TWI328157B - Transient voltage compensation apparatus and switching power using the same - Google Patents

Description

1328157 ， 94295 18541twf.doc/g 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種交換式電源供應器，且特別是有 關於一種當電源供應器的負載由輕載轉重載時，用以補償 暫態輸出賴下衝突波(undershGGt);或者是# t源供應器 • 的負載由輕載轉重載時用以補償暫態輸出電壓上衝突波 . (overshoot)的裝置與使用此裝置之電源供應器。 【先前技術】 • 隨著各種資訊與軌設備的快速發展，高效率切換式 電源供應器的設計已成為一門結合工程與經驗的學問。切 換式電源供應器在諸多應用中用於功率轉換， 照明用換流器以及電信設備。以一般二=式 電源供應器來說，負載由輕載轉重载的切換瞬間，由於直 流轉直流的切換式電源供應器之能量，無法及時供應，會 造成輸出f壓瞬間下降，而產生下衝突波(undejrsh㈣。然 而，在許多的應用上來說，一個穩定的電壓出輸，電壓瞬 φ 間下降的問題發生是應該被抑制在容許範圍内。 美商英代爾（Intel)公司在中央處理器所使用的電源 上制疋了中央處理器規範（Voltage Regulator Down, γκχ))。在此規範中規定了，電源供應器的輸出電壓需根據 中央處理器的需求來改變。 然而，現代的中央處理器在高負荷運行時，動則上百 瓦特的功率消耗。而中央處理器在低負荷運行時，-般約 五瓦特。現代一般中央處理器的核心電塵大約在IV到2V 之間，假設一中央處理器的核心電壓】V，中央處理哭在高 5 1328157 94295 1854 ] twf.doc/g 負:荷運行時假化肖耗瓦特數為_、時，此時 應贏的電流’ Μ央處理 行時應 電源供應器只需供應例如5八的電流。 』《丁崎， 若中央處理器由低負荷運行轉變古 源供應器的負載亦由輕載轉變為重‘、、、：主：仃寸’電 :二:會=央4理器因核心電壓下降進入保c 另外，對-個電腦使用者來說，若電成腦中在央貝毁。 無法被使用者所接受的。若中央處】 =，機，是 為低負荷運行時，電源供庫哭由尚負何運行轉變 番 ’、七、應。。的負載亦由重載轉變在私 载，此時電源供應器的電I合瞬 =象，除了會造成心;：== ξ額外功率消耗外’甚至還有可能會造成中央處:器= 【發明内容】 用此目的就是在提供—種暫態電_償裝置盘使 供應器’當此電源轉換器的輪出負載由ί 持穩定，提高電源供應器暫態響應…吏其輸出辑 本發明的再-目的就是在提供 置，用以控制一電源轉換器，^電[韻裝 重載轉輕載時，使其輸出電塵;持==輸出負載由 暫態響應。 寺％ ‘鬲電源供應器 本發明的又-目的是提供一種使用暫態電塵補償裝置 6 94295 18541twf.d〇c/g 山^^應°。用以當輸出負載由重載轉輕載時，降低輪 電壓制上升或下降，進—步使得輸出電壓敎，提高 電源供應器暫態響應。 本發明-種暫態電壓補償裝置，連接電源轉換器，此 J源轉，具有—電源輸出端，此暫態電壓補償裝置包括 旦一運异放大H、直流阻隔元件、第二運算放大器以及能 f轉移，路。第—運算放大器祕電源輸出端，此第一運 算放大器具有—補償輸出端；直流阻隔元件具有第一端及 第一端’第—端她補償輸出端；第二運算放大器減第 1 ’及參考訊號端，第二運算放All具有能量控制端； ，量轉移電路耦接能量控制端，此能量轉移電路具有電源 提供端及補償端，其中補償端耦接電源輸出端。 、 依照本發明的較佳實施例所述之暫態電壓補償裝置， 上述之能量轉移電路包括阻抗元件以及開關元件。阻抗元 件的一端為能量轉移電路的電源提供端。開關元件的開關 控制端為能量轉移電路的控制端，開關元件的開關第一端 耦接阻抗元件的另一端，開關元件的開關第二端為能量轉 移電路的補償端。 本發明提出一種電源供應器，此電源供應器包括電源 轉換益、第一運鼻放大器、切換比較電路、直流阻隔元件、' 第一運异放大器以及能量轉移電路。電源轉換器包括輸入 端以及輸出端。第一運算放大器耦接電源輸出端，第一運 算放大器具有一補償輸出端。直流阻隔元件具有第一端及 1328157 94295 18541twf.doc/g 第而第^ 而耦接補償輸出端。切換比較電路耦接補償 輸出端並接收錯齒訊號，根據補償輸出端之訊號以及織 。孔，的差異’產生脈寬調變訊號以控制電源轉換器。第二 運算放^器輕接第二端，及參考訊號端，第二運算放大器 =有-能量控制端。能量轉移電路㈣能量控制端，能量 路具有電源提供端及補償端，其中補償端输電源 &曰Si發明的較佳實施例所述之電源供應器，上述之 = Γ阻抗元件以及開關元件。阻抗元件的-的電源提供端。開關元件的開關控制端 抗=的另i山的控制端’開關元件的開關第一端轉接阻 的補償端。一"而’開關元件的開關第二端為能量轉移電路 器的輸入』輸::::用路耦接在電源轉換 ;載轉重載時，擷取_;==:= 量轉移電路兩端之間的電路導ί 電壓不會在輕載轉重載時瞬 輸出 用能量轉移電路輕接在電源軒:χ日白、另一方面採 應器所見到的負載由重載轉=夕、=:間。當電源供 輪_號之交流成分，控=量==㈣所 夕餘月b里，使付輸出電壓稃宏一 I王曰7 i杨疋，如向電源供應器暫態響應。 1328157 94295 18541twf.doc/g 為讓本發Θ之上述和其他目的、特徵和優 2下了文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，4細ί 【實施方式】 、“、由於先前，供應器技術中’會有在重載輕載轉態時 ^成電源供應器的輸出電壓瞬間下降，除了造成使的 不便利外，更容易造成負載的損毁，因此本發明提出用以 補償暫態欠電壓的裝置與使用此裝置之電源供應 便用實施例配合圖示說明本發明。 圖1繪示為本發明實施例使用暫態電壓補償 器，請參考圖i，此電源供應器包括電源轉 ^ 101 一運算放大器η、直流阻隔元件12、第二運 ^放大器13以及能量轉移電路14。第一運算放大器_ 接電源轉換器10的電源輸出端vl〇，此第一運算放大器 具有—補償輸出端A11。直流阻隔元件12具有第一端 及第二端，第一端耦接補償輸出端All。第二運算放大器 13輕接直流阻隔元件12的第二端及參考訊號端幻2，第 二運f放大器具有能量控制端EC12。能量轉移電路14轉 接能量控制端ECU ’職量轉移電路M具有電源提供端 VP14及補償端CS14 ’其中，補償端⑶4輕接電源轉換 器的電源輸出端V10。 ^值得提的疋’雖然上述實施例中已經對暫態電壓補 4貝裝置以及使用其之電源供應器電路描緣出了一個可能的 型態，但所屬技術領域中具有通常知識者應知，各廠商對 9 94295 1854ltwf.doc/g 於能量轉移電路14的耦接以及其電路的設計方式都不一 樣’因此本發明之應用當不限制於此種可能的型態。換言 之’只要是能量轉移電路14耦接在電源轉換器1〇輸出端 以及一補償電源之間’並且當負載瞬間變化時，擷取由能 量轉換電路所耦接的電源以補償電源供應器的輸出，就已 經是符合了本發明的精神所在。 接下來將舉出數種實施例以便本技術領域者能輕易施 行本發明。 圖2繪示為以圖1實施例所實施的暫態電壓補償裝置 之電路圖。請參考圖2,其中虛線20所圍出來的電路即本 發明實施例的暫態電壓補償裝置電路，虛線21所圍出來的 電路即為習知電源轉換器及其控制電路。此實施例的電路 包括電源轉換器21〇、第一阻抗電路Z1、第二阻抗電路 Z2、運算放大器211、切換比較電路212、直流阻隔元件 201、運异放大器2〇2以及能量轉移電路2〇>在此實施例， 能量轉移電路203包括作為開關元件的電晶體_3、電 阻R203，另外直流阻隔元件2〇1以電容實施，在此並假二 輸入電壓Vin比輸出電壓v。高。 上述圖2電路中，電源轉換器及其控制電路21包 源轉換器2H)、運算放大器211以及切換比較電路212。= 接收電源轉換器之輸出電壓％ (電源輸出 Πί考訊號Vrei。接下來，根據輸出電壓V。以及 ’ vref之差值’輸出補償訊號u補償輪出 )。刀換比較電路212接收補償訊號v_p以及銀齒訊 1328157 * 94295 18541twf.doc/g 號vsaw，根據補償訊號Vc〇mp以及鋸齒訊號vsaw的差異， 產生脈寬調變訊號D以控制電源轉換器210 (電源輪入 端）°然而’這些組件的運行在本領域中係屬於通常知識 者應知’因此無需更為詳細的論述。同樣道理，電源轉換 器可以例如以降壓型(buck)、升降壓型(buck-boost)或其街 生的各種拓僕(f〇rward，flyback..·)來實施，在此無需更為詳 細的論述。 圖3繪示為本發明圖2實施例的電路的操作波形圖。 請同時參考圖2以及圖3，當輕載轉重載時，輸出電流J。 瞬間上升’造成輸出電壓V。瞬間下降。本發明實施例的暫 態過壓補償裝置共用習知電源供應器的運算放大器211 (第一運算放大器），此運算放大器211根據輸出參考訊 號v。·與第一參考訊號Vref輸出補償訊號Vc〇mp藉以控制電 源轉換器210，接下來補償訊號Vc〇mp經由電容2〇1 (直流 阻隔元件）濾除其直流成份，將交流補償訊號Vemnp，ae輸出 至運算放大器202 (第二運算放大器）。 ， 々接下來，運算放大器202將交流補償訊號Vecmp ac以及 第二參考訊號Vcomp，ref作比較後輸出能量轉移電路控制信 號Vc(能量控制端）。電晶體M203的閘極（開關控制端） 接收到能量轉移電路控制信號Vc後導通電晶體M203，將 輸入的能量導入電源轉換器210的輸出端以補償輪出電壓 ν〇。而電阻R203在此實施例中用以作限流的動作，以免 補償過度使輸出電壓過高。利用上述動作得到補償後的輸 1328157 94295 18541twf.doc/g 出電壓V。2，如此便可補償因輕載轉重載時，輸出電壓瞬 間下降，並提高電源供應器的暫態響應。

通常知識者應知，上述實施例中的運算放大器202以 及切換比較電路212，可以用比較器或者是用運算放大器 實施之。另外’開關元件除了本實施例的N型MOS電晶 體M203之外，仍可用p型MOS電晶體、p或N型JFET 電晶體以及P或N型BJT電晶體等等。若使用N型電晶 體作為開關元件’需使用的高側驅動(high side drive)驅動 N型電晶體，此高側驅動技術係屬習知技術，在此無需更 為詳細的論述。此外，電阻R203亦可用jrFET電晶體、 MOSFET電晶體與BJT電晶體的線性區電阻取代，因此本 發明不限於此。

圖4繪示為本發明實施例的另一操作波形圖。此波形 主要疋將原本的第二麥考訊號Vc〇mpref改為交流形式的第 二參考訊號Vcomp，ref2，如此更可以提早導通開關元件 (M203)，有效減少輕載轉重載時的輸出欠電壓之效應。 圖5繪示為本發明實施例之使用暫態過壓補償裝置的 電源供應H電路圖’其中虛線5Q所圍出來的電路即本發明 實施例的暫態過壓補償裂置電路，虛線51戶斤圍出來的電路 即為習知電源轉換器及其控制電路。請參考圖5，此實施 例的電路包括電源轉換器51〇、第一阻抗電路a、第二阻 抗電路Z2、運异放大器511、切換比較電路si〗、直流阻 Pw兀件501、運异放大器5〇2以及能量轉移電路5的。在此 1328157 、 94295 18541twf.doc/g 實施例，能量轉移電路5〇3包括作為開關元件的電晶體 M503、電感L503以及二極體D503 ,另外直流阻隔元件 501用電容來實施。 上述圖5電路中，電源轉換器及其控制電路51包括 電源轉換器510、運算放大器511以及切換比較電路512。 . 運算放大器511接收電源轉換器所輸出之輪出電壓Vo(電 - 源輸出端）與第一參考訊號Vref。接下來，根據輸出電壓 ν〇以及第一參考訊號u之差值，輸出補償訊號v_p。 9 (補償輸出端）切換比較電路512接收補償訊號v_p以 及鋸齒訊號Vsaw，根據補償訊號vec)mp以及鋸齒訊號 的差異，產生脈寬§周變訊號D以控制電源轉換器51 〇 (電 源輸入端）。然而，這些組件的運行在本領域中係屬於通 常知識者應知，因此無需更為詳細的論述。同樣道理，電 源轉換器可以例如以降壓型(buck)、升壓型(boost)、升降壓 型(buck-boost)或其衍生的各種拓僕來實施，在此無需更為 詳細的論述。 _ 圖6繪示為本發明圖5實施例的電路的操作波形圖。 ' 請同時參考圖5以及圖6，當重載轉輕載時，輸出電流工 • 瞬間下降，造成輸出電壓V。瞬間上升。本發明實施^ =暫 態過壓補償裝置共用習知電源供應器的運算放大哭5ιι (第一運具放大器）’此運算放大器511根據輪出電壓 與第一參考訊號vref輸出補償訊號乂印叫藉以控制電源轉 換器510，接下來補償訊號vc〇mp經由電容501 (直流阻p5 13 1328157 94295 18541twf.doc/g 元件）濾除其直流成份，將交流補償訊號Vwmpae輸出至運 算放大器502 (第二運算放大器）。運算放大器5〇2將交 流補償訊號Vcomp，ac以及第二參考訊號\。叫〆作比較後輸 出月b星轉移電路控制“號vc(能量控制端）。電晶體M5〇3 的閘極（開關控制端）接收到能量轉移電路控制信號、 後導通電晶體M503。接下來，將多餘的能量藉由電感· 與二極體D503消耗掉’得到補償後的輸出電壓v〇2，如此 便可補償因重載轉輕載時，輪出電壓瞬間上升。 通常知識者應知，上述實施例中的運算放大器5〇2以 及切換比較電路512，可以用比較器或者是用運算放大器 實施之，故本發明不限於此。 圖7繪不為本發明實施例之使用暫態過壓補償裝置的 電源供應器電路圖。此實施例朗！實施例不同處在於能 ，移電路503改為用抓電晶體⑽3以及電阻謂 =施。此實施例操作類似圖！。同樣道理，將多餘的能量 藉由電阻R503消耗掉，得到補償後的輸出電壓％，然而， 通常知識者應知，開件可用肺τ電晶體、Μ〇·τ 電晶體’另外，電阻R5G3亦可用卿電晶體、MO· 電晶體與BJT電晶體的線性區電阻取代，因此本發明不限 於此。 ^繪示為本發明實施例的另一操作波形圖。此波形 將原本的第二參物虎VC—改為交流形式的第 〜考訊戒VeQ_ ’如此更可以提早導通開關元件 14 1328157 94295 18541twf_doc/g =3、Q503)’有效減少重載轉輕载時的輸出過電壓之效 綜上所述，本發明因採用能量轉移電路輛接 換益的輸入端與輸出端之間。當電源供應器 二 由輕載轉重載時，擷取由電源輸出端所輸出的電壓 成分，控制此能量轉移電路兩端之間的電路導通乂二

在輕載轉重載時瞬間下降，使得輸： 疋，k尚電源供應器暫態響應。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上， 限定本發明，任何«此者，在殘

Ϊ範圍内，當可作些許之更動與潤飾，因此本發 章巳圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 ’、X 【圖式簡單說明】 圖1繪不為本發明實施例使用暫態電壓 源供應器電_。 胃U的電

圖2繪示為以圖1實施例所實施的暫態電壓補償裝置 之電路圖。 圖3繪示為本發明圖2實施例的電路的操作波形圖。 圖4繪示為本發明圖2實施例的電路的操作波形圖。 圖5繪示為本發明實施例之使用暫態過壓補 電源供應器電路圖。 "、 圖6繪示為本發明圖5實施例的電路的操作波形圖。 圖7%示為本發明實施例之使用暫態過壓補償 電源供應器電路圖。 15 1328157 、 94295 3 8541 twf.doc/g 圖8繪示為本發明圖5以及圖7實施例的電路的操作 波形圖。 【主要元件符號說明】 10、20、50 :暫態過壓補償裝置的電路 • 11 :第一運算放大器 • 13 :第二運算放大器 14 :能量轉移電路 21、51 :電源轉換器及其控制電路 • 210、510 :電源轉換器 202、 211、502、511 :運算放大器 212、512 :切換比較電路 12、201、501 :直流阻隔元件、電容 203、 503 :能量轉移電路 V10 :電源輸出端

All :補償輸出端 R12 :參考訊號端 • EC12:能量控制端 , VP14:電源提供端 CS14 :補償端 Z1 :第一阻抗電路 Z2 :第二阻抗電路 M203 : MOS電晶體 L203 :電感 D203 :二極體 16 1328157 94295 18541twf.doc/g v。'：輸出參考訊號

Vref:第一參考訊號 vcomp:補償訊號

Vsaw :踞齒訊號 D :脈寬調變訊號 I。：輸出電流

Vin :輸入電壓 V。：輸出電壓

Vconwc :交流補償訊號 V_p，ref、Vcomp,ref2 :第二參考訊號

Vc :能量轉移電路控制信號 Q503 : BJT電晶體 R203、R503 :電阻

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Claims (1)

1328157 v 94295 18541 twf.doc/g 十、甲請專利範圍： 1二種暫態電補償装置，連接—電源轉換器，該電 源轉換:具有-電源輸出端，此暫態電壓補償裝置包括： 二第-運算放大器’ _接該電源輪出端，該第一運算 放大益具有一補償輸出端； 山一直流阻隔TG件，具有一第一端及一第二端，該第一 力而耦接該補償輸出端； ^ ^ 一第二運算放Alf ’ _該第二端及-參考狀端， 该弟二運算放大器具有—能量控制端；以及 一能量轉移電路，耦接拎At θ 路具有一電源接°亥月匕罝控制端，該能量轉移電 源輪出端。、' 補仏端，其令該補償端輕接該電 复中範圍第1項所述之暫態電屋補财置 ”中轉移電路接收該能量控 斯貝裝置’ 唬’且該電源提供端轉接該 :斤輸出的-控制信 端輕接該電源輸出端，並、二的輸入端，該補償 電源提供端以及該補償端之間的^路k號決定是否導通該 其中該能^轉項所述之暫_補償裝置， —一開關元件，包括—開關控 開關第二端，其中該開關 ：關第一端以及 開關第二端為該補償端。 而連接该淹量控制端，該 4.如申請專利範圍第3項所 /、中該能量轉移電路包括： &電壓補償裝置， 18 1328157 94295 18541twf.doc/g 一阻抗元件，耦接於該電源提供端與該開關第一端之 間。 5. 如申請專利範圍第4項所述之暫態電壓補償裝置， 其中該阻抗元件為一電阻。 6. 如申請專利範圍第1項所述之暫態電壓補償裝置， 更包括： 一切換比較電路，耦接該補償輸出端並接收一鋸齒訊 號，根據該補償輸出端之訊號以及該鋸齒訊號的差異，產 B 生一脈寬調變訊號以控制該電源轉換器。 7. 如申請專利範圍第1項所述之暫態電壓補償裝置， 其中該直流阻隔元件為一電容器。 8. 如申請專利範圍第1項所述之暫態電壓補償裝置， 其中該第一運算放大器的負輸入端耦接該電源輸出端，其 正輸入端接收一參考訊號，其輸出端為該補償輸出端。 9. 如申請專利範圍第8項所述之暫態電壓補償裝置， 更包括： • 一第一阻抗電路，其一端耦接該電源輸出端，其另一 端耦接該第一運算放大器的負輸入端；以及 一第二阻抗電路，其一端耦接該第一運算放大器的負 輸入端，其另一端耗接該第一運算放大器的輸出端。 10. 如申請專利範圍第1項所述之暫態電壓補償裝 置，其中該能量轉移電路接收一控制信號，且該電源提供 端接地，該補償端耦接該電源輸出端，並根據該控制信號 19 1328157 94295 18541 twf.doc/g 決定該電源提供端以及該補償端之間的電路之導通狀態。 11·如申請專利範圍第1Q項 麽補償裝 置，其中該能量轉移電路包括： 皙心 々1關元件③括一開關控制端、一開關第〆端以及 -開關第二端’其中該開關控制 端，該 開關第二端為該補償端。 此里f 12. 如申請專利範圍第u項所述之暫能⑽補償裝 置，其中該能量轉移電路包括： 〜 一電感與一二極體並聯，耦接於該開關第/端與該電 源輸出端之間，其中該二極體陰極耦接該電源輸出端，其 %極耦接該開關第一端。 13. —種電源供應器，包括： 二電源轉，器，包括—電源輸人端以及—電源輸出端； -第-運算放大器，轉接該電源輪出端，該第一運算 放大器具有一補償輸出端； -直流阻隔元件’具有—第 端耦接該補償輸出端； ^ ^ =換比較電路’轉接該補償輸出端並接收一錯齒訊 該補償輸出端之訊號以及該鑛齒訊號的差異，產 生—脈寬調變訊號以控制該電源轉換器； -第二運算放大H，耦接該第二端及—I考訊號端， 5亥弟二運算放大器具有一能量控制端；以及 儿 一能量轉移電路，祕該能量控制端，該能量轉移電 20