TWI434494B - 具適應性電壓位置控制之電源轉換器控制電路及其控制方法 - Google Patents

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Description

具適應性電壓位置控制之電源轉換器控制電路及其控制方法
本發明是有關於一種電源轉換器(Power Converter)，且特別是有關於一種具適應性電壓位置(Adaptive Voltage Position，簡稱AVP)控制之電源轉換器控制電路及其控制方法。
隨著半導體科技的快速演進，使得例如電腦及其週邊數位產品等也日益地更新。在電腦及其週邊數位產品之應用積體電路(Integrated Circuit，簡稱IC)中，由於半導體製程之快速變化，造成積體電路電源之更多樣化需求，以致應用如升壓器(Boost Converter)、降壓器(Buck Converter)等各種不同電源轉換器所組合之脈寬調變穩壓器，來達成各種積體電路之不同電源需求，也成為能否提供多樣化數位產品的極重要因素之一。
近年來，電源轉換器之輕載效率越來越受到重視，以中央處理器(Central Processing Unit，簡稱CPU)之電源而言，適應性電壓位置控制技術已廣泛的運用在電壓調節器模組(Voltage Regulator Module，簡稱VRM)中。下列即為幾個有關如何設計適應性電壓位置控制方法之文獻：
[1]Kaiwei Yao,Ming Xu,Yu Meng and Fred C. Lee,“Design Consideration for VRM Transient Response Based on the Output Impedence,”IEEE Trans. Power Electron.,vol. 18,no. 6,pp. 1270-1277,Nov. 2003.
[2]Martin Lee,Dan Chen,Kevin Huang,Chih Wen Liu,Ben Tai,“Modeling and Design for Novel Adaptive Voltage Position(AVP)Scheme for Multiphase VRMs,”IEEE Trans. Power Electron.,vol. 23,no. 4,pp. 1733-1742,Jul. 2008.
[3]Ching-Jan Chen,Dan Chen,Martin Lee,Eddie Kuo-Lung Tseng,“Design and Modeling of a Novel High-Gain Peak Current Control Scheme to achieve Adaptive Voltage Positioning for DC Power Converters,”PESC 2008.
[4]Jian Rong Huang,Sophia Chien-Hui Wang,Chia Jung Lee,Eddie Kuo-Lung Tseng,Dan Chen,“Native AVP Control Method for Constant Output Impedance of DC Power Converters,”in Proc. IEEE Power Electronics Specialists Conference.,2007,pp. 2023~2028
[5]K. Yao,Y. Ren,J. Sun,K. Lee,M. Xu,J. Zhou,and F. C. Lee,“Adaptive voltage position design for voltage regulators,”in Proc. IEEE Applied Power Electronics Conf.,2004,Vol. 1,pp. 272-278.
另外，為了讓效率更加的提高，如圖1所示之可變負載線(Variable Load Line，簡稱VLL)的觀念也被提出來。可變負載線就是在多相轉換器(Multi-phase Converter)中，在輕載時只使用一個相的轉換器運作，當重載時才使用多相轉換器運作，以提高輕載時的效率。其中，無論是一個相或是多相的操作，其輸出電壓之最大值與最小值均保持相同。
例如，圖1中，負載線11係為負載電流由0至20A時，使用一個相的轉換器運作之曲線，負載線12係為負載電流由0至40A時，使用兩個相的轉換器運作之曲線，負載線13係為負載電流由0至60A時，使用三個相的轉換器運作之曲線，負載線14則為負載電流由0至80A時，使用四個相的轉換器運作之曲線，在這些負載線11、12、13與14中，其輸出電壓的最大值Vmax 與最小值Vmin 均保持相同。
前述文獻提出的具適應性電壓位置控制之電源轉換器的控制方法，均係為類比控制器之設計，雖然可以達成負載電流增加時輸出電壓降低之負負載線(Negative Load Line)的具適應性電壓位置控制功能，但並未能提供負載電流增加時輸出電壓也提高之正負載線(Positive Load Line)控制功能。此外，所能提供之電源轉換器負載線也因為是固定不變，而無法提供因應多相轉換器運作所需之可變負載線功能。
有鑑於此，本發明之目的是提供一種具適應性電壓位置控制之電源轉換器控制電路及其控制方法，其可在不需複雜運算的情況下，容易地實現負負載線或正負載線控制功能、以及多相轉換器運作所需之可變負載線功能。
為達上述及其他目的，本發明提供一種具適應性電壓位置控制之電源轉換器控制電路及其控制方法，可適用於產生一脈寬調變訊號，來控制電源轉換器之功率開關的啟閉，此電源轉換器控制電路包括分別用以執行電源轉換器控制方法步驟之第一加法器、數位補償器以及脈寬調變電路。
其中，第一加法器係用以接收電源轉換器之輸出電壓與輸出參考電壓，並取得輸出電壓與輸出參考電壓間之輸出電壓差值；數位補償器具有一Z轉換轉移函數(z-domain transfer function)，用以參考前述之輸出電壓差值來產生脈寬控制訊號，並以調整Z轉換轉移函數之分母係數的最低效位元，來藉由脈寬控制訊號之控制而達成電源轉換器之例如是正負載線、負負載線或可變負載線功能；而脈寬調變電路則用以接受脈寬控制訊號之控制而產生控制電源轉換器之功率開關啟閉的脈寬調變訊號。
在一實施例中，此電源轉換器控制電路更包括第二加法器、前饋控制電路及第三加法器。其中，第二加法器用以接收電源轉換器之輸入電壓與輸入參考電壓，並取得輸入電壓與輸入參考電壓間之輸入電壓差值；前饋控制電路用以參考輸入電壓差值而產生補償電壓；第三加法器則用以接收補償電壓與電源轉換器之標準參考電壓，並計算補償電壓與標準參考電壓之和，進而產生前述之輸出參考電壓。
在一實施例中，此電源轉換器控制電路之Z轉換轉移函數為：
，而調整之Z轉換轉移函數之分母係數ai 的最低效位元數為分母係數ai 之表示浮點數的4個最低效位元。
綜上所述可知，由於本發明所提供之一種具適應性電壓位置控制之電源轉換器控制電路及其控制方法，係以調整數位補償器之Z轉換轉移函數分母係數的最低效位元，來達成電源轉換器之負載線功能，故可在不需複雜運算的情況下，容易地實現負負載線或正負載線控制功能、以及多相轉換器運作所需之可變負載線功能。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特以較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
請參考圖2所示，其為根據本發明第一實施例之一種具適應性電壓位置控制之電源轉換器控制電路方塊示意圖。圖中，電源轉換器控制電路20包括分別用以執行電源轉換器控制方法步驟之加法器21、數位補償器22及脈寬調變電路23，其可用來產生一脈寬調變訊號PWM_S，以控制電源轉換器26之功率開關263的啟閉。
其中，加法器21係用以接收電源轉換器26之輸出電壓V0 與輸出參考電壓Vref ，並取得輸出電壓V0 與輸出參考電壓Vref 間之輸出電壓差值Vdiff 。數位補償器22具有一Z轉換轉移函數，用以參考加法器21輸出之輸出電壓差值Vdiff 來產生脈寬控制訊號PWM_C，並以調整Z轉換轉移函數之分母係數的最低效位元，來藉由脈寬控制訊號PWM_C之控制，而達成電源轉換器26之負載線功能。脈寬調變電路23則用以接受脈寬控制訊號PWM_C之控制，而產生控制電源轉換器26之功率開關263啟閉的脈寬調變訊號PWM_S。
數位補償器22之Z轉換轉移函數可以表示如下式：
其中，ai 為Z轉換轉移函數之分母係數，bi 為Z轉換轉移函數之分子係數，n則為構成數位補償器22之濾波器的階數。
式(1)中，設z=1則可得數位補償器22之低頻環路增益如下式：
如調整數位補償器22之Z轉換轉移函數之分母係數ai 的最低效位元，使調整後之分母係數為ai ' ，並令則式(2)之低頻環路增益將如下式：
式(3)中，如數位補償器22之Z轉換轉移函數之分母係數ai 之表示浮點數的位元數為Q，且能容忍最大截斷誤差(truncation error)之位元數為P，則x之可調範圍Δx為：
故知，調整數位補償器22之Z轉換轉移函數之分母係數ai 的最低效位元，則可藉由低頻環路增益之改變，而容易地實現負負載線或正負載線控制功能、以及多相轉換器運作所需之可變負載線功能。一般而言，如調整分母係數ai 之表示浮點數的4個最低效位元時，將只會影響低頻極點與零點的位置，頻寬(Band width)與相位邊界(Phase Margin)幾乎不會受到影響，故不會有不穩定之問題。惟因其具有較低之直流環路增益的特性，使得電壓調節器之調節線性(Line Regulation)將有受影響之可能。
請參考圖3所示，其為根據本發明第二實施例之一種具適應性電壓位置控制之電源轉換器控制電路方塊示意圖。圖中，電源轉換器控制電路30包括分別用以執行電源轉換器控制方法步驟之加法器31、34與35、數位補償器32、脈寬調變電路33及前饋控制電路37，以便用來產生一脈寬調變訊號PWM_S，來控制具有電感361與輸出電容362之降壓轉換器36之功率開關363的啟閉。
其中，加法器31、數位補償器32及脈寬調變電路33之功能，係分別類似於圖2之加法器21、數位補償器22及脈寬調變電路23的功能，因此，不再贅述。另外，加法器34是用來接收降壓轉換器36之輸入電壓Vin 與輸入參考電壓Vinref ，並取得輸入電壓Vin 與輸入參考電壓Vinref 間之輸入電壓差值Vindiff 。前饋控制電路37是用來參考輸入電壓差值Vindiff 而產生補償電壓Vcomp ，加法器35則用來接收補償電壓Vcomp 與降壓轉換器36之標準參考電壓Voref ，並計算補償電壓Vcomp 與標準參考電壓Voref 之和，以產生輸出參考電壓Vref ，再經加法器31之計算，進而產生供數位補償器32參考之輸出電壓差值Vdiff 。
請參考圖4至6所示，其分別為將圖3之降壓轉換器36的電感361設定為0.33μH、輸出電容362設定為1300μF、輸出電容362之寄生電阻RC 設定為1mΩ、負載RL 設定為1Ω、輸入參考電壓Vinref 設定為3V、標準參考電壓Voref 設定為5V時所模擬之結果。其中，IL 為降壓轉換器36之電感361電流，而Vo 則為降壓轉換器36之輸出電壓。
圖4中，當電源轉換器控制電路30在降壓轉換器36的負載動態增加時，其電壓電流波形顯示可達成適應性電壓位置控制之效果。圖5與6中，當電源轉換器控制電路30在降壓轉換器36的輸入電壓Vin 分別由3V提高為5V或由3V降低為2V時，其電壓電流波形顯示輸出電壓Vo 無直流偏移，證明了加法器34、35與前饋控制電路37所構成之輸入電壓的前饋(Feed-forward)控制方式，可以消除電壓調節器之調節線性(Line Regulation)的問題。
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所作之各種更動與潤飾，亦屬本發明之範圍。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。
11、12、13、14．．．負載線
20、30．．．電源轉換器控制電路
21、31、34、35．．．加法器
22、32．．．數位補償器
23、33．．．脈寬調變電路
26．．．電源轉換器
263、363．．．功率開關
36．．．降壓轉換器
361．．．電感
362．．．輸出電容
37．．．前饋控制電路
圖1係顯示習知多相轉換器之可變負載線曲線圖。
圖2係顯示根據本發明第一實施例之一種具適應性電壓位置控制之電源轉換器控制電路方塊示意圖。
圖3係顯示根據本發明第二實施例之一種具適應性電壓位置控制之電源轉換器控制電路方塊示意圖。
圖4係顯示圖3之電源轉換器控制電路在降壓轉換器的負載動態增加之電壓電流波形示意圖。
圖5係顯示圖3之電源轉換器控制電路在降壓轉換器的輸入電壓由3V提高為5V時之電壓電流波形示意圖。
圖6係顯示圖3之電源轉換器控制電路在降壓轉換器的輸入電壓由3V降低為2V時之電壓電流波形示意圖。
20．．．電源轉換器控制電路
21．．．加法器
22．．．數位補償器
23．．．脈寬調變電路
26．．．電源轉換器
263．．．功率開關

Claims (10)

  1. 一種具適應性電壓位置控制之電源轉換器控制電路，適用於產生一脈寬調變訊號，以控制一電源轉換器之功率開關的啟閉，包括：一第一加法器，用以接收該電源轉換器之一輸出電壓與一輸出參考電壓，以取得該輸出電壓與該輸出參考電壓間之一輸出電壓差值；一數位補償器，具有一Z轉換轉移函數，用以參考該輸出電壓差值來產生一脈寬控制訊號，並以調整該Z轉換轉移函數之分母係數的最低效位元，來藉由該脈寬控制訊號之控制，而達成該電源轉換器之負載線功能；以及一脈寬調變電路，用以接受該脈寬控制訊號之控制而產生該脈寬調變訊號；其中該Z轉換轉移函數為，而調整之該Z轉換轉移函數之分母係數ai 的最低效位元數為分母係數ai 之表示浮點數的4個最低效位元。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器控制電路，更包括：一第二加法器，用以接收該電源轉換器之一輸入電壓與一輸入參考電壓，以取得該輸入電壓與該輸入參考電壓間之一輸入電壓差值；一前饋控制電路，用以參考該輸入電壓差值而產生一補償電壓；以及 一第三加法器，用以接收該補償電壓與該電源轉換器之一標準參考電壓，以計算該補償電壓與該標準參考電壓之和，進而產生該輸出參考電壓。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器控制電路，其中係以調整該Z轉換轉移函數之分母係數的最低效位元，來達成該電源轉換器之正負載線功能。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器控制電路，其中係以調整該Z轉換轉移函數之分母係數的最低效位元，來達成該電源轉換器之負負載線功能。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器控制電路，其中係以調整該Z轉換轉移函數之分母係數的最低效位元，來達成該電源轉換器之可變負載線功能。
  6. 一種具適應性電壓位置控制之電源轉換器控制方法，適用於產生一脈寬調變訊號，以控制一電源轉換器之功率開關的啟閉，包括下列步驟：取得該電源轉換器之一輸出電壓與一輸出參考電壓間之一輸出電壓差值；參考一Z轉換轉移函數來將該輸出電壓差值輸出為一脈寬控制訊號，並以調整該Z轉換轉移函數之分母係數的最低效位元，來藉由該脈寬控制訊號之控制，而達成該電源轉換器之負載線功能；以及依據該脈寬控制訊號之控制而產生該脈寬調變訊號；其中該Z轉換轉移函數為，而調整之 該Z轉換轉移函數之分母係數ai 的最低效位元數為分母係數ai 之表示浮點數的4個最低效位元。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之控制方法，更包括下列步驟：取得該電源轉換器之一輸入電壓與一輸入參考電壓間之一輸入電壓差值；參考該輸入電壓差值而產生一補償電壓；以及計算該補償電壓與該電源轉換器之一標準參考電壓之和，進而產生該輸出參考電壓。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之控制方法，其中係以調整該Z轉換轉移函數之分母係數的最低效位元，來達成該電源轉換器之正負載線功能。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之控制方法，其中係以調整該Z轉換轉移函數之分母係數的最低效位元，來達成該電源轉換器之負負載線功能。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之控制方法，其中係以調整該Z轉換轉移函數之分母係數的最低效位元，來達成該電源轉換器之可變負載線功能。
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