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TWI571037B - 功率轉換器的切換式控制電路 - Google Patents

功率轉換器的切換式控制電路 Download PDF

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TWI571037B
TWI571037B TW102114349A TW102114349A TWI571037B TW I571037 B TWI571037 B TW I571037B TW 102114349 A TW102114349 A TW 102114349A TW 102114349 A TW102114349 A TW 102114349A TW I571037 B TWI571037 B TW I571037B
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signal
switching
power converter
circuit
switching signal
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TW102114349A
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Inventor
楊大勇
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崇貿科技股份有限公司
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Description

功率轉換器的切換式控制電路
本發明係有關於一種功率轉換器，其尤指一種功率轉換器的一切換式控制電路。
請參閱第一圖，其為一切換式功率轉換器的電路圖。如圖所示，一切換式控制電路70依據一回授訊號VFB產生一切換訊號SW。 回授訊號VFB關聯於功率轉換器的一輸出VO。經由一電晶體20，切換訊號SW切換功率轉換器的一變壓器10。因此，經由一電晶體40及一電容器50，變壓器10會從功率轉換器的一輸入VIN傳輸電能至功率轉換器的輸出VO。變壓器10具有一一次側及一二次側。輸入VIN提供至位於一次側的一一次側繞組NP，且二次側產生輸出VO。 二次側具有一二次側繞組NS。電晶體40耦接於二次側繞組NS的一第一端及功率轉換器的一輸出端之間。電容器50耦接二次側繞組NS的一第二端及功率轉換器的輸出端。
一整流器45並聯於電晶體40，其可以是一分離獨立的二極體或是電晶體40的一寄生二極體。在變壓器10的二次側，一同步整流(SR)控制器90結合電晶體40組成一同步整流器(synchronous rectifier，SR)。再者，當電晶體20導通時，一切換電流IP流經變壓器10的一次側繞組NP及電晶體20。一電阻器 30耦接於電晶體20及一接地端之間，以偵測變壓器10的切換電流IP，而產生一電流感測訊號VCS。電流感測訊號VCS耦接切換式控制電路70。
許多習知技術已揭露同步整流的技術，如美國專利6,995,991“PWM controller for synchronous rectifier of flyback power converter”、美國專利7,440,298“Synchronous rectification circuit for power converters”、美國專利7,511,466“Method and apparatus for predicting discharge time of magnetic device for power converter”、美國專利8,023,289“Offline synchronous rectifier with causal circuit for resonant switching power converter”及美國專利8,154,888“Offline synchronous rectifier circuit with turned-on arbiter and phase-lock for switching power converters”。
許多同步整流的控制器(例如SR控制器90)包括有相位栓鎖電路，以偵測變壓器10的切換波形及預測SR電晶體(例如電晶體40)的導通時間。相位栓鎖電路的響應時間受到限制，所以其會限制切換式控制電路(例如：切換式控制電路70)的最大操作頻率及速度。
鑒於上述問題，本發明提供具有訊號處理的一切換式控制電路，其允許運作於高頻下而不受同步整流器的限制。
本發明之主要目的，係提供一種具訊號處理之切換式控制電 路，而適應功率轉換器的同步整流器，其可以運作於高頻下而不受同步整流器的限制。
本發明揭示一種功率轉換器的切換式控制電路，其包含一輸入電路及一時脈產生器。輸入電路接收一回授訊號以產生一切換訊號；時脈產生器產生一時脈訊號，以決定切換訊號的一切換頻率。回授訊號關聯於功率轉換器的一輸出，切換訊號用於切換功率轉換器的一變壓器，以調整功率轉換器的輸出，切換訊號的切換頻率從低頻改變為高頻之前，切換訊號的脈波寬度會減少。
10‧‧‧變壓器
100‧‧‧切換式控制電路
110‧‧‧正反器
115‧‧‧及閘
120‧‧‧脈波產生器
121‧‧‧反相器
122‧‧‧電流源
123‧‧‧電晶體
125‧‧‧電容器
127‧‧‧反相器
129‧‧‧反及閘
150‧‧‧比較器
151‧‧‧反或閘
152‧‧‧反及閘
170‧‧‧正反器
175‧‧‧正反器
20‧‧‧電晶體
200‧‧‧時脈產生器
211‧‧‧開關
215‧‧‧電容器
216‧‧‧電容器
230‧‧‧正反器
231‧‧‧正反器
250‧‧‧訊號產生器
270‧‧‧反相器
271‧‧‧反相器
30‧‧‧電阻器
300‧‧‧輸入電路
310‧‧‧電阻器
315‧‧‧電晶體
325‧‧‧電阻器
326‧‧‧電阻器
327‧‧‧電阻器
331‧‧‧開關
332‧‧‧開關
350‧‧‧微步進電路
351‧‧‧阻抗裝置
352‧‧‧電容器
371‧‧‧電晶體
381‧‧‧電流源
382‧‧‧電流源
385‧‧‧電容器
391‧‧‧電晶體
395‧‧‧電阻器
40‧‧‧電晶體
45‧‧‧整流器
50‧‧‧電容器
70‧‧‧切換式控制電路
90‧‧‧SR控制器
BLK‧‧‧脈波訊號
CK‧‧‧時脈訊號
CK‧‧‧時脈輸入端
D‧‧‧輸入端
EN‧‧‧致能訊號
H/L‧‧‧頻率調變訊號
IP‧‧‧切換電流
NP‧‧‧一次側繞組
NS‧‧‧二次側繞組
OFF1‧‧‧第一保護訊號
OFF2‧‧‧第二保護訊號
PLS‧‧‧脈波訊號
Q‧‧‧輸出端
/Q‧‧‧輸出端
R‧‧‧重置輸入端
RMP‧‧‧斜坡訊號
RST‧‧‧重置訊號
SJ‧‧‧導通時間調整訊號
SW‧‧‧切換訊號
SX‧‧‧訊號
VA‧‧‧衰減回授訊號
VB‧‧‧調變回授訊號
VCC‧‧‧供應電壓
VCS‧‧‧電流感測訊號
VFB‧‧‧回授訊號
VIN‧‧‧輸入
VO‧‧‧輸出
第一圖：其為一切換式功率轉換器的電路圖；第二圖：其為本發明之切換式控制電路之一實施例的電路圖；第三圖：其為本發明之脈波產生器之一實施例的電路圖；第四圖：其為本發明之時脈產生器之一實施例的電路圖；第五圖：其為本發明之輸入電路之一實施例的電路圖；第六圖：其為本發明之微步進電路之一實施例的電路圖；及第七圖：其為本發明之微步進電路之另一實施例的電路圖。
為使 貴審查委員對本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：請參閱第二圖，其為本發明之切換式控制電路之一實施例的電路圖。切換式控制電路100亦是一控制器，其包含一切換電路接收回授訊號VFB，以產生切換訊號SW。切換電路包含一邏輯電路及一輸入電路(INPUT)300。邏輯電路包含一正反器110、一及 閘115、一比較器150、一反或閘151及一反及閘152。一時脈產生器200產生一時脈訊號CK，以決定切換訊號SW的切換頻率。時脈訊號CK耦接正反器110的一時脈輸入端CK。正反器110的一輸入端D接收一致能訊號EN，正反器110的一輸出端Q耦接及閘115的一第一輸入端，及閘115的一第二輸入端接收時脈訊號CK，及閘115的一輸出端產生切換訊號SW。切換訊號SW用於控制電晶體20而切換功率轉換器的變壓器10(如第一圖所示)，以調整功率轉換器的輸出VO。
輸入電路300接收回授訊號VFB並產生一調變回授訊號VB。經由比較器150、反或閘151及反及閘152，調變回授訊號VB禁能正反器110及切換訊號SW。調變回授訊號VB耦接比較器150的一正輸入端。一斜坡訊號RMP是由時脈產生器200及/或從電流感測訊號VCS所產生，斜坡訊號RMP耦接比較器150的一負輸入端，以在斜坡訊號RMP高於調變回授訊號VB時禁能切換訊號SW。比較器150的一輸出端耦接反或閘151的一第一輸入端，反或閘151的一輸出端耦接反及閘152的一第一輸入端，反及閘152的一輸出端耦接正反器110的一重置輸入端R，用以重置正反器110，以禁能切換訊號SW。
一頻率調變訊號H/L用於調整切換訊號SW的切換頻率。頻率調變訊號H/L供應至時脈產生器200，而調變時脈訊號CK的頻率，以調變切換訊號SW的切換頻率，且時脈產生器200依據頻率調變訊號H/L產生一導通時間調整訊號SJ至輸入電路300。導通時間調整訊號SJ用於調整切換訊號SW的脈波寬度(導通時間)。於切換訊號SW的切換頻率從低頻改變為高頻之前，切換訊號SW的脈波寬 度(導通時間)會預先減少。於切換訊號SW的切換頻率改變之前，完成導通時間的調整，其可以讓位於變壓器10之二次側繞組NS(二次側)的同步整流器(電晶體40)達到適當運作。
兩個保護訊號OFF1、OFF2用於依據功率轉換器的保護機制而禁能切換訊號SW。第一保護訊號OFF1(如過電壓保護，OVP)傳輸至一保護電路，以立即禁能切換訊號SW。因此，於禁能切換訊號SW之前，第一保護訊號OFF1減少切換訊號SW的脈波寬度。保護電路包含一正反器170。第一保護訊號OFF1耦接正反器170的一輸入端D，時脈訊號CK耦接正反器170的一時脈輸入端CK，以在第一保護訊號OFF1致能時設定正反器170。經由反或閘151，正反器170的一輸出端Q用於禁能正反器110的重置路徑，其允許時脈訊號CK導通(致能)切換訊號SW，且切換訊號SW具有一特定脈波寬度(導通時間)。
一旦切換訊號SW依據第一保護訊號OFF1的致能而為導通狀態時，一脈波產生器120依據切換訊號SW產生一脈波訊號BLK至反及閘152的一第二輸入端，以決定切換訊號SW的特定脈波寬度。因此，在保護功率轉換器而禁能切換訊號SW之前，切換訊號SW的脈波寬度會減少至特定值。於脈波訊號BLK產生後，脈波訊號BLK會觸發一正反器175，以栓鎖截止(latch off)致能訊號EN。致能訊號EN耦接正反器110而用於致能正反器110，以產生切換訊號SW。脈波訊號BLK耦接正反器175的一時脈輸入端CK。正反器175的一輸入端D接收一供應電壓VCC，正反器175的一輸出端/Q產生致能訊號EN。一重置訊號RST耦接正反器175的一重置輸入端R，以重置正反器175。脈波訊號BLK更耦接正反器170的一重置輸入端R， 以重置正反器170。
第二保護訊號OFF2(例如過溫度保護、開迴路保護及輸入電壓過低保護(brownout protection)等等)耦接輸入電路300，並經由一微步進電路(micro-stepping circuit，MS)350(如第五圖所示)禁能切換訊號SW，其依據回授訊號VFB而逐步地(step by step)減少切換訊號SW的脈波寬度。
請參閱第三圖，其為本發明之脈波產生器120之一實施例的電路圖。如圖所示，脈波產生器120包含複數反相器121、127、一電流源122、一電晶體123、一電容器125及一反及閘129。切換訊號SW經由反相器121耦接電晶體123的一閘極，以控制電晶體123。電流源122的一端耦接供應電壓VCC，電流源122的另一端耦接電晶體123的一汲極、電容器125的一端及反相器127的一輸入端。電晶體123的一源極及電容器125的另一端耦接於接地端。當切換訊號SW為導通狀態時，電流源122充電電容器125。反相器127的一輸出端耦接反及閘129的一第一輸入端，反及閘129的一第二輸入端接收切換訊號SW，反及閘129的一輸出端產生脈波訊號BLK。電流源122的準位及電容器125的電容值決定脈波訊號BLK的脈波寬度。如此，電流源122的準位及電容器125的電容值決定切換訊號SW的特定脈波寬度。
請參閱第四圖，其為本發明之時脈產生器200之一實施例的電路圖。如圖所示，一電容器215及一電容器216耦接一訊號產生器(OSC)250，以決定時脈訊號CK的頻率。一開關211耦接於電容器216及訊號產生器250之間，且受控於一訊號SX以切換電容器216。當開關211截止時，時脈訊號CK的頻率會提升。訊號產生器 250產生一脈波訊號PLS。脈波訊號PLS經由一反相器270而產生時脈訊號CK。
脈波訊號PLS更耦接正反器230與231的時脈輸入端CK。頻率調變訊號H/L耦接正反器230的一輸入端D，以致能/禁能正反器230。正反器230的一輸出端Q依據脈波訊號PLS而產生導通時間調整訊號SJ。導通時間調整訊號SJ更耦接正反器231的一輸入端D，以致能/禁能正反器231，而依據脈波訊號PLS產生訊號SX。正反器231的一輸出端Q經由一反相器271產生訊號SX。頻率調變訊號H/L更連接正反器230、231的重置輸入端R，以重置正反器230、231。因此，在訊號SX產生之前，導通時間調整訊號SJ會先行產生，以在增加切換訊號SW的切換頻率之前減少切換訊號SW的脈波寬度。
請參閱第五圖，其為本發明之輸入電路300之一實施例的電路圖。如圖所示，輸入電路300包含一回授電路及微步進電路350。回授電路包含複數電阻器310、325、326及一準位偏移電晶體315，而用於接收回授訊號VFB以產生一衰減回授訊號VA。電阻器310耦接於準位偏移電晶體315的一閘極及供應電壓VCC之間，而用於拉升回授訊號VFB。準位偏移電晶體315的一汲極也耦接於供應電壓VCC，準位偏移電晶體315的一閘極接收回授訊號VFB，以經由電阻器325與326而產生衰減回授訊號VA。衰減回授訊號VA表示回授訊號VFB。電阻器325的一端耦接準位偏移電晶體315的一源極，電阻器326耦接於電阻器325的另一端及接地端之間。衰減回授訊號VA產生於電阻器325及電阻器326之間的耦接點。
一電阻器327的一第一端耦接電阻器325及電阻器326之間的 耦接點，一開關331耦接於電阻器327的一第二端及接地端之間。 開關331用於導通/截止電阻器327。開關331受控於導通時間調整訊號SJ。當開關311導通時，電阻器327並聯於電阻器326，以減少衰減回授訊號VA的準位及減少切換訊號SW的脈波寬度。第二保護訊號OFF2用於導通/截止一開關332，開關332耦接於接地端及電阻器325、326之間的耦接點之間。開關332用於耦接衰減回授訊號VA至接地端(減少至零電壓)，以禁能切換訊號SW。因此，開關332作為保護電路並依據第二保護訊號OFF2禁能切換訊號SW。
微步進電路350緩慢地依據其輸入訊號改變其輸出訊號。微步進電路350依據衰減回授訊號VA產生調變回授訊號VB，以產生切換訊號SW。換言之，微步進電路350接收回授訊號VFB以產生切換訊號SW。此外，微步進電路350用於依據回授訊號VFB而逐步地調變切換訊號SW的脈波寬度。
請參閱第六圖，其為本發明之微步進電路之一實施例的電路圖。一阻抗裝置351及一電容器352構成具有一時間延遲的一濾波器。阻抗裝置351的一第一端接收衰減回授訊號VA。電容器352耦接於阻抗裝置351的一第二端及接地端之間。因此，濾波器依據衰減回授訊號VA產生調變回授訊號VB，且調變回授訊號VB相較於衰減回授訊號VA之下，調變回授訊號VB具有時間延遲。
請參閱第七圖，其為本發明之微步進電路之另一實施例的電路圖。如圖所示，微步進電路包含兩個電流源381、382，兩個電晶體371、391、一電容器385及一電阻器395。電流源381的一端耦接供應電壓VCC，電流源381的另一端耦接電晶體371的一源極及 電容器385的一端。電容器385的另一端耦接於接地端。電流源382耦接於電晶體371的一汲極及接地端之間。電晶體391的一汲極耦接供應電壓VCC，電晶體391的一閘極耦接電容器385。電阻器395耦接於電晶體391的一源極及接地端之間。
電晶體371的一閘極接收衰減回授訊號VA，電晶體371的源極更耦接電晶體391的閘極，以在電晶體391的源極及電阻器395之間的耦接點產生調變回授訊號VB。電容器385及電流源381、382耦接於電晶體371及電晶體391之間，以構成一線性時間延遲(linear time delay)及進行微步進調整。電流源381、382的準位及電容器385的電容值決定微步進的轉換速率(Slew rate)。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
本發明係實為一具有新穎性、進步性及可供產業利用者，應符合我國專利法所規定之專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈 鈞局早日賜准專利，至感為禱。
100‧‧‧切換式控制電路
110‧‧‧正反器
115‧‧‧及閘
120‧‧‧脈波產生器
150‧‧‧比較器
151‧‧‧反或閘
152‧‧‧反及閘
170‧‧‧正反器
175‧‧‧正反器
200‧‧‧時脈產生器
300‧‧‧輸入電路
BLK‧‧‧脈波訊號
CK‧‧‧時脈訊號
CK‧‧‧時脈輸入端
D‧‧‧輸入端
EN‧‧‧致能訊號
H/L‧‧‧頻率調變訊號
OFF1‧‧‧第一保護訊號
OFF2‧‧‧第二保護訊號
Q‧‧‧輸出端
/Q‧‧‧輸出端
R‧‧‧重置輸入端
RMP‧‧‧斜坡訊號
RST‧‧‧重置訊號
SJ‧‧‧導通時間調整訊號
SW‧‧‧切換訊號
VB‧‧‧調變回授訊號
VCC‧‧‧供應電壓
VFB‧‧‧回授訊號

Claims (16)

  1. 一種功率轉換器的切換式控制電路，其包含：一切換電路，接收一回授訊號，以產生一切換訊號；及一時脈產生器，產生一時脈訊號，以決定該切換訊號的一切換頻率；其中，該回授訊號關聯於該功率轉換器的一輸出，該切換訊號用於切換該功率轉換器的一變壓器，以調整該功率轉換器的該輸出，於該切換訊號的脈波寬度減少後，增加該切換訊號的該切換頻率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的切換式控制電路，其中該切換訊號禁能之前，該切換訊號的脈波寬度會減少。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的切換式控制電路，其中在保護該功率轉換器而禁能該切換訊號之前，該切換訊號的脈波寬度會減少至一特定值。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的切換式控制電路，其中該切換電路依據該回授訊號步進式調變該切換訊號的脈波寬度。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的切換式控制電路，其中該切換電路更包含一回授電路，該回授電路接收該回授訊號而產生一衰減回授訊號，該切換電路依據該衰減回授訊號產生一調變回授訊號，以產生該切換訊號。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的切換式控制電路，其中該切換電路更包含一邏輯電路，其依據該調變回授訊號及該時脈訊號產生該切換訊號。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的切換式控制電 路，其中該功率轉換器包含一同步整流器，其位於該變壓器的一二次側。
  8. 一種功率轉換器的一控制電路，其包含：一切換電路，接收一回授訊號，以產生一切換訊號；其中，該回授訊號關聯於該功率轉換器的一輸出，該切換訊號用於切換該功率轉換器的一變壓器，以調整該功率轉換器的該輸出，該切換電路依據其輸入訊號而步進式改變其輸出，該切換訊號禁能之前，該切換訊號的脈波寬度會減少以保護該功率轉換器。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的控制電路，其中該功率轉換器包含一同步整流器，其位於該變壓器的一二次側。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的控制電路，其更包含：一時脈產生器，產生一時脈訊號，以決定該切換訊號的一切換頻率；其中，於該切換訊號的脈波寬度減少後，增加該切換頻率。
  11. 如申請專利範圍第8項所述的控制電路，其中在保護該功率轉換器而禁能該切換訊號之前，該切換訊號的脈波寬度會減少至一特定值。
  12. 一種功率轉換器的一控制器，其包含：一切換電路，接收一回授訊號，以產生一切換訊號；及一保護電路，依據該功率轉換器的保護而禁能該切換訊號；其中，該回授訊號關聯於該功率轉換器的一輸出，該切換訊號用於切換該功率轉換器的一變壓器，以調整該 功率轉換器的該輸出，在保護該功率轉換器而禁能該切換訊號之前，該切換訊號的脈波寬度會依據該切換訊號而減少。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的控制器，其中該功率轉換器包含一同步整流器，其位於該變壓器的一二次側。
  14. 如申請專利範圍第12項所述的控制器，其更包含：一時脈產生器，產生一時脈訊號，以決定該切換訊號的一切換頻率；其中，於該切換訊號的脈波寬度減少後，增加該切換頻率。
  15. 如申請專利範圍第12項所述的控制器，其中在保護該功率轉換器而禁能該切換訊號之前，該切換訊號的脈波寬度會減少至一特定值。
  16. 如申請專利範圍第12項所述的控制器，其中該切換電路接收該回授訊號以產生該切換訊號，該切換電路依據該回授訊號而步進式調變該切換訊號的脈波寬度。
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