直流对直流转换器、时间产生电路及其操作方法
【专利摘要】一种直流对直流转换器，包括输出级、回授回路、脉宽调变产生电路及驱动电路。输出级耦接输入电压与输出电感，以提供输出电压。回授回路耦接输出电感且接收输出电压，以产生控制信号。脉宽调变产生电路耦接回授回路且接收控制信号。脉宽调变产生电路还包括时间产生单元。时间产生单元根据校正电压使得脉宽调变产生电路产生脉宽调变信号。校正电压反应于输出电压以及与输入电压相关的第一电流源。驱动电路耦接输出级与脉宽调变产生电路，且接收脉宽调变信号以控制输出级的操作。
【专利说明】直流对直流转换器、时间产生电路及其操作方法
【技术领域】
[0001]本发明与直流对直流转换器(DC-DC converter)有关，特别是关于一种直流对直流转换器、时间产生电路及其操作方法。
【背景技术】
[0002]请参照图1，图1为已知的直流对直流转换器的一次性时脉产生器的功能方块图。如图1所示，一次性时脉产生器(One-Shot Timing Generator)TG用以输出脉冲信号0ΝΤ_OUT以控制闸极控制单元，进而控制闸极驱动器输出开关导通信号至输出级。然而，在实际应用中，脉冲信号0NT_0UT的脉冲宽度不一定会等同于开关导通信号的脉冲宽度，其原因可能是信号传输延迟(signal propagation delay)、驱动器延迟(driver delay)或其他寄生电容所造成的延迟。这些非理想因素导致开关导通时间(On-time，Ton)产生误差时间，且在不同输入电压下所占比例不同，造成频率上的误差。
[0003]请参照图2，图2为开关导通时间(Ton)随输入电压(Vin)的倒数变化的曲线图。如图2所示，此曲线y=3532.8x+52.041与纵轴y的截距52.041即为导通时间(Ton)于非理想状况下所产生的误差时间。如图3所示，此一误差时间将会导致系统在不同的输入电压(Vin)下具有不同的操作频率(f)。尤其在高输入电压时影响更为显著，系统的操作频率将会明显降低，因而影响到系统的正常操作。
[0004]因此，本发明提出一种直流对直流转换器、时间产生电路及其操作方法，以解决现有技术所遭遇到的上述种种问题。
【发明内容】
[0005]本发明的一范畴在于提出一种直流对直流转换器。于一较佳具体实施例中，直流对直流转换器耦接输入电压与输出电感。直流对直流转换器包括输出级、回授回路、脉宽调变产生电路及驱动电路。输出级耦接输入电压与输出电感，以提供输出电压。回授回路耦接输出电感且接收输出电压，以产生控制信号。脉宽调变产生电路耦接回授回路且接收控制信号，其中脉宽调变产生电路还包括时间产生单元，时间产生单元根据校正电压使得脉宽调变产生电路产生脉宽调变信号。校正电压反应于输出电压以及与输入电压相关的第一电流源。驱动电路耦接输出级与脉宽调变产生电路，且接收脉宽调变信号以控制输出级的操作。
[0006]本发明的另一范畴在于提出一种时间产生电路。于一较佳具体实施例中，时间产生电路应用于直流对直流转换器的脉宽调变产生电路。直流对直流转换器耦接输入电压，以提供输出电压。时间产生电路包括时间产生单元。时间产生单元包括时间电路、校正电路及第一比较器。时间电路用以接收脉宽调变控制信号，且根据脉宽调变控制信号及与输入电压相关的第一电流源来产生时间控制信号。校正电路包括与输入电压相关的第一电流源与校正电阻，且反应输入电压与输出电压，以提供校正电压。第一比较器耦接时间电路与校正电路，以使得脉宽调变产生电路产生脉宽调变信号。[0007]本发明的另一范畴在于提出一种直流对直流转换器操作方法。于一较佳具体实施例中，直流对直流转换器操作方法用以操作直流对直流转换器。直流对直流转换器包括输出级、回授回路、脉宽调变产生电路及驱动电路。输出级耦接输入电压与输出电感。回授回路耦接输出电感。直流对直流转换器操作方法包括下列步骤:输出级提供输出电压；回授回路接收输出电压并产生控制信号；脉宽调变产生电路接收控制信号并根据校正电压产生脉宽调变信号，其中校正电压反应于输出电压以及与输入电压相关的第一电流源；驱动电路接收脉宽调变信号并控制输出级的操作。
[0008]本发明的另一范畴在于提出一种时间产生电路操作方法。于一较佳具体实施例中，时间产生电路操作方法用以操作时间产生电路。时间产生电路应用于直流对直流转换器的脉宽调变产生电路。直流对直流转换器耦接输入电压并提供输出电压。时间产生电路包括时间电路、校正电路及比较器。时间产生电路操作方法包括下列步骤:时间电路根据脉宽调变控制信号以及与输入电压相关的第一电流源产生时间控制信号；校正电路反应输入电压与输出电压，以提供校正电压；比较器接收时间控制信号与校正电压并使得脉宽调变产生电路产生脉宽调变信号。
[0009]相对于现有技术，本发明的直流对直流转换器、时间产生电路及其操作方法能够通过将开关导通时间减去随输入电压变化的误差时间的方式有效地排除由于传输信号延迟、驱动延迟或其他寄生电容造成的延迟等非理想的误差时间对操作频率的影响，由此维持恒定的开关导通时间与操作频率，使其不会随着输入电压而变化，故能提升系统的静态稳定性，也可改善电磁干扰(Electro-Magnetic interference, EMI)的现象。
[0010]关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附附图得到进一步的了解。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为已知的直流对直流转换器的一次性时脉产生器的功能方块图。
[0012]图2为开关导通时间随输入电压的倒数变化的曲线图。
[0013]图3为在不同的输入电压下具有不同的操作频率。
[0014]图4为根据本发明的一具体实施例的直流对直流转换器的功能方块图。
[0015]图5为根据本发明的一具体实施例的时间产生单元的功能方块图。
[0016]图6为经校准后的操作频率不随输入电压而变化的示意图。
[0017]图7为本发明的时间产生单元的另一具体实施例。
[0018]图8为根据本发明的另一具体实施例的直流对直流转换器操作方法的流程图。
[0019]图9为根据本发明的另一具体实施例的时间产生电路操作方法的流程图。【主要元件符号说明】
[0020]SlO~S24:流程步骤TG:一次性时脉产生器
[0021]1:直流对直流转换器10:误差放大器
[0022]12:比较器14:时间产生单元
[0023]16:闸极控制单元18:闸极驱动器
[0024]19:输出级L:输出电感
[0025] Ql:第一电晶体开关Q2:第二电晶体开关[0026]Rl:第一分压电阻R2:第二分压电阻
[0027]R3~R4:电阻Cl~C2:电容
[0028]Vfb:回授电压Vref:参考电压
[0029]ERR:误差放大信号Ramp:斜波信号
[0030]Ton:开关导通时间信号PWM:脉宽调变信号
[0031]DH、DL:开关导通信号L:输出电感
[0032]Vin:输入电压Vqi1T:输出电压
[0033]10A、12A:输出端+:正输入端
[0034]-:负输入端0NT_0UT:脉冲信号
[0035]Ml:电晶体开关230:电流源
[0036]CREF:参考电容222:比较器
[0037]240:电源VFQ、VIFQ:电压
[0038]IFQ:电流NORl:非或闸元件
[0039]f:操作频率14、7:时间产生单元
·[0040]5A、7A:时间电路5B、7B:校正电路
[0041]Il:第一电流源12:第二电流源
[0042]C1:电容R1:校正电阻
[0043]SW:开关50、70:第一比较器
[0044]52:运算放大器J、K:输出端
[0045]VE, Vb:电压Vm、Va:校正电压
[0046]Vp:时间控制信号13:第三电流源
[0047]Ibl:第一偏压电流源Ib2:第二偏压电流源
[0048]MPl:第一电晶体MP2:第二电晶体
[0049]MB:缓冲单元Vth:临界电压
[0050]OB:运算放大器缓冲器
【具体实施方式】
[0051]根据本发明的一较佳具体实施例为一种直流对直流转换器。实际上，本发明提出的直流对直流转换器具有恒定的开关导通时间，也可适用于交流对直流转换器或直流对交流转换器等电源转换电路的架构中。需说明的是，本发明所提到的耦接可以是直接耦接、间接耦接或电性连接等形式，并不限定其连接关系。
[0052]请参照图4，直流对直流转换器I包括误差放大器10、比较器12、时间产生单元
14、闸极控制单元16、闸极驱动器18、输出级19、输出电感L、第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、电阻R3~R4及电容Cl~C2。输出级19包括第一电晶体开关Ql及第二电晶体开关Q2 ;第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、误差放大器10及比较器12可属于回授回路；时间产生单元14及闸极控制单元16可属于脉宽调变产生电路；闸极驱动器18可属于驱动电路。
[0053]误差放大器10耦接比较器12 ；电阻R4耦接至误差放大器10与比较器12之间；电容C2耦接于电阻R4与接地端之间；时间产生单元14耦接于比较器12与闸极控制单元16之间；闸极控制单元16耦接于时间产生单元14与闸极驱动器18之间；闸极驱动器18分别耦接第一电晶体开关Ql及第二电晶体开关Q2的闸极；第一电晶体开关Ql与第二电晶体开关Q2串接于输入电压Vin与接地端之间；输出电感L的一端耦接至第一电晶体开关Ql与第二电晶体开关Q2之间且输出电感L的另一端耦接输出电SVot ;电容Cl耦接至输出电感L与输出电压Vot之间；电阻R3耦接于电容Cl与接地端之间；第一分压电阻Rl耦接至输出电感L与输出电压Vqut之间；第二分压电阻R2 I禹接于第一分压电阻Rl与接地端之间。
[0054]误差放大器10的负输入端一耦接至第一分压电阻Rl与第二分压电阻R2之间以接收回授电压Vfb ;误差放大器10的正输入端+接收参考电压Vref ;误差放大器10的输出端IOA输出误差放大信号ERR。比较器12的正输入端+接收误差放大信号ERR ；比较器12的负输入端一接收斜波信号Ramp ;比较器12的输出端12A输出控制信号至时间产生单元14。
[0055]时间产生单元14根据校正电压进行校正以输出恒定的开关导通时间信号Ton至闸极控制单元16。闸极控制单元16根据开关导通时间信号Ton输出脉宽调变信号PWM至闸极驱动器18。闸极驱动器18根据脉宽调变信号PWM控制输出级19的操作，选择性地输出开关导通信号DH及DL至第一电晶体开关Ql与第二电晶体开关Q2的闸极，以控制第一电晶体开关Ql与第二电晶体开关Q2的开启或关闭。
[0056]接下来，将进一步对本发明的应用于直流对直流转换器的脉宽调变产生电路中的时间产生单元进行详细说明。如图5所示，时间产生单元14包括时间电路5A、校正电路5B及第一比较器50。于此实施例中，时间电路5A包括第二电流源12、电容Ci及开关SW ;校正电路5B包括第一电流源I1、校正电阻Ri及运算放大器52。实际上，运算放大器52的连接方式可以形成一运算放大器缓冲器(OP buffer)0B，以作为校正电路5B中的缓冲单元。
[0057]电容Ci耦接于第二电流源12与接地端之间；第一比较器50的正输入端+耦接至校正电阻Ri与第一电流源Il之间，其负输入端一耦接于第二电流源12、电容Ci及开关SW之间；第一电流源Il耦接于校正电阻Ri与接地端之间；校正电阻Ri耦接于运算放大器52与第一电流源Il之间；运算放大器52的正输入端+耦接至输出电压Vott，其负输入端一耦接至运算放大器52的输出端K与校正电阻Ri之间。
[0058]需说明的是，第一电流源Il及第二电流源12分别为输入电压Vin的函数，也即第一电流源Il及第二电流源12的电流大小将会随着输入电压Vin的增减而变化。
[0059]时间电路5A接收脉宽调变控制信号PWM，并根据脉宽调变控制信号PWM及与输入电压Vin相关的第二电流源12来产生时间控制信号Vp。
[0060]于校正电路5B中，由于运算放大器52的输出端K与校正电阻Ri之间的电压Vk大致与输出电压Vqut相近，且校正电阻Ri上的压差(跨压)为第一电流源Il与校正电阻Ri的乘积，因此，校正电路5B提供给第一比较器50的校正电压Vm等于输出电压Vqut减去第一电流源Il与校正电阻Ri的乘积，也即校正电压Vm=输出电压Vtot —(第一电流源II*校正电阻Ri)。由于第一电流源Il为输入电压Vin的函数，因此，校正电路5B所提供的校正电压Vm同时为输入电压Vin与输出电压Vmjt的函数，可同时反应输入电压Vin与输出电压V.。
[0061]当第一比较器50的正输入端+接收来自校正电路5B的校正电压Vm且其负输入端一接收来自时间电路5A的时间控制信号Vp时，第一比较器50比较时间控制信号Vp与校正电压Vm以产生包括经校正后的开关导通时间的开关导通时间信号Ton，并通过输出端J将开关导通时间信号Ton输出。需说明的是，经校正后的开关导通时间将会等于[电容Ci* (输出电压Vqut —第一电流源II*校正电阻Ri) ]/第二电流源12，也即经校准后的开关导通时间等于尚未校准的开关导通时间减去误差时间。也就是说，开关导通时间经校准后可有效消除误差时间的影响。
[0062]其校准后的结果请参照图6，经校准后的操作频率将大致维持稳定，而不会随着输入电压Vin的不同而产生变化。需注意的是，由于第一电流源Il会随着输入电压Vin增加而变大，因此，当输入电压Vin愈高时，开关导通时间所减去的误差时间也愈大，也即开关导通时间所受校准的幅度愈大。
[0063]请参照图7，图7为本发明的时间产生电路的另一具体实施例。如图7所示，时间产生电路7包括时间电路7A、校正电路7B及第一比较器70。于此实施例中，时间电路7A包括第二电流源12、电容Ci及开关SW ;校正电路7B包括第一电流源11、校正电阻Ri及缓冲单元MB。缓冲单元MB包括第三电流源13、第二偏压电流源Ib2、第二电晶体MP2、第一偏压电流源Ibl及第一电晶体MPl。
[0064]电容Ci耦接于第二电流源12与接地端之间；第一电晶体MPl的闸极耦接至第二电流源12与电容Ci之间，其源极及汲极分别耦接第一偏压电流源Ibl及接地端；第一比较器70的正输入端+耦接至校正电阻Ri与第一电流源Il之间，其负输入端一耦接至第一偏压电流源Ibl与第一电晶体MPl之间；第一电流源Il耦接于校正电阻Ri与接地端之间；校正电阻Ri的一端耦接第一电流源Il及第一比较器70的正输入端+，其另一端耦接第二电晶体MP2、第二偏压电流源Ib2及第三电流源13 ;第二电晶体MP2的闸极耦接至输出电压Vtot，其源极及汲极分别耦接接地端、第二偏压电流源Ib2及第三电流源13。
[0065]需说明的是，第一电流源11、第二电流源12及第三电流源13分别为输入电压Vin的函数，也即第一电流源I1、第二电流源12及第三电流源13的电流大小将会随着输入电压Vin的增减而变化。此外，第一电流源Il的电流值与第三电流源13的电流值相同，以维持第二电晶体MP2的共模位准。
[0066]时间电路7A接收脉宽调变控制信号PWM，并根据脉宽调变控制信号PWM及与输入电压Vin相关的第二电流源12产生时间控制信号Vp至第一电晶体MPl的闸极。第一偏压电流源Ibl与第一电晶体MPl之间的电压Vb等于第一电晶体MPl的临界电压Vth加上时间控制信号Vp。校正电阻Ri与第一电流源Il之间的校正电压Va等于输出电压Votit加上第二电晶体MP2的临界电压Vth再减去第一电流源Il与校正电阻Ri的乘积，也即校正电压Va=输出电压Vqut +第二电晶体MP2的临界电压Vth —(第一电流源II*校正电阻Ri)。由于第一电流源Il为输入电压Vin的函数,故校正电路5B所提供的校正电压Va同时为输入电压Vin与输出电压Vmjt的函数，可同时反应输入电压Vin与输出电压V.。
[0067]当第一比较器70的正输入端+接收到校正电压Va且其负输入端一接收到电压Vb时，第一比较器70比较电压Vb与校正电压Va以产生包括经校正后的开关导通时间的开关导通时间信号Ton，并通过输出端J将开关导通时间信号Ton输出。
[0068]实际上，校正电路7B中的缓冲单元MB所包括的第一电晶体MPl与第二电晶体MP2可以是金-氧-半场效电晶体，故缓冲单元MB可以是金-氧-半场效电晶体缓冲器(M0SFETbuffer),但不以此为限。
[0069]根据本发明的另一较佳具体实施例为一种直流对直流转换器操作方法。于此实施例中，上述操作方法用以操作具有恒定的导通时间的直流对直流转换器。直流对直流转换器包括输出级、回授回路、脉宽调变产生电路及驱动电路。输出级耦接输入电压与输出电感。回授回路耦接输出电感。请参照图8，图8为此实施例的直流对直流转换器操作方法的流程图。
[0070]如图8所示，首先，上述方法执行步骤SIO，输出级提供输出电压。接着，上述方法执行步骤S12，回授回路接收输出电压并产生控制信号。然后，上述方法执行步骤S14，脉宽调变产生电路接收控制信号并根据校正电压产生脉宽调变信号，其中校正电压反应于输出电压以及与输入电压相关的第一电流源。之后，上述方法执行步骤S16，驱动电路接收脉宽调变信号并控制输出级的操作。
[0071]需说明的是，上述方法执行步骤S14的方式可以有下列两种:(1)若脉宽调变产生电路的时间产生单元包括校正电阻，则步骤S14中所采用的校正电压等于输出电压减去第一电流源与校正电阻的乘积。(2)若脉宽调变产生电路的时间产生单元包括校正电阻及金氧半场效电晶体缓冲器，则步骤S14中所采用的校正电压等于输出电压加上金氧半场效电晶体缓冲器的临界电压再减去第一电流源与校正电阻的乘积。
[0072]根据本发明的另一较佳具体实施例为一种时间产生电路操作方法。于此实施例中，时间产生电路操作方法用以操作时间产生电路。时间产生电路应用于直流对直流转换器的脉宽调变产生电路。直流对直流转换器耦接输入电压并提供输出电压。时间产生电路包括时间电路、校正电路及比较器。请参照图9，图9为此实施例的时间产生电路操作方法的流程图。
[0073]如图9所示，首先，上述方法执行步骤S20，时间电路根据脉宽调变控制信号以及与输入电压相关的第一电流源产生时间控制信号。接着，上述方法执行步骤S22，校正电路反应输入电压与输出电压，以提供校正电压。然后，上述方法执行步骤S24，比较器接收时间控制信号与校正电压并使得脉宽调变产生电路产生脉宽调变信号。
[0074]于实际应用中，上述方法可于校正电路中提供运算放大器缓冲器(OP buffer)或金氧半场效电晶体缓冲器(MOSFET buffer)作为缓冲单元，但不以此为限。
[0075]相对于现有技术，本发明的直流对直流转换器、时间产生电路及其操作方法能够通过将开关导通时间减去随输入电压变化的误差时间的方式有效地排除由于传输信号延迟、驱动延迟或其他寄生电容造成的延迟等非理想的误差时间对操作频率的影响，由此维持恒定的开关导通时间与操作频率，使其不会随着输入电压而变化，故能提升系统的静态稳定性，也可改善电磁干扰(Electro-Magnetic interference, EMI)的现象。
[0076]通过以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。
【权利要求】
1.一种直流对直流转换器，稱接一输入电压与一输出电感，其特征在于，上述直流对直流转换器包括: 一输出级，I禹接上述输入电压与上述输出电感，以提供一输出电压； 一回授回路，耦接上述输出电感，且接收上述输出电压，以产生一控制信号； 一脉宽调变产生电路，耦接上述回授回路，且接收上述控制信号，其中上述脉宽调变产生电路还包括一时间产生单元，上述时间产生单元根据一校正电压使得上述脉宽调变产生电路产生一脉宽调变信号，上述校正电压反应于上述输出电压以及与上述输入电压相关的一第一电流源；以及 一驱动电路，耦接上述输出级与上述脉宽调变产生电路，且接收上述脉宽调变信号以控制上述输出级的操作。
2.如权利要求1所述的直流对直流转换器，其特征在于，上述时间产生单元包括一校正电阻，上述校正电压等于上述输出电压减去上述第一电流源与上述校正电阻的乘积。
3.如权利要求1所述的直流对直流转换器，其特征在于，上述时间产生单元包括一校正电阻及一金氧半场效电晶体缓冲器，上述校正电压等于上述输出电压加上上述金氧半场效电晶体缓冲器的临界电压再减去上述第一电流源与上述校正电阻的乘积。
4.一种时间产生电路，应用于一直流对直流转换器的一脉宽调变产生电路，其特征在于，上述直流对直流转换器I禹接一输入电压，以提供一输出电压，上述时间产生电路包括: 一时间产生单元，包括: 一时间电路，用以接收一`脉宽调变控制信号，并根据上述脉宽调变控制信号及与上述输入电压相关的一第一电流源产生一时间控制信号； 一校正电路，包括上述第一电流源及一校正电阻，且反应上述输入电压与上述输出电压，以提供一校正电压；以及 一比较器，耦接上述时间电路与上述校正电路，以使得上述脉宽调变产生电路产生一脉宽调变信号。
5.如权利要求4所述的时间产生电路，其特征在于，上述校正电路还包括一缓冲单元。
6.如权利要求4所述的时间产生电路，其特征在于，上述缓冲单元为一运算放大器缓冲器。
7.如权利要求4所述的时间产生电路，其特征在于，上述缓冲单元为一金氧半场效电晶体缓冲器。
8.一种直流对直流转换器操作方法，用以操作一直流对直流转换器，其特征在于，上述直流对直流转换器包括一输出级、一回授回路、一脉宽调变产生电路及一驱动电路，上述输出级耦接一输入电压与一输出电感，上述回授回路耦接上述输出电感，上述直流对直流转换器操作方法包括下列步骤: 上述输出级提供一输出电压； 上述回授回路接收上述输出电压并产生一控制信号； 上述脉宽调变产生电路接收上述控制信号并根据一校正电压产生一脉宽调变信号，其中上述校正电压反应于上述输出电压以及与上述输入电压相关的一第一电流源；以及 上述驱动电路接收上述脉宽调变信号并控制上述输出级的操作。
9.如权利要求8所述的直流对直流转换器操作方法，其特征在于，上述脉宽调变产生电路包括一校正电阻，上述校正电压等于上述输出电压减去上述第一电流源与上述校正电阻的乘积。
10.如权利要求8所述的直流对直流转换器操作方法，其特征在于，上述脉宽调变产生电路包括一校正电阻及一金氧半场效电晶体缓冲器，上述校正电压等于上述输出电压加上上述金氧半场效电晶体缓冲器的临界电压再减去上述第一电流源与上述校正电阻的乘积。
11.一种时间产生电路操作方法，用以操作一时间产生电路，其特征在于，上述时间产生电路应用于一直流对直流转换器的一脉宽调变产生电路，上述直流对直流转换器耦接一输入电压并提供一输出电压，上述时间产生电路包括一时间电路、一校正电路及一比较器，上述时间产生电路操作方法包括下列步骤: 上述时间电路根据一脉宽调变控制信号以及与上述输入电压相关的一第一电流源产生一时间控制信号； 上述校正电路反应上述输入电压与上述输出电压，以提供一校正电压；以及 上述比较器接收上述时间控制信号与上述校正电压并使得上述脉宽调变产生电路产生一脉宽调变信号。
12.如权利要求11所述的时间产生电路操作方法，其特征在于，还包括于上述校正电路中提供一运算放大器缓冲器作为一缓冲单元。
13.如权利要求11所述的时间产生电路操作方法，其特征在于，还包括于上述校正电路中提供一金氧 半场效电晶体缓冲器作为一缓冲单元。
【文档编号】H02M1/088GK103872901SQ201310237639
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2013年6月17日 优先权日:2012年12月17日
【发明者】陈伟陵 申请人:力智电子股份有限公司