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TW201713023A - 無需最大占空因數控制就能擴展降壓開關轉換器占空比的系統及方法 - Google Patents

無需最大占空因數控制就能擴展降壓開關轉換器占空比的系統及方法 Download PDF

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TW201713023A
TW201713023A TW105130561A TW105130561A TW201713023A TW 201713023 A TW201713023 A TW 201713023A TW 105130561 A TW105130561 A TW 105130561A TW 105130561 A TW105130561 A TW 105130561A TW 201713023 A TW201713023 A TW 201713023A
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Abstract

本發明提出了一種系統和方法，可以將降壓開關轉換器的最大占空比擴展接近100%，同時保持穩定的開關頻率。該系統包括由前緣遮蔽（LEB）訊號驅動的電壓模式或電流模式降壓轉換器，在所需的開關頻率下運行。更確切地說，LEB訊號連接到斜坡產生器、電流感測網路或其兩者上。在每個開關循環中，LEB訊號迫使斜坡訊號、電流感測訊號或其兩者複位，從而獲得穩定的開關頻率。本發明還提出了如何擴展降壓開關轉換器的最大占空比，同時保持穩定頻率的相應方法。

Description

無需最大占空因數控制就能擴展降壓開關轉換器占空比的系統及方法
本發明是有關於一種電源或調製系統的功率。更確切地說，本發明是有關於一種無需使用最大占空比電路，就能使占空比最大並維持穩定開關頻率的系統及方法。
開關轉換器藉由調製將功率從電源連接到負載的功率開關的占空比，調節負載電源。圖1表示不帶最大占空比控制的習知技術的降壓開關轉換器的電路圖。圖1所示的習知技術轉換器，包括一對開關Q1、Q2，串聯在輸入電壓VIN 和接地節點GND之間。開關Q1和Q2的相節點107同時連接到電感器L的第一端以及電流感測網路101上，電流感測網路101產生電流訊號ISNS ，表示當高端開關Q1接通時，藉由電感器L的電流。然後，電流訊號ISNS 連接到總網路108，其中ISNS 與斜坡訊號產生器110產生的斜坡訊號ISLOPE 相結合，以產生結合電流訊號ISLOPE+SNS 。電感器L的第二端連接到具有輸出電壓VOUT的輸出節點111。輸出節點還連接到負載網路102和電阻器R1、R2構成的分壓器。分壓器產生反饋電壓VFB ，表示VOUT 。VFB 和參考電壓VREF 分別連接到誤差放大器104的反相輸入和同相輸入。誤差放大器104將VFB 和VREF 作比較，並放大二者的差值。補償網路103，例如被動元件R3、C1、C2構成的II型網路，連接到誤差放大器104的輸出端，從而產生誤差訊號VCOMP 。VCOMP 和電壓訊號VSUM 表示ISLOPE+SNS 分別連接到脈寬調製（PWM）比較器105的反相輸入端和同相輸入端，脈寬調製比較器105將VCOMP 和VSUM 作比較，產生輸出訊號RESET。RESET和時鐘訊號CLK分別連接到複位主鎖存器106的R輸入端和S輸入端，複位主鎖存器106輸出提供閘極驅動器GD109的占空比訊號。閘極驅動器GD109產生HS和LS訊號，控制開關Q1、Q2的開關頻率，從而實現對負載網路102的電源調製。
圖2表示圖1所示習知技術轉換器的波形圖，其中VIN 、VOUT 、VCOMP 和VSUM 的電壓繪製隨時間變化。在每個開關循環中，控制循環VSUM從斜坡底部的基極電壓VSUM0 處起始，在基本穩定的轉換速率處增大。當VSUM 升高到與VCOMP 相同的電壓時，用作最高限度，VSUM 重置到初始電壓VSUM0 ，重複斜率週期。在一個典型的開關循環中，開關頻率、VSUM 的轉換速率以及VCOMP 之間的關係由方程式（1）表示，其中FS 為開關頻率，TS 為開關時間、m為轉換速率，以及VSUM0 為VSUM 的基極電壓。
方程式（1）
圖2分成三個時間階段，以闡明當輸入-輸出壓差（即VIN和VOUT 之間的差值）暫時降至脫落電壓VTHRESHOLD以下時，習知技術的轉換器遇到的問題。在I階段中，當輸入-輸出電壓差大於脫落電壓VTHRESHOLD 時，VIN 、VOUT 和VCOMP 在它們各自的穩定狀態條件下。階段I中轉換器的開關頻率可以用方程式（2）表示，其中FSI 、TSI 以及VCOMPI 分別為階段I的開關頻率、開關時間以及VCOMP 。斜坡訊號VSUM 的電壓從基極電壓VSUM0 開始，增大至VCOMP1 ，然後回復至VSUM0 。在這種情況下，每TS1 秒重複一次，保持FSI 的開關頻率，直到VCOMP 發生變化。
方程式（2）
在階段II中，藉由t1 至t3 的時間後，VIN 從初始穩定狀態電壓降至VOUT 的目標電壓以下。在時間t2 ，當輸入-輸出壓差降至脫落電壓VTHRESHOLD 以下時，VOUT 開始降低。VOUT 的降低觸發了補償響應，其中VCOMP 升高，使VOUT 增大至初始的目標電壓。然而，由於VOUT 不能超過VIN ，從而當VIN 低於目標電壓時，防止VOUT 達到目標電壓。雖然VOUT 低於目標電壓，但是VCOMP 持續升高，直至飽和，在某個點VCOMP 趨於平衡。如上所述，VCOMP 提供上門檻值，用於觸發VSUM 複位；VCOMP 的增大使VSUM 不受限制地升高，直到飽和。
從時間t4 至t6 ，VIN 逐漸恢復到起初始穩態值。隨著VIN 的增加，輸入-輸出壓差和VOUT 也開始增大。在t5 時，輸入-輸出壓差超過VTHRESHOLD ，這時VOUT 恢復到它的目標電壓。隨著VOUT 的增加，VCOMP 逐漸降低，直到在t7 時獲得新的穩態值。當VCOMP 降至與VSUM 相同的電壓時，斜坡訊號VSUM 複位，重新獲得上述斜坡和複位循環。
在階段III中，VIN 和VOUT 都恢復到它們原來的穩態電壓。VCOMP 趨於平衡直至新的穩態電壓VCOMP3 ，這與初始穩態電壓VCOMP1 不同。階段III中轉換器的開關頻率可以用方程式（3）表示，其中FS3 、TS3 和VCOMP3 分別為階段III中的開關頻率、開關時間以及VCOMP 。
方程式（3）
由於VSUM 的轉換速率基本穩定，VCOMP 提供上門檻值，用於觸發VSUM ，使斜坡循環複位，每個斜坡循環的時長取決於VCOMP 和VSUM0 之間的差值。VCOMP 和VSUM0 之間的差值越大，VSUM 越長，就會達到VCOMP 門檻值。在方程式（1）中引入的開關時間TS為開關頻率FS 的反相。當VCOMP 的變化致使開關時間TS 變化時，開關頻率FS 也會變化。作為實例，假設VSUM0 為0，VCOMP3 =2VCOMP1 ；然後開關頻率FS1 和FS3 之間的關係可以藉由方程式（2）至（5）的代數運算得出。將方程式（2）和（4）代入方程式（6），當VCOMP 加倍時，開關頻率減半。
VSUM0 =0  方程式（4）
VCOMP3 =2VCOMP1 方程式（5）
方程式（6）
上述實例表示習知技術轉換器的開關頻率取決於VCOMP。當電路的輸入電壓經歷了一個臨時性的異常減少之後，開關頻率漂移的趨勢，使得該習知技術的轉換器不適用於維護開關頻率是理想的甚至是必須穩定的情況。
綜上所述，本發明提出了一種將降壓開關轉換器的最大占空比擴展到幾乎100%，同時保持開關頻率穩定的一種系統和方法。該系統包括一個電壓模式或電流模式降壓轉換器，由前緣遮蔽（LEB）訊號驅動，在所需的開關頻率下運行。更確切地說，LEB訊號連接到斜坡產生器、電流感測網路或其兩者上。在每個開關循環這，LEB訊號迫使斜坡訊號、電流感測訊號複位，從而實現穩定開關。本發明中還提出了系統運行方法的相應方法。
本發明實施例的各種功能均參照圖式給出了詳細說明，多個視圖中相似的參考數字表示類似元件。圖式不一定按照比例繪製，在一些情況下，圖式已被放大或簡化，僅用於說明用途。參照一個特殊實施例，不會限制本發明的範圍。本發明所屬技術領域中具有通常知識者根據文中介紹的基本原理，將獲得多種可能的應用及變化，並且可用於其他實施例。本發明應符合文中所述的原理和新穎特點相一致的最廣範圍。
參見圖3A，表示出了本發明第一實施例的結構圖。第一實施例包括一個定時元件驅動LEB網路309，連接到電壓模式降壓開關轉換器。依據本實施例，輸入電壓VIN 連接到開關網路301上，開關網路301還連接到接地節點GND。開關網路301中的相位節點308藉由電感器L連接到負載網路302。負載網路302上測得的輸出電壓VOUT 用於反饋網路303，產生表示輸出電壓的反饋訊號VFB 。表示VOUT 目標電壓的反饋訊號VFB 和參考訊號VREF 用於誤差放大器304。誤差放大器304產生輸出訊號VCOMP ，連接到補償網路305，並由補償網路305穩定下來。定時元件CLK1為LEB網路309提供穩定的頻率時鐘訊號，表示所需的開關頻率。然後，LEB網路309產生LEB訊號，並根據LEB訊號產生RSTB訊號。RSTB訊號為低電平，並且是LEB訊號的反相。產生斜坡訊號ISLOPE 的斜坡訊號產生器310，接收並使用RSTB訊號，以便在CLK1的頻率下使斜坡訊號ISLOPE 複位。VCOMP 、ISLOPE 以及定時訊號CLK2用於PWM網路306，產生占空訊號。閘極驅動器GD 307接收占空訊號，並產生一個或多個控制訊號，控制開關網路301內開關的接通/斷開時間，從而調節輸送至負載網路302的功率。
圖3B中的電路圖為使用本發明第一實施例所述結構的電路。來自定時元件的時鐘訊號CLK1用於LEB網路309。LEB網路309包括一個第一轉換器309a、一個延時網路DLY 309b、一個NOR閘極309c以及一個第二轉換器309d。表示所需開關頻率的CLK1訊號，用於第一轉換器309a和DLY 309b。第一轉換器309a的輸出端和DLY 309b的輸出端，分別連接到NOR閘極309c的第一輸入端和第二輸入端，產生LEB訊號。在指定循環中，LEB訊號在高電位開始，然後切換至低電位，在循環結束時回升至高電位。根據延時網路DLY的設計參數，LEB訊號的時間保持在高電位。然後，LEB訊號用於第二轉換器309d，將LEB訊號反相，以產生RSTB訊號。在指定循環中，RSTB訊號在低電位開始，升至高電位，然後返回至低電位。每個循環開始時低電位的訊號時間為遮蔽時間。斜坡訊號產生器310接收RSTB訊號，並進一步連接到PWM比較器306a。利用遮蔽時間，RSTB訊號在每個循環開始時，重置斜坡訊號產生器310。斜坡訊號產生器310為PWM網路305提供斜坡訊號ISLOPE 。
在降壓轉換器中，VIN 連接到開關網路301上，開關網路301包括一對串聯開關Q1、Q2，進一步連接到接地節點GND。開關Q1、Q2之間的相位節點308藉由電感器L，連接到負載網路302上。負載網路302上測得的輸出電壓VOUT 用於反饋網路303，連接在VOUT 和GND之間。由一對串聯的分壓電阻器R1、R2組成的反饋網路303，連接在VOUT 和GND之間。表示VOUT 目標電壓的反饋訊號VFB ，取自電阻器R1和電阻器R2之間的節點，用於誤差放大器304。表示VOUT 目標電壓的VFB 和參考訊號VREF ，分別連接到誤差放大器304的反相輸入端和同相輸入端。誤差放大器304產生輸出訊號VCOMP ，連接到補償網路305，並由補償網路305穩定下來。在本例中，使用的是由被動元件R3、C1、C2構成的II型網路。斜坡訊號產生器310、VCOMP 以及定時訊號CLK2產生的斜坡訊號ISLOPE ，用於PWM網路306，產生占空訊號。在本發明之電路中，PWM網路306包括一個PWM比較器306a以及一個複位主鎖存器306b。提供對應斜坡訊號ISLOPE 的電壓訊號VSUM 。VCOMP 和VSUM 分別用於PWM比較器306a的反相輸入端和同相輸入端，從而產生RESET訊號。RESET訊號和CLK2分別用於複位主鎖存器306b的R輸入端和S輸入端，從而產生占空訊號。占空用於閘極驅動器GD 307，產生HS訊號和LS訊號，以控制開關Q1、Q2，從而分別調節輸送至負載網路302的功率。
圖4A中的結構圖表示本發明的第二實施例。本實施例包括一個定時元件驅動的LEB網路309，連接到電流模式降壓開關轉換器。依據發明的本實施例，當高端開關Q1接通時，電流感測網路401藉由感測器L探測電流，然後將電流感測訊號ISNS 反饋至PWM網路，據此調節功率模式。參見圖4A，輸入電壓VIN 連接到開關網路301，進一步連接到接地節點GND。開關網路301中的相位節點308藉由電感器L連接到負載網路302。電流感測網路401連接到VIN 節點和相位節點308，以產生電流感測訊號ISNS 。負載網路302上測得的輸出電壓VOUT ，用於反饋網路303，產生表示輸出電壓的反饋訊號VFB 。表示VOUT 目標電壓的反饋訊號VFB 和參考訊號VREF 用於誤差放大器304。誤差放大器304產生輸出訊號VCOMP ，連接到補償網路305，並由補償網路305穩定下來。定時元件CLK1為LEB網路309提供穩定的頻率時鐘訊號，表示所需的開關頻率。然後，LEB網路309為電流感測網路提供RSTB訊號，用於根據CLK1的頻率，重置電流感測訊號ISNS 。VCOMP 、ISNS 以及定時訊號CLK2用於PWM網路306，PWM網路306產生占空訊號。閘極驅動器GD 307接收占空，產生一個或多個控制訊號，控制開關網路301的接通/斷開時間，從而調節輸送至負載網路302的功率。
圖4B中所示的電路圖表示依據本發明第二實施例的電路。該電流模式轉換器除了幾個關鍵區別之外，其他都與圖3B所示的電壓模式轉換器類似。首先，斜坡訊號產生器被電流感測網路401代替。電流感測網路401包括一個電阻器Rp、一個比較器401a以及一個開關Q3。VIN 連接到Rp的第一端，同時Rp的第二端連接到開關Q3的源極端以及比較器401a的反相輸入端。比較器401a的輸出端連接到開關Q3的閘極端。汲極端產生表示電感器電流的電流感測訊號ISNS ，並提供給PWM比較器306a。其次，RSTB複位訊號用於一個節點，連接到比較器401a的反相輸入端以及開關Q3源極。RSTB訊號在CLK1確定的頻率處，重置ISNS 。
圖5A表示本發明的第三實施例，其中LEB網路連接到混合電流模式降壓開關轉換器，包括一個電流感測網路401和一個斜坡訊號產生器310。斜坡訊號ISLOPE 和電流感測訊號ISNS 構成一個加法器501，其中將這兩個訊號相加，產生一個和訊號ISLOPE+SNS 。對應ISLOPE+SNS 的電壓訊號VSUM 用於PWM比較器306a的反相輸入端，以便與VCOMP 作比較。
圖5B所示的電路圖表示依據本發明的第三實施例的電路。該電路將第一和第二實施例的元件結合起來。
第一，根據圖3B所示結構，除了斜坡訊號產生器310和PWM比較器306a之間的連接之外，提出定時元件CLK1、LEB網路以及斜坡訊號產生器310。電流訊號ISLOPE 用於加法器501。
第二，根據圖4B所示結構，提出電流感測網路。輸入電壓VIN 連接到RP 的第一端，而RP 的第二端連接到開關Q3的源極端以及比較器401a的反相輸入端。比較器401a的輸出端用於開關Q3的閘極端。汲極端產生表示電感器電流的電流感測訊號ISNS ，並提供給加法器501。
第三，加法器501將斜坡訊號ISLOPE 與電流感測訊號ISNS 相結合，產生和訊號ISLOPE+SNS ，進一步轉換成相應的電壓訊號VSUM 。訊號VSUM 用於PWM比較器306a的同相輸入端，其中VSUM 與VCOMP 相比較。PWM比較器306a為複位主鎖存器306b的R輸入端提供RESET訊號，而定時元件為S輸入端提供定時訊號CLK2。鎖存器306b產生占空訊號，並提供給閘極驅動器GD 307。剩餘元件，包括開關網路301、負載網路302、反饋網路303、誤差放大器304、補償網路305以及閘極驅動器GD 307的配置方式都與圖3B和4B所示的電路相同。
上述實施例僅是本發明的示例，其本質上是使用LEB網路在預設頻率上複位斜坡訊號、電流感測訊號或其兩者，使轉換器的開關頻率保持穩定。本發明所屬技術領域中具有通常知識者閱讀以上說明後，本發明的其他實施例將顯而易見。下文將非詳盡地列出一些其他變化。
本發明的每個實施例都可以使用閘極驅動器GD 307和開關網路301的不同結構進行修正。例如，低端開關Q2可以用被動整流器（例如肖特基二極體）代替。那樣的話，閘極驅動器GD 307就只能提供HS訊號，以控制高端開關Q1。利用設置主鎖存器代替複位主鎖存器，還可以進一步修正每個實施例。然而，實施例的其他變化是使CLK1和CLK2同步或用單獨的定時元件代替這兩個定時元件，使LEB網路和PWM網路同步，並且頻率相同。
圖6表示與上圖中的降壓轉換器運行方式相關的波形數量。波形僅僅用於概念上表示響應的類型，可以根據本發明的描述創建的系統中獲得這種響應；然而，實際的性能可能不太。所示的波形是VIN 、VOUT 、VCOMP 、VSUM 、RSTB、LEB和CLK1的訊號。為了更好地比較圖2所示的習知技術波形，VIN 、VOUT 和VCOMP 的波形保持不變。如圖所示，預設CLK1，在所需的開關頻率FS1 下運行。LEB為了LEB網路309、斜坡訊號產生器310、電流感測網路401或其兩者為了由CLK1直接或間接驅動，以便在同一頻率（即所需開關頻率）下運行。由於VSUM 是對應訊號ISLOPE 、ISNS 或ISLOPE+ISNS 的電壓，斜坡訊號產生器310的週期性複位也會使VSUM 在所需開關頻率FS1 下複位。在圖6所示的階段II中，在時間t2 時，輸入-輸出差值降至門檻值電壓以下，使得VOUT 降至目標電壓以下。響應時，VCOMP 升高，以補償減少量。與圖2所示的習知技術方案相比，本發明所述的VSUM 不再依賴於VCOMP ，用於提供最高訊號，複位VSUM 。反之，儘管輸入-輸出電壓差值暫時降至門檻值電壓以下，在目標開關頻率FS1 下，VSUM 仍獨立、連續複位。
本發明還提出了許多方法，利用上述實施例，擴展降壓開關轉換器的最大占空比，同時保持穩定的頻率。對應第一實施例所述的電壓模式開關轉換器，第一種方法包括以下步驟：
步驟1：在所需的開關頻率下，提供RSTB訊號；
步驟2A：提供斜坡訊號ISLOPE ；
步驟3A：利用RSTB訊號，在所需開關頻率下，週期性地預設斜坡訊號ISLOPE ；
步驟4：配置開關網路301，將具有輸入電壓VIN 的輸入節點連接到電感器L上，電感器L進一步連接到具有輸出電壓VOUT 的輸出節點上，開關網路301包括：（1）連接在輸入節點和具有相位節點電壓的相位節點308之間的高端開關Q1，以及（2）連接在相位節點308和接地端之間的低端元件；
步驟5：根據表示輸出電壓VOUT 的反饋電壓VFB 訊號與參考電壓VREF 之間的差值，產生誤差電壓VCOMP ；
步驟6A：根據誤差電壓VCOMP 、表示斜坡訊號ISLOPE 的和訊號VSUM 、以及第二時鐘訊號CLK2，產生占空訊號；
步驟7：根據占空訊號，產生一個或多個控制訊號，用於控制開關網路301；以及
步驟8：藉由控制帶有一個或多個控制訊號的開關網路301，調節從輸入節點到輸出節點輸送的功率。
根據本發明的第二實施例，提出了一種電流模式開關轉換器（參見圖4A），當高端開關Q1接通時，電流感測網路401產生一個表示藉由電感器L電流的訊號。第二個實施例使用的方法，除了用步驟2B、3B和6B代替步驟2A、3A和6A之外，其他都與第一實施例的方法相同：
步驟2B：當高端開關Q1接通時，提供表示藉由電感器L電流的電流感測訊號ISNS ；
步驟3B：利用RSTB訊號，在所需的開關頻率下，週期性地複位電流感測訊號ISNS ；以及
步驟6B：根據VCOMP 、ISNS 和CLK2，產生占空訊號。
本發明的第三個實施例提出了一種系統，其中開關轉換器包括斜坡產生器310和電流感測網路401。第三實施例的方法步驟除了用步驟2C-a和2C-b代替步驟2A，用步驟6C代替步驟6A之外，其他都與第一實施例的方法相同。
步驟2C-a：當高端開關Q1接通時，提供表示藉由電感器L電流的ISNS訊號；
步驟2C-b：利用ISNS 和ISLOPE 相加，直接或間接產生表示ISNS 和ISLOPE 之和的訊號VSUM ；以及
步驟6C：根據VCOMP 、VSUM 和CLK2，產生占空訊號。
根據步驟1，以下步驟提出了一種產生RSTB訊號的方法。
步驟1-a：提供具有所需開關頻率的第一時鐘訊號CLK1；
步驟1-b：反相第一時鐘訊號CLK1，產生反相第一時鐘訊號；
步驟1-c：延遲第一時鐘訊號CLK1，產生延時第一時鐘訊號；
步驟1-d：在NOR門中輸入反相第一時鐘訊號和延時第一時鐘訊號，以產生LEB訊號；以及
步驟1-e：反相LEB訊號，以便產生在所需的開關頻率下運行的RSTB訊號。
本文提出了本發明的各種實施例和變化。雖然本發明各個實施例和變化的上述說明含有多種細節，這些不應認為是任意發明或申請專利範圍的侷限，而是本發明特殊實施例的實施例說明。根據各個實施例，本說明提出的特定功能還可以在一個單獨實施例中組合配置。反之，根據單獨實施例提出的各種功能，還可以在多個實施例中配置。另外，文中的方法不必要求特定的順序、或次序，才能獲得所需的結果。在一些情況下，這些步驟還可以同時進行。
101‧‧‧電流感測網路
102‧‧‧負載網路
103‧‧‧補償網路
104‧‧‧誤差放大器
105‧‧‧脈寬調製比較器
106‧‧‧複位主鎖存器
107‧‧‧相節點
109‧‧‧閘極驅動器GD
111‧‧‧輸出節點
301‧‧‧開關網路
302‧‧‧負載網路
303‧‧‧反饋網路
304‧‧‧誤差放大器
305‧‧‧補償網路
306‧‧‧PWM網路
306a‧‧‧PWM比較器
306b‧‧‧複位主鎖存器
307‧‧‧閘極驅動器GD
308‧‧‧相位節點
309‧‧‧LEB網路
309a‧‧‧第一轉換器
309b‧‧‧延時網路DLY
309c‧‧‧NOR閘極
309d‧‧‧第二轉換器
310‧‧‧斜坡訊號產生器
401‧‧‧電流感測網路
401a‧‧‧比較器
501‧‧‧加法器
C1、C2、R3‧‧‧被動元件
CLK‧‧‧時鐘訊號
CLK1‧‧‧定時元件
CLK2‧‧‧定時訊號
GND‧‧‧接地節點
HS、LS‧‧‧訊號
ISNS‧‧‧電流訊號
ISLOPE‧‧‧斜坡訊號
ISLOPE+SNS‧‧‧結合電流訊號
L‧‧‧電感器
Q1、Q2、Q3‧‧‧開關
R1、R2‧‧‧電阻器
RESET‧‧‧輸出訊號
Rp‧‧‧電阻器
VCOMP‧‧‧輸出訊號
VFB‧‧‧反饋訊號
VIN‧‧‧輸入電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓
VREF‧‧‧參考訊號
VSUM‧‧‧電壓訊號
VSUM0‧‧‧基極電壓
VTHRESHOLD‧‧‧脫落電壓
參照圖式並結合以下說明，本發明的上述及其他目的、特徵及優勢將更加清晰。在圖式中： 圖1表示一種習知技術的降壓開關轉換器的結構圖； 圖2表示習知技術的降壓開關轉換器VIN 、VOUT 、VCOMP 和VSUM 隨時間變化的波形圖； 圖3A表示本發明的第一實施例的簡化結構圖； 圖3B表示依據本發明第一實施例，一種電路的詳細電路圖； 圖4A表示本發明的第二實施例的簡化結構圖； 圖4B表示依據本發明第二實施例，一種電路的詳細電路圖； 圖5A表示本發明的第三實施例的簡化結構圖； 圖5B表示依據本發明第三實施例，一種電路的詳細電路圖； 圖6表示與本發明的降壓開關轉換器有關的波形數量的示意圖； 各個圖式這相似的參考數字和名稱表示類似的元件。
301‧‧‧開關網路
302‧‧‧負載網路
303‧‧‧反饋網路
304‧‧‧誤差放大器
305‧‧‧補償網路
306‧‧‧PWM網路
306a‧‧‧PWM比較器
306b‧‧‧複位主鎖存器
307‧‧‧閘極驅動器GD
308‧‧‧相位節點
309‧‧‧LEB網路
310‧‧‧斜坡訊號產生器
CLK1‧‧‧定時元件
CLK2‧‧‧定時訊號
GND‧‧‧接地節點
ISLOPE‧‧‧斜坡訊號
VCOMP‧‧‧輸出訊號
VFB‧‧‧反饋訊號
VIN‧‧‧輸入電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓
VREF‧‧‧參考訊號
VSUM‧‧‧電壓訊號

Claims (24)

  1. 一種降壓開關轉換器系統，該系統無需最大占空比控制，就能延長降壓開關轉換器的最大占空比，該降壓開關轉換器系統包括： 一個前緣遮蔽網路，產生RSTB訊號，用於在所需的開關頻率處，根據第一時鐘訊號，重置斜坡訊號； 一個連接到前緣遮蔽網路的斜坡訊號產生器，產生斜坡訊號，根據RSTB訊號，在所需的開關頻率處，週期性複位； 一個開關網路，將具有輸入電壓的輸入節點連接到電感器，電感器進一步連接到具有輸出電壓的輸出節點，開關網路包括一個高端開關，連接在輸入節點和具有相位節點電壓的相位節點之間，以及一個低端元件，連接在相位節點和接地端之間； 一個連接到輸出節點的反饋網路，產生反饋電壓訊號，表示輸出電壓； 一個連接到反饋電壓的誤差放大器，根據反饋訊號和參考電壓之間的比較，產生誤差訊號； 一個連接到誤差放大器的脈寬調製網路，根據誤差訊號、第二時鐘訊號以及表示斜坡訊號的和訊號，產生占空訊號；以及 一個連接到脈寬調製網路的閘極驅動器，根據占空訊號，產生一個或複數個控制訊號，用於控制開關網路。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之降壓開關轉換系統，其中該前緣遮蔽網路包括： 一個第一轉換器，接收第一時鐘訊號，第一轉換器產生一個反相第一時鐘訊號； 一個延時網路，連接到第一時鐘訊號，配置延時網路用於產生延遲的第一時鐘訊號； 一個NOR門，接收反相第一時鐘訊號和延遲的第一時鐘訊號，產生一個中間的前緣遮蔽訊號；以及 一個第二轉換器，接收中間前緣遮蔽訊號，第二轉換器產生RSTB訊號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之降壓開關轉換系統，其中該脈寬調製網路包括： 一個PWM比較器，接收到達PWM比較器反相輸入端的誤差訊號以及到達同相輸入端的和訊號，配置PWM比較器，根據誤差訊號與和訊號之間的差值，產生PWM比較器輸出訊號；以及 連接一個鎖存器，接收PWM比較器的輸出訊號以及第二時鐘訊號，配置鎖存器產生占空訊號的輸出。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之降壓開關轉換系統，其中該第一時鐘訊號和第二時鐘訊號是同步的。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之降壓開關轉換系統，其中該低端元件由一個低端開關構成。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之降壓開關轉換系統，其中該低端元件由一個被動整流器構成。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之降壓開關轉換系統，其中還包括： 一個電流感測網路，連接到輸入節點和相位節點，產生電流感測訊號，當高端開關接通時，表示藉由電感器的電流；以及 一個加法器，藉由將電流感測訊號和斜坡訊號相加，產生和訊號。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之降壓開關轉換系統，其中該電流感測網路包括： 一個具有第一端的電阻器（RP ），連接到輸入節點； 一個電流感測比較器，具有： 一個連接到相位節點的同相輸入端； 一個反相輸入端，連接到電阻器（RP ）的第二端以及電流感測晶體管的源極端；以及 一個電流感測比較器的輸出端，連接到電流感測晶體管的閘極端；以及 電流感測晶體管的汲極端產生電流感測訊號。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之降壓開關轉換系統，其更包括一個補償網路，連接在誤差放大器的輸出節點和接地端之間。
  10. 一種降壓開關轉換系統，其包括： 一個前緣遮蔽網路，產生RSTB訊號，用於在所需的開關頻率處，根據第一時鐘訊號，重置斜坡訊號； 一個開關網路，將具有輸入電壓的輸入節點連接到電感器，電感器進一步連接到具有輸出電壓的輸出節點，開關網路包括一個高端開關，連接在輸入節點和具有相位節點電壓的相位節點之間，以及一個低端元件，連接在相位節點和接地端之間； 一個電流感測網路，產生電流感測訊號，當高端開關接通時，表示藉由電感器的電流，並根據RSTB訊號，在所需的開關頻率處，週期性地複位，電流感測網路連接到前緣遮蔽網路、輸入節點以及相位節點； 一個連接到輸出節點的反饋網路，產生反饋電壓訊號，表示輸出電壓； 一個連接到反饋電壓的誤差放大器，根據反饋訊號和參考電壓之間的比較，產生誤差訊號； 一個連接到誤差放大器的脈寬調製網路，根據誤差訊號、第二時鐘訊號以及表示斜坡訊號的和訊號，產生占空訊號；以及 一個連接到脈寬調製網路的閘極驅動器，根據占空訊號，產生一個或複數個控制訊號，用於控制開關網路。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之降壓開關轉換系統，其中該前緣遮蔽網路包括： 一個第一轉換器，接收第一時鐘訊號，第一轉換器產生一個反相第一時鐘訊號； 一個延時網路，連接到第一時鐘訊號，配置延時網路用於產生延遲的第一時鐘訊號； 一個NOR門，接收反相第一時鐘訊號和延遲的第一時鐘訊號，產生一個中間的LEB訊號；以及 一個第二轉換器，接收中間LEB訊號，第二轉換器產生RSTB訊號。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之降壓開關轉換系統，其中該脈寬調製網路包括： 一個PWM比較器，接收到達PWM比較器反相輸入端的誤差訊號以及到達同相輸入端的和訊號，配置PWM比較器，根據誤差訊號與和訊號之間的差值，產生PWM比較器輸出訊號；以及 一個鎖存器，接收PWM比較器的輸出訊號以及第二時鐘訊號，配置鎖存器產生占空訊號的輸出。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之降壓開關轉換系統，其中該第一時鐘訊號和第二時鐘訊號是同步的。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之降壓開關轉換系統，其中該低端元件由一個低端開關構成。
  15. 如申請專利範圍第項10所述之降壓開關轉換系統，其中該低端元件由一個被動整流器構成。
  16. 如申請專利範圍第10項所述之降壓開關轉換系統，其更包括一個補償網路，連接在誤差放大器的輸出節點和接地端之間。
  17. 如申請專利範圍第10項所述之降壓開關轉換系統，其中該電流感測網路包括： 一個具有第一端的電阻器（RP ），連接到輸入節點； 一個電流感測比較器，具有： 一個連接到相位節點的同相輸入端； 一個反相輸入端，連接到電阻器（RP ）的第二端、電流感測晶體管的源極端和RSTB訊號；以及 一個電流感測比較器的輸出端，連接到電流感測晶體管的閘極端；以及 電流感測晶體管的汲極端產生電流感測訊號。
  18. 一種無需最大占空比控制就能擴展降壓開關轉換器的最大占空比的方法，其包括以下步驟： 提供RSTB訊號，在所需的開關頻率下運行； 提供斜坡訊號； 利用RSTB訊號，在所需的開關頻率下，週期性地複位斜坡訊號； 配置一個開關網路，將具有輸入電壓的輸入節點連接到電感器，電感器進一步連接到具有輸出電壓的輸出節點，開關網路包括一個高端開關，連接在輸入節點和具有相位節點電壓的相位節點之間，低端元件連接在相位節點和接地端之間； 根據表示輸出電壓的反饋電壓訊號和參考電壓之間的比較，產生誤差電壓； 根據誤差電壓、表示斜坡訊號的和訊號以及第二時鐘訊號，產生占空訊號； 根據占空訊號，產生一個或複數個控制訊號，用於控制開關網路；以及 藉由閘極驅動器產生的一個或複數個控制訊號，控制開關網路，調節從輸入節點傳輸至輸出節點的功率。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之方法，其中在所需的開關頻率下提供RSTB訊號的步驟，包括： 提供具有所需開關頻率的第一時鐘訊號； 反相第一時鐘訊號，產生反相第一時鐘訊號； 延遲第一時鐘訊號，產生延時第一時鐘訊號； 在NOR門中輸入反相第一時鐘訊號和延時第一時鐘訊號，產生中間前緣遮蔽訊號；以及 反相中間前緣遮蔽訊號，產生RSTB訊號，在所需的開關頻率下運行。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之方法，其中根據誤差電壓、表示斜坡訊號的和訊號以及第二時鐘訊號，產生占空訊號的步驟，包括： 根據誤差電壓與和訊號的比較，產生PWM比較器輸出訊號；以及 輸入PWM比較器輸出訊號和第二時鐘訊號，產生占空訊號。
  21. 如申請專利範圍第18項所述之方法，其中產生誤差訊號和產生占空訊號的步驟之間，更包括以下步驟： 當高端開關接通時，產生電流感測訊號，表示藉由電感器的電流；以及 藉由電流感測訊號和斜坡訊號相加，直接或間接產生和訊號。
  22. 一種無需最大占空比控制就能擴展降壓開關轉換器的最大占空比的方法，其包括以下步驟： 提供RSTB訊號，在所需的開關頻率下運行； 提供電流感測訊號，當高端開關接通時，表示藉由電感器的電流； 利用RSTB訊號，在所需的開關頻率下，複位電流感測訊號； 配置一個開關網路，將具有輸入電壓的輸入節點連接到電感器，電感器進一步連接到具有輸出電壓的輸出節點，開關網路包括一個高端開關，連接在輸入節點和具有相位節點電壓的相位節點之間，低端元件連接在相位節點和接地端之間； 根據表示輸出電壓的反饋電壓訊號和參考電壓之間的比較，產生誤差電壓； 根據誤差電壓、表示斜坡訊號的和訊號以及第二時鐘訊號，產生占空訊號； 根據占空訊號，產生一個或複數個控制訊號，用於控制開關網路；以及 藉由閘極驅動器產生的一個或複數個控制訊號，控制開關網路，調節從輸入節點傳輸至輸出節點的功率。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之方法，其中提供在所需的開關頻率下運行的RSTB訊號的步驟，包括： 提供具有所需開關頻率的第一時鐘訊號； 反相第一時鐘訊號，產生反相第一時鐘訊號； 延遲第一時鐘訊號，產生延時第一時鐘訊號； 在NOR門中輸入反相第一時鐘訊號和延時第一時鐘訊號，產生中間前緣遮蔽訊號；以及 反相中間前緣遮蔽訊號，產生RSTB訊號，在所需的開關頻率下運行。
  24. 如申請專利範圍第22項所述之方法，其中產生占空訊號的步驟，包括： 根據誤差電壓與和訊號的比較，產生PWM比較器輸出訊號；以及 輸入PWM比較器輸出訊號和第二時鐘訊號，產生占空訊號。
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