TWI455467B - A step-down converter adjustment method and a device for implementing the method - Google Patents

A step-down converter adjustment method and a device for implementing the method Download PDF

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Description

降壓轉換器調整方法及實施該方法之裝置
本發明係一種降壓轉換器調整方法，這種方法是經由一具有一脈衝頻率及經脈波寬度調變的脈衝串控制一電感的接通，其中該電感與一負載串聯並透過該負載使輸出電壓降低，以針對輸入電壓調整輸出電壓的大小。執行此方法時是以取樣頻率掃描輸出電壓，並將輸出電壓的值數位化，以調整脈波寬度。
本發明還包括一種調整降壓轉換器的裝置，其中該降壓轉換器具有一控制輸入端及一電壓輸出端，其中該控制輸入端供具有脈衝頻率之經過脈波寬度調變的脈衝串使用。此種裝置具有一調整輸入端及一控制輸出端，其中該調整輸入端可以和降壓轉換器之電壓輸出端連接，該控制輸出端可以和降壓轉換器的控制輸入端連接。在調整輸入端及控制輸出端之間設有一類比-數位轉換器、一非線性放大器、一IIR數位濾波器、以及一脈波寬度調變開關。此外還具有一決定脈衝頻率的脈衝頻率-節拍發生器。
利用一種已知的降壓轉換器可以從一輸入電壓產生一經過調整的輸出電壓。輸出電壓的大小始終會小於輸入電壓的大小。這種降壓轉換器是透過接通及切斷至少一個開關來調整輸出電壓的大小。
一種已知之降壓轉換器具有兩個交替接通的開關電晶體。這兩個電晶體的源-汲段位於輸入電壓及接地之間的電流路徑，其間並連接一電感，該電感與一負載電阻串聯並透過該負載電阻使輸出電壓降低。該負載電阻與一電容並聯。
在第一電晶體的接通期間，也就是在位於輸入電壓側上的電晶體的接通期間，一負載電流會流過電感，並通過負載電阻。此時第二電晶體被阻斷。在第一電晶體被切斷期間，第二電晶體被接通。此時儲存在電感內的能量會降低。電流繼續流過耗電器具，也就是流過第二電晶體，然後從電容流出。
透過改變電晶體的接通及切斷時間，可以調整輸出電壓，以及透過這段時間受輸出電壓本身影響的調整來調整輸出電壓。已知這種調整是經由控制脈衝的脈波寬度調變(PWM)在電晶體的控制極上進行。
例如Analog Device Inc.生產的ADP 1872是一種已知的降壓轉換器調整裝置。
這種調整方式的一種數位解決方案(數位控制回路)是對輸出電壓進行類比-數位轉換。這種解決方案是以一取樣頻率掃描輸出電壓的數位化電壓值，並經由一非線性放大及一IIR濾波器(無限脈衝響應濾波器)的過濾，然後被導入脈波寬度調變控制，以便在兩個電晶體上調整控制極的脈波寬度。由於共同應用相同的脈衝基，類比-數位轉換的取樣頻率和控制極脈衝的脈衝頻率是一樣的。換句話說就是，如果控制極脈衝之順序的週期時間(工作週期)的接通長度被調變(這代表脈波寬度調變)，則會等於類比-數位轉換器的兩個取樣之間的時間(取樣週期)。這使得脈波寬度只有在工作週期開始的時候可以被調整。
對於在工作週期內輸出電壓發生明顯變化的快速負載變化(負載瞬變)，而言脈波寬度調變無法對這個負載瞬變作出反應，也就是說要在下一個工作週期經由下一個取樣才能作出反應。其後果是慣性很大及調整過度。
本發明的目的是提出一種方法及裝置，此種方法及裝置能夠很快的對負載瞬變作出反應，因而使降壓轉換器可以更快的調整輸出電壓，而且過調整的幅度也變得較小。
未達到上述目的，本發明提出的方法是將取樣頻率調整為高於脈衝頻率，以及在脈衝串的工作週期內調整脈衝串的脈波寬度。透過較高的取樣頻率，在脈衝串的工作周率期間(也就是脈衝之間)仍然能夠測定因負載瞬變很大造成的輸出電壓的快速變化，同時脈波寬度也能夠在脈衝之間與實際的電壓變化(在負載瞬變很大時，變化非常快速的電壓)適配。這樣就可以很快的進行調整，並完全阻止或大幅降低過調整的程度。
一種有利的方式是，取樣頻率是脈衝頻率的2至100倍。經實驗證實，當取樣頻率是脈衝頻率的32倍時可以獲得很好的結果。
以高於脈衝頻率的取樣頻率(這種情況稱為過度取樣)進行掃描會產生許多可能造成調整過程受擾動的值。因此輸出電壓在穩定狀態下也會出現“如波紋起伏”的現象，這是因為不停的接通電晶體的關係。由於掃描比例很高的關係，正常的電壓變化也可能被測定為調整誤差，導致調整器作出反應。為了避免調整行為出現這種擾動，一種有利的方是經由濾波過程對伴隨取樣頻率產生的數位訊號進行數位消除，以便將配屬於相當於取樣頻率之整數倍的取樣頻率的取樣值濾除。這個過程最好是以一種已知的移動平均濾波器(Moving-Average-Filter)來進行。移動平均濾波器在取樣頻率的整數倍具有多個濾波最大值。
根據本發明之方法的一種實施方式，移動平均濾波器的消除率是可程式化的，因此可以透過所設定的消除率濾除數位值。
另外一種可能性是，在負載基本上保持不變的期間(也就是第一瞬變期間)以第一消除率進行濾除，以及在負載變換期間(也就是在高於第一瞬變的第二瞬變期間)以第二消除率進行濾除，其中第二消除率小於第一消除率。在輸出電壓的快速變化期間測得的許多作為調整量的數位值是很有價值的，因為這些數位值可以用來測定電壓的快速變化。基於這個原因，本明之方法的這種實施方式可以減少值的消除，這樣就可以獲得更多可供使用的調整量的值。
為達到本發明的目的，本發明提出的裝置在類比-數位轉換器及非線性放大器之間設有一移動平均濾波器。此外還設有一取樣頻率-節拍發生器，其中該取樣頻率-節拍發生器被調整為取樣頻率高於脈衝頻率。類比-數位轉換器、移動平均濾波器、非線性放大器、以及IIR濾波器均受到此取樣頻率的控制。取樣頻率-節拍發生器與脈波寬度調變電路連接，同時脈波寬度調變電路是連續的，也就是說即使是在脈衝工作週期內脈衝寬度也是可以控制的。由於類比-數位轉換器是以較大的取樣(過度取樣)頻率運轉，因此即使是在控制電晶體之脈衝串的工作週期內也能夠提供調整量誤差的值，也就是輸出電壓的值或輸出電壓與一額定值之間的差異值。這樣即使是在工作周率期間，脈波寬度也可以與輸出電壓的變化適配，尤其是在瞬變很大時，可以快速進行再調整。
根據本發明之裝置的一種有利的實施方式，移動平均濾波器是由具有不同的可程式消除率的兩個移動平均濾波器或兩個濾波路徑所構成。濾波器可以根據調整誤差的變化速度在兩種消除率之間切換。這樣就可以在瞬變很高時提供大量的調整誤差的掃描值。
如第1圖所示，在降壓轉換器1內設有兩個交替接通的開關電晶體2及3。這兩個電晶體2及3的源-汲段位於輸入電壓VIN 及接地之間的電流路徑，其間並連接一電感4，該電感4與一負載電阻5串聯並透過該負載電阻5使輸出電壓VFBP -VFBN 降低。負載電阻5與一電容6並聯在第一電晶體2的接通期間，也就是在位於輸入電壓側上的電晶體的接通期間，一負載電流會流過電感4，並通過負載電阻5。此時第二電晶體3被阻斷。在第一電晶體2被切斷期間，第二電晶體3被接通。此時儲存在電感4內的能量會降低。電流繼續流過耗電器具5，也就是流過第二電晶體3，然後從電容6流出。
透過改變電晶體2及3的接通及切斷時間，可以調整輸出電壓，以及透過這段時間受輸出電壓本身影響的調整來調整輸出電壓。已知這種調整是經由控制脈衝的脈波寬度調變(PWM)在電晶體2及3的控制極上進行。
對電晶體2及3的控制是透過一降壓控制器7來進行，降壓控制器7受節拍發生器8的控制，同時作為調整量的輸出電壓VFBP -VFBN 會被送回節拍發生器8。
如第2圖所示，輸出電壓VFBP -VFBN 會施加於第一放大器9，其中第一放大器9的出口位於一差頻訊號放大器10上。由數位-類比轉換器11從未在第2圖中詳給繪出之數位源提供的額定電壓值亦作用於該處。
因此類比形式的調整誤差會出現在差頻訊號放大器10的輸出端。該調整誤差會經由一類比-數位轉換器12被取樣。按照先前技術，這個過程是以和脈衝串控制電晶體2及3的頻率相同的頻率進行。
接著在類比-數位轉換器12之出口端的調整誤差的數位值會經由一非線性放大器13及一IIR濾波器被導入一脈波寬度調變電路15。然後由脈波寬度調變電路15調整脈衝串的脈波寬度，以控制電晶體2及3。
從第4圖可以看出，如第4b)圖的調整量的數位顯示會因為在負載電阻5處發生的明顯的負載變化而變得相當粗糙。以相同的解析度可以測出脈波寬度的大小，如第4c)圖所示。
從第4d)圖可以看出，這會導致在降壓轉換器1的出口端發生明顯的過調整，以及在第4a)的瞬變上出現一可見到的延遲。
第3圖顯示本發明提出的解決方案。第3圖中與其他圖式(先前技術)使用相同之元件符號的元件代表與先前技術相同的元件。
根據第3圖，本發明之裝置具有一取樣-節拍發生器16，和節拍發生器8一樣，取樣-節拍發生器16是以高的節拍控制類比-數位轉換器12及所有位於其後的單元。此種過度取樣產生之調整量的解決度會遠高於如第5b)圖顯示的解析度。因此類比-數位轉換器12在脈衝串的一個工作週期內可以取樣得到n倍的調整量，以用於控制電晶體2及3，例如在每2μs的工作週期內獲得32倍的取樣數。過度取樣率n是可程式的。
在類比-數位轉換器12之後有設置移動平均濾波器17。平均濾波器17內有兩個(未詳細繪出的)移動平均濾波路徑，該等移動平均濾波路徑的消除率是可程式的。例如一種典型的作法是透過程式設定使其中一個移動平均濾波路徑的消除率等於過度取樣率，另外一個濾波路徑的消除率則等於過度取樣率的四分之一。較高的消除率會使取樣到的調整量訊號具有一明顯的帶寬限制。基於這個原因，這種訊號是在穩定狀態工作方式期間被利用，如第5a)圖右邊所示，以去除可能造成噪音輸入耦合的值，尤其是在輸出訊號出現“波紋”期間。
消除率較低的濾波路徑是在負載發生變化時被利用，如第5a)圖左邊所示。這種消除率為取樣到的調整量提供一較大的帶寬，這種帶寬使調整回路可以作出快速的反應。
在移動平均濾波器17內也可以測得調整量之變化速度是否有超出一下限值，並根據測得的結果(是否超出或低於下限值)，決定要選擇那一個濾波路徑。
從第3圖可以看出，本發明之裝置具有一可連續適配的脈波寬度調變電路18，因此在工作週期內也可以調整脈衝串的脈寬。
從第5圖(尤其是第5d)圖)可以看出，當造成很大瞬變的負載變化發生後，本發明的裝置的調整速度非常快，而且過調整的程度很低。
尤其是參數的可程式性使本發明的裝置很容易就可以用於各種不同的應用目的。
1．．．降壓轉換器
2．．．第一電晶體
3．．．第二電晶體
4．．．電感
5．．．負載電阻
6．．．電容
7．．．降壓控制器
8．．．節拍發生器
9．．．第一放大器
10．．．差頻訊號放大器
11．．．數位-數位轉換器
12．．．類比-數位轉換器
13．．．非線性放大器
14、IIR．．．無限脈衝響應濾波器
15．．．脈波寬度調變電路
16．．．取樣-節拍發生器
17．．．移動平均濾波器
18．．．可連續適配的脈寬調變電路
以下配合實施例及圖式對本發明的內容做進一步的說明。其中：
第1圖：降壓轉換器，具有一調整先前技術之降壓調整器用的裝置(降壓控制器)。
第2圖：先前技術之降壓轉換器的構造。
第3圖：本發明之降壓轉換器的構造。
第4圖：先前技術之降壓轉換器的訊號變化
a)　輸出電壓VFB 及其額定值(平滑的實線)。
b)　調整誤差，也就是輸出電壓VFB 在通過類比-數位轉換器之與其額定值之間的差異。
c)　經計算及調整的脈波寬度。
d)　額定負載電流(直線)，輸出電流(鋸齒線)及經脈寬調變的脈衝串PMWH 。
第5圖：本發明之裝置(降壓控制器)的訊號變化
a)　輸出電壓VFB 及其額定值(平滑的實線)。
b)　調整誤差，也就是輸出電壓VFB 在通過類比-數位轉換器之與其額定值之間的差異。
c)　經計算及調整的脈波寬度。
d)　額定負載電流(直線)，輸出電流(鋸齒線)及經脈寬調變的脈衝串PMWH 。
7．．．降壓控制器
8．．．節拍發生器
9．．．第一放大器
10．．．差頻訊號放大器
11．．．數位-數位轉換器
12．．．類比-數位轉換器
13．．．非線性放大器
14、IIR．．．無限脈衝響應濾波器
16．．．取樣-節拍發生器
17．．．移動平均濾波器
18．．．可連續適配的脈寬調變電路

Claims (9)

  1. 一種降壓轉換器調整方法，其係經由具有一脈衝頻率及一脈波寬度調變的一脈衝串控制一電感的接通，其中該電感與一負載串聯，並透過該負載使一輸出電壓降低，並根據一輸入電壓調整該輸出電壓的數值，其中以一取樣頻率掃描該輸出電壓，並將該輸出電壓的數值數位化，以調整該脈衝串的一脈波寬度，其中，該取樣頻率調整為大於該脈衝頻率，該輸出電壓的一變化被決定於該脈衝串的各脈衝間，該脈衝串的脈波寬度因而在該脈衝串的工作週期內被調整。
  2. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該取樣頻率是該脈衝頻率的2至100倍。
  3. 如申請專利範圍第2項的方法，其中該取樣頻率是該脈衝頻率的32倍。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項的方法，其中經由一濾波過程對伴隨該取樣頻率產生的一數位訊號進行一數位消除，以便將配屬於相當於該脈衝頻率之整數倍的該取樣頻率的取樣值濾除。
  5. 如申請專利範圍第4項的方法，其中以一移動平均濾波器進行一數位消除，其中該移動平均濾波器在該取樣頻率的整數倍時具有多個濾波最大值。
  6. 如申請專利範圍第4項或第5項的方法，其中透過可程式化的一消除率濾除一數位值。
  7. 如申請專利範圍第6項的方法，其中在該負載基本上保 持不變的期間，也就是一第一瞬變期間，以一第一消除率進行濾除，以及在該負載變換的期間，也就是在高於該第一瞬變期間的一第二瞬變期間，以一第二消除率進行濾除，其中該第二消除率小於該第一消除率。
  8. 一種調整一降壓轉換器的裝置，其中該降壓轉換器具有一控制輸入端及一電壓輸出端，其中該控制輸入端供具有一脈衝頻率之經脈波寬度調變的一脈衝串使用，該裝置具有一調整輸入端及一控制輸出端，其中該調整輸入端可以和該降壓轉換器之該電壓輸出端連接，該控制輸出端可以和該降壓轉換器的該控制輸入端連接，在該調整輸入端及該控制輸出端之間設有一類比-數位轉換器、一非線性放大器、一IIR數位濾波器、以及一脈波寬度調變開關，此外還具有決定該脈衝頻率的一脈衝頻率-節拍發生器，該裝置之特徵為：在該類比-數位轉換器及該非線性放大器之間設有一移動平均濾波器，此外還設有一取樣頻率被調整為高於該脈衝頻率的一取樣頻率-節拍發生器，其中該類比-數位轉換器、該移動平均濾波器、該非線性放大器、以及該IIR濾波器均受到該取樣頻率的控制，該取樣頻率-節拍發生器與一脈波寬度調變電路連接，同時該脈波寬度調變電路是連續的，也就是說即使是在一脈衝工作週期內一脈衝寬度也是可以控制的。
  9. 如申請專利範圍第8項的裝置，其中該移動平均濾波器是由兩個具有不同的可程式消除率的移動平均濾波器所構成。
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