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    • 专利摘要:
    本發明揭示一種提高同步降壓轉換器(Synchronous Buck Converter)輕載效率之控制方法與裝置。本發明提出一個新的控制技術，於感電流下降到達零時，控制第二開關的截止，避免電感電流繼續放電而逆流至第二開關造成額外能量損耗；使同步降壓轉換器在輕載條件時電源側開關(第一開關)具有零電壓切換(ZVS)以提高輕載效率，並且不需要增加額外的輔助開關或RLC被動元件，具有低成本和控制簡單等優點。改變傳統同步降壓轉換器之飛輪側之同步整流開關的控制方式來達成電源側開關零電壓切換(ZVS)進而提高效率。
    公开号:TW201316664A
    申请号:TW100137357
    申请日:2011-10-14
    公开日:2013-04-16
    发明作者:Jian-Min Wang；Yu-Chiao Lee；Chih-Liang Yen；Che-Yu Lin
    申请人:Apollo Energy Technology Co Ltd；
    IPC主号:Y02B70-00
    专利说明:
    提高同步降壓轉換器輕載效率之控制方法與裝置
    本發明揭示一種提高同步降壓轉換器(Synchronous Buck Converter)輕載效率之控制方法與裝置。特別是在輕载條件時電源側開關具有零電壓切換(ZVS)以提高輕载效率之同步降壓轉換器。
    大眾化的降壓式轉換器(Synchronous Buck Converter)被廣泛的應用在個人攜帶型工業中。例如個人筆記型電腦、通訊器、顯示器、PDA、GPS等等，都是將電池當做電力的來源，並且經由降壓轉換器提供適當的電壓規格。為了使得攜帶型產品擁有長時間的操作，必須增加降壓轉換器的轉換效率，減少電池的損耗。有兩個關鍵的重點會引響降壓轉換器的轉換效率。首先第一個重點是轉換器的導通損失，因為大部分的攜帶型產品所使用的微處理器與記憶體都是以低壓來驅動。第二個重點是攜帶型產品大部分的時間是在低功率的待機模式，所以必須減少降壓轉換器在輕载條件時的切換損失。
    同步整流降壓轉換器是適合應用於攜帶型產品，因為降壓轉換器具有結構簡單、成本低等優點。此架構利用兩個互補式的開關切換，將能量從電源端傳送到負载。雖然利用同步整流技術將傳統降壓轉換器的飛輪二極體以MOSFET來取代，減少導通損失提高轉換效率。但是為了減少降壓轉換器的體積(LC濾波器)，需要提高開關的切換頻率，此結果將使得與頻率有關的損失增加(例如開關的切換損失)造成轉換器的轉換效率變差。已經有很多技術被提出來降低因頻率增加而產生的損失，目前以脈波頻率調變(PFM)控制與雙模控制(結合脈波寬度調變(PWM)與脈波頻率調變(PFM))是最廣泛被使用。變頻式的脈波頻率調變(PFM)控制主要是利用電感電流來決定切換頻率，所以在輕載操作時PFM控制有較低之暫態電流消耗，比傳統使用PWM控制操作的轉換器有較佳的待機性能表現。值得注意是在重載操作時，脈波頻率調變(PFM)控制的轉換器切換頻率將會增加使得與頻率有關的損耗也相對的增加。經由上一段描述的結果PFM控制在輕載時比PWM控制有較佳的轉換效率，反之在重載時PWM控制的轉換效率會較佳。所以有些研究就是結合兩種控制方法的優點，依據負載條件來決定操作模式。當負载條件在輕載時操作在PFM，重載時操作在PWM。雖然此方法有較佳的效率表現，但是因為具有變頻的操作會產生次諧波的雜訊。雖然還有一些諧振閘極驅動(resonant gate drive)技術、零電壓切換(ZVS)技術與數位控制技術等被提出來，但是這些技術要完成是較複雜旳。而且ZVS與數位控制技術雖然具有較佳的性能可是需要額外增加輔助開關、RLC被動元件，並且須將控制器以數位訊號處理器(DSP)取代，在整體成本的考量上是較貴的。
    因此本發明乃針對先前技術之缺點，提出一種簡單且設計合理，不影響原控制方法的穩定，且有效改善上述缺失之控制方法及裝置。
    本發明之目的在提供一種提高同步降壓轉換器輕載效率之控制方法，於感電流下降到達零時，控制第二開關的截止，避免電感電流繼續放電產生電感電流逆流至第二開關造成額外能量損耗。
    本發明之次一目的在提供一種提高同步降壓轉換器輕載效率之控制方法，在輕載時，在電源側開關導通前，先控制第二開關導通很短的時間先使同步降壓轉換器在輕载條件時電源側開關具有零電壓切換(ZVS)以提高輕载效率。
    為達成上述目的及其他目的，本發明之第一觀點在教導一種提高同步降壓轉換器輕載效率之控制方法，利用一個RC延遲電路，將脈波寬度調整訊號延遲一個時間常數RC，作為第一開關之控制訊號；利用一個電感零電流訊號處理電路及一個及閘，產生第二開關之第一控制訊號，於第一開關截止時第二開關導通，並於感電流下降到達零時，控制第二開關的截止，避免電感電流繼續放電產生電感電流逆流至第二開關造成額外能量損耗；利用RC延遲電路及一個及閘，產生第二開關之第二控制訊號，於第一開關仍截止而下一個操作週期開始前將第二開關導通，提供第一開關完成零電壓切換，提高輕载效率。
    本發明之第二觀點在教導一種提高同步降壓轉換器輕載效率之控制電路，分為兩部分：主架構部分及零電壓開關控制器部分。主架構具有傳統同步整流降壓式轉換器，包括兩個互補式開關：第一開關及第二開關、一個驅動器用以驅動第一開關及第二開關、一組串聯振盪電感電容、一組脈波寬度調整控制器，另外增加一組零電流偵測電路，利用零電流偵測電路來偵測電感之零電流；一個零電壓開關控制器，具有：一個RC延遲電路，將脈波寬度調整訊號延遲一個時間常數RC，成為第一開關之控制訊號；一個第一反向器，將延遲後之脈波寬度調整訊號反向；一個第二反向器，將延遲及反向後之脈波寬度調整訊號再反向，成為第一開關之控制訊號；一個第一及閘，其第一輸入為第一反向器之輸出，其第二輸入為脈波寬度調整訊號，其輸出為第一個第二開關之控制訊號；一個電感零電流訊號處理電路，於電感非零電流或/及脈波寬度調整訊號為高(High)水準時輸出低(Low)水準訊號；一個第三反向器，將電感零電流訊號處理電路之輸出反向；一個第二及閘，其第一輸入為第三反向器之輸出，第二輸入為一個第四反向器之輸出，第四反向器用以將脈波寬度調整訊號反向，該第二及閘之輸出為第二個第二開關之控制訊號；一個或閘，其輸入為第一及閘及第二及閘之輸出，或閘之輸出為第二開關之控制訊號。
    本發明之以上及其他目的及優點參考以下之參照圖示及最佳實施例之說明而更易完全瞭解。
    請參考第1圖，第1圖係依據本發明實施例之控制電路圖。控制電路100分為兩部分：主架構部分10及零電壓開關控制器部分11。主架構具有傳統同步整流降壓式轉換器，包括兩個互補式開關：第一開關12及第二開關13、一個驅動器14用以驅動第一開關12及第二開關13、一組串聯振盪電感15及電容16、一組脈波寬度調整控制器17，另外增加一組零電流偵測電路18，利用零電流偵測電路18來偵測電感15之零電流，其輸出為ZCDO；一個零電壓開關控制器11，具有：一個RC延遲電路19，將脈波寬度調整訊號PWM延遲一個時間常數RC，輸出為Pdelay，成為第一開關之控制訊號；一個第一反向器20，將延遲後之脈波寬度調整訊號Pdelay反向為；一個第二反向器21，將延遲及反向後之脈波寬度調整訊號再反向為Pdelay，成為第一開關之控制訊號VGS1；一個第一及閘22，其第一輸入為第一反向器之輸出，其第二輸入為脈波寬度調整訊號PWM，其輸出Plus為第一個第二開關之控制訊號；一個電感零電流訊號處理電路23，於電感非零電流或/及脈波寬度調整訊號PWM為高(High)水準時輸出低(Low)水準訊號；一個第三反向器24，將電感零電流訊號處理電路23之輸出反向為ZCD；一個第二及閘25，其第一輸入為第三反向器24之輸出ZCD，第二輸入為一個第四反向器26之輸出，第四反向器26用以將脈波寬度調整訊號PWM反向，第二及閘25之輸出Uout為第二個第二開關之控制訊號；一個或閘27，其輸入為第一及閘之輸出Plus及第二及閘之輸出Uout，或閘27之輸出為第二開關之控制訊號VGS2。
    請參考第2圖，第2圖係依據本發明實施例重载條件的控制時序圖。當PWM訊號由低(Low)水準轉換為高(High)水準，此時第一及閘22之輸出Plus訊號會立即轉態從低(Low)水準轉換為高(High)水準，因為Pdelay訊號此時為高(High)水準。當Pdelay訊號經過RC延遲電路19處理之後(Δt時間)將造成Plus訊號轉態為低(Low)水準導致第二開關13被截止，而且經過無訊號區(dead time)之後第一開關12會被觸發導通。當PWM訊號轉態由高(High)水準轉換為低(Low)水準時，此結果造成RC延遲電路19經由二極體D3快速放電，造成第一開關12被截止。經過無訊號區間(dead time)之後由於電感電流為連續導通模式使得ZCD訊號始終為高(High)水準，VGS2的訊號將由+Plus訊號來決定。經由上述的說明，利用C延遲電路19來設計Δt時間決定Plus訊號的脈波寬度是可行的。而且在重载條件時，第一開關12與第二開關13的控制訊號是以互補式的方式操作，與一般傳統同步整流降壓式轉換器的同步整流控制器是相同的。
    請參考第3圖，第3圖係依據本發明實施例輕载條件的控制時序圖。當PWM訊號由高(High)水準轉態為低(Low)水準，此時電感電流開始以-V0的跨壓線性下降。同時間Uout的訊號立即從低(Low)水準轉換為高(High)水準，觸發同步整流開關第二開關13導通。當電感電流小於零時，ZCD訊號會立即轉態從高(High)水準轉為低(Low)水準，將第二開關13截止，避免電感電流繼續放電造成能量的損耗。此狀態維持到PWM訊號由低(Low)水準轉態為高(High)水準。當PWM訊號被轉態時，ZCD訊號會從低(Low)準轉態為高(High)水準。雖然ZCD的訊號產生變化，但是因為的訊號為低(Low)水準所以不影響Uout的訊號。也就是說此時第二開關13的導通將由Plus訊號來決定。Plus訊號在訊號由低(Low)水準轉態為高(High)水準的同時，立即轉態從低(Low)水轉換為高(High)水準觸發第二開關13導通，使得電感電流開使充電。經過Δt時間之後，Plus訊號轉態為低(Low)水將開關第二開關132截止。此時電感電流的路徑將從輸出流入輸入，在無訊號區間(dead time)第一開關12會被觸發導通完成零電壓切換。經由上述的說明，本文所提之同步整流降壓式轉換器被操作在輕载條件時，當電感電流下降到達零，可以利用零電壓開關控制器11來控制第二開關132的截止，避免傳統同步整流降壓式轉換器會產生電感電流逆流至第二開關132造成額外損耗的缺點。而且利用同步整流第二開關132，在下一個操作週期開始前先觸發第二開關132導通，提供第一開關12完成零電壓切換提高輕载效率。
    藉由以上較佳之具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本創作之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實例來對本發明之範疇加以限制。相反的，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範疇內。
    10．．．主架構部分
    11．．．零電壓開關控制器
    12．．．第一開關
    13．．．第二開關
    14．．．驅動器
    15．．．串聯振盪電感
    16．．．串聯振盪電容
    17．．．脈波寬度調整控制器
    18．．．零電流偵測電路
    19．．．RC延遲電路
    20．．．第一反向器
    21．．．第二反向器
    22．．．第一及閘
    23．．．電感零電流訊號處理電路
    24．．．第三反向器
    25．．．第二及閘
    26．．．第四反向
    27．．．或閘
    100．．．控制電路
    第1圖係依據本發明實施例之控制電路圖。
    第2圖係依據本發明實施例重载條件的控制時序圖。
    第3圖係依據本發明實施例輕载條件的控制時序圖。
    10．．．主架構部分
    11．．．零電壓開關控制器
    12．．．第一開關
    13．．．第二開關
    14．．．驅動器
    15．．．串聯振盪電感
    16．．．串聯振盪電容
    17．．．脈波寬度調整控制器
    18．．．零電流偵測電路
    19．．．RC延遲電路
    20．．．第一反向器
    21．．．第二反向器
    22．．．第一及閘
    23．．．電感零電流訊號處理電路
    24．．．第三反向器
    25．．．第二及閘
    26．．．第四反向
    27．．．或閘
    100．．．控制電路
    权利要求:
    Claims (2)
    [1] 一種提高同步降壓轉換器輕載效率之控制方法，至少包含：利用一個RC延遲電路，將脈波寬度調整訊號延遲一個時間常數RC，作為第一開關之控制訊號；利用一個電感零電流訊號處理電路及一個及閘，產生第二開關之第一控制訊號，於第一開關截止時第二開關導通，並於感電流下降到達零時，控制第二開關的截止，避免電感電流繼續放電產生電感電流逆流至第二開關造成額外能量損耗；利用該RC延遲電路及一個及閘，產生第二開關之第二控制訊號，於第一開關仍截止而下一個操作週期開始前將第二開關導通，提供第一開關完成零電壓切換，提高輕载效率。
    [2] 一種提高同步降壓轉換器輕載效率之控制電路，分為兩部分：主架構部分及零電壓開關控制器部分，至少包含：一個主架構，具有傳統同步整流降壓式轉換器，包括兩個互補式開關第一開關及第二開關、一個驅動器用以驅動該第一開關及第二開關、一組串聯振盪電感電容、一組脈波寬度調整控制器，另外增加一組零電流偵測電路利用該零電流偵測電路來偵測電感之零電流；一個零電壓開關控制器，具有：一個RC延遲電路，將脈波寬度調整訊號延遲一個時間常數RC，成為該第一開關之控制訊號；一個第一反向器，將該延遲後之脈波寬度調整訊號反向；一個第二反向器，將該延遲及反向後之脈波寬度調整訊號再反向，成為該第一開關之控制訊號；一個第一及閘，其第一輸入為該第一反向器之輸出，其第二輸入為該脈波寬度調整訊號，其輸出為第一個第二開關之控制訊號；一個電感零電流訊號處理電路，於該電感非零電流或/及該脈波寬度調整訊號為高(High)水準時輸出低(Low)水準訊號；一個第三反向器，將該電感零電流訊號處理電路之輸出反向；一個第二及閘，其第一輸入為該第三反向器之輸出，第二輸入為一個第四反向器之輸出，該第四反向器用以將該脈波寬度調整訊號反向，該第二及閘之輸出為第二個第二開關之控制訊號；一個或閘，其輸入為該第一及閘及該第二及閘之輸出，該或閘之輸出為第二開關之控制訊號。
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