TWI523385B - 多模式控制功率轉換器 - Google Patents

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TWI523385B TW103118058A TW103118058A TWI523385B TW I523385 B TWI523385 B TW I523385B TW 103118058 A TW103118058 A TW 103118058A TW 103118058 A TW103118058 A TW 103118058A TW I523385 B TWI523385 B TW I523385B
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艾瑞克 馬夏柯斯基
克里斯 楊
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Description

多模式控制功率轉換器
本發明關於多模式控制器以及其相關方法所控制之切換功率轉換器。
切換DC-DC轉換器包含一可切換功率級，其中輸出電壓係根據一切換訊號以及一輸入電壓而產生。該切換訊號於一數位控制電路中產生，其調整輸出電壓至一參考電壓值。該調整功率級包含一個雙開關，該雙開關由一高壓側場效電晶體(FET)以及一低壓側場效電晶體，一電感器及一電容器組成。在充電時期的期間，藉由該切換訊號該高壓側FET開啟，而該低壓側FET關閉，以將電容器充電。在放電時期期間，該高壓側FET關閉，而該低壓側FET開啟，以將平均電感電流匹配至負載電流。該切換訊號係以數位脈衝寬度調變訊號形式所產生，其工作週期(duty cycle)依據一控制規則所確定。該控制規則可由PID補償器執行。
DC-DC轉換器用數位控制電路相當適合需要良好負載瞬間行為的高效能應用。儘管如此，若受電之應用以輕載運行，數位控制電路會有消耗太多電流，而導致對該DC-DC轉換器之效率有不良影響之不利。此將導致欠佳的輕載效率。由於許多應用其主要運行時間是於輕載狀態，因此這對整體功率消耗有負面影響。也因此在輕載狀態下效率得到較佳效 率是高度期待的。
本方案是以根據獨立裝置申請專利範圍之功率轉換器，以及控制多模式可切換功率轉換器之方法所達成。附屬申請專利範圍與本發明之更多面向有關。
本揭露內容關於切換功率轉換器，其包含一可切換功率級，其藉由一切換元件而根據一切換訊號以及輸入電壓產生一輸出電壓。當處於重載時，該切換訊號由數位控制路徑(digital control path)產生，而處於輕載時，該切換訊號由一固定導通時間控制路徑(constant-on-time control path)產生。一多模式控制器被提供，用以根據負載電流或輸出電壓，在重載模式以及輕載模式間切換。當多模式控制器在輕載模式運行時，固定導通時間控制路徑所產生的切換訊號被提供至該功率級之該切換元件。當多模式控制器在重載模式操作時，則從數位電路產生一脈衝寬度調變切換訊號，其被提供至該功率級之該切換元件。
當多模式控制器在輕載模式運行時，該數位控制路徑可被關閉。這節省功率。
該多模式控制器可被配置為從測量所得之負載電流或是藉由監控輸出電壓來確定執行輕載模式，或是重載模式。
本發明更進一步關於控制一切換功率轉換器之方法，該功率轉換器包含一可切換功率級，其根據一切換訊號進行切換。該方法包括：當該切換功率轉換器在重載模式中運行時，在一數位控制路徑中，產生一脈衝寬度調變切換訊號；以及當該切換功率轉換器在輕載模式中運行時， 在一固定導通時間控制路徑中，產生一固定導通時間切換訊號。
當固定導通時間控制路徑中所確定的固定導通時間，與最小關閉時間(minimum off-time)的總和不大於該數位控制路徑中所確定的數位脈衝寬度調變訊號之正常期間時，該數位控制路徑可被啟動。
ADC、114‧‧‧類比數位轉換器
C、15‧‧‧電容器
Comp、18‧‧‧比較器
COT、19‧‧‧固定導通時間電路
DAC、17‧‧‧數位類比轉換器
DPWM、112‧‧‧數位脈衝寬度調變器
EA、115‧‧‧誤差放大器
L、14‧‧‧電感器
min offT、110‧‧‧最小關閉時間電路
MUX、116‧‧‧多工器
ZCD‧‧‧零電流偵測
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
Vref‧‧‧參考電壓
11‧‧‧可切換功率級
12、13、16‧‧‧切換元件
111‧‧‧多模式控制器
113‧‧‧PID補償器
117‧‧‧具有零電流偵測之驅動器
參考附圖說明，其中第1圖顯示DC-DC轉換器之方塊圖，該DC-DC轉換器由具有輕載模式以及重載模式之多模式補償器所控制。
參考第1圖，第1圖顯示功率轉換器具有一可切換功率級11。該可切換功率級11包含一第一切換元件12以及一第二切換元件13，以及一電感器14及一電容器15。該切換元件12與13被具有零電流偵測之驅動器117所驅動。該驅動器117轉發在一數位控制路徑或一固定導通時間控制路徑中產生之一切換訊號。該數位控制路徑包含一誤差放大器115、ADC114、一PID補償器113、以及一數位脈衝寬度調變器112。該固定導通時間控制路徑包含一比較器18、一固定導通時間電路19、以及一最小關閉時間電路110。一多模式控制器111被提供以在啟動固定導通時間控制路徑的輕載模式，以及啟動數位控制路徑的重載模式之間切換。而該模式是從負載電流或是藉由監控輸出電壓所確定。而為達此目的，該輸出電壓被比較器18拿來與一參考電壓作比較，而結果被提供至該多模式控制器111。
該參考電壓可由DAC17以數位方式提供並被轉換至類比域。
該數位控制路徑在處於重載時被啟動，並且產生一數位脈衝 寬度調變切換訊號。該誤差放大器115放大該輸出電壓與一參考電壓之差，以產生一誤差訊號。該誤差訊號由ADC114轉換為數位域。該PID補償器113處理數位化後的誤差訊號，以計算一脈衝寬度調變工作週期，該脈衝寬度調變工作週期被提供至數位脈衝寬度調變器112，其輸出數位脈衝寬度調變切換訊號。
該誤差放大器115、該ADC114、該PID補償器113、以及該數位脈衝寬度調變器112可被該多模式控制器111作與頻寬相關之調整。
當處於輕載時，該固定導通時間路徑產生該固定導通時間切換訊號。該最小關閉時間電路110確保該固定導通時間以及該最小關閉時間之總和大於數位控制路徑中所產生數位脈衝寬度調變訊號之正常期間。若該多模式控制器111偵測到未達到上述條件，則數位控制路徑被啟動。
一多工器115被提供以多工處理該固定導通時間切換訊號以及該脈衝寬度調變切換訊號之間之訊號切換。該多工器115係由多模式控制器110所控制。
該功率可切換之功率級11具有一第三切換元件16，以用於短路該電感14，以排導過大電流而使輸出電壓過衝最小化。
ADC、114‧‧‧類比數位轉換器
C、15‧‧‧電容器
Comp、18‧‧‧比較器
COT、19‧‧‧固定導通時間電路
DAC、17‧‧‧數位類比轉換器
DPWM、112‧‧‧數位脈衝寬度調變器
EA、115‧‧‧誤差放大器
L、14‧‧‧電感器
min offT、110‧‧‧最小關閉時間電路
MUX、116‧‧‧多工器
ZCD‧‧‧零電流偵測
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
Vref‧‧‧參考電壓
11‧‧‧可切換功率級
12、13、16‧‧‧切換元件
111‧‧‧多模式控制器
113‧‧‧PID補償器
117‧‧‧具有零電流偵測之驅動器

Claims (10)

  1. 一種切換DC-DC轉換器，包括：一可切換功率級(11)，用以藉由一切換元件(12,13)，根據一切換訊號及一輸入電壓，產生一輸出電壓，該切換訊號由一多模式控制器(111)所產生，該多模式控制器控制一數位控制路徑以產生一脈衝寬度調變(PWM)切換訊號，及一固定導通時間控制路徑以產生一固定導通時間切換訊號，其中，當該多模式控制器(111)在一重載模式運行時，控制該切換元件之該切換訊號係在該數位控制路徑中產生，且其中當該多模式控制器(111)在一輕載模式下運行時，該切換訊號係在該固定導通時間控制路徑中產生，其中：該固定導通時間控制路徑更包含一最小關閉時間電路(110)，其被配置為計算該固定導通時間及一最小關閉時間之總和；以及該多模式控制器(111)被配置為當該固定導通時間以及該最小關閉時間之該總和不大於該數位脈衝寬度調變訊號之正常期間時，啟動該數位控制路徑。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的切換DC-DC轉換器，其中該多模式控制器在輕載模式中運行時，該數位控制路徑自電源供應器斷路。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述的切換DC-DC轉換器，其中，該多模式控制器(111)被配置為從一負載電流或是藉由監控該輸出電壓，來確定執行該輕載模式，或是重載模式。
  4. 如申請專利範圍第1或2項所述的切換DC-DC轉換器，其中，該數位控制路徑包含：一誤差放大器(115)，其用以放大該輸出電壓與一參考電壓間 之一差，以產生一誤差訊號；一類比數位轉換器，其用以轉換該誤差訊號為一數位誤差訊號；一PID補償器(113)，其用以根據該數位誤差訊號產生一脈衝寬度調變工作週期；以及一數位脈衝寬度調變器(112)，其用以產生該脈衝寬度調變切換訊號。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的切換DC-DC轉換器，其中，該誤差放大器(115)、該類比數位轉換器(114)、該PID補償器(113)、以及該數位脈衝寬度調變器(112)可被該多模式控制器(111)作與頻寬相關之調整。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的切換DC-DC轉換器，其中更包含一多工器(116)，以用於多工處理該固定導通時間切換訊號以及該脈衝寬度調變切換訊號之間之該訊號切換，且該多工器係由該多模式控制器(111)所控制。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的切換DC-DC轉換器，其中該固定導通時間控制路徑包含一比較器(18)，以及一固定導通時間電路，其中該比較器(18)被配置為比較該輸出電壓與一參考電壓，且其中該比較器(18)連接至該多模式控制器以及一固定導通時間電路。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的切換DC-DC轉換器，其中該可切換功率級(11)包含一第三切換元件(16)，以短路該電感(14)而以排導一過大電感電流。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的切換DC-DC轉換器，更包含一具有零電流偵測之一驅動器(117)，以根據該切換訊號驅動該切換元件。
  10. 一種控制一切換DC-DC轉換器之方法，該切換DC-DC轉換器包含一可切 換功率級(11)，該可切換功率級根據一切換訊號作切換，該方法包括：當該切換功率轉換器以重載模式運行時，在一數位控制路徑中產生一脈衝寬度調變切換訊號；當該切換功率轉換器以一輕載模式運行時，在一固定導通時間控制路徑中產生一固定導通時間切換訊號，其中該方法更包含：當在該固定導通時間控制路徑中所確定的該固定導通時間以及一最小關閉時間之總和不大於該數位脈衝寬度調變訊號之正常期間時，啟動該數位控制路徑。
TW103118058A 2013-05-24 2014-05-23 多模式控制功率轉換器 TWI523385B (zh)

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