TWI429172B - 功率轉換器之切換式控制器 - Google Patents

Description

功率轉換器之切換式控制器

本發明係有關於一種功率轉換器，特別是指一種功率轉換器之切換式控制器。

一功率轉換器之一切換式控制器係用於調整未經調整之一輸入電壓為一輸出電壓。在習知功率轉換器中，常有一電流感測電阻與一功率開關串聯，藉以產生一電壓，該電壓表示流經該功率開關之一切換電流。然而，該電流感測電阻將造成無可避免的功率損耗，而該功率損耗在輕載情形下會降低功率轉換器之效率。

請參閱圖1，其係一習知功率轉換器。該功率轉換器包含一切換式控制器50、一電晶體20、一變壓器10、二極體11與21、電容12與22以及一二次側回授電路16。該切換式控制器50包含一脈寬調變電路30以及比較器31與32。該電晶體20係一高壓裝置，例如其為前述之功率開關。

該變壓器10包含一一次側繞組N_P 、一輔助繞組N_A 及一二次側繞組N_S 。該一次側繞組N_P 之一第一端接收一輸入電壓V_IN ，該一次側繞組N_P 之一第二端連接該電晶體20之一汲極。一汲極電壓V_D ，其係為一高壓訊號，取於該一次側繞組N_P 之該第二端與該電晶體20之該汲極的接點。一電流感測電阻25連接於該電晶體20之一源極與一一次側接地參考端之間。該二次側繞組N_S 之一第二端連接該二極體11之一陽極。該二次側繞組N_S 之一第一端連接一二次側接地參考端。該電容12連接於該二極體11之一陰極與該二次側繞組N_S 之該第一端之間。該輸出電壓V_O 跨於該電容12上。

該輔助繞組N_A 之一第一端連接該一次側接地參考端，該輔助繞組N_A 之一第二端連接該二極體21之一陽極。該電容22連接於該二極體21之一陰極與該一次側接地參考端之間。由該電容22取得一供應電壓V_CC 以供給電源至該切換式控制器50。

該二次側回授電路16包含一電阻13、一稽納二極體14及一光耦合器15。該電阻13之一第一端接收該輸出電壓V_O ，該電阻13之一第二端連接該稽納二極體14之一陰極，該稽納二極體14之一陽極連接該光耦合器15之一輸入端。一電阻33之一第一端接收該供應電壓V_CC ，該電阻33之一第二端連接該光耦合器15之一輸出端。因此，該光耦合器15之該輸出端由該電阻33所拉升。一回授訊號V_FB 依據該功率轉換器之該輸出電壓V_O 產生於該光耦合器15之該輸出端。

該電流感測電阻25轉換流經該電晶體20之一切換電流I_P 為一電流感測訊號V_CS 。該電流感測訊號V_CS 與一電流限制門檻V_LMT 分別被供應到該比較器31之一負端及一正端。該電流限制門檻V_LMT 係用於限制該切換電流I_P 之一最大值。一旦該電流感測訊號V_CS 超過該電流限制門檻V_LMT ，則該比較器31產生一第一訊號S_OC 至該脈寬調變電路30。該回授訊號V_FB 與該電流感測訊號V_CS 分別供應至該比較器32之一正端與一負端。一旦該電流感測訊號V_CS 超過該回授訊號V_FB ，該比較器32將產生一第二訊號S_RG 至該脈寬調變電路30。該脈寬調變電路30因而依據該第一訊號S_OC 與該第二訊號S_RG 產生一切換訊號S_PWM 以驅動該電晶體20。

請參閱圖2，其係圖1中該習知功率轉換器之該脈寬調變電路30。該脈寬調變電路30包含一振盪器301、一反相器302、一正反器303、一及閘304、反及閘305與306及一遮沒電路307。該振盪器301之一輸出端產生一脈衝訊號PLS，該脈衝訊號PLS經由該反相器302供應到該正反器303之一頻率輸入端ck，以致能該切換訊號S_PWM 。該正反器303之一輸出端Q連接到該及閘304之一第一輸入端。該反相器302之一輸出端連接到該及閘304之一第二輸入端。該及閘304之一輸出端產生該切換訊號S_PWM 。該正反器303之一輸入端D係接收該供應電壓V_CC 。該第一訊號S_OC 和該第二訊號S_RG 皆被供應到該反及閘305之兩輸入端，該反及閘305之一輸出端連接到該反及閘306之一第一輸入端。一旦該遮沒電路307之一輸入端所接收之該切換訊號S_PWM 變為邏輯高準位時，該遮沒電路307之一輸出端將輸出一邏輯低準位短脈波至該反及閘306之一第二輸入端。該反及閘306之一輸出端連接到該正反器303之一重置端R以重置該正反器303。

請參閱圖3，其係圖1中該習知功率轉換器之主要波形。當該切換訊號S_PWM 被禁能時，該電晶體20也將被截止。該電流感測訊號V_CS 因而被拉降到該一次側接地參考端之一準位，該準位相當於0伏特。因為該一次側繞組N_P 供應有該輸入電壓V_IN ，因而當該電晶體20截止時，該汲極電壓V_D 的準位實際上即相當於該輸入電壓V_IN 的準位。

當該切換訊號S_PWM 致能時，該電晶體20將會導通。該汲極電壓V_D 會被拉降到一電壓準位V_D1 且該電流感測訊號V_CS 相等於一電壓準位V₁ 。該電壓準位V_D1 、V₁ 可表示為如下：

V _{D 1} =I _{P 1} ×(R _DSON +R ₂₅ ) ---------------------------------------(1)

V ₁ =I _{P 1} ×R ₂₅ --------------------------------------------------(2)

其中，I_P1 為該切換訊號S_PWM 剛致能時，流經該電晶體20之該切換電流I_P 的一初始值；R₂₅ 為該電流感測電阻25之阻值；R_DSON 為該電晶體20之導通阻值。

在此期間，該輸入電壓V_IN 將開始供給該一次側繞組N_P 能量，其導致該汲極電壓V_D 以一第一斜率爬升。值得注意的是該電流感測訊號V_CS 也將以等於該第一斜率之一第二斜率爬升。

無論該電流感測訊號V_CS 超過該電流限制門檻V_LMT 或該回授訊號V_FB ，圖2所示之該正反器303將被重置而禁能該切換訊號S_PWM 。這將會截止該電晶體20。該汲極電壓V_D 將會再度被拉升至該輸入電壓V_IN 之準位，且該電流感測訊號V_CS 將會再度被拉降至該一次側接地參考端之準位。

本發明提供一功率轉換器之一切換式控制器，其包含一電流感測電路及一脈寬調變電路，該電流感測電路接收跨於一第一開關之一高壓訊號，以產生一電流感測訊號，該電流感測訊號表示流經該第一開關之一切換電流。該脈寬調變電路依據該電流感測訊號產生一切換訊號。該切換式控制器更包含一第一比較器、一第二比較器及一延遲電路。該第一比較器接收一電流限制門檻及該電流感測訊號，並在該電流感測訊號超過該電流限制門檻時，產生一第一訊號。該電流限制門檻係用以限制流經該第一開關之該切換電流之一最大值。

該第二比較器接收一回授訊號及該電流感測訊號。當該電流感測訊號超過該回授訊號時，該第二比較器產生一第二訊號。該回授訊號係與該功率轉換器之一輸出電壓相關聯。該脈寬調變電路耦接於該第一比較器與該第二比較器，以依據該第一訊號及該第二訊號產生該切換訊號。該延遲電路接收該切換訊號以產生一延遲切換訊號。該切換訊號驅動該第一開關之一控制端。

該電流感測電路包含一第二開關、一第三開關及一反相器，該第二開關耦接於該第一開關以接收該高壓訊號，該第二開關之一控制端受該延遲切換訊號所驅動。該第三開關耦接於該第二開關、該第一比較器及該第二比較器。該反相器接收該延遲切換訊號以控制該第三開關之一控制端。根據本發明之一實施例，該第一開關及該第二開關皆為高壓電晶體。

於該延遲切換訊號致能期間，該電流感測訊號及該高壓訊號以相同之斜率爬升。於該延遲切換訊號禁能期間，該第三開關將導通以將該電流感測訊號拉降至一接地參考端之一準位。該延遲電路提供一延遲時間，係避免當該第一開關截止時，該高壓訊號經由該第二開關傳導至該第一比較器與該第二比較器之情況發生。

本發明之一目的，在於提供一種功率轉換器之切換式控制器，其係免去串聯於一功率開關之一電流感測電阻之必要性，以減少製造成本。

本發明另一目的，在於提供一種功率轉換器之切換式控制器，以在輕載情形下可減少該功率轉換器之功率消耗。

本發明又一目的，在於提供一種功率轉換器之切換式控制器，以在輕載情形下可提高該功率轉換器之效率。

茲為使　貴審查委員對本發明之結構特徵及所達成之功效更有進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例圖及配合詳細之說明，說明如後：

請參閱圖4，其係本發明之一功率轉換器之一實施例的電路圖。該功率轉換器包含一切換式控制器100、一第一電晶體20、一變壓器10、二極體11與21、電容12與22及一二次側回授電路16。該切換式控制器100包含一脈寬調變電路30、一第一比較器31、一第二比較器32、一電流感測電路65及一延遲電路61。

該電流感測電路65包含一第二電晶體62及一第三電晶體64和一反相器63。根據本發明之一實施例，該些電晶體20和62皆為高壓裝置，例如為前述之功率開關。電晶體20、62和64皆作為開關。該變壓器10包含一一次側繞組N_P 、一輔助繞組N_A 及一二次側繞組N_S ，該一次側繞組N_P 之一第一端接收一輸入電壓V_IN ，該一次側繞組N_P 之一第二端連接到該第一電晶體20之一汲極。一汲極電壓V_D 為一高壓訊號，其取於該一次側繞組N_P 之該第二端與該第一電晶體20之該汲極的接點。該第一電晶體20之一源極連接到一一次側接地參考端。該二次側繞組N_S 之一第二端連接到該二極體11之一陽極，該二次側繞組N_S 之一第一端連接到一二次側接地參考端。該電容12連接於該二極體11之一陰極與該二次側繞組N_S 之該第一端之間。該輸出電壓V_O 跨於該電容12上。

該輔助繞組N_A 之一第一端連接到該一次側接地參考端，該輔助繞組N_A 之一第二端連接到該二極體21之一陽極。該電容22連接於該二極體21之一陰極與該一次側接地參考端之間。由該電容22取得一供應電壓V_CC 以供給電源至該切換式控制器100。

該二次側回授電路16包含一電阻13、一稽納二極體14及一光耦合器15。該電阻13之一第一端接收該輸出電壓V_O ，該電阻13之一第二端連接到該稽納二極體14之陰極，該稽納二極體14之一陽極連接到該光耦合器15之一輸入端，該光耦合器15之一輸出端由該切換式控制器100之一電阻33拉升。該電阻33之一第一端接收該供應電壓V_CC ，該電阻33之一第二端連接到該光耦合器15之該輸出端。一回授訊號V_FB 依據該功率轉換器之該輸出電壓V_O 而產生於該光耦合器15之該輸出端。因此，該回授訊號V_FB 係與該功率轉換器之該輸出電壓V_O 相關聯。

該延遲電路61之一輸入端與該第一電晶體20之一閘極皆連接到該脈寬調變電路30之一輸出端以接收一切換訊號S_PWM 。該切換訊號S_PWM 驅動該第一電晶體20之該閘極，該閘極為一控制端。該延遲電路61之一輸出端依據該切換訊號S_PWM 產生一延遲切換訊號S₁ 以控制該電流感測電路65。該延遲切換訊號S₁ 依據該切換訊號S_PWM 驅動該第二電晶體62之一閘極，而該閘極為一控制端。該第二電晶體62之一汲極接收該汲極電壓V_D ，該第二電晶體62之一源極連接到該第三電晶體64之一汲極、該第一比較器31與該第二比較器32。該第三電晶體64之一源極連接到該一次側接地參考端。該反相器63之一輸出端連接到該第三電晶體64之一閘極以控制該第三電晶體64，該閘極為一控制端。該反相器63之一輸入端連接到該第二電晶體62之一閘極以接收該延遲切換訊號S₁ 。

一電流感測訊號V_CS 取於該第二電晶體62之該源極，該電流感測訊號V_CS 表示流經該第一電晶體20之一切換電流I_P 。該電流感測訊號V_CS 被供應到該第一比較器31之一負端與該第二比較器32之一負端。該第一比較器31之一正端接收一電流限制門檻V_LMT ，該電流限制門檻V_LMT 係用於限制流經該第一電晶體20之該切換電流I_P 之一最大值。該第二比較器32之一正端接收該回授訊號V_FB 。一旦該電流感測訊號V_CS 超過該電流限制門檻V_LMT 時，該第一比較器31將產生一第一訊號S_OC 至該脈寬調變電路30。一旦該電流感測訊號V_CS 超過該回授訊號V_FB 時，該第二比較器32將產生一第二訊號S_RG 至該脈寬調變電路30。該脈寬調變電路30依據該第一訊號S_OC 和該第二訊號S_RG 產生該切換訊號S_PWM 。因此，該脈寬調變電路30依據該電流感測訊號V_CS 產生該切換訊號S_PWM 。

請參閱圖5，其係本發明之該功率轉換器之主要波形圖。請參閱圖4及圖5，在該切換訊號S_PWM 剛致能的情況下，該第一電晶體20將會開啟。由於不具有串聯於該第一電晶體20之電流感測電阻，所以該汲極電壓V_D 會被拉降至一電壓準位V₂ 。取於該第二電晶體62之該源極的該電流感測訊號V_CS 會保持0電壓，直到該第二電晶體62被該延遲切換訊號S₁ 所導通。該電壓準位V₂ 可被表示為如下：

V ₂ =I _{P 1} ×R _DSON 　----------------------------------------------(3)

其中I_P1 為該切換訊號S_PWM 剛致能時，流經該第一電晶體20之該切換電流I_P 的一初始值；及R_DSON 為該第一電晶體20之導通阻值。

該延遲電路61依據該切換訊號S_PWM 而於一延遲時間T_D 之後產生該延遲切換訊號S₁ 。位於該切換訊號S_PWM 之上升邊緣和該延遲切換訊號S₁ 上升邊緣之間的該延遲時間T_D ，用於避免當該第一電晶體20截止時，該汲極電壓V_D 經由該第二電晶體62傳導至該比較器31和32之情況發生。當該延遲切換訊號S₁ 致能時，該第二電晶體62將導通，且經由該反相器63截止該第三電晶體64。當該第二電晶體62導通時，該汲極電壓V_D 將經由該第二電晶體62被傳導，以於該第二電晶體62之該源極形成該電流感測訊號V_CS 。該電流感測訊號V_CS 將以一第一斜率於一電壓準位V₃ 開始爬升，該電壓準位V₃ 係大於該電壓準位V₂ 。該汲極電壓V_D 亦以相同於該第一斜率之一第二斜率爬升。

當該切換訊號S_PWM 與該延遲切換訊號S₁ 同時禁能，電晶體20和62將會截止，且經由該反相器63導通該第三電晶體64。當該第一電晶體20截止，該汲極電壓V_D 將立即被拉升至該輸入電壓V_IN 之準位。在此期間，因該第二電晶體62截止，該汲極電壓V_D 將不會被傳導至該第二電晶體62之該源極。該電流感測訊號V_CS 在該延遲切換訊號S₁ 禁能期間，將會被拉降至該一次側接地參考端之準位。

根據本發明之實施例，取得之該電流感測訊號V_CS 僅在該延遲切換訊號S₁ 產生時才會開始爬升。如此可避免當該第一電晶體20截止時，該汲極電壓V_D 經由該第二電晶體62傳導至比較器31和32之情況發生。

請參閱圖6，其係本發明之該延遲電路61之一實施例的電路圖。該延遲電路61包含一電流源611、一反相器612、一電晶體613、一電容614及一及閘615。該延遲電路61之一輸入端接收該切換訊號S_PWM 並連接到該反相器612之一輸入端與該及閘615之一第一輸入端。該反相器612之一輸出端連接到該電晶體613之一閘極。該電晶體613之一汲極連接到該及閘615之一第二輸入端。該電流源611連接於該供應電壓V_CC 與該電晶體613之該汲極之間。該電晶體613之一源極連接到該一次側接地參考端。該電容614連接於該電晶體613之該汲極與該一次側接地參考端之間。該及閘615之一輸出端連接到該延遲電路61之一輸出端以產生該延遲切換訊號S₁ 。因此，該延遲電路61接收該切換訊號S_PWM 以產生該延遲切換訊號S₁ 。圖5所示之該延遲時間T_D 係取決於該電流源611之該電流值及該電容614之電容值。

本發明之優點在於本發明之該電流感測電路65及該延遲電路61可不需現有技術之該電流感測電阻25(如圖1所示)，而可獲得該切換電流I_P 的資訊，並可降低製造成本，且可增進該功率轉換器於輕載狀態下之效率。

惟，以上所述，僅為本發明最佳之一的具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不局限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為准，凡合于本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包含于本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。

10．．．變壓器

11．．．二極體

12．．．電容

13．．．電阻

14．．．稽納二極體

15．．．光耦合器

16．．．二次側回授電路

20．．．電晶體

21．．．二極體

22．．．電容

25．．．電流感測電阻

30．．．脈寬調變電路

301．．．振盪器

302．．．反相器

303．．．正反器

304．．．及閘

305．．．反及閘

I_P ．．．切換電流

N_A ．．．輔助繞組

N_P ．．．一次側繞組

N_S ．．．二次側繞組

PLS．．．脈衝訊號

S₁ ．．．延遲切換訊號

S_OC ．．．第一訊號

S_PWM ．．．切換訊號

S_RG ．．．第二訊號

T_D ．．．延遲時間

V₁ ．．．電壓準位

306．．．反及閘

307．．．遮沒電路

31．．．第一比較器

32．．．第二比較器

33．．．電阻

50．．．切換式控制器

61．．．延遲電路

611．．．電流源

612．．．反相器

613．．．電晶體

614．．．電容

615．．．及閘

62．．．第二電晶體

63．．．反相器

64．．．第三電晶體

65．．．電流感測電路

100．．．切換式控制器

V₂ ．．．電壓準位

V₃ ．．．電壓準位

V_CC ．．．供應電壓

V_CS ．．．電流感測訊號

V_D ．．．汲極電壓

V_D1 ．．．電壓準位

V_FB ．．．回授訊號

V_IN ．．．輸入電壓

V_LMT ．．．電流限制門檻

V_O ．．．輸出電壓

圖1係一習知功率轉換器之電路圖；

圖2係該習知功率轉換器之一脈寬調變電路的電路圖；

圖3係該習知功率轉換器之主要波形圖；

圖4係本發明之一功率轉換器之一實施例的電路圖；

圖5係本發明之功率轉換器之主要波形圖；及

圖6係本發明之一延遲電路之一實施例的電路圖。

10．．．變壓器

11．．．二極體

12．．．電容

13．．．電阻

14．．．稽納二極體

15．．．光耦合器

16．．．二次側回授電路

20．．．電晶體

21．．．二極體

22．．．電容

30．．．脈寬調變電路

N_P ．．．一次側繞組

N_S ．．．二次側繞組

S₁ ．．．延遲切換訊號

S_OC ．．．第一訊號

S_PWM ．．．切換訊號

S_RG ．．．第二訊號

V_CC ．．．供應電壓

31．．．第一比較器

32．．．第二比較器

33．．．電阻

61．．．延遲電路

62．．．第二電晶體

63．．．反相器

64．．．第三電晶體

65．．．電流感測電路

100．．．切換式控制器

I_P ．．．切換電流

N_A ．．．輔助繞組

V_CS ．．．電流感測訊號

V_D ．．．汲極電壓

V_FB ．．．回授訊號

V_IN ．．．輸入電壓

V_LMT ．．．電流限制門檻

V_O ．．．輸出電壓

Claims (15)

1. 一種功率轉換器之切換式控制器，其包含：一電流感測電路，接收跨於一第一開關之一高壓訊號以產生一電流感測訊號，該電流感測訊號表示流經該第一開關之一切換電流；一第一比較器，接收一電流限制門檻與該電流感測訊號，以在該電流感測訊號超過該電流限制門檻時產生一第一訊號，該電流限制門檻用於限制流經該第一開關之該切換電流之一最大值；一第二比較器，接收一回授訊號及該電流感測訊號，並在該電流感測訊號超過該回授訊號時產生一第二訊號，該回授訊號係與該功率轉換器之一輸出電壓相關聯；一脈寬調變電路，耦接於該第一比較器與該第二比較器，以依據該第一訊號及該第二訊號產生一切換訊號；及一延遲電路，接收該切換訊號以產生一延遲切換訊號，該切換訊號驅動該第一開關之一控制端。
2. 如申請專利範圍第1項所述之功率轉換器之切換式控制器，其中該電流感測電路包含：一第二開關，耦接於該第一開關以接收該高壓訊號，該第二開關之一控制端受該延遲切換訊號所驅動；一第三開關，耦接於該第二開關、該第一比較器與該第二比較器；及 一反相器，接收該延遲切換訊號以控制該第三開關之一控制端。
3. 如申請專利範圍第2項所述之功率轉換器之切換式控制器，其中該第一開關與該第二開關皆為高壓電晶體。
4. 如申請專利範圍第2項所述之功率轉換器之切換式控制器，其中該電流感測訊號與該高壓訊號於該延遲切換訊號致能期間係以相同之斜率爬升。
5. 如申請專利範圍第2項所述之功率轉換器之切換式控制器，其中該第三開關於該延遲切換訊號禁能期間將被導通，以拉降該電流感測訊號至一接地參考端之準位。
6. 如申請專利範圍第2項所述之功率轉換器之切換式控制器，其中該延遲電路提供一延遲時間，其避免當該第一開關截止時，該高壓訊號經由該第二開關傳導至該第一比較器及該第二比較器之情況發生。
7. 一種功率轉換器之切換式控制器，其包含：一電流感測電路，接收跨於一第一開關之一高壓訊號，以產生一電流感測訊號，該電流感測訊號表示流經該第一開關之一切換電流；一脈寬調變電路，依據該電流感測訊號產生一切換訊號，該切換訊號驅動該第一開關；及一延遲電路，接收該切換訊號而產生一延遲切換訊號，以控制該電流感測電路。
8. 如申請專利範圍第7項所述之功率轉換器之切換式控制器，更包 含：一第一比較器，接收一電流限制門檻及該電流感測訊號，以在該電流感測訊號超過該電流限制門檻時產生一第一訊號，該電流限制門檻用於限制流經該第一開關之該切換電流之一最大值；及一第二比較器，接收一回授訊號與該電流感測訊號，並在該電流感測訊號超過該回授訊號時產生一第二訊號，該回授訊號係與該功率轉換器之一輸出電壓相關聯；其中，該脈寬調變電路依據該第一訊號與該第二訊號產生該切換訊號。
9. 如申請專利範圍第7項所述之功率轉換器之切換式控制器，其中該電流感測訊號於該延遲切換訊號禁能期間被拉降至一接地參考端之一準位。
10. 如申請專利範圍第7項所述之功率轉換器之切換式控制器，更包含：一第二開關，耦接於該第一開關以接收該高壓訊號，該第二開關受該延遲切換訊號所驅動；一第三開關，耦接於該第二開關；及一反相器，接收該延遲切換訊號以控制該第三開關。
11. 如申請專利範圍第10項所述之功率轉換器之切換式控制器，其中於該延遲切換訊號禁能期間，該第三開關將被導通以拉降該電流感測訊號至一接地參考端之一準位。
12. 如申請專利範圍第10項所述之功率轉換器之切換式控制器，其中該第二開關係一高壓電晶體。
13. 如申請專利範圍第7項所述之功率轉換器之切換式控制器，其中該延遲電路提供一延遲時間於該切換訊號之上升邊緣與該延遲切換訊號之上升邊緣之間。
14. 如申請專利範圍第7項所述之功率轉換器之切換式控制器，其中於該延遲切換訊號致能期間，該電流感測訊號與該高壓訊號係依相同的斜率爬升。
15. 如申請專利範圍第7項所述之功率轉換器之切換式控制器，其中該第一開關係一高壓電晶體。