TWM654581U - Direct current converter and direct current controller - Google Patents
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Abstract
Description
本揭示內容關於電力控制,特別是一種直流電壓轉換器及直流電壓控制器。The present disclosure relates to power control, and more particularly to a DC voltage converter and a DC voltage controller.
直流電壓轉換器(DC-to-DC converter)係一種用於電能轉換的機電設備,用以轉換直流電源的電壓。直流電壓轉換器的應用廣泛,可用於供電至小功率裝置(如:電池)或大功率裝置(如:工業用機台)。由於根據運作狀態的不同,直流電壓轉換器所應用的負載所需要的電力亦可能會隨時變化,因此,直流電壓轉換器的供電穩定性十分重要。A DC-to-DC converter is an electromechanical device used for power conversion, which is used to convert the voltage of a DC power source. DC converters are widely used and can be used to supply power to low-power devices (such as batteries) or high-power devices (such as industrial machines). Since the power required by the load used by the DC converter may change at any time depending on the operating state, the power supply stability of the DC converter is very important.
本揭示內容係關於一種直流電壓控制器,應用於直流電壓轉換器。直流電壓轉換器包含直流電壓控制器、功率輸出電路及儲能電路。功率輸出電路耦接於直流電壓控制器以及儲能電路之間,並用以將輸入電壓轉換為輸出電壓。直流電壓控制器包含補償電路及控制電路。補償電路耦接於功率輸出電路,且用以接收斜坡訊號、電壓回授訊號及功率輸出電路的驅動回授訊號,以產生補償訊號。電壓回授訊號係根據輸出電壓產生,且驅動回授訊號關聯於功率輸出電路中相節點之相節點電壓。控制電路耦接於補償電路及功率輸出電路之間,用以比較電壓回授訊號及控制補償訊號,以產生比較訊號。控制電路還用以根據比較訊號及時脈訊號輸出脈衝寬度調變訊號至驅動電路。脈衝寬度調變訊號具有工作週期,控制電路還用以根據比較訊號設定工作週期,且根據時脈訊號重置工作週期。The present disclosure relates to a DC voltage controller, which is applied to a DC voltage converter. The DC voltage converter includes a DC voltage controller, a power output circuit and an energy storage circuit. The power output circuit is coupled between the DC voltage controller and the energy storage circuit, and is used to convert an input voltage into an output voltage. The DC voltage controller includes a compensation circuit and a control circuit. The compensation circuit is coupled to the power output circuit, and is used to receive a ramp signal, a voltage feedback signal and a drive feedback signal of the power output circuit to generate a compensation signal. The voltage feedback signal is generated according to the output voltage, and the drive feedback signal is related to the phase node voltage of the phase node in the power output circuit. The control circuit is coupled between the compensation circuit and the power output circuit to compare the voltage feedback signal and the control compensation signal to generate a comparison signal. The control circuit is also used to output a pulse width modulation signal to the driving circuit according to the comparison signal and the clock signal. The pulse width modulation signal has a duty cycle, and the control circuit is also used to set the duty cycle according to the comparison signal and reset the duty cycle according to the clock signal.
本揭示內容還關於一種直流電壓轉換器,包含功率輸出電路、儲能電路、補償電路及控制電路。功率輸出電路包含上橋開關、下橋開關及驅動電路,用以將輸入電壓轉換為輸出電壓。儲能電路耦接於功率輸出電路,用以接收輸出電壓。補償電路耦接於功率輸出電路,用以接收斜坡訊號、電壓回授訊號及功率輸出電路的驅動回授訊號,以產生控制補償訊號。電壓回授訊號係根據輸出電壓產生,且驅動回授訊號關聯於功率輸出電路中相節點之相節點電壓。控制電路耦接於補償電路及功率輸出電路之間,用以比較電壓回授訊號及控制補償訊號,以產生比較訊號。控制電路還用以根據比較訊號及時脈訊號輸出脈衝寬度調變訊號至驅動電路。脈衝寬度調變訊號具有工作週期,控制電路還用以根據比較訊號設定工作週期,且根據時脈訊號重置工作週期。The present disclosure also relates to a direct current voltage converter, including a power output circuit, an energy storage circuit, a compensation circuit and a control circuit. The power output circuit includes an upper bridge switch, a lower bridge switch and a drive circuit, which are used to convert an input voltage into an output voltage. The energy storage circuit is coupled to the power output circuit to receive the output voltage. The compensation circuit is coupled to the power output circuit to receive a ramp signal, a voltage feedback signal and a drive feedback signal of the power output circuit to generate a control compensation signal. The voltage feedback signal is generated according to the output voltage, and the drive feedback signal is related to the phase node voltage of the phase node in the power output circuit. The control circuit is coupled between the compensation circuit and the power output circuit to compare the voltage feedback signal and the control compensation signal to generate a comparison signal. The control circuit is also used to output a pulse width modulation signal to the driving circuit according to the comparison signal and the clock signal. The pulse width modulation signal has a duty cycle, and the control circuit is also used to set the duty cycle according to the comparison signal and reset the duty cycle according to the clock signal.
據此,利用「關聯於相節點電壓的驅動回授訊號」作為控制補償訊號,且以負回授的方式產生控制補償訊號,直流電壓轉換器將能根據負載狀況調整脈衝寬度調變訊號的工作週期,以提昇供電穩定性。同時,直流電壓轉換器的應用頻寬及暫態響應亦能因此改善。Based on this, by using the "drive feedback signal related to the phase node voltage" as the control compensation signal and generating the control compensation signal in a negative feedback manner, the DC voltage converter will be able to adjust the duty cycle of the pulse width modulation signal according to the load condition to improve the power supply stability. At the same time, the application bandwidth and transient response of the DC voltage converter can also be improved.
以下將以圖式揭露本創作之複數個實施方式,為明確說明起見,許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而,應瞭解到,這些實務上的細節不應用以限制本創作。也就是說,在本創作部分實施方式中,這些實務上的細節是非必要的。此外,為簡化圖式起見,一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。The following will disclose multiple implementations of the present invention with diagrams. For the sake of clarity, many practical details will be described together in the following description. However, it should be understood that these practical details should not be used to limit the present invention. In other words, in some implementations of the present invention, these practical details are not necessary. In addition, in order to simplify the diagrams, some commonly used structures and components will be depicted in the diagrams in a simple schematic manner.
於本文中,當一元件被稱為「連接」或「耦接」時,可指「電性連接」或「電性耦接」。「連接」或「耦接」亦可用以表示二或多個元件間相互搭配操作或互動。此外,雖然本文中使用「第一」、「第二」、…等用語描述不同元件,該用語僅是用以區別以相同技術用語描述的元件或操作。除非上下文清楚指明,否則該用語並非特別指稱或暗示次序或順位,亦非用以限定本創作。In this article, when an element is referred to as "connected" or "coupled", it may refer to "electrically connected" or "electrically coupled". "Connected" or "coupled" may also be used to indicate that two or more elements cooperate or interact with each other. In addition, although the terms "first", "second", etc. are used in this article to describe different elements, the terms are only used to distinguish between elements or operations described with the same technical terms. Unless the context clearly indicates otherwise, the terms do not specifically refer to or imply an order or sequence, nor are they used to limit this creation.
第1A圖為根據本揭示內容之一實施例的直流電壓轉換器100的示意圖。直流電壓轉換器100包含功率輸出電路110、直流電壓控制器200、儲能電路LC。其中,功率輸出電路110還包含驅動電路111以及切換電路112,直流電壓控制器200還包含補償電路120及控制電路130,切換電路112用以接收於輸入電壓Vin,且透過驅動電路111接收控制訊號。此外,儲能電路LC包含電感L1及電容C1。FIG. 1A is a schematic diagram of a
功率輸出電路110耦接於直流電壓控制器200及儲能電路LC之間,且用以根據控制訊號選擇性地(如:交替地)導通或關斷上橋開關T1及下橋開關T2,以將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout,且將輸出電壓Vout輸出至儲能電路LC。同時,功率輸出電路110還透過多個電阻R1、R2產生電壓回授訊號Vfb。在一實施例中,電壓回授訊號Vfb可為輸出電壓Vout的分壓。
The
在一實施例中,上橋開關T1及下橋開關T2之間具有相電壓節點(如第1A圖所示之相節點N),電感L1的一端耦接於相節點N,其另一端則用以透過輸出電容C1產生輸出電壓Vout。由於本領域人士能理解功率輸出電路110的運作方式,故在此不另贅述。此外,在一實施例中,直流電壓轉換器100可應用為多相直流電壓轉換器中的其中一組轉換電路,用以輸出單相電流。
In one embodiment, there is a phase voltage node (such as the phase node N shown in FIG. 1A) between the upper bridge switch T1 and the lower bridge switch T2, one end of the inductor L1 is coupled to the phase node N, and the other end thereof is used to generate an output voltage Vout through the output capacitor C1. Since the operation of the
參考第1A圖,補償電路120根據下橋電流IML(亦即流經下橋開關T2的電流)產生驅動回授訊號Isen。驅動回授訊號Isen關聯於相節點N的相節點電壓Vx。在本實施例中,驅動回授訊號Isen係為根據下橋電流IML(例如:流經下橋開關T2的電流)產生的驅動電流訊號,用以提供下橋電流資訊。
Referring to FIG. 1A , the
補償電路120用以接收斜坡訊號Vramp、電壓回授訊號Vfb及驅動回授訊號Isen,並根據斜坡訊號Vramp及驅動回授訊號Isen產生控制補償訊號Vcomps。
The
在一實施例中,補償電路120包含誤差檢測電路121及運算電路122。誤差檢測電路121之輸入端用以
接收電壓基準訊號Vref(如:固定之偏壓訊號)及電壓回授訊號Vfb,以產生誤差訊號Vcomp。誤差訊號Vcomp係根據電壓回授訊號Vfb以及電壓基準訊號Vref產生,以使補償電路120產生控制補償訊號Vcomps。在一實施例中,誤差檢測電路121包含比較器,用以根據電壓基準訊號Vref及電壓回授訊號Vfb之間的差值產生誤差訊號Vcomp。
In one embodiment, the
運算電路122耦接於誤差檢測電路121及控制電路130之間,以分別接收誤差訊號Vcomp、斜坡訊號Vramp及驅動回授訊號Isen。運算電路122用以根據誤差訊號Vcomp、斜坡訊號Vramp及驅動回授訊號Isen產生控制補償訊號Vcomps。斜坡訊號Vramp可為一種具有固定斜率的鋸齒波。「鋸齒波」係指在每個訊號週期中,會從固定位準開始變化(如:上升或下降),且在當前訊號週期結束、進入下一個訊號週期時,會恢復至最初的固定位準。在部份實施例中,斜坡訊號Vramp的訊號斜率為正,意即,在訊號週期中,斜坡訊號Vramp的位準係逐漸上升。然而,本揭示內容並不以此為限,在其他實施例中,依據斜率的不同,斜坡訊號Vramp亦可為三角波。
The
在一實施例中,驅動回授訊號Isen係被回授至運算電路122,控制補償訊號Vcomps係誤差訊號Vcomp加上斜坡訊號Vramp及減去驅動回授訊號Isen。In one embodiment, the driving feedback signal Isen is fed back to the
控制電路130耦接於補償電路120(運算電路122)及功率輸出電路110之間,用以比較電壓回授訊號Vfb及控制補償訊號Vcomps,以產生比較訊號Va。控制電路130還用以根據比較訊號Va及時脈訊號CLK產生脈衝寬度調變訊號Vdt,且將脈衝寬度調變訊號Vdt輸出至驅動電路111。驅動電路111將根據脈衝寬度調變訊號Vdt的工作週期(duty ratio,又稱佔空比)產生對應的控制訊號,以選擇性地導通或關斷上橋開關T1及下橋開關T2。驅動回授訊號Isen可視為一種半週期電流訊號,其波形如第1A圖所示之半週期訊號,舉例而言,於脈衝寬度調變訊號Vdt的正半週期,上橋開關T1為導通且下橋開關T2為關斷,此時輸入電壓Vin對電容C1充電,電流自相節點N流向電容C1,此時驅動回授訊號Isen為零;於脈衝寬度調變訊號Vdt的負半週期,上橋開關T1為關斷且下橋開關T2為導通,此時電感L1上的儲能透過下橋開關T2釋能。根據電感伏特秒平衡的特性,當輸入電壓Vin不再透過上橋開關T1對電感L1與電容C1充電時,電感L1會傾向維持原先的電流方向作輸出,以繼續提供電感電流。此時,下橋開關T2的電流(即下橋電流IML)的方向將會是從接地端流向相節點N,當流經下橋開關T2的電流越大時,驅動回授訊號Isen就會越大。The
控制電路130用以根據比較訊號Va來設定脈衝寬度調變訊號Vdt的工作週期(即,切換為致能位準),且根據時脈訊號CLK來重置脈衝寬度調變訊號Vdt的工作週期(即,切換為禁能位準)。在一實施例中,控制電路130係利用時脈訊號CLK的每一脈衝之「前緣(Leading-Edge)」作為判斷條件來產生脈衝寬度調變訊號Vdt。在比較訊號Va發生變化時(即,電壓回授訊號Vfb與控制補償訊號Vcomps發生交錯),控制電路130將脈衝寬度調變訊號Vdt設定為致能位準;當時脈訊號CLK的時脈週期產生時,將脈衝寬度調變訊號Vdt重置為禁能位準。The
在一實施例中,控制電路130包含訊號比較器131及訊號暫存器132。訊號比較器131具有第一輸入端(如:正極)及第二輸入端(如:負極)。第一輸入端用以接收控制補償訊號Vcomps,第二輸入端則用以接收電壓回授訊號Vfb。根據控制補償訊號Vcomps及電壓回授訊號Vfb之間的差值產生比較訊號Va。訊號暫存器132耦接於訊號比較器131及功率輸出電路110之間,其輸入端用以接收比較訊號Va,且能根據時脈訊號CLK輸出脈衝寬度調變訊號Vdt。在一實施例中,訊號暫存器132可為一種SR正反器,且S端用以接收比較訊號Va。In one embodiment, the
本揭示內容利用功率輸出電路110中關聯於相節點N的驅動回授訊號Isen作為控制補償訊號,以負回授的方式(即,扣除)產生控制補償訊號Vcomps,據此,直流電壓轉換器100/直流電壓控制器200將能根據負載狀況提前調整脈衝寬度調變訊號Vdt的工作週期,以即時地提供對應於負載狀況的電能,改善直流電壓轉換器100的供電穩定性。此外,利用驅動回授訊號Isen進行控制補償,能夠提昇直流電壓轉換器100的應用頻寬,以及改善訊號的暫態響應。The present disclosure utilizes the drive feedback signal Isen associated with the phase node N in the
舉例而言,當直流電壓轉換器100處於重載(即,輸出端的負載要求更多電力)時,脈衝寬度調變訊號Vdt之工作週期應相應地提昇,才能提昇直流電壓轉換器100的輸出電流。對此,本揭示內容透過利用關聯於相節點N的驅動回授訊號Isen,且將驅動回授訊號Isen提供至訊號比較器131的輸入端,能即時地反應出直流電壓轉換器100的當前負載狀況,以調整脈衝寬度調變訊號Vdt,故能提供輸出更好的暫態響應與準確度。For example, when the
請參考第1B圖,第1B圖為對應第1A圖直流電壓轉換器100之一變化例的示意圖。如第1B圖所示,直流電壓轉換器100’還包含回授電路140,且功率輸出電路110係透過回授電路140產生驅動回授訊號Isen。回授電路140耦接於功率輸出電路110之相節點N及補償電路120之間,且用以根據相節點N的相節點電壓Vx產生驅動電流訊號,以作為驅動回授訊號Isen。回授電路140的輸入及輸出可以是電壓轉電流的轉換形式,或是電流轉電流的轉換形式,又或者是電流轉電壓的轉換形式,用以與其他訊號搭配產生控制補償訊號Vcomps於第1B圖中,與第1A圖之實施例有關的相似元件係以相同的參考標號表示以便於理解,且相似元件之具體原理已於先前段落中詳細說明,若非與第1B圖之元件間具有協同運作關係而必要介紹者,於此不再贅述。
Please refer to FIG. 1B, which is a schematic diagram of a variation of the
第1C圖為根據本揭示內容之一實施例的回授電路300與補償電路120A之示意圖,其中回授電路300可為第1B圖中回授電路140之一範例,且補償電路120A可為第1B圖中補償電路120之一範例。如第1C圖所示,補償電路120A包含誤差檢測電路121及運算電路122,且誤差檢測電路121係透過緩衝器121a提供誤差訊號Vcomp至運算電路122。緩衝器121a係包含接成負回授的運算放大器,用以根據誤差檢測電路121輸出的誤差訊號Vcomp1產生實質相同的誤差訊號Vcomp,使得誤差訊號Vcomp1不受驅動回授訊號Isen的影響,達到訊號隔離的效果。此外,誤差訊號Vcomp經由電阻122b產生電流I31、斜坡訊號Vramp經過轉導放大器122c產生的電流I32、以及驅動回授訊號Isen於累加器122a進行相加減,以產生控制補償訊號Vcomps,其中轉導放大器122c耦接於電壓VCC。
FIG. 1C is a schematic diagram of a
此外,補償電路120A還透過訊號產生電路150取得斜坡訊號Vramp。訊號產生電路150包含電流源151、電容152與開關153,用以根據時脈訊號CLK來產生斜坡訊號Vramp,其中電流源151耦接於電壓VCC。具體而言,訊號產生電路150根據時脈訊號CLK控制開關153的導通與關斷,以控制電流源151對電容152充電的時間。In addition, the
具體而言,於正半週期,時脈訊號CLK關斷開關153,此時電流源151對電容152充電,電容152所耦接的節點154的電壓上升,斜坡訊號Vramp之斜率為正;於負半週期,時脈訊號CLK導通開關,此時電容152對地端放電,電容152所耦接的節點154的電壓下降,斜坡訊號Vramp之斜率為負。由於本領域人士能理解產生斜坡訊號Vramp的多種方式或作法,故在此不另贅述,且本揭示內容之訊號產生電路150亦不以第1C圖所示者為限。Specifically, in the positive half cycle, the clock signal CLK turns off the
在本實施例中,回授電路300為一種轉導放大電路,且包含比較電路310及電流源320,其中電流源耦接於電壓VCC。比較電路310根據相節點電壓Vx及接地電壓Vg間的差值,產生驅動電壓訊號,而此驅動電壓訊號相當於提供了下橋電流的資訊。電流源320耦接於比較電路310,以根據接收到的驅動電壓訊號產生驅動電流訊號,且產生之驅動電流訊號將被作為驅動回授訊號Isen。In this embodiment, the
請參閱第1B及1C圖所示,在一實施例中,回授電路140/300係耦接於相節點N,並且對相節點電壓Vx及接地電壓Vg進行處理(例如相減)以模擬下橋電流資訊,因此產生的驅動回授訊號Isen中具有下橋電流資訊。因此,回授電路140所產生的驅動回授訊號Isen係對應於下橋開關T2之電流(即,直流電壓轉換器100’之輸出電流的半週期訊號)的驅動電流訊號。同樣地,驅動回授訊號Isen可視為一種半週期電流訊號,其波形如第1B或1C圖所示。Please refer to Figures 1B and 1C. In one embodiment, the
舉例而言,於脈衝寬度調變訊號Vdt的正半週期,上橋開關T1為導通且下橋開關T2為關斷,此時輸入電壓Vin透過上橋開關T1對電感L1與電容C1充電,相節點電壓Vx不為零,比較電路310輸出的脈衝呈鋸齒狀。For example, in the positive half cycle of the pulse width modulation signal Vdt, the upper bridge switch T1 is turned on and the lower bridge switch T2 is turned off. At this time, the input voltage Vin charges the inductor L1 and the capacitor C1 through the upper bridge switch T1, the phase node voltage Vx is not zero, and the pulse output by the
另一方面,於脈衝寬度調變訊號Vdt的負半週期,上橋開關T1為關斷且下橋開關T2為導通,此時電感L1上的儲能透過下橋開關T2釋能。根據電感伏特秒平衡的特性,當輸入電壓Vin不再透過上橋開關T1對電感L1與電容C1充電時,電感L1的電流方向會傾向維持原先的電流方向,以繼續提供電感電流。此時,下橋開關T2的電流方向將會是從接地端流向相節點N,因此,相節點電壓Vx會為負值。如第1C圖所示,相節點電壓Vx的電壓位準的變化將影響比較電路310的輸出,進而調整電流源320的電流大小。例如:當流經下橋開關T2的電流較大時,此時相節點電壓Vx低於接地電壓Vg且變得更負,使得相節點電壓Vx與接地電壓Vg的電壓位準變化更大,因此電流源320產生出的驅動回授訊號Isen越大。亦即,比較電路310所偵測到的「相節點電壓Vx與接地電壓Vg」間的差值可用以調整電流源320產生的驅動回授訊號Isen的大小。On the other hand, in the negative half cycle of the pulse width modulation signal Vdt, the upper bridge switch T1 is turned off and the lower bridge switch T2 is turned on. At this time, the energy stored in the inductor L1 is released through the lower bridge switch T2. According to the characteristics of the inductor volt-second balance, when the input voltage Vin no longer charges the inductor L1 and the capacitor C1 through the upper bridge switch T1, the current direction of the inductor L1 will tend to maintain the original current direction to continue to provide the inductor current. At this time, the current direction of the lower bridge switch T2 will flow from the ground end to the phase node N, so the phase node voltage Vx will be negative. As shown in FIG. 1C , the change in the voltage level of the phase node voltage Vx will affect the output of the
第2A圖為根據本揭示內容之另一實施例的直流電壓轉換器400的示意圖。於第2A圖中,與第1A圖之實施例有關的相似元件係以相同的參考標號表示以便於理解,且相似元件之具體原理已於先前段落中詳細說明,於此不再贅述。第2A圖的直流電壓轉換器400與第1A圖的直流電壓轉換器100間的差異在於,補償電路120根據電感電流資訊(亦即流經電感L1的電流)產生驅動回授訊號Isen,而非根據下橋電流資訊。據此,直流電壓轉換器400將能根據負載狀況提前調整脈衝寬度調變訊號Vdt的工作週期,以改善直流電壓轉換器100的供電穩定性及改善訊號的暫態響應。FIG. 2A is a schematic diagram of a
請參考第2B圖,第2B圖為對應第2A圖直流電壓轉換器400之一變化例的示意圖。於第2B圖中,與第2A圖之實施例有關的相似元件係以相同的參考標號表示以便於理解,且相似元件之具體原理已於先前段落中詳細說明,若非與第2B圖之元件間具有協同運作關係而必要介紹者,於此不再贅述。如第2B圖所示,直流電壓轉換器400’還包含回授電路440,且功率輸出電路110係透過回授電路440產生驅動回授訊號Isen。回授電路440耦接於功率輸出電路110及補償電路120之間,且用以根據相節點N的相節點電壓Vx產生驅動電流訊號,以作為驅動回授訊號Isen。Please refer to FIG. 2B, which is a schematic diagram of a variation of the
如第1A、1B、2A及2B圖所示,在本揭示內容的電路架構中,訊號比較器131的正端用以接收控制補償訊號Vcomps,且控制補償訊號Vcomps是以「誤差訊號Vcomp及斜坡訊號Vramp」為基底,同時進一步引入「功率輸出電路110的電流資訊(如:下橋電流、電感電流)」作為控制補償。訊號比較器131的負端則接收電壓回授訊號Vfb。訊號比較器131透過比較正端及負端接收到的訊號,即時地調整脈衝寬度調變訊號的工作週期。據此,直流電壓轉換器將能具備更快的暫態響應,同時能改善控制的穩定性。本揭示內容提供直流電壓轉換器一種新型的電路架構,與定頻控制技術或與恆定導通時間(Constant On Time)技術相比,控制更為快速。當控制補償訊號Vcomps快速上拉、電壓回授訊號Vfb往下降時,因為快速的暫態響應,控制補償訊號Vcomps與電壓回授訊號Vfb兩者的訊號交會處將可大幅提前,以達到提早產生工作週期的效果。As shown in Figures 1A, 1B, 2A and 2B, in the circuit architecture of the present disclosure, the positive end of the
此外,當直流電壓轉換器之輸出電流過大,控制補償訊號Vcomps會因此下降,本揭示內容亦可即時縮短工作週期。透過適當地調整下橋電路的轉導放大率,可確保儲能電路LC中的電容C1不會被過度充電,從而提昇系統穩定性。In addition, when the output current of the DC voltage converter is too large, the control compensation signal Vcomps will decrease, and the present disclosure can also shorten the working cycle immediately. By properly adjusting the transconductance gain of the lower bridge circuit, it can be ensured that the capacitor C1 in the energy storage circuit LC will not be overcharged, thereby improving the system stability.
第2C圖為根據本揭示內容之另一實施例的回授電路440與補償電路120B的示意圖。其中補償電路120B可與第1C圖的補償電路120A相同。如第2C圖所示,在本實施例中,回授電路440包含倍率電路401、濾波電路402、比較電路403及電流源404,其中比較電路403及電流源404可共同視為一轉導放大電路,且電流源404耦接於電壓VCC。倍率電路401耦接於功率輸出電路110的相節點N,以接收相節點電壓Vx。在一實施例中,倍率電路401(scale circuit)用以對相節點電壓Vx進行降壓處理,以將調整後的相節點電壓Vx輸入至濾波電路402。在一些實施例中,倍率電路401可被省略。
FIG. 2C is a schematic diagram of a
濾波電路402耦接於倍率電路401,用以根據調整後的相節點電壓Vx產生多個濾波訊號。如第2C圖所示,在一實施例中,濾波電路402為二階濾波器,用以根據相節點電壓Vx產生一階濾波訊號V01及二階濾波訊號V02。經過濾波處理,一階濾波訊號V01包含相節點電壓Vx中的直流訊號成分與交流訊號成分,二階濾波訊號V02則只包含相節點電壓Vx的直流訊號成分。
The
比較電路403耦接於濾波電路402,用以根據濾波訊號產生驅動電壓訊號,且驅動電壓訊號用以產生驅動回授訊號Isen。舉例而言,比較電路403的正極輸入端用以接收一階濾波訊號V01,比較電路403的負極輸入端用以接收二階濾波訊號V02,以透過比較一階濾波訊號V01及二階濾波訊號V02,以產生驅動電壓訊號。比較電路403將一階濾波訊號V01減去二階濾波訊號V02,以輸出電感電流的全週期電流資訊。全週期電流資訊包含對應於正半週期中上橋開關T1的電流資訊以及負半週期中下橋開關T2的電流資訊。
The
電流源404耦接於比較電路403及補償電路120B,以根據接收到的驅動電壓訊號產生驅動電流訊號,且產生之驅動電流訊號將作為驅動回授訊號Isen。驅動回授訊號Isen將會近似於電感L1之電流的交流訊號(如:訊號的斜率近似或相同)。
The
舉例而言,於脈衝寬度調變訊號Vdt的正半週期,上橋開關T1為導通且下橋開關T2為關斷,此時輸入電壓Vin透過上橋開關T1對電感L1與電容C1充電,相節點電壓Vx不為零,比較電路403輸出的脈衝呈鋸齒狀。
For example, in the positive half cycle of the pulse width modulation signal Vdt, the upper bridge switch T1 is turned on and the lower bridge switch T2 is turned off. At this time, the input voltage Vin charges the inductor L1 and the capacitor C1 through the upper bridge switch T1, the phase node voltage Vx is not zero, and the pulse output by the
另一方面於脈衝寬度調變訊號Vdt的負半週期,上橋開關T1為關斷且下橋開關T2為導通,此時電感L1上的儲能透過下橋開關T2釋能。如前所述之電感伏特秒平衡的特性,此時下橋開關T2的電流方向將會是從接地端流向相節點N,因此,相節點電壓Vx會為負值。第2C圖所示,相節點電壓Vx的電壓位準變化將改變比較電路403的輸出,進而調整電流源404輸出的驅動電流訊號。
On the other hand, in the negative half cycle of the pulse width modulation signal Vdt, the upper bridge switch T1 is turned off and the lower bridge switch T2 is turned on. At this time, the energy stored in the inductor L1 is released through the lower bridge switch T2. As mentioned above, the current direction of the lower bridge switch T2 will flow from the ground end to the phase node N, so the phase node voltage Vx will be negative. As shown in Figure 2C, the voltage level change of the phase node voltage Vx will change the output of the
如前述實施例,直流電壓轉換器100/100’/400/400’及直流電壓控制器200係以電壓基準訊號Vref及電壓回授訊號Vfb間的誤差訊號Vcomp為基底,搭配斜坡訊號Vramp(如:全週期鋸齒波),再配合負回授驅動回授訊號Isen來產生控制補償訊號Vcomps(如:直流電壓轉換器的輸出電流的全週期訊號或半週期訊號)。據此,直流電壓轉換器100的頻寬與暫態響應將能獲得改善,輸出電容C1亦不會有過充的情形,實現供電穩定、定頻控制、快速響應等優點。As in the above-mentioned embodiment, the
請一併參考第1A圖以及第3A圖,第3A圖所示為本揭示內容之部份實施例中直流電壓轉換器100的訊號在負載緩增時的暫態響應的示意圖,由上而下依序為電流IL(流經電感L1的電流)的波形圖、控制補償訊號Vcomps/誤差訊號Vcomp/電壓回授訊號Vfb的波形圖、脈衝寬度調變訊號Vdt的波形圖、以及下橋電流IML(即,偵測到的流經下橋開關T2的電流)的波形圖。Please refer to FIG. 1A and FIG. 3A together. FIG. 3A is a schematic diagram showing the transient response of the signal of the
在直流電壓轉換器100的負載狀況逐漸由輕載變為重載的過程中,隨著電流IL(電感電流)的上升,誤差訊號Vcomp以及控制補償訊號Vcomps會逐漸上升,每當控制補償訊號Vcomps大於電壓回授訊號Vfb時(代表負載不足,上橋開關T1需要開啟更長),脈衝寬度調變訊號Vdt會立即響應而輸出高位準,提供了即時的暫態響應。假如只倚賴誤差訊號Vcomp與電壓回授訊號Vfb之間的比較來實現暫態響應,從第3A圖中可知,誤差訊號Vcomp在時間點P1才超過電壓回授訊號Vfb,亦即脈衝寬度調變訊號Vdt在時間點P1才會輸出高位準,故具有比較差的暫態響應。When the load condition of the
請一併參考第1A圖以及第3B圖,第3B圖所示為本揭示內容之部份實施例中直流電壓轉換器100的訊號在負載急速增至重載時的暫態響應的示意圖,由上而下依序為電流IL(流經電感L1的電流)的波形圖、控制補償訊號Vcomps/誤差訊號Vcomp/電壓回授訊號Vfb的波形圖、脈衝寬度調變訊號Vdt的波形圖、以及下橋電流IML(即,偵測到的流經下橋開關T2的電流)的波形圖。Please refer to FIG. 1A and FIG. 3B together. FIG. 3B is a schematic diagram showing the transient response of the signal of the
在直流電壓轉換器100的負載狀況由輕載急速轉為重載的過程中,隨著電流IL(電感電流)的上升,誤差訊號Vcomp以及控制補償訊號Vcomps會逐漸上升,每當控制補償訊號Vcomps大於電壓回授訊號Vfb時(代表負載不足,上橋開關T1需要開啟更長),脈衝寬度調變訊號Vdt會立即響應而輸出高位準,提供了即時的暫態響應。此外,透過控制補償訊號Vcomps於每週期的快速下拉,可於電路重載時(例如時間點P2至時間點P3)實現上橋開關T1的最小關閉時間(minumum off time)。此外,電路於時間點P3電路轉為輕載時,控制補償訊號Vcomps會快速下拉至小於電壓回授訊號Vfb,使得脈衝寬度調變訊號Vdt即時呈現低位準。根據以上比較可知,相較於只倚賴誤差訊號Vcomp與電壓回授訊號Vfb做控制補償的作法,本揭示內容的方案顯然有著更好的暫態響應。When the load condition of the
請一併參考第1A圖以及第3C圖,第3C圖所示為本揭示內容之部份實施例中直流電壓轉換器100的訊號快速卸載的暫態響應的示意圖,由上而下依序為電流IL(流經電感L1的電流)的波形圖、控制補償訊號Vcomps/誤差訊號Vcomp/電壓回授訊號Vfb的波形圖、脈衝寬度調變訊號Vdt的波形圖、以及下橋電流IML(即,偵測到的流經下橋開關T2的電流)的波形圖。在直流電壓轉換器100的負載狀況快速卸載的過程中,本揭示內容的方案可在時間點P4時將控制補償訊號Vcomps下拉至低於電壓回授訊號Vfb,脈衝寬度調變訊號Vdt會立即響應而輸出低位準,提供了即時的暫態響應。現假如只倚賴誤差訊號Vcomp與電壓回授訊號Vfb的比較,脈衝寬度調變訊號Vdt必須等到時間點P5才會輸出低位準。從以上可知,本揭示內容的技術方案顯然有著更好的暫態響應。Please refer to FIG. 1A and FIG. 3C together. FIG. 3C is a schematic diagram showing the transient response of the signal fast unloading of the
前述各實施例中的各項元件、方法步驟或技術特徵,係可相互結合,而不以本揭示內容中的文字描述順序或圖式呈現順序為限。The various elements, method steps or technical features in the aforementioned embodiments may be combined with each other and are not limited to the order of textual description or the order of diagram presentation in this disclosure.
雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上,然其並非用以限定本揭示內容,任何熟習此技藝者,在不脫離本揭示內容之精神和範圍內,當可作各種更動與潤飾,因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。Although the contents of this disclosure have been disclosed as above in the form of implementation, it is not intended to limit the contents of this disclosure. Anyone skilled in the art can make various changes and modifications without departing from the spirit and scope of the contents of this disclosure. Therefore, the protection scope of the contents of this disclosure shall be subject to the scope defined by the attached patent application.
100:直流電壓轉換器 100’:直流電壓轉換器 110:功率輸出電路 111:驅動電路 112:切換電路 120:補償電路 120A:補償電路 120B:補償電路 121:誤差檢測電路 121a:緩衝器 122:運算電路 122a:累加器 122b:電阻 122c:轉導放大器 130:控制電路 131:訊號比較器 132:訊號暫存器 140:回授電路 150:訊號產生電路 151:電流源 152:電容 153:開關 154:節點 200:直流電壓控制器 300:回授電路 310:比較電路 320:電流源 400:直流電壓轉換器 400’:直流電壓轉換器 440:回授電路 401:倍率電路 402:濾波電路 403:比較電路 404:電流源 C1:電容 CLK:時脈訊號 I31:電流 I32:電流 Isen:驅動回授訊號 IL:電流 IML:下橋電流 LC:儲能電路 L1:電感 N:相節點 P1-P5:時間點 R1:電阻 R2:電阻 T1:上橋開關 T2:下橋開關 V01:一階濾波訊號 V02:二階濾波訊號 Va:比較訊號 VCC:電壓 Vcomp:誤差訊號 Vcomp1:誤差訊號 Vcomps:控制補償訊號 Vdt:脈衝寬度調變訊號 Vfb:電壓回授訊號 Vg:接地電壓 Vin:輸入電壓 Vn:參考電壓 Vout:輸出電壓 Vramp:斜坡訊號 Vref:電壓基準訊號 Vx:相節點電壓 100: DC voltage converter 100’: DC voltage converter 110: Power output circuit 111: Driving circuit 112: Switching circuit 120: Compensation circuit 120A: Compensation circuit 120B: Compensation circuit 121: Error detection circuit 121a: Buffer 122: Operation circuit 122a: Accumulator 122b: Resistor 122c: Transconductance amplifier 130: Control circuit 131: Signal comparator 132: Signal register 140: Feedback circuit 150: Signal generation circuit 151: Current source 152: Capacitor 153: switch 154: node 200: DC voltage controller 300: feedback circuit 310: comparison circuit 320: current source 400: DC voltage converter 400’: DC voltage converter 440: feedback circuit 401: multiplier circuit 402: filter circuit 403: comparison circuit 404: current source C1: capacitor CLK: clock signal I31: current I32: current Isen: drive feedback signal IL: current IML: lower bridge current LC: energy storage circuit L1: inductor N: phase node P1-P5: time point R1: resistor R2: resistor T1: upper bridge switch T2: lower bridge switch V01: first-order filter signal V02: second-order filter signal Va: comparison signal VCC: voltage Vcomp: error signal Vcomp1: error signal Vcomps: control compensation signal Vdt: pulse width modulation signal Vfb: voltage feedback signal Vg: ground voltage Vin: input voltage Vn: reference voltage Vout: output voltage Vramp: ramp signal Vref: voltage reference signal Vx: phase node voltage
第1A圖為根據本揭示內容之一實施例的直流電壓轉換器的示意圖。 第1B圖為根據本揭示內容之另一實施例的直流電壓轉換器的示意圖。 第1C圖為根據本揭示內容之一實施例的回授電路與補償電路的示意圖。 第2A圖為根據本揭示內容之另一實施例的直流電壓轉換器的示意圖。 第2B圖為根據本揭示內容之另一實施例的直流電壓轉換器的示意圖。 第2C圖為根據本揭示內容之另一實施例的回授電路與補償電路的示意圖。 第3A~3C圖為根據本揭示內容之部份實施例,直流電壓轉換器於不同狀態下的訊號變化圖。 FIG. 1A is a schematic diagram of a DC voltage converter according to one embodiment of the present disclosure. FIG. 1B is a schematic diagram of a DC voltage converter according to another embodiment of the present disclosure. FIG. 1C is a schematic diagram of a feedback circuit and a compensation circuit according to one embodiment of the present disclosure. FIG. 2A is a schematic diagram of a DC voltage converter according to another embodiment of the present disclosure. FIG. 2B is a schematic diagram of a DC voltage converter according to another embodiment of the present disclosure. FIG. 2C is a schematic diagram of a feedback circuit and a compensation circuit according to another embodiment of the present disclosure. FIG. 3A to FIG. 3C are signal change diagrams of a DC voltage converter in different states according to some embodiments of the present disclosure.
100:直流電壓轉換器 100: DC voltage converter
110:功率輸出電路 110: Power output circuit
111:驅動電路 111:Drive circuit
112:切換電路 112: Switching circuit
120:補償電路 120: Compensation circuit
121:誤差檢測電路 121: Error detection circuit
122:運算電路 122: Operational circuit
130:控制電路 130: Control circuit
131:訊號比較器 131:Signal comparator
132:訊號暫存器 132:Signal register
200:直流電壓控制器 200: DC voltage controller
C1:電容 C1: Capacitor
CLK:時脈訊號 CLK: clock signal
Isen:驅動回授訊號 Isen: Drive feedback signal
IML:下橋電流 IML: Lower bridge current
LC:儲能電路 LC: Energy storage circuit
L1:電感 L1: Inductor
N:相節點 N: Phase node
R1:電阻 R1: resistor
R2:電阻 R2: resistor
T1:上橋開關 T1: bridge switch
T2:下橋開關 T2: Down bridge switch
Va:比較訊號 Va: Comparison signal
Vcomp:誤差訊號 Vcomp: Error signal
Vcomps:控制補償訊號 Vcomps: control compensation signal
Vdt:脈衝寬度調變訊號 Vdt: Pulse Width Modulation Signal
Vfb:電壓回授訊號 Vfb: voltage feedback signal
Vin:輸入電壓 Vin: Input voltage
Vout:輸出電壓 Vout: output voltage
Vramp:斜坡訊號 Vramp: Ramp signal
Vref:電壓基準訊號 Vref: voltage reference signal
Vx:相節點電壓 Vx: Phase node voltage
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW112214358U TWM654581U (en) | 2023-12-28 | 2023-12-28 | Direct current converter and direct current controller |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW112214358U TWM654581U (en) | 2023-12-28 | 2023-12-28 | Direct current converter and direct current controller |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TWM654581U true TWM654581U (en) | 2024-04-21 |
Family
ID=91620297
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW112214358U TWM654581U (en) | 2023-12-28 | 2023-12-28 | Direct current converter and direct current controller |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| TW (1) | TWM654581U (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI903575B (en) * | 2024-06-19 | 2025-11-01 | 茂達電子股份有限公司 | Power converter having negative current control mechanism |
-
2023
- 2023-12-28 TW TW112214358U patent/TWM654581U/en unknown
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI903575B (en) * | 2024-06-19 | 2025-11-01 | 茂達電子股份有限公司 | Power converter having negative current control mechanism |
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