CN103916015B - 双模电源切换控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双模电源切换控制装置，包括变压器、脉波宽度调变驱动控制器、切换晶体管、隔离元件、输出二极管、输出电容，其中脉波宽度调变驱动控制器连接切换晶体管，切换晶体管进一步连接变压器，变压器的初级侧电感及切换晶体管连接输入电源，同时变压器的二次侧电感连接输出二极管以及并联的输出电容及负载，隔离元件将输出电源转换成回授信号，脉波宽度调变驱动控制器依据回授信号决定负载状态以选取非连续或连续导通模式，以控制变压器的电流，产生输出电源以供电给负载。因此，本发明可提高电源转换效率，适合较高功率应用。

Description

双模电源切换控制装置

技术领域

本发明涉及一种双模电源切换控制装置，尤其是可依据负载状态而对返驰式转换器进行动态选取非连续导通模式或连续导通模式。

背景技术

不同的电子装置需要特定的电源以提供电力，比如一般集成电路(IC)需要5V或3V，电动马达需要12V直流电，而高功率装置则需要如110V或220V的市电，而液晶显示器中的灯管需要更高压的电源，因此，产业界开发出适当的电源转换器以满足所需。

返驰式转换器(Flyback Converter)是常被使用的交换式电源转换器，具有架构简单的优点，而且电压调变范围也较大，常应用于中小型功率的电子产品。返驰式转换器主要是利用驱动器驱动开关元件，进而控制变压器的电流，以产生所需的电源，同时利用被动式RCD缓振器(Snubber)以降低开关元件的电压应力，并吸收变压器中漏感所产生的电压突波。

在现有技术中，一般是使用准谐振(Quasi-Resonant，QR)技术以操作返驰式转换器，利用零电压及/或零电流切换以降低开关元件的切换损失(Switching Loss)，提高转换效率，而准谐振技术是以非连续导通模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM)驱动开关元件，可有效降低电感量，达到零电压及/或零电流切换以及波谷切换(ValleySwitching)，减少电磁干扰(EMI)，改善电气操作的稳定度。具体而言，在使用DCM操作时，开关元件的驱动是在变压器一次侧电流降为零时才切换打开。另一操作方式为连续导通模式(Continuous Conduction Mode，CCM)，是在变压器一次侧电流还未降为零时便切换打开开关元件的驱动，亦即一次侧的电流为连续而始终不为零。

然而，现有技术的缺点在于非连续导通模式操作的准谐振返驰式转换器具有较高的电流峰值及均方根(RMS)值，因此开关元件在重载时会有较高的导通损失(ConductionLoss)及截止切换损失(Turn-Off Switching Loss)，导致转换效率降低。所以，非连续导通模式操作的准谐振返驰式转换器不适合应用于高功率领域。此外，现有的操作方式一般都是使用各种固定设定的模式，或只操作在某一种模式，无法根据所选用的不同变压器及其它元件而调整、变更操作模式或电气参数以达到最高效率。

因此，需要一种双模电源切换控制装置，是以数字方式而实现，适合轻载至重载范围的应用，并可自动判断负载状态以及切换非连续导通模式、连续导通模式，藉以改善电源转换效率，解决上述习用技术的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种双模电源切换控制装置，包括变压器、脉波宽度调变驱动控制器、切换晶体管、隔离元件、输出二极管、输出电容，用以将输入电源转换成输出电源以供电给外部负载，其中变压器、脉波宽度调变驱动控制器、切换晶体管及输入电源形成驱动控制回路，变压器、输出二极管、输出电容及隔离元件形成回授回路以产生回授信号，并传送至脉波宽度调变驱动控制器。

脉波宽度调变驱动控制器依据回授信号以决定负载状态，并可在负载状态为轻载时选取非连续导通模式，而在负载状态为重载时选取连续导通模式，用以驱动切换晶体管并控制变压器的电流，实现电源转换操作而将输入电源转换成输出电源。

因此，本发明可在轻载时利用非连续导通模式以降低切换损失，并可在重载时利用连续导通模式以降低导通损失，使得电源转换效率获得大幅改善，适合应用于较高功率的领域。

附图说明

图1显示本发明双模电源切换控制装置的示意图；

图2显示本发明在开关元件导通时双模电源切换控制装置的操作示意图；

图3显示本发明在开关元件截止时双模电源切换控制装置的操作示意图；

图4显示本发明双模电源切换控制装置在110V输入电源时的转换效率曲线图；以及

图5显示本发明双模电源切换控制装置在220V输入电源时的转换效率曲线图。

其中，附图标记说明如下：

10脉波宽度调变驱动控制器

20驱动晶体管

30变压器

40隔离元件

Cin输入电容

Co输出电容

D输出二极管

Lleak漏感

Lm激磁电感

Lp初级侧电感

Ls二次测电感

Ro外部负载

V_comp回授电压

Vin输入电压

Vo输出电压

具体实施方式

以下配合图式及元件符号对本发明的实施方式做更详细的说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

参阅图1及图2，分别为本发明双模电源切换控制装置的示意图。如图1所示，本发明的双模电源切换控制装置包括脉波宽度调变(PWM)驱动控制器10、切换晶体管20、变压器30、隔离元件40、输出二极管D、输出电容Co，用以将具输入电压Vin的输入电源转换成具输出电压Vo的输出电源，并供电给外部负载Ro，其中变压器30、脉波宽度调变驱动控制器10、切换晶体管20及具输入电压Vin的输入电源形成驱动控制回路，而变压器30、输出二极管D、输出电容Co及隔离元件40形成回授回路以产生回授信号，比如图中所示的回授电压V_comp，且外部负载Ro是并联至输出电容Co，而输出电容Co的端电压即为输出电源的输出电压Vo。

要注意的是，上述的回授信号也可为回授电压V_comp以外的电气信号，比如与输出电源相关的回授电流或功率。此外，输入电源可为一般市电经由电桥整流后所产生的直流电，亦即市电可为110V或220V交流电，而输入电压Vin可为110V或220V。为去除输入电压Vin的高频噪声，可使用输入电容Cin跨接输入电源，以稳定输入电源。

PWM驱动控制器10可包括微控制器(MCU)或中央处理器(CPU)的单一芯片，或可由多个独立电子元件所构成的电路，因此，PWM驱动控制器10是以数字方式而实现。切换晶体管20可包括功率晶体管，比如金氧半场效晶体管(MOSFET)，而隔离元件40可包括光耦合器或由至少一被动元件所构成的电路，比如电阻或电容。

以下，进一步详细说明本发明双模电源切换控制装置的架构，而且为方便说明本发明的特征，将使用回授电压V_comp当作回授信号。

在图1中，变压器30包括初级侧电感Lp及二次侧电感Ls，且初级侧电感Lp包含串接的激磁电感Lm及漏感Lleak，激磁电感Lm是能将所产生的磁通耦合至二次侧电感Ls，漏感Lleak是未能将磁通耦合至二次侧电感Ls。

初级侧电感Lp的一端连接切换晶体管20的汲极，PWM驱动控制器10连接切换晶体管20的栅极，输入电源的输入电压Vin跨接初级侧电感Lp的另一端及切换晶体管20的源极，且初级侧电感Lp的另一端进一步连接驱动控制器10。二次侧电感Ls的一端连接输出二极管D的正端，输出二极管D的负端连接输出电容Co的一端及隔离元件40的一端。隔离元件40将输出电压Vo转换成回授信号，比如图中的回授电压V_comp，再经由隔离元件40的另一端而传送至PWM驱动控制器10。

PWM驱动控制器10依据来自隔离元件40的回授信号，决定目前负载Ro的负载状态为轻载(Light Loading)或重载(Heavy Loading)。具体而言，回授信号小于判断值时，则负载状态为轻载，而回授信号大于判断值时，则负载状态为重载。

同时，PWM驱动控制器10在轻载时以非连续导通模式(DCM)的驱动方式产生PWM驱动信号并传送至切换晶体管20的栅极以驱动切换晶体管20，并在重载时以连续导通模式(CCM)的驱动方式驱动切换晶体管20，藉以实现依据负载状态动态选取非连续导通模式或连续导通模式。此外，为降低电磁干扰(EMI)，可在CCM/DCM模式下加入抖频(jitter)功能。

本发明的具体操作如图2及图3所示，分别为开关元件20在导通及截止时的操作示意图，其中未显示PWM驱动控制器10。

在图2中，PWM驱动控制器10产生PWM驱动信号以驱动开关元件20，使得开关元件20导通而将来自输入电源的电流依序流过变压器30的初级侧电感Lp、开关元件20而形成电流回路，同时变压器30的二次侧电感Ls被感应出负电压而使输出二极管D截止，因此输出电容Co对负载Ro放电，亦即此时负载Ro所需的电力是由输出电容Co供应。

在图3中，PWM驱动控制器10停止输出PWM驱动信号，使得驱动开关元件20截止，而初级侧电感Lp中有残余电流流动，且二次侧电感Ls利用初级侧电感Lp的残余电流而感应出正电压，进而使输出二极管D导通，因此由二次侧电感Ls供应负载Ro所需的电力。

具体而言，本发明双模电源切换控制装置的判断值是取决于效率的高低，并可由实验量测得到最佳参数。例如，以输出功率与转换效率的关系来看，则如图4及图5的实验量测数据所示，分别为100～120V及210～230V输入电源时的转换效率曲线图，PWM控制器搭配系统可扫描测试出CCM与DCM的曲线，可以发现输出功率较低时DCM效率较高，输出功率愈来愈高时CCM效率较高，在这个系统环境下，其中决定使用DCM或CCM的切换点是分别为50W～70W及90W～110W的负载功率或输出电压Vo，比如选用回授电压V_comp当作回授信号并可依线性变化公式计算如下：

回授电压V_comp＝Vo*K

其中K为比例常数，比如可选取1/20或1/50。当然上述方式只是用以示范性说明本发明的特征而已，并非用以限定本发明的范围，因此，回授信号与负载功率的关系还可包括其它非线性型式，比如多项式关系、半对数关系、指数关系、三角函数关系，或依据实验数据以查表方式储存于PWM驱动控制器10中。

由上述的说明中显而易见的是，本发明的特点在于依据回授信号决定负载状态，并可在输出功率低时利用非连续导通模式以降低切换损失，且可在输出功率高时利用连续导通模式以降低导通损失，藉以大幅改善电源转换效率，可应用于较高功率的领域。

尤其是，本发明的双模电源切换控制装置是以数字方式而实现，可自动判断负载状态，用以切换非连续导通模式及连续导通模式，同时，可依据所使用的变压器及其它元件而调整或变更操作模式或电气参数，比如操作频率、工作循环(duty)、模式转换点、呆滞时间(dead-time)、PWM输出模式选择、软启动周期(soft start period)、操作/停止(run/stop)、过电流保护(over current protection)、关闭(shutdown)、过电压保护(OVP)等各项保护功能参数。

本发明的另一特点是在于可藉设定不同频率与duty参数而设定系统全部操作在CCM或是DCM的工作模式，亦即可以先扫描如图4与图5所示的转换效率曲线，并从其中找出效率最佳的曲线，而因为PWM控制器是以数字方式实现，所以在相同负载下，可根据所设定的不同频率与duty参数，进而计算输入输出功率，并调整让系统具最佳效率的参数设定。举例来说，输出功率18W的系统可以在零负载至全负载之间的任一负载下，比如零负载(即0W)、1//4负载(即4.5W)、1/2负载(即9W)、3/4负载(即13.5W)或全负载(即18W)时，个别设定不同频率、duty、CCM/DCM，并利用数字控制器计算不同设定下的输入与输出功率，藉以设定最佳效率的参数。尤其是，PWM驱动控制可先扫描并测试出CCM/DCM下的相对应转换效率曲线，并选择CCM/DCM之中具较高转换效率的模式以当作目标操作模式。

以上所述者仅为用以解释本发明的较佳实施例，并非企图据以对本发明做任何形式上的限制，因此，凡有在相同的发明精神下所作有关本发明的任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明意图保护的范畴。

Claims (7)

1.一种双模电源切换控制装置，用以将具一输入电压的一输入电源转换成具一输出电压的一输出电源而供电给外部的一负载，其特征在于，该双模电源切换控制装置包括一脉波宽度调变驱动控制器、一切换晶体管、一变压器、一隔离元件、一输出二极管以及一输出电容，

其中该脉波宽度调变驱动控制器驱动该切换晶体管的栅极，该变压器包括一初级侧电感及一二次侧电感，该初级侧电感的一端连接该切换晶体管的汲极，该输入电源的输入电压跨接至该初级侧电感的一另一端及该切换晶体管的源极，该初级侧电感的该另一端进一步连接该驱动控制器，该二次侧电感的一端连接该输出二极管的一正端，该输出二极管的一负端连接该输出电容的一端以及该隔离元件的一端，该输出电容的一端电压为该输出电压，且该负载是并联至该输出电容，隔离元件的一另一端连接至该脉波宽度调变驱动控制器，用以将该输出电压或该负载的一负载电流转换成一回授信号而传送至该脉波宽度调变驱动控制器，其特征在于，该脉波宽度调变驱动控制器依据该回授信号以决定该负载的负载状态为轻载或重载，其中该回授信号小于一判断值时，则该负载状态为轻载，而该回授信号大于该判断值时，则该负载状态为重载，且该脉波宽度调变驱动控制器在轻载时利用非连续导通模式以驱动该切换晶体管的栅极，且在重载时利用连续导通模式以驱动该切换晶体管的栅极，且在非连续导通模式/连续导通模式下加入抖频(jitter)功能，

其中该脉波宽度调变驱动控制器为一微控制器或一中央处理器，用以调整对负载状态的判断及调整工作循环，

该脉波宽度调变驱动控制器扫描测试出该非连续导通模式及该连续导通模式下的相对应转换效率曲线，并选择该非连续导通模式及该连续导通模式之中具较高转换效率的模式当作操作模式。

2.如权利要求1所述的双模电源切换控制装置，其特征在于，进一步包括一输入电容，跨接至该输入电源。

3.如权利要求1所述的双模电源切换控制装置，其特征在于，该输入电源为一市电经由一电桥整流后所产生的直流电，且该市电为110V或220V的交流电，而该输入电源的输入电压为110V或220V。

4.如权利要求1所述的双模电源切换控制装置，其特征在于，该切换晶体管为一金氧半场效晶体管，而该隔离元件为一光耦合器或由至少一被动元件构成的电路而实现，而该至少一被动元件包括电阻、电容。

5.如权利要求1所述的双模电源切换控制装置，其特征在于，该回授信号是与该输出电压成线性关系或非线性关系。

6.如权利要求1所述的双模电源切换控制装置，其特征在于，该回授信号与该输出电压的关系是利用内建的查表而实现。

7.如权利要求1所述的双模电源切换控制装置，其特征在于，该脉波宽度调变驱动控制器在零负载至全负载之间的任一负载下，个别设定不同频率、工作循环及非连续导通模式/连续导通模式，并计算相对应的输入与输出功率，藉以设定具最佳效率的参数。