TWI555318B - 電壓轉換器 - Google Patents

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Description

電壓轉換器
本發明是有關於一種電壓轉換器，且特別是有關於一種可快速穩定其所提供的輸出信號的降壓式電壓轉換器。
請參照圖1，圖1繪示習知技術的電壓轉換器的電路圖。習知的電壓轉換器100包括閘極控制器110、漣波注入電路120、放大器OP1、OP2、電晶體M1、M2、電容C1、C2、電阻R1、R2以及電感L1。閘極控制器110週期性的提供驅動信號以控制電晶體M1、M2的導通或切斷狀態，並藉此來產生輸出信號VOUT。
以下請同步參照圖1以及圖2，其中圖2繪示閘極控制器110在負載狀態改變時的動作波形圖。當電壓轉換器100的負載狀態改變時(例如由輕載進入重載)，負載電流ILOAD由低電流值切換至高電流值。對應於此，輸出信號VOUT以及回授信號VFB的電壓值也會隨著負載電流的增加而下降。在此時期，漣波注入電路120會依據回授信號VFB的大小來產生斜波(ramp)信號RAMP，並提供斜波信號RAMP加上回授信號VFB至放大器OP1、OP2來使放大器OP2產生比較電壓COMP。閘極控制器110再依 據比較電壓COMP來控制其驅動信號的產生動作。
由圖2的繪示可以清楚的得知，習知的電壓轉換器100中，斜波信號RAMP的直流成分會因負載電流ILOAD的降低所造成的電感L1上的電流增加而增加，而回授信號VFB的電壓則隨著負載電流ILOAD的降低而降低。因此，漣波注入電路120提供至放大器OP1、OP2的信號(斜波信號RAMP加上回授信號VFB)中，無法反映出負載狀態的變化狀態電流，因此，比較電壓COMP不能因應負載狀態的大幅變化來進行調整，致使輸出信號VOUT的電壓值大幅的下降。
本發明提供一種電壓轉換器，在負載狀態切換時可對應快速反應，有效提供穩定的輸出信號。
本發明的電壓轉換器，包括固定導通時間信號產生器、第一電晶體、第二電晶體、電感、漣波信號補償器以及漣波注入電路。固定導通時間信號產生器產生第一驅動信號以及第二驅動信號。第一電晶體具有第一端、第二端以及控制端，其第一端接收一電源電壓，其控制端接收第一驅動信號，其第二端產生一切換電壓。第二電晶體具有第一端、第二端以及控制端，第二電晶體的第一端耦接第一電晶體的第二端，第二電晶體的控制端接收第二驅動信號，第二電晶體的第二端耦接至參考接地端。電感串接在第一電晶體的第二端與電壓轉換器的輸出端間，電壓轉換器 接收切換電壓並在輸出端上產生輸出信號。漣波信號補償器耦接輸出端及第一電晶體的第二端，依據切換電壓及輸出信號以產生調整後漣波信號。漣波注入電路耦接至漣波信號補償器，依據調整後漣波信號以產生漣波注入信號。其中，固定導通時間信號產生器依據漣波注入信號以及參考電壓以產生第一及第二驅動信號。
在本發明的一實施例中，上述的漣波信號補償器依據切換電壓及輸出信號產生斜波信號，針對斜波信號進行濾波以產生濾波後斜波信號，更依據斜波信號及濾波後斜波信號來產生調整後漣波信號。
在本發明的一實施例中，上述的漣波信號補償器使斜波信號及濾波後斜波信號相減以產生調整後漣波信號。
在本發明的一實施例中，上述的漣波信號補償器包括斜波信號產生器、低通濾波器以及減法器。斜波信號產生器接收切換電壓及輸出信號，依據切換電壓及輸出信號以產生斜波信號。低通濾波器耦接斜波信號產生器，針對斜波信號進行濾波以產生濾波後斜波信號。減法器耦接低通濾波器，使斜波信號及濾波後斜波信號進行相減以產生調整後漣波信號。
在本發明的一實施例中，電壓轉換器更包括比較器。比較器具有第一及第二輸入端以分別接收參考電壓及漣波注入信號，比較參考電壓及漣波注入信號以產生比較結果。比較器並傳送比較結果至固定導通時間信號產生器，其中，固定導通時間信 號產生器依據比較結果來產生第一驅動信號以及第二驅動信號。
在本發明的一實施例中，電壓轉換器更包括放大器以及電容。放大器的第一輸入端接收參考電壓，第二輸入端接收漣波注入信號，其輸出端耦接至比較器的第一輸入端。電容串接在放大器的輸出端及參考接地端間。
在本發明的一實施例中，上述的漣波注入電路依據調整後漣波信號產生斜波電流，並依據斜波電流產生漣波注入信號。
在本發明的一實施例中，上述的漣波注入電路包括轉導放大器、電容、加法器以及重置開關。轉導放大器的一輸入端接收輸出信號，另一輸入端接收參考接地端，其輸出端產生斜波電流。轉導放大器的一輸入端接收輸出信號，另一輸入端接收參考接地端，其輸出端產生斜波電流。重置開關與電容並連耦接，重置開關依據控制信號以導通或斷開。加法器使斜波電壓以及輸出信號相加，並產生漣波注入信號。
在本發明的一實施例中，上述的第一電晶體依據第一驅動信號被導通的時間是固定的。
在本發明的一實施例中，電壓轉換器更包括電容，串接在輸出端以及參考接地端間。
基於上述，本發明提供漣波信號補償器，使電壓轉換器在負載狀態發生改變的情況下，可將輸出信號因負載狀態改變所造成的電壓下降的狀態真實的傳送至固定導通時間信號產生器上。如此一來，固定導通時間信號產生器可產生對應的驅動信號 以使輸出信號的電壓值快速的回復至所設定的目標電壓值上，提升電壓轉換器的效能。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
110‧‧‧閘極控制器
100、300‧‧‧電壓轉換器
310‧‧‧固定導通時間信號產生器
330‧‧‧漣波信號補償器
320、120‧‧‧漣波注入電路
M1、M2‧‧‧電晶體
L1‧‧‧電感
C1、C2、C11、C12‧‧‧電容
OT‧‧‧輸出端
VOUT‧‧‧輸出信號
R1、R2、R11‧‧‧電阻
VIN‧‧‧電源電壓
GND‧‧‧參考接地端
VFB‧‧‧回授信號
VLX‧‧‧切換電壓
OP1、OP2、OP3‧‧‧放大器
VREF‧‧‧參考電壓
CMP1‧‧‧比較器
RINJ‧‧‧漣波注入信號
COMP‧‧‧比較信號
VRC‧‧‧調整後漣波信號
ILOAD‧‧‧負載電流
RAMP‧‧‧斜波信號
410‧‧‧斜波信號產生器
420‧‧‧低通濾波器
430‧‧‧減法器
FRAMP‧‧‧濾波後斜波信號
UGATE‧‧‧驅動信號
600‧‧‧漣波注入電路
OTA‧‧‧轉導放大器
C3‧‧‧電容
SW1‧‧‧重置開關
ADD‧‧‧加法器
IRMP‧‧‧斜波電流
VRMP‧‧‧斜波電壓
CTRL‧‧‧控制信號
圖1繪示習知技術的電壓轉換器的電路圖。
圖2繪示閘極控制器110在負載狀態改變時的動作波形圖。
圖3繪示本發明一實施例的電壓轉換器的示意圖。
圖4A繪示的漣波信號補償器330的一實施方式的示意圖。
圖4B繪示斜波信號產生器410的實施方式的示意圖。
圖5繪示本發明實施例的電壓轉換器300在負載狀態傳換下的動作波形圖。
圖6繪示本發明實施例的漣波注入電路的一實施方式的示意圖。
以下請參照圖3，圖3繪示本發明一實施例的電壓轉換器的示意圖。電壓轉換器300包括固定導通時間信號產生器310、電晶體M1、M2、電感L1、漣波信號補償器330以及漣波注入電路320。電壓轉換器300的輸出端OT上產生輸出信號VOUT，其中 電壓轉換器300可以是降壓式電壓轉換器。輸出信號VOUT可透過電阻R1、R2所形成的分壓電路來產生回授信號VFB。固定導通時間信號產生器310提供驅動信號至電晶體M1、M2的控制端(例如閘極)，並用以控制電晶體M1、M2的導通或斷開的狀態。電晶體M1、M2依序串接在電源電壓VIN及參考接地端GND間。其中，電晶體M1的第一端接收電源電壓VIN，第二端耦接至電感L1並用以產生切換電壓VLX。電晶體M2的第二端耦接至參考接地端GND，第二端耦接至電感L1並用以產生切換電壓VLX。電感L1未耦接至電晶體M1、M2的端點耦接至輸出端OT，並產生輸出信號VOUT。另外，電容C1串接在輸出端OT與參考接地端GND間。
放大器OP3的輸入端接收參考電壓VREF以及漣波注入電路320所提供的漣波注入信號RINJ。電容C2耦接在參考接地端GND以及放大器OP3的輸出端間，放大器OP3與電容C2形成積分器電路。比較器CMP1接收並比較漣波注入信號RINJ以及放大器OP3的輸出端的電壓，且藉以產生比較信號COMP。其中，固定導通時間信號產生器310依據比較信號COMP來產生控制電晶體M1、M2的驅動信號。
漣波信號補償器330耦接至輸出端OT及電晶體M1的第二端，並依據切換電壓VLX及依據輸出信號VOUT所產生的回授信號VFB來產生調整後漣波信號VRC。漣波注入電路320則耦接至漣波信號補償器330，依據調整後漣波信號VRC以產生漣波注 入信號RINJ。
關於漣波信號補償器330的實施細節，請參照圖4A繪示的漣波信號補償器330的一實施方式的示意圖。漣波信號補償器330包括斜波信號產生器410、低通濾波器420以及減法器430。斜波信號產生器410接收回授信號VFB以及切換電壓VLX，其中，回授信號VFB依據輸出信號VOUT所產生。斜波信號產生器410依據切換電壓VLX及回授信號VFB產生斜波信號RAMP，並將斜波信號RAMP傳送至低通濾波器420以及減法器430，值得注意的是，斜波信號RAMP是具有漣波成分的信號。而低通濾波器420則可濾除斜波信號RAMP的高頻成分，也就是斜波信號RAMP的漣波成分，並藉此產生濾波後斜波信號FRAMP。
另外，濾波後斜波信號FRAMP被提供至減法器430。減法器430使斜波信號RAMP減去濾波後斜波信號FRAMP來產生調整後漣波信號VRC。具體來說明，減法器430減去斜波信號RAMP中的低頻成分，並藉以產生調整後漣波信號VRC。
另外，請參照圖4B，圖4B繪示斜波信號產生器410的實施方式的示意圖。斜波信號產生器410包括電阻R11、電容C11及C12。電阻R11的一端接收切換電壓VLX，其另一端耦接至電容C11、C12的共同耦接端。電容C11未耦接電阻R11的端點接收回授信號VFB，此外，電容C12未耦接電阻R11的端點產生斜波信號RAMP。
在關於本發明實施例的電壓轉換器300的動作細節上， 請同步參照圖3、4A以及圖5。其中，圖5繪示本發明實施例的電壓轉換器300在負載狀態傳換下的動作波形圖。在當負載狀態由輕載變為重載時，電流ILOAD由小變大，驅動上端電晶體M1的驅動信號UGATE的切換週期變短，並使電晶體M1保持固定的導通時間。此時，斜波信號產生器410依據切換電壓VLX以及回授信號VFB產生上升具有漣波的斜波信號RAMP。透過低通濾波器420以及減法器430的動作，漣波信號補償器330產生的調整後漣波信號VRC中，其相對低頻的斜波成分會被消除，而僅留下漣波成分，即如圖5所示。
如此一來，漣波注入電路320針對調整後漣波信號VRC以及回授信號VFB進行加成所產生的漣波注入信號RINJ可以保留輸出信號VOUT的下降趨勢，而這個下降趨勢可以有效的提供給比較器CMP1進行比較動作，並藉以產生比較信號COMP。由圖5可以清楚得知，比較信號COMP對應輸出信號VOUT的下降趨勢(等同回授信號VFB的下降趨勢)可產生大幅度的反應，並控制固定導通時間信號產生器310產生對應的驅動信號UGATE，以使輸出信號VOUT的電壓值快速回升。
以下請參照圖6，圖6繪示本發明實施例的漣波注入電路的一實施方式的示意圖。漣波注入電路600包括轉導放大器OTA、電容C3、重置開關SW1以及加法器ADD。轉導放大器OTA的一輸入端接收調整後漣波信號VRC，轉導放大器OTA的另一輸入端耦接參考接地端GND，轉導放大器OTA的輸出端產生斜波電流 IRMP。也就是說，漣波注入電路600中的轉導放大器OTA透過擷取調整後漣波信號VRC的漣波部份，並轉換所擷取的漣波部份為斜波電流IRMP。電容C3耦接轉導放大器OTA的輸出端以接收斜波電流IRMP以進行充電，並藉以產生斜波電壓VRMP。
附帶一提的，重置開關SW1的一端耦接至轉導放大器OTA的輸出端，其另一端則耦接至參考接地電壓GND。重置開關SW1依據控制信號CTRL以導通或斷開，並且，當重置開關SW1依據控制信號CTRL而導通時，電容C3中的電荷可以透過導通的重置開關SW1進行放電，並使電容C3的兩端的電壓差在接收下一次斜波電流IRMP前，可以保持等於零伏特。由於調整後漣波信號VRC的漣波部份是週期性的產生的，因此斜波電流IRMP也對應為週期性的被產生，也因此，重置開關SW1的導通及斷開動作，也會週期性的交互發生
加法器ADD可針對斜波電壓VRMP以及回授信號VFB進行加法運算，重點在於，由於前一級的漣波信號補償器所產生的調整後漣波信號VRC不具有低頻的斜波成分，因此，加法器ADD所產生的漣波注入信號RINJ中可以帶有回授信號VFB因負載狀態的改變所造成的電壓下降的狀態。
綜上所述，本發明提供漣波信號補償器來產生調整後漣波信號，並使漣波注入電路依據調整後漣波信號來產生漣波注入信號。如此一來，負載狀態變化可以有效的被反應至固定導通時間信號產生器。固定導通時間信號產生器可以因應負載的變化來 動態的調整驅動信號，並藉以提供更為穩定的輸出信號。
300‧‧‧電壓轉換器
310‧‧‧固定導通時間信號產生器
330‧‧‧漣波信號補償器
320‧‧‧漣波注入電路
M1、M2‧‧‧電晶體
L1‧‧‧電感
C1、C2‧‧‧電容
OT‧‧‧輸出端
VOUT‧‧‧輸出信號
R1、R2‧‧‧電阻
VIN‧‧‧電源電壓
GND‧‧‧參考接地端
VFB‧‧‧回授信號
VLX‧‧‧切換電壓
OP3‧‧‧放大器
VREF‧‧‧參考電壓
CMP1‧‧‧比較器
RINJ‧‧‧漣波注入信號
COMP‧‧‧比較信號
VRC‧‧‧調整後漣波信號

Claims (9)

  1. 一種電壓轉換器，包括：一固定導通時間信號產生器，產生一第一驅動信號以及一第二驅動信號；一第一電晶體，具有第一端、第二端以及控制端，其第一端接收一電源電壓，其控制端接收該第一驅動信號，其第二端產生一切換電壓；一第二電晶體，具有第一端、第二端以及控制端，該第二電晶體的第一端耦接該第一電晶體的第二端，該第二電晶體的控制端接收該第二驅動信號，該第二電晶體的第二端耦接至一參考接地端；一電感，串接在該第一電晶體的第二端與該電壓轉換器的一輸出端間，該電壓轉換器接收該切換電壓並在該輸出端上產生一輸出信號；一漣波信號補償器，耦接該輸出端及該第一電晶體的第二端，依據該切換電壓及該輸出信號以產生一調整後漣波信號；以及一漣波注入電路，耦接至該漣波信號補償器，依據該調整後漣波信號以產生一漣波注入信號，其中，該固定導通時間信號產生器依據該漣波注入信號以及一參考電壓以產生該第一及該第二驅動信號，該漣波信號補償器依據該切換電壓及該輸出信號產生一斜波信號，針對該斜波信號 進行濾波以產生一濾波後斜波信號，更依據該斜波信號及該濾波後斜波信號來產生該調整後漣波信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電壓轉換器，其中該漣波信號補償器使該斜波信號及該濾波後斜波信號相減以產生該調整後漣波信號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的電壓轉換器，其中該漣波信號補償器包括：一斜波信號產生器，接收該切換電壓及該輸出信號，依據該切換電壓及該輸出信號以產生該斜波信號；一低通濾波器，耦接該斜波信號產生器，針對該斜波信號進行濾波以產生該濾波後斜波信號；以及一減法器，耦接該低通濾波器，使該斜波信號及該濾波後斜波信號進行相減以產生該調整後漣波信號。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的電壓轉換器，更包括：一比較器，具有第一及第二輸入端以分別接收該參考電壓及該漣波注入信號，比較該參考電壓及該漣波注入信號以產生一比較結果，該比較器並傳送該比較結果至該固定導通時間信號產生器，其中，該固定導通時間信號產生器依據該比較結果來產生該第一驅動信號以及該第二驅動信號。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的電壓轉換器，更包括：一放大器，其第一輸入端接收該參考電壓，第二輸入端接收 該漣波注入信號，其輸出端耦接至該比較器的第一輸入端；以及一電容，串接在該放大器的輸出端及該參考接地端間。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的電壓轉換器，其中該漣波注入電路依據該調整後漣波信號產生一斜波電流，並依據該斜波電流產生該漣波注入信號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電壓轉換器，其中該漣波注入電路包括：一轉導放大器，其一輸入端接收該輸出信號，另一輸入端耦接該參考接地端，其輸出端產生該斜波電流；一電容，其第一端耦接該轉導放大器的輸出端及該固定導通時間信號產生器，其第二端耦接至該參考接地端，該電容接收該斜波電流並在其第一端產生該斜波電壓；一重置開關，與該電容並連耦接，該重置開關依據一控制信號以導通或斷開；以及一加法器，使該斜波電壓以及該輸出信號相加，並產生該漣波注入信號。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的電壓轉換器，其中該第一電晶體依據該第一驅動信號被導通的時間是固定的。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的電壓轉換器，更包括：一電容，串接在該輸出端以及該參考接地端間。
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