TWI404311B - 電流模式控制電源轉換器的控制電路及方法 - Google Patents

Description

電流模式控制電源轉換器的控制電路及方法

本發明係有關一種電源轉換器，特別是關於一種電流模式控制電源轉換器。

電流模式控制電源轉換器的輸入電壓及輸出電壓轉換比會影響控制電路之輸出責任週期，當此責任週期大於50%以上時，電源轉換器可能會有次諧波(sub-harmonic)的情形，這將造成電源轉換器嚴重不穩定，進而影響負載的動作不正常，所以目前的電流模式控制電源轉換器都會增加一個鋸齒波信號來避免次諧波的現象發生。

圖1係習知的電流模式控制降壓式電源轉換器，其包括降壓式切換式調節器10用以將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vo，以及控制電路12提供控制信號Sq1及Sq2驅動降壓式切換式調節器10。控制電路12包括電流感測增益電路16偵測降壓式切換式調節器10中電感L上的電感電流IL產生信號CS；鋸齒波產生器20提供鋸齒波信號Vramp以改善次諧波現象；回授電路26具有二串聯電阻Rd1及Rd2用以分壓輸出電壓Vo產生回授信號Vfb；補償電路24放大回授信號Vfb及參考電壓Vref1之間的差值產生信號Vcomp；調變器17根據信號CS、鋸齒波信號Vramp及信號Vcomp產生信號Sc；以及驅動器14根據信號Sc產生控制信號Sq1及Sq2。其中，調變器17包括加法器18將信號CS與鋸齒波信號Vramp相加產生信號CS’，以及比較器22比較信號CS’及Vcomp產生信號Sc。然而，現在的電源轉換器的輸入電壓及輸出電壓的範圍都相當的大，如果要使用固定的鋸齒波信號Vramp來避免次諧波現象，則使用者或設計者必須根據不同的輸入電壓及輸出電壓之條件來變更電感L，因為如果沒有變更原來的電感L，則在某個輸入電壓及輸出電壓之條件下，仍會發生次諧波現象，這對於使用者或設計者來說非常的不方便。此外，隨著電感L的變更，整個系統迴路的補償設計也要同時變更，否則將影響整個系統的穩定度。

為了符合不同輸出電壓Vo的應用，現有的電流模式控制電源轉換器皆會提供元件參數建議表(recommended component selection)，以供使用者按照其所使用的條件去選擇適當的元件參數，進而使系統電路能夠在此條件下獲得穩定的輸出電源特性，以符合該負載的使用。由於在不同的輸入電壓及輸出電壓條件下，電感L與補償參數都要改變，因此現有的電流模式控制電源轉換器的參數建議表都較為複雜。

本發明的目的之一，在於提出一種電流模式控制電源轉換器的控制電路及方法。

本發明的目的之一，在於提出一種根據與輸入電壓相關的信號及與輸出電壓相關的信號其中至少一個動態調整鋸齒波信號的控制電路及方法。

根據本發明，一種電流模式控制電源轉換器的控制電路包括：回授電路偵測該電源轉換器的輸出電壓產生回授信號；補償電路放大該回授信號與一參考電壓的差值產生第一信號；電流感測增益電路偵測通過該電源轉換器上電感的電感電流產生第二信號；鋸齒波產生器，用以提供一鋸齒波信號，並根據與該輸入電壓相關的信號及與該輸出電壓相關的信號其中至少一個決定該鋸齒波信號的峰值或谷值；調變器根據該第一信號、第二信號及鋸齒波信號產生第三信號；以及驅動器根據該第三信號產生控制信號切換至少一功率開關以使該電源轉換器將輸入電壓轉換為該輸出電壓。

由於鋸齒波信號隨著該輸入電壓或輸出電壓或輸入及輸出電壓而改變，故在不同的輸入及輸出電壓條件下，該電源轉換器皆可獲得良好的穩定度，而且該電感及補償電路皆不需變更設計。

圖2係應用本發明控制電路的電流模式控制降壓式電源轉換器，其包括降壓式切換式調節器30用以將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vo，以及控制電路32提供控制信號Sq1及Sq2驅動切換式調節器30。切換式調節器30包括功率開關Q1連接在輸入端Vin及相節點PN之間，受控於控制信號Sq1；功率開關Q2連接在相節點PN及地端GND之間，受控於控制信號Sq2；電感L連接在相節點PN及輸出端Vo之間；以及電容Cout連接在輸出端Vo及地端GND之間。控制電路32與圖1的控制電路12同樣具有驅動器14、電流感測增益電路16、調變器17、補償電路24以及回授電路26，此外，控制電路32還包括振盪器34提供時脈CLK以及鋸齒波產生器36提供鋸齒波信號Vramp，其中鋸齒波產生器36根據時脈CLK控制鋸齒波產生器36的頻率寬度，並且根據與輸入電壓Vin相關的信號及與輸出電壓Vo相關的信號其中至少一個決定鋸齒波信號Vramp的峰值或谷值是否要增減。由於鋸齒波信號Vramp係隨與輸入電壓Vin相關的信號及與輸出電壓Vo相關的信號其中至少一個而動態調整，因此在不同的輸入電壓及輸出電壓的情況下，不用改變電感L之參數也可以使輸出電壓Vo穩定，避免出現次諧波現象。

圖3係圖2中鋸齒波產生器36的第一實施例，其包括分壓器40、電壓控制電流源42、開關Q3及電容Cramp。開關Q3與電容Cramp並聯，時脈CLK控制開關Q3的切換以使電容Cramp充放電產生鋸齒波信號Vramp。分壓器40分壓輸入電壓Vin產生信號Va。電壓控制電流源42具有正輸入接收參考電壓Vref2以及負輸入接收信號Va，電壓控制電流源42根據參考電壓Vref2及信號Va之間的差值決定對電容Cramp充電的充電電流I1大小，進而決定鋸齒波信號Vramp的峰值，其中參考電壓Vref2必須大於信號Va。當輸入電壓Vin越小時，參考電壓Vref2及信號Va之間的差值越大，所以充電電流I1也越大，因此鋸齒波信號Vramp的峰值也越大。

圖4係圖2中鋸齒波產生器36的第二實施例，其與圖3的電路同樣包括分壓器40、電壓控制電流源42、開關Q3及電容Cramp，但是分壓器40係分壓輸出電壓Vo產生信號Va，而且電壓控制電流源42的正輸入接收信號Va，而其負輸入則連接地端GND，電壓控制電流源42根據信號Va及接地電位GND之間的差值決定充電電流I1。當輸出電壓Vo越小時，信號Va也越小，因此信號Va與接地電位GND之間的差值也越小，所以充電電流I1也越小，鋸齒波信號Vramp的峰值因而越小。

圖5係圖2中鋸齒波產生器36的第三實施例，其除了與圖3的電路同樣具有分壓器40、電壓控制電流源42、開關Q3及電容Cramp之外，還包括分壓器44及電壓控制電壓源46。在此實施例中，分壓器40分壓輸入電壓Vin產生信號Va，分壓器44分壓輸出電壓Vo產生信號Vb，電壓控制電壓源46具有正輸入及負輸入分別接收信號Va及Vb，並根據信號Va及Vb之間的差值產生信號Vc，由於輸入電壓Vin大於輸出電壓Vo，因此信號Va必須大於信號Vb。電壓控制電流源42的正輸入及負輸入分別接收參考電壓Vref2及信號Vc，電壓控制電流源42根據參考電壓Vref2及信號Vc之間的差值決定充電電流I1。當輸入電壓Vin與輸出電壓Vo越接近時，功率開關Q1的責任週期增加，信號Va及Vb之間的差值越小，這使得信號Vc變小，因此參考電壓Vref2與信號Vc之間的差值增加，進而增加鋸齒波信號Vramp的峰值。

圖3至圖5的電路中的輸入電壓Vin及輸出電壓Vo也可以分別用其他與輸入電壓Vin相關的信號及與輸出電壓Vo相關的信號取代，例如相節點PN上的電壓及回授信號Vfb。圖6係以相節點PN上的電壓取代圖3中輸入電壓Vin的實施例，其中分壓器40係分壓與輸入電壓Vin相關的相節點PN上的電壓產生信號Va。當輸入電壓Vin越小時，相節點PN上的電壓也越小，因此參考電壓Vref2與信號Va之間的差值將越大，因而使充電電流I1上升以提高鋸齒波信號Vramp的峰值。

圖7係以相節點PN上的電壓取代圖5中輸入電壓Vin的實施例，其中分壓器40係分壓相節點PN上的電壓產生信號Va。當輸入電壓Vin與輸出電壓Vo越接近時，信號Va及Vb之間的差值越小，這使得信號Vc變小，因此參考電壓Vref2與信號Vc之間的差值增加使得鋸齒波信號Vramp的峰值增加。

圖8係應用本發明控制電路的電流模式控制升壓式電源轉換器，其包括升壓式切換式調節器50用以將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vo，以及控制電路32提供控制信號Sq1及Sq2驅動切換式調節器50。升壓式切換式調節器50包括電感L連接在輸入端Vin及相節點PN之間；功率開關Q1連接在相節點PN及地端GND之間，受控於控制信號Sq1；功率開關Q2連接在相節點PN及輸出端Vo之間，受控於控制信號Sq2；以及電容Cout連接在輸出端Vo及地端GND之間。圖8中的控制電路32與圖2的控制電路相同。

圖9係圖8中鋸齒波產生器36的實施例，其與圖5的電路同樣包括分壓器40及44、電壓控制電流源42、電壓控制電壓源46、開關Q3及電容Cramp，但是分壓器40分壓輸出電壓Vo產生信號Va，分壓器44分壓輸入電壓Vin產生信號Vb，電壓控制電流源42的正輸入接收來自電壓控制電壓源46的信號Vc，而電壓控制電流源42的負輸入連接地端GND，其中信號Va必須大於信號Vb。由於圖8的電路係升壓式電源轉換器，因此輸入電壓Vin小於輸出電壓Vo，當輸入電壓Vin越小時，功率開關Q1的責任週期大，而信號Va及Vb之間的差值也越大，因此信號Vc與接地電位GND之間的差值也越大，進而使充電電流I1上升以增加鋸齒波信號Vramp的峰值。

圖9的電路中的輸入電壓Vin及輸出電壓Vo也可以分別用其他與輸入電壓Vin相關的信號及與輸出電壓Vo相關的信號取代。圖10係以相節點PN上的電壓取代圖9中輸入電壓Vin的實施例，其中分壓器44係分壓相節點PN上的電壓產生信號Vb。隨著輸入電壓Vin的下降，相節點PN上的電壓將跟著下降，因此信號Va與Vb之間的差值增加以使信號Vc上升，進而使充電電流I1上升以增加鋸齒波信號Vramp的峰值。

圖3、圖4及圖6所示的鋸齒波產生器36的電路也可以應用在圖8的電流模式控制升壓式電源轉換器。

圖11係應用本發明控制電路的電流模式控制升降壓式電源轉換器，其包括升降壓式切換式調節器52用以將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vo，以及控制電路32提供控制信號Sq1及Sq2驅動升降壓切換式調節器52。升降壓式切換式調節器52包括功率開關Q1連接在輸入端Vin及相節點PN之間，受控於控制信號Sq1；電感L連接在相節點PN及地端GND之間；功率開關Q2連接在相節點PN及輸出端Vo之間，受控於控制信號Sq2；以及電容Cout連接在輸出端Vo及地端GND之間。圖11中的控制電路32與圖2的控制電路相同。圖3、圖4及圖6所示的鋸齒波產生器36的電路同樣可以應用在圖11的電流模式控制升降壓式電源轉換器。

在前述的鋸齒波產生器的實施例中，雖然都只有教示調整鋸齒波信號Vramp峰值，但鋸齒波信號Vramp的峰值及谷值的設定都是相當成熟的技術，因此本領域的技術人員可以輕易的根據這些實施例設計出調整鋸齒波信號Vramp的谷值的鋸齒波產生器。

當應用本發明的電流模式控制電源轉換器開始啟動或軟啟動時，鋸齒波信號Vramp的峰值或谷值大小可以先由輸入電壓的相關信號決定，等電路完成啟動後，鋸齒波信號Vramp的峰值或谷值可以維持由輸入電壓的相關信號決定，也可以改為由輸出電壓的相關信號，或是由輸出電壓的相關信號及輸入電壓相關信號來決定。

圖12是以一款電源IC為基礎設計的電流模式控制降壓式電源轉換器，假設輸入電壓Vin為13V而輸出電壓Vo為12V，負載電流Io在0.1A~2A之間變化，切換頻率為380kHz，電感L為15uH，電容Cout為22uF，電阻Rc為10kΩ，電容Cc為1.5nF，電阻Rd1為88.7kΩ，電阻Rd2為10kΩ，其中電阻Rc及電容Cc為補償電路24的補償參數。圖13係圖12的電路根據習知方法及本發明的方法所得到的暫態響應，其中波形60係根據本發明的方法所得到的輸出電壓Vo，波形62係根據習知方法所得到的輸出電壓Vo。圖14為該款電源IC的元件參數建議表，由於本實驗中所用的電感L、電阻Rc及電容Cc的參數與該元件參數建議表中輸出電壓Vo為12V時的參數不同，因此，若圖12的鋸齒波產生器如習知方法提供固定的鋸齒波信號Vramp，則輸出電壓Vo將因次諧波現象而不穩定，如圖13的波形62所示。而當圖12的鋸齒波產生器根據本發明的方法動態調整鋸齒波信號Vramp的峰值或谷值時，可避免次諧波現象而使輸出電壓Vo穩定，如圖13的波形60所示。

應用本發明的電流模式控制降壓式電源轉換器在使用同一顆電感L的情況下，即使輸入電壓Vin及輸出電壓Vo的條件改變，輸出電壓Vo仍然可以穩定，避免次諧波現象的發生。由於電感L不用變更，因此補償電路24中的參數Rc及Cc也不用變更，因此可以提供使用者一個更為簡便的元件參數建議表，如圖15虛框所示。由於在不同的輸入電壓及輸出電壓的情況下，電感L以及補償參數Rc及Cc的值都維持不變，故可以避免原本所提供之補償器的參數有使系統產生不穩定之風險。此外，因為在不同的輸入電壓及輸出電壓的情況下，可以選用同一顆參數之電感L，因此整個電路設計變得更簡單，應用也相當方便。在圖14及15的元件參數建議表中，電阻Rd1的改變是因為內部的參考電壓Vref1被設計為固定值，所以當輸出電壓Vo改變時，電阻Rd1也要跟著改變。

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．．．降壓式切換式調節器

12．．．控制電路

14．．．驅動器

16．．．電流感測增益電路

17．．．調變器

18．．．加法器

20．．．鋸齒波產生器

22．．．比較器

24．．．補償電路

26．．．回授電路

30．．．降壓式切換式調節器

32．．．控制電路

34．．．振盪器

36．．．鋸齒波產生器

40．．．分壓器

42．．．電壓控制電流源

44．．．分壓器

46．．．電壓控制電壓源

50．．．升壓式切換式調節器

52．．．升降壓式切換式調節器

60．．．輸出電壓Vo的波形

62．．．輸出電壓Vo的波形

圖1係習知的電流模式控制降壓式電源轉換器；

圖2係應用本發明控制電路的電流模式控制降壓式電源轉換器；

圖3係圖2中鋸齒波產生器的第一實施例；

圖4係圖2中鋸齒波產生器的第二實施例；

圖5係圖2中鋸齒波產生器的第三實施例；

圖6係以相節點PN上的電壓取代圖3中輸入電壓Vin的實施例；

圖7係以相節點PN上的電壓取代圖5中輸入電壓Vin的實施例；

圖8係應用本發明控制電路的電流模式控制升壓式電源轉換器；

圖9係圖8中鋸齒波產生器的實施例；

圖10係以相節點PN上的電壓取代圖9中輸入電壓Vin的實施例；

圖11係應用本發明控制電路的電流模式控制升降壓式電源轉換器；

圖12係電流模式控制降壓式電源轉換器；

圖13係以圖12電路模擬習知方法及本發明方法所得到的暫態響應；

圖14係圖12電路應用習知方法時的元件參數建議表；以及

圖15係根據本發明而簡化的元件參數建議表。

14．．．驅動器

16．．．電流感測增益電路

17．．．調變器

18．．．加法器

22．．．比較器

24．．．補償電路

26．．．回授電路

30．．．降壓式切換式調節器

32．．．控制電路

34．．．振盪器

36．．．鋸齒波產生器

Claims (11)

1. 一種電流模式控制電源轉換器的控制電路，該電源轉換器包含切換式調節器根據控制信號將輸入電壓轉換為輸出電壓，該切換式調節器具有一電感以及至少一功率開關連接該電感，該控制電路包括：回授電路，偵測該輸出電壓產生回授信號；補償電路，連接該回授電路，放大該回授信號與一參考電壓的差值產生第一信號；電流感測增益電路，偵測該電感上的電感電流產生第二信號；鋸齒波產生器，用以提供鋸齒波信號，並根據與該輸入電壓相關的信號及與該輸出電壓相關的信號其中至少一個決定該鋸齒波信號的峰值或谷值；調變器，連接該補償電路、電流感測增益電路及鋸齒波產生器，根據該第一信號、第二信號及鋸齒波信號產生第三信號；以及驅動器，連接該比較器，根據該第三信號產生該控制信號切換該至少一功率開關。
2. 如請求項1之控制電路，其中該補償電路的補償參數及該電感不隨該輸入電壓或輸出電壓的變化而改變。
3. 如請求項1之控制電路，其中該鋸齒波產生器包括：電容，用以提供該鋸齒波信號；開關，與該電容並聯，受控於一時脈；分壓器，用以分壓與該輸入電壓相關的信號產生第四信號；以及電壓控制電流源，連接該電容及分壓器，根據該第四信號與一第二參考電壓的差值決定對該電容充電的充電電流，以決定該鋸齒波信號的峰值。
4. 如請求項1之控制電路，其中該鋸齒波產生器包括：電容，用以提供該鋸齒波信號；開關，與該電容並聯，受控於一時脈；分壓器，用以分壓與該輸出電壓相關的信號產生第四信號；以及電壓控制電流源，連接該電容及分壓器，根據該第四信號與一第二參考電壓的差值決定對該電容充電的充電電流，以決定該鋸齒波信號的峰值。
5. 如請求項1之控制電路，其中該鋸齒波產生器包括：電容，用以提供該鋸齒波信號；開關，與該電容並聯，受控於一時脈；第一分壓器，用以分壓與該輸入電壓相關的信號產生第四信號；第二分壓器，用以分壓與該輸出電壓相關的信號產生第五信號；電壓控制電壓源，連接該第一及第二分壓器，根據該第四及第五信號之間的差值決定一第六信號；以及電壓控制電流源，連接該電容及電壓控制電壓源，根據該第六信號與一第二參考電壓的差值決定對該電容充電的充電電流，以決定該鋸齒波信號的峰值。
6. 如請求項1之控制電路，其中該調變器包括：加法器，結合該第二信號及鋸齒波信號產生第四信號；以及比較器，比較該第一信號及第四信號產生該第三信號。
7. 一種電流模式控制電源轉換器的控制方法，該電源轉換器包含切換式調節器根據控制信號將輸入電壓轉換為輸出電壓，該切換式調節器具有一電感以及至少一功率開關連接該電感，該控制方法包括下列步驟：(A)偵測該輸出電壓產生回授信號；(B)放大該回授信號與一參考電壓的差值產生第一信號；(C)偵測該電感上的電感電流產生第二信號；(D)提供一鋸齒波信號，其中該鋸齒波信號的峰值或谷值由與該輸入電壓相關的信號及與該輸出電壓相關的信號其中至少一個決定；(E)根據該第一信號、第二信號及鋸齒波信號產生第三信號；以及(F)根據該第三信號產生該控制信號切換該至少一功率開關。
8. 如請求項7之控制方法，其中該步驟D包括：控制電容的充放電以產生該鋸齒波信號；分壓與該輸入電壓相關的信號產生第四信號；以及根據該第四信號與一第二參考電壓的差值決定對該電容充電的充電電流，以決定該鋸齒波信號的峰值。
9. 如請求項7之控制方法，其中該步驟D包括：控制電容的充放電以產生該鋸齒波信號；分壓與該輸出電壓相關的信號產生第四信號；以及根據該第四信號與一第二參考電壓的差值決定對該電容充電的充電電流，以決定該鋸齒波信號的峰值。
10. 如請求項7之控制方法，其中該步驟D包括：控制電容的充放電以產生該鋸齒波信號；分壓與該輸入電壓相關的信號產生第四信號；分壓與該輸出電壓相關的信號產生第五信號；根據該第四及第五信號之間的差值決定一第六信號；以及根據該第六信號與一第二參考電壓的差值決定對該電容充電的充電電流，以決定該鋸齒波信號的峰值。
11. 如請求項7之控制方法，其中該步驟E包括：結合該第二信號及鋸齒波信號產生第四信號；以及比較該第一信號及第四信號產生該第三信號。