专利名称：谐振式功率转换器的切换电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种功率转换器，特别是涉及一种切换电路，适用于初级侧调节的谐
振式功率转换器。
背景技术：
近来，大多的现有技术是着重于反驰式切换技术的研发，例如美国专利 编 号 7， 362， 592，， Switching Control Circuit for Primary-side Controlled PowerCo読rters，， 以及美国专利编号7， 352， 595 "Primary-side Controlled SwitchingRegulator，，。 在谐振式切换功率转换器中，其固有的柔性切换特性在减少电磁干扰 (Electro-magnetic Interference,EMI)上大有帮助。然而，在传统技术中，仍需要次级侧 回授电路来提供谐振式功率转换器的输出电压的相关信息。次级侧回授电路的组件数量支 配着谐振式功率转换器的主要成本并且与转换效率息息相关。 因此，需要提供一种初级侧调节的谐振式功率转换器，其具有较低成本与及较高 的功率转换效率。
发明内容
本发明提供一种切换电路，用于一谐振式功率转换器。此切换电路包括一对切换
装置及一控制器。控制器产生多个切换信号来控制上述多个切换装置以切换变压器。在上
述多个切换信号的导通时间的期间内，变压器的电压信号被取样以产生电压回授信号与电
流控制信号。电压回授信号与电流控制信号控制上述多个切换信号的切换频率。 控制器包括一取样电路、一均衡电路、以及一振荡器。取样电路耦接变压器，其藉
由对来自变压器的辅助线圈的电压信号进行取样，以产生电压回授信号。均衡电路耦接取
样电路，其根据电压回授信号来产生电流控制信号。振荡器产生振荡信号。此振荡信号根
据电压回授信号与电流控制信号来产生，以决定上述多个切换信号的切换频率。 取样电路包括一延迟电路，用以在一延迟时间之后根据上述多个切换信号之一的
致能而产生取样信号，以对电压信号进行取样。延迟时间与上述多个切换信号的切换频率
相关联。 本发明的一 目的是减少谐振式功率转换器的电磁干扰。 本发明的另一 目的是降低谐振式功率转换器的成本。 本发明的又一 目的是提高谐振式功率转换器的功率转换效率。
图1示出了根据本发明实施例的谐振式功率转换器； 图2示出了根据本发明实施例的控制器； 图3绘根据本发明实施例的控制器中的取样电路；图4A示出了根据本发明实施例的取样电路中的第一延迟电路； 图4B示出了根据本发明实施例的取样电路中的第二延迟电路； 图5示出了根据本发明实施例的控制器中的均衡电路； 图6示出了根据本发明实施例的控制器中的电压转电流转换器； 图7示出了根据本发明实施例的控制器中的振荡器；以及
图8示出了根据本发明实施例，切换信号的切换频率与谐振式功率转换器的增益 S示意图。
附图符号说明 图1 :
10、20 切换装置； 40 电容器； 60、65 整流器； 100 控制器；
1。 输出电流； ^ 辅助线圈； N^ 第一次级侧线圈 &2 第二次级侧线圈 OUTH、OUTL 驱动；端 V^ 输入电压； VS 感测端；
图2:
110 误差放大器；
120、 125 运算放大器
127 电流源；
141U42 与门； 150 取样电路(S/H); 200 均衡电路(EQ); 250 电压转电流转换器(V-I)
30 变压器；
51、52 电阻器；
70 电容器；
D"A 切换信号； Lm、 Lr 电感器；
Np 初级侧线圈；
电压信号；
-输出电压:
129 电阻器；
135 触发器 145、 146 缓冲器；
^频率控制电流
I
F(M加
电流源127的电流；PLS
1供应电压; V工 电流控制信号；
vKEF参考信号；
图3
151 反相器;
156 第一延迟电路 161U65 开关; S工 第一取样信号；
图4A :
vH
VM
-电流信号； 振荡信号； -电压回授信号; 频率控制信号 j文大信号；
157 第二延迟电路； 163U67 电容器; S2 第二取样信号；
172、 182、 186 反相器 175、185 电容器； 181 电流源；
OUT 输出端；
图4B :
171 电流源
173、 183 晶体管； 179、 189 与门；
IN 输入端；
173、183 晶体管； 179、 189 与门；
IN 输入端；
172、 182、 186 反相器; 175、185 电容器； 181 电流源；
OUT 输出端；图5:210 运算放大器；215、216、218、219 电阻器;
图6 :251 运算放大器；252 电阻器；253、256、257、258、259 ' 晶体管263、264、267、268、269 ' 晶体管260 电流源；工253、工259、工263 电^1L ;I,) 电流源260的电流;
图7:310、311、312、314、315 ' 晶体管；320 电容器；325、326 开关;351、352 比较器；353、354 与非门356 反相器；Vu 上临界值;VL 下临界值;1312 放电电流；1315 充电电流。
具体实施例方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并结 合附图详细说明如下。 图1示出了根据本发明实施例的谐振式功率转换器。谐振式功率转换器包括切换 电路、电阻器51与52、整流器60与65、电容器40与70、以及变压器30，变压器30包括初 级侧线圈Np、辅助线圈Np第一次级侧线圈NS1、以及第二次级侧线圈NS2。切换电路包括控制 器100以及一对切换装置10与20。在此实施例中，切换装置10及20为晶体管，其串联于 输入电压VIN与接地参考点之间。控制器100具有一对驱动端0UTH及0UTL，分别产生切换 信号DH及A来控制切换装置10及20。电容器40、电感器Lr，以及变压器30的初级侧线圈 NP串联于接地参考点与切换装置10及20的共接点之间。另一电感器Lm与变压器30的初 级侧线圈Np并联。电阻器51及52串联以形成分压器。分压器与变压器30的辅助线圈NA 并联。在电阻器51及52的共接点上产生电压信号Vs，其中，电阻器51及52的共接点耦接控制器100的感测端VS。电压信号Vs是由跨于变压器30的辅助线圈NA上的电压衰减而得。此外，电压信号Vs与谐振式功率转换器的输出电压V。相关联。第一次级侧线圈NS1的第一端耦接整流器60的阳极。第一次级侧线圈NS1的第二端耦接第二次级侧线圈NS2的第一端。第二次级侧线圈NS2的第二端耦接整流器65的阳极。电容器70耦接于整流器60的阴极与第一次级侧线圈NS1的第二端之间，以产生输出电压V。。整流器65的阴极耦接整流器60的阴极。控制器IOO控制切换装置10及20以切换变压器30，用来调节谐振式功率转换器的输出电流I。的最大值以及输出电压V。。电感器Lr及Lm耦接电容器40以形成谐振槽。 图2示出了根据本发明实施例的控制器100。控制器IOO包括取样电路(S/H)150、均衡电路(EQ)200、误差放大器110、缓冲电路、电压转电流转换器(V-I)250、振荡器(OSC) 300、以及驱动电路。取样电路150耦接变压器30的辅助线圈NA，以在切换信号DH的导通时间的期间中对电压信号、取样来产生电压回授信号VH。误差放大器IIO放大电压回授信号VH与参考信号VKEF间的差值以产生放大信号Vv，以形成了用于输出电压调节的电压回授回路。均衡电路200耦接取样电路150，以根据电压回授信号VH来产生电流控制信号V工。由于电压信号Vs与功率转换器的输出电压V。相关联，因此电压回授信号VH也将与输出电压V。相关联。缓冲电路包括运算放大器120、运算放大器125、电阻器129、以及电流源127。运算放大器120的正端接收放大信号Vv。运算放大器120的负端耦接其输出端。电流源127耦接于供应电压Vrc与运算放大器120的输出端之间。运算放大器125的正端接收电流控制信号V工。运算放大器125的负端耦接其输出端以及运算放大器120的输出端。运算放大器120及150的输出端为开漏极(OPEN-DRAIN)型态。电阻器129耦接于运算放大器125的输出端与接地参考端之间。缓冲电路接收放大信号Vv与电流控制信号Vp以产生频率控制信号VM。电流源127与电阻器129决定了频率控制信号VM的最大值，其决定了切换信号DH与A的最小切换频率。电压转电流转换电路250接收频率控制信号VM以产生频率控制电流IFB与电流信号IP。振荡器300接收频率控制电流IFB以产生振荡信号PLS。振荡信号PLS与电流信号Ip还供应至取样电路150。驱动电路包括触发器135、与门141与142、以及缓冲器145与146。振荡信号PLS被供应至触发器135的频率输入端、与门141的第一输入端、以及与门142的第一输入端。触发器135的输出端耦接与门141的第二输入端。触发器135的反相输出端耦接与门142的第二输入端。与门141的输出端通过缓冲器145而产生切换信号DH。与门142的输出端通过缓冲器146而产生切换信号D^。由均衡电路200所产生的电流控制信号V工通过运算放大器125来限制频率控制信号VM的最大值。频率控制信号VM根据电压回授信号VH及电流控制信号V工而产生，以控制切换信号DH及A的切换频率。 图3示出了根据本发明实施例的取样电路150。取样电路150包括第一延迟电路156、第二延迟电路157、反相器151、开关161与165、以及电容器163与167。第一延迟电路156接收振荡信号PLS与电流信号Ip，以产生第一取样信号反相器151的输入端接收振荡信号PLS。反相器151的输出端耦接第二延迟电路157的输入端。第二延迟电路157的输出端产生第二取样信号S2。开关161的第一端接收电压信号Vs。开关161的第二端耦接开关165的第一端。电容器163耦接于开关161的第二端与接地参考点之间。电容器167耦接于开关165的第二端与接地参考点之间。开关161受控于第一取样信号S"开关165受控于第二取样信号S2。在振荡信号PLS由低逻辑电平提升至高逻辑电平的情况下，第一取样信号S工将在第一延迟时间后根据切换信号DH的致能而被产生来导通开关161。当开关161导通时，电压信号Vs将被保持并跨于电容器163上。在振荡信号PLS由高逻辑电平降至低逻辑电平的时候，第二延迟电路157将在第二延迟时间后产生第二取样信号S2。 一旦开关165被第二取样信号S2导通时，将产生跨于电容器167上的电压回授信号VH。
图4A示出了根据本发明实施例的取样电路150中的第一延迟电路156。第一延迟电路156包括反相器172、182、与186、晶体管173与183、电容器175与185、与门179与189、以及电流源181。第一延迟电路156的输入端IN耦接反相器172的输入端以及与门179的第一输入端。反相器172的输出端耦接晶体管173的栅极。晶体管173的漏极耦接与门179的第二输入端。晶体管173的源极耦接接地参考点。电容器175耦接于晶体管173的漏极与接地参考点之间。电流信号Ip被供应至晶体管173的漏极。与门179的输出端耦接与门189的第一输入端以及反相器182的输入端。反相器182的输出端耦接晶体管183的栅极。晶体管183的漏极耦接反相器186的输入端。晶体管183的源极耦接接地参考点。电容器185耦接于晶体管183的漏极与接地参考点之间。电流源181耦接于供应电压V^与晶体管183的漏极之间。反相器186的输出端耦接与门189的第二输入端。与门189的输出端耦接第一延迟电路156的输出端0UT。第一延迟时间是由电流信号Ip的电流值与电容器175的电容值来决定，即是，第一延迟时间是可变的且与电流信号Ip相关联。由于电流信号Ip与切换信号DH及A的切换频率相关联(电流信号Ip与切换信号DH及A的切换频率间的关联待后述图6来说明)，第一延迟时间因此与切换信号Dh及A的切换频率相关联。 图4B示出了根据本发明实施例的取样电路150中的第二延迟电路157。第二延迟电路157与第一延迟电路156之间的差异仅在于电流源171取代电流信号Ip来对第二延迟电路157的电容器175充电。第二延迟时间为固定值，其是由电流源171的电流值与电容器175的电容值来决定。 图5示出了根据本发明实施例的均衡电路200。均衡电路200包括运算放大器210以及电阻器215、216、218、与219。运算放大器210的正端接收电压回授信号VH。电阻器215耦接于运算放大器210的负端与接地参考点之间。电阻器216耦接于运算放大器的负端与输出端之间。电阻器218及219串联于运算放大器210的输出端与接地参考点之间。电流控制信号V工则于电阻器218与219的共接点上取得。 在运算放大器210的输出端上的输出电压V21。与电流控制信号V工可以下式来表示V2U)-VhX(1+》)......................................(1)VI = V2'。x(R，)=[VhX(1 + |^L)]x(R，)…….(2)
K218 +K219 K21S ^218卞1^219 如式(2)所示，电流控制信号V工与电压回授信号VH成比例。此外，由于前述的电压回授信号VH与功率转换器的输出电压V。间的关联，电流控制信号V工亦与输出电压V。成比例。 图6示出了根据本发明实施例的控制器100中的电压转电流转换器250。电压转电流转换器250包括电压转电流电路、第一电流镜电路、第二电流镜电路、以及电流源260。电压转电流电路包括运算放大器251、晶体管253、以及电阻器252。频率控制信号VM被供应至运算放大器251的正端。运算放大器251的负端耦接晶体管253的源极。电阻器252耦接于晶体管253的源极与接地参考点之间。晶体管256、257、258、以及259形成第一电流镜电路。晶体管263、264、267、268、以及269形成第二电流镜电路。第一电流镜电路的输入端为晶体管256的漏极。第一电流镜电路的输入端耦接晶体管253以接收流经晶体管253的电流1253。晶体管259的漏极为第一电流镜电路的输出端。第一电流镜电路的输出端耦接第二电流镜电路的输入端，其中，第二电流镜电路的输入端为晶体管263的漏极。第二电流镜电路的第一输出端在晶体管268的漏极产生频率控制电流IFB。第二电流镜电路的第二输出端在晶体管269的漏极上产生电流信号IP。电流源260耦接于供应电压Vcc与第一电流镜电路的输出端之间。第一电流镜电路根据频率控制信号VM以在晶体管259的漏极上产生电流1259 。由于频率控制信号VM是受限制于电流控制信号Vp因此电流1259受限制于电流控制信号VIQ电流源260的电流IF(MAX)可以下式表示 I咖)=I259+I263.........................................(3) 其中，1263是提供至第二电流镜电路的输入端的电流。频率控制电流U及电流信号Ip是根据电流I^而产生。由于电流Iw)为固定值，参阅子(2)，频率控制电流I^及电流信号Ip将反比于频率控制信号VM。电流；0 )因此限制了频率控制电流I^的最大值。此外，电流IF(MX)也决定了切换信号DH及&的最大切换频率。 此外，如上所述，图2的电流源127与电阻器129决定了频率控制信号VM的最大值。由于频率控制电流^及电流信号Ip反比于频率控制信号VM，藉此决定了频率控制电流IFB的最小值。因此，切换信号DH及A的最小切换频率是根据频率控制电流IFB的最小值来决定。 图7示出了根据本发明实施例的控制器100中的振荡器300。振荡器300包括第三电流镜电路、电容器320、开关325与326、以及周期电路。第三电流镜电路是由晶体管310、311、312、314、及315所组成。频率控制电流IFB被供应至第三电流镜电路的输入端，其中，第三电流镜电路的输入端为晶体管310的漏极。第三电流镜电路的第一输出端为晶体管315的漏极。第三电流镜电路的第一输出端供应充电电流I315至开关325的第一端，以当开关325导通时用来对电容器320充电。开关325的第二端耦接开关326的第一端。电容器320耦接开关325与326的共接点。第三电流镜电路的第二输出端为晶体管312的漏极。第三电流镜电路的第二输出端耦接开关326的第二端，在开关326导通时产生放电电流1312对电容器320进行放电。周期电路包括比较器351与352、与非门353与354、以及反相器356。比较器351的负端以及比较器352的正端耦接于开关325与326的共接点。比较器351的正端接收上临界值Vu，而比较器352的负端耦接下临界值、。比较器351的输出端耦接与非门353的第一输入端。比较器352的输出端耦接与非门354的第一输入端。与非门353的输出端耦接与非门354的第二输入端与以及反相器356的输入端。与非门353的输出端也耦接开关326的控制端。与非门354的输出端耦接与非门353的第二输入端。反相器356的输出端产生振荡信号PLS且耦接开关325的控制端。振荡器300用来产生振荡信号PLS，以决定切换信号DH及A的切换频率。振荡器300根据频率控制电流IFB来产生振荡信号PLS。由于频率控制电流IFB是根据电压回授信号VH与电流控制信号V工而产生，因此，振荡信号将根据电压回授信号VH与电流控制信号V工而产生。 图8示出了根据本发明实施例，切换信号DH及A的切换频率与谐振式功率转换器的增益的关系示意图。如图8所示，当切换信号DH及A在谐振槽的谐振频率f。上切换时，最大功率被传送至变压器30的次级侧线圈NS1及NS2。谐振频率f。可以下式来表示"——;1 ......................................... (4)
2n VLtx C邻 其中，LT为电感器Lr及Lm的等效电感值，而C4。为电容器40的电容值。
在图8中，频率fMIN是切换信号DH及A的最小切换频率。频率fMIN是由电流源127的电流Ip(mm)所决定。f皿是切换信号DH及^的最大切换频率。频率f皿是由电流源260的电流IF(MX)所决定。 如图8所示，在频率fMIN至频率fM的区间中，切换信号DH及A的切换频率根据输出电压V。的减少而增加。切换信号DH及A的切换频率的增加将减少传送至谐振式功率转换器的输出端的功率，因而调节了输出电流I。。 本发明虽以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明的范围，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下可做若干的更动与润饰，因此本发明的保护范围以本发明的权利要求为准。
权利要求
一种切换电路，用于一谐振式功率转换器，包括一对切换装置，受控于一对切换信号以切换一变压器；以及一控制器，耦接该变压器，用以产生所述切换信号以控制所述切换装置，其中，所述切换信号调节该谐振式功率转换器的一输出电压与一最大输出电流；其中，在所述切换信号的导通时间的期间内，该变压器的一电压信号被取样以产生一电压回授信号以及一电流控制信号；以及其中，该电压回授信号与该电流控制信号控制所述切换信号的切换频率。
2. 如权利要求1所述的切换电路，其中，该控制器包括一取样电路，耦接该变压器，藉由对来自该变压器的一辅助线圈的该电压信号进行取样，以产生该电压回授信号；一均衡电路，耦接该取样电路，用以根据该电压回授信号来产生该电流控制信号；以及 一振荡器，用以产生一振荡信号，以决定所述切换信号的切换频率，其中，该振荡器是根据该电压回授信号与该电流控制信号所产生。
3. 如权利要求2所述的切换电路，其中，该取样电路包括一延迟电路，用以在一延迟时 间之后根据所述切换信号之一的致能而产生一取样信号，以对该变压器的该电压信号进行 取样，其中，该延迟时间与所述切换信号的切换频率相关联。
4. 一种切换电路，用于一谐振式功率转换器，包括一对切换装置，受控于一对切换信号以切换一变压器，以调节该谐振式功率转换器的 一输出电压；以及一控制器，耦接该变压器，用以产生所述切换信号以控制所述切换装置，其中，藉由在 所述切换信号之一的导通时间的期间内对该变压器的一电压信号进行取样来产生一电压 回授信号；其中，该电压回授信号还耦接一误差放大器，以产生一频率控制信号来决定所述切换 信号的切换频率。
5. 如权利要求4所述的切换电路，其中，该控制器包括一取样电路，耦接该变压器，藉由对来自该变压器的一辅助线圈的该电压信号进行取 样，以产生该电压回授信号；以及一振荡器，用以根据该频率控制信号来产生一振荡信号，其中，该振荡器决定所述切换 信号的切换频率。
6. 如权利要求5所述的切换电路，其中，该取样电路包括一延迟电路，用以在一延迟时 间之后根据所述切换信号之一的致能而产生一取样信号，以对该变压器的该电压信号进行 取样，其中，该延迟时间与所述切换信号的切换频率相关联。
全文摘要
本发明提供一种谐振式功率转换器的切换电路，用于在谐振式功率转换器的初级侧调节输出电压与最大输出电流。此切换电路包括一对切换装置及一控制器。控制器耦接一变压器，以对变压器的电压信号进行取样，并产生多个切换信号来控制切换装置。上述多个切换信号的切换频率根据输出电压的减少而增加。上述多个切换信号的切换频率的增加减少了传送至谐振式功率转换器的输出端的功率，而调节了输出电流。
文档编号H02M7/217GK101694970SQ200910207739
公开日2010年4月14日 申请日期2009年10月22日 优先权日2009年1月16日
发明者杨大勇 申请人:崇贸科技股份有限公司;