電源轉換器及其操作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種電源轉換器及其操作方法。電源轉換器包括輸出級、輸入電壓偵測單元及脈寬調變單元。輸出級耦接于輸入端與接地端之間。輸入電壓偵測單元用以偵測輸入電壓。脈寬調變單元耦接輸出級及輸入電壓偵測單元，用以提供脈寬調變信號至輸出級。脈寬調變單元根據(jù)輸入電壓與預設電壓調整脈寬調變信號的開關導通信信號的導通時間。若輸入電壓低于預設電壓，脈寬調變單元增加開關導通信信號的導通時間且增加脈寬調變信號的周期。
【專利說明】電源轉換器及其操作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明與直流對直流轉換器(DC-DC converter)有關，特別是關于一種即使輸入電壓遞減但仍能轉換產(chǎn)生期望的輸出電壓的電源轉換器及其操作方法。
【背景技術】
[0002]一般而言，輸入至電源轉換器的輸入電壓需要比期望的輸出電壓高出一定的程度，才能順利產(chǎn)生期望的輸出電壓。然而，由于輸入電壓通常會隨著時間逐漸遞減，因而導致電源轉換器所產(chǎn)生的輸出電壓無法達到原本期望的大小。
[0003]如圖1所示，于恒定導通時間(Constant-On-Time, COT)-脈寬調變(Pulse WidthModulation, PWM)的架構下，電源轉換器I中的比較器10將會比較回授電壓Vfb (與輸出電壓相關)與參考電壓Vref的大小。一旦比較器10所得到的比較結果為回授電壓Vfb低于參考電壓VMf，代表目前電源轉換器I所產(chǎn)生的輸出電壓Vtot明顯偏低。因此，脈寬調變單元12將會輸出具有固定導通時間(Tm)的脈寬調變信號PWM至輸出級14，以對于輸出電容C進行充電，由此增加輸出電壓Vtot的大小。
[0004]如圖2所示，脈寬調變信號PWM中的每個導通時間Tm后面均會伴隨著一個關閉時間Ttrff,—個導通時間Tm加上一個關閉時間Ttxff被定義為脈寬調變信號PWM的一個周期。剛開始(時間ta之前)由于輸入電壓Vin夠高且具有固定值，所以導通時間Tm/關閉時間Irff將會固定且重復地出現(xiàn)。隨著輸入電壓Vin從時間&開始遞減，雖然脈寬調變信號PWM的周期不會改變，但周期內的導通時間Tm將會增加而關閉時間Irff將會減少，使得輸出電SVott仍能維持在期望值而不會變小。然而，當輸入電壓Vin于時間tb遞減至一定程度(臨界電壓Vth)后，由于脈寬調變信號PWM的周期仍維持固定，且周期內的關閉時間Irff已經(jīng)無法再進一步縮小，因此，導通時間Tm將會維持固定而無法提供較充裕的充電時間，故將導致輸出電SVott隨著輸入電壓Vin遞減而減少，嚴重影響電源轉換器I的電壓轉換效率。
[0005]因此，本發(fā)明提出一種電源轉換器及其操作方法，以解決現(xiàn)有技術所遭遇到的上述種種問題。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的一范疇在于提出一種電源轉換器。于一較佳具體實施例中，電源轉換器包括輸出級、輸入電壓偵測單元及脈寬調變單元。輸出級耦接于輸入端與接地端之間。輸入電壓偵測單元，用以偵測輸入電壓。脈寬調變單元耦接輸出級及輸入電壓偵測單元，用以提供脈寬調變信號至輸出級。脈寬調變單元根據(jù)輸入電壓與預設電壓來調整脈寬調變信號的開關導通信號的導通時間。若輸入電壓低于預設電壓，脈寬調變單元增加開關導通信號的導通時間且增加脈寬調變信號的周期。
[0007]于一實施例中，脈寬調變單元包括時間計算單元，用以計算開關導通信號的導通時間及最小關閉時間。
[0008]于一實施例中，時間計算單元包括電流源、電容、開關及比較器，電流源與輸入電壓有關，電容耦接于電流源與接地端之間，開關的兩端分別耦接至電流源與電容之間以及接地端，比較器的兩輸入端分別耦接至電流源與電容之間以及輸出電壓。
[0009]于一實施例中，若輸入電壓維持在高于預設電壓的固定值，脈寬調變單元維持脈寬調變信號的周期與開關導通信號的導通時間不變。
[0010]于一實施例中，若輸入電壓降低但未低于預設電壓，脈寬調變單兀維持脈寬調變信號的周期不變且增加開關導通信號的導通時間。
[0011]于一實施例中，若輸入電壓低于預設電壓，開關導通信號的關閉時間已達最小關閉時間，脈寬調變單元同時增加開關導通信號的導通時間及脈寬調變信號的周期。
[0012]本發(fā)明的另一范疇在于提出一種電源轉換器操作方法。于一較佳具體實施例中，上述電源轉換器操作方法用以操作電源轉換器。電源轉換器包含輸出級，輸出級耦接于輸入端與接地端之間。上述方法包括下列步驟:偵測輸入電壓；提供脈寬調變信號至輸出級；根據(jù)輸入電壓與預設電壓來調整脈寬調變信號的開關導通信號的導通時間；若輸入電壓低于預設電壓，增加開關導通信號的導通時間且增加脈寬調變信號的周期。
[0013]相較于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的電源轉換器及其操作方法于輸入電壓遞減至低于預設電壓值時，讓脈寬調變信號的周期隨著輸入電壓的遞減而增加，故其開關導通信號能提供足夠的導通時間(Ton)，以供輸出級產(chǎn)生符合期望的輸出電壓，有效地避免現(xiàn)有技術中電源轉換器的輸出電壓隨著輸入電壓的遞減而降低的缺點，以確保電源轉換器輸出電壓的穩(wěn)定性。
[0014]關于本發(fā)明的優(yōu)點與精神可以通過以下的發(fā)明詳述及所附圖式得到進一步的了解。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1繪示傳統(tǒng)的電源轉換器的電路架構示意圖。
[0016]圖2繪示傳統(tǒng)的電源轉換器的輸入電壓、輸出電壓及脈寬調變信號的時序圖。
[0017]圖3繪示根據(jù)本發(fā)明的一具體實施例的電源轉換器的電路架構示意圖。
[0018]圖4繪示圖3中的電源轉換器的輸入電壓、輸出電壓及脈寬調變信號的時序圖。
[0019]圖5繪示時間計算單元配合輸入電壓偵測單元操作的示意圖。
[0020]圖6A及圖6B分別繪示當輸入電壓低于臨界電壓時，脈寬調變信號的周期增加及頻率降低的示意圖。
[0021]圖7繪示根據(jù)本發(fā)明的另一具體實施例的電源轉換器操作方法的流程圖。
[0022]【主要元件符號說明】
[0023]S10~S22:流程步驟
[0024]1、3:電源轉換器10、30:比較單元
[0025]12、32:脈寬調變單元 14、34:輸出級
[0026]36:輸入電壓偵測單兀 L:輸出電感
[0027]C:輸出電容320:時間計算單元
[0028]Rl:第一輸出電阻R2:第二輸出電阻
[0029]+:正輸入端一:負輸入端
[0030]Vin:輸入電壓Vqut:輸出電壓[0031]E、F、G:輸出端PWM:脈寬調變信號
[0032]Vref:參考電壓Vfb:回授電壓
[0033]t、ta、tb:時間V:電壓
[0034]1?:導通時間Ttjff:關閉時間
[0035]Vc:電容電壓SWl:開關
[0036]32a、36a:比較器Vth:預設電壓
[0037]Iv。:電壓控制電流源 Ivin:電流源
[0038]d1-d2:脈寬調變信號的周期對輸入電壓的曲線
[0039]d3^d4:脈寬調變信號的頻率對輸入電壓的曲線
【具體實施方式】
[0040]根據(jù)本發(fā)明的一較佳具體實施例為一種電源轉換器。實際上，本發(fā)明提出的電源轉換器應用于定頻直流-直流電源轉換器，但不以此為限。本發(fā)明亦可適用恒定導通時間(COT)直流-直流轉換器中。
[0041]請參照圖3,圖3繪示此實施例的電源轉換器的電路架構示意圖。如圖3所示，電源轉換器3包括有輸出級34、比較單元30、輸入電壓偵測單元36及脈寬調變單元32。輸出級34耦接于輸入端與接地端之間，且輸出級34耦接脈寬調變單元32與輸出電感34 ;輸入電壓偵測單元36耦接輸入端及脈寬調變單元32 ;脈寬調變單元32耦接比較單元30、輸出級34及輸入電壓偵測單元36 ；比較單元30耦接輸出級34及時間計算單元32、第一輸出電阻R1、及第二輸出電阻R2。脈寬調變單元32包括時間計算單元320。在本實施例中，比較單元30亦可為誤差放大器或跨導(GM)放大器。
[0042]輸出級34可包括驅動單元、上橋開關及下橋開關，驅動單元耦接脈寬調變單元32，上橋開關耦接輸入端，下橋開關耦接輸出端，上橋開關與下橋開關之間具有一相位節(jié)點，輸出電感L耦接相位節(jié)點。輸出電感L耦接于輸出級34與輸出端之間；第一輸出電阻Rl及第二輸出電阻R2彼此串接于輸出電感L與輸出端之間以及接地端；比較單元30的負輸入端一I禹接至第一輸出電阻Rl與第二輸出電阻R2之間的接點K ;輸出電容C的一端率禹接至輸出端，另一端耦接至接地端。
[0043]于此實施例中，比較單元30的正輸入端+及負輸入端一分別接收參考電壓1#及來自輸出端的回授電壓Vfb，并比較回授電壓Vfb與參考電壓Vref后將比較結果輸出至脈寬調變單元32。輸入電壓偵測單元36用以自輸入端偵測輸入電壓Vin并比較輸入電壓Vin與預設電壓Vth后，提供輸入電壓Vin與預設電壓Vth的比較結果給脈寬調變單元32。當脈寬調變單元32提供脈寬調變信號PWM至輸出級34時，脈寬調變單元32根據(jù)輸入電壓Vin與預設電壓Vth的比較結果調整脈寬調變信號PWM中的開關導通信號的導通時間(Tm)。
[0044]實際上，為了避免輸出端的輸出電壓Vqut隨著輸入電壓Vin —起降低，當輸入電壓Vin由原本的固定值開始降低時，脈寬調變單元32將會增加開關導通信號的導通時間(TJ，以使得輸出級34有較為充裕的時間去輸出較大的輸出電壓Vot，故不致于產(chǎn)生現(xiàn)有技術中輸出電壓Votit隨著輸入電壓Vin遞減而降低的現(xiàn)象。
[0045]當輸入電壓Vin降低但仍未低于預設電壓Vth時，脈寬調變單元32會增加開關導通信號的導通時間O?)，由于開關導通信號的關閉時間(Irff)還未達到其最小關閉時間，因此，開關導通信號的關閉時間(Irff)還可隨著導通時間(TJ的增加而減少，以維持脈寬調變信號PWM的周期不變。
[0046]—旦輸入電壓Vin降低至低于預設電壓Vth時，脈寬調變單元32會增加開關導通信號的導通時間O?)，由于此時開關導通信號的關閉時間(Irff)已達到其最小關閉時間，無法繼續(xù)再隨著導通時間(Tm)的增加而減少，因此，脈寬調變信號PWM的周期將會隨著開關導通信號的導通時間(Tm)的增加而變大。
[0047]請參照圖4，圖4繪示圖3中的電源轉換器3的輸入電壓Vin、輸出電壓Vtm及脈寬調變信號PWM的時序圖。如圖4所示，脈寬調變信號PWM中的開關導通信號的每個導通時間Tm后面均會伴隨著一個關閉時間Irff，一個導通時間Tm加上一個關閉時間Irff被定義為脈寬調變信號PWM的一個周期。剛開始(時間ta之前)由于輸入電壓Vin夠高且具有固定值，所以導通時間Tm與關閉時間Irff將會固定且重復地出現(xiàn)。此時，由于輸入電壓Vin并未降低，所以脈寬調變單元32并不會調整開關導通信號的導通時間(TJ與脈寬調變信號PWM的周期，兩者均維持不變。
[0048]隨著輸入電壓Vin從時間ta開始遞減，脈寬調變單元32即會開始增加開關導通信號的導通時間(Tm),以使得輸出級34能有較為充裕的時間去輸出較大的輸出電壓V.。于時間ta至tb的期間內，由于輸入電壓Vin雖然降低但仍未低于預設電壓Vth，開關導通信號的關閉時間(Irff)還未達到其最小關閉時間，因此，開關導通信號的關閉時間(Irff)還可隨著導通時間(Tm)的增加而減少，故在開關導通信號的導通時間(TJ增加但關閉時間(Irff)減少的情況下，仍能維持脈寬調變信號PWM的周期不變。
[0049]于時間tb，輸入電壓Vin已遞減至低于預設電壓Vth時，由于此時開關導通信號的關閉時間(Irff)已達到最小關閉時間，無法再進一步縮小，因此，當脈寬調變單元32增加開關導通信號的導通時間(Tm)時，脈寬調變信號PWM的周期將會隨著開關導通信號的導通時間(TJ的增加而變大。
[0050]通過上述的操作，本發(fā)明的電源轉換器3在輸入電壓Vin遞減時，仍能動態(tài)地提供輸出級34較充裕的充電時間，使得輸出級34所輸出的輸出電壓Vqut仍能維持在原本的期望輸出電壓值，而不會隨著輸入電壓Vin遞減而減少，故本發(fā)明的電源轉換器3能夠克服現(xiàn)有技術的缺點，無論輸入電壓Vin的變化，均可持續(xù)提供穩(wěn)定的輸出電壓VTOT。
[0051]接著，請參照圖5，圖5繪示脈寬調變單元32的時間計算單元320配合輸入電壓偵測單元36操作的示意圖。如圖5所示，時間計算單元320包括比較器32a、電容C、開關SWl以及與輸入電壓Vin有關的電流源IVIN。輸入電壓偵測單元36包括比較器36a及電壓控制電流源Iv。。
[0052]電容C耦接于電流源Ivin與接地端之間；開關SWl的兩端分別耦接至電流源Ivin與電容C之間以及接地端；比較器32a的負輸入端一及正輸入端+分別耦接至電流源Ivin與電容C之間以及輸出電壓Vmjt ;比較器32a的輸出端G輸出開關導通信號的導通時間Tm ;電壓控制電流源Iv。耦接至電流源Ivin與電容C之間以及接地端；比較器36a的負輸入端一及正輸入端十分別耦接至輸入電壓Vin及預設電壓Vth ;比較器36a的輸出端E耦接至電壓控制電流源Iv。。
[0053]于此實施例中，開關SWl的開啟或關閉由脈寬調變信號PWM所控制。當脈寬調變信號PWM處于低準位(Low level)時，開關SWl導通，使得電流源Ivin無法對電容C充電，故比較器32a的負輸入端一所接收到的電容電壓Vc為O，此時，比較器32a的輸出端G將會輸出低準位的開關導通信號，亦即開關導通信號開始進入關閉時間Τ。#
[0054]當脈寬調變信號PWM處于高準位(High level)時，開關SWl斷路(open)，使得電流源I?開始對電容充電，直至比較器32a的負輸入端一所接收到的電容電壓Vc與正輸入端十所接收到的輸出電壓Vmjt —樣高,此時比較器32a的輸出端G將會輸出高準位的開關導通信號，亦即開關導通信號開始進入導通時間Tm，并將開關導通信號PWM變?yōu)榈蜏饰?，以停止對電容C充電。
[0055]從開關導通信號開始處于高準位一直到開關導通信號轉變?yōu)樘幱诘蜏饰粸橹沟倪@一段時間，即為開關導通信號的導通時間Tm。同理，從開關導通信號開始處于低準位一直到開關導通信號轉變?yōu)樘幱诟邷饰粸橹沟倪@一段時間，即為開關導通信號的關閉時間Τ。#
[0056]如圖5所不，比較器36a將會比較輸入電壓Vin與預設電壓Vth,并根據(jù)輸入電壓Vin與預設電壓Vth的比較結果輸出控制信號來控制電壓控制電流源Iv。所產(chǎn)生的電流大小。當比較器36a所得到的比較結果為輸入電壓Vin未低于臨界電壓Vth時，比較器36a輸出控制信號控制電壓控制電流源Iv。所產(chǎn)生的電流大小為O。
[0057]當比較器36a所得到的比較結果為輸入電壓Vin低于臨界電壓Vth時，比較器36a輸出控制信號控制電壓控制電流源Iv。開始產(chǎn)生電流。由于電壓控制電流源Iv。所產(chǎn)生的電流變大將會導致電流源Ivin所產(chǎn)生的電流對電容C的充電變少。這將會使得比較器32a的負輸入端一所接收到的電容電壓Vc達到與正輸入端+所接收到的輸出電壓Vott —樣高的時間變長，使得脈寬調變信號PWM的周期增加(如圖6A中的dl所示，d2則為現(xiàn)有技術)且頻率降低(如圖6B中的d3所示，d4則為現(xiàn)有技術)。
[0058]根據(jù)本發(fā)明的一較佳具體實施例為一種電源轉換器操作方法。于一較佳具體實施例中，上述電源轉換器操作方法用以操作電源轉換器。電源轉換器包含輸出級，輸出級耦接于輸入端與接地端之間。請參照圖7，圖7繪示此實施例的電源轉換器操作方法的流程圖。
[0059]如圖7所示，首先，上述方法執(zhí)行步驟S10，偵測輸入電壓。實際上，上述方法是從輸入端偵測輸入電壓，但不以此為限。接著，上述方法將會執(zhí)行步驟S12，提供脈寬調變信號至輸出級。之后，上述方法將會執(zhí)行步驟S14，判斷輸入電壓是否低于預設電壓。
[0060]若步驟S14的判斷結果為是，代表輸入電壓已低于預設電壓，上述方法將會執(zhí)行步驟S16，增加開關導通信號的導通時間且增加脈寬調變信號的周期。若步驟S14的判斷結果為否，代表輸入電壓并未低于預設電壓，上述方法將會執(zhí)行步驟S18，判斷輸入電壓是否降低。
[0061]若步驟S18的判斷結果為是，代表輸入電壓雖然降低但還未低于預設電壓，上述方法將會執(zhí)行步驟S20，增加開關導通信號的導通時間且維持脈寬調變信號的周期不變。若步驟S18的判斷結果為否，代表輸入電壓維持不變并未降低，上述方法將會執(zhí)行步驟S22，維持開關導通信號的導通時間與脈寬調變信號的周期不變。
[0062]相較于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的電源轉換器及其操作方法于輸入電壓遞減至低于預設電壓值時不再維持固定的脈寬調變信號周期，而是讓脈寬調變信號的周期隨著輸入電壓的遞減而增加，故其開關導通信信號能提供足夠的導通時間(Tm)以供輸出級產(chǎn)生符合期望的輸出電壓，有效地避免現(xiàn)有技術中電源轉換器的輸出電壓隨著輸入電壓的遞減而降低的缺點，以確保電源轉換器輸出電壓的穩(wěn)定性。[0063]通過以上較佳具體實施例的詳述，希望能更加清楚描述本發(fā)明的特征與精神，而并非以上述所公開的較佳具體實施例來對本發(fā)明的范疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排于本發(fā)明所欲申請的專利范圍的范疇內。
【權利要求】
1.一種電源轉換器,其特征在于,包括: 一輸出級，I禹接于一輸入端與一接地端之間； 一輸入電壓偵測單元，用以偵測一輸入電壓；以及 一脈寬調變單元，耦接上述輸出級及上述輸入電壓偵測單元，用以提供一脈寬調變信號至上述輸出級， 其中上述脈寬調變單元根據(jù)上述輸入電壓與一預設電壓來調整上述脈寬調變信號的一開關導通信信號的一導通時間，若上述輸入電壓低于上述預設電壓，上述脈寬調變單元增加上述開關導通信信號的上述導通時間且增加上述脈寬調變信號的一周期。
2.如權利要求1所述的電源轉換器，其特征在于，上述脈寬調變單元包括一時間計算單元，用以計算上述開關導通信號的上述導通時間及一最小關閉時間。
3.如權利要求2所述的電源轉換器，其特征在于，上述時間計算單元包括一電流源、一電容、一開關及一比較器，上述電流源與上述輸入電壓有關，上述電容耦接于上述電流源與上述接地端之間，上述 開關的兩端分別耦接至上述電流源與上述電容之間以及上述接地端，上述比較器的兩輸入端分別耦接至上述電流源與上述電容之間以及一輸出電壓。
4.如權利要求1所述的電源轉換器，其特征在于，若上述輸入電壓維持在高于上述預設電壓的固定值，上述脈寬調變單元維持上述脈寬調變信號的上述周期與上述開關導通信號的上述導通時間不變。
5.如權利要求1所述的電源轉換器，其特征在于，若上述輸入電壓降低但未低于上述預設電壓，上述脈寬調變單元維持上述脈寬調變信號的上述周期不變且增加上述開關導通信號的上述導通時間。
6.如權利要求1所述的電源轉換器，其特征在于，若上述輸入電壓低于上述預設電壓，上述開關導通信號的一關閉時間已達一最小關閉時間，上述脈寬調變單元同時增加上述開關導通信號的上述導通時間及上述脈寬調變信號的上述周期。
7.一種電源轉換器操作方法，用以操作一電源轉換器，其特征在于，上述電源轉換器包含一輸出級，上述輸出級I禹接于一輸入端與一接地端之間，上述電源轉換器操作方法包括下列步驟: (a)偵測一輸入電壓； (b)提供一脈寬調變信號至上述輸出級； (C)根據(jù)上述輸入電壓與一預設電壓來調整上述脈寬調變信號的一開關導通信號的一導通時間；以及 (d)若上述輸入電壓低于上述預設電壓，增加上述開關導通信號的上述導通時間且增加上述脈寬調變信號的一周期。
8.如權利要求7所述的電源轉換器操作方法，其特征在于，若上述輸入電壓維持在高于上述預設電壓的固定值，上述方法還包括下列步驟: 維持上述脈寬調變信號的上述周期與上述開關導通信號的上述導通時間不變。
9.如權利要求7所述的電源轉換器操作方法,其特征在于,若上述輸入電壓降低但未低于上述預設電壓，上述方法還包括下列步驟: 維持上述脈寬調變信號的上述周期不變且增加上述開關導通信號的上述導通時間。
10.如權利要求7所述的電源轉換器操作方法,其特征在于,若上述輸入電壓低于上述預設電壓，上述開關導通信號的一關閉時間已達一最小關閉時間，上述方法還包括下列步驟: 上述脈寬調變單元同時增加上述開關導通 信號的上述導通時間及上述脈寬調變信號的上述周期。
【文檔編號】H02M3/10GK103683914SQ201310063901
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年2月28日 優(yōu)先權日:2012年9月18日
【發(fā)明者】沈建元 申請人:力智電子股份有限公司