TWI496401B - 具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置 - Google Patents

Description

具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置

本發明有關於一種電流模式直流對直流轉換裝置，且特別是一種具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置。

直流對直流轉換器是將直流的輸入電壓轉換成直流的輸出電壓。對於直流對直流轉換器的控制而言，不論是升壓轉換器或降壓轉換器，控制方式可以分為電壓模式控制與電流模式控制兩種。電壓模式控制，其原理主要是利用偵測輸出電壓的變化並根據電路回授機制將輸出電壓控制在所預期的數值。電流控制的原理主要是進一步利用偵測電感上的電流變化以加速因負載改變時之暫態響應時間。相較於電壓模式控制，電流模式控制具有較好的負載調節度(load regulation)、線性調節度(line regulation)及較快的暫態響應(transient response)。

本發明實施例提供一種具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置，其相較於傳統的電流模式控制機制，可在連續時間因應不同的負載變化而使輸出電壓更快速地響應。

本發明實施例提供一種具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置，其包括直流對直流轉換器、脈衝寬度控制單元、電流回授電路、快速暫態回授電路、第一誤差放大器、加法器與比較器。直流對直流轉換器具有電感以及至少一功率開關，所述功 率開關耦接電感。所述直流對直流轉換器將輸入電壓轉換為輸出電壓。脈衝寬度控制單元耦接所述功率開關。電流回授電路偵測通過電感之電流，且依據通過電感之電流而產生電流回授信號。快速暫態回授電路依據第一電壓回授信號產生暫態回授信號，其中第一電壓回授信號響應於輸出電壓。第一誤差放大器將第二電壓回授信號與參考信號的差值放大而產生誤差放大信號，其中第二電壓回授信號響應於輸出電壓。加法器將電流回授信號以及暫態回授信號相加而產生修正電流回授信號。比較器將誤差放大信號與修正電流回授信號做比較而產生比較信號。比較器提供比較信號至脈衝寬度控制單元，脈衝寬度控制單元依據比較信號控制直流對直流轉換器的功率開關的責任週期。

綜上所述，本發明實施例提供一種具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置，其透過快速暫態回授電路將回授電壓與電流回授信號相加，藉此在連續時間因應不同的負載變化而使輸出電壓更快速地響應。

為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。

1、2、3‧‧‧具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置

10、20、30‧‧‧直流對直流轉換器

101、102、201、202、302‧‧‧功率開關

103、203、301‧‧‧電感

104、204、304‧‧‧電容

303‧‧‧功率二極體

11、21、31‧‧‧脈衝寬度控制單元

12、22、32‧‧‧電流回授電路

13、23、33‧‧‧快速暫態回授電路

14、24、34‧‧‧第一誤差放大器

15、25、35‧‧‧加法器

16、26、36‧‧‧比較器

17、27、37‧‧‧電壓回授電路

171、172、271、272、371、372‧‧‧電阻

18、28、38‧‧‧斜波產生器

211‧‧‧閂鎖器

212‧‧‧控制器

Vin‧‧‧輸入電壓

Vout‧‧‧輸出電壓

RL‧‧‧負載

Isense‧‧‧電流回授信號

VFB1‧‧‧第一電壓回授信號

Iadd‧‧‧暫態回授信號

VFB2‧‧‧第二電壓回授信號

Vref‧‧‧參考信號

Vc‧‧‧誤差放大信號

Vsense‧‧‧修正電流回授信號

Iramp‧‧‧斜波信號

Vclock‧‧‧時脈信號

Vduty‧‧‧責任週期信號

S1、S2‧‧‧負載轉換區間

T1、T1’、T2、T2’、T3、T3’、T4、T4’‧‧‧責任週期

圖1是本發明實施例提供的具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置的電路圖。

圖2是本發明實施例提供的具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置的細部電路圖。

圖3是本發明實施例提供的具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置由輕載轉換至重載的波形圖。

圖4是本發明實施例提供的具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置由重載轉換至輕載的波形圖。

圖5是本發明另一實施例提供的具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置的電路圖。

〔具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置之實施例〕

請參照圖1，圖1是本發明實施例提供的具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置的電路圖。具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置1包括直流對直流轉換器10、脈衝寬度控制單元11、電流回授電路12、快速暫態回授電路13、第一誤差放大器14、加法器15、比較器16、電壓回授電路17與斜波產生器18。

所述直流對直流轉換器10將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout，輸出電壓Vout用以提供至負載RL。在本實施例中的直流對直流轉換器10是降壓轉換器(Buck converter)，但本發明並不限定直流對直流轉換器的類型，所述直流對直流轉換器也可以是升壓轉換器(Boost converter)。另外，本實施例的電壓回授電路17是用以提供響應於輸出電壓的回授路徑，但本發明並不限定電壓回授的電路形式。電壓回授電路17僅是用以舉例並且幫助說明，並非用以限定本發明。

直流對直流轉換器10具有電容104、電感103以及至少一功率開關，如圖1所示有兩個功率開關101、102。所述功率開關101、102耦接電感103。在圖1中的功率開關101、102分別是P型金氧半場效電晶體(PMOS)與N型金氧半場效電晶體(NMOS)，但本發明並不因此限定。

脈衝寬度控制單元11耦接所述功率開關101、102，並控制功率開關101、102的導通或截止。電流回授電路12偵測通過電感103之電流，且依據通過電感103之電流而產生電流回授信號Isense。

快速暫態回授電路13依據第一電壓回授信號VFB1產生暫態回授信號Iadd，其中第一電壓回授信號VFB1響應於輸出電壓Vout。在圖1中，快速暫態回授電路13所接收的第一電壓回授信號是輸出電壓Vout，但本發明並不因此限定。在一般的實施情況，第一電壓回授信號VFB1可以是透過一個分壓電路將輸出電壓Vout分壓後產生，且所述的分壓電路可以是例如圖1所示的電壓回授電路17。快速暫態回授電路13可以與第一誤差放大器14共用電壓回授電路17所提供的回授路徑，此時第一電壓回授信號VFB1等於第二電壓回授信號VFB2。或者，快速暫態回授電路13可以自行具有一個獨立的且與電壓回授電路17不同的電壓回授路徑。

第一誤差放大器14將第二電壓回授信號VFB2與參考信號Vref的差值放大而產生誤差放大信號Vc，其中第二電壓回授信號VFB2響應於輸出電壓Vout。在本實施例中，第一誤差放大器14之負輸入端耦接電壓回授電路17，第一誤差放大器14之正輸入端接收參考信號Vref。

如圖1所示，第二電壓回授信號VFB2由電壓回授電路17將輸出電壓Vout分壓而產生。電壓回授電路17包括彼此串聯的電阻171、172，電阻171與電阻172之間耦接的端點的電壓為第二電壓回授信號VFB2。換句話說，電壓回授電路17接收輸出電壓Vout，並依據輸出電壓Vout產生第二電壓回授信號VFB2。

加法器15將電流回授信號Isense與暫態回授信號Iadd相加而產生修正電流回授信號Vsense。加法器15可以是電流型態的加法器或者是電壓型態的加法器。在本實施例中，加法器15也耦接斜波信號產生器18。斜波產生器18提供斜波信號Iramp至加法器15。本發明並不限定斜波產生器18產生的斜波信號Iramp是僅限於提供至加法器15。斜波信號Iramp是用以讓比較器16將斜波信號Iramp的振幅與指令信號(修正電流回授信號Vsense或誤差放大 信號Vc)做比較，並依據比較結果輸出用以控制功率開關101、102的控制信號。依據實際設計的需要，斜波信號Iramp可以被提供至比較器16的正輸入端或負輸入端的其中之一即可。例如：斜波信號Iramp也可以透過一個加法器而與誤差放大信號Vc相加，然後再將此相加的信號(Vc+Iramp)輸入至比較器16的負輸入端。

比較器16將誤差放大信號與修正電流回授信號Vsense做比較而產生比較信號。如圖1所示，比較器16之負輸入端接收誤差放大信號Vc，比較器16之正輸入端接收修正電流回授信號Vsense。比較器16提供比較信號至脈衝寬度控制單元11，脈衝寬度控制單元11依據比較信號控制直流對直流轉換器10的功率開關101、102的責任週期。在本實施例中，脈衝寬度控制單元11包括閂鎖器111和控制器112。控制器112可包括驅動電路的功能和死區間(dead time)的設定功能。

接著請同時參照圖1和圖2，圖2是本發明實施例提供的具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置的細部電路圖。如圖2所示，具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置2包括直流對直流轉換器20、脈衝寬度控制單元21、電流回授電路22、快速暫態回授電路23、第一誤差放大器24、加法器25、比較器26、電壓回授電路27與斜波產生器28。直流對直流轉換器20具有電容204、電感203以及功率開關201、202，如圖2所示有兩個功率開關201、202。脈衝寬度控制單元21包括閂鎖器211和控制器212。電壓回授電路27包括彼此串聯的電阻271、272。

圖2的具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置2與圖1的具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置1大致相同，其差異僅在於將快速暫態回授電路13以圖2中的快速暫態回授電路23實現。快速暫態回授電路23耦接電壓回授電路27。快速暫態回授電路23包括第二誤差放大器。如圖所示，快速暫態回授電路23是第二誤差放大器。所述第二誤差放大器之正輸入端耦 接第一誤差放大器24之負輸入端，第二誤差放大器之負輸入端接收參考信號Vref。此時，第一電壓回授信號VFB1等於第二電壓回授信號VFB2。

請參照圖3，圖3是本發明實施例提供的具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置由輕載轉換至重載的波形圖。由於負載由輕載轉換至重載時(如圖3所示的負載轉換區間S1)，輸出電壓Vout會產生下越(undershoot)。此時，快速暫態回授電路13將下拉修正電流回授信號Vsense，如虛線的波形所示，以增加責任週期。如圖3的責任週期信號Vduty的責任週期T1和T2分別被增加為T1’和T2’。其中，時脈信號Vclock的時脈是對應於斜波信號Iramp和修正電流回授信號Vsense的時脈。換句話說，當直流對直流轉換器20由輕載(light load)轉換為重載(heavy load)時，快速暫態回授電路23產生的暫態回授信號Iadd使脈衝寬度控制單元21增加功率開關201、202的責任週期。

請參照圖4，圖4是本發明實施例提供的具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置由重載轉換至輕載的波形圖。由於負載由重載轉換至輕載時(如圖4所示的負載轉換區間S2)，輸出電壓Vout會產生上越(overshoot)。此時，快速暫態回授電路13將上拉修正電流回授信號Vsense，如虛線的波形所示，以減少責任週期。如圖4的責任週期信號Vduty的責任週期T3和T4分別被減少為T3’和T4’。同樣的，時脈信號Vclock的時脈是對應於斜波信號Iramp和修正電流回授信號Vsense的時脈。換句話說，當直流對直流轉換器20由重載轉換為輕載時，快速暫態回授電路23產生的暫態回授信號Iadd使脈衝寬度控制單元21減少功率開關201、202的責任週期。

〔具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置之另一實施例〕

請同時參照圖1和圖5，圖5是本發明另一實施例提供的具快 速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置的電路圖。如圖5所示，具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置3包括直流對直流轉換器30、脈衝寬度控制單元31、電流回授電路32、快速暫態回授電路33、第一誤差放大器34、加法器35、比較器36、電壓回授電路37與斜波產生器38。直流對直流轉換器30是升壓轉換器(Boost converter)，其具有電容304、電感301、功率二極體303以及功率開關302。電壓回授電路37包括彼此串聯的電阻371、372。

圖5的具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置3與圖1的具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置1大致相同，其差異僅在於將直流對直流轉換器10由降壓轉換器(Buck converter)改變為升壓轉換器(Boost converter)。直流對直流轉換器30的功率開關302同樣以脈衝寬度調變方式來控制。

〔實施例的可能功效〕

綜上所述，本發明實施例所提供的一種具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置，其透過快速暫態回授電路將回授電壓與電流回授信號相加，藉此在連續時間因應不同的負載變化而使輸出電壓快速地響應。所述直流對直流轉換裝置使用的快速暫態回授機制可以應用於降壓轉換器或升壓轉換器。

以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。

1‧‧‧具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置

10‧‧‧直流對直流轉換器

101、102‧‧‧功率開關

103‧‧‧電感

104‧‧‧電容

11‧‧‧脈衝寬度控制單元

12‧‧‧電流回授電路

13‧‧‧快速暫態回授電路

14‧‧‧第一誤差放大器

15‧‧‧加法器

16‧‧‧比較器

17‧‧‧電壓回授電路

171、172‧‧‧電阻

18‧‧‧斜波產生器

Vin‧‧‧輸入電壓

Vout‧‧‧輸出電壓

RL‧‧‧負載

Isense‧‧‧電流回授信號

VFB1‧‧‧第一電壓回授信號

Iadd‧‧‧暫態回授信號

VFB2‧‧‧第二電壓回授信號

Vref‧‧‧參考信號

Vc‧‧‧誤差放大信號

Vsense‧‧‧修正電流回授信號

Iramp‧‧‧斜波信號

Claims (9)

1. 一種具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置，包括：一直流對直流轉換器，具有一電感以及至少一功率開關，該功率開關耦接該電感，該直流對直流轉換器將一輸入電壓轉換為一輸出電壓；一脈衝寬度控制單元，耦接該功率開關；一電流回授電路，偵測通過該電感之電流，且依據通過該電感之電流而產生一電流回授信號；一快速暫態回授電路，依據一第一電壓回授信號產生一暫態回授信號，其中該第一電壓回授信號響應於該輸出電壓；一第一誤差放大器，將一第二電壓回授信號與一參考信號的差值放大而產生一誤差放大信號，其中該第二電壓回授信號響應於該輸出電壓；一加法器，將該電流回授信號以及該暫態回授信號相加而產生一修正電流回授信號；一比較器，將該誤差放大信號與該修正電流回授信號做比較而產生一比較信號，該比較器提供該比較信號至該脈衝寬度控制單元，該脈衝寬度控制單元依據該比較信號控制該直流對直流轉換器的該功率開關的責任週期；以及一斜波產生器，提供一斜波信號至該加法器。
2. 根據申請專利範圍第1項之具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置，其中該直流對直流轉換器是升壓轉換器或降壓轉換器。
3. 根據申請專利範圍第1項之具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置，更包括：一電壓回授電路，接收該輸出電壓，依據該輸出電壓產生該第二電壓回授信號。
4. 根據申請專利範圍第3項之具快速暫態響應的電流模式直流對 直流轉換裝置，其中該快速暫態回授電路耦接該電壓回授電路。
5. 根據申請專利範圍第3項之具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置，其中該第一誤差放大器之一負輸入端耦接該電壓回授電路，該第一誤差放大器之一正輸入端接收該參考信號，其中該快速暫態回授電路包括：一第二誤差放大器，該第二誤差放大器之一正輸入端耦接該第一誤差放大器之該負輸入端，該第二誤差放大器之一負輸入端接收該參考信號。
6. 根據申請專利範圍第1項之具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置，其中該第一電壓回授信號等於該第二電壓回授信號。
7. 根據申請專利範圍第1項之具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置，其中當該直流對直流轉換器由輕載轉換為重載時，該快速暫態回授電路產生的該暫態回授信號使該脈衝寬度控制單元增加該功率開關的責任週期。
8. 根據申請專利範圍第1項之具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置，其中當該直流對直流轉換器由重載轉換為輕載時，該快速暫態回授電路產生的該暫態回授信號使該脈衝寬度控制單元減少該功率開關的責任週期。
9. 根據申請專利範圍第1項之具快速暫態響應的電流模式直流對直流轉換裝置，其中該脈衝寬度控制單元包括一閂鎖器。