TW201526501A

TW201526501A - 切換式電源供應器及其控制電路與控制方法

Info

Publication number: TW201526501A
Application number: TW102146854A
Authority: TW
Inventors: Chia-Wei Liao; Leng-Nien Hsiu; Pei-Yuan Chen
Original assignee: Richtek Technology Corp
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2015-07-01
Also published as: TWI509967B

Abstract

本發明提出一種切換式電源供應器及其控制電路與控制方法。切換式電源供應器，將輸入電壓轉換為輸出電壓，所述切換式電源供應器包含：功率級電路，根據驅動訊號，切換其中至少一個功率開關以將輸入電壓轉換為輸出電壓；以及控制電路，與功率級電路耦接，控制電路包括：脈寬調變(pulse width modulation,PWM)電路，根據回授訊號，以產生PWM訊號；以及塑形加權電路，與PWM電路耦接，以接收PWM訊號，並根據輸入電壓，將PWM訊號中，每一週期的升緣(rising edge)或降緣(falling edge)發生之時點，延遲一段預設時間，進而產生驅動訊號。

Description

切換式電源供應器及其控制電路與控制方法

本發明係有關一種切換式電源供應器及其控制電路與控制方法，特別是指一種改善總諧波失真(Total Harmonic Distortion,THD)之切換式電源供應器及其控制電路與控制方法。

第1A圖顯示一種典型的隔離切換式電源供應器100示意圖。如第1A圖所示，待整流電壓Vac例如為直流或交流電壓，經由整流電路101整流後，產生輸入電壓Vin。整流電路101例如為橋式整流電路。隔離式電源轉換器電路100利用其中之變壓器電路102接收輸入電壓Vin，轉換為輸出電壓Vout。其中，隔離切換式電源供應器100包含前述變壓器電路102、功率開關103、控制電路105、電流感測電路106、與電壓感測電路107。控制電路105根據電流感測電路106所產生的電流感測訊號CS與電壓感測電路107所產生的回授訊號FB，產生驅動訊號GATE，以將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout。變壓器電路102包括第一繞組W1、第二繞組W2、及第三繞組W3。其中，第二繞組耦接至接地電位，而第一繞組W1與第三繞組W3共同耦接至參考電位，電壓感測電路107根據第三繞組W3感應第二繞組W2產生之輸出電壓Vout，產生回授訊號FB。

第1B圖顯示另一種隔離式電源轉換器電路200示意圖。其中，控制電路205根據電流感測電路106所產生的電流感測訊號CS與回授訊號FB，產生驅動訊號GATE，以將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout。但與第1A圖所示之先前技術不同之處在於，電壓感測電路207耦接於變壓器電路202之第二繞組W2的輸出端，直接感測輸出電壓Vout，利用光耦合器電路204，將電壓感測電路207感測輸出電壓Vout的結果，光學轉換為回授訊號FB，輸入控制電路205。

前述典型的隔離切換式電源供應器100與200有總諧波失真(THD)的問題，為改善總諧波失真(THD)與提高功率轉換效益，本發明即提出一種改善總諧波失真之切換式電源供應器及其控制電路與控制方法。

就其中一個觀點言，本發明提供了一種切換式電源供應器，用以將輸入電壓轉換為輸出電壓，所述切換式電源供應器包含：一功率級電路，根據一驅動訊號，切換其中至少一個功率開關以將輸入電壓轉換為輸出電壓；以及一控制電路，與該功率級電路耦接，該控制電路包括：一PWM電路，根據一回授訊號，以產生一PWM訊號；以及一塑形加權電路，與該PWM電路耦接，以接收該PWM訊號，並根據該輸入電壓，將該PWM訊號中，每一週期的升緣(rising edge)或降緣(falling edge)發生之時點，延遲一段預設時間，進而產生該驅動訊號。

就另一個觀點言，本發明提供了一種切換式電源供應器之控制電路，其中該切換式電源供應器用以將輸入電壓轉換為輸出電壓，包括一功率級電路，根據一驅動訊號，切換其中至少一個功率開關以將輸入電壓轉換為輸出電壓，所述控制電路包含：一PWM電路，根據一回授訊號，以產生一PWM訊號；以及一塑形加權電路，與該PWM電路耦接，以接收該PWM訊號，並根據該輸入電壓，將該PWM訊號中，每一週期的升緣(rising edge)或降緣(falling edge)發生之時點，延遲一段預設時間，進而產生該驅動訊號。

在一種較佳實施型態中，該預設時間於該輸入電壓上升時延長，於該輸入電壓下降時縮短。

在前述實施型態中，該預設時間可正比於該輸入電壓或該輸入電壓變化量。

在一種較佳實施型態中，該功率級電路包括一變壓器電路。

在一種較佳實施型態中，該塑形加權電路包括：一斜坡產生電路，用以產生一斜坡，該斜坡產生電路接收該PWM訊號作為時脈，且該斜坡產生電路所產生之斜坡相關於該輸入電壓的倒數；以及一位準比較器，將該斜坡產生電路所產生之斜坡與一參考位準比較，並根據比較結果而產生前述驅動訊號。

在一種較佳實施型態中，該塑形加權電路包括：一斜坡產生電路，用以產生一斜坡，該斜坡產生電路接收該PWM訊號作為時脈；以及一位準比較器，將該斜坡產生電路所產生之斜坡與該輸入電壓之正比值相比較，並根據比較結果而產生前述驅動訊號。

就另一個觀點言，本發明提供了一種切換式電源供應器之控制方法，其中該切換式電源供應器用以將輸入電壓轉換為輸出電壓，包括一功率級電路，根據一驅動訊號，切換其中至少一個功率開關以將輸入電壓轉換為輸出電壓，所述切換式電源供應器之控制方法包含：根據一回授訊號，以產生一PWM訊號；以及接收該PWM訊號，並根據該輸入電壓，將該PWM訊號中，每一週期的升緣(rising edge)或降緣(falling edge)發生之時點，延遲一段預設時間，進而產生該驅動訊號。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

100,200‧‧‧隔離切換式電源供應器

101‧‧‧整流電路

102,202‧‧‧變壓器電路

103‧‧‧功率開關

105,205‧‧‧控制電路

106‧‧‧電流感測電路

107‧‧‧電壓感測電路

204‧‧‧光耦合器電路

300‧‧‧切換式電源供應器

302‧‧‧功率級電路

303‧‧‧功率開關

305‧‧‧控制電路

3051‧‧‧PWM電路

3053‧‧‧塑形加權電路

CS‧‧‧電流感測訊號

Cs1‧‧‧充電電流源

Cs2‧‧‧放電電流源

C1‧‧‧電容

FB‧‧‧回授訊號

I,I1,I2‧‧‧電流

N1,N2,N3,N4,N5‧‧‧反相元件

PWM1‧‧‧PWM訊號

PWM2‧‧‧驅動訊號

Q‧‧‧輸出端

Q1,Q2‧‧‧開關

R‧‧‧重置端

S‧‧‧設定端

Tdelay1,Tdelay2‧‧‧預設時間

Vac‧‧‧待整流電壓

Vin‧‧‧輸入電壓

Vout‧‧‧輸出電壓

W1‧‧‧第一繞組

W2‧‧‧第二繞組

W3‧‧‧第三繞組

第1A圖顯示一種典型的隔離切換式電源供應器100示意圖。

第1B圖顯示另一種隔離式電源轉換器電路200示意圖。

第2A-2C圖顯示本發明的第一個實施例。

第3A-3J圖顯示同步或非同步之降壓型、升壓型、反壓型、升降壓型、與升反壓型功率級電路。

第4圖顯示根據本發明，輸入電壓Vin與延遲之預設時間Tdelay的訊號波形示意圖。

第5圖顯示本發明第二個實施例。

第6A-6C圖顯示本發明第三、第四、第五個實施例。

請參閱第2A-2C圖，顯示本發明的第一個實施例。如第2A圖所示，切換式電源供應器300包含功率級電路302與控制電路305。功率級電路302根據一驅動訊號GATE，切換其中功率開關303以將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout。控制電路305與功率級電路302耦接，其包括脈寬調變(pulse width modulation,PWM)電路3051與塑形加權電路3053。PWM電路3051根據回授訊號FB，以產生PWM訊號PWM1。回授訊號FB與輸出電壓Vout相關，例如可以取自功率級電路302的輸出端、或自輸出電壓Vout取得、或當功率級電路302為使用變壓器的隔離式功率轉換電路時，可自輔助繞組處取得。塑形加權電路3053與PWM電路3051耦接，以接收PWM訊號PWM1，並根據輸入電壓Vin，將PWM訊號PWM1中，每一週期的升緣(rising edge)或降緣(falling edge)發生之時點，延遲一段預設時間Tdelay1或Tdelay2，如第2B與2C圖所示意，進而產生驅動訊號PWM2。如第2B與2C圖所示意，PWM電路3051產生PWM訊號PWM1，並將其輸入塑形加權電路3053。參閱第2B圖，塑形加權電路3053將PWM訊號PWM1每一週期的升緣發生之時點，延遲一段預設時間Tdelay1，而產生驅動訊號PWM2。參閱第2C圖，塑形加權電路3053將PWM訊號PWM1每一週期的降緣發生之時點，延遲一段預設時間Tdelay2，而產生驅動訊號PWM2。其中，功率級電路302除了第1A圖與第1B圖所示之隔離切換式電源供應器之外，亦可為同步或非同步之降壓型、升壓型、反壓型、或升降壓型功率級電路，如第3A-3J圖所示。如第1A與1B圖所示，隔離切換式電源供應器100與200包含了變壓器電路102與202。

第4圖顯示根據本發明，輸入電壓Vin與延遲之預設時間Tdelay的訊號波形示意圖。如圖所示，預設時間Tdelay於輸入電壓Vin上升時延長，於該輸入電壓Vin下降時縮短。一種較佳的實施方式為，將預設時間Tdelay設定為正比於輸入電壓Vin、或正比於單位時間內輸入電壓的變化量ΔVin(即目前時間與前一時間的電壓差)。

第5圖顯示本發明第二個實施例。本實施例顯示塑形加權電路3053一種較具體的實施例。在本實施例中，塑形加權電路3053例如但不限於延遲PWM訊號PWM1中每一週期的升緣發生之時點，使其延遲一段預設時間Tdelay1，而產生驅動訊號PWM2。第5圖顯示塑形加權電路3053包含反相元件N1、N2、N3與N4，開關Q1與Q2，充電電流源Cs1，與電容C1，其中開關Q1與Q2、充電電流源Cs1、與電容C1構成斜坡產生電路，而此斜坡產生電路的時脈由PWM訊號 PWM1決定，且充電電流源Cs1之電流I正比於輸入電壓Vin的倒數。反相元件N1、N2的目的是保持PWM訊號PWM1的工作比、但改變其高低位準的絕對值，以符合開關Q1與Q2的操作所需。如果PWM訊號PWM1本身的位準恰當，則電路中可不需要反相元件N1、N2。充電電流源電路Cs1產生電流I，且電流I正比於輸入電壓Vin的倒數；開關Q1與Q2的切換受控於PWM訊號PWM1的工作比，經由開關Q1與Q2的切換，控制電容C1的充放電，使電容C1的電壓(即斜坡產生電路所產生的斜坡)相關於輸入電壓Vin的倒數，再經由反相元件N3與N4而產生驅動訊號PWM2，即可產生延遲效果。詳言之，由於電流I正比於輸入電壓Vin的倒數，因此當輸入電壓Vin越高，電流I越小，電容C1的充電速度越慢，到達反相元件N3的位準變換點越慢，亦即延遲的時間正比於輸入電壓Vin。本實施例中，也可使用比較器來替換反相元件N3與N4，比較器的一端接收電容C1的電壓，另一端接收一參考電壓(相當於反相元件N3的位準變換點)；或是使用一個史密斯觸發器(smith trigger)來取代反相元件N3與N4。反相元件、比較器、或史密斯觸發器都有位準比較的作用，而可視為位準比較器的一種形式。

事實上，根據基本物理公式，電容值(C)和電壓(V)的乘積等於電流(i)和時間(t)的乘積(CV=it)，因此如要改變延遲時間並使延遲時間正比於輸入電壓Vin，除了按照第5圖實施例的方式來變化電流I之外，也可以變化電壓。第6A圖顯示本發明的第三個實施例，本實施例顯示塑形加權電路3053另一種較具體的實施例，與第5圖的第二個實施例相似，但充電電流源Cs1之電流I為固定值，而塑形加權電路3053中包含一比較器Comp1，將電容C1的電壓與輸入電壓Vin之相關值Vin/R相比較，其中R可為所欲的比例值。相關值Vin/R例如可取自輸入電壓Vin之分壓。本實施例中，同樣可以使PWM訊號 PWM2自低位準變換到高位準的時點，相較於PWM訊號PWM1自低位準變換到高位準的時點，所延遲的時間正比於輸入電壓Vin。

第5和6A圖中的斜坡產生電路為上升波形的斜坡產生電路；本發明並不限於此，亦可採用其他型式的斜坡產生電路，例如第6B圖所示的下降波形的斜坡產生電路、或是第6C圖所示的上升下降波形兼具的斜坡產生電路，其中Cs2為放電電流源，在第6C圖實施例中，充電電流源Cs1產生充電電流I1，放電電流源Cs2產生充電電流I2，兩者可為相等或不相等。採用第6B圖或第6C圖所示的斜坡產生電路時，可以是需要而改變比較器Comp1的輸入端連接方式。

此外，顯然，如要延遲PWM訊號PWM1自高位準變換到低位準的時點，則可在以上例示的電路中，採用PWM訊號PWM1的反相訊號來控制斜坡產生電路的時脈，即可。

須說明的是，根據本發明，總諧波失真(Total Harmonic Distortion,THD)與電磁干擾(electro-magnetic interference，EMI)皆可以得到改善，且具有準諧振(quasi resonant,QR)切換式電源供應器的效果。本發明適用的操作模式，較佳應用於邊界導通模式(boundary conduction mode,BCM)，此為本技術領域中所常用的技術，在此不予贅述。相較於典型的準諧振切換式電源供應器，本發明的電路較為簡潔，操作方式也較為單純，此皆為本發明優於先前技術之處。以典型的準諧振切換式電源供應器為例，先前技術必須不間斷地偵測輸出訊號中，高低位準的轉折時點，其電路與操作方式相對較為複雜，製造的成本也較高。

以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化。例如，各實施例中圖示直接連接的兩電路或元件間，可插置不影響主要功能的其他電路或元件。凡此種種，皆可根據本發明的教示類推而得，因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。