CN101447732A - 用于同步切换式电压转换器的逆向电流保护装置 - Google Patents

Abstract

一种同步切换式电压转换器，具有电感、第一开关、第二开关、电流比较单元、及时间计算单元。电流比较单元用以判别电感电流是否等于零。时间计算单元用以计算第二开关的导通持续时间，使得在轻载模式时可避免电感电流发生逆流现象，并进而提升功率效率。

Description

用于同步切换式电压转换器的逆向电流保护装置

技术领域

本发明涉及一种同步切换式电压转换器(SynchronousSwitching Voltage Converter)，尤其涉及一种用于防止电流由输出端往输入端逆流的同步切换式电压转换器。

背景技术

图1示出公知的同步切换式电压转换器10的电路图。同步切换式电压转换器10具有切换控制电路12、电感L1、输出电容C_o1、开关SP1、及开关SN1。输入电压V_in1耦合到输入端IN1且输出电压V_o1耦合到输出端01。同步切换式电压转换器10属于升压型，亦即将较低的输入电压V_in1转换成较高的输出电压V_o1。电感L1耦合到输入端IN1与切换节点N1之间。开关SP1耦合到切换节点N1与输出端01间，而开关SN1则耦合到切换节点N1与地面电位间。此外，输出电容C_o1耦合到输出端01，以便对输出电压V_o1进行滤波。在图1所示的例子中，开关SP1由PMOS晶体管所实施而开关SN1则由NMOS晶体管所实施。切换控制电路12施加驱动信号DN1以决定开关SN1的导通(ON)与不导通(OFF)，且施加驱动信号DP1以决定开关SP1的导通与不导通。

具体而言，切换控制电路12基于输出电压V_o1的反馈而决定驱动信号DN1及DP1的占空因数，以将输出电压V_o1调节到目标值。当输出电压V_o1低于目标值时，驱动信号DN1及DP1的占空因数将会变大，以提高输出电压V_o1。当输出电压V_o1高于目标值时，驱动信号DN1及DP1的占空因数将会变小，以降低输出电压V_o1。

图2(a)示出电感L1的电流I_L1在重载(Heavy Loading)时的波形时序图，而图2(b)则示出电感L1的电流I_L1在轻载(Light Loading)时的波形时序图。如图2(a)所示，当输出端01处于重载时，电感L1的电流I_L1不会发生逆流的现象。然而，如图2(b)所示，当输出端01处于轻载时，电感L1的电流I_L1在时间T_A至T_B之间会逆转方向而由输出端01往输入端IN1逆流，因而降低功率效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种逆向电流保护装置，应用于同步切换式电压转换器，在轻载时可防止电感电流由输出端往输入端逆流，进而提升功率效率。

依据本发明的目的，提供一种同步切换式电压转换器将输入电压转换成输出电压，其具有：切换电路、电流检测单元、电流比较单元、以及时间计算单元。切换电路具有第一开关、第二开关、与电感。该第一开关、该第二开关、与该电感共同耦合到切换节点，且该电感流过第一电流。电流检测单元用以提供第二电流，该第二电流正比于该第一电流。电流比较单元通过比较A*I₂(x+y)与I₂(x+A*y)以判别该第一电流是否在时间x等于零，其中A为常数且满足不等式0<A<1，y表示该第一开关的导通持续时间，I₂(x+y)表示该第二电流在时间x+y的电流值，而I₂(x+A*y)表示该第二电流在时间x+A*y的电流值。时间计算单元利用第三电流与第S周期时该第二开关的导通持续时间T_PS，用以计算出第(S+1)周期时该第二开关的导通持续时间T_PS+1，其中该第三电流正比于该第一电流且S为大于1的正整数。该电流检测单元、该电流比较单元、及该时间计算单元用以避免该第一电流发生逆流现象。

附图说明

图1示出公知的同步切换式电压转换器的电路图；

图2(a)示出重载时公知的电感电流的波形时序图；

图2(b)示出轻载时公知的电感电流的波形时序图；

图3示出依据本发明的同步切换式电压转换器的电路图；

图4(a)示出依据本发明的同步切换式电压转换器在重载模式时的操作方法的波形时序图；

图4(b)示出依据本发明的同步切换式电压转换器由重载模式变为轻载模式时的操作方法的波形时序图。

具体实施例

下文中的说明与附图将使本发明的前述与其他目的、特征、与优点更明显。这里将参照附图详细说明依据本发明的优选实施例。

图3示出依据本发明的同步切换式电压转换器30的电路图。同步切换式电压转换器30具有切换控制电路32、电感L、输出电容C_o、开关SP、及开关SN。输入电压V_in耦合到输入端IN且输出电压V_o耦合到输出端0。同步切换式电压转换器30属于升压型，亦即将较低的输入电压V_in转换成较高的输出电压V_o。电感L耦合到输入端IN与切换节点N之间，且电感L流过电流I₁。开关SP耦合到切换节点N与输出端0之间，而开关SN则耦合到切换节点N与地面电位之间。此外，输出电容C_o耦合到输出端0，且输出端0耦合到切换控制电路32。在图3所示的例子中，开关SP由PMOS晶体管所实施而开关SN则由NMOS晶体管所实施。切换控制电路32施加驱动信号DN以决定开关SN的导通与不导通，且施加驱动信号DP以决定开关SP的导通与不导通。

图4(a)示出输出端0处于重载时，驱动信号DN、驱动信号DP、以及电流I₁的波形时序图。当驱动信号DN及DP为高电平时，开关SN导通而开关SP不导通，此时电感L的电流I₁会逐渐增加。当驱动信号DN及DP为低电平时，开关SN不导通而开关SP导通，此时电感L的电流I₁会逐渐减少。在此重载模式操作下电流I₁不会发生逆流的现象。

图4(b)则示出输出端0由重载变为轻载时，驱动信号DN、驱动信号DP、以及电流I₁的波形时序图。请同时参照图3、图4(a)及图4(b)以便详细说明依据本发明的切换控制电路32的操作方式。如图3所示，切换控制电路32包含电流检测单元34、电流比较单元36、以及时间计算单元38，用以避免电感L的电流I₁发生逆流的现象。电流检测单元34根据电流I₁而产生电流I₂及I₃，其中I₂＝I₃且电流I₂正比于电流I₁，用以提供电流I₂至电流比较单元36且提供电流I₃至时间计算单元38。

如图4(a)所示，开关SN在时间x开始导通，此时电流I₁为最小值I_min。当经过开关SN导通持续时间y后，电流I₁在时间z为最大值I_max且z＝x+y。为了避免电感L的电流I₁产生逆向电流，首先必须检测电流I₁何时减少至零。电流比较单元36通过比较A*I₂(x+y)与I₂(x+A*y)以判别电流I₁是否在时间x等于零，其中A为常数且满足不等式0<A<1。I₂(x+y)表示电流I₂在时间x+y的电流值，而I₂(x+A*y)表示电流I₂在时间x+A*y的电流值。因为电流I₂正比于电感L的电流I₁，所以电流比较单元36利用电流I₂来取代电流I₁以作为比较之用，其中I₂＝B*I₁，B为常数且满足不等式0<B<1。

为了易于实施且便于以下说明，本发明选择A＝0.5。I₂(x+0.5*y)表示电流I₂在时间w的电流值，I₁(x+0.5*y)表示电流I₁在时间w的电流值，其中I₁(w)＝0.5*(I_min+I_max)且w＝x+0.5*y。故A*I₂(x+y)＝0.5*I₂(z)＝0.5*B*I_max，且I₂(x+A*y)＝I₂(x+0.5*y)＝I₂(w)＝0.5*B*(I_min+I_max)。当I_min大于零，表示I₂(x+A*y)大于A*I₂(x+y)，电流比较单元36输出低电平的比较信号CP。当I_min降至零，表示I₂(x+A*y)等于A*I₂(x+y)，电流比较单元36则输出高电平的比较信号CP。

如图4(b)所示，驱动信号DN及DP具有周期T，T₁为第S周期的开始时间，即T₁＝(S-1)*T，此时I₁的电流为零，其中S为大于1的正整数。当经过开关SN导通持续时间T_NS后，在时间T₂电流比较单元36会输出高电平的比较信号CP至时间计算单元38，以表示目前同步切换式电压转换器30操作在轻载模式，其中T₂＝T₁+T_NS。如前所述，由于I₃＝I₂＝B*I₁，所以时间计算单元38利用电流I₃来计算第(S+1)周期时的开关SP导通持续时间T_PS+1、第(S+2)周期时的开关SP导通持续时间T_PS+2、第(S+3)周期时的开关SP导通持续时间T_PS+3等，以避免电流I₁发生逆流现象。

如图4(b)所示，当时间计算单元38接收到高电平的比较信号CP，首先会储存时间T₂时的电流I₃，亦即I₃(T₂)。当经过开关SP导通持续时间T_PS后，在时间T₃时I₁的电流为零，其中T₃＝T₂+T_PS。时间T₃是第S周期的结束时间也是第(S+1)周期的开始时间。时间计算单元38此时会储存第S周期时的开关SP导通持续时间T_PS。当经过开关SN导通持续时间T_NS+1后，时间计算单元38接着会储存时间T₄时的电流I₃，亦即I₃(T₄)，其中T₄＝T₃+T_NS+1。为了避免电流I₁在时间T₅之后发生逆流现象，时间计算单元38将根据之前储存的I₃(T₂)、I₃(T₄)、以及T_PS用以决定第(S+1)周期的开关SP导通持续时间T_PS+1，其中电流I₁在时间T₅时等于零且T₅＝T₄+T_PS+1。接着切换控制电路32会根据时间计算单元38所计算出的开关SP导通持续时间T_PS+1用以控制驱动信号DP使得开关SP不导通。因此，电流I₁在时间T₅至T₆之间维持为零，其中时间T₆是第(S+1)周期的结束时间，此时同步切换式电压转换器30操作于不连续电流模式(Discontinuous Current Mode)。

由于电感L的电流I₁以固定的斜率下降，因此T₂、T₃、以及I₁所形成的三角形会类似于T₄、T₅、以及I₁所形成的三角形，如图4(b)所示。利用两个三角形相似的特性，可得T_PS+1＝T_PS*I₁(T₄)/I₁(T₂)＝T_PS*I₃(T₄)/I₃(T₂)，其中I₁(T₂)表示电流I₁在时间T₂的电流值且I₁(T₄)表示电流I₁在时间T₄的电流值。同样地，第(S+2)周期时的开关SP导通持续时间T_PS+2、第(S+3)周期时的开关SP导通持续时间T_PS+3等，都可应用相似三角形的特性而推得，在此便不再赘述。

因此，切换控制电路32会根据时间计算单元38所推得的开关SP导通持续时间T_PS+1、T_PS+2、T_PS+3等用以产生驱动信号DP，由此防止电感L的电流I₁发生逆流现象，进而提升功率效率，且使得同步切换式电压转换器30在轻载模式下操作于不连续电流模式。本发明除了可应用于升压形电压转换器外，也可实施于降压形电压转换器。

虽然本发明已经通过优选实施例作为例示加以说明，应了解的是：本发明不限于此公开的实施例。相反地，本发明意在涵盖对于本领域一般技术人员而言明显的各种修改与相似配置。因此，权利要求的范围应根据最广的诠释，以包容所有此类修改与相似配置。

Claims (7)

1、一种切换式电压转换器，用以将输入电压转换成输出电压，包括：

切换电路，具有第一开关、第二开关、与电感，其中该第一开关、该第二开关、与该电感共同耦合到切换节点，且该电感流过第一电流；

电流检测单元，用以提供第二电流，所述第二电流正比于所述第一电流；以及

电流比较单元，通过比较A*I₂(x+y)与I₂(x+A*y)以判别所述第一电流是否在时间x等于零，其中A为常数且满足不等式0<A<1，y表示所述第一开关的导通持续时间，I₂(x+y)表示所述第二电流在时间x+y的电流值，而I₂(x+A*y)表示所述第二电流在时间x+A*y的电流值。

2、如权利要求1所述的切换式电压转换器，还包括：

时间计算单元，利用第三电流与第S周期时所述第二开关的导通持续时间，用以计算出第(S+1)周期时所述第二开关的导通持续时间，其中所述第三电流正比于所述第一电流且S为大于1的正整数。

3、如权利要求1所述的切换式电压转换器，其中A等于0.5。

4、如权利要求1所述的切换式电压转换器，其中所述切换式电压转换器属于升压型。

5、如权利要求2所述的切换式电压转换器，其中所述电流比较单元将比较信号输出到所述时间计算单元，用以表示所述同步切换式电压转换器操作于轻载模式。

6、如权利要求5所述的切换式电压转换器，其中所述电流检测单元、所述电流比较单元、与所述时间计算单元用以避免所述第一电流发生逆流现象。

7、如权利要求2所述的切换式电压转换器，其中所述切换式电压转换器在轻载模式时操作于不连续电流模式。

Images