TWI760867B - 具有恆壓模式和恆流模式的隔離轉換器及其控制方法 - Google Patents

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本發明特別涉及具有恆壓模式和恆流模式的隔離轉換器，包括：變壓器的一次側繞組連接於一驅動器的作用下可控制地導通或斷開的主開關，二次側繞組連接一負載；控制器包括一恆流控制單元，其依據一感測輸出電流的電流回饋訊號產生一電壓調整訊號以調整參考電壓或電壓回饋訊號；一電壓比較器，對一電壓回饋訊號和一調整後的參考電壓進行比較或對一調整後的電壓回饋訊號和參考電壓進行比較，產生一比較訊號；一控制邏輯單元，依據比較訊號產生一觸發訊號；一隔離器，連接控制器的輸出端和驅動器的輸入端，用於將觸發訊號傳輸給驅動器的輸入端。本發明的隔離轉換器通過改進控制器，依據負載情況可提供出色的恆壓瞬態回應和穩定恆流調節。

Description

具有恆壓模式和恆流模式的隔離轉換器及其控制方法
本發明涉及電子技術領域，特別涉及具有恆壓模式和恆流模式的隔離轉換器及其控制方法。
對於交流-直流轉換，具有恆定導通時間控制的次級側調節方案是一種用於精確恆壓和恆流控制的高級拓撲。現有的隔離轉換器結構如圖1所示，一次側繞組10a的第一端連接輸入電壓VIN，第二端連接一主開關12，主開關12於驅動器11的驅動下導通或斷開，二次側繞組10b的第一端通過二極體D1連接輸出電壓Vo，二次側繞組10b的第二端接地，控制器14位於二次側繞組10b，同時依據輸出電壓Vo檢測獲得電壓回饋訊號FB和依據輸出電流IO獲得電流回饋訊號CS，分別通過第一比較器141將電壓回饋訊號FB與參考電壓REFv比較，以及通過第二比較器142將電流回饋訊號CS與參考電壓REFI進行比較，當電壓回饋訊號FB和電流回饋訊號CS均低於參考電壓時，控制邏輯單元145產生觸發訊號TX143，觸發訊號TX143被通過隔離器15發送到主驅動器11，然後打開主開關12。然而，在具有感性負載的應用中，輸出電流Io會比輸出電壓Vo滯後某個相位角，如圖2所示，這會導致低頻輸出電壓，並且當系統以恆定電流模式運行時會發生輸出電流振盪。
為了解決以上技術問題，本發明提供一種具有恆壓模式和恆流模式的隔離轉換器，本發明還提供一種具有恆壓模式和恆流模式的隔離轉換器的控制方法。
本發明的技術方案如下：具有恆壓模式和恆流模式的隔離轉換器，其中，包括：一變壓器，所述變壓器包括一次側繞組與二次側繞組，所述一次側繞組的第一端連接一輸入電壓，所述一次側繞組的第二端與接地端之間連接一主開關，所述主開關於一驅動器的作用下可控制地導通或斷開，所述二次側繞組的一端連接輸出電壓，所述輸出電壓與接地端之間連接一負載；一控制器，所述控制器包括：一恆流控制單元，所述恆流控制單元依據一感測輸出電流的電流回饋訊號產生一電壓調整訊號，所述電壓調整訊號調整所述參考電壓或所述電壓回饋訊號；一電壓比較器，對一感測所述輸出電壓的電壓回饋訊號和一調整後的參考電壓進行比較產生一比較訊號，或，對一調整後的電壓回饋訊號和所述參考電壓進行比較產生一比較訊號；以及一控制邏輯單元，與所述電壓比較器連接，依據所述比較訊號產生一觸發訊號；以及一隔離器，連接所述控制器的輸出端和所述驅動器的輸入端，用於將所述觸發訊號傳輸給所述驅動器的輸入端。
本發明的具有恆壓模式和恆流模式的隔離轉換器，所述恆流控制單元包括：第一運算放大器，對所述電流回饋訊號和一第一電流參考電壓進行運 算後輸出第一運算放大訊號，所述第一運算放大器的輸出端與接地端之間連接一第一電容，以所述第一運算放大訊號作為所述電壓調整訊號。
本發明的具有恆壓模式和恆流模式的隔離轉換器，所述恆流控制單元包括：第一運算放大器，對該電流回饋訊號和一第一電流參考電壓進行運算後輸出第一運算放大訊號，該第一運算放大器的輸出端與接地端之間連接一第一電容；第二運算放大器，該第二運算放大器的同相輸入端連接該第一運算放大訊號，該第二運算放大器的反相輸入端連接接地端，該第二運算放大器的輸出端輸出該電壓調整訊號。
本發明的具有恆壓模式和恆流模式的隔離轉換器，該恆流控制單元還包括一增益放大器，連接於該電流回饋訊號和該第一運算放大器之間。
本發明的具有恆壓模式和恆流模式的隔離轉換器，該電流回饋訊號低於該第一電流參考電壓時，該電壓調整訊號為零，該控制器工作於恆壓模式；該電流回饋訊號高於該第一電流參考電壓時，該恆流控制單元輸出該電壓調整訊號用於恆流調整。
本發明的具有恆壓模式和恆流模式的隔離轉換器，還包括一加法器，連接於該電壓比較器的反相輸入端，用於將該電壓回饋訊號和該電壓調整訊號相加後輸入該電壓比較器的反相輸入端。
本發明的具有恆壓模式和恆流模式的隔離轉換器，還包括一減法器，連接於該電壓比較器的同相輸入端，用於將該參考電壓與該電壓調整訊號相減後輸入該電壓比較器的同相輸入端。
本發明的具有恆壓模式和恆流模式的隔離轉換器，該電壓比較器 的同相輸入端連接該參考電壓，該電壓回饋訊號通過一緩衝器，及與該緩衝器串聯的電阻連接至該電壓比較器的反相輸入端。
本發明的具有恆壓模式和恆流模式的隔離轉換器，其中，該第一運算放大器為跨導運算放大器，該第二運算放大器均為跨導運算放大器。
具有恆壓模式和恆流模式的隔離轉換器的控制方法，用於上述的隔離轉換器，包括以下步驟：步驟1，該恆流控制單元依據感測輸出電流的該電流回饋訊號產生一電壓調整訊號，該電壓回饋訊號與該電壓調整訊號進行相加運算或該參考電壓與該電壓調整訊號進行相減運算後提供給該比較器；步驟2，該比較器對該電壓回饋訊號和一調整後的參考電壓進行比較產生一比較訊號，或，對一調整後的電壓回饋訊號和該參考電壓進行比較產生一比較訊號；步驟3，該控制邏輯單元依據該比較訊號產生該觸發訊號；以及步驟4，該觸發訊號經該隔離器傳輸至該驅動器，用於驅動該主開關導通或斷開。
有益效果：本發明的隔離轉換器，通過改進控制器的結構，依據負載情況可提供出色的恆壓瞬態回應和穩定恆流調節。
10:變壓器
10a:一次側繞組
10b:二次側繞組
11:驅動器
12:主開關
13:控制器
14:控制器
15:隔離器
131:電壓比較器
132:恆流控制單元
132a:恆流控制單元
132b:恆流控制單元
132c:恆流控制單元
132d:恆流控制單元
133:觸發訊號TX
135:控制邏輯單元
141:第一比較器
142:第二比較器
143:觸發訊號TX
145:控制邏輯單元
圖1為現有技術的隔離轉換器結構示意圖；圖2為現有技術的隔離轉換器的波形示意圖；圖3為本發明的一種具體實施例的隔離轉換器結構示意圖； 圖4為本發明的隔離轉換器結構中二次側繞組連接示意圖；圖5為本發明的一種具體實施例的控制器連接示意圖；圖6為本發明的另一種隔離轉換器結構中二次側繞組連接示意圖；圖7為本發明的另一種具體實施例的控制器連接示意圖；圖8為本發明的控制方法的流程圖。
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
需要說明的是，在不衝突的情況下，本發明中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明，但不作為本發明的限定。參照圖3至圖7，具有恆壓模式和恆流模式的隔離轉換器，包括：一變壓器10，變壓器10包括一次側繞組10a與二次側繞組10b，一次側繞組10a的第一端連接一輸入電壓VIN，一次側繞組10a的第二端與接地端之間連接一主開關12，主開關12於一驅動器11的作用下可控制地導通或斷開，二次側繞組10b的第一端通過一二極體D1連接輸出電壓Vo，輸出電壓Vo與接地端之間連接一負載(未示出)，輸入電壓VIN與接地端之間連接一輸入電容 C1，輸出電壓Vo與接地端之間連接一輸出電容C2，輸出電壓Vo與接地端之間還連接感測輸出電壓Vo的分壓電路，包括第一電阻R1和與該第一電阻串聯的第二電阻R2，第二電阻R2與第一電阻R1相連接的點引出電壓回饋訊號FB，一電流檢測電阻Rcs連接於輸出電壓Vo與接地端之間用於感測輸出電流Io提供電流回饋訊號CS；一控制器13，控制器13包括：一恆流控制單元132，恆流控制單元132依據感測輸出電流Io的電流回饋訊號CS產生一電壓調整訊號，電壓調整訊號調整參考電壓REFV或電壓回饋訊號FB；一電壓比較器131，對一感測輸出電壓Vo的電壓回饋訊號FB和一調整後的參考電壓進行比較產生一比較訊號，或，對一調整後的電壓回饋訊號和參考電壓REFV進行比較產生一比較訊號；一控制邏輯單元135，與電壓比較器131連接，依據比較訊號產生一觸發訊號TX133；一隔離器15，連接控制器13的輸出端和驅動器11的輸入端，用於將觸發訊號TX133傳輸給驅動器11的輸入端。
本發明的隔離轉換器工作時，在圖3至圖5的具體實施例中，恆流控制單元132依據感測輸出電流Io的電流回饋訊號產生一電壓調整訊號調整參考電壓REFV，比較器131對電壓回饋訊號FB和調整後的參考電壓進行比較產生一比較訊號；在圖6和圖7的具體實施例中，恆流控制單元132依據感測輸出電流Io的電流回饋訊號產生一電壓調整訊號調整電壓回饋訊號FB，比較器131對調整後的電壓回饋訊號和參考電壓REFV進行比較產生一比較訊號；當電壓調整訊號為零時，調整後的參考電壓即為參考電壓REFV以及調整後的電壓回饋訊號即為電 壓回饋訊號FB，此時控制器13工作於恆壓模式，控制邏輯單元135依據比較訊號產生觸發訊號TX133；觸發訊號TX133經隔離器15傳輸至驅動器11，用於驅動主開關12導通或斷開，從而依據負載條件可提供出色的恆壓瞬態回應和穩定恆流調節。
作為本發明的具有恆壓模式和恆流模式的隔離轉換器的另一種優選實施例，參照圖4和圖6，恆流控制單元132a，132c可以包括：第一運算放大器OTA1，對電流回饋訊號CS和一第一電流參考電壓REFI進行運算後輸出第一運算放大訊號，第一運算放大器OTA1的輸出端與接地端之間連接一第一電容C；第二運算放大器OTA2，第二運算放大器OTA2的同相輸入端連接第一運算放大訊號，第二運算放大器OTA2的反相輸入端連接接地端，第二運算放大器OTA2的輸出端輸出電壓調整訊號。
本發明的一種實施例參照圖4，第二運算放大器OTA的同相輸入端接入第一運算放大訊號Vc，第二運算放大器OTA2的輸出端提供電壓調整訊號，電壓比較器131的同相輸入端通過一電阻R連接參考電壓REFV，電壓調整訊號與參考電壓REFV相減後輸入電壓比較器131的同相輸入端，供電壓比較器131用於與電壓回饋訊號FB進行比較產生比較訊號提供給控制邏輯單元135。
本發明的一種實施例參照圖6，第二運算放大器OTA的同相輸入端接入第一運算放大訊號Vc，第二運算放大器OTA2的輸出端提供電壓調整訊號，電壓回饋訊號FB通過一緩衝器Buffer，及與緩衝器Buffer串聯的電阻R連接至電壓比較器131的反相輸入端，電壓調整訊號與電壓回饋訊號FB相加後輸入電壓比較器131的反相輸入端，供電壓比較器131用於與參考電壓REFV進行比較產生比較訊號提供給控制邏輯單元135。
作為本發明的具有恆壓模式和恆流模式的隔離轉換器的一種優 選實施例，參照圖5和圖7，恆流控制單元132b，132d可以包括：第一運算放大器OTA1，對電流回饋訊號CS和一第一電流參考電壓REFI進行運算後輸出第一運算放大訊號，第一運算放大器的輸出端與接地端之間連接一第一電容C，以第一運算放大訊號作為電壓調整訊號。
本發明的一種實施例參照圖5，一減法器連接於電壓比較器131的同相輸入端，電壓調整訊號與參考電壓REFV相減後輸入電壓比較器131的同相輸入端，供電壓比較器131用於與電壓回饋訊號FB進行比較產生比較訊號提供給控制邏輯單元135。
本發明的一種實施例參照圖7，一加法器連接於電壓比較器131的反相輸入端，電壓調整訊號與電壓回饋訊號FB相加後輸入電壓比較器131的反相輸入端，供電壓比較器131用於與參考電壓REFV進行比較產生比較訊號提供給控制邏輯單元135。
作為本發明的優選的實施例，上述的第一運算放大器OTA1和第二運算放大器OTA2均為跨導運算放大器，gm1為第一運算放大器OTA1的跨導，gm2第二運算放大器OTA2的跨導。
本發明的具有恆壓模式和恆流模式的隔離轉換器，參照圖4至圖7，恆流控制單元132a，132b，132c，132d還包括一增益放大器gain，連接於電流回饋訊號CS和第一運算放大器OTA1之間。
本發明的具有恆壓模式和恆流模式的隔離轉換器，電壓比較器131的同相輸入端連接參考電壓REFV，電壓回饋訊號FB通過一緩衝器Buffer，及與緩衝器Buffer串聯的電阻R連接至電壓比較器131的反相輸入端。緩衝器Buffer的設置可以阻止電壓回饋訊號FB受到第二運算放大器OTA2的電流的影響。
圖8的流程圖為本發明具有恆壓模式和恆流模式的隔離轉換器的控制方法，包括以下步驟： 步驟1，恆流控制單元依據感測輸出電流的電流回饋訊號產生一電壓調整訊號，電壓回饋訊號與電壓調整訊號進行相加運算或參考電壓與電壓調整訊號進行相減運算後提供給比較器；步驟2，比較器對電壓回饋訊號和一調整後的參考電壓進行比較產生一比較訊號，或，對一調整後的電壓回饋訊號和參考電壓進行比較產生一比較訊號；步驟3，控制邏輯單元依據比較訊號產生觸發訊號；步驟4，觸發訊號經隔離器傳輸至驅動器，用於驅動主開關導通或斷開。
結合圖4，電流回饋訊號CS低於第一電流參考電壓REFI時，電壓調整訊號為零，比較器131的同相輸入端即為參考電壓REFV，控制器13工作於恆壓模式；當電流回饋訊號CS高於第一電流參考電壓REFI時，由於第一運算放大訊號Vc增加，所以第二運算單元OTA2的吸收電流增加，恆壓控制環路中參考電壓REFV被調整以依據負載條件實現恆流調整。
結合圖6，電流回饋訊號CS低於第一電流參考電壓REFI時，電壓調整訊號為零，比較器131的反相輸入端即為電壓回饋訊號FB，控制器13工作於恆壓模式；當電流回饋訊號CS高於第一電流參考電壓REFI時，由於第一運算放大訊號增加，電容C上的電壓增加並被疊加到電壓回饋訊號FB上，輸出電壓Vo被調整以依據負載條件實現恆流調整。
以上僅為本發明較佳的實施例，並非因此限制本發明的實施方式及保護範圍，對於本領域技術人員而言，應當能夠意識到凡運用本發明說明書及圖示內容所作出的等同替換和顯而易見的變化所得到的方案，均應當包含在本發明的保護範圍內。
10:變壓器
10a:一次側繞組
10b:二次側繞組
11:驅動器
12:主開關
13:控制器
15:隔離器
131:比較器
132:恆流控制單元
133:觸發訊號TX
135:控制邏輯單元

Claims (8)

  1. 一種具有恆壓模式和恆流模式的隔離轉換器，包括：一變壓器，該變壓器包括一次側繞組與二次側繞組，該一次側繞組的第一端連接一輸入電壓，該一次側繞組的第二端與接地端之間連接一主開關，該主開關於一驅動器的作用下可控制地導通或斷開，該二次側繞組的一端連接輸出電壓，該輸出電壓與接地端之間連接一負載；一控制器，該控制器包括：一恆流控制單元，該恆流控制單元依據一感測輸出電流的電流回饋訊號產生一電壓調整訊號，該電壓調整訊號調整一參考電壓以產生一調整後的參考電壓，或，調整一感測該輸出電壓的電壓回饋訊號以產生一調整後的電壓回饋訊號；一電壓比較器，對該電壓回饋訊號和該調整後的參考電壓進行比較產生一比較訊號，或，對調整後的電壓回饋訊號和該參考電壓進行比較產生一比較訊號；以及一控制邏輯單元，與該電壓比較器連接，依據該比較訊號產生一觸發訊號；以及一隔離器，連接該控制器的輸出端和該驅動器的輸入端，用於將該觸發訊號傳輸給該驅動器；其中該恆流控制單元包括：第一運算放大器，對該電流回饋訊號和一第一電流參考電壓進行運算後輸出第一運算放大訊號，該第一運算放大器的輸出端與接地端之間連接一第一電容；第二運算放大器，該第二運算放大器的同相輸入端連接該第一運算放大訊號，該第二運算放大器的反相輸入端連接接地端，該第二運算放大器的輸出端輸出該電壓調整訊號。
  2. 如請求項1所述之具有恆壓模式和恆流模式的隔離轉換器，其中該恆流控制單元還包括一增益放大器，連接於該電流回饋訊號和該第一運算放大器之間。
  3. 如請求項1所述之具有恆壓模式和恆流模式的隔離轉換器，其中該電流回饋訊號低於該第一電流參考電壓時，該電壓調整訊號為零，該控制器工作於恆壓模式；該電流回饋訊號高於該第一電流參考電壓時，該恆流控制單元輸出該電壓調整訊號用於恆流調整。
  4. 如請求項1所述之具有恆壓模式和恆流模式的隔離轉換器，其中還包括一加法器，連接於該電壓比較器的反相輸入端，用於將該電壓回饋訊號和該電壓調整訊號相加後輸入該電壓比較器的反相輸入端。
  5. 如請求項1所述之具有恆壓模式和恆流模式的隔離轉換器，其中還包括一減法器，連接於該電壓比較器的同相輸入端，用於將該參考電壓與該電壓調整訊號相減後輸入該電壓比較器的同相輸入端。
  6. 如請求項1所述之具有恆壓模式和恆流模式的隔離轉換器，其中該電壓比較器的同相輸入端連接該參考電壓，該電壓回饋訊號通過一緩衝器，及與該緩衝器串聯的電阻連接至該電壓比較器的反相輸入端。
  7. 如請求項1所述之具有恆壓模式和恆流模式的隔離轉換器，其中該第一運算放大器為跨導運算放大器，該第二運算放大器均為跨導運算放大器。
  8. 一種具有恆壓模式和恆流模式的隔離轉換器的控制方法，其中用於權利要求1至7任意一項所述的隔離轉換器，包括以下步驟：步驟1，該恆流控制單元依據感測輸出電流的該電流回饋訊號產生一電壓調整訊號，該電壓回饋訊號與該電壓調整訊號進行相加運算或該參考電壓與該電壓調整訊號進行相減運算後提供給該比較器； 步驟2，該比較器對該電壓回饋訊號和一調整後的參考電壓進行比較產生一比較訊號，或，對一調整後的電壓回饋訊號和該參考電壓進行比較產生一比較訊號；步驟3，該控制邏輯單元依據該比較訊號產生該觸發訊號；以及步驟4，該觸發訊號經該隔離器傳輸至該驅動器，用於驅動該主開關導通或斷開。
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