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TWI399022B - 外差雙斜率迴授控制電路及其控制方法與具此控制電路之電源供應系統 - Google Patents

外差雙斜率迴授控制電路及其控制方法與具此控制電路之電源供應系統 Download PDF

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TWI399022B
TWI399022B TW099116537A TW99116537A TWI399022B TW I399022 B TWI399022 B TW I399022B TW 099116537 A TW099116537 A TW 099116537A TW 99116537 A TW99116537 A TW 99116537A TW I399022 B TWI399022 B TW I399022B
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Ju Lin Chia
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Powerforest Technology Corp
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Description

外差雙斜率迴授控制電路及其控制方法與具有此控制電路之電源供 應系統
本發明係有關於一種具有調整電源轉換功能之電源供應器，特別是有關於一種自動偵測外部負載並進一步進行迴授控制，以達到依據不同的大小的負載狀況來提供不同的輸出電流和充電週期之雙斜率電源供應器。
在與雙斜率電源控制器相關的先前技術中，揭露一種可以針對不同的負載電路，偵測其外部輸出電壓，將其外部輸出電壓，迴授至內部偵測電路，並將其與內部參考電壓作比較產生誤差電壓，利用產生出來的誤差電壓，輸入到電源轉換器，並產生不同的電流驅動斜率與週期，產生脈波寬度調變(Pulse Width Modulation；PWM)控制訊號，最後達到控制外部驅動電流的效果。
如第1圖所示，為一種習知的電源供應器控制電路，係由電源轉換器4、迴授控制電路8及外部的負載裝置6所組成；其中電源轉換器4係接受其輸入電壓Vin，並提供輸出電壓Vo至負載裝置6，迴授控制電路8根據輸出電壓Vo的準位大小，輸出門閘脈波(Gate Pulse)，通過電源轉換器來提供不同的準位大小。當外部的負載裝置6為大負載時，迴授控制電路8會提供較大的門閘脈波，讓電源轉換器4提供較大的功率輸出；當外部的負載裝置6為較小的負載時，迴授控制電路8會提供較小的門閘脈波，讓電源轉換器4提供較小的功率輸出，減少功率的消耗。對於電源轉換器4，一般而言，其可以根據不同的需要採用降壓式轉換器(Buck Converter)，昇壓式轉換器(Boost Converter)，或是馳返式轉換器(Flyback Converter) 等等不同的電壓轉換控制器，至於迴授控制電路8的設計上，則主要採取脈波寬度調變(PWM)來調整電源轉換器4的控制方式，因此在迴授控制電路8的設計上，如何根據外部負載裝置6的負載狀態來決定其輸出門閘脈波，並進而讓電源轉換器4提供適當的輸出功率到外部的負載裝置6相形重要。
請再參考第2圖，其係先前技術之迴授控制電路8之輸出門閘脈波之控制電路。如第2圖所示，利用誤差電壓Ve輸入電壓轉換電路來控制儲能電容25充放電電流的大小，並進而控制電容電壓Vramp升降週期的大小，以達到控制門閘脈波的目的。此控制電路包含四組電流源(第一充電電流源21、第一放電電流源22、第二充電電流源23及第二放電電流源24)及四組電流控制開關(第一切換開關211、第二切換開關221、第三切換開關231及第四切換開關241)、儲能電容25、控制器26、充放電電路27及轉換電路28；其中，儲能電容25，係用以提供充放電。此外，第一充電電流源21耦接第一切換開關211至儲存電容25，第一放電電流源22耦接第二切換開關221至儲能電容25，第二充電電流源23耦接第三切換開關231至儲存電容25，第二放電電流源24耦接第四切換開關241至儲能電容25；轉換電路28，係用以依據一誤差電壓Ve，經過電壓轉換後，產生一輸出轉換控制訊號來控制第二充電電流源23，以調整第二充電電流源的汲取電源，並依據開關電流CS之電壓輸出一重置訊號(Reset)至對應之切換開關(SW1~SW4)。控制器26，用以輸入電容電壓(Vramp)、一高電壓參考位準(VH)及一低電壓參考位準(VL)，並輸出一控制訊號(第一及第二控制訊號)，及一輸出脈波(CLKOUT)，並透過該控制訊號針對第一充電電流源21，第一放電電流源22，第二充電電流源23，第二放電電流源24，控制一充放電容25，來決定充放電電流的大小，透過該控制訊號針對第一 充電電流源21，第一放電電流源22，第二充電電流源23，第二放電電流源24，控制一儲能電容25，來決定充放電電流的大小，來控制該電容電壓(Vramp)的週期大小，並進而控制門閘脈波的頻率。
從以上習知技術可知，其係利用迴授控制電路8，針對外部輸出電壓Vo迴授控制，並產生誤差電壓Ve，進而控制第二充電電流源(Ic2)23，藉由不同的充電電流大小，決定電容電壓Vramp的充電週期大小，如此可以針對不同的外部負載，提供不同的充電長度，因此可以達到不同的功率輸出效果，因此當外部負載為輕負載時，可以達到功率節省的效果。然而此電路控制方式，存在著製程漂移的潛在缺陷，造成電路元件的精確度會受到製程影響，而造成系統的不穩定性。針對如上所述的關係，本發明提出另一設計架構，其係提供一種雙充電電容之外差雙斜率充電架構，藉由兩組分離電容，以及提供兩組不同的充電電流源，提供不同的充電速率所形成之外差雙斜率，並針對不同的負載來改變充電斜率利用此外差雙斜率之外差交叉定點方式，自動提供不同的充放電週期，並決定最後的輸出門閘脈波控制波長，並進而達到針對不同的外部負載，提供不同的輸出功率，達到節能的效果，並且可以將製程漂移，造成電容與電流源的元件不匹配性降低達到系統整體較佳的電流與電壓的穩定度與精確度。
依據上述之說明，本發明首先提供一種外差雙斜率之充放電驅動電路，其主要目的在藉由一組雙電容充放電電路，透過不同的充電電流源之充電速度，產生不同的電壓充電頻率，藉由不同的電壓充電頻率提供不同的PWM控制訊號，再藉由不同的PWM控制訊號，產生不同的驅動電流，因此可以依據不同的外部負載， 適時地提供不同的輸出功率，以達到節能之功能。
本發明之另一主要目的在藉由一迴授控制電路，針對外部負載的輸出電壓，進行迴授控制，將輸出電壓與迴授控制電路內部的參考電壓作比較，產生誤差電壓，藉由誤差電壓的大小則會產生不同的門閘脈波，通過電源轉換器，可以決定輸出驅動功率大小，並達到節能的效果。
依據上述之目的，本發明首先提供一種外差雙斜率迴授控制電路8，包括：一迴授誤差放大器314，其第一輸入端與一第一參考電壓耦接，其第二輸入端與一迴授誤差電壓Vfb耦接；一第一充電電流源308耦接一第一切換開關3011至一第一充電電容306之第一端；一第一放電電流源313耦接一第二切換開關3012至第一充電電容306之第一端；一可變式充電電流源309耦接一第三切換開關3021至一第二充電電容307之第一端；一參考電壓準位電路305，其第一輸入端與一第二參考電壓耦接，其輸出端耦接一第四切換開關3022至該第二充電電容307之該第一端，且其輸出端迴授連結至第二輸入端；一外差雙斜率電壓比較器303，其第一輸入端與第一充電電容306之第一端耦接，其第二輸入端與第二充電電容307之第一端耦接，以及一輸出端以產生一輸出訊號；及一訊號控制器304，其輸入端與外差雙斜率電壓比較器303之該輸出訊號耦接，並且輸出四個訊號分別控制第一切換開關3011、第二切換開關3012、第三切換開關3021及第四切換開關3022；其中藉由迴授誤差電壓Vfb值來調整可變式充電電流源309，使得可變式充電電流源309以不同大小的電流對第二充電電容307進行充電。
本發明接著提供一種外差雙斜率迴授控制電路8，包括：一迴授誤差放大器314之第一輸入端與一第一參考電壓Vref1耦接， 而其第二輸入端與一迴授誤差電壓Vfb耦接，一第一充電電流源308耦接一第一切換開關3011至一第一充電電容306之第一端，一第一放電電流源313耦接一第二切換開關3012至第一充電電容306之第一端，一第二充電電流源309耦接一第三切換開關3021至一第二充電電容307之第一端，一參考電壓準位電路305之第一輸入端與一第二參考電壓Vref2耦接，而其輸出端耦接一第四切換開關3022至第二充電電容307之第一端，且其輸出端迴授連結至第二輸入端，一外差雙斜率電壓比較器303之第一輸入端與第一充電電容306之第一端耦接，而其第二輸入端與第二充電電容307之第一端耦接及一輸出端以產生一輸出訊號，一訊號控制器304之輸入端與外差雙斜率電壓比較器303之輸出訊號耦接，並且輸出四個訊號分別控制第一切換開關3011、第二切換開關3012、第三切換開關3021及第四切換開關3022，其中外差雙斜率迴授控制電路30之特徵在於：第一充電電流源308為一固定電流源而第二充電電流源309為一可變式充電電流源，藉由第一充電電流源308對第一充電電容306進行充電之第一充電斜率與可變式充電電流源以不同大小的電流對第二充電電容307進行充電之第二充電斜率的交會電壓進行第一充電電容306及第二充電電容307之充電及放電。
本發明接著再提供一種電源供應系統，包括一電源轉換器4，其一輸入端與一輸入電源耦接，其一輸出端耦接至一負載裝置6，一外差雙斜率迴授控制電路30其輸入端與電源轉換器之輸出端耦接並且輸出一個控制訊號至電源轉換器4之另一輸入端，其中電源供應系統之特徵在於：外差雙斜率迴授控制電路30，進一步包括：一迴授誤差放大器314，其第一輸入端與一第一參考電壓耦接，其第二輸入端與一迴授誤差電壓Vfb耦接；一第一充電電流 源308耦接第一切換開關3011至一第一充電電容306之第一端；一第一放電電流源313耦接一第二切換開關3012至第一充電電容306之該第一端；一第二充電電流源309耦接一第三切換開關3021至一第二充電電容307之第一端；一參考電壓準位電路305，其第一輸入端與一第二參考電壓Vref2耦接，其輸出端耦接一第四切換開關3022至第二充電電容307之第一端，且其輸出端迴授連結至第二輸入端；一外差雙斜率電壓比較器303，其第一輸入端與第一充電電容306之第一端耦接，其第二輸入端與第二充電電容307之第一端耦接，以及一輸出端以產生一輸出訊號；及一訊號控制器304，其輸入端與外差雙斜率電壓比較器303之輸出訊號耦接，並且輸出四個訊號分別控制第一切換開關3011、第二切換開關3012、第三切換開關3021及第四切換開關3022；其中第一充電電流源308為一固定電流源而第二充電電流源309為一可變式充電電流源，藉由第一充電電流源308對第一充電電容306進行充電之第一充電斜率與可變式充電電流源以不同大小的電流對第二充電電容307進行充電之第二充電斜率的交會電壓進行第一充電電容306及第二充電電容307之充電及放電。
由於本發明主要係揭露一種外差雙斜率之電源供應器，特別是藉由兩個充電電容之充放電之斜率來切換電流源開關訊號，並藉以決定迴授控制器其輸出PWM之控制訊號週期大小，並通過轉換電路，輸出不同的電壓週期，達到不同的輸出電壓功率。
首先，請參考第3圖，其為本發明之外差雙斜率迴授控制電路30之電路圖。如第3圖所示，外差雙斜率迴授控制電路30包含第一切換開關(SW1)3011、第二切換開關(SW2)3012、第三切換開關(SW3)3021及第四切換開關(SW4)3022、一個外差雙斜率電壓比較 器303、一個訊號控制器304、一個參考電壓準位電路305、第一充電電容(C1)306、第二充電電容(C2)307、第一充電電流源(I1)308、第二充電電流源(I2)309、一個放電電流源313、迴授誤差放大器314、第一參考電壓Vref1、第二參考電壓Vref2以及一個迴授誤差電壓Vfb；其中，第一充電電流源308為一固定電流源，而第二充電電流源309為一可變式電流源，其可依據迴授誤差放大器314之輸出訊號改變電流大小。
再者，外差雙斜率迴授控制電路30中的迴授誤差放大器314有兩個輸入端，其第一端(即正端)與第一參考電壓Vref1耦接，其第二端(即負端)則耦接到迴授誤差電壓Vfb，而其輸出端係輸出兩組控制訊號OutA、OutB，並分別連接至第二充電電流源309(亦即可變電流源)之內部切換開關。接著，第二充電電流源309耦接第三切換開關(SW1)3021至第二充電電容(C2)307；第一充電電流308耦接第一切換開關3011至第一充電電容306；放電電流源313耦接第二切換開關3012至第一充電電容306；第一充電電容306上之輸出電壓係連接至外差雙斜率電壓比較器303之第一輸入端(即正端)，第二充電電容307上之輸出電壓則連接至外差雙斜率電壓比較器303之第二輸入端(即負端)。此外，外差雙斜率電壓比較器303之輸出端係連接至訊號控制器304之輸入端，而訊號控制器304的輸出係連接至第一切換開關3011、第二切換開關3012、第三切換開關3021與第四切換開關3022，其中訊號控制器304係由AND GATE、OR GATE與反相器邏輯閘所組成，其輸入端之控制訊號經過內部邏輯閘處理後，會產生不同的延遲與非交疊訊號反相訊號，並藉以控制上述每一個切換開關之導通(ON)與打開(OFF)時間。第二參考電壓Vref2連接至參考電壓準位電路305之第一輸入端(即正端)，同時參考電壓準位電路305會將其輸出端迴授並連 結至其第二輸入端(即負端)，再耦接第四切換開關3022至第二充電電容307。
上述之第二充電電流源309，其實際之電路結構如第4圖所示。第二充電電流源309係包含第一可變電流源4011及第二可變電流源4012，其中第一可變電流源4011之輸出端與第三切換開關3021耦接；此外，第二可變電流源4012之輸出端耦接至第三切換開關3021；其中，迴授誤差放大器314之輸出端所輸出的兩組控制訊號OutA、OutB分別與第一可變電流4011與第二可變電流4012耦接。當外部負載改變時，迴授誤差電壓Vfb也跟著改變，故可藉由輸出的兩組控制訊號OutA、OutB來控制第一可變電流4011與第二可變電流4012，並使得第一可變電流4011與第二可變電流4012跟隨著迴授誤差電壓Vfb的大小，呈現對應於迴授誤差電壓Vfb的線性電壓變化，並進而控制第一可變電流4011與第二可變電流4012的內阻值。透過第一可變電流4011與第二可變電流4012的內阻值變化，可以決定第一可變電流源4011與第二可變電流源4012輸出電流的大小，因此，使得可變電流源309能夠輸出線性可變電流。
請繼續參考第3圖，當第一切換開關(SW1)3011被導通(ON)時，第一充電電流源308開始對第一充電電容(C1)306進行固定電流之充電，在第一充電電容(C1)306被充電至第一充電電壓(Vrp1)的期間，訊號控制器304會將第一切換開關(SW1)3011持續導通(ON)、將第二切換開關(SW2)3012形成開路(OFF)、將第三切換開關(SW3)3021持續導通(ON)以及將第四切換開關(SW4)3022形成開路(OFF)；此時第二充電電容(C2)307上之第二充電電壓(Vrp2)會從第二參考電壓Vref2(即一DC值)持續上升，其中參考電壓準位電路305之第一輸入端(即正端)的第二參考電壓Vref2係為準平電壓(Clamp Voltage)，係用以提供一固定的直流參考電位， 並用以作為第二充電電容307上的初始電壓Vref2，故可透過此參考電壓準位電路305之設計來達到穩壓的效果。另外，在本發明之實施例中，第一充電電流源308之電流量係設計為為第二充電電流源309的整數倍(n)，故會使得第一充電電容(C1)306會以較快的充電速率將第一充電電容306充電至第一充電電壓(Vrp1)，其中此第一充電速率即具有一個第一斜率；另外，由於第二充電電容(C2)307上已有一DC值，也就是第二參考電壓Vref2，故第二充電電容(C2)307會以第二充電速率將第二充電電容由一電壓DC值Vref2充電至第二充電電壓(Vrp2)，其中此第二充電速率即具有一個第二斜率。因此，當第一充電電容(C1)306與第二充電電容(C2)307都處於充電狀態時，在第一充電電容(C2)307的充電狀況是會以較大的電流(即第一充電電流源308)被充電至第一充電電壓(Vrp1)；而在第二充電電容(C2)307的充電狀況會由一較小的電流(即第二充電電流源309)並由一個起始電壓(即DC值)開始充電至第二充電電壓(Vrp2)。很明顯地，當第一充電電容(C1)306與第二充電電容(C2)307都處於充電狀態時，經由本發明的電路設計，使得第一充電電容(C1)306被充電至第一充電電壓(Vrp1)會是以較快的充電速度(即第一斜率)，並且逐漸地追上第二充電電容(C2)307被充電至第二充電電壓(Vrp2)的充電速度(即第二斜率)；當第一充電電壓(Vrp1)追上第二充電電壓(Vrp2)時，訊號控制器304根據外差雙斜率電壓比較器303的輸出作控制訊號的反相控制。很明顯地，在本發明之一實施例中，第一充電電容306及第二充電電容307之電容值可以是相同或成等比例；例如，當第一充電電容306與第二充電電容307比例改變時，第一充電電容306與第二充電電容307充放電的時間會隨著改變，因此第一充電電容306與第二充電電容307的充放電週期也會跟著等比例改變。
當第一充電電壓(Vrp1)追上第二充電電壓時(Vrp2)時，外差雙斜率電壓比較器303的輸出狀態會改變，使得訊號控制器304會輸出反相控制的控制訊號，將第一切換開關(SW1)3011形成開路(OFF)、將第二切換開關(SW2)3012導通(ON)、將第三切換開關(SW3)3021形成開路(OFF)以及將第四切換開關(SW4)3022導通(ON)，此時依據本發明第3圖之電路圖，第一充電電容(C1)306與第二充電電容(C2)307同時處於放電狀態，直到第一充電電容(C1)306的第一充電電壓(Vrp1)持續放電至一個設定的低電壓狀態時，則外差雙斜率電壓比較器303的輸出狀態會再改變，使得訊號控制器304會再輸出反相控制的訊號，而再將第一切換開關(SW1)3011改變為導通、將第二切換開關(SW2)3012改變為開路(OFF)、將第三切換開關(SW3)3021改變為導通以及第四切換開關(SW4)3022改變為開路(OFF)；此時，第一充電電容(C1)306與第二充電電容(C2)307又進入持續充電的狀態。其中第一充電電容306係透過第一放電電流源313放電，而第二充電電容307係透過參考電壓準位電路305內部的等效電阻提供放電的路徑。因此，藉由本發明第3圖之電路圖之設計，使得外差雙斜率迴授控制電路30可以依據第一充電電容(C1)306與第二充電電容(C2)307之充電過程及放電電壓改變的狀態來決定第一充電電容(C1)306與第二充電電容(C2)307是進入充電週期或是進入放電週期，並且可以循環地進行著。
由於迴授誤差放大器314之第二端(即負端)與一迴授誤差電壓Vfb耦接，而此迴授誤差電壓Vfb係由電源供應器連接的負載狀況的迴授訊號。此外，因迴授誤差放大器314之輸出端與可變電流源(即第二充電電流源309)耦接，故可以控制第二充電電流源309之電流大小。例如，當與電源供應器連接的負載為一輕負載時狀 況時，迴授誤差電壓Vfb會變小，使得第二充電電流源(Ic2)309的輸出電流變大；而當與電源供應器連接的負載為一重負載時狀況時，迴授誤差電壓Vfb會變大，使得第二充電電流源(Ic2)309的輸出電流變小。
當本發明之外差雙斜率迴授控制電路30所連接的外部負載為輕負載狀態時，其迴授誤差放大器314之第二端(即負端)的迴授誤差電壓Vfb增小，經過迴授誤差放大器314控制，第二充電電流源(Ic2)309的驅動電流變大，導致第二充電電容(C2)307上的第二充電電壓(Vrp2)以較快速的速度上升，由於第一充電電流源(Ic1)308係以固定速率上升，當第二充電電容(C2)307以較快速度上升時，第一充電電流源(Ic1)308必須以較長的時間才能追到第二充電電容(C2)307上的第二充電電壓(Vrp2)。很明顯地，此時第一充電電容(C1)306及第二充電電容(C2)307整個充電的時間會拉長，使得第一充電電壓(Vrp1)追到第二充電電壓(Vrp2)時的電壓值會較高，進而使得第一充電電容(C1)306需要較久的時間放電至一設定得低電壓值，同時第一充電電容306與第二充電電容307的充放電週期，通過回授控制電路偵測與處理後，也決定了最後的PWM控制訊號輸出，使得最後PWM控制訊號輸出處於較長的低電壓狀態，導致電壓調節的頻率變小，輸出功率變小，達到節能的效果。
請參考第5圖，係為本發明之外差雙斜率電壓比較器之輸出端與訊號控制器輸出端之訊號圖。如第5圖所示，當第一充電電壓Vrp1追上第二充電電壓Vrp2時，外差雙斜率電壓比較器303之輸出OutC即會從高電壓轉變為低電壓，經過訊號控制器304處理後，第一切換開關SW1會呈現與外差雙斜率電壓比較器303之輸出OutC同步的狀態，此時第二切換開關SW2的訊號值會與SW1呈現反相的狀態，代表充電電路導通(ON)時，放電電路會形成開路(OFF)； 反之亦然。由於第一充電電容306與第二充電電容307的動作是一致的，所以第三切換開關SW3與第四切換開關SW4的動作會與第一控制開關SW1與第二控制開關SW2同步。而當第一充電電壓Vrp1經由放電過程而降到設定之一初始電壓時，外差雙斜率電壓比較器303的輸出outC即會轉態，從低電壓變成高電壓，訊號控制器304的輸出也會隨之轉態與外差雙斜率電壓比較器303的輸出outC同步，此時充電電路導通(ON)，放電電路會形成開路(OFF)，達到第一充電電容306與第二充電電容307的週期性充放電。
當本發明之外差雙斜率迴授控制電路30所連接的外部負載為重負載時，其迴授誤差放大器314之第二端(即負端)的迴授誤差電壓Vfb變大，經過迴授誤差放大器314控制，第二充電電流源(Ic2)309的驅動電流變小，導致第二充電電容(C2)307上的第二充電電壓(Vrp2)以較慢的速度上升，由於第一充電電流源(Ic1)308係以固定速率上升，當第二充電電容(C2)307以較慢速度上升時，第一充電電流源(Ic1)308只要以較短的時間對第一充電電容(C1)306充電即能追到第二充電電容(C2)307上的第二充電電壓(Vrp2)。很明顯地，此時第一充電電容(C1)306及第二充電電容(C2)307整個充電的時間會縮短，使得第一充電電壓(Vrp1)追到第二充電電壓(Vrp2)時的電壓值會較低，進而使得第一充電電容(C1)306使用較短的時間就能放電至設定得低電壓值，使得最後輸出控制PWM控制訊號處於較短的低電壓狀態，導致電壓調節的頻率變大，輸出功率變大，達到即時負載的效果。
為了進一步說明本發明之外差雙斜率迴授控制電路之操作，請參考第6(a)圖及第6(b)圖，係本發明在重載與輕載時，電容充放電與門閘脈波之對應圖。首先，如第6(a)圖所示，當外部為重負載時，由於外差雙斜率迴授控制電路30中的迴授誤差放大器 314之第二端(即負端)的迴授誤差電壓Vfb變大，經過迴授誤差放大器314的控制，驅動第二充電電流源(Ic2)309輸出小的電流，再加上參考電壓準位電路305之第一輸入端(即正端)的第二參考電壓Vref2係提供一個固定的準平電壓，進而使得第一充電電容(C1)306與第二充電電容(C2)307充電的外差交會的電壓也會改變。在此狀況下，第一充電電壓(Vrp1)與第二充電電壓(Vrp2)交會一致的時間跟著縮短，也就是說，第一充電電壓(Vrp1)與第二充電電壓(Vrp2)交會的電壓會比較低，所以第一充電電容(C1)306和第二充電電容(C2)307充放電頻率會加快，因此最後迴授控制器輸出的PWM控制訊號週期縮短，提供足夠的輸出功率；接著，當外部負載為輕載時，由於外差雙斜率迴授控制電路30中的迴授誤差放大器314之第二端(即負端)的迴授誤差電壓Vfb變小，經過迴授誤差放大器314的控制，驅動第二充電電流源(Ic2)309輸出大的電流，再加上參考電壓準位電路305之第一輸入端(即正端)的第二參考電壓Vref2係提供一個相同且固定的準平電壓，使得第二充電電流源(Ic2)309充電速率由此準平電壓開始充電，導致第二充電電流源(Ic2)309充電斜率改變，進而使得第一充電電容(C1)306與第二充電電容(C2)307充電的外差交會的電壓也會改變。在此狀況下，第一充電電壓(Vrp1)與第二充電電壓(Vrp2)交會一致的時間跟著變長，也就是說，第一充電電壓(Vrp1)與第二充電電壓(Vrp2)交會的電壓會比較高，致使第一充電電容(C1)306與第二充電電容(C2)307充放電的週期會跟著變長。所以，第一充電電容(C1)306和第二充電電容(C2)307充放電頻率會減慢，因此最後迴授控制的PWM控制訊號週期加長，減少功率的消耗。
再進一步說明，當外部為輕負載時，第二充電電容電壓(Vrp2)維持較高DC位準；例如：第二參考電壓Vref2係提供一個2V的DC 位準；因此，第二充電電流源309即可從DC位準的2V開始充電，並且還以較快速率對第二充電電容(C2)307充電；另一方面，第一充電電流源(Ic1)308則由較低DC位準對第一充電電容(C1)306充電；例如：DC位準為0.7V；由於第一充電電流源(Ic1)308為第二充電電流源(Ic2)309的呈現一比例關係；例如：第一充電電流源(Ic1)308所提供的電流值為第二充電電流源(Ic2)309所提供的電流值的整數倍；因此，在本發明中，第一充電電流源(Ic1)308始終是能提供較大之電流對第一充電電容(C1)306充電，所以第一充電電壓(Vrp1)會追上第二充電電壓(Vrp2)。在此狀況下，第一充電電壓(Vrp1)與第二充電電壓(Vrp2)交會一致的時間跟著變長，也就是說，第一充電電壓(Vrp1)與第二充電電壓(Vrp2)交會的電壓會比較高，所以第一充電電容(C1)306與第二充電電容(C2)307充放電的週期會跟著變長。當第一充電電容電壓(Vrp1)超過第二充電電容電壓(Vrp2)時，外差雙斜率電壓比較器303的輸出訊號即刻反轉輸入到訊號控制器304中，訊號控制器304產生的開關控制訊號即會反相控制所有的電流源控制開關，由於此一迴授控制開關路徑，係一邏輯控制電路，因此電流源控制開關訊號也在極短的時間之內反轉並輸入到所有的電流源控制開關。此時，第一充電電容(C1)306與第二充電電容(C2)307開始放電，最後其電容電壓會回到其初始狀態；例如：初始狀態設定為0.7V；並重複下一次的週期動作。
再接著，當外部為重負載時，第二充電電壓(Vrp2)依然維持較高DC位準；例如：第二參考電壓Vref2係提供一個2V的DC位準；因此，第二充電電流源309即可從DC位準的2V開始充電，並且還以較慢速率對第二充電電容(C2)307充電；另一方面，第一充電電流源(Ic1)308對第一充電電容(C1)306的充電方式與輕載時相同； 因此，輕載與重載相較於第6(a)圖之差別在於，第二充電電流源309對於第二充電電容(C2)307即可從DC位準的2V開始充電，並且是以較慢速率充電。在此狀況下，第一充電電壓(Vrp1)與第二充電電壓(Vrp2)交會一致的時間跟著變短，也就是說，第一充電電壓(Vrp1)與第二充電電壓(Vrp2)交會的電壓會變低，所以第一充電電壓(Vrp1)與第二充電電壓(Vrp2)充電週期自然縮短。
在圖6(b)中顯示，其門閘脈波(PWM控制訊號)係為外差雙斜率電容之充放電週期經過外差雙斜率電壓比較器之輸出，並經過訊號控制器與廻受控制器處理過後所輸出之方波。當電容處於充電時，其外差雙斜率電壓比較器輸出之電壓脈波處於高電平狀態，當外差雙斜率電容處於放電時，其外差雙斜率電壓比較器輸出之電壓脈波處於低電平狀態，藉由電容之充放電週期，外差雙斜率電壓比較器之輸出電壓脈波，經過訊號控制器作訊號的微幅調整後，形成門閘脈波控制週期，輸入電源供應器後，可以調整電源供應器輸出之功率大小。當負載由重載轉為輕載時，第一充電電容電壓(Vrp1)與第二充電電容電壓(Vrp2)其充放電週期變大，經過外差雙斜率電壓比較器與訊號控制器處理後，其所對應的門閘脈波週期隨之變大，因此輸出功率變小，達到之減少功率的消耗。
接著，請參考第7圖，係本發明之外差雙斜率迴授控制電路之控制方法。如第7圖所示，首先，如步驟710所示，當一個電源供應系統啟動後，隨即會進入步驟720，使得第一(即固定)充電電流源(Ic1)308由較低DC位準對第一充電電容(C1)306進行固定電流之充電；例如：DC位準為0.7V，因此產生一固定之第一斜率；接著，進入步驟730，系統驅動負載並對其所連接的負載狀況進行判斷；當電源供應系統判斷所連接的外部負載為輕負載時，則進入步驟741之程序，即外差雙斜率迴授控制電路30中的迴授誤差放大 器314之第二端(即負端)所提供的迴授誤差電壓Vfb變小；接著，進入步驟743之程序，經過迴授誤差放大器314的控制，使得驅動第二(即可變)充電電流源(Ic2)309輸出大的電流；再接著，進行步驟745之程序，使得第二充電電容電壓(Vrp2)維持較高DC位準下進行大電流之充電；例如：第二參考電壓Vref2係提供一個2V的DC位準；因此，第二(即可變)充電電流源309即可從DC位準的2V開始充電，並且還以較快速率對第二充電電容(C2)307充電，因此可以產生一個較大的第二斜率；接著，進入步驟747之程序，進行外差雙斜率之外差控制，由於第一(即固定)充電電流源(Ic1)308所提供的電流值為第二(即可變)充電電流源(Ic2)309所提供的電流值的整數倍；因此，第一(即固定)充電電流源(Ic1)308始終是能提供較大之電流對第一充電電容(C1)306充電，所以第一充電電壓(Vrp1)會追上第二充電電壓(Vrp2)，此時，第一充電電壓(Vrp1)與第二充電電壓(Vrp2)交會一致的時間跟著變長；再接著，進入步驟749之程序，由於第一充電電壓(Vrp1)與第二充電電壓(Vrp2)交會的電壓會比較高，所以第一充電電容(C1)306與第二充電電容(C2)307充放電的週期會跟著變長，在此狀況下，第一充電電容(C1)306和第二充電電容(C2)307充放電頻率會減慢，因此最後迴授控制的PWM控制訊號週期加長，減少功率的消耗。接著，重複下一次的週期動作。
當步驟730判斷所連接的外部負載改變為重負載時，則進入步驟751之程序，即外差雙斜率迴授控制電路30中的迴授誤差放大器314之第二端(即負端)所提供的迴授誤差電壓Vfb變大；接著，進入步驟753之程序，經過迴授誤差放大器314的控制，使得驅動第二(即可變)充電電流源(Ic2)309輸出小的電流；再接著，進行步驟755之程序，以第二(即可變)充電電流源(Ic2)309輸出之小 電流對第二充電電容電壓(Vrp2)在較高DC位準下進行充電，故可以產生一個較小的第二斜率(係指相對於輕載時的第二斜率而言)；接著，進入步驟757之程序，進行外差雙斜率之外差控制，由於第一(即固定)充電電流源(Ic1)308所提供的電流值為第二(即可變)充電電流源(Ic2)309所提供的電流值的整數倍；因此，第一充電電壓(Vrp1)會很快的就追上第二充電電壓(Vrp2)，此時，第一充電電壓(Vrp1)與第二充電電壓(Vrp2)交會一致的時間跟著變短；再接著，進入步驟759之程序，由於第一充電電壓(Vrp1)與第二充電電壓(Vrp2)交會的電壓會比較低，所以第一充電電容(C1)306與第二充電電容(C2)307充放電的週期會跟著變短，在此狀況下，第一充電電容(C1)306和第二充電電容(C2)307充放電頻率會加快，因此最後迴授控制的PWM控制訊號週期減短，增加功率的供應。接著，重複下一次的週期動作。
當本發明之控制電路使用在第1圖之電源供應系統中時，電源轉換器4係接受其輸入電壓Vin，並提供輸出電壓Vo至負載裝置6，迴授控制電路30根據電源轉換器輸出電壓Vo的準位大小，輸出門閘脈波至電源轉換器4中，提供不同的準位大小。由於，電源轉換器輸出電壓Vo會輸入至本發明之迴授控制電路30中的迴授誤差放大器314之第二端(即迴授誤差電壓Vfb)，因此，當負載裝置6為重載時，電源轉換器的輸出電壓Vo(即迴授誤差電壓Vfb)變大，經過迴授誤差放大器314的控制，驅動第二充電電流源(Ic2)309輸出小的電流，再加上參考電壓準位電路305之第一輸入端(即正端)的第二參考電壓Vref2係提供一個固定的準平電壓，進而使得第一充電電容(C1)306與第二充電電容(C2)307充電的外差交會的電壓也會改變。在此狀況下，第一充電電壓(Vrp1)與第二充電電壓(Vrp2)交會一致的時間跟著縮短，也就是說，第一充電電壓(Vrp1) 與第二充電電壓(Vrp2)交會的電壓會比較低，所以第一充電電容(C1)306和第二充電電容(C2)307充放電頻率會加快，因此最後迴授控制器輸出的PWM控制訊號週期縮短，提供足夠的輸出功率；接著，當外部負載為輕載時，電源轉換器的輸出電壓Vo(即迴授誤差電壓Vfb)會變小，經過迴授誤差放大器314的控制，驅動第二充電電流源(Ic2)309輸出大的電流，再加上參考電壓準位電路305之第一輸入端(即正端)的第二參考電壓Vref2係提供一個相同且固定的準平電壓，使得第二充電電流源(Ic2)309充電速率由此準平電壓開始充電，導致第二充電電流源(Ic2)309充電斜率改變，進而使得第一充電電容(C1)306與第二充電電容(C2)307充電的外差交會的電壓也會改變。在此狀況下，第一充電電壓(Vrp1)與第二充電電壓(Vrp2)交會一致的時間跟著變長，也就是說，第一充電電壓(Vrp1)與第二充電電壓(Vrp2)交會的電壓會比較高，致使第一充電電容(C1)306與第二充電電容(C2)307充放電的週期會跟著變長。所以，第一充電電容(C1)306和第二充電電容(C2)307充放電頻率會減慢，因此最後迴授控制的PWM控制訊號週期加長，減少功率的消耗。
以上為針對本發明之較佳實施例之說明，係為闡明本發明之目的，並無意限定本發明之精確應用形式，因此在不違反本發明所闡明之精神與範圍之內，皆由以上所述或由本發明的實施例所涵蓋。因此，本發明的技術思想將由以下的申請專利範圍及其均等來決定。
4‧‧‧電源轉換器
8‧‧‧迴授控制電路
6‧‧‧負載裝置
30‧‧‧外差雙斜率回授控制電路
3011‧‧‧第一切換開關
3012‧‧‧第二切換開關
3021‧‧‧第三切換開關
3022‧‧‧第四切換開關
303‧‧‧外差雙斜率電壓比較器
304‧‧‧訊號控制器
305‧‧‧參考電壓準位電路
306‧‧‧第一充電電容
307‧‧‧第二充電電容
308‧‧‧第一充電電流源
309‧‧‧第二充電電流源
313‧‧‧第一放電電流源
314‧‧‧迴授誤差放大器
4011‧‧‧第一固定電流源
4012‧‧‧第二固定電流源
4013‧‧‧第一可變電阻
4014‧‧‧第二可變電阻
第1圖 為一電源供應器之架構圖；第2圖 為一外差雙斜率充放電電路之架構圖；第3圖 為本發明之外差雙斜率充放電電路之架構圖； 第4圖 為本發明之可變電流源電路架構示意圖；第5圖 為本發明之電容充放電與開關切換之波形圖；第6圖 為本發明之電容充放電與門閘脈波之對應圖。
第7圖 為本發明之外差雙斜率充放電電路操作流程圖。
3011‧‧‧第一切換開關
3012‧‧‧第二切換開關
3021‧‧‧第三切換開關
3022‧‧‧第四切換開關
303‧‧‧雙斜率電壓比較器
304‧‧‧訊號控制器
305‧‧‧參考電壓準位電路
306‧‧‧第一充電電容
307‧‧‧第二充電電容
308‧‧‧第一充電電流源
309‧‧‧第二充電電流源
313‧‧‧第一放電電流源
314‧‧‧迴授誤差放大器

Claims (15)

  1. 一種外差雙斜率迴授控制電路，包括：一迴授誤差放大器，其第一輸入端與一第一參考電壓耦接，其第二輸入端與一迴授誤差電壓耦接；一第一充電電流源耦接一第一切換開關至一第一充電電容之第一端；一第一放電電流源耦接一第二切換開關至該第一充電電容之該第一端；一第二充電電流源耦接一第三切換開關至一第二充電電容之第一端；一參考電壓準位電路，其第一輸入端與一第二參考電壓耦接，其輸出端耦接一第四切換開關至該第二充電電容之該第一端，且其輸出端迴授連結至第二輸入端；一外差雙斜率電壓比較器，其第一輸入端與該第一充電電容之該第一端耦接，其第二輸入端與該第二充電電容之該第一端耦接，以及一輸出端以產生一輸出訊號；一訊號控制器，其輸入端與該外差雙斜率電壓比較器之該輸出訊號耦接，並且輸出四個訊號分別控制該第一切換開關、該第二切換開關、該第三切換開關及該第四切換開關；其中藉由該迴授誤差電壓值來調整該第二充電電流源之輸出電流量，使得該第二充電電流源以不同大小的電流對該第二充電電容進行充電。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之外差雙斜率迴授控制電路，其中該第二參考電壓係為準平電壓(Clamp Voltage)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之外差雙斜率迴授控制電路，其中該第二充電電流源包括：一第一可變電流源； 一第二可變電流源；該第三切換開關與該第一可變電流及該第二可變電流之另一端耦接。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之外差雙斜率迴授控制電路，其中該第一充電電容及該第二充電電容之電容值相同或成等比例關係。
  5. 一種外差雙斜率迴授控制電路，包括：一迴授誤差放大器之第一輸入端與一第一參考電壓耦接，而其第二輸入端與一迴授誤差電壓耦接，一第一充電電流源耦接一第一切換開關至一第一充電電容之第一端，一第一放電電流源耦接一第二切換開關至該第一充電電容之該第一端，一第二充電電流源耦接一第三切換開關至一第二充電電容之第一端，一參考電壓準位電路之第一輸入端與一第二參考電壓耦接，而其輸出端耦接一第四切換開關至該第二充電電容之該第一端，且其輸出端迴授連結至第二輸入端，一外差雙斜率電壓比較器之第一輸入端與該第一充電電容之該第一端耦接，而其第二輸入端與該第二充電電容之該第一端耦接及一輸出端以產生一輸出訊號，一訊號控制器之輸入端與該外差雙斜率電壓比較器之該輸出訊號耦接，並且輸出四個訊號分別控制該第一切換開關、該第二切換開關、該第三切換開關及該第四切換開關，其中該外差雙斜率迴授控制電路之特徵在於：該第一充電電流源為一固定電流源而該第二充電電流源為一可變式充電電流源，藉由該第一充電電流源對該第一充電電容進行充電之第一充電斜率與該可變式充電電流源以不同大小的電流量對該第二充電電容進行充電之第二充電斜率的交會電壓，作為該第一充電電容及該第二充電電容之放電控制訊號。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之外差雙斜率迴授控制電路，其中該第二參考電壓係為準平電壓(Clamp Voltage)。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之外差雙斜率迴授控制電路，其中該第二充電電流源包括：一第一可變電流源；一第二可變電流源；該第三切換開關與該第一可變電流及該第二可變電流之另一端耦接。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之外差雙斜率迴授控制電路，其中該第一充電電容及該第二充電電容之電容值相同或等比例關係。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之外差雙斜率迴授控制電路，其中該第二參考電壓係為準平電壓(Clamp Voltage)。
  10. 一種電源供應系統，包括一電源轉換器，其一輸入端與一輸入電源耦接，其一輸出端耦接至一負載裝置，一外差雙斜率迴授控制電路其輸入端與該電源轉換器之輸出端耦接並且輸出一個控制訊號至該電源轉換器之另一輸入端，其中該電源供應系統之特徵在於：該外差雙斜率迴授控制電路，進一步包括：一迴授誤差放大器，其第一輸入端與一第一參考電壓耦接，其第二輸入端與一迴授誤差電壓耦接；一第一充電電流源耦接一第一切換開關至一第一充電電容之第一端；一第一放電電流源耦接一第二切換開關至該第一充電電容之該第一端；一第二充電電流源耦接一第三切換開關至一第二充電電容之第一端；一參考電壓準位電路，其第一輸入端與一第二參考電壓耦接，其輸出端耦接一第四切換開關至該第二充電電容之該第一端，且其輸出端迴授連結至第二輸入端； 一外差雙斜率電壓比較器，其第一輸入端與該第一充電電容之該第一端耦接，其第二輸入端與該第二充電電容之該第一端耦接，以及一輸出端以產生一輸出訊號；及一訊號控制器，其輸入端與該外差雙斜率電壓比較器之該輸出訊號耦接，並且輸出四個訊號分別控制該第一切換開關、該第二切換開關、該第三切換開關及該第四切換開關；其中該第一充電電流源為一固定電流源而該第二充電電流源為一可變式充電電流源，藉由該第一充電電流源對該第一充電電容進行充電之第一充電斜率與該可變式充電電流源以不同大小的電流量對該第二充電電容進行充電之第二充電斜率的交會電壓，作為該第一充電電容及該第二充電電容之放電控制訊號。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之電源供應系統，其中該第二參考電壓係為準平電壓(Clamp Voltage)。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之電源供應系統，其中該第二充電電流源包括：一第一可變電流源；一第二可變電流源；該第三切換開關與該第一可變電流及該第二可變電流之另一端耦接。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之電源供應系統，其中該第一充電電容及該第二充電電容之電容值相同或等比例關係。
  14. 一種外差雙斜率迴授控制電路之控制方法，包括：啟動一電源供應系統；提供一固定充電電流源對一第一充電電容進行固定電流之充電，以產生一第一充電斜率；驅動負載並判斷所連接的外部負載為輕負載； 提供一迴授誤差電壓至迴授誤差放大器之第二端；驅動一可變充電電流源輸出一第一電流，其係經由該迴授誤差放大器的控制來驅動可變充電電流源輸出該第一電流；對一第二充電電容電壓進行充電，其係在一較高DC位準下由該第一電流對該第二充電電容電壓進行充電，以產生一第一充電斜率；比對該第一充電斜率及該第二充電斜率，係以外差方式判斷該第一充電斜率及該第二充電斜率交會一致的時間，並於該第一充電斜率及該第二充電斜率交會一致時，進行放電；輸出一第一PWM控制訊號，係依據該第一充電斜率及該第二充電斜率之充電及放電頻率產生該第一PWM控制訊號。
  15. 如申請專利範圍第10項所述之控制方法，當該判斷所連接的外部負載為重負載時：提供一迴授誤差電壓至迴授誤差放大器之第二端；驅動一可變充電電流源輸出一第一電流，其係經由該迴授誤差放大器的控制來驅動可變充電電流源輸出該第一電流；對一第二充電電容電壓進行充電，其係在一較高DC位準下由該第一電流對該第二充電電容電壓進行充電，以產生一第一充電斜率；比對該第一充電斜率及該第二充電斜率，係以外差方式判斷該第一充電斜率及該第二充電斜率交會一致的時間，並於該第一充電斜率及該第二充電斜率交會一致時，進行放電；輸出一第二PWM控制訊號，係依據該第一充電斜率及該第二充電斜率之充電及放電頻率產生該第二PWM控制訊號，其中該第二PWM控制訊號頻率大於該第一PWM控制訊號頻率。
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