TWM447633U - 切換式電源供應電路及其控制電路 - Google Patents

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Description

切換式電源供應電路及其控制電路
本新型係有關一種切換式電源供應電路，特別是指一種避免操作頻率低於預設頻率之切換式電源供應電路。
切換式電源供應電路有多種型式，例如降壓型(Buck Converter)、升壓型(Boost Converter)、反壓型(Inverter Converter)、升降壓型(Buck-Boost Converter)等等。以上各電路又可分為同步與非同步式，同步切換式電源供應電路使用兩個(升降壓型使用四個)功率開關，非同步切換式電源供應電路則以二極體取代功率開關之一。以同步降壓型電源供應電路為例來加以說明，其電路結構大致如第1圖所示，降壓型電源供應電路1包含有兩個功率開關Q1、Q2，由控制電路12所控制；控制電路12根據從輸出端Vout萃取出的反饋訊號FB，產生脈寬調變(pulse width modulation,PWM)訊號，進而控制電晶體Q1、Q2的開與關，以將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout。
切換式電源供應電路中，於輕載(指所需供應給負載電路的電流較小)時，PWM訊號的脈波數目會減少以保持高轉換效率，因此PWM訊號頻率會降低，此在固定導通時間的架構下更是如此。當PWM訊號頻率降低至音頻範圍時，功率開關的切換將會產生人耳可聞的聲音，需要避免。
對此，先前技術之美國專利第7,652,461號案提出一種電路架構，如第2圖所示，該案的作法是利用頻率偵測電路22，於上橋開關M1不導通時，頻率偵測電路22接收到一邏輯高 位準訊號，使得其中電容Cto開始充電，相當於開始計時，直到電容Cto一端的電位到達比較器25所預設的參考值時，頻率偵測電路22輸出邏輯高位準訊號。如此一來，PWM訊號栓鎖正反器電路26的設定端S重置，以使上橋開關M1再次導通。該先前技術藉此方式控制上橋開關M1不導通的時間，換言之即是控制PWM訊號的頻率，以避免PWM訊號頻率降低至音頻範圍。
然而，當PWM訊號的頻率高於所需時，上橋開關M1多出的導通時間所造成多餘的輸出電流會使輸出電壓上升而失去控制。為解決上橋開關M1多出的導通時間所造成的多餘電流問題，上述先前技術美國專利第7,652,461號案的作法是提供導通時間限制電路24，當PWM訊號頻率必須維持在音頻之上但供應給輸出的能量多餘所需時，以縮短導通時間的方法來調節輸出電壓Vout。
上述先前技術的缺點是：導通時間限制電路24中需要較複雜的乘法電路，且由於一方面直接設定最低的上橋開關導通時間，以避免PWM訊號頻率降至音頻範圍，另一方面用導通時間限制電路24來反饋控制上橋開關M1的導通時間上限，因此輸出漣波(output ripple)較不穩定，且在不同的輸入電壓、輸出電壓、電感值組合下，有不同的變化，不易控制。
有鑑於此，本創作即針對上述先前技術之不足，提出一種切換式電源供應電路，可避免操作頻率低於預設頻率之切換式電源供應電路，又可以保持轉換效率。
本創作目的在提供一種切換式電源供應電路。
本創作另一目的在提供一種切換式電源供應器之控制電路。
為達上述之目的，本創作提供了一種切換式電源供應電路，包含：一功率級，根據一脈寬調變(pulse width modulation,PWM)訊號，操作其中至少一功率開關，以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓；以及一控制電路，包括：一PWM訊號產生電路，根據一反饋訊號與一峰值決定訊號，以產生該PWM訊號；一峰值參考電路，與該PWM訊號產生電路耦接，根據該PWM訊號之頻率，產生一峰值參考訊號；以及一峰值決定電路，分別與該功率級與該峰值參考電路耦接，並根據該功率級中一電感電流與該峰值參考訊號，產生該峰值決定訊號，以輸入該PWM訊號產生電路，其中，該PWM訊號產生電路根據該峰值決定訊號與該反饋訊號，產生該PWM訊號，進而調整該電感電流之峰值，使得該PWM訊號之頻率不低於一預設頻率。
本創作也提供了一種切換式電源供應電路之控制電路，用以產生一脈寬調變(pulse width modulation,PWM)訊號，輸入一功率級，以操作其中至少一功率開關，進而將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，該切換式電源供應電路之控制電路包含：一PWM訊號產生電路，根據一反饋訊號與一峰值決定訊號，以產生該PWM訊號；一峰值參考電路，與該PWM訊號產生電路耦接，根據該PWM訊號之頻率，產生一峰值參考訊號；以及一峰值決定電路，分別與該功率級與該峰值參考電路耦接，並根據該功率級中一電感電流與該峰值參考訊號，產生該峰值決定訊號，以輸入該PWM訊號產生電路，其中，該PWM訊號產生電路根據該峰值決定訊號與該反饋訊號，產 生該PWM訊號，進而調整該電感電流之峰值，使得該PWM訊號之頻率不低於一預設頻率。
在其中一種實施型態中，該峰值參考電路宜包括：一頻率偵測電路，與該PWM訊號產生電路耦接，並根據該PWM訊號之頻率，以產生一頻率偵測訊號；以及一峰值參考訊號產生電路，與該頻率偵測電路耦接，並根據該頻率偵測訊號，產生該峰值參考訊號。
在另一種實施型態中，該電源供應電路宜更包括一預備負載電路，與該功率級耦接，使得該電感電流不低於一預設電流。
在又一種實施型態中，該峰值參考電路宜包括：一電流偵測電路，與該功率級耦接，以偵測該電感電流，進而產生一電流偵測訊號；以及一峰值調整電路，與該電流偵測電路耦接，並根據該電流偵測訊號與該峰值參考訊號，產生該峰值決定訊號。
在上述實施型態中，該峰值調整電路可包括一誤差放大器或比較器電路，且該電流偵測訊號與該峰值參考訊號分別輸入該誤差放大器或比較器電路之兩輸入端。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本創作之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
請參閱第4圖，顯示本創作的一個實施例。如第4圖所示，切換式電源供應電路3包含功率級31與控制電路32。在本實施例中，切換式電源供應電路3為同步降壓型功率轉換電路，對應於第3A圖所示之電路，但本創作不侷限於此；如第 3B-3J圖所示，切換式電源供應電路3可為其他型式的同步或非同步之降壓型、升壓型、反壓型、或升降壓型功率轉換電路。功率級31由驅動電路311根據脈寬調變(pulse width modulation,PWM)訊號，操作其中之功率開關Q1、Q2，以將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout。控制電路32包括PWM訊號產生電路321、峰值參考電路323、與峰值決定電路325。PWM訊號產生電路321根據反饋訊號與峰值決定訊號PD，以產生PWM訊號。其中，反饋訊號係相關於輸出電壓Vout，例如但不限於利用串聯電阻R1與R2中，R2上的分壓作為反饋訊號。而電容C1用以穩定輸出電壓Vout。峰值參考電路323與PWM訊號產生電路321耦接，以偵測PWM訊號，並根據PWM訊號之頻率，以產生峰值參考訊號。其中，峰值參考電路323不必須直接接收PWM訊號，而可以接收相關於PWM訊號之其他訊號，例如但不限於反饋訊號、反饋訊號與參考值(未示出)比較所產生之訊號、功率開關Q1或Q2導通或不導通的訊號等。峰值決定電路325分別與功率級31與峰值參考電路323耦接，並根據功率級中，流經電感L之電感電流IL與峰值參考訊號，產生峰值決定訊號PD，以輸入PWM訊號產生電路321，且PWM訊號產生電路321根據峰值決定訊號PD與反饋訊號，產生PWM訊號，進而調整電感電流IL之峰值(在本實施例中，於電感電流IL到達峰值參考訊號時關閉功率開關Q1)，使得PWM訊號之頻率不低於預設頻率。需說明的是，峰值決定電路325偵測電感電流IL有各種方式，不限於直接偵測經過電感L之電流；例如，若功率開關Q1整合在積體電路之內，則峰值決定電路325可偵測流過功率開關Q1的電流，如此亦可獲知有關電感電流IL的 資訊，且不需要增加接腳。因此圖示峰值決定電路325偵測電感電流IL的連接位置，僅是舉例，而不應作為本創作的限制；凡能偵測電感電流IL的方式，皆可應用於本創作。
與先前技術相較之下，根據本創作之第一個實施例，係於PWM訊號頻率低於預設頻率時，降低電感電流IL的峰值設定，而不直接提高PWM訊號頻率，如此一來，可藉由電感電流峰值反饋機制來達到提高PWM訊號頻率的目的，一方面，這可以避免在PWM頻率被強迫提高的狀況下，多出來的電感電流IL或是造成輸出電壓不當升高、或是被浪費在內部電路中，造成轉換效率的下降與電能的浪費，另方面，這可以使輸出漣波具有較平穩的波形，此皆為本創作優於先前技術之處。
第5圖顯示本創作第二個實施例。如第5圖所示，切換式電源供應電路4包含功率級31與控制電路42。與第一個實施例不同的是，本實施例顯示控制電路42一種更具體的實施例。其中，峰值參考電路423包含頻率偵測電路4231與峰值參考訊號產生電路4233。頻率偵測電路4231與PWM訊號產生電路421耦接，並根據PWM訊號之頻率，以產生頻率偵測訊號FD；而峰值參考訊號產生電路4233與頻率偵測電路4231耦接，並根據頻率偵測訊號FD，產生峰值參考訊號PR。峰值決定電路425包括電流偵測電路4251與峰值調整電路4253。電流偵測電路4251與功率級31耦接，用以偵測電感電流IL，進而產生電流偵測訊號ID。峰值調整電路4253例如但不限於為如圖所示之誤差放大器(或比較器)，與電流偵測電路4251耦接，並根據電流偵測訊號ID與峰值參考訊號PR，產生峰值決定訊號PD。其中，電流偵測訊號ID與峰值參考訊號PR分別輸入峰值調整電路4253之兩輸入端，以產生峰值 決定訊號PD，亦即，峰值決定訊號PD可表示電流偵測訊號ID是否到達峰值參考訊號PR。
第6圖顯示本創作第三個實施例。如第6圖所示，相較於第一個實施例，切換式電源供應電路5更包含預備負載電路53，與功率級31耦接，使得電感電流IL不低於預設電流。其中，預備負載電路53可以用以作為一種最低電感電流IL峰值的設定。也就是說，為了避免PWM訊號頻率過低，除了如前所述之實施例，根據本創作，在PWM訊號頻率低於預設頻率時，降低電感電流IL的峰值之外，為避免將電感電流IL的峰值也調到低於預設電感電流的下限，例如但不限於可在輸出端耦接預備負載電路53，以消耗預設電感電流的下限的電流，同時也避免PWM訊號頻率低於預設頻率。
以上已針對較佳實施例來說明本創作，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本創作的內容而已，並非用來限定本創作之權利範圍。在本創作之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化。例如，實施例中圖示直接連接的兩電路或電子元件間，可插置不影響主要功能的其他電路或電晶體：又如，接地電位不必須為絕對地電位(0V)，而可為相對地電位。本創作的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。
1,3,4,5‧‧‧電源供應電路
11,31‧‧‧功率級
12,32,42‧‧‧控制電路
22‧‧‧頻率偵測電路
25‧‧‧比較器
26‧‧‧PWM訊號栓鎖正反器電路
111,311‧‧‧驅動電路
321,421‧‧‧PWM訊號產生電路
323,423‧‧‧峰值參考電路
325,425‧‧‧峰值決定電路
4231‧‧‧頻率偵測電路
4233‧‧‧峰值參考訊號產生電路
4251‧‧‧電流偵測電路
4253‧‧‧峰值調整電路
C1,Cto‧‧‧電容
FD‧‧‧頻率偵測訊號
ID‧‧‧電流偵測訊號
IL‧‧‧電感電流
L,Lx‧‧‧電感
M1‧‧‧上橋開關
PD‧‧‧峰值決定訊號
PR‧‧‧峰值參考訊號
Q1,Q2‧‧‧功率開關
R1,R2‧‧‧電阻
S‧‧‧設定端
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
第1圖顯示先前技術降壓型電源供應電路1。
第2圖顯示美國專利第7,652,461號案提出的一種電路架構。
第3A-3J圖顯示切換式電源供應電路的同步或非同步之降壓型、升壓型、反壓型、或升降壓型功率轉換電路。
第4圖顯示本創作第一個實施例。
第5圖顯示本創作第二個實施例。
第6圖顯示本創作第三個實施例。
3‧‧‧電源供應電路
31‧‧‧功率級
32‧‧‧控制電路
311‧‧‧驅動電路
321‧‧‧PWM訊號產生電路
323‧‧‧峰值參考電路
325‧‧‧峰值決定電路
C1‧‧‧電容
IL‧‧‧電感電流
L‧‧‧電感
PD‧‧‧峰值決定訊號
Q1,Q2‧‧‧功率開關
R1,R2‧‧‧電阻
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓

Claims (9)

  1. 一種切換式電源供應電路，包含：一功率級，根據一脈寬調變(pulse width modulation,PWM)訊號，操作其中至少一功率開關，以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓；以及一控制電路，包括：一PWM訊號產生電路，根據一反饋訊號與一峰值決定訊號，以產生該PWM訊號；一峰值參考電路，與該PWM訊號產生電路耦接，根據該PWM訊號之頻率，產生一峰值參考訊號；以及一峰值決定電路，分別與該功率級與該峰值參考電路耦接，並根據該功率級中一電感電流與該峰值參考訊號，產生該峰值決定訊號，以輸入該PWM訊號產生電路，其中，該PWM訊號產生電路根據該峰值決定訊號與該反饋訊號，產生該PWM訊號，進而調整該電感電流之峰值，使得該PWM訊號之頻率不低於一預設頻率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之切換式電源供應電路，其中該峰值參考電路包括：一頻率偵測電路，與該PWM訊號產生電路耦接，並根據該PWM訊號之頻率，以產生一頻率偵測訊號；以及一峰值參考訊號產生電路，與該頻率偵測電路耦接，並根據該頻率偵測訊號，產生該峰值參考訊號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之切換式電源供應電路，更包括一預備負載電路，與該功率級耦接，使得該電感電流不低於一預設電流。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之切換式電源供應電路，其中 該峰值決定電路包括：一電流偵測電路，與該功率級耦接，以偵測該電感電流，進而產生一電流偵測訊號；以及一峰值調整電路，與該電流偵測電路耦接，並根據該電流偵測訊號與該峰值參考訊號，產生該峰值決定訊號。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之切換式電源供應電路，其中該峰值調整電路包括一誤差放大器或比較器電路，且該電流偵測訊號與該峰值參考訊號分別輸入該誤差放大器或比較器電路之兩輸入端。
  6. 一種切換式電源供應電路之控制電路，用以產生一脈寬調變(pulse width modulation,PWM)訊號，輸入一功率級，以操作其中至少一功率開關，進而將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，該切換式電源供應電路之控制電路包含：一PWM訊號產生電路，根據一反饋訊號與一峰值決定訊號，以產生該PWM訊號；一峰值參考電路，與該PWM訊號產生電路耦接，根據該PWM訊號之頻率，產生一峰值參考訊號；以及一峰值決定電路，分別與該功率級與該峰值參考電路耦接，並根據該功率級中一電感電流與該峰值參考訊號，產生該峰值決定訊號，以輸入該PWM訊號產生電路，其中，該PWM訊號產生電路根據該峰值決定訊號與該反饋訊號，產生該PWM訊號，進而調整該電感電流之峰值，使得該PWM訊號之頻率不低於一預設頻率。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之切換式電源供應電路之控制電路，其中該峰值參考電路包括：一頻率偵測電路，與該PWM訊號產生電路耦接，並根據 該PWM訊號之頻率，以產生一頻率偵測訊號；以及一峰值參考訊號產生電路，與該頻率偵測電路耦接，並根據該頻率偵測訊號，產生該峰值參考訊號。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之切換式電源供應電路之控制電路，其中該峰值決定電路包括：一電流偵測電路，與該功率級耦接，以偵測該電感電流，進而產生一電流偵測訊號；以及一峰值調整電路，與該電流偵測電路耦接，並根據該電流偵測訊號與該峰值參考訊號，產生該峰值決定訊號。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之切換式電源供應電路之控制電路，其中該峰值調整電路包括一誤差放大器或比較器電路，且該電流偵測訊號與該峰值參考訊號分別輸入該誤差放大器或比較器電路之兩輸入端。
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TWI669890B (zh) * 2014-12-19 2019-08-21 力智電子股份有限公司 電源轉換裝置的電流感測電路與方法

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