CN102480227A - 用于固定导通时间电源转换器的音频跳略控制方法及电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于固定导通时间电源转换器的音频跳略控制方法及电路，在切换频率降到门槛值时，将原来利用输出电压达到波谷点时触发上桥开关导通的操作，改成当输出电压达到波峰点时触发上桥开关的关闭时间，该关闭时间为定值，因而避免该电源转换器于轻载或无载时运作于音频范围，且保持高效率。

Description

用于固定导通时间电源转换器的音频跳略控制方法及电路
技术领域
本发明是有关一种电源转换器，特别是关于一种避免固定导通时间电源转换器运作于音频的控制方法及电路。
背景技术
现有的直流对直流切换式转换器在重载时有极佳的转换效率，但轻载时却受限于固定切换频率的切换损失而无法提升效率。目前常见的改善方法是利用脉冲跳略模式(Pulse-Skipping Mode；PSM)解除固定切换频率的限制以减少切换损失，提升效率。但此法却伴随着一个明显的问题，随着负载不断降低，切换频率将降到音频的范围(20Hz～20kHz)。由于电容材料的压电效应，电容上的瞬间切换电流会产生足够大的机械能导致音频振动而产生恼人的噪音。这通常发生在降压转换器的输入电容及升压转换器的输出电容上。
消除噪音最直接的方法就是限制切换频率的下限，例如25kHz，但此法对固定导通时间电源转换器却是个负担。如图1所示，固定导通时间降压转换器在输出电压Vout降到预设的波谷点(valley point)时触发上桥开关的导通时间Ton，导通时间Ton的值是固定的，在导通时间Ton结束后关闭上桥开关，直到输出电压Vout又降到波谷点时再次触发导通时间Ton。当负载减轻时，输出电压Vout下降的速度变慢，于是上桥开关的关闭时间Toff变长，切换周期Tsw变长，即切换频率降低。固定导通时间电源转换器在加入零电感电流检测后可自然地产生PSM，利用固定的上桥开关导通时间以及检测输出电压达到波谷点时触发下一周期的导通时间，保持输出电流与负载电流之间的平衡，以维持在预设的输出电压。但为了限制切换频率的下限，在轻载时必须在输出电压还未达到波谷点就触发上桥开关导通，因此势必会造成输出电流大于负载电流，使得输出电压跟着上升。
图2是现有的固定导通时间降压转换器的电感电流的波形图，为了平衡输出电流与负载电流以调节输出电压，在切换频率降到下限25kHz，即切换周期Tsw达到上限40us时，在时间t1，先导通下桥开关，使电感电流为负值，一直持续到时间t2，输出电压达到波谷点时触发固定导通时间Ton，在时间t3时，关闭上桥开关且导通下桥开关，直到时间t4，电感电流降到零时，关闭下桥开关，如此完成一次切换操作。此法的正负电感电流的净输出将等于负载电流，输出电压的波谷点也将维持在设定值，但缺点是负电感电流造成转换效率的损失，而且负载电流愈小，转换效率的损耗愈明显。
美国专利号7652461提出一种具有音频抑制技术的降压转换器，其电路如图3所示，包括一对上桥开关M1和下桥开关M2、零电流检测器10、比较器12、导通时间电路14、计时器16及导通时间削减器18。在零电流检测器10检测到电感电流IL为零时关闭下桥开关M2，以避免负电感电流的发生降低转换器轻载时的效率。参考电压Vref决定输出电压Vout的波谷点，比较器12比较参考电压Vref以及与输出电压Vout相关的回授电压FB，当回授电压FB小于参考电压Vref时便拉高信号S1以触发SR正反器20将上桥开关M1导通，导通时间电路14在经过一段时间后重置SR正反器20以结束上桥开关M1的导通时间。计时器16计算上桥开关M1的关闭时间，即下桥开关M2导通时间及上下桥开关M1、M2都关闭的时间的和。当负载过低使得输出电压Vout下降过慢而导致切换周期达到设定上限时，计时器16拉高信号S2以强制触发SR正反器20将上桥开关M1导通，因而避免切换频率降到音频范围。为了避免计时器16影响输出电压Vout的稳定，在导通时间削减器18中设定偏移电压Voff1，当回授电压FB大于偏移电压Voff1及参考电压Vref之和时，转导放大器22输出正比于Voff1+Vref-FB的电流，与输出电压Vout相乘后送至导通时间电路14，改变导通时间电路14的门槛值以削减上桥开关M1的导通时间，达到减少电感电流IL以保持与负载电流平衡的目的。由于这种方法没有负电感电流发生，因此在轻载时效率较佳。但此法的输出电压Vout会跟转导放大器22的开回路增益相关。
发明内容
本发明的目的之一，在于提出一种避免固定导通时间电源转换器运作于音频的控制方法及电路。
本发明的目的之一，在于提出一种简单的音频跳略控制方法及电路。
本发明不直接从导通时间电路改变导通时间，而是在到达切换周期上限时，将原来利用输出电压达到波谷点时触发上桥开关导通的操作，改成当输出电压达到波峰点(peak point)时触发上桥开关的关闭时间，电源转换器因此由固定导通时间系统转成类固定关闭时间系统，下桥开关导通及上下桥开关都不导通的时间和设为定值，在此定值结束后触发上桥开关的导通时间。在改成波峰点触发后，上桥开关的导通时间从被触发到输出电压的波峰点之间的时间不再是定值，因而减少电感电流使与负载电流平衡。
根据本发明，一种用于固定导通时间电源转换器的音频跳略控制方法，在切换频率降到门槛值时，将该电源转换器切换成每当输出电压达到波峰点时触发上桥开关的关闭时间，该关闭时间为定值。较佳者，在切换频率降到门槛值时，将原来用来决定输出电压的波谷点的参考电压平移，用来决定输出电压的波峰点。较佳者，更包含维持上桥开关的导通时间在一预设的最小值以上。较佳者，在上桥开关的导通时间降到该最小值时，延迟关闭下桥开关。
根据本发明，一种用于固定导通时间电源转换器的音频跳略控制电路使用计时器计算上桥开关的关闭时间，当该关闭时间达到门槛值时触发一信号以强迫该上桥开关导通、启动压控电压源提供一偏压平移参考电压或回授信号以决定该输出电压的波峰点、以及使一逻辑电路将该电源转换器切换成当该输出电压达到该波峰点时触发该上桥开关的关闭时间，该关闭时间为定值。
本发明能够避免电源转换器于轻载或无载时运作于音频范围，且保持高效率。
附图说明
图1是固定导通时间降压转换器的操作波形图；
图2是现有的固定导通时间降压转换器的电感电流的波形图；
图3是现有的具有音频抑制技术的固定导通时间降压转换器；
图4是使用本发明第一实施例的固定导通时间降压转换器；
图5是图4电路的波形图；
图6是使用本发明第二实施例的固定导通时间降压转换器；以及
图7是图6电路的波形图。
附图标号；
10    零电流检测器
12    比较器
14    导通时间电路
16    计时器
18    导通时间削减器
19    逻辑电路
20    SR正反器
22    转导放大器
24    控制电路
30    零电流检测器
32    计时器
34    调变电路
36    SR正反器
38    压控电压源
40    最小导通时间电路
42    D型正反器
44    SR正反器
46    逻辑电路
具体实施方式
图4是使用本发明第一实施例的固定导通时间降压转换器，其具有上下桥开关Q1、Q2，以及控制电路24提供调变信号PWM切换上下桥开关Q1、Q2。控制电路24包含零电流检测器30、计时器32以及调变电路34。在中载及重载时，如图1所示，转换器的电感电流IL操作在连续导通模式(ContinuousConduction Mode；CCM)，在此期间，调变电路34利用比较器12比较参考电压Vref与回授电压FB以产生信号S3触发逻辑电路19中的SR正反器20产生高准位的调变信号PWM将上桥开关Q1导通，导通时间电路14在经过一段固定时间后重置SR正反器20，使调变信号PWM转为低准位，结束上桥开关Q1的导通时间。当进入轻载后，零电流检测器30发生作用，让电感电流IL保持正值而使转换器自然进入PSM，以改善效率。在此期间，计时器32计算上桥开关Q1的关闭时间，即下桥开关Q2导通及上、下桥开关Q1、Q2都不导通的总时间，若关闭时间到达门槛值，例如30～40μs，便拉高信号S4设定SR正反器20以强制上桥开关Q1导通，因而避免切换频率进入音频范围，同时也设定SR正反器36以启动压控电压源38提供偏压V1平移参考电压Vref，并使系统进入波峰点检测，信号S3的传送路径切换到SR正反器20的重置端，当回授电压FB大于Vref+V1时，比较器12的输出信号S3将重置SR正反器20，以关闭上桥开关Q1及导通下桥开关Q2，计时器32则重新开始计算上桥开关Q1的关闭时间，当关闭时间再次达到门槛值时，再次导通上桥开关Q1。在其他的实施例中，压控电压源38也可以放置在比较器12的反相输入端，使第一电压V1与回授电压FB相减。
图5是图4电路的波形图。在时间t5时，上桥开关Q1的关闭时间达到门槛值，计时器32拉高信号S4设定SR正反器20及36，调变信号PWM变为高准位且压控电压源38启动，因此上桥开关Q1导通且比较器12的正输入从Vref变成V1+Vref用来决定输出电压Vout的波峰点。在上桥开关Q1导通后，输出电压Vout上升，回授电压FB也跟着上升，直到时间t6，回授电压FB大于Vref+V1，比较器12拉高信号S3重置SR正反器20，因此调变信号PWM变为低准位而关闭上桥开关Q1。上桥开关Q1的导通时间在信号S4被触发后开始，直到回授电压FB达到Vref+V1时结束，成为可变值，会随着负载电流的下降而缩短。相较于图2的方法，本发明没有负电感电流，所以具有较佳的效率。相较于图3的电路，本发明只在原有的转换器加入逻辑闸之类的数字电路便能达到音频抑制的效果，不需要转导放大器22这种模拟电路，所以电路较简单。
当负载从极轻载降到无载时，上桥开关的导通时间会持续缩短直到预设的最小值，切换频率也下降到门槛值，电感电流与负载电流将再度失衡。由于已达到最短的导通时间，所以电感电流无法再随着负载电流的降低而减少，因此输出电压将会缓慢上升。为解决此问题，如图6所示，可以在调变电路34中增加最小导通时间电路40以及由D型正反器42和SR正反器44组成的逻辑电路46。在轻载时，最小导通时间电路40被计时器32提供的信号S4触发开始计算上桥开关Q1的导通时间，当上桥开关Q1的导通时间达到预设的最小值时便拉高信号S5；D型正反器42作为最小导通时间检测器，于时脉端CLK接收最小导通时间电路40的输出信号S5，若此时由D输入端已经确认回授电压FB大于Vref+V1，则视为转换器现时已达到最小导通时间的状态，于是D型正反器42触发SR正反器44，以发出信号S6延迟零电流检测电路30所产生要关闭下桥开关Q2的信号Sc，因而允许负电感电流的产生，直到比较器12检测到回授电压FB降到低于Vref+V1后，比较器12的输出信号S3重置SR正反器44，允许关闭信号Sc关闭下桥开关Q2，导致上、下桥开关Q1、Q2同时为关闭状态，直到计时器32再次触发SR正反器20打开上桥开关Q1。
图7是图6电路的波形图。参照图6及图7，在时间t7时，上桥开关Q1的关闭时间达到门槛值，故计时器32触发信号S4打开上桥开关Q1，也触发信号Mask1启动压控电压源38。由于负载变小使得输出电压Vout维持在较高准位，因此回授电压FB很快就大于Vref+V1，但此时上桥开关Q1的导通时间尚未达到最小导通时间，故SR正反器20不会被重置使上桥开关Q1关闭，直至达到最小导通时间后，如时间t8所示，最小导通时间电路40拉高信号S5重置SR正反器20及触发D型正反器42拉高信号Mask2，因而关闭上桥开关Q1及信号Mask1。由于此时信号S5及Mask2皆为高准位，所以SR正反器44产生低准位的信号S6延迟零电流检测电路30所产生的关闭信号Sc，因而产生负电感电流IL，直到比较器12检测到回授电压FB降到低于Vref+V1后，如时间t9所示，SR正反器44才被重置，因而关闭下桥开关Q2。由于此实施例有负电感电流IL的产生，得以平衡过多的正电感电流IL，使输出电压Vout维持在一定的范围内。
以上对于本发明的较佳实施例所作的叙述是为阐明的目的，而无意限定本发明精确地为所揭露的形式，基于以上的教导或从本发明的实施例学习而作修改或变化是可能的，实施例是为解说本发明的原理以及让本领域技术人员以各种实施例利用本发明在实际应用上而选择及叙述，本发明的技术思想由权利要求及其均等来决定。

Claims (8)

1.一种用于固定导通时间电源转换器的音频跳略控制方法，其特征在于，所述电源转换器藉参考电压决定输出电压的波谷点，当与所述输出电压相关的回授信号降到所述参考电压时触发上桥开关打开一段固定导通时间，在电感电流降到零时关闭下桥开关，所述音频跳略控制方法包含下列步骤：
检测所述电源转换器的切换频率；以及
在所述切换频率降到门槛值时，将所述电源转换器切换成当所述输出电压达到波峰点时触发所述上桥开关的关闭时间，所述关闭时间为定值。
2.如权利要求1所述的音频跳略控制方法，其特征在于，所述的音频跳略控制方法还包含在所述切换频率降到所述门槛值时，藉一偏压平移所述参考电压以决定所述波峰点。
3.如权利要求1所述的音频跳略控制方法，其特征在于，所述的音频跳略控制方法还包含在所述切换频率降到所述门槛值时，藉一偏压平移所述回授信号。
4.如权利要求1所述的音频跳略控制方法，其特征在于，所述的音频跳略控制方法还包含维持所述上桥开关的导通时间在一最小值以上。
5.如权利要求4所述的音频跳略控制方法，其特征在于，所述的音频跳略控制方法还包含下列步骤：
在所述上桥开关打开后计算其导通时间；
在所述上桥开关的导通时间降到所述最小值时，延迟关闭所述下桥开关。
6.一种用于固定导通时间电源转换器的音频跳略控制电路，其特征在于，所述电源转换器含有调变电路藉参考电压决定输出电压的波谷点，当与所述输出电压相关的回授信号降到所述参考电压时触发上桥开关打开一段固定导通时间，以及零电流检测器在电感电流降到零时触发关闭信号以关闭下桥开关，所述音频跳略控制电路包含：
计时器，计算所述上桥开关的关闭时间，当所述关闭时间达到门槛值时，触发第一信号以强迫所述上桥开关导通；
压控电压源，被所述第一信号启动而提供一偏压平移所述参考电压或回授信号以决定所述输出电压的波峰点；以及
逻辑电路，因应所述第一信号将所述电源转换器切换成当所述输出电压达到所述波峰点时触发所述上桥开关的关闭时间，所述关闭时间为定值。
7.如权利要求6所述的音频跳略控制电路，其特征在于，所述的音频跳略控制电路还包含最小导通时间电路，在所述上桥开关打开后计算其导通时间，在所述上桥开关的导通时间达到一预设值时产生第二信号给所述逻辑电路，使所述逻辑电路维持所述上桥开关的导通时间在一最小值以上。
8.如权利要求7所述的音频跳略控制电路，其特征在于，所述的音频跳略控制电路还包含另一逻辑电路连接所述最小导通时间电路，在所述上桥开关的导通时间降到所述最小值时延迟所述关闭信号。
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