TWI387192B - 用來降低直流轉換器之能量損失的方法與相關控制裝置及直流轉換器 - Google Patents

用來降低直流轉換器之能量損失的方法與相關控制裝置及直流轉換器 Download PDF

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Description

用來降低直流轉換器之能量損失的方法與相關控制裝置及直流轉換器
本發明係指一種用來降低直流轉換器之能量損失的方法與相關控制裝置及直流轉換器，尤指一種透過調整直流轉換器之一切換頻率，降低直流轉換器之一切換損失的方法與相關控制裝置及直流轉換器。
電子裝置通常包含有不同的元件，每一元件所需的操作電壓可能都不同。因此，在電子裝置中，需要透過直流對直流電壓轉換電路，達到電壓準位的調節(升壓或降壓)，並使之穩定在所設定的電壓數值。依不同的電源需求，可延伸出許多不同型態的直流對直流電壓轉換器，但其皆源自於降壓式轉換器(Buck/Step Down Converter)及升壓式轉換器(Boost/Step Up Converter)。顧名思義，降壓式轉換器可將輸入端的直流電壓下降至一預設電壓準位，而升壓式轉換器則可提升輸入端的直流電壓。不論降壓式轉換器或升壓式轉換器，隨著電路技術的演進，兩者皆已演變出許多變化，以適用於不同的架構，或符合不同的需求。
舉例來說，請參考第1圖，第1圖為先前技術一降壓轉換器10之示意圖。降壓轉換器10包含有一輸入端100、一低通模組110、一控制模組120、一開關模組130、一輸出端140、一輸出模組150及一回授模組160。輸入端100用來接收一第一輸入電壓VIN1。低通模組110係由一輸入電感112及一輸入電容114所組成，用來對第一輸入電壓VIN1執行低通濾波，以產生一第二輸入電壓VIN2。控制模組120為一脈波寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)控制器，用來根據第二輸入電壓VIN2及輸出端140之一回授訊號VFB，產生一脈波寬度調變訊號VPWM至開關模組130。開關模組130包含有一上橋開關電晶體132、一下橋開關電晶體134、一同相放大器136及一反相放大器138，用來根據脈波寬度調變訊號VPWM(及其反相訊號)，控制上橋開關電晶體132及下橋開關電晶體134之導通狀態，進而調整一節點N1之電流大小。輸出模組150耦接於節點N1，其係由一輸出電容152及一輸出電感154所組成，用來透過電感電容效應，產生一輸出電壓VOUT。簡單來說，控制模組120透過調整上橋開關電晶體132及下橋開關電晶體134之工作週期(duty cycle)，調整輸出電壓訊號VOUT之值。
然而，由於製程瑕疵、物理特性等不理想因素，開關模組130中必然存在寄生元件，其效應將導致降壓轉換器10之效能降低。舉例來說，當降壓轉換器10操作於一輕載狀態(輸出電流IOUT較低)時，「切換損失」為造成降壓轉換器10效能損失之主因。詳細來說，當開關模組130執行切換操作時，上橋開關電晶體132及下橋開關電晶體134之閘極寄生電容將導致上橋開關電晶體132及下橋開關電晶體134之閘極電壓無法於瞬間完成切換(緩升緩降)，造成上橋開關電晶體132及下橋開關電晶體134之汲極至源極等效電阻(RDS )變大，而產生額外的能量損失。除了造成開關電晶體132、134之汲極至源極等效電阻升高外，寄生電容於切換過程中之充放電效應，亦會造成能量損失。須注意的是，切換損失與切換頻率成正比，亦即切換次數越多，能量損失越高。
因此，如欲降低切換損失，降壓轉換器10須降低脈波寬度調變訊號VPWM之切換頻率。然而，若貿然全面降低脈波寬度調變訊號VPWM之切換頻率，將導致輸出電壓VOUT抵抗負載變異的能力降低。舉例來說，若輸出電流IOUT之需求量大增，過慢的切換頻率會造成輸出電容152之充放電頻率過慢，造成輸出電壓VOUT的不穩定。另外，在降壓轉換器10中，脈波寬度調變訊號VPWM之切換頻率係由控制模組120中之一振盪器(例如石英振盪器)所決定，其頻率為一固定值，造成降壓轉換器10無法透過調整切換頻率，降低切換損失。
因此，如何透過適時地調整切換頻率，降低直流轉換器之能量損失，進而提升效能，已成為業界的努力目標之一。
因此，本發明之主要目的即在於提供一種用來降低直流轉換器之能量損失的方法與相關控制裝置及直流轉換器。
本發明揭露一種用來降低一直流轉換器之能量損失的方法，包含有偵測該直流轉換器之一輸出電流，以產生一感測訊號；根據該感測訊號，調整一振盪訊號之頻率；比較一參考訊號及該直流轉換器之一回授訊號，以產生一比較結果；比較該比較結果及該振盪訊號，以產生一脈波寬度調變訊號；以及根據該脈波寬度調變訊號，控制該直流轉換器之一輸入端至該直流轉換器之一輸出端之導通狀態。
本發明另揭露一種用於一直流轉換器的控制裝置，包含有一感測器，用來偵測該直流轉換器之一輸出電流，以產生一感測訊號；一振盪器，用來根據該感測訊號，調整一振盪訊號之頻率；一第一比較器，用來比較一參考訊號及該直流轉換器之一回授訊號，以產生一比較結果；以及一第二比較器，用來比較該比較結果及該振盪訊號，以產生一脈波寬度調變訊號至該直流轉換器，進而控制該直流轉換器之一輸入端至該直流轉換器之一輸出端之導通狀態。
本發明另揭露一種直流轉換器，包含有一輸入端，用來接收一輸入電壓；一輸出端，用來輸出一輸出電壓；一回授模組，耦接於該輸出端，用來根據該輸出電壓，產生一回授訊號；一開關模組，包含有一第一端，用來接收一脈波寬度調變訊號；一第二端；一上橋開關電晶體，耦接於該輸入端、該第一端及該第二端，用來根據該脈波寬度調變訊號，控制該輸入端至該第二端之導通狀態；以及一下橋開關電晶體，耦接於該第一端、該第二端及一地端，用來根據該脈波寬度調變訊號之一反相訊號，控制該第二端至該地端之導通狀態；一輸出模組，包含有一輸出電感，其一端耦接於該開關模組之該第二端，另一端耦接於該輸出端；以及一輸出電容，其一端耦接於該輸出端，另一端耦接於該地端；以及一控制裝置，包含有一感測器，用來偵測該輸出電流，以產生一感測訊號；一振盪器，用來根據該感測訊號，調整一振盪訊號之頻率；一第一比較器，用來比較一參考訊號及該直流轉換器之一回授訊號，以產生一比較結果；以及一第二比較器，用來比較該比較結果及該振盪訊號，以產生一脈波寬度調變訊號至該開關模組。
請參考第2圖，第2圖為本發明實施例一直流轉換器20之示意圖。直流轉換器20包含有一輸入端200、一輸出端210、一回授模組220、一開關模組230、一輸出模組240、一控制裝置260及一低通模組270。輸入端200用來接收一第一輸入電壓VIN1。低通模組270係由一輸入電感272及一輸入電容274所組成，用來對第一輸入電壓VIN1執行低通濾波，以產生一第二輸入電壓VIN2。輸出端210用來輸出一輸出電壓VOUT。回授模組220用來根據輸出電壓VOUT，產生一回授訊號VFB。開關模組230包含有一上橋開關電晶體232、一下橋開關電晶體234、一同相放大器236及一反相放大器238。同相放大器236用來放大一脈波寬度調變訊號VPWM。反相放大器238用來放大脈波寬度調變訊號VPWM，並產生脈波寬度調變訊號VPWM之一反相訊號VPWMB。上橋開關電晶體232用來根據脈波寬度調變訊號VPEM，控制輸入端200至輸出模組240之導通狀態。下橋開關電晶體234用來根據反相訊號VPWMB，控制一地端GND至輸出模組240之導通狀態。輸出模組240包含有一輸出電感242及一輸出電容244，用來產生輸出電壓VOUT。控制裝置260包含有一感測器262、一振盪器264、一第一比較器266及一第二比較器268。感測器262用來偵測直流轉換器20之一輸出電流IOUT，以產生一感測訊號SEN。振盪器264用來根據感測訊號SEN，調整一振盪訊號VOSC之頻率。第一比較器266用來比較一參考訊號VREF及回授訊號VFB，以產生一比較結果CMP。最後，第二比較器268用來比較比較結果CMP及振盪訊號VOSC，以產生脈波寬度調變訊號VPWM至開關模組230，進而控制輸入端200至輸出端210之導通狀態。
簡單來說，由於直流轉換器20之「切換損失」與開關模組230之切換頻率成正比，本發明根據直流轉換器20之負載(輸出電流IOUT)變化，調整脈波寬度調變訊號VPWM之頻率，以調整開關模組230之切換頻率，進而減少直流轉換器20之切換損失。換言之，本發明根據輸出電流IOUT之大小，「客製化」開關模組230之切換頻率，以降低切換時之能量損失。
舉例來說，由於切換損失為直流轉換器20於輕載(輸出電流低)時之主要能量損失，振盪器244較佳地於感測訊號SEN顯示輸出電流IOUT減少時，降低振盪訊號VOSC之頻率，以減少切換損失。由於輕載時所需供應之輸出電流IOUT較低，降低切換頻率(降低輸出電容244之充放電頻率)不至於造成輸出電壓VOUT不穩定。
除此之外，當感測訊號SEN顯示輸出電流IOUT為零時，振盪器244可較佳地將振盪訊號VOSC之頻率降至一最低切換頻率，以維持直流轉換器20之正常運作。
須注意的是，一般來說，感測訊號SEN正比於輸出電流IOUT，且振盪訊號VOSC為一鋸齒波訊號。感測輸出電流IOUT與產生鋸齒波訊號之方法為本領域具通常知識所熟知，在此不贅述。
另外，回授模組220較佳地包含有一第一電阻222及一第二電阻224，用來產生輸出電壓VOUT之一分壓作為回授訊號VFB。當然，本領域具通常知識者可根據需求，透過不同的方法產生回授訊號VFB，例如不經分壓直接回授，而不限於此。
直流轉換器20及控制裝置260之操作可歸納為一流程30，如第3圖所示。流程30用來降低直流轉換器20之能量損失，包含有下列步驟：步驟300：開始。
步驟302：感測器262偵測直流轉換器20之輸出電流IOUT，以產生感測訊號SEN。
步驟304：振盪器264根據感測訊號SEN，調整振盪訊號VOSC之頻率。
步驟306：第一比較器266比較參考訊號VREF及回授訊號VFB，以產生比較結果CMP。
步驟308：第二比較器268比較比較結果CMP及振盪訊號VOSC，以產生脈波寬度調變訊號VPWM。
步驟310：開關模組230根據脈波寬度調變訊號VPWM，控制輸入端200至輸出端210之導通狀態。
步驟312：結束。
流程30之詳細說明可參考前述，在此不贅述。
在先前技術中，開關模組130之切換頻率為固定，使得降壓轉換器10無法針對不同之負載狀態，調整切換頻率。也就是說，在其他條件不變的情況下，降壓轉換器10無法透過調整切換頻率，減少切換操作所耗損的能量。相較之下，本發明透過偵測負載之變化，改變開關模組230之切換頻率，使得直流轉換器20於切換操作時所耗損的能量可有效地減少，特別有利於輕載操作時。
綜上所述，本發明透過調整直流轉換器於切換操作時之切換頻率，降低直流轉換器之切換損失，以提升直流轉換器之效能。
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。
CMP．．．比較結果
IOUT．．．輸出電流
GND．．．地端
N1．．．節點
RL．．．負載電阻
SEN．．．感測訊號
VFB．．．回授訊號
VIN1．．．第一輸入電壓
VIN2．．．第二輸入電壓
VOSC．．．振盪訊號
VOUT．．．輸出電壓
VPWM．．．脈波寬度調變訊號
VPWMB．．．反相訊號
VREF．．．參考訊號
10．．．降壓轉換器
20．．．直流轉換器
100、200．．．輸入端
110、270．．．低通模組
112、272．．．輸入電感
114、274．．．輸入電容
120．．．控制模組
130、230．．．開關模組
132、232．．．上橋開關電晶體
134、234．．．下橋開關電晶體
136、236．．．同相放大器
138、238．．．反相放大器
140、210．．．輸出端
150、240．．．輸出模組
152、244．．．輸出電容
154、242．．．輸出電感
160、220．．．回授模組
162、222．．．第一電阻
164、224．．．第二電阻
260．．．控制裝置
262‧‧‧感測器
264‧‧‧振盪器
266‧‧‧第一比較器
268‧‧‧第二比較器
30‧‧‧流程
300、302、304、306、308、310、312‧‧‧步驟
第1圖為先前技術一降壓轉換器之示意圖。
第2圖為本發明實施例一直流轉換器之示意圖。
第3圖為本發明實施例一流程之示意圖。
CMP‧‧‧比較結果
IOUT‧‧‧輸出電流
GND‧‧‧地端
RL‧‧‧負載電阻
SEN‧‧‧感測訊號
VFB‧‧‧回授訊號
VIN1‧‧‧第一輸入電壓
VIN2‧‧‧第二輸入電壓
VOSC‧‧‧振盪訊號
VOUT‧‧‧輸出電壓
VPWM‧‧‧脈波寬度調變訊號
VPWMB‧‧‧反相訊號
VREF‧‧‧參考訊號
20‧‧‧直流轉換器
200‧‧‧輸入端
210‧‧‧輸出端
220‧‧‧回授模組
222‧‧‧第一電阻
224‧‧‧第二電阻
230‧‧‧開關模組
232‧‧‧上橋開關電晶體
234‧‧‧下橋開關電晶體
236‧‧‧同相放大器
238‧‧‧反相放大器
270‧‧‧低通模組
240‧‧‧輸出模組
244‧‧‧輸出電容
242‧‧‧輸出電感
260‧‧‧控制裝置
262‧‧‧感測器
264‧‧‧振盪器
266‧‧‧第一比較器
268‧‧‧第二比較器
272‧‧‧輸入電感
274‧‧‧輸入電容

Claims (18)

  1. 一種用來降低一直流轉換器之能量損失的方法，包含有：以一感測器直接偵測該直流轉換器之一輸出電流，以產生一感測訊號；根據該感測訊號，調整一振盪訊號之頻率；比較一參考訊號及該直流轉換器之一回授訊號，以產生一比較結果；比較該比較結果及該振盪訊號，以產生一脈波寬度調變訊號；以及根據該脈波寬度調變訊號，控制該直流轉換器之一輸入端至該直流轉換器之一輸出端之導通狀態。
  2. 如請求項1所述之方法，其中根據該感測訊號，調整該振盪訊號之頻率之步驟，包含有當該感測訊號顯示該輸出電流減少時，降低該振盪訊號之頻率。
  3. 如請求項1所述之方法，其中根據該感測訊號，調整該振盪訊號之頻率之步驟，包含有當該感測訊號顯示該輸出電流為零時，降低該振盪訊號之頻率至一最低切換頻率。
  4. 如請求項1所述之方法，其中該感測訊號正比於該輸出電流。
  5. 如請求項1所述之方法，其中該振盪訊號係一鋸齒波訊號。
  6. 一種用於一直流轉換器的控制裝置，包含有：一感測器，用來直接偵測該直流轉換器之一輸出電流，以產生一感測訊號；一振盪器，用來根據該感測訊號，調整一振盪訊號之頻率；一第一比較器，用來比較一參考訊號及該直流轉換器之一回授訊號，以產生一比較結果；以及一第二比較器，用來比較該比較結果及該振盪訊號，以產生一脈波寬度調變訊號至該直流轉換器，進而控制該直流轉換器之一輸入端至該直流轉換器之一輸出端之導通狀態。
  7. 如請求項6所述之控制裝置，其中該振盪器於該感測訊號顯示該輸出電流減少時，降低該振盪訊號之頻率。
  8. 如請求項6所述之控制裝置，其中該振盪器於該感測訊號顯示該輸出電流為零時，降低該振盪訊號之頻率至一最低切換頻率。
  9. 如請求項6所述之控制裝置，其中該感測訊號正比於該輸出電流。
  10. 如請求項6所述之控制裝置，其中該振盪訊號係一鋸齒波訊號。
  11. 一種直流轉換器，包含有： 一輸入端，用來接收一輸入電壓；一輸出端，用來輸出一輸出電壓；一回授模組，耦接於該輸出端，用來根據該輸出電壓，產生一回授訊號；一開關模組，包含有：一第一端，用來接收一脈波寬度調變訊號；一第二端；一上橋開關電晶體，耦接於該輸入端、該第一端及該第二端，用來根據該脈波寬度調變訊號，控制該輸入端至該第二端之導通狀態；以及一下橋開關電晶體，耦接於該第一端、該第二端及一地端，用來根據該脈波寬度調變訊號之一反相訊號，控制該第二端至該地端之導通狀態；一輸出模組，包含有：一輸出電感，其一端耦接於該開關模組之該第二端，另一端耦接於該輸出端；以及一輸出電容，其一端耦接於該輸出端，另一端耦接於該地端；以及一控制裝置，包含有：一感測器，用來直接偵測該輸出電流，以產生一感測訊號；一振盪器，用來根據該感測訊號，調整一振盪訊號之頻率；一第一比較器，用來比較一參考訊號及該直流轉換器之一回授訊號，以產生一比較結果；以及 一第二比較器，用來比較該比較結果及該振盪訊號，以產生一脈波寬度調變訊號至該開關模組。
  12. 如請求項11所述之直流轉換器，其中該振盪器於該感測訊號顯示該輸出電流減少時，降低該振盪訊號之頻率。
  13. 如請求項11所述之直流轉換器，其中該振盪器於該感測訊號顯示該輸出電流為零時，降低該振盪訊號之頻率至一最低切換頻率。
  14. 如請求項11所述之直流轉換器，其中該感測訊號正比於該輸出電流。
  15. 如請求項11所述之直流轉換器，其中該振盪訊號係一鋸齒波訊號。
  16. 如請求項11所述之直流轉換器，其另包含有：一輸入電感，其一端耦接於該輸入端，另一端耦接於該上橋開關電晶體；以及一輸入電容，其一端耦接於該輸入電感及該上橋開關電晶體之間，另一端耦接於一地端。
  17. 如請求項11所述之直流轉換器，其中該開關模組另包含有： 一同相放大器，耦接於該第一端及該上橋開關電晶體之間，用來放大該脈波寬度調變訊號；以及一反相放大器，耦接於該第一端及該下橋開關電晶體之間，用來放大該脈波寬度調變訊號並產生該脈波寬度調變訊號之該反相訊號。
  18. 如請求項11所述之直流轉換器，其中該回授模組包含有：一第一電阻，其一端耦接於該輸出端，另一端耦接於該第一比較器；以及一第二電阻，其一端耦接於該第一電阻與該第一比較器，另一端耦接於該地端。
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