TWI451679B

TWI451679B - 用於調節輸出電壓的方法

Info

Publication number: TWI451679B
Application number: TW098106238A
Authority: TW
Inventors: Remy Saphon; Christophe Basso
Original assignee: Semiconductor Components Ind
Priority date: 2008-04-29
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2014-09-01
Also published as: KR20100134681A; WO2009134249A1; US20110006745A1; US8638077B2; CN101981794B; KR101443583B1; HK1153316A1; CN101981794A; TW200947842A

Description

用於調節輸出電壓的方法

本發明一般涉及半導體組件，尤其是涉及功率開關半導體組件。

功率變換器用在各種電子產品中，包括機動車、航空、電信和消費者電子設備。功率變換器例如直流到直流(DC-DC)開關變換器變得廣泛用在一般由電池供電的可攜式電子設備中，例如膝上型電腦、個人數位助理、呼叫器、可攜式電話等。也稱為開關電源(switched mode power supply)的DC-DC開關變換器能夠從單個電壓輸出多個電壓，其與負載電流從變換器或從供應變換器的電源的任何變化中得到無關。用在可攜式電子應用中的一種類型的DC-DC開關變換器是升壓變換器(boost converter)。這種類型的變換器能夠將輸入電壓從一個電壓位準轉換到另一電壓位準。更具體地，升壓變換器將輸入電壓從一個電壓位準轉換到較高的電壓位準。用在可攜式電子應用中的另一類型的DC-DC開關變換器是降壓變換器(buck converter)。這種類型的變換器能夠將輸入電壓從一個電壓位準轉換到較低的電壓位準。

開關變換器一般將能量儲存在能量儲存元件例如電感器中。在設計開關變換器時的兩個參數是流經電感器的峰值電流和電感器的電感值。希望維持低峰值電流，同時保持電感值小。正如本領域技術人員認識到的，大電流消耗大量的功率，且大值電感器消耗面積，這增加了成本並降低了開關變換器的效率。用於維持小電感器值和可接受的低電流的一種技術是在高開關頻率F_S 處操作開關變換器，例如至少一百萬赫茲(MHz)的開關頻率。可通過使用脈寬調變(PWM)來在恒定的高開關頻率F_S 處操作開關DC-DC變換器，從而允許使用具有小電感值的電感器。

雖然在高開關頻率F_S 處操作開關變換器允許使用具有較低電感值的電感器和流經電感器的較低峰值電流，但這可導致不希望有的短傳播延遲。PWM開關變換器的缺點是，當PWM控制信號的工作週期接近零時，信號從一個電路節點傳播到另一電路節點所花費的時間的長度變得太長。換句話說，對於給定頻率F_S 和給定技術，電路節點之間的傳播延遲限制了最小工作週期。當工作週期變得過小時，PWM開關變換器尋找另一方法來完成調節，例如通過跳過引起脈衝調節的一些週期。對於中等或大負載，這導致在輸出電壓上和通過電感器的電流中的不可接受的高漣波。在低於開關頻率F_S 的頻率處還可能出現電磁干擾。

因此，在PWM模式開關變換器的操作頻率的工作週期接近零時，有一種調節其輸出電壓的方法將是有利的。實現起來有時間和成本效率的方法是進一步有利的。

通常，本發明提供了用於調節變換器系統例如PWM開關DC-DC變換器的輸出電壓的方法。根據本發明的實施方式，提供了多個電信號，其中這些電信號中的一個信號具有頻率F_S 。頻率F_S 響應於與參考(reference)信號的比較而從一個頻率改變到另一頻率。

根據本發明的另一實施方式，變換器系統的一部分操作在第一頻率。在第一頻率處的操作回應於參數和第一參考之間的比較而繼續。變換器系統的操作頻率回應於參數和第二參考之間的比較而改變到第二頻率。

圖1是根據本發明的實施方式在同步升壓轉換模式中操作的PWM開關DC-DC變換器10的電路圖。在圖1中顯示的是開關12，其具有耦合到開關控制電路14的控制電極、耦合成接收操作電勢源例如V_SS 的載流電極、以及耦合成通過能量儲存元件16接收輸入信號並通過電晶體18耦合到負載20的載流電極。作為例子，開關12是N通道開關電晶體，電晶體18是P通道通過電晶體(pass transistor)，能量儲存元件16是電感器，而負載20包括耦合在負載電容24的並聯配置中的負載電阻22。更具體地，開關電晶體12具有連接到開關控制電路14的閘極或控制電極、耦合成接收操作電勢源V_SS 的源極、以及耦合成通過電感器16接收輸入信號V_IN 並耦合到通過電晶體18的汲極的汲極。通過電晶體18具有連接到開關控制電路14的閘極、共同連接到開關電晶體12的汲極和電感器16的一個端子的汲極、以及共同連接到負載電容24和負載電阻22的端子的源極。開關電晶體12和通過電晶體18的汲極以及電感器16的端子共同連接而形成節點21。可選地，開關控制電路14可具有耦合到節點21用於感測電感器電流的輸入。通過電晶體18的共同連接的源極以及負載電阻22和負載電容24的端子共同連接而形成輸出端子28，輸出信號出現在輸出端子28。負載電阻22和負載電容24的其他端子耦合成接收操作電勢源V_SS 。作為例子，輸入信號是電信號例如電壓信號V_IN ，而輸出信號是電信號例如輸出電壓V_OUT 。

在操作中，同步PWM開關DC-DC變換器10將出現在輸出端子28處的電壓調節到由開關控制電路14確定的位準。開關控制電路14分別向開關電晶體12和通過電晶體18的閘極端子提供邏輯信號V_G1 和V_G2 ，開關電晶體12和通過電晶體18獨立地控制電流I₂ 以給電容器24充電到穩定電壓V_OUT 。應注意，邏輯信號V_G1 和V_G2 可被稱為電信號。

根據本發明的實施方式，在時間T₁ 期間，開關控制電路14產生閘極驅動信號V_G1 和V_G2 ，其中閘極驅動信號V_G1 使開關電晶體12成為傳導的，而閘極驅動信號V_G2 使通過電晶體18成為非傳導的。啟動開關電晶體12使電流I₁ 流動和電感器16儲存磁能。當開關電晶體12為傳導的時，在節點21的電壓實質上被設定到電壓V_SS 。當操作電勢源V_SS 處於接地電位時，在節點21的電壓實質上被設定到接地電位。在時刻T₂ ，開關控制電路14分別向開關電晶體12和通過電晶體18的閘極提供閘極驅動信號V_G1 和V_G2 ，使開關電晶體12成為非傳導的，而通過電晶體18成為傳導的。當開關電晶體12處於非傳導狀態時，流經電感器16的電流不能即時變化，因而電感器16改變節點21處的電壓，直到電晶體18的順向體二極體19變成傳導的。在節點21的電壓等於輸出電壓V_OUT 和約0.7伏的和，即，V_OUT +0.7伏。電流從輸入端子26通過電感器16和通過電晶體18的體二極體19流到輸出端子28。通過電晶體18接著通過閘極驅動信號V_G1 和V_G2 成為傳導的，以提供較小電阻的電流路徑。開關控制電路14的特徵是其同步地控制開關電晶體12和通過電晶體18的傳導性的能力。因此，開關電晶體12的傳導狀態可與通過電晶體18的傳導狀態相互排斥，使得開關電晶體12和通過電晶體18不同時為傳導的。

開關控制電路14產生閘極驅動信號V_G1 和V_G2 ，以便每個閘極驅動信號都具有頻率F_S 。除了產生閘極驅動信號V_G1 和V_G2 以外，開關控制電路14還監控出現在輸入端子26上的輸入電壓V_IN 和出現在輸出端子28上的輸出電壓V_OUT ，並將頻率F_S 調節為標稱值或比標稱值低的可變值或固定值。根據本發明的一個實施方式，開關控制電路14根據電壓V_OUT 與V_IN 的比(即，V_OUT /V_IN )將閘極驅動信號V_G1 和V_G2 調節成具有頻率F_S 。更具體地，對於閘極驅動信號V_G1 和V_G2 ，當V_OUT /V_IN 比高於閾值比R_T1 時，開關控制電路14提供具有高標稱開關頻率F_S 的閘極驅動信號V_G1 和V_G2 ，當V_OUT /V_IN 比低於閾值比R_T1 時，它提供具有較低的可變頻率F_S 的閘極驅動信號V_G1 和V_G2 ，且當V_OUT /V_IN 比低於參考閾值比R_T1 時，它提供具有較低的固定頻率F_S 的閘極驅動信號V_G1 和V_G2 。回應於V_OUT /V_IN 比，PWM開關DC-DC變換器10較佳地線性地或以線性方式改變開關頻率F_S 。作為例子，頻率F_S 的較高標稱頻率為約2MHz，頻率F_S 的較低標稱頻率為約1MHz，而參考閾值比R_T1 等於約1.11，即，當V_OUT 等於約1伏且V_IN 等於約0.9伏時V_OUT /V_IN 的比。

可選地，對於閘極驅動信號V_G1 和V_G2 ，當V_OUT /V_IN 比高於閾值比R_T1 時，開關控制電路14提供具有高標稱開關頻率F_S 的閘極驅動信號V_G1 和V_G2 ，當V_OUT /V_IN 比低於閾值比R_T2 時，它提供具有較低的可變頻率F_S 的閘極驅動信號V_G1 和V_G2 ，且當V_OUT /V_IN 比低於參考閾值比R_T2 時，它提供具有較低的固定頻率F_S 的閘極驅動信號V_G1 和V_G2 ，其中參考閾值比R_T2 小於參考閾值比R_T1 。回應於V_OUT /V_IN 比，PWM開關DC-DC變換器10較佳地線性地改變開關頻率F_S 。

根據本發明的另一實施方式，開關控制電路14根據電壓V_OUT 和V_IN 之間的差(即，V_OUT -V_IN )將閘極驅動信號V_G1 和V_G2 調節成具有頻率F_S ，其中電壓的差被稱為差電壓(difference voltage)V_DIFF 。更具體地，當差電壓V_OUT -V_IN 大於或高於差參考電壓V_DIEF1 時，開關控制電路14提供具有高標稱開關頻率F_S 的閘極驅動信號V_G1 和V_G2 ，當差電壓小於或低於差參考電壓V_DIEF1 時，它提供具有較低的可變頻率F_S 的閘極驅動信號V_G1 和V_G2 ，且當差電壓小於或低於差參考電壓V_DIEF1 時，它提供具有較低的固定頻率F_S 的閘極驅動信號V_G1 和V_G2 。回應於差電壓V_DIFF ，PWM開關DC-DC變換器10較佳地線性地改變開關頻率F_S 。作為例子，頻率F_S 的較高標稱頻率為約2MHz，頻率F_S 的較低標稱頻率為約1MHz，而對於等於約5伏的輸出電壓V_OUT ，參考電壓V_DIEF1 等於約1伏。

可選地，當差電壓V_OUT -V_IN 大於或高於差參考電壓V_DIEF1 時，開關控制電路14提供具有高標稱開關頻率F_S 的閘極驅動信號V_G1 和V_G2 ，當差電壓小於或低於差參考電壓V_DIEF2 時，它提供具有較低的可變頻率F_S 的閘極驅動信號V_G1 和V_G2 ，且當差電壓小於或低於差參考電壓V_DIEF2 時，它提供具有較低的固定頻率F_S 的閘極驅動信號V_G1 和V_G2 。回應於差電壓V_DIFF ，PWM開關DC-DC變換器10較佳地線性地改變開關頻率F_S 。

根據本發明的另一實施方式，開關控制電路14根據輸入電壓V_IN 的值將閘極驅動信號V_G1 和V_G2 調節成具有頻率F_S 。更具體地，當輸入電壓V_IN 小於或低於閾值電壓V_TH1 時，開關控制電路14提供具有高標稱開關頻率F_S 的閘極驅動信號V_G1 和V_G2 ，當輸入電壓V_IN 大於或高於閾值電壓V_TH1 時，它提供具有較低的可變頻率F_S 的閘極驅動信號V_G1 和V_G2 ，且當輸入電壓V_IN 大於或高於閾值電壓V_TH1 時，它提供具有較低的固定頻率F_S 的閘極驅動信號V_G1 和V_G2 。回應於輸入電壓V_IN ，PWM開關DC-DC變換器10較佳地線性地改變開關頻率F_S 。作為例子，頻率F_S 的較高標稱頻率為約2MHz，頻率F_S 的較低標稱頻率為約1MHz，而對於等於約5伏的輸出電壓V_OUT ，閾值電壓V_TH1 等於約4伏。回應於輸入電壓V_IN ，PWM開關DC-DC變換器10較佳地線性地改變開關頻率F_S 。

更具體地，當輸入電壓V_IN 小於或低於閾值電壓V_TH1 時，開關控制電路14提供具有高標稱開關頻率F_S 的閘極驅動信號V_G1 和V_G2 ，當輸入電壓V_IN 大於或高於閾值電壓V_TH2 時，它提供具有較低的可變頻率F_S 的閘極驅動信號V_G1 和V_G2 ，且當輸入電壓V_IN 大於或高於閾值電壓V_TH2 時，它提供具有較低的固定頻率F_S 的閘極驅動信號V_G1 和V_G2 。回應於輸入電壓V_IN ，PWM開關DC-DC變換器10較佳地線性地改變開關頻率F_S 。

根據本發明的實施方式，開關控制電路14以線性方式將頻率F_S 從標稱操作頻率改變到較低的頻率或較低的可變頻率。圖2顯示出一個實現方式，其中開關控制電路14將閘極驅動信號V_G1 和V_G2 的頻率從約1.75MHz的標稱操作頻率線性地改變到約800KHz的較低操作頻率。應注意，當輸入電壓接近輸出電壓時，開關控制電路14改變頻率F_S 。圖2顯示當輸入電壓超過約4伏特時，開關控制電路14開始改變頻率F_S ，並且繼續改變頻率F_S 直到輸入電壓變成約4.5伏特。輸出電壓為約4.6伏特。

圖3是顯示輸出電壓V_OUT 和電感器電流I_L 作為時間的函數的計時圖。當輸入電壓V_IN 為約4.4伏特，輸出電壓V_OUT 為約4.6伏特且頻率F_S 降低到約800KHz時，產生輸出電壓波形50和電感器電流波形52。為了比較，當電壓V_IN 為約4.4伏特，輸出電壓V_OUT 為約4.6伏特且頻率F_S 維持在約1.75MHz時，產生輸出電壓波形54和電感器電流波形56。在這些條件下，改進了輸出電壓V_OUT 和電感器電流I_L 的調節。因此，當輸入電壓V_IN 接近輸出電壓V_OUT 時，降低頻率F_S 在電壓漣波、電流漣波方面並在次諧波電磁輻射方面改進了輸出電壓和電感器電流的調節。

到現在應認識到，提供了用於調節電源的輸出電壓的方法。根據本發明的實施方式，變換器系統的一部分回應於參數和第一參考之間的比較而操作在一個頻率處，並回應於該參數和第二參考之間的比較而操作在較低的頻率處。該參數可為輸入電壓、輸出電壓與輸入電壓的比、或輸出電壓與輸入電壓之間的差。根據參數和參考之間的比較降低操作頻率允許操作電源，所述電源具有非常接近於例如在約100毫伏特內的輸出電壓的輸入電壓。另一優點是當開關頻率F_S 減小時，仍可使用小電感值的電感器，因為當開關頻率F_S 減小時一般使用高輸入電壓。然而，高輸入電壓是對峰值電感器電流的限制因素。使用較小值的電感器允許減小開關頻率，而實質上不降低峰值電感器電流。小電感器的使用也降低了電源的成本，因為小電感器佔據較小的矽面積。根據本發明的各種實施方式操作具有同步結構的電源還允許移除實際的截斷設備(cut-off device)並提高效率。此外，根據本發明的實施方式操作的電源改進了電磁干涉的控制，這在可攜式通信應用中是有利的。根據本發明的實施方式的電源的操作還適合於具有非同步結構的電源。

雖然這裏公開了某些較佳實施方式和方法，從前述公開中對本領域技術人員應明顯，可進行這樣的實施方式和方法的變化和更改，而不偏離本發明的實質和範圍。意圖是應將本發明僅僅限制到所附申請專利範圍以及可適用的法律的條例和法則所要求的程度。

10‧‧‧PWM開關DC-DC變換器

12‧‧‧開關/開關電晶體

14‧‧‧開關控制電路

16‧‧‧能量儲存元件/電感器

18‧‧‧電晶體

19‧‧‧體二極體

20‧‧‧負載

21‧‧‧節點

22‧‧‧負載電阻

24‧‧‧負載電容

26‧‧‧輸入端子

28‧‧‧輸出端子

50‧‧‧輸出電壓波形

52‧‧‧電感器電流波形

54‧‧‧輸出電壓波形

56‧‧‧電感器電流波形

圖1是根據本發明的實施方式在同步升壓轉換模式中操作的PWM開關DC-DC變換器的電路圖；圖2是PWM開關DC-DC變換器的操作頻率與輸入電壓的關係曲線，該PWM開關DC-DC變換器將閘極驅動信號的頻率從標稱操作頻率線性地改變到較低的操作頻率；以及圖3是顯示PWM開關DC-DC變換器的輸出電壓和電感器電流作為時間的函數的計時圖。

Claims

一種用於調節脈寬調變開關變換器的輸出電壓的方法，該方法包括：提供一第一電晶體和一第二電晶體，該第一電晶體具有一汲極、一源極與一閘極，該第二電晶體具有一汲極、一源極與一閘極，該第一及第二電晶體之汲極連接在一起且自該第一及第二電晶體之閘極處解耦合(decouple)，且該第二電晶體之源極耦接至一輸出端；提供一輸入信號，該輸入信號經由一能量儲存元件耦接至該第一及第二電晶體之閘極；提供具有一第一頻率的一驅動信號至該第一及第二電晶體之控制電極的一者；以及回應於一第一參數與一第一參考的比較而改變該驅動信號的該第一頻率到一第二頻率，該第二頻率低於該第一頻率。
如請求項1之方法，其中提供具有該第一頻率的該驅動信號的步驟包括回應於該第一參數小於該第一參考而提供該第一頻率，其中該第一參數包含該輸入信號。
如請求項2之方法，其中改變該驅動信號的該第一頻率的該步驟包括回應於該第一參數大於該第一參考而改變該驅動信號的該第一頻率到該第二頻率，其中該第一參數包含該輸入信號。
如請求項3之方法，其中改變該驅動信號的該第一頻率的步驟包括線性地改變該驅動信號的該第一頻率到該第二頻率。
如請求項4之方法，其中該輸入信號是一輸入電壓信號。
如請求項2之方法，其中改變該驅動信號的該第一頻率的步驟包括回應於該輸入信號大於一第二參考而改變該驅動信號的該第一頻率到該第二頻率。
如請求項1之方法，其中提供具有該第一頻率的該驅動信號的步驟包括回應於該第一參數大於該第一參考而提供該第一頻率，其中該第一參數包含該輸出信號與該輸入信號之間的差。
如請求項7之方法，其中改變該驅動信號的該第一頻率的步驟包括回應於該第一參數小於該第一參考而改變該驅動信號的該第一頻率到該第二頻率，其中該第一參數包含該輸出信號與該輸入信號之間的差。
如請求項8之方法，其中改變該驅動信號的該第一頻率的該步驟包括線性地改變該驅動信號的該第一頻率到該第二頻率。
如請求項7之方法，其中改變該驅動信號的該第一頻率的步驟包括回應於該輸出信號與該輸入信號之間的差小於一第二參考而改變該驅動信號的該第一頻率到該第二頻率。
如請求項1之方法，其中提供具有該第一頻率的該驅動信號的步驟包括回應於該輸出信號與該輸入信號的比大於該第一參考而提供該第一頻率。
如請求項11之方法，其中改變該驅動信號的該第一頻率的步驟包括回應於該輸出信號與該輸入信號的比小於該第一參考而改變該驅動信號的該第一頻率到該第二頻率。
如請求項12之方法，其中改變該驅動信號的該第一頻率的步驟包括線性地改變該驅動信號的該第一頻率到該第二頻率。
如請求項11之方法，其中改變該驅動信號的該第一頻率的步驟包括回應於該輸出信號與該輸入信號的比小於一第二參考而改變該驅動信號的該第一頻率到該第二頻率。
如請求項1之方法，其中該第二頻率是一固定頻率及一可變頻率其中之一。
一種用於調節一PWM開關變換器的輸出電壓的方法，該方法包括：提供一第一電晶體及一第二電晶體，該第一電晶體具有一第一載流電極、一第二載流電極及一控制電極，該第二電晶體具有一第一載流電極、一第二載流電極及一控制電極，該第一及第二電晶體之第一載流電極連接在一起以形成一節點，且自該第一及第二電晶體之控制電極處解耦合，且該第二電晶體之第二載流電極耦接至一輸出端；提供具有一輸入、一第一輸出及一第二輸出之一開關控制電路，該開關控制電路之輸入耦接至該節點，該第一輸出耦接至該第一電晶體之閘極，且該第二輸出耦接至該第二電晶體之閘極；提供一輸入信號，該輸入信號經由一能量儲存元件耦接至該第一及第二電晶體之第一載流電極；監控一第一信號經由一能量儲存元件耦接至該第一及第二電晶體之第一載流電極，監控一第二信號出現在該第二電晶體之第二端，及監控在該能量儲存元件之電流；回應於由該第一信號及該第二信號所決定的一參數而在一第一頻率處操作該PWM開關變換器；回應於該參數大於一第一參考而繼續該PWM開關變換器在該第一頻率處的操作；以及回應於該參數小於該第一參考而在一第二頻率處操作該PWM開關變換器，其中該第二頻率小於該第一頻率。
如請求項16之方法，其中該參數是該PWM開關變換器的一輸出電壓與該PWM開關變換器的一輸入電壓的比。
如請求項16之方法，其中該參數是該開關變換器的一輸出電壓與該PWM開關變換器的一輸入電壓之間的差。
如請求項16之方法，其中該第二頻率是一恒定頻率及一可變頻率其中之一。
如請求項16之方法，其中回應於該參數小於該第一參考而在一第二頻率處操作該PWM開關變換器的步驟，進一步包括回應於該參數小於一第二參考而在該第二頻率處操作該PWM開關變換器，該第二參考小於該第一參考。
一種用於調節一PWM開關變換器的一輸出電壓的方法，該方法包括：提供一第一電晶體及一第二電晶體，該第一電晶體具有一第一載流電極、一第二載流電極及一控制電極，該第二電晶體具有一第一載流電極、一第二載流電極及一控制電極，該第一及第二電晶體之第一載流電極連接在一起以形成一節點，且自該第一及第二電晶體之控制電極處解耦合，且該第二電晶體之第二載流電極耦接至一輸出端；提供一輸入信號，該輸入信號經由一能量儲存元件耦接至該第一及第二電晶體之第一載流電極；監控在該節點處之該能量儲存元件之電流；回應於由該輸入信號及該輸出信號所決定的一參數而在一第一頻率處操作該PWM開關變換器；回應於一參數小於一第一參考而繼續該PWM開關變換器在該第一頻率處的操作；以及回應於該參數大於該第一參考而在一第二頻率處操作該PWM開關變換器，其中該第二頻率小於該第一頻率。
如請求項21之方法，其中該參數是該PWM開關變換器的一輸入電壓。