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大器 大器 大器

3.1 簡介簡介簡介 簡介

在上一個章節,我們介紹了降壓型切換式電源轉換電路的基本架構與原 理,並且了解不同模式的控制,因為電流模式控制利用電感電流來修正脈寬調變 控制,令輸出電壓與電感電流和輸出入電壓的呈現綜合關係,使其擁有快速暫態 響應[6]-[13]。

在此章節中,我們將介紹一個加入了改良式誤差放大器的電流模式降壓型 切換式電源轉換電路,來改善輕、重載變化時輸出電壓的準位,並使其擁有快速 暫態響應與良好的負載穩壓。

3.2 高準確降壓型直流轉直流轉換電路高準確降壓型直流轉直流轉換電路高準確降壓型直流轉直流轉換電路高準確降壓型直流轉直流轉換電路之電路架構之電路架構之電路架構 之電路架構

圖 3.1 為此高準確降壓型直流轉直流轉換電路利用增強型誤差放大器的架構 圖。系統上包括了功率元件與控制電路,功率元件包括功率電晶體 MP與 MN、 電感 L、電容 C 和負載電阻 RL所組成,控制電路包括改良式誤差放大器(Error Amplifier)、比較器(Comparator)、能帶隙電壓參考電路(Bandgap reference)、啟動 電路(Soft-start)、振盪器(Oscillator)、加成電路(Summing circuit)、電感電流感測 電路(Current sensor)、脈寬調變電路(pulse-width modulation, PWM)和功率電晶體

驅動電路(Buffer)。

將輸出電壓經分壓電阻(Rf1與 Rf2)分壓回授的方式,透過誤放大器放大分壓 輸出電壓 bVOUT與參考電壓 VREF的誤差並且提供補償來使轉換電路達到良好的 動態響應,電感電流感測電路用來感測感測電感電流,而加成電路則是將電感電 流訊號與鋸齒波訊號加成,將放大的誤差訊號與加成訊號送入比較器中,來產生 脈寬調變訊號,而鋸齒波訊號由振盪器所產生且為固定頻率,使用此脈寬調變訊 號來控制功率電晶體 MP與 MN進行開關來達成穩定電壓之功能。

圖 3.1 高準確降壓型直流轉直流轉換電路利用增強型誤差放大器

3.3 細部電路細部電路細部電路 細部電路

以下介紹此電源轉換電路的細部電路。

3.3.1 改良式誤差放大器改良式誤差放大器改良式誤差放大器改良式誤差放大器(error amplifier)

誤差放大器用來比較參考電壓和回授電壓的差值,並且將誤差放大來修正輸 出電壓。而誤差放大器和補償電路組成補償迴路,讓閉迴路增益可以穩定[14],

如圖 3.2。

圖 3.2 補償電路 amplifier)和一個二階放大器,改良了一般的 OP 放大器,使擁有高增益(high gain) 和高頻寬(bandwidth),擁有良好的 slew-rate,100V/µs,可以提供良好的大訊號

連時,可以得到如圖 3.5 最右邊的圖形,Aall為高增益高頻寬之誤差放大器。

圖 3.3 誤差放大器

圖 3.4 誤差放大器示意圖

×

圖 3.5 誤差放大器頻率響應

3.3.2 能帶隙電壓參考電路能帶隙電壓參考電路能帶隙電壓參考電路能帶隙電壓參考電路(bandgap reference)

利用正溫度係數電流(IPTAT)與負溫度係數電流(ICTAT)加成比例關係來產生零 溫度係數的參考電壓,如圖 3.6 所示,所產生的電壓如下列式子︰

( )

REF PTAT CTAT REF

V =

α

×I + ×

β

I R

(3.5)

圖 3.6 能帶隙電壓參考電路示意圖

+

-圖 3.7 能帶隙電壓參考電路架構

將圖 3.6 示意圖設計出能帶隙電壓參考電路,如圖 3.7 表示,利用放大器 A1 將 Vx與 Vy固定為相同電壓值,電阻 R1的跨壓等於 VEB2-VEB1(∆VEB),而 ∆VBE 對溫度呈現正向關係,故可以得到正溫度係數的電流 IPTAT=∆VEB/R1,利用放大 器 A2 使電阻 R2的電壓為 VEB2,VEB2對溫度呈現負向關係,得到負溫度係數的

電流 ICTAT=VEB2/R2,利用電流鏡(current mirror)的方式把正溫度係數電流 IPTAT

+-

3.3.4 振盪器和加成電路振盪器和加成電路振盪器和加成電路振盪器和加成電路(Oscillator & Summing Circuit)

一般的鋸齒波振盪器常使用兩個比較器搭配邏輯電路以及外部電阻電容元 件,通常較占晶片面積與腳位數目。此轉換電路所使用的震盪器電路僅用到一個 比較器和一個電容(on-chip poly-poly capacitor),可以節省晶片面積與腳位數目,

如圖 3.11 所示。此振盪器可以同時產生一組週期訊號(clock signal, CLK)與鋸齒 波訊號(ramp signal, Vramp),鋸齒波訊號的上限與下限是受到 VH與 VL所定義(圖

CLK CLK CLK

CLK CLK

一般的加成電路可以分為電流加成與電壓加成,如圖 3.13,電壓加成(圖 3.13(a))必須使用到 3 電阻與 1 組放大器,而使用電流加成 3.13(b))就必須先將電 壓訊號轉為電流訊號,會增加 1 組電壓轉電流轉換電路,所以此兩種加成電路會 增加額外的成本。

圖 3.13 傳統的加成電路

圖 3.14 加成電路輸出波形

而此加成電路僅使用 1 組電阻與 1 組電容,如圖 3.11,圖中電流 IC2等於振 盪器的 IC1,電容 CS2等於振盪器的 CS1,此電路利用從電感電流感測電路得到的 電感電流訊號,流過 Rs得到 Vsense,電容 CS2的下板電壓從 0V 變成 Vsense,而電 容上版電壓就由 Vramp變成 Vramp+Vsense,也就是鋸齒波訊號加上電感電流訊號,

得到加成訊號 Vsum

s sense ramp sense

ramp

sum V V V I R

V = + = + ⋅ (3.10)

圖 3.14 所表示鋸齒波訊號、電感電流訊號與加成訊號,接著將此加成訊號 Vsum輸入到比較器中。

3.3.5 比較器比較器比較器比較器(comparator)

比較器如圖 3.15 所表示,輸出端 M1與 M2為前級放大器(pre-amplifier),把 輸入訊號先行放大,M3~M6為正回授拴鎖器,而 M7~M10將拴鎖的訊號由雙端轉 為單端,透過最後兩級反向器(M11與 M12、M13與 M14)當作拴鎖器產生完善的比 較器輸出。

圖 3.15 比較器

3.3.6 脈寬調變電路脈寬調變電路脈寬調變電路脈寬調變電路(PWM)

脈寬調變電路可以使用單一 SR 拴鎖器來完成,但是 SR 拴鎖器(SR Latch) 在輸入皆為 1 的時候是未定狀態,如圖 3.16,會造成電路狀態不明確,使的脈寬 調變電路無法正確操作。於是將 SR 拴鎖器加上 NAND gate 和 AND gate,如圖 3.17,讓 SR 拴鎖器不會產生同時兩個輸入都為 1 的情況,避免掉 SR 拴鎖器的 未定狀態。

圖 3.16 SR 拴鎖器特性

圖 3.17 脈寬調變電路

3.3.7 功率電晶體驅動電路功率電晶體驅動電路功率電晶體驅動電路功率電晶體驅動電路(Buffer)

為了降低導通損失,故功率電晶體的大小都十分的龐大,所以無法直接利用 控制電路推動功率電晶體,必須增加一個驅動電路來推動,如果沒有加此驅動電 路,會讓控制訊號延遲造成控制不夠精確,最糟糕的情況可能造成功率電晶體不 會開啟與關閉。此外,如果功率電晶體 MP與 MN同時開啟,會有很大的電流直 接從電源流到地,造成很大的功率耗損,降低電源轉換效率,也就是開關功率電 晶體之時序誤差損失。驅動電路如圖 3.18 所示,利用非重疊時序電路(non-overlap

clock)來避免讓功率電晶體 MP與 MN同時開啟,進而減少電流直接從電源至地,

同時也讓此驅動電路逐級放大,來提供足夠的推進力推動功率電晶體。圖 3.19 表示功率電晶體驅動電路的波形,波形中 VP與 VN的開啟與關閉是有順序性的,

此順序可以避免兩個電晶體同時開啟。

圖 3.18 功率電晶體驅動電路

圖 3.19 功率電晶體驅動電路之波形

3.3.8 啟動啟動啟動啟動電路電路電路電路(soft-start)

啟動電路的功能在於電路剛啟動,也就是 VIN從 0 到目標電壓的時間,因為 切換式電源轉換器的特性,我們必須讓他的工作週期 D 由 0 逐漸變成目標週期,

如果沒有啟動電路,可能會使的電感電流過大而損壞。此啟動電路(圖 3.20)是使 用一外部大電容讓參考電壓 Vref慢慢變大(圖 3.21),來產生逐漸變大的工作週期。

圖 3.20 啟動電路

圖 3.21 啟動時間示意圖

3.4 小結小結小結 小結

在本章節中,一個使用改良式誤差放大器的降壓型切換式電源轉換器被介 紹。而此改良是用來改善輕、重載變化時,輸出電壓的準位,並使其擁有快速暫 態響應與良好的負載穩壓。此章節亦詳細介紹了各個細部電路的詳細電路與操 作,在下章節中,將有此電源轉換的模擬與量測相關數據。

第四章 第四章

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