CN101854121B - 谐振功率转换器与功率转换器 - Google Patents

Abstract

一种谐振功率转换器与功率转换器，其中该谐振功率转换器包括一电容器、一感应装置、一第一晶体管、一第二晶体管以及一控制电路。电容器与感应装置形成一谐振槽。第一晶体管与第二晶体管用以切换谐振槽。控制电路用以产生第一信号与第二信号，以分别控制第一晶体管与第二晶体管。第一信号与第二信号的频率改变以调整谐振功率转换器的输出。控制电路还检测谐振功率转换器的输入电压，且第二信号的脉冲宽度根据输入电压的变化而调整。

Description

谐振功率转换器与功率转换器

技术领域

本发明是有关于一种功率转换器，特别是有关于一种非对称谐振功率转换器。 

背景技术

谐振功率转换器是一种高效率的功率转换器，然而，具有较窄的操作范围是其缺点。当输入电压具有明显的改变时，其操作可能落于非线性区域。本发明的目的在于提供一种控制电路以改善此问题，其使得谐振功率转换器能在较广的输入电压范围中操作。 

发明内容

本发明提供一种谐振功率转换器，包括一电容器、一感应装置、一第一晶体管、一第二晶体管以及一控制电路。电容器与感应装置形成一谐振槽。第一晶体管与第二晶体管用以切换谐振槽。控制电路用以产生第一信号与第二信号，以分别控制第一晶体管与第二晶体管。第一信号与第二信号的频率改变以调整谐振功率转换器的输出。控制电路还检测谐振功率转换器的输入电压，且第二信号的脉冲宽度根据输入电压的变化而调整。 

本发明还提供一种功率转换器，包括一电容器、一感应装置、两晶体管以及一控制电路。电容器与感应装置形成一谐振槽。此两晶体管用以切换谐振槽。控制电路用以产生多个切换信号以控制此两晶体管。上述多个切换信号的频率改变以调整功率转换器的输出。控制电路检测电容器的电压，以调整上述多个切换信号并改变电容器的DC偏压。 

附图说明

图1表示根据本发明实施例的非对称谐振功率转换器； 

图2表示根据本发明实施例的控制电路； 

图3表示根据本发明实施例的放大电路； 

图4及5表示根据本发明实施例的电压-电流转换器； 

图6表示根据本发明实施例的振荡器； 

图7表示根据本发明实施例的输出电路； 

图8表示图7中的延迟电路； 

图9表示根据本发明实施例的非对称谐振功率转换器的主要信号波形图；以及 

图10表示根据本发明实施例的非对称谐振功率转换器的主要信号波形图。 

[主要元件标号说明] 

图1： 

10、20～晶体管；         30～变压器； 

35～寄生电感；           50～电容器； 

51、52～电阻器；         53～电容器； 

61、62～电阻器；         71、72～整流器； 

75～输出电容器；         80～齐纳二极管； 

81～电阻器；             85～光耦合器； 

100～控制电路；          S_H～切换信号(第一信号)； 

S_L～切换信号(第二信号)； 

V₁₀、V₂₀～电压；         V_IN～输入电压； 

V_FB～反馈信号；          V₀～输出/输出电压； 

V_X～输入电压；           V_y～DC偏压； 

图2： 

112、115、116～电阻器； 

114～晶体管；            200～放大电路(AMP)； 

300～电压-电流转换器(V-I)； 

301～反馈输入电路； 

400～电压-电流转换器(V-I)； 

401～差动电路；          500～振荡器(VCO)； 

600～输出电路(OUT)； 

I_C～充电电流；          I_D～放电电流； 

I_M～调制电流；          S_W～振荡信号； 

V_F～移位信号；      V_M～调制信号； 

图3： 

210、230、240、250～运算放大器； 

275～电容器； 

R₂₁₅、R₂₁₆、R₂₃₅、R₂₃₆、R₂₄₁、R₂₄₂、R₂₅₁、R₂₅₂、R₂₇₀～电阻器； 

V_X1、V_X2、V_X3、V_X4～电压； 

图4： 

310、314～运算放大器；   312～电阻器； 

311、315、316、317、320、321～晶体管； 

V_R～固定电压；           I_R～V-to-I电流； 

图5： 

410～运算放大器；        412～电阻器 

411、415、416、420、421～晶体管； 

I_I～V-to-I电流； 

图6： 

510、520～开关；         530～电容器； 

540、545～比较器；       560、565～与非门； 

570～反相器；            I_RAMP～斜坡信号； 

V₁～高启动点电压；       V₂～低启动点电压； 

图7： 

610～反相器；            650、660～与门； 

670、680～缓冲器；       700、701～延迟电路； 

图8： 

70X～延迟电路；          715～反相器； 

725～电流源；            720～晶体管； 

750～电容器；            790～与门； 

IP～输入端；             OP～延迟信号。 

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。 

图1是表示根据本发明实施例的非对称谐振功率转换器1。电容器50与感应装置(例如变压器30及其寄生电感35)形成一谐振槽。晶体管10与20用来切换此谐振槽。两个整流器71与72耦接于变压器30的二次侧与输出电容器75之间，以在输出电容器75产生输出V₀。控制电路100产生切换信号(第一信号)S_H及切换信号(第二信号)S_L，以分别控制晶体管10及20。切换信号S_H与S_L的切换频率依据反馈信号V_FB而改变，以调整功率转换器的输出V₀。齐纳(Zener)二极管80、电阻器81、与光耦合器85形成一反馈电路，其耦接功率转换器的输出V₀以产生反馈信号V_FB。此外，控制电路100通过电阻器61及62来检测功率转换器的输入电压V_IN，且与输入电压V_IN相关联的输入电压V_X通过电阻器61及62而产生。切换信号S_L的脉冲宽度依据输入电压V_IN的改变而被调整。控制电路100还通过电阻器51及52与电容器53来检测电容器50的电压，以调整切换信号S_H及S_L以及改变电容器50的直流(DC)偏压。电容器50的DC偏压相关联的DC偏压V_y通过电阻器51及52而产生。电容器50具有与输入电压V_IN相关联的DC偏压，其将使得谐振功率转换器可操作在较宽的输入电压范围。由于电容器50的DC偏压与输入电压V_IN相关联，因此，控制电路100可检测输入电压V_IN，以判断电容器50的DC偏压。 

图2是表示根据本发明实施例的控制电路100。控制电路100包括反馈输入电路301，其通过光耦合器85耦接功率转换器的输出V₀以接收反馈信号V_FB。电平移位电路与电压-电流转换器(V-I)300形成反馈输入电路301。晶体管114与电阻器112、115、及116形成电平移位电路，且移位信号V_F根据反馈信号V_FB而产生于电平移位电路的输出端。放大电路(AMP)200与电压-电流转换器(V-I)400形成一差动电路401，其接收输入电压V_X以及DC偏压V_y，用来检测输入电压V_IN与电容器50的电压以产生调制信号V_M。振荡器(VCO)500依据反馈信号V_FB而产生振荡信号S_W。输出电路(OUT)600根据振荡信号S_W而产生切换信号S_H与S_L。切换信号S_L的脉冲宽度由调制信号V_M来调整。切换信号S_L的脉冲宽度依据输入电压V_IN的增加而减少。因此，电容器50的DC偏压将根据输入电压V_IN的增加而增加。 

反馈输入电路301根据反馈信号V_FB经由电压-电流转换器300来产生充电电流I_C与放电电流I_D。充电电流I_C与放电电流I_D传送至振荡器500。充电电流I_C决定了振荡信号S_W的导通时间(on time)，而放电电流I_D决定了振荡信号S_W的关闭时间(off time)。电压电流转换器400根据调制信号V_M来产生调制电流I_M。调制电流I_M耦接至振荡器500，以调制振荡信号S_W的关闭时间。 

图3是表示图2中放大电路200的一较佳实施例运算放大器210通过其正极输入端来接收输入电压V_X。运算放大器210的负极输入端耦接运算放大器210的输出端。电阻器R₂₁₅耦接于运算放大器210的输出端与运算放大器230的正极输入端，且电阻器R₂₁₆耦接于电阻器R₂₁₅与接地端之间。运算放大器230的负极输入端通过电阻器R₂₃₅接收参考电压V_R。在此实施例中，参考电压V_R为1.5伏。电阻器R₂₃₆耦接于运算放大器230的负极输入端与输出端之间。运算放大器230的输出端通过电阻器R₂₅₁来耦接运算放大器250的正极输入端。电阻器R₂₅₂耦接于电阻器R₂₅₁与接地端之间。运算放大器250的负极输入端通过电阻器R₂₄₁耦接运算放大器240的输出端。电阻器R₂₄₂耦接于运算放大器250的负极输入端与输出端之间。调制信号V_M由运算放大器250的输出端并通过电阻器R₂₇₀与电容器275来输出，其中，电阻器R₂₇₀与电容器275提供滤波作用。 

因此，调制信号V_M可以下述式子来表示： 

$V_{X1}=V_X\×\frac{R_{216}}{R_{215}+R_{216}}...\left(1\right)$

$V_{X2}=V_{X1}\frac{R_{235}+R_{236}}{R_{235}}-1.5\×\frac{R_{236}}{R_{235}}...\left(2\right)$

$V_{X3}=\left(V_{X2}\right)\×\frac{R_{252}}{R_{251}+R_{252}}...\left(3\right)$

$V_{X4}=\frac{R_{241}+R_{242}}{R_{241}}{V}_{X3}-\frac{R_{242}}{R_{241}}{V}_y...\left(4\right)$

在式子(1)～(4)中的V_X1、V_X2、V_X3、及V_X4分别表示在运算放大器210其正极输入端的电压、在运算放大器230的输出端的电压、在运算放大器250的正极输入端的电压、以及在放大电路200的输出端的电压。 

根据算式(1)～(3)，可获得： 

$V_{X4}=(\frac{R_{241}+R_{242}}{R_{241}}\×\frac{R_{252}}{R_{251}+R_{252}}\×\frac{R_{235}+R_{236}}{R_{235}}\×\frac{R_{216}}{R_{215}+R_{216}})\×V_X-$

$(\frac{R_{241}+R_{242}}{R_{241}}\×\frac{R_{252}}{R_{251}+R_{252}}\×\frac{R_{236}}{R_{235}}\×1.5)-\frac{R_{242}}{R_{241}}{V}_y...\left(5\right)$

当作以下定义时， 

$\frac{R_{241}+R_{242}}{R_{241}}\×\frac{R_{252}}{R_{251}+R_{252}}\×\frac{R_{235}+R_{236}}{R_{235}}\×\frac{R_{216}}{R_{215}+R_{216}}=k_1;$

$\frac{R_{241}+R_{242}}{R_{241}}\×\frac{R_{252}}{R_{251}+R_{252}}\×\frac{R_{236}}{R_{235}}=k_2;$

$\frac{R_{242}}{R_{241}}=k_3;$ 以及 

V_M＝V_X4。 

可获得： 

V_M＝(k₁V_X-1.5k₂)-k₃V_y……………(6) 

图4及图5是分别表示电压-电流转换器300及400的电路示意图。在图4中，电压-电流转换器300包括电压转电流(V-to-I)电路、第一电流镜、以及第二电流镜。由运算放大器310及314、晶体管311、以及电阻器312所组成的V-to-I电路，根据固定电压V_R与反馈信号V_FB偏移的移位信号V_F而于晶体管311产生V-to-I电流I_R。V-to-I电流I_R是根据 

而产生，其表示固定电压V_R与移位信号V_F的差值。移位信号V_F则藉此转换成V-to-I电流I_R。第一电流镜是由晶体管315、316、及317所组成。第一电流镜根据V-to-I电流I_R而产生充电电流I_C。充电电流I_C与V-to-I电流I_R之间成比例。第二电流镜是由晶体管320及321所组成。第二电流镜根据V-to-I电流I_R而产生放电电流I_D。在一实施例中，由于充电电流I_C与放电电流I_D都是自V-to-I电流I_R而镜射产生的，因此，充电电流I_C与放电电流I_D之间成比例。根据反馈信号V_FB的增加，充电电流I_C与放电电流I_D则减少。 

在图5中，电压电流转换器400包括电压转电流(V-to-I)电路以及一电流镜。运算放大器410、晶体管411、及电阻器412形成V-to-I电路。运算放大器410接收调制信号V_M，以在晶体管411产生V-to-I电流I_I。电流镜由晶体管415、416、420、及421所组成。V-to-I电流I_I是由电流镜所镜射产生的，因此调制电流I_M是根据V-to-I电流I_I而产生。 

图6是表示图2中振荡器500的一较佳实施例。两个开关510及520、两个比较器540及545、两个与非(NAND)门560及565、以及一个反相器570组成振荡器500。当开关510被振荡信号S_W导通时，充电电流I_C对电容器530充电，且产生斜坡信号I_RAMP。一旦跨越电容器530的电压到达比较器540的高启动点(high trip-point)电压V₁时，比较器540与与非门560及565则导通开关520，而放电电流I_D与调制电流I_M则使电容器530放电。于此时，振荡信号S_W也被禁能，且开关510被关闭。放电持续地执行，直到跨越电容器 530的电压低于低启动点(low trip-point)电压V₂。比较器545与与非门560及565关闭开关520。通过反相器570所产生的振荡信号S_W变为致能，使得开关510再次导通。 

图7是表示图2中输出电路600的一较佳实施例。两个延迟电路700及701、两个与(AND)门650及660、一个反相器610以及两个缓冲器670及680形成输出电路600。与门650的一输入端接收振荡信号S_W，且其另一输入端通过延迟电路700来接收振荡信号S_W。切换信号S_H根据与门650的两输入端信号并通过缓冲器670而产生。至于与门660，与门660的一输入端通过反相器610来接收振荡信号S_W。与门660的另一输入端通过反相器640与延迟电路701来接收振荡信号S_W。切换信号S_L根据与门660的两输入端信号并通过缓冲器680而产生。 

图8是表示图7中延迟信号700及701的电路示意图，由于两电路700、701相同，此以标号70X表示。延迟电路70X包括反相器715、电流源725、晶体管720、电容器750以及与门790。延迟电路70X的输入端IP接收振荡信号S_W。振荡信号S_W被提供至反相器715以及与门790的一输入端。反相器715的输出端耦接晶体管720的栅极。晶体管720的漏极以及电容器750的一端耦接与门780的另一输入端。晶体管720的源极以及电容器750的另一端耦接接地端。在延迟时间T_d之后，延迟信号OP根据振荡信号S_W的上升缘而被致能。延迟时间T_d是根据电流源725所提供的电流值与电容器750的电容值所决定。 

实际运作时，参阅图1、2、4、6、7、8及9，当功率转换器由重载转换为轻载时，输出电压V₀增加，且反馈电压V_FB的电平减少。充电电流I_C与放电电流I_D根据反馈信号V_FB的减少而增加。只要充电电流I_C与放电电流I_D增加，斜坡信号I_RAMP的充电斜率与放电斜率也增加。振荡信号S_W的导通时间与关闭时间则对应减少，振荡信号S_W的切换周期减少。切换信号S_H与S_L的切换周期亦对应减少。换句话说，切换信号S_H与S_L的切换频率增加。 

参阅图1、2、3、5、6、7、8及10，当输入电压V_IN增加时，则DC偏压V_y也增加。根据图3的叙述中的算式(6)，调制信号V_M会根据输入电压V_IN的增加而增加。调制电流I_M也根据调制信号V_M的增加而增加。当调制电流I_M增加时，放电电流I_D+I_M也增加。斜坡信号I_RAMP在波形放电部分的斜率因此增加，因此切换信号S_L(第二信号)的脉冲宽度会根据输入电压V_IN的增加而减少。由 于切换信号(第二信号)S_L的脉冲宽度减少，切换信号(第一信号)S_H与振荡信号S_W的比例将增加，且电容器50的DC偏压将根据输入电压V_IN的增加而增加。 

根据本发明实施例，当功率转换器的输入电压具有明显的变换时，切换信号S_L的脉冲宽度可被调整，且操作不会落在非线性区域。 

本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。 

Claims (10)

1.一种谐振功率转换器，包括：

一电容器与一感应装置，形成一谐振槽；

一第一晶体管与一第二晶体管，用以切换该谐振槽；以及

一控制电路，用以产生一第一信号与一第二信号，以分别控制该第一晶体管与该第二晶体管，其中，该第一信号与该第二信号的频率改变，以调整该谐振功率转换器的输出；

其中，该控制电路包括：

一反馈输入电路，耦接该谐振功率转换器的该输出，以接收一反馈信号；

一振荡器，用以根据该反馈信号而产生一振荡信号；

一输出电路，用以根据该振荡信号而产生该第一信号与该第二信号；以及

一差动电路，耦接该谐振功率转换器的一输入电压与该电容器，用以产生一调制信号；

其中，该第二信号的脉冲宽度由该调制信号来调整，从而根据该输入电压的变化而调整。

2.根据权利要求1所述的谐振功率转换器，其中，该反馈输入电路根据该反馈信号产生一充电电流与一放电电流，该充电电流与该放电电流耦接至该振荡器，该充电电流决定该振荡信号的导通时间，且该放电电流决定该振荡信号的关闭时间。

3.根据权利要求1所述的谐振功率转换器，其中，该差动电路根据该调制信号产生一调制电流，且该调制电流耦接至该振荡器以调整该振荡信号的关闭时间。

4.根据权利要求1所述的谐振功率转换器，其中，该第二信号的脉冲宽度根据该输入电压的增加而减少。

5.根据权利要求1所述的谐振功率转换器，其中，该电容器的DC偏压根据该输入电压的增加而增加。

6.一种功率转换器，包括：

一电容器与一感应装置，形成一谐振槽；

两晶体管，用以切换该谐振槽；以及

一控制电路，用以产生多个切换信号以控制该两晶体管；

其中，该多个切换信号的频率改变，以调整该功率转换器的一输出；以及

其中，该控制电路包括：

一反馈输入电路，耦接该功率转换器的该输出，以接收一反馈信号；

一振荡器，用以根据该反馈信号而产生一振荡信号；

一输出电路，用以根据该振荡信号而产生该多个切换信号；以及

一差动电路，耦接该功率转换器的一输入电压与该电容器，用以产生一调制信号；

其中，该多个切换信号的脉冲宽度由该调制信号来调整，从而改变该电容器的DC偏压。

7.根据权利要求6所述的功率转换器，其中，该控制电路还检测该功率转换器的该输入电压，以判断该电容器的DC偏压。

8.根据权利要求6所述的功率转换器，其中，该多个切换信号的脉冲宽度改变，以决定该电容器的DC偏压。

9.根据权利要求6所述的功率转换器，其中，该多个切换信号中的一者的脉冲宽度根据该输入电压的变化而改变。

10.根据权利要求6所述的功率转换器，其中，该电容器的DC偏压根据该输入电压的变化而改变。

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