TWI683542B

TWI683542B - 脈波寬度調變電路及其相關控制方法

Info

Publication number: TWI683542B
Application number: TW108101890A
Authority: TW
Inventors: 蔡孟杰; 王士偉; 郭俊志
Original assignee: 宏碁股份有限公司
Priority date: 2019-01-17
Filing date: 2019-01-17
Publication date: 2020-01-21
Also published as: TW202029647A

Abstract

本發明為可產生輸出電壓之脈波寬度調變電路。脈波寬度調變電路包括：第一相位電路、第二相位電路與控制器。第一相位電路包括：電流供應路徑、電流旁路路徑與驅動器。驅動器產生第一驅動信號、第二驅動信號分別控制電流供應路徑與電流旁路路徑。第二相位電路結構相同於第一相位電路。控制器接收輸出電壓，產生第一控制信號、第二控制信號以分別控制第一相位電路與第二相位電路。當輸出電壓超過臨限電壓以及第一驅動信號在預設期間內的脈波數目超過臨限數目時，控制器控制驅動器動作第一驅動信號以及第二驅動信號以暫時地關閉第一電流供應路徑以及暫時地開啟第一電流旁路路徑。

Description

脈波寬度調變電路及其相關控制方法

本發明是有關於一種電路及其相關控制方法，且特別是有關於一種脈波寬度調變電路及其相關控制方法。

一般來說，電腦系統中會有一個電壓調整器(voltage regulator)，此電壓調整器可提供穩定的直流電壓至電腦系統使得電腦系統可以運作。

請參照第1圖，其所繪示為電壓調整器示意圖。基本上，電壓調整器105接收直流輸入電壓Vin，並產生直流輸出電壓Vout至負載110。其中，直流輸入電壓Vin大於直流輸出電壓Vout。所以電壓調整器也可稱為直流/直流轉換(降壓)電路(buck DC/DC converter)。一般來說，電壓調整器105可以利用脈波寬度調變電路(pulse width modulation circuit，簡稱PWM circuit)來實現。

由於電腦系統的負載110可能會變化，所以電壓調整器105必須能夠根據負載110的狀況來提供適當的負載電流，使得電腦系統能夠正常運作。

然而，習知的電壓調整器105可能會產生誤動作，造成直流輸出電壓Vout不穩定。當直流輸出電壓Vout不穩定時，負載110可能會損壞。

本發明係有關於一種脈波寬度調變電路，包括：一第一相位電路，包括：一第一電流供應路徑，連接於該脈波寬度調變電路的一輸入端與一輸出端之間；一第一電流旁路路徑，連接於該第一電流供應路徑與一接地端之間；以及一第一驅動器，產生一第一驅動信號以控制該第一電流供應路徑，且產生一第二驅動信號以控制該第一電流旁路路徑；一第二相位電路，包括：一第二電流供應路徑，連接於該脈波寬度調變電路的該輸入端與該輸出端之間；以及一第二電流旁路路徑，連接於該第二電流供應路徑與該接地端之間；一第二驅動器，產生一第三驅動信號以控制該第二電流供應路徑，且產生一第四驅動信號以控制該第二電流旁路路徑；以及一控制器，連接至該脈波寬度調變電路的該輸出端以接收一輸出電壓，產生一第一控制信號至該第一驅動器，且產生一第二控制信號至該第二驅動器；其中當該輸出電壓超過一臨限電壓以及該第一驅動信號在一預設期間內的脈波數目超過一臨限數目時，該控制器控制該第一驅動器動動作該第一驅動信號以及該第二驅動信號以暫時地關閉該第一電流供應路徑以及暫時地開啟該第一電流旁路路徑。

本發明係有關於一種上述脈波寬度調變電路的控制方法，包括下列步驟：(a)於確認該脈波寬度調變電路降載運作時，偵測該輸出電壓；(b)當該輸出電壓超過該臨限電壓時，於該預設期間內偵測該第一驅動信號的脈波數目；以及(c)當該第一驅動信號的脈波數目超過該臨限數目時，暫時地關閉該第一電流供應路徑並暫時地開啟該第一電流旁路路徑。

本發明係有關於一種上述脈波寬度調變電路的另一控制方法，包括下列步驟：(a)於確認該脈波寬度調變電路降載運作時，於該預設期間內偵測該第一驅動信號的脈波數目；(b)當該第一驅動信號的脈波數目超過該臨限數目時，偵測該輸出電壓；以及(c)當該輸出電壓超過該臨限電壓時，暫時地關閉該第一電流供應路徑並暫時地開啟該第一電流旁路路徑。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：

105‧‧‧電壓調整器

110‧‧‧負載

200、400‧‧‧脈波寬度調變電路

202、204、206‧‧‧驅動器

402、404、406‧‧‧電流感測器

410‧‧‧控制器

S602、S604、S606、S608、S610‧‧‧步驟

第1圖為電壓調整器示意圖。

第2A圖與第2B圖為脈波寬度調變電路(PWM circuit)的第一實施例及其驅動信號示意圖。

第3圖為第一實施例脈波寬度調變電路操作情景之示意與說明圖。

第4圖為脈波寬度調變電路的第二實施例。

第5圖為第二實施例脈波寬度調變電路的運作流程圖。

第6圖為第二實施例脈波寬度調變電路的另一運作流程圖。

請參照第2A圖與第2B圖，其所繪示為脈波寬度調變電路(PWM circuit)的第一實施例及其驅動信號示意圖。脈波寬度調變電路200的輸入端接收一直流輸入電壓Vin，脈波寬度調變電路200的輸出端連接至一電容器C以及一負載R。再者，脈波寬度調變電路200為一種多相式脈波寬度調變電路(multi-phase PWM circuit)，其輸出端可產生直流輸出電壓Vout與直流輸出電流Iout。

脈波寬度調變電路200包括三個相位電路。第一相位電路(first phase circuit)包括第一電晶體M11、第二電晶體M21、第一電感器L1與第一驅動器(driver)202。其中，第一驅動器202產生第一驅動信號p11與第二驅動信號p21。第一電晶體M11的汲極端連接至脈波寬度調變電路200的輸入端，第一電晶體M11的源極端連接至第一電感器L1的第一端，第一電晶體 M11的閘極端接收第一驅動信號p11。第二電晶體M21的汲極端連接至第一電感器L1的第一端，第二電晶體M21的源極端連接至接地端以接收接地電壓(ground voltage)，第二電晶體M21的閘極端接收第二驅動信號p21。再者，第一電感器L1的第二端連接至脈波寬度調變電路200的輸出端。

第二相位電路包括第三電晶體M12、第四電晶體M22、第二電感器L2與第二驅動器204。第三相位電路包括第五電晶體M13、第六電晶體M23、第三電感器L3與第三驅動器206。再者，由於三個相位電路具有同樣的結構，所以第二相位電路與第三相位電路的連接關係不在贅述。

第2A圖僅以三個相位電路來組成多相式脈波寬度調變電路。實際上，多相式脈波寬度調變電路中可包括結構相同的n個相位電路，且n大於等於2。

舉例來說，當負載R為重載(heavy load)時，三個相位電路皆會運作。此時，三個驅動器202、204、206會依序在第一驅動信號p11、第三驅動信號p12與第五驅動信號p13產生一個脈波(pulse)。另外，當三個相位電路正常運作時，第二驅動信號p21與第一驅動信號p11互補，亦即當第一電晶體M11開啟時，第二電晶體M21關閉；當第一電晶體M11關閉時，第二電晶體M21開啟。同理，第三驅動信號p12與第四驅動信號p22互補；且第五驅動信號p13與第六驅動信號p23互補。

如第2B圖所示，於時間點t1至時間點t2之間，第一驅動信號p11產生一個脈波，於時間點t3至時間點t4之間，第三驅動信號p12產生一個脈波，於時間點t5至時間點t6之間，第五驅動信號p13產生一個脈波。依此類推。

另外，於時間點t1至時間點t2之間，第一電晶體M11開啟，並使得第一電感器L1產生第一電流I1。同理，於時間點t3至時間點t4之間，第三電晶體M12開啟，並使得第二電感器L2產生第二電流I2。於時間點t4至時間點t5之間，第五電晶體M13開啟，並使得第三電感器L3產生第三電流I3。

第一電流I1、第二電流I2與第三電流I3的總合即為輸出電流Iout。脈波寬度調變電路200的輸出端產生輸出電流Iout至電容器C與負載R，使得輸出端電壓Vout維持在一特定電壓值。

再者，三個驅動器202、204、206可以控制脈波寬度(pulse width)或者脈波頻率(frequency)。舉例來說，控制脈波寬度可以決定輸出端電壓Vout與直流輸入電壓Vin之間的比值(亦即Vout/Vin)。

然而，當負載由重載逐漸變化為輕載時，為了要提高脈波寬度調變電路200的效率，部分相位電路會停止運作。舉例來說，第三相位電路停止運作，而第一相位電路與第二相位電路正常運作。此時，第五驅動信號p13與第六驅動信號p23皆維持在低準位，僅有第一驅動信號p11、第二驅動信號p21、第三驅動信號p12與第四驅動信號p22依序產生脈波。因此，第一電流I1與第二電流I2的總合即為輸出電流Iout。

再者，當負載降至最輕載時，脈波寬度調變電路200僅會維持一個相位電路正常運作。舉例來說，第一相位電路正常運作，第二相位電路與第三相位電路停止運作。此時，第三驅動信號p12、第四驅動信號p22、第五驅動信號p13與第六驅動信號p23維持在低準位。僅有第一驅動信號p11與第二驅動信號p21產生脈波。因此，第一電流I1即為輸出電流Iout。

請參照第3圖，其所繪示為第一實施例脈波寬度調變電路(PWM circuit)操作情景之示意與說明圖。於時間點ta之前，負載為最輕載。此時，僅有第一相位電路正常運作，第二相位電路與第三相位電路停止運作。因此，僅第一驅動信號p11產生脈波，第三驅動信號p12與第五驅動信號p13停止產生脈波。亦即，第一電流I1即為輸出電流Iout，並且輸出電壓Vout維持在特定電壓值Vcc。

於時間點ta與時間點tb之間，負載增加。此時，第一相位電路與第二相位電路正常運作，第三相位電路停止運作。因此，第一驅動信號p11與第三驅動信號p12產生脈波，第五驅動信號p13停止產生脈波。亦即，第一電流I1與第二電流I2的總合為輸出電流Iout，並且輸出電壓Vout維持在特定電壓值Vcc。

於時間點tb與時間點tc之間，負載再次變為最輕載。此時，僅第一相位電路正常運作，第二相位電路與第三相位電路停止運作。因此，僅第一驅動信號p11產生脈波，且第三驅動信號p12與第五驅動信號p13停止產生脈波。亦即，第一電流I1即為輸出電流Iout，並且輸出電壓Vout維持在特定電壓值Vcc。

然而，由於脈波寬度調變電路(PWM circuit)200本身的反應，可能造成此第一驅動信號p11的脈波頻率快速上升。舉例來說，脈波寬度調變電路200偵測出目前負載為輕載，因此脈波寬度調變電路200進入脈波頻率調變模式(pulse-frequency mode，PFM mode)。在此時，由於第一電感器L1上的第一電流I1仍保持較大的狀態，因此造成第一驅動信號p11產生較多之脈衝，並進而伴隨了輸出電壓Vout的上升。

於時間點tc時，輸出電流Iout過大且輸出電壓Vout過高，脈波寬度調變電路200啟動過電壓保護或者過電流保護，並使得所有相位電路皆停止運作。亦即，所有驅動信號停止產生脈波。

為了要防止脈波寬度調變電路(PWM circuit)200的誤動作。本發明提出第二實施例的脈波寬度調變電路避免上述現象發生。

請參照第4圖，其所繪示為脈波寬度調變電路(PWM circuit)的第二實施例。脈波寬度調變電路400的輸入端接收一直流輸入電壓Vin，脈波寬度調變電路400的輸出端連接至一電容器C以及一負載R。再者，脈波寬度調變電路400為一種多相式脈波寬度調變電路，其輸出端可產生直流輸出電壓Vout與直流輸出電流Iout。

脈波寬度調變電路400包括一控制器410與三個相位電路。第一相位電路(first phase circuit)包括第一電晶體M11、第二電晶體M21、第一電感器L1、第一驅動器(driver)202與第一電流感測器(current sensor)402。

其中，第一相位電路中具有第一電流供應路徑(current supplying path)與第一電流旁路路徑(current bypass path)。其中，第一電晶體M11與第一電感器L1形成第一電流供應路徑，第二電晶體M21形成第一電流旁路路徑。再者，第一驅動器202產生第一驅動信號p11與第二驅動信號p21用以分別控制第一電流供應路徑與第一電流旁路路徑。

第一電晶體M11的汲極端連接至脈波寬度調變電路400的輸入端，第一電晶體M11的源極端連接至第一電感器L1的第一端，第一電晶體M11的閘極端接收第一驅動信號p11。第二電晶體M21的汲極端連接至第一電感器L1的第一端，第二電晶體M21的源極端連接至接地端以接收接地電壓，第二電晶體M21的閘極端接收第二驅動信號p21。第一電感器L1的第二端連接至脈波寬度調變電路200的輸出端。再者，第一電流感應器402連接至第一電感器L1的二端，用以感測第一電容器L1中的電流，並產生第一電流感測信號(current sensing signal)s1。亦即，第一電流感應器402可感測第一電流供應路徑上的電流I1。

第二相位電路包括第三電晶體M12、第四電晶體M22、第二電感器L2、第二驅動器204與第二電流感應器404。第三相位電路包括第五電晶體M13、第六電晶體M23、第三電感器L3、第三驅動器206與第三電流感應器406。再者，由於三個相位電路具有同樣的結構，所以第二相位電路與第三相位電路的連接關係不再贅述。

控制器410具有多個端點。電壓偵測端連接至脈波寬度調變電路400的輸出端，用以偵測輸出電壓Vout的變化。三個電流偵測端分別接收三個電流感測器402、404、406輸出的電流感測信號s1~s3。三個控制端分別可利用控制信號c1~c3來偵測並控制三個驅動器202、204、206。

基本上，第一實施例脈波寬度調變電路200與第二實施例的脈波寬度調變電路400皆可以根據負載的情況來調整相位電路的運作數目，因此不再贅述相位電路的運作原理。以下僅說明脈波寬度調變電路誤動作時的處理情形。

舉例來說，當控制器410根據三個電流感測信號s1~s3進一步確認僅有第一相位電路產生電流。之後，如果輸出電壓Vout超過一臨限電壓且在預設期間內第一驅動信號p11的脈波數目超過一臨限數目時，控制器410產生對應的控制信號c1來控制驅動器202產生第一驅動信號p11與第二驅動信號p21，並暫時地關閉第一相位電路中的第一電流供應路徑並且暫時地開啟第一電流旁路路徑。如此，輸出電壓Vout可快速地回到特定電壓值Vcc，而脈波寬度調變電路400將不會啟動過電壓保護或者過電流保護。

舉例來說，控制器410可以在一段預設期間(例如，1/300KHz)內的計算第一驅動信號p11的脈波數目。假設正常狀態下，第一驅動信號p11在預設期間中會產生一個脈波。如果在預設期間內，第一驅動信號p11產生超過三個脈波時，則控制器410即可立即反應，並產生對應的控制信號c1來控制驅動器202。

相同地，第4圖僅以三個相位電路來組成多相式脈波寬度調變電路。實際上，多相式脈波寬度調變電路中可包括結構相同的n個相位電路，且n大於等於2。

請參照第5圖其所繪示為第二實施例脈波寬度調變電路的運作流程圖。首先，脈波寬度調變電路400中的控制器410接收三個電流感測信號s1~s3並且偵測輸出電壓Vout(步驟S602)。

接著，控制器410判斷脈波寬度調變電路400是否降載運作(步驟S604)。舉例來說，脈波寬度調變電路400由三個相位電路在運作減少為剩下兩個相位電路在運作，或是僅剩下一個相位電路在運作。又如，原本有兩個相位電路在運作，變成僅剩下一個相位電路在運作。上述的情形發生時，控制器410判斷脈波寬度調變電路400降載運作。

根據本發明的實施例，控制器410可以根據電流感測信號s1~s3來判斷脈波寬度調變電路400是否降載運作。亦即，控制器410根據電流感測信號s1~s3來確認相位電路之運作數目。當相位電路的運作數目降低時，則控制器410確認脈波寬度調變電路400降載運作。當然，本發明並不限定於利用上述的方法來判斷脈波寬度調變電路400是否降載運作。控制器410也可以利用其他的方式來判斷脈波寬度調變電路400是否降載運作。

接著，控制器410判斷輸出電壓Vout是否超過臨限電壓(步驟S606)。當輸出電壓Vout未超過臨限電壓時，回到步驟S602。

當輸出電壓Vout超過臨限電壓時，則控制器410繼續判斷在一預設期間內驅動信號的脈波數目是否超過一臨限數目(步驟S608)。當驅動信號在預設期間內的脈波數目未超過臨限數目時，回到步驟S602。反之，當驅動信號在預設期間內的脈波數目超過臨限數目時，則暫時關閉電流供應路徑以及暫時開啟電流旁路路徑(步驟S610)。

根據本發明的第二實施例，當控制器410確認脈波寬度調變電路400降載運作時。亦即，脈波寬度調變電路400中運作的相位電路數目減少時，控制器410會繼續判斷輸出電壓Vout是否超過一臨限電壓。

假設在正常狀況下，輸出電壓Vout會維持在特定電壓值Vcc。當輸出電壓Vout到達特定電壓值的1.2倍時，脈波寬度調變電路400會啟動過電壓保護或者過電流保護。因此，可將臨限電壓設定為在特定電壓值Vcc的1.15倍。

當控制器410判斷輸出電壓Vout已經超過臨限電壓(亦即超過特定電壓值Vcc的1.15倍)時，控制器410會繼續偵測那些仍在運作的相位電路所產生的脈波數目。

為便於說明，此處假設僅有第一相位電路仍在正常運作，因此，控制器410將繼續偵測第一驅動信號p11在預設期間內的脈波數目。

當控制器410判斷第一驅動信號p11在預設期間內的脈波數目已經超過臨限數目時，控制器410產生對應的控制信號c1來控制第一相位電路中的驅動器202產生第二驅動信號p21，用以暫時地關閉第一相位電路中的第一電流供應路徑以及暫時地開啟第一電流旁路路徑。

也就是說，根據控制信號c1，驅動器202可在第一驅動信號p11上停止產生一脈波用以短暫地關閉第一電晶體M11，並在第二驅動信號p21上產生一脈波(pulse)用以短暫地開啟第二電晶體M21。當第一電晶體M11短暫地關閉且第二電晶體M21短暫地開啟時，一部分的第一電流I1可以經由電流旁路路徑流至接地端。如此，將可降低脈波寬度調變電路400的輸出電流Iout，並使得輸出電壓Vout快速地回到特定電壓值Vcc。因此，脈波寬度調變電路400將不會啟動過電壓保護或者過電流保護。

當然，除了第5圖的運作流程圖之外，本發明第二實施例的脈波寬度調變電路也可適用於其他的運作流程。請參照第6圖，其所繪示為第二實施例脈波寬度調變電路的另一運作流程圖。

相較於第5圖之運作流程，第6圖的差異在於控制器410先進行步驟S608再進行步驟S606。亦即，控制器410先判斷在一預設期間內驅動信號的脈波數目是否超過一臨限數目(步驟S608)。當驅動信號在預設期間內的脈波數目未超過臨限數目時，回到步驟S602。反之，當驅動信號在預設期間內的脈波數目超過臨限數目時，控制器410繼續判斷輸出電壓Vout是否超過臨限電壓(步驟S606)。

再者，當輸出電壓Vout未超過臨限電壓時，回到步驟S602。輸出電壓Vout超過臨限電壓時，則暫時關閉電流供應路徑以及暫時開啟電流旁路路徑(步驟S610)。

由以上的說明可知，本發明提出一種脈波寬度調變電路及其相關控制方法。當脈波寬度調變電路中，運作的相位電路減少時，如果輸出電壓Vout已經超過臨限電壓時，控制器進一步地控制與尚在運作之相位電路相對應的驅動器，透過驅動信號的產生，暫時地關閉仍在運作中的相位電路中的電流供應路徑並暫時地開啟電流旁路路徑。如此，將可以有效地防止脈波寬度調變電路啟動過電壓保護或者過電流保護。

綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

400‧‧‧脈波寬度調變電路

202、204、206‧‧‧驅動器

402、404、406‧‧‧電流感測器

410‧‧‧控制器

Claims

一種脈波寬度調變電路，包括：一第一相位電路，包括：一第一電流供應路徑，連接於該脈波寬度調變電路的一輸入端與一輸出端之間；一第一電流旁路路徑，連接於該第一電流供應路徑與一接地端之間；以及一第一驅動器，產生一第一驅動信號以控制該第一電流供應路徑，且產生一第二驅動信號以控制該第一電流旁路路徑；一第二相位電路，包括：一第二電流供應路徑，連接於該脈波寬度調變電路的該輸入端與該輸出端之間；以及一第二電流旁路路徑，連接於該第二電流供應路徑與該接地端之間；一第二驅動器，產生一第三驅動信號以控制該第二電流供應路徑，且產生一第四驅動信號以控制該第二電流旁路路徑；以及一控制器，連接至該脈波寬度調變電路的該輸出端以接收一輸出電壓，產生一第一控制信號至該第一驅動器，且產生一第二控制信號至該第二驅動器；其中，於確認該脈波寬度調變電路降載運作，且該輸出電壓超過一臨限電壓以及該第一驅動信號在一預設期間內的脈波數目超過一臨限數目時，該控制器控制該第一驅動器動動作該第一驅動信號以及該第二驅動信號以暫時地關閉該第一電流供應路徑以及暫時地開啟該第一電流旁路路徑。
如申請專利範圍第1項所述之脈波寬度調變電路，其中該第一電流供應路徑包括：一第一電晶體，其中該第一電晶體的一汲極連接至該脈波寬度調變電路的該輸入端，該第一電晶體的一閘極接收該第一驅動信號；以及一第一電感器，其中該第一電感器的一第一端連接至該第一電晶體的一源極，該第一電感器的一第二端連接至該脈波寬度調變電路的該輸出端。
如申請專利範圍第2項所述之脈波寬度調變電路，其中該第一電流旁路路徑更包括：一第二電晶體，該第二電晶體的一汲極連接至該第一電感器的該第一端，該第二電晶體的一閘極接收該第二驅動信號，且該第二電晶體的一源極連接至一接地端以接收一接地電壓。
如申請專利範圍第1項所述之脈波寬度調變電路，其中該控制器動作該第一控制信號以控制該第一驅動器動作該第一驅動信號與該第二驅動信號以暫時地關閉該第一電流供應路徑以及暫時地開啟該第一電流旁路路徑。
一種如申請專利範圍第1項所述之脈波寬度調變電路的控制方法，包括下列步驟：(a)於確認該脈波寬度調變電路降載運作時，偵測該輸出電壓； (b)當該輸出電壓超過該臨限電壓時，於該預設期間內偵測該第一驅動信號的脈波數目；以及(c)當該第一驅動信號的脈波數目超過該臨限數目時，暫時地關閉該第一電流供應路徑並暫時地開啟該第一電流旁路路徑。
如申請專利範圍第5項所述之控制方法，更包括下列步驟：當該輸出電壓未超過該臨限電壓時，回到步驟(a)。
如申請專利範圍第5項所述之控制方法，更包括下列步驟：當該第一驅動信號的脈波數目未超過該臨限數目時，回到步驟(a)。
一種如申請專利範圍第1項所述之脈波寬度調變電路的控制方法，包括下列步驟：(a)於確認該脈波寬度調變電路降載運作時，於該預設期間內偵測該第一驅動信號的脈波數目；(b)當該第一驅動信號的脈波數目超過該臨限數目時，偵測該輸出電壓；以及(c)當該輸出電壓超過該臨限電壓時，暫時地關閉該第一電流供應路徑並暫時地開啟該第一電流旁路路徑。
如申請專利範圍第8項所述之控制方法，更包括下列步驟：當該輸出電壓未超過該臨限電壓時，回到步驟(a)。
如申請專利範圍第8項所述之控制方法，更包括下列步驟：當該第一驅動信號的脈波數目未超過該臨限數目時，回到步驟(a)。