TWI425755B - 可減緩電源突波的脈波寬度調變降壓轉化器及其相關方法 - Google Patents

Description

可減緩電源突波的脈波寬度調變降壓轉化器及其相關方法

本發明係關於一種電子裝置，尤指一種可減緩電源突波之脈波寬度調變降壓轉換器及相關方法。

脈波寬度調變降壓轉換器為一直流對直流電壓轉換器，以步進式將輸入的直流電壓下降至一預設電壓準位，以用來提供穩定的操作電壓給周邊元件。脈波寬度調變降壓轉換器可用於電源供應器中，提供電源供應器中的各元件具有穩定的工作電壓，以維持電源供應器的輸出電壓、電流或電能在穩定的範圍內。

請參考第1圖，第1圖為一習知脈波寬度調變降壓轉換器10之示意圖。脈波寬度調變降壓轉換器10包含一輸出級電路單元100、一回授單元110及一比較器120。其中，輸出級電路單元100操作於一電源電壓V_IN ，並包含一電晶體上位開關102、一電晶體下位開關104、一電感106及一分壓電路108，而回授單元110包含一誤差放大器112及一補償線路114。比較器120用來比較補償線路114輸出之一誤差訊號V_ERR 及一斜坡(RAMP)訊號V_RAMP ，以產生一脈波寬度調變訊號V_PWM 。脈波寬度調變訊號V_PWM 可控制電晶體上位開關102及電晶體下位開關104的開/關狀態，進一步來控制電感106的儲能與釋能。然後，當電感106的輸出電壓V_out 經由分壓電路108分壓之後，產生一反饋電壓V_FB ，其被回授至誤差放大器112的輸入端。當誤差放大器112比對反饋電壓V_FB 與參考電壓V_REF 之後，所產生之訊號會再透過補償線路114進行訊號補償而再次得到誤差訊號V_ERR 。脈波寬度調變降壓轉換器10可透過以上所述的回授模式，維持輸出電壓V_out 的穩定性。

請參考第2圖，第2圖為脈波寬度調變降壓轉換器10中的各元件電壓及電流之波形示意圖。在電源電壓V_IN 高於一關機臨界電壓V_POR 時，電晶體上位開關102、電晶體下位開關104、斜坡訊號V_RAMP 、誤差電壓V_ERR 與電感106電流按照第1圖所述的工作原理，形成穩定循環狀態，換句話說，脈波寬度調變降壓轉換器10工作於正常模式。然而，當電源電壓V_in 下降至關機臨界電壓V_POR 時，脈波寬度調變降壓轉換器10所屬的電子裝置進入關機模式，電晶體上位開關102與電晶體下位開關104會同時關閉，造成電感108的輸出電感電流I_L 隨之下降為零。這樣的現象會導致電源電壓V_IN 瞬間劇烈彈跳而在電源電壓V_IN 上形成突波202。對於整個電源迴路而言，突波202易造成整個系統的誤動作。因此，如何於電子裝置關機時克服突波202的問題是很重要的課題。

因此，本發明之目的在於揭露一種可減緩電源突波之脈波寬度調變降壓轉換器，用以避免當脈波寬度調變降壓轉換器所屬的一電子裝置進入關機模式時，電源電壓產生突波的現象，進而避免電子裝置中其他元件遭受突波的損害。

本發明提供一種一種可減緩電源突波的脈波寬度調變(pulse width modulation，PWM)降壓轉化器，包含一補償電路、一波形調整器、一比較器、一輸出及電路單元及一回授單元。該補償電路用來根據一誤差訊號及該脈波寬度調變降壓轉化器之一電源電壓，產生一第一訊號。該波形調整器用來根據該電源電壓，改變一週期訊號的下降波形部分的週期，以產生一第二訊號。該比較器用來比較該第一訊號與該第二訊號，以產生一脈波寬度調變訊號。該輸出級電路單元用來根據該脈波寬度調變訊號，產生一回授訊號。該回授單元用來根據該回授訊號，產生該誤差訊號。

本發明另提供一種可減緩電源突波的方法，用於一脈波寬度調變(pulse width modulation，PWM)降壓轉化器中，該方法包含根據一誤差訊號及該脈波寬度調變降壓轉化器之一電源電壓，產生一第一訊號；根據該電源電壓，改變一週期訊號的下降波形部分的週期，以產生一第二訊號；比較該第一訊號與該第二訊號，以產生一脈波寬度調變訊號；根據該脈波寬度調變訊號，產生一回授訊號；以及比較一參考電壓與該回授訊號，以產生該誤差訊號。

請參考第3圖，第3圖為本發明實施例一可減緩電源突波之脈波寬度調變降壓轉換器30之示意圖。脈波寬度調變控制器30包含一輸出級電路單元300、一回授單元310、一比較器320、一補償電路330及一波形調整器340。其中輸出級電路單元300及回授單元310與第1圖中輸出級電路單元100及回授單元110的工作原理相雷同，於此不贅述。補償電路330用來根據回授單元310所產生之一誤差訊號V_ERR 及一電源電壓V_IN1 ，產生一第一信號V_ERR1 。脈波寬度調變降壓轉換器30可根據一關機臨界電壓V_POR ，判定是否需要進入關機。在此情況下，當電源電壓V_IN1 大於關機臨界電壓V_POR 時，補償電路330會產生相同於誤差訊號V_ERR 的第一訊號V_ERR1 。相對應地，當電源電壓V_IN1 下降至關機臨界電壓V_POR 時，補償電路330所產生之第一訊號V_ERR1 的電壓會鎖定在誤差訊號V_ERR 於電源電壓V_IN1 相同於關機臨界電壓V_POR 當時的電壓準位，而於電源電壓V_IN1 小於關機臨界電壓V_POR 後，保持在相同的電壓準位，不會隨著誤差訊號V_ERR 的變化而改變。波形調整器340用來根據該電源電壓V_IN1 ，改變一斜坡狀的週期訊號(以下稱斜坡訊號V_RAMP )的下降波形部分的週期，以產生一第二訊號V_RAMP1 。更具體來說，當電源電壓V_IN1 高於關機臨界電壓V_POR 時，波形調整器340維持第二訊號V_RAMP1 同於斜坡訊號V_RAMP 。當該電源電壓V_IN1 下降至關機臨界電壓V_POR 時，波形調整器340改變斜坡訊號V_RAMP 的下降波形部分的週期，以產生第二訊號V_RAMP1 。脈波寬度調變比較器320用來根據第一信號V_ERR1 及第二訊號V_RAMP1 ，產生一脈波寬度調整訊號V_PWM1 ，進而控制輸出級電路單元300中電晶體上位開關302及電晶體下位開關304的開/關狀態，進而控制電感306的儲能與釋能。

請參考第4圖。第4圖為本發明實施例脈波寬度調變降壓轉換器30的各元件電壓及電流之波形示意圖。在電源電壓V_IN1 高於關機臨界電壓V_POR 時，電晶體上位開關302、電晶體下位開關304、斜坡訊號V_RAMP1 、誤差電壓V_ERR1 與電感306電流成穩定循環狀態，脈波寬度調變降壓轉換器30正常地工作。然而，當電源電壓V_IN1 下降至關機臨界電壓V_POR 時，脈波寬度調變降壓轉換器30進入準備關機的狀態，補償電路330保持第一訊號V_ERR1 於一電壓值，而波形調整器340產生下降波形部分逐漸被拉長的第二訊號V_RAMP1 。接著，透過比較上述的第一訊號V_ERR1 與第二訊號V_RAMP1 ，比較器320產生可逐漸拉長電晶體上位開關302導通時間與電晶體下位開關304關閉時間的脈波寬度調整訊號V_PWM1 ，此時，電感306所產生的輸出電感電流I_L1 也對應地逐步下降，進而減緩電源電壓V_IN1 的突波現象。

請參考第5圖，第5圖為本發明實施例一補償電路330之示意圖。補償電路330包含一第一開關單元500、一第二開關單元502、一第三開關單元504、一反相器506及一電容C_COMP 。其中，第一開關單元500、第二開關單元502以及第三開關單元504的原理及結構是相同的。當電源電壓V_IN 在高於關機臨界電壓V_POR 時，第一開關單元500及第二開關單元502的輸入端PASS電壓被設定為高準位，而第三開關單元504的輸入端PASS電壓因為一反相器506的關係位於低準位。在此情況下，第一開關單元500及第二開關單元502為導通狀態，兩者輸出端OUT電壓會等同於兩者輸入端IN的電壓COMP(即誤差訊號V_ERR 的電壓)，而第三開關單元504則斷開其輸出端OUT與輸入端IN。因此，第一開關單元500輸出端OUT電壓會儲能電容C_COMP 至第一開關單元500輸入端IN的電壓，也就是誤差訊號V_ERR 的電壓，且第二開關單元502輸出端OUT的電壓COMPO(即第一訊號V_ERR1 的電壓)會等於誤差訊號V_ERR 的電壓。

更進一步地說，當電源電壓V_IN 下降至關機臨界電壓V_POR 時，脈波寬度調變降壓轉換器30進入準備關機的狀態，第一開關單元500及第二開關單元502的輸入端PASS電壓被設定為低準位，而第三開關單元504的輸入端PASS變為高準位。因此，第一開關單元500及第二開關單元502的輸出端OUT與輸入端IN皆為斷開狀態，而第三開關單元504為導通狀態。由於先前電容C_COMP 已被充電至誤差訊號V_ERR 的電壓，因此當電容C_COMP 釋能至第三開關單元504的IN輸入端，第三開關單元504的輸出端OUT的電壓COMPO轉變為誤差訊號V_ERR 的電壓。透過使用大電容值的電容C_COMP ，電壓COMPO可在一段時間內保持在誤差訊號V_ERR 的電壓。由上可知，當電源電壓V_IN1 高於關機臨界點電壓V_POR 時，補償線路330輸出端COMPO電壓(即第一訊號V_ERR1 的電壓)隨著誤差訊號V_ERR 的電壓變動；當電源電壓V_IN1 下降至關機臨界點電壓V_POR 時以及之後，輸出端COMPO電壓可以保持於一穩定電壓。

請參考第6圖，第6圖為本發明實施例一第二開關單元502之示意圖。第二開關單元502包含一P型電晶體600、一N型電晶體602及一反相器604。當輸入端PASS電壓為高準位時，P型電晶體600與N型電晶體602導通，因此，第二開關單元502的輸出端OUT與輸入端IN為導通狀態；相對應地，當輸入端PASS電壓為低準位時，P型電晶體600與N型電晶體602皆斷開，因此，第二開關單元502的輸出端OUT與輸入端IN成斷開狀態。請注意，上述實施例僅為本發明之一開關單元之一舉例說明，該開關單元包含第一開關單元500、第二開關單元502及第三開關單元504。本領域具通常知識者當可根據實際需求作適當地修改，而不限於此。例如，開關方式可以使用其他種類的電路元件實現，其相關操作與上述實施例類似，於此不贅述。

請參考第7圖，第7圖為本發明實施例一波形調整器340之示意圖。波形調整器340包含一比較單元700、一電流調整器710及開關S₁ 、S₂ 。比較單元700具有一輸入端IN₁ ，其透過開關S₁ 及S₂ 的切換，接收一上臨界電壓V_H 或一下臨界電壓V_L ，以及另一輸入端IN₂ ，用來接收電流調整器710所產生的一斜波訊號V_RAMP1 。請注意的是，輸入端IN₂ 的輸入訊號並不侷限於斜坡訊號，亦可為鋸齒波訊號等等。比較單元700用來比較第二訊號V_RAMP1 與上臨界電壓V_H ，或是第二訊號V_RAMP1 與下臨界電壓V_L ，以產生一時脈訊號OSC_OUT。此外，時脈訊號OSC_OUT被回授至電流調整器710，以控制第二訊號V_RAMP1 的波形產生操作。電流調整器710包含一固定電流源CS₁ 、一可變電流源CS₂ 、一儲能開關S₃ 、一反相器712、一釋能開關S₄ 及一電容C_RAMP1 。固定電流源CS₁ 、可變電流源CS₂ 分別用來提供電容C_RAMP1 一儲能電流I_CHAR1 及一釋能電流I_DIS1 。儲能開關S₃ 受控於時脈訊號OSC_OUT，而釋能開關S₄ 受控於透過反相器712將時脈訊號OSC_OUT反相的反相時脈訊號OSC_OUT_INV 。電容C_RAMP1 透過儲能開關S₃ 以儲能電流I_CHAR1 來進行儲能，及透過釋能開關S₄ 以釋能電流I_DIS1 來進行釋能，以產生第二訊號V_RAMP1 。在電流調整器710中，當電源電壓V_IN 下降至關機臨界電壓V_POR 時，可變電流源CS₂ 用來根據電源電壓V_IN 減小釋能電流I_DIS1 。由於第二訊號V_RAMP1 的下降波形部分的週期與釋能電流I_DIS1 成反比關係，因此，當釋能電流I_DIS1 愈小時，第二訊號V_RAMP1 的下降波形部分週期會隨之延長。

請參考第8圖，第8圖為本發明另一實施例波形調整器340之示意圖。波形調整器340包含一轉阻放大器800、一電容C_RAMP2 、一儲能電流I_CHAR2 及一釋能電流I_DIS2 。其中，電容C_RAMP2 、儲能電流I_CHAR2 及釋能電流I_DIS2 作用分別可參考第7圖的電容C_RAMP1 、儲能電流I_CHAR1 及釋能電流I_DIS1 。在轉阻放大器800中，一總電流I_TOTAL 為一固定電流，且為一分電流I₁ 及一分電流I₂ 的加總。分電流I₁ 及分電流I₂ 分別流經電晶體Q₁ 與Q₂ ，而電晶體Q₁ 與Q₂ 的開關受到一工作電壓V_IN2 與一比較電壓V_A 的控制。工作電壓V_IN2 與電源電壓V_IN1 為一特定比例關係。當工作電壓V_IN2 大於或等於比較電壓V_A 時，分電流I₁ 及分電流I₂ 的值會固定不變，加上釋能電流I_DIS2 為分電流I₂ 的鏡像電流，因此，分電流I₂ 等同於釋能電流I_DIS2 。然而，當工作電壓V_IN2 下降至比較電壓V_A 時，根據工作電壓VI_N2 與比較電壓V_A 之比值關係，部分的分電流I₂ 會流向分電流I₁ 。如此一來，分電流I₂ 會減小，使得釋能電流I_DIS2 隨之減小，而達到調整釋能電流I_DIS2 的效果。因此，釋能電流I_DIS2 可藉此控制電容C_RAMP2 來輸出下降波形部分週期延長的第二訊號V_RAMP1 。在此實施例中，本領域具通常知識者可調整工作電壓V_IN2 及比較電壓V_A 大小，使工作電壓V_IN2 下降至比較電壓V_A 的時刻即為電源電壓V_IN1 下降至關機臨界點電壓V_POR 的時刻。

綜上所述，本發明實施例中之補償電路330及波形調整器340用以避免當脈波寬度調變降壓轉換器進入關機模式時，電源電壓產生突波的現象，進而避免電子裝置中其他元件遭受突波的損害。

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。

10、30．．．脈波寬度調變降壓轉換器

100、300．．．輸出級電路單元

102、302．．．電晶體上位開關

104、304．．．電晶體下位開關

106、306．．．電感

108．．．分壓電路

110、310．．．回授單元

112、312．．．誤差放大器

114、314．．．補償線路

120、320．．．比較器

330．．．補償電路

340．．．波形調整器

500．．．第一開關單元

502．．．第二開關單元

504．．．第三開關單元

506．．．反相器

600．．．P型電晶體

602．．．N型電晶體

604．．．反相器

700．．．比較單元

710．．．電流調整器

800．．．轉阻放大器

C_RAMP1 、C_RAMP2 ．．．電容

CS₁ ．．．固定電流源

CS₂ ．．．可變電流源

I₁ 、I₂ ．．．分電流

I_CHAR1 、I_CHAR2 ．．．儲能電流

I_DIS1 、I_DIS2 ．．．釋能電流

I_TOTAL ．．．總電流

Q₁ 、Q₂ ．．．電晶體

IN、PASS．．．輸入端

IN₁ 、IN₂ ．．．輸入端

OUT．．．輸出端

S₁ 、S₂ 、S₃ 、S₄ ．．．開關

V_A ．．．比較電壓

V_DD ．．．電壓源

V_ERR ．．．誤差訊號

V_ERR1 ．．．第一訊號

V_H ．．．上臨界電壓

V_IN 、V_IN1 ．．．電源電壓

V_IN2 ．．．工作電壓

V_L ．．．下臨界電壓

V_POR ．．．關機臨界電壓

V_RAMP ．．．斜坡訊號

V_RAMP1 ．．．第二訊號

V_PWM 、V_PWM1 ．．．脈波寬度調整訊號

V_out 、V_out1 ．．．輸出電壓

I_out 、I_out1 ．．．輸出負載電流

第1圖為一習知脈波寬度調變降壓轉換器之示意圖。

第2圖為一各元件電壓及電流關係之示意圖。

第3圖為本發明實施例一具有減緩電源突波之脈波寬度調變降壓轉換器之示意圖。

第4圖為本發明實施例一各元件電壓及電流關係之示意圖。

第5圖為本發明實施例一補償電路之示意圖。

第6圖為本發明實施例一第二開關單元之示意圖。

第7圖為本發明實施例一波形調整器之示意圖。

第8圖為本發明另一實施例波形調整器之示意圖。

30．．．脈波寬度調變降壓轉換器

300．．．輸出級電路單元

302．．．電晶體上位開關

304．．．電晶體下位開關

306．．．電感

310．．．回授單元

312．．．誤差放大器

314．．．補償線路

320．．．比較器

330．．．補償電路

340．．．波形調整器

V_IN1 ．．．電源電壓

V_ERR ．．．誤差訊號

V_ERR1 ．．．第一訊號

V_POR ．．．關機臨界電壓

V_RAMP ．．．斜坡訊號

V_RAMP1 ．．．第二訊號

V_PWM1 ．．．脈波寬度調整訊號

V_out1 ．．．輸出電壓

I_out1 ．．．輸出負載電流

Claims (10)

1. 一種可減緩電源突波的脈波寬度調變(pulse width modulation，PWM)降壓轉化器，包含有：一補償電路，根據一誤差訊號、一關機臨界電壓及一電源電壓，產生一第一訊號；一波形調整器，接收該電源電壓、一斜波訊號及該關機臨界電壓，以產生一第二訊號；一比較器，比較該第一訊號與該第二訊號，以產生一脈波寬度調變訊號；一輸出級電路單元，根據該脈波寬度調變訊號，產生一回授訊號；以及一回授單元，根據該回授訊號，產生該誤差訊號。
2. 如請求項1之脈波寬度調變降壓轉化器，其中該補償電路於該電源電壓高於該關機臨界電壓時，產生等於該誤差訊號的第一訊號，以及於該電源電壓下降至該關機臨界電壓時，將該第一訊號的電壓維持在該誤差訊號的電壓。
3. 如請求項1之脈波寬度調變降壓轉化器，其中該波形調整器於該電源電壓下降至該關機臨界電壓時，拉長該週期訊號的下降波形部分的週期。
4. 如請求項1之脈波寬度調變降壓轉化器，其中該補償電路包含：一電容；一第一開關單元，用來於該電源電壓高於該關機臨界電壓時，耦接該誤差訊號與該電容，以儲能該電容至該誤差訊號，以及於該電源電壓下降至該關機臨界電壓時，斷開該誤差訊號與該電容間的耦接，以儲能該電容至該誤差訊號；一第二開關單元，用來於該電源電壓高於該關機臨界電壓時，以該誤差訊號輸出該第一訊號；以及一第三開關單元，用來於該電源電壓高於該關機臨界電壓時，斷開該第一訊號與該電容間的耦接，以及於該電源電壓下降至該關機臨界電壓時，斷開該第一訊號與該電容間的耦接。
5. 如請求項1之脈波寬度調變降壓轉化器，其中該波形調整器包含：一電容，用來產生一釋能電流，以輸出該第二訊號；以及一轉阻放大器，用來於該電源電壓下降至該關機臨界電壓時，減少該釋能電流，以拉長該第二訊號的下降波形部分的週期。
6. 如請求項1之脈波寬度調變降壓轉化器，其中該輸出級電路單元包含：一電晶體上位開關，用來根據該脈波寬度調變訊號，導通或關閉； 一電晶體下位開關，用來根據該脈波寬度調變訊號，導通或關閉；一電感，耦接於該電晶體上位開關及該電晶體下位開關；以及一分壓電路，用來分壓該電感的輸出電壓，以產生該回授訊號。
7. 如請求項1之脈波寬度調變降壓轉化器，其中該回授單元包含：一誤差放大器，用來比較一參考電壓與該回授訊號，以產生一誤差放大器輸出訊號；以及一補償線路，用來根據該誤差放大器輸出訊號，產生該誤差訊號。
8. 一種可減緩電源突波的方法，用於一脈波寬度調變(pulse width modulation，PWM)降壓轉化器中，該方法包含有：根據一誤差訊號、一關機臨界電壓及一電源電壓，產生一第一訊號；根據該電源電壓、一斜波訊號及該關機臨界電壓產生一第二訊號；比較該第一訊號與該第二訊號，以產生一脈波寬度調變訊號；根據該脈波寬度調變訊號，產生一回授訊號；以及比較一參考電壓與該回授訊號，以產生該誤差訊號。
9. 如請求項8之方法，其中根據一誤差訊號、一關機臨界電壓及一電源電壓，產生一第一訊號包含有：於該電源電壓高於該關機臨界電壓時，產生等於該誤差訊號的第一訊號；以及 於該電源電壓下降至該關機臨界電壓時，將該第一訊號的電壓維持在該誤差訊號的電壓。
10. 如請求項8之方法，其中根據該電源電壓、一斜波訊號及該關機臨界電壓產生一第二訊號包含，於該電源電壓下降至該關機臨界電壓時，拉長該週期訊號的下降波形部分的週期，以產生該第二訊號。