CN108574415A - 双边电压调制方法及转换器 - Google Patents

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Abstract

一种双边电压调制方法及转换器。双边电压调制方法是透过一一次侧调节电路及一二次侧调节电路调制一电压。双边电压调制方法包含：提供一第一控制器于一次侧调节电路；提供一第二控制器于二次侧调节电路；以及于第一控制器及第二控制器间交换一讯息，以令一次侧调节电路及二次侧调节电路依据讯息轮流调制一输出电压。借此，可精确调制输出电压，并具有高的反应速度。

Description

双边电压调制方法及转换器
技术领域
本发明是关于一种电压调制方法。更特别言之，本发明是关于一种轮流使用一第一调节电路及一第二调节电路以调制一输出电压的双边调节方法及转换器。
背景技术
直流电压一般为运作电子装置所需；因此，必须使用交流-直流(AC-DC)电源供应器或直流-直流(DC-DC)电源供应器产生经整流的直流电压。转换器(converter)一般设置于上述交流-直流电源供应器及直流-直流电源供应器中，以便用以转换电压。许多电路拓扑(topology)已被应用于转换器中，例如顺向式转换器(Forward converter)、返驰式转换器(Flyback converter)、库克转换器(CUK converter)、全桥式转换器(Full Bridgeconverter)、半桥式转换器(Half Bridge converter)和推挽式转换器(Push Pullconverter)等。其中，于低耗能电子装置中，返驰式转换器被广泛应用，此是基于其简单架构及低成本。已知二种电压调制方法可应用于此种返驰式转换器中，是为一次侧调节(Primary Side Regulation，PSR)方法及二次侧调节方法(Secondary Side Regulation，SSR)。
图1是绘示一使用已知二次侧调节方法的转换器的电路拓扑示意图。于图1的转换器中，其电路拓扑包含一一次侧调节电路及一二次侧调节电路。一次侧调节电路包含一一次侧电压Vp、一辅助电压Va、一开关及一阻抗Rcs。二次侧调节电路包含一二次侧电压Vs。一次侧电压Vp及二次侧电压Vs是透过一第一绕组301及一第二绕组302耦合，而储存或释放磁能。辅助电压Va则用以于一次侧调节电路及二次侧调节电路间传递讯息。换言之，一次侧调节电路用于储存磁能，并于一操作周期内，将磁能传递至二次侧调节电路，以便对输入一次侧调节电路的一输入电压VIN进行调制，而由二次侧调节电路输出一调制后的输出电压Vo。一次侧调节电路接收一主电流Ip后，一磁致电流Is(magnetically-induced current)透过第一绕组301及第二绕组302耦合而产生。磁致电流Is透过一二极管D2对一负载电容Co充电，辅助电压Va则用以提供电力至设置于一次侧调节电路中的一控制器。初始时，一电容C1是透过一阻抗R1而被充电，以便提供所需的电力。图1中，为了将讯息由二次侧调节电路传递至一次侧调节电路，一光耦合器(photocoupler)被使用于回馈讯号至一次侧调节电路中的一回馈端vfb(feedback terminal)。
图2是绘示一使用已知一次侧调节方法的转换器的电路拓扑示意图。其电路拓扑与图1中所绘示类似者不再赘述，于此将主要针对差异处进行说明。由图2中，可知其电路拓扑中，二次侧调节电路被大幅简化，且并无类似于图1中的光耦合器的使用。于此状况下，讯息将透过二次侧电压Vs及辅助电压Va间的耦合而被传递。讯号则回馈至设置于一次侧调节电路中的一控制器的回馈端vfb。
于上述图1所述及的使用二次侧调节方法的转换器中，可得到精确的输出电压Vo。然而，其电路拓扑相当复杂，以及必须使用高价的光耦合器及调节器IC(图中的TL 431)，因此使用图1中的二次侧调节方法将产生高昂的成本。于上述图2所述及的使用一次侧调节方法的转换器中，可知其电路拓扑被大幅简化，因此其成本可被大幅降低，然而，使用此法将导致输出电压Vo无法被精确控制。
图3是绘示图2的转换器的操作状态示意图。图3中，辅助电压Va的波形展示了一误差Vs*Merr。更甚者，电流通过图2中的二极管D2时，将会产生三个不同的取样点s1、s2及s3。于取样点s1，输出电压Vo将高于其实际值；而于取样点s3，输出电压Vo将低于其实际值。明显地，s2是适当的取样点。图3亦呈现了输出电压Vo的不精确值。时间周期T2-T0为一次侧调节电路依据二次侧调节电路传递的讯息的操作周期。时间周期T0-T1表控制器gate端的电压变化。于图2及图3所展示的已知一次侧调节方法中，若输出电压Vo的变动产生于二次侧调节电路，一次侧调节电路并无法即时被通知，此是因此变动仅可于一次侧调节电路的下一操作周期时被侦测。因此，于图2所示的一次侧调节方法中，因反应速度慢，致使输出电压Vo不精确。
基于上述，业界仍积极寻求对输出电压Vo能精确控制的方法。
发明内容
本发明的一目的在提供于一转换器中可精确控制输出电压的方法。或更进一步地阐述，本发明是将二单独的控制器(例如：第一控制器及第二控制器)，分别设置于一一次侧调节电路及一二次侧调节电路中，因此，二次侧调节电路可透过第二控制器即时传递讯息至一次侧调节电路，借以增加反应速度及获取精确的输出电压。
于一实施方式中，本发明提供一种双边电压调制方法，其是透过一一次侧调节电路及一二次侧调节电路调制一电压。电压调制方法包含：提供一第一控制器于一次侧调节电路；提供一第二控制器于二次侧调节电路；以及于第一控制器及第二控制器间交换一讯息，以令一次侧调节电路及二次侧调节电路依据讯息轮流调制一输出电压。
上述双边电压调制方法中，一次侧调节电路调制输出电压于一初始状态，二次侧调节电路调制输出电压于一稳定状态。当二次侧调节电路产生一能量需求时，一次侧调节电路传递能量至二次侧调节电路。
于另一实施方式中，本发明提供一种双边电压调制方法，其是透过一一次侧调节电路以及一二次侧调节电路调制一电压。双边电压调制方法包含：激活一次侧调节电路以便产生一输出电压；透过一次侧调节电路增加输出电压至一一次侧预设调制电压；当输出电压大于一临界电压位准时，激活二次侧调节电路；开启然后关闭二次侧调节电路内的一第二开关，以便回馈一讯息至一次侧调节电路；当一次侧调节电路接收讯息，则开启然后关闭一次侧调节电路内的一第一开关，以便由一次侧调节电路传递能量至二次侧调节电路；以及透过二次侧调节电路增加输出电压至预设的一二次侧预设调制电压。
上述双边电压调制方法中，一次侧调节电路是透过一充电程序而被激活。由一次侧调节电路传递能量至二次侧调节电路是透过一次侧调节电路内的一第一绕组与二次侧调节电路内的一第二绕组耦合。讯息通过一次侧调节电路内的一辅助绕组回馈至一次侧调节电路。第一开关受控于一次侧调节电路内的一第一控制器；第二开关受控于二次侧调节电路内的一第二控制器。二次侧预设调制电压大于一次侧预设调制电压。
上述双边电压调制方法中，当运行于一不连续电流模式(discontinuous currentmode，DCM)时，第二控制器控制第二开关开启然后关闭以便通知一次侧调节电路提供能量；此时，辅助绕组侦测到具有一陡峭斜率的一电压位准，然后第一控制器控制第一开关开启以便储存能量；当第一开关关闭时，由一次侧调节电路将能量传递至二次侧调节电路。
上述双边电压调制方法中，当运行于一连续电流模式(continuous currentmode，CCM)时，第二控制器控制第二开关开启然后关闭以便通知一次侧调节电路提供能量；此时，辅助绕组侦测到具有一电压位准峰值，然后第一控制器控制第一开关开启以便储存能量；当第一开关关闭时，由一次侧调节电路将能量传递至二次侧调节电路。
于又一实施方式中，本发明提供一种转换器，其是用以调制一电压。转换器包含一一次侧调节电路及一二次侧调节电路。一次侧调节电路包含一第一控制器及受控于第一控制器的一第一开关。二次侧调节电路包含一第二控制器及受控于第二控制器的一第二开关。其中第二控制器控制第二开关开启及关闭，以提供一讯息至一次侧调节电路。当第一控制器接收讯息时，第一控制器控制第一开关开启及关闭，以提供能量至二次侧调节电路。
上述转换器中，一次侧调节电路包含与第一开关及第一控制器耦合的一第一绕组及与第一控制器耦合的一辅助绕组。二次侧调节电路包含与第二开关耦合的一第二绕组。
上述转换器中，一次侧调节电路中的第一绕组与二次侧调节电路中的第二绕组耦合以便由一次侧调节电路传递能量至二次侧调节电路。透过辅助绕组亦可将讯息由一次侧调节电路传递至二次侧调节电路。
附图说明
图1是绘示一使用已知二次侧调节方法的转换器的电路拓扑示意图；
图2是绘示一使用已知一次侧调节方法的转换器的电路拓扑示意图；
图3是绘示图2的转换器的操作状态示意图；
图4是绘示于本发明一实施例中，双边电压调制方法的流程图；
图5是绘示于本发明一实施例中，使用一次侧调节电路及二次侧调节电路的转换器电路拓扑示意图；
图6是绘示图5中的转换器操作步骤示意图；
图7是绘示于本发明一实施例中，由一次侧调节电路主导调制输出电压的波形图；
图8是绘示图5中的转换器运作于不连续电流模式的波形图；以及
图9是绘示图5中的转换器运作于连续电流模式的波形图。
具体实施方式
于下列的描述中，将参照所附附图说明本发明的具体实施例。许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，这些实务上的细节不应该用以限制本发明。亦即，在本发明部分实施例中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化附图起见，一些已知惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式绘示之；并且重复的元件将可能使用相同的编号表示之。
图4是绘示于本发明一实施例中，双边电压调制方法的流程图。本发明所揭示的双边电压调制方法包含步骤S101～S103。步骤S101是提供一第一控制器于一一次侧调节电路。步骤S102是提供一第二控制器于一二次侧调节电路。步骤S103是于第一控制器及第二控制器间交换一讯息，以令一次侧调节电路及二次侧调节电路依据讯息轮流调制一输出电压。
于上述双边电压调制方法中，一次侧调节电路调制输出电压于一初始状态，二次侧调节电路调制输出电压于一稳定状态。并且，当二次侧调节电路产生一能量需求时，可由一次侧调节电路传递能量至二次侧调节电路。“双边”的意涵，是基于二独立的控制器(第一控制器及第二控制器)分别被设置于一次侧调节电路及二次侧调节电路，因此，一次侧调节电路及二次侧调节电路可相互主动传递讯息，令反应速度得以增加。
图5是绘示于本发明一实施例中，使用一次侧调节电路及二次侧调节电路的转换器的电路拓扑示意图。图5中，一转换器包含一一次侧调节电路及一二次侧调节电路。一次侧调节电路包含一第一控制器101及受控于第一控制器101的一第一开关S1；二次侧调节电路包含一第二控制器102及受控于第二控制器102的一第二开关S2。
第二控制器102控制第二开关S2开启/关闭，以便传递讯息至一次侧调节电路。第一控制器101控制第一开关S1开启/关闭，当第一控制器101接收此讯息时，第一控制器101控制第一开关S1开启及关闭，以提供能量至二次侧调节电路。于一实施例中，第一开关S1或第二开关S2可为金属氧化物半导体场效电晶体(MOSFET)。当第一开关S1开启后，第二开关S2应被关闭以避免损坏。
图5的实施例中，一次侧调节电路包含一第一绕组201及一辅助绕组203。第一绕组201是与第一开关S1及第一控制器101耦合；辅助绕组203是与第一控制器101耦合。
二次侧调节电路包含一第二绕组202。第二绕组202是与第二开关S2耦合。
一次侧调节电路中的第一绕组201与二次侧调节电路中的第二绕组202耦合，以便将能量由一次侧调节电路传递至二次侧调节电路。二次侧调节电路中的第二绕组202与一次侧调节电路中的辅助绕组203耦合，以便将讯息由二次侧调节电路传递至一次侧调节电路，或由一次侧调节电路传递至二次侧调节电路。
图6是绘示图5中的转换器操作步骤示意图，亦请一并参阅图5。图6中箭头表示操作方向。其操作步骤说明如后。首先，透过一次侧调节电路增加输出电压Vo至一一次侧预设调制电压Vopsc。接续，当输出电压Vo大于一临界电压位准SSC-UVL时，激活二次侧调节电路。接续，开启然后关闭二次侧调节电路内的第二开关S2，以便回馈一讯息至一次侧调节电路。接续，当一次侧调节电路接收讯息，则开启然后关闭一次侧调节电路内的一第一开关S1，以便由一次侧调节电路传递能量至二次侧调节电路。接续，透过二次侧调节电路增加输出电压Vo至一二次侧预设调制电压Vossc。
图6中，于一初始状态时，二次侧预设调制电压Vossc大于一次侧预设调制电压Vopsc，此时，第一控制器101及第二控制器102尚未作动，一次侧调节电路透过一充电程序而被激活。此充电程序，例如于图5中，当输入电压VIN输入一次侧调节电路时，电容C1透过阻抗R1而被充电，借此提供电力以便激活一次侧调节电路。接续，输出电压Vo透过一次侧调节电路而被增加至一次侧预设调制电压Vopsc。此时，一次侧调节电路主导输出电压Vo的调制，而二次侧调节电路未作动。一并参阅图7，其是绘示于本发明一实施例中，由一次侧调节电路主导调制输出电压Vo时的波形图。图7中，时间点t0-t1时，第一控制器101的gate端具有一电压变化，表此时第一控制器101打开(on)。
当输出电压Vo大于一临界电压位准SSC-UVL时，二次侧调节电路开始作动，并逐渐开始主导输出电压Vo的调制。此时，一次侧调节电路为被动，而二次侧调节电路为主动。二次侧调节电路透过第二控制器102开启及关闭第二开关S2以便传递讯息至一次侧调节电路；接收讯息后，一次侧调节电路透过第一控制器101控制第一开关S1开启或关闭以便传输能量至二次侧调节电路。接续，于接收能量后，输出电压Vo可被增加至二次侧预设调制电压Vossc，此时进入稳定状态。图6中，电压对应点p1对应临界电压位准SSC-UVL位置，电压对应点p2对应一次侧预设调制电压Vopsc位置，电压对应点p3对应二次侧预设调制电压Vossc位置。由图6中，电压对应点p1前为一次侧调节电路单独作动，电压对应点p1至电压对应点p2为一次侧调节电路及二次侧调节电路同时作动，电压对应点p2后为二次侧调节电路单独作动，展示本案由一次侧调节电路及二次侧调节电路轮流主导调制输出电压Vo的方式。
更详而言之，能量是通过第一绕组201及第二绕组202间的耦合，而能由一次侧调节电路传递至二次侧调节电路，而讯息是通过第二绕组202及辅助绕组203间的耦合而回馈至一次侧调节电路。第一开关S1是耦合至第一控制器101的栅(gate)控制端；而第二开关S2是耦合至第二控制器的栅(gate)控制端。
图8是绘示图5中的转换器运作于不连续电流模式(Discontinuous CurrentMode)的波形图。此时，第二控制器102控制第二开关S2开启然后关闭以便通知一次侧调节电路提供能量；辅助绕组203侦测到具有一陡峭斜率的一电压位准(区域R1中，辅助电压Va的波形)；然后，第一控制器101控制第一开关S1开启以便储存能量。当第一开关S1关闭时，能量即由一次侧调节电路传递至二次侧调节电路。图8中，时间点t0-t1时，第一控制器101的gate端具有一电压变化，表此时第一控制器101打开(on)。时间点t3-t4时，第二控制器102的gate端具有一电压变化，表此时第二控制器102打开(on)。
图9是绘示图5中的转换器运作于连续电流模式(Continuous Current Mode)的波形图。此时，第二控制器102控制第二开关S2开启然后关闭，以便通知一次侧调节电路提供能量；此时，辅助绕组203侦测到具有一电压位准峰值(区域R2中，辅助电压Va的波形)，然后第一控制器101控制第一开关S1开启以便储存能量，当第一开关S1关闭时，能量即由一次侧调节电路传递至二次侧调节电路。图9中，时间点t0-t1时，第一控制器101的gate端具有一电压变化，表此时第一控制器101打开(on)。时间点t2-t3时，第二控制器102的gate端具有一电压变化，表此时第二控制器102打开(on)。
综上，本发明提供的转换器是分别设置二独立的第一控制器101及第二控制器102于一次侧调节电路及二次侧调节电路中，借此，可控制第二开关S2的开启/关闭，以便令讯息可即时于一次侧调节电路及二次侧调节电路间传递，因此可增加反应速度，且可对输出电压Vo进行精确控制。
虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (17)

1.一种双边电压调制方法，其特征在于，其是透过一一次侧调节电路及一二次侧调节电路调制一电压，该双边电压调制方法包含：
提供一第一控制器于该一次侧调节电路；
提供一第二控制器于该二次侧调节电路；以及
于该第一控制器及该第二控制器间交换一讯息，以令该一次侧调节电路及该二次侧调节电路依据该讯息轮流调制一输出电压。
2.根据权利要求1所述的双边电压调制方法，其特征在于，该一次侧调节电路调制该输出电压于一初始状态，该二次侧调节电路调制该输出电压于一稳定状态。
3.根据权利要求1所述的双边电压调制方法，其特征在于，当该二次侧调节电路产生一能量需求时，该一次侧调节电路传递能量至该二次侧调节电路。
4.一种双边电压调制方法，其特征在于，其是透过一一次侧调节电路及一二次侧调节电路调制一电压，该双边电压调制方法包含：
激活该一次侧调节电路以产生一输出电压；
透过该一次侧调节电路增加该输出电压至一一次侧预设调制电压；
当该输出电压大于一临界电压位准时，激活该二次侧调节电路；
开启然后关闭该二次侧调节电路内的一第二开关，以回馈一讯息至该一次侧调节电路；
当该一次侧调节电路接收该讯息，开启然后关闭该一次侧调节电路内的一第一开关，借以由该一次侧调节电路传递能量至该二次侧调节电路；以及
透过该二次侧调节电路增加该输出电压至一二次侧预设调制电压。
5.根据权利要求4所述的双边电压调制方法，其特征在于，该一次侧调节电路是透过一充电程序而被激活。
6.根据权利要求4所述的双边电压调制方法，其特征在于，由该一次侧调节电路传递能量至该二次侧调节电路是透过该一次侧调节电路内的一第一绕组与该二次侧调节电路内的一第二绕组耦合。
7.根据权利要求4所述的双边电压调制方法，其特征在于，该讯息通过该一次侧调节电路内的一辅助绕组回馈至该一次侧调节电路。
8.根据权利要求7所述的双边电压调制方法，其特征在于，该第一开关受控于该一次侧调节电路内的一第一控制器；该第二开关受控于该二次侧调节电路内的一第二控制器。
9.根据权利要求8所述的双边电压调制方法，其特征在于，当运行于一不连续电流模式时，该第二控制器控制该第二开关开启然后关闭以通知该一次侧调节电路提供能量；此时，该辅助绕组侦测到具有一陡峭斜率的一电压位准，然后该第一控制器控制该第一开关开启以储存能量；当该第一开关关闭时，由该一次侧调节电路将能量传递至该二次侧调节电路。
10.根据权利要求8所述的双边电压调制方法，其特征在于，当运行于一连续电流模式时，该第二控制器控制该第二开关开启然后关闭以通知该一次侧调节电路提供能量；此时，该辅助绕组侦测到具有一电压位准峰值，然后该第一控制器控制该第一开关开启以储存能量；当该第一开关关闭时，由该一次侧调节电路将能量传递至该二次侧调节电路。
11.根据权利要求4所述的双边电压调制方法，其特征在于，该二次侧预设调制电压大于该一次侧预设调制电压。
12.一种转换器，其特征在于，其是用以调制一电压，该转换器包含：
一一次侧调节电路，包含：一第一控制器；及一第一开关，受控于该第一控制器；以及
一二次侧调节电路，包含：一第二控制器；及一第二开关，受控于该第二控制器；
其中该第二控制器控制该第二开关开启及关闭，以提供一讯息至该一次侧调节电路；当该第一控制器接收该讯息时，该第一控制器控制该第一开关开启及关闭，以提供能量至该二次侧调节电路。
13.根据权利要求12所述的转换器，其特征在于，该一次侧调节电路包含与该第一开关及该第一控制器耦合的一第一绕组。
14.根据权利要求13所述的转换器，其特征在于，该一次侧调节电路包含与该第一控制器耦合的一辅助绕组。
15.根据权利要求14所述的转换器，其特征在于，该二次侧调节电路包含与该第二开关耦合的一第二绕组。
16.根据权利要求15所述的转换器，其特征在于，该一次侧调节电路中的该第一绕组与该二次侧调节电路中的该第二绕组耦合以便由该一次侧调节电路传递能量至该二次侧调节电路。
17.根据权利要求16所述的转换器，其特征在于，该讯息透过该辅助绕组由该一次侧调节电路传递至该二次侧调节电路。
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