TWI275232B - Dual frequency pulse-width-modulation voltage regulation device - Google Patents

Description

1275232 五、發明說明（1) " ----__ 【發明領域】 本發明是有關於-種穩壓裴置，且特別 脈波寬度調制穩壓裝置。 關於一種 【發明背景】 隨著可攜式電子裝置產品日新月$，供 式電源轉換器的效率便顯得益加重要，為提高電父換 效率，脈波寬度調制（pulse width㈣札丨以丨⑽…轉換j 稱PWM )轉換器也被廣泛應用在各種產品之中。过夂x下簡 圖，其繪示傳統的PWM穩壓裝置示意圖。假設負 點電壓vt之額定值為5V，當負載減少時，端點電^的^ 略微上升（例如升至5·01ν)，為使端點電壓vt释定在額曰 定值，可利用電晶體開關Q調整流入負載的輸入電流，♦ 輸^電流的有效值降低後，端電壓”便會降回額定值，田達 到穩壓的目的。為實現上述功能，可將控制電路丨〇 〇連接 至負載鳊及電晶體開關Q，控制電路丨〇 〇中的誤差放大器 1 10可用來檢測端點電壓vt與參考電壓Vr (可將參考電壓 Vr設定為5V，即端點電壓vt之額定值）之間的誤差，並產 生一對應於此誤差的誤差信號er。另一方面，振盪器130 可產生一固定頻率的振盪信號（例如20 OKHz的鋸齒波信號 )並將其饋入調制信號產生器（例如是比較器）1 20，調 制信號產生器1 2〇在接收到誤差信號er及振盪信號後，會 依據這兩個信號產生一調制信號ms，並將其輸入至驅動裝 置140 °而後，驅動裝置14〇可依據調制信號㈣使電晶體開

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1275232 五、發明說明（2) 關Q的導通週期變短，^^ _ 有效值就會降低，借参#，"，L過電晶體開關Q的電流 +曰_使負载鸲黾壓V t回復到額定值。 制4古於=:參照第^圖’其1會示誤差信號、振皇信號及調 ^㈤的關係’振盈信號例如是200KHz的鋸齒波信 Ϊ關=號產生器120可將誤差信號-與振盪信號之間 為調制信號mS，當誤差信號-大於振盡信號時 號㈣為高位準（hlgh leve"，當誤差信號“ 於可令時調制信號m“低位準（i〇w _ 降低二姻Γ巧點電壓以高於參考電壓時誤差信號er便會 11 4fi孫5 /被lj k號mS處於高位準的時間縮短。由於驅動裝 Q的調制信號㈣驅動電晶體開_，故電晶體開關 點電^^降亦縮流人負載的電流有效值降低’端 制，故最後端電壓ν;可：”為閉回路（close loop)控 由上文所述可^ ^在領定值（即Vt = Vr)。 號比較的結果，:調制信號mS是誤差信號“與振盛信 同。由於振盪广。周制信號Μ的頻率與振盛信號的頻率相 Μ的頻率^固^號為固定頻率的鑛齒波信號，故調制信號 說，無論輕载重恭僅脈波寬度隨負'載變動而變化；換句話 寬度隨負载變化f ’PWM穩壓裝置均以固定頻率（唯脈波 狀態。由於軻截^的信號來切換電晶體開關Q的開啟/關閉 Q的導通時間相對作負載所消耗的功率很小’故電晶體開關 PWM模式下，軔恭=短，每次所傳送的能量亦很少，但在 (以20 OKHz的工取^電晶體開關Q依然每秒開關20 00 00次 ' 蓋彳q號為例），每開關一次就有能量的喪

及、發明說明（3) 載時率會大幅降低。為解咖模式 •二==_模式，_時採用心 波寬度、但頻车可:：d:latlon，PFM)模式-以本 提升電源轉換t:; :制信號來驅動電晶體開_ 問題’但ίϊΐίί。雖此方法可解決輕載時效率不 調制信號的頻率落=:桑作模式切換至PFM模式時 的震動及陶竟(約2°Ηζ〜20ΚΗζ)，因 時也會因為= ;效應'，將產生惱人的。喿音， 、♦低而造成輸出漣波電壓的增 免噪ΐί生升電源轉換的效率、並 便成為…當重要的課題。 【發明目的及概述】 有土於此本發明旨在提供一種雙頻脈波寬产調 :裝置’以提升輕載時f源轉換的效率，、並避“; 根據本發明之目的，接 括德攸〆 裝置，此裝置之簡述：下出—種雙頻脈波寬度調制 用π ϊ ϊ Ϊ波寬度調制穩壓裝置可針對負載的輕重程 壓模式，為瞭解負載的輕重程度， 重載…屋時，…目前的=重; 利用頻率較南（例如20 0ΚΗΖ)的調制信號來驅動電晶 在輕 器， 率調 ί同脈 ，以 彰的 ，若 電感 而此 加。 可避 制穩 產 穩壓 度採 可 誤差 ，並 體開 1275232 、發明說明（4) 奇’反之’若誤差#號低於輕載參考電壓，即表 义 备势达 曰月’J的 」戰為輕載，可利用頻率較低（例如2〇KHz )的調制作號 來驅動電晶體開關，以提高電源轉換的效率。 雙頻脈波寬度調制穩壓裝置可包括電晶體開關、誤 放大器、雙頻信號產生器、調制信號產生器、輕/重栽、 知器、或運算器、及運算器及驅動裝置。在作法上，。' 用又頻彳§號產生器產生高頻信號及低頻信號，調制传;/ 生器在接收到高頻信號及誤差信號後，可將這兩個^ ^產 制為調制信號後輸出，高頻信號與調制信號的頻率;等"5 周 另一方面，輕/重載檢知器可依據誤差信號來判斷目、。 輕重程度，當重載時可令選擇信號為1，輕載時可令琴= ^號為〇。或運算器將低頻信號與選擇信號進行或^ 2擇 算後，可將運算結果-或運算信號輸出，重載時或運管$ 號為1 ’輕載時或運算信號與低頻信號相等。 # s 及運算器可將調制信號與或運算信號進杆 ^ 』汉"運 异，並將運算結果-及運算信號輸出至驅動裝置，广/, 裝置依據及運算信號來控制電晶體開關開啟 讓驅動 D 士上、β » 义關閉。重# 蚪或運算信號為1，故及運算信號為高頻的 ^ + J 5周制信號；輕 载怜或運算信號為低頻信號，故及運算信贫 ^ ψ 現為低頻的調制 在實際應用上， 除頻器加以實現，高 制信號產生器使用外 或運算器使用。當然 雙頻信號產生器可利_ 頻信號產生器除可產生 ，更可經除頻器除頻後 ，在設計上也可利用信 ^號產生器及 高頻信號供調 為低頻信號供 號產生器先產

TW0730F(廣達）.ptd 第7頁 1275232 五、發明說明（5) 生低頻信號，再將低頻信號倍頻為高頻信號使用。 ㈣ί 知11方面’則可利用輕㈣測11、重載 偵測器及頻率選擇器加以實現，重 重載 與重載參考電壓比•，若誤差信號大於重；參考電號 即輸出一重載信號至頻率選擇哭。 — 可將誤差信號與輕載參考電壓 若：疒j ,偵測器 頻率選擇器接收到重載信號時即可將選設=，當 t 率選擇器可利用閃鎖電路it虎::疋為°，設計時，頻 為頻率選擇器之一例。、 列如Rs閂鎖電路即可作 懂目的、特徵、和優點能更明顯易 :;如；特舉…實施例’並配合所附圖式，作詳ί說 【發明說明】 清參照第3圖，其繪示本發明 式示意圖。為瞭解負 所抓用的輕/重载檢知 重載束考雷厭vh b , 私度，可預設兩電壓位準-

广輕載參考電壓νι作為考依據。由於： :二…負載的端點電壓與參考電壓由= 仏唬er南於重載參考 右諷 並利用頻率#古h ^ P表不目前的負載為重載 七《领+較尚（例如2〇〇kh 開關；反之，若誤# e $ ，调制k號來驅動電晶 右决是低於輕截炎去 歐 目前的負載A^ ^ 平二取參考電麼VI，即表 ^ ，可利用頻率較低（例如20KHz )的彭

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五、發明說明（6) 制信號來驅動電晶體開關，以提高電源轉換的效率。在設 計時，只要調制信號的頻率恆高於音頻範圍，人耳便無法 聽出噪音，故不具有PFM模式的噪音問題。 …/ 【較佳實施例】 請參照第4圖，其繪示依照本發明一較佳實施例所提 供的一種雙頻脈波寬度調制（pUlse width modulation PWM )穩壓裝置示意圖。本發明的構想，是依據負載的輕 重程度不同，而以兩種不同頻率的調制信號來控制電晶體 開關的導通狀態；例如重載時可採用2〇 〇KHz的調制信$， 而輕載時可採用20KHz的調制信號。在作法上，吾人°可"利 用雙頻h號產生器4 5 0產生高頻信號HF及低頻信號Lj?，並 將高頻信號HF輸出至調制信號產生器丨2〇、低頻信號LF輸 ^至或運算器OR ;其中高頻信號HF例如是2〇〇KHz的鋸齒波 k號’而低頻信號LF例如是20KHz的信號。調制信，產， = 1/0在接收到高頻信號HF及誤差信號er後，可將^兩個 信號調制為調制信號ms後輸出，若高頻信號hf*2〇〇kHz， 則調制信號ms亦為2 0 0KHz。 方面’輕/重載檢知器470可依據誤差信號^來判 ”輕重程度，當重載時可令選擇信號，輕載 = '選擇信號sel為0。或運算器〇R將低頻信號LF與選擇 t ΐ Λ行•邏輯運算|，可將運算結果-或運算信號〇s 輸出.因重載時選擇信號sel4l，故或 反之，因輕載時選擇信號sel為〇,故或“;;

TW0730F(廣達）.ptd 第9百 1275232 五、發明說明（7) 信號LF相等。 當及運算AND接收到調制信號^與或運算信號〇s 後，可將調制信號ms與或運算信號〇s進行及邏輯運算，並 將運异結果-及運异信號AS輸出至驅動裝置，讓驅動桊 置140依據及運算信號AS來控制電晶體開關Q開啟σ(〇η )或 關閉（of f )。如上文所述，重載時或運算信號〇s & i，故 調制信號ms與或運算信號〇s進行及邏輯運算後，所產生的 及運算信號AS應與調制信號ms相等，頻率亦相等，故可知 此時及運算信號AS的頻率為2〇〇KHz。輕載時，或運算信號 0S為20KHz的低頻信號LF，故調制信號ms與或運算信號〇s 進行及邏輯運算後，所產生的及運算信號…僅為2〇KHz， 換句居5兒’輸入及運异器A N D的調制信號m s每1 〇個的脈波 只有1個會被及運算器A N D輸出，故可將此時的及運算信號 AS視為頻率只有20KHz的調制信號ms。 〜 很明顯地，利用雙頻脈波寬度調制穩壓裝置，可於負 載較重時以頻率較高（例如200KHz)的調制信號驅動電晶 體開關’於負載較輕時以頻率較低（例如2〇ΚΗζ )的調制& 信號驅動電晶體開關，以提高電源轉換效率並避免噪音產 生。 在實際應用上，雙頻信號產生器可利用信號產生器及 除頻器加以實現，請參照第5A圖，其繪示一種雙頻信號產 生器方塊圖。雙頻信號產生器450可包括高頻信號產生^器 551及除頻器555，高頻信號產生器551可產生高頻信號^ 供調制信號產生器1 20使用，此外，高頻信號HF經除頻器

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5 5 5除，頻後’即可成為低頻信號^供或運算器使用。舉 例來况，右所需的高頻信號叮為2〇〇κΗζ而低頻信號lf為 20KHz ?"采用除1〇的除頻器555即可符合設計需求。當

f f广计上也可利用信號產生器先產生低頻信號，再將 低頻信^倍頻為高頻信號使用，％第5β圖所繪示，即另— 種ΐ f員仏唬產生器方塊圖。雙頻信號產生器4 5 〇可包括低 頻信號器557及倍頻器55 9，低頻信號產生器557可產 生低頻供或運算器〇R使用’此外，低頻信號LF經倍 頻器5 59倍頻後’即可成為高頻信號叮供調制信號產生器 20使用。舉例來說，若所需的高頻信號為而低 頻信號LF為2GKHZ，則採用乘1G的倍頻器55 9即可符合設計

、在輕/重載檢知器方面，則可利用輕載偵測器、重載 憤測器及頻率選擇器加以實現，請參照第6圖，其緣示輕/ 重載k ^ ϋ 4 7 0之電路結構。輕/重載檢知器4 7 Q可包括輕 ，偵測LD、重載偵測器HD及頻率選擇器6 7 〇，重載偵測 器HD可將誤差信號er與重載參考電㈣比較，若誤差信號 er十於重載參考電壓Vh時，即輸出一重載信號hs至頻率選 擇器6 70。另一方面，輕載偵測器LD可將誤差信號”與輕 載多考電[VI比車父’若誤差信號er小於輕載參考電壓W 時，即輸出一輕載信號LS至頻率選擇器67〇。如此，合頻 率選擇器670接收到重載信號HS時即可將選擇信號…田設定 為1，接收到輕載信號LS時即可將選擇信號sel設定為〇， 設計時，頻率選擇器67〇可利用閂鎖（Utch)電路實現

1275232 五、發明說明（9) :為：ί第7圖即繪示以反或閘（臓）組成的則鎖電路 作為頻率選擇器67〇之一例。 叫

【發明效果J 置，所揭露之雙頻脈波寬度調制穩壓裝 一、 輕载時的電源轉換效率高於—般PWM轉換哭。 :^有效解決PFM轉換器輕載時的噪音問題了 二、 輸出漣波電壓比PFM轉換器為低。 然其；發明已以-較佳實施例揭露如上， 本發明之：月冬？何熟習此技藝者，在不脫離 準。〜圍當視後附之申請專利範圍所界：者：此 第12頁 TW0730F(廣達）.ptd 1275232 圖式簡單說明 【圖式之簡單說明】 第1圖繪示傳統的PWM穩壓裝置示意圖。 第2圖繪示乃第1圖中誤差信號、振盪信號及調制信號 三者間的關係。 第3圖繪示本發明所採用的輕/重載檢知方式示意圖。 第4圖繪示依照本發明一較佳實施例所提供的一種雙 頻脈波寬度調制穩壓裝置示意圖。 第5A圖乃繪示一種第4圖之雙頻信號產生器方塊圖。 第5B圖乃繪示另一種第4圖之雙頻信號產生器方塊 圖。 第6圖繪示乃第4圖中輕/重載檢知器之電路結構。 第7圖繪示乃第6圖中頻率選擇器之電路結構。 【圖式標號說明】 100 控 制 電 路 110 誤 差 放 大 器 120 調 制 信 號 產 生 器 130 振 盪 器 140 驅 動 裝 置 450 雙 頻 信 號 產 生 器 470 輕/重載檢知器 551 頻 信 號 產 生 哭 555 除 頻 器 557 低 頻 信 號 產 生 哭

TW0730F(廣達）.ptd 第13頁 1275232 圖式簡單說明 5 5 9 :倍頻器 6 7 0 :頻率選擇器 vt •端 點 電 壓 Vr 參 考 電 壓 er 誤 差 信 號 ms 調 制 信 號 Vh 重 載 參 考 電 VI 輕 載 參考 電 HF 高 頻 信 號 LF 低 頻 信 號 se 1 :選擇信號 OR : :或 運 算 器 OS : :或 運 算 信 號 AND :及運算器 AS 及 運 算 信 號 HD 重 載 偵 測 器 HS 重 載 信 號 LD 輕 載 偵 測 器 LS 輕 載 信 號

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Claims (1)

1275232 六、申請專利範圍 1· 一種雙頻脈波寬度調制（pulse width modulation, PWM )穩壓裝置，用以穩定一負載之端點電 壓，該雙頻脈波寬度調制穩壓器包括： 一電晶體開關，用以調整該負載之輸入電流； 一誤差放大器，耦接至該負載，用以依據該端點電壓 及一參考電壓輸出一誤差信號； 一雙頻信號產生器，用以輸出一高頻信號及一低頻信 號；

一調制信號產生器，耦接至該誤差放大器及該雙頻信 號產生器，該調制信號產生器依據該誤差信號及該高頻信 號輸出一調制信號； 一輕/重載檢知器，耦接至該誤差放大器，該輕/重載 檢知器係依據該誤差信號判斷該負載之輕重程度以輸出一 頻率選擇信號；

一或（OR )運算器，該或運算器之輸入端分別耦接至 該雙頻信號產生器及該輕/重載檢知器，用以將該低頻信 號與該頻率選擇信號進行或運算後輸出一或運算信號； 一及（AND )運算器，該及運算器之輸入端分別耦接 至該調制信號產生器及該或運算器，用以將該調制信號與 該或運算信號進行及運算後輸出一及運算信號；以及 一驅動裝置，耦接至該及運算器及該電晶體開關，用 以依據該及運算信號驅動該電晶體開關。 2 ·如申請專利範圍第1項所述之雙頻脈波寬度調制穩 壓裝置’其中該雙頻信號產生器包括：

TW0730F(廣達）.ptd .m 第15頁 1275232 六、申請專利範圍 一高頻信號產生器，用以產生該高頻信號；以及 一除頻器，耦接至該高頻信號產生器，用以將該高頻 信號除頻為該低頻信號後輸出。 3 ·如申請專利範圍第2項所述之雙頻脈波寬度調制穩 壓裝置，其中該高頻信號產生器係振盪器。 4 ·如申請專利範圍第1項所述之雙頻脈波寬度調制穩 壓裝置’其中該輕/重載檢知器包括： 一重載偵測器，耦接至該誤差放大器，該重載偵測器 係依據該誤差信號及一重載參考電壓輸出一重載信號； 一輕載偵測器，耦接至該誤差放大器，該輕載偵測器 係依據該誤差信號及一輕載參考電壓輸出一輕載信號；以 及 一頻率選擇器，耦接至該重載偵測器及該輕載偵測 器’該頻率選擇器依據該重載信號及該輕載信號輪出該頻 率選擇信號。 ' 5 ·如申請專利範圍第4項所述之雙頻脈波寬度調制穩 壓裝置，其中該重載偵測器係比較器，用以將該誤差信號 與該重載參考電壓比較後輸出該重載信號。 6 ·如申請專利範圍第4項所述之雙頻脈波寬度調制穩 壓裝置，其中該輕載偵測器係比較器，用以將該誤差信號 與該輕載參考電壓比較後輸出該輕載信號。 7·如申請專利範圍第4項所述之雙頻脈波寬度調制释 壓裝置，其中該頻率選擇器係一閂鎖（latch)電路。 8 ·如申請專利範圍第7項所述之雙頻脈波寬度調制移

TW0730F(廣達）.ptd " 第 16] ^ --- 1275232 六、申請專利範圍 壓裝置，盆φ Μ力丄 9 =閂鎖電路係RS閂鎖電路。 壓裝置如!;專利範圍第1項所述之雙頻脈波寬度調制穩 作^盥兮二該調制信號產生器係比較器’用以將該誤差 .Λ 、°虎比較後輸出該調制信號。 i U · 如申古杳直4 壓裝置，豆中▲利乾圍第1項所述之雙頻脈波寬度調制穩 J J A 亥電晶體開關係一雙接面電晶體（B JT )。 穩壓梦f如，申請專利範圍第1 〇項所述之雙頻脈波寬度調制 ""’其中該雙接面電晶體係PNP電晶體。 穩壓裝置〇,甲請專利範圍第10項所述之雙頻脈波寬度調制 "^ ’其中該雙接面電晶體係NPN電晶體。 壓裝置 14 壓裝置 15 •如申清專利範圍第1項所述之雙頻脈波寬度調制穩 ’其中該高頻信號係鋸齒波信號。 如申請專利範圍第1項所述之雙頻脈波寬度調制穩 其中該高頻信號係由該低頻信號倍頻而得。 壓穿 -π -r 罕匕闽乐丄a '只厂/|地 < 戈：yyj ^置’其中該低頻信號係鋸齒波信號 如申請專利範圍第1 4項所述之雙頻脈波寬度調制