TWI482976B - 偵測磁性裝置之連續電流模式運作的方法及裝置 - Google Patents

Description

偵測磁性裝置之連續電流模式運作的方法及裝置

本發明係有關於一種偵測一磁性裝置之一運作模式的方法及裝置，尤其是指一種偵測磁性裝置之一連續電流模式/非連續電流模式(CCM/DCM)運作的方法及裝置。

功率轉換器已頻繁被用於轉換一未調整電源為一恆定電壓源及/或一恆定電流源。為了解決功率損耗之問題，低導通阻抗電晶體已被用於取代整流二極體且提供功率轉換器之一同步整流。為了提高功率轉換器之效率，其非常重要的是要在磁性裝置運作於連續電流模式(continuous current mode,CCM)時，將同步整流器致能。當磁性裝置運作於非連續電流模式(discontinuous current mode,DCM)或連續電流模式下，系統特性與電路行為是不同地。並且，為了讓系統迴路穩定，連續電流模式/非連續電流模式之迴路補償應為不同。因此，若可辨識出連續電流模式運作，即有助於功率轉換器與功率修正因數(power factor correction,PFC)電路，以達到更佳效能。連續電流模式與非連續電流模式的詳細描述可參考美國專利第7,518,416號“Method and apparatus for detecting switching current of magnetic device operated in continuous current mode”與美國專利第7,570,038號“Control circuit to reduce reverse current of synchronous rectifier”。

請參閱第一圖，其為習用切換電路的電路圖。如圖所示，切換電路包含一磁性裝置10、一功率電晶體20、一電流感測裝置30與一控制電路(CONTROLLER)50。磁性裝置10之一端接收一輸入電壓V_IN 。磁性裝置10之另一端耦接功率電晶體20之一汲極。電流感測裝置30耦接於功率電晶體20之一源極與一接地端之間。控制電路50產生一切換訊號V_G 至功率電晶體20之一閘極，以控制功率電晶體20切換磁性裝置10。一切換電流I_P 將隨切換訊號V_G 之致能而產生。也就是說，切換電流I_P 被切換訊號V_G 致能。流經電流感測裝置30之切換電流I_P 將產生一電流訊號V_P 至控制電路50。電流訊號V_P 隨磁性裝置10之切換電流I_P 而產生。控制電路50依據回授訊號V_FB 與電流訊號V_P 產生切換訊號V_G 。

本發明目的之一，在於提供一種偵測方法及裝置，以偵測磁性裝置之運作模式，磁性裝置包含電感、變壓器及/或一馬達之繞組等。

本發明目的之一，在於提供一種偵測方法及裝置，以偵測磁性裝置之連續電流模式運作，磁性裝置包含電感、變壓器及/或馬達之繞組等。

本發明偵測磁性裝置之連續電流模式運作的方法，其依據磁性裝置之一切換電流產生一電流訊號，並取樣該電流訊號產生一第一電流訊號與一第二電流訊號。該方法更依據該第一電流訊號與該第二電流訊號產生一模式訊號。該模式訊號表示磁性裝置運作於連續電流模式或非連續電流模式。

本發明偵測磁性裝置之連續電流模式運作的裝置，其包含一第一取樣電路、一第二取樣電路與一仲裁器。該第一取樣電路取樣一電流訊號，以產生一第一電流訊號，該電流訊號關聯於該磁性裝置之一切換電流。該第二取樣電路取樣該電流訊號以產生一第二電流訊號。該仲裁器依據該第一電流訊號與該第二電流訊號產生一模式訊號，以表示該磁性裝置運作於連續電流模式或非連續電流模式。

茲為使　貴審查委員對本發明之技術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：請參閱第二圖，其係切換電流I_P 與切換訊號V_G 的波形圖。如圖所示，切換訊號V_G 與切換電流I_P 隨功率電晶體20之導通而產生。脈波寬度T_W 為切換訊號V_G 之一導通時間(on-time)。時序T_B 為切換訊號V_G 之導通時間的中間點。時序T_C 為切換訊號V_G 之導通時間的結束點。當切換訊號V_G 致能時，若一門檻電流I_A 存在於切換電流I_P ，則表示磁性裝置10運作於連續電流模式(CCM)。假如門檻電流I_A 為零，即表示磁性裝置10運作於非連續電流模式(DCM)。一平均電流I_B 為切換訊號V_G 之導通期間之切換電流I_P 的一平均值。一峰值電流I_C 為切換訊號V_G 之導通期間之切換電流I_P 的一峰值。假如兩倍的平均電流I_B 高於峰值電流I_C ，則門檻電流I_A 必定高於零且磁性裝置10將運作於連續電流模式。換言之，假如兩倍的平均電流I_B 小於峰值電流I_C ，則門檻電流I_A 必定等於零，而磁性裝置10將運作於非連續電流模式。磁性裝置10包含電感、變壓器及/或一馬達之繞組等等。

請參閱第三圖，其係本發明之控制電路50之一較佳實施例的電路圖。如圖所示，控制電路50包含一訊號產生器(SG)100、一PWM電路(PWM)200、一第一取樣電路、一第二取樣電路、電壓對電流轉換器(V/I)70、80與一仲裁器(ARBITER)90。PWM電路200依據回授訊號V_FB 與電流訊號V_P 產生切換訊號V_G 。訊號產生器100耦接PWM電路200並依據切換訊號V_G 產生一第一取樣訊號S_B 、一第二取樣訊號S_C 與一取樣訊號S_T 。第一取樣電路包含開關51、53與電容52、55。開關51受控於第一取樣訊號S_B ，並耦接於電流訊號V_P 與電容52之間。電容52耦接於開關51與接地端之間。開關53受控於取樣訊號S_T ，並耦接電容55與電容52之一訊號之間。電容55耦接於開關53與接地端之間。一第一電流訊號V_B 產生於電容55。簡而言之，第一取樣電路耦接訊號產生器100，以接收第一取樣訊號S_B 與取樣訊號S_T 。並且，第一取樣電路依據第一取樣訊號S_B 與取樣訊號S_T 取樣電流訊號V_P ，以產生第一取樣訊號V_B 。

第二取樣電路包含開關61、63與電容62、65。開關61受控於第二取樣訊號S_C ，並耦接電容62與電流訊號V_P 之間。電容62耦接於開關61與接地端之間。開關63受控於取樣訊號S_T ，並耦接於電容65與電容62之一訊號之間。電容65耦接於開關63與接地端之間。電容65產生一第二電流訊號V_C 。簡而言之，第二取樣電路耦接訊號產生器100，並接收第二取樣訊號S_C 與取樣訊號S_T 。並且，第二取樣電路依據第二取樣訊號S_C 與取樣訊號S_T 取樣電流訊號V_P ，並產生第二電流訊號V_C 。如上述所提到，第一取樣訊號S_B 與第二取樣訊號S_C 分別用於產生第一電流訊號V_B 與第二電流訊號V_C 。第一取樣電路與第二取樣電路藉由取樣電流訊號V_P ，而產生第一電流訊號V_B 與第二電流訊號V_C 。

電壓對電流轉換器70耦接第一取樣電路並接收第一電流訊號V_B ，以產生一平均電流I₁ 。電壓對電流轉換器80耦接第二取樣電路並接收第二電流訊號V_C ，以產生一峰值電流I₂ 。第一電流訊號V_B 與第二電流訊號V_C 經由電壓對電流轉換器70、80被轉換為平均電流I₁ 與峰值電流I₂ 。平均電流I₁ 與峰值電流I₂ 耦接仲裁器90，以產生一模式訊號S_M 。在此方式中，第一電流訊號V_B 相關於切換訊號V_G 之導通期間之電流訊號V_P 的一平均值。第二電流訊號V_C 相關於切換訊號V_G 之導通期間之電流訊號V_P 的一峰值。電流訊號V_P 相關於切換電流I_P (如第二圖所示)。因此，第一電流訊號V_B 相關於切換訊號V_G 之導通期間之切換電流I_P 的平均值，而第二電流訊號V_C 相關於切換訊號V_G 之導通期間之切換電流I_P 的峰值。模式訊號S_M 依據第一電流訊號V_B 與第二電流訊號V_C 而產生。模式訊號S_M 表示磁性裝置運作於連續電流模式或非連續電流模式。

請參閱第四圖，其係本發明之一較佳實施例之取樣訊號S_B 、S_C 與S_T 以及切換訊號V_G 的波形圖。如圖所示，第一取樣訊號S_B 與第二取樣訊號S_C 係隨切換訊號V_G 的致能而產生。此外，第一取樣訊號S_B 產生於切換訊號V_G 之導通期間。第二取樣訊號S_C 與切換訊號V_G 係同相位，且脈波寬度也相同。取樣訊號S_T 產生於切換訊號V_G 的導通時間之後。同時，取樣訊號S_B 、S_C 與切換訊號V_G 皆具有位在時序T₁ 之上升邊緣。第二取樣訊號S_C 與切換訊號V_G 具有位在時序T₃ 之下降邊緣。在時序T₁ 與時序T₃ 之間，第一取樣訊號S_B 具有位在時序T₂ 之下降邊緣。

第二取樣訊號S_C 之脈波寬度大於第一取樣訊號S_B 之脈波寬度。因為第一取樣訊號S_B 被禁能在切換訊號V_G 之導通時間的中間點(時序T₂ )，且第二取樣訊號S_C 被禁能在切換訊號V_G 之導通時間的結束點(時序T₃ )。因此，第一電流訊號V_B (如第三圖所示)被取樣於切換訊號V_G 之導通時間的中間點，且第二電流訊號V_C (如第三圖所示)被取樣於切換訊號V_G 之導通時間的結束點。藉由取樣訊號S_T 將儲存於電容52與62之訊號分別轉換至電容55與65。取樣訊號S_T 被產生於第二取樣訊號S_C 之結束點之後，而在時序T₄ 與時序T₅ ，之間。

請參閱第五圖，其係本發明之電壓對電流轉換器之一較佳實施例的電路圖。如圖所示，每一電壓對電流轉換器70與80包含一運算放大器71、一電晶體72、一電阻73與由電晶體85與86構成的一電流鏡。運算放大器71之正輸入端接收一輸入訊號V。輸入訊號V為第一電流訊號V_B 或第二電流訊號V_C (如第三圖所示)。運算放大器71之一負輸入端耦接電晶體72之一源極。電晶體72之一閘極耦接運算放大器71之一輸出端。電阻73耦接於運算放大器71與接地端之間。

藉由輸入訊號V除以電阻73，以產生一電流I₇₂ 於電晶體72之一汲極。電晶體85之一汲極接收電流I₇₂ 。電晶體85與電晶體86之閘極相互耦接，且電晶體85與電晶體86之閘極耦接電晶體85與電晶體72之汲極。電晶體85與電晶體86之源極耦接一供應電壓V_CC 。一輸出訊號I隨電流I₇₂ 產生於電晶體86之一汲極。輸出訊號I為平均電流I₁ 或峰值電流I₂ (如第三圖所示)。換言之，電晶體85之汲極接收電流I₇₂ 並藉由電流鏡鏡射電流I₇₂ 至電晶體86的汲極。因此，電流鏡接收電流I₇₂ 以產生輸出訊號I。電壓對電流轉換器接收輸入訊號V以產生輸出訊號I。

請參閱第六圖，其係本發明之仲裁器90之一較佳實施例的電路圖。如圖所示，仲裁器90包含一反相器95與電晶體92、93形成的一電流鏡。電晶體92之一汲極接收平均電流I₁ 。電晶體92與電晶體93之閘極相互耦接，且電晶體92與電晶體93之閘極耦接電晶體92之汲極。電晶體92與電晶體93之源極耦接於接地端。然而，電晶體93之幾何尺寸為電晶體92之幾何尺寸的兩倍。藉由電晶體92、93形成的電流鏡，電晶體93之一汲極產生一電流2I₁ ，電流2I₁ 為平均電流I₁ 的兩倍。

反相器95耦接電晶體93之汲極與峰值電流I₂ 。經由反相器95並比較峰值電流I₂ 與電流2I₁ ，而產生模式訊號S_M ，且電流2I₁ 為兩倍的平均電流I₁ 。假如兩倍的平均電流I₁ (電流2I₁ )高於峰值電流I₂ ，則模式訊號S_M 將被致能(高邏輯)。因此，假如兩倍的第一電流訊號V_B 高於第二電流訊號V_C (如第三圖所示)時，模式訊號S_M 則被致能。同時，模式訊號S_M 表示磁性裝置運作於連續電流模式。換言之，假如兩倍的第一電流訊號V_B 低於第二電流訊號V_C 時，模式訊號S_M 則被禁能，且磁性裝置運作於非連續電流模式。

請參閱第七圖，其係本發明之訊號產生器100之一較佳實施例的電路圖。如圖所示，一電晶體772之一閘極經由一反相器776接收切換訊號V_G 。切換訊號V_G 經由反相器776控制電晶體772。一電流源773耦接於供應電壓V_CC 與電晶體772之一汲極之間。電晶體772之一源極耦接於接地端。一電容775連接電晶體772之汲極與接地端之間。電晶體772並聯電容775，一旦電晶體772導通，電容775則會放電。電流源773連接於供應電壓V_CC ，用於左電晶體772截止時對電容775充電。因此，電流源773與電容775之電容值決定跨在電容775之電壓的脈波寬度(如第四圖所示，在時序T₁ 與時序T₂ 之間)。

切換訊號V_G 更傳送至一及閘779之一輸入端。及閘779之另一輸入端經由一反相器777耦接電容775與電晶體772之汲極。因此，及閘779之一輸出端產生第一取樣訊號S_B ，且電流源773與電容775之電容值決定第一取樣訊號S_B 之脈波寬度(在時序T₁ 與時序T₂ 之間)。第二取樣訊號S_C 經由一緩衝器778而隨切換訊號V_G 所產生，緩衝器778耦接切換訊號V_G 。第二取樣訊號S_C 之脈波寬度(如第四圖所示，在時序T₁ 與時序T₃ 之間)相關於切換訊號V_G 。

切換訊號V_G 經由一電晶體782之一閘極控制電晶體782。一電流源783耦接供應電壓V_CC 與電晶體782之一汲極之間。電晶體782之一源極耦接於接地端。一電容785連接於電晶體782之汲極與接地端之間。電晶體782並聯於電容785，一旦電晶體782導通時電容785則放電。電流源783連接供應電壓V_CC ，用於左電晶體782截止時對電容785充電。因此，電流源783與電容785之電容值決定跨在電容785之電壓的脈波寬度(如第四圖所示，在時序T₃ 與時序T₄ 之間)。

一電晶體792之一閘極經由一反相器787耦接電容785與電晶體782之汲極。一電流源793耦接於供應電壓V_CC 與電晶體792之一汲極之間。電晶體792之一源極耦接於接地端。一電容795連接於電晶體792之汲極與接地端之間。電晶體792並聯電容795，一旦電晶體792導通則對電容795進行放電。電流源793連接供應電壓V_CC ，用於左電晶體792截止時對電容795進行充電。因此，電流源793與電容795之電容值決定跨在電容795之電壓的脈波寬度(如第四圖所示，在時序T₄ 與時序T₅ 之間)。

復參閱第七圖，一及閘799之一第一輸入端經由一反相器796耦接電容795與電晶體792之汲極。及閘799之一第二輸入端耦接電容785與電晶體782之汲極。及閘799之一第三輸入端經由一反相器786接收切換訊號V_G 。因此，及閘799之一輸出端產生取樣訊號S_T ，且電流源793與電容795之電容值決定取樣訊號S_T 之脈波寬度(在時序T₄ 與時序T₅ 之間)。

請參閱第八圖，其係本發明之PWM電路200之一較佳實施例的電路圖。如圖所示，PWM電路200包含一震盪器(OSC)860、一反相器880、一D型正反器870、一及閘875與一比較器885。震盪器860產生一脈波訊號PLS。D型正反器870之一時脈輸入端ck經由反相器880接收脈波訊號PLS。反相器880耦接於震盪器860與D型正反器870之時脈輸入端ck之間。供應電壓V_CC 提供至D型正反器870之一D輸入端。來自功率轉換器之輸出端的回授訊號V_FB 供應至比較器885的一正輸入端。比較器885之一負輸入端連接電流感測裝置30(如第一圖所示)，以接收電流訊號V_P 。D型正反器870之一重置輸入端R耦接比較器885之一輸出端，以接收一清除訊號CLR。及閘875之一第一輸入端耦接反相器880之一輸出端。及閘875之一第二輸入端耦接D型正反器870之一輸出端Q。及閘875之一輸出端依據脈波訊號PLS與清除訊號CLR以產生切換訊號V_G ，而切換功率電晶體20(如第一圖所示)。當電流訊號V_P 高於回授訊號V_FB 時，比較器885產生清除訊號CLR，以週期性的禁能切換訊號V_G 。因此，功率轉換器之輸出可被調整。

故本發明實為一具有新穎性、進步性及可供產業上利用者，應符合我國專利法專利申請要件無疑，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，僅為本發明一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，故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。

10．．．磁性裝置

20．．．功率電晶體

30．．．電流感測裝置

50．．．控制電路

51．．．開關

52．．．電容

53．．．開關

55．．．電容

61．．．開關

62．．．電容

63．．．開關

65．．．電容

783．．．電流源

785．．．電容

786．．．反相器

787．．．反相器

792．．．電晶體

793．．．電流源

795．．．電容

796．．．反相器

799．．．及閘

80．．．電壓對電流轉換器

85．．．電晶體

86．．．電晶體

860．．．震盪器

870．．．D型正反器

875．．．及閘

880．．．反相器

885．．．比較器

90．．．仲裁器

92．．．電晶體

93．．．電晶體

95．．．反相器

100．．．訊號產生器

200．．．PWM電路

CLR．．．清除訊號

I．．．輸出訊號

I₁ ．．．平均電流

S_C ．．．第二取樣訊號

S_M ．．．模式訊號

70．．．電壓對電流轉換器

71．．．運算放大器

72．．．電晶體

73．．．電阻

772．．．電晶體

773．．．電流源

776．．．反相器

775．．．電容

777．．．反相器

778．．．緩衝器

779．．．及閘

782．．．電晶體

2I₁ ．．．電流

I₂ ．．．峰值電流

I₇₂ ．．．電流

I_A ．．．門檻電流

I_B ．．．平均電流

I_C ．．．峰值電流

I_P ．．．切換電流

PLS．．．脈波訊號

Q．．．輸出

T₁ ．．．時序

T₂ ．．．時序

T₃ ．．．時序

T₄ ．．．時序

T_B ．．．時序

T_C ．．．時序

T_W ．．．脈波寬度

V．．．輸入訊號

V_B ．．．第一電流訊號

V_C ．．．第二電流訊號

V_CC ．．．供應電壓

V_FB ．．．回授訊號

V_G ．．．切換訊號

V_IN ．．．輸入電壓

V_P ．．．電流訊號

R．．．重置輸入

S_B ．．．第一取樣訊號

S_T ．．．取樣訊號

第一圖係一習用切換電路的電路圖；

第二圖係本發明之一較佳實施例之切換電流與切換訊號的波形圖；

第三圖係本發明之控制電路之一較佳實施例的電路圖；

第四圖係第三圖之取樣訊號的波形圖；

第五圖係第三圖之電壓對電流轉換器之一較佳實施例的電路圖；

第六圖係第三圖之仲裁器之一較佳實施例的電路圖；

第七圖係第三圖之訊號產生器之一較佳實施例的電路圖；及

第八圖係第三圖之PWM電路之一較佳實施例的電路圖。

50．．．控制電路

51．．．開關

52．．．電容

53．．．開關

55．．．電容

61．．．開關

62．．．電容

63．．．開關

65．．．電容

V_P ．．．電流訊號

I₁ ．．．平均電流

I₂ ．．．峰值電流

S_B ．．．第一取樣訊號

70．．．電壓對電流轉換器

80．．．電壓對電流轉換器

90．．．仲裁器

100．．．訊號產生器

200．．．PWM電路

V_B ．．．第一電流訊號

V_C ．．．第二電流訊號

V_FB ．．．回授訊號

V_G ．．．切換訊號

S_C ．．．第二取樣訊號

S_M ．．．模式訊號

S_T ．．．取樣訊號

Claims (12)

1. 一種偵測磁性裝置之連續電流模式運作的方法，其包含有：依據該磁性裝置之一切換電流產生一電流訊號；取樣該電流訊號以產生一第一電流訊號與一第二電流訊號；以及依據該第一電流訊號與該第二電流訊號產生一模式訊號；其中，該切換電流被一切換訊號致能，該第一電流訊號相關於左該切換訊號之導通期間之該切換電流的一平均值，該第二電流訊號相關於左該切換訊號之導通期間之該切換電流的一峰值，該模式訊號表示該磁性裝置運作於一連續電流模式或一非連續電流模式。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包含依據該切換訊號之一致能，而產生一第一取樣訊號與一第二取樣訊號，該第一取樣訊號與該第二取樣訊號用於分別產生該第一電流訊號與該第二電流訊號，且該第二取樣訊號之一脈波寬度較長於該第一取樣訊號之一脈波寬度。
3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一電流訊號被取樣於該切換訊號之該導通時間的中間點，而該第二電流訊號被取樣於該切換訊號之該導通時間之結束點。
4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中兩倍之該第一電流訊號高於該第二電流訊號時，該模式訊號則致能。
5. 一種偵測磁性裝置之連續電流模式運作的裝置，其包含有：一第一取樣電路，取樣一電流訊號以產生一第一電流訊號，該電流訊號相關於該磁性裝置之一切換電流；一第二取樣電路，取樣該電流訊號以產生一第二電流訊號；以及一仲裁器，依據該第一電流訊號與該第二電流訊號產生一模式訊號，該模式訊號表示該磁性裝置運作於一連續電流模式或一非連續電流模式。
6. 如申請專利範圍第5項所述之裝置，其中該切換電流被一切換訊號致能，該第一電流訊號相關於該切換訊號之導通期間之該切換電流的一平均值，該第二電流訊號相關於該切換訊號之導通期間之該切換電流的一峰值。
7. 如申請專利範圍第6項所述之裝置，更包含一PWM電路，其產生該切換訊號以切換該磁性裝置。
8. 如申請專利範圍第5項所述之裝置，其中該第一電流訊號被取樣於一切換訊號之導通時間的中間點，而該第二電流訊號被取樣於該切換訊號之導通時間的結束點。
9. 如申請專利範圍第5項所述之裝置，其中兩倍之該第一電流訊號高於該第二電流訊號時，該仲裁器致能該模式訊號。
10. 如申請專利範圍第5項所述之裝置，更包含一訊號產生器，其依據一切換訊號之致能，產生一第一取樣訊號與一第二取樣訊號，該第一取樣訊號與該第二取樣訊號用於分別產生該第一電流訊號與該第二電流訊號，且該第二取樣訊號之一脈波寬度長於該第一取樣訊號之一脈波寬度。
11. 如申請專利範圍第5項所述之裝置，更包含一電流感測裝置，其依據該磁性裝置之該切換電流產生該電流訊號。
12. 如申請專利範圍第5項所述之裝置，更包含一電壓對電流轉換器，其轉換該第一電流訊號與該第二電流訊號為一平均電流與一峰值電流，該仲裁器依據該平均電流與該峰值電流產生該模式訊號。