TWI489240B - 固定導通時間控制器 - Google Patents

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TWI489240B TW103109348A TW103109348A TWI489240B TW I489240 B TWI489240 B TW I489240B TW 103109348 A TW103109348 A TW 103109348A TW 103109348 A TW103109348 A TW 103109348A TW I489240 B TWI489240 B TW I489240B
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Shian Sung Shiu
Chao Shao
Li Min Lee
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Description

固定導通時間控制器
本發明係關於一種固定導通時間控制器，尤指一種根據靴帶電壓決定固定導通時間之固定導通時間控制器。
第一圖為傳統的降壓轉換電路及固定導通時間控制器之電路示意圖。降壓轉換電路包含一上臂電晶體M1、一下臂電晶體M2、一電感L以及一電容C。上臂電晶體M1耦接於一輸入電壓Vin及一切換節點之間，而下臂電晶體M2耦接於切換節點及一接地電位之間。電感L以及電容C串聯於切換節點及接地電位之間，用以將切換節點的一電壓濾波成一輸出電壓Vout。降壓轉換電路的上臂電晶體M1及下臂電晶體M2根據固定導通時間控制器之控制而進行切換，而上臂電晶體M1的工作週期決定了輸出電壓Vout及輸入電壓Vin之比例。
固定導通時間控制器包含比較器8和10、一SR正反器9、一電容11、一電晶體12、一電阻13以及一驅動電路19。比較器8的一非反相端及比較器10的一反相端接收一參考電壓Vref。比較器8的一反相端接收輸出電壓Vout，於輸出電壓 Vout低於參考電壓Vref時，觸發SR正反器9的一設定端S，使SR正反器9於一輸出端Q產生一高準位訊號。此時，驅動電路19導通上臂電晶體M1並截止下臂電晶體M2。SR正反器9同時於一反相輸出端Q’產生一低準位訊號，使電晶體12截止。電阻13一端連接輸入電壓Vin，另一端連接電容11，因此此時開始對電容11充電。當電容11的一電壓上升至參考電壓Vref時，比較器10輸出高準位訊號至SR正反器9之一重設端R，使SR正反器9於輸出端Q輸出一低準位訊號，於反相輸出端Q’輸出一高準位訊號。此時，驅動電路19截止上臂電晶體M1並導通下臂電晶體M2。另外，電晶體12同時導通，使電容11之電壓透過電晶體12放電而歸零，以等待下次輸出電壓Vout再度低於參考電壓Vref。藉此，使降壓轉換電路於穩定狀態時，輸出電壓Vout實質上等於參考電壓Vref。
上述的電路架構，利用電阻13產生正比於輸入電壓Vin的一電流，以對電容11充電至等於輸出電壓Vout。因此，電容11於每一週期的充電時間長度正比於輸出電壓Vout與輸入電壓Vin的比例，即固定導通時間正比於輸出電壓Vout與輸入電壓Vin的比例。
然而，固定導通時間控制器必須額外增加一腳位連接至輸入電壓Vin，以取得輸入電壓Vin的資訊，增加了固定導通時間控制器的封裝成本。
鑑於先前技術中的固定導通時間控制器，必須額外增加腳位以取得輸入電壓之資訊，本發明利用偵測一靴帶電壓或一上臂控制訊號以取得輸入電壓之資訊，達到節省封裝體的腳位數及封裝成本。
為達上述目的，本發明提供了一種固定導通時間控制器，封裝於單一封裝體內，用以控制一降壓轉換電路將一輸入電壓轉換成一輸出電壓。固定導通時間控制器包含一輸入電壓偵測電路、一導通時間決定電路以及一驅動電路。輸入電壓偵測電路接收一靴帶電壓，以產生代表輸入電壓之一輸入電壓偵測訊號。導通時間決定電路接收輸入電壓偵測訊號，並根據輸出電壓及該輸入電壓偵測訊號產生一固定導通時間訊號。驅動電路根據固定導通時間訊號控制降壓轉換電路。
本發明也提供了一種固定導通時間控制器，封裝於單一封裝體內，用以控制一降壓轉換電路將一輸入電壓轉換成一輸出電壓。固定導通時間控制器包含一輸入電壓偵測電路、一導通時間決定電路以及一驅動電路。輸入電壓偵測電路接收一上臂控制訊號，以產生代表輸入電壓之一輸入電壓偵測訊號。導通時間決定電路接收輸入電壓偵測訊號，並根據輸出電壓及輸入電壓偵測訊號產生一固定導通時間訊號。驅動電路根據固定導通時間訊號及一靴帶電壓產生上臂控制訊號以控制降壓轉換電路。
以上的概述與接下來的詳細說明皆為示範性質，是為了進一步說明本發明的申請專利範圍。而有關本發明的其他目的與優點，將在後續的說明與圖示加以闡述。
 先前技術：
8、10‧‧‧比較器
9‧‧‧SR正反器
11‧‧‧電容
12‧‧‧電晶體
13‧‧‧電阻
19‧‧‧驅動電路
C‧‧‧電容
L‧‧‧電感
M1‧‧‧上臂電晶體
M2‧‧‧下臂電晶體
Q‧‧‧輸出端
Q’‧‧‧反相輸出端
R‧‧‧重設端
S‧‧‧設定端
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
Vref‧‧‧參考電壓
本發明：
100‧‧‧固定導通時間電路
108‧‧‧比較器
109‧‧‧SR正反器
119‧‧‧驅動電路
202‧‧‧加法器
204‧‧‧電壓轉電流轉換電路
206‧‧‧比較電路
308‧‧‧鏡射電路
BS‧‧‧靴帶電路
C‧‧‧電容
CMP‧‧‧比較電路
Con‧‧‧電容
Ich‧‧‧充電電流
L‧‧‧電感
M1‧‧‧上臂電晶體
M2‧‧‧下臂電晶體
Q‧‧‧輸出端
Q’‧‧‧反相輸出端
Q1、Q2、Q3‧‧‧電晶體
R‧‧‧重設端
R1‧‧‧第一電阻
R2‧‧‧第二電阻
S‧‧‧設定端
Slg‧‧‧下臂控制訊號
Son‧‧‧固定導通時間訊號
Sq’‧‧‧反相訊號
Sug‧‧‧上臂控制訊號
Svin‧‧‧輸入電壓偵測訊號
v1、v2‧‧‧電位
Vbs‧‧‧靴帶電壓
VDD‧‧‧驅動電壓
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
Vref、Vr‧‧‧參考電壓
第一圖為傳統的降壓轉換電路及固定導通時間控制器之電路示意圖。
第二A圖為根據本發明之一第一較佳實施例之降壓轉換電路及固定導通時間控制器之電路示意圖。
第二B圖為根據本發明之一第二較佳實施例之降壓轉換電路及固定導通時間控制器之電路示意圖。
第三圖為根據本發明之一第一較佳實施例之固定導通時間電路之電路示意圖。
第四圖為根據本發明之一第二較佳實施例之固定導通時間電路之電路示意圖。
請參見第二A圖，為根據本發明之一第一較佳實施例之降壓轉換電路及固定導通時間控制器之電路示意圖。降壓轉換電路包含一上臂電晶體M1、一下臂電晶體M2、一電感L以及一電容C。上臂電晶體M1耦接於一輸入電壓Vin及一切換節點之間，而下臂電晶體M2耦接於切換節點及一接地電位之間。電感L 以及電容C串聯於切換節點及接地電位之間，用以將切換節點的一電壓濾波成一輸出電壓Vout。降壓轉換電路的上臂電晶體M1及下臂電晶體M2根據固定導通時間控制器之控制而進行切換，而上臂電晶體M1的工作週期決定了輸出電壓Vout及輸入電壓Vin之比例。
固定導通時間控制器封裝於單一封裝體內，用以控制降壓轉換電路將輸入電壓Vin轉換成輸出電壓Vout。固定導通時間控制器包含一固定導通時間電路100、一比較器108、一SR正反器109以及一驅動電路119。比較器108的一非反相端接收一參考電壓Vr，一反相端接收輸出電壓Vout或代表輸出電壓Vout之一輸出電壓偵測訊號。例如：以一分壓器連接輸出電壓Vout，以分壓產生輸出電壓偵測訊號。比較器108的一輸出端耦接SR正反器109之一設定端S，於輸出電壓Vout低於一預定輸出電壓值時，比較器108輸出一高準位訊號，使SR正反器109於一輸出端Q產生一高準位訊號，於一反相輸出端Q’產生一低準位的一反相訊號Sq’。此時，驅動電路119輸出高準位的一上臂控制訊號Sug以導通上臂電晶體M1，以及低準位的一下臂控制訊號Slg以截止下臂電晶體M2。在實際應用，SR正反器109可以併入驅動電路119之中，或者視驅動電路119之電路設計而省略。
在本發明，上臂電晶體M1及下臂電晶體M2均為N型金氧半場效電晶體，因此，為能確實控制上臂電晶體M1的導通，上臂控制訊號Sug的一高準位時，必須高於輸入電壓Vin一臨界電壓以上。本發明利用一靴帶電路(bootstrap)BS，耦接一降壓轉換 電路之一切換節點(即上臂電晶體M1及下臂電晶體M2的連接點)及一驅動電壓VDD，以提供高於輸入電壓Vin之一靴帶電壓Vbs，其中驅動電壓VDD由一驅動電壓源所產生，連接固定導通時間控制器，以提供固定導通時間控制器操作所需之電力。在實際應用上，驅動電壓VDD可以是輸入電壓Vin，或不同於輸入電壓Vin的另一電壓源。詳細來說，靴帶電路BS包含串聯之一二極體及一靴帶電容。二極體之一正端連接驅動電壓VDD，而一負端連接靴帶電容。靴帶電容的另一端連接切換節點。於下臂電晶體M2導通時，驅動電壓VDD經過二極體對靴帶電容充電。當上臂電晶體M1導通時，切換節點電位被拉至輸入電壓Vin，使靴帶電容可以提供Vin+VDD之電壓至固定導通時間控制器的驅動電路119。也就是說，靴帶電路BS配合上臂電晶體M1及下臂電晶體M2的導通與截止，週期性地提供高於輸入電壓Vin的靴帶電壓Vbs。靴帶電路BS可以是外接之離散元件所構成，或者部分元件(例如：二極體)或全部內建於固定導通時間控制器內。
固定導通時間電路100耦接靴帶電路BS以接收靴帶電壓Vbs，並藉由濾除驅動電壓VDD而得到輸入電壓Vin之資訊。固定導通時間電路100同時接收輸出電壓Vout或代表輸出電壓Vout之一輸出電壓偵測訊號，以根據輸入電壓Vin及輸出電壓Vout之資訊決定一固定導通時間。以下之實施例將詳細說明固定導通時間電路之操作及原理。
固定導通時間電路100耦接SR正反器109的一重 設端R，於上臂電晶體M1導通時開始計數固定導通時間後發出一固定導通時間訊號Son至重設端R。此時，SR正反器109於輸出端Q輸出一低準位訊號，於反相輸出端Q’輸出一高準位的反相訊號Sq’，使得驅動電路119截止上臂電晶體M1並導通下臂電晶體M2。
請參見第二B圖，為根據本發明之一第二較佳實施例之降壓轉換電路及固定導通時間控制器之電路示意圖。相較於第二A圖所示之實施例，本實施例係以上臂控制訊號Sug取代靴帶電壓Vbs。由於驅動電路119所產生的上臂控制訊號Sug之高邏輯準位係與靴帶電壓Vbs相同，因此本發明之固定導通時間電路100亦可以改接收上臂控制訊號Sug並濾得輸入電壓Vin之資訊。其餘電路之說明，可參見第二A圖之對應說明。
接著，請參見第三圖，為根據本發明之一第一較佳實施例之固定導通時間電路之電路示意圖。固定導通時間電路包含一輸入電壓偵測電路及一導通時間決定電路。輸入電壓偵測電路包含一加法器202，根據一靴帶電壓Vbs或一上臂控制訊號Sug及一驅動電壓VDD，將靴帶電壓Vbs或上臂控制訊號Sug減去驅動電壓VDD後得到一輸入電壓Vin的資訊並據此產生一輸入電壓偵測訊號Svin。導通時間決定電路包含一電壓轉電流轉換電路204、一電容Con及一比較電路206。電壓轉電流轉換電路204根據輸入電壓偵測訊號Svin產生一充電電流Ich對電容Con充電。比較電路206根據電容Con之一電壓和輸出電壓 Vout，於電容Con之電壓上升至輸出電壓Vout時產生一固定導通時間訊號Son。電壓轉電流轉換電路204同時接收SR正反器109所產生的反相訊號Sq’，於反相訊號Sq’為高準位時，對電容Con放電歸零。於反相訊號Sq’為低準位時，開始對電容Con充電，此時，導通時間決定電路開始計時至電容Con之電壓到達輸出電壓Vout時，計時結束並產生固定導通時間訊號Son。當然，除了反相訊號Sq’外，SR正反器109於輸出端Q所輸出的訊號、上臂控制訊號Sug及下臂控制訊號Slg均可經適當處理而取代反相訊號Sq’，以控制電壓轉電流轉換電路204對電容Con的充電及放電程序。
第四圖為根據本發明之一第二較佳實施例之固定導通時間電路之電路示意圖。固定導通時間電路包含一輸入電壓偵測電路及一導通時間決定電路，其中輸入電壓偵測電路包含一第一電阻R1及一第二電阻R2、電晶體Q1和Q2，而導通時間決定電路包含一電晶體Q3、一鏡射電路308、一電容Con及一比較電路CMP。
電晶體Q1為雙載子電晶體，具有一第一集極、一第一基極以及一第一射極。第一集極及第一基極耦接一驅動電壓VDD，而第一射極透過第一電阻R1耦接至一接地電位。因此，電晶體Q1的第一射極與第一電阻R1的一連接點的一電位v1=VDD-Vbe1，其中Vbe1為電晶體Q1的一順向偏壓。電晶體Q2為雙載子電晶體，具有一第二集極、一第二基極以及一 第二射極。第二射極透過第二電阻R2耦接至一靴帶電壓Vbs或一上臂控制訊號Sug，第二基極耦接電晶體Q1的第一射極與第一電阻R1之連接點。因此，電晶體Q2的第二射極與第二電阻R2的一連接點的一電位v2=v1+Vbe2=VDD-Vbe1+Vbe2，其中Vbe2為電晶體Q2的一順向偏壓。在Vbe1=Vbe2時，v2=VDD。電晶體Q2於第二集極輸出的一輸入電壓偵測訊號Svin與第二電阻R2流經的電流相同，為(Vbs-VDD)/R2，代表靴帶電壓Vbs或上臂控制訊號Sug減去驅動電壓VDD之一電壓差。當降壓轉換電路的下臂電晶體M2截止而上臂電晶體M1為導通時，靴帶電壓Vbs或上臂控制訊號Sug之電壓準位為Vbs=Vin+VDD。因此，此時輸入電壓偵測訊號Svin=(Vin+VDD-VDD)/R2=Vin/R2，即正比於輸入電壓Vin。
鏡射電路308的作用為電壓轉電流轉換電路，將電晶體Q2於第二集極輸出的輸入電壓偵測訊號Svin鏡射，產生比例於輸入電壓Vin的一充電電流Ich。電晶體Q3與電容Con並聯。電晶體Q3為N型金氧半場效電晶體，一閘極接收SR正反器109所產生的反相訊號Sq’，汲極耦接鏡射電路308，而源極耦接一接地電位。當反相訊號Sq’為高準位時，即降壓轉換電路的下臂電晶體M2導通而上臂電晶體M1截止時，電晶體Q3導通使充電電流Ich經由電晶體Q3流至地，並使電容Con的一電壓放電至零。而當反相訊號Sq’為低準位時，即降壓轉換電路的下臂電晶體M2截止而上臂電晶體M1導通時，電晶體Q3截止。此 時，充電電流Ich開始對電容Con充電。
比較電路CMP的一非反相端耦接電容Con，一反相端接收一輸出電壓Vout(或代表輸出電壓Vout的一輸出電壓偵測訊號)。當電容Con被充電電流Ich充電，使電容Con的電壓上升至輸出電壓Vout時，比較電路CMP輸出一高準位的固定導通時間訊號Son，使得驅動電路119原導通的降壓轉換電路的上臂電晶體M1轉為截止。同時，反相訊號Sq’轉為高準位，使得電晶體Q3導通，而重置電容Con的電壓至零，以等待下一個週期。因此，電容Con的電壓由零充電至等於輸出電壓Vout的時間正比於輸出電壓Vout，且反比於充電電流Ich，即反比於輸入電壓Vin。
另外，在第四圖的實施例中，可以增加一單擊電路於比較電路CMP之一輸出端，由單擊電路產生固定導通時間訊號Son至SR正反器109。
如上所述，本發明完全符合專利三要件：新穎性、進步性和產業上的利用性。本發明在上文中已以實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以下文之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧固定導通時間電路
108‧‧‧比較器
109‧‧‧SR正反器
119‧‧‧驅動電路
BS‧‧‧靴帶電路
C‧‧‧電容
L‧‧‧電感
M1‧‧‧上臂電晶體
M2‧‧‧下臂電晶體
Q‧‧‧輸出端
Q’‧‧‧反相輸出端
R‧‧‧重設端
S‧‧‧設定端
Slg‧‧‧下臂控制訊號
Son‧‧‧固定導通時間訊號
Sq’‧‧‧反相訊號
Sug‧‧‧上臂控制訊號
Vbs‧‧‧靴帶電壓
VDD‧‧‧驅動電壓
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
Vref‧‧‧參考電壓

Claims (10)

  1. 一種固定導通時間控制器，封裝於單一封裝體內，用以控制一降壓轉換電路將一輸入電壓轉換成一輸出電壓，該固定導通時間控制器包含：一輸入電壓偵測電路，接收一靴帶電壓，以產生代表該輸入電壓之一輸入電壓偵測訊號；一導通時間決定電路，接收該輸入電壓偵測訊號，並根據該輸出電壓及該輸入電壓偵測訊號產生一固定導通時間訊號；以及一驅動電路，根據該固定導通時間訊號控制該降壓轉換電路。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之固定導通時間控制器，其中該輸入電壓偵測電路包含一加法器，根據該靴帶電壓及一驅動電壓產生該輸入電壓偵測訊號，其中該驅動電壓係由一驅動電壓源所產生，用以提供該固定導通時間控制器操作所需之電力。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之固定導通時間控制器，其中該靴帶電壓由一靴帶電路所提供，該靴帶電路耦接該降壓轉換電路之一切換節點及該驅動電壓源，以提供該靴帶電壓，該靴帶電壓週期性高於該輸入電壓。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之固定導通時間控制器，其中該導通時間決定電路包含一電壓轉電流轉換電路、一電容及一比較電路，該電壓轉電流轉換電路根據該輸入電壓偵測訊號產生一充電電流對該電容充電，而該比較電路根據該電容之一電壓及該輸出電壓以產生該固定導通時間訊號。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之固定導通時間控制器，其中該輸入電壓偵測電路包含：一第一雙載子電晶體，具有一第一集極、一第一基極以及一第一射極，該第一集極及該第一基極耦接該驅動電壓，而該第一射極透過一第一電阻耦接至一接地電位；以及一第二雙載子電晶體，具有一第二集極、一第二基極以及一第二射極，該第二基極耦接該第一射極與該第一電阻之一連接點，該第二射極透過一第二電阻耦接至該靴帶電壓，而該第二集極產生代表該靴帶電壓減去該驅動電壓之一電壓差之該輸入電壓偵測訊號。
  6. 一種固定導通時間控制器，封裝於單一封裝體內，用以控制一降壓轉換電路將一輸入電壓轉換成一輸出電壓，該固定導通時間控制器包含：一輸入電壓偵測電路，接收一上臂控制訊號，以產生代表該輸入電壓之一輸入電壓偵測訊號；一導通時間決定電路，接收該輸入電壓偵測訊號，並根據該輸出電壓及該輸入電壓偵測訊號產生一固定導通時間訊號；以及一驅動電路，根據該固定導通時間訊號及一靴帶電壓產生該上臂控制訊號以控制該降壓轉換電路。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之固定導通時間控制器，其中該輸入電壓偵測電路包含一加法器，根據該上臂控制訊號及一驅動電壓產生該輸入電壓偵測訊號，其中該驅動電壓係由一驅動電壓 源所產生，用以提供該固定導通時間控制器操作所需之電力。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之固定導通時間控制器，其中該靴帶電壓由一靴帶電路所提供，該靴帶電路耦接該降壓轉換電路之一切換節點及該驅動電壓源，以提供該靴帶電壓，該靴帶電壓週期性高於該輸入電壓。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之固定導通時間控制器，其中該導通時間決定電路包含一電壓轉電流轉換電路、一電容及一比較電路，該電壓轉電流轉換電路根據該輸入電壓偵測訊號產生一充電電流對該電容充電，而該比較電路根據該電容之一電壓及該輸出電壓以產生該固定導通時間訊號。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之固定導通時間控制器，其中該輸入電壓偵測電路包含：一第一雙載子電晶體，具有一第一集極、一第一基極以及一第一射極，該第一集極及該第一基極耦接該驅動電壓，而該第一射極透過一第一電阻耦接至一接地電位；以及一第二雙載子電晶體，具有一第二集極、一第二基極以及一第二射極，該第二基極耦接該第一射極與該第一電阻之一連接點，該第二射極透過一第二電阻耦接至該上臂控制訊號，而該第二集極產生代表該上臂控制訊號減去該驅動電壓之一電壓差之該輸入電壓偵測訊號。
TW103109348A 2014-01-30 2014-03-13 固定導通時間控制器 TWI489240B (zh)

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