TWI778551B - 升壓轉換器 - Google Patents

Abstract

一種升壓轉換器，包含電感器與二極體，電性串聯於輸入電壓與輸出電壓之間；電晶體，電性耦接至電感器與二極體的互連節點；及控制器，根據暫態模式與估計負載電流，以控制電晶體的切換。在離開輕至重負載暫態模式之前，輸出電壓具有至少一第一谷點，其值為暫態電壓臨界；接著具有至少一第二谷點，其值高於第一谷點。

Description

升壓轉換器

本發明係有關一種升壓轉換器，特別是一種具快速暫態反應的升壓轉換器。

升壓轉換器(boost converter)為直流至直流(DC-to-DC)電源轉換器的一種，用以將輸入電壓提升為輸出電壓。升壓轉換器屬於一種切換模式(switched-mode)電源供應器。

升壓轉換器可用於背光面板(例如微型發光二極體(mini-LED)背光面板)的驅動器。由於微型發光二極體背光面板的暫態(transient)改變快速，因此需要使用具快速暫態反應的升壓轉換器。

佩雷茲(Peretz)等人提出一種具快速暫態反應的升壓轉換器，揭示於“用於非直接能量轉換的直流至直流轉換器的硬體有效可程式化-偏差控制器(Hardware-Efficient Programmable-Deviation Controller for Indirect Energy Transfer DC–DC Converters)”，美國電機電子工程師學會電源電子會報(IEEE Transactions on Power Electronics)，第30冊，第6號，第3376~3388頁，2015年6月，其內容視為本說明書的一部份。然而，佩雷茲的升壓轉換器使用查表(lookup table)儲存固定係數，用以控制負載暫態，因而產生振盪而減緩負載暫態。

因此亟需提出一種新穎機制，用以有效控制升壓轉換器的負載暫態。

鑑於上述，本發明實施例的目的之一在於提出一種具快速暫態反應的升壓轉換器，可避免有害的振盪且可有效加速輕至重負載暫態。

根據本發明實施例，升壓轉換器包含電感器、二極體、電晶體及控制器。電感器與二極體電性串聯於輸入電壓與輸出電壓之間。電晶體電性耦接至電感器與二極體的互連節點。控制器根據暫態模式與估計負載電流，以控制電晶體的切換。在離開輕至重負載暫態模式之前，輸出電壓具有至少一第一谷點，其值為暫態電壓臨界；接著具有至少一第二谷點，其值高於第一谷點。

第一圖顯示本發明實施例的具快速暫態反應(fast transient response)的升壓轉換器(boost converter)100的方塊圖。升壓轉換器100用以將輸入電壓Vi提升為輸出電壓Vo。為了簡潔起見，僅顯示暫態模式迴路，但省略穩態模式迴路。

升壓轉換器100可包含電感器L(作為能量儲存元件)與二極體D，電性串聯於輸入電壓Vi與輸出電壓Vo之間。升壓轉換器100可包含電晶體M，電性連接於(電感器L與二極體D的)互連節點與地之間。升壓轉換器100可包含電容器C(作為另一能量儲存元件)，電性連接於輸出電壓Vo與地之間。

在本實施例中，升壓轉換器100可包含暫態偵測器11，藉由比較輸出電壓Vo與穩態窗(steady state window)以偵測暫態模式TR，其中穩態窗介於上邊界VH與下邊界VL之間。當輸出電壓Vo未介於穩態窗內，則偵測到暫態模式TR。

本實施例的升壓轉換器100可包含電流估計器12，根據輸出電壓Vo的變化以產生估計(穩態)負載電流Ith。舉例而言，根據輕至重負載暫態模式(light-to-heavy load transient mode)的開始期間的(下降)輸出電壓Vo斜率，以產生估計負載電流Ith。在一實施例中，暫態偵測器11與電流估計器12可包含類比至數位轉換器(analog-to-digital converter)，用以將類比輸出電壓Vo轉換為數位值，據以得到暫態模式TR與估計負載電流Ith。

升壓轉換器100可包含(數位)控制器13，根據(暫態偵測器11偵測的)暫態模式TR與(電流估計器12估計的)估計負載電流Ith，以控制電晶體M的切換(switching)。

第二A圖顯示本發明實施例的升壓轉換器100的輕至重負載暫態模式的流程圖，第二B圖例示輕至重負載暫態模式的相關信號的波形圖。

當暫態偵測器11偵測到輸出電壓Vo低於(穩態窗的)下邊界VL，升壓轉換器100進入輕至重負載暫態模式(步驟21)。於步驟22，電流偵測器12根據輸出電壓Vo的變化以產生估計負載電流Ith。接著，於步驟23，控制器13開啟電晶體M，因此產生上升電感電流IL與下降輸出電壓Vo。

根據本實施例的特徵之一，當電感電流IL大於估計負載電流Ith(步驟24)，經過預設時間Δt後的輸出電壓Vo記錄為暫態電壓臨界Vth。上述電感電流IL可藉由感測放大器14量測跨於電阻器R(第一圖)的電壓而得到，其中電阻器R串聯於電感器L。當輸出電壓Vo低於暫態電壓臨界Vth(步驟25)，控制器13關閉電晶體M(步驟26)，因而產生下降電感電流IL與上升輸出電壓Vo。

當電感電流IL低於估計負載電流Ith(步驟27)且輸出電壓Vo高於(穩態窗的)下邊界VL(步驟28)，升壓轉換器100離開輕至重負載暫態模式(以進入穩態模式)，否則流程回到步驟23。

根據上述實施例，暫態電壓臨界Vth係(由控制器13)動態決定，而非如前述佩雷茲等人藉由查表得到固定值。因此，本實施例可避免有害的振盪。

第三A圖顯示本發明實施例的升壓轉換器100的重至輕負載暫態模式的流程圖，第三B圖例示重至輕負載暫態模式的相關信號的波形圖。

當暫態偵測器11偵測到輸出電壓Vo高於(穩態窗的)上邊界VH，升壓轉換器100進入重至輕負載暫態模式(步驟31)。於步驟32，電流偵測器12根據輸出電壓Vo的變化以產生估計負載電流Ith。接著，於步驟33，控制器13關閉電晶體M。

當輸出電壓Vo低於(穩態窗的)上邊界VH(步驟34)，控制器13開啟電晶體M(步驟35)。

當電感電流IL高於估計負載電流Ith(步驟36)，升壓轉換器100離開重至輕負載暫態模式。

第四圖例示本發明另一實施例升壓轉換器100的輕至重負載暫態模式的相關信號的波形圖。在本實施例中，暫態電壓臨界Vth可動態決定或藉由查表得到。

如第四圖所示，當實際負載電流Iout忽然增加時，輸出電壓Vo逐漸降低。當輸出電壓Vo低於下邊界VL，暫態偵測器11偵測到輕至重負載暫態模式。接著，電流偵測器12根據輸出電壓Vo的變化以產生估計負載電流Ith。

根據本實施例的特徵之一，穩態窗更具有延伸下邊界VL2，其低於下邊界VL，兩者之間具有預設差值。本實施例的升壓轉換器100執行輕至重負載暫態模式的方式類似於第二A圖的流程，但具有以下差異。

於步驟28，如果輸出電壓Vo低於下邊界VL但高於延伸下邊界VL2，則以適應(adaptive)暫態電壓臨界Vth2置換暫態電壓臨界Vth，其中適應暫態電壓臨界Vth2高於暫態電壓臨界Vth，兩者之間具有預設差值。

如第四圖所示，於輕至重負載暫態模式當中，在升壓轉換器100進入穩態模式之前，輸出電壓Vo具有至少一第一谷點(valley point)，其值為暫態電壓臨界Vth；接著具有至少一第二谷點，其值為適應暫態電壓臨界Vth2(其高於第一谷點)。在本實施例中，第二谷點與暫態電壓臨界Vth(亦即第一谷點)之間的差值小於穩態窗的高度(亦即VH-VL)。

第五圖例示升壓轉換器100於輕至重負載暫態模式未使用延伸下邊界VL2、適應暫態電壓臨界Vth2的相關信號的波形圖。如第五圖所示，於輕至重負載暫態模式，輸出電壓Vo可能超出穩態窗的上邊界VH，以觸發重至輕負載暫態模式，因而減緩暫態反應。因此，本實施例因使用延伸下邊界VL2、適應暫態電壓臨界Vth2而得以加速輕至重負載暫態。

第六圖例示本發明又一實施例升壓轉換器100的輕至重負載暫態模式的相關信號的波形圖。在本實施例中，暫態電壓臨界Vth可動態決定或藉由查表得到。本實施例的升壓轉換器100執行輕至重負載暫態模式的方式類似於第二A圖的流程，但具有以下差異。

根據本實施例的特徵之一，電流估計器12提供適應負載電流Ith2，其高於估計負載電流Ith，兩者之間具有預設差值。在一實施例中，根據下邊界VL與暫態電壓臨界Vth，(例如藉由查表)以得到適應負載電流Ith2。

於步驟25，除了比較輸出電壓Vo與暫態電壓臨界Vth，如果電感電流IL高於適應負載電流Ith2，則控制器13關閉電晶體M(步驟26)，因而產生下降電感電流IL與上升輸出電壓Vo。

如第六圖所示，於輕至重負載暫態模式當中，在升壓轉換器100進入穩態模式之前，輸出電壓Vo具有至少一第一谷點，其值為暫態電壓臨界Vth；接著具有至少一第二谷點，其值高於第一谷點。此外，在本實施例中，第二谷點與暫態電壓臨界Vth(亦即第一谷點)之間的差值小於穩態窗的高度(亦即VH-VL)。

本實施例因使用適應負載電流Ith2，可加速輕至重負載暫態。如果未使用適應負載電流Ith2，則輸出電壓Vo可能超出穩態窗的上邊界VH，以觸發重至輕負載暫態模式，因而減緩暫態反應，如第五圖所示。

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:升壓轉換器

11:暫態偵測器

12:電流估計器

13:控制器

14:感測放大器

21:輕至重負載暫態模式

22:產生Ith

23:開啟電晶體

24:IL＞Ith?

25:Vo＜Vth?

26:關閉電晶體

27:IL＜Ith?

28:Vo＞VL?

31:重至輕負載暫態模式

32:產生Ith

33:關閉電晶體

34:Vo＜VH?

35:開啟電晶體

36:IL＞Ith?

Vi:輸入電壓

Vo:輸出電壓

R:電阻器

L:電感器

D:二極體

M:電晶體

C:電容器

TR:暫態模式

Iout:實際負載電流

Ith:估計負載電流

Ith2:適應負載電流

IL:電感電流

VH:上邊界

VL:下邊界

VL2:延伸下邊界

Vth:暫態電壓臨界

Vth2:適應暫態電壓臨界

第一圖顯示本發明實施例的具快速暫態反應的升壓轉換器的方塊圖。 第二A圖顯示本發明實施例的升壓轉換器的輕至重負載暫態模式的流程圖。 第二B圖例示輕至重負載暫態模式的相關信號的波形圖。 第三A圖顯示本發明實施例的升壓轉換器的重至輕負載暫態模式的流程圖。 第三B圖例示重至輕負載暫態模式的相關信號的波形圖。 第四圖例示本發明另一實施例升壓轉換器的輕至重負載暫態模式的相關信號的波形圖。 第五圖例示升壓轉換器於輕至重負載暫態模式未使用延伸下邊界、適應暫態電壓臨界的相關信號的波形圖。 第六圖例示本發明又一實施例升壓轉換器的輕至重負載暫態模式的相關信號的波形圖。

100:升壓轉換器

11:暫態偵測器

12:電流估計器

13:控制器

14:感測放大器

Vi:輸入電壓

Vo:輸出電壓

R:電阻器

L:電感器

D:二極體

M:電晶體

C:電容器

TR:暫態模式

Ith:估計負載電流

IL:電感電流

Claims (11)

1. 一種升壓轉換器，包含：一電感器與一二極體，電性串聯於輸入電壓與輸出電壓之間；一電晶體，電性耦接至該電感器與該二極體的互連節點；一控制器，根據暫態模式與估計負載電流，以控制該電晶體的切換；及一暫態偵測器，藉由比較該輸出電壓與穩態窗以偵測該暫態模式，其中該穩態窗介於上邊界與下邊界之間；其中在離開輕至重負載暫態模式之前，該輸出電壓具有至少一第一谷點，其值為暫態電壓臨界；接著具有至少一第二谷點，其值高於該第一谷點。
2. 如請求項1之升壓轉換器，更包含：一電容器，電性連接於該輸出電壓與地之間。
3. 如請求項1之升壓轉換器，更包含：一電流估計器，根據該輸出電壓的變化以產生該估計負載電流。
4. 如請求項3之升壓轉換器，其中該估計負載電流係根據該輕至重負載暫態模式的開始期間的輸出電壓的斜率而產生。
5. 如請求項1之升壓轉換器，其中當電感電流大於該估計負載電流，經過預設時間後的該輸出電壓記錄為該暫態電壓臨界。
6. 如請求項1之升壓轉換器，其中該控制器於該輕至重負載暫態模式當中執行以下步驟：(a)當偵測到該輕至重負載暫態模式，開啟該電晶體； (b)當電感電流大於該估計負載電流且該輸出電壓低於該暫態電壓臨界，關閉該電晶體；及(c)當該電感電流低於該估計負載電流且該輸出電壓高於該下邊界，離開該輕至重負載暫態模式，否則回至步驟(b)。
7. 如請求項1之升壓轉換器，其中該穩態窗具有延伸下邊界，其低於該下邊界，兩者之間具有預設差值；如果該輸出電壓低於該下邊界但高於該延伸下邊界，則以適應暫態電壓臨界置換該暫態電壓臨界，其中該適應暫態電壓臨界高於該暫態電壓臨界，兩者之間具有預設差值。
8. 如請求項7之升壓轉換器，其中該第二谷點的值為該適應暫態電壓臨界。
9. 如請求項1之升壓轉換器，更提供適應負載電流，其高於該估計負載電流，兩者之間具有預設差值；如果電感電流高於該適應負載電流，則該控制器關閉該電晶體。
10. 如請求項9之升壓轉換器，其中該適應負載電流係根據該下邊界與該暫態電壓臨界而得到。
11. 如請求項9之升壓轉換器，其中該第二谷點與該暫態電壓臨界之間的差值小於該穩態窗的高度。

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