CN105866517A

CN105866517A - 膝点电压侦测器

Info

Publication number: CN105866517A
Application number: CN201510034285.5A
Authority: CN
Inventors: 陈科宏; 邱昭彰; 林浩元; 孟哲浩; 张致维; 王颖翔
Original assignee: Novatek Microelectronics Corp
Current assignee: Novatek Microelectronics Corp
Priority date: 2015-01-23
Filing date: 2015-01-23
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2035-01-23
Also published as: CN105866517B

Abstract

本发明公开一种膝点电压侦测器，用于一驰返式转换器，包括一延迟单元，用来将所述驰返式转换器的一辅助绕组的一辅助相关电压延迟一预定时间，以产生一延迟信号；一减法单元，用来根据所述辅助相关电压及所述延迟信号，产生一减法信号；一比较单元，用来在所述减法信号指示所述辅助相关电压及所述延迟信号的一电压差大于一门坎值时，产生一取样信号；以及一取样保存单元，用来根据所述取样信号，在所述辅助相关电压及所述延迟信号的所述电压差大于所述门坎值时，对所述延迟信号进行取样以产生一膝点电压。

Description

膝点电压侦测器

技术领域

本发明涉及一种用于一驰返式转换器的膝点电压侦测器，尤其涉及一种可在初次侧比较一辅助绕组的一辅助相关电压及其延迟信号，以精准侦测膝点电压的膝点电压侦测器。

背景技术

交换式电源转换器(Switching Power Converter)可将高压交流或直流电源转换为低压直流电源，广泛应用于各种电子设备中作为电源供应器。常见的交换式电源转换器架构包括返驰式(Flyback)、顺向式(Forward)及推挽式(Push-Pull)等。

一般来说，电源转换器可通过侦测输出电压的大小来调整脉冲宽度调变(pulse width modulation，PWM)信号的责任周期(duty)，以稳定产生输出电压，而侦测输出电压的方法可分为以二次侧回授控制架构直接侦测输出电压及以初次侧回授控制架构间接侦测输出电压。其中，初次侧回授控制的电源转换器中的变压器不仅具有初次侧绕组及二次侧绕组，还在初次侧具有一辅助绕组，并且其二次侧不须使用光耦合器及三端并联稳压器。当电流通过二次侧绕组时，辅助绕组能感应到电源转换器的输出电压的变化。因此，电源转换器的脉宽调变控制单元能够根据辅助绕组上的电压信号产生回授信号，并据以产生控制信号，控制晶体管的责任周期，调整输出至负载的电能。由于光耦合器及三端并联稳压器的组件成本高并需要较大的电路面积，相较之下，使用初次侧回授控制架构可有效降低电源转换器的成本。

详细来说，请参考图1A，图1A为一初次侧控制驰返式电路10的示意图。如图1A所示，相较于二次侧回授控制架构，初次侧控制驰返式电路10并未在二次侧设置回授网络直接侦测一输出电压V_OUT，因此需要通过在初次侧侦测一辅助绕组N_A的一辅助电压V_A(此架构侦测一辅助相关电压V_AUX以观察辅助电压V_A，辅助相关电压V_AUX为辅助电压V_A的一分压)，间接侦测输出电压V_OUT以产生一控制信号V_GD控制晶体管100的责任周期以稳定输出电压V_OUT。

在此结构下，请参考图1B，图1B为图1A中初次侧控制驰返式电路10的信号示意图。如图1A及图1B所示，当控制信号V_GD控制晶体管100开启以对一初次侧绕组N_P及一二次侧绕组N_S-充电一充电周期T_ON后，控制信号V_GD控制晶体管100关闭而进入一放电周期T_OFF，此时通过变压器(即辅助绕组N_A与二次侧绕组N_S-)电磁感应可以在辅助绕组N_A的辅助电压V_A感应二次侧绕组N_S-的一二次侧电压V_S以观察输出电压V_OUT的信息(此架构中一初次侧控制电路102侦测辅助电压V_A的分压的辅助相关电压V_AUX以观察辅助电压V_A及输出电压V_OUT的信息，其中，辅助相关电压V_AUX等于辅助电压V_A乘上一分压电阻的一电阻比例k)。

然而，辅助电压V_A会受到许多非理想因素干扰，而无法正确地反映输出电压V_OUT。举例来说，在二次侧的一二极管D₁上的跨压会随着二次侧的一放电电流I_S而改变(即下降效应)，而在二次侧的放电电流I_S放至0后，会有谐振效应发生。因此，为了准确地侦测输出电压V_OUT，初次侧控制电路102会侦测二次侧的放电电流I_S为0的瞬间下辅助电压V_A的一膝点电压V_C，再据以通过控制信号V_GD适当调整输出电压V_OUT(此时膝点电压V_C不会受到上述下降效应及谐振效应的干扰。

举例来说，请参考图2，图2为图1A中初次侧控制电路102的一公知侦测器的操作示意图。如图2所示，在美国专利第7,859,862号的侦测器中，为了避免受到干扰的辅助电压V_A被取样电路储存，一屏蔽(blanking)电路会先产生一屏蔽周期，以避免在功率组件切换时，因非理想效应所产生的干扰造成错误的信号取样。在此情况下，在屏蔽周期(由时间点A至时间点B)后，由于辅助电压V_A在放电电流I_S放电至0的瞬间会有大幅度的斜率变化，而此瞬间的电压取样即为膝点电压V_C，因此通过一微分电路侦测辅助电压V_A的斜率变化，而在斜率变化超过一临界值时，即利用一取样电路对辅助电压V_A的一延迟电压Vd进行取样以得到膝点电压V_C，其中，辅助电压V_A与延迟电压Vd的延迟时间可设计为整个侦测器的反应时间(即由侦测斜率变化超过临界值至时间点C取样延迟电压Vd的时间)，以精准地取样辅助电压V_A的斜率变化超过临界值的瞬间的电压作为膝点电压V_C。

然而，由于辅助电压V_A信号的斜率会受到系统外部组件的影响，因此，此一侦测系统的精准度会受到外部组件的设计影响，导致无法大量应用(如放电电流I_S的放电斜率会受到输出电压V_OUT及负载影响而影响辅助电压V_A的下降斜率，使得不同条件下放电电流I_S放电至0的瞬间具有不同的斜率变化)。

另一方面，请参考图3，图3为初次侧控制电路102的另一公知侦测器的操作示意图。如图3所示，在美国专利公开号2007/0103134的侦测器中，采用多点取样(multi-sampling)的方式对辅助电压V_A进行重复取样，当目标的膝点电压V_C出现时，即把取样结果送出。详细来说，一屏蔽电路会先产生一屏蔽时间T_d，在屏蔽时间T_d内侦测器不进行侦测，以避免非理想效应错误的信号取样。在屏蔽时间T_d后，一计数器根据一取样频率送出取样信号V_SPN、V_SP1以控制一取样电路据以对辅助电压V_A进行取样，直到对辅助电压V_A所取样的电压大幅变化时，将前一次所取样的电压作为膝点电压V_C。

然而，由于上述侦测器的精准度受到取样频率的限制很大，为了提高系统精准度，必须增加取样频率，而造成功耗增加和电磁干扰(ElectroMagneticInterference，EMI)的问题。

因此，公知二次侧回授控制架构需设置光耦合器及三端并联稳压器，而具有高组件成本及较大的电路面积，而公知初次侧回授控制架构精准度会受到外部组件设计影响，或必须增加取样频率而造成功耗增加和电磁干扰的问题。有鉴于此，公知技术实有改进的必要。

发明内容

因此，本发明的主要目的即在于提供一种可在初次侧比较一辅助绕组的一辅助相关电压及其延迟信号，以精准侦测膝点电压的膝点电压侦测器。

本发明公开一种膝点电压侦测器，用于一驰返式转换器。所述膝点电压侦测器包括一延迟单元，用来将所述驰返式转换器的一辅助绕组的一辅助相关电压延迟一预定时间，以产生一延迟信号；一减法单元，用来根据所述辅助相关电压及所述延迟信号，产生一减法信号；一比较单元，用来在所述减法信号指示所述辅助相关电压及所述延迟信号的一电压差大于一门坎值时，产生一取样信号；以及一取样保存单元，用来根据所述取样信号，在所述辅助相关电压及所述延迟信号的所述电压差大于所述门坎值时，对所述延迟信号进行取样以产生一膝点电压。

在此配合下列图示、实施例的详细说明及权利要求书，将上述及本发明的其它目的与优点详述于后。

附图说明

图1A为一初次侧控制驰返式电路的示意图。

图1B为图1A中初次侧控制驰返式电路的信号示意图。

图2为图1A中初次侧控制电路的一公知侦测器的操作示意图。

图3为图1A中初次侧控制电路的另一公知侦测器的操作示意图。

图4为本发明实施例一膝点电压侦测器的示意图。

图5为图4所示的膝点电压侦测器的信号示意图。

图6为图4所示膝点电压侦测器的详细电路示意图。

其中，附图标记说明如下：

10 初次侧控制驰返式电路

100 晶体管

102 初次侧控制电路

40 膝点电压侦测器

400 延迟单元

402 减法单元

404 比较单元

406 取样保存单元

V_OUT 输出电压

N_A 辅助绕组

V_A 辅助电压

V_AUX 辅助相关电压

V_GD 控制信号

N_P 初次侧绕组

N_S- 二次侧绕组

T--_ON 充电周期

T_OFF 放电周期

V_S 二次侧电压

k 电阻比例

D₁ 二极管

I_S 放电电流

V_C 膝点电压

A、B、C 时间点

Vd 延迟电压

V_PSE 延迟信号

V_SUB 减法信号

V_SH 取样信号

V_VG 虚拟接地准位

R_AUX 辅助相关电阻

I_AUX 辅助相关电流

R_PSE 延迟电阻

I_PSE 延迟电流

I_VG 虚拟接地电流

R_VG 虚拟接地电阻

R_SUB 减法电阻

具体实施方式

请参考图4，图4为本发明实施例一膝点电压侦测器40的示意图。如图4所示，膝点电压侦测器40用于初次侧控制驰返式电路10的初次侧控制电路102中，以侦测膝点电压V_C，膝点电压侦测器40包括一延迟单元400、一减法单元402、一比较单元404以及一取样保存单元406。简单来说，延迟单元400可将驰返式转换器10的一辅助绕组N_A的一辅助相关电压V_AUX延迟一预定时间，以产生一延迟信号V_PSE，减法单元402可根据辅助相关电压V_AUX及延迟信号V_PSE，产生一减法信号V_SUB，比较单元404可在减法信号V_SUB指示辅助相关电压V_AUX及延迟信号V_PSE的一电压差大于一门坎值时，产生一取样信号V_SH，而取样保存单元406可根据取样信号V_SH，在辅助相关电压V_AUX及延迟信号V_PSE的电压差大于门坎值时，对延迟信号V_PSE进行取样以产生膝点电压V_C。

在此情况下，由于延迟信号V_PSE与辅助相关电压V_AUX在放电电流I_S放电至0前仅具有一极小差值(大致等于0V)，而在放电电流I_S放电至0后，辅助相关电压V_AUX会因谐振效应快速变化但经过延迟的延迟信号V_PSE不会，使得延迟信号V_PSE与辅助相关电压V_AUX的差值大于预设的门坎值，因此可判断辅助相关电压V_AUX及延迟信号V_PSE的电压差大于门坎值时的瞬间放电电流I_S为0，再通过取样延迟信号V_PSE得到此时辅助相关电压V_AUX的电压产生膝点电压V_C(此时辅助相关电压V_AUX的电压等于膝点电压V_C乘上一分压电阻的一电阻比例k)。如此一来，本实施例可在初次侧比较辅助相关电压V_AUX及延迟信号V_PSE，以精准侦测膝点电压V_C，因此相较公知二次侧回授控制架构具有较低组件成本及较小电路面积，而相较公知初次侧回授控制架构不会受到外部组件设计影响，或不需增加取样频率而能简省功耗并避免电磁干扰(ElectroMagnetic Interference，EMI)。

详细来说，请参考图5，图5为图4所示的膝点电压侦测器40的信号示意图。如图5所示，虚线所示的延迟信号V_PSE与实线所示的辅助相关电压V_AUX在放电电流I_S放电至0前仅具有一极小差值，而在放电电流I_S放电至0的瞬间，辅助相关电压V_AUX会因谐振效应快速变化但经过延迟的延迟信号V_PSE不会，使得延迟信号V_PSE与辅助相关电压V_AUX的差值大于预设的门坎值(如大致为0)，因此减法信号V_SUB可设计为延迟信号V_PSE减去辅助相关电压V_AUX加上一虚拟接地准位V_VG，使得比较单元404在减法信号V_SUB减去虚拟接地准位V_VG大于门坎值的瞬间(即延迟信号V_PSE减去辅助相关电压V_AUX大于门坎值)判断放电电流I_S为0，而产生一脉冲形式的取样信号V_SH，再由取样保存单元406据以对延迟信号V_PSE而得到此时辅助相关电压V_AUX的电压(即V_C*k)，其中，延迟辅助相关电压V_AUX以产生延迟信号V_PSE的预定时间大致为减法单元402产生减法信号V_SUB至取样保存单元406对延迟信号V_PSE进行取样的一反应时间，以准确得到此时辅助相关电压V_AUX的电压。如此一来，本实施例可在初次侧比较辅助相关电压V_AUX及延迟信号V_PSE，以精准侦测膝点电压V_C。

值得注意的是，上述实施例的主要精神在于可在初次侧比较辅助相关电压V_AUX及延迟信号V_PSE，以精准侦测膝点电压V_C，因此相较公知二次侧回授控制架构具有较低组件成本及较小电路面积，而相较公知初次侧回授控制架构不会受到外部组件设计影响，或不需增加取样频率而能简省功耗及免去电磁干扰，本领域普通技术人员当可据以进行修饰或变化，而不限于此。举例来说，在上述实施例中，以辅助电压V_A的分压作为辅助相关电压V_AUX，但在其它实施例中，也可直接以辅助电压V_A或其它与辅助电压V_A相关的电压作为辅助相关电压V_AUX进行延迟产生延迟信号V_PSE后，再进行比较以精准侦测膝点电压V_C。

此外，膝点电压侦测器40中延迟单元400、减法单元402、比较单元404以及取样保存单元406的详细电路，也不限于任何形式，只要能实现上述功能即可。举例来说，请参考图6，图6为图4所示膝点电压侦测器40的详细电路示意图。如图6所示，延迟单元400先以一运算放大器稳定输出辅助相关电压V_AUX后，再通过一电阻电容延迟(RC delay)电路将辅助相关电压V_AUX延迟所述预定时间，以产生延迟信号V_PSE。接着，减法单元402先通过一运算放大器进行负回授及一辅助相关电阻R_AUX产生相对应一辅助相关电流I_AUX，通过一运算放大器进行负回授及一延迟电阻R_PSE产生相对应一延迟电流I_PSE，通过一电压源及一电流镜产生相对应一虚拟接地电流I_VG(此虚拟接地电流I_VG流过一虚拟接地电阻R_VG产生虚拟接地准位V_VG)，然后再通过电流镜进行复制，将延迟电流I_PSE减去辅助相关电流I_AUX再加上虚拟接地电流I_VG的电流流过一减法电阻R_SUB以产生减法信号V_SUB。须注意，由于当延迟信号V_PSE减去辅助相关电压V_AUX为0或负值时，延迟电流I_PSE减去辅助相关电流I_AUX也为0或负值，直接以此进行比较会造成电流镜无法正常运作，因此再加入虚拟接地电流I_VG确保正常开启，但在其它实施例中，若减法单元402的架构可直接比较延迟信号V_PSE及辅助相关电压V_AUX，也可不加入虚拟接地准位V_VG。

接着，比较单元404可以一比较器将减法信号V_SUB与虚拟接地准位V_VG进行比较，在减法信号V_SUB大于虚拟接地准位V_VG而产生高准位的比较结果时，而通过后续逻辑电路产生脉冲形式的取样信号V_SH，再由取样保存单元406据以导通一开关将此时延迟信号V_PSE的电压作为延迟信号V_PSE与辅助相关电压V_AUX的差值大于门坎值的瞬间辅助相关电压V_AUX的电压(即Vc*k)。须注意，膝点电压侦测器40也可如图2及图3所示的公知侦测器的操作还包括一屏蔽(blanking)电路(未绘示)，在一屏蔽时间不进行侦测，以避免非理想效应所产生的干扰。如此一来，本实施例可通过上述电路结构，在初次侧比较辅助相关电压V_AUX及延迟信号V_PSE，以精准侦测膝点电压V_C。

在公知技术中，二次侧回授控制架构需设置光耦合器及三端并联稳压器，而具有高组件成本及较大的电路面积，而初次侧回授控制架构精准度会受到外部组件设计影响，或必须增加取样频率而造成功耗增加和电磁干扰的问题。相较之下，本发明实施例可在初次侧比较辅助相关电压及延迟信号，以精准侦测膝点电压，因此相较公知二次侧回授控制架构具有较低组件成本及较小电路面积，而相较公知初次侧回授控制架构不会受到外部组件设计影响，或不需增加取样频率而能简省功耗并避免电磁干扰。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种膝点电压侦测器，用于一驰返式转换器，其特征在于，包括：

一延迟单元，用来将所述驰返式转换器的一辅助绕组的一辅助相关电压延迟一预定时间，以产生一延迟信号；

一减法单元，用来根据所述辅助相关电压及所述延迟信号，产生一减法信号；

一比较单元，用来在所述减法信号指示所述辅助相关电压及所述延迟信号的一电压差大于一门坎值时，产生一取样信号；以及

一取样保存单元，用来根据所述取样信号，在所述辅助相关电压及所述延迟信号的所述电压差大于所述门坎值时，对所述延迟信号进行取样以产生一膝点电压。

2.如权利要求1所述的膝点电压侦测器，其特征在于，所述延迟单元以一电阻电容延迟电路将所述辅助相关电压延迟所述预定时间，以产生所述延迟信号。

3.如权利要求1所述的膝点电压侦测器，其特征在于，所述预定时间为所述减法单元产生所述减法信号至所述取样保存单元对所述延迟信号进行取样的一反应时间。

4.如权利要求1所述的膝点电压侦测器，其特征在于，所述门坎值为0。

5.如权利要求1所述的膝点电压侦测器，其特征在于，所述减法单元将所述延迟信号所对应的一延迟电流减去所述辅助相关电压所对应的一辅助相关电流，以产生所述减法信号。

6.如权利要求1所述的膝点电压侦测器，其特征在于，所述减法信号为所述延迟信号减去所述辅助相关电压加上一虚拟接地准位。

7.如权利要求1所述的膝点电压侦测器，其特征在于，所述比较单元在所述减法信号指示所述辅助相关电压及所述延迟信号的所述电压差大于所述门坎值时，产生具有一脉冲形式的所述取样信号。