TWI700882B - 搭配切換式轉換器使用之電路與由切換式轉換器所執行之方法 - Google Patents

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Abstract

一種切換式轉換器之一輸出電容器對於一電感器所輸出之三角電流波形進行濾波。一輔助電容器具有一電容量，其小於該輸出電容器之電容量，該輔助電容器並聯耦合於該輸出電容器，藉以傳導該電感器電流之一部分。一斜率偵測器電路測定該輔助電容器電流之一斜率，並輸出對應於該斜率之一斜率訊號。一處理電路接收該斜率訊號以及對應於該電感器電流之一訊號。由於該輔助電容器電流斜率與該輔助電容量值以及電感器電流皆為已知，該處理電路可藉由實施一定標係數推導出該輸出電容器之值。經推導值係可用以動態微調該回饋迴路之補償或辨識該輸出電容器之故障。

Description

搭配切換式轉換器使用之電路與由切換式轉換器所執行之方 法
本發明係關於切換模式電源供應，如直流/直流轉換器，以及，更特指一判定平滑輸出電容器電容量值之技術。
圖1描繪電流模式直流/直流切換式電源供應之先前技術，亦可稱為峰值電流模式直流/直流轉換器。由於該輸出電壓Vout係低於該輸入電壓Vin，故該轉換器係為一降壓轉換器。多種其他轉換器類型，例如一切換電壓模式轉換器亦可受益於本發明。
該轉換器之作業係為習知並如下所述。
實施一時脈(CLK)訊號以設定一RS正反器20之輸入。
RS正反器20之設定係於其Q輸出產生一高訊號。作為響應，一邏輯電路24啟動電晶體開關26並關閉同步整流器開關28。該兩開關係可為金氧半導體場效電晶體(MOSFET)或其他類型電晶體。可以一二極體取代該同步整流器開關28。邏輯電路24確保開關26與同步整流器開關28間不產生跨導。將輸入電壓Vin透過開關26施於電感器L1，導致一斜波電流流過電感器L1，且此電流 流經一低值感應電阻器32。感應電阻器32係可改為設置於電感器L1之另一側。現有諸多其他方式可偵測電感器電流。斜波電流係經一輸出電容器Cout濾波，並供應電流至負載38。輸出電容器Cout係相對較大，以消除漣波。
輸出電壓Vout係經施於一電壓分壓器42，且該分壓係經施於跨導誤差放大器44之反向輸入。電容器係可連接跨越分壓器42中之電阻器，以進一步補償回饋迴路。一參考電壓Vref係經施於放大器44之非反向輸入。放大器44之輸出電流對應於實際輸出電壓Vout及目標輸出電壓間之差。於一連接至放大器輸出之電容器46之電壓(一控制電壓Vc)係根據放大器44之正電流輸出或負電流輸出受到調升或調降。可調整電容器46及電阻器47之RC時間常數，以補償回饋迴路，藉以改善穩定性。誤差放大器44之跨導亦可經調整以改善穩定性。另外，控制電壓Vc設定開關26之工作週期，且亦需要以控制電壓Vc之位準使進入放大器44之輸入均等化。
將控制電壓Vc施於比較器50。當開關26啟動時，跨越感應電阻器32之斜波電壓下降係受一差動放大器52所感應，該差動放大器52將電壓Visense成比例輸出至電感器電流。當電壓Visense超過控制電壓Vc時，比較器50係經跳脫(tripped)，以輸出一復位脈衝至RS正反器20。此將關閉開關26並啟動同步整流器開關28，以使電感器L1放電，導致一向下斜波電流。藉此，於各週期流過電感器L1之峰值電流可經調節，以產生目標輸出電壓Vout。流過感應電阻器32之電流包括一DC(直流)分量(較低頻率之平均電流)以及一AC(交流)分量(較高頻率之漣波電流)。
圖2描繪斜波電壓Visense(或電感器電流)之一範例。該DC(直流)電流係為三角波形之平均值。
於某些由降壓轉換器供電之系統中，維持可靠之輸出電壓係為重要。輸出電容器Cout之電容量一般係隨老化、應力以及溫度變化所降低，當降壓轉換器供電於例如伺服器及馬達等高電流設備時尤真。當輸出電容器之電容量降低時，輸出電壓之漣波可能超過一目標量。再者，當電容量降低時，可能於負載暫態時導致輸出電壓之較大擾動，此對於特定負載而言係為不可接受。如此欠佳之調節作用可能造成輸出電容器之不穩定或故障。
於此需要一種可使用於切換式轉換器中之技術，其可自動偵側輸出電容器中之實時值。此等資訊係可用以辨識一輸出電容器之故障，或自動調整回饋迴路之補償，以改善穩定性。
於此揭露一種用於推導切換式電源供應中之輸出電容器實時值之電路，該電源供應係例如一降壓調節器。該切換式電源供應使用一輸出電感器，其於該切換頻率上輸出一三角波形。相對較大之輸出電容器可消除該波型，以對負載提供一直流電壓。
可於輸出電容器值1/1000階之一較小輔助電容器，係與輸出電容器並聯連接。可測定流入輔助電容器之電流斜率(正或負)，且該斜率係與輸電容器值成反比。
流入輸出電容器之AC(交流)電流係趨近於AC電感器電流iL，因此流入輔助電容器之電流約為(Caux/Cout)*iL。故，流入輔助電容器之AC電流係於輸出電容器之電容量降低時增加。輔助電容器電流斜率係與流入輔助電容器之電流相關，因此亦與輸出電容器之電容量相關。斜率係經判定，且對應 於該斜率之電壓(Vslope)係與輸出電容器之電容量成反比。此斜率隨後經用以自動優化回饋迴路之補償，或測定該輸出電容器是否低於一閾值，或可用於其他任何目的。
若自電感器電流減去該輔助電容器電流，則差訊號(difference signal)係與輸出電容器之電容量直接成正比。
該電路係可用以大幅提升切換式電源供應之可靠度。
輔助電容器電流波形係可用以判定輸出電容器之等效串聯電阻(ESR)。所推導出之等效串聯電阻可再用以優化回饋迴路之補償。
其他各種實施例係經描述於下。
20:RS正反器
24:邏輯電路
26:開關
28:同步整流器開關
32:感應電阻器
38:負載
42:分壓器
44:放大器
46:電容器
47:電阻器
50:比較器
52:差動放大器
60:運算放大器
62:回饋電阻器
64:緩衝器
66:微分器
68:電容器
70:運算放大器
72:回饋電阻器
74:取樣及維持電路
76:開關
78:延遲電路
80:電容器
84:處理電路
86:減法器
90:處理電路
L1:電感器
Vc:電壓
Vout:電壓
Vin:電壓
Vcaux:電壓訊號
Vslope:電壓
Visense:電感器電流訊號、電壓
Cout:輸出電容器
Caux:輔助電容器
圖1係描繪直流/直流電流模式轉換器之一先前技術。
圖2係描繪圖1所示轉換器作業中之一波形範例。
圖3係描繪本發明經耦合至一切換式電源供應輸出之一實施例，其中係自流入輔助電容器之電流推導出與輸出電容器值直接相關之一電壓。
圖4A係描繪流入圖3所示較大輸出電容器之AC電流，其約為AC電感器電流，並位於該切換頻率上。
圖4B係描繪流入圖3所示較小輔助電容器之AC電流，其係可位於流入輸出電容器電流之1/1000階。圖中係表示對應於輸出電容器值為47μF及330μF時所流入輔助電容器之電流。
圖5A及5B係分別為當輸出電容器之等效串聯電阻相對較高時，流入輸出電容器及輔助電容器之AC電流波形。圖中係表示對應於輸出電容器值為47μF及330μF流入輔助電容器之電流。其等之斜率係等同於圖4A及4B所示者。
圖6係描繪一減法器，其係自電感器電流訊號減去一輔助電流訊號，其中該差訊號係隨後施於圖3所示之微分器，以產生與輸出電容器之電容量直接成正比之一斜率訊號。
圖7係描繪經推導輸出電容器值之其中一用途，用於控制誤差放大器之gm以優化回饋迴路之補償。
圖8係描繪經推導輸出電容器值之另一用途，用於判斷輸出電容器之故障或判斷電容量低於一閾值。
圖9係描繪該電路之額外用途，用於自輔助電流波形推導出輸出電容器之ESR，其中該ESR係可用以補償回饋迴路或判別輸出電容器之故障。
相同或等效之元件係以相同標號表示。
圖3係描繪本發明之一實施例，其係可經增設至任何適當之切換式電源供應之中。輔助電容器電流之偵測，係於輸出電容器耦合至電感器時進行。某些類型之切換式電源供應具有恆久耦合至電感器之輸出電容器，其等係例如降壓轉換器與順向轉換器。其他類型之電源供應係將輸出電容器間歇式自電感器中斷。於此等類型中，輔助電容器電流之偵測係發生於當輸出電容器自電感器中斷連接時。可利用本發明之電源供應範例包括電流模式轉換器、電壓模式轉換器、降壓轉換器、增壓轉換器、降壓增壓轉換器、SEPIC(單端初級電 感)轉換器、Cuk轉換器、反馳轉換器、順向轉換器等。電感器L1及輸出電容器Cout代表於任何適用轉換器中之輸出電感器與電容器，例如圖1所示之電流模式降壓轉換器。
圖3所示之電路基本上係推導流入與輸出電容器並聯之較小輔助電容器之電流斜率。該電流一般係為一三角波形。該斜率係與輸出電容器之電容量成反比。對應於經推導之電壓Vslope，該斜率係可隨後用於自動補償回饋迴圈，以當輸出電容器隨時間產生變化時使其優化，或用以辨識輸出電容器之電容量是否劣化至低於一閾值，或用於任何其他用途。
推導輔助電容器電流斜率之方法眾多，圖3示出者僅為其中之一。
於圖3中，當切換式調節器處於穩定狀態時，電感器L1輸出一三角波形，其中該平均電流係為供應至負載之DC電流，該負載係例如圖1所示之負載38。該AC分量係經相對較大之輸出電容器Cout所濾波。流入輸出電容器Cout之電流約為該AC電感器電流iL。位於輸出電容器Cout之DC電壓係為該轉換器之輸出電壓Vout。流入輸出電容器Cout之AC電流範例之一係示於圖4A中。該範例表示電流斜波係介於1Amp及-1Amp之間。
一較小輔助電容器Caux係與輸出電容器Cout並聯。輔助電容器Caux之值可為極小，例如位於1/100階至小於輸出電容器Cout值之1/1000，故流入輔助電容器Caux之電流(icaux)約為(Caux/Cout)*iL。流入輔助電容器之電流係可為一正或負斜波電流。流入輔助電容器Caux之電流範例之一係示於圖4B中。該範例顯示，當輸出電容器Cout值為47μF時，輔助電容器Caux電流斜波係介於2mA及-2mA之間一輸出電容器Cout值，而當輸出電容器Cout值為330μF時， 較小之斜波電流係介於0.4mA及-0.4mA之間。輔助電容器Caux之值約為0.1μF。由該等波形可見，輔助電容器電流斜率係與輸出電容器Cout之電容量成反比。
輔助電容器Caux底部端子之電壓係利用運算放大器60維持於0伏特之AC接地。因此，輸出電容器Cout及輔助電容器Caux兩者係耦合跨越Vout及0伏特。回饋電阻器62設定運算放大器60之增益。運算放大器60之非反向輸入係耦合至接地(或另一參考電壓)，且反向輸入係連接至輔助電容器Caux。該回饋試圖維持該等輸入之匹配，使輔助電容器Caux之底部端子維持於0伏特之AC接地。運算放大器60之輸出(Vcaux)直接響應於流入輔助電容器Caux之電流。運算放大器60之輸出係可為一三角波形，其取決於輸出電容器Cout之ESR。
輔助電容器Caux電流意可受連接於輔助電容器Caux及電感器L1間之一電路所偵測，例如透過一低值感應電阻器達成。
電流訊號隨後經一緩衝器64緩衝，並施於一微分器66以辨識該電流波形斜率。微分器66包含一電容器68，一運算放大器70，以及一回饋電阻器72。微分器66之輸出將約為一矩形波。矩形波之波峰係為對應於運算放大器60電流斜波輸出向下斜率之一電壓，而矩形波之波谷係為對應於該電流斜波向上斜率之一電壓。斜率大小係可為相等，但具有相反極性。
一取樣及維持電路74以該轉換器之時脈頻率取樣該等斜率值，例如利用如圖1所示時脈之一延遲CLK訊號達成。於圖3範例中，取樣開關76係受到經延遲電路78所延遲之延遲CLK訊號關閉一短暫時刻。此取樣值係儲存於一維持電容器中直至下一取樣時間為止。取樣及維持電路74亦可包含一放電電路，以於各取樣時間前重設電容器80電壓。
取樣及維持電路74之輸出係為一電壓Vslope，其與1/Cout成正比。因此，透過實施一定標係數於Vslope，可簡單計算出輸出電容器Cout之實際值。該定標係數係將電感器電流、輔助電容器Caux值、斜率及輔助電容器Caux電流間之關係，以及系統中之各項增益納入考量。透過模擬係可決定適當之定標係數。
一處理電路84接收對應於電感器電流之一訊號，例如圖1所適之Visense訊號。該Vcaux訊號(輸出自運算放大器60)及Visense必須經適當定標，以反映電感器電流與輔助電容器電流之確切比率。若需要定標，可利用一電壓分壓器或其他方法達成。處理電路84係經設計以適用輔助電容器Caux之一特定值。由於Vslope與流入輔助電容器Caux之電流具有一已知關係，且電感器電流以及輔助電容器Caux之值係為已知，故下列等式可解出Cout：Cout=Caux*iL/icaux。
處理電路84係可利用數位或類比硬體或處理器以推導對應於輸出電容器Cout值之一電壓。亦可利用一查找表接收電感器電流訊號以及Vslope，並將輸出電容器Cout之值或對應輸出電容器Cout實時值之某些其他訊號輸出。處理電路84基本係將Vslope乘以一定標係數，以產生對應於輸出電容器Cout實時值之一輸出訊號。可控制之定標電路係為習知。精通技藝者係可輕易判斷何種處理電路84最適合用於特定用途。
圖5A及5B係分別為當輸出電容器之等效串聯電阻(ESR)較高時流入輸出電容器Cout以及輔助電容器Caux之電流波形。該等斜率係與圖4A及4B所示者相同，並具有由流經輸出電容器Cout之等效串聯電阻(ESR)之電流 所導致之一DC電壓下降，其中該ESR將使波形有所升降。圖示中僅該等斜率係為相對，其等不隨ESR所改變。
於另一實施例中，自電感器電流中減去輔助電容器Caux電流，並推導出該差之斜率。斜率於此係與輸出電容器Cout值成正比，並因此用以測定輸出電容器Cout之實時值。圖6顯示一電路，其可插入於圖3所示微分器之前以產生該差訊號。輔助電容器Caux電流係透過圖3所示之運算放大器60及緩衝器64處理，而對應之電壓訊號Vcaux係經施於一減法器86，其自電感器電流訊號Visense(圖1)減去Vcaux。該兩訊號必須經適當定標，以精確反映電感器電流與輔助電容器電流之比率。所得之差訊號隨後經微分器66以及取樣及維持電路74處理，以產生一Vslope訊號，其直接與輸出電容器之電容量成正比。
處理電路84之輸出係可用於任何用途。其中一用途係如圖7所示，處理電路84之輸出對應於輸出電容器Cout實時值，該輸出係用以控制如圖1所示誤差放大器44之跨導(gm)，以優化該gm，藉以穩定回饋迴路。該輸出亦可用以微調回饋迴路中之任何補償RC電路。此使允許使用者使用廣範圍之輸出電容器Cout值，且不對轉換器之穩定造成任何負面影響。舉例而言，基於尺寸或成本限制，使用者或許意欲使用相對較小之輸出電容器Cout，而處理電路84可自動調整補償電路以適用於特定輸出電容器Cout。
圖8所示係為一範例，其中處理電路84或另一電路判斷輸出電容器Cout之電容量下降至可接受閾值以下。因此，係可發出一警告訊號並替換該輸出電容器Cout。此對於供給重要設備之高功率轉換器係為極重要之問題，該等重要設備係例如伺服器，其中輸出電容器承受龐大應力而可能加速老化。一般而言，老化將導致電容量值隨時間降低，因而增加轉換器輸出電壓之漣波。 極端低溫亦可能導致輸出電容器之電容量下降至不可接受之程度。為判斷電容量是否下降至低於一閾值，處理電路84推導出對應於輸出電容量值之一訊號，並利用一比較器將其與一閾值比較。
雖然該範例係說明利用微分器66判斷斜率，但亦可利用其他電路計算斜率，例如以一電路減去兩斜波訊號樣本並將該差除以時間。
如圖5B所示，若存在輔助電容器電流之DC轉移，其係可受到偵測，以判定輸出電容器Cout之ESR。該ESR係與該轉移成正比。如圖9所示，一額外處理電路90係用以偵測Vcaux(對應於輔助電容器電流之一電壓)，並接著推導輸出電容器Cout之ESR。該ESR對轉換器之輸出電壓Vout加入擾動。經推導之ESR係可用以改善回饋迴路之補償或判斷輸出電容器Cout之故障。
由於電感器及輸出電容器一般係相對較大之元件，其等通常係以自外部提供至積體電路，該積體電路具有用於切換式電源供給之控制電路系統。複數輸出電容器係可並聯連接以提供期望電容量，且此等電容器之組合係經視為一單一輸出電容器。由於圖3中之輔助電容器Caux以及其相關電路系統係可為極小，其可設置於與切換式電源供給之控制電路系統設於相同晶粒上，故本發明可於無額外成本之情況下實施於一切換式電源供給中。舉例而言，除RC補償網路、負載、電壓分壓器、電感器L1及輸出電容器Cout以外，圖1及圖3之電路結合係可提供於一單一晶片上。
雖然本創作是以特定實施例說明，但精於此技藝者能在不脫離本創作精神與範疇下進行各種不同形式的改變。以上所舉實施例僅用以說明本創作而已，非用以限制本創作之範圍。舉凡不違本創作精神所從事的種種修改或變化，俱屬本創作申請專利範圍。
60:運算放大器
62:回饋電阻器
64:緩衝器
66:微分器
68:電容器
70:運算放大器
72:回饋電阻器
74:取樣及維持電路
76:開關
78:延遲電路
80:電容器
84:處理電路

Claims (23)

  1. 一種搭配一切換式轉換器使用之電路，該切換式轉換器具有一輸出電容器，以將一電感器所輸出之一電流進行濾波，該電路包含： 一輔助電容器，其具有一電容量，該電容量係小於該輸出電容器之一電容量，該輔助電容器經設置以耦合於該輸出電容器之一第一端子，以傳導由該電感器所輸出該電流之一部分，該部分係為具有一斜率之一輔助電容器電流； 一斜率偵測器電路，其經耦合以接收對應於該輔助電容器電流之一第一訊號，以測定該輔助電容器電流之一斜率，該斜率偵測器電路輸出對應於該斜率之一斜率訊號；以及 一處理電路，其經設置以接收該斜率訊號，以推導對應於該輸出電容器一值之一第二訊號。
  2. 如請求項1所述之電路，其中該斜率偵測器電路包含： 一微分器，用以接收對應於該輔助電容器電流之該第一訊號，並輸出對應於該輔助電容器電流斜率之一傾斜波形；以及 一取樣及維持電路，用以取樣該傾斜波形以產生該斜率訊號，該斜率訊號並經該處理電路所處理。
  3. 如請求項1所述之電路，其中該輔助電容器之電容量係小於該輸出電容器電容量之一百分之一（one-hundredth）。
  4. 如請求項1所述之電路，其中該處理電路係經設置以於接收該斜率訊號時，共同接收與該電感器所輸出電流成正比之一電感器電流訊號。
  5. 如請求項4所述之電路，其中該處理電路係經設置以利用該輔助電容器之該已知電容量、該電感器電流訊號，以及該斜率訊號，以推導出對應於該輸出電容器之值之該第二訊號。
  6. 如請求項1所述之電路，其中該電路係與用於該切換式轉換器之控制電路系統共同形成於一單一晶粒上。
  7. 如請求項1所述之電路，其中該輔助電容器係耦合於該輸出電容器之第一端子以及一參考電壓之間。
  8. 如請求項7所述之電路，其中該參考電壓係為一AC接地。
  9. 如請求項7所述之電路，其中該輔助電容器具有一第一端子，其經設置以耦合於該輸出電容器之第一端子，以及一第二端子，其耦合於一運算放大器之一反向輸入，其中該運算放大器之一非反向輸入係耦合於該參考電壓，且其中該運算放大器之一輸出係作為一回饋訊號經回饋至該反向輸出，藉此，該回饋訊號維持該輔助電容器之第二端子於趨近於該參考電壓。
  10. 如請求項1所述之電路，其中該處理電路之一輸出控制該切換式轉換器中一回饋迴路之參數。
  11. 如請求項10所述之電路，其中該處理電路之輸出控制該切換式轉換器中一誤差放大器之一跨導。
  12. 如請求項10所述之電路，其中該處理電路之輸出微調該回饋迴路以改善該切換式轉換器之一穩定性。
  13. 如請求項10所述之電路，其中該處理電路之輸出微調該回饋迴路中之一補償電路，以改善該切換式轉換器之穩定性。
  14. 如請求項1所述之電路，其中該處理電路之一輸出辨別該輸出電容器之電容量是否下降至低於一閾值。
  15. 如請求項1所述之電路，其中該斜率訊號係為與1/Cout成正比之一電壓，其中Cout係為該輸出電容器之電容量。
  16. 如請求項1所述之電路，其中該斜率訊號係為與Cout成正比之一電壓，其中Cout係為該輸出電容器之電容量。
  17. 如請求項1所述之電路，其中該處理電路將該斜率訊號乘以一定標係數，以推導對應於該輸出電容器之值之該第二訊號。
  18. 如請求項1所述之電路，其中該處理電路係為一第一處理電路，該電路進一步包含： 一第二處理電路，其經耦合以接收對應於該輔助電容器電流之該第一訊號，並推導該輸出電容器之一等效串聯電阻（ESR）。
  19. 如請求項18 所述之電路，其中該第二處理電路將該第一訊號中之一DC電壓轉移定標，其係對應於該ESR，藉以推導該ESR。
  20. 如請求項1所述之電路，進一步包含該切換式轉換器，該切換式轉換器包含： 至少一切換電晶體，以提供電流予該電感器； 控制電路系統，以控制該至少一切換電晶體之一工作週期，藉以輸出一目標輸出電壓至一負載；以及 該輸出電容器，以消除來自該電感器之電流輸出。
  21. 如請求項1所述之電路，其中該切換式轉換器係為一降壓轉換器。
  22. 一種由一切換式轉換器所執行之方法，其包含： 控制至少一切換電晶體，以供應電流至一電感器，該電感器輸出一斜波電流波形； 控制該至少一切換電晶體之一工作週期，以輸出一目標電壓至一負載 利用一輸出電容器消除該斜波電流波形； 偵測一輔助電容器電流之一斜率，其中一輔助電容器具有一電容量，其小於該輸出電容器之一電容量，該輔助電容器係耦合於該輸出電容器之一第一端子，藉以傳導該電感器所輸出電流之一部分，該部分係為具有該斜率之該輔助電容器電流； 偵測該輔助電容器電流之斜率，並輸出對應於該斜率之一斜率訊號；以及 處理該斜率訊號以推導對應於該輸出電容器一值之一電容量值訊號。
  23. 如請求項22所述之方法，其中偵測該斜率包含： 利用一微分器接收該輔助電容器電流，並輸出對應於該輔助電容器電流之斜率之一傾斜波形；以及 取樣該傾斜波形以產生該斜率訊號。
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