TWI448056B - 適應性調整固定導通時間之電路與適應性調整固定導通時間之方法 - Google Patents

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Description

適應性調整固定導通時間之電路與適應性調整固定導通時間之方法
本發明係有關一種適應性調整固定導通時間之電路，以及適應性調整固定導通時間之方法，特別是指一種應用在直流轉換電路改善暫態漣波之電路與相關方法。
一般而言，切換式電源供應電路之功率開關控制可分為調整脈寬或調整頻率兩類，在調整頻率的架構下，控制功率開關的電路產生固定導通時間，使功率開關每次導通的時間都相同，整體電路藉由改變頻率，來調節輸出電壓的準位，使之穩定在所設定的電壓數值。請參見第1圖，以降壓型切換式電源供應電路為例，先前技術固定導通時間之切換式電源供應電路中，係由一誤差放大器EA比較一代表輸出電壓Vout之反饋訊號Vfb與一參考電壓Vref，以產生誤差放大訊號V1；再由一比較器Com比較該誤差放大訊號V1與一代表電感電流的訊號ViL，決定其交越時點，產生比較訊號Comp，再經由一個單次脈波產生器15來產生固定導通時間的方波訊號PWM。驅動電路13依據方波訊號PWM控制功率級20之操作，以將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout，供應給負載30。
此種固定導通時間之切換式電源供應電路，如需要改變輸出電壓時，將發生反應速度不足的問題。先請參見第2圖，當輸出電壓由高壓轉低壓時，先前技術電路的漣波無法在預期的穩定時間(settling time)內到達規格內，而會高出規格容許的誤差值一段時間；類似地，當輸出電壓由低壓轉高壓時，請參見第3圖，先前技術電路無法在預期的穩定時間內到達規格內，而會低於規格容許的誤差值一段時間。
有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種適應性調整固定導通時間之電路，與適應性調整固定導通時間之方法，以加速電路暫態反應。
本發明的目的之一在提供一種適應性調整固定導通時間之電路。
本發明的另一目的是提供一種適應性調整固定導通時間之方法。
為達上述之目的，就其中一個觀點言，本發明提供了一種適應性調整固定導通時間之電路，用以控制一功率級，以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓並提供一輸出電流給一負載，該適應性調整固定導通時間之電路包含：一暫態偵測電路，偵測一暫態指示訊號，並依據該暫態指示訊號產生一暫態導通(TON)時間控制訊號；一導通時間(TON)產生電路，其可產生一固定之正常導通時間與一較長或較短之暫態導通時間，該TON產生電路依據該暫態TON控制訊號決定一方波訊號之導通時間；以及一驅動電路，依據該方波訊號，控制該功率級，其中當該暫態指示訊號指示無暫態發生時，該TON產生電路產生固定正常導通時間之該方波訊號；且其中當該暫態指示訊號指示有輸出電壓降壓之暫態發生時，該TON產生電路產生較短暫態導通時間之該方波訊號；或當該暫態指示訊號指示有輸出電壓升壓之暫態發生時，該TON產生電路產生較長暫態導通時間之該方波訊號。
上述適應性調整固定導通時間之電路中，該TON產生電路可包括：一斜坡訊號產生電路，其產生一斜坡訊號；以及一導通時間比較器，將該斜坡訊號與一參考訊號比較，以產生所述方波訊號，其中該斜坡訊號之斜率或峰值受控於該暫態TON控制訊號。
前述斜坡訊號產生電路可包括一電流源，對一電容充電或放電以產生該斜坡訊號，其中該電流源之電流量受控於該暫態TON控制訊號。
就另一個觀點言，本發明提供了一種一種適應性調整固定導通時間之方法，用以控制一功率級，以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓並提供一輸出電流給一負載，該適應性調整固定導通時間之方法包含：偵測一暫態指示訊號，並依據該暫態指示訊號產生一暫態導通時間(TON)控制訊號；依據該暫態TON控制訊號決定一方波訊號之導通時間，該方波訊號具有一固定之正常導通時間，與一較長或較短之暫態導通時間，並；以及依據該方波訊號，控制該功率級，其中當該暫態指示訊號指示無暫態發生時，該TON產生電路產生固定正常導通時間之該方波訊號；且其中當該暫態指示訊號指示有輸出電壓降壓之暫態發生時，產生較短暫態導通時間之該方波訊號；或當該暫態指示訊號指示有輸出電壓升壓之暫態發生時，產生較長暫態導通時間之該方波訊號。
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。
以下以應用於同步降壓切換式電源供應電路為例來說明本發明的適應性調整固定導通時間之電路，但請注意本發明可類推應用於其他型式的同步或非同步電源電路中，並不僅限於同步降壓電源電路。
請參考第4圖，本發明的架構如圖所示，適應性調整固定導通時間之電路10(以下簡稱控制電路10)控制功率級20，以將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout，供應給負載30。控制電路10中包含暫態偵測電路11、導通時間(On Time,TON)產生電路12、驅動電路13、以及反饋電路14。暫態偵測電路11根據暫態指示訊號Tn1而產生一暫態導通時間(TON)控制訊號Tn2，並輸入TON產生電路12。暫態指示訊號Tn1係與輸出電壓Vout之變化有關的訊號，有多種方式可以取得，例如可藉由直接偵測輸出電壓Vout而得，或在某些應用中，負載30會發出改變輸出電壓Vout的訊號，則暫態指示訊號Tn1可直接或間接得自於負載30。TON產生電路12依據暫態TON控制訊號Tn2以及自反饋電路14而來的訊號Comp，決定一方波訊號PWM之導通時間，而驅動電路13即根據此方波訊號PWM，驅動功率級20進行功率轉換。
本發明中，在正常操作情況下，TON產生電路12產生一固定之正常導通時間，但在輸出電壓Vout變化時，在變化的暫態期間，TON產生電路12將適應性地產生較長或較短之暫態導通時間，直至電路穩定時，再恢復到固定的正常導通時間。具體而言，請參見第5圖並對照先前技術之第2圖，當輸出電壓Vout由高壓轉低壓時，本發明將方波訊號PWM之導通時間適應性地調整成較短的暫態導通時間，使輸出電壓Vout的直流漣波較小，因此可在預期的穩定時間(settling time)內到達規格內，而不似先前技術會高出規格容許的誤差值一段時間。請參見第6圖並對照先前技術之第3圖，當輸出電壓Vout由低壓轉高壓時，本發明將方波訊號PWM之導通時間適應性地調整成較長的暫態導通時間，使輸出電壓Vout的直流漣波較大，加速到達規格內，而不似先前技術會低於規格容許的誤差值一段時間。由以上對照可看出，本發明的直流電壓漣波可比先前技術更快到達規格內。
TON產生電路12有各種實施方式，請參見第7圖為其中一個實施方式。如圖所示，方波訊號PWM係藉由一TON比較器125比較一斜坡訊號V_T1與一參考電壓Vref_T1所產生。斜坡訊號V_T1的斜率或峰值為可變，藉由改變斜坡訊號V_T1的斜率或峰值，便可改變方波訊號PWM的導通時間。詳言之，電流源CS1、電容C、電晶體開關Q1構成斜坡訊號產生電路，電流源CS1產生電流i1，對電容C充電，在節點T1上產生斜坡訊號V_T1，其中電晶體開關Q1的閘極受控於一邏輯電路122的輸出，以調整電晶體開關Q1的導通時點，亦即斜坡訊號V_T1的頻率。在較佳實施方式中，邏輯電路122宜根據訊號Comp(第4圖中反饋電路14的輸出)來產生輸出，使斜坡訊號V_T1的頻率可根據對負載的輸出電壓與輸出電流而受反饋控制。
根據本發明，改變斜坡訊號V_T1的斜率可藉由調整電流源CS1之電流量來達成，而改變斜坡訊號V_T1的峰值可藉由調整電容C之電容值來達成。本實施例以改變斜坡訊號V_T1的斜率為例，如圖所示，電流源CS1之電流量依據暫態TON控制訊號Tn2而改變，如此即可根據暫態TON控制訊號Tn2來調整方波訊號PWM的導通時間。電流源CS1有多種方式可達成，舉一例請參見第8圖，電路上方的電流鏡電路將左方電流源CS2的電流i2複製至右方，假設暫態TON控制訊號Tn2為數位訊號，則可根據暫態TON控制訊號Tn2來決定開關組SW中應導通哪些開關，如此即可決定電流i1對電流i2的比例，亦即依據暫態TON控制訊號Tn2來調整電流源CS1的電流量。如暫態TON控制訊號Tn2為類比訊號，則可將暫態TON控制訊號Tn2轉換為數位訊號，或以其他方式來使用類比的暫態TON控制訊號Tn2(容後詳述)。
如暫態指示訊號Tn1為數位訊號，則暫態偵測電路11可為簡單的解碼電路，根據暫態指示訊號Tn1而產生數位的暫態TON控制訊號Tn2；如暫態指示訊號Tn1為類比訊號，則例如可透過類比數位轉換電路或查表電路(未示出)將暫態指示訊號Tn1轉換為暫態TON控制訊號Tn2，或如第9圖所示，暫態偵測電路11中可包括比較器CP1,CP2，將暫態指示訊號Tn1與參考訊號REF1,REF2比較，以將暫態偵測電路11轉換為數位的暫態TON控制訊號Tn2。第8,9圖中，開關組SW中開關的數目、比較器CP1,CP2的數目、以及數位訊號(暫態TON控制訊號Tn2本身或其所轉換產生之數位訊號)的位元數僅是舉例，並不限於圖示，而可為任意數目。
根據本發明，電流源CS2的電流量宜可由外部設定，如此可在電路應用上提供更大的彈性。有各種實施方式可達成此目的，例如請參閱第10圖為其中一個實施方式，左方的源極追隨電路在電晶體Q2上產生電流iset，而電流鏡電路127複製電流iset成為電流i2。當電路平衡時，誤差放大器126兩輸入端的電壓相等，亦即Vset=iset×Rset，換言之藉由設置不同阻值的電阻Rset，便可改變電流iset，進而改變電流i2；或如第11圖所示，藉由安置不同阻值的電阻Rset，便可改變電壓Vset，亦可改變電流iset與電流i2。以上電路中之電晶體不限於為MOSFET，亦可為雙載子電晶體，而電阻和電流鏡的位置亦可改變，如第12圖所示。
由第10-12圖可知，如暫態TON控制訊號Tn2為類比訊號，則可使用類比的暫態TON控制訊號Tn2為來作為參考電壓Vset，亦同樣可根據暫態TON控制訊號Tn2來調整電流源CS1的電流量，如第13圖所示；當然，參考電壓Vset不必須為暫態TON控制訊號Tn2的本身，亦可為根據暫態TON控制訊號Tn2而產生的類比訊號。總之，因應暫態指示訊號Tn1與暫態TON控制訊號Tn2的不同形式，暫態偵測電路11、與TON產生電路12中的電流源CS1可相應而為不同的設計，均可達到根據暫態TON控制訊號Tn2來調整方波訊號PWM導通時間的目的，都應包含在本發明的範圍之內。
第14圖顯示第4圖電路的具體實施形式，在本實施例中，係假設當負載30發出改變輸出電壓Vout的訊號時，亦會改變參考電壓Vref，因此暫態指示訊號Tn1可得自於參考電壓Vref。當然，如先前所述，暫態指示訊號Tn1的來源不限於此，亦可來自其他來源，例如可藉偵測輸出電壓Vout而得，或直接來自負載30。
請參見第15圖，本實施例中，訊號ViL、訊號V1、方波訊號PWM、與輸出電壓Vout波形如圖所示。訊號ViL和訊號V1的交越點決定方波訊號PWM的導通時間始點(亦即方波訊號PWM的頻率)，而TON產生電路12決定方波訊號PWM的導通時間(TON)。電路起初工作於正常操作情況下，但於輸出電壓Vout由低轉高時，在暫態期間內，方波訊號PWM的導通時間(TON)增長，在輸出電壓Vout到達所欲位準後，導通時間(TON)再回復到正常的長度。類似地，輸出電壓Vout由高轉低時，在暫態期間內，方波訊號PWM的導通時間(TON)則縮短，不另繪示。
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，雖然本發明在輸出電壓由高轉低與由低轉高的暫態中，均調整導通時間，但如僅在輸出電壓其中一種轉換的暫態中調整導通時間、而不在另一種轉換的暫態中調整導通時間，當然亦屬本發明的範圍。又如，各實施例圖示之兩直接相連的元件間，可插置不影響電路主要功能的其他元件；再如，功率級電路20中的功率開關與斜坡產生電路中的電晶體Q1可以為NMOSFET亦可為PMOSFET；又如，本發明之功率級並不限於同步降壓轉換器，亦可類推於其他同步與非同步之降壓、升壓、反壓、升降壓轉換器，如第16A到16F圖舉例所示；再如，第7圖中之斜坡訊號產生電路係由電流源對電容充電，其亦可改變為由電流源對電容放電，如第17圖所示。因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。
10．．．控制電路
11．．．暫態偵測電路
12．．．TON產生電路
122．．．邏輯電路
125．．．TON比較器
126．．．誤差放大器
127．．．電流鏡電路
13．．．驅動電路
14．．．反饋電路
20．．．功率級
30．．．負載
40．．．取樣電路
C．．．電容
Com,CP1,CP2．．．比較器
Comp．．．比較訊號
CS1,CS2．．．電流源
EA．．．誤差放大器
i1,i2,iL,iset．．．電流
L．．．電感
PWM．．．方波訊號
Q1,Q2,Q3．．．電晶體
R1,R2,Rset．．．電阻
REF1,REF2．．．參考電壓
SW．．．開關組
Tn1．．．暫態指示訊號
Tn2．．．暫態TON控制訊號
V1．．．電壓訊號
Vfb,ViL．．．反饋訊號
Vin．．．輸入電壓
Vout．．．輸出電壓
Vref,Vref_T1．．．參考電壓
Vset．．．參考電壓
V_T1．．．斜坡訊號
第1圖為先前技術之固定導通時間降壓切換式電源供應電路的示意圖。
第2圖示出先前技術於輸出電壓降壓時之暫態直流漣波。
第3圖示出先前技術於輸出電壓升壓時之暫態直流漣波。
第4圖示出本發明之適應性調整固定導通時間之電路的示意電路圖。
第5圖示出本發明於輸出電壓降壓時之暫態直流漣波。
第6圖示出本發明於輸出電壓升壓時之暫態直流漣波。
第7圖示出本發明之TON產生電路的一個實施例。
第8圖示出本發明之電流源CS1的一個實施例。
第9圖示出本發明之暫態偵測電路的一個實施例。
第10-12圖示出本發明之電流源CS2的三個實施例。
第13圖示出電流源CS1的另一個實施例。
第14圖示出第4圖電路的更具體實施型態，其中假設當負載30發出改變輸出電壓Vout的訊號時，亦會改變參考電壓Vref。
第15圖示出訊號ViL、訊號V1、方波訊號PWM、與輸出電壓Vout在正常操作與輸出電壓暫態變化(低轉高)時的波形。
第16A-16F圖示出功率級轉換電路的數個實施例。
第17圖示出斜坡訊號產生電路的另一個實施例。
10．．．控制電路
11．．．暫態偵測電路
12．．．TON產生電路
13．．．驅動電路
14．．．反饋電路
20．．．功率級轉換電路
30．．．負載
40．．．取樣電路
Comp．．．比較訊號
iL．．．電流
PWM．．．方波訊號
Tn1．．．暫態指示訊號
Tn2．．．暫態導通時間控制訊號
Vfb,ViL．．．反饋訊號
Vin．．．輸入電壓
Vout．．．輸出電壓

Claims (10)

  1. 一種適應性調整固定導通時間之電路，用以控制一功率級，以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓並提供一輸出電流給一負載，其中該輸出電壓至少具有高壓與低壓之兩種穩定狀態並需要在該兩種穩定狀態之間轉換，在該兩種穩定狀態之間轉換的期間為暫態，該適應性調整固定導通時間之電路包含：一暫態偵測電路，偵測一暫態指示訊號，並依據該暫態指示訊號產生一暫態導通(TON)時間控制訊號；一導通時間(TON)產生電路，其可產生一固定之正常導通時間與一較長或較短之暫態導通時間，該TON產生電路依據該暫態TON控制訊號決定一方波訊號之導通時間；以及一驅動電路，依據該方波訊號，控制該功率級，其中當該暫態指示訊號指示無暫態發生時，該TON產生電路產生固定正常導通時間之該方波訊號；且其中當該暫態指示訊號指示有輸出電壓降壓之暫態發生時，該TON產生電路產生較短暫態導通時間之該方波訊號；且當該暫態指示訊號指示有輸出電壓升壓之暫態發生時，該TON產生電路產生較長暫態導通時間之該方波訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之適應性調整固定導通時間之電路，其中該暫態指示訊號來自於該適應性調整固定導通時間之電路之內部或來自於該負載。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之適應性調整固定導通時間之電路，其中該TON產生電路包括：一斜坡訊號產生電路，其產生一斜坡訊號；以及一導通時間比較器，將該斜坡訊號與一參考訊號比較，以 產生所述方波訊號，其中該斜坡訊號之斜率或峰值受控於該暫態TON控制訊號。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之適應性調整固定導通時間之電路，更包含一反饋電路，其根據該輸出電壓與輸出電流而產生一輸出訊號輸入該TON產生電路，以決定所述方波訊號的頻率，且其中該TON產生電路包括：一第一電流源，其電流量受控於該暫態TON控制訊號；一電容，與該第一電流源耦接於一第一節點；一第一電晶體，耦接於該第一電流源與電容間之節點；一邏輯電路，接收該反饋電路輸出訊號，並依據該反饋電路輸出訊號，控制該第一電晶體之操作；以及一導通時間比較器，將該第一節點電壓與一第一參考電壓比較，以產生所述方波訊號。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之適應性調整固定導通時間之電路，其中該第一電流源包含一第二電流源與一電流複製電路，該電流複製電路將第二電流源之電流複製為第一電流源之電流，其中該電流複製電路之複製比例受控於該暫態TON控制訊號。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之適應性調整固定導通時間之電路，其中該第二電流源之電流可由電路外部設定。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之適應性調整固定導通時間之電路，其中該第一電流源包含一第二電流源與一電流複製電路，該電流複製電路將第二電流源之電流複製為第一電流源之電流，其中該第二電流源包括：一第二電晶體， 一電阻，與該第二電晶體一端耦接於一第二節點；以及一誤差放大器，比較該第二節點電壓與一第二參考電壓，而產生一輸出控制該第二電晶體，其中該第二參考電壓為該暫態TON控制訊號或根據該暫態TON控制訊號Tn2而產生之類比訊號。
  8. 一種適應性調整固定導通時間之方法，用以控制一功率級，以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓並提供一輸出電流給一負載，其中該輸出電壓至少具有高壓與低壓之兩種穩定狀態並需要在該兩種穩定狀態之間轉換，在該兩種穩定狀態之間轉換的期間為暫態，該適應性調整固定導通時間之方法包含：偵測一暫態指示訊號，並依據該暫態指示訊號產生一暫態導通時間(TON)控制訊號；依據該暫態TON控制訊號決定一方波訊號之導通時間，該方波訊號具有一固定之正常導通時間，與一較長或較短之暫態導通時間，並；以及依據該方波訊號，控制該功率級，其中當該暫態指示訊號指示無暫態發生時，該TON產生電路產生固定正常導通時間之該方波訊號；且其中當該暫態指示訊號指示有輸出電壓降壓之暫態發生時，產生較短暫態導通時間之該方波訊號；且當該暫態指示訊號指示有輸出電壓升壓之暫態發生時，產生較長暫態導通時間之該方波訊號。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之適應性調整固定導通時間之方法，其中該依據暫態TON控制訊號決定方波訊號導通時間的步驟包含： 產生一斜坡訊號；以該暫態TON控制訊號控制該斜坡訊號之斜率或峰值；以及將該斜坡訊號與一參考訊號比較，以產生所述方波訊號。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之適應性調整固定導通時間之方法，其中該產生一斜坡訊號的步驟包括以一電流源對一電容充電或放電，且該以暫態TON控制訊號控制斜坡訊號斜率或峰值之步驟包括以該暫態TON控制訊號控制該電流源之電流量。
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