TWI422158B - 用於切換式調節器的即時可調零電流偵測器及偵測方法 - Google Patents

用於切換式調節器的即時可調零電流偵測器及偵測方法 Download PDF

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Description

用於切換式調節器的即時可調零電流偵測器及偵測方法
本發明係有關一種切換式調節器，特別是關於一種用於切換式調節器的零電流偵測器。
切換式調節器在綠色模式下偵測零電流以關閉下橋功率開關，避免逆電感電流造成額外的效率損失。習知的零電流偵測，例如美國專利號7,327,127，係在切換節點的電壓達到門檻時觸發零電流信號，以關閉(turn off)下橋功率開關，然而該零電流偵測門檻在設計時便已固定，當部分元件的特性不同時，例如比較器的偏移(offset)及延遲、以及上橋或下橋功率開關的阻抗等因素，造成過早或過晚關閉下橋功率開關，因而不能最佳化綠色模式的效率。
本發明的目的，在於提出一種用於切換式調節器的即時可調零電流偵測器及偵測方法。
根據本發明，一種用於切換式調節器的即時可調零電流偵測器，包括回授迴路在下橋功率開關關閉後監視切換節點狀態以最佳化零電流偵測門檻，以及比較器比較該切換節點的電壓及該零電流偵測門檻以觸發零電流信號。
根據本發明，一種用於切換式調節器的即時可調零電流偵測方法，包括在下橋功率開關關閉後監視切換節點狀態以最佳化零電流偵測門檻，以及比較該切換節點的電壓及該零電流偵測門檻以觸發零電流信號。
藉由監視切換節點狀態即時調整零電流偵測門檻，避免過早或過晚關閉下橋功率開關，進而最佳化綠色模式的效率。
圖1係本發明的第一實施例的電路圖，切換式調節器具有上橋開關M1經切換節點10連接下橋功率開關M2，控制器晶片12提供控制信號Vug及Vlg切換上橋開關M1及下橋功率開關M2，以產生電感電流IL對電容CL充電而產生輸出電壓Vo，分壓器電阻R1及R2將輸出電壓Vo分壓而產生回授信號VFB給控制器晶片12，補償網路14補償回授信號VFB。在控制器晶片12中，PWM控制邏輯16提供脈寬調變信號PWM給驅動器18及20，據以產生控制信號Vug及Vlg，零電流偵測器22包括回授迴路24及比較器26，回授迴路24在下橋功率開關M2關閉後監視切換節點狀態，以最佳化零電流偵測門檻Vzc，比較器26比較切換節點10的電壓Vx及零電流偵測門檻Vzc，以觸發零電流信號ZC給驅動器20，使其關閉下橋功率開關M2。在回授迴路24中，比較器28比較電壓Vx及參考電壓Vr產生比較信號Sc，脈衝產生器30偵測控制信號Vlg，在下橋功率開關M2關閉時觸發脈衝信號Sp，進而使控制邏輯32取樣比較信號Sc，並根據取樣結果決定上升信號U及下降信號D，N位元升降計數器34根據上升信號U及下降信號D增加或減少其輸出的計數值CNT，數位類比轉換器36將計數值CNT轉換為類比電壓Vzc'，以及緩衝器38根據類比電壓Vzc’產生零電流偵測門檻Vzc。
圖2係圖1的切換式調節器的波形圖。參照圖1及圖2，如波形40在時間t1處所示，當電壓Vx上升到高於零電流偵測門檻Vzc時，控制信號Vlg轉為低準位如波形42所示，因而關閉下橋功率開關M2，同時使脈衝產生器30觸發脈衝信號Sp如波形44所示，因而使控制邏輯32在時間t2對比較信號Sc取樣，由於此時電壓Vx大於參考電壓Vr如波形40所示，因此得到的取樣結果為”1”，進而導致上升信號U為高準位，下降信號D為低準位，使得計數值CNT由”01101”上升為”01110”如長條46所示，因而降低零電流偵測門檻Vzc。相反的，當取樣結果為”0”時，如時間t3處所示，將導致上升信號U為低準位，下降信號D為高準位，使計數值CNT由”01110”下降為”01101”，因此提高零電流偵測門檻Vzc。
在圖2的實施例中，控制邏輯32只以一個取樣值來決定上升信號U及下降信號D，在其他實施例中可以用更多個取樣值來決定上升信號U及下降信號D，例如圖3係控制邏輯32以兩個取樣值來決定上升信號U及下降信號D的實施例。在圖3A中，兩個取樣時間點SH1及SH2的電壓Vx均小於參考電壓Vr時，因此控制邏輯32得到取樣結果”00”，導致上升信號U為低準位，下降信號D為高準位，進而提高零電流偵測門檻Vzc。在圖3B中，第一個取樣時間點SH1的電壓Vx小於參考電壓Vr，第二個取樣時間點SH2時的電壓Vx大於參考電壓Vr，因此控制邏輯32得到取樣結果”01”，導致上升信號U及下降信號D皆為低準位，因而零電流偵測門檻Vzc將維持不變。在圖3C中，兩個取樣時間點SH1及SH2的電壓Vx均大於參考電壓Vr，因此控制邏輯32得到取樣結果”11”，因而上升信號U為高準位，下降信號D為低準位，進而降低零電流偵測門檻Vzc。
圖4係控制邏輯32以三個取樣值來決定上升信號U及下降信號D的實施例。在圖4A中，三個取樣時間點SH1、SH2及SH3的電壓Vx均小於參考電壓Vr，因此控制邏輯32得到取樣結果”000”，導致上升信號U為低準位，下降信號D為高準位，使得零電流偵測門檻Vzc提高。在圖4B中，第一及第二個取樣時間點SH1及SH2的電壓Vx小於參考電壓Vr，第三個取樣時間點SH3時的電壓Vx大於參考電壓Vr，因此控制邏輯32得到取樣結果”001”，導致上升信號U及下降信號D皆為低準位，零電流偵測門檻Vzc因而維持不變。在圖4C中，三個取樣時間點SH1、SH2及SH3的電壓Vx均大於參考電壓Vr，因此控制邏輯32得到取樣結果”111”，導致上升信號U為高準位，下降信號D為低準位，使得零電流偵測門檻Vzc降低。
圖5係本發明的第二實施例的電路圖，除了回授迴路24有部分不同以外，其餘與圖1的實施例相同。在此實施例中，脈衝產生器30偵測控制信號Vlg，在下橋功率開關M2關閉時觸發脈衝信號Sp，進而使取樣及維持電路48取樣電壓Vx而產生取樣信號LXF，比較器28比較取樣信號LXF及參考電壓Vr產生比較信號Sc，N位元升降計數器34根據比較信號Sc增加或減少其所輸出的計數值CNT。其他的電路及其運作與圖1的實施例相同。
圖6係圖5的切換式調節器的波形圖。參照圖5及圖6，如波形40在時間t4處所示，當電壓Vx上升到高於零電流偵測門檻Vzc時，控制信號Vlg轉為低準位如波形42所示，因而關閉下橋功率開關M2，同時使脈衝產生器30觸發脈衝信號Sp如波形44所示，因而使取樣及維持電路48在時間t5對電壓Vx取樣，由於此時電壓Vx大於參考電壓Vr如波形40所示，因此得到的取樣信號LXF亦大於參考電壓Vr如波形50所示，導致比較器28的輸出Sc為高準位，進而使N位元升降計數器34將計數值CNT由”01101”上升為”01110”如長條46所示，因而降低零電流偵測門檻Vzc。相反的，當取樣信號LXF低於參考電壓Vr時，如時間t6處所示，比較器28的輸出Sc為低準位，因此N位元升降計數器34將計數值CNT由”01110”下降為”01101”，因此提高零電流偵測門檻Vzc。
圖7係本發明的第三實施例的電路圖，其係將圖1中產生類比電壓Vzc'的數位電路改為類比電路實現。在此實施例中，控制邏輯32提供的上升信號U及下降信號L用來控制充放電電路52對電容Czc充放電，以產生類比電壓Vzc'。在充放電電路52中，第一電流源54決定充電電流Iu，充電開關SW1連接在第一電流源54及電容Czc之間，第二電流源56決定放電電流Id，放電開關SW2連接在電容Czc及第二電流源56之間。當上升信號U為高準位時，下降信號L為低準位，充電開關SW1打開(turn on)，放電開關SW2關閉，充電電流Iu對電容Czc充電，因此類比電壓Vzc'上升。當下降信號L為高準位時，上升信號U為低準位，充電開關SW1關閉，放電開關SW2打開，放電電流Id使電容Czc放電，因此類比電壓Vzc'下降。
圖8係圖7的切換式調節器的波形圖。參照圖7及圖8，如波形40在時間t7處所示，當電壓Vx上升到高於零電流偵測門檻Vzc時，控制信號Vlg轉為低準位如波形42所示，因而關閉下橋功率開關M2，同時使脈衝產生器30觸發脈衝信號Sp如波形44所示，因而使控制邏輯32在時間t8對比較信號Sc取樣，若取樣時電壓Vx大於參考電壓Vr，如波形40所示，則取樣結果為”1”，控制邏輯32觸發具有固定脈寬的上升信號U，因此打開充電開關SW1使電容Czc充電，導致類比電壓Vzc'上升如波形58所示，進而降低零電流偵測門檻Vzc。相反的，若控制邏輯32取樣時電壓Vx小於參考電壓Vr，如波形40在時間t9處所示，則取樣結果為”0”，控制邏輯32觸發具有固定脈寬的下降信號L，因此打開放電開關SW2使電容Czc放電，導致類比電壓Vzc'下降如波形58所示，進而提高零電流偵測門檻Vzc。在圖8的實施例中，控制邏輯32只以一個取樣值來決定上升信號U及下降信號L，在其他實施例中可以用更多個取樣值來決定上升信號U及下降信號L，例如圖3及圖4所示的實施例。
圖9係本發明的第四實施例的電路圖，其係將圖5中產生類比電壓Vzc'的數位電路改為類比電路實現。在此實施例中，比較器28根據比較取樣信號LXF及參考電壓Vr的結果產生彼此反相的第一及第二比較信號Scu及Scd，用來控制充放電電路52對電容Czc充放電，以產生類比電壓Vzc'。當第一比較信號Scu為高準位時，第二比較信號Scd為低準位，充電開關SW1打開，放電開關SW2關閉，充電電流Iu對電容Czc充電，因此類比電壓Vzc'上升。當第二比較信號Scd為高準位時，第一比較信號Scu為低準位，充電開關SW1關閉，放電開關SW2打開，放電電流Id使電容Czc放電，因此類比電壓Vzc'下降。
圖10係圖9的切換式調節器的波形圖。參照圖9及圖10，如波形40在時間t10處所示，當電壓Vx上升到高於零電流偵測門檻Vzc時，控制信號Vlg轉為低準位如波形42所示，因而關閉下橋功率開關M2，同時使脈衝產生器30觸發脈衝信號Sp如波形44所示，使取樣及維持電路48在時間t11對電壓Vx取樣而產生取樣信號LXF，若取樣信號LXF大於參考電壓Vr，如時間t11處的波形50所示，則比較器28觸發具有固定脈寬的比較信號Scu，因此打開充電開關SW1使電容Czc充電，導致類比電壓Vzc'提高如波形58所示，進而降低零電流偵測門檻Vzc。相反的，若取樣信號LXF小於參考電壓Vr，如波形50在時間t12處所示，則比較器28觸發具有固定脈寬的比較信號Scd，因此打開放電開關SW2使電容Czc放電，導致類比電壓Vzc'下降如波形58所示，進而提高零電流偵測門檻Vzc。
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．．．切換節點
12．．．控制器晶片
14．．．補償網路
16．．．PWM控制邏輯
18．．．驅動器
20．．．驅動器
22．．．零電流偵測器
24．．．回授迴路
26．．．比較器
28．．．比較器
30．．．脈衝產生器
32．．．控制邏輯
34．．．N位元升降計數器
36．．．數位類比轉換器
38．．．緩衝器
40．．．電壓Vx的波形
42．．．控制信號Vlg的波形
44．．．脈衝信號Sp的波形
46．．．數值CNT的內容
48．．．取樣及維持電路
50．．．取樣信號LXF的波形
52．．．充放電電路
54．．．第一電流源
56．．．第二電流源
58．．．電壓VZC '的波形
圖1係本發明的第一實施例的電路圖；
圖2係圖1的切換式調節器的波形圖；
圖3係以兩個取樣值來決定上升信號及下降信號的實施例；
圖4係以三個取樣值來決定上升信號及下降信號的實施例；
圖5係本發明的第二實施例的電路圖；
圖6係圖5的切換式調節器的波形圖；
圖7係本發明的第三實施例的電路圖；
圖8係圖7的切換式調節器的波形圖；
圖9係本發明的第四實施例的電路圖；以及
圖10係圖9的切換式調節器的波形圖。
10．．．切換節點
12．．．控制器晶片
14．．．補償網路
16．．．PWM控制邏輯
18．．．驅動器
20．．．驅動器
22．．．零電流偵測器
24．．．回授迴路
26．．．比較器
28．．．比較器
30．．．脈衝產生器
32．．．控制邏輯
34．．．N位元升降計數器
36．．．數位類比轉換器
38．．．緩衝器

Claims (12)

  1. 一種用於切換式調節器的即時可調零電流偵測器，該切換式調節器包含上橋開關經切換節點連接下橋功率開關，該偵測器包括：回授迴路連接該切換節點，在該下橋功率開關關閉後監視切換節點狀態以調整零電流偵測門檻；以及比較器連接該回授迴路及切換節點，比較該切換節點的電壓及該零電流偵測門檻以觸發零電流信號。
  2. 如請求項1之偵測器，其中該回授迴路包括：第二比較器連接該切換節點，比較該切換節點的電壓及參考電壓以產生比較信號；脈衝產生器在該下橋功率開關關閉時觸發脈衝信號；控制邏輯連接該第二比較器及脈衝產生器，因應該脈衝信號取樣該比較信號，並根據取樣結果決定上升信號及下降信號；升降計數器連接該控制邏輯，根據該上升信號及下降信號增加或減少其輸出的計數值；數位類比轉換器連接該升降計數器，將該計數值轉換為類比電壓；以及緩衝器連接該數位類比轉換器，根據該類比電壓產生該零電流偵測門檻。
  3. 如請求項1之偵測器，其中該回授迴路包括：脈衝產生器，在該下橋功率開關關閉時觸發脈衝信號；取樣及維持電路連接該切換節點及脈衝產生器，因應該 脈衝信號取樣該切換節點的電壓以產生取樣信號；第二比較器連接該取樣及維持電路，比較該取樣信號及參考電壓而產生比較信號；升降計數器連接該第二比較器，根據該比較信號增加或減少其輸出的計數值；數位類比轉換器連接該升降計數器，將該計數值轉換為類比電壓；以及緩衝器連接該數位類比轉換器，根據該類比電壓產生該零電流偵測門檻。
  4. 如請求項1之偵測器，其中該回授迴路包括：第二比較器連接該切換節點，比較該切換節點的電壓及參考電壓以產生比較信號；脈衝產生器在該下橋功率開關關閉時觸發脈衝信號；控制邏輯連接該第二比較器及脈衝產生器，因應該脈衝信號取樣該比較信號，並根據取樣結果決定上升信號及下降信號；電容；充放電電路連接該控制邏輯及電容，根據該上升信號及下降信號對該電容充電或放電，因而產生類比電壓；以及緩衝器連接該電容，根據該類比電壓產生該零電流偵測門檻。
  5. 如請求項4之偵測器，其中該充放電電路包括：第一電流源； 充電開關連接在該第一電流源及電容之間，因應該上升信號而開啟，以使該第一電流源對該電容充電；第二電流源；以及放電開關連接在該第二電流源及電容之間，因應該下降信號而開啟，以使該第二電流源對該電容放電。
  6. 如請求項1之偵測器，其中該回授迴路包括：脈衝產生器，在該下橋功率開關關閉時觸發脈衝信號；取樣及維持電路連接該切換節點及脈衝產生器，因應該脈衝信號取樣該切換節點的電壓以產生取樣信號；第二比較器連接該取樣及維持電路，比較該取樣信號及參考電壓而產生第一及第二比較信號；電容；充放電電路連接該第二比較器及電容，根據該第一及第二比較信號對該電容充電或放電，因而產生類比電壓；以及緩衝器連接該數位類比轉換器，根據該類比電壓產生該零電流偵測門檻。
  7. 如請求項6之偵測器，其中該充放電電路包括：第一電流源；充電開關連接在該第一電流源及電容之間，因應該第一比較信號而打開，以使該第一電流源對該電容充電；第二電流源；以及放電開關連接在該第二電流源及電容之間，因應該第二比較信號而打開，以使該第二電流源對該電容放電。
  8. 一種用於切換式調節器的即時可調零電流偵測方法，該切換式調節器包含上橋開關經切換節點連接下橋功率開關，該偵測方法包括：(A)在該下橋功率開關關閉後監視切換節點狀態以調整零電流偵測門檻；以及(B)比較該切換節點的電壓及該零電流偵測門檻以觸發零電流信號。
  9. 如請求項8之偵測方法，其中該步驟A包括：比較該切換節點的電壓及參考電壓以產生比較信號；在該下橋功率開關關閉時觸發脈衝信號；因應該脈衝信號取樣該比較信號，並根據取樣結果決定上升信號及下降信號；以及根據該上升信號及下降信號增加或減少計數值；將該計數值轉換為類比電壓。
  10. 如請求項8之偵測方法，其中該步驟A包括：在該下橋功率開關關閉時觸發脈衝信號；因應該脈衝信號取樣該切換節點的電壓以產生取樣信號；比較該取樣信號及參考電壓而產生比較信號；根據該比較信號增加或減少計數值；將該計數值轉換為類比電壓；以及根據該類比電壓產生該零電流偵測門檻。
  11. 如請求項8之偵測方法，其中該步驟A包括：比較該切換節點的電壓及參考電壓以產生比較信號； 在該下橋功率開關關閉時觸發脈衝信號；因應該脈衝信號取樣該比較信號，並根據取樣結果決定上升信號及下降信號；根據該上升信號及下降信號對電容充電或放電，因而產生類比電壓；以及根據該類比電壓產生該零電流偵測門檻。
  12. 如請求項8之偵測方法，其中該步驟A包括：在該下橋功率開關關閉時觸發脈衝信號；因應該脈衝信號取樣該切換節點的電壓以產生取樣信號；比較該取樣信號及參考電壓而產生第一及第二比較信號；根據該第一及第二比較信號對電容充電或放電，因而產生類比電壓；以及根據該類比電壓產生該零電流偵測門檻。
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