TWI495974B - 斜波信號產生方法與其產生器、以及脈寬調變信號產生器 - Google Patents

斜波信號產生方法與其產生器、以及脈寬調變信號產生器 Download PDF

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Description

斜波信號產生方法與其產生器、以及脈寬調變信號產生器
本發明是有關於一種電源轉換技術，尤指一種應用於電源轉換器的斜波信號產生方法與其產生器、以及脈寬調變信號產生器。
圖1為習知的電源轉換器的示意圖。圖2為習知的電源轉換器的波形示意圖。請合併參閱圖1和圖2。習知的電源轉換器100的設計常採用固定導通時間的架構。斜波產生器140產生具有固定式三角波的斜波信號Xramp。比較器110比較誤差信號Xerr與斜波信號Xramp來產生比較信號Xcm。時間控制電路120根據比較信號Xcm、輸入電壓Vin及輸出電壓Vout來產生脈寬調變信號Xpwm。脈寬調變信號Xpwm的每一週期的導通時間Ton的寬度是固定值，且導通時間Ton的寬度是與輸入電壓Vin和輸出電壓Vout有關。
在電源轉換器100中，藉由誤差信號Xerr與斜波信號 Xramp來產生比較信號Xcm。時間控制電路120藉由比較信號Xcm來決定何時輸出脈寬調變信號Xpwm的導通時間Ton。誤差信號Xerr的振幅與回授信號Vfb和參考電壓Vref兩者有關。在決定輸出脈寬調變信號Xpwm的導通時間Ton的時刻，時間控制電路120開始計算並生成導通時間Ton，而且脈寬調變信號Xpwm中的每一週期的導通時間Ton是固定的。
習知的脈寬調變的操作架構雖可達到固定頻率的效果，但是在電源轉換器100的輸出端上的電容器CL的等效串聯電阻ESR與電感器L的等效串聯電阻DCR皆很小時，電容器CL及電感器L因應負載瞬間變化(load transient)時所補償的能量會有延遲，因此回授信號Vfb、誤差信號Xerr也會跟著延遲。原本經過補償電路130所產生的誤差信號Xerr已經不能用來收斂輸出電壓Vout。此外，由於斜波信號Xramp為固定放電斜率的波形，無法隨著負載瞬間變化而改變其放電斜率。上述種種原因將造成電源轉換器100有不穩定的振盪情形。
圖3為習知的斜波產生器的電路圖。請合併參閱圖1和圖3。在斜波產生器140之中，電流源IRamp、N型金氧半電晶體MN1及MN2組成電流鏡。第一嵌位電壓Vclamp1大於第二嵌位電壓Vclamp2。當誤差信號Xerr大於斜波信號Xramp時，重置信號RST導通開關S1，從而將電容器Cramp的電壓充電至第一嵌位電壓Vclamp1。再利用電流鏡對電容器Cramp放電。電流源IRamp(放電電流)的電流值為固定。當斜波信號Xramp放電至第二嵌位電壓Vclamp2時，斜波信號Xramp會被嵌位在第二嵌位電壓Vclamp2。斜波產生器140經由上述充電、放電動作來提供具有固 定波形的斜波信號Xramp，以作為與誤差信號Xerr比較用的調整基準點。
圖4為習知的電源轉換器的另一波形示意圖。請合併參閱圖1和圖4。在圖4中的相關波形為電源轉換器100採用固定導通時間的架構，且操作在不連續導通模式(discontinuous conduction mode，簡稱為DCM)。當輸出的負載電流Iload屬於極輕載時，將會降低電感電流IL的操作頻率(亦即操作週期的時間將被拉長)，如此將導致具有固定放電斜率的斜波信號Xramp被放電至最低嵌位電壓的位準。當輸出電壓Vout的能量不足且需要能量時，誤差信號Xerr的波形往上爬升，且往上爬升的誤差信號Xerr與近似水平的斜波信號Xramp之間所形成的角度θ將變小。上述角度θ與抗雜訊的能力有關。當角度θ變小時，將降低電源轉換器100的抗雜訊能力，並且有可能產生嚴重的抖動(jitter)。
有鑑於此，本發明提出一種斜波信號產生方法與其產生器、以及脈寬調變信號產生器，藉以解決先前技術所述及的問題。
本發明提出一種斜波信號產生器。斜波信號產生器應用於電源轉換器。斜波信號產生器包括輸入單元、延遲單元以及轉換控制元件。輸入單元接收誤差信號。誤差信號相關於電源轉換器的輸出電壓。延遲單元耦接輸入單元，且依據誤差信號產生誤差延遲信號。轉換控制元件耦接輸入單元與延遲單元，以藉由誤差信號與誤差延遲信號來提供斜波信號。
在本發明的一實施例中，轉換控制元件接收誤差信號與 誤差延遲信號的差值，以藉由差值來提供斜波信號。
在本發明的一實施例中，轉換控制元件具有K倍放大係數，轉換控制元件接收誤差信號與誤差延遲信號的差值，以藉由差值乘以K倍放大係數來提供斜波信號。
在本發明的一實施例中，延遲單元包括電阻與電容器。電阻耦接輸入單元與轉換控制元件，電容器耦接電阻與轉換控制元件。
在本發明的一實施例中，斜波信號相較於誤差信號為相位領先且反相。
本發明另提出一種脈寬調變信號產生器，應用於電源轉換器。脈寬調變信號產生器包括誤差放大器、斜波信號產生器、比較器以及控制電路。誤差放大器接收回授信號來產生誤差信號。斜波信號產生器耦接誤差放大器，且接收誤差信號，以產生誤差延遲信號。斜波信號產生器根據誤差信號、誤差延遲信號及參考信號來提供斜波信號。比較器耦接誤差放大器與斜波信號產生器，且根據斜波信號與誤差信號產生觸發信號。控制電路根據觸發信號產生脈寬調變信號。
本發明另提出一種斜波信號產生方法，應用於電源轉換器。斜波信號產生方法包括：接收誤差信號，其中誤差信號相關於電源轉換器的輸出電壓；依據誤差信號產生誤差延遲信號；以及藉由誤差信號與誤差延遲信號來提供斜波信號。
在本發明的一實施例中，藉由誤差信號與誤差延遲信號的步驟更包括：根據誤差信號與誤差延遲信號的差值，以藉由差值來提供斜波信號。
在本發明的一實施例中，藉由差值來提供斜波信號的步驟更包括：將差值乘以K倍放大係數來提供斜波信號。
基於上述，本發明的斜波信號產生方法與其產生器、以及脈寬調變信號產生器利用誤差信號與誤差延遲信號來提供斜波信號。此新穎的斜波信號用來取代習知的斜波信號。斜波信號相較誤差信號為相位領先且反相。在進行回路控制時，利用斜波信號與誤差信號來決定導通時間的時間點，可以更快速收斂電源轉換器的輸出電壓，以使輸出電壓快速回到穩定狀態及改善暫態響應。另外，本發明架構在不連續導通模式下可提供較好的抗雜訊能力。
應瞭解的是，上述一般描述及以下具體實施方式僅為例示性及闡釋性的，其並不能限制本發明所欲主張的範圍。
10‧‧‧驅動器
20‧‧‧輸出級
21‧‧‧上橋開關
22‧‧‧下橋開關
30‧‧‧回授電路
40‧‧‧脈寬調變信號產生器
100‧‧‧電源轉換器
110‧‧‧比較器
120‧‧‧時間控制電路
130‧‧‧補償電路
140‧‧‧斜波產生器
410‧‧‧誤差放大器
420‧‧‧補償電路
430‧‧‧斜波信號產生器
431‧‧‧放大器
432‧‧‧轉換控制元件
433‧‧‧延遲單元
440‧‧‧比較器
450‧‧‧控制電路
500‧‧‧電源轉換器
Cdelay‧‧‧電容器
CL‧‧‧電容器
Cramp‧‧‧電容器
DCR‧‧‧等效串聯電阻
ESR‧‧‧等效串聯電阻
GND‧‧‧接地端
IL、IL2‧‧‧電感電流
Iload‧‧‧負載電流
IRamp‧‧‧電流源
K‧‧‧放大係數
K* δ‧‧‧經放大的差值
L‧‧‧電感器
LG‧‧‧下橋開關控制信號
RST‧‧‧重置信號
Rdelay‧‧‧電阻
MN1、MN2‧‧‧N型金氧半電晶體
S1‧‧‧開關
S1001~S1005‧‧‧步驟
Ton‧‧‧導通時間
UG‧‧‧上橋開關控制信號
Vcm‧‧‧觸發信號
Vclamp1‧‧‧第一嵌位電壓
Vclamp2‧‧‧第二嵌位電壓
Verr‧‧‧誤差信號
Verr_delay‧‧‧誤差延遲信號
Verr_peak‧‧‧波峰
Vfb‧‧‧回授信號
Vin‧‧‧輸入電壓
Vnew_ramp‧‧‧斜波信號
Vnew_ramp_peak‧‧‧波峰
Vpwm‧‧‧脈寬調變信號
Vout、Vout2‧‧‧輸出電壓
Vref、Vref_err‧‧‧參考信號
Xcm‧‧‧比較信號
Xerr‧‧‧誤差信號
Xpwm‧‧‧脈寬調變信號
Xramp‧‧‧斜波信號
θ、θ 2‧‧‧角度
δ‧‧‧差值
下面的所附圖式是本發明的說明書的一部分，其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用來說明本發明的原理。
圖1為習知的電源轉換器的示意圖。
圖2為習知的電源轉換器的波形示意圖。
圖3為習知的斜波產生器的電路圖。
圖4為習知的電源轉換器的另一波形示意圖。
圖5是依照本發明一實施例的電源轉換器的架構示意圖。
圖6是依照本發明實施例的斜波信號產生器的電路示意圖。
圖7是依照本發明實施例的斜波信號產生器的波形示意圖。
圖8是依照本發明實施例的電源轉換器操作在不連續導通模式的波形示意圖。
圖9是依照本發明實施例的電源轉換器與習知的電源轉換器的波形比較圖。
圖10繪示為本發明實施例的電源轉換器的斜波信號產生方法的流程圖。
現在將詳細參考本發明的示範性實施例，並在附圖中說明所述示範性實施例的實例。另外，在圖式及實施方式中所使用相同或類似標號的元件/構件是用來代表相同或類似部分。
在下述諸實施例中，當元件被指為「連接」或「耦接」至另一元件時，其可為直接連接或耦接至另一元件，或可能存在介於其間的元件。術語「電路」可表示為至少一元件或多個元件，或者主動地且/或被動地而耦接在一起的元件以提供合適功能。術語「信號」可表示為至少一電流、電壓、負載、溫度、資料或其他信號。斜波信號又可為類斜波信號、三角波信號或鋸齒波信號，其可以為重複-下降形式的斜波或是重複-上升形式的斜波，端視應用而決定。
圖5是依照本發明一實施例的電源轉換器的架構示意圖。請參閱圖5。電源轉換器500包括驅動器10、輸出級20、電感器L、電容器CL、回授電路30以及脈寬調變信號產生器40。 輸出級20內的上橋開關(high side switch)21的第一端接收輸入電壓Vin。下橋開關(low side switch)22耦接於上橋開關21的第二端與接地端GND之間。
在本發明的一實施例中，脈寬調變信號產生器40與驅動器10可以組成直流對直流控制器(DC-DC controller)，或者脈寬調變信號產生器40亦可直接成為直流對直流控制器。另外，脈寬調變信號產生器40、驅動器10及輸出級20可以組成直流對直流轉換器(DC-DC converter)。此外，無論是直流對直流控制器或直流對直流轉換器實施在積體電路時，脈寬調變信號產生器40中的補償電路420可以設置在上述積體電路的外部。
脈寬調變信號產生器40包括誤差放大器410、斜波信號產生器430、比較器440以及控制電路450。脈寬調變信號產生器40還可包括補償電路420。誤差放大器410接收回授信號Vfb與參考信號Vref來產生誤差信號Verr。斜波信號產生器430接收並延遲誤差信號Verr，以產生誤差延遲信號Verr_delay，且根據誤差信號Verr與誤差延遲信號Verr_delay之差值δ以及參考信號Vref_err來產生斜波信號Vnew_ramp。比較器440根據斜波信號Vnew_ramp以及誤差信號Verr來產生觸發信號Vcm。
回授信號Vfb與電源轉換器500的輸出電壓Vout2有關。在其他實施例中，回授信號Vfb也可以直接是輸出電壓Vout2。控制電路450根據觸發信號Vcm產生脈寬調變信號Vpwm，據以控制電源轉換器500。在本發明的一實施例中，脈寬調變信號Vpwm可以是固定導通(constant on time，簡稱為COT)信號。在其他實施例中，脈寬調變信號Vpwm可以是其他型態的信號，例如： 固定截止(constant off time)信號，本發明並不以此為限。
值得一提的是，在本實施例中，斜波信號Vnew_ramp相較於誤差信號Verr為相位領先且反相。
驅動器10根據脈寬調變信號Vpwm產生上橋開關控制信號UG與下橋開關控制信號LG，據以分別控制上橋開關21和下橋開關22。輸出級20用以對輸入電壓Vin進行直流對直流的轉換，從而電源轉換器500可以產生輸出電壓Vout2並且將輸出電壓Vout2輸出至負載。
圖6是依照本發明實施例的斜波信號產生器的電路示意圖。圖7是依照本發明實施例的斜波信號產生器的波形示意圖。請合併參閱圖5、圖6和圖7。斜波信號產生器430包括放大器431、轉換控制元件432以及延遲單元433。延遲單元433包括電阻Rdelay與電容器Cdelay。放大器431的第一輸入端接收誤差信號Verr。誤差信號Verr與電源轉換器500的輸出電壓Vout2有關。電阻Rdelay的第一端耦接放大器431的第二輸入端與輸出端。電容器Cdelay耦接於電阻Rdelay的第二端與接地端GND之間。轉換控制元件432的第一輸入端耦接電阻Rdelay的第一端。轉換控制元件432的第二輸入端耦接電阻Rdelay的第二端。轉換控制元件432的第三輸入端接收參考信號Vref_err。轉換控制元件432的輸出端輸出斜波信號Vnew_ramp。
在本實施例中，可利用放大器431、電容器Cdelay與電阻Rdelay的連接方式來產生一差值δ，δ=Verr-Verr_delay。轉換控制元件432可以為電壓控制電壓源(voltage control voltage source，簡稱為VCVS)元件。轉換控制元件432將其輸入端所接 收的差值δ乘上K倍放大係數(K的數值大於1)而放大差值。另外，若K倍放大係數的數值介於0至於1之間，則可縮小差值。轉換控制元件432根據上述經放大的差值(K* δ)與參考信號Vref_err進行相加處理與反相處理，從而提供斜波信號Vnew_ramp。但，本發明並不限定斜波信號Vnew_ramp的產生方式需利用上述差值δ來產生，在其他實施例中，亦可利用電路設計以及利用誤差信號Verr與誤差延遲信號Verr_delay之間的不同運算方式來提供斜波信號Vnew_ramp，本發明並不以利用上述差值δ為限。
此外，反相處理與相加處理的順序並不侷限於上述實施例。在另一實施例中，轉換控制元件432可根據上述經放大的差值(K* δ)先進行反相處理，再與參考信號Vref_err進行相加處理，提供斜波信號Vnew_ramp。
請注意圖7中的波形相對位置，斜波信號Vnew_ramp的波峰Vnew_ramp_peak領先於誤差信號Verr的波峰Verr_peak，並且斜波信號Vnew_ramp相較於誤差信號Verr為反相。
圖8是依照本發明實施例的電源轉換器操作在不連續導通模式的波形示意圖。請參閱圖8。當輸出的負載電流屬於極輕載時，將會降低電感電流IL的操作頻率(亦即操作週期的時間將被拉長)。值得一提的是，斜波信號Vnew_ramp會隨著誤差信號Verr的變化而慢慢下降至小於誤差信號Verr，再送出如圖2的導通時間Ton的脈波。在圖8中，往上爬升的誤差信號Verr的波形與慢慢下降的斜波信號Vew_ramp的波形之間形成角度θ 2。圖8的角度θ 2會大於圖4的角度θ，因此在不連續導通模式下，本發明實 施例的電源轉換器確實地提升抗雜訊的能力。
圖9是依照本發明實施例的電源轉換器與習知的電源轉換器的波形比較圖。請參閱圖9。本發明實施例藉由斜波信號Vnew_ramp與誤差信號Verr相比較來決定導通時間(Ton)的時間點。如圖9中繪示了兩個圓形虛線，而位在左邊圓形虛線所框出的部分用來表示負載電流Iload由低位準上升至高位準。斜波信號Vnew_ramp在暫態時會隨誤差信號Verr而反應出向下墜落，以提前決定導通時間的時間點，或者反應出往上抬升以提前停止供給能量至輸出電壓Vout2(請參閱如圖5所繪示的Vout2)。
在圖9中，習知的斜波信號Xramp的固定三角波將被嵌位在如圖3所示的第一嵌位電壓Vclamp1與第二嵌位電壓Vclamp2之間。若誤差信號Xerr表示輸出電壓Vout(參閱如圖1所繪示的Vout)需要能量時，誤差信號Xerr的位準將大於斜波信號Xramp的位準，而斜波信號Xramp的最高波峰為第一嵌位電壓Vclamp1，習知的斜波產生器140將不斷地送出導通時間的脈波。當誤差信號Xerr往下掉且掉到低於斜波信號Xramp的位準或更低時，習知的斜波產生器140才有機會停止送出導通時間的脈波。
在圖9中，本發明實施例藉由斜波信號Vnew_ramp追隨誤差信號Verr的方式，電感電流IL2或輸出電壓Vout2(參閱如圖5所繪示的Vout2)會較早達到足夠能量。若採用固定式斜波信號Xramp，電感電流IL或輸出電壓Vout(參閱如圖1所繪示的Vout)則較慢達到足夠能量。因此相較於本發明實施例，習知方式的暫態響應速度較慢。本發明實施例的電感電流IL2的波形相較於習知的電感電流IL的波形有較小的振盪；相同地，本發明實 施例的輸出電壓Vout2的波形相較於習知的輸出電壓Vout的波形有較小的振盪。故，在進行電源轉換器的回路控制時，斜波信號Vnew_ramp可達到加速收斂電源轉換器500的輸出電壓Vout2，以加快暫態響應速度，且可以提供比傳統技術更佳的穩定度。
基於上述實施例所揭示的內容，可以彙整出一種通用的電源轉換器的斜波信號產生方法。更清楚來說，圖10繪示為本發明實施例的電源轉換器的斜波信號產生方法的流程圖。請合併參閱圖5和圖10，本實施例的斜波信號產生方法可以包括以下步驟。
如步驟S1001所示，接收誤差信號Verr。誤差信號Verr相關於電源轉換器500的輸出電壓Vout2。
接著如步驟S1003所示，依據誤差信號Verr產生誤差延遲信號Verr_delay。
如步驟S1005所示，藉由誤差信號Verr與誤差延遲信號Verr_delay來提供斜波信號Vnew_ramp。
更進一步來說，在步驟S1005中，可以根據誤差信號Verr與誤差延遲信號Verr_delay產生差值δ，以藉由差值δ來提供斜波信號Vnew_ramp。此外，還可以將差值δ乘以K倍放大係數來提供斜波信號Vnew_ramp。另外，參閱對圖7的繪示與說明，斜波信號Vnew_ramp相較於誤差信號Verr為相位領先且反相。
綜上所述，本發明的斜波信號產生方法與其產生器、以及脈寬調變信號產生器利用誤差信號與誤差延遲信號來提供斜波信號。此新穎的斜波信號用來取代習知的斜波信號。斜波信號相較誤差信號為相位領先且反相。在進行回路控制時，利用斜波信號與誤差信號來決定導通時間的時間點，可以更快速收斂電源轉 換器的輸出電壓，以使輸出電壓快速回到穩定狀態及改善暫態響應。另外，本發明架構在不連續導通模式下可提供較好的抗雜訊能力。
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，當可作些許的更動與潤飾，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。
另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露的全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明的專利範圍。
S1001~S1005‧‧‧步驟

Claims (15)

  1. 一種斜波信號產生器，應用於一電源轉換器，該斜波信號產生器包括：一輸入單元，接收一誤差信號，其中該誤差信號相關於該電源轉換器的一輸出電壓；一延遲單元，耦接該輸入單元，且依據該誤差信號產生一誤差延遲信號；以及一轉換控制元件，耦接該輸入單元與該延遲單元，以藉由該誤差信號與該誤差延遲信號來提供一斜波信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的斜波信號產生器，其中該轉換控制元件接收該誤差信號與該誤差延遲信號的一差值，以藉由該差值來提供該斜波信號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的斜波信號產生器，其中該轉換控制元件具有一K倍放大係數，該轉換控制元件接收該誤差信號與該誤差延遲信號的一差值，以藉由該差值乘以該K倍放大係數來提供該斜波信號。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的斜波信號產生器，其中該延遲單元包括一電阻與一電容器，該電阻耦接該輸入單元與該轉換控制元件，該電容器耦接該電阻與該轉換控制元件。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的斜波信號產生器，其中該斜波信號相較於該誤差信號為相位領先且反相。
  6. 一種脈寬調變信號產生器，應用於一電源轉換器，該脈寬調變信號產生器包括：一誤差放大器，接收一回授信號來產生一誤差信號； 一斜波信號產生器，耦接該誤差放大器，且接收該誤差信號，以產生一誤差延遲信號，該斜波信號產生器根據該誤差信號、該誤差延遲信號及一參考信號來提供一斜波信號；一比較器，耦接該誤差放大器與該斜波信號產生器，且根據該斜波信號與該誤差信號產生一觸發信號；以及一控制電路，根據該觸發信號產生一脈寬調變信號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的脈寬調變信號產生器，其中該斜波信號產生器包括一轉換控制元件，以接收該誤差信號與該誤差延遲信號來提供該斜波信號。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的脈寬調變信號產生器，其中該轉換控制元件具有一K倍放大係數，該轉換控制元件接收該誤差信號與該誤差延遲信號的一差值，以藉由該差值乘以該K倍放大係數來提供該斜波信號。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的脈寬調變信號產生器，其中該斜波信號產生器更包括：一輸入單元，接收該誤差信號，其中該誤差信號相關於該電源轉換器的一輸出電壓；以及一延遲單元，耦接該輸入單元，且依據該誤差信號產生該誤差延遲信號；其中該轉換控制元件耦接該輸入單元與該延遲單元。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的脈寬調變信號產生器，其中該延遲單元包括一電阻與一電容器，該電阻耦接該輸入單元與該轉換控制元件，該電容器耦接該電阻與該轉換控制元件。
  11. 如申請專利範圍第6項所述的脈寬調變信號產生器，其 中該斜波信號相較於該誤差信號為相位領先且反相。
  12. 一種斜波信號產生方法，應用於一電源轉換器，該斜波信號產生方法包括：接收一誤差信號，其中該誤差信號相關於該電源轉換器的一輸出電壓；依據該誤差信號產生一誤差延遲信號；以及藉由該誤差信號與該誤差延遲信號來提供一斜波信號。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的斜波信號產生方法，其中藉由該誤差信號與該誤差延遲信號的步驟更包括：根據該誤差信號與該誤差延遲信號的一差值，以藉由該差值來提供該斜波信號。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的斜波信號產生方法，其中藉由該差值來提供該斜波信號的步驟更包括：將該差值乘以一K倍放大係數來提供該斜波信號。
  15. 如申請專利範圍第12項所述的斜波信號產生方法，其中該斜波信號相較於該誤差信號為相位領先且反相。
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