TWI728573B - 自適應頻率調整系統 - Google Patents

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Abstract

本發明公開一種自適應頻率調整系統。誤差放大器依據電源轉換器的輸出電壓與參考電壓以輸出誤差放大訊號。比較器判斷在上橋開關的最大導通時間內，斜波訊號的電壓到達誤差放大訊號的電壓時，輸出重置訊號。第二比較器判斷在上橋開關的最大導通時間內，斜波訊號的電壓到達誤差放大訊號的電壓時，輸出重置訊號。當第二比較器判斷斜波訊號的電壓在最大導通時間結束時未到達誤差放大訊號的電壓，輸出重置訊號，並指示時脈產生器降低時脈訊號的頻率。驅動電路依據重置訊號關閉上橋開關以及開啟下橋開關，並基於時脈訊號的頻率驅動上橋開關運作。

Description

自適應頻率調整系統
本發明涉及一種頻率調整系統，特別是涉及一種自適應頻率調整系統。
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自適應頻率調整系統，適用於具高轉壓比的電源轉換器。電源轉換器包含控制電路、一驅動電路、上橋開關、下橋開關、誤差放大器以及第一比較器。驅動電路連接控制電路、上橋開關以及下橋開關。電感的一端連接在上橋開關以及下橋開關之間。電感的另一端通過電容接地。誤差放大器連接電容以及電感之間的節點。誤差放大器將電容的電壓與參考電壓的差值乘以一增益值以輸出誤差放大訊號。第一比較器連接誤差放大器以比較誤差放大訊號與一斜波訊號以輸出一比較訊號。自適應頻率調整系統包含時脈產生器以及第二比較器。時脈產生器連接控制電路。時脈產生器輸出具有一預設頻率的一時脈訊號至控制電路，並依據一降頻訊號降低時脈訊號的頻率。控制電路基於時脈訊號的頻率控制上橋開關或下橋開關運作。第二比較器連接時脈產生器、第一比較器以及控制電路。第二比較器依據比較訊號，判斷在上橋開關的最大導通時間內，斜波訊號的電壓到達誤差放大訊號的電壓時，輸出一重置訊號至控制電路。當第二比較器依據比較訊號，判斷斜波訊號的電壓在最大導通時間結束時未到達誤差放大訊號的電壓，以判斷上橋開關的輸入電壓與節點的電壓的轉壓比到達時脈訊號的頻率的最大轉壓比時，在最大導通時間結束的時間點，輸出重置訊號至控制電路以及輸出降頻訊號至時脈產生器。重置訊號指示控制電路控制驅動電路關閉上橋開關以及開啟下橋開關。
在一實施態樣中，電源轉換器更包含分壓電路，連接在誤差放大器以及電容之間。分壓電路分壓電容的電壓以產生反饋電壓。誤差放大器將反饋電壓與參考電壓的差值乘以增益值，以輸出誤差放大訊號。
在一實施態樣中，控制電路依據時脈訊號輸出脈波寬度調變訊號，以控制上橋開關或下橋開關運作。
另外，本發明提供一種自適應頻率調整系統，適用於具高轉壓比的電源轉換器。電源轉換器包含控制電路、驅動電路、上橋開關、下橋開關、誤差放大器以及第一比較器。驅動電路連接控制電路、上橋開關以及下橋開關。電感的一端連接在上橋開關以及下橋開關之間。電感的另一端通過電容接地。誤差放大器連接電容以及電感之間的節點。誤差放大器將電容的電壓與參考電壓的差值乘以一增益值以輸出誤差放大訊號。第一比較器連接誤差放大器以比較誤差放大訊號與一斜波訊號以輸出一比較訊號。自適應頻率調整系統包含導通時間產生電路、下降緣檢測電路以及第二比較器。導通時間產生電路連接第一比較器。導通時間產生電路依據比較訊號判斷上橋開關的導通時間以輸出上橋導通訊號。下降緣檢測電路連接導通時間產生電路以及控制電路。下降緣檢測電路在上橋導通訊號的下降緣的時間點輸出重置訊號，以指示控制電路控制驅動電路關閉上橋開關以及開啟下橋開關。第二比較器連接第一比較器、下降緣檢測電路以及導通時間產生電路。第二比較器依據比較訊號，判斷在上橋導通訊號的下降緣開始後的最小關閉時間內，誤差放大訊號的電壓到達斜波訊號的電壓，以判斷上橋開關接收的輸入電壓與電容的電壓的轉壓比到達最大轉壓比時，輸出導通時間延長訊號以指示導通時間產生電路延長導通時間。
在一實施態樣中，所述自適應頻率調整系統更包含關閉時間檢測電路，連接下降緣檢測電路以及第二比較器。關閉時間檢測電路檢測上橋導通訊號的最小關閉時間提供至第二比較器。
在一實施態樣中，電源轉換器更包含分壓電路，連接在誤差放大器以及電容之間。分壓電路分壓電容的電壓以產生反饋電壓。誤差放大器將反饋電壓與參考電壓的差值乘以增益值，以輸出誤差放大訊號。
如上所述，本發明提供自適應頻率調整系統，其可適應性地調整電源轉換器的頻率，以改善傳統電源轉換器的頻率為固定值而不可調整所導致的缺失，例如傳統電源轉換器的頻率固定為高頻頻率時，在高轉壓比的應用中將受到限制，或例如傳統電源轉換器的頻率固定為低頻率時，電源轉換器提供的輸出電壓的穩定性差且具有較大的漣波。
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。
[第一實施例]
請參閱圖1和圖2，其中圖1為本發明第一實施例的自適應頻率調整系統的電路布局圖；圖2為本發明第一實施例的自適應頻率調整系統的訊號波形圖。
如圖1所示，本實施例的自適應頻率調整系統包含時脈產生器CLKG以及第二比較器DTC，適用於電源轉換器。電源轉換器包含控制電路CON、驅動電路DRV、上橋開關UG、下橋開關LG、誤差放大器ERA以及第一比較器COMP。
時脈產生器CLKG連接控制電路CON。驅動電路DRV連接控制電路CON、上橋開關UG以及下橋開關LG。本實施例的自適應頻率調整系統採用定頻機制。首先，時脈產生器CLKG輸出具有一預設頻率的時脈訊號SET至控制電路CON。控制電路CON基於時脈訊號SET的預設頻率，輸出一控制訊號至驅動電路DRV，以控制驅動電路DRV開啟上橋開關UG以及關閉下橋開關LG。例如，此控制訊號可為一脈波寬度調變訊號。
電感L的一端連接在上橋開關UG以及下橋開關LG之間的節點LX。電感L的另一端通過電容COUT接地。誤差放大器ERA的第一放大輸入端例如反相輸入端連接電容COUT以及電感L之間的節點。另外，誤差放大器ERA的第二放大輸入端例如非反相輸入端連接參考電壓源。誤差放大器ERA將電容COUT的電壓VOUT(即電源轉換器的輸出電壓)與參考電壓源的參考電壓VREF的差值乘以一增益值，以輸出誤差放大訊號EAO。
可選擇性地，在誤差放大器ERA以及電容COUT之間設置分壓電路VDR。分壓電路VDR包含第一電阻R1以及第二電阻R2。誤差放大器ERA的第一放大輸入端連接第一電阻R1以及第二電阻R2之間的節點。分壓電路VDR將電壓VOUT分壓以產生反饋電壓VFB。誤差放大器ERA將反饋電壓VFB與參考電壓VREF的差值乘以一增益值，以輸出誤差放大訊號EAO。
第一比較器COMP的第一比較輸入端例如非反相輸入端連接一斜波訊號產生器(未圖示)，以從斜波訊號產生器接收斜波訊號RAMP。另外，第一比較器COMP的第二比較輸入端例如反相輸入端連接誤差放大器ERA的輸出端，以從誤差放大器ERA接收誤差放大訊號EAO。
第二比較器DTC連接第一比較器COMP、時脈產生器CLKG以及控制電路CON。如圖1所示的電源轉換器通過上橋開關UG接收如圖2所示的高輸入電壓VIN時，在最大導通時間訊號MAONT的工作週期內，斜波訊號RAMP的電壓可從一低電壓上升至到達誤差放大訊號EAO的電壓。當第一比較器COMP比較斜波訊號RAMP的電壓等於或大於誤差放大訊號EAO的電壓時，輸出低準位的比較訊號COM至第二比較器DTC。
第二比較器DTC依據低準位的比較訊號COM，判斷在上橋開關UG的一最大導通時間內，如圖2所示的最大導通時間訊號MAONT的工作週期內，斜波訊號RAMP的電壓從一低電壓上升至到達誤差放大訊號EAO的電壓時，輸出重置訊號RESET至控制電路CON。重置訊號RESET指示控制電路CON輸出一控制訊號，以控制驅動電路DRV關閉上橋開關UG以及開啟下橋開關LG。例如，此控制訊號可為一脈波寬度調變訊號。
值得注意的是，當如圖1所示的電源轉換器通過上橋開關UG接收如圖2所示的低輸入電壓VIN時，在最大導通時間訊號MAONT的工作週期內，斜波訊號RAMP的電壓無法上升至到達誤差放大訊號EAO的電壓。在此情況下，當第一比較器COMP比較斜波訊號RAMP的電壓小於誤差放大訊號EAO的電壓時，輸出高準位的比較訊號COM至第二比較器DTC。
當第二比較器DTC依據比較訊號COM，判斷在最大導通時間結束時，在如圖2所示的最大導通時間訊號MAONT的下降緣的時間點，斜波訊號RAMP的電壓未到達誤差放大訊號EAO的電壓時，判斷電源轉換器的輸入電壓VIN與輸出電壓VOUT(電感L與電容COUT之間的節點的電壓)的一轉壓比(duty ratio)到達時脈訊號SET的頻率的一最大轉壓比。
在電源轉換器的轉壓比到達最大轉壓比時，在最大導通時間結束的時間點，第二比較器DTC輸出重置訊號RESET至控制電路CON，並且輸出降頻訊號至時脈產生器CLKG。控制電路CON依據重置訊號RESET，控制驅動電路DRV關閉上橋開關UG以及開啟下橋開關LG。時脈產生器CLKG依據降頻訊號，以降低輸出至控制電路CON的時脈訊號SET的頻率。
如圖2所示，在時脈訊號SET的頻率降低後，上橋開關UG與下橋開關LG的切換頻率降低，以延長上橋開關UG導通的時間，即最大導通時間訊號MAONT的工作週期延長。其結果為，在電源轉換器接收低輸入電壓VIN的情況下，在最大導通時間訊號MAONT的延長的工作週期內，斜波訊號RAMP的電壓可從一低電壓逐漸上升至到達誤差放大訊號EAO的電壓。
[第二實施例]
請參閱圖3和圖4，其中圖3為本發明第二實施例的自適應頻率調整系統的電路布局圖；圖4為本發明第二實施例的自適應頻率調整系統的訊號波形圖。第二實施例與第一實施例差異在於，第一實施例採用定頻機制，即配置時脈產生器CLKG提供具有預設頻率的時脈訊號SET，第二實施例則不採用定頻機制，具體說明如下。
本實施例的自適應頻率調整系統包含導通時間產生電路OTG、下降緣檢測電路FAL以及第二比較器DTC，適用於電源轉換器。電源轉換器包含控制電路CON、驅動電路DRV、上橋開關UG、下橋開關LG、誤差放大器ERA以及第一比較器COMP。
驅動電路DRV連接控制電路CON、上橋開關UG以及下橋開關LG。電感L的一端連接在上橋開關UG以及下橋開關LG之間的節點LX。電感L的另一端通過電容COUT接地。誤差放大器ERA的第一放大輸入端例如反相輸入端連接電容COUT以及電感L之間的節點。另外，誤差放大器ERA的第二放大輸入端例如非反相輸入端連接參考電壓源。誤差放大器ERA將電容COUT的電壓VOUT(即電源轉換器的輸出電壓VOUT)與參考電壓源的參考電壓VREF的差值乘以一增益值，以輸出誤差放大訊號EAO。
可選擇性地，在誤差放大器ERA以及電容COUT之間設置分壓電路VDR。分壓電路VDR包含第一電阻R1以及第二電阻R2。誤差放大器ERA的第一放大輸入端連接第一電阻R1以及第二電阻R2之間的節點。分壓電路VDR將電壓VOUT分壓以產生反饋電壓VFB。誤差放大器ERA將反饋電壓VFB與參考電壓VREF的差值乘以一增益值，以輸出誤差放大訊號EAO。
第一比較器COMP的第一比較輸入端例如反相輸入端連接一斜波訊號產生器(未圖示)，以從斜波訊號產生器接收斜波訊號RAMP。另外，第一比較器COMP的第二比較輸入端例如非反相輸入端連接誤差放大器ERA的輸出端，以從誤差放大器ERA接收誤差放大訊號EAO。
第一比較器COMP比較誤差放大訊號EAO的電壓與從一斜波訊號產生器接收的斜波訊號RAMP的電壓，以輸出比較訊號。控制電路CON依據作為設定訊號SET2的比較訊號，以控制驅動電路DRV驅動上橋開關UG開啟，並關閉下橋開關LG。
導通時間產生電路OTG連接第一比較器COMP以及下降緣檢測電路FAL。導通時間產生電路OTG依據第一比較器COMP的比較訊號，判斷上橋開關UG導通的時間，以輸出如圖4所示的上橋導通訊號ONTM。
下降緣檢測電路FAL連接導通時間產生電路OTG以及控制電路CON。下降緣檢測電路FAL從導通時間產生電路OTG配置以接收上橋導通訊號ONTM，並檢測上橋導通訊號ONTM的下降緣以輸出一下降緣檢測訊號。下降緣檢測電路FAL配置以在上橋導通訊號ONTM下降緣的時間點輸出重置訊號RESET，以指示控制電路CON控制驅動電路DRV關閉上橋開關UG以及開啟下橋開關LG。
當電源轉換器接收低輸入電壓VIN，導致誤差放大訊號EAO的電壓逐漸上升至大於斜波訊號RAMP的電壓時，第一比較器COMP輸出高準位的比較訊號。
第二比較器DTC連接第一比較器COMP、下降緣檢測電路FAL以及導通時間產生電路OTG。第二比較器DTC依據下降緣檢測電路FAL的下降緣檢測訊號，判斷上橋導通訊號ONTM的下降緣開始後的最小關閉時間Tmin。替換地，在下降緣檢測電路FAL以及第二比較器DTC之間設置一關閉時間檢測電路，配置以檢測上橋導通訊號ONTM的最小關閉時間Tmin，以提供至第二比較器DTC。
值得注意的是，第二比較器DTC依據高準位的比較訊號，判斷在此最小關閉時間Tmin內，誤差放大訊號EAO的電壓到達斜波訊號RAMP的電壓，以判斷電源轉換器的輸入電壓VIN與輸出電壓VOUT(即電容COUT的電壓VOUT)的轉壓比到達一最大轉壓比時，輸出一導通時間延長訊號。
導通時間產生電路OTG依據第二比較器DTC的一導通時間延長訊號，延長上橋導通訊號ONTM的工作週期，以延後下降緣檢測電路FAL輸出重置訊號RESET的時間點，延長上橋開關UG的導通時間，等效上到達降頻的效果。
[實施例的有益效果]
綜上所述，本發明提供自適應頻率調整系統，其可適應性地調整電源轉換器的頻率，以改善傳統電源轉換器的頻率為固定值而不可調整所導致的缺失，例如傳統電源轉換器的頻率固定為高頻頻率時，在高轉壓比的應用中將受到限制，或例如傳統電源轉換器的頻率固定為低頻率時，電源轉換器提供的輸出電壓的穩定性差且具有較大的漣波。
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。
CLKG:時脈產生器 SET:時脈訊號 DTC:第二比較器 MAONT:最大導通時間訊號 RESET:重置訊號 CON:控制電路 DRV:驅動電路 VIN:輸入電壓 UG:上橋開關 LG:下橋開關 LX:節點 L:電感 COUT:電容 VOUT:電壓 VDR:分壓電路 R1:第一電阻 R2:第二電阻 VFB:反饋電壓 VREF:參考電壓 ERA:誤差放大器 EAO:誤差放大訊號 COMP:第一比較器 RAMP:斜波訊號 COM:比較訊號 OTG:導通時間產生電路 FAL:下降緣檢測電路 SET2:設定訊號 ONTM:上橋導通訊號 Tmin:最小關閉時間
圖1為本發明第一實施例的自適應頻率調整系統的電路布局圖。
圖2為本發明第一實施例的自適應頻率調整系統的訊號波形圖。
圖3為本發明第二實施例的自適應頻率調整系統的電路布局圖。
圖4為本發明第二實施例的自適應頻率調整系統的訊號波形圖。
CLKG:時脈產生器
SET:時脈訊號
DTC:第二比較器
MAONT:最大導通時間訊號
RESET:重置訊號
CON:控制電路
DRV:驅動電路
VIN:輸入電壓
UG:上橋開關
LG:下橋開關
LX:節點
L:電感
COUT:電容
VOUT:電壓
VDR:分壓電路
R1:第一電阻
R2:第二電阻
VFB:反饋電壓
VREF:參考電壓
ERA:誤差放大器
EAO:誤差放大訊號
COMP:第一比較器
RAMP:斜波訊號
COM:比較訊號

Claims (6)

  1. 一種自適應頻率調整系統，適用於具高轉壓比的一電源轉換器，其中該電源轉換器包含一控制電路、一驅動電路、一上橋開關、一下橋開關、一誤差放大器以及一第一比較器，該驅動電路連接該控制電路、該上橋開關以及該下橋開關，一電感的一端連接在該上橋開關以及該下橋開關之間，該電感的另一端通過一電容接地，該誤差放大器連接該電容以及該電感之間的一節點，該誤差放大器將該電容的電壓與一參考電壓的差值乘以增益值以輸出一誤差放大訊號，該第一比較器連接該誤差放大器以比較該誤差放大訊號與一斜波訊號以輸出一比較訊號，該自適應頻率調整系統包含： 一時脈產生器，連接該控制電路，該時脈產生器輸出具有一預設頻率的一時脈訊號至該控制電路，並依據一降頻訊號降低該時脈訊號的頻率，該控制電路基於該時脈訊號的頻率控制該上橋開關或該下橋開關運作；以及 一第二比較器，連接該時脈產生器、該第一比較器以及該控制電路； 其中該第二比較器依據該比較訊號，判斷在該上橋開關的一最大導通時間內，該斜波訊號的電壓到達該誤差放大訊號的電壓時，輸出一重置訊號至該控制電路； 其中當該第二比較器依據該比較訊號，判斷該斜波訊號的電壓在該最大導通時間結束時未到達該誤差放大訊號的電壓，以判斷該上橋開關的一輸入電壓與該節點的電壓的一轉壓比到達該時脈訊號的頻率的一最大轉壓比時，在該最大導通時間結束的時間點，輸出該重置訊號至該控制電路以及輸出該降頻訊號至該時脈產生器；以及 其中該重置訊號指示該控制電路控制該驅動電路關閉該上橋開關以及開啟下橋開關。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的自適應頻率調整系統，其中該電源轉換器更包含一分壓電路，連接在該誤差放大器以及該電容之間，該分壓電路分壓該電容的電壓以產生一反饋電壓，該誤差放大器將該反饋電壓與該參考電壓的差值乘以增益值，以輸出該誤差放大訊號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的自適應頻率調整系統，其中該控制電路依據該時脈訊號輸出一脈波寬度調變訊號，以控制該上橋開關或該下橋開關運作。
  4. 一種自適應頻率調整系統，適用於具高轉壓比的一電源轉換器，其中該電源轉換器包含一控制電路、一驅動電路、一上橋開關、一下橋開關、一誤差放大器以及一第一比較器，該驅動電路連接該控制電路、該上橋開關以及該下橋開關，一電感的一端連接在該上橋開關以及該下橋開關之間，該電感的另一端通過一電容接地，該誤差放大器連接該電容以及該電感之間的一節點，該誤差放大器將該電容的電壓與一參考電壓的差值乘以一增益值以輸出一誤差放大訊號，該第一比較器連接該誤差放大器以比較該誤差放大訊號與一斜波訊號以輸出一比較訊號，該自適應頻率調整系統包含： 一導通時間產生電路，連接該第一比較器，依據該比較訊號判斷該上橋開關的一導通時間以輸出一上橋導通訊號； 一下降緣檢測電路，連接該導通時間產生電路以及該控制電路，在該上橋導通訊號的一下降緣的時間點輸出一重置訊號，以指示該控制電路控制該驅動電路關閉該上橋開關以及開啟下橋開關；以及 一第二比較器，連接該第一比較器、該下降緣檢測電路以及該導通時間產生電路，依據該比較訊號，判斷在該上橋導通訊號的該下降緣開始後的一最小關閉時間內，該誤差放大訊號的電壓到達該斜波訊號的電壓，以判斷該上橋開關接收的一輸入電壓與該電容的電壓的一轉壓比到達一最大轉壓比時，輸出一導通時間延長訊號以指示該導通時間產生電路延長該導通時間。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的自適應頻率調整系統，更包含一關閉時間檢測電路，連接該下降緣檢測電路以及該第二比較器，檢測該上橋導通訊號的該最小關閉時間提供至該第二比較器。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的自適應頻率調整系統，其中該電源轉換器更包含一分壓電路，連接在該誤差放大器以及該電容之間，該分壓電路分壓該電容的電壓以產生一反饋電壓，該誤差放大器將該反饋電壓與該參考電壓的差值乘以增益值，以輸出該誤差放大訊號。
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