TWI669892B - 直流－直流轉換控制器及其運作方法 - Google Patents

直流－直流轉換控制器及其運作方法 Download PDF

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Abstract

一種直流-直流轉換控制器，耦接輸出級。輸出級包括相位節點與操作開關。操作開關耦接於相位節點與接地電壓之間。直流-直流轉換控制器包括脈寬調變單元、零電位比較器及門檻電壓產生單元。脈寬調變單元耦接輸出級且提供脈寬調變信號至輸出級，以控制操作開關。零電位比較器具有第一輸入端、第二輸入端與輸出端。第一輸入端耦接相位節點。輸出端耦接脈寬調變單元且提供零電流電壓以調整脈寬調變信號。門檻電壓產生單元耦接相位節點與零電位比較器且提供門檻電壓至第二輸入端。門檻電壓產生單元依據預設電壓與相位節點上之相位電壓動態調整門檻電壓。

Description

直流-直流轉換控制器及其運作方法
本發明係與電源轉換有關，尤其是關於一種直流-直流轉換控制器及其運作方法。
當習知的直流-直流轉換控制器進行零電流(Zero Current,ZC)偵測時，其可能的誤差來源除了比較器本身的誤差之外，還包括訊號傳輸過程中之傳輸延遲誤差。目前雖已有多種方式用來改善比較器本身的誤差，但傳輸延遲誤差仍無法有效獲得改善。尤其是在未來高頻應用愈來愈盛行的情況下，傳輸延遲誤差造成的影響勢必會愈來愈大。
圖1及圖2分別繪示理想的直流-直流轉換控制器1與其轉換波形之示意圖。於理想的情況下，當脈寬調變信號LG使下橋開關LS導通時，電感電流IL曲線往下降，當電感電流IL於時間T0時降為零，脈寬調變信號LG使下橋開關LS關閉。
相較於圖2所示之理想的轉換波形，圖3A為轉換波形帶有正傳輸延遲誤差時之示意圖。如圖3A所示，當下橋開關LS的關閉時間T1晚於理想的關閉時間T0時，在輸出電感L上會產生與電流I2方向相反的電流，導致多餘的功率損耗；圖3B為轉換波形帶 有負傳輸延遲誤差時之示意圖，當下橋開關LS的關閉時間T2早於理想的關閉時間T0時，下橋開關LS的體二極體(Body diode)BD會導通，以維持輸出電感L上之電感電流IL能夠連續，但卻也導致多餘的功率損耗。
有鑑於此，本發明提出一種直流-直流轉換控制器及其運作方法，以有效解決先前技術所遭遇到之上述種種問題。
依據本發明之一具體實施例為一種直流-直流轉換控制器。於此實施例中，直流-直流轉換控制器耦接輸出級。輸出級包括相位節點與操作開關，且操作開關耦接於相位節點與接地電壓之間。直流-直流轉換控制器包括脈寬調變單元、零電位比較器與門檻電壓產生單元。脈寬調變單元耦接操作開關，且提供脈寬調變信號至操作開關。零電位比較器具有第一輸入端、第二輸入端與輸出端。第一輸入端耦接相位節點。輸出端耦接脈寬調變單元，且提供零電流電壓以調整脈寬調變信號。門檻電壓產生單元耦接相位節點與零電位比較器，且提供門檻電壓至第二輸入端。門檻電壓產生單元依據預設電壓與相位節點上之相位電壓動態調整門檻電壓。
於一實施例中，門檻電壓產生單元包括採樣單元、比較器及零電流控制器。脈寬調變信號控制操作開關周期性地導通與斷開。該門檻電壓產生單元依據第一周期的相位節點上之相位電壓選擇性地調整第二周期的門檻電壓，且第二周期晚於第一 周期。
於一實施例中，當第一周期的相位電壓大於預設電壓時，則調降第二周期的門檻電壓。
於一實施例中，當第一周期的相位電壓小於預設電壓時，則調升第二周期的門檻電壓。
依據本發明之一具體實施例為一種直流-直流轉換控制器運作方法。於此實施例中，直流-直流轉換控制器運作方法用以運作一直流-直流轉換控制器。直流-直流轉換控制器耦接輸出級。輸出級包括相位節點與操作開關，且操作開關耦接於相位節點與一接地電壓之間。直流-直流轉換控制器運作方法包括下列步驟：(a)提供脈寬調變信號至操作開關；(b)依據相位節點上之相位電壓與門檻電壓提供零電流電壓，以調整脈寬調變信號；以及(c)依據預設電壓與相位電壓動態調整門檻電壓。
相較於先前技術，依據本發明之直流-直流轉換控制器及其運作方法透過前一周期的相位節點上之相位電壓與預設電壓之比較結果，動態地調整下一周期的零電流電壓，藉以改善零電流偵測時之傳輸延遲誤差，避免先前技術中由於開關的關閉時間過早或過晚所造成的功率損耗，故能實現理想的零電流偵測機制。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
1‧‧‧直流-直流轉換控制器
10‧‧‧脈寬調變控制器
12‧‧‧補償單元
14‧‧‧零電位比較器
I1、I2‧‧‧電流
VTH‧‧‧門檻電壓
T0‧‧‧理想的關閉時間
T1、T2‧‧‧關閉時間
4‧‧‧直流-直流轉換控制器
40‧‧‧脈寬調變單元
42‧‧‧零電位比較器
44‧‧‧門檻電壓產生單元
400‧‧‧脈寬調變控制器
402‧‧‧補償單元
440‧‧‧採樣單元
442‧‧‧比較器
444‧‧‧零電流控制器
OS‧‧‧輸出級
HS、LS‧‧‧操作開關
LX‧‧‧相位節點
DR1~DR2‧‧‧驅動器
L‧‧‧輸出電感
C‧‧‧輸出電容
R1~R2‧‧‧分壓電阻
FB‧‧‧回授節點
+‧‧‧正輸入端
-‧‧‧負輸入端
K、J‧‧‧輸出端
VIN‧‧‧輸入電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓
VFB‧‧‧回授電壓
VL‧‧‧相位電壓
VZC‧‧‧零電流電壓
VD‧‧‧預設電壓
UG、LG‧‧‧脈寬調變信號
COMP‧‧‧補償信號
GND‧‧‧接地電壓
IL‧‧‧電感電流
VTH1~VTH3‧‧‧第一門檻電壓~第三門檻電壓
T01~T03‧‧‧理想關閉時間
TA1~TA3、TB1~TB3‧‧‧關閉時間
S10~S14‧‧‧步驟
圖1及圖2分別繪示習知的直流-直流轉換控制器與其理想的轉換波形之示意圖。
圖3A繪示當轉換波形帶有正傳輸延遲誤差時之示意圖。
圖3B繪示當轉換波形帶有負傳輸延遲誤差時之示意圖。
圖4繪示依據本發明之一具體實施例中之直流-直流轉換控制器的示意圖。
圖5繪示當操作開關之關閉時間晚於理想關閉時間之轉換波形的時序圖。
圖6繪示當操作開關之關閉時間早於理想關閉時間之轉換波形的時序圖。
圖7繪示當操作開關之關閉時間晚於理想關閉時間之連續轉換波形的時序圖。
圖8繪示當操作開關之關閉時間早於理想關閉時間之連續轉換波形的時序圖。
圖9繪示依據本發明之另一具體實施例中之直流-直流轉換控制器運作方法的流程圖。
現在將詳細參考本發明的示範性實施例，並在附圖中說明所述示範性實施例的實例。在圖式及實施方式中所使用相同或類似標號的元件/構件是用來代表相同或類似部分。
依據本發明之一具體實施例為一種直流-直流轉換控制器。於此實施例中，直流-直流轉換控制器可應用於直流-直流降壓轉換電路中，但不以此為限。請參照圖4，圖4繪示此實施例中之直流-直流轉換控制器的示意圖。
如圖4所示，直流-直流轉換控制器4耦接輸出級OS。輸出級包括驅動器DR1~DR2、操作開關HS、操作開關LS與相位節點LX。驅動器DR1-DR2分別耦接操作開關HS與LS之閘極；操作開關HS耦接於輸入電壓VIN與相位節點LX之間；操作開關LS耦接於相位節點LX與接地電壓GND之間。相位節點LX耦接於操作開關HS與操作開關LS之間且相位節點LX亦耦接於直流-直流轉換控制器4與輸出電感L之間。輸出電容C耦接於輸出電壓VOUT與接地電壓GND之間。分壓電阻R1與R2串接於輸出電壓VOUT與接地電壓GND之間。位於分壓電阻R1與R2之間的回授節點FB耦接直流-直流轉換控制器4，且回授節點FB上之回授電壓VFB與輸出電壓VOUT有關。
直流-直流轉換控制器4包括脈寬調變單元40、零電位比較器42與門檻電壓產生單元44。零電位比較器42具有正輸入端+、負輸入端-及輸出端K。脈寬調變單元40分別耦接零電位比較器42之輸出端K、輸出級OS及回授節點FB；零電位比較器42之正輸入端+與負輸入端-分別耦接相位節點LX與門檻電壓產生單元44且零電位比較器42之輸出端K耦接脈寬調變單元40；門檻電壓產生單元44分別耦接相位節點LX、零電位比較器42之負輸入端-及輸出級OS。
脈寬調變單元40用以分別提供脈寬調變信號UG及脈寬調變信號LG至輸出級OS。輸出級OS中之驅動器DR1~DR2分別依據脈寬調變信號UG及脈寬調變信號LG控制操作開關HS及操作開關LS之運作。脈寬調變單元40可包括脈寬調變控制器400及補償單元402。脈寬調變控制器400分別耦接零電位比較器42之輸出端K、補償單元402及輸出級OS，用以分別提供脈寬調變信號UG與脈寬調變信號LG至輸出級OS中之操作開關HS之閘極與操作開關LS之閘極。補償單元402分別耦接脈寬調變控制器400及回授節點FB，用以接收位於分壓電阻R1與R2之間的回授節點FB上之回授電壓VFB並依據與輸出電壓VOUT有關的回授電壓VFB提供補償信號COMP至脈寬調變控制器400。脈寬調變控制器400即可依據與輸出電壓VOUT有關的補償信號COMP選擇性地調整其輸出至輸出級OS中之操作開關HS及操作開關LS的脈寬調變信號UG及脈寬調變信號LG。
零電位比較器42之正輸入端+用以接收相位節點LX上之相位電壓VL；零電位比較器42之負輸入端-用以接收門檻電壓產生單元44所提供的門檻電壓VTH。零電位比較器42依據相位電壓VL與門檻電壓VTH之比較結果產生零電流電壓VZC，並透過其輸出端K將零電流電壓VZC提供至脈寬調變單元40中之脈寬調變控制器400。脈寬調變控制器400即可依據零電流電壓VZC選擇性地調整其輸出至輸出級OS中之操作開關HS及LS的脈寬調變信號UG及LG。
門檻電壓產生單元44用以依據相位節點LX上之相位電壓VL與預設電壓VD提供門檻電壓VTH至零電位比較器42之負輸入端-。門檻電壓產生單元44可包括採樣單元440、比較器442及零電流控制器444。比較器442具有正輸入端+、負輸入端-及輸出端J。採樣單元440分別耦接相位節點LX、比較器442之正輸入端+及操作開關LS之閘極；比較器442之正輸入端+及負輸入端-分別耦接採樣單元440及預設電壓VD且比較器442之輸出端J耦接零電流控制器444；零電流控制器444分別耦接比較器442之輸出端J與零電位比較器42之負輸入端-。
採樣單元440會持續偵測脈寬調變單元40提供至操作開關LS之閘極的脈寬調變信號LG之下降緣(Falling edge)，亦即採樣單元440持續偵測脈寬調變信號LG是否由高電壓位準(High-level)轉變為低電壓位準(Low-level)。
當採樣單元440偵測到脈寬調變信號LG由高電壓位準轉變為低電壓位準時(例如第一周期)，採樣單元440會對相位節點LX上之相位電壓VL採樣並將相位電壓VL提供至比較器442之正輸入端+。比較器442會將相位電壓VL與預設電壓VD進行比較，並將比較結果提供給零電流控制器444，並由零電流控制器444依據比較器442之比較結果選擇性地調整下一周期(例如第二周期)提供給零電位比較器42之負輸入端-的門檻電壓VTH，以減少誤差來實現理想的零電流偵測機制。
如圖5所示，假設預設電壓VD為接地電壓GND，若脈 寬調變信號LG在晚於理想關閉時間T0的時間T1才由高電壓位準轉變為低電壓位準，相位節點LX上之相位電壓VL在過了理想關閉時間T0後仍會持續上升，使得採樣單元440在時間T1所採得的相位電壓VL會大於接地電壓GND。因此，零電流控制器444會依據此一比較結果調降下一周期的門檻電壓VTH，使得脈寬調變信號LG在下一周期會提早由高電壓位準轉變為低電壓位準之時間，使操作開關LS在下一周期之關閉時間會較趨近於理想關閉時間T0，以減少誤差。
如圖6所示，假設預設電壓VD為接地電壓GND，若脈寬調變信號LG在早於理想關閉時間T0的時間T2就已由高電壓位準轉變為低電壓位準，相位節點LX上之相位電壓VL尚未上升到接地電壓GND時操作開關LS即被關閉，使得採樣單元440在時間T2所採得的相位電壓VL會小於接地電壓GND。因此，零電流控制器444會依據此一比較結果調升下一周期的門檻電壓VTH，使得脈寬調變信號LG在下一周期會延後由高電壓位準轉變為低電壓位準之時間，使操作開關LS在下一周期之關閉時間會較趨近於理想關閉時間T0，以減少誤差。
承上所述，若採樣單元440採得之相位電壓VL等於接地電壓GND，代表操作開關LS在理想關閉時間T0被關閉，因此，零電流控制器444即會依據此一比較結果不調整下一周期的門檻電壓VTH，使得操作開關LS在下一周期之關閉時間仍維持於理想關閉時間T0不變。
請參照圖7，圖7繪示當操作開關之關閉時間晚於理想關閉時間之連續轉換波形的時序圖。如圖7所示，假設操作開關LS於第一周期~第三周期之理想關閉時間分別為T01~T03，且預設電壓VD為第三參考電壓VTH3。
於第一周期中，假設採樣單元440於脈寬調變信號LG由高電壓位準轉變為低電壓位準時(即時間TA1)取得之相位電壓VL為VTH1且大於預設電壓VD(在此例中假設為VTH3)，代表操作開關LS太晚關閉，導致相位節點LX上之相位電壓VL在過了理想關閉時間T01後仍會持續上升而大於預設電壓VD，此時零電流控制器444會依據相位電壓VL(第一門檻電壓VTH1)大於預設電壓VD(第三門檻電壓VTH3)之比較結果調降第二周期的門檻電壓VTH為例如第二門檻電壓VTH2。
於第二周期中，脈寬調變信號LG會提早於關閉時間TA2由高電壓位準轉變為低電壓位準以關閉操作開關LS。同理，假設在時間TA2所測得的相位電壓VL為第二門檻電壓VTH2且大於預設電壓VD(於此例為VTH3)，則零電流控制器444會依據相位電壓VL(第二門檻電壓VTH2)大於預設電壓VD之比較結果再度調降第三周期的門檻電壓VTH為例如第三門檻電壓VTH3。雖然操作開關LS於第二周期關閉之關閉時間TA2仍略晚於第二周期的理想關閉時間T02，但已比第一周期更趨近理想關閉時間。
因此，於第三周期中，零電流控制器444會依據相位電壓VL(第二參考電壓VTH2)大於預設電壓VD(第三參考電壓 VTH3)之比較結果調降第三周期的參考電壓為例如第三參考電壓VTH3，使得脈寬調變信號LG之下降緣會提早於關閉時間TA3出現，由於操作開關LS於第三周期關閉之關閉時間TA3等於第三周期的理想關閉時間T03，故可有效將誤差降至最低。
由上述可知：當操作開關LS之關閉時間於第一周期晚於理想關閉時間時，零電流控制器444會於接下來的第二周期及第三周期依據相位電壓VL大於預設電壓VD之比較結果持續調降門檻電壓，亦即第二門檻電壓VTH2小於第一門檻電壓VTH1且第三門檻電壓VTH3小於第二門檻電壓VTH2。依此類推，直至相位電壓VL等於預設電壓VD為止。
請參照圖8，圖8繪示當操作開關之關閉時間早於理想關閉時間之連續轉換波形的時序圖。如圖8所示，假設操作開關LS於第一周期~第三周期之理想關閉時間分別為T01~T03。
於第一周期中，假設採樣單元440於操作信號LG由高電壓位準轉變為低電壓位準時(即時間TB1)測得之相位電壓VL為第一門檻電壓VTH1且預設電壓VD為第三門檻電壓VTH3，而VTH1<VTH3，代表操作開關LS在相位節點LX上之相位電壓VL尚未上升至預設電壓VD之前即關閉。此時零電流控制器444會依據相位電壓VL(第一門檻電壓VTH1)小於預設電壓VD(第三門檻電壓VTH3)之比較結果調升第二周期的門檻電壓為例如第二門檻電壓VTH2。
於第二周期中，脈寬調變信號LG會延後於關閉時間 TB2由高電壓位準轉變為低電壓位準以關閉操作開關LS。同理，假設在關閉時間TB2所測得的相位電壓VL為第二門檻電壓VTH2且預設電壓VD為第三門檻電壓VTH3，則零電流控制器444會依據相位電壓VL(第二門檻電壓VTH2)小於預設電壓VD(第三門檻電壓VTH3)之比較結果再度調升第三周期的門檻電壓為例如第三門檻電壓VTH3。雖然操作開關LS於第二周期關閉之關閉時間TB2仍略早於第二周期的理想關閉時間T02，但已比第一周期更趨近理想關閉時間。
於第三周期中，零電流控制器444會依據相位電壓VL(第二參考電壓VTH2)小於預設電壓VD(第三參考電壓VTH3)之比較結果調升第三周期的參考電壓為例如第三參考電壓VTH3，使得脈寬調變信號LG之下降緣會延後於關閉時間TB3出現，由於操作開關LS於第三周期關閉之關閉時間TB3等於第三周期的理想關閉時間T03，故可有效將誤差降至最低。
由上述可知：當操作開關LS之關閉時間於第一周期早於理想關閉時間時，零電流控制器444會於接下來的第二周期及第三周期依據相位電壓VL小於預設電壓VD之比較結果持續調升門檻電壓，亦即第二門檻電壓VTH2大於第一門檻電壓VTH1且第三門檻電壓VTH3大於第二門檻電壓VTH2。依此類推，直至相位電壓VL與預設電壓VD之比較結果為相位電壓VL等於預設電壓VD為止。
依據本發明之另一具體實施例為一種直流-直流轉換 控制器運作方法。於此實施例中，直流-直流轉換控制器運作方法用以運作一直流-直流轉換控制器。直流-直流轉換控制器耦接一輸出級。輸出級包括一相位節點與一操作開關(下橋開關)，且操作開關耦接於相位節點與一接地電壓之間。
請參照圖9，圖9繪示此實施例中之直流-直流轉換控制器運作方法的流程圖。如圖9所示，直流-直流轉換控制器運作方法可包括下列步驟：步驟S10：提供脈寬調變信號至操作開關；步驟S12：依據相位節點上之相位電壓與門檻電壓提供零電流電壓，以調整脈寬調變信號；以及步驟S14：依據預設電壓與相位電壓動態調整門檻電壓。
於步驟S10之後，脈寬調變信號控制操作開關周期性地導通與斷開，該方法還可依據前一周期(例如第一周期)的相位節點上之相位電壓選擇性地調整下一周期(例如第二周期)的門檻電壓，第二周期晚於第一周期。
於實際應用中，該方法可依據前一周期(例如第一周期)的相位電壓與預設電壓之比較結果選擇性地調整下一周期(例如第二周期)的門檻電壓。
舉例而言，當第一周期的相位電壓大於預設電壓時，該方法調降第二周期的門檻電壓；當第一周期的相位電壓小於預設電壓時，該方法調升第二周期的門檻電壓；當第一周期的 相位電壓等於預設電壓時，則不調整第二周期的門檻電壓。其餘周期亦可依此類推，故於此不另行贅述。
於實際應用中，該方法還可依據與輸出電壓有關之回授電壓產生調整脈寬調變信號，但不以此為限。此外，輸出級還包括另一操作開關(上橋開關)，且另一操作開關耦接於輸入電壓與相位節點之間。該方法還提供另一脈寬調變信號至該另一操作開關。
相較於先前技術，依據本發明之直流-直流轉換控制器及其運作方法透過前一周期的相位節點上之相位電壓與預設電壓之比較結果動態地調整下一周期的零電流電壓，藉以改善零電流偵測時之傳輸延遲誤差，避免先前技術中由於下橋開關的關閉時間過早或過晚所造成的功率損耗，故能實現理想的零電流偵測機制。

Claims (8)

  1. 一種直流-直流轉換控制器，耦接一輸出級，該輸出級包括一相位節點與一操作開關，且該操作開關耦接於該相位節點與一接地電壓之間，該直流-直流轉換控制器包括：一脈寬調變單元，耦接該輸出級，且提供一脈寬調變信號至該輸出級，以控制該操作開關；一零電位比較器，具有一第一輸入端、一第二輸入端與一輸出端，該第一輸入端耦接該相位節點，該輸出端耦接該脈寬調變單元，且提供一零電流電壓以調整該脈寬調變信號；以及一門檻電壓產生單元，耦接該相位節點與該零電位比較器，且提供一門檻電壓至該第二輸入端，其中該門檻電壓產生單元依據一預設電壓與該相位節點上之一相位電壓動態調整該門檻電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之直流-直流轉換控制器，其中該門檻電壓產生單元包括一採樣單元、一比較器及一零電流控制器，該脈寬調變信號控制該操作開關周期性地導通與斷開，該門檻電壓產生單元依據一第一周期的該相位節點上之該相位電壓選擇性地調整一第二周期的該門檻電壓，且該第二周期晚於該第一周期。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之直流-直流轉換控制器，其中當該第一周期的該相位電壓大於該預設電壓時，則調降該第二周期的該門檻電壓。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之直流-直流轉換控制器，其中當該第一周期的該相位電壓小於該預設電壓時，則調升該第二周期的該門檻電壓。
  5. 一種直流-直流轉換控制器運作方法，用以運作一直流-直流轉換控制器，該直流-直流轉換控制器耦接一輸出級，該輸出級包括一相位節點與一操作開關，且該操作開關耦接於該相位節點與一接地電壓之間，該直流-直流轉換控制器運作方法包括下列步驟：(a)提供一脈寬調變信號至該操作開關；(b)依據該相位節點上之一相位電壓與一門檻電壓提供一零電流電壓，以調整該脈寬調變信號；以及(c)依據一預設電壓與該相位電壓動態調整該門檻電壓。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之直流-直流轉換控制器運作方法，還包括：該脈寬調變信號控制該操作開關周期性地導通與斷開；以及依據一第一周期的該相位節點上之該相位電壓選擇性地調整一第二周期的該門檻電壓，其中該第二周期晚於該第一周期。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之直流-直流轉換控制器運作方法，還包括：當該第一周期的該相位電壓大於該預設電壓時，則調降該第二周期的該門檻電壓。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之直流-直流轉換控制器運作方法，還包括：當該第一周期的該相位電壓小於該預設電壓時，則調升該第二周期的該門檻電壓。
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