电源转换器的相位调整电路、电源转换器及其控制方法
【专利摘要】本发明提供一种电源转换器的相位调整电路、电源转换器及其控制方法。该控制方法包括以下步骤：根据误差信号产生延迟信号，其中误差信号与电源转换器的输出电压有关；放大误差信号与延迟信号之间的差值；根据上述经放大的差值与误差信号提供控制信号。此控制信号的相位领先于误差信号的相位。上述控制信号用来加速电源转换器的响应速度。
【专利说明】电源转换器的相位调整电路、电源转换器及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明是有关于一种电源转换器，尤指一种电源转换器的相位调整电路、电源转换器及其控制方法。
【背景技术】
[0002]图1为现有的电源转换器的示意图。图2为现有的电源转换器的波形示意图。请合并参阅图1和图2。现有的电源转换器100的设计常采用固定的导通时间的架构。比较器110比较误差信号Xerr与斜波信号Xramp来产生比较信号Xcm。时间控制电路120根据比较信号Xcm、输入电压Vin及输出电压Vout来产生脉宽调制信号Xpwm，其中脉宽调制信号Xpwm的每一周期的导通时间Ton的宽度是固定值,且导通时间Ton的宽度是与输入电压Vin和输出电压Vout有关。
[0003]在电源转换器100中，通过误差信号Xerr与斜波信号Xramp来产生比较信号Xcm，并通过比较信号Xcm来决定何时输出脉宽调制信号Xpwm的导通时间Ton，其中误差信号Xerr的大小与反馈信号Vfb和参考电压Vref两者有关。并且在决定输出脉宽调制信号Xpwm的导通时间Ton的时刻，时间控制电路120开始计算并生成导通时间Ton,而且脉宽调制信号Xpwm中的每一周期的导通时间Ton是固定的。
[0004]现有的脉宽调制的操作架构虽可达到固定频率的效果，但当电源转换器100的输出端上的电容器CL的等效串联电阻ESR以及电感器L的等效串联电阻DCR很小时，电容器CL及电感器L因应负载瞬间变化时所补偿的能量会有延迟，因此反馈信号Vfb、误差信号Xerr也会有延迟。原本经过补偿电路130所产生的误差信号Xerr已经不能用来收敛输出电压Vout,于是输出电压Vout的波形有明显的振荡情形。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明提出一种电源转换器的相位调整电路、电源转换器及其控制方法，以解决现有技术所述及的问题。
[0006]本发明提出一种电源转换器的相位调整电路，根据误差信号产生延迟信号，放大误差信号与延迟信号之间的差值，以根据经放大的差值与误差信号提供控制信号，其中误差信号与电源转换器的输出电压有关。
[0007]在本发明的一实施例中，相位调整电路包括第一放大器、第一电阻、第一电容器以及电压控制电压源；第一放大器的第一输入端接收误差信号；第一电阻的第一端耦接第一放大器的第二输入端与输出端；第一电容器稱接于第一电阻的第二端与接地端之间；电压控制电压源的第一输入端耦接第一电阻的第一端，电压控制电压源的第二输入端耦接电阻的第二端，电压控制电压源的第一输出端输出控制信号，电压控制电压源的第二输出端率禹接第一放大器的第一输入端。
[0008]在本发明的一实施例中，相位调整电路包括第二放大器、第二电阻以及第二电容器；第二放大器的第一输入端接收误差信号，第二放大器的输出端输出控制信号；第二电阻率禹接于第二放大器的第二输入端与输出端之间；第二电容器稱接于第二放大器的第二输入端与接地端之间。
[0009]在本发明的一实施例中，相位调整电路包括电流源、第一电流镜、第一 P型金氧半场效晶体管、第三电容器、第一 N型金氧半场效晶体管、第三电阻以及第二电流镜；第一电流镜耦接于工作电压与电流源之间；第一 P型金氧半场效晶体管的源极耦接第一电流镜；第一 P型金氧半场效晶体管的栅极接收误差信号；第三电容器的第一端耦接工作电压，第三电容器的第二端耦接第一 P型金氧半场效晶体管的源极；第一 N型金氧半场效晶体管的漏源极耦接工作电压，第一 N型金氧半场效晶体管的栅极耦接第一 P型金氧半场效晶体管的栅极；第三电阻的第一端耦接第一 N型金氧半场效晶体管的源极；第二电流镜耦接第一P型金氧半场效晶体管的漏极、第三电阻的第二端与接地端，第二电流镜与第三电阻的耦接处产生控制信号。
[0010]在本发明的一实施例中，控制信号的相位领先于误差信号的相位。
[0011]本发明另提出一种电源转换器。电源转换器包括第一放大器、相位调整电路、比较器以及控制电路。第一放大器的第一输入端接收参考电压，第一放大器的第二输入端接收反馈信号，反馈信号与电源转换器的输出电压有关，第一放大器的输出端输出误差信号；相位调整电路耦接第一放大器，且根据误差信号产生延迟信号，并放大误差信号与延迟信号之间的差值，以根据经放大的差值与误差信号提供控制信号；比较器的第一输入端接收控制信号，比较器的第二端接收斜波信号，比较器的输出端输出比较信号；控制电路根据比较信号产生脉宽调制信号，以控制电源转换器。
[0012]本发明另提出一种电源转换器的控制方法，其包括下列步骤:根据误差信号产生延迟信号，其中误差信号与电源转换器的输出电压有关；放大误差信号与延迟信号之间的差值；以及根据经放大的差值与误差信号提供控制信号。
[0013]基于上述，本发明的电源转换器的相位调整电路、电源转换器及其控制方法通过相位领先机制将误差信号转换成新的控制信号，此控制信号用来取代原先的误差信号。由于在进行回路控制时控制信号具有相位补偿效果，因此可以更快速收敛电源转换器的输出电压，瞬态响应也更稳定。
[0014]应了解的是，上述描述及以下【具体实施方式】仅为例示性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]下面的所附图式是本发明的说明书的一部分，其示出了本发明的实施例，附图与说明书的描述一起用来说明本发明的原理。
[0016]图1为现有的电源转换器的示意图；
[0017]图2为现有的电源转换器的波形示意图；
[0018]图3是依照本发明一实施例的电源转换器的架构示意图；
[0019]图4是依照本发明第一实施例的相位调整电路的电路示意图；
[0020]图5是依照本发明第二实施例的相位调整电路的电路示意图；
[0021]图6是依照本发明一实施例的电源转换器的波形分析图；
[0022]图7是依照本发明一实施例的电源转换器相对于现有技术的波形比较图；
[0023]图8是依照本发明一实施例的电源转换器的控制方法的流程图；
[0024]图9是依照本发明第三实施例的相位调整电路的电路示意图。
[0025]附图标记说明:
[0026]10:驱动器；
[0027]20:输出级；
[0028]21:高边开关；
[0029]22:低边开关；
[0030]30:反馈电路；
[0031]40:反馈控制电路；
[0032]61、63、65、67:波形;
[0033]71 ?74:波形；
[0034]91:电流源；
[0035]92、93:电流镜；
[0036]100:电源转换器；
[0037]110:比较器；
[0038]120:时间控制电路；
[0039]130:补偿电路；
[0040]300:电源转换器；
[0041]310:放大器；
[0042]320、320A、320B、320C:相位调整电路；
[0043]321:放大器；
[0044]322:电压控制电压源；
[0045]323:放大器；
[0046]330:比较器；
[0047]340:控制电路；
[0048]Cdelay:电容器；
[0049]CL:电容器；
[0050]DCR:等效串联电阻；
[0051]ESR:等效串联电阻；
[0052]GND:接地端；
[0053]Ib:电流；
[0054]IL:电感电流；
[0055]Iload:负载电流；
[0056]K、Kl:倍率；
[0057]L:电感器；
[0058]LG:低边开关控制信号；
[0059]R、Rdelay:电阻；
[0060]丽I?MN4、MNC:N型金氧半场效晶体管；
[0061]MPl?MP4、MPC:P型金氧半场效晶体管；
[0062]S801 ?S805:步骤；
[0063]Ton:导通时间；
[0064]UG:闻边开关控制/[目号；
[0065]Vcm:比较信号；
[0066]Verr:误差信号；
[0067]Verr_delay:延迟信号；
[0068]Verr_ofs:偏移信号；
[0069]VDD:工作电压；
[0070]Vfb:反馈信号；
[0071]Vin:输入电压；
[0072]Vnew_err:控制信号；
[0073]Vpwm:脉宽调制信号；
[0074]Vout:输出电压；
[0075]Vramp:斜波信号；
[0076]Vref:参考电压；
[0077]Xcm:比较信号；
[0078]Xerr:误差信号；
[0079]Xpwm:脉宽调制信号；
[0080]Xramp:斜波信号；
[0081]δ:差值。
【具体实施方式】
[0082]现在将详细参考本发明的示范性实施例，并在附图中说明所述示范性实施例的实例。另外，在图式及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。
[0083]在下述诸实施例中，当元件被指为“连接”或“耦接”至另一元件时，其可为直接连接或耦接至另一元件，或可能存在介于其间的元件。术语“电路”可表示为至少一元件或多个元件，或者主动的且/或被动的而耦接在一起的元件以提供合适功能。术语“信号”可表示为至少一电流、电压、负载、温度、资料或其他信号。
[0084]图3是依照本发明一实施例的电源转换器的架构示意图。请参阅图3。电源转换器300包括驱动器10、输出级20、电感器L、电容器CL、反馈电路30以及反馈控制电路40。输出级20内的高边开关(high side switch) 21的第一端接收输入电压Vin。低边开关(low side switch) 22稱接于高边开关21的第二端与接地端GND之间。
[0085]在本发明的一实施例中，反馈控制电路40与驱动器10可以组成一直流对直流控制器(DC-DC Controller)，此外，在一实施中，当直流对直流控制器实施在集成电路时，反馈控制电路40中的补偿电路130可以设置在上述集成电路的外部。另外，反馈控制电路40、驱动器10及输出级20可以组成一直流对直流转换器(DC-DC Converter),当直流对直流转换器实施在集成电路时，反馈控制电路40中的补偿电路130可以设置在上述集成电路的外部。
[0086]反馈控制电路40包括放大器310、相位调整电路320、比较器330以及控制电路340。反馈控制电路40还可包括补偿电路130。放大器310的第一输入端接收参考电压Vref。放大器310的第二输入端接收反馈信号Vfb。反馈信号Vfb与电源转换器300的输出电压Vout有关。在其他实施例中，反馈信号Vfb也可以直接是输出电压Vout。放大器310的输出端输出误差信号Verr。相位调整电路320耦接放大器310，根据误差信号Verr提供控制信号Vnew_err。比较器330的第一输入端接收控制信号Vnew_err。比较器330的第二端接收斜波信号Vramp。比较器330的输出端输出比较信号Vcm。控制电路340根据比较信号Vcm产生脉宽调制信号Vpwm，以控制电源转换器300。在本发明的一实施例中，脉宽调制信号Vpwm可以是恒定导通(ConstantOn Time,简称为C0T)信号。在其他实施例中，脉宽调制信号Vpwm可以是其他类型的信号，本发明并不以此为限。
[0087]值得一提的是，控制信号Vnew_err的相位领先于误差信号Verr的相位。
[0088]驱动器10根据脉宽调制信号Vpwm产生高边开关控制信号UG与低边开关控制信号LG，以分别控制高边开关21和低边开关22。输出级20用以对输入电压Vin进行直流对直流的转换，从而电源转换器300可以产生输出电压Vout并输出至负载。
[0089]在本发明的一实施例中，相位调整电路320也可称为延迟处理电路，其用以将误差信号Verr进行延迟处理，继而，再将延迟后的误差信号Verr与原本的误差信号Verr相力口，以形成新的误差信号Vnew_err,也就是上述的控制信号Vnew_err。
[0090]图4是依照本发明第一实施例的相位调整电路的电路示意图。请参阅图4。相位调整电路320A可应用于图3的电源转换器300的架构。相位调整电路320A包括放大器321、电阻Rdelay、电容器Cdelay 以及电压控制电压源(voltage control voltage source,简称为VCVS) 322。
[0091]放大器321的第一输入端接收误差信号Verr。误差信号Verr与电源转换器300的输出电压Vout有关。
[0092]电阻Rdelay的第一端稱接放大器321的第二输入端与输出端。电容器Cdelay率禹接于电阻Rdelay的第二端与接地端GND之间。电压控制电压源322的第一输入端耦接电阻Rdelay的第一端。电压控制电压源322的第二输入端耦接电阻Rdelay的第二端。电压控制电压源322的第一输出端输出控制信号Vnew_err。电压控制电压源322的第二输出端率禹接放大器321的第一输入端。
[0093]相位调整电路320A根据误差信号Verr产生延迟信号Verr_delay，将误差信号Verr与延迟信号Verr_delay之间的差值δ通过电压控制电压源322乘上倍率K (K的数值大于I)而放大。另外，若倍率K的数值介于O至于I之间，则可将差值δ缩小。相位调整电路320Α根据上述经放大的差值(K* δ )与误差信号Verr提供控制信号VneW_err。此控制信号Vnew_err的相位领先于误差信号Verr的相位。
[0094]图5是依照本发明第二实施例的相位调整电路的电路示意图。请参阅图5。相位调整电路320B可应用于图3的电源转换器300的架构。相位调整电路320B包括放大器323、电阻Rdelay以及电容器Cdelay。电阻Rdelay耦接于放大器323的第二输入端与输出端之间。电容器Cdelay耦接于放大器323的第二输入端与接地端GND之间。放大器323的第一输入端接收误差信号Verr。延迟信号Verr_delay为误差信号Verr经延迟的信号。
[0095]假设放大器323的放大率倍率为K，则电阻Rdelay上的电压为K* δ，其中δ =Verr-Verr_delay。放大器323的输出端所产生新的控制信号Vnew_err的相位领先误差信号Verr。此外，放大器323可以为跨导放大器。
[0096]图9是依照本发明第二实施例的相位调整电路的电路不意图。请参阅图9。相位调整电路320C可应用于图3的电源转换器300的架构。相位调整电路320C包括电流源91、电流镜92、P型金氧半场效晶体管MPC、电容器Cdelay、N型金氧半场效晶体管MNC、电阻R以及电流镜93。由P型金氧半场效晶体管MP1、MP2、MP3及MP4组成电流镜92。由N型金氧半场效晶体管丽1、丽2、丽3及MN4组成电流镜93。
[0097]电流镜92耦接于工作电压VDD与电流源91之间。P型金氧半场效晶体管MPC的源极耦接电流镜92。P型金氧半场效晶体管MPC的栅极接收误差信号Verr。电容器Cdelay的第一端耦接工作电压VDD。电容器Cdelay的第二端耦接P型金氧半场效晶体管MPC的源极。N型金氧半场效晶体管MNC的漏源极耦接工作电压VDD。N型金氧半场效晶体管MNC的栅极耦接P型金氧半场效晶体管MPC的栅极。电阻R的第一端耦接N型金氧半场效晶体管MNC的源极。电流镜93耦接P型金氧半场效晶体管MPC的漏极、电阻R的第二端与接地端GND。电流镜93与电阻R的耦接处产生控制信号Vnew_err。
[0098]相位调整电路320C的工作原理如下。电流镜92将定电流IB镜射(mirror)至P型金氧半场效晶体管MPC的源极。镜射电流为定电流Ib乘上倍率Kl。误差信号Verr经电容器CMelay而延迟以提供延迟信号Verr_delay。电容器Cdelay可调整延迟信号Verr_delay的小信号延迟比例。
[0099]误差信号Verr通过N型金氧半场效晶体管MNC的源极跟随(sourcefollow)产生偏移信号Verr_ofs。偏移信号Verr_ofs为误差信号Verr的同相信号。电流镜93将流经P型金氧半场效晶体管MPC的电流镜射至N型金氧半场效晶体管MNC的源极。差值δ (δ=Verr-Verr_delay)经由P型金氧半场效晶体管MPC转成电流信号。电流信号再通过电流镜93而流过电阻R以转成电压信号，并加在偏移信号Verr_ofS上，以获得新的控制信号Vnew_err0控制信号Vnew_err相位的相位领先误差信号Verr。
[0100]图6是依照本发明一实施例的电源转换器的波形分析图。请合并参阅图3、图4和图6。依照图4的实施例作法进行如下的说明。
[0101]波形63、65分别为负载电流Iload与电感器L上的电感电流IL。当负载电流Iload被决定(波形63)时，输出电压Vout的波形61会先往下掉，随着电感电流IL的能量变化，波形61在振荡之后再趋于一个稳定值。
[0102]在本发明实施例中，电源转换器300利用误差信号Verr与经延迟的误差信号Verr计算出差值(电压差)S，δ = Verr_Verr_delay。将差值δ放大，例如将差值δ乘上倍率K (K的数值大于I)。经放大的差值为K*(Verr-Verr_delay)，如波形67所示。波形67位与水平线之上，以正号(+ )表示能量大于负载电流Iload。波形67位与水平线之下，以负号(_)表不能量小于负载电流Iload。
[0103]将波形67与原始的误差信号Verr相加产生新的控制信号Vnew_err。所产生的控制信号VneW_err明显地相位领先原始的误差信号Verr，因此可达到加速收敛电源转换器300的输出电压Vout，加快瞬态响应速度，且可以提供比传统技术更佳的稳定度。
[0104]图7是依照本发明一实施例的电源转换器相较于现有技术的波形比较图。请合并参阅图1、图3和图7。在现有技术中，采用误差信号Xerr与斜波信号Xramp来决定脉宽调制的控制方式，输出电压Vout、电感电流IL分别为波形71、73。电源转换器300采用控制信号Vnew_err与斜波信号Vramp来决定脉宽调制的控制方式,输出电压Vout、电感电流IL分别为波形72、74。
[0105]比较电源转换器300与现有技术中的输出电压Vout的波形，明显地波形72较波形71有较小的振荡。再比较电源转换器300与现有技术中的电感电流IL的波形，明显地波形74较波形73有较小的振荡。由于电源转换器300的控制信号VneW_err具有回路相位的补偿效果，因此在进行回路控制时可以更快速收敛电源转换器300的输出电压Vout，瞬态响应也更稳定。
[0106]基于上述实施例所揭示的内容，可以汇整出一种通用的电源转换器的控制方法。更清楚来说，图8为本发明一实施例的电源转换器的控制方法的流程图。请合并参阅图3和图8，本实施例的控制方法可以包括以下步骤。
[0107]如S801所不,根据误差信号Verr产生延迟信号Verr_delay,其中误差信号Verr与电源转换器300的输出电压Vout有关。
[0108]接着如S803所示，放大误差信号Verr与延迟信号Verr_delay之间的差值。
[0109]如S805所示，根据上述经放大的差值与误差信号Verr提供控制信号VneW_err。控制信号Vnew_err的相位领先于误差信号Verr的相位。
[0110]综上所述，本发明的电源转换器的相位调整电路、电源转换器及其控制方法通过相位领先机制将误差信号转换成新的控制信号，此控制信号用来取代原先的误差信号。由于在进行回路控制时控制信号具有相位补偿效果，因此可以更快速收敛电源转换器的输出电压，瞬态响应也更稳定。另一方面，本发明的电源转换器的相位调整电路可以应用于现有恒定导通时间(COT)的架构。
[0111]最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
【权利要求】
1.一种电源转换器的相位调整电路，其特征在于，根据一误差信号产生一延迟信号，且放大该误差信号与该延迟信号之间的一差值，以根据该差值与该误差信号提供一控制信号，其中该误差信号与该电源转换器的一输出电压有关。
2.根据权利要求1所述的相位调整电路，其特征在于，包括: 一第一放大器，其第一输入端接收该误差信号； 一第一电阻，其第一端稱接该第一放大器的第二输入端与输出端； 一第一电容器，稱接于该第一电阻的第二端与一接地端之间；以及一电压控制电压源，其第一输入端稱接该第一电阻的第一端，其第二输入端稱接该电阻的第二端，其第一输出端输出该控制信号，其第二输出端耦接该第一放大器的第一输入端。
3.根据权利要求1所述的相位调整电路，其特征在于，包括: 一第二放大器，其第一输入端接收该误差信号，其输出端输出该控制信号； 一第二电阻，I禹接于该第二放大器的第二输入端与输出端之间；以及 一第二电容器，稱接于该第二放大器的第二输入端与一接地端之间。
4.根据权利要求1所述的相位调整电路，其特征在于，包括: 一电流源； 一第一电流镜，稱接于一工作电压与该电流源之间； 一第一 P型金氧半场效晶体管，其源极耦接该第一电流镜，其栅极接收该误差信号；一第三电容器，其第一端耦接该工作电压，其第二端耦接该第一 P型金氧半场效晶体管的源极； 一第一 N型金氧半场效晶体管，其漏源极耦接该工作电压，其栅极耦接该第一 P型金氧半场效晶体管的栅极； 一第三电阻，其第一端耦接该第一 N型金氧半场效晶体管的源极；以及一第二电流镜，耦接该第一 P型金氧半场效晶体管的漏极、该第三电阻的第二端与接地端，其中该第二电流镜与该第三电阻的耦接处产生该控制信号。
5.根据权利要求1所述的相位调整电路，其特征在于，该控制信号的相位领先于该误差信号的相位。
6.—种电源转换器,其特征在于,包括: 一第一放大器，其第一输入端接收一参考电压，其第二输入端接收一反馈信号，其输出端输出一误差信号，其中该反馈信号与该电源转换器的一输出电压有关； 一相位调整电路，耦接该第一放大器，且根据该误差信号产生一延迟信号，并放大该误差信号与该延迟信号之间的一差值，以根据该差值与该误差信号提供一控制信号； 一比较器，其第一输入端接收该控制信号，其第二端接收一斜波信号，其输出端输出一比较信号；以及 一控制电路，根据该比较信号产生一脉宽调制信号，以控制该电源转换器。
7.根据权利要求6所述的电源转换器，其特征在于，该相位调整电路包括: 一第二放大器，其第一输入端接收该误差信号； 一第一电阻，其第一端稱接该第二放大器的第二输入端与输出端； 一第一电容器，稱接于该第一电阻的第二端与一接地端之间；以及 一电压控制电压源，其第一输入端稱接该第一电阻的第一端，其第二输入端稱接该电阻的第二端，其第一输出端输出该控制信号，其第二输出端耦接该第二放大器的第一输入端。
8.根据权利要求6所述的电源转换器，其特征在于，该相位调整电路包括: 一第三放大器，其第一输入端接收该误差信号，其第二输入端与输出端之间耦接一第二电阻，其输出端用于输出该控制信号；以及 一第二电容器，稱接于该第三放大器的第二输入端与一接地端之间。 一第二电流镜，耦接该第一 P型金氧半场效晶体管的漏极、该第三电阻的第二端与接地端，其中该第二电流镜与该第三电阻的耦接处产生该控制信号。
9.根据权利要求6所述的电源转换器，其特征在于，该控制信号的相位领先于该误差信号的相位。
10.一种电源转换器的控制方法，其特征在于，包括: 根据一误差信号产生一延迟信号，其中该误差信号与该电源转换器的一输出电压有关; 放大该误差信号与该延迟信号之间的一差值；以及 根据该差值与该误差信号提供一控制信号。
11.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，该控制信号的相位领先于该误差信号的相位。
【文档编号】H02M3/10GK104333219SQ201310309117
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2013年7月22日 优先权日:2013年7月22日
【发明者】陈雅萍, 郑闳轩 申请人:力智电子股份有限公司