检测功率转换器的切换电流的装置及其方法.pdf

本发明提供一种用以检测功率转换器的切换电流的装置及其方法。此检测装置包括信号产生电路、取样维持电路、以及计算电路。信号产生电路根据切换信号的脉波宽度来产生一取样信号。取样维持电路接收取样信号与切换电流信号，以产生第一电流信号与第二电流信号。计算电路接收第一电流信号与第二电流信号以产生多个输出信号。切换信号用来切换功率转换器的磁性装置，且多个输出信号与切换电流的值相关联。

1.  一种用来检测功率转换器的切换电流的方法，其特征在于，包括：
根据该功率转换器的一切换信号的脉波宽度来产生一取样信号；
在该切换信号与该取样信号的期间对该切换电流的波形进行取样，以产生一第一电流信号及一第二电流信号；以及
根据该第一电流信号及该第二电流信号来产生多个输出信号；
其中，该切换信号用来切换该功率转换器的一磁性装置，且所述输出信号与该切换电流的值相关联。

2.  根据权利要求1所述的用来检测功率转换器的切换电流的方法，其特征在于，该取样信号的脉波宽度是一比例的该切换信号的脉波宽度，且该比例一为常数。

3.  根据权利要求2所述的用来检测功率转换器的切换电流的方法，其特征在于，所述输出信号根据该比例的常数而产生。

4.  根据权利要求2所述的用来检测功率转换器的切换电流的方法，其特征在于，所述输出信号包括一直流输出信号及一交流输出信号，该直流输出信号与该切换电流的一连续电流相关联，且该交流输出信号与该切换电流的一斜坡电流相关联。

5.  根据权利要求4所述的用来检测功率转换器的切换电流的方法，其特征在于，所述输出信号根据该比例而产生，且该交流输出信号根据该比例以及该第一电流信号与该第二电流信号间的差值产生。

6.  一种用来检测功率转换器的切换电流的装置，其特征在于，包括：
一信号产生电路，用以根据一切换信号的脉波宽度来产生一取样信号；
一取样维持电路，用以接收该取样信号与一切换电流信号，以产生一第一电流信号与一第二电流信号；以及
一计算电路，用以接收该第一电流信号与该第二电流信号，以产生多个输出信号；
其中，该切换信号用来切换该功率转换器的一磁性装置，且所述输出信号与该切换电流的值相关联。

7.  根据权利要求6所述的用来检测功率转换器的切换电流的装置，其特征在于，该取样信号的脉波宽度是一比例的该取样信号的脉波宽度，且该比例一为定值。

8.  根据权利要求6所述的用来检测功率转换器的切换电流的装置，其特征在于，该取样维持电路在该切换信号与该取样信号的期间对该切换电流信号该切换电流信号进行取样。

9.  根据权利要求7所述的用来检测功率转换器的切换电流的装置，其特征在于，所述输出信号包括一直流输出信号及一交流输出信号，该直流输出信号与该切换电流的一连续电流相关联，且该交流输出信号与该切换电流的一斜坡电流相关联。

10.  根据权利要求9所述的用来检测功率转换器的切换电流的装置，其特征在于，所述输出信号根据该比例而产生，且该交流输出信号根据该比例以及该第一电流信号与该第二电流信号间的差值产生。

11.  根据权利要求6所述的用来检测功率转换器的切换电流的装置，其特征在于，该信号产生电路包括：
一充电电路，用以对一电容器充电且根据该切换信号产生一斜率信号及一电平信号；
一分压器，用以根据该电平信号来产生一分压信号；以及
一输出电路，用以根据该分压信号与该斜率信号来产生该取样信号；
其中，该电平信号与该切换信号的脉波宽度相关联，且该分压信号为该电平信号的一比例。

12.  根据权利要求6所述的用来检测功率转换器的切换电流的装置，其特征在于，该取样维持电路包括：
一第一电容器，耦接该切换电流信号，以根据该切换信号来产生一第一取样信号；
一第二电容器，耦接该切换电流信号，以根据该取样信号来产生一第二取样信号；
一第一电压转电流电路，用以根据该第一取样信号来产生一第一电流；
一第二电压转电流电路，用以根据该第二取样信号来产生一第二电流；
一第一电流镜，用以根据该第一电流来产生该第一电流信号；以及
一第二电流镜，用以根据该第二电流信号来产生该第二电流信号。

13.  一种用来检测功率转换器的切换电流的方法，其特征在于，包括：
根据该功率转换器的该切换电流来产生一切换电流信号；
在该切换电流信号的一波形中定义一峰点以及一取样点；以及
根据在该峰点与该取样点之间的斜率来计算多个输出信号。

14.  根据权利要求13所述的用来检测功率转换器的切换电流的方法，其特征在于，还包括根据该峰点与该取样点的电流及脉波宽度来产生一连续电流与一斜坡电流。

15.  根据权利要求13所述的用来检测功率转换器的切换电流的方法，其特征在于，所述输出信号包括一直流输出信号及一交流输出信号，该直流输出信号与该切换电流的一连续电流相关联，且该交流输出信号与该切换电流的一斜坡电流相关联。

检测功率转换器的切换电流的装置及其方法
技术领域
本发明有关一种切换控制电路，特别是有关一种方法及装置，用来检测在连续电流模式下操作的功率转换器切换电流。
背景技术
功率转换器用来将不规律的功率源转换为规律的电压或电流源。功率转换器一般包括变压器或磁性装置，其具有初级绕组与次级绕组。连接至初级绕组的一切换电路用来控制能量由初级绕组转移至次级绕组。图1是表示现有的功率转换器。控制器50产生切换信号V_G，以根据反馈信号V_FB来调整功率转换器的输出信号。反馈信号V_FB与功率转换器的输出信号V_O相关。切换信号V_G驱动功率晶体管20，以切换变压器10。变压器10连接至功率变压器的输入电压V_IN。变压器10的能量透过整流器40与电容器45而整流滤波后输出至功率转换器的输出信号V_O。电阻器30与功率晶体管20串联，以根据变压器10的切换电流I_P来产生切换电流信号V_I。切换电流信号V_I耦合至控制器50，以控制功率转换器。当在切换周期的起始之前且变压器10完全地放电时，功率转换器将操作在非连续电流模式(discontinuous current mode，以下称DCM)。假使切换信号V_G在变压器10完全放电之前被致能，功率转换器将操作在连续电流模式(continuous current mode，以下称CCM)。当功率转换器操作在CCM下时，连续电流将持续存在于变压器10中。图2是表示切换电流I_P的CCM波形图，其中，连续电流I_A表示储存在变压器10的能量。斜坡电流I_C是在切换周期T的导通时间T_ON的期间内被充电至变压器10的能量。连续电流I_A表示变压器10的主要能量转换。在切换电流I_P的上升缘会产生电压突增(voltage spike)及噪声。而此电压突增及噪声将会产生取样误差。本发明的目的在于发展一种方法及装置，以测量切换电流I_P的连续电流I_A与斜坡电流I_C。
发明内容
本发明提供一种用来检测功率转换器的切换电流的方法，用来检测功率转换器的切换电流。首先，根据功率转换器的切换信号的脉波宽度来产生取样信号，接着在切换信号与取样信号的期间对取样电流进行取样，以产生第一电流信号及第二电流信号。根据第一电流信号及第二电流信号来产生多个输出信号。切换信号用来切换功率转换器的磁性装置，且多个输出信号与切换电流的值相关联。
本发明另提供一种用以检测功率转换器的切换电流的装置，用以检测功率转换器的切换电流。此检测装置包括信号产生电路、取样维持电路、以及计算电路。信号产生电路根据切换信号的脉波宽度来产生一取样信号。取样维持电路接收取样信号与切换电流信号，以产生第一电流信号与第二电流信号。计算电路接收第一电流信号与第二电流信号以产生多个输出信号。切换信号用来切换功率转换器的磁性装置，且多个输出信号与切换电流的值相关联。
本发明又提供一种用来检测功率转换器的切换电流的方法，用来检测功率转换器的切换电流。首先，根据功率转换器的切换电流来产生一切换电流信号，接着，在切换电流信号的波形中定义峰点以及取样点。根据在峰点与取样点之间的斜率来计算多个输出信号。
附图说明
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下面将配合附图对本发明的较佳实施例作详细说明，其中：
图1表示现有的功率转换器；
图2表示在连续电流模式(CCM)下，切换电流的波形图；
图3表示根据本发明实施例的控制器的电路架构；
图4表示本发明实施例的信号产生电路的详细电路；
图5表示根据本发明实施例的单击电路架构；
图6表示图4及图5所示的电路的信号波形；
图7表示根据本发明实施例的取样维持电路的详细电路；
图8表示根据本发明实施例的切换电流信号波形；以及
图9表示根据本发明实施例的计算电路的详细电路。
具体实施方式
图3是表示根据本发明实施例的控制器50的电路架构，一并参阅图1。触发器70与与门75产生切换信号S_W与V_G，以驱动晶体管20并切换变压器10(显示于图1)。检测电路100接收切换电流信号V_I，以产生直流(direct-current，DC)输出信号V_XA与交流(alternating current，AC)输出信号V_XC。检测电路100包括信号产生电路150、取样维持电路200、以及计算电路300。信号产生电路150根据切换信号S_W的脉波宽度来产生取样信号S₂。取样维持电路200接收取样信号S₂以及切换电流信号V_I(图中未示)，以产生第一电流信号I_MB1、以及I_MB2以及第二电流信号I_MD。计算电路300接收第一电流信号I_MB1、以及I_MB2以及第二电流信号I_MD，以产生直流输出信号V_XA与交流输出信号V_XC。直流输出信号V_XA与交流输出信号V_XC与功率转换器的切换电流I_P的值相关联。
参阅图4至图6，其中，图4表示图3中的信号产生电路150，其包括充电电路、电容器160及161、以及输出电路。电流源151与开关153、154、及157组成充电电路，其用来对电容器160及161充电。电容器160产生斜率信号S_S。根据在前一切换周期期间内充电在电容器160的电流，电容器161产生电平信号S_L。电平信号S_L与切换信号S_W的脉波宽度相关联。由电阻器167及168所组成的分压器根据经过缓冲器165所接收的电平信号S_L来产生分压信号S_d。分压信号S_d因此与一比例的电平信号S_L(例如)相关联。由或非门(NOR)171、比较器170、以及反相器175所组成的输出电路，根据比较结果信号S_C与第一单击信号S_M1来产生取样信号S₂。其中比较结果信号S_C根据分压信号S_d及斜率信号S_S透过比较器170而产生。信号产生电路150还包括单击电路181及185，用以产生第一单击信号S_M1及第二单击信号S_M2。
图5表示图4的单击电路181及185的实施例。一旦晶体管192关闭时，固定电流源190用来对电容器193充电。单击电路181与185的输入端IN耦接晶体管192的栅极以及或非(NOR)门196的一输入端。或非(NOR)门196的另一输入端耦接电容器193。因此，单击电路根据其输入信号的下降源而在或非门196的输出端产生一单击信号。固定电流源190的电流与电容器193的电容值决定了此单击信号的脉波宽度。
图6是表示图4及图5所示的电路的信号波形。如前所述，由于分压信号S_d的值与一比例的电平信号S_L相关联且电平信号S_L的电平大小是与切换信号S_W的脉波宽度相关联，当脉波信号的脉宽较宽(开启周期较大)时，相对电平较高。因此一旦斜率信号S_S大于电平信号S_L取样信号S₂时，取样信号S₂被重置。
图7是表示根据图3中本发明实施例的取样维持电路200的示意图。参阅图6及图7，取样电路200包括第一电容器216，其接收切换电流信号V_I以根据切换信号S_W来产生第一取样信号S_f1，并根据第二单击信号S_M2将第一取样信号S_f1转移到电容器217。第二电容器256接收切换电流信号V_I以根据取样信号S₂来产生第二取样信号S_f2，并根据被致能的第二单击信号S_M2将第二取样信号S_f2转移到电容器257。由运算放大器220、晶体管225、以及电阻221所组成的第一电压转电流(voltage-to-current，V-to-I)电路根据第一取样信号S_f1的电压而将其转换成对应的第一电流I_V1。由运算放大器260、晶体管265、以及电阻器261所组成的第二电压转电流电路根据第二取样信号S_f2的电压值而产生对应的第二电流I_V2。第一电流镜(由晶体管230、231、232、及233所组成)根据第一电流I_V1而产生电流信号I_MB、I_MB1、以及I_MB2(第一电流信号)。在此实施例中，第一电流镜中的晶体管比例等于1，所以I_MB＝I_MB1＝I_MB2。第二电流镜(由晶体管270、271、275、及276所组成)的比例亦等于1，其产生与第二电流I_V2成比例的电流信号I_MM，且根据第一电流信号I_MB与电流信号I_MM之间的差来产生第二电流信号I_MD。由于第一电流信号I_MB镜射于第一电流I_V1且电流信号I_MM是镜射于第二电流I_V2，因此第二电流信号I_MD亦与第一电流信号I_MB与电流信号I_MM之间的差成比例。
图8是表示图6中切换电流信号V_I的波形。点C与B分别表示在此波形中的一峰点(peak point)与取样点(Sample point)。I_B表示峰点C的电流，且I_M表示取样点B的电流，I_D表示峰点电流I_B与取样点电流I_M之间的差。连续电流I_A表示储存在变压器10的能量。斜坡电流I_C是在导通时间期间内充电至变压器10的能量。连续电流I_A与斜坡电流I_C可由以下式子来导出表示：
由于斜率S_CB＝S_CA，因此：
I D T M = I C T ON ]]>
且T_ON＝n×T_M   (2)
由公式(1)可得：
I_C＝n×I_D   (3)
又，I_D＝I_B-I_M   (4)
由式(3)、(4)可获得：
I_C＝n×(I_B-I_M)   (5)
I_A＝I_B-I_C   (6)
图9是表示图3中本发明实施例的计算电路300。计算电路300接收第一电流信号I_MB1与I_MB2以及第二电流信号I_MD，以产生直流输出信号V_XA与交流输出信号V_XC。计算电路300包括第一电流镜(由晶体管310及311所组成)、第二电流镜(由晶体管315、316、及317所组成)、以及第三电流镜(由晶体管327及328所组成)，这些电流镜接收第一电流信号I_MB与I_MB2以及第二电流信号I_MD，以透过电阻器R₃₇₀来产生直流输出信号V_XA。第四电流镜(由晶体管353与354所组成)以及第五电流镜(由晶体管356与357所组成)用来产生交流输出信号V_XC。在此实施例中，第一电流镜中的比例为1:n；第二、第三、第四、及第五电流镜中的每一者的比例等于1。计算电路300的电流信号I_O1～I_O5可由以下式子来表示：
I_O1＝n×I_MD＝n×(I_MB1-I_MM)＝n×(I_MB-I_MM)   (7)
I_O2＝I_MB1-I_O1＝I_MB-(I_MB-I_MM)    (8)
I_O3＝I_MB2-I_O2＝I_MB-[I_MB-n(I_MB-I_MM)]＝n(I_MB-I_MM)   (9)
V_XC＝I_O5×R₃₆₀＝I_O3×R₃₆₀＝n(I_MB-I_MM)×R₃₆₀    (10)
V_XA＝I_O4×R₃₇₀＝I_O2×R₃₇₀＝[I_MB-n(I_MB-I_MM)]×R₃₇₀    (11)
根据上述且参阅图6至图8，由于第一电流信号I_MB是镜射于第一电流I_V1，且第一电流I_V1是表示峰点电流I_B。电流信号I_MM是镜射于第二电流I_V2，且第二电流I_V2是表示取样点电流I_M。在此，第一电流信号I_MB且电流信号I_MM可由下式来表示：
I_MB＝I_V1＝I_B   (12)
I_MM＝I_V2＝I_M    (13)
因此，第一电流信号I_MB表示峰点电流I_B，且电流信号I_MM表示取样点电流I_M。
由式(12)及(13)，式(10)及(11)可表示为：
V_XC＝n(I_MB-I_MM)×R₃₆₀＝n(I_B-I_M)×R₃₆₀＝I_C×K₀    (14)
V_XA＝[I_MB-n(I_MB-I_MM)]×R＝[I_B-n(I_B-I_M)]×R＝I_A×K₁   (15)
其中，n为固定的比值，且K₀及K₁为定值。
因此，根据式(14)及(15)，直流输出信号V_XA以及交流输出信号V_XC皆与切换电流的值相关联，其中直流输出信号V_XA与该切换电流的连续电流I_A相关联，且该交流输出信号V_XC与该切换电流的一斜坡电流I_C相关联。
综上所述，本发明可根据功率转换器的切换信号的脉波宽度来对信号取样，且电压突增与噪声将不会影响信号取样。信号取样可设计在切换电流I_P的下降缘之前，并藉由计算电路，可计算出直流输出信号V_XA与交流输出信号V_XC。
本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作出种种等同的改变或替换，因此本发明的保护范围当视后附的本申请权利要求范围所界定的为准。