CN101686014B - 返驰式交换电源供应器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

返驰式交换电源供应器及其控制方法。该返驰式交换电源供应器可根据电流调整机制调整工作频率，其包含一变压器、一开关、一开关控制电路、以及一调整电路。变压器包含一初级绕组、一次级绕组、及一辅助绕组，其中初级绕组用来接收一输入电压，次级绕组用来产生一输出电压。开关串接于初级绕组，用来控制流经初级绕组的一电流。开关控制电路具有一频率控制端，大致工作于一工作频率，用以控制开关。工作频率受控于流经频率控制端的一频率设定电流。调整电路耦接于辅助绕组与频率控制端之间，用以根据辅助绕组所产生的一感应电流调整频率设定电流。

Description

返驰式交换电源供应器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种返驰式交换电源供应器及其控制方法，尤其涉及一种可根据电流调整机制调整工作频率的返驰式交换电源供应器及其控制方法。

背景技术

返驰式交换式电源供应器(Flyback Switching Power Supply，SPS)具有高效率、低耗损、小尺寸及重量轻等优点，因此已被广泛地用以作为各种电子产品的电源转换装置。请参考图1，图1为已知返驰式电源供应器100的示意图。整流电路102及滤波电容105用来对交流电源供应器101的交流输入电压Vac执行整流滤波处理以产生输入电压Vin。变压器120包含初级绕组121、次级绕组122及辅助绕组123，其中初级绕组121用以接收输入电压Vin。整流滤波电路170用来对次级绕组122感应之前置输出电压执行整流滤波处理，以产生输出电压馈送至负载195。输出电压另可经由反馈电路140的信号处理，以产生反馈信号反馈至开关控制电路130。

电源产生电路190用来根据辅助绕组123的感应电流产生电源电压Vcc供应至开关控制电路130。一般而言，控制信号Sc的工作频率大致由开关控制电路130根据流经外接的电流设定电阻Rx的频率设定电流If所设定。如图所示，因为电流设定电阻Rx多为固定的一电阻，所以工作频率大致上也是一定值。

发明内容

依据本发明的实施例，其公开一种返驰式交换电源供应器，包含有一变压器、一开关、一开关控制电路以及一调整电路。该变压器包含一初级绕组、一次级绕组及一辅助绕组，其中该初级绕组用来接收一输入电压，该次级绕组用来产生一输出电压。该开关与该初级绕组串接，用以控制流经该初级绕组的一电流。该开关控制电路具有一频率控制端，大致工作于一工作频率，用以控制该开关，而该工作频率受控于流经该频率控制端的一频率设定电流。该调整电路耦接于该辅助绕组与该频率控制端之间，用以根据该辅助绕组所产生的一感应电流调整该频率设定电流。

依据本发明的实施例，其另公开一种控制方法，适用于一返驰式交换电源供应器。该返驰式交换电源供应器包含有一变压器及一开关控制电路。该变压器包含一初级绕组、一次级绕组及一辅助绕组，其中该初级绕组用来接收一输入电压，该次级绕组用来产生一输出电压，该辅助绕组用以产生一感应电压。该开关控制电路具有一频率控制端，大致工作于一工作频率，用以控制流经该初级绕组的一电流，而该工作频率受控于流经该频率控制端的一频率设定电流。该控制方法先以该辅助绕组所产生的一感应电流调整该频率设定电流，再根据被调整的该频率设定电流调整该工作频率。

附图说明

图1为已知返驰式电源供应器的示意图。

图2为本发明返驰式电源供应器的优选实施例示意图。

图3为图2的返驰式电源供应器运作于连续模式的相关信号波形示意图，其中横轴为时间轴。

图4为图2的返驰式电源供应器运作于非连续模式的相关信号波形示意图，其中横轴为时间轴。

图5为图1的返驰式电源供应器运作于非连续模式的相关信号波形示意图，其中横轴为时间轴。

【主要元件符号说明】

100、200          返驰式电源供应器

101、201          交流电源供应器

102、202          整流电路

105、205          滤波电容

120、220          变压器

121、221          初级绕组

122、222          次级绕组

123、223          辅助绕组

125、225          开关

130、230     开关控制电路

140、240     反馈电路

170、270     整流滤波电路

190、290     电源产生电路

195、295     负载

231          频率控制端

245          光耦合模块

250          调整电路

251、271、   二极管

291

253          稽纳二极管

254、272、   电容

292

Iad          调整电流

IDS          开关电流

If           频率设定电流

Ip           初级电流

Is           次级电流

Isa          感应电流

Ix           内定电流

Rad1         第一调整电阻

Rad2         第二调整电阻

Rx           电流设定电阻

Sc           控制信号

Sfb          反馈信号

Vac          交流输入电压

Vcc          电源电压

V_DS          开关跨压

V_DS1、V_DS2、 电压

Vsa1、Vsa2

Vin          输入电压

Vsa        感应电压

Vth        负临界电压

ΔT1、ΔT2   时间区段

具体实施方式

为让本发明更显而易懂，下文依本发明的返驰式交换电源供应器及其控制方法，特举实施例配合附图作详细说明，但所提供的实施例并非用以限制本发明所涵盖的范围。

图2为本发明返驰式电源供应器的优选实施例示意图。如图2所示，返驰式电源供应器200包含整流电路202、滤波电容205、变压器220、开关225、整流滤波电路270、反馈电路240、调整电路250、电源产生电路290、以及开关控制电路230。图2的实施例与图1的先前技术之间，可以发现的差异有，图2具有一调整电路250，耦接于辅助绕组223与开关控制电路230之间。本领域技术人员可知，图2中的整流电路202、滤波电容205、变压器220、开关225、整流滤波电路270、反馈电路240、电源产生电路290、以及开关控制电路230，其功能以及/或结构，可以类似、等效或是相同于图1中的整流电路102、滤波电容105、变压器120、开关125、整流滤波电路170、反馈电路140、电源产生电路190、以及开关控制电路130。

在图2所示的优选实施例中，反馈电路240包含光耦合模块245，所以反馈信号Sfb以光耦合模式被传送至开关控制电路230，用以在输入端与输出端之间达到电性隔离的目的。

图2中的开关控制电路230具有频率控制端231，控制信号Sc的工作频率受控于流经频率控制端231的频率设定电流If。电流设定电阻Rx耦接于频率控制端231与接地端之间，用以提供大致固定的电流Ix。

调整电路250耦接于辅助绕组223与频率控制端231之间，用以根据感应电流Isa提供调整电流Iad。如图2所示，频率设定电流If为内定电流Ix与调整电流Iad的合成电流。换句话说，调整电流Iad即用来调整频率设定电流If，并据以调整控制信号Sc的工作频率。调整电路250包含二极管251、第一调整电阻Rad1、稽纳二极管253、电容254以及第二调整电阻Rad2。如图2所示，二极管251、第一调整电阻Rad1及稽纳二极管253耦合为一串接电路，亦即，串接电路的各元件的前后耦接次序并不影响电路操作。低通滤波器(low-pass filter)，譬如电容254，可以耦接于串接电路与接地端之间，用来执行低通滤波处理。第二调整电阻Rad2耦接于频率控制端231与电容254之间，用以控制调整电流Iad的电流值，因此第二调整电阻Rad2与电流设定电阻Rx的电阻比例可用来设计调整电路250对工作频率的调整能力。

二极管251使调整电路250在开关225开启时，感应电压Vsa至少为负电压时，才得以调整频率设定电流If。稽纳二极管253的反向崩溃稽纳电压用以设定一负临界电压Vth。当辅助绕组223产生的感应电压Vsa为低于负临界电压Vth的负电压时，二极管251顺向导通，且稽纳二极管253逆向崩溃导通，配合电容254、第一调整电阻Rad1及第二调整电阻Rad2的滤波与电流调节处理而产生调整电流Iad，并进而调整频率设定电流If以调整控制信号Sc的工作频率。此外，控制信号Sc的最低工作频率可由电流设定电阻Rx的阻抗所设定，用以避免因工作频率太低而导致变压器220发生铁芯饱和现象。控制信号Sc的最高工作频率可由第二调整电阻Rad2与电流设定电阻Rx的并联阻抗而定。

图3为图2的返驰式电源供应器200运作于连续模式的相关信号波形示意图，其中横轴为时间轴。在图3中，由上往下的信号分别为控制信号Sc、次级绕组222的次级电流Is、辅助绕组223的感应电压Vsa、开关跨压V_DS、以及开关225的开关电流I_DS。请参考图3及图2，当具低电平电压的控制信号Sc使开关225截止时，开关电流I_DS为零，此时感应电压Vsa几乎维持在一第一正电压；开关跨压V_DS几乎维持在一第二正电压，对电容292充电并对开关控制电路230供电；而次级电流Is则从一高电流逐渐下降至一低电流。当具高电平电压的控制信号Sc使开关225导通时，开关跨压V_DS的第二正电压会先导致开关电流I_DS的一突波电流，其后开关跨压V_DS降为零，而开关电流I_DS则依初级绕组221的初级电流Ip而从一第一电流逐渐上升至一第二电流，此时感应电压Vsa几乎维持在一负电压，至于次级电流Is则因二极管271的逆向阻流作用而几乎维持在零电流。如图3所示，在返驰式电源供应器200运作于连续模式状况下，突波电流所导致的切换功率损耗，相对于开关225导通时的开关电流I_DS由第一电流至第二电流所导致的损耗，并不显着。

图4为图2的返驰式电源供应器200运作于非连续模式的相关信号波形示意图，其中横轴为时间轴。请参考图4及图2，当具低电平电压的控制信号Sc使开关225截止之后，开关电流I_DS为零，此时感应电压Vsa先大致维持在电压Vsa1，而开关跨压V_DS先大致维持在电压V_DS1，次级电流Is则从一高电流逐渐下降至零电流，然后于时间区段ΔT1内维持在零电流。在次级电流Is为零电流的时间区段ΔT1内，会发生谐振现象使感应电压Vsa及开关跨压V_DS振荡，而且在振荡的第一周期中，感应电压Vsa及开关跨压V_DS均会先快速下降。当感应电压Vsa因振荡而快速下降至低于负临界电压Vth时，如前所述，因二极管251与稽纳二极管253的导通，调整电路250会些许地增加调整电流Iad，也就些许地提高频率设定电流If，进而提高开关控制电路230的工作频率。如果感应电压Vsa越低，则被调整的工作频率会越高。当工作频率被提高时，具低电平电压的控制信号Sc将会提前切换至高电平电压。在设计上，可以适当地通过改变调整电路250中的元件特征值，像是电阻值等，使开关225在开关跨压V_DS约于振荡第一周期的波谷附近提前导通。亦即，开关225在开关跨压V_DS的低电压状况下导通，因此可显着降低切换功率损耗。因为，在开关225即将导通的瞬间，越低的开关跨压V_DS-便意味着越小的突波电流，也意味着越小的切换功率损耗。

图5为图1的返驰式电源供应器100运作于非连续模式的相关信号波形示意图，其中横轴为时间轴。在图5中，由上往下的信号分别为控制信号Sc、次级绕组122的次级电流Is、辅助绕组123的感应电压Vsa、开关125的开关跨压V_DS、以及开关125的开关电流I_DS。请参考图5及图1，当具低电平电压的控制信号Sc使开关125截止后，开关电流I_DS为零，此时感应电压Vsa先大致维持在电压Vsa2，而开关跨压V_DS先大致维持在电压V_DS2，次级电流Is则从一高电流逐渐下降至零电流，然后于时间区段ΔT2内维持在零电流。在次级电流Is为零电流的时间区段ΔT2内，会发生谐振现象使感应电压Vsa及开关跨压V_DS振荡。在返驰式电源供应器100的运作中，开关控制电路130提供固定工作频率的控制信号Sc。如图5所示，开关125由导通至截止的切换点可能发生在振荡波峰附近，亦即，开关125在开关跨压V_DS的高电压状况下导通，如此会产生很大的突波电流，进而导致很高的切换功率损耗。

由上述可知，相较于已知返驰式电源供应器100，本发明返驰式电源供应器200在非连续模式的电路运作中，可动态调整开关由截止至导通的切换点，可以使开关225的切换点发生在振荡波谷附近，因而达到显着降低切换功率损耗的目的。

在图2所示的实施例中，根据稽纳二极管253的反向崩溃稽纳电压所设定的负临界电压Vth，用以在输入电压Vin为相对高电压与感应电压Vsa在振荡状况下，感应电压Vsa的振荡幅度会比较大，感应电压Vsa才会产生足够的负电压来使能调整电路250产生调整电流Iad以降低切换功率损耗。在输入电压Vin为相对低电压状况下，切换功率损耗并不显着，所以可以选择不执行任何电路操作以降低切换功率损耗。在另一实施例中，返驰式电源供应器200的稽纳二极管253可省略，意味着不论输入电压Vin的高低，只要运作于非连续模式，调整电路即被使能以降低切换功率损耗。

从图4中的波形也可以看出，当开关225开启导通时，感应电压Vsa也是低于负临界电压Vth，所以，调整电路250还是会产生调整电流Iad，对频率设定电流If产生影响，也产生频率补偿的动作。电容254与第一调整电阻Rad1可以看似一个低通滤波器。一旦开关225的开启导通时间太小，或是工作周期(duty cycle)太小，则调整电流Iad1，因为低通滤波器的存在，的值也会比较小。电容254与第一调整电阻Rad1的值，可以确定较接近满载输出，或是工作周期(duty cycle)比较大时，才会产生比较大的调整电流Iad，做出明显地频率补偿动作。在另一实施例中，电容254可以去除，而第一调整电阻Rad1可以短路，意味着不论工作周期的大小，都会进行类似或是相同的频率补偿动作。在另一实施例中，图2中的稽纳二极管253、电容254可以去除，而第一调整电阻Rad1可以短路。

虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

Claims (13)

1.一种返驰式交换电源供应器，包含有：

一变压器，包含一初级绕组、一次级绕组及一辅助绕组，其中该初级绕组用来接收一输入电压，该次级绕组用来产生一输出电压；

一开关，与该初级绕组串接，控制流经该初级绕组的一电流；

一开关控制电路，具有一频率控制端，工作于一工作频率，用以控制该开关，其中该工作频率受控于流经该频率控制端的一频率设定电流；以及

一调整电路，耦接于该辅助绕组与该频率控制端之间，用来根据该辅助绕组所产生的一感应电流调整该频率设定电流，

其中该辅助绕组产生一感应电压，当该感应电压低于一负临界电压时，该调整电路调整该频率设定电流。

2.如权利要求1所述的返驰式交换电源供应器，还包含：

一电流设定电阻，耦接于该频率控制端与一电源线之间，用以设定该频率设定电流为一预设值。

3.如权利要求1所述的返驰式交换电源供应器，其中该调整电路包含：

串接的一二极管、一第一电阻以及一稽纳二极管，其中，该稽纳二极管与该二极管用以设定负临界电压，该第一电阻用以设定该频率设定电流的一调整量。

4.如权利要求1所述的返驰式交换电源供应器，其中该调整电路包含：

一二极管，耦接于该辅助绕组；以及

一低通滤波器，耦接于该二极管与该频率控制端之间。

5.如权利要求4所述的返驰式交换电源供应器，其中该调整电路还包含：

一第一电阻以及一稽纳二极管，与该二极管相串接于该辅助绕组与该低通滤波器之间。

6.如权利要求4所述的返驰式交换电源供应器，其中该调整电路还包含：

一第二电阻，耦接于该频率控制端与该低通滤波器之间。

7.如权利要求4所述的返驰式交换电源供应器，其中该低通滤波器包含：

一电容，耦接于该频率控制端与一电源线之间。

8.如权利要求1所述的返驰式交换电源供应器，还包含：

一电源产生电路，耦接于该辅助绕组与该开关控制电路之间，以该感应电流产生一电源电压，供应至该开关控制电路。

9.如权利要求1所述的返驰式交换电源供应器，还包含：

一反馈电路，用来根据该输出电压产生一反馈电压馈入至该开关控制电路。

10.一种控制方法，适用于一返驰式交换电源供应器，该返驰式交换电源供应器包含有：

一变压器，包含一初级绕组、一次级绕组及一辅助绕组，其中该初级绕组用来接收一输入电压，该次级绕组用来产生一输出电压，该辅助绕组用以产生一感应电压；以及

一开关控制电路，具有一频率控制端，工作于一工作频率，用以控制流经该初级绕组的一电流，其中该工作频率受控于流经该频率控制端的一频率设定电流；

该控制方法包含有：

当该感应电压为一负电压时，以该辅助绕组所产生的一感应电流调整该频率设定电流；以及

根据被调整的该频率设定电流调整该工作频率。

11.如权利要求10所述的控制方法，还包含：

根据被调整的该工作频率控制流经该初级绕组的该电流。

12.如权利要求10所述的控制方法，还包含：

当该感应电压大于一第一预设值时，以该感应电流对该开关控制电路供电。

13.如权利要求12所述的控制方法，其中以该辅助绕组所产生的该感应电流调整该频率设定电流的步骤包含：

当该感应电压小于比该第一预设值小的一第二预设值时，以该感应电流调整该频率设定电流。

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