TWI630781B - 直流對直流轉換器的自適應性開機補償方法及其裝置 - Google Patents

直流對直流轉換器的自適應性開機補償方法及其裝置 Download PDF

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Abstract

本發明實施例提供一種直流對直流轉換器的自適應性開機補償方法及其裝置。所述的自適應性開機補償方法可以透過一轉導放大器來輸出一偏壓電流給該直流對直流轉換器中的負回饋迴路的誤差放大器，使得該誤差放大器則可根據該偏壓電流來調整所輸出的誤差放大信號，以藉此達到等效上調整開機過程中負回饋迴路所輸出的補償信號。

Description

直流對直流轉換器的自適應性開機補償方法及其裝置
本發明是有關於一種自適應性開機補償方法及其裝置，且特別是一種適用於直流對直流轉換器(DC-to-DC converter)的自適應性開機補償方法及其裝置。
一般而言，直流對直流(DC/DC)轉換器中通常包括具有一誤差放大器的負回請迴路(feedback loop)，以便控制該直流對直流轉換器的輸出電壓能夠維持在一期望值。其中，該誤差放大器會是根據所接收到的一回授電壓及一參考電壓(reference voltage)來輸出一誤差放大信號，並且為了要抑制該直流對直流轉換器於開機狀態時的浪湧電流。因此，現有技術大多則會是採用以一降頻(decreasing frequency)操作模式，來控制該直流對直流轉換器於開機狀態時的輸出電壓提升。
然而，這是不利的，因為在現有的直流對直流轉換器中，為了要限制迴路的增益及速度，並且保障具有足夠的相位邊限(phase margin)，因此在該負回饋迴路中更需要有一補償電路(compensation circuit)，而該補償電路則通常是由具固定阻抗值的至少一電阻及至少一電容所組成。因此，該誤差放大器的誤差放大信號在經過該補償電路的處理後所產生出的補償信號，將仍有可能地會無法對應為該負回饋迴路於該降頻操作模式下所理想 輸出的補償信號。
有鑑於此，對於所述習知技藝而言，該負回饋迴路於降頻操作模式下所輸出的補償信號，將亦無法有效確保該直流對直流轉換器於開機狀態時的波形穩定性。為了解決以上問題，本發明提供出了一種開機補償方法及其裝置，可自適應性地調整於降頻操作模式下的該負回饋迴路所輸出的補償信號，以進而確保該直流對直流轉換器於開機狀態時的波形穩定性。
本發明實施例提供一種直流對直流轉換器的自適應性開機補償方法。其中，所述直流對直流轉換器包括具有一誤差放大器的負回饋迴路，並且當在所述直流對直流轉換器處於開機狀態時，此誤差放大器會是根據所接收到的回授電壓，以及所相關聯於一降頻操作模式下的第一參考電壓來輸出一誤差放大信號。所述自適應性開機補償方法的步驟如下。利用一轉導放大器(operational transconductance amplifier，OTA)，根據第一參考電壓及相關聯於一定頻操作模式下的第二參考電壓來輸出一偏壓電流給此誤差放大器的偏壓輸入端，並且使得此誤差放大器則會是根據此偏壓電流來調整所輸出的誤差放大信號。
優選的，所述轉導放大器具有一非反相輸入端耦接於第一參考電壓、一反相輸入端耦接於第二參考電壓，以及一輸出端耦接於此誤差放大器的偏壓輸入端。
優選的，所述負回饋迴路中更包含一補償電路，此補償電路耦接於誤差放大器的輸出端，並且用以經由具有固定阻抗值的至少一電阻與/或至少一電容所組構而成。
優選的，所述負回饋迴路則用以來將經此補償電路所處理後的誤差放大信號作為一補償信號，並且將此補償信號輸出給所述直流對直流轉換器的一比較器，而此比較器則根據比較一參考波形 及此補償信號來產生出所提供給一驅動電路的脈衝寬度調變信號。
優選的，所述驅動電路則根據此脈衝寬度調變信號來控制所述直流對直流轉換器的第一及第二開關的導通或截止狀態，並藉此使得所述直流對直流轉換器來產生出所相對應的一輸出電壓。
本發明實施例另提供一種自適應性開機補償裝置，適用於一直流對直流轉換器中。其中，所述直流對直流轉換器包括具有一誤差放大器的負回饋迴路，並且當在所述直流對直流轉換器處於開機狀態時，此誤差放大器會是根據所接收到的回授電壓，以及所相關聯於一降頻操作模式下的第一參考電壓來輸出一誤差放大信號。所述自適應性開機補償裝置包括一轉導放大器。此轉導放大器具有一非反相輸入端耦接於第一參考電壓、一反相輸入端耦接於所相關聯於一定頻操作模式下的第二參考電壓，以及一輸出端耦接於此誤差放大器的一偏壓輸入端。其中，當在所述直流對直流轉換器處於開機狀態時，此轉導放大器則根據第一參考電壓及第二參考電壓來輸出一偏壓電流給此誤差放大器的偏壓輸入端，並且使得此誤差放大器則會是根據此偏壓電流來調整所輸出的誤差放大信號。
優選的，所述負回饋迴路中更包含一補償電路，此補償電路耦接於誤差放大器的輸出端，並且用以經由具有固定阻抗值的至少一電阻與/或至少一電容所組構而成。
優選的，所述負回饋迴路則用以來將經此補償電路所處理後的誤差放大信號作為一補償信號，並且將此補償信號輸出給所述直流對直流轉換器的一比較器，而此比較器則根據比較一參考波形RAMP及此補償信號來產生出所提供給一驅動電路的脈衝寬度調變信號。
優選的，所述驅動電路則根據此脈衝寬度調變信號來控制所述直流對直流轉換器的第一及第二開關的導通或截止狀態，並藉此 使得所述直流對直流轉換器來產生出所相對應的一輸出電壓。
綜上所述，本發明實施例所提供的直流對直流轉換器的自適應性開機補償方法及其裝置，並不需要引入複雜的電路設計，也不需要調整負回饋迴路中的補償電路之阻抗值，而是僅需要透過一轉導放大器來輸出一偏壓電流給該負回饋迴路中的誤差放大器，並使得此誤差放大器可根據該偏壓電流來調整所輸出的誤差放大信號，以藉此達到等效上調整開機過程中負回饋迴路所輸出的補償信號，並進而使其能夠符合對應為於降頻操作模式下所理想輸出的補償信號之效果，亦確保該直流對直流轉換器於開機狀態時的波形穩定性。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。
S101~S107‧‧‧流程步驟
1‧‧‧自適應性開機補償裝置
2‧‧‧直流對直流轉換器
M1‧‧‧第一開關
M2‧‧‧第二開關
L‧‧‧輸出電感
COUT‧‧‧輸出電容
20‧‧‧驅動電路
22‧‧‧比較器
24‧‧‧負回饋迴路
VIN‧‧‧輸入電壓
GND‧‧‧接地電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓
VFB‧‧‧回授電壓
VREF、VSS‧‧‧參考電壓
A‧‧‧節點
26‧‧‧分壓電路
240‧‧‧誤差放大器
242‧‧‧補償電路
EAO‧‧‧誤差放大信號
COMP‧‧‧補償信號
RAMP‧‧‧參考波形
PWM‧‧‧脈衝寬度調變信號
TS1‧‧‧第一開關控制信號
TS2‧‧‧第二開關控制信號
C1、C2‧‧‧電容
R1、R2、R3‧‧‧電阻
10‧‧‧轉導放大器
IDS‧‧‧偏壓電流
30、32‧‧‧曲線
圖1是本發明實施例所提供的直流對直流轉換器的自適應性開機補償方法之流程示意圖。
圖2是本發明實施例所提供的直流對直流轉換器的自適應性開機補償裝置之示意圖。
圖3A及圖3B是對於相同的測試條件，在具有本發明實施例所提供的直流對直流轉換器的自適應性開機補償方法及其裝置，與不具有本發明實施例所提供的直流對直流轉換器的自適應性開機補償方法及其裝置間的波形比較示意圖。
在下文中，將藉由圖式說明本發明之各種實施例來詳細描述本發明。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。此外，在圖式中相同參 考數字可用以表示類似的元件。
首先，請同時參閱到圖1及圖2，圖1是本發明實施例所提供的直流對直流轉換器的自適應性開機補償方法之流程示意圖，而圖2是本發明實施例所提供的直流對直流轉換器的自適應性開機補償裝置之示意圖。其中，圖1的直流對直流轉換器的自適應性開機補償方法是可以執行於圖2的自適應性開機補償裝置中，但本發明並不限制圖1的方法僅能夠執行於圖2的自適應性開機補償裝置中。另外，圖2的自適應性開機補償裝置也僅只是所述直流對直流轉換器的自適應性開機補償方法的其中一種實現方式，其並非用以限制本發明。
簡單來說，本發明實施例所提供的直流對直流轉換器的自適應性開機補償方法及其裝置，是可以適用於任何具有一負回饋迴路的直流對直流轉換器中。換言之，本發明並不限制直流對直流轉換器的具體實現方式。除此之外，本發明亦不限制所述直流對直流轉換器係為一升壓類型(boost)或一降壓類型(buck)。然而，為了方便以下說明，本發明實施例的直流對直流轉換器僅是採用降壓類型的例子來進行說明，但其並非用以限制本發明。另外，由於直流對直流轉換器的動作原理為本技術領域中具有通常知識者所習知，因此有關於直流對直流轉換器的細部內容於此就不再多加贅述。
若以圖2為例，直流對直流轉換器2將主要包括第一開關M1、第二開關M2、輸出電感L、輸出電容COUT、驅動電路20、比較器22及負回饋迴路24。其中，第一開關M1及第二開關M2係串聯耦接於一輸入電壓VIN及一接地電壓GND間。值得注意的是，在本實施例中，第一開關M1即可例如為一P型金氧半場效電晶體(P-channel MOSFET，PMOS)，而第二開關M2則可例如為一N型金氧半場效電晶體(N-channel MOSFET，NMOS)，但本發明皆並不以此為限制，故本技術領域中具有通常知識者應可依據實 際需求或應用來進行設計。
另外，輸出電感L則耦接於第一開關M1及第二開關M2間的節點A，並且用以產生出一輸出電壓VOUT。負回饋迴路24則藉由一分壓電路26來獲得到該輸出電壓VOUT的一部分，並以此作為一回授電壓VFB。值得一提的是，在現有技術中，該分壓電路26可例如為由兩電阻R1、R2所組構而成，如圖2所示，但本發明並不以此為限制。換言之，本技術領域中具有通常知識者亦可依據實際需求或應用來進行有關分壓電路26的設計。然而，由於分壓電路26的動作原理亦為本技術領域中具有通常知識者所習知，因此有關於電阻R1、R2的細部內容於此就不再多加贅述。
另一方面，在一個典型的配置中，負回饋迴路24更包括一誤差放大器240及一補償電路242。其中，當在直流對直流轉換器2處於正常工作狀態時，誤差放大器240的非反相輸入端(non-inverting input)則會耦接於一參考電壓VREF，而誤差放大器240的反相輸入端(inverting input)則會耦接於該回授電壓VFB，並且誤差放大器240則根據比較參考電壓VREF及回授電壓VFB來輸出一誤差放大信號EAO，而此誤差放大信號EAO在經過補償電路242的處理後，便會產生出一個由負回饋迴路24所輸出提供給比較器22的補償信號COMP。換言之，該負回饋迴路24會是用以來將所經此補償電路242處理後的誤差放大信號EAO作為一補償信號COMP，並且將此補償信號COMP輸入給直流對直流轉換器2的比較器22。接著，比較器22則可根據比較一參考波形RAMP及此補償信號COMP來產生出一個所提供給驅動電路20的脈衝寬度調變信號PWM。
另外，根據該脈衝寬度調變信號PWM，驅動電路20則會輸出一第一開關控制信號TS1及一第二開關控制信號TS2來分別控制第一開關M1及第二開關M2的導通或截止狀態，並藉此使得輸出電感L來產生出所相對應的輸出電壓VOUT。值得注意的是，由 於直流對直流轉換器2於正常工作狀態時的運作原理為本技術領域中具有通常知識者所習知，因此有關於其細部內容於此就不再多加贅述。
然而，如同前面內容所述，由於補償電路242通常是由具固定阻抗值的至少一電阻與/或至少一電容所組構而成(例如，圖2中的電容C1、C2及電阻R3)，而這些電阻R3及電容C1、C2的阻抗值仍只是依據正常工作狀態下的需求來進行設計。因此，當在直流對直流轉換器2處於一開機狀態時(亦即，採用習知降頻操作模式來控制直流對直流轉換器2的輸出電壓VOUT之情況下)，該誤差放大信號EAO所經補償電路242而處理產生出的補償信號COMP，將仍有可能地會無法對應為該負回饋迴路24於降頻操作模式下所理想輸出的補償信號。
根據以上內容之教示，本技術領域中具有通常知識者應可理解到，本發明實施例的主要精神之一乃在於，藉由額外增設於該直流對直流轉換器2上的自適應性開機補償裝置1，來進而調整於降頻操作模式下的該負回饋迴路24的補償信號COMP，並藉此確保該直流對直流轉換器2於開機狀態時的波形穩定性。然而，以下為了更進一步說明關於本發明實施例的自適應性開機補償裝置1的實現細節，複請參閱圖2。其中，下述僅是本發明實施例的自適應性開機補償裝置1的其中一種詳細實現方式，其並非用以限制本發明。
詳細來說，自適應性開機補償裝置1可包括一轉導放大器10。其中，轉導放大器10的反相輸入端可耦接於所相關聯於定頻操作模式下(亦即，正常工作狀態時)的參考電壓VREF，而轉導放大器10的非反相輸入端則可耦接於所相關聯於降頻操作模式下的另一參考電壓VSS，且轉導放大器10的輸出端則耦接於該負回饋迴路24中的誤差放大器240的一偏壓輸入端。然而，應當理解的是，當在直流對直流轉換器2處於開機狀態時，該誤差放大器240則 會是改成根據回授電壓VFB及參考電壓VSS來輸出誤差放大信號EAO。
因此，顯然地，當在直流對直流轉換器2處於開機狀態時，轉導放大器10則將會是根據參考電壓VREF及參考電壓VSS來產生出一偏壓電流IDS給該誤差放大器240的偏壓輸入端，並且使得該誤差放大器240會是根據偏壓電流IDS來調整所輸出的誤差放大信號EAO。需要說明的是，本發明實施例並不限制參考電壓VSS的具體實現方式。換言之，本技術領域中具有通常知識者應可理解到，該參考電壓VSS即可表示定義為誤差放大器240所用於降頻操作模式下的另一參考電壓。
另外，本發明實施例亦不限制當在直流對直流轉換器2處於開機狀態時，該誤差放大器240所改用成根據回授電壓VFB及參考電壓VSS來輸出誤差放大信號EAO時的具體實現方式，故本技術領域中具有通常知識者應可依據實際需求或應用來進行相關設計。總而言之，本發明的主要技術手段之一便是在於，僅調整該誤差放大器240所產生的誤差放大信號EAO，而不調整該補償電路242中的電阻R3及電容C1、C2之阻抗值，以藉此使得該負回饋迴路24所輸出的補償信號COMP，可進而達到能符合對應為於降頻操作模式下所理想輸出的補償信號之效果。
也就是說，當在直流對直流轉換器2處於開機狀態時，本發明實施例的自適應性開機補償裝置1才會開始進行動作，並且藉以使得該誤差放大器240改成根據參考電壓VSS、回授電壓VFB及偏壓電流IDS來產生出對應於降頻操作模式下的誤差放大信號EAO，而當在直流對直流轉換器2處於回到正常工作狀態時，本發明實施例的自適應性開機補償裝置1則並不會進行動作，且更應進而使得該誤差放大器240恢復成為根據參考電壓VREF及回授電壓VFB來產生出對應於定頻操作模式下的誤差放大信號EAO。
對此，應當理解的是，本發明實施例的驅動電路20中更應可包含具有一時脈產生器(未繪示)，而該時脈產生器則用以來依據直流對直流轉換器2所執行調節輸出電壓VOUT時的不同頻率操作模式(例如，定頻操作模式或降頻操作模式)，以輸出所相對應的一時脈信號(未繪示)。
另一方面，若再改以直流對直流轉換器2的自適應性開機補償方法，來做進一步說明的話，可請復參閱回圖1。其中，值得注意的是，當在直流對直流轉換器處於開機狀態時，此直流對直流轉換器中的誤差放大器則會是改根據所接收到的回授電壓，以及所相關聯於一降頻操作模式下的第一參考電壓來輸出一誤差放大信號。因此，所述自適應性開機補償方法的步驟則如下。
首先，在步驟S101中，利用一轉導放大器，根據第一參考電壓及相關聯於一定頻操作模式下的第二參考電壓來輸出一偏壓電流給此誤差放大器的偏壓輸入端，並且使得此誤差放大器會是根據該偏壓電流來調整所輸出的誤差放大信號。
其次，在步驟S103中，利用具固定阻抗值的至少一電阻與/或至少一電容所組構而成的補償電路，來對此誤差放大信號進行處理，以產生出一個由負回饋迴路所輸出提供給此直流對直流轉換器的比較器的補償信號。
接著，在步驟S105中，利用此比較器，根據一參考波形及此補償信號來產生出一個所提供給此直流對直流轉換器的驅動電路的脈衝寬度調變信號。最後，在步驟S107中，利用此驅動電路，根據脈衝寬度調變信號來輸出一第一開關控制信號及一第二開關控制信號，以分別控制此直流對直流轉換器的一第一開關及一第二開關的導通或截止狀態，並藉以使得此直流對直流轉換器產生出所相對應的輸出電壓。
值得注意的是，由於步驟S103至步驟S107即為本技術領域中具有通常知識者所習知的直流對直流轉換器的運作原理，因此有 關於其細部內容於此就不再多加贅述。然而，應當理解的是，當在此直流對直流轉換器處於開機狀態時，本發明實施例的自適應性開機補償方法中的步驟S101才會開始進行動作，而當在此直流對直流轉換器開機完成到正常工作狀態時，本發明實施例的自適應性開機補償方法中的步驟S101則不會進行動作，且更進而使得此直流對直流轉換器中的誤差放大器改恢復成根據回授電壓及第二參考電壓來輸出誤差放大信號，並繼續執行步驟S103至步驟S107。
更進一步來說，可請一併參閱到圖3A及圖3B，圖3A及圖3B是對於相同的測試條件，在具有本發明實施例所提供的直流對直流轉換器的自適應性開機補償方法及其裝置，與不具有本發明實施例所提供的直流對直流轉換器的自適應性開機補償方法及其裝置間的波形比較示意圖。從圖中可見，在直流對直流轉換器處於開機狀態的情況下，當僅採用有降頻操作模式來控制直流對直流轉換器的輸出電壓時，其輸出的波形曲線會是非平穩的(亦即，圖3A的曲線30)，而當採用有本發明實施例的自適應性開機補償方法及其裝置時，其輸出的波形曲線則會是較為更平穩的(亦即，圖3B的曲線32)。
綜上所述，本發明實施例所提供的直流對直流轉換器的自適應性開機補償方法及其裝置，並不需要引入複雜的電路設計，也不需要調整負回饋迴路中的補償電路之阻抗值，而是僅需要透過一轉導放大器來輸出一偏壓電流給該負回饋迴路中的誤差放大器，並使得此誤差放大器可根據該偏壓電流來調整所輸出的誤差放大信號，以藉此達到等效上調整開機過程中負回饋迴路所輸出的補償信號，並進而使其能夠符合對應為於降頻操作模式下所理想輸出的補償信號之效果，亦確保該直流對直流轉換器於開機狀態時的波形穩定性。
以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利 範圍。

Claims (8)

  1. 一種直流對直流轉換器的自適應性開機補償方法，其中該直流對直流轉換器包括具有一誤差放大器的負回饋迴路(feedback loop)，並且當在該直流對直流轉換器處於一開機狀態時，該誤差放大器會是根據所接收到的一回授電壓，以及所相關聯於一降頻操作模式下的一第一參考電壓來輸出一誤差放大信號，該自適應性開機補償方法包括：利用一轉導放大器(operational transconductance amplifier，OTA)，根據該第一參考電壓及相關聯於一定頻操作模式下的一第二參考電壓來輸出一偏壓電流給該誤差放大器的一偏壓輸入端，並且使得該誤差放大器會是根據該偏壓電流來調整所輸出的該誤差放大信號；其中該轉導放大器具有一非反相輸入端耦接於該第一參考電壓、一反相輸入端耦接於該第二參考電壓，以及一輸出端耦接於該誤差放大器的該偏壓輸入端。
  2. 如請求項第1項所述的自適應性開機補償方法，其中該負回饋迴路中更包含一補償電路，且該補償電路耦接於該誤差放大器的一輸出端，並用以經由具有固定阻抗值的至少一電阻與/或至少一電容所組構而成。
  3. 如請求項第2項所述的自適應性開機補償方法，其中該負回饋迴路係用以來將經該補償電路所處理後的該誤差放大信號作為一補償信號，並且將該補償信號輸出給該直流對直流轉換器的一比較器，而該比較器則根據比較一參考波形及該補償信號來產生出所提供給該直流對直流轉換器的一驅動電路的一脈衝寬度調變信號。
  4. 如請求項第3項所述的自適應性開機補償方法，其中該驅動電路則根據該脈衝寬度調變信號來控制該直流對直流轉換器的一第一開關及一第二開關的導通或截止狀態，並藉此使得該直 流對直流轉換器產生出所相對應的一輸出電壓。
  5. 一種自適應性開機補償裝置，適用於一直流對直流轉換器中，其中該直流對直流轉換器包括具有一誤差放大器的負回饋迴路，並且當在該直流對直流轉換器處於一開機狀態時，該誤差放大器會是根據所接收到的一回授電壓，以及所相關聯於一降頻操作模式下的一第一參考電壓來輸出一誤差放大信號，該自適應性開機補償裝置包括：一轉導放大器，具有一非反相輸入端耦接於該第一參考電壓、一反相輸入端耦接於所相關聯於一定頻操作模式下的一第二參考電壓，以及一輸出端耦接於該誤差放大器的一偏壓輸入端；其中，當在該直流對直流轉換器處於該開機狀態時，該轉導放大器則根據該第一參考電壓及該第二參考電壓來輸出一偏壓電流給該誤差放大器的該偏壓輸入端，並且使得該誤差放大器會是根據該偏壓電流來調整所輸出的該誤差放大信號。
  6. 如請求項第5項所述的自適應性開機補償裝置，其中該負回饋迴路中更包含一補償電路，且該補償電路耦接於該誤差放大器的一輸出端，並用以經由具有固定阻抗值的至少一電阻與/或至少一電容所組構而成。
  7. 如請求項第6項所述的自適應性開機補償裝置，其中該負回饋迴路係用以來將經該補償電路所處理後的該誤差放大信號作為一補償信號，並且將該補償信號輸出給該直流對直流轉換器的一比較器，而該比較器則根據比較一參考波形及該補償信號來產生出所提供給該直流對直流轉換器的一驅動電路的一脈衝寬度調變信號。
  8. 如請求項第7項所述的自適應性開機補償裝置，其中該驅動電路則根據該脈衝寬度調變信號來控制該直流對直流轉換器的一第一開關及一第二開關的導通或截止狀態，並藉此使得該直 流對直流轉換器產生出所相對應的一輸出電壓。
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