TWI470392B - 直流對直流控制器與其操作方法 - Google Patents

Description

直流對直流控制器與其操作方法

本發明是有關於一種具脈波寬度調變的電源控制技術，且特別是有關於一種可彈性調整脈波寬度的直流對直流控制器與其操作方法。

過去，半導體工業利用各種方法及結構來形成脈波寬度調變的電源供應器。一般而言，無論在輕載或重載時，電源供應器所輸出的電壓都希望維持在固定的調節電壓。然而，當重載時，負載電流變大而輸出電壓會突然往下掉。此時電源供應器便需要控制直流對直流轉換器的輸出能力，快速地提供更多能量。

通常，對於暫態響應(transient response)的作法是提供一個微小時間的暫態響應訊號。又，暫態響應訊號能量無法提供足夠大，以致在重載時不利於將電源供應器的輸出電壓維持在固定的調節電壓。

有鑑於此，本發明提出一種直流對直流控制器與其操作方法，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，用以連接一輸出級。直流對直流控制器包括脈波寬度調變計算電路、負載 瞬變偵測電路以及取代時間計算電路。脈波寬度調變計算電路提供脈波寬度調變訊號至輸出級。負載瞬變偵測電路接收關聯於輸出級的輸出電壓的一輸入訊號。當負載瞬變偵測電路根據輸入訊號與預設輸入訊號提供控制訊號。取代時間計算電路耦接負載瞬變偵測電路與脈波寬度調變計算電路，根據控制訊號提供具有預設時間的取代控制訊號至脈波寬度調變計算電路，其中脈波寬度調變計算電路根據取代控制訊號調整脈波寬度調變訊號中的工作週期。

在本發明的一實施例中，負載瞬變偵測電路所接收的輸入訊號為誤差放大訊號時，預設輸入訊號為三角波訊號。

在本發明的一實施例中，當輸入訊號為為輸出級的回授訊號時，預設輸入訊號為一預設參考電壓。

在本發明的一實施例中，負載瞬變偵測電路包括第一比較器。第一比較器具有第一輸入端、第二輸入端與第一輸出端。第一輸入端接收誤差放大訊號，第二輸入端接收三角波頂值訊號，第一輸出端輸出控制訊號。

在本發明的一實施例中，負載瞬變偵測電路包括第二比較器。第二比較器具有第三輸入端、第四輸入端與第二輸出端，第三輸入端接收預設參考電壓，第四輸入端接收輸入訊號與偏移電壓的和值訊號，第二輸出端輸出控制訊號。

在本發明的一實施例中，取代時間計算電路包括第一電流源以及電容。電容耦接在第一電流源的輸出與接地電壓端之間。

在本發明的一實施例中，動態響應取代時間計算電路還包括第二電流源、第三比較器、第一電晶體以及第一電阻。第二電流源與第一電流源形成電流鏡。第三比較器具有第五輸入端、第六輸入端與第三輸出端，第五輸入端接收第一參考電壓。第一電晶體的控制端耦接第三輸出端，第一電晶體的第一端耦接第二電流源的輸出。第一電阻的一端耦接第六輸入端與第一電晶體的第二端，第一電阻的另一端耦接接地電壓端。

在本發明的一實施例中，取代時間計算電路還包括第四比較器、第二電晶體以及正反器。第四比較器具有第七輸入端、第八輸入端與第四輸出端。第七輸入端耦接第一電流源的輸出，第八輸入端接收第二參考電壓。第二電晶體的第一端耦接第一電流源的輸出與第七輸入端，第二電晶體的第二端耦接接地電壓端。正反器具有第九輸入端、時脈輸入端、重置端、第五輸出端與第六輸出端，其中第五輸出端的輸出與第六輸出端的輸出互為反相，第九輸入端接收工作電壓，時脈輸入端接收控制訊號，重置端耦接第四輸出端，第五輸出端輸出取代控制訊號，第六輸出端耦接第二電晶體的控制端。

在本發明的一實施例中，脈波寬度調變計算電路包括第五比較器、補償單元、第六比較器以及計算與驅動電路。第五比較器具有第十輸入端、第十一輸入端與第七輸出端，第十輸入端接收第三參考電壓，第十一輸入端接收回授訊號。補償單元耦接第七輸出端與接地電壓端。第六比 較器具有第十二輸入端、第十三輸入端與第八輸出端，第十二輸入端接收三角波訊號，第十三輸入端耦接第七輸出端與補償單元。計算與驅動電路耦接第八輸出端，並接收控制訊號，據以輸出脈波寬度調變訊號至輸出級。

從另一觀點來看，本發明提出一種直流對直流控制器的操作方法，其包括下列步驟。接收關聯於輸出級的輸出電壓的輸入訊號。根據預設輸入訊號與輸入訊號提供具有預設時間的取代控制訊號。根據輸入訊號與取代控制訊號提供脈波寬度調變訊號，其中在正常負載情況根據與輸出電壓相關之回授訊號來提供脈波寬度調變訊號，而在負載瞬變事件發生時則根據取代控制訊號調整脈波寬度調變訊號中的工作週期。利用脈波寬度調變訊號控制輸出級的直流對直流轉換。

在本發明的一實施例中，當直流對直流控制器的操作方法中的輸入訊號為誤差放大訊號時，預設輸入訊號為三角波頂值訊號。

在本發明的一實施例中，當直流對直流控制器的操作方法中的輸入訊號為關聯於回授訊號時，預設輸入訊號為預設參考電壓。

基於上述，本發明通過可偵測負載瞬變的電路，在正常負載情況根據回授訊號提供脈波寬度調變訊號，而在負載瞬變事件發生時則根據取代控制訊號調整脈波寬度調變訊號中的工作週期，可以有效調節所要的輸出電壓值，並有助於提升直流對直流控制器的效能。

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，凡可能之處，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1是依照本發明一實施例之直流對直流轉換器的電路圖。請參閱圖1。直流對直流轉換器(DC-DC converter)包括直流對直流控制器(DC-DC controller)100與輸出級(output stage)150。

在本實施例中，輸出級150包括上橋開關(high side switch)152、下橋開關(low side switch)154及輸出電感156。在其他實施例中，輸出級150亦可僅包括上橋開關152與下橋開關154，此時在這樣的實施例中的輸出級150還需額外透過輸出電感156來提供所產生的輸出電壓VOUT。

直流對直流控制器100包括脈波寬度調變計算電路110、負載瞬變偵測電路130以及取代時間計算電路140。負載瞬變偵測電路130接收關聯於輸出級150的輸出電壓VOUT的輸入訊號。負載瞬變偵測電路130根據輸入訊號與預設輸入訊號，用以在獲知一負載瞬變事件發生時，提供控制訊號TB。預設輸入訊號可以為三角波訊號，其中三角波訊號又可稱之為斜波信號或鋸齒波信號。

取代時間計算電路140耦接負載瞬變偵測電路130與脈波寬度調變計算電路110，根據控制訊號TB與時間計算機制提供具有預設時間的取代控制訊號PW至脈波寬度調變計算電路110。

另外，直流對直流控制器100還可包括回授電路120。回授電路120耦接於輸出級150的輸出與脈波寬度調變計算電路110之間。並且回授電路120可根據輸出電壓VOUT的比例電壓而提供回授訊號FB至脈波寬度調變計算電路110。

在正常負載情況，脈波寬度調變計算電路110根據回授訊號FB來提供脈波寬度調變訊號W1、W2至輸出級150。而在負載瞬變事件發生時，脈波寬度調變計算電路110根據取代控制訊號PW調整脈波寬度調變訊號W1、W2中的工作週期(duty cycle)，從而能夠控制輸出級150的上橋開關152、下橋開關154。

上述工作週期是指在一串理想的脈波序列中(如方波)，代表1的正脈波的持續時間與脈波總週期的比值。也就是說，可將代表1的正脈波的持續時間延長或是縮短。當在負載瞬變時代表1的正脈波的持續時間變長，則直流對直流控制器100可快速地打開上橋開關152，從而提供足夠能量至負載。故，可有效地調節所要的輸出電壓值。

接下來將基於圖1的架構，詳細說明相關部件的構造或運作原理。

圖2A是依照本發明一實施例之直流對直流轉換器的電路圖。圖2B是依照本發明一實施例之負載瞬變偵測電路與相關訊號的時序圖。請同時參閱圖2A和圖2B。

於本實施例中，直流對直流控制器100A類似於直流對直流控制器100的構造。負載瞬變偵測電路130A可包括比較器132。此比較器132的正輸入端接收誤差放大訊號COMP(輸入訊號)，負輸入端接收來自三角波產生器160的三角波頂值訊號TOP(TOP位在三角波訊號RAMP波形的頂值)，而誤差放大訊號COMP為比較回授訊號FB與參考電壓VREF1的訊號。

如圖2B所示，在負載瞬變事件發生時，由於誤差放大訊號COM大於三角波頂值訊號TOP，因此比較器132的輸出端輸出一脈波型式的控制訊號TB。

圖3A是依照本發明一實施例之直流對直流轉換器的電路圖。圖3B是依照本發明一實施例之負載瞬變偵測電路與相關訊號的時序圖。請同時參閱圖3A和圖3B。

於本實施例中，直流對直流控制器100B類似於直流對直流控制器100的構造。負載瞬變偵測電路130B包括比較器134。此比較器134的正輸入端接收預設參考電壓VREF2(預設輸入訊號)，負輸入端接收回授訊號FB(輸入訊號)與偏移電壓VOFFSET的和值訊號FBO。

預設參考電壓VREF2可以設定為與回授訊號FB相同的電位值。當負載瞬變事件發生時，由於和值訊號FBO會低於預設參考電壓VREF2，因此在比較器134的輸出端輸 出一脈波型式的控制訊號TB。

圖4A是依照本發明一實施例之取代時間計算電路的電路圖。圖4B是依照本發明一實施例之取代時間計算電路的相關時序圖。請參閱圖4A和圖4B。

取代時間計算電路140包括電流源142A、電流源142B、電容144、比較器146、電晶體148、電阻170、比較器172、電晶體174以及正反器176。

電流源142A和142B可以形成一電流鏡142。電容144耦接在電流源142A的輸出與接地電壓端GND之間。比較器146的正輸入端接收參考電壓V1。電晶體148的控制端耦接比較器146的輸出端，電晶體148的第一端耦接電流源142B的輸出。

電阻170的一端耦接比較器146的負輸入端與電晶體148的第二端，電阻170的另一端耦接接地電壓端GND。比較器172的正輸入端耦接電流源142A的輸出。比較器172的負輸入端接收參考電壓V2。電晶體174的第一端耦接電流源142A的輸出與比較器172的正輸入端。電晶體174的第二端耦接接地電壓端GND。

在正反器176中，輸入端D 接收工作電壓VCC，時脈輸入端clk 接收控制訊號TB，重置端Res 耦接比較器172的輸出端，輸出端Q 輸出一取代控制訊號PW，而輸出端耦接電晶體174的控制端。請注意，在此實施例中使用了D型正反器，但本發明對於正反器的種類並不加以限制。

當控制訊號TB被提供至取代時間計算電路140，將使 電流源142A對電容144開始充電。當電容144上的訊號VC達到參考電壓V2時，比較器172輸出一訊號VQ，訊號VQ為邏輯高準位且訊號VC將被拉至邏輯低準位。所產生的取代控制訊號PW維持在邏輯高準位的期間(T1)為控制訊號TB之脈波開端部分至訊號VQ之脈波開端部分，也就是說，取代控制訊號PW具有預設時間T1。

值得一提的是，本發明實施例可以調整時間計算電路140的各參數，例如參數可以為參考電壓V1、參考電壓V2、電阻170的電阻值、電容144的電容量，每一個參數都可以依照系統應用進行調整。也就是說，取代控制訊號PW的脈波寬度可以透過各參數而被調整，因此並不限定於特定。

另一方面，取代控制訊號PW可以用於圖1的輸出級150控制，並且對於調整如圖1的脈波寬度調變訊號W1、W2的脈波寬度的工作週期較具彈性度，可將代表1的正脈波的持續時間延長或是縮短。故，本發明實施例可以產生比控制訊號TB更長或更短持續時間的取代控制訊號PW。

請再參閱圖1。脈波寬度調變計算電路包括比較器112、補償單元114、比較器116以及計算與驅動電路118。在比較器112中，正輸入端接收參考電壓VREF1，負輸入端接收回授訊號FB。補償單元114可以由電阻與電容所組成的電路。

補償單元114耦接比較器112的輸出端與接地電壓端 GND。補償單元114用來對放大誤差訊號COMP進行補償。比較器116的正輸入端接收來自三角波產生器160的三角波訊號RAMP。比較器116的負輸入端耦接比較器112的輸出端與補償單元114。

計算與驅動電路118耦接比較器116的輸出端，並接收控制訊號PW。計算與驅動電路118根據訊號PM、取代控制訊號PW輸出脈波寬度調變訊號W1、W2至輸出級150。

另外，計算與驅動電路118可以配置或閘(OR gate)電路。在正常負載情況根據訊號PM來提供脈波寬度調變訊號W1、W2；而在發生負載瞬變時，經由或閘電路而能夠利用取代控制訊號PW來打開上橋開關152。

圖5A與圖5B是依照本發明一實施例之IC示意圖。在實施例中，針對直流對直流控制器100的大部分元件可以被配置在積體電路(integrated circuit；IC)內，而取代時間計算電路140內的電阻170或電容144則可以設計成可調整元件而被配置在IC外部，以方便作為可調整參數。

請注意，上述的電阻170或電容144屬於圖4A的取代時間計算電路140的一部份。

基於上述實施例所揭示的內容，可以彙整出一種通用的直流對直流控制器的操作方法。更清楚來說，圖6是依照本發明一實施例之直流對直流控制器的操作方法的流程圖。為了方便說明，請合併參閱圖1、圖4B和圖6，本實施例之直流對直流控制器的操作方法可以包括以下步驟：

如步驟S601所示，接收關聯於輸出級150的輸出電壓VOUT的輸入訊號。

如步驟S603所示，根據預設輸入訊號與輸入訊號提供具有預設時間T1的取代控制訊號PW。

接著，如步驟S605所示，根據輸入訊號與取代控制訊號PW提供脈波寬度調變訊號W1、W2。於是，在正常負載情況根據與輸出電壓VOUT相關之回授訊號FB來提供脈波寬度調變訊號W1、W2；在負載瞬變事件發生時則根據取代控制訊號PW調整脈波寬度調變訊號W1、W2中的工作週期。

然後，如步驟S607所示，利用脈波寬度調變訊號W1、W2控制輸出級150的直流對直流轉換，並調節出所要的輸出電壓值。

另外，當直流對直流控制器的操作方法中的輸入訊號為誤差放大訊號CDMP時，預設輸入訊號為三角波頂值訊號TOP(詳細請參見圖2B)。另一方面，當直流對直流控制器的操作方法中的輸入訊號為關聯於回授訊號FB時，預設輸入訊號為預設參考電壓VREF2(詳細請參見圖3B)。

綜上所述，本發明的直流對直流控制器可以提供較具彈性度的取代控制訊號，從而在正常負載情況可根據回授訊號提供脈波寬度調變訊號，而在負載瞬變事件發生時則根據取代控制訊號調整脈波寬度調變訊號中的工作週期，從而本發明可以有效調節所要的輸出電壓值，並有助於提 升直流對直流控制器的效能。

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、100A、100B‧‧‧直流對直流控制器

110‧‧‧脈波寬度調變計算電路

112‧‧‧比較器

114‧‧‧補償單元

116‧‧‧比較器

118‧‧‧計算與驅動電路

120‧‧‧回授電路

122、124‧‧‧電阻

130、130A、130B‧‧‧負載瞬變偵測電路

132、134‧‧‧比較器

140‧‧‧取代時間計算電路

142‧‧‧電流鏡

142A、142B‧‧‧電流源

144‧‧‧電容

146‧‧‧比較器

148‧‧‧電晶體

150‧‧‧輸出級

152‧‧‧上橋開關

154‧‧‧下橋開關

156‧‧‧輸出電感

160‧‧‧三角波產生器

170‧‧‧電阻

172‧‧‧比較器

174‧‧‧電晶體

176‧‧‧正反器

COMP‧‧‧誤差放大訊號

FB‧‧‧回授訊號

FBO‧‧‧和值訊號

GND‧‧‧接地電壓端

PM‧‧‧訊號

PW‧‧‧取代控制訊號

RAMP‧‧‧三角波訊號

S601~S607‧‧‧本發明一實施例之直流對直流控制方法的各步驟

TB‧‧‧控制訊號

TOP‧‧‧三角波頂值訊號

T1‧‧‧預設時間

VCC‧‧‧工作電壓

VOUT‧‧‧輸出電壓

VQ‧‧‧訊號

VREF1、VREF2、V1、V2‧‧‧參考電壓

W1、W2‧‧‧脈波寬度調變訊號

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是依照本發明一實施例之直流對直流轉換器的電路圖。

圖2A是依照本發明一實施例之直流對直流轉換器的電路圖。

圖2B是依照本發明一實施例之負載瞬變偵測電路與相關訊號的時序圖。

圖3A是依照本發明一實施例之直流對直流轉換器的電路圖。

圖3B是依照本發明一實施例之負載瞬變偵測電路與相關訊號的時序圖。

圖4A是依照本發明一實施例之取代時間計算電路的電路圖。

圖4B是依照本發明一實施例之取代時間計算電路的相關時序圖。

圖5A與圖5B是依照本發明一實施例之IC示意圖。

圖6是依照本發明一實施例之直流對直流控制器的操作方法的流程圖。

100‧‧‧直流對直流控制器

110‧‧‧脈波寬度調變計算電路

112‧‧‧比較器

114‧‧‧補償單元

116‧‧‧比較器

118‧‧‧計算與驅動電路

120‧‧‧回授電路

122、124‧‧‧電阻

130‧‧‧負載瞬變偵測電路

140‧‧‧取代時間計算電路

150‧‧‧輸出級

152‧‧‧上橋開關

154‧‧‧下橋開關

156‧‧‧輸出電感

160‧‧‧三角波產生器

COMP‧‧‧誤差放大訊號

FB‧‧‧回授訊號

GND‧‧‧接地電壓端

PM‧‧‧訊號

PW‧‧‧取代控制訊號

RAMP‧‧‧三角波訊號

TB‧‧‧控制訊號

VOUT‧‧‧輸出電壓

VCC‧‧‧工作電壓

VREF1‧‧‧參考電壓

W1、W2‧‧‧脈波寬度調變訊號

Claims (12)

1. 一種直流對直流控制器，用以連接一輸出級，該直流對直流控制器包括：一脈波寬度調變計算電路，提供一脈波寬度調變訊號至該輸出級；一負載瞬變偵測電路，接收關聯於該輸出級的一輸出電壓的一輸入訊號，該負載瞬變偵測電路根據該輸入訊號與一預設輸入訊號提供一控制訊號；以及一取代時間計算電路，耦接該負載瞬變偵測電路與該脈波寬度調變計算電路，且根據該控制訊號提供一具有一預設時間的取代控制訊號至該脈波寬度調變計算電路，其中該脈波寬度調變計算電路根據該取代控制訊號調整該脈波寬度調變訊號中的工作週期。
2. 如申請專利範圍第1項所述之直流對直流控制器，其中該負載瞬變偵測電路所接收的該輸入訊號為一誤差放大訊號時，該預設輸入訊號為一三角波訊號，其中該誤差放大訊號為比較一回授訊號與一參考電壓的差值，該回授訊號關聯於該輸出電壓。
3. 如申請專利範圍第1項所述之直流對直流控制器，其中當該輸入訊號為該輸出級的一回授訊號時，該預設輸入訊號為一預設參考電壓。
4. 如申請專利範圍第1項所述之直流對直流控制器，其中該負載瞬變偵測電路包括：一第一比較器，具有一第一輸入端、一第二輸入端與 一第一輸出端，該第一輸入端接收一誤差放大訊號，該第二輸入端接收一三角波頂值訊號，該第一輸出端輸出該控制訊號。
5. 如申請專利範圍第1項所述之直流對直流控制器，其中該負載瞬變偵測電路包括：一第二比較器，具有一第三輸入端、一第四輸入端與一第二輸出端，該第三輸入端接收一預設參考電壓，該第四輸入端接收該輸入訊號與一偏移電壓的和值訊號，該第二輸出端輸出該控制訊號。
6. 如申請專利範圍第1項所述之直流對直流控制器，其中該取代時間計算電路包括：一第一電流源；以及一電容，該電容耦接在該第一電流源的輸出與一接地電壓端之間。
7. 如申請專利範圍第6項所述之直流對直流控制器，其中該取代時間計算電路還包括：一第二電流源，其與該第一電流源形成一電流鏡；一第三比較器，具有一第五輸入端、一第六輸入端與一第三輸出端，該第五輸入端接收一第一參考電壓；一第一電晶體，該第一電晶體的控制端耦接該第三輸出端，該第一電晶體的第一端耦接該第二電流源的輸出；以及一第一電阻，該第一電阻的一端耦接該第六輸入端與該第一電晶體的第二端，該第一電阻的另一端耦接該接地 電壓端。
8. 如申請專利範圍第6項所述之直流對直流控制器，其中該取代時間計算電路還包括：一第四比較器，具有一第七輸入端、一第八輸入端與一第四輸出端，該第七輸入端耦接該第一電流源的輸出，該第八輸入端接收一第二參考電壓；一第二電晶體，該第二電晶體的第一端耦接該第一電流源的輸出與該第七輸入端，該第二電晶體的第二端耦接該接地電壓端；以及一正反器，具有一第九輸入端、一時脈輸入端、一重置端、一第五輸出端與一第六輸出端，其中該第五輸出端的輸出與該第六輸出端的輸出互為反相，該第九輸入端接收一工作電壓，該時脈輸入端接收該控制訊號，該重置端耦接該第四輸出端，該第五輸出端輸出該取代控制訊號，該第六輸出端耦接該第二電晶體的控制端。
9. 如申請專利範圍第1項所述之直流對直流控制器，其中該脈波寬度調變計算電路包括：一第五比較器，具有一第十輸入端、一第十一輸入端與一第七輸出端，該第十輸入端接收一第三參考電壓，該第十一輸入端接收一回授訊號；一補償單元，耦接該第七輸出端與一接地電壓端；一第六比較器，具有一第十二輸入端、一第十三輸入端與一第八輸出端，該第十二輸入端接收一三角波訊號，該第十三輸入端耦接該第七輸出端與該補償單元；以及 一計算與驅動電路，耦接該第八輸出端，並接收該控制訊號，據以輸出該脈波寬度調變訊號至該輸出級。
10. 一種直流對直流控制器的操作方法，包括：接收關聯於一輸出級的一輸出電壓的一輸入訊號；根據一預設輸入訊號與該輸入訊號提供一具有一預設時間的取代控制訊號；根據該輸入訊號與該取代控制訊號提供一脈波寬度調變訊號，其中在一正常負載情況根據與該輸出電壓相關之一回授訊號來提供該脈波寬度調變訊號，而在一負載瞬變事件發生時則根據該取代控制訊號調整該脈波寬度調變訊號中的工作週期；以及利用該脈波寬度調變訊號控制該輸出級的直流對直流轉換。
11. 如申請專利範圍第10項所述之操作方法，其中當該輸入訊號為一誤差放大訊號時，該預設輸入訊號為一三角波頂值訊號，其中該誤差放大訊號為比較該回授訊號與一參考電壓的差值。
12. 如申請專利範圍第10項所述之操作方法，其中當該輸入訊號為關聯於該回授訊號時，該預設輸入訊號為一預設參考電壓。