CN101090239B - 电源转换器的补偿电路与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是有关于一种电源转换器的补偿电路与方法，其一电流感测电路接收一切换电流以产生一电流讯号。一讯号产生电路产生一第一补偿讯号与一第二补偿讯号以调整电流讯号，第一补偿讯号调整电流讯号以限制电源转换器的输出功率，第二补偿讯号调整电流讯号以达成斜率补偿。第一补偿讯号的斜率在功率晶体管导通时而递减，第二补偿讯号的斜率则在功率晶体管导通时而递增。

Description

电源转换器的补偿电路与方法
技术领域：
本发明是有关于一种电源转换器，其尤指一种切换式电源转换器。
背景技术：
一般电源转换器是以切换功率的控制方式控制与调整输出功率。请参阅图1，其为习知技术的一电流模式电源转换器的电路图。如图所示，其包括一控制电路20，用于依据一回授讯号VFB而在一输出端OUT产生一切换讯号Sw以调整电源转换器的输出。切换讯号Sw驱动一功率电晶体12而切换一变压器10。一般而言，回授讯号VFB是经由一光耦合器或具有一辅助绕组(图未示)的一回授电路侦测电源转换器的输出电压V0，而在控制电路20的一回授端FB获得。辅助绕组的电压是依据电源转换器的输出电压V0而变动，故回授讯号VFB是依据电源转换器的输出电压所产生。因此，回授讯号VFB是依据输出电压V0所产生。变压器10之一一次侧绕组Np是接收一输入电压VIN，二次侧绕组Ns用以送出输出电压V0。
一整流器14耦接二次侧绕组Ns，一滤波电容16耦接整流器14与二次侧绕组Ns，一电阻RS串联功率电晶体12以依据变压器10的一切换电流IP产生一电流讯号VI，也就是说电流讯号VI可表示切换电流IP。控制电路20的一电流感测端VI接收电流讯号VI以形成一电流回路以作为电流模式控制。
请参阅图2，其为习知技术的电源转换器的控制电路的电路图。如图所示，控制电路20包括一振荡电路25及一切换电路30。切换电路30包括一第一比较器32、一第二比较器33、一正反器36及两个及闸38、39，以产生切换讯号SW。振荡电路25产生一振荡讯号IPS，并传送至正反器36的一时脉输入端CK，以致能切换讯号Sw，正反器36的一输出端Q耦接及闸39的一输入端，及闸39的另一输入端接收振荡讯号IPS。第一比较器32接收电流讯号VI与一最大门槛值VLIMIT，以比较电流讯号VI与最大门槛值VLIMIT。第二比较器33接收电流讯号VI与回授讯号VFB，第二比较器33利用电流讯号VI比较回授讯号VFB以调整电源转换器的输出。若电流讯号VI大于最大门槛值VLIMIT，控制电路20透过及闸38将禁能切换讯号Sw并限制最大输出功率，限制输出功率的功能是一般用来作为保护电路过载或电路短路。
请参阅图3，其为习知技术的电源转换器的波形图。如图所示，其显示回授回路与电流限制的运作。图中的切换电流IP表示电流讯号VI。当电流讯号VI小于最大门槛值VLIMIT时，切换讯号Sw将受回授讯号VFB控制。当电流讯号VI大于最大门槛值VLIMIT时，切换讯号Sw会受限于最大门槛值VLIMIT。在现今的科技发展，已有许多相关技术被提出，以有效地进行电流模式电源转换器的控制和保护的技术。在这其中，美国专利第5,903,452号的”Adaptive slope compensator for current mode powerconverters”是揭露有关斜率补偿技术，美国专利第6,611,439号的”PWM controller for controlling output power limit ofa power supply”与美国专利第6,674,656号的”PWMcontroller having a saw limiter for output power limitwithout sensing input voltage”，是揭露两种补偿技术以限制功率输出。然而，上述的习知技术具有补偿准确性不佳的问题，并且斜率补偿会影响保护功能的补偿效果。因此，本发明的主要目的是解决上述的缺点，并且提出简易的补偿电路以减少电源转换器的成本。
发明内容：
本发明的主要目的，在于提供一种电源转换器的补偿电路与方法，其通过一讯号产生电路产生一第一补偿讯号与一第二补偿讯号以调整电流讯号，并由第一补偿讯号限制电源转换器的输出功率，第二补偿讯号达成斜率补偿，以达成准确性补偿的目的。
本发明的次要目的，在于提供一种电源转换器的补偿电路与方法，其电路简易，以达成降低电源转换器的成本的目的。
本发明的电源转换器的补偿电路与方法，用于控制电流模式的电源转换器，其包括一电流感测电路依据一电源转换器的一切换电流产生一电流讯号；一切换电路接收电流讯号与一回授讯号而产生一切换讯号，以控制功率电晶体与调整电源转换器的输出；一讯号产生电路产生一第一补偿讯号与一第二补偿讯号以进行补偿，第一补偿讯号调整电流讯号以限制电源转换器的输出，第二补偿讯号调整电流讯号以进行斜率补偿。
再者，一振荡电路产生一振荡讯号，用以产生切换讯号与补偿讯号。第一补偿讯号调整电流讯号而产生一第一讯号以限制切换电流，当功率电晶体导通时，第一补偿讯号的斜率递减。第二补偿讯号调整电流讯号以产生一第二讯号，第二补偿讯号的斜率依据功率电晶体导通而递增，第二讯号更传送至电源转换器的回授回路。第一补偿讯号与第二补偿讯号偏压值(offset)趋近于零。
本发明的有益效果是：所涉及的电源转换器的补偿电路与方法，其包括电流感测电路与讯号产生电路。电流感测电路依据切换电流而产生电流讯号，讯号产生电路产生一第一补偿讯号与一第二补偿讯号以调整电流讯号，从而分别达成电源转换器的输出功率限制补偿与斜率补偿。
附图说明：
图1为习知技术的电流模式的电源转换器的电路图；
图2为习知技术的电源转换器的控制电路的电路图；
图3为习知技术的电源转换器的波形图；
图4为本发明的一较佳实施例的电流模式电源转换器的电路图；
图5为本发明的一较佳实施例的控制电路的电路图；
图6为本发明的一较佳实施例的振荡电路的电路图；
图7为本发明的一较佳实施例的讯号产生电路的电路图；
图8为本发明的一较佳实施例的讯号产生电路的补偿讯号的波形图。
图号说明：
10变压器               12功率电晶体
14整流器               16滤波电容
100振荡电路            105电流源
110电晶体              111电晶体
113电晶体              115开关
120电晶体              121电晶体
123电晶体              125开关
130电容                150比较器
151比较器              155反及闸
156反及闸              158反相器
159反相器              20控制电路
25振荡电路             200讯号产生电路
210反相器              211电晶体
212电晶体              215开关
220电容                230运算放大器
231电阻                232电晶体
235电晶体              236电晶体
240运算放大器          241电阻
242电晶体              245电晶体
246电晶体              247电晶体
250第一讯号产生器      270第二讯号产生器
32第一比较器           33第二比较器
36正反器               38及闸
39及闸                 40变压器
42功率电晶体        44整流器
46滤波电容          50控制电路
60切换电路          62第一比较器
63第二比较器        65及闸
70正反器            75及闸
80阻抗装置          90阻抗装置
VFB回授讯号         VIN输入电压
VI电流讯号          VI电流感测端
VO输出电压          V1第一讯号
V2第二讯号          Vcc供应电压
VLIMIT最大门槛值    Np一次侧绕组
Ns二次侧绕组        IPS振荡讯号
Ip  切换电流        IR参考电流
I0电流              I1第一补偿讯号
I2第二补偿讯号      I113电流
I121电流            I212电流
I232电流            I242电流
FB回授端            OUT输出端
Sw切换讯号          Rs电阻
CK时脉输入端        R重置端
D输入端             Q输出端
RST1第一重置讯号    RST2第二重置讯号
RAMP斜坡讯号        VH高准位门槛值
VL低准位门槛值      VR参考电压
Vw波形讯号
具体实施方式：
为使审查委员对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，谨佐以较佳的实施例及配合详细的说明，说明如后：
请参阅图4，其为本发明的一较佳实施例的电流模式电源转换器的电路图。如图所示，电源转换器包含一变压器40、一功率电晶体42、一整流器44、一滤波电容46、一控制电路50以及一电阻RS。变压器40包括一一次侧绕组NP与一二次侧绕组NS。一次侧绕组NP接收一输入电压VIN，一次侧绕组NP更耦接功率电晶体42，功率电晶体42用以切换变压器40。电阻RS作为一电流感测电路并耦接功率电晶体42，依据流经变压器40的一切换电流IP产生一电流讯号VI，切换电流IP经功率电晶体42而流过电阻RS。
复参阅图4，控制电路50包括一电流感测端VI、一回授端FB以及一输出端OUT，用以产生一切换讯号Sw而调整电源转换器的输出。电流感测端VI与回授端FB是分别接收电流感测讯号VI与一回授讯号VFB，依据电源转换器的输出而产生回授讯号VFB，用以达回授调整的目的。输出端OUT依据电流讯号VI与回授讯号VFB产生切换讯号SW。一整流器44耦接变压器40的二次侧绕组NS，一滤波电容46耦接整流器44与二次侧绕组NS。
请参阅图5，其为本发明的一较佳实施例的控制电路的电路图。如图所示，控制电路50包括一切换电路60、两个阻抗装置80、90、一振荡电路100与一讯号产生电路200。讯号产生电路200与阻抗装置80，90形成补偿电路，以产生一第一补偿讯号与一第二补偿讯号。再者，如图4所示的电阻RS为补偿电路的一部份，电流感测电路依据功率电晶体42的切换电流IP而在电阻RS产生电流讯号VI。振荡电路100产生一振荡讯号IPS、一参考电流IR及一斜坡讯号RAMP，并分别传送至切换电路60与讯号产生电路200。切换电路60包括一正反器70、一第一比较器62、一第二比较器63与两个及闸65、75，以产生切换讯号SW，切换讯号SW依据振荡讯号IPS与回授讯号VFB用以控制功率电晶体42与切换图4所示的变压器40，以调整电源转换器的输出。
复参阅图5，讯号产生电路200依据斜坡讯号RAMP与切换讯号SW产生一第一补偿讯号I1与一第二补偿讯号I2，第一补偿讯号I1与第二补偿讯号I2分别传送至阻抗装置80、90，以调整电流讯号VI。第二比较器63经阻抗装置90接收电流讯号VI，而第一比较器62经阻抗装置80接收电流讯号VI。阻抗装置80是联合第一补偿讯号I1与电流讯号VI产生一第一讯号V1，即第一补偿讯号I1可调整电流讯号VI而产生第一讯号V1。阻抗装置90是联合第二补偿讯号I2与电流讯号VI产生一第二讯号V2，即第二补偿讯号I2可调整电流讯号VI而产生第二讯号V2。
如图5所示，正反器70的一输入端D接收供应电压VCC，及闸75的一输入端耦接正反器70的输出端Q，以在及闸75的一输出端产生切换讯号SW，及闸75的另一输入端接收振荡讯号IPS以控制切换讯号SW的最大工作周期，正反器70的时脉输入端CK接收振荡讯号IPS，用以导通切换讯号SW，并透过及闸65控制切换讯号SW的截止。及闸65的一输出端耦接正反器70的一重置端R，及闸65的输入端分别耦接第一比较器62与第二比较器63的输出端，以接收一第一重置讯号RST1及一第二重置讯号RST2。
承接上述，第二比较器63的一输出端产生第二重置讯号RST2，第二比较器63的输入端分别接收回授讯号VFB与第二讯号V2。回授讯号VFB是耦接至电源转换器的输出以达成回授调整。第一比较器62的一输出端产生第一重置讯号RST1，第一比较器62的输入端分别接收最大门槛值VLIMIT与第一讯号V1。最大门槛值VLIMIT为一固定值，以作为一电流限制门槛值(current limitthreshold)。第二补偿讯号I2调整电流讯号VI而产生第二讯号V2，是用以达到斜率补偿而稳定电源转换器的回授回路。第一补偿讯号I1调整电流讯号VI而产生第一讯号V1，是用以补偿电源转换器的输出功率限制。也就是说，第一补偿讯号I1调整电流讯号VI以更准确的限制切换电流IP，电源转换器的最大输出功率可以保持一固定值，以对应于电源转换器的输入电压VIN的变化。
请参阅图6，其为本发明的一较佳实施例的振荡电路的电路图。如图所示，振荡电路50包括一电流源105耦接至供应电压VCC，并耦接一电流镜电路以产生参考电流IR、一充电电流I113与一放电电流I123。电流镜电路包括多个电晶体110、111、113、120、121与123，电晶体120、121、123的源极皆耦接于接地端，电晶体120、121、123的闸极、电晶体120的汲极与电流源105皆耦接在一起。电晶体123的汲极依据电流源105的电流产生放电电流I123。电晶体110、111、113的源极皆耦接供应电压VCC，电晶体110、111、113的闸极与电晶体110的汲极相耦接，电晶体110的汲极更耦接电晶体121的汲极以接收一电流I121，电晶体111、113的汲极分别产生参考电流IR与充电电流I113，参考电流IR传送至讯号产生电路200(如图6与图7所示)，充电电流I113流经一开关115以对一电容130进行充电。放电电流I123流经一开关125以对电容130进行放电，如此即可在电容130产生一斜坡讯号RAMP。
复参阅图6，比较器150、151、反及闸155、156及一反相器158是用以产生振荡讯号IPS以控制开关115，振荡讯号IPS更可经由反相器159用以控制开关125。斜坡讯号RAMP与振荡讯号IPS更分别传送至讯号产生电路200与切换电路60(如图5所示)。比较器150接收一高准位门槛值(high thresholdvoltage)VH与斜坡讯号RAMP，以比较斜坡讯号RAMP与高准位门槛值VH。比较器151接收一低准位门槛值(low thresholdvoltage)VL与斜坡讯号RAMP，以比较斜坡讯号RAMP与低准位门槛值VL。反及闸155的一输入端耦接比较器150的一输出端，反及闸156的一输入端耦接比较器151的一输出端，反及闸156的另一输入端耦接反及闸155的一输出端，反及闸156的一输出端耦接反及闸155的另一输入端，反及闸155的一输出端耦接反相器158的一输入端，反相器158的一输出端产生振荡讯号IPS，反相器158的输出端更耦接一反相器159的一输入端，反相器159的一输出端输出反相的振荡讯号IPS用于控制开关125。
请参阅图7，其为本发明的一较佳实施例的讯号产生电路的电路图。如图所示，讯号产生电路200包括一第一讯号产生器250与一第二讯号产生器270。第二讯号产生器270耦接振荡电路100，依据斜坡讯号RAMP产生第二补偿讯号I2，第一讯号产生器250耦接切换电路60，依据切换讯号SW产生第一补偿讯号I1。第二讯号产生器270包括一运算放大器240、多个电晶体242、245、246、247以及一电阻241。运算放大器240的一输入端接收斜坡讯号RAMP，运算放大器240的另一输入端耦接电晶体242的源极，运算放大器240的一输出端耦接电晶体242的闸极，电阻241耦接于电晶体242的源极与接地端之间，电晶体242的汲极依据斜坡讯号RAMP产生一电流I242。电晶体245、246形成一电流镜电路以接收电流I242而产生第二补偿讯号I2，电晶体245、246的源极皆耦接供应电压VCC，电晶体245、246的闸极与电晶体245的汲极相耦接，电晶体245的汲极更耦接电晶体242的汲极以接收电流I242，电晶体246的汲极依据电流I242产生第二补偿讯号I2。
复参阅图7，运算放大器240、电晶体242以及电阻241组成一电压转电流转换器(voltage-to-current converter)，通过电晶体245、246接收斜坡讯号RAMP而产生第二补偿讯号I2。电晶体247是用于依据切换讯号SW的截止状态而截止电晶体245、246，电晶体247的源极、汲极与闸极分别耦接供应电压VCC、电晶体245、246的闸极与切换讯号SW。由于斜坡讯号RAMP依据切换讯号SW的导通状态而增加，第二补偿讯号I2与第二讯号V2在功率电晶体42导通时，于一周期期间内从一第一准位增加至一第二准位。
如图7所示，第一讯号产生器250包括具有电晶体211、212的一电流镜电路，电晶体211、212的源极皆耦接于接地端，电晶体211、212的闸极与电晶体211的汲极相耦接，电晶体211的汲极接收振荡电路100的参考电流IR而在电晶体212的汲极产生电流I212。电流I212作为一放电电路以对一电容220放电而产生一波形讯号VW。由于电流I212是依据参考电流IR映射所产生，并且斜坡讯号RAMP是依据由参考电流IR映射所产生的电流I113的充电而产生(如图6所示)，所以波形讯号VW的放电速率是关连于斜坡讯号RAMP的增加速率。一开关215作为一充电电路，开关215耦接于一参考电压VR与电容220之间，参考电压VR是透过开关215而对电容220充电，切换讯号SW是透过一反相器210而控制开关215，所以当切换讯号SW导通时，电容220则进行放电。
另一电压转电流转换器包括一运算放大器230、一电晶体232与一电阻231，透过电晶体235、236以接收波形讯号VW而产生第一补偿讯号I1。运算放大器230的一输入端接收波形讯号VW，运算放大器230的另一输入端耦接电晶体232的源极，运算放大器230的一输出端耦接电晶体232的闸极，电阻231耦接于电晶体232的源极与接地端之间，电晶体232的汲极依据波形讯号VW产生电流I232。电晶体235、236形成一电流镜电路，以接收电流I232而产生第一补偿讯号I1，电晶体235、236的源极皆耦接供应电压VCC，电晶体235、236的闸极与电晶体235的汲极相耦接，电晶体235的汲极更耦接电晶体232的汲极以接收电流I232，电晶体236的汲极依据电流I232产生第一补偿讯号I1。当功率电晶体42导通时，第一补偿讯号I1与第一讯号V1是在一周期期间内从一第一振幅降低至一第二振幅，第一讯号V1用于限制功率电晶体42的切换电流IP。
请参阅图8，其为本发明的一较佳实施例的讯号产生电路的补偿讯号的波形图。如图所示，第二补偿讯号I2的增加速率相同于第一补偿讯号I1的减少速率，因此第一补偿讯号I1与第二补偿讯号I2的偏压值趋近于零，使流经电流讯号VI的电流I0(如图5所示)的变化保持为一固定值，故可由一简单电路完成斜率补偿与功率限制补偿，并且斜率补偿与功率限制补偿不会互相干扰，如此即可以达到高准确的补偿效果。
综上所述，本发明的电源转换器的补偿电路与方法，其包括电流感测电路与讯号产生电路。电流感测电路依据切换电流而产生电流讯号，讯号产生电路产生一第一补偿讯号与一第二补偿讯号以调整电流讯号，而分别达成电源转换器的输出功率限制补偿与斜率补偿。
以上所述，仅为本发明的一较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。

Claims (16)

1.一种电源转换器的补偿电路，其特征在于，其包含：
一电流感测电路，依据一功率电晶体的一切换电流产生一电流讯号；以及
一讯号产生电路，产生一第一补偿讯号与一第二补偿讯号，以调整该电流讯号；
其中，该第一补偿讯号调整该电流讯号，以限制该电源转换器的输出功率，该第二补偿讯号调整该电流讯号以斜率补偿；
该第一补偿讯号调整该电流讯号而产生一第一讯号以限制该切换电流，当该功率电晶体导通，该第一补偿讯号在一周期期间内由一第一振幅降低至一第二振幅。
2.如权利要求1所述的补偿电路，其特征在于，其中该讯号产生电路依据一切换讯号产生该第一补偿讯号与该第二补偿讯号，其中该切换讯号控制该功率电晶体。
3.如权利要求1所述的补偿电路，其特征在于，该第二补偿讯号调整该电流讯号而产生一第二讯号，并传输至该电源转换器的一回授回路，当该功率电晶体导通，该第二讯号在一周期期间内由一第一准位增加至一第二准位。
4.如权利要求1所述的补偿电路，其特征在于，该第一补偿讯号与该第二补偿讯号的偏压值趋近于零。
5.如权利要求1所述的补偿电路，其特征在于，讯号产生电路更包含：
一第一讯号产生器，耦接该电源转换器的一切换电路，以依据该切换电路的一切换讯号产生该第一补偿讯号，其中该切换讯号控制该功率电晶体；以及
一第二讯号产生器，耦接该电源转换器的一振荡电路，以依据该振荡电路的一斜坡讯号产生该第二补偿讯号。
6.一种补偿电路，其控制一电源转换器，该补偿电路的特征在于，其包含：
一电流感测电路，依据该电源转换器的一功率电晶体的一切换电流产生一电流讯号；以及
一讯号产生电路，产生一第一补偿讯号，以调整该电流讯号；
其中，该讯号产生电路调整该电流讯号，以限制该功率电晶体的该切换电流；
当该功率电晶体导通，该第一补偿讯号在一周期期间内由一第一振幅降低至一第二振幅。
7.如权利要求6所述的补偿电路，其特征在于，该讯号产生电路更产生一第二补偿讯号，调整该电流讯号以斜率补偿该电源转换器。
8.如权利要求7所述的补偿电路，其特征在于，该第一补偿讯号与该第二补偿讯号的偏压值趋近于零。
9.如权利要求6所述的补偿电路，其特征在于，该讯号产生电路更包含一电容、一充电电路以及一放电电路：
一电容，该充电电路对该电容进行充电与该放电电路对该电容进行放电以产生一波形讯号；
一充电电路，依据该功率电晶体截止而对该电容进行充电；以及
一放电电路，依据该功率电晶体导通而对该电容进行放电；
其中，该讯号产生电路依据该波形讯号而产生该第一补偿讯号。
10.一种补偿方法，其控制一电源转换器，该补偿方法的特征在于，其步骤包含：
使用一电流感测电路，依据该电源转换器的一功率电晶体的一切换电流产生一电流讯号：以及
使用一讯号产生电路，产生一第一补偿讯号调整该电流讯号以限制该电源转换器的一输出功率；
其中，当该功率电晶体导通，该第一补偿讯号在一周期期间内由一第一振幅降低至一第二振幅。
11.如权利要求10所述的补偿方法，其特征在于，其更包含：
产生一切换讯号控制该功率电晶体，并依据该切换讯号产生该第一补偿讯号。
12.如权利要求10所述的补偿方法，其特征在于，其更包含：
使用该讯号产生电路，产生一第二补偿讯号调整该电流讯号以斜率补偿该电源转换器。
13.如权利要求12所述的补偿方法，其特征在于，当该功率电晶体导通，一第二讯号在一周期期间内由一第一准位增加至一第二准位。
14.如权利要求12所述的补偿方法，其特征在于，该第一补偿讯号与该第二补偿讯号的偏压值趋近于零。
15.如权利要求12所述的补偿方法，其特征在于，更包含：
产生一切换讯号控制该功率电晶体，并依据该切换讯号产生该第二补偿讯号。
16.如权利要求10所述的补偿方法，其特征在于，产生该第一补偿讯号的步骤，更包含：
依据该功率电晶体导通而产生一波形讯号；以及
依据该波形讯号产生该第一补偿讯号。
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