CN104022656B - 控制电路以及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种控制方法，用以控制可调式功率转换器。控制方法包括：借助对变压器的反射信号进行取样以生成输出感测信号；接收反馈信号，其中，此反馈信号与可调式功率转换器的输出功率相关联；依据反馈信号以及输出感测信号来生成频率信号；以及依据反馈信号以及频率信号来生成切换信号，以切换变压器并调节可调式功率转换器的输出电压。反射电压与可调式功率转换器的输出电压相关联。切换信号的频率由频率信号来决定。切换信号的频率随着反馈信号的减少而减少。

Description

控制电路以及控制方法

技术领域

本发明涉及一种可调式功率转换器，特别是涉及一种可调式功率转换器的控制电路。

背景技术

可调式功率转换器的输出电压是可编程的，例如5伏(V)、9V、12V以及20V。因此，可调式功率转换器可适用于各种不同的应用中。举例来说，其可使用来对不同的移动装置进行充电，例如智能型手机、平板计算机以及笔记本型计算机等等。每当输出电压切换至不同的输出电平时，可调式功率转换器应也可以适应性地调整其节能机制，以便在低负载或无负载状态下节省功率。相关的节能技术可在名称为“PWM controller having off-timemodulation for power converter”且编号为6,545,882的美国专利、名称为“Pulse widthmodulation controller having frequency modulation for power converter”且编号为6,597,159的美国专利、名称为“PWM controller having adaptive off-timemodulation for power saving”且编号为6,661,679的美国专利以及名称为“Switchingcontrol circuit having off-time modulation to improve efficiency of primary-side controlled power supply”且编号为7,362,593的美国专利中获得。

发明内容

因此，产业期望提供一种频率调制的方法与装置，以达到可调式功率转换器的节能。

本发明提供一种控制电路，用于可调式功率转换器。此控制电路包括取样维持电路、输入电路、振荡电路以及脉宽调制电路。取样维持电路耦接变压器以生成输出感测信号，其中，此输出感测信号与可调式功率转换器的输出电压相关联。输入电路接收反馈信号，其中，此反馈信号与可调式功率转换器的输出功率相关联。振荡电路根据反馈信号以及输出感测信号来生成频率信号。脉宽调制电路生成切换信号以切换变压器并调节可调式功率转换器的输出电压。依据反馈信号而生成切换信号。切换信号的频率由频率信号来决定。切换信号的频率随着反馈信号的减少而减少。在低负载状态或无负载状态下，切换信号的频率随着可调式功率转换器的输出电压的增加而减少。在可调式功率转换器的输出电压被调节为第一输出电平的情况下，当可调式功率转换器的输出功率下降至低于第一阈值时，切换信号的频率开始减少。在可调式功率转换器的输出电压被调节为第二输出电平的情况下，当可调式功率转换器的输出功率下降至低于第二阈值时，切换信号的频率开始减少。第一输出电平高于第二输出电平，且第一阈值高于第二阈值。可调式功率转换器的输出电压是可编程的。

本发明提供一种控制方法，用以控制可调式功率转换器。控制方法包括：借助对变压器的反射信号进行取样以生成输出感测信号；接收反馈信号，其中，此反馈信号与可调式功率转换器的输出功率相关联；依据反馈信号以及输出感测信号来生成频率信号；以及依据反馈信号以及频率信号来生成切换信号，以便切换变压器并调节可调式功率转换器的输出电压。反射信号与可调式功率转换器的输出电压相关联。切换信号的频率由频率信号来决定。切换信号的频率随着反馈信号的减少而减少。

在低负载状态或无负载状态下，切换信号的频率随着可调式功率转换器的输出电压的增加而减少。在可调式功率转换器的所述输出电压被调节为第一输出电平的情况下，当可调式功率转换器的输出功率下降至低于第一阈值时，切换信号的频率开始减少。在可调式功率转换器的输出电压被调节为第二输出电平的情况下，当可调式功率转换器的输出功率下降至低于第二阈值时，切换信号的频率开始减少。第一输出电平高于第二输出电平，且第一阈值高于第二阈值。可调式功率转换器的输出电压是可编程的。

附图说明

图1表示根据本发明一实施例的可调式功率转换器。

图2表示根据本发明一实施例，在图1的可调式功率转换器中的控制电路。

图3表示根据本发明一实施例，在图2的控制电路中的电压至电流转换器。

图4表示根据本发明一实施例，在图2的控制电路中的振荡电路。

图5表示根据本发明一实施例，在图2的控制电路中的脉宽调制电路。

图6表示在不同输出电压电平下，切换信号的频率对输出功率的曲线。

附图符号说明

第1图：

10～变压器； 20～晶体管；

25～电阻器； 30～光耦合器；

40～整流器； 45～电容器；

51、52～电阻器； 56、57～电阻器；

60～运算放大器； 70～电容器；

75～电阻器； 100～控制电路；

I_O～输出电流； N_A～辅助线圈；

N_P～一次侧线圈； N_S～二次侧线圈；

S_W～切换信号； V_CS～切换电流信号；

V_FB～反馈信号； V_IN～输入电压；

V_O～输出电压； V_REF～参考电压；

V_S～反射信号；

第2图：

100～控制电路； 111～电阻器；

112～晶体管； 117、118～电阻器；

120～取样维持电路；

150～电压至电流转换器；

200～振荡电路； 300～脉宽调制电路；

CK～频率信号； I_M～调制信号；

KV_O～输出感测信号； RMP～斜坡信号；

S_W～切换信号； V_A、V_B～反馈信号；

V_CS～切换电流信号； V_FB～反馈信号；

V_S～反射信号；

第3图：

150～电压至电流转换器； 151、152～运算放大器；

153～晶体管； 155、158～电阻器；

159～电容器； 161、162、163、164～晶体管；

165～电流源； 171、172～晶体管；

I_M～调制信号； I_X～电流信号；

KV_O～输出感测信号； V_A～反馈信号；

第4图：

200～振荡电路； 210～定电流源；

211、212、213、216、217～晶体管；

230～电容器； 241、242～开关；

251、252～比较器； 253、254～与非门；

256～反相器； CK～频率信号；

CKB～反相频率信号； I_C～充电电流；

I_D～放电电流； I_M～调制信号；

RMP～斜坡信号； V_H、V_L～跳变点电压；

第5图：

300～脉宽调制电路； 310～加法器；

320～比较器； 350～触发器；

360～缓冲器； RMP～斜坡信号；

CK～频率信号 S_W～切换信号；

V_B～反馈信号； V_CS～切换电流信号；

V_SAW～信号；

第6图：

F_H～最大频率； F_L～最小频率；

P_O1～第一阈值； P_O2～第二阈值；

S_W～切换信号； V_O1、V_O2～电压电平。

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，做如下详细说明。

图1表示根据本发明一实施例的可调式功率转换器。此可调式功率转换器应用反驰式架构。变压器10接收可调式功率转换器的输入电压V_IN。晶体管20耦接来切换变压器10的一次侧线圈N_P。控制电路100在其端点SW上生成切换信号S_W，以调节可调式功率转换器的输出电压V_O。当晶体管20接通时，流经变压器10的一次侧线圈N_P的切换电流将生成跨越电阻器25的切换电流信号V_CS。切换电流信号V_CS被提供至控制电路100的端点CS。根据在控制电路100的端点FB上所接收到的反馈信号V_FB来生成切换信号S_W。反馈信号V_FB与可调式功率转换器的输出电压V_O以及输出电流I_O相关联。详细来说，反馈信号V_FB与可调式功率转换器的输出功率相关联。变压器10还包括辅助线圈N_A。电阻器51与52耦接辅助线圈N_A以生成反射信号V_S，此反射信号V_S被提供至控制电路100的端点VS。反射信号V_S表示变压器的反映电压。反射信号V_S的电平与在变压器10的去磁化期间中输出电压V_O的电平相关联。

变压器10还包括二次侧线圈N_S，其通过整流器40以及电容器45来生成输出电压V_O。运算放大器60包括参考电压V_REF，其耦接操作放大器60的正输入端(+)。运算放大器60在其负输入端(-)上接收输出电压V_O的衰减电压，所述的输出电压V_O的衰减电压由电阻器56与57所组成的分压器所生成。电容器70以及电阻器75串联耦接于运算放大器60的负输入端以及输出端。根据参考电压V_REF以及分压器的信号，运算放大器60的输出端将驱动光耦合器30，以在控制电路100的端点FB上提供反馈信号V_FB。因此，控制电路100将调节输出电压V_O，如下式(1)

$V_O=\frac{R_{56}\×R_{57}}{R_{57}}\×V_{\mathrm{REF}}---\left(1\right)$

图2表示根据本发明一实施例的控制电路100。控制电路100包括取样维持电路120，其接收反射信号V_S以生成输出感测信号KV_O。输出感测信号KV_O与输出电压V_O相关联。变压器10的反射信号V_S的取样详细方式可在名称为“Close-loop PWM controller forprimary-side controlled power converters”且编号为7,016,204的美国专利、名称为“Multiple-sampling circuit for measuring reflected voltage and discharge timeof a transformer”且编号为7,151,681的美国专利、名称为“Causal sampling circuitfor measuring reflected voltage and demagnetizing time of transformer”且编号为7,349,229的美国专利以及名称为“Linear-predict sampling for measuringdemagnetized voltage of transformer”编号为7,486,528的美国专利中获得。

晶体管112以及电阻器111、117、与118组成输入电路，其接收反馈信号V_FB并根据反馈信号V_FB生成反馈信号V_A与V_B。在此输入电路中，晶体管112与电阻器111对反馈信号V_FB执行电平移位操作，以生成反馈信号V_A。详细来说，反馈信号V_FB的电平被移位至反馈信号V_A的电平。电阻器117与118对反馈信号V_A执行衰减操作以生成反馈信号V_B。反馈信号V_A以及输出感测信号KV_O都被提供至电压至电流转换器150，以生成调制信号I_M。调制信号I_M根据反馈信号V_A的减少而减少，调制信号I_M根据输出感测信号KV_O的增加而减少，即每当可调式功率转换器的负载减少时，调制信号I_M减少。在低负载或无负载状态下，每当可调式功率转换器的输出电压V_O增加时，调制信号I_M减少。调制信号I_M还耦接至振荡电路200，以生成频率信号CK。切换信号S_W的频率由频率信号CK的频率来决定。因此，切换信号S_W的频率将依据调制信号I_M的减少而减少。换句话说，切换信号S_W的频率将依据反馈信号V_FB的减少而减少。

振荡电路200生成频率信号CK以及斜坡信号RMP。频率信号CK以及斜坡信号RMP耦接至脉宽调制(pulse width modulation，PWM)电路(PWM)300。脉宽调制电路300将根据频率信号CK、斜坡信号RMP、切换电流信号V_CS以及反馈信号V_B来生成切换信号S_W。

图3表示根据本发明一实施例的电压至电流转换器150。运算放大器151的正输入端接收反馈信号V_A。电阻器158与电容器159的共同接点耦接运算放大器152的正输入端。运算放大器152的正输入端通过电阻器158接收输出感测信号KV_O。运算放大器151与152根据接收到的反馈信号V_A以及输出感测信号KV_O来生成电流信号I_X。电流信号I_X的增加/减少的斜率由电阻器155所决定。电流信号I_X可以用式(2)来表示。

I_X＝(V_A-KV_O)÷R₁₅₅ (2)

电流信号I_X还耦接至由晶体管161、162、163、164、171、与172所组成的多个电流镜，以生成调制信号I_M(如式(3)所示)。

I_M＝K₀×(V_A-KV_O)÷R₁₅₅ (3)

其中，K₀为一固定值，其由所述多个电流镜(晶体管161、162、163、164、171、与172)的比例来决定。

此外，调制信号I_M的最大值被电流源165所限制。

图4表示根据本发明一实施例的振荡电路200。调制信号I_M以及定电流源210通过晶体管211、212、213、216、与217来生成充电电流I_C以及放电电流I_D。定电流源210提供一最小值给充电电流I_C以及放电电流I_D。充电电流I_C以及放电电流I_D的最小值决定了频率信号CK以及切换信号S_W的最小频率。

充电电流I_C以及放电电流I_D用来分别通过开关241与242来对电容器230充电及放电。斜坡信号RMP跨于电容器230而生成。斜坡信号RMP还耦接至比较器251与252。比较器251具有一跳变点电压(trip-point voltage)V_H。比较器252具有一跳变点电压V_L。跳变点电压V_H的电平高于跳变点电压V_L的电平。与非门253与254形成闩锁电路，其接收比较器251与252的输出信号。此闩锁电路以及反相器256一起工作来生成频率信号CK以及反相频率信号CKB。反相频率信号CKB用来控制开关242，以实现电容器230的放电。频率信号CK用来控制开关241，以实现电容器230的充电。调制信号I_M将调制频率信号CK的频率。当调制信号I_M的电平减少时，频率信号CK的频率以及切换信号S_W的频率将因此而减少。

图5表示根据本发明一实施例的脉宽调制电路300的示范设计。触发器350将根据频率信号CK的上升缘并通过缓冲器360以逐周期的方式来致能切换信号S_W。在脉宽调制操作下，当信号V_SAW高于反馈信号V_B时，切换信号S_W将逐周期的被比较器320禁用。加法器310将斜坡信号RMP与切换电流信号V_CS加总以产生上述的信号V_SAW。

图6表示在不同输出电压电平V_O1与V_O2v下，切换信号S_W的频率对输出功率P_O的曲线。举例来说，在输出电压V_O被调节为第一输出电平V_O1(例如12V)的情况下，当输出功率下降至低于第一阈值P_O1时，切换信号S_W的频率将开始减少。切换信号S_W的最大频率F_H由调制信号I_M的最大值与定电流源210的值的总和来决定。切换信号S_W的最小频率F_L由定电流源210的值决定。在输出电压V_O被调节为第二输出电平V_O2(例如5V)的情况下，当输出功率下降至低于第二阈值P_O2时，切换信号S_W的频率将开始减少。第一输出电平V_O1高于第二输出电平V_O2。第一阈值P_O1高于第二阈值P_O2。

虽然以优选实施例如上揭示了本发明，但是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的前提下，可以做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应以权利要求的范围为准。

Claims (10)

1.一种控制电路，用于可调式功率转换器，包括：

取样维持电路，耦接变压器以生成输出感测信号，其中，所述输出感测信号与所述可调式功率转换器的输出电压相关联；

输入电路，接收反馈信号，其中，所述反馈信号与所述可调式功率转换器的输出功率相关联；

振荡电路，根据所述反馈信号以及所述输出感测信号来生成频率信号；以及

脉宽调制电路，生成切换信号以切换所述变压器并调节所述可调式功率转换器的所述输出电压；

其中，依据所述反馈信号生成所述切换信号；

其中，所述切换信号的频率由所述频率信号来决定，且所述切换信号的所述频率随着所述反馈信号的减少而减少；以及

其中，所述切换信号的频率开始减少时的输出功率随着输出电压的电平的不同而改变。

2.如权利要求1所述的控制电路，其中，在低负载状态或无负载状态下，所述切换信号的所述频率随着所述可调式功率转换器的所述输出电压的增加而减少。

3.如权利要求1所述的控制电路，其中，在所述可调式功率转换器的所述输出电压被调节为第一输出电平的情况下，当所述可调式功率转换器的所述输出功率下降至低于第一阈值时，所述切换信号的所述频率开始减少；以及

其中，在所述可调式功率转换器的所述输出电压被调节为第二输出电平的情况下，当所述可调式功率转换器的所述输出功率下降至低于第二阈值时，所述切换信号的所述频率开始减少。

4.如权利要求3所述的控制电路，其中，所述第一输出电平高于所述第二输出电平，且所述第一阈值高于所述第二阈值。

5.如权利要求1所述的控制电路，其中，所述可调式功率转换器的所述输出电压是可编程的。

6.一种控制方法，用以控制可调式功率转换器，包括：

借助对变压器的反射信号进行取样以生成输出感测信号；

接收反馈信号，其中，所述反馈信号与所述可调式功率转换器的输出功率相关联；

依据所述反馈信号以及所述输出感测信号来生成频率信号；以及

依据所述反馈信号以及所述频率信号来生成切换信号，以切换所述变压器并调节所述可调式功率转换器的输出电压；

其中，所述反射信号与所述可调式功率转换器的所述输出电压相关联；

其中，所述切换信号的频率由所述频率信号来决定，且所述切换信号的所述频率随着所述反馈信号的减少而减少；以及

其中，所述切换信号的频率开始减少时的输出功率随着输出电压的电平的不同而改变。

7.如权利要求6所述的控制方法，其中，在低负载状态或无负载状态下，所述切换信号的所述频率随着所述可调式功率转换器的所述输出电压的增加而减少。

8.如权利要求6所述的控制方法，其中，在所述可调式功率转换器的所述输出电压被调节为第一输出电平的情况下，当所述可调式功率转换器的所述输出功率下降至低于第一阈值时，所述切换信号的所述频率开始减少；以及

其中，在所述可调式功率转换器的所述输出电压被调节为第二输出电平的情况下，当所述可调式功率转换器的所述输出功率下降至低于第二阈值时，所述切换信号的所述频率开始减少。

9.如权利要求8所述的控制方法，其中，所述第一输出电平高于所述第二输出电平，且所述第一阈值高于所述第二阈值。

10.如权利要求6所述的控制方法，其中，所述可调式功率转换器的所述输出电压是可编程的。