TWI436594B - Step-up and down power supply converter and control method thereof and sawtooth wave generator and method for applying the same in the step-up and step-down power supply converter - Google Patents

Step-up and down power supply converter and control method thereof and sawtooth wave generator and method for applying the same in the step-up and step-down power supply converter Download PDF

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Description

升降壓電源轉換器及其控制方法以及應用在該升降壓電源轉換器的鋸齒波產生器及其方法
本發明係有關一種升降壓電源轉換器，特別是關於一種升降壓電源轉換器的鋸齒波產生器及其方法。
圖1顯示傳統升降壓電源轉換器10，其中功率級12根據信號PWM1及PWM2將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout給負載RL，電阻R1及R2分壓輸出電壓Vout產生回授信號VFB，誤差放大器20放大回授信號VFB及參考電壓Vref之間的差值產生誤差信號VEA，補償器18為使整體系統穩定，鋸齒波產生器22提供鋸齒波信號SAWbuck和SAWboost，比較器14及16根據誤差信號VEA及鋸齒波信號SAWbuck和SAWboost產生信號PWM1和PWM2。圖2顯示圖1中升降壓電源轉換器10操作在降壓模式時信號的波形圖，其中波形24為輸入電壓Vin，波形26為鋸齒波信號SAWbuck，波形28為誤差信號VEA，波形30為誤差信號VEA，波形32為信號PWM1。參照圖1及圖2，傳統的升降壓電源轉換器10藉由負回授控制迴路來調整輸入電壓Vin或負載RL變化時對輸出電壓Vout所造成的影響，以輸入電壓Vin變化為例，當輸入電壓Vin由Vin1降至Vin2時，如波形24及時間t1所示，輸出電壓Vout在回授路徑還沒反應前會因為能量不足而先下降，由於回授信號VFB是連接在誤差放大器20的負輸入端，因此誤 差信VEA將由原本的準位VEA1上升至VEA2，如波形28及30所示，又降壓鋸齒波信號SAWbuck的振幅及週期都是固定的，如波形26所示，故信號PWM1的責任週期(duty)將變大以使輸出電壓Vout回到原設定值，如波形32所示。然而，由於誤差放大器需補償以滿足電源轉換器10的穩定性，因此閉迴路及補償器18將使誤差信號VEA無法在輸入電壓Vin改變時立即反應，以使輸出電壓Vout回到原設定值。
因此，一種在輸入電壓改變時立即加快線性暫態響應進而穩定輸出電壓的裝置，乃為所冀。
本發明的目的之一，在於提出一種升降壓電源轉換器及其控制方法，其在輸入電壓變化時能快速反應以穩定輸出電壓。
本發明的目的之一，在於提出一種升降壓電源轉換器的鋸齒波產生器及其方法，其可以讓該升降壓電源轉換器在輸入電壓變化時快速反應以穩定輸出電壓。
根據本發明，一種升降壓電源轉換器包括一功率級用以將一輸入電壓轉為一輸出電壓，一誤差放大器根據一與該輸出電壓具有比例關係的回授信號及一參考電壓產生一誤差信號，一鋸齒波產生器提供兩組固定週期的鋸齒波信號，其中一組鋸齒波信號的峰值隨該輸入電壓改變，另一組鋸齒波信號的谷值隨該輸入電壓改變，以及兩組比較器根據該誤差信號及該兩組鋸齒波信號產生 兩組控制信號用以驅動該功率級。由於該兩組鋸齒波信號的峰值或谷值隨該輸入電壓改變，因此即使誤差信號沒有改變，也可以使該控制信號的責任週期改變，故該升降壓電源轉換器在輸入電壓變化時能快速反應以穩定該輸出電壓。
圖3顯示升降壓電源轉換器操作在降壓模式時的責任週期Dbuck與降壓鋸齒波信號SAWbuck之間的關係，其中波形40為降壓鋸齒波信號SAWbuck，波形42為誤差信號VEA，VH為降壓鋸齒波信號SAWbuck的峰值，VL為降壓鋸齒波信號SAWbuck的谷值。根據圖3中的相似三角形ABC及ADE可以推出升降壓電源轉換器操作在降壓模式時的輸出/輸入比Vout/Vin=Dbuck=(VEA-VL)/(VH-VL) 公式1由公式1可知，當輸入電壓Vin變化時，若希望輸出電壓Vout及誤差信號VEA維持不變，可以調整降壓鋸齒波信號SAWbuck的谷值VL及峰值VH，進而改變責任週期Dbuck，較佳者，固定降壓鋸齒波信號SAWbuck的谷值VL，隨輸入電壓Vin調整降壓鋸齒波信號SAWbuck的峰值VH。圖4顯示降壓鋸齒波信號SAWbuck的峰值隨輸入電壓Vin調整的實施例，其中波形44為輸入電壓Vin，波形46為降壓鋸齒波信號SAWbuck，波形48為誤 差信號VEA。當輸入電壓Vin由Vin1降至Vin2時，如波形44所示，降壓鋸齒波信號SAWbuck的峰值也由VH1降至VH2，如波形46所示，由於降壓鋸齒波信號SAWbuck的充電時間固定，因此在降壓鋸齒波信號SAWbuck的峰值下降後，降壓鋸齒波信號SAWbuck的上升斜率也下降，故能在誤差信號VEA不變的情況下，如波形48所示，使責任週期Dbuck增加。
圖5顯示升降壓電源轉換器操作在升壓模式時的責任週期Dboost與升壓鋸齒波信號SAWboost之間的關係，其中波形50為升壓鋸齒波信號SAWboost，波形52為誤差信號VEA。根據圖5中的相似三角形ABC及ADE可以推出升降壓電源轉換器操作在升壓模式時的輸出/輸入比Vout/Vin=1/(1-Dboost)=(VH-VL)/(VH-VEA) 公式2由公式2可知，在輸入電壓Vin改變時，若要在輸出電壓Vout及誤差信號VEA不變的情況下改變責任週期Dboost，可以藉由調整升壓鋸齒波信號SAWboost的峰值及谷值來達成，較佳者，固定升壓鋸齒波信號SAWboost的峰值VH，隨輸入電壓Vin調整鋸齒波信號SAW的谷值VL。圖6顯示升壓鋸齒波信號SAWboost的谷值隨輸入電壓Vin調整的實施例，其中波形54為輸入電壓Vin，波形56為升壓鋸齒波信號SAWboost，波形58為誤差信號VEA。當輸入電壓Vin由Vin1降至Vin2時，如波形54所示，升壓鋸齒 波信號SAWboost的谷值也由VL1降至VL2，如波形56所示，升壓鋸齒波信號SAWboost的谷值下降後，由於誤差信號VEA維持不變，如波形58所示，故需要較長的時間才能切到誤差信號VEA，因此責任週期Dboost增加。
圖7顯示升降壓電源轉換器60，其包括一功率級62因應控制信號PWM1及PWM2將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout，電阻R1及R2分壓輸出電壓Vout產生回授信號VFB，誤差放大器70根據回授信號VFB及參考電壓Vref產生誤差信號VEA，補償器68補償誤差信號VEA以滿足電源轉換器60的穩定性，鋸齒波產生器72偵測輸入電壓Vin提供兩組鋸齒波信號SAWbuck及SAWboost，其中鋸齒波信號SAWbuck的峰值隨該輸入電壓Vin改變，鋸齒波信號SAWboost的谷值隨該輸入電壓Vin改變，比較器64及66比較誤差信號VEA及鋸齒波信號SAWbuck及SAWboost產生控制信號PWM1和PWM2。
圖8顯示圖7中鋸齒波產生器72產生降壓鋸齒波信號SAWbuck的實施例，其中電流源7202根據輸入電壓Vin提供正比於輸入電壓Vin的充電電流Ic1對電容C1充電，控制電路7204包括一開關SW1與電容C1並聯，時脈Clk切換開關SW1以控制電容C1的充放電，進而產生降壓鋸齒波信號SAWbuck，限制電路7206用以固定降壓鋸齒波信號SAWbuck的谷值，其包括一接成二極體的雙極性接面二極體(BJT)Q1連接在電容C1及接地端GND之間，由電阻Rf1及電容Cf1組成的低通濾波器7208用以 濾除降壓鋸齒波信號SAWbuck在時脈Clk轉態時所產生的高頻雜訊，在此實施例中，降壓鋸齒波信號SAWbuck的谷值固定，而其峰值隨輸入電壓Vin的下降而降低。圖9顯示圖8中信號的波形圖，其中波形80為輸入電壓Vin，波形82為時脈Clk，波形84為降壓鋸齒波信號SAWbuck。參照圖8及圖9，在時間t1時，輸入電壓Vin下降，如波形80所示，由於充電電流Ic1與輸入電壓Vin具有正比例關係，故充電電流Ic1也將跟著下降，而時脈Clk的週期Ts及脈衝寬度都是固定的，如波形82所示，也就是說，電容C1的充電時間不變，因此降壓鋸齒波信號SAWbuck的峰值將下降，如波形84所示，在時間t2時，時脈Clk打開(turn on)開關SW1，故電容C1開始放電，由於電晶體Q1的基極及射極之間有一壓差Vbe，因此，降壓鋸齒波信號SAWbuck的谷值將固定在Vbe的準位。
圖10顯示圖7中鋸齒波產生器72產生升壓鋸齒波信號SAWboost的實施例。圖11顯示圖10中信號的波形圖。在圖10中，電流源7210根據輸入電壓Vin產生一反比於輸入電壓Vin的充電電流Ic2對電容C2充電，控制電路7212包括開關SW2與電容C2並聯，具有固定週期及脈衝寬度的時脈Clk切換開關SW2以控制電容C2的充放電，如圖11的波形92所示，進而產生充電電壓V1，限制電路7214用以固定充電電壓V1的谷值，其包括二個接成二極體的BJT Q2及Q3串聯在電容C2及接地端GND之間，因此充電電壓V1的最小值將被固定在2倍Vbe的準位，由 電阻Rf2及電容Cf2組成的低通濾波器7216用以濾除充電電壓V1中的高頻雜訊以產生電壓V2，運算放大器7220將電壓V2映射至節點a，電流源7218根據輸入電壓Vin產生反比於輸入電壓Vin的充電電流Ic3流經電阻R3產生直流的偏移電壓Vof，節點a上的電壓V2減去偏移電壓Vof產生升壓鋸齒波信號SAWboost。當輸入電壓Vin下降時，如波形90所示，充電電壓V1的峰值上升，故電壓V2的峰值上升，但是偏移電壓Vof也將隨輸入電壓Vin下降而上升，因此電壓V2經偏移電壓Vof下拉後可以得到峰值固定但谷值隨輸入電壓Vin的下降而降低的升壓鋸齒波信號SAWboost，如波形94所示。
以上對於本發明之較佳實施例所作的敘述係為闡明之目的，而無意限定本發明精確地為所揭露的形式，基於以上的教導或從本發明的實施例學習而作修改或變化是可能的，實施例係為解說本發明的原理以及讓熟習該項技術者以各種實施例利用本發明在實際應用上而選擇及敘述，本發明的技術思想企圖由以下的申請專利範圍及其均等來決定。
10‧‧‧升降壓電源轉換器
12‧‧‧功率級
14‧‧‧比較器
16‧‧‧比較器
18‧‧‧補償器
20‧‧‧誤差放大器
22‧‧‧鋸齒波產生器
24‧‧‧輸入電壓Vin的波形
26‧‧‧降壓鋸齒波信號SAWbuck的波形
28‧‧‧誤差信號VEA的波形
30‧‧‧誤差信號VEA的波形
32‧‧‧信號PWM1的波形
40‧‧‧降壓鋸齒波信號SAWbuck的波形
42‧‧‧誤差信號VEA的波形
44‧‧‧輸入電壓Vin的波形
46‧‧‧降壓鋸齒波信號SAWbuck的波形
48‧‧‧誤差信號VEA的波形
50‧‧‧升壓鋸齒波信號SAWboost的波形
52‧‧‧誤差信號VEA的波形
54‧‧‧輸入電壓Vin的波形
56‧‧‧升壓鋸齒波信號SAWboost的波形
58‧‧‧誤差信號VEA的波形
60‧‧‧升降壓電源轉換器
62‧‧‧功率級
64‧‧‧比較器
66‧‧‧比較器
68‧‧‧補償器
70‧‧‧誤差放大器
72‧‧‧鋸齒波產生器
7202‧‧‧電流源
7204‧‧‧控制電路
7206‧‧‧限制電路
7208‧‧‧低通濾波器
7210‧‧‧電流源
7212‧‧‧控制電路
7214‧‧‧限制電路
7216‧‧‧低通濾波器
7218‧‧‧電流源
7220‧‧‧運算放大器
80‧‧‧輸入電壓Vin的波形
82‧‧‧時脈Clk的波形
84‧‧‧降壓鋸齒波信號SAWbuck的波形
90‧‧‧輸入電壓Vin的波形
92‧‧‧時脈Clk的波形
94‧‧‧升壓鋸齒波信號SAWboost的波形
圖1顯示傳統升降壓電源轉換器；圖2顯示圖1中信號的波形圖；圖3顯示升降壓電源轉換器操作在降壓模式時的責任週期 Dbuck與降壓鋸齒波信號SAWbuck之間的關係；圖4顯示降壓鋸齒波信號SAWbuck的峰值隨輸入電壓Vin調整的實施例；圖5顯示升降壓電源轉換器操作在升壓模式時的責任週期Dboost與升壓鋸齒波信號SAWboost之間的關係；圖6顯示升壓鋸齒波信號SAWboost的谷值隨輸入電壓Vin調整的實施例；圖7顯示升降壓電源轉換器；圖8顯示圖7中鋸齒波產生器產生降壓鋸齒波信號實施例；圖9顯示圖8中信號的波形圖；圖10顯示圖7中鋸齒波產生器產生升壓鋸齒波信號實施例；以及圖11顯示圖10中信號的波形圖。
72‧‧‧鋸齒波產生器
7202‧‧‧電流源
7204‧‧‧控制電路
7206‧‧‧限制電路
7208‧‧‧低通濾波器

Claims (33)

  1. 一種應用在升降壓電源轉換器中產生鋸齒波信號的方法，該升降壓電源轉換器用以將一輸入電壓轉為一輸出電壓，該方法包括下列步驟：偵測該輸入電壓；以及根據該輸入電壓變化提供一第一鋸齒波信號及一第二鋸齒波信號，該第一鋸齒波信號的峰值隨該輸入電壓改變，該第二鋸齒波信號的谷值隨該輸入電壓改變；其中，根據該輸入電壓變化提供該第一鋸齒波信號的步驟包括：提供一正比於該輸入電壓的充電電流對一電容充電以產生該第一鋸齒波信號，該第一鋸齒波信號的峰值隨該輸入電壓的下降而降低；固定該第一鋸齒波信號的谷值；以及低通濾波該第一鋸齒波信號以濾除該第一鋸齒波信號上的高頻雜訊。
  2. 如請求項1之方法，其中該第一及第二鋸齒波信號的週期固定。
  3. 一種應用在升降壓電源轉換器中產生鋸齒波信號的方法，該升降壓電源轉換器用以將一輸入電壓轉為一輸出電壓，該方法包括下列步驟：偵測該輸入電壓；以及 根據該輸入電壓變化提供一第一鋸齒波信號及一第二鋸齒波信號，該第一鋸齒波信號的峰值隨該輸入電壓改變，該第二鋸齒波信號的谷值隨該輸入電壓改變；其中，該根據該輸入電壓變化提供該第二鋸齒波信號的步驟包括：提供一反比於該輸入電壓的充電電流對一電容充電以產生一充電電壓；固定該充電電壓的最小值；提供一反比於該輸入電壓的偏移電壓；以及將該充電電壓減去該偏移電壓以產生該第二鋸齒波信號，該第二鋸齒波信號的峰值固定，而其谷值隨該輸入電壓的下降而降低。
  4. 如請求項3之方法，更包括低通濾波該充電電壓以濾除該充電電壓中的高頻雜訊。
  5. 如請求項3之方法，其中該第一及第二鋸齒波信號的週期固定。
  6. 一種升降壓電源轉換器的鋸齒波產生器，該升降壓電源轉換器用以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，該鋸齒波產生器包括：一電容；一電流源，提供一隨該輸入電壓變化的充電電流對該電容充電； 一控制電路，控制該電容的充放電以產生一鋸齒波信號，該鋸齒波信號的峰值隨該輸入電壓下降而減少；以及一限制電路，用以固定該鋸齒波信號的谷值。
  7. 如請求項6之鋸齒波產生器，其中該充電電流正比於該輸入電壓。
  8. 如請求項6之鋸齒波產生器，其中該控制電路包括一開關與該電容並聯。
  9. 如請求項8之鋸齒波產生器，其中該限制電路包括至少一個由雙極性接面電晶體接成的二極體串聯在該電容及一接地端之間。
  10. 如請求項6之鋸齒波產生器，更包括一低通濾波器濾除該鋸齒波信號的高頻雜訊。
  11. 如請求項6之鋸齒波產生器，其中該鋸齒波信號的週期固定。
  12. 一種升降壓電源轉換器的鋸齒波產生器，該升降壓電源轉換器用以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，該鋸齒波產生器包括：一電容；一電流源，提供一隨該輸入電壓變化的充電電流對該電容充電；一控制電路，控制該電容的充放電以產生一充電電壓，該充電電壓的峰值隨該輸入電壓改變；一限制電路，用以固定該充電電壓的最小值； 一電壓源，提供一隨該輸入電壓改變的偏移電壓，該充電電壓減去該偏移電壓產生一鋸齒波信號，該鋸齒波信號的峰值固定而谷值則隨該輸入電壓下降而減少。
  13. 如請求項12之鋸齒波產生器，其中該充電電流反比於該輸入電壓。
  14. 如請求項12之鋸齒波產生器，其中該偏移電壓反比於該輸入電壓。
  15. 如請求項12之鋸齒波產生器，其中該控制電路包括一開關與該電容並聯。
  16. 如請求項15之鋸齒波產生器，其中該限制電路包括至少一個由雙極性接面電晶體接成的二極體串聯在該電容及一接地端之間。
  17. 如請求項12之鋸齒波產生器，更包括一低通濾波器濾除該充電電壓的高頻雜訊。
  18. 如請求項12之鋸齒波產生器，其中該鋸齒波信號的週期固定。
  19. 一種升降壓電源轉換器，包括：一功率級，用以將一輸入電壓轉為一輸出電壓；一誤差放大器，根據一與該輸出電壓具有比例關係的回授信號及一參考電壓產生一誤差信號；一鋸齒波產生器，提供一第一鋸齒波信號及一第二鋸齒波信號，該第一鋸齒波信號的峰值隨該輸入電壓改變，該第二鋸齒波信號的谷值隨該輸 入電壓改變；一第一比較器，根據該誤差信號及第一鋸齒波信號產生一第一控制信號給該功率級；以及一第二比較器，根據該誤差信號及一第二鋸齒波信號產生一第二控制信號給該功率級；其中，該鋸齒波產生器包括：一電容；一電流源，提供一正比於該輸入電壓的充電電流對該電容充電；一控制電路，控制該電容的充放電以產生該第一鋸齒波信號，該第一鋸齒波信號的峰值隨該輸入電壓的下降而降低；以及一限制電路，用以固定該第一鋸齒波信號的谷值。
  20. 如請求項19之升降壓電源轉換器，其中該控制電路包括一開關與該電容並聯。
  21. 如請求項20之升降壓電源轉換器，其中該限制電路包括至少一個由雙極性接面電晶體接成的二極體串聯在該電容及一接地端之間。
  22. 如請求項19之升降壓電源轉換器，更包括一低通濾波器濾除該第一鋸齒波信號的高頻雜訊。
  23. 如請求項19之升降壓電源轉換器，其中該第一及第二鋸齒波信號的週期固定。
  24. 一種升降壓電源轉換器，包括： 一功率級，用以將一輸入電壓轉為一輸出電壓；一誤差放大器，根據一與該輸出電壓具有比例關係的回授信號及一參考電壓產生一誤差信號；一鋸齒波產生器，提供一第一鋸齒波信號及一第二鋸齒波信號，該第一鋸齒波信號的峰值隨該輸入電壓改變，該第二鋸齒波信號的谷值隨該輸入電壓改變；一第一比較器，根據該誤差信號及第一鋸齒波信號產生一第一控制信號給該功率級；以及一第二比較器，根據該誤差信號及一第二鋸齒波信號產生一第二控制信號給該功率級；其中，該鋸齒波產生器包括：一電容；一電流源，提供一反比於該輸入電壓的充電電流對該電容充電；一控制電路，控制該電容的充放電以產生一充電電壓，該充電電壓的峰值隨該輸入電壓的下降而上升；一限制電路，用以固定該充電電壓的最小值；以及一電壓源，提供一反比於該輸入電壓的偏移電壓，該充電電壓減去該偏移電壓產生該第二鋸齒波信號。
  25. 如請求項24之升降壓電源轉換器，其中該控制電路包 括一開關與該電容並聯。
  26. 如請求項25之升降壓電源轉換器，其中該限制電路包括至少一個由雙極性接面電晶體接成的二極體串聯在該電容及一接地端之間。
  27. 如請求項24之升降壓電源轉換器，更包括一低通濾波器濾除該充電電壓的高頻雜訊。
  28. 如請求項24之升降壓電源轉換器，其中該第一及第二鋸齒波信號的週期固定。
  29. 一種升降壓電源轉換器的控制方法，該升降壓電源轉換器用以一輸入電壓轉為一輸出電壓，該控制方法包括下列步驟：根據一與該輸出電壓具有比例關係的回授信號及一參考電壓產生一誤差信號；提供一第一鋸齒波信號及一第二鋸齒波信號，該第一鋸齒波信號的峰值隨該輸入電壓改變，該第二鋸齒波信號的谷值隨該輸入電壓改變；以及根據該誤差信號、第一鋸齒波信號及第二鋸齒波信號調節該輸出電壓；其中，該提供一第一鋸齒波信號的步驟包括：提供一正比於該輸入電壓的充電電流對一電容充電以產生該第一鋸齒波信號，該第一鋸齒波信號的峰值隨該輸入電壓的下降而降低；固定該第一鋸齒波信號的谷值；以及 低通濾波該第一鋸齒波信號以濾除該第一鋸齒波信號上的高頻雜訊。
  30. 如請求項29之控制方法，其中該第一及第二鋸齒波信號的週期固定。
  31. 一種升降壓電源轉換器的控制方法，該升降壓電源轉換器用以一輸入電壓轉為一輸出電壓，該控制方法包括下列步驟：根據一與該輸出電壓具有比例關係的回授信號及一參考電壓產生一誤差信號；提供一第一鋸齒波信號及一第二鋸齒波信號，該第一鋸齒波信號的峰值隨該輸入電壓改變，該第二鋸齒波信號的谷值隨該輸入電壓改變；以及根據該誤差信號、第一鋸齒波信號及第二鋸齒波信號調節該輸出電壓；其中，該提供一第二鋸齒波信號的步驟包括：提供一反比於該輸入電壓的充電電流對一電容充電以產生充電電壓；固定該充電電壓的最小值；提供一反比於該輸入電壓的偏移電壓；以及將該充電電壓減去該偏移電壓以產生該第二鋸齒波信號，該第二鋸齒波信號的峰值固定，而其谷值隨該輸入電壓的下降而降低。
  32. 如請求項31之控制方法，更包括低通濾波該充電電壓 以濾除該充電電壓中的高頻雜訊。
  33. 如請求項31之控制方法，其中該第一及第二鋸齒波信號的週期固定。
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