TW201008094A - Switching controller having switching frequency hopping for power converter - Google Patents
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Description
201008094 U188-I w 29926twf.doc/n 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於一種切換模式的電力轉換器，且特別是 關於一種具有切換頻率跳躍（switching frequency hopping) 的切換控制器。 【先前技術】 電力轉換器已用於將交流電源轉換為可調節電壓或電 • 流。電力轉換器必須將輸出電壓、輸出電流或輸出功率保 持在一定的調節範圍内，以使電子元件有效、安全地進行 操作。利用脈寬調變（pUlse modulation, PWM)的主 要問題在於，相較於交流電源頻率，電力轉換器的操作頻 率相對高頻’這樣會導致電力轉換器産生高頻訊號。儘管 切換技術降低了電力轉換器的尺寸大小，但切換元件産生 的電磁干擾(electric magnetic interference，EMI )會干擾電 源系統。通常利用設置於電源輸入端的EMI濾波器來降低 參 EMI。然而，EMI濾波器會產生功率損耗，並且增加電力 轉換器的成本以及尺寸大小。在最近的開發中，在相關領 域中已提出藉由使用頻率調變（frequency modulation)或 頻率跳躍（frequency hopping)來降低 EMI。如 Μ· Rahkala, T. Suntio, K. Kalliomaki 的 “Effects of Switching Frequency Modulation on EMI Performance of a Converter Using Spread Spectrum Approach” ’ APEC 2002 (Applied Power Electronics Conference 及 Exposition，2002)，第 17 年度， IEEE，卷 1，10-14，2002 年 3 月。） 201008094 ci56-iw 29926twf.doc/n 【發明内容】 本發明提供了一種切換控制器，其具有切換頻率跳躍 功能，以。降低電力轉換器的電磁干擾。切換控制器包括第 一振盪器，以産生脈衝訊號和最大工作週期訊號 (maxmium duty-Cycie signal)來決定切換訊號的切換頻 率。具有第二振盪器的模組產生器依據時脈訊號來産生數 位模組碼，其中時脈訊號由第二振盪器產生。可調整電容 • 耦接於模組產生器和第一振盪器，依據數位模組碼來調變 切換，號的切換頻率。脈寬調變電路耦接於第一振盪器， 根據最大工作週期訊號來産生切換訊號。切換訊號的最大 導通時間由最大工作週期訊號進行限制。因此，能夠改良 電磁干擾且無須電磁干擾濾波器。 為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特 舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。 【實施方式】 ^ 圖1顯不了根據本發明之具有切換控制器的電力轉換 器。切換控制器包括脈寬調變電路和頻率調節器10。切換 ，制器產生切換訊號vPWM，透過功率電晶體仏來切換變 [器Τι。具有初級侧ΝΡ和次級侧ns的變壓器τ!接收輸 入電壓vIN並産生輸出電壓v〇。切換訊號工作週 期(duty cycle)決定交流電源供應至電力轉換器的輸出端之 功率。脈寬調變電路包括反相器20、比較器3〇、第一及問 =、D型正反器50以及第二及閘6〇。變壓器&的切換電 流b經由感應電阻Rs轉換爲電流訊號Vs(電壓形式）。電 201008094 ^ΐδδ-i w 29926twf.doc/n 流訊號vs提供至脈寬調變電路，以進行切換訊號的 脈衝寬度調變。電流訊號Vs供應給比較器3〇的負比 較器30的正端接收電流限制訊號Vlmt以限制最大輪出 率。 D型正反器50的輸入端D由電源電壓Vcc拉至高準 位。脈衝訊號PLS經由反相器20供應給D型正反3^50 的時脈端CK。第一及閘40的第一輸入端耦接於頻率調節 鬌 器以接收最大工作週期訊號MDC。第一及閘4〇的第二 輸入端連接於比較器30的輸出端。一旦電流訊號乂8高: 電流限制訊號Vlmt，並且最大工作週期訊號MDC處於低 準位時，第一及閘40的輸出端用於重置D型正反器5〇。 第二及閘60的第一輸入端連接於反相器2〇的輸出端以接 收反相脈衝訊號/PLS。反相器20的輸入端連接於頻率調節 器10以接收脈衝訊號PLS。第二及閘60的第二輸入端^ 接於D型正反器50的輸出端Q。第二及閘6〇的輸出端連 接於功率電晶體Q】以産生切換訊號。 圖2顯示了根據本發明之頻率調節器的實施例。在圖 2中，頻率調節器1〇包括模組產生器3〇〇、可調整電容、⑻ 以及ϋ有最大工作週期電路6〇0的第一振盪器200。模組 產生益300用來産生數位模組碼。可調整電容 ，收模組產生器300的數位模組碼Μη〜Μι，以産生振盪訊 號Vsaw。第一振盪器200耦接於可調整電容1〇〇，依據振 堡訊號VSAW來産生脈衝訊號pLS。最大工作週期電路_ 依據脈衝訊號PLS來産生最大工作週期訊號MDC。 6 201008094 ^ι〇〇~ι w 29926twf.doc/n 可調整電容100耦接於模組產生器300以接收數位模 組碼Μη〜。可調整電容1〇〇包括彼此並聯的多個切換電 容組。切換電容組由電容q，C2，..，Cn和開關Xj，χ2，..， Χη形成。開關χ!和電容Cl串聯。開關&和電容Q串聯。 開關Xn和電容Cn串聯。數位模組碼Mn-M〗控制開關&， X2’ ·· ’Xn。可調整電容1〇〇的輸出端耦接於第一振盪器 200 ’根據數位模組碼Mn〜Ml來調節振盪訊號Vsaw。 ° Φ 第一振盪器2⑻包括充電開關sCH、放電開關Sdh、鑛 齒波電容cx、充電電流IcH、放電電流Idh、第一比較器 210、第二比較器220以及兩個反及閘230和240。充電開 關sCH連接於充電電流IcH與鋸齒波電容Cx之間。放電開 關sDH連接於鋸齒波電容Cx與放電電流ι〇η之間。鋸齒波 電容Cx上的振盪訊號Vsaw耦接於可調整電容1〇〇的輸出 端。臨界值電壓VH供應給第一比較器210的正端。第一 比較器21〇的負端連接於鋸齒波電容cx。臨界值電壓 供應給第二比較器220的負端。臨界值電壓Vh高於臨^ 瞻 值電壓VL。第—比較器220的正端連接於鑛齒波電容cx。 反及閘230的輸出端産生脈衝訊號pLS用以導通或截止放 電開關SDH。反及閘230的第一輸入端連接到第一比較器 210的輸出端。反及閘240的兩個輸入端分別連接於反及 閘23〇的輸出端和第二比較器220的輸出端。反及閘24〇 的輸出端連接於反及閘230的第二輸入端，並導通或截止 充電開關sCH。第一振盪器200耦接於可調整電容1〇〇，依 據鑛w波電各cx上的振盡訊號vsaw來産生脈衝訊號pLS。 201008094 w 29926twf.doc/n 虽充電開關sCH導通時，充電電流&對鑛齒波電容 4進行充電’且振I訊號Vsaw增加。在此期間，振盈訊 號vSAW低於臨界值電壓Vh，且放電開關s加截止。當振 盪訊號VSA4過臨界值電壓Vh時，放電電流^對鑛齒 波電容Cx進行放電，且振m訊號ν_降低。此時，充電 開關SCH截止而放電_ Sdh導通。當振盡訊號v_低於 臨界值電壓vL時，充電開關再次導通。振盡訊號v隱的 _ 祕週期由並聯於切換電容_織波電容Cx的電容值 所控制。開關Χι ’ χ2，_ .，Xn藉由數位模組碼Μη· .Ml 控制以決定切換電容組的數量與電容值。 第-振靈器200更包括最大工作週期電路6〇〇，最大 工作週=電路6GG包括第—關Sda、第—充電電流^、 第-電容CA以及第—觸發器議。第—開關‘連接於第 -充電電流IGA且並聯於第—電容Ca。第—關、藉由 $衝訊號PLS來控制。一旦第一開關Sda截止，則第一電 谷CA由第一充電電流Ica進行充電。換句話說，當第一開 ❹ _ Sda導通時’第一電容cA進行放電。第一觸發器610 的，入端耦接於第一開關SDA、第一充電電流ICA以及第一 電容CA。第一觸發器610可以作為一個許密特觸發電路 (Schmitt trigger circuit>第一觸發器61〇的輸出端依據第 一振盪器200的脈衝訊號PLS來産生最大工作週期訊號 MDC。最大工作週期訊號MDC的脈衝寬度由第一充電電 流、^:a和第一電容cA來決定。此外，切換訊號VpwM的最 大導通時間由最大工作週期訊號MDC來決定。 201008094 v-ioo-i w 29926twf.doc/n 圖3顯示了根據本發明之模組產生器3〇〇的實施例。 模組產生器300包括第二振盪器31〇、多個暫存器331、 332〜3B以及互斥或閘339。暫存器33卜332〜335以及互 斥或閘339形成線性位移暫存器(Unear shift代髟贫沉），依據 第二振盪器310的時脈訊號CK來產生線性碼⑴加虹 code)互斥或閘339的輸入端決定線性位移暫存器的多項 式，並且決定線性位移暫存器的輸出。此外，數位模組碼 馨 Μη Μι會採用源自於線性碼的部份來進行最佳化的應用。 第二振盪器310包括第二開關Sdb、第二充電電流 Icb、第一電容CB、第二觸發器311以及反相器312。第二 開關sDB耦接於第二充電電流Icb並且並聯於第二電容 cB。第一開關sDB由時脈訊號ck控制。一旦第二開關Sdb 截止，則第二電容cB由第二充電電流Icb進行充電。換句 話說，當第二開關sDB導通時，第二電容Cb進行放電。第 二觸發器311的輸入端耦接於第二開關Sdb、第二充電電 流ICB以及第二電容CB。第二觸發器311也可以作為一個 • 許密特觸發電路。第二觸發器311的輸出端耦接於反相器 312的輸入端。反相器312的輸出端産生時脈訊號CK。
第二振盪器310産生時脈訊號CK。模組產生器3〇〇 依據第—振盪器310的時脈訊號CK來産生數位模組碼 Mn〜Ml。第一振盪器200用來決定脈衝訊號PLS的脈衝寬 度和切換訊號vpwm的切換頻率。如上，因脈衝訊號pls 和時脈訊號CK藉由兩個不同的振盪器産生，所以脈衝訊 號PLS和時脈訊號CK是非同步的。因此，切換訊號VpwM 9 201008094 ^ιοδ-ι w 29926twf.doc/n 獨立於時脈訊號CK係為相互獨立且無關。可調整電容i〇〇 耦接於模組產生器300和第一振盪器200，依據數位模組 碼Μη〜來調節切換訊號vpWM的切換頻率。 、、 圖4顯示了根據本發明之振盪訊號Vsaw、脈衝訊號 PLS、反相脈衝訊號/PLS、最大工作週期訊號、電流 訊號vs以及切換訊號vPWM的波形。數位模組碼 控制可調整電容100的開關Xl，X2, ·.，Χη，用以決定1 籲切換電容組的數量來與鑛齒波電容Cx並聯，以調節振盘 訊號vSAW。不同鋸齒波電容Cx的電容值一個週期接著一 個週期地（cycle-by-cycle)産生切換訊號乂^乂的頻率變 化。切換週期Tsi、Τη以及Τα分別代表切換訊號 的切換頻率跳躍。最大工作週期訊號MDC用以限制切換 訊號VpWM的最大導通時間。 本領域熟知此項技藝者將顯而易見，在不背離本發明 的範圍或精神的情況下可對本發明的結構進行修改和改 ，。鑒於前面的描述，本發明意圖覆蓋落入後續申請專利 乾圍及其荨同物範圍内的修改和改變。 【圖式簡單說明】 圖1繪示根據本發明之具有切換控制器的電源。 圖2繪示根據本發明之具有頻率跳躍功能的頻率調節 器的實施例。 圖3繪示根據本發明之模組產生器的實施例。 ,圖4繪示根據本發明之振盪訊號、脈衝訊號、反相脈 衝訊號、最大工作週期訊號、電流訊號以及切換訊號的波 201008094 ^166-i w 29926twf.doc/n 形。 【主要元件符號說明】 1(Π頻率調節器 20 :反相器 30 :比較器 40 :第一及閘 50 ·· D型正反器 60 :第二及閘 ® 100 :可調整電容 200 :第一振盪器 210 :第一比較器 220 :第二比較器 230、240 :反及閘 300 :模組產生器 311 :第二觸發器 312 :反相器 ⑩ 331、332、335 :暫存器 339 :互斥或閘 600 :最大工作週期電路 610 :第一觸發器 Cr^Cn :電容 CA :第一電容 Cb ·弟二電容 CK :時脈訊號 11 201008094 w 29926twf.doc/n cx :鋸齒波電容 IcA :第一充電電流 IcB .第二充電電流 IcH :充電電流 Idh .放電電流 Ip :切換電流 MDC :最大工作週期訊號 Μη·· :數位模組碼 ® NP:變壓器的初級側
Ns :變壓器的次級側 PLS :脈衝訊號 /PLS :反相脈衝訊號 Qi :功率電晶體 Rs :感應電阻 ScH :充電開關 sDA :第一開關 ❿ sDB:第二開關
Sdh ·放電開關 1:變壓器 TS1 :切換週期 TS2 :切換週期 Ts3 :切換週期 Vcc :電源電壓 VH :臨界值電壓 12 201008094 V^iOO-i w 29926twf.doc/n vIN :輸入電壓 vL:臨界值電壓 Vlmt :電流限制訊號 V〇 :輸出電壓 VpWM :切換訊號 V s .電流訊號 VsAW :振盈訊號 Χι〜Xn :開關
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Claims (1)
- 201008094 C188-1 w 29926twf.doc/n 七、申請專利範圍： 器，1包括—·種具有切換頻率跳躍的電力轉換器的切換控制 一第-振盈器’産生—脈衝訊號和—最大 號，用以決定一切換訊號的一切換頻率； 、§ 一模組產生器，具有一第二振盪器，依據一 來產生一數位模組碼，其中該時脈訊號由該第二振盪器Ρ 生， ° 一可調整電容，耦接於該模組產生器和 ^及依據該數位餘碼來調節該切換訊號的該切換頻^’； 一脈寬調㈣路，输於該第—振B 工作週期訊絲産生軸換訊號，物換 St週期訊號進行限制， 用以切換該電力轉換器的一變壓器。 % 2·如申請專利範圍第丨項的切換控制器， 訊號的-切換週期與該切換訊號的—切換週期^關二 3·如申請專利範圍第丨項的切換控制器， —振盡器産生的一切換週； _無關。 H該第—振W産生的-切換 4 ·如申請專利範圍第i項_換控制^ 訊號的一切換週期與該時脈訊號的—切換週期無關 5.如申請專利範圍第丨項的切換控 ‘甘、 模組碼控制一切換電容組’該切換電容組與二鋸齒= 201008094 v-i〇〇-i w 29926twf.doc/n 並聯，用以調節一振盡訊號，且不同該鑛齒波電容的電容 值一個週期接著一個週期地産生該切換訊號的頻率變化。 6如申明專利範圍第1項的切換控制器，其令該可調 整電容包括彼此並聯的多個切換電容組，該切換電容組分 別由串聯的多數個開關及電容組成，且該些開關由該數位 模組碼控制。 7·如申請專利範圍第1項該之電力轉換器的切換控制 器，其中該第二振盪器包括： 鲁 一第二開關，耗接於一第二充電電流·，該第二開關由 該時脈訊號控制； 一第二電谷，耦接於該第二充電電流並且並聯於該第 二開關，其中當該第二開關截止時，該篦-雷交Μ由辞笼 二充電電流進行充電，以及當該第二開=精= 電容進行放電；以及 一第二觸發器和一反相器，耦接於該第二開關、該第 二充電電流以及該第一電容，以産生該時脈訊號。 # 15
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