TWI419455B

TWI419455B - 電源轉換器

Info

Publication number: TWI419455B
Application number: TW99142843A
Authority: TW
Inventors: Jui Lin Ting; Hua Chiang Huang; Jiun Chiang Chen
Original assignee: Upi Semiconductor Corp
Priority date: 2010-12-08
Filing date: 2010-12-08
Publication date: 2013-12-11
Also published as: TW201225502A

Description

電源轉換器

本發明是有關於一種電源轉換器，且特別是有關於一種切換式電源轉換器。

切換式電源轉換器(switching power converter)通常包括直流對直流控制器(DC/DC controller)、上橋開關、下橋開關、以及由電感與電容等元件所組成的阻抗電路。其中，切換式電源轉換器是透過直流對直流控制器來控制上橋開關與下橋開關的導通與否，進而調整流經阻抗電路的電流。藉此，切換式電源轉換器將可將輸入電壓轉換成相應的輸出電壓。

除此之外，現有的切換式電源轉換器大多會透過下橋式感測電路，來產生與輸出電流相關的感測電流。藉此，切換式電源轉換器將可依據感測結果來判別輸出電流的大小，進而達到過電流保護機制。然而，對現有的切換式電源轉換器來說，當所驅動的負載過小時，下橋式感測電路往往會因電感所產生的逆向電流而無法動作。此時，下橋式感測電路將無法回傳感測電流，進而導致切換式電源轉換器無法判斷輸出電流的大小，進而降低系統的穩定性。

此外，對於多通道的切換式電源轉換器來說，當所驅動的負載過小時，切換式電源轉換器將無法判別各個通道所產生的輸出電流，進而無法致使各通道輸出電流達到平衡。換言之，現有的切換式電源轉換器在驅動輕載時，由於下橋式感測電路之感測範圍的不足，將導致切換式電源轉換器輸出電流無法達到平衡致使系統穩定度降低。

本發明提供一種電源轉換器，透過感測單元之感測範圍的增加，來提高系統的穩定性。

本發明提供一種電源轉換器，可在逆向電流產生時持續地接收到相應於各個通道的感測電流，以維持每一通道電流的平衡。

本發明提出一種電源轉換器，包括切換單元、阻抗單元、感測單元以及控制器，且感測單元包括電阻、運算放大器、N通道電晶體、電流複製電路、以及計算電路。切換單元依據多個脈波訊號切換多個傳輸路徑。阻抗單元電性連接切換單元以形成一節點，並依據這些傳輸路徑的切換產生輸出電流。感測單元可回傳感測電流。藉此，控制器將依據感測電流判別輸出電流的大小，並依據判別結果來控制這些脈波訊號，以致使輸出電流小於一電流臨界值。

就感測單元而言，電阻的第一端電性連接節點。運算放大器的負輸入端電性連接電阻的第二端，且運算放大器的正輸入端維持在正電壓下。N通道電晶體的閘極電性連接運算放大器的輸出端，且N通道電晶體的源極電性連接運算放大器的負輸入端。電流複製電路電性連接N通道電晶體的汲極，並在N通道電晶體導通時，產生複製電流。計算電路將複製電流減去一預設電流，以產生感測電流。

在本發明之一實施例中，上述之感測單元更包括一電壓源。其中，所述電壓源電性連接在運算放大器的正輸入端與接地端之間，並用以提供正電壓。

在本發明之一實施例中，上述之運算放大器的正輸入端電性連接至接地端，且正電壓來自運算放大器本身的偏移電壓。

本發明另提出一種電源轉換器，包括N個切換單元、N個阻抗單元、N個感測單元以及一控制器，N為大於1之整數。其中，第i個切換單元包括多個傳輸路徑，並依據多個脈波訊號來切換這些傳輸路徑。所述N個阻抗單元與所述N個切換單元一對一電性相連以形成N個節點，並產生N個輸出電流。此外，第i個阻抗單元依據第i個切換單元中之這些傳輸路徑的切換來產生第i個輸出電流。所述N個感測單元用以產生N個感測電流。控制器依據所述N個感測電流判別這些輸出電流的大小，並依據判別結果來控制每一切換單元的脈波訊號，以致使所述N個輸出電流達到平衡。

此外，第i個感測單元包括電阻、運算放大器、N通道電晶體、電流複製電路以及計算電路。其中，電阻的第一端電性連接第i個節點。運算放大器的負輸入端電性連接電阻的第二端，且運算放大器的正輸入端維持在正電壓下。N通道電晶體的閘極電性連接運算放大器的輸出端，且N通道電晶體的源極電性連接運算放大器的負輸入端。電流複製電路電性連接N通道電晶體的汲極，並在N通道電晶體導通時產生複製電流。計算電路將複製電流減去一預設電流，以產生第i個感測電流。

在本發明之一實施例中，上述之第i個感測單元更包括一電壓源。其中，電壓源電性連接在運算放大器的正輸入端與接地端之間，並用以提供正電壓。

基於上述，本發明是將運算放大器的正輸入端維持在正電壓下，以增加感測單元的感測範圍。藉此，隨著感測單元之感測範圍的增加，電源轉換器的系統穩定度將可以被提升。此外，對於多相式的電源轉換器來說，其可以透過感測單元之感測範圍的增加，來維持每一通道電流的平衡。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1為依據本發明之一實施例之電源轉換器的電路示意圖。參照圖1，電源轉換器100包括切換單元110、阻抗單元120、感測單元130、以及控制器140。切換單元110電性連接阻抗單元120，以形成節點N11。此外，切換單元110會依據多個脈波訊號切換多個傳輸路徑，以調節流經阻抗單元120的電流。另一方面，阻抗單元120會依據切換單元110之傳輸路徑的切換，來產生輸出電流IO₁ 。

舉例來說，在本實施例中，切換單元110包括開關SW11與開關SW12。此外，本實施例是以降壓式的阻抗單元120為例，故阻抗單元120包括電感L1以及電容C1。其中，開關SW11的第一端電性連接電壓VD₁₁ ，且開關SW11的第二端電性連接節點N11。開關SW12的第一端電性連接節點N11，且開關SW12的第二端電性連接至接地端。此外，電感L1的第一端電性連接節點N11。電容C1的第一端電性連接電感L1的第二端，且電容C1的第二端電性連接至接地端。

在操作上，控制器140會產生多個脈波訊號PU₁₁ ~PU₁₂ 。其中，開關SW11依據脈波訊號PU₁₁ ~PU₁₂ 中的第一脈波訊號PU₁₁ 來決定其導通狀態，而開關SW12則是依據脈波訊號PU₁₁ ~PU₁₂ 中的第二脈波訊號PU₁₂ 來決定其導通狀態。藉此，隨著開關SW11與開關SW12之導通狀態的改變，切換單元110與阻抗單元120將組成不同的電流迴路，進而導致流經電感L1的電流產生相應的變動。

例如，圖2為依據本發明一實施例之電感電流的示意圖。參照圖1與圖2，當開關SW11導通(turn on)，且開關SW12不導通(turn off)時，流經電感L1的電流I_L 將隨著時間逐漸上升。此外，當開關SW11不導通，且開關SW12導通時，流經電感L1的電流I_L 將隨著時間逐漸下降。藉此，隨著電感L1之電流I_L 的改變，電容C1與電感L1將可產生輸出電流IO₁ ，亦即圖2中電流I_L 的平均電流I_AV 。

在切換單元110的控制上，控制器140會依據感測單元130所回傳的感測電流IS₁ ，來判別輸出電流IO₁ 的大小。藉此，控制器140將依據判別結果來控制脈波訊號PU₁₁ ~PU₁₂ ，進而致使輸出電流IO₁ 小於電流臨界值。如此一來，電源轉換器100將可達到過電流的保護機制。

更進一步來看，感測單元130包括電阻R1、N通道電晶體NM1、運算放大器131、電流複製電路132、計算電路133、以及電壓源134。其中，電阻R1的第一端電性連接節點N11。運算放大器131的負輸入端電性連接電阻R1的第二端，且運算放大器131的正輸入端電性連接電壓源134。N通道電晶體NM1的汲極電性連接電流複製電路132，N通道電晶體NM1的源極電性連接運算放大器131的負輸入端，且N通道電晶體NM1的閘極電性連接運算放大器131的輸出端。

在操作上，電壓源134用以提供一正電壓，以致使運算放大器131的正輸入端維持在正電壓下。雖然本實施例是透過電壓源134將運算放大器131的正輸入端維持在正電壓，但是在實際應用上，本領域具有通常知識者也可將運算放大器131的正輸入端電性連接至接地端，並透過運算放大器131本身的偏移電壓來將其正輸入端維持在正電壓下。再者，運算放大器131與N通道電晶體NM1所組成的回授迴路，將致使節點N12維持在正電壓下。

另一方面，隨著切換單元110之導通路徑的切換，節點N11的電壓位準將產生對應的變化。其中，當節點N12的電壓位準大於節點N11的電壓位準時，節點N11與N12之間的電壓差將促使N通道電晶體NM1導通，進而產生電流IM₁₁ 。此時，電流複製電路132將接收電流IM₁₁ ，並對電流IM₁₁ 進行複製，以產生複製電流IM₁₂ 。此外，計算電路133將對複製電流IM₁₂ 進行運算，以回傳感測電流IS₁ 給控制器140。

值得一提的是，圖3為電流IM₁₁ 與輸出電流IO₁ 的關係圖，其中曲線310是用以表示節點N12被維持在接地電壓時兩電流IM₁₁ 與IO₁ 的相對關係，而曲線320是用以表示節點N12被維持在正電壓時兩電流IM₁₁ 與IO₁ 的相對關係。在實際應用上，當電源轉換器100驅動輕載時，電感L1所產生的逆向電流將導致節點N11的電壓位準大於0。

針對上述情況，如曲線310所示，倘若節點N12被維持在接地電壓，則逆向電流將導致節點N11的電壓位準大於節點N12。此時，電流IM₁₁ 將無法產生，進而導致感測單元130無法回傳感測電流IS₁ 給控制器140。然而，參照曲線320來看，當節點N12被維持在正電壓時，儘管逆向電流會導致節點N11的電壓位準大於0，但節點N12的電壓位準在設定上會大於節點N11，因此感測單元130依舊可以回傳感測電流IS₁ 給控制器140。

據此，本實施例將運算放大器131的正輸入端維持在正電壓下，以致使節點N12被維持在正電壓下。另一方面，在本實施例中，由於複製電流IM₁₂ 的取得是相對於正電壓而言，因此計算電路133會將複製電流IM₁₂ 減去一預設電流，並據以取得感測電流IS₁ 。藉此，透過感測電流IS₁ 的回傳，控制器140將可判別輸出電流IO₁ 的大小，並依據判別結果來控制脈波訊號PU₁₁ ~PU₁₂ ，以致使輸出電流IO₁ 小於電流臨界值。

此外，如圖1所示，在本實施例中，電流複製電路132包括P通道電晶體PM11與P通道電晶體PM12。其中，P通道電晶體PM11的源極電性連接電壓VD₁₂ ，且P通道電晶體PM11的閘極與汲極電性連接N通道電晶體NM1的汲極。P通道電晶體PM12的源極電性連接電壓VD₁₂ ，且P通道電晶體PM12的閘極電性連接P通道電晶體PM11的閘極。藉此，P通道電晶體PM11與PM12將可形成一電流鏡，以對P通道電晶體PM11所接收的電流IM₁₁ 進行複製，並透過P通道電晶體PM12的源極產生複製電流IM₁₂ 。

總體而言，本實施例將運算放大器131的正輸入端維持在正電壓下，以致使節點N12的電壓位準被維持在正電壓下。如此一來，當電源轉換器100驅動輕載時，儘管電感L1產生逆向電流，感測單元130依舊可以回傳感測電流IS₁ 給控制器140。換言之，本實施例之感測單元130具有較大的感測範圍，可增加電源轉換器100之系統的穩定性。

圖4為依據本發明之另一實施例之電源轉換器的電路示意圖。參照圖4，電源轉換器400包括N個切換單元410_1~410_N、N個阻抗單元420_1~420_N、N個感測單元430_1~430_N、以及控制器440，N為大於1的整數。其中，電源轉換器400為多相式的電源轉換器，且切換單元410_1與阻抗單元420_1可視為一個通道或是單一相位。以此類推，切換單元410_1~410_N與阻抗單元420_1~420_N將可形成N個通道或是N個相位。

此外，切換單元410_1包括多個傳輸路徑，且阻抗單元420_1會依據切換單元410_1之傳輸路徑的切換來產生輸出電流IO₄₁ 。以此類推，切換單元410_1~410_N與阻抗單元420_1~420_N將可產生輸出電流IO₄₁ ~IO_4N 。另一方面，感測單元430_1~430_N用以偵測N個通道，並據以產生N個感測電流IS₄₁ ~IS_4N 。控制器440將依據感測電流IS₄₁ ~IS_4N 判別輸出電流IO₄₁ ~IO_4N 的大小，並依據判別結果來控制脈波訊號P₁₁ ~P₁₂ 、P₂₁ ~P₂₂ 、...、P_N1 ~P_N2 。藉此，切換單元410_1~410_N在脈波訊號P₁₁ ~P₁₂ 、P₂₁ ~P₂₂ 、...、P_N1 ~P_N2 的控制下，將致使阻抗單元420_1~420_N所產生的N個輸出電流IO₄₁ ~IO_4N 達到平衡。

更進一步來看，每一個通道的電路架構皆相同，例如：切換單元410_1~410_N的電路架構相同，且阻抗單元420_1~420_N的電路架構也相同。此外，感測單元430_1~430_N也具有相同的電路架構。為了致使本領域具有通常知識者更了解本發明，以下將以切換單元410_1、阻抗單元420_1以及感測單元430_1為例，來進一步地說明電源轉換器400的工作機制。

請繼續參照圖4，切換單元410_1包括開關SW41與開關SW42。阻抗單元420_1包括電感L4以及電容C4。此外，感測單元430_1包括電阻R4、N通道電晶體NM4、運算放大器431、電流複製電路432、計算電路433以及電壓源434。其中，切換單元410_1、阻抗單元420_1與感測單元430_1分別與圖1中的切換單元110、阻抗單元120與感測單元130具有相同或是相似的電路架構。

在操作上，就切換單元410_1來說，開關SW41與開關SW42會分別依據脈波訊號P₁₁ 與P₁₂ 來決定其導通狀態。此外，隨著開關SW41與開關SW42之導通狀態的改變，切換單元410_1與阻抗單元420_1將組成不同的電流迴路，進而導致流經電感L4的電流產生相應的變動。另一方面，隨著切換單元410_1之導通路徑的切換，節點N41的電壓位準也將產生對應的變化。

此外，運算放大器431與N通道電晶體NM4所組成的回授迴路，會將節點N42維持在正電壓下。藉此，當節點N42的電壓位準大於節點N41的電壓位準時，節點N41與N42之間的電壓差將促使N通道電晶體NM4導通，進而產生電流IM₄₁ 。電流複製電路432將接收電流IM₄₁ ，並對電流IM₄₁ 進行複製，以產生複製電流IM₄₂ 。此外，計算電路433會將複製電流IM₄₂ 減去一預設電流，並據以取得感測電流IS₄₁ 。

值得一提的是，本實施例將運算放大器431的正輸入端維持在正電壓下，以致使節點N42的電壓位準可以維持在正電壓下。如此一來，當電源轉換器400驅動輕載時，儘管電感L4產生逆向電流，感測單元430_1依舊可以回傳感測電流IS₄₁ 給控制器440。相似地，對於感測單元430_2~430_N來說，儘管阻抗單元420_1~420_N中的電感產生逆向電流，感測單元430_2~430_N也依舊可以回傳感測電流IS₄₂ ~IS_4N 給控制器440，進而維持N個輸出電流IO₄₁ ~IO_4N 的平衡。至於本實施例的細部構造與工作原理已包含在上述實施例中，故在此不予贅述。

綜上所述，本發明是將運算放大器的正輸入端維持在正電壓下，以增加感測單元的感測範圍。藉此，當電源轉換器驅動輕載時，儘管電感產生逆向電流，感測單元依舊可以回傳感測電流給控制器。藉此，電源轉換器的系統穩定度將可以被提升。此外，對於多相式的電源轉換器來說，其可以透過感測單元之感測範圍的增加，來維持每一通道電流的平衡。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、400．．．電源轉換器

110、410_1~410_N．．．切換單元

SW11、SW12、SW41、SW42．．．開關

VD₁₁ 、VD₁₂ ．．．電壓

120、420_1~420_N．．．阻抗單元

L1、L4．．．電感

C1、C4．．．電容

130、430_1~430_N．．．感測單元

131、431．．．運算放大器

132、432．．．電流複製電路

133、433．．．計算電路

134、434．．．電壓源

R1、R4．．．電阻

NM1、NM4．．．N通道電晶體

PM11、PM12．．．P通道電晶體

IM₁₁ 、IM₄₁ ．．．電流

IM₁₂ 、IM₄₂ ．．．複製電流

140、440．．．控制器

PU₁₁ ~PU₁₂ 、P₁₁ ~P₁₂ 、P₂₁ ~P₂₂ 、PN₁ ~PN₂ ．．．脈波訊號

IO₁ 、IO₄₁ ~IO_4N ．．．輸出電流

IS₁ 、IS₄₁ ~IS_4N ．．．感測電流

N11、N12、N41、N42．．．節點

I_L ．．．電感的電流

I_AV ．．．平均電流

310、320．．．曲線

圖1為依據本發明之一實施例之電源轉換器的電路示意圖。

圖2為依據本發明一實施例之電感電流的示意圖。

圖3為電流IM₁₁ 與輸出電流IO₁ 的關係圖。

圖4為依據本發明之另一實施例之電源轉換器的電路示意圖。

100．．．電源轉換器

110．．．切換單元

SW11、SW12．．．開關

VD₁₁ 、VD₁₂ ．．．電壓

120．．．阻抗單元

L1．．．電感

C1．．．電容

130．．．感測單元

131．．．運算放大器

132．．．電流複製電路

133．．．計算電路

134．．．電壓源

R1．．．電阻

NM1．．．N通道電晶體

PM11、PM12．．．P通道電晶體

IM₁₁ ．．．電流

IM₁₂ ．．．複製電流

140．．．控制器

PU₁₁ ~PU₁₂ ．．．脈波訊號

IO₁ ．．．輸出電流

IS₁ ．．．感測電流

N11、N12．．．節點

Claims

一種電源轉換器，包括：一切換單元，依據多個脈波訊號切換多個傳輸路徑；一阻抗單元，電性連接該切換單元以形成一節點，並依據該些傳輸路徑的切換產生一輸出電流；一感測單元，包括：一電阻，其第一端電性連接該節點；一運算放大器，其負輸入端電性連接該電阻的第二端，且該運算放大器的正輸入端維持在一正電壓下；一N通道電晶體，其閘極電性連接該運算放大器的輸出端，該N通道電晶體的源極電性連接該運算放大器的負輸入端；一電流複製電路，電性連接該N通道電晶體的汲極，並在該N通道電晶體導通時，產生一複製電流；以及一計算電路，將該複製電流減去一預設電流，以產生一感測電流；以及一控制器，依據該感測電流判別該輸出電流的大小，並依據判別結果來控制該些脈波訊號，以致使該輸出電流小於一電流臨界值。
如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器，其中該電流複製電路包括：一第一P通道電晶體，其源極電性連接一第一電壓，該第一P通道電晶體的閘極與汲極電性連接該N通道電晶體的汲極；以及一第二P通道電晶體，其源極電性連接該第一電壓，該第二P通道電晶體的閘極電性連接該第一P通道電晶體的閘極，該第二P通道電晶體的源極用以產生該複製電流。
如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器，其中該切換單元包括：一第一開關，其第一端電性連接一第二電壓，該第一開關的第二端電性連接該節點，且該第一開關依據該些脈波訊號中的一第一脈波訊號而決定其導通狀態；以及一第二開關，其第一端電性連接該節點，該第二開關的第二端電性連接一接地端，且該第二開關依據該些脈波訊號中的一第二脈波訊號而決定其導通狀態。
如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器，其中該阻抗單元包括：一電感，其第一端電性連接該節點；以及一電容，其第一端電性連接該電感的第二端，該電容的第二端電性連接一接地端。
如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器，其中該感測單元更包括：一電壓源，電性連接在該運算放大器的正輸入端與一接地端之間，並用以提供該正電壓。
如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器，其中該運算放大器的正輸入端電性連接至一接地端，且該正電壓來自該運算放大器本身的偏移電壓。
一種電源轉換器，包括：N個切換單元，其中第i個切換單元包括多個傳輸路徑，並依據多個脈波訊號來切換該些傳輸路徑，N為大於1之整數；N個阻抗單元，與該些切換單元一對一電性相連以形成N個節點，並產生N個輸出電流，其中第i個阻抗單元依據第i個切換單元中之該些傳輸路徑的切換來產生第i個輸出電流；N個感測單元，產生N個感測電流，其中第i個感測單元包括：一電阻，其第一端電性連接第i個節點；一運算放大器，其負輸入端電性連接該電阻的第二端，且該運算放大器的正輸入端維持在一正電壓下；一N通道電晶體，其閘極電性連接該運算放大器的輸出端，該N通道電晶體的源極電性連接該運算放大器的負輸入端；一電流複製電路，電性連接該N通道電晶體的汲極，並在該N通道電晶體導通時，產生一複製電流；以及一計算電路，將該複製電流減去一預設電流，以產生第i個感測電流；以及一控制器，依據該些感測電流判別該些輸出電流的大小，並依據判別結果來控制每一該些切換單元的該些脈波訊號，以致使所述N個輸出電流達到平衡。
如申請專利範圍第7項所述之電源轉換器，其中該電流複製電路包括：一第一P通道電晶體，其源極電性連接一第一電壓，該第一P通道電晶體的閘極與汲極電性連接該N通道電晶體的汲極；以及一第二P通道電晶體，其源極電性連接該第一電壓，該第二P通道電晶體的閘極電性連接該第一P通道電晶體的閘極，該第二P通道電晶體的源極用以產生該複製電流。
如申請專利範圍第7項所述之電源轉換器，其中第i個切換單元包括：一第一開關，其第一端電性連接一第二電壓，該第一開關的第二端電性連接第i個節點，且該第一開關依據該些脈波訊號中的一第一脈波訊號而決定其導通狀態；以及一第二開關，其第一端電性連接第i個節點，該第二開關的第二端電性連接一接地端，且該第二開關依據該些脈波訊號中的一第二脈波訊號而決定其導通狀態。
如申請專利範圍第7項所述之電源轉換器，其中第i個阻抗單元包括：一電感，其第一端電性連接第i個節點；以及一電容，其第一端電性連接該電感的第二端，該電容的第二端電性連接一接地端。
如申請專利範圍第7項所述之電源轉換器，其中第i個感測單元更包括：一電壓源，電性連接在該運算放大器的正輸入端與一接地端之間，並用以提供該正電壓。
如申請專利範圍第7項所述之電源轉換器，其中該運算放大器的正輸入端電性連接至一接地端，且該正電壓來自該運算放大器本身的偏移電壓。