CN101488714B - 功率转换器的控制电路和开关控制电路 - Google Patents

Abstract

一种自适应地以准共振且在连续电流模式下操作功率转换器的控制电路，其包括：脉冲宽度调制电路，产生开关信号以切换功率转换器的变压器；信号产生电路，接收输入信号和反馈信号，且更根据该斜波信号与一波谷信号产生脉冲信号；反馈电路，依据功率转换器的输出负载而产生该反馈信号；以及检测电路，耦接变压器，用以根据变压器的波形而产生该波谷信号。其中，该反馈信号用以截止开关信号；该脉冲信号用以启动开关信号；该波谷信号用以在斜波信号低于临限值时启动该脉冲信号；而所述临限值的电平与该反馈信号相关。

Description

功率转换器的控制电路和开关控制电路

技术领域

本发明是有关于一种功率转换器，且特别是有关于一种开关功率转换器的控制电路。

背景技术

广泛使用返驰功率转换器(Flyback power converter)为诸如家用电器、计算机等的电子产品提供电源。为了达成高效率并减少功率损失，一般功率转换器会以连续电流模式(continuous current mode，以下简称为CCM)操作来减少传导损失，尤其是低输入电压以及高输出电流的操作。然而，当功率转换器以高输入电压操作时，准共振(quasi-resonance，以下简称为QR)较佳用以减少开关损失以及电磁干扰(EMI)。有鉴于此，本发明提供一种控制电路来自适应地以QR且在CCM下操作功率转换器，界此达成高效率。返驰功率转换器的详细技术请参阅教科书，如Keith H.Billings所著且由McGraw-Hill书局于1989年12月出版的“Switchmode Power Supply Handbook”，以及由Abraham I.Pressman所著且由McGraw-Hill书局于1991年12月出版的“Switching PowerSupply Design”。

发明内容

本发明提供一种控制电路，其自适应地以准共振且在连续电流模式下操作功率转换器，以便达成高效率。

控制电路包含脉冲宽度调制电路、信号产生电路、反馈电路，以及检测电路。脉冲宽度调制电路用以产生开关信号，其中所述开关信号用以切换功率转换器的变压器。信号产生电路耦接功率转换器的输入端，用以接收输入信号和反馈信号而产生斜波信号，且更根据该斜波信号与一波谷信号产生脉冲信号，其中所述斜波信号的频率根据所述输入信号的增加而降低、所述输入信号的电平与功率转换器的输入电压相关，而所述脉冲信号被利用来启动所述开关信号。反馈电路耦接控制电路的检测端，用以产生该反馈信号，其中所述反馈信号用以截止所述开关信号。检测电路耦接变压器，用以根据变压器的波形而产生该波谷信号。

本发明提供了一种功率转换器的控制电路，包括：脉冲宽度调制电路，产生开关信号以切换该功率转换器的变压器；信号产生电路，耦接该功率转换器的输入端，接收输入信号和反馈信号以产生斜波信号，且更根据该斜波信号与一波谷信号产生脉冲信号，其中该脉冲信号用以启动该开关信号；反馈电路，耦接该控制电路的检测端，用以产生该反馈信号，其中该反馈信号用以截止该开关信号；以及检测电路，耦接该变压器，用以根据该变压器的波形而产生该波谷信号，其中该斜波信号的频率根据该输入信号的增加而降低，而该输入信号的电平与该功率转换器的输入电压相关。

本发明还提供了一种功率转换器的开关控制电路，包括：脉冲宽度调制电路，产生开关信号以切换该功率转换器的变压器；信号产生电路，接收输入信号和反馈信号以产生斜波信号，且更根据该斜波信号与一波谷信号产生脉冲信号；反馈电路，依据该功率转换器的输出负载而产生该反馈信号；以及检测电路，耦接该变压器，用以根据该变压器的波形而产生该波谷信号，其中该反馈信号用以截止该开关信号，该脉冲信号是用以切换该开关信号，该波谷信号用以在该斜波信号低于临限值时启动该脉冲信号，而该临限值的电平与该反馈信号相关。

于本发明的一实施例中，根据所述斜波信号与所述波谷信号而产生脉冲信号。

于本发明的一实施例中，信号产生电路具有临限值产生电路，其会依据所述反馈信号的电平而产生临限值。如此一来，将所述临限值与所述斜波信号进行比较，藉以产生触发信号。其中，当触发信号致能时，允许所述波谷信号启动所述脉冲信号。

附图说明

图1绘示为本发明的一实施例的开关功率转换器的电路示意图。

图2绘示为本发明一实施例的控制电路50的电路方块示意图。

图3绘示为本发明一实施例的取样保持电路100的电路示意图。

图4绘示为本发明一实施例的单触发电路的电路示意图。

图5绘示为本发明一实施例的检测电路200的电路图。

图6绘示为本发明一实施例的信号产生电路300的电路示意图。

图7绘示为本发明一实施例的振荡电路330的电路示意图。

图8绘示为本发明一实施例的电压转电流转换器311以及312的电路示意图。

图9绘示为本发明一实施例的开关信号S_PWM以及变压器10的反射电压V_NA的波形图。

图10A绘示为功率转换器在连续电流模式(CCM)下操作的关键波形图。

图10B绘示为功率转换器以准共振(QR)且以重负载操作的波形图。

图10C绘示为功率转换器以准共振(QR)且以轻负载操作的波形图。

[主要元件标号说明]

10：变压器

20、182、215、220、231、232、316、317、318、320、321、411、421、422：晶体管

31、32、35、213、240、310、325、412：电阻器

40：整流器

45、130、150、160、185、340：电容器

50：控制电路

60：脉冲宽度调制电路

65、105、143、181、186、251、365、367：反相器

70：误差放大器

75、135、250、260、315、361、362、370：比较器

80：触发器

85、141、187、270、280：与门

100：取样保持电路

110、120、180、210、324、350、355、380、430、435：电流源

115、125、151、161、305、345、351、356、385：开关

140、145：单触发电路         200：检测电路

300：信号产生电路            311、312：电压转电流转换器

330：振荡电路                363、364：与非门

371：与门                    410：运算放大器

I₁、I₂、I₃：电流信号         IN：输入信号

N_A：辅助线圈                      N_P：初级线圈

N_S：次级线圈                      OUT：输出信号

PLS：脉冲信号                     RMP：斜波信号

S₁：启动信号                      S₂：波谷信号

S_C、S_D：控制信号                  S_H：高负载信号

S_PWM：开关信号                    S_T：触发信号

T₀、T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T_S：时间  V_E：感测信号

V_FB：反馈信号                     V_IN：输入电压

V_L：输入信号                      V_NA：反射电压

V_o：输出电压                      V_R：参考电压

V_S：电压                          VS：检测端

V_T、V_T1、V_T3、V₁、V₂、V₃：临限值  V_T2：临限信号

具体实施方式

图1绘示为本发明的一实施例的开关功率转换器的电路示意图。请参照图1，变压器10具有辅助线圈(auxiliary winding)N_A、初级线圈(primarywinding)N_P、以及次级线圈(secondary winding)N_S。其中，初级线圈N_P耦接输入电压V_IN。次级线圈N_S经由整流器40以及电容器45产生输出电压V_O。为了调节输出电压V_O，控制电路50产生开关信号S_PWM以经由晶体管20切换变压器10。

当晶体管20被导通时，施加输入电压V_IN以磁化变压器10。因此，磁化电流流经变压器10的初级线圈N_P以及晶体管20。一旦开关信号S_PWM被禁能且晶体管20被截止，就会开始对变换器10进行消磁。由于储存于变压器10内的能量会传递至次级线圈N_S以及辅助线圈N_A。因此，开关信号S_PWM被致能时，表示变压器10开始进行磁化；另外，开关信号S_PWM被禁能时，表示变压器10开始进行消磁。若整流器40的正向电压(forward voltage)可忽略不计的话，则辅助线圈N_A的反射电压(reflected voltage)V_AUX可表达如下：

$V_{\mathrm{AUX}}=\frac{N_A}{N_S}\×V_O---\left(1\right)$

其中，N_A以及N_S分别为变压器10的辅助线圈N_A以及次级线圈N_S的线圈匝数。

由电阻器31以及32所形成的分压器(voltage divider)会耦接至控制电路50的VS端，用以检测变压器10的辅助线圈N_A的波形以及反射电压V_AUX。在控制电路50的VS端处检测到的电压V_S可表示如下：

$V_S=\frac{R_{32}}{R_{31}+R_{32}}\×V_{\mathrm{AUX}}---\left(2\right)$

其中，R₃₁以及R₃₂分别为电阻器31以及电阻器32的电阻。

为了精确地检测功率转换器的输出电压V_O，应在次级线圈N_S的开关电流即将达到零时对反射电压取样。因此，整流器40的正向电压的变化可忽略不计。此外，电阻器35自输入电压V_IN耦接至控制电路50以进行启动操作以及输入电压检测。

图2绘示为本发明一实施例的控制电路50的电路方块示意图。请参照图2，控制电路50包含脉冲宽度调制电路(PWM)60。脉冲宽度调制电路60用以产生开关信号S_PWM，而开关信号S_PWM则用以切换图1的变压器10。触发器80、与门(AND)85、反相器65以及比较器75组成脉冲宽度调制电路60。

信号产生电路(signal generation circuit，SG)300用以接收输入信号V_L以及反馈信号V_FB，用以产生斜波信号(ramp signal)RMP以及脉冲信号PLS。其中，脉冲信号PLS用以通过经过反相器65为触发器80计时而启动开关信号S_PWM。触发器80的输出端耦接与门85，用以产生开关信号S_PWM。与门85的另一输入端经由反相器65而耦接至脉冲信号PLS。因此，根据脉冲信号PLS的致能而截止开关信号S_PWM。

反馈电路包含取样保持(sample-hold，S/H)电路100以及误差放大器70。其中，取样保持电路100耦接VS端，其会依据变压器10的反射电压产生感测信号V_E，而感测信号V_E会耦合至误差放大器70。误差放大器70包含参考电压V_R用以产生反馈信号V_FB。感测信号V_E的电平与功率转换器的输出电压V_O相关。反馈信号V_FB的电平与功率转换器的输出负载相关。

反馈信号V_FB进一步用以通过在比较器75处对反馈信号V_FB与斜波信号RMP进行比较而截止开关信号S_PWM。比较器75的输出产生关闭信号以重置触发器80。

检测电路(WAVE_DET)200经由VS端耦接至变压器10，用以根据变压器10的波形而产生波谷信号S₂。脉冲信号PLS是根据斜波信号RMP以及波谷信号S₂而被产生。斜波信号RMP的频率会根据输入信号V_L的增加而降低。输入信号V_L的电平与功率转换器的输入电压V_IN相关。

图3绘示为本发明一实施例的取样保持电路100的电路示意图。请参照图3，开关151用以经由VS端取样变压器10的反射电压。所取样的信号(亦即所取样的变压器10的反射电压)将储存于电容器150内。在开关151取样之后，经由开关161将储存于电容器150中的信号进一步取样至电容器160中。在电容器160中产生感测信号V_E。单触发电路(one-shot circuit)140以及145产生第一取样信号以及第二取样信号，以分别控制开关151以及161。若在变压器10完全消磁时完成取样，则可准确取样反射电压，并使其与输出电压V_O相关。变压器10的磁化通量Ф_C等于消磁通量Ф_D。该等式可表示如下：

Ф_C＝Ф_D    ------------------------------------------(3)

$\mathrm{\Φ}=B\×\mathrm{Ae}=\frac{V\×T}{N}---\left(4\right)$

$\frac{V_{\mathrm{IN}}}{N_P}\×T_{\mathrm{CHARGE}}=\frac{V_O}{N_S}\×T_{\mathrm{DISCHARGE}}---\left(5\right)$

$T_{\mathrm{DISCHARGE}}=\frac{N_P}{N_S}\×\frac{V_{\mathrm{IN}}}{V_O}\×T_{\mathrm{CHARGE}}---\left(6\right)$

其中，B为磁通密度；Ae为变压器的横截面面积；T为变压器的磁化时间或消磁时间；N为变压器的线圈匝数。

变压器10的消磁时间T_DISCHARGE可依据等式(6)获得。等式(6)显示，可依据磁化电压V_IN、消磁电压V_O以及磁化时间T_CHARGE来预测消磁时间T_DISCHARGE。磁化时间T_CHARGE对应于开关信号S_PWM的致能时间。

利用电容器130来判定取样周期。开关115耦接于电流源110与电容器130之间。开关125耦接于电流源120与电容器130之间。比较器135耦接至电容器130，用以一旦电容器130的电压低于临限值V_T，便在比较器135的输出端处产生第一控制信号。开关115由开关信号S_PWM控制。开关125亦由开关信号S_PWM经由反相器105来控制。

反相器105的输出以及第一控制信号分别连接至与门141的两个输入端。与门141的输出端用以驱动单触发电路140以控制开关151，并且产生第一取样信号。单触发电路140的输出端经由反相器143连接至另一单触发电路145，用以控制开关161以产生第二取样信号。电流源110的电流与功率转换器的输入电压V_IN相关。电流源120的电流与功率转换器的输出电压V_O相关。

图4绘示为本发明一实施例的单触发电路的电路示意图。请参照图4，输入信号IN用以经由反相器181来控制晶体管182。晶体管182用以使电容器185放电。电流源180用以使电容器185充电。电容器185经由反相器186耦接至与门187。与门187的另一输入为输入信号IN。与门187的输出端产生输出信号OUT。因此，根据输入信号IN的致能而产生输出信号OUT。通过电流源180的电流以及电容器185的电容来判定输出信号OUT的脉冲宽度。

图5绘示为本发明一实施例的检测电路200的电路图。请参照图5，检测端VS耦接至变压器10以检测变压器10的波形。形成电压箝位电路以箝位检测端VS处的最小电压。电流源210、电阻器213以及晶体管215与220形成电压箝位电路。其中，晶体管215的临限电压与晶体管220的临限电压相关。

电流源210的电流以及电阻器213的电阻判定检测端VS处的最小电压。电流检测电路根据供应至检测端VS的电流而产生电流信号。晶体管231与232以及电阻器240形成电流检测电路，用以在电阻器240处产生电流信号。比较器250根据此电流信号而产生波谷信号S₂。当此电流信号高于临限信号V_T2时，比较器250将输出耦接至与门270的信号。与门270的另一输入端经由反相器251耦合至开关信号S_PWM。因此，波谷信号S₂仅会在开关信号S_PWM截止时产生。另一比较器260的输入亦耦接至检测端VS。当开关信号S_PWM截止且检测端VS的电压低于临限值V_T1时，与门280将输出启动信号S₁。

图6绘示为本发明一实施例的信号产生电路300的电路示意图。请参照图6，输入信号V_L经由开关305耦接至电阻器310。电压转电流转换器(V/I)311根据输入信号V_L而产生电流信号I₁。另一电压转电流转换器(V/I)312以及电流镜电路依据反馈信号V_FB而产生电流信号I₂以及电流信号I₃。晶体管316、317以及318形成电流镜电路。振荡电路(oscillation circuit，OSC)330用以接收电流信号I₁以及电流信号I₂，用以产生脉冲信号PLS以及斜波信号RMP。

电流信号I₃用以产生临限值V₃。晶体管320与321、电流源324以及电阻器325形成临限值产生电路。晶体管320以及321接收电流信号I₃，用以在电阻器325处产生临限值V₃。电流源324亦连接至电阻器325，以提供用以产生临限值V₃的最小电流。因此，依据反馈信号V_FB的电平产生临限值V₃。反馈信号V_FB进一步耦接至比较器315以与临限值V_T3进行比较，以便在功率转换器的输出负载较高时产生重负载信号S_H。

图7绘示为本发明一实施例的振荡电路330的电路示意图。请参照图7，电流源350会经由开关351而对电容器340充电。电流源355会经由开关356以对电容器340放电。开关351以及356分别由控制信号S_C以及S_D控制。比较器361具有临限值V₁。比较器362具有临限值V₂。比较器361以及362连接至电容器340，用以产生耦合至与非门(NAND)363以及364的信号。与非门363产生控制信号S_D，用以使电容器340放电。控制信号S_D连接至反相器365以产生控制信号S_C，用以使电容器340充电。控制信号S_C进一步连接至反相器367，用以产生脉冲信号PLS。在电容器340上产生斜波信号RMP。因为在使电容器340放电的过程中产生脉冲信号PLS。在斜波信号RMP放电时间期间，开关信号S_PWM会被截止。

临限值V₃耦接至比较器370，以便与斜波信号RMP进行比较，用以产生触发信号S_T。比较器370的输出连接至与门371。控制信号S_D、启动信号S₁以及波谷信号S₂连接至与门371。在与门371的输出端处产生触发信号S_T。开关345以及385与电流信号I₂并联连接至电流源355，用以调制电容器340的放电电流。电流I₂与反馈信号V_FB相关，从而使得放电电流会根据反馈信号V_FB的降低而降低。如此一来，斜波信号RMP的放电时间就会根据反馈信号V_FB的降低而增加；另外，开关信号S_PWM的截止时间会根据反馈信号V_FB的降低而增加。

电流信号I₁连接至开关345。开关345受高负载信号S_H控制。因为电流信号I₁与功率转换器的输入电压V_IN相关，所以电容器340的放电电流会在输出负载较高(高负载信号S_H已致能)时，根据输入电压V_IN的增加而降低。电流380连接至开关385。开关385受触发信号S_T控制。由于电流源380的电流较高，所以一旦触发信号S_T致能，电容器340将立刻放电。因此，在触发信号S_T致能时，波谷信号S₂能够启动脉冲信号PLS。

图8绘示为本发明一实施例的电压转电流转换器311以及312的电路示意图。请参照图8，输入电压V连接至运算放大器410的非反相输入端(+)。运算放大器410的反相输入端(-)连接至电阻器412。运算放大器410的输出用以驱动晶体管411。晶体管411的电流将流经电阻器412。电流源435耦接至晶体管411。一旦晶体管411的电流高于电流源435的电流，电流(I₄₁₁-I₄₃₅)将流经由晶体管421与422形成的电流镜。此电流源的最大电流会受到电流源430的限制。晶体管422会产生与输入电压V相关的输出电流I。

图9绘示为本发明一实施例的开关信号S_PWM以及变压器10的反射电压V_NA的波形图。请参照图9，反射电压V_NA经由检测端VS以及开关151(图3)取样，用以在T_S的期间产生感测信号V_E。对于重负载条件以及连续电流模式(CCM)操作，将在T₀的期间致能开关信号S_PWM。对于准共振(QR)操作，开关信号S_PWM将依据负载条件而在T₁、T₂或T₅的期间开启。若负载较重，则开启时间将为T₁或T₂的期间。若负载较轻，则开启时间可为T₃、T₄或T₅。

图10A绘示为功率转换器在连续电流模式(CCM)下操作的关键波形图。请参照图10A，开关信号S_PWM在T₀的期间开启。图10B绘示为功率转换器以准共振(QR)且以重负载操作的波形图。请参照图10B，开关信号S_PWM在T₁的期间开启。图10C绘示为功率转换器以准共振(QR)且以轻负载操作的波形图。请参照图10C，举例而言，开关信号S_PWM在T₃的期间开启。

本领域技术人员将明白，可在不偏离本发明的范围或精神的情况下对本发明的结构进行各种修改以及变化。鉴于以上内容，希望本发明涵盖属于上述权利要求范围以及其均等物的范围内的本发明的修改以及变化。

Claims (14)

1.一种功率转换器的控制电路，包括：

脉冲宽度调制电路，产生开关信号以切换该功率转换器的变压器；

信号产生电路，耦接该功率转换器的输入端，接收输入信号和反馈信号以产生斜波信号，且更根据该斜波信号与一波谷信号产生脉冲信号，其中该脉冲信号用以启动该开关信号；

反馈电路，耦接该控制电路的检测端，用以产生该反馈信号，其中该反馈信号用以截止该开关信号；以及

检测电路，耦接该变压器，用以根据该变压器的波形而产生该波谷信号，其中该斜波信号的频率根据该输入信号的增加而降低，而该输入信号的电平与该功率转换器的输入电压相关。

2.根据权利要求1所述的功率转换器的控制电路，其中该信号产生电路包括：

临限值产生电路，其依据该反馈信号的电平而产生临限值，该临限值用以与该斜波信号进行比较而产生触发信号，其中该波谷信号用以在该触发信号致能时启动该脉冲信号。

3.根据权利要求1所述的功率转换器的控制电路，其中该开关信号的截止时间是根据该反馈信号的降低而增加。

4.根据权利要求1所述的功率转换器的控制电路，其中该斜波信号的放电时间是根据该反馈信号的降低而增加，且该开关信号在该斜波信号的该放电时间期间截止。

5.根据权利要求1所述的功率转换器的控制电路，其中该反馈电路包括：

取样保持电路，耦接该变压器，用以通过在该开关信号截止时取样该变压器的反射电压而产生感测信号；以及

误差放大器，接收该感测信号以产生该反馈信号，其中该感测信号的电平与该功率转换器的输出电压相关，而该反馈信号的电平与该功率转换器的输出负载相关。

6.根据权利要求1所述的功率转换器的控制电路，其中该脉冲宽度调制电路包括：

比较器，接收该反馈信号与该斜波信号，以产生重置信号；以及

触发器，接收该脉冲信号以启动该开关信号，其中该开关信号是根据该重置信号而被截止。

7.根据权利要求1所述的功率转换器的控制电路，其中该检测电路包括：

检测端，耦接该变压器，用以检测该变压器的波形；

电压箝位电路，用以箝位在该检测端处的最小电压；

电流检测电路，根据供应至该检测端的电流而产生电流信号；

比较器，根据该电流信号而产生该波谷信号，其中该波谷信号仅在该开关信号截止时产生。

8.根据权利要求2所述的功率转换器的控制电路，其中该信号产生电路还包括：

第一电压转电流转换器，根据该功率转换器的该输入电压而产生第一电流信号；

第二电压转电流转换器，依据该反馈信号而产生第二电流信号与第三电流信号；以及

振荡电路，接收该第一电流信号与该第二电流信号，以产生该脉冲信号与该斜波信号，其中该第三电流信号用以产生该临限值。

9.一种功率转换器的开关控制电路，包括：

脉冲宽度调制电路，产生开关信号以切换该功率转换器的变压器；

信号产生电路，接收输入信号和反馈信号以产生斜波信号，且更根据该斜波信号与一波谷信号产生脉冲信号；

反馈电路，依据该功率转换器的输出负载而产生该反馈信号；以及

检测电路，耦接该变压器，用以根据该变压器的波形而产生该波谷信号，其中该反馈信号用以截止该开关信号，该脉冲信号用以切换该开关信号，该波谷信号用以在该斜波信号低于临限值时启动该脉冲信号，而该临限值的电平与该反馈信号相关。

10.根据权利要求9所述的功率转换器的开关控制电路，其中该开关信号的截止时间是根据该反馈信号的降低而增加。

11.根据权利要求9所述的功率转换器的开关控制电路，其中该斜波信号的放电时间是根据该反馈信号的降低而增加，该斜波信号的频率是根据该输入信号的增加而降低，而该输入信号的电平与该功率转换器的输入电压相关。

12.根据权利要求9所述的功率转换器的开关控制电路，其中该反馈电路包括：

取样保持电路，耦接该变压器，用以通过在该开关信号截止时取样该变压器的反射电压而产生感测信号；以及

误差放大器，接收该感测信号以产生该反馈信号，其中该感测信号的电平与该功率转换器的输出电压相关，而该反馈信号的电平与该功率转换器的该输出负载相关。

13.根据权利要求9所述的功率转换器的开关控制电路，其中该检测电路包括：

检测端，耦接该变压器，用以检测该变压器的波形；

电压箝位电路，用以箝位在该检测端的最小电压；

电流检测电路，根据供应至该检测端的电流而产生电流信号；以及

比较器，根据该电流信号而产生该波谷信号，其中该波谷信号仅在该开关信号截止时产生。

14.根据权利要求9所述的功率转换器的开关控制电路，其中该信号产生电路还包括：

第一电压转电流转换器，根据该功率转换器的该输入电压而产生第一电流信号；

第二电压转电流转换器，依据该反馈信号而产生第二电流信号与第三电流信号；以及

振荡电路，接收该第一电流信号与该第二电流信号，以产生该脉冲信号与该斜波信号，其中该第三电流信号用以产生该临限值。

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