CN102315777B - 回扫式电源转换器的数字动态延迟式检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回扫式电源转换器的数字动态延迟式检测装置及检测方法，于接收回扫式电源转换器的一第一输入电压信号后，参考一临界电压以决定是否开始计数。若到达开始计数条件，则计数一预设内建次数；且于计数完成后，送出一第一输出信号以将该回扫式电源转换器的一切换开关切换。在切换开关切换后，检测当时第一输入电压信号的斜率，以决定该预设内建次数的调整数值。该预设内建次数及该调整数值皆为整数，以利用数字实现方式精确控制延迟时间。

Description

回扫式电源转换器的数字动态延迟式检测装置及检测方法

技术领域

本发明有关于一种电力电子应用的技术，特别是一种准谐振式回扫式电源转换器(QR Flyback)中波谷检测器技术以及方法。

背景技术

在目前的电力电子技术中，回扫式(Flyback)电源转换器由于成本低结构简单，因而被大量且广泛的使用在低功率的电源转换应用之中。其中准谐振回扫式电源转换器具有在不增加系统复杂性与组件的前提下，改善系统效率，因此准谐振回扫式电源转换器具有同时顾及经济效益与环保诉求的优势。

图1为现有回扫式电源供应器的方块图，而图2为图1的工作波形示意图。本领域的技术人员应当知道，当二次侧线圈N_S电感能量传输完毕，一次侧线圈N_P的激磁电感与V_D端等效寄生电容将开始产生谐振。如图2所示，如果该回扫式电源供应器能于延迟时间T_D之后，于谐振的波谷控制栅极电压V_G切换图1的功率晶体管Q，如此便可降低切换损失，提高整体系统效率。然而目前的准谐振回扫式控制芯片于量产时并无法有效的切换在波谷，使得效率无法有效提升。

为解决此问题，美国专利US5986897提出一种可在波谷切换的准谐振回扫式电源转换器。图3所示为该现有技术的波谷检测电路图，其可应用于图1所示的回扫式电源供应器，以检测谐振波谷，其中VAUX为一稳定正电压源用以维持电路运作。当图1的回扫式电源供应器的二次侧线圈N_S释放能量时，与谐振波形成正比的辅助线圈(图中未示)的电压VAUXIN为一正电压。参见图3，此时电流会由VAUXIN往接点DMAG流入，并流进晶体管M3，且此时晶体管T1关闭。当二次侧能量消耗完毕时，图1所示的功率晶体管Q的渠极电压V_D开始向下谐振，此时接点DMAG将会往VAUXIN输出一与谐振波形成正比的电流，并经由电流镜M2与电阻R1转换为与谐振波形反向的一反向信号V_M。当功率晶体管Q的渠极电压V_D谐振到最低点时，反向信号V_M恰为峰值，此时该反向信号V_M触发逻辑电路74进而切换功率晶体管。此专利所公开的技术原理为，判断到反向信号V_M峰值(对应辅助线圈电压VAUXIN的谷值)才进行触发，但是实际切换时间会较触发时多一传递延迟时间，所以并不能真正切换在谐振波谷，故无法有效提升效率。

另外，美国专利US7394670提供了一波谷检测器电路。参见图4，为该专利的波谷检测器电路51的电路图，其可应用于图1所示的回扫式电源供应器，以检测谐振波谷。当二次侧能量消耗完毕时，图1所示的功率晶体管的漏极电压开始向下谐振，此时辅助绕组侧2C亦可得到一相同形状的波形。当谐振开始时，二极管52关闭，此时电容55与电阻54产生一RC放电，当放电至一参考电压V_TH时触动比较器57，因而产生一V_BD信号，进而切换图1所示的功率晶体管Q。此前案借助RC放电以提供一固定的延迟时间，然而在量产时由于每一台回扫式电源转换器的控制回路延迟时间一定会不同，因而使用此技术无法在量产时精确切换在谐振波谷，所以丧失准谐振转换器的优势。

美国专利US07426120及US07466569提出一种具锁相装置的切换式控制器。参见图5，为该专利的锁相装置200的电路图，该锁相装置200可应用于图1所示的回扫式电源供应器，以调整延迟时间。该专利利用电流源230与电容235制造出一延迟时间TDLY，其延迟时间约略与图2所示的谐振至波谷的时间T_d相当。当延迟时间结束而欲切换功率晶体管时，有一斜率检测电路300负责检测此时反向信号V_M的斜率。当延迟时间TDLY过长时，则斜率检测电路300检测到的斜率为正，此时斜率检测电路300会发送一信号UP/DOWN至计数器210，计数器210将控制电流源230放大电流以缩小下一周期的延迟时间。反之，若延迟时间过短时，则斜率检测电路300会控制计数器210缩小电流以放大下一周期的延迟时间。因而在经过一段时间之后，其延迟时间将会自动调节以切换在波谷。然而此专利公开的技术中，其延迟时间是经由电流源230与电容235所实现，于实务上此结构有许多模拟的误差存在；电流源230无法制作出一既精确且可变范围广的可变电流源，电容235与比较电压V_Y的偏差(offset)，而这些模拟误差在先进制程时会更加严重，增加设计的困难度。

有鉴于上述现有技术的缺点并且为克服上述问题，本发明提出一数字动态延迟式检测装置(Digital Dynamic Delay Modulator)及方法，利用数字实现的方式不但可以精确控制延迟时间，并可随制程演进缩小体积且不需修改电路。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种回扫式电源转换器的数字动态延迟式检测装置。

本发明的另一目的在于提供一种回扫式电源转换器的数字动态延迟式检测方法。

为达成本发明的上述目的，本发明的数字动态延迟式检测装置包含：一微分器，该微分器接收该回扫式电源转换器的一第一输入电压信号；一数字控制器，电连接至该微分器且内建有一预设内建次数，该预设内建次数为一整数；及一震荡器，电连接至该数字控制器。该数字控制器接收到代表第一输入电压信号到达一临界电压的一起始信号时，致能该震荡器并且开始计数该预设内建次数，该数字控制器在计数完成后送出一输出信号，以导通该回扫式电源转换器的一切换开关。该微分器在收到代表切换开关导通的第二输入电压信号后，计算当时该第一输入电压信号的斜率，以决定该预设内建次数的一增减值，其中该增减值为一整数。

为达成本发明的上述目的，本发明的数字动态延迟式检测方法进行下列步骤：a、接收回扫式电源转换器的一第一输入电压信号；b、将该第一输入电压信号与一临界电压比较以决定是否达到开始计数条件；c、若到达开始计数条件，则计数一预设内建次数，其中该内建次数为一整数；d、于计数完成后，送出一第一输出信号以导通该回扫式电源转换器的一切换开关；e、于该切换开关导通时，比对当时该第一输入电压信号的斜率；及f、利用该斜率以决定该预设内建次数的一增减值，其中该增减值为一整数。

附图说明

图1为现有回扫式电源供应器的方块图；

图2为图1的工作波形示意图；

图3所示为一现有技术的波谷检测电路图；

图4所示为另一现有技术的波谷检测电路图；

图5为另一现有技术的锁相装置电路图；

图6为本发明的数字动态延迟检测装置应用的示意图；

图7为本发明的数字动态延迟式检测装置应用在一数字动态延迟式检测系统的示意图；

图8为本发明的数字动态延迟式检测装置示意图；

图9为依据本发明的数字动态延迟式检测方法流程图。

其中，附图标记：

二次侧线圈N_S               一次侧线圈N_P

延迟时间T_D                 栅极电压V_G

功率晶体管Q                电压VAUX

接点DMAG                   晶体管M1-M4，T1

渠极电压V_D                 电阻R1

反向信号V_M                 逻辑电路74

波谷检测器电路51           辅助绕组侧2C

二极管52                   电容55

电阻54                     参考电压V_TH

比较器57                   信号V_BD

锁相装置200                电流源230

电容235                    延迟时间TDLY

斜率检测电路300            信号UP/DOWN

计数器210                  比较电压V_Y

数字动态延迟式检测装置100  电压VAUXIN

数字动态延迟式检测系统10   切换开关Q1

电流转电压单元200          启始信号产生单元220

数字动态延迟式检测装置100  步骤S301-S310

临界电压V_X                 启始信号S_DS

微分器110                  数字控制器120

震荡器130                  电流镜(M1，M2)

反向信号V_M                 预设内建次数N

输出信号V_d                 开关控制单元30

反馈信号INGT               UP/DOWN计数控制信号

具体实施方式

请参考图6，为本发明较佳实施例的数字动态延迟检测装置应用的示意图。本发明较佳实施例的数字动态延迟式检测装置100应用于一回扫式电源转换器的控制芯片内，且控制芯片系电连接于一变压器的一辅助绕组N_A及一切换开关Q1。该数字动态延迟式检测装置10测量辅助绕组N_A上电压信号V_A的极值(波峰或是波谷)，以决定控制切换开关Q1的栅极电压。该控制芯片亦包含其它单元，如反馈控制单元，或是对切换开关Q1提供切换控制信号的单元，然此为现有技术，因此在此不在赘述。

参见图7，其为本发明较佳实施例的数字动态延迟式检测装置100应用在一数字动态延迟式检测系统10的示意图。该数字动态延迟式检测系统10包含一电流转电压单元200、一启始信号产生单元220、及一数字动态延迟式检测装置100。该启始信号产生单元220的负输入端耦接至电阻R_A，以接收电压信号V_A，用以检测比例于该切换开关Q1上所产生的谐振电压信号。该启始信号产生单元220将该电压信号V_A与一临界电压V_X进行比较，以输出一启始信号S_DS。

电流转电压单元200中的运算放大器202的正输入端接收临界电压V_X，其负输入端耦接至电阻R_A以接收电压信号V_A，其输出端则控制晶体管204的栅极，且晶体管204的源极耦接至电阻R_A。电流镜电路由晶体管M1与M2所组成，晶体管M1通过晶体管204耦接至电阻R_A，晶体管M2进一步连接一电阻R3。运算放大器202的输出可控制晶体管204是否导通，且在晶体管204导通后，电流转电压单元200将流过该电阻R_A上的电流转换成为比例于电压信号V_A的一反向信号V_M，该反向信号V_M和电压信号V_A的极性相反。

数字动态延迟式检测装置100连接于电流转电压单元200及启始信号产生单元220，于图6所示的切换开关Q1截止时，受控于启始信号S_DS，用来检测反向信号V_M的波峰值，进而输出一控制信号V_d。该控制信号V_d送至该控制芯片的一开关控制单元，进而导通切换开关Q1。辅助绕组N_A上所产生的电压信号V_A正比于跨于切换开关Q1上的渠极电压V_D。因此，通过数字动态延迟式检测装置100的数字延迟操作，依据跨于切换开关Q1上的波谷电压(对应于反向信号V_M的波峰电压)使得切换开关Q1导通。

请参考图8，为本发明较佳实施例的数字动态延迟式检测装置100示意图。该数字动态延迟式检测装置100主要包含一微分器110、一数字控制器120及一震荡器130。当二次侧能量消耗完毕，由于LC谐振使得电压信号V_A开始向下震荡时，经电流镜(M1，M2)可得一反向信号V_M并耦接至微分器110。当电压信号V_A向下谐振至临界电压V_X时，会触发启始信号S_DS。此时数字控制器120便会致能震荡器130，使震荡器130产生脉冲；并且数字控制器120开始以一预设内建次数N来计数震荡器130的产生脉冲，其中N为整数。当数字控制器120计数至预设内建次数N时，会送出一输出信号V_d知会一控制切换开关Q1的开关控制单元30，开关控制单元30接收到输出信号Vd之后便会导通该切换开关Q1，且产生一反馈信号INGT耦接至微分器110。由上述说明可知，准谐振的延迟时间和数字控制器120的内建次数及震荡器130脉冲周期相关。在震荡器130脉冲周期为固定数值状况下，通过动态调整内建次数，即可动态调整延迟时间。当微分器110接收到反馈信号INGT时，会判断在此时反向信号V_M的斜率，并产生一UP/DOWN计数控制信号给数字控制器120。

当延迟时间过长时，UP/DOWN计数控制信号会降低数字控制器120内建次数，亦即将预设内建次数N减去一预定减值M(M＞＝1，且为整数)，以得到新的内建次数为N-M次。反之，当延迟时间过短时，UP/DOWN计数控制信号会增加数字控制器120内建次数，亦即将预设内建次数N加上一预定增值P(P＞＝1，且为整数)，以得到新的内建次数为N+P次，藉此以数字且动态的方式调整延迟时间。

参见图9，为依据本发明的数字动态延迟式检测方法流程图。于步骤S301开始后，该数字动态延迟式检测装置100接受一第一输入电压信号(例如电压信号V_A)，及接受一第一参考电压信号(例如为临界电压V_X)(步骤S302)。该数字动态延迟式检测装置100将第一输入电压信号与该第一参考电压信号比较(S303)。若第一输入电压信号小于该第一参考电压信号，表示该电压信号V_A开始向下谐振。随后该数字动态延迟式检测装置100的数字控制器120便会开始计数一预设内建次数N，并且于计数完成的后发出一输出信号V_d知会一控制切换开关Q1的开关控制单元(步骤S304)。于该计数完成之后，开关控制单元会导通切换开关Q1，且产生一反馈信号INGT耦接至该数字动态延迟式检测装置100。该数字动态延迟式检测装置100接受一第二输入电压信号(亦即反馈信号INGT)，并判断在此时第一参考电压信号的斜率(步骤S305)。若斜率小于0，表示延迟时间不足，此时该数字动态延迟式检测装置100增加内建次数以延长延迟时间(步骤S308)；再者若斜率大于0，表示延迟时间过长，此时该数字动态延迟式检测装置100减少内建次数以降低延迟时间(步骤S307)。

再者，若在步骤S302的第一输入电压信号为反向信号V_M，则步骤S303、S306的判断方式刚好相反。在步骤S303时，反向信号V_M大于第一参考电压信号才会继续进行步骤S304。在步骤S306，若斜率大于0，表示延迟时间不足，此时增加内建次数以延长延迟时间；再者若斜率小于0，表示延迟时间过长，此时减少内建次数以降低延迟时间。

通过上述方式，可以动态调节延迟时间，由于本发明为数字计时调节，因此可以除去模拟误差，并随制程演进缩小体积且不需修改电路。

以上所述，仅为本发明最佳的一的具体实施例的详细说明与附图，本发明的特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以下述的权利要求保护范围为准，凡合于本发明权利要求的精神与其类似变化的实施例，皆应包含于本发明的范畴中，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修改皆可涵盖在以下本案的专利范围。

Claims (12)

1.一种回扫式电源转换器的数字动态延迟式检测装置，其特征在于，包含：

一微分器，该微分器接收该回扫式电源转换器的一第一输入电压信号，该第一输入电压信号为回扫式电源转换器的辅助线圈的一电压信号或者为回扫式电源转换器的辅助线圈的一电压信号反向的一反向信号；

一数字控制器，电连接至该微分器且内建有一预设内建次数，该预设内建次数为一整数；及

一震荡器，电连接至该数字控制器；

其中该数字控制器接收到代表第一输入电压信号到达一临界电压的一起始信号时，致能该震荡器并且开始计数该预设内建次数，该数字控制器在计数完成后送出一输出信号，以导通该回扫式电源转换器的一切换开关；

该微分器在收到代表切换开关导通的第二输入电压信号后，计算当时该第一输入电压信号的斜率，以决定该预设内建次数的一增减值，其中该增减值为一整数。

2.如权利要求1所述的数字动态延迟式检测装置，其特征在于，当该第一输入电压信号为回扫式电源转换器的辅助线圈的一电压信号，且该微分器在电压信号斜率为正值时，将该预设内建次数减去一预定减值，其中该预定减值大于或是等于1。

3.如权利要求1所述的数字动态延迟式检测装置，其特征在于，当该第一输入电压信号为回扫式电源转换器的辅助线圈的一电压信号，且该微分器在电压信号斜率为负值时，将该预设内建次数加上一预定增值，其中该预定增值大于或是等于1。

4.如权利要求1所述的数字动态延迟式检测装置，其特征在于，当该第一输入电压信号为与回扫式电源转换器的辅助线圈的一电压信号反向的反向信号，且该微分器在反向信号斜率为负值时，将该预设内建次数减去一预定减值，其中该预定减值大于或是等于1。

5.如权利要求1所述的数字动态延迟式检测装置，其特征在于，当该第一输入电压信号为与回扫式电源转换器的辅助线圈的一电压信号反向的反向信号，且该微分器在反向信号斜率为正值时，将该预设内建次数加上一预定增值，其中该预定增值大于或是等于1。

6.一种回扫式电源转换器的数字动态延迟式检测方法，其特征在于，包含：

a、接收回扫式电源转换器的一第一输入电压信号，该第一输入电压信号为回扫式电源转换器的辅助线圈的一电压信号或者为回扫式电源转换器的辅助线圈的一电压信号反向的一反向信号；

b、将该第一输入电压信号与一临界电压比较以决定是否达到开始计数条件；

c、若到达开始计数条件，则计数一预设内建次数，其中该内建次数为一整数；

d、于计数完成后，送出一第一输出信号以导通该回扫式电源转换器的一切换开关；

e、于该切换开关导通时，比对当时该第一输入电压信号的斜率；及

f、利用该斜率以决定该预设内建次数的一增减值，其中该增减值为一整数。

7.如权利要求6所述的数字动态延迟式检测方法，其特征在于，当该第一输入电压信号为回扫式电源转换器的辅助线圈的一电压信号，且在该电压信号小于该临界电压时开始计数。

8.如权利要求6或7所述的数字动态延迟式检测方法，其特征在于，在步骤f时，若斜率为正值时，将该预设内建次数减去一预定减值，其中该预定减值大于或是等于1。

9.如权利要求6或7所述的数字动态延迟式检测方法，其特征在于，在步骤f时，若斜率为负值时，将该预设内建次数加上一预定增值，其中该预定增值大于或是等于1。

10.如权利要求6所述的数字动态延迟式检测方法，其特征在于，当该第一输入电压信号为对应回扫式电源转换器的辅助线圈的一电压信号的反向信号，且在该反向信号大于该临界电压时开始计数。

11.如权利要求10所述的数字动态延迟式检测方法，其特征在于，在步骤f时，若斜率为负值时，将该预设内建次数减去一预定减值，其中该预定减值大于或是等于1。

12.如权利要求10所述的数字动态延迟式检测方法，其特征在于，在步骤f时，若斜率为正值时，将该预设内建次数加上一预定增值，其中该预定增值大于或是等于1。

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