TWI404312B - 改善電源轉換器次諧波的電路及方法 - Google Patents

Description

改善電源轉換器次諧波的電路及方法

本發明係有關一種電源轉換器，特別是關於一種改善電源轉換器次諧波的電路及方法。

圖1係以典型的馳返式電源轉換器為例，其中整流電路10將交流電壓VAC整流，電容Cbulk用以穩壓整流電路10的輸出以產生電壓Vbulk，控制器14送出信號GATE切換與變壓器12的一次側線圈Lp串聯的功率開關M1，進而使電壓Vbulk轉換為輸出電壓Vo，感測電阻Rcs與功率開關M1串聯，用以取得與電流Ip相關的信號Vcs，控制器14根據信號Vcs與預設的電流限制信號決定信號GATE。近來，為了提升產品競爭力，降低成本也成為設計時的要求目標，因此元件的選用也日益嚴苛，電容Cbulk相對於以往的設計也越來越小。

然而，對於相同額定之系統來說，當系統處於低輸入電壓時，較小的電容Cbulk將使電壓Vbulk的維持時間(hold up time)變短，因此從變壓器12的一次側看到的電壓Vbulk將變化極大，這在系統開機脫離軟啟動(soft-start)或進入過載時，將產生嚴重的次諧波問題。嚴重的次諧波可能造成在滿載時低輸入電壓無法啟動或輸入電壓高低壓過載保護(over current protection)差異極大的問題。

圖2用以說明習知馳返式電源轉換器的次諧波問題，其中波形20係控制器14內部的時脈CLK，波形22係前緣遮蔽信號LEB，波形24係信號GATE，波形26係電流限制信號，波形28係信號Vcs。時脈CLK係用以決定信號GATE的週期，而前緣遮蔽信號LEB則是用以遮蔽信號Vcs的突波，當信號Vcs大於電流限制信號時，信號GATE轉為低準位以使功率開關M1關閉(turn off)。參照圖2，在低輸入電壓時，功率開關M1的導通時間(on time)較長以取得足夠的能量，如時間t1至時間t2，然而，功率開關M1的切換週期是固定的，因此功率開關M1的截止時間(off time)會相對的變短，這造成能量無法完全釋放，所以當功率開關M1再次打開(turn on)時，如時間t3所示，信號Vcs的起始準位變高，使得信號Vcs很快的大於電流限制信號，如時間t4所示，因而導致功率開關M1的導通時間變短，功率開關M1的導通時間的劇烈變化將使馳返式電源轉換器產生嚴重的次諧波問題。

本發明的目的，在於提出一種改善電源轉換器次諧波的電路及方法。

根據本發明，一種改善電源轉換器次諧波的電路包括第一電流限制信號產生器提供第一電流限制信號，第二電流限制信號產生器提供第二電流限制信號，電流限制信號控制器根據功率開關的開關週期比產生切換信號，以及選擇器根據該切換信號從該第一及第二電流限制信號中選取其中一個作為最終電流限制信號以限制該功率開關電流的最大值。當該開關週期比小於預設的臨界值時，該選擇器選擇該第一電流限制信號作為該最終電流限制信號，當該開關週期比大於該預設的臨界值時，該選擇器選擇該第二電流限制信號作為該最終電流限制信號。

根據本發明，一種改善電源轉換器次諧波的方法包括提供第一電流限制信號及第二電流限制信號，以該第一電流限制信號作為預設的最終電流限制信號以限制功率開關電流的最大值，偵測該功率開關的開關週期比，以及當該開關週期比大於預設的臨界值時，改以該第二電流限制信號作為該最終電流限制信號。

根據本發明，一種改善電源轉換器次諧波的電路包括多個電流限制信號產生器提供多個電流限制信號，電流限制信號控制器根據功率開關的開關週期比產生切換信號，以及選擇器根據該切換信號選擇該多個電流限制信號其中一個作為最終電流限制信號以限制該功率開關電流的最大值。當該開關週期比小於預設的臨界值時，該選擇器選擇該多個電流限制信號中的第一電流限制信號作為該最終電流限制信號；當該開關週期比大於該臨界值時，該選擇器依序選擇該第一電流限制信號以外的其他電流限制信號作為該最終電流限制信號後，再選擇該第一電流限制信號作為該最終電流限制信號。

根據本發明，一種改善電源轉換器次諧波的方法包括提供多個電流限制信號，從該多個電流限制信號中選取第一電流限制信號作為最終電流限制信號以限制功率開關電流的最大值，偵測該功率開關的開關週期比，當該開關週期比小於預設的臨界值時，維持該第一電流限制信號作為該最終電流限制信號，當該開關週期比大於該預設的臨界值時，依序選擇該第一電流限制信號之外的其他電流限制信號作為該最終電流限制信號，以及在依序選擇該其他電流限制信號作為該最終電流限制信號之後，再選擇該第一電流限制信號作為該最終電流限制信號。

由於最終電流限制信號根據功率開關的開關週期比改變，因此當該開關週期比過大時，於下個週期可以選擇適當的最終電流限制信號以避免該開關週期比變化過大，進而減緩次諧波問題。

圖3係應用本發明於馳返式電源轉換器，其包括變壓器12、功率開關M1與變壓器12的一次側線圈串聯、感測電阻Rcs與功率開關M1串聯以及控制器14控制功率開關M1的切換以將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vo。控制器14包括振盪器20提供時脈CLK及與該時脈CLK同步的鋸齒波信號Vosc；SR正反器22根據時脈CLK觸發控制信號GATE；比較器24根據最終電流限制信號Vclf及信號Vcs產生信號S1以重置SR正反器22，其中信號Vcs與通過功率開關M1的電流Ip相關；以及改善次諧波的電路26偵測控制信號GATE的開關週期比(duty ratio)，並據以改變最終電流限制信號Vclf。改善次諧波的電路26在控制信號GATE的開關週期比大於預設的臨界值時，將改變最終電流限制信號Vclf，以避免控制信號GATE的開關週期比在下一個週期時發生劇烈變化，進而減緩次諧波問題。

改善次諧波的電路26包括電流限制信號控制器28、選擇器30以及二電流限制信號產生器32及34，其中電流限制信號產生器32提供鋸齒波的第一電流限制信號Vcl1，電流限制信號產生器34提供定值的第二電流限制信號Vcl2。提供鋸齒波的第一電流限制信號Vcl1的電流限制信號產生器32是相當常見的技術，目前也已經有許多相關的專利，例如美國專利號第6,674,656號，故於此不再贅述。選擇器30包含開關SW1及SW2，開關SW1連接在電流限制信號產生器32及改善次諧波的電路26的輸出端Vclf之間，開關SW2連接在電流限制信號產生器34及改善次諧波的電路26的輸出端Vclf之間。電流限制信號控制器28偵測控制信號GATE的開關週期比以產生切換信號CCL控制開關SW1及SW2，進而選擇第一電流限制信號Vcl1或第二電流限制信號Vcl2作為最終電流限制信號。

圖4係電流限制信號控制器28的實施例，其包括比較器40比較參考電壓Vref及鋸齒波信號Vosc產生信號DX，信號DX具有固定的開關週期比；反相器42反相信號DX產生信號DX’；D型正反器44根據其資料輸入端D的控制信號GATE及時脈端clk上的信號DX’產生信號S2；以及D型正反器46根據其資料輸入端D的信號S2及時脈端clk上的控制信號GATE產生切換信號CCL。

圖5係控制器14內部的信號，其中波形50係最終電流限制信號Vclf。設定第一電流限制信號Vcl1為一般操作狀況下的最終電流限制信號Vclf，參照圖3、圖4及圖5，在週期T1時，控制信號GATE的開關週期比大於預設的臨界值，所以信號DX轉為低準位時控制信號GATE仍為高準位，如圖5的時間t5所示，因此D型正反器44將送出高準位的信號S2。接著在週期T2期間，由於控制信號GATE轉為高準位時信號S2為高準位，因此D型正反器46送出高準位的切換信號CCL，以使選擇器30選擇第二電流限制信號Vcl2作為最終電流限制信號Vclf，如時間t6及波形50所示，進而避免功率開關M1的導通時間發生劇烈變化，減緩次諧波問題。由於在週期T2期間，控制信號GATE的開關週期比未大於預設的臨界值，因此，如時間t7所示，在信號DX轉為低準位時，信號S2也變為低準位，故在週期T3期間，控制信號GATE轉為高準位時，如時間t8所示，切換信號CCL變為低準位以使選擇器30再次選擇第一電流限制信號Vcl1作為最終電流限制信號Vclf。相反的，在週期T2期間，如果控制信號GATE的開關週期比仍大於預設的臨界值時，選擇器30將維持電流限制信號Vcl2作為最終電流限制信號Vclf。在其他實施例中，第一電流限制信號Vcl1不限定為鋸齒波，第二電流限制信號Vcl2也可以用其他波形的電流限制信號取代。

圖3的改善次諧波的電路26也可以在週期T1偵測到控制信號GATE的開關週期比大於預設的臨界值時，於週期T2選擇第二電流限制信號Vcl2作為最終電流限制信號Vclf，接著不論週期T2期間的控制信號GATE的開關週期比是否大於預設的臨界值，在週期T3時都再次選擇第一電流限制信號Vcl1作為最終電流限制信號Vclf。

圖6係改善次諧波的電路26的另一實施例，其除了與圖3的電路同樣具有電流限制信號控制器28、選擇器30以及電流限制信號產生器32及34外，還包括電流限制信號產生器36用以提供定值的第三電流限制信號Vcl3，其中選擇器30除了開關SW1及SW2外，還有開關SW3連接在電流限制信號產生器36及改善次諧波的電路26的輸出端Vclf之間。圖7係圖6信號的波形，其中波形52為最終電流限制信號Vclf。參照圖6及圖7，設定第一電流限制信號Vcl1為一般操作狀況下的最終電流限制信號Vclf，當電流限制信號控制器28偵測到控制信號GATE的開關週期比未大於預設的臨界值時，維持最終電流限制信號Vclf=Vcl1。假設在週期T1時，電流限制信號控制器28偵測到控制信號GATE的開關週期比大於預設的臨界值，電流限制信號控制器28將送出切換信號CCL給選擇器30，以使選擇器30在週期T2選擇第二電流限制信號Vcl2作為最終電流限制信號Vclf，如波形52所示，接著，不論週期T2時的控制信號GATE是否大於預設的臨界值，選擇器30在週期T3時都將選擇第三電流限制信號Vcl3作為最終電流限制信號Vclf。同樣的，不論在週期T3時的控制信號GATE是否大於預設的臨界值，選擇器30於下個週期將再次選擇第一電流限制信號Vcl1作為最終電流限制信號Vclf。在其他實施例中，第一電流限制信號Vcl1不限定為鋸齒波，第二電流限制信號Vcl2及第三電流限制信號Vcl3也可以用其他波形的電流限制信號取代。

10．．．整流電路

12．．．變壓器

14．．．控制器

20．．．振盪器

22．．．SR正反器

24．．．比較器

26．．．改善次諧波的電路

28．．．電流限制信號控制器

30．．．選擇器

32．．．電流限制信號產生器

34．．．電流限制信號產生器

36．．．電流限制信號產生器

40．．．比較器

42．．．反相器

44．．．D型正反器

46．．．D型正反器

50．．．最終電流限制信號Vclf

52．．．最終電流限制信號Vclf

圖1係典型的馳返式電源轉換器；

圖2用以說明習知馳返式電源轉換器的次諧波問題；

圖3係應用本發明的馳返式電源轉換器；

圖4係圖3中電流限制信號控制器的實施例；

圖5係控制器內部的信號；

圖6係改善次諧波的電路的另一實施例；以及

圖7係圖6信號的波形。

12．．．變壓器

14．．．控制電路

20．．．振盪器

22．．．SR正反器

24．．．比較器

26．．．改善次諧波的電路

28．．．電流限制信號控制器

30．．．選擇器

32．．．電流限制信號產生器

34．．．電流限制信號產生器

Claims (13)

1. 一種改善電源轉換器次諧波的電路，該電源轉換器藉比較最終電流限制信號及與功率開關電流相關的信號決定控制信號以切換該功率開關，該電路包括：第一電流限制信號產生器，提供第一電流限制信號；第二電流限制信號產生器，提供第二電流限制信號；電流限制信號控制器，偵測該控制信號的開關週期比產生切換信號；以及選擇器，連接該第一電流限制信號產生器、第二電流限制信號產生器及控制器，根據該切換信號從該第一及第二電流限制信號中選取其中一個作為該最終電流限制信號；其中，當該開關週期比小於預設的臨界值時，該選擇器選擇該第一電流限制信號作為該最終電流限制信號，當該開關週期比大於該預設的臨界值時，該選擇器選擇該第二電流限制信號作為該最終電流限制信號。
2. 如請求項1之電路，其中該第一電流限制信號為鋸齒波。
3. 如請求項1之電路，其中該第一電流限制信號為非鋸齒波。
4. 如請求項1之電路，其中該第二電流限制信號為定值。
5. 如請求項1之電路，其中該第二電流限制信號為非定值。
6. 如請求項1之電路，其中該電流限制信號控制器包括：反相器，將預設的第一信號反相為第二信號，該第一信號具有固定的開關週期比；第一D型正反器，具有時脈端接收該第二信號及資料輸入端接收該控制信號，據以決定第三信號；以及第二D型正反器，具有時脈端接收該控制信號及資料輸入端接收該第三信號，據以決定該切換信號。
7. 一種改善電源轉換器次諧波的方法，該電源轉換器藉比較最終電流限制信號及與功率開關電流相關的信號決定控制信號切換該功率開關，該方法包括：(A)提供第一電流限制信號及第二電流限制信號；(B)預設該第一電流限制信號為該最終電流限制信號；(C)偵測該控制信號的開關週期比；以及(D)當該開關週期比大於該預設的臨界值時，改以該第二電流限制信號作為該最終電流限制信號。
8. 如請求項1之方法，其中該第一電流限制信號為鋸齒波。
9. 如請求項1之方法，其中該第一電流限制信號為非鋸齒波。
10. 如請求項1之方法，其中該第二電流限制信號為定值。
11. 如請求項1之方法，其中該第二電流限制信號為非定值。
12. 一種改善電源轉換器次諧波的電路，該電源轉換器藉比較最終電流限制信號及與功率開關電流相關的信號決定控制信號切換該功率開關，該電路包括：多個電流限制信號產生器，提供多個電流限制信號；電流限制信號控制器，偵測該控制信號的開關週期比產生切換信號；以及選擇器，連接該多個電流限制信號產生器及控制器，根據該切換信號選擇該多個電流限制信號其中一個作為該最終電流限制信號；其中，當該開關週期比小於預設的臨界值時，該選擇器選擇該多個電流限制信號中的第一電流限制信號作為該最終電流限制信號；當該開關週期比大於該臨界值時，該選擇器依序選擇該第一電流限制信號以外的其他電流限制信號作為該最終電流限制信號後，再選擇該第一電流限制信號作為該最終電流限制信號。
13. 一種改善電源轉換器次諧波的方法，該電源轉換器藉比較最終電流限制信號及與功率開關電流相關的信號決定控制信號切換該功率開關，該方法包括：(A)提供多個電流限制信號；(B)預設該多個電流限制信號中的第一電流限制信號為該最終電流限制信號；(C)偵測該控制信號的開關週期比；(D)當該開關週期比小於預設的臨界值時，維持該第一電流限制信號為該最終電流限制信號，當該開關週期比大於該預設的臨界值時，依序選擇該第一電流限制信號之外的其他電流限制信號作為該最終電流限制信號；(E)在依序選擇該其他電流限制信號作為該最終電流限制信號之後，再選擇該第一電流限制信號作為該最終電流限制信號；以及(F)重覆步驟C、D及E。