CN104167905A - 用于电源转换器的时间产生器及时间信号产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于电源转换器的时间产生器及时间信号产生方法。时间产生器包括临界电压产生电路以及时间产生单元。临界电压产生电路接收关联于电源转换器的输出电压的误差信号。临界电压产生电路依据误差信号产生临界电压。时间产生单元依据误差信号、临界电压及控制信号来产生时间信号。时间产生单元提供跟踪信号。时间信号的宽度为取决于跟踪信号从误差信号的电平离开而到达临界电压的电平的一时间。

Description

用于电源转换器的时间产生器及时间信号产生方法

技术领域

本发明是有关于一种电源转换器，且特别是有关于一种用于电源转换器的时间产生器及时间信号产生方法。

背景技术

现有的直流转直流的电源设计，常采用固定导通时间架构。图1为现有基于固定导通时间架构的电源转换器100的示意图。比较器110比较误差信号Err与斜坡信号RAMP来产生误差信号CM，其中误差信号Err的大小与反馈信号Vfb和参考电压Vref两者有关。时间控制电路120利用固定导通时间机制来产生计数用的导通时间信号，并根据误差信号CM来设定脉宽调制信号PWM，其中导通时间Ton的宽度是与输入电压Vin和输出电压Vout有关。

图2为电源转换器100中的波形示意图。请合并参阅图1和图2。通过误差信号Err与斜坡信号RAMP来决定脉宽调制信号PWM。并且在脉宽调制信号PWM决定的时刻，时间控制电路120开始计算导通时间信号Xon，而导通时间信号Xon中的每一周期的导通时间Ton是固定的。然而，现有的脉宽调制操作架构虽可达到定频的效果，但当输出电压Vout随着负载电流Iload变化而改变时，时间控制电路120仍以固定频率在一个周期内提供相同的能量，于是电源转换器100在负载瞬间变化期间的表现不佳。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种用于电源转换器的时间产生器及时间信号产生方法，藉以解决现有技术所述及的问题。

本发明提供了一种时间产生器，适用于电源转换器对输出电压进行调节。时间产生器包括临界电压产生电路以及时间产生单元。临界电压产生电路接收关联于电源转换器的输出电压的误差信号，且依据误差信号产生临界电压。时间产生单元耦接临界电压产生电路，且依据所述误差信号、所述临界电压及控制信号来产生时间信号。时间产生单元提供跟踪信号。时间信号的宽度为取决于跟踪信号从误差信号的电平离开而到达临界电压的电平的一时间。

在本发明的一实施例中，控制信号为电源转换器的第一比较器的比较结果。第一比较器接收误差信号与斜波信号。

在本发明的一实施例中，临界电压产生电路包括第一电流源与电阻。临界电压产生电路通过第一电流源与电阻产生预设电压。临界电压为预设电压与误差信号的运算结果。

在本发明的一实施例中，临界电压产生电路包括第一电流源、电阻以及第一放大器。第一放大器的第一输入端接收误差信号。第一放大器的第二输入端耦接第一放大器的输出端。第一放大器的输出端与第一放大器的第二输入端耦接电阻的一端。电阻的另一端耦接第一电流源。

在本发明的一实施例中，临界电压与误差信号的关系如下述表示式：

V1=Err+Vw，

其中V1为临界电压，Err为误差信号，Vw为预设电压。

在本发明的一实施例中，时间产生单元包括第二比较器与控制电路。第二比较器的第一输入端和第二输入端分别接收临界电压与跟踪信号，以控制所述控制电路来产生时间信号。

在本发明的一实施例中，控制电路包括第一开关、电容器、第二开关以及第二电流源。第一开关的第一端耦接第二比较器的第二输入端，且其第二端耦接临界电压产生电路。电容器耦接于第一节点与接地端之间。第二开关的控制端接收时间信号，且其第一端通过第一节点耦接第二比较器的第二输入端与电容器。第二电流源耦接于第二开关的第二端与工作电压之间。

在本发明的一实施例中，控制电路还包括第三开关、第四开关、第一反相器、第二反相器以及第三反相器。第三开关的控制端接收一控制信号，其第一端耦接接地端，且其第二端耦接第一开关的控制端。第一反相器的输入端耦接第三开关的第二端。第二反相器的输入端耦接第一反相器的输出端，且其输出端耦接第一反相器的输入端。第四开关的控制端耦接第二比较器的输出端以接收复位信号，其第一端耦接接地端，且其第二端耦接第一反相器的输出端与第二反相器的输入端。第三反相器的输入端耦接第一反相器的输入端、第二反相器的输出端以及第三开关的第二端，且其输出端耦接第二开关的控制端并产生时间信号。

在本发明的一实施例中，第一电流源的输出电流关联于输出电压的大小。第二电流源的输出电流关联于电源转换器的输入电压的大小。

本发明提供了一种电源转换器的时间信号产生方法。所述时间信号产生方法包括以下步骤：接收关联于电源转换器的输出电压的误差信号；依据误差信号产生临界电压；以及依据误差信号、临界电压及控制信号来产生时间信号，且提供跟踪信号，其中时间信号的宽度为取决于跟踪信号从误差信号的电平离开而到达临界电压的电平的一时间。

在本发明的一实施例中，依据误差信号、临界电压及控制信号来产生时间信号的步骤包括：控制信号为电源转换器的第一比较器的比较结果，第一比较器接收误差信号与斜波信号。

在本发明的一实施例中，依据误差信号产生临界电压的步骤包括：通过第一电流源与电阻产生预设电压，而临界电压为预设电压与误差信号的运算结果。

基于上述，本发明中的时间产生器利用关联于电源转换器的输出电压的误差信号来产生临界电压，再依据误差信号、临界电压及控制信号来产生时间信号。此时间信号可用来调整输出级内的上桥开关与下桥开关的导通时间宽度，或是用来调整输出级内的上桥开关与下桥开关的断开时间宽度。由于在负载瞬间变化时，时间产生器所提供的时间信号可以有效地加速收敛输出电压，因此能够稳定输出电压并且缩短振荡时间，从而得以解决现有技术所述及的问题。

应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为例示性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。

下面的附图是本发明的说明书的一部分，其示出了本发明的示例实施例，附图是与说明书的描述一起用来说明本发明的原理。

附图说明

图1为现有基于固定导通时间架构的电源转换器100的示意图；

图2为电源转换器100中的波形示意图；

图3是根据本发明实施例的电源转换器300的架构示意图；

图4是根据本发明实施例的时间产生器360的电路示意图；

图5是时间产生器360的波形示意图；

图6示出为本发明实施例的时间信号产生方法的流程图。

附图标记说明：

100：电源转换器；

110：比较器；

120：时间控制电路；

300：电源转换器；

310：直流转直流控制器；

320：放大器；

330：补偿电路；

340：比较器；

350：斜坡产生器；

360：时间产生器；

370：逻辑控制单元；

380：驱动器；

390：输出级；

392：稳压电路；

394：反馈电路；

410：临界电压产生电路；

420：时间产生单元；

430：控制电路；

A1：放大器；

A2：比较器；

CM：误差信号；

Con：电容器；

Err：误差信号；

GND：接地端；

Iload：负载电流；

IV1、IV2、IV3：反相器；

I1、I2：电流源；

N1：第一节点；

N2：第二节点；

L：电感器；

LG：下桥开关；

PWM：脉宽调制信号；

RAMP、Vramp：斜坡信号；

R1：电阻；

Son：时间信号；

ST：控制信号；

SW1、SW2、SW3、SW4：开关；

Ton、TON：导通时间；

UG：上桥开关；

VDD：工作电压；

Vin：输入电压；

Vfb：反馈信号；

Von：跟踪信号；

Vout：输出电压；

Vramp：斜坡信号；

Vref：参考电压；

Vw：预设电压；

V1：临界电压；

Won：复位信号；

Xon：导通时间信号；

S600～S620：本发明一实施例的时间信号产生方法的各步骤。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的实施例，并在附图中说明所述的实施例的实例。另外，在图式及实施方式中所使用的相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。

在下述诸实施例中，当元件被指为“连接”或“耦接”至另一元件时，其可为直接连接或耦接至另一元件，或可能存在介于其间的元件。术语“电路”表示为至少一元件或多个元件，或者主动的且/或被动的而耦接在一起的元件以提供合适功能。术语“信号”表示为至少一电流、电压、负载、温度、资料或其他信号。斜坡信号又可为类斜坡信号、三角坡信号或锯齿坡信号，其可以为重复-下降形式的斜坡或是重复-上升形式的斜坡，端视应用而决定。

图3是根据本发明实施例的电源转换器300的架构示意图。请参阅图3。电源转换器300包括直流转直流控制器310、输出级390、电感器L、稳压电路392以及反馈电路394。

直流转直流控制器310包括放大器320、补偿电路330、比较器340、斜坡产生器350、时间产生器360、逻辑控制单元370以及驱动器380。反馈信号Vfb为输出电压Vout的比例信号。放大器320可为误差放大器或转导放大器。放大器320根据参考电压Vref与反馈信号Vfb产生误差信号Err。补偿电路330用以补偿及稳定误差信号Err。斜坡产生器350用于产生斜坡信号Vramp。

比较器340比较斜坡信号Vramp与误差信号Err，并产生控制信号ST。比较器340将控制信号ST输出至逻辑控制单元370与时间产生器360。逻辑控制单元370根据控制信号ST与时间信号Son来提供脉宽调制信号PWM至驱动器380。驱动器380根据脉宽调制信号PWM来驱动输出级390，据此以控制输出级390内的上桥开关（high side switch）UG和下桥开关（low sideswitch）LG。输出级390用以对输入电压Vin做直流转直流的转换，从而电源转换器300可以产生并输出一输出电压Vout。此外，当负载电流Iload在瞬间发生变化时，输出电压Vout会随之变动。

图4是根据本发明实施例的时间产生器360的电路示意图。请合并参阅图3和图4，时间产生器360在电源转换器300之中可对输出电压Vout进行调节。时间产生器360包括临界电压产生电路410以及时间产生单元420。时间产生单元420耦接临界电压产生电路410。

在本实施例中，误差信号Err是关联于电源转换器300的输出电压Vout。临界电压产生电路410接收误差信号Err，并且依据误差信号Err产生临界电压V1。时间产生单元420依据误差信号Err、临界电压V1及控制信号ST来产生时间信号Son。时间产生单元420还进一步提供跟踪信号Von。时间产生单元420所产生的时间信号Son可被用来控制输出级390内的上桥开关UG或下桥开关LG的导通/断开时间。

此外，请参见图5的示出。时间信号Son的宽度为取决于跟踪信号Von从误差信号Err的电平离开而到达临界电压V1的电平的一时间。

临界电压产生电路410包括第一电流源I1与电阻R1。临界电压产生电路410通过第一电流源I1与电阻R1产生预设电压Vw。临界电压V1为预设电压Vw与误差信号Err的运算结果。临界电压V1与误差信号Err的关系如下述表示式：

V1=Err+Vw。

更具体地说，临界电压产生电路410还进一步包括放大器A1。放大器A1采用负反馈控制，放大器A1的第二（反相）输入端耦接其输出端，并且放大器A1的第一（非反相）输入端耦接放大器320的输出端以接收误差信号Err。电阻R1的第一端耦接放大器A1的输出端。电流源I1耦接于电阻R1的第二端与工作电压VDD之间。

在本实施例中，临界电压产生电路410会在电阻R1与电流源I1的耦接之处产生临界电压V1。根据电流源I1的电流方向，临界电压V1的电压电平等于误差信号Err的电压电平加上电阻R1两端的预设电压Vw，所以V1=Err+I1×R1＝Err+Vw，其中预设电压Vw可依据设计需求而选择（即设计者可依据需求将电阻R1选择为期望的电阻值），本发明不以此为限。

时间产生单元420包括比较器A2与控制电路430。比较器A2的第一输入端和第二输入端分别接收临界电压V1与跟踪信号Von，以控制所述控制电路430产生时间信号Son。控制电路430包括开关SW1、电容器Con、开关SW2以及电流源I2。开关SW1的第一端耦接比较器A2的第二输入端，且其第二端耦接临界电压产生电路410。电容器Con耦接于第一节点N1与接地端GND之间。开关SW2的控制端接收时间信号Son，且其第一端通过第一节点N1耦接比较器A2的第二输入端与电容器Con。电流源I2耦接于开关SW2的第二端与工作电压VDD之间。

此外，控制电路430还进一步包括开关SW3～SW4以及反相器IV1～IV3。开关SW3的控制端接收控制信号ST，其第一端耦接接地端GND，且其第二端耦接开关SW1的控制端。反相器IV1的输入端耦接开关SW3的第二端。反相器IV2的输入端耦接反相器IV1的输出端，且其输出端耦接反相器IV1的输入端。开关SW4的控制端耦接比较器A2的输出端以接收复位信号Won，其第一端耦接接地端GND，且其第二端耦接反相器IV1的输出端与反相器IV2的输入端。反相器IV3的输入端耦接反相器IV1的输入端、反相器IV2的输出端以及开关SW3的第二端，且其输出端耦接开关SW2的控制端并产生时间信号Son。

在本实施例中，假设斜坡信号Vramp为重复-上升形式的斜坡。当误差信号Err大于斜坡信号Vramp时，开关SW3会反应于控制信号ST而被导通，使得接地端GND被耦接至开关SW1，从而令开关SW1断开。此时，在第二节点N2的电压电平会被反相器IV1与反相器IV2闩锁在低电压电平，使得反相器IV3反应于第二节点N2上的电压而输出高电压电平的时间信号Son来导通开关SW2。在开关SW2导通的期间，电容器Con会由比较器A2的反相输入端所锁定的电压电平开始充电，使得第一节点N1上的跟踪信号Von的电压电平逐渐上升，其中充电电流源为I2。换言之，比较器A2的第二输入端所参考的电压电平为第一节点N1上的跟踪信号Von。另一方面，比较器A2的第一输入端所参考的电压电平（临界电压V1）为误差信号Err经放大器A1的负反馈锁定，再加上预设电压Vw的结果（V1=Err+Vw）。

当第一节点N1上的跟踪信号Von达到临界电压V1的电压电平时，复位信号Won会基于跟踪信号Von与临界电压V1的电压差而导通开关SW4，于是开关SW1会反应于第二节点N2上的电压电平而导通，并且开关SW2会反应于低电压电平的时间信号Son而断开，也即电容器Con会通过第一节点N1至放大器A1的第二输入端的放电路径而放电，使得第一节点N1上的跟踪信号Von被箝制在误差信号Err的电压电平。

值得注意的是，在本实施例中，电流源I1与电流源I2的输出电流分别关联于输出电压Vout与输入电压Vin的大小。但是在其他实施例中，电流源I1与电流源I2也可为独立的定电流源，本发明不以此为限。

图5是时间产生器360的波形示意图。请合并参阅图4和图5，误差信号Err与临界电压V1的波形相差一预设电压Vw，也即V1=Err+Vw。时间产生单元420在误差信号Err与临界电压V1所形成的电压差异区间可以用{Err～Err+Vw}来表示。而且在电压差异区间{Err～Err+Vw}内，时间产生单元420对电容器Con进行充电/放电的动作。由于误差信号Err关联于输出电压Vout的电压电平，因此当输出电压Vout由于负载瞬变而造成电压电平的变动时，电压差异区间{Err～Err+Vw}的上下界会随着输出电压Vout的改变而变动。在电流源I2为定电流源的情况下，节点N1的充电时间（即令跟踪信号Von从误差信号Err的电压电平上升至临界电压V1的电压电平的时间）会随着电压差异区间{Err～Err+Vw}的改变而变动。换言之，节点N1的跟踪信号Von会随着输出电压Vout的改变而变动。

举例来说，当发生负载瞬变而使输出电压Vout低于特定预设电压时，由于电压差异区间{Err～Err+Vw}的上下界会对应于输出电压Vout的降低而提升，因此时间产生单元420会在输出电压Vout低于特定预设电压时将反相器IV3所输出的时间信号Son的导通时间TON拉长（也即可被用来拉长上桥开关的导通时间，或相对地被用来缩短下桥开关的导通时间）。相反地，当发生负载瞬变而使输出电压Vout高于特定预设电压时，由于电压差异区间{Err～Err+Vw}的上下界会对应于输出电压Vout的提升而降低，因此时间产生单元420会在输出电压Vout高于特定预设电压时将反相器IV3所输出的时间信号Son的导通时间TON缩短（也即可被用来缩短上桥开关的导通时间，或相对地被用来拉长下桥开关的导通时间）。

换言之，时间信号Son可被用来控制输出级的开关导通/断开时间。当发生负载电流发生瞬间变化时，时间信号Son可因应输出电压的变化而先增加脉宽调制信号PWM（如图3示出）的脉波宽度，并在输出电压Vout的能量渐足时再适时地缩小脉波宽度。故，直流转直流控制器可以根据时间信号Son适应性调整脉宽调制信号PWM的脉波宽度，据此以调节输出电压Vout。

基于上述实施例所揭示的内容，可以整理出一种通用的时间信号产生方法。更清楚来说，图6示出为本发明实施例的时间信号产生方法的流程图。请合并参阅图4和图6，本实施例的时间信号产生方法适用于电源转换器300之中对输出电压进行调节，且可以包括以下步骤：

接收关联于电源转换器300的输出电压Vout的误差信号Err（步骤S600）；

依据误差信号Err产生临界电压V1（步骤S610）；以及

依据误差信号Err、临界电压V1及控制信号ST来产生时间信号Son，且提供跟踪信号Von，其中时间信号Son的宽度为取决于跟踪信号Von从误差信号Err的电平离开而到达临界电压V1的电平的一时间（步骤S620）。

综上所述，在本发明中的时间产生器利用关联于电源转换器的输出电压的误差信号来产生临界电压，再依据误差信号、临界电压及控制信号来产生时间信号。此时间信号可用来调整输出级内的上桥开关与下桥开关的导通时间宽度，或是用来调整输出级内的上桥开关与下桥开关的断开时间宽度。由于在负载瞬间变化时，时间产生器所提供的时间信号可以有效地加速收敛输出电压，因此能够稳定输出电压并且缩短振荡时间，从而得以解决现有技术所述及的问题。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (14)

1.一种电源转换器的时间产生器，其特征在于，包括：

一临界电压产生电路，接收关联于所述电源转换器的一输出电压的一误差信号，且依据所述误差信号产生一临界电压；以及

一时间产生单元，耦接所述临界电压产生电路，且依据所述误差信号、所述临界电压及一控制信号来产生一时间信号，其中所述时间产生单元提供一跟踪信号，所述时间信号的宽度为取决于所述跟踪信号从所述误差信号的电平离开而到达所述临界电压的电平的一时间。

2.根据权利要求1所述的时间产生器，其特征在于，所述控制信号为所述电源转换器的一第一比较器的比较结果，所述第一比较器接收所述误差信号与一斜波信号。

3.根据权利要求1所述的时间产生器，其特征在于，所述临界电压产生电路包括一第一电流源与一电阻，所述临界电压产生电路通过所述第一电流源与所述电阻产生一预设电压，所述临界电压为所述预设电压与所述误差信号的运算结果。

4.根据权利要求1所述的时间产生器，其特征在于，所述临界电压产生电路包括一第一电流源、一电阻以及一第一放大器，所述第一放大器的一第一输入端接收所述误差信号，所述第一放大器的一第二输入端耦接所述第一放大器的一输出端，所述第一放大器的输出端与所述第一放大器的第二输入端耦接所述电阻的一端，所述电阻的另一端耦接所述第一电流源。

5.根据权利要求1所述的时间产生器，其特征在于，所述临界电压与所述误差信号的关系如下述表示式：

V1=Err+Vw，

其中V1为所述临界电压，Err为所述误差信号，Vw为一预设电压。

6.根据权利要求1所述的时间产生器，其特征在于，所述时间产生单元包括一第二比较器与一控制电路，所述第二比较器的第一输入端和第二输入端分别接收所述临界电压与所述跟踪信号，以控制所述控制电路来产生所述时间信号。

7.根据权利要求6所述的时间产生器，其特征在于，所述控制电路包括：

一第一开关，其第一端耦接所述第二比较器的第二输入端，且其第二端耦接所述临界电压产生电路；

一电容器，耦接于一第一节点与一接地端之间；

一第二开关，其控制端接收所述时间信号，且其第一端通过所述第一节点耦接所述第二比较器的第二输入端与所述电容器；以及

一第二电流源，耦接于所述第二开关的第二端与一工作电压之间。

8.根据权利要求7所述的时间产生器，其特征在于，所述控制电路还包括：

一第三开关，其控制端接收一控制信号，其第一端耦接所述接地端，且其第二端耦接所述第一开关的控制端；

一第一反相器，其输入端耦接所述第三开关的第二端；

一第二反相器，其输入端耦接所述第一反相器的输出端，且其输出端耦接所述第一反相器的输入端；

一第四开关，其控制端耦接所述第二比较器的输出端以接收一复位信号，其第一端耦接所述接地端，且其第二端耦接所述第一反相器的输出端与所述第二反相器的输入端；以及

一第三反相器，其输入端耦接所述第一反相器的输入端、所述第二反相器的输出端以及所述第三开关的第二端，且其输出端耦接所述第二开关的控制端并产生所述时间信号。

9.根据权利要求4所述的时间产生器，其特征在于，所述第一电流源的输出电流关联于所述输出电压的大小。

10.根据权利要求7所述的时间产生器，其特征在于，所述第二电流源的输出电流关联于所述电源转换器的一输入电压的大小。

11.一种电源转换器的时间信号产生方法，其特征在于，包括：

接收关联于所述电源转换器的一输出电压的一误差信号；

依据所述误差信号产生一临界电压；以及

依据所述误差信号、所述临界电压及一控制信号来产生一时间信号，且提供一跟踪信号，其中所述时间信号的宽度为取决于所述跟踪信号从所述误差信号的电平离开而到达所述临界电压的电平的一时间。

12.根据权利要求11所述的时间信号产生方法，其特征在于，依据所述误差信号、所述临界电压及所述控制信号来产生所述时间信号的步骤包括：

所述控制信号为所述电源转换器的一第一比较器的比较结果，所述第一比较器接收所述误差信号与一斜波信号。

13.根据权利要求11所述的时间信号产生方法，其特征在于，依据所述误差信号产生所述临界电压的步骤包括：

通过一第一电流源与一电阻产生一预设电压，而所述临界电压为所述预设电压与所述误差信号的运算结果。

14.根据权利要求13所述的时间信号产生方法，其特征在于，所述临界电压与所述误差信号的关系如下述表示式：

V1=Err+Vw，

其中V1为所述临界电压，Err为所述误差信号，Vw为所述预设电压。