TWI330775B - Quick response switching regulator and control method thereof - Google Patents

Description

1330775 ’直到電流〗2下降至〇。由於二極 會出現逆向電流從電容18經過 只能單向導通，不

，因此避免了功率的浪費。因為、言：16流向接地端GND 調節器在低負載或空載時具^固特性，非同步切換式 skipping)的功能，上橋電晶體1〇 動跳越脈衝（Pulse 換週期（switching cycle)，直到輪出寺只關閉一或多個切 值。只要電容18儲存的電荷足夠壓V〇Ut下降到臨界 在臨界值以上，上橋電晶體1〇 :輪出電壓¥〇則呆持 損失。 不會打開，因此減少切換 圖3簡略顯示同步切換式調筋 „ ^ 、 即斋的功率級’包括上橋 及下橋元件皆為電晶體，受控切換 .^ 佚此5周節器在低負載或 空载時的電感電流IL的變化如圖4 % _ ^ %、兹 Λ 口 4所不。在上橋電晶體 20導通而下橋電晶體22截止時，雷社τ ν 叮电/巩13從電源Vin經過 ，晶體20及電感26對電容28充電，輸出電壓細 士升。在切換為上橋電晶體20戴止而下橋電晶體22導通 唆’剛開始電流I4從接地端GND經過電晶體22及電感 %流向電容28，其大小隨時間下降。由於電晶體22是雙 向導通的，當電流l4下降至〇以後’則變成逆向電流l5 從電容28經過電感26及電晶體22流向接地端GNd，造 f電谷28放電，導致電能浪費。再者，為了維持輸出電 壓1Vout的準位，在低負載或空載時，也必須交替打開電晶 體20及22,於是造成切換損失。因此，同步切換式調^ 器具有在低負載或空載時低效能的缺點。 為了改善同步切換式調節器在低負載或空載時的效 8 1330775 能，頒發給Wilcox等人的美國專利第5,481，178號提出一 種控制電路及方法，在調節器供應給負載的電流下降至最 ' 大額定輸出電流的臨界比例以下時，或偵測到電感電流將 • 要變成逆向時，便將上橋及下橋電晶體同時關閉一段時間 。類似的，頒發給Wilcox等人的美國專利第6,304,066號 及第6,580,258號，係在電容足以維持輸出電壓在受調節 的準位時，或在負載電流低於臨界準位時，將上橋及下橋 0 電晶體同時關閉一段比該等電晶體的切換週期更長的時 間。對於此技藝之人士而言，這三件專利其實是顯而易知 的。前面已經說過，非同步切換式調節器具有自動跳越脈 衝的功能，而 Krein 及 Bass 在’’AUTONOMOUS CONTROL TECHNIQUE FOR HIGH-PERFORMANCE SWITCHES (IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 39, NO.3, JUNE 1992)”一文中，教 導了利用場效電晶體(FET)結合電流偵測器模擬二極體的 • 功能。因此’結合此二技藝’以電晶體和電流偵測器取代 非同步切換式調節器的下橋二極體，便可推得前述Wilcox 等人的3件美國專利。為了方便說明，圖5重新繪製這3 件美國專利的調節器。在此調節器中，為了控制上橋及下 橋電晶體，偵測輸出電壓Vout產生電壓迴授信號vFB，以 及偵測電感電流IL產生電流迴授信號IFB，藉著比較電流 迴授信號IFB與參考值，可以避免逆向電流，並在低負載 或空载時節省電能。然而’在此等技藝中，當輸入電壓Vin 與輸出電壓Vout十分接近的時候，例如輸入電壓vill為 9 1330775 一功率級含有一對上橋與下橋開關及一電感經一切換節 點連接在一起；一迴授電路連接至該切換節點，以產生一 迴授信號在一迴授端；以及一控制電路連接該迴授端及該 ' 對上橋與下橋開關，以接受該迴授信號，並產生一第一控 制信號以控制該上橋開關，以及一第二控制信號以控制該 下橋開關。由於迴授電路連接至切換節點，因此縮短迴授 路徑，提高反應速度。該控制電路更利用一最小電流偵測 0 器監視流經該電感的電流，在該電感電流的峰值低於某個 值以前關閉該下橋開關。 根據本發明，該控制電路更利用一零電流偵測器監視 流經該下橋開關的電流，在該下橋開關電流低於某個值時 關閉該下橋開關。 根據本發明，該控制電路更利用一電流限制偵測器監 視流經該上橋開關的電流，在該上橋開關電流大於某個值 時重置該第一控制信號。 • 根據本發明，該控制電路更利用一最小固定開啟時間 產生器提供一具有固定寬度的脈衝，以限制該上橋開關被 打開後至少維持一段時間不小於該固定寬度。 【實施方式】 圖7顯示一個根據本發明的切換式調節器，為了讓圖 示比較清晰簡潔，僅繪出解說本發明所需要的部份電路， 並將圖式作了一些簡化，不過這些省略及簡化不會影響此 技術領域之人士對本發明的瞭解及據以實施。在此調節器 11 1330775 中’功率級包括上橋電晶體42連接在輸入電壓

Vin和切

換節點48之間’下橋電晶體44連接在切換節點48和接 地端GND之間’二者各具有一寄生二極體43及45，電感 L·連接在切換節點48和輸出端v〇ut之間，以及電容匸❹也 連接至輸出端Vout。控制電路包括邏輯及驅動電路40和 磁滞比較器46,因應迴授信號FB產生控制信號UG和LG

控制上橋及下橋電晶體42和44。電阻分壓器5〇連接在切 換節點48和接地端GND之間，產生迴授信號FB給磁滯 比較器46，與參考信號Vref比較產生比較信號COMP給 邏輯及驅動電路40,進而決定控制信號UG及LG，電容 Cfb連接在調節器的輸出端Vout與電阻分壓器50的迴授 j FB之間。在此電路中，由於電阻分壓器50連接至切換 節點48 ’而非調節器的輸出端Vout，因此迴授信號FB的 ，生路徑比習知監視輸出端Vout的方式更短，這使得此調 飞器在輸入電壓Vin或輸出電壓Vout發生改變時的反應速 夜都得到提升。由於迴授速度的提升，此調節器得以不使 用振還器，只根據電阻分壓器50提供的迴授信號FB產生 控制信號UG及LG，這使得切換頻率可變動，因而得到 較好的電磁相容性（Electro-Magnetic Compatibility; EMC) 並降低電磁干擾（Electro-Magnetic Interference; EMI)。 電阻分壓器50的用途是為了迴授輸出資訊，因此其他可 =連到此目的的迴授電路也可以取代之，但是係監視切換 略點48，而非監視調節器的輸出端v〇ut。另外，電容cFB 也可以改為連接在輸出端和接地端GND之間。 12 1330775 在邏輯及驅動電路40中，SR正反器52用來產生PWM . 信號Q ’其係由設置信號S觸發，由重置信號R結束。設 置信號s係由磁滯比較器46、下降脈衝(fallingpulse)偵測 器54及電流限制（current_lirnit detector)偵測器決定。重置 信號R係由磁滯比較器46、最小固定開啟時間 (constant-minimum on-time)產生器 58、上升脈衝（rising pulse)偵測器60及電流限制偵測器62決定。下降脈衝偵 φ 測器54受比較信號COMP的下降緣觸發，產生脈衝信鱿 S1 ’用來觸發信號Q ;上升脈衝偵測器60受比較信鞔 COMP的上升緣觸發，產生脈衝信號R1，用來結束信號q 。在正常負載下，電感電流^不會接近〇，主要由下降脈 衝偵測器54及上升脈衝偵測器60監視比較信號⑶妙的 變化而控制電晶體42和44的開關。在低負載及空載時， 也就是電感電流IL的平均值或調節器供應給負載的電流 很小時’有零電流偵測器（zero_current)56、電流限制偵挪 • 器62及最小電流偵測器（minimum-current detector)72輔助 控制電晶體42和44的開關。電流限制偵測器62偵測流 經上橋電晶體42的電流產生信號R2，在該電流大於某個 值時，信號R2為高準位。信號R2經過反閘和比較信說 COMP —起輸入或閘64，或閘64的輸出S3和信號S1經 或閘66決定設置信號S。電流限制偵測器62產生信號政之 與信號R1經或閘68決定重置信號R，在上橋電晶體吣 的電流大於某個值時，信號R2為高準位，因此重置811正 反器52，關閉上橋電晶體42。電流限制偵測器62的臨界 13 1330775 值限制了流過上橋電晶體42的最大電流。最小固定開啟 時間產生器58提供一個附加功能，它在控制信號U(3被觸 •發時產生固定寬度的脈衝Ton，min，限制打開上橋電晶體 42(即輸出電壓v〇m升壓）的最短時間。只要上橋電晶體42 被打開’其導通的時間不小於脈衝信號T〇n，min的寬度， 用來避免磁滯比較器46因為雜訊而謨判造成過度切換電 晶體^2及44,以節省能源。及閘7〇根據信號T〇n，min和 •比較彳5號C〇MP決定觸發上升脈衝偵測器6〇的時序。最 小電流偵測器72偵測電感電流IL的峰值產生信號〇FF， 經反及閘74輸入反或閘76，與信號Q 一起決定控制信號 LG。在電感電流iL的峰值高於某個值Iref以前，最小電 流偵測器7 2會維持下橋電晶體4 4戴止。零電流制器5 6 偵測流經下橋電晶體的電流，產生信號S2，當下橋電流小 於零時，S2為高準位，截止下橋電晶體44。致能信號抓 藉反及閘74控制是否讓信號OFF起作用，也藉反及閘78 鲁控制是否讓控制信號UG被觸發。控制信號如控制驅動 器80驅動上橋電晶體42,控制信號]：(}控制驅動器以驅 動下橋電晶體44。在此實施例中，零電流偵測器56的臨 界值是0，但在其他實施例中，也可以改用非零的預設值 ’只要下橋電晶體44的電流低於此預設值，信號S2即為 高準位。 圖8是一個電晶體42及44的工作狀態圖。假設在起 始時’處於狀態Ml，電晶體42及44都關閉，亦即控制 信號UG和LG都是關閉，當比較信號COMP為低準位， 1330775 即迴授信號FB低於參考信號Vref，因此轉換到狀態m2 ，打開控制信號UG，關閉控制信號lG，造成上橋電晶體 • 42導通，下橋電晶體44截止，於是電感電流II逐漸上升 .，電容Cout被充電。等到電流限制偵測器62偵測到上橋 電晶體42的電流高於某個值，信號R2變成高準位，因此 轉換到狀態M3，重置SR正反器52，PW1V[信號Q關閉， 進而關閉信號UG ’打開信號LG，亦即上橋電晶體42截 止，下橋電晶體44導通。在狀態]V[3底下，若上橋電晶體 ® 42的電流低於某個值’ R2變成低準位，則轉換回狀態M2 。在另一種情況下，比較信號COMP因為迴授信號FB上 升到高於參考信號Vref而切換至高準位，而且最小電流偵 測器72偵測到電感電流IL的峰值大於臨界值Iref，則切 換到狀態M4，關閉信號UG ’打開信號LG，使輸出電壓 Vout下降。在狀態M2底下，如果比較信號COMP為高準 位且電感電流II的峰值小於臨界值Iref，也切換到狀態 φ Ml，信號UG和LG都關閉。如此，在輸入電壓Vin和輸 出電壓Vout十分接近時，由於電感電流IL極小，最小電 流偵測器414偵測到的電感電流IL的峰值會一直小於臨界 值Iref，因此在信號UG打開且信號LG關閉（狀態M2)後 便會直接切換成信號UG和LG都關閉（狀態Ml)，而能確 保逆向電流不發生。在狀態M4底下，如果零電流偵測器 56偵測到下橋電晶體44的電流低於〇 ’信號S2轉變為高 準位，於是切換到狀態Ml，信號LG和UG都關閉。 圖9顯示在低負載及輸入電壓vin與輸出電壓Vout 15 1330775 相差較大時，電感電流II的變化。在作％ ττ^ #彳5唬UG打開且信號 LG關閉時，電感電流IL上升，在信號Ττο Ba β - 關閉且信號lg 打開時，電感電流II下降，零電流偵制 . 只剛益56偵測到電感 電流II低於預設值I zero current以徭 ^ w 叹’仏號UG和LG都 關，電感電流II改為流經寄生二槌體45，下 快但不會出現倒流。如圖8所示，tjc s ' "r

是否打開由COMP 信號是否為低準位決定。 蠢 圖10顯示在低負載及輸入電壓v. 攀龙Vln與輸出電壓Vout 十分接近時，電感電流IL的變化。為^ τ . 號UG打開且信號 LG關閉時，電感電流IL上升，到造& _ , 咬6*界值Iref後直接切 換成信號UG和LG都關閉，電感曾 ^ ._ . ^ 人 〜电成II流經寄生二極體 45，確保逆向電流不會出現。 以上對於本發明之較佳實施例 之目的，而無意限定本發明精確地A #敘述係為關明 以上的教導或從本發明的實施例學:斤揭露的形式’基於 •可能的，實施例係為解說本發明的而作修改或變化是 術者以各種實關利用本發明在實^及讓熟習該項技 诚,, 丄 耳際應用上而選擇及敘 各疋件，可在其間插入 或増加未影響電路功能之其他元件， m , ,τ 本發明的技術思想企 圖由以下的申請專利範圍及其均等來決定 【圖式簡單說明】 圖1簡略顯示非同步切換式調節器的功率級； 圖2係圖1的調節器在低負巷拄 在貝戟時的電感電流波形圖， 16 示同，式調節器的功率級； 圖5係習a ϋ調^在低負载時的電感電流波形圖； =知的同步切換式調節器； 糸習知的同步切換式調節器； 圖7係根據本發明的切換式調節器； 圖8係圖7的調節器的工作狀態圖； 係圖7的調雖器在低負载及輸入電壓與輸出電壓 相差較大時’電感電流的波形圖；以及 β圖⑺係圖7的調節器在低負載及輸入電壓與輸出電 壓十分接近時，電感電流的波形圖。 【主要元件符號說明】 10 電晶體 12 二極體 14 切換節點 16 電感 18 電容 20 電晶體 22 電晶體 24 切換節點 26 電感 28 電容 30 控制器 32 電阻分壓器 17 1330775 80 驅動器 82 驅動器

Claims (1)

1330775 十、申請專利範圍： 1. 一種具有快速反應之切換式調節器，用來產生一輸出電 壓在一輸出端上，該切換式調節器包括： ’ 一功率級，含有一對上橋與下橋開關及一電感經一切換 節點連接在一起； 一迴授電路，連接至該切換節點，以產生一迴授信號在 一迴授端；以及 I 一控制電路，連接該迴授端及該對上橋與下橋開關，該 控制電路接受該迴授信號，並產生一第一控制信號以控制 該上橋開關，以及一第二控制信號以控制該下橋開關； 其中，該控制電路含有一最小電流偵測器，用來監視流 經該電感的電流，在該電感電流高於一臨界值以前維持該 下橋開關關閉。 2. 如請求項1之切換式調節器，其中該迴授電路包括一電 阻分壓器，用來對該切換節點上的電壓分壓以產生該迴授 φ 信號。 3. 如請求項2之切換式調節器，更包括一電容連接在該迴 授端與該輸出端之間。 4. 如請求項2之切換式調節器，更包括一電容連接在該輸 出端與一接地端之間。 5. 如請求項1之切換式調節器，其中該控制電路包括： 一磁滯比較器，用來比較該迴授信號與一參考信號以產 生一比較信號； 一下降脈衝偵測器，用來偵測該比較信號的下降緣以觸 20 1330775 發S玄第一控制信號，·以及 一上升脈衝偵測器，用來偵測該比較信號的上升緣以重 置該第一控制信號。 -6.如請求項丨之切換式調節器，其中該控制電路包括 電流债測器’絲監視流經該下橋關的電流，在該下橋 開關電流低於-第二臨界值時截止該下橋開關。 " 7.如請求項1之切換式調節器，其中該控制電路包括一電 #流限制谓測器’用來監視流經該上橋開關的電流，在該上 橋開關電流大於-第二臨界值時重置該第—控制信號。 8·如請求項i之切換式調節器，其中該控制電路包括一最 小固定開啟時間產生器，用來提供一具有固定寬度的脈衝 ，以限制該上橋關被打開後至少維持—段時間不小於該 固定寬度。 9.-種具有快収叙切換式調節㈣㈣方法，該調節 器包=一功率級含有一對上橋與下橋開關及一電感經一 _切換郎點連接在-起，該控制方法包括下列步驟： 監視該切換節點的電壓以產生一迴授信號； 因應該迴授信號產生-第一控制信號以控制該上橋開 關’以及-第二控制信號以控制該下橋開關；以及 監視流經該電感的電流’在該電感電流高於一臨界值以 前關閉該下橋開關。. 1〇·如凊求項9之控制方法’其巾該因應該迴授信號產生 該二控制信號的步驟包括下列步驟： 比較該迴授信號與一參考信號，以產生一比較信號； 21 1330775 楨測該比較信號的下降緣以觸發該第一控制信號；以及 偵測該比較信號的上升緣以重置該第一控制信號。 11.如請求項9之控制方法，更包括監視流經該下橋開關 的電流，在該下橋開關電流低於一第二臨界值時戴止該下 .麵求項31徑剌万法，更包括監視流經該 的電流，在哕4 /上微開關 W上橋開關電流大於一第二臨界值 一控制信號。 垔置"哀第 13.如請求項q _输 制方法，更包括產生—具有固定寬卢 =以該上橋開關被打開後至少維持-段‘

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