CN103401425A

CN103401425A - 用于功率转换器的控制电路和数字功率控制电路

Info

Publication number: CN103401425A
Application number: CN2013102192105A
Authority: CN
Inventors: 杨大勇; 竺培圣; 徐易民; 叶忠辉
Original assignee: System General Corp Taiwan
Current assignee: Fairchild Taiwan Corp
Priority date: 2012-06-06
Filing date: 2013-06-04
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2033-06-04
Also published as: US20130329464A1; CN103401425B; TW201406023A

Abstract

本发明提供一种用于功率转换器的控制电路和数字功率控制电路。所述控制电路包括微控制器、振荡电路、模数转换器和信号产生器。所述微控制器包括闪存。所述振荡电路包括用于产生时钟信号的锁相回路。所述模数转换器对应于所述功率转换器的输出而产生用于所述微控制器的数字反馈信号。所述信号产生器经配置以接收所述时钟信号和所述微控制器的数据来产生切换信号。所述切换信号经配置以对应于所述功率转换器的输出而切换变压器，来调节所述功率转换器的输出。

Description

用于功率转换器的控制电路和数字功率控制电路

技术领域

本发明涉及功率转换器，且更明确地说，涉及用于功率转换器的控制电路和数字功率控制控制电路。

背景技术

功率转换器是用于将电能从一种形式转换为另一种形式（即，在AC与DC之间转换）或仅改变电压或频率或进行这些操作的某一组合的电气装置或机电装置。功率转换器可如同改变AC功率的电压的变压器一样简单，还可包含更加复杂的系统。如今，功率转换器需要微控制器来实现较少能量损失、较佳性能和完全保护。

发明内容

本发明提供一种用于功率转换器的控制电路和数字功率控制电路。

本发明提供一种用于功率转换器的控制电路。所述控制电路包括微控制器、振荡电路、模数转换器和信号产生器。所述微控制器包括闪存。所述振荡电路包括用于产生时钟信号的锁相回路。所述模数转换器耦接到所述功率转换器的输出，且产生用于所述微控制器的数字反馈信号。所述信号产生器经配置以接收所述时钟信号和所述微控制器的数据来产生切换信号。所述微控制器控制所述切换信号，且所述切换信号经配置以切换变压器来调节所述功率转换器的所述输出。

从另一观点来看，本发明还提供一种用于功率转换器的数字功率控制电路。所述数字功率控制电路包括微控制器、振荡电路、信号检测电路和信号产生器。所述微控制器包含闪存。所述振荡电路包含用于产生时钟信号的锁相回路。所述信号检测电路耦接到所述功率转换器的输出，且经配置以产生反馈信号。所述信号产生器经配置以接收所述时钟信号和所述反馈信号来产生切换信号。所述微控制器控制所述切换信号，且所述切换信号经配置以切换变压器来调节所述功率转换器的所述输出。

附图说明

图1示出说明根据本发明的功率转换器的一个实施例的示意图；

图2A示出根据本发明的切换信号OA和OB的波形示意图；

图2B示出根据本发明的切换信号OA、OB和信号DET1、PWM1的波形示意图；

图3示出说明根据本发明的控制器的一个实施例的方块图；

图4示出说明根据本发明的信号产生器的一个实施例的方块图；

图5示出说明根据本发明的脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation；PWM）电路的一个实施例的电路图；

图6示出说明根据本发明的PWM信号产生器的一个实施例的电路图；

图7示出说明根据本发明的保护电路的一个实施例的电路图；

图8示出说明根据本发明的信号检测电路的一个实施例的电路图；

图9示出根据本发明的切换信号OA、OB和切换电流I_P的波形示意图；

图10示出说明根据本发明的振荡电路的一个实施例的方块图；

图11示出说明根据本发明的参考信号产生器的一个实施例的电路图。

附图标记说明：

10：变压器；

15：驱动器变压器；

19：电流变压器；

20：晶体管；

25：晶体管；

30：电容器；

35：电感器；

40：电容器；

45：二极管；

46：二极管；

50：晶体管；

55：整流器；

60：晶体管；

65：整流器；

71：电阻器；

72：电阻器；

80：高速桥式整流器；

81：电阻器；

85：电阻器；

86：电容器；

100：控制器；

110：微控制器；

112：闪存；

150：信号产生器；

160：计时器A；

170：计时器B；

180：计时器D；

190：逻辑电路；

191：与门；

192：与门；

195：脉冲产生电路；

200：脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation；PWM）电路；210：计时器；

211：反相器；

215：寄存器；

220：计时器；

221：反相器；

225：寄存器；

230：PWM信号产生器；

231：比较器；

232：与门；

235：去抖动电路；

237：双稳态触发器；

239：与门；

241：比较器；

242：与门；

245：去抖动电路；

247：双稳态触发器；

249：与门；

250：PWM1计时器；

255：数字比较器；

260：PWM2计时器；

265：数字比较器；

270：寄存器；

280：逻辑电路；

281：与门；

282：与门；

300：保护电路；

310：比较器；

311：比较器；

315：去抖动电路；

316：去抖动电路；

325：双稳态触发器；

330：监视计时器；

335：或门；

340：解码器；

345：反相器；

350：信号检测电路；

370：解码器；

360：多路复用器；

362：采样保持电路；

365：模数转换器；

500：振荡电路；

510：振荡器；

511：寄存器；

512：寄存器；

520：压控振荡器；

525：计数器；

530：相位比较器；

535：低通滤波器；

600：参考信号产生器；

610：带隙产生器；

620：数模转换器；

630：寄存器；

CK：时钟信号；

DB：数据总线；

DET1：信号；

DET2：信号；

E_{N_a}：信号；

E_{N_b}：信号；

E_{N_d}：信号；

F₀：振荡信号；

F_N：经分频的时钟信号；

INT：中断信号；

I_P：切换电流；

OA：切换信号；

OB：切换信号；

OVF：溢出信号；

PWM1：信号；

PWM2：信号；

RST：复位信号；

S₁：信号；

S₂：信号；

S_A：信号；

S_B：信号；

S_D：信号；

S_D1：触发信号；

S_D2：触发信号；

S_FLH：数据；

S_O1：停止信号；

S_O2：停止信号；

S_PX：错误信号；

S_T1：开始信号；

S_T2：开始信号；

STORE：信号；

T_A：切换信号OA的接通时间周期；

T_B：切换信号OB的接通时间周期；

T_D：切换信号OA与OB之间的死区时间周期；

T_DB：去抖动时间周期；

T_PWM：信号PWM1的脉宽；

T_R：时间；

V_BG：带隙电压；

V_CS：电流信号；

V_FB：反馈信号；

V_IN：输入电压；

V_O：输出电压；

V_OI：电流信号；

V_OV：信号；

V_REF：参考信号；

V_T1：阈值；

V_T2：阈值；

V_T4：阈值；

V_TN……V_T0：阈值信号；

V_TN：参考信号；

W₁：修整数据信号；

W_A：频率选择信号；

W_B：频率选择信号；

X：信号；

Y：信号。

具体实施方式

下文描述的实施例的本发明提供用于功率转换器的具有嵌入式微控制器的数字控制电路。数字控制电路减小微控制器的负载，且提供实时操作以实现较佳性能和完全保护。

图1示出说明根据本发明的功率转换器的一个实施例的示意图。晶体管20和25经由电容器30和电感器35而切换变压器10。在图1中，晶体管20的漏极接收输入电压V_IN。电容器30和电感器35形成谐振槽（resonant tank）。电感器35可表示为变压器10的一部分，诸如，变压器10的漏电感（leakageinductance）。变压器10的二次绕组（secondary winding）经由整流器55和65而在电容器40处产生输出电压V_O。晶体管50和60分别连接到整流器55和65以进行同步整流。整流器55和65可分别为晶体管50和60的体二极管（bodydiode）。根据输出电压V_O，电阻器71和72形成分压器以产生耦接到控制器100的反馈信号V_FB。根据反馈信号V_FB，控制器100产生切换信号OA、OB，所述切换信号OA、OB经耦接以经由驱动器变压器15而控制晶体管20、25。切换信号OA、OB的频率将决定谐振功率转换器的输出功率。

二极管45连接到整流器（rectifier）55，以产生耦接到控制器100的信号DET1。二极管46连接到整流器65，以产生耦接到控制器100的信号DET2。在晶体管50切断时，信号DET1的下拉状态指示整流器55仍接通。根据切换信号OA、OB和/或信号DET1、DET2的状态，控制器100产生脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation；PWM）信号PWM1和PWM2以分别控制同步整流晶体管50和60。

耦接到变压器10的电流变压器19检测变压器10的切换电流I_P，且根据信号X和Y经由高速桥式整流器80和电阻器81而产生电流信号V_CS。经由电阻器85和电容器86，根据电流信号V_CS而进一步产生电流信号V_OI，以用于过电流保护。电流信号V_CS和V_OI耦接到控制器100。信号V_OV进一步耦接到控制器100，以用于过电压保护。信号V_OV的电平与输出电压V_O的电平相关。

图2A示出根据本发明的切换信号OA和OB的波形示意图。切换信号OA的接通时间周期表示为T_A。切换信号OB的接通时间周期表示为T_B。T_D为切换信号OA与OB之间的死区时间（dead-time）周期。切换信号O_A和O_B的频率、工作循环（duty-cycle）和脉宽（pulse width）可经由计时器来编程。

图2B示出根据本发明的切换信号OA、OB和信号DET1、PWM1的波形示意图。在切换信号OA被“拉高”和/或信号DET1被“拉低”时，则将产生信号PWM1以接通晶体管50来进行同步整流。T_DB是去抖动（de-bounce）时间周期，所述去抖动时间周期经提供以确保信号DET已拉低。信号PWM1的脉宽T_PWM可由计时器来编程。另一计时器将记录从“信号PWM1的切断”开始到“信号DET1的拉高”的时间T_R。这意味着时间T_R记录从“晶体管50的切断”到“整流器55的切断”的周期。时间T_R用于对脉宽T_PWM编程以优化同步整流。

图3示出说明根据本发明的控制器的一个实施例的方块图。控制器100包含具有闪存112的微控制器（MCU）110。闪存112包含程序存储器、数据存储器和校准存储器。振荡电路（OSC）500产生时钟信号CK。参考信号产生器（REF）600产生参考信号，诸如，V_REF、V_TN等。闪存112的校准存储器经配置以校准振荡电路500和参考信号产生器600的输出。在通电之后，闪存112的校准存储器的数据S_FLH将存储到振荡电路500和参考信号产生器600中。例如，控制器100是集成电路（IC）。校准存储器在控制器100的大规模生产期间编程到闪存112中。

经由数据总线DB，微控制器110控制信号产生器150以产生切换信号OA、OB和中断信号INT。中断信号INT经配置以回应于切换信号OA、OB的下降沿而中断微控制器110。脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation；PWM）电路200经耦接以回应于切换信号OA、OB和/或信号DET1、DET2而产生信号PWM1、PWM2。信号PWM1、PWM2的脉宽可由微控制器110编程。保护电路300产生复位信号RST，所述复位信号RST经配置以在信号V_OV高于阈值、信号V_OI高于另一阈值或监视计时器（watchdog timer）溢出（overflow）时切断切换信号OA、OB和信号PWM1、PWM2。信号检测电路350经配置以将反馈信号V_FB、电流信号V_CS和V_OI转换为用于微控制器110的数字数据。

图4示出说明根据本发明的信号产生器的一个实施例的方块图。信号产生器150包含用于确定切换信号OA的接通时间周期T_A（图2A所示）的计时器A160、用于确定切换信号OB的接通时间周期T_B的计时器B170和用于确定死区（dead-time）时间周期T_D的计时器D180。例如，计时器A160和计时器B170是16位长度，且计时器A160和计时器B170可经由数据总线DB来编程。计时器D180是8位（8-bit）长度，且计时器D180也可经由数据总线DB来编程。计时器A160、计时器B170和计时器D180的输出耦接到逻辑电路190，以通过信号S_A、S_B、S_D、E_{N_a}、E_{N_b}和E_{N_d}经由与门191和192而产生切换信号OA、OB。复位信号RST也连接到与门191和192。中断信号INT可对应于切换信号OA和OB的下降沿经由脉冲产生电路195而产生。

图5示出说明根据本发明的脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation；PWM）电路的一个实施例的电路图。PWM电路200包含PWM信号产生器230，PWM信号产生器230用于回应于切换信号OA、OB和/或信号DET1、DET2而产生信号PWM1和PWM2。PWM信号产生器230还产生触发信号SD1、SD2。触发信号SD1、SD2与信号DET1、DET2相关。计时器（TR1）210经由反相器211而接收信号PWM1，且计时器（TR2）220经由反相器221而接收信号PWM2。计时器210经配置以记录从信号PWM1的切断开始到对应于信号DET1的上升沿的触发信号SD1的逻辑低状态的时间T_R（图2B所示）。计时器220经配置以记录从信号PWM2的切断开始到对应于信号DET2的上升沿的触发信号SD2的逻辑低状态的时间T_R（图2B所示）。计时器210和220的数据分别存储在寄存器（REG）215、225中。微控制器110可从数据总线DB读取计时器210和220（寄存器215、225）的数据。

图6示出说明根据本发明的PWM信号产生器230的一个实施例的电路图。PWM信号产生器230包含比较器231，比较器231经耦接以接收信号DET1。比较器231将根据信号DET1是高于还是低于阈值V_T1的比较结果而产生耦接到去抖动电路235的输出信号。去抖动电路235将输出触发信号S_D1。触发信号S_D1和切换信号OA经由与门（AND gate）232而耦接到双稳态触发器237。经由与门239，双稳态触发器237的输出经施加以控制PWM1计时器250的输入信号。PWM1计时器250的值可由微控制器110经由数据总线DB来编程。

比较器241经耦接以接收信号DET2。比较器241将根据信号DET2是高于还是低于阈值V_T1的比较结果而产生耦接到去抖动电路245的输出信号。去抖动电路245将输出触发信号S_D2。触发信号S_D2和切换信号OB经由与门242而耦接到双稳态触发器247。经由与门249，双稳态触发器247的输出经施加以控制PWM2计时器260的输入信号。PWM2计时器260的值可由微控制器110经由数据总线DB来编程。

寄存器（PWM_REG）270的数据可由微控制器110经由数据总线DB来编程。在启用时钟信号CK以对PWM1计时器250进行时控时，将产生开始信号S_T1。数字比较器255将经配置以比较PWM1计时器250的值和寄存器270的值。在计时器250的值和寄存器270的值相等时，数字比较器255将产生停止信号S_O1。停止信号S_O1经配置以将双稳态触发器237复位，且停止发送到PWM1计时器250中的时钟信号CK。开始信号S_T1与停止信号S_O1两者经配置以经由信号S₂、逻辑电路280和与门281而产生信号PWM1。

在启用时钟信号CK以对PWM2计时器260进行时钟计数（clocking）时，将产生开始信号S_T2。数字比较器265将经配置以比较PWM2计时器260的值和寄存器270的值。在PWM2计时器260的值和寄存器270的值相等时，数字比较器265将产生停止信号S_O2。停止信号S_O2经配置以将双稳态触发器247复位，且停止耦接到PWM2计时器260的时钟信号CK。开始信号S_T2与停止信号S_O2两者经配置以经由信号S₁、逻辑电路280和与门282而产生信号PWM2。复位信号RST耦接到与门281和282以在启用复位信号RST而进行保护时切断信号PWM1和PWM2。

图7示出说明根据本发明的保护电路的一个实施例的电路图。比较器310经配置以接收信号V_OV，且在信号V_OV高于阈值V_T2时，比较器310产生输出到去抖动电路315的输出信号。比较器311经配置以接收电流信号V_OI，且在电流信号V_OI高于阈值V_T4时，产生输出到去抖动电路316的输出信号。去抖动电路315、316的输出经由或门335而耦接到双稳态触发器325，以产生复位信号RST。或门335的另一输入为溢出信号OVF。监视计时器（WDT）330产生溢出信号OVF。监视计时器330由微控制器110经由数据总线DB来控制。当保护根据信号V_OV、V_OI或监视计时器330而发生时，保护状态和复位信号RST将由双稳态触发器325闩锁。仅微控制器110可经由数据总线DB、解码器340和反相器345来清除双稳态触发器325。

图8示出说明根据本发明的信号检测电路的一个实施例的电路图。耦接到数据总线DB的解码器370产生信号以控制多路复用器（MUX）360、采样保持电路（S/H）362和模数转换器（A/D）365。模数转换器365的最大值由参考信号V_REF缩放（scale）。图3的微控制器110可经由数据总线DB而读取模数转换器365的输出。多路复用器360经配置以接收反馈信号V_FB、电流信号V_OI和V_CS。因此，微控制器110可读取反馈信号V_FB（反馈数据）、电流信号V_OI和V_CS的信息。

图9示出根据本发明的切换信号OA、OB和切换电流I_P的波形示意图。参照图1和图9，切换电流I_P是流经图1的变压器10和电流变压器19的电流。切换电流I_P可转换为电流信号V_CS。通过回应于中断信号INT（切换信号OA、OB的下降沿）而测量电流信号V_CS（经由信号检测电路350），微控制器110可检测ΔI的信号电平。ΔI的信号电平指示在切换电流IP下降到零电流之前的裕度（margin）。ΔI的电平用于确保晶体管20和25的切换实现零电压切换（zero voltage switching；ZVS）。这也可确保可在电感模式中操作谐振切换。ΔI的电平还指示允许用来控制谐振功率转换器的最低切换频率。

图10示出说明根据本发明的振荡电路500的一个实施例的方块图。振荡电路500包含产生振荡信号F₀的振荡器（OSC）510。振荡信号F₀的频率是由参考信号V_REF、修整数据（trim-data）信号W₁和频率选择信号W_A确定。寄存器（REG）511用于通过信号STORE而存储修整数据信号W₁。当电源接通时，修整数据信号W₁从校准存储器的数据S_FLH加载。寄存器512用于存储频率选择信号W_A和W_B。频率选择信号W_A和W_B是从微控制器110的数据总线DB加载。振荡信号F₀进一步连接到相位比较器530以与经分频的时钟信号F_N比较。由相位比较器530产生的错误信号S_PX经由低通滤波器（LPF）535而耦接到压控振荡器（VCO）520。压控振荡器（VCO）520产生时钟信号CK。时钟信号CK进一步耦接到用于产生经分频的时钟信号F_N的计数器525。压控振荡器520、计数器525、相位比较器530和低通滤波器535形成用于根据振荡信号F₀而产生时钟信号CK的锁相回路（PLL）。时钟信号的频率可通过修整数据信号W₁和频率选择信号W_A、W_B来编程。

图11示出说明根据本发明的参考信号产生器的一个实施例的电路图。参考信号产生器600包含产生带隙电压V_BG的带隙（bandgap）产生器610。带隙电压V_BG是作为数模转换器（DAC）620的满量程电压而操作。数模转换器620根据带隙电压V_BG和寄存器（REG）630的数据而产生参考信号V_REF和阈值信号V_TN……V_T0。当电源接通时，寄存器630的数据从校准存储器的数据S_FLH加载。因此，可精确地产生参考信号V_REF和阈值信号V_TN……V_T0。

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

1.一种用于功率转换器的控制电路，其特征在于，包括：

微控制器，具有闪存；

振荡电路，具有用于产生时钟信号的锁相回路；

模数转换器，耦接到所述功率转换器的输出，来产生用于所述微控制器的数字反馈信号；以及

信号产生器，经配置以接收所述时钟信号和所述微控制器的数据来产生切换信号，

其中所述微控制器控制所述切换信号，所述切换信号经配置以切换变压器，来调节所述功率转换器的所述输出。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述闪存耦接到所述振荡电路以调整所述时钟信号的频率。

3.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，还包括参考信号产生器，所述参考信号产生器产生用于所述模数转换器的参考信号，其中所述闪存耦接到所述参考信号产生器以调整所述参考信号。

4.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述切换信号的脉宽进一步由所述微控制器控制以调节所述功率转换器的输出。

5.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，还包括用于产生脉冲宽度调制信号的脉冲宽度调制电路，所述脉冲宽度调制信号经配置以控制晶体管来进行同步整流；所述脉冲宽度调制电路由所述微控制器控制。

6.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，还包括感测电路，所述感测电路耦接到输出整流器以检测所述输出整流器的接通/切断状态且产生检测信号；

其中所述输出整流器是整流器或晶体管的体二极管；且所述检测信号经配置以接通所述脉冲宽度调制信号。

7.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，还包括电流保护电路，所述电流保护电路经配置以检测所述变压器的切换电流且在所述切换电流高于过电流阈值时切断所述切换信号。

8.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，还包括电压保护电路，所述电压保护电路经配置以检测所述功率转换器的输出电压且在所述输出电压高于过电压阈值时切断所述切换信号。

9.一种用于功率转换器的数字功率控制电路，其特征在于，包括：

微控制器，具有闪存；

振荡电路，具有用于产生时钟信号的锁相回路；

信号检测电路，耦接到所述功率转换器的输出以产生反馈信号；以及

信号产生器，经配置以接收所述时钟信号和所述反馈信号以产生切换信号，

其中所述微控制器控制所述切换信号，所述切换信号经配置以切换变压器来调节所述功率转换器的所述输出。

10.根据权利要求9所述的数字功率控制电路，其特征在于，所述闪存耦接到所述振荡电路以调整所述时钟信号的频率。

11.根据权利要求9所述的数字功率控制电路，其特征在于，还包括参考信号产生器，所述参考信号产生器产生用于所述信号检测电路的参考信号，其中所述闪存耦接到所述参考信号产生器以调整所述参考信号。

12.根据权利要求9所述的数字功率控制电路，其特征在于，所述切换信号的脉宽进一步由所述微控制器控制以调节所述功率转换器的所述输出。

13.根据权利要求9所述的数字功率控制电路，其特征在于，还包括用于产生脉冲宽度调制信号的脉冲宽度调制电路，所述脉冲宽度调制信号经配置以控制一晶体管来进行同步整流；所述脉冲宽度调制电路由所述微控制器控制。

14.根据权利要求9所述的数字功率控制电路，其特征在于，还包括电流保护电路，所述电流保护电路经配置以检测所述变压器的切换电流且在所述切换电流高于过电流阈值时切断所述切换信号。

15.根据权利要求9所述的数字功率控制电路，其特征在于，还包括电压保护电路，所述电压保护电路经配置以检测所述功率转换器的输出电压且在所述输出电压高于过电压阈值时切断所述切换信号。