控制电路、时间计算单元及控制电路操作方法

摘要

本发明公开一种控制电路、时间计算单元及其操作方法。控制电路运作于电源转换器中且耦接负载。控制电路包括输出级及时间计算单元。时间计算单元接收控制信号及参考电压并提供开关导通信号至输出级。控制信号的产生与电源转换器的输出电压有关。当控制信号与参考电压之间的差值由于负载的改变而变大时，时间计算单元动态增加开关导通信号的导通时间。

说明书

技术领域

本发明与直流对直流转换器(DC-DC converter)有关，特别是关于一 种运作于电源转换器中的控制电路、时间计算单元及控制电路操作方 法。

背景技术

一般而言，为了加快电源转换器对于负载暂态变化，会将开关导通信 号的导通时间(脉冲信号的宽度)固定放大为原来的二倍或数倍。举例 而言，如图1所示，当负载由轻载增至重载时，输出电感电流IL由低准 位变为高准位，开关导通信号UG的导通时间(脉冲信号的宽度)将会由 原本的Ton放大三倍为3Ton，由此使得原本快速下降的回授电压FB能够 尽快回复。图2则绘示其控制逻辑电路的示意图。如图2所示，比较器 20将会输出脉宽调变截距信号PWM_offset，以触发开关40从原本产生 具有一倍宽度的开关导通信号切换为产生具有三倍宽度的开关导通信 号。

当设计者进行此系统的设计时，虽可决定脉冲信号宽度放大的倍率， 然而，在实际操作时，此一预设的放大倍率是固定的，并无法随着不 同负载大小而进行动态调整，故缺乏使用上的弹性。此外，由于一倍 宽度及数倍宽度的脉冲信号的切换是仰赖比较器20所输出的脉宽调变 截距信号PWM_offset的控制，但由于此一截距大小不定，难以准确判 断是否应控制开关40进行切换，故现有技术控制不易，效果不佳。

因此，本发明提出一种运作于电源转换器中的控制电路、时间计算单 元及控制电路操作方法，以解决现有技术所遭遇到的上述种种问题。

发明内容

本发明的一范畴在于提出一种控制电路。于一较佳具体实施例中，控 制 电路运作于电源转换器中且耦接负载。控制电路包括输出级及时间计 算单元。时间计算单元耦接输出级。时间计算单元接收控制信号及参 考电压并提供开关导通信号至输出级，其中控制信号的产生与电源转 换器的输出电压有关。当控制信号与参考电压之间的差值由于负载的 改变而变大时，时间计算单元动态增加开关导通信号的导通时间。

于一实施例中，时间计算单元包括第一电流源、电流镜、运算放大器 、比较器、电容及开关。电流镜由第一电晶体及第二电晶体的闸极彼 此相对耦接而构成。第一电流源耦接于第一电晶体与接地端之间。电 容耦接于第二电晶体与接地端之间。开关的两端分别耦接电容的两侧 。运算放大器与比较器均耦接至第二电晶体与电容之间。

于一实施例中，第一电流源与电源转换器的输入电压有关。第一电流 源通过电流镜提供第一电流对电容进行充电。运算放大器为电压转电 流元件，用以接收控制信号及参考电压并选择性地产生第二电流源。 比较器接收电容的充电电压与电源转换器的输出电压并输出开关导通 信号。当充电电压大于输出电压时，比较器停止输出开关导通信号。

于一实施例中，时间计算单元包括第一电流源、运算放大器及电容， 第一电流源提供第一电流，当控制信号大于参考电压时，运算放大器 产生供第二电流源，第一电流为第二电流源的一第二电流与流经电容 的一充电电流之和，当负载变大时，控制信号增大，控制信号与参考 电压之间的差值随之变大，运算放大器所产生的第二电流源的第二电 流变大，致使充电电流变小，导致开关导通信号的导通时间变长。

于一实施例中，当负载由轻载变为重载时，运算放大器根据控制信号 与参考电压之间的差值线性增加第二电流源的第二电流，致使开关导 通信号的导通时间线性增加。

本发明的另一范畴在于提出一种时间计算单元。时间计算单元运用于 电源转换器中且耦接负载。电源转换器包括输出级。时间计算单元包 括第一电流源、电流镜、运算放大器、比较器及电容。电容耦接于电 流镜与接地端之 间。第一电流源耦接于电流镜与接地端之间，用以通过电流镜提供第 一电流对电容进行充电。运算放大器耦接至电流镜与电容之间，用以 接收控制信号及参考电压，其中控制信号的产生与电源转换器的输出 电压有关。比较器耦接运算放大器、电流镜、电容及输出级，用以提 供开关导通信号至输出级。当控制信号与参考电压之间的差值由于负 载的改变而变大时，比较器动态增加开关导通信号的导通时间。

本发明的另一范畴在于提出一种电源转换器操作方法。于一较佳具体 实施例中，控制电路操作方法用以操作控制电路。控制电路运作于电 源转换器中且耦接负载。控制电路包括输出级。电源转换器操作方法 包括下列步骤：接收控制信号及参考电压，并提供开关导通信号至输 出级，其中控制信号的产生与电源转换器的输出电压有关；当控制信 号与参考电压之间的差值由于负载的改变而变大时，动态增加开关导 通信号的导通时间。

相较于现有技术，本发明的运作于电源转换器中的控制电路、时间计 算单元及控制电路操作方法根据负载的变化以线性方式动态调整开关 导通信号的导通时间，故不仅能于负载由轻载变为重载时，加快对于 负载的暂态反应速度，亦可适应任意的负载大小改变状况，此外，本 发明的电源转换器采用模拟放大器决定对于开关导通信号的导通时间 长短(脉宽大小)的改变，亦比传统的数字二分法更能准确地进行控制 。而在负载暂态变化的过程中，开关导通信号的导通时间长短仍由回 路进行控制，故不会破坏系统的稳定性。

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进 一步的了解。

附图说明

图1绘示传统的控制电路在负载由轻载变为重载时各信号的时序图。

图2绘示传统的控制电路的电路架构示意图。

图3绘示根据本发明的一具体实施例的控制电路的功能方块图。

图4绘示图3中的时间计算单元的电路架构示意图。

图5绘示图3中的控制电路在负载由轻载变为重载时各信号的时序图。

图6绘示根据本发明的另一具体实施例的控制电路操作方法的流程图。

主要元件符号说明：

S10~S20：流程步骤 

I_L：输出电感电流         UG、LG：开关导通信号

FB：回授电压             PWM：脉宽调变信号

T_off：开关关闭时间         T_{off_min}：最小开关关闭时间

PWM_offset：脉宽调变截距信号

20：比较器              40：开关

3：控制电路              4：负载

30：时间计算单元        I_ton：第一电流源

MP1：第一电晶体        MP2：第二电晶体

OP1：运算放大器        OP2：比较器

C1：充电电容           SW1：充电开关

＋：正输入端            －：负输入端

mI：第一电流            V_c：充电电压 

T_on：开关导通信号        V_con：控制信号 

V_ref：参考电压           nI：第二电流源

I₁：充电电流            V_out：输出电压

OS：输出级              ramp：斜波信号

t₁、t₂：时间              W~W₅：脉冲宽度(导通时 间)

△V₁~△V₅：控制信号与参考电压之间的差值

I₂：第二电流            I₄：负载电流

具体实施方式

根据本发明的一较佳具体实施例为一种运作于电源转换器中的控制电 路。实际上，本发明提出的控制电路可应用于定频直流-直流电源转换 器或恒定导通直流-直流转换器(COT DC-DC Converter)，但不以此 为限。本发明的控制电路亦可适用于交流对直流转换器或直流对交流 转换器等电源转换电路的架构中。

首先，请参照图3，图3绘示此实施例的运作于电源转换器中的控制电 路的电路架构示意图。如图3所示，控制电路3耦接负载4。控制电路3 至少包括有输出级OS及时间计算单元30。时间计算单元30耦接输出级 OS。时间计算单元30接收控制信号V_con及参考电压V_ref，并根据控制信号 V_con及参考电压V_ref选择性地提供开关导通信号Ton至输出级OS。输出级O S包括有驱动器32、第一开关34及第二开关36。输出级OS通过输出电感 L耦接负载4。驱动器32分别输出开关导通信号UG及LG至第一开关34及 第二开关36，以控制第一开关34或第二开关36导通。流经输出电感L的 电流为输出电感电流I_L，流经负载4的电流为负载电流I₄，并且位于输 出电感L与负载4之间的电压即为电源转换器的输出电压V_out。

接着，请参照图4，图4绘示图3中的时间计算单元30的电路架构示意图 。如图4所示，时间计算单元30包括第一电流源I_ton、第一电晶体MP1、 第二电晶体MP2、运算放大器OP1、比较器OP2、充电电容C1及充电开关 SW1。第一电流源I_ton耦接于第一电晶体MP1与接地端之间；第一电晶体 MP1与第二电晶体MP2的闸极彼此相对耦接而构成电流镜；充电电容C1 耦接于第二电晶体MP2与接地端之间；充电开关SW1的两端分别耦接充 电电容C1的两侧；运算放大器OP1与比较器OP2均耦接至第二电晶体MP 2与充电电容C1之间。

第一电流源I_ton为电源转换器的输入电压V_in的函数，亦即第一电流源I_ton会随着电源转换器的输入电压V_in变化。第一电流源I_ton通过第一电晶体 MP1与第二电晶体MP2所构成的电流镜提供第一电流mI对充电电容C1进 行充电。此时，充电开关SW1处于断路的状态，以使第一电流mI能够顺 利流至充电电容C1进行充电。由于比较器OP2会比较充电电容C1的充电 电压Vc与电源转换器的输出电压V_out，当充电电容C1被充电至其充电电 压V_c高于电源转换器的输出电压V_out时，亦即比较器OP2所得到的比较结 果为充电电压V_c大于输出电压V_out时，代表充电程序已完成，比较器OP 2将会停止输出开关导通信号T_on至输出级OS，并且充电开关SW1将会切 换至导通的状态，使得第一电流mI改通过充电开关SW1流向接地端，以 停止第一电流mI继续对充电电容C1进行充电。

于此实施例中，由于运算放大器OP1接收两个电压信号(控制信号V_con及 参考电压V_ref)并根据控制信号V_con及参考电压V_ref选择性地产生第二电流源 nI，故运算放大器OP1属于电压转电流的电路元件。运算放大器OP1会 比较控制信号V_con及参考电压V_ref的大小并计算控制信号V_con与参考电压V_ref之间的差值。实际上，控制信号V_con可以是比较电源转换器的输出电压 V_out与一预设电压所得的误差信号(comp)或与电源转换器的输出电压V_out有关的回授信号(Vfb)，但不以此为限。

当运算放大器OP1所得到的比较结果为控制信号V_con小于或等于参考电压 V_ref时，运算放大器OP1不会产生第二电流源nI，亦即第二电流源nI的第 二电流I₂为0。此时，流经充电电容C1的充电电流I₁即等于第一电流m I。

当运算放大器OP1所得到的比较结果为控制信号V_con大于参考电压V_ref时， 运算放大器OP1即会开始产生第二电流源nI，亦即第二电流源nI的第二 电流I₂开始大于0。此时，由于部分的第一电流mI将会分流为流向第二 电流源nI的第二电流I₂，也就是说，第一电流mI等于第二电流I₂与充 电电流I₁之和。因此，流经充电电容C1的充电电流I₁将会小于第一电 流mI。

由于参考电压V_ref为固定值，一旦控制信号V_con逐渐变大，将会导致控制 信号V_con与参考电压V_ref之间的差值亦随之逐渐变大。由于运算放大器 OP1会根据控制信号V_con与参考电压V_ref之间的差值来调整其产生的第二电 流源nI的第二电流I₂的大小，当控制信号V_con与参考电压V_ref之间的差值 变大时，运算放大器OP1所产生的第二电流源nI的第二电流I₂亦会变大 ，使得对充电电容C1进行充电的充电电流I₁变小，这将导致充电电容 C1的充电电压V_c被充电电流I₁充电至高于电源转换器的输出电压V_out所 需时间变长，亦即比较器OP2从开始输出开关导通信号T_on至输出级OS一 直至停止输出开关导通信号T_on至输出级OS为止的这段开关导通时间将 会变长(亦即开关导通信号T_on的脉冲宽度变大)。

举例而言，请参照图5，图5绘示当负载4由轻载变为重载时各信号的时 序图。如图5所示，当负载4于时间t1产生暂态变化时，亦即负载4由轻 载增加为重载时，负载电流I₄及输出电感电流I_L将会由低准位变为高 准位，输出电压V_out因而增大，所以其产生与输出电压V_out有关的控制信 号V_con亦会随之增大。一旦控制信号V_con大于参考电压V_ref，运算放大器OP 1即会根据控制信号V_con与参考电压V_ref之间的差值产生第二电流源nI的第 二电流I₂，使得流经充电电容C1的充电电流I₁小于第一电流mI，导致 充电电容C1被充电电流I₁充电至其充电电压V_c高于电源转换器的输出 电压V_out所需的时间变长，亦即开关导通信号T_on的导通时间变长。

在时间t1至t2的区间内，由于控制信号V_con向上爬升超过参考电压V_ref， 运算放大器OP1即会产生第二电流源nI的第二电流I₂并根据控制信号V _con与参考电压V_ref之间的差值的大小线性地调整第二电流源nI的第二电流 I₂的大小，由此线性地调整开关导通信号T_on的导通时间的长短(亦即开 关导通信号T_on的脉冲宽度的大小)。

当控制信号V_con超过参考电压V_ref后继续向上爬升时，控制信号V_con与参考 电压V_ref之间的差值由0逐渐增加至△V₄，因此相对应的开关导通信号T _on的导通时间(亦即脉冲宽度)亦由W逐渐增加至W₄。当控制信号V_con开始 下降时，控制信号V_con与参考电压V_ref之间的差值由△V₄减少为△V₅，因 此相对应的开关导通信号T_on的导通时间(亦即脉冲宽度)亦由W₄减少为 W₅。

由此，控制电路3可加快对于负载4的暂态反应速度，亦可随时根据控 制信号V_con与参考电压V_ref之间的差值△V₁~△V₅动态地调整开关导通信号 T_on的导通时间(亦即脉冲宽度)为W₁~ W₅，故能适应任意的负载4大小 改变状况，有效地改善现有技术中采用固定的脉宽放大倍率而无法随 不同负载大小而进行动态调整以及难以准确判断输出或停止输出开关 导通信号T_on的缺点。

根据本发明的另一较佳具体实施例为一种控制电路操作方法。于此实 施例中，上述控制电路操作方法用以操作控制电路。控制电路运作于 电源转换器中且耦接负载。控制电路包含输出级。请参照图6，图6绘 示此实施例的控制电路操作方法的流程图。

如图6所示，首先，上述方法执行步骤S10，接收控制信号及参考电压 ，并提供开关导通信号至输出级，其中控制信号的产生与电源转换器 的输出电压有关。实际上，控制信号可以是比较电源转换器的输出电 压与一参考电压所得的误差信号或与电源转换器的输出电压有关的回 授信号，但不以此为限。

接着，上述方法执行步骤S12，判断控制信号是否大于参考电压。若步 骤S12的判断结果为是，代表控制信号已爬升超越固定的参考电压，因 此，上述方法将会依序执行步骤S14及S16，产生第二电流源，并根据 控制信号与参考电压之间的差值动态调整第二电流源的第二电流大小 。由于当负载由轻载变为重载时，电源转换器的输出电压会增大，其 产生与电源转换器的输出电压有关的控制信号亦会增大，使得控制信 号与参考电压之间的差值亦增大，因此，上述方法将会根据增大的控 制信号与参考电压之间的差值动态增大第二电流源的第二电流。

上述方法执行步骤S18，判断充电电容的充电电压是否高于电源转换器 的输出电压。若步骤S18的判断结果为是，代表充电电容已被充电电流 充电至高于电源转换器的输出电压的充电电压，因此，上述方法执行 步骤S20， 停止输出开关导通信号至输出级。

需说明的是，当负载由轻载变为重载时，由于第二电流源的第二电流 变大，使得流经充电电容的充电电流将会变小，致使充电电容的充电 电压被充电电流充电至高于电源转换器的输出电压所需时间变长，因 此从开始输出开关导通信号至输出级一直至停止输出开关导通信号至 输出级为止的这段开关导通时间将会变长(亦即开关导通信号的脉冲宽 度变大)。

相较于现有技术，本发明的运作于电源转换器中的控制电路、时间计 算单元及控制电路操作方法根据负载的变化以线性方式动态调整开关 导通信号的导通时间，故不仅能于负载由轻载变为重载时，加快对于 负载的暂态反应速度，亦可适应任意的负载大小改变状况，此外，本 发明的电源转换器采用模拟放大器决定对于开关导通信号的导通时间 长短(脉宽大小)的改变，亦比传统的数字二分法更能准确地进行控制 。而在负载暂态变化的过程中，开关导通信号的导通时间长短仍由回 路进行控制，故不会破坏系统的稳定性。

通过以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征 与精神，而并非以上述所公开的较佳具体实施例来对本发明的范畴加 以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于 本发明所欲申请的专利范围的范畴内。