TW583820B - PWM controller having off-time modulation for power converter - Google Patents

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Description

°8〇75t
修正I 修正日期92.12.19 &、發明說明： 本發明是有關於一種切換模式電源轉換器，且特別是 有關於一種脈衝寬度調節（Pulse Width Modulation ;簡稱 PWM)之切換模式電源轉換器。
PWM是一種應用於切換模式電源轉換器以控制電源 輸出而達成規格之傳統技術。大多數的設備，例如行動電 話、TV遊戲及電腦等，皆是利用PWM電源轉換器以提供 電源及電池充電之用，而基於環境污染的限制，電腦及其 他設備製造商皆致力於符合電源管理及能源保存需求。電 源管理的實施皆只管理系統在其操作期間的電源耗損問 題，但在非操作模式下亦有少量電源損耗，卻很少有相關 處理。關於電源管理應用中的電源供應問題’節省電源於 無負載（no load)狀態及輕負載（light load)狀態下是一 項主要訴求，依據本發明之目的所提供之具有關閉週期調 節功能之PWM控制器，即係爲在輕負載及非負載的狀態 下減低電源的損耗。 請參考第1圖，其繪示的是返馳電源轉換器（flyback power converter)之一電路圖，其中內含一控制電源輸出 以達成規格化之PWM控制器1〇〇,而電晶體510係切換變 壓器400之用。當電晶體510關閉時’變壓器400的漏電 感（Leakage inductance)會使流經的電流在某一短暫時間 中不斷地流動，其中一部份電流係繼續流進關閉之電晶體 修正日期92.12.19 〇8〇75thfi ν4〇9/°^；.-ί !，二” ）“ _v_ -j· ί ϊ ^——---------- 510，而另一部份電流會經由二極體520流進電容器560， 其中，電阻器62〇會損耗充電電容器560之能源，而由二 極體520、電阻器620及電容器560組成之緩衝電路會減 低漏電感的影響及避免電晶體510的損壞。經由電晶體510 的開啓及輸出整流器530的關閉，會呈現指數衰退振盪或 有’振鈴振盪（ring) ’出現，其中，’ring’的頻率是由關閉的 整流器530內部之電容及變壓器400的次級電感所決定， 而’ring’的振幅及持續時間是由輸出電流及整流器530的反 向恢復時間（reverse recovery time)所決定。但由於’ring* 會引起RFI問題且易被橫跨輸出整流器530的緩衝電阻器 630及緩衝電容器570所消除，是以以下即會針對在輕負 載狀態下有關電源轉換損失的議題作說明： (1 ) 電晶體510的切換損失PQ可表示爲 (WT)[fvQxIpdt，其中T是切換週期，而tG1是電壓 VQ與電流Ip的重疊期間，另外，Ip是變壓器400 的初級電流，而VQ是橫跨電晶體510的電壓。 (2) 輸出整流器530的切換損失PD可表示爲 (WT)[fVdxIddt，其中L是整流器530的反向恢復 時間，而Vd是在整流器530關閉時橫垮於整流器 530上之電壓，另外，Id是受限於變壓器400的次 級電感。 (3) 變壓器400的鐵損Ρτ，是直接與磁通（flux)密度 Bm、鐵芯體積Vv及切換週期T成比例關係，其中 583820 0 8 0 5年w f5 · d@ 92. 12. Γ 修正! 糧 修正日期92.12.19 PT=KQxBmxVWT，其中Κ。是由鐵芯材料所決定的 常數。 (4) 緩衝電路的功率損失 pR可表示成 pR=(l/2)xCxVd2/T，其中，C是緩衝電路的電容， 例如電容器560。 (5) 電壓漏電感的電源損失 可表示成
Pl=(1/2)xUxIP2/T，其中Lt是變壓器400的初級漏 電感，而電阻器620耗損的功率即是由Lt所造成。 由上可以發現所有的損失都與切換週期T有比例關 係，是以當切換週期T增加時可以減低電源的損失。然而， 由於電源轉換會因操作於較短的切換週期的限制而使電源 轉換器的體積縮小，是以爲預防變壓器的飽和，必須控制 電壓-時間比率（ViiixTon)以限制變壓器的磁通密度Bm。 其限制條件是：
Bm=(VinxTon)/(Npx Ae)---------------(1) 其中Viri是電源轉換器的輸入電壓，Tern是工作切換 週期，Np是變壓器的初級圏數，Ae是變壓器的截面積， 另外，（NpxAe)値是表示變壓器的體積大小，而較短的 切換週期可以得到短暫Ton及較小的變壓器。 以返馳電源轉換器爲例：輸出電壓P〇是等於[l/(2xT)] X Lpx Ip2，其中，Lp是變壓器400的初級電感，而由於 7 〇8075ti 平乃 ㈡ f 1 . do c/0 0：^/ 修正曰期
Ip=(Vin/Lp)xTon，是以輸出電壓p〇在數量上可以表示爲 Po=(Vin2xTon2)/(2xLpxT)------------------(2) 由等式(2)來看，在輕負載條件下Ton是極短暫的’ $ 致明顯可允許切換週期T的延長，是以在電源轉換器的電 源線性地損耗減少下，會相對應的使在輕負載及無負載丨同 況下的切換週期增加。不過，在無任何限制條件下延長切 換週期是極不安全的作法，依據變壓器顯示於等式（1)的行 爲，變壓器可能會因Ton的延長而呈現飽和，是以動態負 載會產生一個立即延長Ton，此動態負載係指負載會在輕 負載及高負載之間瞬間轉換。而磁性元件的飽和，如電感 及變壓器，會引起電流的浪湧（Surge)，此電流浪湧會在 電源轉換器中產生雜訊（spike-n〇ise)且亦會對如電晶體 及整流器的切換裝置造成過負荷（over_stress)危險。 請合倂參考第2及第3圖，其中第2圖繪示的是pWM-控制器的電路圖，而第3圖繪示的是圖2中電路的波形圖。 虽開關25藉由充電ρΛ ?虎IVp開啓時，充電電流會對電 容器CT充電且一旦橫跨電容器CT之電壓達到比較器1〇的 尚壓點νΗ時，比較益10及非及陶（NAND gate ) 17、J 8 會產生放電訊號Vp，此放電訊號vp會打開開關26，當開 關26打開後會通過放電電流ID以對電容器G進行放電， 其中’充電電流Ic與放電電流線性相關的。另外，放 電:的現象是連續的’直至電谷器cT的電壓低於低壓點電壓 値，其中電容器CT的電壓與低跳點電壓値火之間的比 583820 0 8 0 7
修正日期92.12.19 較是由比較器11進行。上述之充電電流IC、放電電流ID、 電容器CT、比較器10與11、開關25與26，以及非及閘 17與18會形成一個鋸齒訊號產生器（saw-tooth-signal generator )，以產生一個脈波訊號輸入至正反器（flip-flop ) 20。一旦比較器12的接腳Vs的電壓高於訊號35時，比較 器12即會重置（reset)正反器20，其中訊號35是由回授 訊號VFB而來，但會由電阻器RA及RB衰減其訊號強度。 圖1中之電阻器610會轉換變壓器400的電流訊息爲電壓 訊號37，此電壓訊號是一個鋸齒訊號（ramp signal)，而 輸入電壓Vin及變壓器4〇〇的電感係數會決定鋸齒訊號的 斜率，VR61〇=R61()x(vinxTon)/LP，其中電阻器610的電壓 即是圖2之電壓訊號37,用以驅動PWM控制器的接腳Vs， 而回授訊號VFB是由光學稱合元件200的輸出端輸出’再 經由位移二極體（level shift diode) 21而導引出來，差動 放大器300是驅動光學耦合元件200的輸入端，其中差動 放大器300的輸入端是連接電源轉換器Vo的輸出端以形 成電壓回授迴路’經由電壓回授迴路的控制’ vfb的電壓會 決定輸出電源。電容器ct的放電時間會決定PWM訊號39 的關閉時間，而此pWM訊號39決定PWM控制器100的 最大負荷循環週期（duty cycle)，而在放電訊號Vp於高 準位狀態時，會關閉PWM訊號39。 依據上述觀察，T的延長可藉由Toff的延長來達成’ 其中Toff是切換週期T的關閉週期，而T=Ton+Toff。當 Toff的延長是爲回應在輕負載及非負載情況下的低回授電 9 583820 年月 0 8 0 7ptwfl,. doc/^B 6^; 修正日期92 . 12 . 19 壓vFB時，則可減少電源的損耗情形。 發明槪沭 有鑒於此，本發明提出一種關閉週期調節功能之PWM 控制器’以延長在輕負載及非負載情況下的切換週期。其 中’會節制PWM控制器中的鋸齒訊號產生器的放電電流 以達成關閉週期的調節功能，藉由減少放電電流而延長切 換週期’可使切換週期的關閉週期得以延長，另外，鋸齒 訊號產生器的充電電流會保持固定常數且會決定切換週期 的最大工作週期。由電壓回授迴路引導出之回授電壓是當 作一個指標，而放電電流即是一此指標調節成回授電壓的 函數’臨界電壓是一定義輕負載下位準（level)之固定常 數，回授電壓與臨界電壓之差異在於回授電壓會轉換成電 流，此電流稍後會被電流鏡放大器所放大且會轉換成放電 電流。一限制器會箝住最大放電電流以啓動在正常負載 (normal load)及全載（full load)下的切換週期，另外此 限制器亦會決定PWM訊號的關閉時間。一旦回授電壓遞 減至接近臨界電壓的位準時，放電電流會減少且切換週期 會持續遞增，當回饋授壓低於臨界電壓時，最小的放電電 流會決定最大的切換週期。電流鏡放大器的增益會決定放 電電流遞減中的斜率，而此放電電流的遞減是因應回授電 壓的遞減而來，另外，充電電流與放電電流可以決定PWM 訊號的切換週期，最小放電電流會決定最大關閉以及最大 工作週期，藉由關閉週期的遞增而保持最大操作期間爲固 定不變以及切換週期的遞增，可以預防如電感（inductor) 10 583820 修正
0 8 0|7 W Λ . d 〇 C：A0 Q^6 M, 12. 19 .’:J 修正日期92。12. 19 及變壓器等磁性元件的飽和。 進一步來說，在PWM控制器中的關閉週期調節功能 可以減少電源轉換器在輕負載及無負載情況下的電源損 耗，且在正常負載及全載情況下的電源轉換操作亦不會受 到關閉週期的調節而有所影響。 爲讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細 說明如下= 圖式之簡單說明 第1圖繪示的是具有PWM控制器的返馳電源轉換器 之一電路圖； 第2圖繪布的是P WM控制器的電路圖； 第3圖繪示的是關於圖2之PWM控制器之一波形圖； 第4圖繪示的是依據本發明一較佳實施例之一種關閉 週期調節之一方塊圖； 第5圖繪示的是依據圖2在其所包含之關閉週期調節 之一波形圖；以及 第6圖繪示的是依據圖4之一關閉週期調節之一實例 電路圖。 標號說明 51，59 :加法器 VA :臨界電壓 53 : V/I轉換器 55 :電流鏡放大器 10，11，12，：比較器 14 :電源 16 :反向器 17，18 :非及閘 583820 修正日期92.12.19 57 :限制器 IA，:固定電流 61，63，65，67，69 :電晶體 15，81，83 :運算放大器 0 8 Q；7 slwfi . d〇c,AD 0.6 ' l &::.辽…伯巧 19 :及閘 20 :正反器 21 :位準移動二極體 25，26 :開關 37 :電壓訊號 39 : PWM訊號 Ic :充電電流 ID :放電電流 IVp :充電訊號 Vp :放電訊號 RA、RB、RN、Rs :電阻器 VFB :回饋訊號 VH :高壓點 V^:低壓點 100 : PWM控制器 200 :光學耦合元件 300 :差動放大器 400 :變壓器 510 :電晶體 520 :二極體 530 :輸出整流器 550，560，570，CT :電容器 610，620，630 :電阻器 較佳實施例 12 583820 08 1. fpl {) 7Tt w f41.邱〇柄 92. 12. 19 "Τϊίΐ 修正日期92.12.19 請參照第4圖，其繪示的是依照本發明一較佳實施例 的一種關閉週期調節功能之一電路方塊圖。 由電壓回授迴路引導出之回授電壓vFB會經由加法器 51減去臨界電壓VA，臨界電壓VA是一個定義輕負載（light load)位準之固定常數，v/I轉換器53會將加法器51的輸 出電壓轉換成V/I電流，電流鏡放大器55會將V/I電流放 大成一個放大電流，而限制器5 7會產生一個受限電流 (limited current) Ilimit，其中放大電流的振幅會箝制在零 與上限電流（utmost current ) Iut之間的範圍中’加法器59 會將受限電流Ilimit與一固定電流IA相加，其中，固定電 流IA決定最小放電電流且會決定最大關閉週期。電晶體61 及電晶體63會形成一個反射電流鏡（echo current mirror)，經由此反射電流鏡，加法器59的輸出會轉變成 放電電流ID，電流鏡放大器55的增益G決定放電電流ID 遞減中的斜率，而此放電電流Id的遞減是因應回授電壓 VFB的遞減而來。一旦回授電壓VFB遞減至接近臨界電壓 乂&的位準時，放電電流ID會減少且切換週期會持續遞增， 當回授電壓VFB低於臨界電壓VA時，會由上限電流Iut決 定最大的放電電流Id，此放電電流1d即是決定在正常負載 及全載下的切換週期T，其中，最小的放電電流可決定最 大關閉週期及最大切換週期。充電電流1c是一個固定常 數，用來決定切換週期的最大工作週期，當保持最大工作 週期爲固定常數且遞增關閉週期而延長切換週期時’可預 防磁性元件的飽和。圖5繪示的是依據圖2在其所包含之 13 583820 修正日期92.12.19 0 8 〇 7 5 t w f id 〇-c / 0 6 6 1 U- λ ,： 一： 〜一〜一 一一” —— 關閉週期調節下之一波形圖，其中，受限電流IHmit可以 表不成：
Ilimit=[(VFB-VA)/Rs]xG ； 0 ^ Ilimit ^ Iut 如果 IlimitSO，貝[J llimit=0 ;以及 如果 Ilimit ^ Iut，貝[J Ilimit= Iut ; 另外IC=K1 ; ID=( Ilimit+ IA)xGm ； 以及 IASID‘（Iut+IA) 其中，Rs(V/I轉換器53的轉換函數）是一個電阻器， Gm是反射電流鏡的增益，Gm=l ;且K1是一個常數。 請參考第6圖，其繪示的是依據圖4之一關閉週期調 節下之一實例電路圖。其中，運算放大器（〇P amp) 81、 電晶體65及電阻器Rs會形成一個V/I轉換器，用以輸出 V/I電流，而經由運算放大器83，臨界電壓VA會連接至電 阻器Rs，其中，V/I電流可以表示成（VFB-VA)/Rs。電晶體 67與電晶體69會發展出電流鏡放大器且會輸出放大電 流，其中，電晶體67、69的閘極（gate)會與電晶體67 的汲極（drain)連結在一起，且電晶體67與69的幾何大 小可決定電流鏡放大器的增益GaV/I電流是連結至電晶體 14 583820
〇8 C 7海w與. 92. 12. 19 Μ tUr 修正日期92.12.19 67的汲極，電晶體67與69的源極（source)是連結在一 起，稍後會由固定電流IB所驅動，而由於固定電流IB會限 制電流鏡放大器的總電流，是以上限電流Iut會等於固定 電流IB減掉V/I電流，經由電晶體69的汲極，電流鏡放大 器會輸出界於零與上限電流Iut之間之受限電流 Ilimit=[(VFB-VA)/Rs]xG。電晶體61與63會形成反射電流 鏡，其中之電晶體61、63的閘極會與電晶體61的汲極連 結在一起，而電晶體61與63的源極則會是接地的一端。 放大電流會加入固定電流IA，而此固定電流IA是連接於電 晶體61的汲極，也就是反射電流鏡的輸入端，而電晶體63 的汲極會輸出放電電流ID。因爲電晶體61與63的幾何大 小相同，是以反射電流鏡的增益Gm會等於1，因此
Id=[(Vfb-Va)/Rs]xG + Ia ; 以及 IAS IDS (Iut+ IA) 充電電流Ic是一個決定切換週期之最大操作期間的固 定常數，是以在最大操作期間維持固定下，即由關閉週期 的遞增而延長切換週期。 如上所述，PWM控制器在具有本發明之關閉週期調節 (off-time modulation)功能下，可以減少電源轉換器在輕 負載及非負載情況下的能源消耗，更甚者，關閉週期調節 功能不會引發磁性飽和。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 15
OdO-T^t.wf 1 . d^c/ΟΟβ 修正臼期92.12.19 限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神 和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，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爲準。 16

Claims (1)

  1. 583820 08075twfl.doc/006 ,,” " 修正曰期 92.12.19 拾、申請專利範圍： 1.一種PWM控制器，具有一關閉週期調節功能，係在 一輕負載及一無負載情況下遞增一切換週期，包括： 一關閉週期調節器，係針對一鋸齒訊號產生器以提供 一放電電流，用以因應該放電電流之遞減而遞增一 PWM 訊號之該切換週期，其中該鋸齒訊號產生器之一充電電流 係保持一固定常數，該放電電流係一回授電壓及一臨界電 壓之一函數，該回授電壓是由一電源轉換器之一電壓回授 迴路所引導出，而該臨界電壓是決定該輕負載情況下之位 準之一固定常數。 2·如申請專利範圍第1項所述之PWM控制器，其中 該回授電壓與該臨界電壓會決定該放電電流之該函數，其 中該放電電流之範圍是受限於一固定電流與一上限電流之 間，該固定電流是決定一最大切換週期，而該上限電流是 決定一最小切換週期，其中最小切換週期係指在一正常負 載及一飽和負載情況中之切換週期。 3·如申請專利範圍第1項所述之PWM控制器，其中 該關閉週期調節器包括： 一第一加法器，其中該第一加法器之一輸出電壓係等 於該回授電壓減去該臨界電壓； 一 V/I轉換器，用以轉換該輸出電壓爲一 v/I電流； 一電流鏡放大器，用以放大該V/I電流以及產生一放 大電流，其中該電流鏡放大器之一增益是決定該放電電流 之一遞減斜率，而該放電電流係反該回授電壓的遞減而遞 17 583820 修正日期92.12.19 08075twfl.d〇c/〇〇6 減； 一限制器，用以箝制該放大電流爲一受限電流，其中 該受限電流之振幅範闡係在零與上限電流之間； 一第二加法器，係將該受限電流加與一固定電流； 弟一反射電晶體與一第二反射電晶體會發展出一反 射電流鏡電電流是經由該反射電流鏡從該第二加法器之輸 出端複製出來。 4·如申請專利範圍第丨項所述之PWM控制器，其中該 關閉週期調節器具有一示範電路，包括： 一輸入運算放大器、一緩衝運算放大器、一電阻器及 一 V/I電晶體發展出之一 V/I轉換器，其中一回授電壓係 連接於該輸入運算放大器之輸入端，一臨界電壓是連接於 該緩衝運算放大器之輸入端，而該輸入運算放大器之輸出 會驅動該V/I電晶體，其中該V/I轉換器會經由該電阻器 及該V/I電晶體轉換該回授電壓減去該臨界電壓之電壓爲 一 V/I電流； 一第一增益電晶體與一第二增益電晶體會發展出一電 流鏡放大器及產生一放大電流，其中該第一增益電晶體與 該第二取增益電晶體之幾何大小會決定該電流鏡放大器之 增益，其中該第一增益電晶體之閘極、該第二增益電晶體 之閘極與該第一增益電晶體之汲極係連結在一起，該V/I 電流會驅動該第一增益電晶體之汲極，而該第一增益電晶 體之源極與該第二增益電晶體之源極是連結在一起； 一限制電流源與該電流鏡放大器的操作等同該一限制 18 583820 08075twf1.doc/006 年 m 補充 修正日期92.12.19 器，用以將該電流鏡放大器之之一最大輸出電流箝制爲一 受限電流，其中該限制電流源是附加於該第二增益電晶體 之閘極，而該受限電流是經由該第二增益電晶體之汲極輸 出； 一固定電流源，是用以產生一固定電流以及決定一最 小放電電流，其中一上限電流是該固定電流與該受限電流 之最大電流的總合，其中該上限電流是決定一最大放電電 流；以及 一第一反射電晶體與與一第二反射電晶體會發展出 一反射電流鏡及產生該放電電流，其中該放電電流是經由 該反射電流鏡從該反射電流鏡之一輸入電流複製而來，其 中該反射電流鏡之該輸入電流係該固定電流及該受限電 流的總合。
    19
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