CN103236785A - 多电平输出电源转换器的电位切换装置 - Google Patents

多电平输出电源转换器的电位切换装置 Download PDF

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Abstract

一种多电平输出电源转换器的电位切换装置，包括一分压电路，一电阻，一MOS晶体管和一下冲过冲消除器，其特征在于：所述分压电路，自所述多电平输出电源转换器的输出端取得与输出端上输出信号相关的一反馈信号，所述分压电路包括一个反馈端，所述反馈信号于所述反馈端输出；所述电阻，与所述MOS晶体管串联；所述MOS晶体管，与所述电阻串联在所述反馈端及接地端之间；所述下冲过冲消除器，设置在所述电位切换装置中，用以调整所述MOS晶体管由全开变为全关或由全关变为全开的速度。本发明的多电平输出电源转换器的电位切换装置具有改善所述输出信号的过冲或下冲情况的优点。

Description

多电平输出电源转换器的电位切换装置
技术领域
本发明涉及一种多电平输出电源转换器，具体地说，是一种多电平输出电源转换器的电位切换装置。
背景技术
图1显示已知的可以改变输出电位的电源转换器10，其包括控制电路14提供信号PWM驱动功率级12以产生电感电流IL经电感L对电容Cout充电产生输出电压Vout，电阻R1连接在输出端16及反馈端18之间，电阻R2连接在反馈端18及接地端GND之间，电阻R3与开关MS串联在反馈端18及接地端GND之间，控制电路14根据反馈端18上的反馈信号VFB产生信号PWM。其中，反馈信号VFB包含输出电压及电流的信息，而且反馈信号VFB为影响工作周期比、切换频率、工作时间(on-time)及非工作时间(off-time)的参数之一，当反馈信号VFB改变时，将使得输出电压及电流快速改变。
图2显示电源转换器10发生上升瞬时(up transition)时信号的波形图，其中波形20为反馈信号VFB，波形22为输出电压Vout，波形24为电感电流IL。当要把输出电压Vout由低电位转为高电位时，如时间t1，打开(turn on)开关MS使电阻R2及R3并联，进而使反馈信号VFB突然且迅速的下降，如波形20所示，当反馈信号VFB小于一默认值时，表示电源转换器10需要立即对电容Cout充电，也就是说，为了达成最好的输出响应，电源转换器10将以其最大扭率(slew-rate)对电容Cout充电，以使输出电压Vout上升，如波形22所示。当反馈信号VFB达到默认值时，如时间t2所示，电感L上所储存的能量大于稳态时的能量，如波形24所示，这些能量的大部分将被传送至输出端16，因而造成输出电压Vout过冲(overshoot)。
图3显示电源转换器10发生下降瞬时(down transition)时信号的波形图，其中波形30为反馈信号VFB，波形32为输出电压Vout，波形34为电感电流IL。相反的，当要把输出电压Vout由高电位切换为低电位时，将开关MS由打开状态切换为关闭(turn off)状态，此时反馈信号VFB突然且迅速的上升，如时间t3所示，故反馈信号VFB大于所述默认值，导致电容Cout开始放电，进而使输出电压Vout及电感电流IL下降。当反馈信号VFB再下降至接近所述默认值时，如时间t4，此时的电感电流IL可能低于稳态时的电位，因而造成输出电压Vout过低(undershoot)。由图2及图3可知，当反馈信号VFB迅速且突然的改变时，将使得电源转换器10过度反应(over-react)。
目前已有许多方法可以减轻下冲及过冲的情形，最常见的方法包括减小电感L以减少储存在电感L上的能量、增加电容Cout以使输出电压Vout的改变速度变慢以及增加低通滤波器减少反馈信号VFB的涟波变化，然而这些方法都是由芯片外部作调整。
因此已知的在芯片外部作调整的方法存在着上述种种不便和问题。
发明内容
本发明的目的，在于提出一种改变反馈信号切换所述电源转换器的输出电位的多电平输出电源转换器的电位切换装置。
本发明的另一目的，在于提出一种能改善下冲及过冲的情形的多电平输出电源转换器的电位切换装置。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种多电平输出电源转换器的电位切换装置，包括一分压电路，一电阻，一MOS晶体管和一下冲过冲消除器，其特征在于：
所述分压电路，自所述多电平输出电源转换器的输出端取得与输出端上输出信号相关的一反馈信号，所述分压电路包括一个反馈端，所述反馈信号于所述反馈端输出；
所述电阻，与所述MOS晶体管串联；
所述MOS晶体管，与所述电阻串联在所述反馈端及接地端之间；
所述下冲过冲消除器，设置在所述电位切换装置中，用以调整所述MOS晶体管由全开变为全关或由全关变为全开的速度。
本发明的电位切换装置还可以采用以下的技术措施来进一步实现。
前述的电位切换装置，其中所述分压电路包括：
一第二电阻，连接在所述多电平输出电源转换器输出端及所述反馈端之间：
一第三电阻，连接在所述反馈端及一接地端之间。
前述的电位切换装置，其中所述下冲过冲消除器包括一电容连接在所述MOS晶体管的漏极与门极之间。
前述的电位切换装置，其中所述下冲过冲消除器还包括：
一第一阻抗组件，连接在所述MOS晶体管的漏极与门极之间；
一第二阻抗组件，连接在所述MOS晶体管的门极及所述接地端之间；
一第三阻抗组件，连接在所述MOS晶体管的漏极及所述接地端之间；
一电流源，控制所述MOS晶体管的开关。
前述的电位切换装置，其中所述第一阻抗组件包括一电容。
前述的电位切换装置，其中所述电流源为可变电流源。
前述的电位切换装置，其中所述电流源为定电流源。
一种多电平输出电源转换器，包括一功率级，一分压电路，一电阻，一MOS晶体管，一下冲过冲消除器和一控制电路，其特征在于：
所述功率级，提供一输出信号；
所述分压电路，分压所述输出信号产生一反馈信号，所述分压电路包括一个反馈端，所述反馈信号于所述反馈端输出；
所述电阻，与所述MOS晶体管串联；
所述MOS晶体管，与所述电阻串联在所述反馈端及接地端之间；
所述下冲过冲消除器，用以调整所述MOS晶体管由全开变为全关或由全关变为全开的速度；
所述控制电路，根据所述反馈信号产生一脉宽调变信号驱动所述功率级。
本发明的多电平输出电源转换器还可以采用以下的技术措施来进一步实现。
前述的多电平输出电源转换器，其中所述分压电路包括：
一第二电阻，连接在所述多电平输出电源转换器输出端及所述反馈端之间：
一第三电阻，连接在所述反馈端及一接地端之间。
前述的多电平输出电源转换器，其中所述下冲过冲消除器包括一电容连接在所述MOS晶体管的漏极与门极之间。
前述的多电平输出电源转换器，其中所述下冲过冲消除器还包括：
一第一阻抗组件，连接在所述MOS晶体管的漏极与门极之间；
一第二阻抗组件，连接在所述MOS晶体管的门极及所述接地端之间；
一第三阻抗组件，连接在所述MOS晶体管的漏极及所述接地端之间；
一电流源，控制所述MOS晶体管的开关。
前述的多电平输出电源转换器，其中所述第一阻抗组件包括一电容。
前述的多电平输出电源转换器，其中所述电流源为可变电流源。
前述的多电平输出电源转换器，其中所述电流源为定电流源。
采用上述技术方案后，本发明的多电平输出电源转换器的电位切换装置具有改善所述输出信号的过冲或下冲情况的优点。
附图说明
图1为已知的可以改变输出电位的电源转换器示意图；
图2为图1中电源转换器发生上升瞬时时信号的波形图；
图3为图1中电源转换器发生下降瞬时时信号的波形图；
图4为本发明的第一实施例示意图；
图5为本发明的第二实施例示意图；
图6为没有使用本发明的下冲过冲消除器的多电平输出电源转换器在上升瞬时时的模拟图；
图7为本发明的下冲过冲消除器的多电平输出电源转换器在上升瞬时时的模拟图；
图8为没有使用本发明的下冲过冲消除器的多电平输出电源转换器在下降瞬时时的模拟图；
图9为本发明的下冲过冲消除器的多电平输出电源转换器在下降瞬时时的模拟图。
具体实施方式
以下结合实施例及其附图对本发明作更进一步说明。
现请参阅图4，图4是本发明的第一实施例示意图。如图所示，在所述多电平输出电源转换器40中，控制电路44根据反馈信号VFB产生脉宽调变信号PWM驱动功率级42以产生电感电流IL对电容Cout充电产生输出电压Vout，电位切换装置50用以切换电源转换器40的输出电压电位。在电位切换装置50中，分压电路54分压输出电压Vout产生反馈信号VFB，所述反馈信号VFB由分压电路54的反馈端48输出，电阻R3与NMOS晶体管MS串联在反馈端48及接地端GND之间，下冲过冲消除器52包括电容C1连接在NMOS晶体管MS的漏极与门极之间，找出电容C1要达成米勒(Miller)效应的最小电容值。分压电路54包括电阻R1及R2，电阻R1连接在输出端46及反馈端48之间，电阻R2连接在反馈端48及接地端GND之间。电容C1可以整合在芯片内部而不影响其它组件。当电源转换器40的输出电压Vout要由低电位切换至高电位时，提供一高压至NMOS晶体管MS的门极以打开NMOS晶体管，然而，由于电容C1的存在，所以NMOS晶体管MS门极上的电压无法立即升上所述高压的电位，也就是说，NMOS晶体管MS不会立刻由全关变为全开，而是由全关慢慢地变为全开，因此反馈端48上的反馈信号VFB没有突然且迅速的下降，进而改善过冲的情形。同样的，当电源转换器40的输出电压Vout要由高电位切换至低电位时，NMOS晶体管MS由全开慢慢地变为全关，因此反馈端48上的反馈信号VFB没有突然且迅速的上升，进而改善下冲的情形。
图5为本发明的第二实施例示意图，在所述多电平输出电源转换器60中，控制电路64根据反馈信号VFB产生脉宽调变信号PWM驱动功率级62以产生电感电流IL对电容Cout充电产生输出电压Vout，电位切换装置70用以切换电源转换器60的输出电压电位。在电位切换装置70中，分压电路76分压输出电压Vout产生反馈信号VFB，所述反馈信号VFB由分压电路76的反馈端68输出，电阻R3与NMOS晶体管MS连接在反馈端68及接地端GND之间，下冲过冲消除器72包括阻抗组件Z1连接在NMOS晶体管MS的漏极与门极之间，阻抗组件Z2连接在NMOS晶体管MS的门极及接地端GND之间，阻抗组件Z3连接在NMOS晶体管MS的漏极及接地端GND之间，以及电流源74控制NMOS晶体管MS的开关。分压电路76包括电阻R1及R2，电阻R1连接在输出端66及反馈端68之间，电阻R2连接在反馈端68及接地端GND之间。其中阻抗组件Z1、Z2及Z3可以是电阻、电容及电感的任意组合，优选阻抗组件Z1为电容，电流源74可以是可变电流源或定电流源。阻抗组件Z1、Z2及Z3及电流源72可以整合在芯片内而不影响其它组件。当电源转换器60的输出电压Vout要由低电位切换至高电位时，电流源74提供电流I1至所述NMOS晶体管MS的门极以打开NMOS晶体管MS，由于阻抗组件Z1、Z2及Z3，所以NMOS晶体管MS不会立刻由全关变为全开，而是由全关慢慢地变为全开，因此反馈端68上的反馈信号VFB没有突然且迅速的下降，进而改善过冲的情形。同样的，当电源转换器60的输出电压Vout要由高电位切换至低电位时，电流源74从NMOS晶体管MS的门极汲取电流I2，由于阻抗组件Z1、Z2及Z3，NMOS晶体管MS由全开慢慢地变为全关，因此反馈端48上的反馈信号VFB没有突然且迅速的上升，进而改善下冲的情形。
图6及图7显示不使用及使用本发明下冲过冲消除器的多电平输出电源转换器在上升瞬时时的模拟图，其中波形80为输出电压Vout，波形82为反馈信号VFB，波形84为电感电流IL，波形86为输出电压Vout，波形88为反馈信号VFB，波形90为电感电流IL。比较图6及图7，当发生上升瞬时时，如图6的时间t5所示，没有使用下冲过冲消除器的电源转换器的反馈信号VFB突然且迅速的下降，如图6的波形82所示，因此电感电流IL也急速上升，如图6的波形84所示，这导致输出电压Vout出现过冲的情况，如图6的波形80所示。使用本发明的下冲过冲消除器的电源转换器在发生上升瞬时时，如图7的时间t6，反馈信号VFB并没有突然且迅速的下降，如图7的波形88所示，反馈信号VFB的平均值呈现缓慢的变化，因此电感电流IL没有大幅地上升，如图7的波形90所示，所以输出电压Vout没有过冲的情况出现，如图7的波形86所示。
图8及图9显示不使用及使用本发明的下冲过冲消除器的多电平输出电源转换器在下降瞬时时的模拟图，其中波形92为输出电压Vout，波形94为反馈信号VFB，波形96为电感电流IL，波形98为输出电压Vout，波形100为反馈信号VFB，波形102为电感电流IL。比较图6及图7，当发生下降瞬时时，如图8的时间t7所示，没有使用下冲过冲消除器的电源转换器的反馈信号VFB突然且迅速的上升，如图8的波形94所示，因此电感电流IL也急速下降，如图8的波形96所示，这导致输出电压Vout出现下冲的情况，如图8的波形92所示。使用本发明的下冲过冲消除器的电源转换器在发生下降瞬时时，反馈信号VFB并没有突然且迅速的下降，如图9的波形100所示，反馈信号VFB呈现较缓慢的变化，因此电感电流IL没有大幅地下降，如图9的波形102所示，所以输出电压Vout没有下冲的情况出现，如图9的波形98所示。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化。因此，所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求限定。
组件符号说明
10  电源转换器
12  功率级
14  控制电路
16  电源转换器10的输出端
18  反馈端
20  反馈信号VFB的波形
22  输出电压Vout的波形
24  电感电流IL的波形
30  反馈信号VFB的波形
32  输出电压Vout的波形
34  电感电流IL的波形
40  电源转换器
42  功率级
44  控制电路
46  电源转换器40的输出端
48  反馈端
50  电位切换装置
52  下冲过冲消除器
54  分压电路
60  电源转换器
62  功率级
64  控制电路
66  电源转换器40的输出端
68  反馈端
70  电位切换装置
72  下冲过冲消除器
74  电流源
76  分压电路
80  输出电压Vout的波形
82  反馈信号VFB的波形
84  电感电流IL的波形
86  输出电压Vout的波形
88  反馈信号VFB的波形
90  电感电流IL的波形
92  输出电压Vout的波形
94  反馈信号VFB的波形
96  电感电流IL的波形
98  输出电压Vout的波形
100 反馈信号VFB的波形
102 电感电流IL的波形

Claims (6)

1.一种多电平输出电源转换器的电位切换装置，包括一分压电路，一电阻，一MOS晶体管和一下冲过冲消除器，其特征在于：
所述分压电路，自所述多电平输出电源转换器的输出端取得与输出端上输出信号相关的一反馈信号，所述分压电路包括一个反馈端，所述反馈信号于所述反馈端输出；
所述电阻，与所述MOS晶体管串联；
所述MOS晶体管，与所述电阻串联在所述反馈端及接地端之间；
所述下冲过冲消除器，设置在所述电位切换装置中，用以调整所述MOS晶体管由全开变为全关或由全关变为全开的速度。
2.如权利要求1所述的电位切换装置，其特征在于，所述分压电路包括：
一第二电阻，连接在所述多电平输出电源转换器输出端及所述反馈端之间：
一第三电阻，连接在所述反馈端及一接地端之间。
3.如权利要求1所述的电位切换装置，其特征在于，所述下冲过冲消除器包括一电容连接在所述MOS晶体管的漏极与门极之间。
4.一种多电平输出电源转换器，包括一功率级，一分压电路，一电阻，一MOS晶体管，一下冲过冲消除器和一控制电路，其特征在于：
所述功率级，提供一输出信号；
所述分压电路，分压所述输出信号产生一反馈信号，所述分压电路包括一个反馈端，所述反馈信号于所述反馈端输出；
所述电阻，与所述MOS晶体管串联；
所述MOS晶体管，与所述电阻串联在所述反馈端及接地端之间；
所述下冲过冲消除器，用以调整所述MOS晶体管由全开变为全关或由全关变为全开的速度；
所述控制电路，根据所述反馈信号产生一脉宽调变信号驱动所述功率级。
5.如权利要求4所述的多电平输出电源转换器，其特征在于，所述分压电路包括：
一第二电阻，连接在所述多电平输出电源转换器输出端及所述反馈端之间：
一第三电阻，连接在所述反馈端及一接地端之间。
6.如权利要求4所述的多电平输出电源转换器，其特征在于，所述下冲过冲消除器包括一电容连接在所述MOS晶体管的漏极与门极之间。
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