TWI396954B - 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為上橋開關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。
美國專利號6,456,050使用時序控制電路因應責任週期(duty cycle)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，在於提出一種根據負載程度補償變頻式電壓調節器之操作頻率的電路及方法。
本發明的目的之一，在於提出一種降低變頻式電壓調節器之操作頻率受負載影響的電路及方法。
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電流偵測器回授表示負載電流的直流成分大小的電流，以及加法器將該電流加入決定固定開啟時間或固定關閉時間的電流中，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回授表示負載電流的直流成分大小的電流，加入決定固定開啟時間或固定關閉時間的電流中，以補償該電壓調節器的操作頻率。
本發明利用負載前饋補償變頻式電壓調節器的操作頻率，因而減少該電壓調節器的相節點電壓以及電感與電路板上的寄生電阻造成的頻率誤差。此外，本發明從負載電流回授電流直接加入決定固定開啟時間或固定關閉時間的電流中，因此只需要簡單的電路。
圖4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包括電流偵測器26偵測負載電流IL而回授表示負載電流IL的直流成分大小的第二電流I2，以及加法器28結合第一電流I1及第二電流I2而產生電流I1'給定時觸發器16。經過第二電流I2的調整，供應定時觸發器16的電流I1'與負載電流IL的大小相關，例如參照圖3，定時觸發器16產生的固定開啟時間Ton或固定關閉時間Toff將受到調整，進而改變脈寬調變信號S2的頻率。此項利用電流偵測器26前饋負載電流IL的資訊而補償頻率的方法稱為負載前饋(loading feed forward)。由於第一電流I1係定值，因此第二電流I2的變化將導致電流I1'跟隨變化，進而調整脈寬調變信號S2的固定開啟時間Ton或固定關閉時間Toff，如此可以改善相節點電壓VP以及電感L與印刷電路板上的寄生電阻造成的頻率誤差。
電流偵測器26有許多電路可以實現，例如在圖5的實施例中，直流電阻偵測電路30連接功率輸出級14，萃取負載電流IL的直流成分大小。直流電阻偵測電路30包含串聯的電阻電容並聯至電感L，電容Cs的跨壓即表示負載電流IL的直流成分大小，此電壓經放大器32放大為電壓V1，再經可變增益放大器34放大為電壓V2。在此實施例中，可變增益放大器34係運算放大器36及電阻R1及R2配置成的反相放大器，其產生的電壓V2經運算轉導放大器38轉換為第二電流I2。圖6係圖5的電壓調節器之操作頻率與負載電流IL的關係曲線，如曲線40所示，在未前饋負載電流IL的資訊時，負載程度對操作頻率的影響很大，經負載前饋補償操作頻率後，負載程度對操作頻率的影響降低，如曲線42及44所示。若使用單一增益可變增益放大器34，例如圖5中的R2=R1，操作頻率隨負載電流IL的變化明顯減緩如曲線42所示。提高可變增益放大器34的增益至兩倍時，例如圖5中的R2=2R1，如曲線44所示，在很大的範圍內，操作頻率幾乎不隨負載電流IL變化。藉由調整電阻R1及R2的比值調整可變增益放大器34的增益，可對電壓調節器的操作頻率 進行不同程度的補償。
圖7係電流偵測器26的另一個實施例，可變增益放大器34和運算轉導放大器38與圖5的實施例相同，但是使用取樣及維持電路46取樣相節點電壓VP產生第一電壓Vsh。脈寬調變信號S2也施加到取樣及維持電路46的取樣時脈，使其在上橋開關SW1閉路時對相節點電壓VP=VIN-IL×Ron取樣。由於輸入電壓VIN及上橋開關SW1的導通阻值Ron可視為定值，故相節點電壓VP與負載電流IL之間係負相關。因此取樣及維持電路46取樣相節點電壓VP，可以得到與負載電流IL相關的第一電壓Vsh。
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
30‧‧‧直流電阻偵測電路
32‧‧‧放大器
34‧‧‧可變增益放大器
36‧‧‧運算放大器
38‧‧‧運算轉導放大器
40‧‧‧操作頻率與負載電流的關係曲線
42‧‧‧操作頻率與負載電流的關係曲線
44‧‧‧操作頻率與負載電流的關係曲線
46‧‧‧取樣及維持電路
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係本發明的實施例；圖5係圖4中的電流偵測器的第一實施例； 圖6係圖4的電壓調節器的操作頻率與負載電流的關係曲線；以及圖7係圖4中的電流偵測器的第二實施例。
10．．．比較器
12．．．脈寬調變信號產生器
14．．．輸出功率級
16．．．定時觸發器
18．．．電流產生器
24．．．頻率控制電路
26．．．電流偵測器
28．．．加法器

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定時觸發器為一脈寬調變信號觸發一固定開啟時間或固定關閉時間，一電流產生器供應一第一電流給該定時觸發器，以決定該固定開啟時間或固定關閉時間的寬度，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，該頻率控制電路包括：一電流偵測器連接該功率輸出級，回授表示該負載電流的直流成分大小的一第二電流；以及一加法器連接該電流產生器、電流偵測器及定時觸發器，將該第二電流加入該第一電流中，以調整該固定開啟時間或固定關閉時間的寬度，因而補償該脈寬調變信號的頻率。
  2. 如請求項1之頻率控制電路，其中該電流偵測器包括：一直流電阻偵測電路連接該功率輸出級，萃取該負載電流的直流成分大小而產生一第一電壓；一可變增益放大器連接該直流電阻偵測電路，將該第一電壓放大為一第二電壓；以及一運算轉導放大器連接該可變增益放大器，將該第二電壓轉換為該第二電流。
  3. 如請求項2之頻率控制電路，其中該可變增益放大器包括一運算放大器及兩電阻配置成反相放大器。
  4. 如請求項1之頻率控制電路，其中該電流偵測器包括：一取樣及維持電路連接該定時觸發器及功率輸出級，以 該脈寬調變信號為取樣時脈，對該功率輸出級的相節點電壓取樣而產生一第一電壓；一可變增益放大器連接該取樣及維持電路，將該第一電壓放大為一第二電壓；以及一運算轉導放大器連接該可變增益放大器，將該第二電壓轉換為該第二電流。
  5. 如請求項4之頻率控制電路，其中該可變增益放大器包括一運算放大器及兩電阻配置成反相放大器。
  6. 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為一脈寬調變信號觸發一固定開啟時間或固定關閉時間，一電流產生器供應一第一電流給該定時觸發器，以決定該固定開啟時間或固定關閉時間的寬度，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，該頻率控制方法包括：從該功率輸出級回授表示該負載電流的直流成分大小的一第二電流；以及將該第二電流加入該第一電流中，以調整該固定開啟時間或固定關閉時間的寬度，因而補償該脈寬調變信號的頻率。
  7. 如請求項6之頻率控制方法，其中該從該功率輸出級回授表示該負載電流的直流成分大小的第二電流的步驟包括：從該功率輸出級萃取該負載電流的直流成分大小而產生一第一電壓；將該第一電壓放大為一第二電壓；以及 將該第二電壓轉換為該第二電流。
  8. 如請求項7之頻率控制方法，更包括調整該第二電壓對該第一電壓的增益，因而調整對該脈寬調變信號的頻率補償。
  9. 如請求項6之頻率控制方法，其中該從該功率輸出級回授表示該負載電流的直流成分大小的第二電流的步驟包括：以該脈寬調變信號為取樣時脈，對該功率輸出級的相節點電壓取樣而產生一第一電壓；將該第一電壓放大為一第二電壓；以及將該第二電壓轉換為該第二電流。
  10. 如請求項9之頻率控制方法，更包括調整該第二電壓對該第一電壓的增益，因而調整對該脈寬調變信號的頻率補償。
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