TWI547074B

TWI547074B - 電源轉換器、電壓調整單元及電壓調整方法

Info

Publication number: TWI547074B
Application number: TW103133325A
Authority: TW
Inventors: 洪山峯
Original assignee: 力智電子股份有限公司
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2014-09-25
Publication date: 2016-08-21
Also published as: CN105720814A; TW201613238A; CN105720814B

Description

電源轉換器、電壓調整單元及電壓調整方法

本發明係與電源轉換器有關，特別是關於一種具有迴轉率(slew rate)自動調變功能之電源轉換器、電壓調整單元及電壓調整方法。

圖1繪示習知的直流-直流切換式降壓電路(Buck DC-DC Converter IC)的系統方塊圖。直流-直流切換式降壓電路1的輸出電壓Vout會被鎖定於一特定電壓值，並且此特定電壓值是由誤差放大器121所接收到之參考電壓EAP的電壓值來決定。

當系統剛開機時，直流-直流切換式降壓電路1中之誤差放大器121所接收到之參考電壓EAP並不會馬上是目標電壓值(VID)，而是會先從零慢慢爬升至目標電壓值，此一動作稱為軟啟動(soft start)。系統需要使用軟啟動來開機的理由是：假設系統剛開機時之直流-直流切換式降壓電路1的輸出電壓Vout為零，若此時誤差放大器121所接收到之參考電壓EAP並非零，而是相對較高的目標電壓值(VID)，系統就必須努力對輸出電容Cout充電，以使得輸出電壓Vout能快速地達至目標電壓值，其結果就是導致流經輸出電感L的電感電流IL過大而產生嚴重的浪湧電流(in-rush current)，可能會造成輸出電感L燒毀或觸發過電流保護(Over Current Protection,OCP)之情事發生。基於上述理由，通常誤差放大器121所接收到之電壓EAP需慢慢爬升至目標電壓值(VID)，而系統也會慢慢對輸出電壓Vout充電至目標電壓值，以避免造成系統損傷。

一般而言，系統在開機時對輸出電容Cout充放電的速度快慢被定義為迴轉率(slew rate)。一旦目標電壓值(VID)有所變動，應用上又要求對輸出電容Cout快速充電(高迴轉率)時，就會遭遇到很大的浪湧電流。若在此同時又對輸出抽重載(heavy load)，則電感電流IL可能會觸及過電流保護的位準而觸發過電流保護。

另一方面，若輸出為短路，則電感電流IL亦會觸及過電流保護的位準而觸發過電流保護。此時即遭遇到一個難題，系統需能夠在高迴轉率及重載之情況下成功開機而不觸發過電流保護，但若是短路開機之情況下，系統又要能夠正確的觸發過電流保護而不開機。

有鑑於此，本發明提供一種電源轉換器、電壓調整單元及電壓調整方法，藉以解決先前技術所述及的問題。

根據本發明之一具體實施例為一種電源轉換器。於此實施例中，電源轉換器包括電流感測單元、電壓調整單元及脈寬調變控制單元。電流感測單元用以感測電源轉換器之輸出電流，以提供電流感測訊號。電壓調整單元耦接電流感測單元。電壓調整單元依據第一迴轉率提供參考電壓並比較電流感測訊號與預設參考值。當電流感測訊號高於預設參考值時，電壓調整單元改依據第二迴轉率提供參考電壓，其中第二迴轉率低於第一迴轉率。脈寬調變控制單元耦接電壓調整單元。脈寬調變控制單元接收參考電壓並依據參考電壓控制電源轉換器提供輸出電壓。

於本發明之一實施例中，電壓調整單元包括比較器及電壓產生單元。比較器耦接電流感測單元。比較器自電流感測單元接收電流感測訊號並比較電流感測訊號與預設參考值。電壓產生單元耦接比較器。電壓產生單元依據第一迴轉率提供參考電壓。當比較器之比較結果為電流感測訊號高於預設參考值時，電壓產生單元依據第二迴轉率提供參考電壓。

於本發明之一實施例中，電壓產生單元包括電容及充電電路。充電電路耦接比較器及電容。充電電路具有多個電流源。充電電路根據比較器之比較結果切換多個電流源中之不同電流源對電容充電，其中多個電流源中之不同電流源分別提供不同大小的電流。

於本發明之一實施例中，當電壓產生單元依據第一迴轉率提供參考電壓時，充電電路以多個電流源中之第一電流源對電容充電。當比較器之比較結果為電流感測訊號高於預設參考值時，充電電路根據比較器之比較結果切換成以多個電流源中之第二電流源對電容充電，使得電壓產生單元改依據較低的第二迴轉率提供參考電壓，第二電流源所提供之第二電流小於第一電流源所提供之第一電流。

根據本發明之一具體實施例為一種電壓調整單元。於此實施例中，電壓調整單元耦接電源轉換器之電流感測單元。電壓調整單元包括比較器及電壓產生單元。比較器耦接電流感測單元。比較器自電流感測單元接收電流感測訊號並比較電流感測訊號與預設參考值。電壓產生單元耦接比較器。電壓產生單元依據第一迴轉率提供參考電壓。當比較器之比較結果為電流感測訊號高於預設參考值時，電壓產生單元改依據第二迴轉率來提供參考電壓，其中第二迴轉率低於第一迴轉率。

根據本發明之另一具體實施例為一種電壓調整方法。於此實施例中，電壓調整方法應用於電源轉換器。電壓調整方法包括下列步驟：(a)依據第一迴轉率提供參考電壓；(b)自電源轉換器接收電流感測訊號並比較電流感測訊號與預設參考值；以及(c)若步驟(b)之比較結果為電流感測訊號高於預設參考值，改依據第二迴轉率提供參考電壓，其中第二迴轉率低於第一迴轉率。

綜上所述，根據本發明所提供的電源轉換器、電壓調整單元及電壓調整方法能夠透過迴轉率自動調變之方式同時達到在高迴轉率及重載之情況下成功開機而不觸發過電流保護，以及在短路開機之情況下觸發過電流保護而不開機等具體功效，故不僅能有效避免在高迴轉率及重載之情況下過大的浪湧電流導致輸出電感燒毀之情事發生，亦能確保在短路開機之情況下，過電流保護會被啟動以避免造成系統損傷。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

1‧‧‧直流-直流切換式降壓電路

2‧‧‧電源轉換器

110、21‧‧‧輸出級

120、22‧‧‧脈寬調變控制單元

121、221‧‧‧誤差放大器

122、222‧‧‧比較器

123、223‧‧‧時間訊號產生器

124、224‧‧‧驅動器

23‧‧‧電壓調整單元

24‧‧‧保護單元

25‧‧‧電流感測單元

229‧‧‧補償單元

TON‧‧‧導通時間訊號

R‧‧‧電阻

C‧‧‧電容

L‧‧‧輸出電感

SW1‧‧‧第一開關

SW2‧‧‧第二開關

ESR‧‧‧輸出電阻

Cout‧‧‧輸出電容

Vin‧‧‧輸入電壓

Vout‧‧‧輸出電壓

IL‧‧‧電感電流

Iload‧‧‧負載電流

EAP‧‧‧參考電壓

ERR‧‧‧誤差訊號

ramp‧‧‧斜波訊號

VFB‧‧‧回授電壓

TT‧‧‧觸發訊號

CS‧‧‧電流感測訊號

UG、LG‧‧‧控制訊號

PHA‧‧‧相位節點

Vrush‧‧‧第一位準

+‧‧‧正輸入端(第一輸入端)

-‧‧‧負輸入端(第二輸入端)

Voc‧‧‧第二位準

Vimon‧‧‧對應於電感電流之感測電壓

230‧‧‧比較器

231‧‧‧迴轉率邏輯控制單元

232‧‧‧電壓產生單元

233‧‧‧誤差放大器

NC‧‧‧正常迴轉率控制訊號

AD‧‧‧調整訊號

Ifast、Islow‧‧‧電流源

Vsr‧‧‧迴轉率電壓

VH‧‧‧高電壓

t‧‧‧時間

圖1繪示習知的直流對直流轉換器的電路圖。

圖2繪示根據本發明之一實施例之電源轉換器的電路示意圖。

圖3繪示電感電流所對應的感測電壓於高/低迴轉率配合輕/重載之不同開機情況下與第一位準及第二位準的關係圖。

圖4繪示於高迴轉率配合輕載之開機情況下，電感電流所對應的感測電壓不會觸及第一位準，故其迴轉率維持不變之示意圖。

圖5繪示於高迴轉率配合重載之開機情況下，電感電流所對應的感測電壓觸及第一位準而強制降低其迴轉率之示意圖。

圖6繪示電源轉換器中之調整單元的一實施例。

圖7繪示根據本發明之另一具體實施例的電壓調整方法之流程圖。

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，或者主動地且/或被動地而耦接在一起的元件以提供合適功能。術語「訊號」可表示為至少一電流、電壓、負載、溫度、資料或其他信號。斜波訊號又可為類斜波訊號、三角波訊號或鋸齒波訊號，其可以為重複-下降形式的斜波或是重複-上升形式的斜波，端視應用而決定。

根據本發明之一較佳具體實施例為一種電源轉換器。於此實施例中，本發明提出的電源轉換器可以是應用於電源積體電路(Power IC)之直流-直流切換式降壓電路(Buck DC-DC Converter circuit)中，但不以此為限。

需說明的是，本發明之電源轉換器具有迴轉率(slew rate)自動調變之功能。至於迴轉率的大小指的是電源轉換器對其輸出電容之充電速度的快慢，其中當電源轉換器對其輸出電容之充電速度變快，代表電源轉換器的迴轉率變大；反之，當電源轉換器對其輸出電容之充電速度變慢，代表電源轉換器的迴轉率變小。

請參照圖2，圖2繪示根據本發明之一實施例之電源轉換器的電路示意圖。如圖2所示，電源轉換器2包括輸出級21、脈寬調變控制單元22、電壓調整單元23、保護單元24及電流感測單元25。於此實施例中，脈寬調變控制單元22包括誤差放大器221、比較器222、時間訊號產生器223、驅動器224及補償單元229。輸出級21包括第一開關SW1與第二開關SW2；第一開關SW1亦可稱為上橋開關，第二開關SW2亦可稱為下橋開關。於其他實施例中，輸出級21亦可僅包括一個開關，並搭配二極體等元件，並不以此為限。

輸出級21中的第一開關SW1耦接輸入電壓Vin與驅動器224。輸出級21中的第二開關SW2耦接驅動器224與接地端。驅動器224分別透過控制訊號UG及LG來控制第一開關SW1及第二開關SW2之開啟或關閉。於第一開關SW1與第二開關SW2之間還存在一相位節點PHA，此相位節點PHA耦接輸出電感L之一端。於此實施例中，相位節點PHA還耦接驅動器224。於其他實施例中，相位節點PHA亦可不耦接驅動器224，並不以此為限。

脈寬調變控制單元22之誤差放大器221的負輸入端-耦接輸出電感L之另一端，以從輸出電感L之另一端接收一回授電壓VFB。於其他實施例中，誤差放大器221的負輸入端-亦可透過一分壓單元來耦接至輸出電感L之另一端，並不以此為限。此外，誤差放大器221的第一輸入端(例如：正輸入端+)耦接電壓調整單元23，以接收電壓調整單元23所提供之參考電壓EAP。如前述，當系統剛開機時，電源轉換器2中之誤差放大器221所接收到之參考電壓EAP並不會馬上是目標電壓值VID，而是會先從零慢慢爬升至目標電壓值VID，即稱為軟啟動(soft start)。

於此實施例中，誤差放大器221提供具有電壓型式的誤差訊號ERR，於其他實施例中，誤差放大器221亦可被轉導放大器(GM)所取代，以提供具有電流型式的誤差訊號ERR，並不以此為限。

比較器222之第一輸入端耦接誤差放大器221的輸出端，於此實施例中，誤差放大器221所輸出的誤差訊號ERR會先經過補償單元229的補償處理後才會被比較器222之第一輸入端所接收。比較器222之第二輸入端(例如：負輸入端-)則用以接收斜波訊號ramp。比較器222會對誤差訊號ERR與斜波訊號ramp進行比較，並根據誤差訊號ERR與斜波訊號ramp之比較結果來提供觸發訊號TT至時間訊號產生器223。時間訊號產生器223分別耦接比較器222與驅動器224。時間訊號產生器223根據上述觸發訊號TT來提供導通時間訊號TON至驅動器224，驅動器224根據導通時間訊號TON提供控制訊號UG及LG來控制輸出級21中之第一開關SW1及第二開關SW2之開啟或關閉。因此，藉由上述元件/電路的耦接，脈寬調變控制單元22可耦接輸出級21並控制輸出級21的操作。

於本發明之一實施例中，電流感測單元25用以感測電源轉換器2之一輸出電流，以提供電流感測訊號CS給電壓調整單元23。需說明的是，電流感測單元25所感測到的電源轉換器2之輸出電流可以是流經輸出電感L的電感電流IL，但不以此為限。

實際上，電流感測單元25亦可透過直流阻抗電流感測(DCR current sensing)的方式感測電源轉換器2之輸出電流、抑或是透過第二開關(下橋電晶體)SW2或相位節點PHA來感測電源轉換器2之輸出電流，並無特定之限制。

當電壓調整單元23從電流感測單元25接收到電流感測訊號CS時，電壓調整單元23會先比較電流感測訊號CS與一預設參考值，並根據電流感測訊號CS與預設參考值之比較結果來調整其提供至誤差放大器221的第一輸入端的參考電壓EAP，以控制誤差放大器221所提供的誤差訊號ERR，藉以改變電源轉換器2對輸出電容Cout之充電速度快慢(亦即迴轉率大小)。

於一實施例中，預設參考值可以是一電壓位準(例如圖3中之第一位準Vrush)且電流感測訊號CS可以是相關於電感電流IL之一感測電壓，但不以此為限。實際上，上述感測電壓可以是電感電流IL所對應的電壓，可透過直流阻抗電流感測(DCR current sensing)或低側電流感測(Low side current sensing)的方式去感測電感電流IL產生正比的電流流經電阻來產生上述感測電壓。

至於耦接電壓調整單元23的保護單元24則會比較電流感測訊號CS(例如電感電流IL所對應的感測電壓)與過電流保護位準。若保護單元24所得到的比較結果是電感電流IL所對應的感測電壓大於過電流保護位準，代表電源轉換器2之輸出為短路，保護單元24即會啟動電源轉換器2之過電流保護而不開機。

舉例而言，如圖3所示，假設第二位準Voc為一過電流保護位準，且預設參考值(第一位準)Vrush介於0與過電流保護位準(第二位準)Voc之間，亦即第一位準Vrush低於第二位準Voc。一旦電感電流IL過大，導致其對應的感測電壓升高超過預設參考值(第一位準)Vrush而觸及過電流保護位準(第二位準)Voc時，保護單元24即會啟動電源轉換器2之過電流保護而不開機。

需說明的是，預設參考值(第一位準)Vrush可以是一浪湧電流(in-rush current)位準。如圖4所示，在正常的高迴轉率配合輕載(或無載)的情況下，電感電流IL不夠大，因其所對應的感測電壓Vimon無法觸及第一位準Vrush，故其迴轉率維持不變。只有當高迴轉率配合重載之情況下，如圖5所示，在時間t的時候，當電感電流IL較大時，電感電流IL所對應的感測電壓Vimon才會升高至觸及第一位準Vrush。此時，電壓調整單元23會根據此一比較結果強制迴轉率變低(亦即電壓上升速度變慢，上升斜率變小)，亦即降低電源轉換器2對輸出電容Cout之充電速度，使得電感電流IL變小，導致其所對應的感測電壓Vimon亦隨之降低。藉此，即使在高迴轉率配合重載之情況下，電感電流IL所對應的感測電壓Vimon亦不會觸及比預設參考值(第一位準)Vrush更高的過電流保護位準(第二位準)Voc，故電源轉換器2不會啟動過電流保護。

圖6繪示電源轉換器2中之電壓調整單元23的一實施例。如圖6所示，比較器230之兩輸入端分別接收預設參考值(第一位準)Vrush與電流感測訊號CS(例如電感電流IL所對應的感測電壓Vimon)並比較第一位準Vrush與感測電壓Vimon。若比較器230所得到之比較結果為感測電壓Vimon大於或等於第一位準Vrush，代表感測電壓Vimon已觸及第一位準Vrush，則比較器230會發出一調整訊號AD至迴轉率邏輯控制單元231。在正常情況下，迴轉率邏輯控制單元231原本是根據來自系統之處理器的正常迴轉率控制訊號NC來提供具有正常迴轉率的迴轉率電壓Vsr。當迴轉率邏輯控制單元231接收到來自比較器230的調整訊號AD時，迴轉率邏輯控制單元231會根據調整訊號AD來調整其提供的迴轉率電壓Vsr之迴轉率大小。

電壓產生單元232包括電容C以及由多個電流源Ifast及Islow構成的充電電路。電流源Ifast及Islow耦接迴轉率邏輯控制單元231及電容C，用以分別提供不同大小的電流對電容C充電。電壓產生單元232會根據比較器230之比較結果切換不同電流源Ifast或Islow對電容C充電。實際上，電壓產生單元232中之對電容C進行充電的充電電路亦可包括三個或更多個能夠提供不同電流大小的電流源，其種類及數目並不以此例為限。

於圖6的例子中，迴轉率邏輯控制單元231透過切換電壓產生單元232中之具有不同電流大小的電流源Ifast及Islow之方式對電容C充電而產生具有不同迴轉率大小的迴轉率電壓Vsr。由於參考電壓EAP會跟隨迴轉率電壓Vsr而變化，故參考電壓EAP亦會隨之改變。藉此，電壓調整單元23即可透過改變參考電壓EAP之方式來調整誤差訊號ERR，以改變電源轉換器2對輸出電容Cout之充電速度，進而達到調整迴轉率之功效。

於實際應用中，迴轉率邏輯控制單元231提供具有不同迴轉率大小的迴轉率電壓之方式並不侷限於圖6之實施例。於另一實施例中，迴轉率邏輯控制單元231亦可採用時脈訊號控制計數器進行計數來切換多工器中之不同開關的方式提供不同大小的電壓以產生具有不同迴轉率大小的迴轉率電壓，但亦不以此為限。

根據本發明之另一具體實施例為一種電壓調整方法。於此實施例中，電壓調整方法應用於電源轉換器，用以調整電源轉換器之一參考電壓。請參照圖7，圖7繪示此實施例的電壓調整方法之流程圖。

如圖7所示，於步驟S10中，該方法依據一第一迴轉率提供一參考電壓。實際上，當電源轉換器開機時，該方法所提供之參考電壓係由零逐漸增加至一目標電壓值，亦即軟啟動。

於步驟S12中，該方法自電源轉換器接收電流感測訊號並比較電流感測訊號與保護位準，以判斷電流感測訊號是否高於保護位準。實際上，電流感測訊號是感測電源轉換器之輸出電流而產生，其可以是相關於電感電流之一感測電壓，至於保護位準可以是一過電流保護位準(例如圖3中之第二位準Voc)，但不以此為限。

若步驟S12之比較結果為電流感測訊號高於保護位準，代表電源轉換器之輸出為短路，該方法執行步驟S14，啟動電源轉換器之過電流保護而不開機，藉以避免電源轉換器受到過電流而損壞。

若步驟S12之比較結果為電流感測訊號未高於保護位準，該方法執行步驟S16，比較電流感測訊號與預設參考值，以判斷電流感測訊號是否高於預設參考值。實際上，預設參考值可以是一電壓位準(例如圖3中之第一位準Vrush)，並且預設參考值會低於保護位準(例如圖3中之第二位準Voc)，但不以此為限。

若步驟S16之比較結果為電流感測訊號高於預設參考值，該方法執行步驟S18，改依據第二迴轉率提供參考電壓，其中第二迴轉率低於第一迴轉率。若步驟S16之比較結果為電流感測訊號未高於預設參考值，該方法執行步驟S20，繼續依據第一迴轉率提供參考電壓不變。

需說明的是，步驟S10是以多個電流源中之第一電流源對電容充電，以依據第一迴轉率提供參考電壓。當步驟S16之比較結果為電流感測訊號高於預設參考值時，步驟S18根據步驟S16之比較結果切換成以多個電流源中之第二電流源對電容充電，以改依據較低的第二迴轉率提供參考電壓，其中第二電流源所提供之第二電流會小於第一電流源所提供之第一電流。藉此，應用於電源轉換器之電壓調整方法可透過改變提供給誤差放大器之參考電壓的方式來調整誤差放大器輸出至比較器的誤差訊號，進而改變電源轉換器對輸出電容之充電速度快慢，以達到調整電源轉換器之迴轉率的具體功效。

綜上所述，根據本發明所提供的電源轉換器、電壓調整單元及電壓調整方法係透過迴轉率自動調變之方式同時達到在高迴轉率及重載之情況下成功開機而不觸發過電流保護，以及在短路開機之情況下觸發過電流保護而不開機之功效，故不僅能夠有效避免在高迴轉率及重載之情況下過大的浪湧電流導致輸出電感燒毀之情事發生，亦能確保在短路開機之情況下，過電流保護會被啟動以避免造成系統損傷。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。