TWI399037B - 一種穩定可調變增益之斜波產生器、穩定可調變增益之電源轉換系統及方法 - Google Patents

Description

一種穩定可調變增益之斜波產生器、穩定可調變增益之電源轉換系統及方法

本發明係有關一種斜波產生器(ramp generator)，更明確地說，係有關一種穩定可調變增益之斜波產生器。

請參考第1圖。第1圖係為說明一先前技術之降壓式(buck)電源轉換器100之示意圖。降壓式電源轉換器100係用來將一輸入電壓源V_IN 之電壓降低以產生一輸出電壓V_OUT 。降壓式電源轉換器100包含一功率開關Q₁ 、一電感L、一二極體D₁ 、一電容C_OUT 、兩電阻R₁ 及R₂ ，以及一工作週期調整器110。工作週期調整器包含一比較器CMP₁ 、一誤差放大器111，以及一斜波產生器112。於第1圖中，各元件之連接關係已明顯揭露，於此不再贅述。其中V_SS 為一電壓源，如地端。在第1圖中，電阻R₁ 及R₂ 根據輸出電壓V_OUT ，產生回授電壓V_FB 並傳送至誤差放大器111之負輸入端。誤差放大器111再根據回授電壓V_FB 及參考電壓V_REF ，產生責任電壓V_DUTY ，並傳送至比較器CMP₁ 之輸入端。比較器CMP₁ 比較一來自於斜波產生器112之斜波訊號(ramp signal)V_RAMP 以及責任電壓V_DUTY ，據以產生開關控制訊號S_SW 。開關控制訊號S_SW 為一脈寬調變訊號(Pulse Width Modulation，PWM)。當開關控制訊號S_SW 為低電壓準位時，功率開關Q₁ 導通；當開關控制訊號S_SW 為高電壓準位時，功率開關Q₁ 關閉。因此，工作週期調整器110便可根據回授電壓V_FB ，開關控制訊號S_SW ，以決定功率開關Q₁ 是否導通，而使輸出電壓V_OUT 之電壓準位維持在一預設電壓準位。

請參考第2圖。第2圖係為說明在第1圖中之開關控制訊號S_SW 與輸出電壓V_OUT 關係之示意圖。其中開關控制訊號S_SW 之工作週期D、輸出電壓V_OUT 與輸入電壓V_IN 之間的關係可由下列公式表示：

D=T_ON /T_S =V_DUTY /V_{RAMP_PTP} ...(1)；

V_OUT /V_IN =D=V_DUTY /V_{RAMP_PTP} ...(2)；

其中T_ON 表示功率開關Q₁ 導通的時間，T_S 表示開關控制訊號S_SW 一個週期的時間、D表示工作週期、V_{RAMP_PTP} 表示斜波訊號V_RAMP 的峰對峰電壓(peak-to-peak voltage)。又降壓式電源轉換器100之可調變增益(Modulator Gain)G_Modulator 與迴路增益(Loop Gain)G_Loop 可由下列公式表示：

G_Modulator =ΔV_OUT /ΔV_DUTY =Δ[V_IN ×(V_DUTY /V_{RAMP_PTP} )]/ΔV_DUTY =V_IN /V_{RAMP_PTP} ...(3)；

G_Loop =(V_IN /V_{RAMP_PTP} )×(V_REF /V_OUT )=G_Modulator ×(V_REF /V_OUT )...(4)；

如第2圖所示，當輸入電壓V_IN 下降時，輸出電壓V_OUT 會隨之下降，而使回授電壓V_FB 下降，因此責任電壓V_DUTY 上升。此時比較器CMP₁ 比較斜波訊號V_RAMP 及上升的責任電壓V_DUTY 之後，會產生一具有較長之責任週期D之開關控制訊號S_SW (如第2圖中時段T_x 所示)，而使輸出電壓V_OUT 回升至預設電壓準位，然而在輸入電壓V_IN 不穩定時(無論突升或突降)，由公式(3)與(4)可知，其將影響降壓式電源轉換器100之可調變增益G_Modulator 和迴路增益G_Loop ，而使輸出電壓不穩定。

因此，在先前技術之電源轉換器中，當輸入電壓不穩定時，會影響電源轉換器的可調變增益而使輸出電壓變得不穩定，造成使用者極大的不便。

本發明之一實施例係提供一種斜波產生器，可依據輸入訊號之變動而產生並調整斜波訊號，藉以穩定可調變增益。該斜波產生器包含一斜波電容、一充電電流模組，以及一放電模組。該斜波電容用來輸出該斜波訊號。該充電電流模組用來根據一輸入電壓源之電壓與一輸入參考電壓，產生一對應大小之充電電流，以對該斜波產生電容進行充電。該放電模組用以比較該斜波訊號以及一臨界電壓，以使該斜波產生電容放電，其中該臨界電壓係依據該充電電流而變化。

本發明之一實施例提供一種穩定一電源轉換系統之可調變增益之方法。該方法包含根據一輸入電壓源之電壓，調整一充電電流、以該充電電流對一斜波產生電容充電，產生一斜波訊號、根據該輸入電壓源之電壓，調整一臨界電壓，以及當該斜波訊號大約高於或等於該臨界電壓時，對該斜波產生電容進行放電，以使該可調變增益大約為一定值。

請參考第3圖。第3圖係為本發明較佳實施例之斜波產生器300之方塊圖。如第3圖所示，斜波產生器300包含一斜波電容C_RAMP 、一充電電流模組310以及一放電模組320。藉由偵測輸入電壓V_IN 之變化，斜波產生器300可產生並調整斜波訊號V_RAMP 之峰對峰值V_{RAMP_PTP} ，因而使得可調變增益約略維持一定值。

當斜波訊號V_RAMP 降低至低臨界電壓V_L (定值)時，充電電流模組310便會開始對斜波電容C_RAMP 充電，以提升斜波訊號V_RAMP 的電壓；當斜波訊號V_RAMP 上升至高臨界電壓V_H 之電壓準位時(大約等於或高於)，放電模組320對斜波電容C_RAMP 進行放電，以降低斜波訊號V_RAMP 。因此，斜波訊號V_RAMP 的高峰值便為高臨界電壓V_H ；斜波訊號V_RAMP 的低峰值便為低臨界電壓V_L 。換句話說，斜波訊號V_RAMP 的峰對峰值V_{RAMP_PTP} 便為(V_H -V_L )。斜波產生器300遂藉由充電電流模組310與放電模組320的反覆充放電過程而形成週期性的斜波訊號V_RAMP 。

充電電流模組310之一電路實施方式係如第4圖所示，充電電流模組310包含一定電流源511以及一補充電流源512。定電流源511用來產生輸入參考電流I_REF 、補充電流源512用來產生補充電流ΔI，而輸入參考電流I_REF 與補充電流ΔI的和即為充電電流I_C 。

定電流源511包含一電晶體Q₄ 、一運算放大器OP₃ 以及一輸入參考電阻R_REF 。運算放大器OP₃ 之一輸入端接收輸入參考電壓V_{IN_REF} ；藉由運算放大器OP₃ 控制電晶體Q₄ ，得定電流源511便可產生大小為(V_{IN_REF} /R_REF )的電流，並將其設為輸入參考電流I_{IN_REF} 。

補充電流源512包含兩電晶體Q₂ 及Q₃ 、兩運算放大器OP₁ 及OP₂ 以及一調整電阻R_X1 。運算放大器OP₁ 之一輸入端接收輸入參考電壓V_{IN_REF} 、運算放大器OP₂ 之一輸入端接收輸入電壓V_IN ；藉由運算放大器OP₁ 與OP₂ 分別控制電晶體Q₂ 與Q₃ ，補充電流源512便可產生大小為[(V_IN -V_{IN_REF} )/R_X1 ]的電流，並將其設為補充電流ΔI。

充電電流I_C 可對斜波電容C_RAMP 充電，其可以下式表示：

I_C =I_REF +ΔI=I_REF +ΔV_IN /R_X =V_{IN_REF} /R_REF +(V_IN -V_{IN_REF} )/R_X ...(5)；

因此由上式可看出充電電流I_C 會隨著輸入電壓V_IN 改變而改變。

第5圖為本發明較佳實施例之斜波產生器之充電電流模組310之另一電路實施方式示意圖。如第5圖所示，充電電流模組310包含一定電流源611以及一補充電流源612。定電流源611運作原理與之前所述之定電流源511相同，於此不再贅述。

補充電流源612包含一次補充電流源6121以及一乘法器6122。次補充電流源6121運作原理與第4圖中之補充電流源512相同，因此，電阻R_X2 上會橫跨電壓差(V_IN -V_{IN_REF} )使得電晶體Q₆ 汲取的電流大小為[(V_IN -V_{IN_REF} )/R_X2 ]，並將其設定為差異電流I_M ^。 乘法器6122包含一比較器CMP₂ 、一低通濾波器LPF、一開關SW₁ 以及一電阻R_M 。乘法器6122係用來將次補充電流源6121所產生的差異電流I_M ，乘以I_{IN_REF} 倍，以產生補充電流ΔI。換句話說^， 第5圖中之調整電阻R_X2 的阻值應為第4圖中之調整電阻R_X1 的阻值的I_{IN_REF} 倍，如此補充電流源612與512所產生的補充電流ΔI大小便為相同。

於乘法器6122中，比較器CMP₂ 接收一外部斜波訊號V_{RAMP_EXT} 以及輸入參考電壓V_{IN_REF} ；比較器CMP₂ 比較外部斜波訊號V_{RAMP_EXT} 與輸入參考電壓V_{IN_REF} ，以產生一開關控制訊號S_M ^， 來控制開關SW₁ 開啟或關閉。當開關SW₁ 開啟(其控制端1耦接至控制端2)時，差異電流I_M 會直接流通到電壓源V_CC 而不會流進低通濾波器LPF；反之，當開關SW₁ 關閉(其控制端1耦接至控制端C)時，差異電流I_M 會直接流進低通濾波器LPF。而低通濾波器LPF係將流進低通濾波器LPF的差異電流I_M 平均，如此以完成乘上I_{IN_REF} 倍的效果。

此外，放電模組320之一電路實施方式係如第6圖所示，放電模組320包含一比較器CMP₃ 、一開關SW₂ 、一臨界電壓電路321以及一放電電源322。臨界電壓電路321根據來自充電電流模組310之充電電流I_C ，以產生高臨界電壓V_H ，並輸入至比較器CMP₁ 之負輸入端。於第6圖中，臨界電壓電路321可以一臨界電阻R_H 來實現。比較器CMP₃ 用來接收斜波訊號V_RAMP 與高臨界電壓V_H ，並比較斜波訊號V_RAMP 與高臨界電壓V_H 以產生放電觸發訊號S_c 。當斜波訊號V_RAMP 上升至高臨界電壓V_H 之電壓準位時(大約等於或高於)，比較器CMP₃ 輸出代表「導通」的放電觸發訊號S_c 至開關SW₂ 之控制端C，以使開關SW₂ 之控制端1耦接開關SW₂ 之控制端2。因此，放電電源322透過開關SW₂ 耦接至斜波電容C_RAMP ，而從斜波電容C_RAMP 汲取放電電流I_D ，以對斜波電容C_RAMP 進行放電，來降低斜波訊號V_RAMP 。此外，放電電源322可以一電壓源V_D 來實現。

本實施例中放電模組320的高臨界電壓V_H 會動態地改變。更明確地說，放電模組320係根據充電電流I_c 的大小，決定高臨界電壓V_H 的大小。高臨界電壓V_H 可以下式表示：

V_H =V_{H_REF} +ΔV_H =V_{H_REF} +ΔI×R_H ...(6)；

其中V_{H_REF} 表示高臨界參考電壓(定值)、ΔV_H 表示補充臨界電壓、R_H 表示臨界電阻；ΔV_H 等於ΔI×R_H (隨輸入電壓V_IN 改變而改變)，因此由上式可看出高臨界電壓V_H 會隨著充電電流I_C 改變而改變。而由於斜波訊號V_RAMP 的峰對峰值V_{RAMP_PTP} 為(V_H -V_L )，且低臨界電壓V_L 為定值，因此斜波訊號V_RAMP 的峰對峰值V_{RAMP_PP} 便會隨著高臨界電壓V_H 而改變。更進一步地說，由於輸入電壓V_IN 會影響充電電流I_C 的大小，且充電電流I_C 亦會影響高臨界電壓V_H 的大小，因此可推知斜波訊號V_RAMP 的峰對峰值V_{RAMP_PTP} 會隨著輸入電壓V_IN 的大小而改變。也就是說，當輸入電壓V_IN 改變時，斜波訊號V_RAMP 的峰對峰值V_{RAMP_PTP} 會隨之改變，因而能夠使得可調變增益約略穩定於一定值。

第7圖係本發明較佳實施例之斜波產生器中相關訊號之示意圖。從第7圖可看出，本發明之精神係在於當輸入電壓V_IN 改變時，充電電流I_C 的大小與高臨界電壓V_H 的大小隨之改變，而使斜波訊號V_RAMP 之峰對峰值V_{RAMP_PTP} 也跟著改變，如此一來可調變增益將約略穩定於一定值。如第7圖所示，當輸入電壓V_IN 上升(增加ΔV_IN )時，充電電流I_C 上升(增加ΔI)、高臨界電壓V_H 亦上升(增加ΔV_H )，而斜波訊號V_RAMP 的峰對峰值V_RAM P_{_PTP} 亦隨之改變，如此以讓可調變增益維持為定值。

第8圖係本發明較佳實施例之斜波產生器300之電路示意圖。於第8圖中，充電電流模組310係以第5圖之電路實施方式為例以使讀者充分了解；然亦可以第4圖之實施方式或其他方式來實現。於第8圖中，額外增加了電晶體Q₇ 、Q₈ 與Q₉ 。電晶體Q₇ 與Q₈ 形成一電流鏡以複製充電電流I_C ，來對斜波電容C_RAMP 充電。電晶體Q₇ 與Q₉ 形成另一電流鏡，以複製充電電流I_C ，以使臨界電阻R_H 上產生臨界電壓V_H 。充電電流模組310之工作原理與與結構如同第5圖所示。充電電流模組310根據輸入參考電壓V_{IN_REF} 以及輸入電壓源V_IN 之電壓(設為輸入電壓V_IN )，產生一充電電流I_C 。第8圖之電路運作原理與前述相同，於此不再贅述。

此外，雖然於本發明之實施例中，僅舉輸入電壓V_IN 升高為例，然而輸入電壓V_IN 下降的情況，亦包含於本發明中。更明確地說，當輸入電壓V_IN 下降時，充電電流I_C 與高臨界電壓V_H 亦會隨之下降，以調降斜波訊號V_RAMP 的峰對峰值V_{RAMP_PTP} ，來使得可調變增益仍能約略穩定於一定值。

請參考第9圖。第9圖係為應用本發明之斜波產生器之降壓式電源轉換器900之示意圖。除了斜波產生器300之外，降壓式電源轉換器900之結構及工作原理與第1圖中降壓式電源轉換器100類似，故不再贅述。由於降壓式電源轉換器900使用了本發明之斜波產生器300，因此其可調變增益不會隨著輸入電壓V_IN 改變而改變，而是維持在一定值。如此降壓式電源轉換器900便可提供穩定的輸出電壓V_OUT 。

此外，雖然於本發明中僅舉應用本發明之斜波產生器之降壓式電源轉換器為例，然其他類型之電源轉換器，如升壓式電源轉換器、升/降壓式電源轉換器，皆可利用本發明之斜波產生器，以得到不隨輸入電壓改變的可調變增益。其他類型之電源轉換器為業界所習知，故不在本文中贅述。

綜上所述，本發明之斜波產生器可根據輸入電壓以調整斜波訊號。因此，利用本發明之斜波產生器，當電源轉換器之輸入電壓不穩定時，電源轉換器之可調變增益仍可維持不變，進而產生更穩定的輸出電壓，提供給使用者更大的便利性。

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。

100、900．．．降壓式電源轉換器

110．．．工作週期調整器

111．．．誤差放大器

112、300．．．斜波產生器

310．．．充電電流模組

320．．．放電模組

321．．．臨界電壓電路

322．．．放電電源

511、611．．．定電流源

512、612．．．補充電流源

6121．．．次補充電流源

6122．．．乘法器

CMP₁ 、CMP₂ 、CMP₃ ．．．比較器

D₁ ．．．二極體

I_C ．．．充電電流

I_D ．．．放電電流

I_M ．．．差異電流

I_REF ．．．輸入參考電流

L．．．電感

LPF．．．低通濾波器

OP₁ 、OP₂ 、OP₃ 、OP₄ 、OP₅ ．．．運算放大器

Q₁ ．．．功率開關

Q₂ 、Q₃ 、Q₄ 、Q₅ 、Q₆ 、Q₇ 、Q₈ 、Q₉ ．．．電晶體

R₁ 、R₂ 、R_M ．．．電阻

R_H ．．．臨界電阻

R_X ．．．調整電阻

S_C ．．．放電觸發訊號

S_SW 、S_M ．．．開關控制訊號

SW₁ 、SW₂ ．．．開關

T_ON 、T_X ．．．導通時間

T_S ．．．週期

V_DUTY ．．．責任電壓

V_FB ．．．回授電壓

V_H ．．．臨界電壓

V_{H_REF} ．．．臨界參考電壓

V_IN ．．．輸入電壓

V_{IN_REF} ．．．輸入參考電壓

V_OUT ．．．輸出電壓

V_RAMP ．．．斜波訊號

V_{RAMP_EXT} ．．．外部斜波訊號

V_REF ．．．參考電壓

V_CC 、V_SS 、V_D ．．．電壓源

ΔI．．．補充電流

ΔV_H ．．．臨界電壓差

ΔV_IN ．．．輸入電壓差

第1圖係為說明一先前技術之降壓式電源轉換器之示意圖。

第2圖係為說明在第1圖中之開關控制訊號與輸出電壓關係之示意圖。

第3圖係為本發明之可維持可調變增益不變之斜波產生器之方塊圖。

第4圖係為本發明之斜波產生器之充電電流模組之第一實施例之示意圖。

第5圖係為本發明之斜波產生器之充電電流模組之第二實施例之示意圖。

第6圖係為本發明之放電模組之實施例之示意圖。

第7圖係為說明本發明之斜波產生器所產生之斜波訊號根據輸入電壓改變而維持可調變增益不變之示意圖。

第8圖係為本發明之斜波產生器之電路示意圖。

第9圖係為應用本發明之斜波產生器之降壓式電源轉換器之示意圖。

300．．．斜波產生器

310．．．充電電流模組

320．．．放電模組

I_C ．．．充電電流

I_D ．．．放電電流

C_RAMP ．．．斜波電容

V_RAMP ．．．斜波訊號

V_SS ．．．電壓源

V_IN ．．．輸入電壓

V_{IN_REF} ．．．輸入參考電壓

Claims (8)

1. 一種穩定可調變增益之斜波產生器(ramp generator)，用來產生一斜波訊號(ramp signal)，該斜波產生器包含：一斜波電容，用來輸出該斜波訊號；一充電電流模組，用來根據一輸入電壓源之電壓與一輸入參考電壓，產生一對應大小之充電電流，以對該斜波電容進行充電，該充電電流模組包含：一定電流源，用來根據該輸入參考電壓，產生對應大小之輸入參考電流；以及一補充電流源，用來根據該輸入電壓源之電壓與該輸入參考電壓之差異，產生一補充電流；以及一放電模組，用以比較該斜波訊號以及一臨界電壓，以使該斜波電容放電，其中該臨界電壓係依據該充電電流而變化；其中，該輸入參考電流與該補充電流之總和即為該充電電流。
2. 如請求項1所述之斜波產生器，其中該放電模組包含：一臨界電壓電路，用來根據該充電電流，產生該臨界電壓；一比較器，用來根據該臨界電壓與該斜波訊號，輸出一放電觸發訊號；以及一放電電路，用來根據該放電觸發訊號，對該斜波電容放電。
3. 如請求項2所述之斜波產生器，其中該臨界電壓電路包含： 一臨界電阻，用來將該充電電流，轉換成該臨界電壓。
4. 如請求項2所述之斜波產生器，其中該放電電路包含：一放電電源；以及一開關，用來根據該放電觸發訊號，將該斜波電容耦接至該放電電壓源以進行放電。
5. 如請求項1所述之斜波產生器，其中該補充電流源包含：一次補充電流源，用來根據該輸入電壓源之電壓與該輸入參考電壓之差異，產生一差異電流；以及一乘法器，包含：一比較器，用來根據該輸入參考電壓與一外部斜波訊號，產生一開關控制訊號；一低通濾波器，用來輸出該補充電流；以及一開關，耦接於該次補充電流源與一定電壓源之間，用來根據該開關控制訊號，將該差異電流導通至該定電壓源或該低通濾波器；其中該輸入參考電流與該補充電流之總和即為該充電電流。
6. 一種穩定一電源轉換系統之可調變增益之方法，包含：根據一輸入電壓源之電壓，調整一充電電流；以該充電電流對一斜波電容充電，產生一斜波訊號； 根據該輸入電壓源之電壓，調整一臨界電壓；以及當該斜波訊號大約高於或等於該臨界電壓時，對該斜波電容進行放電，以使該可調變增益大約為一定值。
7. 如請求項6所述之方法，其中根據該輸入電壓源之電壓，調整該充電電流包含：提供一輸入參考電壓；根據該輸入電壓源之電壓與該輸入參考電壓之差異，產生一補充電流；以及合併該輸入參考電壓對應之一輸入參考電流與該補充電流，作為該充電電流。
8. 如請求項7所述之方法，其中根據該輸入電壓源之電壓，調整該臨界電壓包含：根據該充電電流，產生該臨界電壓。