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TWI883540B - 恆定導通時段電源轉換器與動態調整最小導通時段之方法 - Google Patents

恆定導通時段電源轉換器與動態調整最小導通時段之方法 Download PDF

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TWI883540B
TWI883540B TW112134780A TW112134780A TWI883540B TW I883540 B TWI883540 B TW I883540B TW 112134780 A TW112134780 A TW 112134780A TW 112134780 A TW112134780 A TW 112134780A TW I883540 B TWI883540 B TW I883540B
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陳登政
蘇咨云
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大陸商艾科微電子（深圳）有限公司
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Abstract

一種恆定導通時段電源轉換器具有動態調整最小導通時段之功能。電源轉換器包括儲能開關、輸出電感、輸入電壓關聯電路、預設最小導通時段電路、輸出電能關聯電路以及比較電路。儲能開關於操作週期內可被導通一導通時段。輸出電感與儲能開關耦接在開關切換節點。輸入電壓關聯電路接收輸入電壓，用以提供斜坡訊號。預設最小導通時段電路用以提供最小閾值電壓。輸出電能關聯電路用以提供輸出調變閾值電壓。比較電路接收斜坡訊號與加總節點的電壓。當斜坡訊號變化達到加總節點的電壓時，比較電路輸出關斷訊號用以結束導通時段。

Description

恆定導通時段電源轉換器與動態調整最小導通時段之方法
本發明係有關一種電源轉換器與調整導通時段之方法，尤指一種恆定導通時段電源轉換器與動態調整最小導通時段之方法。
對於恆定導通時段電源轉換器(constant on-time converter,COT converter)而言，由於固定的輸出、輸入轉換比對應一個恆定導通時段(COT)，換言之，此恆定導通時段將被輸出電壓與輸入電壓所決定。對於較低轉換比的電源轉換器來說，在其較大的抽載下，導通時段(on-time)通常為恆定的。因此系統通常透過提高頻率，以達成系統的操作反應。然而，當頻率提高時，伴隨著就是切換損失(switching loss)變大的問題，而直接地影響系統效率。
為此，如何設計出一種恆定導通時段電源轉換器與動態調整最小導通時段之方法，透過動態調整導通時段，特別是動態調整最小導通時段的方法以及對應實現該方法的電源轉換器，用以解決現有技術所存在的問題與技術瓶頸，乃為本案發明人所研究的重要課題。
本發明之一目的在於提供一種恆定導通時段電源轉換器，解決現有技術之問題。
為達成前揭目的，本發明所提出的恆定導通時段電源轉換器具有動態調整最小導通時段之功能，電源轉換器包括儲能開關、輸出電感、輸入電壓關聯電路、預設最小導通時段電路、輸出電能關聯電路以及比較電路。儲能開關於操作週期內接收一脈寬調變信號，而可被導通一導通時段。輸出電感的第一端與儲能開關耦接在開關切換節點，輸出電感的第二端耦接負載。輸入電壓關聯電路接收輸入電壓，用以提供斜坡訊號，斜坡訊號的變化斜率與輸入電壓正相關。預設最小導通時段電路耦接加總節點，用以提供最小閾值電壓。輸出電能關聯電路耦接加總節點，用以提供輸出調變閾值電壓，輸出調變閾值電壓與提供給負載的輸出電壓正相關。加總節點的電壓為最小閾值電壓與輸出調變閾值電壓兩者中的較大者。比較電路具有第一輸入點與第二輸入點，第一輸入點接收斜坡訊號，第二輸入點接收加總節點的電壓。當斜坡訊號變化達到加總節點的電壓時，比較電路輸出關斷訊號用以結束導通時段。
在一實施例中，電源轉換器更包括抽取電能感測電路。抽取電能感測電路耦接加總節點，用以提供抽載調變閾值電壓。抽載調變閾值電壓與負載抽取的電能正相關，並使最小閾值電壓增加電壓增量，電壓增量為抽載調變閾值電壓。
在一實施例中，預設最小導通時段電路包括定電流源與電阻。電阻耦接定電流源。定電流源與電阻提供最小電壓值，用以相應地設定最小導通時段。
在一實施例中，負載抽取的電能與流經輸出電感至負載的電感電流正相關。抽取電能感測電路偵測電感電流，用以調變抽載調變閾值電壓。
在一實施例中，輸出電感具有串聯的直流阻抗值。流過直流阻抗值的電感電流的平均值在直流阻抗值上得到直流電壓。根據直流電壓決定負載抽取的電能大小。
在一實施例中，抽取電能感測電路包括分壓電阻電路與電導單元。分壓電阻電路用以對輸出電壓分壓，以得到分壓輸出電壓。電導單元耦接分壓電阻電路。電導單元的第一輸入端接收開關切換節點的節點電壓，電導單元的第二輸入端接收透過分壓輸出電壓，用以對節點電壓與分壓輸出電壓的電壓差進行電導比例乘積，以得到與電感電流成正相關的補償電流源。
本發明之另一目的在於提供一種動態調整最小導通時段之方法，解決現有技術之問題。
為達成前揭目的，本發明所提出的動態調整最小導通時段之方法可應用於恆定導通時段電源轉換器。恆定導通時段電源轉換器具有儲能開關與輸出電感，恆定導通時段電源轉換器耦接負載。該動態調整最小導通時段之方法包括：設定儲能開關的最小導通時段；根據負載的抽取電能正相關地來調變最小導通時段；根據恆定導通時段電源轉換器的輸出電壓與輸入電壓決定儲能開關於操作週期內被導通的導通時段，當儲能開關被導通時，可對輸出電感儲存電能；當導通時段大於或等於最小導通時段時，儲能開關導通該導通時段的長度；當導通時段小於最小導通時段時，儲能開關導通該最小導通時段的長度。
在一實施例中，根據輸出電壓與輸入電壓決定導通時段步驟包括：輸入電壓關聯電路提供與輸入電壓正相關的斜坡訊號；預設最小導通時段電路提供最小閾值電壓至加總節點；輸出電能關聯電路提供與輸出電壓正相關的輸出調變閾值電壓至加總節點，加總節點的電壓為最小閾值電壓與輸出調變閾值電壓兩者中的較大者；比較電路比較斜坡訊號與加總節點的電壓，當斜坡訊號變化達到加總節點的電壓時，比較電路結束導通時段。
在一實施例中，設定最小導通時段步驟包括：預設最小導通時段電路透過使定電流源的電流流過電阻，取電阻端點產生的電壓位準作為最小閾值電壓。
在一實施例中，根據負載的抽取電能正相關地來調變最小導通時段步驟包括：抽取電能感測電路提供與負載抽取電能正相關的抽載調變閾值電壓至加總節點，並使最小閾值電壓增加電壓增量，電壓增量為抽載調變閾值電壓。
在一實施例中，抽取電能感測電路透過偵測流經輸出電感至負載的電感電流決定抽取電能大小。
在一實施例中，根據電感電流的平均值與輸出電感的直流阻抗值運算得到直流電壓，並且根據直流電壓決定抽取電能大小。
在一實施例中，補償電流源的電流值為儲能開關與輸出電感之間的節點電壓與輸出電壓的分壓輸出電壓的電壓差與電導比例乘積。
藉由所提出的恆定導通時段電源轉換器與動態調整最小導通時段之方法，動態調整最小導通時段，進而提高電源轉換效率。
為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
HS:儲能開關
L:輸出電感
10:輸入電壓關聯電路
20:預設最小導通時段電路
30:輸出電能關聯電路
40:抽取電能感測電路
90:比較電路
41:分壓電阻電路
42:電導單元
50:脈寬調變控制器
60:非重疊處理單元
71:第一驅動器
72:第二驅動器
LX:開關切換節點
VIN:輸入電壓
Chr_on:斜坡訊號
SN:加總節點
VREF_Ton_In:輸出調變閾值電壓
VREF_Ton:加總節點的電壓
TONr:關斷訊號
TON:導通時段
IDC*R:最小閾值電壓
Isns*R:抽載調變閾值電壓
IDC:定電流源
Opt:可變電阻
IL:電感電流
DCR:直流阻抗值
VDCR:直流電壓
VOUT:輸出電壓
VLX:節點電壓
αVOUT:分壓輸出電壓
gm:電導比例
Isns:補償電流源
TON_min:最小導通時段
S11~S16:步驟
圖1：係為本發明恆定導通時段電源轉換器第一實施例的電路架構圖。
圖2：係為本發明恆定導通時段電源轉換器第二實施例的電路架構圖。
圖3：係為本發明動態調整最小導通時段之方法的流程圖。
圖4：係為本發明動態調整最小導通時段之信號的波形圖。
茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下。
請參見圖1所示第一實施例，其係為本發明恆定導通時段電源轉換器第一實施例的電路架構圖。該恆定導通時段電源轉換器(constant on-time converter,COT converter)具有動態調整最小導通時段之功能。該恆定導通時段電源轉換器包括儲能開關HS、輸出電感L、輸入電壓關聯電路10、預設最小導通時段電路20、輸出電能關聯電路30以及比較電路90。
如圖1所示的第一實施例中，儲能開關HS為高側(high-side)開關，然不以此為限制本發明。再者，配合圖4所示，其係為本發明動態調整最小導通 時段之信號的波形圖。在不同的升壓、降壓電路拓樸下，作為電源轉換器儲能操作時的該開關即為本實施例所對應的儲能開關。儲能開關HS於一操作週期內可接收一脈寬調變信號PWM(pulse width modulation)，而使儲能開關HS被導通一導通時段TON。以圖1所示的實施例為例，做為高側開關的儲能開關HS透過第一驅動器71所驅動，而另一個低側開關則由第二驅動器72所驅動。再者，第一驅動器71與第二驅動器72連接非重疊處理單元60，其目的在於透過非重疊處理單元60接收脈寬調變信號PWM，並且將脈寬調變信號PWM分開地(非時間重疊地)對高側開關與低側開關控制，以避免高側開關與低側開關因同時導通，而引起短路擊穿(short through)造成高側開關與低側開關的損壞。
輸出電感L的第一端與儲能開關HS耦接在開關切換節點LX，輸出電感L的第二端耦接負載(圖未示)以提供輸出電壓VOUT。
輸入電壓關聯電路10接收輸入電壓VIN，用以提供斜坡訊號Chr_on。其中斜坡訊號Chr_on的變化斜率與輸入電壓VIN正相關。預設最小導通時段電路20耦接加總節點SN，用以提供最小閾值電壓IDC*R。在本發明的實施例中，預設最小導通時段電路20包括定電流源IDC與可變電阻Opt。其中定電流源IDC電流值與可變電阻Opt的電阻值R的乘積決定最小電壓值，用以相應地設定最小導通時段TON_min。藉由調整可變電阻Opt的電阻值R，進而可動態調整最小導通時段TON_min。
輸出電能關聯電路30耦接加總節點SN，用以提供輸出調變閾值電壓VREF_Ton_In。其中輸出調變閾值電壓VREF_Ton_In與提供給負載的輸出電壓VOUT正相關。值得一提，加總節點SN的電壓VREF_Ton為最小閾值電壓IDC*R與輸出調變閾值電壓VREF_Ton_In兩者中的較大者所決定。換言之，若最小閾值電壓IDC*R大於輸出調變閾值電壓VREF_Ton_In，加總節點SN的電壓VREF_Ton則為最小 閾值電壓IDC*R；反之，若輸出調變閾值電壓VREF_Ton_In大於最小閾值電壓IDC*R，加總節點SN的電壓VREF_Ton則為輸出調變閾值電壓VREF_Ton_In。
比較電路90具有第一輸入點與第二輸入點。第一輸入點接收斜坡訊號Chr_on，第二輸入點接收加總節點SN的電壓VREF_Ton。當該斜坡訊號Chr_on變化達到加總節點SN的電壓VREF_Ton時(如圖4所示)，比較電路90輸出一關斷訊號TONr用以觸發脈寬調變信號PWM的結束緣，進而結束該操作週期內的導通時段TON。如圖1所示，脈寬調變控制器50連接非重疊處理單元60，且脈寬調變控制器50接收比較電路90輸出的關斷訊號TONr，透過關斷訊號TONr觸發脈寬調變信號PWM的結束緣，進而結束該操作週期內的導通時段TON。
如圖2所示第二實施例，其係為本發明恆定導通時段電源轉換器第二實施例的電路架構圖。恆定導通時段電源轉換器更包括抽取電能感測電路40。抽取電能感測電路40耦接加總節點SN，用以提供抽載調變閾值電壓Isns*R。抽載調變閾值電壓Isns*R與負載抽取的電能正相關，並使最小閾值電壓IDC*R增加電壓增量。其中電壓增量為抽載調變閾值電壓Isns*R。負載抽取的電能與流經輸出電感L至負載的電感電流IL正相關。抽取電能感測電路40偵測電感電流IL，用以調變抽載調變閾值電壓Isns*R。輸出電感L具有串聯的直流阻抗值DCR(direct current resistance)。其中流過直流阻抗值DCR的電感電流IL的平均值在直流阻抗值DCR上得到直流電壓VDCR，意即，直流電壓VDCR等於電感電流IL的平均值與直流阻抗值DCR的乘積。根據直流電壓VDCR決定負載抽取的電能大小。
具體地，抽取電能感測電路40包括分壓電阻電路41與電導單元42。分壓電阻電路41用以對輸出電壓VOUT分壓，以得到分壓輸出電壓αVOUT。電導單元42耦接分壓電阻電路41。電導單元42的一第一輸入端接收開關切換節點LX的節點電壓VLX。電導單元42的第二輸入端接收透過分壓輸出電壓αVOUT， 用以對節點電壓VLX與分壓輸出電壓αVOUT的電壓差進行電導比例gm乘積，以得到與電感電流IL成正相關的補償電流源Isns。意即，補償電流源Isns的電流值等於節點電壓VLX與分壓輸出電壓αVOUT的電壓差與電導比例gm的乘積。補償電流源Isns電流值與可變電阻Opt的電阻值R的乘積決定抽載調變閾值電壓Isns*R。
請參見圖3所示，其係為本發明動態調整最小導通時段之方法的流程圖。該動態調整最小導通時段之方法可應用於恆定導通時段電源轉換器(COT converter)。恆定導通時段電源轉換器具有儲能開關HS與輸出電感L，並且恆定導通時段電源轉換器耦接負載。動態調整最小導通時段之方法包括： 首先，於S11步驟中，設定儲能開關的最小導通時段，包括：預設最小導通時段電路20透過使定電流源IDC的電流流過可變電阻Opt。其中取定電流源IDC與可變電阻Opt的電阻值R的乘積產生的電壓位準，作為加總節點SN上的最小閾值電壓IDC*R，藉由該最小閾值電壓IDC*R來設定儲能開關HS的最小導通時段Ton_min。
其次，於S12步驟中，根據負載的抽取電能正相關地來調變該最小導通時段TON_min，包括：抽取電能感測電路40提供與負載抽取電能正相關的抽載調變閾值電壓Isns*R至加總節點SN，並使最小閾值電壓IDC*R增加一電壓增量，其中該電壓增量可為抽載調變閾值電壓Isns*R；該抽載調變閾值電壓Isns*R等於補償電流源Isns電流值與可變電阻Opt的電阻值R的乘積。
其中，抽取電能感測電路40可透過偵測流經輸出電感L至負載的電感電流IL來偵測負載所抽取電能大小；例如，係根據電感電流IL的平均值與輸出電感L的直流阻抗值DCR運算得到直流電壓VDCR，並且根據該直流電壓VDCR來判定該抽取電能大小。
其中，該直流電壓VDCR係可對應於(1)儲能開關HS與輸出電感L之間的節點電壓VLX與(2)輸出電壓VOUT的分壓輸出電壓αVOUT的電壓差，再將該電壓差與電導比例gm乘積後決定補償電流源Isns的電流值。
然後，於S13步驟中，根據恆定導通時段電源轉換器的輸出電壓VOUT與輸入電壓VIN，決定儲能開關HS於操作週期內接收一脈寬調變信號PWM，而可被導通的導通時段TON。當儲能開關HS被導通時，可對輸出電感L儲存電能。在該步驟中可更包括：(1)輸入電壓關聯電路10提供與輸入電壓VIN正相關的斜坡訊號Chr_on；(2)預設最小導通時段電路20提供最小閾值電壓IDC*R至加總節點SN；(3)輸出電能關聯電路30提供與輸出電壓VOUT正相關的輸出調變閾值電壓VREF_Ton_In至加總節點SN。其中加總節點SN的電壓VREF_Ton為最小閾值電壓IDC*R與輸出調變閾值電壓VREF_Ton_In兩者中的較大者；以及(4)比較電路90比較斜坡訊號Chr_on與加總節點SN的電壓VREF_Ton。當斜坡訊號Chr_on變化達到加總節點SN的電壓VREF_Ton時，比較電路90結束導通時段TON。
然後，於S14步驟中，判斷導通時段TON是否大於或等於導通時段TON_min。若導通時段TON大於或等於最小導通時段TON_min時，儲能開關HS導通該導通時段TON的長度(S15步驟)。反之，若導通時段TON小於最小導通時段TON_min時，儲能開關HS導通最小導通時段TON_min的長度(S16步驟)。
綜上說明，透過本發明所提出的恆定導通時段電源轉換器與動態調整最小導通時段之方法，動態調整最小導通時段，進而提高電源轉換效率。
以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包含於本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。
HS:儲能開關
L:輸出電感
10:輸入電壓關聯電路
20:預設最小導通時段電路
30:輸出電能關聯電路
50:脈寬調變控制器
60:非重疊處理單元
71:第一驅動器
72:第二驅動器
90:比較電路
LX:開關切換節點
VIN:輸入電壓
Chr_on:斜坡訊號
SN:加總節點
VREF_Ton_In:輸出調變閾值電壓
VREF_Ton:加總節點的電壓
TONr:關斷訊號
TON:導通時段
IDC*R:最小閾值電壓
IDC:定電流源
Opt:可變電阻
IL:電感電流
DCR:直流阻抗值
VDCR:直流電壓
VOUT:輸出電壓
VLX:節點電壓
TON_min:最小導通時段

Claims (13)

  1. 一種恆定導通時段電源轉換器，具有動態調整最小導通時段之功能，該電源轉換器包括：一儲能開關，該儲能開關於一操作週期內接收一脈寬調變信號，而可被導通一導通時段；一輸出電感，該輸出電感的一第一端與該儲能開關耦接在一開關切換節點，該輸出電感的一第二端耦接一負載；一輸入電壓關聯電路，接收一輸入電壓，用以提供一斜坡訊號，該斜坡訊號的變化斜率與該輸入電壓正相關；一預設最小導通時段電路，耦接一加總節點，用以提供一最小閾值電壓；一輸出電能關聯電路，耦接該加總節點，用以提供一輸出調變閾值電壓，其中該輸出調變閾值電壓與提供給該負載的一輸出電壓正相關；該加總節點的電壓為該最小閾值電壓與該輸出調變閾值電壓兩者中的較大者；以及一比較電路，具有一第一輸入點與一第二輸入點，該第一輸入點接收該斜坡訊號，該第二輸入點接收該加總節點的電壓；當該斜坡訊號變化達到該加總節點的電壓時，該比較電路輸出一關斷訊號用以結束該導通時段。
  2. 如請求項1所述之恆定導通時段電源轉換器，其中該電源轉換器更包括：一抽取電能感測電路，耦接該加總節點，用以提供一抽載調變閾值電壓，該抽載調變閾值電壓與該負載抽取的電能正相關，並使最小閾值電壓增加一電壓增量；其中該電壓增量為該抽載調變閾值電壓。
  3. 如請求項1所述之恆定導通時段電源轉換器，其中該預設最小導通時段電路包括：一定電流源；以及一電阻，耦接該定電流源；其中該定電流源與該電阻提供一最小電壓值，用以相應地設定該最小導通時段。
  4. 如請求項2所述之恆定導通時段電源轉換器，其中該負載抽取的電能與流經該輸出電感至該負載的一電感電流正相關；該抽取電能感測電路偵測該電感電流，用以調變該抽載調變閾值電壓。
  5. 如請求項4所述之恆定導通時段電源轉換器，其中該輸出電感具有串聯的一直流阻抗值；其中流過該直流阻抗值的該電感電流的平均值在該直流阻抗值上得到一直流電壓，根據該直流電壓決定該負載抽取的電能大小。
  6. 如請求項2所述之恆定導通時段電源轉換器，其中該抽取電能感測電路包括：一分壓電阻電路，用以對該輸出電壓分壓，以得到一分壓輸出電壓；以及一電導單元，耦接該分壓電阻電路；其中該電導單元的一第一輸入端接收該開關切換節點的一節點電壓，該電導單元的一第二輸入端接收透過該分壓輸出電壓，用以對該節點電壓與該分壓輸出電壓的電壓差進行一電導比例乘積，以得到與流經該輸出電感至該負載的一電感電流成正相關的一補償電流源。
  7. 一種動態調整最小導通時段之方法，可應用於一恆定導通時段電源轉換器，該恆定導通時段電源轉換器具有一儲能開關與一輸出電感，該恆定導通時段電源轉換器耦接一負載，該方法包括：設定該儲能開關的一最小導通時段；根據該負載的一抽取電能正相關地來調變該最小導通時段；根據該恆定導通時段電源轉換器的一輸出電壓與一輸入電壓決定該儲能開關於一操作週期內被導通的一導通時段，當該儲能開關被導通時，可對該輸出電感儲存電能；當該導通時段大於或等於該最小導通時段時，該儲能開關導通該導通時段的長度；以及當該導通時段小於該最小導通時段時，該儲能開關導通該最小導通時段的長度。
  8. 如請求項7所述之動態調整最小導通時段之方法，其中根據該輸出電壓與該輸入電壓決定該導通時段步驟包括：一輸入電壓關聯電路提供與該輸入電壓正相關的一斜坡訊號；一預設最小導通時段電路提供一最小閾值電壓至一加總節點；一輸出電能關聯電路提供與該輸出電壓正相關的一輸出調變閾值電壓至該加總節點，其中該加總節點的電壓為該最小閾值電壓與該輸出調變閾值電壓兩者中的較大者；以及一比較電路比較該斜坡訊號與該加總節點的電壓；當該斜坡訊號變化達到該加總節點的電壓時，該比較電路結束該導通時段。
  9. 如請求項8所述之動態調整最小導通時段之方法，其中設定該最小導通時段步驟包括：該預設最小導通時段電路透過使一定電流源的電流流過一電阻，取該電阻端點產生的電壓位準作為該最小閾值電壓。
  10. 如請求項8所述之動態調整最小導通時段之方法，其中根據該負載的一抽取電能正相關地來調變該最小導通時段步驟包括：一抽取電能感測電路提供與該負載抽取電能正相關的一抽載調變閾值電壓至該加總節點，並使該最小閾值電壓增加一電壓增量，該電壓增量為該抽載調變閾值電壓。
  11. 如請求項10所述之動態調整最小導通時段之方法，其中該抽取電能感測電路透過偵測流經該輸出電感至該負載的一電感電流決定該抽取電能大小。
  12. 如請求項11所述之動態調整最小導通時段之方法，其中根據該電感電流的平均值與該輸出電感的直流阻抗值運算得到一直流電壓，並且根據該直流電壓決定該抽取電能大小。
  13. 如請求項12所述之動態調整最小導通時段之方法，其中該儲能開關與該輸出電感之間的一節點電壓與該輸出電壓的一分壓輸出電壓的電壓差與一電導比例乘積係為一補償電流源的電流值。
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