TWI384344B

TWI384344B - 用來鎖定操作頻率之切換式穩壓器及固定頻率補償電路

Info

Publication number: TWI384344B
Application number: TW099101641A
Authority: TW
Inventors: Yueh Lung Kuo
Original assignee: Anpec Electronics Corp
Priority date: 2009-09-24
Filing date: 2010-01-21
Publication date: 2013-02-01
Also published as: TW201111938A; TW201111937A; US8018209B2; US20110068759A1; TWI391806B

Description

用來鎖定操作頻率之切換式穩壓器及固定頻率補償電路

本發明係指一種切換式穩壓器及固定頻率補償電路，尤指一種根據輸出電壓及一相位訊號以鎖定操作頻率之切換式穩壓器及相關固定頻率補償電路。

電源供應相關裝置於現代資訊科技中擔任重要角色。在所有的電源供應裝置之中，直流至直流切換式穩壓器(DC-DC switching regulator)已被廣泛使用，其主要功能在於提供穩定之直流電源給電子元件使用。請參考第1圖，第1圖為習知技術中一直流至直流切換式穩壓器10的架構示意圖。直流至直流切換式穩壓器10用來提供穩定的電壓予負載Load1，並包括有一上橋開關100、一下橋開關102、一固定時間觸發電路104、一比較器106、一電感L1、一電容C1、一參考電壓Vref1及一反相器INV1。固定時間觸發電路104可輸出一開啟時間為固定值的脈衝訊號來控制上橋開關100及下橋開關102的啟閉動作。每次當輸出電壓Vout1的電壓水平小於參考電壓Vref1時，比較器106便輸出一訊號予固定時間觸發電路104，使固定時間觸發電路104輸出一脈衝訊號，以導通上橋開關100，並關閉下橋開關102，使外部之電壓源Vin1可將電能經由上橋開關100傳送予電感L1，然後再傳送到負載Load1。由於固定時間觸發電路104所輸出的脈衝訊號之開啟時間寬度為一定值，也就是說，只要當輸出電壓Vout1的電壓水平小於參考電壓Vref1時，上橋開關100就會在一定的時間長度內導通。如果輸出電壓Vout1在上橋開關100導通之後仍大於參考電壓Vref1，則上橋開關100將在一直維持在關閉狀態，時間或長或短，直到輸出電壓Vout1的電壓水平小於參考電壓Vref1，上橋開關100才再次開啟。換句話說，當上橋開關100關閉時，直流至直流切換式穩壓器10的輸出電壓開始下降，只有當輸出電壓Vout1小於參考電壓Vref1的情況發生時，上橋開關100才會再次開啟。換句話說，直流至直流切換式穩壓器10係利用脈寬調變(Pulse Width Modulation、PWM)的方式控制上橋開關100的開啟或關閉，調節輸送到負載Load1的電能，以維持輸出電壓Vout1的穩定。

同時，由於PWM的訊號週期係等於上橋開關100導通時間和關閉時間的和值，當負載Load1的負載值發生變化時，PWM訊號的工作週期(duty cycle)將會相應地改變，以維持輸出電壓的穩定。也就是說，由於固定時間觸發電路104的開啟時間係一固定值，只有關閉時間的長短是可變的，此意味著PWM的訊號週期(或頻率)也將隨輸出負載的變化而發生改變。同時，在直流至直流切換式穩壓器10中的某些組件(例如，用以提高電能效率及減少電壓波紋的電感L和電容C)的操作特性與直流至直流切換式穩壓器10的操作頻率高度相關。也就是說，如果操作頻率被允許在一較大的頻率範圍內遊走，則這些對頻率特別敏感的元件將難以發揮良好的操作性能。在這種情況下，一些負面現象就會發生，以直流至直流切換式穩壓器10為例，輸出電壓Vout1將因為操作頻率偏離最佳設計值而導致波紋(ripple)過大，無法滿足特定應用的規格要求。

請參考第2圖，第2圖為習知技術中一用來固定操作頻率之直流至直流切換式穩壓器20的架構示意圖。直流至直流切換式穩壓器20的架構不同於直流至直流切換式穩壓器10，其加入用來固定操作頻率的元件。直流至直流切換式穩壓器20包含有一上橋開關200、一下橋開關202、一固定時間觸發電路204、一比較器206、一電感L2、一電容C2、一參考電壓Vref2及一反相器INV2。此外，直流至直流切換式穩壓器20另包含有一頻率固定電路250。頻率固定電路250的內部包括有一誤差放大器252、一補償器254、一頻率至電壓轉換器256及一參考電壓Vref2b。值得注意的是，固定時間觸發電路204包含有一控制輸入端204a，因此亦不完全相同於固定時間觸發電路104。控制輸入端204a可以用來調整固定時間觸發電路204開啟時間的長度，以固定操作頻率。也就是說，固定時間觸發電路204的開啟時間不再是一成不變的。於固定直流至直流切換式穩壓器10之中，當頻率有改變的趨勢時，固定時間觸發電路204可根據控制輸入端204a所收到的控制訊號，調節開啟時間的長短。此外，固定時間觸發電路204可以結合頻率至電壓轉換器256、誤差放大器252以及補償器254，可形成一封閉的控制迴圈，迫使頻率至電壓轉換器256的輸出電壓V256，跟蹤並固定在參考電壓Vref2b。如此一來，由固定時間觸發電路204所輸出的PWM訊號頻率(或週期)便可以被固定在一定值。

雖然直流至直流切換式穩壓器20解決了固定操作頻率的難題，使得設計者可以採用最佳化的設計以決定頻率敏感元件的參數，進而降低輸出波紋。然而，為了實現固定頻率的功能，直流至直流切換式穩壓器20的頻率電壓轉換器256、誤差放大器252以及補償器254係採用相對複雜的電路才得以實現，因此使得晶片面積較大，生產成本也較高。

因此，本發明的主要目的在於提供一種根據輸出電壓及一相位訊號以鎖定操作頻率之切換式穩壓器及固定頻率補償電路。

本發明揭露一種用來鎖定操作頻率之切換式穩壓器，包含有一功率級電路、一參考電壓產生器、一比較器及一固定頻率補償電路。該功率級電路用來接收一輸入電壓，並根據一控制訊號，提供一輸出電壓，其包含有一上橋開關，一下橋開關，耦接於該上橋開關，以及一電感，耦接於該上橋開關及該下橋開關。該參考電壓產生器用來產生一參考電壓。該比較器用來根據該輸出電壓及該參考電壓，輸出一比較結果。該固定頻率補償電路用來根據該比較結果、一相位訊號及一補償訊號，輸出該控制訊號，並包含有一充電電容，耦接於一地端，用來充電。其中，該相位訊號係對應於該功率級電路之該下橋開關之跨電壓，以及該補償訊號係對應於該功率級電路之該輸出電壓，該固定頻率補償電路藉由該相位訊號起始化該固定頻率補償電路所包含之該充電電容之另一端之一電壓值。

本發明另揭露一種用於一切換式穩壓器之固定頻率補償電路，包含有一充電電容，其一端耦接於一地端，用來充電；一參考電流源，耦接於該充電電容之另一端，用來提供一恆定電流對該充電電容進行充電；一比較器，包含有一正端及一負端，其中該正端係用來接收一補償訊號，該負端耦接於該充電電容之該另一端，該比較器用來比較該正端及該負端的訊號大小，以輸出一控制訊號；以及一開關，包含有一第一端及一第二端，其中該第一端係耦接於該充電電容之該另一端，該第二端係用來接收一相位訊號，該開關係用來根據該控制訊號，導通該開關之兩端的訊號連結。其中，該相位訊號係對應於該切換式穩壓器之一下橋開關之跨電壓，以及該補償訊號係對應於該切換式穩壓器之該輸出電壓，該固定頻率補償電路藉由該相位訊號起始化該固定頻率補償電路所包含之該充電電容之該另一端的一電壓值。

請參考第3圖，第3圖為本發明實施例一直流至直流切換式穩壓器30之架構示意圖。直流至直流切換式穩壓器30主要用於提供一輸出電壓Vout3予一負載Load3使用，並以一電流源Iout3表示負載Load3所汲取之電流。直流至直流切換式穩壓器30包含有一功率級電路32、一比較器306、一參考電壓Vref3、一反相器INV3、一固定頻率補償電路404。功率級電路32包含有一上橋開關300、一下橋開關302、一電感L3及一電容C3。直流至直流切換式穩壓器30之架構相較於直流至直流切換式穩壓器20最顯著的區別在於：直流至直流切換式穩壓器30利用其中固定頻率補償電路404可以達成鎖定操作頻率的目的，架構上簡易許多。另外，相較於直流至直流切換式穩壓器10的固定時間觸發電路104，固定頻率補償電路404另包含有一控制輸入端404a及一輸入端404b，分別用來接收輸出電壓Vout3及一相位訊號PSIG的訊號大小，用以調整固定頻率補償電路404的開啟時間，以達到固定頻率的目的。茲將固定頻率補償電路404的工作原理說明如下。

在直流至直流切換式穩壓器30中，輸出電壓Vout3可由電感L3兩端電壓推導而得，並以下列公式表示：

上述方程式中所示符號Ts、Ton、IL3、Rds1和Rds2係分別代表工作週期的長度、上橋開關300開啟時間的長度、電感電流的大小，以及上橋開關300與下橋開關302導通電阻的大小。方程式右側第一項代表於上橋開關300開啟，而下橋開關302關閉時，輸入電壓Vin3對電感L3充電的部分，而方程式右側第二項係於上橋開關300關閉，而下橋開關302開啟時，電感L3對負載Load3供應電能的部分，此兩項決定輸出電壓Vout3的大小。而且，當輸入電壓Vin3、輸出電壓Vout3及電感電流IL3的值都呈現相對穩定的狀況時，上述方程式可以重新整理如下：Ts‧Vout3=Ton‧(Vin3-IL3‧Rds1)+[0-(Ts-Ton)‧(IL3‧Rds2)]。

通過重新整理上述方程式，工作週期Ts可以表示為：

。

根據脈寬調變(Pulse Width Modulation、PWM)的原理，開啟時間Ton的長度係取決於輸出電壓Vout3和輸入電壓Vin3。也就是說，開啟時間Ton可以被表示為如下之方程式：

其中參數K1是一常數參數，且係由相關電路參數決定。其次，工作週期Ts的方程式可被重新整理為如下之方程式：

以一典型的操作情況為例，當切換式穩壓器操作在400千赫(KHz)時，則參數K1係等於2.5微秒(micro-second)。

仔細審視上述方程式，如果電感電流IL3的大小改變，或者是輸出電壓Vout3、輸入電壓Vin3、上橋開關300或下橋開關302導通電阻(Rds1或Rds2)等任何一項的大小發生改變，則直流至直流切換式穩壓器30的穩定性及操作頻率也將跟著發生變化。根據詳細的數值模擬結果顯示，上述方程式的分母項對前述操作頻率穩定性的影響最為明顯。因此，根據上述Ts的公式，如果分母項的影響得以消除的話，則可使直流至直流切換式穩壓器中操作頻率的穩定性大為增加。

因此，本發明為了穩定直流至直流切換式穩壓器30的操作頻率，前述用來決定開啟時間Ton的方程式可以被修改如下：

由上述公式可知，新的分子項Vout3+IL3‧Rds2被用來替代原來的分子項(Vout3)，並以新的公式決定開啟時間Ton的長短。這相當於將開啟時間Ton增加了倍。如此一來，根據上述方程式，工作週期Ts可作如下修改：

由上述公式可知，分母項已被移除，直流至直流切換式穩壓器30的操作頻率的穩定性因此將大幅提高。

為實現上述工作原理，本發明所包含的固定頻率補償電路404可以根據相位訊號PSIG及輸出電壓Vout3，調節開啟時間Ton的大小。換句話說，固定頻率補償電路404可以使開啟時間Ton根據相位訊號PSIG及輸出電壓Vout3的變化，使開啟時間Ton增加了倍，因而使輸出電壓保持穩定，並且使操作頻率大約維持在一定值。此外，值得注意的是，相位訊號PSIG係於電感L3與下橋開關302相連的一端量得，其值係等於電壓值IL3‧Rds2，這同時也是下橋開關302於導通時兩端的電壓差。

請參考第4A圖，第4A圖為本發明實施例一固定頻率補償電路404之架構示意圖。固定頻率補償電路404包含有一參考電流源I_ref、一充電電容C_ref、一比較器COMP1，以及一開關SW1。參考電流源I_ref用來提供一恆定電流對充電電容C_ref充電。固定頻率補償電路404係於上橋開關300關閉，而下橋開關302開啟時，藉由開關SW1的關閉瞬間，擷取(sample)相位訊號PSIG的電壓位準，並以此電壓位準做為充電電容C_ref的啟始電壓。由於當下橋開關302開啟時，相位訊號PSIG為一負值，因此於擷取相位訊號PSIG之後，充電電容C_ref的正端電壓係為一負值，並且從這個負電壓值開始充電。同時，當此負電壓值的絕對值愈大時，則充電到一特定正電壓(在此為輸出電壓Vout3)的時間就愈長。也就是說，於下橋開關302開啟時，當相位訊號PSIG所對應的負值的絕對值愈大，代表負載電流Iout3就愈大，則此時固定頻率補償電路404必須對充電電容C_ref進行較長時間的充電，才可以使充電電容C_ref正端的電壓大於輸出電壓Vout3。藉由此工作原理，固定頻率補償電路404便可根據負載電流Iout3的大小，增加開啟時間Ton的長度。其次，固定頻率補償電路404利用參考電流源I_ref提供之定電流對充電電容C_ref充電，利用比較器COMP1比較充電電容C_ref的正端電壓與輸出電壓Vout3的大小。當相位訊號PSIG的絕對值大於輸出電壓Vout3時，比較器COMP1的輸出訊號便會轉態，並藉此控制上橋開關300及下橋開關302的啟閉動作，以及控制開啟時間Ton的長短。此外，開關SW1係同時於下橋開關302開啟時維持於斷路狀態，下橋開關302關閉時維持於導通狀態。如此一來，充電電容C_ref便可於下橋開關302開啟瞬間，擷取相位訊號PSIG的電壓位準，並且開始充電；而充電電容C_ref便可於下橋開關302關閉時，用於與相位訊號PSIG維持相同的電壓位準。

簡單地說，當系統藉由參考電流源I_ref提供一定電流，開始對充電電容C_ref充電，充電電容C_ref兩端的電壓會逐步提升當達到一預設電壓值時，系統就會藉由比較器COMP1觸發一控制訊號CS。其中，固定頻率補償電路404的充電電容C_ref的啟始電壓值為一可變值(亦即相位訊號PSIG的電壓位準)。舉例來說，當充電電容C_ref的啟始電壓值較低(代表負載電流Iout3較大)，則充電電容C_ref的正端電壓將花費較長的時間才能達到預設電壓值(亦即輸出電壓Vout3)，充電時間將會被拉長，因此開啟時間Ton也會被拉長。反之，若將充電電容C_ref啟始電壓值調高(肇因於負載電流Iout3變小)，則充電時間就會縮短，開啟時間Ton也會變短。相較於習知技術中的操作，固定時間觸發電路104的開啟時間Ton係一固定值，因此即使負載大小發生變化，開啟時間Ton仍舊固定，因而造成操作周期或操作頻率隨負載變化而變化，間接使系統的性能下降。反之，本發明的固定頻率補償電路404則可以隨負載電流Iout3的大小，並根據以上的原理介紹，正確調整開啟時間Ton的大小，使操作周期或操作頻率大約維持在一定值。

值得注意的是，根據一般數學法則，任何與電壓Vout3+IL3‧Rds2成正比的電壓訊號皆可以用來消除分母中的項，以及調節開啟時間Ton的長度。根據此原則，本領域具通常知識者當可據以做不同之變化，而不限於此。舉例來說，電壓值R0‧(Vout3+IL3‧Rds2)便可以用來消除分母項。為了實現此一延伸之設計，請參考第4B圖。第4B圖為本發明之固定頻率補償電路404一變化實施例之架構示意圖。於第4B圖中，固定頻率補償電路404包含有與Vin3相關的參考電流源I_ref、一充電電容C_ref、一比較器COMP1、一開關SW1，以及分壓電阻R3～R6。根據此架構，設計者可以藉由調整分壓電阻R3～R6的值，產生電壓K0‧Vout3及K0‧PSIG，並以之調整開啟時間Ton。值得注意的是，第4B圖中的分壓電阻R3～R6係用來提供分壓功能，並且必須滿足R3/R4=R5/R6=K0的限制條件。在此情況下，工作週期Ts可表示為：

第4B圖為第4A圖之延伸設計，除增加用來產生電壓K0‧Vout3及K0‧PSIG的分壓電阻R3～R6之外，其餘電路之構造與操作原理皆與第4A圖相同，故不予贅述。然而，值得一提的是，由觀察上述方程式可知，方程式中包含有常數參數K0，以及與內部電路相關的參數K1。設計者可根據產品需求，調整上述參數(K0或K1)，為穩壓器電路選擇一合適的操作頻率(或週期)。

此外，在許多應用中，上橋開關300或下橋開關302一般皆為使用相同類型的功率電晶體，因此上橋開關300的導通電阻Rds1與下橋開關302的導通電阻Rds2之電阻值通常會相當相近。如此一來，上述Ts公式中的分子項將非常接近於1，因而可使工作週期Ts非常接近於一固定值(K0‧K1)。此外，即使當上橋開關300與下橋開關302不屬於同一類型的電晶體，本發明一樣可以根據輸出電壓Vout3與負載電流Iout3的變化，將開啟時間Ton增加倍，穩定系統的操作頻率。

值得注意的是，除了利用相位訊號PSIG獲得相對於輸出電流大小的電壓訊號外，本發明亦可利用其他方法得到等同於與輸出電流大小成呈正比的訊號(例如，在輸出電流路徑中，通過使用一感測電阻，利用感測電阻的跨壓，得到對應於電流大小的電壓值)。也就是說，本發明可以利用固定頻率補償電路404接收任何可以對應於電流大小的訊號，並以之取代相位訊號PSIG，如此同樣可以實現固定操作頻率的功能。

除此之外，相對於習知技術之直流至直流切換式穩壓器架構，本發明之架構顯得更為簡單。如上所述，直流至直流切換式穩壓器20需要進行對固定時間觸發電路204所產生的PWM訊號進行取樣與擷取(Sample and Hold)，而當工作週期超出預設值，啟動時間Ton將被調整以鎖定操作頻率。為實現習知技術之電路架構，電路中必須包含有誤差積分的功能，而這項功能至少必須以一運算傳導放大器(Operational Transconductance Amplifier、OTA)及一佔據大晶片面積的電容來實現。相對而言，本發明只需要一精簡的電路用來實現固定頻率補償電路，便可以用來大致地固定操作頻率。根據實驗結果，本發明只約花費低於習知技術百分之二十的晶片面積。此外，亦根據實驗結果，若Rds1=9mΩ及Rds2=9mΩ，負載電流在20安培的範圍內操作輸出且Vout3=1.5V時，操作頻率的變化率係小於百分之五。

本發明可將直流至直流切換式穩壓器的操作頻率調節到幾乎為固定，這樣的結果可以使頻率敏感元件的設計工作變得較為簡單，並能有效地降低輸出波紋。綜上所述，本發明揭露一種利用輸出電壓及下橋開關的跨壓(相位訊號)以調整切換式穩壓器電路之開啟時間的理論基礎，並揭露一種極為精簡的電路以改變充電時間，使得開啟時間得以有效地調整，最終可使操作頻率得以有效地固定在一定範圍之內。根據實驗結果顯示，本發明的相關功能操作良好，並符合成本效益。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10、20、30．．．直流至直流切換式穩壓器

32．．．功率級電路

100、200、300．．．上橋開關

102、202、302‧‧‧下橋開關

104、204‧‧‧固定時間觸發電路

404‧‧‧固定頻率補償電路

204a、404a、404b‧‧‧控制輸入端

106、206、306、COMP1‧‧‧比較器

Vref1、Vref2a、Vref2b、Vref3‧‧‧參考電壓

INV1、INV2、INV3‧‧‧反相器

L1、L2、L3‧‧‧電感

C1、C2、C3‧‧‧電容

C_ref‧‧‧充電電容

IL3‧‧‧電感電流

Vout1、Vout2、Vout3‧‧‧輸出電壓

Load1、Load2、Load3‧‧‧負載

Iout1、Iout2、Iout3‧‧‧負載電流

Rds1、Rds2‧‧‧導通電阻

R3~R6‧‧‧電阻

I_ref‧‧‧參考電流源

K0‧‧‧參數

CS‧‧‧控制訊號

SW1‧‧‧開關

Vin3‧‧‧輸入電壓

PSIG‧‧‧相位訊號

第1圖為習知技術中一直流至直流切換式穩壓器的架構示意圖。

第2圖為習知技術中一用來固定操作頻率之直流至直流切換式穩壓器的架構示意圖。

第3圖為本發明實施例一直流至直流切換式穩壓器之架構示意圖。

第4A及4B圖為根據第3圖之固定頻率補償電路之架構示意圖。

30‧‧‧直流至直流切換式穩壓器

32‧‧‧功率級電路

300‧‧‧上橋開關

302‧‧‧下橋開關

404‧‧‧固定頻率補償電路

404a、404b‧‧‧控制輸入端

306‧‧‧比較器

Vref3‧‧‧參考電壓

INV3‧‧‧反相器

L3‧‧‧電感

C3‧‧‧電容

IL3‧‧‧電感電流

Vout3‧‧‧輸出電壓

Load3‧‧‧負載

Iout3‧‧‧負載電流

CS‧‧‧控制訊號

Vin3‧‧‧輸入電壓

PSIG‧‧‧相位訊號

Claims

一種用來鎖定操作頻率之切換式穩壓器，包含有：一功率級電路，用來接收一輸入電壓，並根據一控制訊號，提供一輸出電壓，該功率級電路包含有：一上橋開關；一下橋開關，耦接於該上橋開關；以及一電感，耦接於該上橋開關及該下橋開關；一參考電壓產生器，用來產生一參考電壓；一比較器，用來根據該輸出電壓及該參考電壓，輸出一比較結果；以及一固定頻率補償電路，用來根據該比較結果、一相位訊號及一補償訊號，輸出該控制訊號，並包含有一充電電容，其一端耦接於一地端，用來充電；其中，該相位訊號係對應於該功率級電路之該下橋開關之跨電壓，以及該補償訊號係對應於該功率級電路之該輸出電壓，該固定頻率補償電路藉由該相位訊號起始化該固定頻率補償電路所包含之該充電電容之另一端的一電壓值。
如請求項1所述之切換式穩壓器，另包含有一電容，耦接於該電感，該電容之跨壓等同於該輸出電壓。
如請求項1所述之切換式穩壓器，另包含有一負載，耦接於該功率級電路。
如請求項1所述之切換式穩壓器，其中該上橋開關及該下橋開關係為金氧半電晶體(MOSFETs)。
如請求項1所述之切換式穩壓器，其中該固定頻率補償電路另包含有：一參考電流源，耦接於該充電電容之該另一端，用來提供一恆定電流對該充電電容進行充電；一比較器，包含有一正端及一負端，其中該正端係用來接收該補償訊號，該負端耦接於該充電電容之該另一端，該比較器係用來比較該正端及該負端的訊號大小，以輸出該控制訊號；以及一開關，包含有一第一端及一第二端，其中該第一端係耦接於該充電電容之該另一端，該第二端係用來接收該相位訊號，該開關係用來根據該控制訊號，導通該開關之兩端的訊號連結。
一種用於一切換式穩壓器之固定頻率補償電路，包含有：一充電電容，其一端耦接於一地端，用來充電；一參考電流源，耦接於該充電電容之另一端，用來提供一恆定電流對該充電電容進行充電；一比較器，包含有一正端及一負端，其中該正端係用來接收一補償訊號，該負端耦接於該充電電容之該另一端，該比較器係用來比較正端及該負端的訊號大小，以輸出一控制訊號；以及一開關，包含有一第一端及一第二端，其中該第一端係耦接於該充電電容之該另一端，該第二端係用來接收一相位訊號，該開關係用來根據該控制訊號，導通該開關之兩端的訊號連結；其中，該相位訊號係對應於該切換式穩壓器之一下橋開關之跨電壓，以及該補償訊號係對應於該切換式穩壓器之該輸出電壓，該固定頻率補償電路藉由該相位訊號起始化該固定頻率補償電路所包含之該充電電容之該另一端的一電壓值。