TWI462450B - 功率轉換器之控制電路以及離線功率轉換器之控制電路 - Google Patents

功率轉換器之控制電路以及離線功率轉換器之控制電路 Download PDF

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Description

功率轉換器之控制電路以及離線功率轉換器之控制電 路
本發明系有關於一種離線功率轉換器，特別是有關於一種離線功率轉換器之控制電路。
在傳統的離線功率轉換器(offline power converter)中，橋式整流器用來將交流輸入電壓(alternating current(AC)input voltage)整流為脈動直流輸入電壓(pulsating direct current(DC)input voltage)。一輸入電容器(例如大型電解電容器(electrolytic bulk capacitor)通常應用於橋式整流器之輸出，以將脈動直流輸入電壓濾波成為具有小漣波的較平滑輸入電壓。此大型電容器用來儲存能量，且提供最小輸入電壓以保證離線功率轉換器的適當操作。然而，與傳統技術比較起來，在不具有大型電容器提供之濾波操作下，脈動直流輸入電壓將會導致較高的輸出線漣波(line ripple)以及非線性的功率轉換操作。此外，大型電容器通常佔用功率轉換器中較大的空間。當排除使用大型電容器時，功率轉換器將具有較長壽命、較小尺寸以及大幅降低的製造成本等的優點。因此，業界期望提供一種控制電路，其能調節功率轉換器之輸出而不需要連接於功率轉換器之輸入的大型電容器。
本發明提供一種用於功率轉換器之控制電路。此控制電路包括切換電路、輸入電壓檢測電路以及電流限定臨界 值。切換電路根據回授信號來產生切換信號。此切換信號用來切換功率轉換器之變壓器以調節功率轉換器之輸出。當功率轉換器之輸入電壓低於低電壓臨界值時，輸入電壓檢測電路產生控制信號。回授信號依據功率轉換器之輸出而產生。切換信號之最大工作週期依據控制信號而增加。流經變壓器之切換電流之最大值由電流限制臨界值所限制。電流限定臨界值依據控制信號而增加。功率轉換器之輸入沒有耦接任何大型電解電容器。輸入電壓檢測電路透過變壓器來檢測功率轉換器之直流輸入電壓。功率轉換器之輸入電壓與功率轉換器之直流輸入電壓相關聯。
本發明提供一種用於功率轉換器之控制電路。此控制電路包括切換電路、輸入電壓檢測電路、臨界值產生電路以及最大工作週期電路。切換電路據回授信號來產生切換信號。此切換信號用來切換功率轉換器之變壓器以調節功率轉換器之輸出。當功率轉換器之輸入電壓低於低電壓臨界值時，輸入電壓檢測電路產生控制信號。臨界值產生電路產生電流限定臨界值，以限制流經變壓器之切換電流之最大值。回授信號依據功率轉換器之輸出而產生。電流限定臨界值依據控制信號而增加。最大工作週期電路產生最大工作週期信號，以限制切換信號之最大工作週期。切換信號之最大工作週期依據控制信號而增加。功率轉換器之輸入沒有耦接任何大型電解電容器。輸入電壓檢測電路透過變壓器來檢測功率轉換器之直流輸入電壓。功率轉換器之輸入電壓與功率轉換器之直流輸入電壓相關聯。
本發明提供一種用於離線功率轉換器之控制電路。此 控制電路包括切換電路、輸入電壓檢測電路、臨界值產生電路以及最大工作週期電路。切換電路根據回授信號來產生切換信號。此切換信號用來切換離線功率轉換器之變壓器以調節離線功率轉換器之輸出。當離線功率轉換器之輸入電壓低於輸入電壓臨界值時，輸入電壓檢測電路產生控制信號。臨界值產生電路產生電流限定臨界值，以限制流經變壓器之切換電流之最大值。最大工作週期電路產生最大工作週期信號，以限制切換信號之最大工作週期。回授信號依據離線功率轉換器之輸出而產生。電流限定臨界值依據控制信號而增加。切換信號之最大工作週期依據控制信號而增加。離線功率轉換器之輸入沒有耦接任何大型電解電容器。輸入電壓檢測電路透過變壓器來檢測離線功率轉換器之該輸入電壓。
為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
圖1系表示離線功率轉換器，其不具有連接離線功率轉換器之輸入的大型電容器(bulk capacitor)，例如電解電容器(electrolytic capacitor)。參閱圖1，功率轉換器包括橋式整流器35、變壓器10、功率開關20、感測電阻器30、控制電路100、檢測電阻器31、整流器40、輸出電容器45以及回授電路。變壓器10具有一次側繞組NP 、二次側繞組NS 以及輔助繞組NA 。回授電路包括電阻器52、電 壓調節器(基納二極體)60以及光耦合器50。橋式整流器35將一交流輸入電壓(alternating current(AC)input voltage)VAC 轉換為一直流輸入電壓(direct current(DC)input voltage)VIN 。控制器100產生切換信號SW ，其透過功率開關20來切換變壓器10。流經電壓器10之切換電流IP 產生跨於電流感測裝置(例如感測電阻器30)之電流感測信號VI 。檢測電阻器31耦接變壓器10之輔助繞組NA ，以獲得檢測信號VS 。檢測信號VS 施加至控制電路100之檢測端VS。切換信號SW 根據回授信號VFB 而產生，以調節功率轉換器之輸出。回授信號VFB 系透過電阻器52、電壓調節器60以及光耦合器50而自功率轉換器之輸出而獲得。整流器40以及輸出電容器45耦接變壓器10之二次側繞組NS ，以在功率轉換器之輸出產生輸出電壓VO 。
功率轉換器之輸出功率PO 可表示如下： 其中，VIN 表示直流輸入電壓VIN 之位准，TON 表示切換信號SW 之接通時間，LP 表示變壓器10之一次側繞組NP 的電感值，T表示切換信號SW 之切換週期，FW 表示切換信號SW 之切換頻率，且IA 表示當下一切換週期開始時存在於變壓器10內的連續電流(能量)。
式(1)表示操作在非連續電流模式 (discontinuous-current mode，DCM)以及/或邊界電流模式(boundary-current mode，BCM)下之功率轉換器的輸出功率PO 。式(2)表示操作在連續電流模式(continuous-current mode，CCM)下之功率轉換器的輸出功率PO 。
對於大多述的功率轉換器而言，切換信號SW 之最大接通時間TON 受到限制以避免變壓器10飽和。因此，一旦直流輸入電壓VIN 變低時，功率轉換器之輸出功率PO (輸出電壓VO )將變為較低，這將導致較高的輸出漣波(線漣波)。本發明提供一種控制電路，其可減少輸出漣波而不會使變壓器飽和。
圖2系表示根據本發明實施例之控制電路100。控制電路100包括位准移位元電路、脈波產生電路160、信號產生電路200以及切換電路。位准移位元電路包括電晶體110以及電阻器115、116、與117。切換電路包括比較器150與151、及閘153與175以及正反器170。回授信號VFB 施加至電晶體110之閘極。電阻器115之第一端以及電晶體110之汲極被施加控制電路100之供應電壓VCC 。電阻器116與117串聯於電晶體110之源極與參考接地之間。回授電壓VB 根據在電晶體110之閘極上的回授信號VFB 而產生於電阻器116與117之間的共同連接點。回授電壓VB 施加至比較器150之正端。電流感測信號VI 施加至比較器150與151之負端。信號產生電路200根據檢測信號VS 來產生過電流臨界值VT 。過電流臨界值VT 是一電流限定臨界值，用來限制流經變壓器10之切換電流IP 的最大值。過 電流臨界值VT 施加至比較器151之正端。比較器150比較回授電壓VB 與電流感測信號VI 以產生第一重置信號SRST1 。比較器151比較過電流臨界值VT 與電流感測信號VI 以產生第二重置信號SRST2 。第一重置信號SRST1 與第二重置信號SRST2 施加至及閘153之輸入。及閘153之輸出連接正反器170之重置端。一旦第一重置信號SRST1 或第二重置信號SRST2 變為邏輯低位准，正反器170將被重置。脈波產生電路160產生脈波信號PLS以致能正反器170。正反器170產生驅動信號SX 。信號產生電路200根據檢測信號VS 以及驅動信號SX 來產生最大工作週期信號SM 。最大工作週期信號SM 以及驅動信號SX 施加至及閘175之輸入以產生切換信號SW 。當電流感測信號VI 大於回授電壓VB 時，及閘153之輸出將根據第一重置信號SRST1 來重置正反器170，以禁能驅動信號SX 。正反器170被脈波信號PLS所致能，以產生驅動信號SX 以及切換信號SW 。一旦電流感測信號VI 大於過電流臨界值VT 時，驅動信號SX 以及切換信號SW 則進一步被禁能。
當功率轉換器操作在邊界電流模式以及連續電流模式時，輸出電壓VO 可表示為： 其中，φTON 表示進入至變壓器10之磁通量，以及φTOFF 表示釋放自變壓器10之磁通量。
式(1)與(2)表示出功率轉換器之輸出功率PO 系由直流輸入電壓VIN 以及接通時間TON 所支配。在直流輸入電壓VIN 相對低的情況下，較高的工作週期(TON /T)可增加輸出功率PO 。然而，在回路穩定方面，式(3)表示出較高的工作週期以及/或較高的直流輸入電壓VIN 將導致高回路增益。高回路增益可能導致反饋回路的穩定性問題。因此，根據本發明，當直流輸入電壓VIN 低於一低輸入臨界值VT1 時，控制電路100將增加切換信號SW 之最大接通時間TON 以減少輸出漣波。此外，一旦直流輸入電壓VIN 低於低輸入臨界值VT1 時，過電流臨界值VT 將增加以允許較高的切換電流IP 。較高的切換電流IP 可傳送較高的輸出功率PO 以減少線漣波，尤其是對於操作在連續電流模式下的功率轉換器而言更是如此。
圖3系表示根據本發明實施例信號產生電路200。信號產生電路200包括輸入電壓檢測器210、比較器215、臨界值產生電路以及最大工作週期電路。臨界值產生電路包括反相器216、電流源225與226、開關220以及電阻器227。最大工作週期電路包括反相器240、電流源235與236、開關230、電晶體241、電容器237以及比較器245。輸入電壓檢測器210以及比較器215形成輸入電壓檢測電路。輸入電壓檢測器210藉由接收檢測信號VS 來檢測直流輸入電壓VIN 以產生輸入電壓VINX 。輸入電壓VINX 的強度與輸入電壓VIN 的強度相關聯。輸入電壓檢測器210之詳細操作 可參見編號為7,671,578且名稱為“Detection Circuit for Sensing the Input Voltage of Transformer”的美國專利以及編號為7,616,461且名稱為“Control Method and Circuit with Indirect Input Voltage Detection by Switching Current Slope Detection”的美國專利，在此將省略敍述。輸入電壓VINX 更耦接比較器215以與低輸入臨界值VT1 進行比較，進而產生控制信號SIN 。當輸入電壓VINX 大於低輸入臨界值VT1 時，控制信號SIN 將變為邏輯高位准；反之，控制信號SIN 則將變為邏輯低位准。控制信號SIN 透過反相器216控制開關220。電流源225、開關220以及電阻器227串聯於供電電壓VCC 與參考接地之間。電流源226耦接於供電電壓VCC 與開關220和電阻器227的共同連接點之間。過電流臨界值VT 產生於開關220和電阻器227的共同連接點。當輸入電壓VINX 高於低輸入臨界值VT1 時，控制信號SIN 將變為邏輯高位准，且過電流臨界值VT 的第一強度由電流源226以及電阻器227所決定。當輸入電壓VINX 低於低輸入臨界值VT1 時，控制信號SIN 將變為邏輯低位准，且過電流臨界值VT 的第二強度由電流源225與226以及電阻器227所決定。過電流臨界值VT 的第二強度大於過電流臨界值VT 的第一強度。這表示，當輸入電壓VINX 低於低輸入臨界值VT1 時，可獲得較高的過電流臨界值VT 。
電流源235、開關230以及電晶體241串聯於供電電壓VCC 與參考接地之間。電流源236耦接於供電電源VCC 與開關230和電晶體241的共同連接點之間。電容器237耦接於開關230和電晶體241的共同連接點與參考接地之 間。驅動信號SX 透過反相器240來控制電晶體241。當控制信號SIN 變為被禁能(邏輯低位准)且驅動信號SX 正被致能(邏輯高位准)時，電容器237由電流源236充電。當控制信號SIN 被致能(邏輯高位准)時，開關230將接通，且電容器237將同由電流源235與236充電。當驅動信號SX 被禁能時，電容器237將立刻放電。跨於電容器237之電壓施加至比較器245之負端。比較器245之正端被施加臨界值VT2 。比較器245藉由比較跨於電容器237之電壓與臨界值VT2 來產生最大工作週期信號SM 。控制信號SIN 耦合以控制開關230以編程最大工作週期信號SM 。切換信號SW 之最大工作週期系依據控制信號SIN 而增加。每當驅動信號SX 被致能時，最大工作週期信號SM 被致能。當輸入電壓VINX 高於低輸入臨界值VT1 時，電容器237以及電流源235與236決定了最大工作週期信號SM 之脈波寬度。一旦當輸入電壓VINX 低於低輸入臨界值VT1 時，將只有電容器237以及電流源236來決定最大工作週期信號SM 之脈波寬度，因此，當輸入電壓VINX 低於低輸入臨界值VT1 時，可獲得具有較寬脈波寬度之最大工作週期信號SM 與切換信號SW 。
圖4系表示臨界值VT1 的強度以及輸入電壓VIN 與控制信號SIN 之波形。當輸入低輸入臨界值VT1 減少時，控制信號SIN 的脈波寬度增加；反之，控制信號SIN 的脈波寬度則減少。
圖5表示一次側控制功率轉換器，其不具有耦接一次側控制功率轉換器之輸入的大型電容器。不同於圖1之實 施例，表示輸出電壓VO 之回授信號系獲得自耦接變壓器10之輔助繞組NA 的分壓器。此分壓器系由電阻器31與32所形成。控制電路500根據來自變壓器10之輔助繞組NA 的檢測信號VS 來產生切換信號SW 。
圖6系表示根據本發明實施例之控制電路500。控制電路500包括反射電壓檢測器510、誤差放大器515、濾波器516、脈波產生電路560、信號產生電路200以及切換電路。切換電路包括比較器550與551、及閘553與575以及正反器570，且其操作如同圖2之切換電路。反射電壓檢測器510藉由對檢測信號VS 進行取樣以產生回授信號Vfb ，且將其施加至誤差放大器515之負端。一次側控制功率轉換器之詳細操作可參見編號為7,016,204且名稱為“Close-loop PWM Controller for Primary-side Controlled Power Converters”的美國專利。
誤差放大器515之正端接收參考電壓VREF 。誤差放大器515之輸出透過濾波器516而產生回授電壓VB 。回授電壓VB 施加至比較器550以與電流感測信號VI 進行比較，進而透過及閘553與正反器570來禁能驅動信號SX 。正反器570所產生之驅動信號SX 施加至及閘575之一輸入。及閘575之另一輸入接收最大工作週期信號SM 。及閘575之輸出產生切換信號SW 。信號產生電路200依據檢測信號VS 而產生最大工作週期信號SM 。正反器570由脈波信號PLS來致能，以透過及閘575來產生切換信號SW 。脈波信號PLS系由脈波產生電路560所產生。信號產生電路200產生過電流臨界值VT 。一旦過電流感測信號VI 高於過電 流臨界值VT 時，驅動信號SX 以及切換信號SW 更可被禁能。過電流臨界值VT 系用來限制切換電流IP 之最大值。比較器551接收電流感測信號VI 與過電流臨界值VT ，以透過及閘553來禁能正反器570。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，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，當可做些許的更動與潤飾，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准。
圖1：
10‧‧‧變壓器
20‧‧‧功率開關
30‧‧‧感測電阻器
31‧‧‧檢測電阻器
35‧‧‧橋式整流器
40‧‧‧整流器
45‧‧‧輸出電容器
50‧‧‧光耦合器
52‧‧‧電阻器
60‧‧‧電壓調節器(基納二極體)
100‧‧‧控制電路
IP ‧‧‧切換電流
NA ‧‧‧輔助繞組
NP ‧‧‧一次側繞組
NS ‧‧‧二次側繞組
SW ‧‧‧切換信號
VAC ‧‧‧交流輸入電壓
VFB ‧‧‧回授信號
VI ‧‧‧電流感測信號
VIN ‧‧‧直流輸入電壓
VO ‧‧‧輸出電壓
VS ‧‧‧檢測信號
圖2：
100‧‧‧控制電路
110‧‧‧電晶體
115、116、117‧‧‧電阻器
150、151‧‧‧比較器
153、175‧‧‧及閘
160‧‧‧脈波產生電路
170‧‧‧正反器
200‧‧‧信號產生電路
PLS‧‧‧脈波信號
SM ‧‧‧最大工作週期信號
SRST1 ‧‧‧第一重置信號
SRST2 ‧‧‧第二重置信號
SW ‧‧‧切換信號
SX ‧‧‧驅動信號
VB ‧‧‧回授電壓
VCC ‧‧‧供應電壓
VI ‧‧‧電流感測信號
VFB ‧‧‧回授信號
VS ‧‧‧檢測信號
VT ‧‧‧過電流臨界值
圖3：
200‧‧‧信號產生電路
210‧‧‧輸入電壓檢測器
215‧‧‧比較器
216‧‧‧反相器
225、226‧‧‧電流源
220‧‧‧開關
227‧‧‧電阻器
240‧‧‧反相器
235、236‧‧‧電流源
230‧‧‧開關
241‧‧‧電晶體
237‧‧‧電容器
245‧‧‧比較器
SIN ‧‧‧控制信號
SM ‧‧‧最大工作週期信號
SX ‧‧‧驅動信號
VCC ‧‧‧供應電壓
VINX ‧‧‧輸入電壓
VS ‧‧‧檢測信號
VT ‧‧‧過電流臨界值
VT1 ‧‧‧低輸入臨界值
VT2 ‧‧‧臨界值
圖4：
SIN ‧‧‧控制信號
VINX ‧‧‧輸入電壓
VT1 ‧‧‧低輸入臨界值
圖5：
10‧‧‧變壓器
20‧‧‧功率開關
30‧‧‧感測電阻器
31‧‧‧檢測電阻器
32‧‧‧電阻器
35‧‧‧橋式整流器
40‧‧‧整流器
45‧‧‧輸出電容器
500‧‧‧控制電路
IP ‧‧‧切換電流
NA ‧‧‧輔助繞組
NP ‧‧‧一次側繞組
NS ‧‧‧二次側繞組
SW ‧‧‧切換信號
VAC ‧‧‧交流輸入電壓
VI ‧‧‧電流感測信號
VIN ‧‧‧直流輸入電壓
VO ‧‧‧輸出電壓
VS ‧‧‧檢測信號
圖6：
200‧‧‧信號產生電路
500‧‧‧控制電路
510‧‧‧反射電壓檢測器
515‧‧‧誤差放大器
516‧‧‧濾波器
550、551‧‧‧比較器
553、575‧‧‧及閘
560‧‧‧脈波產生電路
570‧‧‧正反器
PLS‧‧‧脈波信號
SM ‧‧‧最大工作週期信號
SW ‧‧‧切換信號
SX ‧‧‧驅動信號
VB ‧‧‧回授電壓
VCC ‧‧‧供應電壓
Vfb ‧‧‧回授信號
VI ‧‧‧電流感測信號
VREF ‧‧‧參考電壓
VS ‧‧‧檢測信號
VT ‧‧‧過電流臨界值
圖1表示離線功率轉換器，其不具有連接功率轉換器之輸入的大型電容器；圖2表示圖1中功率轉換器之控制電路的實施例；圖3表示圖2中控制電路之信號產生電路的實施例；圖4表示圖3中信號產生電路之臨界值的強度以及輸入電壓與控制信號之波形；圖5表示一次側控制功率轉換器，其不具有耦接一次側控制功率轉換器之輸入的大型電容器；以及圖6表示圖5中一次側控制功率轉換器之控制電路的實施例。
100‧‧‧控制電路
110‧‧‧電晶體
115、116、117‧‧‧電阻器
150、151‧‧‧比較器
153、175‧‧‧及閘
160‧‧‧脈波產生電路
170‧‧‧正反器
200‧‧‧信號產生電路
PLS‧‧‧脈波信號
SM ‧‧‧最大工作週期信號
SRST1 ‧‧‧第一重置信號
SRST2 ‧‧‧第二重置信號
SW ‧‧‧切換信號
SX ‧‧‧驅動信號
VB ‧‧‧回授電壓
VCC ‧‧‧供應電壓
VI ‧‧‧電流感測信號
VFB ‧‧‧回授信號
VS ‧‧‧檢測信號
VT ‧‧‧過電流臨界值

Claims (11)

  1. 一種功率轉換器之控制電路，包括：一切換電路，根據一回授信號來產生一切換信號，該切換信號用來切換該功率轉換器之一變壓器以調節該功率轉換器之一輸出；以及一輸入電壓檢測電路，當該功率轉換器之一輸入電壓低於一低電壓臨界值時產生一控制信號；其中，該回授信號依據該功率轉換器之輸出而產生，且該切換信號之一最大工作週期依據該控制信號而增加。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之功率轉換器之控制電路，其中，流經該變壓器之一切換電流之一最大值由一電流限制臨界值所限制，且該電流限定臨界值依據該控制信號而增加。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之功率轉換器之控制電路，其中，該功率轉換器之輸入沒有耦接任何大型電解電容器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之功率轉換器之控制電路，其中，該輸入電壓檢測電路透過該變壓器來檢測該功率轉換器之一直流輸入電壓，且該功率轉換器之該輸入電壓與該功率轉換器之該直流輸入電壓相關聯。
  5. 一種功率轉換器之控制電路，包括：一切換電路，根據一回授信號來產生一切換信號，該切換信號用來切換該功率轉換器之一變壓器以調節該功率轉換器之一輸出；一輸入電壓檢測電路，當該功率轉換器之一輸入電壓 低於一低電壓臨界值時產生一控制信號；以及一臨界值產生電路，產生一電流限定臨界值，以限制流經該變壓器之一切換電流之一最大值；其中，該回授信號依據該功率轉換器之輸出而產生，且該電流限定臨界值依據該控制信號而增加。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之功率轉換器之控制電路，更包括：一最大工作週期電路，產生一最大工作週期信號，以限制該切換信號之一最大工作週期；其中，該切換信號之該最大工作週期依據該控制信號而增加。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之功率轉換器之控制電路，其中，該功率轉換器之輸入沒有耦接任何大型電解電容器。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之功率轉換器之控制電路，其中，該輸入電壓檢測電路透過該變壓器來檢測該功率轉換器之一直流輸入電壓，且該功率轉換器之該輸入電壓與該功率轉換器之該直流輸入電壓相關聯。
  9. 一種離線功率轉換器之控制電路，包括：一切換電路，根據一回授信號來產生一切換信號，該切換信號用來切換該離線功率轉換器之一變壓器以調節該離線功率轉換器之一輸出；一輸入電壓檢測電路，當該離線功率轉換器之一輸入電壓低於一輸入電壓臨界值時產生一控制信號；一臨界值產生電路，產生一電流限定臨界值，以限制 流經該變壓器之一切換電流之一最大值；以及一最大工作週期電路，產生一最大工作週期信號，以限制該切換信號之一最大工作週期；其中，該回授信號依據該離線功率轉換器之輸出而產生，該電流限定臨界值依據該控制信號而增加，且該切換信號之該最大工作週期依據該控制信號而增加。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之離線功率轉換器之控制電路，其中，該離線功率轉換器之輸入沒有耦接任何大型電解電容器。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之離線功率轉換器之控制電路，其中，該輸入電壓檢測電路透過該變壓器來檢測該離線功率轉換器之該輸入電壓。
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