TWI472137B - 開關模式電壓變換器及其控制電路和控制方法 - Google Patents

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TWI472137B TW101107857A TW101107857A TWI472137B TW I472137 B TWI472137 B TW I472137B TW 101107857 A TW101107857 A TW 101107857A TW 101107857 A TW101107857 A TW 101107857A TW I472137 B TWI472137 B TW I472137B
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Description

開關模式電壓變換器及其控制電路和控制方法
本發明主要涉及一種電子電路，尤其涉及一種用於開關模式電壓變換器的控制電路及其控制方法。
降壓和升壓變換器是多種應用場合下的高效開關電源。例如，降壓變換器可用於將筆記本電腦中的供電電壓(例如12V~24V)轉換為中央處理單元(CPU)所需的工作電壓(例如2.5V~5V)。對於積體電路而言，降壓和升壓變換器的效率可高達95%。
第1圖是現有的降壓變換器100的電路原理圖。如第圖1圖所示，降壓變換器100包括耦接於輸入電壓Vin和參考電壓Vref(例如地)之間的控制電路102和開關電路104。其中開關電路104包括第一開關管112a(通常指上側開關管)和第二開關管112b(通常指下側開關管)。第一開關管112a與第二開關管112b串聯耦接，第一開關管112a與第二開關管112b分別包括體二極體114a和114b。控制電路102用於週期性地導通第一開關管112a一恒定時長。此外，降壓變換器100還包括電感器106、電容器108和負載110(例如CPU)，其中負載110與電容器108並聯。
工作時，控制電路102導通第一開關管112a一恒定時長，在 這一恒定時長內，輸入電壓Vin為電感器106和電容器108充電。隨後，控制電路102關斷第一開關管112a並導通第二開關管112b，使電流經過電感器106、電容器108和第二開關管112b續流。然而，發明人發現，當控制電路102直接耦接於輸入電壓Vin和地之間時，降壓變換器100的開關頻率會隨輸入電壓Vin的變化而變化。開關頻率的變化會對負載產生不利的影響，因此需要做出一些改進來降低或者消除開關頻率的變化。
本發明要解決的技術問題是提供一種用於開關模式電壓變換器的控制電路及控制方法，以解決因其輸入電壓變化導致的開關頻率變化問題。
根據本發明一實施例的一種用於開關模式電壓變換器的控制電路，該開關模式電壓變換器包括第一開關管，該控制電路耦接在輸入電壓和地之間，週期性地導通第一開關管一恒定時長，該控制電路還耦接至直流偏置電壓，基於輸入電壓和直流偏置電壓產生開關控制信號以控制第一開關管的導通或關斷，從而減小輸入電壓變化引起的開關頻率變化。
根據本發明一實施例的一種開關模式電壓變換器，該開關模式電壓變換器包括上述控制電路和第一開關管。
根據本發明一實施例的一種用於開關模式電壓變換器的控制方法，該開關模式電壓變換器包括開關管和用於週期性導通開關管一恒定時長的控制電路，該控制方法包括：對控制電路施加直流偏置電壓；改變開關模式電壓變換器的輸入電壓；測量輸入電壓變化引起的頻率偏移； 以及根據目標頻率偏移來調整直流偏置電壓。
根據本發明一實施例的一種用於開關模式電壓變換器的控制方法，該開關模式電壓變換器包括開關管和用於週期性導通開關管一恒定時長的控制電路，該控制方法包括：對控制電路施加多個不同數值的直流偏置電壓；改變開關模式電壓變換器的輸入電壓；測量多個不同數值直流偏置電壓下的多個頻率偏移；處理多個頻率偏移和相應的直流偏置電壓，找出最小的頻率偏移以及與最小頻率偏移對應的直流偏置電壓；以及將對應的直流偏置電壓作為設定值施加至控制電路。
根據本發明的實施例，通過對控制電路施加合適的直流偏置電壓來實現減小甚至消除輸入電壓變化所引起的開關頻率變化。
Vin‧‧‧輸入電壓
Vbias‧‧‧直流偏置電壓
Vsw‧‧‧開關電壓
104‧‧‧開關電路
106‧‧‧電感器
108‧‧‧電容器
110‧‧‧負載
112a‧‧‧第一開關管
112b‧‧‧第二開關管
114a‧‧‧第一體二極體
114b‧‧‧第二體二極體
200‧‧‧降壓變換器
202‧‧‧控制電路
fs‧‧‧開關頻率
tdead‧‧‧死區時間
Vf‧‧‧導通電壓
Ton‧‧‧導通時長
202a‧‧‧電流設定單元
202b‧‧‧開關控制單元
210‧‧‧電阻器
212‧‧‧第一比較器
212a‧‧‧第一比較器第一端
212b‧‧‧第一比較器第二端
214a‧‧‧第一電晶體
214b‧‧‧第二電晶體
216‧‧‧電流鏡
218a‧‧‧第一鏡像電晶體
218b‧‧‧第二鏡像電晶體
220‧‧‧開關電容器
222‧‧‧放電電晶體
224‧‧‧第二比較器
224a‧‧‧第一輸入端
224b‧‧‧第二輸入端
Vth‧‧‧閾值電壓
300‧‧‧降壓變換器
115‧‧‧整流器
為了更好的理解本發明，將根據以下附圖對本發明進行詳細描述：第1圖是現有的降壓變換器100的電路原理圖；第2圖是通過實驗測得的第1圖所示現有降壓變換器100的開關頻率隨輸入電壓變化的波形圖；第3圖是通過實驗測得的在兩個不同的輸入電壓下，開關電壓隨時間變化的波形圖；第4A圖是第1圖中所示降壓變換器100的一部分電路原理圖；第4B圖是第4A圖所示降壓變換器工作時電壓隨時間變化的波形圖；第5A圖是根據本發明一實施例的降壓變換器200的電路原理圖；第5B圖是根據本發明一實施例的第5A圖中控制電路202的電路原理圖； 第6圖是根據本發明一實施例的根據第5A圖所示降壓變換器200的開關頻率隨輸入電壓變化的仿真結果所繪製的圖；第7A圖是降壓變換器300的電路原理圖；第7B圖是根據本發明一實施例的第7A圖所示降壓變換器300工作時電壓隨時間變化的波形圖。
下面參照附圖詳細描述本發明的實施例。本領域的技術人員應當理解，圖中的一些細節，如尺寸、形狀、角度以及其他特徵僅僅是示意本技術的某一特定實施例。沒有這些具體細節，本發明同樣可以實施。本領域技術人員還應理解，儘管本發明中的詳細描述與特定實施例相結合，但本發明仍有許多其他實施方式，在實際執行時可能有些變化，但仍然包含在本發明主旨範圍內，因此，本發明旨在包括所有落入本發明和所述申請專利範圍及主旨內的替代例、改進例和變化例等。
如前所述，發明人發現，在常見的開關模式電壓變換器中，開關頻率會隨輸入電壓Vin的變化而改變。對第1圖所示降壓變換器100進行實驗，可以得出輸入電壓Vin和開關頻率之間的關係。
第2圖是通過實驗測得的第1圖所示現有降壓變換器100的開關頻率fs隨輸入電壓Vin變化的波形圖。如第2圖所示，當輸入電壓Vin從2.7V增加到5V時，開關頻率fs下降約17%。當輸入電壓Vin從2.7V增加至5.8V時，開關頻率fs下降約19%。
第3圖是通過實驗測得的在兩個不同的輸入電壓Vin下，開關 電壓Vsw隨時間變化的波形圖。如第3圖所示，當輸入電壓Vin為2.7V時，死區時間tdead約為49.8ns。當輸入電壓Vin為5V時，死區時間tdead約為15.1ns。可以看出，輸入電壓Vin越高，死區時間tdead越短，開關頻率fs越小，開關週期Ts越長。具體細節將在第4A圖和第4B圖中討論。
第4A圖是第1圖中所示降壓變換器100的一部分電路原理圖。第4B圖是第4A圖所示降壓變換器工作時電壓隨時間變化的波形圖。如第4A和4B圖所示，在一個開關週期Ts中，根據能量守恆原則，得出下式：
由於開關頻率為開關週期的倒數，式(1)可以變形為：其中Vf為體二極體的導通電壓。如果輸入電壓Vin較高(例如第3圖中所示的5V)，死區時間tdead基本比低輸入電壓時(例如第3圖中所示的2.7V)短。因此，高輸入電壓時的死區時間tdead可以忽略，高輸入電壓時的開關頻率可按下式來近似：
其中Vf為體二極體的導通電壓。如果輸入電壓Vin較高(例如第3圖中所示的5V)，死區時間tdead基本比低輸入電壓時(例如第3圖中所示的2.7V)短。因此，高輸入電壓時的死區時間tdead可以忽略，高輸入電壓時的開關頻率可按下式來近似：
另一方面，若輸入電壓Vin較低，例如第3圖中的2.7V，則死 區時間不能忽略，這樣低輸入電壓時的開關頻率按下式近似：
如式(3)與式(4)所示，當導通時長Ton一定時，低輸入電壓時的開關頻率具有比高輸入電壓時的開關頻率小的分母。因此，低輸入電壓時的開關頻率高於高輸入電壓時的開關頻率，即
如前所述，開關頻率fs的變化會對耦接至開關模式電壓變換器的負載產生不利影響。例如，負載可能包括為特定頻率段設計的帶寬濾波器，開關頻率的變化將導致設計的電路故障和/或其他問題。根據本發明的實施例，可以至少減小前述開關頻率變化。下面根據第5A~7B圖進行討論。
第5A圖是根據本發明一實施例的降壓變換器200的電路原理圖。第5B圖是根據本發明一實施例的第5A圖中控制電路202的電路原理圖。如第5A圖所示，降壓變換器200所包括的器件與第1圖中降壓變換器100所包括的器件類似。例如，降壓變換器200包括第一開關管112a、第二開關管112b、電感器106以及與負載110並聯耦接的電容器108。其中第一開關管112a和第二開關管112b分別包括第一體二極體114a和第二體二極體114b。為了說明清楚，在此省略對這些器件的討論。降壓變換器200還包括控制電路202。控制電路202耦接在輸入電壓Vin和地之間，週期性地導通第一開關管112a一恒定時長。控制電路202還耦接至直流偏置電壓Vbias，基於輸入電壓Vin和直流偏置電壓Vbias產生開關控制信號以控制第一開關管112a的導通或 關斷。調節直流偏置電壓Vbias可至少減少由於輸入電壓變化而引起的開關頻率變化，下面將參照第5B圖給出詳細的描述。
如第5B圖所示，控制電路202包括彼此電耦接的電流設定單元202a和開關控制單元202b。儘管在第5B圖中給出了控制電路202的特定器件，在其他實施例中，控制電路202可包括不同的和/或其他增加的器件。
電流設定單元202a耦接至輸入電壓Vin和直流偏置電壓Vbias，基於輸入電壓Vin和直流偏置電壓Vbias來產生控制電流I。在一個實施例中，如第5B圖所示，電流設定單元202a包括一端耦接至輸入電壓的電阻器210、串聯耦接於輸入電壓Vin和參考電壓Vref之間的第一電晶體214a。其中參考電壓Vref可以是第5B圖所示的地或其他合適的電壓值。電流設定單元202a還包括第一比較器212。第一比較器212具有耦接至第一電晶體214a漏極的第一端212a、耦接至直流偏置電壓Vbias的第二端212b以及耦接至第一電晶體214a柵極的輸出端。在一個實施例中，第一比較器212為運算放大器。
工作時，第一比較器212和第一電晶體214a構成電壓跟隨器，將漏極電壓Vs調節至等於直流偏置電壓Vbias。電流設定單元202a可以按照下式來設定流過電阻器210和第一電晶體214a的控制電流I：
其中R是電阻器210的電阻值。控制電流I被供給開關控制單元202b以產生開關電路104的開關控制信號。
開關控制單元202b耦接至電流設定單元202a，接收控制電流I並據此產生開關控制信號。如第5B圖所示，開關控制單元202b包括耦接至 第一比較器212輸出端的第二電晶體214b。在一個實施例中，第二電晶體214b與第一電晶體214a相配對(例如具有實質上相同的器件特性)。在其他實施例中，第二電晶體214b可以採用其他的配置。
開關控制單元202b還包括耦接在一起的電流鏡216、開關電容器220、放電電晶體222和第二比較器224。其中電流鏡216包括耦接至第二電晶體214b漏極的第一鏡像電晶體218a和與開關電容器220串聯耦接的第二鏡像電晶體218b。開關電容器220包括第一端和第二端，其中開關電容器220的第一端耦接至第二鏡像電晶體218b的漏極，開關電容器220的第二端耦接至參考電壓Vref(例如第5B圖所示的地)。放電電晶體222具有源極、漏極和柵極，其中放電電晶體222的漏極耦接至開關電容器220的第一端，源極耦接至開關電容器220的第二端，柵極耦接至第二比較器224的輸出端。第二比較器224具有耦接至開關電容器220第一端的第一輸入端224a和耦接至閾值電壓Vth的第二輸入端224b。
工作時，第二電晶體214b將流過第一鏡像電晶體218a的電流設置為等於流過電阻器210和第一電晶體214a的控制電流I。這樣電流鏡216可以複製控制電流I並將該電流供給開關電容器220的第一端。控制電流I對開關電容器220進行充電。第二比較器224將開關電容器220兩端的充電電壓VC與閾值電壓Vth進行比較，以提供開關控制信號給開關電路104來控制第5A圖中第一開關管112a和第二開關管112b的導通或關斷。第二比較器224同時提供開關控制信號至放電電晶體222的柵極，當充電電壓VC大於閾值電壓Vth時導通放電電晶體222，為開關電容器220放電。這樣，充電電壓VC小於閾值電壓Vth，放電電晶體222隨之關斷，然後控制電流I再次對開關電容器 220進行充電，上述過程不斷重複。
根據本發明的實施例，通過調節直流偏置電壓Vbias，可以至少減少或者基本消除輸入電壓變化引起的開關頻率變化。第6圖是根據本發明一實施例的根據第5A圖所示降壓變換器200開關頻率隨輸入電壓變化的仿真結果所繪製的圖。如第6圖所示，當直流偏置電壓Vbias分別為0.54V、0.6V和0.76V時，與直流偏置電壓Vbias為0V時相比，開關頻率fs的變化顯著減小。特別是當直流偏置電壓Vbias為0.76V時，開關頻率fs在輸入電壓從2.7V變換至5V時的變化小於1%。詳細的仿真結果如下表所示。
儘管在上表中給出了直流偏置電壓Vbias的幾個特定值，但是在其他實施例中，直流偏置電壓Vbias可以是其他大於0的值。例如，直流偏置電壓Vbias可以是0.2V~5V，0.3V~3V，0.5V~2.5V和/或其他合適的值。
在一些實施例中，根據所需的開關頻率變化量(例如頻率變化百分比)來調整直流偏置電壓Vbias。例如，改變降壓變換器的輸入電壓Vin的值(例如從2.7V到5V)並測量由於輸入電壓變化引起的開關頻率的頻率偏移，再根據頻率偏移和目標頻率偏移來調整直流偏置電壓Vbias。在一個實施例中，當頻率變化百分比小於7%、5%、3%、1%和/或其他合適的百分比值時，可以認為目標頻率偏移已達到，從而將對應的直流偏置電壓作為 設定值施加至控制電路。
在其他實施例中，可憑藉經驗來調整直流偏置電壓Vbias，以盡可能地使測量的頻率偏移最小。在一個實施例中，對控制電路施加多個不同數值的直流偏置電壓，然後改變降壓變換器的輸入電壓Vin並測量多個不同數值直流偏置電壓下的多個頻率偏移。接著通過處理多個頻率偏移和相應的直流偏置電壓，找出最小的頻率偏移以及與最小頻率偏移對應的直流偏置電壓。最後將對應的直流偏置電壓作為設定值施加至控制電路。在一個實施例中，預設一個直流偏置電壓Vbias的階梯變化值(例如0.1V)，通過測量和巧妙地處理(例如描點，線性擬合或者多項式回歸)對應的頻率偏移，找出最小的頻率偏移以及與其相對應的直流偏置電壓。在其他實施例中，直流偏置電壓可以根據其他合適的條件來調整。
應當指出的是，雖然第5A圖中的控制電路202應用於降壓變換器200中，但在其他實施例中，控制電路202可應用於非同步降壓變換器中。第7A圖是降壓變換器300的電路原理圖。第7B圖是根據本發明一實施例的第7A圖所示降壓變換器300工作時電壓隨時間變化的波形圖。如第7A和7B圖所示，第5A圖中的第二開關管112b被降壓變換器300中的整流器115(例如二極體D)代替。在其他實施例中，控制電路202可應用於升壓變換器中、降壓或升壓變換器的組合和/或其他合適類型的開關模式電壓變換器中。
上述的一些特定實施例僅僅以示例性的方式對本發明進行說明，這些實施例不是完全詳盡的，並不用於限定本發明的範圍。對於公開的實施例進行變化和修改都是可能的，其他可行的選擇性實施例和對實施例中元件的等同變化可以被本技術領域的普通技術人員所瞭解。本發明 所公開的實施例的其他變化和修改並不超出本發明的精神和保護範圍。
Vin‧‧‧輸入電壓
Vbias‧‧‧直流偏置電壓
Vsw‧‧‧開關電壓
104‧‧‧開關電路
106‧‧‧電感器
108‧‧‧電容器
110‧‧‧負載
112a‧‧‧第一開關管
112b‧‧‧第二開關管
114a‧‧‧第一體二極體
114b‧‧‧第二體二極體
200‧‧‧降壓變換器
202‧‧‧控制電路

Claims (10)

  1. 一種用於開關模式電壓變換器的控制電路，該開關模式電壓變換器包括第一開關管，該控制電路耦接在輸入電壓和地之間，週期性地導通第一開關管一恒定時長，該控制電路還耦接至直流偏置電壓，基於輸入電壓和直流偏置電壓產生開關控制信號以控制第一開關管的導通或關斷，從而減小輸入電壓變化引起的開關頻率變化。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，包括：電流設定單元，耦接至輸入電壓和直流偏置電壓，基於輸入電壓和直流偏置電壓產生控制電流；以及開關控制單元，耦接至電流設定單元，根據控制電流產生開關控制信號以控制第一開關管的導通與關斷。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的控制電路，其中電流設定單元包括：電阻器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至輸入電壓；第一比較器，具有第一輸入端、第二輸入端以及輸出端，其中第一輸入端耦接至電阻器的第二端，第二輸入端耦接至直流偏置電壓；第一電晶體，具有第一端、第二端以及控制端，其中第一端耦接至電阻器的第二端和第一比較器的第一輸入端，第二端耦接至地，控制端耦接至第一比較器的輸出端。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的控制電路，其中開關控制單元包括：電流鏡，具有第一端、第二端和第三端，其中第一端耦接至輸入電壓； 第二電晶體，與第一電晶體相配對，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至電流鏡的第二端，第二端耦接至地，控制端耦接至第一比較器的輸出端；開關電容器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至電流鏡的第三端，第二端耦接至地；第二比較器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端耦接至電流鏡的第三端和開關電容器的第一端，第二端耦接至閾值電壓，輸出端耦接至第一開關管以提供開關控制信號；以及放電電晶體，與開關電容器並聯耦接，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至開關電容器的第一端，第二端耦接至地，控制端耦接至第二比較器的輸出端，放電晶體管用於當開關電容器的電壓高於閾值電壓時，為開關電容器放電。
  5. 一種開關模式電壓變換器，包括第一開關管和如申請專利範圍第1至4項中任一項所述的控制電路。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的開關模式電壓變換器，其中第一開關管具有第一端、第二端和控制端，其中第一端接收輸入電壓，控制端耦接至控制電路的輸出端；該開關模式電壓變換器還包括：第二開關管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至一開關管的第二端，第二端耦接至地，控制端耦接至控制電路的輸出端；電感器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至第一開關管的第二端 和第二開關管的第一端；以及輸出電容器，電耦接於電感器的第二端與地之間。
  7. 一種用於開關模式電壓變換器的控制方法，該開關模式電壓變換器包括開關管和用於週期性導通開關管一恒定時長的控制電路，該控制方法包括：對控制電路施加直流偏置電壓；改變開關模式電壓變換器的輸入電壓；測量輸入電壓變化引起的頻率偏移；以及根據目標頻率偏移來調整直流偏置電壓。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的控制方法，進一步包括：根據測量的頻率偏移來計算頻率變化百分比；其中調整直流偏置電壓的步驟包括若計算得到的頻率變化百分比小於5%，將對應的直流偏置電壓作為設定值施加至控制電路。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的控制方法，進一步包括：根據測量的頻率偏移來計算頻率變化百分比；其中調節直流偏置電壓的步驟包括若計算得到的頻率變化百分比小於1%，將對應的直流偏置電壓作為設定值施加至控制電路。
  10. 一種用於開關模式電壓變換器的控制方法，該開關模式電壓變換器包括開關管和用於週期性導通開關管一恒定時長的控制電路，該控制方法包括： 對控制電路施加多個不同數值的直流偏置電壓；改變開關模式電壓變換器的輸入電壓；測量多個不同數值直流偏置電壓下的多個頻率偏移；處理多個頻率偏移和相應的直流偏置電壓，找出最小的頻率偏移以及與最小頻率偏移對應的直流偏置電壓；以及將對應的直流偏置電壓作為設定值施加至控制電路。
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