TWI550379B - 漣波控制切換式穩壓器以及漣波控制切換式穩壓方法 - Google Patents

漣波控制切換式穩壓器以及漣波控制切換式穩壓方法 Download PDF

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Description

漣波控制切換式穩壓器以及漣波控制切換式穩壓方法
本發明所揭露的實施例係相關於切換式穩壓器(switching regulator)，尤指一種漣波控制切換式穩壓器(switching regulator with ripple-based control)以及相關漣波控制切換式穩壓方法。
漣波控制切換式穩壓器特色係可以即時地將跨於濾波電容的輸出電壓回授，並據以判斷。是否要對電感作充電或是放電，當回授回來的輸出電壓小於預設的參考電壓時，則會藉由打開上橋的電晶體開關以及關閉下橋的電晶體開關一個固定的供電時間(on time)來對電感進行充電的動作，提高切換式穩壓器的輸出電壓。當供電時間結束，且回授回來的輸出電壓大於預設的參考電壓時，則會藉由關閉上橋的電晶體開關以及打開下橋的電晶體開關來對電感進行放電的動作，降低切換式穩壓器的輸出電壓。
然而，由於濾波電容具有寄生電感，當切換式穩壓器在充電的時候，濾波電容的寄生電感會形成正跨壓；反之當切換式穩壓器在放電的時候，濾波電容的寄生電感會形成負跨壓。因此當供電時間結束時，濾波電容的寄生電感的正跨壓會瞬間轉換為負跨壓，將濾波電容的整體輸出電壓往下拉，有可能會立刻又低於預設的參考電壓，造成連續觸發兩次供電時間(即雙重脈衝)，導致打入過多的能量於電感並且加劇輸出電壓的次諧波振盪(subharmonic oscillation)。因此，習知技術中通常係直接量測電感電流而非 濾波電容的電壓，以避開寄生電感的影響，然直接量測電感電流的作法成本較高且量測誤差較大。有鑑於此，本領域亟需一種新穎的漣波控制切換式穩壓器以改善上述問題。
本發明的目的之一係在於提出一種能夠校正濾波電容的寄生電感效應的漣波控制切換式穩壓器以及相關方法，以改善次諧波振盪的問題。
依據本發明一示範性實施例，提出一種漣波控制切換式穩壓器，包含有一切換器、一電感、一電容、一輸出電壓處理單元以及一控制單元。其中該切換器係用來依據一控制訊號來選擇性地將一第一參考電壓或一第二參考電壓輸出為一輸出電壓。該電感係耦接於該切換器，並依據該輸出電壓來產生一電感輸出電壓。該電容係耦接於該電感。該輸出電壓處理單元係用來依據該輸出電壓以及該電感輸出電壓來輸出一處理後電感輸出電壓。該控制單元係用來至少依據該處理後電感輸出電壓來輸出該控制訊號。
依據本發明另一示範性實施例，提出一種漣波控制(ripple-based control)切換式穩壓方法，用來控制一漣波控制切換式穩壓器(switching regulator)，其中該漣波控制切換式穩壓器包含有一切換器、一電感耦接於該切換器以及一電容耦接於該電感，該漣波控制切換式穩壓方法包含有：利用該切換器來依據一控制訊號來選擇性地將一第一參考電壓或一第二參考電壓輸出為一輸出電壓；利用該電感來依據該輸出電壓來產生一電感輸出電壓；依據該輸出電壓以及該電感輸出電壓來輸出一處理後電感輸出電壓；以及利用該控制單元來至少依據該處理後電感輸出電壓來輸出該控制訊號。
本說明書中所揭露的實施例係利用校正寄生電感效應以避免雙重脈衝，同時相較於傳統設計中直接量測電感電流的作法，本說明書中利用校 正寄生電感效應的作法具有成本較低，而且誤差較小的優點。
100‧‧‧漣波控制切換式穩壓器
102‧‧‧切換器
104‧‧‧電感
106‧‧‧濾波電容
108‧‧‧輸出電壓處理單元
110‧‧‧控制單元
112‧‧‧特定電壓增益調整單元
1022、1024‧‧‧金屬氧化半導體
1082‧‧‧雙重脈衝偵測單元
1084‧‧‧電壓校正單元
10842‧‧‧寄生電感校正單元
10844‧‧‧微分器
1102‧‧‧比較器
1104‧‧‧固定導通時間單元
1106‧‧‧非重疊處理單元
108422、1122‧‧‧操作放大器
108424‧‧‧增益調整電路
108426、1124‧‧‧分壓電路
500‧‧‧方法
S502~S514‧‧‧步驟
第1圖為本發明的漣波控制切換式穩壓器的示範性實施例的示意圖。
第2圖為濾波電容中各元件的電壓以及電流的波形圖。
第3圖為本發明寄生電感校正單元的示範性實施例的電路圖。
第4圖為本發明一特定電壓增益調整單元的示範性實施例的電路圖。
第5圖為依據本發明漣波控制切換式穩壓方法的一實施例的流程圖。
請參考第1圖，第1圖為本發明的漣波控制(ripple-based control)切換式穩壓器(switching regulator)100的示範性實施例的示意圖。漣波控制切換式穩壓器100係用來在不同負載的情況下提供穩定的電壓，其主要功能區塊以及本實施例的技術特徵將詳述如下。首先，一切換器102係用來依據一上橋控制訊號Sup以及一下橋控制訊號Sdown來控制串接一P型金屬氧化半導體1022以及一N型金屬氧化半導體1024，來將一供應電壓VCC或是一接地電壓GND輸出為一輸出電壓Vs(請注意，本發明並不以N型金屬氧化半導體以及P型金屬氧化半導體為限，實際上任何能夠提供同樣功能的開關，皆屬於本發明的範圍)。具體來說，當上橋控制訊號Sup控制切換器102中的P型金屬氧化半導體1022導通，以及下橋控制訊號Sdown控制切換器102中的N型金屬氧化半導體1024不導通時，供應電壓VCC會對耦接於切換器102的一電感104進行充電的動作；反之，當上橋控制訊號Sup控制切換器102中的P型金屬氧化半導體1022不導通，以及下橋控制訊號Sdown控制切換器102中的N型金屬氧化半導體1024導通時，接地電壓GND會對耦接於切換器102的電感104進行放電的動作。一般來說，漣波控制切換式穩壓器100會在判斷電感104的一電感輸出電壓Vripple小於一特定電壓Vref時，控制切換 器102對電感104進行充電一固定的供電時間(on time)Tontime，當供電時間Tontime結束則停止充電，且繼續監控電感輸出電壓Vripple是否小於特定電壓Vref，一旦電感輸出電壓Vripple小於特定電壓Vref，則會再度控制切換器102對電感104進行充電供電時間Tontime。
漣波控制切換式穩壓器100中使用一濾波電容106跨於電感輸出 電壓Vripple以及接地電壓GND之間，濾波電容106會具有寄生電阻與寄生電感效應，因此使用一電容C、一電感L以及一電阻R來代表等效的濾波電容106。請同時參考第2圖，第2圖為濾波電容106中各元件的電壓以及電流的波形圖。當切換器102對電感104進行充電時(即是一時間t1到一時間t2，其中時間t1到時間t2的間隔為供電時間Tontime；以及一時間t3到一時間t4，其中時間t3到時間t4的間隔為供電時間Tontime)，會有一電流Iac流經濾波電容106，且電流Iac的斜率為正值，由第2圖中可以得之，電容C的一跨壓Vc的斜率的微分也會是正值，電阻R的一跨壓VESR的斜率亦為正值，電感L的一跨壓VESL則會保持固定的正值。最後將跨壓Vc、跨壓VESR以及跨壓VESL相加則會得到電感輸出電壓Vripple。反之，當切換器102對電感104進行放電時(即是一時間t2到一時間t3；以及一時間t4到一時間t5)，電流Iac的斜率為負值，由第2圖中可以得之，電容C的跨壓Vc的斜率的微分也會是負值，電阻R的跨壓VESR的斜率亦為負值，電感L的跨壓VESL則會保持固定的負值。
因此，每當上橋控制訊號Sup控制切換器102中的P型金屬氧化 半導體1022導通並維持供電時間Tontime，之後改由切換器102中的N型金屬氧化半導體1024導通，電感輸出電壓Vripple就會由於跨壓VESL瞬間減少而跟著瞬間降低，使得電感輸出電壓Vripple低於特定電壓Vref，並且立即再度觸發上橋控制訊號Sup控制切換器102中的P型金屬氧化半導體1022導通並維持 供電時間Tontime，也就是雙重脈衝(double pulse)(未繪示於圖中)，造成對電感104過度的充電。有鑑於此，本發明的特徵即在於能夠使用一輸出電壓處理單元108來校正電感輸出電壓Vripple，也就是將電感輸出電壓Vripple中寄生電感L部分(跨壓VESL)予以消除，避免雙重脈衝所帶來的不良效應。
輸出電壓處理單元108係用來依據輸出電壓Vs以及電感輸出電壓Vripple來輸出一處理後電感輸出電壓Vd，輸出電壓處理單元108包含有一雙重脈衝偵測單元1082以及一電壓校正單元1084。其中雙重脈衝偵測單元1082係用來偵測輸出電壓Vs是否含有雙重脈衝並產生一偵測結果Sdet，例如當輸出電壓Vs中兩脈衝發生的時間間隔小於一特定時間時，即判斷輸出電壓Vs含有雙重脈衝，雙重脈衝偵測單元1082的判斷方法可有許多設計變化，然只要基於相同的依據或是能夠產生類似的效果，都屬於本發明的範圍。此外，電壓校正單元1084係用來依據偵測結果Sdet、輸出電壓Vs以及電感輸出電壓Vripple來產生該處理後電感輸出電壓，電壓校正單元1084包含有一寄生電感校正單元10842以及一微分器10844。寄生電感校正單元10842則係用來依據偵測結果Sdet、輸出電壓Vs以及電感輸出電壓Vripple產生不含有寄生電感L的跨壓VESL的一校正輸出電壓Vcal。請再度參考第2圖，由於電路設計者一般來說希望使用如電流Iac的資訊來和特定電壓Vref進行比較，但從電感輸出電壓Vripple消去電感L的跨壓VESL所得到的校正輸出電壓Vcal主要係電容C的跨壓Vc的資訊(電阻R的跨壓VESR較小可忽略)，而跨壓Vc需要經過微分才會和電流Iac形成同步的變化，也就是說，在得到校正輸出電壓Vcal之後，需要再利用微分器10844來對校正輸出電壓Vcal進行微分，並產生處理後電感輸出電壓Vd。
關於寄生電感校正單元10842，請參考第3圖，第3圖為本發明寄生電感校正單元10842的示範性實施例的電路圖。寄生電感校正單元10842 包含有一操作放大器108422、一增益調整電路108424以及一分壓電路108426。其中操作放大器108422包含有一第一輸入端、一第二輸入端以及一輸出端，其中該第一輸入端係用來接收電感輸出電壓Vripple，該輸出端係輸出校正輸出電壓Vcal，增益調整電路108424具有一可變增益值g，用來對輸出電壓Vs進行一增益處理並產生一增益輸出電壓Vg，V g=V s *g (1)
其中可變增益值g可依據偵測結果Sdet來調整。舉例來說，在漣波控制切換式穩壓器100上電時，當偵測結果Sdet顯示輸出電壓Vs含有雙重脈衝時，增益調整電路108424的增益值g由一起始增益開始增加，直到偵測結果Sdet顯示輸出電壓Vs不含有雙重脈衝為止。而下一次偵測結果Sdet又顯示輸出電壓Vs含有雙重脈衝時，增益調整電路108424的增益值g則可由當下增益值開始增加，增益調整電路108424的調整方法可有許多設計變化，然只要基於相同的依據或是能夠產生類似的效果，都屬於本發明的範圍。應注意的是，由於輸出電壓Vs的波形基本上會和電感L的跨壓VESL一致，因此再此係藉由輸出電壓Vs來消除電感輸出電壓Vripple中的跨壓VESL的部分，故可將方程式(1)改寫如下：V g=V ESL *x (2)
其中一比值x為增益輸出電壓Vg與電感L的跨壓VESL的比值。
分壓電路108426包含有串接的一第一電阻R1以及一第二電阻R2，其中第一電阻R1係耦接於操作放大器108422之該輸出端以及操作放大器108422之該第二輸入端之間，第二電阻R2係耦接於操作放大器108422之該第二輸入端以及增益調整電路108424之間，形成負回授電路，操作放大器108422之該第二輸入端的電壓保持相同，因此，由以下方程式(3)可以得到：
如此一來，當
時，可以將校正輸出電壓Vcal中電感L的跨壓VESL的部分完全消除，即
應注意的是，由於經過分壓電路108426之後，從方程式(5)可得知，校正輸出電壓Vcal和電容C的跨壓Vc之間大約會有()的倍數關係(電阻R的跨壓VESR較小可忽略)。因此，特定電壓Vref也應該給予一相同的修正。請參考第4圖，第4圖為本發明一特定電壓增益調整單元112的示範性實施例的電路圖。特定電壓增益調整單元112包含有一操作放大器1122以及一分壓電路1124，其中操作放大器1122包含有一第一輸入端、一第二輸入端以及一輸出端，該第一輸入端係用來接收特定電壓Vref，該輸出端係輸出一增益特定電壓Vref_g。分壓電路1124則係使用和分壓電路108426相同之該第一電阻以及該第二電阻以保有相同的倍數關係。
最後，便可利用一控制單元110來依據處理後電感輸出電壓Vd以及增益特定電壓Vref_g來輸出上橋控制訊號Sup以及下橋控制訊號Sdown。控制單元110中的設計主要係用來在處理後電感輸出電壓Vd超過增益特定電壓Vref_g時將上橋控制訊號Sup以及下橋控制訊號Sdown由邏輯0改變為邏輯1，並維持供電時間Tontime長度，應注意的是，依據控制單元110與切換電路102之間的不同設計，兩者之間的控制方法的設計變化不勝枚舉，然只要基於相同的依據或是能夠產生類似的效果，都屬於本發明的範圍。簡單來說，控制單元110包含有一比較器1102、一固定導通時間單元1104以及一非重疊(non-overlap)處理單元1106。比較器1102係用來比較處理後電感輸出電壓 Vd以及增益特定電壓Vref_g，並產生一比較結果Scom。固定導通時間單元1104係用來依據比較結果Scom產生供電時間控制訊號Sontime。之後再利用非重疊處理單元1106在輸出上橋控制訊號Sup以及下橋控制訊號Sdown之前進行非重疊處理，以避免切換電路102中的N型金屬氧化半導體1022以及P型金屬氧化半導體1024發生同時導通的狀況。
第5圖為依據本發明漣波控制切換式穩壓方法500的一實施例的流程圖，其中漣波控制切換式穩壓方法500係用來控制一漣波控制切換式穩壓器(switching regulator)，其中該漣波控制切換式穩壓器包含有一切換器、一電感耦接於該切換器以及一電容耦接於該電感。倘若大體上可達到相同的結果，並不一定需要按照第5圖所示之流程中的步驟順序來進行，且第5圖所示之步驟不一定要連續進行，亦即其他步驟亦可插入其中。此外，第5圖中的某些步驟可根據不同實施例或設計需求省略之。詳細步驟如下：步驟S502：利用該切換器來依據一控制訊號來選擇性地將一第一參考電壓或一第二參考電壓輸出為一輸出電壓；步驟S504：利用該電感來依據該輸出電壓來產生一電感輸出電壓；步驟S506：偵測該輸出電壓是否含有雙重脈衝並產生一偵測結果；步驟S508：依據該偵測結果、該輸出電壓以及該電感輸出電壓產生一校正輸出電壓；步驟S510：對該校正輸出電壓進行微分，並產生該處理後電感輸出電壓步驟S512：依據該處理後電感輸出電壓以及一預定電壓，並產生一比較結果；以及 步驟S514：依據該比較結果產生該控制訊號。
熟習此領域者在閱讀過本說明書中稍早對於第1圖~第4圖的詳細說明之後，應能清楚地明瞭第5圖的漣波控制切換式穩壓方法500的步驟S502~步驟S514，因此為簡潔起見，在此便不針對其中的細節作更進一步的說明。
本說明書中所揭露的實施例係利用校正寄生電感效應來避免雙重脈衝，同時相較於傳統設計中直接量測電感電流的作法，本說明書中利用校正寄生電感效應的作法具有成本較低，而且誤差較小的優點。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100‧‧‧漣波控制切換式穩壓器
102‧‧‧切換器
104‧‧‧電感
106‧‧‧濾波電容
108‧‧‧輸出電壓處理單元
110‧‧‧控制單元
112‧‧‧特定電壓增益調整單元
1022、1024‧‧‧金屬氧化半導體
1082‧‧‧雙重脈衝偵測單元
1084‧‧‧電壓校正單元
10842‧‧‧寄生電感校正單元
10844‧‧‧微分器
1102‧‧‧比較器
1104‧‧‧固定導通時間單元
1106‧‧‧非重疊處理單元

Claims (15)

  1. 一種漣波控制(ripple-based control)切換式穩壓器(switching regulator)，包含有：一切換器，用來依據一控制訊號來選擇性地將一第一參考電壓或一第二參考電壓輸出為一輸出電壓；一電感，耦接於該切換器，並依據該輸出電壓來產生一電感輸出電壓；一電容，耦接於該電感；一輸出電壓處理單元，用來依據該輸出電壓以及該電感輸出電壓來輸出一處理後電感輸出電壓；以及一控制單元，用來至少依據該處理後電感輸出電壓來輸出該控制訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的漣波控制切換式穩壓器，其中該輸出電壓處理單元包含有：一雙重脈衝偵測單元，用來偵測該輸出電壓是否含有雙重脈衝並產生一偵測結果；以及一電壓校正單元，用來依據該偵測結果、該輸出電壓以及該電感輸出電壓來產生該處理後電感輸出電壓。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的漣波控制切換式穩壓器，其中該電壓校正單元包含有：一校正電路，用來依據該偵測結果、該輸出電壓以及該電感輸出電壓產生一校正輸出電壓；以及一微分器，用來對該校正輸出電壓進行微分，並產生該處理後電感輸出電壓。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的漣波控制切換式穩壓器，其中該校正電路包 含有：一第一運算放大器，包含有一第一輸入端、一第二輸入端以及一輸出端，其中該第一輸入端係用來接收該電感輸出電壓，該輸出端係輸出該校正輸出電壓；一增益調整電路，具有一增益值，用來對該輸出電壓進行一增益處理並於一輸出端產生一增益輸出電壓，其中該增益值係依據該偵測結果來調整；以及一第一分壓電路，串接於該第一運算放大器之該輸出端以及該增益調整電路之該輸出端之間，用來產生一第一分壓至該第一運算放大器之該第二輸入端。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的漣波控制切換式穩壓器，其中當該偵測結果顯示該輸出電壓含有雙重脈衝時，該增益調整電路調整該增益值。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的漣波控制切換式穩壓器，另包含有一特定電壓增益調整單元，包含有：一第二運算放大器，包含有一第一輸入端、一第二輸入端以及一輸出端，其中該第二運算放大器之該第一輸入端係用來接收一預定電壓；以及一第二分壓電路，串接於該第二運算放大器之該輸出端與一第三參考電壓之間，用來產生一第二分壓至該第二運算放大器之該第二輸入端；其中該控制單元係依據該處理後電感輸出電壓與該第二運算放大器之該輸出端的輸出電壓來輸出該控制訊號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的漣波控制切換式穩壓器，其中該第一、第二分壓電路具有相同的分壓比率。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的漣波控制切換式穩壓器，其中該第一參考電壓係為供應電壓，以及該第二、第三參考電壓均為接地電壓。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的漣波控制切換式穩壓器，其中該控制單元包含有：一比較器，用以依據該處理後電感輸出電壓以及一預定電壓，來產生一比較結果；以及一控制訊號產生電路，用來依據該比較結果產生該控制訊號。
  10. 一種漣波控制(ripple-based control)切換式穩壓方法，用來控制一漣波控制切換式穩壓器(switching regulator)，其中該漣波控制切換式穩壓器包含有一切換器、一電感耦接於該切換器以及一電容耦接於該電感，該漣波控制切換式穩壓方法包含有：利用該切換器來依據一控制訊號來選擇性地將一第一參考電壓或一第二參考電壓輸出為一輸出電壓；利用該電感來依據該輸出電壓來產生一電感輸出電壓；依據該輸出電壓以及該電感輸出電壓來輸出一處理後電感輸出電壓；以及利用該控制單元來至少依據該處理後電感輸出電壓來輸出該控制訊號。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的漣波控制切換式穩壓方法，其中依據該輸出電壓以及該電感輸出電壓來輸出該處理後電感輸出電壓的步驟包含有：偵測該輸出電壓是否含有雙重脈衝並產生一偵測結果；以及依據該偵測結果、該輸出電壓以及該電感輸出電壓來產生該處理後電感 輸出電壓。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的漣波控制切換式穩壓方法，其中依據該偵測結果、該輸出電壓以及該電感輸出電壓來產生該處理後電感輸出電壓的步驟包含有：依據該偵測結果、該輸出電壓以及該電感輸出電壓產生一校正輸出電壓；以及對該校正輸出電壓進行微分，並產生該處理後電感輸出電壓。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的漣波控制切換式穩壓方法，其中依據該偵測結果、該輸出電壓以及該電感輸出電壓產生該校正輸出電壓的步驟包含有：利用一第一運算放大器進行負回授，其中該第一運算放大器包含有一第一輸入端、一第二輸入端以及一輸出端，其中該第一輸入端係用來接收該電感輸出電壓，該輸出端係輸出該校正輸出電壓；利用一增益處理電路對該輸出電壓進行一增益處理並產生一增益輸出電壓，其中該增益處理電路的一增益值係依據該偵測結果來調整；以及利用一第一分壓電路來產生一第一分壓至該第一運算放大器之該第二輸入端，其中該第一分壓電路係串接於該第一運算放大器之該輸出端以及該增益輸出電壓之間。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的漣波控制切換式穩壓方法，其中當該偵測結果顯示該輸出電壓含有雙重脈衝時，該增益處理電路不斷調整該增益值，直到該偵測結果顯示該輸出電壓不含有雙重脈衝為止。
  15. 如申請專利範圍第10項所述的漣波控制切換式穩壓方法，其中至少依據該處理後電感輸出電壓來輸出該控制訊號的步驟包含有：依據該處理後電感輸出電壓以及一預定電壓，並產生一比較結果；以及依據該比較結果產生該控制訊號。
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