TWI426691B - 切換式電源供應電路、及其控制電路與方法 - Google Patents

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切換式電源供應電路、及其控制電路與方法
本發明係有關一種切換式電源供應電路、及其控制電路與方法，特別是指一種能防止電流逆流的切換式電源供應電路、及其控制電路與方法。
切換式電源供應電路是一種電壓轉換電路，通常應用在電源供應器(power supply)中，用來將交流或直流電壓轉換為可受調節的電壓。一般切換式電源供應電路包括控制電路和功率級，控制電路以脈寬調變(Pulse Width Modulation；PWM)或脈頻調變(Pulse Frequency Modulation；PFM)的方式操作該功率級，以調節輸出電壓。
切換式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)等等。以上各電路又可分為同步與非同步式，同步切換式電源供應電路使用兩個(升降壓型使用四個)功率電晶體開關，非同步切換式電源供應電路則以二極體取代功率電晶體開關之一。
第1A圖示出先前技術之同步降壓型切換式電源供應電路。切換式電源供應電路10包括連接在輸入電壓Vin和切換節點15之間的上橋電晶體11，以及連接在切換節點15和接地端GND之間的下橋電晶體12。當上橋電晶體11導通，而下橋電晶體12關閉時，電流I1從電源Vin經過上橋電晶體11及電感L 13對電容Cout 14充電，輸出電壓Vout。當切換為上橋電晶體11關閉而下橋電晶體12導通後，剛開始電流 I2從接地端GND經過下橋電晶體12及電感L 13流向電容Cout 14，其大小隨時間下降。參見第1B圖，由於下橋電晶體12是雙向導通的，當電流I2下降至0以後，則變成逆向電流I3從電容Cout 14經過電感L 13及下橋電晶體12流向接地端GND，造成電容Cout 14放電，導致電能浪費。該電流I1~I3均經過電感L 13，因此亦可視為電感電流IL 。尤其，為了維持輸出電壓Vout的準位，在低負載或空載時，也必須交替打開電晶體11及12，於是造成切換損失。
為了改善上述同步切換式電源供應電路在低負載或空載時的效能，美國專利第6,580,258號提出一種控制電路及方法，其係在電感電流低於一臨界準位時，將上橋及下橋電晶體同時關閉(both off)一段時間。此電路或方法係在上橋電晶體關閉而下橋電晶體開啟之期間，當發現電感電流低於臨界位準時，已開啟之下橋電晶體會立即關閉。由於下橋電晶體仍須開啟，故該電路會使得下橋電晶體頻繁開關而造成切換損失，且仍有可能因臨界位準之設定不佳而產生逆向電流。
有鑑於以上所述，本發明即針對先前技術之不足，提出一種可防止電流逆流之電源供應電路、及其控制電路與方法，且該電源供應電路、控制電路與方法能減少電晶體被開關之頻率。
本發明目的之一在提供一種可防止電流逆流之切換式電源供應電路。
本發明之又一目的在提供一種切換式電源供應電路之控制電路。
本發明之再一目的在提供一種切換式電源供應電路之控制方法。
為達上述之目的，就其中一個觀點言，本發明提供了一種切換式電源供應電路，包含：一功率級，包括一上橋開關、一下橋開關及一電感，藉由一切換節點連接在一起；一脈寬調變訊號產生器，產生脈寬調變訊號；一電流偵測電路，接受有關於該上橋開關電流或該電感電流之偵測訊號，與一閥值比較，而產生一下橋關閉訊號；以及一驅動電路，根據該下橋關閉訊號，而決定根據該脈寬調變訊號來控制下橋開關、或關閉該下橋開關直至下一週期。
在其中一種實施型態中，該電流偵測電路包括：一峰值檢測器，接受該上橋開關電流或該電感電流之偵測訊號，並輸出該上橋開關電流或該電感電流之峰值；以及一比較器，比較該峰值及該閥值，以產生該下橋關閉訊號。
就另一個觀點言，本發明提供了一種切換式電源供應電路之控制電路，係控制切換式電源供應電路中上橋開關及下橋開關，該上橋開關、下橋開關及一電感藉由一切換節點連接在一起，所述控制電路包含：一脈寬調變訊號產生器，產生脈寬調變訊號；一電流偵測電路，接受有關於該上橋開關電流或該電感電流之偵測訊號，與一閥值比較，而產生一下橋關閉訊號；以及一驅動電路，根據該下橋關閉訊號，而決定根據該脈寬調變訊號來控制下橋開關、或關閉該下橋開關直至下一週期。
就又另一個觀點言，本發明提供了一種切換式電源供應電路之控制方法，係控制切換式電源供應電路中上橋開關及下橋開關，該上橋開關、下橋開關及一電感藉由一切換節點連 接在一起，所述方法包含：偵測通過上橋開關之電流或該電感之電流；以及當該上橋開關電流或該電感電流低於一閥值時，則關閉該下橋開關直至下一週期，但在該下橋開關關閉的週期中，仍開啟該上橋開關一段時間。
本發明可運用於降壓、升壓、反壓、及升降壓等切換式電源供應電路中。
本發明包括以下兩種操作模式：於脈寬調變訊號之一週期內，上橋開關及該下橋開關交替被開啟之同步模式；以及於脈寬調變訊號之一週期內，僅有上橋開關被開啟而下橋開關恆為關閉之非同步模式。
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。
第2圖示出本發明電源供應電路的一個實施例。電源供應電路20包含控制電路21、功率級22及回授電路23。功率級22包括有上橋開關(例如：功率電晶體)221、下橋開關222及電感223，其中上橋及下橋開關(221、222)係受控制電路21控制而開啟(導通)或關閉，並藉由一切換節點LX連接在一起。控制電路21根據從輸出端Vout萃取出的反饋訊號FB，產生上橋訊號UG及下橋訊號LG分別控制上橋及下橋開關(221、222)的開與關，以將電能從輸入端Vin傳送給輸出端Vout。回授電路23可包括電阻器R1及R2，上述電阻器用來分壓輸出電壓Vout，產生回授電壓FB。功率級22可為但不限於降壓型、升壓型、反壓型、或升降壓型功率轉換電路，若包括至少兩開關元件及可儲能之電感元件均為本發明保護之 範圍。
在本實施例中，控制電路21包括脈寬調變(PWM)訊號產生器211、電流偵測電路212及驅動電路213。PWM訊號產生器211接受回授電壓FB，並根據回授電壓FB產生脈寬調變訊號PWM(雖然稱為脈寬調變訊號PWM，但其調變機制不限於脈寬調變，亦可為脈頻調變方式)。電流偵測電路212會接受有關於電感電流IL 或經過上橋開關221之第一電流I1之偵測訊號，並於電感電流IL 或電流I1低於一閥值時，改變輸出訊號LGoff的位準；以下稱此訊號LGoff為下橋關閉訊號。驅動電路213例如可如第3A圖所示，其中脈寬調變訊號PWM經第一驅動閘2131而產生具有適當位準的上橋訊號UG，脈寬調變訊號PWM之反相訊號經邏輯閘2132和第二驅動閘2133而產生具有適當位準的下橋訊號LG，當訊號LGoff表示電感電流IL 或電流I1低於該閥值時，則下橋訊號LG完全關閉下橋開關222。其中，視下橋關閉訊號LGoff的產生方式、脈寬調變訊號PWM輸入邏輯閘2132的方式、以及上橋及下橋開關(221、222)的型式而定，邏輯閘2132可改為其他型式的邏輯閘，而不必須如本實施例所示為及閘。或是，驅動電路213例如也可如第3B圖所示，其中以下橋關閉訊號LGoff來控制開關2134，當下橋關閉訊號LGoff表示電感電流IL 或電流I1低於該閥值時，關閉開關2134，亦可達成相同的功能。
以上安排方式的作用，請參閱第4圖，當可更加明白，第4圖示出本發明電源供應電路中訊號之波形圖。電感電流IL 於脈寬調變訊號之各週期內因第一電流I1(上升區段)而增加，又電感電流IL 於脈寬調變訊號之各週期內因經過下橋開關222之第二電流I2(下降區段)而減少。當電感電流IL 之 峰值於脈寬調變訊號之各週期內若未低於閥值Ith，則上橋訊號UG及下橋訊號LG會於同一週期交替開啟，此為同步模式。於此同步模式之期間內，切換節點LX上電壓VLX 會規則地於高位準和低位準間切換。但當電感電流IL 之峰值於一週期內低於閥值Ith時，則於該週期內下橋開關222會恆為關閉，成為非同步模式。在非同步模式中，電流I2可從下橋開關222的本體寄生二極體(body diode)流通。反觀先前技術，是在下橋開關222開啟後才偵測電感電流IL 是否接近零電流，從而決定立即關閉已開啟之下橋開關222。因此，本發明可以避免下橋開關222之頻繁開啟與關閉，並且能有效避免逆電流之發生。
詳言之，參見第4圖，於非同步模式之兩個週期內，電感電流IL 之峰值均低於閥值Ith，因此該下橋訊號LG均維持低位準而使得下橋開關222被關閉，如此電感電流IL 的波谷部分會如圖中實線圓弧部分而得到改善，以避免逆電流發生。反觀，前述先前技術之電感電流IL 的波谷會如圖中虛線部分31所示，仍有可能產生逆電流。又，當電流經下橋開關222之本體寄生二極體流通時，表示切換節點LX的電位低於下橋開關222下端的電位，因此電壓VLX 之低位準會比同步模式期間之低位準更低。
第5A圖示出示出本發明電流偵測電路的一個實施例。視閥值Ith的設定位準而定，若閥值Ith設在如第4圖的位準，則表示閥值Ith需要與電感電流IL 的峰值比較，因此電流偵測電路212中可包括峰值檢測器2121，其接受電感電流IL 或第一電流I1，並偵測其峰值Ip，及輸出該峰值Ip至比較器2122。比較器2122會比較峰值Ip及閥值Ith之大小，並輸出訊號 LGoff至驅動電路213。
顯然，若將閥值設定於不同位準，並對應改變電路結構，亦可達成相同的功能，例如可將閥值設定為第4圖的Ith1，則此時閥值Ith1僅單純需要與電感電流IL 比較而不必偵測峰值，因此電流偵測電路212中的峰值檢測器2121就可以省略，如第5B圖所示。
本發明切換式電源供應電路不限於第2圖所示之降壓型(Buck)切換式電源供應電路20，第6圖所示之升壓型(Boost)切換式電源供應電路50、第7圖所示之反壓型(Inverter)切換式電源供應電路60、第8圖所示之升降壓(Buck-Boost)切換式電源供應電路70及第9圖所示之升反壓(Inverter-Boost)切換式電源供應電路80均為本發明保護之範圍及應用之領域。
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，比較器的輸入端正負可以互換。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。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。
10‧‧‧電源供應電路
11‧‧‧上橋電晶體
12‧‧‧下橋電晶體
13‧‧‧電感
14‧‧‧電容
20‧‧‧電源供應電路
21‧‧‧控制電路
211‧‧‧脈寬調變訊號產生 器
212‧‧‧電流偵測電路
2121‧‧‧峰值檢測器
2122‧‧‧比較器
213‧‧‧驅動電路
2131‧‧‧第一驅動閘
2132‧‧‧邏輯閘
2133‧‧‧第二驅動閘
2134‧‧‧開關
22‧‧‧功率級
221‧‧‧上橋開關
222‧‧‧下橋開關
213‧‧‧電感
23‧‧‧回授電路
31‧‧‧虛線部分
50、60、70、80‧‧‧電源供應電路
R1、R2‧‧‧電阻
I1、I2‧‧‧電流
I3‧‧‧逆向電流
IL ‧‧‧電感電流
FB‧‧‧回授電壓
LG‧‧‧下橋訊號
UG‧‧‧上橋訊號
LX‧‧‧切換節點
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
第1A圖示出先前技術之同步切換式電源供應電路。
第1B圖示出先前技術之電感電流之波形圖。
第2圖示出本發明電源供應電路的一個實施例。
第3A-3B圖分別示出本發明驅動電路的兩個實施例。
第4圖示出本發明電源供應電路中訊號之波形圖。
第5A-5B圖分別示出示出本發明電流偵測電路的兩個實施例。
第6圖示出升壓型切換式電源供應器之示意電路圖。
第7圖示出反壓型切換式電源供應器之示意電路圖。
第8圖示出升降壓型切換式電源供應器之示意電路圖。
第9圖示出升反壓型切換式電源供應器之示意電路圖。
20．．．電源供應電路
21．．．控制電路
211．．．脈寬調變訊號產生器
212．．．電流偵測電路
213．．．驅動電路
22．．．功率級
221．．．上橋開關
222．．．下橋開關
223．．．電感
23．．．回授電路
R1、R2．．．電阻
I1、I2．．．電流
IL ．．．電感電流
FB．．．回授電壓
LG．．．下橋訊號
UG．．．上橋訊號
LX．．．切換節點
Vin．．．輸入電壓
Vout．．．輸出電壓

Claims (10)

  1. 一種切換式電源供應電路，包含：一功率級，包括一上橋開關、一下橋開關及一電感，藉由一切換節點連接在一起；一脈寬調變訊號產生器，產生脈寬調變訊號；一電流偵測電路，接受有關於該上橋開關電流或該電感電流之偵測訊號，與一閥值比較，而產生一下橋關閉訊號；以及一驅動電路，根據該下橋關閉訊號，而決定根據該脈寬調變訊號來控制下橋開關、或關閉該下橋開關直至下一週期。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之切換式電源供應電路，其中該電流偵測電路包括：一峰值檢測器，接受該上橋開關電流或該電感電流之偵測訊號，並輸出該上橋開關電流或該電感電流之峰值；以及一比較器，比較該峰值及該閥值，以產生該下橋關閉訊號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之切換式電源供應電路，其中該電流偵測電路包括：一比較器，將該上橋開關電流或該電感電流之偵測訊號與該閥值比較，以產生該下橋關閉訊號。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之切換式電源供應電路，其操作狀況包括以下兩種模式：於該脈寬調變訊號之一週期內，該上橋開關及該下橋開關交替被開啟之同步模式；以及於該脈寬調變訊號之一週期內，僅有該上橋開關被開啟而該下橋開關恆為關閉之非同步模式。
  5. 一種切換式電源供應電路之控制電路，係控制一切換式電源供應電路中一上橋開關及一下橋開關，該上橋開關、下橋開關及一電感藉由一切換節點連接在一起，所述控制電路包含：一脈寬調變訊號產生器，產生脈寬調變訊號；一電流偵測電路，接受有關於該上橋開關電流或該電感電流之偵測訊號，與一閥值比較，而產生一下橋關閉訊號；以及一驅動電路，根據該下橋關閉訊號，而決定根據該脈寬調變訊號來控制下橋開關、或關閉該下橋開關直至下一週期。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之切換式電源供應電路之控制電路，其中該電流偵測電路包括：一峰值檢測器，接受該上橋開關電流或該電感電流之偵測訊號，並輸出該上橋開關電流或該電感電流之峰值；以及一比較器，比較該峰值及該閥值，以產生該下橋關閉訊號。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之切換式電源供應電路之控制電路，其中該電流偵測電路包括：一比較器，將該上橋開關電流或該電感電流之偵測訊號與該閥值比較，以產生該下橋關閉訊號。
  8. 一種切換式電源供應電路之控制方法，係控制一切換式電源供應電路中一上橋開關及一下橋開關，該上橋開關、下橋開關及一電感藉由一切換節點連接在一起，所述方法包含：偵測通過該上橋開關之電流或該電感之電流；以及當該上橋開關電流或該電感電流低於一閥值時，則關閉該下橋開關直至下一週期，但在該下橋開關關閉的週期中，仍開啟該上橋開關一段時間。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之切換式電源供應電路之控制方法，更包含：偵測該上橋開關電流或該電感電流之峰值；以及將該峰值與該閥值比較。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之切換式電源供應電路之控制方法，其中當該上橋開關電流或該電感電流不低於一閥值時，於一週期內，該上橋開關及該下橋開關交替開啟；以及當該上橋開關電流或該電感電流低於一閥值時，於一週期內，僅有該上橋開關被開啟而該下橋開關恆為關閉。
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