TWI429181B - 開關變換器的裝置及方法 - Google Patents

Description

開關變換器的裝置及方法

本發明一般係有關電源，更具體地說，係有關開關變換器。

大多數電子產品，諸如筆記型電腦、桌上型電腦、PDA等，需要直流(DC)電源向各個功能模組提供經過調節的功率。DC-DC同步降壓式變換器具有效率高、體積小等優點，而獲得到了廣泛的應用。低的電壓波紋和快速的暫態響應是DC-DC同步降壓式變換器最基本的要求。

滯環控制電路具有暫態響應速度快、結構簡單等優點，可以作為DC-DC同步降壓式變換器的控制電路，如圖1所示，輸入電壓經由電晶體101和102的調變，被耦合到由電感器103和電容器104所組成的輸出濾波器，濾波之後的電壓被輸出到負載電阻105，輸出電壓V_out 經由由電阻器106和107所構成的電壓取樣電路而將電壓取樣信號FB反饋到滯環比較器108的輸入端，與上限閥值電壓V_H 和下限閥值電壓V_L 相比較，滯環比較器108的輸出信號係耦接到驅動電路109，驅動電路109產生相應的驅動信號，以控制電晶體101和102的導通和關斷，電晶體101和102的閘極驅動信號是互補的。圖1的示例示出，電晶體101和102為金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)，在其他示例中，可以使用諸如雙極接面電 晶體(BJT)或絕緣閘雙極電晶體(IGBT)之類的其他適當電子設備來加以實現。圖2示出了圖1中之電壓取樣信號FB、電晶體101和102的閘極驅動信號波形。反饋信號FB達到上限閥值V_H 時，電晶體101被關斷，電晶體102被導通，當反饋信號FB達到下限閥值V_L 時，電晶體102被關斷，電晶體101被導通。但滯環控制電路過分依賴輸出電壓諧波，經由將電壓諧波與上下兩個閥值電壓相比較來產生上下兩個電晶體的控制信號，變換器的輸出電壓諧波無法被控制在理想範圍內，變換器的切換頻率也會因週邊元件和操作條件的改變而發生變化。

圖3示出了採用恒定導通時間(COT)控制電路的DC-DC同步降壓式變換器電路。輸出電壓V_out 經由電壓取樣電路而將電壓取樣信號FB反饋到比較器308的輸入端，與參考電壓信號V_REF 相比較，比較器308的輸出信號被耦接到驅動電路109，同時導通計時電路310也被耦接到驅動電路109，經由將電壓取樣信號FB與參考電壓信號V_REF 相比較來產生電晶體101的導通信號，電晶體101的導通時間是固定的，由導通計時電路310所控制。這種方法減小了輸出電壓的諧波，但是電晶體101的關斷時間是可變的，變換器的切換頻率也會相應變化。由於採用恒定導通時間控制，省略了上限閥值電壓，如果在電晶體101導通時刻產生負載跳變的情況，電路無法做出迅速的暫態響應，必須等到導通時間結束才能關斷電晶體101，這會導致輸出電壓有較大幅度的變化。圖4示出了 圖3中之電壓取樣信號FB和電晶體101閘極驅動信號的波形。當反饋信號FB達到參考電壓信號V_REF 時，電晶體101被導通，導通時間T_on 係由導通計時電路310所控制。採用恒定導通時間(COT)控制電路的DC-DC同步降壓式變換器電路，輸出電壓諧波獲得到了改善，但切換頻率仍然會因週邊元件和操作條件的改變而發生變化，並且惡劣情況下的暫態響應速度會受到限制。

本發明的目的在於提供一種開關變換器的裝置，使其輸出電壓波紋控制在小的範圍內，具有快速的暫態響應速度，電晶體的切換頻率穩定。

本發明的目的在於提供一種開關變換器的方法，將該開關變換器的輸出電壓波紋控制在小的範圍內，使其具有快速的暫態響應速度，以確保電晶體的切換頻率穩定。

為了實現上述發明目的，開關變換器電路包括：輸入端子，以接收輸入電壓；輸出端子，係耦接到負載電路，而為所述負載電路提供輸出電壓；反饋電路，係與輸出電壓相耦接，以提供反饋信號給驅動電路；驅動電路，係與反饋電路相耦接，以輸出驅動信號；開關電路，基於驅動電路輸出的驅動信號而切換電晶體導通或關斷。

在一個實施例中，所述反饋電路包括電壓取樣電路，對所述輸出電壓進行取樣，以產生電壓取樣信號。

在一個實施例中，所述反饋電路還包括導通計時電 路，所述導通計時電路輸出導通計時信號。

在一個實施例中，所述反饋電路還包括自適應模組，所述自適應模組接收所述驅動信號和導通計時信號，以輸出上限閥值電壓和下限閥值電壓。

在一個實施例中，所述反饋電路還包括比較器電路，所述比較器電路將所述電壓取樣信號與所述上限閥值電壓和所述下限閥值電壓相比較，以產生所述反饋信號。

在一個實施例中，所述導通計時電路係耦合到所述輸入電壓，包括一個由至少一個鏡像電流源和一個第一電容器所耦接而成的充電電路，和一個比較電路；所述第一電容器的一端係耦接到所述比較電路，與一個參考電壓相比較，以產生所述導通計時信號。

在一個實施例中，所述自適應模組包括一個由至少一個第一電晶體和一個第一電流源所耦接而成的放電電路，和一個由至少一個第二電晶體和一個第二電流源所耦接而成的充電電路。

在一個實施例中，所述第一電晶體的閘極係耦接到所述驅動電路輸出的驅動信號，所述第二電晶體的閘極係耦接到所述導通計時信號。

在一個實施例中，所述自適應模組還包括一個與放電電路、充電電路相耦接的第二電容器，所述第一電晶體被導通時，第一電流源給所述第二電容器放電；所述第二電晶體被導通時，所述第二電流源給所述第二電容器充電。

在一個實施例中，所述自適應模組還包括參考電壓 源，輸出所述下限閥值電壓；所述參考電壓源與一個滯環電壓源相耦接後，與所述第二電容器相耦接；所述參考電壓源、滯環電壓源和第二電容器三者的電壓相加後，輸出所述上限閥值電壓。

在一個實施例中，所述自適應模組還包括參考電壓源，輸出所述上限閥值電壓；所述參考電壓源與負的一個滯環電壓源相耦接後，與所述第二電容器相耦接；所述參考電壓源電壓減去滯環電壓源電壓、第二電容器電壓後，輸出所述下限閥值電壓。

在一個實施例中，所述開關電路包括第一電晶體和第二電晶體，其中，第一電晶體的源極與第二電晶體的汲極相耦接作為輸出端，再經濾波電路而與輸出端子相耦接。

在一個實施例中，所述驅動信號為兩路互補的脈衝信號，係分別耦接到第一電晶體、第二電晶體的閘極。

本發明採用上述結構的裝置和/或方法，經由電壓取樣電路取樣開關變換器輸出電壓信號，經由反饋電路而被提供給驅動電路，以控制電晶體的導通與關斷，可以對輸出電壓進行調節；自適應控制電路提供上下限閥值電壓，使開關變換器具有快速的暫態響應速度，即使是最惡劣的情況也能快速響應；另外，自適應控制電路能夠根據開關變換器的實際操作情況，調節上限閥值電壓和/或下限閥值電壓，以使電晶體的切換頻率穩定。

揭示一種用於開關變換器的方法和裝置。在以下描述中，為了提供對本發明的透徹理解，闡述了許多特定細節。然而，對於本領域普通技術人員顯而易見的是：不必採用這些特定細節來實行本發明。在其他實例中，為了避免混淆本發明，並未具體描述公知的材料或方法。

在整個說明書中，對“一個實施例”、“實施例”、“一個示例”或“示例”的提及意謂：結合該實施例或示例描述的特定特徵、結構或特性被包含在本發明至少一個實施例中。因此，在整個說明書的各個地方出現的短語“在一個實施例中”、“在實施例中”、“一個示例”或“示例”不一定都指同一個實施例或示例。此外，可以以任何適當的組合和/或子組合而將特定的特徵、結構或特性組合在一個或多個實施例或示例中。此外，本領域普通技術人員應當理解，在此提供的示圖都是為了說明的目的，並且示圖不一定是按比例來予以繪製的。

圖5為根據本發明的一個實施例，輸入電壓被耦合到輸入電容器和開關電路，開關電路係由電晶體101和102所組成，電晶體101和102的公共點係耦接到由電感器103和電容器104所構成的濾波器，而濾波器的輸出係耦合到負載電路。自適應滯環控制電路511的一個輸入端係耦接到電晶體101的閘極，以接收其驅動控制信號HS，自適應滯環控制電路511的另一個輸入端係耦接到導通計時電路510，以接收其導通計時信號。自適應滯環控制電路511的輸出信號係分別耦接到滯環比較器508的兩個輸 入端，而為其提供上限閥值電壓V_H 和下限閥值電壓V_L 。由電阻器106和107所構成的電壓取樣電路，對輸出電壓V_out 進行取樣，將電壓取信號FB反饋到滯環比較器508的另一個輸入端。滯環比較器508將電壓取樣信號FB與上下限閥值電壓相比較，將比較結果耦接到驅動電路109，驅動電路109根據比較結果而輸出互補的驅動信號，以控制電晶體101和102的導通和關斷。

圖6為本發明中導通計時電路510的一個實施例。導通計時電路510係耦接到輸入電壓V_in ，鏡像電流源601以電流I給電容器602充電，電容器602上的電壓係耦接到比較器603的輸入端，藉由設定鏡像電流源601與電容器602就可以確定導通計時信號。參考電壓信號V_REF 係耦接到比較器603的另一個輸入端，與電容器602上電壓相比較，比較器603根據比較結果而輸出導通計時信號，導通計時信號係耦接到自適應滯環控制電路511的一個輸入端。

圖7為本發明中自適應控制電路511的一個實施例。電晶體701的閘極係耦接到電晶體101的閘極驅動信號HS，電晶體702的閘極係耦接到導通計時信號。當HS信號為高位準時，電晶體701被導通，電流源704經由電晶體701而以電流I1給電容器703放電；當導通計時信號為高位準時，電晶體702被導通，電流源705經由電晶體702而以電流I2給電容器703充電。參考電壓信號V_L 為下限閥值電壓，與一個滯環電壓相加，例如圖7中所示的 15mV，但具體應用中可以根據實際情況而調整，將求和後的電壓與電容器703上的電壓V_C 相加，獲得到的電壓為上限閥值電壓V_H ，V_H =V_L +15mV+V_C (可以經由加法器電路來予以實現)。圖8為圖7中上限閥值電壓和下限閥值電壓之關係的示意圖，下限閥值電壓V_L 是固定的，滯環電壓提供穩定操作時上限閥值電壓V_H 與下限閥值電壓V_L 之間的差值，而這個差值又與電容器703上的電壓V_C 相疊加，這樣上限閥值電壓V_H 會根據實際操作狀況而進行調整，以實現自適應控制。例如I1=I2的情況，電晶體701的導通時間為T_on-HS ，電晶體702的導通時間為T_on-COT ，如果T_on-HS =T_on-COT ，電容器703上的電壓V_C =0，V_H =V_L +15mV；如果T_on-HS <T_on-COT ，電容器703上的電壓V_C >0，V_H >V_L +15mV，電晶體101的導通時間T_on-HS 會變大，以達到更高的上限閥值V_H ；如果T_on-HS >T_on-COT ，電容器703上的電壓V_C <0，V_H <V_L +15mV，電晶體101的導通時間T_on-HS 會變小，因為上限閥值電壓V_H 變小了。自適應控制電路會根據開關變換器實際操作情況而對上限閥值電壓進行調節，確保切換頻率在很小的範圍內變化。並且自適應控制電路輸出上限閥值電壓和下限閥值電壓，能夠確保開關變換器在最惡劣情況下的暫態響應速度。

圖9為根據本發明進行模擬而獲得到的波形圖。下限閥值電壓V_L 為固定值800mV，輸入電壓V_in 在5V到16V之間變化，上限閥值V_H 也相應的在810mV到815mV之間變化，上限閥值會根據實際操作情況而進行自適應調 節。

圖10為根據本發明自適應控制電路511的另一個實施例。參考電壓信號V_H 為上限閥值電壓，V_H 是一個固定的電壓，與一個滯環電壓相減，例如圖10中所示的15mV，但具體應用中可以根據實際情況而調整，將求差後的電壓與電容器703上的電壓V_C 相減，獲得到的電壓為下限閥值電壓V_L ，V_L =V_H -15mV-V_C (可以經由減法器電路來予以實現)。

以上對本發明的示出示例的描述，包括摘要中所描述的，並不希望是毫無遺漏的或者是對所揭示的精確形式的限制。儘管出於說明性目的而在此描述了本發明的特定實施例和示例，但是在不偏離本發明的更寬的精神和範圍的情況下，各種等同修改是可以的。實際上，應當理解，特定電壓、電流、頻率、功率範圍值、時間等被提供用於說明目的，並且其他值也可以用在根據本發明教導的其他實施例和示例中。

根據以上詳細描述，可以對本發明的示例進行這些修改。以下申請專利範圍中所使用的術語不應該被理解為將本發明限制於說明書和申請專利範圍中所揭示的特定實施例。而是，範圍完全由以下申請專利範圍所確定，申請專利範圍要根據已制定的申請專利範圍解釋原則來加以理解。因此，本說明書和圖式被視為說明性的而非限制性的。

101‧‧‧電晶體

102‧‧‧電晶體

103‧‧‧電感器

104‧‧‧電容器

105‧‧‧負載電阻器

106‧‧‧電阻器

107‧‧‧電阻器

108‧‧‧滯環比較器

109‧‧‧驅動電路

308‧‧‧比較器

310‧‧‧導通計時電路

508‧‧‧滯環比較器

510‧‧‧導通計時電路

511‧‧‧自適應滯環控制電路

601‧‧‧鏡像電流源

602‧‧‧電容器

603‧‧‧比較器

701‧‧‧電晶體

702‧‧‧電晶體

703‧‧‧電容器

704‧‧‧電流源

705‧‧‧電流源

FB‧‧‧電壓取樣信號

HS‧‧‧驅動控制信號

圖1是經由滯環控制電路來控制DC-DC同步降壓式變換器的示意圖。

圖2是圖1中電晶體閘極驅動信號和電壓取樣信號波形。

圖3是經由恒定導通時間控制電路來控制DC-DC同步降壓式變換器的示意圖。

圖4是圖3中電晶體閘極驅動信號和電壓取樣信號波形。

圖5是本發明經由自適應控制電路控制DC-DC同步降壓式變換器的一個實施例的示意圖。

圖6是圖5中導通計時電路一個實施例的示意圖。

圖7是圖5中自適應控制電路一個實施例的示意圖。

圖8是圖7中上限電壓閥值和下限電壓閥值的示意圖。

圖9是圖5中電路模擬結果的示意圖。

圖10是圖5中自適應控制電路另一個實施例的示意圖。

101‧‧‧電晶體

102‧‧‧電晶體

103‧‧‧電感器

104‧‧‧電容器

105‧‧‧負載電阻器

106‧‧‧電阻器

107‧‧‧電阻器

109‧‧‧驅動電路

508‧‧‧滯環比較器

510‧‧‧導通計時電路

511‧‧‧自適應滯環控制電路

Claims (23)

1. 一種開關變換器電路，包括：輸入端子，以接收輸入電壓；輸出端子，係耦接到負載電路，而為該負載電路提供輸出電壓；反饋電路，係與該輸出電壓相耦接，以提供反饋信號給驅動電路；驅動電路，係與該反饋電路相耦接，以輸出驅動信號；以及開關電路，係基於該驅動電路輸出的該驅動信號而切換電晶體導通或關斷，其中，該反請電路包括電壓取樣電路、導通計時電路和自適應模組，該電壓取樣電路對該輸出電壓進行取樣，以產生電壓取樣信號，該導通計時電路輸出導通計時信號，該自適應模組接收該驅動信號和該導通計時信號，以輸出上限閥值電壓和下限閥值電壓。
2. 如申請專利範圍第1項所述之開關變換器電路，其中，該反饋電路還包括比較器電路，該比較器電路將該電壓取樣信號與該上限閥值電壓和該下限閥值電壓相比較，以產生該反饋信號。
3. 如申請專利範圍第1項所述之開關變換器電路，其中，該導通計時電路係耦合到該輸入電壓，包括一個由至少一個鏡像電流源和一個第一電容器所耦接而成的充電電路，和一個比較電路；該第一電容器的一端係耦接到該比 較電路，與一個參考電壓相比較，以產生該導通計時信號。
4. 如申請專利範圍第3項所述之開關變換器電路，其中，該自適應模組包括一個由至少一個第一電晶體和一個第一電流源所耦接而成的放電電路，和一個由至少一個第二電晶體和一個第二電流源所耦接而成的充電電路。
5. 如申請專利範圍第4項所述之開關變換器電路，其中，該第一電晶體的閘極係耦接到該驅動電路輸出的驅動信號，該第二電晶體的閘極係耦接到該導通計時信號。
6. 如申請專利範圍第5項所述之開關變換器電路，其中，該自適應模組還包括一個與放電電路、充電電路相耦接的第二電容器，當該第一電晶體被導通時，該第一電流源給該第二電容器放電；當該第二電晶體被導通時，該第二電流源給該第二電容器充電。
7. 如申請專利範圍第6項所述之開關變換器電路，其中，該自適應模組還包括參考電壓源，以輸出該下限閥值電壓；該參考電壓源與一個滯環電壓源相耦接後，與該第二電容器相耦接；該參考電壓源、該滯環電壓源和該第二電容器三者的電壓相加後，輸出該上限閥值電壓。
8. 如申請專利範圍第6項所述之開關變換器電路，其中，該自適應模組還包括參考電壓源，以輸出該上限閥值電壓；該參考電壓源與一個負的滯環電壓源相耦接後，與該第二電容器相耦接；該參考電壓源電壓減去滯環電壓源電壓、該第二電容器電壓後，輸出該下限閥值電壓。
9. 如申請專利範圍第1項所述之開關變換器電路，其中，該開關電路包括第一電晶體和第二電晶體，其中，該第一電晶體的源極與該第二電晶體的汲極相耦接以作為輸出端，再經濾波電路而與輸出端子相耦接。
10. 如申請專利範圍第9項所述之開關變換器電路，其中，該驅動信號為兩路互補的脈衝信號，係分別耦接到該第一電晶體、該第二電晶體的閘極。
11. 一種電壓變換的方法，其特徵在於，包括利用驅動信號來控制電晶體導通或關斷，以控制輸出電壓；基於導通計時信號和控制該電晶體的驅動信號，自適應地輸出上限閥值電壓或下限閥值電壓；基於該輸出電壓的取樣信號與該上限閥值電壓、該下限閥值電壓的比較，以輸出比較信號；以及基於該比較信號以輸出驅動信號。
12. 如申請專利範圍第11項所述的方法，其中，該輸出電壓的取樣信號係經由耦接在該輸出電壓的電壓取樣電路來予以實現。
13. 如申請專利範圍第11項所述的方法，其中，該導通計時信號係經由下述導通計時電路來予以實現：包括一個由至少一個鏡像電流源和一個第一電容器所耦接而成的充電電路，和一個比較電路；該第一電容器的一端係耦接到該比較電路，與一個參考電壓相比較，以產生該導通計時信號。
14. 如申請專利範圍第11項所述的方法，其中，該自適應地輸出上限閥值電壓係經由下述電路來予以實現：第二電容器與放電電路、充電電路相耦接，該放電電路係藉由驅動信號來控制通斷，該充電電路係藉由導通計時信號來控制通斷，該第二電容器的電壓端疊加參考電壓源、滯環電壓源後輸出該上限閥值電壓，其中，該參考電壓源的電壓作為該下限閥值電壓。
15. 如申請專利範圍第14項所述的方法，其中，該放電電路係由第一電流源和第一電晶體所耦接而成，該第一電晶體的閘極接收驅動信號。
16. 如申請專利範圍第14或15項所述的方法，其中，該充電電路係由第二電流源和第二電晶體所耦接而成，該第二電晶體的閘極接收導通計時信號。
17. 如申請專利範圍第16項所述的方法，其中，當該驅動信號為高位準時，該第一電晶體被導通，該第一電流源經由該第一電晶體而給該第二電容器放電。
18. 如申請專利範圍第16項所述的方法，其中，當該導通計時信號為高位準時，該第二電晶體被導通，該第二電流源經由該第二電晶體而給第二該電容器充電。
19. 如申請專利範圍第11項所述的方法，其中，該自適應地輸出下限閥值電壓係經由下述電路來予以實現：第二電容器與放電電路、充電電路相耦接，該放電電路係藉由驅動信號來控制通斷，該充電電路係藉由導通計時信號來控制通斷，參考電壓源減去第二電容器的電壓、 滯環電壓源的電壓後輸出該下限閥值電壓，其中，該參考電壓源的電壓作為該上限閥值電壓。
20. 如申請專利範圍第19項所述的方法，其中，該放電電路係由第一電流源和第一電晶體所耦接而成，該第一電晶體的閘極接收驅動信號。
21. 如申請專利範圍第19或20項所述的方法，其中，該充電電路係由第二電流源和第二電晶體所耦接而成，該第二電晶體的閘極接收導通計時信號。
22. 如申請專利範圍第21項所述的方法，其中，當驅動信號為高位準時，該第一電晶體被導通，該第一電流源經由該第一電晶體而給該第二電容器放電。
23. 如申請專利範圍第21項所述的方法，其中，當該導通計時信號為高位準時，該第二電晶體被導通，該第二電流源經由該第二電晶體而給該第二電容器充電。