CN101674017B - 用于一电源转换器的初级侧反馈控制装置及其相关方法 - Google Patents

用于一电源转换器的初级侧反馈控制装置及其相关方法 Download PDF

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Abstract

用于一电源转换器的初级侧反馈控制装置及其相关方法。该初级侧反馈控制装置包含有一控制单元、一比较器及一采样保持单元。该控制单元用来根据一反馈信号，产生一脉冲信号，以控制该电源转换器的一开关晶体管的导通及关闭状态；该比较器耦接于该电源转换器的一辅助绕组，用来根据该辅助绕组的电压电平，产生至少一控制信号；该采样保持单元耦接于该辅助绕组、该比较器及该控制单元，用来根据该比较器所输出的该至少一控制信号，产生该反馈信号。

Description

用于一电源转换器的初级侧反馈控制装置及其相关方法
技术领域
本发明涉及一种用于一电源转换器的反馈控制装置及相关方法，尤其涉及一种根据该电源转换器的初级侧的一辅助绕组的电压电平，产生一反馈信号的反馈控制装置及其相关方法。
背景技术
开关式电源供应器(Switch Power Supply，SPS)主要用途是将电力公司所提供的高压、低稳定性的交流电源，转换成适合各种电子产品使用的低压、稳定性较佳的直流电源，其广泛地应用在计算机、办公室自动化设备、工业控制设备、通信设备等。开关式电源供应器的架构包含多种形式，常见如返驰式(Fly-back)转换器、顺向式(Forward)转换器及推挽式(Push-Pull)转换器等。
请参考图1，图1是一已知电源转换器10的示意图，电源转换器10是一返驰式电源转换器，其包含有一变压器100、一开关晶体管102、一脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)控制单元104、一光耦合器(Optocoupler)106、一稳压及误差放大单元108(TL431为业界常用的型号，以下以TL431简称的)及其他被动元件如电阻或电容等，在此不详述。变压器100包含有一初级侧绕组(Primary Winding)NP、一初级侧辅助绕组(Auxiliary Winding)NA及一次级侧绕组(Secondary Winding)NS，用来转换能量并隔离输入端与输出端，以确保系统正常运作。脉宽调制控制单元104产生一脉冲信号，以控制开关晶体管102的导通及关闭状态。开关晶体管102控制变压器100，以将整流后的输入电压VIN转换成稳定的输出电压VOUT。详细来说，当开关晶体管102导通时，输入电压VIN的能量会存储于变压器100的初级侧绕组NP上，接着，当开关晶体管102关闭时，能量传递至次级侧绕组NS，产生输出电压VOUT。另外，当次级侧绕组NS上有电流流动时，辅助绕组NA会感应到输出电压VOUT的值。
此外，为了要稳定输出电压VOUT，已知反馈控制的作法于电源转换器10的次级侧取输出电压VOUT，经由TL431将误差信号放大成为反馈信号，接着通过光耦合器106将反馈信号传递至脉宽调制控制单元104以进行反馈控制。当输出电压VOUT下降/上升时，脉宽调制控制单元104根据反馈信号，增大/降低控制开关晶体管102的脉冲信号的工作周期(DutyCycle)，以增加/减少传递至次级侧负载的能量。
然而，已知通过光耦合器及TL431实现反馈控制的方法，所需要的元件成本昂贵，亦增加电源转换器的体积及功率消耗。因此，已知技术另提出一初级侧反馈控制(Primary Side Feedback Control)的方法，以避免使用光耦合器及TL431。请参考图2，图2是一已知电源转换器20的示意图。电源转换器20类似于电源转换器10，其亦为一返驰式电源转换器，包含有一变压器200、一开关晶体管202、一脉宽调制控制单元204及其他被动元件如电阻或电容等，在此不详述。不同的是，电源转换器20通过辅助绕组NA上的电压来产生反馈信号，而不需使用光耦合器及TL431。当电源转换器20的次级侧有电流流动时，辅助绕组NA会感应到输出电压VOUT的值，因此可据以控制脉宽调制控制单元204，以调整控制开关晶体管202的脉冲信号的工作周期，进而调节传递至次级侧的负载的能量。然而，图2中的电源转换器20仅为初级侧反馈控制的简化示意图，欲达成以辅助绕组NA上的电压产生反馈信号的功能，亦需要大量的元件，因此无法明显改善电源转换器的体积及功率消耗。
发明内容
因此，本发明的主要目的即在于提供一种用于一电源转换器的初级侧反馈控制装置及其相关方法。
本发明公开一种用于一电源转换器的初级侧反馈控制装置，包含有一控制单元，用来根据一反馈信号，产生一脉冲信号，以控制该电源转换器的一开关晶体管的导通及关闭状态；一比较器，耦接于该电源转换器的一辅助绕组，用来根据该辅助绕组的电压电平，产生至少一控制信号；以及一采样保持单元，耦接于该辅助绕组、该比较器及该控制单元，用来根据该比较器所输出的该至少一控制信号，产生该反馈信号。
本发明另公开一种于初级侧进行反馈控制的电源转换器，包含有一输入端，用来接收一输入电压；一输出端，用来输出一输出电压；一变压器，包含有一初级侧绕组耦接于该输入端，一辅助绕组耦接于该初级侧绕组，及一次级侧绕组耦接于该输出端，用来将该输入电压转换成能量存储于该初级侧绕组，并将该初级侧绕组所存储的能量传递至该次级侧绕组，以产生该输出电压；一开关晶体管，耦接于该初级侧绕组，用来根据一脉冲信号，控制该变压器上的能量存储与传递；以及一反馈控制装置。该反馈控制装置耦接于该开关晶体管，包含有一控制单元，用来根据一反馈信号，产生该脉冲信号，以控制该开关晶体管的导通及关闭状态；一比较器，耦接于该辅助绕组，用来根据该辅助绕组的电压电平，产生至少一控制信号；以及一采样保持单元，耦接于该辅助绕组、该比较器及该控制单元，用来根据该比较器所输出的该至少一控制信号，产生该反馈信号。
本发明另公开一种用于一电源转换器的反馈控制方法，包含有根据该电源转换器的初级侧的一辅助绕组的电压电平，输出一电压信号；将该辅助绕组的电压电平与一参考电压进行比较，以产生一比较结果；根据该比较结果，产生至少一控制信号；以及根据该电压信号及该至少一控制信号，产生一反馈信号，以控制该电源转换器的一开关晶体管。
附图说明
图1及图2为已知电源转换器的示意图。
图3至图7为本发明实施例电源转换器的示意图。
图8为图4的电源转换器的相关信号的时序图。
图9为本发明实施例一流程的示意图。
【主要元件符号说明】
10、20、30、50、60、70           电源转换器
100、200、304                    变压器
102、202、306                    开关晶体管
104、204                         脉宽调制控制单元
106                              光耦合器
108                              稳压及误差放大单元
300                              输入端
302                              输出端
308                              反馈控制装置
310                              分压单元
312                              电压随耦器
314                              比较器
316                              采样保持单元
318                              误差放大器
320                              控制单元
NP                               初级侧绕组
NS                               次级侧绕组
NA                               辅助绕组
VIN                              输入电压
VOUT                             输出电压
G1                               第一控制信号
G2                               第二控制信号
SW1、SW2                         开关
C1、C2、C3                       电容
R1、R2                           电阻
D1                               二极管
VPWM                             脉冲信号
ILm、Is                          电流
VA、VF、Va、Vb、Vc               电压
Vref                             参考电压
90                               流程
900、902、904、906、908、910、912、914、916 步骤
具体实施方式
由上可知，已知通过光耦合器及TL431实现反馈控制的方法，无法节省电源转换器的元件成本、体积及功率消耗。本发明提出另一种初级侧反馈控制的电源转换器，以节省电源转换器的元件成本、体积及功率消耗。
请参考图3，图3为本发明实施例一电源转换器30的示意图。电源转换器30于初级侧进行反馈控制，其包含有一输入端300、一输出端302、一变压器304、一开关晶体管306及一反馈控制装置308。电源转换器30通过输入端300接收一输入电压VIN，并通过输出端302输出一输出电压VOUT。变压器304包含有一初级侧绕组(Primary Winding)NP耦接于输入端300，一辅助绕组(Auxiliary Winding)NA耦接于初级侧绕组NP，以及一次级侧绕组(Secondary Winding)NS耦接于输出端302，用来将输入电压VIN转换成能量存储于初级侧绕组NP，并将初级侧绕组NP所存储的能量传递至次级侧绕组NS，以产生输出电压VOUT。开关晶体管306耦接于初级侧绕组NP，用来根据一脉冲信号VPWM，控制变压器304上的能量存储与传递。开关晶体管306控制变压器304转换能量的详细动作，请参考前述的已知技术，在此不赘述。反馈控制装置308耦接于开关晶体管306，其包含有一分压单元310、一电压随耦器(Voltage Follower)312、一比较器(Comparator)314、一采样保持(Sample-and-Hold)单元316、一误差放大器318及一控制单元320。反馈控制装置308用来产生一反馈信号，并根据反馈信号产生脉冲信号VPWM，以控制开关晶体管306的导通及关闭状态。图3中的电压Vc即反馈信号的电压电平。
详细说明反馈控制装置308如下。一般来说，辅助绕组NA的电压对其后级电路来说为高电压，因此分压单元310用来对辅助绕组NA的电压进行分压。当辅助绕组NA的电压变化时，分压单元310所输出的电压VF也相应地变化。电压随耦器312耦接于分压单元310，用来即时地根据分压单元310所输出的电压VF，输出一电压信号至采样保持单元316。由上可知，电压信号实系反应辅助绕组NA的电压变化。比较器314耦接于分压单元310，用来即时地将分压单元310所输出的电压VF与一参考电压Vref进行比较，以产生一比较结果，并根据比较结果输出一第一控制信号G1及一第二控制信号G2。采样保持单元316耦接于电压随耦器312及比较器314，用来根据电压随耦器312所输出的电压信号、第一控制信号G1及第二控制信号G2，产生反馈信号。误差放大器318耦接于采样保持单元316及控制单元320之间，用来将采样保持单元316所输出的反馈信号经过误差放大，再输出至控制单元320。控制单元320耦接于误差放大器318及开关晶体管306之间，用来根据反馈信号产生脉冲信号VPWM，以控制开关晶体管306导通及关闭状态。
详细来说，当辅助绕组NA上的电压电平达到一特定电压时，分压单元310所输出的电压VF相应地达到参考电压Vref。此时，电压随耦器312将电压VF传递至采样保持单元316，且比较器314输出第一控制信号G1及第二控制信号G2至采样保持单元316。采样保持单元316根据第一控制信号G1及第二控制信号G2，对电压VF进行采样，以产生反馈信号。换句话说，反馈控制装置308根据辅助绕组NA的电压，产生反馈信号。接下来，误差放大器318将采样保持单元316所输出的反馈信号的误差放大。最后，控制单元320根据反馈信号产生脉冲信号VPWM，以控制开关晶体管306导通及关闭状态。
此外，图3中的分压单元310包含有电阻R1、R2、一二极管D1及一电容C3。电阻R1及R2对辅助绕组NA的电压进行分压，产生电压VF。电阻R1的一端耦接于辅助绕组NA，另一端耦接于电压随耦器312及比较器314。电阻R2的一端耦接于电阻R1、电压随耦器312及比较器314，另一端耦接于一地端。二极管D1及电容C3用来稳定电路。二极管D1的负极耦接于电阻R1、电阻R2、电压随耦器312及比较器314，正极耦接于地端。电容C3的一端耦接于电阻R1、电阻R2、电压随耦器312及比较器314，另一端耦接于地端。在此请注意，图3中的分压单元310仅为本发明的一实施例，分压单元310亦可用不同的元件组合实现。本发明的主要目的在于根据辅助绕组NA的电压产生反馈信号，因此可视需要决定分压单元310的存在与否及其内含元件，不影响本发明所保护的范围。
进一步说明采样保持单元316的运作。采样保持单元316由至少一开关与至少一电容组成。请参考图4，图4亦为电源转换器30的示意图，与图3不同的是，图4的采样保持单元316进一步包含有开关SW1、SW2、电容C1及C2。开关SW1耦接于电压随耦器312及比较器314。开关SW2耦接于比较器314、开关SW1及误差放大器318。电容C1的一端耦接于开关SW1及SW2之间，另一端耦接于一地端。电容C2的一端耦接于开关SW2及误差放大器318之间，另一端耦接于地端。当电源转换器30的次级侧绕组NS上有电流流动时，辅助绕组NA感应到输出电压VOUT的值，且分压单元310对辅助绕组NA的电压进行分压，产生电压VF。电压随耦器312即时地将电压VF输出至采样保持单元316。同时，当比较器314所产生的比较结果显示电压VF大于参考电压Vref时，比较器314将输出第一控制信号G1以控制开关SW1导通，且输出第二控制信号G2以控制开关SW2关闭，进而将电压VF即时地记录于电容C1。另一方面，当比较器314所产生的比较结果显示电压VF小于或等于参考电压Vref时，比较器314将输出第一控制信号G1以控制开关SW1关闭，且输出第二控制信号G2以控制开关SW2导通，以将电容C1所存储的电量传递至电容C2。换句话说，电容C2的电压将跟随电容C1所记录的电压。由于电容C1即时地记录电压VF，当开关SW1关闭且开关SW2导通时，电容C1所记录的电压即为膝点(Knee)电压值。采样保持单元316将此膝点电压值输出，因此控制单元320可据以产生反馈信号。
值得注意的是，图3及图4中的反馈控制装置308为本发明的实施例，本领域技术人员当可据以做适当的变化及修饰。如前所述，分压单元310可用不同的元件组合实现。另一方面，比较器314实需输出至少一控制信号。在本发明的其他实施例中，比较器314可以仅输出一控制信号至采样保持单元316，采样保持单元316通过其内部电路，自行产生所需数量的控制信号，如通过一反相器产生另一控制信号。此外，采样保持单元316所包含的开关及电容可作不同的组合配置，以达成对辅助绕组NA的膝点电压采样及保持的目的。因此，凡以采样保持电路产生反馈信号的装置，皆应涵盖在本发明的范围之内。另一方面，电压随耦器312及误差放大器318可视需要决定其存在与否。请参考图5至图7，图5至图7依序为本发明实施例电源转换器50、60及70的示意图。电源转换器50、60及70均类似于图3的电源转换器30，不同的是，电源转换器50不包含电压随耦器312及误差放大器318；电源转换器60不包含电压随耦器312；电源转换器70不包含误差放大器318。电源转换器50、60及70中其余单元及运作皆与电源转换器30相同，在此不赘述。
关于图4的电源转换器30的相关信号的时序波形，请同时参考图4及图8。图8为电源转换器30的相关信号的时序图。图8中的各信号分别为控制单元320所输出的脉冲信号VPWM、初级侧绕组NP上的电流ILm、次级侧绕组NS上的电流Is、辅助绕组NA的电压VA、辅助绕组NA的电压经过分压单元310分压之后的电压VF、第一控制信号G1、第二控制信号G2、电压随耦器312所输出的电压信号Va、电容C1的电压Vb以及电容C2的电压Vc。由图8可知，辅助绕组NA的电压VA的膝点电压为VOUT×(NS/NA)，分压单元310所输出的电压VF的膝点电压为VOUT×(NS/NA)×R2/(R1+R2)(如图8中箭头所示位置)，且电容C1记录电压VF，电容C2记录电压VF的膝点电压，以达成对电压VF的膝点电压进行采样及保持的目的。各信号的动作参考前述可知，在此不赘述。
除此之外，请参考图9，图9本发明的实施例一流程90的示意图。流程90为图3中电源转换器30的操作流程，其包含下列步骤：
步骤900：开始。
步骤902：分压单元310将该电源转换器的初级侧的一辅助绕组的电压进行分压，以产生一分压信号。
步骤904：电压随耦器312根据该分压信号，输出一电压信号。
步骤906：比较器314将该分压信号的电压与一参考电压进行比较，以产生一比较结果。
步骤908：比较器314根据该比较结果，产生一第一控制信号及一第二控制信号。
步骤910：采样持单元316根据该电压信号、该第一控制信号及该第二控制信号，产生一反馈信号。
步骤912：误差放大器318将该反馈信号的误差放大。
步骤914：控制单元320根据该反馈信号，产生一脉冲信号，以控制该电源转换器的一开关晶体管的导通及关闭状态。
步骤916：结束。
关于流程90的详细运作，请参考前述的电源转换器30，在此不赘述。值得注意的是，流程90为本发明的一实施例，本领域技术人员当可据以做不同的变化及修饰。举例来说，如果电源转换器30不包含电压随耦器312，则步骤904可省略；若电源转换器30不包含误差放大器318，则步骤912可省略。除此之外，图4的采样保持单元316包含的开关SW1、SW2、电容C1及C2，其仅为本发明的一实施例，流程90的应用不受限于采样持单元316所包含的元件。另一方面，由于比较器314实需产生至少一控制信号，在本发明的其他实施例中，比较器314可以根据比较结果，仅产生一控制信号。采样保持单元316通过其内部电路，自行产生所需数量的控制信号。
综上所述，本发明的反馈控制装置位于电源转换器的初级侧，通过比较器及采样保持单元，记录辅助绕组的膝点电压作为反馈信号。因此，本发明不需利用光耦合器及TL431即可实现反馈控制，进而节省电源转换器的元件成本、体积及功率消耗。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求书所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (12)

1.一种用于一电源转换器的初级侧反馈控制装置，包含有：
一控制单元，用来根据一反馈信号，产生一脉冲信号，以控制该电源转换器的一开关晶体管的导通及关闭状态；
一比较器，耦接于该电源转换器的一辅助绕组，用来根据该辅助绕组的电压电平，产生第一控制信号和第二控制信号；以及
一采样保持单元，耦接于该辅助绕组、该比较器及该控制单元，用来根据该比较器所输出的该第一控制信号和第二控制信号，产生该反馈信号，
其中该采样保持单元包含有：
一第一开关，耦接于该比较器；
一第二开关，耦接于该比较器、该第一开关及该控制单元；
一第一电容，其一端耦接于该第一开关及该第二开关之间，另一端耦接于一地端；以及
一第二电容，其一端耦接于该第二开关及该控制单元之间，另一端耦接于该地端，
其中在该辅助绕组的电压电平大于一参考电压时，该比较器输出一第一控制信号控制该第一开关导通，及输出一第二控制信号控制该第二开关关闭，以将该辅助绕组的电压电平记录于该第一电容。
2.如权利要求1所述的初级侧反馈控制装置，其还包含一电压随耦器，耦接于该辅助绕组及该采样保持单元之间，用来根据该辅助绕组的电压电平，输出一电压信号至该采样保持单元。
3.如权利要求1所述的初级侧反馈控制装置，其还包含一误差放大器，耦接于该采样保持单元与该控制单元之间，用来将该反馈信号的误差放大。
4.一种用于一电源转换器的初级侧反馈控制装置，包含有：
一控制单元，用来根据一反馈信号，产生一脉冲信号，以控制该电源转换器的一开关晶体管的导通及关闭状态；
一比较器，耦接于该电源转换器的一辅助绕组，用来根据该辅助绕组的电压电平，产生第一控制信号和第二控制信号；以及
一采样保持单元，耦接于该辅助绕组、该比较器及该控制单元，用来根据该比较器所输出的该第一控制信号和第二控制信号，产生该反馈信号，
其中该采样保持单元包含有：
一第一开关，耦接于该比较器；
一第二开关，耦接于该比较器、该第一开关及该控制单元；
一第一电容，其一端耦接于该第一开关及该第二开关之间，另一端耦接于一地端；以及
一第二电容，其一端耦接于该第二开关及该控制单元之间，另一端耦接于该地端，其中在该辅助绕组的电压电平小于或等于一参考电压时，该比较器输出一第一控制信号控制该第一开关关闭，及输出一第二控制信号控制该第二开关导通，以将该第一电容所存储的电量传递至该第二电容。
5.如权利要求4所述的初级侧反馈控制装置，其还包含一电压随耦器，耦接于该辅助绕组及该采样保持单元之间，用来根据该辅助绕组的电压电平，输出一电压信号至该采样保持单元。
6.如权利要求4所述的初级侧反馈控制装置，其还包含一误差放大器，耦接于该采样保持单元与该控制单元之间，用来将该反馈信号的误差放大。
7.一种于初级侧进行反馈控制的电源转换器，包含有：
一输入端，用来接收一输入电压信号；
一输出端，用来输出一输出电压信号；
一变压器，包含有一初级侧绕组，耦接于该输入端，一辅助绕组，耦接于该初级侧绕组，及一次级侧绕组，耦接于该输出端，用来将该输入电压信号转换成能量存储于该初级侧绕组，并将该初级侧绕组所存储的能量传递至该次级侧绕组，以产生该输出电压信号；
一开关晶体管，耦接于该初级侧绕组，用来根据一脉冲信号，控制该变压器上的能量存储与传递；以及
一反馈控制装置，耦接于该开关晶体管，包含有：
一控制单元，用来根据一反馈信号，产生该脉冲信号，以控制该开关晶体管的导通及关闭状态；
一比较器，耦接于该辅助绕组，用来根据该辅助绕组的电压电平，产生第一控制信号和第二控制信号；以及
一采样保持单元，耦接于该辅助绕组、该比较器及该控制单元，用来根据该比较器所输出的该第一控制信号和第二控制信号，产生该反馈信号，
其中该采样保持单元包含有：
一第一开关，耦接于该比较器；
一第二开关，耦接于该比较器、该第一开关及该控制单元；
一第一电容，其一端耦接于该第一开关及该第二开关之间，另一端耦接于一地端；以及
一第二电容，其一端耦接于该第二开关及该控制单元之间，另一端耦接于该地端，
其中在该辅助绕组的电压电平大于一参考电压时，该比较器输出一第一控制信号控制该第一开关导通，及输出一第二控制信号控制该第二开关关闭，以将该辅助绕组的电压电平记录于该第一电容。
8.如权利要求7所述的电源转换器，其还包含一电压随耦器，耦接于该辅助绕组及该采样保持单元之间，用来根据该辅助绕组的电压电平，输出一电压信号至该采样保持单元。
9.如权利要求7所述的电源转换器，其中该反馈控制装置还包含有一误差放大器耦接于该采样保持单元与该控制单元之间，用来将该反馈信号的误差放大。
10.一种于初级侧进行反馈控制的电源转换器，包含有：
一输入端，用来接收一输入电压信号；
一输出端，用来输出一输出电压信号；
一变压器，包含有一初级侧绕组，耦接于该输入端，一辅助绕组，耦接于该初级侧绕组，及一次级侧绕组，耦接于该输出端，用来将该输入电压信号转换成能量存储于该初级侧绕组，并将该初级侧绕组所存储的能量传递至该次级侧绕组，以产生该输出电压信号；
一开关晶体管，耦接于该初级侧绕组，用来根据一脉冲信号，控制该变压器上的能量存储与传递；以及
一反馈控制装置，耦接于该开关晶体管，包含有：
一控制单元，用来根据一反馈信号，产生该脉冲信号，以控制该开关晶体管的导通及关闭状态；
一比较器，耦接于该辅助绕组，用来根据该辅助绕组的电压电平，产生第一控制信号和第二控制信号；以及
一采样保持单元，耦接于该辅助绕组、该比较器及该控制单元，用来根据该比较器所输出的该第一控制信号和第二控制信号，产生该反馈信号，
其中该采样保持单元包含有：
一第一开关，耦接于该比较器；
一第二开关，耦接于该比较器、该第一开关及该控制单元；
一第一电容，其一端耦接于该第一开关及该第二开关之间，另一端耦接于一地端；以及
一第二电容，其一端耦接于该第二开关及该控制单元之间，另一端耦接于该地端，
其中在该辅助绕组的电压电平小于或等于一参考电压时，该比较器输出一第一控制信号控制该第一开关关闭，及输出一第二控制信号控制该第二开关导通，以将该第一电容所存储的电量传递至该第二电容。
11.如权利要求10所述的电源转换器，其还包含一电压随耦器，耦接于该辅助绕组及该采样保持单元之间，用来根据该辅助绕组的电压电平，输出一电压信号至该采样保持单元。
12.如权利要求10所述的电源转换器，其中该反馈控制装置还包含有一误差放大器耦接于该采样保持单元与该控制单元之间，用来将该反馈信号的误差放大。
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