TWI342656B - Switching controller for parallel power converters - Google Patents

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Description

Cl 50 23738twf.doc/n 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 j明是有關於—種功率轉換器，轉別是有關於一 種切換式功率轉換器的控制電路。 【先前技術】 尚電流需求通常會降低功率轉換器中的功率效率。功 率轉換ϋ的功補耗與其電流·數魏例可以下列方程 式（1)來表示：
Ploss = I x R ..............................(1) 其中I是功率轉換器的切換電流，且R是切換裝置的 阻抗，例如電感器和電晶體…等的電阻值。 因此，在最新的發展中，已開發出利用並聯技術來降 低面電流功率轉換器的功率消耗。例如Walters等人的第 6,278,263 號美國專利 Multi-phase converter with balanced currents” ； Yang等人的第6,404，Π5號美國專利
Multi-phase and multi-module power supplies with balanced current between phases and modules” 。然而，這 些現有技術的問題是平衡電流的電流測量導致的額外功率 損耗。現有技術的另一缺點是並聯功率通道不具彈性。 【發明内容】 本發明的目的是克服上述問題，開發出一種適用於並 聯式功率轉換器的切換控制器。並聯通道的數目理論上不 受限制。切換的同步化和相移(phase shift)經設計得以分散 切換雜訊(noise)並減少漣波(ripple)。使用功率分享替代平衡 C150 23738twf.doc/n 電流時，無需量測電流，簡化了控制電路並增進了功率轉 換器的效率。 本發明k供一種具有功率分享功能（p0wer sharing capability)的切換控制益（switching controller)，可運用 於並聯式功率轉換器（parallel powerconverter)。切換訊 號的脈波寬度將隨著輸入訊號的脈波寬度變化而變化。此 輸入訊號是前一功率轉換器的切換訊號。在輸入訊號的致 能與切換訊號的致能之間具有一可調整的延遲時間 (programmable delay time) ’ 用於同步化(Synchronizati〇n)和 相移(phase shift)之操作。 切換控制器包含：輸入電路以接收輸入訊號而產生相 移訊號(phase-shift signal)。電阻器決定輸入訊號的致能與 相移訊號的致能之間的延遲時間。積分電路(integrati〇n circuit)耦合到輸入電路以根據輸入訊號的脈波寬度⑦ width)產生積分訊號（mtegrati〇n 3丨沒^1)。控制電路用來 產土切換訊號而切換功率轉換器。積分訊號的準位(levei) 決疋=換減的脈波寬度。積分訊號的準位錢入訊號的 脈波寬度成比例。切換訊號的脈波寬度與積分訊號的準位 成比例。因此，切換訊號的脈波寬度與輸人訊號的脈波寬 度相關’彳<而實現功率分享。_旦積分訊號低於臨界值 (threshold)便禁能切換訊號，以便在低負載(^幽⑹幻時節 省功率。料，切換訊號的最大導通時間（靈池· 〇n tmie)受到限制’以便保護功率轉換器。 為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯
Cl 50 23738twf.doc/i 10和50的切換訊號之間的延遲時間。 切換控制器10當成主控制器（masterco咖㈣操 E 50 H(slave controller)!^ 的輸出連接到輸出端V〇。多個從屬控制器可 ，鍵，(Dalsy eha_式連接在—起，以便驗同步化和 。從屬控㈣的導通相和切換職將遵循主控 制益的導通時間和切換週期。 知功率轉換器的輸出功率Ρ〇可由下列方程式(3)〜(5)得 P〇 = V〇 X 1〇 ..................................-.......(3) Ρ〇 = Vo X (Ι10 + + ι5〇) ....................-……-—(4)
τ VlN Ι50 = -χ Τον-5〇 L55 .......................................(5) 其中L55是電感器55的電感值；Τ〇Ν 5〇是切換控制器 50的導通時間。 。。從屬控制器的導通時間和切換週期設計成等於主控制 益的導通時間Ton和切換週期Τ。如果這些電感器的電感 值相等，那麼功率轉換器的輸出電流將相同。 圖2繪示本發明切換控制器5〇的較佳實施例，其包含 功率分享電路100 ’功率分享電路100連接到輸入端SYN 以便接收輸入訊號sYN。輸入訊號Syn是前一切換控制器 (例如圖1中切換控制器1〇)的輸出訊號。功率分享電路 1〇〇還耦合到延遲端DLY以接收延遲電流Idly。電阻器59 決定延遲電流IDLY。功率分享電路1〇〇用於對應於輸入訊 C150 23738twf.doc/n 號SYN而產生相移訊號ON和積分訊號Vt。當輸入訊號SYN 致能時，在延遲時間TDly之後相移訊號產生。延遲電 流Idly決定延遲時間TDLY。根據輸入訊號SYN的脈波寬度 產生積分訊號VT。 積分訊號VT更耦合到比較器82。比較器82包含臨界 值VL。比較器82的輸出經連接而用以致能觸發器80。相 移訊號ON經耦合以設定觸發器80。觸發器80和及閘85 形成控制電路以在及閘85的輸出處產生切換訊號PWM。 一旦積分訊號VT低於臨界值VL，切換訊號PWM便將對 應於相移訊號ON的時脈(clocking)而禁能。及閘85的輸 入連接到觸發器80的輸出和相移訊號ON。重置訊號OFF 將使觸發器80重置。重置電路300根據積分訊號VT而產 生重置訊號OFF。此外’重置電路300連接到電流感測端 CS2，以便產生切換訊號PWM。切換訊號PWM經由驅動 電路90耦合到切換控制器50的輸出端SW2。 圖3繪示本發明功率分享電路1〇〇之較佳實施例。功 率分享電路100包含輸入電路110和積分電路16〇。輸入 電路110耦合到輸入端SYN和延遲端DLY以接收輸入訊 號SYN和延遲電流IDLY而產生相移訊號〇N和輸入整形 (i叩ut-shaping)訊號&。輸入整形訊號（i叩m shaping signal)Sl連接到積分電路160。積分電路16〇響應於輸入 整形訊號Si和切換訊號PWM而產生積分訊號Vt。 圖4是本發明輸入電路11〇的較佳實施例。緩衝閘13〇 連接到輸入端SYN，以接收輸入訊號Syn。缓衝閘13〇回 C150 23738twf.doc/n 與電晶體153並聯連接。電流源150經耦合以對電容器155 進行充電。反相器157連接到電容器155。反相器157的 輸出連接到及閘159。及閘159的另一輸入連接到反相器 151的輸出。及閘159的輸出連接到脈波產生器的輸出。 因此，脈波產生器對應於脈波產生器的輸入的下降緣 (falling edge)而產生脈波。電流源150的電流1150和電容器 155的電容值Ci55決定脈波的脈波寬度。 圖6繪示本發明積分電路160的較佳實施例。電流源 180經連接以經由開關190對電容器185進行充電。開關 190受到輸入整形訊號S!的控制。電容器186經由開關191 耦合到電容器185。開關191受到第一取樣訊號SP1的控 制。電容器187經由開關192耦合到電容器186以產生積 分訊號VT。開關192受到第二取樣訊號SP2的控制。第二 取樣訊號SP2由切換訊號PWM經由脈波產生器165產 生。脈波產生器170用於對應於輸入整形訊號S!而產生第 一取樣訊號SP1。電晶體181經連接以回應於第一取樣訊 號SP1的結束而對電容器185進行放電。第一取樣訊號SP1 經由脈波產生器175來控制電晶體ι81。因此，根據方程 式(8)可得知輸入訊號SYN的脈波寬度Τ〇Ν1、電流源180的 電流Iiso和電容器185的電容值Ci85決定積分訊號γΤ的準 位0
VT
Il80 Cl85 x Toni ⑻ 圖7繚示本發明重置電路300的較佳實施例。重置電
Cl 50 23738twf.doc/n 路300包含第二積分電路310，比較器330、340和350， 以及反或閘370 〇第二積分電路310含有電流源320、電容 器325、電晶體316以及反相器315。切換訊號PWM連接 到反相器315。反相器315的輸出經電晶體316耦合到電 容器325以經由電晶體316對電容器325進行放電《電流 源320耦合到電容器325，一旦切換訊號PWM致能便對 電容器325進行充電。第二積分訊號SAW根據切換訊號 PWM的致能而產生。第二積分訊號SAW連接到比較器 330，以便與積分訊號ντ進行比較。比較器330的輸出轉 合至反或閘370，以經由反或閘370產生重置訊號OFF。 因此’一旦第二積分訊號SAW高於積分訊號VT，切換訊 號PWM便將禁能。切換訊號PWM的脈波寬度TON2可由 以下方程式(9)得知：：
Cl 50 23738twf.doc/n T〇 Ν2 _ 〇325 1320 X Vt (9) 其中C325是電容器325的電容；且1320是電流源32〇 的電流。 參考方程式(8) ’方程式(9)可寫為方程式(1〇): C325 Il80 l0N2 =— x ~— X Toni (10) 1320 Cl85 選擇與電容值c]85相關的電容值C325，並設置與電流 1^0相關的電流132〇。切換訊號PWM的脈波寬度τ0Ν2將與 輸入訊號SYN的脈波寬度τ0Ν1相同。因此，產生積分訊號 ντ ’其與輸入訊號sYN的脈波寬度τ0Ν1成比例。產生切換 1342656
Cl 50 23738twf.doc/n 訊號PWM的脈波寬度Τ·，其與積分訊號VT成比例。 反或閘370的第二輸入連接到比較器340的輸出。作 用點訊號（trip-point signal) VH連接到比較器340的負輸 入。比較器340的正輸入耦合到第二積分訊號SAW。將產 生重置訊號OFF，以便一旦第二積分訊號SAW高於作用 點訊號Vh，便禁能切換訊號P WM。因此，切換訊號p 的最大導通時間受到限制。反或閘370的第三輸入連接到 比較器350的輸出。限制訊號Vlimit連接到比較器35〇的 負輸入。比較器350的正輸入經耦合以從電流感測端cs2 接收電流感測訊號。重置訊號OFF將產生，以便一旦電流 感測端CS2的電流感測訊號高於限制訊號vUMIT，將產生 重置訊號OFF以禁能切換訊號PWM。限制訊號vLiMrr提 供限制值以限定電晶體52的切換電流。因此，一旦電晶體 52的切換電流高於限制值，便禁能切換訊號pWM。 圖8繪示輸入訊號sYN和切換訊號pwM的波形。輸 入訊號SYN在延遲時間tdly之後產生切換訊號pwM。根 據輸入訊號SYN的脈波寬度τΟΝ1產生積分訊號γτ。一旦 產生切換訊號PWM，便將對應地產生第二積分訊號 SAW。一旦第二積分訊號SAW高於積分訊號Vt，切換訊 號PWM便將禁能。因此，產生切換訊號pwM的脈波寬 度Ton2 ’其與輸入訊號SYN的脈波寬度τ〇Ν]相同。因此， 並聯式功率轉換器實現了功率分享。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不 13 C150 23738twf.doc/i 之精神和範_，當可作些許之更動與潤飾， =本發明之髓_當視後附之申請翻_所界定者 為準。 【圖式簡單說明】 圖1繪:本發明並聯式功率轉換器的較佳實施例。 圖2繪示本發明的切換控制器的較佳實施例。 圖3繪示本發明切換控制器的功率分享電路的較佳實 圖4繪示本發明輸入電路的較佳實施例。 圖5繪示本發明脈波產生器的電路示意圖。 圖6繪示本發明積分電路的較佳實施例。 圖7繪示本發明重置電路的較佳實施例。 圖8繪不本發明切換控制器的關鍵波形（key waveform) ° 【主要元件符號說明】 10、 50 :切換控制器 11、 51、59、25、26 :電阻器 12、 52、117、120、121、122、153、181、316 :電 晶體 15、 55 :電感器 16、 56 :整流器 17、 125、155、180、185、186、187、325 :電容器 80 :觸發器 °° 82 :比較器 1342656
Cl 50 23738twf.doc/n 85、159 :及閘 90 :驅動電路 100 :功率分享電路 110 :輸入電路 115 :運算放大器 130、131 :緩衝閘 132、133 ··反及閘 134、 15卜 152、157、315 :反相器 135、 165、170、175 :脈波產生器 150、320 :電流源 160 :積分電路 190、19 卜 192 :開關 300 :重置電路 310 :第二積分電路 330、340、350 :比較器 370 :反或閘 • SW卜V〇 :輸出端 、SYN ·輸入端 110 :切換電流 CS1、CS2 :電流感測端 FB :回授端 DLY :延遲端 V τ .積分訊號 :臨界值 15 1342656 C150 23738twf.doc/n ON :相移訊號 OFF :重置訊號 PWM :切換訊號 S!:輸入整形訊號 Syn :輸入訊號 Vr_ef .參考電壓 SP1 :第一取樣訊號 SP2 :第二取樣訊號 VH :作用點訊號 VuMIT ·限制訊號 SAW :第二積分訊號 Τ〇Ν1 ' T〇N2 :脈波寬度 Tdly ·延遲時間
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Claims (1)

1342656 十、申請專利範圍： 1/ —100-1-19 1. 一種用於並聯式功率轉換器的切換控制器，其包括： 輸入電路，其耦合到該切換控制器的輪入端，以用於 接收輸入訊號而產生相移訊號； 積分電路，其耦合到該輸入電路，以用於對應於該輸 入訊號的脈波寬度而產生積分訊號； 比較器，耦接該積分電路，用以比較該積分訊號與預 先設定的一臨界值；以及 控制電路，其耦接到該輸入電路及該比較器的輸出， 該控制電路、該輸人電路、該積分電路與舰較器形成該 並聯式功率轉換器中的一第一功率轉換器，該控制電路依 據「亥相矛夕1 2凡號以及該比較器的輸出來產生切換訊號以切換 該並聯式功率轉換器中的一第二功率轉換器，其中在該輸 入訊號的致能與該相移訊號致能之間具有延遲時間，該切 ，訊號對應於該相移訊號的致能而致能，且該積分訊號決 定該切換訊號的脈波寬度。 2. 如申請專利範圍第1項所述之切換控制器，其更包 括電阻器，該電阻器耦合到該第二功率轉換器，以對該延 遲時間進行調整。 上3.如申請專利範圍第丨項所述之切換控制器，其中一 積分訊號低於預先設定的該臨界值，該切換訊號便禁 17 1 .如申請專利範圍第1項所述之切換控制器，其中一 2 旦该第二功率轉換器的功率電晶體的切換電流高於預先設 1342656 100-1-19 {^1 ^ π^,,τ % ㈣ 定的一限制值，該切換訊號便禁能 5.—種用於功率轉換器的切換控制器，其包括· 輸入電路，其麵合到該切換控制器的輸入端 接收輸入訊號； 用於 控制電路’其搞接到該輸入電路的輸出，以產 訊號而切醜功轉換器’其t該切換訊號的脈波寬、 該輸入訊號的脈波寬度相關； 積分電路，以根據該輸入訊號的脈波寬度而產生積八 訊號，其中一旦該積分訊號低於預先設定的一臨界值，、: 切換訊號便禁能；以及 一比較器，電性耦接該積分電路，用以比較該積分 號以及該臨界值。 、刀。 6.如申請專利範圍第5項所述之切換控制器，其更包 括電阻器，其中在該輸入訊號的致能與該切換訊號的致能 之間產生一延遲時間，該電阻器用以對該延遲時間進行調 整。 7.如申請專利範圍第5項所述之切換控制器，其中一 旦該功率轉換器的功率電晶體的切換電流高於預先設定的 —限制值，該切換訊號便禁能。 18
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