TWI413454B - 直流轉直流變換系統 - Google Patents

Description

直流轉直流變換系統

本發明是有關於一種直流轉直流變換系統，且特別是有關於一種脈波寬度調變(Pulse width modulation,PWM)電路的直流轉直流變換系統。

請參照第1圖，其所繪示為習知直流轉直流變換系統的示意圖。直流轉直流變換系統應用於顯示面板(display panel)的發光二極體(Light Emitting Diode,LED)背光模組，其包括：一PWM單元110、一功率級電路(power stage circuit)120、以及一負載電路130。其中，PWM單元110中包括一PWM邏輯電路112以及一比較器114；功率級電路120包括一電感器L、整流二極體D、一功率電晶體M1、以及一電阻R；負載電路130則包括多個串接的發光二極體LED1、LED2、LED3連接於功率級電路120的輸出端OUT與接地端GND之間。

由第1圖可知，功率級電路120的電感器L連接於輸入電壓Vin以及節點n之間，整流二極體的陽極連接至節點n，整流二極體的陰極連接至功率級電路120的輸出端OUT，功率電晶體M1的閘極接收一閘控信號G，功率電晶體M1的汲極連接至節點n，並且功率電晶體M1的源極與接地端GND之間連接一電阻R，而電阻R可產生一感測信號S。

再者，PWM單元110的PWM邏輯電路112可接收一爆發信號Burst，並且根據爆發信號Burst來產生一致能信號En以控制功率級電路120的動作。而PWM邏輯電路112更可產生一補償信號COMP至比較器114的正輸入端，而比較器114的負輸入端接收感測信號S，比較器114的輸出端則產生一比 較結果信號O至PWM邏輯電路112，進而使得PWM邏輯電路根據比較結果信號O來控制閘控信號G。

另外，習知的PWM單元110係整合於一IC電路中，而IC電路具有一腳位輸出補償信號COMP。而利用外部的一電容器C連接於此腳位與接地端GND之間可以維持補償信號COMP的穩定。

請參照第2圖，其所繪示為習知直流轉直流變換系統的信號示意圖。由圖中可知，由於電容器C提供的穩壓作用，補償信號COMP維持在一定值。再者，爆發信號Burst的高準位(T1)可視為動作週期，使得致能信號En致能(enable)功率級電路120，因而產生電感電流IL。反之，爆發信號Burst的低準位(T2)可視為不動作週期，使得致能信號En禁能(disable)功率級電路120，因而停止產生電感電流IL。

由更進一步地分析可知，於爆發信號Burst的動作週期(T1)之間，於時間點t0時，閘控信號G產生高準位使得功率電晶體M1開啟(turn on)，因此電感電流IL全部流經功率電晶體M1與電阻R，並且電感電流IL持續增加。此時，輸出電流Iout為0，電感電流IL等於第一電流I1。由於第一電流I1持續增加，因而使得感測信號S也持續增加。

再者，於時間點t1時，感測信號S準位增加至補償信號COMP的準位，因此比較器114的比較結果信號O產生一個負脈波(negative pulse)至PWM邏輯電路112，使得閘控信號G產生低準位使得功率電晶體M1關閉(turn off)，因此電感電流IL全部流至負載電路130，並且電感電流IL持續減少。此時，第一電流I1為0，電感電流IL等於輸出電流Iout。

而上述的動作流程會在爆發信號Burst的動作週期(T1)內 週而復始的運作，因此電感電流IL會根據閘控信號G的高準位與低準位變化不斷地上升下降。一般來說，爆發信號Burst的頻率約在數百Hz，而閘控信號G的頻率約在數百KHz。

然而，習知直流轉直流變換系統於爆發信號Burst的動作週期開始瞬間，由於電感電流IL急遽增加，因此電感器L內的鐵芯與線圈會互相撞擊產生噪音(audible noise)造成使用者的困擾。

本發明的目的就是在提供一種直流轉直流變換系統，於爆發信號Burst的動作週期開始瞬間不會造成電感器L的鐵芯與線圈會互相撞，並有效地解決噪音的發生。

本發明提出一種直流轉直流變換系統，包括：功率級電路，此功率級電路接收輸入電壓以及致能信號，於致能信號動作時，功率級電路根據閘控信號的責任週期來調整輸出電流並產生相對應的感測信號；一負載電路，接收輸出電流；一脈波寬度調變單元，具有脈波寬度調變邏輯電路與比較器，其中，脈波寬度調變邏輯電路接收爆發信號，其具有動作週期與不動作週期，於動作週期時脈波寬度調變邏輯電路產生補償信號至比較器並且產生致能信號至功率級電路，使得比較器比較補償信號與感測信號並產生比較結果信號至脈波寬度調變邏輯電路用以控制閘控信號的責任週期；以及控制單元，接收補償信號，其中，於爆發信號的不動作週期降低補償信號，並且於爆發信號的動作週期的初始時段利用降低的補償信號來降低閘控信號的責任週期。

本發明提出一種直流轉直流變換系統，包括：脈波寬度調變單元接收爆發信號，其具有一個動作週期與一個不動作週期，其中，於動作週期時脈波寬度調變單元輸出閘控信號，且脈波寬度調變單元係比較補償信號與感測信號以控制閘控信號的責任週期；功率級電路接收輸入電壓，於動作週期時，功率級電路根據閘控信號的責任週期來調整輸出電流並產生相對應的感測信號；負載電路接收輸出電流；以及控制單元接收補償信號，其中，於爆發信號的不動作週期時降低補償信號，且於爆發信號的動作週期的初始時段利用降低的補償信號來降低閘控信號的責任週期。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

請參照第3圖，其所繪示為本發明直流轉直流變換系統的示意圖。直流轉直流變換系統應用於顯示面板的LED背光模組，其包括：一PWM單元210、一功率級電路220、一負載電路230、以及一控制單元250。其中，PWM單元210中包括一PWM邏輯電路212以及一比較器214；功率級電路220包括一電感器L、整流二極體D、一功率電晶體M1、以及一第一電阻R1；負載電路230則包括多個串接的發光二極體LED1、LED2、LED3連接於功率級電路220的輸出端OUT與接地端GND之間；控制單元250包括：一反閘252、一開關電晶體M2、一電容器C、以及一第二電阻R2。

由第3圖可知，功率級電路220的電感器L連接於輸入電壓Vin以及節點n之間，整流二極體的陽極連接至節點n，整流二極體的陰極連接至功率級電路220的輸出端OUT，功率電晶體M1的閘極接收一閘控信號G，功率電晶體M1的汲極連接至節點n，並且功率電晶體M1的源極與接地端GND之間連接第一電阻R1，而第一電阻R1可產生一感測信號S。

再者，PWM單元210的PWM邏輯電路212可接收一爆發信號Burst，並且根據爆發信號Burst來產生一致能信號En以控制功率級電路220的動作。而PWM邏輯電路212更可產生一補償信號COMP至比較器214的正輸入端，而比較器214的負輸入端接收感測信號S，比較器214的輸出端則產生一比較結果信號O至PWM邏輯電路212，進而使得PWM邏輯電路根據比較結果信號O來控制閘控信號G。

根據本發明的實施例，為了要達成爆發信號Burst的動作週期開始瞬間不會造成電感器L的鐵芯與線圈互相撞擊產生噪音。本發明的控制單元250係用來控制PWM單元210產生的補償信號COMP準位，使得爆發信號Burst的動作週期開始瞬間利用降低的補償信號COMP準位，並且達成降低電感電流IL以及減少噪音之目的。

而本發明實施例的控制單元250中，反閘252的輸入端接收爆發信號Burst；開關電晶體M2的閘極連接至反閘252的輸出端，開關電晶體M2的汲極接收補償信號COMP；第二電阻R2連接於開關電晶體M2的源極與接地端GND之間；電容器C連接於開關電晶體M2的汲極與接地端GND之間。

請參照第4圖，其所繪示為本發明直流轉直流變換系統的信號示意圖。由圖中可知，爆發信號Burst的高準位(T1)可視為動作週期，使得致能信號En致能(enable)功率級電路220，因而產生電感電流IL。反之，爆發信號Burst的低準位(T2)可視為不動作週期，使得致能信號En禁能(disable)功率級電路220，因而停止產生電感電流IL。

由更進一步地分析可知，於爆發信號Burst的不動作週期 (T2)時，由於爆發信號Burst為低準位，使得反閘252輸出高準位並且開啟(turn on)開關電晶體M2。此時，開關電晶體M2與第二電阻R2形成一放電路徑(discharge path)，造成電容器C上的補償信號COMP準位下降。反之，於爆發信號Burst的動作週期(T1)時，由於爆發信號Burst為高準位，使得反閘252輸出低準位並且關閉(turn off)開關電晶體M2。此時，放電路徑斷路(open circuit)，因此電容器C上的補償信號COMP開始回復至固定的準位。

如第4圖所示，於爆發信號Burst的動作週期(T1)之間，於時間點t0時，閘控信號G產生高準位使得功率電晶體M1開啟(turn on)，因此電感電流IL全部流經功率電晶體M1與第一電阻R1，並且電感電流IL持續增加。此時，輸出電流Iout為0，電感電流IL等於第一電流I1。由於第一電流I1持續增加，因而使得感測信號S也持續增加。

再者，於時間點t1時，感測信號S準位增加至補償信號COMP的準位，因此比較器214的比較結果信號O產生一個負脈波至PWM邏輯電路212，使得閘控信號G產生低準位使得功率電晶體M1關閉(turn off)，因此電感電流IL全部流至負載電路230，並且電感電流IL持續減少。此時，第一電流I1為0，電感電流IL等於輸出電流Iout。

很明顯地，由於爆發信號Burst的動作週期(T1)開始時，補償信號COMP的準位最低。因此第一電流11小幅上升即可使得感測信號S到達補償信號COMP的準位，因此閘控信號G的責任週期(duty cycle)降至最低。而由於補償信號COMP的準位會逐漸增高，因此閘控信號G的責任週期也會逐漸升高。當補償信號COMP的準位回復至固定的準位後，閘控信號G 的責任週期也會維持固定。

由第4圖之繪示可知，閘控信號G的責任週期最小時(時間點t0至t1)，電感電流IL的振幅最低。而隨著閘控信號G的責任週期升高，電感電流IL的振幅逐漸升高。當閘控信號G的責任週期維持固定時，電感電流IL的振幅到達最大值。

綜上所述，本發明的直流轉直流變換系統，係於爆發信號的不動作週期降低補償信號COMP的準位，並且於爆發信號的動作週期的初始時段利用降低準位的補償信號COMP來降低閘控信號的責任週期，並且限制電感電流IL，如此即可降低瞬間的電感電流IL變化量，以減少電感器L內部線圈與鐵芯的撞擊能量，而有效降低噪音問題。

雖然本發明已以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，當可作些許之更動與潤飾，因此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。

110‧‧‧PWM單元

112‧‧‧PWM邏輯電路

114‧‧‧比較器

120‧‧‧功率級電路

130．．．負載電路

210．．．PWM單元

212．．．PWM邏輯電路

214．．．比較器

220．．．功率級電路

230．．．負載電路

250．．．控制單元

252．．．反閘

第1圖所繪示為習知直流轉直流變換系統的示意圖。

第2圖所繪示為習知直流轉直流變換系統的信號示意圖。

第3圖所繪示為本發明直流轉直流變換系統的示意圖。

第4圖所繪示為本發明直流轉直流變換系統的信號示意圖。

210．．．PWM單元

212．．．PWM邏輯電路

214．．．比較器

220．．．功率級電路

230．．．負載電路

250．．．控制單元

252．．．反閘

Claims (11)

1. 一種直流轉直流變換系統，包括：一功率級電路，該功率級電路接收一輸入電壓以及一致能信號，於該致能信號動作時，該功率級電路根據一閘控信號的一責任週期來調整一輸出電流並產生相對應的一感測信號；一負載電路，接收該輸出電流；一脈波寬度調變單元，具有一脈波寬度調變邏輯電路與一比較器，其中，該脈波寬度調變邏輯電路接收一爆發信號，其具有一動作週期與一不動作週期，於該動作週期時該脈波寬度調變邏輯電路產生一補償信號至該比較器並且產生該致能信號至該功率級電路，使得該比較器比較該補償信號與該感測信號並產生一比較結果信號至該脈波寬度調變邏輯電路用以控制該閘控信號的該責任週期；以及一控制單元，接收該補償信號，其中，於該爆發信號的該不動作週期降低該補償信號，並且於該爆發信號的該動作週期的一初始時段利用降低的該補償信號來降低該閘控信號的該責任週期。
2. 如申請專利範圍第1項所述之直流轉直流變換系統，其中該功率級電路包括：一電感器，該電感器第一端連接至該輸入電壓；一整流二極體，具有一陽極連接至該電感器的一第二端，具有一陰極連接至該負載電路；一功率電晶體，具有一閘極接收該閘控信號，一汲極連接至該電感器第二端，一源極輸出該感測信號；以及一第一電阻，連接於該功率電晶體的該源極與一接地端之間。
3. 如申請專利範圍第1項所述之直流轉直流變換系統，其中該負載電路包括串接的多個發光二極體。
4. 如申請專利範圍第1項所述之直流轉直流變換系統，其中該控制單元包括一電容器以及一放電路徑，該電容器接收該補償信號，其中，於該爆發信號的該不動作週期時，利用該放電路徑降低該補償信號，並於該爆發信號的該動作週期時，回復該補償信號。
5. 如申請專利範圍第4項所述之直流轉直流變換系統，其中該控制單元更包括：一反閘，該反閘輸入端接收該爆發信號；一開關電晶體，該電晶體的一閘極連接至該反閘輸出端，一汲極連接至該電容器的一第一端以接收該補償信號；以及一第二電阻，具有一第一端連接至該開關電晶體的一源極，一第二端連接至該電容器的一第二端與該接地端，其中，該第二電阻以及該開關電晶體的該汲極與該源極形成該放電路徑。
6. 一種直流轉直流變換系統，包括：一脈波寬度調變單元，接收一爆發信號，其具有一動作週期與一不動作週期，其中，於該動作週期時該脈波寬度調變單元輸出一閘控信號，且該脈波寬度調變單元係比較一補償信號與一感測信號以控制該閘控信號的一責任週期；一功率級電路，該功率級電路接收一輸入電壓，於該動作週期時，該功率級電路根據該閘控信號的該責任週期來調整一輸出電流並產生相對應的一感測信號；一負載電路，接收該輸出電流；以及一控制單元，接收該補償信號，其中，於該爆發信號的該不動作週期降低該補償信號，且於該爆發信號的該動作週期的一初始時段利用降低的該補償信號來降低該閘控信號的該責任週期。
7. 如申請專利範圍第6項所述之直流轉直流變換系統，其中該功率級電路包括：一電感器，該電感器第一端連接至該輸入電壓；一整流二極體，具有一陽極連接至該電感器的一第二端，具有一陰極連接至該負載電路；一功率電晶體，具有一閘極接收該閘控信號，一汲極連接至該電感器第二端，一源極輸出該感測信號；以及一第一電阻，連接於該功率電晶體的該源極與一接地端之間。
8. 如申請專利範圍第6項所述之直流轉直流變換系統，其中該負載電路包括串接的多個發光二極體。
9. 如申請專利範圍第6項所述之直流轉直流變換系統，其中該控制單元包括一電容器以及一放電路徑，該電容器接收該補償信號，其中，於該爆發信號的該不動作週期時，利用該放電路徑降低該補償信號，並於該爆發信號的該動作週期時，回復該補償信號。
10. 如申請專利範圍第9項所述之直流轉直流變換系統，其中該控制單元更包括：一反閘，該反閘輸入端接收該爆發信號；一開關電晶體，該電晶體的一閘極連接至該反閘輸出端，一汲極連接至該電容器的一第一端以接收該補償信號；以及一第二電阻，具有一第一端連接至該開關電晶體的一源極，一第二端連接至該電容器的一第二端與該接地端；其中，該第二電阻以及該開關電晶體的該汲極與該源極形成該放電路徑。
11. 如申請專利範圍第6項所述之直流轉直流變換系統，其中該脈波寬度調變單元包括：一脈波寬度調變邏輯電路，接收該爆發信號，並且於該動作週期時，輸出一補償信號，並根據接收的一比較結果信號來調整該閘控信號的該責任週期；以及一比較器，比較該補償信號與該感測信號並且於該感測信號上升至該補償信號的準位時，於該比較結果信號上產生一負脈波至該脈波寬度調變邏輯電路。