CN114079380B - 电源转换装置、控制模块及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电源转换装置、控制模块及其操作方法，电源转换装置用以对负载供电，且电源转换装置包括变压器与控制模块。控制模块控制功率开关持续地导通与关断而将输入电压通过变压器转换为输出电压，且当电源转换装置的功率开关关断时，变压器的初级侧产生谐振电压。控制模块依据输出电压设定预设计数次数，且依据关联于负载的回授信号设定遮没时间；在遮没时间结束后，控制模块计数谐振电压因振荡产生的振荡转折点的次数，且次数到达预设计数次数后，控制模块控制功率开关导通。
Description
技术领域
本发明涉及一种电源转换装置、控制模块及其操作方法，尤指一种针对多输出电压准位进行相应控制的电源转换装置、控制模块及其操作方法。
背景技术
目前的供电系统中，电力传输(Power Delivery；PD)功能是目前主流的供电技术。电力传输功能主要是通过电缆和连接器增加电力输送，扩展供电应用中的电缆总线供电能力。电力传输功能的规范可实现供电系统提供更高的输出电压和输出电流，输送的功率最高可达100瓦，并可以自由的改变电力的输送方向。目前，电力传输功能标准分为10W、18W、36W、60W和100W的输出功率，输出电压可提供多组不同的电压准位(5V、12V、20V等)，输出电流为1.5A、2A、3A和5A。供电系统通过交握机制与负载相互沟通后，可提供负载运作所需的电压准位。如此灵活的配置，让各种电子设备通过一条线缆就能够满足供电需求，不但可以为移动设备供电，甚至还能给笔记本电脑、显示器直接供电。
如何设计出一种电源转换装置，在电源转换装置可提供多组不同的输出电压准位的情况下，适当地控制功率开关的开启时间以及切换频率，使得输出电压快速地稳定，乃为本案创作人所欲行研究的一大课题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种电源转换装置，且电源转换装置包括变压器与控制模块。变压器的初级侧耦接功率开关，且控制模块耦接功率开关。控制模块控制功率开关持续地导通与关断而将输入电压通过变压器转换为输出电压，且当功率开关关断时，变压器的初级侧产生谐振电压。控制模块依据输出电压设定预设计数次数，且依据关联于负载的回授信号设定遮没时间；在遮没时间结束后，控制模块计数谐振电压因振荡产生的振荡转折点的次数，且次数到达预设计数次数后，控制模块控制功率开关导通。
为了解决上述问题，本发明提供一种电源转换装置的操作方法，用以控制电源转换装置对负载供电，且电源转换装置的操作方法包括下列步骤：控制模块控制电源转换装置的功率开关持续地导通与关断而将输入电压通过变压器转换为输出电压。控制模块侦测输出电压，且依据输出电压设定预设计数次数，以及依据回授信号设定遮没时间，其中回授信号关联于负载。在遮没时间结束后，控制模块计数谐振电压因振荡产生的振荡转折点的次数。当次数到达预设计数次数后，控制模块控制功率开关导通。
为了解决上述问题，本发明提供一种控制模块，控制模块控制电源转换装置的功率开关持续地导通与关断而提供输出电压，控制模块包括计时单元、侦测单元及控制单元。计时单元依据电源转换装置的回授信号设定遮没时间，回授信号关联于负载。侦测单元从电源转换装置的初级侧侦测输出电压以及谐振电压。控制单元耦接至侦测单元，依据输出电压设定预设计数次数，且于遮没时间结束后，计数谐振电压于振荡转折点的次数；及，在次数到达预设计数次数后，控制功率开关导通。
本发明的主要目的及功效在于，利用控制模块控制电源转换装置的功率开关在关断后欲导通时，因应输出电压的负载大小设定遮没时间，且因应输出电压的电压准位不同而在遮没时间结束后分别取出不同且特定的导通时机，以达成使具有电力传输(PowerDelivery；PD)功能的电源转换装置可适当地控制功率开关Q的开启时间以及切换频率，使得输出电压Vo快速地稳定。
为了能更进一步了解本发明为达成预定目的所采取的技术、手段及功效，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而所附图式仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1为本发明电源转换装置的电路方块图；
图2为本发明单一开关周期的功率开关两端跨压的波形示意图；
图3为本发明应用于电源转换装置的降频曲线图；
图4为本发明控制模块的电路方块图；
图5A为本发明输出电压为高准位时的电路波形示意图；
图5B为本发明输出电压为低准位时的电路波形示意图；及图6为本发明电源转换装置的操作方法流程图。
其中，附图标记：
100…电源转换装置
10…桥整电路
20…变压器
20-1…一次侧绕组
20-2…辅助绕组
L…激磁电感
20-3…二次侧绕组
Q…功率开关
Coss…寄生电容
30…整流电路
40…回授电路
50…控制模块
502…计时单元
504…侦测单元
5042…准位侦测单元
5044…转折点侦测单元
506…控制单元
LG…逻辑电路
5062…计数单元
50-1…正反器
60…分压电路
D…二极管
200…负载
Vin…输入电压
Vo…输出电压
Vd…直流电压
Vaux…辅助电压
Vdd…工作电压
Vr…谐振电压
V1…第一准位
V2…第二准位
PWM…脉波宽度调变信号
Sf…回授信号
Saux…辅助信号
Se…致能信号
Sl…准位信号
Sp…脉冲
Sc…计数信号
So…启用信号
Fsw…最大切换频率
Fsw1…第一切换频率
Fsw2…第二切换频率
P1～P4…震荡转折点
Tb…遮没时间
t1～t2、t01～t03、t10～t14…时间
具体实施方式
兹有关本发明的技术内容及详细说明，配合图式说明如下：
请参阅图1为本发明电源转换装置的电路方块图。电源转换装置100接收输入电压Vin，且将输入电压Vin转换为输出电压Vo对负载200供电。电源转换装置100为返驰式转换器的电路架构，且电源转换装置100包括桥整电路10、变压器20、功率开关Q、整流电路30、回授电路40及控制模块50。变压器20将电源转换装置100区分为一次侧与二次侧，且变压器20的一次侧包括一次侧绕组20-1与辅助绕组20-2。变压器20的一次侧绕组20-1耦接桥整电路10与功率开关Q，变压器20的二次侧包括二次侧绕组20-3，且整流电路30耦接二次侧绕组20-3、回授电路40及负载200。
桥整电路10将输入电压Vin转换为直流电压Vd，且将直流电压Vd提供至一次侧绕组20-1。电源转换装置100为具有电力传输(Power Delivery；PD)功能的转换装置，且控制模块50可以将电源转换装置100操作在不连续导通模式(Discontinuous ConductionMode；DCM)。控制模块50耦接功率开关Q、辅助绕组20-2及回授电路40，且通过提供脉波宽度调变信号PWM控制功率开关Q的持续导通与关断而将直流电压Vd通过变压器20转换为输出电压Vo。回授电路40使控制模块50控制电源转换装置100提供多组不同电压准位的输出电压Vo(例如但不限于，3V、5V、12V等)。在一实施例中，回授电路40具有一误差放大器，比较输出电压Vo与负载200所要求的电压准位(例如参考电压Vref)来控制一光耦合器(photocoupler)，于一次侧产生回授信号Sf。
请参阅图2为本发明单一开关周期的辅助电压的波形示意图，复配合参阅图1。在控制模块50控制功率开关Q导通时(Ton)，变压器20储能，功率开关Q两端的跨压Vds大约为0V，此时助绕组20-2通过耦合一次侧绕组20-1，且极性相反之故，因此感应到辅助电压Vaux的电压值为负m倍的直流电压Vd(m为一次侧绕组20-1与辅助绕组20-2的匝数比)。在时间t1，控制模块50控制功率开关Q关断，变压器20开始释能。在变压器20释能的过程中，辅助电压Vaux的电压大约为n倍的输出电压Vo(n为二次侧绕组20-3与辅助绕组20-2的匝数比)，如同图2所示。
在控制模块50控制功率开关Q关断(Toff)的时间t2时，变压器20所储存的能量已完全释放完毕，二次侧电流已完全为零，呈现开路狀态。此时功率开关Q两端的跨压Vds因为一组RLC谐振槽(即线阻、一次侧绕组20-1的激磁电感L及寄生电容Coss)的存在而产生谐振。因为辅助绕组20-2电感感应一次侧绕组20-1上的跨压，辅助电压Vaux也以0V电压为中心，开始谐振，如同图2的时间t2之后的波形所示。辅助电压Vaux来回振荡产生复数个震荡转折点P1～P4(以4个转折点示意，但不限于)。
请参阅图3，其为本发明应用于电源转换装置的降频曲线图，并复配合参阅图1～2。电源转换装置100中，控制模块50控制功率开关Q的最大切换频率Fswx，其主要是与负载200的负载量有关。稍后将细部说明，功率开关Q的实际上开关频率大约接近最大切换频率Fswx，但不大于最大切换频率Fswx。在负载200越重时(例如重载)，回授信号Sf的电压值越高，功率开关Q的最大切换频率Fswx越高，反之回授信号Sf的电压值与最大切换频率Fswx则越低。
因此，可通过上述的关系建立图3的降频曲线图，其降频曲线可使电源转换装置100在不同负载200的场合下获得稳定的输出功率。在负载200较重(例如重载)而使回授信号Sf的电压高于第一准位V1时，控制模块50控制功率开关Q的最大切换频率Fswx为第一切换频率Fswx1。在负载200较轻(例如轻载)而使回授信号Sf的电压低于第二准位V2时，控制模块50控制功率开关Q的最大切换频率Fswx为第二切换频率Fswx2。其中，第一切换频率Fswx1高于第二切换频率Fswx2。在负载介于两者之间时，回授信号Sf的电压与最大切换频率Fswx大致呈线性关系。
图3中的降频曲线也可以视为回授信号Sf对遮没时间Tb(举例显示于图2中)的一关系曲线，而遮没时间Tb为最大切换频率Fswx的倒数(Tb＝1/Fswx)。在一开关周期开始时，控制模块50依据回授信号Sf来决定遮没时间Tb，而在遮没时间Tb过后，控制模块50才容许下一个开关周期开始。所以，开关频率将不大于最大切换频率Fswx。
具体而言，复配合参阅图1～3。控制模块50接收由回授电路40所提供的回授信号Sf而设定遮没时间Tb，回授信号Sf可以代表负载200的状况(例如轻载或重载)，负载200越重，回授信号Sf越高，遮没时间Tb越短。
分压电路60接收辅助电压Vaux，且将辅助电压Vaux分压为辅助信号Saux。控制模块50接收辅助信号Saux，且依据辅助信号Saux设定预设计数次数。控制模块50通过辅助电压Vaux可以得知输出电压Vo的大小。因为在功率开关Q关断时，辅助电压Vaux感应到n倍的输出电压Vo，所以通过接收辅助信号Saux即可大约得知输出电压Vo的准位。
如图2所示，遮没时间Tb主要是在功率开关Q开启之后(在另一个实施例中为功率开关Q关断时(Toff))，遮住一段时间以禁止控制模块50在这段时间控制功率开关Q再次导通。此遮没时间Tb可能遮住时间t1～t2外，还可以遮住部分的谐振电压Vr，具体遮住的多寡依据回授信号Sf而定。然后，控制模块50在得知遮没时间Tb结束后，开始对接下来所出现的振荡转折点的次数计数。在控制模块50所计数的次数到达控制模块50所预先设定的预设计数次数时，控制模块50即控制功率开关Q导通。利用遮没时间Tb搭配振荡转折点的计数，即可以在具有不同输出电压Vo准位的情况下，利用(但不限于)单一组降频曲线进行最大切换频率Fswx的调整而使电源转换装置100的输出电压Vo稳定。因此，控制模块50所设定的遮没时间Tb可以依据单一降频曲线所产生，且此单一降频曲线提供回授信号Sf与遮没时间Tb之间的预设关系。
请参阅图4为本发明控制模块的电路方块图，复配合参阅图1～3。控制模块50包括计时单元502、侦测单元504及控制单元506。计时单元502依据回授电路40所提供的回授信号Sf设定遮没时间Tb，且回授信号Sf关联于负载。在一实施例中，由于控制模块50系在单一降频曲线下进行操作，因此计时单元502是依据回授信号Sf得知负载200的状况(轻载或重载)而据此设定遮没时间Tb的时间长度。然后在遮没时间Tb到达后，通过致能信号Se使控制单元506开始进行转折点的计数。
侦测单元504耦接分压电路60而接收辅助信号Saux。侦测单元504包括准位侦测单元5042与转折点侦测单元5044。准位侦测单元5042比较辅助信号Saux与预设准位而提供准位信号Sl至控制单元506。举例来说，在变压器20释能的过程中，如果辅助信号Saux大于2.5V，那准位信号Sl为逻辑上的”1”，表示目前输出电压Vo应该是要稳压在至少12V；如果辅助信号Saux小于2.5V，那准位信号Sl为逻辑上的”0”，表示输出电压Vo应该是要稳压在5V。
转折点侦测单元5044接收辅助信号Saux，且比较辅助信号Saux与阈值而提供脉冲Sp至控制单元506。具体而言，转折点侦测单元5044比较辅助信号Saux与阈值0V，当辅助信号Saux交越过阈值0V，再经过一段预设的延迟时间后，提供脉冲Sp至控制单元506，大约表示一震荡转折点的出现时间。其中，产生脉冲Sp的时机具有3种实施方式。第一种为，在波谷转折点与波峰转折点时都产生脉冲Sp。第二种为，在振荡转折点为波谷转折点时产生脉冲Sp。第三种为，在振荡转折点为波峰转折点时产生脉冲Sp。具体来说，当辅助信号Saux往下交越阈值0V时，可以视为一波谷转折点即将出现。相对的，当辅助信号Saux往上交越阈值0V时，可以视为一波峰转折点即将出现。
控制单元506耦接计时单元502与侦测单元504，且依据准位信号Sl设定预设计数次数，且于遮没时间Tb结束后，对脉冲Sp开始计数而产生次数(对应谐振电压Vr的振荡转折点)。具体而言，控制单元506包括逻辑电路LG与计数单元5062。逻辑电路LG主要系在遮没时间Tb后提供对应脉冲Sp，来作为脉冲Sc至计数单元5062。脉冲Sc中的脉冲次数即代表在遮没时间Tb后，谐振电压Vr出现振荡转折点的次数。在本发明的一实施例中，逻辑电路LG较简易的实施方式可以使用与门AND(并不限定，其也可以为与非门NAND、比较电路等电路所兜成)。计数单元5062接收脉冲Sc与准位信号Sl，且依据准位信号Sl设定预设计数次数。计数单元5062计数脉冲Sc中的脉冲次数，且在脉冲次数到达预设计数次数时，通过启用信号So触发功率开关Q导通。值得一提，如图4所示，由于控制模块50可能包括其他的逻辑判断电路(例如但不限于保护电路等)，因此可通过例如但不限于正反器50-1将启用信号So与其他的逻辑判断信号调制为脉波宽度调变信号PWM，再提供至功率开关Q。
请参阅图5A为本发明输出电压Vo为高准位(例如但不限于20V输出)时的电路波形示意图、图5B为本发明输出电压Vo为低准位(例如但不限于5V输出)时的电路波形示意图，复配合参阅图1～4，且反复参阅图1、4、5A及5B**。图5A与图5B两者皆使用波谷转折点作为脉冲Sp的计数。在时间t00～t01时，脉波宽度调变信号PWM控制功率开关Q导通，且在时间t01之后，脉波宽度调变信号PWM控制功率开关Q关断。在图5A中，假设控制单元506依据逻辑为”1”的准位信号Sl(表示输出电压Vo为高准位)设定预设计数次数为1次，即在遮没时间Tb后的第一个波谷触发。控制模块50通过辅助信号Saux得知，激磁电感所储存的能量已完全释放完毕时，跨压Vds产生谐振电压Vr。由于遮没时间Tb在时间t02才结束，因此时间t02之后，控制单元506开始计数脉冲Sc中的脉冲次数，且在计数的次数到达预设计数次数(1次)时(时间t03)，控制单元506可以触发功率开关Q导通。
在图5B中，假设控制单元506依据逻辑为”0”的准位信号Sl(表示输出电压Vo为低准位)设定预设计数次数为2次，即在遮没时间Tb后的第二个波谷触发。依据图5A相同的控制方式，在时间t12时遮没时间Tb结束，控制单元506开始计数脉冲Sc中的脉冲次数，且在计数的次数到达预设计数次数(2次)时(时间t14)，控制单元506触发功率开关Q导通。
在一些实施例中，脉冲Sc可以代表遮没时间Tb结束后出现的波谷转折点与/或波峰转折点，而控制单元506在脉冲Sc中的脉冲次数到达预设计数次数后，通过启用信号So触发功率开关Q，使功率开关Q大约在一波谷转折点出现时导通，来实现波谷切换(valleyswitching)。
进一步而言，利用谐振电压Vr在波谷转折点时，触发功率开关Q导通称之为准谐振(Quasi-Resanent；QR)控制模式，也有称为波谷切换。此时导通的优点在于切换时的功率开关Q两端电压应力低，因此可实现消除或减小开关功耗(switching loss)的目的。但本发明并不限于QR控制模式或波谷切换。举例来说，在一些实施例中，控制单元506可以使功率开关Q大约在一波峰转折点出现时导通。虽然谐振电压Vr在波峰转折点时，触发功率开关Q导通并不具备上述的优点，但是其操作仍然可据以实施，且满足本发明的目的。
请参阅图6为本发明电源转换装置的操作方法流程图，复配合参阅图1～5B。控制单元506控制功率开关Q持续地导通与关断而将输入电压Vd通过变压器20转换为输出电压Vo(S100)。
然后，控制模块50接收辅助信号Saux来侦测输出电压Vo，具以设定预设计数次数，且依据关联于负载200的回授信号Sf与图3的降频曲线的预设关系，设定遮没时间Tb(S120)。
在遮没时间Tb结束后，控制模块50对脉冲Sc开始计数，得到谐振电压Vr于振荡转折点的次数(S140)。
最后，次数到达预设计数次数后，控制模块50提供脉波宽度调变信号PWM，控制功率开关Q导通(S160)。
利用遮没时间Tb搭配振荡转折点的计数，即可以在具有不同输出电压Vo准位的情况下，适当地控制功率开关Q的开启时间以及切换频率，使得输出电压Vo快速地稳定。
以上所述，仅为本发明较佳具体实施例的详细说明与图式，惟本发明的特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以权利要求为准，凡合于本发明权利要求的精神与其类似变化的实施例，皆应包括于本发明的范畴中，任何熟悉该项技艺者在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在以下本案的权利要求范围。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
Claims (14)
1.一种电源转换装置，对一负载供电，其特征在于，包括：
一变压器，该变压器的一初级侧耦接一功率开关，当该功率开关关断时，该初级侧产生一谐振电压；及
一控制模块，耦接该功率开关，控制该功率开关持续地导通与关断而将一输入电压通过该变压器转换为一输出电压；其中，该控制模块依据该输出电压设定一预设计数次数，且依据关联于该负载的一回授信号设定一遮没时间；在该遮没时间结束后，该控制模块计数该谐振电压因振荡产生的一振荡转折点的一次数，且该次数到达该预设计数次数后，该控制模块控制该功率开关导通。
2.根据权利要求1所述的电源转换装置，其特征在于，该控制模块包括：
一计时单元，依据一回授信号设定该遮没时间，该回授信号依据侦测该输出电压而产生；
一侦测单元，耦接该变压器的一辅助绕组，且依据该辅助绕组的一辅助电压提供对应该输出电压准位的一准位信号，以及提供对应该振荡转折点的一脉冲；及
一控制单元，依据该准位信号设定该预设计数次数，且于该遮没时间结束后，依据该脉冲开始产生该次数。
3.根据权利要求2所述的电源转换装置，其特征在于，该侦测单元包括：
一准位侦测单元，比较该辅助电压与一预设准位而通知该控制单元设定该预设计数次数；及
一转折点侦测单元，比较该辅助电压与一阈值而提供该脉冲。
4.根据权利要求2所述的电源转换装置，其特征在于，该控制单元包括：
一计数单元，耦接至该计时单元以及该侦测单元，用以于该遮没时间结束后开始依据该脉冲的计数而产生该次数，且于该次数达该预设计数次数后，触发该功率开关导通。
5.根据权利要求2所述的电源转换装置，其特征在于，该振荡转折点为一波谷转折点，该侦测单元提供对应该谐振电压于该波谷转折点的该脉冲至该控制单元，且该控制单元依据该脉冲计数而产生该次数。
6.根据权利要求2所述的电源转换装置，其特征在于，该振荡转折点为一波峰转折点，该侦测单元提供对应该谐振电压于该波峰转折点的该脉冲至该控制单元，且该控制单元依据该脉冲计数而产生该次数。
7.根据权利要求2所述的电源转换装置，其特征在于，该变压器的一二次侧包括一整流电路与一回授电路，该整流电路将该二次侧的电力整流为该输出电压，且该回授电路依据该输出电压提供该回授信号至该控制模块。
8.根据权利要求2所述的电源转换装置，其特征在于，该遮没时间依据一降频曲线所产生，该降频曲线提供该回授信号与该遮没时间之间的一预设关系。
9.一种电源转换装置的操作方法，其特征在于，该电源转换装置对一负载供电，且该操作方法包括下列步骤：
控制该电源转换装置的一功率开关持续地导通与关断而将一输入电压通过一变压器转换为一输出电压，且当该功率开关关断时，该变压器的一初级侧产生一谐振电压；
侦测该输出电压，且依据该输出电压设定一预设计数次数，以及依据一回授信号设定一遮没时间，其中该回授信号关联于该负载；
在该遮没时间结束后，计数该谐振电压因振荡产生的一振荡转折点的一次数；及
该次数到达该预设计数次数后，控制该功率开关导通。
10.根据权利要求9所述的操作方法，其特征在于，更包括：
比较该输出电压与一电压准位，来产生该回授信号；
提供对应该谐振电压于该振荡转折点的一脉冲；
于该遮没时间结束后，依据该脉冲开始计数该谐振电压到达该振荡转折点的次数。
11.根据权利要求10所述的操作方法，其特征在于，更包括：
比较该变压器的一辅助电压与一预设准位而设定该预设计数次数；及
比较该辅助电压与一阈值而提供该脉冲。
12.根据权利要求10所述的操作方法，其特征在于，该振荡转折点为一波谷转折点或一波峰转折点。
13.根据权利要求10所述的操作方法，其特征在于，该遮没时间依据该回授信号与一降频曲线的一预设关系所产生。
14.一种控制模块，控制一电源转换装置的一功率开关持续地导通与关断而提供一输出电压，其特征在于，该控制模块包括：
一计时单元，依据该电源转换装置的一回授信号设定一遮没时间，该回授信号关联于一负载；
一侦测单元，从该电源转换装置的一初级侧侦测该输出电压以及一谐振电压；及
一控制单元，耦接至该侦测单元，依据该输出电压设定一预设计数次数，且于该遮没时间结束后，计数该谐振电压于一振荡转折点的一次数；及，在该次数到达该预设计数次数后，控制该功率开关导通。
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