TWI469478B - 用於控制功率轉換器的方法及其裝置 - Google Patents

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Description

用於控制功率轉換器的方法及其裝置
本發明是有關於一種功率轉換器及其控制方法，且特別是有關於一種具有自適應斜率補償功能的功率轉換器及其控制方法。
各種功率轉換器已廣泛地用以將來自電源的經調節電壓以及電流提供到負載。為了安全起見，離線功率轉換器必須在其一次側與其二次側之間提供隔離。在控制電路配備於功率轉換器的一次側的狀況下，需要光耦合器以及二次側調節器來調節功率轉換器的輸出電壓以及輸出電流。本發明的目標為提供用於在無需光耦合器以及二次側調節器的情況下在一次側控制功率轉換器的輸出電壓以及輸出電流的脈衝寬度調變(pulse width modulation，PWM)控制器。因此，功率轉換器的大小以及費用可減小。
本發明提供一種用於控制功率轉換器的方法。此方法包括以下步驟。根據回授信號以及斜坡信號產生切換信號，此切換信號經耦接以切換變壓器以用於調節功率轉換器的輸出。根據切換電流信號以及斜率補償信號產生斜坡信號。響應於輸入電壓信號而產生斜率補償信號。回應於功率轉換器的輸入電壓的電位而產生輸入電壓信號。回授 信號是根據功率轉換器的輸出產生，且切換電流信號與變壓器的切換電流相關。
在本發明的實施例中，斜率補償信號與切換信號同步。
在本發明的實施例中，切換電流信號的電位是通過功率轉換器的輸入電壓的電位控制。
在本發明的實施例中，輸入電壓信號是通過從變壓器的繞組進行檢測而產生。
在本發明的實施例中，此方法更包括以下步驟。限制切換信號的最大切換頻率。回應於從變壓器的繞組所檢測的信號而切換導通(switch on)切換信號。
本發明提供一種功率轉換器，其包括控制電路、第一分壓器以及變壓器。控制電路產生切換信號。第一分壓器耦接到控制電路。變壓器耦接到第一分壓器。變壓器以及第一分壓器回應於功率轉換器的輸入電壓的電位而產生輸入電壓信號。切換信號經耦接以根據回授信號以及斜坡信號切換變壓器以用於調節功率轉換器的輸出。控制電路包括第二分壓器以及信號產生單元。第二分壓器根據切換電流信號以及斜率補償信號產生斜坡信號。信號產生單元耦接到第二分壓器。信號產生單元響應於輸入電壓信號而產生斜率補償信號。回授信號是根據功率轉換器的輸出產生，且切換電流信號與變壓器的切換電流相關。
在本發明的實施例中，斜率補償信號與切換信號同步。
在本發明的實施例中，切換電流信號的電位是通過功率轉換器的輸入電壓的電位控制。
在本發明的實施例中，輸入電壓信號是通過從變壓器的繞組進行檢測而產生。
在本發明的實施例中，控制電路更包括脈衝產生電路。脈衝產生電路響應於從變壓器的繞組所檢測的信號而切換導通切換信號，且脈衝產生電路包括振盪電路。振盪電路包括用於限制切換信號的最大切換頻率的頻率限制單元。
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。
圖1繪示基於本發明的功率轉換器的說明性實例。橋式整流器30連接到輸入交流電壓VAC 以及電容器35以將輸入AC電壓VAC 轉換為DC輸入電壓VIN 。控制電路100產生用於通過功率電晶體20切換變壓器10的切換信號SW 。切換信號SW 是根據回授信號VB (圖2以及圖3中所示)產生以用於調節功率轉換器400的輸出。變壓器10的輔助繞組以及電阻器31以及32產生耦接到控制器100以用於產生回授信號VB 的信號VS 。整流器40以及電容器45耦接到變壓器10的二次繞組以用於產生功率轉換器400的輸出電壓VO 。當切換信號SW 開啟功率電晶體20時，變壓器10的切換電流IP 以及電流感測電阻器Re 將產生耦接到控制器100以用於電流模式脈寬調變的切換電流信號Ve 。
圖2繪示圖1的功率轉換器的回授機制。β表示檢測輸出電壓VO 的功能電路，且α表示根據誤差放大器A(s)的輸出信號VEA 產生回授信號VB 的功能電路。VR 為誤差放大器A(s)的參考電壓。H(s)表示功率轉換器400的輸出阻抗ZO ，其是通過電容器45以及功率轉換器400的輸出負載來決定。方塊PWM(s)表示功率轉換器400的切換級的轉換函數(△VO /△VB )。
其中ton 為切換信號SW 的開啟時間；T為切換信號SW 的切換週期；NP 以及NS 為變壓器10的一次以及二次繞組匝數；LP 為變壓器10的一次繞組的電感；VSL 為斜率補償信號VM 的部分值(part value)。
等式(1)表示PWM(s)轉換函數的增益回應於輸入電壓VIN 量的增大而增大。因此，斜率補償信號VM 的部分值VSL 經配置以回應於輸入電壓VIN 量的增大而增大，這會改善功率轉換器400的回授回路穩定性。
圖3繪示根據本發明的控制電路100的實施例。信號檢測電路110(在圖3中表示為V_DET)經耦接以檢測信號VS 以用於產生耦接到誤差放大器115的VDET 信號。誤 差放大器115包括參考電壓VREF 。電容器116耦接到誤差放大器115的輸出以用於頻率補償。誤差放大器115的輸出產生耦接到比較器150以用於產生脈寬調變的重設信號的回授信號VB 。
信號VB 耦接到比較器150的負輸入以與斜坡信號Vramp 比較，且產生對觸發器170重設以用於切斷切換信號SW 的信號。觸發器170是通過脈衝信號PLS開啟以用於產生切換信號SW 。脈衝信號PLS是由脈衝產生電路250響應於信號VS 而產生，信號VS 為變壓器10的輔助繞組的信號。斜坡信號VRAMP 是通過切換電流信號Ve 以及斜率補償信號VM 產生。輸入控制電路200(在圖3中表示為VIN _S)回應於輸入電壓VIN 的電位而產生調變信號IM 以及控制信號SH 。切換電流信號Ve 經耦接以通過由電阻器135以及136所形成的分壓器產生斜坡信號VRAMP 。控制信號SH 經耦接以通過開關140控制分壓器的比率。電容器130經耦接以接收調變信號IM 以用於產生斜率補償信號VM 。切換信號SW 經耦接以通過開關125以及反相器120將斜率補償信號VM 放電。因此，斜率補償信號VM 回應於切換信號SW 而同步。斜率補償信號VM 回應於調變信號IM 以及輸入電壓VIN 的增大而增大。
圖4繪示根據本發明的輸入控制電路200的實施例。輸入電壓檢測器210經耦接以通過信號VS 檢測輸入電壓VIN 以用於產生控制信號。此控制信號耦接到比較器215以與臨界值VT1 比較且產生信號SH 。信號SH 經進一步耦 接以控制開關216。當開啟開關216時，調變信號IM 的值是由電流源218以及219形成。輸入電壓檢測器210的詳細操作可見於美國專利7,671,578“用於感測變壓器的輸入電壓的檢測電路(Detection circuit for sensing the input voltage of transformer)”的現有技術；以及美國專利7,616,461“通過切換電流斜率檢測進行間接輸入電壓檢測的控制方法以及電路(Control method and circuit with indirect input voltage detection by switching current slope detection)”。
圖5繪示根據本發明的脈衝產生電路250的實施例。信號VS 耦接到比較器280以與臨界值VT2 比較，且一旦VS 低於臨界值VT2 ，則通過”及”閘285產生啟用信號SEN 。”及”閘285的另一輸入通過反相器281耦接到切換信號SW 。啟用信號SEN 的啟用指示變壓器10完全去磁。當脈衝信號PLS以及切換信號SW 回應於啟用信號SEN 的啟用而產生時，功率轉換器400在邊界電流模式(boundary current mode；BCM)下操作。
圖6繪示根據本發明的振盪電路300的實施例。充電電流IC 經耦接以通過開關315對電容器340充電。放電電流ID 經耦接以通過開關354對電容器340放電。開關315通過充電信號SC 控制。開關354通過放電信號SDM 控制。電容器340由此產生耦接到比較器361、362以及363的斜坡信號RMP。比較器361具有臨界值VH 。比較器362具有臨界值VL 。比較器363具有臨界值VHL ，且臨界值的電 位為VH >VHL >VL 。”反及”閘365、366形成經耦接以接收比較器361以及362的輸出信號的閂鎖電路(latch circuit)。閂鎖電路輸出放電信號SD 。放電信號SD 為最大頻率信號。放電信號SD 以及比較器363的輸出信號連接到”及”閘367以用於產生放電信號SDM 。放電信號SD 連接到反相器375以產生充電信號SC 。充電信號SC 連接到緩衝器376以產生脈衝信號PLS。放電信號SD 進一步耦接到”及”閘370以產生快速放電信號SFD 。快速放電信號SFD 以及啟用信號SEN 連接到”或”閘371。”或”閘371的輸出連接到”及”閘370的另一輸入。因此，一旦放電信號SD 被啟用，則啟用信號SEN 將觸發快速放電信號SFD 。僅當放電信號SD 被停用時，才可切斷快速放電信號SFD 。電流源359連接到開關358。開關358通過快速放電信號SFD 控制。由於電流源359的電流為高的，因此在快速放電信號SFD 被啟用時，電容器340將立即放電。在放電週期期間，斜坡信號RMP保持於臨界值VHL 的電位，直到啟用信號SEN 開始快速放電信號SFD 為止。其用於BCM或DCM(不連續電流模式)操作。一旦電容器340放電而低於臨界值VL ，則放電信號SD 將被停用。
因此一旦放電信號SD 被啟用，則啟用信號SEN 能夠觸發脈衝信號PLS。因此，充電電流IC 、放電電流ID 的電流、電容器340的電容以及臨界值VH 、VHL 、VL 確定放電信號SD 的最大頻率，且確定切換信號SW 的最大頻率。
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‧‧‧變壓器
20‧‧‧功率電晶體
30‧‧‧橋式整流器
31、32‧‧‧電阻器
35、45、116、130、340‧‧‧電容器
40‧‧‧整流器
100‧‧‧控制電路
110‧‧‧信號檢測電路
115‧‧‧誤差放大器
135、136‧‧‧電阻器
120、281、375‧‧‧反相器
125、140、216、351、354、358‧‧‧開關
150、215、280、361、362、363‧‧‧比較器
170‧‧‧觸發器
200‧‧‧輸入控制電路
210‧‧‧輸入電壓檢測器
218、219、359‧‧‧電流源
250‧‧‧脈衝產生電路
365、366‧‧‧“反及”閘
370、285‧‧‧“及”閘
371‧‧‧“或”閘
376‧‧‧緩衝器
400‧‧‧功率轉換器
SEN ‧‧‧啟用信號
SC ‧‧‧充電信號
SD 、SDM ‧‧‧放電信號
SFD ‧‧‧快速放電信號
SW ‧‧‧切換信號
SH ‧‧‧控制信號
IC ‧‧‧充電電流
ID ‧‧‧放電電流
IP ‧‧‧切換電流
IM ‧‧‧調變信號
VT1 、VT2 、VH 、VL 、VHL ‧‧‧臨界值
VAC ‧‧‧AC電壓
VIN ‧‧‧DC輸入電壓
VB ‧‧‧回授信號
VO ‧‧‧輸出電壓
VS ‧‧‧信號
Ve ‧‧‧切換電流信號
VEA ‧‧‧誤差放大器A(s)的輸出信號
VR ‧‧‧誤差放大器A(s)的參考電壓
VREF ‧‧‧參考電壓
VCC ‧‧‧系統電壓
VM ‧‧‧斜率補償信號
Vramp 、RMP‧‧‧斜坡信號
Re ‧‧‧電流感測電阻器
PLS‧‧‧脈衝信號
圖1繪示基於本發明的功率轉換器的說明性實例。
圖2繪示圖1的功率轉換器的回授機制。
圖3繪示根據本發明的控制電路100的實施例。
圖4繪示根據本發明的輸入控制電路200的實施例。
圖5繪示根據本發明的脈衝產生電路250的實施例。
圖6繪示根據本發明的振盪電路300的實施例。
10‧‧‧變壓器
20‧‧‧功率電晶體
30‧‧‧橋式整流器
31、32‧‧‧電阻器
35、45‧‧‧電容器
40‧‧‧整流器
100‧‧‧控制電路
400‧‧‧功率轉換器
SW ‧‧‧切換信號
IP ‧‧‧切換電流
VAC ‧‧‧AC電壓
VIN ‧‧‧DC輸入電壓
VO ‧‧‧輸出電壓
VS ‧‧‧信號
Ve ‧‧‧切換電流信號
Re ‧‧‧電流感測電阻器

Claims (10)

  1. 一種用於控制功率轉換器的方法，其包括：根據回授信號以及斜坡信號產生切換信號，所述切換信號經耦接以切換變壓器以用於調節所述功率轉換器的輸出；根據切換電流信號以及斜率補償信號產生所述斜坡信號；響應於輸入電壓信號而產生所述斜率補償信號；以及回應於所述功率轉換器的輸入電壓的電位而產生所述輸入電壓信號，其中所述回授信號是根據所述功率轉換器的所述輸出產生，且所述切換電流信號與所述變壓器的切換電流相關。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中所述斜率補償信號與所述切換信號同步。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中所述切換電流信號的電位是通過所述功率轉換器的所述輸入電壓的所述電位控制。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中所述輸入電壓信號是通過從所述變壓器的繞組進行檢測而產生。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包括：限制所述切換信號的最大切換頻率；回應於從所述變壓器的繞組所檢測的信號而切換導通所述切換信號。
  6. 一種功率轉換器，其包括：控制電路，其產生切換信號；第一分壓器，其耦接到所述控制電路；以及變壓器，其耦接到所述第一分壓器，其中所述變壓器以及所述第一分壓器回應於所述功率轉換器的輸入電壓的電位而產生輸入電壓信號，且所述切換信號經耦接以根據回授信號以及斜坡信號切換所述變壓器以用於調節所述功率轉換器的輸出，其中所述控制電路包括：第二分壓器，其中所述第二分壓器根據切換電流信號以及斜率補償信號產生所述斜坡信號；以及信號產生單元，其耦接到所述第二分壓器，其中所述信號產生單元響應於所述輸入電壓信號而產生所述斜率補償信號，其中所述回授信號是根據所述功率轉換器的所述輸出產生，且所述切換電流信號與所述變壓器的切換電流相關。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之功率轉換器，其中所述斜率補償信號與所述切換信號同步。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之功率轉換器，其中所述切換電流信號的電位是通過所述功率轉換器的所述輸入電壓的所述電位控制。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之功率轉換器，其中所述輸入電壓信號是通過從所述變壓器的繞組進行檢測而 產生。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之功率轉換器，其中所述控制電路更包括：脈衝產生電路，其響應於從所述變壓器的繞組所檢測的信號而切換導通所述切換信號，且所述脈衝產生電路包括振盪電路，其中所述振盪電路包括用於限制所述切換信號的最大切換頻率的頻率限制單元。
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