CN102739057B - 初次级双反馈控制的返驰式电源转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种初次级双反馈控制的返驰式电源转换器包含一变压器、一次级反馈单元、及一反馈控制单元。该次级反馈单元电连接至该变压器的次级线圈，且包含一隔离信号组件及一电压调整器；而该反馈控制单元电连接到该变压器的辅助线圈及操作性连接到该隔离信号组件。当该返驰式电源转换器在重载操作时，该反馈控制单元经由该隔离信号组件接收一次级反馈信号，以做反馈控制；且当该返驰式电源转换器在轻载操作时，该反馈控制单元接收来自该辅助线圈的一初级反馈信号，以做反馈控制。
Description
技术领域
本发明有关于一种返驰式电源转换器，特别是一种具有初次级双反馈控制的返驰式电源转换器。
背景技术
用于电子产品中的电源供应器可能需要在电源的输入与的输出之间进行电气隔离，且此隔离通常可使用变压器实现。该变压器可被放置于一称为返驰式电源转换器(flyback converter)的组态中。一返驰式电源转换器可藉由控制一系列供应到该转换器的初级线圈的脉冲来调整输出。当输出需增加时，可延长该脉冲的导通时间；相反地，当输出需减少时，可缩短该脉冲的导通时间。
图1所示为一现有的具有次级反馈的返驰式电源转换器示意图，该具有次级反馈的返驰式电源转换器主要具有一全桥整流滤波单元12A、一PWM切换单元14A、一切换开关16A、一变压器单元20A、一输出滤波单元32A、及一反馈单元30A。在用于AC-DC转换用途时，该全桥整流滤波单元12A可接受一交流电输入(例如一市电)，然后转换成一整流后输出，该整流后输出经由初级线圈Wp及该切换开关16A而接地。在整流后输出经由初级线圈时，可以将能量耦合到次级线圈Ws及辅助线圈Waux。次级线圈Ws将耦合电能经由该输出滤波单元32A输出到一负载(未图标)。该反馈单元30A可量测负载上的输出功率(例如电流或电压)，以产生一反馈信号，并将该反馈信号反馈至该PWM切换单元14A。该PWM切换单元14A依据该反馈信号，或是来自一外部控制单元(未图标)的控制信号以控制该切换开关16A的开关，进而控制该返驰式电源转换器的输出功率。更详细而言，输出电压Vo以电阻分压方式分割出分压电压Vdiv。分压电压Vdiv驱动电压调整器(例如TL431)，且电压调整器TL431产生一个正比于分压电压Vdiv及电压调整器TL431内部参考电压的电压差的电流信号，此电流信号经由光耦合器(photo coupler)传送至初级侧的反馈控制单元，以稳定整个反馈系统。
随着消费型电子的节能型态及对于环保的重视，电子产品要求在待机时能消耗较低功率，以延长电池使用时间及降低电能消耗。由于在次级侧的电路常藉由电压调整器及光耦合器以将反馈信号以光学方式传递给初级侧电路，且待机时仍须监控输出功率，因此会在待机时消耗不少电能。
再者，图2所示为一现有具有初级反馈的返驰式电源转换器示意图。该具有初级反馈的返驰式电源转换器藉由PWM切换单元14B检测辅助线圈Waux的功率，不须光耦合器即可间接监测该返驰式电源转换器次级侧的输出功率，即可提供一初级侧反馈(primary side feedback)电路。然而由于变压器单元20A及输出滤波单元32A皆有一些非理想特性，因此由初级侧检测的功率无法反应真正的负载输出状态。再者，初级侧反馈电路尚有较差的输出调整率、无法用于较高功率(例如15W以上)用途的缺点。
由以上说明可知，现有技术的返驰式电源转换器在反馈控制部份有不能兼顾轻载及重载的问题，因此不能满足环保节能及监测准确度的双重要求。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种具有初次级双反馈控制的返驰式电源转换器。
本发明的另一目的在于提供一种用于返驰式电源转换器的初次级双反馈控制方法。
为达成本发明的上述目的，本发明提供一种初次级双反馈控制的返驰式电源转换器，该返驰式电源转换器包含一变压器，该变压器具有彼此电磁耦合的初级线圈、次级线圈及辅助线圈。该返驰式电源转换器另外包含：一次级反馈单元，电连接至该次级线圈，且包含一隔离信号组件及一电压调整器，该隔离信号组件包含一位于次级侧的信号发射器及一位于初级侧的信号接收器，该信号发射器电连接至该次级反馈单元的一电压调整器且以隔离方式发送一次级反馈信号至该信号接收器；及一反馈控制单元，电连接到该辅助线圈及该信号接收器。该反馈控制单元于该返驰式电源转换器在重载操作时，经由该信号接收器接收该次级反馈信号，且该反馈控制单元于该返驰式电源转换器在轻载操作时，接收来自该辅助线圈的一初级反馈信号。
为达成本发明的上述目的，本发明的方法包含：当该返驰式电源转换器于重载操作时，一反馈控制单元接收该隔离信号组件送来的次级反馈信号以做反馈控制；及若该次级反馈信号低到一预定条件的下，该反馈控制单元选择来自该辅助线圈的初级反馈信号以做反馈控制。
附图说明
图1所示为一现有技术返驰式电源转换器示意图；
图2所示为另一现有技术返驰式电源转换器示意图；
图3为说明依据本发明一较佳实例的返驰式电源转换器电路图；
图4为说明依据本发明另一较佳实例的返驰式电源转换器电路图；
图5为说明图3较佳实例的操作波形图；
图6为说明图4较佳实例的操作波形图。
其中，附图标记：
具体实施方式
请参考图3，其为说明依据本发明的第一较佳具体实例的具有初次级双反馈控制的返驰式电源转换器方块图。具有初次级双反馈控制的返驰式电源转换器100主要包含一全桥整流滤波单元12、一切换开关16、一变压器单元20、一次级反馈单元30、一输出滤波单元32及一反馈控制单元40，其中部份与图1近似的组件以相似的图号标示，因此在此不再详述其细节。
如图3所示，该反馈控制单元40的六个接脚分别连至接地(接脚1)、接收反馈单元30的次级反馈信号FB(接脚2)、经由分压电阻电路(R1及R2)而连接到辅助线圈Waux(接脚3)、透过电容接地以做电流检测(接脚4)、经由电阻及二极管连接到辅助线圈Waux，以得到操作电压(接脚5)及连接到切换开关16以做控制信号输出(接脚6)。
该反馈单元30包含在次级侧的电阻R(连接到输出电压端Vo)及电压调整器(shunt regulator)34，及位于初级侧及次级侧之间的隔离信号组件(isolated signal device)34。更具体而言，该隔离信号组件34包含位于次级侧的信号发射器，及位于初级侧的信号接收器，且信号发射器与信号接收器以电气隔离的方式传输信号。依据本发明的第一较佳具体实例，该隔离信号组件34为位于次级测的发光二极管36A及位在初级侧的光敏晶体管36B，以做隔离信号传输，避免初级及次级间会有漏电流。然而该隔离信号组件34亦可以由电感感应组件(inductive coupling device)、电容感应组件(capacitive coupling device)、声学变压器(acoustic transformer)实现，皆在专利范围内，下列有关于返驰式电源转换器100的操作，即以位于次级测的发光二极管36A及位在初级侧的光敏晶体管36B实现隔离信号组件34，以做说明。
在重载时，由于输出电压较高，因此发光二极管36A及电压调整器34皆会正常工作而将代表输出电压端Vo位准信号发送给初级侧的光敏晶体管36B，以形成提供给反馈控制单元40的次级反馈信号FB。反馈控制单元40的内部控制组件(例如可为一微处理器400)在接收到次级反馈信号FB后，即可由次级反馈信号FB判断目前输出电压端Vo位准，以做反馈控制。
复参见图5，为说明本发明第一较佳具体实例操作的波形示意图。在一开始开机后且负载为重载状态时(例如输出功率为2W-65W时)，次级反馈信号FB的位准也较高，此时反馈控制单元40接收次级反馈信号FB以做反馈控制。在负载功率下降时，次级反馈信号FB的位准也降低。若次级反馈信号FB的位准降到一临限值(例如0.3V)以下，则反馈控制单元40判断此时负载会由重载转为轻载(例如预定条件为2W以下)，即会选择由接脚3，亦即由分压电阻电路(R1及R2)而连接到辅助线圈Waux的接脚，而接收初级反馈信号以做反馈控制。此时由于使用的反馈信号由次级反馈信号FB变化到初级反馈信号，反馈控制单元40可控制输出到切换开关16的控制电压，使输出电压降低一预定条件，因此输出的能量可以藉由电压降低而减少。由于在轻载时，预定条件在2瓦以下，远低于现有的架构所能提供的输出功率，因此可以将次级侧的电路在一节能模式下操作。在此节能模式下，至少光耦合器的光敏晶体管可以藉由初级侧反馈控制单元关掉，以节省消耗功率。在输出电压的电压调整率特性，不会有现有架构的问题产生。另外将输出电压Vo降低一预定条件，在不会影响输出端的操作之下，亦可得到减少能源损耗的目的。由于输出电压Vo降低因此可以使得光耦合器中的发光二极管36A及电压调整器34流经电流降低，也可以达成节省消耗功率的效果
另外，为了由反馈控制单元40控制输出到切换开关16的控制电压，使输出电压降低一预定条件外；分压电路R1及R2的阻值可以选择与一般初级反馈电路使用的数值略有不同，使得反馈控制单元40在选择反馈信号由接脚3输入时，回报的负载状态会与次级反馈信号FB略有不同，而可控制输出到切换开关16的控制电压，使输出电压降低一预定条件。再者，本发明可以实现输出电压略降的方式不仅于此，也可以选择变压器单元20的圈数比(例如初级侧线圈Wp及辅助线圈Waux的圈数比)，而使得反馈控制单元40在选择反馈信号由接脚3输入时，回报的负载状态会与次级反馈信号FB略有不同，达成输出电压降低一预定条件效果。
在此时，反馈控制单元40主要依赖由分压电阻电路(R1及R2)连接到辅助线圈Waux的接脚，以得到初级反馈信号。并且此时反馈控制单元40改以脉冲频率调制(pulse frequency modulation，PFM)或电压位准感应检测的方式来控制切换开关16，且输出如图5所示的控制信号PSR。换言之，反馈控制单元40输出导通时间(on time)为固定的脉冲，但是脉冲的频率随着负载的需求而改变，例如在零负载时，PFM信号的频率可为500Hz或更低，而在输出功率需求为2W时，PFM信号的频率可为1KHz，依此类推。
如图5所示，在微处理器400判断PFM输出脉冲的频率增加到一预定临界频率时，即可判断此时负载状况由轻载转换为重载，且选择次级反馈信号FB做反馈控制。由于此时反馈路径选择改变，输出电压Vo即回复至未降压前的位准，因此发光二极管36A及电压调整器34可正常工作，以使得反馈控制单元40得以精确反馈控制输出电压。
参见图4，为说明依据本发明的第二较佳具体实例的具有初次级双反馈控制的返驰式电源转换器方块图。该具有初次级双反馈控制的返驰式电源转换器100’主要包含与图3所示具体实例类似的组件，主要差异点为在初级侧及次级侧设置一双向隔离信号组件60，以提供双向可控制的隔离。该双向隔离信号组件60可以提供初级侧及次级侧的双向命令信号传输，且该双向隔离信号组件60至少包含一位于次级侧的信号发射器及一位于初级侧的信号接收器，其中该信号发射器及该信号接收器以电气隔离方式传送信号。在负载端为重载操作时，该双向隔离信号组件60可量测流经电阻R的电流IR，并将量测结果经由该信号发射器传送到该信号接收器，并由反馈控制单元40的接脚2接收，以做反馈控制。
在负载端由重载转成轻载时，该反馈控制单元40可利用该双向隔离信号组件60将位于次级侧的电阻R及电压调整器34的一连接路径断路，因此如图6所示，流过电阻R的电流IR为0，且电压调整器34也会关掉，以节省消耗功率。
此时反馈控制单元40以初级侧反馈信号做反馈控制。再者，在负载端由轻载转成重载时，该反馈控制单元40可以藉由该双向隔离信号组件60解除次级侧的连接路径断路，此时该双向隔离信号组件60可再度量测流经电阻R的电流IR，并将量测结果经由该信号发射器传送到该信号接收器，使该反馈控制单元40可以接收次级反馈信号，以做更精确的负载控制。
综上所述，本发明的返驰式电源转换器包含以下特点：
1.具有两种反馈的返驰式电源转换器及具有可切换反馈方式的架构，因此依据负载状况选择次级反馈信号或是初级反馈信号。
2.本发明的返驰式电源转换器利用次级侧反馈电压进行初级侧反馈切换，且利用初级侧反馈频率检测或电压位准感应检测并切换为次级侧反馈；再者，初级侧反馈可控制输出电压，利用输出电压可控式的优点，将初级侧光耦合器电流源关断，减少初级侧反馈损耗。
3.所有控制功能可整合至一控制IC内，在进入初级侧控制模式时，可由控制IC产出“on/off”信号，透过隔离组件，关断次级侧所有电源损耗。
4.由于反馈机制可选用次级反馈信号或是初级反馈信号，因此可应用于较大功率用途，并同时降低待机消耗电能。由于大多数电器较常处于待机状态，有效降低待机消耗电能可以增进节能效果。
综上所述，当知本发明已具有产业实用性、新颖性与创造性，又本发明的构造亦未曾见于同类产品及公开使用，完全符合发明专利申请要件。
Claims (13)
1.一种初次级双反馈控制的返驰式电源转换器，其特征在于，该返驰式电源转换器包含一变压器，该变压器具有彼此电磁耦合的一初级线圈、一次级线圈及一辅助线圈，该返驰式电源转换器包含：
一次级反馈单元，电连接至该次级线圈，且包含一隔离信号组件及一电压调整器，该隔离信号组件包含一位于次级侧的信号发射器及一位于初级侧的信号接收器，该信号发射器电连接至该电压调整器且以隔离方式发送一次级反馈信号至该信号接收器；及
一反馈控制单元，电连接到该辅助线圈及该信号接收器，该反馈控制单元经由一接脚自该辅助线圈接收操作电压；
其中该反馈控制单元于该返驰式电源转换器在重载操作时，经由该信号接收器接收该次级反馈信号，且该反馈控制单元于该返驰式电源转换器在轻载操作时，由该反馈控制单元之另一接脚接收来自该辅助线圈的一初级反馈信号；
在轻载时，该反馈控制单元以脉冲频率调制方式送出控制信号且关闭该电压调整器；
在该反馈控制单元比对该控制信号的频率高于一预定频率时，控制输出电压以使该电压调整器正常工作。
2.如权利要求1所述的返驰式电源转换器，其特征在于，该隔离信号组件为光耦合器，该信号发射器为发光二极管，且该信号接收器为光敏晶体管。
3.如权利要求2所述的返驰式电源转换器，其特征在于，该反馈控制单元在接收来自该辅助线圈的该初级反馈信号后，控制一切换开关，以将次级侧的该次级反馈单元于一节能模式操作。
4.如权利要求3所述的返驰式电源转换器，其特征在于，该节能模式中，该发光二极管为关闭。
5.如权利要求3所述的返驰式电源转换器，其特征在于，该节能模式中，该发光二极管的流经电流降低。
6.如权利要求1所述的返驰式电源转换器，其特征在于，该隔离信号组件为电感感应组件、电容感应组件、声学变压器或是双向隔离信号组件。
7.如权利要求1所述的返驰式电源转换器，其特征在于，于该返驰式电源转换器在重载操作时，若该反馈控制单元比对该次级反馈信号低于一预定条件，则判断该返驰式电源转换器的负载已经变成轻载。
8.一种用于返驰式电源转换器的初次级双反馈控制方法，其特征在于，该返驰式电源转换器包含一变压器及一次级反馈单元，该变压器具有彼此电磁耦合的一初级线圈、一次级线圈及一辅助线圈，该次级反馈单元包含一隔离信号组件及一电压调整器，该方法包含：
该反馈控制单元经由一接脚自该辅助线圈接收操作电压；
该返驰式电源转换器于重载操作时，一反馈控制单元接收该隔离信号组件送来的次级反馈信号以做反馈控制；及
若该次级反馈信号低到一预定条件之下，该反馈控制单元由另一接脚选择来自该辅助线圈的初级反馈信号以做反馈控制，且该反馈控制单元以脉冲频率调制方式送出控制信号且关闭该电压调整器；
在该反馈控制单元比对该控制信号的频率高于一预定频率时，控制输出电压以使该电压调整器正常工作。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该隔离信号组件为光耦合器，该信号发射器为发光二极管，且该信号接收器为光敏晶体管。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，该反馈控制单元在接收来自该辅助线圈的该初级反馈信号后，控制一切换开关，以将次级侧的该次级反馈单元于一节能模式操作。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，该节能模式中，该发光二极管为关闭。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，该节能模式中，该发光二极管的导通电流降低。
13.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该隔离信号组件为电感感应组件、电容感应组件、声学变压器或是双向隔离信号组件。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20160425 Address after: Taiwan Hsinchu County Tai Yuan Street Chinese jhubei City, No. 30 2 floor 3 Patentee after: Power Forest Technology Corp. Address before: Hsinchu County, Taiwan, China Patentee before: NeoEnergy Microelectronics, Inc. |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150506 |
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