TWI440291B - 平均電感電流式電壓控制方法及其使用之可變參考電壓產生裝置 - Google Patents

Description

平均電感電流式電壓控制方法及其使用之可變參考電壓產生裝置

本發明係有關一種應於用直流電轉直流電轉換器中的平均電感電流式電壓控制技術，特別是關於一種可應用於固定截止時間直流電轉直流電轉換器(constant off time DC/DC converter)中，平均電感電流式電壓控制方法及其使用之可變參考電壓產生裝置。

按，在日常所用的電器用品當中或是各種產業所使用之電子設備當中，其輸入電壓範圍都在AC 100～240伏特之間，但每一種電子產品或設備的負載狀況並不相同，所需驅動電壓亦有所不同，因此會根據各種應用上的需要，來將電源做調整，此即稱之為電壓轉換器。

電壓轉換器依類型不同大致可分為數種，交流電轉交流電(AC/AC)轉換器、交流電轉直流電(AC/DC)轉換器、直流電轉直流電(DC/DC)轉換器以及直流電轉交流電(DC/AC)；其中，就直流電轉直流電(DC/DC)轉換器而言，在許多電子電路中，常有一些電子元件需要雙電源以上的電源供電，例如LCD顯示器、電壓比較器、運算放大器等，或是由於多組電子元件的工作電壓各不相同有多組不同電位的需求，此時便需要有直流電轉直流電轉換器來獲取想要的電壓。

第1圖係為現有降壓型直流電轉直流電轉換器的電路簡圖，如圖所示，在電晶體開關S導通(ON)時，輸入電源Vin會有電流流過電感L，使能量儲存在電感L上；而當電晶體開關S截止(OFF)時，電感L上的感應電流會釋放到電阻RL上以維持電壓的輸出；其中，藉由回授電路10把感應電流轉換之輸出電壓Vo回授到控制電路12來和參考電壓做比較，而後控制電晶體開關S工作週期的大小，達到輸出穩定之目的。請同時參閱第2圖所示，在電晶體開關S導通(ON)階段，電感L一端連接至輸入電壓Vin，另一端則連接至輸出電壓Vo，此時，輸入電壓必須高於輸出電壓，因此會在電感L上形成一個正向壓降；在電晶體開關S截止(OFF)階段，原本連接至輸入電壓Vin的電感L一端被連接到地GND，此時輸出電壓Vo必然為正端，因此會在電感L上形成一個負向壓降。

然而，在上述架構中，係利用峰值電流模式產生之峰值電感電流去與固定的參考電壓做比較來控制電晶體開關，此種僅利用峰值感應電流來調整之模式，容易產生峰值到平均的錯誤(peak to average error)，且因此存在較差的調整準確度。如第2(a)圖所示，電感L較大時，有較高的平均感應電流，此時峰值到平均的錯誤較小；反之，如第2(b)圖所示，電感L較小時，有較低的平均感應電流，此時峰值到平均的錯誤則相對變大；此平均電感電流係與感應電流值存在相當大關係，且易受到電感的影響，導致整個轉換器之電壓調整的準確度相當差。

有鑑於此，本發明遂提出一種具有可變參考電壓之平均電感電流式電壓控制方法及其使用之可變參考電壓產生裝置，無需任何僅藉由電感電流使用來調整平均電流的迴路補償或負載電流感應，以平均電感電流控制固定截止時間DC/DC轉換器操作於連續導通模式。

本發明之主要目的係在提供一種平均電感電流式電壓控制方法，其係直流電轉直流電轉換器中增加可變參考電壓的設計，此參考電壓會隨著電感電流漣波之谷值電感電流改變，再搭配平均電感電流之作用，以動態調整參考電壓，並以此方式取代現有利用峰值電流與獨立電感值之習知技術，且無須感應高電壓端(high side)的感應電流。

本發明之另一目的係在提供一種平均電感電流式電壓控制方法及其使用之可變參考電壓產生裝置，其係使用平均電感電流作為參考電壓之依據，以平均電感電流控制固定截止時間DC/DC轉換器操作於連續導通模式，故不會直接受到轉換器內所使用之電感的影響，更可提高電壓調整的準確度。

本發明提出之平均電感電流式電壓控制方法，其係可應用於直流電轉直流電轉換器，此方法係先將接收到外部預設之二倍參考電流轉換為二倍參考電壓，以及將位於轉換器內之一電感產生之谷值電感電流轉換為一谷值電壓；然後，將此二倍參考電壓與谷值電壓相減，以產生一參考電壓，此即作為控制轉換器內之電晶體開關切換之依據。

當然，在取得參考電壓之後，即可比較此參考電壓與該電感之電感電壓，並輸出一比較結果，且當參考電壓與電感電壓相等時，此比較結果係為一截止訊號，可使電晶體開關截止。

再者，為了產生參考電壓，本發明另外提出一種應用於直流電轉直流電轉換器之可變參考電壓產生裝置，其係包括有一取樣保持谷值電感電流單及其電性連接之一參考電壓產生單元；此取樣保持谷值電感電流單元係接收一電感產生之谷值電感電流，並將其轉換為一谷值電壓，且此參考電壓產生單元將接收到之外部預設的二倍參考電流轉換為二倍參考電壓，然後將此二倍參考電壓與谷值電壓相減，即可得到參考電壓。當然此參考電壓會隨著二倍參考電壓與谷值電壓而動態改變。

底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

本發明係創造一個可變參考電壓，其係依據谷值電感電流而改變。由於電感漣波電流應該受到谷值電感電流加上峰值電感電流總和的一半所控制，此即表示峰值電感電流係等於二倍平均電感電流減掉谷值電感電流；因此，本發明定義新參考電流Iref可以設定為二倍預設之平均電感電流Iavg減掉此谷值電感電流Ivally，如下面關係式所示：

Iref=2*Iavg-Ivally。

以電壓表示，即可表示為參考電壓Vref可以設定為二倍預設之平均電感電壓Vavg減掉此谷值電感電壓Vvally，如下面關係式所示：

Vref=2*Vavg-Vvally。

本發明即根據上面之關係式，提出一種平均電感電流式電壓控制方法及其使用之可變參考電壓產生裝置。首先，先詳述本發明之平均電感電流式電壓控制方法，其係應用於直流電轉直流電轉換器，在此係以固定截止時間直流電轉直流電轉換器為例。請參閱第3圖所示，首先如步驟S10所示，接收二倍的外部預設電流，此即為原始的參考電流，亦即平均電感電流；將二倍預設電流轉換為二倍預設電壓。同時，如步驟S12所示，將直流電轉直流電轉換器中之一電感所產生之谷值電感電流亦轉換為一谷值電壓。然後，如步驟S14所示，將二倍預設電壓與谷值電壓相減，以產生一參考電壓，如前述關係式所示，此即作為控制直流電轉直流電轉換器內之電晶體開關切換之依據。

在取得參考電壓之後，接續如步驟S16所示，比較此參考電壓(Vref)與電感所產生之電感電壓(CS)，並輸出一比較結果至直流電轉直流電轉換器內之電晶體開關。其中，此電感電壓係與此參考電壓比較，當電感電壓與參考電壓相等時，即表示比較結果係為一截止訊號，此時截止訊號可使電晶體開關截止(OFF)；藉此，平均電感電流可以穩定保持在預定值。反之，當參考電壓與電感電壓不相等時，即表示比較結果係為一導通訊號，使電晶體開關保持導通。

一步來說，前述提及之二倍預設電壓、谷值電壓以及參考電壓等皆係於一可變參考電壓產生裝置中產生。底下即針對可變參考電壓產生裝置詳係說明如後。

請參閱第4圖所示，一可變參考電壓產生裝置主要包括有一取樣保持谷值電感電流單元20以及一參考電壓產生單元30；此取樣保持谷值電感電流單元20係接收一電感產生之谷值電感電流(CS)，並將其轉換為一谷值電壓(Vvalley)，以提供給電性連接至取樣保持谷值電感電流單元20的參考電壓產生單元30，此參考電壓產生單元30接收外部預設之二倍預設電流(亦即平均電感電流，2Iavg)並轉換為二倍預設電壓(2Vavg)，再將二倍預設電壓與谷值電壓相減(2Vavg-Vvalley)，以產生一參考電壓(Vref)。產生之參考電壓係於一比較器40中，與轉換器中電感之電感電壓(CS)比較，使比較器輸出一比較結果；亦即參考電壓與電感電壓相等時，比較器40係輸出一截止訊號，以控制直流電轉直流電轉換器內之一電晶體開關截止，當然，若參考電壓與該電感電壓變為不相等時，則比較器40無輸出截止訊號，在此稱之為導通訊號，此時使電晶體開關仍然保持導通。

在了解整體可變參考電壓產生裝置架構之後，接續針對取樣保持谷值電感電流單元20及參考電壓產生單元30之細節電路予以說明如後，但本發明之請求範圍當不以此為限。續如第4圖所示，此取樣保持谷值電感電流單元20更包括一切換開關21連接一電容器22及一運算放大器23，一電晶體開關24之閘極連接至此運算放大器23之輸出端，且電晶體開關24的源汲極則分別連接至電阻器25及參考電壓產生單元30；當切換開關21導通時，感應電流(CS)之谷值電感電流會流經切換開關21，並經過運算放大器23與電晶體開關24後，再利用電阻器25將其轉變為谷值電壓(Vvalley)提供給參考電壓產生單元30。此參考電壓產生單元之詳細電路則包括有一運算放大器31接收二倍預設電流(2Iavg)，一電晶體開關32之閘極連接運算放大器31之輸出端，此電晶體開關32之源汲極分別連接至一電流鏡33及第一電阻器34，此電流鏡33亦連接第二電阻器35，且於電流鏡33與第二電阻器35之間更連接至取樣保持谷值電感電流單元20，使二倍預設電流(2Iavg)轉換產生的二倍預設電壓(2Vavg)可與取樣保持谷值電感電流單元20產生的谷值電壓(Vvalley)相減(2Vavg-Vvalley)，以輸出參考電壓(Vref)至比較器40。

其中，前面所有提及之電晶體開關，包含電晶體開關24、32，較佳者皆係採用薄膜電晶體(TFT)。

本發明之可變參考電壓產生裝置產生之參考電壓直接應用於實際電路時，請參閱第5圖所示，在電晶體開關M0導通(ON)階段，輸入電源Vin會有電流流過電感L，使能量儲存在電感L上；而當電晶體開關M0接收到上述之截止訊號時，電晶體開關M0截止(OFF)，此時電感L上的感應電流會釋放到電阻R1上以穩定維持電壓的輸出。

綜上所述，本發明係於直流電轉直流電轉換器中增加可變參考電壓的設計，此參考電壓會隨著電感電流漣波之谷值電感電流改變，再搭配平均電感電流之作用，即可動態調整參考電壓，以取代習知利用峰值電流與獨立電感值之調整技術，且無須感應高電壓端(high side)的感應電流。再者，由於本發明係使用平均電感電流作為參考電壓之依據，以平均電感電流控制固定截止時間直流電轉直流電轉換器操作於連續導通模式，故不會直接受到轉換器內所使用之電感的影響，更可有效提高電壓調整的準確度。

以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

10．．．回授電路

12．．．控制電路

20．．．取樣保持谷值電感電流單元

21．．．切換開關

22．．．電容器

23．．．運算放大器

24．．．電晶體開關

25．．．電阻器

30．．．參考電壓產生單元

31．．．運算放大器

32．．．電晶體開關

33．．．電流鏡

34．．．第一電阻器

35．．．第二電阻器

40．．．比較器

第1圖係為現有降壓型直流電轉直流電轉換器的電路簡圖。

第2圖係為現有電感電壓之波形示意圖，其中(a)圖表示電感L較大時，具有較高的平均感應電流，此時峰值到平均的錯誤較小；以及(b)圖表示電感L較小時，有較低的平均感應電流，此時峰值到平均的錯誤則相對變大。

第3圖係為本發明之電壓控制方法的流程示意圖。

第4圖係為本發明使用之可變參考電壓產生裝置的電路示意圖。

第5圖係為本發明產生之參考電壓直接應用於實際電路示意圖。

Claims (15)

1. 一種平均電感電流式電壓控制方法，其係應用於直流電轉直流電轉換器，該電壓控制方法包括下列步驟：將接收到外部之二倍平均電感電流轉換為二倍預設電壓；將一電感產生之谷值電感電流轉換為一谷值電壓；以及將該二倍預設電壓與該谷值電壓相減，產生一參考電壓，以作為控制電晶體開關切換之依據。
2. 如請求項1所述之平均電感電流式電壓控制方法，更包括：比較該參考電壓與該電感之電感電壓，並輸出一比較結果。
3. 如請求項2所述之平均電感電流式電壓控制方法，其中該參考電壓與該電感電壓相等時，該比較結果係為一截止訊號，使該電晶體開關截止。
4. 如請求項3所述之平均電感電流式電壓控制方法，其中該參考電壓與該電感電壓不相等時，該比較結果係為一導通訊號，使該電晶體開關保持導通。
5. 如請求項1所述之平均電感電流式電壓控制方法，其中該直流電轉直流電轉換器係為固定截止時間直流電轉直流電轉換器。
6. 如請求項1所述之平均電感電流式電壓控制方法，其中該二倍預設電壓、該谷值電壓以及該參考電壓係於一可變參考電壓產生裝置中產生。
7. 一種可變參考電壓產生裝置，應用於直流電轉直流電轉換器，該可變參考電壓產生裝置包括：一取樣保持谷值電感電流單元，其係接收一電感產生之谷值電感電流，並將其轉換為一谷值電壓；以及一參考電壓產生單元，電性連接該取樣保持谷值電感電流單元，該參考電壓產生單元接收外部預設之二倍平均電感電流轉換為二倍預設電壓，並將該二倍預設電壓與該谷值電壓相減，以產生一參考電壓。
8. 如請求項7所述之可變參考電壓產生裝置，其中該參考電壓更可利用一比較器，與該電感之電感電壓比較，使該比較器輸出一比較結果。
9. 如請求項8所述之可變參考電壓產生裝置，其中該參考電壓與該電感電壓相等時，該比較器輸出一截止訊號，以控制該直流電轉直流電轉換器內之一電晶體開關截止。
10. 如請求項9所述之可變參考電壓產生裝置，其中該參考電壓與該電感電壓不相等時，該比較器輸出為一導通訊號，使該電晶體開關保持導通。
11. 如請求項7所述之可變參考電壓產生裝置，其中該直流電轉直流電轉換器係為固定截止時間直流電轉直流電轉換器。
12. 如請求項7所述之可變參考電壓產生裝置，其中該取樣保持谷值電感電流單元更包括一切換開關連接一運算放大器及一電容器，一電晶體開關之閘極連接至該運算放大器之輸出端，該電晶體開關的源汲極則分別連接至電阻器及該參考電壓產生單元。
13. 如請求項12所述之可變參考電壓產生裝置，其中該電晶體開關係為薄膜電晶體。
14. 如請求項7所述之可變參考電壓產生裝置，其中該參考電壓產生單元更包括一運算放大器接收該二倍預設電流，一電晶體開關之閘極連接該運算放大器之輸出端，該電晶體開關之源汲極分別連接至第一電阻器及一電流鏡，該電流鏡亦連接第二電阻器，且於該電流鏡與該第二電阻器之間更連接至該取樣保持谷值電感電流單元，使產生的該二倍預設電壓可與該取樣保持谷值電感電流單元產生的該谷值電壓相減，以輸出該參考電壓。
15. 如請求項14所述之可變參考電壓產生裝置，其中該電晶體開關係為薄膜電晶體。