TW201308842A - 降壓轉換器及其控制電路與控制方法 - Google Patents

Abstract

一種降壓轉換器及其控制電路與控制方法，其中該降壓轉換器包含將交流電源轉換為全波信號的整流器，具有二極體、輸出電感及開關的降壓輸出級根據控制信號導通或關閉該開關將該全波信號降壓，電壓取樣電路對該全波信號取樣產生與該全波信號具有相同相位的取樣信號，零電流偵測電路偵測流經該輸出電感的電流是否為零產生第一信號，電流感測電路偵測流經該開關的電流，與該取樣信號比較產生第二信號，以及驅動電路，根據該第一信號及第二信號產生該控制信號，其中該第一信號觸發該開關的導通，該第二信號觸發該開關的關閉。

Description

降壓轉換器及其控制電路與控制方法

本創作是有關於一種電源轉換器，且特別是有關於一種降壓轉換器及其控制電路與控制方法。

習知電源轉換器的種類有降壓轉換器(Buck converter)、昇壓轉換器(Boost converter)、昇降壓轉換器(Buck-boost converter)、反馳式轉換器(Flyback converter)、順向式轉換器(Forward converter)等等，其中以降壓轉換器的電路最為簡單，具有低成本的優點。而應用在輸入為交流電源時，需要經過濾波整流的步驟，但產生的電流波形會變形，若諧波含量過大會導致功率因數(Power factor)降低，進而影響負載電流的穩定運行。要有效地解決這個問題，就要對用電設備進行功率因數校正(Power factor correction,PFC)，從根本上消除諧波源。目前在具有PFC功能中，以電感電流工作在不連續導電模式(Discontinuous conduction mode,DCM)下的單相昇壓(Boost)電路為主，由於具有電路結構簡單、成本低廉、功率因數較高等特點，已得到了廣泛關注。但在此模式下，MOSFET開關是由輸出電壓的誤差信號控制，開關週期為常數，而這種PFC技術的缺點，主要是由於輸入電流為脈動的三角波，較高峰值的開關電流會帶來較大的開關損失(switch loss)，輸出電壓很高，會造成後一級校正器的開關應力很大。但是工作在不連續電流模式(DCM)的單相降壓(buck)電路，在輸入電壓低於輸出電壓時，輸入電流波形會有一定的變形以致降低電源功率(power factor)。

因此，一種高電源功率的降壓轉換器乃為所冀。

本發明的目的，在於提出一種高電源功率的降壓轉換器及其控制電路與控制方法。

根據本發明，一種降壓轉換器包含耦接交流電源的整流器用以產生全波信號至第一電壓端，耦接該第一電壓端的降壓輸出級包含二極體、輸出電感及開關，根據控制信號導通或關閉該開關將該全波信號降壓，耦接該第一電壓端的電壓取樣電路對該全波信號取樣，產生與該全波信號具有相同相位的取樣信號，零電流偵測電路偵測流經該輸出電感的電流是否為零產生第一信號，電流感測電路偵測流經該開關的電流，與該取樣信號比較產生第二信號；以及耦接該零電流偵測電路及該電流感測電路的驅動電路根據該第一信號及第二信號產生該控制信號，其中該第一信號觸發該開關的導通，該第二信號觸發該開關的關閉。

根據本發明，一種降壓轉換器的控制方法，其中該降壓轉換器包含二極體、輸出電感及開關，該控制方法包含將交流電源整流產生全波信號，對該全波信號取樣，產生與該全波信號具有相同相位的取樣信號，偵測流經該輸出電感的電流是否為零，產生第一信號，偵測流經該開關的電流，與該取樣信號比較產生第二信號，根據該第一信號及第二信號產生控制信號，其中該第一信號觸發該開關的導通，該第二信號觸發該開關的關閉，以及根據該控制信號導通或關閉該開關將該全波信號降壓。

根據本發明，一種降壓轉換器的控制電路，其中該降壓轉換器包含耦接交流電源產生全波信號至第一電壓端的整流器，以及耦接該第一電壓端的降壓輸出級包含二極體、輸出電感及開關，根據控制信號導通或關閉該開關將該全波信號降壓，該控制電路包含耦接該第一電壓端的電壓取樣電路對該全波信號取樣，產生與該全波信號具有相同相位的取樣信號，零電流偵測電路偵測流經該輸出電感的電流是否為零產生第一信號，電流感測電路偵測流經該開關的電流，與該取樣信號比較產生第二信號；以及耦接該零電流偵測電路及該電流感測電路的驅動電路根據該第一信號及第二信號產生該控制信號，其中該第一信號觸發該開關的導通，該第二信號觸發該開關的關閉。

本發明之降壓轉換器，可偵測零電流(Zero current)狀態，使電源控制電路可在轉移模式(Transition mode)操作，並具有電流感測(Current Sense)電路，使功因修正(Power factor correction,PFC)可用在降壓電路，並可提高降壓電路的效率，減少總諧波失真(Total harmonic distortion,THD)，適用於驅動及控制發光二極體(Light Emitting Diode,LED)照明。

圖1係本發明降壓轉換器之實施例，其包含有整流器10、降壓輸出級12以及控制電路14。整流器10，用以將半波之交流電源AC轉成輸入電壓Vin，其為具有m形波形的全波信號，另外，整流器10更包含由電容C1、C2、電感L1所組成的濾波器，用以濾除電磁干擾(Electromagnetic Interference,EMI)。降壓輸出級12包含二極體D1、輸出電感Lout、輸出電容Cout、MOSFET開關Qsw及電阻Rcs，MOSFET開關Qsw會根據控制信號Sc導通或關閉以將輸入電壓Vin降壓為所需的輸出電流或電壓提供給負載，而電阻Rcs串聯於MOSFET開關Qsw與接地端之間，當MOSFET開關Qsw的電流Isw流過電阻Rcs時，會產生與電流Isw相關的電壓Vcs。控制電路14包含了零電流偵測電路16、驅動電路18、電流感測電路20以及電壓取樣電路24。零電流偵測電路16用以偵測流經輸出電感Lout的電流IL是否為零，產生信號S1，當電流IL為零時，信號S1會觸發驅動電路18控制MOSFET開關Qsw的導通。電壓取樣電路24為電阻R1、R2及電容C3所組合而成的分壓器，將輸入電壓Vin分壓後產生信號S3，信號S3與輸入電壓Vin相同，具有m形波形，電流感測電路18中的比較器22會根據電壓Vcs與信號S3進行比較，產生信號S2，當電壓Vcs超過信號S3時，信號S2會觸發驅動電路18控制MOSFET開關Qsw的關閉。於實施例中，驅動電路18為一SR正反器，根據信號S1、S2產生控制信號Sc以控制MOSFET開關Qsw。

圖2係圖1中零電流偵測電路16之一實施例。在零電流偵測電路16中，包含有輔助電感L2、磁滯比較器26以及邏輯控制器28。輔助電感L2隨著電感電流IL的影響產生電流，並利用電阻Rzcd產生與電感電流IL相關之電壓信號S4，比較器26在電壓信號S4大於Vth時，產生的信號S5為高準位，在電壓信號S4於Vth時，產生的信號S5為低準位，邏輯控制器28便能根據信號S5產生信號S1，而如此偵測零電流狀態，可使降壓轉換器在轉移模式操作。

參照圖3，此為本發明使用零電流偵測電路16之降壓轉換器於一半周期的輸入電壓Vin弦波的操作波形圖，其顯示一半周期的輸入電壓Vin弦波、產生之電感電流IL及電壓信號S4的波形結果。本發明之降壓轉換器，在電感電流IL為零時導通MOSFET開關Qsw，使得電流增加，在電流感測電路20偵測電流Isw過大時，關閉MOSFET開關Qsw，使得電流減少，由於零電流偵測電路16能夠準確的偵測零電流狀態使得MOSFET開關Qsw能準確導通或關閉，得以產生完整的鋸齒形電感電流IL，在輸入電壓Vin較低時，工作週期(Duty cycle,D)較長，在輸入電壓Vin較高時，工作週期較短。

由於現今各國的交流電源AC並非固定於為同一準位，可能為110V或220V，為了使本發明之降壓轉換器皆可適用，於圖4提出取樣電路24之另一實施例，除了原有的分壓器外，更包含了乘法器30以及電壓補償電路32。透過電壓補償電路32根據輸入電壓Vin的電壓準位，產生補償信號(V2-Vref)，並經由乘法器30將分壓器產生的信號Vs進行補償，使得取樣電路在不同電壓準位的輸入電壓Vin下，皆可產生同一電壓準位的信號S3，以供電流感測電路20使用。其中電壓補償電路32由電阻R3~R7與電容C4、C5及誤差放大器34所組成，其中電阻R3及電容C4的組合則形成了低通濾波器36，其截止頻率(Cutting off frequency)須遠小於60Hz，而電阻R6、R7及電容C5組成了迴路補償電路38，連接於誤差放大器34之負輸入端及輸出端之間，形成一迴授路徑。經由電路分析，可以得到下列公式

R4=2×R7,　公式4

其中，V2₁₁₀是在輸入電壓Vin為110V時自定的V2電壓，V2₂₂₀是在輸入電壓Vin為220V時自定的V2電壓，Vref為參考電壓，I1為流經電阻5之電流。另外，誤差放大器34與迴路補償電路38及電阻R5所形成的迴授電路的轉移函數(Transfer function)為

使用以上公式，求出之電阻R3~R7與電容C4、C5之數值，使能在不同輸入電壓下都能使用同一電路。而乘法器30輸出的信號S3須遵守以下公式

S3=C×Vs×(V2-Vref)

其中C為乘法器之自定倍率參數。經由此取樣電路的實施，將使得輸入電壓在110V或220V時，在通過相同乘法器30時，皆能產生相同的輸出信號S3，使得負載維持相同的電流。

在於實現本發明之降壓轉換器時，更可包含過電流保護(Over Current protection,OCP)電路、過電壓保護(Over voltage protection,OVP)電路、啟動電路…等，提供更加完善的功能，例如圖5所示，其為圖1電流感測電路20之另一實施例，除了原有的比較器22外，另外加入了遮蔽器42，過電流保護比較器44，以及連接比較器22、44之輸出的或閘46，用以產生信號S2。遮蔽器42連接於比較器22、44及電阻Rcs之間，用來避免一些突波雜訊干擾比較器22或過電流保護比較器44的判斷，過電流保護比較器44則是將電壓Vcs與另一門檻值Vocp進行比較，若電壓Vcs大於Vocp時則代表流經MOSFET開關Qsw之電流Isw過大，也代表流經負載的電流過大，長時間下會使得負載損壞，因此，過電流保護比較器44在得知電流Isw過大時，馬上產生高準位的信號S6，經過或閘46至驅動電路18，控制MOSFET開關Qsw的關閉，達到過電流保護的效果。

以上對於本發明之較佳實施例所作的敘述係為闡明之目的，而無意限定本發明精確地所揭露的形式，基於以上的教導或從本發明的實施例學習而作修改或變化是可能的，實施例係為解說本發明的原理以及讓熟習該項技術者以各種實施例利用本發明在實際應用上而選擇及敘述，本發明的技術思想企圖由以下的申請專利範圍及其均等來決定。

10．．．整流器

12．．．降壓輸出級

14．．．控制電路

16．．．零電流偵測電路

18．．．驅動電路

20．．．電流感測電路

22．．．比較器

24．．．電壓取樣電路

26．．．磁滯比較器

28．．．邏輯控制器

30．．．乘法器

32．．．電壓補償電路

34．．．低通濾波器

36．．．誤差放大器

38．．．迴路補償電路

40．．．減法器

42．．．遮蔽器

44．．．比較器

46．．．或閘

圖1係本發明降壓轉換器之一實施例；

圖2係圖1中零電流偵測電路16之實施例；

圖3係本發明降壓轉換器於一半周期的輸入電壓Vin弦波的操作波形圖；

圖4係圖1中取樣電路24之另一實施例；以及

圖5係圖1中電流感測電路20之另一實施例。

10．．．整流器

12．．．降壓輸出級

14．．．控制電路

16．．．零電流偵測電路

18．．．驅動電路

20．．．電流感測電路

22．．．比較器

24．．．電壓取樣電路

Claims (22)

1. 一種降壓轉換器，包含：整流器，耦接交流電源，用以產生全波信號至第一電壓端；降壓輸出級，耦接該第一電壓端，包含二極體、輸出電感及開關，根據控制信號導通或關閉該開關將該全波信號降壓；電壓取樣電路，耦接該第一電壓端，對該全波信號取樣，產生與該全波信號具有相同相位的取樣信號；零電流偵測電路，偵測流經該輸出電感的電流是否為零，產生第一信號；電流感測電路，偵測流經該開關的電流，與該取樣信號比較產生第二信號；以及驅動電路，耦接該零電流偵測電路及該電流感測電路，根據該第一信號及第二信號產生該控制信號，其中該第一信號觸發該開關的導通，該第二信號觸發該開關的關閉。
2. 如請求項1之降壓轉換器，其中該零電流偵測電路包含：輔助電感，感應該輸出電感的電流，產生第三信號；磁滯比較器，耦接該輔助電感，讓該第三信號與門檻值比較，產生該第四信號；以及邏輯電路，根據該第四信號產生該第一信號。
3. 如請求項1之降壓轉換器，其中該電壓取樣電路包含：分壓器，耦接該第一電壓端，將該全波信號分壓形成第三信號；電壓補償電路，耦接該第一電壓端，根據該全波信號的準位產生第四信號；以及乘法器，將該第三信號與該第四信號相乘，產生該取樣信號，使該取樣信號在不同電壓準位的交流電源下皆可維持在同一準位。
4. 如請求項3之降壓轉換器，其中該電壓補償電路包含低通濾波器，連接於該第一電壓端，濾除該全波信號中的低頻，其截止頻率遠小於60Hz；誤差放大器，具有正輸入端、負輸入端及輸出端，於該負輸入端輸入該濾波後的全波信號，於該正輸入端輸入參考電壓，產生第五信號；第一電阻，連接於該負輸入端與該低通濾波器之間；第二電阻，連接於該低通濾波器與接地端之間；以及迴路補償電路，連接於該負輸入端及該輸出端之間，將該第五信號迴授至該負輸入端；減法器，將該第五信號減去該參考電壓產生該第四信號。
5. 如請求項1之降壓轉換器，其中該降壓輸出級更包含一電阻串聯於該開關與接地端之間，以產生與流經該開關的電流相關的第三信號。
6. 如請求項5之降壓轉換器，其中該電流感測電路包含比較器，比較該第三信號及該取樣信號，產生該第二信號。
7. 如請求項5之降壓轉換器，其中該電流感測電路更包含過電流保護比較器，比較該第三信號是否超過一限制值，產生該第二信號。
8. 如請求項1之降壓轉換器，其中該驅動電路包含SR正反器，根據該第一信號及第二信號產生該控制信號。
9. 一種降壓轉換器的控制方法，其中該降壓轉換器包含二極體、輸出電感及開關，該控制方法包含：將交流電源整流產生全波信號；對該全波信號取樣，產生與該全波信號具有相同相位的取樣信號；偵測流經該輸出電感的電流是否為零，產生第一信號；偵測流經該開關的電流，與該取樣信號比較產生第二信號；根據該第一信號及第二信號產生控制信號，其中該第一信號觸發該開關的導通，該第二信號觸發該開關的關閉；以及根據該控制信號導通或關閉該開關將該全波信號降壓。
10. 如請求項9之控制方法，其中該偵測流經該輸出電感的電流是否為零，產生第一信號的步驟包含：利用一輔助電感感應該輸出電感的電流，產生第三信號；讓該第三信號與門檻值比較，產生該第四信號；以及根據該第四信號產生該第一信號。
11. 如請求項9之控制方法，其中該對該全波信號取樣，產生與該全波信號具有相同相位的取樣信號的步驟包含：將該全波信號分壓形成第三信號；根據該全波信號的準位產生第四信號；以及將該第三信號與該第四信號相乘，產生該取樣信號，使該取樣信號在不同電壓準位的交流電源下皆可維持在同一準位。
12. 如請求項9之控制方法，其中該偵測流經該開關的電流，與該取樣信號比較產生第二信號的步驟包含利用一電阻與該開關串聯產生與流經該開關的電流相關的第三信號。
13. 如請求項12之控制方法，其中該偵測流經該開關的電流，與該取樣信號比較產生第二信號的步驟包含比較該第三信號及該取樣信號，產生該第二信號。
14. 如請求項12之控制方法，更包含比較該第三信號是否超過一限制值，產生該第二信號觸發該開關的關閉。
15. 一種降壓轉換器的控制電路，其中該降壓轉換器包含耦接交流電源產生全波信號至第一電壓端的整流器，以及耦接該第一電壓端的降壓輸出級包含二極體、輸出電感及開關，根據控制信號導通或關閉該開關將該全波信號降壓，該控制電路包含：電壓取樣電路，耦接該第一電壓端，對該全波信號取樣，產生與該全波信號具有相同相位的取樣信號；零電流偵測電路，偵測流經該輸出電感的電流是否為零，產生第一信號；電流感測電路，偵測流經該開關的電流，與該取樣信號比較產生第二信號；以及驅動電路，耦接該零電流偵測電路及該電流感測電路，根據該第一信號及第二信號產生該控制信號，其中該第一信號觸發該開關的導通，該第二信號觸發該開關的關閉。
16. 如請求項15之控制電路，其中該零電流偵測電路包含：輔助電感，感應該輸出電感的電流，產生第三信號；磁滯比較器，耦接該輔助電感，讓該第三信號與門檻值比較，產生該第四信號；以及邏輯電路，根據該第四信號產生該第一信號。
17. 如請求項15之控制電路，其中該電壓取樣電路包含：分壓器，耦接該第一電壓端，將該全波信號分壓形成第三信號；電壓補償電路，耦接該第一電壓端，根據該全波信號的準位產生第四信號；以及乘法器，將該第三信號與該第四信號相乘，產生該取樣信號，使該取樣信號在不同電壓準位的交流電源下皆可維持在同一準位。
18. 如請求項17之控制電路，其中該電壓補償電路包含低通濾波器，連接於該第一電壓端，濾除該全波信號中的低頻，其截止頻率遠小於60Hz；誤差放大器，具有正輸入端、負輸入端及輸出端，於該負輸入端輸入該濾波後的全波信號，於該正輸入端輸入參考電壓，產生第五信號；第一電阻，連接於該負輸入端與該低通濾波器之間；第二電阻，連接於該低通濾波器與接地端之間；以及迴路補償電路，連接於該負輸入端及該輸出端之間，將該第五信號迴授至該負輸入端；減法器，將該第五信號減去該參考電壓產生該第四信號。
19. 如請求項15之降壓轉換器，其中該降壓輸出級更包含一電阻串聯於該開關與接地端之間，以產生與流經該開關的電流相關的第三信號。
20. 如請求項19之降壓轉換器，其中該電流感測電路包含比較器，比較該第三信號及該取樣信號，產生該第二信號。
21. 如請求項19之降壓轉換器，其中該電流感測電路更包含過電流保護比較器，比較該第三信號是否超過一限制值，產生該第二信號。
22. 如請求項15之降壓轉換器，其中該驅動電路包含SR正反器，根據該第一信號及第二信號產生該控制信號。