TWI380570B - Resonant lossless circuit for providing a low operating voltage in power converter - Google Patents

Description

1380570 (1) 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種控制器的控制器電路，且精確而言， 一種提供控制電路低工作電壓之無損耗共振電路。 術 技 前 先 —典型的轉換器包括一具電力裝置的控制電路、一具 有主繞組及副繞組之變壓器，其中該副繞組能夠藉由使輸 入或主要電壓升壓或降壓產生一輸出電壓。該輸入電壓的 升壓或降壓率係由該等主及次繞組的繞組數的比率來決定 。電壓轉換的程度係由一控制邏輯或控制電路所控制。返 馳轉換器通常工作於數百伏特，它們的控制邏輯則工作於 約十伏特。因此，在設計此等控制器時，必須要提供低工作 電壓給該控制邏輯。 許多現存的返馳轉換器藉著使用一額外的輔助繞組於 該變壓器鐵心，該等主及次繞組旁，提供低工作電壓給它們 的控制邏輯。此輔助繞組只含有一些匝數，因而產生一低 電壓給該控制電路。然而，此輔助繞組會使變壓器鐵心更 複雜且亦會增加電路的價格。 其它的返馳轉換器用緩振器電路。此等緩振器係以.一 電阻器-電容器-二極體電路所構成，其耦合於一控制電力裝 置與該轉換器之主要電路中的電壓端間。此等緩振器非常 普遍，因爲它們的設計簡單。然而，其電阻器消耗大量的電 力，降低了電力轉換的效率。 -4- (2) (2)1380570 【發明內容】 簡單且一般而言，本發明實施例包括一轉換器控制器， 其能操作來控制一轉換器。該轉換器具有一變壓器，其有 一主及一次繞組。該轉換器控制器包括一耦合至該變壓器 之主線圈的電力裝置、一耦合至該主線圈及該電力裝置之 共振電路、一耦合至該共振電路之電壓調整器、以及一耦 合至該電壓調整器之控制邏輯。 本發明之觀點包括其並不需要一緩振器電路，且因此 工作不會有電力消消耗。 其它的觀點包括諸實施例不需要繞在變壓器鐵心的額 外的輔助繞組，因此具有一更簡單的變壓器結構且降低電 路的價格。 本發明實施例使得欲使用低工作電壓整合式控制電路 於一高電壓返馳轉換器中是可能的。最後，實施例具有低 的電磁干擾（EMI )，因此能產生一平滑的電壓及電流的共振 〇 爲更完整瞭解本發明及針對進一步的特性及優點，現 將參照以下連同附圖的說明。 【實施方式】 本發明諸實施例及它們的優點參照圖式之圖1至5可 獲致最佳瞭解。類似的標號用於不同圖式中類似及對應的 部件。 圖1說明根據本發明實施例的—轉換器控制器1〇〇。 -5- (3) (3)1380570 轉換器控制器100可操作以控制一轉換器，該轉換器具有 —變壓器T1。變壓器T1具有一主繞組N1及一次繞組N2 。轉換器控制器100包括一耦合至該變壓器T1之主繞組 N1的電力裝置Q1、以及一耦合至該主繞組N1及該電力 裝置Q1之共振電路104»該轉換器控制器100更包括一 電壓調整器108。電壓調整器108耦合至共振電路104及 —控制邏輯U1。 不同實施例中，電力裝置Q1可以是一MOS-FET、一雙 極接面電晶體、或是一絕緣閘雙極性電晶體（IGBT)。 於某些實施例中，共振電路104包括具有電壓Va的一 中央節點1 1 2 ; —耦合於中央節點1 1 2與電力裝置Q 1間的 共振電容器C1; 一具有一陽極與一陰極的共振二極體D2, 共振二極體D2之陰極耦合至中央節點112;以及一耦合於 共振二極體D2之陽極與地之間的共振電感器L1。 電壓調整器108包括一具有一陽極及_陰極的調整器 二極體D3,調整器二極體D3之陽極耦合至中央節點112; 一調整器電阻器R1，耦合至調整器二極體D3之陰極；一曾 納二極體D4,耦合於調整器電阻R1與地之間；以及一調整 器電容器C2,與曾納二極體（Zener diode)D4並聯耦合。 控制邏輯U1以並聯方式與調整器電容器C2耦合。控 制邏輯U 1耦合至電力裝置Q ](未顯示）之閘極。控制邏輯 可操作地藉著於切換周期期間內控制電力裝置Q 1之ON 與OFF的次數來控制於該轉換器之次線圈中所產生之電壓 ，如下所述。 -6- (4) 1380570 於不同的實施例中，一或多個調整器二極體D3、曾納 二極體D4'調整器電容器C2、調整器電阻器Ri、共振電 路104的所有零件、電力裝置Q〗、以及控制邏輯υι可被 形成於一積體電路上。舉例來說，於圖2的實施例中，控制 邏輯U1、曾納二極體D4'及電力裝置qi係形成於一單 一積體電路上。 轉換器控制器100進一步包括一耦合至主繞組N1的 • 高電壓連結116。於不同的實施例中，高壓連結116可被— DC源或整流過的AC源供以電力。例如，於圖」及2中，高 壓連結116係由一整流的AC源所供電。 共振電路104之中央節點〗！2係透過一連接二極體 D1耦合至高壓連結116,而調整器電阻器Ri係透過一連接 電阻器R15耦合至高壓連結116。 圖2繪示本發明之一實施例。對應的電路元件與圖] 中所標示者相同。如前述，於此實施例中，控制邏輯U1、曾 Φ 納二極體D4、及電力裝置Q1係整合到—積體電路12〇中 。電力裝置Q1係耦合於標示爲“Drain”（汲極）與“Ground，’( 地）的接腳之間。曾納二極體D4係耦合於標示爲“Vcc”與 “Ground”的接腳之間。一具有此等屬性之積體電路，例如 Fairchild的開關KA5M0365。於其它實施例中，上述電路 元件的其它組合可被整合到一積體電路中。 包含次繞組N2的次要電路具有一典型的架構，。於此 實施例中，次繞組N 2係耦合至控制邏輯u 1以提供一反饋 信號。除了某些標準電路元件以外，該反饋電路尙包含積 -7- (5) (5)1380570 體電路U2。積體電路U2並未電氣耦合於該主要與次要電 路之間，提供一反饋信號。此類型的耦合有時係稱爲電流 隔離（Galvanic isolation)。例如可藉採用一稱合的光二極 體-光電晶體對來達成此功能。該光二極體發射一與流經 其之電流成比例的光信號，且光電晶體感測到該被發射的 光並產生一與該感測到之光成比例的反饋信號。具有一耦 合的光二極體-光電晶體對的積體電路的例子是Fairchild 的FOD274 1積體電路。許多其它的反饋電路設計是習知 的且能在其它的實施例中被採用。 數種型式的轉換器是習知的。以下會詳述二種型式的 轉換器，但本發明之範圍並不侷限於此二種型式，而是能被 瞭解以同樣能涵蓋數種變化。 轉換器可以是返馳（Flyback)式或是順向（Forward)型， 端視次線圈如何連接至與該主繞組相關之負載電路而定。 於返馳式轉換器中，當電力裝置Q1被開通ON時，輸入能量 係儲存於變壓器T1中。當電力裝置Q1被關斷OFF時，該 能量被轉移到該負載，或是次要側。順向型轉換器的操作 方式正好相反。當Q 1被開通ON時，該能量被轉移到該負 載側，且當Q1被關斷OFF時，沒有電力轉換。由於於順向 轉換器中，能量不會儲存於變壓器中，所以變壓器的尺寸可 選擇爲較小者》繞組的方向按慣例在圖式中以黑點來標示 當耦合至不同型式的轉換器時，轉換器控制器I 〇〇能 操作以控制該等轉換器的輸出電壓。於某些實施例中，轉 (6) 1380570 換器控制器100週期性地將電力裝置q]切換成ON與 OFF,即有時候稱爲切換周期（switching cycle)的—程序》 於此等實施例中，該轉換器的輸出電壓受轉換器控制器100 的控制，控制該切換周期之切換成ON與切換成OFF間隔 的長度。於本發明諸實施例中，轉換器控制器100藉由控 制邏輯U1切換電力裝置Q1的閘極而對電力裝置Q1切換 ON 與 OFF。 φ 圖3至5說明轉換器控制器1 〇〇的操作。 圖3說明電流的標示。流過主繞組N丨的電流標示爲 ip,流經共振電容器C1的電流標示爲ic，以及流經電力裝置 Q1的電流標示爲id。根據克希荷夫定律（Kirchhoff’s law)，一般 id = ip +ic。在次要電路中的電流被標示爲is 〇 圖4說明於一返馳實施例之切換周期期間不同的電流 及電壓位準。此等示圖有時候被稱爲時序圖，或是波形。 # 圖5A至D說明於此等切換周期期間的對應電流路徑》該 •等載流電路元件係以粗線標示之。 .圖4的第一圖標示電力裝置Q1的切換狀態。電力裝-置Q]在時間場合tl之前被切換成OFF，接著其在時間場 合tl時被切換成ON,而於時間場合t3被切換成OFF,該程 序受控於控制邏輯U1。當電力裝置Q1被切換成OFF時， 亦即，在11之前與t3之後，流進電力裝置Q 1的電流是零。 於11〜13間隔內，i d不是零。 圖5A說明在該tl〜t2時間間隔內，主線圈電流i.p與 (7) (7)1380570 共振電路電流ic是順時鐘方向，且因而加到一非零電力裝 置電流id。於間隔tl〜t2中，ip穩定地上升，而ic大約是 —正弦的形式，一起加到一上升的尖鋒的圖型，如所示者。 該共振電流ic首先對共振電容器C1放電，接著於此tl〜t2 時間間隔內以相反極性充電。此放電-再充電程序係繪示 於圖4中的第五圖，顯示一共振電容器電壓vcl自一有限 的負値開始，經過零，然後達到具大約相同大小的一個正値 。於此11〜t2時間間隔中，中央節點1 1 2的電壓Va，追循著 Vcl的狀態，如圖4中第六示圖所示。 圖5 B說明於時間間隔12〜13內的電流路徑。該時間 場合t2大約是共振電路104之半周期，因此，在t2時，共振 電流ic會改變指向。然而，共振二極體D2防止ic轉成負 。因此，在時間間隔t2〜t3中，該共振電流實質上維持零：ic =〇。因此，於此時間間隔中i d = i p，穩定地上升，如所示者 。電流的斜率取決於Vdc的振幅以及T1的主要電感》由 於ic = 0,共振電容器C1不會被充電，因而Vcl實質上維持 固定，如圖4之第五示圖中所示。在t2之前，中央節點電壓 V a被提升到一有限値，如圖4之第六示圖中所示。 圖5 C說明於該13 -14時間間隔中的電流路徑。在時間 場合t3時，電力裝置Q1被控制邏輯ui關斷控制Q1 .的閘 極。此舉設定電力裝置電流id = 0»克希荷夫定律迫使該 主要電流ip跨共振電容器C1,因此，ic = -ip。共振二極體 D2仍防止電流流進共振電路〗〇4的其它部分。然而，—電 流路徑有可能跨連結二極體D 1，如所示。於此時間間隔內， -10- (8) (8)1380570 共振電容器Cl被放電且接著再充電以便恢復其初始極性， 如圖4之Vcl示圖中所示。倘若連結二極體D1是導通的， 則電壓位準Va變成被施加的DC電壓Vdc直到時間場合 t4,如圖4所示。最後，在t4,該中央節點電壓Va返回到其 穩定狀態値，其係自該次要側反映至該主要側。 圖5D說明繼續圖5C之程序直到共振電容器C1被再 充電至其初始的負値。一旦此達到，則正對共振電容器C I 進行再充電的該主要電流ip停止。然而，被儲存的變壓器 T1的能量現會被釋出進到該次要電路，如圖4中is波形所 不 ° 一般可認爲在該時間間隔11〜13中，能量在該轉換器 之主要電路中被增大。接著，在時間場合t3之後，該能量從 該主要電路被釋出到該次要電路。 如可見於圖4之Va波形者，中央節點電壓Va被二極 體D3整流並被曾納二極體D4調整，以便產生如圖4中所 示之一所需的工作電壓Vcc。此電壓Vcc接著被用來對控 制邏輯U1供電。 由圖4之Va波形可明白，一返馳轉換器的主要觀點在 於於次線圈N2中所感生之電壓的値係取決於ON與OFF 的時間間隔的長度。 雖然本發明及其優點已詳細描述，應瞭解到能進行種 種變化、取代及修改而不背離本發明由所附之申請專利範 圍界定之精神與範疇。換言之，本申請案所含之討論係作 爲基本說明之用。應瞭解到，該特定討論可能無法明確地 -11 - (9) (9)1380570 描述所有可能的實施；許多修改是內含而不言明的。本發 明的一般特質可能無法完全解釋且可能無法明確地顯示各 特性或元件如何能確實代表種種修改或等效元件之廣泛功 能。再者，此等係隱含地包括於此揭示內容中。雖然本發 明以裝置爲導向的專有名詞方式來說明，但裝置的各元件 隠含地進行一功能》不管是說明還是專有名詞都不意圖限 制本案申請專利範圍之範疇。 【圖式簡單說明】 圖1係一根據本發明一實施例之轉換器控制器的方塊 圖。 圖2係一根據本發明—實施例之轉換器控制器的實施 〇 圖3說明根據本發明實施例之轉換器控制器中電流的 定義。 圖4說明根據本發明一實施例之種種電壓及電流。 圖5A至D說明根據本發明一返馳轉換器在不同時間 間隔中的電流路徑。 【主要元件符號說明】 1 00 轉換器控制器 104 共振電路 108 電壓調整器 1 1 2 中央節點 12- (10) 1380570 116 120 局壓連結 積體電路

Claims (1)

1380570 附件3A :第094107887號申請專利範圍修正本 ' 民國1〇〇年11月1 曰修正 十、申請專利範圍 1· 一種轉換器控制器，可操作來控制具有變壓器之轉換 器，該變壓器具有主線圈及次線圈，該轉換器控制器包含： 電力裝置，係耦合至該變壓器之該主線圈； 共振電路，係耦合至該主線圏及該電力裝置； Φ 電壓調整器，係耦合至該共振電路；以及 控制邏輯，係耦合至該電壓調整器，其中，該控制邏輯係 組構成藉由改變改變該電力裝置之接通和關斷間隔的長度 而以基本上爲恆定的頻率來操作該電力裝置， 其中，該共振電路係可操作來提供操作電力給該控制 邏輯。 2. 如申請專利範圍第1項之轉換器控制器，其中，該共 振電路包含： • 中央節點； 共振電容器，係耦合於該中央節點與該電力裝置之間； 共振二極體，具有陽極及陰極，該共振二極體之該陰極 係耦合至該中央節點；以及 共振電感器，係耦合於該共振二極體之該陽極與地之 間。 3. 如申請專利範圍第2項之轉換器控制器，其中，該電 壓調整器包含： 調整器二極體，具有陽極及陰極，該調整器二極體之該 1380570 陽極係稱合至該中央節點； 調整器電阻器，係耦合至該調整器二極體之該陰極； 曾納（Zener)二極體，係耦合於該調整器電阻器與地之 間；以及 調整器電容器，係並聯耦合至該曾納二極體。 4.如申請專利範圍第3項之轉換器控制器，其中： 該控制邏輯係並聯耦合至該調整器電容器。 5 ·如申請專利範圍第3項之轉換器控制器，其中： —或多個調整器二極體、該曾納二極體、該調整器電 容器、該調整器電阻器、該共振電路、該電力裝置、及該 控制邏輯係形成於積體電路上。 6. 如申請專利範圍第1項之轉換器控制器，其中，該電 力裝置是MOS-FET、雙極性接面電晶體、以及絕緣閘雙極 性電晶體的其中之一者。 7. 如申請專利範圍第1項之轉換器控制器，其中： 該控制邏輯係耦合至該電力裝置之閘極；以及 該控制邏輯係可操作來控制該電力裝置之開-關時間 〇 8. 如I申請專利範圍第3項之轉換器控制器，其中，該轉 換器包含： 高壓連結，係耦合至該主線圏。 9. 如申請專利範圍第8項之轉換器控制器，其中，該高 壓連結係耦合至DC源及經整流過的AC源的至少其中之 —者。 -2- 1380570 i〇.如申請專利範圍第8項之轉換器控制器，其中： ' 該共振電路之該中央節點係透過連接二極體而被耦合 至該高壓連結；以及 該調整器電阻器係透過連接電阻器而被耦合至該高壓 連結。 1 1 ·如申請專利範圍第1項之轉換器控制器，其中： 該變壓器之該次線圈係耦合至該控制邏輯，可操作來 H 提供反饋信號。 12. 如申請專利範圍第丨1項之轉換器控制器，其中，該 次線圈係透過耦合的光二極體-光電晶體對而被耦合至該 控制邏輯。 13. —種轉換器控制器，可操作來控制具有變壓器之轉 換器，該變壓器具有主線圏及次線圈，該轉換器控制器包含： 電力裝置，係耦合至該變壓器之該主線圈； 串聯共振電路，係耦合至該主線圈及該電力裝置； φ ' 電壓調整器，係耦合至該共振電路；以及 控制邏輯，係耦合至該電壓調整器，其中，該控制邏輯的 操作電壓被箝位。 14. 如申請專利範圍第13項之轉換器控制器，其中，該 控制邏輯的操作電壓被箝位於10伏特以下。 15. 如申請專利範圍第13項之轉換器控制器，其中，該 共振電路包含： 中央節點； 共振電容器，係耦合於該中央節點與該電力裝置之間； -3- 1380570 共振二極體，具有陽極及陰極，該共振二極體之該陰極 ί系耦合至該中央節點；以及 共振電感器，係耦合於該共振二極體之該陽極與地之 間。 16.如申請專利範圍第13項之轉換器控制器，其中，該 電壓調整器包含： 調整器二極體，具有陽極及陰極，該調整器二極體之該 陽極係耦合至該中央節點； 調整器電阻器，係耦合至該調整器二極體之該陰極； 曾納（Zener)二極體，係耦合於該調整器電阻器與地之 間；以及 調整器電容器，係並聯耦合至該曾納二極體。

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