CN105634281A - 交替式波谷切换控制器以及控制方法 - Google Patents

交替式波谷切换控制器以及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种交替式波谷切换控制器以及控制方法。此交替式波谷切换控制器包括波谷检测电路与交替电路。波谷检测电路耦接变压器的辅助线圈，以产生一波谷检测信号。交替电路根据遮没窗信号以及波谷检测信号来使切换信号的多个切换期间交替发生。遮没窗信号在这些切换期间中在第一电压电平与第二电压电平之间切换。这些切换期间包括至少两个第一期间与至少两个第二期间，而此至少两个第一期间与此至少两个第二期间反应于遮没窗信号的第一电压电平与第二电压电平而交替地发生。

Description

交替式波谷切换控制器以及控制方法
技术领域
本发明涉及一种功率转换器，特别涉及一种具有交替式波谷切换的功率转换器。
背景技术
功率转换器使用来将一未调节的电压原转换为一经调节的电压或电流。功率转换器一般包括具有初级侧线圈与次级侧线圈的变压器，以提供隔离。连接初级侧线圈的切换装置控制能量由初级侧线圈转移至次级侧线圈。操作在高频的功率转换器提供了尺寸与重量的减少。然而，切换装置的切换操作产生了切换损失与电磁干扰(electric-magnetic-interference，EMI)。因此，发展出功率转换器的波谷切换，以减少切换损失与电磁干扰。在现有的技术中，波谷被锁定以切换功率转换器的切换装置。然而，当波谷被锁定时，功率转换器则必须操作在低操作频率下以维持输出功率。因此，具有波谷锁定操作的功率转换器可能无法操作在高频率下。
发明内容
本发明提供一种交替式波谷切换控制器。此交替式波谷切换控制器包括波谷检测电路与交替电路。波谷检测电路耦接变压器的辅助线圈，以产生一波谷检测信号。交替电路根据遮没窗信号以及波谷检测信号来使切换信号的多个切换期间交替发生。遮没窗信号在这些切换期间中在第一电压电平与第二电压电平之间切换。这些切换期间包括至少两个第一期间与至少两个第二期间，而此至少两个第一期间与此至少两个第二期间反应于遮没窗信号的第一电压电平与第二电压电平而交替地发生。
本发明提供一种交替式波谷切换控制器。此交替式波谷切换控制器包括交替电路。交替电路根据波谷检测信号来使切换信号的多个切换期间交替发生。波谷检测信号由变压器的辅助线圈所产生。交替电路在这些切换期间中交替地操作在第一电压电平与第二电压电平。这些切换期间包括至少两个第一期间与至少两个第二期间，而此至少两个第一期间与此至少两个第二期间反应于第一电压电平与第二电压电平而交替地发生
本发明提供一种控制方法，用于功率转换器的交替式波谷切换。此控制方法包括以下步骤：使切换信号的多个切换期间交替发生；以及根据切换信号来切换功率转换器的功率开关。这些切换期间包括至少两个第一期间与至少两个第二期间，而此至少两个第一期间与此至少两个第二期间交替地发生。电流信号的多个峰值的电压电平相同，而电流信号是根据流经功率开关的切换电流而产生的。
附图说明
图1表示根据本发明一实施例的功率转换器。
图2表示根据本发明一实施例，在图1中功率转换器的切换控制器。
图3表示根据本发明一实施例，在图2中切换控制器的波谷检测电路。
图4表示根据本发明一实施例，在图2中切换控制器的振荡器。
图5表示根据本发明一实施例，在图1中功率转换器的主要信号。
【符号说明】
图1：
10～变压器；15～电阻器；
20～电压调节器；40～光耦合器；
100～切换控制器；CO～输出电容器；
CQ～寄生电容；CST～电容器；
DA、DS～整流器；NA～辅助线圈；
NP～初级侧线圈；NS～次级侧线圈；
Q1～功率开关；RCS～电流感测电阻器；
RS1、RS2～电阻器；VA～电压；
VCS～电流信号；VFB～反馈信号；
VIN～输入电压；VG～切换信号；
VO～输出电压；VS～电压检测信号；
图2：
100～切换控制器；110～D型触发器；
120～波谷检测电路；130～振荡器；
140～分压器；150～比较器；
160～交替电路；
TURN_ON_TRG～致能信号；
VB～反馈电压；VCC～操作电压；
VCS～电流信号；VD～波谷检测信号；
VDIS～禁能信号；VG～切换信号；
ZFB～电阻器；
图3：
120～波谷检测电路；300、310、320～晶体管；
330～比较器；340～运算放大器；
NA～辅助线圈；RM、RS1、RS2～电阻器；
VCC～操作电压；VD～波谷检测信号；
VM～电压信号；VREF～参考电压；
VS～电压检测信号；VT1～临界值；
图4：
110～D型触发器；130～振荡器；
200～T型触发器；205、210～开关；
215、220～电压源；225～比较器；
235～与门；240～开关；
245～电流源；250～电容器；
255～比较器；260～SR触发器；
TURN_ON_TRG～致能信号；
ISD～电流；RESET～重置信号；
VAVS～差距电压；VBNK～遮没窗信号；
VCC～操作电压；；VCT～锯齿信号；
VD～波谷检测信号；VDW～检测窗信号；
VT2～临界值；
图5：
OFF～关闭状态；ON～导通状态；
RESET～重置信号；TURN_ON_TRG～致能信号；
tAVS～交替波谷时间；tBNK～遮没窗期间；
ts1、ts2～期间(切换期间)；
VAVS～差距电压；VB～反馈电压；
VBNK～遮没窗信号；VCS～电流信号；
VCT～锯齿信号；VD～波谷检测信号；
VDW～检测窗信号；VS～电压检测信号；
VT1、VT2～临界值。
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表示根据本发明一实施例的功率转换器。在图1实施例中的功率转换器为一反驰式功率转换器。参阅图1，变压器(磁性装置)10耦接功率转换器的输入电压VIN。功率转换器包括初级侧线圈NP、次级侧线圈NS、以及辅助线圈NA。切换控制器100包括反馈端FB、电流感测端CS、输入端VS、电源端VDD、以及输出端OUT。功率开关Q1耦接初级侧线圈NP。切换控制器100产通过输出端OUT产生切换信号VG，以控制(导通或关闭)功率开关Q1。功率开关Q1受切换信号VG所控制以切换变压器10，藉此产生与调节功率转换器的输出电压VO。由于变压器10的切换，导致流经功率开关Q1与电流感测电阻器RCS的切换电流。电流信号VCS反应于切换电流与电流感测电阻器RCS而产生，且通过电流感测端CS而切换控制器100所接收。变压器10的次级侧线圈NS通过整流器DS与输出电容器CO耦接功率转换器的输出。光耦合器40通过电阻器15与电压调节器20耦接功率转换器的输出电压VO。光耦合器40配置来根据输出电压VO产生反馈信号VFB。切换控制器100的反馈端FB接收反馈信号VFB。辅助线圈NA通过另一整流器DA与电容器CST来提供电源给切换控制器100。电阻器RS1与RS2串联耦接于辅助线圈NA与接地之间，以形成一分压器。通过此分压器的操作，电压检测信号VS根据辅助线圈NA的电压VA而产生于在电阻器RS1与RS2之间的接合点上。切换控制器100通过输入端VS接收电压检测信号VS。
图2表示根据本发明一实施例的切换控制器100。如图2所示，切换控制器100包括波谷检测电路120、包括D型触发器110与振荡器130的交替电路160、分压器140、以及比较器150。波谷检测电路120与振荡器130操作来产生致能信号TURN_ON_TRG，以控制导通切换信号VG的时序。分压器140与比较器160操作来产生一禁能信号VDIS，以控制关闭切换信号VG的时序。D型触发器110具有接收操作电压VCC的输入端D、接收致能信号TURN_ON_TRG的时钟端CK、接收禁能信号VDIS的重置端R、以及产生切换信号VG的输出端Q。如上所述，电流信号VCS是反应于流经功率开关Q1的切换电流而产生的。因此，电流信号VCS能表示切换信号VG的状态。如图5所示，切换控制器100在多个切换期间内产生切换信号VG。在一实施例中，以交替发生的两个期间tS1与两个期间tS2作为此多个切换期间的一示范例。在每一切换期间中，当切换信号VG处于导通状态(ON)时，电流信号VCS的电压电平从一初始电平逐渐地上升；而当切换信号VG处于关闭状态(OFF)时，电流信号VCS的电压电平重置为上述的初始电平。参阅图5，对于每一切换信号而言，当切换信号VG处于关闭状态时，由于功率开关Q1的寄生电容CQ与变压器10的初级侧线圈NP的漏感，而在电压检测信号VS上引起共振。
波谷检测电路120配置来在切换信号VG的关闭期间检测由共振所引起的波谷。参阅图3，波谷检测电路120包括晶体管300、310、与320、比较器330、运算放大器340、以及电阻器RM。晶体管310与320形成一电流镜电路。
运算放大器340的负输入端耦接输入端VS以接收电压检测信号VS。运算放大器340的郑输入端接收参考电压VREF。运算放大器34的输出则控制晶体管300的栅极。晶体管300的源极耦接输入端VS。如此一来，输入端VS的最小电压被调节在参考电压VREF。由晶体管310与320所形成的电流镜电路耦接晶体管300的漏极，以反应于流经电阻器RM的电流而在电阻器RM产生电压信号VM。比较器330比较电压信号VM与临界值VT1，且根据比较结果来产生波谷检测信号VD。电压信号VM超过临界值VT1的情况是表示一波谷发生在电压检测信号VS。在此时，波谷检测信号VD具有一脉冲(即是，波谷检测信号VD处于一高电压电平)。为了说明波谷检测，图5显示电压检测信号VS与临界值VT1之间的关系。通过波谷检测电路120的操作，当电压检测信号VS低于临界值VT1时，电压检测信号VS的一波谷被检测到，且波谷检测信号VD发生一脉冲。
图4表示根据本发明一实施例的交替电路160的振荡器30。如图4所示，振荡器30包括T型触发器200、开关205与210、电压源215与220、比较器225、与门235、开关240、电流源245、电容器250、比较器255、以及SR触发器260。开关240、电流源245、与电容器250形成一充电电路。开关240受重置信号RESET所控制。当开关240根据重置信号RESET而关闭时，由电流源245所提供的电流ISD对电容器245充电。在此时，在电容器250的锯齿信号VCT逐渐地上升。比较器255比较锯齿信号VCT与临界值VT2以产生致能信号TURN_ON_TRG。在锯齿信号VCT低于临界值VT2的期间，致能信号TURN_ON_TRG具有一脉冲，其传送至D型触发器110的时钟端CK(显示于图2)。因此，D型触发器110导通切换信号VG。此时，功率开关Q1被具有导通状态的切换信号VG所导通，且电流信号VCS的电压电平由上述初始电平逐渐地上升。根据上述，致能信号TURN_ON_TRG是产生来控制导通切换信号VG的时序。换句话说，致能信号TURN_ON_TRG的一脉冲的发生表示切换信号VG进入导通状态。
在切换信号VG的导通状态期间，电流信号VCS逐渐地上升，直到电流信号VCS到达反馈电压VB为止。参阅图2，光耦合器40根据功率转换器的输出电压VO来产生反馈信号VFB。由光耦合器40所产生的反馈信号VFB则由分压器140进行分压以产生反馈电压VB。因此，反馈电压VB与功率转换器的输出电压VO相关。比较器150的负输入端接收反馈电压VB。比较器150的正输入端接收电流信号VCS。比较器150比较电流信号VCS与反馈电压VB，且根据比较结果来产生禁能信号VDIS。当电流信号VCS到达反馈电压VB时，禁能信号VDIS则耦合来重置D型触发器110。在此时，切换信号VG进入关闭状态(切换信号VG被关闭)，且功率开关Q1被关闭。由于关闭的功率开关Q1，电流信号VCS则下降至初始电平。如图5所示，在切换信号VG的关闭状态期间，由于功率开关Q1的寄生电容CQ与变压器10的初级侧线圈NP的漏感，而在电压检测信号VS上引起共振。
再次参阅图4，T型触发器200具有接收操作电压VCC的输入端T、接收致能信号TURN_ON_TRG的时钟端CK、输出端Q、以及反相输出端Q。比较器225的负输入端耦接电压源220，且其正输入端接收锯齿信号VCT。与门235的一输入端耦接比较器225的输出端，而其另一输入端接收波谷检测信号VD。SR触发器260具有耦接与门235的输出端的输入端S、接收致能信号TURN_ON_TRG的输入端R、以及产生重置信号RESET的输出端Q。开关205与210通过电压源220耦接比较器225的负输入端。提供一差距电压VAVS的电压源215耦接于开关210与接地之间。
开关205与210分别由T型触发器220的输出端Q与上的信号所控制。参阅图5，举例来说，在一切换期间tS1，T型触发器200被致能信号TURN_ON_TRG的一脉冲所触发，以在输出端Q产生一信号来关闭开关210且在输出端产生一信号来导通开关205。此时，具有一较低电压电平的遮没窗(blankingwindow)信号VBNK产生于比较器225的负输入端。此较低电压电平是由电压源220所提供。在一切换期间tS2，T型触发器200被致能信号TURN_ON_TRG的一脉冲所触发，以在输出端Q产生一信号来导通开关210且在输出端产生一信号来关闭开关205。此时，遮没窗信号VBNK由上述较低电压电平切换为一较高电压电平。表示此高位电压电平与此低电压电平之间的差异的差距电压VAVS由电压源215所提供。如图5所示，在切换信号VG的多个切换期间中，遮没窗信号VBNK在此两个不同的电平之间切换。因此，交替电路160在切换信号VG的多个切换期间中交替地操作在此两个不同的电平。
比较器225比较锯齿信号VCT与遮没窗信号VBNK，且产生一检测窗信号VDW。当锯齿信号VCT大于遮没窗信号VBNK时，检测窗信号VDW被致能以具有一高电压电平。在检测窗信号VDW处于该高电压电平的期间，一旦由于电压检测信号VS的一波谷的发生而导致波谷检测信号VD发生一脉冲时，与门235则输出一高电压电平信号至SR触发器260的输入端S。此时，由于锯齿信号VCT高于临界值VT2，而使得致能信号TURN_ON_TRG处于一低电压电平，即是，致能信号TURN_ON_TRG不具有任何的脉冲。如此一来，SR触发器260产生具有一脉冲的重置信号RESET，以导通开关240。由于开关240的导通状态，锯齿信号VCT被重置。在锯齿信号VCT被重置后，切换控制器100则切换为操作在接续的操作期间。在此接续的操作期间中，锯齿信号VCT再次逐渐地上升。相似于先前的叙述，在锯齿信号VCT低于临界值VT2的期间，致能信号TURN_ON_TRG具有一脉冲，且D型触发器100根据具有该脉冲的致能信号TURN_ON_TRG来导通切换信号VG。同时，T型触发器200被致能信号TURN_ON_TRG的该脉冲所触发，以改变开关215与220的状态。因此，遮没窗信号VBNK切换为另一电压电平。根据上述，如图5所示，在锯齿信号VCT到达遮没窗信号VBNK的电压电平之后第一个发生的电压检测信号VS的波谷上，切换控制器100导通切换信号VG。
参阅图5，在切换信号VG的多个切换期间之中，多个期间tS1与多个期间tS2交替地发生。详细来说，交替电路160根据遮没窗信号VBNK与波谷检测信号VD来使切换信号VG的多个操作期间交替发生。在每一期间tS1中，遮没窗信号VBNK处于一较低电压电平；而在每一期间tS2中，遮没窗信号VBNK处于一较高电压电平。因此，在每一期间tS1中当锯齿信号VCT低于遮没窗信号VBNK的遮没窗期间(tBNK)短于在每一期间tS2中当锯齿信号VCT低于遮没窗信号VBNK的遮没窗期间(tBNK+tAVS)。表示在一期间tS1的遮没窗期间与在一期间tS2的遮没窗期间之间的差异的交替波谷时间tAVS，是由差距电压VAVS所导致的。因此，对于每一期间tS1而言，切换信号VG将在电压检测信号VS的第二个波谷上切换为在下一期间tS2中的导通状态；而对于每一期间tS2而言，切换信号VG将在电压检测信号VS的第三个波谷上切换为在下一期间tS1中的导通状态。
在另一方面，由于遮没窗信号VBNK的电压电平在两相异的电压电平之间切换，因此，切换信号VG的关闭时间(off-time)则在两个不同的时间长度之间切换。详细来说，由于具有一较低电压电平的遮没窗信号VBNK，使得切换信号VG的关闭时间具有一较短的时间长度；而由于具有一较高电压电平的遮没窗信号VBNK，使得切换信号VG的关闭时间具有一较长的时间长度。此外，由于反馈电压VB，电流信号VCS的多个峰值被限制住。即是，电流信号VCS的多个峰值的电压电平是相同的。如此一来，切换信号VG在这些切换期间中的导通时间(on-time)是固定的。在上述的说明中，切换信号VG的每一切换期间的长度是由切换信号VG的对应关闭时间所控制或支配。多个期间tS1与多个期间tS2反应于遮没窗信号VBNK的上述较低电压电平与上述较高电压电平而交替地发生。
根据上述实施例，为了减少切换损失与电磁干扰，功率开关Q1的切换是以一规律的方式来实现。详细来说，在连续的多个切换期间中，功率开关Q1交替地在两个特定的波谷上导通。因此，功率转换器的操作频率不会被限制。
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 (10)

1.一种交替式波谷切换控制器，包括：
波谷检测电路，耦接变压器的辅助线圈，以产生波谷检测信号；以及
交替电路，根据遮没窗信号以及该波谷检测信号来使切换信号的多个切换期间交替发生；
其中，该遮没窗信号在所述切换期间中在第一电压电平与第二电压电平之间切换；以及
其中，所述切换期间包括至少两个第一期间与至少两个第二期间，且所述至少两个第一期间与所述至少两个第二期间反应于该遮没窗信号的该第一电压电平与该第二电压电平而交替地发生。
2.如权利要求1所述的交替式波谷切换控制器，其中，电流信号的多个峰值的电压电平相同，该电流信号是根据流经功率开关的切换电流而产生的。
3.如权利要求1所述的交替式波谷切换控制器，其中，该切换信号在所述切换期间中的导通时间是固定的。
4.如权利要求1所述的交替式波谷切换控制器，其中，该切换信号在所述切换期间中的关闭时间反应于该遮没窗信号的该第一电压电平与该第二电压电平而在第一时间长度与第二时间长度间切换。
5.一种交替式波谷切换控制器，包括：
交替电路，根据波谷检测信号来使切换信号的多个切换期间交替发生；
其中，该波谷检测信号由变压器的辅助线圈所产生；
其中，该交替电路在所述切换期间中交替地操作在第一电压电平与第二电压电平；以及
其中，所述切换期间包括至少两个第一期间与至少两个第二期间，且所述至少两个第一期间与所述至少两个第二期间反应于该第一电压电平与该第二电压电平而交替地发生。
6.如权利要求5所述的交替式波谷切换控制器，其中，电流信号的多个峰值的电压电平相同，该电流信号是根据流经功率开关的切换电流而产生的。
7.一种控制方法，用于功率转换器的交替式波谷切换，包括：
使切换信号的多个切换期间交替发生；以及
根据该切换信号来切换该功率转换器的功率开关；
其中，所述切换期间包括至少两个第一期间与至少两个第二期间，且所述至少两个第一期间与所述至少两个第二期间交替地发生；以及
其中，电流信号的多个峰值的电压电平相同，该电流信号是根据流经该功率开关的切换电流而产生的。
8.如权利要求7所述的控制方法，还包括：
检测电压检测信号的多个波谷，其中，该电压检测信号的所述波谷发生在该切换信号处于关闭状态时；
提供遮没窗信号，该遮没窗信号在所述切换期间中在第一电压电平与第二电压电平之间切换；
提供锯齿信号；
比较该锯齿信号与该遮没窗信号；
在该锯齿信号V到达该遮没窗信号的该第一电压电平获该第二电压电平之后第一个发生的波谷上，导通该切换信号。
9.如权利要求7所述的控制方法，其中，该切换信号在所述切换期间中的导通时间是固定的。
10.如权利要求7所述的控制方法，其中，该切换信号在所述切换期间中的关闭时间在第一时间长度与第二时间长度间切换。
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