TWI420789B

TWI420789B - Power conversion device

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Publication number: TWI420789B
Application number: TW099110637A
Authority: TW
Original assignee: Sitronix Technology Corp
Priority date: 2010-04-06
Filing date: 2010-04-06
Publication date: 2013-12-21
Also published as: TW201136111A

Description

電源轉換裝置

本發明係有關於一種轉換裝置，其係尤指一種可數位化與增加穩定性之電源轉換裝置。

按，現今直流對直流轉換裝置隨著其能力及使用的持續擴展而在現今社會日益普及。直流對直流轉換裝置被典型地用於將一個直流電壓準位轉換為另一期望的直流電壓位準。直流對直流轉換裝置可廣泛地用於多種環境。其中一種轉換裝置的開關切換週期不固定，即通常所說的脈衝頻率調變(Pulse Frequency Modulation，PFM)轉換裝置。另一種轉換裝置被稱為定頻轉換裝置，即通常所說的脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)轉換裝置。PWM轉換裝置通常分為兩類，即電壓模式轉換裝置和電流模式轉換裝置。

電壓模式轉換裝置包括一個控制迴路，其包含一誤差放大器、一PWM比較器與一個或多個驅動單元。該電壓模式轉換裝置的輸出電壓透過該誤差放大器與參考電壓相比較，以調整輸出電壓。該PWM比較器接收該誤差放大器的輸出作為其第一輸入，並且從外部裝置接收鋸齒或三角波信號作為其第二輸入。該PWM比較器的輸出為PWM信號，其被該驅動單元放大，且該驅動單元將依據PWM信號驅動開關。這種轉換裝置的優點在於架構簡單。其主要缺點是由於該誤差放大器需要較大的電容補償，導致精確度低及對暫態負載的響應慢。

電壓模式轉換裝置的控制電路只把輸出端的輸出電壓回授至控制電路，再由控制電路輸出脈波寬度調整訊號，以調整輸出電壓。但此種模式反應速度較慢，當負載變化的時候，系統需要較長的時間才能穩定。所以，另一種電流模式轉換裝置的控制方式可以解決上述之問題。請參閱第一圖，係為習知技術之直流對直流轉換裝置。如圖所示，習知技術之直流對直流轉換裝置包含一變壓器10’、一開關20’、一感測電阻30’、一第一電阻40’、一第二電阻42’、一誤差放大器50’、一比較器60’與一正反器70’。變壓器10’係接收一輸入電壓，並轉換輸入電壓而產生一輸出電壓，開關20’係耦接變壓器10’，感測電阻30’耦接開關20’，以感測流經開關20’之電流，而產生一感測訊號，第一電阻40’與第二電阻42’串聯，並耦接於變壓器10’之輸出端，且依據輸出電壓而產生一分壓訊號，誤差放大器50’係接收分壓訊號，而依據分壓訊號與一參考訊號，而產生一迴授訊號，比較器60’係比較迴授訊號與感測訊號，而產生一比較訊號，正反器70’耦接比較器60’，並依據一時脈訊號與比較訊號而產生一切換訊號，且傳送切換訊號至開關20’，以控制開關切換變壓器10’。另外，此誤差放大器50’係為集總名稱，常包含光耦合器與放大器等元件，用於隔離一二次側與放大誤差。

承上所述，請一併參閱第二圖，係為第一圖之直流對直流轉換裝置之時序圖。如圖所示，由於正反器70’所接收之時脈訊號會使正反器70’輸出之切換訊號為高準位，而使開關20’導通，此時變壓器10’之一變壓器100’的一次側電流會流過開關20’，此電流會流過感測電阻30’而產生感測訊號。另外，誤差放大器50’輸出之迴授訊號為緩慢變化的訊號，比較器60’係比較感測訊號與迴授訊號，當感測訊號大於迴授訊號時，則比較器60’輸出之比較訊號為高準位，使重置正反器70’以截止開關20’。若負載的電流變大使輸出電壓較小，或流經開關20’的電流較小，都會使導通開關20’的工作週期變大，而使輸出電壓調整回期望值。

然而，上述之直流對直流轉換裝置的架構並無法數位化，並且是採用電流峰值的方式，而會有穩定性的問題，且對系統雜訊很敏感。因此，如何針對上述問題而提出一種新穎電源轉換裝置，其可數位化電源轉換裝置，並可增加其穩定性，使可解決上述之問題。

本發明之目的之一，在於提供一種電源轉換裝置，其可有效數位化電源轉換裝置，進而降低轉換裝置的複雜度。

本發明之目的之一，在於提供一種電源轉換裝置，其藉由一控制電路依據一感測訊號與一迴授訊號而產生一切換訊號，以控制一開關進而控制一變壓器電流，以增加轉換裝置的穩定性。

本發明之電源轉換裝置包含一變壓器、一開關、一感測電路、一迴授電路與一控制電路。變壓器接收一輸入電壓，並轉換輸入電壓而產生一輸出電壓，開關係耦接變壓器，以切換變壓器，感測電路耦接開關，並偵測開關之一電流而產生一感測訊號，迴授電路係耦接變壓器，並依據輸出電壓而產生一迴授訊號，以及控制電路耦接開關、感測電阻與迴授電路，並相除感測訊號與迴授訊號，以決定一切換訊號之一工作週期，而產生切換訊號，切換訊號用以控制開關切換變壓器，以增加轉換裝置的穩定性，並且可有效數位化直流對直流轉換裝置，進而降低轉換裝置的複雜度。

習知技術：

10’‧‧‧變壓器

20’‧‧‧開關

30’‧‧‧感測電阻

40’‧‧‧第一電阻

42’‧‧‧第二電阻

50’‧‧‧誤差放大器

60’‧‧‧比較器

70’‧‧‧正反器

本發明：

10‧‧‧變壓器

12‧‧‧整流濾波電路

120‧‧‧二極體

122‧‧‧濾波電容

20‧‧‧開關

30‧‧‧感測電路

40‧‧‧迴授電路

42‧‧‧分壓電路

420‧‧‧第一電阻

422‧‧‧第二電阻

44‧‧‧放大器

50‧‧‧控制電路

500‧‧‧運算單元

501‧‧‧計時器

502‧‧‧驅動單元

504‧‧‧第一類比數位轉換單元

506‧‧‧第一取樣保持單元

508‧‧‧第二類比數位轉換單元

510‧‧‧第二取樣保持單元

第一圖係為習知技術之直流對直流轉換裝置之電路圖；第二圖係為第一圖之直流對直流轉換裝置之時序圖；第三圖係為本發明之一較佳實施例之電路圖；以及第四圖係為第三圖之一較佳實施例之時序圖。

茲為使貴審查委員對本發明之結構特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：請參閱第三圖，係為本發明之一較佳實施例之電路圖。如圖所示，本發明之直流對直流轉換裝置包含一變壓器10、一開關20、一感測電路30、一迴授電路40與一控制電路50。變壓器10係接收一輸入電壓，並轉換輸入電壓而產生一輸出電壓，其中變壓器10更耦接一整流濾波電路12。整流濾波電路12係耦接於變壓器10之一輸出端，並整流濾波變壓器10轉換後之輸出電壓。變壓器10具有一次側繞組與一二次側繞組，一次側繞組係接收輸入電壓，並轉換輸入電壓而產生輸出電壓，並由二次測繞組輸出該輸出電壓。整流濾波電路12包含一二極體120與一濾波電容122，二極體120耦接變壓器10之輸出端，以整流變壓器10所產生之輸出電壓，濾波電容122係耦接二極體120，以濾波二極體120輸出之輸出電壓。上述之變壓器10之結構為習知此技術領域中具有通常知識者所皆知的技術，故此不再多加以贊述。

開關20係耦接變壓器10，以控制變壓器10導通或截止，感測電路30係耦接開關20，並偵測開關20之電流而產生感測訊號，即當開關20導通時，感測電路30係會偵測流經過開關20之變壓器10的一次側繞組的電流，而產生感測訊號。其中，感測電路30之一較佳實施例為一電阻。迴授電路40係耦接變壓器10，並依據變壓器10之輸出電壓而產生一迴授訊號，控制電路50係耦接開關20、感測電阻30與迴授電路40，並依據感測電路30所產生之感測訊號與迴授電路40所產生之迴授訊號而產生一切換訊號，以控制開關20進而控制變壓器10之電流，而控制電路50係相除感測訊號與迴授訊號，以決定切換訊號之一工作週期，也就是將迴授訊號除以感測訊號而產生切換訊號，並將切換訊號傳送至開關20，以控制開關20的打開時間(turn ON)，進而控制變壓器10。如此，本發明藉由控制電路50以除法的方式產生切換訊號，以增加轉換裝置的穩定性，並且可以數位化。此外，控制電路50更依據一比例參數而決定切換訊號之工作週期，於此實施例中，控制電路50係乘上比例參數於切換訊號，而決定切換訊號的工作週期。又，本發明之電源轉換裝置可應用於直流對直流轉換裝置或是交流對直流轉換裝置。

再者，本發明之控制電路50包含一運算單元500、一計時器501與一驅動單元502。運算單元500係接收感測訊號與迴授訊號，並將迴授訊號除以感測訊號而決定切換訊號之工作週期，且產生切換訊號。計時器501係耦接運算單元500，並依據切換訊號之工作週期而進行計時，以產生一控制訊號，例如，計時器501接收切換訊號後，而得知切換訊號之打開時間(turn ON)為20毫秒(ms)，則計時器501則進行計時，當計時到20毫秒(ms)時，則產生控制訊號，並傳送控制訊號至驅動單元502。驅動單元502係耦接計時器501，並依據控制訊號而產生切換訊號，且驅動單元502將切換訊號傳送至開關20，以驅動開關20導通或截止。

此外，本發明之控制電路50更包括一第一類比數位轉換單元504、一第一取樣保持單元506、一第二類比數位轉換單元508與一第二取樣保持單元510。第一類比數位轉換單元504耦接感測電阻30與開關20，並接收感測訊號而轉換感測訊號，第一取樣保持單元506係耦接第一類比數位轉換單元504，並第一取樣保持單元506接收第一類比數位轉換單元504轉換後之感測訊號，且取樣感測訊號，而將取樣後之感測訊號傳送至運算單元500。第二類比數位轉換單元508係耦接迴授電路40，並第二類比數位轉換單元508接收迴授訊號，並轉換迴授訊號，第二取樣保持單元510耦接第二類比數位轉換單元508，並第二取樣保持單元510接收第二類比數位轉換單元508轉換後之迴授訊號，且取樣該迴授訊號，而將取樣後之迴授訊號傳送至運算單元500，以進行運算。如此，本發明藉由類比數位轉換單元與取樣保持單元而可有效數位化直流對直流轉換裝置，進而降低轉換裝置的複雜度。另外，第一類比數位轉換單元504與第二類比數位轉換單元508在硬體實現上，可以共用以節省電路硬體結構，進而達到節省成本。

又，本發明之迴授電路40包含一分壓電路42與一放大器44。分壓電路42耦接變壓器10之輸出端，並接收整流濾波電路12之輸出電壓，而產生一分壓訊號，放大器44係接收分壓訊號與一參考訊號，而依據分壓訊號與參考訊號，產生迴授訊號，其中，放大器44之一較佳實施例為一誤差放大器，其比較分壓訊號與參考訊號而產生迴授訊號。此外，分壓電路42包含一第一電阻420與一第二電阻422。第一電阻420係耦接整流濾波電路12之輸出端，以接收變壓器10之輸出電壓，第二電阻422係串聯第一電阻420，以產生分壓訊號。

請參閱第四圖，係為第三圖之一較佳實施例之時序圖。如圖所示，上面的波形為迴授訊號，中間的波形為感測訊號，感測訊號係關聯於迴授訊號，而下面的波形為切換訊號，切換訊號受控於感測訊號與迴授訊號，即感測訊號產生未達到迴授訊號時，切換訊號則為高準位訊號；當感測訊號量值與迴授訊號相同時，切換訊號為低準位訊號。本發明係藉由感測訊號之波形與迴授訊號之波形間的相關性，並利用等比三角形的公式，而得知切換訊號的工作週期，即第一取樣保持單元506於一第一取樣時間T₁取樣感測訊號為一第一取樣值M₁，第一取樣值M₁與迴授訊號之峰值C的關聯性為：其中，T為感測訊號之上升時間。

承上所述，由於感測訊號之上升時間T係等同於切換訊號之工作週期D乘上切換週期Ts，即D* Ts，而工作週期D常以百分比表示，因此，第一取樣值M₁與迴授訊號之峰值C的關聯性可變更為：其中，第一取樣時間T₁為一常數，取樣週期Ts也為常數，因此T₁/Ts亦為常數，因此，工作週期D係正比於C/M₁，如此，本發明之運算單元500係將迴授訊號C除以感測訊號的取樣值M，而決定切換訊號的工作週期。由於本發明係藉由第一取樣保持單元506取樣感測訊號，而可以得知流向變壓器100之二次側的電流，以避免電流過高而使系統損壞，進而增加其轉換裝置的穩定性。

綜上所述，本發明之電源轉換裝置係藉由一變壓器接收一輸入電壓，並轉換輸入電壓而產生一輸出電壓；一開關耦接變壓器，以切換變壓器；一感測電路耦接開關，並偵測開關之電流而產生一感測訊號；一迴授電路耦接變壓器，並依據輸出電壓而產生一迴授訊號；以及一控制電路耦接開關、感測電阻與迴授電路，並相除感測訊號與迴授訊號而決定一切換訊號之一工作週期，以產生一切換訊號，切換訊號用以控制開關切換變壓器。如此，本發明可有效數位化電源轉換裝置，進而降低轉換裝置的複雜度，並且可增加轉換裝置的穩定性。

本發明係實為一具有新穎性、進步性及可供產業利用者，應符合我國專利法所規定之專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈鈞局早日賜准專利，至感為禱。

惟以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。