TWI501065B - 可以調整流經一元件之一直流電流的電子裝置與控制方法 - Google Patents

可以調整流經一元件之一直流電流的電子裝置與控制方法 Download PDF

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Description

可以調整流經一元件之一直流電流的電子裝置與控制方法
本發明大致係關於電流驅動元件的控制裝置以及控制方法，尤指可以精準控制電流驅動元件之平均驅動電流的相關裝置以及方法。
為了能更了解本發明的優越性，在此先介紹先前技術中的一降壓轉換電路(buck converter circuit)100，如同第1圖所示。降壓轉換電路100可以用在液晶顯示器的背光模組(backlight module)，以發光二極體提供一定亮度的背光。在降壓轉換電路100中，一積體電路102控制功率開關104。串接在高電源線VIN與地電源線GND之間有一發光二極體串(LED string)106、電感108、功率開關104、與電流偵測電阻RCS。發光二極體串106由許多的發光二極體，順向串接在一起。放電二極體110連接在高電源線VIN與功率開關104之間。濾波電容109與發光二極體串(LED string)106相並聯，用來使發光二極體串106的驅動電流不至於變化過大。
積體電路102中有控制器112與閘極驅動器(gate driver)114。控制器112依據電流偵測電阻RCS所提供的電流偵測信號VCS ，產生脈波寬度調變信號SPWM 。閘極驅動器114依據脈波寬度調變信號SPWM 的邏輯準位，提供適當電壓或是電流驅動信號VG ，來驅動功率開關104。第2圖顯示一先前 技術中的積體電路102。其中，控制器112包含有SR正反器116、時脈產生器118、比較器120、前緣遮蔽器(leading edge blanking circuit)122。
時脈產生器118可週期性地設置SR正反器116。當功率開關104一開始被開啟時，脈波寬度調變信號SPWM 進入開啟時間(On time)，前緣遮蔽器(leading edge blanking circuit)122會遮蔽掉電流偵測信號VCS 一段很短的時間，以避免電流偵測信號VCS 一開始的雜訊影響了整個的控制迴路。比較器120比較電流偵測信號VCS 與參考電壓VREF-OLD 。
第2圖中的積體電路102可以控制電流偵測信號VCS 的峰值，使其大約等於參考電壓VREF-OLD 。第3圖顯示第2圖的控制結果，其中，電流信號IL1-OLD 與IL2-OLD 分別表示，電感108分別為L1 與L2 時，流經電感108的電流。驅動信號VG 在邏輯上的”1”時，功率開關104導通，為開啟時間(ON time)，電流信號IL1-OLD 與IL2-OLD 都上升。當驅動信號VG 在邏輯上的”0”時，功率開關104關閉，為關閉時間(OFF time)，所以電流信號IL1-OLD 與IL2-OLD 都下降。如同第3圖所示，電流信號IL1-OLD 與IL2-OLD 的峰值都大約維持在VREF-OLD /RCS ，其中RCS 為電流偵測電阻RCS的電阻值。流經發光二極體串106的平均電流就是流經電感108的平均電流。從第3圖中可以發現，當電感108分別為L1 與L2 時，流經發光二極體串106的平均電流，分別為不同的ILED1-OLD 與ILED2-OLD 。因此，在第2圖之積體電路102控制下，所產生的發光二極體串106的平均驅動電流，將會隨著電感108而改變。換言之，發光二極體串106所產生的亮度，將會隨著電感108的不同，而不是一個固定值。
本發明之一實施例提供一種可以調整流經一元件之一直流 電流的一電子裝置。該電子裝置包含有一放大電路以及一脈波寬度調變產生器。該放大電路具有一第一輸入端，耦接一第一電壓信號，其代表流經該元件之一電流，以及一第二輸入端，耦接一參考電壓。該放大電路另具有一輸出端，提供一輸出信號。該放大電路具有一差動增益。該脈波寬度調變產生器依據該輸出信號，提供一脈波寬度調變信號，其可定義一開啟時間以及一關閉時間，來調整該直流電流。於該關閉時間時，該差動增益大約為0。
本發明之一實施例提供一種調整流經一元件之一直流電流的控制方法：接收一第一電壓信號，其代表流經該元件之一電流；提供一參考信號；依據該第一電壓信號以及該參考信號，基於一差動增益，來產生一輸出電流信號；依據該輸出電流信號，產生一脈波寬度調變信號，以調整該直流電流，其中，該脈波寬度調變信號定義一開啟時間以及一關閉時間；以及，於該關閉時間時，使該差動增益大約為0。
100‧‧‧降壓轉換電路
102‧‧‧積體電路
104‧‧‧功率開關
106‧‧‧發光二極體串
109‧‧‧濾波電容
108‧‧‧電感
110‧‧‧放電二極體
112‧‧‧控制器
114‧‧‧閘極驅動器
116‧‧‧SR正反器
118‧‧‧時脈產生器
120‧‧‧比較器
122‧‧‧前緣遮蔽器
200‧‧‧積體電路
202‧‧‧時脈產生器
203‧‧‧脈波寬度調變產生器
204‧‧‧放大器
206‧‧‧比較器
208‧‧‧加法器
210‧‧‧補償電容
211‧‧‧及閘
212‧‧‧運算轉導放大器
214‧‧‧開關
GND‧‧‧地電源線
ICOM ‧‧‧補償電流信號
IL1 、IL2 ‧‧‧電流信號
IL1-OLD 、IL2-OLD ‧‧‧電流信號
ILED1-OLD 、ILED2-OLD ‧‧‧發光二極體串的平均電流
RCS‧‧‧電流偵測電阻
SCLK ‧‧‧時脈信號
SDIM ‧‧‧調光信號
SPWM ‧‧‧脈波寬度調變信號
t0 、t1 、t2 ‧‧‧時間點
TCYC ‧‧‧週期時間
VCOM ‧‧‧補償電壓信號
VCS ‧‧‧電流偵測信號
VG ‧‧‧驅動信號
VIN‧‧‧高電源線
VRAMP ‧‧‧斜坡信號
VREF ‧‧‧參考電壓
VREF-OLD ‧‧‧參考電壓
VSAW ‧‧‧鋸齒波
第1圖為一習知的降壓轉換電路。
第2圖顯示一習知的積體電路，可以用於第1圖。
第3圖為第2圖之積體電路的控制結果。
第4圖顯示依據本發明所實施的一積體電路。
第5圖為第4圖中一些信號之波形。
第6圖顯示第4圖套用於第1圖後的控制結果。
第4圖顯示一積體電路200，在一實施例中，可以取代第1圖中的積體電路102。第4圖中，與先前技術之第2圖中功能上相同或相似的元件，以相同之符號表示。
積體電路200具有脈波寬度調變產生器203、放大器204、以及前緣遮蔽器122。脈波寬度調變產生器203包含有時脈產生器202、及閘(And Gate)211、SR正反器116、補償電容210、比較器206、以及加法器208。
當調光信號SDIM 為致能時，也就是邏輯上的”1”時，時脈產生器202以時脈信號SCLK 週期性的設定SR正反器116，所以脈波寬度調變信號SPWM 可以週期性的進入開啟時間(ON time)，透過閘極驅動器114來導通第1圖中的功率開關104。如此，流經第1圖中的電感108之電流IL 開始增加。相反的，當調光信號SDIM 為禁能時，也就是邏輯上的”0”時，及閘211擋住時脈信號SCLK 。此時，脈波寬度調變信號SPWM 可以一直維持在關閉時間(OFF time)，功率開關104關閉。
放大器204的非反向輸入端接收參考電壓VREF ，反向輸入端透過前緣遮蔽器122接收電流偵測信號VCS 。放大器204的輸出端提供有補償電流信號ICOM (流出放大器204定義為正)，其累積在補償電容210上的結果，產生了補償電壓信號VCOM 。放大器204中包含有運算轉導放大器(operational transconductance amplifier，OTA)212與一開關214。開關214受控於脈波寬度調變信號SPWM 。運算轉導放大器212的差動轉導增益假定為gm，也就是說ICOM =gm＊ (VREF -VCS )。整體上來說，在開啟時間時，開關214短路，放大器204的等效差動增益為gm，ICOM 對補償電容210充放電；在關閉時間時，開關214開路，放大器204的等效差動增益大約為0，ICOM =0，補償電容210持守 住當下的補償電壓信號VCOM 。
比較器206比較補償電壓信號VCOM 以及斜坡信號VRAMP 。在第4圖之實施例中，斜坡信號VRAMP 大約等於電流偵測信號VCS 與時脈產生器202所提供之一鋸齒波VSAW 的總合。鋸齒波VSAW 在開啟時間開始時，會從預設的一個定值，開始上升。鋸齒波VSAW 的加入，可以提供斜率補償(slope compensation)，來抑制次諧波震盪(sub-harmonic oscillation)的問題。一旦斜坡信號VRAMP 高過了補償電壓信號VCOM ，比較器206可以重設(reset)SR正反器116，脈波寬度調變信號SPWM 變成邏輯上的”0”，進入關閉時間。
在另一個實施例中，斜坡信號VRAMP 可以就是電流偵測信號VCS ，也就是沒有進行斜率補償。在更另一個實施例中，斜坡信號VRAMP 可以就是鋸齒波VSAW ，沒有任何電流偵測信號VCS 的成分。
在穩定狀態時，補償電壓信號VCOM 不會隨著時脈信號SCLK 的時脈計數而改變。因為放大器204的等效差動增益只有在開啟時間時不為0，所以第4圖中的電路，可以使電流偵測信號VCS 在開啟時間內的平均值，大約等於參考電壓VREF 。
第5圖為第4圖中一些信號之波形。請同時參閱第1圖與第4圖。在此，假定第4圖之積體電路200取代了第1圖中的積體電路102，且第1圖中降壓轉換電路100操作於連續導通模式(continuous conduction mode，CCM)。這裡所謂的CCM，是指電感108在一開關週期中，並沒有完全放電完畢，就進入另一個開關週期。第5圖中，每個開關週期的週期時間(cycle time)為TCYC 。在一實施例中，周期時間TCYC 是一個不變的時間常數。在其他實施例中，周期時間TCYC 可以隨著補償電壓信號VCOM 增大而減少。
時脈信號SCLK 在每個開關週期開始時，就出現一短脈衝，來設置SR正反器116。所以，在第5圖中的時間點t0 ，脈波寬度調變信號SPWM 轉態為邏輯上的”1”，開啟時間開始。鋸齒波VSAW 開始從一預設值開始增加。
在開啟時間內，因為功率開關104是導通的，高電源線VIN到地電源線GND之間的跨壓會驅動電感108的電流，使其開始增加。因此，電流偵測信號VCS 線性上升。在時間點t0 ，電流偵測信號VCS 低於參考電壓VREF 。因此，補償電流信號ICOM 對補償電容210充電，補償電壓信號VCOM 上升。
在時間點t1 之後，電流偵測信號VCS 超過了參考電壓VREF ，補償電流信號ICOM 開始對補償電容210放電，所以補償電壓信號VCOM 下降。
如同第5圖所示的，斜坡信號VRAMP 大約等於電流偵測信號VCS 與鋸齒波VSAW 的總和。所以在開啟時間內，斜坡信號VRAMP 也隨著時間而增加。在時間點t2 ，斜坡信號VRAMP 超過了補償電壓信號VCOM ，所以重設了SR正反器116，使得脈波寬度調變信號SPWM 轉態為邏輯上的”0”，進入關閉時間。此時，功率開關104被關閉，電流偵測信號VCS 突然下降為0，所以也導致了斜坡信號VRAMP 的改變。
在關閉時間內，放大器204中的開關214關閉不導通，所以放大器204的等效差動增益大約為0，ICOM =0。沒有被充電或是放電，補償電容210持守住當下的補償電壓信號VCOM ，直到下一個開關週期開始。
當第1圖中降壓轉換電路100到達一個穩態狀態(steady state)時，所有的信號的狀態，在每次開關週期一開始時，都應該要一樣。因此，補償電壓信號VCOM 在一開關週期的開始與結束時，需要有一樣的值。然而， 會影響補償電壓信號VCOM 的補償電流信號ICOM 只有在開啟時間內才可能不為0，而且補償電流信號ICOM 大約比例於電流偵測信號VCS 跟參考電壓VREF 的差值。這意味著，在穩態狀態時，電流偵測信號VCS 在開啟時間內的平均值，應該約等於參考電壓VREF 。
在CCM操作之下，電流偵測信號VCS 在開啟時間內的平均值，就會對應到流經電感108的平均電流值。第6圖顯示第4圖套用於第1圖後的控制結果，其中，電流信號IL1 與IL2 分別表示，電感108分別為L1 與L2 時，流經電感108的電流值。如同第3圖所示，電流信號IL1 與IL2 的平均值都大約維持在VREF /RCS ，其中RCS 為電流偵測電阻RCS的電阻值。流經發光二極體串106的平均驅動電流，將會等於流經電感108的平均電流。如同第6圖所示，在一實施例中，發光二極體串106的平均電流將可以精確的控制於VREF /RCS ，不會隨著電感108而變化。
經由以上的教導，業界具有一般技藝之人士也可以推知，在第4圖套用於第1圖之一實施例中，發光二極體串106的平均電流也不會隨著電源線VIN到地電源線GND之間的跨壓而變化。
在以上本發明之實施例中，當調光信號SDIM 一轉態為禁能時，脈波寬度調變信號SPWM 馬上就進入關閉時間，所以流經電感108與發光二極體串106的電流會很快的降到0A，發光二極體串106不發光。此時，補償電容210持守住補償電壓信號VCOM ，等於記憶了要使發光二極體串106的平均電流達VREF /RCS 所需要的操作條件。一旦調光信號SDIM 從轉態為禁能時，這樣的操作條件可以馬上被採用，降壓轉換電路100就可以馬上提供大約的電流，來驅動發光二極體串106，快速地使其發光。換言之，本發明之 實施例對於調光信號SDIM ，有較快的反應速度。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
114‧‧‧閘極驅動器
116‧‧‧SR正反器
122‧‧‧前緣遮蔽器
200‧‧‧積體電路
202‧‧‧時脈產生器
203‧‧‧脈波寬度調變產生器
204‧‧‧放大器
206‧‧‧比較器
208‧‧‧加法器
210‧‧‧補償電容
211‧‧‧及閘
212‧‧‧運算轉導放大器
214‧‧‧開關
GND‧‧‧地電源線
ICOM ‧‧‧補償電流信號
SCLK ‧‧‧時脈信號
SDIM ‧‧‧調光信號
SPWM ‧‧‧脈波寬度調變信號
VCOM ‧‧‧補償電壓信號
VCS ‧‧‧電流偵測信號
VG ‧‧‧驅動信號
VRAMP ‧‧‧斜坡信號
VREF ‧‧‧參考電壓
VSAW ‧‧‧鋸齒波

Claims (20)

  1. 一種可以調整(regulate)流經一元件之一直流電流的一電子裝置，包含有：一放大電路，其具有一第一輸入端，耦接一第一電壓信號，其代表流經該元件之一電流，一第二輸入端，耦接一參考電壓，以及一輸出端，用以提供一輸出信號，其中，該放大電路具有一差動增益；一脈波寬度調變產生器，依據該輸出信號，提供一脈波寬度調變信號，其可定義一開啟時間以及一關閉時間，來調整該直流電流；其中，於該關閉時間時，該差動增益大約為0。
  2. 如申請專利範圍第1項之電子裝置，其中，該放大電路係為一轉導放大器，提供一輸出電流信號。
  3. 如申請專利範圍第1項之電子裝置，其中，該放大電路包含有一轉導放大器，依據該第一電壓信號以及該參考電壓，於一輸出端，產生一輸出電流信號，該脈波寬度調變產生器包含有一補償電容，該放大電路包含有一開關耦接於該轉導放大器之該輸出端以及該補償電容之間，受控於該脈波寬度調變信號。
  4. 如申請專利範圍第1項之電子裝置，另包含有一時脈產生器，週期性的使該脈波寬度調變信號進入該開啟時間。
  5. 如申請專利範圍第1項之電子裝置，其中，該脈波寬度調變產生器包含有：一比較器，具有二輸入端，分別耦接來接收該放大電路之該輸出信號，以及一斜坡信號(ramp signal)。
  6. 如申請專利範圍第5項之電子裝置，另包含有一時脈產生器，週期性的使該脈波寬度調變信號進入該開啟時間，其中，該斜坡信號係由該時脈產 生器所提供，為一鋸齒波。
  7. 如申請專利範圍第5項之電子裝置，另包含有一時脈產生器，週期性的使該脈波寬度調變信號進入該開啟時間，其中，該斜坡信號係關聯於該第一電壓信號。
  8. 如申請專利範圍第7項之電子裝置，其中，該斜坡信號係依據該第一電壓信號以及該時脈產生器所提供的一鋸齒波而產生。
  9. 如申請專利範圍第5項之電子裝置，其中，當該斜坡信號高於該輸出信號，該脈波寬度調變信號進入該關閉時間。
  10. 如申請專利範圍第1項之電子裝置，另包含有：一功率開關，受控於該脈波寬度調變信號；一電感元件，與該元件串聯於一高電源線以及該功率開關之間；以及一放電二極體，連接於該功率開關與該高電源線之間。
  11. 如申請專利範圍第1項之電子裝置，另包含有：一功率開關，受控於該脈波寬度調變信號；以及一電流偵測電阻，連接於該功率開關與一地電源線之間，可提供該第一電壓信號。
  12. 如申請專利範圍第11項之電子裝置，另包含有一濾波電容，並聯至該元件。
  13. 如申請專利範圍第1項之電子裝置，其中，該脈波寬度調變產生器受控於一調光信號，其為禁能時，該脈波寬度調變信號維持在定義該關閉時間之一狀態。
  14. 一種調整(regulate)流經一元件之一直流電流的控制方法，包含有： 接收一第一電壓信號，其代表流經該元件之一電流；提供一參考信號；依據該第一電壓信號以及該參考信號，基於一差動增益，來產生一輸出電流信號；依據該輸出電流信號，產生一脈波寬度調變信號，以調整該直流電流，其中，該脈波寬度調變信號定義一開啟時間以及一關閉時間；以及於該關閉時間時，使該差動增益大約為0。
  15. 如申請專利範圍第14項之控制方法，另包含有：累積(accumulating)該輸出電流信號，以產生一輸出電壓信號；比較該輸出電壓信號以及一斜坡信號(ramp signal)；以及當該斜坡信號高於該輸出電壓信號時，使該脈波寬度調變信號進入該關閉時間。
  16. 如申請專利範圍第15項之控制方法，另包含有：週期性地使該脈波寬度調變信號進入該開啟時間。
  17. 如申請專利範圍第15項之控制方法，另包含有：提供一鋸齒波，做為該斜坡信號。
  18. 如申請專利範圍第15項之控制方法，另包含有：提供一鋸齒波；以及依據該第一電壓信號以及該鋸齒波，來產生該斜坡信號，作為斜率補償。
  19. 如申請專利範圍第14項之控制方法，另包含有：串聯該元件與一電感元件於一高電源線以及一功率開關之間；依據該脈波寬度調變信號來控制該功率開關；以及 連接一放電二極體於該功率開關於該高電源線之間。
  20. 如申請專利範圍第14項之控制方法，另包含有：依據該脈波寬度調變信號來控制該功率開關；以及連接該功率開關於該元件與一電流偵測電阻之間；其中，該電流偵測電阻提供該第一電壓信號。
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