CN102611333B - 电源转换器的控制器以及电源转换器的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电源转换器的控制器及控制方法，所述控制器包括：感测电流积分电路、参考电流积分电路以及驱动信号产生电路。其中，感测电流积分电路对代表流过电源转换器的电源开关的导通电流之感测电流进行积分操作而得第一积分结果，参考电流积分电路对参考电流进行积分操作而得第二积分结果，驱动信号产生电路根据第一积分结果与第二积分结果之间的相对大小关系以及电源转换器的输出电压误差信号的大小共同决定电源开关的切换周期。本发明通过采用限制输入固定电流或固定功率的脉频调制方式来控制输出能量，只需要简单的控制电路结构且可适用较宽的输入电压范围，进而达成有效控制输出能量之目的。

Description

电源转换器的控制器以及电源转换器的控制方法

技术领域

本发明是有关于电源转换器，且特别是有关于电源转换器的控制器及控制方法。

背景技术

大多数电气设备例如手机、个人数字助理(PDA)、笔记本电脑等需要由相对的低压直流电源来向其供电。因为能量通常是由墙装电源插座提供的高压交流电源，因此需要电源转换器来将高压交流电源转换成低压直流电源，以提供输出电压及电流来满足这些电气设备的需求。

操作过程中，电源转换器使用控制器来调节传递至电气设备(也即负载)的输出能量；其中，控制器通常是通过控制电源关开的导通及截止来调节传递至负载的能量。在电源转换器应用中，由于各个外部电子元件具有最大的容许电流、电压及额定功率，因此输出能量限制成为必要以确保所有电子元件工作在安全操作区域。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种电源转换器的控制器，以提供有效的输出能量限制机制。

本发明的再一目的是提供一种电源转换器的控制方法，以提供有效的输出能量限制机制。

本发明实施例提出的一种电源转换器的控制器，其中电源转换器包括能量传递元件、以及位于能量传递元件的输入侧的电源开关和控制器，电源转换器用于根据输入电压在能量传递元件的输出侧提供直流的输出电压以向负载供电。本实施例的控制器包括感测电流积分电路、参考电流积分电路以及驱动信号产生电路。其中，感测电流积分电路对代表流过电源转换器的电源开关的导通电流之感测电流进行积分操作而得第一积分结果，参考电流积分电路对参考电流进行积分操作而得第二积分结果，驱动信号产生电路根据第一积分结果与第二积分结果之间的相对大小关系以及电源转换器的输出电压误差信号的大小共同决定电源开关的切换周期。其中，输出电压误差信号代表能量传递元件的输出侧提供的直流的输出电压的反馈值与参考电压的相对大小关系并耦合至位于能量传递元件的输入侧的控制器。

在本发明的实施例中，上述之驱动信号产生电路可包括：第一比较器、第二比较器以及与门；第一比较器通过比较第一积分结果与第二积分结果输出第一比较结果以代表第一积分结果与第二积分结果之间的相对大小关系，第二比较器通过比较输出电压误差信号与第二参考电压输出第二比较结果以代表输出电压误差信号的大小，与门对第一比较结果与第二比较结果进行逻辑与运算而得触发信号来决定电源开关的导通时机以及感测电流积分电路与参考电流积分电路的重置时机，进而决定电源开关的切换周期。进一步的，驱动信号产生电路还可包括第三比较器，根据与导通电流成比例的感测电压信号和预设的峰值电压之间第三比较结果来决定电源开关的截止时机。更进一步的，驱动信号产生电路还可包括触发器以及单击脉冲产生电路，触发器根据触发信号与第三比较结果产生驱动信号来切换电源开关的导通及截止状态，单击脉冲产生电路根据驱动信号产生单击脉冲以重置感测电流积分电路与参考电流积分电路。

在本发明的实施例中，上述之触发器可为S-R触发器，上述之触发信号输入至S-R触发器的设置端，且第三比较结果输入至S-R触发器的重置端。

在本发明的实施例中，上述之感测电流积分电路可包括放大器、电流镜电路、积分电容以及开关元件，其中放大器接收与导通电流成比例的感测电压信号并通过电流镜电路提供感测电流至积分电容进行充电，积分电容的一端接收感测电流且另一端电性耦接至预设电位，开关元件电性耦接于电流镜电路与积分电容的电连接处和预设电位之间，且感测电流积分电路被重置时开关元件导通以使积分电容放电至预设电位。

在本发明的实施例中，上述之参考电流积分电路可包括电流源、积分电容以及开关元件；其中电流源提供上述之参考电流至积分电容进行充电，积分电容的一端接收参考电流且另一端电性耦接至预设电位，开关元件电性耦接于电流源与积分电容之间的电连接处和预设电位之间，且参考电流积分电路被重置时开关元件导通以使积分电容放电至预设电位。

在本发明的实施例中，上述之电流源可为定电流源；又或者，上述之电流源为变电流源，且参考电流与电源转换器的输入电压之乘积为固定值。

本发明另一实施例提出的一种电源转换器的控制方法，其中电源转换器包括能量传递元件、以及位于能量传递元件的输入侧的电源开关，电源转换器用于根据输入电压在能量传递元件的输出侧提供直流的输出电压以向负载供电。本实施例的控制方法包括步骤：设定参考电流；感测流过电源转换器的电源开关的导通电流并对感测到的导通电流进行时间积分而得积分结果；以及利用积分结果和参考电流与积分时间的乘积之间的相对大小关系以及电源转换器的输出电压误差信号的大小共同决定电源开关的切换周期。其中，输出电压误差信号代表在能量传递元件的输出侧提供的直流的输出电压的反馈值与参考电压的相对大小关系并耦合至能量传递元件的输入侧。

在本发明的实施例中，上述之利用积分结果和参考电流与积分时间的乘积之间的相对大小关系以及电源转换器的输出电压误差信号的大小共同决定切换周期之步骤可包括：判断输出电压误差信号是否大于第二参考电压以获知输出电压误差信号的大小；判断参考电流与积分时间的乘积是否大于或等于积分结果；以及将输出电压误差信号大于第二参考电压且参考电流与积分时间的乘积大于或等于积分结果之时刻作为切换周期的触发点。

在本发明的实施例中，上述之控制方法更可包括步骤：利用与导通电流成比例的感测电压信号和预设的峰值电压之间的相对大小关系决定切换周期内的导通时间之长度。

在本发明的实施例中，上述之设定参考电流的步骤可包括：感测电源转换器的直流输入电压；以及根据电源转换器的预设输入功率与感测到的直流输入电压计算出上述之参考电流。又或者，上述之设定参考电流的步骤包括将参考电流设定为固定值。

本发明实施例通过采用限制输入固定电流或固定功率的脉频调制方式来控制输出能量，只需要简单的控制电路结构且可适用较宽的输入电压范围，进而达成有效控制输出能量之目的。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1绘示出相关于本发明实施例的控制器所适用的电源转换器的电路结构示意图。

图2绘示出图1所示控制器的一种内部结构示意图。

图3绘示出图1所示输出电压误差信号与输出电压的反馈值之间的关系。

图4绘示出相关于图2所示的控制器的多个信号之时序图。

图5绘示出相关于本发明实施例的电源转换器的控制方法之流程图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的电源转换器的控制器及控制方法的具体实施方式、结构、特征及功效，详细说明如后。

请参阅图1，其绘示出相关于本发明实施例的控制器所适用的电源转换器之电路结构示意图。如图1所示，电源转换器10接收交流电压V_AC经由整流滤波后转换成直流输入电压V_IN，再利用能量传递元件200例如变压器将直流输入电压V_IN转换成直流输出电压V_OUT以向负载供电。具体地，在能量传递元件200的输入侧主要设置有电源开关PS与控制器100，电源转换器10透过电阻分压的方式向控制器100提供电压信号Vsns以藉此感测输入电压V_IN，控制器100通过获取感测电阻R_CS上的感测电压信号V_CS(在此，V_CS=I_CS*R_CS)来获知代表输入电流I_IN之流过电源开关PS的导通电流I_CS以感测输入电流I_IN，并且控制器100通过输出驱动信号GATE来控制电源开关PS的导通及截止状态以调节电源转换器10的输出能量；另一方面，在能量传递元件200的输出端提供输出电压V_OUT至负载，并且输出电压V_OUT的反馈值V_FB与1.25V的参考电压之间的相对大小会决定发光二极管点亮与否，再经由光电耦合作用向控制器100提供输出电压误差信号COMP以感测输出电压V_OUT之状态。

请参阅图2，其绘示出图1所示控制器100的一种内部结构示意图。如图2所示，控制器100包括感测电流积分电路110、参考电流积分电路130以及驱动信号产生电路150。

其中，感测电流积分电路100对代表流过电源开关PS的导通电流I_CS的感测电流I_C进行积分操作而得积分结果V_C且在本实施例中包括放大器AMP、电流镜电路112、积分电容C1与开关元件S1，放大器AMP接收感测电压信号V_CS并透过电流镜电路112提供感测电流I_C至积分电容C1进行充电，在此电阻R1设定为等于(1000*R_CS)，因此感测电流I_C近似等于(I_CS/1000)；积分电容C1的一端接收感测电流I_C且另一端电性耦接至预设电位例如接地电位，开关元件S1例如为晶体管且电性耦接于电流镜电路112与积分电容C1的电连接处和预设电位之间，并且当开关元件S1导通时会使积分电容C1快速放电至预设电位以对感测电流积分电路110进行重置。

参考电流积分电路130对电流信号I_T进行积分操作而得积分结果V_T且在本实施例中包括电流源132、积分电容C2与开关元件S2；电流源132提供电流信号I_T至积分电容C2进行充电，积分电容C2的一端接收电流信号I_T且另一端电性耦接至预设电位例如接地电位，开关元件S2例如为晶体管且电性耦接于电流源132与积分电容C2之间的电连接处和预设电位之间，并且当开关元件S2导通时会使积分电容C2快速放电至预设电位以对感测电流积分电路130进行重置。本实施例中，因为感测电流I_C设定为等于(I_CS/1000)，因此相应地将电流信号I_T设定为等于(I_target/1000)，在此I_target为参考电流。更具体地，当电源转换器100采用固定输入功率模式时，输入功率 $P=(V_{\mathrm{IN}}*I_{t\arg \mathrm{et}})*T/T=V_{\mathrm{IN}}*{\∫}_0^T{I}_{\mathrm{CS}}\mathrm{dt}/T$ 为固定值，T为电源开关PS的切换周期，故可推导出且I_target=P/V_IN，因此在固定输入功率模式下，透过感测输入电压V_IN的大小即可计算出参考电流I_target的大小，其对应电流源132为变电流源；当电源转换器100采用固定输入电流模式时，输入功率为非固定值而随输入电压V_IN的变化而变化，故可推导出而参考电流I_target则可直接设定为固定值，其对应电流源132为定电流源。

承上述，驱动信号产生电路150根据积分结果V_C与V_T之间的相对大小关系以及输出电压V_OUT之状态共同决定电源开关PS的切换周期T且于本实施例中包括比较器CMP1、CMP2及CMP3、与门152、S-R触发器154与单击脉冲产生电路156。其中，比较器CMP1接收积分结果V_C与V_T并根据积分结果V_C与V_T之间的相对大小关系输出第一比较结果，比较器CMP2接收输出电压误差信号COMP与参考电压V_ref1并根据输出电压误差信号COMP与参考电压V_ref1之间的相对大小关系输出第二比较结果，第一比较结果与第二比较结果输入至与门152进行逻辑与运算以产生触发信号至S-R触发器154的设置端S；比较器CMP3接收感测电压信号V_CS与预设的峰值电压V_peak并根据感测电压信号V_CS与预设的峰值电压V_peak之间的相对大小关系输出第三比较结果至S-R触发器154的设置端R，在此默认的峰值电压V_peak＝I_peak*R_CS，I_peak为峰值电流；之后，S-R触发器154根据触发信号与第三比较结果而在其输出端Q输出驱动信号GATE来切换电源开关PS的导通及截止状态，在此，触发信号决定电源开关PS的导通时机，第三比较结果决定电源开关PS的截止时机(也即决定切换周期T内的导通时间之长度)。单击脉冲产生电路156在驱动信号GATE的上升沿产生单击脉冲来导通开关元件S1及S2以决定感测电流积分电路110与参考电流积分电路130的重置时机。

请参阅图3及图4，图3绘示出输出电压误差信号COMP与输出电压V_OUT的反馈值V_FB之间的关系，图4绘示出相关于控制器100的多个信号之时序图。从图3中可以得知：当输出电压V_OUT的反馈值V_FB小于1.25V时，输出电压误差信号COMP为大于参考电压V_ref1的高电位，反之当V_FB大于1.25V时，输出电压误差信号COMP为小于参考电压V_ref1的低电位。

请一并参阅图2及图4，(1)在正常负载(normal loading)情形下，例如图4中的第一个切换周期T1(也即切换周期T的取值之一)内，在切换周期T的导通时间之起始点，S-R触发器产生的驱动信号GATE电位跳变为逻辑高，感测电流积分电路110及参考电流积分电路130被快速重置后开始进行积分操作，并且电源开关PS导通而使得导通电流I_CS开始增大；当导通电流I_CS增大至峰值电流I_peak时，对应感测电流信号V_CS增大至预设的峰值电压V_peak，比较器CMP3输出的第三比较结果为逻辑高，从而S-R触发器被重置而使得其输出端Q输出的驱动信号GATE跳变为逻辑低，电源开关PS截止而进入切换周期T1的截止时间；之后，积分结果V_C会等于目标积分电压V_target，而积分结果V_T的大小随时间上升直到等于目标积分电压V_target，使得比较器CMP1输出的第一比较结果为逻辑高并维持一段时间，接着当输出电压误差信号COMP大于参考电压V_ref1时，比较器CMP2输出的第二比较结果为逻辑高，使得与门154输出的触发信号为逻辑高而致使S-R触发器156的输出端Q输出的驱动信号GATE电位再次跳变为逻辑高，以此表示当前切换周期T1的结束以及下一个切换周期的开始。(2)在过负载(overloading)情形下，例如图4中的第二个切换周期T2(也即切换周期T的另一取值)内，在切换周期T2的导通时间之起始点，S-R触发器产生的驱动信号GATE电位跳变为逻辑高，感测电流积分电路110及参考电流积分电路130被快速重置后开始进行积分操作，并且电源开关PS导通而使得导通电流I_CS开始增大；当导通电流I_CS增大至峰值电流I_peak时，对应感测电流信号V_CS增大至预设的峰值电压V_peak，比较器CMP3输出的第三比较结果为逻辑高，从而S-R触发器被重置而使得其输出端Q输出的驱动信号GATE跳变为逻辑低，此时感测电流积分电路110的积分结果V_C等于目标积分电压V_target，电源开关PS截止而进入切换周期T2的截止时间；之后，因输出电压V_OUT的反馈值V_FB小于1.25V并维持一段时间而使得比较器CMP2输出的第二比较结果为逻辑高并维持一段时间，接着当参考电流积分电路130产生的积分结果V_T等于目标积分电压V_target而使得比较器CMP1输出的第一比较结果为逻辑高时，与门154输出的触发信号为逻辑高而致使S-R触发器156的输出端Q输出的驱动信号GATE电位再次跳变为逻辑高，以此表示当前切换周期T的结束以及下一个切换周期的开始。从图4还可以得知，正常负载情形下与过负载情形下的切换周期T1及T2不同(也即脉频调制(pulse frequency modulation)模式)且各个切换周期T1及T2内的导通时间(对应驱动信号GATE为逻辑高)固定。

请参阅图5，其绘示出相关于本发明实施例的电源转换器的控制方法之流程图。如图5所示，本发明实施例提出的控制方法大致包括步骤：设定参考电流(步骤S100)，在固定输入功率模式下则通过感测直流输入电压来计算出参考电流，而在固定输入电流模式下则直接设定参考电流为固定值；之后，感测流过电源转换器的电源开关的导通电流并对感测到的导通电流进行时间积分而得积分结果(步骤S200)；利用积分结果和参考电流与积分时间的乘积(I_target*T)之间的相对大小关系以及电源转换器的输出电压之状态共同决定电源开关的切换周期T(步骤S300)，例如将参考电流与积分时间的乘积(I_target*T)大于或等于积分结果且输出电压误差信号COMP大于参考电压V_ref1之时刻作为切换周期T的触发点，而相邻两个触发点之间的时间间隔则为单个切换周期T的时间长度。

综上所述，本发明实施例通过采用限制输入固定电流或固定功率的脉频调制方式来控制输出能量，只需要简单的控制电路结构且可适用较宽的输入电压范围例如96V-340V甚至更宽，进而达成有效控制输出能量之目的(因为能量转换效率=输出能量/输入能量<1)。

另外，本领域技术人员还可对本发明上述实施例中的控制器及其所适用的电源转换器之电路结构作适当变更设计，例如变更利用电阻分压的方式为感测导通电流I_CS之转换速率(slew rate)的方式来感测直流输入电压V_IN，变更S-R触发器为其他类型的触发器、将各个切换周期T内的导通时间固定变更为截止时间固定等等，这些适当的变更均应包含在本发明的发明构想。

以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (12)

1.一种电源转换器的控制器，所述电源转换器包括能量传递元件、以及位于所述能量传递元件的输入侧的一电源开关和所述控制器，所述电源转换器用于根据一输入电压在所述能量传递元件的输出侧提供直流的输出电压以向负载供电；其特征在于所述控制器包括：

一感测电流积分电路，对代表流过所述电源转换器的所述电源开关的导通电流之一感测电流进行积分操作而得一第一积分结果；

一参考电流积分电路，对一参考电流进行积分操作而得一第二积分结果；以及

一驱动信号产生电路，根据所述第一积分结果与所述第二积分结果之间的相对大小关系以及所述电源转换器的一输出电压误差信号的大小，共同决定所述电源开关的切换周期；其中所述输出电压误差信号代表所述能量传递元件的输出侧提供的所述直流的输出电压的反馈值与一第一参考电压的相对大小关系并耦合至位于所述能量传递元件的输入侧的所述控制器；

其中，所述驱动信号产生电路包括：

一第一比较器，通过比较所述第一积分结果与所述第二积分结果输出一第一比较结果以代表所述第一积分结果与所述第二积分结果之间的相对大小关系；

一第二比较器，通过比较所述输出电压误差信号与一第二参考电压输出一第二比较结果以代表所述输出电压误差信号的大小；

一与门，对所述第一比较结果与所述第二比较结果进行逻辑与运算而得一触发信号来决定所述电源开关的导通时机以及所述感测电流积分电路与所述参考电流积分电路的重置时机，进而决定所述电源开关的切换周期；以及

一第三比较器，根据与所述导通电流成比例的一感测电压信号和一预设的峰值电压之间的一第三比较结果来决定所述电源开关的截止时机。

2.如权利要求1所述的控制器，其特征在于所述驱动信号产生电路更包括：

一触发器，根据所述触发信号与所述第三比较结果产生一驱动信号来切换所述电源开关的导通及截止状态；以及

一单击脉冲产生电路，根据所述驱动信号产生一单击脉冲以重置所述感测电流积分电路与所述参考电流积分电路。

3.如权利要求2所述的控制器，其特征在于所述触发器为一S-R触发器，所述触发信号输入至所述S-R触发器的设置端，且所述第三比较结果输入至所述S-R触发器的重置端。

4.如权利要求1所述的控制器，其特征在于所述感测电流积分电路包括一放大器、一电流镜电路、一积分电容以及一开关元件；所述放大器接收与所述导通电流成比例的一感测电压信号并通过所述电流镜电路提供所述感测电流至所述积分电容进行充电，所述积分电容的一端接收所述感测电流且另一端电性耦接至一预设电位，所述开关元件电性耦接在所述电流镜电路与所述积分电容的电连接处和所述预设电位之间，且所述感测电流积分电路被重置时所述开关元件导通以使所述积分电容放电至所述预设电位。

5.如权利要求1所述的控制器，其特征在于所述参考电流积分电路包括一电流源、一积分电容以及一开关元件；所述电流源提供所述参考电流至所述积分电容进行充电，所述积分电容的一端接收所述参考电流且另一端电性耦接至一预设电位，所述开关元件电性耦接在所述电流源与所述积分电容之间的电连接处和所述预设电位之间，且所述参考电流积分电路被重置时所述开关元件导通以使所述积分电容放电至所述预设电位。

6.如权利要求5所述的控制器，其特征在于所述电流源为定电流源。

7.如权利要求5所述的控制器，其特征在于所述电流源为变电流源，且所述参考电流与所述电源转换器的输入电压之乘积为固定值。

8.一种电源转换器的控制方法，所述电源转换器包括能量传递元件、以及位于所述能量传递元件的输入侧的一电源开关和如权利要求1所述的控制器，所述电源转换器用于根据一输入电压在所述能量传递元件的输出侧提供直流的输出电压以向负载供电；其特征在于所述控制方法包括步骤：

设定一参考电流；

感测流过所述电源转换器的所述电源开关的一导通电流并对所述感测到的导通电流进行时间积分而得一积分结果；

利用所述积分结果和所述参考电流与积分时间的乘积之间的相对大小关系以及所述电源转换器的一输出电压误差信号的大小共同决定所述电源开关的切换周期；其中所述输出电压误差信号代表在所述能量传递元件的输出侧提供的所述直流的输出电压的反馈值与一第一参考电压的相对大小关系并耦合至所述能量传递元件的输入侧。

9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于利用所述积分结果和所述参考电流与积分时间的乘积之间的相对大小关系以及所述电源转换器的输出电压误差信号的大小共同决定所述切换周期之步骤包括：

判断所述输出电压误差信号是否大于一第二参考电压以获知所述输出电压误差信号的大小；

判断所述参考电流与所述积分时间的乘积是否大于或等于所述积分结果；以及

将所述输出电压误差信号大于所述第二参考电压且所述参考电流与所述积分时间的乘积大于或等于所述积分结果之时刻作为所述切换周期的触发点。

10.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于更包括步骤：

利用与所述导通电流成比例的一感测电压信号和一预设的峰值电压之间的相对大小关系决定所述切换周期内的导通时间之长度。

11.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于所述设定一参考电流之步骤包括：

感测所述电源转换器的一直流输入电压；以及

根据所述电源转换器的一预设输入功率与感测到的直流输入电压计算出所述参考电流。

12.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于所述设定一参考电流之步骤包括：

将所述参考电流设定为固定值。