CN106300963B - 为音响装置的电流模式升压电路降低磁芯损耗的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种为音响装置的电流模式升压电路降低磁芯损耗的控制方法，所述电流模式升压电路有一电感耦接一开关，所述开关受一脉冲宽度调变信号控制切换，以控制所述电感所导通的电感电流，当所述脉冲宽度调变信号的占空比达到设定的最大值时，若所述电感电流仍未上升到设定的峰值，则立刻关闭所述脉冲宽度调变信号的脉冲，并在下一周期加快所述脉冲宽度调变信号的切换频率。本发明藉由如此自动调整切换频率，可以避免所述脉冲宽度调变信号的占空比太大而导致所述电感的磁芯损耗大幅增加。

Description

为音响装置的电流模式升压电路降低磁芯损耗的控制方法

技术领域

本发明涉及一种电流模式升压电路，特别是关于一种应用于音响装置中的电流模式升压电路的控制方法，该控制方法可降低磁芯损耗。

背景技术

参照图1A和图1B，一种应用在音响装置中的电流模式升压电路包含了电感L、开关SW以及电容C，开关SW受脉宽调变PWM(Pulse Width Modulation；PWM)信号控制而切换，以控制电感L所导通的电感电流iL。脉宽调变信号PWM的脉冲是由时钟信号clk所触发，从而将开关SW切换至接点A，此后电感L被充电，电感电流iL上升；当电感电流iL上升至一设定的峰值PEAK时，关闭脉宽调变信号PWM的脉冲，从而将开关SW切换至接点B，电感电流iL对电容C充电。藉由反复上述操作而周期性的切换开关SW，可将输入电压Vin升压成为受调节的(regulated)输出电压Vo，供应给负载R。

然而，图1A和图1B所示的电流模式升压电路在实际应用上有一些问题。当遭遇重载瞬时(heavy load transient)时，由于脉宽调变信号PWM的占空比(duty cycle)是藉由比较电感电流iL与设定的峰值PEAK所得到的结果，因此占空比可能会变到非常大，甚至接近或超过极限值1。未受限的占空比引发控制回路的正反馈，最糟糕的情况，甚至引发电感L的磁芯损耗(core loss)等效电阻Rc所造成的磁芯损耗呈指数性增长。参照图2所示的特性曲线，在电感L的电感值为固定值的情况下，电感L的磁芯损耗大小与脉宽调变信号PWM的占空比大小有关。在占空比较大时，随着占空比的增加，磁芯损耗出现指数性增加。磁芯损耗也是正反馈项目，如果图1A和图1B中的负载R维持在重载状态直到电感L达到磁通密度饱和(magnetic flux density saturation)，则会导致电路故障。

目前已知处理此磁芯损耗问题的方法是为占空比设定一最大值，以终止正反馈以及磁芯损耗指数性增加。

发明内容

本发明的目的之一，在于提供一种为音响装置的电流模式升压电路降低磁芯损耗的控制方法，以解决上述一项或多项缺失。

更具体来说，本发明提供一种为音响装置的电流模式升压电路降低磁芯损耗的控制方法，音响装置中的所述电流模式升压电路有一电感耦接一开关，所述开关受一脉冲宽度调变信号控制切换，以控制所述电感所导通的电感电流，所述脉冲宽度调变信号的脉冲由一时钟信号触发而开启，并在所述电感电流上升到一设定的峰值时触发一结束信号关闭所述脉冲宽度调变信号的脉冲，本发明的特点是在所述脉冲宽度调变信号的占空比达到一设定的最大值，但所述电感电流仍未上升到所述设定的峰值时，立刻关闭所述脉冲宽度调变信号的脉冲，并在下一周期加快所述开关的切换频率，以降低所述电感的磁芯损耗。

较佳者，在加快所述开关的切换频率后，若所述脉冲宽度调变信号的占空比下降到小于所述设定的最大值，则在下一周期减慢所述开关的切换频率。

较佳者，藉由改变所述时钟信号的频率来改变所述开关的切换频率。

较佳者，所述设定的最大值是可调整的，并在改变所述开关的切换频率时一并调整所述设定的最大值。

较佳者，从所述脉冲宽度调变信号或所述电感电流检知所述占空比的值。

较佳者，若所述脉冲宽度调变信号的占空比已达到一设定的最大值，但所述电感电流仍未上升到所述设定的峰值，则触发另一结束信号关闭所述脉冲宽度调变信号的脉冲。

较佳者，在开启所述脉冲宽度调变信号的脉冲后开始计算所述脉冲维持的时间，若计算的时间达到所述设定的最大值所决定的时间长度时，所述电感电流仍未上升到所述设定的峰值，则触发所述另一结束信号。

较佳者，从所述脉冲宽度调变信号或所述电感电流检知所述脉冲维持的时间。

较佳者，利用所述时钟信号触发一负脉冲，其宽度等于所述设定的最大值所决定的时间长度，所述负脉冲和所述脉冲宽度调变信号经与门运算产生所述另一结束信号。

本发明依据占空比是否达到设定的最大值，来控制电流模式升压电路中的开关的切换频率。本发明藉由自动调整切换频率，可以避免所述脉冲宽度调变信号的占空比太大而导致所述电感的磁芯损耗大幅增加。本发明将改良现有控制方法，使得电流模式升压电路在重载时能更有效率的终止正反馈。

附图说明

图1A和图1B显示一现有的电流模式升压电路的简化电路图及其操作原理的示意图；

图2显示电流模式升压电路中的电感的磁芯损耗与脉宽调变信号的占空比之间的关系曲线；

图3显示使用本发明实施例来控制电流模式升压电路的示意图；

图4显示图3中的时钟信号clk及脉宽调变信号PWM的波形图；

图5显示图3中的开关SW在不同切换频率时，电感L的磁芯损耗与磁通密度变化量ΔB之间的关系曲线；以及

图6显示本发明实施例产生结束信号的OFF2的示意图。

符号说明：

10 电流检测器

12 脉宽调变产生器

14 或门

16 比较器

18 控制回路

20 反馈电路

22 比较器或误差放大器

24 时钟信号的波形

26 脉宽调变信号的波形

28 磁芯损耗与磁通密度变化量的曲线

30 磁芯损耗与磁通密度变化量的曲线

32 单击电路

34 与门

具体实施方式

为了具体且清楚地说明本发明的特点，以下将引用图1A和图1B所示的电流模式升压电路来说明本发明如何控制电流模式升压电路中的开关。

参照图3，如同一般的电流模式升压电路所使用的，用来控制开关SW切换的脉宽调变信号PWM是由PWM产生器12(例如使用正反器)提供，时钟信号clk用来触发PWM产生器12开启脉宽调变信号PWM的脉冲，然后PWM产生器12响应结束信号OFF而关闭脉冲宽度调变信号PWM的脉冲。如同大家已知的，时钟信号clk的频率决定了脉宽调变信号PWM的切换频率，从而控制了开关SW的切换频率。电流检测器10检测电感电流iL产生电流检测信号iLs，比较器16比较电流检测信号iLs与设定的峰值PEAK，当电流检测信号iLs上升到峰值PEAK时，比较器16会触发结束信号OFF1。在已知的装置中，结束信号OFF就是结束信号OFF1。另一方面，反馈电路20检测输出电压Vo产生反馈信号err，提供给控制回路18。反馈信号err可以用来决定峰值PEAK的大小。反馈电路20可以使用比较器或误差放大器22来实现。

时钟信号clk由控制回路18提供，因此，控制回路18可以藉由改变时钟信号clk的频率来改变脉宽调变信号PWM(或开关SW)的切换频率。

参照图3及图4，如图4中的波形24及26所示，在时间t1时，时钟信号clk由低电平转为高电平，触发了脉宽调变信号PWM的脉冲，使得开关SW切换至接点A，从而导致电感L被充电，造成电感电流iL上升；在开关SW连接在接点A的期间，电流检测器10检测电感电流iL而产生电流检测信号iLs，当电流检测信号iLs上升到峰值PEAK时，表示电感电流iL达到设定的峰值，触发结束信号OFF1，结束信号OFF1经过或门14传送到PWM产生器12的重设输入端，因此脉冲宽度调变信号PWM的脉冲被关闭，如图4中的波形26在时间t2时所示，从而开关SW被切换至接点B，于是电感电流iL对电容C充电并逐渐下降。重复上述操作，周期性的切换开关SW，电流模式升压电路会将输入电压Vin升压成为输出电压Vo。

在一般的情况下，电感电流iL在脉宽调变信号PWM的占空比达到设定的最大值以前，就会上升到设定的峰值PEAK，使得比较器16触发结束信号OFF1，因而关闭脉宽调变信号PWM的脉冲。

参照图3，控制回路18还有一输入端连接PWM产生器12的输出端PWM，用来检测脉宽调变信号PWM的占空比D。

参照图4，如同大家已知的，占空比D等于脉宽调变信号PWM的脉冲宽度Ton对切换周期T之比值

D＝Ton/T， (公式1)

其中，切换周期T即为切换频率fsw的倒数。

参照图3及图4，若脉宽调变信号PWM的占空比D已经达到设定的最大值Dmax，如图4中的波形26在时间t3处所示，但电感电流iL仍未上升到设定的峰值PEAK，则控制回路18触发结束信号OFF2，经或门14传送到PWM产生器12的重设输入端，因而关闭脉宽调变信号PWM的脉冲，如此即可避免占空比D继续增加而造成正反馈以及磁芯损耗太大，而且控制回路18将在下一周期加快时钟信号clk的频率，以加快开关SW的切换频率，如图4中的波形14在时间t4所示，时钟信号clk的频率从fsw1变为fsw2。在加快开关SW的切换频率后，若脉宽调变信号PWM的占空比D仍维持在设定的最大值Dmax，如图4中的时间t4至t5所示，则下一周期的时钟信号clk的频率仍会保持在fsw2；相反的，若脉宽调变信号PWM的占空比D减少到小于设定的最大值Dmax，如图4中的时间t5至t6所示，则下一周期的时钟信号clk的频率将从fsw2回复为加快切换频率以前的频率fsw1。

在开关SW的不同切换频率下，限制占空比D的最大值的设定值Dmax，可以相同，也可以不同。例如，在较高的切换频率时，占空比D的最大值Dmax使用较大的设定值。如此可以弹性的调整占空比D的最大值Dmax，使系统具备较佳的适应性。

在不同的切换频率下使用不同的占空比D最大设定值Dmax，也可以利用磁滞(hysteresis)方式或其它方式来选择不同的设定值，以提高效率或避免系统在切换条件的边界跳动。

由于开关SW的切换频率可以自动切换，所以占空比D的最大值Dmax可以设定为较小的值，以避免电感L有较大的磁芯损耗。

在一实施例中，将较低切换频率下的占空比D的最大值Dmax设定为较小的值，使电感L有较小的磁芯损耗；在加快切换频率时改用较大的值作为占空比D的最大值Dmax，使占空比较不易达到设定的最大值Dmax。

在另一实施例中，在加快切换频率时改用较小的值作为占空比D的最大值Dmax，使占空比较容易达到设定的最大值Dmax，因而提高再次加快切换频率的机会，可以使切换频率更快速地增加。

除了图3的实施例所示的，从脉冲宽度调变信号PWM检知其占空比的值，还可以改用其它的方式来达成，例如，从电感电流iL或电流检测信号iLs检知脉冲宽度调变信号PWM的占空比大小。

参照图3及图4，在开关SW连接在接点A的期间(即图4中Ton的时间内)，磁通密度变化量

ΔB＝VL×Ton/A， (公式2)

其中，VL为电感L的跨压，A为电感L的截面积。又，脉宽调变信号PWM的脉冲宽度的时间

Ton＝T×D＝D/fsw， (公式3)

其中，T为脉宽调变信号PWM的周期，fsw为脉宽调变信号PWM的频率。从上述公式2及公式3可以得到

ΔB＝(VL×D)/(A×fsw)。 (公式4)

从上述公式4可知，磁通密度变化量ΔB与脉宽调变信号PWM的频率fsw具有反比例关系。

图5显示图3中开关SW在不同切换频率fsw时，电感L的磁芯损耗与磁通密度变化量ΔB的关系曲线，本发明的原理是参照磁芯损耗与磁通密度变化量ΔB之间的关系来控制开关SW的切换频率fsw。例如，参照图5中的曲线28，在频率fsw为200kHz且磁通密度变化量ΔB为1500高斯(gauss)时，电感L的磁芯损耗约为0.4W；当频率fsw加快至400kHz时，由于频率fsw加倍，因此磁通密度变化量ΔB减半变为750高斯；从图5中的曲线30可知，在频率fsw为400kHz且磁通密度变化量ΔB为750高斯时，电感L的磁芯损耗约为0.2W，比上述的0.4W减少了一半。参照图5中的具体数据很容易了解，本发明加快脉宽调变信号PWM的频率fsw，确实可以降低电感L的磁芯损耗。

由于切换周期T为切换频率fsw的倒数，以及D＝Ton/T，所以从切换频率fsw和占空比D的最大设定值Dmax，可以计算出脉宽调变信号PWM的脉冲的最大设定宽度

Tmax＝Dmax/fsw。 (公式5)

在一实施例中，在开启脉宽调变信号PWM的脉冲后开始计算时间，当计算的时间达到脉宽调变信号PWM的脉冲的最大宽度Tmax时，触发结束信号OFF2。

在另一实施例中，如图6所示，时钟信号clk也用来触发单击电路32，单击电路32产生宽度为Tmax的负脉冲，负脉冲Tmax和脉宽调变信号PWM经与门34运算产生结束信号OFF2。只有在脉宽调变信号PWM的脉冲宽度Ton超过Tmax时，结束信号OFF2才会被触发。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种为音响装置的电流模式升压电路降低磁芯损耗的控制方法，所述电流模式升压电路有一电感耦接一开关，所述开关受一脉冲宽度调变信号控制切换，以控制所述电感所导通的电感电流，所述脉冲宽度调变信号的脉冲由一时钟信号触发而开启，并在所述电感电流上升到一设定的峰值时触发一结束信号关闭所述脉冲宽度调变信号的脉冲，其特征在于，若所述脉冲宽度调变信号的占空比达到一设定的最大值，但所述电感电流仍未上升到所述设定的峰值，则关闭所述脉冲宽度调变信号的脉冲，并在下一周期加快所述开关的切换频率，以降低所述电感的磁芯损耗。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在加快所述开关的切换频率后，若所述脉冲宽度调变信号的占空比下降到小于所述设定的最大值，则在下一周期减慢所述开关的切换频率。

3.如权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，藉由改变所述时钟信号的频率以改变所述开关的切换频率。

4.如权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，所述设定的最大值是可调整的，并在改变所述开关的切换频率时一并调整所述设定的最大值。

5.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，从所述脉冲宽度调变信号或所述电感电流检知所述占空比的值。

6.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，若所述脉冲宽度调变信号的占空比达到所述设定的最大值，但所述电感电流仍未上升到所述设定的峰值，则触发另一结束信号关闭所述脉冲宽度调变信号的脉冲。

7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，在开启所述脉冲宽度调变信号的脉冲后开始计算所述脉冲维持的时间，若计算的时间达到所述设定的最大值所决定的时间长度时，所述电感电流仍未上升到所述设定的峰值，则触发所述另一结束信号。

8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，从所述脉冲宽度调变信号或所述电感电流检知所述脉冲维持的时间。

9.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，利用所述时钟信号触发一负脉冲，其宽度等于所述设定的最大值所决定的时间长度，所述负脉冲和所述脉冲宽度调变信号经与门运算产生所述另一结束信号。