TWI411901B - 切換式穩壓器 - Google Patents

Description

切換式穩壓器

本發明係指一種切換式穩壓器及固定開啟時間模組，尤指一種可根據負載的變化，調整一控制訊號之關閉時間的切換式穩壓器及固定開啟時間模組。

電源供應相關裝置於現代資訊科技中擔任重要角色。在所有的電源供應裝置之中，直流至直流切換式穩壓器(DC-DC switching regulator)已被廣泛使用，其主要功能在於提供穩定之直流電源給電子元件使用。請參考第1圖，第1圖為習知技術中具有固定開啟時間架構之一直流至直流切換式穩壓器10之示意圖。直流至直流切換式穩壓器10用來提供一穩定的輸出電壓Vout1予一負載Load1，包含有一上橋開關100、一下橋開關102、一固定時間觸發電路104、一比較器106、一電感L1、一電容C1及一反相器INV1。其中，上橋開關100、下橋開關102、電感L1及電容C1可視為一功率級電路108，用來根據一控制訊號Con，輸出輸出電壓Vout1至負載Load1。固定時間觸發電路104可輸出每次開啟時間(on-time)為一固定開啟時間長度Ton之控制訊號Con，來控制上橋開關100及下橋開關102的啟閉動作。

簡單來說，每當輸出電壓Vout1小於一參考電壓Vref1時，比較器106輸出之一比較結果Com，以控制固定時間觸發電路104將所輸出之控制訊號Con啟動具有開啟時間長度Ton之一開啟時間，因此直流至直流切換式穩壓器10可於開啟時間長度Ton內導通上橋開關100，並關閉下橋開關102，使得一外部電壓源Vin1將電能經由上橋開關100傳送予電感L1，以輸出一充電電流IL對電容C1充電，使得輸出至負載Load1之輸出電壓Vout1增加(電容C1之跨壓)；而當輸出電壓Vout1大於參考電壓Vref1時，上橋開關100關閉，而下橋開關102導通，使得輸出電壓Vout1開始下降。換句話說，當上橋開關100關閉時，直流至直流切換式穩壓器10的輸出電壓Vout1開始下降，直到輸出電壓Vout1小於參考電壓Vref1，上橋開關100才會再次開啟。如此一來，直流至直流切換式穩壓器10可藉由控制上橋開關100的開啟或關閉，調節輸送到負載Load1的電能，以維持輸出電壓Vout1的穩定。

此外，於負載Load1之負載值發生變化時，控制訊號Con啟動具有開啟時間長度Ton之開啟時間的頻率將會相應地改變，以維持輸出電壓Vout1的穩定。換句話說，由於每次啟動控制訊號Con的開啟時間係開啟時間長度Ton，而關閉時間為可變，因此控制訊號Con啟動具有開啟時間長度Ton之開啟時間的頻率會將隨輸出負載Load1之負載值變化而發生改變。然而，在習知技術中，雖然控制訊號Con啟動具有開啟時間長度Ton之開啟時間的頻率可隨負載Load1之負載值相對應地改變，但仍無法快速反應，以維持輸出電壓的穩定。

請參考第2A圖至第2F圖，第2A圖至第2C圖為第1圖中直流至直流切換式穩壓器10之訊號於負載Load1之負載值減少時之示意圖，而第2D圖至第2F圖為第1圖中直流至直流切換式穩壓器10之訊號於負載Load1之負載值增加時之示意圖。在負載值固定時，每當輸出電壓Vout1小於參考電壓Vref1時，固定時間觸發電路104會將控制訊號Con啟動具有開啟時間長度Ton之開啟時間，如此一來，控制訊號Con可以固定頻率啟動具有開啟時間長度Ton之開啟時間，以穩定輸出輸出電壓Vout1。

然而，如第2A圖至第2C圖所示，於負載Load1之負載值減少時，輸出電壓Vout1會因負載Load1之負載值減少而增加，因此輸出電壓Vout1會一直大於參考電壓Vref1，使得比較結果Com停止固定時間觸發電路104將控制訊號Con啟動具有固定開啟時間長度Ton之開啟時間，以減少輸出電壓Vout1至原本穩定輸出之準位。僅管如此，在最差情況下，即負載Load1之負載值減少時，剛好具有固定開啟時間長度Ton之開啟時間被啟動，此時，輸出電壓Vout1不僅因負載Load1之負載值減少而增加，還會因為開啟時間長度Ton之開啟時間剛好啟動而增加，使得輸出電壓Vout1過衝(overshoot)，而無法快速減少至原本穩定輸出之準位。

另一方面，如第2D圖至第2F圖所示，當在負載Load1之負載值增加時，輸出電壓Vout1會因負載Load1之負載值增加而減少，因此輸出電壓Vout1會一直小於參考電壓Vref1，使得比較結果Com持續要求固定時間觸發電路104將控制訊號Con啟動具有開啟時間長度Ton之開啟時間，以將輸出電壓Vout1增加至原本穩定輸出的電壓值。其中，由於需開啟下橋開關102以偵測是否過流，因此每次啟動控制訊號Con啟動具有開啟時間長度Ton之開啟時間時，需間隔一最小關閉時間Tmoff(minimum off-time)。然而，如第2D圖至第2F圖所示，雖然於負載Load1之負載值增加，會加快控制訊號Con啟動具有開啟時間長度Ton之開啟時間的頻率，但仍無法快速將輸出電壓Vout1增加至原本穩定輸出之準位。

換句話說，雖然於負載Load1之負載值發生變化時，控制訊號Con啟動具有開啟時間長度Ton之開啟時間的頻率將會相應地改變，以維持輸出電壓的穩定，但仍無法快速反應負載Load1之負載值變化以穩定輸出輸出電壓Vout1。有鑑於此，習知技術實有改進之必要。

因此，本發明之主要目的即在於提供一種切換式穩壓器及其固定開啟時間模組。

本發明揭露一種切換式穩壓器，具有一固定開啟時間架構。該切換式穩壓器包含有一功率級電路，用來根據一控制訊號，輸出一輸出電壓至一負載；以及一固定開啟時間模組，耦接於該功率級電路，用來根據該負載的變化，調整該控制訊號之關閉時間。

本發明另揭露一種固定開啟時間模組，用來根據負載變化調整一控制訊號之關閉時間。該固定開啟時間模組包含有一脈波寬度調變比較器，用來根據一輸出電壓及一參考電壓，輸出一比較結果；一開啟時間產生器，用來比較一輸入電壓及一比較電壓，以產生一開啟時間長度；以及一關閉時間調整裝置，用來根據該比較結果、該開啟時間長度及一最小關閉時間，調整該控制訊號之關閉時間並輸出。

請參考第3圖，第3圖為本發明實施例具有固定開啟時間架構之一直流至直流切換式穩壓器30之示意圖。直流至直流切換式穩壓器30之架構與運作原理與直流至直流切換式穩壓器10部分相似，因此用途相同的元件及信號沿用相同符號，以求簡潔。直流至直流切換式穩壓器30與直流至直流切換式穩壓器10相異之處，在於直流至直流切換式穩壓器30以一固定開啟時間(constant on-time，COT)模組304取代固定時間觸發電路104及比較器106。固定開啟時間模組304可根據負載Load1之負載值變化，調整控制訊號Con之關閉時間。

請繼續參考第4圖，第4圖為第3圖中固定開啟時間模組304之示意圖。固定開啟時間模組304包含有一參考電壓調整器400、一脈波寬度調變(pulse width modulation，PWM)比較器402、一比較電壓調整器404、一開啟時間產生器406及一關閉時間調整裝置408。參考電壓調整器400可於輸出電壓Vout1上升時，降低一參考電壓Vref3，而於輸出電壓Vout1下降時，增加參考電壓Vref3。脈波寬度調變比較器402可根據輸出電壓Vout1及參考電壓Vref3，輸出一比較結果Com4。比較電壓調整器404可根據比較結果Com4及一供應電壓Vs，調整並輸出比較電壓Vcom。開啟時間產生器406可根據一輸入電壓VIN及比較電壓Vcom，產生一開啟時間長度Ton4，使關閉時間調整裝置408調整控制訊號Con之關閉時間並輸出。關閉時間調整裝置408係由一及閘416及一最小關閉時間插入器414所組成，最小關閉時間插入器414用來於控制訊號Con中插入最小關閉時間Tmoff，以避免過流。

簡單來說，於負載Load1之負載值增加時，由於比較結果Com4持續處於高準位，因此比較電壓調整器404根據比較結果Com4調整比較電壓Vcom，使得開啟時間產生器406輸出開啟時間長度Ton4增加。因此，關閉時間調整裝置408可以最小關閉時間Tmoff為間隔，持續將控制訊號Con啟動具有較長開啟時間長度Ton4之開啟時間。如此一來，隨著負載Load1之負載值增加，開啟時間長度Ton4也跟著增加，進而可減少控制訊號Con之關閉時間，以快速將輸出電壓Vout1增加至原本穩定輸出之準位。

詳細來說，請參考第5A圖至第5C圖，第5A圖為第4圖中參考電壓調整器400電路之示意圖，第5B圖為第4圖中比較電壓調整器404電路之示意圖，而第5C圖為第4圖中開啟時間產生器406電路之示意圖。如第5A圖所示，脈波寬度調變比較器402與比較器106之差別，參考電壓調整器400可根據輸出電壓Vout1，調整參考電壓Vref3於輸出電壓Vout1上升時降低，而於輸出電壓Vout1下降時增加，以加大輸出電壓Vout1與參考電壓Vref3之雜訊容限(noise margin)，使得脈波寬度調變比較器402較穩定正確地進行比較。如第5B圖所示，比較電壓調整器404包含有一邏輯電路410及一比較電壓產生器412，邏輯電路410可根據比較結果Com4輸出一啟動訊號Ena，而比較電壓產生器412可根據啟動訊號Ena，調整電阻508之阻值，以產生比較電壓Vcom。如第5C圖所示，開啟時間產生器406包含有一電流源502、一電容504、一開關506及一比較器510，電流源502可接收輸入電壓VIN以對電容504充電，進而產生一電容電壓Vc輸入至比較器510，使得比較器510根據電容電壓Vc及比較電壓Vcom產生開啟時間長度Ton4。其中，關閉時間調整裝置408每次將控制訊號Con啟動具有開啟時間長度Ton4之開啟時間後，會透過一重置訊號Reset控制開關506導通使電容電壓Vc變為零，因此開啟時間產生器406所輸出的開啟時間長度Ton4，等於電流源502將電容504充電至電容電壓Vc等於比較電壓Vcom的時間。在此情況下，當負載Load1之負載值增加時，比較結果Com4持續處於高準位，因此邏輯電路410會於比較結果Com4處於高準位時間大於原本開啟時間長度Ton4時(為確定負載Load1之負載值增加)，透過啟動訊號Ena增加電阻508之阻值，使得比較電壓Vcom增大，以增加開啟時間長度Ton4。如此一來，關閉時間調整裝置408可以最小關閉時間Tmoff為間隔，持續將控制訊號Con啟動具有較長的開啟時間長度Ton4之開啟時間，以減少控制訊號Con之關閉時間，進而快速將輸出電壓Vout1增加至原本穩定輸出之準位。

請參考第6A圖至第6E圖，第6A圖至第6C圖為第3圖中直流至直流切換式穩壓器30之訊號於負載Load1之負載值增加時之示意圖，而第6D圖至第6E圖為第3圖中直流至直流切換式穩壓器30之訊號於負載Load1之負載值增加時，第4圖中比較電壓調整器404是否作用時之比較示意圖。其中，實線表示比較電壓調整器404有作用，而虛線表示比較電壓調整器404未作用(即與習知技術中固定開啟時間長度Ton之情形相似)。如第6A圖至第6E圖所示，於負載Load1之負載值增加時，由於輸出電壓Vout1減少，因此參考電壓Vref3增加，使得比較結果Com4持續處於高準位。在此情況下，啟動訊號Ena切換至高準位以增加比較電壓Vcom，進而增加開啟時間長度Ton4，使得關閉時間調整裝置408可以最小關閉時間Tmoff為間隔，持續將控制訊號Con啟動具有較長的開啟時間長度Ton4之開啟時間，以減少控制訊號Con之關閉時間，進而快速將輸出電壓Vout1增加至原本穩定輸出之準位。相較於固定開啟時間長度Ton4之情形(如虛線所示)，本發明可使輸出電壓Vout1最低點電壓增得30mV，以快速將輸出電壓Vout1增加至原本穩定輸出之準位，並減小充電電流IL以避免過流(15A)。

另一方面，如第7圖所示，關閉時間調整裝置408可另包含一下鉗制電路700，用來於參考電壓Vref3小於一下鉗制電壓VCL時(0.9V)，透過一關閉訊號SD，控制控制訊號Con皆為關閉時間，以於負載Load1之負載值減少時，快速將輸出電壓Vout1減少至原本穩定輸出之準位。詳細來說，請參考第8A圖至第8C圖，第8A圖至8C圖為包含有第7圖中下鉗制電路700的直流至直流切換式穩壓器30之訊號，於負載Load1之負載值增加時之示意圖。其中，第8C圖中實線表示下鉗制電路700有作用，而虛線表示下鉗制電路700未作用(即與習知技術中固定開啟時間長度Ton之情形相似)。於負載Load1之負載值減少時，輸出電壓Vout1會因負載Load1之負載值減少而增加，使得參考電壓Vref3因參考電壓調整器400調整而降低。在此情況下，於參考電壓Vref3低於下鉗制電壓VCL時，下鉗制電路700會將關閉訊號SD切換至高準位，以馬上控制控制訊號Con皆為關閉時間，進而快速將輸出電壓Vout1減少至原本穩定輸出之準位。因此，相較於先前技術開啟時間必須啟動一個完整的開啟時間長度Ton，造成輸出電壓Vout1過衝(overshoot)過多，下鉗制電路700可於負載Load1之負載值減少時，立即控制控制訊號Con皆為關閉時間，以快速將輸出電壓Vout1減少至原本穩定輸出之準位。如此一來，如第8C圖所示，本發明可使輸出電壓Vout1最高點電壓減少37mV，以快速將輸出電壓Vout1減少至原本穩定輸出之準位。

值得注意的是，本發明之主要精神，在於固定開啟時間模組304可根據負載Load1之負載值的變化，調整控制訊號Con之關閉時間，即於負載Load1之負載值增加時，透過增加開啟時間長度Ton4，以減少控制訊號Con之關閉時間，而於負載Load1之負載值減少時，馬上控制控制訊號Con皆為關閉時間，使得輸出電壓Vout1於負載Load1之負載值變化時，能夠快速回復至原本穩定輸出之準位。本領域具通常知識者當可依本發明之精神加以修飾或變化，而不限於此。舉例來說，比較電壓調整器404並不限於本發明之結構，只要能夠於比較結果Com4指示輸出電壓Vout1大於參考電壓Vref3之時間超過原本的開啟時間長度Ton4時，增加開啟時間長度Ton4，以減少控制訊號Con之關閉時間即可；而下鉗制電路700亦不限於本發明之結構，只要能夠於參考電壓Vref3小於下鉗制電壓VCL時，控制控制訊號Con皆為關閉時間。另外，本發明中啟動訊號Ena增加電阻508之阻值的方法，係利用啟動訊號Ena控制一電晶體之導通，以決定電阻508中部份是否串聯而增加阻值。

此外，第7圖中未繪出比較電壓調整器404之結構，其目的在於表示固定開啟時間模組304可分別利用比較電壓調整器404及下鉗制電路700，以達到減少控制訊號Con之關閉時間及增加控制訊號Con之關閉時間之效果，本領域具通常知識者當可依實際需求，合併或分開使用以達到穩定輸出電壓Vout1之準位的目的。值得注意的是，輸出電壓Vout1於因負載Load1之負載值增加而Vout1下降，系統增加開啟時間長度Ton4過久時，若參考電壓Vref3下降過快，會將比較結果Com4變為低準位，而停止啟動控制訊號Con之開啟時間，此時，輸出電壓Vout1會因持續的抽載而再次減少造成參考電壓Vref3上升，使得比較結果Com4變為高準位，而再次將控制訊號Con啟動具有較長的開啟時間長度Ton4之開啟時間，如此反覆直到輸出電壓Vout1因負載Load1之負載值增加而降至最低準位為止，造成輸出電壓Vout1漣波(ripple)過大。為解決上述問題，開啟時間長度Ton4需小於一特定值，除了可避免參考電壓Vref3下降過快外，還可避免充電電流IL過大。另外，在功率級電路108剛開始操作時，輸出電壓Vout1由低電位欲升至穩定輸出電位時(如3V至5V)，此時比較電壓調整器404需暫停運作，以避免輸出電壓Vout1過衝(overshoot)，而導致一開始輸入過多能量。

在習知技術中，於負載Load1之負載值減少時，控制訊號Con中已啟動的開啟時間仍具有固定開啟時間長度Ton，使得輸出電壓Vout1過衝而無法快速減少至原本穩定輸出之準位，而於負載Load1之負載值增加時，雖然會加快控制訊號Con啟動具有開啟時間長度Ton之開啟時間之頻率，但仍無法快速將輸出電壓Vout1增加至原本穩定輸出之準位。相較之下，本發明可於負載Load1之負載值增加時，透過增加開啟時間長度Ton4，以減少控制訊號Con之關閉時間，而於負載Load1之負載值減少時，立即控制控制訊號Con皆為關閉時間，使得輸出電壓Vout1於負載Load1之負載值變化時，能夠快速回復至原本穩定輸出之準位。

綜上所述，本發明可根據負載之負載值的變化，調整控制訊號之關閉時間，使得輸出電壓能夠快速回復至原本穩定輸出之準位。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10、30．．．直流至直流切換式穩壓器

100．．．上橋開關

102．．．下橋開關

104．．．固定時間觸發電路

106．．．比較器

108．．．功率級電路

304．．．固定開啟時間模組

400．．．參考電壓調整器

402．．．脈波寬度調變比較器

404．．．比較電壓調整器

406．．．開啟時間產生器

408．．．關閉時間調整裝置

410．．．邏輯電路

412．．．比較電壓產生器

414．．．最小關閉時間插入器

416．．．及閘

502．．．電流源

504．．．電容

506．．．開關

508．．．電阻

510．．．比較器

700．．．下鉗制電路

L1．．．電感

C1．．．電容

Vref1、Vref3．．．參考電壓

INV1．．．反相器

Load1．．．負載

Con．．．控制訊號

Ton、Ton4．．．開啟時間長度

Vin1．．．外部電壓源

Vout1．．．輸出電壓

IL．．．充電電流

Com、Com4．．．比較結果

Tmoff．．．最小關閉時間

Vs．．．供應電壓

Vcom．．．比較電壓

Ena．．．啟動訊號

VIN．．．輸入電壓

Vc．．．電容電壓

VCL‧‧‧下鉗制電壓

SD‧‧‧關閉訊號

Reset‧‧‧重置訊號

第1圖為習知技術中具有固定開啟時間架構之一直流至直流切換式穩壓器之示意圖。

第2A圖至第2C圖為第1圖中直流至直流切換式穩壓器之訊號於一負載之負載值減少時之示意圖。

第2D圖至第2F圖為第1圖中直流至直流切換式穩壓器10之訊號於一負載之負載值增加時之示意圖。

第3圖為本發明實施例具有固定開啟時間架構之一直流至直流切換式穩壓器之示意圖。

第4圖為第3圖中一固定開啟時間模組之示意圖。

第5A圖為第4圖中一參考電壓調整器電路之示意圖。

第5B圖為第4圖中一比較電壓調整器電路之示意圖。

第5C圖為第4圖中一開啟時間產生器電路之示意圖。

第6A圖至第6C圖為第3圖中直流至直流切換式穩壓器之訊號於一負載之負載值增加時之示意圖。

第6D圖至第6E圖為第3圖中直流至直流切換式穩壓器之訊號於一負載之負載值增加時，第4圖中一比較電壓調整器是否作用時之比較示意圖。

第7圖為第4圖中一關閉時間調整裝置408包含有一下鉗制電路之示意圖。

第8A圖至8C圖為包含有第7圖中一下鉗制電路之直流至直流切換式穩壓器的訊號，於一負載之負載值增加時之示意圖。

30‧‧‧直流至直流切換式穩壓器

100‧‧‧上橋開關

102‧‧‧下橋開關

108‧‧‧功率級電路

304‧‧‧固定開啟時間模組

L1‧‧‧電感

C1‧‧‧電容

Vref1‧‧‧參考電壓

INV1‧‧‧反相器

Load1‧‧‧負載

Con‧‧‧控制訊號

Vin1‧‧‧外部電壓源

Vout1‧‧‧輸出電壓

IL‧‧‧充電電流

Claims (14)

1. 一種切換式穩壓器，具有一固定開啟時間架構，包含有：一功率級電路，用來根據一控制訊號，輸出一輸出電壓至一負載；以及一固定開啟時間(constant on-time，COT)模組，耦接於該功率級電路，用來根據該負載的變化，調整該控制訊號之關閉時間；其中該固定開啟時間模組另包含有：一脈波寬度調變(pulse width modulation，PWM)比較器，用來透過比較該輸出電壓及一參考電壓，輸出一比較結果；一開啟時間產生器，用來根據一輸入電壓及一比較電壓，產生一開啟時間長度；以及一關閉時間調整裝置，用來根據該比較結果、該開啟時間長度及一最小關閉時間，調整該控制訊號之關閉時間並輸出；其中，該固定開啟時間模組另包含一電流源，用來對一比較電容充電，該比較電容之跨壓為該輸入電壓。
2. 如請求項1所述之切換式穩壓器，其中該功率級電路包含有：一上橋開關，用來於該控制訊號之開啟時間開啟；一下橋開關，耦接於該上橋開關，用來於該控制訊號之開啟時 間關閉；一電感，耦接於該上橋開關及該下橋開關；以及一電容，耦接於該電感，該電感之跨壓為該輸出電壓。
3. 如請求項2所述之切換式穩壓器，其中該上橋開關及該下橋開關為金氧半電晶體(MOSFETs)。
4. 如請求項1所述之切換式穩壓器，其另包含一參考電壓調整器，用來於該輸出電壓上升時，降低該參考電壓，而於該輸出電壓下降時，增加該參考電壓。
5. 如請求項1所述之切換式穩壓器，其中該開啟時間長度為該比較電壓大於該輸入電壓之時間。
6. 如請求項1所述之切換式穩壓器，其中於該比較結果指示該輸出電壓小於該參考電壓時，該關閉時間調整裝置將該控制訊號啟動一具有該開啟時間長度之開啟時間。
7. 如請求項6所述之切換式穩壓器，其中該關閉時間調整裝置啟動該控制訊號之各開啟時間至少間隔該最小關閉時間。
8. 如請求項1所述之切換式穩壓器，其中該關閉時間調整裝置可於該負載增加時，減少該控制訊號之關閉時間。
9. 如請求項8所述之切換式穩壓器，其中該關閉時間調整裝置可另包含一比較電壓調整器，用來於該比較結果指示該輸出電壓小於該參考電壓之時間超過一特定時間時，增加該比較電壓。
10. 如請求項9所述之切換式穩壓器，其中該比較電壓調整器另包含：一邏輯電路，用來根據該比較結果輸出一啟動訊號；以及一比較電壓產生器，用來根據該啟動訊號及一供應電壓，調整一電阻值，以產生該比較電壓。
11. 如請求項9所述之切換式穩壓器，其中該開啟時間長度小於一特定值。
12. 如請求項9所述之切換式穩壓器，其中該比較電壓調整器於該功率級電路剛開始運作時，不進行運作。
13. 如請求項1所述之切換式穩壓器，其中該關閉時間調整裝置可於該負載減少時，增加該控制訊號之關閉時間。
14. 如請求項13所述之切換式穩壓器，其中該關閉時間調整裝置另包含一下鉗制電路，用來於該參考電壓小於一下鉗制電壓時，控制該控制訊號皆為關閉時間。