TWI405397B - 切換式電源轉換器 - Google Patents

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Hua Chiang Huang
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Description

切換式電源轉換器
本發明是有關於一種電源轉換器，且特別是有關於一種切換式電源轉換器。
切換式電源轉換器(switching power converter)可應用在降壓電源調節器上，且通常包括直流對直流控制器(DC/DC controller)、上橋開關、下橋開關、以及由電感與穩壓電容等元件所組成的阻抗電路。其中，切換式電源轉換器是透過直流對直流控制器來控制上橋開關與下橋開關的導通與否，進而調整流經阻抗電路的電流。藉此，切換式電源轉換器將可將輸入電壓轉換成相應的輸出電壓。
在實際操作上，為了因應負載變化所伴隨而來之轉換效率的變化，現有切換式電源轉換器大多會依據負載的大小而切換至不同的操作模式，以藉此提高輸出效率。例如，Intersil公司所提出的美國專利公告號US6,433,525專利案，其便是依據電感電流的極性是否轉變來決定脈寬調變模式(pulse-width modulation，PWM)與脈頻調變模式(pulse-frequency modulation，PFM)兩者之間的切換，並利用計數器來延遲兩操作模式的切換時序。
在上述技術中，需使用計數器來計數負載狀態開始改變的時間，亦即利用計數器來提供遲滯切換的機制。然而，由於習知技術在決定是否切換操作模式時，必須需要耗費計數器的判斷時間，因此會影響系統整體上的反應速度。此外，利用計數器所提供的遲滯切換，也會增加系統之硬體架構的複雜度。
本發明提供一種切換式電源轉換器，透過臨界值的切換來提供模式切換上的遲滯機制，以提高系統的穩定度以及輸出效率。
本發明提出一種切換式電源轉換器，包括上橋開關、下橋開關、阻抗電路、第一控制電路、第二控制電路、以及邏輯電路。上橋開關與下橋開關於電性上相互串接。阻抗電路依據上橋開關與下橋開關的導通狀態產生輸出電壓與感測電流。第一控制電路依據輸出電壓產生第一脈波訊號。第二控制電路具有第一模式與第二模式，以分別產生第二脈波訊號與第三脈波訊號。
其中，在第一模式下，第二控制電路將感測電流與第一臨界值進行比較，並在感測電流的最小值大於第一臨界值時切換至第二模式。此外，在第二模式下，第二控制電路將感測電流與第二臨界值進行比較，以在感測電流的最小值小於第二臨界值時切換至第一模式。邏輯電路利用第一脈波訊號控制上橋開關，並利用第二脈波訊號或是第三脈波訊號控制下橋開關。
在本發明之一實施例中，上述之第一控制電路更依據輸出電壓產生控制訊號，且上述之第二控制電路包括第一模式單元、第二模式單元、模式切換單元、以及開關。其中，第一模式單元依據控制訊號與感測電流產生第二脈波訊號。第二模式單元依據控制訊號產生與第一脈波訊號反相的第三脈波訊號。模式切換單元在第一模式下產生第一模式切換訊號，並在第二模式下產生第二模式切換訊號。開關具有第一端至第三端，且開關的第一端接收第二脈波訊號，開關的第二端接收第三脈波訊號，開關的第三端電性連接邏輯電路。此外，在操作上，開關依據第一模式切換訊號將其第三端導通至其第一端，並依據第二模式切換訊號將其第三端導通至其第二端。
在本發明之一實施例中，上述之第一臨界值大於第二臨界值。
在本發明之一實施例中，上述之第一模式為非連續操作模式，且上述之第二模式為連續操作模式。
基於上述，本發明之第二控制電路會在不同模式下利用不同的臨界值來作為是否進行切換模式的依據，因此電路在進行模式切換時具有遲滯的效果。藉此，將可提高切換式電源轉換器的穩定度以及輸出效率。此外，與習知技術相較之下，由於本發明之切換式電源轉換器無需使用計數器，因此還可提高系統整體上的反應速度，並有助於降低系統之硬體架構的複雜度。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1為依據本發明之一實施例之切換式電源轉換器的方塊圖。參照圖1，切換式電源轉換器100包括上橋開關110、下橋開關120、阻抗電路130、第一控制電路140、第二控制電路150、以及邏輯電路160。其中，上橋開關110與下橋開關120於電性上相互串接，且阻抗電路130電性連接至上橋開關110與下橋開關120在串接上所形成的連接節點N1。
在本實施例中，以降壓式的阻抗電路130為例來進行說明。在此，阻抗電路130包括電感L1、感測單元131、以及電容C1。其中，電感L1的第一端電性連接至連接節點N1，且電感L1的第二端電性連接至感測單元131。此外，電容C1的第一端電性連接至感測單元131，且電容C1的第二端電性連接至接地端。
在操作上，感測單元131具有一導通路徑，以作為電容C1與電感L1在電性連接上的橋樑。此外，隨著上橋開關110與下橋開關120之導通狀態的切換，流經電感L1的電流將產生相應的變換，且電容C1也會產生相應的充電與放電。藉此，阻抗電路130將可透過電容C1的第一端產生輸出電壓VOUT 。另一方面，感測單元131會感測流經電感L1的電流，並據以產生感測電流ISEN 。雖然本實施例列舉了阻抗電路130的實施型態，但其並非用以限定本發明。本領域具有通常知識者也可依據設計所需，將阻抗電路130更改為升壓型的阻抗電路。
針對阻抗電路130所產生的輸出電壓VOUT 與感測電流ISEN 來看，其中輸出電壓VOUT 會回授至第一控制電路140，而感測電流ISEN 則會回授至第二控制電路150。在此，第一控制電路140會依據輸出電壓VOUT 產生第一脈波訊號PU11 。第二控制電路150則具有第一模式與第二模式，以分別產生第二脈波訊號PU12 與第三脈波訊號PU13 。
此外，邏輯電路160電性連接至第一控制電路140與第二控制電路150。當切換至第一模式時，第二控制電路150將產生第二脈波訊號PU12 。此時，邏輯電路160將利用第一脈波訊號PU11 控制上橋開關110，並利用第二脈波訊號PU12 控制下橋開關120。反之，當切換至第二模式時，第二控制電路150將產生第三脈波訊號PU13 。此時，邏輯電路160將利用第一脈波訊號PU11 控制上橋開關110，並利用第三脈波訊號PU13 控制下橋開關120。
值得一提的是，第二控制電路150在不同模式下，是以不同的基準來比較感測電流ISEN ，並利用比較結果來作為是否切換模式的依據。例如，在第一模式下，第二控制電路150是將感測電流ISEN 與第一臨界值VT11 進行比較，並在感測電流ISEN 的最小值大於第一臨界值VT11 時切換至第二模式。另一方面，在第二模式下，第二控制電路150將感測電流ISEN 與第二臨界值VT12 進行比較，以在感測電流的最小值小於第二臨界值VT12 時切換至第一模式。
由於第二控制電路150在不同模式下是以不同的臨界值來作為是否進行切換模式的依據，因此電路在進行模式切換時具有遲滯的效果。換言之，切換式電源轉換器100是透過臨界值的切換來提供模式切換上的遲滯機制，因此可提高系統的穩定度以及輸出效率。相對地，與習知技術相較之下，由於切換式電源轉換器100無需使用計數器，因此還可提高系統整體上的反應速度，並有助於降低系統之硬體架構的複雜度。
為了致使本領域具有通常知識者能更了解本發明，以下將以圖2所繪示之時序圖為例來更進一步說明切換式電源轉換器100的操作，並列舉第二控制電路150的細部架構。其中，圖2為用以說明切換式電源轉換器的時序圖，且VT11 與VT12 分別為第一臨界值與第二臨界值，ISEN 為感測電流，IAVG 為感測電流ISEN 的平均電流值，UG與LG為邏輯電路160所輸出的調變訊號，且MD為第二控制電路150所輸出的模式切換訊號。
在本實施例中，假設第一模式為非連續操作模式(discontinuous conduction mode，以下簡稱DCM)，且第二模式為連續操作模式(continuous conduction mode，以下簡稱CCM)。此外，如圖2所示，在期間T21內，第二控制電路150操作在第一模式(例如：DCM)下，並將感測電流ISEN 與第一臨界值VT11 進行比較。隨著感測電流ISEN 之平均電流值IAVG 不斷地上升，感測電流ISEN 的最小值將於時間點t2時大於第一臨界值VT11 。因此，在期間T22內，第二控制電路150將切換至第二模式(例如：CCM)，並將感測電流ISEN 與第二臨界值VT12 進行比較。其中，第二臨界值VT12 小於第一臨界值VT11 ，且第二臨界值VT12 可例如為0。
進一步來看，第二控制電路150包括第一模式單元151、第二模式單元152、模式切換單元153、以及開關SW1。其中，開關SW1具有第一端至第三端。此外，開關SW1的第一端電性連接第一模式單元151，開關SW1的第二端電性連接第二模式單元152，且開關SW1的第三端電性連接邏輯電路160。
在操作上，第一模式單元151會依據控制訊號CT1 與感測電流ISEN 產生第二脈波訊號PU12 。此外，第二模式單元152會依據控制訊號CT1 產生第三脈波訊號PU13 。其中，控制訊號CT1 是第一控制電路140依據輸出電壓VOUT 所產生的。此外，在期間T21內，模式切換單元153會產生第一模式切換訊號MD11 ，以致使開關SW1將其第三端導通至其第一端。藉此，第一模式單元151所產生的第二脈波訊號PU12 將傳送至邏輯電路150。
如此一來，在期間T21內，也就是在第一模式(例如：DCM)下，邏輯電路160將利用第一脈波訊號PU11 來構成用以控制上橋開關110的調變訊號UG，並利用第二脈波訊號PU12 來構成用以控制下橋開關120的調變訊號LG。值得一提的是，如圖2所示，在第一模式(例如：DCM)下，第一脈波訊號PU11 的頻率是會隨著感測電流ISEN 而改變的，亦即第一脈波訊號PU11 的頻率是會隨著流經電感L1的電流而改變的。此外，第二脈波訊號PU12 的高轉態點是取決於第一脈波訊號PU11 ，且第二脈波訊號PU1 的低轉態點是取決於感測電流ISEN 。
另一方面，在期間T22內，模式切換單元153會產生第二模式切換訊號MD12 ，以致使開關SW1將其第三端導通至其第二端。藉此，第二模式單元152所產生的第三脈波訊號PU13 將傳送至邏輯電路150。如此一來，在期間T22內，也就是在第二模式(例如：CCM)下，邏輯電路160將利用第一脈波訊號PU11 來構成用以控制上橋開關110的調變訊號UG，並利用第三脈波訊號PU13 來構成用以控制下橋開關120的調變訊號LG。值得一提時，如圖2所示，在第二模式(例如：CCM)下，第一脈波訊號PU11 的頻率是不會隨著感測電流ISEN 而改變的，亦即第一脈波訊號PU11 的頻率是不會隨著流經電感L1的電流而改變的。此外，第三脈波訊號PU13 與第一脈波訊號PU11 互為反相。
綜上所述，本發明之第二控制電路會在不同模式下利用不同的臨界值來作為是否進行切換模式的依據，因此電路在進行模式切換時具有遲滯機制。藉此，本發明之切換式電源轉換器將可透過模式切換上的遲滯機制，來提高系統的穩定度以及輸出效率。此外，本發明之切換式電源轉換器還有助於降低系統之硬體架構的複雜度。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．切換式電源轉換器
110．．．上橋開關
120．．．下橋開關
130．．．阻抗電路
140．．．第一控制電路
150．．．第二控制電路
160．．．邏輯電路
N1．．．連接節點
131．．．感測單元
L1．．．電感
C1．．．電容
VOUT ．．．輸出電壓
ISEN ．．．感測電流
PU11 ．．．第一脈波訊號
PU12 ．．．第二脈波訊號
PU13 ．．．第三脈波訊號
151．．．第一模式單元
152．．．第二模式單元
153．．．模式切換單元
SW1．．．開關
CT1 ．．．控制訊號
MD11 ．．．第一模式切換訊號
MD12 ．．．第二模式切換訊號
VT11 ．．．第一臨界值
VT12 ．．．第二臨界值
IAVG ．．．感測電流的平均電流值
UG、LG．．．邏輯電路所輸出的調變訊號
MD．．．第二控制電路所輸出的模式切換訊號
T21、T22．．．期間
t2．．．時間點
圖1為依據本發明之一實施例之切換式電源轉換器的方塊圖。
圖2為用以說明切換式電源轉換器的時序圖。
100．．．切換式電源轉換器
110．．．上橋開關
120．．．下橋開關
130．．．阻抗電路
140．．．第一控制電路
150．．．第二控制電路
160．．．邏輯電路
N1．．．連接節點
131．．．感測單元
L1．．．電感
C1．．．電容
VOUT ．．．輸出電壓
ISEN ．．．感測電流
PU11 ．．．第一脈波訊號
PU12 ．．．第二脈波訊號
PU13 ．．．第三脈波訊號
151．．．第一模式單元
152．．．第二模式單元
153．．．模式切換單元
SW1．．．開關
CT1 ．．．控制訊號
MD11 ．．．第一模式切換訊號
MD12 ．．．第二模式切換訊號
UG、LG．．．邏輯電路所輸出的調變訊號

Claims (8)

  1. 一種切換式電源轉換器，包括：一上橋開關與一下橋開關，於電性上相互串接；一阻抗電路，依據該上橋開關與該下橋開關的導通狀態產生一輸出電壓與一感測電流；一第一控制電路，依據該輸出電壓產生一第一脈波訊號；一第二控制電路，具有一第一模式與一第二模式，以分別產生一第二脈波訊號與一第三脈波訊號，其中在該第一模式下，該第二控制電路將該感測電流與一第一臨界值進行比較，並在該感測電流的最小值大於該第一臨界值時切換至該第二模式，且在該第二模式下，該第二控制電路將該感測電流與一第二臨界值進行比較，以在該感測電流的最小值小於該第二臨界值時切換至該第一模式；以及一邏輯電路，利用該第一脈波訊號控制該上橋開關，並利用該第二脈波訊號或是該第三脈波訊號控制該下橋開關。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之切換式電源轉換器，其中該第一控制電路更依據該輸出電壓產生一控制訊號，且該第二控制電路包括：一第一模式單元，依據該控制訊號與該感測電流產生該第二脈波訊號；一第二模式單元，依據該控制訊號產生與該第一脈波訊號反相的該第三脈波訊號；一模式切換單元，其中在該第一模式下，該模式切換單元會產生一第一模式切換訊號，且在該第二模式下，該模式切換單元會產生一第二模式切換訊號；以及一開關，具有一第一端至一第三端，該開關的第一端接收該第二脈波訊號，該開關的第二端接收該第三脈波訊號，該開關的第三端電性連接該邏輯電路，其中該開關依據該第一模式切換訊號將其第三端導通至其第一端，並依據該第二模式切換訊號將其第三端導通至其第二端。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之切換式電源轉換器，其中該阻抗電路包括：一電感，其第一端電性連接該上橋開關與該下橋開關相互串接的連接節點；一感測單元，電性連接該電感的第二端，並感測流經該電感的電流而據以輸出該感測電流；以及一電容，其第一端電性連接該感測單元，且該電容的第二端電性連接至接地端，其中該阻抗電路透過該電容的第一端產生該輸出電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之切換式電源轉換器，其中該第一臨界值大於該第二臨界值。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之切換式電源轉換器，其中該第二臨界值等於0。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之切換式電源轉換器，其中該第一模式為非連續操作模式，且該第二模式為連續操作模式。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之切換式電源轉換器，其中該第一脈波訊號與該第三脈波訊號互為反相，且該第二脈波訊號的高轉態點取決於該第一脈波訊號，該第二脈波訊號的低轉態點取決於該感測電流。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之切換式電源轉換器，其中在該第一模式下，該第一控制電路所產生之該第一脈波訊號的頻率是隨著該感測電流而變動的，且在該第二模式下，該第一控制電路所產生之該第一脈波訊號的頻率是固定的。
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