TWI841013B

TWI841013B - 用於控制諧振轉換器的控制器

Info

Publication number: TWI841013B
Application number: TW111140225A
Authority: TW
Inventors: 郭清泉; 吳欣諺; 李勝泰; 永霖林
Original assignee: 英屬開曼群島商凹凸科技國際股份有限公司
Priority date: 2021-11-03
Filing date: 2022-10-24
Publication date: 2024-05-01

Abstract

本發明提供了一種用於控制諧振轉換器的控制器。控制器包括：耦接電源的第一感測引腳，用於接收指示諧振轉換器的輸入電壓的電位的第一感測信號；耦接諧振轉換器的第二感測引腳，用於接收指示諧振轉換器的輸入電流的大小的第二感測信號；透過回饋電路耦接諧振轉換器的用於接收回饋信號的回饋引腳，回饋信號指示諧振轉換器的輸出電壓的電位；耦接諧振轉換器的第一驅動引腳和第二驅動引腳，分別用於控制諧振轉換器的高側開關和低側開關。控制器用於根據第一感測信號產生補償信號，將補償信號與第二感測信號的峰值比較以產生第一比較結果，將回饋信號與臨限值比較以產生第二比較結果，並根據第一比較結果和第二比較結果控制高側開關和低側開關。

Description

用於控制諧振轉換器的控制器

本發明係有關電子元件控制領域，特別系指一種用於控制諧振轉換器的控制器。

傳統的諧振轉換器透過控制諧振轉換器中的開關電路的頻率來將輸入電壓轉換為輸出電壓。當諧振轉換器工作在電感性區時，由於諧振轉換器的增益隨著頻率的增加而減小，諧振轉換器的輸出電壓會隨著頻率增加而減小，其中，該增益為輸出電壓與輸入電壓的比值。另一方面，當頻率進一步增加時，增益的下降速度變得不那麼明顯，這意味著當需要較低的輸出電壓時，很難在頻率高於某個值(例如，大於100KHz)的條件下降低輸出電壓。因此，如果諧振轉換器接收的輸入電壓較高但需要一個較低的輸出電壓，則諧振轉換器可能無法有效地將其輸出電壓調節到目標電位。因此，傳統的諧振轉換器僅適用於在窄輸入電壓範圍內工作(例如，90V_AC至145V_AC)。

本發明提供了一種用於控制諧振轉換器的控制器。控制器包括：耦接電源的第一感測引腳，第一感測引腳用於接收第一感測信號，第一感測信號用於指示諧振轉換器的輸入電壓的電位，輸入電壓由電源提供；耦接諧振轉換器的第二感測引腳，第二感測引腳用於接收第二感測信號，第二感測信號用於指示諧振轉換器的輸入電流的大小；透過回饋電路耦接諧振轉換器的回饋引腳，回饋引腳用於接收回饋信號，回饋信號用於指示諧振轉換器的輸出電壓的電位；耦接諧振轉換器的第一驅動引腳，第一驅動引腳用於控制諧振轉換器的高側開關；以及，耦接諧振轉換器的第二驅動引腳，第二驅動引腳用於控制諧振轉換器的低側開關；其中，控制器用於：根據第一感測信號產生補償信號，將補償信號與第二感測信號的峰值進行比較以產生第一比較結果，將回饋信號與臨限值比較以產生第二比較結果，並根據第一比較結果和第二比較結果控制高側開關和低側開關。

本發明還提供了一種用於控制諧振轉換器的控制器。控制器包括：模式選擇單元，用於：根據第一感測信號和第二感測信號在第一模式、第二模式和第三模式中選擇模式，以及控制控制器在以被選中的模式運行，其中第一感測信號用於指示諧振轉換器的輸入電壓的電位，其中第二感測信號用於指示諧振轉換器的輸入電流的大小；耦接模式選擇單元的峰值檢測器，用於檢測第二感測信號的峰值；以及耦接模式選擇單元的補償單元，用於根據第一感測信號產生補償信號，其中如果諧振轉換器的輸入電壓在預設範圍內，則補償信號與第一感測信號負相關，其中，模式選擇單元還用於：將補償信號與第二感測信號的峰值進行比較以產生第一比較結果，將回饋信號與臨限值進行比較以產生第二比較結果，以及根據第一比較結果和第二比較結果確定被選中的模式，以及其中，回饋信號用於指示諧振轉換器的輸出電壓的電位。

本發明揭露的用於控制諧振轉換器的控制器能夠使諧振轉換器在更寬的輸入電壓範圍下工作，同時可以降低或消除音訊雜訊。

100:諧振轉換器電路

101:電源

102:放大器

104:光耦合器

110:控制器

120:電流檢測電路

140:回饋電路

202:峰值檢測器

204:模式選擇單元

206:軟開/關單元

208:頻率控制單元

210:壓控振盪器

212:責任週期控制單元

214:驅動信號產生單元

280:鋸齒波產生單元

290:補償單元

302-312:步驟

502:比較器

第1圖係根據本發明一個實施例的諧振轉換器電路。

第2圖係根據本發明一個實施例的控制器的方塊圖。

第3圖係根據本發明一個實施例的控制器的操作流程圖。

第4A圖係根據本發明一個實施例的控制器中與第一模式相關的組件。

第4B圖係根據本發明一個實施例的與第一模式相關的控制器信號波形。

第5A圖係根據本發明一個實施例的控制器中與第二模式相關的組件。

第5B圖係根據本發明一個實施例的與第二模式相關的控制器信號波形。

第6A圖係根據本發明一個實施例的控制器中與第三模式相關的組件。

第6B圖係根據本發明一個實施例的與第三模式相關的控制器信號波形。

以下將對本發明的實施例給出詳細的說明。儘管本發明透過這些實施方式進行闡述和說明，但需要注意的是本發明並不僅僅只局限於這些實施方式。相反地，本發明涵蓋後附申請專利範圍所定義的發明精神和發明範圍內的所有替代物、變體和等同物。在以下對本發明的詳細描述中，為了提供一個針對本發明的完全的理解，闡明瞭大量的具體細節。然而，本領域技術人員將理解，沒有這些具體細節，本發明同樣可以實施。在另外的一些實例中，對於大家熟知的方案、流程、元件和電路未作詳細描述，以便於凸顯本發明的主旨。

第1圖係根據本發明一個實施例的由控制器110控制的諧振轉換器電路100。諧振轉換器從電源101接收輸入電壓V_AC，並將輸入電壓V_AC轉換為輸出電壓V_O。諧振轉換器包括開關電路、諧振回路和變壓器T1。開關電路包括高側開關Q1和低側開關Q2。在運行過程中，高側開關Q1的開啟狀態和低側開關Q2的開啟狀態是互補的。換言之，當開關Q1開啟時，開關Q2關閉，反之亦然。諧振回路包括第一諧振電感LR1、第二諧振電感LR2和諧振電容CR。

在一個實施例中，控制器110包括第一感測引腳HV、第二感測引腳CS、回饋引腳VFB、第一驅動引腳DRVH和第二驅動引腳DRVL。第一感測引腳HV耦接電源101，用於接收第一感測信號HVIN，第一感測信號HVIN用於指示電源101提供的輸入電壓V_AC的電位。第二感測引腳CS透過電流檢測電路120耦接諧振轉換器。第二感測引腳CS接收第二感測信號INS。第二感測信號INS用於指示諧振轉換器的輸入電流I_IN的大小，並能指示負載狀況。回饋引腳VFB透過回饋電路140耦接諧振轉換器的輸出端，用於接收回饋信號FB，回饋信號FB用於指示諧振轉換器的輸出電壓V_O的電位。在一個實施例中，回饋電路140包括放大器102和光耦接器104。第一驅動引腳DRVH和第二驅動引腳DRVL耦接高側開關Q1和低側開關Q2，分別用於控制(例如，開啟或關閉)高側開關Q1和低側開關Q2。控制器110用於根據回饋信號FB調整高側開關Q1的頻率和低側開關Q2的頻率。

在運行過程中，控制器110用於：根據第一感測信號HVIN產生補償信號VP，將補償信號VP與第二感測信號INS的峰值INSPK進行比較以產生第一比較結果，將回饋信號FB與臨限值VH進行比較以產生第二比較結果，並根據第一比較結果和第二比較結果控制高側開關Q1和低側開關Q2。

第2圖係根據本發明一個實施例的控制器110的方塊圖。在第2圖的實施例中，控制器110包括峰值檢測器202、補償單元290、模式選擇單元204、軟開/關單元206、頻率控制單元208、壓控振盪器210、鋸齒波產生單元280、責任週期控制單元212和驅動信號產生單元214。

鋸齒波產生單元280用於產生第一鋸齒波信號SAW1和第二鋸齒波信號SAW2。峰值檢測器202耦接第二感測引腳CS，並且包括用於檢測第二感測信號INS的峰值INSPK的電路。補償單元290耦接第一感測引腳HV，並且用於根據第一感測信號HVIN產生補償信號VP。其中，如果諧振轉換器的輸入電壓在預設範圍內(例如，90Vac至265Vac)，則補償信號VP與第一感測信號HVIN負相關(例如，成反比)。在此，負相關或成反比的意思是如果第一感測信號HVIN增加，則補償信號VP減少，反之亦然。在一個實施例中，補償信號VP的電壓電位可以根據等式(1)獲得，其中，K和F是根據經驗確定的常數。

VP=K-F×HVIN (1)

模式選擇單元204透過補償單元290耦接第一感測引腳HV並且透過峰值檢測器202耦接第二感測引腳CS。模式選擇單元204用於根據第一感測信號HVIN和第二感測信號INS在第一模式(正常模式)、第二模式(高頻高載模式)和第三模式(低頻高載模式)中選擇模式。模式選擇單元204還用於控制控制器110以被選中的模式運行。

具體而言，如果第二感測信號INS的峰值INSPK大於補償信號VP並且回饋信號FB大於臨限值VH，則模式選擇單元204選擇第一模式。在一個實施例中，臨限值VH是鋸齒波產生單元280產生的第一鋸齒波信號SAW1的峰值。如果第二感測信號INS的峰值INSPK大於補償信號VP且回饋信號FB小於臨限值VH，則模式選擇單元204選擇第二模式。如果第二感測信號INS的峰值INSPK小於補償信號VP，則模式選擇單元204選擇第三模式。

第3圖係根據本發明一個實施例的控制器110的操作流程圖。

在步驟302中，控制器110檢測第一感測信號HVIN的電位和第二感測信號INS的電位。第一感測信號HVIN用於指示諧振轉換器的輸入電壓VA_C的電位。第二感測信號INS用於指示諧振轉換器的輸入電流I_IN的大小。控制器110還根據第一感測信號HVIN產生補償信號VP，並檢測第二感測信號INS的峰值INSPK。

在步驟304中，控制器110將峰值INSPK與補償信號VP進行比較。若峰值INSPK大於補償信號VP，則流程進行到步驟306；否則，流程進行到步驟312。在步驟312中，控制器110進入第三模式。

在步驟306中，控制器110將指示諧振轉換器的輸出電壓V_O的電位的回饋信號FB與臨限值VH進行比較。如果回饋信號FB大於臨限值VH，則流程進行到步驟308；否則，流程進行到步驟310。在步驟308中，控制器110進入第一模式。在步驟310中，控制器110進入第二模式。

第3圖所示的步驟304-312可以由第2圖中的模式選擇單元204執行。模式選擇單元204可以包括多個比較器和邏輯電路(未示出)以產生比較結果並執行模式選擇步驟。

第4A圖係根據本發明一個實施例的控制器110中與第一模式相關的組件。第4B圖係根據本發明一個實施例的與第一模式相關的控制器110的信號波形。第4A圖和第4B圖將結合第2圖進行說明。

在第一模式(正常模式)下，頻率控制單元208從回饋引腳VFB接收回饋信號FB，並根據回饋信號FB產生頻率控制信號VFBE。壓控振盪器210耦接頻率控制單元208。壓控振盪器210用於根據頻率控制信號VFBE產生具有頻率的切換信號FS，該切換信號FS根據頻率控制信號VFBE控制高側開關Q1和低側開關Q2。在一個實施例中，切換信號FS的頻率與頻率控制信號VFBE的電位成反比。驅動信號產生單元214接收切換信號FS，並產生第一驅動信號HDR和第二驅動信號LDR以分別控制高側開關Q1和低側開關Q2。在一個實施例中，如第4B圖所示，第一驅動信號HDR和第二驅動信號LDR具有與切換信號FS相同的頻率，而第二驅動信號LDR相對於第一驅動信號HDR是反相的，使得高側開關Q1與低側開關Q2交替開啟，高側開關Q1的開啟狀態和低側開關Q2的開啟狀態互補。

第5A圖係根據本發明一個實施例的控制器110中與第二模式相關的組件。第5B圖係根據本發明一個實施例的與第二模式相關的控制器110的信號波形。第5A圖和第5B圖將結合第2圖進行說明。

在第二模式(高頻高載模式)中，頻率控制單元208和壓控振盪器210的運行方式類似於在第一模式中的運行方式。責任週期控制單元212透過將回饋信號FB與具有第一頻率的第一鋸齒波信號SAW1進行比較來產生責任週期控制信號DT。在一個實施例中，責任週期控制單元212包括比較器502。責任週期控制信號DT可以是與鋸齒波信號SAW1頻率相同的脈寬調製信號。在每個週期中，責任週期控制信號DT在第一時間段T1期間處於第一狀態(例如，邏輯高電位)並且在第一時間段T1之後的第二時間段T2期間處於第二狀態(例如，邏輯低電位)。驅動信號產生單元214根據來自壓控振盪器210的切換信號FS和責任週期控制信號DT產生第一驅動信號HDR和第二驅動信號LDR。具體而言，驅動信號產生單元214將切換信號FS與責任週期控制信號DT相乘以產生第一驅動信號HDR和第二驅動信號LDR。在一個實施例中，驅動信號產生單元214包括及閘。根據第一驅動信號HDR和第二驅動信號LDR，如第5B圖所示，高側開關Q1和低側開關Q2在第一時間段T1交替開啟和關閉(一個開關開啟而另一個開關關閉)，並且高側開關Q1和低側開關Q2在第一時間段T1之後的第二時間段T2期間均關閉。第一時間段T1的長度和第二時間段T2的長度是透過將回饋信號FB與具有第一頻率的第一鋸齒波信號SAW1進行比較來確定的。在一個實施例中，第一頻率被配置為不小於20KHz，使得諧振轉換器在工作中不會產生音訊雜訊。

第6A圖係根據本發明一個實施例的控制器110中與第三模式相關的組件。第6B圖係根據本發明一個實施例的與第三模式相關的控制器110的信號波形。第6A圖和第6B圖將結合第2圖進行說明。

在第三模式(低頻高載模式)中，責任週期控制單元212透過將回饋信號FB與具有第二頻率的第二鋸齒波信號SAW2進行比較來產生責任週期控制信號DT。責任週期控制信號DT可以是與鋸齒波信號SAW2頻率相同的脈寬調製信號。如果回饋信號FB大於第二鋸齒波信號SAW2，則責任週期控制信號DT處於第一狀態(例如，邏輯高電位)。如果回饋信號FB小於第二鋸齒波信號SAW2，則責任週期控制信號DT處於第二狀態(例如，邏輯低電位)。在第三模式中，透過頻率控制單元208耦接壓控振盪器210的軟開/關單元206被啟動。在責任週期控制信號DT由第二狀態轉變為第一狀態後的時間段TR內軟開/關單元206逐漸降低切換信號FS的頻率，在責任週期控制信號DT由第一狀態轉變為第二狀態之後的時間段TF內軟開/關單元206逐漸增加切換信號FS的頻率。具體而言，軟開/關單元206產生調整信號ADJ以調整頻率控制單元208，使得頻率控制信號VFBE在時間段TR期間逐漸增加，以及在時間段TF期間逐漸減少。壓控振盪器210根據頻率控制信號VFBE產生切換信號FS。在一個實施例中，切換信號FS的頻率與頻率控制信號VFBE的電位成反比。驅動信號產生單元214根據頻率控制信號VFBE和切換信號FS產生第一驅動信號HDR和第二驅動信號LDR。頻率控制信號VFBE由責任週期控制信號DT調整。具體而言，在第三時間段T3，頻率控制信號VFBE高於臨限值(例如，初始電位V_TH)，驅動信號產生單元214被致能以產生第一驅動信號HDR(與切換信號FS同相)以及產生第二驅動信號LDR(與第一驅動信號HDR反相)。在第四時間段T4期間，頻率控制信號VFBE不高於臨限值(例如，初始電位V_TH)，驅動信號產生單元214將第一驅動信號HDR和第二驅動信號LDR保持在第二狀態(例如，邏輯低電位)。

因此，如第6B圖所示，高側開關Q1和低側開關Q2在第三時間段T3期間交替開啟和關閉(一個開關開啟而另一個開關關閉)，並且兩者在第三時間段T3之後的第四時間段T4期間均關閉。第三時間段T3的長度和第四時間段T4的長度是透過將回饋信號FB與具有第二頻率的第二鋸齒波信號SAW2進行比較來確定的。在一個實施例中，第一頻率大於第二頻率(例如，第一頻率為第二頻率的100倍)。例如，第一頻率為20KHz，第二頻率為200Hz。此外，高側開關Q1和低側開關Q2的頻率在第三時間段T3開始時逐漸減小，在第三時間段T3結束時逐漸增加。這樣的配置，可以顯著降低或消除諧振轉換器產生的音訊雜訊。

如上所述，本發明公開了一種用於控制諧振轉換器的控制器。除正常模式外，控制器還包括高頻高載模式和具有軟開/關功能的低頻高載模式。如果諧振轉換器接收的輸入電壓較高，並且需要產生較低的輸出電壓，則控制器可以工作在高頻高載模式或低頻高載模式。在高頻高載模式下，控制器除了根據回饋信號FB調節切換信號FS來降低輸出電壓外，還可以透過責任週期控制信號DT進一步降低輸出電壓。責任週期控制信號DT被配置為具有超出人類可聽頻率的較高頻率(例如，不小於20KHz)。在低頻高載模式下，雖然責任週期控制信號DT的頻率相對較低(例如200Hz)，但軟開/關功能可以減少或消除音訊雜訊。控制器可以根據輸入電壓的電位和負載狀況在正常模式、高頻高載模式和低頻高載模式之間動態切換。有益的是，根據本發明的控制器可以使諧振轉換器在更寬的輸入電壓範圍(例如，90V_AC到265V_AC)下工作，同時可以降低或消除音訊雜訊。

在此使用之措辭和表達都是用於說明而非限制，使用這些措辭和表達並不將在此圖示和描述的特性之任何等同物(或部分等同物)排除在發明範圍之外，在申請專利範內可能存在各種修改。其它的修改、變體和替換物也可能存在。因此，申請專利範旨在涵蓋所有此類等同物。