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CN110277899B - 脉宽调变控制器及第三态电压产生方法 - Google Patents

脉宽调变控制器及第三态电压产生方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种脉宽调变控制器及第三态电压产生方法。脉宽调变控制器包括输出接脚、暂时电压产生电路及第三态电压产生电路。暂时电压产生电路包括分压单元与控制单元。分压单元分别耦接输出接脚与控制单元。控制单元接收致能信号与脉宽调变信号。第三态电压产生电路耦接暂时电压产生电路与输出接脚，且接收致能信号、脉宽调变信号与第三态输入电压。当脉宽调变控制器操作于第三态模式时，控制单元依据致能信号与脉宽调变信号控制分压单元提供暂时电压至输出接脚，继而第三态电压产生电路依据致能信号与脉宽调变信号提供第三态电压至输出接脚。本发明能够大幅缩短脉宽调变信号进入第三态所耗费的时间。

Description

脉宽调变控制器及第三态电压产生方法
技术领域
本发明是与电源供应电路有关，尤其是关于一种脉宽调变控制器及第三态电压产生方法。
背景技术
在现有的电源供应电路的运作中，为了降低切换能量损失，在零电流(ZeroCurrent,ZC)时会有一段期间控制上桥开关与下桥开关均不导通。此时，脉宽调变信号会具有介于高电压位准(High-level)与低电压位准(Low-level)之间的电压位准，称之为第三态(Tri-state)。
请参照图1，图1为现有的脉宽调变控制器1的示意图。如图1所示，在正常操作状态下，脉宽调变信号产生器10通过脉宽调变信号PWMB控制操作开关PMOS的导通或关闭，用以产生输出信号Q并通过脉宽调变输出接脚PIN1输出至外部的驱动电路12。
然而，图1的缓冲器BF的输出会受到驱动电路12中的寄生电容CPS与外部的设定电阻RSET所产生的电阻-电容效应的影响，因此，如图2所示，现有脉宽调变的输出信号Q的电压位准需经过一段时间(例如180ns)后才能被拉至固定的第三态电压位准，导致切换效能不佳。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种脉宽调变控制器(Pulse Width Modulation，PWM)及第三态电压产生方法，以有效解决现有技术所遭遇到的上述问题。
依据本发明的一具体实施例为一种脉宽调变控制器。在此实施例中，脉宽调变控制器包括输出接脚、暂时电压产生电路及第三态(Tri-state)电压产生电路。暂时电压产生电路包括分压单元与控制单元。分压单元分别耦接输出接脚与控制单元。控制单元接收致能信号与脉宽调变信号。第三态电压产生电路耦接暂时电压产生电路与输出接脚，且接收致能信号、脉宽调变信号与第三态输入电压。当脉宽调变控制器操作于第三态模式时，控制单元依据致能信号与脉宽调变信号控制分压单元提供暂时电压至输出接脚，继而第三态电压产生电路依据致能信号与脉宽调变信号提供第三态电压至输出接脚。
在一实施例中，分压单元包括第一输出节点、第一操作开关、第二操作开关、第一电阻及第二电阻。第一输出节点位于第一电阻与第二电阻之间，且耦接输出接脚。第一操作开关耦接第一电阻。第二操作开关耦接第二电阻。
在一实施例中，控制单元包括第一开关与脉冲产生器(Pulse Generator)。脉冲产生器依据致能信号与脉宽调变信号控制分压单元产生暂时电压。
在一实施例中，当脉宽调变控制器接收到致能信号时，脉宽调变控制器受控于致能信号而选择性地操作于第三态模式或正常模式。
在一实施例中，第三态电压产生电路包括第二开关、逻辑单元及缓冲单元。第二开关分别耦接逻辑单元、缓冲单元及输出接脚。逻辑单元接收致能信号与脉宽调变信号。缓冲单元的输入端接收第三态输入电压。
在一实施例中，暂时电压产生电路包括脉冲产生器，用以受脉宽调变信号的后缘触发而产生脉冲以控制暂时电压能持续默认时间。
在一实施例中，第三态电压产生电路包括第三操作开关、第四操作开关及第三开关。第三操作开关耦接第四操作开关且第三操作开关与第四操作开关之间具有第二输出节点。第二输出节点耦接输出接脚。第三开关分别耦接第四操作开关与接地端。第四操作开关选择性地耦接上述接地端与脉宽调变信号。
依据本发明的另一具体实施例为一种第三态电压产生方法。在此实施例中，第三态电压产生方法应用于脉宽调变控制器。脉宽调变控制器包括输出接脚、暂时电压产生电路及第三态电压产生电路。暂时电压产生电路包括分压单元与控制单元。分压单元分别耦接输出接脚与控制单元。控制单元接收致能信号与脉宽调变信号。第三态电压产生电路耦接暂时电压产生电路与输出接脚，且接收致能信号、脉宽调变信号与第三态输入电压。第三态电压产生方法包括下列步骤：
(a)将脉宽调变控制器操作于第三态模式；
(b)依据致能信号与脉宽调变信号控制分压单元提供暂时电压至输出接脚；以及
(c)继而依据致能信号与脉宽调变信号提供第三态电压至输出接脚。
在一实施例中，在步骤(c)中，第三态电压产生方法停止产生暂时电压。
在一实施例中，在步骤(b)中，第三态电压产生方法产生脉冲以控制暂时电压能持续默认时间，在预设时间内，输出接脚输出暂时电压。
相较于现有技术，当脉宽调变信号要进入第三态时，本发明的脉宽调变控制器先利用电阻分压的方式快速地将脉宽调变信号的电压位准拉至第三态电压位准区间，然后再通过缓冲器将脉宽调变信号的电压位准维持于第三态电压位准区间。因此，本发明的脉宽调变控制器能够大幅缩短脉宽调变信号进入第三态所耗费的时间。
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为现有的脉宽调变控制器的示意图。
图2为图1中的输出信号与脉宽调变信号的时序图。
图3为依据本发明的一具体实施例中的脉宽调变控制器的示意图。
图4为图3中的脉宽调变信号、输出信号、脉冲及致能信号的时序图。
图5为依据本发明的另一具体实施例中的第三态电压产生方法的流程图。
主要元件符号说明：
1：脉宽调变控制器
10：脉宽调变信号产生器
12：驱动电路
PMOS、NMOS：操作开关
PIN1：输出接脚
PIN2：输入接脚
PIN3：输出接脚
RSET：设定电阻
CPS：寄生电容
VOUT：输出电压
L：电感
C：电容
HL：高电压位准
LL：低电压位准
3：脉宽调变控制器
30：第三态电压产生电路
32：暂时电压产生电路
320：分压单元
322：控制单元
PM1：第一操作开关
NM1：第二操作开关
PM2：第三操作开关
NM2：第四操作开关
SW1：第一开关
SW2：第二开关
SW3：第三开关
BF：缓冲单元
PG：脉冲产生器
R1～R2：电阻
N1：第一输出节点
N2：第二输出节点
PIN：输出接脚
AND：逻辑单元
VCC：供电电压
EN：致能信号
PWMB：脉宽调变信号
PWMP：脉冲
VTRI：第三态输入电压
Q：输出信号
GND：接地端
T1～T5、TK：时间
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组件/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脉宽调变控制器。在此实施例中，应用于电源供应电路中的脉宽调变控制器先利用电阻分压的方式快速地将进入第三态的脉宽调变信号的电压位准拉至第三态电压位准区间，然后再通过缓冲器将脉宽调变信号的电压位准电压维持于第三态电压位准区间，用以有效缩短脉宽调变信号进入第三态所耗费的时间，并可降低电阻分压在脉宽调变信号变换时产生的大电流对后方耦接的驱动电路的影响。
请参照图3，图3为此实施例中的脉宽调变控制器的示意图。如图3所示，脉宽调变控制器3包括输出接脚PIN、第三态电压产生电路30及暂时电压产生电路32。第三态电压产生电路30与暂时电压产生电路32均耦接输出接脚PIN。
在实际应用中，输出接脚PIN耦接至驱动电路(图未示)，例如驱动器(Driver)或由驱动器与金氧半场效晶体管整合而成的驱动开关(Driver MOS)，但不以此为限。
第三态电压产生电路30耦接暂时电压产生电路32与输出接脚PIN，且第三态电压产生电路30分别接收致能信号EN、脉宽调变信号PWMB与第三态输入电压VTRI。需说明的是，致能信号EN与脉宽调变信号PWMB均由外部提供，但不以此为限。
第三态电压产生电路30包括第二开关SW2、逻辑单元AND、缓冲单元BF、第三操作开关PM2、第四操作开关NM2、第三开关SW3及第二输出节点N2。
第三操作开关PM2与第四操作开关NM2串接于供电电压VCC与接地端GND之间，且第二输出节点N2位于第三操作开关PM2与第四操作开关NM2之间，且第二输出节点N2耦接输出接脚PIN。第二开关SW2耦接于缓冲单元BF与第二输出节点N2之间。缓冲单元BF的输入端－接收第三态输入电压VTRI且其输入端+与输出端相耦接。逻辑单元AND分别耦接第三操作开关PM2的闸极与第二开关SW2，且逻辑单元AND分别接收脉宽调变信号PWMB与致能信号EN并输出脉宽调变信号PWMB或致能信号EN至第二开关SW2。受控于致能信号EN的第三开关SW3耦接第四操作开关NM2的闸极，用以依据致能信号EN选择性地让第四操作开关NM2的闸极与接地端GND耦接或让第四操作开关NM2的闸极与脉宽调变信号PWMB耦接。
暂时电压产生电路32包括分压单元320与控制单元322。分压单元320分别耦接第三态电压产生电路30、控制单元322及输出接脚PIN。控制单元322分别耦接第三态电压产生电路30及分压单元320，且控制单元322分别接收致能信号EN与脉宽调变信号PWMB。
分压单元320包括第一输出节点N1、第一操作开关PM1、第二操作开关NM1、第一电阻R1及第二电阻R2。控制单元322包括第一开关SW1与脉冲产生器PG。
第一操作开关PM1、第一电阻R1、第二电阻R2及第二操作开关NM1依序串接于供电电压VCC与接地端GND之间。第一输出节点N1耦接于第一电阻R1与第二电阻R2之间，且第一输出节点N1亦耦接于第二输出节点N2与输出接脚PIN之间。第一操作开关PM1耦接于供电电压VCC与第一电阻R1之间且第一操作开关PM1的闸极耦接脉冲产生器PG。第二操作开关NM1耦接于第二电阻R2与接地端GND之间且第二操作开关NM1的闸极亦耦接脉冲产生器PG。第一开关SW1耦接于第三态电压产生电路30与脉冲产生器PG之间，且第一开关SW1接收脉宽调变信号PWMB并受控于致能信号EN。脉冲产生器PG分别耦接第一开关SW1、第一操作开关PM1的闸极与第二操作开关NM1的闸极。
当脉宽调变控制器3接收到外部提供的致能信号EN时，脉宽调变控制器3受控于致能信号EN而选择性地操作于正常模式或第三态模式下。也就是说，脉宽调变控制器3依据外部提供的致能信号EN控制第三态功能的启动或关闭。致能信号EN可以是连续导通模式(Continuous-Conduction Mode,CCM)与不连续导通模式(Discontinuous-ConductionMode,DCM)的切换信号，但不以此为限。
举例而言，如图4所示，当致能信号EN具有低电压位准LL时，亦即在时间TK之前，脉宽调变控制器3操作于正常模式下；在时间TK下，脉宽调变控制器3的操作模式由原本的正常模式切换为第三态模式；当致能信号EN具有高电压位准HL时，亦即在时间TK之后，脉宽调变控制器3受控于致能信号EN而操作于第三态模式下。
当脉宽调变控制器3操作于正常模式下时，致能信号EN具有低电压位准LL，第一开关SW1与第二开关SW2不导通，以隔离缓冲单元BF并禁能脉冲产生器PG，且第三开关SW3导通第四操作开关NM2的闸极与脉宽调变信号PWMB。
在时间T1下，致能信号EN具有低电压位准LL且脉宽调变信号PWMB由高电压位准HL转变为低电压位准LL，此时，第三操作开关PM2导通且第四操作开关NM2不导通，使得第一输出节点N1的电压位准为高电压位准HL，输出接脚PIN所输出的输出信号Q会由原本的低电压位准LL转变为高电压位准HL，亦即输出信号Q会等于供电电压VCC。
在时间T1至T2的期间内，致能信号EN维持在低电压位准LL且脉宽调变信号PWMB维持在低电压位准LL，使得输出接脚PIN所输出的输出信号Q亦维持在高电压位准HL。
在时间T2下，致能信号EN仍维持于低电压位准LL，但脉宽调变信号PWMB由低电压位准LL转变为高电压位准HL，此时，第三操作开关PM2不导通且第四操作开关NM2导通，使得第一输出节点N1的电压位准为低电压位准LL，输出接脚PIN所输出的输出信号Q会由高电压位准HL转变为低电压位准LL，亦即输出信号Q会等于接地端GND的接地电压。
在时间T2至TK的期间内，致能信号EN维持在低电压位准LL且脉宽调变信号PWMB维持在高电压位准HL，使得输出接脚PIN所输出的输出信号Q亦维持在低电压位准LL。
在时间TK下，致能信号EN由原本的低电压位准LL转变为高电压位准HL，使得脉宽调变控制器3开始进入第三态模式。
当脉宽调变控制器3操作于第三态模式下时，控制单元322会依据致能信号EN与脉宽调变信号PWMB控制分压单元320提供暂时电压至输出接脚PIN，继而第三态电压产生电路30会依据致能信号EN与脉宽调变信号PWMB提供第三态电压至输出接脚PIN。
在第三态模式下，致能信号EN具有高电压位准HL，第一开关SW1与第二开关SW2导通，致使缓冲单元BF与脉冲产生器PG，且第三开关SW3导通第四操作开关NM2的闸极与接地端GND，使得第四操作开关NM2持续不导通。
在时间TK下，致能信号EN由原本的低电压位准LL转变为高电压位准HL且脉宽调变信号PWMB仍维持于高电压位准HL，使得第一输出节点N1的电压位准为低电压位准LL，故输出接脚PIN所输出的输出信号Q仍维持在低电压位准LL。
在时间TK至T3的期间内，致能信号EN仍维持在高电压位准HL且脉宽调变信号PWMB仍维持在高电压位准HL，使得第一输出节点N1的电压位准为低电压位准LL，故输出接脚PIN所输出的输出信号Q仍维持在低电压位准LL。
在时间T3下，致能信号EN仍维持在高电压位准HL，但脉宽调变信号PWMB由高电压位准HL转变为低电压位准LL，此时，第三操作开关PM2导通且第二操作开关NM1与第四操作开关NM2不导通，致使第一输出节点N1的电压位准由低电压位准LL转变为高电压位准HL，故输出接脚PIN所输出的输出信号Q由低电压位准LL转变为高电压位准HL。
在时间T3至T4的期间内，致能信号EN仍维持在高电压位准HL且脉宽调变信号PWMB维持在低电压位准LL，致使第一输出节点N1的电压位准维持在高电压位准HL，故输出接脚PIN所输出的输出信号Q仍维持在高电压位准HL。
在时间T4下，致能信号EN仍维持在高电压位准HL，但脉宽调变信号PWMB由低电压位准LL转变为高电压位准HL，致使脉冲产生器PG受脉宽调变信号PWMB的后缘触发而产生具有低电压位准LL的脉冲PWMP(或称反方波信号)至第一操作开关PM1的闸极，以控制暂时电压能够持续一段默认时间(例如时间T4至T5的期间)，此时第一操作开关PM1与第二操作开关NM1均导通，控制单元322会依据致能信号EN与脉宽调变信号PWMB控制分压单元320提供暂时电压至第一输出节点N1，以在此段预设时间内将输出接脚PIN所输出的输出信号Q由高电压位准HL快速地拉低至默认的第三态电压位准(例如第三态输入电压VTRI)。
在时间T4至T5的期间内，即使输出接脚PIN所输出的输出信号Q已被拉至默认的第三态电压位准区间，由于分压单元320耦接于供电电压VCC与接地端GND之间，第一输出节点N1仍会强制继续以暂时电压作为输出信号Q。
在时间T5下，致能信号EN仍维持在高电压位准HL且脉宽调变信号PWMB仍维持在高电压位准HL，脉冲产生器PG会停止产生具有低电压位准LL的脉冲PWMP(或称反方波信号)，分压单元320停止提供暂时电压。因此，从时间T5开始，脉宽调变控制器3会通过缓冲器BF来接手将输出接脚PIN所输出的输出信号Q的电压位准维持在此默认的第三态电压位准区间不变。由此，脉宽调变信号进入第三态所耗费的时间可大幅缩短，且在脉宽调变信号变换时的大电流持续时间较短，故能确保后方的驱动电路不会受损。
依据本发明的另一具体实施例为一种第三态电压产生方法。在此实施例中，第三态电压产生方法应用于脉宽调变控制器。脉宽调变控制器包括输出接脚、暂时电压产生电路及第三态电压产生电路。暂时电压产生电路包括分压单元与控制单元。分压单元分别耦接输出接脚与控制单元。控制单元接收致能信号与脉宽调变信号。第三态电压产生电路耦接暂时电压产生电路与输出接脚，且接收致能信号、脉宽调变信号与第三态输入电压。至于脉宽调变控制器的详细电路结构可参照图3及前述文字叙述，在此不另行赘述。
请参照图5，图5为此实施例中的第三态电压产生方法的流程图。如图5所示，第三态电压产生方法可包括下列步骤：
步骤S10：将脉宽调变控制器操作于第三态模式；
步骤S12：依据致能信号与脉宽调变信号控制分压单元提供暂时电压至输出接脚；以及
步骤S14：继而依据致能信号与脉宽调变信号提供第三态电压至输出接脚。
在一实施例中，在步骤S12中，第三态电压产生方法还可产生脉冲以控制暂时电压能持续默认时间，并在预设时间内由输出接脚输出暂时电压，但不以此为限。
在另一实施例中，在步骤S14中，在输出接脚上产生第三态电压时，第三态电压产生方法可同时停止产生暂时电压，但不以此为限。
相较于现有技术，当脉宽调变信号要进入第三态时，本发明的脉宽调变控制器先利用电阻分压的方式快速地将脉宽调变信号的电压位准拉至第三态电压位准区间，然后再通过缓冲器将脉宽调变信号的电压位准维持在第三态电压位准区间。因此，本发明的脉宽调变控制器不仅能够大幅缩短脉宽调变信号进入第三态所耗费的时间，并可降低电阻分压在脉宽调变信号变换时产生的大电流对后方耦接的驱动电路的影响。

Claims (9)

1.一种脉宽调变控制器，其特征在于，上述脉宽调变控制器包括：
一输出接脚；
一暂时电压产生电路，包括一分压单元与一控制单元，上述分压单元分别耦接上述输出接脚与上述控制单元，其中上述控制单元接收一致能信号与一脉宽调变信号；以及
一第三态电压产生电路，耦接上述暂时电压产生电路与上述输出接脚，且接收上述致能信号、上述脉宽调变信号与一第三态输入电压，上述第三态输入电压为默认的第三态电压位准，
其中当上述脉宽调变控制器操作于一第三态模式时，上述控制单元依据上述致能信号与上述脉宽调变信号控制上述分压单元提供一暂时电压至上述输出接脚，继而上述第三态电压产生电路依据上述致能信号与上述脉宽调变信号提供一第三态电压至上述输出接脚，上述暂时电压产生电路包括一脉冲产生器，用以受上述脉宽调变信号的后缘触发而产生一脉冲以控制上述暂时电压能持续一默认时间。
2.根据权利要求1所述的脉宽调变控制器，其特征在于，上述分压单元包括一第一输出节点、一第一操作开关、一第二操作开关、一第一电阻及一第二电阻，上述第一操作开关耦接上述第一电阻，上述第二操作开关耦接上述第二电阻，上述第一输出节点位于上述第一电阻与上述第二电阻之间且耦接上述输出接脚。
3.根据权利要求1所述的脉宽调变控制器，其特征在于，上述控制单元包括一第一开关与另一脉冲产生器，上述另一脉冲产生器依据上述致能信号与上述脉宽调变信号控制上述分压单元产生上述暂时电压。
4.根据权利要求1所述的脉宽调变控制器，其特征在于，当上述脉宽调变控制器接收到上述致能信号时，上述脉宽调变控制器受控于上述致能信号而选择性地操作于上述第三态模式或一正常模式。
5.根据权利要求1所述的脉宽调变控制器，其特征在于，上述第三态电压产生电路包括一第二开关、一逻辑单元及一缓冲单元，上述第二开关分别耦接上述逻辑单元、上述缓冲单元及上述输出接脚，上述逻辑单元接收上述致能信号与上述脉宽调变信号，上述缓冲单元的一输入端接收上述第三态输入电压。
6.根据权利要求1所述的脉宽调变控制器，其特征在于，上述第三态电压产生电路包括一第三操作开关、一第四操作开关及一第三开关，上述第三操作开关耦接上述第四操作开关且上述第三操作开关与上述第四操作开关之间具有一第二输出节点，上述第二输出节点耦接上述输出接脚，上述第三开关分别耦接上述第四操作开关与一接地端，上述第四操作开关选择性地耦接上述接地端与上述脉宽调变信号。
7.一种第三态电压产生方法，应用于一脉宽调变控制器，上述脉宽调变控制器包括一输出接脚、一暂时电压产生电路及一第三态电压产生电路，上述暂时电压产生电路包括一分压单元与一控制单元，上述分压单元分别耦接上述输出接脚与上述控制单元，上述控制单元接收一致能信号与一脉宽调变信号，上述第三态电压产生电路耦接上述暂时电压产生电路与上述输出接脚，且接收上述致能信号、上述脉宽调变信号与一第三态输入电压，上述第三态输入电压为默认的第三态电压位准，其特征在于，上述第三态电压产生方法包括：
(a)将上述脉宽调变控制器操作于一第三态模式；
(b)依据上述致能信号与上述脉宽调变信号控制上述分压单元提供一暂时电压至上述输出接脚；以及
(c)继而依据上述致能信号与上述脉宽调变信号提供一第三态电压至上述输出接脚，
其中在步骤(b)中，还包括：受上述脉宽调变信号的后缘触发而产生一脉冲以控制上述暂时电压能持续一默认时间。
8.根据权利要求7所述的第三态电压产生方法，其特征在于，在步骤(c)中，还包括：
停止产生上述暂时电压。
9.根据权利要求7所述的第三态电压产生方法，其特征在于，在步骤(b)中，还包括：
在上述默认时间内，上述输出接脚输出上述暂时电压。
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