專利名稱：電力轉換器的具有切換頻率跳躍的切換控制器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種切換模式的電力轉換器，特別是涉及一種具有切換頻
率；兆5夭(switching frequency hopping)的切換控帝J器。
背景技術：
電力轉換器已用于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范圍內，以使電 子元件有效、安全地進行操作。利用脈寬調制(pulse width modulation, PWM) 的主要問題在于，相較于交流電源頻率，電力轉換器的操作頻率相對高頻， 這樣會導致電力轉換器產生高頻訊號。盡管切換技術降低了電力轉換器的 尺寸大小，但切換元件產生的電》茲干擾(electric magnetic interference, EMI ) 會干擾電源系統。通常利用設置于電源輸入端的EMI濾波器來降低EMI。 然而，EMI濾波器會產生功率損耗，并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制(frequency modulation)或頻率跳躍(frequency hopping)來降低EMI。如M. 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，巻1， 10-14, 2002年3月。)

發明內容
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蕩器，以產生脈沖訊號和最 大工作周期訊號(maximum duty-cycle signal)來決定切換訊號的切換頻率。 具有第二振蕩器的碼型產生器依據時鐘訊號來產生數字碼，其中時鐘訊號
由第二振蕩器產生。可調整電容耦接于碼型產生器和第一振蕩器，依據數 字碼來調制切換訊號的切換頻率。脈寬調制電路耦接于第一振蕩器，根據最大工作周期訊號來產生切換訊號。切換訊號的最大導通時間由最大工作 周期訊號進行限制。因此，能夠改良電磁干擾且無須電磁干擾濾波器。
為使本發明的上述特征和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，并結 合附圖詳細說明如下。


圖1示出了根據本發明的具有切換控制器的電源。
圖2示出了根據本發明的具有頻率跳躍功能的頻率調節器的實施例。 圖3示出了根據本發明的碼型產生器的實施例。
圖4示出了根據本發明的振蕩訊號、脈沖訊號、反相脈沖訊號、最大 工作周期訊號、電流訊號以及切換訊號的波形。
附圖符號說明
10:頻率調節器
20:反相器
30:比較器
40:第一與門
50: D型觸發器
60:第二與門
100:可調整電容
200:第一振蕩器
210:第一比較器
220:第二比較器
230、 240:與非門
300:碼型產生器
311:第二觸發器
312:反相器
331、 332、 335:寄存器
339:異或門
600:最大工作周期電路
:第一觸發器C廣Cn:電容 CA:第一電容 CB:第二電容 CK:時鐘訊號 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
流
IP:切換電;虎
MDC:最大工作周期訊號
Mn。M,: lt字碼
NP:變壓器的初級側
Ns:變壓器的次級側
PLS:脈沖訊號
/PLS:反相脈沖訊號
功率晶體管 Rs:感應電阻 SCH:充電開關 Sda: 第一開關 Sdb: 第二開關 SDH:放電開關 T1:變壓器 TS1:切換周期 TS2:切換周期 TS3:切換周期 Vcc:電源電壓 VH:臨界值電壓 Vm:輸入電壓 VL:臨界值電壓 VLMT:電流限制訊號V0:輸出電壓 VPWM:切換訊號 Vs:電流訊號 VSAW:振蕩訊號 X廣Xn:開關
具體實施例方式
圖1顯示了根據本發明的具有切換控制器的電力轉換器。切換控制器 包括脈寬調制電路和頻率調節器10。切換控制器產生切換訊號Vpwm,通過 功率晶體管Q,來切換變壓器T,。具有初級側Np和次級側Ns的變壓器T, 接收輸入電壓并產生輸出電壓V0。切換訊號VPWM的工作周期(duty cycle) 決定交流電源供應至電力轉換器的輸出端的功率。脈寬調制電路包括反相 器20、比較器30、第一與門40、 D型觸發器50以及第二與門60。變壓器 T,的切換電流Ip經由感應電阻Rs轉換為電流訊號Vs(電壓形式)。電流訊號
Vs提供至脈寬調制電路，以進行切換訊號VpwM的脈沖寬度調制。電流訊號
Vs供應給比較器30的負端。比較器30的正端接收電流限制訊號Vlmt以限 制最大輸出功率。
D型觸發器50的輸入端D由電源電壓Vcc拉至高電平。脈沖訊號PLS 經由反相器20供應給D型觸發器50的時鐘端CK。第一與門40的第一輸 入端耦接于頻率調節器10以接收最大工作周期訊號MDC。第一與門40的 第二輸入端連接于比較器30的輸出端。 一旦電流訊號Vs高于電流限制訊 號Vlmt,并且最大工作周期訊號MDC處于低電平時，第一與門40的輸出 端用于重置D型觸發器50。第二與門60的第一輸入端連接于反相器20的 輸出端以接收反相脈沖訊號/PLS。反相器20的輸入端連接于頻率調節器10 以接收脈沖訊號PLS。第二與門60的第二輸入端連接于D型觸發器50的 輸出端Q。第二與門60的輸出端連接于功率晶體管Qi以產生切換訊號
VpwM。
圖2顯示了根據本發明的頻率調節器的實施例。在圖2中，頻率調節 器10包括碼型產生器(pattern generater) 300、可調整電容100以及具有最 大工作周期電路600的第一振蕩器200。碼型產生器300用來產生數字碼 Mn M!。可調整電容100接收碼型產生器300的數字碼Mn Mp以產生振蕩訊號VsAw。第一振蕩器200耦接于可調整電容100,依據振蕩訊號VsAw 來產生脈沖訊號PLS。最大工作周期電路600依據脈沖訊號PLS來產生最 大工作周期訊號MDC。
可調整電容100耦接于碼型產生器300以接收數字碼Mn M"可調整 電容100包括彼此并聯的多個切換電容組。切換電容組由電容Q， C2, ， Cn和開關Xp X2, . ， Xn形成。開關Xt和電容Q串聯。開關X2和電容 C2串聯。開關Xn和電容Cn串聯。數字碼Mn M,控制開關X,， X2， ， Xn。可調整電容100的輸出端耦接于第一振蕩器200，根據數字碼Mn Mj 來調節振蕩訊號VSAW。
第一振蕩器200包括充電開關Sch、放電開關SoH、鋸齒波電容Cx、充 電電流IcH、；改電電流IoH、第一比較器210、第二比較器220以及兩個與非 門230和240。充電開關ScH連接于充電電流IcH與鋸齒波電容Cx之間。放
電開關SDH連接于鋸齒波電容Cx與放電電流lDH之間。鋸齒波電容Cx上的 振蕩訊號VsAw耦接于可調整電容100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210的負端連接于鋸齒波電容Cx。臨界 值電壓VL供應給第二比較器220的負端。臨界值電壓VH高于臨界值電壓 Vl。第二比較器220的正端連接于鋸齒波電容Cx。與非門230的輸出端產 生脈沖訊號PLS用以導通或截止放電開關SoH。與非門230的第一輸入端連 接到第一比較器210的輸出端。與非門240的兩個輸入端分別連接于與非 門230的輸出端和第二比較器220的輸出端。與非門240的輸出端連接于 與非門230的第二輸入端，并導通或截止充電開關ScH。第一振蕩器200耦 接于可調整電容100,依據鋸齒波電容Cx上的振蕩訊號VsAw來產生脈沖訊 號PLS。
當充電開關ScH導通時，充電電流IcH對鋸齒波電容Cx進行充電，且 振蕩訊號VsAw增加。在此期間，振蕩訊號VsAW低于臨界值電壓VH，且放 電開關SoH截止。當振蕩訊號VsAw超過臨界值電壓VH時，放電電流IoH對 鋸齒波電容Cx進行放電，且振蕩訊號VsAW降低。此時，充電開關ScH截止 而放電開關SoH導通。當振蕩訊號VsAW低于臨界值電壓VL時，充電開關再
次導通。振蕩訊號VSAW的切換周期由并聯于切換電容組的鋸齒波電容cx
的電容值所控制。開關X,, X2， ..， Xn藉由數字碼Mn..M,控制以決定切 換電容組的數量與電容值。第 一振蕩器200還包括最大工作周期電路600,最大工作周期電路600
包括第一開關SoA、第一充電電流IcA、第一電容CA以及第一觸發器610。 第一開關SDA連接于第一充電電流ICA且并聯于第一電容CA。第一開關S。A 藉由脈沖訊號PLS來控制。
一旦第一開關SoA截止，則第一電容CA由第一 充電電流ICA進行充電。換句話說，當第一開關SDA導通時，第一電容CA
進行;改電。第一觸發器610的輸入端耦接于第一開關SDA、第一充電電流IcA 以及第一電容CA。第一觸發器610可以作為一個斯密特觸發電路(Schmitt trigger circuit)。第一觸發器610的輸出端依據第一振蕩器200的脈沖訊號 PLS來產生最大工作周期訊號MDC。最大工作周期訊號MDC的脈沖寬度
由第一充電電流ICA和第一電容CA來決定。此外，切換訊號VpwM的最大導
通時間由最大工作周期訊號MDC來決定。
圖3顯示了根據本發明的碼型產生器300的實施例。碼型產生器300 包括第二振蕩器310、多個寄存器331、 332-335以及異或門339。寄存器 331、 332~335以及異或門339形成線性位移寄存器(linear shift register),依 據第二振蕩器310的時鐘訊號CK來產生線性碼(linear code)。異或門339 的輸入端決定線性位移寄存器的多項式，并且決定線性位移寄存器的輸出。 此外，數字碼Mn Mi會采用源自于線性碼的部份來進行最佳化的應用。
第二振蕩器310包括第二開關SoB、第二充電電流IcB、第二電容CB、
第二觸發器311以及反相器312。第二開關Sra耦接于第二充電電流IcB并 且并聯于第二電容CB。第二開關SoB由時鐘訊號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的輸入端耦接于 第二開關SoB、第二充電電流IcB以及第二電容Cs。第二觸發器311也可以
作為一個斯密特觸發電路。第二觸發器311的輸出端耦接于反相器312的 輸入端。反相器312的輸出端產生時鐘訊號CK。
第二振蕩器310產生時鐘訊號CK。碼型產生器300依據第二振蕩器310 的時鐘訊號CK來產生數字碼Mn M"第一振蕩器200用來決定脈沖訊號 PLS的脈沖寬度和切換訊號VpwM的切換頻率。如上，因脈沖訊號PLS和時 鐘訊號CK藉由兩個不同的振蕩器產生，所以脈沖訊號PLS和時鐘訊號CK 是非同步的。因此，切換訊號VpwM獨立于時鐘訊號CK為相互獨立且無關。 可調整電容100耦接于碼型產生器300和第一振蕩器200，依據數字碼Mn M,來調節切換訊號Vpwm的切換頻率。
圖4顯示了根據本發明的振蕩訊號VSAW、脈沖訊號PLS、反相脈沖訊 號/PLS、最大工作周期訊號MDC、電流訊號Vs以及切換訊號Vpwm的波形。 數字碼Mn M,控制可調整電容100的開關Xp X2, ， Xn,用以決定切
換電容組的數量來與鋸齒波電容Cx并聯，以調節振蕩訊號VsAw。不同鋸齒
波電容Cx的電容值一個周期接著一個周期地(cycle-by-cycle)產生切換訊
號VpwM的頻率變化。切換周期TS1、 Ts2以及Ts3分別代表切換訊號Vpwm
的切換頻率跳躍。最大工作周期訊號MDC用以限制切換訊號Vpwm的最大 導通時間。
本領域的技術人員將顯而易見，在不背離本發明的范圍或精神的情況 下可對本發明的結構進行修改和改變。鑒于前面的描述，本發明意圖覆蓋 落入本申請的權利要求范圍及其等同物范圍內的修改和改變。
權利要求
1.一種具有切換頻率跳躍的電力轉換器的切換控制器，包括一第一振蕩器，產生一脈沖訊號和一最大工作周期訊號，用以決定一切換訊號的一切換頻率；一碼型產生器，具有一第二振蕩器，依據一時鐘訊號來產生一數字碼，其中該時鐘訊號由該第二振蕩器產生；一可調整電容，耦接于該碼型產生器和該第一振蕩器，依據該數字碼來調節該切換訊號的該切換頻率；以及一脈寬調制電路，耦接于該第一振蕩器，根據該最大工作周期訊號來產生該切換訊號，該切換訊號的最大導通時間依據該最大工作周期訊號進行限制，其中該切換訊號用以切換該電力轉換器的一變壓器。
2. 如權利要求1所述的切換控制器，其中該脈沖訊號的一切換周期與 該切換訊號的 一切換周期有關。
3. 如權利要求1所述的切換控制器，其中由該第一振蕩器產生的一切 換周期與該第二振蕩器產生的一切換周期無關。
4. 如權利要求1所述的切換控制器，其中該脈沖訊號的一切換周期與 該時鐘訊號的一切換周期無關。
5. 如權利要求1所述的切換控制器，其中該數字碼控制一切換電容組， 該切換電容組與一鋸齒波電容并聯，用以調節一振蕩訊號，且不同該鋸齒 波電容的電容值一個周期接著一個周期地產生該切換訊號的頻率變化。
6. 如權利要求1所述的切換控制器，其中該可調整電容包括彼此并聯 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， 且所述開關由該數字碼控制。
7. 如權利要求l所述的切換控制器，其中該第二振蕩器包括 一第二開關，耦接于一第二充電電流，該第二開關由該時鐘訊號控制； 一第二電容，耦接于該第二充電電流并且并聯于該第二開關，其中當該第二開關截止時，該第二電容藉由該第二充電電流進行充電，以及當該第二開關導通時，該第二電容進行放電；以及一第二觸發器和一反相器，耦接于該第二開關、該第二充電電流以及 該第二電容，以產生該時鐘訊號。
全文摘要
一種電力轉換器的具有切換頻率跳躍的切換控制器，包括第一振蕩器，產生脈沖訊號和最大工作周期訊號，用來決定切換訊號的切換頻率；碼型產生器，具有第二振蕩器并依據時鐘訊號來產生數字碼；可調整電容，耦接于碼型產生器和第一振蕩器，依據數字碼來調制切換訊號的切換頻率；脈寬調制電路，耦接于第一振蕩器，依據最大工作周期訊號來產生切換訊號。切換訊號的最大導通時間是由最大工作周期訊號進行限制。切換訊號用于切換電力轉換器的變壓器。
文檔編號H02M7/217GK101610037SQ20091016182
公開日2009年12月23日 申請日期2009年8月3日 優先權日2008年8月5日
發明者楊大勇, 林振宇, 黃偉軒 申請人:崇貿科技股份有限公司