TWI418132B - 漣波調節器的頻率控制電路及方法 - Google Patents

Description

漣波調節器的頻率控制電路及方法

本發明係有關一種漣波(ripple)調節器的頻率控制電路，特別是關於一種不因負載變化而改變頻率的頻率控制電路。

圖1係傳統的漣波調節器，其運作方式如圖2所示，當與輸出電壓Vout具有比例關係的回授信號FB低於參考電壓Vref時，如時間t1所示，比較器24的輸出Comp_out由高準位轉為低準位，控制電路22因而送出信號S1，單擊電路12根據信號S1及固定時間產生器10所設定的固定時間Ton產生具有固定時間Ton的控制信號S2，進而使驅動器16觸發具有固定時間Ton的控制信號UG使上橋開關M1打開(turn on)固定時間Ton，同時，反相器14根據控制信號S2產生控制信號S3給驅動器18使下橋開關M2關閉(turn off)固定時間Ton。在固定時間Ton結束後，上橋開關M1關閉而下橋開關M2打開，直至回授信號FB再次低於參考電壓Vref。由於此漣波調節器的上橋開關M1每次都打開固定時間Ton，因此此漣波調節器也稱為固定工作時間(constant on-time)切換式調節器。相反的，若上橋開關M1每次都關閉固定時間，則稱此漣波調節器為固定非工作時間(constant off-time)切換式調節器。

圖1的漣波調節器與脈寬調變(PWM)調節器相比有幾項優點：(1)控制架構簡單，不需要誤差放大器；(2)快速的暫態反應。然而，此漣波調節器是在回授信號FB低於參考電壓Vref時打開上橋開關M1，不同於PWM調節器有內部的振盪器控制何時打開上橋開關，因此圖1的漣波調節器並不是定頻的架構。

如圖3所示，為了使漣波調節器可以達成定頻，一般係藉由固定時間調整電路26偵測輸入電壓Vin及輸出電壓Vout並據以調整固定時間Ton。圖4顯示圖3的固定時間調整電路26，其中電流源28連接電容C並根據輸入電壓Vin產生充電電流I1=K×Vin，其中K為常數，開關SW1與電容C並聯，用以控制電容C的充放電以產生電壓V1，比較器30比較電壓V1及輸出電壓Vout決定固定時間

Ton=(C/K)×(Vout/Vin)。　公式1

圖3的漣波調節器在理想狀態下，當上橋開關M1打開時，如圖5的時間t2至t3，上橋及下橋開關M1及M2之間的相節點上的相節點電壓Phs等於Vin，當下橋開關M2打開時，如圖5的時間t3至t4，相節點電壓Phs等於GND=0，又輸出電壓Vout等於相節點電壓Phs的平均值，故可得

Vout=Vin×D=Vin×(Ton/T)，　公式2

其中，T為控制信號UG的週期，D=Ton/T為責任週期比(duty)。根據公式2可推得

T=Ton×(Vin/Vout)，　公式3

將公式1代入公式3可得週期T=C/K，因此，只要控制C及K的值，便可控制漣波調節器的操作頻率，同樣的，只要C及K為定值，則漣波調節器的操作頻率固定。

然而，相節點電壓Phs實際上的高點及低點並不是Vin及0，相節點電壓Phs的高點及低點會受到漣波調節器的負載影響而分別變成Vin-(IL×Ron_UG)及-IL×Ron_LG，其中IL為負載電流，Ron_UG為上橋開關M1的導通阻值，Ron_LG為下橋開關M2的導通阻值。換言之，圖3的漣波調節器的操作頻率將受到負載的影響而變化，在不同的負載下，操作頻率會有偏移的現象發生，尤其是在負載及導通阻值Ron_UG及Ron_LG都很大的情況。

為改善此問題，美國專利號第6,774,611號提出一種使用鎖相迴路(Phase Locked Loop;PLL)來穩定操作頻率的方法，其可以改善暫態響應，但是使用PLL會使成本大幅上升。美國專利號第7,508,180號提出另一種方法，其利用誤差放大器來穩定操作頻率以避免操作頻率被負載影響，但是當系統進入省電模式時，此方法將因操作頻率驟降產生錯誤的輸出信號而產生錯誤的固定時間Ton，會使固定時間Ton異常的加大，使操作頻率更進一步下降，且漣波電壓可能過大，造成問題。

本發明的目的之一，在於提出一種漣波調節器的頻率控制電路。

本發明的目的之一，在於提出一種不因負載的變化而改變頻率的頻率控制電路。

本發明的目的之一，在於提出一種改善省電模式效能的頻率控制電路。

根據本發明，一種漣波調節器的頻率控制電路及方法偵測及量化該漣波調節器的操作頻率產生頻率感測信號，並據以調整用以驅動該漣波調節器的功率輸出級的控制信號的固定時間，進而使該操作頻率維持穩定。當該漣波調節器進入省電模式時，該頻率控制電路及方法使該固定時間維持不變或變化緩慢，以改善省電模式時的效能。

圖6顯示本發明頻率控制電路32的實施例，圖6的漣波調節器除了頻率控制電路32之外，其還包括圖1電路中的單擊電路12、反相器14、驅動器16及18、功率輸出級20、控制電路22以及比較器24。頻率控制電路32包括頻率感測器34及時間調整電路36，其中頻率感測器34偵測相節點電壓Phs以偵測漣波調節器的操作頻率，並將所偵測到的操作頻率量化產生頻率感測信號VC，時間調整電路36根據頻率感測信號VC判斷操作頻率的大小，當操作頻率過高時，時間調整電路36將加長固定時間Ton以降低操作頻率，當操作頻率過低時，時間調整電路36將縮短固定時間Ton以提高操作頻率。由此可知，只要將頻率感測信號VC鎖定在某個值，則調整漣波調節器的操作頻率便可維持固定。此外，當漣波調節器進入省電模式後，時間調整電路36將不再調整固定時間Ton，或者緩慢的調整固定時間Ton，以避免因操作頻率驟降而產生錯誤的固定時間Ton。在其他實施例中，頻率感測器34也可以從漣波調節器中任何與操作頻率有關的信號來取得操作頻率之資訊。圖6所示的漣波調節器係固定工作時間切換式調節器，本發明的頻率控制電路32也可以應用在固定非工作時間切換式調節器中。

在圖6的時間調整電路36中，比較器38比較頻率感測信號VC及參考值Vref1產生比較信號Sc1，升降計數器40根據比較信號Sc1增加或減少計數值Dc，數位類比轉換器42將計數值Dc轉換為電壓Vdac，電流源46連接電容C2，用以提供充電電流I2，開關SW2與電容C2並聯，因應信號Ssw2控制電容C2的充放電以產生電壓V2，比較器44比較電壓Vdac及V2決定固定時間Ton。在此實施例中，升降計數器40根據控制信號UG改變計數值Dc，每當上橋開關M1打開一次時，升降計數器40改變計數值Dc一個位元，在其他實施例中，也可以提供其他內部週期性的信號給該升降計數器40以取代控制信號UG。當頻率感測信號VC大於參考值Vref1時，表示操作頻率過高，升降計數器40將使計數值Dc上升一個位元，以使電壓Vdac上升，進而增加固定時間Ton，降低操作頻率，相反的，當頻率感測信號VC小於參考值Vref1時，表示操作頻率過低，升降計數器40將計數值Dc調降一個位元，使得電壓Vdac下降以縮短固定時間Ton，進而提高操作頻率，因此時間調整電路36逐次的將頻率感測信號VC調整到參考值Vref1，並維持穩定。當漣波調節器進入省電模式時，由於升降計數器40每當上橋開關M1打開一次時才改變計數值Dc一個位元，故固定時間Ton將緩慢的改變，進而避免操作頻率突然增加使得省電模式的效能降低。較佳者，當漣波調節器進入省電模式時，漣波調節器提供休眠信號PSM給升降計數器40使升降計數器40停止計數，同時升降計數器40儲存目前的計數值Dc，因此，在省電模式期間，升降計數器40所提供的計數值Dc維持不變，故數位類比轉換器42所提供的電壓Vdac也維持不變，固定時間Ton因而也維持不變。

在圖6的時間調整電路36中，電壓Vdac的最大值及最小值係分別受限於數位類比轉換器42的正偏壓VH及負偏壓VL。為了讓漣波調節器在啟動時，操作頻率可以快速達到目標值，可以設定充電電流I2正比於輸入電壓Vin，而正偏壓VH及負偏壓VL皆正比於輸出電壓Vout。或者，也可以讓充電電流I2為定值，而正偏壓VH及負偏壓VL皆正比於輸出電壓Vout及輸入電壓Vin的比值Vout/Vin或責任週期比D。

圖6的頻率感測器34的實現方式有很多種，圖7係頻率感測器34的其中一種實施例，其包括單擊電路38以及由電阻R3及C1組成的低通濾波器(Low Pass Filter;LPF)40，單擊電路38根據相節點電壓Phs觸發短脈衝信號Ssp，而此短脈衝信號Ssp再經LPF 40過濾後產生頻率感測信號VC。當操作頻率較高時，相節點電壓Phs的頻率也較高，因此短脈衝信號Ssp的脈波較密集的出現，故頻率感測信號VC較大，相反的，當操作頻率較低時，相節點電壓Phs的頻率也較低，因此頻率感測信號VC較小。在圖7的實施例中，頻率感測信號VC的值與操作頻率成正比，但在其他實施例中，頻率感測信號VC的值也可以跟操作頻率成反比、線性關係或非線性關係。

在圖6的時間調整電路36中，只使用一個比較器38來偵測頻率感測信號VC，但在其他實施例也可以使用多個比較器來偵測頻率感測信號VC，如圖8所示，其增加比較器48比較頻率感測信號VC及參考值Vref2產生比較信號Sc2，升降計數器40再根據比較器38及48所輸出的比較信號Sc1及Sc2增加或減少計數值Dc。

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．．．固定時間產生器

12．．．單擊電路

14．．．反相器

16．．．驅動器

18．．．驅動器

20．．．功率輸出級

22．．．控制電路

24．．．比較器

26．．．固定時間調整電路

28．．．電流源

30．．．比較器

32．．．頻率控制電路

34．．．頻率感測器

36．．．時間調整電路

38．．．比較器

40．．．升降計數器

42．．．數位類比轉換器

44．．．比較器

46．．．電流源

48．．．比較器

圖1係傳統的漣波調節器；

圖2顯示圖1的信號波形；

圖3係另一習知的漣波調節器；

圖4顯示圖3的固定時間調整電路；

圖5顯示理想狀況下的相節點電壓Phs的波形；

圖6顯示本發明頻率控制電路；

圖7顯示圖6中的頻率感測器的實施例；以及

圖8顯示圖6中時間調整電路的另一實施例。

12．．．單擊電路

14．．．反相器

16．．．驅動器

18．．．驅動器

20．．．功率輸出級

22．．．控制電路

24．．．比較器

32．．．頻率控制電路

34．．．頻率感測器

36．．．時間調整電路

38．．．比較器

40．．．升降計數器

42．．．數位類比轉換器

44．．．比較器

46．．．電流源

Claims (11)

1. 一種漣波調節器的頻率控制電路，該漣波調節器包含功率輸出級因應控制信號將輸入電壓轉換為輸出電壓，以及單擊電路為該控制信號觸發固定時間，該頻率控制電路包括：頻率感測器，偵測該漣波調節器的操作頻率產生頻率感測信號；以及時間調整電路，連接該頻率感測器，根據該頻率感測信號調整該固定時間的寬度以調整該操作頻率，該時間調整電路包含：至少一第一比較器，連接該頻率感測器，比較該頻率感測信號及一參考值；升降計數器，連接該至少一第一比較器，根據該至少一第一比較器的輸出決定計數值；數位類比轉換器，連接該升降計數器，將該計數值轉換為第一電壓；電容；電流源，連接該電容，提供充電電流；開關，與該電容並聯，用以控制該電容的充放電以產生第二電壓；以及第二比較器，連接該數位類比轉換器及電容，比較該第一電壓及第二電壓以決定該固定時間的寬度。
2. 如請求項1之頻率控制電路，其中該頻率感測器包括：第二單擊電路，根據該功率輸出級的相節點電壓觸發短脈 衝信號；以及低通濾波器，連接該第二單擊電路，濾波該短脈衝信號產生該頻率感測信號。
3. 如請求項1之頻率控制電路，其中該升降計數器在省電模式時停止計數。
4. 如請求項1之頻率控制電路，其中該升降計數器儲存該計數值。
5. 如請求項1之頻率控制電路，其中該充電電流正比於該輸入電壓，而且該數位類比轉換器限制該第一電壓的最大值及最小值，該最大值及該最小值正比於該輸出電壓。
6. 如請求項1之頻率控制電路，其中該數位類比轉換器限制該第一電壓的最大值及最小值，而且該最大值及該最小值正比於該輸出電壓與該輸入電壓的比值。
7. 一種漣波調節器的頻率控制方法，該漣波調節器包含功率輸出級因應控制信號將輸入電壓轉換為輸出電壓，以及單擊電路為該控制信號觸發固定時間，該頻率控制方法包括下列步驟：(A)偵測該漣波調節器的操作頻率產生頻率感測信號；(B)比較該頻率感測信號及一參考值產生比較信號；(C)根據該比較信號決定計數值；(D)將該計數值轉換為第一電壓；(E)控制一電容的充放電產生第二電壓；以及(F)比較該第一電壓及第二電壓以決定該固定時間的寬度以調整該操作頻率。
8. 如請求項7之頻率控制方法，其中該步驟A包括：根據該功率輸出級的相節點電壓觸發短脈衝信號；以及濾波該短脈衝信號產生該頻率感測信號。
9. 如請求項7之頻率控制方法，其中更包括：儲存該計數值；以及在省電模式時，停止調整該計數值，並根據所儲存的計數值決定該第一電壓。
10. 如請求項7之頻率控制方法，更包括：使對該電容充電的充電電流正比於該輸入電壓；以及限制該第一電壓的最大值及最小值，其中該最大值及該最小值正比於該輸出電壓。
11. 如請求項7之頻率控制方法，更包括限制該第一電壓的最大值及最小值，其中該最大值及該最小值正比於該輸出電壓與該輸入電壓的比值。