CN103326585B - 测量功率转换器的变压器的反射电压的取样电路 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种功率转换器的取样电路，其包含一放大电路，其接收一反射电压而产生一第一讯号。一第一开关及一第一电容用于依据反射电压产生一第二讯号。一取样讯号电路依据一切换讯号的禁能而产生一取样讯号。切换讯号是依据一反馈讯号而产生，用以调整功率转换器的一输出。反馈讯号是依据第二讯号而产生。取样讯号用以控制第一开关，以取样反射电压。当第一讯号小于第二讯号时，取样讯号则禁能。本发明的取样电路精确地取样功率转换器的变压器的反射电压，以调整功率转换器的输出。

Description

测量功率转换器的变压器的反射电压的取样电路

技术领域

本发明关于一种功率转换器，特别是指一种功率转换器的取样电路。

背景技术

一般反射电压用来产生一反馈讯号，以调整功率转换器的一输出。反馈讯号关联于电源转换器的输出。许多习知技术已揭露侦测变压器的反射电压。例如美国专利编号7,151,681“Multiple-samplingcircuitformeasuringreflectedvoltageanddischargetimeofatransformer”、美国专利编号7,349,229“Causalsamplingcircuitformeasuringreflectedvoltageanddemagnetizingtimeoftransformer”以及美国专利编号7,486,528“Linear-predictsamplingformeasuringdemagnetizedvoltageoftransformer”。然而，复杂度是美国专利编号7,151,681的缺陋。美国专利编号7,349,229在动态负载或输入电压改变下会有取样不精确的缺陋。美国专利编号7,486,528的方式会受限于变压器设计的匝数比。本发明提供一种简易且精确的方式而取样运作于非连续电流模式(DiscontinuousCurrentMode，DCM)及连续电流模式(ContinuousCurrentMode，CCM)的功率转换器的变压器的反射电压。

发明内容

本发明的主要目的，在于提供一种精确取样电路，而用于测量功率转换器的变压器的反射电压。

本发明提供一种取样电路，用于取样功率转换器的一变压器的一反射电压。取样电路包含一放大电路、一第一电容、一第一开关及一取样讯号电路。放大电路接收反射电压以产生一第一讯号。第一电容依据反射电压产生一第二讯号。第一开关耦接在反射电压与第一电容之间。取样讯号电路依据一切换讯号的禁能产生一取样讯号。切换讯号是依据一反馈讯号而产生，用以调整功率转换器的一输出。反馈讯号是依据第二讯号而产生。取样讯号用于控制第一开关而取样反射电压。当第一讯号小于第二讯号时，取样讯号则禁能。第二讯号相较于第一讯号，其具有一传输延迟。

本发明提供功率转换器的另一取样电路。取样电路包含一放大电路及一取样单元。放大电路依据功率转换器的一变压器的一反射电压产生一第一讯号。取样单元依据一切换讯号的禁能取样反射电压而产生一第二讯号。切换讯号是依据一反馈讯号而产生，以调整功率转换器的一输出。反馈讯号是依据第二讯号而产生。此外，当第一讯号小于第二讯号或/及一脉波讯号致能时，取样单元停止取样反射电压，脉波讯号用于产生切换讯号。

实施本发明产生的有益效果是：本发明的功率转换器的取样电路中，放大电路接收一反射电压而产生一第一讯号，第一开关及一第一电容依据反射电压产生一第二讯号。取样讯号电路依据切换讯号的禁能而产生一取样讯号。切换讯号依据一反馈讯号而产生，用以调整功率转换器的一输出。反馈讯号依据第二讯号而产生。取样讯号用以控制第一开关，以取样反射电压。当第一讯号小于第二讯号时，取样讯号则禁能。本发明可实现取样电路精确地取样功率转换器的变压器的反射电压，以调整功率转换器的输出。

附图说明

图1是本发明的一切换式功率转换器的一实施例的电路图。

图2是本发明的一切换控制电路的一实施例的电路图。

图3是本发明的一取样电路的一实施例的电路图。

图4是本发明的取样电路的讯号V_SD、V_ST及反馈讯号E_AV的波形图。

图5A是本发明的功率转换器运作在非连续电流模式(DCM)的切换讯号S_W、讯号V_S、消隐讯号BLK、取样讯号S_MP及保持讯号HLD的波形图。

图5B是本发明的功率转换器运作在连续电流模式(CCM)的脉波讯号PLS、切换讯号S_W、讯号V_S、消隐讯号BLK、取样讯号S_MP及保持讯号HLD的波形图。

图6是本发明的脉波产生器的一实施例的电路图。

【图号对照说明】

10变压器20晶体管

30电阻31电阻

32电阻40整流器

45电容50切换控制电路

100取样电路110反相器

115脉波产生器120正反器

130放大器131电阻

132电阻140阻抗装置

145第三开关150第一电容

151第一开关160第二电容

161第二开关170比较器

171或门172反相器

173与非门180脉波产生器

200脉宽调变电路210转导放大器

215频率补偿电容230比较器

235反相器240正反器

250震荡器300晶体管

302反相器304电流源

306电容308反相器

309与门BLK消隐讯号

E_AV反馈讯号HLD保持讯号

IN输入讯号N_A辅助绕组

N_P一次侧绕组N_S二次侧绕组

OUT输出讯号PLS脉波讯号

RST重置讯号S_MP取样讯号

S_W切换讯号T切换周期

T_ON导通时间T_P脉波宽度

V_CC供应电压V_COM讯号

V_I电流讯号V_IN输入电压

V_O输出电压V_REF参考讯号

V_S讯号V_SD第一讯号

V_ST第二讯号

具体实施方式

为了使本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，特用较佳的实施例及配合详细的说明，说明如下：

图1是本发明的一切换式功率转换器的一实施例的电路图。切换式功率转换器包含一变压器10，变压器10具有一辅助绕组N_A、一一次侧绕组N_P及一二次侧绕组N_S。一次侧绕组N_P的一端耦接至一输入电压V_IN。二次侧绕组N_S透过一整流器40及一电容45产生一输出电压V_O。为了调整输出电压V_O，一切换控制电路50产生一切换讯号S_W而透过一晶体管20切换变压器10。晶体管20耦接变压器10的一次侧绕组N_P的另一端。晶体管20作为一功率开关。当晶体管20导通时，一激磁电压(输入电压V_IN)施加于变压器10。一充电电流因而流过变压器10的一次侧绕组N_P及晶体管20。

透过耦接在晶体管20与接地端之间的一电阻30，充电电流被转换成一电流讯号V_I，其耦接至切换控制电路50。当晶体管20截止时，变压器10在激磁周期所储存的能量会传送至变压器10的二次侧绕组N_S及辅助绕组N_A。假使整流器40的顺向电压能被忽略，辅助绕组N_A的一反射电压V_AUX能表示为：

$V_{\mathrm{AUX}}=\frac{N_A}{\mathrm{Ns}}\×V_O---\left(1\right)$

其中，N_A及N_S分别为变压器10的辅助绕组及二次侧绕组的匝数。根据方程式(1)，反射电压V_AUX表示功率转换器的输出电压V_O。

电阻31及32形成的一分压电路根据反射电压V_AUX产生一讯号V_S，其能表示为：

$V_S=\frac{R_{32}}{R_{31}+R_{32}}\×V_{\mathrm{AUX}}---\left(2\right)$

其中，R₃₁及R₃₂分别为电阻31与32的电阻值。讯号V_S表示反射电压V_AUX。

为了精确地侦测功率转换器的输出电压V_O，应该在二次侧绕组N_S的切换电流接近零时测量反射电压。因此，整流器40的顺向电压的变化能被忽略。当激磁电压(输入电压V_IN)施加于变压器10时，充电电流会流过变压器10。一放电电流产生于消磁期间，其根据跨于变压器10的二次侧绕组N_S的反射电压(输出电压V_O)而产生。放电电流表示变压器10的二次侧绕组N_S的切换电流。放电电流于消磁时间的结束点将减至为零。因此，在消磁时间的结束点之前即可正确地取样变压器10的反射电压。其表示反射电压在变压器10完全消磁之前被取样。

$I_C=\frac{V_{\mathrm{IN}}}{L_P}\×T_{\mathrm{CHARGE}}---\left(3\right)$

$I_D=\frac{V_O}{L_S}\×T_{\mathrm{DISCHARGE}}---\left(4\right)$

其中，I_C为充电电流；I_D为放电电流；L_P及L_S分别为变压器10的一次侧绕组N_P及二次侧绕组N_S的电感值。T_CHARGE为激磁时间；T_DISCHARGE为消磁时间。在连续电流模式(CCM)下，必须在消磁时间的结束点之前(放电电流降低至零之前)取样反射电压，如此整流器40的顺向电压不能被忽略。受整流器40的顺向电压所影响的取样反射电压可藉由美国专利编号7,352,595“Primary-sidecontrolledswitchingregulator”所揭露的方式进行补偿。

图2是本发明的切换控制电路50的一实施例的电路图。切换控制电路50包含一取样电路(SAMPLE)100及一脉宽调变电路(PWM)200。取样电路100接收讯号V_S、一脉波讯号PLS以及切换讯号S_W，而依据变压器10的反射电压(讯号V_S)、脉波讯号PLS及切换讯号S_W产生一反馈讯号E_AV。

脉宽调变电路200包含一转导放大器(trans-conductanceamplifier)210、一频率补偿电容215、一比较器230、一反相器235以及一正反器240，用以产生切换讯号S_W。转导放大器210具有一参考讯号V_REF，且比较参考讯号V_REF与反馈讯号E_AV，以产生一讯号V_COM。参考讯号V_REF供应至转导放大器210的一正输入端，转导放大器210的一负输入端接收反馈讯号E_AV。转导放大器210的一输出端产生讯号V_COM。

频率补偿电容215耦接讯号V_COM，以补偿回授回路。讯号V_COM更耦接比较器230的一正输入端，以在电流讯号V_I高于讯号V_COM时重置正反器240。电流讯号V_I供应至比较器230的一负输入端，比较器230的一输出端耦接正反器240的一重置输入端R。一供应电压VCC供应至正反器240的一输入端D。一震荡器(OSC)250产生脉波讯号PLS，脉波讯号PLS经过反相器235而耦接至正反器240的一时脉输入端CK，以致能正反器240与正反器240的一输出端Q所输出的切换讯号S_W。反馈讯号E_AV及电流讯号V_I耦接脉宽调变电路200，以控制正反器240与切换讯号S_W，以调整功率转换器的输出。

图3是本发明的取样电路100的一实施例的电路图。取样电路100包含一放大电路，其包含一放大器130、电阻131及132。放大电路接收讯号V_S而产生一第一讯号V_SD。换言之，放大电路接收反射电压而产生第一讯号V_SD。讯号V_S耦接放大器130的一正输入端以产生第一讯号V_SD。放大电路依据讯号V_S(反射电压)而放大第一讯号V_SD。电阻131耦接在接地端及放大器130的一负输入端之间。电阻132耦接在放大器130的负输入端及放大器130的一输出端之间。

取样电路100更包含一取样单元，取样单元包含一第一电容150及一第一开关151，而用以取样讯号V_S及产生一第二讯号V_ST。这表示，取样单元用于取样变压器10(如图1所示)的反射电压。第一电容150透过丨阻抗装置140及第一开关151而取样讯号V_S。阻抗装置140耦接于变压器10的辅助绕组N_A(如图1所示)及第一开关151的一第一端之间。第一电容150耦接于第一开关151的一第二端及接地端之间。阻抗装置140及第一电容150构成具有一传输延迟的一低通滤波器。一第三开关145并联于阻抗装置140，以在第三开关145导通时降低阻抗装置140的阻抗。丨消隐讯号BLK控制第三开关145。丨取样讯号S_MP控制第一开关151，用以取样讯号V_S(反射电压)。如图5A所示，消隐讯号BLK及取样讯号S_MP两者依据切换讯号S_W的禁能而产生。

切换讯号S_W更用于产生一消隐讯号BLK，其透过包含一脉波产生器115及一反相器110的一消隐电路产生消隐讯号BLK。反相器110的一输入端接收切换讯号S_W，反相器110的一输出端耦接脉波产生器115的一输入端，以产生消隐讯号BLK。消隐讯号BLK为一脉波讯号，其提供一消隐时间(消隐周期)，以及提供取样该讯号V_S(变压器10的反射电压)的一最小周期。

取样电路100更包含一取样讯号电路，取样讯号电路包含反相器110及一正反器120，用以根据切换讯号S_W的禁能而产生取样讯号S_MP。切换讯号S_W透过反相器110而耦接正反器120的一时脉输入端CK。正反器120的一输入端D接收供应电压V_CC。正反器120的一输出端Q输出取样讯号S_MP。藉由反相器110及正反器120，切换讯号S_W产生(致能)取样讯号S_MP。

因此，第一电容150根据讯号V_S产生第二讯号V_ST。因为第三开关145及第一开关151导通，所以在消隐周期期间第二讯号V_ST相同于讯号V_S。在消隐周期之后，第一开关151可能仍维持导通，阻抗装置140会提供低通滤波且在讯号V_S与第二讯号V_ST之间提供传输延迟。如图4所示，相较于第一讯号V_SD，第二讯号V_ST具有传输延迟。

第二讯号V_ST与第一讯号V_SD耦接于一比较器170，并经由一或门171与一与非门173，而产生一重置讯号RST。第二讯号V_ST供应至比较器170的一正输入端，比较器170的一负输入端接收第一讯号V_SD，比较器170的一输出端耦接或门171的一第一输入端。或门171的一输出端耦接与非门173的一输入端，以产生重置讯号RST。重置讯号RST连接正反器120的一重置输入端R，以重置正反器120，而禁能取样讯号S_MP。

或门171的一第二输入端连接脉波讯号PLS。所以，如图5B所示，取样讯号S_MP将依据脉波讯号PLS的致能而禁能，如此当功率转换器运作在连续电流模式(CCM)时，将确保讯号V_S(变压器10的反射电压)在变压器10的下一个切换周期开始之前正确地被取样。与非门173的另一输入端透过一反相器172接收消隐讯号BLK。因此，重置讯号RST于消隐周期期间被禁能(逻辑高位准)，其依据切换讯号S_W的禁能而确保取样该讯号V_S的一最小取样时间以及确保取样讯号S_MP具有一最小脉波宽度。换言之，消隐周期(消隐时间)提供取样讯号S_MP的最小脉波宽度。

如图5A所示，取样讯号S_MP依据切换讯号S_W的禁能而致能。如图5B所示，当脉波讯号PLS被产生(致能)及/或第一讯号V_SD小于第二讯号V_ST时(如图4所示)，取样讯号S_MP会被禁能。其表示，当脉波讯号PLS被致能及/或第一讯号V_SD小于第二讯号V_ST时，取样单元停止取样反射电压。第一讯号V_SD小于第二讯号V_ST是表示位于消磁时间的结束点。因为第二讯号V_ST相较于讯号V_S具有传输延迟，所以在消磁时间的结束点之前，第一电容150的取样值将相同于讯号V_S的数值。因此，阻抗装置140及第一电容150的时间常数(传输延迟)必须大于第一讯号V_SD的一下降边缘电压转换速率(fallingedgeslew-rate)。

如图5A所示，当取样讯号S_MP禁能时，取样讯号S_MP透过一反相器175及一脉波产生器180(如图3所示)将产生一保持讯号HLD。换言之，保持讯号HLD是依据取样讯号S_MP而产生。反相器175的一输入端耦接正反器120的输出端Q以接收取样讯号S_MP。反相器175的一输出端耦接脉波产生器180的一输入端。脉波产生器180依据取样讯号S_MP的禁能产生保持讯号HLD。

取样电路100更包含一保持单元，保持单元包含一第二开关161及一第二电容160，其依据第二讯号V_ST产生反馈讯号E_AV。第二开关161耦接于第一电容150与第二电容160之间。保持讯号HLD用于控制第二开关161以移转第二讯号V_ST至第二电容160。当第二开关161经保持讯号HLD导通时，第二电容160因此产生反馈讯号E_AV。

图5A是本发明功率转换器运作于非连续电流模式(DCM)下的波形图，其包含切换讯号S_W、讯号V_S、消隐讯号BLK、取样讯号S_MP及保持讯号HLD。保持讯号HLD产生于取样讯号S_MP禁能之后。一延迟时间t位于取样讯号S_MP的下降边缘及保持讯号HLD的上升边缘之间。

图5B是本发明功率转换器运作于连续电流模式(CCM)下的波形图，其包含脉波讯号PLS、切换讯号S_W、讯号V_S、消隐讯号BLK、取样讯号S_MP及保持讯号HLD。T是切换讯号S_W的切换周期；T_ON是切换讯号S_W的导通时间；T_P是脉波讯号PLS的脉波宽度。取样讯号S_MP的最大取样周期为“切换周期-导通时间T_ON-脉波宽度T_P”。保持讯号HLD的脉波宽度必须短于脉波讯号PLS的脉波宽度，其表示保持讯号HLD结束于下一个切换周期开始之前，且于下一个切换周期开始之前反馈讯号E_AV产生。

图6是本发明的脉波产生器115及180的一实施例的电路图。脉波产生器包含一晶体管300、反相器302、308、一电流源304、一电容306及一与门309。脉波产生器接收一输入讯号IN而产生一输出讯号OUT。根据脉波产生器115(如图3所示)，输入讯号IN是切换讯号S_W，且输出讯号是OUT是消隐讯号BLK。根据脉波产生器180(如图3所示)，输入讯号IN是取样讯号S_MP，且输出讯号是OUT是保持讯号HLD。

输入讯号IN透过反相器302耦接于晶体管300的一闸极，以驱动晶体管300。电流源304的一端耦接供应电压V_CC。电流源304的另一端耦接晶体管300的一汲极与电容306的一端。晶体管300的一源极与电容306的另一端耦接于接地端。当输入讯号IN的位准为一高位准且晶体管300被截止时，电流源304对电容306充电。反相器308耦接在电容306与与门309的一输入端之间。与门309的另一输入端接收输入讯号IN。与门309的一输出端产生输出讯号OUT，例如消隐讯号BLK及保持讯号HLD。电流源304的强度及电容306的电容值决定输出讯号OUT的脉波宽度。

上文仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。

Claims (16)

1.一种取样功率转换器的变压器的反射电压的取样电路，其特征在于，包含：

一放大电路，其接收该反射电压而产生一第一讯号；

一第一电容，其依据该反射电压产生一第二讯号；

一第一开关，其耦接于该反射电压及该第一电容之间；以及

一取样讯号电路，其依据一切换讯号的禁能产生一取样讯号，该切换讯号是依据一反馈讯号而产生，用以调整该功率转换器的一输出；

其中，该反馈讯号是依据该第二讯号而产生，该取样讯号用以控制该第一开关，以取样该反射电压，当该第一讯号小于该第二讯号时，该取样讯号被禁能，该第二讯号相较于该第一讯号具有一传输延迟。

2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，其更包含一震荡器，该震荡器产生一脉波讯号，而用以产生该切换讯号，该取样讯号将依据该脉波讯号而禁能。

3.如权利要求1所述的电路，其特征在于，其更包含一阻抗装置，该阻抗装置耦接于该第一开关，该阻抗装置及该第一电容构成具有该传输延迟的一低通滤波器。

4.如权利要求3所述的电路，其特征在于，其更包含耦接该阻抗装置的一开关，以依据一消隐时间降低该阻抗装置的阻抗。

5.如权利要求1所述的电路，其特征在于，其更包含：

一第二开关，其耦接该第一电容；以及

一第二电容，其耦接该第二开关，并将该第二讯号从该第一电容转移至该第二电容；

其中，一保持讯号依据该取样讯号而产生，该保持讯号控制该第二开关，该第二电容依据该第二讯号产生该反馈讯号。

6.如权利要求1所述的电路，其特征在于，其中该取样讯号依据该切换讯号的禁能而具有一最小脉波宽度。

7.如权利要求1所述的电路，其特征在于，其中该传输延迟大于该第一讯号的一下降边缘电压转换速率。

8.一种功率转换器的取样电路，其特征在于，包含：

一放大电路，其依据该功率转换器的一变压器的一反射电压产生一第一讯号；以及

一取样单元，其依据一切换讯号的禁能取样该反射电压而产生一第二讯号，该切换讯号是依据一反馈讯号而产生，用以调整该功率转换器的一输出；

其中，该反馈讯号是依据该第二讯号而产生，当该第一讯号小于该第二讯号时，该取样单元停止取样该反射电压。

9.如权利要求8所述的电路，其特征在于，其中当一脉波讯号致能时，该取样单元停止取样该反射电压，该脉波讯号用以产生该切换讯号。

10.如权利要求8所述的电路，其特征在于，其更包含一取样讯号电路，其依据该切换讯号的禁能产生一取样讯号，该取样讯号控制该取样单元取样该反射电压，以产生该第二讯号。

11.如权利要求10所述的电路，其特征在于，其中当一脉波讯号致能时，该取样讯号禁能，该脉波讯号用以产生该切换讯号。

12.如权利要求10所述的电路，其特征在于，其中当该第一讯号小于该第二讯号时，该取样讯号禁能。

13.如权利要求8所述的电路，其特征在于，其更包含一保持电路，该保持电路耦接该取样单元并接收该第二讯号，以依据该第二讯号产生该反馈讯号。

14.如权利要求8所述的电路，其特征在于，其中该取样单元包含：

一第一电容，其依据该反射电压产生该第二讯号；以及

一第一开关，其耦接于该反射电压及该第一电容之间，且受控制于一取样讯号，以取样该反射电压。

15.如权利要求14所述的电路，其特征在于，其更包含一阻抗装置，该阻抗装置耦接于该第一开关，该阻抗装置及该第一电容构成具有一传输延迟的一低通滤波器。

16.如权利要求15所述的电路，其特征在于，其更包含耦接该阻抗装置的一开关，以依据一消隐时间降低该阻抗装置的阻抗。