TWI466424B

TWI466424B - 直流對直流控制器與轉換器

Info

Publication number: TWI466424B
Application number: TW101126324A
Authority: TW
Inventors: wei ling Chen
Original assignee: Upi Semiconductor Corp
Priority date: 2012-07-20
Filing date: 2012-07-20
Publication date: 2014-12-21
Also published as: CN103580480A; US20140021928A1; TW201406027A

Description

直流對直流控制器與轉換器

本發明是有關於一種電源控制技術，且特別是有關於一種基於固定導通時間(constant on time，COT)架構之直流對直流控制器與轉換器。

圖1是習知直流對直流轉換器的電路方塊圖。習知直流對直流轉換器100包括直流對直流控制器110與輸出級電路120。直流對直流控制器110包括誤差放大器112、比較器114、脈波寬度調變電路116以及鋸齒波產生器118。誤差放大器112根據參考電壓Vref與回授訊號Vfb產生誤差訊號Verr。比較器114比較鋸齒波訊號Sramp與誤差訊號Verr，並產生觸發訊號Str。脈波寬度調變電路116根據觸發訊號Str的驅動來產生脈波寬度調變訊號Spwm。鋸齒波產生器118根據脈波寬度調變訊號Spwm、輸入電壓Vin與輸出電壓Vout來產生鋸齒波訊號Sramp。

在現有技術中，鋸齒波訊號Sramp與輸入電壓Vin和/或輸出電壓Vout成一比例關係，如圖2所繪示。請參看圖2。圖2是輸入電壓Vin在不同電位與鋸齒波訊號Sramp、誤差訊號Verr和脈波寬度調變訊號Spwm的關係示意圖。在較高電位的輸入電壓Vin時，鋸齒波訊號Sramp的波形如波形210，而在較低電位的輸入電壓Vin時，鋸齒波訊號Sramp的波形如波形220。鋸齒波訊號Sramp與誤差訊號Verr之間的夾角會隨著輸入電壓Vin的電位改變而不同。輸入電壓Vin在較高與較低電位時的夾角分別為θ1與θ2。

一般而言，鋸齒波訊號Sramp與誤差訊號Verr之間的夾角若足夠大時，可以避免雜訊干擾，於是可以提高直流對直流轉換器的訊號對雜訊比(signal to noise ratio，SNR)。由於在較低電位的輸入電壓時，夾角θ2變小，也就是θ2<θ1。儘管夾角有利於抑制雜訊，但在較低電位的輸入電壓時卻有較差的訊號對雜訊比。因此，需要一個具有改良的直流對直流轉換器與轉換器。

有鑑於此，本發明提出一種直流對直流控制器與轉換器，藉以解決先前技術所述及的問題。

本發明提出一種直流對直流控制器，可耦接至一輸出級電路。直流對直流控制器包括一誤差放大器、一比較器、一固定導通時間計算電路以及一鋸齒波產生器。誤差放大器接收一第一參考電壓與一回授訊號，並據以產生一誤差訊號，其中回授訊號關聯於輸出級電路的一輸出電壓。比較器耦接誤差放大器，比較一鋸齒波訊號與誤差訊號，並產生一觸發訊號。固定導通時間計算電路耦接比較器，接收並根據觸發訊號以產生一脈波寬度調變訊號至輸出級電路，並且提供一最小導通時間訊號。鋸齒波產生器耦接比較器與固定導通時間計算電路，接收最小導通時間訊號並據以產生鋸齒波訊號，其中鋸齒波訊號的振幅與輸出級電路的一輸入電壓或輸出電壓無比例關係。

在本發明的一實施例中，鋸齒波產生器包括一放大器、一第一開關、一第二開關、一電流源以及一電容。放大器的一輸入端接收一第二參考電壓，其另一輸入端接收來自其輸出端的一第一訊號。第一開關具有一第一端、一第二端與一第一控制端，第一端耦接放大器的輸出端，第一控制端接收最小導通時間訊號。第二開關具有一第三端、一第四端與一第二控制端，第三端耦接第二端，第二控制端接收一控制訊號，其中控制訊號為最小導通時間訊號的反相訊號。電流源耦接於第四端與一接地端之間。電容耦接於第二端與接地端之間。其中從第一開關、第二開關與電容的耦接之處提供鋸齒波訊號。

在本發明的一實施例中，鋸齒波訊號在由上升緣轉成下降緣前的波形被截平而維持一預設時間，且被截平的波形與第二參考電壓有關聯。

在本發明的一實施例中，預設時間的大小與最小導通時間訊號有關聯。

在本發明的一實施例中，鋸齒波訊號的振幅與第二參考電壓有關聯。

在本發明的一實施例中，鋸齒波訊號的下降斜率與第一開關和第二開關的操作頻率有關聯。

在本發明的一實施例中，直流對直流控制器更包括一補償電路。補償電路耦接於誤差放大器之輸出端與接地端之間，用以補償誤差訊號。

在本發明的一實施例中，當直流對直流控制器的各部件配置在一積體電路時，此積體電路不具有輸入電壓與輸出電壓的連接端子。

從另一觀點來看，本發明提出一種直流對直流轉換器，其包括一誤差放大器、一比較器、一固定導通時間計算電路、一鋸齒波產生器以及一輸出級電路。誤差放大器接收一第一參考電壓與一回授訊號，並據以產生一誤差訊號。比較器耦接誤差放大器，比較一鋸齒波訊號與該誤差訊號，並產生一觸發訊號。固定導通時間計算電路耦接比較器，接收觸發訊號以產生一脈波寬度調變訊號，並且提供一最小導通時間訊號。鋸齒波產生器耦接比較器與固定導通時間計算電路，接收最小導通時間訊號並據以產生鋸齒波訊號。輸出級電路耦接固定導通時間計算電路，接收脈波寬度調變訊號，並將一輸入電壓轉換為一輸出電壓。其中回授訊號關聯於輸出電壓，但是鋸齒波訊號的振幅與輸出級電路的輸入電壓或輸出電壓無比例關係。

基於上述，本發明的鋸齒波訊號不隨著輸入電壓和輸出電壓成比例變化，使得誤差訊號與鋸齒波訊號的夾角不會隨輸入電壓或輸出電壓而變，因此可以維持在任何輸入電壓或輸出電壓下較高的訊號對雜訊比。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

現將詳細參考本發明之實施例，並在附圖中說明所述實施例之實例。另外，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件代表相同或類似部分。

圖3是依照本發明一實施例之直流對直流轉換器的電路方塊圖。請參閱圖3。直流對直流轉換器(DC-DC converter)300包括直流對直流控制器(DC-DC controller)310與輸出級電路(output stage circuit)320。直流對直流控制器310包括誤差放大器312、比較器314、固定導通時間計算電路316以及鋸齒波產生器400。比較器314耦接誤差放大器312。固定導通時間計算電路316耦接比較器314。鋸齒波產生器400耦接比較器314與固定導通時間計算電路316。

誤差放大器312接收第一參考電壓REF與回授訊號FB，並據以產生誤差訊號COMP，其中回授訊號FB可關聯於輸出級電路320的輸出電壓Vout而有固定的比例關係。比較器314比較鋸齒波訊號SRAMP與誤差訊號COMP，並產生觸發訊號STR來驅動固定導通時間計算電路316。固定導通時間計算電路316接收並根據觸發訊號STR來產生脈波寬度調變訊號SPWM至輸出級電路320。固定導通時間計算電路316並提供最小導通時間訊號SX至鋸齒波產生器400。此最小導通時間訊號SX也用於產生脈波寬度調變訊號SPWM，可以確保當脈波寬度調變訊號SPWM被啟用時，切換操作不會低於最小導通時間。鋸齒波產生器400接收最小導通時間訊號SX並據以產生鋸齒波訊號SRAMP。

值得注意的是，鋸齒波訊號SRAMP的產生方式並沒有與輸出級電路320的輸入電壓Vin或輸出電壓Vout有關聯，而是與最小導通時間訊號SX有關聯。

另外，直流對直流控制器310可以包括補償電路302。補償電路302耦接於誤差放大器312之輸出端與接地端GND之間，用以補償誤差訊號COMP。輸出級電路320包括控制單元322、兩個開關324與326以及電感328。控制單元322接收脈波寬度調變訊號SPWM並據以驅動開關324、326。輸出級電路320用以將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout。

在本實施例中，直流對直流轉換器300還可以包括補償電路330以及回授電路340。補償電路330耦接於輸出級電路320之輸出端與接地端GND之間，用以補償輸出電壓Vout。回授電路340可以是多個電阻組成的電路，根據分壓原理來提供回授訊號FB，而且回授訊號FB的大小可以比例於輸出電壓Vout。

圖4是依照圖3之鋸齒波產生器的電路圖。請參閱圖4。鋸齒波產生器400包括放大器410、第一開關420、第二開關430、電流源440以及電容450。放大器410的正相輸入端接收第二參考電壓REF2，其反相輸入端接收來自其輸出端的第一訊號S1。

值得注意的是，第二參考電壓REF2為任意電壓值，並且第二參考電壓REF2與圖3所繪示的輸入電壓Vin或輸出電壓Vout無比例關係。在又一示範性實施例中，第二參考電壓REF2可以為1V，然而本發明並不以此為限。另一方面，電流源440可以為固定電流值，而且電流源440與圖3所繪示的輸入電壓Vin或輸出電壓Vout無比例關係。

在本實施例中，第一開關420、第二開關430利用電晶體來實施，然不以此為限。第一開關420的第一端耦接放大器410的輸出端。第二開關430的第一端耦接第一開關420的第二端。第一開關420的控制端接收最小導通時間訊號SX，而第二開關430的控制端接收控制訊號ISX，其中控制訊號ISX為最小導通時間訊號SX的反相訊號。第一開關420的導通狀態受控於最小導通時間訊號SX，而第二開關430的導通狀態受控於控制訊號ISX，因此調整最小導通時間訊號SX相當於調整第一開關420和第二開關430的操作頻率。電流源440耦接於第二開關430的第二端與接地端GND之間。電容450耦接於第一開關420的第二端與接地端GND之間。其中從第一開關420、第二開關430與電容450的耦接之處提供鋸齒波訊號SRAMP。

圖5A至圖5D繪示為圖4之鋸齒波產生器400的脈波寬度調變訊號與相關訊號的波形示意圖。

請參閱圖5A、圖5B和圖5C。請合併參閱圖4、圖5A、圖5B和圖5C。在第一實施態樣中，鋸齒波訊號SRAMP的產生方式與最小導通時間訊號SX的上升緣有關。在圖 5A中，鋸齒波訊號SRAMP的波形被第二參考電壓REF2箝制而有部分波形被截平，鋸齒波訊號SRAMP的波形510與誤差訊號COMP產生夾角θ3。而在圖5B中，第二參考電壓REF2未箝制到鋸齒波訊號SRAMP，使得鋸齒波訊號SRAMP的波形520為完整的鋸齒波，且鋸齒波訊號SRAMP與誤差訊號COMP產生夾角θ4。從圖5A和圖5B的實施例可知，鋸齒波訊號SRAMP的振幅設計與第二參考電壓REF2有關聯，並且鋸齒波訊號SRAMP的振幅皆保持在某一固定值，因為鋸齒波訊號SRAMP的產生方式不會隨著輸入電壓Vin和/或輸出電壓Vout(參見圖3)成比例變化，也使得誤差訊號COMP與鋸齒波訊號SRAMP的夾角θ3或夾角θ4不會隨著輸入電壓Vin或輸出電壓Vout而變，因此可以維持在任何輸入電壓Vin或輸出電壓Vout下較高的訊號對雜訊比(SNR)。

再者，從圖5C的波形可以看出夾角θ3>θ4，也就是說，波形510在由上升緣轉成下降緣前的波形被截平而維持一段預設時間，波形510的夾角θ3相較於波形520的夾角θ4會較有利於抑制更多雜訊。

如圖5D所繪示為第二種實施態樣。鋸齒波訊號SRAMP的產生方式可以與最小導通時間訊號SX的下降緣有關。鋸齒波訊號SRAMP的波形530與誤差訊號COMP可以產生夾角θ5。這種根據最小導通時間訊號SX的下降緣來觸發並產生鋸齒波訊號SRAMP的方式與使用上升緣的觸發原理類似，在此不加以贅述。

請同時參閱圖4和圖5A。鋸齒波訊號SRAMP的波形被第二參考電壓REF2部分截平，而被截平的波形可以維持一段預設時間。此預設時間的大小關聯於最小導通時間訊號SX的脈波寬度，因為最小導通時間訊號SX的脈波寬度會影響到第一開關420和第二開關430的作動。舉例來說，當第一開關420由導通變成關閉，而第二開關430由關閉變成導通時，電容450開始放電，同時地鋸齒波訊號SRAMP的波形由截平轉成下降緣。

值得注意的是，上述實施例中的直流對直流控制器的各部件可以配置在積體電路(integrated circuit，IC)上。此積體電路可以不具有輸入電壓與輸出電壓的連接端子(或稱為引腳)，從而節省兩個端子的使用。因為本發明使用了最小導通時間訊號來產生鋸齒波訊號，並且最小導通時間訊號與輸入電壓和輸出電壓無比例關係，仍然可以達到和習知技術電路中抑制雜訊效果，並且可以同時大幅減少積體電路的面積。另外，由於不需額外的端子即可實現與輸入電壓和輸出電壓比例無關係的鋸齒波，而且所節省的積體電路之端子可以用來定義為其他功能端子。再者，鋸齒波訊號的振幅與第二參考電壓的調整有關聯，而鋸齒波訊號的下降斜率可隨著最小導通時間訊號被調整，從而可以調整成更適合的夾角，藉此提高訊號對雜訊比。

綜上所述，本發明的直流對直流控制器與轉換器採用了鋸齒波訊號不隨著輸入電壓和/或輸出電壓成比例變化，使得誤差訊號與鋸齒波訊號的夾角不會隨輸入電壓或輸出電壓而變，因此可以維持在任何輸入電壓或輸出電壓下較高的訊號對雜訊比。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧習知直流對直流轉換器

110‧‧‧直流對直流控制器

112‧‧‧誤差放大器

114‧‧‧比較器

116‧‧‧脈波寬度調變電路

118‧‧‧鋸齒波產生器

120‧‧‧輸出級電路

210、220‧‧‧波形

300‧‧‧直流對直流轉換器

302‧‧‧補償電路

310‧‧‧直流對直流控制器

312‧‧‧誤差放大器

314‧‧‧比較器

316‧‧‧固定導通時間計算電路

320‧‧‧輸出級電路

324、326‧‧‧開關

328‧‧‧電感

330‧‧‧補償電路

340‧‧‧回授電路

400‧‧‧鋸齒波產生器

410‧‧‧放大器

420‧‧‧第一開關

430‧‧‧第二開關

440‧‧‧電流源

450‧‧‧電容

510、520、530‧‧‧波形

COMP‧‧‧誤差訊號

FB‧‧‧回授訊號

GND‧‧‧接地端

ISX‧‧‧控制訊號

REF‧‧‧第一參考電壓

REF2‧‧‧第二參考電壓

Spwm‧‧‧脈波寬度調變訊號

SPWM‧‧‧脈波寬度調變訊號

Sramp‧‧‧鋸齒波訊號

SRAMP‧‧‧鋸齒波訊號

Str‧‧‧觸發訊號

STR‧‧‧觸發訊號

SX‧‧‧最小導通時間訊號

S1‧‧‧第一訊號

Verr‧‧‧誤差訊號

Vfb‧‧‧回授訊號

Vin‧‧‧輸入電壓

Vout‧‧‧輸出電壓

Vref‧‧‧參考電壓

θ1~θ5‧‧‧夾角

下面的所附圖式是本發明的說明書的一部分，繪示了本發明的示例實施例，所附圖式與說明書的描述一起說明本發明的原理。

圖1是習知直流對直流轉換器的電路方塊圖。

圖2是輸入電壓在不同電位與鋸齒波訊號、誤差訊號和脈波寬度調變訊號的關係示意圖。

圖3是依照本發明一實施例之直流對直流轉換器的電路方塊圖。

圖4是依照圖3之鋸齒波產生器的電路圖。

圖5A至圖5D繪示為圖4之鋸齒波產生器的脈波寬度調變訊號與相關訊號的波形示意圖。