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CN119543615A - 导通时间控制器、电源转换器以及用于其的切换操作方法 - Google Patents

导通时间控制器、电源转换器以及用于其的切换操作方法 Download PDF

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CN119543615A CN202311407246.6A CN202311407246A CN119543615A CN 119543615 A CN119543615 A CN 119543615A CN 202311407246 A CN202311407246 A CN 202311407246A CN 119543615 A CN119543615 A CN 119543615A
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Abstract

一种导通时间控制器，用来控制一电源转换器的一切换操作，包括一导通时间控制电路，用来根据一参考电压控制该电源转换器的一开关电路的一导通时间信号，其中该参考电压随着该开关电路的一输出端的一输出电压而改变；以及一频率调整电路，耦接至该导通时间控制电路，用来感测该开关电路的该输出端的该输出电压，根据该输出电压产生一负载感测电流，并且将该负载感测电流提供至该导通时间控制电路以补偿该参考电压，以调整该开关电路的该导通时间信号以及该开关电路的一切换频率。

Description

导通时间控制器、电源转换器以及用于其的切换操作方法
技术领域
本发明是指一种导通时间控制器、电源转换器以及用于电源转换器的切换操作方法，尤指一种可调整或补偿电源转换器的操作频率的导通时间控制器、电源转换器以及用于电源转换器的切换操作方法。
背景技术
请参考图1，图1为现有的一涟波调制定导通时间控制(Ripple-based Constanton-time，RBCOT)的电源转换器10的示意图。电源转换器10包含一比较器CMP、一定导通时间控制产生器(Constant on-time generator)102、一触发器FF以及一开关驱动电路104。电源转换器10以快速暂态响应的控制方式进行操作，对一负载LOAD提供一输出电压VOUT。具体而言，电源转换器10比较输出电压VOUT的分压电压VFB以及一参考电压VREF，当电压VFB小于参考电压VREF时，触发电源转换器10的定导通时间控制产生器102，以产生一导通重设信号TON_RESET，使得电源转换器10的开关驱动电路104执行一开关切换操作；如此一来，电源转换器10可将一输入电压VIN转换为输出电压VOUT。
请参考图2，图2为现有的定导通时间控制产生器102的示意图。随着定导通时间控制产生器102的一电容C_TON的一电压VIN_TON增加至高于一阈值VO_TON时，导通重设信号TON_RESET自一高电位重设至一低电位，以进行开关驱动电路104的切换操作。然而，现有的涟波调制定导通时间控制的电源转换器10在上述操作下，随着电源转换器10的负载LOAD增加，电源转换器10的一关闭区间TOFF随之降低，造成电源转换器10的一切换频率提高。
因此，现有技术有改进的必要。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种导通时间控制器、电源转换器以及用于电源转换器的切换操作方法，以调整电源转换器的一操作频率。
本发明的一实施例公开一种导通时间控制器，用来控制一电源转换器的一切换操作，包括一导通时间控制电路，用来根据一参考电压控制该电源转换器的一开关电路的一导通时间信号，其中该参考电压随着该开关电路的一输出端的一输出电压而改变；以及一频率调整电路，耦接至该导通时间控制电路，用来感测该开关电路的该输出端的该输出电压，根据该输出电压产生一负载感测电流，并且将该负载感测电流提供至该导通时间控制电路以补偿该参考电压，以调整该开关电路的该导通时间信号以及该开关电路的一切换频率。
本发明的一实施例另公开一种电源转换器，包括一开关电路，包含一输出端以连接至一负载，用来根据该开关电路的导通和关断产生一输出电压，并提供该输出电压至该负载；以及一导通控制器，耦接于该开关电路，包含一导通时间控制电路，用来根据一参考电压控制该电源转换器的该开关电路的一导通时间信号，其中该参考电压随着该开关电路的该输出端的一输出电压而改变；以及一频率调整电路，耦接至该导通时间控制电路，用来感测该开关电路的该输出端的该输出电压，根据该输出电压产生一负载感测电流，并且将该负载感测电流提供至该导通时间控制电路以补偿该参考电压，以调整该开关电路的该导通时间信号以及该开关电路的一切换频率。
本发明的一实施例另公开一种用于一电源转换器的切换操作方法，其中该电源转换器包含一开关电路以及一导通控制器，并且该导通控制器包含导通时间控制电路以及一频率调整电路，该切换操作方法包括该导通时间控制电路根据一参考电压控制该电源转换器的该开关电路的一导通时间信号，其中该参考电压随着该开关电路的一输出端的一输出电压而改变；以及该频率调整电路感测该开关电路的该输出端的该输出电压，根据该输出电压产生一负载感测电流，并且将该负载感测电流提供至该导通时间控制电路以补偿该参考电压，以调整该开关电路的该导通时间信号以及该开关电路的一切换频率。
附图说明
图1为现有的一涟波调制定导通时间控制的电源转换器的示意图。
图2为现有的一定导通时间控制产生器的示意图。
图3为本发明实施例的一电源转换器的示意图。
图4为本发明实施例的一定导通时间控制产生器的示意图。
图5为本发明实施例的一频率调整电路的示意图。
图6为本发明实施例的比较电压节点于频率补偿前后的时序图。
图7为本发明实施例的一切换操作流程的示意图。
其中，附图标记说明如下：
10：电源转换器
102：定导通时间控制产生器
104：开关驱动电路
30：电源转换器
302：开关电路
304：导通控制器
304_2：导通时间控制电路
304_2_OTG：定导通时间控制产生器
304_4：频率调整电路
70：切换操作流程
702-708：步骤
CM_1：第一电流镜
CM_2：第二电流镜
CMP、CMP1、CMP2：比较器
COUT：电容
C_TON：电容
Driver_UG、Driver_LG：驱动器
FF：触发器
FI：滤波器
iL：电感电流
ISEN_LOAD：负载感测电流
ILOAD：电流
IVIN：输入电流
LOAD：负载
R：电阻单元
R1，R2，R3，R4：电阻
S_TON,S_TON’：导通时间信号
SW：输出端
SW_21，SW_22：开关
SW_1：第一开关
SW_2：第二开关
TOFF：关闭区间
TON：导通区间
TON_RESET，TON_RESET：导通重设信号
TON_SHOT：信号
VIN：输入电压
VFB：电压
VOUT：输出电压
VO_TON，VO_TON’：参考电压
VREF：参考电压
VSW：输出电压
具体实施方式
请参考图3，图3为本发明实施例的一电源转换器30的示意图。电源转换器30包含一开关电路302、一导通控制器304以及驱动器Driver_UG、Driver_LG。开关电路302包含一输出端SW连接至一负载LOAD，用来根据开关电路302的导通和关断产生一输出电压VOUT，并将输出电压VOUT提供至负载LOAD。导通控制器304耦接于开关电路302，其包含一导通时间控制电路304_2以及一频率调整电路304_4。导通时间控制电路304_2用来根据一参考电压VO_TON控制电源转换器30的开关电路302的一导通时间信号S_TON，其中参考电压VO_TON随着开关电路302的输出端SW的一输出电压VSW而改变。频率调整电路304_4耦接至导通时间控制电路304_2，用来感测开关电路302的输出端SW的输出电压VSW，根据输出电压VSW产生一负载感测电流ISEN_LOAD，并且将负载感测电流ISEN_LOAD提供至导通时间控制电路304_2以补偿参考电压VO_TON，进而调整开关电路302的导通时间信号S_TON以及开关电路的一切换频率。
详细而言，开关电路302包含一第一开关SW_1以及一第二开关SW_2，其中第一开关SW_1以及第二开关SW_2可以是金属氧化物半导体场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)开关，在此例中，第一开关SW_1是一PMOS开关，第二开关SW_2是一NMOS开关，但不以此为限制。
第一开关SW_1以及第二开关SW_2分别耦接于驱动器Driver_UG、Driver_LG。当开关电路302为导通(即，第一开关SW_1导通且第二开关SW_2断开)时，本发明实施例不侦测电感电流iL；当开关电路302为关断(即，第一开关SW_1断开且第二开关SW_2导通)时，电源转换器30感测到流经输出端SW的电感电流iL，并根据感测到的电感电流iL补偿因负载LOAD的变动所导致的频率变化。上述的补偿量可提供至导通时间控制电路304_2以补偿参考电压VO_TON，进而相应调整开关电路302的导通时间信号S_TON，例如，增加导通时间信号S_TON在一次周期内的导通区间TON。
值得注意的是，由于本发明实施例的电源转换器30的开关电路302的一工作周期(duty cycle)为一定值，并且关断电路302的单一工作周期是由导通区间TON以及一关闭区间TOFF所组成。因此，频率调整电路304_4可根据导通时间信号S_TON的导通区间TON，对应调整开关电路302的关闭区间TOFF。如此一来，电源转换器30即可根据感测到的电感电流iL，调整电源转换器30的关闭区间TOFF。
导通时间控制电路304_2包含一比较器CMP、一定导通时间控制产生器304_2_OTG以及一触发器FF。比较器CMP用来比较一参考电压VREF以及关于输出电压VOUT的一电压VFB，以产生一信号TON_SHOT。
请参考图4，图4为本发明实施例的定导通时间控制产生器304_2_OTG的示意图。定导通时间控制产生器304_2_OTG包含一电容C_TON、一第一电流镜CM_1以及一比较器CMP。第一电流镜CM_1用来根据一输入电压VIN，产生一输入电流IVIN对电容C_TON进行充电；比较器CMP1耦接于电容C_TON以及第一电流镜CM_1，用来比较电容C_TON的电容电压VIN_TON以及参考电压VO_TON，以决定一导通重设信号TON_RESET，其中导通重设信号TON_RESET为一脉冲信号，可用来决定开关电路302的导通时间信号S_TON。
请再参考图3，触发器FF根据导通重设信号TON_RESET以及信号TON_SHOT产生一导通时间信号TON，其中导通时间信号S_TON可为一脉冲宽度调制(Pulse-width modulation，PWM)信号，且PWM信号可由导通重设信号TON_RESET所决定。例如，当导通重设信号TON_RESET为高电位脉冲信号时，导通时间信号S_TON将由高电位切换至低电位，亦即，从导通区间TON切换至关闭区间TOFF，且也同时决定了PWM信号的下降缘。
请参考图5，图5为本发明实施例的频率调整电路304_4的示意图。频率调整电路304_4包含一比较器CMP2、一第二电流镜CM_2、一电阻单元R以及一滤波器FI。比较器CMP2用来比较一地电压GND以及开关电路302的输出端SW的输出电压VSW，并输出一比较结果。第二电流镜CM_2耦接比较器CMP，用来根据比较器CMP的比较结果，产生负载感测电流ISEN_LOAD。电阻单元R耦接第二电流镜CM_2，包含有电阻R1、R2、R3、R4(在此以电阻R1-R4为范例进行说明，可依设计需求调整电阻单元R所含电阻元件的数量及个别的电阻值，本发明实施例对此不限制)，用来接收第二电流镜CM_2所提供的负载感测电流ISEN_LOAD，以产生在开关电路302为关断时的负载感测电流ISEN_LOAD对应的一电压补偿量。滤波器FI耦接于电阻单元R，滤波器FI可以是一积分器，用来积分负载感测电流ISEN_LOAD对应的电压补偿量，以决定参考电压VO_TON。也就是说，滤波器FI根据对负载感测电流ISEN_LOAD积分的结果，提升参考电压VO_TON。
为了获得关于负载LOAD的资讯，电源转换器30可感测输出端SW的电流。在一实施例中，频率调整电路304_4用来感测输出端SW的输出电压VSW，以侦测开关电路302于关断时的流经电感L的电感电流iL，并且根据电感电流iL作为补偿负载LOAD变动的依据。
值得注意的是，由于电源转换器30在第二开关SW_2开启的区间内，感测流经输出端SW的电感电流iL，因此，用于补偿的负载感测电流ISEN_LOAD于第二开关SW_2开启的区间内，被回馈至参考电压VO_TON以用于频率补偿。
本发明实施例的频率调整电路304_4的比较器CMP2比较地电压GND以及开关电路302的输出端SW的输出电压VSW，以产生负载感测电流ISEN_LOAD，其中当开关电路302的输出端SW的输出电压VSW小于零时(即电流镜CM_2的一开关SW_22被开启时)，负载感测电流ISEN_LOAD随着输出电压VSW降低而增加，而当输出电压VSW大于零时(即电流镜CM_2的一开关SW_21被开启)，则不产生负载感测电流ISEN_LOAD。
经由上述实施例进行频率补偿的一电压值VO_TONCOMP如式(1)所示：
其中，Duty为电源转换器30的一工作周期，例如在一个周期内，电源转换器30的工作时间与总时间的比值。
另一方面，电源转换器30的导通时间信号S_TON的导通区间TON与关闭区间TOFF的关系如式(2)、(3)所示：
在开关电路302的工作周期Duty为定值的情形，频率调整电路304_4的补偿负载感测电流ISEN_LOAD可用以增加导通区间TON以及开关电路302的关闭区间TOFF。
如此一来，通过用于进行补偿的负载感测电流ISEN_LOAD，在电源转换器30的工作周期固定的情形下，参考电压VO_TON、导通区间TON以及关闭区间TOFF也随之增加，进而调整/补偿电源转换器30的切换开关电路302的操作频率。
请参考图6，图6为本发明实施例的比较电压节点于频率补偿前后的时序图。由图6所示，相较于参考电压VO_TON、导通重设信号TON_RESET以及导通时间信号S_TON，参考电压VO_TON’、导通重设信号TON_RESET’以及导通时间信号S_TON’为电源转换器30的频率补偿后的结果。
参考电压VO_TON’与参考电压VO_TON之间具有一负载补偿差值D，其中经由电源转换器30的频率补偿，一电容电压VIN_TON’维持与电容电压VIN_TON相同的一斜率上升至参考电压VO_TON’。在此情形下，导通重设信号TON_RESET’出现高电位脉冲信号的时间点相对延后，使导通时间信号S_TON’的导通区间TON的持续时间增加。此外，由于电源转换器30的工作周期为定值，因此，电源转换器30的关闭区间TOFF也随之增加，以调整/补偿电源转换器30的切换开关电路302的操作频率。
电源转换器30的运行方式可归纳为一切换操作流程70，如图7所示。电源转换器30的切换操作流程70的步骤包含有：
步骤702：开始；
步骤704：导通时间控制电路304_2根据参考电压VO_TON控制电源转换器30的开关电路302的导通时间信号S_TON；
步骤706：频率调整电路304_4感测开关电路302的输出端SW的输出电压VSW，根据输出电压VSW产生负载感测电流ISEN_LOAD，并且将负载感测电流ISEN_LOAD提供至导通时间控制电路304_2以补偿参考电压VO_TON，以调整开关电路302的导通时间信号S_TON以及开关电路的切换频率；
步骤708：结束。
关于切换操作流程70的运行流程，可参考上述电源转换器30实施例，在此不再赘述。
综上所述，本发明实施例提供一种导通时间控制器、电源转换器以及用于电源转换器的切换操作方法，通过侦测负载电流以进行频率补偿，进而调整电源转换器的操作频率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (20)

1.一种导通时间控制器，用来控制一电源转换器的一切换操作，包括：
一导通时间控制电路，用来根据一参考电压控制该电源转换器的一开关电路的一导通时间信号，其中该参考电压随着该开关电路的一输出端的一输出电压而改变；以及
一频率调整电路，耦接至该导通时间控制电路，用来感测该开关电路的该输出端的该输出电压，根据该输出电压产生一负载感测电流，并且将该负载感测电流提供至该导通时间控制电路以补偿该参考电压，以调整该开关电路的该导通时间信号以及该开关电路的一切换频率。
2.如权利要求1所述的导通时间控制器，其中该频率调整电路感测该输出端的该输出电压，以侦测该开关电路于关断时的一电感电流。
3.如权利要求1所述的导通时间控制器，其中该频率调整电路根据该导通时间信号的一导通区间调整该开关电路的一关闭区间，其中该开关电路的一工作周期为一定值。
4.如权利要求1所述的导通时间控制器，其中该开关电路用来根据该开关电路的导通和关断产生一输出电压至该电源转换器的一负载。
5.如权利要求1所述的导通时间控制器，其中该导通时间控制电路包含：
一电容；
一第一电流镜，用来根据一输入电压，产生一输入电流对该电容进行充电；以及
一比较器，耦接于该电容以及该第一电流镜，用来比较该电容的一电容电压以及该参考电压，以决定一导通重设信号。
6.如权利要求1所述的导通时间控制器，其中该频率调整电路包含：
一比较器，用来比较一地电压以及该开关电路的该输出端的该输出电压，输出一比较结果；
一第二电流镜，耦接该比较器，用来根据该比较结果，产生该负载感测电流；
一电阻单元，耦接该第二电流镜，用来接收该第二电流镜所提供的该负载感测电流，以产生在该开关电路为关断时的该负载感测电流对应的一电压补偿量；以及
一滤波器，耦接于该电阻单元，用来积分该负载感测电流对应的该电压补偿量以决定该参考电压。
7.如权利要求6所述的导通时间控制器，其中当该开关电路的该输出端的该输出电压小于零时，该负载感测电流随着该输出电压降低而增加。
8.如权利要求1所述的导通时间控制器，其中在该开关电路的一工作周期为一定值的情形，该频率调整电路补偿该负载感测电流以增加该导通时间信号的一导通区间以及该开关电路的一关闭区间。
9.一种电源转换器，包括：
一开关电路，包含一输出端以连接至一负载，用来根据该开关电路的导通和关断产生一输出电压，并提供该输出电压至该负载；以及
一导通控制器，耦接于该开关电路，包含：
一导通时间控制电路，用来根据一参考电压控制该电源转换器的该开关电路的一导通时间信号，其中该参考电压随着该开关电路的该输出端的一输出电压而改变；以及
一频率调整电路，耦接至该导通时间控制电路，用来感测该开关电路的该输出端的该输出电压，根据该输出电压产生一负载感测电流，并且将该负载感测电流提供至该导通时间控制电路以补偿该参考电压，以调整该开关电路的该导通时间信号以及该开关电路的一切换频率。
10.如权利要求9所述的电源转换器，其中该频率调整电路用来感测该输出端的该输出电压，以侦测该开关电路于关断时的一电感电流。
11.如权利要求9所述的电源转换器，其中该频率调整电路根据该导通时间信号的一导通区间调整该开关电路的一关闭区间，其中该开关电路的一工作周期为一定值。
12.如权利要求9所述的电源转换器，其中该导通时间控制电路包含：
一电容；
一第一电流镜，用来根据一输入电压，产生一输入电流对该电容进行充电；以及
一比较器，耦接于该电容以及该第一电流镜，用来比较该电容的一电容电压以及该参考电压，以决定一导通重设信号。
13.如权利要求9所述的电源转换器，其中该频率调整电路包含：
一比较器，用来比较一地电压以及该开关电路的该输出端的该输出电压，输出一比较结果；
一第二电流镜，耦接该比较器，用来根据该比较结果，产生该负载感测电流；
一电阻单元，耦接该第二电流镜，用来接收该第二电流镜所提供的该负载感测电流，以产生在该开关电路为关断时的该负载感测电流对应的一电压补偿量；以及
一滤波器，耦接于该电阻单元，用来积分该负载感测电流对应的该电压补偿量以决定该参考电压。
14.如权利要求13所述的电源转换器，其中当该开关电路的该输出端的该输出电压小于零时，该负载感测电流随着该输出电压降低而增加。
15.如权利要求9所述的电源转换器，其中在该开关电路的一工作周期为一定值的情形，该频率调整电路补偿该负载感测电流以增加该导通时间信号的一导通区间以及该开关电路的一关闭区间。
16.一种用于电源转换器的切换操作方法，其中该电源转换器包含一开关电路以及一导通控制器，并且该导通控制器包含导通时间控制电路以及一频率调整电路，该切换操作方法包括：
该导通时间控制电路根据一参考电压控制该电源转换器的该开关电路的一导通时间信号，其中该参考电压随着该开关电路的一输出端的一输出电压而改变；以及
该频率调整电路感测该开关电路的该输出端的该输出电压，根据该输出电压产生一负载感测电流，并且将该负载感测电流提供至该导通时间控制电路以补偿该参考电压，以调整该开关电路的该导通时间信号以及该开关电路的一切换频率。
17.如权利要求16所述的用于电源转换器的切换操作方法，另包含：
该导通时间控制电路的一第一电流镜根据一输入电压，产生一输入电流对该导通时间控制电路的一电容进行充电；以及
该导通时间控制电路的一比较器比较该电容的一电容电压以及该参考电压，以决定一导通重设信号。
18.如权利要求16所述的用于电源转换器的切换操作方法，另包含：
该频率调整电路的一比较器比较一地电压以及该开关电路的该输出端的该输出电压，输出一比较结果；
该频率调整电路的一第二电流镜根据该比较结果，产生该负载感测电流；
该频率调整电路的一电阻单元接收该第二电流镜所提供的该负载感测电流，以产生在该开关电路为关断时的该负载感测电流对应的一电压补偿量；以及
该频率调整电路的一滤波器积分该负载感测电流对应的该电压补偿量以决定该参考电压。
19.如权利要求16所述的用于电源转换器的切换操作方法，其中当该开关电路的该输出端的该输出电压小于零时，该负载感测电流随着该输出电压降低而增加。
20.如权利要求16所述的用于电源转换器的切换操作方法，其中在该开关电路的一工作周期为一定值的情形，该频率调整电路补偿该负载感测电流以提升该导通时间信号的一导通区间以及该开关电路的一关闭区间。
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