TWI394356B - 用於直流轉換器之控制裝置及其相關直流轉換器 - Google Patents
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Description
本發明係指一種用於一直流轉換器之控制裝置及其相關直流轉換器，尤指一種透過調整直流轉換器之開關功率元件一供應電壓，以降低直流轉換器之一切換損失及一導通損失之控制裝置及其相關直流轉換器。
電子裝置通常包含有不同的元件，每一元件所需的操作電壓可能都不同。因此，在電子裝置中，需要透過直流對直流電壓轉換電路，達到電壓準位的調節(升壓或降壓)，並使之穩定在所設定的電壓數值。依不同的電源需求，可延伸出許多不同型態的直流對直流電壓轉換器，但其皆源自於降壓式轉換器(Buck/Step Down Converter)及升壓式轉換器(Boost/Step Up Converter)。顧名思義，降壓式轉換器可將輸入端的直流電壓下降至一預設電壓準位，而升壓式轉換器則可提升輸入端的直流電壓。不論降壓式轉換器或升壓式轉換器，隨著電路技術的演進，兩者皆已演變出許多變化，以適用於不同的架構，或符合不同的需求。
舉例來說，請參考第1圖，第1圖為先前技術一降壓轉換器10之示意圖。降壓轉換器10包含有一輸入端100、一低通模組110、一控制模組120、一開關模組130、一輸出端140、一輸出模組150及一回授模組160。輸入端100用來接收一第一輸入電壓VIN1。低通模組110係由一輸入電感112及一輸入電容114所組成，用來對第一輸入電壓訊號VIN1執行低通濾波，以產生一第二輸入電壓VIN2。控制模組120為一脈波寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)控制器，用來根據第二輸入電壓VIN2及輸出端140之一回授訊號VFB，產生一脈波寬度調變訊號VPWM至開關模組130。開關模組130包含有一上橋開關電晶體132、一下橋開關電晶體134、一同相放大器136及一反相放大器138，用來根據脈波寬度調變訊號VPWM(及其反相訊號)，控制上橋開關電晶體132及下橋開關電晶體134之導通狀態，進而調整一節點N1之電流大小。輸出模組150耦接於節點N1，其係由一輸出電容152及一輸出電感154所組成，用來透過電感電容效應，產生一輸出電壓VOUT。簡單來說，控制模組120透過調整上橋開關電晶體132及下橋開關電晶體134之工作週期(duty cycle)，調整輸出電壓訊號VOUT之值。
然而，由於製程瑕疵、物理特性等不理想因素，開關模組130中必然存在寄生元件，其效應將導致降壓轉換器10之效能降低。舉例來說，當降壓轉換器10操作於一輕載狀態(輸出電流IOUT較低)，「切換損失」為造成降壓轉換器10效能損失之主因。詳細來說，當開關模組130執行切換操作時，上橋開關電晶體132及下橋開關電晶體134之閘極寄生電容將導致上橋開關電晶體132及下橋開關電晶體134之閘極電壓無法於瞬間完成切換(緩升緩降)，造成上橋開關電晶體132及下橋開關電晶體134之切換損失。
除此之外，當降壓轉換器10操作於一重載狀態時(輸出電流IOUT較高)，「導通損失」為造成降壓轉換器10效能損失之主因。具體來說，當上橋開關電晶體132及下橋開關電晶體134導通時，因開關電晶體132、134之汲極至源極等效電阻(RDS_ON
)而產生的能量損失為造成降壓轉換器10效能降低之主因。
因此，如何透過降低切換損失及導通損失，減少直流轉換器的效能損失，已成為業界的努力目標之一。
因此，本發明之主要目的即在於提供一種用於一直流轉換器之控制裝置及其相關直流轉換器。
本發明揭露一種用於一直流轉換器之控制裝置，包含有一脈波寬度調變控制器，用來根據該直流轉換器之一回授訊號，產生一脈波寬度調變訊號至該直流轉換器之一開關模組；一邏輯電路，用來根據該直流轉換器之一輸出電流之大小，產生一選擇訊號；以及一多工器，耦接於該複數個電壓及該邏輯電路，用來根據該選擇訊號，選擇該複數個電壓之一電壓作為一供應電壓。
本發明另揭露一種直流轉換器，包含有一輸入端，用來接收一輸入電壓；一輸出端，用來輸出一輸出電壓；一回授模組，耦接於該輸出端，用來根據該輸出電壓，產生一回授訊號；一開關模組，包含有一前級端，用來接收一脈波寬度調變訊號；一後級端；一電源端，用來接收一供應電壓；一上橋開關電晶體，耦接於該輸入端、該前級端及該後級端，用來根據該脈波寬度調變訊號，控制該輸入端至該後級端之導通狀態；以及一下橋開關電晶體，耦接於該前級端、該後級端及一地端，用來根據該脈波寬度調變訊號之一反相訊號，控制該後級端至該地端之導通狀態；一輸出模組，包含有一輸出電感，其一端耦接於該開關模組之該後級端，另一端耦接於該輸出端；以及一輸出電容，其一端耦接於該輸出端，另一端耦接於該地端；一感測器，耦接於該輸出電感，用來感測該直流轉換器之一輸出電流，以產生一感測訊號；以及一控制裝置，包含有一脈波寬度調變控制器，耦接於該回授模組，用來根據該回授訊號，產生該脈波寬度調變訊號至該開關模組；一邏輯電路，用來根據該直流轉換器之一輸出電流之大小，產生一選擇訊號；以及一多工器，耦接於該複數個電壓及該邏輯電路，用來根據該選擇訊號，選擇該複數個電壓之一電壓作為該供應電壓。
請參考第2圖，第2圖為本發明實施例一直流轉換器20之示意圖。直流轉換器20包含有一輸入端200、一輸出端210、一回授模組220、一開關模組230、一輸出模組240、一感測器250、一控制裝置260及一輸入模組270。輸入端200用來接收一第一輸入電壓VIN1。輸入模組270係由一輸入電感272及一輸入電容274所組成，用來對第一輸入電壓訊號VIN1執行低通濾波，以產生一第二輸入電壓VIN2。輸出端220用來輸出一輸出電壓VOUT。回授模組220用來根據輸出電壓VOUT，產生一回授訊號VFB。開關模組230包含有一上橋開關電晶體232、一下橋開關電晶體234、一同相放大器236及一反相放大器238。同相放大器236用來放大一脈波寬度調變訊號VPWM。反相放大器238用來放大脈波寬度調變訊號VPWM，並產生脈波寬度調變訊號VPWM之一反相訊號VPWMB。上橋開關電晶體232用來根據脈波寬度調變訊號VPWM，控制輸入端200至輸出模組240之導通狀態。下橋開關電晶體234用來根據反相訊號VPWMB，控制一地端GND至輸出模組240之導通狀態。輸出模組240包含有一輸出電感242及一輸出電容244，用來產生輸出電壓VOUT。感測器250用來感測流經輸出模組240之一輸出電流IOUT，以產生一感測訊號SEN。控制裝置260包含有一脈波寬度調變控制器262、一邏輯電路264及一多工器266。脈波寬度調變控制器262用來根據回授訊號VFB，產生脈波寬度調變訊號VPWM，以控制開關模組230之導通狀態。邏輯電路264用來根據輸出電流IOUT之大小，產生一選擇訊號SEL。多工器266耦接於電壓V1～VN，用來根據選擇訊號SEL，從電壓V1～VN中選擇一電壓作為開關模組230之一供應電壓VDD。
簡單來說，直流轉換器20透過偵測輸出電流IOUT，判斷直流轉換器20之一負載電阻RL之電流負載，並據以調整開關模組230之供應電壓VDD。換言之，開關模組230之供應電壓VDD隨直流轉換器20之負載狀態改變而改變。如此一來，直流轉換器20之切換損失及導通損失可有效降低，以提升直流轉換器20之效能。
詳細來說，耦接於多工器266之電壓V1～VN分別對應於負載電阻RL之N種負載狀態。舉例來說，若電壓V1至電壓VN之電壓值係由低至高，則可令電壓V1對應於一輕載狀態，並令電壓VN對應於一重載狀態。當感測訊號SEN顯示負載電阻RL處於輕載狀態時，邏輯電路264可透過產生對應之選擇訊號SEL，指示多工器260選擇電壓V1～VN中之低電壓V1作為供應電壓VDD。一旦同相放大器236及反相放大器238之供應電壓VDD降低(至V1)，上橋開關電晶體232及下橋開關電晶體234之閘極至源極電壓(VGS
)也會跟著降低，因此可降低開關模組230之切換損失。
相似地，當感測訊號SEN顯示負載電阻RL處於重載狀態時，邏輯電路264可透過產生對應之選擇訊號SEL，指示多工器260選擇電壓V1～VN中之高電壓VN作為供應電壓VDD。一旦同相放大器236及反相放大器238之供應電壓VDD提高(至VN)，上橋開關電晶體232及下橋開關電晶體234之閘極至源極電壓(VGS
)亦隨之提高，造成上橋開關電晶體232及下橋開關電晶體234之汲極至源極等效電阻(RDS_ON
)降低，以降低開關模組230之導通損失。
當然，除了電壓V1、VN之外，本領域具通常知識者可根據不同的負載狀態，設計其對應之供應電壓VDD，而不限於此。另外，邏輯電路264根據感測器250所偵測之感測訊號SEN，判斷負載電阻RL之負載。感測訊號SEN較佳地正比於輸出電流IOUT，但不限於此。
關於脈波寬度調變控制器262之細節，請參考第3圖，第3圖為脈波寬度調變控制器262之示意圖。脈波寬度調變控制器262包含有一第一比較器300、一振盪器302及一第二比較器304。第一比較器300用來比較並放大回授訊號VFB及一參考電壓VREF之差值，以產生一比較結果CMP。振盪器302用來產生一振盪訊號VOSC。第二比較器304用來比較比較結果CMP及振盪訊號VOSC，以產生脈波寬度調變訊號PWM。脈波寬度調變控制器262之操作非本發明之重點，且為本領域具通常知識者所熟知，在此不贅述。
另外，回授模組220較佳地包含有一第一電阻222及一第二電阻224，用來產生輸出電壓VOUT之一分壓作為回授訊號VFB。
直流轉換器20及控制裝置260之操作可歸納為一流程40，如第4圖所示。流程40包含以下步驟：步驟400：開始。
步驟402：感測器250偵測輸出電流IOUT，以產生感測訊號SEN。
步驟404：邏輯電路264根據感測訊號SEN，產生選擇訊號SEL。
步驟406：多工器266根據選擇訊號SEL，從電壓V1～VN中選擇一電壓作為供應電壓VDD。
步驟408：同相放大器236及反相放大器238在供應電壓VDD的條件下，根據脈波寬度調變訊號VPWM，控制上橋開關電晶體232及下橋開關電晶體234之導通狀態，以降低直流轉換器20之切換損失及導通損失。
步驟410：輸出模組240根據開關模組230之切換結果，對輸出電容244執行充電/放電，以產生輸出電壓VOUT。
步驟412：結束。
流程40之說明可參考前述，在此不贅述。
在先前技術中，降壓轉換器10之開關模組130之供應電壓VDD為固定，無法根據負載電流IOUT之大小而改變，使得降壓轉換器10之效能受切換損失及導通損失的影響而降低。相較之下，直流轉換器20可根據負載狀態，例如輕載、重載等，調整開關模組230之供應電壓VDD，以降低切換損失及導通損失，進而提升直流轉換器20的效能。
綜上所述，本發明透過偵測負載電流，調整直流轉換之開關功率元件之供應電壓，以降低直流轉換器之切換損失及導通損失。
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。
CMP．．．比較結果
IOUT．．．輸出電流
GND．．．地端
N1．．．節點
RL．．．負載電阻
SEL．．．選擇訊號
SEN．．．感測訊號
V1、VN．．．電壓
VDD．．．供應電壓
VFB．．．回授訊號
VIN1．．．第一輸入電壓
VIN2．．．第二輸入電壓
VOSC．．．振盪訊號
VOUT．．．輸出電壓
VPWM．．．脈波寬度調變訊號
VPWMB．．．反相訊號
VREF．．．參考訊號
10．．．降壓轉換器
20．．．直流轉換器
40．．．流程
100、200．．．輸入端
110．．．低通模組
120．．．控制模組
140、210．．．輸出端
160、220．．．回授模組
222．．．第一電阻
224．．．第二電阻
130、230．．．開關模組
132、232‧‧‧上橋開關電晶體
134、234‧‧‧下橋開關電晶體
136、236‧‧‧同相放大器
138、238‧‧‧反相放大器
150、240‧‧‧輸出模組
152、244‧‧‧輸出電容
154、242‧‧‧輸出電感
250‧‧‧感測器
260‧‧‧控制裝置
262‧‧‧脈波寬度調變控制器
264‧‧‧邏輯電路
266‧‧‧多工器
270‧‧‧輸入模組
112、272‧‧‧輸入電感
114、274‧‧‧輸入電容
300‧‧‧第一比較器
302‧‧‧振盪器
304‧‧‧第二比較器
400、402、404、406、408、410、412‧‧‧步驟
第1圖為先前技術一降壓轉換器之示意圖。
第2圖為本發明實施例一直流轉換器之示意圖。
第3圖為第2圖之直流轉換器中之一脈波寬度調變控制器之示意圖。
第4圖為本發明實施例一流程之示意圖。
IOUT．．．輸出電流
GND．．．地端
RL．．．負載電阻
SEL．．．選擇訊號
SEN．．．感測訊號
V1、VN．．．電壓
VDD．．．供應電壓
VFB．．．回授訊號
VIN1．．．第一輸入電壓
VIN2．．．第二輸入電壓
VOUT．．．輸出電壓
VPWM．．．脈波寬度調變訊號
VPWMB．．．反相訊號
20．．．直流轉換器
200．．．輸入端
210．．．輸出端
220．．．回授模組
222．．．第一電阻
224．．．第二電阻
230．．．開關模組
232．．．上橋開關電晶體
234．．．下橋開關電晶體
236．．．同相放大器
238．．．反相放大器
240．．．輸出模組
242．．．輸出電感
244．．．輸出電容
250．．．感測器
260．．．控制裝置
262．．．脈波寬度調變控制器
264．．．邏輯電路
266．．．多工器
270．．．輸入模組
272．．．輸入電感
274．．．輸入電容
Claims (16)
- 一種用於一直流轉換器之控制裝置，包含有：一脈波寬度調變控制器，用來根據該直流轉換器之一回授訊號，產生一脈波寬度調變訊號至該直流轉換器之一開關模組；一邏輯電路，用來根據該直流轉換器之一輸出電流之大小，產生一選擇訊號；以及一多工器，耦接於複數個電壓及該邏輯電路，用來根據該選擇訊號，選擇該複數個電壓之一電壓作為該開關模組中耦接於該脈衝寬度調變訊號的複數個放大器的一供應電壓。
- 如請求項1所述之控制裝置，其中該複數個電壓對應於該直流轉換器的一負載電阻之複數個負載狀態。
- 如請求項2所述之控制裝置，其中該邏輯電路係於該輸出電流顯示該負載電阻處於該複數個狀態之一輕載狀態時，透過產生對應之該選擇訊號，指示該多工器選擇該複數個電壓中之一低電壓作為該供應電壓，以降低該開關模組之一切換損失。
- 如請求項2所述之控制裝置，其中該邏輯電路於該輸出電流顯示該負載電阻處於該複數個狀態之一重載狀態時，透過產生對應之該選擇訊號，指示該多工器選擇該複數個電壓中之一高電壓作為該供應電壓，以降低該開關模組之一導通損失。
- 如請求項1所述之控制裝置，其中該邏輯電路根據正比於該輸出電流之一感測訊號，判斷該直流轉換器之一負載電阻之負載，以產生該選擇訊號。
- 如請求項1所述之控制裝置，其中該脈波寬度調變控制器包含有：一第一比較器，用來比較並放大該回授訊號及一參考電壓之差值，以產生一比較結果；一振盪器，用來產生一振盪訊號；以及一第二比較器，耦接於該第一比較器及該振盪器，用來比較該比較結果及該振盪訊號，以產生該脈波寬度調變訊號。
- 一種直流轉換器，包含有：一輸入端，用來接收一輸入電壓；一輸出端，用來輸出一輸出電壓；一回授模組，耦接於該輸出端，用來根據該輸出電壓，產生一回授訊號；一開關模組，包含有：一前級端，用來接收一脈波寬度調變訊號；一後級端；一電源端，用來接收一供應電壓；一上橋開關電晶體，耦接於該輸入端、該前級端及該後級 端，用來根據該脈波寬度調變訊號，控制該輸入端至該後級端之導通狀態；以及一下橋開關電晶體，耦接於該前級端、該後級端及一地端，用來根據該脈波寬度調變訊號之一反相訊號，控制該後級端至該地端之導通狀態；一輸出模組，包含有：一輸出電感，其一端耦接於該開關模組之該後級端，另一端耦接於該輸出端；以及一輸出電容，其一端耦接於該輸出端，另一端耦接於該地端；一感測器，耦接於該輸出電感，用來感測該直流轉換器之一輸出電流，以產生一感測訊號；以及一控制裝置，包含有：一脈波寬度調變控制器，耦接於該回授模組，用來根據該回授訊號，產生該脈波寬度調變訊號至該開關模組；一邏輯電路，用來根據該直流轉換器之一輸出電流之大小，產生一選擇訊號；以及一多工器，耦接於複數個電壓及該邏輯電路，用來根據該選擇訊號，選擇該複數個電壓之一電壓作為該供應電壓。
- 如請求項7所述之直流轉換器，其另包含有：一輸入電感，其一端耦接於該輸入端，另一端耦接於該上橋開關電晶體；以及一輸入電容，其一端耦接於該輸入電感及該上橋開關電晶體之 間，另一端耦接於一地端。
- 如請求項7所述之直流轉換器，其中該開關模組另包含有：一同相放大器，耦接於該前級端、該電源端、該地端及該上橋開關電晶體之間，用來放大該脈波寬度調變訊號；以及一反相放大器，耦接於該前級端、該電源端、該地端及該下橋開關電晶體之間，用來放大該脈波寬度調變訊號並產生該脈波寬度調變訊號之該反相訊號。
- 如請求項7所述之直流轉換器，其中該複數個電壓對應於該負載電阻之複數個負載狀態。
- 如請求項10所述之直流轉換器，其中該邏輯電路於該感測訊號顯示該負載電阻處於該複數個狀態之一輕載狀態時，透過產生對應之該選擇訊號，指示該多工器選擇該複數個電壓中之一低電壓作為該供應電壓，以降低該開關模組之一切換損失。
- 如請求項10所述之直流轉換器，其中該邏輯電路於該感測訊號顯示該負載電阻處於該複數個狀態之一重載狀態時，透過產生對應之該選擇訊號，指示該多工器選擇該複數個電壓中之一高電壓作為該供應電壓，以降低該開關模組之一導通損失。
- 如請求項7所述之直流轉換器，其中該邏輯電路根據該感測訊 號，判斷該負載電阻之負載，以產生該選擇訊號。
- 如請求項7所述之直流轉換器，其中該感測訊號正比於該輸出電流。
- 如請求項7所述之控制裝置，其中該脈波寬度調變控制器包含有：一第一比較器，用來比較並放大該回授訊號及一參考電壓之差值，以產生一比較結果；一振盪器，用來產生一振盪訊號；以及一第二比較器，耦接於該第一比較器及該振盪器，用來比較該比較結果及該振盪訊號，以產生該脈波寬度調變訊號。
- 如請求項1所述之直流轉換器，其中該回授模組包含有：一第一電阻，其一端耦接於該輸出端，另一端耦接於該脈波寬度調變控制器；以及一第二電阻，其一端耦接於該第一電阻與該脈波寬度調變控制器，另一端耦接於該地端。
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|---|---|---|---|
| TW98135890A TWI394356B (zh) | 2009-10-23 | 2009-10-23 | 用於直流轉換器之控制裝置及其相關直流轉換器 |
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