TWI542121B - Dual - mode power supply switching control device - Google Patents

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Description

雙模電源切換控制裝置
本發明係有關於一種雙模電源切換控制裝置，尤其是可依據負載狀態而對返馳式轉換器進行動態選取非連續導通模式或連續導通模式。
不同的電子裝置需要特定的電源以提供電力，比如一般積體電路(IC)需要5V或3V，電動馬達需要12V直流電，而高功率裝置則需要如110V或220V的市電，而液晶顯示器中的燈管需要更高壓的電源，因此，產業界開發出適當的電源轉換器以滿足所需。
返馳式轉換器(Flyback Converter)是常被使用的交換式電源轉換器，具有架構簡單的優點，而且電壓調變範圍也較大，常應用於中小型功率的電子產品。返馳式轉換器主要是利用驅動器驅動開關元件，進而控制變壓器的電流，以產生所需的電源，同時利用被動式RCD緩振器(Snubber)以降低開關元件的電壓應力，並吸收變壓器中漏感所產生的電壓突波。
在習知技術中，一般是使用準諧振(Quasi-Resonant，QR)技術以操作返馳式轉換器，利用零電壓及/或零電流切換以降低開關元件之切換損失(Switching Loss)，提高轉換效率，而準諧振技術是以非連續導通模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM)驅動開關元件，可有效降低電感量，達到零電壓及/或零電流切換以及波谷切換(Valley Switching)，減少電磁干擾(EMI)，改善電氣操作的穩定度。具體而言，在使用 DCM操作時，開關元件的驅動是在變壓器一次側電流降為零時才切換打開。另一操作方式為連續導通模式(Continuous Conduction Mode，CCM)，是在變壓器一次側電流還未降為零時便切換打開開關元件的驅動，亦即一次側的電流為連續而始終不為零。
然而，習知技術的缺點在於非連續導通模式操作的準諧振返馳式轉換器具有較高的電流峰值及均方根(RMS)值，因此開關元件在重載時會有較高的導通損失(Conduction Loss)及截止切換損失(Turn-Off Switching Loss)，導致轉換效率降低。所以，非連續導通模式操作的準諧振返馳式轉換器不適合應用於高功率領域。此外，現有的操作方式一般都是使用各種固定設定的模式，或只操作在某一種模式，無法根據所選用的不同變壓器及其他元件而調整、變更操作模式或電氣參數以達到最高效率。
因此，需要一種雙模電源切換控制裝置，是以數位方式而實現，適合輕載至重載範圍的應用，並可自動判斷負載狀態以及切換非連續導通模式、連續導通模式，藉以改善電源轉換效率，解決上述習用技術的問題。
本發明之主要目的在於提供一種雙模電源切換控制裝置，包括變壓器、脈波寬度調變驅動控制器、切換電晶體、隔離元件、輸出二極體、輸出電容，係用以將輸入電源轉換成輸出電源以供電給外部負載，其中變壓器、脈波寬度調變驅動控制器、切換電晶體及輸入電源形成驅動控制迴路，變壓器、輸出二極體、輸出電容及隔離元件形成回授迴路以產生回授信號，並傳送至脈波寬度調變驅動控制器。
脈波寬度調變驅動控制器依據回授信號以決定負載狀態，並可在負載狀態為輕載時選取非連續導通模式，而在負載狀態為重載時選取連續導通模式，用以驅動切換電晶體並 控制變壓器的電流，實現電源轉換操作而將輸入電源轉換成輸出電源。
因此，本發明可在輕載時利用非連續導通模式以降低切換損失，並可在重載時利用連續導通模式以降低導通損失，使得電源轉換效率獲得大幅改善，適合應用於較高功率的領域。
10‧‧‧脈波寬度調變驅動控制器
20‧‧‧切換電晶體
30‧‧‧變壓器
40‧‧‧隔離元件
Cin‧‧‧輸入電容
Co‧‧‧輸出電容
D‧‧‧輸出二極體
Lleak‧‧‧漏感
Lm‧‧‧激磁電感
Lp‧‧‧初級側電感
Ls‧‧‧二次測電感
Ro‧‧‧外部負載
V_comp‧‧‧回授電壓
Vin‧‧‧輸入電壓
Vo‧‧‧輸出電壓
第一圖顯示本發明雙模電源切換控制裝置的示意圖。
第二圖顯示本發明在切換電晶體導通時雙模電源切換控制裝置的操作示意圖。
第三圖顯示本發明在切換電晶體截止時雙模電源切換控制裝置的操作示意圖。
第四圖顯示本發明雙模電源切換控制裝置在110V輸入電源時的轉換效率曲線圖。
第五圖顯示本發明雙模電源切換控制裝置在220V輸入電源時的轉換效率曲線圖。
以下配合圖式及元件符號對本發明之實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。
參閱第一圖及第二圖，分別為本發明雙模電源切換控制裝置的示意圖。如第一圖所示，本發明的雙模電源切換控制裝置包括脈波寬度調變(PWM)驅動控制器10、切換電晶體20、變壓器30、隔離元件40、輸出二極體D、輸出電容Co，用以將具輸入電壓Vin的輸入電源轉換成具輸出電壓Vo的輸出電源，並供電給外部負載Ro，其中變壓器30、脈波寬度調變驅動控制器10、切換電晶體20及具輸入電壓Vin的輸入電源形成驅動控制迴路，而變壓器30、輸出二極體D、輸出電容Co及隔離元件40形成回授迴路以產生回授信號，比如圖中所示的回授電壓V_comp，且外部負載Ro是 並聯至輸出電容Co，而輸出電容Co的端電壓即為輸出電源的輸出電壓Vo。
要注意的是，上述的回授信號也可為回授電壓V_comp以外的電氣信號，比如與輸出電源相關的回授電流或功率。此外，輸入電源可為一般市電經由電橋整流後所產生的直流電，亦即市電可為110V或220V交流電，而輸入電壓Vin可為110V或220V。為去除輸入電壓Vin的高頻雜訊，可使用輸入電容Cin跨接輸入電源，以穩定輸入電源。
PWM驅動控制器10可包括微控制器(MCU)或中央處理器(CPU)的單一晶片，或可由多個獨立電子元件所構成的電路，因此，PWM驅動控制器10是以數位方式而實現。切換電晶體20可包括功率電晶體，比如金氧半場效電晶體(MOSFET)，而隔離元件40可包括光耦合器或由至少一被動元件所構成的電路，比如電阻或電容。
以下，進一步詳細說明本發明雙模電源切換控制裝置的架構，而且為方便說明本發明的特徵，將使用回授電壓V_comp當作回授信號。
在第一圖中，變壓器30包括初級側電感Lp及二次側電感Ls，且初級側電感Lp包含串接的激磁電感Lm及漏感Lleak，激磁電感Lm是能將所產生的磁通耦合至二次側電感Ls，漏感Lleak是未能將磁通耦合至二次側電感Ls。
初級側電感Lp的一端連接切換電晶體20的汲極，PWM驅動控制器10連接切換電晶體20的閘極，輸入電源的輸入電壓Vin跨接初級側電感Lp的另一端及切換電晶體20的源極，且初級側電感Lp的另一端進一步連接驅動控制器10。二次側電感Ls的一端連接輸出二極體D的正端，輸出二極體D的負端連接輸出電容Co的一端及隔離元件40的一端。隔離元件40將輸出電壓Vo轉換成回授信號，比如圖中的回授電壓V_comp，再經由隔離元件40的另一端而 傳送至PWM驅動控制器10。
PWM驅動控制器10依據來自隔離元件40的回授信號，決定目前負載Ro的負載狀態為輕載(Light Loading)或重載(Heavy Loading)。具體而言，回授信號小於判斷值時，則負載狀態為輕載，而回授信號大於判斷值時，則負載狀態為重載。
同時，PWM驅動控制器10在輕載時以非連續導通模式(DCM)的驅動方式產生PWM驅動信號並傳送至切換電晶體20的閘極以驅動切換電晶體20，並在重載時以連續導通模式(CCM)的驅動方式驅動切換電晶體20，藉以實現依據負載狀態動態選取非連續導通模式或連續導通模式。此外，為降低電磁干擾(EMI)，可在CCM/DCM模式下加入抖頻(jitter)功能。
本發明的具體操作如第二圖及第三圖所示，分別為切換電晶體20在導通及截止時的操作示意圖，其中未顯示PWM驅動控制器10。
在第二圖中，PWM驅動控制器10產生PWM驅動信號以驅動切換電晶體20，使得切換電晶體20導通而將來自輸入電源的電流依序流過變壓器30的初級側電感Lp、切換電晶體20而形成電流迴路，同時變壓器30的二次側電感Ls被感應出負電壓而使輸出二極體D截止，因此輸出電容Co對負載Ro放電，亦即此時負載Ro所需的電力是由輸出電容Co供應。
在第三圖中，PWM驅動控制器10停止輸出PWM驅動信號，使得驅動切換電晶體20截止，而初級側電感Lp中有殘餘電流流動，且二次側電感Ls利用初級側電感Lp的殘餘電流而感應出正電壓，進而使輸出二極體D導通，因此由二次側電感Ls供應負載Ro所需的電力。
具體而言，本發明雙模電源切換控制裝置的判斷值是取決 於效率的高低，並可由實驗量測得到最佳參數。例如，以輸出功率與轉換效率的關係來看，則如第四圖及第五圖的實驗量測數據所示，分別為100~120V及210~230V輸入電源時的轉換效率曲線圖，PWM控制器搭配系統可掃描測試出CCM與DCM的曲線，可以發現輸出功率較低時DCM效率較高，輸出功率愈來愈高時CCM效率較高，在這個系統環境下，其中決定使用DCM或CCM的切換點是分別為50W~70W及90W~110W的負載功率或輸出電壓Vo，比如選用回授電壓V_comp當作回授信號並可依線性變化公式計算如下：回授電壓V_comp=Vo*K
其中K為比例常數，比如可選取1/20或1/50。當然上述方式只是用以示範性說明本發明的特徵而已，並非用以限定本發明的範圍，因此，回授信號與負載功率的關係還可包括其他非線性型式，比如多項式關係、半對數關係、指數關係、三角函數關係，或依據實驗數據以查表方式儲存於PWM驅動控制器10中。
由上述的說明中顯而易見的是，本發明的特點在於依據回授信號決定負載狀態，並可在輸出功率低時利用非連續導通模式以降低切換損失，且可在輸出功率高時利用連續導通模式以降低導通損失，藉以大幅改善電源轉換效率，可應用於較高功率的領域。
尤其是，本發明的雙模電源切換控制裝置是以數位方式而實現，可自動判斷負載狀態，用以切換非連續導通模式及連續導通模式，同時，可依據所使用的變壓器及其他元件而調整或變更操作模式或電氣參數，比如操作頻率、工作循環(duty)、模式轉換點、呆滯時間(dead-time)、PWM輸出模式選擇、軟啟動週期(soft start period)、操作/停止(run/stop)、過電流保護(over current protection)、關閉 (shutdown)、過電壓保護(OVP)等各項保護功能參數。
本發明的另一特點是在於可藉設定不同頻率與duty參數而設定系統全部操作在CCM或是DCM的工作模式，亦即可以先掃描如第四與第五圖所示的轉換效率曲線，並從其中找出效率最佳的曲線，而因為PWM控制器是以數位方式實現，所以在相同負載下，可根據所設定的不同頻率與duty參數，進而計算輸入輸出功率，並調整讓系統具最佳效率的參數設定。舉例來說，輸出功率18W的系統可以在零負載至全負載之間的任一負載下，比如零負載(即0W)、1//4負載(即4.5W)、1/2負載(即9W)、3/4負載(即13.5W)或全負載(即18W)時，個別設定不同頻率、duty、CCM/DCM，並利用數位控制器計算不同設定下的輸入與輸出功率，藉以設定最佳效率的參數。尤其是，PWM驅動控制可先掃描並測試出CCM/DCM下的相對應轉換效率曲線，並選擇CCM/DCM之中具較高轉換效率的模式以當作目標操作模式。
較佳地，PWM驅動控制器10對於外部負載Ro產生的負載狀態計算輸出功率，並根據設定頻率與工作循環來調整至優化參數，以執行最佳的效率。
以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。
10‧‧‧脈波寬度調變驅動控制器
20‧‧‧驅動電晶體
30‧‧‧變壓器
40‧‧‧隔離元件
Cin‧‧‧輸入電容
Co‧‧‧輸出電容
D‧‧‧輸出二極體
Lleak‧‧‧漏感
Lm‧‧‧激磁電感
Lp‧‧‧初級側電感
Ls‧‧‧二次測電感
Ro‧‧‧外部負載
V_comp‧‧‧回授電壓
Vin‧‧‧輸入電壓
Vo‧‧‧輸出電壓

Claims (9)

  1. 一種雙模電源切換控制裝置，用以將具一輸入電壓的一輸入電源轉換成具一輸出電壓的一輸出電源而供電給外部的一負載，該雙模電源切換控制裝置包括一脈波寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)驅動控制器、一切換電晶體、一變壓器、一隔離元件、一輸出二極體以及一輸出電容，其中該PWM驅動控制器驅動該切換電晶體的閘極，該變壓器包括一初級側電感及一二次側電感，該初級側電感的一端連接該切換電晶體的汲極，該輸入電源的輸入電壓跨接至該初級側電感的一另一端及該切換電晶體的源極，該初級側電感的該另一端進一步連接該驅動控制器，該二次側電感的一端連接該輸出二極體的一正端，該輸出二極體的一負端連接該輸出電容的一端以及該隔離元件的一端，該輸出電容的一端電壓為該輸出電壓，且該負載是並聯至該輸出電容，隔離元件的一另一端連接至該PWM驅動控制器，用以將該輸出電壓或該負載的一負載電流轉換成一回授信號而傳送至該PWM驅動控制器，其特徵在於，該PWM驅動控制器依據該回授信號以決定該負載的負載狀態為輕載(Light Loading)或重載(Heavy Loading)，其中該回授信號小於一判斷值時，則該負載狀態為輕載，而該回授信號大於該判斷值時，則該負載狀態為重載，且該PWM驅動控制器在輕載時利用非連續導通模式以驅動該切換電晶體的閘極，且在重載時利用連續導通模式以驅動該切換電晶體的閘極，其中該PWM驅動控制器為一微控制器(MCU)或一中央處理器(CPU)。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之雙模電源切換控制裝置，進一步包括一輸入電容，係跨接至該輸入電源。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述之雙模電源切換控制裝置，其中該輸入電源為一市電經由一電橋整流後所產生的直流電，且該市電為110V或220V的交流電，而該輸入電源的輸入電壓為110V或220V。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述之雙模電源切換控制裝置，其中該切換電晶體為一金氧半場效電晶體(MOSFET)，而該隔離元件為一光耦合器或由至少一被動元件構成的電路而實現，而該至少一被動元件包括電阻、電容。
  5. 依據申請專利範圍第1項所述之雙模電源切換控制裝置，其中該回授信號是與該輸出電壓成線性關係或非線性關係。
  6. 依據申請專利範圍第1項所述之雙模電源切換控制裝置，其中該回授信號與該輸出電壓的關係是利用內建的查表而實現。
  7. 依據申請專利範圍第1項所述之雙模電源切換控制裝置，其中該PWM驅動控制器係在零負載至全負載之間的任一負載下，個別設定不同頻率、工作循環(duty)及非連續導通模式/連續導通模式，並計算相對應的輸入與輸出功率，藉以設定具最佳效率的參數。
  8. 依據申請專利範圍第1項所述之雙模電源切換控制裝置，其中該PWM驅動控制器係掃描測試出該非連續導通模式及該連續導通模式下的相對應轉換效率曲線，並選擇該非連續導通模式及該連續導通模式之中具較高轉換效率的模式當作操作模式。
  9. 依據申請專利範圍第1項所述之雙模電源切換控制裝置，其中該PWM驅動控制器對於一外部負載所產生的負載計算輸出功率，並根據設定頻率與工作循環來調整至優化參數。
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