TW201214935A - Constant on-time switching regulator, and control method and on-time calculation circuit therefor - Google Patents

Description

201214935 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係錢—_定導猶__節電路、其控制方 法、及用於其中的導通時間計算電路。 【先前技術】 a請參閱第1A圖為先前技術之固定導通時間(on-time以 下簡稱Ton)切換調節電路，並對照第m圖之波形。切換調 電路中包含上橋功率開關UG與下橋功率開關LG，分別受^ 於驅動閘21和22所輸出的閘極電壓訊號Vug和％， ^ 入®壓Vin轉換為輸出電壓v〇ut。固定τ〇η切換調節電路的運 作原理如下.當代表輸出電壓v〇ut的反饋電壓V历低於一 設的參考電壓Vref時，比㈣Com輸出低位準的比較訊號 Vc〇m ’其中該比較訊號V麵的—緣，用以決定上橋功率^ 關UG導通開始時間點（實際電路中，此開始時間點可能較比 較訊號Vcom的觸發緣略有延遲，圖中省略繪出）。控制電路 11依據該比較訊號Vc〇m的觸發緣，控制上橋功率開關與 下橋功率_ LG之操作。單次脈波產生電路12依據來自^ 制電路11之訊號，及來自固定τ〇η電路13所輸入之訊號使 上橋功率開關UG導通一段固定的時間，此固定時間的長度由 固定Ton電路13決定。當該固定時間結束後，控制電路11使 上，功率開關UG關閉，並使下橋功率開關L(^啟;當反饋 電壓再度低於該預設的參考電壓Vref時，控制電路11使 下橋功率開關LG關閉，並再度使該上橋功率開關UG開啟； 如此週期性地操作。在此先前技術中，由於上橋功率開關UG 開啟的時間點，是依據反饋電壓Vfb低於參考電壓Vref的時 201214935 間點=明因此’該先__是，_架構。 大器咖㈤响換為誤差放 電路=可相數位訊號或類比訊號，而控制 的“參2二:2=定Ton切換調節電路能有定頻 ^Vin ^Vmv〇 7"：n ^ 14 f M 以計算出適當的加，使電路 二電ΐ v。參考第3圖，在連續導通模式中，當上橋 Mm.位準(開啟)時，下橋間極電壓Vlg為低位 === 電壓㈣為低位準_)時，下橋間 電g為向位準(開啟）。位於上橋功率_ UG與下橋 功率開關LG巾_點的㈣賴Vph麵上制極電壓 Vug的波形’在理想的情形下，於上橋功率開關導通時， 中間電壓Vph等於輸人電壓Vin，於下橋功率關lg導通 時’中間輕Vph為G。換言之在理想狀況下，輸出電壓編 和輸入電壓Vm的比例恰等於上橋功率開關極訊號Vug的工 作週期比D，亦即Ton和週期T的比值；因此，如能控制使固 定Ton切換調節電路之週期τ如下： 丁一丁一輸人電壓Vin if出電壓Vout 就可使電路定頻操作。 根據以上概念，該先前技術提出如第2B圖之τ〇η計算電 路14 ’其中一個與輸入電壓Vin成Κ倍關係之電流源Csl(該 電壓源Csl之電流值為K*Vin)對一個電容值為c的電容C1 充電，使該電容C1具有一電壓Vc;比較器Coml比較該電壓 Vc與輸出電壓Vout，而產生一方波訊號。根據t=Cv/l(時間= 201214935 電容*電壓/電流），當比較n CGml有—高 時，該如計算電路14可以得到上橋功率開關導通的時 如下： Τπ 一 輸出電壓Vout κ ^人電壓Vin 換言之，在理想狀況下，T〇n=(C/K)xD，藉由控制該K、 =即可控制導通時間TGn為適當值，使岭τ 路在定頻獨作。 峨凋卽電 的古參見第4圖，中_单 與0。由於受到上橋功率開關UG盘下 通電阻的影響，該中間電 ： 事實上為vln-IL*Rug，低位準為_IL*Rlg，其中 I早

Rug、Rig分別為上橋與下橋的導通電阻 「、二 =前技雜構下，輸_ 咖綱於

T〇n = £x®*lEy〇ut C

K輸人電壓Vin 1XjD ^據此假設所設計的Tm計算電路14，並無法達成定頻的 【發明内容】 本發$目的之—在提供—種固定導通時卩 節電另—目的在提供―種控_定導^二換路調 節電==^，術_咖換調 201214935 為達上述之目的，就其令一個觀點言，本發明提供了一種 岐導通時間切換_電路，包含：—功率級電路，包括至少 一個功率_ ’操作於—工作週期比D，μ將—輸人電顯換 為一輸出輕；—比較電路，接收-代表輸出縣的反饋電 愿，使其與-預設電愿比較，並輸出—比較訊號，·一控制電路， 接收該比她號，雜獅比較城歧該功率_之導通起 始時間點，以控制該功率開關之操作；以及-導通時間計算電 路’接收-與該功率開關的工作週期比有關之工作訊號，並根 據該工作峨之工作職比，計算產生導通時間。 在其中-個實施型態中，導通時間計算電路包括··⑻一 驅動閉，接收與該功率開關的工作週期比D有關之工作訊號， 產生驅動閘輸出sfL號，此驅動閉之操作電壓高低位準分別 =第-參考電壓和地電位；⑼一低通滤波器，接收該鷄閘 輸出訊號，產生-第二參考電壓，其中該第二參考電壓盘第一 參考電壓之比例值等於該功率關的工作週期比D ;及⑹一 導通時間產生器，接收來自該低通濾波器的第二參考電壓，與 -斜坡訊航較，藉减生該功率開_導通時間。 在另-實施型態中，導通時間計算電路包括：一取樣 路’接收與該功率_的工作週期比D有關之訊號，以及接 =取樣峨，並且藉㈣取樣職計算該工作訊號之高低位 準時間比例，以產生-取樣結果，其中雜樣訊號之頻率高於 :工::减之頻率;以及一數位至類比轉換器，接收該取樣結 果’藉以產生該功率開關的導通時間。 ，再-她點而言，本發明提供了一種控制固 間切換調㈣路财法，朗定導通日_刀_節電路且有一 功率級電路’以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，該功； 6 201214935 路中包括至少-個功率開關，操作於一工作週期比方 電預設編 始與該功率開二 :訊號，収娜紅作觀之I作職比，計算產生導通時 上述控制ϋ定導通時間切換調節電路的方 ，時間的方式之-為：根據該工作訊號之工作週期比產生一 南低位準分別為第-參考電壓和地電位的第 ，的工作週期比與該工作訊號的工作週期比相二 t訊號的平均值，作為第二訊號；將該第二訊號斑一斜^ 訊號比較’私產生該功相_導通時間。 、 、上述㈣狀導科間切換魏財法巾，產生導 ^時間的又-方式為：接收與該工作職， 號，並且藉由該取樣職計算該I作峨之高低 列，以產生-取樣結果，其中該取樣訊號之頻率高於該工作訊 唬之頻率；以錄據該取樣絲，產生該功。 上述導通日刪算電路、㈣通時_=電t 或其控制方法中’產生導通時間的方式之一為 值為/的電聽對-個電容值“的電觀電，並以一個比ς 益比較比較該第二參考電壓與該電容的電壓 第-參考電壓糾倍時，所產生之導通時間為：Ί心為 導通時間=一X工作週期比β 所產生之導 當該電流值/與第-參考電壓不具有特定關 通時間為： ^ 201214935 導通時間作麵比〇。 底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之 目的、技術内容、特點及其所達成之功效。 【實施方式】 請再參見第4圖’在前述先前技射，其最大的問題在 於假設輸出電壓Vout=輸入電壓Vin*工作週期比D。然而， 由於受到非理想效應的影響（如上下橋功率開關UG ^ 之導通電阻），實際狀況之工作週期比與理想狀況之工'作週 期，有相當程度的落差，使得該固定T〇n卡刀換調節電路的τ〇η 計算並不準確’也就魏達成定麵作。騎決先前技術之缺 點，本發明提出之電路與方法如下。 第5圖為本發明第一實施例之電路架構圖 …，一I- «〜丨㈠〜吃呀木傅圆。本貫施例 中，上、下橋功率開關UG、LG與電感L構成功率級電路％， 此功率級電路30例如但不限於圖中所示之降壓轉換器。比較 電路23娜代表輸出電壓v〇m的反饋電壓州與預設參考 電壓Vref的比較結果，輸出比較訊號Vc〇m給控制電^， 以決定上橋功率開關UG導通開始時間點，其中該 Μ可為比較器或誤差放大器，比較訊號Vc〇m可為= 或類比訊號°控制電路11控制上橋功率_ UG和下橋功率 f關LG的操作，其中上橋功率開關UG導通之時間由τ〇η計 定，並由單次脈波產生電路12，依據控制電路11 ” on计具電路15之輸出訊號，產生一個決定上橋功率開關 起始時間點與導通時間的單次脈波，操作該上橋功率 巧G。為提供適當的間極驅動龍，單次脈波產生電路u 可透過驅動間21驅動上橋開關UG，而控制電路n可透過驅 201214935 . 動閘22驅動下橋功率開關LG。 本發明之特徵之一在於提供一個Ton計算電路15，此 Ton计算電路15係根據實際狀況來計算上橋功率開關ug 的導通時間Ton。所謂「實際狀況」，也就是上橋功率開關 UG的工作週期比D，此可取自任何與上橋功率開關UG的 工作週期比D有關的訊號，例如可為上橋閘極電壓Vug，或 驅動閘21的輸入訊號，或控制電路η内部所產生的訊號等 4。以下以上橋閘極電壓Vug為例來說明，但需說明的是， 同樣的原則可應用至其他與上橋功率開關UG的工作週期比 D有關的訊號，換言之τ〇η計算電路15並不限於如第5圖 所示直接接收上閘極電壓Vug，亦可接收任何與工作週期 比D有關之訊號，上橋閘極電壓Vug僅是其中一例。請參 見第6圖，本發明之Ton計算電路15包含Ton產生器150、 驅動閘151、及低通濾波器152 ;其中Ton產生器150包括 斜坡(Ramp)產生器153及比較器c〇m2。驅動閘151的操作 電壓高低位準分別為參考電壓Vrefl和地電位GND;驅動閘 151接收上橋閘極電壓vUg，其輸出通過低通濾波器152而 產生參考電壓Vref2，輸入Ton產生器150中比較器c〇m2 的一輸入端。此外’Ramp產生器153產生一個電壓訊號Vc， 輸入比較器Com2的另一輸入端。如此’ τ〇η計算電路15 即可在比較器Com2的輸出端，產生正確的導通時間Ton。 以下說明本發明之Ton計算電路15如何產生較先前技 - 術更正確的導通時間Ton。請參見第7A-7B圖為Ton計算電 路15的第一個實施例。本實施例中，低通濾波器152由RC (電阻—電容）電路構成(第7A圖）。請參閱第8圖，因驅 動閘151接收上橋閘極電壓Vug，且驅動閘151的操作電壓 201214935 ====地電位㈣，_閘 但=準== ==7=1咖151 _編罐波器152 :U的參考電壓Vref2即為 一參考電壓Vrefl的比例值可=映 on切換調節電路的工作週期比D，如下： 工作週期比D = _參考電壓Vref2 #%SSvrefl 請參閱第7B圖，Ramp產生器153包含電流源Cs2，並 電I與參考電壓Vrefl成κ倍關係，亦即i=m此 =源CS2對一電容值為c之電容C2充電，使該電容C2 、個電壓Vc，比較器Com2比較該電壓Vc與參考電壓 Vref2，根據t=cv/I(時間=電容*電壓/電流），於是可產生 出上橋功率開關UG之導通時間如下： 導通時間Τηη - ϋ考電壓vref2 c.

κ mmmvxtn =jxD 換S之，比較器com2 (亦即T〇n計算電路15)所輸出的訊 號與工作週期比D有正確的關係，使整n電路可以真正達 到定頻。 凊參見第9A-9B圖為本發明之τ〇η計算電路15的第二 個實施例。請先參見第9Β圖，本實施例中，Ramp產生器 153包含電流值為I的電流源Cs3，對電容值為c的電容c2 充電。需注意的是，本實施例的電流源CS3為一獨立電流 源，亦即，其電流值I不需根據參考電壓Vrefl來設定。該 上橋功率開關UG之導通時間可藉由以下公式得出： 201214935 導通時間Ton = ^1#考電壓Vref2 _ C x參考電壓Vref1

I 7--x £> = K'xD 亦即’因電容值C、參考電壓、電流值工皆為常 數，故可令K’=CxVrefl/I，而比較器c〇m2 (亦即τ〇η計算 電路15)所齡賴號雌紅作職比D有正確的關係， 使整體電路可以真正達到定頻。 以上第7A-7B、8、9A-9B圖實施例中，需說明的是，地 電位GNDJ1秘對需要為零電位，而可為電路巾的相對地電 $由第7A-7B圖和帛9A-9B圖可知，僅需驅動閘151的操 電壓低位準、低通濾波II 152的下端、和電容Ο的下端 ^立相等，比較器Οπη2就能產生正確的輸出，故該相對地 電位GND可以不為真正的零電位。 請參見第ίο圖為本發明之Ton計算電路is的另一個實 =„ ’ Ton計算電路15可用數位方式計算導 =如’其包含:取樣電路154、以及數位至類比轉換 之工伽Ϊ樣電路154接收與辨開_工作週期比D有關 二5 如但不限於上橋閘極電壓㈣，以及接收一 ===產__輸出至數位至類比轉換請，藉 的導通時間’其中該取樣訊 =^號之内部高頻訊號。其取樣方式如圖η所示， 樣電路154藉由頻率較高（即週期較小）之取樣背，來

低位準之_=， 等:g取:高位準時間等於取樣訊號週期之X 之比例得 確的工作週期比D，所產生的數^ P D—X/(X+y)。根據正 Θ數位赠’可在齡至類比轉 201214935 換器155中將其轉換成類比訊號，並使職類比訊號來產生 導通時間Ton，例如但；J；限於可㈣類比減與—斜坡訊號 相比較。因為導通時間TGn是根據正翻工作週期比d而 得，故整體電路可以真正達到定頻。需注意者，^所示 之方波§孔號僅為示意用，並非用以限定本發明。 以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者， 僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的崎而已，並非用 來限定本發明之權利範I在本發明之相職神下，孰悉本 技術者可以思及各種等效變化。例如，該功率級電路％並不 限於第5圖麻之同辦_魏路，其柯改為其他 轉換電路，如第12A-12F圖所示之同步或非同步之降壓轉換電 路、升壓轉換電路、歧壓轉換電路q如，各實施例圖示 之兩直接減的7C件間，可插置獨響電路主要 ^件；再如，功率級電路3G中的上橋功率開關或下^ 關，可以為NM0SFET或PM〇SFET ;電路中以高 ^ ，訊號意義，可㈣低鱗來衫，僅需對電路作: 即可。又如，㈣電路u和單次脈波產生電路以ς人 =-電路’或安排為不同的前後次序等。凡此 : 均應包含在本發明的範圍之内， 复化 【圖式簡單說明】

LiA定:示一先前技術微TGn切換調節電路，其缺點是 第1B圖說明固定Ton切換調節電路的操作波形。 第2A-2B圖顯示另-先前技術之固定τ〇η切換 缺點是了㈤計算電路計算出的導通時間會有所=^法= 12 - 201214935 確達到定頻。 第3圖顯示第2Α·2Β _前技術中， 壓，和下橋功率開關電愿vig間的關係。、上橋功 態與實際前技術中，中隨Vph於理想狀 第7A-7B圖顯示本發明之τ〇η計算電路15之一實施 第8圖說明本發明可正確取得卫作週期比d。 =-9B _示本發明之-計算電路15之另—實施例。 第1〇圖顯示本發明之TGn計算電路15之再—實施例。 第11圖說明本發明可藉由取樣醉正確計算t作週期比D。 第12A-12F圖顯示功率級電路3G可為同步或非同步之降 換電路、升壓轉換電路、或反壓轉換電路。 【主要元件符號說明】 11控制電路. 12單次脈波產生電路 13固定Ton電路 14 Ton計算電路 15 Ton計算電路 23比較電路 150 Ton產生器 151驅動閘 152低通濾波器 153 Ramp產生器 154取樣電路 155數位至類比轉換器 21，22驅動閘 30功率級電路 Com，Coml，Com2 比較器 Csl，Cs2,Cs3 電流源 C1，C2電容 L電感 UQLG上、下橋功率開關 Vcom比較訊號 13 201214935

Vin輸入電壓 Vout輸出電壓 Vph中間電壓 Vfb反饋電壓

Vug上橋閘極電壓 Vlg下橋閘極電壓 Vc電壓訊號

Vref，Vrefl，Vref2 參考電壓 14

Claims (1)

1. 201214935 七、申請專利範圍·· ^種祕©定導通時㈣換·電路中的導通時間計 該HU導通咖娜觸電路具有-神級電路，其包括 開關，操作於—1作週期比D，以將—輸人_ -，電壓’所述導通時間計算電路係用以計算該功率 开、固疋導通時間，該導通時間計算電路包含： 一驅_，魏與該辨開侧賊D有關之 :二Ϊ生—驅動閘輸出訊號，此驅動閘之操作電壓高低位準 刀另J為第一參考電壓和地電位； 低通;慮波器，接收該驅動閘輸出訊號，產生一第 1，其中該第二參考電壓與第一參考電壓之比例值等於 開關的工作週期比D;以及 …力率 :導通咖產生器，接收來自該低通濾波器的第二參考 ，與一斜坡訊號比較，藉以產生該功率_的導通時間。 H申請專·圍第1項所述之麟固定導通時間切換調从 電路，其中該導通時間產生器包括I : r二=/、電流值為該第一參考電壓的尤倍；一個電容值A 、:谷，與一個比較器，其中該電流源對該電容充雷，曰二 比較器比觀韻帛二參考龍與該電 ^ 訊號產生前鱗通_: i使传其輪出 導通時間=fx工作週期比Z)。 3電^中申^利細1項所述之細定導糊切換調r 電路中的導通時間計算電路，其中該導通時心 '满即 個電流值為/的電流源；—個電容值為 容十2包括：- 电谷，與—個比較 201214935 器’其中該電流源對該雷交古# _ ^ 電壓與容諸且狐較11啸該第二參考 、Cx第使传其輪出訊號產生前述該導通時間： 導鱗間=£^51Sx工作週期比〇 〇 4. 一 攸一f用ί固定導通時間切換調節電路中的導通時間計算電 導通咖切換調節電路具有-功率級電路，其包括 換:一::率開關，操作於-工作週期比’以將-輸入電壓轉 取樣f路，接㈣該辨開關的功週期 號:r藉由該取樣訊號計算該』 號之頻率高於=:=r結果’其中· 轉換器’接收該取樣結果，藉以產生該功率 的閘極電壓。 八 仏虎為该功率開關 轉換電路、升壓轉換電路、或反壓轉換電路。匕括.降壓 7. 一麵定導通時間切換調節電路，包含： 二=路電壓:::力：關’操作、 比較電路’接收一代表輸出電麼的反饋電壓，使其與 201214935 、 設電壓比較，並輸出一比較訊號； -控制電路，接收該比概號，並根據該比較訊號決定該功 率開關之導通起始時間點，以控制該功率開關之操作；以及 -導通時間計算電路，接收-與該功销關駐作週期比有 關之工作訊號，並根據該工作訊號之工作週期比，計算產生導 通時間。 8.如申請專利麵第7項所述之映導通時㈣換調節電 路’其中該導通時間計算電路包括： ⑷-驅動閘，接收與該功率開關的I作週期比D有關 之工作訊號，產生-驅動閘輸出訊號，此驅動間之操 壓高低位準分別為第一參考電壓和地電位； ’、 (b) -低通遽波器，接收該驅動閘輸出訊號 1 參考通時:產生器，接收來自該㈣ =祕，與—斜坡訊號比較，藉以產生該功率開關的導通 範圍第7項所述之固定 路’其中料通時随生器包括：—個電 2調卽電 壓 第一參考龍的Π ―個電容值為⑽電為該 f該電麵對魏容域，且触較批器， 與該電容的龍，使得其輸出訊號產生前述^參考電 導a時間=·|χ工作週期比^ 即電 ίο·如申#專利崎第7項所述之固定導通時間切換調 201214935 路，其中該導通時間產生器包括：—個電流值為 /的電流源； :個電容值為c的電容；與—個比較^，其巾該電流源對該電 今充電’且該比較器比較該第二參考電壓與該電容電壓，使得 其輸出訊號產生前述導通時間.： 工作週期比Ζ) 11.如申sf專利範圍第7項所述之固定導通時㈣換調節電 路，其中該導通時間計算電路包括： 率；以及 -取樣電路’接收該工作訊號，以及接收—取樣_，並 且藉由該取樣峨計算該工作峨之高餘科間比例，以產 生一取樣結果’其巾該取樣訊號之解高於紅作訊號之頻 一數位至類比轉換器，接收該取樣結果，藉以產生該功率 開關的導通時間。 12. 如申請專利範圍帛7項所述之固定導通時間切換調節電 路，其中該工作訊號為該功率開關的閘極電壓。 13. 如申請專利範圍第7項所述之固定導通時間切換調節電 路，其中該功率級電路包括：降壓轉換電路、升壓轉換 或反壓轉換電路。 、 、 H.如申請專利翻第7項所述之固定導通時間切換調節電 路，更包含：一個單次脈波產生電路，其接收該控制電路與該 導通時間計算電路之輸出，並根據所述導通起辦間點與固^ 導通時間，產生一個脈波以控制該功率開關之操作。、 15.如申凊專利範圍第14項所述之固定導通時間切換調節電 201214935 : -個驅動間，接於該單次脈波產生電路與該功 枝，_定導通 一工作週期比，所述方法包含： 個力车開關’操作於 電朗反咖，使其與1_心 ’ __陳導她時間點； 根攄，二開關的工作週期比有關之工作訊號；以及 據Μ作峨之1_概，計算產生導通時間。 I7.如申請專利範圍第16項所述+ 節電路的方法，其中該計算:=:^ - 作峨之工作聊比，產生-高她準分別為第 取得該第-訊號的平均值，作為第二訊號；以及 導^第二訊號與一斜坡訊號比較，藉以產生該功率開關的 ij.如中請專利朗第17項所述之控侧定導通時 即電路的方法，其中該斜坡訊號的產生方式為：以—個1 為7的電流源對—個電容值為c的電容充電。 ;,L Utl請專利範圍第18項所述之控制固定導通時間切換調 P電路的方法’其巾該電雜/雜κ倍的第n… 201214935 20.如申請專利範園第17項所述之控制固定導通時間切換調 節電路的方法，其中該計算產生導通時間的步驟包括： 接收與該工作訊號，以及接收一取樣訊號，並且藉由該取 樣訊號計算該工作訊號之高低位準時間比例，以產生一取樣結 果，其中娜樣峨之頻率高作城之頻率；、° 根據該取樣結果，產生該功率開關的導通時間。’ 21.如申請專利範圍第17項所 節電路的綠，其巾該工間切換調 °虎為該功率開關的閘極電壓。