諧振式電力轉換電路的製作方法

2023-07-15 00:51:51 1

專利名稱：諧振式電力轉換電路的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電力轉換器，且特別涉及一種諧振式電力轉換電路。
背景技術：
近年來環保意識的提升，與全球暖化問題，迫使節約能源成為世界各國重要政策 之一。美國環境協會(U. S. Environmental Protection Agency, EPA)對於各項信息電子 設備也相對規定高效率的規範以去達到節能的目地，如在PC電源供應器上有80+基本款 需求(80%，80%，80% )，銅牌(82%，85%，82% )、銀牌(85%，88%，85% )、金牌(87%， 90%，87%)認證，所以提高電源轉換器的效率是我們目前必須克服的難題。在效率要求持 續提升下，目前採用的脈衝寬度調製(pulse width modulation, PWM)控制方式的順向式 (forward)等架構為主電源(main converter)的轉換效率已經不足以達到要求。一般而 言，前端DC/DC電力轉換器主要可分為PWM電力轉換器與諧振式電力轉換器。由於PWM電 力轉換器開關切換屬於硬性切換，容易導致嚴重的切換損失，使得電力轉換效率無法提升， 故發展出諧振式電力轉換器。諧振電路本身具有柔性切換的特性，可降低開關切換損失，提 升轉換器整體效率，所以諧振式轉換器架構(resonant converter)的主電源開始被廣泛使 用。傳統的諧振式電力轉換器主要包括三種類型(1)串聯諧振式電力轉換器 (Series Resonant Converter，簡稱SRC) ； (2)並聯諧振式電力轉換器(Parallel Resonant Converter,簡稱PRC)及(3)串並聯諧振式電力轉換器(Series-Parallel Resonant Converter,簡稱SPRC，又稱為LCC)。諧振式電力轉換器的控制器會輸出切換信號至諧振式 電力轉換器中的功率開關來控制其輸出電壓。然而，傳統的控制器具有切換頻率的限制，因 此轉換器的增益會受到限制而容易產生輸出電壓不足的情形。

實用新型內容本實用新型提供一種諧振式電力轉換電路，其中控制器的最低切換頻率可根據諧 振式轉換器的輸出電流或輸出電壓來調整，藉此讓諧振式轉換器可操作在最大的增益點 下，讓諧振式轉換器的輸出電壓可以符合系統需求以增加輸出電壓與過電壓保護的效果。本實用新型提供一種諧振式電力轉換電路，其中控制器的最低切換頻率可根據諧 振式轉換器的輸出電流來調整，藉此提高諧振式電力轉換電路在尖峰負載時的電壓增益。本實用新型提供一種諧振式電力轉換電路，其中控制器的最低切換頻率可根據諧 振式轉換器的輸出電壓來調整，藉此提高諧振式電力轉換電路在反饋失控時的過電壓保護 能力。本實用新型提出一種諧振式電力轉換電路，包括一諧振式轉換單元、一控制單元、 一電流檢測單元、一電壓檢測單元以及一頻率調製單元。控制單元耦接於上述諧振式轉換 單元，用以輸出至少一第一切換信號至上述諧振式轉換單元以調整上述諧振式轉換單元的 一輸出電壓，其中上述控制單元具有一最低切換頻率以限制上述第一切換信號的頻率。電流檢測單元耦接於上述諧振式轉換單元的輸出以檢測上述諧振式轉換單元的一輸出電流。 電壓檢測單元耦接於上述諧振式轉換單元的輸出以檢測上述諧振式轉換單元的上述輸出 電壓。頻率調製單元耦接於上述電流檢測電路與上述電壓檢測電路與上述控制單元，上述 頻率調製單元根據上述輸出電流與上述輸出電壓調整上述控制單元的最低切換頻率。在本實用新型一實施例中，其中當上述輸出電流大於一電流預設值時，上述頻率 調製單元提高上述控制單元的最低切換頻率；當上述輸出電壓大於一電壓預設值時，上述 頻率調製單元降低上述控制單元的最低切換頻率。在本實用新型一實施例中，上述頻率調製單元包括一第一電阻、一第一調製單元 與一第二調製單元。第一電阻耦接於上述控制單元的一頻率設定引腳與一接地端之間；第 一調製單元耦接於上述電流檢測單元與上述控制單元的頻率設定引腳。第二調製單元耦接 於上述電壓檢測單元與上述控制單元的頻率設定引腳。在本實用新型一實施例中，其中第一調製單元包括一 PNP電晶體、第二電阻至第 六電阻、第一與第二 NMOS電晶體與第一與第二電容。上述PNP電晶體的射極耦接於一電壓 源，第二電阻耦接於上述PNP電晶體的射極與上述PNP電晶體的基極之間。第三電阻的一 端耦接於上述PNP電晶體的基極；上述第一NMOS電晶體的漏極耦接於上述第三電阻的另一 端，上述第一NMOS電晶體的源極耦接於接地端，上述第一NMOS電晶體的柵極耦接於上述電 流檢測單元。第一電容耦接於上述第一 NMOS電晶體的柵極與接地端之間；第四電阻耦接於 上述第一 NMOS的柵極與接地端之間。上述第五電阻的一端耦接於上述控制單元的頻率設 定引腳，上述第二 NMOS電晶體的漏極耦接於上述第五電阻的另一端。第二 NMOS電晶體的 源極耦接於接地端，其柵極耦接於上述第一 PNP電晶體的集極。第二電容耦接於上述第二 NMOS電晶體的柵極與接地端之間。第六電阻耦接於上述第二 NMOS電晶體的柵極與接地端 之間。在本實用新型一實施例中，上述第二調製單元包括一 NPN電晶體、第二電阻至第 四電阻、一第一 NMOS電晶體與一第一電容。上述NPN電晶體的集極耦接於一電壓源，上述 NPN電晶體的基極耦接於上述電壓檢測單元。一第二電阻耦接於上述NPN電晶體的集極與 上述NPN電晶體的基極之間，上述第三電阻的一端耦接於上述控制單元的頻率設定引腳。 上述第一 NMOS電晶體的漏極耦接於上述第三電阻的另一端，上述第一 NMOS電晶體的源極 耦接於接地端，上述第一 NMOS電晶體的柵極耦接於上述NPN電晶體的射極。第一電容耦接 於上述第一 NMOS電晶體的柵極與接地端之間。第四電阻耦接於上述第一 NMOS電晶體的柵 極與接地端之間。在本實用新型另一實施例中，上述頻率調製單元可以另一種電路架構實施，其包 括一第一電阻、一接地電容、一第一調製單元以及一第二調製單元。上述第一電阻的一第一 端耦接於上述控制單元的一頻率設定引腳，一接地電容耦接於上述第一電阻的一第二端與 接地端之間。第一調製單元耦接於上述電流檢測單元與控制單元的頻率設定引腳，第二調 制單元耦接於上述電壓檢測單元與控制單元的頻率設定引腳。在本實用新型一實施例中，上述第一調製單元包括一 PNP電晶體、第二電阻至第 十電阻、第一至第二 NMOS電晶體、第一至第二電容，一 NPN電晶體。上述PNP電晶體的射極 耦接於一電壓源，第二電阻耦接於上述第一 PNP電晶體的射極與上述PNP電晶體的基極之 間。上述第三電阻的一端耦接於上述PNP電晶體的基極，上述第一 NMOS電晶體的漏極耦接
6於上述第三電阻的另一端，上述第一NMOS電晶體的源極耦接於接地端，上述第一NMOS晶體 管的柵極耦接於上述電流檢測單元。第一電容耦接於上述第一 NMOS電晶體的柵極與接地 端之間，第四電阻耦接於上述第一 NMOS的柵極與接地端之間。上述第五電阻的一端耦接於 上述控制單元的頻率設定引腳，上述第二 NMOS電晶體的漏極耦接於上述第五電阻的另一 端，上述第二 NMOS電晶體的源極耦接於上述第一電阻的上述第二端，上述第二 NMOS電晶體 的柵極耦接於上述PNP電晶體的集極。上述第六電阻的一第一端耦接於上述PNP電晶體的 集極；第七電阻耦接於上述第六電阻的一第二端與接地端之間。上述NPN電晶體的基極耦 接於上述第六電阻的上述第二端，上述NPN電晶體的射極耦接於接地端。第八電阻耦接於 上述PNP電晶體的射極與上述NPN電晶體的集極之間。第九電阻耦接於上述NPN電晶體的 集極與接地端之間。第二電容耦接於上述NPN電晶體的集極與接地端之間。上述第十電阻 的一端耦接於上述PNP電晶體的集極以及上述第三NMOS電晶體的漏極耦接於上述第十電 阻的另一端，上述第三NMOS電晶體的源極耦接於接地端，上述第三NMOS電晶體的柵極耦接 於上述NPN電晶體的集極。在本實用新型一實施例中，上述第二調製單元包括一第一與第二 NPN電晶體、第 二至第八電阻、第一至第二 NMOS電晶體與一第二電容。上述第一 NPN電晶體的集極耦接於 一電壓源，其基極耦接於上述電壓檢測單元。第二電阻耦接於第一 NPN電晶體的集極與其 基極之間。上述第三電阻的一端耦接於上述控制單元的頻率設定引腳，上述第一 NMOS晶體 管的漏極耦接於第三電阻的另一端，第一 NMOS電晶體的源極耦接於接地端，其柵極耦接於 第一NPN電晶體的射極。上述第四電阻的第一端耦接於該第一NPN電晶體的射極，第五電阻 耦接於上述第四電阻的一第二端與接地端之間。上述第二 NPN電晶體的基極耦接於第四電 阻的第二端，第二 NPN電晶體的射極耦接於接地端。第六電阻耦接於第一 NPN電晶體的集 極與第二 NPN電晶體的集極之間。第七電阻耦接於第二 NPN電晶體的集極與接地端之間， 第二電容耦接於第二 NPN電晶體的集極與接地端之間。第八電阻的一端耦接於第一 NPN晶 體管的集極，第二NMOS電晶體的漏極耦接於第八電阻的另一端，第二NMOS電晶體的源極耦 接於接地端，其柵極耦接於第二 NPN電晶體的集極。在本實用新型一實施例中，上述電流檢測單元包括一電阻與一檢測電路。上述電 阻串聯耦接於上述諧振式轉換單元的輸出，而上述檢測電路耦接於上述電阻的兩端以檢測 上述諧振式轉換單元的上述輸出電流。在本實用新型一實施例中，上述電壓檢測單元包括第一與第二電阻以及三端元 件。上述第一電阻的一第一端耦接於上述諧振式轉換單元的輸出，第二電阻耦接於上述第 一電阻的一第二端與一接地端之間。上述三端元件的一第一端耦接於上述頻率調製單元， 上述三端元件的一第二端耦接於接地端，上述三端元件的一參考端耦接於上述第一電阻的 上述第二端。在本實用新型一實施例中，上述諧振式轉換單元為一 LLC諧振式轉換器。本實用新型一實施例中，上述控制單元更輸出一第二切換信號至上述諧振式轉換 單元，上述第一切換信號的工作周期實質上為50%，上述第二切換信號工作周期實質上為 50%，且上述第一切換信號與上述第二切換信號的波形反相。本實用新型另提出一種諧振式電力轉換電路，包括一諧振式轉換單元、一控制單 元、一電流檢測單元以及一頻率調製單元。控制單元耦接於上述諧振式轉換單元，用以輸出至少一第一切換信號至上述諧振式轉換單元以調整上述諧振式轉換單元的一輸出電壓，其 中上述控制單元具有一最低切換頻率以限制上述第一切換信號的頻率。電流檢測單元耦接 於上述諧振式轉換單元的輸出以檢測上述諧振式轉換單元的一輸出電流，頻率調製單元耦 接於上述電流檢測電路與上述控制單元，上述頻率調製單元根據上述輸出電流調整上述控 制單元的上述最低切換頻率。其中，當上述輸出電流大於一電流預設值時，上述頻率調製單 元提高上述控制單元的最低切換頻率。其中，上述各元件的電路架構請參照前述說明，在此 不加累述。本實用新型又提出一種諧振式電力轉換電路，包括一諧振式轉換單元、一控制單 元、一電壓檢測單元以及一頻率調製單元。控制單元耦接於上述諧振式轉換單元，用以輸出 一第一切換信號至上述諧振式轉換單元以調整上述諧振式轉換單元的一輸出電壓，其中上 述控制單元具有一最低切換頻率以限制上述第一切換信號的頻率。電壓檢測單元耦接於上 述諧振式轉換單元的輸出以檢測上述諧振式轉換單元的一輸出電壓，頻率調製單元耦接於 上述電流檢測電路與上述電壓檢測電路與上述控制單元，上述頻率調製單元根據上述輸出 電流與上述輸出電壓調整上述控制單元的最低切換頻率。其中，當上述輸出電壓大於一電 壓預設值時，上述頻率調製單元降低上述控制單元的最低切換頻率。綜合上述，本實用新型的諧振式電力轉換電路會根據轉換器的輸出電壓或輸出電 流來調整控制器的最低切換頻率，讓切換信號的操作頻率區間可以依照轉換器的增益曲線 的變化適時調整。藉此，本實用新型的諧振式電力轉換電路可以使諧振式轉換單元得到所 需的增益以增加其輸出電壓與增進其過電壓保護的效果。為讓本實用新型的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉優選實施例，並配合 附圖，作詳細說明如下。

圖1為根據本實用新型第一實施例的諧振式電力轉換電路的功能方塊圖。圖2A為根據本實用新型第一實施例的負載與增益曲線圖。圖2B為根據本實用新型第二實施例的增益曲線圖。圖3為根據本實用新型第二實施例的諧振式電力轉換電路的電路圖。圖4為根據本實用新型第三實施例的轉換單元的電路圖。圖5為根據本實用新型第四實施例的適用於電流檢測的諧振式電力轉換電路的 功能方塊圖。圖6為根據本實用新型第四實施例的適用於電壓檢測的諧振式電力轉換電路的 功能方塊圖。主要元件符號說明100、300、400、500、600 諧振式電力轉換電路110、310 諧振式轉換單元120,320 控制單元130、330 電流檢測單元140、340 電壓檢測單元150,350,450 頻率調製單元
8[0037]152、352、452 第一調製單元154、354、454 第二調製單元332:檢測電路Bn、B3I ；PNP電晶體[0041]B2I、 2、B41、B42 =NPN 晶體[0042]Mn、M12、M21 :NM0S電晶體[0043]M31、M32、M33、M41、M42 =NMOS[0044]Roi、尺28、尺29、Rs 電阻R12 R16, R22 R24, R30 R39、R42 R48 電阻C11 C12、C21、C31、C32、C42 電容C01 接地電容IC2 三端元件FmiruVref 頻率設定引腳RT/CT:引腳VGl 第一控制信號VG2 第二控制信號FSl 第一切換信號FS2 第二切換信號F1、F2、F3:頻率Vcc 電壓源VOUT 輸出電壓GND 接地端
具體實施方式
(第一實施例)諧振式電力轉換器(resonant power converter)的電壓增益曲線會隨著負載或 是輸出電壓變化而改變，例如當負載提高時，其最高增益的工作頻率會提高。由於傳統的控 制器所輸出的切換信號頻率會受限於其內部振蕩頻率，且其內部振蕩頻率的設定值通常是 固定的，無法隨著諧振式電力轉換器的輸出調整其輸出頻率的調製範圍。因此，在某些特定 情況下，諧振式電力轉換器會受限於切換信號的工作頻率區間而無法獲得最大的增益。例 如，當諧振式電力轉換器操作在重負載或尖峰負載(peak load)時，其最大增益點的頻率會 提高。因此，本實施例的諧振式電力轉換電路會依照其增益曲線的變化調整其控制器的最 低切換頻率，讓諧振式電力轉換器可以獲得較高的增益以提高其輸出電壓。此外，當反饋失 控(系統發生問題)時，輸出電壓會上升，此時輸出電壓需升高至過電壓保護點才能觸發保 護電壓以關閉電源供應器。因此，當檢測到電壓上升時，控制器的最低切換頻率會對應的降 低以提高諧振式電力轉換器的增益，讓諧振式電力轉換器具有足夠的增益來提高輸出電壓 以觸發保護電路。本實施例的控制器會根據諧振式轉換器的輸出電壓與輸出電流來獲得目前的負 載狀況或是反饋狀況，然後據以調整控制器的最低切換頻率，讓控制器具有較大的頻率切換區間來調製切換信號的頻率，以使得諧振式電力轉換器可以操作在最大增益點以符合系 統需求。由於在本實施例中，控制器的最低切換頻率會依照轉換器的輸出電壓與電流調整， 因此不論系統是操作在尖峰負載(peak load)或反饋失控過電壓的情況下，本實施例的諧 振式電力轉換電路皆可操作在適當的頻率點以獲得所需的電壓增益。請參照圖1，圖1為根據本實用新型第一實施例的諧振式電力轉換電路的功能方 塊圖，諧振式電力轉換電路100包括諧振式轉換單元110、控制單元120、電流檢測單元130、 電壓檢測單元140與頻率調製單元150。控制單元120耦接於諧振式轉換單元110，頻率調 制電路150耦接於控制單元120與電流檢測單元130與電壓檢測單元140。電流檢測單元 130、電壓檢測單元140耦接於諧振式轉換單元110的輸出以檢測諧振式轉換單元110的輸 出電壓與輸出電流。諧振式轉換單元110例如為串聯諧振式電力轉換器(簡稱SRC)或並聯諧振式電 力轉換器(簡稱PRC)或串並聯諧振式電力轉換器(簡稱SPRC，又稱為LCC)，本實施例並不 受限。在本實施例中以半橋式LCC諧振式電力轉換器為例說明，諧振式轉換單元110具有 兩個串聯的功率開關(未繪示)，其功效類似方波產生器。諧振式轉換單元110中的功率 開關會依據控制單元120所輸出的切換信號來進行分別切換(導通與關閉)以產生方波信 號，然後經由諧振電路與變壓器產生輸出電壓V0UT。在操作過程中，諧振式轉換單元110的 增益與切換信號的頻率相關。以半橋式的諧振轉換器而言，控制單元120會輸出兩個反相 以及具有實質上50%的工作周期(duty cycle)的切換信號來控制其開關。如圖1所示，控 制單元120所輸出的切換信號包括第一切換信號FSl與第二切換信號FS2，用以分別控制諧 振式轉換單元110中的開關(例如為功率電晶體)。控制單元120可以經由調整第一切換 信號FSl與第二切換信號FS2的頻率來調整諧振式轉換單元110的增益，進而調整諧振式 轉換單元110的輸出電壓V0UT。此外，諧振式轉換單元110的電路架構也可以是全橋式的電路架構，這樣控制單 元120會輸出四個切換信號以控制諧振式轉換單元110中的功率開關。本實施例中並不限 定諧振式轉換單元110的電路架構，控制單元120可依照其電路架構輸出至少一切換信號 至諧振式轉換單元110，並且可經由調整切換信號的頻率來調整諧振式轉換單元110的增 益以產生所需的輸出電壓。控制單元120的功能就像是信號產生器，可利用例如意法半導體 (STMicroelectronics,ST)公司的高電壓諧振控制晶片(例如型號L6599)來實現，但本實 施例並不受限於此一型號的晶片。一般而言，控制單元所輸出的切換信號的頻率會受限於 晶片內部的振蕩頻率，其切換信號會具有一最小切換頻率的限制。以上述L6599為例，其最 低切換頻率是經由一頻率設定引腳來設定，也就是說，經由此設定引腳可設定第一切換信 號FSl與第二切換信號FS2的最低工作頻率。由於諧振式轉換單元110的增益會隨著第一 切換信號FSl與第二切換信號FS2的切換頻率而變，因此調整控制單元120的最低切換頻 率可以讓諧振式轉換單元110具有更大的增益調製空間以符合設計需求。值得注意的是， 所謂調整最低切換頻率是指調整控制單元120所能輸出的切換信號的頻率下限，而非直接 調整其切換信號的頻率。電流檢測單元130與電壓檢測單元140分別用來檢測諧振式轉換單元110的輸出 電流與輸出電壓。頻率調製單元150會根據諧振式轉換單元110的輸出電流與輸出電壓調整控制單元120的最低切換頻率。以L6599來實現控制單元120為例，頻率調製單元150 可經由調整其Fmin引腳所連接的電阻值來調整控制單元120的最低切換頻率。值得注意 的是，不同的控制晶片具有不同的頻率設定方式，上述L6599僅為本實用新型的一實施例， 本實用新型並不以此為限。在經由上述實施例的說明後，本技術領域具有通常知識者應可 推知其他實施方式，在此不加累述。頻率調製單元150中包括第一調製單元152與第二調製單元154，分別耦接於電流 檢測單元130與電壓檢測單元140。第一調製單元152會根據諧振式轉換單元110的輸出 電流調整控制單元120的最低切換頻率。第二調製單元154會根據諧振式轉換單元110的 輸出電壓調整控制單元120的最低切換頻率。舉例來說，當檢測到諧振式轉換單元110的 輸出電流大於一電流預設值時，表示其操作在重負載下，頻率調製單元150會提高控制單 元120的最低切換頻率；當檢測到諧振式轉換單元110的輸出電壓大於一電壓預設值時則 可能發生反饋失控，此時頻率調製單元150會降低控制單元120的最低切換頻率。通過上 述調整，控制單元120可在尖峰負載或反饋失控時調整切換信號的最低切換頻率，讓諧振 式轉換單元110可以獲得較高的增益以輸出所需的電壓值。請參照圖2A，圖2A為根據本實用新型第一實施例的負載與增益曲線圖。本實施例 以280W的電源供應器為例說明，圖2A繪示的兩條增益曲線分別為280W負載與600W尖峰 負載時的增益曲線。在280W負載的曲線中，其最大增益的頻率為F1，在600W尖峰負載的曲 線中，其最大增益的頻率為F2。由圖2A可知，尖峰負載或重負載時，對應於最大增益點的頻 率會提高，因此當檢測到諧振式轉換單元110的輸出電流大於電流預設值時，第一調製單 元152便會提高控制單元120的最低切換頻率以限制切換信號的最低切換頻率，藉此提高 諧振式轉換單元110的增益，讓諧振式轉換單元110可以維持穩定的輸出。以圖2A為例，第 一調製單元152會提高控制單元120的最低切換頻率至頻率F2以限制控制單元120的最 低切換頻率。如圖2A所示，原始的最低切換頻率設定在頻率F1，當600W尖峰負載發生時， 頻率Fl (27kHz)所對應的增益為0. 83，當第一調製單元152將控制單元120的最低切換頻 率提高至頻率F2 (40kHz)時，則可使增益增加到0. 99。所謂反饋失控表示電源供應器發生異常的問題，例如元件燒毀或故障，此時必須 讓諧振式轉換單元110的輸出電壓可以升高至過電壓保護點以觸發過電壓保護機制來關 閉電源供應器。因此，當電壓檢測單元140檢測到輸出電壓超過電壓預設值時，第二頻率調 制電路154便會降低控制單元120的最低切換頻率，讓諧振式轉換單元110可以獲得較高 的增益以提高其輸出電壓來觸發過電壓保護以關閉電源供應器。請參照圖2B，圖2B為根據 本實用新型第二實施例的增益曲線圖。當原始設定的最低切換頻率限制於頻率Fl (27kHz) 時，電壓增益只能達到1. 07，當第二頻率調製電路154將控制單元120的最低切換頻率降低 至頻率F3(20kHz)時，其電壓增益可達到1. 11，可以確保諧振式轉換單元110的輸出電壓能 達到過電壓保護點。由上述可知，諧振式電力轉換電路100可在尖峰負載或反饋失控時調整諧振式轉 換單元110的輸出增益，讓諧振式轉換單元110可以操作在較高的增益點以輸出所需的電 壓值。上述用以判斷是否發生尖峰負載或反饋失控的預設電流值與預設電壓值可依照設計 需求而定，本實用新型並不受限。在經由上述實施例的說明後，本技術領域具有通常知識者 應可推知其他實施方式，在此不加累述。[0071](第二實施例)接下來，進一步說明諧振式電力轉換電路的電路實施方式，請參照圖3，圖3為根 據本實用新型第二實施例的諧振式電力轉換電路的電路圖。諧振式電力轉換電路300包 括諧振式轉換單元310、控制單元320、電流檢測單元330、電壓檢測單元340與頻率調製單 元350，頻率調製單元350中尚包括第一調製單元352與第二調製單元354。電流檢測單元 330中包括電阻Rs與檢測電路332，電阻Rs串聯耦接於諧振式轉換單元310的輸出，用以將 電流轉換為電壓信號，檢測電路332耦接於電阻Rs的兩端，經由其電壓差檢測諧振式轉換 單元310的輸出電流。檢測電路332可利用電流檢測元件或電壓檢測電路實現，本實施例 並不受限。電壓檢測單元340包括電阻R28與R29以及三端元件IC2,電阻R28與R29串聯耦 接於諧振式轉換單元310的輸出與接地端GND之間，三端元件IC2耦接於第二調製單元354 與接地端GND之間，三端元件IC2的參考端耦接於電阻R28與R29的共用接點。其中，三端元件IC2例如為德州儀器(Texas Instruments, Tl)所出產的 TL431 (voltage regulator)，三端元件IC2的參考端(REF)耦接於電阻R28與R29的共用接 點，三端元件1(2的陽極端(ANODE)耦接於接地端GND，三端元件IC2的陰極端(CATHODE)耦 接於NPN電晶體B21的基極。三端元件IC2會依照參考端(REF)的電壓調整陰極端的輸出 電壓。關於TL431的應用方式請參考其規格書，在此不加累述。控制單元320具有頻率設定引腳Fmin，電阻Rtll耦接於頻率設定引腳Fmin與接地 端GND之間，控制單元320的振蕩頻率可由頻率設定引腳Fmin所耦接的電阻值來決定。在 本實施例中，頻率調製單元350包括電阻Rtll、第一調製單元352與第二調製單元354，電阻 R01耦接於控制單元320的頻率設定引腳Fmin與接地端GND之間。第一調製單元352與第 二調製單元354同樣耦接於頻率設定引腳Fmin，可以選擇性分別控制是否並聯一電阻(在 本實施例中，被控制的電阻分別為電阻R15與電阻R23)至電阻Rtll以調整頻率設定引腳Fmin 所連接的電阻值，藉此調整控制單元320的最低切換頻率。第一調製單元352包括電阻R12 R16、電容C11 C12、PNP電晶體B11與 NMOS電晶體Mn、M12，其中PNP電晶體為PNP雙極接面電晶體(PNPbipolar junction transistor)的簡稱，NMOS電晶體為N通道金屬氧化物半導體場效應電晶體(N channel metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)白勺■禾爾。PNP !^.iW B11 白勺身寸豐及 耦接於電壓源電阻R12耦接於PNP電晶體B11的射極與PNP電晶體B11的基極之間。電 阻R13的一端耦接於PNP電晶體B11的基極。NMOS電晶體M11的漏極耦接於電阻R13的另一 端。NMOS電晶體M11的源極耦接於接地端GND。NMOS電晶體M11的柵極耦接於電流檢測單 元330中的檢測電路332。電容C11耦接於NMOS電晶體M11的柵極與接地端GND之間，電阻R14耦接於NMOS晶 體管M11的柵極與接地端GND之間。電阻R15的一端耦接於控制單元320的頻率設定引腳 Fmin0 NMOS電晶體M12的漏極耦接於電阻R15的另一端，其源極耦接於接地端GND，其柵極耦 接於PNP電晶體B11的集極。電容C12耦接於NMOS電晶體M12的柵極與接地端GND之間。電 阻R16耦接於NMOS電晶體M12的柵極與接地端GND之間。在正常狀況下，NMOS電晶體M12是處於關閉的狀態，當檢測電路332檢測到諧振式 轉換單元310的輸出電流大於電流預設值時(表示處於尖峰負載或重負載)，檢測電路332 會導通NMOS電晶體M11,此時第一調製單元352會產生高電位的第一控制信號VGl以導通
12NMOS電晶體M12，使得電阻R15與電阻Rtll並聯，讓頻率設定引腳Fmin所連接的阻抗值降低。 藉此，提高控制單元320的最低切換頻率，如同圖2A所示。第二調製單元354包括電阻R22 R24、電容C21、NPN電晶體B21與匪OS電晶體M21， 其中NPN電晶體為NPN雙極接面電晶體(NPN bipolar junctiontransistor)的簡稱。NPN 電晶體B21的集極耦接於電壓源Vrc，NPN電晶體B21的基極耦接於電壓檢測單元340的三端 元件IC2。電阻R22耦接於NPN電晶體B21的集極與NPN電晶體B21的基極之間。電阻R23的 一端耦接於控制單元320的頻率設定引腳Fmin，NM0S電晶體M21的漏極耦接於電阻R23的另 一端，其源極耦接於接地端GND，其柵極耦接於NPN電晶體B21的射極。電容C21耦接於NMOS 電晶體M21的柵極與接地端GND之間。電阻R24耦接於NMOS電晶體M21的柵極與接地端GND 之間。在正常操作下，NMOS電晶體M21是處於導通的狀態，電阻R23可視為與電阻Rtll並聯。 當電壓檢測單元340檢測到諧振轉換單元310的輸出電壓大於電壓預設值時，電壓檢測單 元340會關閉NPN電晶體B21，使得第二調製單元354所輸出的第二控制信號VG2轉換為低 電位。此時，第二調製單元354會關閉NMOS電晶體M21以使電阻R23不與電阻Rtll並聯(即 是讓電阻R23浮接)。因此，控制單元320的頻率設定引腳Fmin所耦接的電阻值會提高，使 得控制單元320的最低切換頻率下降。如圖2B所示，較低的最低切換頻率可以讓諧振式轉 換單元310獲得較高的增益。(第三實施例)上述圖3僅為本實用新型的一實施例，其中頻率調製單元也可以用其他電路實施 以適用於不同規格的諧振控制晶片(resonant controller)，在本實施例中，控制單元320 以Champion-mirco出產的CM6901晶片為例說明。請參照圖4，圖4為根據本實用新型第三 實施例的諧振式電力轉換電路400的電路圖。圖4與圖3主要差異在於頻率調製單元450， 在圖4中，頻率調製單元450包括電阻Rtll、接地電容Ctll、第一調製單元452與第二調製單元 454。電阻Rtll與接地電容Ctll串聯耦接於控制單元320的頻率設定引腳Vref與接地端GND 之間，電阻Rtll與接地電容Ctll的共用接點耦接於控制單元320的另一引腳RT/CT。更詳細 的說，CM6901的頻率設定引腳為第16號引腳(Pin number 16，Vref)，所以電阻Rtll會耦接 於晶片的第16號引腳(Pin number 16，Vref)與第9號引腳(Pin number 9,RT/CT)之間， 接地電容Ctll耦接於第9號引腳(Pin number 9，RT/CT)與接地端GND之間。關於CM6901 晶片的電路設計方式請參考CM6901的元件規格書，在此不加累述。第一調製單元452包括電阻R3tl R39、電容C31、C32> PNP電晶體B31與NPN電晶體 B32與NMOS電晶體M31、M32、M33。PNP電晶體B31的射極耦接於電壓源Ncc。電阻R32耦接於PNP 電晶體B31的射極與其基極之間。電阻R33耦接於PNP電晶體B31的基極與NMOS電晶體M31 的漏極之間。NMOS電晶體M31的源極耦接於接地端GND，其柵極耦接於電流檢測單元330。 電容C31耦接於NMOS電晶體M31的柵極與接地端GND之間，電阻R34耦接於NMOS的柵極M31 與接地端GND之間。電阻R35耦接於控制單元320的頻率設定引腳Vref與NMOS電晶體M32 的漏極之間，NMOS電晶體M32的源極耦接於電阻Rtll與接地電容Ctll的共用接點，NMOS晶體 管M32的柵極則耦接於PNP電晶體B31的集極。電阻R36耦接於PNP電晶體B31的集極與電阻R37之間，電阻R37的另一端耦接於接 地端GND。NPN電晶體B32的基極耦接於電阻R36與電阻R37的共用接點，NPN電晶體B32的射極耦接於接地端GND。電阻R38與電阻R39串聯耦接於PNP電晶體B31的集極與接地端GND 之間，其共用接點則耦接於NPN電晶體B32的集極。電容C32耦接於NPN電晶體B32的集極與 接地端GND之間。電阻R3tl的一端耦接於PNP電晶體B31的集極，另一端耦接於NMOS電晶體 M33的漏極，NMOS電晶體M33的源極耦接於接地端GND，NM0S電晶體M33的柵極耦接於NPN晶 體管B32的集極。如同圖3 —樣，在正常狀況下，NMOS電晶體M32是處於關閉的狀態，當檢測電路332 檢測到諧振式轉換單元310的輸出電流大於電流預設值時(表示處於尖峰負載或重負載)， 檢測電路332會導通NMOS電晶體M31，此時第一調製單元452會產生高電位的第一控制信 號VGl以導通NMOS電晶體M32，使得電阻R35與電阻Rtll並聯。頻率設定引腳Vref所連接的 阻抗值會因為電阻R35與電阻Rtll並聯而降低。藉此，提高控制單元320的最低切換頻率，讓 諧振式轉換單元310可以產生較高的增益，如同圖2A所示。第二調製單元454包括電阻R42 R48、電容C42、NPN電晶體B41、B42與匪OS電晶體 M41、M42。NPN電晶體B41的集極耦接於電壓源Vee，其基極耦接於電壓檢測單元340。電阻R42 耦接於NPN電晶體B41的集極與基極之間。電阻R43耦接於控制單元320的頻率設定引腳 Vref與NMOS電晶體M41的漏極之間。NMOS電晶體M41的源極耦接於接地端GND，其柵極耦 接於NPN電晶體B41的射極。電阻R44與電阻R45串聯耦接於NPN電晶體B41的射極與接地 端GND之間，其共用接點耦接於NPN電晶體B42的基極，NPN電晶體B42的射極耦接於接地端 GND。電阻R46耦接於NPN電晶體B41的集極與NPN電晶體B42的集極之間。電阻R47耦接於 NPN電晶體B42的集極與接地端GND之間。電容C42耦接於NPN電晶體B42的集極與接地端 GND之間。電阻R48的一端耦接於NPN電晶體B41的射極，另一端耦接於NMOS電晶體M42的 漏極。NMOS電晶體M42的源極耦接於接地端GND，NMOS電晶體M42的柵極耦接於NPN電晶體 B42的集極。在正常操作下，NMOS電晶體M41是處於導通的狀態，電阻R43可視為與電阻Rtll並聯。 當電壓檢測單元340檢測到諧振轉換單元310的輸出電壓大於電壓預設值時，電壓檢測單 元340會關閉NPN電晶體B41，使得第二調製單元454所輸出的第二控制信號VG2轉換為低 電位。此時，第二調製單元454會關閉NMOS電晶體M41，使得電阻R43不與電阻Rtll並聯。此 時，控制單元320的頻率設定引腳Vref所耦接的電阻值會提高，使得控制單元320的最低 切換頻率下降。如圖2B所示，較低的最低切換頻率可以讓諧振式轉換單元310獲得較高的 增 ο圖4中的其餘電路架構與圖3相似，其電路原理也相似，因此本技術領域具有通常 知識者在經由上述實施例的公開後應可輕易推知其電路作動方式，在此不加累述。此外，雖 然圖3與圖4是以不同的晶片為例說明，但其頻率調製單元350、450的電路架構可依照芯 片規格調整或調換使用，本實用新型並不受限。在經由上述實施例的說明後，本技術領域具 有通常知識者應可推知其他實施與應用方式，在此不加累述。此外，值得注意的是，上述圖 3與圖4僅為本實用新型的實施範例，但本實用新型的實施電路並不以此為限，上述圖1中 的各元件可依照其功能以不同的電路實施。在經由上述實施例的說明後，本技術領域具有 通常知識者應可推知其他實施方式，在此不加累述。(第四實施例)在上述圖1中，其最低切換頻率的調整可分為根據輸出電流調整或根據輸出電壓
14調整兩種方式，其中負責根據輸出電流調整最低切換頻率的部分電路為第一調製單元152 與電流檢測單元130，而負責根據輸出電壓調整最低切換頻率的部分電路為第二調製單元 154與電壓檢測單元140。由於第一調製單元152與第二調製單元154皆具有調整控制單 元120的最低切換頻率的功能，因此電壓檢測與電流檢測兩部分的電路可獨立運作或是整 合在同一個諧振式電力轉換電路中。如圖5與圖6所示，圖5為根據本實用新型第四實施例的適用於電流檢測的諧振 式電力轉換電路的功能方塊圖。圖6為根據本實用新型第四實施例的適用於電壓檢測的諧 振式電力轉換電路的功能方塊圖。在圖5中，諧振式電力轉換電路500包括諧振式轉換單 元110、控制單元120、電流檢測單元130與第一調製單元152。其中，在圖5實施例中的頻 率調製單元僅包括第一調製單元152。控制單元120耦接於諧振式轉換單元110，第一調製 單元152耦接於控制單元120與電流檢測單元130。電流檢測單元130耦接於諧振式轉換 單元110的輸出以檢測諧振式轉換單元110的輸出電流。當檢測到諧振式轉換單元110的 輸出電流大於電流預設值時，第一調製單元152會提高控制單元120的最低切換頻率以讓 諧振式轉換單元110具有較高的增益。圖5中的個別元件的作動與其操作方式可參照圖1 的說明，而其電路實施方式請參照上述圖3與圖4的描述，在此不加累述。在圖6中，諧振式電力轉換電路600包括諧振式轉換單元110、控制單元120、電流 檢測單元130與第二調製單元154。其中，在圖6實施例中的頻率調製單元僅包括第二調製 單元154。第二調製單元154耦接於控制單元120與電壓檢測單元140。當檢測到諧振式 轉換單元110的輸出電壓大於電壓預設值時，第二調製單元154會降低控制單元120的最 低切換頻率以讓諧振式轉換單元110具有較高的增益。圖6中的個別元件的作動與其操作 方式可參照圖1的說明，而其電路實施方式請參照上述圖3與圖4的描述，在此不加累述。值得注意的是，控制單元120可使用不同的晶片或電路來實施，不同的晶片與電 路具有不同的頻率調整方式，本實用新型並不受限於上述圖1 圖6的實施方式。第一調 制單元152與第二調製單元154主要的功能是用來調整控制單元120的最低切換頻率，其 電路可依照不同的控制單元120而變。在經由上述實施例的說明後，本技術領域具有通常 知識者應可推知其他實施方式，在此不加累述。綜上所述，本實用新型的諧振式電力轉換電路具有依照諧振式轉換單元的輸出電 流或輸出電壓動態調整控制單元的最低切換頻率的功能。本實用新型的諧振式電力轉換電 路可因應轉換器在不同負載下的增益曲線變化即時調整控制器的最低切換頻率，讓諧振式 轉換單元可以得到較佳的增益以符合系統需求。藉此提高電源供應器的穩定性與過電壓保 護效果。雖然本實用新型的優選實施例已公開如上，然本實用新型並不受限於上述實施 例，本領域技術人員，在不脫離本實用新型所公開的範圍內，當可作些許的更動與調整，因 此本實用新型的保護範圍應當以所附權利要求書所界定者為準。
權利要求一種諧振式電力轉換電路，其特徵在於，該諧振式電力轉換電路包括一諧振式轉換單元；一控制單元，耦接於該諧振式轉換單元，用以輸出至少一第一切換信號至該諧振式轉換單元以調整該諧振式轉換單元的一輸出電壓，其中該控制單元具有一最低切換頻率以限制該第一切換信號的頻率；一電流檢測單元，耦接於該諧振式轉換單元的輸出以檢測該諧振式轉換單元的一輸出電流；一電壓檢測單元，耦接於該諧振式轉換單元的輸出以檢測該諧振式轉換單元的該輸出電壓；以及一頻率調製單元，耦接於該電流檢測電路與該電壓檢測電路與該控制單元，該頻率調製單元根據該輸出電流與該輸出電壓調整該控制單元的該最低切換頻率。
2.如權利要求1所述的諧振式電力轉換電路，其特徵在於，該頻率調製單元包括 一第一電阻，耦接於該控制單元的一頻率設定引腳與一接地端之間；一第一調製單元，耦接於該電流檢測單元與該控制單元的該頻率設定引腳；以及 一第二調製單元，耦接於該電壓檢測單元與該控制單元的該頻率設定引腳。
3.如權利要求2所述的諧振式電力轉換電路，其特徵在於，該第一調製單元包括 一 PNP電晶體，該PNP電晶體的射極耦接於一電壓源；一第二電阻，耦接於該PNP電晶體的射極與該PNP電晶體的基極之間； 一第三電阻，該第三電阻的一端耦接於該PNP電晶體的基極； 一第一 NMOS電晶體，該第一 NMOS電晶體的漏極耦接於該第三電阻的另一端，該第一 NMOS電晶體的源極耦接於該接地端，該第一 NMOS電晶體的柵極耦接於該電流檢測單元； 一第一電容，耦接於該第一 NMOS電晶體的柵極與該接地端之間； 一第四電阻，耦接於該第一 NMOS的柵極與該接地端之間； 一第五電阻，該第五電阻的一端耦接於該控制單元的該頻率設定引腳； 一第二 NMOS電晶體，該第二 NMOS電晶體的漏極耦接於該第五電阻的另一端，該第二 NMOS電晶體的源極耦接於該接地端，該第二 NMOS電晶體的柵極耦接於該第一 PNP電晶體的 集極；一第二電容，耦接於該第二 NMOS電晶體的柵極與該接地端之間；以及 一第六電阻，耦接於該第二 NMOS電晶體的柵極與該接地端之間。
4.如權利要求2所述的諧振式電力轉換電路，其特徵在於，該第二調製單元包括一 NPN電晶體，該NPN電晶體的集極耦接於一電壓源，該NPN電晶體的基極耦接於該電 壓檢測單元；一第二電阻，耦接於該NPN電晶體的集極與該NPN電晶體的基極之間； 一第三電阻，該第三電阻的一端耦接於該控制單元的該頻率設定引腳； 一第一 NMOS電晶體，該第一 NMOS電晶體的漏極耦接於該第三電阻的另一端，該第一 NMOS電晶體的源極耦接於該接地端，該第一 NMOS電晶體的柵極耦接於該NPN電晶體的射 極；一第一電容，耦接於該第一 NMOS電晶體的柵極與該接地端之間；以及 一第四電阻，耦接於該第一 NMOS電晶體的柵極與該接地端之間。
5.如權利要求1所述的諧振式電力轉換電路，其特徵在於，該頻率調製單元包括 一第一電阻，該第一電阻的一第一端耦接於該控制單元的一頻率設定引腳； 一接地電容，耦接於該第一電阻的一第二端與一接地端之間；一第一調製單元，耦接於該電流檢測單元與該控制單元的該頻率設定引腳；以及 一第二調製單元，耦接於該電壓檢測單元與該控制單元的該頻率設定引腳。
6.如權利要求5所述的諧振式電力轉換電路，其特徵在於，該第一調製單元包括 一 PNP電晶體，該PNP電晶體的射極耦接於一電壓源；一第二電阻，耦接於該PNP電晶體的射極與該PNP電晶體的基極之間； 一第三電阻，該第三電阻的一端耦接於該PNP電晶體的基極； 一第一 NMOS電晶體，該第一 NMOS電晶體的漏極耦接於該第三電阻的另一端，該第一 NMOS電晶體的源極耦接於該接地端，該第一 NMOS電晶體的柵極耦接於該電流檢測單元； 一第一電容，耦接於該第一 NMOS電晶體的柵極與該接地端之間； 一第四電阻，耦接於該第一 NMOS的柵極與該接地端之間； 一第五電阻，該第五電阻的一端耦接於該控制單元的該頻率設定引腳； 一第二 NMOS電晶體，該第二 NMOS電晶體的漏極耦接於該第五電阻的另一端，該第二 NMOS電晶體的源極耦接於該第一電阻的該第二端，該第二NMOS電晶體的柵極耦接於該PNP 電晶體的集極；一第六電阻，該第六電阻的一第一端耦接於該PNP電晶體的集極； 一第七電阻，耦接於該第六電阻的一第二端與該接地端之間； 一 NPN電晶體，該NPN電晶體的基極耦接於該第六電阻的該第二端，該NPN電晶體的射 極耦接於該接地端；一第八電阻，耦接於該PNP電晶體的射極與該NPN電晶體的集極之間； 一第九電阻，耦接於該NPN電晶體的集極與該接地端之間； 一第二電容，耦接於該NPN電晶體的集極與該接地端之間； 一第十電阻，該第十電阻的一端耦接於該PNP電晶體的集極；以及 一第三NMOS電晶體，該第三NMOS電晶體的漏極耦接於該第十電阻的另一端，該第三 NMOS電晶體的源極耦接於該接地端，該第三NMOS電晶體的柵極耦接於該NPN電晶體的集 極。
7.如權利要求5所述的諧振式電力轉換電路，其特徵在於，該第二調製單元包括 一第一 NPN電晶體，該第一 NPN電晶體的集極耦接於一電壓源，該第一 NPN電晶體的基極耦接於該電壓檢測單元；一第二電阻，耦接於該第一 NPN電晶體的集極與該第一 NPN電晶體的基極之間； 一第三電阻，該第三電阻的一端耦接於該控制單元的該頻率設定引腳； 一第一 NMOS電晶體，該第一 NMOS電晶體的漏極耦接於該第三電阻的另一端，該第一 NMOS電晶體的源極耦接於該接地端，該第一 NMOS電晶體的柵極耦接於該第一 NPN電晶體的 射極；一第四電阻，該第四電阻的一第一端耦接於該第一 NPN電晶體的射極；一第五電阻，耦接於該第四電阻的一第二端與該接地端之間；一第二 NPN電晶體，該第二 NPN電晶體的基極耦接於該第四電阻的該第二端，該第二NPN電晶體的射極耦接於該接地端；一第六電阻，耦接於該第一 NPN電晶體的集極與該第二 NPN電晶體的集極之間； 一第七電阻，耦接於該第二 NPN電晶體的集極與該接地端之間； 一第二電容，耦接於該第二 NPN電晶體的集極與該接地端之間； 一第八電阻，該第八電阻的一端耦接於該第一 NPN電晶體的射極；以及 一第二 NMOS電晶體，該第二 NMOS電晶體的漏極耦接於該第八電阻的另一端，該第二 NMOS電晶體的源極耦接於該接地端，該第二 NMOS電晶體的柵極耦接於該第二 NPN電晶體的 集極。
8.如權利要求1所述的諧振式電力轉換電路，其特徵在於，該電流檢測單元包括 一電阻，串聯耦接於該諧振式轉換單元的輸出；以及一檢測電路，耦接於該電阻的兩端以檢測該諧振式轉換單元的該輸出電流。
9.如權利要求1所述的諧振式電力轉換電路，其特徵在於，該電壓檢測單元包括 一第一電阻，該第一電阻的一第一端耦接於該諧振式轉換單元的輸出；一第二電阻，耦接於該第一電阻的一第二端與一接地端之間；以及 一三端元件，該三端元件的一第一端耦接於該頻率調製單元，該三端元件的一第二端 耦接於該接地端，該三端元件的一參考端耦接於該第一電阻的該第二端。
10.如權利要求1所述的諧振式電力轉換電路，其特徵在於，該諧振式轉換單元為一 LLC諧振式轉換器。
11.一種諧振式電力轉換電路，其特徵在於，該諧振式電力轉換電路包括 一諧振式轉換單元；一控制單元，耦接於該諧振式轉換單元，用以輸出至少一第一切換信號至該諧振式轉 換單元以調整該諧振式轉換單元的一輸出電壓，其中該控制單元具有一最低切換頻率以限 制該第一切換信號的頻率；一電流檢測單元，耦接於該諧振式轉換單元的輸出以檢測該諧振式轉換單元的一輸出 電流；以及一頻率調製單元，耦接於該電流檢測電路與該控制單元，該頻率調製單元根據該輸出 電流調整該控制單元的該最低切換頻率。
12.—種諧振式電力轉換電路，其特徵在於，該諧振式電力轉換電路包括 一諧振式轉換單元；一控制單元，耦接於該諧振式轉換單元，用以輸出一第一切換信號至該諧振式轉換單 元以調整該諧振式轉換單元的一輸出電壓，其中該控制單元具有一最低切換頻率以限制該 第一切換信號的頻率；一電壓檢測單元，耦接於該諧振式轉換單元的輸出以檢測該諧振式轉換單元的一輸出 電壓；以及一頻率調製單元，耦接於該電流檢測電路與該電壓檢測電路與該控制單元，該頻率調 制單元根據該輸出電流與該輸出電壓調整該控制單元的該最低切換頻率。
專利摘要一種諧振式電力轉換電路，包括一諧振式轉換單元、一控制單元、一電流檢測單元、一電壓檢測單元與一頻率調製單元。控制單元輸出切換信號至諧振式轉換單元以調整其輸出，而電流與電壓檢測單元用來檢測諧振式轉換單元的輸出電流與輸出電壓。頻率調製單元會根據所檢測到的輸出電流與輸出電壓調整控制單元的最低切換頻率，藉此提高諧振式轉換單元的增益與增加其輸出的穩定度。
文檔編號H02M3/156GK201726316SQ201020220150
公開日2011年1月26日 申請日期2010年6月9日 優先權日2010年6月9日
發明者關曄, 陳志泰 申請人:旭麗電子(廣州)有限公司;光寶科技股份有限公司