CN104022657A - 控制电路以及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种控制电路以及控制方法。该控制方法用以控制主动箝制反驰式功率转换器。此控制方法包括步骤：依据反馈信号来生成切换信号，以切换低压侧晶体管并调节主动箝制反驰式功率转换器的输出；在切换信号禁用后，生成主动箝制信号；生成迟滞偏压以调整反馈信号；以及周期性地生成脉冲信号，以启用切换信号。低压侧晶体管切换变压器。切换信号驱动低压侧晶体管。主动箝制信号用来驱动高压侧晶体管。主动箝制信号的脉冲宽度由第一电阻器决定。高压侧晶体管与电容器串联以形成主动箝制电路。在重负载状态下，切换信号的最小频率由第二电阻器决定。

Description

控制电路以及控制方法

技术领域

本发明涉及一种主动箝制反驰式功率转换器，特别涉及一种用于主动箝制反驰式功率转换器的控制电路。

背景技术

现有的主动箝制电路只可在特定的负载状态下实现零电压切换。此外，在轻负载期间的高循环电流导致较高的功率损失问题。相关的技术可在名称为“Clamped Continuous Flyback Power Converter”且编号为5,570,278的美国专利、名称为“Offset Resonance Zero Voltage Switching Flyback Converter”且编号为6,069,803的美国专利以及名称为“Active-clamp Circuit for Quasi-resonant Flyback Power Converter Power Converter”且编号为20110305048的美国专利申请案中获得。

发明内容

因此，本发明提出一种控制电路，其用于主动箝制反驰式功率转换器。其可在重负载情况下实现零电压切换且可在轻负载情况下达到高效率。本发明的目的在于提出一种方法以及装置，其可确保主动箝制反驰式功率转换器在重负载情况下实现零电压切换且在轻负载情况下达到高效率。

本发明提供一种控制电路，用于主动箝制反驰式功率转换器。此控制电路包括低压侧晶体管、高压侧晶体管、高压侧驱动电路、控制器以及充泵电路。低压侧晶体管用来切换变压器。高压侧晶体管与电容器串联以形成主动箝制电路。此主动箝制电路与变压器并联。高压侧驱动电路用来驱动高压侧晶体管。控制器生成切换信号以及主动箝制信号。切换信号用来驱动低压侧晶体管。切换信号依据反馈信号而生成，以调节主动箝制反驰式功率转换器的输出。主动箝制信号耦接高压侧驱动电路以控制高压侧晶体管。主动箝制信号的脉冲宽度由第一电阻器决定。主动箝制信号在切换信号禁用之后启用。切换信号可在主动箝制信号禁用后启用。在重负载状态下，切换信号的最小频率由第二电阻器所决定。控制电路包括迟滞偏压生成器以及电容器。迟滞偏压生成器生成迟滞偏压以调整反馈信号。比较器具有轻负载阈值以控制迟滞偏压。比较器依据反馈信号的值以及轻负载阈值来控制迟滞偏压。切换信号将依据脉冲信号而启用。此脉冲信号由控制器的一振荡电路来周期性地生成。充泵电路包括二极管以及充泵电容器。二极管耦接供应电压。充泵电容器与二极管彼此串联。充泵电容器耦接高压侧驱动电路。

本发明也提供一种控制方法，用以控制主动箝制反驰式功率转换器。此控制方法包括以下步骤：依据反馈信号来生成切换信号，以切换低压侧晶体管并调节主动箝制反驰式功率转换器的输出；以及在切换信号禁用后，生成主动箝制信号。低压侧晶体管切换变压器。切换信号驱动低压侧晶体管。主动箝制信号用来驱动高压侧晶体管。主动箝制信号的脉冲宽度由第一电阻器所决定。高压侧晶体管与电容器串联以形成主动箝制电路。此主动箝制电路与变压器并联。主动箝制信号在切换信号禁用之后启用。切换信号在主动箝制信号禁用之后启用。在重负载状态下，切换信号的最小频率由第二电阻器所决定。此控制方法还包括步骤：生成迟滞偏压以调整反馈信号。迟滞偏压依据反馈信号的值以及轻负载阈值而生成。此控制方法还包括步骤：周期性地生成脉冲信号，以启用切换信号。此脉冲信号决定了切换信号的最大接通时间。

附图说明

图1表示根据本发明一实施例的反驰式功率转换器。

图2A-图2D分别表示根据本发明一实施例，功率转换器的电流的四种状态。

图3表示切换信号、主动箝制信号以及循环电流的波形。

图4表示切换信号以及主动箝制信号的间歇波形。

图5表示根据本发明一实施例在功率转换器中的控制器。

图6表示根据本发明一实施例在控制器中的振荡电路。

图7表示根据本发明一实施例在控制器中的信号生成电路。

图8A表示斜坡信号以及脉冲信号的波形。

图8B表示斜坡信号、脉冲信号、切换信号以及主动箝制信号的波形。

图9A表示根据本发明一实施例在振荡电路中的脉冲生成器的电路架构。

图9B表示在图9A中脉冲生成器的输入信号以及输出信号的波形。

图10A表示根据本发明一实施例在信号生成电路中的延迟电路的电路架构。

图10B表示在图10A中延迟电路的输入信号以及输出信号的波形。

【符号说明】

图1：

10～变压器；     11～漏电感；

15～电容器；     20～晶体管(低压侧晶体管)；

25～本体二极管；   30～晶体管(高压侧晶体管)；

35～本体二极管；   40～电容器；

43～整流器；     45～电容器；

50～高压侧驱动电路；  65～电容器；

60～整流器；     70～二极管；

75～电容器；     81、82～电阻器；

90～光耦合器；    93～电阻器；

95～电压调整器；   100～控制器；

N_A～辅助线圈；    N_P～初级侧线圈；

N_S～次级侧线圈；   S₁～切换信号；

S₂～主动箝制信号；   V_CC～供应电压；

V_FB～反馈信号；    V_IN～输入电压；

V_O～输出电压；

图2A-图2D：

10～变压器；     11～漏电感；

15～电容器；     20～晶体管(低压侧晶体管)；

25～本体二极管；   28～寄生电容器；

30～晶体管(高压侧晶体管)；

35～本体二极管；   38～寄生电容器；

40～电容器；     43～整流器；

45～电容器；     I_CR～循环电流；

I_DS、I_P、I_S～电流；   N_P～初级侧线圈；

N_S～次级侧线圈；   S₁～切换信号；

S₂～主动箝制信号；   T₁…T₄～状态；

V_IN～输入电压；    V_O～输出电压；

图3：

I_CR～循环电流；    S₁～切换信号；

S₂～主动箝制信号；   T_CH～状态T₂的期间；

T_DS～状态T₃的最大期间； T_S1～切换信号S₁的脉冲宽度；

T_S2～主动箝制信号S₂的脉冲宽度；

图4：

S₁～切换信号；    S₂～主动箝制信号；

T_BT～间歇期间；

图5：

100～控制器；    110～比较器；

111～触发器；     112～与门；

113～反相器；     115～与门；

117～电流源；     118～开关；

119～比较器；     120～电平移位晶体管；

125、126～电阻器；   130～振荡电路；

200～信号生成电路；  CLR～清除信号；

PLS～脉冲信号；    RMP～斜坡信号；

S₁～切换信号；    S₂～主动箝制信号；

V_B～信号；      V_CC～供应电压；

V_FB～反馈信号；    V_TL～轻负载阈值；

图6：

127～电容器；    128～开关；

130～振荡电路；    131～电流源；

132～开关；     135～电流源；

136～开关；     141、142、145～比较器；

146、151、152～与非门； 156～反相器；

157～反相器；    165～或门；

300～脉冲生成器；   CKA、CKB～频率信号；

CLR～清除信号；   PLS～脉冲信号；

RMP～斜坡信号；   S₂～主动箝制信号；

S_IN1～信号；     S_OUT1～输出脉冲信号；

V_H、V_L～跳变点电压；  V_M～阈值电压；

图7：

200～信号生成电路；  270～比较器；

271～反相器；    280～电流源；

281～开关；     285～电容器；

290～触发器；    350～延迟电路；

S₁～切换信号；    S₂～主动箝制信号；

S_IN2～信号；     S_OUT2～输出脉冲信号；

V_W～阈值；

图8A-图8B

PLS～脉冲信号；    RMP～斜坡信号；

S₁～切换信号；    S₂～主动箝制信号；

V_H、V_L～跳变点电压；  V_M～阈值电压；

图9A-图9B：

300～脉冲生成器；   310～电流源；

321～反相器；    322～晶体管；

325～电容器；    327～反相器；

329～与门；     S_IN1～信号；

S_OUT1～输出脉冲信号；

T_P～输出脉冲信号S_OUT1的脉冲宽度；

图10A-图10B：

350～延迟电路；    361～反相器；

362～晶体管；    360～电流源；

365～电容器；    369～与门；

S_IN2～信号；     S_OUT2～输出脉冲信号；

T_B～延迟电路350生成的延迟时间。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。

图1表示根据本发明一实施例的反驰式功率转换器。变压器10接收功率转换器的输入电压V_IN。晶体管(也称为“低压侧晶体管”)20耦接来切换变压器10的初级侧线圈N_P。控制器100在其端点S1生成切换信号S₁，而切换信号S₁用来驱动晶体管20以调整功率转换器的输出电压V_O。切换信号S₁是依据在控制器100的端点FB的反馈信号V_FB而生成的。反馈信号V_FB与功率转换器的输出电压V_O相关联。变压器10的次级侧线圈N_S将通过整流器43以及电容器45来生成输出电压V_O。电阻器93、电压调整器95(齐(基)纳二极管)以及光耦合器90形成一个反馈电路，以依据输出电压V_O来生成反馈信号V_FB。变压器20包括辅助线圈N_A，其通过整流器60来生成跨越电容器65的供应电压V_CC。供应电压V_CC用来供电给控制器100。晶体管(也称为“高压侧晶体管”)30与电容器15串联已形成一主动箝制电路。此主动箝制电路与变压器10的初级侧线圈N_P彼此并联。当晶体管20断开时，变压器10的漏电感11的能量将通过晶体管30以及其本体二极管35而存入至电容器15。高压侧驱动电路50用来驱动晶体管30。由二极管70以及电容器75所组成的充泵电路接收供应电压V_CC，并为高压侧驱动电路50供电。电容器75与二极管70彼此串联。在图1的实施例中，晶体管20、控制器100、高压侧驱动电路50、主动箝制电路以及充泵电路形成一控制电路。

控制器100在其端点S2上生成主动箝制信号S₂，以控制高压侧驱动电路50。主动箝制信号S₂的脉冲宽度由电阻器81的电阻值决定。电阻器81耦接控制器100的端点RT。主动箝制信号S₂只在切换信号S₁禁用时启用。在重负载状态的期间，切换信号S₁将在主动箝制信号S₂禁用之后启用。电阻器82耦接控制器100的端点RM，以在重负载状态下决定切换信号S₁的最小频率(最大接通时间)。

图2A-图2D分别表示根据本发明实施例，功率转换器的电流的四种状态。参阅图2A，在状态T₁下，切换信号S₁接通(ON)晶体管20。电流I_P流经变压器10且储存能量至变压器10。此能量也将储存至变压器10的漏电感11。

参阅图2B，在状态T₂下，切换信号S₁断开(OFF)晶体管20。储存在变压器10的能量将藉由电流I_S传送至功率转换器的输出，以生成输出电压V_O。此外，储存在变压器10以及漏电感11的能量将通过晶体管30的本体二极管35传送至电容器15。循环电流I_CR则表示流入电容器15的能量。在这之后。主动箝制信号S₂将接通晶体管30。

参阅图2C，在状态T₃下，储存在电容器15中的能量将通过晶体管30而被变压器10以及漏电感11再利用。电容器15藉由循环电流I_CR并通过漏电感11来放电。漏电感11以及电容器15则形成了谐振槽且决定其谐振频率。

参阅第2D图，在状态T₄下，主动箝制信号S₂断开晶体管30。储存在漏电感11中的能量将藉由电流I_DS传送至输入电压V_IN。在此同时，晶体管20的寄生电容器28将放电，且晶体管20的本体二极管25可被接通以在下一个切换周期实现晶体管20的零电压切换操作(状态T₁)。

图3是表示切换信号S₁、主动箝制信号S₂以及循环电流I_CR的波形。期间T_CH是表示状态T₂的期间。期间T_DS是表示状态T₃的最大期间。T_S1是表示切换信号S₁的脉冲宽度。T_S2是表示主动箝制信号S₂的脉冲宽度。为了起始状态T₃(期间T_DS)，主动箝制信号S₂必须在期间T_CH结束之前启用。为了完成零电压切换，主动箝制信号S₂必须在期间T_DS结束之前禁用。期间T_CH以及期间T_DS都由谐振槽的谐振频率所决定。

图4是表示切换信号S₁以及主动箝制信号S₂的间歇波形(burstwaveform)。期间T_BT为间歇期间(burst period)。

图5是表示根据本发明一实施例，在功率转换器中的控制器100。控制器100包括振荡电路130，其生成脉冲信号PLS、斜坡信号RMP以及清除信号CLR。脉冲信号PLS通过反相器113、触发器111以及与门115来启用切换信号S₁。主动箝制信号S₂以及电阻器82(显示于图1)耦合至振荡电路130以用来生成切换信号S₁。因此，一旦主动箝制信号S₂禁用，切换信号S₁则启用。电阻器82决定了切换信号S₁的最小切换频率(最低切换频率)。电阻器81(显示于图1)以及切换信号S₁耦接至信号生成电路200以生成主动箝制信号S₂。一旦切换信号S₁禁用，主动箝制信号S₂则启用。电平移位晶体管120以及电阻器125与126依据反馈信号V_FB而生成信号V_B。斜坡信号RMP与信号V_B在比较器110中进行比较以通过与门112来生成用以禁用切换信号S₁的一信号，藉此实现脉宽调制操作。振荡电路130所生成的清除信号CLR用来重置触发器111，以禁用切换信号S₁并限制切换信号S₁的最大接通时间。

比较器119用来比较信号V_B与轻负载阈值V_TL。当信号V_B低于轻负载阈值V_TL时，磁滞偏压将由信号V_B的电流电平开始减少。包括电阻器125与126以及电流源117的磁滞偏压生成器生成上述磁滞电压，其由电流源117的大小以及电阻器125与126的等效电阻所决定。由比较器119所控制的开关118接通/断开电流源117。当信号V_B高于轻负载阈值V_TL，磁滞偏压将加入至信号V_B。当信号V_B低于轻负载阈值V_TL，磁滞偏压由信号V_B的电流电平开始减少。因此，通过此反馈回路，磁滞偏压将导致间歇切换，以减少切换信号S₁的切换频率并改善轻负载状态(信号V_B低于轻负载阈值V_TL)下的轻负载效能。

图6是表示根据本发明一实施例，在控制器100中的振荡电路130。电流源131与135分别通过开关132与136来对电容器127充电以及放电。斜坡信号RMP跨于电容器127而生成。斜坡信号RMP还耦合至比较器141、142、与145。比较器141具有跳变点电压(trip-point voltage)V_H。比较器142具有跳变点电压V_L。比较器145具有阈值电压V_M。跳变点电压V_H的电平大于阈值电压V_M的电平。阈值电压V_M的电平则大于跳变点电压V_L的电平。与非门151与152形成锁存电路，其接收比较器141与142的输出信号。此锁存电路以及反相器156生成了频率信号CKA与CKB。频率信号CKA用来控制开关136以使电容器127放电。频率信号CKB用来控制开关132以使电容器127充电。比较器145的输出以及频率信号CKA通过与非门146来生成清除信号CLR。主动箝制信号S₂的下降沿通过反相器157以及脉冲生成器300而在或门165的一输入端生成单击信号。或门165的另一输入端接收频率信号CKA。单击信号以及频率信号CKA两者通过或门165来生成脉冲信号PLS。因此，每当主动箝制信号S₂禁用时，脉冲信号PLS将被生成。此外，当达到斜坡信号RMP的最大振荡周期时，脉冲信号PLS将依据频率信号CKA而生成。由于清除信号CLR依据频率信号CKA(频率信号CKA与脉冲信号PLS相关联)所生成的，脉冲信号PLS将因此限制切换信号S₁的最大接通时间。连接端点RM的电阻器82(显示于图1)的电阻值控制电流源131的大小。因此，电阻器82用来决定斜坡信号RMP的最大振荡周期。

图7是表示根据本发明一实施例，在控制器100中的信号生成电路200。切换信号S₁通过反相器271、延迟电路350以及触发器290来生成主动箝制信号S₂。因此，当切换信号S₁禁用时，主动箝制信号S₂将在延迟电路350所决定的一延迟时间之后启用。一旦切换信号S₁禁用，开关281将被断开。电流源280将开始对电容器285充电。当跨越电容器285的电压高于阈值V_W时，比较器270则通过触发器290来禁用主动箝制信号S₂。耦接于端点RT的电阻器81(显示于图1)的电阻值控制了电流源280的大小。因此，电阻器81、电容器285以及阈值V_W决定了主动箝制信号S₂的脉冲宽度。电阻器81是实施来决定主动箝制信号S₂的脉冲宽度T_S2，以实现零电压切换。脉冲宽度T_S2必须符合以下条件：T_S2>T_CH以及T_S2<“T_CH+T_DS”(显示于图3)。

图8A是表示斜坡信号RMP以及脉冲信号PLS的波形。在图8A中的脉冲信号PLS是依据频率信号CKA生成的，如图6所示。

图8B是表示斜坡信号RMP、脉冲信号PLS、切换信号S₁以及主动箝制信号S₂的波形。主动箝制信号S₂将在切换信号S₁禁用之后生成。切换信号S₁将在主动箝制信号S₂禁用之后生成。即是，切换信号S₁以及主动箝制信号S₂以交错的方式生成而不会同时启用。脉冲信号PLS则是周期性地生成，以在间歇切换模式期间切换信号S₁不被启用的情况下来启用切换信号S₁。图8B中的脉冲信号PLS是依据生成在脉冲生成器300的输出上的单击信号而生成的。此外，切换信号S₁的最大接通时间由斜坡信号RMP的最大周期所限制。

图9A表示根据本发明一实施例，在振荡电路130内的脉冲生成器300。参阅图9A，电流源310耦接来对电容器325充电。晶体管322则是用来对电容器325放电。在脉冲生成器300的端点IN1上的信号S_IN1通过反相器321来控制晶体管322。信号S_IN1还耦合至与门329的输入端。与门329的另一输入端通过反相器327耦接电容器325。在脉冲生成器300的端点OUT1上的输出脉冲信号S_OUT1的脉冲宽度由电流源310的电流以及电容器325的电容值决定。在此实施例中，图9A的脉冲生成器300所接收的信号S_IN1由反相器157(显示于图6)的输出端所提供，且输出脉冲信号S_OUT1则提供至或门165(显示于图6)的输入端以作为单击信号。

图9B是表示脉冲生成器300的输入信号S_IN1以及输出脉冲信号S_OUT1的波形。T_P表示输出脉冲信号S_OUT1的脉冲宽度。

图10A是表示在信号生成电路200中延迟电路350的电路架构图。参阅图10A，电流源360耦接来对电容器365充电。晶体管362则是耦接来对电容器365放电。在延迟电路350的端点IN2上的信号S_IN2通过反相器361来控制晶体管362。信号S_IN2还耦合至与门369的输入端。与门369的另一输入端则耦接电容器365。在延迟电路350的端点OUT2上的输出脉冲信号S_OUT2的脉冲宽度由电流源360的电流以及电容器365的电容值所决定。在此实施例中，图10A的延迟电路350所接收的信号S_IN2由反相器271(显示于图7)的输出端所提供，且输出脉冲信号S_OUT2则提供至触发器290(显示于图7)以生成主动箝制信号S₂。

图10B是表示延迟电路350的输入信号S_IN2以及输出脉冲信号S_OUT2的波形。T_B表示延迟电路350生成的延迟时间。

本发明虽以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明的范围，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附权利要求书界定范围为准。

Claims (12)

1.一种控制电路，用于主动箝制反驰式功率转换器，包括：

低压侧晶体管，用来切换变压器；

高压侧晶体管，与电容器串联以形成主动箝制电路，其中，所述主动箝制电路与所述变压器并联；

高压侧驱动电路，用来驱动所述高压侧晶体管；以及

控制器，生成切换信号以及主动箝制信号；

其中，所述切换信号用来驱动所述低压侧晶体管，且所述切换信号依据反馈信号而生成以调节所述主动箝制反驰式功率转换器的输出；以及

其中，所述主动箝制信号耦接所述高压侧驱动电路以控制所述高压侧晶体管，且所述主动箝制信号的脉冲宽度由第一电阻器决定。

2.如权利要求1所述的控制电路，其中，所述主动箝制信号在所述切换信号禁用之后启用，且所述切换信号可在所述主动箝制信号禁用后启用。

3.如权利要求第1所述的控制电路，其中，在重负载状态下，所述切换信号的最小频率由第二电阻器决定。

4.如权利要求1所述的控制电路，其中，所述控制器包括：

迟滞偏压生成器，生成迟滞偏压以调整所述反馈信号；以及

比较器，具有轻负载阈值以控制所述迟滞偏压；

其中，所述比较器依据所述反馈信号的值以及所述轻负载阈值来控制所述迟滞偏压。

5.如权利要求1所述的控制电路，其中，所述切换信号将依据脉冲信号而启用，且所述脉冲信号由所述控制器的振荡电路周期性地生成。

6.如权利要求1所述的控制电路，还包括充泵电路，其中，所述充泵电路包括：

二极管，耦接供应电压；以及

充泵电容器，与所述二极管彼此串联；

其中，所述充泵电容器耦接所述高压侧驱动电路。

7.一种控制方法，用以控制主动箝制反驰式功率转换器，包括：

依据反馈信号来生成切换信号，以切换低压侧晶体管并调节所述主动箝制反驰式功率转换器的输出；以及

在所述切换信号禁用后，生成主动箝制信号；

其中，所述低压侧晶体管切换变压器，且所述切换信号驱动所述低压侧晶体管；

其中，所述主动箝制信号用来驱动高压侧晶体管，且所述主动箝制信号的脉冲宽度由第一电阻器决定；以及

其中，所述高压侧晶体管与电容器串联以形成主动箝制电路，且所述主动箝制电路与所述变压器并联。

8.如权利要求7所述的控制方法，其中，所述主动箝制信号在所述切换信号禁用之后启用，且所述切换信号在所述主动箝制信号禁用之后启用。

9.如权利要求第7所述的控制方法，其中，在重负载状态下，所述切换信号的最小频率由第二电阻器决定。

10.如权利要求7所述的控制方法，还包括：

生成迟滞偏压以调整所述反馈信号；

其中，所述迟滞偏压依据所述反馈信号的值以及轻负载阈值而生成。

11.如权利要求7所述的控制方法，还包括：

周期性地生成脉冲信号，以启用所述切换信号。

12.如权利要求11所述的控制方法，其中，所述脉冲信号决定所述切换信号的最大接通时间。