CN100508346C

CN100508346C - 电源转换器的取样电路以及检测电路

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Publication number: CN100508346C
Application number: CNB2007100862056A
Authority: CN
Inventors: 杨大勇
Original assignee: System General Corp Taiwan
Current assignee: Fairchild Taiwan Corp
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2007-03-09
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2027-03-09
Also published as: TWI338993B; TW200828744A; CN201018414Y; US7349229B1; CN101056063A

Abstract

一种用于测量变压器的反射电压和去磁时间的关联取样电路以及检测电路。其包含信号产生电路来产生样本信号以用于对变压器的反射电压取样。响应于变压器的去磁而产生取样电路的斜坡信号。在变压器被完全去磁后，根据斜坡信号的量值而产生第一参考信号。响应于斜坡信号和偏压信号而产生第二参考信号。响应于变压器的去磁而启用样本信号。一旦第二参考信号高于第一参考信号就禁用样本信号。取样和保持电路耦合到变压器以响应于样本信号对变压器的反射电压取样。

Description

电源转换器的取样电路以及检测电路

技术领域

本发明涉及一种电源转换器，且更明确地说，涉及一种开关交换式电源转换器的控制电路。

背景技术

电源已广泛用于提供经调节的输出电压。出于安全起见，离线电源必须在其初级侧与次级侧之间提供隔离。需要光耦合器和次级侧调节器来调节离线电源的输出电压。为了减少组件数和次级侧反馈电路，已利用变压器的反射电压来调节电源的输出电压，例如，Randolph D.W.Shelly的美国专利第4,302,803号的“Rectifier-converter power supply with multi-channelflyback inverter”。然而，此技术不能测量来自变压器的精确的电压信号，导致电源转换器较差的调节。因此，近来开发出许多初级侧控制技术来用于提供对变压器精确的电压测量，例如Yang等人的美国专利第6,853,563号的“Primary-side controlled flyback power converter”；Yang等人的美国专利第7,016,204号的“Close-loop PWM controller for primary-sidecontrolled power converters”。然而，这些现有技术的检测电路比较复杂，增加了电源供应器的成本。如何克服这些缺点是本发明的主要目的。

发明内容

本发明的目的是提供简单和精确的取样电路来测量变压器的反射电压。

所述取样电路包含信号产生电路和取样和保持电路。利用所述信号产生电路产生样本信号以用于对变压器的反射电压取样。首先，所述信号产生电路将响应于所述变压器的去磁而产生斜坡信号。接着，一旦所述变压器被完全去磁，就根据斜坡信号的量值产生第一参考信号。响应于所述斜坡信号和偏压信号而进一步产生第二参考信号。所述取样和保持电路耦合到所述变压器以通过响应于样本信号对所述变压器的反射电压取样而产生电压信号。所述电压信号与所述电源转换器的输出电压相关。响应于所述变压器的去磁而启用所述样本信号。一旦所述第二参考信号高于所述第一参考信号就禁用所述样本信号。本发明的所述取样电路进一步包含定时电路以产生表示变压器的去磁时间的放电时间信号。响应于变压器的去磁而启用所述放电时间信号。一旦第三参考信号的量值低于所述电压信号就禁用所述放电时间信号。所述第三参考信号与所述变压器的所述反射电压和偏移信号相关。

附图说明

本发明结合附图来提供对本发明的进一步理解，且并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例并连同描述内容一起用于阐述本发明的原理。

图1示出了电源转换器的示意图。

图2示出了根据本发明的电源转换器的开关控制电路。

图3示出了根据本发明的取样电路的优选实施例。

图4示出了根据本发明的实施例的信号产生电路。

图5示出了根据本发明的实施例的信号控制电路。

图6示出了单触发电路的示意图。

图7示出了根据本发明的实施例的定时电路。

图8示出了根据本发明的取样电路的主要波形。

具体实施方式

图1示出了一种包含变压器10的开关电源转换器，所述变压器10具有辅助绕组NA、初级绕组NP和次级绕组NS。初级绕组NP耦合到输入电压V_IN。次级绕组NS经由整流器40和电容器45而产生输出电压V₀。为了调节输出电压V₀，开关控制电路50产生开关信号S_W以经由晶体管20切换变压器10。当晶体管20接通时，施加输入电压V_IN以磁化变压器10。因此充电电流流过变压器10的初级绕组NP和晶体管20。通过电阻性装置25将充电电流转换成耦合到开关控制电路50的VI端子的电流信号。一旦禁用开关信号S_W并断开晶体管20，就开始对变压器10去磁。存储在变压器10中的能量在变压器10的去磁期间被传送到次级绕组NS和辅助绕组NA。因此，开关信号S_W的启用表示变压器10的磁化；开关信号S_W的禁用表示变压器10的去磁。如果可忽略整流器40的正向电压，那么辅助绕组NA的反射电压V_AUX可表达为：

V_{AUX} = \frac{N_{A}}{N_{S}} \times V_{O}

------------------------------------------(1)

其中N_A和N_S分别是变压器10的辅助绕组NA和次级绕组NS的绕组匝数。

由电阻器30和35形成的分压电路连接到开关控制电路50的VS端子以检测变压器10的辅助绕组NA的反射电压V_AUX。在开关控制电路50的VS端子处检测到的电压V_S可表示为：

V_{S} = \frac{R_{35}}{R_{30} + R_{35}} \times V_{AUX}

-------------------------------------(2)

其中，R₃₀和R₃₅分别是电阻器30和35的电阻。为了精确检测电源转换器的输出电压V₀，当次级绕组NS的开关电流减小到零时应测量反射电压V_AUX。因此，可忽略整流器40的正向电压的变化。

图2示出了图1中所示的开关控制电路50。其包含取样电路100，所述取样电路100耦合到VS端子以根据从变压器10检测到的反射电压V_AUX产生电压信号V_X。将电压信号V_X输入到误差放大器70。误差放大器70包含参考电压V_REF。振荡电路60产生脉冲信号PLS以周期性地启用触发器65。触发器65的输出连接到AND门80的输入以用于产生开关信号S_W。如果必要的话，可将输出开关信号S_W转变为信号V_G以经由驱动器90驱动晶体管20。AND门80的另一输入通过反相器85连接到脉冲信号PLS。误差放大器70的输出连接到比较器75的输入。比较器75的另一输入耦合到VI端子以接收电流信号。比较器75的输出耦合到触发器65以用于当VI端子处的电流信号的电压电平高于电压信号V_comp时复位触发器65。由误差放大器70产生电压信号V_comp。

图3示出了图2中所示的取样电路100。利用信号产生电路200以响应于时间帧信号ENB和开关信号S_W而产生样本信号S_V。此外，通过信号产生电路200响应于样本信号S_V的禁用而产生保持信号S_P。比较电路包含比较器110、反相器120、AND门150和阈值电压V_T。利用比较电路以响应于与变压器10的反射电压V_AUX相关的电压V_S而产生时间帧信号ENB。比较器110的输入耦合到VS端子以根据等式(2)的关系从反射电压V_AUX接收电压V_S。阈值电压V_T连接到比较器110的另一输入。比较器110的输出连接到AND门150的输入。连接AND门150的另一输入以通过反相器120接收开关信号S_W。因此，响应于开关信号S_W的禁用，启用时间帧信号ENB。当端子VS处的电压低于阈值电压V_τ时禁用时间帧信号ENB。

开关170、180和电容器175(第三电容器)、电容器185(第四电容器)形成一取样和保持电路。取样和保持电路耦合到VS端子，以通过对与变压器10的反射电压相关的电压V_S取样，而产生电压信号V_X。开关170受样本信号S_V控制。开关180受保持信号S_P控制。利用电容器185产生电压信号V_X，所以电容器185亦可以称为一保持电容器。开关170通过VS端子耦合到变压器10以将与变压器10的反射电压相关的电压V_S取样于电容器175中，所以，电容器175亦可以称为一样本电容器。开关180耦合到电容器175以响应于保持信号S_P将电容器175的电压取样于电容器185中。因此，取样和保持电路耦合到变压器10，以通过响应于样本信号S_V对与变压器10的反射电压相关的电压V_S取样，而产生电压信号V_X。反射电压对应于电源转换器的输出电压V₀。因此，如等式(1)和(2)所示，电压信号V_X与电源转换器的输出电压V₀相关。响应于电压信号V_X进一步产生开关信号S_W以用于切换变压器10并调节电源转换器的输出。此外，本发明的取样电路包含定时电路250以产生表示变压器10的去磁时间的放电时间信号S_D。

图4示意性示出了信号产生电路200的实施例。单触发电路230耦合到开关信号S_W以响应于开关信号S_W的禁用而产生第一脉冲信号231。信号控制电路300接收开关信号S_W和时间帧信号ENB以产生复位信号S_E。包含SR触发器210、OR门215、反相器217和AND门219的输出电路耦合到单触发电路230和信号控制电路300以产生样本信号S_V。连接第一脉冲信号231以启用SR触发器210。连接复位信号S_E以复位SR触发器210。SR触发器210的输出连接到OR门215的输入。OR门215的另一输入连接到第一脉冲信号231。OR门215的输出连接到AND门219的输入。连接AND门219的另一输入以通过反相器217接收开关信号S_W。AND门219的输出产生样本信号S_V。因此，响应于第一脉冲信号231，启用样本信号S_V。响应于复位信号S_E，禁用样本信号S_V。样本信号S_V进一步包含响应于开关信号S_W的禁用而产生的最小脉冲宽度。单触发电路230决定最小脉冲宽度的脉冲宽度。另外，信号产生电路200包含单触发电路240，其经耦合以接收样本信号S_W，以用于响应于样本信号S_W的禁用而产生保持信号S_P。

图5示意性示出了信号控制电路300的实施例。电容器320用于产生斜坡信号RAMP。电流源360用于对电容器320充电。第一开关350耦合到电流源360和电容器320以响应于时间帧信号ENB而使电容器320充电。因为响应于变压器10的去磁而启用时间帧信号ENB，所以响应于变压器的去磁而产生斜坡信号RAMP。晶体管310耦合到电容器320以响应于开关信号S_W使电容器320放电。电容器325用于产生第一参考信号V1。第二开关355耦合到电容器320以响应于时间帧信号ENB的禁用状态将斜坡信号RMAP的量值取样于电容器325中。耦合时间帧信号ENB以通过单触发电路330控制第二开关355。因此，一旦变压器10被完全去磁，就根据斜坡信号RAMP的量值产生第一参考信号V1。运算放大器370、电阻器375和电流源365形成缓冲器电路。电流源365和电阻器375产生归因于电阻器375上的电压降而引起的偏压信号ΔV。运算放大器370被连接作为单位增益缓冲器。运算放大器370的输入连接到电容器320。运算放大器370的输出连接到电阻器375以产生第二参考信号V2，所述第二参考信号V2接着连接到比较器390的输入。因此，根据斜坡信号RAMP和偏压信号ΔV产生第二参考信号V2。比较器390的另一输入连接到电容器325以接收第一参考信号V1。当第二参考信号V2高于第一参考信号V1时，比较器390的输出产生复位信号S_E。因此，一旦第二参考信号V2高于第一参考信号V1就禁用样本信号S_V。

图6示出了例如分别在图4和图5中示出了的单触发电路230、240和330的单触发电路的电路示意图。恒定电流源410用于当断开晶体管420时对电容器450充电。单触发电路230、240和330的输入端子IN连接到晶体管420的栅极和NOR门470的输入。NOR门470的另一输入连接到电容器450。因此，单触发电路响应于单触发电路的输入信号的下降沿在NOR门470的输出处产生单触发信号。恒定电流源410的电流和电容器450的电容决定单触发信号的脉冲宽度。

图7示意性示出了根据本发明的实施例的定时电路250。运算放大器251、电阻器252、电流源253和比较器270形成输入电路。连接作为单位增益缓冲器的运算放大器251经耦合以通过VS端子接收与变压器10的反射电压V_AUX相关的电压V_S。运算放大器251的输出经由电阻器252连接到比较器270的输入。电流源253连接到电阻器252以在电阻器252处产生偏移信号。与偏移信号相关联的反射电压V_AUX产生连接到比较器270的输入的第三参考信号V₃。比较器270的另一输入连接到电压信号V_X。触发器290和延迟电路260形成锁存电路以产生放电时间信号S_D。放电时间信号S_D表示变压器的去磁时间，且可用于控制电源转换器的输出电流。时间帧信号ENB通过延迟电路260连接到触发器290的时钟输入以启用放电时间信号S_D。延迟电路260确保在禁用触发器290的复位信号后可响应于时间帧信号ENB的启用状态而设定触发器290。连接比较器270的输出以复位触发器290。因而当第三参考信号V3低于电压信号V_X时禁用放电时间信号S_D。因此，响应于变压器10的去磁而启用放电时间信号S_D。一旦第三参考信号V3的量值低于电压信号V_X就禁用放电时间信号S_D。

图8示意性示出了响应于电容器320上的斜坡信号RAMP和VS端子处的反射电压的波形的样本信号S_V和保持信号S_P。偏压信号ΔV提供正向周期ΔT以在变压器10被完全去磁之前对反射电压取样。正向周期ΔT可表达为：

ΔT = \frac{C_{320}}{I_{360}} \times ΔV

-----------------------------------------(3)

ΔT = \frac{C_{320}}{I_{360}} \times I_{365} \times R_{375}

-------------------------------------(4)

其中，C₃₂₀是电容器320的电容；I₃₆₀是电流源360的电流；I₃₆₅是电流源365的电流；R₃₇₅是电阻器375的电阻。

根据本发明的实施例，藉由本发明检测电源供应器的反射电压，由信号产生电路来产生样本信号以用于对变压器的反射电压取样，根据斜坡信号的量值而产生第一参考信号，并且响应偏压信号而产生第二参考信号。响应于变压器的去磁而启用响应于变压器的去磁而启用一样本信号。一旦第二参考信号高于第一参考信号就禁用样本信号。如此不但可以精确的检测(或取样)到电源转换器的反射电压。此外，本发明的配置还比现有的检测电路(或取样电路)技术更简单，因此可降低电源供应器的成本。

本领域的技术人员将了解，可在不脱离本发明的范围或精神的情况下，对本发明的结构作各种修改和变化。鉴于前述内容，如果本发明的修改和变化在所附权利要求书和其等效物的范围内，那么期望本发明涵盖那些修改和变化。

Claims

1.一种电源转换器的取样电路，其包括：

信号产生电路，其产生样本信号以用于对变压器的反射电压取样，其中所述信号产生电路具有响应于所述变压器的去磁而产生的斜坡信号，一旦所述变压器被完全去磁，就根据所述斜坡信号的量值产生第一参考信号，且响应于所述斜坡信号以及偏压信号产生第二参考信号；以及

取样和保持电路，其耦合到所述变压器，以通过响应于所述样本信号对所述变压器的所述反射电压取样，而产生第一电压信号，

其中响应于所述变压器的所述去磁而启用所述样本信号；一旦所述第二参考信号高于所述第一参考信号就禁用所述样本信号。

2.根据权利要求1所述的取样电路，其进一步包括定时电路以产生表示所述变压器的去磁时间的放电时间信号，其中响应于所述变压器的所述去磁而启用所述放电时间信号，一旦第三参考信号的量值低于所述第一电压信号的量值就禁用所述放电时间信号，其中所述第三参考信号与所述变压器的所述反射电压以及偏移信号相关。

3.根据权利要求2所述的取样电路，其中所述定时电路包括：

输入电路，其经耦合以接收所述变压器的所述反射电压来根据所述变压器的所述反射电压以及所述偏移信号产生所述第三参考信号；以及

锁存电路，其用于响应时间帧信号以及第三参考信号而产生所述放电时间信号；

其中响应于所述时间帧信号的启用而启用所述放电时间信号，且当所述第三参考信号低于所述第一电压信号时禁用所述放电时间信号。

4.根据权利要求1所述的取样电路，其进一步包括比较电路以响应于所述变压器的所述反射电压而产生时间帧信号，其中响应于开关信号的禁用而启用所述时间帧信号，当所述变压器的所述反射电压低于阈值电压时禁用所述时间帧信号，其中所述开关信号经耦合以驱动所述电源转换器的功率晶体管以用于切换所述变压器，所述开关信号的启用表示所述变压器的磁化；所述开关信号的所述禁用表示变压器的去磁。

5.根据权利要求1所述的取样电路，其中所述信号产生电路包括：

第一单触发电路，其耦合到开关信号以响应于所述开关信号的禁用而产生第一脉冲信号；

信号控制电路，其经耦合以接收所述开关信号以及时间帧信号以产生复位信号；以及

输出电路，其耦合到所述第一单触发电路以及所述信号控制电路以产生所述样本信号，

其中响应于所述第一脉冲信号而启用所述样本信号，且响应于所述复位信号而禁用所述样本信号。

6.根据权利要求5所述的取样电路，其中所述信号产生电路进一步包括：

第二单触发电路，其经耦合以接收所述样本信号以用于响应于所述样本信号的所述禁用而产生保持信号。

7.根据权利要求5所述的取样电路，其中所述信号控制电路包括：

第一电容器，其用于产生所述斜坡信号；

电流源；

第一开关，其耦合到所述电流源以及所述第一电容器以响应于所述时间帧信号的启用而启用所述第一电容器的充电；

晶体管，其耦合到所述第一电容器以响应于所述开关信号而启用所述第一电容器的放电；

第二电容器，其用于产生所述第一参考信号；

第二开关，其耦合在所述第一电容器与所述第二电容器之间以响应于所述时间帧信号的禁用而将所述斜坡信号的量值取样于所述第二电容器中；

缓冲器电路，其用于产生偏压信号，其中所述缓冲器电路耦合到所述第一电容器以根据所述斜坡信号以及所述偏压信号来产生所述第二参考信号；以及

第一比较器，其经耦合以接收所述第一参考信号以及所述第二参考信号以当所述第二参考信号高于所述第一参考信号时产生所述复位信号。

8.根据权利要求1所述的取样电路，其中所述样本信号包含响应于开关信号的禁用而产生的最小脉冲宽度。

9.根据权利要求1所述的取样电路，其中所述取样和保持电路包括：

第三电容器；

第四电容器，其用于产生所述第一电压信号；

第三开关，其用于响应于所述样本信号而将所述变压器的所述反射电压取样于所述第三电容器中；以及

第四开关，其耦合到所述第三电容器以响应于保持信号而将所述第三电容器的电压取样于所述第四电容器中。

10.一种电源转换器的检测电路，其包括：

比较电路，其耦合到变压器以响应于变压器的反射电压而产生时间帧信号，当所述变压器的反射电压低于阈值电压时禁用所述时间帧信号；

信号产生电路，其产生样本信号以用于对所述变压器的所述反射电压取样，其中响应于所述变压器的去磁而启用所述样本信号，其中所述信号产生电路具有响应于所述变压器的去磁而产生的斜坡信号，一旦所述变压器被完全去磁就根据所述斜坡信号的量值产生第一参考信号，且响应于所述斜坡信号以及偏压信号而产生第二参考信号，一旦所述第二参考信号高于所述第一参考信号就禁用所述样本信号；以及

取样和保持电路，其耦合到所述变压器以通过响应于所述样本信号对所述变压器的所述反射电压取样而产生第一电压信号；

其中所述第一电压信号相关于所述电源转换器的输出电压。

11.根据权利要求10所述的检测电路，其进一步包括定时电路以产生表示所述变压器的去磁时间的放电时间信号，其中响应于所述变压器的所述去磁而启用所述放电时间信号，一旦第三参考信号的量值低于所述第一电压信号的量值就禁用所述放电时间信号，其中所述第三参考信号与所述变压器的所述反射电压以及偏移信号相关。

12.根据权利要求10所述的检测电路，其中所述取样和保持电路包括：

样本电容器；

保持电容器，其用于产生所述第一电压信号；

样本开关，其用于响应于所述样本信号而将所述变压器的所述反射电压取样于所述样本电容器中；以及

保持开关，其耦合到所述样本电容器以在所述样本信号的所述禁用之后将所述样本电容器的电压取样于所述保持电容器中。