TWI411213B - 漣波調節器的控制電路及方法 - Google Patents

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Description

漣波調節器的控制電路及方法
本發明係有關一種漣波調節器，特別是關於一種漣波調節器的控制電路及方法。
在固定導通時間(Constant On Time;COT)或磁滯模式(hysteretic mode)的自行計時(self-clocking)直流對直流轉換器中，脈寬調變信號的產生係依賴輸出電壓上的漣波做觸發控制。較大的漣波可以讓迴路的穩定性提升，但是可能超出轉換器的規範。相反的，較小的漣波可以符合規範的要求，但卻可能破壞迴路的穩定性。因此，擁有小的輸出電壓漣波而又不喪失迴路的穩定性是一項具有挑戰性的工作。
如圖1所示，傳統的COT漣波調節器包括一對高壓側元件Q1和低壓側元件Q2經相節點Phs連接在電壓輸入端Vin和地端GND之間，控制電路10提供脈寬調變信號UG及LG分別控制高壓側元件Q1及低壓側元件Q2以調節對輸出穩壓電容Co充電的電感電流IL，進而控制輸出電壓Vout，電阻R1及R2組成的分壓器分壓輸出電壓Vout產生回授電壓Vfb1給控制電路10，電阻R3係輸出穩壓電容Co的等效串聯電阻(Effective Series Resistance;ESR)。在控制電路10中，誤差比較器14比較回授電壓Vfb1及參考電壓Vref產生比較信號Sc，脈寬調變控制器12根據比較信號Sc觸發脈寬調變信號UG以控制高壓側元件Q1，反相器16將信號UG反相產生脈寬調變信號LG以控制低壓側元件Q2。在脈寬調變控制器12中，固定時間產生器18決定脈寬調變信號UG的固定時間Ton，邏輯控制器22根據比較信號Sc產生觸發信號St給單擊電路20以觸發脈寬調變信號UG。
圖2係圖1的電路的波形圖，用以說明COT漣波調節器的運作方式。參照圖1及圖2，在時間t1時，回授電壓Vfb1降到低於參考電壓Vref，因此比較信號Sc由高準位轉為低準位，邏輯控制器22因而產生觸發信號St以觸發脈寬調變信號UG使高壓側元件Q1打開(turn on)固定時間Ton，在高壓側元件Q1打開期間，回授電壓Vfb1上升，在固定時間Ton結束後，高壓側元件Q1關閉(turn off)而低壓側元件Q2打開，回授電壓Vfb1下降，當回授電壓Vfb1再次降到低於參考電壓Vref時，高壓側元件Q1再次打開固定時間Ton。如此週期性地運作，使得COT漣波調節器的輸出電壓Vout穩定在設定值。
然而，若使用陶瓷(ceramic)電容作為輸出穩壓電容Co，因為其等效串聯電阻R3很小，所以輸出電壓Vout及回授電壓Vfb1的漣波也會很小，甚至可以視為直流信號，導致COT漣波調節器幾乎不可能運作在穩定的狀況下。
本發明的目的之一，在於提出一種使漣波調節器具有小漣波及高迴路穩定性的控制電路及方法。
本發明的目的之一，在於提出一種改善漣波調節器的輸出電壓偏移的控制電路及方法。
根據本發明，一種漣波調節器的控制電路包括誤差比較器比較參考電壓以及與該漣波調節器的輸出電壓相關的回授電壓產生比較信號，脈寬調變控制器根據該比較信號觸發脈寬調變信號以控制電感電流，漣波產生電路提供與該電感電流同步且同相的漣波信號疊加到該參考電壓或回授電壓上，以提升迴路穩定性，以及偏移消除電路從該漣波產生電路取得正比於該漣波信號的振幅之漣波資訊產生偏移消除信號給該誤差比較器，以改善該輸出電壓因該漣波信號而產生的偏移。
根據本發明，一種漣波調節器的控制方法包括比較參考電壓以及與該漣波調節器的輸出電壓相關的回授電壓產生比較信號，供觸發脈寬調變信號以控制電感電流，提供與該電感電流同步且同相的漣波信號疊加到該回授電壓或參考電壓上，以提升迴路穩定性，以及取得正比於該漣波信號的振幅的漣波資訊，並據以產生偏移消除信號以改善該輸出電壓因該漣波信號而產生的偏移。
圖3係以圖1的電路為基礎設計的實施例，其中輸出穩壓電容Co的等效串聯電阻R3很小，因此回授電壓Vfb1的漣波很小，可視為直流信號，如圖4的波形36所示。在圖3的控制電路10中，除了圖1的脈寬調變控制器12、誤差比較器14及反相器16之外，還包括漣波產生電路30及偏移消除電路32。漣波產生電路30根據相節點Phs的電壓產生與電感電流IL同步且同相的漣波信號Vripple給誤差比較器14的正輸入端，漣波信號Vripple疊加到回授電壓Vfb1上產生具有大漣波的回授電壓Vfb2，如圖4的波形34所示，進而解決因等效串聯電阻R3太小而造成迴路不穩定的問題。在其他實施例中，漣波信號Vripple也可以改為給誤差比較器14的負輸入端而疊加到參考電壓Vref上。圖3的COT漣波調節器係以回授電壓Vfb2觸發脈寬調變信號UG，因此在迴路穩定時，如圖4的波形36所示，回授電壓Vfb1並不等於參考電壓Vref，而是等於Vref+ΔV，其中ΔV等於漣波信號Vripple的振幅，這將導致輸出電壓Vout與設定值有所偏移，此偏移量在較精密的系統中可能超出規格書的規範。在圖3的電路中，由於可以從漣波產生電路30得知漣波信號Vripple的漣波資訊Sam，故偏移消除電路32根據漣波資訊Sam產生偏移消除信號Soc給誤差比較器14，以改善輸出電壓Vout因漣波信號Vripple而產生的偏移，其中漣波資訊Sam正比於漣波信號Vripple的振幅ΔV。偏移消除信號Soc可以提供給誤差比較器14的正輸入端或負輸入端以平移回授電壓Vfb2或參考電壓Vref，也可以用來調整誤差比較器14內部的偏移參數。
圖5係漣波產生電路30的實施例，其中由電阻RA及電容CA組成的低通濾波器38用以濾除相節點Phs的電壓的高頻成分產生信號VA，當高壓側元件Q1打開而低壓側元件Q2關閉時，相節點Phs的電壓等於Vin並經由電阻RA對電容CA充電，當高壓側元件Q1關閉而低壓側元件Q2打開時，電容CA的電荷經由電阻RA放電，故信號VA近似三角波且與電感電流IL同步且同相。由電阻RB及電容CB組成的低通濾波器40用以濾除信號VA的交流成分產生信號VB，信號VB為信號VA的平均值。轉導放大器42具有正輸入端及負輸入端分別接受信號VA及VB，根據二者之間的差值產生與電感電流IL同步且同相的轉導電流I1=gm×(VA-VB)，gm係轉導放大器42的轉導係數。電阻R4連接在誤差比較器14及節點Vfb1之間，因應轉導電流I1產生漣波信號Vripple疊加到回授電壓Vfb1上產生回授電壓Vfb2。
從圖5可知，漣波信號Vripple的漣波是由信號VA及VB之間的壓差乘上gm×R4而產生的，由於R4為定值，因此只要把|gm×(VA-VB)|的最大值之資訊送到偏移消除電路32，便可減少因漣波信號Vripple而造成的偏移量。圖6係偏移消除電路32的實施例，其包括電流源44根據漣波資訊Sam產生偏移電流I2=gm×VF，其中VF正比於|VA-VB|的最大值，電阻RF連接在誤差比較器14的負輸入端及參考電壓端Vref之間，因應偏移電流I2產生偏移消除信號Soc以平移參考電壓Vref，進而減小輸出電壓Vout的偏移量。參照圖4、圖5及圖6，漣波信號Vripple的漣波等於gm×R4×(VA-VB)，因此回授電壓Vfb1與參考電壓Vref之間的偏移量ΔV等於|0.5×gm×R4×(VA-VB)|的最大值，若設定偏移消除信號Soc=I2×RF=ΔV，便可將輸出電壓Vout的偏移量完全消除。
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．．．控制電路
12．．．脈寬調變控制器
14．．．誤差比較器
16．．．反相器
18．．．固定時間產生器
20．．．單擊電路
22．．．邏輯控制器
30．．．漣波產生電路
32．．．偏移消除電路
34．．．回授電壓Vfb2
36．．．回授電壓Vfb1
38．．．低通濾波器
40．．．低通濾波器
42．．．轉導放大器
44．．．電流源
圖1係傳統的COT漣波調節器；
圖2係圖1的電路的波形圖；
圖3係本發明的實施例；
圖4係圖3的電路的波形圖；
圖5係圖3中的漣波產生電路的實施例；以及
圖6係圖3中的偏移消除電路的實施例。
10．．．控制電路
12．．．脈寬調變控制器
14．．．誤差比較器
16．．．反相器
18．．．固定時間產生器
20．．．單擊電路
22．．．邏輯控制器
30．．．漣波產生電路
32．．．偏移消除電路

Claims (7)

  1. 一種漣波調節器的控制電路，該漣波調節器包含高壓側元件及低壓側元件經相節點連接在一起，因應脈寬調變信號以控制電感電流對輸出穩壓電容充電產生輸出電壓，該控制電路包括：誤差比較器，具有二輸入端分別接受參考電壓以及與該輸出電壓相關的回授電壓，以及一輸出端提供比較信號；脈寬調變控制器，連接該誤差比較器，根據該比較信號觸發該脈寬調變信號；漣波產生電路，連接該相節點，根據該相節點的電壓產生與該電感電流同步且同相的漣波信號給該誤差比較器的二輸入端其中之一；以及偏移消除電路，連接該漣波產生電路及誤差比較器，從該漣波產生電路取得正比於該漣波信號的振幅之漣波資訊產生偏移消除信號給該誤差比較器，以改善該輸出電壓因該漣波信號而產生的偏移。
  2. 如請求項1之控制電路，其中該漣波產生電路包括：第一低通濾波器，連接該相節點，濾除該相節點的電壓的高頻成分，產生與該電感電流同步且同相的第一信號；第二低通濾波器，連接該第一低通濾波器，濾除該第一信號的交流成分產生第二信號；轉導放大器，連接該第一及第二低通濾波器，根據該第一 及第二信號之間的差值產生與該電感電流同步且同相的轉導電流；電阻，連接該轉導放大器，因應該轉導電流產生該漣波信號。
  3. 如請求項1之控制電路，其中該偏移消除電路提供該偏移消除信號給該誤差比較器的二輸入端其中之一，以平移該參考電壓或回授電壓。
  4. 如請求項1之控制電路，其中該偏移消除電路提供該偏移消除信號給該誤差比較器，以調整該誤差比較器的偏移參數。
  5. 如請求項1之控制電路，其中該偏移消除電路包括：電流源，連接該漣波產生電路，根據該漣波資訊提供偏移電流，該偏移電流正比於該漣波信號的振幅；以及電阻，連接該電流源，因應該偏移電流產生該偏移消除信號。
  6. 一種漣波調節器的控制方法，該漣波調節器包含高壓側元件及低壓側元件經相節點連接在一起，因應脈寬調變信號以控制電感電流對輸出穩壓電容充電產生輸出電壓，該控制方法包括下列步驟：(A)比較參考電壓以及與該輸出電壓相關的回授電壓產生比較信號，供觸發該脈寬調變信號；(B)偵測該相節點的電壓產生與該電感電流同步且同相的漣波信號疊加到該回授電壓或參考電壓上；以及(C)取得正比於該漣波信號的振幅的漣波資訊，並據以產生偏移消除信號以改善該輸出電壓因該漣波信號而 產生的偏移。
  7. 如請求項6之控制方法，其中該步驟B包括：濾除該相節點的電壓的高頻成分，產生與該電感電流同步且同相的第一信號；濾除該第一信號的交流成分，產生第二信號；以及根據該第一及第二信號之間的差值產生該漣波信號。
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