TWI410773B - 固定工作時間切換式直流對直流電源供應器及其控制電路及方法 - Google Patents

固定工作時間切換式直流對直流電源供應器及其控制電路及方法 Download PDF

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Description

固定工作時間切換式直流對直流電源供應器及其控制電路及方法
本發明係有關一種固定工作時間切換式直流對直流電源供應器，特別是關於一種固定工作時間切換式直流對直流電源供應器的控制電路及方法。
如圖1所示，固定工作時間(Constant On Time;COT)切換式直流對直流電源供應器包括控制電路10提供控制信號Sd控制輸出級11的動作以產生穩定的輸出電壓Vout。輸出級11包括一對串聯的功率開關M1及M2、電感L及電容C，其中電感L連接在功率開關M1及M2之間的節點及電容C之間。在控制電路10中，回授電路16偵測輸出電壓Vout產生回授信號Vfb，誤差比較器14比較回授信號Vfb及參考電壓Vref產生比較信號EC，控制邏輯電路12根據比較信號EC觸發控制信號Sd。控制邏輯電路12包括正反器20因應比較信號EC觸發信號Vc，工作時間單擊電路18根據信號Vc觸發信號Sr以重置正反器20，以及驅動器22因應信號Vc產生控制信號Sd。在控制邏輯電路12中，工作時間單擊電路18及正反器20組成固定時間觸發器用以產生具有固定脈衝寬度的信號Vc。在圖1的電路中，工作時間單擊電路18及正反器20組成固定工作時間觸發器，在其他的電路中也可以用固定非工作時間觸發器來取代。
圖2係圖1的電路的波形圖。參照圖1及圖2，當回授信號Vfb向下穿越參考電壓Vref時，如時間t1所示，比較信號EC由低準位轉為高準位，因而觸發信號Vc，進而打開(turn on)上橋功率開關M1讓電感L充能，輸出電壓Vout經電感L及電容C組成的濾波器獲得能量。在信號Sr被信號Vc觸發後，經過其固定脈衝寬度的時間，重設正反器20，關閉信號Vc，如時間t2所示，下橋功率開關M2打開讓電感L釋放能量，此釋能階段將持續到回授信號Vfb再次向下穿越參考電壓Vref為止，然後再進入下一個循環，此為COT控制系統的完整週期。
相較於傳統的PWM控制電路，COT控制電路10使用誤差比較器14取代誤差放大器，故具有電路較簡單、不需要補償電路以及反應快速等優點，但缺點則是實際輸出電壓Vout與設計值有所誤差，如圖3所示，其中波形24為實際輸出電壓Vout，波形26係其平均值Vout(dc)，波形28係其設計值Vout(set)。實際輸出電壓的平均值Vout(dc)受到輸出電壓漣波Vripple、誤差比較器14本身的偏移Voff、反應時間延遲Td以及應用電路的輸出電壓、輸出電感與電容的綜合影響，因此與設計值Vout(set)有差異。傳統的方法係藉調整誤差比較器14的偏移Voff改善此缺點，例如將誤差比較器14的偏移Voff增加或減少某個固定值。不過，輸出電壓漣波Vripple、偏移Voff及反應時間延遲Td受到應用電路不同的輸入電壓、輸出電壓、電感、輸出電容、輸入端變動斜率等影響而有所不同，因此難以針對所有狀況調整。
因此，一種可以針對實際的運用環境動態調整誤差比較器之偏移的控制電路及方法，乃為所冀。
本發明的目的之一，在於提出一種固定工作時間切換式直流對直流電源供應器。
本發明的目的之一，在於提出一種固定工作時間切換式直流對直流電源供應器的控制電路及方法。
本發明的目的之一，在於提出一種動態調整固定工作時間切換式直流對直流電源供應器的誤差比較器之偏移的控制電路及方法。
根據本發明，一種固定工作時間切換式直流對直流電源供應器的控制電路包括回授電路偵測該電源供應器的輸出電壓產生回授信號，誤差比較器比較該回授信號及第一參考電壓產生比較信號以觸發調節該輸出電壓的控制信號，以及偏移延遲消除電路根據該回授信號及第二參考電壓決定偏移電壓調整信號以調整該誤差比較器的偏移。
根據本發明，一種固定工作時間切換式直流對直流電源供應器的控制方法包括偵測該電源供應器的輸出電壓產生回授信號，藉誤差比較器比較該回授信號及第一參考電壓產生比較信號以觸發調節該輸出電壓的控制信號，根據該回授信號及第二參考電壓決定偏移電壓調整信號，以及根據該偏移電壓調整信號調整該誤差比較器的偏移。
根據本發明，一種固定工作時間切換式直流對直流電源供應器包括輸出級提供輸出電壓，回授電路偵測該輸出電壓產生回授信號，誤差比較器比較該回授信號及第一參考電壓產生比較信號以觸發控制該輸出級的控制信號，以及偏移延遲消除電路根據該回授信號及第二參考電壓決定偏移電壓調整信號以調整該誤差比較器的偏移。
本發明根據該回授信號及第二參考電壓調整該偏移電壓調整信號，因此能動態調整該誤差比較器的偏移，將實際輸出電壓的平均值拉近其設計值。較佳者，根據偏移校正信號在適當的時間點儲存該偏移電壓調整信號，以提供適當的偏移電壓調整信號。
圖4係以圖3的電路為基礎設計的實施例，偏移延遲消除(Offset and Delay Cancellation;ODC)電路30根據回授信號Vfb及參考電壓Voref決定偏移電壓調整信號Voa以動態調整誤差比較器14的偏移，進而使實際輸出電壓Vout的平均值接近原先的設計值。此外，已為此技藝之人士所熟知的，在電源供應器進入休眠模式時，輸出電壓Vout因功率開關M1及M2皆關閉(off)使其準位將偏離設計值。若此時ODC電路30仍在動態調整誤差比較器14的偏移，將會過度調低或調高誤差比較器14的偏移，一旦電源供應器由休眠模式進入正常操作模式，將因誤差比較器14的過度偏移而產生不正確的輸出電壓Vout，故設定偏移校正信號Voc控制ODC電路30，使其在適當的時間點校正及儲存偏移電壓調整信號Voa。
圖5係圖4中的ODC電路30的第一實施例，其包括誤差轉導器32以及取樣及維持電路34。誤差轉導器32根據回授信號Vfb及參考電壓Voref之間的差值產生可為正負極性的誤差電流Igm，取樣及維持電路34根據偏移校正信號Voc取樣及儲存誤差電流Igm以產生偏移電壓調整信號Voa。取樣及維持電路34包括電容Cs以及開關SW連接在電容Cs及誤差轉導器32之間，當偏移校正信號Voc連通開關SW時，電容Cs的電壓Voa將因誤差電流Igm而改變；當偏移校正信號Voc切斷開關SW時，電容Cs將其儲存的偏移電壓調整信號Voa傳送至誤差比較器14以調整其偏移，進而使回授信號Vfb接近參考電壓Voref。參考電壓Voref代表輸出電壓Vout的設計值，因此此ODC電路可將實際輸出電壓Vout的平均值拉近原先的設計值。
圖6係圖4中的ODC電路30的第二實施例，其包括數位類比轉換器(DAC)36、升降計數器38、及閘40以及第一比較器42。第一比較器42比較回授信號Vfb及參考電壓Voref產生比較信號UD給升降計數器38，及閘40根據電源時脈CLK及偏移校正信號Voc產生致能信號EN致能升降計數器38。時脈CLK可為電源供應器內部產生的振盪信號。被觸發後的升降計數器38根據比較信號UD決定計數值Scou，同時儲存計數值Scou並傳送給DAC 36，DAC 36將計數值Scou轉換為偏移電壓調整信號Voa給誤差比較器14以調整其偏移，進而使回授信號Vfb接近參考電壓Voref。參考電壓Voref代表輸出電壓Vout的設計值，因此此ODC電路可將實際輸出電壓Vout的平均值拉近原先的設計值。
圖7顯示圖4中ODC電路30的第三實施例，其與圖5的電路同樣包括取樣及維持電路34，但是用誤差放大器44取代誤差轉導器32。誤差放大器44放大回授信號Vfb及參考電壓Voref之間的差值產生誤差電壓VEA，取樣及維持電路34根據偏移校正信號Voc取樣及儲存誤差電壓VEA以產生偏移電壓調整信號Voa。
以上對於本發明之較佳實施例所作的敘述係為闡明之目的，而無意限定本發明精確地為所揭露的形式，基於以上的教導或從本發明的實施例學習而作修改或變化是可能的，實施例係為解說本發明的原理以及讓熟習該項技術者以各種實施例利用本發明在實際應用上而選擇及敘述，本發明的技術思想企圖由以下的申請專利範圍及其均等來決定。
10．．．控制電路
11．．．輸出級
12．．．控制邏輯電路
14．．．誤差比較器
16．．．回授電路
18．．．工作時間單擊電路
20．．．正反器
22．．．驅動器
24．．．實際輸出電壓的波形
26．．．實際輸出電壓的平均值
28．．．輸出電壓的設計值
30．．．偏移延遲消除電路
32．．．誤差轉導器
34．．．取樣及維持電路
36．．．數位類比轉換器
38．．．升降計數器
40．．．及閘
42．．．第一比較器
44．．．誤差放大器
圖1係習知的固定工作時間切換式直流對直流電源供應器；
圖2係圖1的電路的波形圖；
圖3係圖1的電路中輸出電壓及其設計值存有誤差的示意圖；
圖4係本發明的實施例；
圖5係圖4中的ODC電路的第一實施例；
圖6係圖4中的ODC電路的第二實施例；以及
圖7係圖4中的ODC電路的第三實施例。
10．．．控制電路
11．．．輸出級
12．．．控制邏輯電路
14．．．誤差比較器
16．．．回授電路
18．．．工作時間單擊電路
20．．．正反器
22．．．驅動器
30．．．偏移延遲消除電路

Claims (28)

  1. 一種固定工作時間切換式直流對直流電源供應器的控制電路，包括：回授電路連接該電源供應器的輸出端，偵測該輸出電壓產生回授信號；誤差比較器連接該回授電路，比較該回授信號及第一參考電壓產生比較信號；控制邏輯電路連接該誤差比較器，根據該比較信號產生控制信號，以使該電源供應器提供穩定的輸出電壓；以及偏移延遲消除電路連接該誤差比較器，根據第二參考電壓及該回授信號決定偏移電壓調整信號以調整該誤差比較器的偏移；其中，該偏移延遲消除電路包括：誤差轉導器連接該回授電路，根據該回授信號及第二參考電壓之間的差值產生誤差電流；以及取樣及維持電路連接該誤差轉導器及誤差比較器，取樣及儲存該誤差電流以產生該偏移電壓調整信號。
  2. 如請求項1之控制電路，其中該取樣及維持電路因應偏移校正信號取樣及儲存該誤差電流。
  3. 如請求項1之控制電路，其中該控制邏輯電路包括固定時間觸發器。
  4. 如請求項3之控制電路，其中該固定時間觸發器包括固定工 作時間觸發器或固定非工作時間觸發器。
  5. 一種固定工作時間切換式直流對直流電源供應器的控制電路，包括：回授電路連接該電源供應器的輸出端，偵測該輸出電壓產生回授信號；誤差比較器連接該回授電路，比較該回授信號及第一參考電壓產生比較信號；控制邏輯電路連接該誤差比較器，根據該比較信號產生控制信號，以使該電源供應器提供穩定的輸出電壓；以及偏移延遲消除電路連接該誤差比較器，根據第二參考電壓及該回授信號決定偏移電壓調整信號以調整該誤差比較器的偏移；其中，該偏移延遲消除電路包括：誤差放大器連接該回授電路，根據該回授信號及第二參考電壓之間的差值產生誤差電壓；以及取樣及維持電路連接該誤差放大器及誤差比較器，取樣及儲存該誤差電壓以產生該偏移電壓調整信號。
  6. 如請求項5之控制電路，其中該取樣及維持電路因應偏移校正信號取樣及儲存該誤差電壓。
  7. 如請求項5之控制電路，其中該控制邏輯電路包括固定時間觸發器。
  8. 如請求項7之控制電路，其中該固定時間觸發器包括固定工 作時間觸發器或固定非工作時間觸發器。
  9. 一種固定工作時間切換式直流對直流電源供應器的控制電路，包括：回授電路連接該電源供應器的輸出端，偵測該輸出電壓產生回授信號；誤差比較器連接該回授電路，比較該回授信號及第一參考電壓產生比較信號；控制邏輯電路連接該誤差比較器，根據該比較信號產生控制信號，以使該電源供應器提供穩定的輸出電壓；以及偏移延遲消除電路連接該誤差比較器，根據第二參考電壓及該回授信號決定偏移電壓調整信號以調整該誤差比較器的偏移；其中，該偏移延遲消除電路包括：第一比較器連接該回授電路，比較該回授信號及第二參考電壓產生第二比較信號；升降計數器連接該第一比較器，根據該第二比較信號決定計數值以及儲存該計數值；以及數位類比轉換器連接該升降計數器，轉換該計數值為該偏移電壓調整信號。
  10. 如請求項9之控制電路，更包括及閘根據電源時脈及偏移校正信號產生致能信號致能該升降計數器。
  11. 如請求項9之控制電路，其中該控制邏輯電路包括固定時間觸發器。
  12. 如請求項11之控制電路，其中該固定時間觸發器包括固定工作時間觸發器或固定非工作時間觸發器。
  13. 一種固定工作時間切換式直流對直流電源供應器的控制方法，包括：(A)偵測該輸出電壓以產生回授信號；(B)藉誤差比較器比較該回授信號及第一參考電壓產生比較信號以觸發控制信號穩定該電源供應器的輸出電壓；(C)根據該回授信號及第二參考電壓決定偏移電壓調整信號；以及(D)根據該偏移電壓調整信號調整該誤差比較器的偏移；(E)因應偏移校正信號儲存該偏移電壓調整信號。
  14. 如請求項13之方法，其中該步驟C包括：根據該回授信號及第二參考電壓之間的差值決定誤差電流；以及因應偏移校正信號取樣及儲存該誤差電流以產生該偏移電壓調整信號。
  15. 如請求項13之方法，其中該步驟C包括：放大該回授信號及第二參考電壓之間的差值產生誤差電壓；以及因應偏移校正信號取樣及儲存該誤差電壓以產生該偏移電壓調整信號。
  16. 一種固定工作時間切換式直流對直流電源供應器的控制方法，包括： (A)偵測該輸出電壓以產生回授信號；(B)藉誤差比較器比較該回授信號及第一參考電壓產生比較信號以觸發控制信號穩定該電源供應器的輸出電壓；(C)根據該回授信號及第二參考電壓決定偏移電壓調整信號；以及(D)根據該偏移電壓調整信號調整該誤差比較器的偏移；其中，該步驟C包括：比較該回授信號及第二參考電壓產生第二比較信號；根據該第二比較信號決定計數值；儲存該計數值；以及轉換該計數值為該偏移電壓調整信號。
  17. 一種固定工作時間切換式直流對直流電源供應器，包括：輸出級，提供輸出電壓；回授電路連接該輸出級，偵測該輸出電壓產生回授信號；誤差比較器連接該回授電路，比較該回授信號及第一參考電壓產生比較信號；控制邏輯電路連接該誤差比較器及該輸出級，根據該比較信號產生控制信號控制該輸出級以產生穩定的輸出電壓；以及偏移延遲消除電路連接該誤差比較器，根據第二參考電壓及該回授信號決定偏移電壓調整信號以調整該誤差比較器的偏移；其中該偏移延遲消除電路包括： 誤差轉導器連接該回授電路，根據該回授信號及第二參考電壓之間的差值產生誤差電流；以及取樣及維持電路連接該誤差轉導器及誤差比較器，取樣及儲存該誤差電流以產生該偏移電壓調整信號。
  18. 如請求項17之固定工作時間切換式直流對直流電源供應器，其中該取樣及維持電路因應偏移校正信號取樣及儲存該誤差電流。
  19. 如請求項17之固定工作時間切換式直流對直流電源供應器，其中該控制邏輯電路包括固定時間觸發器。
  20. 如請求項19之固定工作時間切換式直流對直流電源供應器，其中該固定時間觸發器包括固定工作時間觸發器或固定非工作時間觸發器。
  21. 一種固定工作時間切換式直流對直流電源供應器，包括：輸出級，提供輸出電壓；回授電路連接該輸出級，偵測該輸出電壓產生回授信號；誤差比較器連接該回授電路，比較該回授信號及第一參考電壓產生比較信號；控制邏輯電路連接該誤差比較器及該輸出級，根據該比較信號產生控制信號控制該輸出級以產生穩定的輸出電壓；以及偏移延遲消除電路連接該誤差比較器，根據第二參考電壓及該回授信號決定偏移電壓調整信號以調整該誤差比較器的偏移； 其中，該偏移延遲消除電路包括：誤差放大器連接該回授電路，根據該回授信號及第二參考電壓之間的差值產生誤差電壓；以及取樣及維持電路連接該誤差放大器及誤差比較器，取樣及儲存該誤差電壓以產生該偏移電壓調整信號。
  22. 如請求項21之固定工作時間切換式直流對直流電源供應器，其中該取樣及維持電路因應偏移校正信號取樣及儲存該誤差電壓。
  23. 如請求項21之固定工作時間切換式直流對直流電源供應器，其中該控制邏輯電路包括固定時間觸發器。
  24. 如請求項23之固定工作時間切換式直流對直流電源供應器，其中該固定時間觸發器包括固定工作時間觸發器或固定非工作時間觸發器。
  25. 一種固定工作時間切換式直流對直流電源供應器，包括：輸出級，提供輸出電壓；回授電路連接該輸出級，偵測該輸出電壓產生回授信號；誤差比較器連接該回授電路，比較該回授信號及第一參考電壓產生比較信號；控制邏輯電路連接該誤差比較器及該輸出級，根據該比較信號產生控制信號控制該輸出級以產生穩定的輸出電壓；以及偏移延遲消除電路連接該誤差比較器，根據第二參考電壓及該回授信號決定偏移電壓調整信號以調整該誤差 比較器的偏移；其中，該偏移延遲消除電路包括：第一比較器連接該回授電路，比較該回授信號及第二參考電壓產生第二比較信號；升降計數器連接該第一比較器，根據該第二比較信號決定計數值以及儲存該計數值；以及數位類比轉換器連接該升降計數器，轉換該計數值為該偏移電壓調整信號。
  26. 如請求項25之固定工作時間切換式直流對直流電源供應器，更包括及閘根據電源時脈及偏移校正信號產生致能信號致能該升降計數器。
  27. 如請求項25之固定工作時間切換式直流對直流電源供應器，其中該控制邏輯電路包括固定時間觸發器。
  28. 如請求項27之固定工作時間切換式直流對直流電源供應器，其中該固定時間觸發器包括固定工作時間觸發器或固定非工作時間觸發器。
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