TWI400869B - 峰值充電電源調變之方法和電壓轉換器 - Google Patents

峰值充電電源調變之方法和電壓轉換器 Download PDF

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Description

峰值充電電源調變之方法和電壓轉換器
本發明是有關於一種開關調節器，且特別是有關於控制間歇節能模式期間(burst mode operation)的峰值充電電流閥值位準。
電壓調控器可以調控輸入電壓大於，小於或等於以控制輸出電壓，特別是降壓模式(Buck Mode)調控，升壓模式(Boost Mode)調控，及降-升壓模式(Buck-Boost Mode)調控。調控器架構特別是提供電源提供以用作自動化應用，桌上型電腦，電信設備以及分配功率系統。一種習知”四開關”降-升壓轉換器揭示於2001年十月一份由線性科技股份有限公司(Linear Technology Corporation)所製造之積體電路LTC3440的資料表中，「Micro-power synchronous Buck-Boost DC/DC Converter」。在四個開關中的兩個開關係連接至一電感的輸入端，而另兩個開關則連接於輸出端。依據欲控制的輸出電壓位準與輸入電壓位準，調控器具有複數個預設的操作狀態。在這些操作狀態中開關可以多樣化地依序開啟或關閉，用以連接電感至輸入端、輸出端及共地端。
第1圖為四個開關調節器(例如，LTC3440)的簡易圖示。四個可控制的開關以A-D圖框表示。電感10藉由A開關12耦接在輸入電壓Vin 的一端。並藉由B開關14連至共地端。而電感的另一端，電感10藉由D開關16耦接至輸出電壓Vout 的一端，並藉由C開關18連至共地端。在一般負載降壓模式操作中，電感可以重複開啟介於”AD”充電週期中 與”BD”放電週期中。在此”AD”充電週期中，開關12、16為關閉，而開關14、18為開啟。在”BD”放電週期中，開關14、16為關閉，而開關12、18為開啟。這操作模式保持Vout 位準較低於Vin 。在一般負載升壓模式操作中。電感可以重複開啟介於”AC”充電週期中。在此”AC”充電週期中，開關12、18為關閉，而開關14、16為開啟。在”AD”週期中，電荷被傳遞至輸出端。這操作模式保持Vout 位準較高於Vin 。在一般負載降-升壓模式操作中，電感可以在三個週期間重複開啟，此三個週期為”AC”充電週期，”AD”電荷傳遞週期。以及”BD”放電週期。這操作模式保持Vout 位準等於或近於Vin 位準。
在許多可攜式系統中，當輸出負載為輕負載且輸出電壓為調控電壓時，開關調控器被控制以進入一電能節約間歇節能模式。一輸出電容關閉所有不需要的功能以顯著地減少靜止電流。這個狀態稱為”睡眠狀態”。當輸出電壓趨向一低於調控位準的程式化位準，調控器甦醒並分送一能量至輸出電容直至輸出電壓回到調控電壓並回到睡眠狀態。這間隔循環重複直到間歇節能模式終止以回應增加輸出負載狀況。
當四開關皆在操作中時，這四開關轉換器結構由於開關損失增加使得受限於減低的效率，因此一種能改進這些轉換器效率的需求為所亟求。
在間歇節能模式操作中，轉換器的輸入電壓及輸出電壓可被偵測，且當輸入電壓與輸出電壓的差值在一預定範圍內時，一預定的峰值充電電流閥值位準可被調控。此充電週期 將持續進行直至達到調控峰值充電閥值位準並截止在此設定的峰值位準。之後，則會進行電荷傳遞週期及放電週期。
可藉由兩電流源之和而得到充電電流閥值，並可自此衍生計算出一用於比較器輸入端之電壓閥值。可將一與充電電流相關的電壓施加至比較器的第二輸入端。兩個電流源中，一個為固定的，一個為可變的。當可變電流源在最大值時，預設峰值充電電流閥值位準相當於是兩電流源的總和。閥值可以藉由產生一訊號(此訊號與轉換器輸入端及輸出端之電壓差值有關)來進行調控，且當所產生的訊號在一定的範圍內時，藉由調控該可變電流源來回應所產生的訊號變化。當輸出電壓等於輸入電壓時，可變電流源從其最大範圍時的最大值降低至零。因此，當電壓差為零時，峰值充電電流閥值位準被設定為最小值。如果輸入電壓超過輸出電壓在預設範圍之外，閥值位準可被設定為一數值，然而，如果輸出電壓超過輸入電壓的預設範圍外，閥值位準可被設定為另一數值。
轉換器可與一控制器組設在一起，用以開啟、關閉與電感耦接之開關。參考位準設定電路(a reference level setting circuit)耦接至輸入端與輸出端。比較器的第一輸入可耦接至一用以偵測電感電流的感測器。比較器的第二輸入耦接至該參考位準設定電路。比較器的輸出則係耦接至控制器。該控制器可回應該比較器起而開啟及關閉適當的開關。
參考位準設定電路包括一耦接至該輸入端及輸出端的電壓差動電路(a voltage differential circuit)，以及一耦接至該電壓差動電路之一輸出端的調控電路(modulation circuit)。調控電路之一輸出可為該比較器設定一峰值充電電流閥值位準。調控電路包括一固定電流源，其係在該調控電路之一輸 出點與一可變電流源電路耦接。可變電流源電路包含一第二固定電流源，其跨越一電源而串聯耦接一電晶體及一第三固定電流源。電晶體之一控制端耦接至電壓差動電路輸出。電流傳遞電路耦接在調控電路輸出點及在第三固定電流源及電晶體之接點間。
在本發明中之較佳實施中將詳細地描述其實施態樣，並以圖示於下做詳細的說明。不論在何處，在圖示及說明中相同的對應符號將被用來對應相同或相似的元件。
在第2圖中，一輸入電壓Vin 從一電源供應器被供給至一輸入端。一調控的輸出電壓Vout 被輸出至一輸出端。串聯連接於輸出端與輸入端之間的為第一開關22、電感24以及第二開關27。輸入電容28連接於輸入端與共地端之間。輸出電容30連接於輸出端與共地端之間。第三開關33連接於開關22和電感的接點及感測電阻38之間。第四開關34連接於開關27和電感24的接點及感測電阻38之間。電阻38為接地。分壓器電阻40、42係串聯連接於輸出端及共地端之間。這些開關可以MOSFET為例，但是任何控制開關皆可使用。
一控制器44的輸入端係耦接至電阻40、42間的接點，藉以接收電阻42的輸出回饋電壓。位於電阻42的電壓正比於輸出電壓。控制器44的輸入SNS+及SNS-可接收橫跨電阻38的電壓，其代表所感測到的電感電流。回應這些輸入，控制器44會輸出訊號以針對不同操作模式來開啟或關閉多個開關22、27、33、34，例如美國專利申請字號U.S.11/052,473 中所述。
一轉換器，例如LTC3440，能提供有效的操作於降壓模式(Buck Mode)，升壓模式(Boost Mode)，及降-升壓模式(Buck-Boost Mode)中。操作模式係定義為預設的調控輸出電壓是否大於或小於輸入電壓，以及其間之電壓差的大小。在每一個模組中，均係於於輕負載(Light load)狀態期間使用一睡眠狀態，間歇節能模式(burst Mode)。在輕負載期間，需要低電感電流來維持輸出電壓在一調控位準。控制器則是可回應高輸出電壓及低電流以過渡至間歇節能模式(burst Mode)。
在間歇節能模式中，如果Vin 接近Vout’ 當Vout 趨向低於調控輸出電壓的位準時，即啟動一AC週期。開關22、34被開啟以提供一充電電流至電感24直至達到一高峰電流Ipeak 。當達到高峰電流Ipeak 時，AD週期開始。開關34被關閉，而開關27則被開啟以耦接在輸入端及輸出端之間的電感24。儲存於電感之能量被傳輸至輸出電容30以建立輸出電壓。AD週期持續一段時間或是當電壓輸出提升至調控位準時，可更早結束該AD週期。然後，採用BD週期。關閉開關22，並開啟開關33以耦接位在輸出端及接地端之間的電感24。所有儲存在電感裡的能量可被釋放至輸出端。如果電壓未達到調控位準，則AC週期、AD週期、BD週期將連續的持續著。
每單位時間的電感電流的變化相當於橫跨電感兩側的電壓。第3A-3C圖描述各種不同Vout 和Vin 之間關係之電感電流波形。第3A圖為關於在Vin 小於Vout 的操作。施加AC週期以提供電荷到電感直到達到Ipeak 位準。之後，開始AD 週期，因為Vout 大於Vin ，因此電流位準在這週期內會降低。在BD週期中，電流減低至零且電感放電。第3B圖為關於在Vin 大於Vout 的操作。施加AC週期以提供電荷到電感直到達到Ipeak 位準。之後，開始AD週期開始，因為Vout 小於Vin 之故，因此電流位準在這週期內會增加。第3C圖為關於在Vin 等於Vout 的操作。施加AC週期以提供電荷到電感，直到達到Ipeak 位準。之後，開始AD週期，因為Vout 等於Vin 之故，因此電流位準在這週期內為定值。
在AD間歇節能模式週期中，當電感兩側的電壓接近於零時，電流改變將很小或是沒有，因此充電電流峰值Ipeak 可被減少並提供每周期足夠的能量以滿足輸出電壓。在能量傳導週期中，減少峰值電流導致較小的傳導流失因此可增加效能。第4圖為一電流限制電路，其係利用第2圖中所述之調控器來達到調控Ipeak 的設定值以達到上述之優點。電流感測電阻50連接在輸入端及開關A12之間。開關12相當於第2圖中之開關22。電阻50相當於第2圖中之電流感測電阻38或是一單獨的電感電流感測器。電阻50及開關12的接點連接於比較器52的負輸入端。耦接在電壓輸入端及接地端之間的是串聯的電阻54及可變電流源56，其間的接點則連接至比較器52的正輸入端。比較器的輸出端係耦接至第2圖中的控制器44。
經過電阻54的電流Ith 可用來設定一用於比較器52的參考電壓閥值。流經開關12的電流在橫跨電阻50建立一相應的電壓。流經開關A的電流Ipeak 可使得橫跨電阻50的電壓等同於電阻54的電壓閥值。在AC間歇節能模式充電週期，控制器可回應比較器52的一高輸出，以維持開關22(A)及開關34(C)在開啟狀態。流經電阻50的電流增加直到比較器閥值達到電 流值Ipeak 。因而產生一較低的比較器輸出。為回應此現象，控制器會關閉開關34並開啟開關27(D)。當介於轉換器的輸入電壓及輸出電壓的差值以零伏特為中心在其上下一定範圍內時，可控制位於閥值電流源56以隨時改變。Ith 在零電壓差時最小，並隨著差值接近限制範圍的極限而增加。
第5圖係為用以設定電流源56之閥值電流高低的可變閥值控制的方塊圖。電壓差動電路60，其具有輸入端耦接至Vin 及Vout ，可提供一差動輸出訊號至可變電流源100。調節電路80包含可變電流源電路100及固定電流源130，其一起產生閥值電流Ith 。Ith 為Vin 及Vout 之間差值的函數，如第6圖所示。當Vin 等於Vout 時，可變電流源電路100可回應電壓差動電路60而並不產生電流。在零電壓差時，閥值電流只藉由固定電流源130產生，其可以以Ix 表示。當電壓差增加為正或負時，由可變電流源電路100產生的電流以線性相對增加直到達到最大電流IY 。當閥值電流Ith 可在-△Y 及+△Y 的電壓差下達到最大值Ix +IY ，並維持最大值設定，即使其已落在電壓差範圍之外。當橫跨電感24的電壓為零時，則將間歇節能模式AC充電電流的峰值設定為最小值。在AD週期間，可依據電感電壓將峰值充電電流設定在較高值，以提供適當的電荷傳遞。
用來實施第5圖中可變電流閥值的電路實例係如第7圖所示。在電壓差動電路60中，耦接在電壓輸入端及接地端之間的係為電阻R1、電晶體62及固定電流源64。耦接在電壓輸出端及接地端之間的係為電阻R2、電晶體66、電晶體68及固定電流源70。電晶體66的閘極係連接至電晶體62的閘極並進一步連接到電晶體62及固定電流源64的接點上。電晶體68的汲極及閘極連接在一起。在可變電流源電路100中，耦接在 電壓輸入端及接地端間的係為固定電流源102、104及電晶體106。相較於第6圖中的波形，電流源102的電流可設定為IY ，而電流源104的電流可設定為2IY 。電晶體106的閘極連接至電晶體68的源極及閘極。電晶體106的汲極連接到電晶體108及電晶體110的接點。電晶體110的汲極及閘極連接在一起。電晶體110的源極接地。電晶體108的閘極被設定至一偏向電壓VBIAS 。電晶體108的汲極連接至電晶體112的汲極，該電晶體112的源極係接地。電晶體112的閘極連接至電晶體110的閘極及汲極。電晶體108及112的接點在輸出點120處連接至固定電壓源130。電流源130的電流位準可設定為IX 。
輸出點120耦接至第4圖中的電阻54及比較器52的正輸入端。在操作中，當轉換器輸出電壓Vout 顯著地大於轉換器輸入電壓Vin 時，即(-△Y )，電晶體66及電晶體68具有完全導電性。電晶體106為完全偏壓而電晶體108為偏壓導電。隨著電晶體106被偏壓以減少電流源104的2IY ，且自電流源102吸附的電流為IY ，電晶體108將攜帶一電流IY 。電晶體110及電晶體112皆是非導電性。因輸出點120的電流Ith 是電流源130及經過電晶體108的電流總合，因此閥值Ipeak 是IX +IY 。
當轉換器輸出電壓Vout 顯著地小於轉換器輸入電壓VIN ，即(+△Y )，電晶體66、電晶體68、電晶體108及電晶體106具有非導電性。電流源102的電流，IY ，係藉由電晶體110攜帶並鏡像至電晶體112。在輸出點120的電流Ith 是電流源130及經過電晶體112的電流總合IX +IY 。因此，當介於轉換器輸出端及輸入端的電壓差絕對值大於△Y ，Ipeak 設定為最大值IX +IY 。電晶體108、110、112形成一可變電流源電路100中的電流傳遞電路。
當電壓差介於-△Y 與+△Y 之間時，電晶體68、106將介於完全及非完全導電性間。當轉換器輸出電壓VOUT 等於轉換器輸入電壓VIN 時，電晶體106將傳導電流源104的一半電流IY ，其將藉由電流源102完全消失。電晶體108及電晶體112皆不具導電性。在輸出點120的電流Ith 將是電流源130的電流IX ，其為Ipeak 的最小值。當轉換器電壓差的增加係介於零與+△Y 之間時，電晶體106將變得更不具導電性，且電流源102的電流以一較高量被分流至電晶體110，鏡像至電晶體112。因此能提高Ith 。當轉換器電壓差的減少係介於零與-△Y 之間時，電晶體106將變得更具導電性，且吸引更多電流經過電晶體108，Ith 再次相對地增加。因此在電壓差調控範圍中，Ipeak 從在零電壓差的最小值線性增加至在△Y 電壓差絕對值的最大值。
雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。例如，調控第7圖的電路以改變IX +IY 相對之值，及電壓差調控範圍。在調控範圍內的Ith 波形可以由一線性性質變成一不同性質的曲線。
如一特例，可以調控介於固定電流源102及104之間的關係。如果電流源104改變為1.5IY 而電流源102保持在IY 時，當VOUT 大於VIN 時，Ipeak 將達到最大值Ix +0.5Iy ，而當VOUT 小於VIN 時，Ipeak 將達到最大值Ix +IY 。如果電流源102改變為1.5IY 而電流源104保持在2IY 時，當VOUT 大於VIN 時，Ipeak 將達到最大值Ix +0.5Iy ，而當VOUT 小於VIN 時，Ipeak 將達到最大值Ix +IY 。
如果一特定的調控器具有不同的間歇節能模式電荷傳 遞設備，另一種關於零伏特為基準而對稱不同如第6圖的調控範圍設定可被調控。
10‧‧‧電感
12‧‧‧開關
14‧‧‧開關
16‧‧‧開關
18‧‧‧開關
50‧‧‧電流感測電阻
52‧‧‧比較器
54‧‧‧電阻
56‧‧‧可變電流源
60‧‧‧電壓差動電路
22‧‧‧第一開關
24‧‧‧電感
27‧‧‧第二開關
28‧‧‧輸入電容
30‧‧‧輸出電容
33‧‧‧第三開關
34‧‧‧第四開關
38‧‧‧感測電阻
40‧‧‧分壓器電阻
42‧‧‧分壓器電阻
44‧‧‧控制器
62‧‧‧電晶體
64‧‧‧固定電流源
66‧‧‧電晶體
68‧‧‧電晶體
70‧‧‧固定電流源
80‧‧‧調節電路
100‧‧‧可變電流源電路
102‧‧‧固定電流源
104‧‧‧固定電流源
106‧‧‧電晶體
108‧‧‧電晶體
110‧‧‧電晶體
112‧‧‧電晶體
120‧‧‧輸出點
130‧‧‧固定電流源
112‧‧‧電晶體
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：第1圖為四個開關調節器的簡易圖示示意圖。
第2圖為可以使用本發明的一開關調控器的部分方塊圖。
第3A-3C圖描述以第1圖中各種不同Vout 和Vin 之間關係之電感電流波形。
第4圖為可以使用第2圖的調控器的電流限制電路示意圖。
第5圖為用於第4圖的電流限制電路的可變電流閥值控制的方塊圖。
第6圖為對應本發明中峰值充電電流依Vin 及Vout 之間的差值繪示成一函數的圖示。
第7圖係利用第5圖可變電流閥值的電路示意圖。
22‧‧‧第一開關
24‧‧‧電感
27‧‧‧第二開關
28‧‧‧輸入電容
30‧‧‧輸出電容
33‧‧‧第三開關
34‧‧‧第四開關
38‧‧‧感測電阻
40‧‧‧分壓器電阻
42‧‧‧分壓器電阻
44‧‧‧控制器

Claims (16)

  1. 一種控制一電壓轉換器的方法，該電壓轉換器具有多個開關及一電感元件，該電感元件耦接至該等開關且以充電電流對該電感元件充電直到達到一峰值電流充電位準，該方法包含以下步驟：比較該峰值電流充電位準與一預設的峰值充電電流閥值位準，以控制該等開關之切換；偵測該轉換器之一輸入電壓及一輸出電壓；以及根據該輸入電壓與該輸出電壓之間的一差值，調控該預設的峰值充電電流閥值位準。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包括如下之間歇節能模式控制步驟：將該電感元件充電直到其達到該峰值電流充電位準；將該電感的能量傳遞至一輸出端；以及將該電感放電。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，更包括：設定一電壓閥值位準，該電壓閥值位準相關於該峰值電流充電位準；感測一電壓，該電壓相關於該電感元件中的電流；比較該感測電壓及該電壓閥值位準；以及當該感測電壓接近該電壓閥值位準時，即從充電步驟進入傳遞步驟。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該調控步驟 包括：產生一訊號，該訊號相關於該轉換器輸入及輸出電壓間的差值；調控一可變電流源以回應該所產生的訊號；以及將該可變電流源加到一固定電流源以獲得一電流閥值。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該調控步驟包括將該峰值充電電流閥值位準從該預設位準減少一數量，該數量係隨著該輸入電壓與輸出電壓間差值的絕對值而變化。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中若該輸入電壓超過該輸出電壓而在該輸入電壓與該輸出電壓間之該差值之一預定範圍外時，則該預設位準是一第一值；而如果該輸出電壓超過該輸入電壓而在該預定範圍外時，則該預設位準是一第二值。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該等多個開關包含一第一開關、一第二開關、一第三開關及一第四開關，該第一開關耦接於該轉換器之一輸入與該電感元件之一第一電極之間，該第二開關耦接於該電感元件之該第一電極與一共同點之間，該第三開關耦接於該電感元件之一第二電極與該共同點之間，該第四開關耦接於該電感元件之該第二電極與該轉換器之一輸出之間。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中當該電感元 件充電時，啟動該第一開關與該第三開關以於該轉換器之該輸入與該共同點之間連接該電感元件，且當該充電電流達到該峰值電流充電位準時，啟動該第一開關與該第四開關以於該轉換器之該輸入與該轉換器之該輸出之間連接該電感元件。
  9. 一種電壓轉換器，包括：一輸入點及一輸出點；一電感，用電流對該電感充電直到達到電感電流之一峰值位準；多個可控制開關，其耦接至該電感；一控制器，其具有一用以控制該等開關之輸出端；一參考位準設定電路，其耦接至該輸入點與該輸出點，以產生一可變參考位準，該可變參考位準界定該電感電流之該峰值位準，該參考位準係隨著該輸入點處的該輸入電壓與該輸出點處的該輸出電壓之間的一差值而變化；以及一比較器，其可回應該電感電流與該參考位準設定電路之一輸出處的該參考位準，以當該電感電流達到該峰值位準時，產生一輸出訊號，該輸出訊號供應至該控制器，以控制該等開關之切換。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之電壓轉換器，其中該比較器包括：一第一輸出，其耦接至一電流感測器；一第二輸入，其耦接至該參考位準設定電路之一輸出；以及 一輸出，其耦接至該控制器。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之電壓轉換器，其中該參考位準設定電路包括：一電壓差動電路，其耦接至該輸入點及該輸出點；以及一調控電路，其耦接至該電壓差動電路的一輸出，其中該調控電路之一輸出可為該比較器設定該參考位準。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之電壓轉換器，其中該調控電路包括一固定電流源，其在該調控電路之一輸出點耦接至一可變電流源電路。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之電壓轉換器，其中該可變電流源電路包含一第二固定電流源，其可跨越一電源而串聯耦接一電晶體及一第三固定電流源，該電晶體之一控制端係耦接至該電壓差動電路之輸出點。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之電壓轉換器，其中該可變電流源電路更包括一電流傳遞電路，其耦接在該調控電路輸出點及在該第三固定電流源與該電晶體之接點間。
  15. 如申請專利範圍第9項所述之電壓轉換器，其中該等多個開關包含一第一開關、一第二開關、一第三開關及一第四開關，該第一開關耦接於該轉換器之該輸入點與該電感之一第一電極之間，該第二開關耦接於該電感之該第一電極與一共同點之間，該第三開關耦接於該電感之一第二電極與 該共同點之間，該第四開關耦接於該電感之該第二電極與該轉換器之該輸出點之間。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之電壓轉換器，其中當該電感充電時，啟動該第一開關與該第三開關以於該轉換器之該輸入點與該共同點之間連接該電感，且當該電感電流達到該峰值位準時，啟動該第一開關與該第四開關以於該輸入點與該輸出點之間連接該電感。
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