專利名稱：電源轉(zhuǎn)換器所需的具有關(guān)閉周期調(diào)節(jié)功能的pwm控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種切換模式電源轉(zhuǎn)換器，且特別是有關(guān)于一種脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation；簡稱PWM)的切換模式電源轉(zhuǎn)換器。
請參考

圖1，其繪示的是回掃電源轉(zhuǎn)換器(flyback powerconverter)的一電路圖，其中內(nèi)含一控制電源輸出以達(dá)成規(guī)格化的PWM控制器100，而晶體管510切換變壓器400之用。當(dāng)晶體管510關(guān)閉時，變壓器400的漏電感(Leakage inductance)會使流經(jīng)的電流在某一短暫時間中不斷地流動，其中一部份電流繼續(xù)流進(jìn)關(guān)閉的晶體管510，而另一部份電流會經(jīng)過二極管520流進(jìn)電容器560，其中，電阻器620會損耗充電電容器560的能源，而由二極管520、電阻器620及電容器560組成的緩沖電路會減低漏電感的影響及避免晶體管510的損壞。經(jīng)過晶體管510的開啟及輸出整流器530的關(guān)閉，會呈現(xiàn)指數(shù)衰退振蕩或有′振鈴振蕩(ring)′出現(xiàn)，其中，′ring′的頻率是由關(guān)閉的整流器530內(nèi)部的電容及變壓器400的次級電感所決定，而′ring′的振幅及持續(xù)時間是由輸出電流及整流器530的反向恢復(fù)時間(reverse recovery time)所決定。但由于′ring′會引起RFI問題且易被橫跨輸出整流器530的緩沖電阻器630及緩沖電容器570所消除，是以以下即會針對在輕負(fù)載狀態(tài)下有關(guān)電源轉(zhuǎn)換損失的議題作說明1)晶體管510的切換損失PQ可表示為(to1/T)(∫0to1VQ×Ipdt),]]>其中T是切換周期，而t01是電壓VQ與電流Ip的重疊期間，另外，Ip是變壓器400的初級電流，而VQ是橫跨晶體管510的電壓。
2)輸出整流器530的切換損失PD可表示為(trr/T)(∫0trrVd×Iddt),]]>其中trr是整流器530的反向恢復(fù)時間，而Vd是在整流器530關(guān)閉時橫垮于整流器530上的電壓，另外，Id是受限于變壓器400的次級電感。
3)變壓器400的鐵損PT，是直接與磁通(flux)密度Bm、鐵芯體積Vv及切換周期T成比例關(guān)系，其中PT＝K0×Bm×Vv/T，其中K0是由鐵芯材料所決定的常數(shù)。
4)緩沖電路的功率損失pR可表示成pR＝(1/2)×C×Vd2/T，其中，C是緩沖電路的電容，例如電容器560。
5)電壓漏電感的電源損失PL可表示成PL＝(1/2)×Lt×Ip2/T，其中Lt是變壓器400的初級漏電感，而電阻器620耗損的功率即是由Lt所造成。
由上可以發(fā)現(xiàn)所有的損失都與切換周期T有比例關(guān)系，是以當(dāng)切換周期T增加時可以減低電源的損失。然而，由于電源轉(zhuǎn)換會因操作于較短的切換周期的限制而使電源轉(zhuǎn)換器的體積縮小，是以為預(yù)防變壓器的飽和，必須控制電壓-時間比率(Vin×Ton)以限制變壓器的磁通密度Bm。其限制條件是Bm＝(Vin×Ton)/(Np×Ae)---------------(1)其中Vin是電源轉(zhuǎn)換器的輸入電壓，Ton是工作切換周期，Np是變壓器的初級圈數(shù)，Ae是變壓器的截面積，另外，(Np×Ae)值是表示變壓器的體積大小，而較短的切換周期可以得到短暫Ton及較小的變壓器。
以回掃電源轉(zhuǎn)換器為例輸出電壓Po是等于[1/(2×T)]×Lp×Ip2，其中，Lp是變壓器400的初級電感，而由于Ip＝(Vin/Lp)×Ton，是以輸出電壓Po在數(shù)量上可以表示為
Po＝(Vin2×Ton2)/(2×Lp×T)------------------(2)由等式(2)來看，在輕負(fù)載條件下Ton是極短暫的，以致明顯可允許切換周期T的延長，是以在電源轉(zhuǎn)換器的電源線性地?fù)p耗減少下，會相對應(yīng)的使在輕負(fù)載及無負(fù)載情況下的切換周期增加。不過，在無任何限制條件下延長切換周期是極不安全的作法，依據(jù)變壓器顯示于等式(1)的行為，變壓器可能會因Ton的延長而呈現(xiàn)飽和，是以動態(tài)負(fù)載會產(chǎn)生一個立即延長Ton，此動態(tài)負(fù)載指負(fù)載會在輕負(fù)載及高負(fù)載之間瞬間轉(zhuǎn)換。而磁性器件的飽和，如電感及變壓器，會引起電流的浪涌(surge)，此電流浪涌會在電源轉(zhuǎn)換器中產(chǎn)生噪聲(spike-noise)且亦會對如晶體管及整流器的切換裝置造成過負(fù)荷(over-stress)危險(xiǎn)。
請合并參考圖2及圖3，其中圖2繪示的是PWM-控制器的電路圖，而圖3繪示的是圖2中電路的波形圖。當(dāng)開關(guān)25通過充電信號IVp開啟時，充電電流IC會對電容器CT充電且一旦橫跨電容器CT的電壓達(dá)到比較器10的高壓點(diǎn)VH時，比較器10及非與門(NANDgate)17、18會產(chǎn)生放電信號Vp，此放電信號Vp會打開開關(guān)26，當(dāng)開關(guān)26打開后會通過放電電流ID以對電容器CT進(jìn)行放電，其中，充電電流IC與放電電流ID是線性相關(guān)的。另外，放電的現(xiàn)象是連續(xù)的，直至電容器CT的電壓低于低壓點(diǎn)電壓值VL，其中電容器CT的電壓與低跳點(diǎn)電壓值VL之間的比較是由比較器11進(jìn)行。上述的充電電流IC、放電電流ID、電容器CT、比較器10與11、開關(guān)25與26，以及非與門17與18會形成一個鋸齒信號產(chǎn)生器(saw-tooth-signalgenerator)，以產(chǎn)生一個脈沖信號輸入至觸發(fā)器(flip-flop)20。一旦比較器12的接腳VS的電壓高于信號35時，比較器12即會重置(reset)觸發(fā)器20，其中信號35是由回授信號VFB而來，但會由電阻器RA及RB衰減其信號強(qiáng)度。圖1中的電阻器610會轉(zhuǎn)換變壓器400的電流信息為電壓信號37，此電壓信號是一個鋸齒信號(ramp signal)，而輸入電壓Vin及變壓器400的電感系數(shù)會決定鋸齒信號的斜率，VR610＝R610×(Vin×Ton)/Lp，其中電阻器610的電壓即是圖2的電壓信號37，用以驅(qū)動PWM控制器的接腳VS，而回授信號VFB是由光學(xué)耦合器件200的輸出端輸出，再經(jīng)過位移二極管(level shift diode)21而導(dǎo)引出來，差動放大器300是驅(qū)動光學(xué)耦合器件200的輸入端，其中差動放大器300的輸入端是連接電源轉(zhuǎn)換器Vo的輸出端以形成電壓回授回路，經(jīng)過電壓回授回路的控制，VFB的電壓會決定輸出電源。電容器CT的放電時間會決定PWM信號39的關(guān)閉時間，而此PWM信號39決定PWM控制器100的最大負(fù)荷循環(huán)周期(duty cycle)，而在放電信號Vp于高準(zhǔn)位狀態(tài)時，會關(guān)閉PWM信號39。
依據(jù)上述觀察，T的延長可憑借Toff的延長來達(dá)成，其中Toff是切換周期T的關(guān)閉周期，而T＝Ton+Toff。當(dāng)Toff的延長是為響應(yīng)在輕負(fù)載及非負(fù)載情況下的低回授電壓VFB時，則可減少電源的損耗情形。
進(jìn)一步來說，在PWM控制器中的關(guān)閉周期調(diào)節(jié)功能可以減少電源轉(zhuǎn)換器在輕負(fù)載及無負(fù)載情況下的電源損耗，且在正常負(fù)載及全載情況下的電源轉(zhuǎn)換操作也不會受到關(guān)閉周期的調(diào)節(jié)而有所影響。
為讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉較佳實(shí)施例，并配合所附圖式，作詳細(xì)說明。
VH高壓點(diǎn) VL低壓點(diǎn)100PWM控制器200光學(xué)耦合器件300差動放大器 400變壓器510晶體管 520二極管530輸出整流器 550，560，570，CT電容器610，620，630電阻器由電壓回授回路引導(dǎo)出的回授電壓VFB會經(jīng)過加法器51減去臨界電壓VA，臨界電壓VA是一個定義輕負(fù)載(light load)位準(zhǔn)的固定常數(shù)，V/I轉(zhuǎn)換器53會將加法器51的輸出電壓轉(zhuǎn)換成V/I電流，電流鏡放大器55會將V/I電流放大成一個放大電流，而限制器57會產(chǎn)生一個受限電流(limited current)Ilimit，其中放大電流的振幅會箝制在零與上限電流(utmost current)Iut之間的范圍中，加法器59會將受限電流Ilimit與一固定電流IA相加，其中，固定電流IA決定最小放電電流且會決定最大關(guān)閉周期。晶體管61及晶體管63會形成一個反射電流鏡(echo current mirror)，經(jīng)過此反射電流鏡，加法器59的輸出會轉(zhuǎn)變成放電電流ID，電流鏡放大器55的增益G決定放電電流ID遞減中的斜率，而此放電電流ID的遞減是因應(yīng)回授電壓VFB的遞減而來。一旦回授電壓VFB遞減至接近臨界電壓VA的位準(zhǔn)時，放電電流ID會減少且切換周期會持續(xù)遞增，當(dāng)回授電壓VFB低于臨界電壓VA時，會由上限電流Iut決定最大的放電電流ID，此放電電流ID即是決定在正常負(fù)載及全載下的切換周期T，其中，最小的放電電流可決定最大關(guān)閉周期及最大切換周期。充電電流IC是一個固定常數(shù)，用來決定切換周期的最大工作周期，當(dāng)保持最大工作周期為固定常數(shù)且遞增關(guān)閉周期而延長切換周期時，可預(yù)防磁性器件的飽和。圖5繪示的是依據(jù)圖2在其所包含的關(guān)閉周期調(diào)節(jié)下的一波形圖，其中，受限電流Ilimit可以表示成Ilimit＝[(VFB-VA)/Rs]×G；0≤Ilimit≤Iut如果Ilimit≤0，則Ilimit＝0；如果Ilimit≥Iut，則Ilimit＝Iut；另外IC＝K1；ID＝(Ilimit+IA)×Gm；以及IA≤ID≤(Iut+IA)其中，Rs(V/I轉(zhuǎn)換器53的轉(zhuǎn)換函數(shù))是一個電阻器，Gm是反射電流鏡的增益，Gm＝1；且K1是一個常數(shù)。
請參考圖6，其繪示的是依據(jù)圖4的一關(guān)閉周期調(diào)節(jié)下的一實(shí)例電路圖。其中，運(yùn)算放大器(op amp)81、晶體管65及電阻器Rs會形成一個V/I轉(zhuǎn)換器，用以輸出V/I電流，而經(jīng)過運(yùn)算放大器83，臨界電壓VA會連接至電阻器Rs，其中，V/I電流可以表示成(VFB-VA)/Rs。晶體管67與晶體管69會發(fā)展出電流鏡放大器且會輸出放大電流，其中，晶體管67、69的柵極(gate)會與晶體管67的漏極(drain)連結(jié)在一起，且晶體管67與69的幾何大小可決定電流鏡放大器的增益G。V/I電流是連結(jié)至晶體管67的漏極，晶體管67與69的源極(source)是連結(jié)在一起，稍后會由固定電流IB所驅(qū)動，而由于固定電流IB會限制電流鏡放大器的總電流，是以上限電流Iut會等于固定電流IB減掉V/I電流，經(jīng)過晶體管69的漏極，電流鏡放大器會輸出界于零與上限電流Iut之間的受限電流Ilimit＝[(VFB-VA)/Rs]×G。晶體管61與63會形成反射電流鏡，其中的晶體管61、63的柵極會與晶體管61的漏極連結(jié)在一起，而晶體管61與63的源極則會是接地的一端。放大電流會加入固定電流IA，而此固定電流IA是連接于晶體管61的漏極，也就是反射電流鏡的輸入端，而晶體管63的漏極會輸出放電電流ID。因?yàn)榫w管61與63的幾何大小相同，是以反射電流鏡的增益Gm會等于1，因此ID＝[(VFB-VA)/Rs]×G+IA；以及IA≤ID≤(Iut+IA)充電電流IC是一個決定切換周期的最大操作期間的固定常數(shù)，是以在最大操作期間維持固定下，即由關(guān)閉周期的遞增而延長切換周期。
如上所述，PWM控制器在具有本發(fā)明的關(guān)閉周期調(diào)節(jié)(off-timemodulation)功能下，可以減少電源轉(zhuǎn)換器在輕負(fù)載及非負(fù)載情況下的能源消耗，更甚者，關(guān)閉周期調(diào)節(jié)功能不會引發(fā)磁性飽和。
雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例公開如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此技術(shù)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種PWM控制器，具有一關(guān)閉周期調(diào)節(jié)功能，在一輕負(fù)載及一無負(fù)載情況下遞增一切換周期，其特征在于包括一關(guān)閉周期調(diào)節(jié)器，針對一鋸齒信號產(chǎn)生器以提供一放電電流，用以調(diào)節(jié)一PWM信號的該切換周期，其中該鋸齒信號產(chǎn)生器的一充電電流保持一固定常數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的PWM控制器，其特征在于其中該關(guān)閉周期調(diào)節(jié)器針對該P(yáng)WM信號的該切換周期的調(diào)節(jié)，是因應(yīng)該放電電流的遞減而遞增該切換周期。
3.如權(quán)利要求1所述的PWM控制器，其特征在于其中該關(guān)閉周期調(diào)節(jié)器所產(chǎn)生的該放電電流為一回授電壓及一臨界電壓的一函數(shù)，其中該回授電壓是由一電源轉(zhuǎn)換器的一電壓回授回路所引導(dǎo)出，而該臨界電壓是決定該輕負(fù)載情況下的位準(zhǔn)的一固定常數(shù)。
4.如權(quán)利要求3所述的PWM控制器，其特征在于其中該回授電壓與該臨界電壓會決定該放電電流的該函數(shù)，其中該放電電流的范圍是受限于一固定電流與一上限電流之間，該固定電流是決定一最大切換周期，而該上限電流是決定一最小切換周期，其中最小切換周期指在一正常負(fù)載及一飽和負(fù)載情況中的切換周期。
5.如權(quán)利要求3所述的PWM控制器，其特征在于其中該關(guān)閉周期調(diào)節(jié)器包括一第一加法器，其中該第一加法器的一輸出電壓等于該回授電壓減去該臨界電壓；一V/I轉(zhuǎn)換器，用以轉(zhuǎn)換該輸出電壓為一V/I電流；一電流鏡放大器，用以放大該V/I電流以及產(chǎn)生一放大電流，其中該電流鏡放大器的一增益是決定該放電電流的一遞減斜率，而該放電電流反該回授電壓的遞減而遞減；一限制器，用以箝制該放大電流為一受限電流，其中該受限電流的振幅范圍在零與上限電流之間；一第二加法器，將該受限電流加與一固定電流；一第一反射晶體管與一第二反射晶體管會發(fā)展出一反射電流鏡電電流是經(jīng)過該反射電流鏡從該第二加法器的輸出端復(fù)制出來。
6.如權(quán)利要求1所述的PWM控制器，其特征在于其中該關(guān)閉周期調(diào)節(jié)器具有一示范電路，包括一輸入運(yùn)算放大器、一緩沖運(yùn)算放大器、一電阻器及一V/I晶體管發(fā)展出的一V/I轉(zhuǎn)換器，其中一回授電壓連接于該輸入運(yùn)算放大器的輸入端，一臨界電壓是連接于該緩沖運(yùn)算放大器的輸入端，而該輸入運(yùn)算放大器的輸出會驅(qū)動該V/I晶體管，其中該V/I轉(zhuǎn)換器會經(jīng)過該電阻器及該V/I晶體管轉(zhuǎn)換該回授電壓減去該臨界電壓的電壓為一V/I電流；一第一增益晶體管與一第二增益晶體管會發(fā)展出一電流鏡放大器及產(chǎn)生一放大電流，其中該第一增益晶體管與該第二取增益晶體管的幾何大小會決定該電流鏡放大器的增益，其中該第一增益晶體管的柵極、該第二增益晶體管 的柵極與該第一增益晶體管的漏極連結(jié)在一起，該V/I電流會驅(qū)動該第一增益晶體管的漏極，而該第一增益晶體管的源極與該第二增益晶體管的源極是連結(jié)在一起；一限制電流源與該電流鏡放大器的操作等同該一限制器，用以將該電流鏡放大器的一最大輸出電流箝制為一受限電流，其中該限制電流源是附加于該第二增益晶體管的柵極，而該受限電流是經(jīng)過該第二增益晶體管的漏極輸出；一固定電流源，是產(chǎn)生一固定電流以及決定一最小放電電流，其中一上限電流是該固定電流與該受限電流的最大電流的總合，其中該上限電流是決定一最大放電電流；一第一反射晶體管與與一第二反射晶體管會發(fā)展出一反射電流鏡及產(chǎn)生該放電電流，其中該放電電流是經(jīng)過該反射電流鏡從該反射電流鏡的一輸入電流復(fù)制而來，其中該反射電流鏡的該輸入電流該固定電流及該受限電流的總合。
全文摘要
本發(fā)明提出一種具有關(guān)閉周期調(diào)節(jié)功能的PWM控制器。該關(guān)閉周期調(diào)節(jié)功能的達(dá)成需保持充電電流為一固定常數(shù)且須調(diào)節(jié)PWM控制器的鋸齒信號產(chǎn)生器的放電電流，其調(diào)節(jié)方式是遞減該放電電流以延長切換周期。由電壓回授回路所導(dǎo)引出的回授電壓是作為一個指針，放電電流即是以此指針調(diào)節(jié)成回授電壓的函數(shù)，另外，一臨界電壓是定義在輕負(fù)載情況下的位準(zhǔn)，回授電壓與臨界電壓的差異會被轉(zhuǎn)換成電流，即在被放大信號后轉(zhuǎn)換成該放電電流。一限制器會箝制最大放電電流以決定在正常負(fù)載與最大負(fù)載下的切換周期。一旦回授電壓遞減至接近臨界電壓時，放電電流會遞減而切換周期會持續(xù)延長，而當(dāng)回授電壓低于臨界電壓時，最小放電電流會決定最大切換周期。
文檔編號H02M1/40GK1405962SQ02140509
公開日2003年3月26日 申請日期2002年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月15日
發(fā)明者楊大勇 申請人:崇貿(mào)科技股份有限公司