TWI384741B - 具有暫態控制功能之切換式電源電路與其控制電路與方法 - Google Patents

Description

具有暫態控制功能之切換式電源電路與其控制電路與方法

本發明係有關一種具有暫態控制功能之切換式電源電路，也有關於控制切換式電源電路的控制電路與方法。

切換式電源電路有多種型式，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，同步切換式電源電路使用兩個(升降壓型使用四個)功率電晶體開關，非同步切換式電源電路則以二極體取代功率電晶體開關之一。以同步降壓型電源電路為例來加以說明，其電路結構大致如第1圖所示，降壓型電源電路1包含有兩個功率電晶體開關Q1、Q2，受控制電路10所控制；控制電路10根據從輸出端Vout萃取出的反饋訊號FB，產生開關控制訊號控制電晶體Q1、Q2的開與關，以將電能從輸入端Vin傳送給輸出端Vout。第2圖示出升壓型電源電路2，第3圖示出反壓型電源電路3，第4圖示出升降壓型電源電路4，第5、6圖分別示出非同步降壓與升壓切換式電源電路1’與2’。以上電路雖然電路架構和功率電晶體開關數目有所不同，但均是由控制電路10根據反饋訊號FB，而產生開關控制訊號控制功率電晶體開關，達成輸入端Vin與輸出端Vout間的功率轉換。

上述各種切換式電源電路之反饋控制機制，有使用電壓訊號與電流訊號的兩種型式(voltage mode and current mode)，但不論哪種型式，當負載端電流急劇變化時，均會造成輸出端電壓發生過高反應(Overshoot)和過低反應(Undershoot)，使輸出產生較大的漣波，如第7圖所示。

有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種具有暫態控制功能之切換式電源電路，及其控制電路與方法，以改善暫態響應、降低電壓漣波。

本發明目的之一在提供一種切換式電源電路。

本發明的另一目的在提供一種切換式電源電路的控制電路。

本發明的另一目的在提供一種切換式電源電路的控制方法。

為達上述之目的，就其中一個觀點言，本發明提供了一種具有暫態控制功能之切換式電源電路，包含：一功率轉換電路，其接受一輸入電壓，並轉換產生一輸出電壓；反饋電路，其偵測輸出電壓並產生一代表輸出電壓的反饋訊號；與該功率轉換電路之輸出端耦接的輸出電容；以及控制電路，其接收反饋訊號，並產生控制訊號以控制功率轉換電路之轉換操作，其中此控制電路包括一電壓平衡電路，在輸出電壓過高時令輸出電容放電，輸出電壓過低時對輸出電容充電。

上述切換式電源電路中，所述電壓平衡電路可包括：第一比較器，將反饋訊號與第一參考訊號相比較，以決定輸出電壓是否過高；第二比較器，將反饋訊號與第二參考訊號相比較，以決定輸出電壓是否過低；第一開關，耦接於輸出電容與地之間，當第一比較器判斷輸出電壓過高時，此第一開關導通；以及第二開關，耦接於輸出電容與一電壓之間，當第二比較器判斷輸出電壓過低時，此第二開關導通。

上述電壓平衡電路中，宜更包括一輔助電容。

就另一個觀點言，本發明提供了一種切換式電源電路之控制電路，該切換式電源電路接受一輸入電壓，並在其輸出端產生一輸出電壓，該輸出端與一輸出電容耦接，所述控制電路包含：誤差放大器，其接收一代表輸出電壓的反饋訊號，與第一參考訊號比較；PWM產生器，根據誤差放大器的輸出產生PWM訊號；第一比較器，將反饋訊號與第二參考訊號相比較，以決定輸出電壓是否過高；第二比較器，將反饋訊號與第三參考訊號相比較，以決定輸出電壓是否過低；第一開關，耦接於輸出電容與地之間，當第一比較器判斷輸出電壓過高時，此第一開關導通；以及第二開關，耦接於輸出電容與一電壓之間，當第二比較器判斷輸出電壓過低時，此第二開關導通。

就再另一個觀點言，本發明提供了一種切換式電源電路之控制方法，包含：提供一功率轉換電路，其接受一輸入電壓，並在其輸出端產生一輸出電壓；提供一輸出電容，與該功率轉換電路之輸出端耦接；偵測輸出電壓並產生一代表輸出電壓的反饋訊號；根據反饋訊號產生控制訊號，以控制功率轉換電路之轉換操作；以及根據反饋訊號控制輸出電容之充放電，在輸出電壓過高時令輸出電容放電，輸出電壓過低時對輸出電容充電。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

請參考第8圖，以非同步升壓切換式電源電路為例來說明本發明，但請注意本發明可類推應用於其他型式的同步或非同步切換式電源電路中，並不僅限於非同步升壓切換式電源電路。第8圖顯示本發明的第一個實施例，其中除基本的非同步升壓切換式電源電路結構外，另設有一個電壓平衡電路20；此電壓平衡電路20可以全部或部分與控制電路10整合成一顆積體電路。電壓平衡電路20的作用是，當輸出電壓Vout過高時釋放輸出電容Cout內儲存的能量，輸出電壓Vout過低時補充輸出電容Cout內儲存的能量，使切換式電源電路具有暫態控制功能，可改善暫態響應與降低電壓漣波。

電壓平衡電路20有各種實施方式，請參閱第9圖之實施例，其基本概念如圖所示，可使用比較器21,22將代表輸出電壓Vout的反饋訊號FB分別與參考訊號REF1和REF2比較，並根據比較結果控制開關SW1,SW2。請對照第9圖與第11圖，當反饋訊號FB高於參考訊號REF1時表示將發生overshoot，但比較器21的輸出使開關SW1導通，輸出電容Cout對地(或任何較輸出電壓Vout為低的電壓節點)釋放電荷，於是輸出電壓Vout得以降低而不致發生overshoot、或減少其變化量。相似地，當反饋訊號FB低於參考訊號REF2時表示將發生undershoot，但比較器22的輸出使開關SW2導通，電壓VDD對輸出電容Cout充電，於是輸出電壓Vout得以升高而不致發生undershoot、或減少其變化量。圖示電路中，比較器21,22輸入端的正負極性可視開關SW1,SW2的設計而對應設定。

第9圖實施例中，在接近undershoot狀況時電壓VDD需對輸出電容Cout充電，因此電壓VDD需等於或高於正常情況下的輸出電壓Vout。第10圖顯示另一實施例，本實施例中開關SW1,SW2分別以NMOS電晶體N1和PMOS電晶體P1來實現(僅為舉例，兩開關都為NMOS或都為PMOS亦可)。此外，比較器21,22的輸出可直接驅動或透過驅動電路24來驅動NMOS電晶體N1和PMOS電晶體P1，以便利控制電晶體N1和電晶體P1，使之得以充分導通。與前一實施例相較，本實施例的特點在於另設置了一個輔助電容C1。

請對照第10圖與第11圖，當反饋訊號FB高於參考訊號REF1時表示將發生overshoot，但比較器21的輸出使NMOS電晶體N1導通，輸出電容Cout對輔助電容C1充電，於是一方面輸出電壓Vout得以降低，另方面輔助電容C1中也儲存了能量。當反饋訊號FB低於參考訊號REF2時，表示將發生undershoot，但比較器22的輸出使PMOS電晶體P1導通，此時輔助電容C1上的能量疊加至電壓VDD上，輔助電容C1對輸出電容Cout充電，於是輸出電壓Vout得以升高。由以上說明可知，藉助於輔助電容C1的作用，電壓VDD可以不必等於或高於正常情況下的輸出電壓Vout，事實上電壓VDD可以為任意高於地電位的電壓，僅需輔助電容C1有足夠的儲能容量即可。因此，可以很便利地從電路內或電路外取得合用的電壓VDD。

第12圖舉例說明，可將電壓平衡電路20除輔助電容C1以外的部分與控制電路10整合成一顆積體電路120，其中誤差放大器11將反饋訊號FB與參考訊號REF比較，而PWM產生器12根據誤差放大器11的輸出產生PWM訊號，控制功率電晶體Q2的切換。此外，也可將電壓平衡電路20包括輔助電容C1在內與控制電路10一同整合成一顆積體電路。

在輸出電容Cout的輔助充放電路徑中，並不限於安置輔助電容C1；除輔助電容C1之外，亦可設置其他儲能或降壓元件，例如但不限於第13圖所示之電感、電阻、二極體、曾納二極體等；或亦可設置電晶體等主動元件，提供類似於以上元件的功能。

綜合以上，本發明的概念如第14圖所示，功率轉換電路110接受輸入電壓Vin；反饋電路130偵測輸出電壓Vout並輸出反饋訊號給控制電路120；控制電路120控制功率轉換電路110，以將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout，且控制電路120具有電壓平衡功能，可對輸出電容Cout充放電。其中，功率轉換電路110可以為任何型式的同步或非同步切換式電源電路，例如但不限於第15A-15G圖所示的各種電路結構。

以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化。例如，各實施例圖示之兩直接相連的元件間，可插置不影響電路主要功能的其他元件；再如，功率電晶體開關可以為NMOSFET亦可為PMOSFET；又如，第8、10、12圖中，電壓VDD可以來自電路的內部，等等。因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。

1．．．同步降壓切換式電源電路

1’．．．非同步降壓切換式電源電路

2．．．同步升壓切換式電源電路

2’．．．非同步升壓切換式電源電路

3．．．同步反壓切換式電源電路

4．．．同步升降壓切換式電源電路

10．．．控制電路

11．．．誤差放大器

12．．．PWM產生器

20．．．電壓平衡電路

21,22．．．比較器

24．．．驅動電路

110．．．功率轉換電路

120．．．控制電路

130．．．反饋電路

C1．．．輔助電容

Cout．．．輸出電容

FB．．．反饋訊號

N1．．．NMOS電晶體

P1．．．PMOS電晶體

Q1,Q2．．．功率電晶體開關

SW1,SW2．．．開關

VDD．．．電壓

Vin．．．輸入電壓

Vout．．．輸出電壓

第1至4圖分別示出先前技術之同步降壓、升壓、反壓、升降壓切換式電源電路。

第5與6圖分別顯示先前技術之非同步降壓與升壓切換式電源電路。

第7圖說明先前技術的問題。

第8圖以非同步升壓切換式電源電路為例說明本發明。

第9圖顯示本發明的實施例。

第10圖顯示本發明的另一實施例。

第11圖顯示本發明的效果。

第12圖顯示電壓平衡電路20的部份或全部可與控制電路10一同整合成一顆積體電路120。

第13圖說明除輔助電容C1外，亦可設置其他儲能或降壓元件。

第14圖說明本發明的概念。

第15A-15G圖說明本發明可應用於各種不同型式的切換式電源電路中。

10．．．控制電路

20．．．電壓平衡電路

FB．．．反饋訊號

Q2．．．功率電晶體開關

VDD．．．電壓

Vin．．．輸入電壓

Vout．．．輸出電壓

Claims (13)

1. 一種具有暫態控制功能之切換式電源電路，包含：一功率轉換電路，其接受一輸入電壓，並轉換產生一輸出電壓；反饋電路，其偵測輸出電壓並產生一代表輸出電壓的反饋訊號；與該功率轉換電路之輸出端耦接的輸出電容；以及控制電路，其接收反饋訊號，並產生控制訊號以控制功率轉換電路之轉換操作，其中此控制電路包括一電壓平衡電路，在輸出電壓過高時令輸出電容透過該電壓平衡電路放電，輸出電壓過低時對輸出電容充電。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具有暫態控制功能之切換式電源電路，其中該電壓平衡電路包括：第一比較器，將反饋訊號與第一參考訊號相比較，以決定輸出電壓是否過高；第二比較器，將反饋訊號與第二參考訊號相比較，以決定輸出電壓是否過低；第一開關，耦接於輸出電容與較輸出電壓為低的一電壓節點之間，當第一比較器判斷輸出電壓過高時，此第一開關導通；以及第二開關，耦接於輸出電容與一電壓之間，當第二比較器判斷輸出電壓過低時，此第二開關導通。
3. 如申請專利範圍第2項所述之具有暫態控制功能之切換式電源電路，其中該第一與第二開關耦接於一共同節點，且電壓平衡電路更包括一輔助電容，耦接於輸出電容與該共同節點之 間。
4. 如申請專利範圍第2項所述之具有暫態控制功能之切換式電源電路，其中該第一與第二開關耦接於一共同節點，且電壓平衡電路更包括以下元件之一或多者，耦接於輸出電容與該共同節點之間：電感、電阻、二極體、曾納二極體、電晶體。
5. 如申請專利範圍第2項所述之具有暫態控制功能之切換式電源電路，其中該第一與第二比較器透過一驅動電路驅動第一與第二開關。
6. 一種切換式電源電路之控制電路，該切換式電源電路接受一輸入電壓，並在其輸出端產生一輸出電壓，該輸出端與一輸出電容耦接，所述控制電路包含：誤差放大器，其接收一代表輸出電壓的反饋訊號，與第一參考訊號比較；PWM產生器，根據誤差放大器的輸出產生PWM訊號；第一此較器，將反饋訊號與第二參考訊號相比較，以決定輸出電壓是否過高；第二比較器，將反饋訊號與第三參考訊號相比較，以決定輸出電壓是否過低；第一開關，耦接於輸出電容與較輸出電壓為低的一電壓節點之間，當第一比較器判斷輸出電壓過高時，此第一開關導通，使該輸出電容透過該第一開關放電；以及第二開關，耦接於輸出電容與一電壓之間，當第二比較器判斷輸出電壓過低時，此第二開關導通，使該輸出電容透過該第二開關充電。
7. 如申請專利範圍第6項所述之切換式電源電路之控制電 路，其中該第一與第二開關耦接於一共同節點，且控制電路更包括一輔助電容，耦接於輸出電容與該共同節點之間。
8. 如申請專利範圍第6項所述之切換式電源電路之控制電路，其中該第一與第二開關耦接於一共同節點，且控制電路更包括以下元件之一或多者，耦接於輸出電容與該共同節點之間：電感、電阻、二極體、曾納二極體、電晶體。
9. 如申請專利範圍第6項所述之切換式電源電路之控制電路，其中該第一與第二比較器透過一驅動電路驅動第一與第二開關。
10. 一種切換式電源電路之控制方法，包含：提供一功率轉換電路，其接受一輸入電壓，並在其輸出端產生一輸出電壓供應給一負載端所連接的負載；提供一輸出電容，與該功率轉換電路之輸出端耦接；偵測輸出電壓並產生一代表輸出電壓的反饋訊號；根據反饋訊號產生控制訊號，以控制功率轉換電路之轉換操作；以及根據反饋訊號控制輸出電容之充放電，在該負載端電流急劇變化造成輸出電壓過高時令輸出電容不經由該負載放電，在該負載端電流急劇變化造成輸出電壓過低時對輸出電容充電。
11. 如申請專利範圍第10項所述之切換式電源電路之控制方法，其中該根據反饋訊號控制輸出電容充放電之步驟包括：將反饋訊號與第一參考訊號相比較，以決定輸出電壓是否過高；將反饋訊號與第二參考訊號相比較，以決定輸出電壓是否過低； 當判斷輸出電壓過高時，使輸出電容放電；以及當判斷輸出電壓過低時，提供一電壓對輸出電容充電。
12. 如申請專利範圍第10項所述之切換式電源電路之控制方法，更包括：提供一輔助電容，其中該根據反饋訊號控制輸出電容充放電之步驟中，當判斷輸出電壓過高時，使輸出電容透過該輔助電容放電，當判斷輸出電壓過低時，提供一電壓經該輔助電容對輸出電容充電。
13. 如申請專利範圍第10項所述之切換式電源電路之控制方法，其中該輸出電容之一端接地，另一端與以下元件之一或多者耦接：電感、電阻、二極體、曾納二極體、電晶體。