TWI385499B - 從動切換電路與交錯式從動切換方法 - Google Patents

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Description

從動切換電路與交錯式從動切換方法
本發明是有關於一種切換式功率轉換器(Switching Power Converter)，且特別是有關於一種功因修正(Power Factor Correction，底下簡稱PFC)轉換器的控制電路。
在功率轉換器的領域中，高電流的需求通常會減少功率轉換的效率。一般而言，功率轉換器的功率損失與電流成指數的比例變化。
P LOSS ＝I 2 ×_ __(1)
其中，I是功率轉換器的切換電流；R是切換裝置的阻抗，例如是電感和電晶體等的電阻值。
因此，發展並聯式技術(Parallel Technologies)，就是為了減少功率轉換器的電力消耗。功因修正轉換器(PFC converter)則用來改善交流電源(AC power source)的功率因數。PFC轉換器的詳細技術可以在早期的先前技術，例如可參照美國第7,116,090號專利，發明名稱為“不連續模式功因修正轉換器之切換式控制電路(Switching Control Circuit for Discontinuous Mode PFC Converters)”。
本發明提出一種交錯式從動切換電路(Interleaved Slave Switching Circuit)，用於與PFC轉換器的主動切換電路(Master Switching Circuit)並聯使用，以改善電源供應器的效率。這種主從式電路(Master－slave Circuit)的技術包含 同步(Synchronization)和相位交錯(Phase Interleaving)，此將分散切換的雜訊，並且減少漣波(Ripples)的產生。
本發明提供一種從動切換電路，用於主從式功因修正轉換器。此從動切換電路包含相位偵測電路，用以偵測主動切換信號和從動電感信號，並據以產生啟動信號和鎖相信號。此啟動信號用以致能一個從動切換信號。而此從動用以切換一個從動電感。一個導通時間調整電路，用以根據此鎖相信號調整從動切換信號的導通時間。上述從動電感信號與從動電感的去磁(Demagnetization)有關。上述鎖相信號用以將從動電感信號的禁能狀態與啟動信號的致能狀態之間的週期減到最小。在此提出一種電源管理電路，當主動切換信號的導通時間減少且其脈寬(Pulse Width)低於臨界值(threshold)時，此電路用來減少從動切換信號的導通時間。
為讓本發明之上述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1顯示一種依照本發明實施例的主從式功因修正(Power Factor Correction，底下簡稱PFC)轉換器電路方塊示意圖。此主動切換電路50、電晶體10、主動電感15、整流器19形成一個主動功率轉換器(Mater Power Converter)。主動切換信號S 1 用來控制電晶體10，以切換主動電感15。整流器(Rectifier)19和電容器40用來產生功因修正(PFC)轉換器的輸出電壓V O 。從動切換電路90、電晶體30、從動電感35和整流器39形成從動功率轉換器(Slave Power Converter)以耦合到上述的輸出電壓V O 。從動切換信號S N 控制電晶體30，以切換從動電感35。功率轉換器的輸出是以並聯方式連結。電感15和35連接到輸出電壓V O 。電感15和35進一步地連接輸入端VIN。當電晶體10導通(Turned On)時，切換電流I 10 據以產生。而產生的方程式如下所示：
其中L 15 是主動電感15的電感值；T ON －1 是主動切換信號S 1 的導通時間；V IN 是輸入端VIN的電壓值。此處或往後提到的“導通時間(On－time)”，表示電晶體導通的時間區間。
一種電流偵測(Current－sense)裝置，例如電阻11，用來偵測切換電流 I 10 ，以產生主動電流信號I 1 。另一電流偵測裝置如電阻31，則是用來偵測電阻30的切換電流，並且產生從動電流信號I N 。當電晶體10導通時，電感15會儲存能量。一旦電晶體10關閉(Turned Off)時，此能量會經由整流器19傳送到電容器40。主動電感15的輔助繞組產生主動電感信號V 1 ，此主動電感信號V 1 與主動電感15的去磁有關聯。此外，從動電感35的輔助繞組(Auxiliary Winding)產生與從動電感35的去磁有關聯的從動電感信號V N .
圖2顯示從動切換電路90的實施例電路圖。從動切換電路90產生從動切換信號S N ，其內包含相位偵測電路(如圖示的“PHASE DET”)100、導通時間調整電路(如圖示的“On－time ADJ”)300以及電源管理電路(如圖示的“PM”)500。相位偵測電路100用於偵測主動切換信號S 1 和從動電感信號V N ，藉以產生啟動信號CLK N 和鎖相信號UP/DWN。啟動信號CLK N 和鎖相信號UP/DWN耦接到導通時間調整電路300。啟動信號CLK N 用來致能此從動切換信號S N 。而從動切換信號S N 用以切換如圖1中所示的從動電感35。導通時間調整電路300用於根據鎖相信號UP/DWN，調整從動切換信號S N 的導通時間。此鎖相信號UP/DWN與從動電感信號VN 的終止到啟動信號CLK N 的初始之間的週期有關。因此，從動切換信號S N 的導通時間受到調整，以將從動切換信號S N 的禁能到從動電感信號VN 的致能之間的時間減到最小。如果從動電感35去磁後，電晶體30立即導通，則從動電感35的電流會保持連續，以實現高功率因數(PF)和低總諧波失真(Total Harmonic Distortion，THD)。
當主動切換信號S 1 的導通時間減小且其脈寬低於一臨界值時，電源管理電路500用於接收主動切換信號S 1 ，產生電流信號I CHG 以減小從動切換信號S N 的導通時間。
圖3顯示相位偵測100的實施例電路圖。相位偵測100包含相位信號產生器(如圖所示的“PHASESIG”)105和鎖定信號產生器(如圖所示的“LOCK SIG”)200。此相位信號 產生器105用於根據主動切換信號S 1 的切換週期，產生啟動信號CLK N 和重置信號(reset signal)RST N 。鎖定信號產生器200用於根據從動電感信號VN 、從動切換信號S N 與啟動信號CLK N ，產生鎖相信號UP或鎖相信號DWN。啟動信號CLK N 在主動切換信號S 1 相移(Phase Shift)之後產生。鎖相信號UP或鎖相信號DWN則是根據從動電感信號VN 的終止到從動切換信號S N 的初始之間的週期產生。
圖4顯示相位信號產生器105的實施例示意圖。信號產生器(如圖所示的“SIG”)180用於接收主動切換信號S 1 ,以產生週期信號(Period Signal)E N 、鎖存信號(Latch Signal)LTH、重置信號RST N 。週期信號E N 和主動切換信號S 1 的切換週期成比例。週期信號E N 用以致能計數器(Counter)125。震盪器(Oscillator，如圖所示的“OSC”)110產生時脈信號(Clock Signal)，連結到及閘112的一個輸入端。及閘112的另一個輸入端連結到週期信號E N 。及閘112的輸出端連結到計數器125的時脈輸入(Clock Input)端。鎖存信號LTH連結到暫存器(register)135，據以對計數器125的輸出資料N移位(Shifting)進暫存器135。暫存器135是向左移位，使計數器125的輸出資料N除以二。重置信號RST N 經由反相器(inverter)130反相後，連接到計數器125的重置輸入(Reset－Input)端，用以在計數器125的輸出資料N移位進暫存器135後，重置計數器125。計數器125的輸出資料N和暫存器135的輸出資料M，連接到數位比較器(Digital Comparator)140。當計數器125的輸出資料N大於 暫存器135的輸出資料M時(N>M)，數位比較器140產生啟動信號CLK N 。數位比較器140的輸出連接到及閘150的一個輸入端。週期信號E N 連接到及閘150的另一個輸入端。及閘150的輸出端產生上述的啟動信號CLK N 。重置信號RST N 在啟動信號CLK N 之前產生。重置信號RST N 用以關閉從動切換信號S N 。
圖5顯示信號產生器180的實施例示意圖。主動切換信號S 1 用以致能正反器(Flip－F1op)181。正反器181的輸出端透過反相器183產生週期信號E N 。正反器181的輸出端進一步地連接到脈波產生器(Pulse Generator)171，以產生鎖存信號LTH。鎖存信號LTH經由反相器185反相後，連接到另一個脈波產生器173以輸出重置信號RST N 。此重置信號RST N 經由反相器187的反相後，再連接到脈波產生器175。脈波產生器175的輸出透過反相器189的反相後，用以重置正反器181。
圖6顯示脈波產生器的實施例示意圖。電流源(Current Source)190用以對電容器195充電。電晶體193用來對電容器195放電。電容器195經由反相器196反相後，連接到及閘197的一個輸入端。脈波產生器的輸入端IN連接到及閘197的另一個輸入端。脈波產生器的輸入端IN進一步經由反相器191的反相後控制電晶體193的導通與載止的狀態。因此，脈波信號是根據脈波產生器輸入端IN信號的致能狀態而產生。脈波信號的脈寬由電流源190的電流量和電容器195的電容量來決定。
圖7顯示信號波形圖。週期信號E N 、鎖存信號LTH、和重置信號RST N ,在主動切換信號S 1 致能後開始產生。重置信號RST N 在鎖存信號LTH輸出後產生。主動切換信號S 1 相位移後產生啟動信號CLK N 。
圖8顯示鎖定信號產生器200的實施例示意圖。當從動切換信號S N 關閉後，一旦從動電感信號V N 低於臨界信號(threshold signal)V TH ，比較器210將產生一個充電信號。正反器215將產生前述的充電信號。從動電感信號V N 和臨界信號V TH 連接到比較器210的輸入端。比較器210的輸出端經由及閘211用以致能正反器215。及閘211的另一個輸入端經由禁止電路(Inhabit Circuit,如圖所示的“INH”)260連接到從動切換信號S N 。啟動信號CLK N 連接到脈波產生器220，以產生取樣信號(sample signal)SMP2。經由反相器225的反相後，藉由重置正反器215，此取樣信號SMP2進一步地禁能(Disable)充電信號。反相器225的輸出端連接到另一個脈波產生器230，用以產生清除信號(Clear Signal)CLR2。
電流信號I CHG 、電容器250、開關245和255，對應於充電信號，據以產生差動信號(Differential Signal)。開關257進一步地將差動信號連接到電容器270。充電信號控制開關245用以產生上述的差動信號。取樣信號SMP2控制開關257對差動信號進行電壓取樣並傳送到電容器270。清除信號CLR2連接開關255，用以對電容器250放電，並重置上述的差動信號。設置一相位延遲(Phase－delay)用 來呈現從動電感信號V N 的禁能和從動切換信號S N 的致能之間的週期。
當相位延遲增加，差動信號的振幅也相對應地增加。差動信號的電壓最大值取樣至電容器270，此電容器270更進一步地連接到比較器280和285，用以產生鎖相信號UP或是鎖相信號DWN。因此，在從動電感信號V N 的禁能和從動切換信號S N 的致能之間的週期內，產生相對應的鎖相信號UP或鎖相信號DWN。當差動信號高於臨界電壓V H 時，鎖相信號UP或鎖相信號DWN處於UP狀態，以增加從動切換信號S N 的導通時間。當差動信號低於臨界電壓V L 時，鎖相信號UP或鎖相信號DWN處於DWN狀態，以減少從動切換信號S N 的導通時間。
圖9顯示導通時間調整電路300的實施例。導通時間調整電路30包含正反器350，依據啟動信號CLK N 用以致能上述的從動切換信號S N 。開關312、電流源310、電容器315和反相器311形成斜坡信號(Ramp－signal)產生器，根據從動切換信號S N 的致能而產生斜坡信號SLP2。加法器(Adder)320接收此斜坡信號SLP2和從動電流信號I N ，並據以產生混合信號(Mixed Signal)並連接到比較器325的一個輸入端。從動電流信號I N 和從動電感35的切換電流有關。比較器325的另一個輸入端接收數位類比轉換器(Digital－to－analog converter)330的輸出信號V W 。數位類比轉換器330依照上/下計數器(Up/down counter)340的輸出來產生輸出信號V W 。從動切換信號S N 連接到上/下計數器 340的時脈輸入(Clock Input)。鎖相信號UP/DWN也連接到上/下計數器340，以決定上數(Up－count)或下數(Down－count)。鎖相信號UP/DWN用以控制上/下計數器340的輸出，並且控制從動切換信號S N 的導通時間。
透過及閘370，對應於依據輸出信號V W 和混合信號的比較結果，比較器325的輸出用來禁能經由連接及閘370，對從動切換信號S N 禁能。另一個比較器360，透過及閘370以對從動切換信號S N 加以禁能。比較器360的輸入端連接到斜坡信號SLP2和臨界電壓VR 2 。一旦斜坡信號SLP2大於臨界電壓VR 2 VR2時，從動切換信號S N 將被禁能。，從動切換信號S N 的禁能臨界電壓VR2限制了從動切換信號S N 的最大導通時間的最大值。此外，及閘370的另一個輸入端經由反相器371的反相後，連接到重置信號RST N 。重置信號RST N 在啟動信號CLK N 出現前產生，從動切換信號S N 從而在啟動信號CLK N 致能前關閉，啟動信號CLK N 因而進一步限制了從動切換信號S N 的最大工作週期。
圖10顯示電源管理電路500的實施例。電流源510、電容器515與519、開關511、516與517組成一時間對電壓(Time－to－voltage)電路，依據主動切換信號S 1 的脈寬(導通時間)，用以在電容器519上產生電壓信號。主動切換信號S 1 耦接開關511，用以讓電流源510向電容器515充電。透過反相器520和脈波產生器525，主動切換信號S 1 產生一個取樣信號(Sample Signal)來導通或截止開關517，以進行對電容器515到電容器519的電壓取樣。透過反相器530 和另一個脈波產生器535，取樣信號更進一步地產生一個清除信號連接到開關516，以便在取樣後清除電容器515。電容器519的電壓信號連接到運算放大器(Operational Amplifier)540的輸入端。運算放大器540、電晶體542、電阻器541，形成電壓對電流(Voltage－to－current)的電路，根據電容器519的電壓信號在電晶體542中產生電流。電晶體542的電流耦接到電晶體543和544。電晶體543和544組成電流鏡(Current Mirror)，依據電晶體542的電流，輸出電流到電晶體544。電流源551建立一臨界值，用以在電晶體544產生電流。電流源550決定流經電晶體544的電流最大值。流經電晶體544和電晶體565的電流構成電流信號I CHG 。電流源565決定電流信號I CHG 的最小值。當主動切換信號S 1 的導通時間減少時，電容器519的電壓信號也隨之減小。當電容器519的電壓信號減小時，電流信號I CHG 也會減小。電流源551決定此臨界值。電流信號I CHG 減小會造成從動切換信號S N 的脈寬減小，以節省電能。
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，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，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為準。
V IN ‧‧‧系統輸入電壓
10、30‧‧‧電晶體
11、17、31、37、51、52‧‧‧電阻器
15‧‧‧主動電感
19、39‧‧‧反相器
35‧‧‧從動電感
40‧‧‧電容器
V O ‧‧‧系統輸出電壓
GND‧‧‧接地
50‧‧‧主動切換電路
90‧‧‧從動切換電路
V 1 ‧‧‧主動電感信號
V N ‧‧‧從動電感信號
V FB ‧‧‧回饋信號
I 1 ‧‧‧主動電流信號
I N ‧‧‧從動電流信號
S 1 ‧‧‧主動切換信號
S N ‧‧‧從動切換信號
I 10 ‧‧‧切換電流
500‧‧‧電源管理電路
I CHG ‧‧‧電源管理電路的輸出電流
100‧‧‧相位偵測電路
105‧‧‧相位信號產生器
110‧‧‧震盪器
112、150‧‧‧及閘
125‧‧‧計數器
130‧‧‧反相器
135‧‧‧暫存器
140‧‧‧比較器
171、173、175‧‧‧脈波產生器
180‧‧‧信號產生器
181、350‧‧‧正反器
183、185、187、189‧‧‧反相器
190、310‧‧‧電流源
191、196、311、371‧‧‧反相器
193‧‧‧電晶體
195、315‧‧‧電容器
197、370‧‧‧及閘
200‧‧‧鎖定信號產生器
210、280、285‧‧‧比較器
211‧‧‧及閘
215‧‧‧正反器
220、230‧‧‧脈波產生器
225‧‧‧反相器
245、255、257‧‧‧開關
250、270‧‧‧電容器
260‧‧‧禁止電路
300‧‧‧導通時間調整電路
312‧‧‧開關
320‧‧‧加法器
325、360‧‧‧比較器
330‧‧‧數位類比轉換器
340‧‧‧上下計數器
500‧‧‧電源管理電路
510、550、551、565‧‧‧電流源
511、516、517‧‧‧開關
520、530‧‧‧反相器
525、535‧‧‧脈波產生器
515、519‧‧‧電容器
540‧‧‧比較器
541‧‧‧電阻器
542、543、544‧‧‧電晶體
RST N ‧‧‧重置信號
CLK N ‧‧‧啟動信號
UP、DWN‧‧‧鎖相信號
N‧‧‧計數器的輸出資料
M‧‧‧暫存器的輸出資料
LTH‧‧‧鎖存信號
E N ‧‧‧週期信號
V CC ‧‧‧系統操作電壓
IN‧‧‧脈波產生器的輸入端
OUT‧‧‧脈波產生器的輸出端
SMP2‧‧‧取樣信號
CLR2‧‧‧清除信號
V H ‧‧‧比較器差動信號的高臨界值
V L ‧‧‧比較器差動信號的低臨界值
V TH ‧‧‧臨界信號
VR 2 ‧‧‧臨界電壓
SLP2‧‧‧斜坡信號
V W ‧‧‧數位類比轉換器的輸出信號
圖1繪示為本發明之主從式功因修正轉換器電路圖。
圖2繪示為本發明一實施例之主從式功因修正轉換器電路圖的從動切換電路。
圖3繪示本發明之相位偵測電路實施例示意圖。
圖4繪示本發明另一實施例之相位信號產生器實施例示意圖。
圖5繪示本發明之信號產生器實施例示意圖。
圖6繪示一種脈波信號產生器實施例示意圖。
圖7繪示本發明之信號的關鍵波形圖。
圖8繪示本發明另一實施例之鎖定信號產生器示意圖。
圖9繪示本發明另一實施例之導通時間調整電路示意圖。
圖10繪示本發明之電源管理電路實施例示意圖。
90‧‧‧從動切換電路
I N ‧‧‧從動電流信號
S 1 ‧‧‧主動切換信號
S N ‧‧‧從動切換信號
V N ‧‧‧從動電感信號
500‧‧‧電源管理電路
I CHG ‧‧‧電源管理電路的輸出電流
100‧‧‧相位偵測電路
300‧‧‧導通時間調整電路

Claims (10)

  1. 一種從動切換電路，適用於主從式功因修正轉換器，該從動切換電路包括：一相位偵測電路，偵測一主動切換信號和一從動電感信號，據以產生一啟動信號和一鎖相信號，該啟動信號用於致能一從動切換信號，且該從動切換信號用以切換一從動電感；以及一導通時間調整電路，用以根據該鎖相信號調整該從動切換信號的導通時間，其中該導通時間調整電路包含：一正反器，依據該啟動信號而致能該從動切換信號；一斜坡信號產生器，依據該從動切換信號而產生一斜坡信號；一上/下計數器，耦接到該鎖相信號，以產生一數位碼；一數位類比轉換器，根據該數位碼產生一類比信號；以及一比較器，依據該類比信號和該斜坡信號的比較結果，用以對該從動切換信號禁能；其中該從動電感信號與該從動電感的去磁有關，且該鎖相信號用以減少該從動電感信號的禁能與啟動信號的致能之間的週期。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之從動切換電路，更包括：一電源管理電路，接收該主動切換信號，當該主動切換信號的導通時間減少且其脈寬低於一臨界值時，減少該從動切換信號的導通時間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之從動切換電路，其中該從動切換信號在該啟動信號致能前被截止，據以決定該從動切換信號的最大工作週期。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之從動切換電路，其中該啟動信號是根據該主動切換信號的切換週期所產生。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之從動切換電路，其中導通時間調整電路用以調整該從動切換信號的導通時間，以便將該從動電感信號的禁能到啟動信號的致能之間的週期減到最小。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之從動切換電路，其中該相位偵測電路包含：一相位信號產生器，在該主動切換信號的切換週期，產生該啟動信號；以及一鎖定信號產生器，依據該從動電感信號和該從動切換信號而產生該鎖相信號，其中，該主動切換信號相移之後產生該啟動信號，而且在該從動電感信號的禁能與該從動切換信號的致能之間的週期，產生該鎖相信號。
  7. 一種交錯式從動切換方法，用以提供給一主從式功因修正轉換器，該方法包含：依據一鎖相信號而產生一從動切換信號，該從動切換信號用以切換一從動電感；以及依據一從動電感信號和該從動切換信號而產生該鎖相信號，該鎖相信號用以控制該從動切換信號的導通時間，其中該鎖相信號用以控制該從動切換信號的導通時間的步驟包含：依據一啟動信號而致能該從動切換信號；依據該從動切換信號而產生一斜坡信號；根據一數位碼產生一類比信號；以及依據該類比信號和該斜坡信號的比較結果，用以對該從動切換信號禁能；其中該從動電感信號與該從動電感的去磁有關，該從動電感並聯一主動電感到該功因修正轉換器的輸出端。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之交錯式從動切換方法，更包含：依據一主動切換信號產生該啟動信號，該啟動信號用以致能該從動切換信號，其中該啟動信號於該主動切換信號相移後產生。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之交錯式從動切換方法，其中該鎖相信號用於調整該從動切換信號的導通時間，用以將該從動電感信號的禁能到該從動切換信號的致能之間的週期減到最小。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之交錯式從動切換方法，更包含：依據該主動切換信號的導通時間，減少該從動切換信號的導通時間，其中該從動切換信號的導通時間減少，發生於主動切換信號的導通時間減少且其脈寬低於一臨界值。
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