TWI324287B - Current mode pwm boost circuit and feedback signal sensing method thereof - Google Patents

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1324287 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種電流模式脈寬調變升壓電路（current mode pulse width modulation boost circuit)及其迴授訊號感 測方法’尤指一種具直接感測電感電流（inductor current) 及斜率補償鑛齒波訊说（slope compensation ramp signal)功 月&之電流模式脈寬調變升壓電路及其迴授訊號感測方法。 【先前技術】 圖1係習知之一電流模式脈寬調變升壓電路丨〇，其包含一 升壓單元11、一分壓電路19、一誤差放大器12、一比較器 13、一電感電流產生器（inductor current generator) 14、一斜 率補償鑛齒波產生器（slope compensation ramp generator) 15、一振盪器16、一脈寬產生器17及一緩衝器 (buffer) 18。一電壓VlN經由該升壓單元丨丨進行升壓以產生一 較南之直流輸出電壓V〇UT。該升壓單元11包含一輸入電容 C1 ' 一升壓電感L、一MOS電晶體T、一整流二極體D及一 輸出電容C2。該輸入電容C1係用以濾掉該電壓ViN之紋波電 壓（ripple voltage)。當該MOS電晶體τ於導通狀態，該整流 一極體D為逆向偏壓，此時電流將順向流經該升壓電感L， 而使該升壓電感L之電壓上升；然而電流並非瞬間流經該升 壓電感L，而是呈線性增加，因此會建立一電磁場。此時， 當該MOS電晶體T於導通狀態時，輪出之電流完全由該輸出 電容C2提供。當該MOS電晶體丁於截止狀態時，該升壓電 感L已無法再儲存能量，因此該升壓電感所儲存之該電 113635.doc 磁場將被釋放出來，此時’該升壓電感L上之電壓極性將被 反轉，使得該升壓電感L釋放其所儲存之能量至該輸出電容 C2，同時使得該整流二極體D連接該升壓電感l之一端（即 節點N3)得到比該電壓ViN還高的電壓，這股能量提供一負 載電流，並且同時再為該輸出電容C2充電。該分壓電路19 係由二串聯電阻R1及R2所構成。一分壓電壓vF】則由一連接 該電阻R1及R2之節點N2取出’送至該誤差放大器12和一參 考電壓VREF進行比較’以產生一誤差訊號隨後，該誤 差訊號E〇將經由該比較器13與一迴授訊號vSUM進行比較。 該比較器13之輸出（即VF2)則和一來自該振盪器16之振盈訊 號8!—同輸入至該脈寬產生器17。該脈寬產生器π所產生 之一驅動訊號SDR再經該緩衝器18產生之一閘極控制訊號 Sg以調整該MOS電晶體T導通之時間（即調整該驅動訊號 Sdr之脈衝持續時間（pulse duration))，進而控制該直流輸出 電壓V〇uT。 該電感電流產生器14接收來一自該節點N3之電壓訊號 ▽SEN，經其内部之一電壓轉換電流之機制（例如經一電阻或 一轉導放大器（transconductance ampliHer))作用後而生成 一流經該升壓電感L之電感電流ISEN。圖2(a)至2(c)例示習知 技藝中該電壓訊號VSEN之不同擷取點N31、N32及N33。圖 2(a)之該電壓訊號VSEN擷取方式雖較其他二者準確，然卻較 耗電。圖2(b)及2(c)之該電壓訊號VSEN_取方式比較圖2(a) 具無損耗（lossless)之優點，然卻分別有低準確度及匹配的 問題。且該電壓訊號VSEN經該電感電流產生器14之作用 113635.doc •6· 後，該電感電流ISEN將很容易造成失真（distortion)。另，該 斜率補償鋸齒波產生器15之目的係為解決在電流模式轉換 器（current mode converters)中，當其操作於連續導通模式 (continuous conduction)且該驅動訊號SDR之貴任週期大於 5 0°/。時，產生之開迴路不穩定（〇pen-l〇〇p instability)、次言皆 波振盈（sub-harmonic oscillation)及對雜訊過於靈敏（noise sensitivity)等問題。該斜率補償鋸齒波產生器15係接收一 來自該振盪器16之振盪訊號S2，再經其内部之一電壓轉換 電流之機制（例如一轉導放大器）作用後而生成一斜率補償 鋸齒波訊號ISL0。同樣地，該斜率補償鋸齒波訊號ISLO經該 斜率補償鋸齒波產生器15之作用後，很容易造成失真。最 後，該電感電流ISEN及該斜率補償鋸齒波訊號ISLO流經一電 阻Rf，於一節點N1產生該迴授訊號VSUM。 【發明内容】 本發明一方面係提供一種電流模式脈寬調變升壓電路， 藉由一包含一電流源及一電容之迴授訊號產生單元，直接 量測該電流模式脈寬調變升壓電路内部之電感電流及一等 效斜率補償鑛齒波訊號（equivalent slope compensation ramp signal)，以形成一迴授訊號並調整一直流輸出電壓， 而減少習知技藝中量測電感電流及產生斜率補償鋸齒波訊 號時所造成的訊號失真。 本發明之另一方面係提供一種應用於一電流模式脈寬調 變升壓電路中之迴授訊號感測方法，藉由直接量測該升麼 電路中流經升壓電感之電感電流及藉由一電流源對一電容 113635.doc 充電所具有之一斜率特性所形成之一等效斜率補償鋸齒波 訊號，以產生一迴授訊號並調整一直流輸出電壓。 本發明揭示一種電流模式脈寬調變升壓電路，其包含一 升壓單元、一分壓電路、一誤差放大器、一比較器、一脈 寬產生及一迴授成號產生单元。該升壓單元包含一升壓 電感及一開關，該升壓單元係將一電壓進行升壓以產生一 直流輸出電壓。該分壓電路利用該直流輸出電壓產生一分 壓電壓。該誤差放大器比較一參考電壓及該分壓電壓以產 生一誤差訊號。該比較器比較該誤差訊號及一迴授訊號以 產生一第一訊號。該脈寬產生器接收該第一訊號及一來自 一振盈器之第二訊號以產生一第三訊號，其中該第三訊號 用以控制該關關。該迴授訊號產生單元耦合於該升壓單元 以產生該迴授訊號，其中該迴授訊號係包含一流經該升壓 電感之等效電感電流訊號及一等效斜率補償鋸齒波訊號。 本發明另揭示一種應用於一電流模式脈寬調變升壓電路 之迴授訊號感測方法，其包含以下步驟：（a)提供一具一週 期（period)之脈寬調變訊號；（b)於該週期之一脈衝持續時間 (pulse duration)内，藉由一電流源對一電容充電，以形成一 等效斜率補償鋸齒波訊號；（c)於該脈衝持續時間内，使一 流經一升壓電感之電感電流流經一等效電阻，以形成一等 效電感電流訊號；以及（d)利用該電容之輕合特性，並配合 該等效斜率補償鋸齒波訊號及該等效電感電流訊號以形成 一迴授訊號。本發明一實施例中，該迴授訊號係取自該電 流源與該電容之接點。 113635.doc 1324287 本發明之電流模式脈寬調變升壓電路因直接量測電感電 流並利用該迴授訊號產生單元直接產生該等效斜率補償鑛 齒波訊號，且無涉及電壓轉換電流機制（voltage_t〇-current transfer structure)之使用，因此相較於習知技藝，本發明具 有以下優點：（1)減少迴授訊號之失真；（2)因直接量測及產 生訊號，故具較佳之反應速率；（3)可免除習知技藝中開迴 路穩定性之問題。 【實施方式】 圖3係本發明一實施例之電流模式脈寬調變升壓電路 20，其包含一升壓單元21、一分壓電路29、一誤差放大器 22、一比較器23、一脈寬產生器27、一緩衝器28及一迴授 訊號產生單元24。該升壓單元21包含一升壓電感l·、一 MOS 電晶體T、一連接於該升壓電感L，與該MOS電晶體T，之接點 P1之整流二極體D'、一用以濾掉該電壓vIN之紋波電壓之輸 入電容C3及一連接於該整流二極體d，及一接地端之間之輸 出電容C5，其中該輸出電容C5係用以產生一直流輸出電壓 V0UT。該分壓電路29係利用該直流輸出電壓vOUT產生一分 壓電壓VF3。該分壓電路29包含一連接於該整流二極體D，之 第一電阻R3及一連接於該第一電阻R3及該接地端間之第 二電阻R4,其中該分壓電壓Vf3係取自一連接該第一電阻r3 與該第二電阻R4之節點P3。該誤差放大器22比較一參考電 壓VREF及該分壓電壓vF3以產生一誤差訊號E’o。該比較器23 比較該誤差訊號Ε'ο及一迴授訊號V’SUM以產生一訊號VF4。 該脈寬產生器27接收該訊號vF4及一來自一振盪器26之訊 U3635.doc 1324287 號Sosc以產生一訊號s’DR ’其中該訊號s，dr用以控制該m〇s 電晶體Τ'。該緩衝器28,為可選擇性設置（〇pti〇nal)，其係提 升該訊號S’DR之驅動能力，以形成一閘極控制訊號8,〇以控 制該MOS電晶體T1。該迴授訊號產生單元24耦合於該升壓 單元21以產生該迴授訊號v’SUM，其令該迴授訊號vsum係包 含一流經該升壓電感L'之等效電感電流訊號（圖未示）及一 等效斜率補償鋸齒波訊號（圖未示>該迴授訊號產生單元24 包含一電容C4及一與該電容C4串聯之電流源is ^該電容C4 之一端麵合於該升壓電感L1與該MOS電晶體Τ’之接點P1。 該電流源13則耦合於該電容C4之另一端點。 圖3之該實施例之電流模式脈寬調變升壓電路2〇與圖1之 該電流模式脈寬調變升壓電路10之迴授訊號v，sum之產生 方法不同，以下將詳細說明本發明該迴授訊號v，sum之感測 方法。 當該MOS電晶體T導通時，由該電壓vIN產生且流經該升 壓電感L1之電感電流IL，將經由該導通之MOS電晶體τ，流至 接地端。該電感電流IL'於節點P1所形成之一電位v，sen可由 以下式（1)得出， V'sEN=ViNxDTsxRds/L ⑴ 其中DTS表示該第四訊號S'DR之脈衝持續時間（亦即該 MOS電晶體T·導通之時間），Rds表示該MOS電晶體τ，導通時 之電阻且L表示該升壓電感L’之電感值。因該電位V，SEN薇含 該電感電流IL'之訊息，因此又稱為等效電感電流訊號，其 係與該電壓Vin、該升麼電感L1、該MOS電晶體T1導通時之 113635.doc -10· 1324287 電阻值Rds及該脈寬產生器之一責任週期（duty cyc⑷相 關。此外，該電流源Is於該MOS電晶體τ，導通時對該電容以 充電，因此將於節點P1及P2之間建立一電位差Vsl〇,其可 由以下式（2)得出，

Vsl〇- IsxDTs/C (2) 其中DTS表示該第四訊號s’DR之脈衝持續時間（亦即該 MOS電晶體Τ'導通之時間）’ c表示該電容C4之電容值。因 φ 忒電位差VsL0蘊含該斜率補償鋸齒波訊號相關之訊息（亦 即對該電容C4充電時其所展現之斜率特性類似於該振盪器 26所產生之第二訊號s0SC)，因此又稱為等效斜率補償鋸齒 波訊號，其係與該電流源is、該電容C4及該脈寬產生器27 之該責任週期相關。因此利用該電容C4之耦合特性，由節 點P2取出之迴授訊號V，SUM即為該等效電感電流訊號與等 效斜率補償鋸齒波訊號之和。意即， V'sum= V'SEN+ VSL〇= VINxDTsxRds/L + IsxDTs/C φ = (VINxRds/L+ Is/C)xDTs (3) 其中式（3)中之（VIN xRds/L+ Is/C)係具有固定斜率之特 性。 由以上之說明可知，本發明之電流模式脈寬調變升壓電 路及其迴授訊號感測方法因藉由一包含一電流源及一電容 之迴授訊號產生單元，直接量測該電流模式脈寬調變升壓 電路'内部之電感電流並直接轉換成一等效電感電流訊號； 同時’利用該電流源對該電容充電而直接產生一具斜率特 性之等效斜率補償鋸齒波訊號，而直接於該電流源及該電 U3635.doc 容之連接點形成一迴授訊號。因此本發明相較於習知技藝 具有（1)減少迴授訊號之失真；（2)具較佳之反應速率；及（3) 避免開迴路穩定性問題之優點。 本發明之技術内容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本 項技術之人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不 背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍 應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之 替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。 【圖式簡單說明】 圖1係習知之一電流模式脈寬調變升壓電路； 圖2(a)〜2(c)例示習知技藝電壓訊號之不同擷取點；以及 圖3係本發明一實施例之電流模式脈寬調變升壓電路。 【主要元件符號說明】 10 ' 20 電流模式脈寬調變升壓電路 11、21 升壓單元 12 ' 22 誤差放大器 13、23 比較器 14 電感電流產生器 15 斜率補償鋸齒波產生器 16 ' 26 振盪器 17、27 脈寬產生器 18 ' 28 緩衝器 19、29 分壓電路 24 迴授訊號產生單元 Cl、C3 輸入電容 C2、C5 輸出電容 C4 第一 電容 D、D, 整流二極體 Is 電流源 113635.doc •12 1324287 L、L'、Ll、L2、L3 升壓電感 N1、N2、N3、PI、P2、P3 節 R1、R2、R3、R4、R 電阻 T、Τ’、ΤΙ、T2、丁3 MOS 電晶

-13- 113635.doc

Claims (1)

1324287 r % 十、申請專利範圍： 年丨'月咖修正替換F 第095135493號專利申請案 發明專利申請專利範圍替換本(98年12月） 1. 一種迴授訊號感測方法，其係應用於一電流模式脈寬調 變升壓電路，包含以下步驟： (a) 提供一具一週期之脈寬調變訊號； (b) 於該週期之一脈衝持續時間内，藉由一電流源對一 電容充電，以形成一等效斜率補償鋸齒波訊號； (C)於該脈衝持續時間内，使一流經一升壓電感之電感 電流流經一等效電阻，以形成一等效電感電流訊號；以及 (d)利用該電容之耦合特性，並配合該等效斜率補償鋸 齒波訊號及該等效電感電流訊號以形成一迴授訊號。 2. 根據請求項1之迴授訊號感測方法，其中該脈寬調變訊號 於該脈衝持續時間内係用以導通一位於該電流模式脈寬 調變升壓電路内部之開關。 3. 根據請求項2之迴授訊號感測方法，其中該開關係一 MOS 電晶體。 4. 根據請求項1之迴授訊號感測方法，其中該等效斜率補償 鋸齒波訊號係一電壓訊號且由下式所定義： Is xDTs/C 其中込表示該電流源之電流，〇凡表示該脈衝持續時間，c 表示該電容之電容值。 5. 根據請求項1之迴授訊號感測方法，其中該等效斜率補償 鋸齒波訊號係一跨於該電容兩端之電位差。 6. 根據請求項1之迴授訊號感測方法，其中該等效電阻係係 一處於導通狀態之MOS電晶體。 -14- 1324287 η 7. 根據請求項1之迴授訊號感測方法，其中該等效電感電流 訊號係一電壓訊號且由下式所定義： ViN><DTsxRds/L 其中VIN係一產生該電感電流之電壓源之電壓，dts表示該 脈衝持續時間，Rds表示該等效電阻，L表示該升壓電感 之電感值。 8. 根據請求項1之迴授訊號感測方法，其中該迴授訊號係該 等效斜率補償鋸齒波訊號及該等效電感電流訊號之和。 9 _根據請求項1之迴授訊號感測方法，其中該迴授訊號係取 自該電流源與該電容之接點。 10. —種電流模式脈寬調變升壓電路，包含： 一升壓單元，包含一升壓電感及一開關，該升壓電路 係將一電壓進行升壓以產生一直流輪出電壓； 一分壓電路，係利用該直流輸出電壓產生一分壓電壓； 一誤差放大器，係比較一參考電壓及該分壓電壓以產 生一誤差訊號； 一比較器，係比較該誤差訊號及一迴授訊號以產生一 第一訊號； 一脈寬產生器，係接收該第一訊號及一來自一振盪器 之第二訊號以產生一第三訊號，其中該第三訊號用以控制 該關關；以及 一迴授訊號產生單元，係耦合於該升壓單元以產生該 迴授訊號，其中該迴授訊號係包含一流經該升壓電感之等 效電感電流訊號及一等效斜率補償鋸齒波訊號，包含： •15· ⑶ 4287 v 、 ---~~. 年丨1月y日修正替換頁 電谷，其一端耦合於該升壓電感及該開關之接 、 點；及 電流源，係耦合於該電容之另一端點。 长項10之電流模式脈寬調變升壓電路其中該升 壓單元另包含： 一整琉二極體，連接於該升壓電感與該開關之接點； 以及 Φ 出電谷，連接於該二極體及一接地端之間以產生 s亥直流輪出電壓。 12. 根據請求項11之電流模式脈寬調變升壓電路，其中該分 壓電路包含： 一第—電阻，連接於該整流二極體；以及 一第二電阻，連接於該第一電阻及該接地端之間，其 中該分壓電壓係取自該第—電阻與該第二電阻之接點。 13. 根據請求項10之電流模式脈寬調變升壓電路，其另包含 Φ 一緩衝器，連接於該脈寬產生器之輸出端，係提升該第 二訊號之驅動能力以控制該開關。 14. 根據請求項1〇之電流模式脈寬調變升壓電路其中該等 效斜率補償鋸齒波訊號係由該電流源於該開關導通時對 該電容充電所產生。 根據請求項1〇之電流模式脈寬調變升壓電路其中該等 效斜率補償鋸齒波訊號係與該電流源、該電容及該脈寬 產生器之一責任週期相關。 . 16.根據請求項10之電流模式脈寬調變升壓電路，其中該等 -16· 1324287 f师月正·〔 效電感電流訊號係一電壓訊號且與該開關導通時之電阻 值相關。 17.根據請求項10之電流模式脈寬調變升壓電路，其中該等 效電感電流訊號係一電壓訊號，其係與該電壓、該升壓 電感、該開關導通時之電阻值及該脈寬產生器之責任週 期相關。