电源转换电路的控制器及其运作方法

技术领域

本发明与电源转换电路有关，尤其是关于一种电源转换电路的控制器及其运作方法。

背景技术

一般而言，应用于电源转换电路的智能功率级(Smart Power Stage，SPS)除了将驱动器与上下桥晶体管配置于同一封装体以缩减尺寸，还兼具回报与输出电流相关的电流监测信号的功能。

然而，目前市面上的智能功率级仍存在诸多缺失，有待改善。举例而言：

(1)当上桥晶体管开启时，智能功率级回报的电流监测信号(IMON)与实际电感电流差异甚大，造成峰值电流钳制功能无法作用，导致输出电流超过智能功率级可承受上限而使元件或系统损坏；

(2)由于切换频率增快，使得输出电流变化快速，智能功率级产生电流监测信号后再传递至控制器，容易受到信号传递路径上的寄生元件影响而导致回报延迟；以及

(3)市面上的各种智能功率级所回报的电流监测信号的精准度不一，控制器需对智能功率级进行相应的设计，导致控制器对不同智能功率级的相容性不佳，对不同智能功率级所回报的电流监测信号的容错度亦不足。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种电源转换电路的控制器及其运作方法，以有效解决现有技术所遭遇到的问题。

依据本发明的一具体实施例为一种电源转换电路的控制器。于此实施例中，控制器耦接智能功率级，控制智能功率级将输入电压转换为输出电压并提供输出电流，且还提供与输出电流相关的电流监测信号至控制器。控制器包括控制回路、采样电路及电流重构电路。控制回路耦接智能功率级，根据输出电压及参考电压产生脉宽调变信号，以控制智能功率级的操作。采样电路耦接智能功率级且接收电流监测信号，并根据脉宽调变信号对电流监测信号采样，以获得校正参考值。电流重构电路耦接控制回路与采样电路，电流重构电路根据输入电压、参考电压及脉宽调变信号产生与电流监测信号相对应的重构电流，并利用校正参考值校正重构电流。

于一实施例中，电源转换电路具有输出电感，当脉宽调变信号处于第一状态时，电流重构电路根据下述公式产生上升步进值：

VIN为输入电压、VREF为参考电压、SET为与输出电感相关的设定值、TCLK为系统时脉、ISTU为上升步进值。

于一实施例中，电源转换电路具有输出电感，当脉宽调变信号处于第二状态时，电流重构电路根据下述公式产生下降步进值：

VREF为参考电压、SET为与输出电感相关的设定值、TCLK为系统时脉、ISTD为下降步进值。

于一实施例中，电流重构电路包括：步进值产生器，耦接控制回路，用以根据输入电压、参考电压与脉宽调变信号产生步进值；校正器，耦接控制回路，用以在脉宽调变信号的上升缘时，根据校正参考值及在上升缘时的重构电流以产生校正值；以及运算器，分别耦接步进产生器与校正器，用以根据步进值及校正值产生重构电流。

于一实施例中，校正值根据下述公式产生：

IOFF＝DIMON-IRE

DIMON为校正参考值、IOFF为校正值、IRE为重构电流。

于一实施例中，重构电流根据下述公式进行校正：

IRE’＝IST+IOFF+IRE

IST为步进值、IOFF为校正值、IRE为第一系统时脉的重构电流值、IRE’为第二系统时脉的重构电流值，第二系统时脉紧接在第一系统时脉之后。

于一实施例中，采样电路还包括计时器，当计时器计时得到脉宽调变信号的周期小于预定时间时，控制器停止产生校正值。

依据本发明的另一具体实施例为一种电源转换电路的控制器的运作方法，用以控制智能功率级将输入电压转换为输出电压并提供输出电流。于此实施例中，智能功率级提供与输出电流相关的电流监测信号至控制器，运作方法包括下列步骤：(a)根据输出电压及参考电压产生脉宽调变信号，以控制智能功率级的操作；(b)根据脉宽调变信号对电流监测信号采样，以获得校正参考值；以及(c)根据输入电压、参考电压及脉宽调变信号产生与电流监测信号相对应的重构电流，并利用校正参考值校正重构电流。

于一实施例中，电源转换电路具有输出电感，步骤(c)还包括：当脉宽调变信号处于第一状态时，根据下述公式产生上升步进值：

VIN为输入电压、VREF为参考电压、SET为与输出电感相关的设定值、TCLK为系统时脉、ISTU为上升步进值。

于一实施例中，电源转换电路具有输出电感，步骤(c)还包括：当脉宽调变信号处于第二状态时，根据下述公式产生下降步进值：

VREF为参考电压、SET为与输出电感相关的设定值、TCLK为系统时脉、ISTD为下降步进值。

于一实施例中，步骤(c)还包括：根据输入电压、参考电压与脉宽调变信号产生步进值；在脉宽调变信号的上升缘时，根据校正参考值及在上升缘时的重构电流产生校正值；以及根据步进值及校正值产生重构电流。

于一实施例中，校正值根据下述公式产生：

IOFF＝DIMON-IRE

DIMON为校正参考值、IOFF为校正值、IRE为重构电流。

于一实施例中，重构电流根据下述公式产生：

IRE’＝IST+IOFF+IRE

IST为步进值、IOFF为校正值、IRE为第一系统时脉的重构电流值、IRE’为第二系统时脉的重构电流值，第二系统时脉紧接在第一系统时脉之后。

于一实施例中，运作方法还包括：当脉宽调变信号的周期小于预定时间时，停止产生校正值。

相较于现有技术，本发明的电源转换电路的控制器及其运作方法可达到下列功效及优点：

(1)相容性高：无论智能功率级是使用何种方式产生电流监测信号(IMON)，本发明的电源转换电路的控制器仅受到脉宽调变信号的上升缘触发而采样电流监测信号(IMON)谷值来校正重构电流，其余电流波形则于控制器内部重构，使峰值电流钳制功能得以正常运作；以及

(2)无信号延迟问题：本发明在控制器内部产生与电流监测信号对应的数字重构电流，以数字值的型态供控制器内部的数字电路直接进行运算，故不会有模拟电路所造成的信号延迟问题。

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及附图得到进一步的了解。

附图说明

图1为依据本发明的一具体实施例中的电源转换电路的控制器耦接智能功率级的示意图。

图2为本发明的电源转换电路的控制器的一实施例的示意图。

图3为本发明的电流重构电路的一实施例的示意图。

图4为本发明的校正器的一实施例的示意图。

图5为本发明的电流重构电路产生重构电流的波形时序图。

图6为本发明的电源转换电路的控制器正常运作下的波形时序图。

图7为本发明的电源转换电路的控制器在瞬变(Transient)状态下不进行校正的波形时序图。

图8为依据本发明的另一具体实施例中的电源转换电路的控制器运作方法的流程图。

主要元件符号说明：

1…电源转换电路

SPS…智能功率级

D1…第一驱动器

D2…第二驱动器

M1…上桥晶体管

M2…下桥晶体管

GND…接地端

L…输出电感

C…电容

R1…电阻

R2…电阻

CON…控制器

CL…控制回路

SAM…采样电路

CR…电流重构电路

ADC…模拟数字转换器

ADD…加法器

AMP…误差放大器

OP…运算放大器

UPC…数字斜坡信号产生器

TON…导通时间产生器

VIN…输入电压

VOUT…输出电压

VREF…参考电压

IMON…电流监测信号

PWM…脉宽调变信号

DIMON…校正参考值

CMP…比较器

COMP…模拟误差信号

DCOMP…数字误差信号

DRAMP…数字斜坡信号

DTR…数字触发信号

IRE…重构电流

STEP…步进值产生器

OS…校正器

ISTU…上升步进值

ISTD…下降步进值

IOFF…校正值

TM…计时器

LG…判断逻辑

OG…校正值产生器

MUX…多工器

TCLK…系统时脉

T…预定时间

t1～t5…时间

IL…真实电感电流

S10～S14…步骤

具体实施方式

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。在附图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。

依据本发明的一具体实施例为一种电源转换电路的控制器。于此实施例中，控制器耦接智能功率级，且智能功率级提供电流监测信号至控制器。电源转换电路可以是单相或多相的降压(Buck)直流-直流转换器，但不以此为限。

举例而言，如图1所示，电源转换电路1的控制器CON耦接智能功率级SPS，并控制智能功率级SPS将输入电压VIN转换为输出电压VOUT。智能功率级SPS耦接输出电感L，并有输出电流IL流经电感L。智能功率级SPS还会提供与输出电流IL相关的电流监测信号IMON至控制器CON。智能功率级SPS包括第一驱动器D1、第二驱动器D2、上桥晶体管M1及下桥晶体管M2在同一个集成电路封装体中。第一驱动器D1及第二驱动器D2分别接收到来自控制器CON的脉宽调变信号PWM并根据脉宽调变信号PWM分别控制上桥晶体管M1及下桥晶体管M2的运作。

请参照图2，图2为电源转换电路1的控制器CON的一实施例的示意图。如图2所示，控制器CON包括控制回路CL、采样电路SAM及电流重构电路CR。

控制回路CL接收智能功率级SPS产生的输出电压VOUT(或与输出电压VOUT相关的回授电压)，并根据输出电压VOUT与参考电压VREF产生脉宽调变信号PWM，用以控制智能功率级SPS的操作。

实际上，控制回路CL可包括误差放大器AMP、模拟数字转换器ADC、比较器CMP、数字斜坡信号产生器UPC及导通时间产生器TON。模拟数字转换器ADC耦接于误差放大器AMP与比较器CMP的负输入端-之间。数字斜坡信号产生器UPC耦接于比较器CMP的正输入端+与输出端之间。比较器CMP的输出端耦接导通时间产生器TON。

误差放大器AMP接收输出电压VOUT与参考电压VREF以产生模拟误差信号COMP，并通过模拟数字转换器ADC转换为数字误差信号DCOMP并输入至比较器CMP的负输入端-。比较器CMP的负输入端-接收数字斜坡信号DRAMP。数字斜坡信号产生器UPC用以往上计数产生数字斜坡信号DRAMP。比较器CMP的输出端输出数字触发信号DTR至导通时间产生器TON，以产生脉宽调变信号PWM并重置数字斜坡信号DRAMP。

采样电路SAM分别耦接智能功率级SPS及控制回路CL，用以分别接收电流监测信号IMON及脉宽调变信号PWM，并根据脉宽调变信号PWM的上升缘对电流监测信号IMON采样，以获得校正参考值DIMON。实际上，采样电路SAM可包括模拟数字转换器ADC，用以在脉宽调变信号PWM的上升缘时将模拟的电流监测信号IMON转换并保持为数字的校正参考值DIMON，但不以此为限。

电流重构电路CR耦接控制回路CL与采样电路SAM。电流重构电路CR分别接收输入电压VIN、参考电压VREF、脉宽调变信号PWM及校正参考值DIMON。电流重构电路CR根据输入电压VIN、参考电压VREF及脉宽调变信号PWM产生重构电流IRE，并利用校正参考值DIMON校正重构电流IRE。

于模拟电路应用中，重构电流IRE在控制器CON中可视后续电路的需求将重构电流IRE经过数字模拟转换器转换为电压信号或电流信号以用于例如OCP保护或负载线(load-line)控制电路中；在数字电路应用中，由于计算出的重构电流IRE为数字值，则可直接作为运算子提供给数字电路进行运算。需说明的是，若电源转换电路1为多相降压转换器电路，则可使用单一采样电路SAM(在数字电路应用则可为模拟数字转换器ADC)依序读入各相的电流监测信号，以减少其整体电流消耗及电路面积，但不以此为限。

请参照图3，图3为电流重构电路CR的一实施例的示意图。如图3所示，电流重构电路CR包括步进值产生器STEP、校正器OS及运算器ADD。步进值产生器STEP耦接控制回路CL，用以根据脉宽调变信号PWM相应地产生上升步进值ISTU或下降步进值ISTD。校正器OS耦接控制回路CL，用以在脉宽调变信号PWM的上升缘时，根据校正参考值DIMON与在该上升缘时的重构电流IRE值产生校正值IOFF以供重构电流IRE的校正。运算器ADD分别耦接步进产生器STEP与校正器OS，用以根据上升/下降步进值ISTU/ISTD及校正值IOFF产生重构电流IRE，运算器ADD例如可为加法器。

当脉宽调变信号PWM处于第一状态(例如高位准)时，步进值产生器STEP根据校正参考值DIMON、输入电压VIN、参考电压VREF、与输出电感L相关的设定值SET及系统时脉TCLK产生上升步进值ISTU。假设目前时脉的重构电流为IRE，则下一时脉的重构电流IRE’为：

IRE'＝IRE+ISTU (1)

当脉宽调变信号PWM处于第二状态(例如低位准)时，步进值产生器STEP根据校正参考值DIMON、参考电压VREF、与输出电感L相关的设定值及系统时脉TCLK产生下降步进值ISTD。假设目前时脉的重构电流为IRE，则下一时脉的重构电流IRE’为：

IRE'＝IRE-ISTD (3)

电流重构电路CR根据输入电压VIN、与输出电感L相关的设定值SET及参考电压VREF产生重构电流IRE的上升波形。电流重构电路CR根据参考电压VREF及与输出电感L相关的设定值产生重构电流IRE的下降波形。

需说明的是，与输出电感L相关的设定值SET乃与输出电感L的电感值相关的值。可通过使用者设定、系统自动侦测并通过查找表设定等方式先行储存于电流重构电路CR中。

请参照图4，图4为校正器OS的一实施例的示意图。如图4所示，校正器OS包括计时器TM、判断逻辑LG、校正值产生器OG及多工器MUX。计时器TM耦接判断逻辑LG。判断逻辑LG及校正值产生器OG均耦接多工器MUX。计时器TM、判断逻辑LG及校正值产生器OG均接收脉宽调变信号PWM。校正值产生器OG根据脉宽调变信号PWM、校正参考值DIMON及重构电流IRE产生校正值IOFF。

需说明的是，由于智能功率级SPS在瞬变状态下所回报的电流监测信号IMON可能会失准而导致控制器CON功能异常，因此，校正器OS中设置有计时器TM及判断逻辑LG，用以在瞬变状态停止校正步骤，避免错误的校正值影响重构电流，待瞬变状态结束后再恢复校正功能。

举例而言，当计时器TM计时得到脉宽调变信号PWM的周期小于预定时间时，代表处于瞬变状态下，校正器OS停止产生校正值IOFF以校正重构电流IRE。其工作原理为：当脉宽调变信号PWM的下降缘发生时，触发计时器TM开始计时脉宽调变信号PWM处于第二状态(低位准)的时间长度(TOFF)，直至脉宽调变信号PWM的上升缘发生时，判断脉宽调变信号PWM处于第二状态(低位准)的时间长度(TOFF)是否超过预设时间T(通常为200ns～400ns)。

若判断结果为是，代表智能功率级SPS所回报的电流监测信号IMON可信，可继续执行后续的校正程序。脉宽调变信号PWM的上升缘发生时的重构电流IRE的值会储存于暂存器并由采样电路SAM将模拟的电流监测信号IMON转换为数字的校正参考值DIMON。校正值产生器OG计算校正参考值DIMON与重构电流IRE的差距，并经由多工器MUX输出此周期的校正值IOFF，用以校正重构电流IRE，使其与真实电感电流IL差距变小。

若判断结果为否，代表智能功率级SPS所回报的电流监测信号IMON不可信，故等待下一笔可信数据而不进行校正。此时，重构电流IRE仍持续进行前述累加/减的动作。

请参照图5，图5为电流重构电路CR产生重构电流IRE的波形时序图。如图5所示，在时间t1之前，脉宽调变信号PWM为第一状态(高位准)，步进值产生器STEP根据输入电压VIN、参考电压VREF、与输出电感L相关的设定值及系统时脉TCLK依上述式(2)产生上升步进值ISTU。

在时间t1，脉宽调变信号PWM的下降缘发生，亦即脉宽调变信号PWM变为第二状态(低位准)，步进值产生器STEP开始根据参考电压VREF、与输出电感L相关的设定值及系统时脉TCLK依上述式(4)产生下降步进值ISTD。需说明的是，采样电路SAM中的计时器会从脉宽调变信号PWM的下降缘开始计时。

在时间t2，当采样电路SAM中的计时器已计时一段预设时间T(例如400ns)时，控制器CON才会启动采样电路SAM以对电流监测信号IMON进行采样。由此，采样电路SAM无须持续启动，故能节省其功耗。

在时间t3，脉宽调变信号PWM的上升缘发生而转变为第一状态(高位准)，步进值产生器STEP开始根据输入电压VIN、参考电压VREF、与输出电感L相关的设定值及系统时脉TCLK依式(5)产生上升步进值ISTU并叠加至重构电流IRE上。脉宽调变信号PWM的上升缘使采样电路SAM保持(hold)电流监测信号IMON当下的模拟值并开始进行模-数转换。

在时间t4，采样电路SAM送出校正参考值DIMON，校正值产生器OG根据当下的重构电流IRE与校正参考值DIMON计算出校正值IOFF。校正值IOFF根据下述公式产生：

IOFF＝DIMON-IRE(5)

加法器ADD将校正值IOFF、上升步进值ISTU与当下的重构电流IRE加总后产生新的重构电流IRE’，完成重构电流IRE的校正。以公式表示则为：

IRE’＝IST+IOFF+IRE (6)

IST为时间t4的步进值(在本例中为上升步进值ISTU)、IOFF为校正值、IRE为时间t4当下(第一系统时脉)的重构电流值、IRE’为紧接在时间t4之后(第二系统时脉)的重构电流值，第二系统时脉紧接在第一系统时脉之后。

在时间t5时，脉宽调变信号PWM的下降缘发生，亦即脉宽调变信号PWM变为第二状态(低位准)，步进值产生器STEP开始根据式(6)产生下降步进值ISTD，重复时间t1起的流程。如此反复进行，以通过数字运算的方式，在控制器CON中重构出与智能功率级SPS提供的电流监测信号IMON相对应的重构电流IRE。

请参照图6，图6为电源转换电路1的控制器CON正常运作下的波形时序图。如图6所示，在时间t1，脉宽调变信号PWM的下降缘发生，计时器TM开始计时。在时间t1至t2期间，未发生脉宽调变信号PWM的上升缘，代表本周期智能功率级SPS所提供的电流监测信号IMON应为可信，校正器OS可对重构电流IRE进行校正程序。

在时间t3，脉宽调变信号PWM的上升缘发生，校正值产生器OG纪录此时重构电流IRE的值，且图2中的采样电路SAM开始将此时的电流监测信号IMON转换为校正参考值DIMON。在时间t4，采样电路SAM将转换完成的校正参考值DIMON提供给校正值产生器OG。校正值产生器OG计算校正参考值DIMON与重构电流IRE的差距，并经由多工器MUX输出此周期的校正值IOFF，用以校正重构电流IRE。

请参照图7，图7为电源转换电路1的控制器CON在瞬变(Transient)状态下不进行校正的波形时序图。如图7所示，当瞬变状态发生时，在时间t5，负载增加，回圈控制缩短脉宽调变信号PWM为低位准的时间，以增加电流输出量。在时间t5至t6期间，计时器TM重复被脉宽调变信号PWM的上升缘重置(亦即脉宽调变信号PWM为低位准的时间比预定时间T要短)，使判断逻辑LG在此期间输出为低位准，多工器MUX输出0(校正值产生器OG的输出持续为0)，而停止重构电流IRE的校正程序，但电流重构电路CR仍继续进行累加/减动作产生重构电流IRE的上升/下降波形。到时间t6之后，脉宽调变信号PWM为低位准的时间再次大于预定时间T，而重新产生校正值IOFF来开始重构电流IRE的校正程序。

需说明的是，虽然在时间t5至t6期间并未进行重构电流IRE的校正程序，但由于重构电流IRE与真实电感电流IL的波形还是足够接近，故仍可使用重构电流IRE做为过电流保护等功能的输入来源。

依据本发明的另一具体实施例为一种电源转换电路的控制器的运作方法。于此实施例中，智能功率级提供电流监测信号至控制器。请参照图8，图8为此实施例中的控制器的运作方法的流程图。

如图8所示，控制器的运作方法包括下列步骤：

步骤S10：产生脉宽调变信号，以控制智能功率级的操作；

步骤S12：根据脉宽调变信号对电流监测信号采样，以获得校正参考值；以及

步骤S14：根据输入电压、参考电压及脉宽调变信号产生与电流监测信号相对应的重构电流，并利用校正参考值校正重构电流。

于实际应用中，当脉宽调变信号处于第一状态(例如高位准)时，运作方法根据输入电压、参考电压、与输出电感相关的设定值及系统周期依上述式(5)产生上升步进值；当脉宽调变信号处于第二状态(例如低位准)时，运作方法根据参考电压、与输出电感相关的设定值及系统周期依上述式(6)产生下降步进值。当脉宽调变信号的周期小于设定时间时，停止校正重构电流。

于一实施例中，步骤S14包括：根据输入电压、参考电压与脉宽调变信号产生步进值；在脉宽调变信号的上升缘时，根据校正参考值及在上升缘时的重构电流产生校正值；以及根据步进值及校正值产生重构电流。

于另一实施例中，重构电流的上升波形是根据输入电压、与输出电感相关的设定值及参考电压依上述式(1)及式(2)所产生；重构电流的下降波形是根据参考电压及与输出电感相关的设定值依上述式(3)及式(4)所产生。

相较于现有技术，本发明的电源转换电路的控制器及其运作方法可达到下列功效及优点：

(1)对不同的智能功率级集成电路相容性高：无论搭配使用的智能功率级是使用何种方式产生电流监测信号(IMON)，本发明的电源转换电路的控制器仅在脉宽调变信号的上升缘时取得电流监测信号(IMON)的谷值，作为重构电流的校正依据，其余电流波形则于控制器内部以数字方式对电流监测信号进行重构，使控制器的峰值电流钳制等功能得以正常运作；以及

(2)无信号延迟问题：本发明在控制器内部产生与电流监测信号对应的数字重构电流，以数字值的型态供控制器内部的数字电路直接进行运算，故不会有模拟电路所造成的信号延迟问题。