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TWI430069B - 定頻式導通時間控制系統及方法以及使用其的電壓調節器 - Google Patents

定頻式導通時間控制系統及方法以及使用其的電壓調節器 Download PDF

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TWI430069B
TWI430069B TW100111622A TW100111622A TWI430069B TW I430069 B TWI430069 B TW I430069B TW 100111622 A TW100111622 A TW 100111622A TW 100111622 A TW100111622 A TW 100111622A TW I430069 B TWI430069 B TW I430069B
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An Tung Chen
Ting Jung Tai
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Richtek Technology Corp
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of DC power input into DC power output
    • H02M3/02—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC
    • H02M3/04—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters
    • H02M3/10—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators

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  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Description

定頻式導通時間控制系統及方法以及使用其的電壓調節器
本發明是有關於電源調節器或轉換器，且特別是有關於定頻式導通時間控制系統及方法以及電壓調節器。
請參閱圖1A，其繪示出先前技術中的一種固定導通時間(constant ON-time,COT)的電壓調節器。圖1A中的電壓調節器100包括回饋電路111、誤差比較器CMP、導通時間控制電路(ON-time control circuit)113、驅動及電源電路(driver & power stage)130以及輸出濾波電路(output filter)150；在此，誤差比較器CMP與導通時間控制電路130構成固定導通時間控制系統。具體地，誤差比較器CMP比較回饋電路111提供的輸出電壓的回饋值VFB 與參考電壓VREF 之間的大小產生輸出電壓邏輯訊號COMP，由導通時間控制電路113根據輸出電壓邏輯訊號COMP的轉態時間產生關閉時間與導通時間TON 並告知驅動及電源電路130，之後由驅動及電源電路130根據所接收到的導通時間TON 決定輸入電壓VIN 導入至其內的時間長度來控制輸出濾波電路150中的電感電流IL ，進而調節輸出電壓VOUT 。圖1B示出圖1A中驅動及電源電路130中的電源部份1302，驅動及電源電路130會根據導通時間TON 來產生脈寬調變訊號VPWM ，以藉此決定開關電晶體HS-MOS的導通時間及關閉時間(等於相鄰兩個導通時間之間的時間間隔)；而相互串接的開關電晶體HS-MOS與LS-MOS係交替導通。
圖1A示出的固定導通時間控制系統擁有電路簡單、不需補償電路以及反應快速的優點，其缺點則是工作頻率不固定，也因此有許多方法被發展出來，以使固定導通時間控制系統達到定頻，例如圖2所示之定頻式(constant frequency)導通時間的電壓調節器200。
如圖2所示，電壓調節器200包括回饋電路211、誤差比較器CMP、定頻式導通時間控制電路213、驅動及電源電路230以及輸出濾波電路250；在此，誤差比較器CMP與定頻式導通時間控制電路213構成定頻式導通時間控制系統。其中，定頻式導通時間控制電路213利用輸入電壓VIN 與輸出電壓VOUT 以求得電壓調節器200的系統責任週期(Duty)(例如是圖1B中的脈寬調變訊號VPWM 的責任週期)或近似的系統責任週期之值再配合預定的頻率設定參數FSET0 輸出相對應的導通時間TON (等於VOUT /(VIN ×FSET0 )或Duty×(1/FSET0 )或者Duty×(1/FSET0 )之近似值)至驅動及電源電路230，使定頻式導通時間控制系統的工作頻率等於或近似等於預定的頻率設定參數FSET0 所對應之頻率；而關閉時間則是藉由誤差比較器CMP比較輸出電壓的回饋值VFB 與參考電壓VREF 來自動決定。
然而，在實際電路實現時，會有最小關閉時間的限制，亦即必須維持關閉時間不小於某一最小關閉時間；因此，當圖2中的定頻式導通時間控制電路213產生的導通時間TON 所對應的關閉時間小於最小關閉時間，系統會因為最小關閉時間的限制將關閉時間維持於最小關閉時間，使得此時定頻式導通時間控制電路所產生的TON與最小關閉時間所合成之脈寬調變控制訊號無法維持輸出電壓VOUT於所設定之準位並導致其下降。
本發明的目的之一是提供一種定頻式導通時間控制系統，以避免先前技術中在遭遇到最小關閉時間限制時輸出電壓下降的問題。
本發明的再一目的是提供一種定頻式導通時間控制方法，以避免先前技術中在遭遇到最小關閉時間限制時輸出電壓下降的問題。
本發明的又一目的是提供一種適用上述控制系統及控制方法的電壓調節器，以避免先前技術中在遭遇到最小關閉時間限制時輸出電壓下降的問題。
本發明實施例提出的一種定頻式導通時間控制系統，適於應用於電壓調節器。本實施例中的電壓調節器根據導通時間決定輸入電壓導入至電壓調節器內的時間長度以藉此調節輸出電壓。具體地，定頻式導通時間控制系統包括定頻式導通時間控制電路以及頻率設定參數調整電路；定頻式導通時間控制電路根據電壓調節器的系統責任週期(例如由輸入電壓與輸出電壓求得)或系統責任週期之近似值以及頻率設定參數設定上述之導通時間；頻率設定參數調整電路根據電壓調節器之與導通時間相對應的關閉時間的大小產生頻率設定參數調整值，並根據頻率設定參數調整值與預定的頻率設定參數進行運算產生上述之頻率設定參數。其中，頻率設定參數調整電路於關閉時間小於關閉時間參考值時利用頻率設定參數調整值改變運算結果來改變頻率設定參數以增大導通時間。
在本發明的實施例中，上述之頻率設定參數調整電路可包括誤差放大器、低通濾波器、極性選擇電路以及計算電路。誤差放大器根據代表關閉時間的控制電壓與代表關閉時間參考值的參考電壓之間的差異輸出誤差放大訊號，此誤差放大訊號於關閉時間小於關閉時間參考值時具有特定極性；低通濾波器對上述之誤差放大訊號進行低適濾波處理；極性選擇電路根據低通濾波後的誤差放大訊號輸出頻率設定參數調整值，且當低通濾波後的誤差放大訊號具有上述之特定極性時使頻率設定參數調整值為非零；計算電路對預定的頻率設定參數與頻率設定參數調整值進行運算而產生頻率設定參數以供定頻式導通時間控制電路使用。
在本發明的實施例中，上述之頻率設定參數調整電路更可包括時間對電壓轉換器，以將關閉時間轉換成上述之控制電壓。
在本發明的實施例中，上述之定頻式導通時間控制系統更可包括誤差比較器，以根據輸出電壓的回饋值與另一參考電壓提供輸出電壓邏輯訊號以供定頻式導通時間控制電路決定關閉時間之用。
本發明實施例提出的定頻式導通時間控制方法適於應用於電壓調節器。本實施例中的電壓調節器可根據導通時間決定輸入電壓導入至電壓調節器內的時間長度以藉此調節輸出電壓。具體地，定頻式導通時間控制方法包括步驟：根據電壓調節器的系統責任週期(例如由輸入電壓與輸出電壓求得)或系統責任週期之近似值與頻率設定參數設定上述之導通時間；當電壓調節器之與導通時間相對應的關閉時間小於關閉時間參考值時，改變頻率設定參數以增大導通時間。進一步地，還可以當關閉時間不小於關閉時間參考值時，保持頻率設定參數不變。
在本發明的實施例中，上述之當電壓調節器之與導通時間相對應的關閉時間小於關閉時間參考值時改變頻率設定參數以增大導通時間的步驟可包括：根據代表關閉時間的控制電壓與代表關閉時間參考值的參考電壓之間的差異輸出誤差方法訊號，在此，誤差放大訊號於關閉時間小於關閉時間參考值時具有特定極性；對誤差放大訊號進行低通濾波處理；當低通濾波後的誤差放大訊號具有上述之特定極性時輸出非零的頻率設定參數調整值；以及利用非零的頻率設定參數調整值改變頻率設定參數。
在本發明的實施例中，上述之定頻式導通時間控制方法更可包括步驟：根據輸出電壓的回饋值與另一參考電壓之間的差異提供輸出電壓邏輯訊號；以及根據輸出電壓邏輯訊號決定上述之關閉時間。
本發明實施例提出的一種電壓調節器，包括驅動及電源電路、定頻式導通時間控制電路以及頻率設定參數調整電路；其中，驅動及電源電路根據導通時間決定輸入電壓導入至驅動及電源電路內的時間長度以藉此調節輸出電壓；定頻式導通時間控制電路根據電壓調節器的系統責任週期(例如由輸入電壓與輸出電壓求得)或系統責任週期之近似值與頻率設定參數設定上述之導通時間；頻率設定參數調整電路根據與上述之導通時間相對應的關閉時間的大小產生頻率設定參數調整值，並藉由頻率設定參數調整值決定是否改變上述之頻率設定參數。再者，於關閉時間小於關閉時間參考值時頻率設定參數調整值為非零而使得頻率設定參數被改變。
本發明實施例藉由提供頻率設定參數調整電路，以使得當關閉時間小於關閉時間參考值(電路實現時可設置為大於系統最小關閉時間)時，調降頻率設定參數以調整導通時間的大小，進而可避免在遭遇最小關閉時間的限制時所造成的輸出電壓下降的問題。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
請參閱圖3，其繪示出相關於本發明實施例的一種定頻式導通時間的電壓調節器之電路結構示意圖。如圖3所示，電壓調節器300包括回饋電路311、誤差比較器CMP、定頻式導通時間控制電路313、頻率設定參數調整電路315、驅動及電源電路330以及輸出濾波電路350；在此，誤差比較器CMP、定頻式導通時間控制電路313與頻率設定參數調整電路315構成本實施例中的定頻式導通時間控制系統。
本實施例中，回饋電路311、誤差比較器CMP、驅動及電源電路330以及輸出濾波電路350與圖1A及圖2中的回饋電路、誤差比較器、驅動及電源電路以及輸出濾波電路基本相同，故在此不再贅述。
本實施例中的定頻式導通時間控制電路313根據輸入電壓VIN 與輸出電壓VOUT 以求得系統的責任週期(Duty)(例如是圖1B中脈寬調變訊號VPWM 的責任週期)或系統責任週期之近似值與頻率設定參數FSET 產生導通時間TON ，例如TON =VOUT /(VIN ×FSET )或Duty×(1/FSET )或Duty×(1/FSET )之近似值，並根據誤差比較器CMP藉由比較輸出電壓的回饋值VFB 與參考電壓VREF 後輸出的輸出電壓邏輯訊號COMP來決定與導通時間TON 對應之關閉時間TOFF 。在此需要說明的是，系統責任週期的求取方式很多，並不限於利用輸出電壓與輸入電壓相除來求得。驅動及電源電路330從定頻式導通時間控制電路313獲知導通時間TON 後決定輸入電壓VIN 導入至驅動及電源電路330內的時間長度，以藉此調節輸出電壓VOUT 。
承上述，頻率設定參數調整電路315包括時間對電壓轉換器(time to voltage converter)、誤差放大器EA、低通濾波電路3152、極性選擇電路3154以及計算電路3156。
其中，時間對電壓轉換器3150接收定頻式導通時間控制電路313輸出的關閉時間TOFF 並將關閉時間TOFF 轉換成代表關閉時間TOFF 的控制電壓VOFF 。誤差放大器EA接收控制電壓VOFF 與代表關閉時間參考值(在此，關閉時間參考值設置為大於系統的最小關閉時間)的參考電壓VOFF(set) ，並根據控制電壓VOFF 與參考電壓VOFF(set) 之間的差異輸出誤差放大訊號Sdif ；在此，誤差放大訊號Sdif 在控制電壓VOFF 大於參考電壓VOFF(set) (對應關閉時間TOFF 小於關閉時間參考值)時具有正極性，亦即此時Sdif >0；否則，Sdif 0。低通濾波電路3152對誤差放大訊號Sdif 進行低通濾波處理後輸出至極性選擇電路3154，由極性選擇電路3154根據低通濾波後的誤差放大訊號Sdif 產生頻率設定參數調整值Scon 。更具體地，當誤差放大訊號Sdif >0，則極性選擇電路3154會將頻率設定參數調整值Scon 設為非零(亦即Scon >0)，而當誤差放大訊號Sdif 0，則極性選擇電路3154會將頻率設定參數調整值Scon 設為零(亦即Sdif =0)。之後，計算電路3156會對所接收到的預定的頻率設定參數FSET0 與頻率設定參數調整值Scon 進行運算，並將運算結果作為頻率設定參數FSET 供定頻式導通時間控制電路313使用，亦即FSET =αFSET0 -βScon ，其中α與β的最簡單形式為1，但也可設定為其他數值。
從本實施例的頻率設定參數FSET 的計算公式(FSET =αFSET0 -βScon )可知：於關閉時間TOFF 小於關閉時間參考值時頻率設定參數調整值Scon 為非零而使得頻率設定參數FSET 被改變例如調降，而於關閉時間TOFF 不小於關閉時間參考值時頻率設定參數調整值Scon 為零而使得該頻率設定參數FSET 保持不變；因此可避免先前技術中在遭遇最小關閉時間限制時所造成的輸出電壓下降的問題。
綜上所述，本發明實施例藉由提供頻率設定參數調整電路，以使得當關閉時間小於關閉時間參考值(電路實現時可設置為大於系統最小關閉時間)時調降頻率設定參數以調整(例如增大)導通時間的大小，進而可避免在遭遇最小關閉時間的限制時所造成的輸出電壓下降的問題。
另外，任何習此技藝者可對本發明上述實施例中的電壓調節器之電路結構作適當變更設計，例如變更頻率設定參數調整電路的內部結構，只要能達成在關閉時間TOFF 小於關閉時間參考值時調降頻率設定參數之目的即可。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、200、300．．．電壓調節器
111、211、311．．．回饋電路
VREF ．．．參考電壓
113．．．導通時間控制電路
VOUT ．．．輸出電壓
130、230、330．．．驅動及電源電路
150、250、350．．．輸出濾波電路
HS-MOS、LS-MOS．．．開關電晶體
213、313．．．定頻式導通時間控制電路
315．．．頻率設定參數調整電路
3150．．．時間對電壓轉換器
VOFF(set) ．．．參考電壓
3152．．．低通濾波電路
3156．．．計算電路
FSET0 ．．．預定的頻率設定參數
VFB ．．．輸出電壓的回饋值
CMP．．．誤差比較器
COMP．．．輸出電壓邏輯訊號
TON ．．．導通時間
VIN ．．．輸入電壓
1332．．．電源部份
IL ．．．電感電流
FSET ．．．頻率設定參數
TOFF ．．．關閉時間
VOFF ．．．控制電壓
EA．．．誤差放大器
3154．．．極性選擇電路
Sdif ．．．誤差放大訊號
Scon ．．．頻率設定參數調整值
圖1A繪示出先前技術中的一種固定導通時間的電壓調節器。
圖1B繪示出圖1A中的驅動及電源電路中的電源部份。
圖2繪示出先前技術中的一種定頻式導通時間的電壓調節器。
圖3繪示出相關於本發明實施例的一種定頻式導通時間的電壓調節器。
300．．．電壓調節器
VFB ．．．輸出電壓的回饋值
VREF ．．．參考電壓
313．．．定頻式導通時間控制電路
VIN ．．．輸入電壓
315．．．頻率設定參數調整電路
3150．．．時間對電壓轉換器
VOFF(set) ．．．參考電壓
3152．．．低通濾波電路
3156．．．計算電路
FSET0 ．．．預定的頻率設定參數
330．．．驅動及電源電路
IL ．．．電感電流
311．．．回饋電路
CMP．．．誤差比較器
COMP．．．輸出電壓邏輯訊號
FSET ．．．頻率設定參數
TON ．．．導通時間
TOFF ．．．關閉時間
VOFF ．．．控制電壓
EA．．．誤差放大器
3154．．．極性選擇電路
Sdif ．．．誤差放大訊號
Scon ．．．頻率設定參數調整值
350．．．輸出濾波電路
VOUT ．．．輸出電壓

Claims (12)

  1. 一種定頻式導通時間控制系統，應用於電壓調節器，該電壓調節器根據一導通時間決定一輸入電壓導入至該電壓調節器內的一時間長度以藉此調節一輸出電壓，該定頻式導通時間控制系統包括：一定頻式導通時間控制電路，根據該電壓調節器的一系統責任週期以及一頻率設定參數設定該導通時間；以及一頻率設定參數調整電路，根據該電壓調節器之與該導通時間相對應的一關閉時間與一關閉時間參考值之間的差異產生一頻率設定參數調整值，並根據該頻率設定參數調整值與一預定的頻率設定參數進行運算產生該頻率設定參數，其中，該頻率設定參數調整電路於該關閉時間小於該關閉時間參考值時利用該頻率設定參數調整值改變運算結果來改變該頻率設定參數以增大該導通時間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的定頻式導通時間控制系統，其中該頻率設定參數調整電路包括：一誤差放大器，根據代表該關閉時間的一控制電壓與代表該關閉時間參考值的一參考電壓之間的差異輸出一誤差放大訊號，該誤差放大訊號於該關閉時間小於該關閉時間參考值時具有一特定極性；一低通濾波器，對該誤差放大訊號進行低通濾波處理；一極性選擇電路，根據低通濾波後的誤差放大訊號輸出該頻率設定參數調整值，且當該低通濾波後的誤差放大訊號具有該特定極性時使該頻率設定參數調整值為非零；以及 一計算電路，對該預定的頻率設定參數與該頻率設定參數調整值進行運算而產生該頻率設定參數以供該定頻式導通時間控制電路使用。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的定頻式導通時間控制系統，其中該頻率設定參數調整電路更包括：一時間對電壓轉換器，將該關閉時間轉換成該控制電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的定頻式導通時間控制系統，更包括：一誤差比較器，根據該輸出電壓的一回饋值與一參考電壓提供一輸出電壓邏輯訊號以供該定頻式導通時間控制電路決定該關閉時間之用。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的定頻式導通時間控制系統，其中該運算為FSET =αFSET0 -βScon ，FSET 代表該頻率設定參數，FSET0 代表該預定的頻率設定參數，Scon 代表該頻率設定參數調整值，α與β為常數。
  6. 一種定頻式導通時間控制方法，應用於電壓調節器，該電壓調節器根據一導通時間決定一輸入電壓導入至該電壓調節器內的一時間長度以藉此調節一輸出電壓，該定頻式導通時間控制方法包括步驟：根據該電壓調節器的一系統責任週期以及一頻率設定參數設定該導通時間；以及當該電壓調節器之與該導通時間相對應的一關閉時間小 於一關閉時間參考值時，根據該關閉時間與該關閉時間參考值之間的差異改變該頻率設定參數以增大該導通時間。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的定頻式導通時間控制方法，其中當該電壓調節器之與該導通時間相對應的該關閉時間小於該關閉時間參考值時，改變該頻率設定參數以增大該導通時間的步驟包括：根據代表該關閉時間的一控制電壓與代表該關閉時間參考值的一參考電壓之間的差異輸出一誤差放大訊號，該誤差放大訊號於該關閉時間小於該關閉時間參考值時具有一特定極性；對該誤差放大訊號進行低通濾波處理；當低通濾波後的誤差放大訊號具有該特定極性時輸出一非零的頻率設定參數調整值；以及利用該非零的頻率設定參數調整值改變該頻率設定參數。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的定頻式導通時間控制方法，更包括步驟：根據該輸出電壓的一回饋值與一參考電壓之間的差異提供一輸出電壓邏輯訊號；以及根據該輸出電壓邏輯訊號決定該關閉時間。
  9. 一種電壓調節器，包括：一驅動及電源電路，根據一導通時間決定一輸入電壓導入至該驅動及電源電路內的一時間長度以藉此調節一輸出電壓；一定頻式導通時間控制電路，根據該電壓調節器的一系統 責任週期以及一頻率設定參數設定該導通時間；以及一頻率設定參數調整電路，根據與該導通時間相對應的一關閉時間與一關閉時間參考值之間的差異產生一頻率設定參數調整值，並藉由該頻率設定參數調整值決定是否改變該頻率設定參數；其中，於該關閉時間小於該關閉時間參考值時該頻率設定參數調整值為非零而使得該頻率設定參數被改變。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的電壓調節器，其中該頻率設定參數調整電路包括：一誤差放大器，根據代表該關閉時間的一控制電壓與代表該關閉時間參考值的一參考電壓之間的差異輸出一誤差放大訊號，該誤差放大訊號於該關閉時間小於該關閉時間參考值時具有一特定極性；一低通濾波器，對該誤差放大訊號進行低通濾波處理；一極性選擇電路，根據低通濾波後的誤差放大訊號輸出該頻率設定參數調整值，且當該低通濾波後的誤差放大訊號具有該特定極性時使該頻率設定參數調整值為非零；以及一計算電路，對一預定的頻率設定參數與該頻率設定參數調整值進行運算而得該頻率設定參數以供該定頻式導通時間控制電路使用。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的電壓調節器，更包括：一誤差比較器，根據該輸出電壓的一回饋值與一參考電壓提供一輸出電壓邏輯訊號以供該定頻式導通時間控制電路決定該關閉時間之用。
  12. 如申請專利範圍第9項所述的電壓調節器，其中該系統責任週期係利用該輸入電壓與輸出電壓求得。
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