TW200812207A - Resonant converter and burst mode starting method thereof - Google Patents

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200812207 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本案係指一種諧振轉換器及其間歇式工作模式 (Burst Mode)的啟動方法，特別是指應用於電源供應器 (Power Supply Apparatus)的諧振直流-直流轉換器。 【先前技術】 近年來’電源供應器的發展趨勢如同大部分的電 _ 源產品一樣’朝著高效率（High Efficiency)、高功率密 度(High Power Density)、高可靠性(High Reliability)以 及低成本(Low Cost)的方向發展，特別是，為了達成節 能與環保的目的，對於電源供應器運作於輕載或空載 狀況下之較低電力損耗的要求亦與日俱增。 對於電源供應器中的諧振轉換器來說，間歇式工 作模式（Burst Mode)是越來越普遍被使用的一種節能 技術；舉例而言，筆記型電腦之適配器（Adapter)中的 • 反激式（F1沖ack)交流-直流轉換器或是行動電話中的 降壓式(Buck)直流-直流轉換器皆常常使用該項技術。 在電源供應器運作於輕載或空載狀況下，當使用 間歇式工作模式進行控制時，處於切換模式的電源供 應裔係先以正常工作頻率fs運作一段週期時間T〇n， 接著停止工作另^段週期時間T〇ff，最後再次地運作 於該正常工作頻率fs之下。其中，1/(T〇n+T〇ff)係永遠 小於該正常工作頻率fs，而電路損耗的減少比率係為 Toff/(Ton+Toff)。 5 200812207 由前段敘述可知，使用間歇式工作模式進行控制 的關鍵點在於：必須產生一個信號，用以偵測出該轉 換器之負載狀況到達了應該啟動間歇式工作模式的時 刻。習用技術中已提出了數種用於偵測轉換器之負載 狀況的方法；諸如檢測轉換器中的變壓器之二次侧電 流、或是檢測中間值電壓（諸如處於切換模式之電源供 應器的閉迴路中的回授電壓）等。 這種使用閉迴路回授電壓作為中間值電壓以觸發 間歇式工作模式的控制方法常被應用在升壓式（Β ο 〇 s t type)拓樸（諸如升壓電路、降-升壓式電路、以及反激 式電路）以及降壓式（Buck type)拓樸（諸如降壓電路、正 激電路、半橋電路、以及全橋電路）之中。當具有以上 這些拓樸的轉換器運作於輕載狀況下時，其工作電流 係處於不連續模式(DCM)，這會使得輸出電壓相對於 輸入電壓的增益產生一顯著變化，而該變化則會反映 在補償回路的電壓變化上。因此’透過彳貞測補償回路 中的回授電壓便可以正確地獲得轉換器的負載狀況。 然而，這種補償回路中偵測回授電壓的方法應用 在諧振轉換器的仍然具有其缺點，以下說明之。 請參閱第一圖，其為習用諧振直流-直流轉換器的 電路圖。在第一圖中，諧振直流-直流轉換器10係由 轉換電路級11、變壓器Tx、整流電路級12、以及濾 波及負載電路級13所構成；其中，轉換電路級11包 括了諧振電容Cr、諧振電感1^、和激磁電感1^111，整 流電路級12包括了二極體D1及D2,而濾波及負載電 6 200812207 路級13則係由濾波電容Cout及負載Rload所構成。 諧振直流-直流轉換器10的工作原理為，一直流電壓 先經過開關Q卜Q2的切換藉由轉換電路級11接受高 頻截波，再經過整流電路級12接受整流，最後被送至 滤波及負載電路級13接受滤波後被輸出至負載 Rload。 ， 當使用前述之偵测補償回路的回授電壓之方法於 第一圖的諧振直流-直流轉換器10時，由於諧振直流-直流轉換器10係利用頻率調變（Frequency Modulation) 方法所控制，因此其工作頻率在不同的負載狀況下時 並不會改變太多，而若是工作頻率無須改變太多，回 授電壓也不會改變太多，此時便很難僅藉由檢測中間 值電壓來實行間歇式工作模式的控制；而替代的方案 為，藉由檢測變壓器Tx的二次侧電流來實行間歇式工 作模式的控制，但此種方案卻又過於複雜而較不合乎 製造成本。 職是之故，申請人鑑於習知技術之缺失，乃經悉 心試驗與研究，並一本鍥而不捨之精神，終構思出本 案，以下為本案之簡要說明。 【發明内容】 本案之主要構想為提出一種諧振轉換器及其間歇 式工作模式的啟動方法，可使得該諧振轉換器所具有 之補償回路的回授電壓更容易地被偵測到，而能更適 切而完美地啟動該諧振轉換器的間歇式工作模式。 7 200812207 根據本案之主要構想，提出一種諧振轉換哭，包 括：一轉換電路級；一變壓器，耦接於該轉換電路級， 將該轉換電路級之輸出由一次側感應至二次側.—敕 流電路級’耦接於該變壓器之二次側，對該變壓 輸出進行整流；一滤波及負載電路級，輕接於^流 電路級，對該整流電路級之輸出進㈣波並輸出^ 及一充電泵電路，耦接於該整流電路級，該充♦泵 路對該濾波及貞載電祕充電錢得該毅及=載

路級的-電位高於-預定值’ H此使得該諧振轉 啟動間歇式工作模式。 很料茶之主妥構想，另提出—種譜振轉換器， 包括：-轉換電路級；-變壓器，輕接於該轉換電路 級’將該轉換電路級之輸出由—次側感應至二次側. :整J電路級’耦接於該變壓器之二次側，對該變壓 态之輸出進行整流；一濾波及負恭命 、戴甩路級，耦接於該 整流電路級，對該整流電路級之給 ^ ^^ 出進行濾波並輸出； 乂及一充電泵龟路，耦接於該變壓器，該 對該濾波及負載電路級充電並使俨 :兒 纽从干，一 免兀使侍该濾波及負載電路 級的一電位咼於一預定值，藉此兮 動間歇紅作模式。 振轉換器啟 根據本案之主要構想，冉挺山 p” 、蚨出―種諧振轉換器之 拖U啟動方法，該譜振轉換ϋ包括-轉 換笔路級、將該轉換電路級之_由―次㈣應j t侧的一變壓器、對痛器之輪出進行整；：—： 机電路級、以及對該整錢ml行濾、波並ς 8 200812207 出的一濾波及負載電路級，該啟動方法包括下列步驟: 提升該濾波及負載電路級的一電位至高於一預定值， 使得該譜振轉換器所具有的一回授電壓產生一變化; 以及根據該變化使得該諧振轉換器啟動間歇式工作模 本案得藉由下列圖式及詳細說明，俾得更深入之 了解： 【實施方式】 請參閱第二圖，其為本案諧振轉換器第一較佳實 施例的電路圖，在第二圖中，與前述第一圖相同的電 路元件係標示相同的圖示符號。與第一圖的習用技術 相類似，諧振直凌-直流轉換器20主要係由轉換電路 級21、變壓器Tx、整流電路級22、以及濾波及負載 電路級23所構成；其中，轉換電路級21包括了激磁 電感Lm以及由諧振電容Cr及諧振電感Lr彼此串聯 所構成的一諧振電路，整流電路級22包括了二極體 D1及D2，而濾波及負載電路級23則係由濾波電容 Cout及負載Rload所構成。 諧振直流-直流轉換器20的工作原理為，一直流 電壓先經過開關Ql、Q2的切換藉由轉換電路級21接 受高頻截波，再由變壓器Tx由一次侧感應至二次側之 後，經過整流電路級22的整流，最後被送至濾波及負 載電路級23接受濾波後被輸出至負載Rload。 惟不同之處在於，本案係在整流電路級22上耦接 9 200812207 了 一個運作功能等同於充電泵（Charge Pump)的電路 24。在第二圖所示的實施例中，充電泵電路24係由一 電容Cal所構成，其係並聯耦接於整流電路級22的其 中一個二極體D1，以下說明電容Cal在本案的運作方 式。 在開關Q1關閉(OFF)且開關Q2開啟(ON)的半個 週期之中，對電容Cal充電；而在開關Q1開啟且開‘關 Q2關閉的半個週期之中，則令電容Cal放電，此時， φ 電容Cal所放出的電能會被傳送至濾波電容Cout，這 個機制則增加了每個週期中所傳送到濾波及負載電路 級23的能量。當諧振直流-直流轉換器20工作於輕載 時，這股被傳送至濾波電容Cout的額外電能使得濾波 電容Cout被充電至其電位高於一預定值…轉換器20 之封閉回路的電位設定點一-’此時’轉換器20所連接 的一補償回路（圖中未示出）所具有的一回授電壓將因 為這個原因而增加操作頻率藉以降低輸出端電壓，此 • 舉會使得該補償回路中的該回授電壓產生一跳變，此 時，轉換器20即可將所偵測到的該跳變作為一觸發信 號以啟動間歇性工作模式。 請參閱第三圖，其為本案諧振轉換器第二較佳實 施例的電路圖，在第三圖中，與前述第二圖相同的電 路元件係標示相同的圖示符號，在此實施例中，整流 電路級32雖然同樣係採用由二極體所構成之全波整 流電路的結構，但卻於二極體D1及D2上分別並聯麵 接了一個電容Cal及Ca2以構成該充電栗電路’以達 10 200812207 成如同前述之啟動間歇性工作模式的功能。須要注意 的是’與前述的第一較佳實施例相比稍微不同之處在 於，在第一較佳實施例中，被傳送至輸出端的電能在 一半週期中係大於另一半週期所傳送者；而在本實施 例中，被傳送至輸出端的電能在兩個半週期中皆相等。 請參閱第四圖，其為本案諧振轉換器第三較佳實 施例的電路圖，在第四圖中，與前述第三圖相同的電 路元件係標示相同的圖示符號，惟在此實施例中，整 流電路級係改採用由二極體所構成之全橋整流電路的 結構，其中於二極體D1〜D4上分別並聯耦接了 一個電 容Cal〜Ca4以構成該充電泵電路，以達成如同前述之 啟動間歇性工作模式的功能。 請參閱第五圖，其為本案諧振轉換器第四較佳實 施例的電路圖，在第五圖中，與前述第四圖相同的電 路元件係標示相同的圖示符號，在此實施例中，整流 電路級32雖然同樣係採用由二極體所構成之全橋整 流電路的結構，但卻僅於二極體D1及D4上分別並聯 耦接了一個電容Cal及Ca4以構成該充電泵電路，以 達成如同前述之啟動間歇性工作模式的功能。 請參閱第六圖，其為本案諧振轉換器第五較佳實 施例的電路圖，在第六圖中，與前述第五圖不同之處 為，改為於二極體D1及D2上分別並聯耦接了 一個電 容Cal及Ca2以構成該充電果電路5以達成如同前述 之啟動間歇性工作模式的功能。 請參閱第七圖·，其為本案諧振轉換器第六較佳實 11 200812207 施例的電路圖，在第七圖中，與前述第六圖不同之處 為，改為僅於二極體D1上並聯耦接了一個電容Cal 以構成該充電泵電路，以達成如同前述之啟動間歇性 工作模式的功能。 值得注意的是，前述第二〜七圖的各實施例雖然皆 係以實體的電容進行耦接以實現本案的轉換器，但亦 可以採用各整流電路級的寄生電容來取代，以達成同 樣的目的。 另外，除了前述第二〜七圖所提出將充電泵電路耦 接至整流電路級的結構，對於熟習本項技術者來說， 在滿足相同功能的前提之下，還可構思出將充電泵電 路耦接至變壓器Tx的結構，以下對其加以說明。 請參閱第八圖，其為本案諧振轉換器第七較佳實 施例的電路圖，在第八圖中，與前述第二圖相同的電 路元件係標示相同的圖示符號，惟在此實施例中，係 將構成充電泵電路84的電容Ca耦接至變壓器Tx的一 次侧，以達成如同前述之啟動間歇性工作模式的功能。 除了第八圖的電路結構之外，對於熟習本項技術 者來說，還可以將構成充電泵電路的電容Ca耦接至變 壓器Tx的二次侧，以達成如同前述之啟動間歇性工作 模式的功能，如第九圖的第八實施例所示；在第九圖 中，電容Ca係耦接於具有中央抽頭（Center Tap)結構 之二次侧的變壓器Tx，而第十圖則是在中央抽頭的兩 侧各連接一電容Cal、Ca2的第九實施例。 值得注意的是，前述第八〜十圖的各實施例雖然皆 12 200812207 係以實體的電容進行耦接以實現本案的轉換器，但亦 可以採用各變壓器的寄生電容來取代，以達成同樣的 目的。 以上所列各實施例中整流電路構成元件雖然都以 二極體為例，但實際上其他半導體器件例如Mosfet， IGBT等都可以作為構成元件。 綜上所述，本案係提供一種諧振轉換器及其間歇 式工作模式的啟動方法，係在傳統的諧振轉換器之整 流電路級或變壓器耦接電容，使得該譜振轉換器所具 有之補償回路的回授電壓更容易地被偵測到，而能更 適切而完美地啟動該諧振轉換器的間歇式工作模式 本案得由熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸般修 飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。 【圖式簡單說明】 第一圖：習用諧振直流-直流轉換器的電路圖； 第二圖:本案諧振轉換器第一較佳實施例的電路 圖； 第三圖：本案諧振轉換器第二較佳實施例的電路 圖； 第四圖：本案諧振轉換器第三較佳實施例的電路 圖; 第五圖：本案諧振轉換器第四較佳實施例的電路 圖； 第六圖：本案諧振轉換器第五較佳實施例的電路 13 200812207 圖； 第七圖：本案諳振轉換器第六較佳實施例的電路 圖； 第八圖：本案諧振轉換器第七較佳實施例的電路 圖； 第九圖：本案諧振轉換器第八較佳實施例的電路 圖；及 第十圖：本案諧振轉換器第九較佳實施例的電路 圖。 【主要元件符號說明】 10、 20、30、40、50諧振直流-直流轉換器 60、70、80、90、100諧振直流-直流轉換器 11、 21轉換電路級 12、 22、32整流電路級 13、 23濾波及負載電路級 24、84充電泵電路

Ca、Cal、Ca2、Ca3、Ca4 電容

Cout濾波電容

Cr諧振電容 D1、D2二極體

Lm激磁電感

Lr諧振電感

Rload負載

Ql、Q2開關 Tx變壓器 14

Claims (1)

1. 200812207 十、申請專利範圍： 1·一種諧振轉換器，包括： 一轉換電路級； 一變壓器，年接於該轉換電路級，將該轉換電路 級之輸出由一次侧感應至二次侧； 一整流電路級’躺接於該變壓器之二次侧，對該 變壓器之輸出進行整流； 一濾波及負戴電路級，耦接於該整流電路級，對 I 該整流電路級之輸出進行濾波並輸出；以及 一充電泵（Charge Pump)電路，耦接於該整流電路 級’該充電泵電路對該濾波及負載電路級充電並使得 該濾波及負載電路級的一電位高於一預定值，藉此使 得該諧振轉換器啟動間歇式工作模式(Burst Mode)。 2·如申請專利範圍··第1項之諧振轉換器，其中該轉換 電路級包括一諧学電路以及一激磁電感，該激磁電感 並聯於該變壓器一次侧之後再與該諧振電路串聯。 • 3、·如申請專利範圍第2項之諧振轉換器，其中該諧振 電路包括彼此串聯的一諧振電容及一諧振電感。 4、·如申請專利範圍第丨項之諧振轉換器，其中該整流 電路係選自一全波整流電路及一全橋整流電路其中之 一’構成元件為半導體器件。 5·如申請專利範圍第4項之諧振轉換器，其中該充電 ^電路係由至少-電容所構成，且該電容係耦接於該 整流電路的至少一構成元件。 6.如申請專利範面第丨項之諧振轉換器，更連接於一 15 200812207 補仏回路’翔償回路所具有的—回授電壓在該充電 、/路所放龟此使得該濾波及負載電路級的該電位高 。預疋值日守產生一變化，該諧振轉換器即根據該變 化啟動間歇式工作模式。 7·一種諧振轉換器，包括： —轉換電路級； 1：壓裔’輕接於該轉換電路級，將轉換電路 級之輪出由—次_應至二欠側；^机

   一整流電路級，耦接於該變壓器之二次侧，對該 變壓器之輸出進行整流； 一濾波及負載電路級，耦接於該整流電路級，對 該整流電路級之輸出進行濾波並輸出；以及 一充電泵(Charge Pump)電路，耦接於該變壓器， 該充電泵電路對該濾波及負载電路級充電並使得該濾 波及負載電路級的一電位高於一預定值，藉此使得該 諧振轉換器啟動間歇式工作模式(Burst M〇de)。 8. 如申請專利範圍第7項之諧振轉換器，其中該轉換 电路級包括-諧振電路以及—激磁電感，該激磁電感 並聯於該變壓器_次側之後再與_振電路串聯。 9. 如申请專利範圍帛δ項之諧振轉換器，其中該譜振 電路包括彼此串聯的—諧振電容及_譜振電感。 10. 如申請專利範圍第7項之諧振轉換器，其，中該整流 電路係選自-全波錢電路及—全橋整流電路其中之 一，構成7L件為半導體器件。 11. 如申請專利範圍第7項之諧振轉換器，其中該充電 16 200812207 泵電路係由至少一電容所構成，且該電容係耦接於該 變壓器的一次侧。 12·如申請專利範圍第7項之諧振轉換器，其中該充電 泵電路係由至少一電容所構成，且該電容係耦接於至 少該變壓器二次侧的一部分。 13. 如申請專利範圍第7項之諧振轉換器，更連接於一 補償回路，該補償回路所具有的一回授電壓在該充電 果電路所放電能使得該遽波及負載電路級的該電位1¾ 於該預定值時產生一變化，該諧振轉換器即根據該變 化啟動間歇式工作模式。 14. 一種諧振轉換器之間歇式工作模式(Burst Mode)的 啟動方法，該諧振轉換器包括一轉換電路級、將該轉 換電路級之輸出由一次侧感應至二次侧的一變壓器、 對該變壓器之輸出進行整流的一整流電路級、以及對 該整流電路級之輸出進行濾波並輸出的一濾波及負載 電路級，該啟動方法包括下列步驟： 提升該濾波及負載電路級的一電位至高於一預定 值，使得該諧振轉換器所具有的一回授電壓產生一變 化；以及 根據該變化使得該諧振轉換器啟動間歇式工作模 式。 17