CN106505893B - 谐振控制装置及其谐振控制方法 - Google Patents

谐振控制装置及其谐振控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种谐振控制装置及其谐振控制方法，包括一回授控制器，连接一谐振转换器之输出端，所述输出端连接一负载，所述负载上有一输出电压，所述回授控制器接收一设定电压与所述输出电压。本发明在于提供一种谐振控制装置及其谐振控制方法，其系在不增加硬件成本之前提下，设定一切换数值，一般为小于0.5，且对应脉波调变讯号之最小频率与最大频率，并根据切换数值进行脉波宽度调变模式或脉波频率调变模式，在脉波宽度调变模式，产生频率小于最大频率之脉波宽度调变讯号，以改善谐振转换器之轻载效率、降低启动谐振电流、降低切换损失与噪声、提高谐振转换器之输出电压的下限范围与扩大此输出电压之操作范围。

Description

谐振控制装置及其谐振控制方法
技术领域
本发明涉及一种应用于电源供应器的谐振控制技术，具体涉及一种谐振控制装置及其谐振控制方法。
背景技术
近几年各式电子产品皆朝向精密与小型化的方向发展，传统的电能转换器不论在体积与效率上皆无法满足现今的需求，电能转换器被要求提高功率密度(Power Density)，故1970年代功率半导体技术成熟时，切换式电源才广泛应用在电源上，因此现今高效率的切换式电源供应器(Switch Mode Power Supply,SMPS)为产业在电源设计方面的重点。
切换式电源供应器会采用半桥式谐振转换器或全桥式谐振转换器，半桥式谐振转换器与全桥式谐振转换器的效率高，这边举半桥式谐振转换器为例，其大体皆设成如图1所示，包含一讯号控制器10、一第一电子开关12、一第二电子开关14、一谐振槽16与一变压器18，其中第一电子开关12与第二电子开关14皆为N通道金氧半场效晶体管。理论上，讯号控制器10产生二脉波调变讯号，以控制第一电子开关12与第二电子开关14交替切换，即当第一电子开关12导通时，第二电子开关14关闭，使能量从高电压端VH储存于谐振槽16中，同时传递能量到负载，当第一电子开关12关闭时，第二电子开关14导通，使能量从谐振槽16中，释放于低电压端VL。变压器18接收谐振槽16之能量，以将转换成一输出电压Vo，并施加输出电压Vo在负载20上，以产生一输出电流Io。输出电压Vo与输出电流Io形成一输出功率W。谐振转换器的工作模式包含脉波宽度调变(PWM)模式或脉波频率调变(PFM)模式。
由于硬件上的限制，脉波调变讯号之频率不能无限制提高，因此，造成半桥式谐振转换器不适合应用在输出电压操作在宽广范围的场合上。再者，如果以脉波宽度调变模式来工作，则因为必须处在高频状态，切换损失较大，噪声较高。另外，在数位控制上，容易因为讯号控制器之脉波宽度调变模块之分辨率不足，导致输出电压不稳定。
因此，本发明系在针对上述的困扰，提出一种谐振控制装置及其谐振控制方法，以解决习知所产生的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种谐振控制装置及其谐振控制方法。
为实现所述技术目的，本发明的方案是：一种谐振控制装置，包括一回授控制器，连接一谐振转换器之输出端，所述输出端连接一负载，所述负载上有一输出电压，所述回授控制器接收一设定电压与所述输出电压，并利用所述设定电压对所述输出电压进行电压补偿，以产生一控制数值；
以及一处理器，连接所述回授控制器与所述谐振转换器，并预设有一切换数值，所述处理器接收所述控制数值，以据此与所述切换数值产生脉波调变讯号，并藉所述脉波调变讯号驱动所述谐振转换器调整所述输出电压，其中，所述谐振转换器决定最大频率与最小频率，所述切换数值等于所述最小频率除以所述最大频率，在所述控制数值大于或等于所述切换数值时，所述脉波调变讯号为脉波频率调变讯号，在所述控制数值小于所述切换数值时，所述脉波调变讯号为脉波宽度调变讯号，且其频率系为第一固定值，其系小于所述最大频率，并大于或等于所述最小频率。
作为优选，所述脉波宽度调变讯号之责任周期，小于或等于0.5，并大于一预设限制值。
作为优选，所述脉波频率调变讯号之责任周期为第二固定值，小于或等于0.5，并大于一预设限制值，而所述脉波频率调变讯号之频率在所述最小频率与所述最大频率之间。
作为优选，所述输出电压施加所述负载以产生一输出电流，所述输出电流与所述输出电压形成一输出功率，其中，所述脉波宽度调变讯号之责任周期线性正比于所述输出功率，所述脉波频率调变讯号之频率线性反比所述输出功率。
作为优选，所述回授控制器还包含：一减法器，连接所述输出端，并接收所述设定电压与所述输出电压，将所述设定电压减去所述输出电压，以得到一差异电压；以及一电压补偿器，连接所述减法器与所述处理器，并接收所述差异电压，且对其进行电压补偿，以产生所述控制数值。
作为优选，所述电压补偿器为比例积分微分控制器或比例积分控制器。
作为优选，所述谐振转换器为LLC谐振转换器。
作为优选，所述最大频率由所述协振转换器的线路所决定，所述最小频率由所述谐振转换器之谐振槽所决定，所述谐振槽可选择地包含一谐振电感、一激磁电感与一谐振电容串联而成，所述最小频率的范围在以及之间。
一种谐振控制方法，其系控制一谐振转换器，所述谐振转换器连接一负载，所述负载上有一输出电压，所述谐振转换器决定最大频率与最小频率，所述谐振控制方法包含下列步骤：
接收一设定电压与所述输出电压，并利用所述设定电压对所述输出电压进行电压补偿，以产生一控制数值；
接收所述控制数值，并据此与所述切换数值产生脉波调变讯号，以利用所述脉波调变讯号驱动所述谐振转换器调整所述输出电压，所述切换数值等于所述最小频率除以所述最大频率；以及
判断所述控制数值是否小于所述切换数值：
若是，产生作为所述脉波调变讯号之脉波宽度调变讯号，且其频率系为第一固定值，其系小于所述最大频率，并大于或等于所述最小频率；以及若否，产生作为所述脉波调变讯号之脉波频率调变讯号。
作为优选，所述脉波宽度调变讯号之责任周期，小于或等于0.5，并大于一预设限制值。
作为优选，所述脉波频率调变讯号之责任周期为第二固定值，小于或等于0.5，并大于一预设限制值，而所述脉波频率调变讯号之频率在所述最小频率与所述最大频率之间。
作为优选，其中所述输出电压施加所述负载以产生一输出电流，所述输出电流与所述输出电压形成一输出功率，其中，所述脉波宽度调变讯号之责任周期线性正比于所述输出功率，所述脉波频率调变讯号之频率线性反比所述输出功率。
作为优选，在接收所述设定电压与所述输出电压，并利用所述设定电压对所述输出电压进行电压补偿，以产生所述控制数值之步骤中，更包含下列步骤：
接收所述设定电压与所述输出电压，将所述设定电压减去所述输出电压，以得到一差异电压；以及接收所述差异电压，且对其进行电压补偿，以产生所述控制数值。
作为优选，所述谐振转换器为LLC谐振转换器。
作为优选，所述最大频率由所述协振转换器的线路所决定，所述最小频率由所述谐振转换器之谐振槽所决定，所述谐振槽可选择地包含一谐振电感LR、一激磁电感LM与一谐振电容CR串联而成，所述最小频率的范围在以及之间。
本发明的有益效果，在于提供一种谐振控制装置及其谐振控制方法，其系在不增加硬件成本之前提下，设定一切换数值，一般为小于0.5，且对应脉波调变讯号之最小频率与最大频率，并根据切换数值进行脉波宽度调变模式或脉波频率调变模式，在脉波宽度调变模式，产生频率小于最大频率之脉波宽度调变讯号，以改善谐振转换器之轻载效率、降低启动谐振电流、降低切换损失与噪声、提高谐振转换器之输出电压的下限范围与扩大此输出电压之操作范围。
附图说明
图1为现有技术的谐振转换器之电路示意图；
图2为谐振控制装置与谐振转换器的电路示意图；
图3为本发明的脉波调变讯号的责任周期与频率相对输出功率的曲线图；
图4为本发明的谐振控制方法的流程图。
附图符号说明：
10 讯号控制器
12 第一电子开关
14 第二电子开关
16 谐振槽
18 变压器
20 负载
22 谐振控制装置
24 回授控制器
26 处理器
28 谐振转换器
30 负载
32 电子开关组
34 谐振槽
36 变压器
38 减法器
40 电压补偿器
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本文实施例由下文配合相关图式进一步加以解说。尽可能的，于图式与说明书中，相同标号系代表相同或相似构件。于图式中，基于简化与方便标示，形状与厚度可能经过夸大表示。可以理解的是，未特别显示于图式中或描述于说明书中之元件，为所属技术领域中具有通常技术者所知之形态。本领域之通常技术者可依据本发明之内容而进行多种之改变与修改。
本发明所述的具体实施例为：
以下请参阅图2与图3，本发明的谐振控制装置22包含一回授控制器24与一处理器26，回授控制器24连接一谐振转换器28之输出端，此输出端连接一负载30，负载30上有一输出电压Vo，输出电压Vo施加负载30以产生一输出电流Io，输出电流Io与输出电压Vo形成一输出功率W。谐振转换器28例如为LLC全桥式谐振转换器或LLC半桥式谐振转换器。谐振转换器28包含一电子开关组32、一谐振槽34与一变压器36，电子开关组32依序连接谐振槽34、变压器36与负载30。谐振槽34由一谐振电感LR、一激磁电感LM与一谐振电容CR串联而成，其中激磁电感LM并联变压器34之一次侧，激磁电感LM之一端透过谐振电感LR连接电子开关组32，另一端透过谐振电容CR连接电子开关组32。
回授控制器24接收一设定电压S与输出电压Vo，并利用设定电压S对输出电压Vo进行电压补偿，以产生一控制数值C。处理器26连接回授控制器24与谐振转换器28之电子开关组32，并在不增加硬件成本之前提下，预设有一切换数值Tr。处理器26接收控制数值C，以据此与切换数值Tr产生二脉波调变讯号P，并藉脉波调变讯号P驱动谐振转换器28调整输出电压Vo。谐振控制装置22具有最小频率f1与最大频率f2，切换数值等于最小频率f1除以最大频率f2，且小于0.5。此最大频率f2由谐振转换器28之线路之硬件性能所决定，例如电子开关，最小频率f1由谐振转换器28之谐振槽34所决定，最小频率f1例如为或者在此两数值之间。
在控制数值C大于或等于切换数值Tr时，脉波调变讯号P为脉波频率调变讯号。在控制数值C小于切换数值Tr时，脉波调变讯号P为脉波宽度调变讯号，且其频率F系为第一固定值，该第一固定值的范围系小于最大频率f2，并大于或等于最小频率f1。脉波频率调变讯号之责任周期D为第二固定值，该第二固定值的范围系小于或等于0.5，且大于一预设限制值d，此预设限制值d需大于0。在此实施例中，第二固定值为0.5。脉波宽度调变讯号之责任周期D线性正比于输出功率W，举例来说，脉波宽度调变讯号之责任周期D之最小值与最大值分别等于预设限制值d与切换数值Tr。脉波频率调变讯号之频率F则线性反比输出功率W，举例来说，脉波频率调变讯号之频率F之最小值与最大值分别等于最小频率f1与最大频率f2。由于本发明将切换数值Tr设定至小于0.5，故脉波宽度调变讯号之责任周期D随输出功率W增加却还未升至0.5时，脉波宽度调变讯号即转换成脉波频率调变讯号。换言之，处理器26系以切换数值Tr作为切换脉波宽度调变(PWM)模式与脉波频率调变(PFM)模式之基准。相对传统技术，本发明的脉波宽度调变讯号之频率F比较低，如此，在脉波宽度调变讯号之责任周期D之最大值较小的情况下，导通时间仍然比较长，故能提高谐振转换器28之输出电压Vo的下限范围与扩大此输出电压Vo之操作范围，进一步能改善谐振转换器28之轻载效率、降低启动谐振电流及降低切换损失与噪声。同时因为脉波宽度调变讯号之责任周期D变小。切换数值Tr系影响脉波宽度调变讯号之频率F，使用者能根据效率需求设定切换数值Tr与脉波宽度调变讯号之频率F。
回授控制器24更包含一减法器38与一电压补偿器40，其中电压补偿器40例如为比例积分微分控制器或比例积分控制器。减法器38连接谐振转换器28之输出端，并接收设定电压S与输出电压Vo，将设定电压S减去输出电压Vo，以得到一差异电压VD。电压补偿器40连接减法器38与处理器26，并接收差异电压VD，且对其进行电压补偿，以产生控制数值C。比例积分微分控控制器可以采用可程序逻辑控制或有安装面板的数位控制器来实现。
本实施例中谐振控制装置的谐振控制方法，如图2-4所示，首先，如步骤S10所示，减法器38接收设定电压S与输出电压Vo，将设定电压S减去输出电压Vo，以得到差异电压VD。接着，如步骤S12所示，电压补偿器40接收差异电压，且对其进行电压补偿，以产生控制数值C。再来，如步骤S14所示，处理器26接收控制数值C，并据此与切换数值Tr产生二脉波调变讯号P，以利用脉波调变讯号P驱动谐振转换器28调整输出电压Vo，谐振控制装置22具有最大频率f2与最小频率f1，切换数值Tr等于最小频率f1除以最大频率f2，且小于0.5。最后，处理器26判断控制数值C是否小于切换数值Tr，若是，如步骤S18所示，处理器26产生作为脉波调变讯号P之脉波宽度调变讯号，若否，如步骤S20所示，处理器26产生作为脉波调变讯号P之脉波频率调变讯号。
举例来说，若最小频率f1为60k赫兹(kHz)，最大频率f2为300kHz，则切换数值Tr为0.2，且预设限制值d为0.1，作为脉波调变讯号P之脉波宽度调变讯号之频率F系设定至100kHz，作为脉波调变讯号P之脉波频率调变讯号之责任周期D系设定至0.5。当负载30变轻时，控制数值C变小。当控制数值C小于0.2时，处理器26作为脉波调变讯号P之脉波宽度调变讯号，其责任周期D取决于输出功率W。当负载30变重时，控制数值C变大。当控制数值C大于或等于0.2时，处理器26作为脉波调变讯号P之脉波频率调变讯号，其频率F取决于输出功率W。此外，亦可变动设定电压S以产生脉波宽度调变讯号或脉波频率调变讯号。当设定电压S降低，且输出电压Vo尚未变动时，控制数值C变小。当控制数值C小于0.2时，处理器26作为脉波调变讯号P之脉波宽度调变讯号，其责任周期D取决于输出功率W。当设定电压S提升，且输出电压Vo尚未变动时，控制数值C变大。当控制数值C大于或等于0.2时，处理器26作为脉波调变讯号P之脉波频率调变讯号，其频率F取决于输出功率W。
上述步骤S10与步骤S12亦可由一步骤取代，其系为利用回授控制器24接收设定电压S与输出电压Vo，并利用设定电压S对输出电压Vo进行电压补偿，以产生控制数值C，接着再依序进行步骤S14及其以下步骤，同样能改善谐振转换器28之轻载效率、降低启动谐振电流、降低切换损失与噪声、提高谐振转换器28之输出电压Vo的下限范围与扩大此输出电压Vo之操作范围。
综上所述，本发明设定切换数值，以降低脉波宽度调变讯号之频率，并增加谐振转换器之输出电压的下限范围。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种谐振控制装置，其特征在于：包括一回授控制器，连接一谐振转换器之输出端，所述输出端连接一负载，所述负载上有一输出电压，所述回授控制器接收一设定电压与所述输出电压，并利用所述设定电压对所述输出电压进行电压补偿，以产生一控制数值；
以及一处理器，连接所述回授控制器与所述谐振转换器，并预设有一切换数值，所述处理器接收所述控制数值，以据此与所述切换数值产生脉波调变讯号，并藉所述脉波调变讯号驱动所述谐振转换器调整所述输出电压，其中，所述谐振转换器决定最大频率与最小频率，所述切换数值等于所述最小频率除以所述最大频率，在所述控制数值大于或等于所述切换数值时，所述脉波调变讯号为脉波频率调变讯号，在所述控制数值小于所述切换数值时，所述脉波调变讯号为脉波宽度调变讯号，且其频率系为第一固定值，其系小于所述最大频率，并大于或等于所述最小频率。
2.根据权利要求1所述的谐振控制装置，其特征在于：所述脉波宽度调变讯号之责任周期，小于或等于0.5，并大于一预设限制值。
3.根据权利要求1所述的谐振控制装置，其特征在于：所述脉波频率调变讯号之责任周期为第二固定值，小于或等于0.5，并大于一预设限制值，而所述脉波频率调变讯号之频率在所述最小频率与所述最大频率之间。
4.根据权利要求3所述的谐振控制装置，其特征在于：所述输出电压施加所述负载以产生一输出电流，所述输出电流与所述输出电压形成一输出功率，其中，所述脉波宽度调变讯号之责任周期线性正比于所述输出功率，所述脉波频率调变讯号之频率线性反比所述输出功率。
5.根据权利要求1所述的谐振控制装置，其特征在于：所述回授控制器还包含：一减法器，连接所述输出端，并接收所述设定电压与所述输出电压，将所述设定电压减去所述输出电压，以得到一差异电压；以及一电压补偿器，连接所述减法器与所述处理器，并接收所述差异电压，且对其进行电压补偿，以产生所述控制数值。
6.根据权利要求5所述的谐振控制装置，其特征在于：所述电压补偿器为比例积分微分控制器或比例积分控制器。
7.根据权利要求1所述的谐振控制装置，其特征在于：所述谐振转换器为LLC谐振转换器。
8.根据权利要求1所述的谐振控制装置，其特征在于：所述最大频率由所述谐振转换器的线路所决定，所述最小频率由所述谐振转换器之谐振槽所决定，所述谐振槽包含一谐振电感LR、一激磁电感LM与一谐振电容CR串联，所述最小频率的范围在以及之间。
9.一种谐振控制方法，其特征在于：其系控制一谐振转换器，所述谐振转换器连接一负载，所述负载上有一输出电压，所述谐振转换器决定最大频率与最小频率，所述谐振控制方法包含下列步骤：
接收一设定电压与所述输出电压，并利用所述设定电压对所述输出电压进行电压补偿，以产生一控制数值；
接收所述控制数值，并据此与一切换数值产生脉波调变讯号，以利用所述脉波调变讯号驱动所述谐振转换器调整所述输出电压，所述切换数值等于所述最小频率除以所述最大频率；以及
判断所述控制数值是否小于所述切换数值：
若是，产生作为所述脉波调变讯号之脉波宽度调变讯号，且其频率系为第一固定值，其系小于所述最大频率，并大于或等于所述最小频率；以及若否，产生作为所述脉波调变讯号之脉波频率调变讯号。
10.根据权利要求9所述的谐振控制方法，其特征在于：所述脉波宽度调变讯号之责任周期，小于或等于0.5，并大于一预设限制值。
11.根据权利要求9所述的谐振控制方法，其特征在于：所述脉波频率调变讯号之责任周期为第二固定值，小于或等于0.5，并大于一预设限制值，而所述脉波频率调变讯号之频率在所述最小频率与所述最大频率之间。
12.根据权利要求11所述的谐振控制方法，其特征在于：其中所述输出电压施加所述负载以产生一输出电流，所述输出电流与所述输出电压形成一输出功率，其中，所述脉波宽度调变讯号之责任周期线性正比于所述输出功率，所述脉波频率调变讯号之频率线性反比所述输出功率。
13.根据权利要求9所述的谐振控制方法，其特征在于：在接收所述设定电压与所述输出电压，并利用所述设定电压对所述输出电压进行电压补偿，以产生所述控制数值之步骤中，更包含下列步骤：
接收所述设定电压与所述输出电压，将所述设定电压减去所述输出电压，以得到一差异电压；以及接收所述差异电压，且对其进行电压补偿，以产生所述控制数值。
14.根据权利要求9所述的谐振控制方法，其特征在于：所述谐振转换器为LLC谐振转换器。
15.根据权利要求9所述的谐振控制方法，其特征在于：所述最大频率由所述谐振转换器的线路所决定，所述最小频率由所述谐振转换器之谐振槽所决定，所述谐振槽包含一谐振电感LR、一激磁电感LM与一谐振电容CR串联，所述最小频率的范围在以及之间。
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