TW201820760A - 電源轉換系統及其控制方法 - Google Patents

電源轉換系統及其控制方法 Download PDF

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Abstract

提供了一種電源轉換系統及其控制方法。該電源轉換系統包括變壓器、電力MOS場效電晶體、以及控制器，該控制器被配置為：基於變壓器的二次側的輸出電壓的互感電壓調節第一電阻的阻值；利用第一電阻和第二電阻對該輸出電壓的回饋電壓進行分壓，生成回饋分壓電壓；將回饋分壓電壓與表徵流過變壓器的一次側的輸入電流的電流感測電壓進行比較，生成關斷控制信號；以及基於關斷控制信號，控制電力MOS場效電晶體的關斷。根據本發明實施例的電源轉換系統及其控制方法基於互感電壓調節系統增益，使得系統效率在不同等級的輸出電壓時均能達到最佳。

Description

電源轉換系統及其控制方法
本發明涉及電路領域，尤其涉及一種電源轉換系統及其控制方法。
隨著Type-C PD協定和多種快充協定的提出，通過一個電源轉換系統實現對幾十種不同設備進行充電成為可能。不同設備要求的充電電壓之間可能存在高達十幾伏的壓差，並且不同設備要求的充電功率之間可能存在高達幾十瓦的功率差。傳統的返馳式電源轉換系統是固定增益的系統，這使得其對一些設備的充電效率很高，而對其他設備的充電效率很低，因此導致系統能耗很高，無法實現效率最優化，從而無法滿足當前市場上的新能源的標準。
鑒於以上所述的一個或多個問題，本發明提供了一種新穎的電源轉換系統及其控制方法。
根據本發明實施例的電源轉換系統，包括變壓器、電力MOS場效電晶體、以及控制器，該控制器被配置為：基於變壓器的二次側的輸出電壓的互感電壓調節第一電阻的阻值；利用第一電阻和第二電阻對該輸出電壓的回饋電壓進行分壓，生成回饋分壓電壓；將回饋分壓電壓與表徵流過變壓器的一次側的輸入電流的電流感測電壓進行比較，生成關斷控制信號；以及基於關斷控制信號，控制電力MOS場效電晶體的關斷。
根據本發明實施例的電源轉換系統的控制方法，該電源轉換系統包括變壓器和電力MOS場效電晶體，該控制方法包括：基於變壓器的二次側的輸出電壓的互感電壓調節第一電阻的阻值；利用第一電阻 和第二電阻對該輸出電壓的回饋電壓進行分壓，生成回饋分壓電壓；將回饋分壓電壓與表徵流過變壓器的一次側的輸入電流的電流感測電壓進行比較，生成關斷控制信號；以及基於關斷控制信號，控制電力MOS場效電晶體的關斷。
根據本發明實施例的電源轉換系統及其控制方法基於互感電壓調節系統增益，使得系統效率在不同等級的輸出電壓時均能達到最佳。
Q1‧‧‧電力MOS場效電晶體
D1、D2、D3‧‧‧二極體
Rs‧‧‧電流感測電阻
Fsw‧‧‧系統頻率
VAC‧‧‧交流輸入電壓
Vaux‧‧‧互感電壓
Vin‧‧‧輸入電壓
Iaux‧‧‧感測電流
T1‧‧‧變壓器
VPRT‧‧‧感測電壓
IL‧‧‧輸入電流
Isample‧‧‧取樣電流
VCS‧‧‧電流感測電壓
Vsample‧‧‧取樣電壓
VFB‧‧‧回饋電壓
Ith1、Ith2、Ith3、Ithn‧‧‧電流閾值
R1、R2‧‧‧電阻
Vth1、Vth2、Vth3、Vthn‧‧‧電壓閾值
fbd‧‧‧回饋表徵電壓
Vout、V1、V2、V3、V4‧‧‧輸出電壓
fb_div‧‧‧回饋分壓電壓
Rdivd1、Rdivd2、Rdivd1’‧‧‧電阻
clk‧‧‧導通控制信號
K1、K2、K3、K4、Kn‧‧‧系統增益
PWM‧‧‧脈寬調變
RFB‧‧‧回饋電壓的上拉電阻
Ton‧‧‧導通狀態的持續時間
VDD‧‧‧晶片供電電壓
M1‧‧‧熱敏電阻
通過閱讀以下參照附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯，其中，相同或相似的附圖標記表示相同或相似的特徵。
第1圖示出了傳統的返馳式電源轉換系統的工作原理示意圖；第2圖示出了第1圖所示的返馳式電源轉換系統在輸出電壓滿載的情況下的輸出電壓與系統頻率的關係；第3圖示出了根據本發明實施例的電源轉換系統的工作原理示意圖；第4圖示出了第3圖所示的互感電壓取樣網路和感測單元的示例性電路圖；第5圖示出了第3圖所示的互感電壓取樣網路和感測單元的另一示例性電路圖；第6圖示出了第3圖所示的電源轉換系統的系統增益與互感電壓的感測電流經電流取樣後得到的取樣電流之間的關係；第7圖示出了第3圖所示的電源轉換系統的系統增益與互感電壓的感測電壓經電阻分壓後得到的取樣電壓之間的關係。
下面將詳細描述本發明的各個方面的特徵和示例性實施例。在下面的詳細描述中，提出了許多具體細節，以便提供對本發明的全 面理解。但是，對於本領域技術人員來說很明顯的是，本發明可以在不需要這些具體細節中的一些細節的情況下實施。下面對實施例的描述僅僅是為了通過示出本發明的示例來提供對本發明的更好的理解。本發明決不限於下面所提出的任何具體配置和演算法，而是在不脫離本發明的精神的前提下覆蓋了元素、部件和演算法的任何修改、替換和改進。在附圖和下面的描述中，沒有示出公知的結構和技術，以便避免對本發明造成不必要的模糊。
此外，所描述的特徵、結構或特性可以以任何合適的方式結合在一個或更多實施例中。在下面的描述中，提供許多具體細節從而給出對本發明的實施例的充分理解。然而，本領域技術人員將意識到，可以實踐本發明的技術方案而沒有所述特定細節中的一個或更多，或者可以採用其它的方法、組元、材料等。在其它情況下，不詳細示出或描述公知結構、材料或者操作以避免模糊本發明的主要技術創意。
第1圖示出了傳統的返馳式電源轉換系統的工作原理示意圖。如第1圖所示，該返馳式電源轉換系統包括整流器、變壓器T1、電力MOS場效電晶體Q1、電流感測電阻Rs、誤差放大器、光耦合器、以及控制器，其中：整流器對交流輸入電壓VAC進行整流，生成經整流的輸入電壓Vin(下麵簡稱為輸入電壓Vin)；變壓器T1將其一次側的輸入電壓Vin變換成其二次側的輸出電壓Vout，並將輸出電壓Vout提供給設備1至設備n；變壓器T1、電力MOS場效電晶體Q1、以及電流感測電阻Rs基於輸入電壓Vin生成輸入電流IL；輸入電流IL在電流感測電阻Rs上生成電流感測電壓VCS，該電流感測電壓VCS被提供給控制器；誤差放大器和光耦合器基於輸出電壓Vout生成回饋電壓VFB，並將回饋電壓VFB提供給控制器；控制器基於回饋電壓VFB和電流感測電壓VCS控制電力MOS場效電晶體Q1的導通與關斷。
在第1圖所示的控制器中，二極體D1將回饋電壓VFB變換為回饋表徵電壓fbd，並將回饋表徵電壓fbd提供給振盪器；電阻 Rdivd1和Rdivd2對回饋表徵電壓fbd進行分壓生成回饋分壓電壓fb_div，並將回饋分壓電壓fb_div提供給比較器的正相輸入端；電流感測電壓VCS被提供給比較器的負相輸入端；振盪器基於回饋表徵電壓fbd生成導通控制信號clk，並將導通控制信號clk提供給核心邏輯單元；比較器基於回體分壓電壓fb_div和電流感測電壓VCS生成截止控制信號off，並將截止控制信號off提供給核心邏輯單元；核心邏輯單元基於導通控制信號clk和截止控制信號off生成驅動電力MOS場效電晶體Q1的導通與關斷的脈寬調變(Pulse Width Modulation,PWM)信號，即驅動信號。
第1圖所示的返馳式電源轉換系統的系統增益K1和系統頻率Fsw分別由以下等式得出：
其中，，Iout是變壓器T1的二次 側的輸出電流，Ton是電力MOS場效電晶體Q1處於導通狀態的持續時間，Lm是變壓器T1的感量。
第2圖示出了第1圖所示的返馳式電源轉換系統在輸出電壓滿載的情況下的輸出電壓與系統頻率的關係。如第2圖所示，在第1圖所示的返馳式電源轉換系統的輸出電壓滿載的情況下，輸出電壓越高，系統頻率越高，此時對應的系統效率也越高；輸出電壓越低，系統頻率越低，此時對應的系統效率也越低。具體地，在第1圖所示的返馳式電源轉換系統的輸出電壓Vout為V1時，其系統頻率較高，此時對應的系統效率也很高；在第1圖所示的返馳式電源轉換系統的輸出電壓Vout為V4時，由於其系統增益為固定增益K1，假定輸出電流保持不變，則可以得出此時的系統頻率比較低，僅為輸出電壓Vout為V1時的幾分之一。
鑒於以上所述的問題，本發明提供了一種新穎的電源轉 換系統及其控制方法。下面結合第3圖至第7圖，詳細描述根據本發明實施例的電源轉換系統及其控制方法。
第3圖示出了根據本發明實施例的電源轉換系統的工作原理示意圖。第3圖所示的電源轉換系統的工作原理與第1圖所示的返馳式電源轉換系統基本相同，相對於第1圖所示的返馳式電源轉換系統的主要區別在於：變壓器的輔助繞組基於輸出電壓Vout生成互感電壓Vaux；互感電壓取樣網路基於互感電壓Vaux生成如第4圖所示的互感電壓的感測電流Iaux或如第5圖所示的感測電壓VPRT；控制器中的感測單元基於互感電壓的如第4圖所示的感測電流Iaux或如第5圖所示的感測電壓VPRT調節可變電阻Rdivd1’的阻值，從而改變該電源轉換系統的系統增益。
具體地，在第3圖所示的電源轉換系統中，變壓器T1的輔助繞組通過與變壓器T1的二次繞組互感耦合，生成與輸出電壓Vout成正比的互感電壓Vaux；互感電壓取樣網路基於互感電壓Vaux生成如第4圖所示的互感電壓的感測電流Iaux或如第5圖所示的感測電壓VPRT；控制器內部的感測單元通過對如第4圖所示的互感電壓的感測電流Iaux或如第5圖所示的感測電壓VPRT進行取樣生成如第4圖所示的取樣電流Isample或如第5圖所示的取樣電壓Vsample，將如第4圖所示的取樣電流Isample與預設的多個電流閾值Ith1~Ithn(n是大於0的整數)進行比較或將如第5圖所示的取樣電壓Vsample與預設的多個電壓閾值Vth1~Vthn進行比較，並且基於比較結果來調節可變電阻Rdivd1’的阻值，從而使該電源轉換系統在不同輸出電壓下具有不同的系統增益K1~Kn。
第3圖所示的電源轉換系統的系統增益： ，這裡，由於電阻Rdivd1’的阻值隨著互感電 壓的感測電流如第4圖所示的Iaux或如第5圖所示的感測電壓VPRT的變化而變化，因此可以在不同輸出電壓下實現不同的系統增益K1~Kn。
第4圖示出了第3圖所示的互感電壓取樣網路和感測單 元的示例性電路圖。如第4圖所示，互感電壓取樣網路包括電阻R1、二極體D3、以及熱敏電阻M1，即互感電壓取樣網路可以被實現為由電阻R1、二極體D3、以及熱敏電阻M1組成的電阻取樣網路的形式，互感電壓的感測電流Iaux是通過對互感電壓Vaux進行電阻取樣得到的；感測單元包括電流取樣單元、資料選擇器、以及n個電流比較器。在這種情況下，電流取樣單元通過對互感電壓的感測電流Iaux進行取樣生成取樣電流Isample，n個電流比較器將取樣電流Isample與預設的多個電流閾值Ith1~Ithn進行比較，資料選擇器基於n個電流比較器的比較結果來調節可變電阻Rdivd1’的阻值。
在第4圖所示的互感電壓取樣網路的情況下，互感電壓的感測電流Iaux可以通過等式1計算得出：
其中，Naux是變壓器T1的輔助繞組的匝數，Ns是變壓器T1的二次繞組的匝數。
除了如第4圖所示的互感電壓取樣網路的實現方式以外，互感電壓取樣網路也可以被實現為第5圖所示的形式。第5圖示出了第3圖所示的互感電壓取樣網路和感測單元的另一示例性電路圖。如第5圖所示，互感電壓取樣網路包括電阻R1和電阻R2，即互感電壓取樣網路可以被實現為由電阻R1和電阻R2組成的電阻分壓網路的形式，互感電壓的感測電壓VPRT是通過對互感電壓Vaux進行分壓得到的；感測單元包括電壓取樣單元、資料選擇器、以及n個電壓比較器。在這種情況下，電壓取樣單元通過對互感電壓的感測電壓VPRT進行取樣生成取樣電壓Vsample，n個電壓比較器將取樣電壓Vsample與預設的多個電壓閾值Vth1~Vthn進行比較，資料選擇器基於n個電壓比較器的比較結果來調節可變電阻Rdivd1’的阻值。
在第5圖所示的互感電壓取樣網路的情況下，互感電壓 的感測電壓VPRT可以通過等式2計算得出：
通過等式1和等式2可以看出，互感電壓的感測電流Iaux和感測電壓VPRT均與輸出電壓Vout成正比，所以都可以表徵輸出電壓Vout。
第6圖示出了第3圖所示的電源轉換系統的系統增益與互感電壓的感測電流經電流取樣後所得的取樣電流之間的關係。如第6圖所示，當感測單元感測到Isample<Ith1時，通過調節Rdivd1’的阻值使得△FB/△CS的增益為K1；當感測單元感測到Ith2>Isample>Ith1時，通過調節Rdivd1’的阻值使得△FB/△CS的增益為K2；當感測單元感測到Ith3>Isample>Ith2時，通過調節Rdivd1’的阻值使得△FB/△CS的增益為K3；當感測單元感測到Ith4>Isample>Ith3時，通過調節Rdivd1’的阻值使得系統增益為K4；依次類推，當感測單元感測到Isample>Ithn時，通過調節Rdivd1’的阻值使得△FB/△CS的增益為Kn。
第7圖示出了第3圖所示的電源轉換系統的系統增益與互感電壓的感測電壓經電阻分壓後得到的取樣電壓之間的關係。如第7圖所示，當感測單元感測到Vsample<Vth1時，通過調節Rdivd1’的阻值使得△FB/△CS的增益為K1；當感測單元感測到Vth2>Vsample>Vth1時，通過調節Rdivd1’的阻值使得△FB/△CS的增益為K2；當感測單元感測到Vth3>Vsample>Vth2時，通過調節Rdivd1’的阻值使得△FB/△CS的增益為K3；當感測單元感測到Vth4>Vsample>Vth3時，通過調節Rdivd1’的阻值使得系統增益為K4；依次類推，當感測單元感測到Vsample>Vthn時，通過調節Rdivd1’的阻值使得△FB/△CS的增益為Kn。
結合第3圖至第7圖描述的電源轉換系統，基於表徵輸出電壓Vout的互感電壓的感測電流Iaux或感測電壓VPRT調節系統增益，使得系統效率在不同等級的輸出電壓時均能達到最佳，系統頻率一致性很 好，並且整個系統無論在高壓高功率還是低壓低功率應用時都能符合開關電源系統高能效的國際標準。相對於結合第1圖至第2圖描述的傳統的返馳式電源轉換系統，根據本發明實施例的電源轉換系統可以極大地提高系統效率，降低系統成本、增加系統適用範圍。
需要說明的是，根據本發明實施例的電源轉換系統不僅僅適用於目前主流的快充系統，也適用於非快充協定的、具有多級電壓輸出的開關電源系統。
本發明可以以其他的具體形式實現，而不脫離其精神和本質特徵。例如，特定實施例中所描述的演算法可以被修改，而系統體系結構並不脫離本發明的基本精神。因此，當前的實施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本發明的範圍由所附申請專利範圍而非上述描述定義，並且，落入申請專利範圍的含義和等同物的範圍內的全部改變從而都被包括在本發明的範圍之中。

Claims (10)

  1. 一種電源轉換系統，包括變壓器、電力MOS場效電晶體、以及控制器，其中，該控制器被配置為：基於所述變壓器的二次側的輸出電壓的互感電壓，調節第一電阻的阻值；利用所述第一電阻和第二電阻對所述輸出電壓的回饋電壓進行分壓，生成回饋分壓電壓；將所述回饋分壓電壓與表徵流過所述變壓器的一次側的輸入電流的電流感測電壓進行比較，生成關斷控制信號；以及基於所述關斷控制信號，控制所述電力MOS場效電晶體的關斷。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的電源轉換系統，其中，所述控制器還被配置為基於所述回饋電壓生成導通控制信號，並基於所述導通控制信號控制所述電力MOS場效電晶體的導通。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述的電源轉換系統，其中，所述控制器包括感測單元，該感測單元通過對所述互感電壓的感測電流進行取樣生成取樣電流，將所述取樣電流與一個或多個預設的電流閾值進行比較，並基於比較結果調節所述第一電阻的阻值，其中，所述互感電壓的感測電流是通過對所述互感電壓進行電阻取樣得到的。
  4. 根據申請專利範圍第3項所述的電源轉換系統，其中，所述感測單元包括：電流取樣單元，被配置為對所述互感電壓的感測電流進行取樣，生成所述取樣電流；多個電流比較器，分別被配置為將所述取樣電流與相應的電流閾值進行比較；以及資料選擇器，被配置為基於所述多個電流比較器的比較結果，調節所述第一電阻的阻值。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述的電源轉換系統，其中，所述控制器包括感測單元，該感測單元通過對所述互感電壓的感測電壓進行取樣生成取樣電壓，將所述取樣電壓與一個或多個預設的電壓閾值進行比較，並基於比較結果調節所述第一電阻的阻值，其中，所述互感電壓的感測電壓是通過對所述互感電壓進行分壓得到的。
  6. 根據申請專利範圍第5項所述的電壓轉換系統，其中，所述控制器包括：電壓取樣單元，被配置為對所述互感電壓的感測電壓進行取樣，生成所述取樣電壓；多個電壓比較器，分別被配置為將所述取樣電壓與相應的電壓閾值進行比較；以及資料選擇器，被配置為基於所述多個電壓比較器的比較結果，調節所述第一電阻的阻值。
  7. 一種電源轉換系統的控制方法，該電源轉換系統包括變壓器和電力MOS場效電晶體，該控制方法包括：基於所述變壓器的二次側的輸出電壓的互感電壓，調節第一電阻的阻值；利用所述第一電阻和第二電阻對所述輸出電壓的回饋電壓進行分壓，生成回饋分壓電壓；將所述回饋分壓電壓與表徵流過所述變壓器的一次側的輸入電流的電流感測電壓進行比較，生成關斷控制信號；以及基於所述關斷控制信號，控制所述電力MOS場效電晶體的關斷。
  8. 根據申請專利範圍第7項所述的控制方法，進一步包括：基於所述回饋電壓生成導通控制信號；以及基於所述導通控制信號控制所述電力MOS場效電晶體的導通。
  9. 根據申請專利範圍第7項所述的控制方法，其中，調節所述第一電阻的阻值的處理包括： 通過對所述互感電壓的感測電流進行取樣生成取樣電流，其中，所述互感電壓的感測電流是通過對所述互感電壓進行電阻取樣得到的；將所述取樣電流與一個或多個預設的電流閾值進行比較；以及基於比較結果調節所述第一電阻的阻值。
  10. 根據申請專利範圍第7項所述的控制方法，其中，調節所述第一電阻的阻值的處理包括：通過對所述互感電壓的感測電壓進行取樣生成取樣電壓，其中，所述互感電壓的感測電壓是通過對所述互感電壓進行分壓得到的；將所述取樣電壓與一個或多個預設的電壓閾值進行比較；以及基於比較結果調節所述第一電阻的阻值。
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