專利名稱：可調整失效時間的適應性失效時間控制器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種可調整失效時間的適應性失效時間控制器，特別是一種可用于提升電源轉換器在低負載或無負載之下的轉換效率的適應性失效時間控制器。
背景技術：
如圖1所示的電源供應器電路2中，電源轉換器(power converter)8用以接收外部的輸入電壓Vin，并提供輸出電壓Vo至負載裝置6，反饋控制電路10可依據輸出電壓Vo及電流信號CS(current sense)的電位大小而輸出適當的柵極驅動脈沖Gate Pulse至電源轉換器8，調整電源轉換器8運作，以提供較大或較小的功率至負載裝置6。例如當負載裝置6為重載時，反饋控制電路10可令電源轉換器8提供較大功率的輸出，以供系統的需求；當負載裝置6為輕載時，反饋控制電路10可令電源轉換器8提供較小功率的輸出，以節省功率的消耗。其中，電源轉換器8可視不同規格需求而使用如降壓式轉換器(buckconverter)、升壓式轉換器(boost converter)、返馳式轉換器(flybackconverter)或順向轉換器(forward converter)等不同電路，反饋控制電路10則大多使用脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation，PWM)的方式以調整電源轉換器8的運作。圖1所示為電流模式控制(current mode control)，其同時偵測輸出電壓與開關元件(未顯示)上的開關電流CS作為反饋信號。當然，也可使用電壓模式控制(voltage mode control)，其僅使用輸出電壓作為反饋的依據，其模式的選擇可依使用者的需求而定。由上述中可知，反饋控制電路10如何依據負載裝置6的負載狀態而動態地調整電源轉換器8的運作模式，將是影響電源供應器2的輸出效率的重要因素。
參考圖2及圖3，圖2為現有的反饋控制電路10的方塊圖，圖3為現有的反饋控制電路10運作時的時序圖。現有的反饋控制電路10包括控制電路及反饋補償電路17、18。而控制電路組設有誤差放大器(Error Amplifier)11、參考電壓產生器12、比較器13、振蕩器14、SR型觸發器15、與柵極驅動器(GateDrive)16。
現有的反饋控制電路10的工作原理如下輸出電壓Vo經由反饋補償電路18而輸入至誤差放大器11的負端，誤差放大器11將輸出電壓Vo與參考電壓產生器12所產生的參考電壓Vref進行比較，并產生誤差電壓Ve至反饋補償電路17以及比較器13的負端。其中，反饋補償電路17、18為電阻與電容所組成的電路，其目的在于穩定現有的反饋控制電路10的運作。
比較器13將誤差電壓Ve與開關元件(未顯示，其置于電源轉換器8中)所輸出的開關電流CS的電壓進行比較以產生重置信號Reset至SR型觸發器15。另一方面，振蕩器14所產生的振蕩輸出信號CLKOUT將周期性地使柵極驅動脈沖Gate Pulse為回復高電壓電位。
當開關元件的開關電流CS的電壓小于誤差電壓Ve時，則重置信號Reset為低電壓電位，因為振蕩器14的振蕩輸出信號CLKOUT將設定SR型觸發器15的輸出值為高電壓電位，所以柵極驅動脈沖Gate Pulse的電壓電位此時會一直維持高電位；直到開關元件的開關電流CS信號大于誤差電壓Ve，則重置信號Reset為高電壓電位，并同時重置柵極驅動脈沖Gate Pulse為低電壓電位，直到振蕩輸出信號CLKOUT重新設定SR型觸發器15的輸出值為止。借由設定-重置的循環過程所產生的柵極驅動脈沖Gate Pulse的脈沖寬度，將決定電源轉換器8的輸出功率。
參考圖4及圖5，圖4為振蕩器14的方塊圖，圖5為振蕩器14運作時的時序圖。振蕩器14包括充電電流源140、放電電流源141、切換電容142、比較器143、比較器144、SR型觸發器145、反相器146、晶體管開關147、及晶體管開關148。比較器143及比較器144將對振蕩信號OSC與高參考電壓VH及低參考電壓VL進行比較。假設振蕩信號OSC高于高參考電壓VH時，比較器143的輸出CLK2為高電位時，SR型觸發器145的輸出數據信號CLK3為低電壓電位，因而導通晶體管開關148，使振蕩信號OSC的電壓電位降低(由放電電流源141進行放電)；當振蕩信號OSC低于低參考電壓VL時，比較器144的輸出CLKOUT為高電位時，SR型觸發器145的輸出數據信號CLK3為高電壓電位，因而導通晶體管開關147，使振蕩信號OSC的電壓電位提升(由充電電流源140進行充電)。由上述中可知，振蕩器14將輸出固定周期的振蕩輸出信號CLKOUT。
然而，振蕩輸出信號CLKOUT的頻率為固定，導致作為電源轉換器8的工作頻率的柵極驅動脈沖Gate Pulse的頻率也為固定。固定頻率的柵極驅動脈沖Gate Pulse將使得電源轉換器8于輕負載或無負載時的固定切換損耗(switching losses)仍高，無法符合節省能源的要求。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在于提供一種可調整失效時間的適應性失效時間控制器，能依據負載裝置的負載狀態而調整電源轉換器的工作頻率，能降低電源轉換器于輕負載下的功率消耗，大大提高轉換效率。
為實現上述目的，本發明公開了一種可調整失效時間的適應性失效時間產生器，其可依據輸出電壓的變化而調整時鐘輸出信號所對應的振蕩輸出信號，其包括轉換電路，用以輸入輸出電壓而輸出對應控制信號；受控源，用以依據對應控制信號以輸出能量；固定源，用以汲取定值能量，并將其輸出；反相器，用以輸入時鐘輸出信號以輸出反相時鐘輸出信號；儲能元件，用以存儲能量及定值能量，并提供充電電壓；晶體管開關，用以依據反相時鐘輸出信號而提供儲能元件釋放能量及定值能量的路徑；以及比較器，用以比較充電電壓以及閾值電壓，并依據比較的結果而輸出對應的振蕩輸出信號其中，當輸出電壓的電壓電位下降時，振蕩輸出信號的上升沿較時鐘輸出信號的上升沿延遲失效時間。
為實現上述目的，本發明公開了一種可調整失效時間的適應性失效時間產生器，其可依據輸出電壓的變化而調整時鐘輸出信號所對應的振蕩輸出信號，其包括壓控振蕩器，用以輸入輸出電壓而輸出時鐘輸出信號；以及計數器，用以計數時鐘輸出信號，當計數超過臨界數目時，則輸出振蕩輸出信號；其中，當輸出電壓的電壓電位下降時，振蕩輸出信號的上升沿較時鐘輸出信號的上升沿延遲失效時間。
為實現上述目的，本發明公開了一種適應性失效時間控制器，用以調整電源轉換器于不同負載下所對應的工作頻率，其包括參考電壓產生器，用以提供參考電壓；誤差放大器，用以比較輸出電壓及參考電壓，并輸出誤差電壓，輸出電壓將依負載的大小而呈正比的調整；比較器，用以比較誤差電壓及開關電流，并輸出重置信號；振蕩器，用以提供時鐘輸出信號；適應性失效時間產生器，用以依據輸出電壓的變化而調整時鐘輸出信號所對應的振蕩輸出信號，并將其輸出；觸發器，用以依據重置信號及振蕩輸出信號以調整柵極驅動器的輸出，以調整柵極驅動脈沖的周期；其中，當輸出電壓的電壓電位下降時，振蕩輸出信號的上升沿較時鐘輸出信號的上升沿延遲失效時間。
圖1為電源供應電路的示意圖；圖2為現有的反饋控制電路的方塊圖；圖3為現有的反饋控制電路運作時的時序圖；圖4為振蕩器的方塊圖；圖5為振蕩器運作時的時序圖；圖6為本發明反饋控制電路的方塊圖；圖7為本發明反饋控制電路的另一方塊圖；圖8為本發明適應性失效時間控制器的方塊圖；圖9為本發明適應性失效時間控制器運作的時序圖；圖10為誤差電壓、振蕩輸出信號、及振蕩信號對應關的示意圖；圖11為本發明適應性失效時間控制器的第一實施例的方塊圖；圖12為本發明適應性失效時間控制器的第一實施例運作的時序圖；圖13為本發明適應性失效時間控制器的第二實施例的方塊圖；以及圖14為本發明適應性失效時間控制器的第二實施例運作的時序圖。
其中，附圖標記2-電源供應器6-負載裝置8-電源轉換器10-反饋控制電路11-誤差放大器12-參考電壓產生器13-比較器14-振蕩器15-SR型觸發器
16-柵極驅動器17-反饋補償電路18-反饋補償電路20-適應性失效時間控制器30-適應性失效時間產生器40-適應性失效時間控制器50-適應性失效時間控制器140-充電電流源141-放電電流源142-切換電容143-比較器144-比較器145-SR型觸發器146-反相器147-晶體管開關148-晶體管開關301-轉換電路302-反相器303-受控電流源304-晶體管開關305-切換電容306-比較器401-肖特基二極管402-加法器403-電壓控制電流源404-固定電流源501-磁滯比較器502-受控電流源503-固定電流源
具體實施例方式
如圖6所示，由于現有的反饋控制電路10具有上述缺失，因此，本發明公開了一種可調整失效時間的適應性失效時間產生器(Adaptive Dead-TimeGenerator)30，可將其加于現有的反饋控制電路10，而形成本發明可調整失效時間的適應性失效時間控制器(Adaptive Dead-Time Controller)20，且其無須修改現有的反饋控制電路10內部其它元件。本發明適應性失效時間產生器30僅需置于振蕩器14與SR型觸發器15之間，即可完成本發明反饋控制電路20的設計。如圖7所示的振蕩器14內部電路與適應性失效時間產生器30的連接圖，如此一來，當電源轉換器8于輕負載或無負載時，誤差電壓Ve將逐漸下降，本發明適應性失效時間控制器30因而延長振蕩信號OSC的周期(周期延長的大小與負載成反比)，使振蕩輸出信號CLKOUT的周期也延長，等同于間接延長柵極驅動脈沖Gate Pulse的脈沖寬度，以降低電源轉換器8的固定切換損耗，以符合節省能源的要求。
參考圖8及圖9，圖8為本發明適應性失效時間產生器30的方塊圖，圖9為本發明可調整失效時間的適應性失效時間控制器20與本發明適應性失效時間產生器30運作的時序圖。本發明適應性失效時間產生器30包括轉換電路301、反相器302、受控電流源303、晶體管開關304、切換電容305、及比較器306。轉換電路301可依據誤差電壓Ve的電壓大小而輸出對應的轉換信號至受控電流源303，以調整受控電流源303所汲取的充電電流Itd(用以對切換電容305進行充電)。當然，受控電流源303也可由受控電壓源所取代，轉換電路301也可依據誤差電壓Ve的電流大小而輸出對應的轉換信號至受控電壓源。如此一來，充電電流Itd與誤差電壓Ve為函數關系，此函數關系可為一次函數、二次函數、指數函數等，較佳為一次函數。其中，本發明適應性失效時間產生器30為模擬電路，可想而知地，受控電流源303與轉換電路301也可由壓控振蕩器(VCO)所取代，并將晶體管開關304、切換電容305、及比較器306由一計數器所取代，反相器302的輸出也連結至計數器，而成為數字電路的實施方式。
當該輸出電壓的電壓電位下降時，該振蕩輸出信號的上升沿較該時鐘輸出信號的上升沿延遲該失效時間。
當誤差電壓Ve因為高負載而維持高電壓電位時，其對應的誤差電壓Ve的充電電流Itd較大，可迅速地對切換電容305進行充電，使其充電電壓Vtd超過閾值電壓Vth而輸出高電位的振蕩輸出信號CLKOUT，并假設此充電所需的時間極短，可忽略不計，則比較器144所輸出的時鐘輸出信號CLK1(為現有的反饋控制電路10的振蕩輸出信號CLKOUT)與比較器306所輸出的振蕩輸出信號CLKOUT為相同，故本發明反饋控制電路20于高負載下的運作與現有的反饋控制電路10相同。
當誤差電壓Ve因為負載下降而由高電壓電位降為低電壓電位時，因為誤差電壓Ve降低，所以充電電流Itd的電流量也降低，因而延長切換電容305充電至閾值電壓Vth的時間，并將此延長時間td稱的為失效時間(dead-time)。待切換電容305的充電電壓Vtd等于/大于閾值電壓Vth時，比較器306才輸出高電位的振蕩輸出信號CLKOUT。由圖10中可知，時鐘輸出信號CLK1的上升沿與比較器306所輸出的振蕩輸出信號CLKOUT的上升沿，兩者相差延長時間td，而時鐘輸出信號CLK1的下降沿與比較器306所輸出的振蕩輸出信號CLKOUT的下降沿，兩者為同步，故振蕩輸出信號CLKOUT僅被延遲一段延長時間td，其波形并無改變。于延長時間td的時間內，振蕩信號OSC停止設定-重置的循環過程，因此振蕩信號OSC所對應的柵極驅動脈沖Gate Pulse的周期也延遲一段延長時間td，因而達到低負載時降低柵極驅動脈沖Gate Pulse頻率的目的。如圖10所示，本發明適應性失效時間產生器30可依誤差電壓Ve的變化而調整振蕩輸出信號CLKOUT相較于時鐘輸出信號CLK1所被延長的延長時間td，因而調整振蕩信號OSC的頻率。
而數字電路的運作方式與上述模擬電路相似，當時鐘輸出信號CLK1為高電位時，反相器302激活計數器，此時，壓控振蕩器可依據誤差電壓Ve的大小而產生不同周期的時鐘輸出信號(例如誤差電壓Ve的電壓電位越高，時鐘輸出信號的周期越短)，計數器再對時鐘輸出信號進行計數，當計數的結果超過臨界數目時，則輸出振蕩輸出信號CLKOUT，因而提供與本發明適應性失效時間產生器30相似的功能。
如圖11所示，本發明適應性失效時間控制器30的第一實施例適應性失效時間控制器40包括肖特基二極管(schottky diode)401、加法器402、電壓控制電流源403、固定電流源404、反相器302、晶體管開關304、切換電容305、及比較器306。由此可知，轉換電路301及電流源303的功能由肖特基二極管401、加法器402、電壓控制電流源403、及固定電流源404所實現。若將肖特基二極管401的微小壓降忽略不計，肖特基二極管401將誤差電壓Ve抑制于最高電壓Va，加法器402用以將誤差電壓Ve減去定值電壓Vb，并以其結果控制電壓控制電流源403的電流汲取量，并使結果呈函式關系。例如，電流源403的電流汲取量為加法器402的結果的K倍，其中，K=I2-I1Va-Vb.]]>參考圖12，于高負載時，電壓控制電流源403及固定電流源404汲取最大電流I2以對切換電容305進行充電，此時，振蕩輸出信號CLKOUT的頻率為最高頻率f2；當負載降至最低時，僅由固定電流源404汲取最小電流I1以對切換電容305進行充電，此時，振蕩輸出信號CLKOUT的頻率為最低頻率f1。
如圖13所示，本發明適應性失效時間控制器30的第二實施例適應性失效時間控制器50包括磁滯比較器501、受控電流源502、固定電流源503、反相器302、晶體管開關304、切換電容305、及比較器306。由此可知，轉換電路301及受控電流源303的功能由磁滯比較器501、受控電流源502、固定電流源503所實現。利用磁滯比較器501的磁滯現象以降低磁滯比較器501對誤差電壓Ve的靈敏度以避免噪聲造成的誤動作，當誤差電壓Ve大于較大電壓Vc時，磁滯比較器501的輸出信號激活受控電流源502的運作；當誤差電壓Ve小于較小電壓Vd時，磁滯比較器501的輸出信號取消受控電流源502的運作，如果誤差電壓Ve介于較大電壓Vc及較小電壓Vd的磁滯區時，則放大器501的輸出信號不改變。參考圖14，于高負載時，受控電流源502及固定電流源503共同汲取最大電流I2以對切換電容305進行充電，此時，振蕩輸出信號CLKOUT的頻率為最高頻率f2；當負載降至最低時，僅由固定電流源503汲取最小電流I1以對切換電容305進行充電，此時，振蕩輸出信號CLKOUT的頻率為最低頻率f1。
本發明適應性失效時間控制器30可依負載裝置6的重/輕負載而調整振蕩信號OSC的周期(使其周期延長)，以間接調整電源轉換器8的運作。因此，電源轉換器8重/輕負載皆能穩定地運作，且使電源轉換器8于輕負載下降低功率消耗，達到本發明的目的。
當然，本發明還可有其他多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本發明所附的權利要求的保護范圍。
權利要求
1.一種可調整一失效時間的適應性失效時間產生器，其特征在于，可依據一輸出電壓的變化而調整一時鐘輸出信號所對應的一振蕩輸出信號，其包括一轉換電路，用以輸入所述輸出電壓而輸出一對應控制信號；一受控源，用以依據所述對應控制信號以輸出一能量；一固定源，用以汲取一定值能量，并將其輸出；一反相器，用以輸入所述時鐘輸出信號以輸出一反相時鐘輸出信號；一儲能元件，用以存儲所述能量及所述定值能量，并提供一充電電壓；一晶體管開關，用以依據所述反相時鐘輸出信號而提供所述儲能元件釋放所述能量及所述定值能量的路徑；以及一比較器，用以比較所述充電電壓以及一閾值電壓，并依據比較的結果而輸出對應的所述振蕩輸出信號；其中，當所述輸出電壓的電壓電位下降時，所述振蕩輸出信號的上升沿較所述時鐘輸出信號的上升沿延遲所述失效時間。
2.根據權利要求1所述的適應性失效時間產生器，其特征在于，所述受控源為受控電流源。
3.根據權利要求1所述的適應性失效時間產生器，其特征在于，所述受控源為受控電壓源。
4.根據權利要求1所述的適應性失效時間產生器，其特征在于，所述固定源為固定電流源。
5.根據權利要求1所述的適應性失效時間產生器，其特征在于，所述儲能元件為一電容。
6.根據權利要求1所述的適應性失效時間產生器，其特征在于，所述轉換電路的所述輸出電壓與所述對應控制信號呈一次函數、二次函數、或指數函數的對應。
7.根據權利要求1所述的適應性失效時間產生器，其特征在于，所述轉換電路包括一肖特基二極管及一加法器。
8.根據權利要求1所述的適應性失效時間產生器，其特征在于，所述轉換電路包括一磁滯比較器。
9.根據權利要求1所述的適應性失效時間產生器，其特征在于，所述閾值電壓為固定值。
10.一種可調整一失效時間的適應性失效時間產生器，其特征在于，可依據一輸出電壓的變化而調整一時鐘輸出信號所對應的一振蕩輸出信號，其包括一壓控振蕩器，用以輸入所述輸出電壓而輸出一時鐘輸出信號；以及一計數器，用以計數所述時鐘輸出信號，當計數超過一臨界數目時，則輸出所述振蕩輸出信號；其中，當所述輸出電壓的電壓電位下降時，所述振蕩輸出信號的上升沿較所述時鐘輸出信號的上升沿延遲所述失效時間。
11.一種適應性失效時間控制器，其特征在于，用以調整一電源轉換器于不同負載下所對應的工作頻率，包括一參考電壓產生器，用以提供一參考電壓；一誤差放大器，用以比較一輸出電壓及所述參考電壓，并輸出一誤差電壓，所述輸出電壓將依負載的大小而呈正比的調整；一比較器，用以比較所述誤差電壓及一開關電流，并輸出一重置信號；一振蕩器，用以提供一時鐘輸出信號；一適應性失效時間產生器，用以依據所述輸出電壓的變化而調整所述時鐘輸出信號所對應的一振蕩輸出信號，并將其輸出；以及一觸發器，用以依據所述重置信號及所述振蕩輸出信號以調整一柵極驅動器的輸出，以調整一柵極驅動脈沖的周期；其中，當所述輸出電壓的電壓電位下降時，所述振蕩輸出信號的上升沿較所述時鐘輸出信號的上升沿延遲一失效時間。
12.根據權利要求11所述的適應性失效時間控制器，其特征在于，所述反饋控制電路還包括至少一反饋補償電路。
13.根據權利要求11所述的適應性失效時間控制器，其特征在于，所述適應性失效時間產生器包括一轉換電路，用以輸入所述輸出電壓而輸出一對應控制信號；一受控源，用以依據所述對應控制信號以輸出一能量；一固定源，用以汲取一定值能量，并將其輸出；一反相器，用以輸入所述時鐘輸出信號以輸出一反相時鐘輸出信號；一儲能元件，用以存儲所述能量及所述定值能量，并提供一充電電壓；一晶體管開關，用以依據所述反相時鐘輸出信號而提供所述儲能元件釋放所述能量及所述定值能量的路徑；以及一比較器，用以比較所述充電電壓以及一閾值電壓，并依據比較的結果而輸出對應的所述振蕩輸出信號；其中，當所述輸出電壓的電壓電位下降時，所述振蕩輸出信號的上升沿較所述時鐘輸出信號的上升沿延遲所述失效時間。
14.根據權利要求13所述的適應性失效時間控制器，其特征在于，所述受控源為電流源。
15.根據權利要求13所述的適應性失效時間控制器，其特征在于，所述受控源為電壓源。
16.根據權利要求13所述的適應性失效時間產生器，其特征在于，所述固定源為固定電流源。
17.根據權利要求13所述的適應性失效時間控制器，其特征在于，所述儲能元件為一電容。
18.根據權利要求13所述的適應性失效時間控制器，其特征在于，所述轉換電路的所述輸出電壓與所述對應控制信號呈一次函數、二次函數、指數函數的對應。
19.根據權利要求13所述的適應性失效時間控制器，其特征在于，所述轉換電路包括一肖特基二極管及一加法器。
20.根據權利要求13所述的適應性失效時間控制器，其特征在于，所述轉換電路包括一磁滯比較器。
21.根據權利要求13所述的適應性失效時間控制器，其特征在于，所述閾值電壓為固定值。
22.根據權利要求13所述的適應性失效時間控制器，其特征在于，所述適應性失效時間產生器包括一壓控振蕩器，用以輸入所述輸出電壓而輸出一時鐘輸出信號；以及一計數器，用以計數所述時鐘輸出信號，當計數超過一臨界數目時，則輸出所述振蕩輸出信號；其中，當所述輸出電壓的電壓電位下降時，所述振蕩輸出信號的上升沿較所述時鐘輸出信號的上升沿延遲所述失效時間。
全文摘要
本發明公開了一種可調整失效時間的適應性失效時間控制器(Adaptive Dead－Time Controller)，可用于提升電源轉換器在低負載下的轉換效率。適應性失效時間控制器所輸出的柵極驅動脈沖的周期根據電源轉換器的負載情況而自動延遲一段失效時間。在高負載的情況下，失效時間極小但在低負載的情況下，失效時間會隨負載的減少而拉長。如此一來，不但能有效地控制電源轉換器的輸出功率，也能大大降低電源轉換器本身的功率消耗，進而提升電源轉換器的效率，達到節約能源與環保的要求。
文檔編號G05F1/10GK1848017SQ20051006357
公開日2006年10月18日 申請日期2005年4月13日 優先權日2005年4月13日
發明者郭敏映, 李宏達, 史富元 申請人:通嘉科技股份有限公司