TWI611652B - 可切換功率轉換器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本發明關於包括可切換功率級的可切換功率轉換器，該可切換功率級包括電感器以及電容器，用於根據切換訊號及輸入電壓，藉由切換元件產生輸出電壓，該切換元件包括高側開關以及低側開關，該切換元件是根據在數位控制路徑或恆定導通時間控制路徑中產生的切換訊號而由驅動器所驅動。多模式控制器被配置以在輕負載模式以及高負載模式之間切換，該恆定導通時間控制路徑是在該輕負載模式中被啟動，而該數位控制路徑是在該高負載模式中被啟動。該多模式控制器更被配置以產生控制訊號，用於在從輕負載模式轉換至高負載模式時開啟該高側開關持續一額外時間。

Description

可切換功率轉換器及其控制方法
本揭露內容關於一種用於控制具有輕負載模式以及高負載模式的切換式功率轉換器的方法，以從輕負載模式轉換至高負載模式。
切換式DC-DC轉換器包括切換式功率級，其中根據切換訊號和輸入電壓產生輸出電壓。該切換訊號是在控制電路中產生，該控制電路相對於參考電壓調整該輸出電壓。切換式功率級包括由高側場效電晶體(FET)及低側FET所構成的雙重開關、一電感及一電容器。在充電相期間，高側FET被切換訊號開啟且低側FET被切換訊號關閉，以對電容器進行充電。在放電相期間，高側FET被關閉且低側FET被開啟，以使平均電感器電流與負載電流相符。切換訊號被產生為具有工作週期的數位脈波寬度調變訊號，該工作週期是由控制定律所決定。該控制定律可由PID補償器所執行。
很多DC-DC轉換器亦具有輕模式，以在負載以較低電流運行時具有較佳效能。在輕模式時，並非在數位控制路徑中產生切換訊號，而是由具有恆定導通時間比較器的回饋迴路產生切換訊號。然而，如果負載電流增加至正常 位準，則有如何在不產生輸出電壓的不合理過衝的情況下回到正常操作(高負載模式)的問題。
因此，所需要的是能在從輕負載模式轉換至高負載模式時，避免輸出電壓的不合理過衝的解決方案。
此解決方案是以根據獨立裝置請求項的功率轉換器和根據獨立方法請求項的用於控制多模式可切換功率轉換器的方法而達成。附屬請求項關於本發明的其他方面。
本發明關於一種包括可切換功率級的可切換功率轉換器，該可切換功率級包括電感器以及電容器，用於根據切換訊號及輸入電壓，藉由切換元件產生輸出電壓，該切換元件包括高側開關以及低側開關，其中切換訊號是在數位控制路徑或恆定導通時間控制路徑中產生。多模式控制器被配置以在輕負載模式以及高負載模式之間切換，該恆定導通時間控制路徑是在該輕負載模式中被啟動，而該數位控制路徑是在該高負載模式中被啟動。多模式控制器更被配置以產生控制訊號，用於在從輕負載模式轉換至高負載模式時開啟該高側開關持續一額外時間。
多模式控制器可被配置以產生切換訊號，用於藉由延長在恆定導通時間控制路徑中產生的該切換訊號的導通時間的持續期間，而開啟該高側開關。
具體而言，該多模式控制器可被配置以在偵測到負載電流以及電感器電流相等時，延長在恆定導通時間控制路徑中產生的切換訊號的導通時間的持續期間。
本發明更關於一種用於控制多模式可切換功率轉換器的方法，該多模式可切換功率轉換器包括可切換功率級，該可切換功率級具有雙模式切換元件、電感器以及電容器，該雙模式切換元件包括高側開關以及低側開關，該方法包括：產生切換訊號，用於當在輕負載模式以及高負載模式之間轉換時，開啟該高側開關一額外時間，恆定導通時間控制路徑是在該輕負載模式中被啟動，而數位控制路徑是在該高負載模式中被啟動。
產生切換訊號以用於開啟高側開關可包括延長在恆定導通時間控制路徑中產生的切換訊號的導通時間的持續期間，具體而言，是當偵測到負載電流以及電感器電流相等時。
在恆定導通時間控制路徑中產生的切換訊號的導通時間的持續期間可被延長達該切換訊號在高負載模式下的正常導通時間期間的一半。
或者，在恆定導通時間控制路徑中產生的切換訊號的導通時間的持續期間可被延長一額外時間Ton-additional=Vout/Vin×TPWM×0.5，其中Vout為功率級的輸出電壓，Vin為輸入電壓，以及TPWM為控制切換元件的脈波寬度調變訊號的工作週期。
11、31‧‧‧功率級
12、32‧‧‧高側開關
13、33‧‧‧低側開關
14、34‧‧‧電感器
15、35‧‧‧電容器
16‧‧‧切換元件
17‧‧‧DAC
18‧‧‧比較器
19‧‧‧恆定導通時間電路
21、22‧‧‧區段
24、25‧‧‧切換訊號
27‧‧‧高負載模式
26‧‧‧正常導通時間期間
36‧‧‧負載
37‧‧‧測量電容器
110‧‧‧最小關閉時間電路
111‧‧‧多模式控制器
112‧‧‧數位脈波寬度調變器
113‧‧‧PID補償器
114‧‧‧ADC
115‧‧‧誤差放大器
117‧‧‧驅動器
a、b‧‧‧曲線
CI‧‧‧電容
Cmeas‧‧‧測量電容
ESR‧‧‧等效串聯電阻
IL‧‧‧線圈電流
ILoad‧‧‧負載電流
Rmeas‧‧‧測量電阻
Vmeas‧‧‧輸出電壓
所參考附圖，其中第1圖示出由具有輕負載模式以及高負載模式的多模式補償器所控制的DC-DC轉換器的方塊圖；第2圖示出從輕負載模式至高負載模式的轉換期間，作為時間函數的切換訊號、負載電流及電感器電流；以及 第3圖示出用於決定電感器電流和負載電流相等的測量設定。
第1圖示出由多模式控制器所控制的功率轉換器的一具體實施例，該多模式控制器包括功率級11。功率級11包括雙模式切換元件、電感器14以及電容器15，該雙模式切換元件包括高側開關12以及低側開關13。高側開關12以及低側開關13是伴隨零電流偵測由驅動器117所驅動。驅動器117轉發在數位控制路徑或恆定導通時間控制路徑中所產生的切換訊號。該數位控制路徑包括誤差放大器115、ADC 114、PID補償器113以及數位脈波寬度調變器112。該恆定導通時間控制路徑包括比較器18、恆定導通時間電路19以及最小關閉時間電路110。多模式控制器111是提供以在恆定導通時間控制路徑被啟動的輕負載模式以及數位控制路徑被啟動的高負載模式之間切換。模式是從負載電流決定或透過監控輸出電壓而決定。
為了這個目的，由比較器18比較輸出電壓和參考電壓，且結果被提供至多模式控制器111。
參考電壓可被數位地提供，並被DAC 17轉換至類比域。
當高負載存在時，數位控制路徑被啟動並產生數位脈波寬度調變切換訊號。誤差放大器114放大輸出電壓和參考電壓之間的差，用於產生誤差訊號。誤差訊號被ADC 114轉換至數位域。PID補償器113處理數位化的誤差訊號，用於計算被提供至數位脈波寬度調變器112的脈波寬度調變工作週期，該數位脈波寬度調變器112輸出該數位脈波寬度調變切換訊號。
多模式控制器111就頻寬方面調整誤差放大器115、ADC 114、PID補償器113以及數位脈波寬度調變器112。
在輕負載存在的情況下，恆定導通時間控制路徑產生恆定導通時間切換訊號。最小關閉時間電路110保證恆定導通時間和最小關閉時間的總合大於在數位控制路徑中所產生的數位脈波寬度調變訊號的正常周期。假如多模式控制器111偵測到不滿足此條件，則數位控制路徑被啟動。
多工器115被提供用於多工該恆定導通時間切換訊號以及脈波寬度調變切換訊號之間的切換訊號。多工器115是由多模式控制器110所控制。
功率級1包括用於短路電感4的第三切換元件6，以汲取過剩電流。
第2圖示出針對輕負載到高負載的轉換，具有多模式控制器的切換式DC DC功率轉換器的切換訊號(曲線a)、線圈電流IL(虛線，曲線b)以及負載電流ILoad(實線，曲線b)。切換訊號控制了由高側FET及低側FET所構成的一雙重FET配置中的高側FET。在輕負載模式(時間軸上的區段21)中，切換訊號24是由具有恆定導通時間比較器的回饋迴路所產生。在輕模式中的恆定負載電流(區段21，曲線a以及b)之後，在轉換期間負載電流的跳躍(區段22，曲線a以及b)造成上升的負載電流，且因此造成導通時間切換訊號25(曲線a)的增加的持續時間。
在轉換間隔結束時，補償器改變至數位高負載模式(時間軸上的區段23)。在轉換結束時，電感器電流等於負載電流。在此時間點，切換訊號將進入關閉時間。然而根據本發明，切換訊號的導通時間的持續期間被延長切換訊號在高負載模式27的正常導通時間期間26的一半。或者，該額外的導通時間可藉由Ton-additional=Vout/Vin×TPWM×0.5進行計算。因此，當偵測到負載電流和電感器電流相等時，導通時間的持續期間被延長並限制為Vout/Vin×TPWM×0.5。因此，可以避免輸出電壓的過衝。
第3圖示出用於決定負載電流和電感器電流相等的測量設定。功率級31包括高側開關32、低側開關33、電感器34、電容器35以及負載36。
除此之外，功率級31包括測量電容器37。電感器34是按照其理想的電感和DCR而示出。電容器35是按照其等效串聯電阻ESR以及其理想的電容CI而示出。類似地，測量電容器是按照其測量電阻Rmeas以及測量電容Cmeas而示出。
當沒有及時的輸出電壓Vmeas的改變時，電感器電流IL和負載電流ILoad是相等的。如果測量電容器37具有的時間常數Rmeas×Cmeas與電容器35的時間常數ESR×CI相等時，則這個條件是真的。
11‧‧‧功率級
12‧‧‧高側開關
13‧‧‧低側開關
14‧‧‧電感器
15‧‧‧電容器
16‧‧‧切換元件
17‧‧‧DAC
18‧‧‧比較器
19‧‧‧恆定導通時間電路
110‧‧‧最小關閉時間電路
111‧‧‧多模式控制器
112‧‧‧數位脈波寬度調變器
113‧‧‧PID補償器
114‧‧‧ADC
115‧‧‧誤差放大器
117‧‧‧驅動器

Claims (7)

  1. 一種可切換功率轉換器，包括：一可切換功率級，該可切換功率級包括一電感器以及一電容器，用於根據一切換訊號及一輸入電壓，藉由一切換元件產生一輸出電壓，該切換元件包括一高側開關以及一低側開關，其中該切換訊號是在一數位控制路徑或一恆定導通時間控制路徑中產生；一多模式控制器，被配置以在一輕負載模式以及一高負載模式之間切換，該恆定導通時間控制路徑是在該輕負載模式中被啟動，而該數位控制路徑是在該高負載模式中被啟動，其中該多模式控制器更被配置以產生一切換訊號，以於當從該輕負載模式轉換至該高負載模式時開啟該高側開關一額外時間，其中該多模式控制器被配置以產生該切換訊號，用於藉由延長在該恆定導通時間控制路徑中產生的該控制訊號的一導通時間的持續期間，而開啟該高側開關，以及其中該可切換功率轉換器包括用於測量一負載電流以及一電感器電流的裝置，且其中當偵測到該負載電流以及該電感器電流相等時，該多模式控制器被配置以延長在該恆定導通時間控制路徑中產生的該控制訊號的一導通時間的持續期間，其中該多模式控制器被配置以將在該恆定導通時間控制路徑中產生的該控制訊號的一導通時間的持續期間延長該控制訊號在高負載模式下的一正常導通時間期間的一半，且其中該多模式控制器被配置以將在該恆定導通時間控制路徑中產生的該控制訊號的一導通時間的持續期間延長一額外時間Ton-additional=Vout/Vin×TPWM×0.5，其中Vout為該功率級的該輸出電壓，Vin為該輸入電壓，以及TPWM為控制該切換元件的一脈波寬度調變訊號的該工作週期。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的可切換功率轉換器，其中該數位控制路徑包括一誤差放大器，以放大該輸出電壓以及一參考電壓之間的一誤差，用於產生一誤差訊號；一類比至數位轉換器，以將該誤差訊號轉換為一數位化誤差訊號；一PID補償器，以處理該數位化誤差訊號，用於計算被提供至一數位脈波寬度調變器的一脈波寬度調變工作週期，以產生一數位脈波寬度調變切換訊號。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的可切換功率轉換器，其中該恆定導通時間控制路徑包括一比較器，該比較器被配置以比較在該可切換功率級中產生的該輸出電壓以及該參考電壓；連接至該比較器以及一最小關閉時間電路的一恆定導通時間電路，該最小關閉時間電路是連接於該恆定導通時間電路以及該多模式控制器之間，以保證該恆定導通時間以及一最小關閉時間的一總合大於該數位脈波寬度調變訊號的一正常周期。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的可切換功率轉換器，其中當該恆定導通時間以及一最小關閉時間的該總合沒有大於該數位脈波寬度調變訊號的該正常周期時，該多模式控制器被配置以啟動該數位控制路徑。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的可切換功率轉換器，包括伴隨零電流偵測的一驅動器，以根據該切換訊號而驅動該雙模式切換元件；以及由該多模式控制器所控制的一多工器，以將該恆定導通時間控制路徑或該數位控制路徑中所產生的該控制訊號轉發至該驅動器。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的可切換功率轉換器，其中該可切換功率級包括一第三切換元件，以短路該電感器，用於汲取一過剩電感器電流。
  7. 一種用於控制一多模式可切換功率轉換器的方法，該多模式可切換功率轉換器包括一可切換功率級，該可切換功率級具有一雙模式切換元件、 一電感器以及一電容器，該雙模式切換元件包括一高側開關以及一低側開關，該方法包括：產生一切換訊號，用於當在一輕負載模式以及一高負載模式之間轉換時，開啟該高側開關一額外時間，一恆定導通時間控制路徑是在該輕負載模式中被啟動，而一數位控制路徑是在該高負載模式中被啟動，其中產生一切換訊號以用於開啟該高側開關包括延長在該恆定導通時間控制路徑中產生的一切換訊號的一導通時間的持續期間，測量一負載電流以及一電感器電流；以及當偵測到該負載電流以及該電感器電流相等時，延長在該恆定導通時間控制路徑中產生的該切換訊號的一導通時間的持續期間，其中產生一切換訊號以用於開啟該高側開關包括將在該恆定導通時間控制路徑中產生的該切換訊號的一導通時間的持續期間延長該控制訊號在高負載模式下的一正常導通時間期間的一半，以及其中產生一切換訊號以用於開啟該高側開關包括將在該恆定導通時間控制路徑中產生的該切換訊號的一導通時間的持續期間延長一額外時間Ton-additional=Vout/Vin×TPWM×0.5，其中Vout為該功率級的該輸出電壓，Vin為該輸入電壓，以及TPWM為控制該切換元件的一脈波寬度調變訊號的該工作週期。
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