快速消除震荡的切换式电源供应器及其控制方法

专利名称：快速消除震荡的切换式电源供应器及其控制方法
技术领域：
本发明涉及 一 种切换式电源供应器(switching regulator)及其控制 电路与方法，特别是指一种能够消除震荡(ringing)的切换式电源供应 器，以及其控制电路与方法。
背景技术：
常用的切换式电源供应器包括降压型(Buck)、升压型(Booster)与反 压型(Inverter)三种。首先就降压型切换式电源供应器来加以说明，其电 路结构大致如图1所示，降压型切换式电源供应器1包含有两个晶体 管开关Q1、 Q2，其栅极分别受上下桥讯号UG与LG所控制，根据晶 体管Q1、 Q2的开与关，控制电感L上的电流量与方向，以将电能传 送给输出端OUT。上下桥讯号UG与LG可根据从输出端萃取出的反 馈电压讯号FB，经适当电路安排而产生，例如可以为PWM (脉宽调 变)讯号或PFM (脉频调变)讯号等等(此部分为已知，故省略其说 明)。图2与图3分别示出升压型切换式电源供应器2与反压型切换 式电源供应器3。
请回阅图1并对照图4，为求最佳的能量供应效率，在先前技术美 国专利第6，580，258号案中，提出一种作法，其主要概念如图4所示， 是通过适当控制晶体管Q1、Q2，使得当电感电流方向将要由正转负时， 即关闭晶体管Q2，如此即不致有能量从输出端OUT流失，可减少不 必要的耗损。如图中所示，晶体管Q1、 Q2有一段同时关闭的时间T， 称为"睡眠模式(sleep mode)"。
然而，此种先前技术的作法有其缺点。当晶体管Ql、 Q2同时关 闭而进入睡眠模式时，其实际在电感L上的电流与节点Lx处的电压，并非很理想的波形，而是如图5所示，呈震荡波形(ringing);此震荡 将造成种种困扰。
有鉴于此，本发明即针对上述先前技术的不足，提出一种能够消 除震荡的切换式电源供应器，以及其控制方法。

发明内容
本发明的第一目的在于提供一种能够消除震荡的切换式电源供应器。
本发明的第二目的在于提供一种用以控制切换式电源供应器的控 制方法。
为达上述的目的，在本发明其中的一个实施例中，提供了一种消 除震荡的切换式电源供应器，包含第一晶体管、第二晶体管、与电 感器，相互电连接于一共同节点，其中该第一晶体管与一输入电压电 连接、该第二晶体管电性接地、该电感器与一输出端电连接，且其中 该第一晶体管和第二晶体管受控而切换其状态，以将输入电压转换供 应给输出端；其特征在于，该第一晶体管至少具有导通和低电流流通 两种状态。在该低电流流通状态中，第一晶体管受控于一个电流控制 电路。
此外，根据本发明的另一个实施例，也提供了一种消除震荡的切 换式电源供应器，包含可变电阻、晶体管、与电感器，相互电连接 于一共同节点，其中该可变电阻与一输入电压电连接、该晶体管电性 接地、该电感器与一输出端电连接，藉此，根据该可变电阻的阻值变 化与该晶体管的切换，而将输入电压转换供应给输出端。
又，根据本发明的另一个实施例，也提供了一种切换式电源供应 器的控制方法，包含以下步骤提供一个切换式电源供应器，该切换式电源供应器包括第一晶体管、第二晶体管、与电感器，相互电连接 于一共同节点，其中该第一晶体管与一输入电压电连接、该第二晶体 管电性接地、该电感器与一输出端电连接；控制该第一晶体管和第二 晶体管，以切换其状态；以及在第二晶体管关闭后的一段时间内，使 第一晶体管为低电流流通状态。
上述各实施例中，所述的第二晶体管，可具有开启、关闭、低电 流流通三种状态，或具有开启与低电流流通两种状态。前者情形下， 当第一晶体管开启时，第二晶体管为关闭状态；当第一晶体管关闭时， 第二晶体管为开启或低电流流通状态。后者情形下，当第一晶体管开 启时，第二晶体管为低电流流通状态；当第一晶体管关闭时，第二晶 体管为开启或低电流流通状态。
以下将通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、 技术内容、特点及其所达成的功效；其中，相似的元件以相同的符号 来标示。


图1为先前技术的降压型切换式电源供应器的示意电路图。 图2为先前技术的升压型切换式电源供应器的示意电路图。 图3为先前技术的反压型切换式电源供应器的示意电路图。 图4为先前技术美国专利第6,580,258号案的理想波形示意图。 图5为先前技术美国专利第6,580,258号案的实际波形示意图。 图6与图7以降压型切换式电源供应器为例，说明本发明实施例 的概念。
图8为本发明的具体电路示意图。
图9与图IO标出本发明的其中一个实施例的示意电路图和对应的 波形。
图11进一步显示本发明另一 个实施例的示意电路图。
图12与图13标出本发明的又另一个实施例的示意电路图和对应的波形。
图中符号说明
1降压型切换式电源供应器 2升压型切换式电源供应器 3反压型切换式电源供应器 11降压型切换式电源供应器
20电流控制电路
30多路电路
40整流电路
50过高电压保护电路
A,B开关
EA误差放大器
FB反馈讯号
GM转导放大器
lb, Ic，IL电流
IN输入端
L电感
LG讯号
OUT输出端
Ql、 Q2、 Q3、 Q4晶体管
T, Tl-T3时段
UG讯号
UGCT讯号
Vovp参考电压
VpH节点；节点VpH处的电压
Vref参考电压
VR1可变电阻
VX节点；节点VX处的电压
具体实施例方式
请参考图6与图7，首先以降压型切换式电源供应器为例来说明本
发明的主要概念；图中以UGCT表示晶体管Q1的栅极讯号，LG表示 晶体管Q2的栅极讯号。本发明的主要概念在于，当电感L上的电流lL 即将由正转负时，并不完全关闭晶体管Q1，而是使其成为低导通状态， 容许低流量的电流通过。故晶体管Q1角色由单纯的晶体管开关，转换 成一个可变电阻VRl;如此，与美国专利第6,580,258号案相比，本发
明将可大幅縮短其震荡时间。图7标出本发明的主要硬件概念，其中 将原本的上桥开关，改换为一个可变电阻VR1，其电阻值受讯号UGCT 所控制。
如图6所示，晶体管Ql可以包括全开、全关、低导通三种状态(第 一种波形)，或仅包括全开、低导通两种状态(第二种波形)。前者 在节能效果上较好，后者的电路复杂度较低，各有优劣，同属于本发 明的范畴。无论是何种，在晶体管Q2关闭后，晶体管Q1均继续呈低 导通状态，亦即在时段T之中，可变电阻VR1的电阻值不为0，亦非 无穷大。此外需说明的是，虽然在图6中的时段T内，晶体管Q1的栅 极控制电压是绘示为定值，但本发明并不局限于此；在时段T内，晶 体管Q1的栅极控制电压可以为任意的变化波形，仅需其所对应产生的 电流量，在1mA (微安培)或其以上，但在晶体管Q1完全导通的电流 量(不含)以下，即可。
熟悉本技术者当可立即发现，以上说明中的晶体管Q1、 Q2是以 NMOS为例。当然，晶体管Q1、 Q2亦可个别改以PMOS来制作，其 对应的波形图自亦不同，但并不脱离本发明的概念。
控制讯号UGCT的产生方式，例如请参考图8的示意电路图，其 中以降压型切换式电源供应器为例显示本发明的其中一个实施例。如 图所示，在本实施例的降压型切换式电源供应器11中，设有多路电路 30，此电路选择以已知方式所产生的上桥讯号UG、或电流控制电路20的输出，而将两者之一供应给晶体管开关Q1的栅极。当晶体管Q1受
控于UG讯号时，其角色为开关，而当晶体管Q1受控于电流控制电路 20时，其成为低导通状态而容许低电流通过。本发明所称的"低电流 "是指前述1mA (微安培)或其以上，但在晶体管Ql完全导通的电流 量(不含)以下的电流。
以上实施例的更具体电路结构，举一例说明如图9，并请对照图 IO的波形。在本实施例中，晶体管Q1、 Q4为PMOS晶体管，晶体管 Q2、 Q3为NMOS晶体管，UG讯号与LG讯号为以已知方式所产生的 切换讯号(其波形与图4相同)，而节点Vx上的电压即等于控制讯号 UGCT。在T1时段中，当UG讯号为高位准时，晶体管Q3导通，节点 Vx接地，其电压为0。当UG讯号为低位准时，晶体管Q3切断，节点 Vx的电压视开关A、 B的状态而定；在T2时段中，当开关A导通且 开关B切断时，节点Vx的电压等于输入电压IN，而在T3时段中，当 开关A切断且开关B导通时，晶体管Q1与晶体管Q4构成电流镜，根 据晶体管Q1和Q4之间的匹配比例，将电流Ib成比例地镜射为Ic，使 晶体管Ql成为低电流状态，此时晶体管Ql上通过的电流Ic可协助使 电感电流k迅速进入稳定状态，消除震荡。
上述电路中，开关A、 B的控制讯号，可根据UG讯号与LG讯号 来产生；此外，为保证电路能正确反应，可对开关A、 B的切换时间提 供防护区间(guard band)，例如，在开关A导通后，使其稍微较LG 讯号延后一些关闭，并使开关B在开关A关闭后一小段时间才导通， 等等。图IO仅从宏观角度绘示各重要节点的电压波形，至于上述微观 细节，熟悉本技术者当可在本发明的揭示下，根据电路需求而设计， 在此不多予赘述。
本发明除可消除震荡之外，由于在下桥开关晶体管Q2关闭的期 间，自输入电压IN额外供应电流Ic，故其对输出端OUT提供电压的 效率也较高，换言之，与先前技术相比较，就相同的输出电压需求而言，可降低晶体管Q1、 Q2的切换频率，因此其切换损失也较低。此一 优点，在轻载时更为明显。
又，同样由于额外供应电流IC之故，如图11所示，最好在电路
中设置整流电路(trimming circuit)40和过高电压保护电路(over voltage protection)50。整流电路40的目的是过滤掉电流Ic中的不正常变化， 过高电压保护电路50的目的是避免因额外供应电流Ic，造成输出电压 过高。过高电压保护电路有多种作法，例如可将反馈讯号FB与一参考 电压Vovp相比较，当比较结果显示输出电压过高时，即强迫导通晶体 管Q2，等等。作法很多，不一一尽述。
当然，在本发明的概念下，达成图6波形的作法不只一种，兹再 举一例如图12。在本实施例中，晶体管Q1-Q4都是NMOS晶体管， UG讯号与LG讯号同样为以已知方式所产生的切换讯号，而节点Vx 上的电压即等于控制讯号UGCT。
一般而言，已知电路中产生UG讯号与LG讯号的方式，是使用误 差放大器EA将反馈讯号FB与一参考电压Vref相比较，并将比较结果 送给一个PWM讯号产生电路(未示出)，以产生UG讯号与LG讯号。 本实施例中，除了上述的PWM主回路之外，另增加一线性副回路，使 其具震荡消除以及小电流电压调整(Voltage regulation)的稳压功能。如 图所示，此副回路是另行利用反馈讯号FB，在转导放大器GM中与另 一参考电压相比较，此参考电压宜设定为略高于参考电压Vref，故图 中以Vref+AV表示。转导放大器GM的输出，供应给晶体管Q4的漏 极与栅极。在副回路发生作用时，且供应给输出端负载的电流小于此 回路所能提供的最大电流时，FB电压会平衡在Vref+AV附近。在负载 电流大于此副回路提供的最大电流时，会使得FB电压低于Vref，因而 PWM主回路就会发生作用，使此转换器回复被主回路控制的PWM状 态。请对照图13，在T1时段中，当UG讯号为高位准且开关A切断 时，晶体管Q3导通，节点Vx的电压为高位准。当UG讯号为低位准 时，晶体管Q3切断，节点Vx的电压视开关A、 B的状态而定。在T2 时段中，当开关A导通且开关B切断时，节点Vx接地，其电压等于0。 在T3时段中，当开关A切断且开关B导通时，电路有如一个线性稳 压电路(linear regulator)，其参考电压为Vref+AV。节点Vx的电压受 转导放大器GM的输出控制，使晶体管Q1成为低导通状态，此时晶体 管Ql上通过的电流Ic可协助使电感电流k迅速进入稳定状态，消除 震荡。
又，与前一实施例相似地，在本实施例中，亦可设置整流电路、 过高电压保护电路、对开关A、 B的切换时间提供防护区间等等，不另 绘示。
以上已根据本发明的概念，举两具体电路为举例作说明；唯以上 所述者，仅系为使熟悉本技术者易于了解本发明的内容而已，并非用 来限定本发明的权利范围。对于熟悉本技术者，当可在本发明精神内， 立即思及各种等效变化；例如，在所示各实施例中，举例以分压方式， 从输出端萃取反馈电压讯号，但萃取反馈讯号的方式，并不局限于此。 再如，电路中可插入不影响讯号主要意义的元件，如其它开关等。又 如，虽然在以上说明中仅以降压型切换式电源供应器为例，但本发明 同样可应用在升压型切换式电源供应器和反压型切换式电源供应器 中。故凡依本发明的概念与精神所为的均等变化或修饰，均应包括于 本发明的申请专利范围内。
权利要求
1. 一种快速消除震荡的切换式电源供应器，包含第一晶体管、第二晶体管、与电感器，相互电连接于一共同节点，其中该第一晶体管与一输入电压电连接、该第二晶体管电性接地、该电感器与一输出端电连接，且其中该第一晶体管和第二晶体管受控而切换其状态，以将输入电压转换供应给输出端；其特征在于，该第一晶体管至少具有导通和低电流流通两种状态。
2. 如权利要求l所述的切换式电源供应器，其中当第二晶体管开 启时，第一晶体管为关闭；当第二晶体管关闭时，第一晶体管为低电 流流通状态。
3. 如权利要求l所述的切换式电源供应器，其中该第一晶体管具 有导通、关闭和低电流流通三种状态。
4. 如权利要求3所述的切换式电源供应器，其中当第二晶体管开 启时，第一晶体管为关闭；当第二晶体管关闭时，第一晶体管为开启 或低电流流通状态。
5. 如权利要求l所述的切换式电源供应器，其更包含有一个电流 控制电路，用以控制使该第一晶体管成为低电流流通状态。
6. 如权利要求5所述的切换式电源供应器，其更包含一个多路电 路，此多路电路接收前述电流控制电路的输出作为其输入之一，多路 电路的输出控制第一晶体管的栅极。
7. 如权利要求6所述的切换式电源供应器，其自输出端取得一反 馈讯号，并根据该反馈讯号而产生上下桥控制讯号，该上桥控制讯号 供应作为多路电路的另一输入，该下桥控制讯号控制第二晶体管的切换。
8.如权利要求6所述的切换式电源供应器，其中该电流控制电路 包括一个第三晶体管和一个与该第三晶体管电连接的电流源，当该多 路电路选择该电流控制电路时，该电流控制电路将该电流源的电流成 比例地镜射至该第一晶体管上。
9. 如权利要求6所述的切换式电源供应器，其中该电流控制电路包括一个转导放大器，此转导放大器将来自输出端之一反馈讯号与一 参考电压比较而产生输出讯号，当该多路电路选择该电流控制电路时， 该电流控制电路将该转导放大器的输出供应至该第一晶体管的栅极。
10. —种消除震荡的切换式电源供应器，包含可变电阻、晶体管、与电感器，相互电连接于一共同节点，其中 该可变电阻与一输入电压电连接、该晶体管电性接地、该电感器与一 输出端电连接，藉此，根据该可变电阻的阻值变化与该晶体管的切换， 而将输入电压转换供应给输出端。
11. 如权利要求IO所述的切换式电源供应器，其中当该晶体管自 导通切换至关闭后的一段时间内，该可变电阻的阻值在0与无穷大值之间，其中不含o与无穷大值。
12. 如权利要求IO所述的切换式电源供应器，其中该可变电阻为一具有导通、关闭和低电流流通三种状态的晶体管。
13. 如权利要求12所述的切换式电源供应器，其中当该三态晶体 管为低电流流通状态时，通过该三态晶体管源漏极的电流，为1微安 培或其以上，但在其完全导通的电流量以下。
14. 一种切换式电源供应器的控制方法，包含以下步骤-提供一个切换式电源供应器，该切换式电源供应器包括第一晶体 管、第二晶体管、与电感器，相互电连接于一共同节点，其中该第一 晶体管与一输入电压电连接、该第二晶体管电性接地、该电感器与一输出端电连接；控制该第一晶体管和第二晶体管，以切换其状态；以及 在第二晶体管关闭后之一段时间内，使第一晶体管为低电流流通状态。
15. 如权利要求14所述的切换式电源供应器的控制方法，尚包含 以下步骤选择性地提供两种控制讯号之一给该第一晶体管的栅极， 在第一控制讯号下，第一晶体管在导通与关闭间切换，在第二控制讯 号下，第一晶体管成低电流流通状态。
16. 如权利要求15所述的切换式电源供应器的控制方法，尚包含 以下步骤自输出端取得一反馈讯号，并根据该反馈讯号而产生上下 桥控制讯号，该上桥控制讯号供应作为第一晶体管的第一控制讯号， 该下桥控制讯号控制第二晶体管的切换。
17. 如权利要求15所述的切换式电源供应器的控制方法，尚包含 以下步骤提供一个第三晶体管和一个与该第三晶体管电连接的电流 源，并使用此第三晶体管和电流源来产生所述第二控制讯号。
18. 如权利要求15所述的切换式电源供应器的控制方法，尚包含 以下步骤自输出端取得一反馈讯号；在一转导放大器中将该反馈讯号与一参考电压相比较；以及使用此转导放大器的输出来产生所述第二控制讯号。
全文摘要
本发明提出一种快速消除震荡的切换式电源供应器及其控制方法，包含可变电阻、晶体管、与电感器，相互电连接于一共同节点，其中该可变电阻与一输入电压电连接、该晶体管电性接地、该电感器与一输出端电连接，藉此，根据该可变电阻的阻值变化与该晶体管的切换，而将输入电压转换供应给输出端。本发明提供的电路可以使晶体管成为低电流状态，此时晶体管上通过的电流Ic可协助使电感电流I_L迅速进入稳定状态，消除震荡。
文档编号H02M3/155GK101286700SQ200710096539
公开日2008年10月15日 申请日期2007年4月11日 优先权日2007年4月11日
发明者陈安东, 魏维信, 龚能辉 申请人:立锜科技股份有限公司