TWI412217B - 用於功率轉換器之具有可程式化反饋電路的切換控制器 - Google Patents

用於功率轉換器之具有可程式化反饋電路的切換控制器 Download PDF

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Cheng Sung Chen
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Description

用於功率轉換器之具有可程式化反饋電路的切換控制器
本發明係關於功率轉換器(power converter)，且更明確而言，係關於功率轉換器之切換控制器(switching controller)。
圖1繪示升壓功率轉換器(boost power converter)之電路圖。輸入電壓VIN 供應至電感器20。整流器30連接於電感器20與升壓功率轉換器之輸出端之間，以提供輸出電壓VO 。輸出電壓VO 為經升壓之電壓，其高於輸入電壓VIN 。輸出電壓VO 用於對負載46供電，負載46舉例來說，可為脈波寬度調變(Pulse Width Modulation,PWM)切換電路。功率開關10耦接至電感器20與整流器30的接點執行能量切換以調整輸出電壓VO 。
在習知的升壓功率轉換器中，若輸入電壓VIN 為90VDC時，不論負載條件為何，輸出電壓VO 將升壓至大約380VDC。亦即，習知的升壓功率轉換器在負載46降低至輕負載條件時，其輸出電壓VO 仍維持在380VDC。然而在輕負載條件下，輸出電壓VO 僅需(例如)300VDC之準位即可滿足負載端的需求。因此，如上所述輕載時輸出電壓維持不變將降低轉換效率。冗餘之功率將消耗在功率開關10之切換損失及整流器30之功率損失上。
為了避免如上文所提及之冗餘功率消耗，圖2繪示用以解決此問題之習知切換控制器100a的示意圖。同時請參見圖1，升壓功率轉換器包括切換控制器100。切換控制器100之反饋端FB經由分壓器50耦接至升壓功率轉換器之輸出端。分壓器50包括兩個電阻器51及52，其串聯連接於升壓功率轉換器之輸出端與接地參考之間。電容器40並聯連接至分壓器50。而在電阻器51與52之接點產生在反饋端FB處接收到之輸出信號VFB 。
圖2繪示升壓功率轉換器之切換控制器100a的電路圖。切換控制器100a包括切換控制電路。切換控制電路包括振盪器110、反相器150、正反器155、及閘160以及比較器250。振盪器110產生脈衝信號PLS及斜坡信號RMP。正反器155接收供應電源VCC ，且正反器155由脈衝信號PLS經由反相器150計時，以在端點SW處致能切換信號VSW 。輸出信號。輸出信號VFB 經由反饋端FB供應至誤差放大器200a之負輸入端。第一開關120之第一端及第二開關130之第一端皆連接至誤差放大器200a之正輸入端。第一開關120之第二端供應有第一參考電壓VH 。第二開關130之第二端供應有第二參考電壓VL 。第二參考電壓VL 低於第一參考電壓VH 。第一開關120由節能信號SE 經由反相器140控制。第二開關130受節能信號SE 控制。誤差放大器200a產生反饋信號VCOM ，反饋信號VCOM 輸送至連接至電容器45的補償端COM。比較器250將斜坡信號RMP與反饋信號VCOM 進行比較。一旦斜坡信號RMP高於反饋信號VCOM ，便重置(reset)正反器155，且禁能切換信號VSW 。
切換控制器100a更包括比較器380，用以將反饋信號VCOM 與輕負載臨界值VTH 進行比較。在正常或重負載條件下，第一開關120導通，且誤差放大器200a之正輸入端供應有第一參考電壓VH 。隨著負載46之負載條件降低，輸出信號VFB 相應地增加，此將使反饋信號VCOM 降低。一旦反饋信號VCOM 低於輕負載臨界值VTH ，比較器380便產生節能信號SE ，以導通第二開關130。節能信號SE 亦經由反相器140截止第一開關120。因此，誤差放大器200a之正輸入端改由第二參考電壓VL 所供應。此情況進一步產生與誤差放大器200a之正輸入端供應第一參考電壓VH 時的反饋信號VCOM 相比一較低的反饋信號VCOM 。這個較低的反饋信號VCOM 使得切換信號VSW 之導通時間縮短。因此，輸出電壓VO 降低至(例如)300VDC，同時並足以供電給負載46。
當誤差放大器200a之負輸入端處的輸出信號VFB 隨著負載46之增加而降低時，反饋信號VCOM 即相應地增高。一旦反饋信號VCOM 高於輕負載臨界值VTH 時，便禁能節能信號SE ，且誤差放大器200a之正輸入端再次由第一參考電壓VH 所供應。
此進一步增高反饋信號VCOM 。使切換信號VSW 之導通時間得以擴展，且輸出電壓VO 再次升壓至(例如)380VDC，充分地為負載46供電。
如上文所提及，習知技術能夠解決輕負載條件時升壓功率轉換器之冗餘功率消耗的問題。然而，在習知技術中，於輕負載條件時，輸出電壓VO 之預定準位因為受嵌入切換控制器100a中之參考電壓VL 限制而為一固定值。此將限制升壓功率轉換器滿足其實際節能要求，即令輕負載條件時輸出電壓VO 之預定準位進一步從例如300 VDC降低至260 VDC。顯然的，上述的習知技術未能針對其負載所需之輸出電壓準位予以程式化而達到實際的節能要求。
本發明提出一種用於功率轉換器的切換控制器，其不僅能夠在不同負載條件下自適應地調整升壓功率轉換器之輸出電壓，同時並能於切換控制器外部對輸出電壓的預定準位予以程式化。
本發明提出一種用於升壓功率轉換器的切換控制器，包括切換控制電路及可程式化反饋電路。切換控制電路用於產生切換信號。可程式化反饋電路則經由分壓器耦接至所述升壓功率轉換器之輸出端。藉由比較分壓器產生的反饋信號是否低於輕負載臨界值來判斷於功率轉換器是否在輕負載條件下。可程式化反饋電路在輕負載條件時對分壓器提供可程式化電流，且可依據所述可程式化電流調整所述分壓器比率，而對所述升壓功率轉換器之輸出端處的輸出電壓之預定準位進行程式化。
本發明更提出另一種用於功率轉換器的切換控制器，包括切換控制電路、誤差放大器、電流源、開關及電源管理電路。切換控制電路用於產生切換信號，誤差放大器的第一端經由分壓器耦接至功率轉換器之輸出端，以接收輸出信號。且誤差放大器的第二端接收反饋臨界值。其中誤差放大器回應輸出信號及反饋臨界值而產生反饋信號。此外，電流源產生可程式化電流，而開關受控於節能信號，其中開關傳導可程式化電流，使得可程式化電流由電流源流向分壓器，以在輕負載條件下對輸出信號進行調變。並且，電源管理電路耦接至切換控制電路及誤差放大器，並產生節能信號。
本發明針對升壓功率轉換器的輸出電壓預定準位，在外部對所述準位進行程式化，以在輕負載條件下滿足實際節能要求，擴充了系統設計之彈性。本發明進一步針對在輕負載條件下減少轉換損失並提昇效率，且無需增加額外之電路與生產成本。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
請參見圖3，其繪示根據本發明實施例之升壓功率轉換器的切換控制器100b。切換控制器100b包括切換控制電路，切換控制電路包含振盪器110、反相器150、正反器155、及閘160及比較器250。圖3中之切換控制電路的操作已在圖2中闡釋，且在此省略。
如圖3所示，切換控制器100b之反饋端FB連接至誤差放大器200b之負輸入端。誤差放大器200b之正輸入端供應反饋臨界值VR 。誤差放大器200b接收輸出信號VFB 及反饋臨界值VR ，以產生反饋信號VCOM 。切換控制器100b更包括可程式化反饋電路。可程式化反饋電路包括誤差放大器200b、電流源210、開關215及電源管理電路300。誤差放大器200b耦接至切換控制電路以對切換信號VSW 進行調變。開關215連接於電流源210與切換控制器100b之反饋端FB之間。開關215受控於節能信號SE 。
圖4繪示電源管理電路300之實施例。電源管理電路300包括比較電路390及延遲電路350。在本實施例中，延遲電路350由多個串接的正反器310~340所形成，延遲電路350由脈衝信號PLS所供應，以提供延遲週期。比較電路390將反饋信號VCOM 與輕負載臨界值VTH 進行比較。當反饋信號VCOM 低於輕負載臨界值VTH 時(此情況表示進入輕負載條件)，比較電路390致能延遲電路350。延遲電路350接著在延遲電路350之延遲週期之後產生節能信號SE 。反饋信號VCOM 之準位亦代表在圖1中負載46之負載條件。因此，僅在功率轉換器之輕負載條件的持續時間比延遲電路350之延遲週期長時，才產生節能信號SE 。延遲週期有助於穩定升壓功率轉換器隨不同負載條件相應輸出不同電壓準位間的切換動作。
請同時參見圖3及圖4，電流源210的一端由供應電源VCC 所供應。電流源210之另一端經由開關215耦接至反饋端FB。在反饋信號VCOM 高於輕負載臨界值VTH 時，表示此時為正常或重負載條件。在正常或重負載條件下，串接之正反器310至340由比較電路390重置，且節能信號SE 保持禁能。對切換信號VSW 之導通時間進行調變，以滿足正常或重負載時的切換要求。
請同時參見圖1，當圖1中負載46之負載條件降低時，反饋信號VCOM 回應於輸出信號VFB 之增加而減小。一旦反饋信號VCOM 下降至低於輕負載臨界值VTH (表示此時進入輕負載條件)，便在延遲電路350之延遲週期之後致能節能信號SE 。一旦節能信號SE 在輕負載條件下導通開關215，電流源210之可程式化電流IQ 便自供應電源VCC 流向分壓器50，此將使輸出信號VFB 增高，因而降低了輸出電壓VO 。
由切換控制器100b調整之升壓功率轉換器的輸出電壓VO 可表達為：
其中R51 及R52 分別為電阻器51及52的電阻，電阻器51及52形成分壓器50；VR 為供應至誤差放大器200b的反饋臨界值。
等式(1)說明禁能節能信號SE 時之輸出電壓VO 的準位。等式(2)說明致能節能信號SE 時之輸出電壓VO 的準位。輸出電壓VO 可經由可程式化電流IQ 與調整分壓器50之等效電阻比率來程式化。
根據等式(2)，在輕負載條件下，輸出電壓VO 可被程式化至預定準位。此外，輕負載條件下輸出電壓VO 之預定準位可於切換式控制器外部調整，此大幅擴張了系統設計的彈性，可適應地滿足實際的節能要求。此外，本發明亦可在輕負載條件下減少轉換損失並提昇效率，且無需增加額外之電路與生產成本。
雖然本發明已以實施例揭露如上，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，故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。
10．．．功率開關
100、100a、100b．．．切換控制器
110．．．振盪器
120．．．第一開關
130．．．第二開關
140．．．反相器
150．．．反相器
155、310～340．．．正反器
160．．．及閘
20．．．電感器
200a、200b．．．誤差放大器
210．．．電流源
215．．．開關
250．．．比較器
30．．．整流器
300．．．電源管理電路
350．．．延遲電路
380．．．比較器
390．．．比較電路
40．．．電容器
45．．．電容器
46．．．負載
50．．．分壓器
51、52．．．電阻器
COM．．．補償端
FB．．．反饋端
IQ ．．．可程式化電流
PLS．．．脈衝信號
RMP．．．斜坡信號
SE ．．．節能信號
SW．．．端點
VCC ．．．供應電源
VCOM ．．．反饋信號
VFB ．．．輸出信號
VH ．．．第一參考電壓
VIN ．．．輸入電壓
VL ．．．第二參考電壓
VO ．．．輸出電壓
VR ．．．反饋臨界值
VSW ．．．切換信號
VTH ．．．輕負載臨界值
圖1繪示升壓功率轉換器之電路圖。
圖2繪示升壓功率轉換器之習知切換控制器的電路圖。
圖3繪示根據本發明實施例之升壓功率轉換器的切換控制器。
圖4繪示根據本發明實施例之切換控制器的電源管理電路。
100b．．．切換控制器
110．．．振盪器
150．．．反相器
155．．．正反器
160．．．及閘
200b．．．誤差放大器
210．．．電流源
215．．．開關
250．．．比較器
300．．．電源管理電路
COM．．．補償端
FB．．．反饋端
IQ ．．．可程式化電流
PLS．．．脈衝信號
RMP．．．斜坡信號
SE ．．．節能信號
SW．．．端點
VCC ．．．供應電源
VCOM ．．．反饋信號
VFB ．．．輸出信號
VR ．．．反饋臨界值
VSW ．．．切換信號

Claims (11)

  1. 一種用於功率轉換器的切換控制器，包括：一切換控制電路，其用於產生切換信號；以及一可程式化反饋電路，其經由一分壓器耦接至該功率轉換器之一輸出端，其中該可程式化反饋電路藉由比較該分壓器產生的該反饋信號是否低於一輕負載臨界值來判斷該功率轉換器是否在一輕負載條件下，該可程式化反饋電路並在該功率轉換器在該輕負載條件下時對該分壓器提供一可程式化電流，並藉由該分壓器以依據該可程式化電流以對該功率轉換器之該輸出端處的一輸出電壓的預定準位進行調整。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之切換控制器，該可程式化反饋電路包括：一誤差放大器，其具有一第一端，其該第一端用以自該分壓器接收一輸出信號，該誤差放大器更具有一第二端，其該第二端由一反饋臨界值所供應，其中該誤差放大器依據該輸出信號及該反饋臨界值而產生一反饋信號；一電流源，用以產生該可程式化電流；一開關，受控於一節能信號，其中該開關傳導該可程式化電流，將該可程式化電流由該電流源流向該分壓器，以在該輕負載條件下產生該節能信號時，對該輸出信號進行調變；以及一電源管理電路，耦接至該切換控制電路及該誤差放大器，用於產生該節能信號。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之切換控制器，該電源管理電路包括：一比較電路，比較該反饋信號及該輕負載臨界值，其中當該反饋信號低於該輕負載臨界值時，代表進入輕負載條件。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之切換控制器，該電源管理電路更包括：一延遲電路，自該切換控制電路接收一脈衝信號以提供一延遲週期，其中當該輕負載條件的一持續時間比該延遲週期長時，該延遲電路產生該節能信號。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之切換控制器，其中該誤差放大器耦接至該切換控制電路，用以對該切換信號進行調變。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之切換控制器，其中該功率轉換器為一升壓功率轉換器。
  7. 一種用於功率轉換器的切換控制器，包括：一切換控制電路，用於產生一切換信號；一誤差放大器，具有一第一端，其該第一端經由一分壓器耦接至該功率轉換器之一輸出端，以接收一輸出信號，該誤差放大器更具有一第二端，其該第二端由一反饋臨界值所供應，其中該誤差放大器依據該輸出信號及該反饋臨界值而產生一反饋信號；一電流源，產生一可程式化電流；一開關，受控於一節能信號，其中該開關傳導該可程 式化電流，將該可程式化電流由該電流源流向該分壓器，以在一輕負載條件下對該輸出信號進行調變；以及一電源管理電路，耦接至該切換控制電路及該誤差放大器，用以產生該節能信號。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之切換控制器，其中該分壓器可依據該可程式化電流而在該切換控制器外部調整，而對該功率轉換器之該輸出端處的一輸出電壓的預定準位進行程式化。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之切換控制器，其中當該反饋信號低於一輕負載臨界值時，表示進入輕負載條件。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之切換控制器，該電源管理電路包括：一比較電路，比較該反饋信號與該輕負載臨界值。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之切換控制器，該電源管理電路更包括：一延遲電路，由該切換控制電路接收一脈衝信號，以提供一延遲週期，其中該延遲週期可穩定該功率轉換器隨不同負載條件相應輸出不同電壓準位間的切換動作。
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