TW201338368A - 諧振控制電路 - Google Patents

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TW201338368A
TW201338368A TW102105804A TW102105804A TW201338368A TW 201338368 A TW201338368 A TW 201338368A TW 102105804 A TW102105804 A TW 102105804A TW 102105804 A TW102105804 A TW 102105804A TW 201338368 A TW201338368 A TW 201338368A
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timer
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Ta-Yung Yang
Chou-Sheng Wang
Chien-Tsun Hsu
Chung-Hui Yeh
Yi-Min Hsu
Pei-Sheng Tsu
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System General Corp
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Abstract

一種諧振控制電路，用於功率轉換器。此諧振控制電路包括微控制器、切換信號計時器、第一脈寬調變計時器、以及類比數位轉換器。微控制器具有記憶體電路，且此記憶體電路包括程式記憶體以及資料記憶體。切換信號計時器產生第一切換信號以控制變壓器。第一脈寬調變計時器產生第一脈寬調變信號，以控制功率轉換器的同步整流電晶體以實現同步整流。類比數位轉換器耦接功率轉換器的輸出，以自回授信來產生回授資料。微處理器藉由根據回授資料以編程切換信號計時器來控制第一切換信號，且微控制器藉由根據第一切換信號以編程第一脈寬調變計時器來控制第一脈寬調變信號。

Description

諧振控制電路
本發明係有關於一種控制電路，特別是有關於一種關於諧振功率轉換器之控制電路。
諧振技術已發展來實現高效率與低雜訊的功率轉換器。在近來的發展中，需要實行功率管理來達到在功率轉換器的輕負載以及重負載情況下皆具有較佳效率。本發明提供一種數位控制方法，其具有關於諧振功率轉換器的嵌入式微控制器(embedded microcontroller)，以符合先進的功率管理需求。
本發明提供一種諧振控制電路，用於功率轉換器。此諧振控制電路包括微控制器、切換信號計時器、第一脈寬調變計時器、以及類比數位轉換器。微控制器具有記憶體電路，且此記憶體電路包括程式記憶體以及資料記憶體。切換信號計時器產生第一切換信號以控制變壓器。第一脈寬調變計時器產生第一脈寬調變信號，以控制功率轉換器的同步整流電晶體以實現同步整流。類比數位轉換器耦接功率轉換器的輸出，以自回授信來產生回授資料。微處理器藉由根據回授資料以編程切換信號計時器來控制第一切換信號，且微控制器藉由根據第一切換信號以編程第一脈寬調變計時器來控制第一脈寬調變信號。
第1圖：
10‧‧‧變壓器
15‧‧‧驅動變壓器
19‧‧‧電流變壓器
20、25‧‧‧電晶體
30‧‧‧電容器
35‧‧‧電感器
40‧‧‧電容器
45、46‧‧‧二極體
50、60‧‧‧同步整流電晶體
55、65‧‧‧整流器
71、72‧‧‧電感器
80‧‧‧高速橋式整流器
81、85‧‧‧電阻器
86‧‧‧電容器
100‧‧‧控制器
DET1、DET2‧‧‧偵測信號
IP‧‧‧切換電
OA、OB‧‧‧切換信號
PWM1、PWM2‧‧‧信號
VCS‧‧‧電流信號
VFB‧‧‧回授信號
VIN‧‧‧電壓
VO‧‧‧輸出電壓
VOI‧‧‧平均電流信號
VOV‧‧‧信號
第2A-2B圖：
DET1‧‧‧偵測信號
OA、OB‧‧‧切換信號
PWM1‧‧‧信號
TA‧‧‧切換信號OA的導通時間
TB‧‧‧切換信號OB的導通時間
TD‧‧‧停滯時間
TDB‧‧‧去反彈時間
TPWM‧‧‧脈波寬度
TR‧‧‧時序
第3圖：
110‧‧‧微控制器(MCU)
112‧‧‧記憶體電路(MEMORY)
113‧‧‧震盪器(OSC)
150‧‧‧諧振信號電路(RESONANT)
200‧‧‧脈寬調變電路(PWM)
300‧‧‧保護電路(PROTECTION)
350‧‧‧信號偵測電路(SIGNAL DETECTION)
CK‧‧‧時脈信號
DET1、DET2‧‧‧偵測信號
DATA BUS‧‧‧資料匯流排
INT‧‧‧中斷信號
OA、OB‧‧‧切換信號
PWM1、PWM2‧‧‧信號
RST‧‧‧重置信號
VCS‧‧‧電流信號
VFB‧‧‧回授信號
VOI‧‧‧平均電流信號
VOV‧‧‧信號
第4圖：
150‧‧‧諧振信號電路
160‧‧‧計時器A
170‧‧‧計時器B
180‧‧‧計時器D
190‧‧‧邏輯電路
191、192‧‧‧及閘
CK‧‧‧時脈信號
DATA BUS‧‧‧資料匯流排
EN_a、EN_b、EN_d‧‧‧信號
INT‧‧‧中斷信號
OA、OB‧‧‧切換信號
RST‧‧‧重置信號
SA‧‧‧計時器A 150的輸出
SB‧‧‧計時器B 170的輸出
SD‧‧‧計時器D 180的輸出
SOA、SOB‧‧‧產生信號
第5圖：
200‧‧‧脈寬調變電路
210‧‧‧計時器(TR1)
211‧‧‧反向器
215‧‧‧暫存器(REG)
220‧‧‧計時器(TR2)
221‧‧‧反向器
225‧‧‧暫存器(REG)
230‧‧‧脈寬調變信號產生器
CK‧‧‧時脈信號
DET1、DET2‧‧‧偵測信號
DATA BUS‧‧‧資料匯流排
OA、OB‧‧‧切換信號
PWM1、PWM2‧‧‧信號
RST‧‧‧重置信號
SD1、SD2‧‧‧觸發信號
第6圖：
231‧‧‧比較器
232‧‧‧及閘
235‧‧‧反彈跳電路(TDB1)
237‧‧‧正反器
239‧‧‧及閘
241‧‧‧比較器
242‧‧‧及閘
245‧‧‧反彈跳電路(TDB2)
247‧‧‧正反器
249‧‧‧及閘
250‧‧‧計時器(PWM1 TIMER)
255‧‧‧數位比較器
260‧‧‧計時器(PWM2 TIMER)
265‧‧‧數位比較器
270‧‧‧暫存器(PWM_REG)
CK‧‧‧時脈信號
DET1、DET2‧‧‧偵測信號
DATA BUS‧‧‧資料匯流排
OA、OB‧‧‧切換信號
PWM1、PWM2‧‧‧信號
RST‧‧‧重置信號
S1、S2‧‧‧信號
SD1、SD2‧‧‧觸發信號
SO1、SO2‧‧‧停止信號
ST1、ST2‧‧‧起始信號
VT1‧‧‧臨界值
第7圖：
300‧‧‧保護電路
310‧‧‧比較器
315‧‧‧反彈跳電路(TDB3)
325‧‧‧正反器
330‧‧‧監視計時器(WDT)
335‧‧‧或閘
340‧‧‧解碼器(DECODER)
345‧‧‧反向器
CLR‧‧‧信號
DATA BUS‧‧‧資料匯流排
OVF‧‧‧溢位信號
RST‧‧‧重置信號
VOV‧‧‧信號
VT2‧‧‧過電壓臨界值
第8圖：
350‧‧‧信號偵測電路
360‧‧‧多工器(MUX)
362‧‧‧取樣維持電路(S/H)
365‧‧‧類比數位轉換器(A/D)
370‧‧‧解碼器
DATA BUS‧‧‧資料匯流排
VCS‧‧‧電流信號
VFB‧‧‧回授信號
VOI‧‧‧平均電流信號
第9圖：
IP‧‧‧切換電流
OA、OB‧‧‧切換信號
△I‧‧‧切換電流IP的邊界
第1圖表示根據本發明一實施例的諧振功率轉換器。
第2A圖表示在第1圖中諧振功率轉換器的切換信號的波形。
第2B圖表示在第1圖中諧振功率轉換器的切換信號、偵測信號以及脈寬調變信號的波形。
第3圖表示在第1圖中諧振功率轉換器的控制電路的一示範例。
第4圖表示在第3圖中控制電路的諧振信號電路的一示範例。
第5圖表示在第3圖中控制電路的脈寬調變電路的一示範例。
第6圖表示在第5圖中脈寬調變電路的脈寬調變信號產生器的一示範例。
第7圖表示在第3圖中控制電路的保護電路的一示範例。
第8圖表示在第3圖中控制電路的信號偵測電路的一示範例。
第9圖表示在第1圖中諧振功率轉換器的切換信號以及切換電流的波形。
為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
第1圖係表示根據本發明一實施例之諧振功率轉換器。電晶體20與25透過電容器30以及電感器35來切換變壓器10。電容器30以及電感器35形成一諧振槽。電感器35可以是變壓器10的一部份，例如變壓器10的漏電流電感。變壓器10的二次側線圈 透過整流器55與65而在電容器40產生輸出電壓VO。同步整流電晶體(Synchronous rectifying(SR)transistors)50與60分別耦接整流器55與65以實現同步整流。整流器55與65可以分別是電晶體50與60的本體二極體。根據輸出電壓VO，形成一分壓器的電感器71與72產生一回授信號VFB以耦接至控制器100。控制器100根據回授信號VFB來產生切換信號OA與OB，而切換信號OA與OB透過驅動變壓器15來控制電晶體20與30。
二極體45耦接整流器55以產生偵測信號DET1至控制器100。二極體46耦接整流器65以產生偵測信號DET2至控制器100。當電晶體50關閉時，偵測信號DET1之拉低狀態指示出整流器55將被導通。根據切換信號OA與OB以及/或偵測信號DET1與DET2的狀態，控制器100產生信號PWM1與PWM2以分別控制電晶體50與60。
電流變壓器19耦接變壓器10以偵測變壓器10的切換電流IP，且透過高速橋式整流器80以及電阻器81來產生電流信號VCS。透過電阻器85與電容器86，電流信號VCS更產生平均電流信號VOI，用於過電流保護。電流信號VCS以及平均電流信號VOI耦接至控制器100。信號VOV更耦接至控制器100，用於過電流保護。信號VOV的位準與輸出電壓VO的位準相關聯。
第2A圖係表示切換信號OA與OB的波形。切換信號OA的導通時間係以TA來表示。切換信號OB的導通時間係以TB來表示。TD係表示界於切換信號OA與OB之間的停滯時間(dead-time)。導通時間TA、導通時間TB、以及停滯時間的時序係由計時器來編程。因此，切換信號OA與OB的頻率、工作週期、以及脈波寬度是可編程的。
第2B圖係表示切換信號OA與OB、偵測信號DET1、以及信號PWM1的波形。當切換信號OA被拉高以及/或偵測信號DBET1被拉低時，為了同步整流而將產生信號PWM1以導通電晶體50。TDB係表示去反彈時間(de-bounce time)，其確保偵測信號DET1已被拉低。信號PWM1的脈波寬度TPWM的可由一計時器來編程。另一計時器將記錄開始於信號PWM1關閉而結束於信號DET1上拉之間的時序TR。這意思是時序TR紀錄了起始於電晶體50關閉而結束於電晶體55關閉之間的期間。時序TR係用來編成脈波寬度TPWM，來最佳化同步整流。
第3圖係表示根據本發明一實施例的控制器100，其包括微控制器(MCU)110以及包括程式記憶體與資料記憶體的記憶體電路(MEMORY)112。震盪器(OSC)113產生時脈信號CK。透過資料匯流排DATA BUS，微控制器110控制諧振信號電路(RESONANT)150以產生切換信號OA與OB以及中斷信號INT。中斷信號INT係根據切換信號OA與OB的下降緣來中斷微控制器110(如第4圖所示)。PWM(脈寬調變)電路(PWM)200係根據切換信號OA與OB的以及/或偵測信號DET1與DET2來產生信號PWM1與PWM2。來自PWM電路(PWM)200的信號PWM1與PWM2的脈波寬度可由微控制器110來編程。保護電路(PROTECTION)300產生重置信號RST，其當信號VOV超過一臨界值或監視計時器(watchdog timer)溢位(overflow)時用來關閉來自諧振信號電路(RESONANT)150的切換信號OA與OB以及來自PWM電路(PWM)200的信號PWM1與PWM2。信號偵測電路(SIGNAL DETECTION)350用來將回授信號VFB、電流信號VCS、以及平均電流信號VOI轉換為數位資料以提供給微控制器(MCU)110。
第4圖係表示根據本發明一實施例之諧振信號電路150。諧振信號電路150包括計時器A 160、計時器B 170、以及計時器D 180。計時器A 160係用來倔定切換信號OA的導通時間TA的期間，計時器B 170係用來決定切換信號OB的導通時間TB的期間，而計時器D 180係用來決定停滯時間的期間。計時器A 160以及計時器B 170具有16位元長度的資料，且可透過資料匯流排DATA BUS來編程。計時器D 180為8位元長度的計時器，其也可透過資料匯流排DATA BUS來編程。計時器A 150的輸出SA、計時器B 170的輸出SB、以及計時器D 180的輸出SD耦接至邏輯電路190以產生信號SOA與SOB。及閘191接收信號SOA以及來自保護電路300的重置信號RST，以產生切換信號OA。及閘192接收信號SOB以及重置信號RST，以產生切換信號OB。切換信號OA與OB的下降緣將透過脈波產生電路195來產生中斷信號INT。
第5圖係表示根據本發明一實施例之PWM電路200。PWM電路200包括脈寬調變(PWM)信號產生器230，其根據切換信號OA與OB以及/或偵測信號DET1與DET2來產生信號PWM1與PWM2。PWM信號產生器230也產生觸發信號SD1與SD2。觸發信號SD1與SD2與偵測信號DET1與DET2相關聯。計時器(TR1)210，也稱為同步整流計時器(synchronous rectifying(SR)timer)，其透過反向器211接收信號PWM1，且更接收觸發信號SD1。計時器210係用來紀錄期間(時序)TR(顯示於第2B圖，也稱為SR_週期邊界(SR-margin period))，其起始於當信號PWM1關閉(即電晶體50關閉)的時間點且結束於觸發信號SD1具有邏輯低位準(即偵測信號DET1拉高)的時間點。計時器(TR2)220，也稱為同步整流(SR)計時器，其 透過反向器221接收信號PWM2，且更接收觸發信號SD2。計時器220係用來紀錄其起始於當信號PWM2關閉(即電晶體60關閉)的時間點且結束於觸發信號SD2具有邏輯低位準(即偵測信號DET2拉高)的時間點的期間(時序，也稱為SR_週期邊界)。計時器210與220的資料分別儲存至暫存器(REG)215與225。微控制器110可讀取來自資料匯流排DATA BUS計時器210與220的資料(儲存在暫存器215與225)。
第6圖係表示根據本發明一實施例之PWM信號產生器230。PWMV信號產生器230包括比較器231，其接收偵測信號DET1。一旦偵測信號DET1高於或低於臨界值VT1時，比較器231將產生輸出至反彈跳電路(TDB1)235。反彈跳電路235將輸出觸發信號SD1。觸發信號SD1以及切換信號OA耦接至及閘232，且閘極232之輸出耦接正反器237。透過及閘239，正反器237的輸出用來控制時脈信號CK給予計時器(PWM1 TIMER)250。計時器250的數值可透過資料匯流排DATA BUS而由微控制器110來編程。
比較器241接收偵測信號DET2。一旦偵測信號DET2高於或低於臨界值VT1時，比較器241將產生輸出至反彈跳電路(TDB2)245。反彈跳電路245將輸出觸發信號SD2。觸發信號SD2以及切換信號OB耦接至及閘242，且閘極242之輸出耦接正反器247。透過及閘249，正反器247的輸出用來控制時脈信號CK給予計時器(PWM2 TIMER)260。計時器260的數值可透過資料匯流排DATA BUS而由微控制器110來編程。
暫存器(PWM_REG)270的資料可透過資料匯流排DATA BUS而由微控制器110來編程。當時脈信號CK被致能來對計 時器250進行計時，將產生起始信號ST1。數位比較器255將用來比較計時器250的數值與暫存器270的數值。一旦計時器250的數值與暫存器270的數值相等時，數位比較器255將產生停止信號SO1。停止信號SO1用來重置正反器237，並停止時脈信號CK透過及閘239傳送至計時器250。起始信號ST1以及停止信號SO1透過邏輯電路280以及及閘281來產生信號PWM1。
當時脈信號CK被致能來對計時器260進行計時，將產生起始信號ST2。數位比較器265將用來比較計時器260的數值與暫存器270的數值。一旦計時器260的數值與暫存器270的數值相等時，數位比較器265將產生停止信號SO2。停止信號SO2用來重置正反器247，並停止時脈信號CK透過及閘249傳送至計時器260。起始信號ST2以及停止信號SO2透過邏輯電路280以及及閘282來產生信號PWM2。一旦重置信號RST被致能時，重置信號RST耦接至及閘281與282以關閉信號PWM1與PWM2以實現保護。
第7圖係表示根據本發明一實施例之保護電路300。比較器310接收信號VOV，且比較信號VOV與過電壓臨界值VT2以產生輸出信號至反彈跳電路(TDB3)315。反彈跳電路315的反彈跳時間大約10微秒(usec)。反彈跳電路315的輸出透過或閘335耦接至正反器325，以為了透過反向器326來產生重置信號RST。或閘335的另一個輸入是接收溢位信號OVF。監視計時器(watchdog timer，WDT)330產生此溢位信號OVF。監視計時器330係由微處理器110透過資料匯流排DATA BUS來控制。當根據信號OVO而發生保護時(例如信號VOV高於過電壓臨界值VT2時)，保護狀態以及重置信號RST將被正反器325所拴鎖住。只有微控制器110可以透過資料匯流排 DATA BUS、解碼器(DECODER)340、以及反向器345來清除正反器325，使得切換信號OA與OB的關閉狀態以及信號PWM1與PWM2的關閉狀態可以被微控制器110所清除。
第8圖係表示根據本發明一實施例之偵測電路350。解碼器(DECODER)370耦接資料匯流排DATA BUS以產生複數信號來控制多工器(MUX)360、取樣維持電路(S/H)362、以及類比數位轉換器(A/D)365。微處理器110可以透過資料匯流排DATA BUS來讀取類比數位轉換器365的輸出。多工器360配置來接收回授信號VFB、平均電流信號VOI、以及電流信號VCS。因此，微控制器110可讀取回授信號(回授資料)VFB、平均電流信號VOI、以及電流信號VCS。
第9圖係表示切換信號OA與OB以及切換電流IP的波形。切換電流IP是流經變壓器10以及電流變壓器19的電流。切換電流IP可以轉換為信號VCS。藉由根據中斷信號INT(或根據切換信號OA與OB的下降緣)來量測電流信號VCS(透過信號偵測電路350)，微控制器110可偵測△I的位準。△I的位準指示出在切換電流IP下降至零電流之前切換電流IP的邊界。△I的位準係用來確保電晶體20與30的切換可以到達零電壓切換(zero voltage switching，ZVS)。這也可確保諧振切換可以操作在感應模式(inductive mode)。△I的位準也指示出控制諧振功率轉換器所能容許的最低切換頻率。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發 明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧變壓器
15‧‧‧驅動變壓器
19‧‧‧電流變壓器
20、25‧‧‧電晶體
30‧‧‧電容器
35‧‧‧電感器
40‧‧‧電容器
45、46‧‧‧二極體
50、60‧‧‧同步整流電晶體
55、65‧‧‧整流器
71、72‧‧‧電感器
80‧‧‧高速橋式整流器
81、85‧‧‧電阻器
86‧‧‧電容器
100‧‧‧控制器
DET1、DET2‧‧‧偵測信號
IP‧‧‧切換電流
OA、OB‧‧‧切換信號
PWM1、PWM2‧‧‧信號
VCS‧‧‧電流信號
VFB‧‧‧回授信號
VIN‧‧‧電壓
VO‧‧‧輸出電壓
VOI‧‧‧平均電流信號
VOV‧‧‧信號

Claims (11)

  1. 一種諧振控制電路，用於一功率轉換器，包括：一微控制器，具有一記憶體電路，其中，該記憶體電路包括一程式記憶體以及一資料記憶體；一切換信號計時器，產生一第一切換信號以控制一變壓器；一第一脈寬調變計時器，產生一第一脈寬調變信號，以控制該功率轉換器的一同步整流電晶體以實現同步整流；以及一類比數位轉換器，耦接該功率轉換器的一輸出，以自一回授信來產生一回授資料；其中，該微處理器藉由根據該回授資料以編程該切換信號計時器來控制該第一切換信號，且該微控制器藉由根據該第一切換信號以編程該第一脈寬調變計時器來控制該第一脈寬調變信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之諧振控制電路，更包括：一電路，耦接該功率轉換器的一輸出整流器，用以偵測該輸出整流器的一導通/關閉狀態且產生一偵測信號；其中，該輸出整流器可以是一整流器或是該同步整流電晶體的本體二極體。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之諧振控制電路，更包括：一第二切換信號計時器，產生一第二切換信號；以及 一第三切換信號計時器，產生介於該第一切換信號與該第二切換信號之間的一停滯時間；其中，該微控制器可控制該第二切換信號計時器以及該第二切換信號計時器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之諧振控制電路，更包括：一第二脈寬調變計時器，產生一第二脈寬調變信號；其中，該微控制器可控制該第二脈寬調變計時器。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之諧振控制電路，更包括：一同步整流計時器，產生一同步整流週期邊界；其中，該同步整流週期邊界起始於該同步整流電晶體的關閉且結束於該輸出整流器的關閉，且該微控制器可讀取該同步整流週期邊界。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之諧振控制電路，更包括：一保護電路，產生一重置信號以拴鎖該第一切換信號；其中，該保護電路耦接該功率轉換器的該輸出，以當該功率轉換器的該輸出高於一過電流臨界值時產生該重置信號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之諧振控制電路，其中，該保護電路更包括：一監視計時器，當該監視計時器發生溢位時，用以產生該重置信號以關閉該第一切換信號。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之諧振控制電路，其中，該 重置信號更關閉該第一脈寬調變信號。
  9. 如申請專利範圍第6所述之諧振控制電路，其中，該第一切換信號的關閉狀態可被該微控制器清除。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之諧振控制電路，其中，該第一切換信號用來產生一中斷信號以中斷該微控制器。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之諧振控制電路，其中，該類比數位轉換器更偵測該變壓器的一切換電流。
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