TWI523386B - 控制電路以及控制方法 - Google Patents

控制電路以及控制方法 Download PDF

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TWI523386B TW103120453A TW103120453A TWI523386B TW I523386 B TWI523386 B TW I523386B TW 103120453 A TW103120453 A TW 103120453A TW 103120453 A TW103120453 A TW 103120453A TW I523386 B TWI523386 B TW I523386B
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陳榮昇
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    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

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Description

控制電路以及控制方法
本發明系關於一種可調式功率轉換器，特別是有關於一種可調式功率轉換器的控制電路。
可調式功率轉換器的輸出電壓係為可程式化，例如5伏(V)、9V、12V以及20V。因此，可調式功率轉換器可適用於各種不同的應用中。舉例來說，其可使用來對不同的移動裝置進行充電，例如智慧型手機、平板電腦以及筆記型電腦等等。每當輸出電壓切換至不同的輸出準位時，可調式功率轉換器應也可以適應性地調整其節能機制，以在輕負載或無負載狀態下節省功率。相關的節能技術可在名稱為”PWM controller having off-time modulation for power converter”且編號為6,545,882的美國專利、名稱為”Pulse width modulation controller having frequency modulation for power converter”且編號為6,597,159的美國專利、名稱為”PWM controller having adaptive off-time modulation for power saving”且編號為6,661,679的美國專利以及名稱為”Switching control circuit having off-time modulation to improve efficiency of primary-side controlled power supply”且編號為7,362,593的美國專利中獲得。
因此，產業期望提供一種頻率調變的方法與裝置，以達到可調式功率轉換器的節能。
本發明提供一種控制電路，用於可調式功率轉換器。此控制電路包括取樣維持電路、輸入電路、振盪電路以及脈寬調變電路。取樣維持電路耦接變壓器以產生輸出感測信號，其中，此輸出感測信號與可調式功率轉換器的輸出電壓相關聯。輸入電路接收回授信號，其中，此回授信號與可調式功率轉換器的輸出功率相關聯。振盪電路根據回授信號以及輸出感測信號來產生頻率信號。脈寬調變電路產生切換信號以切換變壓器並調節可調式功率轉換器的輸出電壓。切換信號系依據回授信號而產生。切換信號的頻率由頻率信號來決定。切換信號的頻率隨著回授信號的減少而減少。在輕負載狀態或無負載狀態下，切換信號的頻率隨著可調式功率轉換器的輸出電壓的增加而減少。在可調式功率轉換器的輸出電壓調節為第一輸出準位的情況下，一旦可調式功率轉換器的輸出功率下降至低於第一臨界值時，切換信號的頻率開始減少。在可調式功率轉換器的輸出電壓調節為第二輸出準位的情況下，一旦可調式功率轉換器的輸出功率下降至低於第二臨界值時，切換信號的頻率開始減少。第一輸出準位高於第二輸出準位，且第一臨界值高於第二臨界值。可調式功率轉換器的輸出電壓係為可程式化。
本發明提供一種控制方法，用以控制可調式功率轉換器。控制方法包括藉由對變壓器的反射信號進行取樣以產生輸出感測信號；接收回授信號，其中，此回授信號與可調式功率轉換器的輸出功率相關聯；依據回授信號以及輸出感測信號來產生 頻率信號；以及依據回授信號以及頻率信號來產生切換信號，以切換變壓器並調節可調式功率轉換器的輸出電壓。反射信號與可調式功率轉換器的輸出電壓相關聯。切換信號的頻率由頻率信號來決定。切換信號的頻率隨著回授信號的減少而減少。
在輕負載狀態或無負載狀態下，切換信號的頻率隨著可調式功率轉換器的輸出電壓的增加而減少。在可調式功率轉換器的所述輸出電壓調節為第一輸出準位的情況下，一旦可調式功率轉換器的輸出功率下降至低於第一臨界值時，切換信號的頻率開始減少。在可調式功率轉換器的輸出電壓調節為第二輸出準位的情況下，一旦可調式功率轉換器的輸出功率下降至低於第二臨界值時，切換信號的頻率開始減少。第一輸出準位高於第二輸出準位，且第一臨界值高於第二臨界值。可調式功率轉換器的輸出電壓係為可程式化。
第1圖：
10‧‧‧變壓器
20‧‧‧電晶體
25‧‧‧電阻器
30‧‧‧光耦合器
40‧‧‧整流器
45‧‧‧電容器
51、52‧‧‧電阻器
56、57‧‧‧電阻器
60‧‧‧運算放大器
70‧‧‧電容器
75‧‧‧電阻器
100‧‧‧控制電路
IO‧‧‧輸出電流
NA‧‧‧輔助線圈
NP‧‧‧一次側線圈
NS‧‧‧二次側線圈
SW‧‧‧切換信號
VCS‧‧‧切換電流信號
VFB‧‧‧回授信號
VIN‧‧‧輸入電壓
VO‧‧‧輸出電壓
VREF‧‧‧參考電壓
VS‧‧‧反射信號
第2圖：
100‧‧‧控制電路
111‧‧‧電阻器
112‧‧‧電晶體
117、118‧‧‧電阻器
120‧‧‧取樣維持電路
150‧‧‧電壓至電流轉換器
200‧‧‧振盪電路
300‧‧‧脈寬調變電路
CK‧‧‧頻率信號
IM‧‧‧調變信號
KVO‧‧‧輸出感測信號
RMP‧‧‧斜坡信號
SW‧‧‧切換信號
VA、VB‧‧‧回授信號
VCS‧‧‧切換電流信號
VFB‧‧‧回授信號
VS‧‧‧反射信號
第3圖：
150‧‧‧電壓至電流轉換器
151、152‧‧‧運算放大器
153‧‧‧電晶體
155、158‧‧‧電阻器
159‧‧‧電容器
161、162、163、164‧‧‧電晶體
165‧‧‧電流源
171、172‧‧‧電晶體
IM‧‧‧調變信號
IX‧‧‧電流信號
KVO‧‧‧輸出感測信號
VA‧‧‧回授信號
第4圖：
200‧‧‧振盪電路
210‧‧‧定電流源
211、212、213、216、217‧‧‧電晶體
230‧‧‧電容器
241、242‧‧‧開關
251、252‧‧‧比較器
253、254‧‧‧反及閘
256‧‧‧反相器
CK‧‧‧頻率信號
CKB‧‧‧反相頻率信號
IC‧‧‧充電電流
ID‧‧‧放電電流
IM‧‧‧調變信號
RMP‧‧‧斜坡信號
VH、VL‧‧‧跳變點電壓
第5圖：
300‧‧‧脈寬調變電路
310‧‧‧加法器
320‧‧‧比較器
350‧‧‧正反器
360‧‧‧緩衝器
RMP‧‧‧斜坡信號
CK‧‧‧頻率信號
SW‧‧‧切換信號
VB‧‧‧回授信號
VCS‧‧‧切換電流信號
VSAW‧‧‧信號
第6圖：
FH‧‧‧最大頻率
FL‧‧‧最小頻率
PO1‧‧‧第一臨界值
PO2‧‧‧第二臨界值
SW‧‧‧切換信號
VO1、VO2‧‧‧電壓準位
第1圖表示根據本發明一實施例的可調式功率轉換器。
第2圖表示根據本發明一實施例，在第1圖的可調式功率轉換器中的控制電路。
第3圖表示根據本發明一實施例，在第2圖的控制電路中的電壓至電流轉換器。
第4圖表示根據本發明一實施例，在第2圖的控制電路中的振盪電路。
第5圖表示根據本發明一實施例，在第2圖的控制電路中的脈 寬調變電路。
第6圖表示在不同輸出電壓準位下，切換信號的頻率對輸出功率的曲線。
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。
第1圖系表示根據本發明一實施例的可調式功率轉換器。此可調式功率轉換器系應用反馳遲式架構。變壓器10接收可調式功率轉換器的輸入電壓VIN。電晶體20耦接來切換變壓器10的一次側線圈NP。控制電路100在其端點SW上產生切換信號SW，以調節可調式功率轉換器的輸出電壓VO。當電晶體20導通時，流經變壓器10的一次側線圈NP的切換電流將產生跨越電阻器25的切換電流信號VCS。切換電流信號VCS被提供至控制電路100的端點CS。切換信號SW系根據在控制電路100的端點FB上所接收到的回授信號VFB來產生。回授信號VFB與可調式功率轉換器的輸出電壓VO以及輸出電流IO相關聯。詳細來說，回授信號VFB系與可調式功率轉換器的輸出功率相關聯。變壓器10更包括輔助線圈NA。電阻器51與52耦接輔助線圈NA以產生反射信號VS，此反射信號VS提供至控制電路100的端點VS。反射信號VS系表示變壓器的反映電壓。反射信號VS的準位與在變壓器10的去磁化期間中輸出電壓VO的準位相關聯。
變壓器10更包括二次側線圈NS，其透過整流器40以及電容器45來產生輸出電壓VO。運算放大器60包括參考電壓 VREF，其耦接操作放大器60的正輸入端(+)。運算放大器60在其負輸入端(-)上接收輸出電壓VO的衰減電壓，此述的輸出電壓VO的衰減電壓系由電阻器56與57所組成的分壓器所產生。電容器70以及電阻器75串聯耦接於運算放大器60的負輸入端以及輸出端。根據參考電壓VREF以及分壓器的信號，運算放大器60的輸出端將驅動光耦合器30，以在控制電路10的端點FB上提供回授信號VFB。因此，控制電路100將調節輸出電壓VO，如下式一(1)
第2圖系表示根據本發明一實施例的控制電路100。控制電路100包括取樣維持電路120，其接收反射信號VS以產生輸出感測信號KVO。輸出感測信號KVO系與輸出電壓VO相關聯。變壓器10的反射信號VS的取樣詳細方式可在名稱為”Close-loop PWM controller for primary-side controlled power converters”且編號為7,016,204的美國專利、名稱為”Multiple-sampling circuit for measuring reflected voltage and discharge time of a transformer”且編號為7,151,681的美國專利、名稱為”Causal sampling circuit for measuring reflected voltage and demagnetizing time of transformer”且編號為7,349,229的美國專利以及名稱為”Linear-predict sampling for measuring demagnetized voltage of transformer”編號為7,486,528的美國專利中獲得。
電晶體112以及電阻器111、117、與118組成輸入電路，其接收回授信號VFB並根據回授信號VFB產生回授信號VA與VB。在此輸入電路中，電晶體112與電阻器111對回授信號VFB執行準位移位元操作，以產生回授信號VA。詳細來說，回授信號VFB 的準位被移位元至回授信號VA的準位。電阻器117與118對回授信號VA執行衰減操作以產生回授信號VB。回授信號VA以及輸出感測信號KVO都提供至電壓至電流轉換器150，以產生調變信號IM。調變信號IM根據回授信號VA的減少而減少，調變信號IM根據輸出感測信號KVO的增加而減少，即是每當可調式功率轉換器的負載減少時，調變信號IM減少。在輕負載或無負載狀態下，每當可調式功率轉換器的輸出電壓VO增加時，調變信號IM減少。調變信號IM更耦接至振盪電路200，以產生頻率信號CK。切換信號SW的頻率系由頻率信號CK的頻率來決定。因此，切換信號SW的頻率將依據調變信號IM的減少而減少。換句話說，切換信號SW的頻率將依據回授信號VFB的減少而減少。
振盪電路200產生頻率信號CK以及斜坡信號RMP。頻率信號CK以及斜坡信號RMP耦接至脈寬調變(pulse width modulation，PWM)電路(PWM)300。脈寬調變電路300將根據頻率信號CK、斜坡信號RMP、切換電流信號VCS以及回授信號VB來產生切換信號SW。
第3圖系表示根據本發明一實施例的電壓至電流轉換器150。運算放大器151的正輸入端接收回授信號VA。電阻器158與電容器159的共同接點耦接運算放大器152的正輸入端。運算放大器152的正輸入端透過電阻器158接收輸出感測信號KVO。運算放大器151與152根據接收到的回授信號VA以及輸出感測信號KVO來產生電流信號IX。電流信號IX的增加/減少的斜率系由電阻器155所決定。電流信號IX可以式(2)來表示。
IX=(VA-KVO)÷R155--------------------------式(2)
電流信號IX更耦接至由電晶體161、162、163、164、171、與172所組成的多個電流鏡，以產生調變信號IM(如式(3)所示)。
IM=K0×(VA-KVO)÷R155---------------------式(3)其中，K0為一固定值，其由所述些多個電流鏡(電晶體161、162、163、164、171、與172)的比例來決定。
此外，調變信號IM的最大值被電流源165所限制。
第4圖系表示根據本發明一實施例的振盪電路200。調變信號IM以及定電流源210透過電晶體211、212、213、216、與217來產生充電電流IC以及放電電流ID。定電流源210提供一最小值給充電電流IC以及放電電流ID。充電電流IC以及放電電流ID的最小值決定了頻率信號CK以及切換信號SW的最小頻率。
充電電流IC以及放電電流ID系用來分別透過開關241與242來對電容器230充電及放電。斜坡信號RMP跨於電容器230而產生。斜坡信號RMP更耦接至比較器251與252。比較器251具有一跳變點電壓(trip-point voltage)VH。比較器252具有一跳變點電壓VL。跳變點電壓VH的準位高於跳變點電壓VL的準位。反及閘253與254形成閂鎖電路，其接收比較器251與252的輸出信號。此閂鎖電路以及反相器256一起工作來產生頻率信號CK以及反相頻率信號CKB。反相頻率信號CKB用來控制開關242，以實現電容器230的放電。頻率信號CK用來控制開關241，以實現電容器230的充電。調變信號IM將調變頻率信號CK的頻率。當調變信號IM的準位減少時，頻率信號CK的頻率以及切換信號SW的頻率將因此而減少。
第5圖系表示根據本發明一實施例的脈寬調變電路300的示範設計。正反器350將根據頻率信號CK的上升緣並透過緩衝器360以逐週期的方式來致能切換信號SW。在脈寬調變操作下，當信號VSAW高於回授信號VB時，切換信號SW將逐週期的被比較器320禁用。加法器310將斜坡信號RMP與切換電流信號VCS加總以產上述的信號VSAW。
第6圖系表示在不同輸出電壓準位VO1與VO2v下，切換信號SW的頻率對輸出功率PO的曲線。舉例來說，在輸出電壓VO調節為第一輸出準位VO1(例如12V)的情況下，當輸出功率下降至低於第一臨界值PO1時，切換信號SW的頻率將開始減少。切換信號SW的最大頻率FH系由調變信號IM的最大值與定電流源210的值的總和來決定。切換信號SW的最小頻率FL系由定電流源210的值決定。在輸出電壓VO調節為第二輸出準位VO2(例如5V)的情況下，當輸出功率下降至低於第二臨界值PO2時，切換信號SW的頻率將開始減少。第一輸出準位VO1高於第二輸出準位VO2。第一臨界值PO1高於第二臨界值PO2。
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準。
100‧‧‧控制電路
111‧‧‧電阻器
112‧‧‧電晶體
117、118‧‧‧電阻器
120‧‧‧取樣維持電路
150‧‧‧電壓至電流轉換器
200‧‧‧振盪電路
300‧‧‧脈寬調變電路
CK‧‧‧頻率信號
IM‧‧‧調變信號
KVO‧‧‧輸出感測信號
RMP‧‧‧斜坡信號
SW‧‧‧切換信號
VA、VB‧‧‧回授信號
VCS‧‧‧切換電流信號
VFB‧‧‧回授信號
VS‧‧‧反射信號

Claims (8)

  1. 一種控制電路，用於一可調式功率轉換器，包括：一取樣維持電路，耦接一變壓器以產生一輸出感測信號，其中，該輸出感測信號與該可調式功率轉換器的一輸出電壓相關聯；一輸入電路，接收一回授信號，其中，該回授信號與該可調式功率轉換器的一輸出功率相關聯；一振盪電路，根據該回授信號以及該輸出感測信號來產生一頻率信號；以及一脈寬調變電路，產生一切換信號以切換該變壓器並調節該可調式功率轉換器的該輸出電壓；其中，該切換信號系依據該回授信號而產生；其中，該切換信號的一頻率由該頻率信號來決定，且該切換信號的該頻率隨著該回授信號的減少而減少；以及其中，該可調式功率轉換器的該輸出電壓係為可程式化。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之控制電路，其中，在一輕負載狀態或一無負載狀態下，該切換信號的該頻率隨著該可調式功率轉換器的該輸出電壓的增加而減少。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之控制電路，其中，在該可調式功率轉換器的該輸出電壓調節為一第一輸出準位的情況下，一旦該可調式功率轉換器的該輸出功率下降至低於第一臨界值時，該切換信號的該頻率開始減少；以及 其中，在該可調式功率轉換器的該輸出電壓調節為一第二輸出準位的情況下，一旦該可調式功率轉換器的該輸出功率下降至低於一第二臨界值時，該切換信號的該頻率開始減少。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之控制電路，其中，該第一輸出準位高於該第二輸出準位，且該第一臨界值高於該第二臨界值。
  5. 一種控制方法，用以控制可調式功率轉換器，包括：藉由對一變壓器的一反射信號進行取樣以產生一輸出感測信號；接收一回授信號，其中，該回授信號與該可調式功率轉換器的一輸出功率相關聯；依據該回授信號以及該輸出感測信號來產生一頻率信號；以及依據該回授信號以及該頻率信號來產生一切換信號，以切換該變壓器並調節該可調式功率轉換器的一輸出電壓；其中，該反射信號與該可調式功率轉換器的該輸出電壓相關聯；以及其中，該切換信號的一頻率由該頻率信號來決定，且該切換信號的該頻率隨著該回授信號的減少而減少；以及其中，該可調式功率轉換器的該輸出電壓係為可程式化。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之控制方法，其中，在一輕負 載狀態或一無負載狀態下，該切換信號的該頻率隨著該可調式功率轉換器的該輸出電壓的增加而減少。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之控制方法，其中，在該可調式功率轉換器的該輸出電壓調節為一第一輸出準位的情況下，一旦該可調式功率轉換器的該輸出功率下降至低於一第一臨界值時，該切換信號的該頻率開始減少；以及其中，在該可調式功率轉換器的該輸出電壓調節為一第二輸出準位的情況下，一旦該可調式功率轉換器的該輸出功率下降至低於一第二臨界值時，該切換信號的該頻率開始減少。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之控制方法，其中，該第一輸出準位高於該第二輸出準位，且該第一臨界值高於該第二臨界值。
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