TW201409913A - 平均電感電流式電壓補償控制裝置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本發明係揭露一種平均電感電流式電壓補償控制裝置及其控制方法，控制裝置包含相互連接之一谷值電壓取樣保持單元與一參考電壓產生器。谷值電壓取樣保持單元連接一直流對直流轉換器中之一電感，且直流對直流轉換器中之一電子開關連接參考電壓產生器。谷值電壓取樣保持單元取得電感上的至少兩相鄰時間點之一平均谷值電壓。參考電壓產生器則接收對應二倍電感之平均電感電流之二倍外部電壓，以將其減去平均谷值電壓，產生一參考電壓來控制電子開關，以藉此使電感上之峰值電流保持定值，並同時避免受到轉換器內電感之影響。

Description

平均電感電流式電壓補償控制裝置及其控制方法

本發明係有關一種控制技術，特別是關於一種平均電感電流式電壓補償控制裝置及其控制方法。

電壓轉換器依類型不同大致可分為數種，交流轉交流(AC/AC)轉換器、交流轉直流(AC/DC)轉換器、直流轉直流(DC/DC)轉換器以及直流轉交流(DC/AC)；其中，就直流轉直流(DC/DC)轉換器而言，在許多電子電路中，常有一些電子元件需要雙電源以上的電源供電，例如液晶顯示器、電壓比較器、運算放大器等，或是由於多組電子元件的工作電壓各不相同有多組不同電位的需求，此時便需要有直流轉直流轉換器來獲取想要的電壓。

如第1圖所示，直流轉直流轉換器10包含一電容12、一二極體14、一電感16、一電晶體開關18與一電阻20，其中電晶體開關18之開關狀態受一迴授控制器22所控制。在電晶體開關18導通(ON)階段，輸入電源24會有電流流過電感16，使能量儲存在電感16上；而當電晶體開關18接收到截止訊號時，電晶體開關18截止(OFF)，此時電感16上的感應電流會釋放到電阻20上以穩定維持電壓的輸出。迴授控制器22可以偵測電感16上之電流，並藉此去控制電晶體開關18，其中迴授控制器22產生用來控制電晶體開關18之控制訊號，與電感16上之電流波形如第2圖所示。在電感電流之波形中，其波峰電流值等於二倍平均電感電流值減去波谷電流值，且在上述控制訊號中，低準位電壓之時間區間是固定的。利用上述負迴授控制方式，當輸入電源24增加到數百伏特時，波峰電流值與波谷電流值將不再保持固定而產生變動，且為了固定平均電感電流，當波谷電流值愈低，波峰電流值愈高；當波谷電流值愈高，波峰電流值愈低。此外，量測波形如第3圖所示，其中虛線波形為電晶體開關18之源極電壓波形，其 下方依序為通過二極體串26之電流波形與電感電流波形。由此可知，電感電流之峰值與谷值是不斷在變動的。

因此，本發明係在針對上述之困擾，提出一種平均電感電流式電壓補償控制裝置及其控制方法，以解決習知所產生的問題。

本發明之主要目的，在於提供一種平均電感電流式電壓補償控制裝置及其控制方法，其係利用電感上的至少兩相鄰時間點之一平均谷值電壓，與對應二倍電感之平均電感電流之二倍外部電壓，以固定電感上之峰值電流，且無須感應高電壓端(high side)的感應電流，並同時避免受到直流對直流轉換器內之獨立電感影響，以提高電壓調整的準確度。

為達上述目的，本發明提供一種平均電感電流式電壓補償控制裝置，包含一谷值電壓取樣保持單元，連接一直流對直流轉換器中之一電感，並接收電感上的至少兩相鄰時間點之至少二谷值電流，並將其轉換為一平均谷值電壓。谷值電壓取樣保持單元與直流對直流轉換器中之一電子開關同時連接一參考電壓產生器，其係並接收對應二倍電感之平均電感電流之二倍外部電壓，以將其減去平均谷值電壓，產生一參考電壓來控制電子開關，以藉此使電感上之峰值電流保持定值。

本發明亦提供一種平均電感電流式電壓補償控制方法，其係控制一直流對直流轉換器，此直流對直流轉換器包括一電子開關與一電感。首先，接收對應二倍電感之平均電感電流之二倍外部電壓與電感上的至少兩相鄰時間點之至少二谷值電流，並將至少二谷值電流轉換為一平均谷值電壓。接著，將二倍外部電壓減去平均谷值電壓，以輸出控制電子開關之一參考電壓。

茲為使 貴審查委員對本發明之結構特徵及所達成之功效更有進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例圖及配合詳細之說明，說明如後：

由於電感漣波電流受到谷值電感電流加上峰值電感電流總和的一半所控制，此即表示峰值電感電流Ipeak係等於二倍平均電感電流Iavg減掉谷值電感電流Ivally，如式(1)所示。但本發明為了固定峰值電感電流Ipeak，因此將上述谷值電感電流Ivally修改為相鄰至少兩時間點之谷值電感電流Iv1、Iv2之平均，如式(2)所示，以避免將谷值電感電流Ivally之變動計算進去。根據上述原理，本發明將對應二倍電感之平均電感電流之二倍外部電壓Vext，減去電感上的至少兩相鄰時間點之谷值電壓Vh1、Vh2之平均值，此平均值即谷值電壓Vh1、Vh2之平均谷值電壓，相減後可得到一參考電壓Vref，如式(3)所示，並據此固定峰值電感電流Ipeak。

Ipeak=2*Iavg-Ivally (1)

Ipeak=2*Iavg-(Iv1+Iv2)/2 (2)

Vref=2*Vext-(Vh1+Vh2)/2 (3)

以下請參閱第4圖。本發明連接一固定截止時間之直流對直流轉換器28，其中包含一電感30與一電子開關，在本實施例中，此電子開關以電晶體開關32為例。本發明包含一谷值電壓取樣保持單元34與一參考電壓產生器36，谷值電壓取樣保持單元34透過電晶體開關32連接電感30，並接收電感30上的至少兩相鄰時間點之至少二谷值電流，並將其轉換為一平均谷值電壓。參考電壓產生器36連接谷值電壓取樣保持單元28與電晶體開關32，並接收對應二倍電感30之平均電感電流Iave之二倍外部電壓Vext，以將其減去平均谷值電壓，產生一參考電壓Vref。電感30、谷值電壓取樣保持單元34、參考電壓產生器36與電晶體開關32皆連接一比較器38，其係接收參考電壓Vref與電感30之電感電壓，並依據其比較結果，控制電晶體開關32，以藉此使峰值電流保持定值。

換言之，本發明之運作過程如下。首先，參考電壓產生器36接收對應二倍電感30之平均電感電流Iave之二倍外部電壓Vext，同時，谷值電壓取樣保持單元34接收電感30上的至少兩相鄰時間點之至少 二谷值電流，並將至少二谷值電流轉換為一平均谷值電壓。接著，參考電壓產生器36將接收到的二倍外部電壓Vext減去平均谷值電壓，以產生控制電晶體開關32之參考電壓Vref。最後，比較器38接收參考電壓Vref與電感30之電感電壓，並依據其比較結果，控制電晶體開關32，以藉此使電感30上之峰值電流保持定值。舉例來說，當比較結果為參考電壓與電感電壓相同時，則使電晶體開關32關閉；當比較結果為參考電壓與電感電壓相異時，則使電晶體開關32導通。比較器38產生用來控制電晶體開關32之控制訊號，與電感30上之電流波形如第5圖所示，其中控制訊號之高準位電壓之時間區間為固定，電感30上之峰值電流與谷值電流亦變為固定。此外，量測波形如第6圖所示，其中虛線波形為電晶體開關32之源極電壓波形，其下方依序為通過二極體串40之電流波形與電感30之電流波形。由此可知，電感電流之峰值與谷值是已呈現固定。如此一來，本發明便可無須感應高電壓端(high side)的感應電流，並同時避免受到直流對直流轉換器內之獨立電感影響，以提高電壓調整的準確度。

在上述過程，若本發明缺少比較器38，亦可省略上述接收參考電壓Vref與電感30之電感電壓，並依據其比較結果，控制電晶體開關32之步驟。

請繼續參閱第4圖，下面將繼續描述谷值電壓取樣保持單元34與參考電壓產生器36之具體電路。

上述二谷值電流包含分別對應先、後之時間點之一第一谷值電流與一第二谷值電流，平均谷值電壓為分別對應第一谷值電流與第二谷值電流之一第一半谷值電壓與一第二半谷值電壓之總和。谷值電壓取樣保持單元36在此僅包含二子谷值電壓取樣保持單元37，以分別擷取第一半谷值電壓與第二半谷值電壓。其中一子谷值電壓取樣保持單元37更包含一第一時序開關42與一第一谷值電壓保持單元44，另一子谷值電壓取樣保持單元37更包含一第二時序開關46與一第二谷值電壓保持單元48。第一時序開關42連接電感30，並在兩相鄰時間點 暫時導通，以分別供第一谷值電流與第二谷值電流通過。第一時序開關42連接第一谷值電壓保持單元44，其係從第一時序開關42接收第一谷值電流或第二谷值電流，並分別將其轉換為第一半谷值電壓或第二半谷值電壓，且保持其輸出。第一谷值電壓保持單元44連接第二時序開關46，其係在兩相鄰時間點之間，且電感電流逐漸下降時，暫時導通，以作為第一半谷值電壓之傳送路徑。第二時序開關46連接第二谷值電壓保持單元48，其係從第二時序開關46接收第一半谷值電壓，並保持其輸出。

第一時序開關42、第二時序開關46之導通狀態由一時序控制器49來控制。第一時序開關42、第二時序開關46與電感30連接此時序控制器49，其係在兩相鄰時間點暫時導通第一時序開關42，且在兩相鄰時間點之間，且電感電流逐漸下降時，暫時導通第二時序開關46。

第一谷值電壓保持單元44更包含一第一放大器50，其係連接第一時序開關42，以接收第一谷值電流或第二谷值電流，分別輸出一第一導通訊號或一第二導通訊號。第一放大器50與參考電壓產生器34連接一第一電晶體開關52，其係接收第一導通訊號或第二導通訊號以保持導通。另有一第一電容54與一第一電阻56，第一電容54之一端接地，另一端連接第一時序開關42與第一放大器50。第一電阻56之一端接地，另一端連接第一電晶體開關52與第一放大器50，第一電容54與第一電阻56透過第一時序開關42接收第一谷值電流或第二谷值電流，並將其轉換為第一半谷值電壓或第二半谷值電壓，以藉由第一電晶體開關52保持輸出第一半谷值電壓或第二半谷值電壓。

第二谷值電壓保持單元48更包含一第二放大器58，其係連接第二時序開關46，以接收第一半谷值電壓，輸出一第三導通訊號。第二放大器58與參考電壓產生器34連接一第二電晶體開關60，其係接收第三導通訊號以保持導通。另有一第二電容62與一第二電阻64，第二電容62之一端接地，另一端連接第二時序開關46與第二放大器58。第二電阻64之一端接地，另一端連接第二電晶體開關60與第二放大 器58，第二電阻64與第一電阻62之阻值相同，第二電容62與第二電阻64透過第二時序開關46接收第一半谷值電壓，以藉由第二電晶體開關60保持輸出第一半谷值電壓。

參考電壓產生器34更包含一第三放大器66，其係接收二倍外部電壓Vext，以產生一第四導通訊號。第三放大器66連接一第三電阻68之一端，第三電阻68之另一端則接地，此外，第三電阻68之阻值為第一電阻56的一半。第三放大器66與第三電阻68連接一第三電晶體開關70，其係接收第四導通訊號，並藉由第三電阻68產生流經第三電晶體開關70與第三電阻68之二倍平均電感電流Iave。第三電晶體開關70又連接一電流鏡72，電流鏡72連接一第四電阻74之一端，第四電阻74之另一端則接地。第四電阻74之阻值與第三電阻68相同。電流鏡72複製二倍平均電感電流Iave，以產生通過第四電阻74之二倍平均電感電流Iave，並據此產生二倍外部電壓Vext，以將其減去二半谷值電壓，成功產生參考電壓Vref。

上述實施例僅接收二谷值電流以形成平均谷值電壓，以下請參閱第7圖，此實施例與上述實施例差異在於，谷值電壓取樣保持單元36在此包含複數子谷值電壓取樣保持單元37。因此，在此實施例中，谷值電壓取樣保持單元36接收電感上的複數相鄰時間點之複數谷值電流，並將其轉換為一平均谷值電壓，使得此平均谷值電壓Vave為每一谷值電流對應之谷值電壓Vhn之總和平均，如式(4)所示。另其餘電路架構及其作動皆與前述實施例相同，於此不再贅述。

Vave=(Vh1+Vh2+…+Vhn)/n (4)

綜上所述，本發明採用相鄰兩時間點之電感谷值電流，以固定電感峰值電流，進而提高直流對直流轉換器之準確度。

以上所述者，僅為本發明一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，故舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

10‧‧‧直流轉直流轉換器

12‧‧‧電容

14‧‧‧二極體

16‧‧‧電感

18‧‧‧電晶體開關

20‧‧‧電阻

22‧‧‧迴授控制器

24‧‧‧輸入電源

26‧‧‧二極體串

28‧‧‧直流對直流轉換器

30‧‧‧電感

32‧‧‧電晶體開關

34‧‧‧谷值電壓取樣保持單元

36‧‧‧參考電壓產生器

37‧‧‧子谷值電壓取樣保持單元

38‧‧‧比較器

40‧‧‧二極體串

42‧‧‧第一時序開關

44‧‧‧第一谷值電壓保持單元

46‧‧‧第二時序開關

48‧‧‧第二谷值電壓保持單元

49‧‧‧時序控制器

50‧‧‧第一放大器

52‧‧‧第一電晶體開關

54‧‧‧第一電容

56‧‧‧第一電阻

58‧‧‧第二放大器

60‧‧‧第二電晶體開關

62‧‧‧第二電容

64‧‧‧第二電阻

66‧‧‧第三放大器

68‧‧‧第三電阻

70‧‧‧第三電晶體開關

72‧‧‧電流鏡

74‧‧‧第四電阻

第1圖為先前技術之直流對直流轉換器之電路示意圖。

第2圖為先前技術之電感電流與控制電晶體開關之電壓波形圖。

第3圖為先前技術之電晶體開關之源極電壓、二極體串電流與電感電流波形圖。

第4圖為本發明之接收二谷值電流之控制裝置電路示意圖。

第5圖為本發明之電感電流與控制電晶體開關之電壓波形圖。

第6圖為本發明之電晶體之源極電壓、二極體串電流與電感電流波形圖。

第7圖為本發明之接收複數谷值電流之控制裝置電路示意圖。

28‧‧‧直流對直流轉換器

30‧‧‧電感

32‧‧‧電晶體開關

34‧‧‧谷值電壓取樣保持單元

36‧‧‧參考電壓產生器

38‧‧‧比較器

37‧‧‧子谷值電壓取樣保持單元

40‧‧‧二極體串

42‧‧‧第一時序開關

44‧‧‧第一谷值電壓保持單元

46‧‧‧第二時序開關

48‧‧‧第二谷值電壓保持單元

49‧‧‧時序控制器

50‧‧‧第一放大器

52‧‧‧第一電晶體開關

54‧‧‧第一電容

56‧‧‧第一電阻

58‧‧‧第二放大器

60‧‧‧第二電晶體開關

62‧‧‧第二電容

64‧‧‧第二電阻

66‧‧‧第三放大器

68‧‧‧第三電阻

70‧‧‧第三電晶體開關

72‧‧‧電流鏡

74‧‧‧第四電阻

Claims (16)

1. 一種平均電感電流式電壓補償控制裝置，其係連接一直流對直流轉換器，該平均電感電流式電壓補償控制裝置包括：一谷值電壓取樣保持單元，連接該直流對直流轉換器中之一電感，並接收該電感上的至少兩相鄰時間點之至少二谷值電流，並將其轉換為一平均谷值電壓；以及一參考電壓產生器，連接該谷值電壓取樣保持單元與該直流對直流轉換器中之一電子開關，並接收對應二倍該電感之平均電感電流之二倍外部電壓，以將其減去該平均谷值電壓，產生一參考電壓來控制該電子開關，以藉此使該電感上之峰值電流保持定值。
2. 如請求項1所述之平均電感電流式電壓補償控制裝置，其中該直流對直流轉換器為固定截止時間之直流對直流轉換器。
3. 如請求項1所述之平均電感電流式電壓補償控制裝置，更包含一比較器，其係連接該電感、該谷值電壓取樣保持單元、該參考電壓產生器與該電子開關，以接收該參考電壓與該電感之電感電壓，並依據其比較結果，控制該電子開關，以藉此使該峰值電流保持該定值。
4. 如請求項3所述之平均電感電流式電壓補償控制裝置，其中該參考電壓與該電感電壓相同時，該比較器導通該電子開關，以藉此使該峰值電流達到該定值。
5. 如請求項3所述之平均電感電流式電壓補償控制裝置，其中該參考電壓與該電感電壓相同時，該比較器關閉該電子開關。
6. 如請求項1所述之平均電感電流式電壓補償控制裝置，其中該二谷值電流包含分別對應先、後之該時間點之一第一谷值電流與一第二谷值電流，該平均谷值電壓為分別對應該第一谷值電流與該第二谷值電流之一第一半谷值電壓與一第二半谷值電壓之總和，且該谷值電壓取樣保持單元更包含：一第一時序開關，連接該電感，並在該兩相鄰時間點暫時導通，以分別供該第一谷值電流與該第二谷值電流通過； 一第一谷值電壓保持單元，連接該第一時序開關，以接收該第一谷值電流或該第二谷值電流，並分別將其轉換為該第一半谷值電壓或該第二半谷值電壓，且保持其輸出；一第二時序開關，連接該第一谷值電壓保持單元，並在該兩相鄰時間點之間，且該電感電流逐漸下降時，暫時導通，以作為該第一半谷值電壓之傳送路徑；以及一第二谷值電壓保持單元，連接該第二時序開關，以接收該第一半谷值電壓，並保持其輸出。
7. 如請求項6所述之平均電感電流式電壓補償控制裝置，其中該第一谷值電壓保持單元更包含：一第一放大器，連接該第一時序開關，以接收該第一谷值電流或該第二谷值電流，分別輸出一第一導通訊號或一第二導通訊號；一第一電晶體開關，連接該第一放大器與該參考電壓產生器，並接收該第一導通訊號或該第二導通訊號以保持導通；一第一電容，其一端接地，另一端連接該第一時序開關與該第一放大器；以及一第一電阻，其一端接地，另一端連接該第一電晶體開關與該第一放大器，該第一電容與該第一電阻透過該第一時序開關接收該第一谷值電流或該第二谷值電流，並將其轉換為該第一半谷值電壓或該第二半谷值電壓，以藉由該第一電晶體開關保持輸出該第一半谷值電壓或該第二半谷值電壓；以及該第二谷值電壓保持單元更包含：一第二放大器，連接該第二時序開關，以接收該第一半谷值電壓，輸出一第三導通訊號；一第二電晶體開關，連接該第二放大器與該參考電壓產生器，並接收該第三導通訊號以保持導通；一第二電容，其一端接地，另一端連接該第二時序開關與該第二放大器；以及 一第二電阻，其一端接地，另一端連接該第二電晶體開關與該第二放大器，該第二電阻與該第一電阻之阻值相同，該第二電容與該第二電阻透過該第二時序開關接收該第一半谷值電壓，以藉由該第二電晶體開關保持輸出該第一半谷值電壓。
8. 如請求項7所述之平均電感電流式電壓補償控制裝置，其中該參考電壓產生器更包含：一第三放大器，接收該二倍外部電壓，以產生一第四導通訊號；一第三電阻，其阻值為該第一電阻的一半，該第三電阻之一端接地，另一端連接該第三放大器；一第三電晶體開關，連接該第三放大器與該第三電阻，以接收該第四導通訊號，並藉由該第三電阻產生流經該第三電晶體開關與該第三電阻之二倍該平均電感電流；一電流鏡，連接該第三電晶體開關；以及一第四電阻，其阻值與該第三電阻相同，該第四電阻之一端接地，另一端連接該電流鏡，該電流鏡複製該二倍該平均電感電流，以產生通過該第四電阻之二倍該平均電感電流，並據此產生該二倍外部電壓，以將其減去該二半谷值電壓，產生該參考電壓。
9. 如請求項6所述之平均電感電流式電壓補償控制裝置，更包含一時序控制器，其係連接該第一時序開關、該第二時序開關與該電感，並在該兩相鄰時間點暫時導通該第一時序開關，且在該兩相鄰時間點之間，且該電感電流逐漸下降時，暫時導通該第二時序開關。
10. 如請求項1所述之平均電感電流式電壓補償控制裝置，其中該時間點與該谷值電流皆為複數時，該平均谷值電壓為每一該谷值電流對應之谷值電壓之總和平均。
11. 一種平均電感電流式電壓補償控制方法，其係控制一直流對直流轉換器，該直流對直流轉換器包括一電子開關與一電感，該平均電感電流式電壓補償控制方法包含下列步驟：接收對應二倍該電感之平均電感電流之二倍外部電壓與該電感上的 至少兩相鄰時間點之至少二谷值電流，並將該至少二谷值電流轉換為一平均谷值電壓；以及將該二倍外部電壓減去該平均谷值電壓，以輸出控制該電子開關之一參考電壓。
12. 如請求項11所述之平均電感電流式電壓補償控制方法，更包含一步驟，其係接收該參考電壓與該電感之電感電壓，並依據其比較結果，控制該電子開關，以藉此使該電感上之峰值電流保持定值。
13. 如請求項12所述之平均電感電流式電壓補償控制方法，其中該比較結果為該參考電壓與該電感電壓相同時，該電子開關關閉。
14. 如請求項12所述之平均電感電流式電壓補償控制方法，其中該比較結果為該參考電壓與該電感電壓相異時，該電子開關導通，以藉此使該峰值電流保持該定值。
15. 如請求項11所述之平均電感電流式電壓補償控制方法，其中該直流對直流轉換器為固定截止時間之直流對直流轉換器。
16. 如請求項11所述之平均電感電流式電壓補償控制方法，其中該時間點與該谷值電流皆為複數時，該平均谷值電壓為每一該谷值電流對應之谷值電壓之總和平均。