谐振控制装置及其谐振控制方法与流程

1.本发明关于一种谐振控制技术，且特别关于一种谐振控制装置及其谐振控制方法。


背景技术：

2.近几年各式电子产品皆朝向精密与小型化的方向发展，传统的电能转换器不论在体积与效率上皆无法满足现今的需求，电能转换器被要求提高功率密度(power density)，故1970年代功率半导体技术成熟时，切换式电源才广泛应用在电源上，因此现今高效率的切换式电源供应器(switch mode power supply,smps)为产业在电源设计方面的重点。
3.切换式电源供应器会采用半桥式谐振转换器或全桥式谐振转换器。请参照图1与图2，由于半桥式谐振转换器与全桥式谐振转换器的操作类似，故以半桥式谐振转换器1为例，其大体皆设成如图1所示，包括一信号控制器10、一第一电子开关11、一第二电子开关12、一谐振槽13与一变压器14，其中第一电子开关11与第二电子开关12皆为n通道金氧半场效晶体管。理论上，信号控制器10产生二脉波调变信号，以控制第一电子开关11与第二电子开关12为交替式切换，即当第一电子开关11导通时，第二电子开关12关闭，使能量从高电压端vh储存于谐振槽13中，当第一电子开关11关闭时，第二电子开关12导通，使能量从谐振槽13中，释放于低电压端vl。变压器18接收谐振槽13的能量，以将转换成一输出电压vo，并施加输出电压vo在负载15上，以产生一输出电流io。输出电压vo与输出电流io形成一输出功率w。信号控制器10根据输出功率w执行脉波宽度调变(pwm)模式或脉波频率调变(pfm)模式。在脉波宽度调变模式时，脉波调变信号为脉波宽度调变信号。在脉波频率调变模式时，脉波调变信号为脉波频率调变信号。在脉波宽度调变模式时，脉波宽度调变信号的责任周期d从一临界值d开始增加，直到责任周期d为0.5为止。在脉波频率调变模式时，脉波频率调变信号的责任周期d为0.5。在脉波频率调变模式时，脉波频率调变信号的频率f随输出功率w递减而递增，脉波频率调变信号的频率f从最小频率f1开始递增，直到频率f等于最大频率f2为止。在脉波宽度调变模式时，脉波宽度调变信号的频率f等于最大频率f2。若此半桥式谐振转换器1欲操作在输出电压vo的下限范围，则脉波宽度调变信号的频率f必须提高，以维持输出电压vo。脉波宽度调变模式与脉波频率调变模式可改善轻载效率，降低谐振转换器1启动时的谐振电流。然而，由于信号控制器10的硬件特性导致脉波调变信号的频率f不能无限制提高，因此以脉波宽度调变模式来达到如同提升频率f的效果，但此输出电压vo的下限范围仍然不够低，使此半桥式谐振转换器1不适合应用在输出电压vo操作在宽广范围的场合上。再者，脉波宽度调变模式处在高频状态，所以切换损失较大，噪声较高。
4.因此，本发明针对上述的困扰，提出一种谐振控制装置及其谐振控制方法，以解决现有技术所产生的问题。


技术实现要素：

5.本发明提供一种谐振控制装置及其谐振控制方法，其能够改善谐振转换器的轻载
效率、降低启动(start-up)谐振电流、降低切换损失与噪声、提高谐振转换器的输出电压的下限范围与扩大此输出电压的操作范围。
6.在本发明的一实施例中，一种谐振控制装置包括一回授控制器与一处理器。回授控制器耦接一谐振转换器的输出端，输出端耦接一负载，负载上有一输出电压，其中回授控制器用于接收一参考电压与输出电压，并利用参考电压对输出电压进行电压补偿，以产生一控制参数。处理器耦接回授控制器与谐振转换器，并预设一切换参数，处理器用于接收控制参数，以据此与切换参数产生脉波调变信号，并通过脉波调变信号驱动谐振转换器调整输出电压，脉波调变信号具有最大频率与最小频率，最大频率对应切换参数。在控制参数大于或等于切换参数时，脉波调变信号为脉波频率调变信号。在控制参数小于切换参数时，脉波调变信号控制谐振转换器在脉波调变信号的每一周期内以固定时间运作。
7.在本发明的一实施例中，脉波频率调变信号的责任周期为0.5。
8.在本发明的一实施例中，输出电压施加所述负载以产生一输出电流，输出电流与输出电压形成一输出功率，脉波频率调变信号的频率线性反比于输出功率。
9.在本发明的一实施例中，输出电压施加负载以产生一输出电流，输出电流与输出电压形成一输出功率。在控制参数小于切换参数时，脉波调变信号的频率线性正比于输出功率。
10.在本发明的一实施例中，在控制参数小于切换参数时，脉波调变信号的责任周期线性正比于输出功率，且责任周期的最大值为0.5，责任周期的最小值等于固定时间乘以最小频率，最小值小于0.5。
11.在本发明的一实施例中，切换参数等于最大频率，且回授控制器包括一减法器、一电压补偿器与一数字压控振荡器。减法器耦接输出端，其中减法器用于接收参考电压与输出电压，将参考电压减去输出电压，以得到一差异电压。电压补偿器耦接减法器，其中电压补偿器用于接收差异电压，且对其进行电压补偿，以产生一电压参数。数字压控振荡器耦接电压补偿器与处理器，其中数字压控振荡器用于接收电压参数，并根据电压参数、最大频率与最小频率产生作为控制参数的一控制频率。
12.在本发明的一实施例中，控制频率以fc表示，fc＝(f
min-f
max
)
×
p+f
max
，f
min
为最小频率，f
max
为最大频率，p为电压参数。
13.在本发明的一实施例中，电压补偿器为比例积分微分控制器(pid controller)或比例积分控制器(pi controller)。
14.在本发明的一实施例中，谐振转换器为全桥式谐振转换器(full-bridge resonate converter)或半桥式谐振转换器(half-bridge resonate converter)。
15.在本发明的一实施例中，最小频率与最大频率由谐振转换器的谐振槽所决定，谐振槽由一谐振电感(resonating inductor)lr、一激磁电感(magnetizing inductor)lm与一谐振电容(resonating capacitor)cr串联而成，最小频率大于且小于最大频率大于
16.在本发明的一实施例中，一种谐振控制方法控制一谐振转换器，谐振转换器耦接一负载，负载上有一输出电压，谐振控制方法包括下列步骤：接收一参考电压与输出电压，并利用参考电压对输出电压进行电压补偿，以产生一控制参数；以及接收控制参数，并判断控制参数是否小于一切换参数：若是，根据控制参数与切换参数产生脉波调变信号，以此控制谐振转换器在脉波调变信号的每一周期内以固定时间运作，进而调整输出电压；以及若否，根据控制参数与切换参数产生脉波频率调变信号，以此驱动谐振转换器调整输出电压；其中脉波频率调变信号与脉波调变信号具有最大频率与最小频率，最大频率对应切换参数。
17.在本发明的一实施例中，脉波频率调变信号的责任周期为0.5。
18.在本发明的一实施例中，输出电压施加负载以产生一输出电流，输出电流与输出电压形成一输出功率，脉波频率调变信号的频率线性反比于输出功率。
19.在本发明的一实施例中，输出电压施加负载以产生一输出电流，输出电流与输出电压形成一输出功率。在控制参数小于切换参数时，脉波调变信号的频率线性正比于输出功率。
20.在本发明的一实施例中，在控制参数小于切换参数时，脉波调变信号的责任周期线性正比于输出功率，且责任周期的最大值为0.5，责任周期的最小值等于固定时间乘以最小频率，最小值小于0.5。
21.在本发明的一实施例中，切换参数等于最大频率，且在接收参考电压与输出电压，并利用参考电压对输出电压进行电压补偿，以产生控制参数的步骤，包括下列步骤：接收参考电压与输出电压，将参考电压减去输出电压，以得到一差异电压；接收差异电压，且对其进行电压补偿，以产生一电压参数；以及接收电压参数，并根据电压参数、最大频率与最小频率产生作为控制参数的一控制频率。
22.在本发明的一实施例中，控制频率以fc表示，fc＝(f
min-f
max
)
×
p+f
max
，f
min
为最小频率，f
max
为最大频率，p为电压参数。
23.在本发明的一实施例中，最小频率与最大频率由谐振转换器的谐振槽所决定，谐振槽由一谐振电感(resonating inductor)lr、一激磁电感(magnetizing inductor)lm与一谐振电容(resonating capacitor)cr串联而成，最小频率大于且小于最大频率大于
24.基于上述，谐振控制装置及其谐振控制方法在不增加硬件成本的前提下，设定一切换参数，并根据切换参数进行恒定导通时间(constant on-time,cot)调变模式或脉波频率调变模式，以改善谐振转换器的轻载效率、降低启动谐振电流、降低切换损失与噪声、提高谐振转换器的输出电压的下限范围与扩大此输出电压的操作范围。此外，数字压控振荡器产生控制频率，使其与电压参数呈线性反比，以提升控制参数的变化量的稳定性。
附图说明
25.图1为现有技术的谐振转换器的电路示意图。
26.图2为现有技术的脉波调变信号的责任周期与频率相对输出功率的曲线图。
27.图3为本发明的第一实施例的谐振控制装置与谐振转换器的电路示意图。
28.图4为本发明的一实施例的脉波调变信号的责任周期与频率相对输出功率的曲线图。
29.图5为本发明的一实施例的于脉冲频率调变模式的脉波调变信号的波形图。
30.图6为本发明的一实施例的于恒定导通时间模式的脉波调变信号的波形图。
31.图7为本发明的一实施例的谐振控制方法的流程图。
32.图8为本发明的第二实施例的谐振控制装置与谐振转换器的电路示意图。
33.图9为本发明的一实施例的产生控制参数的流程图。
34.附图标记说明：1-谐振转换器；10-信号控制器；11-第一电子开关；12-第二电子开关；13-谐振槽；14-变压器；15-负载；2-谐振控制装置；20-回授控制器；200-减法器；201-电压补偿器；202-数字压控振荡器；21-处理器；3-谐振转换器；30-电子开关组；31-谐振槽；32-变压器；4-负载；vh-高压端；vl-低电压端；vo-输出电压；io-输出电流；d-责任周期；d-临界值；f-频率；w-输出功率；f1-最小频率；f2-最大频率；v-输出电压；i-输出电流；s-参考电压；c-控制参数；p与p
’‑
脉波调变信号；fmax-最大频率；fmin-最小频率；m-最小值；t-固定时间；l
r-谐振电感；l
m-激磁电感；c
r-谐振电容；s10、s12、s14、s16、s100、s101、s102-步骤。
具体实施方式
35.本发明的实施例将藉由下文配合相关附图进一步加以解说。尽可能的，在附图与说明书中，相同标号代表相同或相似构件。在附图中，基于简化与方便标示，形状与厚度可能经过夸大表示。可以理解的是，未特别显示于附图中或描述于说明书中的元件，为本领域技术人员所知的形态。本领域技术人员可依据本发明的内容而进行多种的改变与修改。
36.当一个组件被称为『在
…
上』时，它可泛指所述组件直接在其他组件上，也可以是有其他组件存在于两者之中。相反地，当一个组件被称为『直接在』另一组件，它是不能有其他组件存在于两者的中间。如本文所用，词汇『及/或』包括了列出的关联项目中的一个或多个的任何组合。
37.于下文中关于“一个实施例”或“一实施例”的描述指关于至少一实施例内所相关连的一特定组件、结构或特征。因此，于下文中多处所出现的“一个实施例”或“一实施例”的多个描述并非针对同一实施例。再者，于一或多个实施例中的特定构件、结构与特征可依照一适当方式而结合。
38.揭露特别以下述例子加以描述，这些例子仅用以举例说明而已，因为对于熟习此技艺者而言，在不脱离本揭示内容的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本揭示内容的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。在通篇说明书与申请专利范围中，除非内容清楚指定，否则「一」以及「所述」的意义包括这一类叙述包括「一或至少一」所述组件或成分。此外，如本揭露所用，除非从特定上下文明显可见将复数个排除在外，否则单数冠词亦包括复数个组件或成分的叙述。而且，应用在此描述中与下述的全部申请专利
范围中时，除非内容清楚指定，否则「在其中」的意思可包括「在其中」与「在其上」。在通篇说明书与申请专利范围所使用的用词(terms)，除有特别注明，通常具有每个用词使用在此领域中、在此揭露的内容中与特殊内容中的平常意义。某些用以描述本揭露的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供从业人员(practitioner)在有关本揭露的描述上额外的引导。在通篇说明书的任何地方的例子，包括在此所讨论的任何用词的例子的使用，仅用以举例说明，当然不限制本揭露或任何例示用词的范围与意义。同样地，本揭露并不限于此说明书中所提出的各种实施例。
39.此外，若使用「电(性)耦接」或「电(性)耦接」一词在此包括任何直接及间接的电气耦接手段。举例而言，若文中描述一第一装置电性耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接耦接于所述第二装置，或通过其他装置或耦接手段间接地耦接至所述第二装置。另外，若描述关于电信号的传输、提供，熟习此技艺者应所述可了解电信号的传递过程中可能伴随衰减或其他非理想性的变化，但电信号传输或提供的来源与接收端若无特别叙明，实质上应视为同一信号。举例而言，若由电子电路的端点a传输(或提供)电信号s给电子电路的端点b，其中可能经过一晶体管开关的源汲极两端及/或可能的杂散电容而产生电压降，但此设计的目的若非刻意使用传输(或提供)时产生的衰减或其他非理想性的变化而达到某些特定的技术效果，电信号s在电子电路的端点a与端点b应可视为实质上为同一信号。
40.可了解如在此所使用的用词「包括(comprising)」、「包括(including)」、「具有(having)」、「含有(containing)」、「包括(involving)」等等，为开放性的(open-ended)，即意指包括但不限于。另外，本发明的任一实施例或申请专利范围不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制发明作的申请专利范围。
41.图3为本发明的第一实施例的谐振控制装置与谐振转换器的电路示意图。图4为本发明的一实施例的脉波调变信号的责任周期与频率相对输出功率的曲线图。图5为本发明的一实施例的于脉冲频率调变模式的脉波调变信号的波形图。图6为本发明的一实施例的于恒定导通时间模式的脉波调变信号的波形图。请参照图3与图4，以下介绍本发明的第一实施例的谐振控制装置2。谐振控制装置2包括一回授控制器20与一处理器21。回授控制器20耦接一谐振转换器3的输出端，此输出端耦接一负载4，负载4上有一输出电压v，输出电压v施加负载4以产生一输出电流i，输出电流i与输出电压v形成一输出功率w。谐振转换器3可为全桥式谐振转换器(full-bridge resonate converter)或半桥式谐振转换器(half-bridge resonate converter)。回授控制器20用于接收一参考电压s与输出电压v，并利用参考电压s对输出电压v进行电压补偿，以产生一控制参数c。处理器21耦接回授控制器20与谐振转换器3，并预设一切换参数。处理器21用于接收控制参数c，以据此与切换参数产生脉波调变信号p与p’，并通过脉波调变信号p与p’驱动谐振转换器3调整输出电压v。脉波调变信号p与p’具有以f
max
表示的最大频率与以f
min
表示的最小频率，最大频率f
max
对应切换参数。在控制参数c大于或等于切换参数时，脉波调变信号p与p’为脉波频率调变信号，使谐振转换器3执行脉波频率调变(pfm)模式。在控制参数c小于切换参数时，脉波调变信号p与p’控制谐振转换器3在脉波调变信号p与p’的每一周期内以固定时间运作，使谐振转换器3执行恒定导通时间(cot)模式。
42.在本发明的某些实施例中，谐振转换器3可包括一电子开关组30、一谐振槽31与一
变压器32。电子开关组30耦接处理器21与谐振槽31，谐振槽31耦接变压器32的一次侧，变压器32的二次侧作为谐振转换器3的输出端。电子开关组30用于接收脉波调变信号p与p’，以此通过谐振槽31驱动变压器32，进而改变输出电压v。举例来说，最小频率f
min
与最大频率f
max
由谐振转换器3的谐振槽31所决定，谐振槽31由一谐振电感(resonating inductor)lr、一激磁电感(magnetizing inductor)lm与一谐振电容(resonating capacitor)cr串联而成，最小频率f
min
大于且小于最大频率f
max
大于
43.如图3、图4、图5与图6所示，脉波频率调变信号的责任周期可固定为0.5，脉波频率调变信号的频率f线性反比于输出功率w。频率f的最大值为最大频率f
max
，频率f的最小值为最小频率f
min
。二脉波频率调变信号并未同时具有高准位电压，以避免烧毁电路。若脉波频率调变信号的频率f小于最小频率f
min
，则脉波频率调变信号具有责任周期d的最小值m。在控制参数c小于切换参数时，脉波调变信号p与p’的频率f可线性正比于输出功率w，且脉波调变信号p与p’的频率f的最大值与最小值分别为最大频率f
max
与最小频率f
min
。在控制参数c小于切换参数时，脉波调变信号p与p’的责任周期d线性正比于输出功率w，且责任周期d的最大值为0.5，责任周期d的最小值m等于谐振转换器3所运作的固定时间t乘以最小频率f
min
，且责任周期d的最小值m小于0.5。一般来说，此固定时间t为谐振转换器3运作的最短时段，并由谐振转换器3的硬件所决定。在cot模式中，固定谐振转换器3所运作的时间，并改变频率f，以得到可变的责任周期d。如图6所示，脉波调变信号p’的相位落后脉波调变信号p的相位180度，脉波调变信号p与p’亦并未同时具有高准位电压，以避免烧毁电路。谐振控制装置在不增加硬件成本的前提下，设定切换参数，并根据切换参数进行恒定导通时间调变模式或脉波频率调变模式，以改善谐振转换器3的轻载效率、降低启动谐振电流与降低切换损失与噪声。此外，恒定导通时间调变模式能延伸脉波宽度调变模式所无法涵盖的输出电压或输出电流的范围。因此，谐振控制装置2能提高谐振转换器3的输出电压的下限范围与扩大此输出电压的操作范围，并减少执行丛集模式(burst mode)的次数。
44.图7为本发明的一实施例的谐振控制方法的流程图。请参照图3与图7，以下介绍本发明的一实施例的谐振控制装置2的谐振控制方法。首先，如步骤s10所示，回授控制器20接收参考电压s与输出电压v，并利用参考电压s对输出电压v进行电压补偿，以产生控制参数c。如步骤s12所示，处理器21接收控制参数c，并判断控制参数c是否小于切换参数。若是，则如步骤s14所示，处理器21根据控制参数c与切换参数产生脉波调变信号p与p’，以此控制谐振转换器3在脉波调变信号p或p’的每一周期内以固定时间运作，进而调整输出电压v。若否，则如步骤s16所示，处理器21根据控制参数c与切换参数产生脉波频率调变信号，以此驱动谐振转换器3调整输出电压v。
45.请参照图3与图4。当负载4变轻时，控制参数c变小。当控制参数c小于切换参数时，处理器21产生脉波调变信号p与p’，以此控制谐振转换器3在脉波调变信号p或p’的每一周期内以固定时间运作，进而调整输出电压v。脉波调变信号p与p’的责任周期d与频率f取决
于输出功率w。当负载4变重时，控制参数c变大。当控制参数c大于或等于切换参数时，处理器21根据控制参数c与切换参数产生脉波频率调变信号，以此驱动谐振转换器3调整输出电压v。脉波频率调变信号的频率f取决于输出功率w，且脉波频率调变信号的责任周期d固定在0.5。此外，亦可变动参考电压s以产生脉波调变信号p与p’或脉波频率调变信号。当参考电压s降低，且输出电压v尚未变动时，控制参数c变小。当控制参数c小于切换参数时，处理器21产生脉波调变信号p与p’，以此控制谐振转换器3在脉波调变信号p或p’的每一周期内以固定时间运作，进而调整输出电压v。脉波调变信号p与p’的责任周期d与频率f取决于输出功率w。当参考电压s提升，且输出电压v尚未变动时，控制参数c变大。当控制参数c大于或等于切换参数时，处理器21根据控制参数c与切换参数产生脉波频率调变信号，以此驱动谐振转换器3调整输出电压v。脉波频率调变信号的频率f取决于输出功率w，且脉波频率调变信号的责任周期d固定在0.5。
46.图8为本发明的第二实施例的谐振控制装置与谐振转换器的电路示意图。图9为本发明的一实施例的产生控制参数的流程图。请参照图8与图9，以下介绍本发明的第二实施例的谐振控制装置2。第二实施例与第一实施例差别在于回授控制器20、切换参数与控制参数c，其余技术特征与第一实施例相同，于此不再赘述。在第二实施例中，切换参数等于最大频率f
max
，且回授控制器20包括一减法器200、一电压补偿器201与一数字压控振荡器202。电压补偿器201耦接减法器200与数字压控振荡器202，数字压控振荡器202耦接处理器21。以下介绍本发明的一实施例的产生控制参数的流程。首先，如步骤s 100所示，减法器200接收参考电压s与输出电压v，将参考电压s减去输出电压v，以得到一差异电压vd。接着，如步骤s101所示，电压补偿器201接收差异电压vd，且对其进行电压补偿，以产生一电压参数vp。电压参数vp是跟电压有关的系数，但没有单位。最后，如步骤s102所示，数字压控振荡器202接收电压参数vp，并根据电压参数vp、最大频率f
max
与最小频率f
min
产生作为控制参数c的一控制频率。在本发明的某些实施例中，控制频率以fc表示，fc＝(f
min-f
max
)
×
p+f
max
，p为电压参数。由于控制频率与电压参数呈线性反比关系，故能提升控制参数c的变化量的稳定性。
47.根据上述实施例，谐振控制装置及其谐振控制方法在不增加硬件成本的前提下，设定一切换参数，并根据切换参数进行恒定导通时间调变模式或脉波频率调变模式，以改善谐振转换器的轻载效率、降低启动谐振电流、降低切换损失与噪声、提高谐振转换器的输出电压的下限范围与扩大此输出电压的操作范围。此外，数字压控振荡器产生控制频率，使其与电压参数呈线性反比，以提升控制参数的变化量的稳定性。
48.以上所述仅为本发明一优选实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，故举凡依本发明权利要求所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括在本发明的权利要求要求保护的范围内。