双固定时间切换式电源电路及其开关电路及其方法与流程

本发明涉及一种固定时间(constanttime)的切换式电源电路，特别是指一种需要产生两组固定时间的切换式电源电路。本发明还涉及控制切换式电源电路的控制电路与方法。

背景技术：

请参阅图1a，图中示出一种现有技术的固定时间切换式电源电路(切换式电源电路1a)。切换式电源电路1a包含降压功率电路10，其包括电感l、功率开关s1，s2，以及控制电路50。控制电路50控制功率开关s1，s2的切换，以将输入电压vin转换为输出电压vo。控制电路50中，误差放大器51将反馈信号fb(表示输出电压vo的信息)与参考电压vr比较，产生误差放大信号eao。pwm(脉宽调制)比较器55将误差放大信号eao与斜坡信号rmp比较而产生比较结果cpo，而闩锁电路57根据比较结果cpo以及一固定时间产生器58产生开关控制信号ctrl，其包括g1，g2，分别控制功率开关s1，s2。误差放大信号eao、斜坡信号rmp、与电感l的电流输入端电压vlx的关系如图1b所示，当误差放大信号eao大于斜坡信号rmp时，控制电路50以一固定导通时间ton控制功率开关s1为导通(on)，而于固定导通时间ton之后控制功率开关s1为不导通(off)，其中功率开关s2与功率开关s1大致上为反相操作。

图1a的现有技术的缺点在于，在快速负载变化时，其导通时间为固定而无法调制，因此电感电流ild上升的速度会被固定导通时间ton与最小不导通时间所限制，导致输出电压vo会有较大的电位下降。此外，在降压功率转换操作时，若输入电压vin与输出电压vo的电平相近，因固定导通时间ton无法自动延伸，因此工作比受限且无法无缝调整到较高值(例如接近100％)，导致必需以较高频来切换功率开关s1，s2，此时输出电压的纹波就会比较大且不稳定。

请参阅图2，图中示出一种现有技术的最小固定时间降压切换式电源电路(切换式电源电路2)，切换式电源电路2虽然允许导通时间延长，但本现有技术需要一个vos脚位，直接连接于切换式电源电路的输出电压，用以进行回路补偿，然而，在多相(multi-phase)整合型的电源管理ic应用中，每组切换式电源电路都需额外的vos脚位，这会提高成本以及印刷电路板(pcb)布局的复杂度。

本发明相比于图1a的现有技术，具有可自动延伸的导通时间，其工作比也可因此延长，因而本发明的切换式电源电路的负载响应较佳，且在应用于降压功率转换操作时，若输入电压vin与输出电压vo的电平相近，本发明可自动且无缝的延伸到较高的例如接近100％的工作比，因而本发明的切换式电源电路可适应于较大的输入电压范围并可有较低的纹波；此外，本发明相比于图2的现有技术，补偿电路可完全内部化，不需额外的脚位，因此可节省成本并降低印刷电路板布局的复杂度。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种双固定时间切换式电源电路及其开关电路及其方法，其可适应于较大的输入电压范围并可有较低的纹波，并且补偿电路可完全内部化，不需额外的脚位，因此可节省成本并降低印刷电路板布局的复杂度。

为实现上述发明目的，就其中一个观点言，本发明提供了一种双固定时间切换式电源电路，包含：一功率电路，包括一电感以及至少一功率开关，用以将一输入电压转换为一输出电压；以及一开关电路，用以根据一输出电压相关信号而产生一开关控制信号以控制该功率开关，包括：一比较电路，用以比较一第一输入信号以及一第二输入信号而产生一比较结果，其中该第一输入信号与该第二输入信号为以下组合之一：(1)该第一输入信号为一三角波信号，且该第二输入信号为一误差放大信号，其中该误差放大信号相关于该输出电压相关信号；或(2)该第一输入信号为该输出电压相关信号，且该第二输入信号为一参考电压；以及一时间决定电路，用以根据该比较结果而产生该开关控制信号，其中当该功率开关转为导通时起，该功率开关持续导通至少一最小导通时间，且当该最小导通时间结束后，该功率开关持续导通至该第一输入信号的电平大于该第二输入信号的电平为止，且于此时控制该功率开关转为不导通；其中当该功率开关转为不导通时起，该功率开关持续不导通至少一最小不导通时间，且当该最小不导通时间结束后，该功率开关持续不导通至该第一输入信号的电平小于该第二输入信号的电平为止，且于此时控制该功率开关转为导通。

在一较佳实施例中，该时间决定电路包括：一最小导通时间产生电路，用以根据该比较结果以及一最小不导通控制信号而产生一最小导通控制信号，其中该最小导通控制信号用以决定该最小导通时间；一最小不导通时间产生电路，用以根据该比较结果以及该最小导通控制信号而产生该最小不导通决定信号，其中该最小不导通控制信号用以决定该最小不导通时间；以及一状态控制电路，用以根据该最小导通控制信号以及该最小不导通控制信号而产生该开关控制信号。

在一较佳实施例中，该开关电路还包含一三角波产生电路，用以产生该三角波信号，以及一误差放大电路，根据该输出电压相关信号与一参考电压的差值而产生该误差放大信号。

在一较佳实施例中，该三角波信号大致上为一全周期的三角波。

在一较佳实施例中，该三角波产生电路根据该开关控制信号及/或一输出电流相关信号而产生该三角波信号。

就另一个观点言，本发明还提供了一种开关电路，用于一双固定时间切换式电源电路，该双固定时间切换式电源电路包含：一功率电路，包括一电感以及至少一功率开关，用以将一输入电压转换为一输出电压；该开关电路用以根据一输出电压相关信号而产生一开关控制信号以控制该功率开关，包含：一比较电路，用以比较一第一输入信号以及一第二输入信号而产生一比较结果，其中该第一输入信号与该第二输入信号为以下组合之一：(1)该第一输入信号为一三角波信号，且该第二输入信号为一误差放大信号，其中该误差放大信号相关于该输出电压相关信号；或(2)该第一输入信号为该输出电压相关信号，且该第二输入信号为一参考电压；以及一时间决定电路，用以根据该比较结果而产生该开关控制信号，其中当该功率开关转为导通时起，该功率开关持续导通至少一最小导通时间，且当该最小导通时间结束后，该功率开关持续导通至该第一输入信号的电平大于该第二输入信号的电平为止，且于此时控制该功率开关转为不导通；其中当该功率开关转为不导通时起，该功率开关持续不导通至少一最小不导通时间，且当该最小不导通时间结束后，该功率开关持续不导通至该第一输入信号的电平小于该第二输入信号的电平为止，且于此时控制该功率开关转为导通。

在一较佳实施例中，该时间决定电路包括：一最小导通时间产生电路，用以根据该比较结果以及一最小不导通控制信号而产生一最小导通控制信号，其中该最小导通控制信号用以决定该最小导通时间；一最小不导通时间产生电路，用以根据该比较结果以及该最小导通控制信号而产生该最小不导通决定信号，其中该最小不导通控制信号用以决定该最小不导通时间；以及一状态控制电路，用以根据该最小导通控制信号以及该最小不导通控制信号而产生该开关控制信号。

就另一个观点言，本发明也提供了一种用于控制一双固定时间切换式电源电路的方法，该双固定时间切换式电源电路包含：一功率电路，包括一电感以及至少一功率开关，用以将一输入电压转换为一输出电压；该方法包含：比较一第一输入信号以及一第二输入信号而产生一比较结果，其中该第一输入信号与该第二输入信号为以下组合之一：(1)该第一输入信号为一三角波信号，且该第二输入信号为一误差放大信号，其中该误差放大信号相关于该输出电压相关信号；或(2)该第一输入信号为该输出电压相关信号，且该第二输入信号为一参考电压；以及根据该比较结果而产生一开关控制信号以控制该功率开关，其中当该功率开关转为导通时起，该功率开关持续导通至少一最小导通时间，且当该最小导通时间结束后，该功率开关持续导通至该第一输入信号的电平大于该第二输入信号的电平为止，且于此时控制该功率开关转为不导通；其中当该功率开关转为不导通时起，该功率开关持续不导通至少一最小不导通时间，且当该最小不导通时间结束后，该功率开关持续不导通至该第一输入信号的电平小于该第二输入信号的电平为止，且于此时控制该功率开关转为导通。

在一较佳实施例中，产生该三角波信号的步骤包括：根据该开关控制信号及/或一输出电流相关信号而产生该三角波信号。

以下通过具体实施例详加说明，应当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所实现的功效。

附图说明

图1a显示一种现有技术的固定时间切换式电源电路的示意图；

图1b为对应于图1a电路的信号波形示意图；

图2显示一种现有技术的固定时间电源电路的开关电路的示意图；

图3a与3b显示本发明的双固定时间切换式电源电路的实施例示意图；

图4a与4b为对应于本发明的双固定时间切换式电源电路的信号波形示意图；

图5a至5c显示本发明的双固定时间切换式电源电路的数个具体实施例示意图；

图6显示对应于本发明的双固定时间切换式电源电路的信号波形量测图；

图7为对应于本发明的双固定时间切换式电源电路的信号波形示意图。

具体实施方式

请参阅图3a，图中所示为本发明的双固定时间(dualconstanttime)切换式电源电路的一种实施例(切换式电源电路3a)，切换式电源电路3a包含降压功率电路10以及开关电路20。降压功率电路10包括电感l以及功率开关s1及s2，用以将输入电压vin转换为一输出电压vo。

开关电路20用以根据一输出电压相关信号而产生开关控制信号ctrl(其可包括例如g1与g2)以控制功率开关s1与s2的切换，其中输出电压相关信号例如可为但不限于图中的反馈信号fb或输出电压vo本身。开关电路20包括比较电路21以及时间决定电路22。比较电路21用以比较第一输入信号以及第二输入信号而产生一比较结果cpo，本实施例中，第一输入信号为一三角波信号vtr，且第二输入信号为一误差放大信号eao，其中误差放大信号eao相关于输出电压相关信号fb，例如可由一误差放大电路23所产生，将于后详述。

请参阅图3b，图中显示本发明的双固定时间切换式电源电路的另一种实施例(切换式电源电路3b)，本实施例与上述切换式电源电路3a相似，其差别在于切换式电源电路3b中，第一输入信号为输出电压相关信号fb，而第二输入信号则为一参考电压vr。

请继续参阅图3a与3b，切换式电源电路3a与3b中，开关电路20还包含时间决定电路22，用以根据比较结果cpo而产生前述的开关控制信号ctrl。请同时参阅图4a与4b，图中显示对应于本发明的双固定时间切换式电源电路(例如图3a，3b，5a至5c的实施例)的信号波形示意图，如图所示，当功率开关s1导通时，电感l的电流输入端电压vlx由功率开关s1导通为vin，而当功率开关s1导通时(s2不导通)，电感l的电流输入端电压vlx由功率开关s2导通为接地电平(s1不导通)。其中当功率开关s1转为导通(on)时起(如图4a中的t1，t4或图4b中t5，t8)，功率开关s1持续导通至少一最小导通时间tonmin，且当最小导通时间tonmin结束后，功率开关s1持续导通至第一输入信号(例如图4a与4b中所示的三角波信号vtr)的电平大于第二输入信号(例如图4a与4b中所示的误差放大信号eao)的电平为止，且于此时控制功率开关s1转为不导通(如图4a图中的t2或图4b中的t7)；

以图4a为例，当最小导通时间tonmin结束后(例如图4a中所示的t2)，由于第一输入信号(三角波信号vtr)的电平早已大于第二输入信号(误差放大信号eao)的电平，因此功率开关s1于最小导通时间tonmin结束时(t2)即转为不导通，此时切换式电源电路操作于固定导通时间模式(constantontimemode)；而以图4b为例，当最小导通时间tonmin结束后(例如图4b中所示的t6)，由于第一输入信号(三角波信号vtr)的电平尚未大于第二输入信号(误差放大信号eao)的电平，因此功率开关s1于最小导通时间tonmin结束后(t2)仍持续导通，直到第一输入信号(三角波信号vtr)的电平大于第二输入信号(误差放大信号eao)的电平时(例如图4b中所示的t7)，功率开关s1才转为不导通。

请继续参阅图4a与4b，而当功率开关s1转为不导通(off)时起(如图4a中的t2或图4b中的t7)，功率开关s1持续不导通至少一最小不导通时间toffmin，且当最小不导通时间toffmin结束后(如图4a中的t3或图4b中的t8)，功率开关s1持续不导通至第一输入信号(三角波信号vtr)的电平小于第二输入信号(误差放大信号eao)的电平为止，且于此时控制功率开关s1转为导通。

以图4b为例，当最小不导通时间toffmin结束后(例如图4b中所示的t8)，由于第一输入信号(三角波信号vtr)的电平早已小于第二输入信号(误差放大信号eao)的电平，因此功率开关s1于最小不导通时间toffmin结束时(t8)即转为导通，此时切换式电源电路操作于固定不导通时间模式(constantofftimemode)；而以图4a为例，当最小导通时间toffmin结束后(例如图4a中所示的t3)，由于第一输入信号(三角波信号vtr)的电平尚未小于第二输入信号(误差放大信号eao)的电平，因此功率开关s1于最小不导通时间toffmin结束后(t3)仍持续导通，直到第一输入信号(三角波信号vtr)的电平小于第二输入信号(误差放大信号eao)的电平时(例如图4a中所示的t4)，功率开关s1才转为导通。

需说明的是，一般而言，如图4a与4b中的功率开关s2，其导通时间与不导通时间与s1大致上为反相操作(功率开关s1、s2的导通时间大致为互补，但之间可有空滞时间deadtime)，其为本领域技术人员所熟知，因此在本文中不予赘述。而在一实施例中，功率开关s2也可替换为例如但不限于功率二极管等其它可以实施降压型功率电路的功率元件。

此外，图3b中的实施例，其波形与操作方式相似于前述图4a与4b的实施例，在本文中也不予赘述。

请参阅图5a，图中显示本发明的双固定时间切换式电源电路的一种具体实施例(切换式电源电路5a)。如图所示，在一实施例中，前述的误差放大电路23’可包括误差放大电路ea，其根据输出电压相关信号fb与参考电压vr的差值而产生误差放大信号eao。值得注意的是，本实施例中，误差放大电路23’还可包括回路控制相关的补偿电路(例如但不限于如图中的补偿电路231)，且根据本发明，无需其它额外的脚位(如现有技术中的vos脚位)直接连接于输出电压vo，因此可节省成本与印刷电路板空间。

请继续参阅图5a，在一实施例中，开关电路20还可包括一三角波产生电路24，用以产生前述的三角波信号vtr，在一实施例中，三角波产生电路24根据开关控制信号ctrl而产生三角波信号vtr，其中可例如但不限于以开关控制信号ctrl控制一充放电开关电路(如图5a中的s3及s4)与电阻电容组成的充放电电路而产生三角波信号vtr，而在一实施例中(如图5b的切换式电源电路5b)，三角波产生电路24’可根据输出电流相关信号isen而产生三角波信号vtr，其中输出电流相关信号isen可根据电感电流il，或是功率开关的电流is1及is2而得，在一实施例中，可同时根据开关控制信号ctrl以及输出电流相关信号isen而产生三角波信号vtr。

需说明的是，在一实施例中，三角波信号vtr大致上为一全周期的三角波，其中所述的“全周期”是指在功率开关导通以及不导通时段内，都具有对应的不为零的斜率的三角波，从另一观点而言，本发明所采取的三角波信号vtr不是仅具有单边斜坡的前缘或后缘斜坡(leading或trailingramp)信号。

请继续参阅图5a，时间决定电路22包括最小导通时间产生电路221，最小不导通时间产生电路222，以及状态控制电路223。最小导通时间产生电路221用以根据比较结果cpo以及最小不导通控制信号toffc而产生一最小导通控制信号tonc，用以决定最小导通时间tonmin。最小不导通时间产生电路222用以根据比较结果cpo以及最小导通控制信号tonc而产生最小不导通决定信号toffc，用以决定最小不导通时间toffmin。状态控制电路223用以根据最小导通控制信号tonc以及最小不导通控制信号toffc而产生开关控制信号ctrl，在一实施例中，状态控制电路223可例如但不限于为一闩锁电路(例如的5c图中的223’)，其中最小导通控制信号tonc以及最小不导通控制信号toffc分别连接于闩锁电路的重置(rst)端与设定(set)端，而开关控制信号ctrl则产生自闩锁电路223’的输出端q，以实现前述的操作控制。

值得注意的是，通过上述本发明的操作策略，可使得本发明适应需求而自动且无缝地转换于固定导通时间模式(constantontimemode)以及固定不导通时间模式(constantofftimemode)之间。请参阅图6，图中显示对应于前述本发明的切换式电源电路(切换式电源电路3a，3b，与5a至5c)的负载瞬时响应(loadtransientresponse)波形量测图。其中，功率开关(如前述实施例的s1)在稳态操作时(例如图6中t4-t6)，具有固定的导通时间(例如t4-t5，即tonmin)，也就是，切换式电源电路此时操作于固定导通时间模式(constantontimemode)，而在负载瞬时时，功率开关的导通时间可自动延长(例如图6中t1-t2)，此时本发明的切换式电源电路则自动且无缝地转换为固定不导通时间模式(constantofftimemode)，其中固定不导通时间为toffmin(例如图6中t2-t3)，通过自动延长功率开关的导通时间，输出电压可获得较佳的负载响应。

请继续参阅图7，图中显示对应于前述本发明的切换式电源电路(切换式电源电路3a，3b，与5a至5c)的输入响应(lineresponse)波形示意图。其中，功率开关(如前述实施例的s1)在输入电压vin相对较大于输出电压vo时(例如图7中t0-t4)，具有固定的导通时间(即tonmin)，也就是，切换式电源电路此时操作于固定导通时间模式(constantontimemode)，而在输入电压vin转变为与输出电压vo的电平相近时(例如图7中t5-t8)，也就是需要较高的工作比时，功率开关的导通时间可自动延长(例如图7中t5-t7)，此时本发明的切换式电源电路则自动且无缝地转换为固定不导通时间模式(constantofftimemode)，其中固定不导通时间为toffmin(例如图7中t7-t8)，在一实施例中，同时会因此而降低切换式电源电路的切换频率。需说明的是，在输出电压vo与输入电压vin的比例关系为一临界值时，功率开关会同时具有固定的导通时间(即tonmin)以及固定的不导通时间(即toffmin)。通过自动延长功率开关的导通时间，本发明的切换式电源电路可达到接近100％的工作比，因而可操作于较大的输入电压范围。

以上已针对较佳实施例来说明本发明，但是以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。所说明的各个实施例，并不限于单独应用，也可以组合应用。此外，在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以想到各种等效变化以及各种组合，举例而言，本说明书中以降压式切换式电源电路为例以说明本发明的技术特征，然根据本发明的精神，任何可以固定导通时间及固定不导通时间的调制方式而进行电源转换的切换式电源电路，都可根据本发明的教示而实现类似的功能。又例如，本发明所称“根据某信号进行处理或运算或产生某输出结果”，不限于根据该信号的本身，也包含于必要时，将该信号进行电压电流转换、电流电压转换、及/或比例转换等，之后根据转换后的信号进行处理或运算产生某输出结果。由此可知，在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以想到各种等效变化以及各种组合，其组合方式很多，在此不一一列举说明。因此，本发明的范围应涵盖上述及其他所有等效变化。