电力转换器的具有切换频率跳跃的切换控制器

摘要

一种电力转换器的具有切换频率跳跃的切换控制器，包括：第一振荡器，产生脉冲讯号和最大工作周期讯号，用来决定切换讯号的切换频率；码型产生器，具有第二振荡器并依据时钟讯号来产生数字码；可调整电容，耦接于码型产生器和第一振荡器，依据数字码来调制切换讯号的切换频率；脉宽调制电路，耦接于第一振荡器，依据最大工作周期讯号来产生切换讯号。切换讯号的最大导通时间是由最大工作周期讯号进行限制。切换讯号用于切换电力转换器的变压器。

说明书

技术领域

本发明涉及一种切换模式的电力转换器，特别是涉及一种具有切换频率跳跃(switching frequency hopping)的切换控制器。

背景技术

电力转换器已用于将交流电源转换为可调节电压或电流。电力转换器必须将输出电压、输出电流或输出功率保持在一定的调节范围内，以使电子元件有效、安全地进行操作。利用脉宽调制(pulse width modulation，PWM)的主要问题在于，相较于交流电源频率，电力转换器的操作频率相对高频，这样会导致电力转换器产生高频讯号。尽管切换技术降低了电力转换器的尺寸大小，但切换元件产生的电磁干扰(electric magnetic interference，EMI)会干扰电源系统。通常利用设置于电源输入端的EMI滤波器来降低EMI。然而，EMI滤波器会产生功率损耗，并且增加电力转换器的成本以及尺寸大小。在最近的开发中，在相关领域中已提出藉由使用频率调制(frequencymodulation)或频率跳跃(frequency hopping)来降低EMI。如M.Rahkala，T.Suntio，K.Kalliomaki的“Effects of Switching Frequency Modulation on EMIPerformance 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。)

发明内容

本发明提供了一种切换控制器，其具有切换频率跳跃功能，以降低电力转换器的电磁干扰。切换控制器包括第一振荡器，以产生脉冲讯号和最大工作周期讯号(maximum duty-cycle signal)来决定切换讯号的切换频率。具有第二振荡器的码型产生器依据时钟讯号来产生数字码，其中时钟讯号由第二振荡器产生。可调整电容耦接于码型产生器和第一振荡器，依据数字码来调制切换讯号的切换频率。脉宽调制电路耦接于第一振荡器，根据最大工作周期讯号来产生切换讯号。切换讯号的最大导通时间由最大工作周期讯号进行限制。因此，能够改良电磁干扰且无须电磁干扰滤波器。

为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并结合附图详细说明如下。

附图说明

图1示出了根据本发明的具有切换控制器的电源。

图2示出了根据本发明的具有频率跳跃功能的频率调节器的实施例。

图3示出了根据本发明的码型产生器的实施例。

图4示出了根据本发明的振荡讯号、脉冲讯号、反相脉冲讯号、最大工作周期讯号、电流讯号以及切换讯号的波形。

附图符号说明

10：频率调节器

20：反相器

30：比较器

40：第一与门

50：D型触发器

60：第二与门

100：可调整电容

200：第一振荡器

210：第一比较器

220：第二比较器

230、240：与非门

300：码型产生器

311：第二触发器

312：反相器

331、332、335：寄存器

339：异或门

600：最大工作周期电路

610：第一触发器

C₁～Cn：电容

C_A：第一电容

C_B：第二电容

CK：时钟讯号

C_X：锯齿波电容

I_CA：第一充电电流

I_CB：第二充电电流

I_CH：充电电流

I_DH：放电电流

I_P：切换电流

MDC：最大工作周期讯号

Mn··M₁：数字码

N_P：变压器的初级侧

N_S：变压器的次级侧

PLS：脉冲讯号

/PLS：反相脉冲讯号

Q₁：功率晶体管

R_S：感应电阻

S_CH：充电开关

S_DA：第一开关

S_DB：第二开关

S_DH：放电开关

T₁：变压器

T_S1：切换周期

T_S2：切换周期

T_S3：切换周期

V_CC：电源电压

V_H：临界值电压

V_IN：输入电压

V_L：临界值电压

V_LMT：电流限制讯号

V_O：输出电压

V_PWM：切换讯号

V_S：电流讯号

V_SAW：振荡讯号

X₁～Xn：开关

具体实施方式

图1显示了根据本发明的具有切换控制器的电力转换器。切换控制器包括脉宽调制电路和频率调节器10。切换控制器产生切换讯号V_PWM，通过功率晶体管Q₁来切换变压器T₁。具有初级侧N_P和次级侧N_S的变压器T₁接收输入电压V_IN并产生输出电压V_O。切换讯号V_PWM的工作周期(duty cycle)决定交流电源供应至电力转换器的输出端的功率。脉宽调制电路包括反相器20、比较器30、第一与门40、D型触发器50以及第二与门60。变压器T₁的切换电流I_P经由感应电阻R_S转换为电流讯号V_S(电压形式)。电流讯号V_S提供至脉宽调制电路，以进行切换讯号V_PWM的脉冲宽度调制。电流讯号V_S供应给比较器30的负端。比较器30的正端接收电流限制讯号V_LMT以限制最大输出功率。

D型触发器50的输入端D由电源电压V_CC拉至高电平。脉冲讯号PLS经由反相器20供应给D型触发器50的时钟端CK。第一与门40的第一输入端耦接于频率调节器10以接收最大工作周期讯号MDC。第一与门40的第二输入端连接于比较器30的输出端。一旦电流讯号V_S高于电流限制讯号V_LMT，并且最大工作周期讯号MDC处于低电平时，第一与门40的输出端用于重置D型触发器50。第二与门60的第一输入端连接于反相器20的输出端以接收反相脉冲讯号/PLS。反相器20的输入端连接于频率调节器10以接收脉冲讯号PLS。第二与门60的第二输入端连接于D型触发器50的输出端Q。第二与门60的输出端连接于功率晶体管Q₁以产生切换讯号V_PWM。

图2显示了根据本发明的频率调节器的实施例。在图2中，频率调节器10包括码型产生器(pattern generater)300、可调整电容100以及具有最大工作周期电路600的第一振荡器200。码型产生器300用来产生数字码Mn～M₁。可调整电容100接收码型产生器300的数字码Mn～M₁，以产生振荡讯号V_SAW。第一振荡器200耦接于可调整电容100，依据振荡讯号V_SAW来产生脉冲讯号PLS。最大工作周期电路600依据脉冲讯号PLS来产生最大工作周期讯号MDC。

可调整电容100耦接于码型产生器300以接收数字码Mn～M₁。可调整电容100包括彼此并联的多个切换电容组。切换电容组由电容C₁，C₂，··，Cn和开关X₁，X₂，··，Xn形成。开关X₁和电容C₁串联。开关X₂和电容C₂串联。开关Xn和电容Cn串联。数字码Mn～M₁控制开关X₁，X₂，··，Xn。可调整电容100的输出端耦接于第一振荡器200，根据数字码Mn～M₁来调节振荡讯号V_SAW。

第一振荡器200包括充电开关S_CH、放电开关S_DH、锯齿波电容C_X、充电电流I_CH、放电电流I_DH、第一比较器210、第二比较器220以及两个与非门230和240。充电开关S_CH连接于充电电流I_CH与锯齿波电容C_X之间。放电开关S_DH连接于锯齿波电容C_X与放电电流I_DH之间。锯齿波电容C_X上的振荡讯号V_SAW耦接于可调整电容100的输出端。临界值电压V_H供应给第一比较器210的正端。第一比较器210的负端连接于锯齿波电容C_X。临界值电压V_L供应给第二比较器220的负端。临界值电压V_H高于临界值电压V_L。第二比较器220的正端连接于锯齿波电容C_X。与非门230的输出端产生脉冲讯号PLS用以导通或截止放电开关S_DH。与非门230的第一输入端连接到第一比较器210的输出端。与非门240的两个输入端分别连接于与非门230的输出端和第二比较器220的输出端。与非门240的输出端连接于与非门230的第二输入端，并导通或截止充电开关S_CH。第一振荡器200耦接于可调整电容100，依据锯齿波电容C_X上的振荡讯号V_SAW来产生脉冲讯号PLS。

当充电开关S_CH导通时，充电电流I_CH对锯齿波电容C_X进行充电，且振荡讯号V_SAW增加。在此期间，振荡讯号V_SAW低于临界值电压V_H，且放电开关S_DH截止。当振荡讯号V_SAW超过临界值电压V_H时，放电电流I_DH对锯齿波电容C_X进行放电，且振荡讯号V_SAW降低。此时，充电开关S_CH截止而放电开关S_DH导通。当振荡讯号V_SAW低于临界值电压V_L时，充电开关再次导通。振荡讯号V_SAW的切换周期由并联于切换电容组的锯齿波电容C_X的电容值所控制。开关X₁，X₂，··，Xn藉由数字码Mn··M₁控制以决定切换电容组的数量与电容值。

第一振荡器200还包括最大工作周期电路600，最大工作周期电路600包括第一开关S_DA、第一充电电流I_CA、第一电容C_A以及第一触发器610。第一开关S_DA连接于第一充电电流I_CA且并联于第一电容C_A。第一开关S_DA藉由脉冲讯号PLS来控制。一旦第一开关S_DA截止，则第一电容C_A由第一充电电流I_CA进行充电。换句话说，当第一开关S_DA导通时，第一电容C_A进行放电。第一触发器610的输入端耦接于第一开关S_DA、第一充电电流I_CA以及第一电容C_A。第一触发器610可以作为一个斯密特触发电路(Schmitttrigger circuit)。第一触发器610的输出端依据第一振荡器200的脉冲讯号PLS来产生最大工作周期讯号MDC。最大工作周期讯号MDC的脉冲宽度由第一充电电流I_CA和第一电容C_A来决定。此外，切换讯号V_PWM的最大导通时间由最大工作周期讯号MDC来决定。

图3显示了根据本发明的码型产生器300的实施例。码型产生器300包括第二振荡器310、多个寄存器331、332～335以及异或门339。寄存器331、332～335以及异或门339形成线性位移寄存器(linear shift register)，依据第二振荡器310的时钟讯号CK来产生线性码(linear code)。异或门339的输入端决定线性位移寄存器的多项式，并且决定线性位移寄存器的输出。此外，数字码Mn～M₁会采用源自于线性码的部份来进行最佳化的应用。

第二振荡器310包括第二开关S_DB、第二充电电流I_CB、第二电容C_B、第二触发器311以及反相器312。第二开关S_DB耦接于第二充电电流I_CB并且并联于第二电容C_B。第二开关S_DB由时钟讯号CK控制。一旦第二开关S_DB截止，则第二电容C_B由第二充电电流I_CB进行充电。换句话说，当第二开关S_DB导通时，第二电容C_B进行放电。第二触发器311的输入端耦接于第二开关S_DB、第二充电电流I_CB以及第二电容C_B。第二触发器311也可以作为一个斯密特触发电路。第二触发器311的输出端耦接于反相器312的输入端。反相器312的输出端产生时钟讯号CK。

第二振荡器310产生时钟讯号CK。码型产生器300依据第二振荡器310的时钟讯号CK来产生数字码Mn～M₁。第一振荡器200用来决定脉冲讯号PLS的脉冲宽度和切换讯号V_PWM的切换频率。如上，因脉冲讯号PLS和时钟讯号CK藉由两个不同的振荡器产生，所以脉冲讯号PLS和时钟讯号CK是非同步的。因此，切换讯号V_PWM独立于时钟讯号CK为相互独立且无关。可调整电容100耦接于码型产生器300和第一振荡器200，依据数字码Mn～M₁来调节切换讯号V_PWM的切换频率。

图4显示了根据本发明的振荡讯号V_SAW、脉冲讯号PLS、反相脉冲讯号/PLS、最大工作周期讯号MDC、电流讯号V_S以及切换讯号V_PWM的波形。数字码Mn～M₁控制可调整电容100的开关X₁，X₂，··，Xn，用以决定切换电容组的数量来与锯齿波电容C_X并联，以调节振荡讯号V_SAW。不同锯齿波电容C_X的电容值一个周期接着一个周期地(cycle-by-cycle)产生切换讯号V_PWM的频率变化。切换周期T_S1、T_S2以及T_S3分别代表切换讯号V_PWM的切换频率跳跃。最大工作周期讯号MDC用以限制切换讯号V_PWM的最大导通时间。

本领域的技术人员将显而易见，在不背离本发明的范围或精神的情况下可对本发明的结构进行修改和改变。鉴于前面的描述，本发明意图覆盖落入本申请的权利要求范围及其等同物范围内的修改和改变。