CN101075778A - 具空载运作低功率损耗的共振式转换控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种具空载运作低功率损耗的共振式转换控制方法及装置。根据共振式转换装置中谐振槽(resonant tank)的频率响应及负载条件，藉调整切换频率与调节切换责任周期(duty cycle)达成稳定输出电压的目的，并利用共振式转换装置中共振槽既有的能量转移方式，轻易地完成零电压切换，以达成较高的转换效能；此外结合同步整流，在大负载电流条件下，达到更高的转换效能。主要包括：共振式转换器、共振式转换器控制器及稳压(FMHYPWM)模式控制器，同时视系统规格需求，可适当地在共振式转换单元前级使用功率因子修正器或倍压整流单元；共振式转换单元的输出整流器可以改采用同步整流电路。

Description

具空载运作低功率损耗的共振式转换控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种具空载运作低待机功率损耗的转换控制方法及装置，特别是一种在任何负载条件下，均可达到较高的转换效能与良好负载稳压率及低待机功率消耗的转换控制方法及装置。

背景技术

由于可用能源的枯竭，各种能源的开发与能源使用的限管是目前全球的共识。因此目前欧美日等先进国家已针对能源运用制定适当的能源政策。而电气产品在待机模式(Standby mode)中的功率消耗值的规范，即绿色电源(Green Power)，一般大多订定在0.5瓦～1瓦之下，此乃避免电气产品在不开机操作时仍消耗过多的功率。相关电子产品制造厂针对未来可能的系统规范及商品要求，开发出适当的产品(如低耗电的IC，特殊功能控制IC)及电源供应器等，甚至在大功率的电气产品上，轻载时的损耗也开始被重视，例如ATXPLUS 80等。以下将介绍目前具低待机损耗交换式电源供应器及其相关控制器所使用的公知技术。

图1为公知低待机损耗交换式电源供应器的电路架构示意图。一般而言，主要是由交流/直流转换单元11及直流/直流转换器12串接，其中交流/直流转换单元11在不同系统规格下，可以采用整流/倍压整流+滤波器或功率因子修正器，其作用乃是将系统输入的交流电压V_ac1转换为第一直流电压V_dc11。使用功率因子修正单元可达到功率因子修正及前置调节器(Pre-regulator)稳压的作用，而交流/直流转换单元11后级所串接的直流/直流转换单12是由一返驰式转换器、一返驰式转换器控制器及一待机模式控制器构成。将交流/直流转换单元11所输出的第一直流电压V_dc11转换为所需的第二直流电压V_dc12如3.3V、5V、12V、24V、48V或是其它规格电压等。

其中直流/直流转换单元12所采用的架构可使用隔离型或非隔离型转换器架构，目前在交换式电源供应器中，返驰式(Flyback)转换器因其架构简单及成本低廉，故被广泛的使用于较低功率的产品约100W以下。其它如顺向式(Forward)，主动箝位顺向式(Active clamp Forward)或其它零电压切换(ZVS)的架构则使用在100W以上的应用。

目前在直流/直流转换器架构中被大幅使用的返驰式转换器，除其本身在正常负载条件所使用的控制器(功能)外，在绿色电源规范要求下，额外使用丛发模式(Burst mode)作为待机模式下的控制方式。

图2为公知低待机损耗交换电源供应器中，后级直流/直流转换单元在丛发待机模式下的系统控制时序与输出电压示意图。当负载在轻载或空载的条件下，除将工作周期(Duty cycle)调整至最大外，并以丛发模式(Burst mode)方式，间歇控制功率晶体的导通及开关。一般而言，在轻载或空载的条件下，以最大的工作周期，仅需几个周期就可使直流输出电压Vdc12维持在某一范围内(即输出电压上限值VB21与输出电压下限值VB22之间)，当输出电压Vdc12高于输出电压上限值VB21时系统可关闭功率晶体的控制信号，直至直流输出电压Vdc12低于输出电压下限值VB22，系统重新输出对功率晶体的控制信号，能减少在轻载及空载条件下，周期时间内功率晶体的切换次数及系统的切换损失。

由于返驰式转换器必须额外使用缓振电路(Snubber)，以降低漏感与寄生电容振荡造成的电压突波(voltage-spike)，缓振电路的使用亦伴随着功率损耗，再者一般的返驰式转换器在未使用特殊控制或辅助开关的情况下，并无法达成软切换(soft-switching)的目的，功率晶体的硬切换(hard-switching)方式同样也伴随着功率损耗。因此在公知的架构下，目前系统在待机模式的损耗约为0.8W～1W左右。而且，使用丛发模式(Burst mode)方式会产生较大的可闻噪音，同时在此模式下负载稳压率会较差，瞬时反应会变差。在此所使用的方式多只适用于100W以下的产品

图3为公知使用共振式转换器利用丛发模式(Burst mode)来达成空载操作与低待机功率损耗的转换器架构，是由一直流/直流转换单元、一共振式转换器控制器及一待机模式控制器构成。目前系统在待机模式的损耗约为0.5W～0.7W左右。但是使用丛发模式(Burst mode)方式会产生较大的可闻噪音，同时在此模式下负载稳压率会较差，瞬时反应会变差，且在丛发模式(Burstmode)时的切换频率操作在非常高频，共振转换器的主开关不易设计操作在零电压切换，造成的切换损失仍然不小，一般而言此种方式只适用于200W以下的转换器。

上述两种方式的转换器一般适用于小功率单输出的电源转换器上，在大功率输出的条件下，其设计将更困难，其缺点将更加严重。

因此本发明乃针对先前技术的缺点，提出一种设计合理且有效改善上述缺失的DC/DC转换控制方法及装置。

发明内容

本发明的目的在提供一种共振式转换控制方法及装置，藉调整切换频率与调节切换责任周期(duty cycle)稳定输出电压。

本发明的次一目的在提供一种共振式转换控制方法及装置，利用共振式转换装置中共振槽既有的能量转移方式，完成零电压切换，以达成较高的转换效能。

本发明的再一目的在提供一种共振式转换控制方法及装置，结合同步整流，在大负载电流条件下，达到更高的转换效能。

为达成上述目的及其它目的，本发明的第一观点教导一种具空载运作低待机功率损耗的共振式转换控制方法及装置，藉由共振式转换装置中谐振组件的频率响应及负载条件，采用混合调整切换频率与调节切换责任周期(FMHYPWM)作为调节及稳定输出电压的控制策略，同时利用共振式转换装置能量转换的特性，能轻易在轻载与空载时，完成零电压切换，达成较高的转换器效能；在大负载电流的输出规格条件下，并采用同步整流电路，更能提高全机的转换效率。此外采用混合变频与变责任周期的方式，在适当时机(一般而言是轻载及空载条件下)控制共振式转换装置的动作状况，来达成空载操作时良好的负载稳压率与较快速的瞬时反应及待机模式时低功率消耗。

共振式转换控制装置包括：共振式转换器、共振式转换器控制器及一稳压模式(FMHYPWM)控制器，同时视系统及规格需求，可在前级使用一功率因子修正器或倍压整流单元；为因应大负载电流需求，可在共振式转换器中使用同步整流电路。该功率因子修正器或倍压整流单元，是用于进行交流/直流电力转换。

其中功率因子修正器可具功率因子修正及前置调节器稳压的作用，以输出稳定的第一直流电压V_dc11；倍压整流单元可藉自动切换或手动切换以符合系统输入电源电压要求。

该共振式转换器是接收功率因子修正器或倍压整流单元所输出的第一直流电压V_dc11，共振式转换器用于将第一直流电压V_dc11转换为所需的第二直流电压V_dc12，并采用调整切换频率与调节切换责任周期方式，根据负载状况调节及稳定输出的第二直流电压V_dc12，其中共振式转换器的输出整流器(OutputRectifier)可采用二极管或是同步整流电路。

共振式转换器控制器主要是接收来自共振式转换器的输出电压的回授信号，藉调整共振式转换器的功率晶体控制信号的频率与责任周期，以稳定系统的输出电压，此外此控制器在共振式转换器使用同步整流电路时，亦必须提供同步整流功率晶体的控制信号。

稳压模式控制单元是接收共振式转换器所输出的第二直流电压V_dc12后，经回授产生电压控制振荡器(VCO)的电压调节命令，同时判断VCO的命令电压来决定调节切换频率或切换频率的责任周期后，输出切换信号至共振式转换器控制器。

本发明的第二观点教导一种具空载运作低功率损耗的共振式转换控制方法，利用一具空载运作低功率损耗的共振式转换装置，该共振式转换装置由一功率因子修正器、一共振式转换器、一共振式转换器控制器及一稳压模式控制器所组成，包括下列步骤：(A)输入一交流电压；使一功率因子修正器转换该交流电压成为第一直流电压；(B)使一共振式转换器转换该直流高电压成为第二直流电压；(C)若频率小于设定频率F₁，(表示第二直流电压大于第一参考电压(V_BF)且VCO命令电压大于第二参考电压值(V_BD))，回授该第二直流电压至误差放大器与第一参考电压值(V_BF)比较产生的VCO命令电压至共振式转换器控制器；回授该单元的VCO命令电压至稳压模式控制器与第二参考电压值(V_BD)比较，因为VCO命令电压大于第二参考电压值(V_BD)使该稳压模式控制器不调整责任周期经共振式转换器控制器依据负载状况调整变频条件控制共振式转换器，以调整该第二直流电压。(D)若频率大于设定频率F₁，(表示第二直流电压大于第一参考电压(V_BF)且VCO命令电压小于第二参考电压值(V_BD))，回授第二直流电压值与第一参考电压值(V_BF)经由误差放大器产生VCO命令电压，此命令电压决定切换频率同时回授VCO命令电压值与第二参考电压值(V_BD)比较，经共振式转换器控制器依据负载状况调整变频条件控制共振式转换器之外同时因为VCO命令电压小于第二参考电压值(V_BD)使该稳压模式控制器进而调整责任周期的大小以控制共振式转换器，以调整该第二直流电压；(E)VCO命令电压值与第二参考电压值(V_BD)比较后因为VCO命令电压小于第二参考电压值(V_BD)经由该稳压模式控制器的误差放大器决定此时的脉波宽度(责任周期)大小；重复以上的混合变频与调变脉波宽度的控制法来决定控制动作，使该共振式转换器不受并联共振的高压损坏，又具低功率损耗的空载运作下正常运作。

本发明具空载运作低待机功率损耗的共振式转换控制方法及装置，可以有效地减少正常操作下的切换功率损失。同时在不同负载及电压条件下，能控制共振式转换器的动作状况，因此能有效降低待机模式下的功率消耗。更甚者，由于与公知技术相较下，不须使用额外的缓振电路，又在轻载或空载的条件下，系统操作在高频，其铁心损失的功率与切换损失皆远小于以公知技术实施者。且使用混合变频与脉波宽度调变方式消除可闻噪音以及改善稳负载稳压率，同时减少开关高频切换的损失，故能降低系统在轻载(＜10％)以及空载下转换器的功率消耗。

本发明的以上及其它目的及优点参考以下的参照图标及最佳实施例的说明而更易完全了解。

附图说明

图1为公知低待机损耗交换式电源供应器的电路架构示意图。

图2为公知低待机损耗交换电源供应器中，后级直流/直流转换单元在丛发待机模式下的是统控制时序与输出电压示意图。

图3为公知使用共振式转换器利用丛发模式(Burst mode)来达成空载操作与低待机功率损耗的转换器架构

图4为依据本发明的一实施例的转换装置架构图。

图5为依据本发明另一实施例的转换装置架构图。

图6为依据本发明的一实施例具空载运作低功率损耗的共振式转换控制方法所使用的谐振电路频率响应图。

图7依据本发明的一实施例具空载运作低功率损耗的装置的时序责任周期与切换频率的坐标示意图。

图8依据本发明的一实施例具空载运作低功率损耗的装置的VCO电压命令与切换频率的关是坐标示意图。

图9为为依据本发明的一实施例具空载运作低功率损耗的直流/直流转换器架构。

图10为为依据本发明的一实施例的共振式转换器控制器架构。

图11为为依据本发明的一实施例的具稳压模式控制器的共振式转换器控制器架构。

符号说明

11   交流/直流转换单元           12   直流/直流转换器

31   交流/直流转换单元           32   直流/直流转换器

40   共振式转换控制方法及装置    41   直流/直流转换器

401  功率因子修正器              411  共振式转换器

412  共振式转换器控制器          413  稳压模式控制器

511  整流/倍压整流及滤波器

601、602、603、604  负载曲线     902  转换器架构

904  谐振槽架构                  906  输出整流器

1002  回授电路及误差放大器    1004  电压控制振荡器(VCO)

1006  转换器功率晶体控制信号产生器

1008  同步整流功率晶体控制信号产生器

1102  回授电路及误差放大器    1104  电压控制振荡器(VCO)

1106  稳压模式控制器

1108  转换器功率晶体控制信号产生器或同步整流功率晶体控制信号产生器

具体实施方式

参考图4，图4为依据本发明的一实施例的转换装置架构图。共振式转换控制方法及装置40是包括：一功率因子修正器401、一共振式转换器411、一共振式转换器控制器412及一稳压模式控制器413。以下详述本发明的具空载运作低功率损耗的共振式转换控制方法及装置40的技术特征。

一交流电压V_ac1传送至功率因子修正器401，进行交流/直流电力转换、功率因子修正及前置调节稳压后，输出稳定的直流高电压V_dc11。而直流/直流转换器41的共振式转换器411接受功率因子修正器401所输出的第一直流电压V_dc11，共振式转换器411将第一直流电压V_dc11转换为所需的第二直流电压V_dc12，共振式转换器控制器412并采用调整频率方式，根据负载状况调整共振式转换器411的控制频率，以达到稳定输出第二直流电压V_dc12的目的。稳压模式(FMHYPWM)控制器413接收共振式转换器控制器的电压控制振荡器(voltage control oscillator，VCO)命令电压V_VCO后与V_BD比较后用以控制责任周期，控制共振式转换器控制器412及共振式转换器411的电路动作。

其中共振式转换器412依不同电压及负载条件可使用并视为串联谐振电路、并联谐振电路、串并联谐振电路，其所使用的架构为单晶式class E或多晶式的桥式转换器或推挽式转换器。

图5为依据本发明另一实施例的转换装置架构图。一整流/倍压整流及滤波器511取代功率因子修正器401，其余与图4相同。

请参阅图6，图6为依据本发明的一实施例具空载运作低功率损耗的共振式转换控制方法所使用的谐振电路频率响应图。图中横轴为频率，单位为10⁵Hz，纵轴为相对电压增益。由图中可知，在重负载时，如曲线601所示，电压增益在高频时减少，但负载减轻时，如曲线602、603所示，电压增益增加。此时切换频率必须提高以保持输出稳定。负载再减轻时，如曲线604所示，在频率低于7×10⁵Hz时，电压增益大于1，并联共振发生。此时，切换频率必须大于7×10⁵Hz，以免电路受损。且频率必须大于1.05×10⁵Hz电路就不容易设计了。(此图为说明例，共振转换器的实际操作频率范围要依据负载条件与实体组件的影响)

请参阅图7，图7为依据本发明的一实施例具空载运作低功率损耗的装置的时序责任周期与切换频率的关系坐标示意图。频率在F₀与F₁之间，责任周期维持50％，但频率在F₁与F₂之间，责任周期开始从F₁的50％线性减少至F₂至0％。

请参阅图8，图8为依据本发明的一实施例具空载运作低功率损耗的装置的VCO电压命令与切换频率的关系坐标示意图。VCO电压命令自F₀的V_VCO以线性减少至F₂的0，在F₁时V_VCO＝V_BD。稳压模式控制器413以VCO命令电压为比较参考对象，利用稳压模式控制器413内的误差放大器，分二个操作模式，分述如下(其中输出电压V_o＝V_dc12、V_BF为第一参考电压、V_BD为第二参考电压)：

(1)V_o＞V_BF，V_VCO＞V_BF：

参考图7，当系统操作于正常条件下，输出可以稳定控制在一定范围之内，共振式转换器411的电路以变频方式操作。变频范围为(F₀～F₁)。输入一交流电压；使一功率因子修正器转换该交流电压成为第一直流电压；使一共振式转换器转换该直流高电压成为第二直流电压；回授该第二直流电压至一共振式转换器控制器；并回授该单元的VCO命令电压至稳压模式控制器，使该稳压模式控制器依据变频条件得知负载状况调整该共振式转换器，以调整该第二直流电压。此为设计者依负载条件来设计频率调变范围。

(2)V_o＞V_BF，V_VCO＜V_BF：

参考图7及图8，当输出电压V_O大于V_BF，且V_VCO＜V_BD此时稳压模式控制器413会产生控制信号，控制共振式转换器411的电路以切换责任周期进入调变，同时伴随变频方式，当V_VCO＜V_BD，且两者差量越大，则共振式转换器411的切换信号的责任周期就越小，可以最后为零的状态。回授第二直流电压值与第一参考电压值(V_BF)经由误差放大器产生VCO命令电压，此命令电压决定切换频率同时回授VCO命令电压值与第二参考电压值(V_BD)经由误差放大器决定此时的责任周期大小。此为混合变频与脉波宽度调变控制法来决定控制动作；及使该共振式转换器正常运作。

此模式下变频范围为(F₁-F₂)，责任周期变化范围为(50％～0％)，以上皆为设计者依负载条件设计变频的范围与责任周期的范围。(在此调变责任周期与如同调节死域时间是相同的)。

图9为依据本发明的一实施例具空载运作低功率损耗的直流/直流转换器架构。其中谐振槽架构904，根据谐振组件与负载的连接方式，可区分为串联谐振电路、并联谐振电路、串并联谐振电路等；其所使用的转换器架构902为单晶式的Class E或多晶式的桥式转换器、推挽式转换器等。输出整流器906可为整流器或同步整流电路，只要适当的功率级电路参数设计，在混合变频与脉波宽度调变(FMHYPWM)操作模式下，即使在轻载或空载的条件下，亦可达到零电压切换。同时不需要额外增加缓振电路，因此全机可以有良好的负载稳压率且在空载条件下，具有极低的待机功率消耗。

图10为为依据本发明的一实施例的共振式转换器控制器架构。共振式转换器控制器为一具有电压控制振荡器(Voltage Control Oscillator，VCO)功能的功率晶体控制信号产生器。由一回授电路及误差放大器1002、一电压控制振荡器1004及一转换器功率晶体控制信号产生器1006或一同步整流功率晶体控制信号产生器1008构成，以产生转换器功率晶体控制信号或同步整流功率晶体控制信号。是可接收来自回授电压控制信号，改变功率晶体控制信号频率的控制器。

图11为为依据本发明的一实施例的具稳压模式控制器的共振式转换器控制器架构。稳压模式控制器为一具有脉波宽度控制(Pulse Width Modulation，PWM)功能电压命令生器，可接收来自电压控制振荡器(VCO)电压命令信号，改变共振式转换器控制器412控制信号责任周期的控制器。由一回授电路及误差放大器1102、一电压控制振荡器(VCO)1004、一误差放大器及脉波宽度控制器(PWM)构成的稳压模式控制器1106及一转换器功率晶体控制信号产生器或一同步整流功率晶体控制信号产生器1008构成。以产生转换器功率晶体控制信号或同步整流功率晶体控制信号。

本发明具空载运作低功率损耗的共振式转换控制方法及装置，利用空载(或轻载)条件下仍具有零电压切换的共振式转换器，可以有效减少正常操作下的切换损失。另外利用混合变频与脉波宽度调变的控制机制，在不同的负载条件中，调整共振式转换器的操作模式，有效改善负载稳压率，降低与可闻噪音及待机下的功率消耗。更有甚者，本发明不用使用额外的缓振电路，又在轻载或空载的条件下，系统操作在高频，其铁心损失的功率与切换损失皆较公知技术还要小很多。

通过以上较佳的具体实施例的详述，是希望能更加清楚描述本创作的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实例来对本发明的范畴加以限制。相反的，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明权利要求范围内。

Claims (11)

1.一种具空载运作低功率损耗的共振式转换装置，其特征在于，至少包含：

一交流/直流转换单元，用于进行交流/直流电力转换、功率因子修正及前置调节的作用，以输出稳定的第一直流电压；

一共振式转换器，接收该功率因子修正器所输出的第一直流电压，该共振式转换器用于将第一直流电压转换为所需的第二直流电压，并采用调整频率方式，根据负载状况调整输出的第二直流电压；

一稳压模式控制器，是接收该共振式转换器控制器所输出的电压控制振荡器命令电压后，分别输出一控制信号回授至该共振式转换器，以控制该共振式转换器的脉波宽度；

藉此，输入一交流电压至该具空载运作低功率损耗的共振式转换装置，将能获得所需的第二直流电压，且在各种不同的负载条件下可有效降低功率的消耗。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该交流/直流转换单元是一功率因子修正器。

3.如权利要求1所述的共振式转换装置，其特征在于，该交流/直流转换单元为一整流/倍压整流单元。

4.如权利要求1所述的共振式转换装置，其特征在于，该共振式转换器是为一半桥式共振转换器。

5.如权利要求1项所述的共振式转换装置，其中该共振式转换器是为一全桥式共振转换器。

6.如权利要求1项所述的共振式转换装置，其中该共振式转换器是为一单晶式共振转换器。

7.如权利要求1所述的共振式转换装置，其特征在于，该共振式转换器的共振槽型式可为一串联谐振电路。

8.如权利要求1所述的共振式转换装置，其特征在于，该共振式转换器的共振槽型式可为一并联谐振电路。

9.如权利要求1所述的共振式转换装置，其特征在于，该共振式转换器的共振槽型式可为一串并联谐振电路。

10.一种具空载运作低功率损耗的共振式转换控制方法，其特征在于，利用一具空载运作低功率损耗的共振式转换装置，该共振式转换装置由一功率因子修正器、一共振式转换器、一共振式转换器控制器及一稳压模式控制器所组成，至少包含下列步骤：

(A)输入一交流电压；使一功率因子修正器转换该交流电压成为第一直流电压；

(B)使一共振式转换器转换该直流高电压成为第二直流电压；

(C)若频率小于设定频率F₁，(表示第二直流电压大于第一参考电压且VCO命令电压大于第二参考电压值)，回授该第二直流电压至误差放大器与第一参考电压值比较产生的VCO命令电压至共振式转换器控制器；回授该单元的VCO命令电压至稳压模式控制器与第二参考电压值比较，因为VCO命令电压大于第二参考电压值使该稳压模式控制器不调整责任周期经共振式转换器控制器依据负载状况调整变频条件控制共振式转换器，以调整该第二直流电压。

(D)若频率大于设定频率F₁，(表示第二直流电压大于第一参考电压且VCO命令电压小于第二参考电压值)，回授第二直流电压值与第一参考电压值经由误差放大器产生VCO命令电压，此命令电压决定切换频率同时回授VCO命令电压值与第二参考电压值比较，经共振式转换器控制器依据负载状况调整变频条件控制共振式转换器之外同时因为VCO命令电压小于第二参考电压值使该稳压模式控制器进而调整责任周期的大小以控制共振式转换器，以调整该第二直流电压；

(E)VCO命令电压值与第二参考电压值比较后因为VCO命令电压小于第二参考电压值经由该稳压模式控制器的误差放大器决定此时的脉波宽度(责任周期)大小；

重复以上的混合变频与调变脉波宽度的控制法来决定控制动作，使该共振式转换器不受并联共振的高压损坏，又具低功率损耗的空载运作下正常运作。

11.如权利要求10所述的共振式转换控制方法，其特征在于，该稳压模式控制器是包括一误差放大器。

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