TWI384737B - A Fast Response Device and Method for Switching Power Converter - Google Patents

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TWI384737B TW097117746A TW97117746A TWI384737B TW I384737 B TWI384737 B TW I384737B TW 097117746 A TW097117746 A TW 097117746A TW 97117746 A TW97117746 A TW 97117746A TW I384737 B TWI384737 B TW I384737B
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    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
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Description

切換式電源轉換器的快速響應裝置及方法
本發明係有關一種切換式電源轉換器，特別是關於一種切換式電源轉換器的快速響應裝置及方法。
圖1顯示傳統的多相切換式電源轉換器10。圖2顯示圖1中信號的波形圖。電源轉換器10可以提供穩定的輸出電壓Vcore給其他的電子裝置，例如CPU，在電源轉換器10中，誤差放大器14根據輸出電壓Vcore及由參考電壓產生器12提供的參考電壓Vref之間的差值產生誤差信號Vcomp，如波形32所示，鋸齒波產生器16提供鋸齒波Vramp1及Vramp2，如波形28及30所示，脈寬調變(Pulse Width Modulation；PWM)比較器18根據誤差信號Vcomp及鋸齒波Vramp1產生信號Vpwm1，如波形34所示，當鋸齒波Vramp1小於誤差信號Vcomp時，信號Vpwm1為高準位，此時，通道22被打開(turn on)以提供電荷至電容C1使輸出電壓Vcore上升，如波26所示，PWM比較器20根據誤差信號Vcomp及鋸齒波Vramp2產生信號Vpwm2，如波形36所示，當鋸齒波Vramp2小於誤差信號Vcomp時，信號Vpwm2為高準位，此時，通道24被打開以提供電荷至電容C2使輸出電壓Vcore上升。多相切換式電源轉換器10還包括補償器11連接在誤差放大器14的反相輸入端及輸出端之間，用以穩定整體迴路。
然而，現今CPU的負載電流不論是由低變高或由高變低，其變化是相當快速，變化的時間在1us之內，這與電源轉換器10的切換週期相比是相當短的，如果負載暫態出現在信號Vpwm1或Vpwm2的脈衝時，如區間t2，由於通道22或24打開，因此能緩和輸出電壓Vcore下降的速度，但是當負載暫態出現在信號Vpwm1及Vpwm2的脈衝之間時，如區間t1，由於信號Vpwm1及Vpwm2均為低準位，因此輸出電壓Vcore將脫離控制，再者，就算負載暫態是出現在信號Vpwm1或Vpwm2的脈衝期間，如果負載變化太大，輸出電壓Vcore仍然劇降，故需要快速響應(quick response)迴路以在負載暫態出現時能同時打開通道22及24。
要有良好的輸出電壓Vcore，就要有良好的快速響應，而要達成良好的快速響應有兩個關鍵，一個是觸發快速響應的時機，另一個是快速響應的時間長短。如果太慢觸發快速響應，可能使輸出電壓Vcore低於規格書的規定，即出現低超(undershoot)的情況，相反的，如果太快觸發快速響應，可能導致輸出電壓Vcore出現尖波(spike)。如果快速響應的時間太短，輸出電壓Vcore仍然會出現低超的情況，但是如果快速響應的時間太長，輸出電壓Vcore將上升過頭而出現回彈(ringback)情況。
圖3顯示一種習知用以實現快速響應的適應相位校準(Adaptive Phase Alignment；APA)電路40，其包括誤差放大器42根據電源轉換器的輸出電壓Vcore及參考電壓Vref 之間的差值產生誤差信號Vcomp，低通濾波器44濾波誤差信號Vcomp產生信號V2，電流源48提供電流Iapa經電阻Rapa產生電壓Vapa偏移誤差信號Vcomp產生信號V1，比較器46根據信號V1及V2產生快速響應信號QR。當負載暫態時，誤差信號Vcomp將下降，信號V2也將隨之下降，由於電容Capa的關係，信號V1不會立即下降，當信號V2低於信號V1時，快速響應信號QR轉為高準位以觸發快速響應，在快速響應期間，多相切換式電源轉換器的所有通道都將被打開。由於快速響應的觸發是由信號V1決定，而信號V1=Vcomp-Iapa×Rapa 公式1因此，可以藉由調整在晶片外部的電阻Rapa來改變觸發快速響應的時間點，例如，使用較大的電阻Rapa來延遲快速響應的觸發時間，然而，在APA電路40中，快速響應的持續時間是由低通濾波器44決定，而低通濾波器44係內建在晶片中，因此無法調整快速響應的時間。
再者，快速響應的目的是為了得到良好的輸出電壓Vcore，APA技術利用誤差信號Vcomp的資訊取代輸出電壓Vcore來觸發快速響應，然而，本領域的技術人員都清楚，誤差放大器42需要補償器來對誤差信號Vcomp進行補償，也就是說，當輸出電壓Vcore開始下降至誤差信號Vcomp開始上升之間會有一補償延遲，如果負載暫態變化 非常快時，這補償延遲將導致輸出電壓Vcore在快速響應觸發前低於規定值。
因此，一種能準確觸發快速響應而且能調節該快速響應時間的快速響應裝置及方法，乃為所冀。
本發明的目的，在於提出一種切換式電源轉換器的快速響應裝置，其可以準確觸發快速響應而且能調節該快速響應的時間。
根據本發明，一種切換式電源轉換器的快速響應裝置包括一偵測電路偵測該電源轉換器的輸出電壓，在該輸出電壓低於一臨界值時觸發快速響應，以及一調節電路用以調節該快速響應的時間。由於該偵測電路係直接偵測該輸出電壓，故能準確觸發該快速響應，而且調節電路能控制該快速響應的時間長短，因此可以避免低超或回彈的情形。
圖4顯示本發明應用在切換式電源轉換器的快速響應裝置，該電源轉換器包括多個通道54以提供輸出電壓Vcore，該快速響應裝置包括電壓偵測電路50直接偵測輸出電壓Vcore以判斷是否發生負載暫態，在輸出電壓Vcore低於一臨界值時，電壓測電路50送出快速響應信號Vqr，快速響應時間調節電路52調節快速響應信號Vqr的寬度 產生快速響應信號QR打開多個通道54中的至少一個。圖5顯示電壓偵測電路50的實施例，其包括偏移電路5002用以偏移輸出電壓Vcore產生偏移電壓Vcf，偏移電路5002包括電流源5004提供電流I1至電阻R以產生電壓Vofs=I1×R，故偏移電壓Vcf=Vcore+Vofs，比較器5006比較偏移電壓Vcf及參考電壓Vref產生信號Vqr，其中，參考電壓Vref等於該電源轉換器處於穩態時的輸出電壓Vcore，假設電壓Vofs>0，則在穩態時偏移電壓Vcf大於參考電壓Vref，故信號Vqr為低準位，當發生負載暫態時，輸出電壓Vcore下降，當輸出電壓Vcore下降的量大於電壓Vofs時，偏移電壓Vcf將低於參考電壓Vref，故信號Vqr將轉為高準位以觸發快速響應，偏移電路5002中的電阻R或電流源5004可以放置在晶片的外部以供使用者改變電阻值或電流I1的大小，進而調節電壓Vofs以控制觸發快速響應的時間點。
實現快速響應時間調節電路52的方式有很多種，其中之一就是利用類比單擊電路。圖6顯示快速響應時間調節電路52的實施例，其中正反器5202的輸入端C接收來自電壓偵測電路50的信號Vqr，反或閘5204根據信號Vqr及正反器5202輸出端Q上的信號SL1產生信號SL2，反相器5206將信號SL2反相產生快速響應信號QR，正反器5202的輸出端QB送出信號Vg切換開關5208以控制電容C的充放電，電流源5210提供電流I2對電容C充電，反相器5212及5214根據電容C上的電壓Vc產生信號SL3， 反或閘5218根據信號SL3及電源開關信號Power_on_reset產生信號SL4，信號SL4經反相器5216反相後產生重置信號Sreset重置正反器5202。圖7顯示圖6中信號的波形圖，其中波形60為快速響應信號Vqr，波形62為信號Vg，波形64為電壓Vc，波形66為重置信號Sreset，波形68為快速響應信號QR。在電源開啟後，如果正反器5202的輸入端C上的信號Vqr轉為高準位時，如波形60及時間t1所示，快速響應信號QR將轉為高準位以觸發快速響應，如波形68所示，而信號Vg將轉為低準位以關閉(turn off)開關5208，如波形62所示，因此電容C上的電壓Vc開始上升，如波形64所示，在電壓Vc上升期間，由於信號SL1維持在高準位，因此快速響應信號QR也維持在高準位，當電壓Vc達到反相器5212內所預定的目標值Vtrip時，如時間t2所示，反相器5212將送出低準位的信號，因而使重置信號Sreset轉為高準位以重置正反器5202，如波形66所示，因此信號SL1轉為低準位使得快速響應信號QR也轉為低準位以結束快速響應，同時信號Vg也轉為高準位以打開開關5208以使電容C放電。由圖6及圖7可以很明顯的看出，快速響應的時間△t=(C×Vtrip)/I2 公式2從公式2可知，改變電容C、電流I2及目標值Vtrip可以調節快速響應的時間△t，因此可以藉由從外部調整電容 C、電流I2及目標值Vtrip其中至少一個來改變快速響應的時間△t。
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。
10‧‧‧電源轉換器
11‧‧‧補償器
12‧‧‧參考電壓產生器
14‧‧‧誤差放大器
16‧‧‧鋸齒波產生器
18‧‧‧PWM比較器
20‧‧‧PWM比較器
22‧‧‧通道
24‧‧‧通道
26‧‧‧輸出電壓Vcore的波形
28‧‧‧鋸齒波Vramp1的波形
30‧‧‧鋸齒波Vramp2的波形
32‧‧‧誤差信號Vcomp的波形
34‧‧‧信號Vpwm1的波形
36‧‧‧信號Vpwm1的波形
40‧‧‧適應相位校準電路
42‧‧‧誤差放大器
44‧‧‧低通濾波器
46‧‧‧比較器
48‧‧‧電流源
50‧‧‧電壓偵測電路
5002‧‧‧偏移電路
5004‧‧‧電流源
5006‧‧‧比較器
52‧‧‧快速響應時間調節電路
5202‧‧‧正反器
5204‧‧‧反或閘
5206‧‧‧反相器
5208‧‧‧開關
5210‧‧‧電流源
5212‧‧‧反相器
5214‧‧‧反相器
5216‧‧‧反相器
5218‧‧‧反或閘
54‧‧‧通道
60‧‧‧快速響應信號Vqr的波形
62‧‧‧信號Vg的波形
64‧‧‧電壓Vc的波形
66‧‧‧重置信號Sreset的波形
68‧‧‧快速響應信號QR的波形
圖1顯示傳統的多相切換式電源轉換器；圖2顯示圖1中信號的波形圖；圖3顯示一種習知用以實現快速響應的適應相位校準電路；圖4顯示本發明應用在切換式電源轉換器的快速響應裝置；圖5顯示圖4中電壓偵測電路的實施例；圖6顯示圖4中快速響應時間調節電路的實施例；以及圖7顯示圖6中信號的波形圖。
50‧‧‧電壓偵測電路
52‧‧‧快速響應時間調節電路
54‧‧‧通道

Claims (15)

  1. 一種切換式電源轉換器的快速響應裝置，包括：一偵測電路，連接該切換式電源轉換器的輸出端，偵測該電源轉換器的輸出電壓的壓降以觸發快速響應信號；以及一調節電路，連接該偵測電路，用以調節該快速響應信號的寬度。
  2. 如請求項1之快速響應裝置，該偵測電路包括：一偏移電路，連接該切換式電源轉換器的輸出端，偏移該輸出電壓產生一偏移電壓；以及一比較器，連接該偏移電路，比較該偏移電壓及一參考電壓，在該偏移電壓低於該參考電壓時觸發該快速響應信號。
  3. 如請求項2之快速響應裝置，其中該參考電壓等於該輸出電壓於穩態時的直流準位。
  4. 如請求項1之快速響應裝置，其中該調節電路包括：一電容；以及一電流源，連接該電容，在該快速響應信號被觸發時對該電容充電，當該電容上的電壓達到一臨界值時，結束該快速響應信號。
  5. 如請求項4之快速響應裝置，其中該電容為可變電容。
  6. 如請求項4之快速響應裝置，其中該電流源為可變電流源。
  7. 如請求項4之快速響應裝置，其中該臨界值是可變的。
  8. 如請求項4之快速響應裝置，更包括一正反器連接該電容，並輸出一邏輯信號，該邏輯信號在該快速響應信號被觸發時由第一邏輯狀態轉為第二邏輯狀態，在該電容上的電壓達到該臨界值時，該邏輯信號由該第二邏輯狀態轉為該第一邏輯狀態。
  9. 一種切換式電源轉換器的快速響應方法，包括下列步驟：(A)偵測該電源轉換器的輸出電壓的壓降以觸發快速響應信號；以及(B)調節該快速響應信號的寬度。
  10. 如請求項9之快速響應方法，其中該步驟A包括：偏移該輸出電壓產生一偏移電壓；以及比較該偏移電壓及一參考電壓，在該偏移電壓低於該參考電壓時，觸發該快速響應信號。
  11. 如請求項10之快速響應方法，其中該參考電壓等於該輸出電壓於穩態時的直流準位。
  12. 如請求項9之快速響應方法，其中該步驟B包括：在該快速響應信號被觸發時，提供一電流對一電容充電；以及在該電容上的電壓大於一臨界值時，結束該快速響應信號。
  13. 如請求項12之快速響應方法，更包括調節該電流以調節該快速響應信號的寬度。
  14. 如請求項12之快速響應方法，更包括改變該電容的電 容值以調節該快速響應信號的寬度。
  15. 如請求項12之快速響應方法，更包括改變該臨界值以調節該快速響應信號的寬度。
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