TWI767482B

TWI767482B - 恆定導通時間降壓轉換器

Info

Publication number: TWI767482B
Application number: TW109146655A
Authority: TW
Inventors: 許哲瑋
Original assignee: 晶豪科技股份有限公司
Priority date: 2020-12-29
Filing date: 2020-12-29
Publication date: 2022-06-11
Also published as: TW202226761A

Abstract

恆定導通時間降壓轉換器包含第一電晶體、第二電晶體、驅動電路、電感、第一電阻、第二電阻、電容、負載及回饋迴路控制電路。回饋迴路控制電路包含第一開關、第二開關、誤差放大器、比較器、鎖頻迴路電路、反相器及恆定導通時間邏輯電路。恆定導通時間降壓轉換器能夠提高直流調節效率及響應時間。

Description

恆定導通時間降壓轉換器

本發明關於恆定導通時間（constant on-time，COT）降壓轉換器，特別是關於可改善暫態響應的COT降壓轉換器。

傳統降壓轉換器之運作可描述如下。傳統的降壓轉換器包含作為開關的一對功率電晶體，該對功率電晶體可被導通或截止以將輸出電壓調節至等於參考電壓。具體而言，功率電晶體交替地導通及截止以在開關輸出節點SW（也稱為開關節點）產生開關電壓V _SW。開關節點耦接於包含電感及電容之LC濾波器電路，用以產生具有實質上恆定大小之輸出電壓。接著可使用輸出電壓來驅動負載。

第1圖係為現有技術的傳統降壓轉換器1的示意圖。降壓轉換器1包含一對功率電晶體T1及T2，用以接收輸入電壓V _IN及交替地導通及截止以在開關節點SW產生開關電壓V _SW。開關電壓V _SW直接耦接於包含電感L1及電容C _OUT的LC濾波電路，以在節點OUT產生具有實質上恆定大小之穩定輸出電壓V _OUT。接著可使用輸出電壓V _OUT驅動負載30，由降壓轉換器1提供負載電流I _Load以使輸出電壓V _OUT保持在恆定水平。

降壓轉換器1包含回饋控制電路用以調節到LC濾波器電路的能量傳遞，以在電路的期望負載極限之內將輸出電壓V _OUT維持恆定。具體而言，回饋控制電路使功率電晶體T1及T2導通或關閉以將輸出電壓V _OUT調節為等於參考電壓V _REF，或調節為等於相關於參考電壓V _REF之電壓值。在降壓轉換器1中，使用包含電阻R1及R2的分壓器對輸出電壓V _OUT進行分壓，然後將分壓作為回饋節點FB上的回饋電壓V _FB回饋至降壓轉換器1。誤差處理電路(例如比較器12)將回饋電壓V _FB與參考電壓V _REF進行比較。比較器12的輸出端耦接於驅動電路14，以基於開關調節器控制機制產生功率電晶體之控制電壓。控制電壓用以產生功率電晶體T1及T2之閘極驅動訊號。

恆定導通時間（constant on-time，COT）降壓轉換器是一種採用漣波模式控制的降壓轉換器，COT降壓轉換器基於輸出訊號中的漣波成分來調節輸出電壓。由於功率電晶體之開關動作，所有開關模式調節器都會通過輸出電感產生輸出漣波電流。由於輸出電容C _OUT中的等效串聯電阻（equivalent series resistance，ESR）及等效串聯電感（equivalent series inductance，ESL）係與負載並聯放置，電流漣波會以輸出電壓漣波的方式顯示。在第1圖中，輸出電容C _OUT之ESR及ESL分別以電阻R _ESR及電感L _ESL表示。

COT降壓轉換器因具有一些優點，例如快速之暫態響應及易於控制之高輸入電壓至低輸出電壓之調節功能而在工業上得到了廣泛應用。然而，傳統的COT降壓轉換器仍存在一些缺點，如由於低抗擾性、不佳之直流（direct-current，DC）調節及暫態響應而引起之抖動反應。

本發明實施例提供一種恆定導通時間（constant on-time，COT）降壓轉換器，包含第一電晶體、第二電晶體、驅動電路、電感、第一電阻、第二電阻、電容、負載及回饋控制電路。第一電晶體包含第一端，用以接收輸入電壓；第二端，耦接於開關節點；及控制端。第二電晶體包含第一端，耦接於開關節點；第二端，耦接於接地端；及控制端。驅動電路耦接於第一電晶體的控制端及第二電晶體的控制端，用以控制第一電晶體及第二電晶體。電感包含第一端，耦接於開關節點；及第二端，耦接於輸出節點。第一電阻包含第一端，耦接於輸出節點；及第二端，耦接於回饋節點。第二電阻包含第一端，耦接於回饋節點；及第二端，耦接於接地端。電容包含第一端，耦接於輸出節點；及第二端，耦接於接地端。負載包含第一端，耦接於輸出節點；及第二端，耦接於接地端。回饋控制電路包含第一開關、第二開關、誤差放大器、比較器、鎖頻迴路電路、反向器及COT邏輯電路。第一開關包含第一端，耦接於回饋節點；第二端；及控制端。第二開關包含第一端，耦接於第一開關的第二端；第二端；及控制端。誤差放大器包含負輸入端，耦接於第一開關的第二端；正輸入端，用以接收參考電壓；及輸出端，耦接於第二開關的第二端，用以輸出誤差訊號。比較器用以將誤差訊號與回饋節點處的回饋電壓進行比較及輸出比較訊號。鎖頻迴路電路用以產生頻率訊號。反向器包含輸入端，耦接於鎖頻迴路電路及第二開關的控制端；及輸出端，耦接於第一開關的控制端。COT邏輯電路用以接收頻率訊號及比較訊號並產生COT訊號至驅動電路。

通過參考下面的詳細描述，並結合以下附圖，可理解本揭露書，另本揭露之各種附圖已進行簡化，已達成清楚說明本發明的目的，然各元件在各附圖中並未按比例繪製。此外，附圖中所示的每個元件的數量及尺寸僅為示例性質，並非用以限定本揭露書之範圍。

在整個說明書及所附發明申請專利範圍中會使用某些術語來稱呼特定元件。如本領域技術人員所理解的，電子設備製造商可用不同的名稱來稱呼元件。本揭露不受限於名稱不同但功能相同的元件。在以下描述及權利要求中，用詞“包含”及“具有”以開放式方式使用，因此應解釋為“包含但不限於...”。

第2圖係為本發明實施例中一種COT降壓轉換器100之示意圖。COT降壓轉換器100包含第一電晶體T1、第二電晶體T2、驅動電路110、電感L、第一電阻R1、第二電阻R2、電容C _OUT、負載130及回饋控制電路150。回饋控制電路150包含第一開關S1、第二開關S2、誤差放大器EA、比較器CMP、鎖頻迴路電路FLL、反相器INV及COT邏輯電路120。

第一電晶體T1包含第一端，用以接收輸入電壓V _IN，第二端，耦接於開關節點SW，及控制端。第二電晶體T2包含第一端，耦接於開關節點SW，第二端，耦接於接地端GND，及控制端。驅動電路110耦接於第一電晶體T1的控制端及第二電晶體T2的控制端，且驅動電路110用以控制第一電晶體T1及第二電晶體T2。電感L包含第一端，耦接於開關節點SW，及第二端，耦接於輸出節點OUT。第一電阻R1包含第一端，耦接於輸出節點OUT，及第二端，耦接於回饋節點FB。第二電阻R2包含第一端，耦接於回饋節點FB，及第二端，耦接於接地端GND。電容C _OUT包含第一端，耦接於輸出節點OUT，及第二端，耦接於接地端GND。負載130包含第一端，耦接於輸出節點OUT，及第二端，耦接於接地端GND。第一開關S1包含第一端，耦接於回饋節點FB，第二端及控制端。第二開關S2包含第一端，耦接於第一開關S1的第二端，第二端及控制端。誤差放大器EA包含負輸入端，耦接於第一開關S1的第二端，正輸入端，用以接收參考電壓V _REF，及輸出端，耦接於第二開關S2的第二端，用以輸出誤差訊號。比較器CMP用以比較誤差訊號及節點FB回饋的回饋電壓V _FB，及輸出比較訊號。鎖頻迴路電路FLL用以產生頻率訊號。反相器INV包含輸入端，耦接於鎖頻迴路電路FLL及第二開關S2的控制端，及輸出端，耦接於第一開關S1的控制端。COT邏輯電路120用以接收頻率訊號及比較訊號，並產生COT訊號至驅動電路110。

在本實施例中，第一開關S1及第二開關S2可以是金屬氧化物半導體場效電晶體(metal oxide semiconductor field effect，MOSFET)。然而，在其他實施例中，第一開關S1及第二開關S2可以是雙極接面電晶體(bipolar junction transistor)。在本實施例中，第一電晶體T1係為P型電晶體。第二電晶體T2係為N型電晶體。開關S1及S2及電晶體T1及T2的實際實現方式並非本發明之實施例的關鍵。

電晶體T1及T2可接收輸入電壓V _IN及交替地導通及截止以在開關節點SW產生開關電壓V _SW。開關節點SW直接耦接於LC濾波器電路以產生調節之輸出電壓V _OUT，LC濾波器電路包含電感L及電容C _OUT，輸出電壓V _OUT驅動負載130且具有實質上恆定之大小。

COT降壓轉換器100包含回饋控制電路150，用以調節到LC濾波器電路的能量傳遞，以在電路的期望負載極限內將輸出電壓保持恆定。具體而言，回饋控制電路150可導通或關閉電晶體T1及T2以將輸出電壓V _OUT調節至等於參考電壓V _REF，或調節至等於相關於參考電壓V _REF的電壓值。分壓器包含第一電阻R1及第二電阻R2，用以對輸出電壓V _OUT分壓，然後將分壓作為回饋節點FB上的回饋電壓V _FB回饋至回饋控制電路150。在穩定狀態下，回饋控制電路150之第一開關S1被設於導通，第二開關S2被設於截止。誤差放大器EA可比較回饋電壓V _FB與參考電壓V _REF。誤差放大器EA輸出之誤差訊號被輸出至比較器CMP，並且與回饋電壓V _FB進行比較。接著，COT邏輯電路120使用來自比較器CMP的比較結果訊號及來自鎖頻迴路電路FLL的頻率訊號來產生驅動電路110的恆定導通時間（constant on-time，COT）訊號。驅動電路110基於根據COT訊號的恆定導通時間控制機制來產生電晶體T1及T2之控制訊號。

恆定導通時間回饋控制之開關動作係基於回饋電壓V _FB中的漣波分量。為了實現恆定導通時間回饋控制，當回饋漣波降至參考電壓V _REF以下時，開關電壓V _SW會在固定導通時間內被切換至高準位。在固定導通時間結束時，開關電壓V _SW會被切換至低準位（電感不通電），直到回饋電壓V _FB再次降至參考電壓V _REF以下為止。此時將啟動另一新的固定導通時間。若回饋電壓V _FB仍低於參考電壓V _REF，則開關電壓V _SW僅在最小截止時間內被切換為低準位，接著又再次變為固定導通時間之高準位。

第3圖係為第2圖中的輸出電壓訊號V _OUT之時序圖。暫態響應可通過回饋控制電路150的配置來改善。在穩定狀態下，第一開關S1導通，第二開關S2截止。在時間t0，開關電壓V _SW被切換，輸出電壓V _OUT從4.82V升壓到4.98V。此時，鎖頻迴路電路FLL發送頻率訊號以通過反向器INV導通第二開關S2及截止第一開關S1。誤差放大器EA被設置為單一增益(unity gain)，表示誤差放大器EA輸出的誤差訊號等於誤差放大器EA負輸入端的電壓。通過將誤差放大器EA設置為單一增益，COT降壓轉換器100可具有更快的暫態響應。

如第3圖所示，COT降壓轉換器100可藉由快速的暫態響應將輸出電壓V _OUT從4.98V逐漸調節回4.82V。當在時間t1將輸出電壓V _OUT調節回4.82V時，鎖頻迴路電路FLL發送另一訊號以截止第二開關S2並導通第一開關S1。因此，COT降壓轉換器100將再次在穩態下操作。

同樣如第3圖所示，相關技術的降壓轉換器1會將輸出電壓V _OUT下調至例如為4.72V之較低電壓，接著在時間t2，降壓轉換器1將緩慢地將輸出電壓V _OUT調整回4.82V，與現有技術的降壓轉換器1相比，COT降壓轉換器100會改善輸出電壓之暫態響應時間。以上該僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

1:降壓轉換器 12,CMP:比較器 24,OUT:節點 14,110:驅動電路 100:COT降壓轉換器 120:COT邏輯電路 30,130:負載 150:回饋控制電路 C _OUT:電容 EA:誤差放大器 FB:回饋節點 FLL:鎖頻迴路電路 GND:接地端 I _L:電流 I _Load:負載電流 INV:反相器 L1,L:電感 R1:第一電阻 R2:第二電阻 R _ESR:電阻 L _ESL:電感 S1:第一開關 S2:第二開關 SW:開關節點 t0至t2:時間 T1:第一電晶體 T2:第二電晶體 V _FB:回饋電壓 V _IN:輸入電壓 V _OUT:輸出電壓 V _REF:參考電壓 V _SW:開關電壓

第1圖係為現有技術的傳統降壓轉換器的示意圖。第2圖係為本發明實施例中一種COT降壓轉換器之示意圖。第3圖係為第2圖中的輸出電壓訊號之時序圖。

OUT:節點

100:COT降壓轉換器

110:驅動電路

120:COT邏輯電路

130:負載

150:回饋控制電路

C_OUT:電容

EA:誤差放大器

FB:回饋節點

FLL:鎖頻迴路電路

GND:接地端

INV:反相器

L:電感

R1:第一電阻

R2:第二電阻

S1:第一開關

S2:第二開關

SW:開關節點

T1:第一電晶體

T2:第二電晶體

V_FB:回饋電壓

V_IN:輸入電壓

V_OUT:輸出電壓

V_REF:參考電壓

V_SW:開關電壓

Claims

一種恆定導通時間（constant on-time，COT）降壓轉換器，包含：一第一電晶體，包含：一第一端，用以接收一輸入電壓；一第二端，耦接於一開關節點；及一控制端；一第二電晶體，包含：一第一端，耦接於該開關節點；一第二端，耦接於一接地端；及一控制端；一驅動電路，耦接於該第一電晶體的該控制端及該第二電晶體的該控制端，用以控制該第一電晶體及該第二電晶體；一電感，包含：一第一端，耦接於該開關節點；及一第二端，耦接於一輸出節點；一第一電阻，包含：一第一端，耦接於該輸出節點；及一第二端，耦接於一回饋節點；一第二電阻，包含：一第一端，耦接於該回饋節點；及一第二端，耦接於該接地端；一電容，包含: 一第一端，耦接於該輸出節點；及一第二端，耦接於該接地端；一負載，包含: 一第一端，耦接於該輸出節點；及一第二端，耦接於該接地端；及一回饋控制電路，包含：一第一開關，包含：一第一端，耦接於該回饋節點；一第二端；及一控制端；一第二開關，包含：一第一端，耦接於該第一開關的該第二端；一第二端；及一控制端；一誤差放大器，包含：一負輸入端，耦接於該第一開關的該第二端；一正輸入端，用以接收一參考電壓；及一輸出端，耦接於該第二開關的該第二端，用以輸出一誤差訊號；一比較器，用以將該誤差訊號與該回饋節點處的一回饋電壓進行比較及輸出一比較訊號；一鎖頻迴路電路，用以產生一頻率訊號；一反向器，包含：一輸入端，耦接於該鎖頻迴路電路及該第二開關的該控制端；及一輸出端，耦接於該第一開關的該控制端；及一COT邏輯電路，用以接收該頻率訊號及該比較訊號並產生一COT訊號至該驅動電路。
如請求項1所述之COT降壓轉換器，其中，該第一開關及該第二開關係為金屬氧化物半導體場效應電晶體(metal–oxide–semiconductor field-effect transistor，MOSFET)。
如請求項1所述之COT降壓轉換器，其中，該第一開關及該第二開關係為雙極接面電晶體(bipolar junction transistor，BJT)。
如請求項1所述之COT降壓轉換器，其中，該第一電晶體係為P型電晶體。
如請求項1所述之COT降壓轉換器，其中，該第二電晶體係為N型電晶體。