TWI824490B - 快速動態響應負載轉態的切換式充電器 - Google Patents

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Abstract

本發明公開一種快速動態響應負載轉態的切換式充電器。上橋開關的第一端耦接輸入電壓。下橋開關的第一端連接上橋開關的第二端。下橋開關的第一端與上橋開關的第二端之間的節點連接電感的第一端。電感的第二端連接電容的第一端。恆定導通時間電路依據輸入電壓以及輸出電感的第二端與電容的第一端之間的節點的輸出電壓，以決定導通時間訊號的占空比或脈波寬度。控制電路依據導通時間訊號，以控制驅動電路驅動上橋開關以及下橋開關。

Description

快速動態響應負載轉態的切換式充電器
本發明涉及一種切換式充電器，特別是涉及一種快速動態響應負載轉態的切換式充電器。
近年來隨著科技的進步，具有各種不同功能的電子產品已逐漸被研發出來，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。為了使這些各式各樣不同功能的電子產品正常運作，需要通過切換式充電器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。
然而，當傳統切換式充電器的負載轉態時，例如從重載轉輕載或從輕載轉重載時，傳統切換式充電器中的上橋開關和下橋開關無法立即根據負載的轉態進行適當的快速切換。其結果為，傳統切換式充電器的輸出電流或電壓訊號中可能產生突波，導致傳統切換式充電器以及與傳統切換式充電器的輸出端相連接的其他電路元件損壞。或者，傳統切換式充電器供應給電池的充電電流過小，無法有效地將電池的電壓充電至目標電壓。
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快速動態響應負載轉態的切換式充電器，包含上橋開關、下橋開關、驅動電路、恆定導通時間電路以及控制電路。上橋開關的第一端耦接輸入電壓。下橋開關的第一端連接上橋開關的第二端。下橋開關的第二端接地。下橋開關的第一端與上橋開關的第二端之間的節點連接電感的第一端。電感的第二端連接輸出電容的第一端。電感的第二端與輸出電容的第一端之間的輸出節點連接負載。驅動電路連接上橋開關的控制端以及下橋開關的控制端。驅動電路配置以驅動上橋開關以及下橋開關。恆定導通時間電路配置以取得輸入電壓。恆定導通時間電路取得輸出節點的電壓作為所述切換式充電器的輸出電壓。恆定導通時間電路依據輸出電壓與輸入電壓兩者以決定導通時間訊號的占空比或脈波寬度，並輸出導通時間訊號。控制電路連接驅動電路以及恆定導通時間電路。控制電路配置以依據導通時間訊號，以控制驅動電路。
在實施例中，所述的快速動態響應負載轉態的切換式充電器更包含誤差放大器。誤差放大器的第一輸入端連接輸出節點。誤差放大器的第二輸入端連接第一參考電壓。誤差放大訊號的輸出端連接控制電路的輸入端。
在實施例中，所述的快速動態響應負載轉態的切換式充電器更包含比較器。比較器的第一輸入端連接斜波訊號產生器。比較器的第二輸入端連接誤差放大器的輸出端。比較器的輸出端連接控制電路。比較器配置以比較誤差放大器輸出誤差放大訊號與斜波訊號產生器產生的斜波訊號，以輸出脈波寬度調變訊號。控制電路依據脈波寬度調變訊號與導通時間訊號，以控制驅動電路。
在實施例中，當控制電路判斷脈波寬度調變訊號的工作週期大於導通時間訊號的工作週期，或判斷脈波寬度調變訊號的脈波寬度大於導通時間訊號的脈波寬度時，控制電路依據脈波寬度調變訊號以控制驅動電路。
在實施例中，當控制電路判斷脈波寬度調變訊號的工作週期不大於導通時間訊號的工作週期，或判斷脈波寬度調變訊號的脈波寬度不大於導通時間訊號的脈波寬度時，控制電路依據導通時間訊號以控制驅動電路。
在實施例中，所述的快速動態響應負載轉態的切換式充電器更包含電流感測電路以及換壓電路。電流感測電路串聯連接電池。換壓電路連接電流感測電路以及比較器的第二輸入端。電流感測電路配置以感測從輸出節點流向電池的充電電流以輸出電流感測訊號。換壓電路依據電流感測訊號以輸出換壓訊號至比較器的第二輸入端。
在實施例中，所述的快速動態響應負載轉態的切換式充電器更包含電流感測放大器。電流感測放大器連接電流感測電路以及換壓電路。電流感測放大器配置以將電流感測電路感測到的充電電流放大以輸出電流放大訊號至換壓電路。換壓電路依據電流放大訊號以輸出換壓訊號至比較器的第二輸入端。
在實施例中，所述的快速動態響應負載轉態的切換式充電器更包含運算放大器。運算放大器的第一輸入端連接換壓電路的第一輸入端。運算放大器的第二輸入端連接運算放大器的輸出端以及比較器的第二輸入端。換壓電路依據電流放大訊號以輸出換壓訊號至運算放大器的第一輸入端。
在實施例中，所述的快速動態響應負載轉態的切換式充電器更包含電阻。電阻的第一端連接換壓電路。電阻的第二端連接運算放大器的第一輸入端例如非反相輸入端。
在實施例中，所述的快速動態響應負載轉態的切換式充電器更包含第一迴授電容以及第二迴授電容。第一迴授電容的第一端連接誤差放大器的第一輸入端。第一迴授電容的第二端連接第二迴授電容的第一端，第二迴授電容。第二迴授電容的第二端連接誤差放大訊號的輸出端。
在實施例中，所述的快速動態響應負載轉態的切換式充電器更包含第一迴授開關。第一迴授開關的第一端連接第一迴授電容的第一端。第一迴授開關的第二端連接第一迴授電容的第二端。
在實施例中，所述的快速動態響應負載轉態的切換式充電器更包含第一迴授電阻、第二迴授電阻以及第三迴授電容。第一迴授電阻的第一端連接誤差放大器的第一輸入端。第一迴授電阻的第二端連接第二迴授電阻的第一端。第二迴授電阻的第二端連接第三迴授電容的第一端。第三迴授電容的第二端連接誤差放大訊號的輸出端。
所述的快速動態響應負載轉態的切換式充電器更包含第二迴授開關。第二迴授開關的第一端連接第一迴授電阻的第一端。第二迴授開關的第二端連接第一迴授電阻的第二端。
在實施例中，所述的快速動態響應負載轉態的切換式充電器更包含分壓電路。分壓電路包含第一分壓電阻以及第二分壓電阻。第一分壓電阻的第一端連接輸出節點。第一分壓電阻的第二端連接第二分壓電阻的第一端。第二分壓電阻的第二端接地。第一分壓電阻的第二端與第二分壓電阻的第一端之間的反饋節點連接誤差放大器的第一輸入端。
在實施例中，所述的快速動態響應負載轉態的切換式充電器更包含運算放大器。運算放大器的第一輸入端連接反饋節點。運算放大器的第二輸入端耦接第二參考電壓。運算放大器的輸出端連接誤差放大器的第一輸入端。
在實施例中，所述的快速動態響應負載轉態的切換式充電器更包含二極體。二極體的陽極連接運算放大器的輸出端。二極體的陰極連接誤差放大器的第一輸入端。
在實施例中，所述的快速動態響應負載轉態的切換式充電器更包含第一電阻。第一電阻的第一端連接二極體的陰極。第一電阻的第二端連接誤差放大器的第一輸入端。
在實施例中，所述的快速動態響應負載轉態的切換式充電器更包含第二電阻。第二電阻的第一端連接第一電阻的第二端。第二電阻的第二端連接誤差放大器的第一輸入端。
在實施例中，所述的快速動態響應負載轉態的切換式充電器更包含第一開關元件。第一開關元件的第一端連接第一電阻的第一端。第一開關元件的第二端連接第一電阻的第二端。
在實施例中，所述的快速動態響應負載轉態的切換式充電器更包含第三電阻以及第一電容。第三電阻的第一端連接二極體的陰極。第三電阻的第二端連接第一電容的第一端。第一電容的第二端連接誤差放大器的第一輸入端。
如上所述，本發明提供一種快速動態響應負載轉態的切換式充電器，其在負載瞬間轉態時，可依據負載的狀態，快速動態調整對上橋開關以及下橋開關執行的切換作業，以防止輸出電壓以及輸出電流過衝(overshoot)或下衝(undershoot)，造成切換式充電器以及接收切換式充電器的電力的電路元件損壞。
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，在不背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。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。
請參閱圖1和圖2，其中圖1為本發明第一實施例的快速動態響應負載轉態的切換式充電器的電路布局圖，圖2為本發明第一實施例的快速動態響應負載轉態的切換式充電器的訊號的波形圖。
本發明實施例的切換式充電器可包含如圖1所示的恆定導通時間電路COT、上橋開關HD、下橋開關LD、驅動電路DVR以及控制電路CTR。
上橋開關HD的第一端可耦接輸入電壓Vbus。下橋開關LD的第一端可連接上橋開關HD的第二端。下橋開關LD的第二端可接地。下橋開關LD的第一端與上橋開關HD的第二端之間的節點LX可連接電感L的第一端。電感L的第二端可連接輸出電容Cout的第一端。輸出電容Cout的第二端接地。電感L的第二端與輸出電容Cout的第一端之間的輸出節點可連接負載。電感L的第二端與輸出電容Cout的第一端之間的輸出節點為切換式充電器的輸出端。
驅動電路DV可連接上橋開關HD的控制端以及下橋開關LD的控制端。控制電路CTR可連接驅動電路DVR以及恆定導通時間電路COT。
恆定導通時間電路COT可(耦接輸入電壓Vbus，以)取得輸入電壓Vbus。 另外，恆定導通時間電路COT可(連接電感L的第二端與輸出電容Cout的第一端之間的輸出節點，以)取得切換式充電器的輸出端的輸出電壓Vsys。
值得注意的是，恆定導通時間電路COT可依據輸出電壓Vsys以及輸入電壓Vbus的電壓值，以決定導通時間訊號SCOT的占空比或脈波寬度，並輸出導通時間訊號SCOT。
舉例而言，恆定導通時間電路COT可計算輸出電壓Vsys與輸入電壓Vbus的比例，或是計算輸出電壓Vsys與輸入電壓Vbus的差值，並依據計算出的輸出電壓Vsys與輸入電壓Vbus的比例或差值，以決定導通時間訊號SCOT的占空比或脈波寬度。
控制電路CTR可依據從恆定導通時間電路COT接收到的導通時間訊號SCOT，以輸出控制訊號至驅動電路DVR。接著，驅動電路DV可依據控制訊號，以輸出上橋驅動訊號至上橋開關HD的控制端，並輸出下橋驅動訊號至下橋開關LD的控制端，以適當地切換上橋開關HD以及下橋開關LD。
舉例而言，導通時間訊號SCOT的占空比越大，上橋開關HD的導通時間越長，下橋開關LD的導通時間越短。反之，導通時間訊號SCOT的占空比越小，上橋開關HD的導通時間越短，下橋開關LD的導通時間越長。
本發明實施例的切換式充電器可包含如圖1所示的誤差放大訊器ERR、比較器CMP、運算放大器AMP1~AMP4，以及分壓電路所包含的第一分壓電阻R11和第二分壓電阻R12，但本發明不以此為限。實務上，如圖1所示的部分電路元件(例如運算放大器AMP1~AMP4、第一分壓電阻R11以及第二分壓電阻R12)可依據實際需求而省略。
第一分壓電阻R11的第一端可連接電感L的第二端與輸出電容Cout的第一端之間的輸出節點。第一分壓電阻R11的第二端可連接第二分壓電阻R12的第一端。第二分壓電阻R12的第二端可接地。
運算放大器AMP1的第一輸入端例如非反相輸入端可連接第一分壓電阻R11的第二端與第二分壓電阻R12的第一端之間的反饋節點。運算放大器AMP1的第二輸入端可耦接第二參考電壓Vcv。運算放大器AMP1可依據運算放大器AMP1的第一輸入端的電壓(即反饋節點的電壓)與運算放大器AMP1的第二輸入端的電壓(即第二參考電壓Vcv)，以輸出運算放大訊號。
其他運算放大器AMP2~AMP4的輸入端可分別接收其他數據例如輸出電流IL、輸入電流Icic或電源電壓DPM，並依據接收到的數據(與參考電壓)以輸出運算放大訊號。
若有需要，本發明實施例的切換式充電器可包含以下一或多者：二極體D1~D4、第一電阻R31、第二電阻R32、第一開關元件SW31、第三電阻R33以及第一電容C31。
運算放大器AMP1~AMP4的輸出端可分別連接二極體D1~D4的陽極。二極體D1~D4的陰極可連接第一電阻R31的第一端。第一電阻R31的第二端可連接第二電阻R32的第一端。第二電阻R32的第二端可連接誤差放大器ERR的第一輸入端例如反相輸入端。
第一開關元件SW31的第一端可連接第一電阻R31的第一端。第一開關元件SW31的第二端可連接第一電阻R31的第二端。第一開關元件SW31的控制端可連接控制電路CTR或其他外部主控電路。
第三電阻R33的第一端可連接二極體D1~D4的陰極。第三電阻R33的第二端可連接第一電容C31的第一端。第一電容C31的第二端可連接誤差放大器ERR的第一輸入端例如反相輸入端。誤差放大器ERR的第二輸入端例如非反相輸入端可連接第一參考電壓Vref1。
比較器CMP的第一輸入端例如非反相輸入端可連接斜波訊號產生器，並可從此斜波訊號產生器接收斜波訊號RAMP。比較器CMP的第二輸入端例如反相輸入端可連接誤差放大器ERR的輸出端。比較器CMP的輸出端可連接控制電路CTR。
若有需要，本發明實施例的切換式充電器可包含以下一或多者：第一迴授電容C21、第二迴授電容C22、第一迴授開關SW21、第一迴授電阻R21、第二迴授開關SW22、第二迴授電阻R22以及第三迴授電容C23，但本發明不以此為限。
第一迴授電容C21的第一端可連接誤差放大器ERR的第一輸入端。第一迴授電容C21的第二端可連接第二迴授電容C22的第一端。第二迴授電容C22的第二端可連接誤差放大訊號EAO的輸出端。
第一迴授開關SW21的第一端可連接第一迴授電容C21的第一端。第一迴授開關SW21的第二端可連接第一迴授電容C21的第二端。
第一迴授電阻R21的第一端可連接誤差放大器ERR的第一輸入端。第一迴授電阻R21的第二端可連接第二迴授電阻R22的第一端。第二迴授電阻R22的第二端可連接第三迴授電容C23的第一端。第三迴授電容C23的第二端可連接誤差放大訊號EAO的輸出端。
第二迴授開關SW22的第一端可連接第一迴授電阻R21的第一端。第二迴授開關SW22的第二端可連接第一迴授電阻R21的第二端。
誤差放大器ERR可將誤差放大器ERR的第一輸入端的電壓與誤差放大器ERR的第二輸入端的第一參考電壓Vref1的差值放大，以輸出一誤差放大訊號EAO至比較器CMP的第二輸入端。
比較器CMP的第一輸入端例如非反相輸入端可從斜波訊號產生器接收斜波訊號RAMP。比較器CMP可比較誤差放大訊號EAO與斜波訊號RAMP的電壓，以輸出脈波寬度調變訊號PWM至控制電路CTR。
控制電路CTR可依據脈波寬度調變訊號PWM，控制驅動電路DVR驅動上橋開關HD以及下橋開關LD。例如，脈波寬度調變訊號PWM的占空比越大，上橋開關HD的導通時間越長，下橋開關LD的導通時間越短。反之，脈波寬度調變訊號PWM的占空比越小，上橋開關HD的導通時間越短，下橋開關LD的導通時間越長。
值得注意的是，如上所述，如圖1所示的迴授電路FB所包含大量電路元件，執行作業需耗費一段過長時間。當負載瞬間從重載轉輕載，或負載突然被移除時，迴授電路FB的誤差放大器ERR產生的誤差放大訊號EAO如圖2所示緩慢地下降。其結果為，迴授電路FB的比較器CMP依據誤差放大訊號EAO與斜波訊號RAMP所輸出的脈波寬度調變訊號PWM的占空比、脈波寬度如圖2所示緩慢地降低。
應理解，當負載瞬間從重載轉輕載，或負載突然被移除時，負載所需負載電流ILoad降低或不需負載電流ILoad。此時，若控制電路CTR依據如圖1所示的迴授電路FB輸出的脈波寬度調變訊號PWM的占空比，無法立即關閉上橋開關HD、開啟下橋開關LD，將導致切換式充電器的輸出端的輸出電流IL過大，造成切換式充電器的輸出端的電路元件損壞。
因此，在本發明實施例的切換式充電器中，設置恆定導通時間電路COT。恆定導通時間電路COT可依據輸出電壓Vsys以及輸入電壓Vbus的電壓值，以決定導通時間訊號SCOT的占空比或脈波寬度，並輸出導通時間訊號SCOT。
控制電路CTR可將每次從迴授電路FB的比較器CMP接收到的脈波寬度調變訊號PWM，與從恆定導通時間電路COT接收到的導通時間訊號SCOT，兩者的占空比或脈波寬度進行比較，以決定依據脈波寬度調變訊號PWM與誤差放大訊號EAO中的其中一者，控制驅動電路DVR驅動上橋開關HD以及下橋開關LD。
詳言之，當控制電路CTR判斷脈波寬度調變訊號PWM的工作週期大於導通時間訊號SCOT的工作週期，或判斷脈波寬度調變訊號PWM的脈波寬度大於導通時間訊號SCOT的脈波寬度時，控制電路CTR依據脈波寬度調變訊號PWM，以控制驅動電路DVR驅動上橋開關HD以及下橋開關LD。
相反地，當控制電路CTR判斷脈波寬度調變訊號PWM的工作週期如圖2所示逐漸降低至不大於導通時間訊號SCOT的工作週期，或判斷脈波寬度調變訊號PWM的脈波寬度如圖2所示逐漸降低至不大於導通時間訊號SCOT的脈波寬度時，控制電路CTR依據導通時間訊號SCOT，以控制驅動電路DVR驅動上橋開關HD以及下橋開關LD。
驅動電路DVR可依據從控制電路CTR接收到的控制訊號，輸出上橋驅動訊號至上橋開關HD的控制端，輸出下橋驅動訊號至下橋開關LD的控制端，以開啟或關閉上橋開關HD以及下橋開關LD。
也就是說，當負載瞬間從重載轉輕載，或負載突然被移除時，負載所需負載電流ILoad下降或不需負載電流ILoad時，控制電路CTR依據導通時間訊號SCOT以決定上橋開關HD以及開啟下橋開關LD的狀態，據以輸出控制訊號至驅動電路DVR。如此，驅動電路DV依據控制訊號，快速關閉上橋開關HD以及開啟下橋開關LD，以降低切換式充電器的輸出端供應的輸出電流IL，藉此防止切換式充電器輸出的輸出電流IL過大(即輸出電流IL具有突波)而造成切換式充電器的輸出端的電路元件損壞。
請參閱圖3和圖4，其中圖3為本發明第二實施例的快速動態響應負載轉態的切換式充電器的電路布局圖；圖4為本發明第二實施例的快速動態響應負載轉態的切換式充電器中的部分電路元件的電路布局圖。第二實施例與第一實施例相同之處，不在本文中贅述。
值得注意的是，如圖3和圖4中虛線A1圈起來之處，切換式充電器的輸出電流IL分成兩路電流，也就是說輸出電流IL是負載電流ILoad與充電電流Ichg的總合，分別為負載電流ILoad供應給負載，以及充電電流Ichg供應電池BAT。應理解，當切換式充電器的輸出電流IL在某一時間點為一定值時，負載瞬間暫態所需的負載電流ILoad變大時，電池BAT從切換式充電器接收到的充電電流Ichg變小。反之，負載瞬間暫態所需的負載電流ILoad變小時，電池BAT從切換式充電器接收到的充電電流Ichg變大。
當負載瞬間從輕載轉重載時，負載所需的負載電流ILoad瞬間上升時，電池BAT從切換式充電器接收到的充電電流Ichg將過小，導致電池BAT的充電速度過慢。為了增加電池BAT從切換式充電器接收到的充電電流Ichg，需增加切換式充電器的上橋開關HD開啟的時間，以增加切換式充電器的輸出電流IL。
相反地，當負載瞬間從重載轉輕載，負載所需的負載電流ILoad降低，或是負載瞬間被移除而不需負載電流ILoad時，切換式充電器的輸出電流IL完全供應至電池BAT。其結果為，電池BAT從切換式充電器接收到的充電電流Ichg將突然上升至過高電流值。為了避免電池BAT接收到的充電電流Ichg突然上升至過高電流值，造成電池BAT過熱，甚至損壞，需縮短上橋開關HD開啟的時間，以降低切換式充電器供應的輸出電流IL。
然而，如圖3所示的迴授電路FB包含大量電路元件，執行作業需耗費一段長時間。當負載瞬間從輕載轉重載時，迴授電路FB的誤差放大器ERR產生的誤差放大訊號EAO緩慢地上升。其結果為，迴授電路FB的比較器CMP依據誤差放大訊號EAO與斜波訊號RAMP所輸出的脈波寬度調變訊號PWM的占空比緩慢地上升。
因此，在本發明實施例的切換式充電器中，更設置電流感測電路CCS、換壓電路PAK、電流感測放大器CSA以及運算放大器AMP22，但本發明不以此為限。實務上，可依據實際需求，省略電流感測放大器CSA、運算放大器AMP22或兩者。
電流感測電路CCS可串聯連接電池BAT。電流感測放大器CSA的(兩)輸入端可連接電流感測電路CCS的輸出端。電流感測電路CCS的輸出端可連接換壓電路PAK。換壓電路PAK可連接運算放大器AMP22的第一輸入端例如非反相輸入端。運算放大器AMP22的第二輸入端例如反相輸入端可連接運算放大器AMP22的輸出端以及比較器CMP的第二輸入端例如反相輸入端。
若有需要，切換式充電器更可包含電阻R42。電阻R42的第一端可連接換壓電路PAK。電阻R42的第二端可連接電流感測放大器CSA的輸出端以及運算放大器AMP22的第一輸入端例如非反相輸入端。
電流感測電路CCS可感測從電感L的第二端與輸出電容Cout的第一端之間的輸出節點流向電池BAT的充電電流，以輸出一電流感測訊號。若有需要，電流感測放大器CSA可將電流感測電路CCS感測到的充電電流放大，以輸出一電流放大訊號。接著，換壓電路PAK可依據從電流感測放大器CSA接收到的電流放大訊號，以輸出一換壓訊號。
實務上，電流感測放大器CSA可選擇性設置。若省略設置電流感測放大器CSA，換壓電路PAK可直接依據從電流感測電路CCS接收到的電流感測訊號，以輸出換壓訊號。
詳言之，換壓電路PAK可依據電流感測電路CCS感測到的充電電流Ichg，或經電流感測放大器CSA將充電電流Ichg放大後輸出的電流放大訊號，判斷負載目前的暫態狀態。換壓電路PAK可進一步依據負載的狀態，以決定輸出的換壓訊號的電壓值。
應理解，運算放大器AMP22的第二輸入端的電壓等於運算放大器AMP22的第一輸入端的電壓。當運算放大器AMP22的第一輸入端例如非反相輸入端從換壓電路PAK接收換壓訊號時，運算放大器AMP22的第二輸入端的電壓快速拉升或拉降至等於換壓訊號的電壓。其結果為，比較器CMP的第二輸入端例如反相輸入端的電壓快速拉升或拉降至等於換壓訊號的電壓。
當負載在輕載時充電器操作在恆定導通模式，負載所需的負載電流ILoad瞬間上升時，導致充電電流Ichg下降。此時，充電器經由先前說明的機制由恆定導通模式切換到PWM操作模式，而換壓電路PAK此時可依據電流感測電路CCS感測到的充電電流Ichg變化，或經電流感測放大器CSA將充電電流Ichg變化放大後輸出電流放大訊號給換壓電路PAK將比較器CMP的第二輸入端例如反相輸入端的電壓(即誤差放大訊號EAO的電壓)快速拉升。其結果為，控制電路CTR依據比較器CMP輸出的脈波寬度調變訊號PWM，可快速控制驅動電路DVR延長上橋開關HD開啟的時間。其結果為，切換式充電器供應的輸出電流IL可快速增加，使得電池BAT從切換式充電器接收到的充電電流Ichg增加。
相反地，當負載從重載轉輕載，從負載被移除時，可如第一實施例利用恆定導通時間電路COT，或是可如第二實施例利用電流感測電路CCS、換壓電路PAK(、電流感測放大器CSA以及運算放大器AMP22)，以縮短上橋開關HD開啟的時間。
詳言之，當負載從重載轉輕載，從負載被移除時，在第二實施例中，換壓電路PAK可依據負載的狀態，以快速拉降比較器CMP的第二輸入端例如反相輸入端的電壓(即誤差放大訊號EAO的電壓) 。其結果為，控制電路CTR依據比較器CMP輸出的脈波寬度調變訊號PWM，可快速控制驅動電路DVR縮短上橋開關HD開啟的時間。其結果為，切換式充電器供應的輸出電流IL降低，使得電池BAT從切換式充電器接收到的充電電流Ichg降低至適當值。
請參閱圖3至圖5，其中圖5為本發明第二實施例的快速動態響應負載轉態的切換式充電器的訊號的波形圖。
當負載接回切換式充電器或是負載從輕載轉重載時，切換式充電器供應給負載的負載電流ILoad增加，導致供應給電池BAT的充電電流Ichg下降，電感L的第二端與輸出電容Cout的第一端之間的輸出節點的輸出電壓Vsys下降。此時，換壓電路PAK可輸出換壓訊號，以將比較器CMP的第二輸入端例如反相輸入端的電壓(即誤差放大訊號EAO的電壓)快速拉升。
接著，比較器CMP比較誤差放大訊號EAO的快速拉升至一目標電壓值的電壓與斜波訊波RAMP的電壓，以輸出脈波寬度調變訊號PWM。控制電路PWM依據此脈波寬度調變訊號PWM，可快速控制驅動電路DVR驅動上橋開關HD開啟較長時間。如此，切換式充電器供應的輸出電流IL可快速增加。其結果為，電池BAT從輸出電流IL中取得的充電電流Ichg增加。
請參閱圖3和圖6，其中圖6為傳統切換式充電器與本發明第二實施例的快速動態響應負載轉態的切換式充電器的訊號的波形圖。
當切換式充電器接回負載或是負載從輕載轉重載時，負載所需的負載電流ILoad增加，使得傳統切換式充電器的輸出端的輸出電壓Vsys0將下降至極低值。在負載接回傳統切換式充電器或是負載從輕載轉重載後，過了一段時間，傳統切換式充電器提供的輸出電流IL0才緩慢地逐漸增加。
相比之下，當負載接回本發明實施例的切換式充電器或是負載從輕載轉重載時，本發明實施例的切換式充電器的控制電路PWM立即控制驅動電路DVR以驅動上橋開關HD開啟較長時間，使得切換式充電器的輸出電流IL快速增加，電池BAT從輸出電流IL中取得的充電電流Ichg增加，切換式充電器的輸出端的輸出電壓Vsys停止下降並快速上升。
請參閱圖3、圖7和圖8，其中圖7和圖8為傳統切換式充電器與本發明第二實施例的快速動態響應負載轉態的切換式充電器的訊號的波形圖。
當負載從本發明第二實施例的切換式充電器移除或是負載從重載轉輕載時，切換式充電器供應給負載的負載電流ILoad減少，供應給電池BAT的充電電流Ichg增加。此時，換壓電路PAK可輸出換壓訊號，以將比較器CMP的第二輸入端例如反相輸入端的電壓(即誤差放大訊號EAO的電壓)快速拉降。
接著，比較器CMP比較誤差放大訊號EAO的快速拉降至一目標電壓值的電壓與斜波訊波RAMP的電壓，以輸出脈波寬度調變訊號PWM。控制電路PWM依據此脈波寬度調變訊號PWM，可快速控制驅動電路DVR以驅動上橋開關HD開啟較短時間。如此，切換式充電器供應的輸出電流IL可快速減少，切換式充電器的輸出電壓Vsys可快速降低至適當電壓值，電池BAT從切換式充電器取得的充電電流Ichg可快速減少至所需電流。
相比之下，當負載從傳統切換式充電器移除或是負載從重載轉輕載時，傳統切換式充電器經由迴授電路FB的誤差放大器ERR產生的誤差放大訊號緩慢地下降，使得傳統切換式充電器的輸出電流IL0緩慢地下降。其結果為，電池在一段時間內從傳統切換式充電器的輸出電流IL0中取得的充電電流過高，導致輸出電壓Vsys0電壓過高，造成電池損壞。
綜上所述，本發明提供一種快速動態響應負載轉態的切換式充電器，其在負載瞬間轉態時，可依據負載的狀態，快速動態調整對上橋開關以及下橋開關執行的切換作業，以防止輸出電壓以及輸出電流過衝(overshoot)或下衝(undershoot)，造成切換式充電器以及接收切換式充電器的電力的電路元件損壞。
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。
HD：上橋開關 LD：下橋開關 LX：節點 Vbus：輸入電壓 Icic：輸入電流 L：電感 IL、IL0：輸出電流 Cout：輸出電容 Vsys、Vsys0：輸出電壓 ILoad：負載電流 BAT：電池 R11：第一分壓電阻 R12：第二分壓電阻 AMP1~AMP4：運算放大器 Vcv：第二參考電壓 DPM：電源電壓 D1~D4：二極體 R31：第一電阻 R32：第二電阻 SW31：第一開關元件 R33：第三電阻 C31：第一電容 ERR：誤差放大器 Vref1：第一參考電壓 EAO、EAO0：誤差放大訊號 C21：第一迴授電容 C22：第二迴授電容 SW21：第一迴授開關 R21：第一迴授電阻 SW22：第二迴授開關 R22：第二迴授電阻 C23：第三迴授電容 CMP：比較器 RAMP：斜波訊號 PWM：脈波寬度調變訊號 FB：迴授電路 COT：恆定導通時間電路 SCOT：導通時間訊號 CTR：控制電路 DVR：驅動電路 CCS：電流感測電路 CSA：電流感測放大器 PAK：換壓電路 AMP22：運算放大器 R42：電阻 Ichg：充電電流 A1：虛線
圖1為本發明第一實施例的快速動態響應負載轉態的切換式充電器的電路布局圖。
圖2為本發明第一實施例的快速動態響應負載轉態的切換式充電器的訊號的波形圖。
圖3為本發明第二實施例的快速動態響應負載轉態的切換式充電器的電路布局圖。
圖4為本發明第二實施例的快速動態響應負載轉態的切換式充電器中的部分電路元件的電路布局圖。
圖5為本發明第二實施例的快速動態響應負載轉態的切換式充電器的訊號的波形圖。
圖6為傳統切換式充電器與本發明第二實施例的快速動態響應負載轉態的切換式充電器的訊號的波形圖。
圖7為傳統切換式充電器與本發明第二實施例的快速動態響應負載轉態的切換式充電器的訊號的波形圖。
圖8為傳統切換式充電器與本發明第二實施例的快速動態響應負載轉態的切換式充電器的訊號的波形圖。
HD：上橋開關 LD：下橋開關 LX：節點 Vbus：輸入電壓 Icic：輸入電流 L：電感 IL：輸出電流 Cout：輸出電容 Vsys：輸出電壓 ILoad：負載電流 BAT：電池 R11：第一分壓電阻 R12：第二分壓電阻 AMP1~AMP4：運算放大器 Vcv：第二參考電壓 DPM：電源電壓 D1~D4：二極體 R31：第一電阻 R32：第二電阻 SW31：第一開關元件 R33：第三電阻 C31：第一電容 ERR：誤差放大器 Vref1：第一參考電壓 EAO：誤差放大訊號 C21：第一迴授電容 C22：第二迴授電容 SW21：第一迴授開關 R21：第一迴授電阻 SW22：第二迴授開關 R22：第二迴授電阻 C23：第三迴授電容 CMP：比較器 RAMP：斜波訊號 PWM：脈波寬度調變訊號 FB：迴授電路 COT：恆定導通時間電路 SCOT：導通時間訊號 CTR：控制電路 DVR：驅動電路

Claims (16)

  1. 一種快速動態響應負載轉態的切換式充電器，包含：一上橋開關，該上橋開關的第一端耦接一輸入電壓；一下橋開關，該下橋開關的第一端連接該上橋開關的第二端，該下橋開關的第二端接地，該下橋開關的第一端與該上橋開關的第二端之間的節點連接一電感的第一端，該電感的第二端連接一輸出電容的第一端，該輸出電容的第二端接地，該電感的第二端與該輸出電容的第一端之間的一輸出節點連接一負載；一驅動電路，連接該上橋開關的控制端以及該下橋開關的控制端，配置以驅動該上橋開關以及該下橋開關；一恆定導通時間電路，配置以取得該輸入電壓，取得該輸出節點的電壓作為所述切換式充電器的一輸出電壓，依據該輸出電壓與該輸入電壓兩者以決定一導通時間訊號的占空比或脈波寬度，並輸出該導通時間訊號；一控制電路，連接該驅動電路以及該恆定導通時間電路；一誤差放大器，該誤差放大器的第一輸入端連接該輸出節點，該誤差放大器的第二輸入端連接一第一參考電壓；一比較器，該比較器的第一輸入端連接一斜波訊號產生器，該比較器的第二輸入端連接該誤差放大器的輸出端，該比較器的輸出端連接該控制電路，該比較器比較該誤差放大器輸出的一誤差放大訊號與該斜波訊號產生器產生的一斜波訊號以輸出一脈波寬度調變訊號，該控制電路依據該脈波寬度調變訊號與該導通時間訊號，以控制該驅動電路；一電流感測電路，連接在該輸出節點與一電池之間，配置以感測從該輸出節點流向該電池的一充電電流以輸出一電流感測訊號； 一換壓電路，連接所述電流感測電路，配置以依據該電流感測訊號以輸出一換壓訊號；以及一運算放大器，該運算放大器的第一輸入端連接該換壓電路，該運算放大器的第二輸入端連接該運算放大器的輸出端以及該比較器的第二輸入端，該換壓電路依據該電流放大訊號以輸出該換壓訊號至該運算放大器的第一輸入端。
  2. 如請求項1所述的快速動態響應負載轉態的切換式充電器，其中，當該控制電路判斷該脈波寬度調變訊號的工作週期大於該導通時間訊號的工作週期，或判斷該脈波寬度調變訊號的脈波寬度大於該導通時間訊號的脈波寬度時，該控制電路依據該脈波寬度調變訊號以控制該驅動電路。
  3. 如請求項2所述的快速動態響應負載轉態的切換式充電器，其中，當該控制電路判斷該脈波寬度調變訊號的工作週期不大於該導通時間訊號的工作週期，或判斷該脈波寬度調變訊號的脈波寬度不大於該導通時間訊號的脈波寬度時，該控制電路依據該導通時間訊號以控制該驅動電路。
  4. 如請求項1所述的快速動態響應負載轉態的切換式充電器，更包含一電流感測放大器，連接該電流感測電路以及該換壓電路，配置以將該電流感測電路感測到的該充電電流放大以輸出一電流放大訊號至該換壓電路，該換壓電路依據該電流放大訊號以輸出該換壓訊號至該比較器的第二輸入端。
  5. 如請求項1所述的快速動態響應負載轉態的切換式充電器，更包含一電阻，該電阻的第一端連接該換壓電路，該電阻的第二端連接該運算放大器的第一輸入端該運算放大器的第一輸入端。
  6. 如請求項1所述的快速動態響應負載轉態的切換式充電器，更包含一第一迴授電容以及一第二迴授電容，該第一迴授電 容的第一端連接該誤差放大器的第一輸入端，該第一迴授電容的第二端連接該第二迴授電容的第一端，該第二迴授電容的第二端連接該誤差放大訊號的輸出端。
  7. 如請求項6所述的快速動態響應負載轉態的切換式充電器，更包含一第一迴授開關，該第一迴授開關的第一端連接該第一迴授電容的第一端，該第一迴授開關的第二端連接該第一迴授電容的第二端。
  8. 如請求項7所述的快速動態響應負載轉態的切換式充電器，更包含一第一迴授電阻、一第二迴授電阻以及一第三迴授電容，該第一迴授電阻的第一端連接該誤差放大器的第一輸入端，該第一迴授電阻的第二端連接該第二迴授電阻的第一端，該第二迴授電阻的第二端連接該第三迴授電容的第一端，該第三迴授電容的第二端連接該誤差放大訊號的輸出端。
  9. 如請求項8所述的快速動態響應負載轉態的切換式充電器，更包含一第二迴授開關，該第二迴授開關的第一端連接該第一迴授電阻的第一端，該第二迴授開關的第二端連接該第一迴授電阻的第二端。
  10. 如請求項9所述的快速動態響應負載轉態的切換式充電器，更包含一分壓電路，該分壓電路包含一第一分壓電阻以及一第二分壓電阻，該第一分壓電阻的第一端連接該輸出節點，該第一分壓電阻的第二端連接該第二分壓電阻的第一端，該第二分壓電阻的第二端接地，該第一分壓電阻的第二端與該第二分壓電阻的第一端之間的一反饋節點連接該誤差放大器的第一輸入端。
  11. 如請求項10所述的快速動態響應負載轉態的切換式充電器，更包含一運算放大器，該運算放大器的第一輸入端連接該反饋節點，該運算放大器的第二輸入端耦接一第二參考電壓， 該運算放大器的輸出端連接該誤差放大器的第一輸入端。
  12. 如請求項11所述的快速動態響應負載轉態的切換式充電器，更包含一二極體，該二極體的陽極連接該運算放大器的輸出端，該二極體的陰極連接該誤差放大器的第一輸入端。
  13. 如請求項12所述的快速動態響應負載轉態的切換式充電器，更包含一第一電阻，該第一電阻的第一端連接該二極體的陰極，該第一電阻的第二端連接該誤差放大器的第一輸入端。
  14. 如請求項13所述的快速動態響應負載轉態的切換式充電器，更包含一第二電阻，該第二電阻的第一端連接該第一電阻的第二端，該第二電阻的第二端連接該誤差放大器的第一輸入端。
  15. 如請求項14所述的快速動態響應負載轉態的切換式充電器，更包含一第一開關元件，該第一開關元件的第一端連接該第一電阻的第一端，該第一開關元件的第二端連接該第一電阻的第二端。
  16. 如請求項15所述的快速動態響應負載轉態的切換式充電器，更包含一第三電阻以及一第一電容，該第三電阻的第一端連接該二極體的陰極，該第三電阻的第二端連接該第一電容的第一端，該第一電容的第二端連接該誤差放大器的第一輸入端。
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