TW201337495A - 電源轉換器的控制裝置及其控制方法 - Google Patents

電源轉換器的控制裝置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本專利提出的電源轉換器的控制裝置，包含有電流源電路、取樣電路、信號處理電路、驅動電路及共用接腳。共用接腳用以耦接於電阻及開關。電流源電路耦接於共用接腳，用以於第一時段提供電流經由共用接腳流至電阻。取樣電路耦接於共用接腳，用以對共用接腳的信號進行取樣而產生第一取樣值及第二取樣值。信號處理電路耦接於取樣電路，用以比較第一取樣值及第二取樣值。驅動電路耦接於共用接腳，用以產生驅動信號以導通開關。當第一取樣值及第二取樣值相同或者差距小於一預定值時，信號處理電路會設置驅動電路於第二時段間歇性的導通開關。

Description

電源轉換器的控制裝置及其控制方法
本發明有關於一種控制裝置，尤指一種可降低封裝接腳數目的電源轉換器的控制裝置。
隨著科技的進步，電子設備的體積越來越精簡，使各種電子元件也必須隨著縮小，以便能容置於有限的空間內。以積體電路產品而言，由於積體電路常需要使用許多的輸入及輸出接腳(pin)與其他電路元件進行耦接，因此必須使用接腳較多且體積較大的封裝(package)，而使得晶片(die)的面積常常遠小於封裝的面積，不但會浪費材料而造成環保問題，也會造成積體電路產品的體積無法有效地縮小。
在交流至直流轉換器和直流至直流轉換器等電源轉換器的應用中，當電源轉換器的控制裝置以積體電路的方式實施時，其晶片的尺寸通常不大，然而卻因為需要較多接腳數與其他電路元件耦接，以設置功率級(power stage)、接收反饋信號及接收運作參數等，因而常常會受限於所需的接腳數目而必須採用較大的封裝，使得產品設計的彈性受限。
有些積體電路產品會採用共用接腳的方式，以減少所需的接腳數目，而能夠選用較小尺寸的封裝。由於各種積體電路產品的特性不同，並沒有一種共通的設計規則可以適用各種產品。然而，積體電路內部的各個電路區塊共用接腳時仍必須藉由精確的控制，才能確保共用接腳的不同電路區塊能夠正常地提供功能。
有鑑於此，在電源轉換器的控制裝置的應用中，如何善用封裝的接腳而有效地降低所需的接腳數目及封裝尺寸，實為業界有待解決的問題。
本說明書提供一種電源轉換器的控制裝置的實施例，包含有：一共用接腳，用以耦接於一電源轉換器中的一開關以及一阻抗；一電流源電路，耦接於該共用接腳，用以於一第一時段中提供一電流至該共用接腳，使該電流經由該共用接腳流至該阻抗；一取樣電路，耦接於該共用接腳，用以於一第一時間點及一第二時間點對該共用接腳的信號進行取樣而分別產生一第一取樣值及一第二取樣值；一信號處理電路，耦接於該取樣電路，用以比較該第一取樣值及該第二取樣值；以及一驅動電路，耦接於該共用接腳，用以產生一驅動信號，並透過該共用接腳將該驅動信號傳輸至該開關以導通該開關；其中，當該第一取樣值及該第二取樣值相同或者差距小於一預定值時，該驅動電路會於一第二時段中間歇性的導通該開關。
本說明書另提供一種電源轉換器的控制裝置的實施例，包含有：一共用接腳，用以耦接於一電源轉換器中的一開關以及一阻抗；一電流源電路，耦接於該共用接腳，用以於一第一時段中提供一電流至該共用接腳，使該電流經由該共用接腳流至該阻抗；一取樣電路，耦接於該共用接腳，用以對該共用接腳上的信號進行取樣；一驅動電路，耦接於該共用接腳；以及一信號處理電路，耦接於該驅動電路及該取樣電路，當該取樣電路能夠在該共用接腳取樣到至少兩個信號值相同或者差距小於一預定值後，該驅動電路會於一第二時段中，透過該共用接腳輸出一驅動信號，以間歇性的導通該開關。
本說明書另提供一種電源轉換器的控制方法的實施例，包含有：將一共用接腳耦接於一電源轉換器中的一開關以及一阻抗；於一第一時段中提供一電流至該共用接腳，使該電流經由該共用接腳流至該阻抗；於一第一時間點及一第二時間點對該共用接腳的信號進行取樣而分別產生一第一取樣值及一第二取樣值；比較該第一取樣值及該第二取樣值；以及當該第一取樣值及該第二取樣值相同或者差距小於一預定值時，於一第二時段中透過該共用接腳間歇性的導通該開關。
本說明書另提供一種電源轉換器的控制方法的實施例，包含有：將一共用接腳耦接於該電源轉換器中的一開關以及一阻抗；於一第一時段中提供一電流至該共用接腳，使該電流經由該共用接腳流至該阻抗；對該共用接腳上的信號進行取樣；以及當在該共用接腳上取樣到至少兩個信號值相同或者差距小於一預定值後，於一第二時段中，透過該共用接腳間歇性的導通該開關。
上述實施例的優點之ㄧ是電源轉換器的控制裝置能夠降低封裝的接腳的需求，以更有彈性的選用接腳數較少且尺寸較小的封裝，因此能有效的縮小積體電路產品的尺寸，並且達到環保的目的。上述實施例的另一優點是，電源轉換器的控制裝置會進行多次的確認動作，因此能夠確保電源轉換器能夠正常地運作。本發明的其他優點將藉由以下的說明和附圖進行更詳細的說明。
以下將配合相關圖式來說明本發明之實施例。在這些圖式中，相同的標號表示相同或類似的元件或流程/步驟。
以下將以電源轉換器為例，說明如何將本發明的構思應用於電源轉換器的控制裝置，使控制裝置的參數擷取電路以及驅動電路能夠有效且正確地共用封裝的特定接腳，以達到節省封裝接腳數目的，而能選用尺寸較小的封裝。
圖1是本發明一實施例的交流至直流轉換器100簡化後的功能方塊圖，交流至直流轉換器100包含有橋式整流器110、電容120和130、電感140、開關150、二極體160、電阻170及控制裝置180。為簡潔起見，圖1的元件與連接關係已經過簡化或省略，以便於說明。
在本實施例中，橋式整流器110用以將交流電源Vac的交流信號進行整流，以產生直流信號。在其他實施例中，也可以改用其他種類的整流器架構來取代橋式整流器110。
開關150可以採用金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)、雙極性接面電晶體(BJT)、其他種類的電晶體或其他種類的開關。控制裝置180耦接於電晶體的控制端(如MOSFET的閘極或BJT的基極等)，藉由適時的導通開關150，而將交流電源Vac轉換為所需要的直流電源Vout。在本實施例中，開關150僅採用一個電晶體以簡化說明，在其他的實施例中開關150也可以採用其他種類的電晶體或其他種類的開關。例如，可採用一個或多個電晶體搭配其他的電路元件的方式來實現開關150。
控制裝置180除了控制開關150的導通狀態之外，還可以接收直流電源Vout等信號，以調整交流至直流轉換器100的運作方式。例如，控制裝置180可以包含有調整交流至直流轉換器100的功率因數等功能。
此外，控制裝置180會依據電阻170的阻抗值，而以對應的運作參數設置控制裝置180或其他元件的運作方式。例如，控制裝置180可依據電阻170的阻抗值大小而設置不同的過電流保護值，當交流至直流轉換器100的電流大於過電流保護值時，控制裝置180會停止至少部分元件的運作或採取其他保護措施，以避免造成交流至直流轉換器100的毀損。
圖2為圖1中的控制裝置180的一實施例簡化後的功能方塊圖，控制裝置180包含有驅動電路210、電流源電路230、取樣電路250、信號處理電路270及共用接腳(shared pin)290。在本實施例中，控制裝置180的共用接腳290耦接於開關150的控制端及電阻170。
驅動電路210可以藉由共用接腳290耦接於開關150的控制端，而控制開關150的導通狀態，使交流至直流轉換器100能夠產生所需的直流電源Vout。在本實施例中，驅動電路210會產生脈波寬度調變信號，以適時的導通開關150。在其他的實施例中，驅動電路210可以採用三態(tristate)的驅動電路，藉由信號處理電路270設置驅動電路210成為高阻抗(high impedance)狀態或是正常地驅動開關150的狀態。
電流源電路230可以採用各種合適的電路架構，例如，採用電流鏡(current mirror)等電路架構以提供所需的電流。電流源電路230藉由共用接腳290耦接於電阻170，而可以將電流輸出至電阻170，以於共用接腳290產生一個與電阻170的阻抗值相關的電壓值。
取樣電路250耦接於共用接腳290，且可以採用類比數位轉換電路(analog-to-digital converter)或者其他合適的電路架構，以對共用接腳290的電壓進行取樣，並將所取樣的信號值傳送至信號處理電路270。
信號處理電路270會接收取樣電路250所傳送的取樣值，並將該取樣值或者該取樣值經過運算後的數值作為交流至直流轉換器100的運作參數(可作為交流至直流轉換器100整體的運作參數或者是交流至直流轉換器100內部各組件的運作參數)。在本實施例中，為了避免取樣電路250取樣時受到雜訊的影響，信號處理電路270會接收取樣電路250所傳送的多個取樣值，並將這些取樣值進行比較。當連續兩個取樣值相同或差距小於一預定值時，信號處理電路270才會將取樣值作為交流至直流轉換器100的運作參數。信號處理電路270可以採用處理器、微控制器、數位電路或類比電路等搭配記憶單元實施，而能夠儲存多個取樣值並且進行比較的動作。例如，在一實施例中，可以使用一個或多個暫存器儲存取樣值，並且使用比較器電路將這些取樣值進行比較。
圖3為圖1的交流至直流轉換器100運作時的一實施例簡化後的時序圖，以下將以圖3搭配圖1和圖2，進一步說明交流至直流轉換器100及控制裝置180的運作方式。
在圖3中的時段T1中，交流電源Vac開始供電，開關150的電壓Vsw也隨著升高。此時，電流源電路230會透過共用接腳290而將電流輸出至電阻170，而於共用接腳290產生電壓Vpin。
然而，在時段T1中，由於交流至直流轉換器100尚未正常運作，因此交流至直流轉換器100內部的信號值還不太穩定。在本實施例中，取樣電路250會分別於時間P1~P5時對共用接腳290上的電壓Vpin進行取樣而獲得信號值S1~S5。由於圖3中的信號值S1至S4中並沒有連續兩個相同或差距小於一預定值的取樣值，因此信號處理電路270不會依據取樣值S1至S4決定運作參數。當圖3中的取樣值S4與S5相同或差距小於一預定值時，則信號處理電路270便會將取樣值S4或S5(或者取樣值S4及/或S5經過運算的數值)作為運作參數。
當控制裝置180已經成功擷取所需的運作參數後，控制裝置180會於時段T2時開始正常運作，藉由適當的導通開關150而使交流至直流轉換器100能夠產生所需的直流電源Vout。
在上述的實施例中，取樣電路250可以採用類比電路及/或數位電路實現，而能將類比的取樣值及/或數位的取樣值輸出至信號處理電路270進行後續的運算。例如，取樣電路250可以採用類比的取樣保持電路(analog sample-and-hold circuit)、累加增量類比數位轉換電路(sigma delta ADC)、逐次近似類比數位轉換電路(successive approximation ADC)或者快閃型類比數位轉換電路(flash type ADC)等電路架構實現。
例如，圖4為圖2中取樣電路250的一實施例簡化後的功能方塊圖，取樣電路250包含有比較器410、暫存器420、且閘430(AND gate)、計數器440、電流源電路450及電阻460。
在本實施例中，當取樣電路250進行取樣時，信號處理電路270會先重置(rest)取樣電路250，以將暫存器420及計數器440的內容設置為預設值(例如，重置為0)，而電流源電路450會依據計數器440的輸出而產生對應的電流值，電流源電路450的輸出電流流經電阻460而產生對應的電壓信號，並且輸入至比較器410的輸入端。
比較器410會將電阻460的電壓信號與共用接腳290的電壓Vpin進行比較，若電阻460的電壓信號與共用接腳290的電壓Vpin不相等時，比較器410會輸出一個不為0的值至暫存器420進行儲存。
且閘430會將一時脈信號與暫存器420所儲存的值進行"和"(AND)運算，而輸出至計數器440。計數器440累計且閘430的輸出，而對應地調整電流源電路450的輸出電流，因此能調整電阻460的電壓信號。
在本實施例中，當電阻460的電壓信號與共用接腳290的電壓Vpin不相等時，比較器410的輸出不為0，使暫存器420的輸出亦不為0，計數器440累計且閘430的輸出而調整電流源電路450的輸出電流。當電阻460的電壓信號與共用接腳290的電壓Vpin相等時，比較器410的輸出為0，使暫存器的輸出亦為0，計數器440會輸出相同的數值而使電流源電路450維持相同的輸出電流，因而使電阻460的電壓信號維持不變。此時，計數器440的輸出可以用以代表共用接腳290的電壓Vpin的數位格式，而輸出至信號處理電路270進行後續的運算。
在上述的實施例中，交流至直流轉換器100設置為升壓形式(boost type)，在其他的實施例中，交流至直流轉換器100也可以配合對應的電路結構調整，而採用降壓形式(buck type)或升降壓形式(buck-boost type)等方式實施。此外，上述實施例也可應用於直流至直流轉換器。
例如，圖5是本發明另一實施例的直流至直流轉換器500簡化後的功能方塊圖，直流至直流轉換器500為降壓形式的直流至直流轉換器，包含有開關510和520、電容530、電感540、電阻550及控制裝置560。為簡潔起見，圖5的元件與連接關係已經過簡化或省略，以便於說明。
控制裝置560藉由控制開關510和520的導通狀態，而設置直流至直流轉換器500輸出小於或等於電壓Vdd的輸出電壓Vout。此外，控制裝置560可以採用控制裝置180的實施方式，依據電阻550的阻抗值，而以對應的運作參數設置控制裝置560或其他元件的運作方式。例如，控制裝置560可依據電阻550的阻抗值大小而設置不同的過電流保護值等運作參數。
圖6是本發明另一實施例的直流至直流轉換器600簡化後的功能方塊圖，直流至直流轉換器600為升降壓形式的直流至直流轉換器，包含有開關610和620、電容630、電感640、二極體650和660、電阻670及控制裝置680。為簡潔起見，圖6的元件與連接關係已經過簡化或省略，以便於說明。
控制裝置680藉由控制開關610和620的導通狀態，而設置直流至直流轉換器600輸出大於、小於或等於輸入電壓Vin的輸出電壓Vout。此外，控制裝置680可以採用控制裝置180的實施方式，依據電阻670的阻抗值，而以對應的運作參數設置控制裝置680或其他元件的運作方式。例如，控制裝置680可依據電阻670的阻抗值大小而設置不同的過電流保護值等運作參數。
在圖3的時序圖中，共用接腳290上的電壓Vpin的波形以較誇張的方式繪示，以顯示當共用接腳290上具有雜訊時，上述的實施例仍能正確的運作。
在其他的實施例中，電阻170也可以採用一個或多個阻抗元件及/或配合主動的電路元件的方式實現。
在其他的實施例中，信號處理電路270也可以設置為比較不連續的兩個或多個取樣值，當進行比較的取樣值相同或差距小於一預定值時，信號處理電路270才將取樣值作為運作參數。
在其他的實施例中，信號處理電路270也可以使用其他的比較方式，以確定取樣電路250所傳送的取樣值的正確性。例如，信號處理電路270會多次的接收取樣電路250所傳送的取樣值，並且將最多的相同取樣值作為運作參數。
在其他的實施例中，信號處理電路270也可以依據交流電源Vac的特性而設置取樣電路250的取樣時間。例如，在一實施例中，當交流電源Vac的頻率為60Hz時，交流信號通過交流至直流轉換器100的橋式整流器110及其他電路元件後，在1/(2*60)秒左右的時間內，共用接腳290的電壓Vpin會較為穩定。因此，信號處理電路270可以適當地設置取樣電路250的取樣頻率，以避免在信號較不穩定的時候進行取樣。例如，將取樣電路250的取樣頻率設置為60Hz的數倍以上，以於1/(2*60)秒內多次取樣。在其他實施例中，也可以將取樣電路250的取樣頻率設置為大於、小於或等於交流電源Vac的頻率，並且也可以配合其他的技術以於信號較穩定時進行取樣。
本發明的架構可以適用於升壓、降壓、升降壓形式的交流對直流轉換器、直流對直流轉換器或者其他形式的電源轉換器，並且對相關的電路進行對應的調整，而能夠使參數擷取電路與驅動電路能共用封裝的接腳，以更有彈性的選用接腳數較少且尺寸較小的封裝，因此能夠有效的縮小積體電路產品的尺寸，並且達到環保的目的。
在上述的實施例中，控制裝置藉由多次的取樣及比較，因此即使共用接腳上具有雜訊時，控制裝置仍舊能夠擷取到正確的運作參數。當控制裝置正確的擷取運作參數，使電源轉換器運作於正確的操作模式後，控制裝置才開始導通開關，因此能夠確保電源轉換器能夠正常地運作。
在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，同樣的元件可能會用不同的名詞來稱呼。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異作為區分的基準。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於…」。另外，「耦接」一詞在此包含任何直接及間接的連接手段。因此，若文中描述一第一元件耦接於一第二元件，則代表該第一元件可直接（包含透過電性連接或無線傳輸、光學傳輸等信號連接方式）連接於該第二元件，或透過其他元件或連接手段間接地電性或信號連接至該第二元件。
在此所使用的「及/或」的描述方式，包含所列舉的其中之一或多個項目的任意組合。另外，除非本說明書中有特別指明，否則任何單數格的用語都同時包含複數格的涵義。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100．．．交流至直流轉換器
110．．．橋式整流器
120、130、530、630．．．電容
140、540、640．．．電感
150、510、520、610、620．．．開關
160、650、660．．．二極體
170、460、550、670．．．電阻
180、560、680．．．控制裝置
210．．．驅動電路
230、450．．．電流源電路
250．．．取樣電路
270．．．信號處理電路
290．．．共用接腳
410．．．比較器
420．．．暫存器
430．．．且閘
440．．．計數器
500、600．．．直流至直流轉換器
圖1為本發明的交流至直流轉換器的一實施例簡化後的功能方塊圖。
圖2為圖1的控制裝置的一實施例簡化後的功能方塊圖。
圖3是圖1的交流至直流轉換器運作時的一實施例簡化後的時序圖。
圖4為圖2的取樣電路的一實施例簡化後的功能方塊圖。
圖5為本發明的直流至直流轉換器的一實施例簡化後的功能方塊圖。
圖6為本發明的直流至直流轉換器的另一實施例簡化後的功能方塊圖。
150．．．開關
170．．．電阻
180．．．控制裝置
210．．．驅動電路
230．．．電流源電路
250．．．取樣電路
270．．．信號處理電路
290．．．共用接腳

Claims (12)

  1. 一種電源轉換器的控制裝置，包含有：
    一共用接腳，用以耦接於一電源轉換器中的一開關以及一阻抗；
    一電流源電路，耦接於該共用接腳，用以於一第一時段中提供一電流至該共用接腳，使該電流經由該共用接腳流至該阻抗；
    一取樣電路，耦接於該共用接腳，用以於一第一時間點及一第二時間點對該共用接腳的信號進行取樣而分別產生一第一取樣值及一第二取樣值；
    一信號處理電路，耦接於該取樣電路，用以比較該第一取樣值及該第二取樣值；以及
    一驅動電路，耦接於該共用接腳，用以產生一驅動信號，並透過該共用接腳將該驅動信號傳輸至該開關以導通該開關；
    其中，當該第一取樣值及該第二取樣值相同或者差距小於一預定值時，該驅動電路會於一第二時段中利用該驅動信號間歇性的導通該開關。
  2. 如請求項1所述的控制裝置，其中該信號處理電路會將該第一取樣值、該第二取樣值、依據該第一取樣值運算後的數值、及/或依據該第二取樣值運算後的數值作為該電源轉換器的運作參數。
  3. 如請求項1所述的控制裝置，其中該驅動電路在該第一時段中不會產生該驅動信號。
  4. 如請求項1、2或3所述的控制裝置，其中該驅動電路於該第二時段中所產生的該驅動信號為脈衝寬度調變信號，當該驅動信號傳送至該開關的一控制端時，會間歇性的導通該開關。
  5. 如請求項1、2或3所述的控制裝置，其中該共用接腳用以耦接至該開關的一控制端。
  6. 一種電源轉換器的控制裝置，包含有：
    一共用接腳，用以耦接於一電源轉換器中的一開關以及一阻抗；
    一電流源電路，耦接於該共用接腳，用以於一第一時段中提供一電流至該共用接腳，使該電流經由該共用接腳流至該阻抗；
    一取樣電路，耦接於該共用接腳，用以對該共用接腳上的信號進行取樣；
    一驅動電路，耦接於該共用接腳；以及
    一信號處理電路，耦接於該驅動電路及該取樣電路，當該取樣電路能夠在該共用接腳取樣到至少兩個信號值相同或者差距小於一預定值後，該驅動電路會於一第二時段中，透過該共用接腳輸出一驅動信號，以間歇性的導通該開關。
  7. 如請求項6所述的控制裝置，其中該信號處理電路會將該取樣電路於該共用接腳所取樣的信號值及/或依據所取樣的信號值運算後的數值作為電源轉換器的運作參數。
  8. 如請求項6所述的控制裝置，其中該驅動電路在該第一時段中不會產生該驅動信號。
  9. 如請求項6、7或8所述的控制裝置，其中該驅動電路於該第二時段中所產生的該驅動信號為脈衝寬度調變信號，當該驅動信號傳送至該開關的一控制端時，會間歇性的導通該開關。
  10. 如請求項6、7或8所述的控制裝置，其中該共用接腳用以耦接至該開關的一控制端。
  11. 一種電源轉換器的控制方法，包含有：
    將一共用接腳耦接於一電源轉換器中的一開關以及一阻抗；
    於一第一時段中提供一電流至該共用接腳，使該電流經由該共用接腳流至該阻抗；
    於一第一時間點及一第二時間點對該共用接腳的信號進行取樣而分別產生一第一取樣值及一第二取樣值；
    比較該第一取樣值及該第二取樣值；以及
    當該第一取樣值及該第二取樣值相同或者差距小於一預定值時，於一第二時段中透過該共用接腳間歇性的導通該開關。
  12. 一種電源轉換器的控制方法，包含有：
    將一共用接腳耦接於該電源轉換器中的一開關以及一阻抗；
    於一第一時段中提供一電流至該共用接腳，使該電流經由該共用接腳流至該阻抗；
    對該共用接腳上的信號進行取樣；以及
    當在該共用接腳上取樣到至少兩個信號值相同或者差距小於一預定值後，於一第二時段中，透過該共用接腳間歇性的導通該開關。
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