专利名称：可调适脉宽控制的电源转换方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明是关于一种电源转换装置的设计，特别是关于一种可调适脉宽控制的电源 转换方法及装置。
背景技术：
在日趋复杂的电子、电脑系统装置中，电源转换装置扮演了一个举足轻重的角色。 参阅图1所示，其是显示已知电源转换装置的控制电路图。已知电源转换装置100主要由 一控制逻辑电路1产生一序列的脉冲控制信号Poutl控制开关电路2，使开关电路2中的半 导体元件(例如M0SFET)导通或关闭，再通过一滤波电路21将输入电压源Vin转换为负载 3所需的输出电压Voutl。控制逻辑电路1 一般采用脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM)方式作输出 控制，PWM控制的特性是开关电路2的切换频率会与系统本身的时钟信号CLK同步，通过调 节脉冲控制信号Poutl的脉宽进行电源转换。其脉宽调节则依据电感电流iLl、输出电压 Voutl...等反馈状态信号，例如在图中所示的电感电流检测电路41、误差放大电路42、比 较器43 (提供有一斜率补偿信号Vs)即构成输出电压Voutl的反馈电路。电流检测电路41 用以检测电感电流iLl ；误差放大电路42的一输入端提供有一参考电压Vref，另一输入端 用以检测输入供应于负载3的输出电压Voutl。比较器43比较误差放大电路42与电感电 流检测电路41所产生的输出信号后产生一反馈信号Fb，反馈至控制逻辑电路1。除了 PWM控制之外，电源转换装置也常采用脉频调制(Pulse FrequencyModulation,PFM)控制的方式进行电源转换。PFM控制的特性是针对开关电路的 切换频率进行控制，开关电路的切换频率依据转压差(Voltage ConversionRatio)的不同 或负载大小来调整。在较小转压差及较大负载时，开关电路的切换频率会调高，而在较大转 压差及较小负载时，开关电路切换频率会调低。但PFM控制相对于PWM控制而言，无论转压 差、负载大小、外部元件(例如电感L、电容C)大小，其脉冲控制信号的脉宽均为固定值。一般而言，电源转换装置如以PFM操作，在轻载时电源转换的效率较高。由于在开 关切换功率损耗为一定值的情况下，开关切换功率损耗对输出功率的比例跟负载大小成反 比，轻载时功率损耗大多在开关电路的切换上，故以PFM操作会在轻载时减少开关切换频 率，从而降低开关切换功率损耗，所以相对而言，以PFM操作在轻载时效率会比PWM操作高 上许多，以PWM操作会在负载越轻时转换效率相对越低。故现今的电源转换装置工作模式 的典型例子是结合PWM及PFM，并在轻载时从PWM模式转向PFM模式，而此类型的电源转换 装置在PWM模式下的电感电流iLl 1、输出电压Voutll及脉冲控制信号Poutl 1，以及在PFM 模式下的电感电流iL12、输出电压Voutl2及脉冲控制信号Poutl2，其波形分别由图2及图 3所显示。然而，已知在轻载时从PWM模式转向PFM模式的电源转换装置，由于工作于PFM模 式时无视转压差、负载大小、外部元件(电感、电容)大小，其脉冲控制信号的脉宽均为固定 值，故在PFM模式时，输出电压波形(参阅图3)相对而言会比工作在PWM模式时的输出电压波形(参阅图2)来的大，而输出电压波形也会随转压差增加而变大，成为此类型的电源 转换装置问题所在。
发明内容
本发明的目的即是提供一种可调适脉宽控制的电源转换方法及装置，用以降低 PFM模式时的输出电压波形，使输出稳定度较佳。本发明为解决已知技术的问题所采用的技术手段是在检测到一模式切换事件信 号时，以一预定脉宽产生一序列的PFM控制信号，并比较PFM控制信号及PWM控制信号的脉 宽，将脉宽较大者输出为一脉冲控制信号，用以控制开关电路，再由滤波电路输出一输出电 压供应至负载。此PFM控制信号的脉宽依据一预定的脉宽递增级数，循序由低至高逐级调 节，并依据所检测负载的反馈状态信号，调适PFM控制信号的脉宽至最适脉宽值后，以PFM 模式供应输出电压至该负载。本发明的电路包括用以产生一序列的PFM控制信号的可调适脉宽PFM控制电路、 用以产生一序列的PWM控制信号的PWM控制电路、连接于可调适脉宽PFM控制电路及PWM 控制电路间的PWM/PFM切换单元、连接输入电压源及可调适脉宽PFM控制电路的开关电路 以及检测负载的反馈状态信号的负载状态检测电路。本发明所采用的技术手段，通过使电源转换装置在由PWM模式进入PFM模式工作 前，配合不同的转压差以及外部元件，依据负载的电感电流、输出电压...等反馈状态信 号，将PFM控制信号的脉宽调适至最适脉宽，使电源转换装置工作在PFM模式时，其输出电 压的波形得到改善，也不会因转压差增加使输出电压波形变大，减少开关切换功率损耗，使 输出稳定度较佳。
113计数器
114数字/模拟转换器
115脉冲产生器
116脉宽比较电路
12PWM控制电路
13PWM/PFM切换单元
2开关电路
21滤波电路
3负载
41电感电流检测电路
42误差放大电路
43比较器
5负载状态检测电路
51电感电流检测电路
52反馈电路
53误差放大电路
54相位补偿电路
55误差比较电路
C电容
CLK时钟信号
DCM非连续电流模式信号
Enable模式切换事件信号
Ecout反馈状态信号
Fb反馈信号
iLl、iLll、iL12、iL2、电感电流
iL21、iL22
L电感
MlP丽模式
M2PFM模式
M3过度阶段
N修正倍率参数
PFM_EnablePFM模式切换事件信号
Poutl、Poutl1、Pout 12、脉冲控制信号
Pout2、Pout21、Pout22
PWMOPWM控制信号
PWMFPFM控制信号
Vin输入电压源
Voutl、Voutl 1、Voutl2、输出电压
Vout2、Vout21、Vout22
VrefVsWdff
参考电压 斜率补偿信号 起始脉宽值 脉宽递增级数
具体实施例方式本发明所采用的具体实施例，将通过以下的实施例及附图作进一步的说明。请同时参阅图4及图5，本发明可调适脉宽控制的电源转换装置IOOa的控制电路 包括一可调适脉宽PFM控制电路11、一 PWM控制电路12、一 PWM/PFM切换单元13、一开关电 路2及一负载状态检测电路5。可调适脉宽PFM控制电路11通过一 P丽/PFM切换单元13连接于P丽控制电路 12。图5所示，可调适脉宽PFM控制电路11主要包括一控制逻辑单元111，其连接有一存 储单元112，存储单元112中储存有一起始脉宽值W、一脉宽递增级数dW及一修正倍率参数 N,使控制逻辑单元111用以依序通过一计数器113、一数字/模拟转换器114控制一脉冲产 生器115产生一序列的PFM控制信号PWMF至一脉宽比较电路116。本领域技术人员应当理 解，利用计数器113产生PFM控制信号PWMF仅为本发明的较佳实施方式，实际应用时自然 可通过其他方式予以实施。PWM控制电路12可产生一序列的P丽控制信号P丽0，，P丽控制信号P丽0，经P丽/ PFM切换单元13传送至可调适脉宽PFM控制电路11的脉宽比较电路116，由脉宽比较电路 116比较PFM控制信号PWMF及P丽控制信号P丽0，将PFM控制信号PWMF及P丽控制信号 PWMO的脉宽较大者输出为脉冲控制信号Pout2。开关电路2连接输入电压源Vin及可调适脉宽PFM控制电路11，由脉冲控制信号 Pout2控制开关电路2，再通过一滤波电路21输出一输出电压Vout2供应至负载3。负载状态检测电路5可检测供应至负载3的电压及电流状态，并产生一反馈状态 信号Ecout传回至PWM控制电路12及PWM/PFM切换单元13。在本实施例中，负载状态检测 电路5包括一电感电流检测电路51、一反馈电路52、一误差放大电路53、一相位补偿电路 54及一误差比较电路55。电感电流检测电路51连接于开关电路2与滤波电路21之间，用以检测供应于负 载3的电感电流iL2 ；反馈电路52连接于滤波电路21与负载3之间，用以检测供应于负载 3的输出电压Vout2 ；误差放大电路53的其中一输入端提供有一参考电压Vref，另一输入 端连接于反馈电路52，输出端则通过相位补偿电路54连接于误差比较电路55的输入端，而 误差比较电路55的另一输入端连接于电感电流检测电路51，输出端则输出至PWM控制电路 12以及通过PWM/PFM切换单元13输出至可调适脉宽PFM控制电路11。同时参阅图6所示，其是本发明各电路信号的波形图，包括有PWM控制信号PWM0、 PFM控制信号PWMF、脉冲控制信号Pout2、时钟信号CLK、模式切换事件信号Enable、PFM模 式切换事件信号PFM_Enable、非连续电流模式信号DCM、电感电流iL2各信号的波形图。用 以显示各信号由PWM模式Ml进入PFM模式M2时的变化。图7显示本发明较佳实施例的步骤流程图，并请配合图4至图6，对本发明较佳实 施例的步骤流程作一说明如下。本发明可调适脉宽控制的电源转换装置IOOa可切换操作于一 PWM模式Ml或是一 PFM模式M2，当可调适脉宽控制的电源转换装置IOOa由PWM模式 Ml切换操作为PFM模式M2前，会于一过度阶段M3调适PFM控制信号PWMF的脉宽至一最适 脉宽值。在实际运作时，首先由可调适脉宽PFM控制电路11判断是否检测到一模式切换 事件信号Enable (步骤101)，模式切换事件信号Enable是在负载3为轻载时判断产生。 所属技术领域技术人员应当理解，轻载可利用检测电流、电压、脉冲控制信号的脉宽、频 率...等各种方式用以作轻载的判断，此模式切换事件信号Enable则可由外部或内部控 制来产生。当负载在一般情况(例如中载、重载)时，则可调适脉宽控制的电源转换装置 IOOa操作在PWM模式Ml (步骤102)，由PWM控制电路12依据输入电压源Vin及负载3所 需的输出电压Vout2，产生一序列的PWM控制信号PWM0，作为脉冲控制信号Pout2输出。当检测到模式切换事件信号Enable，也即负载转为轻载时，可调适脉宽控制的电 源转换装置IOOa准备由PWM模式Ml切换操作为PFM模式M2。此时，由可调适脉宽PFM控 制电路11设定PFM控制信号PWMF的起始脉宽值W及脉宽递增级数dW (步骤103)。在本实 施例中，起始脉宽值W及脉宽递增级数dW已预先储存于存储单元112中，当然，可由外部输 入或其他已知技术手段来实施设定。在此同时，PWM控制单元12依旧将所产生的PWM控制信号PWMO输入可调适脉宽 PFM控制电路11，可调适脉宽PFM控制电路11的控制逻辑单元111依据起始脉宽值W，由脉 冲产生器产生一序列的PFM控制信号PWMF (步骤104)，PFM控制信号PWMF以PWM控制信号 PWMO前缘触发，使其与PWM控制信号PWMO同步，输入脉宽比较电路116。PFM控制信号PWMF与PWM控制信号PWMO输入脉宽比较电路116后，通过脉宽比 较电路116比较PFM控制信号PWMF及P丽控制信号P^O的脉宽(步骤105)，并将PFM控 制信号PWMF及PWM控制信号PWMO的脉宽较大者输出为脉冲控制信号Pout2 (步骤106)。 其实施上的细部流程为先判断PFM控制信号PWMF的脉宽是否大于PWM控制信号PWMO的脉 宽？(步骤106a)。当PFM控制信号PWMF的脉宽较大时，则将PFM控制信号PWMF输出为 脉冲控制信号Pout2 (步骤106b)；当PWM控制信号PWMO的脉宽较大时，则将PWM控制信号 PWMO输出为脉冲控制信号Pout2 (步骤106c)。虽然在本发明的较佳实施例中，是通过上述 步骤用以输出脉冲控制信号Pout2，但在也可改以PWM控制信号PWMO作为基准，以一定的递 增值不断扩展，依旧能在输出脉冲控制信号Pout2上达到效果。可调适脉宽PFM控制电路11以输出的脉冲控制信号Pout2控制开关电路2，再由 滤波电路21输出输出电压Vout2供应至负载3 (步骤107)。此时即由负载状态检测电路5 检测负载3的反馈状态信号Ecout (步骤108)，传回可调适脉宽PFM控制电路11及PWM控 制电路12。在本实施例中，反馈状态信号Ecout主要包括供应于负载3的电感电流iL2以 及输出电压Vout2。由负载状态检测电路5传回的反馈状态信号Ecout是作为PFM控制信号PWMF及 PWM控制信号PWMO的脉宽调适的用，如图6所示，PWM控制单元12依据反馈状态信号Ecout， 在负载转为轻载时逐渐减少PWM控制信号PWMO的脉宽。可调适脉宽PFM控制电路11依据 前先设定的脉宽递增级数dW，循序由低至高逐级调节PFM控制信号PWMF的脉宽，并依据反 馈状态信号Ecout，决定出一最适脉宽值(步骤109)。在细部的实施流程中，先判断PFM控 制信号PWMF的脉宽是否到达最适脉宽值？(步骤109a)，若PFM控制信号PWMF的脉宽尚未
8到达最适脉宽值，控制逻辑单元111则依据脉宽递增级数dW循序由低至高逐级调节PFM控 制信号PWMF的脉宽(步骤109b)，使PFM控制信号PWMF的脉宽随时钟信号CLK切换而不断 递增，通过重复输出、检测、调节的循环流程，直至到达最适脉宽值为止。PFM控制信号PWMF的脉宽是否到达最适脉宽值，可通过检测电感电流iL2、输出 电压Vout2、负载3的变化进行判断，实施上可包括下列几种方法(1)检测供应于负载的 电感电流是否由非连续电流模式(Discontinuous CurrentMode, DCM)转成连续电流模式 (Continuous Current Mode, CCM)，检测时间点可为时钟信号CLK周期结束时或1/10 1 的时钟信号CLK周期，判定电流也可以为连续电流模式时的电流的两倍到零；(2)检测供应 于负载的输出电压波形是否大于工作在非连续电流模式及连续电流模式交界时输出电压 波形；(3)检测供应于负载的电感电流平均值是否大于工作在非连续电流模式及连续电流 模式交界时的电感电流平均值。如此，随着转压差的不同、外部元件的差异，可计算出各自 合适的最适脉宽值。计算出最适脉宽值后，尚可因应不同负载及电路的考量，以一预定的修正倍率参 数N调节最适脉宽值(步骤110)，将最适脉宽值增加或减少。若将最适脉宽值增加，则会增 加输出电压波形，且提升效率；将最适脉宽值缩小，则会降低输出电压波形，而降低效率。最 适脉宽值决定后，则锁定此最适脉宽值，并由可调适脉宽PFM控制电路11送出PFM模式切 换事件信号PFM_Enable予PWM/PFM切换单元13，切换为PFM模式。此后则以调适脉宽后的 最适脉宽值，以PFM模式M2供应输出电压Vout2至负载3 (步骤111)，反馈状态信号Ecout 作为调节PFM控制信号PWMF的脉频之用。参阅图8及图9所示，图8显示本发明在PWM模式下的电感电流iL21、输出电压 Vout21及脉冲控制信号Pout21的波形图；图9显示本发明在PFM模式下的电感电流iL22、 输出电压Vout22及脉冲控制信号Pout22的波形图。本发明与已知技术(请配合参阅图2 及图3)相比，由于在进入PFM模式前，进行PFM控制信号PWMF的脉宽调适，使其具有最适 脉宽值，故在PFM模式时，输出电压Vout22波形不会比在PWM模式时的输出电压Vout21波 形来的大，改善已知技术的缺失。由以上的实施例可知，本发明所提供的可调适脉宽控制的电源转换方法及装置确 具产业上的利用价值，故本发明业已符合于专利的要求。但以上的叙述仅为本发明的较佳 实施例说明，任何本领域技术人员可依据上述的说明而作其它种种的改良，但这些改变仍 属于本发明的发明精神及以上所界定的权利要求书中。
权利要求
一种可调适脉宽控制的电源转换方法，其特征在于，所述电源转换方法是用以将一输入电压源通过一可调适脉宽控制的电源转换电路转换为供应至一负载的输出电压，所述电源转换电路可切换操作于-PFM模式或是一PWM模式，所述方法包括下列步骤(a)检测一模式切换事件信号；(b)当检测到所述模式切换事件信号时，由所述电源转换电路以一预定脉宽产生一序列的PFM控制信号，用以输出一脉冲控制信号；(c)由所述脉冲控制信号控制所述开关电路，再由所述滤波电路输出一输出电压供应至所述负载；(d)检测所述负载的反馈状态信号；(e)依据一预定的脉宽递增级数，循序由低至高逐级调节所述PFM控制信号的脉宽，并依据所述反馈状态信号，决定出一最适脉宽值；(f)以所述调适脉宽后的最适脉宽值，以PFM模式供应输出电压至所述负载。
2.如权利要求1所述的可调适脉宽控制的电源转换方法，其特征在于，步骤(a)中，所 述模式切换事件信号是在所述负载为轻载时产生。
3.如权利要求1所述的可调适脉宽控制的电源转换方法，其特征在于，步骤(e)中，是 依据供应于所述负载的电感电流是否由非连续电流模式转成连续电流模式，决定所述最适 脉宽值。
4.如权利要求1所述的可调适脉宽控制的电源转换方法，其特征在于，步骤(e)中，是 依据供应于所述负载的输出电压波形是否大于工作在非连续电流模式及连续电流模式交 界时输出电压波形，决定所述最适脉宽值。
5.如权利要求1所述的可调适脉宽控制的电源转换方法，其特征在于，步骤(e)中，是 依据供应于所述负载的电感电流平均值是否大于工作在非连续电流模式及连续电流模式 交界时的电感电流平均值，决定所述最适脉宽值。
6.如权利要求1所述的可调适脉宽控制的电源转换方法，其特征在于，步骤(e)之后， 还包括以一预定的修正倍率参数调节所述最适脉宽值。
7.如权利要求1所述的可调适脉宽控制的电源转换方法，其特征在于，步骤(b)之后， 还包括下列步骤(bl)比较所述PFM控制信号及所述电源转换电路所产生的PWM控制信号的脉宽；(b2)将所述PFM控制信号及所述PWM控制信号的脉宽较大者输出为所述脉冲控制信号。
8.一种可调适脉宽控制的电源转换装置，其特征在于，所述电源转换装置用以将一输 入电压源经电源转换后供应至一负载，包括一可调适脉宽PFM控制电路，用以产生一序列的PFM控制信号；一 PWM控制电路用以产生一序列的PWM控制信号；一 PWM/PFM切换单元，连接所述可调适脉宽PFM控制电路及所述PWM控制电路；一开关电路，连接所述输入电压源及所述可调适脉宽PFM控制电路，由所述PFM控制信 号及所述PWM控制信号的一输出为一脉冲控制信号控制所述开关电路，再由一滤波电路输 出一输出电压供应至所述负载；一负载状态检测电路，用以检测所述负载的反馈状态信号，传回至所述可调适脉宽PFM控制电路及所述PWM控制电路；当所述电源转换装置由P丽模式切换操作为PFM模式前，由所述可调适脉宽PFM控制 电路以一预定脉宽产生一序列的PFM控制信号，并以一预定的脉宽递增级数，循序由低至 高逐级调节所述PFM控制信号的脉宽，直至依据所述反馈状态信号，决定出一最适脉宽值 后，再以所述调适脉宽后的最适脉宽值，以PFM模式供应输出电压至所述负载。
9.如权利要求8所述的可调适脉宽控制的电源转换装置，其特征在于，所述可调适脉 宽PFM控制电路包括一控制单元；一存储单元，连接所述控制单元，所述存储单元中储存有所述脉宽递增级数；一脉冲产生器，连接所述控制单元，在所述控制单元的控制之下，产生所述PFM控制信号；一脉宽比较电路，连接于所述脉冲产生器，用以将所述PFM控制信号及所述PWM控制信 号的脉宽较大者输出为所述脉冲控制信号。
10.如权利要求9所述的可调适脉宽控制的电源转换装置，其特征在于，所述可调适脉 宽PFM控制电路还包括一计数器及一数字/模拟转换器，所述计数器连接所述控制单元，所 述数字/模拟转换器连接所述计数器，所述控制单元通过所述计数器及所述数字/模拟转 换器控制所述脉冲产生器。
11.如权利要求8所述的可调适脉宽控制的电源转换装置，其特征在于，所述负载状态 检测电路包括一电感电流检测电路，连接于所述开关电路与所述滤波电路之间，用以检测 供应于所述负载的电感电流。
12.如权利要求8所述的可调适脉宽控制的电源转换装置，其特征在于，所述负载状态 检测电路包括一反馈电路，连接于所述滤波电路与所述负载之间，用以检测供应于所述负 载的输出电压。
全文摘要
一种可调适脉宽控制的电源转换方法及装置，其中所述装置包括一可调适脉宽PFM控制电路、一PWM控制电路、一PWM/PFM切换单元、一开关电路及一负载状态检测电路，是在由PWM模式切换操作为PFM模式前，以一预定的脉宽递增级数，循序由低至高逐级调节一序列的PFM控制信号的脉宽至一最适脉宽值后，再以PFM模式供应输出电压至负载，以改善PFM模式时的输出电压波形，使电源转换装置的输出稳定度较佳。
文档编号H02M1/00GK101888166SQ20091013719
公开日2010年11月17日 申请日期2009年5月14日 优先权日2009年5月14日
发明者林俞伸, 谢顺安 申请人:远翔科技股份有限公司