切换式稳压器的制造方法
【专利摘要】一种切换式稳压器，用以接收一输入电压以及对应地提供一输出电压。该切换式稳压器包含有一切换电路、一电感器、一直流补偿电路以及一控制电路。该切换电路耦接于该输入电压；该电感器耦接于该切换电路，用以自该切换电路接收该输入电压，并提供该输出电压至一负载；该直流补偿电路用以将来自该输出电压的一反馈信号与一阈值进行比较，以动态调整一直流补偿电压；该控制电路用以决定该切换电路的责任周期，其中该控制电路会至少根据该直流补偿电压来调整该切换电路的责任周期。
【专利说明】
切换式稳压器
技术领域
[0001] 本发明关于一种切换式稳压器，尤指一种可根据工作状态来动态调整责任周期 (duty cycle)的切换式稳压器。
【背景技术】
[0002] 一般来说，用以降低直流电源供应器的电压的最简单方式即为采用线性稳压器， 然而此种作法会较为耗电。相对地，由于切换式稳压器在操作上较不耗电，目前已被广泛地 使用。举例来说，常见的切换式稳压器有升压（boost)稳压器以及降压（buck)稳压器，该 些切换式稳压器会借由一反馈路径来调整其切换开关的责任周期（duty cycle)。
[0003] 然而，现有技术中的切换式稳压器往往无法提供良好的瞬时响应（transient response)。举例来说，现有技术中的切换式稳压器无法因应系统的负载情形来对应地调整 工作周期。因此，有需要提供一种新的切换式稳压器来解决上述问题。
【发明内容】
[0004] 本发明的一实施例提供了一种切换式稳压器，该切换式稳压器用以接收一输入电 压以及对应地提供一输出电压，并且包含有一切换电路、一电感器、一直流补偿电路以及一 控制电路。该切换电路耦接于该输入电压；该电感器耦接于该切换电路，用以自该切换电路 接收该输入电压，并提供该输出电压至一负载；该直流补偿电路用以将来自该输出电压的 一反馈信号与一阈值进行比较，以动态调整一直流补偿电压；该控制电路用以决定该切换 电路的责任周期，其中该控制电路会至少根据该直流补偿电压来调整该切换电路的责任周 期。
[0005] 本发明的实施例的切换式稳压器可根据来自该输出电压的反馈信号，而动态调整 一直流补偿电压，以对应地调整切换电路的责任周期，其中当负载端为轻载转重载时加速 调升责任周期以及当负载端为重载转轻载时加速调降责任周期，进而使负载端有更好的瞬 时响应（transient response)，并提高整体稳压效能。
【附图说明】
[0006] 图1为根据本发明的第一实施例的切换式稳压器的示意图。
[0007] 图2为根据本发明的第二实施例的切换式稳压器的示意图。
[0008] 图3为图2所示的比较器的加总信号的示意图。
[0009] 图4为图2所示的比较器的加总信号于不同操作模式下所产生的波形。
[0010] 图5为图2所示的比较器在不同负载情况下的加总信号以及对应的输出信号的示 意图。
[0011] 符号说明
[0012] 100、200 切换式稳压器
[0013] 20 切换电路
[0014] 30 电感器
[0015] 40 直流补偿电路
[0016] 50 控制电路
[0017] 52 误差放大器
[0018] 54 比较器
[0019] 56 控制逻辑电路
[0020] 60 分压电路
[0021] Vin 输入电压
[0022] V0 输出电压
[0023] C0 电容
[0024] Ql 第一开关
[0025] Q2 第二开关
[0026] R0 负载
[0027] C0 电容
[0028] RL、R1 电阻组件
[0029] Rc 电阻组件
[0030] R1、R2 电阻
[0031] Vfb 反馈信号
[0032] Vc 控制信号
[0033] Vref 参考电压
[0034] Vdc 直流补偿电压
[0035] Vcs 感测电压
[0036] Vs 斜率补偿信号
[0037] Vth 阈值
[0038] W1、W2、W3 波形
【具体实施方式】
[0039] 在说明书及所附的权利要求范围当中使用了某些词汇来指称特定的组件。所属领 域中普通技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同样的组件。本说明 书及所附的权利要求范围并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上 的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及所附的权利要求当中所提及的"包含"为一开 放式的用语，故应解释成"包含但不限定于"。另外，"耦接"一词在此包含任何直接及间接 的电气连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直 接电气连接于该第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。
[0040] 图1为根据本发明的第一实施例的切换式稳压器的示意图。切换式稳压器100用 以接收一输入电压V in以及对应地提供一输出电压Vo,并包含一切换电路20、一电感器30、 一直流补偿电路40以及一控制电路50。电感器30耦接于切换电路20,用以自切换电路20 接收输入电压Vin，并提供输出电流^亦即电感电流）至一负载R。。在一第一操作期间，控 制电路50会开启切换电路20中的第一开关Ql以及关闭切换电路20中的第二开关Q2,以 将能量自输入电压Vin经由电感器30而传送至电容C。。在此状态下，输入电压Vin可通过电 感器30向负载R。提供电流。此外，在一第二操作期间，控制电路会关闭切换电路20中的 第一开关Ql以及开启切换电路20中的第二开关Q2,以将在电容C。之内的能量传送至负载 R。，电感器30会借由逆反其电压以继续向负载R0提供电流。电容C。与地端电位（或是低 逻辑电位）之间可耦接一电阻组件R。，且电感器30与负载R。之间可耦接一电阻组件Ry但 本发明不以此为限。
[0041] 直流补偿电路40用以将来自输出电压V。的一反馈信号V FB与一预定阈值V TH进行 比较，以动态调整一直流补偿电压VDe。直流补偿电路40会将直流补偿电压V De传送到控制 电路50。控制电路50会至少根据直流补偿电压VDe来调整切换电路20的责任周期。换言 之，直流补偿电压V De的大小会影响切换电路20的责任周期的长短。举例来说，当反馈信号 Vfb小于阈值V TH时，直流补偿电路40可降低直流补偿电压V De，进而使得控制电路50延长切 换电路20的责任周期；以及当反馈信号Vfb大于阈值V th时，直流补偿电路40可增加直流 补偿电压VDe，进而使得控制电路50缩短切换电路的责任周期，以上操作将详述于后续段落 中。请注意，在一实现方式中，直流补偿电压V De仅是控制电路50所参考的多个控制参数的 其中之一，换言之，切换电路20的责任周期的长短另会受到其它控制参数的影响。
[0042] 请参考图2,图2为根据本发明的第二实施例的切换式稳压器200的示意图，其中 切换式稳压器200可用作为一降压转换器（buck convertor)，但不以此为限。请注意，切 换式稳压器200可视为切换式稳压器100的其中一种具体实现方式，进一步来说，图1所 示的控制电路50可由图2所示的控制电路250的电路架构来加以实现，然而切换式稳压 器100并不以局限于切换式稳压器200的设置。此外，为了简洁之故，切换式稳压器200中 与切换式稳压器100的相似之处将不另赘述。如图2所示，切换式稳压器200另包含一分 压电路60,用以根据输出电压V。来产生反馈电压V FB，其中分压电路60可利用图标的二电 阻R1、R2来实现，但本发明不以此为限。此外，控制电路250包含有一误差放大器52、一比 较器54以及一控制逻辑电路56。误差放大器52用以接收反馈信号V fb，并将反馈信号Vfb 与一参考电压Vref进行比较，以产生一控制信号V ε。比较器54可例如是为一脉冲宽度调制 (pulse-width modulation, PffM)比较器，用以接收控制信号Ve、直流补偿电路40传来的直 流补偿电压Vdc、对应切换电路20的输出端的一感测电压V cs以及一斜率补偿信号Vs，并且根 据控制信号Ve、直流补偿电压V De、感测电压Ves以及斜率补偿信号V s来产生一比较结果，其 中该比较结果可以是一方波，且比较器54可对直流补偿电压Vdc、感测电压V cs以及斜率补 偿信号％进行加总，并将加总后的输入信号（以下简称加总信号）与控制信号^进行比较 来输出该方波。控制逻辑电路56会根据比较结果（即该方波）来决定切换电路20中各个 开关（即晶体管Q1、Q2)的责任周期。在本实施例中，晶体管Q1、Q2的控制端耦接于控制逻 辑电路56,且控制逻辑电路56会根据比较器54传来的比较结果而于一第一操作期间开启 第一开关Ql以及关闭第二开关Q2,以及于一第二操作期间关闭第一开关Ql以及开启第二 开关Q2,其中第一开关Ql的导通时间Ti3n (Ql)与一脉冲调制周期T的比值（亦即^^ ) 即为第一开关Ql的责任周期D (Ql)，而第二开关Q2的导通时间Tqn (Q2)与该脉冲调制周期 T的比值（亦即T()Np2))即为第二开关Q2的责任周期D(Q2)，此外，D(Q1)+D(Q2) = 1，亦 即第一开关Ql的责任周期与第二开关Q2的责任周期的总和为全部的（100% )责任周期。
[0043] 请参考图3,图3为图2所示的比较器54的加总后的输入信号的示意图，其中该加 总信号为直流补偿电压V De、感测电压Ves以及斜率补偿信号Vs的加总结果，并且可被视为三 角波（ramp)或是锯齿波（sawtooth)。V es为电流感应电压（current sense voltage)，其 值可为ijR，其中L为切换电路20的输出电流，R为电阻组件R i的阻值。通过提供直流补 偿电压VDe至比较器54,可解决在低供应电流以及低责任周期的情况下，切换式稳压器200 有严重的操作误差的问题。
[0044] 请参考图4,图4为图2所示的比较器54的加总信号于不同操作模式下所产生的 波形。如图4所示，由左至右依序为在低电流操作下经由直流电压补偿所产生的波形W1、在 低电流以及低责任周期操作下经由直流电压补偿所产生的波形W2,以及在低电流以及低责 任周期操作下未经直流电压补偿所产生的波形W3。从图4可看出，在具有高责任周期时，波 形Wl即使未作直流电压补偿也还是具有足够的增益；而当责任周期变小时，波形W3的增益 太小且未进行直流电压补偿，这将会导致后续的电路有操作误差的情形，而波形W2因为有 作直流电压补偿，可避免后续的电路有操作误差的情形。
[0045] 请参考图5,图5为图2所示的比较器54在不同负载情况下的加总信号以及对应 的输出信号的示意图，其中由左到右依序为第一模式、正常模式、第二模式。首先，在中间的 正常模式中，比较器54的加总信号为直流补偿电压V dc、感测电压Vcs以及斜率补偿信号V s 的总和，而此加总信号会与比较器54的另一输入端的控制信号％进行比较，以对应地输出 一方波（可视为用来提供给控制逻辑电路56的责任周期），其中当加总信号的超过控制信 号％的大小时，比较器54输出的方波即会由高准位降到低准位。
[0046] 当检测到负载（如图2所示的负载R。）为重载状态时，大部分的电流紅于负载损 耗，导致由负载R。分压而来的反馈信号V FB会小于阈值V TH。此时，可采用左侧的第一模式， 其中直流补偿电路40会降低直流补偿电压Vdc的值（亦即提供低于正常模式的直流补偿电 压VJ，以延后加总信号到达控制信号V c的大小的时间（亦即延后地于虚线处的时间到达 控制信号V。）。如此一来，控制电路50中的控制逻辑电路56会延长切换电路20的责任周 期，以得到较长的充电时间，而快速地反应上述重载状态。
[0047] 当检测到负载（如图2所示的负载R。）为轻载状态时，仅有少部分的电流k于负 载损耗，因此由负载R。分压而来的反馈信号V fb会大于阈值VTH。此时，可采用右侧的第二模 式，其中直流补偿电路40会提高直流补偿电压V dc的值（亦即提供高于正常模式的直流补 偿电压Vdc)，以使加总信号到达控制信号V c的大小的时间提前（亦即提前地于虚线处的时 间到达控制信号Ve)。如此一来，控制电路50中的控制逻辑电路56会缩短切换电路20的 责任周期，以减少输入电压进行充电的时间。请注意，直流补偿电路40的阈值可根据实际 应用需求来设定，较佳的是，所设定的阈值能够反应负载R。端的负载情形，以使直流补偿电 路40能够输出适当的直流补偿电压V De给控制电路50。
[0048] 综上所述，本发明的切换式稳压器（例如实施例中的切换式稳压器100、200)可根 据来自输出电压的反馈信号，而动态调整直流补偿电压，以对应地调整切换电路的责任周 期，其中当负载端为轻载转重载时加速调升责任周期以及当负载端为重载转轻载时加速调 降责任周期，进而使负载端有更好的瞬时响应（transient response)，并提高整体稳压效 能。
[0049] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的等价变化与 修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
【主权项】
1. 一种切换式稳压器，用以接收一输入电压，以及对应地提供一输出电压，该切换式稳 压器包含有： 一切换电路，耦接于该输入电压； 一电感器，耦接于该切换电路，用以自该切换电路接收该输入电压，并提供该输出电压 至一负载； 一直流补偿电路，用以将来自该输出电压的一反馈信号与一阈值进行比较，以动态调 整一直流补偿电压；以及 一控制电路，用以决定该切换电路的责任周期，其中该控制电路会至少根据该直流补 偿电压来调整该切换电路的责任周期。2. 如权利要求1所述的切换式稳压器，其中当该反馈信号小于该阈值时，该直流补偿 电路降低该直流补偿电压，进而使得该控制电路延长该切换电路的责任周期。3. 如权利要求1所述的切换式稳压器，其中当该反馈信号大于该阈值时，该直流补偿 电路增加该直流补偿电压，进而使得该控制电路缩短该切换电路的责任周期。4. 如权利要求1所述的切换式稳压器，其为一降压转换器。5. 如权利要求1所述的切换式稳压器，另包含一分压电路，用以根据该输出电压来产 生该反馈电压。6. 如权利要求1所述的切换式稳压器，其中该控制电路包含有： 一误差放大器，用以接收该反馈信号，并将该反馈信号与一参考电压进行比较，以产生 一控制信号； 一比较器，用以接收该控制信号、该直流补偿电压、对应该切换电路的输出端的一感测 电压以及一斜率补偿信号，并且根据该控制信号、该直流补偿电压、该感测电压以及该斜率 补偿信号来产生一比较结果；以及 一控制逻辑电路，用以根据该比较结果来调整该切换电路的责任周期。7. 如权利要求6所述的切换式稳压器，其中该切换电路包含： 一第一开关，具有一第一端，耦接于该输入电压，一控制端，耦接于该控制逻辑电路，以 及一第二端；以及 一第二开关，具有一第一端，耦接于该第一开关的第二端，一控制端，耦接于该控制逻 辑电路； 其中该控制逻辑电路根据该比较结果而于一第一操作期间，开启该第一开关以及关闭 该第二开关，以及于一第二操作期间，关闭该第一开关以及开启该第二开关。8. 如权利要求7所述的切换式稳压器，其中该第一开关以及该第二开关为晶体管。9. 如权利要求6所述的切换式稳压器，另包含一电阻组件，耦接于该切换电路的该输 出端，用以将该切换电路的输出电流转换为该感测电压。10. 如权利要求6所述的切换式稳压器，其中该比较器为一脉冲宽度调制比较器。
【文档编号】H02M3/156GK106033930SQ201510122383
【公开日】2016年10月19日
【申请日】2015年3月19日
【发明人】何仪修
【申请人】晶豪科技股份有限公司