TWM473646U - 直流對直流控制器 - Google Patents

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TWM473646U
TWM473646U TW102215556U TW102215556U TWM473646U TW M473646 U TWM473646 U TW M473646U TW 102215556 U TW102215556 U TW 102215556U TW 102215556 U TW102215556 U TW 102215556U TW M473646 U TWM473646 U TW M473646U
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Taiwan
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signal
slope
ramp signal
controller
coupled
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TW102215556U
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English (en)
Inventor
Hung-Hsuan Cheng
Ya-Ping Chen
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Upi Semiconductor Corp
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直流對直流控制器
本創作係與電源轉換器有關，特別是關於一種能夠根據誤差訊號產生斜率偵測訊號來改變斜波訊號之下降及上升斜率的直流對直流控制器，以提升其暫態反應速度。
近年來，電源供應電路已廣泛使用在不同電子產品上，例如可攜式電子產品、電腦產品等。電源供應電路可提供電壓或電流轉換或是提供具有固定電壓或電流之電力以供電子產品使用。在電源供應電路中，電源積體電路(Power integrated circuit,Power IC)為必要的主動元件之一。
於目前傳統的直流對直流電源轉換器之操作組態下，在暫態響應上，由於傳統的斜波產生器仍會持續地產生斜波訊號，當斜波訊號已由其底部上升至較高的位置時，斜波訊號與誤差訊號之間的距離變大，若誤差訊號欲再次與斜波訊號相交，需耗費較長的時間，使得其導通時間產生器打出導通時間的時間點較慢，因而導致其輸出級之上橋開關較慢被導通，故其暫態響應速度較慢，故亟待改善。
因此，本創作揭露一種直流對直流控制器，以解決先前技術所遭遇到之上述問題。
根據本創作之一具體實施例為一種直流對直流控制器。於此實施例中，直流對直流控制器包括誤差放大器、斜波訊號產生器、斜率偵測單元、訊號合成單元及控制單元。斜率偵測單元耦接誤差放大器。訊 號合成單元耦接斜波訊號產生器及斜率偵測單元。誤差放大器提供一誤差訊號。斜波訊號產生器提供一第一斜波訊號。斜率偵測單元接收誤差訊號以藉由誤差訊號來提供一斜率偵測訊號。訊號合成單元合成第一斜波訊號及斜率偵測訊號成為一第二斜波訊號。控制單元藉由誤差訊號及第二斜波訊號產生一脈寬調變訊號。
於一實施例中，控制單元包括一比較器，其耦接斜波訊號產生器與訊號合成單元。
於一實施例中，第二斜波訊號的斜率與第一斜波訊號的斜率不同。
於一實施例中，當訊號合成單元將第一斜波訊號與斜率偵測訊號合成為第二斜波訊號時，訊號合成單元藉由斜率偵測訊號改變第一斜波訊號的斜率以形成第二斜波訊號，使得第二斜波訊號的斜率與第一斜波訊號的斜率不同。
於一實施例中，斜率偵測單元包括一微分電路。
於一實施例中，斜率偵測單元包括一相位領先處理電路。
於一實施例中，斜率偵測單元包括一第一電晶體開關、一電容及一電流源。第一電晶體開關之控制端耦接誤差放大器。
於一實施例中，斜率偵測單元包括一第一電晶體開關、一電容及一電流源，第一電晶體開關之控制端耦接誤差放大器，以藉由誤差訊號控制第一電晶體開關的操作，以利用電容與電流源來提供斜率偵測訊號。
於一實施例中，訊號合成單元包括一第二電晶體開關及一電阻。第二電晶體開關之控制端耦接斜波訊號產生器。
於一實施例中，控制單元包括一比較器及一導通時間產生器。比較器之兩輸入端分別耦接斜率偵測單元及訊號合成單元。比較器之一輸出端耦接導通時間產生器，比較器比較誤差訊號與第二斜波訊號，並根據比較結果控制導通時間產生器產生脈寬調變訊號。
於一實施例中，直流對直流控制器還包括彼此耦接之一第一電流鏡及一第二電流鏡。第一電流鏡耦接於一工作電壓與斜率偵測單元 之間。第二電流鏡耦接於訊號合成單元與接地端之間。斜率偵測單元所產生之斜率偵測訊號透過第一電流鏡及第二電流鏡轉出至訊號合成單元。
於一實施例中，直流對直流控制器還包括輸出端及輸出電容。輸出端用以提供一輸出訊號。輸出電容耦接於輸出端與接地端之間。輸出電容為積層陶瓷電容器(Multi-layer Ceramic Capacitor,MLCC)。
相較於先前技術，本創作所提出之直流對直流控制器利用其輸出端瞬載及抽載時誤差訊號會有大幅度斜率變化之特性，將誤差訊號微分後與傳統的斜波訊號合成為對誤差訊號斜率變化反應更為靈敏之新的斜波訊號。因此，當直流對直流控制器之輸出端瞬載或抽載時，新的斜波訊號能夠較快與誤差訊號相交，故能改善系統暫態反應速度，減少電源輸出過衝(overshoot)之現象發生，以提高系統穩定度。
關於本創作之優點與精神可以藉由以下的創作詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
1‧‧‧直流對直流控制器
10‧‧‧誤差放大器
12‧‧‧補償單元
14‧‧‧斜率偵測單元
16‧‧‧斜波訊號產生器
18‧‧‧訊號合成單元
CT‧‧‧控制單元
24‧‧‧驅動單元
26‧‧‧輸出級
28‧‧‧輸出端
LOUT ‧‧‧輸出電感
ROUT ‧‧‧輸出電阻
COUT ‧‧‧輸出電容
VOUT ‧‧‧輸出電壓
R1‧‧‧第一分壓電阻
R2‧‧‧第二分壓電阻
20‧‧‧比較器
22‧‧‧導通時間產生器
SW1‧‧‧第一輸出開關
SW2‧‧‧第二輸出開關
+‧‧‧正輸入端
-‧‧‧負輸入端
J、K‧‧‧輸出端
VREF ‧‧‧參考電壓
VFB ‧‧‧回授電壓
VIN ‧‧‧輸入電壓
Vcomp‧‧‧誤差訊號
Vramp‧‧‧斜波訊號
Vramprc‧‧‧第二斜波訊號
Id‧‧‧斜率偵測訊號
VDD ‧‧‧工作電壓
CM1‧‧‧第一電流鏡
CM2‧‧‧第二電流鏡
MNC‧‧‧第一電晶體開關
Cd‧‧‧電容
I‧‧‧電流源
MP1~MP4‧‧‧P型電晶體開關
MN1~MN4‧‧‧N型電晶體開關
MNR‧‧‧第二電晶體開關
R‧‧‧電阻
TON ‧‧‧導通時間
S1‧‧‧第一開關控制訊號
S2‧‧‧第二開關控制訊號
t1~t4‧‧‧第一時間點~第四時間點
PWM‧‧‧脈寬調變訊號
圖1繪示根據本創作之一較佳具體實施例的直流對直流控制器之示意圖。
圖2繪示圖1中之斜率偵測單元14及訊號合成單元18之一實施例。
圖3A繪示運作於正常狀態下之直流對直流控制器之輸出電壓VOUT 的波形時序圖。
圖3B繪示運作於正常狀態下之直流對直流控制器之第一開關控制訊號S1的波形時序圖。
圖3C繪示運作於正常狀態下之直流對直流控制器之誤差訊號Vcomp、第一斜波訊號Vramp及第二斜波訊號Vramprc的波形時序圖。
圖4A繪示運作於暫態下之直流對直流控制器之輸出電壓VOUT 的波形時序圖。
圖4B繪示運作於暫態下之直流對直流控制器之第一開關控制訊號S1的波形時序圖。
圖4C繪示運作於暫態下之直流對直流控制器之誤差訊號Vcomp、第一斜波訊號Vramp及第二斜波訊號Vramprc的波形時序圖。
根據本創作之一較佳具體實施例為一種直流對直流控制器。實際上，本創作提出的直流對直流控制器可以是應用於電源積體電路(Power IC)中之具有恆定導通時間架構的直流對直流電源轉換器，但不以此為限。本創作亦可適用於交流對直流電源轉換器或直流對交流電源轉換器等電源轉換電路的架構中。
如圖1所示，直流對直流控制器1包括誤差放大器10、補償單元12、斜率偵測單元14、斜波訊號產生器16、訊號合成單元18、控制單元CT、驅動單元24、輸出級26、輸出電感LOUT 、輸出電阻ROUT 、輸出電容COUT 、輸出端28、第一分壓電阻R1及第二分壓電阻R2。其中，控制單元CT包括比較器20及導通時間產生器22；輸出級26包括第一輸出開關SW1及第二輸出開關SW2。於實際應用中，輸出電容COUT 可採用較高階的積層陶瓷電容器(Multi-layer Ceramic Capacitor,MLCC)，但不以此為限。
誤差放大器10之正輸入端+耦接參考電壓VREF ；誤差放大器10之負輸入端-耦接至第一分壓電阻R1與第二分壓電阻R2之間；誤差放大器10之輸出端K分別耦接至補償單元12、斜率偵測單元14及比較器20的正輸入端+；補償單元12耦接誤差放大器10之輸出端K及接地端；斜率偵測單元14耦接誤差放大器10之輸出端K及訊號合成單元18；斜波訊號產生器16耦接訊號合成單元18；訊號合成單元18耦接比較器20的負輸入端-；比較器20的輸出端J耦接導通時間產生器22；導通時間產生器22耦接驅動單元24；驅動單元24分別耦接輸出級26的第一輸出開關SW1及第二輸出開關SW2；輸出電感LOUT 之一端耦接至第一輸出開關SW1及第二輸出開關SW2之間；輸出電感LOUT 之另一端耦接輸出端28；輸出電阻ROUT 耦接輸出端28；輸出電容COUT 耦接於輸出電阻ROUT 與接地端之間；第一分壓電阻R1耦接輸出端28；第二分壓電阻R2耦接於第一分壓電阻R1與接地端之間。
誤差放大器10之正輸入端+及負輸入端-分別接收參考電壓VREF 以及第一分壓電阻R1與第二分壓電阻R2之間的回授電壓VFB ，並根據參考電壓VREF 與回授電壓VFB 產生誤差訊號Vcomp後透過輸出端K輸出。實際上，誤差放大器10會將參考電壓VREF 減去回授電壓VFB 並將此電壓差放大為誤差訊號Vcomp，但不以此為限。參考電壓VREF 可以是一預設值。回授電壓VFB 為直流對直流控制器1之輸出端28所提供之輸出電壓VOUT 的分壓，亦即回授電壓VFB =[R2/(R1+R2)]*VOUT 。補償單元12用以對誤差訊號Vcomp進行適當的補償。
於此實施例中，斜率偵測單元14包括微分電路/相位領先處理電路。斜率偵測單元14會從誤差放大器10之輸出端K接收誤差訊號Vcomp，並對誤差訊號Vcomp進行微分或相位處理，以產生斜率偵測訊號Id至訊號合成單元18。訊號合成單元18從斜波訊號產生器16接收第一斜波訊號Vramp並從斜率偵測單元14接收斜率偵測訊號Id，並合成第一斜波訊號Vramp及斜率偵測訊號Id成為第二斜波訊號Vramprc。實際上，當訊號合成單元18將第一斜波訊號Vramp與斜率偵測訊號Id合成為第二斜波訊號Vramprc時，訊號合成單元18藉由斜率偵測訊號Id改變第一斜波訊號Vramp的斜率以形成第二斜波訊號Vramprc，使得第二斜波訊號Vramprc的斜率與第一斜波訊號Vramp的斜率不同。
請參照圖2，圖2繪示圖1中之斜率偵測單元14及訊號合成單元18之一實施例。如圖2所示，第一電流鏡CM1耦接於工作電壓VDD 與斜率偵測單元14之間，第二電流鏡CM2耦接於訊號合成單元18與接地端之間。斜率偵測單元14所產生之斜率偵測訊號Id透過第一電流鏡CM1及第二電流鏡CM2轉出至訊號合成單元18。
於此實施例中，斜率偵測單元14包括第一電晶體開關MNC、電容Cd及電流源I。電流源I耦接於第一電晶體開關MNC與接地端之間；電容Cd耦接於第一電晶體開關MNC與接地端之間；電流源I與電容Cd並聯。第一電晶體開關MNC之閘極從誤差放大器10之輸出端K接收誤差訊號Vcomp，並藉由誤差訊號Vcomp控制第一電晶體開關MNC的操作，以利用電容MNC與電流源I來提供斜率偵測訊號(微分電流)Id。
第一電流鏡CM1及第二電流鏡CM2分別包括四個P型電晶體開關MP1~MP4及四個N型電晶體開關MN1~MN4。第一電流鏡CM1的四個P型電晶體開關MP1~MP4的閘極均耦接至第一電流鏡CM1與斜率偵測單元14之間。P型電晶體開關MP1及MP2串接於工作電壓VDD 與斜率偵測單元14之間；P型電晶體開關MP3及MP4串接於工作電壓VDD 與第二電流鏡CM2之間。第二電流鏡CM2的四個N型電晶體開關MN1~MN4的閘極均耦接至第一電流鏡CM1與第二電流鏡CM2之間。N型電晶體開關MN1及MN2串接於第一電流鏡CM1與接地端之間；N型電晶體開關MN3及MN4串接於訊號合成單元18與接地端之間。
斜率偵測單元14所產生之斜率偵測訊號(微分電流)Id會先透過第一電流鏡CM1之P型電晶體開關MP1~MP4轉出至第二電流鏡CM2，再透過第二電流鏡CM2之N型電晶體開關MN1~MN4轉出至訊號合成單元18。
訊號合成單元18包括第二電晶體開關MNR及電阻R。第二電晶體開關MNR耦接於工作電壓VDD 與電阻R之間。第二電晶體開關MNR之閘極從斜波訊號產生器16接收第一斜波訊號Vramp，並且斜率偵測訊號(微分電流)Id流經電阻R產生一電壓降(Id*R)，則根據第一斜波訊號Vramp及斜率偵測訊號Id所產生之第二斜波訊號Vramprc即為第一斜波訊號Vramp減去該電壓降(Id*R)。
接著，比較器20之正輸入端+從誤差放大器10之輸出端K接收誤差訊號Vcomp且比較器20之負輸入端-從訊號合成單元18接收第二斜波訊號Vramprc。比較器20用以比較誤差訊號Vcomp及第二斜波訊號Vramprc之大小，並根據比較結果透過輸出端J輸出控制訊號至導通時間產生器22，以控制導通時間產生器22產生包括導通時間TON 的脈寬調變訊號PWM至驅動單元24。驅動單元24根據脈寬調變訊號PWM選擇性地輸出第一開關控制訊號S1至輸出級26的第一輸出開關SW1，或輸出第二開關控制訊號S2至輸出級26的第二輸出開關SW2，藉以控制輸出級26的第一輸出開關SW1及第二輸出開關SW2的開啟或關閉。
請參照圖3A至圖3C，圖3A繪示運作於正常狀態下之直 流對直流控制器之輸出電壓VOUT 的波形時序圖。圖3B繪示運作於正常狀態下之直流對直流控制器之第一開關控制訊號S1的波形時序圖。圖3C繪示運作於正常狀態下之直流對直流控制器之誤差訊號Vcomp、第一斜波訊號Vramp及第二斜波訊號Vramprc的波形時序圖。由圖可知，當誤差訊號Vcomp增大時，第二斜波訊號Vramprc會較原本的第一斜波訊號Vramp來得低；當誤差訊號Vcomp變小時，第二斜波訊號Vramprc會變大，甚至比原本的第一斜波訊號Vramp還高。
亦請參照圖4A至圖4C，圖4A繪示運作於暫態下之直流對直流控制器之輸出電壓VOUT 的波形時序圖。圖4B繪示運作於暫態下之直流對直流控制器之第一開關控制訊號S1的波形時序圖。圖4C繪示運作於暫態下之直流對直流控制器之誤差訊號Vcomp、第一斜波訊號Vramp及第二斜波訊號Vramprc的波形時序圖。
由於誤差放大器10根據參考電壓VREF 減去回授電壓VFB 產生誤差訊號Vcomp，且回授電壓VFB 為直流對直流控制器1之輸出端28所提供之輸出電壓VOUT 的分壓，當直流對直流控制器1之輸出端28瞬載時，直流對直流控制器1之輸出電壓VOUT 開始變小，誤差訊號Vcomp會變大，誤差訊號Vcomp透過第一電晶體開關MNC對電容Cd所產生的斜率偵測訊號(微分電流)Id亦會變大，而斜率偵測訊號(微分電流)Id流經電阻R所產生之電壓降(Id*R)亦隨之變大，所以根據第一斜波訊號Vramp減去電壓降(Id*R)所得之第二斜波訊號Vramprc反而會下降得更快，亦即第二斜波訊號Vramprc的下降斜率會大於原本的第一斜波訊號Vramp的下降斜率。
由於誤差訊號Vcomp變大且第二斜波訊號Vramprc的下降斜率變大，將會使得誤差訊號Vcomp能夠在較快的時間點(如圖4C中之第一時間點t1)上升至與第二斜波訊號Vramprc相等。若是採用原本的第一斜波訊號Vramp，由於第一斜波訊號Vramp的下降斜率較小，所以誤差訊號Vcomp必須等到較慢的時間點(如圖4C中之第二時間點t2)才能夠上升至與第一斜波訊號Vramp相等。
於第一時間點t1，比較器20判定誤差訊號Vcomp與第二斜波訊號Vramprc相等，即會輸出控制訊號控制導通時間產生器22產生脈寬 調變訊號PWM至驅動單元24，使得驅動單元24根據脈寬調變訊號PWM輸出第一開關控制訊號S1控制輸出級26的第一輸出開關SW1開啟，故可加快直流對直流控制器1的暫態反應速度，以有效提升系統穩定度。
當直流對直流控制器1之輸出端28卸載時，直流對直流控制器1之輸出電壓VOUT 開始增大，誤差訊號Vcomp會變小，誤差訊號Vcomp透過第一電晶體開關MNC對電容Cd所產生的斜率偵測訊號(微分電流)Id亦會變小，而斜率偵測訊號(微分電流)Id流經電阻R所產生之電壓降(Id*R)亦隨之變小，所以根據斜波訊號Vramp減去電壓降(Id*R)所得之第二斜波訊號Vramprc反而會上升得更快，亦即第二斜波訊號Vramprc的上升斜率會大於原本的第一斜波訊號Vramp的上升斜率。
由於誤差訊號Vcomp變小且第二斜波訊號Vramprc的上升斜率變大，將會使得誤差訊號Vcomp能夠在較快的時間點(如圖4C中之第三時間點t3)下降至與第二斜波訊號Vramprc相等。若是採用原本的第一斜波訊號Vramp，由於第一斜波訊號Vramp的上升斜率較小，誤差訊號Vcomp必須等到較慢的時間點(如圖4C中之第四時間點t4)才能夠下降至與第一斜波訊號Vramp相等。
於第三時間點t3，比較器20判定誤差訊號Vcomp與第二斜波訊號Vramprc相等，即會輸出控制訊號控制導通時間產生器22產生脈寬調變訊號PWM至驅動單元24，使得驅動單元24根據脈寬調變訊號PWM輸出第一開關控制訊號S1控制輸出級26的第一輸出開關SW1關閉，故可加快直流對直流控制器1的暫態反應速度，以有效提升系統穩定度。
相較於先前技術，本創作所提出之直流對直流控制器利用其輸出端瞬載及抽載時誤差訊號會有大幅度斜率變化之特性，將誤差訊號微分後與傳統的斜波訊號合成為對誤差訊號斜率變化反應更為靈敏之新的斜波訊號。因此，當直流對直流控制器之輸出端瞬載或抽載時，新的斜波訊號能夠較快與誤差訊號相交，故能改善系統暫態反應速度，減少電源輸出過衝(overshoot)之現象發生，以提高系統穩定度。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本創作之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本 創作之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本創作所欲申請之專利範圍的範疇內。
1‧‧‧直流對直流控制器
10‧‧‧誤差放大器
12‧‧‧補償單元
14‧‧‧斜率偵測單元
16‧‧‧斜波訊號產生器
18‧‧‧訊號合成單元
CT‧‧‧控制單元
24‧‧‧驅動單元
26‧‧‧輸出級
28‧‧‧輸出端
LOUT ‧‧‧輸出電感
ROUT ‧‧‧輸出電阻
COUT ‧‧‧輸出電容
R1‧‧‧第一分壓電阻
R2‧‧‧第二分壓電阻
20‧‧‧比較器
22‧‧‧導通時間產生器
SW1‧‧‧第一輸出開關
SW2‧‧‧第二輸出開關
+‧‧‧正輸入端
-‧‧‧負輸入端
J、K‧‧‧輸出端
VREF ‧‧‧參考電壓
VFB ‧‧‧回授電壓
Vcomp‧‧‧誤差訊號
Vramp‧‧‧斜波訊號
Vramprc‧‧‧第二斜波訊號
Id‧‧‧斜率偵測訊號
PWM‧‧‧脈寬調變訊號

Claims (12)

  1. 一種直流對直流控制器，包括：一誤差放大器，提供一誤差訊號；一斜波訊號產生器，提供一第一斜波訊號；一斜率偵測單元，耦接該誤差放大器，且接收該誤差訊號，以藉由該誤差訊號來提供一斜率偵測訊號；一訊號合成單元，耦接該斜波訊號產生器與該斜率偵測單元，以合成該第一斜波訊號與該斜率偵測訊號成為一第二斜波訊號；以及一控制單元，耦接該誤差放大器與該訊號合成單元，以藉由該誤差訊號與該第二斜波訊號產生一脈寬調變訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之直流對直流控制器，其中該控制單元包括一比較器，其耦接該斜波訊號產生器與該訊號合成單元。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之直流對直流控制器，其中該第二斜波訊號的斜率與該第一斜波訊號的斜率不同。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之直流對直流控制器，其中當該訊號合成單元將該第一斜波訊號與該斜率偵測訊號合成為該第二斜波訊號時，該訊號合成單元藉由該斜率偵測訊號改變該第一斜波訊號的斜率以形成該第二斜波訊號，使得該第二斜波訊號的斜率與該第一斜波訊號的斜率不同。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之直流對直流控制器，其中該斜率偵測單元包括一微分電路。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之直流對直流控制器，其中該斜率偵測單元包括一相位領先處理電路。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之直流對直流控制器，其中該斜率偵測單元包括一第一電晶體開關、一電容及一電流源，該第一電晶體開關之控制端耦接該誤差放大器。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之直流對直流控制器，其中該斜率偵測單元包括一第一電晶體開關、一電容及一電流源，該第一電晶體開關之控制端耦接該誤差放大器，以藉由該誤差訊號控制該第一電晶體開關的操作，以利用該電容與該電流源來提供該斜率偵測訊號。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之直流對直流控制器，其中該訊號合成單元包括一第二電晶體開關及一電阻，該第二電晶體開關之控制端耦接該斜波訊號產生器。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之直流對直流控制器，其中該控制單元包括一比較器及一導通時間產生器，該比較器之兩輸入端分別耦接該斜率偵測單元及該訊號合成單元，該比較器之一輸出端耦接該導通時間產生器，該比較器比較該誤差訊號與該第二斜波訊號，並根據比較結果控制該導通時間產生器產生該脈寬調變訊號。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之直流對直流控制器，還包括彼此耦接之一第一電流鏡及一第二電流鏡，該第一電流鏡耦接於一工作電壓與該斜率偵測單元之間，該第二電流鏡耦接於該訊號合成單元與接地端之間，該斜率偵測單元所產生之該斜率偵測訊號透過該第一電流鏡及該第二電流鏡轉出至該訊號合成單元。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之直流對直流控制器，還包括：一輸出端，用以提供一輸出訊號；以及一輸出電容，耦接於該輸出端與接地端之間，其中該輸出電容為積層陶瓷電容器(Multi-layer Ceramic Capacitor,MLCC)。
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