TWI473408B - 平均電感電流模式切換轉換器及利用相同元件提供調整輸出電流的方法 - Google Patents

平均電感電流模式切換轉換器及利用相同元件提供調整輸出電流的方法 Download PDF

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Description

平均電感電流模式切換轉換器及利用相同元件提供調整輸出電流的方法
本發明係關於一種平均電感電流模式切換轉換器。
電流模式切換轉換器通常特徵為雙控制反饋迴路，一者係用於控制調整輸出電壓且另一者係用於控制輸出電流。電流模式切換轉換器包括感測並控制穿過電感器之峰值電流之彼等切換轉換器，其產生嚴重問題，該等問題包括不良雜訊抗擾性、對斜率補償之需要及固有低電流迴路增益不可校正之峰均誤差。平均電流模式控制消除此等問題，或至少使其降至最低。平均電感電流模式切換轉換器調整穿過該電感器之平均電流以提供極好電感電流調整及雜訊抗擾性。此等切換轉換器亦可有效地用以控制除電感電流以外之電流，從而允許更廣泛範圍之拓樸應用。
平均電流模式調整之一主要缺點為自所要調整電流中之一步級的恢復可能緩慢，通常(例如)在從一空載狀態進入一負載狀態時遇到。在一步級回應期間，調整器必須逐漸將該電感電流旋轉至其最終調整位準。此與峰值電流模式轉換器不同，該峰值電流模式轉換器將以幾乎100%工作循環對該電感器充電直至達成所要峰值電感電流位準。
描述一種平均電流模式切換轉換器，其用於提供獨立於負載狀態之一調整輸出電流，及隨連接至該轉換器之負載而變之一調整輸出電壓。該轉換器包含：一電感器；一調變器，其經組態以提供穿過該電感器之一調整電流；一反饋迴路，其耦接於該電感器與該調變器之間以用於調整穿過該電感器之電流；及一預充電器，其經組態及配置以提供並維持獨立於該負載之穿過該電感器之一預設最小電流，以便改良該轉換器自所要調整輸出電流中之一步級的恢復時間。
亦揭示一種方法，該方法提供獨立於在平均電流模式切換轉換器之輸出處的負載狀態之一調整輸出電流，及隨連接至轉換器之輸出之負載而變之一調整輸出電壓。該方法包含以下步驟：提供穿過一電感器之一調整電流；及調整獨立於該負載之穿過該電感器之電流以便一最小電流流過該電感器，以便改良該轉換器自所要調整輸出電流中之一步級的恢復時間。
參閱諸圖，用於提供如諸圖中所圖示之切換調整之系統及方法具有以一平均電流模式控制方案提供峰值電流模式控制之優點。此舉係藉由使調整器之電感器在正常切換及調整開始之前有效地「預充電」至一已知電流位準來完成。
第1圖為平均電流模式調整器之一實施例。調整器10包括調變器12。調變器12包含定時電路14，定時電路14又可為適合於產生同相斜波及時脈信號之任何電路。將該同相斜波信號施加至電流比較器16之非反相輸入，電流比較器16又具有其連接至RS鎖存器18之重設輸入的輸出。將該切換電路之時脈信號施加至鎖存器18之設定輸入。如圖所示，在將「或」閘之輸出施加至切換電路22之情況下，將鎖存器18之Q輸出施加至「或」閘20之一輸入。如圖所示，該切換電路在Vsupply 與系統接地之間切換調變器12之輸出24。該調變器之輸出連接至電感器26之一端，而電感器26之另一端連接至一感測電阻元件(圖示為電阻器28)。電阻器28連接至負載30。
藉由將調變器12之輸出連接至參考電壓源(VREF )32之一側來提供反饋路徑。參考電壓源32之另一側連接至誤差放大器34之非反相輸入，而電感器26與電阻器28之間的節點連接至誤差放大器34之反相輸入。誤差放大器之輸出連接至電流比較器16之反相輸入。最後，箝位二極體36連接於節點38(在切換電路22之輸出24與電感器26之間)與接地之間，而電容器40提供於該節點(在電阻器28與負載30之間)與接地之間。
預充電器(通常在42處展示)經組態及配置以提供並維持獨立於負載30之穿過電感器26之預設最小電流，以便改良該轉換器自所要調整輸出電流中之一步級的恢復時間。更具體言之，在第1圖中所示之實施例中，與參考電壓VREF 成比例之電壓係藉由包含電阻器44及電阻器46之電阻分壓器產生。該電阻分壓器(在電阻器44與電阻器46之間)之接面連接至預充電比較器48之反相輸入以便施加與VREF 成比例之參考電壓。電感器26與電阻器28之間的該接面連接至預充電比較器48之非反相輸入。預充電比較器48之輸出連接至RS鎖存器50之R輸入，其中鎖存器50之Q輸出連接至「或」閘20之第二輸入。鎖存器50之設定輸入係提供於52處。該設定輸入可以任何方式(諸如自動地或藉由使用者)來設定。
在操作中，切換定時電路14供應設定RS鎖存器18之控制信號。當鎖存器18經設定時，其提供一信號予「或」閘20，以便「或」閘20之輸出提供開啟該開關之一信號予切換電路22以便將Vsupply 連接至電感器26，從而引起電流流過電感器及電阻器28。鎖存器18保持設定直至來自比較器16之輸出信號引起鎖存器18重設。在暫時忽略該預充電器存在之情況下，在重設時，鎖存器18關閉切換電路以便切換電路22將該調變器之輸出連接至系統接地。
比較器16藉由比較通過感測電阻器28(在誤差放大器34之反相輸入處提供一電壓)之電流信號IL 來決定何時重設鎖存器18。將此電壓與來自參考電壓源32之參考電壓VREF 比較並施加至誤差放大器34之非反相輸入。因而，切換電路22提供藉由鎖存器18之輸出產生之電流脈衝，鎖存器18之輸出經施加至「或」閘20，「或」閘20又用以開啟及關閉切換電路22。該電流通過電感器26及電阻器28，經轉換為施加至負載30之大體上恆定之輸出電流。
該調整器之輸出可分為兩個週期。第一週期為在切換電路22開啟時，且第二週期為在切換電路22關閉時。在開啟週期期間，電流自Vsupply 通過切換電路22並流過電感器26及感測電阻器28至輸出，在該輸出處其流至負載30。在此時間期間，箝位二極體38經反向偏壓。然而，在切換電路22關閉之後，電感器26仍具有流過其之電流。穿過切換電路22之前電流路徑現將連接至接地，從而引起輸出節點24處之電壓下降以使得箝位二極體38變得經正向偏壓且開始導電。此維持穿過負載之封閉電流迴路。在該切換電路再次開啟時，該節點處之電壓上升以使得箝位二極體38變得經反向偏壓並再次關閉。該循環其自身重複。
藉由添加預充電器42，預充電器42提供並維持獨立於負載30之穿過電感器26之預設最小電流，以便改良該轉換器自所要調整輸出電流中之一步級的恢復時間。
具體言之，在空載狀態期間，將一信號施加至鎖存器50之設定輸入52。此舉引起只要穿過電阻器28之電流在預設值以下，該鎖存器則開啟，該預設值係藉由電阻分壓器之比率來決定。RS鎖存器50允許單一事件啟動預充電狀態並引起該電感器以100%工作循環經充電直至該預充電比較器重設該鎖存器。具體言之，在該鎖存器開啟時，將該鎖存器之輸出施加至「或」閘20。此舉引起「或」閘20之輸出開啟切換電路22，從而允許電流流過電感器及電阻器28。將所得電壓與由分壓器建立之參考電壓比較。在電阻器28上且施加至預充電比較器之非反相輸入的電壓超過在該電阻分壓器上建立之電壓時，預充電比較器48之輸出重設RS鎖存器50。預充電電流將持續流過包括誤差放大器34之反饋路徑，以便將該預充電電流維持在由電阻器44及電阻器46之電阻分壓器建立之位準。
應瞭解，鎖存器50可藉由再連接預充電比較器48之輸入來消除，以便非反相輸入連接至電感器26與電阻器28之間的節點且反相輸入連接至由電阻器44及電阻器46形成之分壓器。在此組態中，穿過電感器26及電阻器28之電流必須建立始終大於由電阻分壓器設定之參考電壓的電壓。另外，該電感器經預充電所處之電流可設定在任何位準且不必小於由參考電壓VREF 決定之位準，第1圖中正如此種情況。如第2圖中所示，該電阻分壓器係用一單獨參考電壓供應VREF2 來替代。該VREF2 可用以建立任何位準、高於、等於或低於第1圖之VREF 的預充電電流。
在添加該預充電器之情況下，該平均電流模式切換調整器具有與峰值電流模式控制類似之動態回應而無雜訊敏感性。
第3圖展示具有及不具有預充電設備之自零電流之模擬電感電流恢復。曲線100及曲線102分別展示不具有及具有該預充電器之模擬電流，而曲線104及曲線106展示不具有及具有該預充電器設備之輸出電流之相應恢復。應清楚，該電感電流進行若干循環以達成正常切換操作，且在缺乏該預充電器設備時，輸出電流呈現近似15%之下降，然而該電感電流在該調變器之第一循環內達成正常切換操作且該輸出電流在使用預充電器設備時更恆定。
雖然已參閱本揭示案之較佳實施例來特定地展示並描述本揭示案，但熟習此項技術者將理解，在不脫離由以下申請專利範圍界定之本揭示案之精神及範疇的情況下，可在其中進行形式及細節之各種改變。
12．．．調變器
14．．．定時電路
16．．．電流比較器
18．．．RS鎖存器
20．．．「或」閘
22．．．切換電路
24．．．輸出/輸出節點
26．．．電感器
28．．．電阻器
30．．．負載
32．．．參考電壓源
34．．．誤差放大器
36．．．箝位二極體
40．．．電容器
42．．．預充電器
44．．．電阻器
46．．．電阻器
48．．．預充電比較器
50．．．RS鎖存器
52．．．設定輸入
100．．．曲線
102．．．曲線
104．．．曲線
106．．．曲線
IL ．．．電流信號
VREF ．．．參考電壓源/參考電壓
VREF2 ．．．參考電壓供應
各圖式中：
第1圖展示具備一預充電器之平均電流模式切換調整器之一實施例，該預充電器經組態及配置以提供並維持獨立於負載之穿過電感器之一預設最小電流；
第2圖展示具備一預充電器之平均電流模式切換調整器之一第二實施例，該預充電器經組態及配置以提供並維持獨立於負載之穿過電感器之一預設最小電流；及
第3圖為具有及不具有電感器預充電器之模擬平均電流模式切換調整器電流回應。
12．．．調變器
14．．．定時電路
16．．．電流比較器
18．．．RS鎖存器
20．．．「或」閘
22．．．切換電路
24．．．輸出/輸出節點
26．．．電感器
28．．．電阻器
30．．．負載
32．．．參考電壓源
34．．．誤差放大器
36．．．箝位二極體
40．．．電容器
42．．．預充電器
44．．．電阻器
46．．．電阻器
48．．．預充電比較器
50．．．RS鎖存器

Claims (29)

  1. 一種平均電流模式切換轉換器，其用於提供獨立於負載狀態之一調整輸出電流，及隨連接至該轉換器之負載而變之一調整輸出電壓，該平均電流模式切換轉換器包含：一電感器；一調變器，其經組態以提供穿過該電感器之一調整電流；一反饋迴路，其耦接於該電感器與該調變器之間以用於調整穿過該電感器之該電流；及一預充電器，其經組態及配置以提供並維持獨立於該負載之穿過該電感器之一預設最小電流，以便改良該轉換器自該所要調整輸出電流中之一步級的恢復時間，其中該預充電器包括(a)一感測電阻元件，該感測電阻元件經組態及配置以傳導代表流過該電感器之該電流的電流，及(b)一第二反饋迴路，該第二反饋迴路包含一比較器，該比較器經組態及配置以：(i)將該感測電阻元件上之電壓與一第二參考電壓比較，及(ii)按照隨該第二參考電壓而變之一最小位準來提供並維持穿過該電感器之該電流。
  2. 如申請專利範圍第1項之平均電流模式切換轉換器，其中該反饋迴路進一步包括：一鎖存器，該鎖存器具有一(a)設定輸入，其經組態以接收用於啟用該預充 電器之一設定輸入信號，以便若穿過該電感器之該電流在該預設最小電流以下，則提供穿過該電感器之電流；及一重設輸入，其耦接至該比較器之輸出以便若該電流達到或超過該預設最小值則重設該鎖存器。
  3. 如申請專利範圍第1項之平均電流模式切換轉換器，其中該反饋迴路包括一誤差放大器，其經組態以(i)量測該感測電阻器上之該電壓與一第二參考電壓之間的誤差，及(ii)提供一誤差信號予該調變器，以便隨著該誤差信號而修改流過該電感器之該電流。
  4. 如申請專利範圍第3項之平均電流模式切換轉換器，其中該第二參考電壓係獨立於該第一參考電壓。
  5. 如申請專利範圍第3項之平均電流模式切換轉換器，其中該第二參考電壓隨該第一參考電壓而變。
  6. 如申請專利範圍第5項之平均電流模式切換轉換器，其中第二參考電壓為該第一參考電壓之一小部分。
  7. 如申請專利範圍第6項之平均電流模式切換轉換器，其中該第二參考電壓係由與該第一參考電壓並聯連接之一電阻分壓器來提供。
  8. 一種提供獨立於在一平均電流模式切換轉換器之輸出處的負載狀態之一調整輸出電流及隨連接至轉換器之該輸出之負載而變之一調整輸出電壓的方法，該方法包含以下步驟：提供穿過一電感器之一調整電流；調整獨立於該負載之穿過該電感器之該電流以便一最小電流流過該電感器，以改良該轉換器自該所要調整輸出電流中之一步級的恢復時間；及經由一感測電阻元件傳導代表流過該電感器之該電流的一電流，及(a)將該感測電阻元件上之電壓與一第一參考電壓比較，及(b)按照隨該第一參考電壓而變之一最小位準來提供並維持穿過該電感器之該電流。
  9. 如申請專利範圍第8項之方法，其中調整穿過該電感器之該電流之步驟包括以下步驟：提供並維持獨立於該負載之穿過該電感器之一預設最小電流，以便改良該轉換器自該所要調整輸出電流中之一步級的該恢復時間。
  10. 如申請專利範圍第9項之方法，其進一步包含以下步驟：(a)施加一設定輸入至一鎖存器，以便若穿過該電感器之該電流在一預設最小電流以下，則提供穿過該電感器之電流；若該電流達到或超過該預設最小值則重設至該鎖存器之輸入。
  11. 如申請專利範圍第9項之方法，其包含以下步驟：經由一電阻元件產生代表流過該電感器之該電流的一電流；量測該感測電阻器上之該電壓與一第二參考電壓之間的誤差；及提供一誤差信號以便隨著該誤差信號而修改流過該電感器之該電流。
  12. 如申請專利範圍第11項之方法，其進一步包括以下步驟：將該感測電阻元件上之該電壓與該第一參考電壓比較，及按照隨該第一參考電壓而變之一最小位準來提供並維持穿過該電感器之該電流。
  13. 如申請專利範圍第11項之方法，其進一步包括以下步驟：產生彼此獨立之該第一參考電壓及該第二參考電壓。
  14. 如申請專利範圍第11項之方法，其進一步包括以下步驟：產生隨該第二參考電壓而變之該第一參考電壓。
  15. 如申請專利範圍第14項之方法，其進一步包括以下步驟：產生作為該第二參考電壓之一小部分的該第一參考電壓。
  16. 一種電流模式切換轉換器，該電流模式切換轉換器包含一電感器，該電感器經組態及配置以將流過該電感器 之電流提供至一負載及一第一反饋迴路以用於調整流過該電感器的該電流，該轉換器進一步包含：一預充電器，其經組態及配置以提供並維持獨立於該負載之穿過該電感器之一預設最小電流，以便改良該轉換器自該所要調整輸出電流中之一步級的恢復時間，該預充電器包括(a)一感測電阻元件，該感測電阻元件經組態及配置以傳導代表流過該電感器之該電流的電流，及(b)一第二反饋迴路，該第二反饋迴路包含一比較器，該比較器經組態及配置以：(i)將該感測電阻元件上之電壓與一第一參考電壓比較，及(ii)按照隨該第一參考電壓而變之一最小位準來提供並維持穿過該電感器之該電流。
  17. 如申請專利範圍第16項之電流模式切換轉換器，其中該第一反饋迴路包括一誤差放大器，其經組態以(i)量測該感測電阻器上之該電壓與一第二參考電壓之間的誤差，及(ii)提供一誤差信號予該調變器，以便隨著該誤差信號而修改流過該電感器之該電流。
  18. 如申請專利範圍第17項之電流模式切換轉換器，其中該第二參考電壓係獨立於該第一參考電壓。
  19. 如申請專利範圍第17項之電流模式切換轉換器，其中該第二參考電壓隨該第一參考電壓而變。
  20. 如申請專利範圍第17項之電流模式切換轉換器，其中第二參考電壓為該第一參考電壓之一小部分。
  21. 如申請專利範圍第17項之電流模式切換轉換器，其中該第二參考電壓係由與該第一參考電壓並聯連接之一電阻分壓器來提供。
  22. 如申請專利範圍第16項之電流模式切換轉換器，其中該轉換器係經組態及配置為一平均電流模式切換轉換器。
  23. 一種電流模式切換轉換器，該電流模式切換轉換器包含一電感器，該電感器經組態及配置以將流過該電感器之電流提供至一負載，該轉換器進一步包含：一第一控制反饋迴路，該第一控制反饋迴路用於調整流過該電感器之該電流；及一預充電器，該預充電器包括(a)一感測電阻元件，該感測電阻元件經組態及配置以傳導代表流過該電感器之該電流的電流，及(b)一第二反饋迴路，該第二反饋迴路包含一比較器，該比較器經組態及配置以：(i)將該感測電阻元件上之該電壓與一第一參考電壓比較，及(ii)將流過該電感器之該電流預充至隨該第一參考電壓而變的一最小位準。
  24. 如申請專利範圍第23項之電流模式切換轉換器，其中該第一反饋迴路包括一誤差放大器，其經組態以(i)量測該感測電阻器上之該電壓與一第二參考電壓之間的誤差，及(ii)提供一誤差信號予該調變器，以便隨著該誤差信號而修改流過該電感器之該電流。
  25. 如申請專利範圍第24項之電流模式切換轉換器，其中該第二參考電壓係獨立於該第一參考電壓。
  26. 如申請專利範圍第24項之電流模式切換轉換器，其中該第二參考電壓隨該第一參考電壓而變。
  27. 如申請專利範圍第24項之電流模式切換轉換器，其中第二參考電壓為該第一參考電壓之一小部分。
  28. 如申請專利範圍第24項之電流模式切換轉換器，其中該第二參考電壓係由與一第一參考分壓器並聯連接之一電阻分壓器來提供。
  29. 如申請專利範圍第23項之電流模式切換轉換器，其中該轉換器係經組態及配置為一平均電流模式切換轉換器。
TW99109433A 2009-03-27 2010-03-29 平均電感電流模式切換轉換器及利用相同元件提供調整輸出電流的方法 TWI473408B (zh)

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