TWI419449B - 改善暫態變化反應之電源供應電路、及其控制電路與方法 - Google Patents

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Description

改善暫態變化反應之電源供應電路、及其控制電路與方法
本發明係有關一種改善暫態變化反應之電源供應電路、及其控制電路與方法。
電源供應電路有多種型式，例如降壓型(Buck Converter)、升壓型(Boost Converter)、反壓型(Inverter Converter)、升降壓型(Buck-Boost Converter)、及返馳型(Fly Back Converter)等等。首先以降壓型電源供應電路為例來加以說明，其電路結構大致如第1圖所示，降壓型電源供應電路1包含有兩個功率電晶體開關Q1、Q2，受控制電路10所控制；控制電路10根據從輸出端萃取出的反饋電壓訊號FB，產生開關控制訊號控制電晶體Q1、Q2的開與關，以將電能從輸入端IN傳送給輸出端OUT。第2圖示出升壓型電源供應電路2，第3圖示出反壓型電源供應電路3，第4圖示出升降壓型電源供應電路4，第5圖示出返馳型電源供應電路5，以上電路雖然電路架構和功率電晶體開關數目有所不同，但均是由控制電路10根據反饋電壓訊號FB，而產生開關控制訊號控制功率電晶體開關。(返馳型電源供應電路5係透過光耦合電路19取得反饋電壓訊號FB，其細節已為本技術領域人士所熟知，不予贅述。)
上述各種先前技術中，其控制電路10之內部結構大致如第6圖，其中由誤差放大器(EA)12將反饋電壓訊號FB與參考電壓Vref比較後產生誤差放大訊號VEA ，並由PWM比較器14將此誤差放大訊號VEA 與鋸齒波訊號比較後，產生脈寬調變訊號，再經過驅動電路16產生足夠的驅動電壓準位，以驅動功率電晶體開關Q的閘極。
上述先前技術的缺點是，當輸入電壓例如因供電不穩或其他原因發生暫態變化時，整體電路的反應時間不夠迅速；此暫態變化必須先反應在輸出電壓上，再反饋經過誤差放大器EA 12、PWM比較器14等之延遲後，才反應至功率電晶體開關Q，且功率電晶體開關Q需要經過多個切換周期後，才能將輸出電壓平衡至所要的準位。
美國專利第2007/0013354號案中提出一種預測終點的作法，如第7圖所示，其係在降壓型電源供應電路中，當參考電壓Vref改變時，直接將參考電壓Vref加至誤差放大器EA 12的輸出，以提前快速反應，加速電路平衡時間。該案並非針對解決輸入電壓暫態變化的問題，其目的主要是在參考電壓Vref為可變的電路架構下，針對解決參考電壓Vref變化時的電路反應效率問題，其作法並不能適用在參考電壓Vref不可變的架構下，且該案直接疊加參考電壓Vref的作法僅能運用於降壓型電源供應電路，而不能運用於升壓型、反壓型等其他型式的電源供應電路中。
有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種可改善暫態變化反應效率的電源供應電路與方法。
本發明目的之一在提供一種改善暫態變化反應之電源供應電路。
本發明之又一目的在提供一種電源供應電路之控制電路。
本發明之再一目的在提供一種改善電源供應電路暫態變化反應的方法。
為達上述之目的，就其中一個觀點言，本發明提供了一種改善暫態變化反應之電源供應電路，包含：功率級電路，包含至少一個功率電晶體開關，藉由該功率電晶體開關的切換，而將輸入電壓轉換為輸出電壓；誤差放大器，將與輸出電壓有關的第一反饋訊號與一參考訊號相比較，產生誤差放大訊號；輸入電壓瞬間變化萃取電路，其萃取輸入電壓瞬間變化並產生與該瞬間變化量有關之訊號；脈寬調變(PWM)比較器，其至少根據一鋸齒波訊號、該誤差放大訊號、及該與瞬間變化量有關之訊號，而產生PWM訊號，藉以控制功率級電路中之該功率電晶體開關。
該電源供應電路可更包含輸出電壓反饋電路，產生與輸出電壓有關的第二反饋訊號，且該PWM比較器根據所述鋸齒波訊號、誤差放大訊號、與瞬間變化量有關之訊號、及該第二反饋訊號而產生所述PWM訊號。
就另一個觀點言，本發明提供了一種電源供應電路之控制電路，該電源供應電路包括至少一個功率電晶體開關，藉由該功率電晶體開關的切換，而將輸入電壓轉換為輸出電壓，所述控制電路包含：誤差放大器，將與輸出電壓有關的第一反饋訊號與一參考訊號相比較，產生誤差放大訊號；輸入電壓瞬間變化萃取電路，其萃取輸入電壓瞬間變化並產生與該瞬間變化量有關之訊號；脈寬調變(PWM)比較器，其至少根據一鋸齒波訊號、該誤差放大訊號、及該與瞬間變化量有關之訊號，而產生PWM訊號，藉以控制該電源供應電路中之功率電晶體開關。
在其中一種實施型態中，該電源供應電路及該控制電路中之輸入電壓瞬間變化萃取電路包括：第一分壓電路，其包括串聯之第一電阻與第二電阻，及與第一電阻並聯之第一電容，該第一電阻之一端與輸入電壓電連接，另一端與該第二電阻之一端電連接，該第二電阻之另一端接地；第二分壓電路，其包括串聯之第三電阻與第四電阻，及與第四電阻並聯之第二電容，該第三電阻之一端與輸入電壓電連接，另一端與該第四電阻之一端電連接，該第四電阻之另一端接地；以及運算放大器，其輸入端分別與第一電阻和第二電阻之連接節點、及第三電阻和第四電阻之連接節點電連接。
就又另一個觀點言，本發明提供了一種改善電源供應電路暫態變化反應之方法，該電源供應電路包括一功率級電路，此功率級電路包含至少一個功率電晶體開關，藉由該功率電晶體開關的切換，而將輸入電壓轉換為輸出電壓，所述方法包含：將與輸出電壓有關的第一反饋訊號與一參考訊號相比較，產生誤差放大訊號；萃取輸入電壓瞬間變化並產生與該瞬間變化量有關之訊號；取得一鋸齒波訊號；至少根據該鋸齒波訊號、該誤差放大訊號、及該與瞬間變化量有關之訊號，而產生脈寬調變(PWM)訊號；以及根據該PWM訊號控制功率級電路中之該功率電晶體開關。
上述方法中，該萃取輸入電壓瞬間變化的步驟較佳包括：保持輸入電壓前一瞬間的第一分壓值；取得輸入電壓目前瞬間的第二分壓值；以及取得第一分壓值和第二分壓值的差值。且該第一分壓值和第二分壓值的差值可乘以一比例倍數後再輸出。
本發明可運用於降壓、升壓、反壓、升降壓、及返馳型電源供應電路中。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
請參考第8圖，其中顯示本發明的第一個實施例。本發明中，係藉由輸入電壓瞬間變化萃取電路(ΔV‧K)21取得輸入電壓IN的瞬間變化值ΔV，並轉換為其適當比例(K倍，K可為任何正負實數，其絕對值可大於、等於或小於1)後，直接疊加至誤差放大器EA 22的輸出端，以快速反應輸入電壓的變化。
詳言之，如第8圖所示，本實施例之改善暫態變化反應之電源供應電路中包含誤差放大器(EA)12、PWM比較器14、驅動電路16、輸入電壓瞬間變化萃取電路21、功率級28，其中除功率級28以外的電路構成控制電路20。功率級28藉由其內部功率電晶體開關的切換，而將輸入電壓IN轉換為輸出電壓OUT；其例如可為(但不限於)第9A-9G圖中所顯示的任何形式。當輸入電壓IN無變化時，輸入電壓瞬間變化萃取電路21的輸出為零，誤差放大器12的輸出VEA 直接傳送至PWM比較器14的正輸入端，與鋸齒波訊號相比較，以產生PWM訊號，並透過驅動電路16驅動功率級28中的功率電晶體開關。另一方面，當輸入電壓發生變化時，輸入電壓瞬間變化萃取電路21即取得輸入電壓IN的瞬間變化值ΔV，並轉換為K倍，以配合反饋訊號FB、參考訊號Vref和輸出電壓OUT之間的關係，此轉換後的電壓(ΔV‧K)與誤差放大訊號VEA 相加後，在PWM比較器14中與鋸齒波訊號相比較，以產生PWM訊號。圖中顯示(ΔV‧K)與VEA 的相加係透過加法器23來達成，此加法器23不必須包含任何電路元件，其最簡單形式可僅為一個節點。
以上所述根據輸入電壓瞬間變化之反應操作，舉例而言請參閱第10圖，假設功率級28為升壓轉換，且PWM比較器14之輸出訊號原為PWM-1，當輸入電壓IN瞬間下降時，因輸入電壓瞬間變化萃取電路21迅速產生(ΔV‧K)之輸出並疊加至誤差放大訊號VEA 之上，因此PWM比較器14將以VEA +(ΔV‧K)與鋸齒波訊號相比較，其輸出訊號將迅速改變為PWM-2，以利功率級28加速進行升壓轉換。當輸入電壓IN平衡後，(ΔV‧K)即趨於零，而誤差放大訊號VEA 也將平衡於新的準位，如圖中虛線所示。
輸入電壓瞬間變化萃取電路21有各種實施方式，舉一例請參見第11圖，其中由電阻R1、R2和電阻R3、R4所構成的分壓電路分別對輸入電壓IN取分壓，且電阻R1和電阻R4分別與電容C1和C2並聯。當輸入電壓發生瞬間變化時，電容C2上的跨壓將保持為其前一瞬間的電壓，但由於電容C1的耦合效應，電阻R2上的跨壓將迅速反應為其目前瞬間的電壓，兩者間的差值即為輸入電壓IN變化量ΔV的比例值，而該比例值可經由運算放大器OP 25運算產生適當的倍率後予以輸出。
根據本案發明人的實驗，當輸入電壓IN發生約50微秒的瞬間變化時，第6圖先前技術約需60微秒才能反應到達平衡狀態，但本發明在約10微秒左右即可以提前反應到達平衡狀態。
第12圖顯示本發明的另一個實施例。本實施例與第8圖實施例的差別在於，第8圖實施例為開迴路控制，而本實施例為閉迴路控制。如圖所示，輸出電壓反饋電路29取得與輸出電壓OUT有關的訊號，並反饋與鋸齒波訊號相加，再將其結果輸入PWM比較器14的負輸入端。輸出電壓反饋電路29例如可用電阻分壓電路來達成。第13圖顯示本發明的另一個實施例，本實施例與第12圖實施例的差別在於，輸出電壓反饋電路29的輸出係與誤差放大訊號VEA 相加。以上第12圖和第13圖實施例都可達成閉迴路控制的目的，至於其他電路細節則與第8圖相似，不與贅述。當然，第12圖和第13圖實施例中，欲取得適當的結果，輸出電壓反饋電路29的輸出必須取正確的正負號再與其他訊號相加(或相減)。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化。例如，各比較器、誤差放大器、運算放大器的輸入端正負可以互換，僅需對應修正後級電路的訊號處理方式即可。又如，在所示直接連接的兩電路單元間，可以插入不影響主要功能的電路。再如，本發明也可適用於參考電壓Vref為可變的電路架構。以上種種，及其他各種等效變化，均應包含在本發明的範圍之內。
1．．．降壓型電源供應電路
2．．．升壓型電源供應電路
3．．．反壓型電源供應電路
4．．．升降壓型電源供應電路
5．．．返馳型電源供應電路
10．．．控制電路
12．．．誤差放大器
14．．．PWM比較器
16．．．驅動電路
19．．．光耦合電路
20．．．控制電路
21．．．輸入電壓瞬間變化萃取電路
23．．．加法器
25．．．運算放大器
28．．．功率級
29．．．輸出電壓反饋電路
C1,C2．．．電容
IN．．．輸入電壓
OUT．．．輸出電壓
Q,Q1,Q2．．．功率電晶體
R1-R4．．．電阻
第1圖至第5圖分別示出先前技術之降壓型、升壓型、反壓型、升降壓型、及返馳型電源供應電路。
第6圖示出第1圖至第5圖電源供應電路中之控制電路的內部電路圖。
第7圖示出美國專利第2007/0013354號案所提出之電路架構。
第8圖示出本發明的第一個實施例。
第9A-9G圖示出功率級28的數個實施例。
第10圖說明輸入電壓瞬間變化時，PWM訊號如何快速反應。
第11圖示出輸入電壓瞬間變化萃取電路21的一個實施例。
第12圖和第13圖示出本發明的兩個實施例。
12．．．誤差放大器
14．．．PWM比較器
16．．．驅動電路
20．．．控制電路
21．．．輸入電壓瞬間變化萃取電路
23．．．加法器
28．．．功率級
IN．．．輸入電壓
OUT．．．輸出電壓

Claims (16)

  1. 一種改善暫態變化反應之電源供應電路，包含：功率級電路，包含至少一個功率電晶體開關，藉由該功率電晶體開關的切換，而將輸入電壓轉換為輸出電壓；誤差放大器，將與輸出電壓有關的第一反饋訊號與一參考訊號相比較，產生誤差放大訊號；輸入電壓瞬間變化萃取電路，其萃取輸入電壓瞬間變化並產生與該瞬間變化量有關之訊號，該輸入電壓瞬間變化萃取電路包括：第一分壓電路，其包括串聯之第一電阻與第二電阻，及與第一電阻並聯之第一電容，該第一電阻之一端與輸入電壓電連接，另一端與該第二電阻之一端電連接，該第二電阻之另一端接地；第二分壓電路，其包括串聯之第三電阻與第四電阻，及與第四電阻並聯之第二電容，該第三電阻之一端與輸入電壓電連接，另一端與該第四電阻之一端電連接，該第四電阻之另一端接地；以及運算放大器，其輸入端分別與第一電阻和第二電阻之連接節點、及第三電阻和第四電阻之連接節點電連接；以及脈寬調變(PWM)比較器，其至少根據一鋸齒波訊號、該誤差放大訊號、及該與瞬間變化量有關之訊號，而產生PWM訊號，藉以控制功率級電路中之該功率電晶體開關。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之改善暫態變化反應之電源供應電路，其中該與瞬間變化量有關之訊號為該輸入電壓瞬間變化量的比例值。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之改善暫態變化反應之電源供應電路，其中該功率級進行為以下電壓轉換之一：降壓、升壓、反壓、升降壓、及返馳電壓轉換。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之改善暫態變化反應之電源供應電路，更包含輸出電壓反饋電路，產生與輸出電壓有關的第二反饋訊號，且該PWM比較器根據所述鋸齒波訊號、誤差放大訊號、與瞬間變化量有關之訊號、及該第二反饋訊號而產生所述PWM訊號。
  5. 如申，請專利範圍第4項所述之改善暫態變化反應之電源供應電路，其中該第二反饋訊號與該鋸齒波訊號相加後輸入該PWM比較器。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之改善暫態變化反應之電源供應電路，其中該第二反饋訊號與誤差放大訊號及該與瞬間變化量有關之訊號之和相加後輸入該PWM比較器。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之改善暫態變化反應之電源供應電路，更包含一驅動電路，接收該PWM訊號，並產生對應之電壓準位驅動所述功率電晶體開關。
  8. 一種改善電源供應電路暫態變化反應之方法，該電源供應電路包括一功率級電路，此功率級電路包含至少一個功率電晶體開關，藉由該功率電晶體開關的切換，而將輸入電壓轉換為輸出電壓，所述方法包含：將與輸出電壓有關的第一反饋訊號與一參考訊號相比較，產生誤差放大訊號；萃取輸入電壓瞬間變化並產生與該瞬間變化量有關之訊號；保持輸入電壓前一瞬間的第一分壓值； 取得輸入電壓目前瞬間的第二分壓值；取得第一分壓值和第二分壓值的差值；將該第一分壓值和第二分壓值的差值乘以一比例倍數後輸出；取得一鋸齒波訊號；至少根據該鋸齒波訊號、該誤差放大訊號、及該與瞬間變化量有關之訊號，而產生脈寬調變(PWM)訊號；以及根據該PWM訊號控制功率級電路中之該功率電晶體開關。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之改善電源供應電路暫態變化反應之方法，其中該功率級進行為以下電壓轉換之一：降壓、升壓、反壓、升降壓、及返馳電壓轉換。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之改善電源供應電路暫態變化反應之方法，更包含：產生與輸出電壓有關的第二反饋訊號，且該產生PWM訊號之步驟係根據所述鋸齒波訊號、誤差放大訊號、與瞬間變化量有關之訊號、及該第二反饋訊號而產生所述PWM訊號。
  11. 一種電源供應電路之控制電路，該電源供應電路包括至少一個功率電晶體開關，藉由該功率電晶體開關的切換，而將輸入電壓轉換為輸出電壓，所述控制電路包含：誤差放大器，將與輸出電壓有關的第一反饋訊號與一參考訊號相比較，產生誤差放大訊號；輸入電壓瞬間變化萃取電路，其萃取輸入電壓瞬間變化並產生與該瞬間變化量有關之訊號，該輸入電壓瞬間變化萃取電路包括：第一分壓電路，其包括串聯之第一電阻與第二電阻，及與第一電阻並聯之第一電容，該第一電阻之一端與輸 入電壓電連接，另一端與該第二電阻之一端電連接，該第二電阻之另一端接地；第二分壓電路，其包括串聯之第三電阻與第四電阻，及與第四電阻並聯之第二電容，該第三電阻之一端與輸入電壓電連接，另一端與該第四電阻之一端電連接，該第四電阻之另一端接地；以及運算放大器，其輸入端分別與第一電阻和第二電阻之連接節點、及第三電阻和第四電阻之連接節點電連接；以及脈寬調變(PWM)比較器，其至少根據一鋸齒波訊號、該誤差放大訊號、及該與瞬間變化量有關之訊號，而產生PWM訊號，藉以控制該電源供應電路中之功率電晶體開關。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之電源供應電路之控制電路，其中該與瞬間變化量有關之訊號為該輸入電壓瞬間變化量的比例值。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之電源供應電路之控制電路，其中該功率級進行為以下電壓轉換之一：降壓、升壓、反壓、升降壓、及返馳電壓轉換。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之電源供應電路之控制電路，其中此控制電路更取得與輸出電壓有關的第二反饋訊號，並將該第二反饋訊號與該鋸齒波訊號相加後輸入該PWM比較器。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之電源供應電路之控制電路，其中此控制電路更取得與輸出電壓有關的第二反饋訊號，並將該第二反饋訊號與與誤差放大訊號及該與瞬間變化量有關之訊號之和相加後輸入該PWM比較器。
  16. 如申請專利範圍第11項所述之電源供應電路之控制電路，更包含一驅動電路，接收該PWM訊號，並產生對應之電壓準位驅動所述功率電晶體開關。
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