TWI430543B

TWI430543B - 在升降壓轉換器內提供線性升降壓變遷的系統及方法

Info

Publication number: TWI430543B
Application number: TW099137747A
Authority: TW
Inventors: Zaki Moussaoui
Original assignee: Intersil Inc
Priority date: 2009-11-03
Filing date: 2010-11-03
Publication date: 2014-03-11
Also published as: DE102010060332A1; US20100085028A1; CN102064697A; CN102064697B; US8232789B2; TW201141024A

Description

在升降壓轉換器內提供線性升降壓變遷的系統及方法

本發明係關於升降壓轉換器，且更特定而言係關於用於控制升降壓轉換器之操作以在降壓操作模式與升壓操作模式之間提供線性變遷的系統及方法。

申請案之交互參照

本申請案為2009年4月24日申請之名為「在升降壓轉換器內提供線性升降壓變遷的系統及方法」的美國專利申請案第12/429,241號之部分接續申請案，其主張2008年10月6日申請之名為「升降壓變遷」之美國臨時專利申請案第61/103,103號之優先權，該等申請案中每一者以引用方式併入本文中。

在許多電池操作系統中，可發生輸入電壓下降成低於輸出電壓之情形。當發生此情形時，除需要降壓轉換器外亦需要升壓轉換器，以便向系統提供經調節電源。當利用升降壓轉換器時，自升壓操作模式至降壓操作模式及自降壓操作模式至升壓操作模式之變遷為非線性的。此情形可引起在升降壓電壓調節器之輸出處發生超越或低越電壓條件。因此，需要提供用於升降壓調節器之某一類型之控制機制，其提供較線性之操作特性且實質上避免超越及低越電壓問題。

如本文中所揭示且描述，本發明的一態樣中包含一種電壓調節器，該電壓調節器包括用於回應於一輸入電壓及複數個開關控制信號而產生一輸出電壓的第一電路。開關控制電路回應於該輸出電壓以及一降壓斜坡信號和一升壓斜坡信號中至少一者來產生該等開關控制信號。電壓斜坡產生電路產生該降壓斜坡信號及該升壓斜坡信號中每一者。該升壓斜坡信號包含偏移有該降壓斜坡信號之峰值的降壓斜坡信號。

現參看圖式，其中類似參考數字在本文中用以遍及全文指示類似元件，說明且描述用於在升降壓轉換器內提供線性升降壓變遷的系統及方法的各種視圖及具體實例，且描述其他可能具體實例。該等圖未必按比例繪製，且在一些情形下，僅出於說明目的，該等圖式已在適當處進行誇示及/或簡化。一般熟習此項技術者將基於可能具體實例之以下實施例瞭解許多可能應用及變化。

在許多電池操作系統中，可發生輸入電壓下降成低於輸出電壓之情形。當發生此情形時，除需要降壓轉換器外，可亦需要升壓轉換器，以便向系統提供經調節電源。當利用升降壓轉換器時，自升壓操作模式至降壓操作模式及自降壓操作模式至升壓操作模式之變遷為非線性的。此情形可引起在升降壓電壓調節器之輸出處發生超越或低越電壓條件。因此，需要提供用於升降壓調節器之某一類型之控制機制，其提供更線性操作特性且實質上避免超越及低越電壓問題。許多現有解決方案利用調節器之輸入電壓及輸出電壓來判定用於降壓及升壓操作模式之變遷點。另外，此等解決方案設置圍繞此等瞬時點之區間(window)，其中升降壓轉換器之所有四個開關以全橋接式組態加以使用。

現參看圖1，說明升降壓轉換器102及關聯的開關控制電路104之示意圖。經由開關電晶體108將處於V_IN 之輸入電壓施加於節點106處。開關電晶體108連接在節點106與節點110之間。第二電晶體112連接在節點110與接地節點114之間。電感器116連接在節點110與節點118之間。電晶體120連接在節點118與接地之間。第四電晶體122連接在節點118與節點124之間，且輸出電容126連接在節點124與接地之間。節點124包含提供輸出電壓V_OUT 之輸出電壓節點。開關控制電路104接收來自輸出電壓節點124之回饋作為輸出電壓V_OUT ，且使用此資訊來產生分別至升降壓調節器之電晶體108、112、120及122中每一者的開關控制信號S₁ 、S₂ 、S₃ 及S₄ 。

現參看圖1b，說明用於在開關控制器104內產生PWM開關信號至升降壓轉換器之開關之驅動器電路的電路。回應於來自輸出電壓節點124之輸出電壓V_OUT 及參考電壓V_REF 而自誤差放大器140產生補償信號。將自誤差放大器140提供之補償信號提供至PWM比較器142之非反相輸入。PWM比較器142之反相輸入接收一斜坡信號，且回應於該斜坡信號及來自誤差放大器140之補償信號而產生PWM信號至驅動器電路144。如下描述，此電路可用以產生降壓或升壓PWM信號。驅動器電路144回應於該PWM信號而產生驅動信號至升降壓調節器之各種開關電晶體。

圖2說明開關控制器104內所提供之標準降壓斜坡控制器信號。所產生之降壓斜坡202與輸出補償器信號COMP_OUT 204一起使用以產生降壓PWM驅動信號208。舉例而言，該補償器信號可包含如上文描述之誤差放大器140之輸出。如可見的，當降壓斜坡信號202在點206處下降成低於補償器信號204時，降壓PWM信號208變成邏輯「高」位準。當降壓斜坡信號202變成高於補償器信號204時(諸如，其在點210處如此進行)，降壓PWM信號208降落至邏輯「低」位準。

現參看圖3，說明當降壓轉換器之輸出電壓開始減小或輸入電壓開始減小時出現的降壓斜坡202、補償器信號204及降壓PWM信號208。如可見的，當補償器信號204升高成高於降壓斜坡信號峰值302時，如點304與點306之間所說明，降壓PWM信號208之脈寬增加。此情形係歸因於以下事實：在補償器輸出信號204高於斜坡峰值302時，PWM信號208變成邏輯「高」位準。隨著補償器信號204減小且可再次在點308處與降壓斜坡信號202相交，可判定降壓斜坡信號202現高於補償器信號204且降壓PWM信號208在306處下降至邏輯低位準。一旦補償器信號204下降成低於降壓斜坡信號202之峰值302，降壓PWM輸出208即以類似於先前關於圖2所描述方式的方式操作，其中在降壓斜坡信號202低於補償器輸出時，降壓PWM信號208變成邏輯「高」位準，且當降壓斜坡信號202高於補償器輸出204時，降壓PWM信號208變成邏輯「低」位準。

當降壓調節器之輸入電壓下降成低於輸出電壓時，需要一升壓轉換器。然而，自降壓至升壓之此變遷為非線性，且可引起在電路內發生低越或超越電壓條件。下文描述之當前解決方案藉由使用補償器信號來達成一線性變遷而克服此等超越及低越問題。升壓斜坡電壓信號設計成使得當輸入電壓開始減小時，降壓轉換器之工作循環將增加，但在某一點，輸入電壓將高於降壓信號斜坡峰值，如圖2中所說明。若在達成100%之降壓工作循環之後，輸入電壓繼續下降，且升壓操作模式未啟動，則轉換器之輸出電壓將開始下降。此情形將引起補償信號204繼續增加。

為克服此問題，如圖4更全面說明，可藉由使降壓斜坡電壓偏移有等於用於降壓操作模式之降壓斜坡電壓之峰值的DC電壓位準來產生升壓斜坡電壓402。此DC偏移升壓斜坡電壓402可在升壓降壓變遷或降壓升壓變遷期間用於升壓斜坡信號以使得轉換器之操作能保持線性。當補償器信號204高於降壓斜坡信號202時，如先前關於圖3所述，降壓PWM信號將保持處於邏輯高位準而提供非線性操作。藉由利用升壓斜坡信號402與補償器輸出204來替代降壓斜坡信號202，可產生具有線性特性之升壓PWM信號404。在此狀況下，在點406處當升壓斜坡信號402降落成低於補償器輸出204時，升壓PWM信號404變成邏輯高位準。類似地，當在點408處升壓斜坡信號402升高成高於補償器信號204時，升壓PWM信號404變成邏輯低位準。

現參看圖5，說明用於產生用於降壓及升壓操作模式之斜坡信號以產生圖4所說明波形的電路的方塊圖。在節點502處提供降壓斜坡信號輸出208。在節點504處提供升壓斜坡信號。在節點502處提供來自電壓量測電路506之降壓斜坡信號。該電壓量測電路量測跨一串聯RLC分支508之電壓，該串聯RLC分支508包含與一電容器串聯之電阻器。該串聯RLC分支508連接在節點510與節點512之間。經控制電流源518連接至節點510，且接收來自一經儲存常數至儲存位置516之輸入。經控制電流源518另外連接至接地節點512。理想開關520連接在節點510與節點512之間。理想開關520提供輸出至端子521之輸送資料型傳輸延遲。理想開關520接收經由資料轉換提供的來自關係運算器526之輸入。在522判定降壓斜坡信號之斜坡峰值，且將其提供至關係運算器526，關係運算器526判定斜坡峰值是大於抑或等於藉由電壓量測電路506進行之電壓量測(包含斜坡電壓)。加法器電路524使儲存於位置522處之斜坡峰值DC偏移與自電壓量測電路506提供之降壓斜坡信號相加以在節點504處產生升壓斜坡信號。以此方式，升壓斜坡信號等於降壓斜坡信號加上所要峰值DC偏移。

現參看圖6，說明用於關於圖5所描述斜坡產生電路的控制器及驅動器電路。將來自節點502之降壓斜坡信號提供至第一關係運算器606。將來自節點504之升壓斜坡信號提供至第二關係運算器608。關係運算器606及608包含一大於或等於關係運算。在節點610處提供補償信號204以使得補償信號可與降壓斜坡波形及升壓斜坡波形兩者比較。若補償信號大於降壓斜坡信號，則使用升壓斜坡信號來驅動升壓轉換器驅動器604。若補償信號不大於降壓斜坡信號，則使用降壓斜坡信號來驅動降壓驅動器602。以此方式，使用在節點610處補償信號與降壓斜坡信號及升壓斜坡信號之比較，可在降壓驅動器602與升壓驅動器604之間的切換期間達成線性操作。

現看圖7至11，所例示各種模擬結果說明使用線性補償器輸出提供自降壓至升壓及自升壓至降壓之變遷，其不需要如其他方法所需之輸入電壓位準的知識。此系統之一主要優點在於：一次僅使用兩個開關，而非如在先前技術實施方案中所需之四個開關，因此提供總效率改良。

圖7說明隨著升降壓電路自大體在區段702及704中說明之降壓操作模式切換至大體在區段706中說明之升壓操作模式，藉由線708說明之輸入電壓在自降壓操作模式切換至升壓操作模式且返回時開始下降或增加。藉由線710表示之輸出電壓保持為相對線性的。

圖8說明降壓操作模式與升壓操作模式之間的變遷數目，其中降壓模式大體在808處說明且升壓模式大體在806處說明。遍及此操作，不管輸入電壓804之增加，輸出電壓802保持線性。

圖9說明自升壓操作模式至降壓操作模式的變遷。如在該變遷期間可見，不管減小之輸入電壓904，輸出電壓902保持線性。

圖10說明在升壓/降壓模式期間的PWM驅動，其中V_IN 大致等於V_OUT 。線1002說明遍及在圖之底部說明的升壓模式與降壓模式之間的轉換，輸出電壓及輸入電壓保持線性。

圖11說明在升壓操作模式及降壓操作模式期間輸出電壓以一相對線性之方式隨時間振盪的方式。

藉由實施所提議之斜坡變遷方案，升壓操作模式與降壓操作模式之間的變遷變得較線性且僅依賴於本質上為線性的補償器輸出。另外，電路在升壓及降壓轉換器內僅需要使用兩個開關，而非如先前技術方法中所需之四個開關。

現參看圖12，說明用於以電流控制模式藉由升降壓電壓調節器內之開關控制電路104(圖1)產生降壓PWM信號及升壓PWM信號的替代實例。在電壓調節器之電流模式控制之狀況下使用對電壓調節器斜坡電壓之I_BUCK及I_BOOST控制的添加。I_BOOST電流及I_BUCK電流分別包含跨升壓側之下部開關的電流及跨降壓側之上部開關的電流。將降壓斜坡電壓1202施加至加法器電路1204之第一輸入。將降壓電流(I_BUCK)1206施加至加法器電路1204之第二輸入。可以三種可能方式量測電流I_BUCK 1206。此等方式中每一者在進行量測時需要上部降壓開關108接通(圖1)。可量測跨升降壓調節器之電感器116(圖1)的I_BUCK電流1206。另或者，可量測跨與電晶體108串聯之電阻器的I_BUCK電流1206。最後，可跨上部降壓開關電晶體108進行I_BUCK電流量測1206。

將加法器電路1204之輸出提供至比較器1208。比較器1208之另一輸入接收來自電壓調節器之誤差放大器之補償信號COMP。使用比較器1208之輸出來在輸出1210處產生降壓PWM信號。亦將加法器1204之輸出施加至第二加法器電路1212之輸入。加法器電路1212之其他輸入連接以接收可程式化位準移位1214及I_BOOST電流1216。可程式化位準移位1214包含斜坡電壓待移位之可程式化位準。在下部升壓開關電晶體120接通時，I_BOOST電流1216包含升壓電流且可以三種可能方式量測。在下部升壓開關電晶體120接通時，可量測跨電感器116、跨與電晶體120串聯之電阻器、或跨下部升壓開關電晶體120的I_BOOST電流。將來自加法器1212之移位斜坡信號之輸出施加至比較器1218之輸入。比較器1218之另一輸入連接以接收來自誤差放大器之補償信號COMP。比較器1218之輸出在輸出1220處提供升壓PWM信號。

受益於本發明的熟習此項技術者將瞭解用於在升降壓轉換器內提供線性升降壓變遷的此系統及方法。應理解，本文中之圖式及實施方式以說明性而非限制性方式考慮，且不意欲限於所揭示之特定形式及實施例。相反，包括一般熟習此項技術者顯而易見的任何另外修改、改變、重新配置、取代、更改、設計選擇及具體實例，而不脫離如由隨附申請專利範圍界定的其精神及範疇。因此，意欲將以下申請專利範圍解釋為涵蓋所有此等另外修改、改變、重新配置、取代、更改、設計選擇及具體實例。

102．．．升降壓轉換器

104．．．開關控制電路

106．．．節點

108．．．開關電晶體

110．．．節點

112．．．電晶體

114．．．接地節點

116．．．電感器

118．．．節點

120．．．電晶體

122．．．電晶體

124．．．節點

126．．．輸出電容

140．．．誤差放大器

142．．．PWM比較器

144．．．驅動器電路

202．．．降壓斜坡

204．．．輸出補償信號

206．．．點

208．．．PWM驅動信號

210．．．點

302．．．峰值

304．．．點

306．．．點

308．．．點

402．．．升壓斜坡電壓

404．．．升壓PWM信號

406．．．點

408．．．點

502．．．節點

504．．．節點

506．．．電壓量測電路

508．．．RCL分支

510．．．節點

512．．．節點

514．．．電流源

516．．．儲存位置

518．．．電流源

520．．．理想開關

521．．．端子

522．．．位置

524．．．加法器電路

526．．．關係運算器

602．．．降壓驅動器

604．．．升壓轉換器驅動器

606．．．關係運算器

608．．．關係運算器

610．．．節點

702．．．區段

704．．．區段

706．．．區段

708．．．線

710．．．線

802．．．輸出電壓

806．．．區段

808．．．區段

902．．．輸出電壓

904．．．輸入電壓

1002．．．線

1202．．．降壓斜坡電壓

1204．．．加法器電路

1206．．．I_BUCK電流

1208．．．比較器

1210．．．輸出

1212．．．加法器電路

1214．．．可程式化位準移位

1216．．．I_BOOST電流

1218．．．比較器

1220．．．輸出

為更完整理解而已結合隨附圖式參考以上描述，其中：

圖1為一升降壓轉換器之示意圖；

圖1b說明用於回應於一斜坡信號和一補償信號產生PWM信號及驅動信號之電路；

圖2說明一標準降壓斜坡控制器波形；

圖3說明當輸出電壓減小或輸入電壓減小時的降壓斜坡控制器之波形；

圖4說明可以升降壓轉換器之升壓操作模式產生斜坡信號的方式；

圖5為用於升降壓轉換器之降壓及升壓操作模式之斜坡產生器的功能方塊圖；

圖6說明用於驅動升降壓轉換器之控制器及驅動器電路；

圖7說明當輸入自6伏特改變至4伏特時用於升降壓轉換器之PWM驅動器的輸出電壓；

圖8說明使用圖4之斜坡產生器之升降壓轉換器自降壓操作模式至升壓操作模式的變遷；

圖9說明利用圖4之斜坡產生器的升降壓轉換器自升壓操作模式至降壓操作模式之變遷；

圖10說明升降壓模式之間的PWM驅動信號，其中輸入電壓V_IN 大致等於輸出電壓V_OUT ；

圖11說明升降壓操作模式期間的輸出電壓，其中輸入電壓V_IN 大致等於輸出電壓V_OUT ；及

圖12說明以電流控制模式回應於一移位斜坡電壓而產生降壓PWM信號及升壓PWM信號的替代實例。

Claims

一種產生一經調節電壓之方法，其包含以下步驟：產生一降壓斜坡信號；藉由將該降壓斜坡信號與一常數值相加以產生一升壓斜坡信號，該常數值等於該降壓斜坡信號之一峰值；判定一電壓補償信號是否超過該降壓斜坡信號之峰值；當該電壓補償信號超過該降壓斜坡信號之峰值時，回應於該升壓斜坡信號及該電壓補償信號而產生一升壓PWM驅動信號；當該電壓補償信號不超過該降壓斜坡信號之峰值時，回應於該降壓斜坡信號及該電壓補償信號而產生一降壓PWM驅動信號；及回應於該升壓PWM驅動信號及該降壓PWM驅動信號來操作一電壓調節器。
如申請專利範圍第1項之方法，其中產生該升壓斜坡信號的步驟進一步包含將該降壓斜坡信號與等於該降壓斜坡信號之峰值的一常數值相加的步驟。
如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包括回應於一輸出電壓及一參考電壓而產生一補償信號的步驟。
如申請專利範圍第1項之方法，其中回應於該降壓斜坡信號而產生該降壓PWM驅動信號的步驟進一步包含以下步驟：當該電壓補償信號超過該降壓斜坡信號時，將該降壓 PWM驅動信號驅動至一邏輯高位準；及當該降壓斜坡信號超過該電壓補償信號時，將該降壓PWM驅動信號驅動至一邏輯低位準。
如申請專利範圍第1項之方法，其中回應於該升壓斜坡信號而產生該升壓PWM驅動信號的步驟進一步包含以下步驟：當該電壓補償信號超過該升壓斜坡信號時，將該升壓PWM驅動信號驅動至一邏輯高位準；及當該升壓斜坡信號超過該電壓補償信號時，將該升壓PWM驅動信號驅動至一邏輯低位準。
如申請專利範圍第1項之方法，其中操作的步驟進一步包含以下步驟：回應於該降壓PWM驅動信號及該升壓PWM驅動信號而操作該電壓調節器，以提供具有一線性回應之一輸出電壓。
一種電壓調節器，其包含：升降壓轉換器，其用於回應於一輸入電壓及複數個開關控制信號而產生一輸出電壓；開關控制電路，其用於回應於該輸出電壓以及一降壓斜坡信號和一升壓斜坡信號中至少一者而產生該等開關控制信號；及電壓斜坡產生電路，其用於產生該降壓斜坡信號及該升壓斜坡信號中每一者，其中該升壓斜坡信號藉由將該降壓斜坡信號與該降壓斜坡信號之一峰值相加來產生，以從該降壓斜坡信號建立一正性DC偏移。
如申請專利範圍第7項之電壓調節器，其中該第一電路包含：一升壓調節器部分，其回應於該等開關控制信號；及一降壓調節器部分，其回應於該等開關控制信號且與該升壓調節器部分連接。
如申請專利範圍第7項之電壓調節器，其中該開關控制電路進一步包含：補償電路，其用於回應於一輸出電壓及一參考電壓而產生一電壓補償信號；PWM電路，其用於回應於該電壓補償信號及該降壓斜坡信號而產生一降壓PWM信號，且用於回應於該電壓補償信號及該升壓斜坡信號而產生一升壓PWM信號；及驅動器電路，其用於回應於該降壓PWM信號及該升壓PWM信號而產生該等開關控制信號。
如申請專利範圍第9項之電壓調節器，其中該開關控制電路回應於該補償信號小於該降壓斜坡信號之峰值而產生該等降壓PWM信號。
如申請專利範圍第9項之電壓調節器，其中該開關控制電路回應於該補償信號大於該降壓斜坡信號之峰值而產生該等升壓PWM信號。
一種用於一電壓調節器之開關控制電路，其包含：開關控制電路，其用於回應於一輸出電壓以及一降壓斜坡信號和一升壓斜坡信號中至少一者而產生該等開關控制信號；及電壓斜坡產生電路，其用於產生該降壓斜坡信號及該升壓斜坡信號中每一者，其中該升壓斜坡信號包含相加有一常數值之一降壓斜坡信號，該常數值等於該降壓斜坡信號之一峰值。
如申請專利範圍第12項之開關控制電路，其中該用於產生該等開關控制信號的電路進一步包含：補償電路，其用於回應於一輸出電壓及一參考電壓而產生一電壓補償信號；PWM電路，其用於回應於該電壓補償信號及該降壓斜坡信號而產生一降壓PWM信號，且用於回應於該電壓補償信號及該升壓斜坡信號而產生一升壓PWM信號；及驅動器電路，其用於回應於該降壓PWM信號及該升壓PWM信號而產生該等開關控制信號。
如申請專利範圍第13項之開關控制電路，其中該開關控制電路回應於該補償信號小於該降壓斜坡信號之峰值而產生該等降壓PWM信號。
如申請專利範圍第13項之開關控制電路，其中該開關控制電路回應於該補償信號大於該降壓斜坡信號之峰值而產生該等升壓PWM信號。
一種以一電流控制模式用於一電壓調節器之開關控制電路，其包含：一第一比較器，其用於回應於一誤差放大器信號、一斜坡信號及一降壓電流信號而產生一降壓PWM信號；及一第二比較器，其用於回應於該誤差放大器信號、該斜坡信號、該降壓電流信號、升壓電流信號，及該斜坡信號之一可程式化移位位準而產生一升壓PWM信號。
如申請專利範圍第16項之開關控制電路，其中該第一比較器進一步包含：一加法器，其用於將該斜坡信號與該降壓電流信號相加；及一第三比較器，其用於比較該誤差放大器信號與該加法器之輸出以產生該降壓PWM信號。
如申請專利範圍第17項之開關控制電路，其中該第二比較器進一步包含：一第二加法器，其用於將該加法器之輸出與該升壓電流信號及該可程式化移位位準相加；及一第四比較器，其用於比較該誤差放大器信號與該第二加法器之輸出以產生該升壓PWM信號。