TWI509957B - 電源轉換器的相位調整電路、電源轉換器及其控制方法 - Google Patents

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Description

電源轉換器的相位調整電路、電源轉換器及其控制方法
本發明是有關於一種電源轉換器，尤指一種電源轉換器的相位調整電路、電源轉換器及其控制方法。
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。現有的電源轉換器100的設計常採用固定的導通時間的架構。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，其中脈寬調變信號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，並藉由比較信號Xcm來決定何時輸出脈寬調變信號Xpwm的導通時間Ton，其中誤差訊號Xerr的大小與回授信號Vfb和參考電壓Vref兩者有關。並且在決定輸出脈 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，但當電源轉換器100的輸出端上的電容器CL的等效串聯電阻ESR以及電感器L的等效串聯電阻DCR很小時，電容器CL及電感器L因應負載瞬間變化時所補償的能量會有延遲，因此回授信號Vfb、誤差信號Xerr也會有延遲。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，於是輸出電壓Vout的波形有明顯的振盪情形。
有鑑於此，本發明提出一種電源轉換器的相位調整電路、電源轉換器及其控制方法，藉以解決先前技術所述及的問題。
本發明提出一種電源轉換器的相位調整電路，根據誤差信號產生延遲信號，放大誤差信號與延遲信號之間的差值，以根據上述經放大的差值與誤差信號提供控制信號，其中誤差信號與電源轉換器的輸出電壓有關。
在本發明的一實施例中，相位調整電路包括第一放大器、第一電阻、第一電容器以及電壓控制電壓源。第一放大器的第一輸入端接收誤差信號。第一電阻的第一端耦接第一放大器的第二輸入端與輸出端。第一電容器耦接於第一電阻的第二端與接地端之間。電壓控制電壓源的第一輸入端耦接第一電阻的第一端。電壓控制電壓源的第二輸入端耦接電阻的第二端。電壓控制 電壓源的第一輸出端輸出控制信號。電壓控制電壓源的第二輸出端耦接第一放大器的第一輸入端。
在本發明的一實施例中，相位調整電路包括第二放大器、第二電阻以及第二電容器。第二放大器的第一輸入端接收誤差信號。第二放大器的輸出端輸出控制信號。第二電阻耦接於第二放大器的第二輸入端與輸出端之間。第二電容器耦接於第二放大器的第二輸入端與接地端之間。
在本發明的一實施例中，相位調整電路包括電流源、第一電流鏡、第一P型金氧半電晶體、第三電容器、第一N型金氧半電晶體、第三電阻以及第二電流鏡。第一電流鏡耦接於工作電壓與電流源之間。第一P型金氧半電晶體的源極耦接第一電流鏡。第一P型金氧半電晶體的閘極接收誤差信號。第三電容器的第一端耦接工作電壓。第三電容器的第二端耦接第一P型金氧半電晶體的源極。第一N型金氧半電晶體的汲極耦接工作電壓。第一N型金氧半電晶體的閘極耦接第一P型金氧半電晶體的閘極。第三電阻的第一端耦接第一N型金氧半電晶體的源極。第二電流鏡耦接第一P型金氧半電晶體的汲極、第三電阻的第二端與接地端。第二電流鏡與第三電阻的耦接處產生控制信號。
在本發明的一實施例中，控制信號的相位領先於誤差信號的相位。
本發明另提出一種電源轉換器。電源轉換器包括第一放大器、相位調整電路、比較器以及控制電路。第一放大器的第一輸入端接收參考電壓。第一放大器的第二輸入端接收回授信號。回授信號與電源轉換器的輸出電壓有關。第一放大器的輸出端輸 出誤差信號。相位調整電路耦接第一放大器，且根據誤差信號產生延遲信號，並放大誤差信號與延遲信號之間的差值，以根據上述經放大的差值與誤差信號提供控制信號。比較器的第一輸入端接收控制信號。比較器的第二端接收斜波信號。比較器的輸出端輸出比較信號。控制電路根據比較信號產生脈寬調變信號，據以控制電源轉換器。
本發明另提出一種電源轉換器的控制方法，其包括下列步驟。根據誤差信號產生延遲信號，其中誤差信號與電源轉換器的輸出電壓有關；放大誤差信號與延遲信號之間的差值；以及根據上述經放大的差值與誤差信號提供控制信號。
基於上述，本發明的電源轉換器的相位調整電路、電源轉換器及其控制方法透過相位領先機制將誤差信號轉換成新的控制信號，此控制信號用來取代原先的誤差信號。由於在進行回路控制時控制信號具有相位補償效果，因此可以更快速收斂電源轉換器的輸出電壓，暫態響應也更穩定。
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‧‧‧回授控制電路
61、63、65、67‧‧‧波形
71~74‧‧‧波形
91‧‧‧電流源
92、93‧‧‧電流鏡
100‧‧‧電源轉換器
110‧‧‧比較器
120‧‧‧時間控制電路
130‧‧‧補償電路
300‧‧‧電源轉換器
310‧‧‧放大器
320、320A、320B、320C‧‧‧相位調整電路
321‧‧‧放大器
322‧‧‧電壓控制電壓源
323‧‧‧放大器
330‧‧‧比較器
340‧‧‧控制電路
Cdelay‧‧‧電容器
CL‧‧‧電容器
DCR‧‧‧等效串聯電阻
ESR‧‧‧等效串聯電阻
GND‧‧‧接地端
Ib‧‧‧電流
IL‧‧‧電感電流
Iload‧‧‧負載電流
K、K1‧‧‧倍率
L‧‧‧電感器
LG‧‧‧下橋開關控制信號
Rdelay‧‧‧電阻
MN1~MN4、MNC‧‧‧N型金氧半電晶體
MP1~MP4、MPC‧‧‧P型金氧半電晶體
S801~S805‧‧‧步驟
Ton‧‧‧導通時間
UG‧‧‧上橋開關控制信號
Vcm‧‧‧比較信號
Verr‧‧‧誤差信號
Verr_delay‧‧‧延遲信號
Verr_ofs‧‧‧偏移信號
VDD‧‧‧工作電壓
Vfb‧‧‧回授信號
Vin‧‧‧輸入電壓
Vnew_err‧‧‧控制信號
Vpwm‧‧‧脈寬調變信號
Vout‧‧‧輸出電壓
Vramp‧‧‧斜波信號
Vref‧‧‧參考電壓
Xcm‧‧‧比較信號
Xerr‧‧‧誤差信號
Xpwm‧‧‧脈寬調變信號
Xramp‧‧‧斜波信號
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是依照本發明一實施例的電源轉換器的架構示意圖。
圖4是依照本發明第一實施例的相位調整電路的電路示意圖。
圖5是依照本發明第二實施例的相位調整電路的電路示意圖。
圖6是依照本發明一實施例的電源轉換器的波形分析圖。
圖7是依照本發明一實施例的電源轉換器相較於習知技術的波形比較圖。
圖8是依照本發明一實施例的電源轉換器的控制方法的流程圖。
圖9是依照本發明第三實施例的相位調整電路的電路示意圖。
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，或者主動的且/或被動的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。
圖3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3。電源轉換器300包括驅動器10、輸出級20、電感器L、電容器CL、回授電路30以及回授控制電路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。
在本發明之一實施例中，回授控制電路40與驅動器10可以組成一直流對直流控制器(DC-DC Controller)，此外，在一實施中，當直流對直流控制器實施在積體電路時，回授控制電路40中的補償電路130可以設置在上述積體電路之外部。另外，回授控制電路40、驅動器10及輸出級20可以組成一直流對直流轉換器(DC-DC Converter)，當直流對直流轉換器實施在積體電路時，回授控制電路40中的補償電路130可以設置在上述積體電路之外部。
回授控制電路40包括放大器310、相位調整電路320、比較器330以及控制電路340。回授控制電路40還可包括補償電路130。放大器310的第一輸入端接收參考電壓Vref。放大器310的第二輸入端接收回授信號Vfb。回授信號Vfb與電源轉換器300的輸出電壓Vout有關。在其他實施例中，回授信號Vfb也可以直接是輸出電壓Vout。放大器310的輸出端輸出誤差信號Verr。相位調整電路320耦接放大器310，根據誤差信號Verr提供控制信號Vnew_err。比較器330的第一輸入端接收控制信號Vnew_err。比較器330的第二端接收斜波信號Vramp。比較器330的輸出端輸出比較信號Vcm。控制電路340根據比較信號Vcm產生脈寬調變信號Vpwm，據以控制電源轉換器300。在本發明之一實施例中，脈寬調變信號Vpwm可以是恆定導通(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，本發明並不以此為限。
值得一提的是，控制信號Vnew_err的相位領先於誤差信號Verr的相位。
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300可以產生輸出電壓Vout並輸出至負載。
在本發明之一實施例中，相位調整電路320亦可稱之為延遲處理電路，其用以將誤差信號Verr進行延遲處理，繼而，再將延遲後的誤差信號Verr與原本的誤差信號Verr相加，以形成新的誤差信號Vnew_err，也就是上述的控制信號Vnew_err。
圖4是依照本發明第一實施例的相位調整電路的電路示意圖。請參閱圖4。相位調整電路320A可應用於圖3的電源轉換器300的架構。相位調整電路320A包括放大器321、電阻Rdelay、電容器Cdelay以及電壓控制電壓源(voltage control voltage source，簡稱為VCVS)322。
放大器321的第一輸入端接收誤差信號Verr。誤差信號Verr與電源轉換器300的輸出電壓Vout有關。
電阻Rdelay的第一端耦接放大器321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。電壓控制電壓源322的第一輸入端耦接電阻Rdelay的第一端。電壓控制電壓源322的第二輸入端耦接電阻Rdelay的第二端。電壓控制電壓源322的第一輸出端輸出控制信號Vnew_err。電壓控制電壓源322的第二輸出端耦接放大器321的第一輸入端。
相位調整電路320A根據誤差信號Verr產生延遲信號 Verr_delay，將誤差信號Verr與延遲信號Verr_delay之間的差值δ透過電壓控制電壓源322乘上倍率K(K的數值大於1)而放大。另外，若倍率K的數值介於0至於1之間，則可將差值δ縮小。相位調整電路320A根據上述經放大的差值(K*δ)與誤差信號Verr提供控制信號Vnew_err。此控制信號Vnew_err的相位領先於誤差信號Verr的相位。
圖5是依照本發明第二實施例的相位調整電路的電路示意圖。請參閱圖5。相位調整電路320B可應用於圖3的電源轉換器300的架構。相位調整電路320B包括放大器323、電阻Rdelay以及電容器Cdelay。電阻Rdelay耦接於放大器323的第二輸入端與輸出端之間。電容器Cdelay耦接於放大器323的第二輸入端與接地端GND之間。放大器323的第一輸入端接收誤差信號Verr。延遲信號Verr_delay為誤差信號Verr經延遲的信號。
假設放大器323的放大率倍率為K，則電阻Rdelay上的跨壓為K*δ，其中δ=Verr-Verr_delay。放大器323的輸出端所產生新的控制信號Vnew_err的相位領先誤差信號Verr。此外，放大器323可以為轉導放大器。
圖9是依照本發明第三實施例的相位調整電路的電路示意圖。請參閱圖9。相位調整電路320C可應用於圖3的電源轉換器300的架構。相位調整電路320C包括電流源91、電流鏡92、P型金氧半電晶體MPC、電容器Cdelay、N型金氧半電晶體MNC、電阻R以及電流鏡93。由P型金氧半電晶體MP1、MP2、MP3及MP4組成電流鏡92。由N型金氧半電晶體MN1、MN2、MN3及MN4組成電流鏡93。
電流鏡92耦接於工作電壓VDD與電流源91之間。P型金氧半電晶體MPC的源極耦接電流鏡92。P型金氧半電晶體MPC的閘極接收誤差信號Verr。電容器Cdelay的第一端耦接工作電壓VDD。電容器Cdelay的第二端耦接P型金氧半電晶體MPC的源極。N型金氧半電晶體MNC的汲極耦接工作電壓VDD。N型金氧半電晶體MNC的閘極耦接P型金氧半電晶體MPC的閘極。電阻R的第一端耦接N型金氧半電晶體MNC的源極。電流鏡93耦接P型金氧半電晶體MPC的汲極、電阻R的第二端與接地端GND。電流鏡93與電阻R的耦接處產生控制信號Vnew_err。
相位調整電路320C的工作原理如下。電流鏡92將定電流IB鏡射(mirror)至P型金氧半電晶體MPC的源極。鏡射電流為定電流Ib乘上倍率K1。誤差信號Verr經電容器Cdelay而延遲以提供延遲信號Verr_delay。電容器Cdelay可調整延遲信號Verr_delay的小信號延遲比例。
誤差信號Verr透過N型金氧半電晶體MNC的源極追隨(source follow)產生偏移信號Verr_ofs。偏移信號Verr_ofs為誤差信號Verr的同相資訊。電流鏡93將流經P型金氧半電晶體MPC的電流鏡射至N型金氧半電晶體MNC的源極。差值δ(δ=Verr-Verr_delay)經由P型金氧半電晶體MPC轉成電流資訊。電流資訊再透過電流鏡93而流過電阻R以轉成電壓資訊，並加在偏移信號Verr_ofs上，據以獲得新的控制信號Vnew_err。控制信號Vnew_err的相位領先誤差信號Verr。
圖6是依照本發明一實施例的電源轉換器的波形分析圖。請合併參閱讀圖3、圖4和圖6。依照圖4的實施例作法進行 如下的說明。
波形63、65分別為負載電流Iload與電感器L上的電感電流IL。當負載電流Iload被決定(波形63)時，輸出電壓Vout的波形61會先往下掉，隨著電感電流IL的能量變化，波形61在振盪之後再趨於一個穩定值。
在本發明實施例中，電源轉換器300利用誤差信號Verr與經延遲的誤差信號Verr計算出差值(電壓差)δ，δ=Verr-Verr_delay。將差值δ放大，例如將差值δ乘上倍率K(K的數值大於1)。經放大的差值為K*(Verr-Verr_delay)，如波形67所示。波形67位於水平線之上，以正號(+)表示能量大於負載電流Iload。波形67位於水平線之下，以負號(-)表示能量小於負載電流Iload。
將波形67與原始的誤差信號Verr相加產生新的控制信號Vnew_err。所產生的控制信號Vnew_err明顯地相位領先原始的誤差信號Verr，因此可達到加速收斂電源轉換器300的輸出電壓Vout，加快暫態響應速度，且可以提供比傳統技術更佳的穩定度。
圖7是依照本發明一實施例的電源轉換器相較於習知技術的波形比較圖。請合併參閱圖1、圖3和圖7。在習知技術中，採用誤差信號Xerr與斜波信號Xramp來決定脈寬調變的控制方式，輸出電壓Vout、電感電流IL分別為波形71、73。電源轉換器300採用控制信號Vnew_err與斜波信號Vramp來決定脈寬調變的控制方式，輸出電壓Vout、電感電流IL分別為波形72、74。
比較電源轉換器300與習知技術中的輸出電壓Vout的波形，明顯地波形72較波形71有較小的振盪。再比較電源轉換器 300與習知技術中的電感電流IL的波形，明顯地波形74較波形73有較小的振盪。由於電源轉換器300的控制信號Vnew_err具有回路相位的補償效果，因此在進行回路控制時可以更快速收斂電源轉換器300的輸出電壓Vout，暫態響應也更穩定。
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控制方法。更清楚來說，圖8繪示為本發明一實施例的電源轉換器的控制方法的流程圖。請合併參閱圖3和圖8，本實施例的控制方法可以包括以下步驟。
如步驟S801所示，根據誤差信號Verr產生延遲信號Verr_delay，其中誤差信號Verr與電源轉換器300的輸出電壓Vout有關。
接著如步驟S803所示，放大誤差信號Verr與延遲信號Verr_delay之間的差值。
如步驟S805所示，根據上述經放大的差值與誤差信號Verr提供控制信號Vnew_err。控制信號Vnew_err的相位領先於誤差信號Verr的相位。
綜上所述，本發明的電源轉換器的相位調整電路、電源轉換器及其控制方法透過相位領先機制將誤差信號轉換成新的控制信號，此控制信號用來取代原先的誤差信號。由於在進行回路控制時控制信號具有相位補償效果，因此可以更快速收斂電源轉換器的輸出電壓，暫態響應也更穩定。另一方面，本發明的電源轉換器的相位調整電路可以應用於習知恆定導通時間(COT)的架構。
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。
S801~S805‧‧‧電源轉換器的控制方法的各步驟

Claims (11)

  1. 一種電源轉換器的相位調整電路，根據一誤差信號產生一延遲信號，且放大該誤差信號與該延遲信號之間的一差值，以根據上述經放大的差值與該誤差信號提供一控制信號，其中該誤差信號與該電源轉換器的一輸出電壓有關。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的相位調整電路，包括：一第一放大器，其第一輸入端接收該誤差信號；一第一電阻，其第一端耦接該第一放大器的第二輸入端與輸出端；一第一電容器，耦接於該第一電阻的第二端與一接地端之間；以及一電壓控制電壓源，其第一輸入端耦接該第一電阻的第一端，其第二輸入端耦接該電阻的第二端，其第一輸出端輸出該控制信號，其第二輸出端耦接該第一放大器的第一輸入端。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的相位調整電路，包括：一第二放大器，其第一輸入端接收該誤差信號，其輸出端輸出該控制信號；一第二電阻，耦接於該第二放大器的第二輸入端與輸出端之間；以及一第二電容器，耦接於該第二放大器的第二輸入端與一接地端之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的相位調整電路，包括：一電流源；一第一電流鏡，耦接於一工作電壓與該電流源之間； 一第一P型金氧半電晶體，其源極耦接該第一電流鏡，其閘極接收該誤差信號；一第三電容器，其第一端耦接該工作電壓，其第二端耦接該第一P型金氧半電晶體的源極；一第一N型金氧半電晶體，其汲極耦接該工作電壓，其閘極耦接該第一P型金氧半電晶體的閘極；一第三電阻，其第一端耦接該第一N型金氧半電晶體的源極；以及一第二電流鏡，耦接該第一P型金氧半電晶體的汲極、該第三電阻的第二端與接地端，其中該第二電流鏡與該第三電阻的耦接處產生該控制信號。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的相位調整電路，其中該控制信號的相位領先於該誤差信號的相位。
  6. 一種電源轉換器，包括：一第一放大器，其第一輸入端接收一參考電壓，其第二輸入端接收一回授信號，其輸出端輸出一誤差信號，其中該回授信號與該電源轉換器的一輸出電壓有關；一相位調整電路，耦接該第一放大器，且根據該誤差信號產生一延遲信號，並放大該誤差信號與該延遲信號之間的一差值，以根據上述經放大的差值與該誤差信號提供一控制信號；一比較器，其第一輸入端接收該控制信號，其第二端接收一斜波信號，其輸出端輸出一比較信號；以及一控制電路，根據該比較信號產生一脈寬調變信號，據以控制該電源轉換器。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的電源轉換器，其中該相位調整電路包括：一第二放大器，其第一輸入端接收該誤差信號；一第一電阻，其第一端耦接該第二放大器的第二輸入端與輸出端；一第一電容器，耦接於該第一電阻的第二端與一接地端之間；以及一電壓控制電壓源，其第一輸入端耦接該第一電阻的第一端，其第二輸入端耦接該電阻的第二端，其第一輸出端輸出該控制信號，其第二輸出端耦接該第二放大器的第一輸入端。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的電源轉換器，其中該相位調整電路包括：一第三放大器，其第一輸入端接收該誤差信號，其第二輸入端與輸出端之間耦接一第二電阻，其輸出端用於輸出該控制信號；以及一第二電容器，耦接於該第三放大器的第二輸入端與一接地端之間。一第二電流鏡，耦接該第一P型金氧半電晶體的汲極、該第三電阻的第二端與接地端，其中該第二電流鏡與該第三電阻的耦接處產生該控制信號。
  9. 如申請專利範圍第6項所述的電源轉換器，其中該控制信號的相位領先於該誤差信號的相位。
  10. 一種電源轉換器的控制方法，包括：根據一誤差信號產生一延遲信號，其中該誤差信號與該電源 轉換器的一輸出電壓有關；放大該誤差信號與該延遲信號之間的一差值；以及根據上述經放大的差值與該誤差信號提供一控制信號。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的控制方法，其中該控制信號的相位領先於該誤差信號的相位。
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