TWI493842B - 開啟時間控制模組及開啟時間控制方法 - Google Patents

Description

開啟時間控制模組及開啟時間控制方法

本發明係指一種開啟時間控制模組及開啟時間控制方法，尤指一種可補償並穩定一切換頻率開啟時間控制模組及開啟時間控制方法。

電源供應相關裝置於現代資訊科技中扮演重要角色。在所有的電源供應裝置之中，直流至直流切換式穩壓器(DC-DC switching regulator)已被廣泛使用，其主要功能在於提供穩定之直流電源給電子元件使用。

請參考第1圖，第1圖為習知技術中具有固定開啟時間架構之一直流至直流切換式穩壓器10之示意圖。直流至直流切換式穩壓器10用來提供一穩定的輸出電壓Vout予一負載Ld，包含有一上橋開關100、一下橋開關102、一開啟時間控制模組104、一比較器106、一電感L、一電容C及一反相器INV。其中，上橋開關100、下橋開關102、電感L及電容C係為一功率級電路108，用來根據一控制訊號Con，輸出電壓Vout至負載Ld。開啟時間控制模組104可輸出具有一開啟時間Ton之控制訊號Con，來控制上橋開關100及下橋開關102的啟閉動作。

簡單來說，每當輸出電壓Vout小於一參考電壓Vref時，比較器106會輸出高準位之一比較結果Com，以控制開啟時間控制模組104將控制訊號Con觸發一個開啟時間Ton(此時控制訊號Con為高準位)，進而導通上橋開關100並關閉下橋開關102，使得一系統電壓Vin將電能經由上橋開關100傳送予電感L，以輸出一充電負載電流IL對電容C充電，造成輸出至負載Ld之輸出電壓Vout增加(電容C之跨壓)，而使輸出電壓Vout大於參考電壓Vref，造成比較結果Com轉為低準位；接著，於開啟時間Ton後控制訊號Con會切換至低準位，此時上橋開關100關閉而下橋開關102導通，使得輸出電壓Vout開始下降，直到輸出電壓Vout小於參考電壓Vref，然後重複上述流程。如此一來，直流至直流切換式穩壓器10可以一穩定切換頻率F_sw 控制上橋開關100的開啟或關閉，調節輸送到負載Ld的電能，以維持輸出電壓Vout的穩定。

此外，直流至直流切換式穩壓器10通常會再包含一脈波寬度調變(pulse width modulation，PWM)電路，其可根據所設定之一脈寬D對控制訊號Con進行調變，以得到所欲之切換頻率F_sw 。詳細來說，請參考第2A圖及第2B圖，第2A圖及第2B圖為理想狀態下第1圖中電感L之負載電流IL及一電壓VL之示意圖。在理想狀態下，假設上橋開關100及下橋開關102開啟時無導通電阻，且負載電流IL上升與下降幅度相等，可得(Vin -Vout )*D *T _S =Vout *(1-D )*T _S ，因此。於實際操作時，假設上橋開關100及下橋開關102開啟時具有相同導通電阻Rds，且負載電流IL上升與下降幅度相等，可得：[(Vin -IL *Rds )-Vout ]*D *T _S =(Vout +IL *Rds )*(1-D )，因此。在此情況下，由於，因此若開啟時間Ton固定，則可適當設定脈寬D，以得到所需之切換頻率F_sw 。

然而，實際上開啟時間控制模組104在對控制訊號Con觸發一個開啟時間Ton時，開啟時間Ton之長度亦會受到負載電流IL及導通電阻Rds的影響而變化，因此無法以固定的脈寬D得到固定的開啟時間Ton，進而穩定切換頻率F_sw ，即切換頻率F_sw 會隨負載電流IL及導通電阻Rds變化。

為了穩定切換頻率F_sw ，習知直流至直流切換式穩壓器10係另包含一回授補償單元耦接於控制訊號Con與開啟時間控制模組104間，用來對控制訊號Con積分再與其一參考電壓進行比較，以調整開啟時間控制模組104之開啟時間Ton之長度，以穩定切換頻率F_sw 。然而，此作法需於回授補償單元中設置較大的電容進行積分，造成過大佈局面積。有鑑於此，習知技術實有改進之必要。

因此，本發明之主要目的即在於提供一種可補償並穩定一切換頻率開啟時間控制模組及開啟時間控制方法。

本發明揭露一種開啟時間控制模組，用於一切換式穩壓器中補償一切換頻率。該開啟時間控制模組包含有一平均電壓產生電路，用來根據一輸入電壓及一脈寬，產生相關於該脈寬之一平均電壓；以及一開啟時間控制器，用來根據該輸入電壓及該平均電壓，產生具有相關於該脈寬之一開啟時間之一控制訊號。

本發明另揭露一種開啟時間控制方法，用於一切換式穩壓器中補償一切換頻率。該開啟時間控制方法包含有根據一輸入電壓及一脈寬，產生相關於該脈寬之一平均電壓；以及根據該輸入電壓及該平均電壓，產生具有相關於該脈寬之一開啟時間之一控制訊號。

請參考第3A圖，第3A圖為可實現第1圖所示之開啟時間控制模組104之一開啟時間控制模組300之示意圖。如第3A圖所示，開啟時間控制模組300包含一分壓電路302、一低通濾波器304、一電阻電容(RC)電路306、一比較器308及一放電開關310。簡單來說，分壓電路302可根據一輸入電壓V1產生一分壓電壓Vs，使得低通濾波器304對分壓電壓Vs進行平均以產生一平均電壓VOD予比較器308之正輸入端；而輸入電壓V1可對電阻電容電路306之一電容C_Ton 進行充電，以產生一開啟時間設定電壓Vset予比較器308之負輸入端。如此一來，比較器308可對平均電壓VOD及開啟時間設定電壓Vset進行比較，以產生具有開啟時間Ton之控制訊號Con。

詳細來說，請參考第3B圖，第3B圖為比較結果Com、開啟時間設定電壓Vset、控制訊號Con及上橋開關100之一閘極電壓Vgu之示意圖。如第3B圖所示，當輸出電壓Vout小於參考電壓Vref，比較結果Com切換至高準位，使得放電開關310將開啟時間設定電壓Vset放電至零，比較器308判斷平均電壓VOD大於開啟時間設定電壓Vset而開始觸發控制訊號Con至高準位。接著，輸入電壓V1開始對電容C_Ton 充電，使得開啟時間設定電壓Vset向上抬升，而於開啟時間設定電壓Vset等於平均電壓VOD時，比較器308停止觸發控制訊號Con至高準位。

換言之，開啟時間控制模組300將控制訊號Con觸發一個開啟時間Ton之時間，等於輸入電壓V1對電容C_Ton 之跨壓(即開啟時間設定電壓Vset)由零充電至平均電壓VOD之時間，以輸入電壓V1為上橋開關100及下橋開關102接點之一相位電壓Vp為例，即，其中，平均電壓VOD未完全相關於脈寬D而因此開啟時間Ton未完全相關於脈寬D。

詳細來說，請參考第3C圖，第3C圖為輸入電壓V1為相位電壓Vp時，分壓電壓Vs及平均電壓VOD之示意圖，其中k=R₂ /(R₁ +R₂ )。在此情況下，平均電壓VOD可透過下列運算而得：

再將非理想情況下代入上式可得VOD =k *Vout ，因此開啟時間Ton可改寫為

由上式可知，由於平均電壓VOD未完全相關於脈寬D而會隨負載電流IL及導通電阻Rds變化，因此開啟時間Ton亦未完全相關於脈寬D而會隨負載電流IL及導通電阻Rds變化，因此以開啟時間控制模組300實現第1圖所示之開啟時間控制模組104時，直流至直流切換式穩壓器10無法以固定的脈寬D得到固定的開啟時間Ton，因而無法穩定切換頻率F_sw ，即切換頻率F_sw 會隨負載電流IL及導通電阻Rds變化。

請參考第4A圖，第4A圖為本發明實施例可實現第1圖所示之開啟時間控制模組104之一開啟時間控制模組400之示意圖。如第4A圖所示，開啟時間控制模組400包含一平均電壓產生電路402及一開啟時間控制器404。簡單來說，平均電壓產生電路402可根據一輸入電壓V1’及脈寬D，產生相關於脈寬D之一平均電壓VOD’。開啟時間控制器404可根據輸入電壓V1’及平均電壓VOD’，產生具有相關於脈寬D之開啟時間Ton之控制訊號Con。如此一來，由於平均電壓VOD’係相關於脈寬D，且根據平均電壓VOD’所產生之開啟時間Ton亦相關於脈寬D，因此以開啟時間控制模組400實現第1圖所示之開啟時間控制模組104時，直流至直流切換式穩壓器10可以固定的脈寬D得到固定的開啟時間Ton，因而穩定切換頻率F_sw ，即切換頻率F_sw 不隨負載電流IL及導通電阻Rds變化。

詳細來說，平均電壓產生電路402包含有一分壓電路406、一下橋開關408以及一低通濾波器410。分壓電路302可根據輸入電壓V1’產生一分壓電壓Vs’。下橋開關408可如同第1圖所示之下橋開關102於控制訊號Con為低準位時導通，以將分壓電壓Vs’之電位拉至零，使得低通濾波器410可平均分壓電壓Vs’，以產生相關於脈寬D之平均電壓VOD’。平均電壓VOD’與平均電壓VOD之主要差別在於，於開啟時間控制模組300中低通濾波器304對分壓電壓Vs之高、低準位皆進行平均，因此所得之平均電壓VOD具有低準位時導通電阻Rds及負載電流IL之成分而不與脈寬D完全相關；相較之下，由於根據脈寬D將控制訊號Con切換至低準位時，開啟時間控制模組400之下橋開關408可導通而將分壓電壓Vs’電位拉至零，因此低通濾波器410對分壓電壓Vs’進行平均時，實際上只相關於脈寬D時分壓電壓Vs’之高準位(低準位為零)，因此所得之平均電壓VOD’會相關於脈寬D。

另一方面，開啟時間控制器404包含有一電阻電容電路412、一比較器414及一放電開關416。電阻電容電路412包含一電阻R_Ton ’及一電容C_Ton ’，串接於輸入電壓V1’與一接地端之間，可透過輸入電壓V1’對電容C_Ton ’充電，產生一開啟時間設定電壓Vset’。比較器414之一負輸入端耦接於電阻R_Ton ’與電容C_Ton ’之交點，以接收開啟時間設定電壓Vset’，而其一正輸入端用來接收平均電壓VOD’，可比較開啟時間設定電壓Vset’與平均電壓VOD’，以產生具有相關於脈寬D之開啟時間Ton之控制訊號Con。

詳細來說，請參考第4B圖，第4B圖為比較結果Com、開啟時間設定電壓Vset’、控制訊號Con及上橋開關100之一閘極電壓Vgu之示意圖。如第4B圖所示，當輸出電壓Vout小於參考電壓Vref，比較結果Com切換至高準位，使得放電開關416將開啟時間設定電壓Vset’放電至零，比較器414判斷平均電壓VOD’大於開啟時間設定電壓Vset’而開始觸發控制訊號Con至高準位。接著，輸入電壓V1’開始對電容C_Ton ’充電，使得開啟時間設定電壓Vset’向上抬升，而於開啟時間設定電壓Vset’等於平均電壓VOD’時，比較器414停止觸發控制訊號Con至高準位。

換言之，開啟時間控制模組400將控制訊號Con觸發一個開啟時間Ton之時間，等於輸入電壓V1’對電容C_Ton ’之跨壓(即開啟時間設定電壓Vset’)由零充電至平均電壓VOD’之時間，以輸入電壓V1’為上橋開關100及下橋開關102接點之相位電壓Vp為例，即，其中，平均電壓VOD’相關於脈寬D而因此開啟時間Ton相關於脈寬D。

詳細來說，請參考第4C圖，第4C圖為輸入電壓V1’為相位電壓Vp時，分壓電壓Vs’及平均電壓VOD’之示意圖，其中k’=R₂ ’/(R₁ ’+R₂ ’)。在此情況下，平均電壓VOD’可透過下列運算而得：

再將非理想情況下代入上式可得：

因此開啟時間Ton可改寫為：

由上式可知，由於平均電壓VOD’相關於脈寬D而於固定脈寬D時不隨負載電流IL及導通電阻Rds變化，因此開啟時間Ton亦相關於脈寬D而於固定脈寬D時不隨負載電流IL及導通電阻Rds變化，因此以開啟時間控制模組400實現第1圖所示之開啟時間控制模組104時，直流至直流切換式穩壓器10可以固定的脈寬D得到固定的開啟時間Ton，進而穩定切換頻率F_sw ，即切換頻率F_sw 只隨脈寬D變化而不會隨負載電流IL及導通電阻Rds變化。

請參考第5圖，第5圖為分別以開啟時間控制模組300、400實現第1圖所示之開啟時間控制模組104時，不同負載電流IL下切換頻率F_sw 之示意圖。如第5圖所示，以開啟時間控制模組300實現第1圖所示之開啟時間控制模組104時，於不同負載電流IL下切換頻率F_sw 約有20.7%之變化，而以開啟時間控制模組400實現第1圖所示之開啟時間控制模組104時，於不同負載電流IL下切換頻率F_sw 約僅有3.1%之變化。由上述可知，開啟時間控制模組400可穩定切換頻率F_sw 。

值得注意的是，本發明之主要精神在於可產生相關於脈寬之平均電壓，再根據此平均電壓產生具有相關於脈寬之開啟時間之控制訊號，因此於可以固定的脈寬得到固定的開啟時間，進而穩定切換頻率。本領域具通常知識者當可據以修飾或變化，而不限於此。舉例來說，平均電壓產生電路402及開啟時間控制器404之實施方式，並不限於上述電路，只要能分別產生相關於脈寬之電壓及根據該電壓產生具有相關於脈寬之開啟時間之控制訊號即可；此外，輸入電壓V1’較佳為上橋開關100及下橋開關102接點之相位電壓Vp，但亦可為其它與系統電壓Vin相關聯之電壓，以具有較好的線路暫態(line transient)響應，即於系統電壓Vin變化時可快速反應，但亦可為其它電壓源而不限於此。

以輸入電壓V1’為任一電壓源為例，即，其中，平均電壓VOD’亦相關於脈寬D而因此開啟時間Ton亦相關於脈寬D。詳細來說，請參考第6圖，第6圖為本發明實施例輸入電壓V1’為任一電壓源時，分壓電壓Vs’及平均電壓VOD’之示意圖，其中k’=R₂ ’/(R₁ ’+R₂ ’)。在此情況下，平均電壓VOD’可透過下列運算而得：

再將非理想情況下代入上式可得：

因此開啟時間Ton可改寫為：

由上式可知，以任一電壓源作為開啟時間控制模組400之輸入電壓V1’而實現第1圖所示之開啟時間控制模組104時，直流至直流切換式穩壓器10亦可以固定的脈寬D得到固定的開啟時間Ton，進而穩定切換頻率F_sw ，即切換頻率F_sw 只隨脈寬D變化而不會隨負載電流IL及導通電阻Rds變化。

因此，開啟時間控制模組400之控制操作，可歸納為一開啟時間控制流程70，如第7圖所示，其包含以下步驟：

步驟700：開始。

步驟702：根據輸入電壓V1’及脈寬D，產生相關於脈寬D之平均電壓VOD’。

步驟704：根據輸入電壓V1’及平均電壓VOD’，產生具有相關於脈寬D之開啟時間Ton之控制訊號Con。

步驟706：結束。

關於開啟時間控制流程70之詳細內容，可參考開啟時間控制模組400之相關敘述，於此不再贅述。

在習知技術中，開啟時間Ton之長度亦會受到負載電流IL及導通電阻Rds的影響而變化，因此無法以固定的脈寬D得到固定的開啟時間Ton，進而穩定切換頻率F_sw ；以回授補償單元調整開啟時間Ton之長度，則需設置較大的電容進行積分，而造成過大佈局面積。相較之下，本發明之開啟時間控制模組400係設置下橋開關408將分壓電壓Vs’之低準位電壓拉至零，因此經低通濾波器410所得之平均電壓VOD’會相關於脈寬D，再以此平均電壓VOD’與輸入電壓V1’對電容C_Ton ’充電所得之開啟時間設定電壓Vset’進行比較，進而產生具有相關於脈寬D之開啟時間Ton之控制訊號Con，因此可以固定的脈寬D得到固定的開啟時間Ton，因而穩定切換頻率F_sw 。

綜上所述，本發明可以固定的脈寬得到固定的開啟時間，因而穩定切換頻率。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10．．．直流至直流切換式穩壓器

100．．．上橋開關

102．．．下橋開關

104、300、400．．．開啟時間控制模組

106、308、414．．．比較器

108．．．功率級電路

302、406．．．分壓電路

304、410．．．低通濾波器

306、412．．．電阻電容電路

310、416．．．放電開關

402．．．平均電壓產生電路

404．．．開啟時間控制器

408．．．下橋開關

70．．．流程

700～706．．．步驟

L．．．電感

C、C_Ton 、C_Ton ’．．．電容

Vref．．．參考電壓

INV．．．反相器

Ld．．．負載

Con．．．控制訊號

Vin．．．系統電壓

Vout．．．輸出電壓

IL．．．負載電流

Com．．．比較結果

R₁ 、R₂ 、R_Ton 、R₁ ’、R₂ ’、R_Ton ’．．．電阻

V1、V1’．．．輸入電壓

Vs、Vs’．．．分壓電壓

VOD、VOD’．．．平均電壓

Vset、Vset’．．．開啟時間設定電壓

Vp．．．相位電壓

Ton．．．開啟時間

Vgu．．．閘極電壓

第1圖為習知技術中具有固定開啟時間架構之一直流至直流切換式穩壓器之示意圖。

第2A圖及第2B圖為理想狀態下第1圖中一電感之一電流及一電壓之示意圖。

第3A圖為可實現第1圖所示之一開啟時間控制模組之一開啟時間控制模組之示意圖。

第3B圖為一比較結果、一開啟時間設定電壓、一控制訊號及一上橋開關之一閘極電壓之示意圖。

第3C圖為一輸入電壓為一相位電壓時，一分壓電壓及一平均電壓之示意圖。

第4A圖為本發明實施例可實現第1圖所示之一開啟時間控制模組之一開啟時間控制模組之示意圖。

第4B圖為本發明實施例一比較結果、一開啟時間設定電壓、一控制訊號及一上橋開關之一閘極電壓之示意圖。

第4C圖為本發明實施例一輸入電壓為一相位電壓時，一分壓電壓及一平均電壓之示意圖。

第5圖為分別以第3A圖及第4A圖所示之開啟時間控制模組實現第1圖所示之開啟時間控制模組時，不同電感電流下切換頻率之示意圖。

第6圖為本發明實施例一輸入電壓為任一電壓源時，一分壓電壓及一平均電壓之示意圖。

第7圖為本發明實施例一開啟時間控制流程之示意圖。

400．．．開啟時間控制模組

402．．．平均電壓產生電路

404．．．開啟時間控制器

406．．．分壓電路

408．．．下橋開關

410．．．低通濾波器

412．．．電阻電容電路

414．．．比較器

416．．．放電開關

C_Ton ’．．．電容

Con．．．控制訊號

Com．．．比較結果

R₁ ’、R₂ ’、R_Ton ’．．．電阻

V1’．．．輸入電壓

Vs’．．．分壓電壓

VOD’．．．平均電壓

Vset’．．．開啟時間設定電壓

Claims (8)

1. 一種開啟時間(on-time)控制模組，用於一切換式穩壓器中補償一切換頻率，包含有：一平均電壓產生電路，用來根據一輸入電壓及一脈寬，產生相關於該脈寬之一平均電壓；以及一開啟時間控制器，用來根據該輸入電壓及該平均電壓，產生具有相關於該脈寬之一開啟時間之一控制訊號；其中該平均電壓產生電路包含有：一分壓電路，用來根據該輸入電壓，產生一分壓電壓；一下橋開關，其一端耦接於該分壓電壓而另一端耦接於一地端，用來於該控制訊號為低準位時導通，以將該分壓電壓之電位拉至零；以及一低通濾波器(low pass filter，LPF)，耦接於該分壓電壓，用來平均該分壓電壓，以產生相關於該脈寬之該平均電壓。
2. 如請求項1所述之開啟時間控制模組，其中該開啟時間控制器包含有：一電阻電容(RC)電路，包含有：一電阻，其一端耦接於該輸入電壓；以及一電容，其一端耦接於該電阻之一另一端，另一端耦接於一接地端，用來透過該輸入電壓充電，產生一開啟時間設定電壓；以及 一比較器，用來比較該開啟時間設定電壓與該平均電壓，以產生具有相關於該脈寬之該開啟時間之該控制訊號。
3. 如請求項2所述之開啟時間控制模組，其中該開啟時間控制器另包含有一放電開關，其一端耦接於該開啟時間設定電壓而另一端耦接於該接地端，用來於一比較結果為高準位時導通，以將該開啟時間設定電壓放電至零。
4. 如請求項1所述之開啟時間控制模組，其中該輸入電壓之準位等於一相位電壓、一系統電壓或一電壓源之準位。
5. 一種開啟時間(on-time)控制方法，用於一切換式穩壓器中補償一切換頻率，包含有：根據一輸入電壓及一脈寬，產生相關於該脈寬之一平均電壓；以及根據該輸入電壓及該平均電壓，產生具有相關於該脈寬之一開啟時間之一控制訊號；其中根據該輸入電壓及該脈寬，產生相關於該脈寬之一平均電壓之步驟包含有：根據該輸入電壓，產生一分壓電壓；於該脈寬控制該控制訊號為低準位時，將該分壓電壓之電位拉至零；以及平均該分壓電壓，以產生相關於該脈寬之該平均電壓。
6. 如請求項5所述之開啟時間控制方法，其中根據該輸入電壓及該平均電壓，產生具有相關於該脈寬之該開啟時間之該控制訊號之步驟包含有：利用該輸入電壓充電，以產生一開啟時間設定電壓；以及比較該開啟時間設定電壓與該平均電壓，以產生具有相關於該脈寬之該開啟時間之該控制訊號。
7. 如請求項6所述之開啟時間控制方法，其另包含：於一比較結果為高準位時，將該開啟時間設定電壓放電至零。
8. 如請求項5所述之開啟時間控制方法，其中該輸入電壓之準位等於該相位電壓、一系統電壓或一電壓源之準位。