TWI555317B - 電源轉換器及其斜率偵測控制器與方法 - Google Patents

Description

電源轉換器及其斜率偵測控制器與方法

本發明是有關於一種電源轉換器，且特別是有關於一種電源轉換器及其斜率偵測控制器與方法。

圖1繪示習知的直流對直流轉換器的電路圖。如圖1所示，直流對直流轉換器100用以將輸入電壓Vin經由輸出級110轉換為輸出電壓Vout。直流對直流轉換器100再根據輸出電壓Vout之變化回授至脈波寬度調變控制單元120，以控制輸出級110的操作，使得輸出電壓Vout可被調節在一額定輸出電壓。

圖2繪示習知的直流對直流轉換器在負載變化瞬間的波形示意圖。請一併參照圖1與圖2，直流對直流轉換器100在正常操作下，如圖2的T1區間，直流對直流轉換器100會將其輸出電壓Vout維持在額定輸出電壓的一預設範圍內。當負載由重載轉換成輕載的瞬間，由於直流對直流轉換器100中的電路迴圈反應速度無法跟上負載轉換瞬變(load transient)，因此在圖2的T2區間，直流對直流轉換器100所提供的電感電流IL仍比所需的負載電流Iload多，所以上述多餘的電感電流IL將會對輸出電容Cout充電，使得輸出電壓Vout升高而造成輸出電壓Vout超過額定輸出電壓的預設範圍，此一現象稱之為過沖(overshoot)。然而，上述情形為產品應用上所不樂見。

有鑑於此，本發明提供一種電源轉換器及其斜率偵測控 制器與方法電源轉換器，藉以解決先前技術所述及的間題。

本發明提出一種電源轉換器的斜率偵測控制器，其包括斜率偵測單元與輸出控制單元。上述斜率偵測單元接收電源轉換器之輸出電壓，且根據輸出電壓產生斜率偵測訊號。上述輸出控制單元耦接斜率偵測單元，且根據斜率偵測訊號提供控制訊號，以控制電源轉換器。

在本發明之一實施例中，當斜率偵測訊號超過預設值時，輸出控制單元產生控制訊號。

在本發明之一實施例中，控制訊號用以關閉電源轉換器的第一切換開關。

在本發明之一實施例中，控制訊號用以截止電源轉換器的時間訊號產生器的導通時間訊號。

在本發明之一實施例中，控制訊號用以截止電源轉換器的脈波寬度調變訊號。

本發明提出一種電源轉換器，其包括輸出級、脈波寬度調變控制單元以及斜率偵測控制器。上述輸出級包括第一切換開關。上述脈波寬度調變控制單元耦接輸出級，且控制輸出級之第一切換開關的操作。上述斜率偵測控制器耦接脈波寬度調變控制單元，且根據電源轉換器之輸出電壓產生斜率偵測訊號，以根據斜率偵測訊號產生控制訊號，以使得脈波寬度調變控制單元控制第一切換開關關閉。

在本發明之一實施例中，輸出級還包括第二切換開關，第一切換開關又可稱之為上橋開關，第二切換開關又可稱之為下橋開關。

在本發明之一實施例中，脈波寬度調變控制單元包括驅動器，斜率偵測控制器耦接驅動器，使得控制訊號控制驅動器關閉第一切換開關。

在本發明之一實施例中，脈波寬度調變控制單元包括時間訊號產生器，斜率偵測控制器耦接時間訊號產生器，使得控制訊號控制時間訊號產生器停止提供導通時間訊號，以關閉第一切換開關。

在本發明之一實施例中，脈波寬度調變控制單元包括脈波寬度調變產生器，斜率偵測控制器耦接脈波寬度調變產生器，使得控 制訊號控制脈波寬度調變產生器停止提供脈波寬度調變訊號，以關閉第一切換開關。

在本發明之一實施例中，脈波寬度調變產生器包括誤差 放大器與第一比較器，斜率偵測控制器耦接於誤差放大器與第一比較器之間，以利用控制訊號來影響誤差放大器之誤差訊號來使得脈波寬度調變產生器停止提供脈波寬度調變訊號。

在本發明之一實施例中，脈波寬度調變產生器包括誤差 放大器、第一比較器及斜波訊號產生器，第一比較器之第一輸入端耦接誤差放大器，第一比較器之第二輸入端耦接斜波訊號產生器，斜率偵測控制器耦接斜波訊號產生器，以利用控制訊號來影響斜波訊號產生器之斜波訊號來使得脈波寬度調變產生器停止提供脈波寬度調變訊號。

在本發明之一實施例中，斜率偵測控制器包括斜率偵測 單元與輸出控制單元，斜率偵測單元為微分電路，以提供斜率偵測訊號，輸出控制單元根據斜率偵測訊號產生控制訊號。

本發明提出一種電源轉換器的斜率偵測控制方法，其包 括：接收電源轉換器之輸出電壓；根據輸出電壓提供斜率偵測訊號；以及根據斜率偵測訊號產生控制訊號，以控制電源轉換器。

綜上所述，本發明所提供的電源轉換器與斜率偵測控制 器的偵測控制方法利用偵測輸出電壓斜率與開迴路的控制方法來抑制輸出電壓過沖現象，以提高系統穩定性。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

100、300‧‧‧電源轉換器

110、31‧‧‧輸出級

120、32‧‧‧脈波寬度調變控制單元

33‧‧‧斜率偵測控制器

121、321‧‧‧誤差放大器

122、322‧‧‧第一比較器

123、323‧‧‧時間訊號產生器

124、324‧‧‧驅動器

325‧‧‧脈波寬度調變產生器

326‧‧‧斜波訊號產生器

329‧‧‧補償單元

41‧‧‧斜率偵測單元

42‧‧‧輸出控制單元

Cout‧‧‧輸出電容

ctrl‧‧‧控制訊號

ERR‧‧‧誤差訊號

ESR‧‧‧等效串聯電阻

IL‧‧‧電感電流

Iload‧‧‧負載電流

Vin‧‧‧輸入電壓

Vout‧‧‧輸出電壓

V+‧‧‧正電壓

UG‧‧‧第一切換開關訊號

LG‧‧‧第二切換開關訊號

PHASE‧‧‧相位節點

pwm‧‧‧脈波寬度調變訊號

REF‧‧‧參考訊號

ramp‧‧‧斜波訊號

SD‧‧‧斜率偵測訊號

STL‧‧‧預設值

TON‧‧‧導通時間訊號

SW2‧‧‧第二切換開關

SW1‧‧‧第一切換開關

R‧‧‧電阻

C‧‧‧電容

Inv‧‧‧反相器

nand‧‧‧非及閘

DFF‧‧‧D類觸發器

S905~S920‧‧‧流程步驟

圖1繪示習知的直流對直流轉換器的電路圖。

圖2繪示習知的直流對直流轉換器在負載變化瞬間的波形示意圖。

圖3繪示根據本發明之一實施例之電源轉換器的電路示意圖。

圖4繪示根據本發明之一實施例之斜率偵測控制器的電路示意圖。

圖5繪示顯示加入斜率偵測控制器後的負載由重載轉換成輕載的瞬間響應。

圖6A繪示根據本發明之斜率偵測控制器之控制方式的第一實施例的電路示意圖。

圖6B繪示根據本發明之斜率偵測控制器之控制方式的第一實施例的驅動器電路示意圖。

圖7A繪示根據本發明之斜率偵測控制器之控制方式的第二實施例的電路示意圖。

圖7B繪示根據本發明之斜率偵測控制器之控制方式的第二實施例的時間訊號產生器電路示意圖。

圖8A繪示根據本發明之斜率偵測控制器之控制方式的第三實施例的電路示意圖。

圖8B繪示根據本發明之斜率偵測控制器之控制方式的第三實施例的控制誤差訊號電路示意圖。

圖8C繪示根據本發明之斜率偵測控制器之控制方式的第三實施例的控制斜坡訊號電路示意圖。

圖9繪示根據本發明之一實施例之電源轉換器的斜率偵測控制方法。

現在將詳細參考本發明的示範性實施例，並在附圖中說明所述示範性實施例的實例。另外，在圖式及實施方式中所使用相同或類似標號的元件/構件是用來代表相同或類似部分。

在下述諸實施例中，當元件被指為「連接」或「耦接」至另一元件時，其可為直接連接或耦接至另一元件，或可能存在介於其間的元件。術語「電路」可表示為至少一元件或多個元件，或者主動地且/或被動地而耦接在一起的元件以提供合適功能。術語「訊號」可表示 為至少一電流、電壓、負載、溫度、資料或其他信號。斜波訊號又可為類斜波訊號、三角波訊號或鋸齒波訊號，其可以為重複-下降形式的斜波或是重複-上升形式的斜波，端視應用而決定。

根據本發明之一較佳具體實施例為一種電源轉換器。於此 實施例中，本發明提出的電源轉換器應用於電源積體電路(Power IC)中，但不以此為限。

請參照圖3，圖3繪示根據本發明之一實施例之電源轉換 器的電路示意圖。如圖3所示，電源轉換器300包括輸出級31、脈波寬度調變控制單元32及斜率偵測控制器33。在本實施例中，脈波寬度調變控制單元32還包括誤差放大器321、第一比較器322、時間訊號產生器323以及驅動器324；輸出級31還包括第一切換開關SW1與第二切換開關SW2；第一切換開關SW1亦可稱為上橋開關，第二切換開關SW2亦可稱為下橋開關。在其他實施例中，輸出級31亦可僅包括一個切換開關，並搭配二極體或電感等元件，並不以此為限。

輸出級31中的第一切換開關SW1耦接輸入電壓Vin與驅動器324。輸出級31中的第二切換開關SW2耦接驅動器324與接地端。在第一切換開關SW1與第二切換開關SW2之間還存在一相位節點PHASE，此相位節點PHASE耦接輸出電感之一端。在本實施例中，相位節點PHASE還耦接驅動器324。在其他實施例中，相位節點PHASE亦可不耦接驅動器324，並不以此為限。

脈波寬度調變控制單元32之誤差放大器321耦接輸出電感之另一端。在其他實施例中，誤差放大器321亦可透過一分壓單元來耦接至輸出電感之另一端。此外，誤差放大器321還耦接一參考電壓REF，此參考電壓REF的大小可與電源轉換器300的額定輸出電壓相關。在本實施例中，誤差放大器321提供電壓類型的誤差訊號ERR，在其他實施例中，誤差放大器321亦可由轉導放大器(GM)來取代，以提供電流類型的誤差訊號ERR，並不以此為限。

第一比較器322之一輸入端耦接誤差放大器321的輸出端，在本實施例中，誤差放大器321的輸出還會經過補償單元329的補 償處理後才提供至第一比較器322。第一比較器322之另一輸入端用以接收斜波訊號ramp。第一比較器322根據比較結果來提供一觸發訊號。 時間訊號產生器323分別耦接第一比較器322與驅動器324。時間訊號產生器323根據上述觸發訊號來提供導通時間訊號TON至驅動器324，藉此來控制輸出級31的操作。藉由上述元件/電路的耦接，脈波寬度調變控制單元32可耦接輸出級31，且控制輸出級31的操作。

在本發明之一實施例中，斜率偵測控制器33耦接脈波寬 度調變控制單元32，且根據電源轉換器300之輸出電壓Vout的斜率來控制脈波寬度調變控制單元32，以進一步控制輸出級31的至少一開關的操作。

圖4為根據本發明之一實施例之斜率偵測控制器的電路 示意圖。有關其說明，敬請一併參照圖3與圖4。斜率偵測控制器33包括斜率偵測單元41及輸出控制單元42。斜率偵測單元41分別耦接電源轉換器300之輸出端與輸出控制單元42，以接收電源轉換器300的輸出電壓Vout，並根據輸出電壓Vout的斜率來產生斜率偵測訊號SD。在本實施例中，斜率偵測單元41是微分電路。在其他實施例中，斜率偵測單元41亦可利用其他可偵測斜率的電路來取代，並不以此為限。

輸出控制單元42為一比較器，其一輸入端接收斜率偵測 訊號SD，其另一輸入端接收具有預設值(slope trigger level)的參考訊號，當斜率偵測訊號超過此預設值時，輸出控制單元42即會產生控制訊號ctrl來控制電源轉換器300。

如圖5所示，在T2區間，當負載轉換瞬變(load transient) 時，輸出控制單元42可藉由偵測輸出電壓Vout的斜率來產生控制訊號ctrl，以控制輸出級31的第一切換開關SW1，進而使得電感電流IL不再對輸出電容Cout充電，以解決輸出電壓Vout過沖問題。在圖5中，虛線部分為習知的直流對直流轉換器的原始響應，實線則為本實施例改善後的電路響應。

在本發明中，斜率偵測控制器33所提供的控制訊號ctrl可提供至脈波寬度調變控制單元32中的各組成元件，以透過控制訊號 ctrl來影響脈波寬度調變控制單元32之操作，進而關閉(turn off)輸出級31的第一切換開關SW1，以使得輸出電壓Vout不會繼續升高。

圖6A~8C繪示本發明之斜率偵測控制器之控制方式的各 個實施例的電路示意圖。圖6A繪示根據本發明之斜率偵測控制器之控制方式的第一實施例的電路示意圖。在圖6A中，斜率偵測控制器33耦接脈波寬度調變控制單元32的驅動器324，用以提供控制訊號ctrl至驅動器324，以使得驅動器324輸出第一切換開關訊號UG至第一切換開關SW1，以強制關閉(turn off)第一切換開關SW1，造成電感電流IL停止對輸出電容Cout充電。

圖6B繪示根據本發明之斜率偵測控制器之控制方式的第 一實施例的驅動器電路示意圖。在圖6B中，當控制訊號ctrl例如為高準位時，無論時間訊號產生器323之時間訊號TON為導通或關閉，驅動器324都會輸出第一切換開關訊號UG至輸出級31的第一切換開關SW1，以關閉第一切換開關SW1。亦即，控制訊號ctrl優先順序大於導通時間訊號TON。

圖7A繪示根據本發明之斜率偵測控制器之控制方式的第 二實施例的電路示意圖。在圖7A中，斜率偵測控制器33耦接時間訊號產生器323，用以提供控制訊號ctrl控制時間訊號產生器323，以使得時間訊號產生器323停止提供導通時間訊號(TON)至驅動器324，進而強制關閉(turn off)第一切換開關SW1，使得電感電流IL停止對輸出電容Cout充電。

圖7B繪示根據本發明之斜率偵測控制器之控制方式的第 二實施例的時間訊號產生器的電路示意圖。在圖7B中，當第一比較器322提供觸發訊號至時間訊號產生器323時，則時間訊號產生器323根據觸發訊號來提供一恆定導通時間訊號TON(或恆定關閉時間訊號)至驅動器324，以控制輸出級31的操作。然而，當斜率偵測控制器33提供控制訊號ctrl至時間訊號產生器323時，則時間訊號產生器323將依其內部線路邏輯來停止提供導通時間訊號TON至驅動器324。也就是說，斜率偵測控制器33所提供的控制訊號ctrl可強制截止導通時間訊號TON的 產生。亦即，控制訊號ctrl有最高優先順序。

圖8A繪示根據本發明之斜率偵測控制器之控制方式的第 三實施例的電路示意圖。在圖8A中，脈波寬度調變控制單元32更包括脈波寬度調變產生器325。斜率偵測控制器33耦接脈波寬度調變控制單元32的脈波寬度調變產生器325，以提供控制訊號ctrl控制脈波寬度調變產生器325停止提供脈波寬度調變訊號pwm至驅動器324，以強制截止(cut-off)進行中之導通週期(Ton)，使得驅動器324關閉第一切換開關SW1。

圖8B繪示根據本發明之斜率偵測控制器之控制方式的第 三實施例的控制誤差訊號電路示意圖。在圖8B中，脈波寬度調變產生器325更包括誤差放大器321及第一比較器322。斜率偵測控制器33耦接於誤差放大器321與第一比較器322之間，用以提供控制訊號ctrl控制誤差放大器321之誤差訊號ERR，以控制脈波寬度調變產生器325停止提供脈波寬度調變訊號pwm，以強制截止進行中之導通週期，使得驅動器324關閉第一切換開關SW1。在本實施例中，控制訊號ctrl控制誤差訊號ERR所代表的意義是：控制訊號ctrl可使得誤差放大器321所提供的誤差訊號ERR往上拉或往下拉，以影響脈波寬度調變訊號pwm的產生。在其他實施例中，控制訊號ctrl亦可與誤差訊號ERR進行加總或其他各種運算，並不以此為限。

圖8C繪示根據本發明之斜率偵測控制器之控制方式的第三實施例的控制斜坡訊號電路示意圖。在圖8C中，脈波寬度調變產生器325更包括斜波訊號產生器326。第一比較器322之第一輸入端耦接誤差放大器321，第一比較器322之第二輸入端耦接斜波訊號產生器326。斜率偵測控制器33耦接斜波訊號產生器326，用以提供控制訊號ctrl控制斜波訊號產生器326之斜波訊號ramp，以控制脈波寬度調變產生器325停止提供脈波寬度調變訊號pwm，以強制截止進行中之導通週期，使得驅動器324關閉第一切換開關SW1。類似於圖8B，在圖8C中，控制訊號ctrl控制斜波訊號ramp所代表的意義是：控制訊號ctrl可使得斜波訊號ramp往上拉或往下拉，以影響脈波寬度調變訊號pwm的產生。在其 他實施例中，控制訊號ctrl亦可與斜波訊號ramp進行加總或其他各種運算，並不以此為限。

根據本發明之另一具體實施例為一種電源轉換器的斜率 偵測控制方法。請參照圖9，圖9繪示此實施例之電源轉換器的斜率偵測控制方法的流程圖。有關其說明，敬請一併參照圖3與圖4。在步驟S905中，斜率偵測單元41分別耦接電源轉換器300之輸出端與輸出控制單元42，以接收電源轉換器之輸出電壓Vout。在步驟S910中，該方法利用斜率偵測單元41根據輸出電壓Vout提供斜率偵測訊號SD。在步驟S915中，該方法利用輸出控制單元42產生控制訊號ctrl，當斜率偵測訊號SD超過上述預設值STL時，該方法以根據斜率偵測訊號SD產生控制訊號ctrl。在步驟S920中，該方法提供控制訊號ctrl來控制電源轉換器300。

相較於先前技術，根據本發明之電源轉換器及其斜率偵 測控制器與方法可在負載電流由重載轉換成輕載的瞬間，透過偵測輸出電壓之斜率及使用開迴路控制之方式將進行中之導通週期直接截止，以有效地抑制輸出電壓過沖的現象，故能使得電源轉換器的輸出電壓不會繼續過沖。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描 述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

300‧‧‧電源轉換器

31‧‧‧輸出級

32‧‧‧脈波寬度調變控制單元

321‧‧‧誤差放大器

322‧‧‧第一比較器

323‧‧‧時間訊號產生器

324‧‧‧驅動器

329‧‧‧補償單元

33‧‧‧斜率偵測控制器

Cout‧‧‧輸出電容

ctrl‧‧‧控制訊號

ERR‧‧‧誤差訊號

ESR‧‧‧等效串聯電阻

PHASE‧‧‧相位節點

IL‧‧‧電感電流

Iload‧‧‧負載電流

Vin‧‧‧輸入電壓

Vout‧‧‧輸出電壓

UG‧‧‧第一切換開關訊號

LG‧‧‧第二切換開關訊號

REF‧‧‧參考訊號

ramp‧‧‧斜波訊號

SW1‧‧‧第一切換開關

SW2‧‧‧第二切換開關

R‧‧‧電阻

C‧‧‧電容

Claims (15)

1. 一種電源轉換器的斜率偵測控制器，包括：一斜率偵測單元，接收該電源轉換器之一輸出電壓，且根據該輸出電壓產生一斜率偵測訊號；以及一輸出控制單元，耦接該斜率偵測單元，且根據該斜率偵測訊號提供一控制訊號，以控制該電源轉換器；其中，該電源轉換器之一驅動器分別接收該控制訊號及一時間訊號，並且該控制訊號之優先順序大於該時間訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述的斜率偵測控制器，其中當該斜率偵測訊號超過一預設值時，該輸出控制單元產生該控制訊號。
3. 如申請專利範圍第1項所述的斜率偵測控制器，其中該驅動器根據該控制訊號產生一切換開關訊號。
4. 如申請專利範圍第1項所述的斜率偵測控制器，其中該控制訊號用以截止該電源轉換器的一時間訊號產生器的一導通時間訊號。
5. 如申請專利範圍第4項所述的斜率偵測控制器，其中該控制訊號用以截止該電源轉換器的一脈波寬度調變訊號。
6. 一種電源轉換器，包括：一輸出級，包括一第一切換開關；一脈波寬度調變控制單元，耦接該輸出級，且控制該輸出級之第一切換開關的操作；以及一斜率偵測控制器，耦接該脈波寬度調變控制單元，用以根據該電源轉換器之一輸出電壓產生一斜率偵測訊號，並根據該斜率偵測訊號產生一控 制訊號，以使得該脈波寬度調變控制單元控制該第一切換開關關閉；其中，該脈波寬度調變控制單元包括一驅動器，該驅動器耦接該斜率偵測控制器及該第一切換開關，該驅動器分別接收該控制訊號及一時間訊號，並且該控制訊號之優先順序大於該時間訊號。
7. 如申請專利範圍第6項所述的電源轉換器，其中該輸出級還包括一第二切換開關，該第一切換開關為一上橋開關，該第二切換開關為一下橋開關。
8. 如申請專利範圍第6項所述的電源轉換器，其中該驅動器根據該控制訊號產生一切換開關訊號。
9. 如申請專利範圍第6項所述的電源轉換器，其中該脈波寬度調變控制單元包括一時間訊號產生器，該斜率偵測控制器耦接該時間訊號產生器，使得該控制訊號控制該時間訊號產生器停止提供一導通時間訊號，以關閉該第一切換開關。
10. 如申請專利範圍第6項所述的電源轉換器，其中該脈波寬度調變控制單元包括一脈波寬度調變產生器，該斜率偵測控制器耦接該脈波寬度調變產生器，使得該控制訊號控制該脈波寬度調變產生器停止提供一脈波寬度調變訊號，以關閉該第一切換開關。
11. 如申請專利範圍第10項所述的電源轉換器，其中該脈波寬度調變產生器包括一誤差放大器與一第一比較器，該斜率偵測控制器耦接於該誤差放大器與該第一比較器之間，以利用該控制訊號來影響該誤差放大器之一誤差訊號來使得該脈波寬度調變產生器停止提供該脈波寬度調變訊號。
12. 如申請專利範圍第10項所述的電源轉換器，其中該脈波寬度調變產 生器包括一誤差放大器、一第一比較器及一斜波訊號產生器，該第一比較器之一第一輸入端耦接該誤差放大器，該第一比較器之一第二輸入端耦接該斜波訊號產生器，該斜率偵測控制器耦接該斜波訊號產生器，以利用該控制訊號來影響該斜波訊號產生器之一斜波訊號來使得該脈波寬度調變產生器停止提供該脈波寬度調變訊號。
13. 如申請專利範圍第6項所述的電源轉換器，其中該斜率偵測控制器包括一斜率偵測單元與一輸出控制單元，該斜率偵測單元為一微分電路以提供一斜率偵測訊號，該輸出控制單元根據該斜率偵測訊號產生該控制訊號。
14. 一種電源轉換器的斜率偵測控制方法，包括下列步驟：接收該電源轉換器之一輸出電壓；根據該輸出電壓提供一斜率偵測訊號；以及根據該斜率偵測訊號產生一控制訊號，以控制該電源轉換器；其中，該電源轉換器之一驅動器分別接收該控制訊號及一時間訊號，並且該控制訊號之優先順序大於該時間訊號。
15. 如申請專利範圍第14項所述的斜率偵測控制方法，其中當該斜率偵測訊號超過一預設值時，產生該控制訊號。