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CN102447379B - 电源转换器的次谐波改善电路及方法 - Google Patents

电源转换器的次谐波改善电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电源转换器的次谐波改善电路及方法，根据功率开关的开关周期比选择不同的电流限制信号，在该开关周期比过大时能避免下个周期的开关周期比发生剧烈的变化，进而减缓次谐波问题。

Description

电源转换器的次谐波改善电路及方法
技术领域
本发明涉及一种电源转换器，特别是关于一种电源转换器的次谐波改善电路及方法。
背景技术
图1是以典型的驰返式电源转换器为例，其中整流电路10将交流电压VAC整流，电容Cbulk用以稳压整流电路10的输出以产生电压Vbulk，控制电路14送出信号GATE切换与变压器12的一次侧线圈Lp串联的功率开关M1，进而使电压Vbulk转换为输出电压Vo，感测电阻Rcs与功率开关M1串联，用以取得与电流Ip相关的信号Vcs，控制电路14根据信号Vcs与预设的电流限制信号决定信号GATE。近来，为了提升产品竞争力，降低成本也成为设计时的要求目标，因此元件的选用也日益严苛，电容Cbulk相对于以往的设计也越来越小。然而，对于相同额定的系统来说，当系统处于低输入电压时，较小的电容Cbulk将使电压Vbulk的维持时间(hold up time)变短，因此从变压器12的一次侧看到的电压Vbulk将变化极大，这在系统开机脱离软启动(soft-start)或进入过载时，将产生严重的次谐波问题。严重的次谐波可能造成在满载时低输入电压无法启动或输入电压高低压过载保护(over current protection)差异极大的问题。
图2用以说明现有驰返式电源转换器的次谐波问题，其中波形20为控制电路14内部的时脉CLK，波形22为前缘遮蔽信号LEB，波形24为信号GATE，波形26为电流限制信号，波形28为信号Vcs。时脉CLK用以决定信号GATE的周期，而前缘遮蔽信号LED则是用以遮蔽信号Vcs的突波，当信号Vcs大于电流限制信号时，信号GATE转为低准位以使功率开关M1关闭(turn off)。参照图2，在低输入电压时，功率开关M1的导通时间(ontime)较长以取得足够的能量，如时间t1至时间t2，然而，功率开关M1的切换周期是固定的，因此功率开关M1的截止时间(off time)会相对的变短，这造成能量无法完全释放，所以当功率开关M1再次打开(turn on)时，如时间t3所示，信号Vcs的起始准位变高，使得信号Vcs很快的大于电流限制信号，如时间t4所示，因而导致功率开关M1的导通时间变短，功率开关M1的导通时间的剧烈变化将使驰返式电源转换器产生严重的次谐波问题。
因此，一种有效改善次谐波问题的电路，乃为所冀。
发明内容
本发明的目的，在于提出一种电源转换器的次谐波改善电路及方法。
根据本发明，一种电源转换器的次谐波改善电路包括：第一电流限制信号产生器，提供第一电流限制信号；第二电流限制信号产生器，提供第二电流限制信号；控制器检测该电源转换器的功率开关的开关周期比产生切换信号；以及选择电路根据该切换信号从该第一及第二电流限制信号中选取其中一个作为最终电流限制信号来限制该功率开关上的电流最大值。当该开关周期比小于预设的临界值时，该选择电路选择该第一电流限制信号作为该最终电流限制信号，当该开关周期比大于该预设的临界值时，该选择电路选择该第二电流限制信号作为该最终电流限制信号。
根据本发明，一种电源转换器的次谐波改善方法包括：提供第一电流限制信号及第二电流限制信号；以该第一电流限制信号作为该最终电流限制信号来限制该电源转换器的功率开关上的电流最大值；以及检测该功率开关的开关周期比，当该开关周期比小于预设的临界值时，维持该第一电流限制信号作为该最终电流限制信号，当该开关周期比大于该预设的临界值时，选择该第二电流限制信号作为该最终电流限制信号。
根据本发明，一种电源转换器的次谐波改善电路包括：多个电流限制信号产生器，提供多个电流限制信号；控制器检测该电源转换器的功率开关的开关周期比产生切换信号；以及选择电路根据该切换信号选择该多个电流限制信号其中一个作为该最终电流限制信号来限制该功率开关上的电流最大值。当该开关周期比小于预设的临界值时，该选择电路选择该多个电流限制信号中的第一电流限制信号作为该最终电流限制信号；当该开关周期比大于该临界值时，该选择电路依序选择该第一电流限制信号以外的其他电流限制信号作为该最终电流限制信号后，再选择该第一电流限制信号作为该最终电流限制信号，反复此一机制。
根据本发明，一种电源转换器的次谐波改善方法包括：提供多个电流限制信号；从该多个电流限制信号中选取第一电流限制信号作为该最终电流限制信号来限制该电源转换器的功率开关上的电流最大值；检测该功率开关的开关周期比，当该开关周期比小于预设的临界值时，维持该第一电流限制信号作为该最终电流限制信号，当该开关周期比大于该预设的临界值时，依序选择该第一电流限制信号之外的其他电流限制信号作为该最终电流限制信号；以及在依序选择该其他电流限制信号作为该最终电流限制信号之后，再选择该第一电流限制信号作为该最终电流限制信号，反复此一机制。
由于本发明的最终电流限制信号可以根据功率开关的开关周期比来改变，因此当该开关周期比过大时，于下个周期可以选择适当的最终电流限制信号来避免该开关周期比变化过大，进而减缓次谐波问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
图1为典型的驰返式电源转换器；
图2用以说明现有驰返式电源转换器的次谐波问题；
图3为应用本发明的驰返式电源转换器；
图4为图3中电流限制信号控制器的实施例；
图5为控制电路内部的信号；
图6为次谐波改善电路的另一实施例；以及
图7为图6信号的波形。
附图标号：
10    整流电路
12    变压器
14    控制电路
20    振荡器
22    SR正反器
24    比较器
26    次谐波改善电路
28    电流限制信号控制器
30    选择电路
32    电流限制信号产生器
34    电流限制信号产生器
36    电流限制信号产生器
40    比较器
42    反相器
44    D型正反器
46    D型正反器
50  最终电流限制信号Vclf
52  最终电流限制信号Vclf
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
图3为应用本发明的驰返式电源转换器，其包括变压器12、功率开关M1与变压器12的一次侧线圈串联、感测电阻Rcs与功率开关M1串联以及控制电路14控制功率开关M1的切换以将输入电压Vin转换为输出电压Vo。控制电路14包括振荡器20提供时脉CLK及与该时脉CLK同步的锯齿波信号Vosc；SR正反器22根据时脉CLK触发控制信号GATE；比较器24根据最终电流限制信号Vclf及信号Vcs产生信号S1以重置SR正反器22，其中信号Vcs与通过功率开关M1的电流Ip相关；以及次谐波改善电路26检测控制信号GATE的开关周期比(duty ratio)，并据以改变最终电流限制信号Vclf。次谐波改善电路26在控制信号GATE的开关周期比大于预设的临界值时，将改变最终电流限制信号Vclf，以避免控制信号GATE的开关周期比在下一个周期时发生剧烈变化，进而减缓次谐波问题。
次谐波改善电路26包括电流限制信号控制器28、选择电路30以及两个电流限制信号产生器32及34，其中电流限制信号产生器32提供锯齿波的第一电流限制信号Vcl1，电流限制信号产生器34提供定值的第二电流限制信号Vcl2。提供锯齿波的第一电流限制信号Vcl1的电流限制信号产生器32是相当常见的技术，目前也已经有许多相关的专利，例如美国专利号第6,674,656号，故于此不再赘述。选择电路30包含开关SW1及SW2，开关SW1连接在电流限制信号产生器32及次谐波改善电路26的输出端Vclf之间，开关SW2连接在电流限制信号产生器34及次谐波改善电路26的输出端Vclf之间。电流限制信号控制器28检测控制信号GATE的开关周期比以产生切换信号CCL控制开关SW1及SW2，进而选择第一电流限制信号Vcl1或第二电流限制信号Vcl2作为最终电流限制信号。
图4为电流限制信号控制器28的实施例，其包括比较器40比较参考电压Vref及锯齿波信号Vosc产生信号DX，信号DX具有固定的开关周期比；反相器42反相信号DX产生信号DX’；D型正反器44根据其数据输入端D的控制信号GATE及时脉端clk上的信号DX’产生信号S2；以及D型正反器46根据其数据输入端D的信号S2及时脉端clk上的控制信号GATE产生切换信号CCL。
图5为控制电路14内部的信号，其中波形50为最终电流限制信号Vclf。设定第一电流限制信号Vcl1为一般操作状况下的最终电流限制信号Vclf，参照图3、图4及图5，在周期T1时，控制信号GATE的开关周期比大于预设的临界值，所以信号DX转为低准位时控制信号GATE仍为高准位，如图5的时间t5所示，因此D型正反器44将送出高准位的信号S2。接着在周期T2期间，由于控制信号GATE转为高准位时信号S2为高准位，因此D型正反器46送出高准位的切换信号CCL，以使选择电路30选择第二电流限制信号Vcl2作为最终电流限制信号Vclf，如时间t6及波形50所示，进而避免功率开关M1的导通时间发生剧烈变化，减缓次谐波问题。由于在周期T2期间，控制信号GATE的开关周期比未大于预设的临界值，因此，如时间t7所示，在信号DX转为低准位时，信号S2也变为低准位，故在周期T3期间，控制信号GATE转为高准位时，如时间t8所示，切换信号CCL变为低准位以使选择电路30再次选择第一电流限制信号Vcl1作为最终电流限制信号Vclf。相反的，在周期T2期间，如果控制信号GATE的开关周期比仍大于预设的临界值时，选择电路30将维持电流限制信号Vcl2作为最终电流限制信号Vclf。在其他实施例中，第一电流限制信号Vcl1不限定为锯齿波，第二电流限制信号Vcl2也可以用其他波形的电流限制信号取代。
图3的次谐波改善电路26也可以在周期T1检测到控制信号GATE的开关周期比大于预设的临界值时，于周期T2选择第二电流限制信号Vcl2作为最终电流限制信号Vclf，接着不论周期T2期间的控制信号GATE的开关周期比是否大于预设的临界值，在周期T3时都再次选择第一电流限制信号Vcl1作为最终电流限制信号Vclf。
图6为次谐波改善电路26的另一实施例，其除了与图3的电路同样具有电流限制信号控制器28、选择电路30以及电流限制信号产生器32及34外，还包括电流限制信号产生器36用以提供定值的第三电流限制信号Vcl3，其中选择电路30除了开关SW1及SW2外，还有开关SW3连接在电流限制信号产生器36及次谐波改善电路26的输出端Vclf之间。图7为图6信号的波形，其中波形52为最终电流限制信号Vclf。参照图6及图7，设定第一电流限制信号Vcl1为一般操作状况下的最终电流限制信号Vclf，当电流限制信号控制器28检测到控制信号GATE的开关周期比未大于预设的临界值时，维持最终电流限制信号Vclf＝Vcl1。假设在周期T1时，电流限制信号控制器28检测到控制信号GATE的开关周期比大于预设的临界值，电流限制信号控制器28将送出切换信号CCL给选择电路30，以使选择电路30在周期T2选择第二电流限制信号Vcl2作为最终电流限制信号Vclf，如波形52所示，接着，不论周期T2时的控制信号GATE是否大于预设的临界值，选择电路30在周期T3时都将选择第三电流限制信号Vcl3作为最终电流限制信号Vclf。同样的，不论在周期T3时的控制信号GATE是否大于预设的临界值，选择电路30于下个周期将再次选择第一电流限制信号Vcl1作为最终电流限制信号Vclf。在其他实施例中，第一电流限制信号Vcl1不限定为锯齿波，第二电流限制信号Vcl2及第三电流限制信号Vcl3也可以用其他波形的电流限制信号取代。
本发明实施例的最终电流限制信号可以根据功率开关的开关周期比来改变，因此当该开关周期比过大时，于下个周期可以选择适当的最终电流限制信号来避免该开关周期比变化过大，进而减缓次谐波问题。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电源转换器的次谐波改善电路，其特征在于，所述电源转换器通过比较最终电流限制信号及与功率开关上电流相关的信号决定控制信号切换所述功率开关，所述次谐波改善电路包括：
第一电流限制信号产生器，提供第一电流限制信号；
第二电流限制信号产生器，提供第二电流限制信号；
控制器，检测所述控制信号的开关周期比产生切换信号；以及
选择电路，连接所述第一电流限制信号产生器、第二电流限制信号产生器及控制器，根据所述切换信号从所述第一及第二电流限制信号中选取其中一个作为所述最终电流限制信号；
其中，当所述开关周期比小于预设的临界值时，所述选择电路选择所述第一电流限制信号作为所述最终电流限制信号，当所述开关周期比大于所述预设的临界值时，所述选择电路选择所述第二电流限制信号作为所述最终电流限制信号。
2.如权利要求1所述的次谐波改善电路，其特征在于，所述第一电流限制信号为锯齿波或其他类型的波形，而所述第二电流限制信号为定值或其他类型的波形。
3.如权利要求1所述的次谐波改善电路，其特征在于，所述控制器包括：
反相器，反相预设的第一信号生成第二信号，所述第一信号具有固定的开关周期比；
第一D型正反器，具有时脉端接收所述第二信号及数据输入端接收所述控制信号，根据所述第二信号及控制信号决定一第三信号；以及
第二D型正反器，具有时脉端接收所述控制信号及数据输入端接收所述第三信号，根据所述第三信号及控制信号决定所述切换信号。
4.一种电源转换器的次谐波改善方法，其特征在于，所述电源转换器通过比较最终电流限制信号及与功率开关上电流相关的信号决定控制信号切换所述功率开关，所述次谐波改善方法包括：
(A)提供第一电流限制信号及第二电流限制信号；
(B)以所述第一电流限制信号作为所述最终电流限制信号；以及
(C)检测所述控制信号的开关周期比，当所述开关周期比小于预设的临界值时，维持所述第一电流限制信号作为所述最终电流限制信号，当所述开关周期比大于所述预设的临界值时，选择所述第二电流限制信号作为所述最终电流限制信号。
5.如权利要求4所述的次谐波改善方法，其特征在于，所述步骤(A)包括提供锯齿波或其他类型波形的第一电流限制信号，以及提供定值或其他类型波形的第二电流限制信号。
6.一种电源转换器的次谐波改善电路，其特征在于，所述电源转换器通过比较最终电流限制信号及与功率开关上电流相关的信号决定控制信号切换所述功率开关，所述次谐波改善电路包括：
多个电流限制信号产生器，提供多个电流限制信号，所述多个电流限制信号包含一第一电流限制信号；
控制器，检测所述控制信号的开关周期比产生切换信号；以及
选择电路，连接所述多个电流限制信号产生器及控制器，根据所述切换信号选择所述多个电流限制信号其中一个作为所述最终电流限制信号；
其中，当所述开关周期比小于预设的临界值时，所述选择电路选择所述第一电流限制信号作为所述最终电流限制信号；当所述开关周期比大于所述临界值时，所述选择电路依序选择所述第一电流限制信号以外的其他电流限制信号作为所述最终电流限制信号后，再选择所述第一电流限制信号作为所述最终电流限制信号。
7.一种电源转换器的次谐波改善方法，其特征在于，所述电源转换器通过比较最终电流限制信号及与功率开关上电流相关的信号决定控制信号切换所述功率开关，所述次谐波改善方法包括：
(A)提供多个电流限制信号，所述多个电流限制信号包含一第一电流限制信号；
(B)选取所述第一电流限制信号作为所述最终电流限制信号；
(C)检测所述控制信号的开关周期比，当所述开关周期比小于预设的临界值时，维持所述第一电流限制信号作为所述最终电流限制信号，当所述开关周期比大于所述预设的临界值时，依序选择所述第一电流限制信号之外的其他电流限制信号作为所述最终电流限制信号；以及
(D)在依序选择所述其他电流限制信号作为所述最终电流限制信号之后，再选择所述第一电流限制信号作为所述最终电流限制信号，并且重复步骤(C)。
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