CN106341053B - 以反驰式架构为基础的电源转换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种以反驰式架构为基础的电源转换装置，其包括反驰式电源转换电路、控制芯片以及检测辅助电路。反驰式电源转换电路用以对输入电压进行转换，藉以产生直流输出电压。控制芯片用以产生脉宽调变信号以控制反驰式电源转换电路的运作。检测辅助电路于脉宽调变信号的致能期间内辅助控制芯片通过多功能检测接脚取得第一检测电压，藉以根据第一检测电压执行过电流检测。此外，检测辅助电路在脉宽调变信号的禁能期间内辅助控制芯片通过多功能检测接脚取得第二检测电压，藉以根据第二检测电压执行谷值电压检测。本发明可以降低控制芯片整体的成本。
Description
技术领域
本发明是有关于一种电源转换技术，且特别是有关于一种以反驰式架构为基础(flyback-based)的电源转换装置。
背景技术
电源转换装置(power conversion apparatus)主要的用途是将电力公司所提供的高压且低稳定性的输入电压(input voltage)转换成适合各种电子装置(electronicdevice)使用的低压且稳定性较佳的直流输出电压(DC output voltage)。因此，电源转换装置广泛地应用在电脑、办公室自动化设备、工业控制设备以及通信设备等电子装置中。
现今电源转换装置中的控制架构(control structure)大多采用脉宽调变控制芯片(pulse width modulation control chip,简称PWM control chip)。而且，为了要保护电源转换装置免于受到过电压(over voltage,简称OV)以及过电流(over current,简称OC)等等的现象而损毁，现今脉宽调变控制芯片大多会设置独立的多只检测接脚(detection pin)以各别执行过电流保护(OCP)、谷值电压检测(valley voltagedetection)以及过电压保护(OVP)等检测保护机制。换言之，现今脉宽调变控制芯片的单一只检测接脚顶多只能对应到一种相关的功能检测而已，因此在现今的脉宽调变控制芯片的架构下整体的成本难以降低。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种以反驰式架构为基础(flyback-based)的电源转换装置，藉以解决背景技术所提及的问题。
本发明的电源转换装置包括反驰式电源转换电路、控制芯片以及检测辅助电路。反驰式电源转换电路用以接收输入电压，并且反应于脉宽调变信号而对输入电压进行转换，藉以产生直流输出电压，并且将直流输出电压提供给负载。控制芯片耦接反驰式电源转换电路，用以产生脉宽调变信号以控制反驰式电源转换电路的运作，其中控制芯片具有多功能检测接脚(multi-function detection pin)。检测辅助电路耦接反驰式电源转换电路与控制芯片的多功能检测接脚。检测辅助电路在脉宽调变信号的致能期间内辅助控制芯片通过多功能检测接脚取得第一检测电压，藉以根据第一检测电压执行过电流检测。检测辅助电路在脉宽调变信号的禁能期间内辅助控制芯片通过多功能检测接脚取得第二检测电压，藉以根据第二检测电压执行谷值电压检测。
在本发明一实施例中，控制芯片包括控制主体电路、过电流检测电路以及谷值电压检测电路。控制主体电路用以作为控制芯片的运作核心，并且反应于电源供应需求而产生脉宽调变信号。过电流检测电路耦接于多功能检测接脚与控制主体电路之间，用以在脉宽调变信号的致能期间，反应于第一检测电压而执行过电流检测，并据以提供第一检测结果给控制主体电路，其中控制主体电路反应于第一检测结果而决定是否启动过电流保护机制。谷值电压检测电路耦接于多功能检测接脚与控制主体电路之间，用以在脉宽调变信号的禁能期间，反应于第二检测电压而执行谷值电压检测，并据以提供第二检测结果给控制主体电路，其中控制主体电路反应于第二检测结果而决定是否致能脉宽调变信号。
在本发明一实施例中，在脉宽调变信号的致能期间内，过电流检测电路比较第一检测电压与过电流参考电压，若过电流检测电路判定第一检测电压大于等于过电流参考电压，则发出指示发生过电流的第一检测结果，以及若过电流检测电路判定第一检测电压小于过电流参考电压，则发出指示未发生过电流的第一检测结果。
在本发明一实施例中，当控制主体电路接收到指示发生过电流的第一检测结果时，控制主体电路启动过电流保护机制，藉以停止输出脉宽调变信号，以及当控制主体电路接收到指示未发生过电流的第一检测结果时，控制主体电路关闭过电流保护机制，藉以恢复输出脉宽调变信号。
在本发明一实施例中，在脉宽调变信号的禁能期间内，谷值电压检测电路比较第二检测电压与谷值参考电压，若谷值电压检测电路判定第二检测电压大于等于谷值参考电压，则发出指示未发生谐振的第二检测结果，以及若谷值电压检测电路判定第二检测电压小于谷值参考电压且达到预设期间，则发出指示发生谐振的第二检测结果。
在本发明一实施例中，当控制主体电路接收到指示未发生谐振的第二检测结果时，控制主体电路将脉宽调变信号维持于禁能电平，以及当控制主体电路接收到指示发生谐振的第二检测结果时，控制主体电路将脉宽调变信号调整至致能电平。
在本发明一实施例中，控制主体电路还依据脉宽调变信号的频率来定义屏蔽期间，控制主体电路在屏蔽期间内不进行依据第二检测结果判断是否调整脉宽调变信号的电平的动作。
在本发明一实施例中，控制芯片还具有反馈接脚。控制芯片从反馈接脚取得关联于负载状态的反馈电压，并且控制芯片还包括压控震荡电路。压控震荡电路用以依据反馈电压产生时脉调整信号，使得控制主体电路依据时脉调整信号调整脉宽调变信号的频率，其中控制主体电路还依据时脉调整信号设定屏蔽期间的长度。
在本发明一实施例中，控制芯片还包括过电压检测电路。过电压检测电路耦接于多功能检测接脚与控制主体电路之间，用以在脉宽调变信号的禁能期间，反应于第二检测电压而执行过压/欠压检测，并据以提供第三检测结果给控制主体电路，其中控制主体电路反应于第三检测结果而决定是否启动过压/欠压保护机制。
在本发明一实施例中，在脉宽调变信号的禁能期间内，过电压检测电路判断第二检测电压是否位于工作电压范围内，若过电压检测电路判定第二检测电压位于工作电压范围外，则发出指示发生过压/欠压的第三检测结果，以及若过电压检测电路判定第二检测电压位于工作电压范围内，则发出指示未发生过压/欠压的第三检测结果。
在本发明一实施例中，当控制主体电路接收到指示发生过压/欠压的第三检测结果时，控制主体电路启动过压/欠压保护机制，藉以停止输出脉宽调变信号，以及当控制主体电路接收到指示未发生过压/欠压的第三检测结果时，控制主体电路关闭过压/欠压保护机制，藉以恢复输出脉宽调变信号。
在本发明一实施例中，过电压检测电路会在延迟期间后才进行判断第二检测电压是否位于工作电压范围的动作。
在本发明一实施例中，过电压检测电路还依据取样时脉信号以预设时间间隔取样第二检测电压，并且判断取样到的第二检测电压是否位于工作电压范围内，再依据判断结果而产生计数值，其中过电压检测电路比较计数值与临界值，若过电压检测电路判定计数值达到临界值，则发出指示发生过压/欠压的第三检测结果，以及若过计数值未达到临界值，则发出指示未发生过压/欠压的第三检测结果。
在本发明一实施例中，反驰式电源转换电路包括变压器、功率开关、第一电阻、第一二极管、电容以及第二二极管。变压器具有主线圈、次线圈以及辅助线圈，其中主线圈的异名端用以接收输入电压，辅助线圈的异名端耦接第一接地端，并且次线圈的异名端耦接第二接地端。功率开关其第一端耦接主线圈的同名端，且其控制端耦接控制芯片以接收脉宽调变信号。第一电阻的第一端耦接功率开关的第二端以及多功能检测接脚，且第一电阻的第二端耦接至第一接地端。第一二极管的阳极耦接次线圈的同名端，且第一二极管的阴极输出直流输出电压。电容耦接于第一二极管的阴极与第二接地端之间。第二二极管的阳极耦接辅助线圈的同名端，且第二二极管的阴极输出直流系统电压给控制芯片。
在本发明一实施例中，检测辅助电路包括第三二极管以及第二电阻。第三二极管的阳极耦接辅助线圈的同名端与第二二极管的阳极。第二电阻的第一端耦接第三二极管的阴极，且第二电阻的第二端耦接多功能检测接脚。
基于上述，本发明实施例提出的电源转换装置，其可通过检测辅助电路的作用，通过共用同一只多功能检测接脚的配置方式，令控制芯片可同时实现多种不同的控制及检测保护功能。如此一来，控制芯片的单一只多功能检测接脚不仅可对应到多种相关的功能检测及控制方式，还可最终地降低控制芯片整体的成本。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1为本发明一实施例的电源转换装置的示意图；
图2为图1的一实施例的电源转换装置的电路示意图；
图3为本发明一实施例的控制芯片的功能方块示意图；
图4A为本发明一实施例的电源转换装置在功率开关导通期间的等效电路示意图；
图4B为本发明一实施例的电源转换装置在功率开关截止期间的等效电路示意图；
图5A为本发明一实施例的电源转换装置的信号时序示意图；
图5B为本发明另一实施例的电源转换装置的信号时序示意图。
附图标记说明：
100：电源转换装置；
110：反驰式电源转换电路；
120：控制芯片；
122：控制主体电路；
124：过电流检测电路；
126：谷值电压检测电路；
128：过电压检测电路；
129：压控震荡电路；
130：检测辅助电路；
140：反馈电路；
C1、Cout：电容；
Cf：滤波电容；
Ct：计数值；
CLKa：时脉调整信号；
CLKs：取样时脉信号；
D1、D2、D3：二极管；
DET1、DET2、DET3：检测结果；
D_PIN：驱动接脚；
FB_PIN：反馈接脚；
GND1、GND2：接地端；
GND_PIN：接地接脚；
LD：负载；
M_PIN：多功能检测接脚；
Na：辅助线圈；
Np：主线圈；
Ns：次线圈；
PC：光耦合器；
P_PIN：电源接脚；
Q：功率开关；
R1、R2、R3、R4、R5：电阻；
Rf：滤波电阻；
U1：稳压器；
Spwm：脉宽调变信号；
T：变压器；
Tdly：延迟期间；
Tg：预设时间间隔；
Ton：脉宽调变信号的致能期间；
Toff：脉宽调变信号的禁能期间；
Tp：预设期间；
Tsh：屏蔽期间；
Vaux：辅助电压；
Vd：检测电压；
Vd1：第一检测电压；
Vd2：第二检测电压；
Vdsamp：取样电压；
Vfb：反馈电压；
Vov：上限电压；
Vuv：下限电压；
Vvalley：谷值参考电压；
VCC：直流系统电压；
VIN：输入电压；
VOUT：直流输出电压；
VR：工作电压范围；
Vref：过电流参考电压；
NC：节点。
具体实施方式
为了使本发明的内容可以被更容易明了，以下特举实施例做为本发明确实能够据以实施的范例。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中使用相同标号的元件/构件/步骤，代表相同或类似部件。
图1为本发明一实施例的电源转换装置的示意图。请参照图1，本实施例的电源转换装置100是以反驰式架构为基础(flyback-based)，其中电源转换装置100包括反驰式电源转换电路110、控制芯片120以及检测辅助电路130。
在本实施例中，反驰式电源转换电路110用以接收输入电压VIN，并且反应于来自控制芯片120的脉宽调变信号(pulse width modulation signal,简称PWM signal)Spwm而对输入电压VIN进行电源转换，藉以产生直流输出电压VOUT与直流系统电压(DC systemvoltage)VCC，其中直流输出电压VOUT会被提供给一负载(未示出)并且直流系统电压VCC会并提供作为控制芯片120的供电来源。
控制芯片120耦接反驰式电源转换电路110，其可用以操作在反驰式电源转换电路110所产生的直流系统电压VCC下，并且反应于所述负载的电源供应需求而产生脉宽调变信号Spwm以控制反驰式电源转换电路110的运作。其中，控制芯片120具有多只接脚，例如多功能检测接脚(multi-function detection pin)M_PIN、反馈接脚(feedback pin)FB_PIN等，控制芯片120可从所述接脚分别接收电源转换装置100的运作信息，藉以做为调整所输出的脉宽调变信号Spwm的依据。
检测辅助电路130耦接反驰式电源转换电路110与控制芯片120的多功能检测接脚M_PIN，其可用以辅助控制芯片120获取关联于反驰式电源转换电路110的运作状态信息(例如输入电压VIN及电路谐振情形等)。
此外，在本实施例中，电源转换装置100还可选择性地包括反馈电路140。反馈电路140耦接于控制芯片120的反馈接脚FB_PIN与反驰式电源转换电路110的输出端之间，其可用以取样二次侧的输出端上的直流输出电压VOUT，并且将取样到的电压信息耦合回一次侧以提供给控制芯片120，使得控制芯片120可根据反馈接脚FB_PIN上的电压而判断与反驰式电源转换电路110的输出端耦接的负载的负载状态，并据以调整脉宽调变信号Spwm的禁/致能期间。
更清楚来说，图2为图1的一实施例的电源转换装置的电路示意图。请合并参照图1与图2，本实施例的电源转换装置100例如用以驱动负载LD，其中负载LD可例如为任何类型的电子装置，本发明不对此加以限制。
在本实施例中，反驰式电源转换电路110包括变压器T、功率开关Q(图式示出为N型功率开关为例，但不仅限于此)、电阻R1、二极管D1与D2以及输出电容Cout。控制芯片120具有驱动接脚D_PIN、多功能检测接脚M_PIN、反馈接脚FB_PIN、电源接脚P_PIN以及接地接脚GND_PIN。检测辅助电路130包括二极管D3、电阻R2、滤波电阻Rf以及滤波电容Cf。反馈电路140包括电阻R3、R4、R5、电容C1、稳压器U1以及光耦合器PC。
在反驰式电源转换电路110中，变压器T具有主线圈(primary winding)Np、次线圈(secondary winding)Ns以及辅助线圈(auxiliary winding)Na。在本实施例中，一次侧电路(主线圈Np与辅助线圈Na的一侧)是以接地端GND1作为电压参考点，并且二次侧电路(次线圈Ns的一侧)则是以接地端GND2作为电压参考点。其中，接地端GND1与GND2可以是相同或不同的接地面，本发明不对此加以限制。
变压器T的主线圈Np的同名端(common-polarity terminal，即打点处)耦接功率开关Q，并且变压器T的主线圈Np的异名端(opposite-polarity terminal)，(即未打点处)用以接收输入电压VIN。变压器T的次线圈Ns的同名端耦接二极管D1，并且变压器T的次线圈Ns的异名端耦接至二次侧的接地端GND2。变压器T的辅助线圈Na的同名端耦接二极管D2与D3，并且变压器T的辅助线圈Na的异名端则耦接至一次侧的接地端GND1。
功率开关Q的第一端(在此为漏极)耦接变压器T的主线圈Np的同名端，功率开关Q的第二端(于此为源极)耦接电阻R1的第一端，并且功率开关Q的控制端(在此为栅极)则用以接收来自控制芯片120的脉宽调变信号Spwm。
电阻R1的第一端耦接功率开关Q的第二端，并且电阻R1的第二端耦接接地端GND1。二极管D1的阳极(anode)耦接变压器T的次线圈Ns的同名端，并且二极管D1的阴极(cathode)则用以产生直流输出电压VOUT以提供给负载LD。输出电容Cout的第一端耦接二极管D1的阴极，并且输出电容Cout的第二端则耦接至接地端GND2。二极管D2的阳极耦接变压器T的辅助线圈Na的同名端，并且二极管D2的阴极则用以产生直流系统电压VCC。
在控制芯片120中，其驱动接脚D_PIN耦接至功率开关Q的控制端，藉以提供脉宽调变信号Spwm来控制功率开关Q的导通/截止。控制芯片120的多功能检测接脚M_PIN耦接滤波电阻Rf的第一端，藉以接收检测电压Vd。控制芯片120的反馈接脚FB_PIN耦接至反馈电路140的输出端以接收指示负载LD状态的反馈电压Vfb。控制芯片120的电源接脚P_PIN耦接至二极管D2的阴极以接收直流系统电压VCC。控制芯片120的接地接脚GND_PIN则耦接至接地端GND1。
在检测辅助电路130中，二极管D3的阳极耦接变压器T的辅助线圈Na的同名端。电阻R2的第一端耦接二极管D3的阴极，并且电阻R2的第二端耦接多功能检测接脚M_PIN。滤波电阻Rf的第一端耦接电阻R2的第二端与多功能检测接脚M_PIN，并且滤波电阻Rf的第二端耦接电阻R1的第一端。滤波电容Cf的第一端耦接滤波电阻Rf的第一端、电阻R2的第二端以及多功能检测接脚M_PIN，并且滤波电容Cf的第二端耦接接地端GND1。在本实施例中，电阻R1上的电压可通过由滤波电阻Rf与滤波电容Cf所组成的低通滤波电路(low passfilter)，被反应在滤波电容Cf与滤波电阻Rf的第一端上，以作为检测电压Vd提供给控制芯片120。
在反馈电路140中，电阻R3的第一端耦接二极管D1的阴极与负载LD。电阻R4的第一端耦接电阻R3的第二端，并且电阻R4的第二端耦接接地端GND2。电阻R5的第一端耦接光耦合器PC的输入侧的第一端，并且电阻R5的第二端耦接电阻R3的第一端。稳压器U1耦接于光耦合器PC的输入侧的第二端与接地端GND2之间，并且稳压器U1的控制端耦接电阻R3的第二端与电阻R4的第一端(即，节点NC)，并且反应于节点NC上的电压进行稳压操作。电容C1耦接于稳压器U1的第一端与控制端之间。其中，光耦合器PC会协同于稳压器U1的运作而依据直流输出电压VOUT在其输出侧产生关联于负载LD的负载状态的反馈电压Vfb给控制芯片120，以令控制芯片120可依据反馈电压Vfb作为控制功率开关Q的依据。在此，反馈电路仅是示例性的架构，本发明不仅限于此。
详细而言，在电源转换装置100处于正常运作下，控制芯片120会反应于负载LD的电源供应需求而对应地产生脉宽调变信号Spwm以控制反驰式电源转换电路110的运作。在此条件下，当功率开关Q反应于控制芯片120所产生的脉宽调变信号Spwm而导通(turnedon)时，输入电压VIN会跨接于变压器T的主线圈Np，以至于变压器T的主线圈Np的电感电流会线性增加而进行储能。与此同时，在次线圈Ns侧，由于受到二极管D1的逆向偏压阻隔，所以变压器T的次线圈Ns将无电流通过。另外，在辅助线圈Na侧，由于受到二极管D2与D3的逆向偏压阻隔，所以变压器T的辅助线圈Na也无电流通过。
另一方面，当功率开关Q反应于控制芯片120所产生的脉宽调变信号Spwm而截止(turned off)时，基于楞次定律(Lenz's law)，变压器T的主线圈Np所存储的能量会转移至变压器T的次线圈Ns与辅助线圈Na。与此同时，由于二极管D1处于顺向偏压导通，所以转移至变压器T的次线圈Ns的能量将会对输出电容Cout进行充电，并且供应直流输出电压VOUT给负载(电子装置)。另外，转移至变压器T的辅助线圈Na的能量将会通过二极管D2而供应直流系统电压VCC给控制芯片120。
由此可知，基于控制芯片120所产生的脉宽调变信号PWM而交替地导通与截止功率开关Q的运作方式，电源转换装置100即可持续地供应直流输出电压VOUT与直流系统电压VCC。
在此附带一提的是，本实施例的检测辅助电路130虽以示出包括有二极管D3为例，但本发明不以此为限。二极管D3是用以提供较佳的逆向电流阻绝的作用，在其他范例实施例中，不包含二极管D3的检测辅助电路130架构(即，电阻R2直接耦接至辅助线圈Na的同名端)同样可以实现阻绝逆向电流并且辅助控制芯片120取得对应的检测电压Vd的功能。
除此之外，在本实施例中，通过检测辅助电路130的作用，控制芯片120可仅依据检测电压Vd在脉宽调变信号Spwm的致能期间与禁能期间下的变化，即可判断出电源转换装置100是否有过电流、过电压、低电压或电路谐振等情形发生。
具体而言，检测辅助电路130会在脉宽调变信号Spwm的致能期间内辅助控制芯片120通过多功能检测接脚M_PIN取得第一检测电压Vd1，藉以令控制芯片120可根据第一检测电压Vd1执行过电流检测。另一方面，检测辅助电路130会在脉宽调变信号Spwm的禁能期间内辅助控制芯片120通过多功能检测接脚M_PIN取得第二检测电压Vd2，藉以令控制芯片120可根据第二检测电压Vd2执行谷值电压检测。
基此，本实施例的控制芯片120仅需通过单一的多功能检测接脚M_PIN即可同时实现多种不同的电源检测及保护的控制机制。如此便可在不增加控制芯片120的接脚数量的前提下，确保电源转换装置100的运作稳定性。
以下先以图3来说明控制芯片120的功能配置，再搭配图4A与图4B的等效电路来具体说明电源转换装置100在脉宽调变信号Spwm的致能期间与禁能期间内的运作。其中，图3为本发明一实施例的控制芯片的功能方块示意图。
请先参照图3，本实施例的控制芯片120包括控制主体电路122、过电流检测电路124、谷值电压检测电路126、过电压检测电路128以及压控震荡电路129。
控制主体电路122用以作为控制芯片120的运作核心，并且反应于电源供应需求而产生脉宽调变信号Spwm。
过电流检测电路124耦接于多功能检测接脚M_PIN与控制主体电路122之间。过电流检测电路124会在脉宽调变信号Spwm的致能期间内被启用(enable)，藉以反应于第一检测电压Vd1而执行过电流检测，并据以提供指示是否发生过电流的检测结果DET1给控制主体电路122。藉此，控制主体电路122即可反应于检测结果DET1而决定是否启动过电流保护机制。
谷值电压检测电路126耦接于多功能检测接脚M_PIN与控制主体电路122之间。谷值电压检测电路126会在脉宽调变信号Spwm的禁能期间内被启用，藉以反应于第二检测电压Vd2而执行谷值电压检测，并据以提供指示谐振情形的检测结果给控制主体电路122。藉此，控制主体电路122即可反应于检测结果DET2而决定是否致能脉宽调变信号Spwm，从而导通或截止功率开关Q。
过电压检测电路128耦接于多功能检测接脚M_PIN与控制主体电路122之间。过电压检测电路128会在脉宽调变信号Spwm的禁能期间内被启用，藉以反应于第二检测电压Vd2而执行过压/欠压检测，并据以提供指示直流输出电压VOUT是否位于额定的工作电压范围内的检测结果DET3给控制主体电路122。藉此，控制主体电路122即可反应于检测结果DET3而决定是否启动过压/欠压保护机制。
压控震荡电路129耦接于反馈接脚FB_PIN与控制主体电路122之间。压控震荡电路129可用以依据从反馈接脚FB_PIN所接收到的反馈电压Vfb来产生一对应的时脉调整信号CLKa，使得控制主体电路122可依据时脉调整信号CLKa来调整脉宽调变信号Spwm的频率。换言之，由于反馈电压Vfb的大小指示负载LD的轻重，因此控制主体电路122是可以依据负载LD的轻重而决定脉宽调变信号Spwm的频率。
举例来说，在负载LD操作在重载的情况下，压控震荡电路129会依据较高的反馈电压Vfb而对应的产生频率较高的时脉调整信号CLKa，使得控制主体电路122依据时脉调整信号CLKa而将脉宽调变信号Spwm的频率调高；相反地，在负载LD操作在轻载的情况下，压控震荡电路129则会依据较低的反馈电压Vfb而对应的产生频率较低的时脉调整信号CLKa，使得控制主体电路122依据时脉调整信号CLKa而将脉宽调变信号Spwm的频率调低。
除此之外，在一范例实施例中，控制主体电路122还可依据压控振荡电路129所产生的时脉调整信号CLKa来设定一段屏蔽期间，使得控制主体电路122可根据负载状态来调变谷值电压检测的动作，从而降低整体电源转换的功率浪费。此部分容后再述。
以下以图4A与图4B的等效电路架构搭配图5A的信号时序来说明电源转换装置100在功率开关Q的导通期间(即，脉宽调变信号Spwm的致能期间Ton)与截止期间(即，脉宽调变信号Spwm的截止期间Toff)的等效电路及运作。其中，图4A为本发明一实施例的电源转换装置在功率开关导通期间的等效电路示意图。图4B为本发明一实施例的电源转换装置在功率开关截止期间的等效电路示意图。图5A为本发明一实施例的电源转换装置的信号时序示意图。
请同时参照图2、图4A及图5A，在脉宽调变信号Spwm的致能期间Ton内(在此例如为高电平的期间，但不仅限于此)，功率开关Q会反应于致能的脉宽调变信号Spwm而导通。此时，电源转换装置100会在输入电压VIN与接地端GND1之间，通过变压器T的主线圈Np、功率开关Q以及电阻R1形成一导通路径。主线圈Np会反应于输入电压VIN与接地端GND1之间的压差而储能，从而令流经此导通路径的电感电流逐渐上升。与此同时，电阻R1上的电压也会反应于逐渐上升的电流而在脉宽调变信号Spwm的致能期间Ton内逐渐上升。
除此之外，在脉宽调变信号Spwm的致能期间Ton内，辅助线圈Na会感应于主线圈Np的跨压而产生为负压的辅助电压Vaux，其中辅助电压Vaux的电压值是依据输入电压VIN与主线圈Np和辅助线圈Na之间的线圈比所决定。在此，负压的辅助电压Vaux会使得二极管D2与D3处于逆向偏压的状态，从而造成检测辅助电路130可等效为开路。基此，滤波电阻Rf的第一端会反应于电阻R1上的电压变化而产生对应的第一检测电压Vd1并且传递到控制芯片120。
另外，在控制芯片120中，谷值电压检测电路126以及过电压检测电路128会在脉宽调变信号Spwm的致能期间Ton内被停用(disable)，而仅有过电流检测电路124会继续运作。因此，电源转换装置100在脉宽调变信号Spwm的致能期间Ton的等效电路可如图4A所示。
具体而言，在脉宽调变信号Spwm的致能期间Ton内，过电流检测电路124会比较第一检测电压Vd1与过电流参考电压Vref。若过电流检测电路124判定第一检测电压Vd1大于等于过电流参考电压Vref，则表示此时可能有过电流的情形发生。故此时过电流检测电路124会发出指示发生过电流的检测结果DET1给控制主体电路122。当控制主体电路122接收到指示发生过电流的检测结果DET1时，控制主体电路122会启动过电流保护机制，藉以停止输出脉宽调变信号Spwm(也即，将脉宽调变信号Spwm切换至禁能电平\低电平)。
另一方面，若过电流检测电路124判定第一检测电压Vd1小于过电流参考电压Vref，则表示此时并无过电流的情形发生。故此时过电流检测电路124会发出指示未发生过电流的检测结果DET1给控制主体电路122。当控制主体电路122接收到指示未发生过电流的检测结果DET1时，控制主体电路122会关闭过电流保护机制。
在本发明一范例实施例中，所述过电流检测电路124可以利用比较器(未示出)的架构来实现，但本发明不仅限于此。更具体地说，在以比较器实现过电流检测电路124的实施范例下，比较器的正输入端可通过多功能检测接脚M_PIN耦接至滤波电阻Rf的第一端，藉以接收第一检测电压Vd1，并且比较器的负输入端可接收过电流参考电压Vref。基此，比较器即可依据第一检测电压Vd1与过电流参考电压Vref的比较结果产生对应的检测结果DET1给控制主体电路122。
另一方面，在脉宽调变信号Spwm的禁能期间Toff内(在此例如为低电平的期间，但不仅限于此)，功率开关Q会反应于禁能的脉宽调变信号Spwm而截止。此时，变压器T的主线圈Np所存储的能量会转移至变压器T的次线圈Ns与辅助线圈Na，使得二极管D1反应于次线圈Ns的跨压而处于顺向偏压导通的状态，并且使得二极管D2与D3反应于辅助电压Vaux而处于顺向偏压导通的状态。
换言之，在脉宽调变信号Spwm的禁能期间Toff内，检测辅助电路130可被等效为耦接于辅助线圈Na与多功能检测接脚M_PIN之间的电阻R2，因此第二检测电压Vd2是由辅助电压Vaux对电阻R1及滤波电阻Rf之和(即，R1+Rf)与R2的分压所决定。
另外，在控制芯片120中，过电流检测电路124会在脉宽调变信号Spwm的禁能期间Toff内被停用，而仅有谷值电压检测电路126及过电压检测电路128会继续运作。因此，电源转换装置100在脉宽调变信号Spwm的禁能期间Toff的等效电路可如图4B所示。
其中，在变压器T的主线圈Np所存储的能量转移结束之前，第二检测电压Vd2会反应于辅助电压Vaux而维持在一稳定电压值上。所述稳定电压值是依据直流输出电压VOUT的电压值与次线圈Ns和辅助线圈Na之间的线圈比所决定。
在此期间内，过电压检测电路128可依据关联于直流输出电压VOUT的第二检测电压Vd2的大小来判断电源转换装置100的运作是否有过压或欠压的问题。
具体而言，过电压检测电路128可在脉宽调变信号Spwm的禁能期间Toff内判断第二检测电压Vd2是否位于工作电压范围VR内，其中所述工作电压范围VR是依据上限电压Vov与下限电压Vuv所定义出(数值可由设计者自行设计，本发明不以此为限)。若过电压检测电路128判定第二检测电压Vd2大于上限电压Vov或小于下限电压Vuv(也即，位于工作电压范围VR外)，则过电压检测电路128会发出指示发生过压/欠压的检测结果DET3。此时控制主体电路122会反应于所接收到的检测结果DET3而启动过压/欠压保护机制，藉以停止输出脉宽调变信号Spwm，或调降脉宽调变信号Spwm的频率。
相反地，若过电压检测电路128在脉宽调变信号Spwm的禁能期间Toff内判定第二检测电压Vd2位于工作电压范围VR内，则过电压检测电路128会发出指示未发生过压/欠压的检测结果DET3，使得控制主体电路122反应于所接收到的检测结果而关闭过压/欠压保护机制，藉以恢复输出脉宽调变信号Spwm。
附带一提的是，在本发明的一实施范例中，为了避免在功率开关Q切换期间所可能产生的过冲(overshoot)或下冲(undershoot)电压而造成过电压检测电路128发生误判，所述过电压检测电路128可经设定而在一延迟期间Tdly(可由设计者依设计考量自行定义，本发明不以此为限)后才进行判断第二检测电压Vd2是否位于工作电压范围VR内的动作，藉以提高过压/欠压检测的准确性。但本发明不仅限于此。
接着，在变压器T的主线圈Np所存储的能量转移结束之后，主线圈Np和功率开关Q的寄生电容与主线圈Np中的电感将会开始产生谐振，并且主线圈Np上的谐振信号会被感应至次线圈Ns侧与辅助线圈Na侧，使得第二检测电压Vd2的电压波形在峰值(peak)与谷值(valley)之间来回震荡的信号形式。
在此期间内，为了降低功率开关Q因谐振所造成的切换损耗(switching loss)，谷值电压检测电路126可通过判断第二检测电压Vd2是否小于一谷值参考电压Vvalley的方式来得知电源转换装置100是否发生谐振，其中控制主体电路122会在电源转换装置100开始发生谐振并且谐振信号到达谷值时致能功率开关Q，藉以提高电源转换装置100的转换效率。
更具体地说，谷值电压检测电路126会比较第二检测电压Vd2与谷值参考电压Vvalley。若谷值电压检测电路126判定第二检测电压Vd2大于等于谷值参考电压Vvalley，则表示电源转换装置100尚未发生谐振(或称谐振信号尚未到达谷值)，因此谷值电压检测电路126会发出指示未发生谐振的检测结果DET2。当控制主体电路122接收到指示未发生谐振的检测结果DET2时，控制主体电路122会将脉宽调变信号Spwm维持于禁能电平/低电平。
一般而言，在第二检测电压Vd2发生谐振的情况下，由于辅助线圈Na的异名端耦接至接地端GND1，因此反应至第二检测电压Vd2的谐振信号中，低于接地端GND1电平的信号将会被箝位在接地端GND1的电平。如此一来，谷值电压检测电路126仅能根据第二检测电压Vd2低于谷值参考电压Vvalley时，判断谐振信号即将降至谷值，而并无法直接判断出真正的谷值。
因此，在本实施例中，谷值电压检测电路126会基于谐振频率(可依据主线圈Np和功率开关Q的寄生电容值与主线圈Np中的电感值得出)而计算出谐振信号的谷值出现的时间，并将此时间做为预设时间Tp。其中，谷值电压检测电路126会在判定第二检测电压Vd2小于谷值参考电压Vvalley且达到预设期间Tp时，才发出指示发生谐振的检测结果DET2，使得控制主体电路122反应于检测结果DET2而将脉宽调变信号Spwm调整至致能电平/高电平，如此便可在谐振信号趋近于谷值时切换功率开关Q。
除此之外，为了避免在轻载时因为谐振频率较高，使得脉宽调变信号Spwm过于频繁的切换而造成功率浪费，在本发明的一范例实施例中，控制主体电路122还可依据脉宽调变信号Spwm的频率来定义屏蔽期间(如Tsh)，其中控制主体电路122会在所定义出的屏蔽期间Tsh内不进行依据检测结果DET2判断是否调整脉宽调变信号Spwm的电平的动作。
举例来说，如图5A所示，本实施例的控制主体电路122可依据压控震荡电路129所产生的时脉调整信号CLKa而定义出屏蔽期间Tsh。由于在屏蔽期间Tsh内，控制主体电路122不会依据检测结果DET2来调整脉宽调变信号Spwm的电平，因此脉宽调变信号Spwm不会在第二检测电压Vd2的第一个波谷时即切换为致能电平，而是会在屏蔽期间Tsh之后，才依据第二检测电压Vd2的第二个波谷位置来将脉宽调变信号Spwm切换为致能电平，藉以导通功率开关Q。藉此，控制主体电路122即可基于负载LD的轻重来决定要在谐振信号的第几个波谷时才进行功率开关Q的切换。
图5B为本发明另一实施例的电源转换装置的信号时序示意图。请同时参照图4B与图5B，为了提高过电压检测的准确性，本实施例的过电压检测电路128可进一步地依据一取样时脉信号CLKs以一预设时间间隔Tg来取样第二检测电压Vd2，其中过电压检测电路128会判断取样到的第二检测电压Vd2是否位于工作电压范围VR内，再依据判断结果产生一计数值Ct。过电压检测电路128会在计数值Ct达到一临界值时判定直流输出电压VOUT发生过压/欠压，并且据以产生对应的检测结果DET3给控制主体电路122。
举例来说，过电压检测电路128会在取样时脉信号CLKs致能时对第二检测电压Vd2进行取样，并且得到一取样电压Vdsamp。过电压检测电路128会将取样电压Vdsamp分别与上限电压Vov及下限电压Vuv进行比较，藉以判断取样电压Vdsamp是否位于工作电压范围VR内。
如图5B所示，假设本实施例系将判定过电/欠压发生的临界值设定为3。在脉宽调变信号Spwm的第一至第三个周期中，过电压检测电路128会判定取样电压Vdsamp大于上限电压Vov，并且在每一周期中逐步将计数值Ct从0累计至3。
在脉宽调变信号Spwm的第一与第二个周期中，由于计数值Ct还未达到临界值，故在此期间内过电压检测电路128仍会产生指示未发生过压/欠压的检测结果DET3给控制主体电路122。因此，控制主体电路122在此期间内还不会触发过压/欠压保护机制。
当计数值Ct达到3时，过电压检测电路128会判定直流输出电压VOUT发生过压，并且产生指示发生过压的检测结果DET3给控制主体电路122，使得控制主体电路122反应于检测结果DET3而触发过压保护机制，藉以停止输出脉宽调变信号Spwm，或者调降脉宽调变信号Spwm的频率，直至第二检测电压Vd2再次降回工作电压范围VR内(具体作法并不再此限)。
在此值得一提的是，虽然上述实施例都是以同时应用三种不同的电源保护机制(过电流检测、过电压检测、谷值电压检测)作为范例来说明，但本发明不仅限于此。在其他实施例中，所述电源转换装置100也可仅应用过电流检测与谷值电压检测的电源保护机制，而不利用同一只多功能检测接脚M_PIN来实现过电压检测。换言之，只要是通过检测辅助电路的作用，以同一只多功能检测接脚M_PIN来同时实现过电流检测与谷值电压检测的电源转换装置，皆属本发明所欲保护三维范畴，在此合先叙明。
综上所述，本发明实施例提出的电源转换装置，其可通过检测辅助电路的作用，通过共用同一只多功能检测接脚的配置方式，令控制芯片可同时实现多种不同的控制及检测保护功能。如此一来，控制芯片的单一只多功能检测接脚不仅可对应到多种相关的功能检测及控制方式，还可最终地降低控制芯片整体的成本。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (16)
1.一种以反驰式架构为基础的电源转换装置，其特征在于，包括：
反驰式电源转换电路，用以接收输入电压，并且反应于脉宽调变信号而对所述输入电压进行转换，藉以产生直流输出电压，并且将所述直流输出电压提供给负载；
控制芯片，耦接所述反驰式电源转换电路，用以产生所述脉宽调变信号以控制所述反驰式电源转换电路的运作，其中所述控制芯片具有多功能检测接脚(multi-functiondetection pin)；以及
检测辅助电路，耦接所述反驰式电源转换电路与所述控制芯片的所述多功能检测接脚，
其中，所述检测辅助电路在所述脉宽调变信号的致能期间内辅助所述控制芯片通过所述多功能检测接脚取得第一检测电压，藉以根据所述第一检测电压执行过电流检测，以及
所述检测辅助电路在所述脉宽调变信号的禁能期间内辅助所述控制芯片通过所述多功能检测接脚取得第二检测电压，藉以根据所述第二检测电压执行谷值电压检测，
其中所述控制芯片包括：
控制主体电路，用以作为所述控制芯片的运作核心，并且反应于电源供应需求而产生所述脉宽调变信号；
过电流检测电路，耦接于所述多功能检测接脚与所述控制主体电路之间，用以在所述脉宽调变信号的所述致能期间，反应于所述第一检测电压而执行所述过电流检测，并据以提供第一检测结果给所述控制主体电路，其中所述控制主体电路反应于所述第一检测结果而决定是否启动过电流保护机制；以及
谷值电压检测电路，耦接于所述多功能检测接脚与所述控制主体电路之间，用以在所述脉宽调变信号的所述禁能期间，反应于所述第二检测电压而执行所述谷值电压检测，并据以提供第二检测结果给所述控制主体电路，其中所述控制主体电路反应于所述第二检测结果而决定是否致能所述脉宽调变信号。
2.根据权利要求1所述的电源转换装置，其特征在于，在所述脉宽调变信号的所述致能期间内，所述过电流检测电路比较所述第一检测电压与过电流参考电压，若所述过电流检测电路判定所述第一检测电压大于等于所述过电流参考电压，则发出指示发生过电流的所述第一检测结果，以及若所述过电流检测电路判定所述第一检测电压小于所述过电流参考电压，则发出指示未发生过电流的所述第一检测结果。
3.根据权利要求2所述的电源转换装置，其特征在于，当所述控制主体电路接收到指示发生过电流的所述第一检测结果时，所述控制主体电路启动所述过电流保护机制，藉以停止输出所述脉宽调变信号，以及当所述控制主体电路接收到指示未发生过电流的所述第一检测结果时，所述控制主体电路关闭所述过电流保护机制，藉以恢复输出所述脉宽调变信号。
4.根据权利要求1所述的电源转换装置，其特征在于，在所述脉宽调变信号的所述禁能期间内，所述谷值电压检测电路比较所述第二检测电压与谷值参考电压，若所述谷值电压检测电路判定所述第二检测电压大于等于所述谷值参考电压，则发出指示未发生谐振的所述第二检测结果，以及若所述谷值电压检测电路判定所述第二检测电压小于所述谷值参考电压且达到预设期间，则发出指示发生谐振的所述第二检测结果。
5.根据权利要求4所述的电源转换装置，其特征在于，当所述控制主体电路接收到指示未发生谐振的所述第二检测结果时，所述控制主体电路将所述脉宽调变信号维持在禁能电平，以及当所述控制主体电路接收到指示发生谐振的所述第二检测结果时，所述控制主体电路将所述脉宽调变信号调整至致能电平。
6.根据权利要求5所述的电源转换装置，其特征在于，所述控制主体电路还依据所述脉宽调变信号的频率来定义屏蔽期间，所述控制主体电路在所述屏蔽期间内不进行依据所述第二检测结果判断是否调整所述脉宽调变信号的电平的动作。
7.根据权利要求6所述的电源转换装置，其特征在于，所述控制芯片还具有反馈接脚，所述控制芯片从所述反馈接脚取得关联于负载状态的反馈电压，并且所述控制芯片还包括：
压控震荡电路，用以依据所述反馈电压产生时脉调整信号，使得所述控制主体电路依据所述时脉调整信号调整所述脉宽调变信号的频率，其中所述控制主体电路还依据所述时脉调整信号设定所述屏蔽期间的长度。
8.根据权利要求1所述的电源转换装置，其特征在于，所述控制芯片还包括：
过电压检测电路，耦接于所述多功能检测接脚与所述控制主体电路之间，用以在所述脉宽调变信号的所述禁能期间，反应于所述第二检测电压而执行过压/欠压检测，并据以提供第三检测结果给所述控制主体电路，其中所述控制主体电路反应于所述第三检测结果而决定是否启动过压/欠压保护机制。
9.根据权利要求8所述的电源转换装置，其特征在于，在所述脉宽调变信号的所述禁能期间内，所述过电压检测电路判断所述第二检测电压是否位于工作电压范围内，若所述过电压检测电路判定所述第二检测电压位于所述工作电压范围外，则发出指示发生过压/欠压的所述第三检测结果，以及若所述过电压检测电路判定所述第二检测电压位于所述工作电压范围内，则发出指示未发生过压/欠压的所述第三检测结果。
10.根据权利要求9所述的电源转换装置，其特征在于，当所述控制主体电路接收到指示发生过压/欠压的所述第三检测结果时，所述控制主体电路启动所述过压/欠压保护机制，藉以停止输出所述脉宽调变信号，以及当所述控制主体电路接收到指示未发生过压/欠压的所述第三检测结果时，所述控制主体电路关闭所述过压/欠压保护机制，藉以恢复输出所述脉宽调变信号。
11.根据权利要求10所述的电源转换装置，其特征在于，所述过电压检测电路会在延迟期间后才进行判断所述第二检测电压是否位于所述工作电压范围的动作。
12.根据权利要求8所述的电源转换装置，其特征在于，所述过电压检测电路还依据取样时脉信号以预设时间间隔取样所述第二检测电压，并且判断取样到的所述第二检测电压是否位于工作电压范围内，再依据判断结果而产生计数值，其中所述过电压检测电路比较所述计数值与临界值，若所述过电压检测电路判定所述计数值达到所述临界值，则发出指示发生过压/欠压的所述第三检测结果，以及若所述计数值未达到所述临界值，则发出指示未发生过压/欠压的所述第三检测结果。
13.根据权利要求1所述的电源转换装置，其特征在于，所述反驰式电源转换电路包括：
变压器，具有主线圈、次线圈以及辅助线圈，其中所述主线圈的异名端用以接收所述输入电压，所述辅助线圈的异名端耦接第一接地端，并且所述次线圈的异名端耦接第二接地端；
功率开关，其第一端耦接所述主线圈的同名端，且其控制端耦接所述控制芯片以接收所述脉宽调变信号；
第一电阻，其第一端耦接所述功率开关的第二端以及所述多功能检测接脚，且其第二端耦接至所述第一接地端；
第一二极管，其阳极耦接所述次线圈的同名端，且其阴极输出所述直流输出电压；
输出电容，耦接于所述第一二极管的阴极与所述第二接地端之间；以及第二二极管，其阳极耦接所述辅助线圈的同名端，且其阴极输出直流系统电压给所述控制芯片。
14.根据权利要求13所述的电源转换装置，其特征在于，所述检测辅助电路包括：
第二电阻，其第一端耦接所述辅助线圈的同名端与所述第二二极管的阳极，且其第二端耦接所述多功能检测接脚。
15.根据权利要求13所述的电源转换装置，其特征在于，所述检测辅助电路还包括：
滤波电阻，耦接于所述多功能检测接脚与所述第一电阻的第一端之间；以及
滤波电容，其第一端耦接所述滤波电阻的第一端、第二电阻的第二端以及所述多功能检测接脚，且其第二端耦接所述第一接地端。
16.根据权利要求15所述的电源转换装置，其特征在于，所述检测辅助电路包括：
第三二极管，与所述第二电阻相互串接，其中所述第三二极管的阳极耦接所述辅助线圈的同名端与所述第二二极管的阳极，并且所述第三二极管的阴极耦接所述第二电阻的第一端。
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