TWI308415B - - Google Patents

Description

1308415 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種直流對直流轉換器，特別是關於_ ' 種改善直流對直流轉換器之負載暫態的控制電路及方‘。 髻 【先前技術】 圖1係習知的直流對直流轉換器10，其包括一控制電 • 路12及四個通道14，在每一個通道14中，電晶體14〇4 及1406串聯在輸入電壓Vin及接地GND之間，各通道14 的驅動器1402根據來自控制電路12的各脈寬調變信號 • PWM[ 1 ]至PWM[4]切換電晶體1404及1406，以分別產生通 .道電流1〇1至1〇4 ’通道電流1〇1至1〇4結合形成輸出電流 1〇對電容C充電產生輸出電壓v〇，控制電路12偵測通道 電流1〇!至Icu及輸出電壓V〇’據以調變每一通道14中電 晶體1404及1406的工作週期。 • 圖2係習知的控制電路12。在控制電路12中，脈寬 調變電路1201中的電流感測電路1236感測通道電流1〇1 至1〇4產生電流感測信號1}([1]至Ix[4]，經取樣及維持電 路1238產生電流感測信號Ix[l]，至Ix[4]，，電壓產生電 路1202中的加法器124〇結合電流感測信號Ιχ[1]，至 ' Iχ [ 4 ]輸出合成電流信號I sum，由於輸出電流I 〇係通道 ' 電流1〇1至1〇4的總合，而電流感測信號Ix[l]，至Ix[4]， 與通道電流1〇1至1〇4具有比例關係，因此合成電流信號 I sum與輸出電流10具有比例關係，合成電流信號I Sum經 1308415 接腳ADJ在電阻radi上產生與輸出電流1〇具有比例關係的 跨壓VADi’數位電壓VID[n:0]經數位類比轉換器（DAC)1204 轉換為類比電壓VIA，減法器1206將類比電壓VIA減去電 - 壓Vad:產生參考電壓vREF ’輸出電壓v〇經阻抗元件16及 、18產生一電壓vFB，脈寬調變電路km中的誤差放大器 1208根據電壓VFB及參考電壓Vref產生誤差信號Vea，鋸齒 波產生器1212、1214、1216及1218根據振盪器1210提 $ 供的時脈CLK分別產生鋸齒波raMP[1]、RAMP[2]、RAMP[3] 及RAMP[4]，加法器1220藉由電流感測信號Ix[l]，平移鋸 齒波RAMP[1]的準位產生鋸齒波raMP[1]，，比較器1228 • 比較誤差信號VEA及鋸齒波Riy〇>[l]，產生脈寬調變信號 pWM[l] ’加法器1222藉由電流感測信號Ix[2]，平移鋸齒 波RAMP[2]的準位產生鋸齒波RAMP[2]’，比較器1230比較 誤差信號Vw及鋸齒波ramp[2]，產生脈寬調變信號 PWM[2]，加法器1224藉由電流感測信號Ix[3]，平移鋸齒 籲波RAMP[3]的準位產生鋸齒波RAMp[3]，，比較器1232比較 誤差信號VEA及鋸齒波RAMp[3]’產生脈寬調變信號 PWM[3] ’加法器1226藉由電流感測信號Ix[4]，平移鋸齒 波RAMP[4]的準位產生鋸齒波rAMp[4]，，比較器1234比較 誤差信號Vea及鋸齒波RAMP[4]，產生脈寬調變信號PWM[4]。 、 圖3係直流對直流轉換器1〇於負載暫態期間τ各信 、 號的波形圖，其中波形20係負載RL上的負載電流IRL，波 形22係輸出電流1〇,波形24係電壓Ve; ’波形26係參考 電壓Vref，波形28係輸出電壓v〇的直流部分Vo, avg，波 1308415 形29係時脈CLK。在直流的情況下，直流對直流轉換器 10中的阻抗元件18不導通，所以電壓v〇等於電壓VFB， 因此可將圖3中參考電壓vREF的波形26及電壓v〇，avg的 . 波形28並列顯示，如圖4所示。參照圖}至圖4，在由低 * 負載轉為高負載的負载暫態期間T，供應給負載RL的電流 Irl遽升，如波形20所示，電壓v〇，avg遽降，如波形28 所示，但是，輸出電流1〇卻無法像電流Irl一樣遽升，其 上升速度較慢，如波形22所示，又電壓Vad;與輸出電流 1〇具有比例關係，故電壓VAD】隨輸出電流1〇慢慢上升， 而參考電壓Vref=VIA-VAd:，故其準位下降速度較電壓 Vo, avg k，如圖4所示，由於在負載暫態期間τ，電壓 Vo’avg下降的速度比參考電壓Vref更快，而在直流對直流 轉換器ίο的設計中，迴授電壓VFB將追隨參考電壓Vref， 又電壓Vo, avg在穩態時等於電壓vfb，故電壓v〇, avg亦 將追隨參考電壓vREF，因此當電壓V0，avg降至預定準位V1 φ 時，參考電壓V咖仍未達到準位vi，如圖4所示，電壓 V〇，avg將上升追踪參考電壓Vref，在追踪到參考電壓Vref 後，才又跟著參考電壓vREF慢慢降至準位V1，因而產生回 彈（ringback)漣波，此回彈漣波將影響連接在直流對直流 轉換器10輸出端Vo上電路（例如CPU)的效能，此外，在 ' 負載暫態期間T，由於電壓Vo, avg下降速度快，故有可能 . 發生低超（undershoot)的情況，亦即降至比預定準位V1 更低的準位V2，如圖4所示，這也會影響到負載電路的效 能。 1308415 …因此’-種能改善直流對直流轉換器在負載暫態中的 回彈漣波及低超的控制電路，乃為所冀。 ' 【發明内容】 v 本發明的目的，在於提出一種改善直流對直流轉換器 之負載暫態的控制電路及方法。 根據本發明，一種應用在直流對直流轉換器的控制電 春路及方法包括-負載暫態偵測^貞測該轉換器的輸出電 壓’在發生負载暫態時啟動快速暫態響應，在快速暫態響 應期間提高該轉換器的工作頻率，以改善負載暫態。曰 【實施方式】 圖5係本發明的第一實施例，參照圖i及圖5，以圖 5所示的控制電路30替代圖丨中的控制電路12。控制電 路30包括一負載暫態偵測器3〇36及一電流源3〇44連接 •至振盪器3010。在脈寬調變電路3001中，電流感測電路 3042感測通過每一通道14中的電流1〇1至1〇4產生電流感 測信號Ix[l]至Ix[4]，取樣及維持電路3〇4〇根據時脈ακ 對電流感測信號1<1]至Ιχ[4]進行取樣及維持得到電流 感測信號Ιχ[1]’至Ix[4]，，電壓產生電路3〇〇2中的加法 '器3038結合電流感測信號ιχ[ι ]’至ιχ[4]，產生合成電流 • 信號Isum，由於輸出電流1〇係通道電流1〇1至1〇4的總合， 而電流感測信號Ix[l]，至Ix[4]，與通道電流ί〇1至1〇4具 有比例關係，因此合成電流信號Isum與輸出電流1〇具有 1308415 比例關係，合成電流信號I sum在電阻RADj上產生隨輸出電 流1〇變化的跨壓Vad:，數位電壓VID[n:0]經數位類比轉換 器3004轉換為類比電壓VIA’減法器3006將類比電壓VU -減去電壓VAD】產生參考電壓vKEFl’輸出電壓v〇經阻抗元件 . 16及18產生電壓VFB ’脈寬調變電路3001的誤差放大器 3008根據電壓VFB及參考電壓VREF1產生誤差信號vEA。負 載暫態偵測器3036包括一比較器3050，其具有一反相輸 入端連接電壓Vo，一非反相輸入端連接電壓（yREFl-VQR)， ® 其中VQHf、預設的電壓值，在直流的情況下，阻抗元件18 不導通’故輸出電壓Vo等於電壓VFB，比較器3050比較 兩輸入端上的電壓產生偵測信號QR給振盪器3010以及比 較器3028、3030、3032及3034。電流源3044包含電晶體 3046連接在振盪器3010及電阻Rose之間，以及一運算放 大器3048具有一非反相輸入端連接參考電壓vREF2，一反 相輸入端連接電晶體3046及電阻Rose，一輸出端連接電 _ 晶體3046的閘極，運算放大器3048將電阻Rose上的跨 壓鎖在參考電壓VREF2的電位，以產生定電流II，電晶體 Ml及M2組成一電流鏡將電流π鏡射為電流Iosc給振盪 器3010 ’振盪器3010根據電流Iosc及偵測信號QR產生 時脈CLK ’鋸齒波產生器3012、3014、3016及3018根據 ' 時脈CLK分別產生鋸齒波RAMP[1]、RAMP[2]、RAMP[3]及 . RAMP[4]，加法器3020藉由電流感測信號Ix[l]，平移鋸齒 波RAMP[1]的準位產生鋸齒波rAMP[i]，，比較器3028比較 誤差信號VEA及鋸齒波RAMP[ 1 ]，產生脈寬調變信號 1308415 PWM[1]，加法器3022藉由電流感測信號Ιχ[2]’平移鋸齒 波RAMP[2]的準位產生鋸齒波RAMP[2]’，比較器3030比較 誤差信號Vea及鋸齒波RAMP[2]’產生脈寬調變信號 . PWM[2]，加法器3024藉由電流感測信號Ix[3]’平移鋸齒 .波RAMP[3]的準位產生鋸齒波RAMP[3]’，比較器3032比較 誤差信號Vea及鋸齒波RAMP[3]’產生脈寬調變信號 PWM[3] ’加法器3026藉由電流感測信號Ιχ[4]’平移鋸齒 波RAMP[4]的準位產生鋸齒波RAMP[4]’，比較器3034比較 ® 誤差信號Vea及鋸齒波RAMP[4]，產生脈寬調變信號PWM[4]。 圖6係應用本發明的直流對直流轉換器於負載暫態時 各信號的波形圖’其中波形40徐負載RL上的負載電流 Irl ’波形42係輸出電流i〇，波形44係電壓VAD:，波形46 係參考電壓VREF1，波形48係輸出電壓Vo的直流部分 Vo, avg ’波形50係偵測信號卯，波形52係時脈clk;。圖 7係將圖6中參考電壓Vref1的波形46、電壓v〇，avg的波 • 形48、彳貞測信號⑽的波形50及時脈CLK的波形52並列 顯示。參照圖卜圖5、圖6及圖7，在由低負載轉高負載 的負載暫態期間T，負載電流IRL遽升，如波形40所示， 而電壓Vo, avg遽降’如波形48所示，此時，參考電壓 隨著輸出電流Ιο的上升而下降’當電壓VQ，avg與參考電 '壓VrEf1之間的差距達到預設值V⑽時，如® 7所示，負載 '暫以貞測器3036輸出高準位的摘測信號QR，使振盪器 3010提间時脈⑽的頻率，以增加取樣及維持電路3〇4〇 的取樣頻率’進而提高參考電壓W下降的速度，減少彈 11 1308415 回漣波的振幅，較佳者，偵測信號QR亦同時控制比較器 3028、3030、3032及3034中至少二個導通相對應的通道 14，亦即將通道14中的高位側電晶體1404導通，以降低 輸出電壓Vo的下降速度，抑制低超發生。 在其他實施例中，負載暫態偵測器3036可以包含一 個以上的比較器。圖8係圖5中負載暫態偵測器3036的 另一實施例’其包括比較器3050及3052,其中比較器3050 的反相輸入端連接輸出電壓Vo,非反相輸入端連接電壓 (VrefI-VqrI)，比較器3050比較兩輸入端上的電壓產生偵·測 信號QR1給振盪器3010以及比較器3028、3030、3032及 3034，而比較器3052的反相輸入端連接輸出電壓v〇，非 反相輸入端連接電壓（VREF1-VQR2)，比較器3052比較兩輸入 端上的電壓產生偵測信號QR2給振盪器3010以及比較器 3028、3030、3032及3034 ’其中，vQR;[及—2都是預設的 電壓。 圖9係圖5的控制電路30應用圖8的負載暫態偵測 器3036在負載暫態期間τ所得的波形圖，其中波形β〇係 參考電壓Vml，波形62係輸出電壓v〇的直流部分 Vo, avg，波形64係偵測信號QR1，波形66係偵測信號qr2， 波形68係時脈CLK。參照圖5、圖8及圖9，在由低負載 轉高負載的負载暫態期間T，電壓v〇，avg遽降，如波形 62所示，而參考電壓VrefI也開始下降，如波形所示， 由於電壓Vo，avg下降的速度快於參考電壓Vref1，因此當 電壓Vo, avg與參考電壓vREFi之間的差距達到第一個預設 12 1308415 值VqrI時，如圖9所示，比較器3050輸出高準位的偵測 信號QR1，使振盪器3010提高時脈CLK的頻率，因而提高 參考電壓VrefI下降的速度，同時亦控制比較器3028、， . 3030、3032及3034的其中二個，例如比較器3028及3030, .導通相對應通道14中的高位侧電晶體1404，以降低電壓 Vo，avg的下降速度，若電壓Vo，avg下降的速度仍快於參 考電壓VrefI，使得電壓Vo, avg與參考電壓VREF1之間的差 距達到第二個預設值VQR2時，比較器3052將輸出高準位 * 的偵測信號QR2，進一步提高時脈CLK的頻率，並控制另 二個比較器3032及3034中的至少一個導通相對應的通道 14，以進一步降低輸出電壓Vo的下降速度。 圖10係圖5中振盪器3010的實施例，加法器70具 有兩輸入端，其中一輸入端連接電流lose，另一輸入端經 一開關SW連接預設電流IQR，開關SW受偵測信號QR切換， 加法器7 0根據兩輸入端的電流輸出一總合電流I TOTAL，電 Φ 流鏡72鏡射電流lT〇m產生電流II及12，電流鏡74鏡射 電流II產生電流13，在電流鏡72中，電晶體Nl、N2及 N3的尺寸比為η : 1 : 1，在電流鏡74中，電晶體P1及P2 的尺寸比為1 : 1，PM0S電晶體76連接在電流13及電容 C1之間，受控於信號Q，腿0S電晶體78連接在電流12及 ， 電容C1之間，受控於信號Q，比較器80比較電容C1上的 . 時脈CLK及參考電壓Vh產生信號S#，比較器82,比較時脈 CLK及參考電壓Vl產生信號R#。 圖11顯示圖10中時脈CLK的波形以及信號Q、S#及 13 1308415 辟之間的關係表，其中 、 ^ ta yL，8δ m 86 # 時間u到t2期間’時脈cu大考α及圖u ’在 ㈣為低準位，而信_為高準位，故信 電晶錢導通，使電流12令電:76截止而·

下降。在時間t2到t3期門，拉r ΓΤ電，讓時脈CLK

但高於參考電壓 時脈CLK低於參考電墨VH F Rii二μ、、L’故信號S#由低準位轉為高準位，而信 儿R#維持在南準位，如志故— ° M 、隹/ 如表格所不，此時信號Q將維持原來 的準位，所以PM0S電晶體f原來 78則拄嬙道、$電曰曰脰76仍然截止，* _S電晶體 接續導通，使電流ί2繼續讓電容π放電。在時間 到t4期間，時脈CLK低於參考電壓化及w，使得信號 找由高準位轉為低準位，而信號3#則維持原準位，如表格° 所示，此時信號Q將轉為低準位，因此p〇MS電晶體K導 通，而NM0S電晶體78截止，電流13開始對電容C1充電， 讓時脈CLK上升。在時間t4到t5期間，時脈CLK低於參 考電壓Vh但高於參考電壓vL，故信號R#由低準位轉為高 準位’而信號S#維持在局準位，如表格所示，此時信號Q 將維持在原來的準位，所以PM0S電晶體76仍然導通，而 丽0S電晶體78則維持截止’使電流13繼續對電容ci充 電。 根據電容公式可以得到充電或放電時間 1308415 T^nxClx(VH-Vi) 公式1 ITOTAL . 因此可得時脈CLK的頻率 F —* —-*— it; — __TOTAL___ 2T 2xnxClx(VH-VL) 公式 2 左從公式2可知，當電流iTQTAL增加時，時脈ακ的頻率 F 之牦加，反之，當輸出電流I τ咖l減少時，時脈ακ的 頻率m之減少。參照圖5及圖10，在由低負載轉為高負 载時，若輸出電壓Vo的直流部分Vo, avg與參考電壓Vref ) 的差距達到預設值Vqr，負載暫態偵測器3〇36將輸出高準 位的偵測信號QR導通振盪器3〇1〇中的開關sw，使總合電 流I mu增加’因而提高時脈CLK的頻率。在其他實施例中， _ 若負載暫態偵測器303Θ輸出兩個或以上的偵測信號時， 振盪器3010可跟著增加預設電流I⑽及開關sw數量。 圖12係本發明的第二實施例，在控制電路32中，同 樣包括脈寬調變電路3001、電壓產生電路3002、誤差放 大器3008、振盪器3010、負載暫態偵測器3036及電流源 ' 如44 ’而負載暫態偵測器3036的反相輸入端係連接迴授 電壓VFB。同樣地，圖12中的負載暫態偵測器3036亦可 以包括一個以上的比較器，圖13係圖12中負載暫態偵測 器3036的另一實施例，其同樣包括比較器3050及3052， 15 1308415 /、中比較器3050及3052的反相輸入端均連接迴授電壓 VFB。 【圖式簡單說明】 圖1係習知的直流對直流轉換器； 圖2係習知的控制電路； 圖3係習知直流對直流轉換器於負載暫態時各信號的 波形圖； 圖4係將圖3中參考電壓vREF的波形26及迴授電壓 VFB的波形28並列顯示； 圖5係本發明的第一實施例； 圖6係應用本發明的直流對直流轉換器於負載暫態時 各信號的波形圖； 圖7係將圖6中參考電壓ν_1的波形46、迴授電壓 VFB的波形48及偵測信號⑽的波形50並列顯示； 圖8係圖5中負載暫態偵測器3036的另一實施例； 圖9係圖5的控制電路30應用圖8的負载暫態偵測 器3036在負載暫態時所得的波形圖； 圖10係圖5中振盪器3010的實施例； 圖11顯示圖10中時脈CLK的波形以及信號q、S#及 R#之間的關係表； 圖12係本發明的第二實施例；以及 》 圖13係圖12中負載暫態偵測器3036的另一實施例。 16 1308415 【主要元件符號說明】

10 直流對直流轉換器 12 控制電路 1202 電壓產生電路 1204 數位類比轉換器 1206 減法器 1208 誤差放大器 1210 振盪器 1212 鑛齒波產生器 1214 鋸齒波產生器 1216 鋸齒波產生器 1218 鑛齒波產生器 1220 加法器 1222 加法器 1224 加法器 1226 加法器 1228 比較器 1230 比較器 1232 比較器 1234 比較器 1236 電流感測電路 1238 取樣及維持電路 1240 加法器 14 通道 17 1308415 1402 驅動器 1404 電晶體 1406 電晶體 16 阻抗元件 18 阻抗元件 20 負載電流Irl的波形 22 輸出電流1〇的波形 24 電壓VAD』的波形 26 參考電壓的波形 28 輸出電壓Vo直流部分Vo, avg的波形 29 時脈CLK的波形 30 控制電路 ' 32 控制電路 3001 脈寬調變電路 3002 電壓產生器 3004 數位類比轉換器 3006 減法器 3008 誤差放大器 3010 振盪器 3012 鋸齒波產生器 3014 踞齒波產生器 3016 鋸齒波產生器 3018 鋸齒波產生器 3020 加法器 18 1308415 3022 加法器 3024 加法器 3026 加法器 3028 比較器 3030 比較器 3032 比較器 3034 比較器 3036負載暫態偵測器 ^ 3038加法器 3040 取樣及維持電路 3042 電流感測電路 3044 電流源 3046 電晶體 3048 運算放大器 3050 比較器 ^ 3052 比較器 40 負載電流Irl的波形 42 輸出電流1〇的波形 44 電壓Vad;的波形 46 參考電壓VrefI的波形 . 48 輸出電壓Vo直流部分Vo, avg的波形 50 偵測信號QR的波形 52 時脈CLK的波形 60 參考電壓V_1的波形 19 1308415 62 迴授電壓VFB的波形 64 偵測信號QR1的波形 66 偵測信號QR2的波形 68 時脈CLK的波形 70 加法器 72 電流鏡 74 電流鏡 76 PMOS電晶體 78 丽0S電晶體 80 比較器 82 比較器 84 參考電壓Vh的波形 86 參考電壓Vl的波形 88 時脈CLK的波形

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Claims (1)

1308415 f、申請專利範圍： 種應用在直流對直流轉換器φ ¥ * 辨狭器中改善暫態響應的控制 電路’5亥轉換器包含多個通道用η脸 ^ 7 、迫用Μ將—輸入電壓轉換為 一輸出電壓，該控制電路包括： 一振盪器’供應-時脈以決定該轉換器的工作頻 率；以及 一負載暫態偵測器1測該輸出電壓產生一偵測信 號至該缝器，在發生負载暫態時啟動快速暫 態響應’在快速暫態響應期間，該偵測信號加 快該時脈的頻率。 :求項1之控制電路，其中該偵測信號在該快速暫態 3 "%期間導通該多個通道中至少二個。 月求項1之控制電路，其中該振盪器包括： 第開關，叉控於該偵測信號，在該快速暫態響 應期間該第一開關導通； 加法器，具有一第一輸入端連接一第一電流，以 及一第二輸入端經讓第一開關連接一第二電 流，該加法器結合該第一輸入端及第二輸入端 上的電流產生一第三電流； 第—電流鏡，鏡射該第三電流產生一第四電流及 一第五電流； 第二電流鏡，鏡射該第四電流產生一第六電流； 一電容； 第二開關，連接在該第五電流與該電容之間；以 21 1308415 及 5. 一第三開關，連接在該第六電流與該電容之間； 其中在該第二開關導通時，該第三開關截止，而 當該第三開關導通時，該第二開關截止，以讓 該第五及第六電流充放電該電容，產生該時脈。 如請求項1之控制電路，其中該負載暫態偵測器包括一 比較器比較-與該輸出電壓具有比例關係的第三電塵 及-預設的快速響應觸發電壓產生該價測信號。 一種改善直流對直流轉換器的暫態響應的方法，該轉換 器包含多個通道用以將-輸入電壓轉換為一輸出電 壓’該方法包括下列步驟： ^ 價測該輸出電應，在發生負載暫態時啟動快速暫態 響應；以及 /fr速暫㈣應㈣，加快該轉換11的工作頻率。 制^夕、=之方法’更包括在該快速暫態響應期間，控 制忒夕個通道中至少二個導通。 7. 其中該加快該轉換器的工作頻率的 與一參彻相差達到-預設 加决该轉換器的工作頻率。 8. 如請求項7 $古、 差一第」·’更包括在該輸出㈣與參考電歷相 ° 又夺，進一步加快該轉換器的工作頻率。 22