TWI689163B - 直流轉換器與數位固定導通時間控制器 - Google Patents

直流轉換器與數位固定導通時間控制器 Download PDF

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Abstract

一種適用於直流轉換器的數位固定導通時間控制器，包含電流感測電路，其感測直流轉換器的儲存能量，以產生感測電壓；偏移抵消電路，其接收感測電壓，並根據感測電壓的波谷電壓以產生偏移去除感測電壓；比較器，其比較偏移去除感測電壓與參考信號；及脈寬調變產生器，其根據比較器的比較結果以產生切換控制信號。

Description

直流轉換器與數位固定導通時間控制器
本發明係有關一種直流(DC-to-DC)轉換器，特別是關於一種具輸出電壓偏移抵消(offset cancellation)的直流轉換器。
電源轉換器(power converter)為一種轉換電能的電子電路，用以從一種形式轉換為另一種形式。直流(DC-to-DC)轉換器為電源轉換器的一種，用以將直流源從一個電壓位準轉換為另一電壓位準。於直流轉換器中，通常設置電感器於切換電路與輸出節點間，以儲存能量。
直流轉換器通常使用類比電流感測電路以感測電感電流，據以控制切換電路的切換。對於固定導通時間(constant on-time, COT)直流轉換器，其使用基於漣波的類比控制以比較感測電感電流與參考電壓，據以產生控制信號以控制切換電路的切換。然而，此種機制會產生輸出電壓偏移誤差，因而降低直流轉換器的調節效能。
因此亟需提出一種新穎的直流轉換器，以改進輸出電壓偏移。
鑑於上述，本發明實施例的目的之一在於提出一種具輸出電壓偏移抵消的直流(DC-to-DC)轉換器，特別是適用於直流轉換器的數位固定導通時間控制器，可有效抵消輸出電壓偏移。
根據本發明實施例，適用於直流轉換器的數位固定導通時間控制器包含電流感測電路、偏移抵消電路、比較器及脈寬調變產生器。電流感測電路感測直流轉換器的儲存能量，以產生感測電壓。偏移抵消電路接收感測電壓，並根據感測電壓的波谷電壓以產生偏移去除感測電壓。比較器比較偏移去除感測電壓與參考信號。脈寬調變產生器根據比較器的比較結果以產生切換控制信號。
第一A圖顯示本發明第一實施例之具輸出電壓偏移抵消的直流(DC-to-DC)轉換器100的方塊圖，第一B圖顯示第一A圖的部分方塊的電路圖。
在本實施例中，直流轉換器100可包含切換電路11，用以產生切換電壓Vx。其中，切換電路11可包含第一切換裝置Mp(例如P型金屬氧化物半導體(PMOS)電晶體)與第二切換裝置Mn(例如N型金屬氧化物半導體(NMOS)電晶體)，串聯於電源111與地之間。電源111提供輸入電壓Vin。切換電壓Vx位於第一切換裝置Mp與第二切換裝置Mn之間的切換節點Vx。其中，第一切換裝置Mp電性連接於電源111與切換節點Vx之間，且第二切換裝置Mn電性連接於切換節點Vx與地之間。在本說明書中，同一符號(例如Vx)可用以表示節點及該節點的電壓。
本實施例之直流轉換器100可包含能量儲存電路12，接收切換電壓Vx以產生調節輸出電壓Vo，用以提供給負載。其中，能量儲存電路12可包含電感器L與有效串聯電阻器R L，串聯於切換節點Vx與輸出節點Vo之間；及電容器C與有效串聯電阻器R C，串聯於輸出節點Vo與地之間。
本實施例之直流轉換器100可包含類比至數位轉換器(ADC)13，用以產生(類比)輸出電壓Vo的等效數位輸出電壓Vo[n]。根據本實施例的特徵之一，直流轉換器100可包含驅動器14(例如放大器)，其產生驅動信號以驅動切換電路11。其中，驅動器14產生驅動信號以驅動第一切換裝置Mp，且產生反相驅動信號以驅動第二切換裝置Mn。
根據本實施例的特徵之一，直流轉換器100可包含數位固定導通時間(digital constant on-time, DCOT)控制器15，其接收數位輸出電壓Vo[n]以產生切換控制信號S，其饋至驅動器14。在本實施例中，數位固定導通時間控制器15根據能量儲存電路12的儲存能量(例如流經電感器L的電感電流I L)以產生固定導通時間(COT)切換控制信號。
第二A圖顯示本發明第一實施例之第一A圖的數位固定導通時間控制器15的方塊圖，第二B圖顯示第二A圖的部分方塊的細部方塊圖。
在本實施例中，數位固定導通時間控制器15可包含(數位)電流感測電路151，其感測能量儲存電路12的儲存能量(例如電感電流I L)，以產生感測電壓，其代表跨於有效串聯電阻器R L的電壓。電流感測電路151可包含(數位)高通濾波器(HPF)1511與(數位)低通濾波器(LPF)1512，分別接收數位輸出電壓Vo[n]與切換控制信號S。數位固定導通時間控制器15可包含第一加法器1513，將高通濾波器(HPF)1511的輸出與低通濾波器(LPF)1512的輸出相加，以產生感測電壓。第二C圖例示第二B圖之電流感測電路151的等效類比架構。關於高通濾波器(HPF)1511與低通濾波器(LPF)1512的設計細節可參考陳(M. P. Chan)等人提出的“具數位電感電流感測之基於漣波的單晶數位適應性不導通時間直流轉換器(A Monolithic Digital Ripple-Based Adaptive-Off-Time DC-DC Converter With a Digital Inductor Current Sensor)”，發表於電機電子工程師學會固態電路期刊(IEEE Journal of Solid-State Circuits)，第49冊，第8號，第1837~1847頁，2014年八月，其內容視為本說明書的一部份。
本實施例之數位固定導通時間控制器15可包含偏移抵消(offset cancellation)電路152，其接收(電流感測電路151的)感測電壓與數位輸出電壓Vo[n]，根據切換控制信號S以產生偏移去除(offset-removed)感測電壓。偏移抵消電路152可包含波谷偵測器1521，其偵測(來自電流感測電路151的)感測電壓的波谷(或最小)值。第三A圖例示跨於有效串聯電阻器R­ L的感測電壓的波形並顯示波谷電壓V valley。感測電壓可包含漣波電壓R LI L(ripple)，其位於直流電壓R LI L(DC)+Vo的中央。
本實施例之偏移抵消電路152可包含第二加法器1522，其將(來自電流感測電路151的)感測電壓減去波谷電壓V valley，以產生零波(zero-valley)感測電壓。第三B圖例示零波谷感測電壓的波形，其位於0.5 R LI L(ripple)的中央。
本實施例之偏移抵消電路152還可包含第三加法器1523，其將零波谷感測電壓與數位輸出電壓Vo[n]相加，以產生偏移去除感測電壓。第三C圖例示偏移去除感測電壓的波形，其位於0.5 R LI L(ripple)+Vo的中央。
在本實施例中，數位固定導通時間控制器15可包含比較器153，其比較偏移去除感測電壓與參考信號Vref。比較器153的第一輸入節點(例如正(+)輸入節點)接收(來自偏移抵消電路152的)偏移去除感測電壓，且第二輸入節點(例如負(-)輸入節點)接收參考信號Vref。
本實施例之數位固定導通時間控制器15可包含脈寬調變(PWM)產生器154，其根據比較器153的比較結果以產生切換控制信號S。第三D圖顯示本發明實施例之第二A圖的比較器153與脈寬調變產生器154的相關信號。每當偏移去除感測電壓小於參考信號Vref，脈寬調變產生器154即產生具有(第一切換裝置Mp之)預設導通時間的脈波。詳而言之，當偏移去除感測電壓小於參考信號Vref時，觸發使得切換控制信號S為主動(例如S=1)，則第一切換裝置Mp開啟(一段預設期間)但第二切換裝置Mn關閉。另一方面，當切換控制信號S為非主動(例如S=0)，則第一切換裝置Mp關閉但第二切換裝置Mn開啟。為了便於比較，第三E圖顯示未使用偏移抵消電路152之第二A圖的比較器153與脈寬調變產生器154的相關信號(亦即感測電壓直接耦合至比較器153)。值得注意的是，第三E圖相關的操作因為R LI L(DC)這項會造成輸出電壓的偏移誤差。相反的，由於本實施例使用偏移抵消電路152，藉由將感測電壓的直流準位移位至0.5 R LI L(ripple)+Vo (如第三A圖至第三C圖所示)，因而可以避免輸出電壓偏移。
第四A圖顯示本發明第二實施例之具輸出電壓偏移抵消的直流(DC-to-DC)轉換器200的方塊圖，第四B圖顯示第四A圖的部分方塊的電路圖。第五A圖顯示本發明第二實施例之第四A圖的數位固定導通時間控制器15的方塊圖，第五B圖顯示第五A圖的部分方塊的細部方塊圖。
第二實施例類似於第一實施例，差異的部分將於以下說明。於第二實施例中，第一類比至數位轉換器13A產生(類比)輸出電壓Vo的等效數位輸出電壓Vo[n]，且第二類比至數位轉換器13B產生(類比)切換電壓Vx的等效數位切換電壓Vx[n]。藉此，第二實施例之數位固定導通時間控制器15根據數位輸出電壓Vo[n]與數位切換電壓Vx[n]以產生切換控制信號S，然而在第一實施例中僅根據數位輸出電壓Vo[n]。第二實施例之電流感測電路151的低通濾波器(LPF)1512與偏移抵消電路152的波谷偵測器1521係根據數位切換電壓Vx[n]來執行，然而在第一實施例中則是根據切換控制信號S來執行。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
100:直流轉換器
200:直流轉換器
11:切換電路
111:電源
12:能量儲存電路
13:類比至數位轉換器
13A:第一類比至數位轉換器
13B:第二類比至數位轉換器
14:驅動器
15:數位固定導通時間控制器
151:電流感測電路
1511:高通濾波器
1512:低通濾波器
1513:第一加法器
152:偏移抵消電路
1521:波谷偵測器
1522:第二加法器
1523:第三加法器
153:比較器
154:脈寬調變產生器
Mp:第一切換裝置
Mn:第二切換裝置
L:電感器
RL:有效串聯電阻器
C:電容器
RC:有效串聯電阻器
Vx:切換電壓/切換節點
Vx[n]:數位切換電壓
Vo:輸出電壓/輸出節點
Vo[n]:數位輸出電壓
S:切換控制信號
Vin:輸入電壓
IL:電感電流
Vref:參考信號
Vvalley:波谷電壓
RLIL(ripple):漣波電壓
RLIL(DC)+Vo:直流電壓
第一A圖顯示本發明第一實施例之具輸出電壓偏移抵消的直流轉換器的方塊圖。 第一B圖顯示第一A圖的部分方塊的電路圖。 第二A圖顯示本發明第一實施例之第一A圖的數位固定導通時間控制器的方塊圖。 第二B圖顯示第二A圖的部分方塊的細部方塊圖。 第二C圖例示第二B圖之電流感測電路的等效類比架構。 第三A圖例示跨於有效串聯電阻器R­ L的感測電壓的波形並顯示波谷電壓V valley。 第三B圖例示零波谷感測電壓的波形，其位於0.5 R LI L(ripple)的中央。 第三C圖例示偏移去除感測電壓的波形，其位於0.5 R LI L(ripple)+Vo的中央。 第三D圖顯示本發明實施例之第二A圖的比較器與脈寬調變產生器的相關信號。 第三E圖顯示未使用偏移抵消電路之第二A圖的比較器與脈寬調變產生器的相關信號。 第四A圖顯示本發明第二實施例之具輸出電壓偏移抵消的直流轉換器的方塊圖。 第四B圖顯示第四A圖的部分方塊的電路圖。 第五A圖顯示本發明第二實施例之第四A圖的數位固定導通時間控制器的方塊圖。 第五B圖顯示第五A圖的部分方塊的細部方塊圖。
100:直流轉換器
11:切換電路
12:能量儲存電路
13:類比至數位轉換器
14:驅動器
15:數位固定導通時間控制器
Vx:切換電壓/切換節點
Vo:輸出電壓/輸出節點
Vo[n]:數位輸出電壓
S:切換控制信號

Claims (16)

  1. 一種適用於直流轉換器的數位固定導通時間控制器，包含：一電流感測電路，其感測該直流轉換器的儲存能量，以產生感測電壓；一偏移抵消電路，其接收該感測電壓，並根據該感測電壓的波谷電壓以產生偏移去除感測電壓；一比較器，其比較該偏移去除感測電壓與參考信號；及一脈寬調變產生器，其根據該比較器的比較結果以產生切換控制信號；其中該參考信號與該電流感測電路所產生之該感測電壓無關。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述適用於直流轉換器的數位固定導通時間控制器，其中該電流感測電路包含：一高通濾波器與一低通濾波器，分別接收數位輸出電壓與該切換控制信號；及一第一加法器，將該高通濾波器的輸出與該低通濾波器的輸出相加，以產生該感測電壓。
  3. 根據申請專利範圍第2項所述適用於直流轉換器的數位固定導通時間控制器，其中該偏移抵消電路包含：一波谷偵測器，其接收該切換控制信號，據以偵測該波谷電壓；一第二加法器，其將該感測電壓減去該波谷電壓，以產生零波谷感測電壓；及 一第三加法器，其將該零波谷感測電壓與該數位輸出電壓相加，以產生該偏移去除感測電壓。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述適用於直流轉換器的數位固定導通時間控制器，其中該電流感測電路包含：一高通濾波器與一低通濾波器，分別接收數位輸出電壓與數位切換電壓；及一第一加法器，將該高通濾波器的輸出與該低通濾波器的輸出相加，以產生該感測電壓。
  5. 根據申請專利範圍第4項所述適用於直流轉換器的數位固定導通時間控制器，其中該偏移抵消電路包含：一波谷偵測器，其接收該數位切換電壓，據以偵測該波谷電壓；一第二加法器，其將該感測電壓減去該波谷電壓，以產生零波谷感測電壓；及一第三加法器，其將該零波谷感測電壓與該數位輸出電壓相加，以產生該偏移去除感測電壓。
  6. 一種直流轉換器，包含：一切換電路，用以產生切換電壓；一能量儲存電路，其接收該切換電壓以產生輸出電壓；一第一類比至數位轉換器，用以產生該輸出電壓的等效數位輸出電壓； 一數位固定導通時間控制器，其接收該數位輸出電壓以產生切換控制信號；及一驅動器，其根據該切換控制信號以產生至少一驅動信號以驅動該切換電路；其中該數位固定導通時間控制器包含：一電流感測電路，其感測該能量儲存電路的儲存能量，以產生感測電壓；一偏移抵消電路，其接收該感測電壓，並根據該感測電壓的波谷電壓以產生偏移去除感測電壓；一比較器，其比較該偏移去除感測電壓與參考信號；及一脈寬調變產生器，其根據該比較器的比較結果以產生切換控制信號。
  7. 根據申請專利範圍第6項所述的直流轉換器，其中該電流感測電路包含：一高通濾波器與一低通濾波器，分別接收該數位輸出電壓與該切換控制信號；及一第一加法器，將該高通濾波器的輸出與該低通濾波器的輸出相加，以產生該感測電壓。
  8. 根據申請專利範圍第7項所述的直流轉換器，其中該偏移抵消電路包含： 一波谷偵測器，其接收該切換控制信號，據以偵測該波谷電壓；一第二加法器，其將該感測電壓減去該波谷電壓，以產生零波谷感測電壓；及一第三加法器，其將該零波谷感測電壓與該數位輸出電壓相加，以產生該偏移去除感測電壓。
  9. 根據申請專利範圍第6項所述的直流轉換器，更包含一第二類比至數位轉換器，用以產生該切換電壓的等效數位切換電壓。
  10. 根據申請專利範圍第9項所述的直流轉換器，其中該電流感測電路包含：一高通濾波器與一低通濾波器，分別接收該數位輸出電壓與該數位切換電壓；及一第一加法器，將該高通濾波器的輸出與該低通濾波器的輸出相加，以產生該感測電壓。
  11. 根據申請專利範圍第10項所述的直流轉換器，其中該偏移抵消電路包含：一波谷偵測器，其接收該數位切換電壓，據以偵測該波谷電壓；一第二加法器，其將該感測電壓減去該波谷電壓，以產生零波谷感測電壓；及 一第三加法器，其將該零波谷感測電壓與該數位輸出電壓相加，以產生該偏移去除感測電壓。
  12. 根據申請專利範圍第6項所述的直流轉換器，其中該切換電路包含一第一切換裝置與一第二切換裝置，串聯於電源與地之間，該切換電壓產生於該第一切換裝置與該第二切換裝置之間的切換節點。
  13. 根據申請專利範圍第12項所述的直流轉換器，其中該第一切換裝置包含一P型金屬氧化物半導體電晶體，該第二切換裝置包含一N型金屬氧化物半導體電晶體，該第一切換裝置電性連接於該電源與該切換節點之間，且該第二切換裝置電性連接於該切換節點與地之間。
  14. 根據申請專利範圍第12項所述的直流轉換器，其中該能量儲存電路包含一電感器與一有效串聯電阻器，串聯於該切換節點與輸出節點之間，該輸出節點提供該輸出電壓。
  15. 根據申請專利範圍第14項所述的直流轉換器，其中該感測電壓包含漣波電壓RLIL(ripple)，其中央的直流電壓為RLIL(DC)+Vo，其中RL代表該有效串聯電阻器，IL代表流經該電感器的電流，且Vo代表該輸出電壓。
  16. 根據申請專利範圍第15項所述的直流轉換器，其中該偏移去除感測電壓之中央的直流電壓為0.5RLIL(ripple)+Vo。
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