TWI569569B - 切換式穩壓器 - Google Patents

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Description

切換式穩壓器
本發明係關於一種切換式穩壓器，尤指一種可根據工作狀態來動態調整責任週期(duty cycle)的切換式穩壓器。
一般來說，用以降低直流電源供應器的電壓的最簡單方式即為採用線性穩壓器，然而此種作法會較為耗電。相對地，由於切換式穩壓器在操作上較不耗電，目前已被廣泛地使用。舉例來說，常見的切換式穩壓器有升壓(boost)穩壓器以及降壓(buck)穩壓器，該些切換式穩壓器會藉由一回授路徑來調整其切換開關的責任週期(duty cycle)。
然而，現有技術中的切換式穩壓器往往無法提供良好的暫態響應(transient response)。舉例來說，現有技術中的切換式穩壓器無法因應系統的負載情形來對應地調整工作週期。因此，有需要提供一種新的切換式穩壓器來解決上述問題。
本發明的一實施例提供了一種切換式穩壓器，該切換式穩壓器用以接收一輸入電壓以及對應地提供一輸出電壓，並且包含有一切換電路、一電感器、一直流補償電路以及一控制電路。該切換電路係耦接於該輸入電壓；該電感器係耦接於該切換電路，用以自該切換電路接收該輸入電壓，並提供該輸出電壓至一負載；該直流補償電路係用以將來自該輸出電壓的一回授訊 號與一閥值進行比較，以動態調整一直流補償電壓；該控制電路係用以決定該切換電路的責任週期，其中該控制電路會至少根據該直流補償電壓來調整該切換電路的責任週期。
本發明的實施例的切換式穩壓器可根據來自該輸出電壓的回授訊號，而動態調整一直流補償電壓，以對應地調整切換電路的責任週期，其中當負載端為輕載轉重載時加速調升責任週期以及當負載端為重載轉輕載時加速調降責任週期，進而使負載端有更好的暫態響應(transient response)，並提高整體穩壓效能。
100、200‧‧‧切換式穩壓器
20‧‧‧切換電路
30‧‧‧電感器
40‧‧‧直流補償電路
50‧‧‧控制電路
52‧‧‧誤差放大器
54‧‧‧比較器
56‧‧‧控制邏輯電路
60‧‧‧分壓電路
Vin‧‧‧輸入電壓
VO‧‧‧輸出電壓
CO‧‧‧電容
Q1‧‧‧第一開關
Q2‧‧‧第二開關
RO‧‧‧負載
CO‧‧‧電容
RL、Ri‧‧‧電阻元件
RC‧‧‧電阻元件
R1、R2‧‧‧電阻
VFB‧‧‧回授訊號
VC‧‧‧控制訊號
VREF‧‧‧參考電壓
VDC‧‧‧直流補償電壓
VCS‧‧‧感測電壓
VS‧‧‧斜率補償訊號
VTH‧‧‧閥值
W1、W2、W3‧‧‧波形
第1圖係為根據本發明的第一實施例的切換式穩壓器的示意圖。
第2圖係為根據本發明的第二實施例的切換式穩壓器的示意圖。
第3圖係為第2圖所示的比較器的加總訊號的示意圖。
第4圖係為第2圖所示的比較器的加總訊號於不同操作模式下所產生的波形。
第5圖係為第2圖所示的比較器在不同負載情況下的加總訊號以及對應的輸出訊號的示意圖。
在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同樣的元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故 應解釋成「包含但不限定於」。另外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。
第1圖係為根據本發明的第一實施例的切換式穩壓器的示意圖。切換式穩壓器100用以接收一輸入電壓Vin以及對應地提供一輸出電壓VO，並包含一切換電路20、一電感器30、一直流補償電路40以及一控制電路50。電感器30係耦接於切換電路20，用以自切換電路20接收輸入電壓Vin，並提供輸出電流iL(亦即電感電流)至一負載RO。在一第一操作期間，控制電路50會開啟切換電路20中的第一開關Q1以及關閉切換電路20中的第二開關Q2，以將能量自輸入電壓Vin經由電感器30而傳送至電容CO。在此狀態下，輸入電壓Vin可透過電感器30向負載RO提供電流。此外，在一第二操作期間，控制電路會關閉切換電路20中的第一開關Q1以及開啟切換電路20中的第二開關Q2，以將在電容CO之內的能量傳送至負載RO，電感器30會藉由逆反其電壓以繼續向負載RO提供電流。電容CO與地端電位(或是低邏輯電位)之間可耦接一電阻元件RC，且電感器30與負載RO之間可耦接一電阻元件RL，但本發明不以此為限。
直流補償電路40係用以將來自輸出電壓VO的一回授訊號VFB與一預定閥值VTH進行比較，以動態調整一直流補償電壓VDC。直流補償電路40會將直流補償電壓VDC傳送到控制電路50。控制電路50會至少根據直流補償電壓VDC來調整切換電路20的責任週期。換言之，直流補償電壓VDC的大小會影響切換電路20之責任週期的長短。舉例來說，當回授訊號VFB小於閥值VTH時，直流補償電路40可降低直流補償電壓VDC，進而使得控制電路50延長切換電路20的責任週期；以及當回授訊號VFB大於閥值VTH時， 直流補償電路40可增加直流補償電壓VDC，進而使得控制電路50縮短切換電路的責任週期，以上操作將詳述於後續段落中。請注意，於一實作方式中，直流補償電壓VDC僅是控制電路50所參考的複數個控制參數的其中之一，換言之，切換電路20之責任週期的長短另會受到其他控制參數的影響。
請參考第2圖，第2圖係為根據本發明的第二實施例的切換式穩壓器200的示意圖，其中切換式穩壓器200可用作為一降壓轉換器(buck convertor)，但不以此為限。請注意，切換式穩壓器200可視為切換式穩壓器100的其中一種細部實作方式，進一步來說，第1圖所示之控制電路50可由第2圖所示之控制電路250的電路架構來加以實現，然而切換式穩壓器100並不以局限於切換式穩壓器200的設置。此外，為了簡潔之故，切換式穩壓器200中與切換式穩壓器100的相仿之處將不另贅述。如第2圖所示，切換式穩壓器200另包含一分壓電路60，用以根據輸出電壓VO來產生回授訊號VFB，其中分壓電路60可利用圖示的二電阻R1、R2來實現，但本發明不以此為限。此外，控制電路250包含有一誤差放大器52、一比較器54以及一控制邏輯電路56。誤差放大器52係用以接收回授訊號VFB，並將回授訊號VFB與一參考電壓VREF進行比較，以產生一控制訊號VC。比較器54可例如是為一脈衝寬度調變(pulse-width modulation,PWM)比較器，用以接收控制訊號VC、直流補償電路40傳來的直流補償電壓VDC、對應切換電路20的輸出端的一感測電壓VCS以及一斜率補償訊號VS，並且根據控制訊號VC、直流補償電壓VDC、感測電壓VCS以及斜率補償訊號VS來產生一比較結果，其中該比較結果可以是一方波，且比較器54可對直流補償電壓VDC、感測電壓VCS以及斜率補償訊號VS進行加總，並將加總後的輸入訊號(以下簡稱加總訊號)與控制訊號VC進行比較來輸出該方波。控制邏輯電路56會根據比較結果(即該方波)來決定切換電路20中各個開關(即電晶體Q1、Q2)的責任週期。在本實施例中，電晶體Q1、Q2的控制端係耦接於控制邏輯電路56， 且控制邏輯電路56會根據比較器54傳來的比較結果而於一第一操作期間開啟第一開關Q1以及關閉第二開關Q2，以及於一第二操作期間關閉第一開關Q1以及開啟第二開關Q2，其中第一開關Q1的導通時間TON(Q1)與一脈衝調 變週期T的比值(亦即)即為第一開關Q1的責任週期D(Q1)，而第二開 關Q2的導通時間TON(Q2)與該脈衝調變週期T的比值(亦即)即為第二 開關Q2的責任週期D(Q2)，此外，D(Q1)+D(Q2)=1，亦即第一開關Q1的責任週期與第二開關Q2的責任週期的總和為全部的(100%)責任週期。
請參考第3圖，第3圖係為第2圖所示的比較器54的加總後的輸入訊號的示意圖，其中該加總訊號係為直流補償電壓VDC、感測電壓VCS以及斜率補償訊號VS的加總結果，並且可被視為三角波(ramp)或是鋸齒波(sawtooth)。VCS係為電流感應電壓(current sense voltage)，其值可為iL*R，其中iL係為切換電路20的輸出電流，R係為電阻元件Ri的阻值。透過提供直流補償電壓VDC至比較器54，可解決在低供應電流以及低責任週期的情況下，切換式穩壓器200有嚴重的操作誤差的問題。
請參考第4圖，第4圖係為第2圖所示的比較器54的加總訊號於不同操作模式下所產生的波形。如第4圖所示，由左至右依序為在低電流操作下經由直流電壓補償所產生的波形W1、在低電流以及低責任週期操作下經由直流電壓補償所產生的波形W2，以及在低電流以及低責任週期操作下未經直流電壓補償所產生的波形W3。從第4圖可看出，在具有高責任週期時，波形W1即使未作直流電壓補償也還是具有足夠的增益；而當責任週期變小時，波形W3的增益太小且未進行直流電壓補償，這將會導致後續的電路有操作誤差的情形，而波形W2因為有作直流電壓補償，可避免後續的電路有操作誤差的情形。
請參考第5圖，第5圖係為第2圖所示的比較器54在不同負載情況下的加總訊號以及對應的輸出訊號的示意圖，其中由左到右依序為第一模式、正常模式、第二模式。首先，在中間的正常模式中，比較器54的加總訊號係為直流補償電壓VDC、感測電壓VCS以及斜率補償訊號VS的總和，而此加總訊號會與比較器54的另一輸入端的控制訊號VC進行比較，以對應地輸出一方波(可視為用來提供給控制邏輯電路56的責任週期)，其中當加總訊號的超過控制訊號VC的大小時，比較器54輸出的方波即會由高準位降到低準位。
當偵測到負載(如第2圖所示的負載RO)係為重載狀態時，大部分的電流iL於負載損耗，導致由負載RO分壓而來的回授訊號VFB會小於閥值VTH。此時，可採用左側的第一模式，其中直流補償電路40會降低直流補償電壓VDC的值(亦即提供低於正常模式的直流補償電壓VDC)，以延後加總訊號到達控制訊號VC的大小的時間(亦即延後地於虛線處的時間到達控制訊號VC)。如此一來，控制電路50中的控制邏輯電路56會延長切換電路20的責任週期，以得到較長的充電時間，而快速地反應上述重載狀態。
當偵測到負載(如第2圖所示的負載RO)係為輕載狀態時，僅有少部份的電流iL於負載損耗，因此由負載RO分壓而來的回授訊號VFB會大於閥值VTH。此時，可採用右側的第二模式，其中直流補償電路40會提高直流補償電壓VDC的值(亦即提供高於正常模式的直流補償電壓VDC)，以使加總訊號到達控制訊號VC的大小的時間提前(亦即提前地於虛線處的時間到達控制訊號VC)。如此一來，控制電路50中的控制邏輯電路56會縮短切換電路20的責任週期，以減少輸入電壓進行充電的時間。請注意，直流補償電路40的閥值可根據實際應用需求來設定，較佳的是，所設定的閥值能夠反應負 載RO端的負載情形，以使直流補償電路40能夠輸出適當的直流補償電壓VDC給控制電路50。
綜上所述，本發明的切換式穩壓器(例如實施例中的切換式穩壓器100、200)可根據來自輸出電壓的回授訊號，而動態調整直流補償電壓，以對應地調整切換電路的責任週期，其中當負載端為輕載轉重載時加速調升責任週期以及當負載端為重載轉輕載時加速調降責任週期，進而使負載端有更好的暫態響應(transient response)，並提高整體穩壓效能。
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‧‧‧切換式穩壓器
20‧‧‧切換電路
30‧‧‧電感器
40‧‧‧直流補償電路
50‧‧‧控制電路
Vin‧‧‧輸入電壓
VO‧‧‧輸出電壓
CO‧‧‧電容
Q1‧‧‧第一開關
Q2‧‧‧第二開關
RO‧‧‧負載
CO‧‧‧電容
Ri‧‧‧電阻元件
RC‧‧‧電阻元件
VFB‧‧‧回授訊號
VC‧‧‧控制訊號
VREF‧‧‧參考電壓
VDC‧‧‧直流補償電壓
VCS‧‧‧感測電壓
VS‧‧‧斜率補償訊號
VTH‧‧‧閥值
W1、W2、W3‧‧‧波形

Claims (10)

  1. 一種切換式穩壓器，用以接收一輸入電壓，以及對應地提供一輸出電壓，該切換式穩壓器包含有：一切換電路，耦接於該輸入電壓；一電感器，耦接於該切換電路，用以自該切換電路接收該輸入電壓，並提供該輸出電壓至一負載；一直流補償電路，用以將來自該輸出電壓的一回授訊號與一閥值進行比較，以動態調整一直流補償電壓；以及一控制電路，用以決定該切換電路的責任週期，其中該控制電路會至少根據該直流補償電壓來調整該切換電路的責任週期；該控制電路包含有一誤差放大器，用以接收該回授訊號，並將該回授訊號與一參考電壓進行比較，以產生一控制訊號。
  2. 如請求項1所述之切換式穩壓器，其中當該回授訊號小於該閥值時，該直流補償電路降低該直流補償電壓，進而使得該控制電路延長該切換電路的責任週期。
  3. 如請求項1所述之切換式穩壓器，其中當該回授訊號大於該閥值時，該直流補償電路增加該直流補償電壓，進而使得該控制電路縮短該切換電路的責任週期。
  4. 如請求項1所述之切換式穩壓器，其係為一降壓轉換器(buck convertor)。
  5. 如請求項1所述之切換式穩壓器，另包含一分壓電路，用以根據該輸出 電壓來產生該回授訊號。
  6. 如請求項1所述之切換式穩壓器，其中該控制電路另包含有：一比較器，用以接收該控制訊號、該直流補償電壓、對應該切換電路的輸出端的一感測電壓以及一斜率補償訊號，並且根據該控制訊號、該直流補償電壓、該感測電壓以及該斜率補償訊號來產生一比較結果；以及一控制邏輯電路，用以根據該比較結果來調整該切換電路的責任週期。
  7. 如請求項6所述之切換式穩壓器，其中該切換電路包含：一第一開關，具有一第一端，耦接於該輸入電壓，一控制端，耦接於該控制邏輯電路，以及一第二端；以及一第二開關，具有一第一端，耦接於該第一開關的第二端，一控制端，耦接於該控制邏輯電路；其中該控制邏輯電路根據該比較結果而於一第一操作期間，開啟該第一開關以及關閉該第二開關，以及於一第二操作期間，關閉該第一開關以及開啟該第二開關。
  8. 如請求項7所述之切換式穩壓器，其中該第一開關以及該第二開關係為電晶體。
  9. 如請求項6所述之切換式穩壓器，另包含一電阻元件，耦接於該切換電路的該輸出端，用以將該切換電路的輸出電流轉換為該感測電壓。
  10. 如請求項6所述之切換式穩壓器，其中該比較器係為一脈衝寬度調變(pulse-width modulation,PWM)比較器。
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