TWI697185B - 電壓轉換裝置 - Google Patents

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Abstract

電壓轉換裝置包括比較電路、補償信號產生器以及電壓轉換器。比較電路依據輸出電壓、輸入電壓以及補償回授信號以產生比較結果。補償信號產生器在工作週期中的致能期間中的第一時間區間提供維持等於參考電壓的補償信號，並在致能期間中的第二時間區間使補償信號為斜坡信號，補償信號產生器並依據回授信號以及補償信號以產生補償回授信號。電壓轉換器依據比較結果以產生控制信號，依據控制信號以藉由電感來執行電壓轉換動作，並產生輸出電壓。回授信號依據電感上的電流來產生。

Description

電壓轉換裝置
本發明是有關於一種電壓轉換裝置，且特別是有關於一種電流模式的電壓轉換裝置。
在現今的技術領域中，電流模式的直接轉直流的電壓轉換器已被廣泛的應用。電流模式電壓轉換器具有較佳的動態性能、高精度，並具有瞬時大增益帶寬以及限流保護的功效。
習知的電流模式電壓轉換器可透過為斜坡信號的補償信號，以確保其電路迴路的穩定性。習知技術中，可利用單一斜率的斜坡信號或多段式分段線性的斜坡信號來做為補償信號。
在以單一斜率的斜坡信號來做為補償信號時，在當功率電晶體的導通時間相對高時，會產生峰值電流限制的問題。其原因在於，因為補償信號的電壓值是線性增加的，在當電晶體的導通時間相對高的條件下，做為比較基準的比較電壓的電壓值對應增加，並使電感上的電流峰值受到限制。
在以多段式分段線性的斜坡信號來做為補償信號時，多段的斜坡信號分別對應不同的設定責任週期。在電晶體切換的責任週期（duty cycle）位於兩設定責任週期的邊緣時，則可能產生頻率抖動的現象。
本發明提供一種電壓轉換裝置，可改善峰值電流限制，以及避免誤轉換頻率時所產生的斜坡電壓抖動現象。
本發明的電壓轉換裝置包括比較電路、補償信號產生器以及電壓轉換器。比較電路依據輸出電壓以及輸入電壓以產生誤差信號，比較誤差信號以及補償回授信號以產生比較結果。補償信號產生器在工作週期中的致能期間中的第一時間區間提供維持等於參考電壓的補償信號，並在致能期間中的第二時間區間使補償信號為斜坡信號，補償信號產生器並依據回授信號以及補償信號以產生補償回授信號。電壓轉換器具有一電感，依據比較結果以產生控制信號，依據控制信號以提供驅動信號，並藉由電感以依據驅動信號來執行電壓轉換動作，並產生輸出電壓。其中，回授信號依據電感上的電流來產生。
基於上述，本發明的補償信號產生器提供的補償信號，在工作週期中的第一時間區間中維持等於參考電壓，並在工作週期中的第二時間區間中為一斜坡信號。如此一來，補償信號在工作週期中不至於因上升時間過長，而產生峰值電流限制的狀況，並且，補償信號在第二時間區間中，所提供的斜坡信號可具有相對大的斜率，以避免因轉換頻率時所產生的電壓抖動現象。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
請參照圖1，圖1繪示本發明一實施例的電壓轉換裝置的示意圖。電壓轉換裝置100包括比較電路110、補償信號產生器120以及電壓轉換器130。比較電路110依據電壓轉換裝置100的輸出電壓VOUT以及參考電壓DCIN以產生誤差信號，並透過比較誤差信號以及補償回授信號CSC以產生比較結果CMP1。在本發明實施例中，電壓轉換裝置100可依據輸出電壓VOUT來產生電壓FB。在本發明其他實施例中，電壓轉換裝置100可針對輸出電壓VOUT進行分壓，並依據所產生的分壓電壓以獲得電壓FB。比較電路110則可依據計算電壓FB以及參考電壓DCIN的差值來產生誤差電壓。
補償信號產生器120耦接至電壓轉換器130以及比較電路110。補償信號產生器120產生補償信號V SP，並接收回授信號SC。補償信號產生器120並可透過電壓運算器ADD1使回授信號SC與補償信號V SP相加以產生補償回授信號CSC。其中，補償信號產生器120可在一工作週期中的致能期間中的一第一時間區間提供維持等於一參考接地電壓的補償信號V SP，並在工作週期中的致能期間中的第二時間區間使補償信號V SP為一斜坡信號。其中，第二時間區間接續在第一時間區間後，且上述的回授信號SC可透過偵測電壓轉換器130中的電感L1上的電流來產生。
電壓轉換器130耦接至補償信號產生器120以及比較電路110。電壓轉換器130接收比較結果CMP1，依據比較結果CMP1產生控制信號，並依據控制信號以提供驅動信號LX來驅動電感L1，並據以進行電壓轉換動作。在本實施例中，電壓轉換器130可執行降壓式電壓轉換動作，並透過轉換輸入電壓VIN以產生輸出電壓VOUT。
電壓轉換器130可週期性的產生控制信號，並在工作週期的致能期間提供驅動信號LX以驅動電感L1。在此請同步參照圖1以及圖2，其中圖2繪示本發明實施例的電壓轉換裝置的波形圖。
在圖2中，控制信號TON在致能期間EN提供正電壓脈波，電壓轉換器130並依據控制信號TON的正電壓脈波以產生驅動信號LX來驅動電感L1。設定信號SS則用以控制工作週期TOP的時間長短。控制信號TON具有責任週期（Duty cycle），其中，控制信號TON的責任週期可依據輸入電壓VIN以及輸出電壓VOUT的比值來決定。並且，致能期間EN的長度與控制信號TON的責任週期成正比。請注意，在本實施例中，補償信號產生器120在致能期間EN中的第一時間區間T1中產生維持等於參考接地電壓VR的補償信號V SP，並在致能期間EN中，第一時間區間T1後的第二時間區間T2使補償信號V SP為斜坡信號SP1。
值得注意的，本發明實施例中的補償信號V SP在第一時間區間T1中維持等於參考接地電壓VR。補償信號V SP在第二時間區間T2方以斜坡信號SP1的形式上升。如此一來，補償信號V SP的電壓值可以不會在整個致能期間EN持續上升，可防止峰值電流限制的狀況發生。並且，透過使補償信號V SP在第二時間區間T2快速的上升，也可提升比較電路110所產生的比較結果CMP1的穩定度，避免發生斜坡電壓抖動現象。
以下請同時參照圖1、圖3以及圖4，圖3以及圖4繪示本發明實施例的電壓轉換裝置對應不同責任週期的控制信號所產生的補償信號的示意圖。在圖3中，電壓轉換裝置100中的補償信號產生器120可分別對應不同的控制信號TON的責任週期D1~D3以產生補償信號V SP1、V SP2以及V SP3。其中，責任週期D1 ＜ 責任週期D2 ＜ 責任週期D3。
在圖4中，電壓轉換裝置100對應不同責任週期D1~D3，分別在補償信號V SP1、V SP2以及V SP3所提供的斜坡信號SP1~SP3，可使比較電路110在比較動作時，在分別具有足夠大的比較邊界V ISENS1~V ISENS3所需要的比較電壓Vcomp1~Vcomp3相對於電壓V(IL)是很小的，其中電壓V(IL)為依據電感L1上的最大限流IL所產生的電壓。因此，電壓轉換裝置100可避免產生峰值電流限制的狀況。
請參照圖5，圖5繪示本發明另一實施例的電壓轉換裝置的示意圖。電壓轉換裝置500包括比較電路510、補償信號產生器520以及電壓轉換器530。比較電路510包括誤差放大器EA1以及比較器OP1。誤差放大器EA1以及比較器OP1可皆由運算放大器來建構。誤差放大器EA1接收參考電壓DCIN以及電壓FB，並透過計算參考電壓DCIN以及電壓FB的差值來產生誤差信號ES。電阻R1、R2可形成的一分壓電路。電壓FB可以為分壓電路針對輸出電壓VOUT進行分壓所產生的分壓電壓。附帶一提，誤差放大器EA1的輸出端與參考接地端GND間可串接由電阻R3以及電容C1所形成的電阻電容電路，並作為誤差信號ES的穩壓電路。
比較器OP1接收誤差信號ES以及由補償信號產生器520所提供的補償回授信號CSC。比較器OP1依據比較補償回授信號CSC以及誤差信號ES來產生比較結果。在另一方面，比較器OP1可依據信號EN_DC-DC而被啟動。
電壓轉換器530包括控制信號產生器531、驅動器532以及電感L1。控制信號產生器531接收比較器OP1所產生的比較結果，並依據比較結果產生控制信號TON以及TONB，其中控制信號TON以及TONB可以互為反向信號。在本實施例中，控制信號產生器531包括緩衝器BUF1以及BUF2，依據信號EN_DC-DC而被啟動，並分別產生控制信號TON以及TONB。
驅動器532包括電晶體TA1以及TA2。電晶體TA1以及TA2相互串接在輸入電壓VIN以及參考接地端GND間，並耦接至電感L1。電晶體TA1以及TA2分別依據控制信號TON以及TONB以交錯的被導通及被斷開，藉以提供驅動信號至電感L1，並藉以針對輸入電壓VIN進行電壓轉換動作以產生輸出電壓VOUT。
在本實施例中，電壓轉換裝置500另包括電容C2。電容C2耦接在電壓轉換裝置500的輸出端以及參考接地端GND間，電容C2用以做為穩壓電容。
在本實施例中，補償信號產生器520包括為電壓加法器的電壓運算器ADD1。補償信號產生器520接收依據電感L1上的電流所產生的回授信號SC，產生補償信號V SP，並透過電壓運算器ADD1使回授信號SC與補償信號V SP相加以產生補償回授信號CSC。補償信號產生器520並提供補償回授信號CSC至比較器OP1。
關於補償信號產生器520的實施細節，請參照圖6繪示的本發明實施例的補償信號產生器的實施方式的示意圖。
在圖6中，補償信號產生器600包括工作週期決定電路610以及補償信號決定電路620。工作週期決定電路610依據輸入電壓VIN以及輸出電壓VOUT以產生設定信號SS，其中設定信號SS用以設定電壓轉換裝置的工作週期。在本實施例中，工作週期決定電路610包括電流源CS1、電容C3、由運算放大器OP2建構的比較器以及由電晶體TB1建構的重置開關。電流源CS1可依據輸入電壓VIN以及一阻抗值R來產生充電電流，其中充電電流 = A×(VIN / R)，A為大於0的實數。運算放大器OP2的正輸入端耦接至電流源CS1以接收第一電壓V RAMP1，運算放大器OP2的負輸入端接收第二電壓，其中第二電壓可依據輸入電壓VIN所產生，並可以等於B×VIN，B為大於0的實數。電容C3串接在運算放大器OP2的正輸入端與參考接地端GND間，電晶體TB1同樣串接在運算放大器OP2的正輸入端與參考接地端GND間，並受控於設定信號SS。運算放大器OP2的輸出端則產生設定信號SS。
關於工作週期決定電路610的操作方面，在初始狀態下，電晶體TB1依據高電壓的設定信號SS導通時，電容C3可進行放電，此時第一電壓V RAMP1可等於參考接地電壓。對第一電壓V RAMP1的電壓值，運算放大器OP2使設定信號SS為低電壓，並使電晶體TB1依據低電壓的設定信號SS被斷開。在此同時，電流源CS1所提供的充電電流可對電容C3充電，並產生為斜坡電壓的第一電壓V RAMP1。在當第一電壓V RAMP1上升至大於第二電壓時，運算放大器OP2重新使設定信號SS為高電壓。透過週期性的產生高電壓及低電壓的設定信號SS，設定信號SS的相鄰二高電壓脈波可定義出電壓轉換裝置的一個工作週期。
在另一方面，補償信號決定電路620依據輸入電壓VIN以及輸出電壓VOUT以計算出電壓差值，依據輸入電壓VIN以及電壓差值以切分出第一時間區間以及第二時間區間，在第一時間區間提供維持等於參考接地電壓的補償信號V SP，並在第二時間區間使補償信號V SP為斜坡信號。補償信號決定電路620包括前級電路621以及輸出級電路622。前級電路621依據輸出電壓VOUT以及輸入電壓VIN以計算出電壓差值，依據輸入電壓VIN以及電壓差值以切分出第一時間區間以及第二時間區間。輸出級電路622耦接前級電路621，在第一時間區間提供維持等於參考接地電壓的補償信號V SP，並在第二時間區間使補償信號為斜坡信號。
在本實施例中，前級電路621包括電流源CS2、電容C4以及由運算放大器OP2建構的比較器。電流源CS2提供充電電流。電流源CS2所提供的充電電流的電流值可以與電流源CS1所提供的充電電流的電流值相同。運算放大器OP3的正輸入端耦接至電流源CS2以接收第三電壓V RAMP2，運算放大器OP3的負輸入端接收第四電壓，其中第四電壓可依據輸入電壓VIN以及輸出電壓VOUT所產生，並可以等於B×VOUT - A×(VIN/R)×DR，DR為調整比例。電容C4串接在運算放大器OP3的正輸入端與參考接地端GND間，電晶體TB2同樣串接在運算放大器OP3的正輸入端與參考接地端GND間，並受控於設定信號SS。運算放大器OP3的負向輸出端產生啟動信號VST。
上述的A、B、阻抗值R以及調整比例DR可以由設計者自行設定，沒有一定的限制。
輸出級電路622包括電流源CS3、由電晶體TB3建構的重置開關以及電容C5。電流源CS3提供充電電流。電晶體TB3串接在電流源CS3以及參考接地端GND間，並受控於啟動信號VST，電容C5與電晶體TB3並聯耦接。此外，電晶體TB3與電流源CS3的耦接端點產生補償信號V SP。在當電晶體TB3依據啟動信號VST被導通時，輸出級電路622可產生維持等於參考接地電壓的補償信號V SP 。在當電晶體TB3依據啟動信號VST被斷開時，輸出級電路622可產生為斜坡信號的補償信號V SP。其中，補償信號V SP的斜率可依據電流源CS3所產生的充電電流的電流值大小相關聯。
關於動作細節，在初始狀態下，電晶體TB2依據設定信號SS導通。電容C4透過導通的電晶體TB2進行放電，並產生等於參考接地電壓的第三電壓V RAMP2。此時，運算放大器OP3的負向輸出端依據第三電壓V RAMP2以及大於第三電壓V RAMP2的第四電壓來產生高電壓的啟動信號VST。在當設定信號SS為低電壓時，電晶體TB2被斷開，電流源CS2提供充電電流以針對電容C4充電，並產生為斜坡電壓的第三電壓V RAMP2。在當第四電壓持續大於第三電壓V RAMP2的第一時間區間，電晶體TB3持續導通，並使輸出級電路622可產生維持等於參考接地電壓的補償信號V SP。在當第四電壓不大於第三電壓V RAMP2的第二時間區間，電晶體TB3被斷開，並使輸出級電路622可產生斜坡信號的補償信號V SP。
在圖6的實施方式中，當A與B設定為相同時，工作週期可以依據阻抗值R以及電容C3的電容值來決定。另外，透過比較第三電壓V RAMP2的上升速度及/或與第四電壓的電壓值，可以設定致能期間的時間長短。在本實施例中，透過改變調整比例DR，可以調整致能期間的時間長短，亦即調整控制信號責任週期。以調整比例DR等於0為範例，A×(VIN / R) = C4×(B×VOUT)/dT，控制信號的致能期間等於Ttotal×(VOUT/VIN)，其中Ttotal等於工作週期。
以下請參照圖7，圖7繪示本發明實施例的補償信號決定電路的另一實施方式的示意圖。其中，補償信號決定電路中的前級電路700，與前級電路621不相同的，運算放大器OP3的正向輸出端可透過耦接反向器IV1，並透過反向器IV1來產生啟動信號VST。
綜上所述，本發明的電壓轉換裝置透過補償信號產生器以在工作週期中的致能期間中的第一時間區間提供維持等於一參考接地電壓的補償信號，並在致能期間中的第二時間區間使該補償信號為斜坡信號。如此一來，可避免產生峰值電流限制的狀況，並且，可避免因轉換頻率時所產生的電壓抖動現象。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100、500:電壓轉換裝置 110、510:比較電路 120、520:補償信號產生器 130、530:電壓轉換器 531:控制信號產生器 532:驅動器 600:補償信號產生器 610:工作週期決定電路 620:補償信號決定電路 VIN:輸入電壓 VOUT:輸出電壓 DCIN:參考電壓 FB:電壓 VSP、VSP1~VSP3:補償信號 ADD1:電壓運算器 SC:回授信號 CSC:補償回授信號 L1:電感 CMP1:比較結果 LX:驅動信號 TON、TONB:控制信號 EN:致能期間 SS:設定信號 TOP:工作週期 T1、T2:時間區間 VR:參考接地電壓 SP1:斜坡信號 D1~D3:責任週期 V(IL):電壓 VISENS1~VISENS3:比較邊界 Vcomp1~Vcomp3:比較電壓 EA1:誤差放大器 OP1:比較器 ES:誤差信號 GND:參考接地端 R3:電阻 C1~C4:電容 EN_DC-DC:信號 BUF1、BUF2:緩衝器 TA1、TA2、TB1、TB2、TB3:電晶體 CS1~CS3:電流源 OP2、OP3:運算放大器 VRAMP1:第一電壓 VRAMP2:第三電壓 621、700:前級電路 622:輸出級電路 VST:啟動信號 IV1:反向器
圖1繪示本發明一實施例的電壓轉換裝置的示意圖。 圖2繪示本發明實施例的電壓轉換裝置的波形圖。 圖3以及圖4繪示本發明實施例的電壓轉換裝置對應不同責任週期的控制信號所產生的補償信號的示意圖。 圖5繪示本發明另一實施例的電壓轉換裝置的示意圖。 圖6繪示本發明實施例的補償信號產生器的實施方式的示意圖。 圖7繪示本發明實施例的補償信號決定電路的另一實施方式的示意圖。
100:電壓轉換裝置
110:比較電路
120:補償信號產生器
130:電壓轉換器
VIN:輸入電壓
VOUT:輸出電壓
DCIN:參考電壓
FB:電壓
VSP:補償信號
ADD1:電壓運算器
SC:回授信號
CSC:補償回授信號
L1:電感
CMP1:比較結果

Claims (10)

  1. 一種電壓轉換裝置，包括： 一比較電路，依據一輸出電壓以及一參考電壓以產生一誤差信號，比較該誤差信號以及一補償回授信號以產生一比較結果； 一補償信號產生器，在一工作週期中的一致能期間中的一第一時間區間提供維持等於一參考接地電壓的一補償信號，並在該致能期間中的一第二時間區間使該補償信號為一斜坡信號，該補償信號產生器並依據一回授信號以及該補償信號以產生該補償回授信號；以及 一電壓轉換器，具有一電感，依據該比較結果以產生一控制信號，依據該控制信號以提供一驅動信號，並藉由該電感以依據該驅動信號來執行一電壓轉換動作，轉換一輸入電壓以產生該輸出電壓， 其中，該回授信號依據該電感上的電流來產生。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電壓轉換裝置，其中，該控制信號的責任週期等於該輸出電壓與該輸入電壓的比值，該致能期間的長度與該控制信號的責任週期成正比。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的電壓轉換裝置，其中該補償信號產生器使該補償信號與該回授信號相加以產生該補償回授信號。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的電壓轉換裝置，其中該補償信號產生器包括： 一工作週期決定電路，依據該輸入電壓以及該輸出電壓以設定該工作週期； 一補償信號決定電路，依據該輸出電壓以及該輸入電壓以計算出一電壓差值，依據該輸入電壓以及該電壓差值以切分出該第一時間區間以及該第二時間區間，在該第一時間區間提供維持等於該參考接地電壓的該補償信號，並在該第二時間區間使該補償信號為該斜坡信號；以及 一電壓運算器，耦接該補償信號決定電路，使該補償信號以及該回授信號進行算術運算以產生該補償回授信號。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的電壓轉換裝置，其中該工作週期決定電路包括： 一第一電流源，依據該輸入電壓以及一阻抗值以產生一第一充電電流； 一第一電容，接收該第一充電電流以產生一第一電壓，其中該第一電壓為斜坡電壓； 一第一比較器，接收該第一電壓以及依據該輸入電壓所產生的一第二電壓，比較該第一電壓以及該第二電壓以產生一設定信號；以及 一第一重置開關，與該第一電容並聯耦接，接收該設定信號，並依據該設定信號對該第一電容執行放電動作。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的電壓轉換裝置，其中該補償信號決定電路包括： 一前級電路，依據該輸出電壓以及該輸入電壓以計算出該電壓差值，依據該輸入電壓以及該電壓差值以切分出該第一時間區間以及該第二時間區間；以及 一輸出級電路，耦接該前級電路，在該第一時間區間提供維持等於該參考接地電壓的該補償信號，並在該第二時間區間使該補償信號為該斜坡信號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的電壓轉換裝置，其中該前級電路包括： 一第二電流源，產生一第二充電電流，其中該第二充電電流的電流值等於該第一充電電流的電流值； 一第二電容，接收該第二充電電流以產生一第三電壓，其中該第三電壓為斜坡電壓； 一第二比較器，接收該第三電壓以及依據該輸入電壓及該輸出電壓所產生的一第四電壓，比較該第三電壓以及該第四電壓以產生一啟動信號；以及 一第二重置開關，與該第二電容並聯耦接，接收該設定信號，並依據該設定信號對該第二電容執行放電動作。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的電壓轉換裝置，其中該輸出級電路包括： 一第三電流源，產生一第三充電電流； 一第三重置開關，耦接在該第三電流源以及一參考接地端間，受控於該啟動信號以在該第一時間區間以提供該參考接地電壓來產生該補償信號；以及 一第三電容，耦接至該第三電流源，在該第二時間區間接收該第三充電電流以進行充電，並藉以產生該斜坡信號。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的電壓轉換裝置，其中該第三重置開關為一電晶體，該電晶體的第一端耦接至該第三電流源，該電晶體的第二端耦接至該參考接地端以接收該參考接地電壓，該電晶體的控制端接收該啟動信號； 其中該第二比較器為一運算放大器，該運算放大器的正輸入端接收該第三電壓，該運算放大器的負輸入端接收該第四電壓，該運算放大器的反向輸出端產生該啟動信號。
  10. 如申請專利範圍第7項所述的電壓轉換裝置，其中該第二比較器包括： 一運算放大器，該運算放大器的正輸入端接收該第三電壓，該運算放大器的負輸入端接收該第四電壓；以及 一反向器，輸入端耦接至該運算放大器的正向輸出端，該反向器的輸出端產生該啟動信號。
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