TWI457740B - 電流感測裝置與電壓轉換裝置 - Google Patents

電流感測裝置與電壓轉換裝置 Download PDF

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Description

電流感測裝置與電壓轉換裝置
本發明係指一種電流感測裝置及電壓轉換裝置，尤指一種同時量測上、下橋電路之導通電流的電流感測裝置及電壓轉換裝置。
電子裝置通常包含有不同的元件，每一元件所需的操作電壓可能都不同。因此，在電子裝置中，需要透過直流對直流電壓轉換電路，達到電壓準位的調節(升壓或降壓)，並使之穩定在所設定的電壓數值。依不同的電源需求，可延伸出許多不同型態的直流對直流電壓轉換器，但其皆源自於降壓式轉換器(Buck/Step Down Converter)及升壓式轉換器(Boost/Step Up Converter)。顧名思義，降壓式轉換器可將輸入端的直流電壓下降至一預設電壓準位，而升壓式轉換器則可提升輸入端的直流電壓。不論降壓式轉換器或升壓式轉換器，隨著電路技術的演進，兩者皆已演變出許多變化，以適用於不同的架構，或符合不同的需求。
請參考第1圖，第1圖為習知技術中一電壓轉換裝置10之示意圖。如第1圖所示，電壓轉換裝置10用來將一輸入電壓Vin轉為一輸出電壓Vout，其包含有一控制器100、一閘極驅動器101、一驅動電路102、一輸出電路104、一反饋電路106、一電流感測電路108、一誤差放大器A_ERR與一脈寬調變比較器A_PWM。控制器100連接閘極驅動器101。閘極驅動器101包含有一反相器Inv1、緩衝放大器BA1、BA2，並連接驅動電路102與電流感測電路108。驅動電路102包含有開關電晶體SW1、SW2，並連接輸出電路104與電流感測電路108。輸出電路104包含有一電感L1與一電容C1，並連接反饋電路106。反饋電路106包含有電阻R1、R2，並連接誤差放大器A_ERR。脈寬調變比較器A_PWM連接電流感測電路108與控制器100。電流感測電路108包含有一電流比較器A_CS、一電流產生器Cs、一電容C2、一反向器Inv2與開關元件S1、S2。
簡單來說，控制器100利用一脈寬調變訊號或一重置訊號Rst，產生一控制訊號並傳送至閘極驅動器101。閘極驅動器101利用控制訊號，對應開啟或關閉開關電晶體SW1、SW2，據此，輸入電壓Vin係透過開關電晶體SW1、SW2與輸出電路104，被轉換為輸出電壓Vout。除此之外，反饋電路106利用電阻R1、R2，將輸出電壓Vout轉換為一反饋訊號，並傳送至誤差放大器A_ERR。誤差放大器A_ERR比較反饋訊號與一參考電壓值Vref，對應輸出一誤差訊號。另外，電流感測電路108利用電流比較器A_CS，比較開關電晶體SW2兩端點P1、P2的一導通電流，對應產生一比較訊號；電流產生器Cs利用一電阻(圖中未示)，將輸入電壓Vin和輸出電壓Vout的差值對應轉換為一電流源輸出；最後，利用控制訊號控制開關S1、S2的開啟或關閉，分別由比較訊號或電流源來對電容C2進行充電，來產生一充電電壓值。脈寬調變比較器A_PWM比較充電電壓值與誤差訊號的差異，產生脈寬調變訊號並傳送至控制器100。換句話說，電壓轉換裝置10同時利用重置訊號Rst與脈寬調變訊號，改變控制器100驅動驅動電路102之一工作週期，以適性地將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout，並滿足使用者的不同需求。
然而，電感L1之電感值的大小變化，也會對應改變一輸入端與一輸出端之間的電感電流斜率，據此改變輸出電壓與反饋訊號的大小。同時，在電壓轉換裝置10中，電路設計者必須預先估測輸入電壓Vin與輸出電壓Vout的值，並利用前述結果預設於電流比較器A_CS中，來提供電容C2的充電電壓值。因此，在電壓轉換裝置10中，使用者無法利用電流感測電路108，及時反應電壓轉換裝置10的導通資訊，勢必影響脈寬調變訊號的產生，導致輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout的效率及準確下降。
另外，開關電晶體SW1或開關電晶體SW2的導通時間，即閘極驅動器101產生的工作週期大小，也會影響脈寬調變訊號的產生。舉例來說，假設閘極驅動器101分別開啟開關電晶體SW1與開關電晶體SW2的一時間比例為9：1，在此情況下，若使用者想要量測通過開關電晶體SW2的導通電流，將因為開關電晶體SW2的導通時間太短或切換太頻繁，而無法獲得開關電晶體SW2於導通的前後導通電流資訊，即開關電晶體SW2之導通電流的一斜率變化，對應將受限電壓轉換裝置10的應用範圍。
因此，針對電壓轉換裝置提供一種適用性更高的電流感測模組，用以提高將輸入電壓轉換為輸出電壓的效率及準確性，已成為本領域之重要課題。
因此，本發明之主要目的即在於提供一種可同時量測上、下橋電路之導通電流的電流感測裝置及電壓轉換裝置。
本發明揭露一種用於一電壓轉換裝置之電流感測模組，包含有一電路選擇模組，耦接於該電壓轉換裝置之一時脈產生器與一控制器，用來根據該時脈產生器所產生之一時脈訊號與該控制器所產生之一工作週期訊號，產生一電路選擇結果；一電流感測模組，耦接於該電路選擇模組、該電壓轉換裝置之一上橋電路與一下橋電路，用來根據該電路選擇結果，量測該上橋電路之一上橋導通電流或是該下橋電路之一下橋導通電流；以及一電流產生模組，耦接於該電流感測模組與該電壓轉換裝置之一斜率補償電路，用來根據該斜率補償電路所產生之一斜率補償電流、該上橋導通電流或是該下橋導通電流，產生一感測電壓，以供該控制器調整該工作週期訊號之用；其中，該電流感測裝置係利用該工作週期訊號來驅動該電壓轉換裝置。
本發明揭露另一種電壓轉換裝置，包含有一輸入端，用來接收一輸入電壓；一輸出端，用來輸出一輸出電壓；一時脈產生器，用來產生一時脈訊號；一控制器，耦接於該時脈產生器，用來接收該時脈訊號，以產生一工作週期訊號；一反相器，耦接於該控制器，用來接收該工作週期訊號，以產生一反相工作週期訊號；一閘極驅動器，耦接於該反相器，用來接收該反相工作週期訊號，以產生一閘極控制訊號；一驅動電路，包含有一上橋電路與一下橋電路，用來接收該閘極控制訊號，以控制該上橋電路與該下橋電路之導通情形；一電感，其一端耦接於該驅動電路，另一端耦接於該輸出端；一反饋模組，耦接於該輸出端，用來根據該輸出電壓，以產生一反饋訊號；一誤差放大器，耦接於該反饋模組，用來根據該反饋訊號與一參考電壓，產生一放大訊號；一脈寬調變補償電路，耦接於該誤差放大器，用來根據該放大訊號，產生一補償結果；一斜率補償電路，用來產生一斜率補償電流；一電流感測裝置，包含有：一電路選擇模組，耦接於該時脈產生器與該控制器，用來根據該時脈訊號與該工作週期訊號，產生一電路選擇結果；一電流感測模組，耦接於該電路選擇模組、該上橋電路與該下橋電路，用來根據該電路選擇結果，量測該上橋電路之一上橋導通電流或是該下橋電路之一下橋導通電流；以及一電流產生模組，耦接於該電流感測模組與該斜率補償電路，用來根據該斜率補償電流、該上橋導通電流或是該下橋導通電流，產生一感測電壓；以及一脈寬調變比較器，耦接於該電流產生模組與該脈寬調變補償電路，用來根據該感測電壓與該補償結果，產生一脈寬調變訊號至該控制器。
請參考第2圖，第2圖為本發明實施例一電壓轉換裝置20之示意圖。電壓轉換裝置20包含有一控制器200、一閘極驅動器201、一驅動電路202、一時脈產生器203、一輸出電路204、一反饋電路206、一電流感測電路208、一誤差放大器210、一脈寬調變補償電路212、一脈寬調變比較器214以及一斜率補償電路216。比較第1圖與第2圖可知，電壓轉換裝置20之架構與第1圖之電壓轉換裝置10相似，主要不同之處在於更包含電流感測模組208包含一電路選擇模組2080、一電流感測模組2082及一電流產生模組2084，用來達成同時量測上、下橋電路之導通電流的目的。
首先，從元件連結關係來看，控制器200透過一反相器Inv3連接閘極驅動器201，另外，控制器200也連接時脈產生器203、電流感測電路208及脈寬調變比較器214。驅動電路202包含有開關電晶體SWP、SWN，分別以P型電晶體與N型電晶體來實現，並將開關電晶體SWP視為一上橋電路而開關電晶體SWN視為一下橋電路，且閘極驅動器201係連接至開關電晶體SWP、SWN的閘極；另外，開關電晶體SWP之一端接收一輸入電壓VIN，開關電晶體SWN之一端連接至一地端；最後，開關電晶體SWP、SWN之另一端共同連接至輸出電路204。輸出電路204包含有一電感L1與一電容COUT，電感L1之一端連接於開關電晶體SWP、SWN，其另一端連接於電容COUT之一端、一反饋電路206及一輸出端來輸出一輸出電壓VOUT。反饋電路206包含有電阻R3、R4，電阻R3之一端連接電阻R4之一端與誤差放大器210，電阻R4之另一端連接地端。誤差放大器210更接收一參考電壓VREF，並連接脈寬調變補償電路212之一端，而脈寬調變補償電路212之另一端連接至脈寬調變比較器214。電路選擇模組2080連接時脈產生器203與電流感測模組2082。電流感測模組2082包含有一上橋電路感測模組2082_UP與一下橋電路感測模組2082_DN，分別連接開關電晶體SWP之端點P3與開關電晶體SWN之端點P4。電流產生模組2084連接電流感測模組2082、斜率補償電路216與脈寬調變比較器214。
詳細來說，控制器200接收一脈寬調變訊號S_PWM與一時脈訊號S_CLK，對應輸出一工作週期訊號S_Duty。工作週期訊號S_Duty經過反相器Inv3後，由閘極驅動器201接收一反相工作週期訊號S_RDuty，並對應產生一閘極控制訊號S_G。開關電晶體SWP、SWM透過閘極控制訊號S_G來控制其開啟或關閉，同時利用電容COUT與電感L1的頻率響應，將輸入電壓VIN轉換為輸出電壓VOUT。反饋電路206利用電阻R3、R4之間的比例關係，將輸出電壓VOUT轉換為一反饋訊號S_FB，以傳送至誤差放大器210。誤差放大器210比較反饋訊號S_FB與參考電壓VREF之差異，對應輸出一誤差訊號S_ERR。誤差訊號S_ERR經過脈寬調變補償電路212後，輸出一補償結果EAO至脈寬調變比較器214。
此外，電路選擇模組2080比較時脈訊號S_CLK與工作週期訊號S_Duty的不同，並產生一電路選擇結果S_DCS。舉例來說，請再參考第3圖，第3圖為本實施例中電路選擇模組2080產生電路選擇結果S_DCS之示意圖。如第3圖所示，時脈訊號S_CLK利用電路選擇模組2080與一上緣驅動的方式，被轉換為一時脈比較訊號TON_MIN，其中時脈訊號S_CLK與時脈比較訊號TON_MIN擁有相同的週期，唯一的差別係兩者單一訊號的時間長短不同。工作週期訊號S_Duty係經過控制器200可任意改變單一訊號的時間長短。透過一比較器(圖中未示)，若判斷工作週期訊號S_Duty單一訊號的時間比時脈比較訊號TON_MIN單一訊號的時間短，則對應產生電路選擇結果S_DCS。
請再參考第2圖，上橋電路感測模組2082_UP與下橋電路感測模組2082_DN接收電路選擇結果S_DCS，來選擇兩者量測驅動電路202的時間。舉例來說，S_DCS=0時於一第一時段(對應為工作週期訊號S_Duty中開關電晶體SWP的導通時間)，由上橋電路感測模組2082_UP量測通過開關電晶體SWP端點P3的上橋導通電流ISENP。或者，S_DCS=1時於第二時段(對應為工作週期訊號S_Duty中開關電晶體SWN的導通時間)，由下橋電路感測模組2082_DN量測通過開關電晶體SWN端點P4的下橋導通電流ISENN，並由一輸出單元2082_O得到上橋導通電流ISENP或是下橋導通電流ISENN的感應電流ΔI_SEN與一波谷電流值I_DN。下橋電路感測模組2082_DN也接收工作週期訊號S_Duty，做為一後續計算的判斷。值得注意地，本實施例係特別針對開關電晶體SWP的導通時間(即第一時段)係小於開關電晶體SWN的一導通時間(即第二時段)，使用者無法完整量測開關電晶體SWP導通前後的電流變化，當然，依據使用者的不同需求可進行調整，非用以限制本發明之範疇。
舉例來說，請參考第4圖，第4圖為本發明一實施例中電路感測模組2082與電流產生模組2084之詳細示意圖於下橋電路感測模組2082_DN中，一開關模組2082_DNS接收工作週期訊號S_Duty，其中開關模組2082_DNS包含兩個電晶體形成一導通開關，並連接一濾波器2082_DNF包含一電阻2082_DNR與一電容2082_DNC。工作週期訊號S_Duty經開關模組2082_DNS變成一電流時脈訊號，再利用濾波器2082_DNF轉換為一類比工作週期訊號S_ADuty。同時請再參考第5圖，第5圖為第4圖中一乘法器400之詳細示意圖。乘法器400係接收類比工作週期訊號S_ADuty與兩倍的電流差值ΔI_S，經過疊接複數個電晶體與一電流鏡效應，對應輸出一調整電流差值ΔI_AS。請再參考第4圖，一轉換模組402連接乘法器400來對應接收調整電流差值ΔI_AS，同時轉換模組402包含開關元件4020、4026接收反相工作週期訊號S_RDuty、一轉換單元4022與一感測電容4024將調整電流差值ΔI_AS輸出為一調整電壓差值ΔV_SEN。電流差值ΔI_AS係對感測電容4024進行一充電動作，並由開關元件4026控制感測電容4024的一充電時間。一電壓電流轉換器404接收調整電壓差值ΔV_SEN，對應輸出一感測電流差值ΔI_SEN。最後，一輸出模組406接收感測電流差值ΔI_SEN與波谷電流I_DN以對應輸出一感測結果S_DNS。
最後，請再參考第2圖，電流產生模組2084之一加法器2084_ADD接收感測結果S_DNS與一斜率補償電流S_ISL，對應產生一感測電流S_SI。感測電流S_SI利用一轉換電阻2084_R，被轉換為一感測電壓S_SV，並輸出至脈寬調變比較器214。據此，脈寬調變比較器214比較補償結果EAO與感測電壓S_SV之差值，對應產生一脈寬調變訊號S_PWM至控制器200，以控制控制器200產生不同的工作週期訊號S_Duty。電壓轉換裝置20依據不同的工作週期訊號S_Duty，可適性地將輸入電壓VIN轉換為輸出電壓VOUT，以滿足使用者的不同需求。
請參考第6圖，第6圖為本發明一實施例中電路感測模組2082量測結果之示意圖，其中橫軸方向代表時間，縱軸代表電流大小，代號Ts代表一完整週期時間，代號D代表開關電晶體SWP的導通時間，而代號1-D代表開關電晶體SWN的導通時間。如第6圖所示，當S_DCS=1時，電路感測模組2082剛導通時並不量測量測點H3的數值，等待導通時間D後，才透過下橋電路感測模組2082_DN於時間點T1量測下橋導通電流ISENN，即得到量測點H1的數值。等待導通時間1-D後，於時間點T2量測下橋導通電流ISENN，即得到量測點H2的數值，並取得電流差值ΔI_S。當然，利用導通時間1-D的大小與電流差值ΔI_S，也可推導出斜率m2(即從量測點H1到量測點H2的線段)，同時複製量測點H2的資訊(即下橋導通電流I_DN的大小)至量測點H3，來推導斜率m1(即從量測點H3到量測點H1的線段)，並重建量測點H3經量測點H1到量測點H2之間的圖形。簡單來說，電路感測模組2082_DN將開關電晶體SWN導通的電流大小，複製為開關電晶體SWP導通的電流大小，據以重建開關電晶體SWP的導通電流。因此，如果開關電晶體SWP於操作過程中的導通時間D太小，也就是說，開關電晶體SWP導通一極短時間後將立即被關閉，並切換為開關電晶體SWN導通，在此情況下，電路感測模組208自動選擇量測開關電晶體SWP或是開關電晶體SWN之導通電流，並可得到導通電流的平均值I_OUT。
請參考第7A圖，第7A圖為本發明一實施例之電流產生模組2084輸出結果之示意圖，其中電流產生模組2084已預設一感應電阻R_SEN(好比是轉換電阻2084_R)，並預先量測一無電流導通電壓V_ZCV。如第7A圖所示，首先，將波谷電流I_DN乘上感應電阻R_SEN，並將前者結果加上無電流導通電壓V_ZCV，得到一第一電壓值V1。接著，對應導通時間D後，將電流差值ΔI_S累加斜率補償電流S_ISL，並將前者結果乘上感應電阻R_SEN，最後再將前者結果累加第一電壓值V1，則可得到一第二電壓值V2。在此，第二電壓值V2即為感測電壓S_SV，係傳送至脈寬調變比較器214提供為後續操作，其已於前述段落說明，在此不贅述。
另外，請參考第7B圖，第7B圖為本發明另一實施例之電流產生模組2084輸出結果之示意圖。相較於第7A圖必須利用電流差值ΔI_S來做運算，如果下橋電路感測模組2082_DN已能精準量測一波峰電流I_UP，則可利用第7B圖所示之方式來進行。如第7B圖所示，首先，將波峰電流I_UP乘上感應電阻R_SEN，並累加預先量測的無電流導通電壓V_ZCV，可得到一第三電壓值V3。接著，將斜率補償電流S_ISL乘上感應電阻R_SEN，並將前者結果累加第三電壓值V3，同樣可得到第二電壓值V2為感測電壓S_SV，以供脈寬調變比較器214為後續操作。
除此之外，以下提出一些示範性的數值計算，用以加強說明電流感測模組208用於電壓轉換裝置20的方式。請參考第8A圖，第8A圖為電流感測模組208一實際量測資料之示意圖，其中電壓轉換裝置20係操作於工作週期為1 MHz，週期為1 μs，開關電晶體SWP與開關電晶體SWN分別導通100 ns與900 ns(即工作週期訊號為D為10%)，輸出端的電感為2.2 μH，感應電阻為0.2Ω，導通電流的平均值為1 A，輸入電壓為5 V，輸出電壓為0.5 V，並用代號V_SL簡化為斜率補償電路216對應產生的電壓值。如第8A圖所示，波峰電流I_UP與波谷電流I_DN分別量測為1.102 A與0.898 A，並根據公式ΔI_S =×D ×T S ，可得到電流差值ΔI_S為204 mA，再利用公式S_SV =ΔI_S ×R_SEN ，得到實際感測電壓S_SV為40.8 mV，最後利用公式C_SEN ×S_SV =ΔI_S ×D ，可得到一模擬感測電容值C_SEN為0.5 μF，同時建立一模擬感測電流源80的模型。
接著，請參考第8B圖，第8B圖為電流感測模組208另一實際量測資料之示意圖，其中第8B圖與第8A圖之差異，僅在於將電感改變為1 μH，至於波峰電流I_UP與波谷電流I_DN分別量測為1.225 A與0.775 A。同樣利用公式ΔI_S =×D ×T S ，可得電流差值ΔI_S為450 mA，再利用公式S_SV =ΔI_S ×R_SEN ，得到實際感測電壓S_SV為90 mV，最後利用第8A圖建立的模擬感測電容值C_SEN為0.5 μF與公式C_SEN ×S_SV =ΔI_S ×D ，仍然可得到感測電壓S_SV為90 mV。換句話說，透過本實施例建立的電流感測模組208與模擬感測電流源80，即使連接輸出端的電感值發生改變，仍然不影響電流感測模組208傳送給脈寬調變比較器214的感測電壓S_SV。
另外，請參考第8C圖，第8C圖為電流感測模組208另一實際量測資料之示意圖，其中第8C圖與第8A圖之差異，僅在於第8C圖改變輸出電壓為1.0 V，並對應將工作週期訊號為D改為20%(即上橋電路與下橋電路分別導通200 ns與800 ns)，至於波峰電流I_UP與波谷電流I_DN分別量測為1.181 A與0.819 A。同樣地，利用公式ΔI_S =×D ×T S ，可得電流差值ΔI_S為363 mA，再利用公式S_SV =ΔI_S ×R_SEN ，得到實際感測電壓S_SV為72.7 mV，最後利用第8A圖建立的模擬感測電容值C_SEN為0.5 μF與公式C_SEN ×S_SV =ΔI_S ×D ，可得到感測電壓S_SV為145.2 mV。然而，與真正感測電壓值72.7 mV差一倍。也就是說，，當週期S_Duty變化時，電流差值ΔI_S也需要跟著被調變成調整電流差值ΔI_AS，C_SEN ×S_SV =ΔI_AS ×D ，則可得到感測電壓S_SV=72.7mV，如第4圖所示。換句話說，透過本實施例建立的電流感測模組208與模擬感測電流源80，即使輸出電壓變大並對應增加工作週期訊號D，仍然不影響電流感測模組208傳送給脈寬調變比較器214的感測電壓S_SV。
最後，請參考第8D圖，第8D圖為電流感測模組208另一實際量測資料之示意圖，其中第8D圖與第8A圖之差異，僅在於第8D圖改變輸出電壓為0.15 V，並對應將工作週期訊號為D改為3%(即上橋電路與下橋電路分別導通30 ns與970 ns)，至於波峰電流I_UP與波谷電流I_DN分別量測為1.033 A與0.967 A。同樣地，利用公式ΔI_S =×D ×T S ，可得電流差值ΔI_S為66 mA，再利用公式S_SV =ΔI_S ×R_SEN ，得到實際感測電壓S_SV為13.2 mV，最後利用第8A圖建立的模擬感測電容值C_SEN為0.5 μF與公式C_SEN ×S_SV =ΔI_S ×D ，可得到感測電壓S_SV為3.96 mV。根據，再利用公式C_SEN ×S_SV =ΔI_AS ×D ，則可得到感測電壓S_SV=13.2mV。換句話說，透過本實施例建立的電流感測模組208與模擬感測電流源80，即使輸出電壓變小並對應減少工作週期訊號D，仍然不影響電流感測模組208傳送給脈寬調變比較器214的感測電壓S_SV。
值得注意地，本發明所提供的電流感測模組208，即使對應改變輸出端的電感值或電壓值，均不影響輸出的感測電壓S_SV，相較於習知技術之電壓轉換裝置10，已大幅提升電壓轉換裝置20的適用範圍，對應提供精準的感測電壓S_SV。
於本實施例中，利用電流感測模組208提供電壓轉換裝置20，來進行量測開關電晶體SWP或是開關電晶體SWN的導通電流，據以提供脈寬調變訊號S_PWM的過程，可進一步歸納為一電流感測流程90，如第9圖所示。電流感測流程90包含以下步驟：
步驟900：開始。
步驟902：電路選擇模組2080比較時脈訊號S_CLK與工作週期訊號S_Duty的不同，產生電路選擇結果S_DCS。
步驟904：上橋電路感測模組2082_UP與下橋電路感測模組2082_DN根據電路選擇結果S_DCS，選擇量測開關電晶體SWP或是開關電晶體SWN的電感電流。當S_DCS=0時，上橋電路感測模組2082_UP量測上橋導通電流ISENP；當S_DCS=1時，下橋電路感測模組2082_DN量測下橋導通電流ISENN。
步驟906：輸出模組406根據上橋導通電流ISENP與下橋導通電流ISENN，產生電感電流之感測結果S_DNS。
步驟908：電流產生模組2084根據感測結果S_DNS與斜率補償電流S_ISL，產生感測電壓S_SV。
步驟910：脈寬調變比較器214根據補償結果EAO與感測電壓S_SV，產生脈寬調變訊號S_PWM。
步驟912：結束。
另外，於本實施例中，電壓轉換裝置20轉換輸入電壓VIN為輸出電壓VOUT的過程，可進一步歸納為一電壓轉換流程70，如第10圖所示。電壓轉換流程70包含以下步驟：
步驟700：開始。
步驟702：控制器200接收脈寬調變訊號S_PWM與時脈訊號S_CLK，產生工作週期訊號S_Duty。
步驟704：閘極驅動器201根據工作週期訊號S_Duty，產生閘極控制訊號S_G。
步驟706：驅動電路202根據閘極控制訊號S_G，分別控制開關電晶體SWP與開關電晶體SWN的導通情形。
步驟708：根據開關電晶體SWP與開關電晶體SWN的導通情形，並利用電容COUT與電感L1的頻率響應，將輸入電壓VIN轉換為輸出電壓VOUT。
步驟710：結束。
由於電流感測流程90與電壓轉換流程70其步驟之詳細操作，已可透過電壓轉換裝置20、電流感測模組208、第2圖到第8D圖，以及其相關段落的敘述來獲得說明，在此不贅述。值得注意地，本發明所提供的電流感測模組208，係判斷工作週期訊號S_Duty與時脈訊號S_CLK的不同，藉此選擇上橋電路感測模組2082_UP或下橋電路感測模組2082_DN，以對應量測開關電晶體SWP的上橋導通電流ISENP或開關電晶體SWN的下橋導通電流ISENN。因此，本領域具通常知識者可依據本實施例的概念，結合其他電壓量測模組，同時量測開關電晶體SWP、SWN之電壓變化，進而轉換為電流的變化，亦屬於本發明之範疇。另外，本實施例係特別針對開關電晶體SWP的導通時間過短，對應選擇量測開關電晶體SWN的下橋導通電流ISENN，並複製相關電流資訊來重建感測電壓S_SV。反之，當開關電晶體SWN的導通時間過短，或是開關電晶體SWP、SWN操作於特殊工作週期下而無法得知其導通電流時，亦可藉由相同的概念進行電流量測與複製，在此不贅述。
綜上所述，本發明提供一種電流感測模組用於一電壓轉換裝置，利用一電路選擇模組判斷一電流感測模組應量測一上橋導通電流或一下橋導通電流，再由一電流產生模組根據上橋導通電流或是下橋導通電流與一斜率補償電流，進而產生一感測電壓來控制電壓轉換裝置之一工作週期，藉以提高電壓轉換裝置之電壓轉換效率，並彈性量測電壓轉換裝置之導通電流，另外電流感測模組亦建立一模擬感測電流源，其可自動地根據輸入、輸出端電壓值或電感值改變而調整，以避輸出端之電感值或電壓值改變則電流感測模組將不適用的情形，大幅提高電壓轉換裝置的適用範圍。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10、20．．．電壓轉換裝置
100、200．．．控制器
101、201．．．閘極驅動器
102、202．．．驅動電路
104、204．．．輸出電路
106、206．．．反饋電路
108、208．．．電流感測模組
203．．．時脈產生器
2080．．．電路選擇模組
2082．．．電流感測模組
2082_O．．．輸出單元
2082_DN．．．下橋電路感測模組
2082_UP．．．上橋電路感測模組
2082_DNS．．．開關模組
2082_DNF．．．濾波器
2082_DNR．．．電阻
2082_DNC．．．電容
2084．．．電流產生模組
2084_ADD．．．加法器
2084_R．．．轉換電阻
210．．．誤差放大器
212．．．脈寬調變補償電路
214．．．脈寬調變比較器
216．．．斜率補償電路
400．．．乘法器
402．．．轉換模組
4020、4026．．．開關元件
4022．．．轉換單元
4024．．．感測電容
404．．．電壓電流轉換器
406．．．輸出模組
700、702、704、706、708、710、900、902、904、906、908、910、912．．．步驟
70．．．電壓轉換流程
90．．．電流感測流程
BA1、BA2．．．緩衝放大器
A_ERR．．．誤差放大器
A_PWM．．．脈寬調變比較器
A_CS、．．．電流比較器
COUT、C1．．．電容
C_SEN．．．模擬感測電容值
Cs．．．電流產生器
D、1-D．．．導通時間
EAO．．．補償結果
H1、H2、H3．．．量測點
Inv1、Inv2、Inv3．．．反相器
ISENN．．．下橋導通電流
ISENP．．．上橋導通電流
I_DN．．．波谷電流
I_OUT．．．導通電流的平均值
I_UP．．．波峰電流
L1．．．電感
m1、m2．．．斜率
R1、R2、R3、R4．．．電阻
R_SEN．．．感應電阻
Rst．．．重置訊號
P1、P2、P3、P4．．．端點
S1、S2．．．開關
SW1、SW2、SWP、SWN．．．開關電晶體
S_ADuty．．．類比工作週期訊號
S_PWM．．．脈寬調變訊號
S_CLK．．．時脈訊號
S_Duty．．．工作週期訊號
S_RDuty．．．反相工作週期訊號
S_G．．．閘極控制訊號
S_FB．．．反饋訊號
S_ERR．．．誤差訊號
S_DCS．．．電路選擇結果
S_DNS．．．感測結果
S_ISL．．．斜率補償電流
S_SI．．．感測電流
S_SV．．．感測電壓
T1、T2．．．時間點
TON．．．時脈比較訊號
Ts．．．完整週期時間
S_PWM．．．脈寬調變訊號
V1．．．第一電壓值
V2．．．第二電壓值
V3．．．第三電壓值
VIN、Vin．．．輸入電壓
VOUT、Vout．．．輸出電壓
VREF、Vref．．．參考電壓
V_ZCV．．．無電流導通電壓
ΔI_AS．．．調整電流差值
ΔI_S．．．電流差值
ΔV_SEN．．．調整電壓差值
ΔI_SEN．．．感測電流差值
第1圖為習知技術中一電壓轉換裝置之示意圖。
第2圖為本發明實施例一電流感測模組用於一電壓轉換裝置之示意圖。
第3圖為本實施例中電路選擇模組產生電路選擇結果之示意圖。
第4圖為本發明一實施例中電路感測模組與電流產生模組之詳細示意圖。
第5圖為第4圖中一乘法器之詳細示意圖。
第6圖為本發明一實施例中電路感測模組量測結果之示意圖。
第7A圖為本發明一實施例之電流產生模組輸出結果之示意圖。
第7B圖為本發明另一實施例之電流產生模組輸出結果之示意圖。
第8A圖為電流感測模組一實際量測資料之示意圖，並對應建立一模擬感測電流源。
第8B圖到第8D圖，係電流感測模組不同實際量測資料之示意圖。
第9圖為本發明實施例一電流感測流程之示意圖。
第10圖為本發明實施例一電壓轉換流程之示意圖。
20．．．電壓轉換裝置
200．．．控制器
201．．．閘極驅動器
202．．．驅動電路
203．．．時脈產生器
204．．．輸出電路
206．．．反饋電路
208．．．電流感測模組
2080．．．電路選擇模組
2082．．．電流感測模組
2082_O．．．輸出單元
2082_DN．．．下橋電路感測模組
2082_UP．．．上橋電路感測模組
2084．．．電流產生模組
2084_ADD．．．加法器
2084_R．．．轉換電阻
210．．．誤差放大器
212．．．脈寬調變補償電路
214．．．脈寬調變比較器
216．．．斜率補償電路
COUT．．．電容
Inv3．．．反相器
I_DN．．．下橋導通電流
I_UP．．．上橋導通電流
SWP、SWN．．．開關電晶體
VIN．．．輸入電壓
VOUT．．．輸出電壓
VREF．．．參考電壓
S_PWM．．．脈寬調變訊號
S_CLK．．．時脈訊號
S_Duty．．．工作週期訊號
S_RDuty．．．反相工作週期訊號
S_G．．．閘極控制訊號
S_FB．．．反饋訊號
S_ERR．．．誤差訊號
EAO．．．補償結果
S_DCS．．．電路選擇結果
S_DNS．．．感測結果
S_ISL．．．斜率補償電流
S_SI．．．感測電流
S_SV．．．感測電壓
S_PWM．．．脈寬調變訊號

Claims (18)

  1. 一種用於一電壓轉換裝置之電流感測裝置，包含有：一電路選擇模組，耦接於該電壓轉換裝置之一時脈產生器與一控制器，用來根據該時脈產生器所產生之一時脈訊號與該控制器所產生之一工作週期訊號，產生一電路選擇結果；一電流感測模組，耦接於該電路選擇模組、該電壓轉換裝置之一上橋電路與一下橋電路，用來根據該電路選擇結果，量測該上橋電路之一上橋導通電流或是該下橋電路之一下橋導通電流；以及一電流產生模組，耦接於該電流感測模組與該電壓轉換裝置之一斜率補償電路，用來根據該斜率補償電路所產生之一斜率補償電流、該上橋導通電流或是該下橋導通電流，產生一感測電壓，以供該控制器調整該工作週期訊號之用；其中，該電流感測裝置係利用該工作週期訊號來驅動該電壓轉換裝置。
  2. 如請求項1所述之電流感測裝置，其中該電路選擇模組更包含一比較器，用來比較該時脈訊號與該工作週期訊號之差異，以產生該電路選擇結果。
  3. 如請求項2所述之電流感測裝置，其中當該電路選擇模組產生該電路選擇結果時，該上橋電路之一導通時間係小於該下橋電 路之一導通時間。
  4. 如請求項1所述之電流感測裝置，其中該電流感測模組更包含一上橋電路感測模組與一下橋電路感測模組，用來根據該電路選擇結果，分別量測該上橋導通電流與該下橋導通電流，進而產生一導通電流差值。
  5. 如請求項4所述之電流感測裝置，其中該電流感測模組更包含有：一時脈轉換模組，包含有：一開關模組，耦接於該時脈產生器，用來根據該時脈訊號，以決定該開關模組之導通情形，並輸出一電流時脈訊號；以及一濾波器，耦接於該開關模組，用來根據該電流時脈訊號，產生一類比工作週期訊號；一乘法器，耦接於該濾波器與該電流感測模組，用來根據該類比工作週期訊號與該導通電流差值，產生一調整電流差值；一轉換模組，耦接於該乘法器，用來根據該調整電流差值，產生一調整電壓差值；一電壓電流轉換器，耦接於該轉換模組，用來根據該調整電壓差值，產生一感測電流差值；以及一輸出模組，耦接於該電壓電流轉換器，用來根據該感測電流差值、該上橋導通電流與該下橋導通電流，產生一感測結 果。
  6. 如請求項5所述之電流感測裝置，其中該轉換模組更包含一感測電容與一開關元件，用來根據該調整電流差值與該工作週期訊號對應之一反相工作週期訊號，以產生該調整電壓差值。
  7. 如請求項5所述之電流感測裝置，其中該電流產生模組更包含有：一加法器，耦接於該輸出模組，用來根據該感測結果與該斜率補償電流，以產生一感測電流；以及一轉換電阻，耦接於該加法器與一脈寬調變比較器，用來轉換該感測電流為該感測電壓；其中，該感測結果係為該感測電流差值與該下橋導通電流。
  8. 如請求項5所述之電流感測裝置，其中該電流產生模組更包含有：一轉換電阻，耦接於該輸出模組與該斜率補償電路，用來根據該上橋導通電流與該斜率補償電流，產生該感測電壓；其中，該感測結果係為該上橋導通電流。
  9. 一種電壓轉換裝置，包含有：一輸入端，用來接收一輸入電壓；一輸出端，用來輸出一輸出電壓； 一時脈產生器，用來產生一時脈訊號；一控制器，耦接於該時脈產生器，用來接收該時脈訊號，以產生一工作週期訊號；一反相器，耦接於該控制器，用來接收該工作週期訊號，以產生一反相工作週期訊號；一閘極驅動器，耦接於該反相器，用來接收該反相工作週期訊號，以產生一閘極控制訊號；一驅動電路，包含有一上橋電路與一下橋電路，用來接收該閘極控制訊號，以控制該上橋電路與該下橋電路之導通情形；一電感，其一端耦接於該驅動電路，另一端耦接於該輸出端；一反饋模組，耦接於該輸出端，用來根據該輸出電壓，以產生一反饋訊號；一誤差放大器，耦接於該反饋模組，用來根據該反饋訊號與一參考電壓，產生一放大訊號；一脈寬調變補償電路，耦接於該誤差放大器，用來根據該放大訊號，產生一補償結果；一斜率補償電路，用來產生一斜率補償電流；一電流感測裝置，包含有：一電路選擇模組，耦接於該時脈產生器與該控制器，用來根據該時脈訊號與該工作週期訊號，產生一電路選擇結果；一電流感測模組，耦接於該電路選擇模組、該上橋電路與該下橋電路，用來根據該電路選擇結果，量測該上橋 電路之一上橋導通電流或是該下橋電路之一下橋導通電流；以及一電流產生模組，耦接於該電流感測模組與該斜率補償電路，用來根據該斜率補償電流、該上橋導通電流或是該下橋導通電流，產生一感測電壓；以及一脈寬調變比較器，耦接於該電流產生模組與該脈寬調變補償電路，用來根據該感測電壓與該補償結果，產生一脈寬調變訊號至該控制器。
  10. 如請求項9所述之電壓轉換裝置，其中該電路選擇模組更包含一比較器，用來比較該時脈訊號與該工作週期訊號之差異，以產生該電路選擇結果。
  11. 如請求項10所述之電壓轉換裝置，其中當該電路選擇模組產生該電路選擇結果時，該上橋電路之一導通時間係小於該下橋電路之一導通時間。
  12. 如請求項9所述之電壓轉換裝置，其中該電流感測模組更包含一上橋電路感測模組與一下橋電路感測模組，用來根據該電路選擇結果，分別量測該上橋導通電流與該下橋導通電流，進而產生一導通電流差值。
  13. 如請求項12所述之電壓轉換裝置，其中該電流感測模組更包含 有：一時脈轉換模組，包含有：一開關模組，耦接於該時脈產生器，用來根據該時脈訊號，以決定該開關模組之導通情形，並輸出一電流時脈訊號；以及一濾波器，耦接於該開關模組，用來根據該電流時脈訊號，產生一類比工作週期訊號；一乘法器，耦接於該濾波器與該電流感測模組，用來根據該類比工作週期訊號與該導通電流差值，產生一調整電流差值；一轉換模組，耦接於該乘法器，用來根據該調整電流差值，產生一調整電壓差值；一電壓電流轉換器，耦接於該轉換模組，用來根據該調整電壓差值，產生一感測電流差值；以及一輸出模組，耦接於該電壓電流轉換器，用來根據該感測電流差值、該上橋導通電流與該下橋導通電流，產生一感測結果。
  14. 如請求項13所述之電壓轉換裝置，其中該轉換模組更包含一感測電容與一開關元件，用來根據該調整電流差值與該反相工作週期訊號，以產生該調整電壓差值。
  15. 如請求項13所述之電壓轉換裝置，其中該電流產生模組更包含有： 一加法器，耦接於該輸出模組，用來根據該感測結果與該斜率補償電流，以產生一感測電流；以及一轉換電阻，耦接於該加法器與該脈寬調變比較器，用來轉換該感測電流為該感測電壓；其中，該感測結果係為該感測電流差值與該下橋導通電流。
  16. 如請求項13所述之電壓轉換裝置，其中該電流產生模組更包含有：一轉換電阻，耦接於該輸出模組與該斜率補償電路，用來根據該上橋導通電流與該斜率補償電流，產生該感測電壓；其中，該感測結果係為該上橋導通電流。
  17. 如請求項9所述之電壓轉換裝置，其中該反饋模組更包含有：一第一電阻，包含有一端耦接於該輸出端；以及一第二電阻，包含有一端耦接於該第一電阻，另一端耦接於一地端；其中，該第一電阻與該第二電阻具有一電阻比值，該反饋模組係根據該電阻比值與該輸出電壓，產生該反饋訊號。
  18. 如請求項9所述之電壓轉換裝置，其更包含一輸出電容，耦接於該輸出端來穩定該輸出電壓。
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