TWI530766B - 電壓轉換器與整流電路控制晶片 - Google Patents

電壓轉換器與整流電路控制晶片 Download PDF

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Description

電壓轉換器與整流電路控制晶片
本發明係有關於一種電壓轉換器,特別有關於一種以脈衝信號控制之整流電路。
電壓轉換器常用於電子裝置中,使一電源供應的電位得以轉換為其他電位,供電子裝置中不同電位需求之元件使用。電壓轉換器中常用的整流電路係由一脈衝信號控制,將一輸入電位整流成一輸出電位。本技術領域一項重要課題為妥善調整脈衝信號使輸出電位穩定、且使電位轉換效應良好(如,低能量消耗、易於抗電磁干擾)。
根據本發明一種實施方式所實現的一種電壓轉換器包括:一整流電路、一第一比較器以及一作用區間設定電路。該整流電路係根據一脈衝信號將一輸入電位整流成一輸出電位。該第一比較器將一第一參考信號相比於該輸出電位的一回授值,以產生一第一比較器輸出。該第一參考信號係隨該脈衝信號之作用區間起伏。該作用區間設定電路係隨該第一比較器輸出使該脈衝信號進入作用區間,並根據一第二參考信號結束該脈衝信號之作用區間。該第二參考信號之直流數值係與該脈衝信號之工作週期相關。如此設計之電壓轉換器較不受輸出端 的等效串接阻抗(ESR)影響。此外,如此設計之脈衝信號的作用區間可調,故脈衝信號的操作頻率可較集中,便於後續對電磁干擾(EMI)之抑制。
在一種實施方式中,所揭露的電壓轉換器更包括一負載補償電路,對該脈衝信號作一階濾波與二階濾波,以分別產生一階濾波信號以及二階濾波信號。該一階濾波信號以及該二階濾波信號用於產生該第一參考信號。該二階濾波信號係作為該第二參考信號。
本發明一種實施方式是將上述第一比較器、作用區間設定電路、甚至上述負載補償電路製作成一整流電路控制晶片。該整流電路控制晶片係以一第一接腳耦接該整流電路使該整流電路得以根據上述脈衝信號動作,並以一第二接腳耦接該輸出電位。
下文特舉實施例,並配合所附圖示,詳細說明本發明內容。
100‧‧‧電壓轉換器
102‧‧‧整流電路
104‧‧‧負載補償電路
106‧‧‧作用區間設定電路
108‧‧‧驅動電路
110‧‧‧整流電路控制晶片
Comp1、Comp2‧‧‧第一、第二比較器
Comp1_Out‧‧‧第一比較器輸出
C1、C2、C3‧‧‧第一、第二、第三電容
Duty‧‧‧脈衝信號
I‧‧‧電流源
iL‧‧‧電流
N1、N2‧‧‧第一、第二N型電晶體
n1、n2、n3‧‧‧第一、第二、第三接點
PIN1、PIN2‧‧‧晶片110之第一與第二接腳
R1、R2‧‧‧第一、第二電阻
T與ton‧‧‧脈衝信號Duty、Ton、Vcon的一週期與一作用區間
ton1、ton2‧‧‧可調適之作用區間
Ton‧‧‧脈衝信號
VA、VB‧‧‧第一、第二電位源
Vcon‧‧‧脈衝信號
Vc_ripple‧‧‧電壓轉換器100輸出端之電容跨壓
Vesr‧‧‧電壓轉換器100輸出端之等效串接電阻(ESR)之跨壓
Vfb‧‧‧輸出電位Vo之分壓
Vin‧‧‧輸入電位
Vo‧‧‧輸出電位
Vramp‧‧‧脈衝信號D一階濾波
Vref‧‧‧定值參考信號
Vsen‧‧‧脈衝信號D二階濾波
第1圖根據本發明一種實施方式圖解一電壓轉換器100;第2圖圖解負載補償電路104一種實施方式;第3圖圖解作用區間設定電路106一種實施方式;以及第4圖為第1圖電壓轉換器100之信號圖,其中採用第2圖所示之負載補償電路以及第3圖所示之作用區間設定電路。
以下敘述列舉本發明的多種實施例。以下敘述介 紹本發明的基本概念,且並非意圖限制本發明內容。實際發明範圍應依照申請專利範圍界定之。
第1圖根據本發明一種實施方式圖解一電壓轉換器100。電壓轉換器100包括:一整流電路102、一第一比較器Comp1、一負載補償電路104、一作用區間設定電路106以及一驅動電路108。整流電路102係根據一脈衝信號Vcon將一輸入電位Vin整流成一輸出電位Vo;如圖所示,脈衝信號Vcon一個週期T的作用區間(active duration)為期ton。以下討論脈衝信號Vcon之生成。
參閱第1圖,脈衝信號Vcon係源於作用區間設定電路106所輸出的脈衝信號Ton。驅動電路108負責調整脈衝信號Ton之驅動能力,除了形成脈衝信號Vcon控制整流電路102外,更另外形成脈衝信號Duty供負載補償電路104使用。
負載補償電路104接收脈衝信號Duty,對該脈衝信號Duty作一階濾波與二階濾波,以分別產生一階濾波信號Vramp以及二階濾波信號Vsen。該一階濾波信號Vramp以及該二階濾波信號Vsen分別輸入該第一比較器Comp1的第一差動輸入對的負端與正端輸入,形成隨該脈衝信號Ton/Duty/Vcon之作用區間起伏的一第一參考信號(Vsen-Vramp)。第一比較器Comp1更以第二差動輸入對的正端與負端輸入分別接收一定值參考信號Vref以及該輸出電位Vo之分壓Vfb,以獲得該輸出電位Vo的一回授值(Vref-Vfb)。第一比較器Comp1將第一參考信號(Vsen-Vramp)與輸出電位Vo的回授值(Vref-Vfb)作比較,產生一第一比較器輸出Comp1_Out。該作用區間設定電路106 係隨該第一比較器輸出Comp1_Out使該脈衝信號Ton進入作用區間,並將負載補償電路104所供應的二階濾波信號Vsen作為一第二參考信號,以據以結束該脈衝信號Ton之作用區間。驅動電路108根據脈衝信號Ton產生脈衝信號Vcon供應給該整流電路102。特別是,作為第二參考信號的二階濾波信號Vsen之直流(DC)數值係與該脈衝信號Ton/Duty/Vcon之工作週期(ton/T,duty cycle)相關。如此設計使得脈衝信號Vcon之作用區間ton為可調適。
參考電壓轉換器100輸出端,等效串接阻抗(ESR)若過小,其跨壓Vesr振盪會遠小於等效電容跨壓Vc_ripple振盪,輸出電位Vo因而明顯隨等效電容跨壓Vc_ripple振盪。然而,由於第一比較器Comp1係將輸出電位Vo的一回授值與隨該脈衝信號Ton/Duty/Vcon之作用區間起伏的一第一參考信號(Vsen-Vramp)作比較,故輸出電位Vo的振盪狀況會受到補償,避免連續提供脈衝致動該整流電路102。整流電路102之電流iL因而限制在適當範圍,避免過度耗電。
此外,作用區間設定電路106使得脈衝信號Ton/Duty/Vcon的作用區間ton可調,故脈衝信號Ton/Duty/Vcon的操作頻率可設計成較集中,便於後續對電磁干擾(EMI)之抑制。
第1圖所示實施方式係將產生脈衝信號Vcon控制該整流電路102的電路方塊與元件設計成一整流電路控制晶片110。整流電路控制晶片110係以一第一接腳PIN1耦接該整流電路102,使該整流電路102得以根據脈衝信號Vcon動作。另外, 整流電路控制晶片110係以一第二接腳PIN2耦接該輸出電位Vo。
在其他實施方式中,第一比較器可不以第1圖雙差動輸入對形式實現。凡是接收隨脈衝信號Vcon之作用區間起伏的一第一參考信號、並將該第一參考信號與輸出電位Vo的一回授值作比較的比較器,都可能用來實現本案第一比較器。
此外,作用區間設定電路106所接收的第二參考信號不限定為脈衝信號Duty之二階濾波信號Vsen。凡是直流(DC)數值與脈衝信號Vcon之工作週期(ton/T,duty cycle)相關者,都可能用來實現本案第二參考信號。
此外,驅動電路108為選用電路,視電路運作需求選用。
特別是,整流電路不限定如102所示結構,也不限定為降壓形式。
第2圖圖解負載補償電路104一種實施方式。第一N型電晶體N1耦接於第一電位源VA與地端之間,係根據脈衝信號Duty動作。該第一電位源VA為根據該脈衝信號Duty起伏之方波。第一電位源VA與脈衝信號Duty可在擺幅上有區別。第一電位源VA更經第一電阻R1再經第一電容C1耦接該地端。第一電阻R1與第一電容C1之間的一第一接點n1提供所述一階濾波信號Vramp,可為鏈波形式。第一接點n1更經第二電阻R2再經該第二電容C2耦接該地端。第二電阻R2與第二電容C2之間的一第二接點n2提供所述二階濾波信號Vsen,可為直流(DC)值,如,Vsen=VA.D,其中VA代表第一電位源VA之振幅,D代表脈衝信 號Ton/Duty/Vcon之工作區間(duty cycle)。
第3圖圖解作用區間設定電路106一種實施方式。電流源I由第二電位源VB供電。第二電位源VB為根據該脈衝信號Ton/Duty/Vcon起伏之方波。第三電容C3接收該電流源I之電流,與電流源I相接於第三接點n3。第二比較器Comp2將作為第二參考信號用的二階濾波信號Vsen與第三接點n3之電位作比較,以決定該脈衝信號Ton/Duty/Vcon之作用區間ton。第二N型電晶體N2耦接於第三節點n3以及地端之間,隨該第一比較器輸出Comp1_Out動作。作用區間ton係與第三電容C3之充電狀況有關。假設電流源I供應電流值為VB/RI,第二電位源VB與第一電位源VA係在振幅上不同(VB=K.VA),則作用區間ton可以下列方式估算: 若以FSW標示脈衝信號Ton/Duty/Vcon之頻率,ton=D/FSW。因此,脈衝信號Ton/Duty/Vcon係以定頻K/(RI.C3)操作。如此定頻操作方式使得抗電磁干擾設計更為容易。在一實施例中,電位源VA以及電位源VB皆為來自整流電路控制晶片外部的電位源。在另一實施例中,電位源VA以及電位源VB皆為來自整流電路控制晶片內部的電位源。在又一實施例中,電位源VA以及電位源VB之一者為來自整流電路控制晶片外部的電位源。
第4圖為第1圖電壓轉換器100之信號圖,其中採用第2圖所示之負載補償電路以及第3圖所示之作用區間設定電路。圖中顯示,即便等效串接阻抗(ESR)過小(其跨壓Vesr振盪 遠小於等效電容跨壓Vc_ripple振盪,使得輸出電位Vo明顯隨等效電容跨壓Vc_ripple振盪),輸出電位Vo的振盪狀況會與其比較參考Vref+Vramp抵銷,且脈衝信號Vcon是以定頻(定週期T)供應可調適的作用區間(如,不限定為定值的ton1與ton2)動作。整流電路102之電流iL也因而妥善限制在適當範圍。
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,任何熟悉此項技藝者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可做些許更動與潤飾,因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧電壓轉換器
102‧‧‧整流電路
104‧‧‧負載補償電路
106‧‧‧作用區間設定電路
108‧‧‧驅動電路
110‧‧‧整流電路控制晶片
Comp1‧‧‧第一比較器
Comp1_Out‧‧‧第一比較器輸出
Duty‧‧‧脈衝信號
iL‧‧‧電流
PIN1、PIN2‧‧‧晶片110之第一與第二接腳
T、ton‧‧‧脈衝信號Duty、Ton、Vcon的一週期與一作用區間
Ton‧‧‧脈衝信號
Vcon‧‧‧脈衝信號
Vc_ripple‧‧‧電壓轉換器100輸出端之電容跨壓
Vesr‧‧‧電壓轉換器100輸出端之等效串接電阻之跨壓
Vfb‧‧‧輸出電位Vo之分壓
Vin‧‧‧輸入電位
Vo‧‧‧輸出電位
Vramp‧‧‧脈衝信號Duty一階濾波
Vref‧‧‧定值參考信號
Vsen‧‧‧脈衝信號Duty二階濾波

Claims (8)

  1. 一種電壓轉換器,包括:一整流電路,根據一脈衝信號將一輸入電位整流成一輸出電位;一第一比較器,將一第一參考信號與該輸出電位的一回授值作比較,以產生一第一比較器輸出,該第一參考信號係隨該脈衝信號之作用區間起伏;一作用區間設定電路,隨該第一比較器輸出使該脈衝信號進入作用區間,並根據一第二參考信號結束該脈衝信號之作用區間,該第二參考信號之直流數值係與該脈衝信號之工作週期相關;以及一負載補償電路,對該脈衝信號作一階濾波與二階濾波,以分別產生一階濾波信號以及二階濾波信號;其中,該一階濾波信號以及該二階濾波信號用於產生該第一參考信號,且該二階濾波信號係作為該第二參考信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電壓轉換器,其中該負載補償電路包括:一第一N型電晶體,耦接於一第一電位源與一地端之間,根據該脈衝信號動作,該第一電位源為根據該脈衝信號起伏之方波;一第一電阻以及一第一電容,使該第一電位源經該第一電阻再經該第一電容耦接該地端,該第一電阻與該第一電容之間的一第一接點提供該一階濾波信號;以及 一第二電阻以及一第二電容,使該第一接點經該第二電阻再經該第二電容耦接該地端,該第二電阻與該第二電容之間的一第二接點提供該二階濾波信號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電壓轉換器,其中,該作用區間設定電路包括:一電流源,由一第二電位源供電,該第二電位源為根據該脈衝信號起伏之方波;一第三電容,接收該電流源之電流到一地端;以及一第二比較器,將該第二參考信號與該電流源以及該第三電容之間的一第三接點之電位作比較,以決定該脈衝信號之作用區間。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電壓轉換器,其中:該第一比較器包括一第一差動輸入對以及一第二差動輸入對、且係對上述第一與第二差動輸入對所接收的信號作比較,該第一差動輸入對的負端輸入以及正端輸入分別接收上述一階以及二階濾波信號,且該第二差動輸入對的正端輸入、以及負端輸入分別接收一定值參考信號、以及該輸出電位之分壓電位。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之電壓轉換器,其中,該作用區間設定電路更包括:一第二N型電晶體,耦接於該第三節點以及該地端之間,隨該第一比較器輸出動作。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電壓轉換器,更包括: 一驅動電路,接收該作用區間設定電路之輸出,以調整該脈衝信號之驅動能力後方供應給該整流電路以及該負載補償電路。
  7. 一種整流電路控制晶片,用以提供一脈衝信號控制一整流電路將一輸入電位整流成一輸出電位,包括:一第一比較器,將一第一參考信號與該輸出電位的一回授值作比較,以產生一第一比較器輸出,該第一參考信號係隨該脈衝信號之作用區間起伏;一作用區間設定電路,隨該第一比較器輸出使該脈衝信號進入作用區間,並根據一第二參考信號結束該脈衝信號之作用區間,該第二參考信號之直流數值係與該脈衝信號之工作週期相關;一第一接腳,耦接該整流電路,使該整流電路得以根據上述脈衝信號動作;一第二接腳,耦接該輸出電位;以及一負載補償電路,對該脈衝信號作一階濾波與二階濾波,以分別產生一階濾波信號以及二階濾波信號,其中,該一階濾波信號以及該二階濾波信號用於產生該第一參考信號,且該二階濾波信號係作為該第二參考信號。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之整流電路控制晶片,更包括:一驅動電路,接收該作用區間設定電路之輸出,以調整該脈衝信號之驅動能力後方供應給該整流電路以及該負載補償電路。
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