CN101610037B - 电力转换器的具有切换频率跳跃的切换控制器 - Google Patents

电力转换器的具有切换频率跳跃的切换控制器 Download PDF

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Abstract

一种电力转换器的具有切换频率跳跃的切换控制器，包括：第一振荡器，产生脉冲讯号和最大工作周期讯号，用来决定切换讯号的切换频率；码型产生器，具有第二振荡器并依据时钟讯号来产生数字码；可调整电容，耦接于码型产生器和第一振荡器，依据数字码来调制切换讯号的切换频率；脉宽调制电路，耦接于第一振荡器，依据最大工作周期讯号来产生切换讯号。切换讯号的最大导通时间是由最大工作周期讯号进行限制。切换讯号用于切换电力转换器的变压器。

Description

电力转换器的具有切换频率跳跃的切换控制器
技术领域
本发明涉及一种切换模式的电力转换器，特别是涉及一种具有切换频率跳跃(switching frequency hopping)的切换控制器。
背景技术
电力转换器已用于将交流电源转换为可调节电压或电流。电力转换器必须将输出电压、输出电流或输出功率保持在一定的调节范围内，以使电子元件有效、安全地进行操作。利用脉宽调制(pulse width modulation，PWM)的主要问题在于，相较于交流电源频率，电力转换器的操作频率相对高频，这样会导致电力转换器产生高频讯号。尽管切换技术降低了电力转换器的尺寸大小，但切换元件产生的电磁干扰(electric magnetic interference，EMI)会干扰电源系统。通常利用设置于电源输入端的EMI滤波器来降低EMI。然而，EMI滤波器会产生功率损耗，并且增加电力转换器的成本以及尺寸大小。在最近的开发中，在相关领域中已提出藉由使用频率调制(frequencymodulation)或频率跳跃(frequency hopping)来降低EMI。如M.Rahkala，T.Suntio，K.Kalliomaki的“Effects of Switching Frequency Modulation on EMIPerformance of a Converter Using Spread Spectrum Approach”，APEC 2002(Applied Power Electronics Conference及Exposition，2002)，第17年度，IEEE，卷1，10-14，2002年3月。)
发明内容
本发明提供了一种切换控制器，其具有切换频率跳跃功能，以降低电力转换器的电磁干扰。切换控制器包括第一振荡器，以产生脉冲讯号和最大工作周期讯号(maximum duty-cycle signal)来决定切换讯号的切换频率。具有第二振荡器的码型产生器依据时钟讯号来产生数字码，其中时钟讯号由第二振荡器产生。可调整电容耦接于码型产生器和第一振荡器，依据数字码来调制切换讯号的切换频率。脉宽调制电路耦接于第一振荡器，根据最大工作周期讯号来产生切换讯号。切换讯号的最大导通时间由最大工作周期讯号进行限制。该可调整电容包括彼此并联的多个切换电容组，各该切换电容组包括串联的一开关以及一电容，且所述开关由该数字码控制。因此，能够改良电磁干扰且无须电磁干扰滤波器。
为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并结合附图详细说明如下。
附图说明
图1示出了根据本发明的具有切换控制器的电源。
图2示出了根据本发明的具有频率跳跃功能的频率调节器的实施例。
图3示出了根据本发明的码型产生器的实施例。
图4示出了根据本发明的振荡讯号、脉冲讯号、反相脉冲讯号、最大工作周期讯号、电流讯号以及切换讯号的波形。
附图符号说明
10：频率调节器
20：反相器
30：比较器
40：第一与门
50：D型触发器
60：第二与门
100：可调整电容
200：第一振荡器
210：第一比较器
220：第二比较器
230、240：与非门
300：码型产生器
311：第二触发器
312：反相器
331、332、335：寄存器
339：异或门
600：最大工作周期电路
610：第一触发器
C1～Cn：电容
CA：第一电容
CB：第二电容
CK：时钟讯号
CX：锯齿波电容
ICA：第一充电电流
ICB：第二充电电流
ICH：充电电流
IDH：放电电流
IP：切换电流
MDC：最大工作周期讯号
Mn··M1：数字码
NP：变压器的初级侧
NS：变压器的次级侧
PLS：脉冲讯号
/PLS：反相脉冲讯号
Q1：功率晶体管
RS：感应电阻
SCH：充电开关
SDA：第一开关
SDB：第二开关
SDH：放电开关
T1：变压器
TS1：切换周期
TS2：切换周期
TS3：切换周期
VCC：电源电压
VH：临界值电压
VIN：输入电压
VL：临界值电压
VLMT：电流限制讯号
VO：输出电压
VPWM：切换讯号
VS：电流讯号
VSAW：振荡讯号
X1～Xn：开关
具体实施方式
图1显示了根据本发明的具有切换控制器的电力转换器。切换控制器包括脉宽调制电路和频率调节器10。切换控制器产生切换讯号VPWM，通过功率晶体管Q1来切换变压器T1。具有初级侧NP和次级侧NS的变压器T1接收输入电压VIN并产生输出电压VO。切换讯号VPWM的工作周期(duty cycle)决定交流电源供应至电力转换器的输出端的功率。脉宽调制电路包括反相器20、比较器30、第一与门40、D型触发器50以及第二与门60。变压器T1的切换电流IP经由感应电阻RS转换为电流讯号VS(电压形式)。电流讯号VS提供至脉宽调制电路，以进行切换讯号VPWM的脉冲宽度调制。电流讯号VS供应给比较器30的负端。比较器30的正端接收电流限制讯号VLMT以限制最大输出功率。
D型触发器50的输入端D由电源电压VCC拉至高电平。脉冲讯号PLS经由反相器20供应给D型触发器50的时钟端CK。第一与门40的第一输入端耦接于频率调节器10以接收最大工作周期讯号MDC。第一与门40的第二输入端连接于比较器30的输出端。一旦电流讯号VS高于电流限制讯号VLMT，并且最大工作周期讯号MDC处于低电平时，第一与门40的输出端用于重置D型触发器50。第二与门60的第一输入端连接于反相器20的输出端以接收反相脉冲讯号/PLS。反相器20的输入端连接于频率调节器10以接收脉冲讯号PLS。第二与门60的第二输入端连接于D型触发器50的输出端Q。第二与门60的输出端连接于功率晶体管Q1以产生切换讯号VPWM。
图2显示了根据本发明的频率调节器的实施例。在图2中，频率调节器10包括码型产生器(pattern generater)300、可调整电容100以及具有最大工作周期电路600的第一振荡器200。码型产生器300用来产生数字码Mn～M1。可调整电容100接收码型产生器300的数字码Mn～M1，以产生振荡讯号VSAW。第一振荡器200耦接于可调整电容100，依据振荡讯号VSAW来产生脉冲讯号PLS。最大工作周期电路600依据脉冲讯号PLS来产生最大工作周期讯号MDC。
可调整电容100耦接于码型产生器300以接收数字码Mn～M1。可调整电容100包括彼此并联的多个切换电容组。切换电容组由电容C1，C2，··，Cn和开关X1，X2，··，Xn形成。开关X1和电容C1串联。开关X2和电容C2串联。开关Xn和电容Cn串联。数字码Mn～M1控制开关X1，X2，··，Xn。可调整电容100的输出端耦接于第一振荡器200，根据数字码Mn～M1来调节振荡讯号VSAW。
第一振荡器200包括充电开关SCH、放电开关SDH、锯齿波电容CX、充电电流ICH、放电电流IDH、第一比较器210、第二比较器220以及两个与非门230和240。充电开关SCH连接于充电电流ICH与锯齿波电容CX之间。放电开关SDH连接于锯齿波电容CX与放电电流IDH之间。锯齿波电容CX上的振荡讯号VSAW耦接于可调整电容100的输出端。临界值电压VH供应给第一比较器210的正端。第一比较器210的负端连接于锯齿波电容CX。临界值电压VL供应给第二比较器220的负端。临界值电压VH高于临界值电压VL。第二比较器220的正端连接于锯齿波电容CX。与非门230的输出端产生脉冲讯号PLS用以导通或截止放电开关SDH。与非门230的第一输入端连接到第一比较器210的输出端。与非门240的两个输入端分别连接于与非门230的输出端和第二比较器220的输出端。与非门240的输出端连接于与非门230的第二输入端，并导通或截止充电开关SCH。第一振荡器200耦接于可调整电容100，依据锯齿波电容CX上的振荡讯号VSAW来产生脉冲讯号PLS。
当充电开关SCH导通时，充电电流ICH对锯齿波电容CX进行充电，且振荡讯号VSAW增加。在此期间，振荡讯号VSAW低于临界值电压VH，且放电开关SDH截止。当振荡讯号VSAW超过临界值电压VH时，放电电流IDH对锯齿波电容CX进行放电，且振荡讯号VSAW降低。此时，充电开关SCH截止而放电开关SDH导通。当振荡讯号VSAW低于临界值电压VL时，充电开关再次导通。振荡讯号VSAW的切换周期由并联于切换电容组的锯齿波电容CX的电容值所控制。开关X1，X2，··，Xn藉由数字码Mn··M1控制以决定切换电容组的数量与电容值。
第一振荡器200还包括最大工作周期电路600，最大工作周期电路600包括第一开关SDA、第一充电电流ICA、第一电容CA以及第一触发器610。第一开关SDA连接于第一充电电流ICA且并联于第一电容CA。第一开关SDA藉由脉冲讯号PLS来控制。一旦第一开关SDA截止，则第一电容CA由第一充电电流ICA进行充电。换句话说，当第一开关SDA导通时，第一电容CA进行放电。第一触发器610的输入端耦接于第一开关SDA、第一充电电流ICA以及第一电容CA。第一触发器610可以作为一个斯密特触发电路(Schmitttrigger circuit)。第一触发器610的输出端依据第一振荡器200的脉冲讯号PLS来产生最大工作周期讯号MDC。最大工作周期讯号MDC的脉冲宽度由第一充电电流ICA和第一电容CA来决定。此外，切换讯号VPWM的最大导通时间由最大工作周期讯号MDC来决定。
图3显示了根据本发明的码型产生器300的实施例。码型产生器300包括第二振荡器310、多个寄存器331、332～335以及异或门339。寄存器331、332～335以及异或门339形成线性位移寄存器(linear shift register)，依据第二振荡器310的时钟讯号CK来产生线性码(linear code)。异或门339的输入端决定线性位移寄存器的多项式，并且决定线性位移寄存器的输出。此外，数字码Mn～M1会采用源自于线性码的部份来进行最佳化的应用。
第二振荡器310包括第二开关SDB、第二充电电流ICB、第二电容CB、第二触发器311以及反相器312。第二开关SDB耦接于第二充电电流ICB并且并联于第二电容CB。第二开关SDB由时钟讯号CK控制。一旦第二开关SDB截止，则第二电容CB由第二充电电流ICB进行充电。换句话说，当第二开关SDB导通时，第二电容CB进行放电。第二触发器311的输入端耦接于第二开关SDB、第二充电电流ICB以及第二电容CB。第二触发器311也可以作为一个斯密特触发电路。第二触发器311的输出端耦接于反相器312的输入端。反相器312的输出端产生时钟讯号CK。
第二振荡器310产生时钟讯号CK。码型产生器300依据第二振荡器310的时钟讯号CK来产生数字码Mn～M1。第一振荡器200用来决定脉冲讯号PLS的脉冲宽度和切换讯号VPWM的切换频率。如上，因脉冲讯号PLS和时钟讯号CK藉由两个不同的振荡器产生，所以脉冲讯号PLS和时钟讯号CK是非同步的。因此，切换讯号VPWM独立于时钟讯号CK为相互独立且无关。可调整电容100耦接于码型产生器300和第一振荡器200，依据数字码Mn～M1来调节切换讯号VPWM的切换频率。
图4显示了根据本发明的振荡讯号VSAW、脉冲讯号PLS、反相脉冲讯号/PLS、最大工作周期讯号MDC、电流讯号VS以及切换讯号VPWM的波形。数字码Mn～M1控制可调整电容100的开关X1，X2，··，Xn，用以决定切换电容组的数量来与锯齿波电容CX并联，以调节振荡讯号VSAW。不同锯齿波电容CX的电容值一个周期接着一个周期地(cycle-by-cycle)产生切换讯号VPWM的频率变化。切换周期TS1、TS2以及TS3分别代表切换讯号VPWM的切换频率跳跃。最大工作周期讯号MDC用以限制切换讯号VPWM的最大导通时间。
本领域的技术人员将显而易见，在不背离本发明的范围或精神的情况下可对本发明的结构进行修改和改变。鉴于前面的描述，本发明意图覆盖落入本申请的权利要求范围及其等同物范围内的修改和改变。

Claims (6)

1.一种具有切换频率跳跃的电力转换器的切换控制器，包括：
一第一振荡器，产生一脉冲讯号和一最大工作周期讯号，用以决定一切换讯号的一切换频率；
一码型产生器，具有一第二振荡器，依据一时钟讯号来产生一数字码，其中该时钟讯号由该第二振荡器产生；
一可调整电容，耦接于该码型产生器和该第一振荡器，依据该数字码来调节该切换讯号的该切换频率；以及
一脉宽调制电路，耦接于该第一振荡器，根据该最大工作周期讯号来产生该切换讯号，该切换讯号的最大导通时间依据该最大工作周期讯号进行限制，其中该切换讯号用以切换该电力转换器的一变压器，
其中，该可调整电容包括彼此并联的多个切换电容组，各该切换电容组包括串联的一开关以及一电容，且所述开关由该数字码控制。
2.如权利要求1所述的切换控制器，其中该脉冲讯号的一周期与该切换讯号的一周期有关。
3.如权利要求1所述的切换控制器，其中由该第一振荡器产生的该脉冲讯号的一周期与该第二振荡器产生的该时钟信号的一周期无关。
4.如权利要求1所述的切换控制器，其中该脉冲讯号的一周期与该时钟讯号的一周期无关。
5.如权利要求1所述的切换控制器，其中该数字码控制一切换电容组，该切换电容组与一电容并联，用以调节一振荡讯号，该振荡讯号的周期依据该电容的电容值所决定，且该第一振荡器依据该振荡讯号的各个周期来控制该切换讯号的频率变化。
6.如权利要求1所述的切换控制器，其中该第二振荡器包括：
一第二开关，耦接于一第二充电电流，该第二开关由该时钟讯号控制；
一第二电容，耦接于该第二充电电流并且并联于该第二开关，其中当该第二开关截止时，该第二电容藉由该第二充电电流进行充电，以及当该第二开关导通时，该第二电容进行放电；以及
一第二触发器和一反相器，耦接于该第二开关、该第二充电电流以及该第二电容，以产生该时钟讯号。
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