TWI493847B - 提供纜線補償於功率轉換器的調整電路及其方法 - Google Patents

Description

提供纜線補償於功率轉換器的調整電路及其方法

    本發明是關於一調整電路，尤其是關於一種結合一同步整流器之調整電路，以提供纜線補償於功率轉換器。

    請參閱第一圖，其為習知功率轉換器之電路圖。一脈寬調變控制器（PWM）30依據一回授訊號V_FB 而產生一切換訊號S_PWM ，而經由一功率電晶體20切換一變壓器10以調整功率轉換器之輸出。變壓器10具有一主繞組N_P 及一二次側繞組N_S 。變壓器10之主繞組N_P 接收一輸入電壓V_IN 。回授訊號V_FB 是由一光耦合器60依據功率轉換器之輸出電壓V_O 而產生。光耦合器60受控於一誤差放大器50。誤差放大器50產生一訊號V_F 以控制光耦合器60。誤差放大器50具有一參考訊號V_R ，誤差放大器50之一正輸入端接收參考訊號V_R ，而調整輸出電壓V_O 。輸出電壓V_O 經由電阻51、52構成之分壓電路而耦接至誤差放大器50之一負輸入端。ㄧ電容53耦接於誤差放大器50之負輸入端及誤差放大器50之一輸出端之間。
    二次側繞組N_S 耦接功率轉換器之一輸出端而產生輸出電壓V_O 。一整流器40耦接二次側繞組N_S 之一端。一輸出電容45耦接二次側繞組N_S 之另一端及功率轉換器之輸出端，以產生輸出電壓V_O 。一電阻62從電容45及整流器40耦接至光耦合器60。
    一般而言，功率轉換器之輸出纜線具有一電壓降，其與功率轉換器之輸出電流成比例。補償輸出纜線之ㄧ方式是偵測輸出電流而補償輸出纜線之電壓降。然而，當利用分流電阻(shunt resistor)而偵測輸出電流時，其會產生一顯著的功率消耗。本發明提供一補償輸出電壓之方法及裝置，且不需要藉由分流電阻偵測功率轉換器之輸出電流。

    本發明之目的之一，為提供一調整電路及方法，其用於補償功率轉換器之輸出纜線。調整電路及方法並不需要一分流電阻偵測功率轉換器之輸出電流，即可補償輸出電壓，以減少功率損耗。
    本發明之調整電路具有功率轉換器之輸出纜線補償，調整電路包含一訊號產生器及一誤差放大器。訊號產生器依據一同步整流訊號而產生一補償訊號。誤差放大器具有一參考訊號，用於依據功率轉換器之一輸出電壓而產生一回授訊號。補償訊號用於調整參考訊號。回授訊號用於產生一切換訊號，以調整功率轉換器之ㄧ輸出。
    本發明之用於功率轉換器之調整電路的一方法，其步驟包含接收同步整流訊號以產生補償訊號，並依據補償訊號補償調整電路之誤差放大器的參考訊號，及依據參考訊號與功率轉換器之輸出電壓而產生回授訊號。回授訊號用於產生切換訊號以調整功率轉換器之輸出。

    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，其為本發明具有一調整電路100的功率轉換器之ㄧ較佳實施例的電路圖。如圖所示，功率轉換器包含變壓器10、功率電晶體20、脈寬調變控制器（PWM）30、光耦合器60、一同步整流（synchronous rectifying，SR）控制器70、一功率電晶體75及調整電路（REG）100。功率電晶體20從變壓器10之主繞組N_P 耦接至接地端，以切換變壓器10。脈寬調變控制器30依據回授訊號V_FB 產生切換訊號S_PWM ，以切換功率電晶體20而調整功率轉換器之輸出（輸出電壓V_O 或/及輸出電流I_O ）。
    光耦合器60經由電阻62而耦接變壓器10之二次側繞組N_S 。光耦合器60依據輸出電壓V_O 產生回授訊號V_FB 至脈寬調變控制器30。二次側繞組N_S 耦接功率轉換器之輸出端以產生輸出電壓V_O 。輸出電容45耦接二次側繞組N_S 及功率轉換器之輸出端以產生輸出電壓V_O 。功率轉換器之輸出電壓V_O 經由輸出纜線輸出至負載。功率轉換器之輸出電流I_O 流經輸出纜線。
    功率轉換器具有一同步整流電路，其用於增進功率轉換器之效率。同步整流電路包含同步整流控制器70及功率電晶體75，功率電晶體75具有一寄生二極體76。功率電晶體75作為一同步整流器，並取代整流器40（如第一圖所示）以作為整流之用途。功率電晶體75之一汲極端耦接二次側繞組N_S ，功率電晶體75之一源極端耦接功率轉換器之輸出端。寄生二極體76耦接於功率電晶體75之汲極端及源極端之間。同步整流控制器70產生一同步整流訊號（SR訊號）S_SR ，並輸出至功率電晶體75之一閘極端，以控制功率電晶體75之導通/截止。
    同步整流電路之詳細運作請參考先前技術“Synchronous rectification circuit for power converters”，美國專利第7,440,298號。請參閱此先前專利案之方程式（9），其揭示：
　　--------------(1)
其中，T_charge 為切換訊號S_PWM 之導通時間T_ON ；T_discharge 為同步整流訊號S_SR 之導通週期；V_S 為一激磁電壓，其相關於功率轉換器之輸入電壓V_IN 。因此，方程式（1）可以重寫為方程式（2），
　　---------------(2)
其中，K為一常數。
    關於返馳式功率轉換器之一輸出功率P_O ，其可以被表示為：
　　　--------(3)
其中，L_P 為變壓器10之主繞組N_P 之電感值，T為切換訊號S_PWM 之切換週期。
    依據方程式（2）及（3），若輸出電壓V_O 為固定值，則週期T_SSR （同步整流訊號S_SR 之導通週期）是相關於輸出電流I_O 。換言之，同步整流訊號S_SR 可以用來取代輸出電流I_O ，以控制輸出電壓V_O 而達到纜線補償。
    調整電路100接收同步整流訊號S_SR 及訊號V_A 以產生訊號V_F 。訊號V_F 更驅動光耦合器60產生回授訊號V_FB 。訊號V_A 經由電阻51、52構成之分壓電路依據輸出電壓V_O 而產生。因此，調整電路100是用於依據輸出電壓V_O 而產生回授訊號V_FB 。於輸出纜線之輸出電壓V_O 的壓降可以藉由控制同步整流訊號S_SR 而進行補償。此外，一電阻115耦接調整電路100之一R_P 端。
    請參閱第三圖，其為本發明之調整電路之ㄧ較佳實施例的電路圖。如圖所示，一訊號產生器（S/I）200接收同步整流訊號S_SR 以產生一補償訊號I_COMP 。電阻115耦接訊號產生器200之R_P 端，以決定訊號產生的比例。電阻115用於依據同步整流訊號S_SR 而調整補償訊號I_COMP 之準位。一緩衝放大器110之一輸出端耦接一電阻117，緩衝放大器110具有一參考電壓V_R1 ，其耦接於緩衝放大器110之一正輸入端。電阻117更耦接訊號產生器200之一輸出端。緩衝放大器110之一負輸入端耦接緩衝放大器100之輸出端及電阻117。補償訊號I_COMP 及電阻117是用於產生一補償電壓於電阻117。
    一電阻165及一電容150構成一濾波器，其耦接訊號產生器200之輸出端及電阻117。電阻165從訊號產生器200之輸出端及電阻117耦接至電容150之一端。電容150之另一端耦接於接地端。經由濾波器，一參考訊號V_REF 產生於電容150。
         ---------(4)
濾波器之電容150用於對參考訊號V_REF 濾波。依據方程式（4），參考訊號V_REF 相關於補償訊號I_COMP 。因此，補償訊號I_COMP 可以調整及補償參考訊號V_REF 。由於補償訊號I_COMP 相關於同步整流訊號S_SR ，且同步整流訊號S_SR 相關於輸出電流I_O ，所以參考訊號V_REF 會對應輸出電流I_O （如第二圖所示）而被調整。此外，依據方程式（4），參考訊號V_REF 更相關於緩衝放大器110之參考電壓V_R1 。因此，緩衝放大器110耦接補償訊號I_COMP 以產生參考訊號V_REF 。
    一誤差放大器170接收參考訊號V_REF 及訊號V_A ，以產生訊號V_F 進而產生回授訊號V_FB （如第二圖所示）。誤差放大器170之一正輸入端及一負輸入端分別接收參考訊號V_REF 及訊號V_A 。誤差放大器170之一輸出端產生訊號V_F 。一電容175耦接於誤差放大器170之負輸入端及誤差放大器170之輸出端之間。
    請參閱第四圖，其為本發明之訊號產生器之ㄧ較佳實施例的電路圖。如圖所示，一脈波產生器210接收同步整流訊號S_SR 及依據同步整流訊號S_SR 而產生脈波訊號S₁ 與S₂ 。脈波訊號S₁ 與S₂ 之波形繪示於第五圖。當同步整流訊號S_SR 為禁能，第一脈波訊號S₁ 則為致能。一旦，第一脈波訊號S₁ 為禁能，第二脈波訊號S₂ 於一延遲時間後為致能。同步整流訊號S_SR 更用於控制一充電電路用以充電一電容250，以提供一電壓。電容250所提供之電壓相關於同步整流訊號S_SR 。充電電路包含一電流源230及一充電開關231。電流源230耦接於一供應電壓V_CC 及充電開關231之間，以經由充電開關231而充電該電容250。電容250從充電開關231耦接至接地端。充電開關231是由同步整流訊號S_SR 所控制。
    第一脈波訊號S₁ 用於控制一取樣開關232，以取樣電容250之電壓至一電容270。取樣開關232耦接於電容250及電容270之間。電容270更耦接於接地端。
    第二脈波訊號S₂ 用於控制一放電開關233，以放電該電容250。放電開關233耦接於電容250及接地端之間。電容270之電壓相關於電容250之電壓。電容270更耦接一電壓對電流轉換電路，以轉換電容270之電壓為一電流I₃₁₀ ，而產生補償訊號I_COMP 。換言之，電壓對電流轉換電路轉換電容250之電壓為電流I₃₁₀ ，以產生補償訊號I_COMP 。電壓對電流轉換電路包含一運算放大器300及一電晶體310。電阻115（位於R_P 端）耦接電壓對電流轉換電路。
    電容270耦接運算放大器300之一正輸入端。運算放大器300之一負輸入端耦接電晶體310之一源極端及經由R_P 端耦接電阻115。電晶體310之源極端經由R_P 端耦接電阻115。電壓對電流轉換電路依據電阻115（位於R_P 端）之電阻值，而轉換電容270之電壓為電流I₃₁₀ ，電流I₃₁₀ 位於電晶體310之一汲極端。電阻115用於依據同步整流訊號S_SR 而調整電流I₃₁₀ ，以調整補償訊號I_COMP 之準位。
    電晶體310之一閘極端受控於運算放大器300之一輸出端，以產生電流I₃₁₀ 。電流I₃₁₀ 更耦接至由電晶體311及312所構成之一電流鏡。電流鏡產生補償訊號I_COMP 。電晶體311及312之源極端皆耦接供應電壓V_CC 。電晶體311與312之閘極端及電晶體310及311之汲極端相互耦接。電晶體312之一汲極端產生補償訊號I_COMP 。
    綜上所述，本發明之功率轉換器之調整電路用於纜線補償，調整電路包含一訊號產生器，其依據一同步整流訊號而產生一補償訊號。一誤差放大器具有一參考訊號，用於依據功率轉換器之一輸出電壓而產生一回授訊號。補償訊號用於調整參考訊號。回授訊號用於產生一切換訊號，以調整功率轉換器之一輸出。本發明之調整電路補償輸出電壓，並不需要一分流電阻偵測功率轉換器之輸出電流，以減少功率消耗。
    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．．．變壓器

20．．．功率電晶體

30．．．脈寬調變控制器

40．．．整流器

45．．．電容

50．．．誤差放大器

51．．．電阻

52．．．電阻

53．．．電容

60．．．光耦合器

62．．．電阻

70．．．同步整流控制器

75．．．功率電晶體

76．．．寄生二極體

100．．．調整電路

110．．．緩衝放大器

115．．．電阻

117．．．電阻

150．．．電容

165．．．電阻

170．．．誤差放大器

175．．．電容

200．．．訊號產生器

210．．．脈波產生器

230．．．電流源

231．．．充電開關

232．．．取樣開關

233．．．放電開關

270．．．電容

300．．．運算放大器

310．．．電晶體

311．．．電晶體

312．．．電晶體

I₃₁₀ ．．．電流

I_COMP ．．．補償訊號

I_O ．．．輸出電流

N_P ．．．主繞組

N_S ．．．二次側繞組

S₁ ．．．第一脈波訊號

S₂ ．．．第二脈波訊號

S_PWM ．．．切換訊號

S_SR ．．．同步整流訊號

V_A ．．．訊號

V_CC ．．．供應電壓

V_F ．．．訊號

V_FB ．．．回授訊號

V_IN ．．．輸入電壓

V_O ．．．輸出電壓

V_R ．．．參考訊號

V_R1 ．．．參考電壓

V_REF ．．．參考訊號

第一圖為習知功率轉換器之電路圖；
第二圖為本發明之功率轉換器之ㄧ較佳實施例的電路圖；
第三圖為本發明之調整電路之ㄧ較佳實施例的電路圖；
第四圖為本發明之訊號產生器之ㄧ較佳實施例的電路圖；及
第五圖為本發明之SR訊號S_SR 及脈波產生器之脈波訊號S₁ 、S₂ 的波形圖。

10．．．變壓器

20．．．功率電晶體

30．．．脈寬調變控制器

45．．．電容

51．．．電阻

52．．．電阻

60．．．光耦合器

62．．．電阻

70．．．同步整流控制器

75．．．功率電晶體

76．．．寄生二極體

100．．．調整電路

115．．．電阻

I_O ．．．輸出電流

N_P ．．．主繞組

N_S ．．．二次側繞組

S_PWM ．．．切換訊號

S_SR ．．．同步整流訊號

V_A ．．．訊號

V_F ．．．訊號

V_FB ．．．回授訊號

V_IN ．．．輸入電壓

V_O ．．．輸出電壓

Claims (15)

1. 一種功率轉換器之調整電路，其包含：
   一訊號產生器，依據一同步整流訊號而產生一補償訊號；及
   一誤差放大器，具有一參考訊號，而依據該功率轉換器之ㄧ輸出電壓產生一回授訊號；
   其中，該補償訊號調整該參考訊號，該回授訊號用於產生一切換訊號，以調整該功率轉換器之ㄧ輸出。
2. 如申請專利範圍第1項所述之功率轉換器之調整電路，其更包含：
   一電阻，耦接該訊號產生器，以依據該同步整流訊號而調整該補償訊號之一準位。
3. 如申請專利範圍第1項所述之功率轉換器之調整電路，其更包含：
   一濾波器，耦接該參考訊號，以濾波該參考訊號。
4. 如申請專利範圍第3項所述之功率轉換器之調整電路，其中該濾波器包含：
   一電容，濾波該參考訊號。
5. 如申請專利範圍第1項所述之功率轉換器之調整電路，其中該同步整流訊號用於控制耦接該功率轉換器之一功率電晶體，該功率電晶體作為一同步整流器。
6. 如申請專利範圍第1項所述之功率轉換器之調整電路，其中該同步整流訊號相關於該功率轉換器之ㄧ輸出電流。
7. 如申請專利範圍第1項所述之功率轉換器之調整電路，其更包含：
   一緩衝放大器，具有一參考電壓及耦接該補償訊號，以產生該參考訊號。
8. 如申請專利範圍第1項所述之功率轉換器之調整電路，其中該訊號產生器包含：
   一電容，提供一電壓，以產生該補償訊號；及
   一充電電路，依據該同步整流訊號而充電該電容，以提供該電壓；
   其中，該電壓相關於該同步整流訊號。
9. 如申請專利範圍第8項所述之功率轉換器之調整電路，其中該訊號產生器更包含：
   一電壓對電流轉換電路，轉換該電壓為一電流，以產生該補償訊號；及
   一電阻，耦接該電壓對電流轉換電路，而依據該同步整流訊號調整該電流，以調整該補償訊號之一準位。
10. 一功率轉換器之ㄧ調整電路的一調整方法，其步驟包含：
    接收一同步整流訊號，而產生一補償訊號；
    依據該補償訊號補償該調整電路之ㄧ誤差放大器之ㄧ參考訊號；及
    依據該參考訊號及該功率轉換器之一輸出電壓，而產生一回授訊號；
    其中，該回授訊號用於產生一切換訊號，以調整該功率轉換器之一輸出。
11. 如申請專利範圍第10項所述之調整方法，其步驟更包含：
    依據該同步整流訊號而調整該補償訊號之一準位。
12. 如申請專利範圍第10項所述之調整方法，其中該同步整流訊號用於控制耦接該功率轉換器之一功率電晶體，該功率電晶體作為一同步整流器。
13. 如申請專利範圍第10項所述之調整方法，其中該同步整流訊號相關於該功率轉換器之一輸出電流。
14. 如申請專利範圍第10項所述之調整方法，其步驟更包含：
    依據該同步整流訊號充電一電容而提供一電壓，以產生該補償訊號；
    其中，該電壓相關於該同步整流訊號。
15. 如申請專利範圍第14項所述之調整方法，其步驟更包含：
    轉換該電壓為一電流，以產生該補償訊號；及
    依據該同步整流訊號而調整該電流，以調整該補償訊號之一準位。