CN103414321A

CN103414321A - 功率转换器的数字控制电路

Info

Publication number: CN103414321A
Application number: CN2013103537540A
Authority: CN
Inventors: 杨大勇; 徐易民; 叶忠辉; 竺培圣
Original assignee: System General Corp Taiwan
Current assignee: Fairchild Taiwan Corp
Priority date: 2013-08-14
Filing date: 2013-08-14
Publication date: 2013-11-27

Abstract

一种功率转换器的数字控制器。此数字控制器包括微控制器、模拟至数字转换器、信号生成器、保护电路、以及脉宽调制电路。模拟至数字转换器耦接功率转换器的输出，且生成数字反馈信号给微控制器。信号生成器由微处理器所控制且生成切换信号以切换变压器。保护电路生成重置信号以禁用切换信号。微处理器控制切换信号以调节功率转换器的输出。保护电路检测变压器的切换电流，以在变压器的切换电流超过第二阈值时控制重置信号。脉宽调制电路生成脉宽调制信号，以控制同步整流晶体管的同步整流操作。

Description

功率转换器的数字控制电路

技术领域

本发明涉及一种功率转换器，特别涉及一种数字控制的功率转换器。

背景技术

近来，数字控制功率转换器已发展为具有较佳精确性且可通过编程其控制器芯片内具有存储器的微处理器来建立一些智能功能。然而，仍存在一些缺点，例如，对于采样模拟信号的频宽限制、采样噪声、以及微控制器的运算时钟所限制的计算延迟。因此，期望提供一种设计，其能减少低成本数字控制功率转换器的微处理器的负荷。

发明内容

本发明提供一种数字控制电路，用于功率转换器。此数字控制器包括微控制器、模拟至数字转换器、信号生成器、脉宽调制电路、以及感测电路。微控制器具有存储器电路。模拟至数字转换器耦接功率转换器的输出，且生成数字反馈信号给微控制器。信号生成器由微处理器所控制，且生成切换信号以切换变压器。微处理器控制切换信号的频率以调节功率转换器的输出。切换信号的脉冲宽度还由微控制器所控制，以调节功率转换器的输出。脉宽调制电路生成脉宽调制信号，以控制同步整流晶体管的同步整流操作。脉宽调制电路由微控制器来控制。感测电路耦接输出整流器以检测输出整流器的接通/关断状态且生成检测信号。输出整流器为整流器或同步整流晶体管的本体二极管。检测信号用来启用脉宽调制信号。脉宽调制电路包括同步整流计时器。同步整流计时器记录同步整流范围期间。同步整流范围期间起始于同步整流晶体管关断且结束于输出整流器关断。微控制器读取同步整流范围期间。模拟至数字转换器还检测变压器的切换电流。切换信号生成中断信号以中断微控制器。

本发明提供一种数字控制器，用于功率转换器。此数字控制器包括微控制器、模拟至数字转换器、信号生成器、保护电路、以及脉宽调制电路。微控制器具有存储器电路。模拟至数字转换器耦接功率转换器的输出，且生成数字反馈信号给微控制器。信号生成器由微处理器所控制，且生成切换信号以切换变压器。保护电路生成重置信号以禁用切换信号。微处理器控制切换信号以调节功率转换器的输出。保护电路耦接功率转换器的输出，且当功率转换器的输出超过第一阈值时，保护电路生成重置信号。保护电路包括监控计时器，当监控计时器发生溢位时，监控计时器生成重置信号以禁用切换信号。保护电路还检测变压器的切换电流，以在变压器的切换电流超过第二阈值时控制重置信号。模拟至数字转换器还检测变压器的切换电流。脉宽调制电路生成脉宽调制信号，以控制同步整流晶体管的同步整流操作。脉宽调制电路由微控制来控制。重置信号用来禁用脉宽调制信号。切换信号的禁用状态由微控制器来重置。

附图说明

图1表示根据本发明一实施例的功率转换器。

图2A表示第一切换信号以及第二切换信号的波形。

图2B表示第一切换信号、第二切换信号、第一检测信号、以及第一同步整流信号的波形。

图3表示根据本发明一实施例的功率转换器的控制器。

图4表示根据本发明一实施例的控制器的信号生成器。

图5表示根据本发明一实施例的控制器的脉宽调制电路。

图6表示根据本发明一实施例的脉宽调制电路的脉宽调制信号生成器。

图7表示根据本发明一实施例的控制器的保护电路。

图8表示根据本发明一实施例的控制器的信号检测电路。

图9表示第一切换信号、第二切换信号、以及切换电流的波形。

【符号说明】

图1：

10～变压器； 15～驱动变压器；

19～电流变压器； 20、25～晶体管；

30～电容器； 35～电感器；

40～电容器； 45、46～二极管；

50、60～晶体管（同步整流晶体管）；

55、65～输出整流器； 71、72～电阻器；

80～高速桥式整流器； 81、85～电阻器；

86～电容器； 100～控制器；

CS～电流端； DET1～第一检测端；

DET2～第二检测端； FB～反馈端；

I_P～切换电流； OA、OB～端点；

OI～电流保护端； OV～电压保护端；

PWM1～第一驱动端； PWM2～第二驱动端；

S_DET1～第一检测信号； S_DET2～第二检测信号；

S_OA～第一切换信号； S_OB～第二切换信号；

S_PWM1～第一同步整流信号；

S_PWM2～第二同步整流信号；

V_CS～电流信号； V_FB～反馈信号；

V_IN～电压； V_O～输出电压；

V_OI～平均电流信号； V_OV～信号；

图2A-图2B：

S_DET1～第一检测信号； S_OA～第一切换信号；

S_OB～第二切换信号；

S_PWM1～第一同步整流信号；

T_A～第一切换信号S_OA的接通时间；

T_B～第二切换信号S_OB的接通时间；

T_D～停滞时间； T_DB～去反弹时间；

T_PWM～脉冲宽度； T_R～时序（同步整流范围期间）；

图3：

100～控制器；

110～微控制器； 112～存储器电路；

113～振荡器； 150～信号生成器；

200～脉宽调制电路； 300～保护电路；

350～信号检测电路； ck～时钟信号；

DATABUS～数据总线； DM～数据存储器；

INT～中断信号； PM～程序存储器；

S_DET1～第一检测信号； S_DET2～第二检测信号；

S_OA～第一切换信号； S_OB～第二切换信号；

S_PWM1～第一同步整流信号；

S_PWM2～第二同步整流信号；

RST～重置信号； V_CS～电流信号；

V_FB～反馈信号； V_OI～平均电流信号；

V_OV～信号；

图4：

150～信号生成器； 160～计时器；

170～计时器； 180～计时器；

190～逻辑电路； 191、192～与门；

ck～时钟信号； DATABUS～数据总线；

EN_a、EN_b、EN_d～启用信号；

INT～中断信号； RST～重置信号；

S_A～计时器150的输出； S_B～计时器170的输出；

S_D～计时器180的输出； S_OA～第一切换信号；

S_OB～第二切换信号；

图5：

200～脉宽调制电路； 210～同步整流计时器（TR1）；

211～反相器； 215～暂存器；

220～同步整流计时器（TR2）；

221～反相器； 225～暂存器；

230～脉宽调制信号生成器；

ck～时钟信号； DATABUS～数据总线；

RST～重置信号； S_D1、S_D2～触发信号；

S_DET1～第一检测信号； S_DET2～第二检测信号；

S_OA～第一切换信号； S_OB～第二切换信号；

S_PWM1～第一同步整流信号；

S_PWM2～第二同步整流信号；

图6：

230～脉宽调制信号生成器；

231～比较器； 232～与门；

235～反弹跳电路（T_DB1）； 236～反相器：

237～触发器； 239～与门；

241～比较器； 242～与门；

245～反弹跳电路（T_DB2）； 246～反相器；

247～触发器； 249～与门；

250～计时器（第一脉宽调制计时器）；

255～数字比较器；

260～计时器（第一脉宽调制计时器）；

265～数字比较器； 270～脉宽调制暂存器；

280～逻辑电路； 281、282～与门；

ck～时钟信号； DATABUS～数据总线；

RST～重置信号； S_D1、S_D2～触发信号；

S_DET1～第一检测信号； S_DET2～第二检测信号；

S_O1、S_O2～停止信号； S_OA～第一切换信号；

S_OB～第二切换信号；

S_PWM1～第一同步整流信号；

S_PWM2～第二同步整流信号；

S_T1、S_T2～起始信号；

V_T1～阈值；

图7：

300～保护电路； 310、311～比较器；

315～反弹跳电路（T_DB3）； 316～反弹跳电路（T_DB4）；

325～触发器； 330～监控计时器；

335～或门； 340～解码器；

345～反相器； ck～时钟信号；

DATABUS～数据总线； OVF～溢位信号；

RST～重置信号； V_OI～平均电流信号；

V_OV～信号； V_T2、V_T4～阈值；

图8：

350～信号检测电路； 360～多工器；

362～采样保持电路；

365～模拟至数字转换器；

370～解码器； DATABUS～数据总线；

V_CS～电流信号； V_FB～反馈信号；

V_OI～平均电流信号；

图9：

I_P～切换电流； S_OA～第一切换信号；

S_OB～第二切换信号；

ΔI～切换电流I_P的范围。

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，并配合附图，作详细说明如下。

图1是表示根据本发明一实施例的功率转换器。晶体管20与25通过电容器30以及电感器35来切换变压器10。电容器30以及电感器35形成一谐振槽。电感器35可以是变压器10的一部分，例如变压器10的漏电感。变压器10的二次侧线圈通过输出整流器55与65而在电容器40上生成输出电压V_O。晶体管（也称为同步整流晶体管（Synchronous rectifying transistors））50与60分别耦接输出整流器55与65以实现同步整流。输出整流器55与65可以分别是晶体管50与60的本体二极管（body diode）。由电阻器71与72所形成的分压器对输出电压V_O进行分压以生成反馈信号V_FB，其耦接至控制器100的反馈端FB。控制器100根据反馈信号V_FB而分别在端点OA与OB上生成第一切换信号S_OA与第二切换信号S_OB。切换信号S_OA与S_OB通过驱动变压器15来分别控制晶体管20与25。切换信号S_OA与S_OB的频率将决定谐振功率转换器的输出功率。

二极管45耦接输出整流器55以生成第一检测信号S_DET1至控制器100的第一检测端DET1。二极管46耦接输出整流器65以生成第二检测信号S_DET2至控制器100的第二检测端DET2。二极管45与46作为感测电路。当晶体管50关断时，第一检测信号S_DET1的拉低状态指示出输出整流器55仍被接通。根据切换信号S_OA与S_OB和/或检测信号S_DET1与S_EDET2的状态，控制器100在其第一驱动端PWM1以及第二驱动端PWM2分别生成第一同步整流信号S_PWM1以及第二同步整流信号S_PWM2，以分别控制晶体管50与60来实现同步整流操作。

电流变压器19耦接变压器10以检测变压器10的切换电流I_P，且通过高速桥式整流器80以及电阻器81来生成电流信号V_CS。通过电阻器85与电容器86，电流信号V_CS还生成平均电流信号V_OI，以用于过电流保护。电流信号V_CS以及平均电流信号V_OI分别由控制器100的电流端CS以及电流保护端OI所接收。信号V_OV还耦接至控制器100的电压保护端OV，用于过电压保护。在此实施例中，由于控制器100的电压保护端OV以及反馈端FB耦接在一起，因此，信号V_OV的电平与输出电压V_O的电平相关联。

图2A是表示切换信号S_OA与S_OB的波形。第一切换信号S_OA的接通时间以T_A来表示。第二切换信号S_OB的接通时间以T_B来表示。停滞时间（dead-time）T_D界于切换信号S_OA与S_OB之间。接通时间T_A、接通时间T_B、以及停滞时间T_D的时序由计时器来编程。因此，切换信号S_OA与S_OB的频率、工作周期、以及脉冲宽度是可编程的。

图2B是表示切换信号S_OA与S_OB、第一检测信号S_DET1、以及第一同步整流信号S_PWM1的波形。当第一切换信号S_OA被拉高和/或第一检测信号S_DET1被拉低时，为了同步整流，将生成第一同步整流信号S_PWM1以接通晶体管50。去反弹时间（de-bounce time）T_DB确保第一检测信号S_DET1已被拉低。第一同步整流信号S_PWM1的脉冲宽度T_PWM的可由一计时器来编程。另一计时器将记录开始于第一同步整流信号S_PWM1被禁用而结束于第一检测信号S_DET1被上拉之间的时序T_R。这意思是时序T_R记录了起始于晶体管50关断而结束于输出整流器55关断之间的期间。时序T_R用来编程脉冲宽度T_PWM，藉以对同步整流最佳化。

图3是表示根据本发明一实施例的功率转换器的控制器100。控制器100包括微控制器110以及包括程序存储器PM与数据存储器DM的存储器电路112。振荡器113生成时钟信号ck。通过数据总线DATABUS，微控制器110控制信号生成器150以生成切换信号S_OA与S_OB以及中断信号INT。切换信号S_OA与S_OB的脉冲宽度由微控制器110所控制，以调节功率转换器的输出。中断信号INT根据切换信号S_OA与S_OB的下降沿来中断微控制器110。脉宽调制（PWM）电路200根据切换信号S_OA与S_OB的和/或检测信号S_DET1与S_DET2来生成同步整流信号S_PWM1与S_PWM2。同步整流信号S_PWM1与S_PWM2的脉冲宽度可由微控制器110来编程。保护电路300生成重置信号RST，当信号V_OV超过一阈值或当平均电流信号V_OI超过另一阈值或当监视计时器（watchdogtimer）溢位（overflow）时，重置信号用来禁用切换信号S_OA与S_OB以及同步整流信号S_PWM1与S_PWM2。信号检测电路（也称为模拟数字转换器）350用来将反馈信号V_FB、电流信号V_CS、以及平均电流信号V_OI转换为数字数据以通过数据总线DATABUS来提供给微控制器110。

图4是表示根据本发明一实施例的控制器100的信号生成器150。信号生成器150包括计时器160、170、与180、逻辑电路190、与门191与192、以及脉冲生成电路195。计时器160用来决定第一切换信号S_OA的接通时间T_A（显示于图2A）。计时器170用来决定第二切换信号S_OB的接通时间T_B。计时器180用来决定停滞时间T_D。在本发明的一实施例中，计时器160与170为具有16位长度的计时器，且计时器180为8位长度的计时器。这些计时器可通过数据总线DATABUS来编程。计时器160的输出S_A、计时器170的输出S_B、以及计时器180的输出S_D耦接至逻辑电路190以分别通过与门191与192来生成切换信号S_OA与S_OB。逻辑电路190还生成启用信号E_{N_a}、E_{N_b}、与E_{N_d}来分别启用计时器160、170、与180。重置信号RST也耦接与门191与192。切换信号S_OA与S_OB的下降沿将通过脉冲生成电路195来激活启用中断信号INT。

图5是表示根据本发明一实施例的控制器100的脉宽调制电路200。脉宽调制电路200包括脉宽调制信号生成器230，其根据切换信号S_OA与S_OB和/或检测信号S_DET1与S_DET2来生成同步整流信号S_PWM1与S_PWM2。脉宽调制信号生成器230也生成触发信号S_D1与S_D2。触发信号S_D1与S_D2与检测信号S_DET1与S_DET2相关联。同步整流信号S_PWM1通过反相器211而提供至同步整流计时器（T_R1）210的端点S，且触发信号S_D1提供至同步整流计时器210的端点E。同步整流信号S_PWM2通过反相器221而提供至同步整流计时器（T_R2）220的端点S，且触发信号S_D2提供至同步整流计时器220的端点E。同步整流计时器210用来记录同步整流范围期间（synchronous-rectifying margin period）（时序）T_R（显示于图2B），其起始于“第一同步整流信号S_PWM1的禁用”且结束于“触发信号S_D1的逻辑低电平（即是第一检测信号S_DET1被拉高）”。同步整流计时器220用来记录同步整流范围期间（synchronous-rectifying margin period）（时序）T_R（显示于图2B），其起始于“第二同步整流信号S_PWM2的禁用”且结束于“触发信号S_D2的逻辑低电平（即是第二检测信号S_DET2被拉高）”。同步整流计时器210与220的数据分别存储至暂存器215与225。微控制器110可读取存储在暂存器215与225的数据，以通过数据总线DATABUS来得到同步整流计时器210与220的范围期间数据。

图6是表示根据本发明一实施例的脉宽调制电路200的脉宽调制信号生成器230。脉宽调制信号生成器230包括比较器231，其接收第一检测信号S_DET1。一旦第一检测信号S_DET1高于或低于阈值V_T1时，比较器231将生成输出耦接至反弹跳电路（T_DB1）235。反弹跳电路235将输出触发信号S_D1。触发信号S_D1以及第一切换信号S_OA耦接至与门232的输入。与门232的输出耦接触发器237。触发器237的输出以及时钟信号ck耦接至与门239的输入。与门239的输出用来控制计时器（第一脉宽调制计时器）250的时钟输入。计时器250的数值可通过数据总线DATABUS而由微控制器110来编程。

比较器241接收第二检测信号D_ET2。一旦第二检测信号D_ET2高于或低于阈值V_T1时，比较器241将生成输出耦接至反弹跳电路（T_DB2）245。反弹跳电路245将输出触发信号S_D2。触发信号S_D2以及第二切换信号S_OB耦接至与门242的输入。与门242的输出耦接触发器247。触发器247的输出以及时钟信号ck耦接至与门249的输入。与门249的输出用来控制计时器（第二脉宽调制计时器）260的时钟输入。计时器260的数值可通过数据总线DATABUS而由微控制器110来编程。

脉宽调制暂存器270的数据可由微控制器110通过数据总线DATABUS来编程。当时钟信号ck被启用来对计时器250进行计时，将生成起始信号S_T1。数字比较器255用来比较计时器250的数值与脉宽调制暂存器270的数值。一旦计时器250的数值与脉宽调制暂存器270的数值相等时，数字比较器255将生成停止信号S_O1。停止信号S_O1通过反相器236来重置触发器237并中止时钟信号ck传送至计时器250。起始信号S_T1以及停止信号S_O1通过逻辑电路280以及与门281来生成第一同步整流信号S_PWM1。

当时钟信号ck被启用来对计时器260进行计时，将生成起始信号S_T2。数字比较器265将用来比较计时器260的数值与暂存器270的数值。一旦计时器260的数值与暂存器270的数值相等时，数字比较器265将生成停止信号S_O2。停止信号S_O2通过反相器246来重置触发器247并中止时钟信号ck传送至计时器260。起始信号S_T2以及停止信号S_O2通过逻辑电路280以及与门282来生成第二同步整流信号S_PWM2。一旦重置信号RST被启用以实现保护作用时，重置信号RST耦接至与门281与282以禁用同步整流信号S_PWM1与S_PWM2。

图7是表示根据本发明一实施例的控制器100的保护电路300。保护电路300接收平均电流信号V_OI以检测切换电流I_P。比较器310接收信号V_OV，且当比较信号V_OV超过电压阈值V_T2时，比较器310生成输出信号至反弹跳电路（T_DB3）315。比较器311接收平均电流信号V_OI，且当比较平均电流信号V_OI超过电压阈值V_T4时，比较器311生成输出信号至反弹跳电路（T_DB4）316。反弹跳电路315与316的输出通过或门335耦接至触发器325，以为了生成重置信号RST。当监控计时器（watchdog timer，WDT）330发生溢位时，或门335的另一个输入接收来自监控计时器330的溢位信号OVF。监控计时器330由微处理器110通过数据总线DATABUS来控制。当保护由信号V_OV或监控计时器330启动时，保护状态以及重置信号RST将被触发器325所锁存住。只有微控制器110可以通过数据总线DATABUS、解码器340、以及反相器345来重置触发器325。监控计时器

图8是表示根据本发明一实施例的控制器100的检测电路350。解码器370耦接数据总线DATABUS以生成多个信号来控制多工器360、采样保持电路362、以及模拟至数字转换器365。微处理器110可以通过数据总线DATABUS来读取模拟至数字转换器365的输出。多工器360配置来接收反馈信号V_FB、平均电流信号V_OI、以及电流信号V_CS。因此，微控制器110可读取反馈信号（反馈数据）V_FB、平均电流信号V_OI、以及电流信号V_CS的信息。

图9是表示切换信号S_OA与S_OB以及切换电流I_P的波形。切换电流I_P是流经变压器10以及电流变压器19的电流。切换电流I_P可以转换为电流信号V_CS。因此，信号检测电路可接收电流信号V_CS来检视切换电流I_P。通过根据中断信号INT（在切换信号O_A与O_B的下降沿）来测量电流信号V_CS（通过信号检测电路350），微控制器110可检测出ΔI的电平。ΔI的电平指示出在切换电流I_P下降至零电流之前切换电流I_P的范围。ΔI的电平用来确保晶体管20与30的切换可以到达零电压切换（zero voltage switching，ZVS）。这也可确保谐振切换可以操作在感应模式（inductive mode）。ΔI的电平也指示出控制功率转换器所能容许的最低切换频率。

本发明虽以优选实施例公开如上，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

1.一种数字控制电路，用于功率转换器，包括：

微控制器，具有存储器电路；

模拟至数字转换器，耦接所述功率转换器的输出，且生成数字反馈信号给所述微控制器；以及

信号生成器，由所述微处理器所控制，且生成切换信号以切换变压器；

其中，所述微处理器控制所述切换信号的频率以调节所述功率转换器的输出。

2.如权利要求1所述的数字控制电路，其中，所述切换信号的脉冲宽度还由所述微控制器所控制，以调节所述功率转换器的输出。

3.如权利要求1所述的数字控制电路，还包括：

脉宽调制电路，生成脉宽调制信号，以控制同步整流晶体管的同步整流操作；

其中，所述脉宽调制电路由所述微控制器来控制。

4.如权利要求3所述的数字控制电路，还包括：

感测电路，耦接输出整流器以检测所述输出整流器的接通/关断状态且生成检测信号；

其中，所述输出整流器为整流器或所述同步整流晶体管的本体二极管，且所述检测信号用来启用所述脉宽调制信号。

5.如权利要求3所述的数字控制电路，其中，所述脉宽调制电路包括：

同步整流计时器，记录同步整流范围期间；

其中，所述同步整流范围期间起始于所述同步整流晶体管关断且结束于所述输出整流器关断，其中所述同步整流范围期间由所述微控制器读取。

6.如权利要求1所述的数字控制电路，其中，所述模拟至数字转换器还检测所述变压器的切换电流。

7.如权利要求1所述的数字控制电路，其中，所述切换信号生成中断信号以中断所述微控制器。

8.一种数字控制器，用于功率转换器，包括：

微控制器，具有存储器电路；

模拟至数字转换器，耦接所述功率转换器的输出，且生成数字反馈信号给所述微控制器；

信号生成器，由所述微处理器所控制，且生成切换信号以切换变压器；以及

保护电路，生成重置信号以禁用所述切换信号；

其中，所述微处理器控制所述切换信号以调节所述功率转换器的输出；以及

其中，所述保护电路耦接所述功率转换器的输出，且当所述功率转换器的输出超过第一阈值时，所述保护电路生成所述重置信号。

9.如权利要求8所述的数字控制器，其中，所述保护电路包括：

监控计时器，当所述监控计时器发生溢位时，所述监控计时器生成所述重置信号以禁用所述切换信号。

10.如权利要求8所述的数字控制器，其中，所述保护电路还检测所述变压器的切换电流，以在所述变压器的所述切换电流超过第二阈值时控制所述重置信号。

11.如权利要求10所述的数字控制器，其中，所述模拟至数字转换器还检测所述变压器的所述切换电流。

12.如权利要求8所述的数字控制器，还包括：

其中，所述脉宽调制电路由所述微控制来控制。

13.如权利要求12所述的数字控制器，其中，所述重置信号用来禁用所述脉宽调制信号。

14.如权利要求12所述的数字控制器，其中，所述切换信号的禁用状态由所述微控制器来重置。