26以決定鋸齒波信號 Vrampl及Vramp2的頻率。振盪信號Sf的頻率由誤差信號 Vc決定’時脈CLK的頻率隨振盪信號Sf的頻率改變，因此 雜齒波信號Vrampl及Vramp2的頻率由誤差信號Vc決定。 波形產生器26係由電壓源、電阻及電容組成，利用輸入 電壓Vin及輸出電壓Vo或是其他與輸入電壓Vin及輸出電壓 Vo相關的信號來控制鋸齒波信號Vramp的峰值及谷值。圖6 係波形產生器26的第一實施例，電阻R1與開關q5串聯在 可變電壓源Vref2及電容C之間，開關Q6與電容c並聯， 在時間t3時’時脈CLK觸發SR正反器38，因而開關q5 打開而使t壓源Vtef2對電容c充電；德銳舰ν·ρ1 大於電壓Vref4時’比較器36重置SR正反器38而關閉開關 Q5，並打開開關q6使電容c放電至電壓Vref3的準位。在 此實施例t，由於魏CLK為_，因祕銳信號Vrampl 亦為變頻。 如圖7及圖8所示的’波形產生器26提供非線性鋸齒波 仏號Vrampl，與線性鋸齒波信號相比，其可以使升降壓式電 源轉換器18在重載時有較佳的電壓調整以及較佳的暫態響 應。除了 ® 7及® 8所示的波形，波形產生n 26亦可使用不 同的電路及方法提供其他波形的非線性鋸齒波信號 Vrampl，例如圖9、圖10及圖11所示者。圖12係波形產生 态26的第二實施例，用以提供圖10的鋸齒波信號Vrampl， 其係在圖6的波形產生器26中增加電阻R2串聯開關Q6。 由於電阻R2的關係’當電容c放電時，鋸齒波信號Vrampl 將慢慢地降至電壓Vref3的準位，如圖1〇的波形所示。 產生鑛齒波信號Vramp2的電路與產生鋸齒波信號 Vrampl的電路相同’故不再贅述。如同鑛齒波信號vrampi 一樣’雜齒波信號Vramp2的頻率可為定頻或變頻，其波形 也可以是非線性。 圖13係頻率控制器32的第一實施例，包括壓控振盪器 (Voltage-Controlled Oscillator; VCO)42 根據誤差信號 Vc 產生

振蘆信號Sf，振盪信號Sf的頻率係隨誤差信號Vc的上升或 下降而增加或減少。在重載時，誤差信號Vc較大，因此VCO 【圖式簡單說明】 圖1係傳統的降壓式電源轉換器； 圖2係傳統的升壓式電源轉換器； 圖3係傳統的升降壓式電源轉換器； 圖4係另一種傳統的升降壓式電源轉換器； 圖5係本發明的實施例； 圖6係圖5中波形產生器的第一實施例； 圖7係圖6中時脈CLK為定頻時，時脈CLK及鋸齒波 信號Vrampl的波形圖； 圖8係圖6中時脈CLK為變頻時，時脈CLK及鋸齒波 信號Vrampl的波形圖； 圖9係非線性鋸齒波信號Vrampl之波形的實施例； 圖10係非線性鋸齒波信號Vrampl之波形的實施例； 圖11係非線性鋸齒波信號Vrampl之波形的實施例； 圖12係圖5中波形產生器的第二實施例； 圖13係圖5中頻率控制器的第一實施例；以及 圖14係圖5中頻率控制器的第二實施例。 【主要元件符號說明】 10降壓式功率級 12升壓式功率級 14升降壓式功率級 16升降壓式功率級 18升降壓式電源轉換器 1377772 20控制電路 22回授電路 24誤差放大器 26波形產生器 28脈寬調變比較器 30閘極驅動器 32頻率控制器 34時脈產生器 36比較器 38 SR正反器 40平移電路 42壓控振盪器 44 比較器 46反相器

Claims (1)

1. 七、申請專利範圍： 1.二種升降壓式電源轉換器的控制電路用以產生控制信號 操作升降壓式功率級而將輸入電壓轉換為輸出電壓，該控 制電路包括： 回授電路，侧該輪出賴而產生回授健，該回授信 虎係該輪出電壓的函數； 誤差放大ϋ ’連接軸授電路，放大該喊信號與參考 電壓之間的差值而產生誤差信號； 波形產生器，提供第一鋸齒波信號及第二鋸齒波信號； 頻率控制n，連接該誤差放大^，根_誤差信號產生 振盪信號； 時脈產生器，連接該頻率控制器及該波形產生器，根據 該振盛仏號產生時脈信號給該波形產生器，以控制 該第一及第二鋸齒波信號的頻率； 脈寬調變比較器，連接該誤差放大器及該波形產生器， 根據έ玄誤差信號及該第一及第二鑛齒波信號產生第 一脈寬調變信號及第二脈寬調變信號；以及 閘極驅動器，連接該脈寬調變比較器及該升降壓式功率 級，根據該第一及第二脈寬調變信號產生該控制信 號。 2. 如請求項1之控制電路，其中該第一及第二鋸齒波信號具 有非線性的波形。 3. 如請求項1之控制電路，其中該波形產生器根據與該輸入 電壓及該輸出電壓相關的信號改變該第一及第二鋸齒波信 1377772 號的峰值及谷值。 4. 如請求項1之控制電路，其中該波形產生器包括： 第一可變電壓源’供應第—可變電壓； 第二可變電壓源，供應第二可變電壓； 電容，連接在該第一及第二可變電壓源之間； 電阻及第一開關串聯在該第一可變電壓源及該電容之 間，該第一開關因應第一信號開啟而使該第一可變 電壓源對該電容充電； 第二開關，與該電容並聯，因應第二信號開啟而使該電 容放電； 第三可變電壓源，提供第三可變電壓； 比較器，連接該電容及該第三可變電壓源，比較該第一 /鋸齒波信號及該第三可變電壓而產生比較信號； 正反器，連接該比較器及該時脈產生器，根據該時脈信 號及δ亥比較彳§號產生該第一及第二信號；以及 平移電路’連接該第-、第二及第三可變電壓源，根據 該輸入及輸出電壓調整該第一、第二及第三可變電 壓，因而控制該第一鋸齒波信號的峰值及谷值。 5. 如請求項4之控制電路，更包括第二電阻與該第二開關串 聯，以控制該電容的放電速率。 6. 如請求項1之控制電路，其中該波形產生器包括： 第一可變電壓源，供應第一可變電壓； 第二可變電壓源，供應第二可變電壓； 電容’連接在該第-及第二可變電壓源之間； 13 電阻及第—開關串聯在該第一可變電壓.源及該電容之 間，該第一開關因應第一信號開啟而使該第一可變 電壓源對該電容充電； 第二開關’與該電容並聯，因應第二信號開啟而使該電 容放電； 第三可變電壓源’提供第三可變電壓； 比較器，連驗電容及該第三可魏壓源，比較該第二 鋸齒波信號及該第三可變電壓而產生比較信號； 正反器，連接該比較器及該時脈產生器，根據該時脈信 號及該比較信號產生該第一及第二信號；以及 平移電路，連接該第―、第二及第三可變電壓源，根據 該輸入及輸出電壓調整該第一、第二及第三可變電 壓，因而控制該第二鋸齒波信號的峰值及谷值。 7·如請求項6之控制電路，更包括第二電阻與該第二開關串 聯，以控制該電容的放電速率。 8. 如請求項1之控㈣路’其巾該頻率控彻包括壓控振盈 器連接該誤差放大器及該時脈產生器，根據該誤差信號產 生該振盤信號提供給該時脈蓋生器，該振盈信號的頻率隨 該誤差信號上升或下降而增加或減少。 9. 如請求項1之控制電路，其中該頻率控制器包括： 壓控振細連脑時職生器，_提供該滅信號給 該時脈產生器； 第-開關’連接在該誤差放Ai|及磨控振盈器之間； 第一電壓源，提供第一電壓； 14 1377772 比較器，連接該誤差放大器及該第一電壓源，比較該誤 差信號及該第一電壓而產生比較信號，在該誤差信 號小於該第一電墨時打開該第一開關，而使該壓控 振盪器根據該誤差信號產生該振盪信號； 第二電壓源，提供第二電壓； 第二開關，連接在該第二電壓源及該壓控振盪器之間； 以及 反相器，連接在該比較器及該第二開關之間，產生該比 較仏號的反相彳§號，在該誤差信號大於該第一電壓 時打開該第二開關，而使該壓控振盪器根據該第二 電壓產生該振盪信號。 10. 如凊求項9之控制電路，其中該振盪信號在該誤差信號小 於該第一電壓時具有隨該誤差信號變動的頻率。 11. 如请求項9之控制電路，其中該振盪信號在該誤差信號大 於該第一電壓時具有固定的頻率。 12. —種升降壓式電源轉換器的控制方法，用以產生控制信號 操作升降壓式功率級而將輸入電壓轉換為輸出電壓，該控 制方法包括： (A) 偵側該輸出電壓而產生回授信號，該回授信號係該輸 出電壓的函數； (B) 放大該回授信號與參考電壓之間的差值而產生誤差 信號； (C) 根據該誤差信號產生振盪信號； (D) 根據該振盪信號產生第一鋸齒波信號及第二鋸齒波 15 信號； (E) 根據=差信號及該第—及第三軸波信號產生第 ❻調變錢及第二 (F) 根據該第一及第 反 13·如請柄12之㈣f方Π糊肅生馳制信號。 號_圭心 其中該步驟c包括使該振舰 號的頻率_誤差信號上升或下降而增加或減少。 14.如清求項12之控财法，其中該步驟C包括： 在該誤差錢小於第—輕時使該減健的頻率隨該 誤差信號上升或下降而增加或減少 ;以及 在5亥誤差錄Α於該第—電騎使該雜健具有固定 的頻率。 15. 如凊求項12之控制方法，其中該步驟D包括使該第一及 第二鋸齒波信號具有非線性的波形。 16. 如請求項12之控制方法，其巾該步驟D包括： 因應該時脈信號而觸發第一信號； 因應該第一信號對電容充電； 從s玄電谷取出該第一錫齒波信號； 比較該第一鋸齒波信號及可變電壓而觸發第二信號； 因應該第二信號而使該電容放電；以及 根據該輸入及輸出電壓控制該第一鋸齒波信號的峰值及 谷值。 17. 如請求項16之控制方法，更包括控制該電容的放電速率。 18. 如請求項12之控制方法，其中該步驟D包括： 因應該時脈信號而觸發第一信號； 因應該第一信號對電容充電； 從該電容取出該第二鋸齒波信號； 比較該第二鋸齒波信號及可變電壓而觸發第二信號； 因應該第二信號而使該電容放電；以及 根據該輸入及輸出電壓控制該第二錄齒波信號的峰值及 谷值。 19.如請求項18之控制方法，更包括控制該電容的放電速率。 〇.如凊求項I2之控制麵，更包練據與該輸人電壓及該輸 出電壓相關的信號改變該第一及第二鑛齒波信號的峰值及 谷值。 17