TWI520471B - 應用於電源轉換器內控制器的電容放大電路及其操作方法 - Google Patents

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Description

應用於電源轉換器內控制器的電容放大電路及其操作方法
本發明是有關於應用於電源轉換器內控制器的電容放大電路及其操作方法，尤指一種當調光信號去能時，可使電容放大電路內的補償電壓不會隨著電容放大電路內的偏移和漏電而持續變高或變低的電容放大電路及其操作方法。
在現有技術中，應用於電源轉換器的控制器有一補償接腳以耦接一外部補償電容，其中控制器可根據外部補償電容、一參考電壓與一調光信號，於補償接腳產生一補償電壓給控制器內的閘極驅動電路。然後，控制器內的閘極驅動電路即可根據補償電壓，產生並傳送一閘極控制信號至電源轉換器內的一功率開關。如此，功率開關即可根據閘極控制信號開啟與關閉，以達到調光功能。
然而在現今積體電路高度整合的趨勢下，控制器外的外部補償電容與補償接腳將使控制器的成本增加，導致具有外部補償電容與補償接腳的控制器漸失競爭力。因此，如何整合外部補償電容至控制器內並除去補償接腳便成為控制器設計者的一項重要課題。
本發明的一實施例提供一種應用於電源轉換器內控制器的電容放 大電路。該電容放大電路包含一比較單元及一電容放大模組。該比較單元是用以接收有關於耦接該電源轉換器的一負載的一回授電壓、一調光信號與一參考電壓，並根據該回授電壓和該參考電壓，輸出一補償電流，其中當該調光信號去能時，該比較單元關閉。該電容放大模組耦接於該比較單元，用以產生一等效電容，其中該等效電容的電容值是該電容放大模組內的一參考電容的電容值的K倍，且K是一大於1的實數；其中該補償電流和該等效電容是用以決定一補償電壓，且當該調光信號去能時，該電容放大模組內耦接該比較單元的一閉迴路變成一開迴路以維持該補償電壓為一定值。
本發明的另一實施例提供一種應用於電源轉換器內控制器的電容放大電路的操作方法，其中該電容放大電路包含一比較單元及一電容放大模組。該操作方法包含該比較單元接收有關於耦接該電源轉換器的一負載的一回授電壓、一調光信號與一參考電壓；當該調光信號致能時，該比較單元根據該回授電壓和該參考電壓，輸出一補償電流；當該調光信號致能時，該電容放大模組利用該電容放大模組內的一閉迴路產生一等效電容，其中該等效電容的電容值是該電容放大模組內的一參考電容的電容值的K倍，且K是一大於1的實數；該電容放大電路根據該補償電流和該等效電容決定一補償電壓。
本發明的另一實施例提供一種應用於電源轉換器內控制器的電容放大電路的操作方法，其中該電容放大電路包含一比較單元及一電容放大模組。該操作方法包含該比較單元接收有關於耦接該電源轉換器的一負載的一回授電壓、一調光信號與一參考電壓；當該調光信號去能時，該比較單元關閉；當該調光信號去能時，該電容放大模組內一閉迴路變成一開迴路；該電容放大電路利用該開迴路維持該比較單元所輸出的一補償電壓為一定值。
本發明提供一種應用於電源轉換器內控制器的電容放大電路及其操作方法。該電容放大電路及該操作方法是利用一電容放大模組內的閉迴路將一參考電容的電容值放大。另外，當一調光信號去能時，因為該電容放大模組內的閉迴路變成一開迴路，所以一比較單元的輸出端的補償電壓不會隨著一轉導放大單元內部的偏移和漏電而持續變高或變低。因此，相較於現有技術，本發明可除去該控制器內原先須耦接一外部補償電容(位於該電容放大電路外)的補償接腳，可因為該電容放大模組將該參考電容的電容值放大而去除該外部補償電容，以及可使該補償電壓不會隨著該轉導放大單元內部的偏移和漏電而持續變高或變低。
100‧‧‧電源轉換器
102‧‧‧負載
104‧‧‧功率開關
120‧‧‧控制器
1202‧‧‧回授接腳
1204‧‧‧調光接腳
1206‧‧‧閘極驅動電路
1208‧‧‧閘極接腳
130、230、330、430‧‧‧電容放大電路
1302‧‧‧比較單元
1304、2304、3304、4304‧‧‧電容放大模組
13042‧‧‧參考電容
13044‧‧‧第一電阻
13046‧‧‧第二電阻
13048‧‧‧轉導放大單元
23042、33042‧‧‧第一開關單元
43044‧‧‧第二開關單元
43046‧‧‧第三開關單元
CLP‧‧‧閉迴路
GCS‧‧‧閘極控制信號
GND‧‧‧地端
ICOM‧‧‧補償電流
PWM‧‧‧調光信號
‧‧‧反相調光信號
VCOM‧‧‧補償電壓
VREF‧‧‧參考電壓
VLED‧‧‧跨壓
VFB‧‧‧回授電壓
VIN‧‧‧輸入電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓
500-516‧‧‧步驟
第1圖是本發明的第一實施例說明一種應用於電源轉換器內控制器的電容放大電路的示意圖。
第2圖是本發明的第二實施例說明一種應用於電源轉換器內控制器的電容放大電路的示意圖。
第3圖是本發明的第三實施例說明一種應用於電源轉換器內控制器的電容放大電路的示意圖。
第4圖是本發明的第四實施例說明一種應用於電源轉換器內控制器的電容放大電路的示意圖。
第5圖是本發明的第五實施例說明一種應用於電源轉換器內控制器的電容放大電路的操作方法的流程圖。
請參照第1圖，第1圖是本發明的第一實施例說明一種應用於電源轉換器100內控制器120的電容放大電路130的示意圖。電容放大電路130包含一比較單元1302和一電容放大模組1304，其中比較單元1302和電容放 大模組1304是積體電路。如第1圖所示，電源轉換器100是一直流轉直流升壓(boost)電源轉換器(非隔離型電源轉換器)。但本發明並不受限於電源轉換器100是一直流轉直流升壓電源轉換器，且亦不受限於電源轉換器100是一非隔離型電源轉換器。亦即在本發明的另一實施例中，電源轉換器100是一降壓型轉換器，例如buck轉換器，或電源轉換器100是一升/降壓型轉換器，例如Buck-Boost轉換器、Cuk轉換器、Sepic轉換器、Zeta轉換器、返馳式轉換器(Flyback)、Forward轉換器、推挽式轉換器(Push-Pull)、半橋轉換器(Half-Bridge)或全橋轉換器(Full-Bridge)。如第1圖所示，電源轉換器100可根據一輸入電壓VIN，升壓以產生一輸出電壓VOUT並提供給一負載102(例如一串發光二極體)使用。如第1圖所示，比較單元1302是用以通過控制器120的一回授接腳1202接收有關於負載102的一回授電壓VFB，通過控制器120的一調光接腳1204接收一調光信號PWM，以及接收一參考電壓VREF，並根據回授電壓VFB(等於輸出電壓VOUT減去負載102上的跨壓VLED)和參考電壓VREF，輸出一補償電流ICOM，其中當調光信號PWM去能時，比較單元1302關閉。在本發明的一實施例中，比較單元1302是一轉導放大器。電容放大模組1304耦接於比較單元1302，用以產生一等效電容Ceq，其中等效電容Ceq的電容值是電容放大模組1304內的一參考電容13042的電容值C1的K倍，且K是一大於1的實數。
如第1圖所示，比較單元1302具有一第一輸入端、第二輸入端、第三輸入端及一輸出端。比較單元1302的第一輸入端是用以接收回授電壓VFB，比較單元1302的第二輸入端是用以接收參考電壓VREF，比較單元1302的第三輸入端是用以接收調光信號PWM，以及比較單元1302的輸出端是用以輸出補償電流ICOM，其中比較單元1302所輸出的補償電流ICOM和電容放大模組1304所產生的等效電容Ceq是用以決定一補償電壓VCOM，且補償電壓VCOM被提供至控制器120的一閘極驅動電路1206。然後，閘極驅 動電路1206即可根據補償電壓VCOM，產生一閘極控制信號GCS並通過控制器120的一閘極接腳1208傳送至電源轉換器100內的一功率開關104，而功率開關104即可根據閘極控制信號GCS開啟與關閉。
如第1圖所示，電容放大模組1304包含一第一電阻13044、一第二電阻13046、一轉導放大單元13048及參考電容13042。第一電阻13044具有一第一端及第二端，其中第一電阻13044的第一端耦接於比較單元1302的輸出端；第二電阻13046具有一第一端及第二端，其中第二電阻13046的第一端耦接於第一電阻13044的第二端；轉導放大單元13048具有一第一輸入端、第二輸入端及一輸出端，其中轉導放大單元13048的第一輸入端耦接於第二電阻13046的第二端，以及轉導放大單元13048的第二輸入端耦接於第一電阻13044的第二端；參考電容13042具有一第一端及第二端，其中參考電容13042的第一端耦接於第二電阻13046的第二端，以及參考電容13042的第一端耦接於一地端GND。另外，電容放大模組1304可根據第二電阻13046電阻值R2、參考電容13042的電容值C1、轉導放大單元13048的轉導GM及式(1)，產生等效電容Ceq：Ceq=GM*R2*C1=K*C1 (1)
GM*R2=K (2)
如式(2)所示，因為GM*R2等於K，所以GM*R2大於1。
如第1圖和式(1)所示，電容放大模組1304是利用電容放大模組1304內耦接比較單元1302的閉迴路CLP將參考電容13042的電容值C1放大。如此，本發明不僅可除去控制器120內原先須耦接一外部補償電容(位於電容放大電路130外)的補償接腳，亦可因為電容放大模組1304可將參考電容13042的電容值C1放大而去除外部補償電容。因為本發明可除去控制器 120內的補償接腳，所以本發明可降低控制器120的成本。
如第1圖所示，因為當調光信號PWM去能時，比較單元1302關閉，所以此時比較單元1302的輸出端為一高阻抗點(浮接)。如此，當調光信號PWM去能時，比較單元1302的輸出端的補償電壓VCOM易受轉導放大單元13048內部的偏移和漏電影響，導致比較單元1302的輸出端的補償電壓VCOM在調光信號PWM去能時失去控制。因此，當調光信號PWM去能時，補償電壓VCOM會隨著轉導放大單元13048內部的偏移和漏電而持續變高或變低。如此，當調光信號PWM的頻率很慢或調光信號PWM去能的時間變長時，失去控制的補償電壓VCOM將會影響下一次調光信號PWM致能時閘極控制信號GCS的暫態響應。
請參照第2圖，第2圖是本發明的第二實施例說明一種應用於電源轉換器100內控制器120的電容放大電路230的示意圖。如第2圖所示，電容放大電路230包含一比較單元1302和一電容放大模組2304，其中電容放大模組2304和電容放大模組1304的差別在於電容放大模組2304另包含一第一開關單元23042。如第2圖所示，第一開關單元23042具有一第一端、第二端及一第三端，其中第一開關單元23042的第一端耦接於轉導放大單元13048的輸出端，第一開關單元23042的第二端用以接收調光信號PWM，以及第一開關單元23042的第三端耦接於第一電阻13044的第二端和轉導放大單元13048的第二輸入端，其中第一開關單元23042根據調光信號PWM開啟與關閉。如第2圖所示，當調光信號PWM去能時，因為第一開關單元23042關閉，所以電容放大模組2304內耦接比較單元1302的一閉迴路CLP變成一開迴路，導致補償電壓VCOM不會隨著轉導放大單元13048內部的偏移和漏電而持續變高或變低。如此，電容放大電路230可維持比較單元1302的輸出端的補償電壓VCOM為一定值，所以當調光信號PWM的頻率很慢或調光信 號PWM去能的時間變長時，受控制的補償電壓VCOM不會影響下一次調光信號PWM致能時閘極控制信號GCS的暫態響應。另外，電容放大電路230的其餘操作原理皆和電容放大電路130相同，在此不再贅述。
請參照第3圖，第3圖是本發明的第三實施例說明一種應用於電源轉換器100內控制器120的電容放大電路330的示意圖。如第3圖所示，電容放大電路330包含一比較單元1302和一電容放大模組3304，其中電容放大模組3304和電容放大模組1304的差別在於電容放大模組3304另包含一第一開關單元33042。如第3圖所示，第一開關單元33042具有一第一端、第二端及一第三端，其中第一開關單元33042的第一端耦接於轉導放大單元13048的輸出端，第一開關單元33042的第二端用以接收調光信號PWM，以及第一開關單元33042的第三端耦接於第一電阻13044的第二端，其中第一開關單元33042根據調光信號PWM開啟與關閉。如第3圖所示，當調光信號PWM去能時，因為第一開關單元33042關閉，所以電容放大模組3304內耦接比較單元1302的閉迴路CLP變成開迴路，導致補償電壓VCOM不會隨著轉導放大單元13048內部的偏移和漏電而持續變高或變低。然而，如第3圖所示，當調光信號PWM去能時，轉導放大單元13048仍可形成一單位增益緩衝器(unit gain buffer)，所以當調光信號PWM重新致能時，電容放大模組3304內耦接比較單元1302的閉迴路CLP可立刻重新運作以加速下一次調光信號PWM致能時閘極控制信號GCS的暫態響應。另外，電容放大電路330的其餘操作原理皆和電容放大電路130相同，在此不再贅述。
請參照第4圖，第4圖是本發明的第四實施例說明一種應用於電源轉換器100內控制器120的電容放大電路430的示意圖。如第4圖所示，電容放大電路430包含一比較單元1302和一電容放大模組4304，其中電容放大模組4304和電容放大模組2304的差別在於電容放大模組4304另包含一 第二開關單元43044和一第三開關單元43046。如第4圖所示，第二開關單元43044具有一第一端、第二端及一第三端，其中第二開關單元43044的第一端耦接於轉導放大單元13048的第一輸入端，第二開關單元43044的第二端用以接收一反相調光信號，以及第二開關單元43044的第三端耦接於第二電阻13046的第二端，其中第二開關單元43044根據反相調光信號開啟與關閉；第三開關單元43046具有一第一端、第二端及一第三端，其中第三開關單元43046的第一端耦接於第二電阻13046的第二端，第三開關單元43046的第二端用以接收調光信號PWM，以及第三開關單元43046的第三端耦接於第二開關單元43044的第一端和轉導放大單元13048的第一輸入端，其中第三開關單元43046根據調光信號PWM開啟與關閉。如第4圖所示，當調光信號PWM去能(反相調光信號致能)時，因為第一開關單元23042和第三開關單元43046關閉，所以電容放大模組4304內耦接比較單元1302的閉迴路CLP變成開迴路，導致補償電壓VCOM不會隨著轉導放大單元13048內部的偏移和漏電而持續變高或變低。然而，如第4圖所示，當調光信號PWM去能(反相調光信號致能)時，轉導放大單元13048的第一輸入端與第二輸入端之間因為第二開關單元43044開啟而形成一短路。因此，當調光信號PWM重新致能時，電容放大模組4304內耦接比較單元1302的閉迴路CLP可立刻重新運作以加速下一次調光信號PWM致能時閘極控制信號GCS的暫態響應。另外，電容放大電路430的其餘操作原理皆和電容放大電路230相同，在此不再贅述。
請參照第2圖和第5圖，第5圖是本發明的第五實施例說明一種應用於電源轉換器內控制器的電容放大電路的操作方法的流程圖。第5圖的操作方法是利用第2圖的電容放大電路230說明，詳細步驟如下：步驟500：開始； 步驟502：比較單元1302接收有關於耦接電源轉換器100的負載102的一回授電壓VFB、一調光信號PWM與一參考電壓VREF；步驟504：調光信號PWM是否致能；如果是，進行步驟506和步驟508；如果否，進行步驟512和步驟514；步驟506：比較單元1302根據回授電壓VFB和參考電壓VREF，輸出一補償電流ICOM；步驟508：電容放大模組2304利用電容放大模組2304內的一閉迴路CLP產生一等效電容Ceq；步驟510：電容放大電路230根據補償電流ICOM和等效電容Ceq決定一補償電壓VCOM，跳回步驟504；步驟512：比較單元1302關閉；步驟514：電容放大模組2304內閉迴路CLP變成一開迴路；步驟516：電容放大電路230利用開迴路維持補償電壓VCOM為一定值，跳回步驟504。
在步驟502中，如第2圖所示，比較單元1302是用以通過控制器120的回授接腳1202接收有關於耦接負載102的回授電壓VFB(等於輸出電壓VOUT減去負載102上的跨壓VLED)，通過控制器120的調光接腳1204接收調光信號PWM，以及接收參考電壓VREF。在步驟506中，比較單元1302可根據回授電壓VFB和參考電壓VREF，輸出補償電流ICOM。在步驟508中，電容放大模組2304可根據第二電阻13046電阻值R2、參考電容13042的電容值C1、轉導放大單元13048的轉導GM及式(1)，產生等效電容Ceq，其中等效電容Ceq的電容值是參考電容13042的電容值C1的K倍，且K是一大於1的實數。亦即如第2圖和式(1)所示，電容放大模組2304是利用電容放大模組2304內的閉迴路CLP將參考電容13042的電容值C1放大。在步驟510中，比較單元1302所輸出的補償電流ICOM和電容放大模組1304所產 生的等效電容Ceq可決定補償電壓VCOM，且補償電壓VCOM被提供至控制器120的閘極驅動電路1206。然後，閘極驅動電路1206即可根據補償電壓VCOM，產生一閘極控制信號GCS並通過控制器120的閘極接腳1208傳送至電源轉換器100內的功率開關104，而功率開關104即可根據閘極控制信號GCS開啟與關閉。
在步驟512中，當調光信號PWM去能時，比較單元1302關閉。在步驟514中，如第2圖所示，當調光信號PWM去能時，因為第一開關單元23042關閉，所以電容放大模組2304內耦接比較單元1302的閉迴路變成開迴路，導致補償電壓VCOM不會隨著轉導放大單元13048內部的偏移和漏電而持續變高或變低。如此，在步驟516中，電容放大電路230可維持比較單元1302的輸出端的補償電壓VCOM為定值。因此，當調光信號PWM的頻率很慢或調光信號PWM去能的時間變長時，受控制的補償電壓VCOM不會影響下一次調光信號PWM致能時閘極控制信號GCS的暫態響應。另外，電容放大電路330和電容放大電路430的操作原理皆和電容放大電路230相同，在此不再贅述。
綜上所述，本發明所提供的電容放大電路及其操作方法是利用電容放大模組內的閉迴路將參考電容的電容值放大。另外，當調光信號去能時，因為電容放大模組內的閉迴路變成開迴路，所以比較單元的輸出端的補償電壓不會隨著轉導放大單元內部的偏移和漏電而持續變高或變低。因此，相較於現有技術，本發明可除去控制器內原先須耦接一外部補償電容(位於電容放大電路外)的補償接腳，可因為電容放大模組將參考電容的電容值放大而去除外部補償電容，以及可使比較單元的輸出端的補償電壓不會隨著轉導放大單元內部的偏移和漏電而持續變高或變低。
100‧‧‧電源轉換器
102‧‧‧負載
104‧‧‧功率開關
120‧‧‧控制器
1202‧‧‧回授接腳
1204‧‧‧調光接腳
1206‧‧‧閘極驅動電路
1208‧‧‧閘極接腳
230‧‧‧電容放大電路
1302‧‧‧比較單元
2304‧‧‧電容放大模組
13042‧‧‧參考電容
13044‧‧‧第一電阻
13046‧‧‧第二電阻
13048‧‧‧轉導放大單元
23042‧‧‧第一開關單元
CLP‧‧‧閉迴路
GCS‧‧‧閘極控制信號
GND‧‧‧地端
ICOM‧‧‧補償電流
PWM‧‧‧調光信號
VCOM‧‧‧補償電壓
VREF‧‧‧參考電壓
VLED‧‧‧跨壓
VFB‧‧‧回授電壓
VIN‧‧‧輸入電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓

Claims (6)

  1. 一種應用於電源轉換器內控制器的電容放大電路，包含：一比較單元，用以接收有關於耦接該電源轉換器的一負載的一回授電壓、一調光信號與一參考電壓，並根據該回授電壓和該參考電壓，輸出一補償電流，其中當該調光信號去能時，該比較單元關閉；及一電容放大模組，耦接於該比較單元的輸出端，用以產生一等效電容，其中該等效電容的電容值是該電容放大模組內的一參考電容的電容值的K倍，且K是一大於1的實數；其中該補償電流和該等效電容是用以決定一補償電壓，且當該調光信號去能時，該電容放大模組內耦接該比較單元的一閉迴路變成一開迴路以維持該補償電壓為一定值，該電容放大模組包含：一第一電阻，其中該第一電阻的第一端耦接至該比較單元的輸出端；及一第一開關單元，其中該第一開關單元具有一端耦接至該第一電阻的第二端。
  2. 如請求項1所述的電容放大電路，其中該比較單元另具有一第一輸入端、第二輸入端及第三輸入端，其中該比較單元的第一輸入端是用以接收該回授電壓，該比較單元的第二輸入端是用以接收該參考電壓，該比較單元的第三輸入端是用以接收該調光信號，以及該比較單元的輸出端是用以輸出該補償電流。
  3. 如請求項2所述的電容放大電路，其中該電容放大模組另包含：一第二電阻，具有一第一端及第二端，其中該第二電阻的第一端耦接於該第一電阻的第二端； 一轉導放大單元，具有一第一輸入端、第二輸入端及一輸出端，其中該轉導放大單元的第一輸入端耦接於該第二電阻的第二端，以及該轉導放大單元的第二輸入端耦接於該第一電阻的第二端；及該參考電容，具有一第一端及第二端，其中該參考電容的第一端耦接於該第二電阻的第二端，以及該參考電容的第二端耦接於一地端；其中該第一開關單元的第一端耦接於該轉導放大單元的輸出端，該第一開關單元的第二端用以接收該調光信號，該第一開關單元的該端另耦接於該轉導放大單元的第二輸入端，以及該第一開關單元根據該調光信號開啟與關閉。
  4. 如請求項2所述的電容放大電路，其中該電容放大模組另包含：一第二電阻，具有一第一端及第二端，其中該第二電阻的第一端耦接於該第一電阻的第二端；一轉導放大單元，具有一第一輸入端、第二輸入端及一輸出端，其中該轉導放大單元的第一輸入端耦接於該第二電阻的第二端，以及該轉導放大單元的第二輸入端耦接於該轉導放大單元的輸出端；及該參考電容，具有一第一端及第二端，其中該參考電容的第一端耦接於該第二電阻的第二端，以及該參考電容的第二端耦接於一地端；其中該第一開關單元的第一端耦接於該轉導放大單元的輸出端，該第一開關單元的第二端用以接收該調光信號，以及該第一開關單元根據該調光信號開啟與關閉。
  5. 如請求項2所述的電容放大電路，其中該電容放大模組另包含：一第二電阻，具有一第一端及第二端，其中該第二電阻的第一端耦接於該第一電阻的第二端；一轉導放大單元，具有一第一輸入端、第二輸入端及一輸出端，其中該 轉導放大單元的第二輸入端耦接於該第一電阻的第二端；一第一開關單元，具有一第一端、第二端及一第三端，其中該第一開關單元的第一端耦接於該轉導放大單元的輸出端，該第一開關單元的第二端用以接收該調光信號，以及該第一開關單元的第三端耦接於該第一電阻的第二端和該轉導放大單元的第二輸入端，其中該第一開關單元根據該調光信號開啟與關閉；一第二開關單元，具有一第一端、第二端及一第三端，其中該第二開關單元的第一端耦接於該轉導放大單元的第一輸入端，該第二開關單元的第二端用以接收一反相調光信號，以及該第二開關單元的第三端耦接於該第二電阻的第二端，其中該第二開關單元根據該反相調光信號開啟與關閉；一第三開關單元，具有一第一端、第二端及一第三端，其中該第三開關單元的第一端耦接於該第二電阻的第二端，該第三開關單元的第二端用以接收該調光信號，以及該第三開關單元的第三端耦接於該第二開關單元的第一端和該轉導放大單元的第一輸入端，其中該第三開關單元根據該調光信號開啟與關閉；及該參考電容，具有一第一端及第二端，其中該參考電容的第一端耦接於該第二電阻的第二端、該第二開關單元的第三端及該第三開關單元的第一端，以及該參考電容的第二端耦接於一地端；其中該第一開關單元的第一端耦接於該轉導放大單元的輸出端，該第一開關單元的第二端用以接收該調光信號，該第一開關單元的該端另耦接於該轉導放大單元的第二輸入端，以及該第一開關單元根據該調光信號開啟與關閉。
  6. 如請求項1所述的電容放大電路，其中該比較單元及該電容放大模組是積體電路。
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