TWI395082B - 用於變頻式電壓調節器的頻率控制電路及方法 - Google Patents

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Description

用於變頻式電壓調節器的頻率控制電路及方法
本發明係有關一種變頻式電壓調節器，特別是關於一種用於變頻式電壓調節器的頻率控制電路及方法。
脈寬調變電壓調節器如果使用非定頻系統架構，例如固定開啟時間控制或固定關閉時間控制，其頻率可能因為在不同的負載下偏移原來的設計而引發新的問題。例如在印刷電路板上的兩個通道原本試圖操作在100KHz以上差距的頻率，卻因為在某種負載下導致兩者的頻率相當接近，進而產生音頻的現象。圖1係固定開啟時間及固定關閉時間脈寬調變的基本架構，圖2係其波形圖。參照圖1及圖2，比較器10比較輸出電壓Vout及參考電壓Vref1而產生比較信號S1，脈寬調變信號產生器12根據比較信號S1產生脈寬調變信號S2驅動功率輸出級14，將輸入電壓VIN轉換為輸出電壓Vout。在脈寬調變信號產生器12中，定時觸發器16觸發固定開啟時間Ton或固定關閉時間Toff，其寬度由電流產生器18提供電流I1設定。圖3係用於固定開啟時間脈寬調變的定時觸發器16，其中比較信號S1控制開關SW3，因而控制電容C1的充電時間點，比較器22比較電容電壓VC1及參考電壓Vref2而產生脈寬調變信號S2。在比較信號S1觸發正反器20切斷開關SW3後，電容電壓VC1因電流I1對電容C1充電而以固定速率從零上升，當電容電壓VC1上升到參考電壓Vref2的大小時，脈寬調變信號S2結束開啟時間。因為電流I1是定值，所以脈寬調變信號S2具有固定寬度的開啟時間。在圖1所示的系統中，在不同的負載下，其頻率誤差的來源有三：
(1)相節點電壓VP(=VIN-IL×Ron)隨負載電流IL變化，其中Ron為功率開關SW1的導通電阻值；
(2)電感L及印刷電路板上的寄生電阻RL所造成的壓降(IL×RL)；
(3)在重載時因為失效時間(deadtime)較小而造成相節點電壓VP的脈寬變小，因而造成頻率加快。
參照圖1及圖4，為了避免功率開關SW1和SW2同時開啟，系統通常在開啟功率開關SW1以前插入預設的失效時間。在重載時，責任週期很大(duty cycle)，失效時間造成功率開關SW1的實際開啟時間縮短，亦即相節點電壓VP的脈寬變小，導致電壓調節器提高其操作頻率。
美國專利號6,456,050使用時序控制電路因應責任週期產生時序信號進行固定關閉時間控制，但只有在輸出/入電壓比小於0.5時才有不錯的頻率補償效果。美國專利號6,774,611使用鎖相迴路控制脈寬調變信號的責任週期，雖然準確地控制頻率，但是電路很複雜。
本發明的目的之一，在於提出一種用於變頻式電壓調節器的頻率控制電路及方法。
本發明的目的之一，在於提出一種根據相節點電壓的脈寬補償變頻式電壓調節器之操作頻率的電路及方法。
根據本發明，一種用於變頻式電壓調節器的頻率控制電路包含相偵測器偵測相節點電壓的脈衝寬度，經脈衝比較器與固定開啟時間或固定關閉時間比較而產生電流，以補償該電壓調節器的操作頻率。
根據本發明，一種用於變頻式電壓調節器的頻率控制方法包含偵測相節點電壓的脈衝寬度，與固定開啟時間或固定關閉時間比較而產生電流，以補償該電壓調節器的操作頻率。
本發明藉由偵測相節點電壓的脈衝寬度來補償電壓調節器的操作頻率，可以減少失效時間造成的頻率誤差。
圖5係根據本發明的實施例，其中脈寬調變信號產生器12除了定時觸發器16及電流產生器18以外，還包括頻率控制電路24將提供給定時觸發器16的第一電流I1調整為I1'，以補償脈寬調變信號S2的頻率。頻率控制電路24包括補償器26產生第二電流I2，以及加法器28將第二電流I2加入第一電流I1中而產生電流I1'。在補償器26中，定時觸發器48像圖1的定時觸發器16一樣，根據比較信號S1觸發固定開啟時間Ton或固定關閉時間Toff，其寬度由電流產生器18提供電流I1設定。換言之，定時觸發器48產生的參考信號on1含有第一電流I1決定的固定開啟時間Ton或固定關閉時間Toff。補償器26另包括相偵測器50偵測相節點電壓VP而產生偵測信號Phd，其使用逆電流偵測(reverse current detection)取得功率開關SW1真正的開啟時間或關閉時間。脈衝比較器52比較參考信號on1與偵測信號Phd，取出由電流I1決定的固定開啟時間Ton或固定關閉時間Toff與相節點電壓VP的脈衝寬度之間的差值，據以產生第二電流I2。換言之，第二電流I2反應相節點電壓VP的脈衝寬度誤差，藉其調整脈寬調變信號S2的開啟時間Ton或關閉時間Toff，減少失效時間造成的頻率誤差。在固定開啟時間脈寬調變中，若參考信號on1提供的固定開啟時間Ton大於偵測信號Phd的脈衝寬度，則第二電流I2為正值，因此電流I1'大於第一電流I1，進而縮短脈寬調變信號S2的開啟時間Ton，降低脈寬調變信號S2的頻率。
圖6係圖5的電壓調節器的操作頻率與負載電流IL的關係曲線，如曲線54所示，習知的變頻式電壓調節器其負載程度對操作頻率的影響很大，經本發明的頻率補償後，負載程度對操作頻率的影響降低，如曲線56所示。
脈衝比較器52有許多電路可以實現，例如參照圖7的實施例及圖8的波形圖，參考信號on1經低通濾波器58取出其平均值on1_a，偵測信號Phd經低通濾波器60取出其平均值Phd_a，二者之間的差值電壓經運算轉導放大器62轉換為第二電流I2。
圖9係脈衝比較器52的另一個實施例，使用脈寬電壓轉換器64及66分別將參考信號on1及偵測信號Phd的脈衝寬度轉換為電壓on1_a及Phd_a，二者之間的差值電壓經運算轉導放大器62轉換為第二電流I2。
圖10係圖9的脈寬電壓轉換器64及66的實施例。脈寬電壓轉換器64包括電容C2、電流源Ix以及開關SW4連接在電流源Ix及電容C2之間，參考信號on1控制開關SW4。脈寬電壓轉換器66包括電容C3、電流源Ix以及開關SW5連接在電流源Ix及電容C3之間，偵測信號Phd控制開關SW5。圖11係圖10的波形圖，在參考信號on1的開啟時間Ton期間，開關SW4閉合，電流源Ix對電容C2充電，因此電壓on1_p以固定速率上升，當參考信號on1的開啟時間Ton結束，開關SW4切斷。在偵測信號Phd的開啟時間Ton期間，開關SW5閉合，電流源Ix對電容C3充電，當偵測信號Phd的開啟時間Ton結束，開關SW5切斷。
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‧‧‧比較器
12‧‧‧脈寬調變信號產生器
14‧‧‧功率輸出級
16‧‧‧定時觸發器
18‧‧‧電流產生器
20‧‧‧正反器
22‧‧‧比較器
24‧‧‧頻率控制電路
26‧‧‧電流偵測器
28‧‧‧加法器
48‧‧‧定時觸發器
50‧‧‧相偵測器
52‧‧‧脈衝比較器
54‧‧‧操作頻率與負載電流的關係曲線
56‧‧‧操作頻率與負載電流的關係曲線
58‧‧‧低通濾波器
60‧‧‧低通濾波器
62‧‧‧運算轉導放大器
64‧‧‧脈寬電壓轉換器
66‧‧‧脈寬電壓轉換器
圖1係習知的固定開啟時間及固定關閉時間脈寬調變電壓調節器的基本架構；圖2係圖1的波形圖；圖3係用於固定開啟時間脈寬調變的定時觸發器； 圖4係圖1的波形圖；圖5係本發明的實施例；圖6係圖5的電壓調節器的操作頻率與負載電流的關係曲線；圖7係圖5中的脈衝比較器的第一實施例；圖8係圖7的波形圖；圖9係圖5中的脈衝比較器的第二實施例；圖10係圖9中的脈寬電壓轉換器的實施例；以及圖11係圖10的波形圖。
10．．．比較器
12．．．脈寬調變信號產生器
14．．．功率輸出級
16．．．定時觸發器
18．．．電流產生器
24．．．頻率控制電路
26．．．補償器
28．．．加法器
48．．．定時觸發器
50．．．相偵測器
52．．．脈衝比較器

Claims (10)

  1. 一種用於變頻式電壓調節器的頻率控制電路，該電壓調節器包含一第一定時觸發器產生一脈寬調變信號，一電流產生器供應一第一電流以決定一固定開啟時間或固定關閉時間，以及一功率輸出級接受該脈寬調變信號操作而產生一負載電流，該功率輸出級包含受該脈寬調變信號切換的一功率開關連接一相節點，該頻率控制電路包括：一補償器連接該相節點，將該相節點上相節點電壓的脈衝寬度與該固定開啟時間或固定關閉時間之間的差值轉換為一第二電流；以及一加法器連接該電流產生器、第一定時觸發器及補償器，結合該第一及第二電流給該第一定時觸發器，以決定該脈寬調變信號的開啟時間或關閉時間，因而控制該脈寬調變信號的頻率。
  2. 如請求項1之頻率控制電路，其中該補償器包括：一第二定時觸發器產生一參考信號，其具有該固定開啟時間或固定關閉時間；一相偵測器連接該相節點，偵測該相節點電壓而產生一偵測信號；以及一脈衝比較器連接該第二定時觸發器及相偵測器，比較該偵測信號及參考信號而產生該第二電流。
  3. 如請求項2之頻率控制電路，其中該脈衝比較器包括：一第一低通濾波器連接該第二定時觸發器，萃取該參考信號的平均值； 一第二低通濾波器連接該相偵測器，萃取該偵測信號的平均值；以及一運算轉導放大器連接該第一及第二低通濾波器，將該二平均值之間的差值轉換為該第二電流。
  4. 如請求項2之頻率控制電路，其中該脈衝比較器包括：一第一脈寬電壓轉換器連接該第二定時觸發器，從該參考信號萃取該固定開啟時間或固定關閉時間，據以產生一第一電壓；一第二脈寬電壓轉換器連接該相偵測器，從該偵測信號萃取該相節點電壓的脈衝寬度，據以產生一第二電壓；以及一運算轉導放大器連接該第一及第二脈寬電壓轉換器，將該第一及第二電壓之間的差值轉換為該第二電流。
  5. 如請求項4之頻率控制電路，其中該第一脈寬電壓轉換器包括：一電流源；一電容；以及一開關連接在該電流源及電容之間，因應該參考信號而切換，使得該電流源對該電容充電而產生該第一電壓。
  6. 如請求項4之頻率控制電路，其中該第二脈寬電壓轉換器包括：一電流源； 一電容；以及一開關連接在該電流源及電容之間，因應該偵測信號切換，使得該電流源對該電容充電而產生該第二電壓。
  7. 一種用於變頻式電壓調節器的頻率控制方法，該電壓調節器包含一定時觸發器產生一脈寬調變信號，一電流產生器供應一第一電流以決定一固定開啟時間或固定關閉時間，以及一功率輸出級接受該脈寬調變信號操作而產生一負載電流，該功率輸出級包含受該脈寬調變信號切換的一功率開關連接一相節點，該頻率控制方法包括：將該相節點上相節點電壓的脈衝寬度與該固定開啟時間或固定關閉時間之間的差值轉換為一第二電流；以及結合該第一及第二電流給該定時觸發器，以決定該脈寬調變信號的開啟時間或關閉時間，因而控制該脈寬調變信號的頻率。
  8. 如請求項7之頻率控制方法，其中該將相節點電壓的脈衝寬度與該固定開啟時間或固定關閉時間之間的差值轉換為一第二電流的步驟包括：產生具有該固定開啟時間或固定關閉時間的一參考信號；偵測該相節點電壓而產生一偵測信號；以及比較該偵測信號及參考信號而產生該第二電流。
  9. 如請求項8之頻率控制方法，其中該比較該偵測信號及參考信號而產生該第二電流的步驟包括： 萃取該參考信號的平均值；萃取該偵測信號的平均值；以及將該二平均值之間的差值轉換為該第二電流。
  10. 如請求項8之頻率控制方法，其中該比較該偵測信號及參考信號而產生該第二電流的步驟包括：從該參考信號萃取該固定開啟時間或固定關閉時間，據以產生一第一電壓；從該偵測信號萃取該相節點電壓的脈衝寬度，據以產生一第二電壓；以及將該第一及第二電壓之間的差值轉換為該第二電流。
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