CN101252318B - 具有用于补偿最大输出功率的脉冲宽度调制控制器的电源转换器 - Google Patents

Abstract

一种PWM(脉冲宽度调制)控制器，用于补偿具有功率开关的电源转换器的最大输出功率，该PWM控制器包括：振荡器，用于产生锯齿波信号及脉冲信号；功率限制器，连接该振荡器以限制该锯齿波信号而产生锯齿波限制信号；以及PWM单元，连接该功率限制器及该振荡器以根据该锯齿波限制信号及该脉冲信号而产生PWM信号，从而以控制上述功率开关。输出电压产生之前，锯齿波限制信号于一段时间内保持平坦电平，此后转换为锯齿波限制波形。

Description

具有用于补偿最大输出功率的脉冲宽度调制控制器的电源转换器

技术领域

本发明涉及一种电源转换器(power converter)，尤指一种控制电路，其具有功率限制器(power limiter)，用于补偿交换式电源转换器(switching power converter)的最大输出功率。

背景技术

电源转换器可为多种电子装置供应能量，其采用现有的PWM(脉冲宽度调制)技术以控制并调节输出功率。于电源转换器内设置多种保护功能以避免电源转换器受到永久性的损坏，其中，补偿最大输出功率的功能通常用于过载及短路保护。

图1显示现有电源转换器的结构。该电源转换器包括功率变压器T₁，其具有初级绕组(primary winding)N_P和次级绕组(secondarywinding)N_S，该功率变压器T₁用于提供电源转换器的AC线路输入与输出之间的电流隔离。电源转换器的输入电压V_IN供给该初级绕组N_P。为调节该电源转换器的输出电压V_O，控制电路与功率变压器T₁的初级绕组N_P串接，以根据反馈信号V_FB而产生PWM信号V_PWM。该控制电路包括振荡器10、第一比较器31、第二比较器32、逻辑电路33及触发器20。该PWM(脉冲宽度调制)信号V_PWM控制功率开关Q₁，从而以开关功率变压器T₁。感测电阻(sense resistor)R_S串联于功率开关Q₁，以确定电源转换器的最大输出功率。感测电阻R_S将功率变压器T₁ 的交换电流转换为电流信号V_CS，且该电流信号V_CS连接上述控制电路。经第一比较器31比较，如该电流信号V_CS大于最大阈值V_M，则使该控制电路关闭该PWM信号V_PWM以限制该电源转换器的最大输出功率。

图2为图1的电源转换器的PWM信号V_PWM及电流信号V_CS的波形图。如图所示，当PWM信号V_PWM为逻辑高电平时，相应产生初级侧交换电流I_P。初级侧交换电流I_P的峰值I_P1为

$I_{P1}=\frac{V_{\mathrm{IN}}}{L_P}\×T_{\mathrm{ON}}---\left(1\right)$

最大输出功率P_O为

$P_O=\frac{L_P}{2\×T_S}\×I_{P1}^2=\frac{V_{\mathrm{IN}}^2\×T_{\mathrm{ON}}^2}{2\×L_P\×T_S}---\left(2\right)$

等式(1)与(2)中，L_P为变压器T₁的初级绕组N_P的电感值，T_ON为功率开关Q1开通时PWM信号V_PWM的开通时间，T_S为PWM信号V_PWM的切换周期。

我们可从等式(2)中看出输出功率随输入电压V_IN的变化而变化。如考虑安全调节，输入电压的范围在90V_AC到264V_AC之间，其中高线电压(high-line voltage)的功率限制高出低线电压(low-line voltage)的功率限制许多倍。在电流信号V_CS高于最大阈值V_M的时刻与PWM信号V_PWM实际关闭的时刻之间存在延迟时间T_D。最大输出功率也受该控制电路的延迟时间T_D的影响。在延迟时间T_D期间，功率开关Q₁ 仍为导通并保持开启状态而用于传送输出功率。因此，PWM信号V_PWM 的实际开启时间等于T_ON+T_D，实际最大输出功率P_O为

$P_O=\frac{V_{\mathrm{IN}}^2\×{(T_{\mathrm{ON}}+T_D)}^2}{2\×L_P\×T_S}---\left(3\right)$

尽管延迟时间T_D很短，一般在200ns～350ns之间，但工作频率愈高，切换周期T_S愈小，延迟时间T_D所造成的影响愈大。因此，需要适当补偿输入电压V_IN以避免输入电压V_IN影响最大输出功率。

发明内容

鉴于上述现有技术的种种缺点，本发明的目的在于提供一种控制电路，以补偿电源转换器的最大输出功率。该控制电路的功率限制器可补偿输入电压与延迟时间所造成的差别，并使低线电压输入与高线电压输入具有同样的输出功率限制。

本发明的又一目的在于提供一种延迟计数器，在产生输出电压之前平坦化功率限制器的限制信号。通过适当选择延迟周期并关闭限制信号，而可克服低线电压及过载条件下无法启动的缺失。

本发明的又一目的在于提供一种反馈侦测器，来感测电源转换器 的反馈信号。该反馈侦测器是根据该反馈信号而产生侦测信号，从而确定限制信号。

为了达到本发明的上述目的及其他目的，本发明提供一种PWM控制器，用于补偿电源转换器的最大输出功率，其中，该电源转换器具有一功率开关。该PWM控制器包括：振荡器，用于产生锯齿波信号及脉冲信号；功率限制器，连接该振荡器以限制该锯齿波信号而产生锯齿波限制信号；以及PWM单元，连接该功率限制器及振荡器以根据该锯齿波限制信号及脉冲信号而产生PWM信号，从而以控制功率开关。于输出电压产生之前锯齿波限制信号于一段时间内具有平坦电平，此后转换为锯齿波限制波形。

附图说明

图1显示现有电源转换器；

图2为图1所示的现有电源转换器的PWM信号及电流信号波形；

图3为本发明的具有控制电路的电源转换器示意图；

图4为本发明的控制电路的功率限制器的第一实施例示意图；

图5为本发明的控制电路的波形图；

图6为本发明的控制电路的功率限制器的第二实施例示意图；以及

图7为本发明的控制电路的功率限制器的第三实施例示意图。

主要元件符号说明

C_O        输出电容

N_S        次级绕组

N_P        初级绕组

Q₁        功率开关

PLS       脉冲信号

R_P        上拉电阻

R_S        感测电阻

S_C        比较信号

S_w1，S_W2  开关

S₁        反相延迟信号

T_D             延迟时间

T_S             切换周期

T₁             功率变压器

V_A             参考电压

V_CC            电压源

V_cs            电流信号

V_D             控制信号

V_FB            反馈信号

V_IN            输入电压

V_LMT           锯齿波限制信号

V_M             最大阈值

V_O             输出电压

V_PWM           PWM信号

V_SAW           锯齿波信号

10             振荡器

20             触发器

31，32         比较器

33             逻辑电路

41             PWM控制器

42             PWM单元

60，60a，60b   功率限制器

611，621       电压转电流电路(V-I)

612，613，622，623，624，631，632晶体管

64，65，66     延迟单元

641，651       延迟计数器

642，652，662  反相器

653            逻辑单元

654            比较电路

661            负电压增值(Delta V)计数器

具体实施方式

以下是通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点与效果。本发明还可采取其他不同的实施方式。具体细节可基于不同的要点及应用并在不背离本发明的精神及范围下进行修改及变更。

请参阅图3，显示本发明第一实施例的电源转换器的电路示意图。该电源转换器包括功率变压器T₁。该功率变压器T₁具有初级绕组N_P及次级绕组N_S，并可将储存能量自该初级绕组N_P传递至该次级绕组N_S。电源转换器的输入电压V_IN供给该初级绕组N_P。为调节电源转换器的输出电压V_O，将PWM控制器41与功率变压器T₁的初级绕组N_P串接，以根据反馈信号V_FB而产生PWM信号V_PWM。该PWM信号V_PWM控制功率开关Q₁，从而以开关功率变压器T₁。感测电阻R_S串接功率开关Q₁以确定电源转换器的最大输出功率。该感测电阻R_S将功率变压器T₁的交换电流转换为电流信号V_CS。该电流信号V_CS是连接至上述PWM控制器41。

于一实施例中，该PWM控制器41包括振荡器10，功率限制器60及PWM单元42，其中，振荡器10用于产生锯齿波信号V_SAW及脉冲信号PLS；功率限制器60是连接振荡器10以限制该锯齿波信号V_SAW而产生一锯齿波限制信号(Saw-limited)V_LMT；PWM单元42是连接功率限制器60及振荡器10以根据该锯齿波限制信号V_SAW及脉冲信号PLS而产生PWM信号V_PWM，进而控制功率开关Q₁。PWM单元42包含触发器20，比较器31、32，以及与门(AND gate)33。

如图4所示，于第一实施例中，功率限制器60包括延迟单元64及锯齿波限制电路，其中，延迟单元64包括延迟计数器641及反相器642。延迟计数器641连接电压源V_CC，并且于电压源V_CC使能(enabling)后于一延迟时间之后产生一延迟信号S₁。反相器642连接延迟计数器641的输出而将该延迟信号S₁反相为控制信号V_D。

还请参阅图4，该锯齿波限制电路进一步包括第一参考电路、第二参考电路及电流限制电路。其中，电压转电流电路(V-I)621及由晶体管622，623组成的电流镜形成该第一参考电路。电压转电流电路(V-I)621、由晶体管623、624组成的电流镜以及开关S_W2形成该第二参考电路。该第一参考电路的电压转电流电路(V-I)621接收参考 电压V_REF并转换为对应的参考电流I_REF，然后镜像至晶体管623的输出，用于产生第一参考信号I₁。当开关S_W2开启时，参考电流I_REF镜像至晶体管624的输出，用于产生第二参考信号I₂。开关S_W2是通过延迟单元的控制信号V_D控制。

电压转电流电路(V-I)611、开关S_w1、以及分别由晶体管612，613及631，632组成的两个电流镜构成该电流限制电路。电压转电流电路(V-I)611接收如图3所示的振荡器1 0的锯齿波信号V_SAW并将其转换为对应的电流信号I_SAW。开关S_W1连接于电压转电流电路(V-I)611的输出与地之间，由延迟单元的控制信号V_D控制。因此，当接通开关S_W1时，电流信号I_SAW接地；当关闭开关S_W1时，电流信号I_SAW 镜像至晶体管613的输出，以产生第三参考信号I₃。晶体管612及613的源极还连接电流源I_T，从而可通过电流源I_T而以锯齿波限制信号V_SAW的峰值。另一电流镜由晶体管631及632组成，其中，晶体管631的栅极连接至其漏极，晶体管623的漏极依据参考电流I_REF产生第一参考信号I₁。经过开关S_W2的晶体管624的漏极依据参考电流I_REF而产生第二参考电流I₂。晶体管632的漏极根据第一参考信号I₁、第二参考信号I₂及第三参考信号I₃而产生电流限制信号I_LMT。因此，依据流经电阻R_LMT的电流限制信号I_LMT而可获得锯齿波限制信号V_LMT，即，V_LMT＝I_LMT*R_LMT。

参阅图4及图5，其中，锯齿波限制电路上的波形显示于图5中。在输出电压产生之前，电压源V_CC为逻辑高电平(logic-high)时，延迟信号S₁此时仍为逻辑低电平(logic-low)，通过反相器642的控制信号V_D为逻辑高电平。开关S_W1及S_W2因此被开启，电流信号I_SAW 经开关S_W1旁路至接地，此时电流限制信号I_LMT＝I₁+I₂。锯齿波限制信号V_LMT根据流经电阻R_LMT的电流限制信号I_LMT而产生；其算式为V_LMT＝I_LMT*R_LMT。因为第一参考信号I₁、第二参考信号I₂由参考电流I_REF镜射形成，为一平坦电平。因此，锯齿波限制信号的波形相对为一平坦电平。在一延迟时间t_delay之后，延迟信号S₁从逻辑低电平转为逻辑高电平，经通过反相器642反相后所输出的控制信号V_D为逻辑低电平。开关S_W1及S_W2因此关闭，电流限制信号I_LMT＝I₁+I₃，因此锯齿波限制信号V_LMT呈锯齿波限制波形。由上述可知，锯齿波限制信号V_LMT 的波形根据控制信号V_D的状态而产生。当控制信号V_D使能(enabling)(例如逻辑高电平)时，锯齿波限制信号V_LMT处于平坦电平，当控制信号V_D失能(disabling)(例如逻辑低电平)时，波形为锯齿波限制信号V_LMT。

图6为本发明的功率限制器60a的第二实施例示意图。如图所示，该功率限制器60a包括延迟单元65及锯齿波限制电路，其中，该锯齿波限制电路与第一实施例所述相同，因此在此略去详细描述。第二实施例中的延迟单元65包括延迟计数器651，反相器652，比较电路654及逻辑单元653。延迟计数器651连接电压源V_CC，用于根据电压源V_CC的启动而在一延迟时间T_delay之后产生延迟信号S₁。反相器652连接延迟计数器651的输出，用于将延迟信号S₁反相为反相延迟信号S₁。比较电路654连接反馈电压V_FB及参考电压V_A，以输出比较信号S_C。逻辑单元653(例如与门)连接比较电路654的输出及反相器652的输出，以根据反相延迟信号S₁及比较信号S_C而产生控制信号V_D。

在输出电压产生前，电压源V_CC为逻辑高电平时，延迟计数器651的输出仍为逻辑低电平，反相器652的输出为逻辑高电平。由于输出电压产生之前AC线路输入启动时，输出电容C_O(如图3所示)对地短路，因而通过电阻R_P连接至电压源V_CC的反馈电压V_FB而拉高(pullhigh)。当反馈信号V_FB高于参考电压V_A时，比较电路654输出的比较信号S_C为逻辑高电平。由于反相器652的输出及比较信号S_C均为逻辑高电平，因此逻辑单元653输出的控制信号V_D也为逻辑高电平。如此，开关S_W1及S_W2接通，电流信号I_SAW经开关S_W1流入地，并且电流限制信号I_LMT＝I₁+I₂。在此期间，锯齿波限制信号V_LMT的波形为一平坦电平。因此，锯齿波限制信号V_LMT依据流经电阻R_LMT的电流限制信号I_LMT而产生，其中，V_LMT＝I_LMT*R_LMT。

当反相延迟信号S₁或者比较信号S_C为逻辑低电平时，控制信号V_D 将转为逻辑低电平。在一段延迟时间T_delay之后或者在功率变压器T₁ 的次级绕组N_S产生输出电压之后，反馈电压V_FB将趋于稳定并降低。当反馈信号V_FB低于参考电压V_A时，控制信号V_D为逻辑低电平。开关S_W1及S_W2断开，并且电流限制信号I_LMT＝I₁+I₃，因此，锯齿波限 制信号V_LMT的波形为对应于第一参考信号I₁加上第三参考信号I₃的波形。换句话说，是为一垫高一电压电平的截头锯齿波形。

图7为本发明的功率限制器60b的第三实施例示意图。该功率限制器60b包括延迟单元66及锯齿波限制电路，其中该锯齿波限制电路与第一实施例相同，本实施例的延迟单元66包括负电压增值(Delta V)计数器661、反相器662及上拉电阻(pull-high resistor)R_P。该负DeltaV计数器661是连接反馈电压V_FB并经由上拉电阻R_P连接电压源V_CC。由于输出电压产生之前AC线路输入启动时，输出电容C_O(如图3所示)对地短路，通过R_P连接电压源V_CC的反馈电压V_FB而拉高。同时，由于负Delta V计数器661不会侦测到负Delta V电压，因此负Delta V计数器661的输出为逻辑低电平，经过反相器662的输出为逻辑高电平。因此，开关S_W1及S_W2开启，电流信号I_SAW经由开关S_W1流入地，电流I_LMT＝I₁+I₂。在此期间，锯齿波限制信号V_LMT的波形为平坦电平。因此，锯齿波限制信号V_LMT是依据流经电阻R_LMT的电流限制信号I_LMT 而产生，其中，V_LMT＝I_LMT*R_LMT。由于输出电压产生之前AC线路输入启动时，输出电容C_O(如图3所示)对地短路，通过R_P连接电压源V_CC的反馈电压V_FB而拉高。

次级绕组N_S的输出电压建立后，反馈电压V_FB将趋于稳定并降低。负Delta V计数器661可侦测到负Delta V电压，因此，负Delta V计数器661的输出端为逻辑高电平(启动)，并且通过反相器662的控制信号V_D为逻辑低电平。当控制信号V_D为逻辑低电平时，开关S_W1 及S_W2关闭，电流限制信号I_LMT＝I₁+I₃。因此，锯齿波限制信号V_LMT 的波形为对应于第一参考信号I₁加上第三参考信号I₃的波形。换句话说，是为一垫高一电压电平的截头锯齿波形。

相比于现有技术，本发明的功率限制器60、60a及60b分别采用延迟单元64、65及66以控制锯齿波限制信号的波形。通过适当选择延迟周期并关闭锯齿波限制信号，而克服低线电压及过载条件下无法启动的缺点。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如后述的权利要求所列。

Claims (12)

1.一种脉冲宽度调制控制器，用于补偿电源转换器的最大输出功率，其中该电源转换器包括功率开关，其特征在于，所述脉冲宽度调制控制器包括：

振荡器，用于产生锯齿波信号及脉冲信号；

功率限制器，其包括延迟单元及锯齿波限制电路，且该功率限制器连接该振荡器，用于限制该锯齿波信号而产生锯齿波限制信号；以及

脉冲宽度调制单元，连接该功率限制器及该振荡器，以依据该锯齿波限制信号及该脉冲信号而产生脉冲宽度调制信号，用于控制该功率开关；

其中，在输出电压产生之前，该锯齿波限制信号于一段时间内具有平坦电平，并且接着在输出电压产生之后转换为一锯齿波限制波形。

2.根据权利要求1所述的脉冲宽度调制控制器，其特征在于，该功率限制器包括：

延迟单元，为由延迟计数器及反相器组成，或由延迟计数器、反相器、比较电路及逻辑单元组成，或由负电压增值计数器、反相器及上拉电阻组成，以产生控制信号来控制该锯齿波限制信号的波形；以及

锯齿波限制电路，其包括第一参考电路、第二参考电路及电流限制电路，且该锯齿波限制电路连接该延迟单元及该振荡器，以接收该控制信号及该锯齿波信号，并依据该控制信号的状态而产生该锯齿波限制信号。

3.根据权利要求2所述的脉冲宽度调制控制器，其特征在于，该锯齿波限制电路包括：

第一参考电路，其是由第一电压转电流电路及由第一晶体管、第二晶体管组成的电流镜所形成，且该第一参考电路用于产生第一参考信号；

第二参考电路，其是由该第一电压转电流电路、第一开关以及由第二晶体管、第三晶体管组成的电流镜所形成，且该第二参考电路是连接该延迟单元以接收该控制信号并依据该控制信号而提供第二参考信号；以及

电流限制电路，其是由第二电压转电流电路、第二开关以及由第四晶体管、第五晶体管及第六晶体管、第七晶体管组成的两个电流镜构成，且该电流限制电路连接该振荡器、该延迟单元、该第一参考电路及该第二参考电路，用于依据该锯齿波信号、该第一参考信号、该第二参考信号及该控制信号而产生该锯齿波限制信号。

4.根据权利要求2所述的脉冲宽度调制控制器，其特征在于，该延迟单元包括：

延迟计数器，其连接电压源，依据该电压源的开启而产生延迟信号；以及反相器，连接该延迟计数器，用于反相该延迟信号并产生该控制信号。

5.根据权利要求2所述的脉冲宽度调制控制器，其特征在于，该延迟单元包括：

反馈电压源，用以提供反馈电压；

上拉电阻，其一端连接电压源；

负电压增值计数器，其连接该上拉电阻的另一端以及该反馈电压，用于侦测该反馈电压是否产生变动，其中，当该电压源产生输出电压以及该反馈电压开始降低时就使能延迟信号；以及

反相器，连接该负电压增值计数器，用于反相该延迟信号并产生该控制信号。

6.根据权利要求2所述的脉冲宽度调制控制器，其特征在于，该延迟单元包括：

反馈电压源，用以提供反馈电压；

延迟计数器，其连接电压源，依据该电压源的启动而在一延迟时间之后产生延迟信号；

反相器，连接该延迟计数器，用于反相该延迟信号并产生反相延迟信号；

比较电路，其连接该反馈电压及一参考电压，依据该反馈电压及该参考电压之间的比较而产生一比较信号；以及逻辑单元，根据该反相延迟信号及该比较信号而产生该控制信号。

7.一种电源转换器，其特征在于，包括：

功率开关，用于控制流经变压器的电流；

脉冲宽度调制控制器，用于产生脉冲宽度调制信号，用于控制该功率开关来开关该变压器，其中，该脉冲宽度调制控制器包括：

振荡器，用于产生锯齿波信号及脉冲信号；

功率限制器，其包括延迟单元及锯齿波限制电路，且该功率限制器连接该振荡器，用于限制该锯齿波信号而产生锯齿波限制信号；以及

脉冲宽度调制单元，连接该功率限制器及该振荡器，以根据该锯齿波限制信号及该脉冲信号而产生脉冲宽度调制信号，从而控制该功率开关；

其中，在输出电压产生之前，该锯齿波限制信号于一段时间内具有平坦电平，并且随后在输出电压产生之后转换为一锯齿波限制波形。

8.根据权利要求7所述的电源转换器，其特征在于，该功率限制器包括：

延迟单元，为由延迟计数器及反相器组成，或由延迟计数器、反相器、比较电路及逻辑单元组成，或由负电压增值计数器、反相器及上拉电阻组成，以产生控制信号以控制该锯齿波限制信号的波形；以及

锯齿波限制电路，其包括第一参考电路、第二参考电路及电流限制电路，且该锯齿波限制电路连接该延迟单元及该振荡器，以接收该控制信号及该锯齿波信号，并依据该控制信号的状态而产生该锯齿波限制信号。

9.根据权利要求8所述的电源转换器，其特征在于，该锯齿波限制电路包括：

第一参考电路，其是由第一电压转电流电路及由第一晶体管、第二晶体管组成的电流镜所形成，且该第一参考电路用于产生第一参考信号；

第二参考电路，其是由该第一电压转电流电路、第一开关以及由第二晶体管、第三晶体管组成的电流镜所形成，且该第二参考电路连接该延迟单元以接收该控制信号并依据该控制信号而产生该第二参考信号；以及

电流限制电路，其是由第二电压转电流电路、第二开关以及由第四晶体管、第五晶体管及第六晶体管、第七晶体管组成的两个电流镜构成，且该电流限制电路连接该振荡器、该延迟单元、该第一参考电路及该第二参考电路，用于依据该锯齿波信号、该第一参考信号、该第二参考信号及该控制信号而产生该锯齿波限制信号。

10.根据权利要求8所述的电源转换器，其特征在于，该延迟单元包括：

延迟计数器，其连接电压源，根据该电压源的开启而产生延迟信号；以及反相器，连接该延迟计数器，用于反相该延迟信号并产生该控制信号。

11.根据权利要求8所述的电源转换器，其特征在于，该延迟单元包括：

反馈电压源，用以提供反馈电压；

上拉电阻，其一端连接电压源；

一负电压增值计数器，其连接该上拉电阻的另一端以及该反馈电压，用于侦测该反馈电压是否产生变动，其中，当该电压源产生该输出电压以及该反馈电压开始减少时即使能延迟信号；以及

反相器，连接该负电压增值计数器，用于反相该延迟信号并产生该控制信号。

12.根据权利要求8所述的电源转换器，其特征在于，该延迟单元包括：

反馈电压源，用以提供反馈电压；

延迟计数器，其连接电压源，根据该电压源的启动而在一延迟时间之后产生延迟信号；

反相器，连接该延迟计数器，用于反相该延迟信号而产生反相延迟信号；

比较电路，其连接该反馈电压及一参考电压，根据该反馈电压及该参考电压之间的比较而产生比较信号；以及

逻辑单元，根据该反相延迟信号及该比较信号而产生该控制信号。

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