TW201351858A

TW201351858A - 功率轉換器之控制電路

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Publication number: TW201351858A
Application number: TW102120105A
Authority: TW
Inventors: Ta-Yung Yang
Original assignee: System General Corp
Priority date: 2012-06-06
Filing date: 2013-06-06
Publication date: 2013-12-16
Also published as: US20130329468A1; CN103457490A

Abstract

本發明為一種功率轉換器的一控制電路，其包含一切換電路及一取樣電路。切換電路依據一回授訊號及一取樣訊號產生一切換訊號，切換訊號切換功率轉換器之一變壓器，以調整功率轉換器的一輸出。回授訊號是依據功率轉換器的輸出而產生，取樣電路取樣變壓器的一訊號而產生取樣訊號，取樣訊號關聯於功率轉換器的一輸出電壓。

Description

功率轉換器之控制電路

本發明係關於一種控制電路，特別是關於一種功率轉換器的控制電路。

請參閱第一圖，其為習知具有小輸入電容器之離線式功率轉換器的電路圖。如圖所示，一橋式整流器40轉換一交流輸入電壓V_AC為一直流輸入電壓V_IN。小輸入電容器45耦接橋式整流器40的一輸出端，且用於儲存能量以提供輸入電壓V_IN至功率轉換器的一變壓器10。具有小輸入電容器45的功率轉換器會產生一高輸出線性漣波。然而，具有小輸入電容器45的功率轉換器可以達到低成本及體積小的優勢。

復參閱第一圖，一控制電路80產生一切換訊號S_W，切換訊號S_W經由一功率電晶體20切換變壓器10。變壓器10具有一一次側繞組N_P、一二次側繞組N_S及一輔助繞組N_A。一次側繞組N_P的一第一端耦接小輸入電容器45，以接收輸入電壓V_IN。功率電晶體20耦接一次側繞組N_P的一第二端，以切換變壓器10，而從一次側繞組N_P轉換能量至二次側繞組N_S與輔助繞組N_A。

一切換電流I_P流經變壓器10的一次側繞組N_P，其經由一電流感測元件產生一電流感測訊號V_CS，電流感測元件例如為一電阻器30。電流感測元件串聯於功率電晶體20與一接地端之間。電流感測元件更耦接控制電路80，所以控制電路80接收電流感測訊號V_CS。變壓器10的輔助繞組N_A經由一分壓電路耦接控制電路80，以產生一反射訊號（reflected signal）V_S，此分壓電路包含複數電阻器31與32。切換訊號S_W會依據一回授訊號V_FB而被調整，以調整功率轉換器的輸出。

一電阻器61、一電壓調整器70、一光耦合器75及控制電路80等元件組成一回授迴路。電阻器61的一第一端耦接功率轉換器的一輸出端。電壓調整器70耦接於電阻器61的一第二端及光耦合器75之間。光耦合器75更耦接功率轉換器的輸出端及控制電路80。回授訊號V_FB產生於光耦合器75的一輸出端。所以，控制電路80接收回授訊號V_FB。於一實施例中，電壓調整器70可以為一稽納二極體。回授訊號V_FB經由電阻器61、電壓調整器70及光耦合器75耦接於功率轉換器的輸出端。一整流器50及一電容器51耦接功率轉換器的二次側繞組N_S，而產生功率轉換器的一輸出電壓V_O。

關於功率轉換器的輸出功率P_O，其可以表示為：

----------------------（1）
----（2）
其中，V_IN為輸入電壓V_IN的電壓準位；T_ON為切換訊號S_W的導通時間；L_P為變壓器10之一次側繞組N_P的電感值；T為切換訊號S_W的切換週期；F_W為切換訊號S_W的切換頻率；電流I_A表示當下一個切換循環開始時，存在於變壓器10的一連續電流（能量）。

關於功率轉換器運作於非連續電流模式（Discontinuous-current mode，DCM）及/或邊界電流模式（Boundary-current mode，BCM）的輸出功率P_O，其表示於方程式（1）。關於功率轉換器運作於連續電流模式（Continuous-current mode，CCM）的輸出功率P_O，其表示於方程式（2）。

按，大部分功率轉換器之切換訊號S_W的最大導通時間T_ON皆被限制，以防止變壓器10處於飽和狀態。然而，一旦輸入電壓V_IN降低時，功率轉換器的輸出功率P_O會受到限制，其會造成一高輸出漣波（線性漣波）的產生。如第二圖所示，當輸出電壓V_O依據輸入電壓V_IN的低電壓而降低時，回授訊號V_FB會被提升以增加切換訊號S_W的導通時間T_ON及輸出功率P_O。然而，一般來說，具有低通濾波效果的電路（例如第一圖所示之具有低通濾波效果的電壓調整器70），用於頻率補償，以穩定回授迴路，但其會造成一低迴路響應及產生突波（overshoot）於回授訊號V_FB與輸出電壓V_O。如第二圖所示，此突波現象會導致輸出漣波升高。

鑒於上述問題，本發明提供具有鉗位功能的一控制電路，而應用於具有小輸入電容器或不具有輸入電容器之功率轉換器，以減少輸出漣波。

本發明之主要目的之一，提供一種控制電路，其用於具有小輸入電容器或不具有輸入電容器之功率轉換器，以減少輸出漣波。

本發明係揭示一種功率轉換器的一控制電路，其包含一切換電路及一取樣電路。切換電路依據一回授訊號及一取樣訊號產生一切換訊號，切換訊號用於切換功率轉換器之一變壓器，以調整功率轉換器的一輸出。取樣電路取樣變壓器的一訊號而產生取樣訊號。一光耦合器依據功率轉換器的輸出而產生回授訊號，取樣訊號相關聯於功率轉換器的一輸出電壓。此外，藉由一誤差放大器及一低通濾波器也可以依據功率轉換器的輸出而產生回授訊號。

10．．．變壓器

20．．．功率電晶體

30．．．電阻器

31．．．電阻器

32．．．電阻器

40．．．橋式整流器

45．．．小輸入電容器

50．．．整流器

51．．．電容器

61．．．電阻器

70．．．電壓調整器

75．．．光耦合器

80．．．控制電路

100．．．控制電路

110．．．電晶體

112．．．電阻器

115．．．電阻器

116．．．電阻器

120．．．比較器

125．．．比較器

130．．．反相器

131．．．及閘

150．．．振盪器

180．．．正反器

200．．．取樣電路

210．．．偵測電路

231．．．比較器

232．．．比較器

235．．．計時電路

270．．．最大工作週期電路

271．．．第一電流源

272．．．第二電流源

275．．．開關

280．．．電晶體

281．．．反相器

290．．．電容器

295．．．比較器

300．．．脈波產生器

310．．．正反器

315．．．時間延遲電路

317．．．反相器

320．．．反相器

321．．．反相器

325．．．及閘

500．．．控制電路

510．．．誤差放大器

520．．．低通濾波器

I_P．．．切換電流

N_A．．．輔助繞組

N_P．．．一次側繞組

N_S．．．二次側繞組

PLS．．．脈波訊號

S_BO．．．輸入電壓過低訊號

S_MD．．．最大工作週期訊號

S_MP．．．取樣訊號

S_OFF．．．截止訊號

S_OX．．．過電壓訊號

S_UV．．．低電壓訊號

S_W．．．切換訊號

V_AC．．．交流輸入電壓

V_B．．．訊號

V_CC．．．供應電壓

V_CS．．．電流感測訊號

V_FB．．．回授訊號

V_FBA．．．回授訊號

V_IN．．．輸入電壓

V_INX．．．取樣訊號

V_O．．．輸出電壓

V_OX．．．取樣訊號

V_REF．．．參考訊號

V_S．．．反射訊號

V_T．．．門檻訊號

V_T1．．．門檻訊號

V_T2．．．門檻訊號

V_T3．．．比較門檻訊號

第一圖：其為具有小輸入電容器之一離線式功率轉換器的電路圖；
第二圖：其為習知離線式功率轉換器之輸入電壓V_IN、回授訊號V_FB及輸出電壓V_O的波形圖；
第三圖：其為本發明之控制電路之一實施例的電路圖；
第四圖：其為本發明之控制電路之一取樣電路的訊號波形圖；
第五圖：其為本發明之控制電路之一偵測電路之一實施例的電路圖；
第六圖：其為本發明之控制電路之一最大工作週期電路之一實施例的電路圖；
第七圖：其為本發明之控制電路之一脈波產生器之一實施例的電路圖；
第八圖：其為本發明之切換訊號S_W及輸出電壓V_O的訊號波形圖；
第九圖：其為本發明之控制電路運用於具有小輸入電容器之一次側控制式功率轉換器的電路圖；及
第十圖：其為本發明運用於具有小輸入電容器之一次側控制式功率轉換器之控制電路之一實施例的電路圖。

為使　貴審查委員對本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：

請參閱第三圖，其為本發明之控制電路之一實施例的電路圖。本發明之控制電路100是取代第一圖之控制電路80。控制電路100可用於具有小輸入電容器45（如第一圖所示）的功率轉換器或不具有輸入電容器的功率轉換器。一電晶體110及複數電阻器112、115、116構成一準位偏移電路。準位偏移電路用於接收回授訊號V_FB而產生一訊號V_B。電晶體110的一汲極耦接一供應電壓V_CC。電阻器112的一第一端耦接供應電壓V_CC及電晶體110的汲極，電阻器112的一第二端耦接電晶體110的一閘極及回授訊號V_FB，電晶體110的閘極更接收回授訊號V_FB，電晶體110的一源極耦接電阻器115的一第一端，電阻器116耦接於電阻器115的一第二端及一接地端之間。訊號V_B產生於電阻器115與116的耦接點，訊號V_B關聯於回授訊號V_FB。此外，回授訊號V_FB是依據功率轉換器的輸出而產生。

電流感測訊號V_CS耦接比較器120的一負輸入端。訊號V_B耦接比較器120的一正輸入端，訊號V_B與電流感測訊號V_CS比較，以經由一及閘131的一輸出端而重置一正反器180，並截止切換訊號S_W。及閘131的輸出端耦接正反器180的一重置輸入端R，以重置正反器180及截止切換訊號S_W。也就是說，正反器180作為一切換電路，而依據回授訊號V_FB與功率轉換器的輸出產生切換訊號S_W。切換訊號S_W用於切換變壓器10（如第一圖所示），以調整功率轉換器的輸出（輸出電壓V_O及/或輸出電流）。

及閘131的一第一輸入端耦接比較器120的一輸出端，及閘131的一第二輸入端接收一最大工作週期訊號（maximum-duty signal）S_MD。也就是說，最大工作週期訊號S_MD經由及閘131而耦接正反器180，而控制切換訊號S_W的最大導通時間（最大工作週期）。一最大工作週期電路（maximum-duty circuit，T_ONMAX）270依據切換訊號S_W及一低電壓訊號S_UV產生最大工作週期訊號S_MD。及閘131的一第三輸入端經由一反相器130接收一截止訊號S_OFF。也就是說，切換訊號S_W更可受控於截止訊號S_OFF。

一振盪器（OSC）150產生一脈波訊號PLS，脈波訊號PLS耦接正反器180的一時脈輸入端CK。也就是說，脈波訊號PLS致能正反器180，以於一輸出端Q產生切換訊號S_W。一脈波產生器300依據切換訊號S_W、低電壓訊號S_UV及一過電壓訊號S_OX產生截止訊號S_OFF。低電壓訊號S_UV為產生截止訊號S_OFF的一個選項。

一取樣電路（V_OSAMPLE）200取樣變壓器10（如第一圖所示）的反射訊號V_S並產生一取樣訊號V_OX。取樣訊號V_OX耦接一比較器125的一正輸入端，比較器125的一負輸入端接收一門檻訊號V_T，比較器125比較取樣訊號V_OX及門檻訊號V_T，當取樣訊號V_OX的電壓準位高於門檻訊號V_T時，比較器125產生（致能）過電壓訊號S_OX。反射訊號V_S關聯於輸出電壓V_O（如第一圖所示），因此取樣訊號V_OX亦關聯於輸出電壓V_O。也就是說，當輸出電壓V_O高於一過電壓門檻訊號時，過電壓訊號S_OX會被產生，因此過電壓門檻訊號是相關聯於門檻訊號V_T。

此外，過電壓訊號S_OX耦接脈波產生器300，以產生截止訊號S_OFF。所以，當輸出電壓V_O高於過電壓門檻訊號時，取樣訊號V_OX會限制切換訊號S_W的脈波寬度。也就是說，切換電路（正反器180）依據取樣訊號V_OX產生切換訊號S_W。

請參閱第四圖，其為本發明之控制電路之取樣電路的訊號波形圖。如第四圖所示，於切換訊號S_W截止後，取樣電路200取樣變壓器10（如第一圖所示）的反射訊號V_S。一取樣訊號S_MP用於取樣反射訊號V_S。取樣變壓器10之訊號的取樣技術，例如：取樣反射訊號V_S，已揭露於現有公開技術文獻，如美國專利第7,151,681號“Multiple-sampling circuit for measuring reflected voltage and discharge time of a transformer”、美國專利第7,349,229號“Causal sampling circuit for measuring reflected voltage and demagnetizing time of transformer”以及美國專利第7,486,528號“Linear-predict sampling for measuring demagnetized voltage of transformer”。

復參閱第三圖，控制電路100更包含一偵測電路（V_INDET）210。偵測電路210偵測反射訊號V_S，以依據輸入電壓V_IN（如第一圖所示）產生一輸入電壓過低訊號（brownout signal）S_BO及低電壓訊號S_UV。輸入電壓過低訊號S_BO耦接正反器180的一輸入端D，以在輸入電壓過低狀態截止切換訊號S_W。

請參閱第五圖，其係本發明之控制電路之偵測電路之一實施例的電路圖。如圖所示，偵測電路210包含一取樣單元（V_INSAMPLE）220、一比較器231、一比較器232及一計時電路（T_D）235，以經由變壓器10偵測輸入電壓V_IN（如第一圖所示），並產生輸入電壓過低訊號S_BO與低電壓訊號S_UV。取樣單元220取樣變壓器10的反射訊號V_S，以產生一取樣訊號V_INX。反射訊號V_S也相關聯於輸入電壓V_IN，所以取樣訊號V_INX相關聯於輸入電壓V_IN。取樣單元220的詳細運作可以參考習用技術，例如美國專利第7,671,578號“Detection circuit for sensing the input voltage of transformer”。

取樣訊號V_INX更耦接比較器231，以經由計時電路235產生輸入電壓過低訊號S_BO。取樣訊號V_INX耦接比較器231的一正輸入端。比較器231的一負輸入端接收一門檻訊號V_T1。比較器231比較取樣訊號V_INX與門檻訊號V_T1。比較器231的一輸出耦接計時電路235的一輸入端，以產生輸入電壓過低訊號S_BO。此外，計時電路235確保輸入電壓過低訊號S_BO僅產生於取樣訊號V_INX的電壓準位低於門檻訊號V_T1，且此狀態超過一時間週期，例如：300微秒（msec）。也就是說，當輸入電壓V_IN低於一輸入電壓過低門檻訊號時，且經過一延遲時間後，輸入電壓過低訊號S_BO即被產生。輸入電壓過低門檻訊號相關聯於門檻訊號V_T1。

此外，取樣訊號V_INX耦接比較器232的一正輸入端，比較器232的一負輸入端接收一門檻訊號V_T2。如此，當取樣訊號V_INX的電壓準位低於門檻訊號V_T2時，比較器232會產生低電壓訊號S_UV。所以，當輸入電壓V_IN低於一低電壓門檻訊號時，低電壓訊號S_UV即被產生。低電壓門檻訊號相關聯於門檻訊號V_T2。如第三圖所示，低電壓訊號S_UV耦接脈波產生器300，以產生截止訊號S_OFF。截止訊號S_OFF用於限制切換訊號S_W的脈波寬度。也就是說，當輸入電壓V_IN低於低電壓門檻訊號時，低電壓訊號S_UV會限制切換訊號S_W的脈波寬度。

請參閱第六圖，其係本發明之控制電路之最大工作週期電路之一實施例的電路圖。如圖所示，最大工作週期電路270包含兩個電流源271、272、一開關275、一電晶體280、一反相器281、一電容器290及一比較器295。第二電流源272耦接於供應電壓V_CC及電容器290之間。第一電流源271的一第一端也耦接於供應電壓V_CC。開關275耦接於第一電流源271的一第二端及電容器290間。電晶體280的一汲極耦接於開關275、第二電流源272及電容器290。電晶體280的一源極耦接於接地端。切換訊號S_W經由反相器281耦接電晶體280的一閘極，以控制電晶體280。

依據切換訊號S_W的導通，第一電流源271經由開關275充電電容器290。第二電流源272亦充電電容器290。比較器295的一負輸入端耦接電容器290，比較器295的一正輸入端耦接一比較門檻訊號V_T3。比較器295比較電容器290的電壓與比較門檻訊號V_T3。當電容器290的電壓高於比較門檻訊號V_T3時，比較器295會禁能最大工作週期訊號S_MD，而截止切換訊號S_W（如第三圖所示）。此外，當切換訊號S_W截止時，切換訊號S_W更經由電晶體280及反相器281放電電容器290。開關275受控於低電壓訊號S_UV，所以當低電壓訊號S_UV禁能（低電壓訊號S_UV是低準位為致能的訊號）且開關275導通時，切換訊號S_W的最大脈波寬度（工作週期）是較短的。相反的，一旦低電壓訊號S_UV致能（輸入電壓V_IN為低電壓而開關275為截止）時，切換訊號S_W的最大脈波寬度是較寬的。

當功率轉換器運作於邊界電流模式BCM及連續電流模式CCM時，輸出電壓V_O可以表示為：

-----------------（3）
先前方程式（1）及（2）表示輸入電壓V_IN及切換訊號S_W的導通時間T_ON會決定功率轉換器的輸出功率P_O。在一低輸入電壓V_IN時，一較高工作週期（T_ON/T）可以增加輸出功率P_O。然而，就迴路穩定來說，方程式（3）表示較高工作週期及/或一較高輸入電壓V_IN將會導致一高迴路增益，此高迴路增益可能造成回授迴路有穩定上的問題。因此，本發明之最大工作週期電路270僅會在輸入電壓V_IN為低電壓時才會增加最大工作週期訊號S_MD的導通時間，以增加切換訊號S_W的最大導通時間（T_ON）。也就是說，控制電路100（如第三圖所示）僅會在輸入電壓V_IN低於一低輸入電壓門檻訊號時，才會增加切換訊號S_W的最大導通時間（最大工作週期）以減少輸出漣波。此低輸入電壓門檻訊號是相關聯於門檻訊號V_T2（如第五圖所示）。

請參閱第七圖，其係本發明之控制電路之脈波產生器之一實施例的電路圖。如圖所示，一正反器310、一時間延遲電路（T_D）315及一反相器317構成一脈波電路，並依據切換訊號S_W的致能（導通）產生一脈波訊號，而且脈波訊號產生於正反器310的一輸出端Q。時間延遲電路315的延遲時間決定此脈波訊號的脈波寬度。正反器310的一輸入端D接收供應電壓V_CC。切換訊號S_W耦接正反器310的一時脈輸入端CK。時間延遲電路315的一輸入端耦接正反器310的輸出端Q。時間延遲電路315的一輸出端經由反相器317而耦接正反器310的一重置輸入端R。

當過電壓訊號S_OX被產生（致能）時，脈波訊號（正反器310的輸出）用於經由一反相器320及一及閘325而產生截止訊號S_OFF。脈波訊號經由反相器320而耦接及閘325的一第一輸入端。及閘325的一輸出端產生截止訊號S_OFF。低電壓訊號S_UV經由一反相器321而耦接及閘325的一第二輸入端。過電壓訊號S_OX耦接及閘325的一第三輸入端。因此，截止訊號S_OFF是依據切換訊號S_W的致能、過電壓訊號S_OX的致能及低電壓訊號S_UV（選擇性）而產生。因此，當輸出電壓V_O高於過電壓門檻訊號時，截止訊號S_OFF將被產生而截止切換訊號S_W。

請參閱第八圖，其係本發明之切換訊號S_W及輸出電壓V_O的訊號波形圖。如圖所示，當功率轉換器的輸出電壓V_O高於過電壓門檻訊號時，切換訊號S_W的脈波寬度會受到限制。也就是說，當輸出電壓V_O高於過電壓門檻訊號時，切換訊號S_W會受到調整。

請參閱第九圖，其係本發明之控制電路運用於具有小輸入電容器之一次側控制式功率轉換器的電路圖。如圖所示，一次側控制式功率轉換器不需要如第一圖所示的電阻器61、電壓調整器70及光耦合器75。此一次側控制式功率轉換器的回授訊號是經由複數電阻器31、32及變壓器10的輔助繞組N_A而獲得。一控制電路500感測變壓器10之輔助繞組N_A的反射訊號V_S，而產生切換訊號S_W。控制電路500亦可運用於不具有輸入電容器的功率轉換器。此外，此一次側控制式功率轉換器的其他電路如同第一圖所示的功率轉換器，所以於此不再詳述。

請參閱第十圖，其係本發明運用於具有小輸入電容器之一次側控制式功率轉換器之控制電路之一實施例的電路圖。如圖所示，控制電路500不需要由電晶體110及複數電阻器112、115、116所構成的準位偏移電路（如第三圖所示）。控制電路500更包含一誤差放大器510及一低通濾波器520。取樣電路200取樣反射訊號V_S，以產生取樣訊號V_OX。取樣訊號V_OX相關聯於一次側控制式功率轉換器的輸出，並耦接誤差放大器510的一負輸入端，以產生一回授訊號V_FBA。因此，回授訊號V_FBA是依據一次側控制式功率轉換器的輸出而產生。誤差放大器510的一正輸入端接收一參考訊號V_REF，誤差放大器510的一輸出端耦接低通濾波器520。本發明之一實施例中，低通濾波器520為一電容器。

誤差放大器510的一輸出及低通濾波器520是用於產生回授訊號V_FBA。回授訊號V_FBA耦接比較器120的正輸入端，以與電流感測訊號V_CS比較，而重置正反器180及截止切換訊號S_W。再者，當輸出電壓V_O（如第九圖所示）高於過電壓門檻訊號時，更可以藉由截止訊號S_OFF截止切換訊號S_W。此外，一次側控制式功率轉換器的詳細運作可以參閱美國專利第7,016,204號“Close-loop PWM controller for primary-side controlled power converters”。控制電路500之其他電路如同第三圖所示之控制電路100，所以於此不再詳述。

綜上所述，本發明揭示一種功率轉換器的一控制電路，其包含切換電路及取樣電路。切換電路依據回授訊號及取樣訊號產生切換訊號，切換訊號用於切換功率轉換器的變壓器，以調整功率轉換器的輸出。取樣電路取樣變壓器的訊號而產生取樣訊號。回授訊號是依據功率轉換器的輸出而產生，取樣訊號相關聯於功率轉換器的輸出電壓。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

本發明係實為一具有新穎性、進步性及可供產業利用者，應符合我國專利法所規定之專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈　鈞局早日賜准專利，至感為禱。