CN101257256B - 用以补偿最大输出功率的电源转换器及pwm控制器 - Google Patents

Abstract

一种用以补偿电源转换器的最大输出功率的PWM(脉冲宽度调变)控制器，包括PWM单元及补偿电路。该PWM单元产生PWM信号，来控制功率开关开闭功率变压器，该功率变压器包括连接功率开关的初级线圈，该电源转换器的输入电压供给该初级线圈，该PWM信号的脉冲宽度与输入电压的振幅具有关联性。该补偿电路依据该PWM信号，通过推高电流感应装置根据上述功率变压器的初级侧交换电流而产生的电流感应信号的峰值，而产生电流升压信号，且通过该PWM信号的脉冲宽度来调节该电流升压信号的峰值，从而补偿输入电压振幅所造成的最大输出功率的差值。

Description

用以补偿最大输出功率的电源转换器及PWM控制器

技术领域

本发明涉及一种电源转换器(power converter)，尤其涉及一种用以补偿最大输出功率的电源转换器。

背景技术

电源转换器可供应能量给多种电子装置，其采用现有的PWM(脉冲宽度调变)技术来控制并调节输出功率。在电源转换器内设置多种保护功能来避免电源转换器受到永久性的损坏，其中，补偿最大输出功率的功能通常是用在过载及短路保护。

图1显示一现有电源转换器的结构。该电源转换器包括一功率变压器T₁，其具有初级线圈(primary winding)N_P和次级线圈(secondarywinding)N_S，该功率变压器T₁是用来提供电源转换器的AC线路输入与输出之间的电流隔离。电源转换器的输入电压V_IN供给该初级线圈N_P。为调节该电源转换器的输出电压V_O，将一控制电路与功率变压器T₁的初级线圈N_P耦合串接，并依据反馈信号V_FB而产生PWM信号V_PWM。该控制电路包括振荡器10、第一比较器31、第二比较器32、逻辑电路33及触发器20。该PWM信号V_PWM控制功率开关Q₁来开启/关闭功率变压器T₁。电流感应电阻(current-sense resistor)R_S串接于功率开关Q₁，以确定电源转换器的最大输出功率。电流感应电阻R_S将功率变压器T₁的交换电流转换为电流感应信号V_S，且该电流感应信号V_S耦合上述控制电路。经第一比较器3 1做比较，如果该电流感应信号V_S大于最大临界值V_M，则使该控制电路关闭(disable)该PWM信号V_PWM，从而限制该电源转换器的最大输出功率。

图2为图1中电源转换器的PWM信号V_PWM及电流感应信号V_S的波形图。如图所示，当PWM信号V_PWM为逻辑高时，会对应产生初级侧交换电流I_P。初级侧交换电流I_P的峰值I_P1为

$I_{P1}=\frac{V_{\mathrm{IN}}}{L_P}\×T_{\mathrm{ON}}---\left(1\right)$

最大输出功率P_O为

$P_O=\frac{L_P}{2\×T_S}\×I_{P1}^2=\frac{V_{\mathrm{IN}}^2\×T_{\mathrm{ON}}^2}{2\×L_P\×T_S}---\left(2\right)$

等式(1)与(2)中，L_P为变压器T₁的初级线圈N_P的电感值，T_ON为功率开关Q1开启时PWM信号V_PWM的导通时间，T_S为PWM信号V_PWM的交换周期。

我们可从等式(2)中看出输出功率随输入电压V_IN的变化而变化。如果考虑安全调节，输入电压的范围在90V_AC到264V_AC之间，其中高线电压(high-line voltage)的功率限制要高出低线电压(low line voltage)的功率限制许多倍。在电流感应信号V_S高于最大临界值V_M的时刻与PWM信号V_PWM实际关闭的时刻之间存在一延迟时间T_D。最大输出功率P_O也受该控制电路的延迟时间T_D的影响。在延迟时间T_D期间，功率开关Q₁仍为开启并保持导通状态，用于传送输出功率。因此，PWM信号V_PWM的实际导通时间等于T_ON+T_D，实际最大输出功率P_O为

$P_O=\frac{V_{\mathrm{IN}}^2\×{(T_{\mathrm{ON}}+T_D)}^2}{2\×L_P\×T_S}---\left(3\right)$

尽管延迟时间T_D很短，一般在200ns～350ns之间，但运行频率愈高，交换周期T_S愈小，延迟时间T_D所造成的影响愈大。因此，需要适当补偿输入电压V_IN以避免输入电压V_IN影响最大输出功率。

发明内容

鉴于上述现有技术的种种缺点，本发明的目的在于提供一种可补偿最大输出功率的电源转换器，其PWM控制器的补偿电路可补偿输入电压与延迟时间所造成的最大输出功率的差值，并使低线电压输入与高线电压输入获得同样的最大输出功率。

为达本发明的上述目的及其他目的，本发明提供一种PWM控制器，是用来补偿电源转换器的最大输出功率，该PWM控制器包括：PWM单元，是用来产生PWM信号来控制功率开关去切换功率变压器，其中，该功率开关耦合于所述功率变压器的初级线圈，所述电源转换器的输入电压供给该功率变压器，并且该PWM信号的脉冲宽度与输入电压的振幅具有关联性；以及补偿电路，耦合于所述PWM单元与一电流感应装置之间，是用来根据PWM信号及电流感应信号而产生电流升压(current-boost)信号，其中，所述电流感应信号由上述电流感应装置根据变压器的初级侧交换电流而产生，通过推高(pushing up)该电流感应信号的峰值而产生上述电流升压信号，且该电流升压信号的峰值可通过该PWM信号的脉冲宽度进行调节，从而补偿输入电压的振幅造成的最大输出功率的差值。

本发明用以补偿最大输出功率的电源转换器包括：功率开关，耦合于所述电源转换器的初级线圈，用来切换一功率变压器，所述电源转换器的输入电压供给该功率变压器；PWM单元，用来产生PWM信号去控制功率开关，其中，所述PWM信号的脉冲宽度与输入电压的振幅具有关联性；电流感应装置，用来根据上述功率变压器的初级侧交换电流而产生电流感应信号；以及补偿电路，耦合于所述PWM单元与电流感应装置之间，用来根据PWM信号及电流感应信号而产生电流升压信号，其中，该电流升压信号是通过推高该电流感应信号的峰值而产生，并且该电流升压信号的峰值可通过所述PWM信号的脉冲宽度进行调节，从而补偿输入电压的振幅所造成的最大输出功率的差值。

附图说明

图1是显示现有电源转换器；

图2为图1所示的现有电源转换器的PWM信号及电流感应信号波形图；

图3为本发明的具有PWM控制器第一实施例，其显示一电源转换器示意图；

图4为本发明的升压电路的第二实施例示意图；

图5为本发明的低线电压中的PWM控制器波形图；以及

图6为本发明的高线电压中的PWM控制器波形图。

主要元件符号说明

10    振荡器

20    触发器

31    第一比较器

32    第二比较器

33    逻辑电路

50    PWM单元

60    补偿电路

61    积分电路

611   反相电路

612   电阻

613   电容

614   放大器

615   电压-电流转换器

617   加法器

62    升压电路

C_O    输出电容

D_S    二极管

I_S    电流信号

N_P    初级线圈

N_S    次级线圈

PLS   脉冲信号

Q₁    功率开关

R_S    电流感应装置

R_C    升压装置

T₁    功率变压器

V_COMP 补偿信号

V_cs   电流升压信号

V_FB   反馈信号

V_M    最大临界值

V_O    输出电压

V_PWM  反相PWM信号

V_S   电流感应信号

V_IN  输入电压

具体实施方式

以下是通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容轻易地了解本发明的其他优点与效果。本发明还可采取其他不同的实施方式。具体细节可基于不同的要点及应用并在不背离本发明的精神及范围下进行修改及变更。

请参阅图3，为本发明第一实施例的电源转换器的电路示意图。该电源转换器包括功率变压器T₁，该功率变压器T₁具有初级线圈N_P及次级线圈N_S，并可将储存能量自该初级线圈N_P传递至该次级线圈N_S。电源转换器的输入电压V_IN供给该初级线圈N_P。为调节电源转换器的输出电压V_O，将PWM控制器与初级线圈N_P耦合串接，根据反馈信号V_FB而产生PWM信号V_PWM。

于第一实施例中，该PWM控制器包括PWM单元50以及补偿电路60，其中，该PWM单元50包括振荡器10，触发器20，比较器31、32以及逻辑电路33。振荡器10产生脉冲信号PLS并输入至触发器20。触发器20根据该脉冲信号PLS及逻辑电路33的输出端而产生PWM信号V_PWM，从而控制功率开关Q₁去开闭功率变压器T₁。功率开关Q₁耦合于电源转换器的功率变压器T₁的初级线圈N_P，并且以上述电源转换器的输入电压V_IN供给该功率变压器T₁。一般而言，如果考虑安全调节，输入电压V_IN的范围在90V_AC到264V_AC之间，其中高线电压中的最大输出功率高出低线电压中的最大输出功率许多倍。该PWM信号V_PWM的脉冲宽度与输入电压V_IN的振幅具有关联性。因此，随着输入电压V_IN的增高，PWM信号V_PWM的脉冲宽度会对应减小；另一方面，随着输入电压V_IN的降低，PWM信号V_PWM的脉冲宽度会对应增加。

补偿电路60耦合于PWM单元50与电流感应装置R_S之间，用来根据上述PWM信号V_PWM及电流感应信号V_S而产生电流升压信号V_CS。该电流感应装置R_S串接功率开关Q₁，并将功率变压器T₁的初级侧交换电流转换为电流感应信号V_S，从而确定电源转换器的最大输出功率。该电流升压信号V_CS通过推高该电流感应信号V_S的峰值而产生，且该电流升压信号V_CS的峰值可通过PWM信号V_PWM的脉冲宽度进行调节，从而补偿输入电压的振幅所造成的最大输出功率的差值。

电流感应信号V_S的峰值通过补偿电路60推高，依据该PWM信号V_PWM的脉冲宽度而产生电流升压信号V_CS。如果经比较器31比较，电流升压信号V_CS大于预定的最大临界值V_M，或经比较器32比较，该电流升压信号V_CS大于反馈信号V_FB，则PWM控制器关闭该PWM信号V_PWM，以限制电源转换器的最大输出功率。

补偿电路60包括反相电路611、积分电路61及升压电路(boostcircuit)62。所述积分电路61包括电阻612、放大器614以及电容613。放大器614的负端经电阻612耦合于反相电路611，以将反相PWM信号/V_PWM积分至补偿信号V_COMP。反相PWM信号/V_PWM是由反相电路611依据PWM信号V_PWM而产生。补偿信号V_COMP的DC电平是与反相PWM信号/V_PWM的脉冲宽度成比例。升压电路62包括电压-电流转换器(voltage-to-current converter)615及升压装置R_C。电压-电流转换器615耦合于积分电路61，用来将补偿信号V_COMP转换为对应的电流信号I_S。升压装置R_C耦合于电压-电流转换器615与电流感应装置R_S之间，用来依据电流信号I_S及电流感应信号V_S而产生电流升压信号V_CS。该升压装置R_C由一电阻构成。

图4为本发明的升压电路62的第二实施例示意图。该升压电路62包括加法器617，该加法器617耦合于积分电路61与电流感应装置R_S之间，用来依据补偿信号V_COMP及电流感应信号V_S而产生电流升压信号V_CS。

图5为本发明的PWM控制器于低线电压中的波形图。请一并参阅图3及图4，首先将PWM信号V_PWM，LV通过反相电路611转换为反相PWM信号/V_PWM，LV。然后，积分电路6 1将反相PWM信号/V_PWM，LV积分至对应的补偿信号V_COMP，LV。随后，电压-电流转换器615将补偿信号V_COMP，LV转换为对应的电流信号I_S，LV，并通过升压装置R_C转换为电压信号，如图3所示，将电流感应信号V_S的峰值推高为电流升压信号V_CS，LV。换句话说，该电流升压信号V_CS等于补偿信号V_COMP与电流感应信号V_S之和。

图6是显示本发明的PWM控制器在高线电压中的波形图。请一并参阅图3及图4，首先，PWM信号V_PWM，HV通过反相电路611转换为反相PWM信号/V_PWM，HV。然后，积分电路61将反相PWM信号/V_PWM，HV积分至对应的补偿信号V_COMP，HV。随后，电压-电流转换器615将补偿信号V_COMP，HV转换为对应的电流信号I_S，HV，并通过升压装置R_C转换为电压信号，如图3所示，将电流感应信号V_S的峰值推高为电流升压信号V_CS，HV。如同上述，电流升压信号V_CS等于补偿信号V_COMP与电流感应信号V_S之和。

比较图5及图6，低线电压中的PWM信号V_PWM，LV的脉冲宽度宽于高线电压中的PWM信号V_PWM，HV的脉冲宽度。因此在将PWM信号V_PWM反相之后，低线电压中的反相PWM信号/V_PWM，LV的脉冲宽度小于高线电压中的反相PWM信号/V_PWM，HV的脉冲宽度。在积分反相PWM信号/V_PWM后，低线电压中的补偿信号V_COMP，LV其电位低于高线电压中的补偿信号V_COMP，HV，且转换后的电流信号I_S，LV其电位也低于电流信号I_S，HV。由于低线电压的补偿值小于高线电压的补偿值，因此，低线电压中的电流升压信号V_CS，LV的峰值会小于高线电压中的电流升压信号V_CS，HV的峰值。也就是说，高线电压的输出功率限制低于低线电压的输出功率限制。前面曾提到，应对输入电压V_IN适当补偿，使得输入电压V_IN的变化不会影响到最大输出功率。该PWM控制器的补偿电路60可补偿由输入电压V_IN与延迟时间所造成的最大输出功率的差值，从而使低线电压与高线电压获得同样的最大输出功率。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其效果，而非用于限制本发明的范围。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如后述的权利要求范围所列。

Claims (12)

1. 一种脉冲宽度调变控制器，是用来补偿电源转换器的最大输出功率，该脉冲宽度调变控制器包括：

一脉冲宽度调变单元，其产生一脉冲宽度调变信号来控制一功率开关去切换一功率变压器，其中该功率开关耦合至该电源转换器的一初级线圈，而该电源转换器的输入电压供给该功率变压器，且该脉冲宽度调变信号的脉冲宽度与输入电压的振幅具有关联性；以及

一补偿电路，耦合于该脉冲宽度调变单元与一电流感应装置之间，是用来依据该脉冲宽度调变信号及一电流感应信号，而产生一电流升压信号，其中，该电流感应信号是由该电流感应装置根据该功率变压器的初级侧交换电流而产生，并通过推高该电流感应信号的峰值而产生该电流升压信号，且通过该脉冲宽度调变信号的脉冲宽度来调节该电流升压信号的峰值，从而补偿该输入电压的振幅所造成的最大输出功率的差值。

2. 根据权利要求1所述的脉冲宽度调变控制器，其中，该补偿电路包括：

一积分电路，产生一补偿信号对来自该脉冲宽度调变单元的一反相脉冲宽度调变信号进行积分，其中，该反相脉冲宽度调变信号是由一反相电路根据该脉冲宽度调变信号而产生，而该补偿信号的直流电位与该反相脉冲宽度调变信号的脉冲宽度成比例；以及

一升压电路，耦合于该积分电路与该电流感应装置之间，以推高该电流感应信号而产生该电流升压信号，其中，该电流升压信号等于该补偿信号与该电流感应信号之和。

3. 根据权利要求2所述的脉冲宽度调变控制器，其中，该升压电路包括：

一电压-电流转换器，耦合于该积分电路来将该补偿信号转换为一电流信号；以及

一升压装置，耦合于该电压-电流转换器与该电流感应装置之间，用以依据该电流信号及该电流感应信号而产生该电流升压信号。

4. 根据权利要求3所述的脉冲宽度调变控制器，其中，该升压装置包括一电阻。

5. 根据权利要求2所述的脉冲宽度调变控制器，其中，该升压电路包括一加法器，耦合于该积分电路与该电流感应装置之间，用以依据该补偿信号及该电流感应信号而产生该电流升压信号。

6. 根据权利要求1所述的脉冲宽度调变控制器，其中，该脉冲宽度调变信号的脉冲宽度随着该输入电压的增高而减少，以及随着该输入电压的降低而增加。

7. 一种用以补偿最大输出功率的电源转换器，包括：

一功率开关，耦合于该电源转换器的一初级线圈，用以切换一功率变压器，该电源转换器的输入电压供给该功率变压器；

一脉冲宽度调变单元，产生一脉冲宽度调变信号以控制该功率开关，其中，该脉冲宽度调变信号的脉冲宽度与该输入电压的振幅具关联性；

一电流感应装置，用以根据该功率变压器的一初级侧交换电流而产生一电流感应信号；以及

一补偿电路，耦合于该脉冲宽度调变单元与该电流感应装置之间，用以根据该脉冲宽度调变信号及该电流感应信号而产生一电流升压信号，其中，通过推高该电流感应信号的峰值而产生该电流升压信号，且通过该脉冲宽度调变信号的脉冲宽度以调节该电流升压信号的峰值，从而以补偿该输入电压的振幅所造成的最大输出功率的差值。

8. 根据权利要求7所述的电源转换器，其中，该补偿电路包括：

一积分电路，产生一补偿信号以积分来自该脉冲宽度调变单元的一反相脉冲宽度调变信号，其中，该反相脉冲宽度调变信号由一反相电路根据该脉冲宽度调变信号而产生，该补偿信号的直流电位与该反相脉冲宽度调变信号的脉冲宽度成比例；以及

一升压电路，耦合于该积分电路与该电流感应装置之间，以推高该电流感应信号而产生该电流升压信号，其中，该电流升压信号等于该补偿信号与该电流感应信号之和。

9. 根据权利要求8所述的电源转换器，其中，该升压电路包括：

一电压-电流转换器，耦合该积分电路以将该补偿信号转换为一电流信号；以及

一升压装置，耦合于该电压-电流转换器与该电流感应装置之间，用以根据该电流信号及该电流感应信号而产生该电流升压信号。

10. 根据权利要求9所述的电源转换器，其中，该升压装置包括一电阻。

11. 根据权利要求8所述的电源转换器，其中，该升压电路包括一加法器，耦合于该积分电路与该电流感应装置之间，用以根据该补偿信号及该电流感应信号而产生该电流升压信号。

12. 根据权利要求7所述的电源转换器，其中，该脉冲宽度调变信号的脉冲宽度随着该输入电压的增高而减少，以及随着该输入电压的降低而增加。

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