CN107809176A - 直流对直流转换器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种直流对直流转换器及其控制方法，直流对直流转换器耦接补偿电路并通过外部电感耦接输入电压，以提高系统稳定性。直流对直流转换器包括第一电力开关、第二电力开关、输出接脚、回授接脚及电力开关控制接脚。第一电力开关及第二电力开关均耦接外部电感的一端。输出接脚耦接第二电力开关。回授接脚耦接输出接脚。电力开关控制接脚耦接第一电力开关，且提供第一时间信号至第一电力开关。补偿电路耦接于回授接脚与电力开关控制接脚之间，补偿电路包括积分器，积分器自电力开关控制接脚接收第一时间信号，且提供补偿信号至回授接脚。
Description
技术领域
本发明与转换电路有关，特别是关于一种直流对直流转换器及其控制方法。
背景技术
已知的降压直流对直流转换装置(Buck DC-DC Converter)采用固定导通时间(Constant On Time,COT)的方式控制，如图1所示，其需要靠输出电压Vout上的涟波(ripple)回授并触发产生脉宽调变信号。当输出电容Cout采用的是具有低等效串联电阻的多层陶瓷电容(Multi-layer Ceramic Capacitor,MLCC)时，将会使得输出电压Vout回授的涟波过小，而过于平滑的回授信号受到电路中的电感及电容影响，会导致误差放大器A1输出的比较信号Comp产生相位延迟。一旦比较信号Comp的相位延迟达到180度时，将会出现共振现象而导致整个系统不稳定。
已知的升压直流对直流转换装置(Boost DC-DC Converter)采用固定关闭时间(Constant Off Time)的方式控制，如图2所示，若采用多层陶瓷电容(MLCC)作为输出电容Cout一样会有输出电压上的涟波过小的问题。如果直接采用固定导通时间(COT)的方式控制，尤其是当输出电容Cout采用的是电解电容时，回授信号甚至会出现与斜波信号Ramp反相的涟波。若未采用适当的补偿电路进行相位的补偿，很可能会导致输出崩溃的现象发生。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种直流对直流转换器及其控制方法，以解决现有技术所述及的问题。
本发明的一较佳具体实施例为一种直流对直流转换器。于此实施例中，直流对直流转换器耦接补偿电路并通过外部电感耦接输入电压。直流对直流转换器包括第一电力开关、第二电力开关、输出接脚、回授接脚及电力开关控制接脚。第一电力开关耦接外部电感的一端。第二电力开关耦接外部电感的一端。输出接脚耦接第二电力开关。回授接脚耦接输出接脚。电力开关控制接脚耦接第一电力开关，且提供第一时间信号至第一电力开关。补偿电路耦接于回授接脚与电力开关控制接脚之间，补偿电路包括积分器，积分器自电力开关控制接脚接收第一时间信号，且提供补偿信号至回授接脚。
在本发明的一实施例中，积分器包括彼此串接的电阻及第一电容，且电阻的第一端耦接电力开关控制接脚，第一电容耦接于电阻的第二端与接地端之间。
在本发明的一实施例中，积分器包括彼此串接的电阻及第一电容，且电阻的第一端耦接电力开关控制接脚，第一电容耦接于电阻的第二端与直流对直流转换器的输出电压。
在本发明的一实施例中，补偿电路还包括滤波电容，滤波电容耦接于积分器与回授接脚之间。
在本发明的一实施例中，补偿信号为斜波信号，且斜波信号与第一时间信号同步。
在本发明的一实施例中，直流对直流转换器还包括恒定导通时间产生单元，分别耦接第一电力开关与第二电力开关。
在本发明的一实施例中，直流对直流转换器还包括误差放大器及比较器，误差放大器耦接补偿电路及回授接脚，比较器耦接于误差放大器与恒定导通时间产生单元之间。
根据本发明的另一较佳具体实施例为直流对直流转换器的控制方法。于此实施例中，直流对直流转换器包括恒定导通时间产生单元、电力开关控制接脚及回授接脚，其中电力开关控制接脚与回授接脚之间耦接补偿电路。该控制方法包括：通过恒定导通时间产生单元提供第一时间信号至第一电力开关控制接脚；以及利用补偿电路处理第一时间信号，以提供补偿信号至回授接脚。
相较于现有技术，本发明的直流对直流转换器及其控制方法系利用补偿电路处里控制信号以产生涟波信号，并通过补偿电路中的滤波电容滤除涟波信号中的直流部分，由此产生稳定且良好的涟波信号对回授信号(feedbacksignal)进行相位补偿，进而产生稳定的控制信号，使得Boost直流对直流转换系统能够维持正常运作，能有效避免现有技术发生的输出崩溃现象。
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
附图说明
图1为已知的Buck直流对直流转换系统的示意图。
图2为已知的Boost直流对直流转换系统的示意图。
图3为根据本发明的一具体实施例的直流对直流转换器与补偿电路的功能方块图。
图4及图5为当第一电容的第二端耦接至接地端时的直流对直流转换器与补偿电路的示意图。
图6为当第一电容的第二端耦接至接地端时的第一时间信号、第二时间信号、补偿信号及参考电压的时序图。
图7及图8为当第一电容的第二端耦接至输出接脚时的直流对直流转换器与补偿电路的示意图。
图9为当第一电容的第二端耦接至输出接脚时的第一时间信号、第二时间信号、补偿信号及参考电压的时序图。
图10为根据本发明的另一具体实施例的直流对直流转换电路的功能方块图。
图11为根据本发明的另一具体实施例的直流对直流转换器的控制方法的流程图。
主要元件符号说明：
3：直流对直流转换电路
30：直流对直流转换器
32：补偿电路
Constant Off Time：固定关闭时间控制逻辑电路
FB：回授接脚
LG：电力开关控制接脚
IN：积分器
S1：时间信号
S2：补偿信号
LX：输入接脚
VCC：供电电压接脚
EN：致能接脚
GND：接地接脚
OUT：输出接脚
L、L1：外部电感
Vin：输入电压
Cin：输入电容
SEN：致能信号
Vout：输出电压
Cout：外部输出电容
R1～R2：外部电阻
Rj：电阻
Cj：第一电容
Cf：第二电容
S0：第二时间信号
M1：第一电力开关
M2：第二电力开关
COT：控制逻辑电路
A1：第一误差放大器
A2：第二误差放大器
VFB：回授电压
Vref：参考电压
Comp：比较信号
Ramp：斜波信号
Ton：导通时间
S10～S12：步骤
具体实施方式
现在将详细参考本发明的示范性实施例，并在附图中说明所述示范性实施例的实例。在图式及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。
根据本发明的一较佳具体实施例为一种直流对直流转换器(DC-DC converter)。降压直流对直流转换器(Buck DC-DC Converter)可应用于升压直流对直流转换系统(Boost DC-DC Converting System)中，但不以此为限。请参照图3，图3为本实施例的直流对直流转换器30耦接补偿电路32的功能方块图。
如图3所示，直流对直流转换器30包括回授接脚FB及电力开关控制接脚LG。补偿电路32包括积分器IN。直流对直流转换器30的回授接脚FB及电力开关控制接脚LG分别耦接补偿电路32的积分器IN。直流对直流转换器30的电力开关控制接脚LG提供第一时间信号S1至补偿电路32的积分器IN。当积分器IN自电力开关控制接脚LG接收到第一时间信号S1时，积分器IN将第一时间信号S1积分以提供补偿信号S2至回授接脚FB。于此实施例中，补偿电路32所产生的补偿信号S2为一斜波信号，并且与第一时间信号S1同步，但不以此为限。
接着请参照图4，于一实施例中，直流对直流转换器30包括输入接脚LX、输出接脚OUT、电力开关控制接脚LG、回授接脚FB、供电电压接脚VCC、致能接脚EN及接地接脚GND。补偿电路32包括电阻Rj、第一电容Cj及第二电容Cf，其中积分器IN包括彼此串接之电阻Rj与第一电容Cj。
于固定导通时间(COT)控制的Boost直流对直流转换系统中，输入接脚LX耦接外部电感L的第一端，并通过外部电感L接收输入电压Vin。供电电压接脚VCC耦接输入电压Vin。需说明的是，若于Buck直流对直流转换系统中，接脚LX仍会耦接外部电感L，但其是作为相位接脚(PHASE)与输出接脚(OUT)而提供输出电压Vout。
外部输入电容Cin的第一端亦耦接至外部电感L的第二端与输入电压Vin之间，外部输入电容Cin的第二端耦接至接地端GND。致能接脚EN用以接收一致能信号SEN。
输出接脚OUT用以输出一输出电压Vout，并且外部输出电容Cout耦接于输出接脚OUT与接地端之间。外部电阻R1及R2串接于输出电压Vout与接地端之间。回授接脚FB耦接至外部电阻R1及R2之间。
补偿电路32分别耦接直流对直流转换器30的电力开关控制接脚LG与回授接脚FB，并且补偿电路32亦耦接至外部电阻R1与R2之间。电阻Rj耦接于电力开关控制接脚LG与第二电容Cf之间；第一电容Cj的第一端耦接至电阻Rj与第二电容Cf之间，且第一电容Cj的第二端耦接至接地端；第二电容Cf的第一端耦接电阻Rj及第一电容Cj；第二电容Cf的第二端耦接至回授接脚FB以及外部电阻R1与R2之间。
补偿电路32作为涟波信号产生电路，并且补偿电路32中的第二电容Cf用以作为滤波电容，其功用在于将补偿电路32所提供的涟波信号中的直流部分加以滤除，由此产生稳定且良好的涟波信号来对回授信号进行相位补偿，使得系统能维持正常运作。
由于升压直流对直流转换系统采用固定关闭时间(Constant Off Time)方式控制，若直接套用固定导通时间(Constant On Time)控制器很可能会导致输出崩溃，因此本发明的补偿电路32的信号来源是电力开关控制接脚LG(亦即下桥开关控制接脚)，相位才会正确，也才能避免输出崩溃的现象发生。
请参照图5，于一实施例中，直流对直流转换器30还包括第一电力开关M1、第二电力开关M2、控制逻辑电路COT、第一误差放大器A1及第二误差放大器A2。
第一电力开关M1耦接于输入接脚LX与接地接脚GND之间，并且第一电力开关M1的闸极耦接控制逻辑电路COT及电力开关控制接脚LG。第一电力开关M1接收电力开关控制接脚LG所输出的第一时间信号S1并根据第一时间信号S1进行操作，以将输入电压Vin转换为输出电压Vout。
第二电力开关M2耦接于输入接脚LX与输出接脚OUT之间，并且第二电力开关M2的闸极耦接控制逻辑电路COT，以根据第二时间信号S0进行操作。第二时间信号S0与第一时间信号S1同步且反相。即第一时间信号S1与第二时间信号S0的周期一致但相位彼此相反。
控制逻辑电路COT分别耦接第一电力开关M1的闸极、第二电力开关M2的闸极、电力开关控制接脚LG、致能接脚EN及第二误差放大器A2的输出端；第一误差放大器A1的正输入端+接收参考电压Vref且第一误差放大器A1的负输入端－耦接回授接脚FB以接收回授电压VFB，并且第一误差放大器A1的输出端耦接第二误差放大器A2的正输入端+；第二误差放大器A2的正输入端+及负输入端－分别耦接第一误差放大器A1的输出端及斜波信号Ramp，并且第二误差放大器A2的输出端耦接控制逻辑电路COT。
请参照图6，图6为当第一电容Cj的第二端耦接至接地端时的第一时间信号S1、第二时间信号S0、补偿信号S2及参考电压Vref的时序图。如图6所示，补偿电路32所产生的补偿信号S2为一斜波信号，并且补偿信号(斜波信号)S2是与第一时间信号S1同步。至于第二时间信号S0则与第一时间信号S1同步且反相。
当第一时间信号S1处于高相位时，第二时间信号S0处于低相位，补偿信号S2为往上的斜波信号；当第一时间信号S1处于低相位时，第二时间信号S0处于高相位，补偿信号S2为往下的斜波信号。第一时间信号S1维持于高相位的时间长度即为导通时间Ton。
除了前述图4至图5绘示的第一电容Cj的第二端耦接至接地端的实施例之外，第一电容Cj的第二端亦可耦接至输出接脚OUT，以根据输出电压Vout及控制信号S1产生补偿信号S2，如图7至图8所示，此种接法的补偿信号S2根据第一时间信号S1及输出电压Vout产生，可使直流对直流转换器30在输出电压Vout瞬变(transient)时有较佳的响应。由于图7至图8与图4至图5的差异处仅在于第一电容Cj的第二端耦接至输出接脚OUT而不是耦接至接地端，故其电路的详细作动情形请参照前述实施例，于此不另行赘述。
图9为图7及图8的第一时间信号S1、第二时间信号S0、补偿信号S2及参考电压Vref的时序图。由于升压(Boost)系统的输出电压Vout有与补偿信号S2反相的涟波，使得第一电容Cj的第二端耦接至输出接脚OUT时的补偿电路32所产生的补偿信号(斜波信号)S2的斜率会小于第一电容Cj的第二端耦接至接地端时的补偿电路32所产生的补偿信号(斜波信号)S2的斜率。
图10为本发明的另一较佳具体实施例为升压直流对直流转换电路。如图10所示，直流对直流转换电路3包括直流对直流转换器30及补偿电路32。补偿电路32耦接直流对直流转换器30。直流对直流转换器30包括输入接脚LX、输出接脚OUT、回授接脚FB、误差放大器A1、电力开关控制接脚LG、接地接脚GND及第一电力开关M1。补偿电路32包括一积分器IN。输入接脚LX耦接一外部电感L。输出接脚OUT耦接一外部输出电容Cout。误差放大器A1耦接回授接脚FB。电力开关控制接脚LG提供时间信号S1至补偿电路32的积分器IN及第一电力开关M1。第一电力开关M1分别耦接输入接脚LX、电力开关控制接脚LG及接地接脚GND，并根据时间信号S1进行操作。积分器IN分别耦接电力开关控制接脚LG及回授接脚FB。补偿电路32的积分器IN自电力开关控制接脚LG接收时间信号S1并据以产生补偿信号S2至回授接脚FB。至于直流对直流转换电路3的详细电路结构及作动请参照前述实施例的内容，于此不另行赘述。
根据本发明的另一较佳具体实施例为直流对直流转换器的控制方法。于此实施例中，直流对直流转换器包括恒定导通时间产生单元、电力开关控制接脚及回授接脚，其中电力开关控制接脚与回授接脚之间耦接补偿电路。
请参照图11，图11为根据本发明的另一具体实施例的直流对直流转换器的控制方法的流程图。如图11所示，直流对直流转换器的控制方法包括下列步骤。
步骤S10：通过恒定导通时间产生单元提供第一时间信号至第一电力开关控制接脚；以及
步骤S12：利用补偿电路处理第一时间信号，以提供补偿信号至回授接脚。补偿信号可以是斜波信号，但不以此为限。
通过以上较佳具体实施例的详述，是希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所公开的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。
Claims (9)
1.一种直流对直流转换器，耦接一补偿电路并通过一外部电感耦接一输入电压，其特征在于，上述直流对直流转换器包括：
一第一电力开关，耦接上述外部电感的一端；
一第二电力开关，耦接上述外部电感的一端；
一输出接脚，耦接上述第二电力开关；
一回授接脚，耦接上述输出接脚；以及
一电力开关控制接脚，耦接上述第一电力开关，且提供一第一时间信号至上述第一电力开关；
其中上述补偿电路耦接于上述回授接脚与上述电力开关控制接脚之间，上述补偿电路包括一积分器，上述积分器自上述电力开关控制接脚接收上述第一时间信号，且提供一补偿信号至上述回授接脚。
2.如权利要求1所述的直流对直流转换器，其特征在于，上述积分器包括彼此串接的一电阻及一第一电容，且上述电阻的第一端耦接上述电力开关控制接脚，上述第一电容耦接于上述电阻的第二端与一接地端之间。
3.如权利要求1所述的直流对直流转换器，其特征在于，上述积分器包括彼此串接的一电阻及一第一电容，且上述电阻的第一端耦接上述电力开关控制接脚，上述第一电容耦接于上述电阻的第二端与上述直流对直流转换器的一输出电压。
4.如权利要求1所述的直流对直流转换器，其特征在于，上述补偿电路还包括一滤波电容，上述滤波电容耦接于上述积分器与上述回授接脚之间。
5.如权利要求1所述的直流对直流转换器，其特征在于，上述补偿信号为一斜波信号，且上述斜波信号与上述第一时间信号同步。
6.如权利要求1所述的直流对直流转换器，其特征在于，上述直流对直流转换器还包括一恒定导通时间产生单元，分别耦接上述第一电力开关与上述第二电力开关。
7.如权利要求5所述的直流对直流转换器，其特征在于，上述直流对直流转换器还包括一误差放大器及一比较器，上述误差放大器耦接上述补偿电路及上述回授接脚，上述比较器耦接于上述误差放大器与上述恒定导通时间产生单元之间。
8.一种直流对直流转换器的控制方法，上述直流对直流转换器包括一恒定导通时间产生单元、一电力开关控制接脚及一回授接脚，其中上述电力开关控制接脚与上述回授接脚之间耦接一补偿电路，其特征在于，上述控制方法包括：
通过上述恒定导通时间产生单元提供一第一时间信号至上述第一电力开关控制接脚；以及
利用上述补偿电路处理上述第一时间信号，以提供一补偿信号至上述回授接脚。
9.如权利要求8所述直流对直流转换器的控制方法，其特征在于，上述补偿信号为一斜波信号。
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