CN107425725A - 不具有辅助绕组的飞返转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种无辅助绕组‑高压侧驱动‑次级侧调节(AF‑HSD‑SSR)飞返转换器，其包括交流对直流整流单元、输入电容、切换单元、电流感测电阻、无辅助绕组(Auxiliary‑Free，AF)飞返变压器、输出整流器、输出电容、PWM控制器及SSR单元。AF飞返变压器包含初级侧绕组及次级侧绕组，其中初级侧绕组分成第一半及第二半。切换单元设置在初级侧绕组的高压侧，且PWM控制器搭配SSR单元驱动切换单元，以响应所有所需的电压及电流感测信号，得以维持规格内的电压转换及功率传递为安全且有效率。初级侧绕组的第一半可在启动后提供连续稳定工作电压源给PWM控制器，因而可省去辅助绕组。

Description

不具有辅助绕组的飞返转换器
技术领域
本发明是有关于一种飞返转换器，尤其是在飞返变压器中不需辅助绕组的飞返转换器，可大幅简化变压器结构并降低变压器成本。
背景技术
各种各样的直流电气装置，例如在无适当直流电压源情况下的集成电路(IC)、直流马达或液晶显示器，需要适当的电压转换器，例如用于直流对直流电压转换的飞返转换器(flyback converter)、正向转换器(forward converter)或LLC转换器，以将整流后的交流电压源转换成特定直流电压位准而供电给它们。
在现有技术中，飞返转换器通常是利用次级侧调节(Secondary-SideRegulation，SSR)或初级侧调节(Primary-Side Regulation，PSR)来调节输出电压。SSR是利用来自次级侧的光耦合以调节输出电压，需要在次级侧以光耦合器为基底的回授控制电路，然而具有较紧缩的输出电压调节率的优点。PSR利用对初级侧的磁耦合调节输出电压，不需要在次级侧以光耦合器为基底的回授控制电路，然而具有较松弛的输出电压调节率的缺点。
而且，传统的飞返转换器一般是让初级开关藉低压侧驱动(Low-Side Drive，LSD)而驱动，其驱动设置在初级侧绕组的低压侧的初级侧开关，需要位于初级侧的辅助绕组，因为初级侧绕组无法代替辅助绕组在启动后提供连续且稳定的工作电压给初级侧的IC控制器。
为了从飞返变压器中省去辅助绕组的目的，本发明揭示一种高压侧驱动(High-Side Drive，HSD)，其驱动设置于初级侧绕组的高压侧的初级侧开关，而不需要位于初级侧的辅助绕组，因为初级侧绕组能代替辅助绕组在启动后提供连续且稳定的工作电压给初级侧的IC控制器。
请参照图1，显示具有辅助绕组NA的传统LSD-SSR飞返转换器。LSD-SSR飞返转换器包含设置成跨越初级侧及次级侧而用于电压转换及功率传递的LSD飞返转换器、设置在次级侧而用于SSR的以光耦合器92为基底的回授网络以及设置在初级侧用以控制并驱动LSD-SSR飞返转换器的PWM控制器90。进一步而言，变压器40包含初级侧绕组NP、次级侧绕组NS及辅助绕组NA，其中辅助绕组NA是不可或缺的以连续且稳定地供电给初级PWM控制器90，因为初级侧绕组NP本身无法在缺少辅助绕组NA的情况下连续且稳定供电给初级PWM控制器90。
当(未)调节输入电压源VIN在开机后经由启动电阻22而对VCC电容34充电到启动位准时，PWM控制器90开始将开关晶体管80切换成打开或关闭。在辅助绕组NA接手连续且稳定电压供应，经由二极管整流器14以感应电压(约为Vo/NS*NA)补充VCC电容34之后，只要工作电压是维持在欠压锁定(Undervoltage Lockout，UVLO)位准之上，LSD-SSR飞返转换器便进入稳态操作。
图1显示低压侧驱动(Low-Side Drive，LSD)，其中开关晶体管80，其可为但不受限于功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或功率双载子接面晶体管(BJT)，与电流感测电阻25串联是设置在初级侧绕组NP的低压侧，且IC GND透过电流感测电阻25被连接并参照至源极/射极，藉以利用源极/射极参照PWM信号而驱动开关晶体管80。
图1也显示次级侧调整(Secondary-Side Regulation，SSR)，其中输出电压Vo是经由来自次级侧的光耦合信号藉以光耦合器为基底的回授回路而调节。值得一提的是，二极管整流器19可设置在次级侧的低压侧或次级侧的高压侧而不会影响到经由以光耦合器为基底的回授回路的输出电压感测。
现在，请参照图2，其显示LSD-SSR飞返转换器。等同/类似于图1，图2的LSD在此不再赘述。只有PSR与连续且稳定电压供应，其相当依赖于辅助绕组NA，是需要详细解释。关于图2的PWM控制器，当初级侧功率BJT打开、导通而储存能量且辅助绕组NA感应出负电压时，FB接脚可被内部箝位在稍微负/正电位(一般是-0.3V/0.15V)，可保护FB接脚以抗衡过度负电压。当次级功率二极管打开而释放能量且辅助绕组NA感应出用以充电VCC电容的正电压其用于补充VCC电容，FB接脚会感测到按比例降低的反射输出电压其用于执行PSR。非常清楚的是，辅助绕组NA在此身兼二职：PSR以及连续稳定电压供应。
由于初级侧开关的低压侧驱动，传统的飞返转换器，不论是次级侧调节(图1)或初级侧调节(图2)，皆需要辅助绕组，其可以利用高压侧驱动(High-Side Drive，HSD)而被进一步地省略，以下段落将详细阐述。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种不具有辅助绕组高压侧驱动-次级侧调节的飞返转换器，以下称作无辅助绕组-高压侧驱动-次级侧调节(Auxiliary-Free High-Side DrivenSecondary-Side Regulated，AF-HSD-SSR)飞返转换器。AF-HSD-SSR飞返转换器包含交流对直流整流单元、输入电容、切换单元、电流感测电阻、无辅助绕组(Auxiliary-Free，AF)飞返变压器、输出整流器、输出电容、PWM控制器以及SSR单元，其中AF飞返变压器包含初级侧绕组及次级侧绕组，设置在初级侧绕组的高压侧的切换单元是由PWM控制器高压侧驱动。
初级侧绕组串联连接输入电容、切换单元及电流感测电阻而在初级侧形成储能回路。次级侧绕组串联连接输出整流器及输出电容而在次级侧形成释能回路。SSR单元是透过分压器与限流电阻连接至输出端，并光耦合至PWM控制器的COMP接脚，以形成用于输出电压的电压调节信号回路。
交流对直流整流单元搭配输入电容形成用于交流输入的峰值整流器，其可将通用的交流输入电压源(通常是90至264Vac)峰值整流成未调节直流输入电压源(通常是127至373Vdc)，当作是给AF-HSD-SSR飞返转换器的输入电压。设置在交流电源及输入电容之间的交流对直流整流单元可为但不受限于二极管桥式整流器或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)桥式整流器。
切换单元，其串联连接电流感测电阻，设置在初级侧绕组的高压侧，且由PWM控制器的GATE接脚驱动，可为但不受限于功率MOSFET或功率双载子接面晶体管(BJT)。PWM控制器的GND接脚必须经由电流感测电阻而连接/参照至功率MOSFET/BJT的源极/射极，藉以利用源极/射极参照PWM信号而高压侧驱动切换单元。
AF飞返变压器具有初级侧绕组与次级侧绕组，其中初级侧绕组分成第一半及第二半，其可为对称/非对称，亦即具有相等/不相等的绕组匝数，而且次级侧绕组是包夹在初级侧绕组的第一半及第二半之间，用以强化AF飞返变压器的磁耦合效应并降低漏电感。在没有辅助绕组的情况下，初级侧绕组的第一半本身可在启动后提供连续稳定工作电压源给PWM控制器，因而本发明可省去辅助绕组。
更加具体而言，初级侧绕组的第一半，当切换单元导通以储存能量，透过绕组分压得到输入电压(VI)的负分压其被VCC二极管阻挡，当输出整流器导通以释放能量，感应出正比于输出电压(VO)的正反射电压其可用于补充VCC电容。
输出整流器搭配输出电容形成用于AF飞返变压器的峰值整流器，其可将交流的次级侧绕组的电压波形峰值整流成调节直流输入电压位准，成为来自AF-HSD-SSR飞返转换器的输出电压。输出整流器，其可设置在次级侧的高压侧抑或次级侧的低压侧，可为但不受限于二极管整流器或同步整流器。
最后但并非不重要的是，PWM控制器搭配SSR单元可掌控AF-HSD-SSR飞返转换器，并驱动切换单元，以响应所有所需的电压及电流感测信号，得以维持规格内的电压转换及功率传递为安全且有效率。PWM控制器，其设置在初级侧绕组的高压侧利用源极/射极参照PWM信号而驱动切换单元，可为但不受限于6接脚IC或8接脚IC。
附图说明
图1显示围绕5接脚PWM控制器而建构的现有技术中LSD-SSR飞返转换器；
图2显示围绕8接脚PWM控制器而建构的现有技术中LSD-SSR飞返转换器；
图3显示围绕6接脚PWM控制器而建构的本发明实施例的AF-HSD-SSR飞返转换器；以及
图4显示围绕8接脚PWM控制器而建构的本发明实施例的AF-HSD-SSR飞返转换器。
其中，附图标记说明如下：
1 交流对直流整流单元
2 输入电容
3 切换单元
4 电流感测电阻
5 AF飞返变压器
6 输出整流器
7 输出电容
8 PWM控制器
9 SSR单元
14 二极管整流器
19 二极管整流器
22 启动电阻
25 电流感测电阻
34 VCC电容
40 变压器
80 开关晶体管
90 PWM控制器
92 光耦合器
C1 VCC电容
DP VCC二极管
NA 辅助绕组
NP 初级侧绕组
NP1 第一半
NP2 第二半
NS 次级侧绕组
VI 输入电压
VIN 输入电压源
VO 输出电压
具体实施方式
以下配合图式及元件符号对本发明的实施方式做更详细的说明，以使熟悉本领域的技术人员在研读本说明书后能据以实施。
由于图4除PWM控制器外具有与图3相同的许多特点，其中图3使用6接脚PWM控制器而图4使用8接脚PWM控制器，以下的说明将只对图3进行较详细的解释，藉以清楚展现本发明的技术特征。
请参阅图3，示意一围绕6接脚PWM控制器而建构的依据本发明不具有辅助绕组-高压侧驱动-次级侧调节(Auxiliary-Free High-Side Driven Secondary-Side Regulated，AF-HSD-SSR)的飞返转换器。本发明的AF-HSD-SSR飞返转换器包含：交流对直流整流单元1、输入电容2、切换单元3、电流感测电阻4、无辅助绕组(Auxiliary-Free，AF)飞返变压器5、输出整流器6、输出电容7、脉冲宽度调变(Pulse Width Modulation，PWM)控制器8以及次级侧调节(Secondary-Side Regulation，SSR)单元9，其中AF飞返变压器5包含初级侧绕组NP及次级侧绕组NS，切换单元3设置在初级侧绕组NP的高压侧，是由PWM控制器8高压侧驱动，且PWM控制器8具有至少四接脚，包含COMP接脚、GATE接脚、GND接脚以及CS接脚。
初级侧绕组NP是串联连接输入电容2、切换单元3以及电流感测电阻4而在初级侧形成储能回路。次级侧绕组NS是串联连接输出整流器6以及输出电容7而在次级侧形成释能回路。SSR单元9是经由分压器与限流电阻而连接至输出端，并光耦合至PWM控制器8的COMP接脚，进而形成用于输出电压的电压调节信号回路。
交流对直流整流单元1搭配输入电容2形成用于交流输入的峰值整流器，其将通用的交流输入电压源(通常是90至264Vac)峰值整流成未调节直流输入电压源(通常是127至373Vdc)，作为给AF-HSD-SSR飞返转换器的输入电压。不言可喻，所有的数值都是用以具体化本发明的概念，并非用以限制本发明的范畴。交流对直流整流单元1，其设置在交流电源及输入电容2之间，可为但不受限于二极管桥式整流器或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)桥式整流器。
切换单元3，串联连接电流感测电阻4，设置在初级侧绕组NP的高压侧，且由PWM控制器8的GATE接脚驱动，可为但不受限于功率MOSFET或功率双载子接面晶体管(BJT)。PWM控制器8的GND接脚是经由电流感测电阻4而连接/参照至功率MOSFET/BJT的源极/射极，藉以利用源极/射极参照PWM信号而高压侧驱动切换单元3。
进一步而言，AF飞返变压器5包含初级侧绕组及次级侧绕组，其中初级侧绕组NP是被分成第一半NP1及第二半NP2，其可为对称/非对称，亦即具有相等/不相等的绕组匝数，而且次级侧绕组NS是包夹在初级侧绕组NP的第一半NP1及第二半NP2之间，用以强化AF飞返变压器5的磁耦合效应并降低漏电感。再三强调都不为过的是，涵盖于本发明的精神与范围内的AF飞返变压器5可具有但不受限于具有三明治绕组结构。在没有辅助绕组的情况下，初级侧绕组NP的第一半NP1本身可在启动后提供连续稳定工作电压源给PWM控制器8，因而本发明可省去辅助绕组。
更加具体而言，初级侧绕组NP的第一半NP1，当切换单元3导通以储存能量，透过绕组分压得到输入电压(VI)的负分压其被VCC二极管DP阻挡，当输出整流器6导通以释放能量，感应出正比于输出电压(VO)的正反射电压其可用于补充VCC电容C1。
输出整流器6搭配输出电容7形成用于AF飞返变压器5的峰值整流器，其可将交流的次级侧绕组电压波形峰值整流成调节直流输入电压位准，成为来自AF-HSD-SSR飞返转换器的输出电压。输出整流器6，其可设置在次级侧的高压侧抑或次级侧的低压侧，可为但不受限于二极管整流器或同步整流器。
最后但非不重要的是，PWM控制器8搭配SSR单元9可掌控AF-HSD-SSR飞返转换器，并驱动切换单元3，以响应所有所需的电压及电流感测信号，得以维持规格内的电压转换及功率传递为安全且有效率。PWM控制器8，其设置在初级侧绕组NP的高压侧，利用源极/射极参照PWM信号而驱动切换单元3，可为但不受限于如图3中6接脚IC或如图4中8接脚IC。
以上所述仅为用以解释本发明的较佳实施例，并非企图据以对本发明做任何形式上的限制。因此，凡有在相同的发明精神下所作有关本发明的任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明意图保护的范畴。

Claims (6)

1.一种不具有辅助绕组的飞返转换器，用以将一(未)调节直流输入电压源转换成一调节直流电压源，包括：一交流对直流整流单元、一输入电容、一切换单元、一电流感测电阻、一无辅助绕组飞返变压器、一输出整流器、一输出电容、一脉冲宽度调变控制器以及一次级侧调节单元，
其中，该无辅助绕组飞返变压器包含一初级侧绕组以及一次级侧绕组，该切换单元是设置在该初级侧绕组的高压侧，并由该脉冲宽度调变控制器而高压侧驱动，该初级侧绕组被分成一第一半及一第二半，该次级侧绕组是包夹在该初级侧绕组的第一半及第二半之间，该初级侧绕组的第一半本身是在启动后提供一连续稳定工作电压源给该脉冲宽度调变控制器，该初级侧绕组是串联连接该输入电容、该切换单元以及该电流感测电阻而在初级侧形成一储能回路，该次级侧绕组是串联连接该输出整流器以及该输出电容而在次级侧形成一释能回路，该脉冲宽度调变控制器是设置在该初级侧绕组的高压侧，并具有至少四接脚，包含一COMP接脚、一GATE接脚、一GND接脚以及一CS接脚，该次级侧调节单元是经由一分压器及一限流电阻而连接至输出端，并光耦合至该脉冲宽度调变控制器的COMP接脚，进而形成用于该输出电压的一电压调节信号回路，该交流对直流整流单元是搭配该输入电容而形成用于交流电的一峰值整流器，并且将正弦交流电压波形峰值整流成一未调节直流输入电压源而成为该飞返转换器的输入电压，该交流对直流整流单元是设置在该交流电及该输入电容之间，该切换单元是串联连接该电流感测电阻，并设置在该初级侧绕组的高压侧，且由该脉冲宽度调变控制器的GATE接脚驱动，该脉冲宽度调变控制器的GND接脚是经由该电流感测电阻而连接/参照至该切换单元的源极/射极，藉以利用一源极/射极参照脉冲宽度调变信号而高压侧驱动该切换单元，该输出整流器搭配该输出电容以形成用于该无辅助绕组飞返变压器的一峰值整流器，用以将交流的次级侧绕组的电压波形整流成一调节直流输入电压位准而成为来自该飞返转换器的输出电压，该输出整流器是设置在该次级侧绕组的次级侧的高压侧或次级侧的低压侧，以及该脉冲宽度调变控制器搭配该次级侧调节单元驱动该切换单元，以响应所有所需的电压及电流感测信号，得以维持规格内的电压转换及功率传递为安全且有效率。
2.如权利要求1所述的不具有辅助绕组的飞返转换器，其特征在于，该交流对直流整流单元为一二极管桥式整流器或一金属氧化物半导体场效应晶体管桥式整流器。
3.如权利要求1所述的不具有辅助绕组的飞返转换器，其特征在于，该切换单元为一功率金属氧化物半导体场效应晶体管或一功率双载子接面晶体管。
4.如权利要求1所述的不具有辅助绕组的飞返转换器，其特征在于，该初级侧绕组的第一半及第二半为对称/非对称，亦即具有相等/不相等的绕组匝数。
5.如权利要求1所述的不具有辅助绕组的飞返转换器，其特征在于，该初级侧绕组的第一半，当该切换单元导通以储存能量，透过绕组分压得到输入电压(VI)的负分压其被该VCC二极管阻挡，当该输出整流器导通以释放能量，感应出正比于输出电压(VO)的正反射电压其可用于补充该VCC电容。
6.如权利要求1所述的不具有辅助绕组的飞返转换器，其特征在于，该输出整流器是一二极管整流器或一同步整流器。
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