CN102055327A

CN102055327A - 可外部调整占空比的电源控制器

Info

Publication number: CN102055327A
Application number: CN2009102118986A
Authority: CN
Inventors: 陈本盛
Original assignee: Chicony Power Technology Co Ltd
Current assignee: Chicony Power Technology Co Ltd
Priority date: 2009-11-09
Filing date: 2009-11-09
Publication date: 2011-05-11

Abstract

本发明涉及一种可外部调整占空比的电源控制器，主要提供与输入电压大小呈反比关系的占空比，且在占空比与输入电压之间具有可动态调整斜率和/或占空比最大值的转换曲线；前述转换曲线的斜率和/或占空比最大值通过外部设定界面，供使用者视电源转换电路中采用磁性元件的规格而自行设定调整；由此，可有效防止磁性元件饱和，并方便使用者选用最优化规格的磁性元件。

Description

可外部调整占空比的电源控制器

技术领域

本发明涉及一种电源控制器，特别是一种可由外部动态地设定调整其占空比的电源控制器。

背景技术

现有的电源转换电路大致包括控制器、磁性元件及开关等，如图8揭示了一直流对直流的升压转换电路，其包括采取脉宽调制(PWM)方式驱动的控制器70、受前述控制器70控制其占空比(Duty cycle)的开关晶体管71、连接于输入端Vin与输出端Vout之间的电感72等；为了避免电路中的电感72发生饱和现象，该控制器70采取限流(Currentlimit)模式以限制通过电感72的电流大小，由于限制了通过电感72的电流，故不会发生因通过电流太大而造成电感72饱和的现象。但由于控制器70对于电流的测量可能出现误差及反馈电流本身存在的时间差，均将使控制器70无法精确地控制流经电感72的最大电流，造成电感72依然存在暂态饱和的可能性。

为了解决前述问题，另有电源转换电路的控制器采取固定值的占空比限制器(Duty limiter)以限制流经磁性元件的电流最大值，然而当高电压输入电源转换电路时，若控制器反应速度太慢，以致占空比太慢变小，造成通过磁性元件的电流变得异常的大，进而使磁性元件饱和。因此，只能将占空比限制器的值设定为一较小的安全值，以解决前述问题，但这种作法相对地在低电压输入电源转换电路时产生负面影响，由于占空比限制器采取较小的值以限制流经磁性元件的电流，一旦电源转换电路使用在低电压输入的场合时，将使可利用的工作范围变小，由此可见，采用固定值以限制占空比，在高低输入电压的不同场合将衍生不同的问题。

针对前述左支右绌的情况，有另一种技术是令占空比的限制值大小与输入电压呈反比关系，如此一来，电源转换电路应用在低电压输入的场合时，仍可保有较大的工作周期范围，进而可选用较小尺寸的磁性元件，然而对于磁性元件的选用而言，较小化并不代表最优化，前述设定方式尽管可便于选用较小尺寸的磁性元件，却无法针对选用磁性元件磁通密度的最大变化量(Bmax)进行最优化设计，进而使选用磁性元件的尺寸得以最小化；由上述可知，关于电源转换电路选用磁性元件的最优化设计，仍有待进一步谋求可行的技术方案。

发明内容

因此，本发明主要目的在提供一种可配合磁性元件的磁通密度最大变化量而由外部动态设定或调整其占空比的电源控制器，如此一来，采用该电源控制器的电源转换电路或转换电路即可选用最小尺寸或最优化的磁性元件，以缩小体积，并降低成本。

为达成前述目的采取的主要技术手段是令前述电源控制器包括：

反比关系控制模块，用以产生与输入电压呈反比关系的占空比，并在输入电压与占空比之间建立可动态调整斜率和/或占空比最大值的转换曲线；

占空比控制模块，用以控制前述反比关系控制模块所产生占空比的最大值；

脉宽调制驱动模块，根据占空比控制模块所限制的最大值，产生可调制脉宽的驱动信号；

外部设定界面，供使用者由外部调整前述转换曲线的斜率和/或占空比的最大值；

由于前述电源控制器令输入电压与占空比为反比关系，由此将磁性元件的磁通密度最大变化量限制在设定值以下；又由于电源转换电路在切换(switching)的导通(on)期间，变压器二次侧输出电压或电感两端点电压通常代表输入电压或输入电压的等比映射电压，因此所述磁性元件的磁通密度最大变化量也等同于最大磁通密度，故通过控制占空比的最大值即可有效控制磁性元件的磁通密度最大变化量，使磁性元件不致发生饱和现象，进而可精确选用最小尺寸的磁性元件。

附图说明

图1：本发明运用工作原理的曲线图。

图2：本发明一优选实施例的电路方块图。

图3：本发明一优选实施例的外部设定界面示意图。

图4：本发明电源控制器单独进行占空比补偿的转换曲线变动示意图。

图5：本发明电源控制器单独进行斜率设定的转换曲线变动示意图。

图6：本发明电源控制器同时进行占空比补偿及斜率设定的转换曲线变动示意图。

图7：本发明电源控制器同时进行占空比补偿及斜率设定的转换曲线变动示意图。

图8：现有升压型直流对直流电源转换电路的电路图。

主要元件符号说明

10 反比关系控制模块 100 电源控制器

20 占空比控制模块 30 脉宽调制驱动模块

40 反馈控制模块 50 外部设定界面

51、52 接脚

70 控制器

71 开关晶体管

72 电感

具体实施方式

本发明的电源控制器可运用于各种电源转换电路，如降压型(buck)、升压型(boost)、升降压型(buck/boost)、回扫式(flyback)、顺向式(forward)及其他各种形式的DC/DC、AC/DC电源转换电路上。

又本发明的电源控制器主要在于提供使用者由外部调整其输入电压与占空比的反比转换曲线斜率和/或占空比最大值，从而除可有效避免电源转换电路中的磁性元件饱和之外，更可方便选用最小尺寸的磁性元件。其原理可由以下的磁通密度变化量公式予以说明：

ΔB = \frac{V \times DT}{N \times Ae}

其中：

V为变压器二次侧输出电压或电感两端的端电压；

D为开关元件的占空比；

T为开关元件的切换周期；

N为变压器的二次侧匝数或电感的线圈匝数；

Ae为磁性元件有效的截面积。

通常磁性元件在切换时，磁通密度变化量ΔB与DT呈正比关系，且ΔB也与V呈正比，因此若要限定ΔB的最大值，须令V与DT为反比关系，由于T通常为定值，因而须令V和D为反比关系(请参阅图1的转换曲线)，以便将ΔB的最大值限制在某一设定值上。再者，在电源转换电路切换(switching)过程的导通(on)期间内，变压器的二次侧输出电压或电感两端的端电压V即代表输入电压或输入电压的等比映射电压，因此磁通密度变化量ΔB的最大值也等于磁通密度最大值(Bmax)，亦即设定了占空比D的最大值即可决定磁性元件的磁通密度最大值(Bmax)。

在前述原理支持下，本发明的电源控制器提供了外部设定占空比最大值的功能，并可进一步由外部调整呈反比关系的输入电压/占空比的转换曲线斜率，令使用者设计电源转换电路时，可以选用最优尺寸与效能的磁性元件。关于本发明的一优选实施例，请参阅图2所示，其包括反比关系控制模块10、占空比控制模块20、脉宽调制驱动模块30、反馈控制模块40及外部设定界面50；其中：

该反比关系控制模块10用以产生与输入电压Vin呈反比关系的占空比Dmax，并在输入电压与占空比之间建立转换曲线(请参阅图1所示)，该转换曲线可通过外部设定界面50由外部调整其斜率和占空比Dmax的最大值；

该占空比控制模块20用以限制前述反比关系控制模块10所产生的占空比Dmax的最大值，并产生限制最大值的占空比Dlimit送至脉宽调制驱动模块(30)，作为脉宽调制驱动模块30产生驱动信号的依据；又前述占空比的最大值Dlimit仍可通过外部设定界面50由外部进行调整设定；

该反馈控制模块40用以接收反馈信号(反馈电压或电流)，并送至占空比控制模块20，以调整其送至脉宽调制驱动模块30的占空比Dlimit；

如前揭所述，该反比关系控制模块10所建立转换曲线的斜率及占空比的最大值均可通过外部设定界面50在电源控制器外部进行设定，其可行的实现方式如图3所示，在集成的电源控制器100外部提供一个以上的设定接脚，用以调整前述转换曲线的斜率及设定占空比的最大值，本实施例是在电源控制器100提供两个接脚51、52，利用连接被动元件进行设定调整，其中一接脚51为斜率设定接脚Dslope，用于调整前述转换曲线的斜率；另一接脚52则为补偿设定接脚Doffset，用以设定占空比的最大值大小。

请参阅图4所示，利用前述斜率设定接脚Dslope设定转换曲线斜率的示意图，如图所示，该转换曲线的斜率可通过设定后分别为斜率S 1、S2或S3。又如图5所示，利用前述补偿设定接脚Doffset设定占空比最大值的示意图，该占空比最大值经由在补偿设定接脚Doffset上作不同值的补偿设定后所呈现不同的转换曲线(Offset t1，t2，t3)。再如图6、7所示，揭示同时调整斜率及占空比最大值时，不同的转换曲线变动状态。

由上述可知，本发明的工作原理及一优选实施例的具体构造，以所述设计至少具备下列特性与优点：

1.可对选用磁性元件作最优(最小)化设计：本发明的电源控制器可配合磁性元件的磁通密度最大变化量，由外部设定调整其占空比的最大值，以方便选用最小尺寸或最优化的磁性元件，以缩小体积，并降低成本。

2.在不同应用环境下均可避免磁性元件饱和：由于通过设定占空比的最大值，可决定磁性元件的磁通密度最大变化量，因此电源转换电路中的磁性元件不论任何时间都不会因为输入电压的变动而发生饱和现象。

3.不会发生传统电流限制模式控制器因电流感测不准确、反馈时有时间误差，无法有效限制通过磁性元件的电流的问题。

4.传统电源控制器采取固定值的占空比限制器(Duty limiter)以限制流经磁性元件的电流最大值，在电源系统有维持供电时间(hold-uptime)的设计需求时，在低电压输入时，该固定值必须设得大，但在高电压输入场合时，即可能造成输入电流过大的情况；因此，本发明令占空比与输入电压具有反比关系，由此可使bulk电容器在低电压时仍可输出能量，进而可将选用的bulk电容器设计为较小，以有效节省成本。

Claims

1.一种可外部调整占空比的电源控制器，所述电源控制器包括：

外部设定界面，供使用者由外部调整前述转换曲线的斜率和/或占空比的最大值。

2.根据权利要求1所述的可外部调整占空比的电源控制器，该外部设定界面在集成的电源控制器外部提供一个以上的接脚，供调整转换曲线的斜率和/或设定占空比的最大值。

3.根据权利要求2所述的可外部调整占空比的电源控制器，该外部设定界面在集成的电源控制器外部提供两个接脚，其中一个接脚为斜率设定接脚用于调整前述转换曲线的斜率；另一接脚为补偿设定接脚，供设定占空比的最大值大小。