CN101378197B - 具边界模式控制的充电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具边界模式控制的充电装置，包括一变压器、一功率开关、一检测电路以及一脉宽调变控制器；该功率开关与该变压器的初级线圈的一端串联；该检测电路电性连结该初级线圈及该功率开关，在该功率开关截止时用以检测该功率开关的寄生组件的谐振，以提供一边界控制的检测信号，该检测电路包括一电流镜，其电源端电性连接该变压器的初级线圈的另一端；以及一电容，其一端电性连接该功率开关，另一端电性连接该电流镜的输入端；该脉宽调变控制器，用以产生一脉宽调变信号以切换该功率开关并根据该检测信号使该功率开关导通。

Description

具边界模式控制的充电装置
技术领域
本发明涉及一种充电装置，特别是涉及一种具有边界模式(boundary mode)控制的充电装置。
背景技术
在公知技术中，一般常见充电装置的充电控制有两种方法。分别为连续导通电流模式控制(Continuous Conduction Current Mode；CCM)与不连续导通电流模式控制(Discontinuous Conduction Current Mode；DCM)。
图1所示为公知技术中具连续导通电流模式(CCM)控制的充电装置10，功率开关105导通时，变压器101的初级线圈电流Ip会上升，Ip电流上升到峰值电流设定值后(在脉宽调变控制器110的峰值电流设定端111设定)，功率开关105会关闭。
功率开关105关闭后，二次侧电流Is逐渐降低(请参考图2)，当变压器101的二次侧电流Is尚未降至零时，功率开关105随即再次导通，充电装置10的技术特征包含：(1)充电时间快速且充电效率高；(2)一次侧电流Ip的极大值较小，切换频率较高，故可使用于小型的变压器，以节省变压器的体积；(3)切换频率较高，只需要较小的输入电容Cin即可达到较小的平均充电电流涟波等优点。但是，充电装置10仍存在有以下的缺点，例如：(1)必须要一个与变压器101二次侧绕组相连接的一检测电阻120，用以作为二次侧电流的检测，因此脉宽调变控制芯片100必须要一个接脚(pin)125来测量检测电阻120从接地端至另一端的跨压；(2)一次侧电流Ip会有摇摆电流(swingcurrent)现象(请参考图2)，因有些变压器的电流摇摆时间较长，有可能会造成误触发电流准位(current level)；(3)因变压器并非理想，所以二次侧电流(secondary current)Is也会有摇摆电流的现象，若二次侧电流摇摆现象严重时，会造成充电过程中功率开关105的截止时间(off time)不规则，即造成平均充电电流Iin并不是平滑波形，而是有晃动现象。
图3所示为公知技术中具不连续导通电流模式(DCM)控制的充电装置30，功率开关305关闭后，二次侧电流Is逐渐降低到零(请参考图4)，再经一段时间后，功率开关305才再次导通。充电装置30的技术特征包含(1)不需要一个与变压器301二次侧绕组相连接的一检测电阻作二次侧电流检测，脉宽调变控制芯片300不需要一个检测接脚；(2)一次侧电流Ip不会有摇摆电流；(3)因无检测二次侧电流，故不会有变压器二次侧电流摇摆现象发生，因而造成平均充电电流Iin并不是平滑波形而有晃动等优点。但是，充电装置30仍存在以下的缺点，例如：(1)当功率开关305截止后，且变压器301的二次侧电流Is降到零，功率开关305的漏极电压Vsw因谐振而下降至一参考电压Vref时，功率开关305才再次导通，此时空白时间Tb占功率开关305的截止时间Toff的比例会随着Vsw电压越高而越长(请参考图4)，由于在空白时间Tb时，充电装置30并未将输入端电压Vin的能量传送至输出端电容Co，故整体充电时间较长且充电效率较差；(2)由于空白时间加入，导致功率开关的截止时间Toff比较长，切换频率较低，故须使用较大型的变压器；(3)由于切换频率较低，故须要较大的输入电容Cin才可达到较小的平均充电电流Iin涟波；(4)在充电过程中，随着输出端Vout电压越高，平均充电电流Iin无法维持固定值而会逐渐下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有边界模式控制的充电装置，可有效的改善公知技术的缺陷。
为了实现上述目的，本发明提供了一种具有边界模式控制的充电装置，包括一变压器、一功率开关、一检测电路以及一脉宽调变控制器；该功率开关与该变压器的初级线圈的一端串联；该检测电路电性连结该初级线圈及该功率开关，在该功率开关截止时用以检测该功率开关的寄生组件的谐振，以提供一边界控制的检测信号，该检测电路包括一电流镜，其电源端电性连接该变压器的初级线圈的另一端；以及一电容，其一端电性连接该功率开关，另一端电性连接该电流镜的输入端；该脉宽调变控制器，用以产生一脉宽调变信号以切换该功率开关并根据该检测信号使该功率开关导通。
本发明还提供一种具有边界模式控制的充电装置，包括：一变压器；一功率开关，与该变压器的初级线圈的一端串联；一检测电路，电性连结该初级线圈及该功率开关，在该功率开关截止时用以检测该功率开关的寄生组件的谐振，以提供一边界控制的检测信号，该检测电路包含：一电流镜，其输入端电性连接该功率开关；以及一电容，其一端电性连接一接地端，另一端电性连接该电流镜的电源端；以及一脉宽调变控制器，用以产生一脉宽调变信号以切换该功率开关并根据该检测信号使该功率开关导通。
由上述可知，本发明具有边界模式控制的充电装置，可减少一个变压器二次侧接脚及检测电阻作二次侧电流检测，因没有检测二次侧电流，故不会有变压器二次侧电流摇摆的现象，避免造成平均充电电流不是平滑波形且有晃动现象，并且切换频率较高，充电时间较快且充电效率较佳，能解决上述公知技术中存在的问题。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1所示为公知技术中具连续导通电流模式控制的充电装置；
图2为图1的一次侧电流、二次侧电流及输出电压的波形图；
图3所示为公知技术中具不连续导通电流模式控制的充电装置；
图4为图3的一次侧电流、二次侧电流及功率开关的漏极电压的波形图；
图5为本发明第一实施例中所公开的充电装置示意图；
图6为本发明不连续导通时的波形图；
图7为本发明第一实施例的波形图；
图8为本发明第二实施例的充电装置示意图；
图9为本发明第三实施例的充电装置示意图；
图10为本发明第三实施例的波形图；及
图11为本发明第四实施例的充电装置示意图。
其中，附图标记：
充电装置            10
脉宽调变控制芯片    100
变压器              101
脉宽调变控制器        110
峰值电流设定端        111
功率开关              105
检测电阻              120
芯片接脚              125
充电装置              30
脉宽调变控制芯片      300
变压器                301
功率开关              305
充电装置              50
变压器                52
初级线圈              521
次级线圈              522
功率开关              53
寄生电容              531
检测电路              54
电容                  542
二极管                544
电流镜                546
电流源                547
反向器                548
脉宽调变控制器        56
峰值电流设定端        562
感测电流端            566
充电装置              80
检测电路              84
二极管                844
电流镜                846
充电装置              90
检测电路              94
电容            942
充电装置        1100
检测电路        1104
二极管          1144
电流镜          1146
实施方式
本发明公开一种充电装置，特别是一种具有边界模式控制的充电装置。为了使本发明的叙述更加详细与完备，下面配合图式进行描述。
参考图5，为本发明第一实施例中所公开的充电装置50的电路图。在本实施例中，充电装置50包含有：变压器52、功率开关53、检测电路54及脉宽调变控制器56。其中，变压器52还包含初级线圈521与次级线圈522，分别具有1：N的线圈比。初级线圈521，用以产生一磁场电压，次级线圈522借助与初级线圈作用产生一感应磁场电压。再有，检测电路54还包含电容542、二极管544、电流镜546、电流源547与反向器548。此外，脉宽调变控制器56还包含有三输入端，分别连接至一峰值电流设定端562、一感测电流端566以及检测电路54的输出信号Vb。
在本实施例中，充电装置50工作原理如下：功率开关53导通时，初级线圈521的电流Ip会上升，电流Ip上升到峰值电流设定值后(在脉宽调变控制器56的峰值电流设定端562设定)，功率开关53会关闭。当检测电路54检测到功率开关53的漏极电压Vsw开始下降时，会送出逻辑低准位的信号Vb给脉宽调变控制器56，脉宽调变控制器56输出逻辑高准位的脉宽调变信号VPWM使功率开关53导通。当电路操作在不连续电流模式控制时，波形图如图6所示。当功率开关53关闭时，且次级线圈522的电流Is降至0时(在T1时)，功率开关53上的电压会因谐振而产生近似弦波的波形，直到功率开关53导通时(T2时)，谐振才会结束。Vsw电压也立刻降至0，在本实施例中所提出的脉宽调变控制器56在谐振刚发生时便能立刻检测的到，并送出信号使功率开关53导通，使电路不至于操作在太深的不连续电流模式控制，也就是说，Tb趋近于0。
当功率开关53关闭时，且次级线圈522电流Is尚未降至0时，Vsw电压会维持在Vsw＝(Vout/N)+Vin，电容542的电压会维持在VC1＝-[(Vout/N)-VF]，其中VF为二极管544的顺向压降，Vg电压为Vg＝Vin+VF，电流镜546的晶体管Q1及Q2皆为截止状态，IQ1＝IQ2＝0，Va为逻辑低准位，Vb为逻辑高准位。
当次级线圈522电流Is下降至0时，Vsw上电压会因为该功率开关53的寄生电容531发生谐振而下降，Vsw电压信号会通过电容542耦合至Vg，故Vg电压也会在此时开始下降，如此使得电流镜546的晶体管Q1导通而产生一电流IQ1由输入端Vin经Q1流至电容542，由于晶体管Q1及Q2构成一组电流镜546，因此Q2也会产生一电流IQ2由输入端Vin流至电流源547，在此设计电流IQ2的值大于电流源547的值，如此使得反向器548输入端的Va电压上升至逻辑高准位，反向器548输出端的Vb电压变为逻辑低准位，进而触发脉宽调变控制器56，使功率开关53导通。波形图如图7所示。
上述实施例中，利用双极接面晶体管(BJT)所构成的充电装置，本实施例还可利用场效晶体管(FET)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或以上的组合系列来达到本实施例的功效，熟悉该项技术的人员应该了解到，不应局限于晶体管所构成的充电装置。
图8所示为本发明的第二实施例的充电装置80。与第一实施例的充电装置50不同的是充电装置80的检测电路84的电流镜846的晶体管Q1、Q2为PMOS晶体管，因PMOS本身内含寄生的二极管844，因此二极管544便可以省略。
图9所示为本发明第三实施例的充电装置90。相比于本发明第一实施例，充电装置50的电容542的位置相异于充电装置90的电容942的位置，但充电装置90与充电装置50仍具有相同的功效。
本实施例的检测电路为94，当功率开关53关闭时，且次级线圈522电流I s尚未降至0时，Vsw电压会维持在(Vout/N)+Vin(参考图10)，电容942的电压会维持在VC1＝(Vout/N)+Vin-VF，电流镜546的晶体管Q1及Q2皆为截止状态，IQ1＝IQ2＝0，Va为逻辑低准位，Vb为逻辑高准位。
当次级线圈522电流Is下降至0时，Vsw电压会因为谐振而下降，这样使得电流镜546的晶体管Q1导通而产生一电流IQ1由电容942经Q1流至变压器52，由于晶体管Q1及Q2构成一组电流镜，因此Q2也会产生一电流IQ2由电容942流至电流源547，在此设计电流IQ2的值大于电流源547的值，这样使得Va电压上升至逻辑高准位，Vb电压变为逻辑低准位，进而触发脉宽调变控制器56，使功率开关53导通。第三实施例的波形图如图10所示。
图11所示为本发明的第四实施例的充电装置1100。与第三实施例的充电装置90不同的是充电装置1100的检测电路1104的电流镜1146的晶体管Q1、Q2为PMOS晶体管，因PMOS本身内含寄生的二极管1144，因此二极管544便可以省略。
本发明改善了公知技术的缺陷，且具有下列的优点：
(1)可减少一个变压器二次侧接脚及检测电阻作二次侧电流检测。
(2)边界模式下，变压器一次侧电流仅有小的摇摆电流，线路上只需加上前沿空白时间(leading edge blanking time)的设计即可轻易避免误触发峰值电流的设定值。
(3)因没有检测二次侧电流，故不会有变压器二次侧电流摇摆的现象，避免造成平均充电电流不是平滑波形且有晃动现象。
(4)当二次侧电流掉到零瞬间(即当功率开关上电压在谐振转折点时)，MOS即再次导通(即空白时间Tb～Ons)并做能量转换，充电时间接近连续导通电流充电模式，故充电时间较快且充电效率较佳。
(5)由于空白时间接近Ons，使得切换频率较高，故可使用较小型的变压器。
(6)由于切换频率较高，故利用较小的输入电容即可达到较小的平均充电电流涟波。
(7)由于边界模式控制接近连续导通电流充电模式，故在充电过程中，随着输出电压越高，其平均充电电流依然呈现很平滑的波形。
(8)本发明所提出的检测电路适用于任何切换模式转换器(Switchingmode Converter)。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有边界模式控制的充电装置，其特征在于，包括：
一变压器；
一功率开关，与该变压器的初级线圈的一端串联；
一检测电路，电性连结该初级线圈及该功率开关，在该功率开关截止时用以检测该功率开关的寄生组件的谐振，以提供一边界控制的检测信号，该检测电路包括：
一电流镜，其电源端电性连接该变压器的初级线圈的另一端；以及
一电容，其一端电性连接该功率开关，另一端电性连接该电流镜的输入端；以及
一脉宽调变控制器，用以产生一脉宽调变信号以切换该功率开关并根据该检测信号使该功率开关导通。
2.根据权利要求1所述的充电装置，其特征在于，该检测电路包含：
一二极管，其一端电性连接该电流镜的输入端，另一端电性连接该电流镜的电源端；
一电流源，其一端电性连接到一接地端；以及
一反向器，该反向器的输入端电性连接该电流源的另一端与该电流镜的输出端，该反向器的输出端输出该检测信号。
3.根据权利要求2所述的充电装置，其特征在于，该电流镜是由一对双极接面晶体管组成。
4.根据权利要求1所述的充电装置，其特征在于，该检测电路包含：
一电流源，其一端电性连接到一接地端；以及
一反向器，该反向器的输入端电性连接该电流源的另一端与该电流镜的输出端，该反向器的输出端输出该检测信号。
5.根据权利要求4所述的充电装置，其特征在于，该电流镜是由一对场效晶体管组成。
6.一种具有边界模式控制的充电装置，其特征在于，包括：
一变压器；
一功率开关，与该变压器的初级线圈的一端串联；
一检测电路，电性连结该初级线圈及该功率开关，在该功率开关截止时用以检测该功率开关的寄生组件的谐振，以提供一边界控制的检测信号，该检测电路包含：
一电流镜，其输入端电性连接该功率开关；以及
一电容，其一端电性连接一接地端，另一端电性连接该电流镜的电源端；以及
一脉宽调变控制器，用以产生一脉宽调变信号以切换该功率开关并根据该检测信号使该功率开关导通。
7.根据权利要求6所述的充电装置，其特征在于，该检测电路包含：
一二极管，其一端电性连接该电流镜的电源端，另一端电性连接该功率开关；
一电流源，其一端电性连接一接地端；以及
一反向器，该反向器的输入端电性连接该电流源的另一端与该电流镜的输出端，该反向器的输出端输出该检测信号。
8.根据权利要求7所述的充电装置，其特征在于，该电流镜是由一对双极接面晶体管组成。
9.根据权利要求6所述的充电装置，其特征在于，该检测电路包含：
一电流源，其一端电性连接一接地端；以及
一反向器，该反向器的输入端电性连接该电流源的另一端与该电流镜的输出端，该反向器的输出端输出该检测信号。
10.根据权利要求9所述的充电装置，其特征在于，该电流镜是由一对场效晶体管组成。
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