CN100388605C - 一种多次采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一多次采样装置，用以测量变压器的反射电压与放电时间，通过交替地采样变压器的反射电压，该采样电路用以产生维持电压。缓冲放大器连接到该维持电压，取该维持电压的较高电压来产生缓冲电压。一开关周期性地采样该缓冲电压，用来产生电压反馈信号。该电压反馈信号因而正比例于该变压器的输出电压。一临界信号加上该反射电压后产生电平位移信号。当该切换信号为停用状态时，产生放电时间信号。一旦该电平位移信号低于该电压反馈信号，该放电时间信号为停用状态。该放电时间信号的脉冲宽度因而与该变压器的该放电时间成正比例的关系。在该放电时间信号的启用周期的这段时间，该采样信号仅为启用状态，用来产生该维持电压。

Description

一种多次采样装置

技术领域

本发明涉及一种电源供应器的控制电路，特别是涉及切换模式电源供应器的切换式控制器。

背景技术

各种的电源供应器已经广泛地使用来提供稳定调整的输出电压。基于安全规范(safety)的考虑，一离线式(off-line)电源供应器介于一次侧与二次侧之间必须提供电气的隔离。一光耦合器与二次侧稳定调整器必须用来稳定调整离线式电源供应器的输出电压。为了节省零件数目与去除二次侧反馈电路的需求，一次侧控制技术已经提供，例如1981年11月24日公告的美国专利US 4,302,803号。

发明内容

本发明的主要目的是提供一精确的采样装置于一电源供应器的切换式控制器中，用来测量一变压器的电压信号与放电时间，在变压器一次侧端没有光耦合器与二次侧稳定调整器的需求下，用以控制电源供应器的输出电压与输出电流。此外，变压器的放电时间对于准共振(quasi-resonant)电源供应器是很重要的信号，用来与波谷电压(valley voltage)同步，并且达成柔性切换(softswitching)。

本发明的一种多次采样装置，使用于电源供应器的切换式控制器中，连接该变压器的辅助绕组、一脉宽调制与消隐单元及一振荡单元。该多次采样装置包括有一时间延迟单元，连接于该脉宽调制与消隐单元，接收该脉宽调制与消隐单元输出的切换信号，并于该切换信号停止时产生一延迟时间信号，同时切换信号经过内部一反相器输出一反相切换信号。一信号产生单元，连接于该时间延迟单元，接收该延迟时间信号与该反相切换信号，同时通过一分压电阻器连接于该变压器的辅助绕组以取得辅助绕组上的反射电压信号，用以输出一放电时间信号、一第一采样信号与一第二采样信号。一采样单元，连接于该分压电阻器、该振荡单元、该脉宽调制与消隐单元及该信号产生单元，接收该第一采样信号、该第二采样信号、该反射电压信号、该振荡单元输出的一脉冲信号及该脉宽调制与消隐单元输出的一清除信号，用以输出一电压反馈信号。藉此，该采样单元根据该第一采样信号与该第二采样信号的控制可以交替地进行采样该反射电压信号，并输出该电压反馈信号。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为现有切换式电源电路示意图；

图2A为该切换式电源电路的功率开关操作于导通模式的示意图；

图2B为该切换式电源电路的功率开关操作于截止模式的示意图；

图2C为该切换式电源电路的功率开关操作于截止模式的示意图；

图3为切换式电源电路的各点信号波形示意图；

图4为本发明的控制电路方块示意图；

图5为本发明使用的多次采样装置电路示意图；

图6为本发明多次采样装置的主要波形示意图；

图7为本发明脉宽调制与消隐单元电路示意图；及

图8为本发明振荡器的电路示意图。

其中，附图标记：

10   变压器      20  晶体管

40   整流器      45  直流稳压电容

51   电阻        52  电阻

100  采样单元

110  电容        111  电容

115  电容        121  开关

122  开关        123  开关

124  开关        125  开关

130  二极管      131  二极管

135  电流源              150  运算放大器

151  运算放大器          155  比较器

156  临界信号            161  反相器

162  反相器              163  NAND门

164  AND门               165  AND门

166  AND门               170  D型触发器

171  D型触发器           180  电流源

181  晶体管              182  电容

190  采样脉冲发生器      200  信号产生单元

201  运算放大器          205  比较器

210  电阻                215  电容

230  开关                231  开关

232  开关                233  开关

250  晶体管              251  晶体管

252  晶体管              253  晶体管

254  晶体管              255  晶体管

260  反相器              300  时间延迟单元

500  脉宽调制与消隐单元

511  NAND门              512  反相器

513  电压回路误差放大器  515  D型触发器

518  反相器              519  AND门

520  消隐电路            521  反相器

522  反相器              523  NAND门

525  电流源              526  晶体管

527  电容                600  振荡单元

700  多次采样装置

具体实施方式

图1所示为现有切换式电源电路示意图，该切换式电源电路包含一变压器10。该变压器10具有辅助绕组N_A、一次侧绕组N_P与二次侧绕组N_S。该一次侧绕组N_P连接到一输入电压V_IN。电阻51与电阻52形成一分压电阻器，该分压电阻器连接到辅助绕组N_A，该辅助绕组N_A产生一电压信号V_AUX，该电压信号V_AUX经过分压后得到反射电压信号V_DET。为了稳定调整该切换式电源电路的输出电压V_O与输出电流I_O，一切换式控制器输出一切换信号V_PWM，用来控制功率开关20，该功率开关20为晶体管20，用以切换变压器10。

配合图1，图2A所示为该切换式电源电路的功率开关操作于导通模式的示意图。当切换信号V_PWM为高电平时，控制该晶体管20导通，于是在变压器一次侧产生一次侧切换电流I_P并储存能量于变压器10中，此时，该切换式电源电路的各点信号的波形显示于图3的时间T₁这段区间。上述说明中，该一次侧切换电流I_P的峰值电流I_P1可由式子(1)表示：

$I_{P1}=\frac{V_{\mathrm{IN}}}{L_P}\×T_{\mathrm{ON}}---\left(1\right)$

在上面式子(1)中，L_P为变压器10的一次侧绕组N_P的电感值；T_ON为切换信号V_PWM的导通时间。

再配合图1，请参考图2B，一旦切换信号V_PWM转变为低电平，此时储存于变压器10的能量将会被传送到变压器10的二次侧，并且通过整流器40到切换式电源电路的输出端V_O，于是产生二次侧切换电流I_S。再者，在变压器10的辅助绕组N_A上会同时产生电压信号V_AUX，此时，该切换式电源电路的各点信号的波形显示于图3的时间T2这段区间，该二次侧切换电流IS的峰值电流I_S1可由式子(2)表示：

$I_{S1}=\frac{(V_O+V_F)}{L_S}\×T_{\mathrm{DS}}---\left(2\right)$

在上面式子(2)中，V_O为电源供应器的输出电压；V_F为整流器40的顺向压降；L_S为变压器10的二次侧绕组N_S的电感值；T_DS为变压器10的放电时间，也可以表示为二次侧切换电流I_S的放电时间。

该电压信号V_AUX1可由式子(3)表示：

$V_{\mathrm{AUX}1}=\frac{T_{\mathrm{NA}}}{T_{\mathrm{NS}}}\×(V_O+V_F)---\left(3\right)$

同时，储存于变压器10的能量会同时传送到晶体管20的寄生电容C_J，并对该寄生电容C_J进行充电使其两端产生电压V_DS，该电压V_DS值可由式子(4)取得：

$V_{\mathrm{DS}}=V_{\mathrm{IN}}+[\frac{T_{\mathrm{NP}}}{T_{\mathrm{NS}}}\×(V_O+V_F)]---\left(4\right)$

上述式子(4)中，T_NA、T_NP与T_NS分别为变压器10的辅助绕组N_A、一次侧绕组NP与二次侧绕组N_S的绕组匝数。

再配合图1，请参考图2C，一旦变压器10内储存的能量完全地释放出来后，二次侧切换电流I_S会下降到零安培。此时，电压V_DS会高于输入电压V_IN，电压V_DS将开始对输入电压V_IN进行反回充电，此时，该切换式电源电路的各点信号的波形显示于图3的时间T₃这段区间。在时间T₃中的一个T_Q周期的这段期间，电压V_DS将下降到一波谷电压。由共振频率f_R决定电压V_DS下降的回转率(slew rate)。该共振频率f_R与该T_Q周期可由式子(5)、(6)得到。

$f_R=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_P\×C_J}}---\left(5\right)$

$T_Q=\frac{1}{(4\×f_R)}$

$T_Q=\frac{\mathrm{\π}\sqrt{L_P\×C_J}}{2}---\left(6\right)$

其中C_J为晶体管20的寄生电容值。

当电压V_DS开始下降，电压信号V_AUX将开始减少。此时，电压信号V_AUX与电压V_DS成正比例的关系，其关系如下面式子(7)所示：

$V_{\mathrm{AUX}}=\frac{T_{\mathrm{NA}}}{T_{\mathrm{NP}}}\×(V_{\mathrm{DS}}\·V_{\mathrm{IN}})---\left(7\right)$

由切换信号V_PWM的下降边缘(falling edge)到电压信号V_AUX的转角处(corner)可以测量到方程式(2)的放电时间T_DS。参考图1，电阻51与52形成电阻分压器，两个电阻连接于变压器10的辅助绕组N_A与接地之间。反射电压信号V_DET可以表示成式子(8)：

$V_{\mathrm{DET}}=\frac{R_{52}}{R_{51}+R_{52}}\×V_{\mathrm{AUX}}---\left(8\right)$

其中R₅₁与R₅₂为电阻51与52的电阻值。

图4所示为根据本发明的控制电路方块图。本发明一种多次采样装置700，使用于电源供应器的切换式控制器中，连接该变压器10的辅助绕组N_A、一脉宽调制与消隐单元500及一振荡单元600。该多次采样装置700包括有一时间延迟单元300、一信号产生单元200及一采样单元100。

再参考图4，该时间延迟单元300连接于该脉宽调制与消隐单元500，接收该脉宽调制与消隐单元500输出的一切换信号V_PWM，并于该切换信号V_PWM停止时输出一延迟时间信号V_DL，同时经过内部一反相器输出一反相切换信号/V_PWM。该信号产生单元200，连接于该时间延迟单元300，接收该延迟时间信号V_DL与该反相切换信号/V_PWM，同时通过一分压电阻器连接于该变压器的辅助绕组以取得该反射电压信号V_DET，用以输出一放电时间信号S_DS、一第一采样信号V_SP1与一第二采样信号V_SP2。一采样单元100，连接于该振荡单元600、该脉宽调制与消隐单元500及该信号产生单元200，接收该第一采样信号V_SP1、该第二采样信号V_SP2、该反射电压信号V_DET、该振荡单元600输出的一脉冲信号PLS及该脉宽调制与消隐单元500输出的一清除信号CLR，用以输出一电压反馈信号V_V。该采样单元100根据该第一采样信号V_SP1与该第二采样信号V_SP2的控制用以交替地进行采样该反射电压信号V_DET，并输出该电压反馈信号V_V。

本发明的主要目的是提供一精确的采样装置，用来测量电源供应器中的变压器的电压信号与放电时间，在变压器一次侧端没有光耦合器与二次侧稳定调整器的需求下，用以控制电源供应器的输出电压与输出电流。

结合图1，请参考图5为本发明使用的多次采样装置电路示意图，通过多次采样该反射电压信号V_DET，用以产生电压反馈信号Vv与放电时间信号S_DS。电压反馈信号Vv精确地正比于输出电压V_O。放电时间信号S_DS表示二次侧切换电流I_S的放电时间T_DS。在二次侧切换电流I_S被放电到零之前，电压立即被采样与测量。因此，二次侧切换电流I_S的改变并不会影响整流器40顺向压降V_F的数值。

信号产生单元200中包含一第一信号发生器、一第二信号发生器、一临界信号156与一采样脉冲发生器190，该采样脉冲发生器190产生一采样脉冲信号用以进行多次采样的动作。一临界信号156加上反射电压信号V_DET产生一电平位移反射信号。该第一信号发生器包含D型触发器171、两个AND门165与166，用以产生第一采样信号V_SP1与第二采样信号V_SP2。该第二信号发生器包含D型触发器170、NAND门163、AND门164与比较器155，用以产生放电时间信号S_DS。

再参考图5，同时配合图6，时间延迟单元300包含反相器161、反相器162、电流源180、晶体管181与电容182，当切换信号V_PWM停用时，产生一延迟时间Td。反相器161的输入端由切换信号V_PWM所提供，该反相器161的输出端连接到该反相器162的输入端，同时也连接到AND门164的第一端与D型触发器170的频率端。反相器162的输出端可导通或截止晶体管181。电容182与晶体管181并联连接，电流源180对电容182充电。

因此，电流源180的电流与电容182的电容值决定时间延迟电路的延迟时间Td。电容182还输出该延迟时间信号V_DL。

D型触发器170的输出端连接于AND门164的第二端，AND门164输出放电时间信号S_DS。当切换信号V_PWM停用时，放电时间信号S_DS就为启用。NAND门163的输出端连接到D型触发器170的复位端，NAND门163的第一输入端连接到电容182以接收该延迟时间信号V_DL。NAND门163的第二输入端连接到比较器155的输出端。比较器155的负端输入由电平位移反射信号所提供。比较器155的正端输入由采样单元100输出的电压反馈信号Vv所提供。因此，在延迟时间Td之后，一旦该电平位移反射信号低于电压反馈信号Vv，放电时间信号S_DS为停用。此外，只要切换信号V_PWM启用，放电时间信号S_DS就为停用。

采样脉冲发生器190产生采样脉冲信号提供给D型触发器171的频率端、AND门165与166的第三端。D型触发器171的D输入端与反向输出端相连接而形成一除2计数器。D型触发器171的输出端与反向输出端分别连接于AND门165与166的第二端。AND门165与166的第一端也是由放电时间信号S_DS所提供。AND门165与166的第四端由延迟时间信号V_DL所提供。因此，依据采样脉冲信号而产生第一采样信号V_SP1与第二采样信号V_SP2。此外，在放电时间信号S_DS的启用周期，第一采样信号V_SP1与第二采样信号V_SP2为交替地产生。然而，在放电时间信号S_DS的一开始插入延迟时间Td，用以禁止第一采样信号V_SP1与第二采样信号V_SP2的产生。因此，在延迟时间Td的周期，第一采样信号V_SP1与第二采样信号V_SP2为停用。

第一采样信号V_SP1与第二采样信号V_SP2交替地控制采样单元100中的开关121与开关122，同时采样单元100通过分压电阻器交替地采样电压信号V_AUX，以进行采样该反射电压信号V_DET。同一时间，电压信号V_AUX分别对第一电容110与第二电容111进行充电动作，同时通过第一电容110与第二电容111以取得跨于第一电容110与第二电容111的第一维持电压与第二维持电压。开关123与第一电容110并联连接，作为第一电容110放电之用。开关124与第二电容111并联连接，作为第二电容111放电之用。

一缓冲放大器设置于该采样单元100中，其包含运算放大器150与151、二极管130与131及电流源135。运算放大器150与151的正端分别地连接到第一电容110与第二电容111。运算放大器150与151的负端连接到缓冲放大器的输出端。二极管130由运算放大器150的输出端连接到缓冲放大器的输出端，二极管131由运算放大器151的输出端连接到缓冲放大器的输出端。因此，该缓冲放大器连接到第一电容110与第二电容111，用以接收第一维持电压与第二维持电压，并取得较高的维持电压来得到一缓冲电压，电流源135用来结束动作。一切换开关125连接于该缓冲放大器，接收该脉冲信号PLS产生导通或截止的动作，用以周期性地采样到输出电容115上的该缓冲电压，用来产生电压反馈信号V_V。该电压反馈信号V_V因而正比例于该变压器的输出电压V_O。在延迟时间Td之后，第一采样信号V_SP1与第二采样信号V_SP2开始产生第一与第二维持电压，如此可消除电压信号V_AUX的电压突波干扰(spikeinterference)。这是由于当切换信号V_PWM停用时，并且晶体管20是截止的，此时电压信号V_AUX将会产生电压突波。

参考图6，当二次侧切换电流I_S放电到零，电压信号V_AUX开始下降，通过比较器155的侦测用以停用放电时间信号S_DS。放电时间信号S_DS的脉冲宽度因而与二次侧切换电流I_S的放电时间T_DS成正比例的关系。依据放电时间信号S_DS为停用，同时第一采样信号V_SP1与第二采样信号V_SP2为停用，并且多次采样的动作是停止的。此时，在缓冲放大器的输出端产生的维持电压表示为一终止电压(end voltage)。该终止电压因而与电压信号V_AUX成正比例的关系，并且该终止电压的采样与测量是在二次侧切换电流I_S下降到零之前。维持电压的获得是取第一维持电压与第二维持电压的较高电压，当反射电压信号V_DET已经开始减少，将忽略反射电压信号V_DET的采样动作。

此外，一旦切换信号V_PWM启用，即可以确保切换信号V_PWM具有最小的导通时间。而切换信号V_PWM的最小导通时间将确保最小的放电时间T_DS，在多次采样装置700内用以多次采样该反射电压信号V_DET。放电时间T_DS与切换信号V_PWM的导通时间T_ON成正比例。参考式子(1)，(2)，(3)与变压器二次侧电感值L_S＝(T_nS/T_NP)2×L_P，放电时间T_DS可以表示成式子(9)：

$T_{\mathrm{DS}}=\left(\frac{V_{\mathrm{IN}}}{V_O+V_F}\right)\×\frac{T_{\mathrm{NS}}}{T_{\mathrm{NP}}}\×T_{\mathrm{ON}}---\left(9\right)$

图7为本发明脉宽调制与消隐单元电路示意图。该脉宽调制与消隐单元500包括一脉宽调制电路与一消隐电路520，该脉宽调制电路包含NAND门511、D型触发器515、AND门519、反相器512和518。同时配合图4与图6，脉宽调制电路中的反相器512连接到振荡单元600，接收脉冲信号PLS。反相器512的输出端连接到D型触发器515的频率端，用以使切换信号V_PWM启用。D型触发器515的输出端连接到AND门519的第一端，AND门519的第二端连接到反相器512的输出端，AND门519输出切换信号V_PWM。D型触发器515的复位端连接到NAND门511的输出端。NAND门511的第一端由一复位信号R_ST所提供，用以周期性的使切换信号V_PWM停用。一电压回路误差放大器513接收该电压反馈信号Vv以产生该复位信号R_ST。NAND门511的第二端连接到消隐电路520的输出端。

再参考图7，该消隐电路520包含NAND门523、电流源525、电容527、晶体管526、反相器521与522。消隐电路520接收切换信号V_PWM，并且输出到反相器521的输入端与NAND门523的第一端。反相器521的输出端控制晶体管526的导通与截止。反相器522的输出端连接到NAND门523的第二端。NAND门523输出消隐信号V_BLK，电流源525的电流与电容527的电容值决定消隐信号V_BLK的脉冲宽度。反相器518的输入端连接到NAND门523的输出端，接收消隐信号V_BLK用以输出清除信号CLR。参考图6，清除信号CLR与消隐信号V_BLK互为反相，清除信号CLR用来控制图5所示的开关123与124的导通与截止。当切换信号V_PWM启用，消隐电路520输出消隐信号V_BLK使得切换信号V_PWM停用，也就是避免D型触发器515产生复位。

当切换信号V_PWM截止时，由变压器10反射出电压信号V_AUX。因此，切换信号V_PWM必须保持一个最小的切换频率，以确保变压器10的切换动作，用以多次采样该反射电压信号V_DET。

图8为本发明振荡器的电路示意图。其中运算放大器201、电阻210与电阻250形成一电压转电流转换器，并依据参考电压V_REF产生参考电流I₂₅₀。数个晶体管251、252、253、254与255形成电流镜，依据参考电流I₂₅₀产生充电电流I₂₅₃与放电电流I_D。第一开关230连接于晶体管253的漏极与振荡电容215之间，第二开关231连接于振荡电容215与晶体管255之间。第一比较器205输出一脉冲信号PLS，用以决定切换频率。第三开关232的第一端提供高临界电压V_H。第四开关233的第一端提供低临界电压V_L。第三开关232与第四开关233的第二端连接于第一比较器205的负端。反相器260的输入端连接于第一比较器205的输出端，用以产生脉冲信号PLS，反相器260输出反相脉冲信号/PLS。脉冲信号PLS用来导通或截止第二开关231与第四开关233，反相脉冲信号/PLS用来导通或截止第一开关230与第三开关232。

综上所述，本发明提供一精确的采样装置于电源供应器的切换式控制器中，用来测量变压器的电压信号与放电时间，在变压器一次侧端没有光耦合器与二次侧稳定调整器的需求下，用以控制电源供应器的输出电压与输出电流。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种多次采样装置，使用于电源供应器的切换式控制器中，连接一变压器的辅助绕组、一脉宽调制与消隐单元及一振荡单元，包括有：

一时间延迟单元，连接于该脉宽调制与消隐单元，接收该脉宽调制与消隐单元输出的一切换信号，并于该切换信号停止时产生一延迟时间信号，同时该切换信号经过内部一反相器输出一反相切换信号，其中该切换信号经由一功率开关用以切换该变压器；

一信号产生单元，连接于该时间延迟单元，接收该延迟时间信号与该反相切换信号，同时通过一分压电阻器连接于该变压器的辅助绕组以取得辅助绕组上的一反射电压信号，用以输出一放电时间信号、一第一采样信号与一第二采样信号；

一采样单元，连接于该分压电阻器、该振荡单元、该脉宽调制与消隐单元及该信号产生单元，接收该第一采样信号、该第二采样信号、该反射电压信号、该振荡单元输出的一脉冲信号及该脉宽调制与消隐单元输出的一清除信号，用以输出一电压反馈信号，其中该第一采样信号与该第二采样信号交替地控制两个开关以进行采样该反射电压信号，同时通过一第一电容与一第二电容以取得一第一维持电压与一第二维持电压，进而提供该电压反馈信号输出。

2.根据权利要求1所述的多次采样装置，其特征在于，该信号产生单元包括有一临界信号，该临界信号加上该反射电压信号产生一电平位移信号；一放电时间信号将于该切换信号为停用时产生；当该电平位移信号低于该电压反馈信号时，该放电时间信号为停用；该放电时间信号的脉冲宽度因而与该变压器的一放电时间成正比例的关系。

3.根据权利要求2所述的多次采样装置，其特征在于，该信号产生单元还包括有：

一采样脉冲发生器，用以进行多次采样动作来产生一采样脉冲信号；

一第一信号发生器，在该放电时间信号的启用周期，依据该采样脉冲信号交替地产生该第一采样信号与该第二采样信号；其中一延迟时间被插入在该放电时间信号的一开始，在该延迟时间的周期，该第一采样信号与该第二采用信号为停用；以及

一第二信号发生器，用以产生该放电时间信号；当该切换信号停用时，该放电时间信号为启用；在该延迟时间之后，当该电平位移信号低于该电压反馈信号时，该放电时间信号为停用；其中该切换信号为启用时，该放电时间信号为停用。

4.根据权利要求1所述的多次采样装置，其特征在于，该采样单元包括有一缓冲放大器连接到该第一电容与该第二电容，用以接收该第一维持电压与该第二维持电压，并取得较高的维持电压来得到一缓冲电压。

5.根据权利要求4所述的多次采样装置，其特征在于，该采样单元还包括有一切换开关连接于该缓冲放大器，接收该脉冲信号的控制，通过一输出电容，通过周期性地采样该缓冲电压，用来产生该电压反馈信号。

6.根据权利要求1所述的多次采样装置，其特征在于，通过多次采样该反射电压信号产生一终止电压，该终止电压的采样与测量是在二次侧切换电流下降到零之前。

7.根据权利要求1所述的多次采样装置，其特征在于，该切换信号具有最小的导通时间，一旦该切换信号启用，最小的导通时间可确保最小的放电时间，用以多次采样该反射电压信号。

8.根据权利要求1所述的多次采样装置，其特征在于，该切换信号具有最小的切换频率，以确保该变压器的切换动作，用以多次采样该反射电压信号。

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