TWI460974B - 抑制輸出電壓過衝的電壓轉換器 - Google Patents

Description

抑制輸出電壓過衝的電壓轉換器

本發明係關於一種抑制輸出電壓過衝狀況的電壓轉換器。

直流至直流電壓轉換器可用以將一輸入電壓調節成一穩定的輸出電壓，藉以供應負載所需的電流。一般而言，直流至直流電壓轉換器根據輸入電壓和輸出電壓值的大小分為昇壓式電壓轉換器(boost converter)、降壓式電壓轉換器(buck converter)和昇降壓式電壓轉換器(buck-boost converter)。圖1繪示一典型的昇壓式電壓轉換器10的架構示意圖。參照圖1，該昇壓式電壓轉換器10包含一輸入電容C_IN 、一電感L、兩開關SW₁ 和SW₂ 、一輸出電容C_OUT 及一控制電路12。該控制電路12用以提供控制兩開關SW₁ 和SW₂ 的兩驅動信號D₁ 和D₂ ，使得開關SW₁ 和SW₂ 能被交替地導通及關閉。

參照圖1，該控制電路12包含一誤差放大器122、一補償網路124、一比較器126以及一脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation,PWM)電路128。該昇壓式電壓轉換器10另包含一分壓電路14，其用以偵測輸出電壓V_OUT 的變化。該分壓電路14藉由兩串聯電阻R₁ 和R₂ 將輸出電壓V_OUT 進行分壓以產生相對應的回授電壓V_FB 。接著，根據參考電壓V_REF 和回授電壓V_FB 之間的電壓差值，該誤差放大器122產生一相對應的輸出電壓V_E 。該比較器126在比較誤差放大器10傳來的輸出電壓V_E 和一鋸齒波信號V_SAW 後，產生一脈波信號。該脈波信號傳送至該PWM電路128以產生相對應的驅動信號D₁ 和D₂ 。藉由驅動信號D₁ 和D₂ 開啟或關閉開關SW₁ 和SW₂ 而對電感L進行充電或放電，該昇壓式電壓轉換器10可產生所需要的負載電流及穩定的輸出電壓。

為了補償該誤差放大器122的穩定度，該誤差放大器122的輸出端會連接至該補償網路124，以補償輸出電壓V_E 。然而，在系統啟動初期，受限於該補償網路124的響應時間，該昇壓式電壓轉換器10會產生輸出電壓過衝(overshoot)的狀況。圖2繪示該昇壓式電壓轉換器10在開機時的波形圖。參照圖2，在系統啟動初期(t<t_START )時，由於輸出電壓V_E 無法快速到達一穩定的電壓位準，因此在開機時會產生相當大的電感電流I_L ，且輸出電壓V_OUT 會有過衝的現象。該過衝電壓可能會對負載元件造成損害。

因此，有必要提出一種可抑制輸出電壓過衝狀況的電壓轉換器，以解決系統開機時的潛在問題。

本發明之目的係提供一種抑制輸出電壓過衝狀況的電壓轉換器，其用以接收一輸入電壓以調節產生一輸出電壓。

為達到上述之目的，本發明之電壓轉換器之一實施例包含一誤差放大器、一補償網路和一選擇電路。該誤差放大器具有接收一參考電壓的一正相輸入端、接收關聯於該輸出電壓的一回授電壓之一反相輸入端及提供一誤差電壓的輸出端。該補償網路用以補償該誤差放大器的穩定度。該選擇電路用以根據該誤差電壓的電壓位準以選擇性地連接該補償網路至該誤差放大器的該輸出端。在運作時，當該回授電壓的電壓位準小於該參考電壓的電壓位準時，該補償網路不連接於該誤差放大器的該輸出端，而當該回授電壓的電壓位準實質等於該參考電壓的電壓位準時，該補償電路連接於該誤差放大器的該輸出端。

本發明在此所探討的方向為一種用以抑制輸出電壓過衝狀況的電壓轉換器。為了能徹底地瞭解本發明，將在下列的描述中提出詳盡的步驟及結構。顯然地，本發明的施行並未限定於相關領域之技藝者所熟習的特殊細節。另一方面，眾所周知的結構或步驟並未描述於細節中，以避免造成本發明不必要之限制。本發明的較佳實施例會詳細描述如下，然而除了這些詳細描述之外，本發明還可以廣泛地施行在其他的實施例中，且本發明的範圍不受限定，其以之後的專利範圍為準。

圖3顯示結合本發明一實施例之抑制輸出電壓過衝狀況的電壓轉換器30的架構示意圖。該電壓轉換器30用以接收一輸入電壓V_IN 以調節產生一輸出電壓V_OUT 。參照圖3，該電壓轉換器30包含一輸入電容C₁ 、一電感L₁ 、兩開關SW_A 和SW_B 、一輸出電容C₂ 及一控制電路32。該控制電路32用以提供控制開關SW_A 和SW₂ 的兩驅動信號D_A 和D_B ，使得開關SW_A 和SW_B 能被交替地導通及關閉。

參照圖3，該控制電路32包含一誤差放大器322、一選擇電路324、一比較器326以及一PWM電路328。該誤差放大器322具有接收一參考電壓V_REF 的一正相輸入端、接收關聯於該輸出電壓V_OUT 的一回授電壓V_FB 之一反相輸入端及提供一誤差電壓V_EA 的輸出端。為了補償該誤差放大器322的迴路穩定度，一補償網路325藉由該選擇電路324連接至該誤差放大器322的輸出端，以補償該誤差電壓V_EA 。圖4顯示結合本發明一實施例之選擇電路324的細部電路圖。參照圖4，該選擇電路324包含一信號轉換電路3242和一開關3244。該信號轉換電路3242用以根據該誤差電壓V_EA 的電壓位準以產生一邏輯信號S₁ ，該開關3244則根據該邏輯信號S₁ 以選擇性地連接該補償網路325至該誤差放大器322的輸出端。

參照圖3，該比較器326具有接收一鋸齒波信號V_SAW 的一正相輸入端、接收該誤差電壓V_EA 的一反相輸入端及提供一脈波信號V_PUL 的輸出端。該PWM電路328在接收該脈波信號V_PUL 後，產生兩驅動信號D_A 和D_B 以控制兩開關SW_A 和SW_B ，藉以使開關SW_A 和SW_B 能被交替地導通及關閉。

該電壓轉換器30之工作原理現配合圖3及圖4說明如下。當該電壓轉換器30運作於正常模式時，會輸出一穩定的電壓V_OUT ，且其電壓位準大於輸入電壓V_IN 的電壓位準。該電壓轉換器30另包含一分壓電路34，其用以偵測輸出電壓V_OUT 的變化。該分壓電路34藉由兩串聯電阻R_A 和R_B 以將輸出電壓V_OUT 進行分壓，藉以產生相對應的回授電壓V_FB 。接著，根據參考電壓V_REF 和回授電壓V_FB 之間的電壓差值，該誤差放大器322產生相對應的輸出電壓V_EA 。為了補償該輸出電壓V_EA ，該補償網路36會藉由該開關3244的導通而連接至該誤差放大器322的輸出端。在本實施例中，該補償網路325係由以串聯方式連接的一電阻R_C 和一電容C_C 所組成。然而，本發明不應以此為限。該補償網路325可由連接於該誤差放大器322的輸出端和接地端之間的一單一電容或其他具有補償功能的補償元件以任意串聯或並聯之組合方式所形成。

在產生輸出電壓V_EA 後，該比較器326比較該輸出電壓V_EA 和該鋸齒波信號V_SAW 以產生該脈波信號V_PUL 。該脈波信號V_PUL 傳送至該PWM電路328以產生相對應的驅動信號D_A 和D_B 以控制開關SW_A 和SW_B 。藉由開啟或關閉開關SW_A 和SW_B 來充電或放電電感L₁ ，使得輸出電壓V_OUT 能具有穩定的電壓位準。

當該電壓轉換器30運作於正常模式時，回授電壓V_FB 的電壓位準會接近於參考電壓V_REF 的電壓位準，且該誤差放大器322的輸出電壓V_EA 會根據負載電流的大小維持在一固定值V_EA,stable 。然而，在該電壓轉換器30啟動初期時，其所產生的輸出電壓V_OUT 尚在相當低的電壓位準，因此回授電壓V_FB 其值接近於0。此時，藉由圖4中的該開關3244之斷開，該補償網路325將不連接於該誤差放大器322的該輸出端。因此，該誤差放大器322可等效為一比較器，且其輸出電壓V_EA 會很快到達一位準最大值，使得輸出電壓V_OUT 可以快速地增加。

隨著輸出電壓V_OUT 的增加，該回授電壓V_FB 藉由該分壓電路34亦會逐漸上升。當該回授電壓V_FB 的電壓位準上升至接近於參考電壓V_REF 的電壓位準時，該信號轉換電路3242會輸出一轉態的邏輯信號S₁ ，使得該開關3244導通。此時，該補償網路325將連接於該誤差放大器322的該輸出端，以補償該誤差電壓V_EA 。

在本發明另一實施例中，該補償網路325在系統開機初期會連接至一定電流源或一電壓箝制電路，以箝制該補償網路325上的跨壓。圖5顯示結合本發明另一實施例之選擇電路324’的細部電路圖。參照圖5，該選擇電路324’包含一信號轉換電路3242’和開關3246及3248。該信號轉換電路3242’具有和圖4中的該信號轉換電路3242相同或近似的電路組態。此外，該開關3246根據該選擇電路3242’的輸出信號S₂ 選擇性地連接該補償網路325至該誤差放大器322的輸出端，而該開關3248根據該選擇電路3242’的另一輸出信號S₃ 選擇性地連接該補償網路325至一定電流源I_CONST 。圖6顯示結合本發明又一實施例之選擇電路324”的細部電路圖。參照圖6，該選擇電路324”包含一信號轉換電路3242”和開關3250及3252。該信號轉換電路3242”具有和圖4中的該信號轉換電路3242相同或近似的電路組態。此外，該開關3250根據該選擇電路3242”的輸出信號S₄ 選擇性地連接該補償網路325至該誤差放大器322的輸出端，而該開關3252根據該選擇電路3242”的另一輸出信號S₅ 選擇性地連接該補償網路325至一電壓箝制電路3254。在本實施例中，該電壓箝制電路3254由一定電流源I₂ 和一閘-源級短路的電晶體M₂ 所組成。然而，本發明不應以此為限。

參照圖5，在運作上，在該電壓轉換器30啟動初期，該回授電壓V_FB 的電壓位準會小於參考電壓V_REF 的電壓位準，因此圖5中的開關3246會截止且開關3248會導通，使得該誤差放大器322的該輸出端不會連接至該補償網路325。此時，該補償網路325會連接至該定電流源I_CONST 。該定電流源I_CONST 會對該補償網路325進行充電，使得該補償網路325上的電壓V_C 在該邏輯信號S₂ 轉態時上升至一預定值。該預定值較佳為小於或等於前述固定值V_EA,stable 。因此，在該補償網路325切換至該誤差放大器322的該輸出端後，由於該補償網路325上的電壓V_C 已為固定值V_EA,stable ，該電壓轉換器30可較快進入穩態。類似地，圖6中的定電流源I₂ 其值可進行調整，使得該電晶體M₂ 的閘極端電壓維持在固定值V_EA,stable 。

在上述實施例中，係以昇壓式電壓轉換器為例說明本發明的實施方式及其功效，然而本發明不應以此為限。舉例而言，降壓式電壓轉換器和昇降壓式電壓轉換器由於具有相同或近似組態的控制電路，故本發明亦可施行於其上。

本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為隨後之申請專利範圍所涵蓋。

10．．．昇壓式電壓轉換器

12．．．控制電路

122．．．誤差放大器

124．．．補償網路

126．．．比較器

128．．．PWM電路

14．．．分壓電路

30．．．電壓轉換器

32．．．控制電路

322．．．誤差放大器

324．．．選擇電路

3242．．．信號轉換電路

3244~3252．．．開關

3254．．．電壓箝制電路

325．．．補償網路

326．．．比較器

328．．．PWM電路

34．．．分壓電路

C_IN ,C_OUT ,C₁ ,C₂ ,C_C ．．．電容

I₁ ,I₂ ,I_CONST ．．．電流源

L,L₁ ．．．電感

M₁ ,M₂ ．．．電晶體

R₁ ,R₂ ,R_A ,R_B ,R_C ．．．電阻

SW₁ ,SW₂ ,SW_A ,SW_B ．．．開關

X₁ ~X₂ ．．．反相器

圖1繪示一典型的昇壓式電壓轉換器的架構示意圖；

圖2繪示該昇壓式電壓轉換器在開機時的波形圖；

圖3顯示結合本發明一實施例之抑制輸出電壓過衝狀況的電壓轉換器的架構示意圖；

圖4顯示結合本發明一實施例之選擇電路的細部電路圖；

圖5顯示結合本發明另一實施例之選擇電路的細部電路圖；以及

圖6顯示結合本發明又一實施例之選擇電路的細部電路圖。

30‧‧‧電壓轉換器

32‧‧‧控制電路

322‧‧‧誤差放大器

324‧‧‧選擇電路

325‧‧‧補償網路

326‧‧‧比較器

328‧‧‧PWM電路

34‧‧‧分壓電路

C₁ ,C₂ ,C_C ‧‧‧電容

L₁ ‧‧‧電感

R_A ,R_B ,R_C ‧‧‧電阻

SW_A ,SW_B ‧‧‧開關

Claims (6)

1. 一種抑制輸出電壓過衝狀況的電壓轉換器，用以接收一輸入電壓以調節產生一輸出電壓，該電壓轉換器包含：一誤差放大器，具有接收一參考電壓的一正相輸入端、接收關聯於該輸出電壓的一回授電壓之一反相輸入端及提供一誤差電壓的輸出端；一補償網路，用以補償該誤差放大器的穩定度；以及一選擇電路，用以根據該誤差電壓的電壓位準以選擇性地連接該補償網路至該誤差放大器的該輸出端；其中當該回授電壓的電壓位準小於該參考電壓的電壓位準時，該補償網路不連接於該誤差放大器的該輸出端，而當該回授電壓的電壓位準實質等於該參考電壓的電壓位準時，該補償電路連接於該誤差放大器的該輸出端。
2. 根據請求項1之電壓轉換器，其中該補償網路包含一電容。
3. 根據請求項1之電壓轉換器，其中該選擇電路包含：一信號轉換電路，用以根據該誤差電壓的電壓位準產生一邏輯信號；一第一開關，用以根據該邏輯信號選擇性地連接該補償網路至該誤差放大器的該輸出端。
4. 根據請求項3之電壓轉換器，其中該選擇電路更包含：一第二開關，用以根據該邏輯信號選擇性地連接一定電流源至該補償網路；其中在該回授電壓的電壓位準小於該參考電壓的電壓位準時，該定電流源對該補償網路進行充電，以使該補償網路上的電壓位準在該回授電壓的電壓位準實質等於該參考電壓的電壓位準時上升至一預定值。
5. 根據請求項3之電壓轉換器，其中該選擇電路更包含：一第三開關，用以根據該邏輯信號選擇性地連接一電壓箝制電路至該補償網路；其中該電壓箝制電路係用以在該回授電壓的電壓位準小於該參考電壓的電壓位準時，維持該補償網路上的電壓位準至一預定值。
6. 根據請求項1之電壓轉換器，其中該電壓轉換器為一昇壓式電壓轉換器。