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TWI393335B - 用於電壓轉換器之控制方法及其相關電壓轉換器 - Google Patents

用於電壓轉換器之控制方法及其相關電壓轉換器 Download PDF

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TWI393335B
TWI393335B TW098112831A TW98112831A TWI393335B TW I393335 B TWI393335 B TW I393335B TW 098112831 A TW098112831 A TW 098112831A TW 98112831 A TW98112831 A TW 98112831A TW I393335 B TWI393335 B TW I393335B
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Ching Tsan Lee
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Leadtrend Tech Corp
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Description

用於電壓轉換器之控制方法及其相關電壓轉換器
本發明係指一種可供電壓轉換器使用之控制方法及其相關電壓轉換器，尤指一種可以於一省電模式操作中，維持操作頻率大約為一定範圍之電壓轉換器控制方法及其相關電壓轉換器。
習知切換式電源供應器(switching power supply)有操作於PWM模式，利用改變開關週期中一功率開關之責任週期(Duty Cycle)的方法，提供穩定的輸出電壓供給負載使用。當負載的大小發生變化時，供給負載的電流就會跟著改變。理想的切換式電源供應器必須能夠配合負載的變化，保持輸出電壓的穩定。在實際的使用情形下，切換式電源供應器為維持輸出電壓的穩定，在負載加大的情況，責任週期就必須增加；反之，若負載減少，則責任週期就跟著減少。於輕負載(light load)或無負載(no load)的狀況，有的切換式電源供應器則設計進入叢集模式(burst mode)，強制地於一個或是數個連續開關週期中送出高於負載所需的能量，以使後續數個開關週期得以不用對功率開關開啟，以節省開關損失(switching loss)。
切換式電源供應器的操作原理請參考第1圖，為習知技術中一降壓(Buck)切換式電源供應器電路10之示意圖。電源供應器電路10包含有一電源VIN、一電壓轉換器(power converter)100、一上方開關HG(high-side switch)、一下方開關LG(low-side switch)、一電感L1、一電容C1、電阻R1、R2以及一負載Z1。第2A圖為切換式電源供應器電路10之上方開關HG、下方開關LG及電感電流I_L1於一般負載情況時之訊號示意圖。
第2A圖中的電感電流波形是連續的三角波形，意味著一連續導通模式(Continuous Conduction Mode、CCM)，其平均電感電流意味著維持輸出電壓時負載Z1所需的負載電流。如果負載Z1為輕載或是無載時，平均電感電流可能會降到非常接近零的位準。此時，若維持第2A圖中的電感電流波形，電感電流便可能會出現負值，形成業界所熟知的逆電流(Reverse Current)。逆電流只會消耗存放在輸出電容C1中的電能。為了減少或是預防逆電流的出現，習知的切換式電源供應器電路多具備一個防逆電流機制，當判定逆電流將要出現，或是已經出現時，便提早關閉下方開關LG。其結果便如第2B圖所示，其中電感電流的波形是一不連續的三角波形，為不連續導通模式(Discrete Conduction Mode、DCM)。
第1圖中，防逆電流機制被啟動與否，可以當成切換式電源供應器電路10是否要進入叢集模式的指標。但在叢集模式時，切換式電源供應器電路10如何操作，也是有必要深入探討。
本發明之實施例揭露一種用於一電壓轉換器之控制方法，包含有提供一設定，用於一省電模式；進入該省電模式，依照該設定，使該電壓轉換器輸出一預設能量；進入一正常模式，辨識該電壓轉換器是否應進入該省電模式，並偵測該電壓轉換器之一輸出反應；以及以該輸出反應來調整該設定，以使該輸出反應大約地維持於一預設範圍。
本發明之實施例另揭露一種電壓轉換器，該電壓轉換器包含有一狀態偵測器，偵測該電壓轉換器之一輸出，以判定該電壓轉換器是否進入一省電模式或是一正常模式；一輸出能量決定器，包含有一設定暫存器，用以儲存一設定，依據該電壓轉換器操作於該正常模式之一輸出反應，用以調整該設定，以使該輸出反應大約地維持於一預設範圍；以及一開關控制器，控制一功率開關，可操作於一省電模式與一正常模式其中之一，當操作於該省電模式時，依據該設定暫存器所儲存之該設定，使該功率開關輸出一預設能量。
請參考第3圖，第3圖為本發明中一切換式電源供應器電路30之示意圖。電源供應器電路30包含有一電源VIN、一電壓轉換器300、一上方開關HG、一下方開關LG、一電感L1、一電容C1、電阻R1、R2以及一負載Z1。電源供應器電路30與電源供應器電路10的最大區別，在於習知技術之電壓轉換器100已由本發明之電壓轉換器300所取代。
視操作條件狀況不同，電壓轉換器300的操作模式至少包含有一PWM模式以及一叢集模式(burst mode)，個別表示一正常模式以及一省電模式。於PWM模式時，電感L1之電流波形可能為連續導通模式(CCM)或是不連續導通模式(DCM)；也可能因為電容C1的電壓過高，上方開關HG與下方開關LG完全停止開關，導致電感L1之電流波形於一開關週期中完全為0，這樣的一開關週期稱之為未開關週期(non-switching period)。電壓轉換器300之實施例的主要目的在於大略的限制電源供應電路30於輕載或是無載時，連續進入兩次叢集模式的間隔時間，使其大約為一定值，或是落於一預設範圍內。
請參考第4圖，第4圖顯示第3圖中，電壓轉換器300之結構示意圖。電壓轉換器300包含有狀態偵測器420、輸出能量決定器440、開關控制器460及逆電流偵測器480。
狀態偵測器420用於偵測該電壓轉換器300以DCM模式輸出時的連續次數，以判定電壓轉換器300是否進入叢集模式或是持續以PWM模式操作。狀態偵測器420包含有一計數器CNT_0，耦接於逆電流偵測器480，用以於PWM模式時，計算電壓轉換器300以DCM狀態輸出能量的連續次數NUMDCM 。當此連續次數大於一預設值時，會被認定此時負載為輕載或是無載，狀態偵測器420將電壓轉換器300導入叢集模式操作。
輸出能量決定器440包含有設定暫存器SETR，用以儲存一定義於叢集模式時，電壓轉換器300所輸出的叢集電流值，用以定義於叢集模式中，流經電感L1的最大容許電流。暫存器SETR中的設定，會依據電壓轉換器300操作於PWM模式之未開關週期的連續發生次數，而被調整，以使未開關週期的連續發生次數大約地維持於一預設範圍。開關控制器460可控制上方開關HG以及下方開關LG，以操作於叢集模式或PWM模式。輸出能量決定器440包含有兩個計數器CNT_1、CNT_2。計數器CNT_1係用來計算電壓轉換器以CCM輸出的連續次數NUMCCM 。計數器CNT_2耦接於逆電流偵測器480，係用以計算電壓轉換器300操作於PWM模式之未開關週期的連續發生次數NUMNON 。
請參考第5圖，第5圖為第3圖中之電源供應電路30之狀態切換流程50之示意圖。在此一實施例中，狀態切換流程50之運作情形可簡述如下：
從狀態500開始，電壓轉換器300操作於PWM模式。於狀態500時，若發現NUMDCM 大於等於7，則可以確認當下負載為輕載或是無載，依照NUMNON 來判別進入狀態510或是狀態520，準備讓電壓轉換器300操作於叢集模式。當NUMDCM 小於7時，且NUMCCM 也小於3時，意味著無法判定當下負載是輕載還是重載，所以電壓轉換器300持續維持在狀態500。當NUMDCM 小於7時，且NUMCCM 大於等於3時，意味著當下負載是重載，則電壓轉換器300進入狀態530。於狀態530，叢集電流值被設定為一預設值後，電壓轉換器300便回到狀態500，繼續操作於PWM模式。
當NUMDCM 大於等於7，準備讓電壓轉換器300進入叢集模式。如果NUMNON 偏大時，譬如NUMNON >15時，隱含了於前一次叢集模式時，電源供應電路30所送出的能量偏大，電容C1的電壓過高的時間很久。因此，進入狀態510，並減少輸出能量決定器440中所記錄的叢集電流值。叢集電流值減少後，使電壓轉換器300進入叢集模式，依照所減少的叢集電流值，控制上方開關HG，讓其輸出一三角波電流，其峰值等於叢集電流值。輸出完該三角波電流後，就回復到狀態500，進入PWM模式。可預期的，如果負載依然是輕載或是無載，因為輸出的能量已經相對降低了，所以下次的NUMNON 就應該會減少，意味著下次進入叢集模式的時間點會比較早。
類似地，當NUMDCM 大於等於7，且NUMNON 偏小時，譬如NUMNON <=15時，隱含了於前一次叢集模式時，電源供應電路30所送出的能量偏小。因此，進入狀態520，增加輸出能量決定器440中所記錄的叢集電流值。叢集電流值增加後，使電壓轉換器300進入叢集模式，依照所增加的叢集電流值，控制上方開關HG，讓其輸出一三角波電流，其峰值等於叢集電流值。輸出完該三角波電流後，就回復到狀態500，進入PWM模式。可預期的，如果負載依然是輕載或是無載，因為輸出的能量已經相對增加了，所以下次的NUMNON 就應該會增加，意味著下次進入叢集模式的時間點會比較晚。
值得注意的是，有關第5圖中所有有關於連續次數的預設值，可視系統的需求狀況，例如電源供應器電路30的操作頻率等因素，加以調整，以得到最佳之效能。電流能量也可以以不同的脈衝寬度(Pulse Width)的電流脈衝輸出能量。譬如說，改變電流能量的方式，除了改變叢集電流值之外，也可以改變上方開關HG的開啟時間來達成，此時輸出能量決定器440中所記錄的是叢集模式時上方開關HG的開啟時間。另一種改變電流能量的方式，則是改變叢集模式時，輸出三角波電流的次數，而每次上方開關HG開啟時間或是叢集電流值為一定值。電源供應電路30於輸出預設能量後，立即回到PWM模式的狀態500。當確認電源供應器電路30進入叢集模式，本發明輸出一較大的能量給電感，使電容C1 的電壓到達較高的位準。經由此方法，電源供應器電路30有較長的時間不必進行上方開關HG的啟閉動作，因此可以減少啟閉耗能，並增進系統效率。若系統之後重新連接到一般性負載，因為電源供應器電路30已經恢復操作於PWM模式了，所以也可以迅速反應，使電感電流I_L1迅速達到負載Z1所需的電流位準。此時，本發明中的叢集模式之設定可能回到初始狀態，持續偵測輕載是否發生，以待下次輕載發生時能適時反應。
如此，切換式電源供應器30在輕載時，兩次進入叢集模式的間隔時間會大略的維持在一定範圍中。以第5圖為例，這間隔時間大約會維持在22個時脈週期(=7個DCM時脈週期+15次未開關週期)附近。一旦偵測到的間隔時間大於22個時派週期，進入叢集模式後所輸出的能量就減少；如果偵測到的間隔時間小於22個時派週期，進入叢集模式後所輸出的能量就增加。如此，這個間隔時間可以設計到避免進入人耳所能感知的聲音頻率範圍(20Hz～20KHz)，至少也應該避免進入人耳敏感的聲音頻率範圍(1kHz~10kHz)，以避免發出音頻噪音等令人不悅的效應。
請參考第6圖，第6圖為切換式電源供應器電路30之上方開關HG、下方開關及電感電流I_L1於輕載時之一操作訊號示意圖。當確認負載Z1為輕載，上方開關HG開啟，並根據調整電流能量預設值，輸出一較大之電流脈衝。因所輸出之電流脈衝能量較大，上方開關HG可以連續數個週期停止啟閉動作(圖中所示之未開關週期數大約為15)。當電壓轉換器30又開始連續以最小預設能量輸出能量(即發生零電流或輕微逆電流的狀況)，且連續次數大於一預設值(圖中所示之預設值為7)，則電壓轉換器30確認輕載的發生，並調整電流能量預設值，輸出一較大之電流脈衝。經由省去上方開關HG大部分的啟閉動作，可以減少啟閉耗能。同時，也可以避免發出音頻噪音。
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。
10、30．．．電源供應器電路
100、300．．．電壓轉換器
50．．．狀態切換流程
500、510、520、530．．．狀態
NUMCCM ．．．CCM輸出的連續次數
NUMNON ．．．未開關週期的連續次數
NUMDCM ．．．DCM輸出的連續次數
420．．．狀態偵測器
440．．．輸出能量決定器
460．．．開關控制器
480．．．最小預設能量偵測器
VIN．．．電源
HG．．．上方開關
LG．．．下方開關
L1．．．電感
C1．．．電容
R1、R2．．．電阻
CNT_0、CNT_1、CNT_2．．．計數器
SETR．．．設定暫存器
I_L1．．．電感電流
第1圖為習知技術中一切換式電源供應器電路之示意圖。
第2A圖為習知技術之上方開關、下方開關及電感電流於一般負載情況時之一訊號示意圖。
第2B圖為習知技術之上方開關、下方開關及電感電流於輕載時之一訊號示意圖。
第3圖為本發明中一切換式電源供應器電路之示意圖。
第4圖為本發明實施例電壓轉換器之結構示意圖。
第5圖為本發明實施例用於電壓轉換器之一狀態切換流程之示意圖。
第6圖為本發明實施例切換式電源供應器電路之上方開關、下方開關及電感電流於輕載時之訊號示意圖。
50．．．狀態切換流程
500、510、520、530．．．狀態
NUMCCM ．．．連續導通模式輸出的連續次數
NUMNON ．．．未開關週期的連續次數
NUMDCM ．．．不連續導通模式輸出的連續次數

Claims (25)

  1. 一種用於一電壓轉換器之控制方法，包含有：提供一設定，用於一省電模式；進入該省電模式，依照該設定，使該電壓轉換器輸出一預設能量；進入一正常模式，辨識該電壓轉換器是否應進入該省電模式，並偵測該電壓轉換器之一輸出反應；以及以該輸出反應來調整該設定，以使該輸出反應大約地維持於一預設範圍；其中該電壓轉換器之該輸出反應，係為兩次進入該省電模式的間隔時間。
  2. 如請求項1所述之控制方法，其中，當該間隔時間大於一預設值時，改變該設定，降低該預設能量。
  3. 如請求項1所述之控制方法，其中，當該間隔時間小於或等於一預設值時，改變該設定，提升該預設能量。
  4. 如請求項1所述之控制方法，其中，該電壓轉換器係用來控制一用以儲存能量之電感，而該設定係用以定義於該省電模式中，流經該電感的最大容許電流。
  5. 如請求項1所述之控制方法，其中，該電壓轉換器係用來控 制一用以儲存能量之電感，以及用來控制流經該電感之電流的一功率開關，該設定係用以定義於該省電模式中，該功率開關的導通時間或導通次數。
  6. 如請求項1所述之控制方法，其中，於該正常模式時，該電壓轉換器可以一第一操作子模式與一第二操作子模式其中之一輸出能量，該第一子操作模式所輸出的平均能量小於該第二操作子模式，該控制方法另包含有：偵測該電壓轉換器是否以該第一操作子模式來輸出能量；計算該電壓轉換器以該第一操作子模式輸出的一第一連續週期數；以及當該第一連續週期數大於一第一預設值時，使該電壓轉換器進入該省電模式。
  7. 如請求項6所述之控制方法，其中，該控制方法另包含有：計算該電壓轉換器以該第二操作子模式輸出的一第二連續週期數；以及當該第二連續週期數大於一第二預設值時，重設該設定。
  8. 如請求項6所述之控制方法，其中，該電壓轉換器係用來控制一用以儲存能量之電感，而當該電壓轉換器以第二操作子模式輸出能量時，該電感的電感電流於一開關週期內有變成零或負值。
  9. 如請求項1所述之控制方法，其中該電壓轉換器之該輸出反應，係為兩次進入該省電模式之間，所發生之未開關週期的連續週期數。
  10. 如請求項1所述之控制方法，其中，該正常模式係為一脈波寬度調變(PWM)模式，該省電模式係為一叢集模式。
  11. 一種電壓轉換器，該電壓轉換器包含有：一狀態偵測器，偵測該電壓轉換器之一輸出，以判定該電壓轉換器是否進入一省電模式或是一正常模式；一輸出能量決定器，包含有一設定暫存器，用以儲存一設定，依據該電壓轉換器操作於該正常模式之一輸出反應，用以調整該設定，以使該輸出反應大約地維持於一預設範圍；以及一開關控制器，控制一功率開關，可操作於一省電模式與一正常模式其中之一，當操作於該省電模式時，依據該設定暫存器所儲存之該設定，使該功率開關輸出一預設能量；其中，該輸出能量決定器包含有：一第一計數器，耦接於該逆電流偵測器，用以計算該電壓轉換器以高於該第二操作子模式輸出能量的一第二連續週期數；以及 其中，當該第二連續週期數大於一第二預設值時，重設該預設能量。
  12. 如請求項11所述之電壓轉換器，其中該電壓轉換器之該輸出反應，係為兩次進入該省電模式的間隔時間。
  13. 如請求項11所述之電壓轉換器，其中，該電壓轉換器係用來控制一用以儲存能量之電感，而該設定係用以定義於該省電模式中，流經該電感的最大容許電流。
  14. 如請求項11所述之電壓轉換器，其中，該電壓轉換器係用來控制一用以儲存能量之電感，以及用來控制流經該電感之電流的一功率開關，該設定係用以定義於該省電模式中，該功率開關的導通時間。
  15. 如請求項11所述之電壓轉換器，其中，該電壓轉換器另包含有一逆電流偵測器，用來偵測該電壓轉換器是否有逆電流發生。
  16. 如請求項15所述之電壓轉換器，該逆電流偵測器之該偵測該電壓轉換器是否有逆電流發生，係指偵測流經該電感的電感電流是否為零。
  17. 如請求項11所述之電壓轉換器，其中，該電壓轉換器可以一第一操作子模式與一第二操作子模式其中之一輸出能量，該第一操作子模式所輸出的平均能量小於該第二操作子模式，該狀態偵測器包含有：一計數器，耦接於該逆電流偵測器，當操作於該正常模式時，用以計算該電壓轉換器以該第一操作子模式輸出能量的一第一連續週期數；以及其中，當該第一連續週期數大於一第一預設值時，該狀態偵測器使該電壓轉換器進入該省電模式。
  18. 如請求項17所述之電壓轉換器，其中，該電壓轉換器係用來控制一用以儲存能量之一電感，而當該電壓轉換器以第二操作模式輸出能量時，該電感的電感電流於一開關週期內可變成零或負值。
  19. 如請求項11所述之電壓轉換器，其中，該輸出能量決定器另包含有一第二計數器，用以於操作於該正常模式時，計算該電壓轉換器沒有輸出能量的一未開關週期的連續週期數。
  20. 如請求項19所述之電壓轉換器，其中，當該第二計數器大於一第二預設值時，該輸出能量決定器改變該設定，降低該預設能量。
  21. 如請求項19所述之電壓轉換器，其中，當該第二計數器小於或等於一第二預設值時，該輸出能量決定器改變該設定，提升該預設能量。
  22. 如請求項11所述之電壓轉換器，其中，該正常模式係為一脈波寬度調變(PWM)模式，該省電模式係為一叢集模式。
  23. 一種用於一電壓轉換器之控制方法，包含有：提供一設定，用於一省電模式；進入該省電模式，依照該設定，使該電壓轉換器輸出一預設能量；進入一正常模式，辨識該電壓轉換器是否應進入該省電模式，並偵測該電壓轉換器之一輸出反應；以及以該輸出反應來調整該設定，以使該輸出反應大約地維持於一預設範圍；其中，該電壓轉換器係用來控制一用以儲存能量之電感，以及用來控制流經該電感之電流的一功率開關，該設定係用以定義於該省電模式中，該功率開關的導通時間或導通次數。
  24. 一種電壓轉換器，該電壓轉換器包含有：一狀態偵測器，偵測該電壓轉換器之一輸出，以判定該電壓轉換器是否進入一省電模式或是一正常模式； 一輸出能量決定器，包含有一設定暫存器，用以儲存一設定，依據該電壓轉換器操作於該正常模式之一輸出反應，用以調整該設定，以使該輸出反應大約地維持於一預設範圍；以及一開關控制器，控制一功率開關，可操作於一省電模式與一正常模式其中之一，當操作於該省電模式時，依據該設定暫存器所儲存之該設定，使該功率開關輸出一預設能量；其中，該電壓轉換器係用來控制一用以儲存能量之電感，以及用來控制流經該電感之電流的一功率開關，該設定係用以定義於該省電模式中，該功率開關的導通時間或導通次數。
  25. 一種電壓轉換器，該電壓轉換器包含有：一狀態偵測器，偵測該電壓轉換器之一輸出，以判定該電壓轉換器是否進入一省電模式或是一正常模式；一輸出能量決定器，包含有一設定暫存器，用以儲存一設定，依據該電壓轉換器操作於該正常模式之一輸出反應，用以調整該設定，以使該輸出反應大約地維持於一預設範圍；以及一開關控制器，控制一功率開關，可操作於一省電模式與一正常模式其中之一，當操作於該省電模式時，依據該設定暫存器所儲存之該設定，使該功率開關輸出一預設能 量；其中該電壓轉換器之該輸出反應，係為兩次進入該省電模式的間隔時間。
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