TW201524100A

TW201524100A - 電源轉換器及其控制方法

Info

Publication number: TW201524100A
Application number: TW102145944A
Authority: TW
Inventors: Ching-Wen Lo
Original assignee: Advanced Analog Technology Inc
Priority date: 2013-12-12
Filing date: 2013-12-12
Publication date: 2015-06-16

Abstract

電源轉換器包含一開關模組耦接於一直流電壓源，用以根據一脈寬調變訊號進行開啟與關閉；一電感用以根據該直流電壓源於該開關模組開啟與關閉時產生一感應電流；一第一電容用以根據該感應電流產生一輸出電壓；一分壓電路用以根據該輸出電壓產生一回授電壓；一補償單元用以根據該回授電壓及一參考電壓產生一補償訊號；一鋸齒波訊號產生單元用以產生一鋸齒波訊號；以及一控制單元用以根據該補償訊號及該鋸齒波訊號產生該脈寬調變訊號；其中當該鋸齒波訊號頻率改變時，該鋸齒波訊號產生單元根據該鋸齒波訊號改變後之頻率調整該鋸齒波訊號斜率。

Description

電源轉換器及其控制方法

本發明係相關於一種電源轉換器及其控制方法，尤指一種可減少頻率切換時之突波的電源轉換器及其控制方法。

一般而言，習知直流對直流電源轉換器在開機時會切換頻率，以避免直流對直流電源轉換器因輸出端短路而造成損壞。請參考第1圖，第1圖為習知降壓型(buck)直流對直流電源轉換器於切換頻率時的相關波形示意圖。如第1圖所示，為了使脈寬調變訊號Spwm之頻率增加為原來兩倍，降壓型直流對直流電源轉換器之鋸齒波訊號St之頻率必須先變為原來兩倍，而變頻後之鋸齒波訊號St之電壓峰值也會相對應地變為原來一半，為了維持脈寬調變訊號Spwm之工作週期比率(duty ratio)，用於和鋸齒波訊號St比較以產生脈寬調變訊號Spwm之補償訊號Sc的電壓也必須降為原來一半。

然而，在先前技術中，當鋸齒波訊號St之頻率改變時，補償訊號Sc的電壓通常會來不及反應，以至於在鋸齒波訊號之頻率改變時，脈寬調變訊號之工作週期比率會不穩定，造成輸出端之電壓會突然增加，進而產生突波。如第2圖所示，當習知直流對直流電源轉換器在開機時，輸出端之輸出電壓Vout在頻率切換點會有突波。習知直流對直流電源轉換器在切換頻率時並無法有效地減少輸出端之輸出電壓Vout之突波。

本發明之目的在於提供一種可減少頻率切換時之突波的電源轉換器及其控制方法，以解決先前技術的問題。

本發明電源轉換器包含一開關模組，一電感，一第一電容，一分壓電路，一補償單元，一鋸齒波訊號產生單元，以及一控制單元。該開關模組係耦接於一直流電壓源，用以根據一脈寬調變訊號進行開啟與關閉。該電感係耦接於該開關模組，用以根據該直流電壓源於該開關模組開啟與關閉時產生一感應電流。該第一電容係耦接於該電感及該電源轉換器之一輸出端之間，用以根據該感應電流於該輸出端產生一輸出電壓。該分壓電路係耦接於該輸出端，用以根據該輸出電壓產生一回授電壓。該補償單元係耦接於該分壓電路，用以根據該回授電壓及一參考電壓產生一補償訊號。該鋸齒波訊號產生單元係用以產生一鋸齒波訊號。該控制單元係耦接於該補償單元及該鋸齒波訊號產生單元，用以根據該補償訊號及該鋸齒波訊號產生該脈寬調變訊號。其中當該鋸齒波訊號之頻率改變時，該鋸齒波訊號產生單元根據該鋸齒波訊號改變後之頻率調整該鋸齒波訊號之斜率。

本發明控制方法係適用於一電源轉換器，該電源轉換器包含一開關模組、一電感、一第一電容及一分壓電路，該開關模組耦接於一直流電壓源，用以根據脈寬調變訊號進行開啟與關閉，該電感耦接於該開關模組，用以根據該開關模組之開啟與關閉產生一感應電流，該第一電容耦接於該電感及該電源轉換器之一輸出端之間，用以根據該感應電流於該輸出端產生一輸出電壓，該分壓電路耦接於該輸出端，用以根據該輸出電壓產生一回授電壓，該方法包含根據該回授電壓及一參考電壓產生一補償訊號；提供具一第一頻率之一鋸齒波訊號；根據該補償訊號及具該第一頻率之該鋸齒波訊號產生一第一脈寬調變訊號至該開關模組；改變該鋸齒波訊號之頻率為一第二頻率；根據該第二頻率調整該鋸齒波訊號之斜率；以及根據該補償訊號及改變頻率和調整斜率後之該鋸齒波訊號產生一第二脈寬調變訊號至該開關模組。

相較於先前技術，本發明電源轉換器可以在切換頻率時同時改變鋸齒波訊號之斜率，以使補償訊號的電壓不需要隨著鋸齒波訊號之頻率變動即可維持脈寬調變訊號原本之工作週期比率。因此，本發明電源轉換器於切換頻率時可以減少輸出端之輸出電壓的突波，使輸出電壓之波形較平順。

100‧‧‧降壓型直流對直流電源轉換器

110‧‧‧開關模組

112‧‧‧開關

120‧‧‧分壓電路

130‧‧‧補償單元

140‧‧‧鋸齒波訊號產生單元

150‧‧‧控制單元

C1‧‧‧第一電容

Cs‧‧‧訊號產生電容

L‧‧‧電感

I‧‧‧感應電流

Is‧‧‧電流源

R1、R2‧‧‧電阻

OUT‧‧‧輸出端

Vout‧‧‧輸出電壓

Vfb‧‧‧回授電壓

Vref‧‧‧參考電壓

V1、V2‧‧‧電壓

Sc‧‧‧補償訊號

St‧‧‧鋸齒波訊號

Spwm‧‧‧脈寬調變訊號

SW1、SW2‧‧‧開關

900‧‧‧流程圖

910至960‧‧‧步驟

第1圖為習知降壓型直流對直流電源轉換器於切換頻率時的相關波形示意圖。

第2圖為習知降壓型直流對直流電源轉換器於開機時之輸出端電壓的波形示意圖。

第3圖為本發明降壓型直流對直流電源轉換器之示意圖。

第4圖為本發明鋸齒波訊號產生單元之第一實施例的示意圖。

第5圖為本發明降壓型直流對直流電源轉換器於切換頻率時的相關波形示意圖。

第6圖為本發明降壓型直流對直流電源轉換器於開機時之輸出端電壓的波形示意圖。

第7圖為本發明鋸齒波訊號產生單元之第二實施例的示意圖。

第8圖為本發明降壓型直流對直流電源電源轉換器於切換頻率時的相關波形之另一實施例的示意圖。

第9圖為本發明電源轉換器之控制方法之流程圖。

請參考第3圖，第3圖為本發明降壓型(buck)直流對直流電源轉換器之示意圖。如第3圖所示，本發明降壓型直流對直流電源轉換器100包含一開關模組110，一電感L，一第一電容C1，一分壓電路120，一補償單元130，一鋸齒波訊號產生單元140，以及一控制單元150。開關模組110係耦接於一直流電壓源Vin，用以根據一脈寬調變訊號Spwm進行開啟與關閉。電感L係耦接於開關模組110，用以根據直流電壓源Vin於開關模組110進行開啟與關閉時相對應產生一感應電流I。第一電容C1係耦接於電感L及電源轉換器100之一輸出端OUT之間，用以根據感應電流I於輸出端OUT產生一輸出電壓Vout。分壓電路120係耦接於輸出端OUT，用以根據輸出端OUT之輸出電壓Vout產生一回授電壓Vfb。補償單元130係耦接於分壓電路120，用以根據回授電壓Vfb及一參考電壓Vref產生一補償訊號Sc。補償單元130可包含一誤差放大器，誤差放大器之一第一輸入端係接收參考電壓Vref，誤差放大器之一第二輸入端係接收回授電壓Vfb，誤差放大器之一輸出端係輸出補償訊號Sc。鋸齒波訊號產生單元140係用以產生一鋸齒波訊號St。控制單元150係耦接於補償單元130及鋸齒波訊號產生單元140，用以根據補償訊號Sc及鋸齒波訊號St產生脈寬調變訊號Spwm至開關模組110，以控制開關模組110之開啟與關閉。控制開關模組110包含之複數個開關112並不限定接收相同的脈寬調變訊號，當複數個開關112接收的脈寬調變訊號相異時，複數個開關112各自接收的脈寬調變訊號之間仍具有關聯性。

另外，第一電容C1並不限定為實體電容，第一電容C1亦可以是由金屬電路或其他電子元件所形成之雜散電容。

請參考第4圖，並一併參考第3圖。第4圖為本發明鋸齒波訊號產生單元之第一實施例的示意圖。如第4圖所示，鋸齒波訊號產生單元140包含一訊號產生電容Cs，複數個電流源Is以及複數個開關SW1、SW2。複數個電流源Is係分別用以提供一預定電流，複數個開關SW1係分別耦接於相對應之電流源Is及訊號產生電容Cs之間，用以於開啟時耦接相對應之電流源Is至訊號產生電容Cs。其中鋸齒波訊號產生單元140係根據鋸齒波訊號 St改變後之頻率控制複數個開關SW1之開啟數目。訊號產生電容Cs儲存之電壓訊號即為鋸齒波訊號產生單元140輸出之鋸齒波訊號St。當鋸齒波訊號產生單元140開啟開關SW1以利用電流源Is對訊號產生電容Cs進行充電時，訊號產生電容Cs儲存之電壓訊號會向上爬升，而當鋸齒波訊號產生單元140開啟開關SW2以對訊號產生電容Cs進行放電時，訊號產生電容Cs儲存之電壓訊號會下降，進而產生鋸齒波訊號St。另一方面，當開關SW1之開啟數目較多時，鋸齒波訊號St之上升斜率會較大，而當開關SW1之開啟數目較少時，鋸齒波訊號St之上升斜率會較小。

依據上述配置，當鋸齒波訊號St之頻率改變時，鋸齒波訊號St之斜率也會跟著改變。請參考第5圖，並一併參考第3圖及第4圖。第5圖為本發明降壓型直流對直流電源電源轉換器100於切換頻率時的相關波形示意圖。如第5圖所示，為了使脈寬調變訊號Spwm之頻率增加為原來兩倍，降壓型直流對直流電源轉換器之鋸齒波訊號St之頻率必須先變為原來兩倍，另外，鋸齒波訊號St之斜率亦會根據鋸齒波訊號改變前之頻率及改變後之頻率之間的比例關係進行調整，也就是說，鋸齒波訊號St之斜率會變為原來兩倍。依據上述斜率調整方式，鋸齒波訊號St在斜率調整前之電壓峰值係相同於鋸齒波訊號St在斜率調整後之電壓峰值。因此，補償訊號Sc的電壓V2和鋸齒波訊號St之電壓峰值V1在頻率改變前後仍然維持相同比例關係，亦即補償訊號St的電壓不需要隨著鋸齒波訊號Sc之頻率變動即可以維持脈寬調變訊號Spwm原本之工作週期比率。

請參考第6圖，並一併參考第5圖。第6圖為本發明降壓型直流對直流電源轉換器於開機時之輸出端電壓的波形示意圖。如第6圖所示，當本發明降壓型直流對直流電源轉換器100在開機時，由於補償訊號Sc的電壓不需隨著鋸齒波訊號St之頻率的改變而調整，因此脈寬調變訊號Spwm之工作週期比率較穩定，進而減少輸出端OUT之輸出電壓Vout在頻率切換點之突波，使輸出端OUT之輸出電壓Vout之波形較平順。

請參考第7圖，並一併參考第3圖及第5圖。第7圖為本發明鋸齒波訊號產生單元之第二實施例的示意圖。如第7圖所示，鋸齒波訊號產生單元140包含一電流源Is，複數個訊號產生電容Cs以及複數個開關SW1、SW2。電流源Is係用以提供一預定電流。複數個訊號產生電容Cs係耦接於電流源Is。複數個開關SW1係分別耦接於相對應之訊號產生電容Cs及一接地端之間，用以於開啟時耦接相對應之訊號產生電容Cs至接地端。其中鋸齒波訊號產生單元140係根據鋸齒波訊號St改變後之頻率控制複數個開關SW1之開啟數目。訊號產生電容Cs儲存之電壓訊號即為鋸齒波訊號產生單元140輸出之鋸齒波訊號St。當鋸齒波訊號產生單元140開啟開關SW1以利用電流源Is對訊號產生電容Cs進行充電時，訊號產生電容Cs儲存之電壓訊號會向上爬升，而當鋸齒波訊號產生單元140開啟開關SW2對訊號產生電容Cs進行放電時，訊號產生電容Cs儲存之電壓訊號會下降，進而產生鋸齒波訊號St。另一方面，當開關SW1之開啟數目較多時，鋸齒波訊號St之上升斜率會較小，而當開關SW1之開啟數目較少時，鋸齒波訊號St之上升斜率會較大。

第7圖之鋸齒波訊號產生單元亦可達成和第4圖之鋸齒波訊號產生單元相同之功效。

請參考第8圖，並一併參考第3圖。第8圖為本發明降壓型直流對直流電源電源轉換器100於切換頻率時的相關波形之另一實施例的示意圖。如第8圖所示，當鋸齒波訊號St到達補償訊號Sc的電壓V2時，鋸齒波訊號St會下降至零，相似地，鋸齒波訊號St的斜率也會隨鋸齒波訊號St的頻率改變。

在上述實施例中，本發明係以降壓型直流對直流電源轉換器作為實施例，然而本發明並不以此為限，在本發明其他實施例中，本發明調整鋸齒波訊號之斜率之方式亦可應用於其他類型之電源轉換器，例如升壓型(boost)電源轉換器或升降壓型(buck-boost)電源轉換器，以在進行切換頻率時避免突波之產生。

請參考第9圖，第9圖為本發明電源轉換器之控制方法之流程圖900。本發明電源轉換器之控制方法之流程如下列步驟：步驟910：根據回授電壓及參考電壓產生補償訊號；步驟920：提供具第一頻率之鋸齒波訊號；步驟930：根據補償訊號及具第一頻率之鋸齒波訊號產生第一脈寬調變訊號至開關模組；步驟940：改變鋸齒波訊號之頻率為第二頻率；步驟950：根據第二頻率調整鋸齒波訊號之斜率；以及步驟960：根據補償訊號及改變頻率後和調整斜率後之鋸齒波訊號產生第二脈寬調變訊號至開關模組。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。