TWI681613B - 模擬電感電流控制的電壓轉換器 - Google Patents

模擬電感電流控制的電壓轉換器 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種模擬電感電流控制的電壓轉換器，其根據控制電路產生的工作訊號、輸入電壓與輸出電壓來模擬功率級電路中的電感電流，以實現利用非感測的方式偵測電感電流。藉此，本發明的電壓轉換器可以減少感測電路的使用以減少成本，產生的電感電流斜坡相對於習知感測方法不會有失真現象，且可以提高偵測電感電流的準確度。

Description

模擬電感電流控制的電壓轉換器
本發明提供一種電壓轉換器，且特別是關於一種模擬電感電流控制的電壓轉換器。
對於系統中的電源管理，一般常會使用電壓轉換器來提供不同準位的操作電壓。理想的電壓轉換器能提供一個穩定的輸出電壓和大範圍的輸出電流，使輸出電壓在負載瞬間變化時，仍然可以穩定在原本的電壓位準並快速地提供相對應的負載電流，因此能有效率地進行電壓轉換。
電壓轉換器具有多種型式，例如降壓型電壓轉換器(Buck Converter)、升壓型電壓轉換器(Boost Converter)與升降壓型電壓轉換器(Buck-Boost Converter)等。圖1顯示習知電流控制的電壓轉換器的示意圖。如圖1所示，電壓轉換器10為用來將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout，以據此驅動一負載(以負載電容Cout來表示)。電壓轉換器10包括一功率級電路12、一閘極驅動電路14、一控制電路16與一電流感測器18。電流感測器18耦接功率級電路12且偵測功率級電路12中流經一電感的一電感電流(未繪於圖式中)，以產生代表電感電流的斜率訊號Vramp。
控制電路16耦接功率級電路12與電流感測器18。更進一步來說，控制電路16包括一回授及補償器16a、一比較器16b與一開關控制器16c。回授及補償器16a產生關聯於輸出電壓Vout的 一回授誤差訊號Vc。比較器16b根據關聯於輸出電壓Vout的回授誤差訊號Vc與代表電感電流的斜率訊號Vramp產生一比較結果CPO。而開關控制器16c再根據比較結果CPO產生多個工作訊號Z1-Zn。
閘極驅動電路14耦接於該控制電路16與該功率級電路12之間。而閘極驅動電路14分別將這些工作訊號Z1-Zn轉換為多個閘極驅動訊號Tr1-Trn，以週期性地控制功率級電路12中的每個開關元件(未繪於圖式中)，進而對功率級電路12中的電感(未繪於圖式中)進行充電或放電，以藉此產生所需的負載電流以及穩定的輸出電壓Vout。
然而，電流感測器18以直接感測的方式偵測電感電流，其在轉換(即電流轉電壓的訊號轉換)的過程中會造成物理上的失真現象，導致代表電感電流的斜率訊號Vramp不準確，進一步在控制的過程產生誤動作。因此，若可以非感測的方式偵測電感電流，其將不會有失真現象且可以提高偵測電感電流的準確度。
本發明之目的在於提供一種模擬電感電流控制的電壓轉換器，其根據控制電路產生的工作訊號、輸入電壓與輸出電壓來模擬功率級電路中的電感電流，以實現利用非感測的方式偵測電感電流。藉此，本發明的電壓轉換器可以減少感測電路的使用以減少成本，產生的電感電流斜坡相對於習知感測方法不會有失真現象，且可以提高偵測電感電流的準確度。此外，習知感測方法會受限於實際應用條件(例如感測阻抗的變異)而降低準確度。
本發明的電壓轉換器則是模擬電感電流控制方法，且不受實際應用條件的限制。本發明實施例提供一種模擬電感電流控制的電壓轉換器，用以將一輸入電壓轉換成一輸出電壓。以降壓電壓轉換器為例，電壓轉換器包括一功率級電路、一閘極驅動電路、 一控制電路與一電感電流斜坡產生器。功率級電路具有一上橋開關、一下橋開關與一電感。上橋開關耦接下橋開關，且電感耦接於上橋開關與下橋開關之間。閘極驅動電路耦接功率級電路。閘極驅動電路根據多個工作訊號週期性地控制上橋開關與下橋開關以對電感進行充電或放電，並根據流經電感的一電感電流產生輸出電壓。控制電路耦接於功率級電路與閘級驅動電路之間。控制電路產生關聯於輸出電壓的一回授誤差訊號，且根據回授誤差訊號與關聯於電感電流的一斜率訊號產生些工作訊號。電感電流斜坡產生器耦接控制電路與功率級電路。當閘極驅動電路驅動功率級電路以對電感進行充電時，電感電流斜坡產生器根據這些工作訊號其中之一、輸入電壓與輸出電壓升高斜率訊號，以模擬電感電流。當閘極驅動電路驅動功率級電路以對電感進行放電時，電感電流斜坡產生器根據這些工作訊號其中之一與輸出電壓降低斜率訊號，以模擬電感電流。
本發明實施例提供一種模擬電感電流控制的升降壓電壓轉換器，用以將一輸入電壓轉換成一輸出電壓。電壓轉換器包括一功率級電路、一閘極驅動電路、一控制電路與一電感電流斜坡產生器。功率級電路具有一第一開關、一第二開關、一第三開關、一第四開關與一電感。電感之一端耦接於第一開關與第二開關之間，且電感之另一端耦接於第三開關與第四開關之間。閘極驅動電路耦接功率級電路。閘極驅動電路根據多個工作訊號週期性地控制第一開關、第二開關、第三開關與第四開關以於一降壓模式或一升壓模式下對電感進行充電或放電，並根據流經電感的一電感電流產生輸出電壓。控制電路耦接於功率級電路與閘級驅動電路之間。控制電路產生關聯於輸出電壓的一回授誤差訊號，且根據回授誤差訊號與關聯於電感電流的一斜率訊號產生這些工作訊號。電感電流斜坡產生器耦接控制電路與功率級電路。於降壓模式且閘極驅動電路驅動功率級電路以對電感進行充電時，電感電流斜 坡產生器根據控制第一開關與第二開關的這些工作訊號其中之一、輸入電壓與輸出電壓升高斜率訊號，以模擬電感電流。於降壓模式且閘極驅動電路驅動功率級電路以對電感進行放電時，電感電流斜坡產生器根據控制第一開關與第二開關的這些工作訊號其中之一與輸出電壓降低斜率訊號，以模擬電感電流。於升壓模式且閘極驅動電路驅動功率級電路以對電感進行充電時，電感電流斜坡產生器根據控制第三開關與第四開關的這些工作訊號其中之一、輸入電壓升高斜率訊號，以模擬電感電流。於升壓模式且閘極驅動電路驅動功率級電路以對電感進行放電時，電感電流斜坡產生器根據控制第三開關與第四開關的這些工作訊號其中之一、輸入電壓與輸出電壓降低斜率訊號，以模擬電感電流。
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。
10‧‧‧電壓轉換器
12‧‧‧功率級電路
14‧‧‧閘極驅動電路
16‧‧‧控制電路
16a‧‧‧回授及補償器
16b‧‧‧比較器
16c‧‧‧開關控制器
18‧‧‧電流感測器
100、200、300‧‧‧電壓轉換器
110、210、310‧‧‧功率級電路
120、220、320‧‧‧閘極驅動電路
130、230、330‧‧‧控制電路
132、232、332‧‧‧回授及補償器
134、234、334‧‧‧比較器
136、236、336‧‧‧開關控制器
140、240、340‧‧‧電感電流斜坡產生器
142、242、342‧‧‧放電開關
144、244、344‧‧‧充電開關
Ic‧‧‧充電電流
Id‧‧‧放電電流
CS‧‧‧控制訊號
Vin‧‧‧輸入電壓
Tr1、Tr2、Tr3、Tr4、Tr5、Tr6、Tr7、Tr8、Tr1-Trn‧‧‧閘極驅動訊號
UP‧‧‧上橋開關
DN‧‧‧下橋開關
IL‧‧‧電感電流
L‧‧‧電感
Vout‧‧‧輸出電壓
Cout‧‧‧負載電容
Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7、Z8、Z1-Zn‧‧‧工作訊號
CPO‧‧‧比較結果
Vc‧‧‧回授誤差訊號
Vramp‧‧‧斜率訊號
Cramp‧‧‧電容
SW1‧‧‧第一開關
SW2‧‧‧第二開關
SW3‧‧‧第三開關
SW4‧‧‧第四開關
圖1是習知電流控制的電壓轉換器的示意圖。
圖2A是本發明一實施例之降壓型電壓轉換器的示意圖。
圖2B是圖2A的電感電流斜坡產生器的示意圖。
圖2C是圖2A的模擬電感電流的波形圖。
圖3A是本發明一實施例之升壓型電壓轉換器的示意圖。
圖3B是圖3A的電感電流斜坡產生器的示意圖。
圖3C是圖3A的模擬電感電流的波形圖。
圖4A是本發明一實施例之升降壓型電壓轉換器的示意圖。
圖4B是圖4A在降壓模式下的電感電流斜坡產生器的示意圖。
圖4C是圖4A在降壓模式下模擬電感電流的波形圖。
圖4D是圖4A在升壓模式下的電感電流斜坡產生器的示意 圖。
圖4E是圖4A在升壓模式下模擬電感電流的波形圖。
在下文中，將藉由圖式說明本發明之各種例示實施例來詳細描述本發明。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。此外，在圖式中相同參考數字可用以表示類似的元件。
本發明實施例所提供的模擬電感電流控制的電壓轉換器，其利用電感電流斜坡產生器來模擬功率級電路中流經電感的電感電流，以實現利用非感測的方式偵測電感電流。更進一步來說，當電壓轉換器為降壓型電壓轉換器(buck converter)或升壓型電壓轉換器(boost converter)時，功率級電路具有兩個開關元件，而電感電流斜坡產生器將根據控制兩個開關元件的工作訊號、輸入電壓與輸出電壓來模擬流經電感的電感電流。當電壓轉換器為升降壓型電壓轉換器(buck-boost converter)時，功率級電路具有四個開關元件，而電感電流斜坡產生器將在降壓模式或升壓模式下根據控制四個開關元件的工作訊號、輸入電壓與輸出電壓來模擬流經電感的電感電流。藉此，本發明的電壓轉換器可以減少感測電路的使用以減少成本，產生的電感電流斜坡相對於習知感測方法不會有失真現象，且可以提高偵測電感電流的準確度。此外，習知感測方法會受限於實際應用條件(例如感測阻抗的變異)而降低準確度。本發明實施例的電壓轉換器則是模擬電感電流控制方法，且不受實際應用條件的限制。以下將進一步介紹本發明揭露之模擬電感電流控制的電壓轉換器。
首先，請參考圖2A，其顯示本發明一實施例之降壓型電壓轉換器的示意圖。如圖2A所示，電壓轉換器100為用來將一輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout，以據此驅動一負載(以負載電容Cout 來表示)。電壓轉換器100包括一功率級電路110、一閘極驅動電路120、一控制電路130與一電感電流斜坡產生器140。功率級電路110具有一上橋開關UP、一下橋開關DN與一電感L。上橋開關UP耦接於下橋開關DN與電感L。更進一步來說，本實施例的功率級電路110為降壓型電壓轉換器的功率級電路。因此，上橋開關UP之一端接收輸入電壓Vin，上橋開關UP之另一端透過下橋開關DN接地。電感L耦接於上橋開關UP與下橋開關DN之間，且流經電感L的電感電流IL產生小於輸入電壓Vin的輸出電壓Vout。
閘極驅動電路120耦接功率級電路110。閘極驅動電路120根據多個工作訊號Z1與Z2週期性地控制上橋開關UP與下橋開關DN以對功率級電路110中的電感L進行充電或放電，並根據流經電感L的一電感電流IL產生輸出電壓Vout。更進一步來說，閘極驅動電路120分別將這些工作訊號Z1與Z2對應轉換為閘極驅動訊號Tr1與Tr2，以分別控制上橋開關UP與下橋開關DN的開啟(turned-on)與關閉(turned-off)，使得電感電流IL產生小於輸入電壓Vin的輸出電壓Vout。舉例來說，閘極驅動電路120根據工作訊號Z1與Z2開啟上橋開關UP且關閉下橋開關DN，以對電感L進行充電。閘極驅動電路120根據工作訊號Z1與Z2關閉上橋開關UP且開啟下橋開關DN，以對電感L進行放電。
控制電路130耦接於功率級電路110與閘級驅動電路120之間。控制電路130產生關聯於輸出電壓Vout的回授誤差訊號Vc，且根據回授誤差訊號Vc與關聯於電感電流IL的一斜率訊號Vramp產生工作訊號Z1與Z2。更進一步來說，控制電路130包括一回授及補償器132、一比較器134與一開關控制器136。而有關控制電路130中的回授及補償器132、比較器134與開關控制器136的連接關係與實施方式大致上與習知控制電路16中的回授及補償器16a、比較器16b與開關控制器16c的連接關係與實施方式， 故在此不再贅述。
不同的地方在於，在本實施例中，關聯於電感電流IL的斜率訊號Vramp為由電感電流斜坡產生器140產生。電感電流斜坡產生器140耦接控制電路130與功率級電路110。電感電流斜坡產生器140接收工作訊號Z1與Z2其中之一、輸入電壓Vin與輸出電壓Vout，以據此模擬流經電感L的電感電流IL。
請同時參考圖2C中的電感電流IL與斜率訊號Vramp的波形圖，當閘極驅動電路120驅動功率級電路110以對電感L進行充電時，流經電感L的電感電流IL上升。此時，電感電流斜坡產生器140將根據這些工作訊號Z1與Z2其中之一、輸入電壓Vin與輸出電壓Vout升高斜率訊號Vramp，以模擬電感電流IL。而當閘極驅動電路120驅動功率級電路110以對電感L進行放電時，流經電感L的電感電流IL下降。此時，電感電流斜坡產生器140將根據這些工作訊號Z1與Z2其中之一與輸出電壓Vout降低斜率訊號Vramp，以模擬電感電流IL。
更進一步來說，如圖2B-2C所示，電感電流斜坡產生器140包括一放電開關142、一充電開關144、一放電電流Id、一充電電流Ic與一電容Cramp。放電開關142串接放電電流Id，且放電電流Id關聯於具有一第一倍率K1的輸出電壓Vout，即Id=K1*Vout。充電開關144串接充電電流Ic，且充電電流Ic關聯於具有一第二倍率K2的輸入電壓Vin，即Ic=K2*Vin。而電容Cramp並聯於放電電流Id與充電電流Ic，且放電電流Id與充電電流Ic的電流方向相反。
當閘極驅動電路120驅動功率級電路110以對電感L進行充電時，電感電流IL上升。此時，放電開關142將根據高準位維持導通，充電開關144將根據工作訊號Z1與Z2其中之一導通。而充電電流Ic(即K2*Vin)將對電容Cramp充電(即(K2*Vin)/Cramp的電量)且放電電流Id(即K1*Vout)對電容Cramp放電(即 (K1*Vout)/Cramp的電量)，以產生斜率訊號Vramp至控制電路130。
值得注意的是，放電開關142可根據電壓轉換器100或外部電路產生的高準位來維持導通，本發明對此不作限制。而充電開關144可根據工作訊號Z1或Z2其中之一來導通。在本實施例中，充電開關144是根據工作訊號Z1來導通。而工作訊號Z1與Z2為反向訊號。因此，若充電開關144是根據工作訊號Z2來導通，充電開關144可以反向工作訊號Z2，以實現工作訊號Z1。
如圖2C所示，斜率訊號Vramp根據電容Cramp的電量上升為：
Figure 107103842-A0101-12-0008-1
 而若第一倍率K1與第二倍率K2匹配(即K=K1=K2)，斜率訊號Vramp可整理為：
Figure 107103842-A0101-12-0008-2
此外，當閘極驅動電路120驅動功率級電路110以對電感L進行放電時，電感電流IL下降。此時，放電開關142將根據高準位維持導通，充電開關144將根據工作訊號Z1與Z2其中之一截止。而放電電流Id將對電容Cramp(即K1*Vout)放電(即(K1*Vin)/Cramp的電量)，以產生斜率訊號Vramp至控制電路130。
此時，斜率訊號Vramp根據電容Cramp的電量下降為：
Figure 107103842-A0101-12-0008-3
 而若第一倍率K1與第二倍率K2匹配(即K=K1=K2)，斜率訊號Vramp可整理為：
Figure 107103842-A0101-12-0009-4
藉此，當閘極驅動電路120驅動功率級電路110以對電感L進行充電時，電感電流IL上升，電感電流斜坡產生器140產生的斜率訊號Vramp將可模擬電感電流IL的上升狀況。當閘極驅動電路120驅動功率級電路110以對電感L進行放電時，電感電流IL下降，電感電流斜坡產生器140產生的斜率訊號Vramp同樣可模擬電感電流IL的下降狀況。
由上述可知，電壓轉換器100可利用電感電流斜坡產生器140來模擬功率級電路110中流經電感L的電感電流IL，以實現利用非感測的方式偵測電感電流IL。
在其他實施例中，請參考圖3A，其顯示本發明一實施例之升壓型電壓轉換器的示意圖。如圖3A所示，電壓轉換器200為用來將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout，以據此驅動一負載(以負載電容Cout來表示)。電壓轉換器200包括一功率級電路210、一閘極驅動電路220、一控制電路230與一電感電流斜坡產生器240。功率級電路210具有一上橋開關UP、一下橋開關DN與一電感L。上橋開關UP耦接於下橋開關DN與電感L。更進一步來說，本實施例的功率級電路210為升壓型電壓轉換器的功率級電路。因此，電感L之一端接收輸入電壓Vin，且電感L之另一端耦接於上橋開關UP與下橋開關DN之間。而流經電感L的電感電流IL則產生大於輸入電壓Vin的輸出電壓Vout。
閘極驅動電路220耦接功率級電路210。閘極驅動電路220根據多個工作訊號Z3與Z4週期性地控制上橋開關UP與下橋開關DN以對功率級電路210中的電感L進行充電或放電，並根據流經電感L的一電感電流IL產生輸出電壓Vout。更進一步來說，閘極驅動電路220分別將這些工作訊號Z3與Z4對應轉換為閘極驅動訊號Tr3與Tr4，以分別控制上橋開關UP與下橋開關DN的 開啟(turned-on)與關閉(turned-off)，使得電感電流IL產生大於輸入電壓Vin的輸出電壓Vout。舉例來說，閘極驅動電路220根據工作訊號Z3與Z4關閉上橋開關UP且開啟下橋開關DN，以對電感L進行充電。閘極驅動電路220根據工作訊號Z3與Z4開啟上橋開關UP且關閉下橋開關DN，以對電感L進行放電。
控制電路230耦接於功率級電路210與閘級驅動電路220之間。控制電路230產生關聯於輸出電壓Vout的回授誤差訊號Vc，且根據回授誤差訊號Vc與關聯於電感電流IL的一斜率訊號Vramp產生工作訊號Z3與Z4。更進一步來說，控制電路230包括一回授及補償器232、一比較器234與一開關控制器236。而有關控制電路230中的回授及補償器232、比較器234與開關控制器236的連接關係與實施方式大致上與習知控制電路16中的回授及補償器16a、比較器16b與開關控制器16c的連接關係與實施方式，故在此不再贅述。
不同的地方在於，在本實施例中，關聯於電感電流IL的斜率訊號Vramp為由電感電流斜坡產生器240產生。電感電流斜坡產生器240耦接控制電路230與功率級電路210。電感電流斜坡產生器240接收工作訊號Z3與Z4其中之一、輸入電壓Vin與輸出電壓Vout，以據此模擬流經電感L的電感電流IL。
請同時參考圖3C中的電感電流IL與斜率訊號Vramp的波形圖，當閘極驅動電路220驅動功率級電路210以對電感L進行充電時，流經電感L的電感電流IL上升。此時，電感電流斜坡產生器240將根據這些工作訊號Z3與Z4其中之一與輸入電壓Vin升高斜率訊號Vramp，以模擬電感電流IL。而當閘極驅動電路220驅動功率級電路210以對電感L進行放電時，流經電感L的電感電流IL下降。此時，電感電流斜坡產生器240將根據這些工作訊號Z3與Z4其中之一、輸入電壓Vin與輸出電壓Vout降低斜率訊號Vramp，以模擬電感電流IL。
更進一步來說，如圖3B-3C所示，電感電流斜坡產生器240包括一放電開關242、一充電開關244、一放電電流Id、一充電電流Ic與一電容Cramp。放電開關242串接放電電流Id，且放電電流Id關聯於具有一第一倍率K1的輸出電壓Vout，即Id=K1*Vout。充電開關244串接充電電流Ic，且充電電流Ic關聯於具有一第二倍率K2的輸入電壓Vin，即Ic=K2*Vin。而電容Cramp並聯於放電電流Id與充電電流Ic，且放電電流Id與充電電流Ic的電流方向相反。
當閘極驅動電路220驅動功率級電路210以對電感L進行充電時，電感電流IL上升。此時，充電開關244將根據高準位維持導通，放電開關242將根據工作訊號Z3與Z4其中之一截止。而充電電流Ic(即K2*Vin)將對電容Cramp充電(即(K2*Vin)/Cramp的電量)，以產生斜率訊號Vramp至控制電路230。
值得注意的是，充電開關244可根據電壓轉換器200或外部電路產生的高準位來維持導通，本發明對此不作限制。而放電開關242可根據工作訊號Z3或Z4其中之一來截止。在本實施例中，放電開關242是根據工作訊號Z3來導通。而工作訊號Z3與Z4為反向訊號。因此，若放電開關242是根據工作訊號Z4來截止，放電開關242可以反向工作訊號Z4，以實現工作訊號Z3。
如圖3C所示，斜率訊號Vramp根據電容Cramp的電量上升為：
Figure 107103842-A0101-12-0011-5
 而若第一倍率K1與第二倍率K2匹配一倍率值K(即K=K1=K2)，且可利用倍率值K的倒數與電容Cramp的電容值匹配電感電流IL時(代表此時斜率訊號Vramp之斜率等於電感電流IL之斜率)，斜率訊號Vramp可整理為：
Figure 107103842-A0101-12-0012-6
此外，當閘極驅動電路220驅動功率級電路210以對電感L進行放電時，電感電流IL下降。此時，充電開關244將根據高準位維持導通，放電開關242將根據工作訊號Z3與Z4其中之一開啟。而充電電流Ic(即K2*Vin)將對電容Cramp充電(即(K2*Vin)/Cramp的電量)且放電電流Id將對電容Cramp(即K1*Vout)放電(即(K1*Vin)/Cramp的電量)且，以產生斜率訊號Vramp至控制電路230。
此時，斜率訊號Vramp根據電容Cramp的電量下降為：
Figure 107103842-A0101-12-0012-7
 而若第一倍率K1與第二倍率K2匹配一倍率值K(即K=K1=K2)，且可利用倍率值K的倒數與電容Cramp的電容值匹配電感電流IL時(代表此時斜率訊號Vramp之斜率等於電感電流IL之斜率)，斜率訊號Vramp可整理為：
Figure 107103842-A0101-12-0012-8
藉此，當閘極驅動電路220驅動功率級電路210以對電感L進行充電時，電感電流IL上升，電感電流斜坡產生器240產生的斜率訊號Vramp將可模擬電感電流IL的上升狀況。當閘極驅動電路220驅動功率級電路210以對電感L進行放電時，電感電流IL下降，電感電流斜坡產生器240產生的斜率訊號Vramp同樣可模擬電感電流IL的下降狀況。
由上述可知，電壓轉換器200可利用電感電流斜坡產生器240來模擬功率級電路210中流經電感L的電感電流IL，以實現利用非感測的方式偵測電感電流IL。
接下來的實施例將說明模擬電感電流控制的電壓轉換器為升 降壓型電壓轉換器。請參考圖4A，其顯示本發明一實施例之升降壓型電壓轉換器的示意圖。如圖4A所示，電壓轉換器300為用來將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout，以據此驅動一負載(以負載電容Cout來表示)。電壓轉換器300包括一功率級電路310、一閘極驅動電路320、一控制電路330與一電感電流斜坡產生器340。功率級電路310具有一第一開關SW1、一第二開關SW2、一第三開關SW3、一第四開關SW4與一電感L。電感L之一端耦接於第一開關SW1與第二開關SW2之間，且電感L之另一端耦接於第三開關SW3與第四開關SW4之間。更進一步來說，本實施例的功率級電路310為升降壓型電壓轉換器的功率級電路。因此，第一開關SW1之一端接收輸入電壓Vin、第一開關SW1之另一端透過第二開關SW2接地、第四開關SW4之一端透過第三開關SW3接地，且電感L透過第四開關SW4之另一端產生輸出電壓Vout。
閘極驅動電路320耦接功率級電路310。閘極驅動電路320根據多個工作訊號Z5、Z6、Z7與Z8週期性地控制第一開關SW1、第二開關SW2、第三開關SW3與第四開關SW4以於一降壓模式(buck mode)或一升壓模式(boost mode)下對功率級電路310中的電感L進行充電或放電，並根據流經電感L的一電感電流IL產生輸出電壓Vout。更進一步來說，閘極驅動電路320根據降壓模式或升壓模式分別將這些工作訊號Z5、Z6、Z7與Z8對應轉換為閘極驅動訊號Tr5、Tr6、Tr7與Tr8，以控制第一開關SW1、第二開關SW2、第三開關SW3與第四開關SW4的開啟(turned-on)與關閉(turned-off)。
舉例來說，電壓轉換器300運作於一降壓模式(buck mode)。閘極驅動電路320根據工作訊號Z5-Z8開啟第一開關SW1與第四開關SW4，且關閉第二開關SW2與第三開關SW3，以對電感L進行充電。閘極驅動電路320根據工作訊號Z5-Z8開啟第二開關SW2與第四開關SW4，且關閉第一開關SW1與第三開關SW3， 以對電感L進行放電。
再舉例來說，電壓轉換器300運作於一升壓模式(boost mode)。閘極驅動電路320根據工作訊號Z5-Z8開啟第一開關SW1與第三開關SW3，且關閉第二開關SW2與第四開關SW4，以對電感L進行充電。閘極驅動電路320根據工作訊號Z5-Z8開啟第一開關SW1與第四開關SW4，且關閉第二開關SW2與第三開關SW3，以對電感L進行放電。而上述有關電壓轉換器300運作於降壓模式或升壓模式的實施方式為所屬領域具有通常知識者所悉知，故在此不再贅述。
控制電路330耦接於功率級電310與閘級驅動電路320之間。控制電路330產生關聯於輸出電壓Vout的回授誤差訊號Vc，且根據回授誤差訊號Vc與關聯於電感電流IL的一斜率訊號Vramp產生工作訊號Z5-Z8。更進一步來說，控制電路330包括一回授及補償器332、一比較器334與一開關控制器336。而有關控制電路330中的回授及補償器332、比較器334與開關控制器336的連接關係與實施方式大致上可由習知控制電路16中的回授及補償器16a、比較器16b與開關控制器16c的連接關係與實施方式推得，故在此不再贅述。
不同的地方在於，在本實施例中，關聯於電感電流IL的斜率訊號Vramp為由電感電流斜坡產生器340產生。電感電流斜坡產生器340耦接控制電路330與功率級電路310。電感電流斜坡產生器340接收工作訊號Z5-Z8其中之一、輸入電壓Vin與輸出電壓Vout，以據此模擬流經電感L的電感電流IL。在本實施例中，電感電流斜坡產生器340係根據一控制訊號CS來切換電壓轉換器300運作於降壓模式或升壓模式。舉例來說，當控制訊號CS為高準位時，電感電流斜坡產生器340得知電壓轉換器300目前運作於降壓模式。當控制訊號CS為低準位時，電感電流斜坡產生器340得知電壓轉換器300目前運作於升壓模式。
請同時參考圖4C中的電感電流IL與斜率訊號Vramp的波形圖，電壓轉換器300目前運作於降壓模式，且當閘極驅動電路320驅動功率級電路310以對電感L進行充電時，流經電感L的電感電流IL上升。此時，電感電流斜坡產生器340將根據控制第一開關SW1與第二開關SW2的工作訊號Z5與Z6其中之一、輸入電壓Vin與輸出電壓Vout升高斜率訊號Vramp，以模擬電感電流IL。而當閘極驅動電路320驅動功率級電路310以對電感L進行放電時，流經電感L的電感電流IL下降。此時，電感電流斜坡產生器340將根據控制第一開關SW1與第二開關SW2的工作訊號Z5與Z6其中之一與輸出電壓Vout降低斜率訊號Vramp，以模擬電感電流IL。
更進一步來說，如圖4B-4C所示，電感電流斜坡產生器340包括一放電開關342、一充電開關344、一放電電流Id、一充電電流Ic與一電容Cramp。而有關放電開關342、一充電開關344、一放電電流Id、一充電電流Ic與一電容Cramp的連接關係與實施方式大致上與圖2B中的放電開關142、充電開關144、放電電流Id、充電電流Ic與電容Cramp的連接關係與實施方式相同。
當於降壓模式下閘極驅動電路320驅動功率級電路310以對電感L進行充電時，電感電流IL上升。此時，放電開關342將根據高準位維持導通，充電開關344將根據工作訊號Z5與Z6其中之一導通。而充電電流Ic(即K2*Vin)將對電容Cramp充電(即(K2*Vin)/Cramp的電量)且放電電流Id(即K1*Vout)對電容Cramp放電(即(K1*Vout)/Cramp的電量)，以產生斜率訊號Vramp至控制電路330。
值得注意的是，放電開關342可根據電壓轉換器300或外部電路產生的高準位來維持導通，本發明對此不作限制。而充電開關344可根據工作訊號Z5或Z6其中之一來導通。在本實施例中，充電開關344是根據工作訊號Z5來導通。而工作訊號Z5與Z6 為反向訊號。因此，若充電開關344是根據工作訊號Z6來導通，充電開關344可以反向工作訊號Z6，以實現工作訊號Z5。
如圖4C所示，斜率訊號Vramp根據電容Cramp的電量上升為：
Figure 107103842-A0101-12-0016-9
 而若第一倍率K1與第二倍率K2匹配一倍率值K(即K=K1=K2)，且可利用倍率值K的倒數與電容Cramp的電容值匹配電感電流IL時(代表此時斜率訊號Vramp之斜率等於電感電流IL之斜率)，斜率訊號Vramp可整理為：
Figure 107103842-A0101-12-0016-10
此外，當於降壓模式下閘極驅動電路320驅動功率級電路310以對電感L進行放電時，電感電流IL下降。此時，放電開關342將根據高準位維持導通，充電開關344將根據工作訊號Z5與Z6其中之一截止。而放電電流Id將對電容Cramp(即K1*Vout)放電(即(K1*Vin)/Cramp的電量)，以產生斜率訊號Vramp至控制電路330。
此時，斜率訊號Vramp根據電容Cramp的電量下降為：
Figure 107103842-A0101-12-0016-11
 而若第一倍率K1與第二倍率K2匹配一倍率值K(即K=K1=K2)，且可利用倍率值K的倒數與電容Cramp的電容值匹配電感電流IL時(代表此時斜率訊號Vramp之斜率等於電感電流IL之斜率)，斜率訊號Vramp可整理為：
Figure 107103842-A0101-12-0016-12
藉此，當於降壓模式下閘極驅動電路320驅動功率級電路310 以對電感L進行充電時，電感電流IL上升，電感電流斜坡產生器340產生的斜率訊號Vramp將可模擬電感電流IL的上升狀況。當於降壓模式下閘極驅動電路320驅動功率級電路310以對電感L進行放電時，電感電流IL下降，電感電流斜坡產生器340產生的斜率訊號Vramp同樣可模擬電感電流IL的下降狀況。
請同時參考圖4E中的電感電流IL與斜率訊號Vramp的波形圖，電壓轉換器300目前運作於升壓模式。當閘極驅動電路320驅動功率級電路310以對電感L進行放電時，流經電感L的電感電流IL下降。此時，電感電流斜坡產生器340將根據控制第三開關SW3與第四開關SW4的工作訊號Z7與Z8其中之一、輸入電壓Vin與輸出電壓Vout降低斜率訊號Vramp，以模擬電感電流IL。而當閘極驅動電路320驅動功率級電路310以對電感L進行充電時，流經電感L的電感電流IL上升。此時，電感電流斜坡產生器340將根據控制第三開關SW3與第四開關SW4的工作訊號Z7與Z8其中之一與輸入電壓Vin上升斜率訊號Vramp，以模擬電感電流IL。
如圖4D-4E，當於升壓模式下閘極驅動電路320驅動功率級電路310以對電感L進行充電時，電感電流IL上升。此時，充電開關344將根據高準位維持導通，放電開關342將根據工作訊號Z7與Z8其中之一截止。而充電電流Ic(即K2*Vin)將對電容Cramp充電(即(K2*Vin)/Cramp的電量)，以產生斜率訊號Vramp至控制電路330。
值得注意的是，充電開關344可根據電壓轉換器300或外部電路產生的高準位來維持導通，本發明對此不作限制。而放電開關342可根據工作訊號Z7或Z8其中之一來截止。在本實施例中，放電開關342是根據工作訊號Z8來導通。而工作訊號Z7與Z8為反向訊號。因此，若放電開關342是根據工作訊號Z7來截止，放電開關342可以反向工作訊號Z7，以實現工作訊號Z8。
如圖4E所示，斜率訊號Vramp根據電容Cramp的電量上升為：
Figure 107103842-A0101-12-0018-13
 而若第一倍率K1與第二倍率K2匹配一倍率值K(即K=K1=K2)，且可利用倍率值K的倒數與電容Cramp的電容值匹配電感電流IL時(代表此時斜率訊號Vramp之斜率等於電感電流IL之斜率)，斜率訊號Vramp可整理為：
Figure 107103842-A0101-12-0018-14
此外，當閘極驅動電路320驅動功率級電路310以對電感L進行放電時，電感電流IL下降。此時，充電開關344將根據高準位維持導通，放電開關342將根據工作訊號Z7與Z8其中之一導通。而充電電流Ic(即K2*Vin)將對電容Cramp充電(即(K2*Vin)/Cramp的電量)且放電電流Id將對電容Cramp(即K1*Vout)放電(即(K1*Vin)/Cramp的電量)且，以產生斜率訊號Vramp至控制電路330。
此時，斜率訊號Vramp根據電容Cramp的電量下降為：
Figure 107103842-A0101-12-0018-15
 而若第一倍率K1與第二倍率K2匹配倍率值K(即K=K1=K2)，且可利用倍率值K的倒數與電容Cramp的電容值匹配電感電流IL時(代表此時斜率訊號Vramp之斜率等於電感電流IL之斜率)，斜率訊號Vramp可整理為：
Figure 107103842-A0101-12-0018-16
藉此，當閘極驅動電路320驅動功率級電路310以對電感L進行充電時，電感電流IL上升，電感電流斜坡產生器340產生的 斜率訊號Vramp將可模擬電感電流IL的上升狀況。當閘極驅動電路320驅動功率級電路310以對電感L進行放電時，電感電流IL下降，電感電流斜坡產生器340產生的斜率訊號Vramp同樣可模擬電感電流IL的下降狀況。
由上述可知，電壓轉換器300可於降壓模式與升壓模式下利用電感電流斜坡產生器340來模擬功率級電路310中流經電感L的電感電流IL，以實現利用非感測的方式偵測電感電流IL。
綜上所述，本發明實施例所提供的一種模擬電感電流控制的電壓轉換器，其根據控制電路產生的工作訊號、輸入電壓與輸出電壓來模擬例如降壓型電壓轉換器、升壓型電壓轉換器或升降壓型電壓轉換器的功率級電路中的電感電流，以實現利用非感測的方式偵測電感電流。藉此，本發明的電壓轉換器可以減少感測電路的使用以減少成本，產生的電感電流斜坡相對於習知感測方法不會有失真現象，且可以提高偵測電感電流的準確度。此外，習知感測方法會受限於實際應用條件(例如感測阻抗的變異)而降低準確度。本發明實施例的電壓轉換器則是模擬電感電流控制方法，且不受實際應用條件的限制。
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。
100‧‧‧電壓轉換器
110‧‧‧功率級電路
120‧‧‧閘極驅動電路
130‧‧‧控制電路
132‧‧‧回授及補償器
134‧‧‧比較器
136‧‧‧開關控制器
140‧‧‧電感電流斜坡產生器
Vin‧‧‧輸入電壓
Tr1‧‧‧閘極驅動訊號
Tr2‧‧‧閘極驅動訊號
UP‧‧‧上橋開關
DN‧‧‧下橋開關
IL‧‧‧電感電流
L‧‧‧電感
Vout‧‧‧輸出電壓
Cout‧‧‧負載電容
Z1、Z2‧‧‧工作訊號
CPO‧‧‧比較結果
Vc‧‧‧回授誤差訊號
Vramp‧‧‧斜率訊號

Claims (9)

  1. 一種模擬電感電流控制的電壓轉換器，用以將一輸入電壓轉換成一輸出電壓，包括：一功率級電路，具有一上橋開關、一下橋開關與一電感，且該上橋開關耦接於該下橋開關與該電感；一閘極驅動電路，耦接該功率級電路，根據複數個工作訊號週期性地控制該上橋開關與該下橋開關以對該電感進行充電或放電，並根據流經該電感的一電感電流產生該輸出電壓；一控制電路，耦接於該功率級電路與該閘級驅動電路之間，產生關聯於該輸出電壓的一回授誤差訊號，且根據該回授誤差訊號與關聯於該電感電流的一斜率訊號產生該些工作訊號；以及一電感電流斜坡產生器，耦接該控制電路與該功率級電路；其中，當該閘極驅動電路驅動該功率級電路以對該電感進行充電時，該電感電流斜坡產生器根據該些工作訊號其中之一、該輸入電壓與該輸出電壓升高該斜率訊號，以模擬該電感電流；其中，當該閘極驅動電路驅動該功率級電路以對該電感進行放電時，該電感電流斜坡產生器根據該些工作訊號其中之一與該輸入電壓降低該斜率訊號，以模擬該電感電流；其中，該上橋開關之一端接收該輸入電壓，該上橋開關之另一端透過該下橋開關接地，該電感耦接於該上橋開關與該下橋開關之間，且該電感電流產生小於該輸入電壓的該輸出電壓，其中該電感電流斜坡產生器包括：一放電開關，串接一放電電流，且該放電電流關聯於具有一第一倍率的該輸出電壓；一充電開關，串接一充電電流，且該充電電流關聯於具有一第二倍率的該輸入電壓；以及一電容，並聯於該放電電流與該充電電流；其中，當該閘極驅動電路驅動該功率級電路以對該電感進行充 電時，該放電開關根據一高準位維持導通，該充電開關根據該些工作訊號其中之一導通，該充電電流對該電容充電且該放電電流對該電容放電以產生該斜率訊號；其中，當該閘極驅動電路驅動該功率級電路以對該電感進行放電時，該放電開關根據該高準位維持導通，該充電開關根據該些工作訊號其中之一截止，且該放電電流對該電容放電以產生該斜率訊號。
  2. 如請求項1之模擬電感電流控制的電壓轉換器，其中，若該第一倍率與該第二倍率匹配一倍率值，且該倍率值的倒數與該電容的一電容值匹配該電感電流時，該斜率訊號等於該電感電流。
  3. 如請求項1之模擬電感電流控制的電壓轉換器，其中，當該電感電流產生大於該輸入電壓的該輸出電壓以及該閘極驅動電路驅動該功率級電路以對該電感進行充電時，該充電開關根據一高準位維持導通，該放電開關根據該些工作訊號其中之一截止，且該充電電流對該電容充電以產生該斜率訊號；其中，當該電感電流產生大於該輸入電壓的該輸出電壓以及該閘極驅動電路驅動該功率級電路以對該電感進行放電時，該充電開關根據該高準位維持導通，該放電開關根據該些工作訊號其中之一導通，該放電電流對該電容放電且該充電電流對該電容充電以產生該斜率訊號。
  4. 如請求項3之模擬電感電流控制的電壓轉換器，其中，若該第一倍率與該第二倍率匹配一倍率值，且該倍率值的倒數與該電容的一電容值匹配該電感電流時，該斜率訊號等於該電感電流。
  5. 一種模擬電感電流控制的電壓轉換器，用以將一輸入電壓轉換成一輸出電壓，包括： 一功率級電路，具有一第一開關、一第二開關、一第三開關、一第四開關與一電感，其中該電感之一端耦接於該第一開關與該第二開關之間，且該電感之另一端耦接於該第三開關與該第四開關之間；一閘極驅動電路，耦接該功率級電路，根據複數個工作訊號週期性地控制該第一開關、該第二開關、該第三開關與該第四開關以於一降壓模式或一升壓模式下對該電感進行充電或放電，並根據流經該電感的一電感電流產生該輸出電壓；一控制電路，耦接於該功率級電路與該閘級驅動電路之間，產生關聯於該輸出電壓的一回授誤差訊號，且根據該回授誤差訊號與關聯於該電感電流的一斜率訊號產生該些工作訊號；以及一電感電流斜坡產生器，耦接該控制電路與該功率級電路；其中，於該降壓模式且該閘極驅動電路驅動該功率級電路以對該電感進行充電時，該電感電流斜坡產生器根據控制該第一開關與該第二開關的該些工作訊號其中之一、該輸入電壓與該輸出電壓升高該斜率訊號，以模擬該電感電流；其中，於該降壓模式且該閘極驅動電路驅動該功率級電路以對該電感進行放電時，該電感電流斜坡產生器根據控制該第一開關與該第二開關的該些工作訊號其中之一與該輸出電壓降低該斜率訊號，以模擬該電感電流；其中，於該升壓模式且該閘極驅動電路驅動該功率級電路以對該電感進行放電時，該電感電流斜坡產生器根據控制該第三開關與該第四開關的該些工作訊號其中之一、該輸入電壓與該輸出電壓降低該斜率訊號，以模擬該電感電流；其中，於該升壓模式且該閘極驅動電路驅動該功率級電路以對該電感進行充電時，該電感電流斜坡產生器根據控制該第三開關與該第四開關的該些工作訊號其中之一與該輸入電壓升高該斜率訊號，以模擬該電感電流。
  6. 如請求項5之模擬電感電流控制的電壓轉換器，其中，該第一開關之一端接收該輸入電壓、該第一開關之另一端透過該第二開關接地、該第四開關之一端透過該第三開關接地，該電感透過該第四開關之另一端產生該輸出電壓，且該電感電流斜坡產生器包括：一放電開關，串接一放電電流，且該放電電流關聯於具有一第一倍率的該輸出電壓；一充電開關，串接一充電電流，且該充電電流關聯於具有一第二倍率的該輸入電壓；以及一電容，並聯於該放電電流與該充電電流；其中，於該降壓模式且該閘極驅動電路驅動該功率級電路以對該電感進行充電時，該放電開關根據一高準位維持導通，該充電開關根據控制該第一開關與該第二開關的該些工作訊號其中之一導通，該充電電流對該電容充電且該放電電流對該電容放電以產生該斜率訊號；其中，於該降壓模式且該閘極驅動電路驅動該功率級電路以對該電感進行放電時，該放電開關根據該高準位維持導通，該充電開關根據控制該第一開關與該第二開關的該些工作訊號其中之一截止，且該放電電流對該電容放電以產生該斜率訊號。
  7. 如請求項6之模擬電感電流控制的電壓轉換器，其中，若該第一倍率與該第二倍率匹配一倍率值，且該倍率值的倒數與該電容的一電容值匹配該電感電流時，該斜率訊號等於該電感電流。
  8. 如請求項5之模擬電感電流控制的電壓轉換器，其中，該第一開關之一端接收該輸入電壓、該第一開關之另一端透過該第二開關接地、該第四開關之一端透過該第三開關接地，該電感透過該第四開關之另一端產生該輸出電壓，且該電感電流斜坡產生器包 括：一放電開關，串接一放電電流，且該放電電流關聯於具有一第一倍率的該輸出電壓；一充電開關，串接一充電電流，且該充電電流關聯於具有一第二倍率的該輸入電壓；以及一電容，並聯於該放電電流與該充電電流；其中，於該升壓模式且該閘極驅動電路驅動該功率級電路以對該電感進行充電時，該充電開關根據一高準位維持導通，該放電開關根據控制該第三開關與該第四開關的該些工作訊號其中之一截止，且該充電電流對該電容充電以產生該斜率訊號；其中，於該升壓模式且該閘極驅動電路驅動該功率級電路以對該電感進行放電時，該充電開關根據該高準位維持導通，該放電開關根據控制該第三開關與該第四開關的該些工作訊號其中之一導通，該充電電流對該電容充電且該放電電流對該電容放電以產生該斜率訊號。
  9. 如請求項8之模擬電感電流控制的電壓轉換器，其中，若該第一倍率與該第二倍率匹配一倍率值，且該倍率值的倒數與該電容的一電容值匹配該電感電流時，該斜率訊號等於該電感電流。
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