TWI505618B - 用於固定導通時間電源轉換器之音頻跳略控制方法及電路 - Google Patents

Description

用於固定導通時間電源轉換器之音頻跳略控制方法及電路

本發明係有關一種電源轉換器，特別是關於一種避免固定導通時間電源轉換器運作於音頻的控制方法及電路。

習知的直流對直流切換式轉換器在重載時有極佳的轉換效率，但輕載時卻受限於固定切換頻率的切換損失而無法提昇效率。目前常見的改善方法係利用脈衝跳略模式(Pulse-Skipping Mode;PSM)解除固定切換頻率的限制以減少切換損失，提昇效率。但此法卻伴隨著一個明顯的問題，隨著負載不斷降低，切換頻率將降到音頻的範圍(20Hz~20kHz)。由於電容材料的壓電效應，電容上的瞬間切換電流會產生足夠大的機械能導致音頻振動而產生惱人的噪音。這通常發生在降壓轉換器的輸入電容及升壓轉換器的輸出電容上。

消除噪音最直接的方法就是限制切換頻率的下限，例如25kHz，但此法對固定導通時間電源轉換器卻是個負擔。如圖1所示，固定導通時間降壓轉換器係在輸出電壓Vout降到預設的波谷點(valley point)時觸發上橋開關的導通時間Ton，導通時間Ton的值是固定的，在導通時間Ton結束後關閉上橋開關，直到輸出電壓Vout又降到波谷點時再次觸發導通時間Ton。當負載減輕時，輸出電壓Vout下降的速度變慢，於是上橋開關的關閉時間Toff變長，切換周期Tsw變長，即切換頻率降低。固定導通時間電源轉換器在加入零電感電流偵測後可自然地產生PSM，利用固定的上橋開關導通時間以及偵測輸出電壓達到波谷點時觸發下一周期的導通時間，保持輸出電流與負載電流之間的平衡，以維持在預設的輸出電壓。但為了限制切換頻率的下限，在輕載時必須在輸出電壓還未達到波谷點就觸發上橋開關導通，因此勢必會造成輸出電流大於負載電流，使得輸出電壓跟著上昇。

圖2係習知的固定導通時間降壓轉換器的電感電流的波形圖，為了平衡輸出電流與負載電流以調節輸出電壓，在切換頻率降到下限25kHz，即切換周期Tsw達到上限40us時，在時間t1，先導通下橋開關，使電感電流為負值，一直持續到時間t2，輸出電壓達到波谷點時觸發固定導通時間Ton，在時間t3時，關閉上橋開關且導通下橋開關，直到時間t4，電感電流降到零時，關閉下橋開關，如此完成一次切換操作。此法的正負電感電流的淨輸出將等於負載電流，輸出電壓的波谷點也將維持在設定值，但缺點是負電感電流造成轉換效率的損失，而且負載電流愈小，轉換效率的損耗愈明顯。

美國專利號7652461提出一種具有音頻抑制技術的降壓轉換器，其電路如圖3所示，包括一對上橋開關M1和下橋開關M2、零電流偵測器10、比較器12、導通時間電路14、計時器16及導通時間削減器18。在零電流偵測器10偵測到電感電流IL為零時關閉下橋開關M2，以避免負電感電流的發生降低轉換器輕載時的效率。參考電壓Vref決定輸出電壓Vout的波谷點，比較器12比較參考電壓Vref以及與輸出電壓Vout相關的回授電壓FB，當回授電壓FB小於參考電壓Vref時便拉高信號S1以觸發SR正反器20將上橋開關M1導通，導通時間電路14在經過一段時間後重置SR正反器20以結束上橋開關M1的導通時間。計時器16計算上橋開關M1的關閉時間，即下橋開關M2導通時間及上下橋開關M1、M2都關閉的時間的和。當負載過低使得輸出電壓Vout下降過慢而導致切換周期達到設定上限時，計時器16拉高信號S2以強制觸發SR正反器20將上橋開關M1導通，因而避免切換頻率降到音頻範圍。為了避免計時器16影響輸出電壓Vout的穩定，在導通時間削減器18中設定偏移電壓Voff1，當回授電壓FB大於偏移電壓Voff1及參考電壓Vref之和時，轉導放大器22輸出正比於Voff1+Vref-FB的電流，與輸出電壓Vout相乘後送至導通時間電路14，改變導通時間電路14的門檻值以削減上橋開關M1的導通時間，達到減少電感電流IL以保持與負載電流平衡的目的。由於這種方法沒有負電感電流發生，因此在輕載時效率較佳。但此法的輸出電壓Vout會跟轉導放大器22的開迴路增益相關。

本發明的目的之一，在於提出一種避免固定導通時間電源轉換器運作於音頻的控制方法及電路。

本發明的目的之一，在於提出一種簡單的音頻跳略控制方法及電路。

本發明不直接從導通時間電路改變導通時間，而是在到達切換周期上限時，將原來利用輸出電壓達到波谷點時觸發上橋開關導通的操作，改成當輸出電壓達到波峰點(peak point)時觸發上橋開關的關閉時間，電源轉換器因此由固定導通時間系統轉成類固定關閉時間系統，下橋開關導通及上下橋開關都不導通的時間和設為定值，在此定值結束後觸發上橋開關的導通時間。在改成波峰點觸發後，上橋開關的導通時間從被觸發到輸出電壓的波峰點之間的時間不再是定值，因而減少電感電流使與負載電流平衡。

根據本發明，一種用於固定導通時間電源轉換器之音頻跳略控制方法，係在切換頻率降到門檻值時，將該電源轉換器切換成每當輸出電壓達到波峰點時觸發上橋開關的關閉時間，該關閉時間為定值。較佳者，在切換頻率降到門檻值時，將原來用來決定輸出電壓的波谷點的參考電壓平移，用來決定輸出電壓的波峰點。較佳者，更包含維持上橋開關的導通時間在一預設的最小值以上。較佳者，在上橋開關的導通時間降到該最小值時，延遲關閉下橋開關。

根據本發明，一種用於固定導通時間電源轉換器之音頻跳略控制電路使用計時器計算上橋開關的關閉時間，當該關閉時間達到門檻值時觸發一信號以強迫該上橋開關導通、啟動壓控電壓源提供一偏壓平移參考電壓或回授信號以決定該輸出電壓的波峰點、以及使一邏輯電路將該電源轉換器切換成當該輸出電壓達到該波峰點時觸發該上橋開關的關閉時間，該關閉時間為定值。

圖4係使用本發明第一實施例的固定導通時間降壓轉換器，其具有上下橋開關Q1、Q2，以及控制電路24提供調變信號PWM切換上下橋開關Q1、Q2。控制電路24包含零電流偵測器30、計時器32以及調變電路34。在中載及重載時，如圖1所示，轉換器的電感電流IL操作在連續導通模式(Continuous Conduction Mode;CCM)，在此期間，調變電路34利用比較器12比較參考電壓Vref與回授電壓FB以產生信號S3觸發邏輯電路19中的SR正反器20產生高準位的調變信號PWM將上橋開關Q1導通，導通時間電路14在經過一段固定時間後重置SR正反器20，使調變信號PWM轉為低準位，結束上橋開關Q1的導通時間。當進入輕載後，零電流偵測器30發生作用，讓電感電流IL保持正值而使轉換器自然進入PSM，以改善效率。在此期間，計時器32計算上橋開關Q1的關閉時間，即下橋開關Q2導通及上、下橋開關Q1、Q2都不導通的總時間，若關閉時間到達門檻值，例如30~40μs，便拉高信號S4設定SR正反器20以強制上橋開關Q1導通，因而避免切換頻率進入音頻範圍，同時也設定SR正反器36以啟動壓控電壓源38提供偏壓V1平移參考電壓Vref，並使系統進入波峰點偵測，信號S3的傳送路徑切換到SR正反器20的重置端，當回授電壓FB大於Vref+V1時，比較器12的輸出信號S3將重置SR正反器20，以關閉上橋開關Q1及導通下橋開關Q2，計時器32則重新開始計算上橋開關Q1的關閉時間，當關閉時間再次達到門檻值時，再次導通上橋開關Q1。在其他的實施例中，壓控電壓源38也可以放置在比較器12的反相輸入端，使第一電壓V1與回授電壓FB相減。

圖5係圖4電路的波形圖。在時間t5時，上橋開關Q1的關閉時間達到門檻值，計時器32拉高信號S4設定SR正反器20及36，調變信號PWM變為高準位且壓控電壓源38啟動，因此上橋開關Q1導通且比較器12的正輸入從Vref變成V1+Vref用來決定輸出電壓Vout的波峰點。在上橋開關Q1導通後，輸出電壓Vout上升，回授電壓FB也跟著上升，直到時間t6，回授電壓FB大於Vref+V1，比較器12拉高信號S3重置SR正反器20，因此調變信號PWM變為低準位而關閉上橋開關Q1。上橋開關Q1的導通時間係在信號S4被觸發後開始，直到回授電壓FB達到Vref+V1時結束，成為可變值，會隨著負載電流的下降而縮短。相較於圖2的方法，本發明沒有負電感電流，所以具有較佳的效率。相較於圖3的電路，本發明只在原有的轉換器加入邏輯閘之類的數位電路便能達到音頻抑制的效果，不需要轉導放大器22這種類比電路，所以電路較簡單。

當負載從極輕載降到無載時，上橋開關的導通時間會持續縮短直到預設之最小值，切換頻率也下降到門檻值，電感電流與負載電流將再度失衡。由於已達到最短的導通時間，所以電感電流無法再隨著負載電流的降低而減少，因此輸出電壓將會緩慢上昇。為解決此問題，如圖6所示，可以在調變電路34中增加最小導通時間電路40以及由D型正反器42和SR正反器44組成的邏輯電路46。在輕載時，最小導通時間電路40被計時器32提供的信號S4觸發開始計算上橋開關Q1的導通時間，當上橋開關Q1的導通時間達到預設的最小值時便拉高信號S5；D型正反器42作為最小導通時間偵測器，於時脈端CLK接收最小導通時間電路40的輸出信號S5，若此時由D輸入端已經確認回授電壓FB大於Vref+V1，則視為轉換器現時已達到最小導通時間的狀態，於是D型正反器42觸發SR正反器44，以發出信號S6延遲零電流偵測電路30所產生要關閉下橋開關Q2的信號Sc，因而允許負電感電流的產生，直到比較器12偵測到回授電壓FB降到低於Vref+V1後，比較器12的輸出信號S3重置SR正反器44，允許關閉信號Sc關閉下橋開關Q2，導致上、下橋開關Q1、Q2同時為關閉狀態，直到計時器32再次觸發SR正反器20打開上橋開關Q1。

圖7係圖6電路的波形圖。參照圖6及圖7，在時間t7時，上橋開關Q1的關閉時間達到門檻值，故計時器32觸發信號S4打開上橋開關Q1，也觸發信號Mask1啟動壓控電壓源38。由於負載變小使得輸出電壓Vout維持在較高準位，因此回授電壓FB很快就大於Vref+V1，但此時上橋開關Q1的導通時間尚未達到最小導通時間，故SR正反器20不會被重置使上橋開關Q1關閉，直至達到最小導通時間後，如時間t8所示，最小導通時間電路40拉高信號S5重置SR正反器20及觸發D型正反器42拉高信號Mask2，因而關閉上橋開關Q1及信號Mask1。由於此時信號S5及Mask2皆為高準位，所以SR正反器44產生低準位的信號S6延遲零電流偵測電路30所產生的關閉信號Sc，因而產生負電感電流IL，直到比較器12偵測到回授電壓FB降到低於Vref+V1後，如時間t9所示，SR正反器44才被重置，因而關閉下橋開關Q2。由於此實施例有負電感電流IL的產生，得以平衡過多的正電感電流IL，使輸出電壓Vout維持在一定的範圍內。

以上對於本發明之較佳實施例所作的敘述係為闡明之目的，而無意限定本發明精確地為所揭露的形式，基於以上的教導或從本發明的實施例學習而作修改或變化是可能的，實施例係為解說本發明的原理以及讓熟習該項技術者以各種實施例利用本發明在實際應用上而選擇及敘述，本發明的技術思想由以下的申請專利範圍及其均等來決定。

10．．．零電流偵測器

12．．．比較器

14．．．導通時間電路

16．．．計時器

18．．．導通時間削減器

19．．．邏輯電路

20．．．SR正反器

22．．．轉導放大器

24．．．控制電路

30．．．零電流偵測器

32．．．計時器

34．．．調變電路

36．．．SR正反器

38．．．壓控電壓源

40．．．最小導通時間電路

42．．．D型正反器

44．．．SR正反器

46．．．邏輯電路

圖1係固定導通時間降壓轉換器的操作波形圖；

圖2係習知的固定導通時間降壓轉換器的電感電流的波形圖；

圖3係習知的具有音頻抑制技術的固定導通時間降壓轉換器；

圖4係使用本發明第一實施例的固定導通時間降壓轉換器；

圖5係圖4電路的波形圖；

圖6係使用本發明第二實施例的固定導通時間降壓轉換器；以及

圖7係圖6電路的波形圖。

12．．．比較器

14．．．導通時間電路

19．．．邏輯電路

20．．．SR正反器

24．．．控制電路

30．．．零電流偵測器

32．．．計時器

34．．．調變電路

36．．．SR正反器

38．．．壓控電壓源

Claims (8)

1. 一種用於固定導通時間電源轉換器之音頻跳略控制方法，該電源轉換器在中載及重載時藉參考電壓決定輸出電壓的波谷點，當與該輸出電壓相關的回授信號降到該參考電壓時觸發上橋開關打開一段固定導通時間，在電感電流降到零時關閉下橋開關，在輕載時藉該音頻跳略控制方法避免該電源轉換器運作於音頻，該音頻跳略控制方法包含下列步驟：偵測該電源轉換器的切換頻率；以及在該切換頻率降到門檻值時，將該電源轉換器切換成當該輸出電壓達到波峰點時觸發該上橋開關的關閉時間，該關閉時間為定值。
2. 如請求項1之音頻跳略控制方法，更包含在該切換頻率降到該門檻值時，藉一偏壓平移該參考電壓以決定該波峰點。
3. 如請求項1之音頻跳略控制方法，更包含在該切換頻率降到該門檻值時，藉一偏壓平移該回授信號。
4. 如請求項1之音頻跳略控制方法，更包含維持該上橋開關的導通時間在一最小值以上。
5. 如請求項4之音頻跳略控制方法，更包含下列步驟：在該上橋開關打開後計算其導通時間；在該上橋開關的導通時間降到該最小值時，延遲關閉該下橋開關。
6. 一種用於固定導通時間電源轉換器之音頻跳略控制電 路，該電源轉換器含有調變電路在中載及重載時藉參考電壓決定輸出電壓的波谷點，當與該輸出電壓相關的回授信號降到該參考電壓時觸發上橋開關打開一段固定導通時間，以及零電流偵測器在電感電流降到零時觸發關閉信號以關閉下橋開關，該電源轉換器在輕載時藉該音頻跳略控制電路避免該電源轉換器運作於音頻，該音頻跳略控制電路包含：計時器，計算該上橋開關的關閉時間，當該關閉時間達到門檻值時，觸發第一信號以強迫該上橋開關導通；壓控電壓源，被該第一信號啟動而提供一偏壓平移該參考電壓或回授信號以決定該輸出電壓的波峰點；以及邏輯電路，因應該第一信號將該電源轉換器切換成當該輸出電壓達到該波峰點時觸發該上橋開關的關閉時間，該關閉時間為定值。
7. 如請求項6之音頻跳略控制電路，更包含最小導通時間電路在該上橋開關打開後計算其導通時間，在該上橋開關的導通時間達到一預設值時產生第二信號給該邏輯電路，使該邏輯電路維持該上橋開關的導通時間在一最小值以上。
8. 如請求項7之音頻跳略控制電路，更包含另一邏輯電路連接該最小導通時間電路，在該上橋開關的導通時間降到該最小值時延遲該關閉信號。