TWI687032B - 用於電源轉換器的任意切換頻率的自動頻寬控制系統 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種用於電源轉換器的任意切換頻率的自動頻寬控制系統。脈波產生器依據比較訊號輸出預設時脈訊號。控制電路依據預設時脈訊號與從外部時脈訊號的頻率，以控制第一開關與第二開關。第一電流鏡連接輸入電壓源以及第一開關的第一端。第二比較器比較第二參考電壓源與第一電流鏡的輸出電壓，以輸出比較訊號。第二電流鏡連接輸入電壓源、誤差放大器以及第二開關的第一端。第二電流鏡的電流控制誤差放大器的轉導增益，以調整電源轉換器的頻寬。

Description

用於電源轉換器的任意切換頻率的自動頻寬控制系統
本發明涉及電源轉換器，特別是涉及一種用於電源轉換器的任意切換頻率的自動頻寬控制系統。
近年來隨著科技的進步，具有各式各樣不同功能的電子產品已逐漸被研發出來，這些具有各式各樣不同功能的電子產品不但滿足了人們的各種不同需求，更融入每個人的日常生活，使得人們生活更為便利。這些各式各樣不同功能的電子產品是由各種電子元件所組成，而每一個電子元件所需的電源電壓不盡相同，因此，為了使這些各式各樣不同功能的電子產品正常運作，需要通過電源轉換電路將輸入電壓轉換為適當的電壓，而提供給電子產品的電子元件使用。
本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種用於電源轉換器的任意切換頻率的自動頻寬控制系統。電源轉換器包含誤差放大器、第一比較器、驅動電路以及開關電路。誤差放大器的一輸入端連接第一參考電壓源以及誤差放大器的另一輸入端連接開關電路的輸出端。第一比較器的一輸入端連接開關電路的一輸入端以及第一比較器的另一輸入端連接誤差放大器的輸出端。開關電路的輸入端連接輸入電壓源。驅動電路的輸入端連接第一比較器的輸出端。開關電路的控制端連接驅動電路的輸出端。用於電源轉換器的任意切換頻率的自動頻寬控制系統包含脈波產生器、控制電路、第一開關、第一電流鏡、第二比較器、第二開關以及第二電流鏡。脈波產生器配置以依據一比較訊號輸出預設時脈訊號。控制電路連接脈波產生器，配置以比較預設時脈訊號與從外部接收的外部時脈訊號的頻率，以輸出控制訊號。第一開關的控制端連接控制電路，以由控制訊號控制第一開關的運作。第一電流鏡連接一輸入電壓源以及第一開關的第一端，第一開關的第二端接地。第二比較器具有第一輸入端連接第二參考電壓源以及第二輸入端連接第一電流鏡。第二比較器的輸出端連接脈波產生器。第二比較器配置以比較第二參考電壓源與第一電流鏡的輸出電壓，以輸出比較訊號。第二開關的控制端連接控制電路，以由控制訊號控制第二開關的運作。第二電流鏡連接輸入電壓源以及第二開關的第一端。第二開關的第二端接地。第二電流鏡連接誤差放大器，以提供電流至誤差放大器。誤差放大器的轉導增益隨電流改變，進而使電源轉換器的頻寬隨外部時脈訊號的頻率調整。
在一態樣中，控制電路包含鎖相迴路。
在一態樣中，所述用於電源轉換器的任意切換頻率的自動頻寬控制系統更包含第三開關。第三開關的第一端連接第二比較器的第二輸入端。第三開關的第二端接地。第三開關的控制端連接脈波產生器。
在一態樣中，第一電流鏡包含第一電晶體以及第二電晶體。第一電晶體的第一端以及第二電晶體的第一端連接輸入電壓源。第二電晶體的第二端連接第一開關的第一端。第一電晶體的控制端連接第二電晶體的控制端和第二端。第一電晶體的第二端連接第二比較器的第二輸入端。
在一態樣中，所述用於電源轉換器的任意切換頻率的自動頻寬控制系統更包含電容。第一電晶體的第二端通過電容接地。
在一態樣中，第二電流鏡包含第一電晶體以及第二電晶體。第一電晶體的第一端以及第二電晶體的第一端連接輸入電壓源。第一電晶體的第二端連接第二開關的第一端。第二電晶體的控制端連接第一電晶體的控制端和第二端。第二電晶體的第二端連接誤差放大器。
如上所述，本發明所提供用於電源轉換器的任意切換頻率的自動頻寬控制系統，其在外部時脈訊號指示的切換頻率大於預設切換頻率或稱為內部資訊頻率時，控制系統會促使內部資訊頻率調整等於外部時脈訊號指示的切換頻率，並調高誤差放大器的轉導增益，進而調高電源轉換器的迴路頻寬，以降低電源轉換器輸出電壓的掉電量，進而提高負載轉態的表現。
為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。
以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。
應當可以理解的是，雖然本文中可能會使用到“第一”、“第二”、“第三”等術語來描述各種元件或者訊號，但這些元件或者訊號不應受這些術語的限制。這些術語主要是用以區分一元件與另一元件，或者一訊號與另一訊號。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包含相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。
請參閱圖1，其為本發明實施例的電源轉換器的電路布局圖。
如圖1所示，電源轉換器包含誤差放大器EA、第一比較器COM1、驅動電路DRV、開關電路以及電流感測與斜率補償器CSSC。開關電路包含第一開關S1以及第二開關S2。
電源轉換器的開關電路的輸入端，即第一開關S1的第一端，連接輸入電壓源VIN。第一開關S1的第二端連接第二開關S2的第一端。第二開關S2的第二端接地。第一開關S1的控制端以及第二開關S2的控制端連接驅動電路DRV的輸出端。
電源轉換器的第一開關S1以及第二開關S2之間的節點連接輸出電感L1的一端，電感L1的另一端通過輸出電容Co接地。輸出電容Co、一分壓電路以及輸出電阻RL並聯連接。分壓電路包含第一電阻R1以及第二電阻R2相互串聯接地。
誤差放大器EA的一輸入端例如非反相輸入端連接第一參考電壓源VREF1。誤差放大器EA的另一輸入端例如反相輸入端通過分壓電路，連接開關電路的輸出端。換言之，誤差放大器EA的另一輸入端連接分壓電路的第一電阻R1以及第二電阻R2之間的節點。誤差放大器EA的輸出端通過第三電阻R3與第一電容C1的串聯電路接地，以及通過第二電容C2接地。
第一比較器COM1的一輸入端例如反相輸入端，通過電流感測與斜率補償器CSSC，連接開關電路的輸入端即第一開關S1的第一端。第一比較器COM1的另一輸入端例如非反相輸入端連接誤差放大器EA的輸出端。電流感測與斜率補償器CSSC連接第一開關S1的第一端，並且連接第一開關S1以及第二開關S2之間的節點。驅動電路DRV的輸入端連接第一比較器COM1的輸出端。
電流感測與斜率補償器CSSC配置以檢測流經第一開關S1的第一端的電流以及流經第一開關S1以及第二開關S2之間的節點的電流，以輸出一感測比較訊號。第一比較器COM1比較誤差放大器EA輸出的誤差放大訊號的電壓VE與此感測比較訊號的電壓VCS，以輸出一脈寬調變訊號PWM。驅動電路DRV依據脈寬調變訊號PWM控制第一開關S1以及第二開關S2的運作，進而控制電源轉換器的輸出端的輸出電壓訊號VOUT。
分壓電路將電源轉換器的輸出端的輸出電壓訊號VOUT的電壓進行分壓，以在第一電阻R1以及第二電阻R2之間的節點，產生一反饋電壓VFB。本實施例的電源轉換器的誤差放大器EA採用轉導放大器。誤差放大器EA將反饋電壓VFB與第一參考電壓源VREF1提供的第一參考電壓的差值，乘上一轉導增益(gm)，以輸出一電流。
值得注意的是，傳統電源轉換器的頻寬被設計為固定值。舉例來說，頻寬設定為固定的60KHZ，在電源轉換器的第一開關S1以及第二開關S2的切換頻率為600KHZ時，負載暫態表現佳。然而，當切換頻率調高例如600KHZ調高至2MHz時，傳統電源轉換器的輸出電流快速增加，但由於傳統電源轉換器的頻寬為固定值例如仍維持60kHZ，導致電源轉換器的輸出電壓的掉電大，造成負載暫態(Load transient)在高頻操作下表現較差，如下公式一所示：
Figure 02_image001
， 其中，Vdrop代表電源轉換器的輸出電壓的掉電，ΔIo代表電源轉換器的輸出電流，Co代表電源轉換器的輸出電容Co的電容值，fc代表電源轉換器的頻寬。
為解決上述問題，本發明提供如圖2所示的自動頻寬控制系統FWADS應用於如圖1所示的電源轉換器，兩者的連接方式如圖3所示，具體說明如下。
請參閱圖1~圖3，其中圖1為本發明實施例的電源轉換器的電路布局圖；圖2為本發明實施例的用於電源轉換器的任意切換頻率的自動頻寬控制系統的電路布局圖；圖3為圖2的頻寬自動調整系統應用於圖1的電源轉換器的電路布局圖。
如圖2所示，本實施例的頻寬自動調整系統包含脈波產生器PULS、控制電路PLL、第一開關SW1、第一電流鏡MR1、第二比較器COM2、第二開關SW2以及第二電流鏡MR2。
脈波產生器PULS連接第二比較器COM2，配置以依據第二比較器COM2輸出的比較訊號，以輸出預設時脈訊號CLK。此預設時脈訊號CLK具有一預設切換頻率或稱為內部資訊頻率，例如600KHz，在此僅舉例說明，本發明不以此為限。
控制電路PLL的時脈輸入端CLKIN連接脈波產生器PULS。控制電路PLL的外部時脈輸入端CLKREF連接一外部電路。控制電路PLL配置以比較一預設時脈訊號CLK的頻率例如600KHz與從外部電路接收的一外部時脈訊號SYNC的頻率f SYNC例如2MHz，以輸出控制訊號。
第一開關SW1以及第二開關SW2可為N通道增強型MOSFET，但實務上亦可替換為其他型態的電晶體。第一開關SW1的控制端以及第二開關SW2的控制端連接控制電路PLL的輸出端OUT，以由控制電路PLL輸出控制訊號控制第一開關SW1以及第二開關SW2的運作。
第一開關SW1的第二端通過第四電阻R4接地。第一開關SW1的第一端連接第一電流鏡MR1。第一電流鏡MR1包含第一電晶體T1以及第二電晶體T2。第一電晶體T1的第一端以及第二電晶體T2的第一端連接輸入電壓源VIN。第二電晶體T2的第二端連接第一開關SW1的第一端。第一電晶體T1的控制端連接第二電晶體T2的控制端以及第二電晶體T2的第二端。第一電晶體T1的第二端通過第三電容C3接地。
第二比較器COM2具有第一輸入端例如反相輸入端以及第二輸入端例如非反相輸入端。第二比較器COM2的第一輸入端連接第二參考電壓源VREF2。第二比較器COM2的第二輸入端連接第一電流鏡MR1的第一電晶體T1的第二端以及第三電容C3。第二比較器COM2的輸出端連接脈波產生器PULS。第二比較器COM2配置以比較第二參考電壓源VREF2，與第一電流鏡MR1的輸出電壓即第一電晶體T1的第二端的電壓或第三電容C3的電壓，以輸出一比較訊號至脈波產生器PULS。
第三開關SW3的第一端連接第二比較器COM2的第二輸入端。第三開關SW3的第二端接地。第三開關SW3的控制端連接脈波產生器PULS。當第二比較器COM2輸出高準位的比較訊號時，第三開關SW3導通，使第二比較器COM2的第二輸入端的電壓為零值，以進行重置作業RESET。
如上所述，控制電路PLL依據外部時脈訊號SYNC的頻率fSYNC控制第一開關SW1的運作。舉例而言，從預設時脈訊號CLK的頻率例如600KHz調高至外部時脈訊號SYNC的頻率fSYNC例如2MHz時，控制電路PLL控制第一開關SW1使流經第一開關SW1的電流增加，以使脈波產生器PULS輸出具有較高頻率的預設時脈訊號CLK。控制電路PLL依據此具有較高頻率的預設時脈訊號CLK控制第二開關SW2的運作。
第一電流鏡MR1的電流與脈波產生器PULS輸出的預設時脈訊號CLK的頻率成正比關係，如下公式二表示：
Figure 02_image003
， 其中，fclk代表預設時脈訊號CLK的頻率，IT1代表流經第一電流鏡MR1的第一電晶體T1的電流，C3代表第三電容C3的電容值，VR2代表第二參考電壓源VREF2的第二參考電壓。
由於第一電流鏡MR1的第一電晶體T1與第二電晶體T2的比例為1:1，第一電晶體T1的電流與第二電晶體T2的電流關係如下公式三表示：
Figure 02_image005
，其中，IT1代表第一電晶體T1的電流，IT2代表第二電晶體T2的電流。
另一方面，第二電流鏡MR2包含第一電晶體T3以及第二電晶體T4。第一電晶體T3的第一端以及第二電晶體T4的第一端連接輸入電壓源VIN。第一電晶體T3的第二端連接第二開關SW2的第一端。第二開關SW2的第二端接地。第二電晶體T4的控制端連接第一電晶體T3的控制端和第一電晶體T3的第二端。如圖3所示，第二電晶體T4的第二端連接誤差放大器EA的電流輸入端。
控制電路PLL依據外部時脈訊號SYNC的頻率fSYNC控制第二開關SW2的運作，以調整第二電流鏡MR2的第一電晶體T3的電流，進而調整第二電流鏡MR2的第二電晶體T4的電流。例如，第二電晶體T4的電流等於第一電晶體T3的電流，在此僅舉例說明，本發明不以此為限。
第一電流鏡MR1的第二電晶體T2的電流與第一開關SW1的控制端的電壓的關係，如下公式四表示：
Figure 02_image007
； 其中，IT2代表流經第一電流鏡MR1的第二電晶體T2的電流，VCP代表圖2、圖3所示的第一開關SW1的控制端的電壓，VTH1代表第一開關SW1的臨界電壓(threshold voltage)，R4代表第四電阻R4的電阻值。
上方公式四轉換為，如下所示的公式五：
Figure 02_image009
。
利用上方公式五，計算第二電流鏡MR2的第一電晶體T3的電流如下公式六表示：
Figure 02_image011
； 其中，IT3代表流經第二電流鏡MR2的第一電晶體T3的電流，K1代表第一電晶體T3與第二電晶體T2的比例，R4代表如圖2、3所示的第四電阻R4的電阻值，VTH1、VTH2分別代表第一開關SW1以及第二開關SW2的臨界電壓。
上方公式六可簡化為，如下所示的公式七：
Figure 02_image013
。
若第二電流鏡MR2的第一電晶體T3與第二電晶體T4的比例為1:1，第一電晶體T3的電流與第二電晶體T4的電流關係如下公式八表示：
Figure 02_image015
，其中，IT3代表第二電流鏡MR2的第一電晶體T3的電流，IT4代表第二電流鏡MR2的第二電晶體T2的電流。
第一電晶體T1與第二電晶體T4的比例，如下公式九表示：
Figure 02_image017
。
將上方公式三、公式八以及公式九，代入公式七，則可將公式七簡化為下方公式十：
Figure 02_image019
， 其中IT4代表第二電流鏡MR2的第二電晶體T2的電流，IT1代表第一電流鏡MR1的第一電晶體T1的電流。
從公式二與公式十可知，當電源轉換器的切換頻率增加，例如從預設時脈訊號CLK的一預定頻率增加至外部時脈訊號SYNC的頻率fSYNC時，控制電路PLL據以控制第一開關SW1的電流增加。此時，第二電流鏡MR2的第二電晶體T4的電流將以平方倍增加。
如圖3所示，圖2所示的本實施例的自動頻寬控制系統FWADS的第二電流鏡MR2的第二電晶體T4的第二端連接圖1所示的電源轉換器的誤差放大器EA的電流輸入端。第二電流鏡MR2的第二電晶體T4輸出的電流提供至誤差放大器EA。
值得注意的是，相比於傳統電源轉換器的頻寬為固定值，應用本實施例的自動頻寬控制系統FWADS的電源轉換器的頻寬為可調整值。誤差放大器EA的轉導增益隨第二電流鏡MR2的第二電晶體T4的電流改變，進而使電源轉換器的頻寬隨外部時脈訊號SYNC的頻率f SYNC調整。
電源轉換器的頻寬與誤差放大器EA的轉導增益的成正比關係，如下公式十一表示：
Figure 02_image021
， 其中，fc代表電源轉換器的頻寬，gm代表誤差放大器EA的轉導增益，Rc代表電源轉換器的第三電阻R3的電阻值，Gcs代表電源轉換器的電流感測與斜率補償器CSSC的電流感測參數值，Co代表電源轉換器的輸出電容Co的電容值，VR1代表電源轉換器的第一參考電壓源VREF1的第一參考電壓，VOUT代表電源轉換器的輸出電壓訊號的電壓。
請一併參閱圖3和圖4，其中圖4為電源轉換器的誤差放大器的內部電路圖。
如圖4所示，電源轉換器的誤差放大器EA包含第一輸入差動對、第三電流鏡、第四電流鏡、第五電流鏡。第一輸入差動對包含第一電晶體TE1以及第二電晶體TE2。第三電流鏡包含第三電晶體TE3以及第四電晶體TE4。第四電流鏡包含第五電晶體TE5以及第六電晶體TE6。第五電流鏡包含第七電晶體TE7以及第八電晶體TE8。
第一電晶體TE1以及第二電晶體TE2連接電流源I M7，並且分別連接第三電晶體TE3以及第五電晶體TE5。第四電晶體TE4連接第三電晶體TE3以及第八電晶體TE8。第六電晶體TE6連接第五電晶體TE5以及第七電晶體TE7。第七電晶體TE7以及第八電晶體TE8連接輸入電壓源VIN。
第一輸入差動對的第一電晶體TE1以及第二電晶體TE2的比例為1:1，第一電晶體TE1的電流與第二電晶體TE2的電流關係，如下公式十二表示：
Figure 02_image023
，其中，ITE1代表第一電晶體TE1的電流，ITE2代表第一電晶體TE2的電流。
第四電流鏡的第五電晶體TE5以及第六電晶體TE6的比例為1:1，第五電晶體TE5的電流與第六電晶體TE6的電流關係，如下公式十三表示：
Figure 02_image025
，其中，ITE5代表第五電晶體TE5的電流，ITE6代表第六電晶體TE6的電流。
第三電流鏡的第三電晶體TE3以及第四電晶體TE4的比例為1:K，第三電晶體TE3的電流與第四電晶體TE4的電流關係，如下公式十四表示：
Figure 02_image027
，其中，ITE4代表第四電晶體TE4的電流，ITE3代表第三電晶體TE3的電流。
第五電流鏡的第七電晶體TE7以及第八電晶體TE8的比例為1:K，第七電晶體TE7的電流與第八電晶體TE8的電流關係，如下公式十五表示：
Figure 02_image029
，其中，ITE8代表第八電晶體TE8的電流，ITE7代表第七電晶體TE7的電流。
第一輸入差動對的第二電晶體TE2的轉導增益與公式十的第一電流鏡MR1的第一電晶體 IT1成正比關係，如下公式十六表示：
Figure 02_image031
，
其中，
Figure 02_image033
代表第二電晶體TE2的轉導增益，IT1代表流經第一電流鏡MR1的第一電晶體T1的電流，
Figure 02_image035
代表第二電晶體TE2的載子遷移率，Cox代表第二電晶體TE2的氧化層電容，L、W分別代表第二電晶體TE2的閘極通道的長度和寬度。
公式十一的誤差放大器EA的轉導增益
Figure 02_image037
與公式十六的第二電晶體TE2的轉導增益
Figure 02_image033
的關係，以公式十七表示：
Figure 02_image039
。
由上方公式二、公式十一、公式九、公式十可知，電源轉換器的頻寬與頻率成正比。因此，當電源轉換器的切換頻率隨外部時脈訊號SYNC的頻率fSYNC調高時，本實施例的自動頻寬控制系統FWADS的控制電路PLL將第二電晶體T4輸出至誤差放大器EA的電流調高，以調高電源轉換器的轉導增益，進而將電源轉換器的頻寬調高，使得電源轉換器在高頻操作下具有較好的負載暫態(Load transient)表現。
請參閱圖5A、圖5B，其中圖5A為外部時脈訊號的頻率為600KHz時的電源轉換器進行10mA至5A的負載電流轉換過程中的輸出電壓訊號的波形圖；圖5B為外部時脈訊號的頻率為600KHz時的電源轉換器進行10mA至5A的負載電流轉換過程中的輸出電流以及電感電流的波形圖。
如圖1所示的電源轉換器的切換頻率為預設時脈訊號CLK的預設頻率600KHZ，並且頻寬為60KHZ時，電源轉換器的輸出電壓訊號VOUT0如圖5A所示，而電源轉換器的輸出電流IOUT0、流經電感L1的電感電流IL0如圖5B所示。
請一併參閱圖5A、圖5B、圖6A和圖6B，其中圖6A和圖6B分別為外部時脈訊號的頻率為2MHz時的一般電源轉換器進行10mA至5A的負載電流轉換過程中的輸出電壓訊號以及輸出電流與電感電流的波形圖。
一般電源轉換器的切換頻率從預設頻率600KHZ調高至外部時脈訊號的頻率2MHz時，進行10mA至5A的負載電流轉換過程中，產生如圖6B所示的輸出電流IOUT1以及流經電感L1的電感電流IL1，使得圖5A所示的輸出電壓訊號VOUT0改變為圖6A所示的輸出電壓訊號VOUT1。顯然地，輸出電壓訊號VOUT1掉電732mV。其結果為，負載暫態表現差。
請一併參閱圖6A、圖6B、圖7A和圖7B，其中圖7A和圖7B分別為圖2的頻寬自動調整系統依據2MHz頻率調整圖1的電源轉換器的轉導增益後的電源轉換器進行10mA至5A的負載電流轉換過程中的輸出電壓訊號以及輸出電流與電感電流的波形圖。
如圖3所示，如圖2所示的本發明自動頻寬控制系統FWADS應用於如圖1所示的電源轉換器。在此情況下，當電源轉換器的切換頻率從預設頻率600KHZ調高至外部時脈訊號的頻率2MHz時，產生如圖6B所示的輸出電流IOUT2以及流經電感L1的電感電流IL2，使得圖5A所示的輸出電壓訊號VOUT0改變為圖7A的輸出電壓訊號VOUT2。輸出電壓訊號VOUT2僅掉電237mV。
如上所述，如圖1所示的電源轉換器採用本發明的自動頻寬控制系統FWADS時，可降低電源轉換器的掉電量，以及提高負載電流從10mA轉態至5A的表現。
請參閱圖8A、圖8B，其中圖8A為外部時脈訊號的頻率為600KHz時的電源轉換器進行5A至10mA的負載電流轉換過程中的輸出電壓訊號的波形圖；圖8B為外部時脈訊號的頻率為600KHz時的電源轉換器進行5A至10mA的負載電流轉換過程中的輸出電流以及電感電流的波形圖。
如圖1所示的電源轉換器的切換頻率為預設時脈訊號CLK的預設頻率600KHZ，並且頻寬為60KHZ時，電源轉換器進行5A至10mA的負載電流轉換過程中的輸出電壓訊號VOUT3如圖8A所示，而電源轉換器的輸出電流IOUT3、流經電感L1的電感電流IL3如圖8B所示。
請一併參閱圖8A、圖8B、圖9A和圖6B，其中圖9A和圖6B分別為外部時脈訊號的頻率為2MHz時的一般電源轉換器進行5A至10mA的負載電流轉換過程中的輸出電壓訊號以及輸出電流與電感電流的波形圖。
一般電源轉換器的切換頻率從預設頻率600KHZ調高至外部時脈訊號的頻率2MHz時，產生如圖9B所示的流經電感L1的電感電流IL4以及輸出電流IOUT4，使得圖8A所示的輸出電壓訊號VOUT3改變為圖9A所示的輸出電壓訊號VOUT4，其過衝至726mV，導致負載暫態表現差。
請一併參閱圖9A、圖9B、圖10A和圖10B，其中圖10A和圖10B分別為圖2的頻寬自動調整系統依據2MHz頻率調整圖1的電源轉換器的轉導增益後的電源轉換器進行5A至10mA的負載電流轉換過程中的輸出電壓訊號以及輸出電流與電感電流的波形圖。
如圖3所示，本發明的如圖2所示的自動頻寬控制系統FWADS應用於如圖1所示的電源轉換器。在此情況下，當電源轉換器的切換頻率從預設頻率600KHZ調高至外部時脈訊號的頻率2MHz時，產生如圖10B所示的流經電感L1的電感電流IL5以及輸出電流IOUT5，使得圖8A所示的輸出電壓訊號VOUT3改變為圖10A的輸出電壓訊號VOUT5。輸出電壓訊號VOUT5僅過衝237mV。
如上所述，如圖1所示的電源轉換器採用本發明的自動頻寬控制系統FWADS時，可降低電源轉換器的掉電量，以及提高負載電流從5A轉態至10mA的表現。
綜上所述，本發明的有益效果在於，本發明所提供用於電源轉換器的任意切換頻率的自動頻寬控制系統，其在外部時脈訊號指示的切換頻率大於預設切換頻率或稱為內部資訊頻率時，控制系統會促使內部資訊頻率調整等於外部時脈訊號指示的切換頻率，並調高誤差放大器的轉導增益，進而調高電源轉換器的迴路頻寬，以降低電源轉換器輸出電壓的掉電量，進而提高負載轉態的表現。
以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。
EA:誤差放大器 VREF1:第一參考電壓源 VFB:反饋電壓 COM1:第一比較器 PWM:脈寬調變訊號 VCS、VE:電壓 DRV:驅動電路 CSSC:電流感測與斜率補償器 S1:第一開關 S2:第二開關 L1:電感 R1:第一電阻 R2:第二電阻 R3:第三電阻 RL:輸出電阻 C1、C2、Co:電容 VIN:輸入電壓源 FWADS:自動頻寬控制系統 PLL:控制電路 CLKIN:時脈輸入端 CLKREF:外部時脈輸入端 OUT:輸出端 PULS:脈波產生器 CLK:時脈訊號 SYNC:外部時脈訊號 fSYNC:頻率 VCP:電壓 SW1:第一開關 R4:第四電阻 SW2:第二開關 MR1:第一電流鏡 T1:第一電晶體 T2:第二電晶體 MR2:第二電流鏡 T3:第一電晶體 T4:第二電晶體 COM2:第二比較器 VREF2:第二參考電壓源 SW3:第三開關 C3:第三電容 RESET:重置作業 IM7:電流源 M:電晶體參數值 K:比例 TE1:第一電晶體 TE2:第二電晶體 TE3:第三電晶體 TE4:第四電晶體 TE5:第五電晶體 TE6:第六電晶體 TE7:第七電晶體 TE8:第八電晶體 VOUT 、VOUT0、VOUT1、VOUT2、VOUT3、VOUT4、VOUT5:輸出電壓訊號 IL0、IL1、IL2、IL3、IL4、IL5:電感電流 IOUT0、IOUT1、IOUT2、IOUT3、IOUT4、IOUT5:輸出電流
圖1為本發明實施例的電源轉換器的電路布局圖。
圖2為本發明實施例的用於電源轉換器的任意切換頻率的自動頻寬控制系統的電路布局圖。
圖3為圖2的頻寬自動調整系統應用於圖1的電源轉換器的電路布局圖。
圖4為電源轉換器的誤差放大器的內部電路圖。
圖5A為外部時脈訊號的頻率為600KHz時的電源轉換器進行10mA至5A的負載電流轉換過程中的輸出電壓訊號的波形圖。
圖5B為外部時脈訊號的頻率為600KHz時的電源轉換器進行10mA至5A的負載電流轉換過程中的輸出電流以及電感電流的波形圖。
圖6A為外部時脈訊號的頻率為2MHz時的一般電源轉換器進行10mA至5A的負載電流轉換過程中的輸出電壓訊號的波形圖。
圖6B為外部時脈訊號的頻率為2MHz時的一般電源轉換器進行10mA至5A的負載電流轉換過程中的輸出電流以及電感電流的波形圖。
圖7A為圖2的頻寬自動調整系統依據2MHz頻率調整圖1的電源轉換器的轉導增益後的電源轉換器進行10mA至5A的負載電流轉換過程中的輸出電壓訊號的波形圖。
圖7B為圖2的頻寬自動調整系統依據2MHz頻率調整圖1的電源轉換器的轉導增益後的電源轉換器進行10mA至5A的負載電流轉換過程中的輸出電流以及電感電流的波形圖。
圖8A為外部時脈訊號的頻率為600KHz時的電源轉換器進行5A至10mA的負載電流轉換過程中的輸出電壓訊號的波形圖。
圖8B為外部時脈訊號的頻率為600KHz時的電源轉換器進行5A至10mA的負載電流轉換過程中的輸出電流以及電感電流的波形圖。
圖9A為外部時脈訊號的頻率為2MHz時的一般電源轉換器進行5A至10mA的負載電流轉換過程中的輸出電壓訊號的波形圖。
圖9B為外部時脈訊號的頻率為2MHz時的一般電源轉換器進行5A至10mA的負載電流轉換過程中的輸出電流以及電感電流的波形圖。
圖10A為圖2的頻寬自動調整系統依據2MHz頻率調整圖1的電源轉換器的轉導增益後的電源轉換器進行5A至10mA的負載電流轉換過程中的輸出電壓訊號的波形圖。
圖10B為圖2的頻寬自動調整系統依據2MHz頻率調整圖1的電源轉換器的轉導增益後的電源轉換器進行5A至10mA的負載電流轉換過程中的輸出電流以及電感電流的波形圖。
EA:誤差放大器
VREF1:第一參考電壓源
VFB:反饋電壓
COM1:第一比較器
PWM:脈寬調變訊號
VCS、VE:電壓
DRV:驅動電路
CSSC:電流感測與斜率補償器
S1:第一開關
S2:第二開關
L1:電感
R1:第一電阻
R2:第二電阻
R3:第三電阻
RL:輸出電阻
C1、C2、Co:電容
VIN:輸入電壓源
VOUT:輸出電壓訊號
FWADS:自動頻寬控制系統
PLL:控制電路
CLKIN、CLKREF:時脈輸入端
OUT:輸出端
PULS:脈波產生器
CLK:時脈訊號
SYNC:外部時脈訊號
fSYNC:頻率
VCP:電壓
SW1:第一開關
R4:第四電阻
SW2:第二開關
MR1:第一電流鏡
T1:第一電晶體
T2:第二電晶體
MR2:第二電流鏡
T3:第一電晶體
T4:第二電晶體
COM2:第二比較器
VREF2:第二參考電壓源
SW3:第三開關
C3:第三電容
RESET:重置作業

Claims (6)

  1. 一種用於電源轉換器的任意切換頻率的自動頻寬控制系統，該電源轉換器包含一誤差放大器、一第一比較器、一驅動電路以及一開關電路，該誤差放大器的一輸入端連接一第一參考電壓源以及該誤差放大器的另一輸入端連接該開關電路的輸出端，該第一比較器的一輸入端連接該開關電路的一輸入端以及該第一比較器的另一輸入端連接該誤差放大器的輸出端，該開關電路的該輸入端連接一輸入電壓源，該驅動電路的輸入端連接該第一比較器的輸出端，該開關電路的一控制端連接該驅動電路的輸出端，該用於電源轉換器的任意切換頻率的自動頻寬控制系統包含： 一脈波產生器，配置以依據一比較訊號輸出一預設時脈訊號； 一控制電路，連接該脈波產生器，配置以比較該預設時脈訊號與從外部接收的一外部時脈訊號的頻率，以輸出一控制訊號； 一第一開關，該第一開關的控制端連接該控制電路，以由該控制訊號控制該第一開關的運作； 一第一電流鏡，連接一輸入電壓源以及該第一開關的第一端，該第一開關的第二端接地； 一第二比較器，具有一第一輸入端連接一第二參考電壓源以及一第二輸入端連接該第一電流鏡，該第二比較器的輸出端連接該脈波產生器，配置以比較該第二參考電壓源與該第一電流鏡的輸出電壓，以輸出該比較訊號； 一第二開關，該第二開關的控制端連接該控制電路，以由該控制訊號控制該第二開關的運作；以及 一第二電流鏡，連接該輸入電壓源以及該第二開關的第一端，該第二開關的第二端接地，該第二電流鏡連接該誤差放大器，以提供一電流至該誤差放大器，該誤差放大器的一轉導增益隨該電流改變，進而使該電源轉換器的頻寬隨該外部時脈訊號的頻率調整。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的用於電源轉換器的任意切換頻率的自動頻寬控制系統，其中該控制電路包含一鎖相迴路。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的用於電源轉換器的任意切換頻率的自動頻寬控制系統，更包含一第三開關，該第三開關的第一端連接該第二比較器的該第二輸入端，該第三開關的第二端接地，該第三開關的控制端連接該脈波產生器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的用於電源轉換器的任意切換頻率的自動頻寬控制系統，其中該第一電流鏡包含一第一電晶體以及一第二電晶體，該第一電晶體的第一端以及該第二電晶體的第一端連接該輸入電壓源，該第二電晶體的第二端連接該第一開關的第一端，該第一電晶體的控制端連接該第二電晶體的控制端和第二端，該第一電晶體的第二端連接該第二比較器的該第二輸入端。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的用於電源轉換器的任意切換頻率的自動頻寬控制系統，更包含一電容，該第一電晶體的第二端通過該電容接地。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的用於電源轉換器的任意切換頻率的自動頻寬控制系統，其中該第二電流鏡包含一第一電晶體以及一第二電晶體，該第一電晶體的第一端以及該第二電晶體的第一端連接該輸入電壓源，該第一電晶體的第二端連接該第二開關的第一端，該第二電晶體的控制端連接該第一電晶體的控制端和第二端，該第二電晶體的第二端連接該誤差放大器。
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