CN103023357A

CN103023357A - 用于控制功率变换器的方法及功率变换器

Info

Publication number: CN103023357A
Application number: CN2012103041663A
Authority: CN
Inventors: 杨大勇; 林立; 唐岳弘
Original assignee: System General Corp Taiwan
Current assignee: Fairchild Taiwan Corp
Priority date: 2011-08-26
Filing date: 2012-08-24
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2032-08-24
Also published as: TW201320570A; US8934266B2; TWI469478B; CN103023357B; US20130051098A1

Abstract

本发明提供一种用于控制功率变换器的方法及功率变换器。此方法包含以下步骤；根据反馈信号以及斜坡信号产生切换信号，此切换信号经耦合以切换变压器以用于调节功率变换器的输出；根据切换电流信号以及斜率补偿信号产生斜坡信号；响应于输入电压信号而产生斜率补偿信号；响应于功率变换器的输入电压的电平而产生输入电压信号；反馈信号是根据功率变换器的输出产生，且切换电流信号与变压器的切换电流相关。

Description

用于控制功率变换器的方法及功率变换器

技术领域

本发明涉及用于功率变换器的自适应斜率补偿，尤其涉及一种用于控制功率变换器的方法及功率变换器。

背景技术

各种功率变换器已广泛地用以将来自电源的经调节电压以及电流提供到负载。为了安全起见，离线功率变换器必须在其初级侧与其次级侧之间提供隔离。在控制电路配备在功率变换器的初级侧的状况下，需要光耦合器以及次级侧调节器来调节功率变换器的输出电压以及输出电流。本发明的目标为提供用于在无需光耦合器以及次级侧调节器的情况下在初级侧控制功率变换器的输出电压以及输出电流的PWM控制器。因此，功率变换器的大小以及费用可减小。

发明内容

本发明提供一种用于控制功率变换器的方法及功率变换器。此方法包含以下步骤：根据反馈信号以及斜坡信号产生切换信号，此切换信号经耦合以切换变压器以用于调节功率变换器的输出；根据切换电流信号以及斜率补偿信号产生斜坡信号；响应于输入电压信号而产生斜率补偿信号；响应于功率变换器的输入电压的电平而产生输入电压信号；反馈信号是根据功率变换器的输出产生，且切换电流信号与变压器的切换电流相关。

在本发明的实施例中，斜率补偿信号与切换信号同步。

在本发明的实施例中，切换电流信号的电平是通过功率变换器的输入电压的电平控制。

在本发明的实施例中，输入电压信号是通过从变压器的绕组进行检测而产生。

在本发明的实施例中，此方法还包含以下步骤：限制切换信号的最大切换频率；响应于从变压器的绕组所检测的信号而接通切换信号。

本发明提供一种功率变换器，其包括控制电路、第一分压器以及变压器。控制电路产生切换信号；第一分压器耦合到控制电路；变压器耦合到第一分压器，变压器以及第一分压器响应于功率变换器的输入电压的电平而产生输入电压信号，切换信号经耦合以根据反馈信号以及斜坡信号切换变压器以用于调节功率变换器的输出；控制电路包含第二分压器以及信号产生单元；第二分压器根据切换电流信号以及斜率补偿信号产生斜坡信号；信号产生单元耦合到第二分压器，信号产生单元响应于输入电压信号而产生斜率补偿信号；反馈信号是根据功率变换器的输出产生，且切换电流信号与变压器的切换电流相关。

在本发明的实施例中，斜率补偿信号与切换信号同步。

在本发明的实施例中，控制电路还包含脉冲产生电路。脉冲产生电路响应于从变压器的绕组所检测的信号而接通切换信号，且脉冲产生电路包含振荡电路。振荡电路包含用于限制切换信号的最大切换频率的频率限制单元。

为了使本发明的前述以及其它特征以及优点易于理解，下文详细描述附有附图的若干示范性实施例。

附图说明

包含附图以提供对本发明的进一步理解，且附图并入在本说明书中且构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，且连同描述一起用以解释本发明的原理。

图1示出基于本发明的功率变换器的说明性实施例电路图；

图2示出图1的功率变换器的反馈方案示意图；

图3示出根据本发明的控制电路100的实施例电路图；

图4示出根据本发明的输入控制电路200的实施例电路图；

图5示出根据本发明的脉冲产生电路250的实施例电路图；

图6示出根据本发明的振荡电路300的实施例电路图。

附图标记说明：

10：变压器；

20：功率晶体管；

30：桥式整流器；

31、32：电阻器；

35、45、116、130、340：电容器；

40：整流器；

100：控制电路；

110：信号检测电路；

115：误差放大器；

135、136：电阻器；

120、281、375：反相器；

125、140、216、351、354、358：开关；

150、215、280、361、362、363：比较器；

170：触发器；

200：输入控制电路；

210：输入电压检测器；

218、219、359：电流源；

250：脉冲产生电路；

300：振荡电路；

365、366：“与非”门；

367、370、285：“与”门；

371：“或”门；

376：缓冲器；

400：功率变换器；

S_EN：启用信号；

S_C：充电信号；

S_D、S_DM：放电信号；

S_FD：快速放电信号；

S_W：切换信号；

S_H：控制信号；

I_C：充电电流；

I_D：放电电流；

I_P：切换电流；

I_M：调制信号；

V_T1、V_T2、V_H、V_L、V_HL：阈值；

V_AC：AC电压；

V_IN：DC输入电压；

V_B：反馈信号；

V_O：输出电压；

V_S：信号；

V_e：切换电流信号；

V_EA：误差放大器A(s)的输出信号；

V_R：误差放大器A(s)的参考电压；

V_REF：参考电压；

V_CC：系统电压；

V_M：斜率补偿信号；

V_ramp、RMP：斜坡信号；

R_e：电流感测电阻器；

PLS：脉冲信号。

具体实施方式

图1示出基于本发明的功率变换器的说明性实施例电路图。桥式整流器30连接到输入交流电压V_AC以及电容器35以将输入AC电压V_AC变换为DC输入电压V_IN。控制电路100产生用于通过功率晶体管20切换变压器10的切换信号S_W。切换信号S_W是根据反馈信号V_B(图2以及图3中所示)产生以用于调节功率变换器400的输出。变压器10的辅助绕组以及电阻器31以及32产生耦合到控制器100以用于产生反馈信号V_B的信号V_S。整流器40以及电容器45耦合到变压器10的次级绕组以用于产生功率变换器400的输出电压V_O。当切换信号S_W接通功率晶体管20时，变压器10的切换电流I_P以及电流感测电阻器R_e将产生耦合到控制器100以用于电流模式脉宽调制(pulsewidth modulation；PWM)的切换电流信号V_e。

图2示出图1的功率变换器的反馈方案示意图。β表示检测输出电压V_O的功能电路，且α表示根据误差放大器A(s)的输出信号V_EA产生反馈信号V_B的功能电路。V_R为误差放大器A(s)的参考电压。H(s)表示功率变换器400的输出的输出阻抗Z_O，其是通过电容器45以及功率变换器400的输出负载确定。块PWM(s)表示功率变换器400的切换级的传递函数(ΔVO/ΔVB)。

\frac{{&PartialD; V}_{O}}{{&PartialD; V}_{B}} = \frac{{&PartialD; V}_{O}}{{&PartialD; t}_{on}} \times \frac{{&PartialD; t}_{on}}{{&PartialD; V}_{B}}

V_{O} = I_{S} \times Z_{O} = \frac{N_{P}}{N_{S}} \times I_{P} \times Z_{O} = \frac{N_{P}}{N_{S}} \times \frac{V_{IN}}{L_{P}} \times \frac{t_{on}}{T} \times Z_{O}

V_{B} = V_{e} = I_{P} \times R_{e} + \frac{V_{SL}}{T} \times t_{on} = \frac{V_{IN}}{L_{P}} \times \frac{t_{on}}{T} \times R_{e} + \frac{V_{SL}}{T} \times t_{on}

\frac{{&PartialD; V}_{O}}{{&PartialD; V}_{B}} = \frac{N_{P}}{N_{S}} \times Z_{O} \times \frac{1}{R_{e} + \frac{V_{SL}}{(\frac{V_{IN}}{L_{P}})}} - - - (1)

其中t_on为切换信号S_W的接通时间；T为切换信号S_W的切换周期；N_P以及N_S为变压器10的初级以及次级绕组匝数；L_P为变压器10的初级绕组的电感；V_SL为斜率补偿信号V_M的部分值(part value)。

等式(1)表示PWM(s)传递函数的增益响应于输入电压V_IN量的增大而增大。因此，斜率补偿信号V_M的部分值V_SL经配置以响应于输入电压V_IN量的增大而增大，这会改善功率变换器400的反馈回路稳定性。

图3示出根据本发明的控制电路100的实施例电路图。信号检测电路110(在图3中表示为V_DET)经耦合以检测信号V_S以用于产生耦合到误差放大器115的VDET信号。误差放大器115包括参考电压V_REF。电容器116耦合到误差放大器115的输出以用于频率补偿。误差放大器115的输出产生耦合到比较器150以用于产生用于脉宽调制的复位信号的反馈信号V_B。

反馈信号V_B耦合到比较器150的负输入以与斜坡信号V_ramp比较，且产生对触发器170复位以用于切断切换信号S_W的信号。触发器170是通过脉冲信号PLS接通以用于产生切换信号S_W。脉冲信号PLS是由脉冲产生电路250响应于信号V_S而产生，信号V_S为变压器10的辅助绕组的信号。斜坡信号V_ramp是通过切换电流信号V_e以及斜率补偿信号V_M产生。输入控制电路200(在图3中表示为VIN_S)响应于DC输入电压V_IN的电平而产生调制信号I_M以及控制信号S_H。切换电流信号V_e经耦合以通过由电阻器135以及136所形成的分压器产生斜坡信号V_ramp。控制信号S_H经耦合以通过开关140控制分压器的比率。电容器130经耦合以接收调制信号I_M以用于产生斜率补偿信号V_M。切换信号S_W经耦合以通过开关125以及反相器120将斜率补偿信号V_M放电。因此，斜率补偿信号V_M响应于切换信号S_W而同步。斜率补偿信号V_M响应于调制信号I_M以及输入电压V_IN的增大而增大。

图4示出根据本发明的输入控制电路200的实施例电路图。输入电压检测器210经耦合以通过信号V_S检测输入电压V_IN以用于产生控制信号。此控制信号耦合到比较器215以与阈值V_T1比较且产生控制信号S_H。控制信号S_H经进一步耦合以控制开关216。当接通开关216时，调制信号I_M的值是由电流源218以及219形成。输入电压检测器210的详细操作可见于美国专利7,671,578“用于感测变压器的输入电压的检测电路(Detection circuit forsensing the input voltage of transformer)”的现有技术；以及美国专利7,616,461“通过切换电流斜率检测进行间接输入电压检测的控制方法以及电路(Control method and circuit with indirect input voltage detection by switchingcurrent slope detection)”。

图5示出根据本发明的脉冲产生电路250的实施例电路图。信号VS耦合到比较器280以与阈值V_T2比较，且一旦V_S低于阈值V_T2，则通过“与”门285产生启用信号S_EN。“与”门285的另一输入通过反相器281耦合到切换信号S_W。启用信号S_EN的启用指示变压器10完全去磁。当脉冲信号P_LS以及切换信号SW响应于启用信号S_EN的启用而产生时，功率变换器400在边界电流模式(boundary current mode；BCM)下操作。

图6示出根据本发明的振荡电路300的实施例电路图。充电电流I_C经耦合以通过开关351对电容器340充电。放电电流I_D经耦合以通过开关354对电容器340放电。开关351通过充电信号S_C控制。开关354通过放电信号S_DM控制。电容器340由此产生耦合到比较器361、362以及363的斜坡信号RMP。比较器361具有阈值V_H。比较器362具有阈值V_L。比较器363具有阈值V_HL，且阈值的电平为V_H＞V_HL＞V_L。“与非”门365、366形成经耦合以接收比较器361以及362的输出信号的闩锁电路(latch circuit)。闩锁电路输出放电信号S_D。放电信号S_D为最大频率信号。放电信号S_D以及比较器363的输出信号连接到“与”门367以用于产生放电信号S_DM。放电信号S_D连接到反相器375以产生充电信号S_C。充电信号S_C连接到缓冲器376以产生脉冲信号PLS。放电信号S_D进一步耦合到“与”门370以产生快速放电信号S_FD。快速放电信号S_FD以及启用信号S_EN连接到“或”门371。“或”门371的输出连接到“与”门370的另一输入。因此，一旦放电信号S_D被启用，则启用信号S_EN将触发快速放电信号S_FD。仅当放电信号S_D被停用时，才可切断快速放电信号S_FD。电流源359连接到开关358。开关358通过快速放电信号S_FD控制。由于电流源359的电流为高的，因此在快速放电信号S_FD被启用时，电容器340将立即放电。在放电周期期间，斜坡信号RMP保持于阈值V_HL的电平，直到启用信号S_EN开始快速放电信号S_FD为止。其用于BCM或DCM(不连续电流模式)操作。一旦电容器340放电而低于阈值V_L，则放电信号S_D将被停用。

因此一旦放电信号S_D被启用，则启用信号S_EN能够触发脉冲信号PLS。因此，充电电流I_C、放电电流I_D的电流、电容器340的电容以及阈值V_H、V_HL、V_L确定放电信号S_D的最大频率，且确定切换信号S_W的最大频率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种用于控制功率变换器的方法，其特征在于，包括：

根据反馈信号以及斜坡信号产生切换信号，所述切换信号经耦合以切换变压器以用于调节所述功率变换器的输出；

根据切换电流信号以及斜率补偿信号产生所述斜坡信号；

响应于输入电压信号而产生所述斜率补偿信号；以及

响应于所述功率变换器的输入电压的电平而产生所述输入电压信号，

其中所述反馈信号是根据所述功率变换器的所述输出产生，且所述切换电流信号与所述变压器的切换电流相关。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述斜率补偿信号与所述切换信号同步。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述切换电流信号的电平是通过所述功率变换器的所述输入电压的所述电平控制。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述输入电压信号是通过从所述变压器的绕组进行检测而产生。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

限制所述切换信号的最大切换频率；

响应于从所述变压器的绕组所检测的信号而接通所述切换信号。

6.一种功率变换器，其特征在于，包括：

控制电路，其产生切换信号；

第一分压器，其耦合到所述控制电路；以及

变压器，其耦合到所述第一分压器，其中所述变压器以及所述第一分压器响应于所述功率变换器的输入电压的电平而产生输入电压信号，且所述切换信号经耦合以根据反馈信号以及斜坡信号切换所述变压器以用于调节所述功率变换器的输出，

其中所述控制电路包括：

第二分压器，其中所述第二分压器根据切换电流信号以及斜率补偿信号产生所述斜坡信号；以及

信号产生单元，其耦合到所述第二分压器，其中所述信号产生单元响应于所述输入电压信号而产生所述斜率补偿信号，

7.根据权利要求6所述的功率变换器，其特征在于，所述斜率补偿信号与所述切换信号同步。

8.根据权利要求6所述的功率变换器，其特征在于，所述切换电流信号的电平是通过所述功率变换器的所述输入电压的所述电平控制。

9.根据权利要求6所述的功率变换器，其特征在于，所述输入电压信号是通过从所述变压器的绕组进行检测而产生。

10.根据权利要求6所述的功率变换器，其特征在于，所述控制电路还包括：

脉冲产生电路，其响应于从所述变压器的绕组所检测的信号而接通所述切换信号，且所述脉冲产生电路包括振荡电路，

其中所述振荡电路包括用于限制所述切换信号的最大切换频率的频率限制单元。