TWI813059B - 電源轉換器的控制方法以及ｌｌｃ控制器 - Google Patents

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Abstract

本發明實施例提供一種適用一電源轉換器的控制方法。該電源轉換器包含有一上臂開關以及一下臂開關，電性串接於一輸入電源以及一接地線之間，來驅動一諧振電路。該電源轉換器另包含有一偵測電路，偵測該諧振電路，來提供一偵測訊號。該控制方法包含有：提供一上臂控制訊號以及一下臂控制訊號，來分別控制該上臂開關與該下臂開關；偵測該上臂開關與該下臂開關其中之一的一工作週期；依據該工作週期，提供一臨界值；以及，依據該偵測訊號以及該臨界值，來觸發一過電流保護。該過電流保護被觸發時，該上臂控制訊號以及該下臂控制訊號使該諧振電路停止震盪。

Description

電源轉換器的控制方法以及LLC控制器
本發明大致係關於一種開關式電源轉換器之控制方法以及相關的控制器，尤指可以適用於LLC諧振電源轉換器的過電流保護之控制方法與相關的控制器。
LLC諧振電源轉換器為一種轉換效率相當優異的開關式電源供應器。開關式電源供應器中，功率開關往往是消耗功率的主要元件之一。理論上，LLC諧振電源轉換器的每個開關週期，都可以使兩個最主要的功率開關，也就是上臂開關與下臂開關，進行零電壓切換(zero voltage switching，ZVS)。因此，上臂開關與下臂開關的導通損失(conduction loss)就可以控制在非常低的程度。LLC諧振電源轉換器大多適用於大功率的電源供應器。
單一輸出的LLC諧振電源轉換器，一般是採用對稱式(symmetric)脈波寬度調變(pulse width modulation，PWM)。雙輸出(dual-output)的LLC諧振電源轉換器可以採用非對稱式脈波寬度調變(asymmetric PWM，APWM)，來實現對輸出電壓的準確控制(tight output voltage regulation)。只是，如何在APWM的控制下，可以實現對輸出電流準 確控制，來實現一些一般電源供應器所必需的過電流保護(over current protection)或是過負載保護(over load protection)，是業界持續努力的目標。
本發明實施例提供一種適用一電源轉換器的控制方法。該電源轉換器包含有一上臂開關以及一下臂開關，電性串接於一輸入電源以及一接地線之間，來驅動一諧振電路。該電源轉換器另包含有一偵測電路，偵測該諧振電路，來提供一偵測訊號。該控制方法包含有：提供一上臂控制訊號以及一下臂控制訊號，來分別控制該上臂開關與該下臂開關；偵測該上臂開關與該下臂開關其中之一的一工作週期；依據該工作週期，提供一臨界值；以及，依據該偵測訊號以及該臨界值，來觸發一過電流保護。該過電流保護被觸發時，該上臂控制訊號以及該下臂控制訊號使該諧振電路停止震盪。
本發明實施例提供一LLC控制器，適用於一LLC諧振電源轉換器。該LLC諧振電源轉換器包含有一諧振電路、一上臂開關以及一下臂開關、以及一偵測電路。該上臂開關以及該下臂開關，電性串接於一輸入電源以及一接地線之間，來驅動該諧振電路，以維持該諧振電路震盪。該偵測電路電性連接至該諧振電路，來提供一偵測訊號。該LLC控制器控制該上臂開關以及該下臂開關。該LLC控制器包含有一工作週期偵測器、一臨界值產生器、以及一過電流保護器。該工作週期偵測器偵測該上臂開關以及該下臂開關其中之一的一工作週期。該臨界值產生器依據該工作週期，提供一臨界值。該過電流保護器依據該臨界值以及該偵測訊號，來觸發一過電流保護。當該過電流保護被觸發時，該上臂開關與該下臂開關被控制來使 得該諧振電路停止震盪。
100:LLC諧振電源轉換器
102:LLC控制器
108:偵測電路
202:工作週期偵測器
204P、204N:臨界值產生器
206:過電流保護器
208:開啟時間控制器
1041、1042:負載
1061、1062:回饋電路
CA、CB:電容
CL:電容
CO1、CO2:輸出電容
D1、D2:二極體
DTH、DTL:工作訊號
GNDIN:接地線
HS:上臂開關
ICL:電流
ID1、ID2:感應電流
Lm、Lr:電感
LP:主繞組
LS:下臂開關
LS1、LS2:二次側繞組
M01:控制方法
ND:連接點
RA、RB:電阻
RSNT:諧振電路
S10、S12、S14、S16、S18:步驟
SH:上臂控制訊號
SL:下臂控制訊號
SOCP:保護訊號
TF:變壓器
VCS:電流偵測訊號
VCSN-OCP、VCSP-OCP:臨界值
VCSP-H、VCSP-L、VCSN-H、VCSN-L:固定常數值
VFB1、VFB2:回饋訊號
VIN:輸入電源
VO1、VO2:輸出電源
圖1為依據本發明所實施的雙輸出LLC諧振電源轉換器100。
圖2顯示依據本發明所實施的LLC控制器102。
圖3A顯示工作訊號DTH與臨界值VCSP-OCP之間的關係。
圖3B顯示工作訊號DTH與臨界值VCSN-OCP之間的關係。
圖4顯示當上臂開關HS與下臂開關LS的工作週期大約都是50%時，圖1與圖2一些訊號波形。
圖5顯示當上臂開關HS的工作週期是25%時，圖1與圖2一些訊號波形。
圖6顯示使用於圖1中的LLC諧振電源轉換器100內的控制方法M01。
在本說明書中，有一些相同的符號，其表示具有相同或是類似之結構、功能、原理的元件，且為業界具有一般知識能力者可以依據本說明書之教導而推知。為說明書之簡潔度考量，相同之符號的元件將不再重述。
本發明雖然以APWM的雙輸出LLC諧振電源轉換器為例，但本發明並不限於此。在其他實施例中，本發明也可以使用任何其他類型的諧振電源轉換器。
在本發明的一實施例中，一雙輸出LLC諧振電源轉換器中的一LLC控制器提供兩個臨界值，來分別判斷兩個輸出是否發生過電流事件， 而這兩個臨界值可以依據驅動一諧振電路的一個功率開關之工作週期而改變，可以避免過電流保護被誤觸發。
圖1為依據本發明所實施的雙輸出LLC諧振電源轉換器100。LLC諧振電源轉換器100將輸入電源VIN，轉換為輸出電源VO1與VO2，分別對負載1041與1042供電。
上臂開關HS與下臂開關LS電性串接於輸入電源VIN與接地線GNDIN之間，用來驅動諧振電路RSNT，使諧振電路RSNT震盪。諧振電路RSNT包含有變壓器TF與電容CL。變壓器TF中的主繞組LP與兩個二次側繞組LS1與LS2相互電感耦合。變壓器TF中的電感Lr與Lm表示變壓器TF的主繞組LP的串接漏感與並聯漏感。主繞組LP與電容CL透過連接點ND相串聯。在其他實施例中，諧振電路RSNT可以有不同的架構，並不限於圖1中的結構。
諧振電路RSNT震盪時，二次側繞組LS1與LS2會產生感應電流ID1與ID2，透過二極體D1與D2的整流，可以在輸出電容CO1與CO2上建立起輸出電源VO1與VO2。
輸出電源VO1與VO2可以透過回饋電路1061與1062，分別產生回饋訊號VFB1與VFB2。LLC控制器102提供上臂控制訊號SH與下臂控制訊號SL，分別控制上臂開關HS與下臂開關LS。依據回饋訊號VFB1與VFB2，LLC控制器102可以決定上臂開關HS與下臂開關LS的開啟時間(ON time)，也就是導通時間。
LLC諧振電源轉換器100包含有偵測電路108，由電阻RA、RB以及電容CA與CB所構成，彼此連接如同圖1舉例所示。偵測電路108連 接到連接點ND，用來偵測諧振電路RSNT中跨於電容CL上的電壓，具以產生電流偵測訊號VCS。電流偵測訊號VCS只是偵測訊號的一種，其他實施例中，偵測電路108可以提供不同於電流偵測訊號VCS的偵測訊號。
圖2顯示依據本發明所實施的LLC控制器102，包含有開啟時間控制器208、工作週期偵測器202、臨界值產生器204P與204N、以及過電流保護器206。
開啟時間控制器208依據回饋訊號VFB1與VFB2，產生上臂控制訊號SH與下臂控制訊號SL，分別控制上臂開關HS與下臂開關LS，也決定了上臂開關HS與下臂開關LS的開啟時間。開啟時間控制器208也架構來使得上臂開關HS與下臂開關LS實現零電壓切換(zero voltage switching，ZVS)，也就是大約在一開關的一通道跨壓約為0V時，開啟該開關，可以減少開關損失。
在圖2中，工作週期偵測器202依據上臂控制訊號SH，提供工作訊號DTH，代表上臂開關HS的工作週期。工作訊號DTH可以代表0%到100%中的一數值。工作訊號DTL代表下臂開關LS的工作週期，可以透過工作訊號DTH類推得知，因為工作訊號DTL與工作訊號DTH彼此互補，相加大約為1。舉例來說，當工作訊號DTH為35%(代表上臂開關HS的工作週期為35%)時，互補的工作訊號DTL(代表上臂開關HS的工作週期)是65%。在另一實施例中，工作週期偵測器202可以依據下臂控制訊號SL，來產生並提供工作訊號DTL，而工作訊號DTH可以類推得知。
圖2中，臨界值產生器204P與204N依據工作訊號DTH，分別提供臨界值VCSP-OCP與臨界值VCSN-OCP。在某些狀態中，工作訊號DTH的變 化，會導致臨界值VCSP-OCP或臨界值VCSN-OCP的改變。圖3A顯示工作訊號DTH與臨界值VCSP-OCP之間的關係。當工作訊號DTH大於35%時，臨界值VCSP-OCP大約為不隨工作訊號DTH改變的固定常數值VCSP-L；當工作訊號DTH小於15%時，臨界值VCSP-OCP大約為不隨工作訊號DTH改變的固定常數值VCSP-H；當工作訊號DTH介於15%與35%之間時，臨界值VCSP-OCP隨著工作訊號DTH的變化而線性的改變。類似的，圖3B顯示工作訊號DTH與臨界值VCSN-OCP之間的關係。當工作訊號DTH介於65%與85%之間時，臨界值VCSN-OCP隨著工作訊號DTH的變化而線性的改變。在工作訊號DTH小於65%或大於85%時，臨界值VCSN-OCP分別是不隨工作訊號DTH改變的固定常數值VCSN-L與固定常數值VCSN-H，如同圖3B所示。在一實施例中，四個固定常數值VCSP-H、VCSP-L、VCSN-H、VCSN-L都為正值。
圖4顯示當上臂開關HS與下臂開關LS的工作週期大約都是50%時，圖1與圖2一些訊號波形。從上到下，圖4中的訊號波形分別是上臂控制訊號SH、下臂控制訊號SL、流過電容CL的電流ICL、電流偵測訊號VCS、在二次側分別流過二極體D1與D2的感應電流ID1與ID2。舉例來說，圖4的訊號波形可能發生在圖1中的負載1041與1042均為中載的情形。
如果忽略上臂開關HS與下臂開關LS都為關閉時的死區時間(dead time)，從圖4的上臂控制訊號SH與下臂控制訊號SL可知，當下圖4中的上臂開關HS與下臂開關LS的工作週期大約都是50%，也就是工作訊號DTH為50%。根據圖3A與3B，圖4中的臨界值VCSP-OCP與VCSN-OCP會分別為固定常數值VCSH-L與VCSL-L。
請參閱圖2與圖4。圖2中過電流保護器206依據臨界值 VCSP-OCP與臨界值VCSN-OCP，以及從偵測電路108所提供的電流偵測訊號VCS，來決定是否輸出電源VO1與VO2其中之一發生過電流事件，來觸發過電流保護(over current protection，OCP)。
舉例來說，如果過電流保護器206發現電流偵測訊號VCS超過了臨界值VCSP-OCP，且發生次數達一定的連續次數，過電流保護器206就認定輸出電源VO1發生了過電流事件，觸發OCP。類似的，如果過電流保護器206發現電流偵測訊號VCS低於臨界值-VCSN-OCP，且發生次數達一定的連續次數，過電流保護器206就認定輸出電源VO2發生了過電流事件，觸發OCP。
圖4顯示當下電流偵測訊號VCS變化於臨界值VCSP-OCP與-VCSN-OCP所界定地容許範圍內。因此，在圖4的訊號波形中，過電流保護器206不會觸發OCP。
當OCP觸發時，過電流保護器206認定過電流事件發生，透過保護訊號SOCP，過電流保護器206禁能開啟時間控制器208，控制上臂開關HS與下臂開關LS，使得諧振電路RSNT隨著能量的損耗而停止震盪。如此，諧振電源轉換器100停止供應電能給輸出電源VO1與VO2。只要上臂開關HS與下臂開關LS任何一個維持關閉(不導通)，諧振電路RSNT的震盪就會漸漸停止。舉例來說，在一實施例中，當OCP被觸發時，過電流保護器206使得上臂開關HS與下臂開關LS都持續保持關閉的狀態。在另一個實施例中，當OCP被觸發時，上臂開關HS與下臂開關LS其中之一保持關閉，而另一保持開啟。
圖5顯示當上臂開關HS的工作週期(工作訊號DTH)是25%時，圖1與圖2一些訊號波形。工作訊號DTH是25%，同時意味了下臂開關LS 的工作週期(工作訊號DTL)為75%。舉例來說，圖5的訊號波形可能發生在圖1中的負載1041為中載，而負載1042為輕載的情形。根據圖3A中所顯示的工作訊號DTH與臨界值VCSP-OCP之間的關係，因為上臂開關HS的工作週期是25%，所以圖5中的臨界值VCSP-OCP大約為固定常數值VCSP-H與固定常數值VCSP-L的中間值。圖5中，電流偵測訊號VCS依然位於臨界值VCSP-OCP與-VCSN-OCP所界定的容許範圍之內，因此，過電流保護器206也不會觸發OCP。
假設圖5中的臨界值VCSP-OCP還是如同圖4一樣，還是為固定常數值VCSP-L。那明顯的，儘管此時圖1中的負載1041為中載，沒有過電流事件發生，但輸出電源VO1將會被誤認為發生了過電流事件，OCP將會被觸發，因為電流偵測訊號VCS的峰值確實超過了固定常數值VCSP-L，如同圖5所顯示的。換言之，依據圖3A，當工作訊號DTH(上臂開關HS的工作週期)少於35%時，增加臨界值VCSP-OCP，可以預防誤認輸出電源VO1發生了過電流事件。類似的，依據圖3B，當工作訊號DTH大於65%時，增加臨界值VCSN-OCP，可以預防誤認輸出電源VO2發生了過電流事件。
簡單的說，臨界值VCSP-OCP與-VCSN-OCP可以界定一容許範圍，作為容許範圍的兩邊界。過電流保護器206依據這容許範圍以及電流偵測訊號VCS來觸發OCP。從圖3A與3B可以發現，當工作訊號DTH介於35%到65%的中間區域時，臨界值VCSP-OCP與-VCSN-OCP都是不隨工作週期變化的固定值，所以容許範圍是一標準範圍，從固定常數值-VCSN-L到VCSP-L。當工作訊號DTH小於35%，位於中間區域之外後，臨界值VCSP-OCP隨著工作訊號DTH減少而增加，這容許範圍轉變為一相對寬範圍，含蓋了標準範圍。當工作訊號DTH大於65%，位於中間區域之外後，臨界值VCSN-OCP隨著工作訊號DTH 增加而增加，這容許範圍轉變為另一相對寬範圍，也含蓋了標準範圍。
圖6顯示使用於圖1中的LLC諧振電源轉換器100內的控制方法M01。請同時參閱圖1、圖2與圖6。在步驟S10，上臂控制訊號SH與下臂控制訊號SL，分別控制上臂開關HS與下臂開關LS。在步驟S12，工作週期偵測器202依據上臂控制訊號SH，提供工作訊號DTH，代表上臂開關HS的工作週期。在步驟S14，臨界值產生器204P與204N依據工作訊號DTH，分別提供臨界值VCSP-OCP與臨界值VCSN-OCP。在步驟S16，偵測電路108偵測諧振電路RSNT，具以產生電流偵測訊號VCS。在步驟S18，過電流保護器206依據臨界值VCSP-OCP與臨界值VCSN-OCP，以及從偵測電路108所提供的電流偵測訊號VCS，來偵測發生過電流事件，並觸發過電流保護。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
202:工作週期偵測器
204P、204N:臨界值產生器
206:過電流保護器
208:開啟時間控制器
DTH:工作訊號
SH:上臂控制訊號
SL:下臂控制訊號
SOCP:保護訊號
VCS:電流偵測訊號
VCSN-OCP、VCSP-OCP:臨界值
VFB1、VFB2:回饋訊號

Claims (10)

  1. 一種適用一電源轉換器的控制方法，該電源轉換器包含有一上臂開關以及一下臂開關，電性串接於一輸入電源以及一接地線之間，來驅動一諧振電路(resonant circuit)，使該諧振電路震盪，該電源轉換器另包含有一偵測電路，偵測該諧振電路，來提供一偵測訊號，該控制方法包含有：
    提供一上臂控制訊號以及一下臂控制訊號，來分別控制該上臂開關與該下臂開關；
    偵測該上臂開關與該下臂開關其中之一的一工作週期；
    依據該工作週期，提供一臨界值；以及
    依據該偵測訊號以及該臨界值，來觸發一過電流保護；
    其中，該過電流保護被觸發時，該上臂控制訊號以及該下臂控制訊號使該諧振電路停止震盪。
  2. 如申請專利範圍第1項之該控制方法，包含有：
    依據該工作週期，提供一第一臨界值以及一第二臨界值，該第一臨界值與該第二臨界值可用以界定一容許範圍；以及
    依據該容許範圍與該偵測訊號，來觸發該過電流保護。
  3. 如申請專利範圍第2項之該控制方法，其中，當該工作週期為50%時，該容許範圍為一標準範圍，當該工作週期為小於50%的一相對小工作週期時，該容許範圍為一相對寬範圍，且該相對寬範圍包含了該標準範圍。
  4. 如申請專利範圍第1項之該控制方法，其中，當該工作週期位於一中間區域之內時，該臨界值大約為一定值，不隨工作週期變化而改變，該 中間區域包含了50%，且當該工作週期位於該中間區域之外時，該臨界值隨著該工作週期變化而改變。
  5. 如申請專利範圍第1項之該控制方法，其中，該諧振電路包含有一變壓器以及一電容，該變壓器具有一主繞組，透過一連接端，與該電容以及該偵測電路相電連接。
  6. 一種LLC控制器，適用於一LLC諧振電源轉換器(LLC resonant converter)，該LLC諧振電源轉換器包含有：一諧振電路(resonant circuit)；一上臂開關以及一下臂開關，電性串接於一輸入電源以及一接地線之間，來驅動該諧振電路，以維持該諧振電路震盪；以及一偵測電路，電性連接至該諧振電路，來提供一偵測訊號；該LLC控制器控制該上臂開關以及該下臂開關，該LLC控制器包含有：一工作週期偵測器，偵測該上臂開關以及該下臂開關其中之一的一工作週期；一臨界值產生器，依據該工作週期，提供一臨界值；以及一過電流保護器，依據該臨界值以及該偵測訊號，來觸發一過電流保護；其中，當該過電流保護被觸發時，該上臂開關與該下臂開關被控制來使得該諧振電路停止震盪。
  7. 如申請專利範圍第6項之該LLC控制器，其中，該諧振電路包含有一電容以及一變壓器之一主繞組，該偵測電路透過一連接端，與該電容以及該主繞組相電連接。
  8. 如申請專利範圍第6項之該LLC控制器，其中，該臨界值產生器依據該工作週期，提供一第一臨界值以及一第二臨界值，以及該過電流保護器依據該第一臨界值、該第二臨界值與該偵測訊號，來觸發該過電流保護。
  9. 如申請專利範圍第8項之該LLC控制器，其中，該第一臨界值與該第二臨界值可定義一容許範圍，當該工作週期為50%時，該容許範圍為一標準範圍，當該工作週期為小於50%的一相對小工作週期時，該容許範圍為一相對寬範圍，且該相對寬範圍包含了該標準範圍。
  10. 如申請專利範圍第6項之該LLC控制器，其中，當該工作週期位於一中間區域之內時，該臨界值大約為一定值，不隨工作週期變化而改變，該中間範圍包含了50%，且當該工作週期位於該中間範圍之外之一外部區域時，該臨界值隨著該工作週期變化而改變。
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