紋波調節器的控制電路及方法

2023-06-02 10:50:36

專利名稱：紋波調節器的控制電路及方法
技術領域：
本發明是有關ー種紋波調節器(ripple regulator),特別是關於ー種紋波調節器的控制電路及方法。
背景技術：
在固定導通時間(C onstant On Time ;COT)或磁滯模式(hysteretic mode)的自行計時(self-clocking)直流對直流轉換器中，脈寬調變信號的產生是依賴輸出電壓上的紋波做觸發控制。較大的紋波可以讓迴路的穩定性提升，但是可能超出轉換器的規範。相反的，較小的紋波可以符合規範的要求，但卻可能破壞迴路的穩定性。因此，擁有小的輸出電壓紋波而又不喪失迴路的穩定性是ー項具有挑戰性的工作。如圖I所示，傳統的COT紋波調節器包括一對高壓側元件Ql和低壓側元件Q2經相節點Phs連接在電壓輸入端Vin和地端GND之間，控制電路10提供脈寬調變信號UG及LG分別控制高壓側元件Ql及低壓側元件Q2以調節對輸出穩壓電容Co充電的電感電流IL，進而控制輸出電壓Vout，電阻Rl及R2組成的分壓器分壓輸出電壓Vout產生回授電壓Vfbl給控制電路10,電阻R3是輸出穩壓電容Co的等效串聯電阻(Effective SeriesResistance ；ESR)。在控制電路10中，誤差比較器14比較回授電壓Vfbl及參考電壓Vref產生比較信號Sc，脈寬調變控制器12根據比較信號Sc觸發脈寬調變信號UG以控制高壓側元件Ql，反相器16將信號UG反相產生脈寬調變信號LG以控制低壓側元件Q2。在脈寬調變控制器12中，固定時間產生器18決定脈寬調變信號UG的固定時間Ton，邏輯控制器22根據比較信號Sc產生觸發信號St給單擊電路20以觸發脈寬調變信號W。圖2是圖I的電路的波形圖，用以說明COT紋波調節器的運作方式。參照圖I及圖2，在時間tl時，回授電壓Vfbl降到低於參考電壓Vref，因此比較信號Sc由高準位轉為低準位，邏輯控制器22因而產生觸發信號St以觸發脈寬調變信號UG使高壓側元件Ql打開(turnon)固定時間Ton,在高壓側元件Ql打開期間，回授電壓Vfbl上升,在固定時間Ton結束後，高壓側元件Ql關閉(turn off)而低壓側元件Q2打開，回授電壓Vfbl下降，當回授電壓Vfbl再次降到低於參考電壓Vref時，高壓側元件Ql再次打開固定時間Ton。如此周期性地運作，使得COT紋波調節器的輸出電壓Vout穩定在設定值。然而，若使用陶瓷(ceramic)電容作為輸出穩壓電容Co，因為其等效串聯電阻R3很小，所以輸出電壓Vout及回授電壓Vfbl的紋波也會很小，甚至可以視為直流信號，導致COT紋波調節器幾乎不可能運作在穩定的狀況下。

發明內容
本發明的目的之一，在於提出一種使紋波調節器具有小紋波及高迴路穩定性的控制電路及方法。本發明的目的之一，在於提出ー種改善紋波調節器的輸出電壓偏移的控制電路及方法。
根據本發明，一種紋波調節器的控制電路包括誤差比較器比較參考電壓以及與該紋波調節器的輸出電壓相關的回授電壓產生比較信號，脈寬調變控制器根據該比較信號觸發脈寬調變信號以控制電感電流，紋波產生電路提供與該電感電流同步且同相的紋波信號迭加到該參考電壓或回授電壓上，以提升迴路穩定性，以及偏移消除電路從該紋波產生電路取得正比於該紋波信號的振幅的紋波信息產生偏移消除信號給該誤差比較器，以改善該輸出電壓因該紋波信號而產生的偏移。根據本發明，一種紋波調節器的控制方法包括比較參考電壓以及與該紋波調節器的輸出電壓相關的回授電壓產生比較信號，供觸發脈寬調變信號以控制電感電流，提供與 該電感電流同步且同相的紋波信號迭加到該回授電壓或參考電壓上，以提升迴路穩定性，以及取得正比於該紋波信號的振幅的紋波信息，並據以產生偏移消除信號以改善該輸出電壓因該紋波信號而產生的偏移。


圖I是傳統的COT紋波調節器；圖2是圖I的電路的波形圖；圖3是本發明的實施例；圖4是圖3的電路的波形圖；圖5是圖3中的紋波產生電路的實施例；以及圖6是圖3中的偏移消除電路的實施例。附圖標號10控制電路12脈寬調變控制器14誤差比較器16反相器18固定時間產生器20 單擊電路22邏輯控制器30紋波產生電路32偏移消除電路34 回授電壓Vfb236 回授電壓Vfbl38低通濾波器40低通濾波器42轉導放大器44 電流源
具體實施例方式圖3是以圖I的電路為基礎設計的實施例，其中輸出穩壓電容Co的等效串聯電阻R3很小，因此回授電壓Vfbl的紋波很小，可視為直流信號，如圖4的波形36所示。在圖3的控制電路10中，除了圖I的脈寬調變控制器12、誤差比較器14及反相器16之外，還包括紋波產生電路30及偏移消除電路32。紋波產生電路30根據相節點Phs的電壓產生與電感電流IL同步且同相的紋波信號Vripple給誤差比較器14的正輸入端，紋波信號Vripple迭加到回授電壓Vfbl上產生具有大紋波的回授電壓Vfb2，如圖4的波形34所示，進而解決因等效串聯電阻R3太小而造成迴路不穩定的問題。在其他實施例中，紋波信號Vripple也可以改為給誤差比較器14的負輸入端而迭加到參考電壓Vref上。圖3的COT紋波調節器是以回授電壓Vfb2觸發脈寬調變信號UG，因此在迴路穩定時，如圖4的波形36所示，回授電壓Vfbl並不等於參考電壓Vref,而是等於Vref+Δ V,其中AV等於紋波信號Vripple的振幅，這將導致輸出電壓Vout與設定值有所偏移，此偏移量在較精密的系統中可能超出規格書的規範。在圖3的電路中，由於可以從紋波產生電路30得知紋波信號Vripple的紋波信息Sam，故偏移消除電路32根據紋波信息Sam產生偏移消除信號Soc給誤差比較器14，以 改善輸出電壓Vout因紋波信號Vripple而產生的偏移，其中紋波信息Sam正比於紋波信號Vripple的振幅Λ V。偏移消除信號Soc可以提供給誤差比較器14的正輸入端或負輸入端以平移回授電壓Vfb2或參考電壓Vref，也可以用來調整誤差比較器14內部的偏移參數。圖5是紋波產生電路30的實施例，其中由電阻RA及電容CA組成的低通濾波器38用以濾除相節點Phs的電壓的高頻成分產生信號VA，當高壓側元件Ql打開而低壓側元件Q2關閉時，相節點Phs的電壓等於Vin並經由電阻RA對電容CA充電，當高壓側元件Ql關閉而低壓側元件Q2打開時，電容CA的電荷經由電阻RA放電，故信號VA近似三角波且與電感電流IL同步且同相。由電阻RB及電容CB組成的低通濾波器40用以濾除信號VA的交流成分產生信號VB，信號VB為信號VA的平均值。轉導放大器42具有正輸入端及負輸入端分別接受信號VA及VB，根據二者之間的差值產生與電感電流IL同步且同相的轉導電流Il = gmX (VA-VB)，gm是轉導放大器42的轉導係數。電阻R4連接在誤差比較器14及節點Vfbl之間，因應轉導電流Il產生紋波信號Vripple迭加到回授電壓Vfbl上產生回授電壓 Vfb2。從圖5可知，紋波信號Vripple的紋波是由信號VA及VB之間的壓差乘上gmXR4而產生的，由於R4為定值，因此只要把|gmX (VA-VB) |的最大值的信息送到偏移消除電路32，便可減少因紋波信號Vripple而造成的偏移量。圖6是偏移消除電路32的實施例，其包括電流源44根據紋波信息Sam產生偏移電流12 = gmXVF，其中VF正比於|VA_VB|的最大值，電阻RF連接在誤差比較器14的負輸入端及參考電壓端Vref之間，因應偏移電流12產生偏移消除信號Soc以平移參考電壓Vref，進而減小輸出電壓Vout的偏移量。參照圖4、圖5及圖6，紋波信號Vripple的紋波等於gmXR4X (VA-VB)，因此回授電壓Vfbl與參考電壓Vref之間的偏移量AV等於| O. 5 X gmX R4X (VA-VB) |的最大值，若設定偏移消除信號Soc = I2XRF = Λ V，便可將輸出電壓Vout的偏移量完全消除。以上對於本發明的較佳實施例所作的敘述為闡明的目的，而無意限定本發明精確地為所揭露的形式，基於以上的教導或從本發明的實施例學習而作修改或變化是可能的，實施例為解說本發明的原理以及讓本領域的技術人員以各種實施例利用本發明在實際應用上而選擇及敘述，本發明的技術思想企圖由以下的權利要求及其均等來決定。
權利要求
1.ー種紋波調節器的控制電路，其特徵在於，所述紋波調節器包括高壓側元件及低壓側元件經相節點連接在一起，因應脈寬調變信號以控制電感電流對輸出穩壓電容充電產生輸出電壓，所述控制電路包括 誤差比較器，具有ニ輸入端分別接受參考電壓以及與所述輸出電壓相關的回授電壓，以及ー輸出端提供比較信號； 脈寬調變控制器，連接所述誤差比較器，根據所述比較信號觸發所述脈寬調變信號；紋波產生電路，連接所述相節點，根據所述相節點的電壓產生與所述電感電流同步且同相的紋波信號給所述誤差比較器的ニ輸入端其中之一；以及 偏移消除電路，連接所述紋波產生電路及誤差比較器，從所述紋波產生電路取得正比於所述紋波信號的振幅的紋波信息產生偏移消除信號給所述誤差比較器，以改善所述輸出電壓因所述紋波信號而產生的偏移。
2.如權利要求I所述的控制電路，其特徵在於，所述紋波產生電路包括 第一低通濾波器，連接所述相節點，濾除所述相節點的電壓的高頻成分，產生與所述電感電流同步且同相的第一信號； 第二低通濾波器，連接所述第一低通濾波器，濾除所述第一信號的交流成分產生第二信號; 轉導放大器，連接所述第一及第ニ低通濾波器，根據所述第一及第ニ信號之間的差值產生與所述電感電流同步且同相的轉導電流； 電阻，連接所述轉導大器，因應所述轉導電流產生所述紋波信號。
3.如權利要求I所述的控制電路，其特徵在於，所述偏移消除電路提供所述偏移消除信號給所述誤差比較器的ニ輸入端其中之一，以平移所述參考電壓或回授電壓。
4.如權利要求I所述的控制電路，其特徵在於，所述偏移消除電路提供所述偏移消除信號給所述誤差比較器，以調整所述誤差比較器的偏移參數。
5.如權利要求I所述的控制電路，其特徵在於，所述偏移消除電路包括 電流源，連接所述紋波產生電路，根據所述紋波信息提供偏移電流，所述偏移電流正比於所述紋波信號的振幅；以及 電阻，連接所述電流源，因應所述偏移電流產生所述偏移消除信號。
6.一種紋波調節器的控制方法，其特徵在於，所述紋波調節器包括高壓側元件及低壓側元件經相節點連接在一起，因應脈寬調變信號以控制電感電流對輸出穩壓電容充電產生輸出電壓，所述控制方法包括下列步驟 (A)比較參考電壓以及與所述輸出電壓相關的回授電壓產生比較信號，供觸發所述脈寬調變信號； (B)偵測所述相節點的電壓產生與所述電感電流同步且同相的紋波信號迭加到所述回授電壓或參考電壓上；以及 (C)取得正比於所述紋波信號的振幅的紋波信息，並據以產生偏移消除信號以改善所述輸出電壓因所述紋波信號而產生的偏移。
7.如權利要求6所述的控制方法，其特徵在於，所述步驟(B)包括 濾除所述相節點的電壓的高頻成分，產生與所述電感電流同步且同相的第一信號； 濾除所述第一信號的交流成分，產生第二信號；以及根據所述第一及第ニ信號之間的差值產生所述紋波信號。全文摘要
本發明提供一種紋波調節器的控制電路包括紋波產生電路及偏移消除電路，該紋波產生電路提供紋波信號使該紋波調節器能兼顧小紋波及迴路穩定性，此外該紋波產生電路也提供紋波信息給偏移消除電路，該紋波信息正比於該紋波信號的振幅，該偏移消除電路根據該紋波信息產生偏移消除信號以改善該紋波調節器的輸出電壓因該紋波信號而產生的偏移。
文檔編號H02M1/14GK102651604SQ201110076368
公開日2012年8月29日 申請日期2011年3月28日 優先權日2011年2月24日
發明者楊智皓, 陳安東 申請人:立錡科技股份有限公司