TWI473404B

TWI473404B - 使功率轉換器間歇切換的控制電路

Info

Publication number: TWI473404B
Application number: TW101104625A
Authority: TW
Inventors: Ta Yung Yang; Wei Hsuan Huang; Chi Chen Chung
Original assignee: System General Corp
Priority date: 2011-02-15
Filing date: 2012-02-14
Publication date: 2015-02-11
Also published as: TW201234747A; CN102570834B; CN102570834A; US9306459B2; US20120206944A1

Description

使功率轉換器間歇切換的控制電路

本發明涉及一種功率轉換器；特別是指一種功率轉換器的間歇切換。

切換式功率轉換器已廣泛用以提供調節電壓及電流給電腦、家電、通訊設備…等等。近年來，切換式功率轉換器的省電問題受到極大關注。一現有技術，發明名稱為“Switching regulator having low power mode responsive to load power comsumptions”的美國專利5,747,977公開了使用一固定臨界值以達到低功率損耗的技術。然而，此現有技術的缺點在於功率轉換器的輸出端有較高輸出漣波。此較高輸出漣波是該臨界值所導致。

本發明的目的是讓功率轉換器的輸出端產生較低輸出漣波與達到較低功率損耗。為達到上述目的，本發明提供一種使功率轉換器間歇切換的控制電路，包含：調適電路，調適電路回應與功率轉換器的輸出端的輸出負載關聯的回授訊號產生調適臨界值；切換電路，切換電路根據調適臨界值及回授訊號產生切換訊號，使該功率轉換器中的變壓器被切換，以調節功率轉換器的輸出。

前述的調適電路根據第一範圍內的該回授訊號的值產生具有第一值的該調適臨界值，及根據第二範圍內的該回授訊號的值產生具有第二值的該調適臨界值，其中具有第一值的該調適臨界值低於具有第二值的該調適臨界值，且第一範圍內的該回授訊號的值高於第二範圍內的該回授訊號的值。

前述調適電路包含功率管理電路及電流源。前述調適電路所產生的調適臨界值是功率管理電路及電流源的輸出所形成。為達到上述目的，本發明還提供一種功率轉換器的控制方法，包含：回應與功率轉換器的一輸出端的輸出負載相關聯的回授訊號產生調適臨界值；及根據上述的調適臨界值及回授訊號產生一切換訊號，以使功率轉換器的變壓器被切換，以調節功率轉換器的輸出。

前述產生調適臨界值的步驟，包含：產生具有第一值的調適臨界值，以根據第一範圍內的回授訊號的值。前述產生調適臨界值的步驟，包含：產生具有第二值的調適臨界值，以根據第二範圍內的回授訊號的值。其中前述具有第一值的調適臨界值低於具有第二值的該調適臨界值，且第一範圍內的回授訊號的值高於第二範圍內的回授訊號的值。

前述調適臨界值是藉由包含功率管理電路及電流源的調適電路所產生。調適臨界值是功率管理電路及電流源的輸出加總所產生，具有第一值的調適臨界值由電流源的輸出所形成。

本發明在功率轉換器間歇切換時提供調適臨界值，在輕載及無載狀態達到較高效率。

茲為使　貴審查委員對本發明之技術特徵及所達成之功效更有進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例圖及配合詳細之說明，說明如後：

圖1是顯示本發明使用於一功率轉換器的電路示意圖。上述的功率轉換器包含：一控制電路100、一變壓器10、一電晶體20、一整流器30、一電容35、一電阻40、一參考元件45及一光耦接器50。控制電路100耦接至電晶體20且控制電晶體20，以產生一切換訊號S_W 。變壓器10包含：一次側繞組N_P 及二次側繞組N_S 。輸入電壓V_IN 提供至一次側繞組N_P 的一端。電晶體20串聯至上述一次側繞組N_P 的另一端。電晶體20被使用來切換上述的變壓器，以使電源能量從功率轉換器的輸入端轉換到功率轉換器的輸出端。輸出電壓V_O 透過電容35被產生。功率轉換器輸出端的輸出電壓V_O 藉由整流器30及電容35被調節。

透過電阻40、參考元件45及光耦接器50，一回授訊號V_FB 根據輸出電壓V_O 被產生。根據本發明一較佳實施例，參考元件45可由齊納二極體來實現。控制電路100接收回授訊號V_FB 以形成一回授回路，以產生切換訊號S_W 且調節功率轉換器的輸出電壓V_O 。

圖2是本發明控制電路100的一較佳實施例的電路示意圖。一拉升(pull-high)電阻65的一端連接至一供應電壓V_CC 。回授訊號V_FB 供應至拉升電阻65的另一端。一位準移位(level-shift)電晶體60的閘極端接收回授訊號V_FB 。供應電壓V_CC 另供應至位準移位電晶體60的汲極端。位準移位電晶體60的源極端產生一第一回授訊號V_A 。因此，回授訊號V_FB 供應至位準移位電晶體60的閘極端，以產生第一回授訊號V_A 。此外，電阻61的一端耦接至位準移位電晶體60的源極端。電阻61的另一端連接至電阻62的一端。電阻62的另一端連接至地。電阻61與62形成衰減器。上述衰減器將根據第一回授訊號V_A 產生第二回授訊號V_B 。第二回授訊號V_B 產生於電阻61與62的連接處。因此，第二回授訊號V_B 是藉由第一回授訊號V_A 透過衰減器而被產生。上述之衰減器做為分壓器。第一回授訊號V_A 及第二回授訊號V_B 關聯於回授訊號V_FB 。

比較器85的正輸入端耦接至電阻61與62的連接處，以接收第二回授訊號V_B 。第二回授訊號V_B 供應至比較器85以產生切換訊號S_W 。振盪電路(OSC)80產生脈波訊號PLS。正反器90的頻率輸入端CK接收脈波訊號PLS以開啟(turn on)該正反器90。振盪電路80另產生一斜坡訊號V_RMP 。比較器85的負輸入端耦接至振盪電路80用來接收該斜波訊號V_RMP 以與第二回授訊號V_B 比較。比較器85的輸出耦接至正反器90的重置端R以關閉(turn off)正反器90的輸出。正反器90的輸出端Q連接至及閘92的第一端，以產生切換訊號S_W 。及閘92的第二端透過反相器91接收脈波訊號PLS，以限制切換訊號S_W 的最大導通(on-time)週期(period)。供應電壓V_CC 另供應至正反器90的輸入端D。

調適電路包含：電流源74及功率管理電路200。供應電壓V_CC 供應至電流源74的一端。電流源74的另一端耦接至功率管理電路200的輸出端。一定電流I₁ 由電流源74所產生。功率管理電路200的輸入端耦接至位準移位電晶體60的源極端及電阻61的一端，用來接收第一回授訊號V_A ，以產生電流I₂ 。換言之，電流I₂ 根據該第一回授訊號V_A 產生於功率管理電路200的輸出端。在輕載狀態，上述之調適臨界值可為定電流I₁ 。在更輕載或無載狀態，前述的調適臨界值可為定電流I₁ 及電流I₂ 的加總。因此，調適電路根據第一回授訊號V_A 產生一調適臨界值於功率轉換器的回授回路中。第一回授訊號V_A 關聯於回授訊號V_FB 。因此，調適臨界值響應於回授訊號V_FB 而調適地(adaptively)被產生。回授訊號V_FB 關聯於功率轉換器的輸出端負載及輸出電壓V_O 。

開關75的一第一端耦接至調適電路的輸出端以接收調適臨界值。開關75的第二端耦接至比較器85的正輸入端以及電阻61與62的連接處。比較器85的輸出端進一步耦接至開關75的控制端，以控制開關75。透過該開關75，比較器85接收在回授回路中第二回授訊號V_B 包含了調適臨界值的值。也就是說，當開關75被比較器85的輸出所導通時，開關75的輸入端上的調適臨界值將供應至比較器85正端的第二回授信號VB，此調適臨界值由根據回授所產生的定電流I1、電流I2以及電阻61與62來決定。

圖3是本發明中功率管理電路200的一較佳實施例的電路示意圖。功率管理電路200包含一電流源220、一開關215及一比較器210。電流源220的一端接收供應電壓V_CC 。開關215的第一端耦接至電流源220的另一端。開關215的第二端耦接至開關75的第一端及電流源74的另一端，以產生該電流I₂ 。開關75及電流源74顯示於圖2。比較器210的負輸入端耦接至位準移位電晶體60的源極端與電阻61的連接處(如圖2所示)，以接收第一回授訊號V_A 。一臨界值V_T1 供應至比較器210的正輸入端。比較器210的輸出耦接至開關215的控制端，以控制開關215。換言之，比較器210用來比較第一回授訊號V_A 及臨界值V_T1 。當第一回授訊號V_A 的值低於臨界值V_T1 的值時，開關215開啟(turn on)以產生電流I₂ 。電流I₂ 由該電流源220所提供。另一方面，當第一回授訊號V_A 的值高於臨界值V_T1 的值時，開關215被關閉(turn off)以禁能電流I₂ 。

參考圖2，在輕載狀態，當第一回授訊號V_A 的值高於臨界值V_T1 的值時，具有第一值的調適臨界值由定電流I₁ 形成。在更輕載或無載狀態，當第一回授訊號V_A 的值低於臨界值V_T1 的值時，具有第二值的調適臨界值由定電流I₁ 及電流I₂ 的加總形成。此外，具有第一值的調適臨界值(藉由定電流I₁ 形成)低於具有第二值的調適臨界值(藉由定電流I₁ 及該電流I₂ 的加總所形成)。因此，在輕載狀態，調適電路產生具有第一值的調適臨界值以回應在一第一範圍內的該第一回授訊號V_A 的值；換言之，當第一回授訊號V_A 的值落入上述的第一範圍之內時，開關215關閉，具有第一值的調適臨界值被產生。在更輕載或無載狀態，調適電路產生具有第二值的調適臨界值(藉由定電流I₁ 及該電流I₂ 的加總所形成)，以回應在第二範圍內的第一回授訊號V_A 的值；換言之，當前述第一回授訊號V_A 的值落入第二範圍之內時，開關215開啟，具有第二值的調適臨界值被產生。此外，落入第一範圍內的第一回授訊號V_A 的值高於落入第二範圍內的第一回授訊號V_A 的值。由於第一回授訊號V_A 關聯於回授訊號V_FB ，調適臨界值響應回授訊號V_FB 調適地被產生，且調適臨界值調適地產生以回應功率轉換器輸出端的負載及輸出電壓V_O 。

圖4是本發明中功率管理電路200的另一較佳實施例的電路示意圖。另一較佳實施例的功率管理電路200包含：一電壓-電流電路以及由電晶體271與272所形成的一電流鏡電路。電壓-電流電路則包含：放大器260、緩衝放大器250、電阻265及電晶體270。放大器260的正輸入接收一臨界值V_T2 。放大器260的輸出耦接至電晶體270的閘極端，以控制電晶體270。電晶體270的汲極端耦接至電流鏡電路。電晶體270的源極端耦接至放大器260的負輸入及電阻265的一端。電阻265的另一端耦接至緩衝放大器250的負輸入及緩衝放大器250的輸出。第一回授訊號V_A 供應至緩衝放大器250的正輸入。因此，緩衝放大器250的負輸入及緩衝放大器250的輸出耦接在一起。當第一回授訊號V_A 的值低於臨界值V_T2 的值時，電壓-電流電路產生電流I₂₇₀ 。前述之電流I₂₇₀ 可根據下列方程式I₂₇₀ =[(V_T2 -V_A )/R₂₆₅ ]被產生。由於臨界值V_T2 為一定值，所以電流I₂₇₀ 可由第一回授訊號V_A 決定。

供應電壓V_CC 供應至電晶體271與272的源極端。電晶體271與272的閘極端耦接在一起。電晶體271的汲極端耦接至電晶體270的汲極端與電晶體271與272的閘極端。電晶體272的汲極端耦接至開關75的第一端及電流源I₁ 的另一端，以產生電流I₂ 。開關75及電流源I₁ 顯示於圖2。因此，藉由電晶體271與272所形成的電流鏡電路，接收該電流I₂₇₀ 以產生該電流I₂ 於電晶體272的汲極端。換言之，由於電流I₂₇₀ 關聯於該電流I₂ ，當第一回授訊號V_A 的值低於臨界值V_T2 的值時，電流I₂ 被產生。換句話說，當第一回授訊號V_A 的值低於臨界值V_T2 的值，功率管理電路200輸出電流I₂ 。另一方面，當第一回授訊號V_A 的值高於臨界值V_T2 的值，功率管理電路200不輸出電流I₂ 。如前述，由於臨界值V_T2 為一定值，電流I₂ 響應第一回授訊號V_A 的值而被產生。換言之，電流I₂ 被產生以響應回授訊號V_FB 的值。此外，第一回授訊號V_A 的值關聯於功率轉換器輸出端的負載；因為第一回授訊號V_A 與回授訊號V_FB 成比例，因此回授訊號V_FB 亦關聯於功率轉換器輸出端的負載。

參考圖2，在輕載狀態，當第一回授訊號V_A 的值高於臨界值V_T2 的值，具有第一值的調適臨界值由電流源I₁ 形成。在更輕載或無載狀態，當第一回授訊號V_A 的值低於臨界值V_T2 的值，具有第二值的調適臨界值藉由電流源I₁ 及電流I₂ 的加總所形成。此外，具有第一值的調適臨界值低於具有第二值的調適臨界值。因此，在輕載狀態，調適電路產生具有第一值的調適臨界值，以回應在一第一範圍內的該第一回授訊號V_A 的值。換言之，當第一回授訊號V_A 的值落入前述的第一範圍內時，電流I₂ 被禁能，具有第一值的該調適臨界值(藉由定電流I₁ 形成)因而被產生。在更輕載或無載狀態，調適電路產生具有第二值的調適臨界值以回應在一第二範圍內的該第一回授訊號V_A 的值。換言之，當第一回授訊號V_A 的值落入第二範圍內時，電流I2被致能，具有第二值的調適臨界值(藉由定電流I₁ 及該電流I₂ 的加總所形成)因而被產生。此外，落入第一範圍內的第一回授訊號V_A 高於落入第二範圍內的第一回授訊號V_A 。也就是第一回授訊號V_A 的第一範圍高於第二範圍。由於第一回授訊號V_A 關聯於回授訊號V_FB ，調適臨界值響應回授訊號V_FB 調適地被產生，因此調適臨界值調適地產生以回應功率轉換器輸出端的負載及輸出電壓V_O 。

圖5是顯示本發明中切換訊號在間歇切換時的波形圖。切換訊號S_W 產生於電晶體20的閘極端以控制電晶體20。在輕載狀態，切換訊號S_W 產生一間歇期間T_BST 以延長切換週期及縮短切換頻率，其顯示於圖5。本發明為功率轉換器的間歇切換提供一調適臨界值，以使功率轉換器在輕載時達到較高效率。因此效率將被改善以回應切換的遞減及切換週期的遞增。間歇週期T_BST 被調適臨界值的值所決定。因此本發明在功率轉換器間歇切換時提供調適臨界值，在輕載及無載狀態達到較高效率。

故本發明實為一具有新穎性、進步性及可供產業上利用者，應符合我國專利法專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈　鈞局早日賜准專利，至感為禱。

惟以上所述者，僅為本發明一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，故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。

10．．．變壓器

100．．．控制電路

20．．．電晶體

200．．．功率管理電路

210．．．比較器

215．．．開關

220．．．電流源

250．．．緩衝放大器

260．．．放大器

265．．．電阻

270．．．電晶體

271．．．電晶體

272．．．電晶體

30．．．整流器

35．．．電容

40．．．電阻

45．．．參考元件

50．．．光耦接器

60．．．位準移位電晶體

61．．．電阻

62．．．電阻

65．．．拉升電阻

74．．．電流源

75．．．開關

80．．．振盪電路

85．．．比較器

90．．．正反器

91．．．反相器

92．．．及閘

I₁ ．．．定電流

I₂ ．．．電流

I₂₇₀ ．．．電流

N_P ．．．一次側繞組

N_S ．．．二次側繞組

PLS．．．脈波訊號

S_W ．．．切換訊號

T_BST ．．．間歇期間

V_A ．．．第一回授訊號

V_B ．．．第二回授訊號

V_CC ．．．供應電壓

V_FB ．．．回授訊號

V_IN ．．．輸入電壓

V_O ．．．輸出電壓

V_RMP ．．．斜坡訊號

V_T1 ．．．臨界值

V_T2 ．．．臨界值

圖1顯示本發明使用於一功率轉換器的電路示意圖；

圖2顯示本發明控制電路的一較佳實施例的電路示意圖；

圖3顯示本發明中功率管理電路的一較佳實施例的電路示意圖；

圖4顯示本發明中功率管理電路的另一較佳實施例的電路示意圖；

圖5顯示本發明中的切換訊號在間歇切換時的波形圖。

100‧‧‧控制電路

200‧‧‧功率管理電路

60‧‧‧位準移位電晶體

61‧‧‧電阻

62‧‧‧電阻

65‧‧‧拉升電阻

74‧‧‧電流源

75‧‧‧開關

80‧‧‧振盪電路

85‧‧‧比較器

90‧‧‧正反器

91‧‧‧反相器

92‧‧‧及閘

I₁ ‧‧‧定電流

I₂ ‧‧‧電流

PLS‧‧‧脈波訊號

S_w ‧‧‧切換訊號

V_A ‧‧‧第一回授訊號

V_B ‧‧‧第二回授訊號

V_CC ‧‧‧供應電壓

V_FB ‧‧‧回授訊號

V_IN ‧‧‧輸入電壓

V_O ‧‧‧輸出電壓

V_RMP ‧‧‧斜坡訊號

Claims

一種使功率轉換器間歇切換的控制電路，其特徵在於，包含：一調適電路，該調適電路根據與該功率轉換器的一輸出負載相關的一回授訊號，以產生一調適臨界值；及一切換電路，該切換電路根據該調適臨界值以及該回授訊號用以產生一切換訊號，使該功率轉換器的一變壓器被切換，以調節該功率轉換器的一輸出。
如申請專利範圍第1項之控制電路，其中該調適電路根據一第一範圍內的該回授訊號的值產生具有一第一值的該調適臨界值，及根據一第二範圍內的該回授訊號的值產生具有一第二值的該調適臨界值。
如申請專利範圍第2項之控制電路，其中具有該第一值的該調適臨界值低於具有該第二值的該調適臨界值，且該第一範圍內的該回授訊號的值高於該第二範圍內的該回授訊號的值。
如申請專利範圍第1項之控制電路，其中該調適電路至少包含一功率管理電路及一電流源。
如申請專利範圍第4項之控制電路，其中該調適電路所產生的該調適臨界值是該功率管理電路及該電流源的輸出的加總。
一種用於功率轉換器的控制方法，包含：回應與該功率轉換器的一輸出負載關聯的一回授訊號，產生一調適臨界值；及根據該調適臨界值及該回授訊號產生一切換訊號，以切換該功率轉換器的一變壓器，調節該功率轉換器的一輸出。
如申請專利範圍第6項之控制電路方法，其中產生該調適臨界值的步驟，包含：根據一第一範圍內的該回授訊號的值產生具有一第一值的該調適臨界值。
如申請專利範圍第7項之控制電路方法，其中產生該調適臨界值的步驟，更包含：根據一第二範圍內的該回授訊號的值產生具有一第二值的該調適臨界值。
如申請專利範圍第8項之控制電路方法，其中具有該第一值的該調適臨界值低於具有該第二值的該調適臨界值，且該第一範圍內的該回授訊號的值高於該第二範圍內的該回授訊號的值。
如申請專利範圍第8項之控制電路方法，其中該調適臨界值的值是藉由包含一功率管理電路及一電流源的一調適電路所產生。
如申請專利範圍第6項之控制電路方法，其中該調適臨界值的值藉由一功率管理電路及一電流源的輸出所加總產生。