CN101527510B - 使用于谐振型直流/直流变换器的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种使用于谐振型直流/直流变换器的控制装置，用于控制该谐振型直流/直流变换器的一个开关单元以进行电源转换并输出一个输出资讯，该控制装置包含：一个调频控制器，根据该输出资讯产生一个同步信号；及一个脉冲筛选器，接收该输出资讯和该同步信号，并据以产生一个驱动信号来启闭该开关单元，且该驱动信号包括一段该驱动信号的频率与该同步信号实质上相同的工作区间与一段该驱动信号持续为低电位的未工作区间。

Description

使用于谐振型直流/直流变换器的控制装置

技术领域

本发明涉及一种控制装置，特别是涉及一种使用于谐振型直流/直流变换器的控制装置。

背景技术

参阅图1与图2，现有半桥式LLC谐振型直流/直流变换器8用于接收一个输入直流电源(图未示)以经电压转换后供给予一个负载(图未示)。该变换器8具有一个开关单元81及一个谐振电感器(图未示)，该开关单元81受一个调频控制器9控制来启闭，并影响流经该谐振电感器的电流Is的幅值。

详细来说，该开关单元81接收来自该调频控制器9的一个第一驱动信号drive1和一个第二驱动信号drive2，并据以切换地接收输入直流电源以经变压后输出至负载。且该变换器8的输出功率会随负载变动，而输出电压Vout保持不变。

该调频控制器9接收该输出电压Vout，并据以调整该等驱动信号drive1、drive2的周期来决定该开关单元81的启闭，以实现对输出电压Vout的控制。

当负载越为轻载时，输出功率减少，该调频控制器9因而缩短该等驱动信号drive1、drive2的周期，以使该等驱动信号drive1、drive2的频率变高。该开关单元81由于受较高频率的该等驱动信号drive1、drive2控制，因而开关次数显著增加，而使开关损耗大，导致变换器8的整体功率变换效率降低。

美国专利第6,545,882的美国专利申请案使用一个产生放电(discharge)电流的截止时间(off-time)调制器来解决这项问题。而本发明采用另一种实现方式来达成提高轻载效率的目的。

由此可见，上述现有的半桥式LLC谐振型直流/直流变换器在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品又没有适切结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新型结构的使用于谐振型直流/直流变换器的控制装置，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。

有鉴于上述现有的半桥式LLC谐振型直流/直流变换器存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的使用于谐振型直流/直流变换器的控制装置，能够改进一般现有的半桥式LLC谐振型直流/直流变换器，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经过反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有的半桥式LLC谐振型直流/直流变换器存在的缺陷，而提供一种新型结构的使用于谐振型直流/直流变换器的控制装置，所要解决的技术问题是使其可以在轻载时降低谐振型直流/直流变换器开关次数并提高功率变换效率的控制装置。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种使用于谐振型直流/直流变换器的控制装置，用于控制该谐振型直流/直流变换器的一个开关单元以进行电源转换并输出一个输出资讯，包含：一个调频控制器，根据该输出资讯产生一个同步信号；其中该使用于谐振型直流/直流变换器的控制装置还包含一个脉冲筛选器，接收该输出资讯和该同步信号，并据以产生一个驱动信号来启闭该开关单元，且随该输出资讯对应产生的驱动信号包括一段该驱动信号的频率与该同步信号实质上相同的工作区间与一段该驱动信号持续为低电位的未工作区间。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的使用于谐振型直流/直流变换器的控制装置，其中该输出资讯随着外接负载变化，而使得该脉冲筛选器所产生的驱动信号具有相等于该同步信号的实质频率。

前述的控制装置，其中该脉冲筛选器依据该输出资讯产生一个致能信号，当该致能信号为高电位时，该驱动信号的频率与该同步信号实质上相同而形成该工作区间，当该致能信号为低电位时，该驱动信号持续为低电位而形成该未工作区间。

前述的控制装置，其中该脉冲筛选器所产生的致能信号的频率较该同步信号低。

前述的控制装置，其中该脉冲筛选器包括一个存有一个修正临界值的脉冲宽度调制器，比较该修正临界值和该输出资讯以决定一个修正信号的占空比，且依据该同步信号来同步调整该修正信号以得到该致能信号。

前述的控制装置，该谐振型直流/直流变换器电连接一个外接负载，其中该输出资讯随着外接负载而变化，且该外接负载越为轻载，该调频控制器受一个较小的输出资讯控制而调升该同步信号的频率，当该输出资讯小于该修正临界值时，愈小的输出资讯导致该脉冲宽度调制器令该修正信号的占空比愈小，而当该输出资讯大于该修正临界值时，该脉冲宽度调制器使该修正信号处于高电位状态，此时，该驱动信号具有一个实质上与该同步信号相同的频率。

前述的控制装置，其中该脉冲筛选器包括一个逻辑合成器，合成该同步信号与该致能信号以产生该驱动信号。

前述的控制装置，其中该调频控制器是一个脉冲密度调制器。

前述的控制装置，其中该逻辑合成器利用及闸方式来合成该同步信号与该致能信号。

前述的控制装置，更用于接收一个参考电压，其中该调频控制器包括一个电压调整器及一个压控震荡器，该电压调整器依据该输出资讯和该参考电压的差值输出一个调整电压，该压控震荡器根据该调整电压决定该同步信号的频率。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上可知，为达到上述目的，本发明提供了一种使用于谐振型直流/直流变换器的控制装置，用于控制该谐振型直流/直流变换器的一个开关单元以进行电源转换并输出一个输出资讯，该使用于谐振型直流/直流变换器的控制装置包含：一个调频控制器，根据该输出资讯产生一个同步信号；及一个脉冲筛选器，接收该输出资讯和该同步信号，并据以产生一个驱动信号来启闭该开关单元，且随该输出资讯对应产生的驱动信号包括一段该驱动信号的频率与该同步信号实质上相同的工作区间与一段该驱动信号持续为低电位的未工作区间。

借由上述技术方案，本发明使用于谐振型直流/直流变换器的控制装置至少具有下列优点及有益效果：当外接负载越为轻载时，本发明使用于谐振型直流/直流变换器的控制装置能依据输出资讯适度减少谐振型直流/直流变换器的开关次数以避免开关损耗，进而提高轻载功率变换效率。

综上所述，本发明具有上述诸多优点及实用价值，其不论在控制装置或功能上皆有较大改进，在技术上有显着的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的半桥式LLC谐振型直流/直流变换器具有增进的突出功效，从而更加适于实用，并具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是一个方块图，说明现有谐振型直流/直流变换器受调频控制器控制；

图2是一个时序图，说明现有谐振型直流/直流变换器的主要信号相对关系；

图3是一个本发明使用于谐振型直流/直流变换器的控制装置的较佳实施例的方块图；

图4是一个电路图，说明本较佳实施例的谐振型直流/直流变换器；

图5是一个流程图，说明本较佳实施例所执行的方法；

图6是一个流程图，说明本较佳实施例的脉冲宽度调制器产生致能信号；

图7是一个时序图，说明外接负载较为轻载时的主要信号相对关系；

图8是一个转换曲线图，说明谐振型直流/直流变换器的功率变换效率。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的使用于谐振型直流/直流变换器的控制装置其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

参阅图3和图4，本发明使用于谐振型直流/直流变换器的控制装置2的较佳实施例用于控制一个谐振型直流/直流变换器1，该谐振型直流/直流变换器1对一个输入电源31进行转换处理，以传递能量到一个外接负载32，并传送一个输出资讯到该控制装置2，而该输出资讯具有一个输出电压Vout和一个输出电流Iout。

该谐振型直流/直流变换器1包含一个开关单元11、一个谐振单元12、一个整流单元13及一个输出单元14。该开关单元11包括一个第一电晶体Q1和一个第二电晶体Q2。该谐振单元12包括一个第一电容器C1、一个第一电感器L1及一个第二电感器L2。流经该第一电感器L1的电流视为一个谐振电流Is。因为谐振型直流/直流变换器1为本领域具有通常知识者所熟知，所以在此不再详细赘述。

在本实施例中，该谐振型直流/直流变换器1是半桥(half-bridge)对称LLC谐振转换器(resonant converter)，也可以是不对称LLC谐振转换器或全桥LLC直流谐振转换器，且不以此为限。

该控制装置2根据该输出电压Vout和该输出电流Iout来调整并输出一个第一驱动信号drive1和一个第二驱动信号drive2，以决定该第一电晶体Q1和该第二电晶体Q2的导通状态。而该控制装置2包含一个调频控制器21及一个脉冲筛选器22，该调频控制器21包括一个电压调整器211和一个压控震荡器(Voltage Controlled Oscillator，简称VCO)212，且该脉冲筛选器22包括一个脉冲宽度调制器(pulse width modulator)221及一个逻辑合成器222。而该脉冲宽度调制器221存有一个修正临界值reg_correct_thrd。

参阅图5，本发明使用于谐振型直流/直流变换器的控制装置2所执行的控制方法包含以下步骤：

步骤61：该调频控制器21根据该输出电压Vout产生一个具有多数个脉冲的第一同步信号sync1及一个与该第一同步信号sync1呈反相的第二同步信号sync2。

本较佳实施例中，该调频控制器21是脉冲密度调制器(pulse densitymodulator)，且不以此为限。而该脉冲密度调制器所进行的处理是指依据该输出电压Vout的幅值决定该等同步信号sync1、sync2的频率(也就是周期的倒数)。

而步骤61包括以下子步骤：

子步骤611：该电压调整器211接收该输出电压Vout和一个参考电压，并依据两者差值输出一个调整电压。

而外接负载32状态改变时，会造成该输出电压Vout的微幅变动。若是外接负载32越为重载，则该电压调整器211受差值控制而调降该调整电压。若是外接负载32越为轻载，则该电压调整器211受差值控制而调升该调整电压。

子步骤612：该压控震荡器212根据该调整电压决定该第一同步信号sync1和该第二同步信号sync2的频率。

当外接负载32越为重载时，该电压调整器211使该调整电压越小，而导致该压控震荡器212输出具有较低频率的该等同步信号sync1、sync2。相反地，当外接负载32越为轻载，该电压调整器211使该调整电压越大，而导致该压控震荡器212输出具有较高频率的该等同步信号sync1、sync2。

步骤62：该脉冲宽度调制器221根据该修正临界值reg_correct_thrd和该输出电流Iout产生一个修正信号Pcorrect，且输出一个与该第一同步信号sync1维持同步的致能信号Pvalid。

参阅图6，步骤62包括以下子步骤：

子步骤621：该脉冲宽度调制器221判断该输出电流Iout是否小于该修正临界值reg_correct_thrd。若是，跳到子步骤622；若否，跳到子步骤623。

子步骤622：该脉冲宽度调制器221根据该输出电流Iout进行脉冲宽度调制处理，以决定该修正信号Pcorrect的占空比(duty cycle)，接着跳到子步骤624。而该修正信号Pcorrect的频率较该第一同步信号sync1低。

脉冲宽度调制处理是指依据该输出电流Iout的幅值决定该修正信号Pcorrect的占空比。而愈小的输出电流Iout导致该脉冲宽度调制器221令该修正信号Pcorrect的占空比愈小。

子步骤623：该脉冲宽度调制器221使该修正信号Pcorrect的占空比为100％，也就是该修正信号Pcorrect总是处于高电位状态。

子步骤624：该脉冲宽度调制器221依据该修正信号Pcorrect来产生一个与该第一同步信号sync1保持同步的致能信号Pvalid，且该致能信号Pvalid的频率也因而较该第一同步信号sync1低。也就是说，产生的致能信号Pvalid其时脉特性如下：随着时间过去，致能信号Pvalid会遵循修正信号Pcorrect的状态，但是当修正信号Pcorrect转态时，致能信号Pvalid会直到出现第一同步信号sync1的切换点时才转态(如图7)。

执行此步骤的原因主要是因为修正信号Pcorrect不一定与第一同步信号sync1同步，也就是：修正信号Pcorrect的信号切换点不一定与第一同步信号sync1的切换点相同。因此，此子步骤624特别产生与该第一同步信号sync1保持同步的致能信号Pvalid。

本较佳实施例中，第一同步信号sync1的切换点是指每次转态的时间点，也可以是指每次发生上升(rising)缘的时间点，但也可以是该脉冲宽度调变器221使致能信号Pvalid直到出现第二同步信号sync2的切换点时才转态，且不以此为限。

步骤63：该逻辑合成器222合成该第一同步信号sync1与该致能信号Pvalid以产生该第一驱动信号drive1，并合成该第二同步信号sync2与该致能信号Pvalid以产生该第二驱动信号drive2。本较佳实施例中，该逻辑合成器222是利用与门(AND)方式来合成该等同步信号sync1、sync2与该致能信号Pvalid以产生该等驱动信号drive1、drive2，且不以此为限。

当致能信号Pvalid为高电位时，该逻辑合成器222将该等同步信号sync1、sync2分别当作其输出的该等驱动信号drive1、drive2而形成一段工作区间。当致能信号Pvalid为低电位时，该逻辑合成器222使该等驱动信号drive1、drive2处于低电位而形成一段未工作区间。

且该等驱动信号drive1、drive2分别包括多数段接续区间，例如二段或超过二段的区间，这些段区间中两相邻的区间分别为工作区间与未工作区间。在本较佳实施例中，这些段区间更依序为工作区间与未工作区间，举例来说，假设驱动信号drive1、drive2包含三段以上区间，若顺位为奇数段的区间为工作区间，则顺位为偶数段的区间为未工作区间；相反地，若顺位为偶数段的区间为工作区间，则顺位为奇数段的区间为未工作区间。

因此，驱动信号drive1、drive2分别在致能信号Pvalid为低电位的区间都保持低电位而不产生切换，所以实质上整体的频率降低了，也减少了开关单元11的电晶体Q1、Q2的开关次数。

由于该致能信号Pvalid与该等同步信号sync1、sync2保持同步，所以可确保经该逻辑合成器222合成后的驱动信号drive1、drive2发生切换的时间点相同，以实现该开关单元11的软开关。

步骤64：重复步骤61到步骤63，直到该谐振型直流/直流变换器1停止接收该输入电源31。

因此，当外接负载32越为重载而使得该输出电流Iout大于该修正临界值reg_correct_thrd时，本发明控制装置2将该调频控制器21的输出分别视为该等驱动信号drive1、drive2。

而当外接负载32越为轻载而使得该输出电流Iout小于该修正临界值reg_correct_thrd时，本发明控制装置2合成该调频控制器21与该脉冲宽度调制器221的输出，来降低该等驱动信号drive1、drive2的实质频率。因此，与现有相比，脉冲个数少，脉冲频率低，可以有效降低开关单元11的开关次数。

且值得注意的是，参阅图7的虚线，在较为轻载情况下，用以控制现有谐振型直流/直流变换器8的调频控制器9输出高频率(周期短)的该等驱动信号drive1、drive2。随着周期缩短，每个开关周期内所能传递的能量相对减少，除了造成功率变换效率降低，该开关单元81也因为一直处于高频切换状态而容易损耗。

而在相同的负载条件(较为轻载)下，参阅图7的实线，为了在降低该开关单元11的开关次数的同时实现同等功率传输，本发明控制装置2的该压控震荡器212适度地调整该等同步信号sync1、sync2的频率(周期较现有的该等驱动信号drive1、drive2为宽)，而使得流经第一电感器L1的谐振电流Is较现有提高。

请注意，为了在视觉上突显图7中驱动信号drive1、drive2的实线与虚线差异性，特别使两者具有不同幅值。但是，实际情形中两者幅值相近，只实质频率不同。

功率变换效率

参阅图8，显示了谐振型直流/直流变换器1的功率变换效率与外接负载32的负载指数Po的转换曲线。且当负载指数Po使该谐振型直流/直流变换器1处于由该谐振单元12所决定的最佳工作点时，该谐振型直流/直流变换器1具有最高功率变换效率，并称此时的负载指数Po为最佳负载值。

当采用现有方式(也就是调频控制器9)来控制接收电源状态时，若是负载指数Po小于最佳负载值(较为轻载)，功率变换效率将大幅度降低，如图8的虚线所示。

而当采用本发明控制装置2来控制，且该修正临界值reg_correct_thrd被设定为发生最高功率变换效率的输出电流Iout值时，若是负载指数Po小于最佳负载值(较为轻载)而造成输出电流Iout小于该修正临界值reg_correct_thrd，则该脉冲宽度调制器221将缩小该修正信号Pcorrect的占空比，以提高功率变换效率，如图8的实线所示。

值得注意的是，本实施例中，该修正临界值reg_correct_thrd为当发生最佳功率变换效率的输出电流Iout值，且不以此为限，可视实际使用情形调整。

此外，上述的步骤62中，虽是比较输出电流Iout和修正临界值reg_correct_thrd，但是实际上也可以比较该谐振型直流/直流变换器1的输出功率和另一个相对应的临界值，而可达到相同的功效。

且值得注意的是，当采用数位化控制时，该脉冲筛选器22也可采用另一个实施状态：该脉冲筛选器22根据同步信号sync1、sync2的切换点来产生一个循环计数，并借由该输出资讯决定循环计数为何值时将同步信号sync1、sync2分别当作驱动信号drive1、drive2，且决定循环计数为何值时使驱动信号drive1、drive2处于低电位。

综上所述，当外接负载32越为轻载时，本发明使用于谐振型直流/直流变换器的控制装置2能依据输出电流Iout适度减少该等驱动信号drive1、drive2的脉冲个数，进而降低开关单元11的电晶体Q1、Q2的开关次数以避免开关损耗，并在实现同等功率传输的前提下提高轻载功率变换效率。同时，由于该等驱动信号drive1、drive2的切换点相同，所以可实现软开关，所以确实能达成本发明的目的。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种使用于谐振型直流/直流变换器的控制装置，用于控制该谐振型直流/直流变换器的一个开关单元以进行电源转换并输出一个输出资讯，包含：

一个调频控制器，根据该输出资讯产生一个同步信号；

其特征在于：该使用于谐振型直流/直流变换器的控制装置还包含一个脉冲筛选器，接收该输出资讯和该同步信号，并据以产生一个驱动信号来启闭该开关单元，且随该输出资讯对应产生的驱动信号包括一段该驱动信号的频率与该同步信号实质上相同的工作区间与一段该驱动信号持续为低电位的未工作区间。

2.如权利要求1所述的控制装置，该谐振型直流/直流变换器电连接一个外接负载，其特征在于：该输出资讯随着外接负载变化，而使得该脉冲筛选器所产生的驱动信号具有相等于该同步信号的实质频率。

3.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于：该脉冲筛选器依据该输出资讯产生一个致能信号，当该致能信号为高电位时，该驱动信号的频率与该同步信号实质上相同而形成该工作区间，当该致能信号为低电位时，该驱动信号持续为低电位而形成该未工作区间。

4.如权利要求3所述的控制装置，其特征在于：该脉冲筛选器所产生的致能信号的频率较该同步信号低。

5.如权利要求3所述的控制装置，其特征在于：该脉冲筛选器包括一个存有一个修正临界值的脉冲宽度调制器，比较该修正临界值和该输出资讯以决定一个修正信号的占空比，且依据该同步信号来同步调整该修正信号以得到该致能信号。

6.如权利要求5所述的控制装置，该谐振型直流/直流变换器电连接一个外接负载，其特征在于：该输出资讯随着外接负载而变化，且该外接负载越为轻载，该调频控制器受一个较小的输出资讯控制而调升该同步信号的频率，当该输出资讯小于该修正临界值时，愈小的输出资讯导致该脉冲宽度调制器令该修正信号的占空比愈小，而当该输出资讯大于该修正临界值时，该脉冲宽度调制器使该修正信号处于高电位状态，此时，该驱动信号具有一个实质上与该同步信号相同的频率。

7.如权利要求3所述的控制装置，其特征在于：该脉冲筛选器包括一个逻辑合成器，合成该同步信号与该致能信号以产生该驱动信号。

8.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于：该调频控制器是一个脉冲密度调制器。

9.如权利要求7所述的控制装置，其特征在于：该逻辑合成器利用与门方式来合成该同步信号与该致能信号。

10.如权利要求1所述的控制装置，更用于接收一个参考电压，其特征在于：该调频控制器包括一个电压调整器及一个压控震荡器，该电压调整器依据该输出资讯和该参考电压的差值输出一个调整电压，该压控震荡器根据该调整电压决定该同步信号的频率。

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