CN101882875A

CN101882875A - 可调整切换频率的电源供应装置

Info

Publication number: CN101882875A
Application number: CN 201010145471
Authority: CN
Inventors: 周保助
Original assignee: Sitronix Technology Corp
Current assignee: Sitronix Technology Corp
Priority date: 2010-04-13
Filing date: 2010-04-13
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2030-04-13
Also published as: CN101882875B

Abstract

本发明公开了一种可调整切换频率的电源供应装置，它包括：一个控制电路，该控制电路用以控制该电源供应装置的切换频率；一个固定斜率震荡单元，该固定斜率震荡单元设置于该控制电路内。本发明可调整切换频率的电源供应装置具有一个固定斜率震荡单元，该固定斜率震荡单元可用以调变该电源供应装置的切换频率，以便适当降低该电源供应装置的开关电晶体的切换耗损，以达成提升该电源供应装置的输出效率的目的。

Description

可调整切换频率的电源供应装置

技术领域

本发明涉及一种可调整切换频率的电源供应装置，具体地说，是涉及一种可依负载状态调整切换频率的电源供应装置。

背景技术

一般而言，习用电源供应器利用一PWM控制器控制该电源供应器的切换频率及开关电晶体的导通周期。该切换频率及导通周期是影响该电源供应器的输出效率的两个重要因素。换言之，该电源供应器的输出效率主要取决于两个最大功率消耗，其分别为导通损耗和切换损耗。

在重载条件下，导通损耗为该电源供应器的主要功率消耗。相对地，在轻载条件下，切换损耗会为该电源供应器的主要功率消耗。在轻载条件下，若能有效利用适当切换频率的调变方式，可能使该电源供应器提升输出效率。

另外，就习用PWM控制器而言，在选定其外部相关电子元件后，该电源供应器的切换频率就被视为定值，即该切换频率无法随着负载条件变动。由于该切换频率无法随着负载条件变动，所以无法有效的降低其切换损耗。因此，在轻载的条件下，该电源供应器的输出效率通常较差。

中国台湾发明专利(公告第583821号)“用于功率转换器的具有频率调变的脉冲宽度调变控制器”揭示了一PWM控制器的频率调变，其用以降低在轻载及无载状况中的切换频率。该PWM控制器的频率调变藉由调变一震荡器的作用点〔trip-point〕电压方式达成。然而，该发明专利的PWM控制器具有频率调变复杂的缺点。

另外，中国台湾发明专利(公告第I251978号)“具有截止时间调变的切换式控制装置及方法”揭示了一切换式控制装置应用于一次侧控制的电源供应器；一电压波形侦测器藉由多次取样一变压器的电压讯号，并产生一电压回授讯号与一放电时间讯号；一电压回路误差放大器〔voltage-loop error amplifier〕放大该电压回授讯号，并产生一控制讯号；一截止时间调变器〔off-timemodulator〕依据该控制讯号与一过低电压讯号〔under-voltage signal〕相对应地产生一放电电流讯号〔discharge-current signal〕；一震荡器依据该放电电流讯号产生一脉波讯号〔pulse signal〕，由该脉波讯号决定切换讯号的截止时间；一脉宽调变器依据该脉波讯号及待机讯号产生切换讯号，由该待机讯号又控制切换讯号的截止时间，且维持一最小的切换频率。然而，该发明的切换式控制装置亦具有频率复杂的缺点。

而且，中国台湾发明专利(公告第I279987号)“调整电源转换的双斜率适应性频率控制器”揭示了一电源转换器依据负载装置的负载状态而调整其工作频率。该电源转换器利用将误差电压输入一转换电路，以控制一储能电容的充放电电流的大小，从而控制该电容的电压周期长短，以达成控制门闸脉波频率的目的。

而且，美国专利(第6,545,882号)“PWM控制器具有截止时间调变于电力控制器〔PWM Controller having off-time modulation for power controller〕”揭示了利用一PWM控制器在轻载或无负载时控制一电力控制器进行截止时间调变，其利用该PWM控制器的锯齿讯号产生器〔saw-tooth-signal generator〕的放电电流〔discharge current〕形成一反馈电压〔feedback voltage〕。该美国专利利用该反馈电压与一门槛电压〔threshold voltage〕之间比较方式进行截止时间调变。

而且，美国专利(第6,597,159号)“PWM控制器具有频率调变的电力转换器〔Pulse width modulation controller having frequency modulation for powerconverter〕”公开了一PWM控制器在轻载或无负载时降低切换频率〔frequency modulation〕。该频率调变采用调节一震荡器的跳变点电〔trip-pointvoltage〕方式进行调变。

而且，美国专利(第7,049,801号)“用于调整电力转换的可适性双斜率频率控制器〔Adaptive dual-slope frequency controller for adjusting powerconversion〕”揭示了一自适式双斜率频率控制器〔adaptive dual-slopefrequency controller〕用以调节电力转换。利用一反馈电压控制该控制器的两对储存电容器〔storage capacitor〕的充电/放电电流，藉此控制该电容器的电压波形。

虽然美国专利第6,545,882号、第6,597,159号及第7,049,801号已揭示各种频率调变方式，但其仍然存在需要进一步改善的潜在需求。例如：改善震荡器频率调变的线性及简化其控制电路的架构等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可调整切换频率的电源供应装置，该可调整切换频率的电源供应装置的开关电晶体的切换耗损低，该电源供应装置的输出效率高。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种可调整切换频率的电源供应装置，其特征在于，它包括：一个控制电路，该控制电路用以控制该电源供应装置的切换频率；一个固定斜率震荡单元，该固定斜率震荡单元设置于该控制电路内；其中，该固定斜率震荡单元包括一个电压箝制电路、一个固定斜率电流参考电路及一个频率震荡器，该固定斜率震荡单元随负载变化其输出脉波，以便依负载控制该电源供应装置的切换频率。

一种可调整切换频率的电源供应装置，其特征在于，它包括：一个控制电路；一个固定斜率振荡单元，该固定斜率振荡单元设置于该控制电路内；其中，该固定斜率振荡单元提供一个固定责任周期的脉波讯号，以便依负载控制该电源供应装置的切换频率。

本发明的优点是：本发明可调整切换频率的电源供应装置具有一个固定斜率震荡单元，该固定斜率震荡单元可用以调变该电源供应装置的切换频率，以便适当降低该电源供应装置的开关电晶体的切换耗损，以达成提升该电源供应装置的输出效率的目的。

附图说明

图1是电源供应装置可采用的控制电路的示意图。

图2是本发明较佳实施例可调整切换频率的电源供应装置采用的控制电路的示意图。

图3是本发明较佳实施例的控制电路采用的电压箝制电路的示意图。

图4是本发明较佳实施例的控制电路采用的固定斜率电流参考电路的示意图。

图5是本发明较佳实施例的控制电路采用的频率震荡器的示意图。

图6是本发明较佳实施例可调整切换频率的电源供应装置采用的控制电路在各节点的波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

本发明较佳实施例可调整切换频率的电源供应装置可适用于各种切换式电源供应装置或类似电源供应装置，以便在轻载(light load)时，降低其开关电晶体的切换损耗，但其并非用以限定本发明电源供应装置的适用范围。

图1揭示了电源供应装置可采用的控制电路的示意图。请参照图1所示，该电源供应装置的控制电路1包括一个震荡器10、一个比较器11、一个SR锁闩器12及多个开关电晶体13，它们之间如图1所示具有适当地电性连接。该电源供应装置为切换式电源供应器，而该控制电路1的控制架构为电流模式PWM控制方法。

请再参照图1所示，该震荡器10外接一个RC元件，以便该震荡器10产生一个固定震荡频率的脉波(pulse)。该震荡频率以周期性启动方式启动该SR锁闩器12，而该锁闩器12的重置(reset)动作则由该控制电路1的输出的回授信号与感测电流(CS)在该比较器11进行比较之后的结果决定。该SR锁闩器12的输出结果会决定该开关电晶体13的导通和截止时间。当该开关电晶体13的导通和截止时间达到一稳定的比例(ratio)时，该电源供应装置可供应稳定的输出电压。

请再参照图1所示，该SR锁闩器12的输出结果必须利用最大工作周期(Max duty)设定一个最大导通时间。如此，该控制电路1能避免输出该开关电晶体13在启动时发生进入100％工作周期的现象。

图2揭示了本发明较佳实施例可调整切换频率的电源供应装置采用的控制电路的示意图。请参照图2所示，本发明较佳实施例的电源供应装置采用的控制电路2包括一个固定斜率振荡单元20、一个比较器21、一个SR锁闩器22及多个开关电晶体23，它们之间如图2所示具有适当地电性连接。

请再参照图1和图2所示，就元件架构而言，图1的比较器11、SR锁闩器12及开关电晶体13对应于图2的比较器21、SR锁闩器22及开关电晶体23，因此，图1的相关说明可并入参考，在此不予详细赘述。

请再参照图2所示，该固定斜率振荡单元20包括一个电压箝制电路20a、一个固定斜率电流参考电路20b及一个频率震荡器20c。该电压箝制电路20a连接至该固定斜率电流参考电路20b，以便输出一个电压至该固定斜率电流参考电路20b。另外，该固定斜率电流参考电路20b连接至该频率震荡器20c，以便输出一个电流讯号至该频率震荡器20c。最后，经由该频率震荡器20c提供一个固定责任周期的脉波讯号。

图3揭示了本发明较佳实施例的控制电路采用的电压箝制电路的示意图。请参照图3所示，该电压箝制电路20a包括两个比较器CMP1、CMP2及三个开关电晶体M1、M2、M3，它们之间如图3所示具有适当地电性连接。该两个比较器CMP1、CMP2及三个开关电晶体M1、M2、M3将该电压箝制电路20a的输出电压VI箝制在第一预定电压VN与第二预定电压VG之间。

请再参照图3所示，当Vcomp电压高于该第一预定电压VN时，使该比较器CMP1输出高准位，以便导通该开关电晶体M1，且将该电压箝制电路20a的输出电压VI限制在准位VN；相对地，当Vcomp电压低于该第二预定电压VG时，使该比较器CMP2输出高准位，以便导通该开关电晶体M2，且将该电压箝制电路20a的输出电压VI限制在准位VG；若是Vcomp电压介于该第一预定电压VN与该第二预定电压VG之间，则该开关电晶体M3会导通，且使该电压箝制电路20a的输出电压VI等于Vcomp。该电压箝制电路20a可利用其设定输入范围确保后续电路不会发生零电压或发生饱和状况。

图4揭示了本发明较佳实施例的控制电路采用的固定斜率电流参考电路的示意图。请参照图4所示，该固定斜率电流参考电路20b包括一个运算放大器A1、一个电晶体Mn1、一个外接电阻Rext及一个电流镜电路(current-mirrorcircuit)，它们之间如图4所示具有适当地电性连接，且该固定斜率电流参考电路20b经由该电流镜电路提供两个参考电流。该电流镜电路由三个电晶体MP1、MP2、MP3及两个电晶体Mn2、Mn3如图4所示适当电性连接组成。

请参照图3和图4所示，该前级电压箝制电路20a的输出电压VI(如图3所示)输出至该后级固定斜率电流参考电路20b。如图4所示，在该固定斜率电流参考电路20b中，该输入电压VI经由该运算放大器A1、电晶体Mn1及外接电阻Rext转换成一个电流讯号。接着，该电流讯号输出至该电流镜电路，且在该电流镜电路中依比例产生两个参考电流Ip、In，以决定导通时间。

请再参照图4所示，举例而言，当将两个参考电流Ip、In的比例(Ip∶In)设计成相等(1∶1)时，其可提供50％导通时间的脉波。当将两个参考电流Ip、In的比例设计成1∶3时，即3Ip＝In，其可提供75％导通时间的脉波。

图5揭示了本发明较佳实施例的控制电路采用的频率震荡器的示意图。请参照图5所示，该频率震荡器20c由一个比较器CMP3、四个控制开关Sp、Sn、S1、S2及一个充电电容Cs组成，它们之间如图5所示具有适当地电性连接。该固定斜率振荡单元20经由该频率震荡器20c可提供一个固定责任周期的脉波讯号。在该频率震荡器20c中，假设初时值Out等于0时，导通该控制开关S1及Sp。此时，该比较器CMP3的输入负端的电位为VH，且该参考电流Ip同时充电该充电电容Cs至准位VH。

请再参照图5所示，当该充电电容Cs的电压Vcs略高于准位VH时，则该比较器CMP3的输出准位发生反转至Out等于1。当Out等于1时，导通该控制开关S2及Sn。此时，该比较器CMP3的输入负端的电位为VL，且该充电电容Cs的电位同时经由参考电流In进行放电至准位VL。

请再参照图5所示，接着，当该充电电容Cs的电压Vcs略低于准位VL时，该比较器CMP3的输出准位发生反转至Out等于0。依此周期性的运作，则该频率震荡器20c可产生一个脉波讯号，且该脉波的周期可由下述公式(1)至(3)进行推导。本发明采用的公式(1)至(3)如下：

Ton＝Cs(VH-VL)/Ip (1)

Toff＝Cs(VH-VL)/In (2)

T＝Ton+Toff＝1/f (3)

图6揭示了本发明较佳实施例可调整切换频率的电源供应装置采用的控制电路在各节点(Vcomp、Vcs、Out)的波形示意图。请参照图6所示，本发明较佳实施例的控制电路具有回授电压Vcomp大于VN、介于VN与VG之间及小于VG的三个阶段。

请再参照图6所示，当回授电压Vcomp大于VN时，Vcs的充放电时间会固定不变，因此Out的频率也固定不变，如图6的左侧部分所示。当Vcomp介于VN与VG之间时，Vcs的充放电的参考电流也会等比例下降，所以Out的频率也会随之下降，但Out的导通率(duty)会维持定值不变，如图6的中间部分所示。当Vcomp小于VG时，则箝制住内部的参考电流，所以也就是限制住Out的频率，如图6的右侧部分所示。

以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims

1.一种可调整切换频率的电源供应装置，其特征在于，它包括：

一个控制电路，该控制电路用以控制该电源供应装置的切换频率；

一个固定斜率震荡单元，该固定斜率震荡单元设置于该控制电路内；

其中，该固定斜率震荡单元包括一个电压箝制电路、一个固定斜率电流参考电路及一个频率震荡器，该固定斜率震荡单元随负载变化其输出脉波，以便依负载控制该电源供应装置的切换频率。

2.如权利要求1所述的可调整切换频率的电源供应装置，其特征在于：所述电压箝制电路包括两个比较器及两个开关电晶体，该两个比较器及两个开关电晶体用以将所述电压箝制电路的输出电压箝制在第一预定电压与第二预定电压之间。

3.如权利要求1所述的可调整切换频率的电源供应装置，其特征在于：所述固定斜率电流参考电路包括一个运算放大器、一个电晶体、一个外接电阻及一个电流镜电路，所述固定斜率电流参考电路经由该电流镜电路提供两个参考电流。

4.如权利要求3所述的可调整切换频率的电源供应装置，其特征在于：所述电流镜电路由五个电晶体组成。

5.如权利要求1所述的可调整切换频率的电源供应装置，其特征在于：所述频率震荡器由一个比较器、四个控制开关及一个充电电容组成，所述固定斜率振荡单元经由所述频率震荡器提供一个固定责任周期的脉波讯号。

6.一种可调整切换频率的电源供应装置，其特征在于，它包括：

一个控制电路；

一个固定斜率振荡单元，该固定斜率振荡单元设置于该控制电路内；

其中，该固定斜率振荡单元提供一个固定责任周期的脉波讯号，以便依负载控制该电源供应装置的切换频率。

7.如权利要求6所述的可调整切换频率的电源供应装置，其特征在于：所述固定斜率振荡单元具有一个电压箝制电路，该电压箝制电路包括两个比较器及三个开关电晶体，该两个比较器及三个开关电晶体用以将该电压箝制电路的输出电压箝制在第一预定电压与第二预定电压之间。

8.如权利要求6所述的可调整切换频率的电源供应装置，其特征在于：所述固定斜率振荡单元具有一个固定斜率电流参考电路，该固定斜率电流参考电路包括一个运算放大器、一个电晶体、一个外接电阻及一个电流镜电路，所述固定斜率电流参考电路经由该电流镜电路提供两个参考电流。

9.如权利要求8所述的可调整切换频率的电源供应装置，其特征在于：所述电流镜电路由五个电晶体组成。

10.如权利要求6所述的可调整切换频率的电源供应装置，其特征在于：所述固定斜振荡单元具有一个频率震荡器，该频率震荡器由一个比较器、四个控制开关及一个充电电容组成，所述固定斜率振荡单元经由该频率震荡器提供一个固定责任周期的脉波讯号。