CN102857126A - 功率转换器的控制电路 - Google Patents

Abstract

一种用于功率转换器的控制电路，其包括切换电路、输入电压检测电路以及电流限定阈值。切换电路根据反馈信号来生成切换信号，其用来切换功率转换器的变压器以调节功率转换器的输出。当功率转换器的输入电压低于低电压阈值时，输入电压检测电路生成控制信号。反馈信号依据功率转换器的输出而生成。切换信号的最大工作周期依据控制信号而增加。流经变压器的切换电流的最大值由电流限制阈值所限制。电流限定阈值依据控制信号而增加。功率转换器的输入没有耦接任何大型电解电容器。

Description

功率转换器的控制电路

技术领域

本发明涉及一种离线功率转换器，特别涉及一种离线功率转换器的控制电路。

背景技术

在传统的离线功率转换器（offline power converter）中，桥式整流器用来将交流输入电压（alternating current（AC）input voltage）整流为脉动直流输入电压（pulsating direct current（DC）input voltage）。一输入电容器（例如大型电解电容器（electrolytic bulk capacitor）通常应用于桥式整流器的输出，以将脉动直流输入电压滤波成为具有小纹波的较平滑输入电压。此大型电容器用来储存能量，且提供最小输入电压以保证离线功率转换器的适当操作。然而，与传统技术比较起来，在不具有大型电容器提供之滤波操作下，脉动直流输入电压将会导致较高的输出线纹波(line ripple)以及非线性的功率转换操作。此外，大型电容器通常占用功率转换器中较大的空间。当排除使用大型电容器时，功率转换器将具有较长寿命、较小尺寸以及大幅降低的制造成本等的优点。因此，业界期望提供一种控制电路，其能调节功率转换器的输出而不需要连接于功率转换器的输入的大型电容器。

发明内容

本发明提供一种用于功率转换器的控制电路。此控制电路包括切换电路、输入电压检测电路以及电流限定阈值。切换电路根据反馈信号来生成切换信号。此切换信号用来切换功率转换器的变压器以调节功率转换器的输出。当功率转换器的输入电压低于低电压阈值时，输入电压检测电路生成控制信号。反馈信号依据功率转换器的输出而生成。切换信号的最大工作周期依据控制信号而增加。流经变压器的切换电流的最大值由电流限制阈值所限制。电流限定阈值依据控制信号而增加。功率转换器的输入没有耦接任何大型电解电容器。输入电压检测电路通过变压器来检测功率转换器的直流输入电压。功率转换器的输入电压与功率转换器的直流输入电压相关联。

本发明提供一种用于功率转换器的控制电路。此控制电路包括切换电路、输入电压检测电路、阈值生成电路以及最大工作周期电路。切换电路据反馈信号来生成切换信号。此切换信号用来切换功率转换器的变压器以调节功率转换器的输出。当功率转换器的输入电压低于低电压阈值时，输入电压检测电路生成控制信号。阈值生成电路生成电流限定阈值，以限制流经变压器的切换电流的最大值。反馈信号依据功率转换器的输出而生成。电流限定阈值依据控制信号而增加。最大工作周期电路生成最大工作周期信号，以限制切换信号的最大工作周期。切换信号的最大工作周期依据控制信号而增加。功率转换器的输入没有耦接任何大型电解电容器。输入电压检测电路通过变压器来检测功率转换器的直流输入电压。功率转换器的输入电压与功率转换器的直流输入电压相关联。

本发明提供一种用于离线功率转换器的控制电路。此控制电路包括切换电路、输入电压检测电路、阈值生成电路以及最大工作周期电路。切换电路根据反馈信号来生成切换信号。此切换信号用来切换离线功率转换器的变压器以调节离线功率转换器的输出。当离线功率转换器的输入电压低于输入电压阈值时，输入电压检测电路生成控制信号。阈值生成电路生成电流限定阈值，以限制流经变压器的切换电流的最大值。最大工作周期电路生成最大工作周期信号，以限制切换信号的最大工作周期。反馈信号依据离线功率转换器的输出而生成。电流限定阈值依据控制信号而增加。切换信号的最大工作周期依据控制信号而增加。离线功率转换器的输入没有耦接任何大型电解电容器。输入电压检测电路通过变压器来检测离线功率转换器之该输入电压。

附图说明

图1表示离线功率转换器，其不具有连接功率转换器的输入的大型电容器；

图2表示图1中功率转换器的控制电路的实施例；

图3表示图2中控制电路的信号生成电路的实施例；

图4表示图3中信号生成电路的阈值的强度以及输入电压与控制信号之波形；

图5表示初级侧控制功率转换器，其不具有耦接初级侧控制功率转换器的输入的大型电容器；以及

图6表示图5中初级侧控制功率转换器的控制电路的实施例。

【主要组件符号说明】

图1：

10～变压器；        20～功率开关；

30～感测电阻器；    31～检测电阻器；

35～桥式整流器；    40～整流器；

45～输出电容器；    50～光耦合器；

52～电阻器；

60～电压调节器（基纳二极管）；

100～控制电路；     I_P～切换电流；

N_A～辅助绕组；      N_P～初级侧绕组；

N_S～次级侧绕组；    S_W～切换信号；

V_AC～交流输入电压； V_FB～反馈信号；

V_I～电流感测信号；  V_IN～直流输入电压；

V_O～输出电压；      V_S～检测信号；

图2：

100～控制电路；    110～晶体管；

115、116、117～电阻器；

150、151～比较器；      153、175～与门；

160～脉冲生成电路；     170～触发器；

200～信号生成电路；     PLS～脉冲信号；

S_M～最大工作周期信号；  S_RST1～第一重置信号；

S_RST2～第二重置信号；   S_W～切换信号；

S_X～驱动信号；          V_B～反馈电压；

V_CC～供应电压；         V_I～电流感测信号；

V_FB～反馈信号；         V_S～检测信号；

V_T～过电流阈值；

图3：

200～信号生成电路；     210～输入电压检测器；

215～比较器；           216～反相器；

225、226～电流源；    220～开关；

227～电阻器；         240～反相器；

235、236～电流源；    230～开关；

241～晶体管；         237～电容器；

245～比较器；         S_IN～控制信号；

S_M～最大工作周期信号；S_X～驱动信号；

V_CC～供应电压；       V_INX～输入电压；

V_S～检测信号；        V_T～过电流阈值；

V_T1～低输入阈值；     V_T2～阈值；

图4：

S_IN～控制信号；       V_INX～输入电压；

V_T1～低输入阈值；

图5：

10～变压器；        20～功率开关；

30～感测电阻器；    31～检测电阻器；

32～电阻器；        35～桥式整流器；

40～整流器；        45～输出电容器；

500～控制电路；     I_P～切换电流；

N_A～辅助绕组；      N_P～初级侧绕组；

N_S～次级侧绕组；    S_W～切换信号；

V_AC～交流输入电压； V_I～电流感测信号；

V_IN～直流输入电压； V_O～输出电压；

V_S～检测信号；

图6：

200～信号生成电路；    500～控制电路；

510～反射电压检测器；  515～误差放大器；

516～滤波器；          550、551～比较器；

553、575～与门；       560～脉冲生成电路；

570～触发器；          PLS～脉冲信号；

S_M～最大工作周期信号； S_W～切换信号；

S_X～驱动信号；         V_B～反馈电压；

V_CC～供应电压；        V_fb～反馈信号；

V_I～电流感测信号；     V_REF～参考电压；

V_S～检测信号；         V_T～过电流阈值。

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，下文特举一优选实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

图1是表示离线功率转换器，其不具有连接离线功率转换器的输入的大型电容器（bulk capacitor），例如电解电容器（electrolytic capacitor）。参阅图1，功率转换器包括桥式整流器35、变压器10、功率开关20、感测电阻器30、控制电路100、检测电阻器31、整流器40、输出电容器45以及反馈电路。变压器10具有初级侧绕组N_P、次级侧绕组N_S以及辅助绕组N_A。反馈电路包括电阻器52、电压调节器（基纳二极管）60以及光耦合器50。桥式整流器35将一交流输入电压（alternating current（AC）input voltage）V_AC转换为一直流输入电压（direct current(DC)input voltage）V_IN。控制器100生成切换信号S_W，其通过功率开关20来切换变压器10。流经电压器10的切换电流I_P生成跨于电流感测装置（例如感测电阻器30）的电流感测信号V_I。检测电阻器31耦接变压器10的辅助绕组N_A，以获得检测信号V_S。检测信号V_S施加至控制电路100的检测端VS。切换信号S_W根据反馈信号V_FB而生成，以调节功率转换器的输出。反馈信号V_FB通过电阻器52、电压调节器60以及光耦合器50而自功率转换器的输出而获得。整流器40以及输出电容器45耦接变压器10的次级侧绕组N_S，以在功率转换器的输出生成输出电压V_O。

功率转换器的输出功率P_O可表示如下：

$P=\frac{1}{2}\×L_P\×{I_P}^2\×F_W$

$I_P=\frac{V_{\mathrm{IN}}\×T_{\mathrm{ON}}}{L_P}$

$P_O=V_O\×I_O=\frac{{V_{\mathrm{IN}}}^2\×{T_{\mathrm{ON}}}^2}{2\×L_P\×T}---\left(1\right)$

$P_O=V_O\×I_O=\frac{{V_{\mathrm{IN}}}^2\×{T_{\mathrm{ON}}}^2}{2\×L_P\×T}+[V_{\mathrm{IN}}\×I_A\×\left(\frac{T_{\mathrm{ON}}}{T}\right)]---\left(2\right)$

其中，V_IN表示直流输入电压V_IN的电平，T_ON表示切换信号S_W的接通时间，L_P表示变压器10的初级侧绕组N_P的电感值，T表示切换信号S_W的切换周期，F_W表示切换信号S_W的切换频率，且I_A表示当下一切换周期开始时存在于变压器10内的连续电流（能量）。

式（1）表示操作在非连续电流模式（discontinuous-current mode，DCM）和/或边界电流模式（boundary-current mode，BCM）下的功率转换器的输出功率P_O。式（2）表示操作在连续电流模式（continuous-current mode，CCM）下的功率转换器的输出功率P_O。

对于大多述的功率转换器而言，切换信号S_W的最大接通时间T_ON受到限制以避免变压器10饱和。因此，一旦直流输入电压V_IN变低时，功率转换器的输出功率P_O（输出电压V_O）将变为较低，这将导致较高的输出纹波（线纹波）。本发明提供一种控制电路，其可减少输出纹波而不会使变压器饱和。

图2是表示根据本发明实施例的控制电路100。控制电路100包括电平移位电路、脉冲生成电路160、信号生成电路200以及切换电路。电平移位电路包括晶体管110以及电阻器115、116、与117。切换电路包括比较器150与151、与门153与175以及触发器170。反馈信号V_FB施加至晶体管110的栅极。电阻器115的第一端以及晶体管110的漏极被施加控制电路100的供应电压V_CC。电阻器116与117串联于晶体管110的源极与参考接地之间。反馈电压V_B根据在晶体管110的栅极上的反馈信号V_FB而生成于电阻器116与117之间的共同连接点。反馈电压V_B施加至比较器150的正端。电流感测信号V_I施加至比较器150与151的负端。信号生成电路200根据检测信号V_S来生成过电流阈值V_T。过电流阈值V_T是一电流限定阈值，用来限制流经变压器10的切换电流I_P的最大值。过电流阈值V_T施加至比较器151的正端。比较器150比较反馈电压V_B与电流感测信号V_I以生成第一重置信号S_RST1。比较器151比较过电流阈值V_T与电流感测信号V_I以生成第二重置信号S_RST2。第一重置信号S_RST1与第二重置信号S_RST2施加至与门153的输入。与门153的输出连接触发器170的重置端。一旦第一重置信号S_RST1或第二重置信号S_RST2变为逻辑低电平，触发器170将被重置。脉冲生成电路160生成脉冲信号PLS以启用触发器170。触发器170生成驱动信号S_X。信号生成电路200根据检测信号V_S以及驱动信号S_X来生成最大工作周期信号S_M。最大工作周期信号S_M以及驱动信号S_X施加至与门175的输入以生成切换信号S_W。当电流感测信号V_I大于反馈电压V_B时，与门153的输出将根据第一重置信号S_RST1来重置触发器170，以禁用驱动信号S_X。触发器170被脉冲信号PLS所启用，以生成驱动信号S_X以及切换信号S_W。一旦电流感测信号V_I大于过电流阈值V_T时，驱动信号S_X以及切换信号S_W则进一步被禁用。

当功率转换器操作在边界电流模式以及连续电流模式时，输出电压V_O可表示为：

$V_{\mathrm{IN}}\×T_{\mathrm{ON}}=V_O\×\frac{N_P}{N_S}(T-T_{\mathrm{ON}})$

$V_O=V_{\mathrm{IN}}\×\frac{N_S}{N_P}\×\left(\frac{T_{\mathrm{ON}}}{T-T_{\mathrm{ON}}}\right)$

$\frac{\∂V_O}{\∂T_{\mathrm{ON}}}=V_{\mathrm{IN}}\×\frac{N_S}{N_P}\×[\left(\frac{1}{T-T_{\mathrm{ON}}}\right)+\frac{T_{\mathrm{ON}}}{{(T-T_{\mathrm{ON}})}^2}]$

$\frac{\∂V_O}{\∂T_{\mathrm{ON}}}=V_{\mathrm{IN}}\×\frac{N_S}{N_P}\×\left[\frac{T}{{(T-T_{\mathrm{ON}})}^2}\right]---\left(3\right)$

其中，表示进入至变压器10的磁通量，以及

表示释放自变压器10的磁通量。

式（1）与（2）表示出功率转换器的输出功率P_O由直流输入电压V_IN以及接通时间T_ON所支配。在直流输入电压V_IN相对低的情况下，较高的工作周期（T_ON/T）可增加输出功率P_O。然而，在回路稳定方面，式（3）表示出较高的工作周期和/或较高的直流输入电压V_IN将导致高回路增益。高回路增益可能导致反馈回路的稳定性问题。因此，根据本发明，当直流输入电压V_IN低于一低输入阈值V_T1时，控制电路100将增加切换信号S_W的最大接通时间T_ON以减少输出纹波。此外，一旦直流输入电压V_IN低于低输入阈值VT₁时，过电流阈值V_T将增加以允许较高的切换电流I_P。较高的切换电流I_P可传送较高的输出功率P_O以减少线纹波，尤其是对于操作在连续电流模式下的功率转换器而言更是如此。

图3是表示根据本发明实施例信号生成电路200。信号生成电路200包括输入电压检测器210、比较器215、阈值生成电路以及最大工作周期电路。阈值生成电路包括反相器216、电流源225与226、开关220以及电阻器227。最大工作周期电路包括反相器240、电流源235与236、开关230、晶体管241、电容器237以及比较器245。输入电压检测器210以及比较器215形成输入电压检测电路。输入电压检测器210藉由接收检测信号V_S来检测直流输入电压V_IN以生成输入电压V_INX。输入电压V_INX的强度与输入电压V_IN的强度相关联。输入电压检测器210的详细操作可参见编号为7,671,578且名称为“Detection Circuit for Sensing the Input Voltage of Transformer”的美国专利以及编号为7,616,461且名称为“Control Method and Circuit with Indirect InputVoltage Detection by Switching Current Slope Detection”的美国专利，在此将省略叙述。输入电压V_INX更耦接比较器215以与低输入阈值V_T1进行比较，进而生成控制信号S_IN。当输入电压V_INX大于低输入阈值V_T1时，控制信号S_IN将变为逻辑高电平；反之，控制信号S_IN则将变为逻辑低电平。控制信号S_IN通过反相器216控制开关220。电流源250、开关220以及电阻器227串联于供电电压V_CC与参考接地之间。电流源226耦接于供电电压V_CC与开关220和电阻器227的共同连接点之间。过电流阈值V_T生成于开关220和电阻器227的共同连接点。当输入电压V_INX高于低输入阈值V_T1时，控制信号S_IN将变为逻辑高电平，且过电流阈值V_T的第一强度由电流源226以及电阻器227所决定。当输入电压V_INX低于低输入阈值V_T1时，控制信号S_IN将变为逻辑低电平，且过电流阈值V_T的第二强度由电流源225与226以及电阻器227所决定。过电流阈值V_T的第二强度大于过电流阈值V_T的第一强度。这表示，当输入电压V_INX低于低输入阈值V_T1时，可获得较高的过电流阈值V_T。

电流源235、开关230以及晶体管241串联于供电电压V_CC与参考接地之间。电流源236耦接于供电电源V_CC与开关230和晶体管241的共同连接点之间。电容器237耦接于开关230和晶体管241的共同连接点与参考接地之间。驱动信号S_X通过反相器240来控制晶体管241。当控制信号S_IN变为被禁用（逻辑低电平）且驱动信号S_X正被启用（逻辑高电平）时，电容器237由电流源236充电。当控制信号S_IN被启用（逻辑高电平）时，开关230将接通，且电容器237将同由电流源235与236充电。当驱动信号S_X被禁用时，电容器237将立刻放电。跨于电容器237的电压施加至比较器245的负端。比较器245的正端被施加阈值V_T2。比较器245藉由比较跨于电容器237的电压与阈值V_T2来生成最大工作周期信号S_M。控制信号S_IN耦合以控制开关230以编程最大工作周期信号S_M。切换信号S_W的最大工作周期依据控制信号S_IN而增加。每当驱动信号S_X被启用时，最大工作周期信号S_M被启用。当输入电压V_INX高于低输入阈值V_T1时，电容器237以及电流源235与236决定了最大工作周期信号S_M的脉冲宽度。一旦当输入电压V_INX低于低输入阈值V_T1时，将只有电容器237以及电流源236来决定最大工作周期信号S_M的脉冲宽度，因此，当输入电压V_INX低于低输入阈值V_T1时，可获得具有较宽脉冲宽度的最大工作周期信号S_M与切换信号S_W。

图4是表示阈值V_T1的强度以及输入电压V_IN与控制信号S_IN的波形。当输入低输入阈值V_T1减少时，控制信号S_IN的脉冲宽度增加；反之，控制信号S_IN的脉冲宽度则减少。

图5表示初级侧控制功率转换器，其不具有耦接初级侧控制功率转换器的输入的大型电容器。不同于图1的实施例，表示输出电压V_O的反馈信号获得自耦接变压器10的辅助绕组N_A的分压器。此分压器由电阻器31与32所形成。控制电路500根据来自变压器10的辅助绕组N_A的检测信号V_S来生成切换信号S_W。

图6是表示根据本发明实施例的控制电路500。控制电路500包括反射电压检测器510、误差放大器515、滤波器516、脉冲生成电路560、信号生成电路200以及切换电路。切换电路包括比较器550与551、与门553与575以及触发器570，且其操作如同图2的切换电路。反射电压检测器510藉由对检测信号V_S进行取样以生成反馈信号V_fb，且将其施加至误差放大器515的负端。初级侧控制功率转换器的详细操作可参见编号为7,016,204且名称为“Close-loop PWM Controller for Primary-side Controlled Power Converters”的美国专利。

误差放大器515的正端接收参考电压V_REF。误差放大器515的输出通过滤波器516而生成反馈电压V_B。反馈电压V_B施加至比较器550以与电流感测信号V_I进行比较，进而通过与门553与触发器570来禁用驱动信号S_X。触发器570所生成的驱动信号S_X施加至与门575的一输入。与门575的另一输入接收最大工作周期信号S_M。与门575的输出生成切换信号S_W。信号生成电路200依据检测信号V_S而生成最大工作周期信号S_M。触发器570由脉冲信号PLS来启用，以通过与门575来生成切换信号S_W。脉冲信号PLS由脉冲生成电路560所生成。信号生成电路200生成过电流阈值V_T。一旦过电流感测信号V_I高于过电流阈值V_T时，驱动信号S_X以及切换信号S_W更可被禁用。过电流阈值V_T用来限制切换电流I_P的最大值。比较器551接收电流感测信号V_I与过电流阈值V_T，以通过与门553来禁用触发器570。

本发明虽以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明的范围，本领域技术人员，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权利要求书界定范围为准。

Claims (11)

1.一种功率转换器的控制电路，包括：

切换电路，根据反馈信号来生成切换信号，所述切换信号用来切换所述功率转换器的变压器以调节所述功率转换器的输出；以及

输入电压检测电路，当所述功率转换器的输入电压低于低电压阈值时生成控制信号；

其中，所述反馈信号依据所述功率转换器的输出而生成，且所述切换信号的最大工作周期依据所述控制信号而增加。

2.如权利要求1所述的功率转换器的控制电路，其中，流经所述变压器的切换电流的最大值由电流限制阈值所限制，且所述电流限定阈值依据所述控制信号而增加。

3.如权利要求1所述的功率转换器的控制电路，其中，所述功率转换器的输入没有耦接任何大型电解电容器。

4.如权利要求1所述的功率转换器的控制电路，其中，所述输入电压检测电路通过所述变压器来检测所述功率转换器的直流输入电压，且所述功率转换器的所述输入电压与所述功率转换器的所述直流输入电压相关联。

5.一种功率转换器的控制电路，包括：

切换电路，根据反馈信号来生成切换信号，所述切换信号用来切换所述功率转换器的变压器以调节所述功率转换器的输出；

输入电压检测电路，当所述功率转换器的输入电压低于低电压阈值时生成控制信号；以及

阈值生成电路，生成电流限定阈值，以限制流经所述变压器的切换电流的最大值；

其中，所述反馈信号依据所述功率转换器的输出而生成，且所述电流限定阈值依据所述控制信号而增加。

6.如权利要求5所述的功率转换器的控制电路，还包括：

最大工作周期电路，生成最大工作周期信号，以限制所述切换信号的最大工作周期；

其中，所述切换信号的所述最大工作周期依据所述控制信号而增加。

7.如权利要求5所述的功率转换器的控制电路，其中，所述功率转换器的输入没有耦接任何大型电解电容器。

8.如权利要求5所述的功率转换器的控制电路，其中，所述输入电压检测电路通过所述变压器来检测所述功率转换器的直流输入电压，且所述功率转换器的所述输入电压与所述功率转换器的所述直流输入电压相关联。

9.一种离线功率转换器的控制电路，包括：

切换电路，根据反馈信号来生成切换信号，所述切换信号用来切换所述离线功率转换器的变压器以调节所述离线功率转换器的输出；

输入电压检测电路，当所述离线功率转换器的输入电压低于输入电压阈值时生成控制信号；

阈值生成电路，生成电流限定阈值，以限制流经所述变压器的切换电流的最大值；以及

最大工作周期电路，生成最大工作周期信号，以限制所述切换信号的最大工作周期；

其中，所述反馈信号依据所述离线功率转换器的输出而生成，所述电流限定阈值依据所述控制信号而增加，且所述切换信号的所述最大工作周期依据所述控制信号而增加。

10.如权利要求9所述的离线功率转换器的控制电路，其中，所述离线功率转换器的输入没有耦接任何大型电解电容器。

11.如权利要求9所述的离线功率转换器的控制电路，其中，所述输入电压检测电路通过所述变压器来检测所述离线功率转换器的所述输入电压。

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