TWI528128B - Voltage control method - Google Patents

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TWI528128B TW103106713A TW103106713A TWI528128B TW I528128 B TWI528128 B TW I528128B TW 103106713 A TW103106713 A TW 103106713A TW 103106713 A TW103106713 A TW 103106713A TW I528128 B TWI528128 B TW I528128B
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Alpha & Omega Semiconductor
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Description

電壓控制方法
本發明係關於一種控制方法，且特別關於一種電壓控制方法。
積體電路之電力供應的調整係利用上邊界場效電晶體(high -side FET)與下邊界場效電晶體(low-side FET)做為電壓電流的控制電路設計。電流係由上邊界場效電晶體的源極與下邊界場效電晶體的汲極所相連之接面流動至負載。此負載係與電感器串接，且係有電容器與此負載並接。當週期開始時上邊界場效電晶體為導通，下邊界場效電晶體為截止，電流係經由導通的上邊界場效電晶體流動至電感器、電容器與負載。此電流將使電容器所儲存之電荷量上升。而當負載所橫跨之電壓到達目標水平時，將使得上邊界場效電晶體切換為截止，下邊界場效電晶體切換為導通，此時電流將經由電容器放電。因此藉由上邊界場效電晶體與下邊界場效電晶體導通與截止的交互切換，以使輸出電壓將不隨電感電流的上升或下降而有所變動。
如第1圖所示，傳統技術的切換控制裝置包含一比較控制器10、一上邊界場效電晶體(high-side FET)12與一下邊界場效電晶體(low-side FET)14。此上邊界場效電晶體12之汲極電性連接於輸入電壓源VIN，且 此上邊界場效電晶體12之源極係與此下邊界場效電晶體14之汲極電性連接。此下邊界場效電晶體14之源極係連接於接地端。而此上邊界場效電晶體12之閘極與此下邊界場效電晶體14之閘極分別與此比較控制器10做電性連接。當足夠的電壓作用於電晶體閘極上時，將產生相對應之電流於汲極與源級之間。經由電壓電流的控制操作，使此上邊界場效電晶體12之閘級與此下邊界場效電晶體14之閘級係將交互導通與截止。此外，一電感器16係連接於此上邊界場效電晶體12之源極與此下邊界場效電晶體4之汲極所相連之接面處。而一負載18係串接於此電感器16與接地端之間，且此負載18係將橫跨一輸出電壓VO。
當此上邊界場效電晶體12與此下邊界場效電晶體14即將做導通與截止的切換時，電晶體之閘級與係將保持原導通或截止一段時間。而藉由分壓電路20對輸出電壓VO做取樣以得到一迴授電壓F。另外，加法處理器26於下邊界場效電晶體14之源極與電感器16之一端擷取一週期性三角波訊號。迴授電壓F與三角波訊號係經由加法處理器26相加後，產生一總和訊號S。比較控制器10將此總和訊號S與一目標電壓T相比較，其中此目標電壓T係由一目標電壓產生器22所產生。當此總和訊號S相等於此目標電壓T時，此比較控制器10係將產生觸發訊號以使上邊界場效電晶體12與此下邊界場效電晶體14分別做導通與截止的切換。此外，係有一電容器24與此負載18並接。
當負載18產生暫態變動時，例如當負載18從重載變成輕載時，則負載18上的電流就會迅速降低，且此時電感器16上的電流會隨著負載18上的電流降低。且在上邊界場效電晶體12與下邊界場效電晶體14分別 做截止與導通時，下邊界場效電晶體14的汲極與源極之電壓降會出現一梯形波訊號，若上邊界場效電晶體12與下邊界場效電晶體14呈現週期性切換，則梯形波訊號也會呈現週期性。因為三角波訊號是由當下週期的梯形波訊號減去上一週期梯形波之末電壓所形成，又因為此時上一週期梯形波之末電壓之絕對值大於當下週期的梯形波訊號之絕對值，故此時三角波訊號會有一負電壓產生，進而讓總和訊號S小於目標電壓T，使上邊界場效電晶體12開啟，將能量提供給負載18，使輸出電壓VO提高。同時，又由於負載18上的電流迅速降低，因此會有電流由電感器16透過電容24往地端流動，導致輸出電壓VO不斷疊高，形成不穩定的現象。
因此，本發明係在針對上述的困擾，提出一種電壓控制方法，以解決習知所產生的問題。
本發明的主要目的，在於提供一種電壓控制方法，其係擷取週期性三角波訊號中的正資訊，或者同時將目標電壓分別與總和訊號及迴授電壓比較，來產生可以控制開關切換之控制訊號，以便在負載穩態或暫態變化時，達到穩定輸出電壓的效果。
為達上述目的，本發明提供一種電壓控制方法，首先，分壓一負載上之負載電壓，以產生一迴授電壓，且擷取一週期性三角波訊號之絕對值，以產生一正迴授訊號。接著，相加迴授電壓與正迴授訊號，以產生一總和訊號。再來，比較總和訊號及一目標電壓，在總和訊號小於目標電壓時，產生一控制訊號。最後，接收此控制訊號，並據此利用一輸入電壓更新並穩定負載電壓。
本發明亦提供一種電壓控制方法，首先，分壓一負載上之負載電壓，以產生一迴授電壓。接著，相加迴授電壓與一週期性三角波訊號，以產生一總和訊號。再來，將總和訊號與迴授電壓分別與一目標電壓比較，在總和訊號與迴授電壓皆小於目標電壓時，分別產生一第一控制訊號與一第二控制訊號。最後，接收第一控制訊號與第二控制訊號，並據此利用一輸入電壓更新並穩定負載電壓。
茲為使 貴審查委員對本發明的結構特徵及所達成的功效更有進一步的瞭解與認識，謹佐以較佳的實施例圖及配合詳細的說明，說明如後：
10‧‧‧比較控制器
12‧‧‧上邊界場效電晶體
14‧‧‧下邊界場效電晶體
16‧‧‧電感器
18‧‧‧負載
20‧‧‧分壓電路
22‧‧‧目標電壓產生器
24‧‧‧電容器
26‧‧‧加法處理器
28‧‧‧第一電子開關
30‧‧‧第二電子開關
31‧‧‧輸入電壓源
32‧‧‧比較控制器
34‧‧‧目標電壓產生器
36‧‧‧電感
38‧‧‧負載
40‧‧‧電容
42‧‧‧分壓器
44‧‧‧絕對值產生器
46‧‧‧加法器
48‧‧‧第一電子開關
50‧‧‧第二電子開關
52‧‧‧輸入電壓源
54‧‧‧主控制裝置
58‧‧‧電感
60‧‧‧負載
62‧‧‧電容
64‧‧‧分壓器
66‧‧‧加法處理器
68‧‧‧第一比較器
70‧‧‧第二比較器
71‧‧‧目標電壓產生器
72‧‧‧及閘
74‧‧‧控制器
第1圖為先前技術之切換控制裝置之電路示意圖。
第2圖為本發明之使用電壓控制方法之切換控制裝置之電路示意圖。
第3圖為本發明之各訊號波形示意圖。
第4圖為本發明之使用電壓控制方法之另一切換控制裝置之電路示意圖。
請參閱第2圖，以下先介紹本發明之第一實施例。第一實施例所使用之切換控制裝置包含一第一電子開關28與一第二電子開關30，其係皆以場效電晶體為例。第一電子開關28連接一輸入電壓源31、一比較控制器32與第二電子開關30。第二電子開關30接地，並連接比較控制器32。比較 控制器32連接一目標電壓產生器34。第一電子開關28與第二電子開關30共同透過一電感36連接一負載38之一端，負載38之另一端則接地。此外，負載38亦與一電容40與一分壓器42並聯。作為第二電子開關30之場效電晶體之汲極與源極同時連接一絕對值產生器44，此絕對值產生器44與分壓器42同時連接一加法器46，且加法器46連接比較控制器32。
此切換控制裝置主要利用比較控制器32產生一控制訊號C或一關閉訊號D給第一電子開關28進行切換，同時亦驅動第二電子開關30進行切換。當第一電子開關28接收作為控制訊號C之高準位訊號時，係根據控制訊號C利用輸入電壓源31之一輸入電壓VIN更新並穩定負載38上之負載電壓VO。此時，第一電子開關28開啟，第二電子開關30就會關閉，因此，輸入電壓源31就會透過第一電子開關28提供一輸入電壓VIN，使電感36產生一電感電流IL，此電感電流IL會往負載38與電容40流動，其中從電感電流IL分出來往負載38流動之電流定義為輸出電流IO。另外，當第一電子開關28接收作為關閉訊號D之低準位訊號時，第一電子開關28關閉，第二電子開關30就會開啟，此時，電流會從電容40依序經過第二電子開關30與電感36並逐漸變小。
以下介紹本發明之電壓控制方法。首先，比較控制器32提供作為控制訊號C之高準位訊號給第一電子開關28，同時驅動第二電子開關30，使第一電子開關28與第二電子開關30分別開啟與關閉，則輸入電壓源31就會透過第一電子開關28提供一輸入電壓VIN，使電感36產生一電感電流IL，此電感電流IL會往負載38與電容40流動，以於負載38上產生一負載電壓VO，所以利用分壓器42分壓此負載電壓VO，以產生一迴授電壓F。 同時，比較控制器32依使用者設定，使第一電子開關28與第二電子開關30分別開啟與關閉持續一段時間後，例如1微秒(us)，比較控制器32提供作為關閉訊號D之低準位訊號給第一電子開關28，同時驅動第二電子開關30，使第一電子開關28與第二電子開關30之開關狀態交換，由於此時電感電流IL會愈來愈小。此時，絕對值產生器44接收作為第二電子開關30之場效電晶體之源極與汲極的電壓降VDS，並據此取得一週期性三角波訊號之第一個三角波之絕對值，以產生一正迴授訊號P。再來，加法器46接收此正迴授訊號P與迴授電壓F，並相加之，以產生一總和訊號S。比較控制器32接收並比較此總和訊號S與目標電壓產生器34產生之一目標電壓T，發現此總和訊號S小於目標電壓T，比較控制器32產生控制訊號C給第一電子開關28，同時驅動第二電子開關30進行切換，使第一電子開關28與第二電子開關30分別開啟與關閉。第一電子開關28接收此控制訊號C，並據此利用輸入電壓VIN更新並穩定負載電壓VO。同時，比較控制器32依使用者設定，使第一電子開關28與第二電子開關30分別開啟與關閉持續一段時間後，例如1微秒(us)，比較控制器32提供作為關閉訊號D之低準位訊號給第一電子開關28，同時驅動第二電子開關30，使第一電子開關28與第二電子開關30之開關狀態交換，由於此時電感電流IL會愈來愈小。此時，絕對值產生器44接收作為第二電子開關30之場效電晶體之源極與汲極的電壓降VDS，並據此擷取週期性三角波訊號之第二個三角波之絕對值。以此類推，本發明可以擷取第三個三角波之絕對值，並不斷地運作下去。
請同時參閱第3圖，其中N節點為作為第一電子開關28之場效電晶體之源極。在傳統技術中，當負載38產生變動時，例如當負載38從 重載變成輕載時，則輸出電流IO就會迅速降低，且此時電感電流IL會隨著輸出電流IO降低。由於作為第二電子開關30之場效電晶體之源極與汲極的電壓降VDS會變的更低，故此時三角波訊號會有一負電壓產生，進而讓總和訊號S小於目標電壓T，使第一電子開關28開啟，將能量提供給負載38，使負載電壓VO提高，如圖中虛線所示，迴授電壓F提高則代表負載電壓VO提高。但在本發明中，利用絕對值產生器44將三角波訊號中的負電壓過濾掉，如此便可避免總和訊號S輕易地小於目標電壓T，進而避免開啟之第一電子開關28將能量提供給負載38，以穩定負載電壓VO，如圖中實線所示。除了負載暫態外，即便是負載在穩態時，利用本發明之僅具有正資訊的三角波訊號依然可以穩定負載電壓VO。
請參閱第4圖，以下介紹本發明之第二實施例。第二實施例所使用之切換控制裝置包含一第一電子開關48與一第二電子開關50，其係皆以場效電晶體為例。第一電子開關48連接一輸入電壓源52、一主控制裝置54與第二電子開關50。第二電子開關50接地，並連接主控制裝置54。第一電子開關48與第二電子開關50共同透過一電感58連接一負載60之一端，負載60之另一端則接地。此外，負載60亦與一電容62與一分壓器64並聯。作為第二電子開關50之場效電晶體之汲極與源極及分壓器64同時連接一加法處理器66，且加法處理器66與分壓器64分別連接一第一比較器68與一第二比較器70，第一比較器68與第二比較器70皆連接一目標電壓產生器71與主控制裝置54。主控制裝置54更包含一及閘72與一控制器74。及閘72之輸入端連接第一比較器68與第二比較器70，輸出端則連接控制器74。控制器74係連接第一電子開關48與第二電子開關50。第一比較器68與第二比較器70分別產生一第一 控制訊號C1與一第二控制訊號C2，及閘72則相乘第一控制訊號C1與第二控制訊號C2以產生一第三控制訊號C3給控制器74，使控制器74根據第三控制訊號C3驅動第一電子開關48與第二電子開關50進行切換。
此切換控制裝置主要利用控制器74根據第三控制訊號C3或一關閉訊號D驅動第一電子開關48與第二電子開關50進行切換。當第一電子開關48接收作為第三控制訊號C3之高準位訊號時，第一電子開關48開啟，第二電子開關50就會關閉，此時，輸入電壓源52就會透過第一電子開關48提供一輸入電壓VIN，使電感58產生一電感電流IL，此電感電流IL會往負載60與電容62流動，其中從電感電流IL分出來往負載60流動之電流定義為輸出電流IO。另外，當第一電子開關48接收作為關閉訊號D之低準位訊號時，第一電子開關48關閉，第二電子開關50就會開啟，此時，電流會從電容62依序經過第二電子開關50與電感58並逐漸變小。
以下介紹本發明之電壓控制方法。首先，控制器74提供作為第三控制訊號C3之高準位訊號給第一電子開關48，同時驅動第二電子開關50，使第一電子開關48與第二電子開關50分別開啟與關閉，則輸入電壓源52就會透過第一電子開關48提供輸入電壓VIN，使電感58產生一電感電流IL，此電感電流IL會往負載60與電容62流動，以於負載60上產生一負載電壓VO，所以利用分壓器64分壓此負載電壓VO，以產生一迴授電壓F。同時，控制器74依使用者設定，使第一電子開關48與第二電子開關50分別開啟與關閉持續一段時間後，例如1微秒(us)，控制器74提供作為關閉訊號D之低準位訊號給第一電子開關48，同時驅動第二電子開關50，使第一電子開關48與第二電子開關50之開關狀態交換。此時電感電流IL會愈來愈 小。此時，加法處理器66接收第二電子開關50之源極與汲極的電壓降VDS，並據此擷取一週期性三角波訊號之第一個三角波，以將其與迴授電壓F相加，以產生一總和訊號S。第一比較器68接收並比較此總和訊號S與目標電壓產生器71產生之一目標電壓T，並在此總和訊號S小於目標電壓T時，產生作為一第一控制訊號C1之高準位訊號。第二比較器70接收並比較迴授電壓F與目標電壓T，並在迴授電壓F小於目標電壓T時，產生作為一第二控制訊號C2之高準位訊號。及閘72接收第一控制訊號C1與第二控制訊號C2，並相乘之，以產生作為一第三控制訊號C3之高準位訊號。控制器74接收此第三控制訊號C3，並據此驅動第一電子開關48與第二電子開關50分別開啟與關閉，以利用輸入電壓VIN更新並穩定負載電壓VO。
在上述方法中，是利用及閘72接收第一控制訊號C1與第二控制訊號C2，並相乘之，以產生第三控制訊號C3。然後，控制器74接收此第三控制訊號C3，並據此驅動第一電子開關48與第二電子開關50利用輸入電壓VIN更新並穩定負載電壓VO。此外，亦可利用一驅動步驟來取代，即主控制裝置54接收第一控制訊號C1與第二控制訊號C2，並據此驅動第一電子開關48與第二電子開關50利用輸入電壓VIN更新並穩定負載電壓VO。
請同時參閱第3圖與第4圖，其中N節點為第一電子開關48之源極。在傳統技術中，當負載60產生變動時，例如當負載60從重載變成輕載時，則輸出電流IO就會迅速降低，且此時電感電流IL會隨著輸出電流IO降低。由於作為第二電子開關50之場效電晶體之源極與汲極的電壓降VDS會變的更低，故此時三角波訊號會有一負電壓產生，進而讓總 和訊號S小於目標電壓T，使第一電子開關48開啟，將能量提供給負載60，使負載電壓VO提高，如圖中虛線所示，迴授電壓F提高則代表負載電壓VO提高。換言之，因為三角波訊號有負電壓產生，所以相較三角波訊號沒有負電壓產生時，負載電壓VO可以更加提高。然而，在負載電壓VO尚未下降時，因為三角波訊號的負電壓過低，導致在下一週期時，負載電壓VO再度疊高。因此在本發明中，利用第二比較器70判斷迴授電壓F與目標電壓T的關係，協同及閘72的作用，在迴授電壓F大於目標電壓T時，關閉第一電子開關48，以阻擋能量提供給負載60，以穩定負載電壓VO，如圖中實線所示。除了負載暫態外，即便是負載在穩態時，利用本發明之在迴授電壓F大於目標電壓T時，阻擋能量提供之條件，依然可以穩定負載電壓VO。
綜上所述，本發明利用迴授電壓與目標電壓之間的大小關係，或僅具有正資訊的三角波訊號來作為切換電子開關之依據，達到穩定負載電壓的目的。

Claims (18)

  1. 一種電壓控制方法，包含下列步驟：分壓一負載上之負載電壓，以產生一迴授電壓，且擷取一週期性三角波訊號之絕對值，以產生一正迴授訊號；相加該迴授電壓與該正迴授訊號，以產生一總和訊號；比較該總和訊號及一目標電壓，並在該總和訊號小於該目標電壓時，產生一控制訊號；以及接收該控制訊號，並據此利用一輸入電壓更新並穩定該負載電壓。
  2. 如請求項1所述之電壓控制方法，其中該控制訊號為高準位訊號。
  3. 如請求項1所述之電壓控制方法，其中該負載連接一分壓器，其係分壓該負載電壓，以產生該迴授電壓。
  4. 如請求項3所述之電壓控制方法，其中該負載連接一第一電子開關與一第二電子開關，該第二電子開關接地，該第一電子開關接收該控制訊號，並根據該控制訊號利用該輸入電壓更新並穩定該負載電壓。
  5. 如請求項4所述之電壓控制方法，其中該負載並聯一電容。
  6. 如請求項5所述之電壓控制方法，其中該第二電子開關連接一絕對值產生器，其與該分壓器連接一加法器，該絕對值產生器接收橫跨該第二電子開關的電壓降，並據此擷取該三角波訊號之該絕對值，以產生該正迴授訊號給該加法器，該分壓器傳送該迴授電壓給該加法器，該加法器相加該正迴授訊號與該迴授電壓，以產生該總和訊號。
  7. 如請求項6所述之電壓控制方法，其中該加法器與一目標電壓產生器連接一比較控制器，該比較控制器連接該第一電子開關與該第二電子開關，該比較控制器接收該目標電壓產生器產生之該目標電壓與該總和訊號，將其比較後，產生該控制訊號給該第一電子開關，並驅動該第二電子開關。
  8. 如請求項7所述之電壓控制方法，其中該第一電子開關為開啟時，該第二電子開關為關閉，該第一電子開關為關閉時，該第二電子開關為開啟。
  9. 一種電壓控制方法，包含下列步驟：分壓一負載上之負載電壓，以產生一迴授電壓；相加該迴授電壓與一週期性三角波訊號，以產生一總和訊號；將該總和訊號與該迴授電壓分別與一目標電壓比較，並在該總和訊號與該迴授電壓皆小於該目標電壓時，分別產生一第一控制訊號與一第二控制訊號；以及接收該第一控制訊號與該第二控制訊號，並據此利用一輸入電壓更新並穩定該負載電壓。
  10. 如請求項9所述之電壓控制方法，其中該第一控制訊號與該第二控制訊號皆為高準位訊號。
  11. 如請求項9所述之電壓控制方法，其中在接收該第一控制訊號與該第二控制訊號，並據此利用該輸入電壓更新並穩定該負載電壓之步驟中，更包含下列步驟：接收該第一控制訊號與該第二控制訊號，並相乘之，以產生一第三控 制訊號；以及接收該第三控制訊號，並據此利用該輸入電壓更新並穩定該負載電壓。
  12. 如請求項11所述之電壓控制方法，其中該第三控制訊號為高準位訊號。
  13. 如請求項12所述之電壓控制方法，其中該負載連接一分壓器，其係分壓該負載電壓，以產生該迴授電壓。
  14. 如請求項13所述之電壓控制方法，其中該負載連接一第一電子開關與一第二電子開關，該第二電子開關接地，該第一電子開關與該第二電子開關連接一控制器，其係連接一及閘之輸出端，該及閘之輸入端連接一第一比較器與一第二比較器，該第一比較器接收該目標電壓與該總和訊號，並將其比較後，產生該第一控制訊號，該第二比較器接收該目標電壓與該迴授電壓，並將其比較後，產生該第二控制訊號，該及閘接收該第一控制訊號與該第二控制訊號，並相乘之，以產生該第三控制訊號，該控制器接收該第三控制訊號，並據此驅動該第一電子開關與該第二電子開關利用該輸入電壓更新並穩定該負載電壓。
  15. 如請求項14所述之電壓控制方法，其中該負載並聯一電容。
  16. 如請求項15所述之電壓控制方法，其中該第二電子開關與該分壓器連接一加法處理器，該加法處理器接收該迴授電壓與橫跨該第二電子開關的電壓降所形成的該三角波訊號，以 產生該總和訊號。
  17. 如請求項16所述之電壓控制方法，其中該加法處理器與一目標電壓產生器連接該第一比較器，其係接收該目標電壓產生器所產生之該目標電壓，該分壓器連接該第二比較器與該目標電壓產生器。
  18. 如請求項17所述之電壓控制方法，其中該第一電子開關為開啟時，該第二電子開關為關閉，該第一電子開關為關閉時，該第二電子開關為開啟。
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